Spettrometria di massa

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La spettrometria di massa è una tecnica analitica applicata sia all'identificazione di sostanze sconosciute, sia all'analisi in tracce di sostanze. Viene comunemente usata in combinazione con tecniche separative, quali la gascromatografia e la cromatografia in fase liquida (HPLC) o, più recentemente, con tecniche quali il plasma a induzione.

Il principio su cui si basa la spettrometria di massa è la possibilità di separare una miscela di ioni in funzione del loro rapporto massa/carica generalmente tramite campi magnetici statici o oscillanti. Tale miscela è ottenuta ionizzando le molecole del campione, principalmente facendo loro attraversare un fascio di elettroni ad energia nota. Le molecole così ionizzate sono instabili e si frammentano in ioni più leggeri secondo schemi tipici in funzione della loro struttura chimica.

Il diagramma che riporta l'abbondanza di ogni ione in funzione del rapporto massa/carica è il cosiddetto spettro di massa, tipico di ogni composto in quanto direttamente correlato alla sua struttura chimica ed alle condizioni di ionizzazione cui è stato sottoposto.

Strumentazione[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Spettrometro di massa.

Spettri[modifica | modifica sorgente]

Risoluzione di uno spettro[modifica | modifica sorgente]

La risoluzione è la capacità dello strumento di distinguere tra due picchi adiacenti. La risoluzione necessaria a separare A e B si calcola come M/ΔM dove:

  • M è il valore di m/z del picco A
  • ΔM è la differenza tra i valori di m/z di due picchi contigui picco B e picco A

(Per maggior precisione M/ΔM dovrebbe chiamarsi potere risolvente, mentre ΔM risoluzione).

L'altezza della valle non deve essere maggiore del 10% dell'altezza del picco perché i due picchi possano considerarsi risolti.

Un modo più recente di calcolare la risoluzione è quello di fare il rapporto tra il valore m/z del picco e la sua larghezza a metà altezza.

Risoluzione unitaria[modifica | modifica sorgente]

Per risoluzione unitaria si intende una risoluzione tale da poter distinguere tra due valori di m/z interi consecutivi (ad esempio tra 15 e 16); è la più bassa risoluzione per il funzionamento di uno spettrometro.

Tipi di picchi presenti[modifica | modifica sorgente]

I principali tipi di ioni che possono formarsi durante la ionizzazione sono:

  • Ione molecolare
  • Ioni isotopici
  • Ioni frammento
  • Ioni riarrangiamento
  • Ioni multicarica (ESI)
  • Ioni metastabili
  • Ioni di interazione ioni-molecola
  • Ioni negativi (spettrometria di massa a ioni negativi)

Cenni minimi all'interpretazione di uno spettro[modifica | modifica sorgente]

Spettro di massa del toluene; il picco base è il 91, il picco genitore è il 92

La determinazione della struttura molecolare può essere fatta con metodo top-down cioè iniziando dallo ione molecolare e andando poi ai frammenti o al contrario (bottom-up).

Picco base[modifica | modifica sorgente]

In applicazioni di routine, gli spettri vengono normalmente rappresentati come istogrammi che riportano l'abbondanza di ogni ione in funzione della sua massa, ipotizzando ragionevolmente che tutti gli ioni prodotti dall'analisi abbiano carica singola.
Le abbondanze vengono riportate come rapporto rispetto al picco base, che è il picco più abbondante osservato nello spettro. Tale normalizzazione permette di avere spettri che sono funzione solamente dell'analita e delle condizioni di analisi.
Il picco base non sempre coincide con il picco molecolare o picco genitore, che è invece il picco che corrisponde alla molecola ionizzata (ione molecolare) e che consente di stabilire quindi il peso molecolare dell'analita. In genere, più uno ione molecolare è stabilizzato (per effetto induttivo o per risonanza), maggiore è la sua probabilità di giungere intatto al rivelatore, maggiore quindi sarà la sua abbondanza. Dall'abbondanza del picco genitore è possibile già ipotizzare a quale classe di composti appartenga l'analita. Nel caso della ionizzazione da impatto a medie energie si ha:

Qualora si desideri aumentare l'abbondanza del picco genitore, occorre o ridurre l'energia impiegata nella ionizzazione da impatto o ricorrere a tecniche di ionizzazione più soft quali la ionizzazione chimica o di campo.

Inoltre esistono alcune regole empiriche per aiutare nell'identificazione della composizione elementare dell'analita, come ad esempio la regola dell'azoto.

Effetti isotopici[modifica | modifica sorgente]

Il numero di picchi osservati in uno spettro di massa è sempre maggiore di quello dei frammenti prodotti dall'analisi, questo perché ogni picco è accompagnato da picchi satellite, prodotti da ioni contenenti isotopi minoritari dei vari elementi. Dato che i rapporti medi tra le diverse quantità di isotopi di uno stesso elemento in natura sono noti e sostanzialmente costanti, dall'abbondanza dei picchi satellite è possibile ricavare informazioni che consentono di ipotizzare la formula bruta dell'analita.
Un esempio particolarmente eclatante di questo effetto riguarda il cloro ed il bromo, la cui presenza nello spettro è immediatamente evidente:

  • Il cloro è presente in natura con due isotopi 35Cl, 75% circa, e 37Cl, 25% circa. Questo fa sì che gli ioni contenenti un atomo di cloro producano due picchi, uno a peso molecolare M ed uno a peso molecolare M+2 in rapporto 3:1.
  • Il bromo è presente in natura con due isotopi 79Br, 51% circa, e 81Br, 49% circa. Questo fa sì che gli ioni contenenti un atomo di bromo producano due picchi, uno a peso molecolare M ed uno a peso molecolare M+2 in rapporto circa 1:1.

Un effetto meno marcato è prodotto anche dal carbonio, dato che 13C ha un'abbondanza in natura dell'1% circa.
Il rapporto isotopico fa sì che ci sia un cluster isotopico molecolare, l'intensità relativa dei picchi M+1 m/z e M+2 m/z, dove M è il picco dello ione molecolare, risente molto del rapporto isotopico. Sfruttando questo fenomeno è stata ricavata una formula, una cui versione semplificata è stata scritta da Fred McLafferty per i composti contenenti C, H, N, O, F, P, I, per determinare la formula bruta dell'analita. Esistono in letteratura tabelle (le tabelle di Beynon) che mettono in correlazione le distribuzioni dei picchi satellite con la formula bruta di un composto, inoltre tali funzioni sono ormai integrate nei software di analisi ed interpretazione degli spettri di massa.

Frammentazioni[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Classi di frammentazione.

Il picco dello ione molecolare è quello prodotto dalla molecola dell'analita; avendo perso un elettrone, la molecola è diventata un radicale-ione che, instabile, si decompone in frammenti che sono radicali e ioni. I primi, essendo neutri, non giungono al rivelatore, ma la loro massa può essere dedotta per differenza tra il peso molecolare del picco genitore e quello dei frammenti ionici. Gli ioni sono anch'essi stabilizzati per effetto induttivo e per risonanza, pertanto la presenza nello spettro di ioni di pesi molecolari tipici è rivelatrice della presenza di alcuni gruppi nella molecola. Possono avvenire ulteriori frammentazioni dei frammenti formatisi (frammentazione secondaria).

Premi Nobel legati alla spettrometria di massa[modifica | modifica sorgente]

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • T. W. Graham Solomons, Chimica organica, 2ª ed., Bologna, Zanichelli, 2001, pp. 526-543. ISBN 88-08-09414-6.
  • Robert M. Silverstein, Francis X. Webster, David J. Kiemle, Identificazione spettrometrica di composti organici, 2ª ed., Milano, Casa Editrice Ambrosiana, giugno 2006. ISBN 88-408-1344-6
  • Kenneth A. Rubinson, Judith F. Rubinson, Chimica analitica strumentale, 1ª ed., Bologna, Zanichelli, luglio 2002. ISBN 88-08-08959-2

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Riviste accademiche

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]