Chimica analitica

M

piccola quantità di rapporto m/z.

Un analizzatore costoso avendo un’alta risoluzione

produce picchi molto stretti e si riesce così a

percepire anche ioni che differiscono per un decimo

di Da. Inoltre avendo il picco stretto riesco a capire

dall’asse delle x (m/z) in che punto si colloca così

da calcolarmi la sua massa esatta (accurata).

Per calcolare la risoluzione ci possiamo avvalere

del rapporto riportato in figura, in particolare questo

rapporto si utilizza quando si hanno due picchi

mass spettrometrici che formano una valley al 10%,

ovvero si sovrappongono per il 10% della loro

altezza.

R = Risoluzione

m/z = Rapporto massa/carica

Δ = Distanza tra i due picchi delle sostanze → Massa nominale più grande – Massa nominale piccola.

M Lo ione successivo a quello precedente deve

separarsi al massimo per un 10% della sua

altezza. Con una risoluzione insufficiente non

si riescono a separare due segnali che

presentano una massa molto simile.

La risoluzione non ha unità di misura, è adimensionale poiché è il rapporto

tra due grandezze che utilizzano la medesima unità di misura.

Accuratezza di massa → Indica l’accuratezza dell’informazione spettrometrica fornita dallo strumento.

E’ la differenza tra la massa teorica (massa esatta) e la massa accurata (Quella fornita dallo strumento). In

particolare è la capacità che ha lo spettrofotometro di assegnare la massa corretta alla sostanza (e quindi

al picco) che io sto analizzando; se la risoluzione è bassa i segnali mass spettrometrici sono larghi e io

riesco a malapena fornire informazioni sulla massa nominale.

All’aumentare della risoluzione aumenta anche l’accuratezza di massa, che rappresenta il valore misurato

sperimentalmente che si deve avvicinare più possibile al valore della massa esatta.

Ovviamente è presente un errore da considerare, che ci

impedisce di avere la massa accurata pari alla massa

esatta (altrimenti non avremmo problemi di accuratezza).

Errore: Massa esatta - Massa accurata; se questo

valore è pari a zero allora l’accuratezza è infinita.

L’errore può essere misurato anche in parti per milione

come ci indica la figura a fianco (sotto viene riportato

anche un esempio).

Risoluzione di massa (Quella che abbiamo visto fino ad ora) → Rappresenta l’abilità che ha uno

spettrofotometro di separare due masse adiacenti, quindi va a misurare la sottigliezza del segnale

spettrometrico. Maggiore è la risoluzione più i segnali sono stretti.

Tutto questo serve a cercare di capire con che

sostanza ho a che fare senza avere uno spettro di

massa complesso che mi dia come corrispondenza

tante strutture. Ad esempio se ho uno strumento con

un errore più piccolo (0,001) e quindi un’accuratezza

elevata, riesco a trovare la sostanza che sto

analizzando più facilmente poiché lo strumento mi

troverà poche strutture corrispondenti al valore,

mentre con un errore più grande (0,005) non sarei in

grado di farlo perché ci sono tantissime strutture

chimiche diverse tra cui scegliere.

09/05/2024

Analizzatori

Rappresenta il cuore dello strumento, quello che giustifica il costo elevato dello spettrofotometro.

Quadrupolo

Gli ioni quando escono dalla sorgente entrano all’interno dell’analizzatore e vengono gestiti in maniera

diversa in base al rapporto massa su carica che possiedono.

Questo analizzatore presenta quattro barre che possono

avere una sezione cilindrica nei casi più semplici o

parabolica, queste vengono caricate elettricamente; due

possiedono segno negativo e due positivo.

Le barre rappresentano i potenziali elettrici continui (DC),

sovrapposto a questo è presente un potenziale elettrico

alternato (RF) che possiede una frequenza più alta,

solitamente quella delle radio. Questo fa sì che il potenziale

vari in base all’oscillazione data da RF.

Gli ioni risentono di questo campo quadrupolare e si muovono di conseguenza, quando entrano all’interno

delle quattro barre lunghe 20-30 cm risentono del potenziale e cominciano a muoversi secondo delle

traiettorie che non sono più rettilinee.

Se il quadrupolo fosse spento, gli ioni uscirebbero con la

medesima traiettoria con cui sono entrati; al contrario quando

l’analizzatore è funzionante gli ioni acquisiscono una traiettoria

differente poiché iniziano ad oscillare, ovviamente questa

traiettoria varia a seconda del rapporto m/z.

Sono presenti sia delle oscillazioni stabili che permettono allo ione

di uscire dall’altra parte, sia ioni che non riescono ad uscire

dall’analizzatore poiché vengono scaricati sulle barre.

Il quadrupolo quindi è sostanzialmente un filtro che fa passare un definito rapporto massa su carica, ma in

questo modo vediamo solamente una specie ionica, quindi come facciamo a vedere tutte le altre?

Ovviamente cambiando le condizioni del potenziale elettrico (sia continuo che alternato) una frazione di

secondo dopo, di volta in volta facciamo passare uno ione che presenta un rapporto massa su carica

differente. Quindi io sono in grado di fare una scansione che dura meno di un secondo in cui via via rendo

stabile la traiettoria di ioni con rapporto massa su carica sempre più alto, solitamente in un intervallo tra

10 fino a 800 m/z, infatti non è adatto a macromolecole.

So che determinato ione passa perché in quel momento conosco le condizioni del campo elettrico.

Le traiettorie stabili degli ioni vengono chiamate ‘’traiettorie risonanti’’, quelle non risonanti ovviamente

divergono e non permettono allo ione di fuoriuscire dall’analizzatore.

Durante la scansione, la fase in cui io registro la presenza di ioni con massa via via crescente; gli ioni

vengono registrati aumentando il potenziale elettrico ma non la frequenza; in modo tale che il rapporto tra

quello continuo e quello alternato rimanga costante.

Equazione di Mathieu → Rappresenta delle equazioni differenziali che descrivono il moto dello ione

all’interno del quadrupolo, queste infatti indicano la posizione dello ione in ogni posizione dell’analizzatore.

All’interno di questa equazione sono presenti due grandezze: A e Q, queste sono legate al funzionamento

del campo quadrupolare. A dipende dall’ampiezza del campo elettrico continuo, dalla massa dello ione,

dal diametro della barra e dalla frequenza dell’oscillazione del campo quadrupolare; Q è la stessa cosa ma

dipende dall’ampiezza del campo elettrico alternato.

Diagramma di stabilità → E’ relativo ad un determinato ione, in

particolare la zona triangolare rappresenta tutti i possibili valori di A

(ordinate) e Q (ascisse) che rendono la traiettoria dello ione stabile.

Quindi se tutte le combinazioni di questi due

valori si trovano all’interno del triangolo, la

traiettoria dello ione sarà stabile.

Viaggiando attraverso la linea operativa io attraverso diverse situazioni di stabilità

che mi fanno osservare diverse masse (senza la possibilità di vedere quella

precedente o successiva).

Il quadrupolo quindi è in grado di vedere solamente un tipo di ione, perdendo tutti gli altri che passano in

quel momento. Quindi è presente anche una perdita di informazioni e di segnale utile poiché gli ioni

vengono registrati uno dopo l’altro.

Questo è un analizzatore a bassa risoluzione, poiché non è in grado di apprezzare frazioni di unità di

massa atomica poiché salta di massa in massa di 1 Da (da 100 a 101, poi 102 ecc…).

Time-of-Flight

E’ un analizzatore ad alta risoluzione, quindi è molto più costoso rispetto al precedente.

Gli ioni entrano tutti insieme e vengono registrati dall’analizzatore, viene sfruttata la diversa velocità che

possiedono gli ioni all’interno del tubo di volo. Questo analizzatore è in grado di misurare la velocità degli

ioni che impiegano per percorrere questo tubo di volo.

Gli ioni prodotti vengono accelerati con un potenziale elettrico nel tubo di volo all’interno del quale lo

percorrono con velocità diversa: Gli ioni più piccoli a parità di potenziale elettrico viaggiano più veloce, al

contrario invece quelli grandi.

Misurando esattamente il tempo di percorrenza all’interno del tubo di volo riesco a risalire al rapporto m/z.

Il sistema funziona ad impulsi poiché gli ioni vengono prima allineati e poi fatti partire tutti insieme.

Siccome l’energia cinetica a cui vengono caricati gli ioni è uguale per tutti, per mantenere

questo rapporto di costanza gli ioni più grandi avranno una velocità più bassa mentre

quelli più piccoli avranno una velocità più elevata. Sostituendo la velocità

nell’espressione dell’energia posso riarrangiarla per ricavarmi il tempo di volo.

Dall’equazione del tempo di volo sono in gradi di ricavarmi m/z, in questa equazione infatti

possiamo osservare che l’unica variabile è rappresentata dal tempo di volo.

L’unico problema che rimane da affrontare è che affinché il tempo di volo funzioni bene tutti gli ioni devono

partire da fermi nello stesso istante. Se gli ioni possiedono una velocità iniziale, questi partono prima e in

momenti diversi e il segnale non diventa veritiero, quindi viene peggiorata la risoluzione dello strumento.

Però gli ioni quando vengono formati in sorgente questi possiedono delle velocità iniziali diverse, e anche

se hanno il medesimo rapporto m/z arriveranno alla fine del tubo di volo con velocità diverse. Come si

risolve questo problema?

Viene posto un secondo tubo di volo associato al primo chiamato Reflectron, questo crea uno specchio

elettrostatico che riflette in una direzione leggermente diversa gli ioni che arrivano dalla sorgente.

Lo ione più veloce quando entra nel Reflectron

percorrerà questo per una lunghezza più lunga, quindi

verrà riflesso in un tempo maggiore rispetto ad uno ione

più lento (che percorre una traiettoria più breve).

Questo permette di allineare i due ioni che presentano

un rapporto m/z uguale che arriveranno al detector con

la medesima velocità e quindi il segnale sarà veritiero.

Orbitrap

Presenta una risoluzione più elevata rispetto al Time-of-Flight, quindi è più costoso.

E’ costituito da un piccolo spazio all’interno dello strumento in cui vengono

intrappolati gli ioni che provengono dalla sorgente, questi prima vengono

bloccati e poi sparati all’interno dell’analizzatore, una volta arrivati dentro si

muovono ma rimangono bloccati su delle traiettorie circolari fisse all’interno

di