Introduzione alla spettrometria di massa

La spettrometria di massa è una tecnica analitica che consente l'identificazione e la quantificazione di composti sconosciuti all'interno di un campione e la determinazione della loro struttura.

Nella spettrometria di massa, gli ioni in fase gassosa sono generati dagli atomi o dalle molecole di un campione. Gli ioni vengono quindi separati in base al loro rapporto massa-carica, simboleggiato da m/z.

Questa separazione consente la determinazione di informazioni quantitative e qualitative su un campione, come la loro massa e struttura.

Questo video introdurrà i concetti di base e la strumentazione della spettrometria di massa e ne dimostrerà l'uso nella quantificazione degli elementi.

Uno spettrometro di massa è composto da una sorgente di ionizzazione, un analizzatore di massa e un rivelatore. Alla sorgente di ionizzazione, i composti vengono ionizzati, di solito con una singola carica positiva.

Gli ioni possono essere generati utilizzando varie tecniche, come l'impatto con un fascio di elettroni, il plasma o i laser, ognuno dei quali si traduce in una serie di frammentazioni che aiutano nella determinazione della struttura molecolare. Questi metodi sono raggruppati in ionizzazione "dura" e "morbida".

Le tecniche di ionizzazione dura causano un'ampia frammentazione, con conseguente aumento dei frammenti di massa inferiore.

Le tecniche di ionizzazione morbida producono una frammentazione minore o quasi nulla con un elevato intervallo di massa molecolare.

Se la frammentazione è troppo grande, si possono perdere preziose informazioni sulla struttura. Se è troppo poco, le piccole molecole non saranno ionizzate in modo efficiente. Pertanto, la scelta di un metodo di ionizzazione dipende dall'analita di interesse e dal grado di frammentazione desiderato.

Gli ioni vengono quindi accelerati in un campo elettrico quando entrano nell'analizzatore di massa, dove verranno separati.

L'analizzatore di massa più semplice è un settore magnetico, composto da un magnete curvo che produce un campo magnetico omogeneo. La forza attrattiva del magnete, più la forza centrifuga degli ioni in accelerazione, fa sì che essi viaggino in un percorso circolare attraverso la curva.

Il raggio del percorso circolare degli ioni dipende dalla tensione di accelerazione, dal campo magnetico applicato e dal rapporto massa/carica.

La tensione e il campo magnetico possono quindi essere selezionati per consentire solo a determinate specie di rapporto massa-carica di attraversare il percorso curvo. Altri ioni si schiantano contro i lati del percorso magnetico e vengono persi. Scansionando l'intensità del campo magnetico, gli ioni desiderati raggiungono il rivelatore in momenti diversi, identificando così con precisione ogni specie.

Un altro tipo di analizzatore di massa è il filtro di massa a quadrupolo. Il quadrupolo è costituito da due coppie di aste metalliche parallele, ciascuna delle quali è collegata elettricamente.

Alle coppie di barre viene applicata una tensione in corrente continua e i loro potenziali si alternano continuamente in modo che le coppie siano sempre sfasate l'una con l'altra.

Il fascio di ioni viene quindi diretto attraverso il centro delle quattro aste. Gli ioni viaggiano in un percorso simile a un cavatappi, a causa della costante attrazione e repulsione delle aste. A seconda del rapporto massa-carica degli ioni, lo ione percorrerà l'intero percorso del quadrupolo e raggiungerà il rivelatore, oppure si schianterà contro le aste.

Ora che sono state descritte le basi dello spettrometro di massa, diamo un'occhiata al suo utilizzo in laboratorio.

Lo spettrometro di massa utilizzato in questo esperimento è uno ionizzatore al plasma accoppiato induttivamente, o ICP, con un filtro a quadrupolo. Lo strumento verrà utilizzato per rilevare e quantificare un componente metallico in un campione.

Per iniziare l'esperimento, riempire tutte le provette in polipropilene con 5 mL di acido cloridrico 0,1 M per rimuovere qualsiasi traccia contaminante di ferro. Mettere le provette a bagnomaria per 1 ora a 50 °C.

Dopo l'incubazione, lavare le provette con 5 ml di acqua deionizzata e asciugare le provette in un forno o in una cappa chimica.

Nelle provette pulite, aggiungere 1,8 mL di acido nitrico concentrato e 200 ? L di campione contenente l'isotopo di interesse.

Seguire le precauzioni di sicurezza quando si utilizza l'acido concentrato.

Mettere i tubi a bagnomaria per una notte. La temperatura può essere aumentata per ridurre i tempi di digestione, se necessario.

Dopo che il campione è stato digerito, lasciare raffreddare le provette a temperatura ambiente.

Quindi, aggiungere 8 ml di acqua deionizzata per diluire i campioni e ottenere una concentrazione di acido nitrico inferiore al 20%. La diluizione finale del campione è di 1/50. La concentrazione ideale per ICP è nell'intervallo delle parti per miliardo. Centrifugare le provette per pellettare eventuali residui macroscopici rimanenti.

L'ICP è un metodo di ionizzazione dura che utilizza plasma di argon accoppiato a circa 10.000 ? C che è elettricamente conduttivo per ionizzare le molecole del campione.

Iniziare la configurazione dello strumento ispezionando la torcia ICP per assicurarsi che sia pulita.

Quindi, ispezionare i coni del campionatore e dello schiumatoio per assicurarsi che siano puliti. Questi coni consentono il campionamento solo della parte interna del fascio ionico generato dalla torcia ICP e fungono da barriera all'alto vuoto dello spettrometro di massa.

Controllare la pressione dell'argon e avviare il refrigeratore. Avviare il flusso di plasma e liquido nel sistema. Attendere 20 minuti affinché il sistema si riscaldi completamente.

Quindi, aspirare una soluzione di test standard, che contiene vari standard elementari noti. La soluzione di prova deve essere selezionata in modo da coprire l'intervallo di massa previsto della soluzione dell'analita.

Una volta stabilito il flusso della soluzione, inizializzare e testare lo strumento secondo le linee guida del produttore.

Per far funzionare lo strumento, selezionare prima gli elementi e gli isotopi di interesse. Quindi impostare la modalità di scansione su peak hopping.

Selezionare cinque repliche per misurazione. Impostare ogni replica in modo che contenga 40 sweep di misurazione, ogni sweep con un tempo di permanenza di 50 ms. Il tempo di integrazione totale è di 2.000 ms per replica.

Preparare una curva di calibrazione per gli elementi scelti misurando soluzioni standard pre-preparate.

Infine, eseguire il campione, in questo caso nanoparticelle di ossido di ferro. Determinare la concentrazione di ferro utilizzando la curva di calibrazione del ferro.

La spettrometria di massa viene utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni utilizzando varie tecniche di ionizzazione e analisi di massa.

In questo esempio, un tipo di spettrometria di massa a ionizzazione morbida, chiamata tempo di volo a ionizzazione a desorbimento laser assistito da matrice, o MALDI-TOF, è stato utilizzato per analizzare proteine ad alto peso molecolare. Con MALDI, le molecole vengono stabilizzate con una matrice, per diminuire il frazionamento quando le molecole grandi vengono ionizzate.

La soluzione proteica e la matrice sono state entrambe individuate sulla piastra MALDI pulita ed essiccate. La piastra MALDI è stata inserita nello strumento e il campione è stato analizzato.

L'analisi dei composti volatili e sensibili all'ossidazione è stata misurata utilizzando la spettrometria di massa a ionizzazione elettronica, una tecnica di ionizzazione dura.

In primo luogo, è stato progettato un sistema di tubi bloccabili per consentire l'evacuazione completa del tubo, seguita dal caricamento del campione in raffreddamento con azoto liquido.

Il tubo del campione è stato collegato alla porta di ingresso e il campione è stato caricato nello strumento. È stato quindi analizzato lo spettro di massa del campione, in questo caso tris(trifluorometil) fosfato.

Uno spettrometro di massa a fascio molecolare accoppiato con radiazione di sincrotrone è stato utilizzato per esplorare la struttura elettronica delle molecole e dei cluster in fase gassosa.

Il fascio molecolare, integrato con la radiazione di sincrotrone, ha fornito un metodo di ionizzazione selettiva per sondare le molecole in fase gassosa.

Il campione è stato caricato nell'ugello, l'ugello ricaricato nello strumento e il fascio di fotoni è stato permesso di entrare nella camera.

Lo spettro di massa è stato quindi raccolto e confrontato con i dati sull'efficienza della fotoionizzazione al fine di determinare la struttura elettronica delle molecole.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla spettrometria di massa. A questo punto è necessario comprendere la strumentazione di base della spettrometria di massa e come eseguire un'analisi di base basata sulla spettrometria di massa.

Grazie per l'attenzione!