Utente:Giuli2797/Cromatografia/Spettrometria di massa e accoppiamento GC-MS: differenze tra le versioni

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{{Cromatografia}}
==Spettrometria di massa==
La spettrometria di massa è una tecnica analitica che studia gli ioni in fase gas e che consente di identificare i componenti presenti all'interno di una miscela, determinarne il peso molecolare ed eseguire analisi quantitative. È una tecnica che presenta un'ampia applicabilità grazie alle sue caratteristiche intrinseche: può essere usata su campioni sia organici che inorganici con un intervallo di peso molecolare fino a 10<sup>8</sup> Da, è inoltre estremamente sensibile (fino a 10 <sup>-12</sup> mol/L), è in grado di fornire informazioni sia qualitative che quantitative, per questo motivo le aree di interesse sono estremamente vaste e vanno dalla farmacologia alle scienze ambientali alla biologia e molte altre ancora. Un grande limite legato a questa tecnica è che non è in grado di separare composti diversi, per questo motivo viene infatti accoppiata ad una tecnica separativa come la cromatografia liquida o la gas cromatografia. Ovviamente, essendo differenti le condizioni operative richieste da queste due tecniche bisognerà utilizzare un adeguato sistema di interfaccia che consenta ai due strumenti di lavorare insieme. Questa parte verrà in seguito discussa e meglio approfondita nei capitoli successivi.<br>
 
Il principio che è alla base del funzionamento dello spettrometro di massa vi è la separazione di ioni in fase gas attraverso il loro rapporto massa/carica i quali vengono poi inviati ad un detectorrivelatore che converte l'abbondanza dei singoli ioni in un segnale elettrico.
 
La strumentazione che viene impiegata per la spettrometria di massa può essere schematizzata nel seguente modo: <br>
[[File:Schema a blocchi MS.png|thumb|center|600px|Schema a blocchi di uno spettrometro di massa]]
SISTEMA DI INTRODUZIONE DEL CAMPIONE &rarr; SORGENTE IONICA &rarr; ANALIZZATORE &rarr; RIVELATORE <br>
 
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::::: <math> V_{tot} = V_{cont}+V_{alt} cos \Omega</math> <br>
 
Per eseguire l’analisi si va ad incrementare il valore di tensione continua e alternata applicata in modo tale che il rapporto V<sub>cost</sub> / V<sub>alt</sub> rimanga costante. Con l’opportuna regolazione delle tensioni infatti, viene creato un percorso stabile solamente per ioni aventi un determinato rapporto m/z: questi saranno in grado di descrivere la traiettoria sinusoidale necessaria per arrivare fino al detectorrivelatore , gli altri invece verranno eliminati lungo il percorso in quanto descriveranno oscillazioni di ampiezza via via crescente, per cui procedendo lungo il percorso andranno a collidere contro una delle sbarre costituenti un elettrodo. Lo spettro di massa viene quindi ottenuto scansionando le tensioni che vengono applicate agli elettrodi.
 
Il tempo necessario per eseguire la scansione completa è piuttosto breve, inoltre la capacità di trasmissione è elevata. Uno dei più grandi svantaggi è costituito dal fatto che la risoluzione è piuttosto bassa, il che la rende adatta ad analisi in accoppiata con cromatografia liquida o gas cromatografia, ma non alla rivelazione di ioni con massa superiore ai 1000 Da.
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::::: <math>t=\sqrt{\frac {m}{z} \left ( \frac{d^2}{2V_{acc}e} \right) } </math>
 
Dalla precedente formula si evince che il tempo impiegato dagli ioni per percorrere una distanza fissa verso il rivelatore è inversamente proporzionale alla massa degli ioni stessi. Per questo motivo ioni con basso valore m/z arrivano al rivelatore più velocemente di quelli con elevato valore m/z: a parità di carica saranno gli ioni più leggeri a raggiungere per primi il detectorrivelatore. <br>
Affinché la separazione sia utile è necessario che tutti gli ioni partano contemporaneamente dalla sorgente ionica, in questo modo tutti gli ioni aventi lo stesso rapporto m/z arriveranno contemporaneamente al rivelatore e tutti gli ioni vengono rivelati in sequenza a seconda del valore del loro rapporto massa/carica.
 
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: Δt e Δm l’ampiezza a mezza altezza dei picchi;
: d la distanza percorsa dallo ione;
: Δx lo spessore di un pacchetto di ioni che arriva al detectorrivelatore.
 
Dal momento che la risoluzione è proporzionale al tempo di volo e al percorso, per migliorare la risoluzione è possibile agire in due modi:
• Allungare il tubo dell’analizzatore in modo da allungare il cammino che ogni ione deve compiere per arrivare al detectorrivelatore – in questo modo però si aumenta la perdita di ioni a causa della loro dispersione a seguito della collisione degli ioni con le molecole di gas;
• Abbassare la tensione di accelerazione. Questo comporta però l’abbassamento della sensibilità. <br>
È quindi necessario trovare un adeguato compromesso che consenta di avere una buona risoluzione e sensibilità, questo viene fatto utilizzando un tubo lungo 1-2 metri e usando una tensione di accelerazione di 20 kV <ref>Hoffmann pag.129</ref>.<br>
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I rivelatori utilizzati nella spettrometria di massa sono strumenti in grado di generare una corrente elettrica la cui intensità è proporzionale all'abbondanza degli ioni incidenti. Ne esistono di diverse tipologie e la scelta di uno rispetto ad un altro dipende dal tipo di applicazione analitica che si svolge e dalla geometria della strumentazione.
Dal momento che il numero di ioni che superano l'analizzatore è solitamente piuttosto piccolo, è spesso necessaria un'amplificazione del segnale.
Il primo detectorrivelatore impiegato nella spettrometria di massa è il '''piatto fotografico'''. Il suo funzionamento si basa sul fatto che gli ioni con lo stesso rapporto m/z raggiungono la piastra nello stesso punto: in questo modo è possibile rivelare simultaneamente un vasto numero di ioni con rapporto massa/carica differente. L'abbondanza relativa dei singoli ioni viene invece stimata sulla base dell'oscurità delle macchie che rimangono impresse sulla lastra fotografica. Questo metodo di rivelazione consente di avere un valore di abbondanza ovviamente approssimativo, per questo motivo è ormai in disuso. <br>
Un'altra tipologia di rivelatore è a '''coppa di Faraday''' il quale è costituito da una coppa metallica o cilindrica con un piccolo foro la quale è collegata a terra con un resistore. Gli ioni che riescono a raggiungere l'interno del cilindro vengono neutralizzati attraverso la donazione o acquisizione di elettroni dalle pareti del rivelatore contro cui impattano: questo processo di scarica produce un passaggio di corrente che viene amplificata e rivelata. Questa tipologia di detectorrivelatore presenta innumerevoli fonti di errore, tra queste ad esempio la presenza di elettroni secondari i quali vengono generati nel momento in cui un elettrone impatta contro la parete del rivelatore: se non vengono eliminati per tempo vengono rivelati dal detectorrivelatore falsando il segnale. È quindi necessario adottare un adeguato sistema di cattura di elettroni oppure adottare delle accortezze per ridurne la produzione o impedirne la rivelazione. Una soluzione può essere realizzata attraverso la copertura delle pareti del rivelatore con carbone in quanto produce un minor numero di elettroni secondari. Anche la forma della coppa di Faraday è estremamente importante, infatti insieme all'utilizzo di un campo magnetico debole, impedisce agli elettroni secondari di uscire ed essere rivelati. Questa serie di fattori incidono soprattutto sulla sensibilità (che è piuttosto ridotta) e sulla bassa velocità di risposta. <br>
Il detectorrivelatore più comunemente usato è il '''moltiplicatore di elettroni a dinodi discreti''' il cui principio di funzionamento è analogo a quello di un tubo fotomoltiplicatore. Gli elettroni e ioni che arrivano dall'analizzatore vengono fatti impattare contro un catodo di Cu-Be generando elettroni secondari i quali a loro volta vengono indirizzati e accelerati verso il dinodo successivo il quale viene mantenuto ad una tensione positiva sempre più elevata. Il numero di dinodi può variare da 12 fino a 20 unità <ref> Hoffmann pag 177 </ref>. [[File:Electron multiplier.svg|thumb|Moltiplicatore di elettroni]] Un'altra variante di questa tipologia di rivelatore è il '''moltiplicatore di elettroni a dinodo continuo''' in cui i dinodi discreti sono sostituiti da un dinodo continuo di forma solitamente a corno, le cui pareti sono costituite da vetro drogato Pb <ref> Skoog pag 807</ref> <ref> Hoffmann pag 178 </ref>.La differenza di potenziale viene applicata lungo tutto il rivelatore. Gli elettroni e gli ioni entrano nel rivelatore dalla parte dell'apertura maggiore, impattano contro la superficie del tubo e generano elettroni secondari che vengono accelerati verso l'uscita del rivelatore: prima di arrivare alla fine della sua lunghezza però impatteranno più volte con le pareti amplificando il segnale per effetto cascata. L'elevato fattore di amplificazione che si può ottenere in entrambi i casi (circa 10<sup>7</sup> <ref> Skoog pag 807</ref>) e la velocità di risposta di questo rivelatore lo rendono estremamente adatto. L'unica problematica è legata al fatto che il fattore di rivelazione dipende fortemente dalla velocità di impatto degli ioni rivelati così come dalla loro massa e carica, per questo motivo l'efficienza di rilevamento è molto inferiore per ioni con elevato m/z e per gli ioni molto lenti. L'utilizzo dei dinodi discreti e l'applicazione di un potenziale via via crescente aiuta ad accelerare gli ioni cosicché si riesca ad ottenere una buona efficienza di rilevamento anche per gli ioni più lenti. In particolare il moltiplicatore a dinodi discreti viene impiegato per la rivelazione di ioni ad alta massa e a bassa energia cinetica.
 
==Accoppiamento GC-MS==
L'utilizzo dello spettrometro di massa come detectorrivelatore per la gas cromatografia presenta molti vantaggi:
* è estremamente specifico nella selezione di ioni da quantificare;
* è uno dei rivelatori più sensibili in assoluto;
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Altro aspetto da tenere a mente nell'accoppiamento di queste due tecniche è la scelta del solvente: deve essere compatibile con entrambe e non deve dare picchi di interferenza, per questo motivo si deve selezionare un solvente che non fornisca picchi che ricadano nell'intervallo m/z di interesse nell'analisi.
 
==Esempio di applicazione==
La metodologia analitica che prevede l’accoppiamento GC-MS è, come abbiamo visto nel corso di questo capitolo, una tecnica estremamente efficace nella separazione e determinazione di analiti in matrici anche molto complesse. In questa sezione verrà proposta la costruzione di un metodo analitico che prevede la determinazione quantitativa degli IPA in un campione di sedimento marino utilizzando la tecnica accoppiata GC-MS usando come riferimento il metodo analitico ufficiale dell’issdell’ISS. <br>
Gli idrocarburi policiclici aromatici sono prodotti derivati dalla combustione incompleta e la pirolisi di materia organica e la loro determinazione è estremamente importante in quanto 16 di loro presentano attività cancerogena (naftalene, acenaftilene, acenaftene, fluorene, fenantrene, antracene, fluorantene, pirene, benzo[a]antracene, crisene, benzo[a]fluorantene, benzo[k]fluorantene, benzo[a]pirene, indeno[1,2,3-c,d]pirene, dibenzo[a,h]antracene, benzo[g,h,i]perilene). La loro presenza viene monitorata per valutare l’impatto ambientale che i processi umani hanno e per farlo tale analisi viene eseguita su matrici diverse (acqua, sedimenti..). Per prima cosa bisogna andare a definire quelle che sono le condizioni di esercizio per entrambe le tecniche e costruire un’interfaccia che funzioni. <br>
Per quanto riguarda la gas cromatografia si sono usati i seguenti parametri: [[File:Programmata temperatura.png|thumb|Programmata di temperatura]]
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<math>C_{analita} = \frac { C_{analita ppb} * volume (mL)}{massa campione}</math>
 
==Bibliografia==
Fondamenti di Chimica Analitica di Skoog e West - III edizione, EdiSES S.r.l., 2015 <br>
Mass Specrtometry: Principles and Applications, E. de Hoffmann & V. Stroobant, John Wiley & Sons, 2007 <br>
Modern Practice Of Gas Chromatography, R. L. Grob & E. F. Barry, Wiley Interscience, 2004
 
==Note==
<references/>