Spettrometria di massa: strumentazione

Il principio fisico su cui si basa la spettrometria di massa consiste nella possibilità di separare ioni atomici o molecolari con una o più cariche positive tramite un campo elettrico e  un campo magnetico opportunamente accoppiati.

La spettrometria di massa è una tecnica analitica di delucidazione strutturale basata sulla ionizzazione di una molecola e sulla sua successiva frammentazione in ioni di diverso rapporto massa / carica (M/z).  Tale tecnica non deve, quindi a rigore, essere considerata un metodo di indagine spettroscopica basata sull’assorbimento di energia, anche se quest’ultimo è la causa di formazione degli ioni analizzati nello spettrometro di massa.

La spettrometria di massa consiste dunque nella ionizzazione di molecole in fase gassosa, nella separazione dei diversi ioni prodotti e nella loro rivelazione.

Il risultato dell’esperimento è lo spettro di massa, che rappresenta l’abbondanza relativa degli ioni in funzione del loro rapporto massa/carica (ricordiamo che per ottenere uno spettro di massa dunque, il requisito essenziale è di produrre degli ioni in fase gassosa).

La spettrometria di massa, nata agli inizi del XX secolo con gli esperimenti di J. J. Thomson sul rapporto carica/massa e le scoperte di Francis W. Aston sugli isotopi (Premio Nobel 1922), si è evoluta da strumento di ricerca atomica a tecnica analitica di straordinaria precisione.

Spettrometro di massa

Nello spettrometro di massa il campione è introdotto allo stato gassoso in una camera sotto vuoto detta camera di ionizzazione. Ovviamente, qualora il campione sia solido o liquido, la gassificazione deve precedere l’ingresso nella camera. Nella camera di ionizzazione il campione è bombardato con un fascio di elettroni, la cui energia provoca in momenti successivi:

1)       Ionizzazione della molecola con formazione dello ione molecolare

2)     Rottura dei legami con frammentazione dello ione molecolare

3)     Ionizzazione dei frammenti

Gli ioni derivanti dalla frammentazione di una molecola sono separabili sulla base della diversità del rapporto massa /carica.

Lo spettrometro di massa è costituito dalle seguenti parti:

–         Pompe per la produzione di alto vuoto

–         Campionatore

–         Sorgente di ioni

–         Campo elettrico ad elevata tensione

–         Separatore degli ioni

Qui di seguito sono descritte le singole parti.

Sistema di vuoto

Lo spettrometro di massa deve operare in condizioni di vuoto spinto ed è perciò dotato di un complesso sistema di pompe e di valvole. Negli strumenti più comuni una pompa rotativa produce un vuoto di circa 10^-3 mm Hg e una seconda pompa diffusiva produce, in seguito, un vuoto da 10^-7  a 10^-8 mm Hg

Campionatori

La possibilità di disporre di campionatori per qualsiasi tipo di sostanza, sia essa solida o liquida o gassosa, sia pura che in miscela, ha permesso alla spettrometria di massa di diventare una tecnica particolarmente utilizzata. Il campionatore è costituito da un serbatoio dove è raccolto il campione vaporizzato da cui la sostanza fluisce costantemente nella camera di ionizzazione per tutta la durata della registrazione dello spettro.

L’utilizzo di tale tecnica è  corroborato dall’accoppiamento gascromatografo- spettrometro di massa. La necessità di introdurre campioni ad elevato grado di purezza, è  superata utilizzando lo spettrometro di massa ad un gascromatografo che costituisce il mezzo più potente di separazione delle sostanze organiche.

Sorgente ionica

La camera di ionizzazione è quella che determina, a causa del suo buon funzionamento, la corretta esecuzione dello spettro. La sorgente di ioni deve produrre ioni sia a massa grande che a massa piccola in modo che all’analizzatore possano arrivare tutti i frammenti della molecola in esame e contemporaneamente accelerarli.

Varie sono le sorgenti ioniche tra le quali sorgente a:

–       bombardamento elettronico

–       ionizzazione di campo

–       fotoionizzazione

–       ionizzazione di superficie

–      ionizzazione chimica

Campo magnetico separatore

Gli ioni provenienti dalla camera di ionizzazione, dopo essere stati accelerati dal campo elettrico, vengono fatti passare attraverso un potente elettromagnete. Se si considerano tutti gli ioni come aventi carica unitaria positiva, entrando nel campo magnetico essi subiscono una deflessione proporzionale alla propria massa, nel senso che ioni di massa inferiore subiscono una deflessione superiore rispetto a quelli di massa superiore.

Si ottiene, così, una separazione delle varie masse che ne permette la determinazione. Per ottenere lo spettro di massa bisogna esplorare tutto l’intervallo di masse che si presume possa essere presentato dal campione in esame; questo si ottiene variando in modo continuo il campo magnetico. I fasci di ioni separati passano attraverso una fenditura di collimazione e raggiungono il collettore.

Sistema di raccolta e di rivelazione degli ioni

Sono generalmente sistemi che fanno uso di metodi fotografici o elettronici. Con il metodo fotografico l’emulsione fotografica distesa su una superficie piana è impressionata nel punto di impatto degli ioni. Con il sistema elettronico, gli ioni, uscenti dal rivelatore sono neutralizzati nel collettore a cariche negative. Questo genera nel circuito dello stesso una corrente proporzionale al numero di ioni positivi sopraggiunti. La corrente prodotta può essere misurata molto accuratamente e quindi è possibile ottenere spettri significativi. Il registratore, indispensabile se il sistema rivelatore è di tipo elettronico, deve possedere un’alta sensibilità e una elevata velocità di risposta.

Caratteristica sostanziale di ogni procedimento analitico è il potere risolutore dello strumento impiegato per l’analisi. Il potere risolutore di uno spettrometro di massa è definito come capacità di separazione degli ioni di massa prossima senza che si verifichi una sostanziale sovrapposizione dei picchi ed è espresso dalla relazione:

PR = M/∂ M dove M indica la massa dello ione e ∂ M la differenza delle masse dei due picchi successivi che si riescono a leggere.

Applicazioni della spettrometria di massa

Le applicazioni della spettrometria di massa sono oggi vastissime e abbracciano numerosi campi della ricerca scientifica, dell’industria e della medicina. Ecco una panoramica dei principali ambiti

Chimica analitica e caratterizzazione molecolare

La spettrometria di massa è una delle tecniche più potenti per determinare la massa molecolare e la struttura chimica di composti organici e inorganici. Permette di identificare prodotti di sintesi, impurità, intermedi di reazione e di seguire l’evoluzione di processi chimici complessi. È spesso accoppiata a tecniche separative come GC-MS (gascromatografia-spettrometria di massa) o LC-MS (cromatografia liquida-spettrometria di massa).

Biologia e scienze della vita

Nella proteomica la spettrometria di massa consente di identificare e quantificare proteine e peptidi, studiare modifiche post-traduzionali e interazioni molecolari.
In metabolomica e lipidomica, è utilizzata per analizzare il profilo metabolico di cellule e tessuti, utile nella ricerca biomedica e farmacologica.
Le tecniche MALDI-TOF e ESI-MS/MS sono oggi fondamentali anche per la sequenza di proteine, la caratterizzazione di acidi nucleici e l’identificazione di microrganismi in microbiologia clinica.

Farmaceutica e medicina

È impiegata per lo sviluppo di farmaci, lo studio del metabolismo dei principi attivi, la determinazione di farmacocinetica e biodisponibilità, e il monitoraggio di biomarcatori diagnostici.
In diagnostica clinica, la spettrometria di massa è utilizzata per l’analisi di ormoni, vitamine, metaboliti e tossine, garantendo sensibilità e specificità elevatissime.

Scienze ambientali e geochimiche

La spettrometria di massa permette di rilevare tracce di inquinanti, pesticidi, metalli pesanti e composti organici volatili nell’aria, nell’acqua e nel suolo.
In geochimica isotopica, consente la datazione di rocce e minerali, lo studio dei cicli biogeochimici e delle variazioni climatiche antiche.

Fisica, astrochimica e scienze dei materiali

In astrofisica e planetologia, la spettrometria di massa è impiegata per analizzare la composizione di atmosfere planetarie, polveri cosmiche e campioni extraterrestri raccolti da sonde spaziali.
Nel campo dei materiali, viene utilizzata per studiare film sottili, polimeri, nanoparticelle e per controlli di purezza a livello atomico.

Tossicologia e forense

La spettrometria di massa consente l’identificazione di droghe, sostanze dopanti, esplosivi e veleni anche in tracce minime.
È una tecnica chiave nelle analisi forensi, nella sicurezza alimentare e nel controllo antidoping.

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