UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II S

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II S. I. C. S. I. VII CICLO - CLASSE A 013 LABORATORIO DI CHIMICA ANALITICA SPETTROMETRIA DI MASSA E APPLICAZIONI DOCENTE: Prof Andini

CLASSE DI RIFERIMENTO: 5° anno ITI ad indirizzo chimico PREREQUISITI: • Gascromatografia • Nozioni di chimica organica OBIETTIVI: • comprendere i principi di funzionamento della spettrometria di massa • conoscere una delle tante applicazioni della spettrometria di massa: il monitoraggio della diossina in atmosfera, spunto per lavori multidisciplinari

SPETTROMETRIA DI MASSA La spettrometria di massa è una tecnica analitica che permette di misurare la massa di una molecola Lo spettrometro di massa è uno strumento che produce ioni e li separa in base al loro rapporto massa/carica (m/z)

SCHEMA DI UNO SPETTROMETRO DI MASSA rivelazione degli ioni cosi’ separati generazione di ioni in fase gassosa separazione degli ioni in funzione del rapporto m/z spettro di massa : diagramma dell’abbondanza relativa degli ioni prodotti in funzione del rapporto m/z

IONIZZAZIONE La scelta del metodo di ionizzazione è importante. Metodi diversi producono diversi tipi di ioni e, soprattutto, hanno efficacia diversa in funzione del tipo di molecole studiata. • • e -: Espulsione di Protonazione: Cationizzazione: Deprotonazione: M M + H+ M + Cat+ MH +. M + e. MH+ MCat+ M - + H+

IONIZZAZIONE Ionizzazione “hard” Eccesso di energia nello ione molecolare (rispetto alla energia di ionizzazione) Estesa frammentazione Ionizzazione “soft” Basso contenuto energia nello ione molecolare Frammentazione limitata ione molecolare radicale frammentazione

SPETTRO DI MASSA In uno spettro di massa, l’asse delle X riporta valori rapporto m/z e l’asse delle Y valori di abbondanza relativa degli ioni analizzati. Picco Base Ione Molecolare Diagramma a linee verticali

IONIZZAZIONE frammentazione Ionizzazione “hard” ioni frammento

SPETTRO DI MASSA Dallo spettro di massa si può risalire alla struttura di un composto incognito, attribuendo ai singoli ioni composizione elementare e ricostruendo i meccanismi di frammentazione seguendo schemi tipici per le varie classi di composti. Picco Base O CH 3 m/z 43 - 15 CH 2 m/z 57 Ione Molecolare - 29 C CH 3

INTERPRETAZIONE DI UNO SPETTRO DI MASSA

PICCHI ISOTOPICI La spettrometria di massa misura la massa di molecole singole, per cui la massa misurata dipende dagli effettivi isotopi presenti nella molecola 1. 1% (numero di C)+ 0. 36% (numero di N) M+1 M+2 Cl (33% di M) Br (100% di M) S (4% di M)

Tabelle e Collezioni di spettri • NIST 02: 147198 spettri • Wiley 7: 338322 spettri • Wiley 7/NIST 02 combinate: 425000 spettri

MODALITA’ DI IONIZZAZIONE Hard Ionization: • Ionizzazione elettronica (EI) Soft Ionization: • Ionizzazione chimica (CI) • Bombardamento con atomi veloci (FAB) • Desorbimento laser assistito da matrice (MALDI) • Ionizzazione elettrospray (ESI)

IONIZZAZIONE PER IMPATTO ELETTRONICO (EI) E’ la modalità più classica, tuttora molto utilizzata. E’ una ionizzazione ‘hard’. Il campione deve essere in stato di vapore. Adatto per composti piccoli (< 800 Da), volatili, termicamente stabili. Interfaccia con GC, anche HPLC. Sotto alto vuoto: 10 -5 -10 -6 Tor M (g) + e - -> M + (g) + 2 e –

Il campione, in fase gassosa, viene bombardato, ad angolo retto, da un fascio elettronico, emesso da un filamento caldo Il repeller spinge rapidamente lo ione dalla sorgente verso la zona di accelerazione Gli ioni positivi vengono spinti attraverso la prima fenditura da un debole campo elettrostatico. Quindi un forte campo elettrostatico accelera gli ioni fino alla loro velocità finale

ANALIZZATORI Strumenti a settore Analizzatori di massa a quadrupolo Time-of-Flight (TOF)

ANALIZZATORE A SETTORE MAGNETICO L’analizzatore si trova all’interno di un campo magnetico, perpendicolare alla direzione del fascio di particelle cariche. Il campo magnetico fa curvare il fascio. Per un dato valore di campo magnetico B e di potenziale di accelerazione V a ciascun valore del rapporto massa/carica m/z corrisponde un raggio di curvatura r.

QUADRUPOLO Quattro barre parallele U corrente continua d. c. V cosωt voltaggio alternato r. f. , dipendente dal tempo Per un dato valore dei potenziali solo gli ioni con un singolo valore del rapporto m/z raggiungono il rivelatore. La scansione di uno spettro si ottiene facendo variare simultaneamente d. c. e a. c. , mantenendo costante il loro rapporto.

TRAPPOLA IONICA Il processo trappola di ionica MS/MS può in essere descritto in 4 steps: Ø Ionizzazione Ø Isolamento dello ione padre Ø Frammentazione per collisione indotta (CID) Ø Analisi di massa degli ioni figlio prodotti

TRAPPOLA IONICA

APPLICAZIONE SPETTROMETRIA DI MASSA ANALISI DI MICROINQUINANTI ORGANICI

DIOSSINE L’emergenza diossina è iniziata in Campania nella primavera del 2002 a seguito del riscontro di livelli di diossina superiori ai limiti previsti dalla normativa comunitaria vigente (Reg. CE 2375/01) in due campioni di latte di massa ovicaprino. Secondo la letteratura internazionale, la principale fonte di esposizione (circa il 90%), per la specie umana, è rappresentata dalla presenza delle diossine negli alimenti ed in particolare i maggiori carrier alimentari sono le matrici grasse d'origine animale e, quindi, tutti gli alimenti che li contengono. Ecco come dalle fonti ambientali la diossina passa alle matrici alimentari

DIOSSINE Seveso 1976. Icmesa nube tossica di diossina. Primi sintomi: infiammazioni agli occhi; quindi aborti spontanei e cloracne. Specifiche normative sui Rischi di Incedenti Rilevanti connessi con determinate attività industriali (normativa SEVESO) TCDD

DIOSSINE 210 composti chimici aromatici policlorurati PCDD PCDF 17 congeneri tossici che presentano gli atomi di cloro in posizione 2, 3, 7, 8

Diossine - Tossicità La struttura delle diossine si adatta alle cavità di uno specifico recettore biologico (recettore Ah), e in questa forma è in grado di attraversare le membrane cellulari e di avviare così l’azione tossica. La tossicità è variabile in funzione del numero e delle posizioni degli atomi di cloro sostituenti. La presenza di sostituenti in posizione 2, 3, 7, 8, rende la molecole particolarmente tossica

Diossine – Tossicità (I-TEF) Tossicità Equivalente:

Diossine - Fonti 2 principali meccanismi nella formazione di PCDD/F 1. imperfetto processo di combustione negli impianti di incenerimento municipali, ospedalieri ed industriali a formare prodotti di combustione incompleta 2. prodotti secondari indesiderati durante la produzione di particolari prodotti chimici organici clorurati: I. clorofenoli e loro derivati II. cloro difenil eteri e policloro difenili (PCB) la produzione di diossina risulta inevitabile nei processi di combustione di materia organica, poiché nelle combustioni è praticamente sempre presente il cloro

METODOLOGIA ANALITICA • Campionamento • Estrazione/Purificazione • Analisi Strumentale

Analisi strumentale Diossine Spettrometro di massa EI a trappola ionica accoppiato a GC

MS/MS Ioni precursori: [M]+, [M+2]+ e [M+4]+ MS/MS (Precursor ion) (Product Ion) Ioni figlio: [M-CO 35 Cl]+, [M+2 -CO 37 Cl]+, [M+4 -CO 37 Cl]+

Diossine Furani marcati Diossine marcate