66218 - SPETTROMETRIA DI MASSA CON ESERCITAZIONI

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sa interpretare gli spettri di massa delle principali classi di molecole organiche ottenuti mediante ionizzazione elettronica e riconoscere le caratteristiche di quelli generati mediante altre tecniche di ionizzazione. Conosce, degli spettrometri di massa: - i principali costituenti (sorgenti e analizzatori di ioni, rivelatori, pompe da vuoto); - il loro principio di funzionamento; - le loro applicazioni a problemi analitici. Sa usare a livello principiante: - un gascromatografo/spettrometro di massa (GC/MS); - i relativi software di gestione dello strumento, di analisi quali-quantitativa dei risultati e di ricerca degli spettri di massa in banca dati; - alcune tecniche di purificazione del campione. Infine, lo studente: - impara a pianificare semplici esperienze per l'identificazione e quantificazione di inquinanti in matrici ambientali; - riapplica i fondamentali concettivi di mole, concentrazione e diluizione in semplici calcoli numerici; - consolida l'attitudine verso le fondamentali norme di comportamento e sicurezza in laboratorio; - impara a scrivere relazioni scientifiche su esperimenti di analisi chimica strumentale.

Contenuti

Prerequisiti:
Si richiede buona conoscenza dell'aritmetica, della stechiometria, della chimica generale, della chimica organica e, per gli studenti di madrelingua non italiana, anche ottima conoscenza dell'italiano.

Programma:
a) Lezioni frontali (32 ore).

1. Perché studiare la spettrometria di massa: motivare lo studente. Applicazioni e principi generali. Rappresentazione di uno spettro di massa. Definizioni di massa media, nominale, monoisotopica, esatta. Ioni isotopici (regola dell'A+2): esempio del bromobenzene.
2. Procedura per interpretare uno spettro di massa a ionizzazione elettronica (EI). Ioni a numero di elettroni pari e dispari. Esempi di spettri di massa EI di idrocarburi saturi, insaturi, composti aromatici, piridinici, pirrolici, acidi carbossilici, esteri, alcoli, composti contenenti cloro e bromo. Identificazione dello ione molecolare. Fattori che influenzano l'abbondanza ionica. Regola di Stevenson con eccezioni. Gamma-Hydrogen rearrangement. Ione tropilio e azatropilio. Even-electron rule. Riarrangiamento H e McLafferty. Riarrangiamenti multipli (esempi: ftalati, tributilfosfato).
3. Sorgenti ioniche. Ionizzazione elettronica (EI). Ionizzazione chimica (CI). Field Ionization (FI). Field Desorption (FD). Fast Atom Bombardment (FAB). Continuous Flow FAB. Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI): struttura delle principali matrici, spettri calibranti, risoluzione degli spettri, masse monoisotopiche e masse medie, ioni addotto, ioni cationizzati, ioni multicarica. ThermoSpray Ionization (TSP). Electrospray Ionization (ESI) (riconoscimento di ioni multi carica e metodi di calcolo del numero di cariche). Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI). Particle Beam (PB). Inductively Coupled Plasma Ionization (ICP). Esempi di spettri di massa ove appropriato.
4. Analizzatori di ioni. Analizzatore magnetico (B): equazione del moto di uno ione, risoluzione, ioni metastabili. Analizzatore elettrostatico (E): equazione del moto di uno ione. Dispersione energetica e spaziale. Strumenti a doppio fuoco EB e BE. Spettri IKE e MIKE. Risoluzione: definizioni, alta e bassa risoluzione. Linked scan B/E, B2/E, [B2(1-E)]/E2. Analizzatore quadrupolo (Q): equazione del moto di uno ione, diagramma di Mathieu per un quadrupolo bidimensionale. Guide multipolo a sola radiofrequenza (Multipole Rf-only guides). Tandem Mass Spectrometry (MS2) con analizzatori a triplo quadrupolo (QQQ). Analizzatore a trappola ionica (ITMS): equazioni del moto di uno ione, diagramma di Mathieu per la trappola ionica, analisi dello ione per resonant ejection, instability ejection. MS2 e MSn in ITMS mediante resonant ejection. Uso della trappola ionica come sorgente e analizzatore di ioni. Controllo automatico dell'intensità di emissione del filamento per la ionizzazione elettronica (automatic gain control). Analizzatore a tempo di volo (TOF): equazione del moto di uno ione, delayed extraction (DE), reflectron, post source decay (PSD). Cenni su Ion Cyclotrone Resonance (ICR) e Orbitrap.
5. Accoppiamenti gascromatografia/spettrometria di massa (GC/MS) e Cromatografia Liquida/Spettrometria di Massa (LC/MS).

b) Esperienze in laboratorio (24 ore).

1. Determinazione di composti organici volatili (VOC) in campioni acquosi mediante Purge and Trap/GC/MS e SPME/GC/MS.
2. Determinazione della nicotina nel fumo di sigaretta mediante Solid Phase Extraction (SPE)-GC/MS.
3. Ricerca in library NIST di spettri di massa per l'identificazione di composti incogniti (criteri per la comparazione degli spettri incogniti con quelli della library).

Testi/Bibliografia

E. de Hoffmann, V. Stroobant, Mass Spectrometry – Principles and Applications, Third Edition, Wiley, 2007. (*)

T.A. Lee, A Beginner's Guide to Mass Spectral Interpretation, Wiley, 1998. (*)

F. W. McLafferty, F. Turecek, Interpretation of Mass Spectra, University Science Books, Fourth Edition, 1993. (°)

J. H. Gross, Mass Spectrometry – A textbook, Springer, Second Edition, 2011. (^)

J. T. Watson, O. D. Sparkman, Introduction to Mass Spectrometry – Instrumentation, Applications and Strategies for Data Interpretation, Wiley, Fourth Edition, 2007. (^)

R. E. March, J. F. J. Todd, Practical Aspects of Trapped IonMass Spectrometry, Volume V, Applications of Ion Trapping Devices, pp 491-507, CRC Press, 2010. (^)

O. D. Sparkman, Z. E. Penton, F. G. Kitson, Gas Chromatography and Mass Spectrometry – A Practical Guide, Academic Press, Second Edition, 2011. (^)

M. C. McMaster, LC/MS – A Practical User's Guide, Wiley, 2005. (^)

R. B. Cole, Electrospray and MALDI Mass Spectrometry – Fundamentals, Instrumentation, Practicalities, and Biological Applications, Wiley, Second Edition, 2010. (^)

(*) Contiene parti da studiare obbligatoriamente per superare l'esame.

(°) Contiene parti utili per superare l'esame.

(^) Non necessario per superare l'esame. Utile per approfondimenti, anche futuri.

Metodi didattici

Il corso consiste in 32 ore di lezioni frontali e 24 ore di esperienze in laboratorio. Durante le lezioni si spiegano: (a) teoria, strumentazione e applicazioni della spettrometria di massa (principi fondamentali, rappresentazioni dello spettro di massa, tecniche di ionizzazione e di separazione degli ioni, rivelatori); (b) procedure per interpretare spettri di massa di molecole organiche ottenuti mediante ionizzazione elettronica e altre tecniche. Durante le esperienze di laboratorio gli studenti utilizzano un gascromatografo/spettrometro di massa (GC/MS) insieme con tecniche di purificazione del campione per identificare inquinanti in matrici ambientali.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Esame al termine del corso consistente in: (a) risoluzione di un problema di stechiometria delle soluzioni (scritto); (b) interpretazione di spettri di massa EI (scritto); chi supera queste parti passa a rispondere a domande (c) sui contenuti del programma (vedi sopra) e sugli argomenti del corso trattati a lezione (orale). Appunti/testi non consultabili.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, trasparenze, presentazioni PowerPoint (et similia), strumenti visibili e/o usabili in laboratorio.

Materiale didattico pubblicato su AMS Campus.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Guido Galletti