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L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato:

L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU) Modulo di: Chimica analitica strumentale (4 CFU) Giorgio Bonaga. SPETTROMETRIA DI MASSA SPETTRO MS (CAS-7d). 43. 100. relative abundance.

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  1. L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU) Modulo di: Chimica analitica strumentale (4 CFU) Giorgio Bonaga SPETTROMETRIA DI MASSA SPETTRO MS (CAS-7d) 43 100 relative abundance 60 2-butanone 29 72 20 57 30 40 50 60 70 80 m/z Giorgio Bonaga 20

  2. SPETTRO DI MASSA ”MASS SPECTRUM” Giorgio Bonaga

  3. RISOLUZIONE massa approssimata massa esatta CO28 27,9949 CH2=N+28 28,0047 N228 28,0061 C2H428 28,0313 Giorgio Bonaga

  4. + C H = N N 26,00 29,00 27,00 ,97 ,99 ,01 ,03 ,05 2 2 28,00 26,00 28,00 29,00 27,00 C O C H 2 4 m/z Giorgio Bonaga

  5. M1 M2 DM H h Giorgio Bonaga

  6. Convenzionalmente sono separati quando l'altezza della valle tra i picchi h non supera il 10% della loro altezza H. h  10 % H Il potere risolutivo o risoluzione R viene espresso perciò dalla relazione: M1 R = DM Giorgio Bonaga

  7. M1 R = = DM Esempio 1 Qual‘é la risoluzione necessaria a separare i frammenti m/z 100 e m/z 101 ? M1 = 100 M2 = 101 DM= (101-100) = 1 100= 100 1 Giorgio Bonaga

  8. M1 R = = = DM Esempio 2 Qual‘é la risoluzione necessaria a separare i frammenti m/e 500 e m/e 501 ? M1 = 500 M2 = 501 DM= (501-500) = 1 500 500 1 Giorgio Bonaga

  9. M1 R = = = DM Esempio 3 Qual‘é la risoluzione necessaria per separare il frammento CO+ dal frammento N2+ ? CO+ = 27,9949 N2+ = 28,0061 DM= 0,01124 27,9949 2490 0,01124 Giorgio Bonaga

  10. M1 R = = = DM Esempio 4 Qual'è la risoluzione necessaria per separare degli ioni di m/e  135 che nelle loro combinazioni elementari possono differire a livello della terza cifra decimale ? M = 135 DM= 0,001 135 135.000 0,001 Giorgio Bonaga

  11. SENSIBILITA’ a)con il ”direct inlet” i campioni vengono introdotti in sorgente e pertanto l’inerzia del sistema garantisce la massima sensibilità, valutabile sulla base dell’intensità dello ione a m/z 298 generato da 1 pg (10-12 g) dello stearato di metile, intensità che dev’essere 100 volte (i = 100) superiore alla linea di base (”baseline”) dello spettro. • Da due premesse: • resa in ioni (electron impact) = 1 . 10-6 • flusso molecolare in sorgente = 6 . 108 molecole/sec • si può dedurre: • resa ionica (ioni/sec) = 1. 10-6 .6 .108 = 6 . 102 = 600 • [600 ioni/sec = quantità minima per uno spettro] • All’ingresso dell’EM 600 ioni producono una corrente di I  6 . 10-17 A Giorgio Bonaga

  12. Esempio 1 Calcolare se 1 pg di stearato di metile fornisce uno spettro di massa interpretabile. CH3(CH2) 16COOCH3 [mol wt = 298  300] 1 mole = 6 .1023molecole 1 pg = 6 .1023 = 2 . 109 molecole . 1 . 10-6ioni/sec 300 . 1012 = 2 . 103 ioni/sec = 2000 ioni/sec [2000 ioni/sec > 600 ioni/sec] Giorgio Bonaga

  13. Esempio 2 Calcolare se 1 pg di tomidina fornisce uno spettro di massa interpretabile. C50H83NO21 [mol wt = 1034  1000] 1 mole =6. 1023molecole 1 pg = 6. 1023 = 6 . 108 molecole.1 . 10-6ioni/sec 1000.1012 = 6. 102 ioni/sec = 600 ioni/sec [600 ioni/sec = 600 ioni/sec] Giorgio Bonaga

  14. b)quando lo spettrometro è accoppiato ad un sistema di introduzione dinamico (GC, LC, ecc.), la diminuzione di sensibilità non è prevedibile dal punto di vista teorico (dato il grande numero di variabili che dipendono da sistemi di introduzione tutt’altro che inerti), ma può essere determinata mediante ”test” nei quali la sensibilità viene espressa dal rapporto tra il ”segnale” fornito dagli ioni e il “rumore” dovuto al sistema dinamico (”signal/noise” = S/N), naturalmente a valori definiti di risoluzione e di velocità di scansione. In generale, uno spettrometro di massa accoppiato alla GC, con sorgente EI, con analizzatore magnetico e alla velocità di scansione di 1,5 sec/decade, fornisce un S/N  10 (i = 10) per lo ione a m/z 298 generato da 100 pg di stearato di metile (10-10g), cioè con una sensibilità pari ad 1/1.000 (102pg x101i) rispetto quella che si può avere con l'introduzione diretta in sorgente. Giorgio Bonaga

  15. y abbondanza (“relative intensity”) x 0 200 40 80 120 160 m/z Giorgio Bonaga

  16. CONTEGGIO (assegnazione di valori m/z noti) H2O+ = m/z 18 N2+ = m/z 28 O2+ = m/z 32 Ar+ = m/z 40 CO2+ = m/z 44 Giorgio Bonaga

  17. C F 4 9 N F C C F 9 4 4 9 mol wt 671 . + ( F C ) N 9 4 3 m/z 671 (NO PEAK !) + + F C F C F F C F C 9 4 + + 9 4 9 4 3 N N C F C C F C F 7 3 9 4 m/z 219 m/z 414 m/z 502 m/z 69 (100%) (60%) (1,0%) (0,6%) Giorgio Bonaga

  18. 69 219 x 10 414 502 m/z 502 (0,6%) + + + m/z 219 (60%) m/z 69 (100%) + m/z 414 (1%) Giorgio Bonaga

  19. Mass marker N bobina 100 rotante S Giorgio Bonaga

  20. Spettro di massa dell’anilina in tre scale di sensibilità m*45,9(92  65) m*46,8(93  66) m++ 46,5(93/2) m++ 38,5(77/2) 39 51 66 77 93 40 50 60 70 90 m/z 40 50 60 70 90 m/z 40 50 60 70 90 m/z Giorgio Bonaga

  21. PARTICOLARITA’ DELLO SPETTRO • SPETTROMETRI A BASSA RISOLUZIONE. es.:CH3-OH+.= m/z 32 • SPETTROMETRI AD ALTA RISOLUZIONE • es.:CH3-OH+.= m/z 32,026214 Giorgio Bonaga

  22. IONE MOLECOLARE • IONI MULTIPLI Giorgio Bonaga

  23. Masse e composizioni isotopiche di elementi comuni nelle molecole organiche Giorgio Bonaga

  24. Giorgio Bonaga

  25. C H 4 CARBONIO N H 2 % % 16 93 100 100 50 50 94 17 m/z 80 90 100 m/z 0 10 20 Giorgio Bonaga

  26. N° atomi di C = %[M+1] 1,1 Giorgio Bonaga

  27. CLORO L'intensità relativa dei multipletti dovuti ai nuclidi del cloro si ottiene dallo sviluppo del binomio: (a+b)n a = abbondanza relativa del nuclide 35Cl (~ 75%) b = abbondanza relativa del nuclide 37Cl (~ 25%) n = numero degli atomi di Cl nel composto n = 1 (0,75+0,25)1 = 3:1 n = 2 (0,75+0,25)2 = 9:6:1 n = 3 (0,75+0,25)3 = 27:27:9:1 n = 4 (0,75+0,25)4 = 81:108:54:12:1 Giorgio Bonaga

  28. H C C H C l 2 % 62 100 27 50 64 26 61 m/z 20 60 Giorgio Bonaga

  29. C l % 146 100 C l 148 50 111 150 75 113 50 100 m/z 50 150 Giorgio Bonaga

  30. C H C l % 3 118 120 100 83 122 85 50 87 35 124 37 m/z 50 100 Giorgio Bonaga

  31. C C l 4 % 154 100 152 156 119 50 117 121 35 158 123 37 160 m/z 50 100 150 Giorgio Bonaga

  32. BROMO L'intensità dei multipletti dovuti ai nuclidi del bromo si ottiene dallo sviluppo del binomio: (c+d)m c = abbondanza relativa del nuclide 79Br (50,5%) d = abbondanza relativa del nuclide 81Br (49,5%) m = numero degli atomi di Br nel composto n = 1 (0,5+0,5)1 = 1:1 n = 2 (0,5+0,5)2 = 1:2:1 n = 3 (0,5+0,5)3 = 1:3:3:1 n = 4 (0,5+0,5)4 = 1:4:4:6:1 Giorgio Bonaga

  33. Br H C C H 2 % 106 108 100 27 50 26 79 81 m/z 100 20 60 Giorgio Bonaga

  34. B r B r % 236 100 234 238 50 155 157 250 m/z 150 200 Giorgio Bonaga

  35. C H B r 3 % 173 100 175 50 171 252 254 250 256 250 m/z 150 200 Giorgio Bonaga

  36. CLORO E BROMO In una molecola che contiene atomi di cloro e di bromo, la combinazione e la distribuzione isotopica negli ioni si ottiene dalla risoluzione del prodotto dei binomi relativi al cloro (a e b) presente in n atomi e al bromo (c e d) presente in m atomi: (a+b)n. (c+d)m Giorgio Bonaga

  37. B r C l B r C l H C C H C H C H C l B r C l B r % 256 258 100 254 260 50 262 m/z 250 270 Giorgio Bonaga

  38. 35 35 79 79 m/z 254 = 9% Cl Cl Br Br = 9 m/z = 254 35 35 79 81 Cl Cl Br Br = 18 m/z = 256 m/z 256 = (18+6) = 24% 35 35 81 81 Cl Cl Br Br = 9 m/z = 258 35 37 79 79 Cl Cl Br Br = 6 m/z = 256 35 37 79 81 m/z 258 = (9+12+1) = 22% Cl Cl Br Br = 12 m/z = 258 35 37 81 81 Cl Cl Br Br = 6 m/z = 260 37 37 79 79 Cl Cl Br Br = 1 m/z = 258 m/z 260 = (6+2) = 8% 37 37 79 81 Cl Cl Br Br = 2 m/z = 260 m/z 262 = 1% 37 37 81 81 Cl Cl Br Br = 1 m/z = 262 Gli ioni a m/z 255, 257, 259, 261 e 263 (appena percettibili) sono picchi isotopici del 13C. Giorgio Bonaga

  39. C H C H S H 3 2 % 29 62 100 27 47 50 25 45 64 15 m/z 20 60 Giorgio Bonaga

  40. + + + + 3. IONI METASTABILI SORGENTE MAGNETE * * C D A B + + + + tratto privo di campi campo magnetico campo elettrico Giorgio Bonaga

  41. Il risultato è che questo ione viene rivelato e registrato ad un valore m/z inferiore a quello che gli competerebbe. Si tratta perciò di unatransizione metastabile: * m1+ m2+ + pn che produce unoione metastabilem*, la cui posizione nello spettro è data dalla relazione: m* = [m2+]2/m1+ Questa relazione è la conseguenza stessa delle equazioni fondamentali della MS magnetica: zV = mv2/2 (25) mv2/r = Hzv (26) Giorgio Bonaga

  42. v1 = 2 zV (27) m 1 Applicando la (25) allo ione-padre m1+ si ha: zV = m1v12/2 da cui: Nella zona priva di campo lo ione-figlio m2+, che si forma per la transizione metastabile, viaggia verso il settore magnetico con la stessa velocità v1 dello ione-padre m1+; esso subirà pertanto una deflessione magnetica deducibile dalla (26) : m2v12/r = Hzv1 m2v1 = Hzr Sostituendo a v1 il valore trovato con la(27): Giorgio Bonaga

  43. m22 zV = Hzr m 1 elevando tutto al quadrato: m22 . 2 zV= H2z2r2 m1 da cui: m22 / m1= H2r2 z 2V Giorgio Bonaga

  44. Esempio 1:anilina (mol wt 93) • in sorgente: picco nello spettro: • m/z 93 • m/z 66 • nel tratto BC: picco nello spettro: • m/z 46,8 • m* = 662= 46,8 • 93 . + M + e M + 2e + + . . M [M - HCN] + . . + M [M - HCN] Giorgio Bonaga

  45. Esempio 2:acetofenone (mol wt 120) • in sorgente: picco nello spettro: • m/z 120 • m/z 105 • m/z 77 • nel tratto BC picco nello spettro • m/z 56,5 • m* =772= 56,5 • 105 + . M + e M + 2e + . + M [M - 15] + + [M - 15] [M - 15 - CO] Giorgio Bonaga

  46. 4. IONI A CARICA MULTIPLA M + e M++ + 3e (poco probabile) M + e  M+++ + 4e (molto improbabile) Giorgio Bonaga

  47. Esempio 1:anilina + + + + N H N H + N H N H N H 2 2 2 2 2 + + + mol wt 93 m/z 46,5 Esempio 2:fenolo + + + + + O H O H O H O H O H + + + mol wt 94 m/z 47 Esempio 3: aldeide benzoica + + + + + O H O H O H O H O H C C C C C + + + mol wt 106 Giorgio Bonaga m/z 53

  48. 5. FRAMMENTI CARATTERISTICI OSSIGENO M-18 : perdita di . H2O M-28 : perdita di . CO M-31 : perdita di . OCH3 M-45 : perdita di . COOH M-59 : perdita di . COOCH3 AZOTO M-27 : perdita di HCN M-16 : perdita di . NH2(ammidi) Giorgio Bonaga

  49. CALCOLO DELLE INSATURAZIONI E/O DEGLI ANELLI • CxHyNzOn • C elementi tetravalenti (carbonio, silicio) • H elementi monovalenti (idrogeno, alogeni) • N elementi trivalenti (azoto, fosforo) • O elementi bivalenti (zolfo) • n° insat. e/o anelli = x - 1 y + 1 z + 1 • 2 2 Giorgio Bonaga

  50. Esempio 1:nitrobenzene C6H5NO2 6 - 1 5+ 1 1 + 1 = 5 (4 insaturazioni + 1 anello) 2 2 Esempio 2:4-(1-propen-1-il)acetofenone C11H12O2 11 - 1 12 + 1 = 6 (5 insaturazioni + 1 anello) 2 Giorgio Bonaga

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