L.S. in Scienze e tecnologie alimentariAnno 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

SORGENTI IONICHE

(CAS-7b)Giorgio Bonaga

SORGENTI IONICHE”ION SOURCES”

Giorgio Bonaga

Giorgio Bonaga

IONIZZAZIONEMETODO DI IONIZZAZINE ACRONIMO VANTAGGI E SVANTAGGI

emissione di elettroni (ioni positivi) EI

fornisce lo ione molecolare e gli ioni frammenti eccesso di frammentazione

cattura di elettroni(ioni negativi) EI

fornisce lo ione molecolare e gli ioni frammenti eccesso di frammentazione

protonazione (ioni positivi)

CI, ESI, APCI, MALDI, FAB

molte sostanze non si protonano (idrocarburi) o sono instabili nella forma protonata (glucidi)

deprotonazione(ioni negativi)

ESI, APCI, MALDI, FAB

limitata a sostanze a carattere acido

cationizzazione (Na+ o K+)(ioni positivi)

ESI, APCI, MALDI, FAB

carenza o assenza di frammentazione

trasferimento di molecole cariche in fase gassosa(ioni positivi e negativi)

ESI, APCI, MALDI, FAB limitata a ioni già prodotti

Giorgio Bonaga

EMISSIONE DI ELETTRONI

antracene (mol wt 178,1) m/z

178,1

CATTURA DI ELETTRONI

m/z

283,8Cl

Cl

Cl

Cl

ClCl

esaclorobenzene (mol wt 283,8)

PROTONAZIONE

M + H + [MH] +

m/z

702,4CHNR

HC

Opolipeptide (mol wt 701,4)

351,7

[MH] +

MH2++

[M] -

[MH] +.

M [M] +.- e

M [M] -+ e

Giorgio Bonaga

DEPROTONAZIONE

m/z

308,1

CATIONIZZAZIONE

m/z

203,1

TRASFERIMENTO DI MOLECOLE CARICHE IN FASE GASSOSA

M + [M ] +

m/z

339,1[Mgas] +

[MNa] +

[M-H] +

M - H + [M-H] +

M + Na + [MNa] +

sol gas

M - [M ] -sol gas

OCOOH

OHHO

NH

HO

HOOH

CH3C

Oacido sialico (mol wt 309,2)

OOH

OHHO

OHHO

D-galattosio (mol wt 180,1)

P

tetrafenilfosfina (mol wt 339,1)

Giorgio Bonaga

SORGENTE IONICA ACRONIMO EVENTO

Electron Impact EI impatto elettronico/trasferimento di elettroni

Chemical Ionization CI trasferimento di protoni

Atmospheric Pressure Chemical Ionization APCI corona di scarica /trasferimento di protoni

Electrospray Ionizaion Nanoelectrospray Ionization

ESInano ESI evaporazione di goccioline cariche (+ o -)

Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization MALDI assorbimento di fotoni/trasferimentio di protoni

Fast Atom Bombardment FAB desorbimento di ioni/trasferimento di protoni

SORGENTI IONICHE

IMPATTO ELETTRONICOElectron Impact (EI)

M

+.

70 eV 50 eV

5-6 eV

Giorgio Bonaga

SORGENTE A IMPATTO ELETTRONICOElectron Impact Source = EI

filamento (filament)

campione(sample)

collettore (+) (collector)

estrattore (-) (extractor)

lente di collimazione (+)(collimating lens)

fenditura (slit)

repulsore (+)(repeller)

lente di focalizzazione (+) (focusing lens)

Giorgio Bonaga

M+ M+

EI SOURCE

Giorgio Bonaga

G

G+.

G

(G-H)

G

.(G+H)

+

M

(M+H)+

IONIZZAZIONE CHIMICAChemical Ionization (CI)

10 eV

1-2 eV

Giorgio Bonaga

campione

gas chimico

MG G

SORGENTE A IONIZZAZIONE CHIMICA Chemical Ionization Source = CI

Giorgio Bonaga

[G-H]+M [M-H]+ [M-H]+

Utilizzando come gas chimico il metano, le reazioni sono:

1. CH4 + e CH4+. + 2e

2a. CH4+. + CH4 CH3. + CH5+

46%

2b. CH3+ + CH4 H2 + C2H5+ 40%

2c. (CH2+ + CH4 H2 + C2H3+)

C2H3+ + CH4 H2 + C3H5+ 5%

Giorgio Bonaga

EI/CI SOURCE

Giorgio Bonaga

SORGENTE A IONIZZAZIONE DI CAMPOField Ionization Source = FI

+

SFL

CL

R

EE

+-

Giorgio Bonaga

FI

Giorgio Bonaga

SORGENTE A DESORBIMENTO DI CAMPOField Desorbtion Source = FD

Giorgio Bonaga

catodo

+

SFL

CL

R

EE

+-

FD

Giorgio Bonaga

EI/CI: prolina (mol wt 115)

115 NO PEAK !

45

70

.M +

116

70

98

m/z 0 50 100 150

0

100

50

%

m/z 0 50 100 1500

100

50

% (M + H) +

Giorgio Bonaga

EI CI

EI/CI: prolina

Giorgio Bonaga

EI CI

N COOHH

N COOHH

N COOH2H

mol wt 115

m/z 115(NO PEAK !)

m/z 116 (100%)

+.

N CH

O

m/z 98 (25%)

+

. +

H2O-

NH

NH

++

-

-

CO

COOH

m/z 70 (60%)m/z 70 (100%)

EI/CI/FI/FD: creatina (mol wt 131)

Gli spettri di massa registrati impiegando sorgenti EI, CI, FI e FD, rivelano che nei primi tre casi non è possibile ottenere il segnale corrispondente allo ione molecolare, mentre con caso la sorgente FD lo ione quasi-molecolare è il picco-base dello spettro.

Giorgio Bonaga

EI CI

113

11286

4342

28114

m/z 0 20 40 60 80 100 1200

50

100%

m/z 0 20 40 60 80 100 120

100

50

0

%

Giorgio Bonaga

Giorgio Bonaga

EI/CI: creatina

m/z 112 (25%)HN C NHm/z 42 (100%)

N Nm/z 28 (80%)

COOH NH2

CN NHCH3

mol wt 131

COOH NH2

CN NH2

CH3

COOH NH2

CN NHCH3

mol wt 132NO PEAK !

mol wt 131NO PEAK !

EI CI

+

m/z 114 (100%)m/z 115 (4% 13 C)

C NH2

CN NH2

O

CH3

H2O

+

--H2O- COOH

+.

.

C NH2

CN NH

O

CH3

m/z 113 (60%)

N

NH2

H3C NH

+m/z 86 (22%)

H2N C NH+

m/z 43 (90%)

C NH2

CN N

O

CH3 + - H.

CH3.-

-

.+

.H-

CH3 N CH2

.+ .+

113

113

86114

m/z 0 20 40 60 80 100 1200

50

100%

m/z 0 20 40 60 80 100 120

100

50

0

%

114

132

FI FD

Giorgio Bonaga

Giorgio Bonaga

COOH NH2

C

CH3NH

mol wt 131

FI FD

COOH NH2

CNCH3

NH2+

m/z 132(NO PEAK !)

m/z 132 (100%)

-H2O

m/z 114 (100%) m/z 115 (4% 13 C)

m/z 113 (90%)

m/z 113 (100%) m/z 86 (80%)

+.+.

COOH NH2

CNCH3

NH2

H2O-

C NHC

NCH3

NH2

O

+

C NHC

NCH3

NH2

O

+

m/z 114 (70%) m/z 115 (3% 13 C)

+

C NHC

NCH3

NH

O

- H.

- H.

C NHC

NCH3

NH

O

N

NH

CH3C NH2

- CO

N

NH

CH3C NH

+

m/z 85 (6%)

- H.

+.

FI/FD: creatina

ELECTROSPRAY (ESI)

Giorgio Bonaga

SORGENTE ELECTROSPRAYElectrospray Source = ESI

counterelectrode

skimmer electrodes

Taylor cone LC

MSanalyzer

high vacuumatmosphericpressure

electrospraycapillary

CONO DI TAYLOR ( 0,7-5,0 kV)Giorgio Bonaga

+

+

++

+

+ +

+ +

+

++

+

+

+ +++

+++

+++

+

+ +

++

+

+ +

+

+

+ ++

++

+

+ ++ +

+

evaporazionedel solvente

fissione dellagocciolina

formazione di ioni per ulteriorefissione e/o evaporazione ionica

[M + nH] n+

-

- --

--

-

- -- -

-

Giorgio Bonaga

227,0

228,1186,8121,0

89,0

87,0

100

0

%

m/z

[M – H] -HO

OH

ESI: resveratrolo (mol wt 228)

ELECTROSPRAY (ESI)

Giorgio Bonaga

ESI

exhaustturbo/diffusive

pumps

rotarypunp

corona discharge electrode

sheathgas

bathgas

probeheater

counterelectrode

sourceheater transfer

opticsskimmer

Q-rods

IONIZATION REGION(ATMOSPHERIC PRESSURE)

INTERMEDIATEPRESSURE

REGION

ANALYZER(HIGH VACUUM)

Giorgio Bonaga

nebulizergas

+

SORGENTE APCIAtmospheric Pressure Chemical Ionizatio = APCI

APCI

Giorgio Bonaga

N2 + e- N2+. + 2e-

  N2+. + N2 N4

+.  N4

+. + C6H6 2N2+ C6H6+.  

C6H6+. + M C6H5

. + [M + H]+

Spettro di massa APCI della sulfametazina (mol wt 278)

108

m/z 100 150 200 250 3000

%100

50

124156

186

279

Giorgio Bonaga

Giorgio Bonaga

N

NNH

SO

O

H3C

H3C

NH2

N

NNH

SO

H3C

H3C

NH2

OH

mol wt 278

H ++

mol wt 279 (15%)

NH2+S

O

O

+

N

NNH

S

H3C

H3C

O

O+

mol wt 156 (65%)mol wt 186 (100%)

NH2 N

NNH 2

H3C

H3C

- -

NH2+S NH2

+O

- -O2 SO

mol wt 124 (85%) mol wt 108 (15%)

APCI: sulfametazina

[M-H]+ [M-H]+

+

++

MALDIMatrix-Assisted Laser Desorption/Ionization =

MALDI

Giorgio Bonaga

[M-H]+

+

[M-H]+

+

+ -

laser pulsato (UV = 337 nm)

time-of-flight

trap(sample target)

30.000 V

LASER

Giorgio Bonaga

mirror mirrorelectrode

electrode

UVradiation

s

SORGENTE MALDI

Giorgio Bonaga

ionacceleration

sampletarget

focusinglens

pulsed laser

time-of-flight(TOF)

detector

Giorgio Bonaga

100

0

%

14000 14500 15000

a-lattalbumina (a-LA)14177,5

a- LA + 1 LAT14503,3

a- LA + 2 LAT14826,2

m/z

MALDI: a-lattoalbumina

MALDI

Giorgio Bonaga

IONIZZAZIONE CON ATOMI VELOCIFast Atom Bombardment = FAB

deflector

slow ions

fast ions

slow atoms

fast atoms

probeplasma

FAB GUN(Xe o Ar)

2-10 kV -

+

Giorgio Bonaga

10-5 torr

FAB: organometallico C27H28P2Pt (con 194Pt )

P

PPt

CH3

CH3

mol wt 608

(M - CH3)+

593

Giorgio Bonaga

mol wt 1354

1300 1320 1350 m/z

1329

1355N

NH2

O

O

HHO

N

HOH

HN

N

OPO

O O H

Co+C N

NH

NH

O

O

H2N

O NH2

O

H2N

N N

O NH2

O

NH2

Giorgio Bonaga

FAB: vitamina B12 (spettro parziale)

FAB

Giorgio Bonaga

CONFRONTO TRA SORGENTI IONICHE

Giorgio Bonaga

SOURCE

MASS RANGE (Da) ACCOPPIAMENTO SENSIBILITA

’

EI 500 GC/MS > 10-12

CI 500 GC/MS > 10-12

ESI 70.000 LC/MS > 10-13

nano ESI 70.000 LC/MS > 10-15

APCI 1200 LC/MS > 10-15

MALDI 300.000 LC/MS > 10-15

FAB 7.000 no 10-9<>

MASS RANGE E SENSIBILITA’

Giorgio Bonaga

EI/CIESI

nanoESI

MALDI

102 103 104 105 106

mass range (Dalton)

sens

ibilit

à (m

oli)

10-15

10-14

10-13

10-12

APCIEI/CI