Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation

MALDI

C. Daniel

MODULO: TECNICHE DI ANALISI

La spettrometria di massa è ampiamente usata per l’analisi delle biomolecole

(proteine, polisaccaridi) ma è sempre stata pochissima impiegata per lo studio

dei polimeri sintetici.

Lo sviluppo della tecnica MALDI ha permesso lo sviluppo della spettroscopia

di massa per l’analisi dei polimeri

Per analizzare un materiale mediante la spettroscopia di massa i campioni devono

essere prima essere portati in fase vapore (vaporizzati o desorbiti) e poi ionizzati

Nella tecnica MALDI l’agente ionizzante è il fotone (tecnica di Laser Desorption)

1988: sviluppo della tecnica MALDI per l’analisi delle proteine

Anni 90: uso esteso ai polimeri sintetici.

Principio della tecnica MALDIIl campione analizzato è ionizzato con una luce laser pulsata ad alta intensità.

Il laser principalmente utilizzato è quello UV (λ=337 nm)

Il campione polimerico non viene sottoposto direttamente alla luce laser ma

viene miscelato con una grande quantità di un composto organico a basso

peso molecolare

•Il raggio laser è assorbita dalla matrice che rompe la

sua struttura cristallina

•Formazione di un gas super compresso nel quale

avvengono processi di trasferimento di carica

matrice-analita

•Il gas si espande e trasporta gli ioni della matrice e

del polimero dalla superficie nella fase gas.

•Ioni prodotti subiscono un’accelerazione impostata

da un potenziale elettrico (15-35 kV)

Tipi di matrici

La matrice deve mostrare il massimo di assorbimento alla stessa

lunghezza d’onda della luce laser

Le matrici più utilizzati sono composti organici che contengono gruppi idrossilici

e/o carbossilici, amminici, nitro gruppi.

(Scelta della matrice in via del tutto empirica)

Acido 2,5-diidrossibenzoico (DHB) Acido sinapinico (SA)

Acido alpha-cyano-4-idrossicianamico

Preparazione del campione

E una fase molto importante del processo MALDI:

Influenza sia la sensibilità sia la risoluzione

Quantità nota di polimero e solvente sono sciolti in solventi

compatibili (preferibilmente nello stesso solvente)

Vengono miscelati in modo da ottenere un rapporto matrice/analita

compreso tra 1000:1 e 106:1

(rapporto ottimale cresce al crescere della massa molecolare del polimero)

Nella fase di miscellazione viene spesso aggiunto un agente cationizzante

(trifluoroacetati) solubili nei solventi organici comuni

Metodo più utilizzato:

metodo della goccia secca nella quale 0.5-1 µL di soluzione sono depositati sul

porta campione e lasciati cristallizzare lentamente all’aria.

Schema del processo MALDIGli ioni prodotti mediante il processo MALDI vengono separati mediante un

analizzatore a tempo di volo (TOF)

Ioni sono accelerati tramite il potenziale applicato ed attraversano una distanza

(d) per raggiungere il rivelatore dopo un tempo (t)

Il tempo di volo dipende dalla velocità degli ioni che a sua volta è

dipendente dal rapporto massa/carica (m/z)

Tempo di volo ∼ (m/z)0.5

Le equazioni che regolano la separazione degli ioni all’interno del tubo

di volo sono:

t = d/v

v=(2ezV/m)0.5

t= (m/z)0.5 x d/(2eV)0.5

m/z =2eV(t/d)2

(V) : potenziale applicato

(t) : tempo impiegato dall’ione per

arrivare al rivelatore

(d) : distanza percorsa dagli ioni

(m): massa

(z) : la carica

(e): carica dell’elettrone

La calibrazione dello strumento viene effettuata con l’equazione empirica:

m/z = at2 +b

misurando i tempi di volo di componenti a massa nota

Applicazioni della MALDI-TOF ai polimeri

Le principali applicazioni sono:

•Misura diretta delle masse molecolare e delle loro distribuzione

•Struttura chimica e analisi dei gruppi terminali

•Determinazione di additivi e impurezze in materiali polimerici

•Composizione di copolimeri e distribuzione delle sequenze

•Studio della degradazione (termica, foto-ossidativa,…) dei polimeri

Determinazione delle masse molecolariLa spettroscopia di massa è la tecnica ideale per la determinazione delle masse

molecolari:

•Misura assoluta

•Indipendente dalla struttura chimica del materiale

•Richiede quantità di materiale molto basse

•Tempi di analisi molto ridotti

PS con polidispersità bassa

(Mw= 920000)

MALDI permette di analizzare polimeri con pesi fino a 106 g/mol

I vari picchi sono dovuti al numero diverso di cariche degli ioni delle catene

I valori delle masse molecolari medie ottenute con il MALDI per i polimeri

monodispersi sono in buon accordo con quelli ottenuti con le altre tecniche

(SEC, osmometria, viscosimetria, …)

PS a stretta distribuzione

( Mw=157000 Mw/Mn=1.01)

Ione doppia carica

dimero

Ottimo accordo tra MALDI e le altre tecniche

Rappresentazione schematica di uno spettro MALDI di un polimero sintetico

La carica è +1 per tutte le catene

M0 X nM0 X (n + 1)

Spettro MALDI del PS

Polimeri con alta polidispersitàPer i polimeri con alta polidispersità i valori ottenuti mediante

MALDI-TOF non sono in accordo con i valori ottenuti con le

tecniche convenzionali

Valore ottenuto con MALDI

molto più basso

•Per polidispersità minore di 1.10: buon accordo MALDI-GPC

•Per polidispersità maggiore di 1.1: risultati errati

Problema dovuto alla diversa efficienza dei rivelatori:

ioni a bassa massa sono in numero maggiore e “saturano” il rivelatore

Determinazione della struttura dei gruppi terminali

Per masse inferiori a 20000 g/mol le catene polimeriche sono risolte

singolarmente sugli spettri MALDI

Inoltre per masse molecolari inferiori a 50000 g/mol la formazione di ioni a

doppia carica è molto bassa

Possibile assegnare ogni picco (i.e. ogni massa) una

struttura chimica ben determinata

Polietereimide

(ULTEM)

Termoplastico

Massa u.m: 593 g

“Tipi” di polimeri con vari gruppi terminali