Spettri di massa

Gli spettri di massa sono solitamente rappresentati da istogrammi ovvero diagrammi a barre su cui è tracciata l’intensità relativa del picco o l’abbondanza relativa di uno ione rispetto al valore massa/carica ed è quindi una rappresentazione grafica della distribuzione di massa degli ioni. Dallo spettro di massa si possono ottenere informazioni sul peso molecolare e sulla struttura molecolare e identificare campioni sconosciuti.

Negli spettri di massa l’asse x è il rapporto massa/carica (m/z), dove z è solitamente pari a 1. L’asse y rappresenta l’intensità relativa ovvero quanto spesso viene osservato uno ione rispetto allo ione più comune detto picco di base.

Poiché gli ioni ha una carica negativa di un elettrone o una carica positiva di un protone, lo spettrometro di massa può utilizzare campi elettrici e/o magnetici per classificare le molecole in base alla loro massa. Le molecole cariche vengono quindi guidate dall’attrazione o dalla repulsione elettromagnetica verso un meccanismo rilevatore.

I tipici spettri di massa tracciano quindi i diversi rapporti massa/carica rispetto alla loro abbondanza ovvero la presenza di un determinato ione rispetto a quella dello ione più abbondante all’interno del campione.

ll principio della spettrometria di massa si basa sulla ionizzazione dei composti chimici per generare ioni carichi sotto forma di frammenti di molecolari.

La spettrometria di massa è applicata ai campi più disparati come la sicurezza aeroportuale, l’analisi di alimenti e vini, farmaci ed esplosivi, nonché nella maggior parte dei campi della ricerca chimica e biologica.

ll primo spettrometro di massa, originariamente chiamato spettrografo a parabola, fu costruito nel 1912 dal fisico britannico Joseph John Thomson conosciuto per la sua scoperta dell’ elettrone nel 1897.

Informazioni fornite dagli spettri di massa

Generalmente gli spettri di massa da soli non forniscono sufficienti informazioni per caratterizzare un composto. Il caso più semplice nell’interpretazione degli spettri di massa si verifica quando si vuole ricercare un determinato composto disponendo di riferimenti per confrontare gli spettri. Generalmente, nota la formula molecolare di un composto, è necessario infatti avere altre determinazioni come, ad esempio i dati forniti dalla Risonanza magnetica nucleare unitamente a uno spettro I.R.

Si consideri uno dei casi più semplici ovvero lo spettro di massa dell’acqua. Gli atomi hanno masse caratteristiche che rappresentano la quantità di materia contenuta in un atomo di ciascun elemento. L’idrogeno ¹H ha una massa pari a 1 e l’ossigeno ¹⁶ O ha una massa di 16 pertanto l’acqua, costituita dai due isotopi più abbondanti in natura dell’idrogeno e dell’ossigeno ha massa (2·1)+ 16 = 18.

Nello spettro di massa dell’acqua, infatti, il picco più alto si trova a m/z = 18 quindi il picco al valore m/z 18 rappresenta lo ione molecolare. Il picco più piccolo a m/z 17 rappresenta una molecola d’acqua in cui l’idrogeno viene rimosso mediante frammentazione.

Gli spettri di massa, inoltre, forniscono anche le quantità relative dei diversi isotopi. Infatti una piccola frazione dell’idrogeno sulla terra ha un neutrone in più, che gli conferisce una massa intera pari a 2 e una frazione dell’ossigeno sulla terra ha due neutroni in più, che gli conferiscono una massa di 18 e ciò giustifica la presenza di piccoli picchi a m/z 19 e 20 nello spettro di massa dell’acqua.

Interpretazione degli spettri di massa

Gli ioni molecolari riflettono il peso completo di una molecola di analita, ma, poichè esistono dozzine di elementi stabili, il peso della molecola da solo non ne rivela l’identità. Tuttavia le singole molecole hanno modelli di frammentazione relativamente unici.

I diversi picchi presenti negli spettri di massa forniscono molte informazioni relativa all’identità dei composti. Picchi più piccoli raggruppati attorno a ciascun picco principale sono in gran parte presenti a causa delle differenze in quale dei due frammenti trattiene lo ione, il guadagno o la perdita di protoni e gli isotopi elementari presenti in natura.

Per un alcano semplice o un alcano alogenato la differenza di massa tra due ioni caricati singolarmente ∆m comportano tipicamente il guadagno o la perdita di circa 14 o 15 Dalton tra i principali cluster di picchi. Queste differenze di massa rappresentano l’aumento o la perdita di un metile (-CH₃) o di un metilene (-CH₂-) dallo ione più grande.

Le differenze di massa tra i picchi principali spesso superano le 14 o 15 unità di massa che rappresentano un carbonio metilico o metilenico. Un valore ∆m maggiore di 16 Dalton indica quindi la presenza di un eteroatomo. Ad esempio gli alogeni possono sostituire un legame idrogeno-carbonio di un alcano con conseguente variazione delle proprietà chimiche e fisiche.

Se uno di questi valori ∆m è maggiore di 16 unità di massa, si può determinare quale alogeno contiene la molecola. Ad esempio un valore ∆m di 127 Dalton indica la presenza di un atomo di iodio negli spettri di massa.

Esempio pratico

Come esempio si propone lo spettro del metanolo CH₃OH. Dalla ionizzazione delle molecole del campione, facendo loro attraversare un fascio di elettroni ad energia nota, solitamente 70 eV, si ottiene il picco dello ione molecolare (M) con un m/z pari a 32 corrispondente a [CH₃OH] ⁺

Il piccolo picco a m/z 33, corrisponde a una molecola di metanolo ionizzato con l’isotopo ¹³C ovvero una molecola di metanolo ionizzato di formula [¹³CH ₃OH]⁺. Si noti che il carbonio-13 rappresenta solo circa l’1% di tutti gli atomi di carbonio ma, quanto più alto è il numero di atomi di carbonio in una molecola, tanto maggiore è la probabilità di osservare questo picco ¹³C.

Il metanolo ha un solo atomo di carbonio, quindi in media circa 1 molecola su 100 conterrà l’isotopo ¹³C. Allo ione più abbondante della molecola analizzata viene solitamente assegnato un valore arbitrario di 100, chiamato picco dello ione base, e tutte le altre intensità vengono misurate rispetto ad esso. Le specie più rappresentative, oltre M, nel modello di frammentazione del metanolo sono riportate in tabella:

La formazione dei frammenti più significativi avviene secondo le seguenti reazioni:

Formazione del frammento con m/z=31 che costituisce il picco base ed è frammento ionico più abbondante e stabile formato dalla perdita H a seguito della scissione di un legame CH e non dal legame OH che è più forte
[CH₃OH]⁺ → [CH₂OH]⁺ + H

Formazione del frammento con m/z=30 dovuto alla perdita di idrogeno da parte del frammento m/z=31:
[CH₂OH]⁺ → [CHOH]⁺  + H
Formazione del frammento m/z=29 dovuto alla perdita di idrogeno da parte del frammento m/z=30:
[CHOH]⁺   → [CHO]⁺ + H
Formazione del frammento m/z= 15 dovuto alla scissione del legame carbonio-ossigeno:
[CH₃OH]⁺ → [CH₃]⁺ + OH