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Dott.ssa Chiara Cavaliere1
CENNI STORICI
1886: E. GOLDSTEIN discovers anode rays (positive gas-phase ions) in gas discharge.
1897: J.J. THOMSON discovers the electron and determines its mass-to-charge ratio.
Nobel Prize in 1906 (Physics).
1898: W. WIEN analyses anode rays by magnetic deflection and then establishes that
these rays carried a positive charge. Nobel Prize in 1911 (Physics).
1912: J.J. THOMSON constructs the first mass spectrometer, obtains mass spectra
of O2, N2, CO, CO2 and COCl2; observes negative and multiply charged ions; discovers
metastable ions; discovers isotopes 20 and 22 of neon (1913).
1918: A.J. DEMPSTER develops the electron ionization source and the first
spectrometer with a sector-shaped magnet (180◦) with direction focusing.
1919: F.W. ASTON develops the first mass spectrometer with velocity focusing. Nobel
Prize in 1922 (Chemistry). He measures mass defects in 1923.
1934: R. CONRAD applies mass spectrometry to organic chemistry.
1934: W.R. SMYTHE, L.H. RUMBAUGH and S.S. WEST succeed in the first preparative
isotope separation.
1948: A.E. CAMERON and D.F. EGGERS publish design and mass spectra for a linear
time-of-flight (LTOF) mass spectrometer.
2
1
1949: H. SOMMER, H.A. THOMAS and J.A. HIPPLE describe the first application in
mass spectrometry of ion cyclotron resonance (ICR).
1952: E.G. JOHNSON and A.O. NIER develop double-focusing instruments.
1953: W. PAUL and H.S. STEINWEDEL describe the quadrupole analyser and the ion
trap. PAUL and DEHMELT receive the Nobel Prize in 1989 (Physics).
1956: First spectrometers coupled with a gas chromatograph by F.W. McLAFFERTY
and R.S. GOHLKE.
1966: M.S.B. MUNSON and F.H. FIELD discover CI.
1967: F.W. McLAFFERTY and K.R. JENNINGS introduce CID procedure.
1968: Finnigan introduces the first commercial quadrupole mass spectrometer.
E.C. HORNING et al.discover APCI.
1974: First spectrometers coupled with a high-performance liquid chromatograph
by P.J. ARPINO, M.A. BALDWIN and F.W. McLAFFERTY
1987: TANAKA et al. discover MALDI and:
1988: J. FENN develops ESI. First spectra of proteins above 20 kDa. Nobel Prize in
2002 (Chemistry) "for their development of soft desorption ionisation methods for mass
spectrometric analyses of biological macromolecules".
3
Primi studi: J.J. Thomson (1912) primo spettrometro di massa
Accoppiamento GC-MS (1956-58) composti volatili
Accoppiamento LC-MS (‘80) composti polari
Progressi estremamente rapidi, nuovi analizzatori e nuove
sorgenti (ultimi 15 anni) biomolecole
Tecnica analitica versatile e potente usata per identificare
composti incogniti, per chiarire le proprietà strutturali e
chimiche delle molecole e per determinare quantitativamente
composti noti.
Tutto questo può essere effettuato con quantità di campione
estremamente limitate (in alcuni casi <1 pg) a concentrazioni
molto basse in miscele complesse
4
2
It provides unsurpassed molecular specificity because of its
unique ability to measure accurate molecular mass and to
provide information on structurally diagnostic fragment ions of
an analyte.
It provides ultrahigh detection sensitivity. In theory, MS has the
ability to detect a single molecule; the detection of molecules in
attomole and zeptomole amounts has been demonstrated.
It has unparalleled versatility to determine the structures of
most classes of compounds.
It is applicable to all elements.
It is applicable to all types of samples: volatile or nonvolatile;
polar or nonpolar; and solid, liquid, or gaseous materials.
In combination with high-resolution separation devices, it is
uniquely qualified to analyze “real-world” complex samples.
5
Identificare e determinare quantitativamente i componenti di
miscele organiche complesse.
Effettuare analisi inorganiche multielementali (e isotopiche)
con elevatissima sensibilità.
Effettuare analisi di sostanze inquinanti per l’ambiente.
Identificare la struttura di biomolecole (come carboidrati, acidi
nucleici, proteine , steroidi...)
Stabilire la sequenza di biopolimeri, proteine, polipeptidi e
oligosaccaridi.
Stabilire l’età e l’origine di campioni geochimici e archeologici
mediante misure di specie isotopiche più o meno stabili.
Applicazioni in radiochmica (scarti nucleari)
6
3
Effettuare analisi in medicina legale, come la conferma e la
misura quantitativa di droghe e del loro abuso (in ogni campo,
anche in quello sportivo).
Determinare la composizione di specie molecolari rilevate nello
spazio.
Determinare eventuali adulterazioni di alimenti (es. miele
adulterato con l’uso di sciroppi zuccherini...).
Localizzare depositi di petrolio misurando precursori nelle
rocce.
Determinare la presenza di diossine.
Determinare il danno genetico dovuto a cause ambientali.
Determinare le interazioni fra molecole e fra biomolecole e
materiali
MS imaging
7
Never make the mistake of calling it 'mass spectroscopy'.
Spectroscopy involves the absorption of electromagnetic radiation,
and mass spectrometry is different.
…Another explanation for this terminology originates from the historical
development of our instrumentation. The device employed by Thomson
to do the first of all mass-separating experiments was a type of
spectroscope showing blurred signals on a fluorescent screen.
Dempster constructed an instrument with a deflecting magnetic field with
an angle of 180°. In order to detect different masses, it could either be
equipped with a photographic plate – a so-called mass spectrograph –
or it could have a variable magnetic field to detect different masses by
focusing them successively onto an electric point detector. Later, the
term mass spectrometer was coined for the latter type of instruments
with scanning magnetic field.
8
4
La spettrometria di massa è una tecnica che studia la
materia attraverso la determinazione dell’abbondanza
relativa e del rapporto massa/carica (m/z) di ioni in fase
gassosa
Generazione di ioni da composti organici o inorganici (atomi o
molecole) termicamente, con campi elettrici, per impatto con
elettroni energetici, ioni, fotoni, atomi neutri energetici o cluster
pesanti di ioni
Separazione degli ioni in base a m/z
Rilevazione qualitativa e quantitativa attraverso i loro relativi m/z
e abbondanza
Tecnica distruttiva (≠ IR, NMR) ma consumo campione molto
limitato
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COMPONENTI DI UNO SPETTROMETRO DI MASSA
Campione
Sistema di
introduzione
Sistema
di vuoto
Sorgente
di ioni
Presentazione
del segnale
Analizzatore
di massa
Rivelatore
Elaboratore
di segnale
m/z
10
5
Nello spettro di massa si riporta l’intensità
del segnale vs m/z, con il valore
dell’intensità espresso in unità arbitrarie
Lo spettro è normalizzato rispetto al
segnale più intenso detto picco base
11
12
6
Spettro di massa del metanolo (EI)
grafico
tabella
Picco base ≠
picco ione
molecolare
13
Profilo
Centroide
14
7
MALDI TOF spectrum of IgG
MH+
Relative Abundance
40000
30000
(M+2H)2+
20000
10000
(M+3H)3+
0
50000
100000
150000
200000
Mass (m/z)
ESI Spectrum of Trypsinogen (MW 23983)
M + 15 H+
1599.8
M + 16 H+
M + 14 H+
1499.9
1714.1
M + 13 H+
1845.9
1411.9
1999.6
2181.6
m/z
Mass-to-charge ratio
8
Ioni separati in base a m/z
Carica totale di uno ione: q = ze
e = 1.602177 × 10-19 C (carica dell'elettrone)
z = numero cariche dello ione (generalmente z=1, per molecole
grandi z>1)
1 u = 1 Da = 1.660540 × 10-27 kg
1 Th = 1 u/e = 1.036426 × 10-8 kg C-1
m/z adimensionale
Da usato in stechiometria, per indicare la massa media calcolata
dal peso atomico (media ponderata delle masse atomiche dei
differenti isotopi di ogni elemento)
u usato in MS, per indicare massa nominale (massa isotopo
predominante arrotondata a intero che corrisponde al numero di
massa) o monoisotopica (massa esatta dell’isotopo più
17
abbondante per ciascun elemento)
Massa Nominale
è coincidente con il numero di protoni e neutroni che
contiene l'isotopo.
Massa Esatta
è la massa "relativistica" dell'isotopo
dell'isotopo; non coincide quindi
con la somma delle masse esatte dei protoni e neutroni
contenuti, ma è determinata anche dall'energia di legame
nucleare (difetto di massa). L'unità di misura è ottenuta
ponendo uguale a 12 la massa dell'isotopo 12C.
Massa Atomica
(usato in stechiometria): è la media ponderale delle masse
esatte degli isotopi presenti in natura di quel particolare
elemento.
18
9
Differenza tra massa media, massa nominale e massa
monoisotopica
Varia in funzione del numero di atomi e dalla loro composizione isotopica
tipo di massa determinato via MS dipende dalla risoluzione e
dall'accuratezza dell'analizzatore
E’ importante per composti ad alto PM:
es 1.: insulina C257H383N65O77S6
massa nominale = 5801 u (massa intera dell’isotopo più abbondante)
massa monoisotopica = 5803.6375 u (massa esatta dell’isotopo più abbondante)
massa media = 5807.6559 Da (pesi atomici)
es 2.: alcano C20H42
es 3.: alcano C100H202
massa nominale = 282 u
massa nominale = 1402 u
massa monoisotopica = 282.3287 u
massa monoisotopica = 1403.5807 u
massa media = 282.5535 Da
massa media = 1404.7039 Da
19
Nello spettro compare la massa monoisotopica
282.3287 u
282.33 m/z
1403.5807 u
1403.58 m/z
20
10
Uno dei primi usi della spettrometria di massa fu quella di
individuare tutti gli isotopi naturali degli elementi.
L’esistenza degli isotopi, specialmente quando hanno
un’abbondanza relativa grande è molto importante (poiché
determinano la massa atomica dell’elemento).
Lo spettrometro di massa, separando in funzione del rapporto
m/z, distingue anche tra sostanze di uguale formula contenenti
isotopi più o meno abbondanti, che producono dei picchi a
M+1, M+2 etc. dove M rappresenta la massa dell’isotopo più
leggero.
21
Isotopi naturali di alcuni elementi
Isotopo
1H
Peso atomico
1.008
2H
12C
17O
18O
99.99
0.016
12.0000 (std)
13.00336
98.89
1.11
14.007
14.0031
15.0001
99.64
0.36
15N
16O
1.00783
2.01410
Abbondanza %
12.011
13C
14N
Massa
15.999
15.9949
16.9991
17.9992
99.76
0.04
0.20
22
11
19F
18.998
18.9984
100.0
28Si
28.0855
27.9769
28.9765
29.9738
92.17
4.71
3.12
32.066
31.9721
32.9715
33.9679
99.64
0.76
4.20
35.453
34.9689
36.9659
75.77
24.23
31P
30.974
30.9738
100.0
79Br
79.909
78.9183
80.9163
50.52
49.48
126.9045
126.9045
100.00
29Si
30Si
32S
33S
34S
35Cl
37Cl
81Br
126I
23
Il picco dello ione molecolare è spesso accompagnato da altri
picchi, in genere più deboli, a massa M+1, M+2, ecc. dovuti alle
molecole contenenti isotopi degli elementi che le costituiscono.
La maggior parte degli elementi che compongono i composti
organici, infatti, possiede diversi isotopi naturali, di cui di solito il
più leggero è il più abbondante.
Per tre elementi – carbonio, idrogeno e azoto – il principale
isotopo pesante è quello la cui massa è superiore di un’unità a
quella dell’isotopo più comune. Quando questi elementi sono
presenti in un composto organico lo spettro di massa mostra dei
piccoli picchi isotopici a M+1
M+1.
Nel caso di ossigeno, zolfo, cloro e bromo,
bromo le masse dei
principali isotopi pesanti sono superiori di due unità a quelle
degli isotopi più abbondanti. Perciò la presenza di questi
elementi è rivelata dai picchi isotopici a M+2
M+2.
24
12
I composti che contengono atomi isotopici danno dei pattern
riconoscibili. Tutti i composti organici hanno un picco a massa M+1
derivante (principalmente) dall’isotopo 13C. Dal momento che la
probabilità di trovare due 13C in una molecola è bassa (con numero
di atomi C <100), sarà difficile trovare picchi ad M+2.
Esempio:
Naftalina con 10
12C
= massa 130
Naftalina con 1
13C
e 9 12C = massa 131
Naftalina con 2
13C
e 8 12C = massa 132
L’abbondanza relativa delle tre specie è 100 : 1.37 : 0.58
25
Spettro di massa di un peptide con 94 atomi di
carbonio (19 ammino acidi)
Masse monoisotopiche
Nessun atomo 13C (tutti 12C)
1981.84
Un atomo 13C
1982.84
Due atomi 13C
1983.84
26
13
Spettro di massa dell’insulina
2 x 13C
13C
12C :
5730.61
L’insulina ha 257 atomi di C. Il picco monoisotopico è troppo
27
piccolo per essere utile. Di solito viene utilizzata la massa media.
Ad eccezione di:
M
Zolfo :
32S
28Si
: 100
Cloro :
35Cl
: 100
79Br
: 100
M+2
34S
: 100
Silicio :
Bromo :
M+1
29Si:
5.2
: 4.4
30Si
: 3.35
37Cl
: 32.5
81Br
: 98
28
14
ZOLFO
32S
Zolfo
95.02%
32S 32S
32S 33S
32S 34S
.75%
34S
64 u
1 comb., P = (0.9503)2 = 90.31%
4.21%
o
33S 32S
65 u
2 comb., P = 2*(0.9503*0.0075) = 1.42%
o
34S 32S
66 u
2 comb., P = 2*(0.9503*0.0422) = 8.02%
66 u
1 comb., P = (0.0075)2 = 0.00562%
67 u
2 comb., P = 2*(0.0075*0.0422) = 0.063%
68 u
1 comb., P = (0.0422)2 = 0.1781%
Totale:
9 combinazioni (32)
33S 33S
33S 34S
33S
o
34S 33S
34S 34S
Es. P(CS2)
=P(S2)*P(C)
29
CH3Cl
massa media = 12.011+(3×1.00794)+35.453= 50.4878 Da
massa monoisotopica = 12.000000+(3×1.007825)+34.968852=
49.992327 u.
Con MS vedo 2 picchi:
I) m/z (34.968 852+12.000000+3×1.007825)=49.992327 Th,
approssimato a m/z 50.
II) (36.965 90+12.000000+3×1.007825)=51.989365 Th,
approssimato a m/z 52.
L'abbondanza del II è (24.23/75.77)=0.3198, o 31.98% di quello
osservato a m/z 50 (isotopi C e H trascurabili)
30
15
Isotope peaks : CH3Br
[12CH379Br]+
M-H
[12CH279Br]+
[12CH381Br]+
[13CH379Br]+
[12CH281Br]+
[13CH381Br]+
95
e 37Cl,
con abbondanza relativa 3:1), avremo un picco di massa M che sarà
3 volte più intenso del picco ad M+2.
Se in una molecola abbiamo un atomo di cloro (isotopi
35Cl
Allo stesso modo se abbiamo una molecola contenente un bromo
(isotopi 79Br e 81Br con abbondanza relativa 1:1), osserveremo due
picchi a massa M ed M+2 eguali.
Se in una molecola abbiamo due atomi di cloro, avremo tre picchi,
uno a massa M (tutti e due 35Cl), uno a massa M+2 (un 35Cl e un
37Cl) e a massa M+4 (due 37Cl). L'intensità relativa dei tre ioni può
essere prevista direttamente dai coefficienti dello sviluppo binomiale
(a + b)n
Dove:
n = numero di atomi
a = abbondanza naturale relativa dell’isotopo a massa minore
b = abbondanza naturale relativa dell’isotopo a massa maggiore
32
16
33
Calculation of isotope pattern: 2 Cl
C2H235Cl2
1 Cl
C2H235Cl 37Cl
C2H237Cl 35Cl
C2H2 37Cl2
2 Cl
P (2
(2
35Cl
Cl))
= (0.75
(0.75
)2
= 0.563
P (35Cl 37Cl
Cl)) + P (37Cl 35Cl ) = (0.75
(0.75 ) (0.25
(0.25 ) + (0.25
(0.25 ) (0.75
(0.75 ) = 0.375
P ((22 37Cl
Cl)) = (0.25
(0.25 )2 = 0.063
[M+] / [M + 2] / [M + 4] = 100 / 66 / 11
17
35
Calcolo del pattern isotopico:
isotopico: ClBr
35Cl
=> 0.75
79Br
=> 0.51
37Cl
=> 0.25
81Br
=> 0.49
[RClBr
ClBr]]+ può esistere come 4 forme isotopiche
isotopiche::
35Cl 79Br
M
35Cl 81Br
M+2 0.75 x 0.49 = 37%
0.75 x 0.51 = 38%
50%
37Cl 79Br
M+2 0.25 x 0.51 = 13%
37Cl 81Br
M+4 0.25 x 0.49 = 12%
A risoluzione molto alta, i due picchi (M
M + 2)
2 possono essere distinti (separati
di 0.001 Dalton)
Dalton
18
3 4 1
3 4 1
3 1
3 1
M +2
1 1
1 1
Br2Cl1
Br1Cl1
Br0Cl1
M +2 +4
Br1Cl0
M +2
M +2 +4 +6
9 15 7 1
10 16 7 1
3 4 1
3 4 1
Br1Cl1
M +2 +4
3 10 12 6 1
3 11 13 6 1
3 7 5 1
3 7 5 1
Br1Cl2
M +2 +4 +6
Br3Cl1
M +2 +4 +6 +8
27 54 36 10 1
30 59 38 10 1
Br1Cl3
M +2 +4 +6 +8
37
Ideal Compounds
Br (a:b) = 1:1
Cl (a:b) = 3:1
13C and 2H negligible
Nel caso
del Bromo
•
•
•
•
Ratio (a:b) = 1:1
(1a + 1b)m for Brm
(1a + 1b)1 = 1a + 1b = 1:1
(1a + 1b)2 = 1a2 + 2ab + 1b2 = 1:2:1
Nel caso
del Cloro
•
•
•
•
Ratio (a:b) = 3:1
(3a + 1b)n for Cln
(3a + 1b)1 = 3a + 1b = 3:1
(3a + b)2 = 9a2 + 6ab + 1b2 = 9:6:1
38
19
m = 1, n = 0
N=2
Per
BrCl
Br
Br
1:1
m = 1, n = 1
N=8
BrCl BrCl BrCl BrCl
BrCl BrCl BrCl BrCl
3:4:1
m = 2, n = 1
N = 16
BrClBr BrClBr
BrClBr BrClBr
BrClBr BrClBr
BrClBr BrClBr
3:7:5:1
m = 2, n = 2
N = 64
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
(1a + 1b)m(3a + 1b)n
Br1Cl1
2
3a + 4ab + 1b2 = 3:4:1
BrClBr BrClBr
BrClBr BrClBr
BrClBr BrClBr
BrClBr BrClBr
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrC l
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrC l
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
BrClBrCl
9:24:22:8:1
39
Esistono due definizioni di
risoluzione:
risoluzione basata sulla
separazione dei segnali
adiacenti: R1=m/∆m
risoluzione basata sulla
larghezza del segnale:
R2=m/∆lm
La risoluzione, a parità di m/z,
dipende dall’ampiezza del
segnale: un segnale più stretto
indica una maggiore
risoluzione.
40
20
Abilità di un analizzatore di
massa di ottenere segnali distinti
per 2 ioni con una piccola
differenza di m/z
Vecchia definizione: 2 picchi si
dicono risolti se la valle tra di loro
è il 10% dell’intensità del picco
meno intenso (ma picchi devono
essere di intensità simile)
41
DEFINIZIONI DI MARSHALL
•Ampiezza del picco di massa (∆m a 50%
altezza): FWHM (full width at half maximum)
•Risoluzione (m/∆m50%): m osservata su
∆m50% per picco ben isolato
•Accuratezza di massa: differenza fra valore
di massa misurato e reale
42
21
ISO:CH3
M15.0229
100
100
90
80
R = M/∆M
70
% Intensity
60
50
FWHM = ∆M
40
30
20
10
0
15.01500
15.01820
15.02140
15.02460
15.02780
15.03100
Mass (m/z)
44
22
Il livello di informazione che è possibile ottenere da
uno spettrometro di massa dipende dal suo potere
risolutivo.
Strumenti ad alta risoluzione forniscono la massa
accurata (non esatta, che è quella teorica)
teorica degli ioni, che
in genere definisce univocamente la composizione
elementare degli ioni corrispondenti.
Strumenti a bassa risoluzione forniscono solo
la massa nominale degli ioni.
45
Possibilità di aumentare, entro certi limiti, la
risoluzione di uno strumento, ma con conseguente
diminuzione di sensibilità
La risoluzione di uno strumento può essere regolata, entro certi
limiti,
agendo
su
fenditure
micrometriche
che
restringono
la
dispersione del fascio ionico. Riducendo l'ampiezza delle fenditure
aumenta la risoluzione (fino al limite dello strumento), ma diminuisce
la sensibilità (meno ioni raggiungono il rivelatore).
Il livello di informazione che possiamo ottenere da uno spettrometro
di massa dipende dal suo potere risolutivo:
Ad esempio, in uno strumento a bassa risoluzione CO, C2H4 e N2 forniscono
un unico segnale a massa nominale 28; in uno strumento ad alta risoluzione
si possono osservare invece tre ioni separati di massa esatta.
46
23
Bassa risoluzione
Media risoluzione
Alta risoluzione
47
Monoisotopic mass
Monoisotopic mass
corresponds to
lowest mass peak
When the isotopes are clearly resolved the monoisotopic mass
is used as it is the most accurate measurement.
24
Average mass
Average mass corresponds
to the centroid of the
unresolved peak cluster
When the isotopes are not resolved, the centroid of the envelope
corresponds to the weighted average of all the the isotope peaks in
the cluster, which is the same as the average or chemical mass.
L’accuratezza della misura della massa
dipende dalla risoluzione
Alta risoluzione => migliore accuratezza
Risoluzione =18100
Intensità
8000
errore: 15 ppm
6000
Risoluzione = 14200
errore: 24 ppm
4000
Risoluzione = 4500
2000
errore: 55 ppm
0
2840
2845
2850
2855
Massa (m/z)
50
25
The m/z 92 peak from a mixture of xylene and toluene at different settings of
resolution.
At R = 10,000 some separation of the lower mass ion can already be
presumed from a slight asymmetry of the peak.
R = 20,600 is needed to fully separate 13CC6H7+, m/z 92.0581, from C7H8+•,
m/z 92.0626.
51
BASSA vs ALTA RISOLUZIONE
Tre composti isobarici sono distinguibili solo con strumenti ad alta risoluzione.
Qualora siano opportunamente calibrati si può arrivare ad ottenere la massa
accurata dell’analita indagato
C20H9+
C19H7N+
C13H19N3O2+
C20H9+
C19H7N+
C13H19N3O2+
249.3
249.0704
249.0578
249.1477
Quadrupoli / Trappole ioniche
TOF / FT-ICR /ORBITRAP
26
ANALYTICAL CHEMISTRY DIVISION
Definitions of terms relating to mass spectrometry (IUPAC Recommendations
2013). Kermit K. Murray*, Robert K. Boyd, Marcos N. Eberlin, G. John Langley,
Liang Li and Yasuhide Naito
Pure Appl. Chem., Vol. 85, No. 7, pp. 1515–1609, 2013.
http://dx.doi.org/10.1351/PAC-REC-06-04-06
Abstract: This document contains recommendations for terminology in mass
spectrometry. Development of standard terms dates back to 1974 when the IUPAC
Commission on Analytical Nomenclature issued recommendations on mass
spectrometry terms and definitions. In 1978, the IUPAC Commission on Molecular
Structure and Spectroscopy updated and extended the recommendations and
made further recommendations regarding symbols, acronyms, and abbreviations.
The IUPAC Physical Chemistry Division Commission on Molecular Structure and
Spectroscopy’s Subcommittee on Mass Spectroscopy revised the recommended
terms in 1991 and appended terms relating to vacuum technology. Some additional
terms related to tandem mass spectrometry were added in 1993 and accelerator
mass spectrometry in 1994. Owing to the rapid expansion of the field in the
intervening years, particularly in mass spectrometry of biomolecules, a further
revision of the recommendations has become necessary. This document contains a
comprehensive revision of mass spectrometry terminology that represents the
current consensus of the mass spectrometry community.
53
Resolution and resolving power
The IUPAC definition of resolution in mass spectrometry expresses this value as
m/∆m, where m is the mass of the ion of interest and ∆m is the peak width (peak
width definition) or the spacing between two equal intensity peaks with a valley
between them no more than 10% of their height (10 % valley definition)
[6]. Resolving power in mass spectrometry is defined as the ability of an instrument
or measurement procedure to distinguish between two peaks at m/z values
differing by a small amount and expressed as the peak width in mass units [6].
Mass resolving power is defined separately as m/∆m in a manner similar to that
given above for mass resolution [6]. These definitions of mass resolving power and
resolving power in mass spectrometry are contradictory, the former is expressed as
a dimensionless ratio and the latter as a mass. The definitions for resolution in
mass spectrometry and resolving power in mass spectrometry come from Todd’s
1991 recommendations [1], and the definition for mass resolving power comes
from Beynon’s 1978 recommendations [14]. Beynon’s work contains no definition
for mass resolution.
Alternative definitions for resolution and resolving power in mass spectrometry
have been proposed [10,15]. It has been suggested that resolution be given by ∆m
and resolving power by m/∆m; however, these definitions are not widely used.
The majority of the mass spectrometry community uses resolution as defined by
IUPAC. The term resolving power is not widely used as a synonym for resolution. In
this document, the IUPAC definition of resolution in mass spectrometry remains in
place. The definition of resolving power has been adapted from the current IUPAC54
definition of mass resolving power.
27
Resolution (in mass spectrometry)
mass resolution
In a mass spectrum, the observed m/z value divided by the smallest
difference ∆(m/z) for two ions that can be separated: (m/z)/∆(m/z).
Note 1: The m/z value at which the measurement was made should
be reported.
Note 2: The definition and method of measurement of ∆(m/z) should
be reported. Commonly this is performed using peak width measured
at a specified percentage of peak height.
Note 3: Alternatively ∆(m/z) is defined as the separation between two
adjacent equal magnitude peaks such that the valley between them is
a specified fraction of the peak height, for example as measured by
peak matching.
Revised from [5,10] using additional information from [292,293].
55
ALTRE CARATTERISTICHE DI UNO SPETTROMETRO DI MASSA
Sensibilità
Pendenza della curva di calibrazione, dipende da:
Efficienza di ionizzazione
Estrazione degli ioni dalla sorgente ionica (capacità di
campionamento)
Intervallo m/z di acquisizione
Capacità di trasmissione dell’analizzatore di massa
Limite di rivelabilità (LOD)
Quantità più piccola di analita necessaria per ottenere un segnale (S)
distinguibile dal rumore del fondo (N): valido per specifico analita trattato
con un determinato protocollo analitico
Sensibilità importante per avere basso LOD, ma quantità differente
S/N
Elettrico da elettronica dello strumento (fra i segnali e sui segnali)
Rumore chimico (matrici MALDI, FAB, bleeding GC)
Rumore statisticamente distribuito, può essere ridotto sommando o
mediando le acquisizioni dello spettro
S/N ≥ 10
56
28
COMPONENTI DI UNO SPETTROMETRO DI MASSA
Vuoto necessario per permettere a ioni di
raggiungere rivelatore senza collisioni con
altre molecole gassose (altrimenti CID)
Campione
Sistema di
introduzione
Sorgente
di ioni
Analizzatore
di massa
Rivelatore
Sistema
di vuoto
Pompe meccaniche: 10-3 Torr
Presentazione
del segnale
Elaboratore
di segnale
Pompe turbomolecolari, a
diffusione, criogeniche : fino
a 10-10 Torr
57
m/z
Cammino libero di uno ione
Tutti gli spettrometri di massa devono funzionare sotto alto vuoto
(bassa pressione). Questo è necessario per permettere agli ioni di
raggiungere il rivelatore senza subire urti con le altre molecole
gassose (e quindi con pareti).
In base alla teoria cinetica dei gas, il cammino libero medio L (in m)
è:
k = costante di Boltzmann; T in K; p in Pa,
σ = sezione di collisione in m2; σ =πd2 , con d = somma dei raggi
delle molecole stazionarie e degli ioni che collidono (in m)
in condizioni normali in uno spettrometro di massa (k=1.38×10−21
JK−1, T ≈300 K, σ ≈45×10−20 m2) il cammino libero medio di uno ione
può essere approssimato con l’equazione (L in cm, p in Pa o mTorr,):
Pa
mTorr
L = 1 m, p= 66 nbar
p> per trappole, p< per strumenti con
sorgenti ad alto voltaggio (per evitare
58
scariche)
29
Introduzione del campione
(Sample Inlet System)
L’introduzione del campione nella camera di ionizzazione
può essere fatta sia allo stato solido, usando una sonda, sia
allo stato liquido o gassoso, usando un sistema di valvole
che permettono di accedere alla camera di ionizzazione
senza che questa venga a contatto con l’esterno.
La quantità di prodotto necessario per registrare uno spettro
è dell’ordine dei nanogrammi/picogrammi.
59
30

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