“SOFT” and “HARD” Events Soft ionisation mode ee- M M+• e- Stable Hard ionisation mode ee- M M+•* Unstable e- Fragments 1 EI hard, 10-4 Pa, reazioni unimolecolari in fase gas M + e- M+• + 2 e(+, espulsione di un e-) CI soft, 2020-100 Pa, reazioni bimolecolari ioneione-molecola M + GH+ [M+H]+ + G (PCI, trasferimento del protone) protone) M + X+ [M+X]+ (PCI, formazione addotti) addotti) M + G +• M+• + G (PCI, trasferimento di carica) carica) M + X+ [M-A]+ + XA (PCI, sottrazione di anione) anione) M + e- M-• (NCI, cattura di e-) M + X [M-H] + XH (NCI, trasferimento del protone) protone) M + X- [M+X](NCI, formazione addotti) addotti) FAB, LSIMS, MALDI soft, alto vuoto [M+H M+H]]+, [[M+X M+X]]+, [M [M--H]-, M+•, M-•, cluster (X= Na+ ecc ecc., ., matrice) matrice) API (ESI, APCI, APPI) soft, 1 atm ≈ 105 Pa 2 1 ESI M + H+ M + X+ M - H+ M + X- M + n H+ [M+H]+ [M+X]+ [M-H][M+X][M+ M+n nH]n+ (trasferimento del protone) protone) (formazione addotti) addotti) (trasferimento del protone) protone) (formazione addotti) addotti) (ioni multicarica) multicarica) [M+H]+ [M+X]+ [M-H]- + XH M -• [M+X]- (trasferimento del protone) protone) (formazione addotti) addotti) (trasferimento del protone) protone) (cattura di e-) (formazione addotti) addotti) M + X +• M+• M + H+ [M+H]+ M + e- M-• M + X-• M-• M + S- [M[M-H]- + SH (trasferimento di carica) carica) (trasferimento del protone) protone) (cattura di e-) (trasferimento di carica) carica) (trasferimento del protone) protone) APCI M + H+ M + X+ M + XM + eM + X- APPI 3 Per un picco singolo relativo a ione monocaricato in uno spettro di massa, la risoluzione può essere espressa come la larghezza del picco a mezza altezza 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, espresso in ppm: R = m/∆m (FWHM) 4 2 5 Gli analizzatori di massa misurano m/z, non la massa!!!!! (attenzione agli ioni multicaricati) Gli analizzatori usano campi magnetici ed elettrici statici o dinamici, da soli o anche in combinazione; sostanzialmente si differenziano per come li utilizzano per ottenere la separazione F = ma F = qE F = qvB 1 Ek = mv 2 = qV 2 m = massa a = accelerazione B = campo magnetico q = carica (ze) E = campo elettrico V = potenziale elettrico v = velocità 6 3 TIPOLOGIE DI ANALIZZATORI DI MASSA Analizzatore Simbolo Principio di separazione Quadrupole Q m/z (trajectory stability) Ion trap IT m/z (resonance frequency) Time--of Time of--flight TOF Velocity (flight time) Magnetic sector B Momentum Electric sector E or ESA Kinetic energy Fourier transform orbitrap FT m/z (resonance frequency) Fourier transform ion cyclotron resonance FTICR m/z (resonance frequency) Trapping Non-Trapping Analyser will trap ions in a confined space while still allowing manipulation sample. Each component can only perform one type of task…and so ions have to be transferred around i.e. same component can perform multiple functions e.g.: •Scanning •Filtering •Isolation of a peak •Fragmentation of a peak Ion traps Ion cyclotron resonators (ICR) Time of flight Quadrupoles Magnetic Sector instruments A scansione (Q) e non (TOF) 8 4 SVILUPPO DEGLI ANALIZZATORI DI MASSA 1897 Early Mass Spectrometry (J.J. Thomson, Nobel 1906) 1919 Observation of isotopes using MS (F.W. Aston, Nobel 1922) 1934 Double Focusing Analyzer 1946 Time-of-Flight Mass Spectrometry (TOF) 1949 Ion Cyclotron Resonance (ICR) Joseph John Thomson 1953 Quadrupole Analyzers (Q) 1960 Paul Ion Trap (IT) 1974 Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) 1978 Triple Quadrupole Mass Analyzer (QqQ) 1984 Quadrupole/Time-Of-Flight Mass Analyzer (Q-TOF) 2000 Orbitrap (FT) Replica of J.J. Thomson's third mass spectrometer. Orbitrap (2005) IT LIT TOF (doppio) reflectron e delayed extraction FTICR alta risoluzione ad alte masse Diversi analizzatori in sequenza QqQ o Strumenti ibridi: QQ-TOF, QQ-TRAP, ITIT-FTICR, ITIT-TOF, LIT--Orbitrap LIT Orbitrap,, Q-Orbitrap 10 5 Fattori che influenzano la scelta di un analizzatore di massa Limite di intervallo di massa [m/z m/z] Risoluzione di Massa Accuratezza di Massa (e facilità di calibrazione) Velocità di scansione [m/z s-1] Trasmissione Duty cycle Sensibilità Facilità di interfacciamento con i sistemi di introduzione del campione Possibilità di effettuare esperimenti di spettrometria di massa tandem 11 Trasmissione degli ioni = numero ioni che raggiungono rivelatore / numero ioni che entrano nello spettrometro di massa (perdite dovute a lenti elettriche prima e dopo analizzatore) Duty cycle (≠ da trasmissione) = proporzione di tempo in cui il sistema opera “effettivamente”: parte di ioni di un certo m/z prodotti in sorgente che sono effettivamente analizzati. Dipende non solo da analizzatore, ma da tutto lo strumento. Varia inoltre, per uno stesso strumento, in funzione della modalità di scansione (es. 100% in SIM, 0.1% per scansione su range di 1000 m/z) Velocità di scansione = u/s o u/ms; Th/s, m/z s-1 12 6 Prestazioni degli analizzatori di massa 7 Wolfgang Paul, 1953 Premio Nobel per la Fisica nel 1989 a Hans G. Dehmelt e Wolfgang Paul "for the development of the ion trap technique" ANALIZZATORE: QUADRUPOLO Utilizza la stabilità delle traiettorie in campi elettrici oscillanti per separare ioni in base a m/z. Stesso principio per trappole ioniche 2D e 3D 4 barre perfettamente parallele di sezione circolare (idealmente iperbolica) Barre opposte: stesso segno Barre adiacenti: segno opposto + + −(U −V cos ωt) - +(U – V cosωt) Le barre diametralmente opposte sono in contatto elettrico tra di loro, mentre tra barre adiacenti è applicato un voltaggio formato da due componenti: una differenza di potenziale continua e una oscillante ad alta frequenza. Lo ione entra nell'analizzatore lungo l'asse z, ed è spinto dal campo elettrico totale, continuo e oscillante, a seguire 16 una traiettoria a spirale. 8 +(U – V cosωt) −(U −V cos ωt) Per un dato valore dei potenziali solo gli ioni con un singolo valore del rapporto m/z raggiungono il rivelatore. La scansione di uno spettro si ottiene facendo variare simultaneamente DC e RF, mantenendo costante il loro rapporto. Quadrupolo è proprio un filtro di m/z Scansione completa 18 9 SEZIONE trasversale del Quadrupolo Movimento degli ioni nel campo elettrico quadrupolare – + + + – SEZIONE trasversale del Quadrupolo Movimento degli ioni nel campo elettrico quadrupolare + – – + + 10 SEZIONE trasversale del Quadrupolo Movimento degli ioni nel campo elettrico quadrupolare + + – – + SEZIONE trasversale del Quadrupolo Movimento degli ioni nel campo elettrico quadrupolare – + + + – 11 Quadrupolo con barre iperboliche Le linee equipotenziali sono rappresentate in alto a sinistra Gli ioni che attraversano lo spazio tra le barre lungo l’asse z sono sottoposte all’azione del campo elettrico continuo a cui si sovrappone il campo elettrico alternato a radiofrequenza. Φ0 = (U − V cos ωt) − Φ0 = −(U − V cos ωt) Φ0 è il potenziale totale applicato alle barre, ω la frequenza angolare, rad/s =2πν , dove ν = frequenza del campo RF U è il potenziale continuo (in genere fra +500 e +2000 V) V è l’ampiezza del campo elettrico a RF (varia tra 0 e 3000 V, ossia fra 3000 V e + 3000 V da picco a picco). 12 Le equazioni del moto Gli ioni accelerati lungo asse z mantengono la loro velocità lungo questo asse. Tuttavia, sono sottoposti all’accelerazione lungo gli assi x ed y che sono il risultato delle forze generate dai campi elettrici F = ma F = −qE Φ è una funzione di Φ0 : Φ(x,y) = Φ0(x2 − y2)/ r02 = (x2 − y2)(U − V cos ωt)/r02 Sostituendo e riarrangiando i termini si ha: * La traiettoria sarà stabile se x ed y non raggiungono mai il valore di r0 (ossia se non colpiscono le barre!!!). Per ottenere x ed y bisogna integrare questa equazione. Nel 1866 il fisico Mathieu aveva stabilito la seguente equazione per descrivere la propagazione delle onde attraverso le membrane: 13 Equazione di Mathieu u=xoy Paragonando le equazioni e tenendo conto che i potenziali lungo x ed y hanno segno opposto, operando il seguente cambio di variabile possiamo avere le nostre equazioni del moto nella forma dell’equazione di Mathieu * Rimpiazzando nel primo termine dell’equazione di Paul t2 con ξ2,si introduce il fattore ω2/4,, perciò moltiplichiamo i due termini dell’equazione per 4/ω2. Nel termine cos, il termine 2ξ = ωt. Riarrangiando i termini arriviamo alle seguenti equazioni: Non è necessario integrare l’equazione, è sufficiente comprendere che essa stabilisce la relazione tra le coordinate spaziali di uno ione ed il tempo. Se x ed y restano < di r0 lo ione avrà una traiettoria stabile, altrimenti colliderà con una delle due coppie di barre. 14 SEZIONE longitudinale del Quadrupolo Movimento degli ioni nel campo elettrico quadrupolare Traiettoria stabile Traiettoria instabile 15 Per un dato quadrupolo r0 = costante e ω=2πν viene mantenuto costante, quindi le variabili sono U e V. In un certo intervallo di tempo, per ogni ione di massa m, x e y possono essere determinati come funzione di U e V. Passando da un valore di m/z ad un altro, cambieranno au e qu e l’area di stabilità cambierà di un fattore U e V lungo i due assi, rispettivamente. La zona di stabilità utilizzata dagli analizzatori quadrupolari è quella indicata con A, a potenziali più bassi x e y ≤ r0 La combinazione di U e V rende stabile la traiettoria di un particolare ione (identificato da uno specifico valore m/z). Variando opportunamente questi valori si permette il superamento del quadrupolo a ioni con m/z diversi. l’area triangolare A varia da una massa all’altra, come triangoli proporzionali 16 Se si traccia il diagramma di U e V al posto di au e qu , si ottiene una rappresentazione grafica della stabilità per ioni con m/z differenti: (la forma del grafico è uguale a quella della figura sopra, solo che in questo caso si avrà una diversa zona di stabilità per ogni diverso rapporto m/z) APEX (q = 0.706, a = 0.23699) 33 regione di stabilità è proporzionale a m/z Operando una scansione lungo una retta (U/V costante) manterremo stabile, successivamente, gli ioni con un determinato valore (crescente) di m/z. Per un dato valore dei potenziali solo gli ioni con un singolo valore del rapporto m/z raggiungono il rivelatore. Quadrupolo è proprio un filtro di m/z. Aumentando la pendenza della retta aumenta la risoluzione (intervallo di m/z stabile più ristretto). 17 x, y unstable > risoluzione a/q = 2U/V = cost < risoluzione Se scegliessi a/q = 2U/V = 0.237/0.706 = 0.336 avrei stabilità solo in un punto del diagramma, all’apice riducendo a e mantenendo q costante, cioè riducendo U relativamente a V, avrei la trasmissione simultanea di un intervallo 35 più ampio di m/z. Es. m/z ± 0.5 Separazione No separazione Se U = 0 risoluzione = 0 Tuttavia V impone un minimo di stabilità sulle masse. Quindi, se aumentassi V fino a raggiungere l’area di stabilità di m1, tutte le masse inferiori a m1 avrebbero traiettorie instabili, quelle al di sopra di m1 traiettorie stabili 36 18 Prestazioni di un analizzatore di massa quadrupolare L’analizzatore quadrupolare non permette una risoluzione molto elevata, esso opera normalmente in modo da risolvere m/z da m/z + 1 (si dice risoluzione di massa unitaria, FWHM è 0.5-0.7). La risoluzione non è costante, a rimanere costante è ∆m; ciò permette velocità di scansione costanti.*** La focalizzazione degli ioni non dipende dalla loro energia cinetica: è un vero analizzatore di m/z. Il tempo in cui uno ione attraversa l’analizzatore deve essere breve rispetto al tempo di passaggio dalla focalizzazione di uno ione rispetto ad un altro, ma sufficientemente lungo da permettere un certo numero di oscillazioni. *** quadrupolo, trappola ionica (larghezza di banda costante) FWHM: 0.5 u (per z=1) m/z 40, R = 40 / 0.5 = 80 m/z 1000, R = 1000 / 0.5 = 2000 Risoluzione non è costante, ma dipende dal numero di volte che avviene il processo di separazione, processo che ha luogo nel tempo in cui lo ione si trova all’interno del sistema e che dipende quindi dalla velocità e dall’energia cinetica degli ioni: •ioni piccoli, a parità di energia cinetica (fornita dal potenziale di accelerazione) stanno nel sistema un tempo minore perché hanno una velocità maggiore, quindi essi hanno una risoluzione minore; * ioni grandi hanno risoluzione maggiore. La risoluzione aumenta all’aumentare del rapporto m/z. Risoluzione massima è intorno a 3000 38 19 L’energia cinetica di uscita dalla sorgente deve quindi essere di pochi eV (da 1 a poche centinaia); per questo motivo e per le ridotte dimensioni, non è necessario avere un vuoto molto spinto. La velocità di scansione può arrivare a 1000 Th/s o più, quindi si presta bene per un accoppiamento con la cromatografia, anche se aumentando la velocità di scansione (diminuzione del dwell time) diminuisce l’intensità del segnale. Il valore massimo di m/z che può essere focalizzato è di circa 4000, ma in pratica oltre 3000 m/z non si ha più la risoluzione di una unità di m/z. Inoltre, per l’effetto di “sfrangiamento” del campo elettrico agli elevati potenziali, l’intensità del segnale decade rapidamente oltre i 2000 m/z. Situazione ottimale: ioni con Ek di 10 eV che compiono 100 oscillazioni Risoluzione non può essere aumentata oltre un certo limite tramite U/V, limitata dalla’accuratezza meccanica con cui sono assemblate le barre Per aumentare risoluzione: potrei allungare quadrupolo, ma perderei in trasmissione (in scansione): tempi di percorrenza della zona quadrupolare devono essere brevi [Tra i parametri che fanno variare la risoluzione di un quadrupolo c’è la lunghezza dello stesso: tanto più lungo è il quadrupolo tante più volte avviene il processo di selezione e di conseguenza sarà tanto più stretto quello che il rivelatore raccoglie. Però questo significa anche perdere parte del segnale ed è per questo che il quadrupolo in genere non viene usato per le alte risoluzioni] Barre iperboliche: più difficili da costruire e assemblare parallele. In quel caso risoluzione è migliore perché con barre cilindriche ioni risiedono più tempo in prossimità della barra (con iperboliche ho maggior puntiformità). Nel caso delle barre cilindriche devo valutare bene raggio delle barre in funzione di r0 40 20 In pratica il limite superiore di m/z analizzabile con un analizzatore quadrupolare è determinato dalla stabilità del campo elettrico quando avviene la separazione degli ioni, stabilità che si ha fino ad un certo valore di U e di V, poiché all’aumentare del loro valore, dato che il vuoto non è totale, variano le linee di forza del campo elettromagnetico e si ha quello che viene chiamato effetto “fringing field” (sfrangiamento del campo elettrico) e quindi per valori elevati (m/z 1500-2000) si riesce a focalizzare solo una piccola quantità del segnale. 41 Quadrupolo a geometria cilindrica Quadrupoli a geometria iperbolica: maggiore m risoluzione, ma distanze non sono uniformi 21 Modalità di scansione: Full Scan vs SIM Full Scan: As RF and DC voltages are ramped upward (i.e.the mass analyzer is scanned), ions of successively higher mass-to-charge ratios and having stable trajectories are allowed to pass through the analyzer. If one MS scan between m/z 0 and m/z 500 is completed in one second, then each m/z will be allowed to pass for only 1/500 s. + + + + SIM: If the RF and DC voltages are held constant, ions of a single m/z ratio and having a stable trajectories are transmitted. Data is collected on the ion for a much longer time resulting in improved signal to noise, better peak definition and lower RSD’s. SIM can give 15 to 25 times improvement in sensitivity compared to full scan. 43 Guide ioniche e celle di collisione Se ad un quadrupolo è applicata la sola RF (U=0), e quindi aumento V fino a x V, tale da superare di poco la stabilità di m1, avrò che tutte gli ioni con massa ≤ m1 avranno traiettorie instabili, ≥ m1 traiettorie stabili. Esso funziona da guida ionica per un certo intervallo di m/z. 22 Tuttavia, per una efficace focalizzazione di ioni pesanti occorre aumentare V, condizione in cui sono gli ioni leggeri ad essere persi (traiettoria instabile). Gli ioni nell’intervallo m/z di trasmissione sono mantenuti al centro delle barre: al di fuori di questo intervallo, quelli più pesanti non sono focalizzati e quelli più leggeri seguono traiettoria instabile Sincronizzando una guida ionica con la scansione dell’analizzatore è possibile ottenere una buona trasmissione variando V. (V basso per ioni leggeri e V alto per ioni pesanti) Specialmente con sorgenti API, necessità di portare ioni senza separazione m/z EFFICIENTEMENTE in punti diversi dello spettrometro, a P diverse. Se perdo troppi ioni (collisioni con gas residuo, space charge effects) diminuisce sensibilità guida ionica o sistema di focalizzazione degli ioni con ruolo di trasportare TUTTI gli ioni efficacemente e trasmetterli SIMULTANEAMENTE. Eppure vuoto moderato (gas 10-3–10-2 mbar = 0.1-1 Pa) aiuta a focalizzare ioni al centro e a “raffreddarli” Necessario avere una buona efficienza di trasmissione in un intervallo di massa più grande possibile. Un quadrupolo (in modalità solo RF) può funzionare non solo da guida ionica, ma anche da cella di collisione, rifocalizzando gli ioni ed i frammenti dopo le collisioni, ma la capacità di focalizzare in un ampio intervallo non può essere ottenuta. MULTIPOLI per migliore efficienza di trasmissione. 23 Esapoli e Ottapoli Collegando le barre non adiacenti tra di loro (sempre 2 coppie totali) possiamo ottenere esapoli ed ottapoli. Voltaggio RF con polarità invertita fra barre adiacenti. Il potenziale di “intrappolamento” e focalizzazione degli ioni è: nell’equazione 2n è il numero di barre, r è la distanza radiale dal centro delle barre. Essendo il potenziale dello ione proporzionale a (r/r0)2n−2, si può vedere che il massimo potenziale di uno ione in un ottapolo si ha per un valore V 4 volte superiore al quadrupolo, quindi, pur avendo una minore capacità di intrappolamento, intrappola ioni in un intervallo più ampio. quadrupoli / esapoli/ ottapoli / multipoli: per trasportare ioni in regioni dello spettrometro a diversa P o come celle di collisione Più importanti in TOF (tutti gli ioni analizzati insieme) che negli analizzatori a scansione 48 24 Spettrometro di massa a triplo quadrupolo Cella di collisione è spesso esapolare Q1 Collision (Q2) + - Q3 + + - + - - - + + High Pressure, RF only I°analizzatore (filtro per m/z) Cella di collisione II°analizzatore Scansione m/z MS/MS nello spazio 50 25 CID: Collision-Induced Dissociation CAD: Collision Activated Dissociation Cella di collisione Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar m/z Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Gas di collisione Lo ione entra nella cella di collisione Cella di collisione Collisione Ar Ar Ar m/z Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Gas di collisione Lo ione collide con una molecola di gas presente nella cella di collisione 26 Cella di collisione Molecola attivata Ar Ar Ar Ar Ar Ar m/z Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Gas di collisione Lo ione passa ad uno stato attivato (energia dell’urto) Cella di collisione Ar Frammenti Ar Ar Ar Ar Ar (m/z)1 Ar Ar 3 Ar Ar Ar Ar (m/z) 2 Ar N Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar (m/z) Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Gas di collisione Lo ione dissipa l’energia frammentandosi 27 Cella di collisione Ar Frammenti Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar Ar N Ar (m/z)3 Ar (m/z)2 MS Ar Ar Ar (m/z)1 Gas di collisione Gli ioni generatisi per frammentazione possono essere analizzati dal secondo analizzatore Tandem mass spectrometry in space 56 28 Diverse analisi effettuabili con uno spettrometro con analizzatori in serie Tandem mass spectrometry - Triplo quadrupolo PRODUCT ION SCAN m/z FISSO CID DETECTOR ESI Q1 Q2 Q3 Q1: fisso Q2: CID Q3: scansione FILTRO SELETTIVO Genera Analizza range m/z => m/z dei frammenti RISULTATO: lo ione da origine agli ioni frammento 29 Apigenina O, O,C C-diesoso [M-162-120+H]+ [M-162-150+H]+ [M-162-36-60+H]+ [M-162-nH2O+H]+ [M-162-36-30+H]+ [M-162+H]+ [M-324+H]+ [M+H]+ MS/MS di Droloxifene: Droloxifene: Product ion di m/z 388 [M+H]+ 72 2: Products of 388AP+ 388 1.25e4 100 O H 3C 20 V collision energy N H 3C % CH 3 72 386 OH 0 Da/e 2: Products of 388AP+ 4.18e3 72 100 50 V collision energy % 71 387 57 0 388 388 Da/e 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 30 Tandem mass spectrometry - Triplo quadrupolo PRECURSOR ION SCAN m/z FISSO CID DETECTOR ESI Q1 Q2 Q1: scansione Q2: CID Q3 Q3: fisso Analizza range m/z RISULTATO: lo ione frammento è originato dagli ioni 31 Tandem mass spectrometry - Triplo quadrupolo NEUTRAL LOSS ION SCAN m/z CID DETECTOR ESI Q1 Q2 Q1: scansione Q2: CID Q3 Q3: scansione (Q1-∆mass) Analizza range m/z RISULTATO: lo ione ha perso ∆mass Tandem mass spectrometry - Triplo quadrupolo MULTIPLE REACTION MONITORING (MRM) o SELECTED REACTION MONITORING (SRM) m/z FISSO CID FISSO DETECTOR ESI Q1 Q2 Q1: fisso Q2: CID FILTRO SELETTIVO Genera RISULTATO: rilevato lo ione frammento Q3 Q3: fisso FILTRO SELETTIVO originato dallo ione 32 33
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