Mass spectrometry
Tecnica che misura i rapporti massa/carica degli ioni per l'analisi chimica.
La spettrometria di massa (MS) è una tecnica analitica che misura il rapporto massa/carica degli ioni, presentando i risultati come spettro di massa — un grafico dell'intensità del segnale in funzione di tale rapporto. Questo spettro viene utilizzato per determinare la firma elementare o isotopica di un campione, le masse di particelle e molecole, e per chiarire l'identità o la struttura chimica. La tecnica è applicata in molti campi sia a campioni puri che a miscele complesse.
In una procedura tipica, un campione solido, liquido o gassoso viene ionizzato, spesso mediante bombardamento con un fascio di elettroni. Ciò può causare la frammentazione delle molecole in frammenti carichi positivamente o la loro carica positiva senza rottura. Questi ioni vengono poi separati in base al loro rapporto massa/carica, comunemente accelerandoli attraverso campi elettrici o magnetici, che deflettono ugualmente gli ioni con lo stesso rapporto. Un rivelatore, come un moltiplicatore di elettroni, cattura le particelle cariche e i dati risultanti vengono visualizzati come spettro. L'identificazione di atomi o molecole si ottiene correlando masse note o schemi di frammentazione caratteristici.
La storia della MS iniziò nel 1886 quando Eugen Goldstein osservò i "raggi canale" carichi positivamente che si allontanavano dall'anodo nelle scariche nei gas. Wilhelm Wien utilizzò in seguito campi elettrici e magnetici perpendicolari per separare questi raggi in base al rapporto carica/massa, e J. J. Thomson migliorò il dispositivo riducendo la pressione, creando lo spettrografo di massa. I primi strumenti registravano spettri su lastre fotografiche o utilizzavano schermi al fosforo. Le tecniche moderne furono ideate da Arthur Jeffrey Dempster e F.W. Aston nel 1918 e 1919. Spettrometri di massa a settore chiamati calutroni, sviluppati da Ernest O. Lawrence, furono utilizzati per l'arricchimento dell'uranio durante il Progetto Manhattan. Innovazioni successive inclusero la tecnica della trappola ionica, riconosciuta con un Premio Nobel per la Fisica nel 1989, e l'ionizzazione per elettrospray e la desorbimento laser soffice, che valsero un Premio Nobel per la Chimica nel 2002 per la loro applicazione alle macromolecole biologiche.
Uno spettrometro di massa comprende cinque componenti: un ingresso campione, una sorgente ionica, un analizzatore di massa, un rivelatore e un sistema di acquisizione dati. L'ingresso prepara il campione; la sorgente ionica converte una parte in un flusso di ioni; l'analizzatore di massa separa gli ioni in base al rapporto massa/carica; e il rivelatore misura le abbondanze, talvolta fornendo informazioni spaziali.
Quick Facts
- Field
- Analytical chemistry, physics
- Known for
- Measuring mass-to-charge ratio of ions; identifying chemical composition and isotopic ratios
- Key inventors
- Eugen Goldstein
- Wilhelm Wien
- J. J. Thomson
- Arthur Jeffrey Dempster
- F.W. Aston
- Ernest O. Lawrence
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Contesto e storia
La spettrometria di massa è una tecnica analitica utilizzata per determinare il rapporto massa/carica degli ioni. I risultati sono presentati come uno spettro di massa, un grafico dell'intensità in funzione del rapporto massa/carica, che viene utilizzato per identificare la composizione elementare o isotopica di un campione, le masse di particelle e molecole e la struttura chimica dei composti. In una procedura tipica, un campione solido, liquido o gassoso viene ionizzato, spesso mediante bombardamento con un fascio di elettroni, che può causare la rottura delle molecole in frammenti carichi positivamente o la loro carica positiva senza frammentazione. Questi ioni vengono poi separati in base al loro rapporto massa/carica, ad esempio accelerandoli attraverso campi elettrici o magnetici, dove gli ioni con lo stesso rapporto subiscono la stessa deflessione. Rilevati da un meccanismo come un moltiplicatore di elettroni, gli ioni producono uno spettro dell'intensità del segnale in funzione del rapporto massa/carica. Gli atomi o le molecole vengono identificati correlando masse note o schemi di frammentazione caratteristici. Lo strumento comprende cinque componenti: un ingresso campione, una sorgente ionica, un analizzatore di massa, un rivelatore e un sistema di acquisizione dati. La sorgente ionica converte una parte del campione in un flusso di ioni, che viene poi separato dall'analizzatore di massa in base al rapporto massa/carica. Il rivelatore misura l'abbondanza di ciascun ione e alcuni rivelatori forniscono anche informazioni spaziali.
Guida alla lettura
La spettrometria di massa è una tecnica analitica fondamentale di ampia rilevanza. Consente l'identificazione di elementi, isotopi e strutture molecolari misurando i rapporti massa/carica degli ioni. Il suo sviluppo abbraccia oltre un secolo, dai raggi canale di Goldstein ai moderni metodi di ionizzazione che consentono l'analisi di grandi biomolecole come le proteine. La flessibilità della tecnica è evidente nei suoi cinque componenti — ingresso campione, sorgente ionica, analizzatore di massa, rivelatore e sistema di acquisizione dati — ciascuno indipendentemente variabile. Le applicazioni spaziano da campioni puri a miscele complesse, inclusa l'accoppiamento con la gascromatografia (GC-MS) o la cromatografia liquida (HPLC-MS). Il ruolo del calutrone nell'arricchimento dell'uranio durante il Progetto Manhattan evidenzia il suo impatto storico. I premi Nobel assegnati per la trappola ionica e le tecniche di ionizzazione soffice sottolineano la sua continua evoluzione. La spettrometria di massa rimane essenziale in chimica, fisica, biologia e medicina per l'analisi precisa della composizione e della struttura.
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