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Alfonso Mangoni » 12.Spettrometria di massa – 6 – Analizzatori TOF, Quadrupolo, Ion-Trap, FT-ICR


Analizzatore a tempo di volo (TOF)

La sorgente MALDI è una sorgente ad impulsi: non genera un flusso continuo di ioni, ma una grande quantità di ioni in pochissimo tempo.

Questa sorgente necessita di un particolare analizzatore, l’analizzatore a tempo di volo (TOF = time of flight).

Questo analizzatore misura il rapporto m/z degli ioni sulla base del tempo che essi impiegano ad arrivare al detector.

Analizzatore a tempo di volo (TOF). Gli ioni più leggeri arrivano al detector prima degli ioni più pesanti

Analizzatore a tempo di volo (TOF). Gli ioni più leggeri arrivano al detector prima degli ioni più pesanti


Analizzatore a tempo di volo (TOF)

L’analizzatore TOF è un tubo rettilineo di 50-100 cm. Ad un’estremità del tubo c’è un campo elettrico, che accelera gli ioni provenienti dalla sorgente.

Gli ioni attraversano poi una regione rettilinea senza campo.

Gli ioni sono sottoposti tutti allo stesso campo elettrico, e assumono la stessa energia cinetica.

Principio di funzionamento dell’analizzatore TOF

Principio di funzionamento dell'analizzatore TOF


Analizzatore a tempo di volo (TOF)

Poiché Ekinmv2, parità di energia cinetica gli ioni con rapporto m/z maggiore (più pesanti) hanno velocità minore rispetto agli ioni con rapporto m/z minore (più leggeri), e quindi impiegano più tempo ad arrivare al detector.

Per questo il tempo di volo dei vari ioni misura il loro rapporto m/z.
Il TOF può funzionare solo se è noto il momento di partenza degli ioni, cioè se la sorgente è ad impulsi.

L’analizzatore TOF richiede una sorgente ad impulsi

L'analizzatore TOF richiede una sorgente ad impulsi


Vantaggi e svantaggi dell’analizzatore TOF

L’analizzatore TOF ha molti vantaggi:

  • Non ha praticamente nessun limite superiore per la massa analizzabile, basta aspettare tempo a sufficienza a anche gli ioni più pesanti giungono al detector.
  • È un analizzatore molto sensibile, poiché tutti gli ioni generati dalla sorgente arrivano al detector (al contrario degli analizzatori che funzionano come filtro).
  • Con opportuni accorgimenti, può raggiungere risoluzione sufficiente per misure di massa esatta.

Il principale svantaggio è che richiede una sorgente ad impulsi (tipicamente MALDI, ma anche l’electrospray può essere reso ad impulsi).

La risoluzione del TOF

I primi analizzatori TOF avevano risoluzione bassa.

Il motivo è essenzialmente l’energia cinetica con cui gli ioni sono desorbiti dalla matrice dopo l’impulso del laser, e che si somma a quella fornita dal campo elettrico.

Ioni con la stessa massa ma con energia cinetica iniziale diversa arrivano al detector in momenti leggermente diversi.

Questo allarga i picchi e diminuisce la risoluzione.

In questo vecchio spettro MALDI-TOF è evidente la larghezza dei picchi

In questo vecchio spettro MALDI-TOF è evidente la larghezza dei picchi


Il reflectron

La risoluzione degli attuali analizzatori TOF è invece molto buona grazie a due accorgimenti.

Il primo è il reflectron, uno specchi elettrostatico che inverte la direzione degli ioni.

Il reflectron ritarda gli ioni a energia cinetica maggiore (che percorrono una traiettoria più lunga al suo interno) e li fa arrivare al detector insieme a quelli ad energia cinetica minore.

Il TOF con reflectron ha migliore risoluzione del TOF lineare (senza reflectron)

Il TOF con reflectron ha migliore risoluzione del TOF lineare (senza reflectron)


Delayed extraction

L’altro accorgimento è la delayed extraction (estrazione ritardata).

Il campo elettrico che accelera gli ioni non è acceso esattamente al momento dell’impulso laser, ma alcuni microsecondi più tardi.

Gli ioni che hanno già una elevata velocità si trovano più avanti quando il potenziale elettrostatico è acceso, e vengono accelerati per un minore intervallo di spazio e quindi in misura minore.

La delayed extraction compensa la diversa velocità iniziale degli ioni

La delayed extraction compensa la diversa velocità iniziale degli ioni

In questo recente spettro MALDI-TOF la risoluzione è molto maggiore

In questo recente spettro MALDI-TOF la risoluzione è molto maggiore


Analizzatore a quadrupolo

L’analizzatore a quadrupolo consiste in un tubo rettilineo in cui è fatto il vuoto ed in cui sono presenti quattro barre parallele di sezione circolare oppure iperbolica.

Le barre opposte sono in contatto elettrico tra di loro, mentre tra barre adiacenti c’è un voltaggio formato da una componente continua (che possiamo chiamare U) e una oscillante ad alta frequenza (V · cos(ωt) ).

L’analizzatore a quadrupolo

L'analizzatore a quadrupolo


Analizzatore a quadrupolo

I campi elettrici continuo ed oscillante spingono gli ioni a seguire una traiettoria a spirale, fino ad uscire dall’altro lato dell’analizzatore.

Tuttavia regolando U e V si può fare sì che la traiettoria sia stabile solo per ioni i cui rapporti m/z sono compresi in un piccolo intervallo, mentre tutti gli altri ioni sbattono sulle pareti del tubo.

Gli ioni percorrono una traiettoria a spirale nell’analizzatore a quadrupolo

Gli ioni percorrono una traiettoria a spirale nell'analizzatore a quadrupolo


Caratteristiche dell’analizzatore a quadrupolo

L’analizzatore a quadrupolo funziona da filtro come l’analizzatore magnetico.

Può essere accoppiato a sorgenti EI, FAB ed electrospray, ma non MALDI.

È meno costoso, meno ingombrante, consuma meno elettricità e necessita di minore regolazioni dell’analizzatore magnetico.

Ha un limite superiore per il rapporto m/z piuttosto basso (spesso solo 1000-1500, raramente più di 2000-2500).

Non riesce a raggiungere una risoluzione sufficiente ad effettuare misure di massa esatta.

Per questo, è usato molto spesso negli spettrometri di massa più economici quando non servono misure di massa esatta.

Analizzatore a trappola ionica (Ion Trap)

La trappola ionica (Ion Trap) può essere considerata come un analizzatore a quadrupolo curvato su se stesso in modo da formare un’anello (o una ciambella).

L’elettrodo centrale (il “buco della ciambella”) è eliminato, ed il voltaggio continuo ed alternato sono applicati tra l’elettrodo esterno (che è un anello) e gli elettrodi inferiore e superiore, che sono due superfici convesse.

Analizzatore a tempo di volo (TOF). Gli ioni più leggeri arrivano al detector prima degli ioni più pesanti

Analizzatore a tempo di volo (TOF). Gli ioni più leggeri arrivano al detector prima degli ioni più pesanti


Analizzatore a trappola ionica (Ion Trap)

Utilizzando come nel quadrupolo dei voltaggi costanti U ed oscillanti V cos(ωt), è possibile intrappolare per un tempo lungo a piacere gli ioni che provengono dalla sorgente.

Una piccola quantità di elio all’interno della trappola aiuta questo processo, diminuendo l’energia cinetica degli ioni e facendoli rimanere nei pressi del centro della trappola e lontani dalle pareti.

Gli ioni percorrono una complessa traiettoria a spirale e rimangono intrappolati nella trappola

Gli ioni percorrono una complessa traiettoria a spirale e rimangono intrappolati nella trappola


Analizzatore a trappola ionica (Ion Trap)

Oltre che per “conservare” gli ioni, la ion-trap può essere utilizzata come analizzatore: aumentando progressivamente la radiofrequenza V, le traiettorie di ioni a rapporti m/z via via crescenti diventano instabili e escono dalla trappola.

Come analizzatore la ion-trap offre prestazioni pari a quelle di un quadrupolo, e non è molto più costoso, ma è meno adatto ad applicazioni quantitative.

Aumentando V la traiettoria di alcuni ioni diventa instabile

Aumentando V la traiettoria di alcuni ioni diventa instabile

L’uso della trappola ionica come analizzatore

L'uso della trappola ionica come analizzatore


Analizzatore FT-ICR

Uno ione in un campo magnetico uniforme segue una traiettoria circolare.

Il numero di giri al secondo percorsi dagli ioni, cioè la frequenza di rotazione degli ioni, è detta frequenza di ciclotrone.

La frequenza di ciclotrone è inversamente proporzionale al rapporto m/z (ma è indipendente dal raggio dell’orbita).

Misurare frequenza di ciclotrone equivale quindi a misurare il rapporto m/z degli ioni.

Uno ione in un campo magnetico segue una traiettoria circolare

Uno ione in un campo magnetico segue una traiettoria circolare

La frequenza di ciclotrone è inversamente proporzionale al rapporto m/z

La frequenza di ciclotrone è inversamente proporzionale al rapporto m/z


Analizzatore FT-ICR

Gli ioni sono cariche in movimento, e ruotando generano un campo elettrico (e un campo magnetico) oscillante: una radiofrequenza (rf).

Questa rf può essere rivelata da una coppia elettrodi posti ai lati della cella.

Gli ioni nella loro rotazione emettono una rf che viene rivelata da una coppia di elettrodi

Gli ioni nella loro rotazione emettono una rf che viene rivelata da una coppia di elettrodi


Analizzatore FT-ICR

Se però gli ioni sono distribuiti uniformemente lungo l’orbita, non si genera alcun segnale.

Perché si osservi un segnale, ioni devono essere raggruppati in modo da formare un “pacchetto” di ioni in rotazione.

La frequenza della rf è pari alla frequenza di ciclotrone (quindi è diversa per ogni ione, ed è inversamente proporzionale al suo rapporto m/z).

Gli ioni in movimento generano la rf sono se sono raggruppati

Gli ioni in movimento generano la rf sono se sono raggruppati


Analizzatore FT-ICR

Gli ioni vengono introdotti nella cella, e all’inizio sono a riposo al centro della cella (1).

Il “pacchetto” di ioni è generato da una radiofrequenza alla frequenza di ciclotrone degl i ioni, che cede energia agli ioni aumentando il raggio della loro orbita, e soprattutto li mette tutti in fase (2).

A questo punto si “spegne” la radiofrequenza (3), e si registra il segnale emesso dagli ioni (4).

Funzionamento dell’analizzatore FT-ICR

Funzionamento dell'analizzatore FT-ICR


FT-ICR: la trasformata di Fourier

Se nella cella c’è uno solo tipo di ione, questo emette alla sua frequenza di ciclotrone (con intensità che decresce nel tempo), che può essere misurata.

Se nella cella ci sono due o più tipi di ioni (come succede quasi sempre) ogni tipo di ione emette alla sua frequenza di ciclotrone.

Il segnale emesso è perciò la somma di più radiofrequenze a frequenze diverse.

Il segnale emesso è la somma di più radiofrequenze

Il segnale emesso è la somma di più radiofrequenze


FT-ICR: la trasformata di Fourier

Esiste una procedura matematica, detta Trasformata di Fourier (FT) che permette di ricavare le frequenze di ognuna delle radiofrequenze.

Ricavare le frequenze equivale a ricavare i rapporti m/z, per cui la trasformata di Fourier del segnale emesso dagli ioni dà lo spettro di massa degli ioni presenti nella cella.

La trasformata di Fourier (FT) permette di ricavare le frequenze della varie rf

La trasformata di Fourier (FT) permette di ricavare le frequenze della varie rf


Caratteristiche della FT-ICR

FT-ICR sta per Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance.

L’analizzatore FT-ICR ha la risoluzione più alta tra tutti gli analizzatori. Può facilmente raggiungere 600.000 per un m/z di 1000. È quindi ideale per determinare la formula molecolare anche per molecole piuttosto grandi.

Il limite superiore di massa è abbastanza elevato, intorno a m/z 30.000.

Gli strumenti FT-ICR sono costosi, perché richiede un campo magnetico molto intenso (si usano magneti superconduttori, come vedremo per l’NMR).

Gli strumenti FT-ICR sono molto sensibili, e hanno il vantaggio di non distruggere gli ioni nella misura.

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