66218 - SPETTROMETRIA DI MASSA CON ESERCITAZIONI

Scheda insegnamento

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sa interpretare gli spettri di massa delle principali classi di molecole organiche ottenuti mediante ionizzazione elettronica e riconoscere le caratteristiche di quelli generati mediante altre tecniche di ionizzazione. Conosce, degli spettrometri di massa: - i principali costituenti (sorgenti e analizzatori di ioni, rivelatori, pompe da vuoto); - il loro principio di funzionamento; - le loro applicazioni a problemi analitici.

Programma/Contenuti

Prerequisiti.

Si richiede buona conoscenza dell'aritmetica, della stechiometria, della chimica generale, della chimica organica e, per gli studenti di madrelingua non italiana, anche ottima conoscenza dell'italiano.

Il corso è svolto completamente in aula; incomincia con esercitazioni (24 ore, 2 CFU); prosegue e termina con lezioni frontali (32 ore, 4 CFU).

Programma.

a) Esercitazioni (24 ore - 2 CFU).

  1. Caratteristiche di uno spettro di massa a ionizzazione elettronica (EI), sua rappresentazione, termini tecnici.
  2. Procedura per interpretare uno spettro di massa EI. Ioni a numero di elettroni pari e dispari (cationi, radical-cationi). Identificazione dello ione molecolare. Fattori che influenzano l'abbondanza ionica. Regola di Stevenson con eccezioni. Gamma-Hydrogen rearrangement. Ione tropilio e azatropilio. Even-electron rule. Riarrangiamento H e McLafferty. Riarrangiamenti multipli (esempi: ftalati, tributilfosfato). Esempi di spettri di massa EI delle principali classi di molecole organiche: idrocarburi saturi, insaturi; alcoli; acidi carbossilici, esteri; ammine;composti aromatici, piridinici, pirrolici; composti contenenti fluoro, cloro e bromo. Identificazione spettri di massa incogniti.
  3. Ricerca in library NIST di spettri di massa incogniti (criteri per la comparazione degli spettri incogniti con quelli della library).
  4. Esempi di procedure per la soluzione mediante GC/MS di problemi reali di chimica analitica.

b) Lezioni frontali (32 ore - 4 CFU).

  1. Perché studiare la spettrometria di massa: si espongono le ragioni concrete per le quali lo studente deve essere motivato allo studio. Applicazioni e principi generali. Rappresentazione di uno spettro di massa. Definizioni di massa media, nominale, monoisotopica, esatta. Ioni isotopici (regola dell'A+2): esempio del bromobenzene.
  2. Sorgenti ioniche. Ionizzazione elettronica (EI). Ionizzazione chimica (CI). Field Ionization (FI). Field Desorption (FD). Fast Atom Bombardment (FAB). Continuous Flow FAB. Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI): struttura delle principali matrici, spettri calibranti, risoluzione degli spettri, masse monoisotopiche e masse medie, ioni addotto, ioni cationizzati, ioni multicarica. ThermoSpray Ionization (TSP). Electrospray Ionization (ESI) (riconoscimento di ioni multi carica e metodi di calcolo del numero di cariche). Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI). Particle Beam (PB). Inductively Coupled Plasma Ionization (ICP). Esempi di spettri di massa ove appropriato.
  3. Analizzatori di ioni. Analizzatore magnetico (B): equazione del moto di uno ione, risoluzione, ioni metastabili. Analizzatore elettrostatico (E): equazione del moto di uno ione. Dispersione energetica e spaziale. Strumenti a doppio fuoco EB e BE. Spettri IKE e MIKE. Risoluzione: definizioni, alta e bassa risoluzione. Linked scan B/E, B2/E, [B2(1-E)]/E2. Analizzatore quadrupolo (Q): equazione del moto di uno ione, diagramma di Mathieu per un quadrupolo bidimensionale. Guide multipolo a sola radiofrequenza (Multipole Rf-only guides). Tandem Mass Spectrometry (MS2) con analizzatori a triplo quadrupolo (QQQ). Analizzatore a trappola ionica (ITMS): equazioni del moto di uno ione, diagramma di Mathieu per la trappola ionica, analisi dello ione per resonant ejection, instability ejection. MS2 e MSn in ITMS mediante resonant ejection. Uso della trappola ionica come sorgente e analizzatore di ioni. Controllo automatico dell'intensità di emissione del filamento per la ionizzazione elettronica (automatic gain control). Analizzatore a tempo di volo (TOF): equazione del moto di uno ione, delayed extraction (DE), reflectron, post source decay (PSD). Cenni su Ion Cyclotrone Resonance (ICR) e Orbitrap.
  4. Accoppiamenti gascromatografia/spettrometria di massa (GC/MS) e Cromatografia Liquida/Spettrometria di Massa (LC/MS).

Testi/Bibliografia

E. de Hoffmann, V. Stroobant, Mass Spectrometry – Principles and Applications, Third Edition, Wiley, 2007. (*)

T.A. Lee, A Beginner's Guide to Mass Spectral Interpretation, Wiley, 1998. (*)

F. W. McLafferty, F. Turecek, Interpretation of Mass Spectra, University Science Books, Fourth Edition, 1993. (°)

J. H. Gross, Mass Spectrometry – A textbook, Springer, Second Edition, 2011. (^)

J. T. Watson, O. D. Sparkman, Introduction to Mass Spectrometry – Instrumentation, Applications and Strategies for Data Interpretation, Wiley, Fourth Edition, 2007. (^)

R. E. March, J. F. J. Todd, Practical Aspects of Trapped IonMass Spectrometry, Volume V, Applications of Ion Trapping Devices, pp 491-507, CRC Press, 2010. (^)

O. D. Sparkman, Z. E. Penton, F. G. Kitson, Gas Chromatography and Mass Spectrometry – A Practical Guide, Academic Press, Second Edition, 2011. (^)

M. C. McMaster, LC/MS – A Practical User's Guide, Wiley, 2005. (^)

R. B. Cole, Electrospray and MALDI Mass Spectrometry – Fundamentals, Instrumentation, Practicalities, and Biological Applications, Wiley, Second Edition, 2010. (^)

(*) Contiene parti da studiare obbligatoriamente per superare l'esame.

(°) Contiene parti utili per superare l'esame.

(^) Non necessario per superare l'esame. Utile per approfondimenti, anche futuri.


Metodi didattici

Il corso consiste in 32 ore di lezioni frontali e 24 ore di esercitazioni. Durante le lezioni si spiegano: (a) teoria, strumentazione e applicazioni della spettrometria di massa (principi fondamentali, rappresentazioni dello spettro di massa, tecniche di ionizzazione e di separazione degli ioni, rivelatori); (b) procedure per interpretare spettri di massa di molecole organiche ottenuti mediante ionizzazione elettronica e altre tecniche. Durante le esercitazioni gli studenti imparano le regole per interpretare gli spettri EI e le caratteristiche degli spettri EI delle principali classi di sostanze. Imparano inoltre le caratteristiche degli spettri ottenuti mediante ionizzazione CI, MALDI ed ESI.

Modalità di verifica dell'apprendimento

Premessa.

Si raccomanda di frequentare le lezioni per migliorare apprendimento e profitto. Gli studenti firmano un foglio di presenza a lezione. Si consiglia anche di tenersi in pari con lo studio, per facilitare la comprensione degli argomenti successivi. A gruppi, secondo un calendario da concordare, gli studenti espongono brevi presentazioni su argomenti di approfondimento assegnati dal docente. Queste presentazioni, se ritenute meritevoli, sono valutate 1/30.

Test in itinere.

Durante l'insegnamento si tengono 2 test scritti riservati agli studenti che hanno frequentato il 90% delle lezioni precedenti, come attestato dai fogli di presenza. I test non sono obbligatori, ma si raccomanda di prendervi parte. All'esito positivo dei test l'esame è considerato superato ed è registrato il voto finale (vedi sez. "Voto finale"). Il voto finale è la media dei voti dei due test, ponderata per i crediti delle parti del corso a cui i test si riferiscono.

Il primo test (A) è somministrato al termine delle esercitazioni in aula e consiste nello svolgere un semplice problema numerico sui metodi di quantificazione in GC/MS e sulle misure di concentrazione e nell'interpretare alcuni degli spettri di massa EI discussi in aula. A ciascuno dei quesiti è attribuito un punteggio per un massimo complessivo del test pari a 31/30. Gli esercizi possono essere valutati con voto pieno o parziale, a seconda dell'esattezza del risultato finale e del procedimento seguito.

Il secondo test (B) ha luogo al termine del corso e riguarda domande aperte sugli argomenti trattati durante le lezioni frontali. Il test è valutato con un punteggio massimo di 31/30. Agli studenti che non hanno superato il primo test sono assegnati nel secondo test anche i quesiti del primo test, nel principio che il primo è propedeutico al secondo.

Esami.

Agli esami nelle sessioni al termine del corso, lo studente sostiene (A) una prova scritta (equivalente al primo test in itinere). Se superata la prova con almeno 18/30, lo studente è sottoposto seduta stante a (B) un'interrogazione orale (equivalente al secondo test) sugli argomenti trattati a lezione. Se la valutazione della prova scritta è insufficiente (<18/30), lo studente è respinto senza accedere all'interrogazione. Lo studente è promosso se entrambe le prove sono sufficienti. All'esame e ai test non sono ammessi testi, appunti e cellulari.

Voto finale.

I voti conseguiti nelle due parti dell'esame (o nei due test in itinere), pesati per i crediti delle parti del corso a cui si riferiscono (esercitazioni: 2 CFU; lezioni: 4 CFU), sono mediati; al risultato è sommato il voto (1/30) attribuito alla presentazione in aula dell'argomento breve: voto finale={[(votoAx2)+(votoBx4)]/6}+1. La lode è assegnata quando il voto finale è almeno 31,5/30.

Lo studente è respinto quando si verifica uno dei seguenti casi: (i) la parte A è insufficiente; (ii) la parte B è insufficiente; (iii) al termine de (o in qualsiasi momento durante) l'interrogazione orale la sua preparazione è ritenuta insufficiente o sono state date una o più risposte sbagliate su argomenti fondamentali.

Risultati test in itinere AA 2017-2018.

Studenti: 60.

Partecipanti: 51.

Promossi: 45;

di cui con 30 - 30 cum laude: 25;

con 27 - 29: 10;

con 23 - 26: 10.

Risultati test in itinere AA 2018-2019.

Studenti: 73.

Partecipanti: 67.

Promossi: 57;

di cui con 30 - 30 cum laude: 25;

con 27 - 29: 22;

con 23 - 26: 10.

Per tutto quanto non previsto nel presente capitolo vale il regolamento didattico d'Ateneo.


Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, trasparenze, presentazioni PowerPoint (et similia), strumenti visibili e/o usabili in laboratorio.

Materiale didattico pubblicato su Insegnamenti On-Line (IOL).


Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Guido Galletti