66218 - SPETTROMETRIA DI MASSA CON ESERCITAZIONI

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.

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 in aula (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 in aula. 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 e valutazione dell'apprendimento

La recente pandemia ha comportato modifiche nella didattica e negli esami. Nelle condizioni attuali, salvo diverse disposizioni anche d'Ateneo che saranno comunicate a tempo debito, le lezioni e le esercitazioni sono somministrate in modalità blended (cioè sia in aula che online). Gli esami si terranno in forma scritta online (su EOL via Teams, con telecamera e microfono collegati e schermo condiviso: eventuali ulteriori istruzioni saranno impartite in premessa all'appello pubblicato su EOL).

Esami.

L'esame verte (A) sull'interpretazione di spettri di massa EI del tipo di quelli discussi in aula e (B) su domande a risposta multipla e/o aperta sugli aspetti strumentali e teorici della spettrometria di massa. La parte A è propedeutica alla parte B. Entrambe le parti devono essere sufficienti per il superamento dell'esame.

Voto finale.

Il voto finale è dato dalla media dei voti delle parti A e B, ponderata per i crediti (2 CFU per la parte A; 4 CFU per la parte B); al risultato può essere sommato un punto (1/30) attribuito alla eventuale presentazione in aula di un argomento breve.

Lo studente è respinto quando si verifica uno dei seguenti casi: (i) la parte A è insufficiente; (ii) la parte B è insufficiente.

Lo studente può rifiutare il voto sufficiente una sola volta. 

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 virtuale.unibo.it.

Attenzione: il materiale didattico di cui sopra, se e quando messo a disposizione degli studenti, NON s'intende sostitutivo dei libri di testo né sufficiente (da solo) a superare l'esame con profitto.

Il materiale didattico vero e proprio dell'insegnamento sono da considerarsi i libri di testo consigliati.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Guido Galletti