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.

Condizioni per fruizione delle lezioni e resa all’esame ottimali da parte dello studente sono la buona conoscenza dell'aritmetica, della stechiometria, della chimica generale, della chimica organica e, per gli studenti di madrelingua non italiana, anche la conoscenza dell'italiano a livello C1.

Si richiede lo svolgimento dei Moduli 1 e 2 in modalità e-learning [https://www.unibo.it/it/servizi-e-opportunita/salute-e-assistenza/salute-e-sicurezza/sicurezza-e-salute-nei-luoghi-di-studio-e-tirocinio] e la partecipazione al Modulo 3 di formazione specifica sulla sicurezza e salute nei luoghi di studio. Indicazioni su date e modalità di frequenza del Modulo 3 sono consultabili nella apposita sezione del sito web di corso di studio.

Programma.

Il corso è svolto completamente in aula; incomincia con esercitazioni sull’interpretazione degli spettri di massa ottenuti per ionizzazione elettronica (24 ore, 2 CFU); prosegue e termina con lezioni frontali sui principi di funzionamento degli spettrometri di massa e sulle loro applicazioni (32 ore, 4 CFU).

a) Esercitazioni in aula (24 ore - 2 CFU).

1. Caratteristiche di uno spettro di massa per 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. Even-electron rule. Regola di Stevenson con eccezioni. Gamma-Hydrogen rearrangement. Riarrangiamento H e McLafferty. Riarrangiamenti multipli (esempi: ftalati, tributilfosfato). Esempi di spettri di massa EI delle principali classi di molecole organiche; 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. Risoluzione. Accuratezza. 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 (R), 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. (^)

(*) Necessario: contiene tutte le parti (e molto altro) da studiare obbligatoriamente per superare l'esame.

(°) Consigliato: contiene alcune parti (e molto altro) 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.

I mezzi didattici sono la lavagna e, in misura minore, PowerPoint.

La fonte didattica sono i libri di testo consigliati sopra e alcune decine di spettri di massa EI selezionati dal docente e interpretati in aula.

Gli argomenti delle lezioni, gli spettri di massa ed eventuale altro materiale discusso in aula o ritenuto utile per lo studio e per l’approfondimento sono caricati su Virtuale (il repository di Unibo) dopo le singole lezioni o esercitazioni. Se ne raccomanda la regolare consultazione.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

L'esame è svolto in forma scritta su EOL, in presenza, in aula informatica, su PC messo a disposizione da Unibo. La consultazione di testi, appunti, internet e colleghi studenti non è autorizzata. La familiarizzazione con la piattaforma e con il PC è lasciata all’iniziativa dello studente.

Durata dell’esame: 90 minuti.

Visionare su Almaesami la data di apertura e chiusura delle iscrizioni: non è possibile iscriversi oltre i termini.

Esami.

L'esame verte sull'interpretazione di 2 spettri di massa EI del tipo di quelli discussi in aula (Parte A, 15 punti a disposizione) e su 5 domande a risposta multipla una sola delle quali è esatta (10 punti a disposizione) e 1 o 2 domande a risposta aperta (20 punti a disposizione) sugli aspetti strumentali e teorici della spettrometria di massa (Parte B, complessivamente 30 punti a disposizione). Il punteggio massimo delle due parti è proporzionale ai loro crediti (Parte A, esercitazioni, 2 CFU, 15 punti; parte B, lezioni, 4 CFU, 30 punti). La parte A è propedeutica alla parte B. Non sarà corretta la parte B, se la parte A è insufficiente. Entrambe le parti devono essere sufficienti per il superamento dell'esame.

Per rispondere alla parte A, lo studente scrive su un proprio foglio, che carica su EOL, dopo averlo scansionato con il proprio smartphone e salvato come pdf.

Per rispondere alla parte B, lo studente può procedere come sopra o può dattiloscrivere direttamente su EOL.

Voto finale.

Il voto finale è dato dalla somma dei punti ottenuti, espressa in trentesimi.

I punti della parte A (interpretazione degli spettri di massa EI) sono assegnati suddividendo il punteggio massimo (15 punti) per il numero di ioni da interpretare. Sono assegnati zero punti se l’interpretazione non è data o se è sbagliata. Gli errori più comuni (che portano a considerare l’interpretazione sbagliata, zero punti) sono, tra i vari possibili: formula di struttura sbagliata; rapporto m/z sbagliato; perdita radicale o neutro errata; erronea o dubbia assegnazione della natura di radical-catione o catione; meccanismo di formazione errato; errata o dubbia interpretazione di una scissione omolitica o eterolitica. Nella definizione di “dubbio” è inclusa anche la difficile lettura a causa di calligrafia poco chiara.

I punti della parte B (risposte multiple e aperte) sono assegnati come segue:

Risposte multiple: 2 punti alla risposta esatta; zero punti a quella sbagliata o non data;

Risposte aperte: 12-15 punti (sufficiente: conoscenza dell’argomento appena adeguata, alcuni errori anche gravi); 16-17 punti (buono: conoscenza dell’argomento più che soddisfacente, alcuni errori non gravi); 18-19 punti (molto buono: conoscenza dell’argomento praticamente esauriente, qualche imperfezione o difetto espositivo); 20 punti (eccellente: conoscenza dell’argomento impeccabile, esauriente, priva di errori anche minimi, esposizione chiara e tecnicamente ineccepibile).

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

La valutazione in trentesimi può essere interpretata come segue.

Punti 18-23: sufficiente conoscenza della materia, alcuni errori anche gravi;

Punti 24-26: buona conoscenza della materia, pochi errori non gravi;

Punti 27-29: molto buona conoscenza della materia, qualche imperfezione, qualche difetto espositivo;

Punti 30: eccellente conoscenza della materia, impeccabile, esauriente e chiara esposizione, assenti anche minime imperfezioni; la lode è assegnata quando queste qualità si stagliano come rare, molto al di sopra della media delle centinaia di studenti esaminati.

Terminata la correzione dei compiti, il voto d’esame è pubblicato su Almaesami e gli elaborati, con eventuali correzioni, osservazioni del docente e punteggi delle singole parti del test, sono resi visibili su EOL fino alla registrazione del voto. Gli studenti ne sono informati immediatamente con una notifica da Almaesami e devono comunicare subito al docente per e-mail se intendono rifiutare il voto sufficiente, opzione esercitabile una sola volta. Normalmente, il voto è registrato entro tre giorni.

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