Glossario

Ionizzazione a Pressione Atmosferica (API)

Termine utilizzato per indicare in genere tecniche quali l’elettronebulizzazione (ESI) e la ionizzazione chimica a pressione atmosferica (APCI) e altre che operano a pressione atmosferica.

Ionizzazione Chimica a Pressione Atmosferica (APCI)

Originariamente chiamato elettronebulizzazione mediata da solvente, viene applicata più spesso con successo a molecole neutre che non si ionizzano facilmente direttamente dalla soluzione. L’APCI eroga corrente su un puntale appuntito, posizionato nel flusso di aerosol in arrivo, per creare un plasma di ioni metastabili dal solvente stesso e trasferire la carica da questi ioni all’analita mentre attraversa il plasma. Il riscaldamento di una sonda attraverso la quale passa il flusso LC o di solvente crea l’aerosol.

Gascromatografia a Pressione Atmosferica

Sviluppata da Charles McEwen presso DuPont nel 2002. Utilizzando una linea di trasferimento riscaldata, è possibile introdurre un effluente standard del gascromatografo in una sorgente standard API (o ESI/APCI) su uno spettrometro di massa. Ciò consente di passare dalla modalità ESI alla modalità GC in modo semplice e rapido per i composti che potrebbero essere analizzati al meglio dal sistema GC. La modalità di ionizzazione può essere APCI o APPI.

Fotoionizzazione a Pressione Atmosferica (APPI)

Sviluppata negli anni ’80 ma commercializzata dopo il 2000, quando è stato scoperto che le lampade a gas kripton generano energia dei fotoni sufficiente a 10 eV (circa) per ionizzare analiti non polari come IPA e steroidi non soggetti a ionizzazione ESI e APCI.

Picco principale

Di solito è il picco più intenso nello spettro con il quale vengono confrontati gli altri; nelle tecniche di ionizzazione che forniscono ampie informazioni strutturali, per esempio nell’EI, il picco principale può non essere lo ione precursore o lo ione molecolare.

Calibrazione

Le sostanze di massa nota vengono introdotte in genere come flusso costante mentre il software dello spettrometro di massa acquisisce un segnale per un determinato insieme di condizioni di filtraggio (ovvero, rapporto RF/DC per uno strumento a quadrupolo). Dopo aver confrontato il segnale acquisito con un file di riferimento, nel software viene creata una tabella di riferimento per la calibrazione. La tabella di calibrazione funge quindi da base per l’assegnazione di un valore specifico ai rapporti massa-carica. Consultare le sezioni relative a “Quantificazione e calibrazione” del primer sulla spettrometria di massa.

CI (ionizzazione chimica)

Collisioni indotte a basso vuoto (0,4 torr) dall’introduzione di un reagente allo scopo di migliorare la produzione di ioni molecolari e spesso la sensibilità; poiché si tratta di un processo a energia molto inferiore rispetto a quello della ionizzazione per impatto elettronico, la frammentazione della ionizzazione è ridotta e viene spesso definita tecnica di ionizzazione soft. Vedere elettroionizzazione.

DART (analisi diretta in tempo reale)

Sviluppato da Robert Cody e altri nel 2002, simile a DESI nell’applicazione sebbene più strettamente correlata a APCI nella funzione. Un campione viene posizionato su un substrato e bombardato da particelle energizzate formate in un processo simile a quello APCI. Vale a dire, gli ioni metastabili sono formati da un plasma e trasportati dall’azoto riscaldato diretto sul target. Vedere anche il lavoro di McEwen elencato in GC a Pressione Atmosferica e ASAP.

DESI (desorbimento per ionizzazione per elettronebulizzazione)

Descritto per la prima volta da Graham Cooks nel 2002 come mezzo per produrre ioni secondari soft da (in genere) una superficie di substrato inerte. Analogo a MALDI, che utilizza una sonda ESI con un angolo di incidenza di circa 50o rispetto alla superficie, consentendo agli ioni di generare chimicamente spruzzi e di essere ammessi nello spettrometro di massa. Indicato per produrre informazioni direttamente da molti materiali di superficie polari e non polari (buccia, frutto intatto, per la rivelazione di residui di pesticidi, ecc.) senza necessità di preparazione del campione. Vedere anche il lavoro di McEwen elencato in GC a Pressione Atmosferica e ASAP.

DIOS (ionizzazione per desorbimento su silice)

Una volta considerato come un’alternativa alla preparazione dei campioni in un substrato MALDI, in particolare per le molecole di piccole dimensioni, poiché il substrato (una superficie di silice nuda) non genererebbe ioni interferenti. Il suo potenziale commerciale alla fine degli anni ’90 è diminuito quando sono diventate evidenti le difficoltà legate alla produzione delle piastre e la suscettibilità della superficie alla contaminazione.

EI (elettroionizzazione)

A volte è indicata erroneamente come ionizzazione per “impatto di elettroni” derivante dall’interazione di un elettrone con una particella (atomo o molecola); può essere considerata una tecnica di ionizzazione “forte” poiché viene impartita energia sufficiente a rompere i legami chimici interni che richiedono elevate kcal/mole. La tensione di ionizzazione (in genere 70 eV) si riferisce alla differenza di tensione che provoca l’accelerazione degli elettroni utilizzati per indurre la elettroionizzazione. A differenza di CI, EI evita le collisioni incontrollate operando in vuoto alto. L’analizzatore funziona a un vuoto ancora più elevato (da 10^-4 a 10^-6 torr).

Elettronebulizzazione (ESI)

Una cosiddetta tecnica di ionizzazione “soft”. La più utilizzata tra le tecniche di ionizzazione a pressione atmosferica (API). Commercialmente significativo dalla fine degli anni ’80, il fenomeno è attribuito a un eccesso di energia (tensioni nell’intervallo 3-5 kV) applicata a un tubo conduttivo (capillare in acciaio inossidabile) che induce il liquido che fluisce all’interno a superare i suoi limiti rayleigh e formare un aerosol all’uscita il tubo. Il getto nebulizzato risultante (risultato di un’esplosione coulombiana) genera quindi ioni contenuti nelle goccioline di aerosol che desolvatano fino a un raggio di circa 10 micron. Gli ioni vengono in genere protonati e rivelati nella forma M+H+ in modalità di ionizzazione positiva o M-H- in modalità di ionizzazione negativa.

FAB (bombardamento con atomi veloci)

Una cosiddetta tecnica di ionizzazione soft in cui il risultato è generalmente uno ione molecolare intenso con poca frammentazione. L’analita viene inserito in una matrice (spesso glicerolo) che fluisce tramite LC oppure statica su una sonda e collocata sul percorso di atomi ad alta energia, spesso xeno o ioduro di cesio.

La tecnica si è rivelata efficace per biomolecole fino a 10 000 amu, ma forse un uso più importante è associato allo spettrometro di massa a settore magnetico in cui è possibile determinare il peso esatto, per esempio per nuovi peptidi. La sensibilità può essere molto buona (bassi livelli nell’ordine di femtomoli) e nel corso degli anni sono state sviluppate molte conoscenze sull’uso della tecnica (come FAB statico). La tecnica può essere difficile da padroneggiare, il glicerolo inquina la sorgente dello spettrometro di massa e le masse inferiori possono essere oscurate dalla presenza di ioni glicerolo. Questa tecnica è poco utilizzata dall’introduzione della tecnica ESI.

Ionizzazione di campo (FI)

La ionizzazione soft fornita da FI porta a una frammentazione minima o nulla per un’ampia varietà di analiti. Ciò è particolarmente significativo nelle applicazioni petrolchimiche in cui vi sono limitazioni all’utilità di altre tecniche di ionizzazione a causa delle caratteristiche di frammentazione (EI) o di ionizzazione complesse (CI). Un filo sottile con un’alta tensione applicata viene riscaldato nel vapore di un composto organico come l’indene. Le strutture risultanti che si depositano sulla superficie del filo, i dendriti, vengono pirolizzate producendo filamenti conduttivi molto fini. Quando a una punta molto sottile è applicato un potenziale elevato, in corrispondenza della punta viene generato un campo elettrico molto intenso, che consente di creare le condizioni per la ionizzazione di campo.

Le molecole del campione passano in prossimità delle estremità di una massa di dendriti di carbonio cresciuti sull’emettitore FI. L’emettitore FI è posizionato in prossimità di una coppia di barre di estrazione vuote. L’emettitore è mantenuto al potenziale di massa e alle barre è applicata una tensione relativamente elevata (12 kV), che produce campi elettrici molto elevati intorno alle estremità dei dendriti di carbonio. La colonna del gascromatografo è posizionata in prossimità e in linea con il filo dell’emettitore. Sotto l’influenza dei campi elettrici, ha luogo il tunneling quantistico di un elettrone di valenza dalla molecola per dare un radicale ionico.

FIA (analisi per iniezione in flusso)

Si tratta dell’introduzione di un campione (in genere purificato in una fase precedente, come frazione per rimuovere interferenze e complessità dallo spettro risultante) attraverso l’iniettore LC, ma senza una colonna in linea. Il sistema LC funge esclusivamente da dispositivo di introduzione del campione.

Filamento

Nell’elettroionizzazione il filamento è la sorgente di elettroni che interagiscono con l’analita per ionizzarlo. In genere costituito da un filo metallico (piatto o tondo) in grado di cedere elettroni a 70 eV mentre viene riscaldato dalla corrente che lo attraversa.

Ione frammento

Uno ione prodotto come perdita di uno ione molecolare precursore. La somma dei frammenti dissociati è pari al precursore e in determinate condizioni frammenta sempre gli stessi legami interni per produrre un pattern prevedibile (stessi ioni e stesse abbondanze relative per ciascuno). Vedere anche Ioni prodotto risultanti da esperimenti MRM specifici.

Ibrido

Di solito si riferisce a uno strumento che è una combinazione di due tipi diversi, per esempio i primi “ibridi” Micromass a settore magnetico combinato e quadrupoli. Il QToF di oggi è un ibrido tra quadrupolo e ToF.

Ione

Gli spettrometri di massa possono manipolare e quindi rivelare una massa solo quando possiede almeno una carica. Quando è presente una sola carica (per esempio per la perdita di un elettrone che determina l’esistenza della molecola come radicale cationico con carica positiva o per l’aggiunta di un protone o idrogeno come ione pseudo-molecolare a carica positiva) in quanto rappresenta il peso molecolare in uno schema a bassa risoluzione.

Corrente ionica (corrente ionica totale)

La corrente elettrica rivelata in base alle particelle cariche create nella sorgente ionica. Se lo spettrometro di massa è impostato per la scansione in un intervallo compreso tra 100 e 500 Da, la corrente ionica totale risultante sarà la somma di tutti gli ioni presenti nella sorgente all’interno di tale intervallo al momento selezionato. Se lo strumento è impostato per rivelare un solo ione (monitoraggio degli ioni selezionati), la corrente ionica totale risultante sarà la somma di tale ione per ciascuna istanza selezionata.

Sorgente ionica

Lo spazio fisico nel flusso ionico davanti all’analizzatore in cui viene ionizzato l’analita. Ogni tipo di interfaccia richiede la propria geometria interna per ottenere risultati ottimali.

Rapporto isotopico

Anche se spesso si presume che siano costanti e stabili, i rapporti di abbondanza isotopica naturale mostrano variazioni significative e caratteristiche se misurati con molta precisione. Le misurazioni del rapporto isotopico sono utili in un’ampia gamma di applicazioni, per esempio negli studi metabolici che utilizzano elementi arricchiti con isotopi come traccianti; studi sul clima che utilizzano misure dei rapporti isotopici dell’ossigeno e del carbonio nei foraminiferi; datazione all’età delle rocce utilizzando isotopi radiogeni di elementi quali piombo, neodimio o stronzio; e determinazioni della sorgente utilizzando i rapporti isotopici del carbonio (per esempio per determinare se una sostanza è presente in natura o è di sintesi a base di petrolio).

In genere vengono utilizzati spettrometri di massa a settore magnetico a focalizzazione singola con rivelatori multipli fissi (uno per isotopo). I composti complessi vengono ridotti a molecole semplici prima della misurazione; per esempio, i composti organici vengono bruciati in CO₂, H₂O e N_2.

Ionizzazione per desorbimento laser assistito da matrice (MALDI)

Introdotta per la prima volta nel 1988 da Tanaka, Karas e Hillenkamp, utilizza un laser per colpire ed energizzare una matrice contenente l’analita. Si è rivelato il metodo di elezione per la ionizzazione di peptidi e molecole proteiche di dimensioni eccezionali che possono quindi essere rivelate intatte. Comunemente utilizzata come schema introduttivo per gli strumenti a tempo di volo (ToF).

Rapporto massa-carica (m/z)

Le particelle cariche sono rappresentate come rapporto tra la loro massa e la loro carica ionica. In letteratura e nell’uso generale appare spesso come “m/z”; l’analita da cui è derivato lo ione potrebbe essere marcato utilizzando unità di massa atomica (amu), dalton o peso molecolare (mw).

Percorso libero medio

Distanza tra l’ingresso di uno ione nell’analizzatore e la rivelazione di tale ione. In condizioni di vuoto il percorso libero medio è relativamente lungo se si considera il tempo tra le collisioni in aria rarefatta rispetto al tempo necessario per analizzare uno ione. Esempio:

L’aria atm (1000 torr) contiene 3 x 10²² molecole/cm

camera 1 x 10-5 torr contiene 3 x 10¹¹molecole/cm

l pressione (torr) = min. percorso libero medio (cm)

dove l = 5 x 10-3cm

Ione molecolare

Lo ione prodotto quando una molecola acquista (anione) o perde (catione) un elettrone. Vedere anche Ione pseudo-molecolare.

Controllo delle reazioni multiple (MRM)

Un esperimento specifico su uno spettrometro di massa a triplo quadrupolo in cui uno ione precursore viene filtrato nel primo quadrupolo (Q1), viene quindi indotta una collisione tra lo ione precursore e una molecola (di solito un gas come l’argon) nel mezzo o quadrupolo (Q2) “solo RF” seguito dalla rivelazione di uno specifico ione prodotto dalla collisione (Q3). Utilizzato in particolare nelle analisi quantitative ad alta produttività nel settore farmaceutico.

Ione precursore

Più correttamente indicato come “precursore”; un termine generalmente intercambiabile con “ione molecolare”. L’utilizzo di questo termine implica la presenza di uno ione prodotto in uno schema MRM. Fare riferimento a Ione prodotto.

Fascio di particelle (MAGIC, Thermabeam)

Originariamente sviluppato presso la Georgia Tech e soprannominato MAGIC (interfaccia per la generazione di aerosol monodispersi per cromatografia) da Browner, et. al. La tecnica è stata successivamente perfezionata ed è indicata genericamente come fascio di particelle. Il flusso LC viene riscaldato e nebulizzato per rimuovere il solvente. Le pompe per vuoto aspirano il vapore del solvente attraverso i coni dello schiumatoio in serie (in genere due). Il risultato è una particella “essiccata” che accelera attraverso il separatore di quantità di moto e urta la sorgente dello spettrometro di massa producendo spettri ionici a frammenti in modo simile al sistema GC-MS tradizionale. Anche questa tecnica ora viene utilizzata raramente.

Sonda, anche sonda per solidi o sonda a inserimento diretto

Barra metallica inserita nella sorgente dello spettrometro di massa attraverso un blocco del vuoto. I campioni possono essere applicati sulla punta della sonda e inseriti nel percorso di un fascio ionizzante. In genere utilizzato per esperimenti di EI e altri esperimenti manuali su campione singolo. I campioni possono essere applicati anche in una matrice di potenziamento della ionizzazione, come nel caso di FAB, vedereFAB.

Ione prodotto

Questi ioni sono il risultato di esperimenti controllati in cui uno ione precursore e le collisioni di molecole sono intenzionalmente indotte a causare la frammentazione. La collisione dà luogo a uno ione prodotto specifico per lo ione precursore e viene utilizzata come mezzo di identificazione positiva. Vedere Controllo delle reazioni multiple (MRM).

Ione pseudo-molecolare

Di solito si riferisce all’adduzione di un protone (per esempio M+H) o ione (per esempio M+NH₄ derivato dal sale di ammonio comunemente usato nella fase mobile) che altera l’analita di interesse in modo relativamente facile da identificare. La carica consente la manipolazione da parte dello spettrometro di massa.

Quadrupolo (Quad)

Caratteristica fondamentale per il tipo più diffuso di spettrometro di massa. Quattro barre (spesso di diametro non superiore a 2,54 cm e lunghezza inferiore a 30,5 cm) sono tenute parallele l’una all’altra (a circa 2,54 cm di distanza l’una dall’altra) in due collari. Il filtraggio, o il passaggio di una determinata particella carica lungo la sua lunghezza, si ottiene applicando alle barre tensione DC (corrente continua) e RF (radiofrequenza). La modifica delle condizioni RF/DC incide su masse diverse (con carica associata). Le barre sono collegate come opposti: ogni set è alternato come polo positivo e polo negativo dalla sorgente RF.

Per una data impostazione calibrata, passeranno solo le particelle con un rapporto massa-carica corrispondente (rappresentato come m/z; approssimativamente equivalente al peso molecolare). La stessa impostazione fa sì che le particelle di peso superiore non raggiungano il rivelatore passando in modo obliquo rispetto ai poli (le impostazioni di tensione hanno un effetto scarso o nullo) e le particelle più leggere rimangono intrappolate senza raggiungere l’uscita ed essere rivelate. I quadrupoli possono cambiare e stabilizzare i campi in <10³ s, consentendo di osservare più di un peso molecolare mediante scansione nel tempo, sebbene venga quindi rivelato un numero inferiore di particelle cariche per un dato peso molecolare.

Risoluzione (metodo di avvallamento al 10%)

Separazione minima tra due masse adiacenti di risposta approssimativamente uguale affinché lo spettrometro di massa possa distinguere tra ioni con rapporto massa-carica diverso. Più tipicamente utilizzato con settori magnetici; pari al rapporto di:

Risoluzione (M/ΔM)

Più comunemente utilizzato come misura in cui una data massa è divisa per la risoluzione a metà altezza massima (FWHM). La definizione precedente (metodo al 10%) era prevalente con gli strumenti del settore magnetico e richiedeva che le masse adiacenti fossero di uguale intensità. Per esempio, un valore tipico di risoluzione per un quadrupolo è 0,6 amu a FWHM. Misurato utilizzando un picco acquisito a 3000 massa-carica (equivalente a Dalton o amu) equivale a una risoluzione di 5000. I risultati delle due tecniche sono approssimativamente comparabili con questo metodo che produce in genere valori doppi rispetto al metodo dell’avvallamento.

Scansione

Vedere anche monitoraggio degli ioni selezionati, quadrupolo e corrente ionica. Le tensioni di controllo (DC e RF) vengono regolate dal computer in un determinato periodo di tempo per eseguire la scansione (rilevazione) di eventuali particelle cariche nell’intervallo specificato. Il vantaggio di rivelare più di una specie va a scapito della sensibilità poiché alcune delle particelle desiderate saranno senza dubbio disponibili per il rivelatore mentre è impostato per rivelare in un altro punto dell’intervallo.

Monitoraggio ionico selettivo (SIM)

Chiamato anche controllo ionico selettivo (SIR); fare riferimento anche a quadrupolo e scansione. Le impostazioni di tensione DC e RF sui quadrupoli possono essere regolate in modo da far passare una sola particella carica (un singolo rapporto massa-carica) attraverso il rivelatore. Il risultato è una drastica diminuzione del rumore che consente al segnale di apparire come un notevole aumento della sensibilità (tutte le particelle di tale valore m/z vengono rivelate ininterrottamente) a scapito di eventuali altre particelle nella miscela che vengono rivelate.

Termospray

Anche se questo tipo di interfaccia è presente in letteratura da tempo, è stata resa popolare all’inizio degli anni ’80. Il solvente LC a circa 1 mL/min viene riscaldato in una sonda (tubo isolato lungo circa 30-60 cm e diametro interno 75-150 micron) e il vapore risultante viene spruzzato nello spettrometro di massa. Gli ioni creati dalla desolvatazione delle goccioline di aerosol all’interno dello spettrometro di massa entrano nell’analizzatore (ad angolo retto rispetto al getto nebulizzato) e sono influenzati dalle tensioni delle lenti (vedere scansione, corrente ionica totale).

Gli spettri prodotti sono denominati spettri di ionizzazione soft poiché la frammentazione prodotta è scarsa. Viene prodotto uno ione molecolare intenso e, sebbene il singolo ione possa essere poco vantaggioso in alcuni background e miscele, è vantaggioso per la conferma di peso molecolare elevato a grande sensibilità e per filtrare uno ione target per un’ulteriore frammentazione (MS/MS). La letteratura riporta una bassa sensibilità alle pmol per i metaboliti della vitamina D. L’interfaccia è stata generalmente scelta per applicazioni ad alta polarità, come il lavoro sui metaboliti, prima del perfezionamento dell’APCI nei primi anni ’90 e ha avuto scarsi risultati a causa dell’aumento del contenuto organico nel liquido.

Questa tecnica non è più utilizzata in routine.

Spettrometro di Massa a Tempo di Volo (ToF)

Analizzatore di massa che separa ioni con rapporti massa-carica diversi in base al tempo di viaggio attraverso una regione del vuoto priva di campo dopo aver ricevuto la stessa energia cinetica. La velocità degli ioni dipende dal loro rapporto massa-carica e, poiché gli ioni percorrono una distanza fissa, il tempo necessario per raggiungere il rivelatore consente di determinare il rapporto massa-carica mentre gli ioni più pesanti impiegano più tempo.

Regolazione

In genere si riferisce all’ottimizzazione delle lenti dell’interfaccia e del flusso dei gas per ottenere la risposta desiderata per un analita specifico in una serie di condizioni operative, diversamente dalla calibrazione. La calibrazione definisce l’acquisizione della massa e la funzione di reportistica. Le impostazioni hardware delle lenti e dei circuiti correlati, unitamente alla creazione di una tabella di ricerca software, consentono di impostare una risposta stabile dello strumento, corretta in base a un elenco di masse note da un flusso di calibrante come PEG o NaCsI.

Vuoto (torr)

Equivalente a 1 mmHg (1 psi = 51,7 torr= 0,069 bar o atm). In genere, la parte dell’analizzatore dello spettrometro di massa deve essere mantenuta a un livello minimo di 10^-4 torr per consentire il passaggio discreto delle particelle ionizzate. Pressioni tendenti all’atmosfera provocano interazioni ionico-molecolari che possono produrre risultati casuali nella rivelazione di particelle cariche più a valle. In condizioni controllate tali collisioni vengono indotte a basso vuoto (pressione più elevata) per tecniche come la ionizzazione chimica (CI).