modulo: tecniche di analisi matrix assisted laser ... · tipi di matrici la matrice deve mostrare...
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La spettrometria di massa è ampiamente usata per l’analisi delle biomolecole
(proteine, polisaccaridi) ma è sempre stata pochissima impiegata per lo studio
dei polimeri sintetici.
Lo sviluppo della tecnica MALDI ha permesso lo sviluppo della spettroscopia
di massa per l’analisi dei polimeri
Per analizzare un materiale mediante la spettroscopia di massa i campioni devono
essere prima essere portati in fase vapore (vaporizzati o desorbiti) e poi ionizzati
Nella tecnica MALDI l’agente ionizzante è il fotone (tecnica di Laser Desorption)
1988: sviluppo della tecnica MALDI per l’analisi delle proteine
Anni 90: uso esteso ai polimeri sintetici.
Principio della tecnica MALDIIl campione analizzato è ionizzato con una luce laser pulsata ad alta intensità.
Il laser principalmente utilizzato è quello UV (λ=337 nm)
Il campione polimerico non viene sottoposto direttamente alla luce laser ma
viene miscelato con una grande quantità di un composto organico a basso
peso molecolare
•Il raggio laser è assorbita dalla matrice che rompe la
sua struttura cristallina
•Formazione di un gas super compresso nel quale
avvengono processi di trasferimento di carica
matrice-analita
•Il gas si espande e trasporta gli ioni della matrice e
del polimero dalla superficie nella fase gas.
•Ioni prodotti subiscono un’accelerazione impostata
da un potenziale elettrico (15-35 kV)
Tipi di matrici
La matrice deve mostrare il massimo di assorbimento alla stessa
lunghezza d’onda della luce laser
Le matrici più utilizzati sono composti organici che contengono gruppi idrossilici
e/o carbossilici, amminici, nitro gruppi.
(Scelta della matrice in via del tutto empirica)
Acido 2,5-diidrossibenzoico (DHB) Acido sinapinico (SA)
Acido alpha-cyano-4-idrossicianamico
Preparazione del campione
E una fase molto importante del processo MALDI:
Influenza sia la sensibilità sia la risoluzione
Quantità nota di polimero e solvente sono sciolti in solventi
compatibili (preferibilmente nello stesso solvente)
Vengono miscelati in modo da ottenere un rapporto matrice/analita
compreso tra 1000:1 e 106:1
(rapporto ottimale cresce al crescere della massa molecolare del polimero)
Nella fase di miscellazione viene spesso aggiunto un agente cationizzante
(trifluoroacetati) solubili nei solventi organici comuni
Metodo più utilizzato:
metodo della goccia secca nella quale 0.5-1 µL di soluzione sono depositati sul
porta campione e lasciati cristallizzare lentamente all’aria.
Schema del processo MALDIGli ioni prodotti mediante il processo MALDI vengono separati mediante un
analizzatore a tempo di volo (TOF)
Ioni sono accelerati tramite il potenziale applicato ed attraversano una distanza
(d) per raggiungere il rivelatore dopo un tempo (t)
Il tempo di volo dipende dalla velocità degli ioni che a sua volta è
dipendente dal rapporto massa/carica (m/z)
Tempo di volo ∼ (m/z)0.5
Le equazioni che regolano la separazione degli ioni all’interno del tubo
di volo sono:
t = d/v
v=(2ezV/m)0.5
t= (m/z)0.5 x d/(2eV)0.5
m/z =2eV(t/d)2
(V) : potenziale applicato
(t) : tempo impiegato dall’ione per
arrivare al rivelatore
(d) : distanza percorsa dagli ioni
(m): massa
(z) : la carica
(e): carica dell’elettrone
La calibrazione dello strumento viene effettuata con l’equazione empirica:
m/z = at2 +b
misurando i tempi di volo di componenti a massa nota
Applicazioni della MALDI-TOF ai polimeri
Le principali applicazioni sono:
•Misura diretta delle masse molecolare e delle loro distribuzione
•Struttura chimica e analisi dei gruppi terminali
•Determinazione di additivi e impurezze in materiali polimerici
•Composizione di copolimeri e distribuzione delle sequenze
•Studio della degradazione (termica, foto-ossidativa,…) dei polimeri
Determinazione delle masse molecolariLa spettroscopia di massa è la tecnica ideale per la determinazione delle masse
molecolari:
•Misura assoluta
•Indipendente dalla struttura chimica del materiale
•Richiede quantità di materiale molto basse
•Tempi di analisi molto ridotti
PS con polidispersità bassa
(Mw= 920000)
MALDI permette di analizzare polimeri con pesi fino a 106 g/mol
I vari picchi sono dovuti al numero diverso di cariche degli ioni delle catene
I valori delle masse molecolari medie ottenute con il MALDI per i polimeri
monodispersi sono in buon accordo con quelli ottenuti con le altre tecniche
(SEC, osmometria, viscosimetria, …)
PS a stretta distribuzione
( Mw=157000 Mw/Mn=1.01)
Ione doppia carica
dimero
Ottimo accordo tra MALDI e le altre tecniche
Rappresentazione schematica di uno spettro MALDI di un polimero sintetico
La carica è +1 per tutte le catene
M0 X nM0 X (n + 1)
Polimeri con alta polidispersitàPer i polimeri con alta polidispersità i valori ottenuti mediante
MALDI-TOF non sono in accordo con i valori ottenuti con le
tecniche convenzionali
Valore ottenuto con MALDI
molto più basso
•Per polidispersità minore di 1.10: buon accordo MALDI-GPC
•Per polidispersità maggiore di 1.1: risultati errati
Problema dovuto alla diversa efficienza dei rivelatori:
ioni a bassa massa sono in numero maggiore e “saturano” il rivelatore
Determinazione della struttura dei gruppi terminali
Per masse inferiori a 20000 g/mol le catene polimeriche sono risolte
singolarmente sugli spettri MALDI
Inoltre per masse molecolari inferiori a 50000 g/mol la formazione di ioni a
doppia carica è molto bassa
Possibile assegnare ogni picco (i.e. ogni massa) una
struttura chimica ben determinata
Polietereimide
(ULTEM)
Termoplastico
Massa u.m: 593 g
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