Spettrometro di massa

Spettrometro di massa Apparecchio capace di separare gli ioni di una molecola in accordo al valore del rapporto carica-massa: è perciò impiegato per identificare atomi e isotopi e per determinare la composizione chimica di un campione.

Tutti gli spettrometri di massa attualmente in uso derivano da un dispositivo sviluppato nel 1919 dal fisico britannico Francis William Aston, in cui un fascio sottile di ioni carichi positivamente veniva prima deflesso in una direzione da un campo elettrico e quindi nella direzione opposta da un campo magnetico. Il raggio di curvatura della traiettoria, registrata su una lastra fotografica, dipendeva dalla massa e dalla velocità delle particelle: in particolare, a masse o velocità maggiori corrispondeva una deflessione minore. Con questo apparecchio Aston determinò il peso molecolare e l’abbondanza relativa di molti isotopi presenti in natura.

Tutti gli spettrometri di massa hanno in comune quattro caratteristiche: 1) un sistema per introdurre nell’apparecchio la sostanza da analizzare; 2) un sistema per ionizzare la sostanza; 3) un acceleratore che dirige gli ioni nell’apparato di misura; 4) un sistema per separare gli ioni e registrare lo spettro di massa della sostanza.

Nello spettrometro di massa a deflessione magnetica gli ioni, prodotti dalla ionizzazione del campione di sostanza in analisi, vengono dapprima accelerati per mezzo di un campo elettrico, quindi sottoposti all’azione di un campo magnetico. L’entità della deflessione prodotta da quest’ultimo dipende dal valore della massa delle particelle, cosicché solo gli ioni con una determinata massa colpiscono una zona specifica del rivelatore. L’intensità del campo magnetico viene variata lentamente, in modo da poter misurare le quantità percentuali di tutti i costituenti del campione. L’analisi dei dati ottenuti è poi effettuata con l’ausilio di un computer.

L’alto grado di risoluzione degli spettrometri di massa fornisce un valido aiuto nell’analisi di miscele complesse. Ad esempio, i prodotti di raffinazione del petrolio contengono molti idrocarburi intimamente mescolati, difficilmente separabili con i normali metodi di analisi chimica, ma che possono essere isolati e analizzati con lo spettrometro di massa.

Per ottenere una sensibilità molto alta, fino a un migliaio di volte superiore a quella di un normale spettrometro, si collegano in tandem due o più spettrometri: tale alta risoluzione è richiesta, ad esempio, se si deve analizzare una quantità estremamente piccola di una sostanza biologica ad alto peso molecolare. Negli studi di biologia molecolare bastano due spettrometri in tandem per stabilire in pochi minuti la sequenza lineare degli amminoacidi di una proteina.

Gli strumenti più sensibili utilizzati come spettrometri di massa sono gli acceleratori elettrostatici in tandem, costituiti da una serie di spettrometri di massa convenzionali connessi a un potente acceleratore elettrostatico di particelle. Con questi apparecchi è possibile separare atomi o piccole molecole le cui masse differiscono per meno di una parte su 100.000.