MODULO: TECNICHE DI ANALISI Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation MALDI C. Daniel
La spettrometria di massaèampiamente usata per l analisi delle biomolecole (proteine, polisaccaridi) ma èsempre 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 MALDI Il 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 quantitàdi un composto organico a basso peso molecolare Il raggio laser èassorbita 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 Quantitànota 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 10 6 :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 MALDI Gli 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 velocitàdegli 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 = at 2 +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 molecolari La spettroscopia di massa èla 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 MALDI permette di analizzare polimeri con pesi fino a 10 6 g/mol PS con polidispersità bassa (Mw= 920000) 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 monodispersisono in buon accordo con quelli ottenuti con le altre tecniche (SEC, osmometria, viscosimetria, ) Ione doppia carica PS a stretta distribuzione ( Mw=157000 Mw/Mn=1.01) dimero Ottimo accordo tra MALDI e le altre tecniche
Rappresentazione schematica di uno spettro MALDI di un polimero sintetico M 0 X n M 0 X (n + 1) La carica è +1 per tutte le catene
Spettro MALDI del PS
Polimeri con alta polidispersità Per i polimeri con alta polidispersitài 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/molle catene polimeriche sono risolte singolarmente sugli spettri MALDI Inoltre per masse molecolari inferiori a 50000 g/molla 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
Tipi di polimeri con vari gruppi terminali