Análise Estrutural de Compostos Orgânicos:// [ Aula 02 ] Espectrometria de massas Instrumentação

Análise Estrutural de Compostos Orgânicos://

[Aula 02]

Espectrometria de massasInstrumentação

O Espectrômetro de Massas

Partes principais de um espectrômetro de massas

Separação dos íons

Vácuo

Detector de íons

Início

Inlet

Amostra

GásLíquidoSólido

Inlet assegura que amostra na forma de vapor entre como um feixe de moléculas na fonte de ionização

GásLíquido volátilSólido volátil

• Inlet parcialmente evacuado• Para formar o feixe de moléculas, estas

passam através de um pequeno orifício chamado fenda molecular em seguida entram na fonte ionização

Amostras menos voláteis

• Sistema sob aquecimento aumenta pressão de vapor da amostra

CG/MS e HPLC/MS

Nestes sistemas, o cromatógrafo funciona como inlet, direcionando a amostra para a fonte de ionização

Cromatógrafo Espectrômetro de Massas

Para cada componente da mistura que sai do

cromatógrafo, é obtido um espectro de massas

CG/MS e HPLC/MS Para cada componente da mistura que sai do

cromatógrafo, é obtido um espectro de massas

Cromatograma(2 compostos)

Espectro de massas 1

Espectro de massas 2

IonizaçãoAntes de serem analisadas (separadas em função de m/z) as partículas são ionizadas

Principais tipos de ionização:

Ionização por Elétrons (EI)Ionização Química (CI)

Ionização por Dessorção (DI)Ionização por Electrospray (ESI)

Ionização por Elétrons (EI)

• Método mais simples e mais usado de ionização• Um feixe de elétrons de alta energia (70 eV) incide sobre o

feixe de moléculas que vem do inlet, removendo um elétron de algumas moléculas, formando um cátion radical

Molécula neutra

Feixe de elétrons

Cátion radical

IonizaçãoIonização por Elétrons (EI)

• Os cátions são direcionados pela placa repelente (+) em direção às placas aceleradoras (-), que produzem um feixe de cátions de alta velocidade em direção ao analisador

IonizaçãoIonização por Elétrons (EI)

Vantagens Desvantagens

Bom para análise de rotina de pequenas moléculas orgânicas

Muita fragmentação íon molecular pode não ser detectável

Barato e robusto Amostra deve ser relativamente volátil

Bastante fragmentação estrutura Ruim para análise de moléculas com alto peso molecular e biomoléculas

Espectros reprodutíveis – Grande Banco de dados de EI-MS disponível

É possível formar íon M- pela abstração de elétrons

IonizaçãoIonização Química (CI)

• Um feixe de moléculas de um gás reagente pré-ionizado causa ionização das moléculas que vêm do inlet

• Gases reagentes mais usados: metano, amônia, isobutano

• Ionização pode ocorrer por:- Transferência de próton- Transferência de elétron- Formação de aduto

IonizaçãoIonização Química (CI)

• Ex: gás reagente = metano

• Pré-ionização do metano:

• Ionização da amostra (M):

- Transf. de próton

- Formação de aduto

IonizaçãoIonização Química(CI)• Dependendo do gás-

reagente utilizado, obtém-se um maior ou menor grau de fragmentação do íon molecular

- Gás reagente = metano

- Gás reagente = isobutano

- Gás reagente = amônia

IonizaçãoIonização Química(CI)• Escolhendo o gás

reagente apropriado, é possível obter um espectro com íon quasi-molecular [M+H]+ praticamente intacto, quando comparado a outros métodos de ionização

- EI

- CI (metano)

- CI (isobutano)

IonizaçãoIonização Química (CI)

Vantagens Desvantagens

Pouca fragmentação do íon quasi-molecular [M+H]+

Amostra deve ser relativamente volátil

Barato e robusto Ruim para análise de moléculas com alto peso molecular e biomoléculas

É possível formar íons quasi-moleculares do tipo [M-H]-

Os espectros não são reprodutíveis (dependem da pressão, temperatura, gás utilizado, etc)

IonizaçãoIonização por Dessorção (DI)

• Métodos modernos que permitem ionização de amostras não voláteis

• Ex: - MALDI (ionização por dessorção a laser assistida por matriz) - FAB (bombardeamento de átomos rápidos) - SIMS (espectrometria de massas de íon secundário)

•A amostra, suportada em uma matriz, é bombaredeada por um feixe de íons (SIMS), átomos neutros (FAB) ou fótons de alta intensidade (MALDI) que causa ionização de algumas moléculas da amostras e sua ejeção da matriz. Os íons são então acelerados em direção ao analisador.

•Matriz: não volátil, inerte, eletrólito.Ex: glicerol e trietanolamina (SIMS e FAB)

ácidos cinâmico e nicotínico

IonizaçãoIonizações por Dessorção (DI)

IonizaçãoIonização por Dessorção (DI)

Vantagens Desvantagens

Permite análise de moléculas não voláteis

Formação de ruído no espectro devido a íons provenientes da matriz abaixo de m/z = 600

Ìons [M+H]+ ou [M-H]- podem ser formados dependendo da matriz. Ou ainda [M+Na]+, [M+K]+

Maior custo

IonizaçãoIonização por Electrospray (ESI)• Permite análise de amostras voláteis e não voláveis• Uma solução da amostra é injetada (spray) do fim de um capilar até uma

câmara aquecida. O capilar possui uma alta voltagem e as gotículas saem dele com carga. Um gás secante remove as moléculas de solvente, restando somente os íons na fase gasosa.

IonizaçãoIonização por Electrospray (ESI)

Vantagens Desvantagens

Permite análise de moléculas de uma ampla faixa de peso molecular

Maior custo

Ìons [M+H]+ ou [M-H]- podem ser gerados. Ou ainda [M+Na]+, [M+K]+

Como emprega amostra em solução, é perfeito para ser usado em sistema LC-MS

AnalisadoresAnalisador de setor magnetico

• Baseia-se no seguinte fato: na presença de um campo magnético íons (com massa m e carga z) tendem a descrever uma trajetória curva com um raio (r) que depende da intensidade do campo magnético (B). V é a ddp entre as placas aceleradoras.

AnalisadoresAnalisador de setor magnético

• O analisador é um tubo curvo envolto por um magneto. Para um determinado campo magnético aplicado (B), somente partículas com um determinado valor de m/z chegarão ao final e alcançarão o detector. Partículas com m/z muito altas ou baixa colidem com as paredes do analisador e não alcançam o detector.

• Variando-se o campo aplicado (B) partículas com diversos valores de m/z conseguem chegar ao final do tubo e alcançar o detector.

AnalisadoresAnalisador de setor magnético

• Resolução = 2000 a 7000

- R = resolução- M = masa do fragmento M = diferença de massa entre dois

fragmentos consecutivos que o aparelho consegue detectar

OBS: Resolução em Espectrometria de Massas

AnalisadoresAnalisador de foco duplo

• Um campo elétrico é aplicado antes ou depois do campo magnético

• Faz com que todas as partículas carregadas viajem com a mesma velocidade

• Também impõe trajetória curva às partículas carregadas

• Aumento na resolução. R = 20000 a 70000

AnalisadoresAnalisador de quadrupolo

• Quatro bastões paralelos ao feixe de íons

• Entre os bastões há um campo eletrostático oscilante que causa uma trajetória oscilante aos íons

• Íons com m/z correta têm oscilação estável e conseguem atravessar o quadrupolo em trajetória espiral e atingir o detector. Íons com m/z muito alta ou muito baixa têm oscilação instável e colidem com os bastões.

AnalisadoresAnalisador de quadrupolo

• Quatro bastões paralelos ao feixe de íons

• Entre os bastões há um campo eletrostático oscilante que causa uma trajetória oscilante aos íons

• Íons com m/z correta têm oscilação estável e conseguem atravessar o quadrupolo em trajetória espiral e atingir o detector. Íons com m/z muito alta ou muito baixa têm oscilação instável e colidem com os bastões.

• Variação no campo eletrostático oscilante permite analisar fragmentos com todos valores de m/z

• Resolução baixa – R ~ 3000

AnalisadoresAnalisador por tempo de vôo (TOF)

• Dois íons gerados da mesma forma (com a mesma energia cinética) terão velocidades diferentes dependendo de suas massas.

• Quanto maior a massa do íon, menor sua velocidade

• Íons mais leves chegam ao detector primeiro

• Vantagem: é muito mais simples que os anteriores

• Quanto mais longo o analisador TOF, maior a resolução

• Resolução bastante baixa – R ~ 500

Detectores

Multiplicador de elétrons (amplificador)• Permite a detecção de 1 íon apenas!

• A colisão dos íons com a superfície do amplificador leva à ejeção de elétrons em cascata até o final do detector, levando à amplificação do sinal elétrico por 2n vezes, onde n é o número de colisões nas paredes do amplificador

• Conta o número de íons gerando uma corrente elétrica proporcional a este número do íons. Sob condições normais de operação, esta corrente elétrica deve ser amplificada