Analisadores de MassasAnalisadores de Massas

Magnéticos-Eletrostáticos BE

Quadrupolos Qq

“Íon-Traps 3D” e “Íon-Traps Lineares” QIT

Tempos de Vôo TOF

Ressonância Ciclotônica de Íons FT-MS

6- “Orbitraps”

BE ou EB

Dupla Focalização com Setor Magnético e EletrostáticoThomson → Aston → Dempster 1918

V de acelaração típico de 8.000V

Energia Cinética dos íons ½ mv2 = zeV

onde z = carga do íon V = potencial aplicado

Para atravessar o analisador B e chegar ao detector, o íon deve descreveruma trajetória perfeita de raio rB

BE ou EB

Dispersão de energia cinética na fonte causa perda de resolução.

Correção: B + E ou E + B !

Em E temos: mv2 / rE = eZE (3) sendo que ½ mv2 = ZeV (1)

(1) + (3) rE = 2V / E Íons que sofreram aceleração exatamente proporcional a V descreverão a trajetória de raio rE no analizador eletrostático e serão transmitidos. Os outros com Ec maior ou menor serão retidos !

Analisador E funciona então com um analisador/filtro de energia cinética de íons, aumentando assim a resolução da análise de m/z. B resolução 1.000; B + E ou E + B + E resolução 60.000

Características principais1 Pode operar em baixa (1.000) ou alta resolução (até 60.000).

2 Alta precisão nas medidas de massas (5 ppm em alta resolução).

3 Análise discriminatória. Fendas filtram o sinal, baixa transmissão principalmente em alta resolução.

4 Alto custo e complexidade.

5 Íons precisam ser acelerados com alta energia cinética para compensar dispersão de energia na fonte (8 kV).

6 Escala de massas não é linear: m/z α B2.

7 Varreduras relativamente lentas (efeito de esteresse de campo).

8 Ideal para análise isotópicas precisas: 12C/14C 1H/2H

Jurássico !

yz

x +

+

-

-

Quadrupolos Lineares : Q / q

Paul & Steinwedel 1953

• A varredura é feita variando simultaneamente U (DC) e V0 (AC) mas mantendo constante a relação U/V0.

Wolfgang Paul

Prêmio Nobel 1989

Analisador de Massas Quadrupolar

Equação Mathieu

stability diagram

3 eV

3,2 eV

Ion Paths in Quadrupoles

Características principais

- Baixa resolução: resolução "unitária“ controlada por U/V0.

- Análise discriminatória.

- Íons são acelerados com baixa energia cinética (~15 V).

- Varreduras rápidas.

- Facilmente acoplados (QqQ e QqQqQ).

- Tolerantes a pressões relativamente altas: 10-4 torr.

- Quando operam somente com aplicação de AC ("rf-only”) funcionam como focalizadores de íons: câmaras de colisão ou reação.

Quadrupolo

QIT - Quadrupolos "Ion Trap Tridimensionais(3D)”

Paul & Steinwedel 1953

QIT - Quadrupolos "Ion Trap Tridimensionais (3D)”Paul & Steinwedel 1953

Ion traps

Um eletrodo hiperbólico“Ring” e dois “endcap”Um eletrodo hiperbólico“Ring” e dois “endcap”

QIT 3D

• "Bath gas": adiciona-se hélio a uma pressão típica de 10-3 Torr para aumentar sensibilidade e resolução. A repulsão entre íons de mesma carga confinados no centro do trap tende a desestabilizar suas trajetórias por dispersão (efeito "space-charge"). Colisões com o "bath gas" resfriam os íons (energia cinética), mantendo-os aprisionados com refocalização para o centro do trap.

• Aprisionamento seletivo de íons: Seqüência de eventos. Após o aprisionamento de vários íons, um íon de m/z específico (ex: 100) pode ser mantido no trap, e os demais eliminados. Uma voltagem rfadicional é aplicada nos eletrodos end-cap com amplitude e freqüência ajustadas para eliminar os íons mais pesados (m/z > 100). A amplitude da voltagem rf (V) aplicada no ring electrode é então aumentada até um valor limite (imediatamente inferior aquele necessário para a eliminação do íon de m/z 100), e durante a varredura de V tanto os íons pesados como os leves são sucessivamente eliminados.

• Um eletrodo hiperbólico simétrico na forma de um anel ou "doughnut" (“ring electrode”) éposicionado entre dois eletrodos hiperbólicos (“end cap electrodes”). Aplica-se sobre o ringelectrode uma voltagem AC (rf) de amplitude (V) variável e freqüência (~1.1 MHz) fixa (V + coswt) que cria um potencial quadrupolar tridimensional aprisionador. Os eletrodos end cap são aterrados (V = zero). Não se aplica normalmente voltagem dc (U), portanto os QIT podem ser classificados como quadrupolos "rf-only" tridimensionais. Liga-se o filamento e todos os íons formados dentro do QIT (ou ali injetados) de m/z acima de um certo valor limite (determinado por V) são aprisionados por um certo período de tempo (~1 ms). Após este período de captura dos íons, desliga-se o filamento e obtêm-se um espectro de massas pela varredura de V; íons de m/z crescente são acelerados na direção do eixo Z, sendo assim ejetados através de orifício no eletrodo end cap, e detectados.

Trajetória Estável

Características principais QIT• Baixa resolução: resolução "unitária". Pode trabalhar em alta resolução emvarreduras lentas.

• Baixo custo, simples, robusto e pequeno: ~ 5 x 5 x 5cm. (Cilíndricosminiaturizados)

• Eletrônica simples: somente voltagem RF.

• Escala de massas é linear: m/z α V.

• Permite experimentos MSn seqüenciais no tempo (ex: MS13).

• Trabalha com pressões relativamente altas: 10-3 torr.

• Devido a possibilidade de ocorrer reações íon-molécula durante aprisionamento, espectros de EI podem ser "contaminados" por CI.

• Fácil realização de CI a pressões relativamente baixas.

• Baixa precisão nas medidas de massas. “Mass-shifts” eletrônicos e químicos.

Ion traps (MSn)

QIT - Quadrupolos "Ion Traps Lineares”

Vantagens: ~50 vezes mais sensíveis; maior capacidade de armazenamento. Reduzemos problemas de “charge space” : repulsão íon-íon e assim minimizam “mass-shifts”. Sem problemas de self-CI e perda de 1/3 m/z em MS/MS !

QIT - Quadrupolos "Ion Traps Lineares”

Ion trapN2 CAD Gas

linear ion trap3x10-5 Torr

Dipolar Aux AC

IQ2 IQ3 Exit

Skimmer

Orifice

LINAC

IQ1

Q0 Q1 Q2 Q3

Tempos de Vôo “TOF”Cameron 1948

• Através de um tubo de comprimento L (~ 1m) sob alto vácuo, íons formados por ionização pulsada (~0.25 a 1 ms) são acelerados pela aplicação de uma voltagem V (~1-10 KV) e adquirem velocidades proporcionais as suas m/z's. Ocorre dispersão em tempo e íons de diferentes m/z's chegam ao detector em tempos diferentes :

t = (m / 2zeV)1/2 L

• Princípio básico: Dispersão no tempo de íons por aceleração seguida da medidas de seus tempos de vôo "livre".

O patinho feio

Reflectron Instruments

Analisador de Massas por tempo de Vôo.

Tof LinearResolução = 600

Tof LinearResolução = 600

Tof OrtogonalResolução = 3400

Tof OrtogonalResolução = 3400

Aumento da Resolução em TOF

a) Aceleração Ortogonal

b) Espelho ElestrostáticoLindo Cisne

• TOF's lineares apresentam baixa resolução devido a duração do pulso de ionização e dispersão de energia cinética dos íons na fonte. Solução paliativa: Aumento de L ou técnicas de aceleração "pós-ionização".

• Reflectors (Espelhos Eletrostáticos): Uma série de grades ou eletrodos onde se aplica um potencial repulsivo crescente. Os íons penetram angularmente no reflector, são desacelerados por repulsão eletrostática, fazem uma curva, e assim retornam para o tubo de vôo. Considere dois íons de mesma m/z mas com diferentes velocidades, dispersos no tempo. O íon de maior energia cinética, a frente em tempo de vôo, penetra mais profundamente no reflector e ali permanece por mais tempo. O outro penetra menos profundamente, e ali permanece por um tempo menor. A dispersão é corrigida, e os íons são refocalizados em tempo de vôo, com conseqüente aumento da resolução (largura do pico) ou poder de separação.

• Aceleração ortogonal. o-TOF: Íons são produzidos de forma contínua na fonte de ionização, e acelerados. O feixe de íons é focalizado com o auxílio de lentes e quadrupolos/octapolos "rf-only". Uma aceleração pulsada e ortogonal ao movimento do feixe de íons é aplicada. Íons então adquirem velocidades "ortogonais" que não são influenciadas pelas suas velocidades divergentes adquiridas pela aceleração na fonte.

Aumento da Resolução em TOF

Características principais.•TOF's lineares: baixa resolução. TOF's com reflector: média resolução. o-TOF's com reflector: alta resolução e alta precisão ( 5 ppm).

• Análise não-discriminatória. Alta sensibilidade.

• Baixo custo, fácil manutenção.

• Varreduras extremamente rápidas.

• Ampla faixa de varredura > 106 u. Único analisador acoplável a MALDI de macromoléculas.

Hoje, uma das melhores relações custo/benefício.

TOF

FTMSEspectrometria de Massas com Ressonância Ciclotrônica

de Íons (ICR) e Transformada de Fourier

Comosarow & Marshal 1974

“Monster MS”

FT-MS

• Uma cela cúbica é posicionada no centro de um íma supercondutor (~ 3-7 Tesla). Os íons formados dentro da cela (ou ali injetados) se movem em uma trajetória circular perpendicular ao eixo do campo magnético, de frequência angular (frequência de ressonância ciclotrônica) wc proporcional ao campo magnético B e as suas m/z's:

wc = zeB/m

• Para evitar que íons escapem da cela, uma baixa voltagem dc é aplicada aos eletrodos de aprisionamento gerando um campo elétrico E perpendicular ao campo magnético B.

• Uma voltagem rf é aplicada aos eletrodos transmissores (laterais). Varre-se então rapidamente a frequência da voltagem rf (pulso) mantendo-se B constante. Quando a frequência de rf (wrf) se iguala a frequência angular de oscilação de algum íon: wc, este absorve energia com aumento de velocidade e do raio de sua orbita mas sem alterar a frequência de sua oscilação. Após poucas rotações, os íons que absorveram energia estarão se movendo sincronizadamente. Esta oscilação ciclotrônica é sentida pelos eletrodos receptores (superior e inferior), produzindo uma corrente com frequência iqual a wc. Rápida variação de wrf pode ser realizada, sendo o espectro de massas obtido pela aplicação de FT.

• Princípio básico: Aprisionamento de íons em uma campo magnético/elétrico, seguido da medida de suas frequências de ressonância ciclotrônica.

Princípios de operacão do ICR (FTMS)

Partículas carregadas irão apresentar um movimento circular em um campo magnético com uma frequência ciclotrônicarelacionada ao seu valor de m/z !

FF = = zz ((vv x x BB))

rzvB = mv2

r mωc = v = zB

F = massa . aceleração r

F = mv2

2π 2πm νc = ωc = zB

z 2πνc

m = B

Características principais FT-MS

• Altíssima resolução (função de B como em RMN) que diminue com o aumento de m/z.

• Alta sensibilidade. 10-100 íons precisam normalmente oscilar para serem sentidos pelos eletrodos receptores.

• Alto custo (supercondutores), difícil manutenção.

• MSn. Operação semelhante aos “ion-traps”.

• Trabalham sob altíssimo vácuo (< 10-8 Torr) enquanto a quantidade de íons aprisionados na cela é pequena ("charge-spacing").

• Muito utilizados em estudos de reações íon-molécula (estudos cinéticos) e em análise de altíssima resolução-precisão.

Orbitrap

Detecção de Íons

(Multiplicadores de Eléctrons)

“Copper-Beryllium (CuBe) Discrete Dynode Multipliers”

Alta sensibilidade mas relativamente instáveis frente a seguidasexposições à atmosfera

“Continuous Dynode Multipliers”

Duráveis e mais resistentes a exposiçoes frequentes à atmosfera

1- “Gramofone” de vidro com superfície interna de óxido de chumbocausa um gradiente de voltagem atrativo para elétrons.

2- Íons incidindo sobre a superfície em alto potencial negativo (~ -2000V) causam a emissão de ~ 3 elétrons/íon.

3- Processo de multiplicação de elétrons em cascata: ganho de 106 - 108 !!

Um eletrodo complementar onde se aplica voltagem de 3- 20 KV. Aumenta a sensibilidade para íons de alta massa !

“Conversion Dynode”

MCP - Micro-Channel Plates

Multiplicadores de électrons compactos de alto ganho. MCP consistem de cerca de 10.000.000 canais do mesmo diametroformados por “drawing, etching, or firing in hydrogen a lead glass matrix. Diâmetro típico de ~ 10 microns.

MCP - microchannel plates

Detectores ultra sensíveis utilizados na maioria dos espectrômetros com TOF. Vários canaismultiplicadores de elétrons.

DetectoresDetectores

dynodedynode

phospho rphospho rpho tom ultip lie rpho tom ultip lie r

Fotomultiplicador

Dinodo de conversão transforma íons positivos ou negativos em elétrons. Esteselétrons atingem uma superfície de fósforo e emite fótons. Os fótons atingem um fotocatodo produzindo elétrons que são amplificados pelofotomultiplicador.

DetectoresDetectores

Os “top MS” são MS/MS ouMSn e Híbridos !

Triploquadrupolo

Setor EBEB

EBqQ

Qtof Waters-Micromass Hybrid High-Resolution Quadrupole Orthogonal Time-of-Flight Mass

Spectrometer (MS2) ESI-APCI

Qtof Waters-Micromass Hybrid High-Resolution Quadrupole Orthogonal Time-of-Flight Mass

Spectrometer (MS2) ESI-APCI

QTrap - Quadrupolos com “Ion Traps Lineares (QqLTQ)”

N2 CID Gas

linear ion trap3x10-5 Torr

Dipolar Aux RF

TM

The APEX-Q platform combines a Q-q- "front-end" and a high field FTMS magnet (9.4 or 12 Tesla) for the ultimateresolution proteomics mass spectrometer.

QqFT-MS

LCMS-IT-TOF Shimadzu introduces the first high resolution LCMS-ion trap-time-of-flight mass spectrometer Featuring MSn Capability Shimadzu's new LCMS-IT-TOF is a novel hybrid mass spectrometer for biomarker discovery,metabolite identification and human health research, and ideal for applications in forensics, drug development, and environmental chemistry. Coupling atmospheric pressure ionization with Ion-Trap (IT) and Time-of-Flight (TOF) technologies, the LCMS-IT-TOF delivers high mass accuracy and high mass resolution (10,000 at 1000 m/z) independent of MS mode.

Ion Trap Linear com FT-MS

Ion Trap Linear com FT-MS

For the first time in the history of mass spectrometry, the LTQ FT combines the ruggedness, versatility, and MSn capabilities of the most advanced ion trap mass spectrometer with theaccurate mass measurement capability of a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance

analyzer. This has been achieved without compromising the analytical capabilities of either theion trap or the FTICR-MS.

Triploquadrupolos ?