Aplicações e características da EM

• Algumas aplicações da EM:

(a) determinação de massa molecular com elevada exatidão, inclusive de biomoléculas e materiais poliméricos;

(b) identificação de substancias, mesmo em misturas complexas;

(c) informação estrutural: conectividade dos átomos numa molécula; informações termoquímicas;

(d) análise e padrões isotópicos.

• Algumas características importantes da EM: (i) técnica qualitativa e quantitativa, capaz de analisar misturas complexas; (ii) alta sensibilidade; (iii) universal e específica; (iv) técnica rápida.

Alguns aspectos destacados da EM

• Especificidade molecular incomparável: habilidade de

medir massas moleculares com exatidão e proporciona

informação estrutural a partir de íons fragmentos.

• Sensibilidade ultraelevada: limites demonstrados de

attomol (10-18) e zeptomol (10-21).

• Versatilidade: capaz de determinar estruturas da

maioria das substancias.

• Aplicável a todos os elementos químicos.

• Aplicável a todo tipo de amostra: volátil e não volátil;

polar ou não polar; sólido, líquido ou gás.

• Combinado com métodos de separação de alta

resolução oferece a possibilidade de analisar amostras

complexas do “mundo real”.

• A tradição: Espectrometria de massas é uma técnica analítica que separa e mede a relação m/z de íons produzidos em fase gasosa pela ionização de uma substancia química.

• Década de 60:

a) Instrumentação temperamental e não muito utilizada como ferramenta analítica;

b) A contribuição de Carl Djerassi para a popularização da espectrometria de massas de substancias orgânicas. (Ver Budzikiewicz. Djerassi e Williams “Mass Spectrometry ofOrganic Compounds”, Holden-Day, 1967)

Uma breve retrospectiva histórica

A espectrometria de massas e o

reconhecimento através de Prêmios Nobel

J. J. Thomson (1906, F) F. W. Aston (1922, Q) W. Paul (1989, F)

H. G. Dehmelt (1989, F) J . Fenn (2002, Q) K. Tanaka (2002, Q)

Uma seleção mundial de famosos da EM

K. Biemann B. Chait G.

CooksM. Dole

C. Fenselau F. Hillenkamp D. HuntM. Karas

A. Marshall F. McLaffertyA. Nier C. Robinson

Massa em química

2.) Massa de uma espécie isotópica específica, p. ex.

1H 1,00783 Da

2H 2,01210 Da

3.) Massa atômica média de um elemento químico,

Xi = fração de abundância relativa natural do isótopo

Mi Xi Mi Xi 70Ge 69,924250 0,2084 74Ge 73,921178 0,3628 72Ge 71,922076 0,2754 76Ge 75,921403 0,0761 73Ge 72,923459 0,0773

M(Ge) = 72,64

• Thomson: unidade de m/z (Dalton/carga do elétron)

• Massa média (ou química) = massa calculada usando uma média

ponderada sobre a abundancia isotópica.

• Massa nominal = massa calculada usando como número inteiro a

massa do isótopo principal, p.ex. CH4 = 16 u.

• Massa exata = massa calculada usando o valor da massa do

isótopo principal, p.ex. 12C1H379Br = 93,941011 u.

• m/z = grandeza abstrata sem unidades, ou em unidades de Th.

• Espectro de massas = registro de abundância iônica em função de

m/z.

• Pico base sinal do íon mais abundante.

• Pico isotópico sinal devido a outros isótopos da mesma

composição química.

• Abundancia relativa = abundancia normalizada com relação ao

pico base.

• Intensidade relativa = razão entre a intensidade do pico e o pico

base.

• Intensidade percentual = (Ii/ Ij).

InletIon

source

Mass

Analyzer DetectorData

System

High Vacuum System

Diagrama de um espectrômetro de massas

InletIon

source

Mass

Analyzer DetectorData

System

Sistema de alto vácuo

Diagrama de um espectrômetro de massas

Bombas

turbomoleculares

EntradaIon

Source

Mass

Analyzer DetectorData

System

High Vacuum System

HPLC ou GC

Injeção por fluxo

Placa de amostra

Introdução direta

Introdução da amostra

InletFonte

de íons

Mass

Analyzer DetectorData

System

High Vacuum System

MALDI

ESI

APCI

EI

CI

Fonte de íons

InletIon

sourcem/z Detector

Data

System

High Vacuum System

Tempo de vôo (TOF)

Quadrupolo

Armadilha de íons

Setor magnético

FTMS

Orbitrap

Analisador de Massa

Inlet

Ionization

Mass Analyzer

Mass Sorting (filtering)

Ion

Detector

Detection

Ion

Source

• Solid

• Liquid

• Vapor

Detect ionsForm ions

(charged molecules)Sort Ions by Mass (m/z)

1330 1340 1350

100

75

50

25

0

Mass Spectrum

Espectrômetro de massas em resumo

Escolha do método de ionização

Aspectos a serem considerados

• Volatilidade da substancia.

• Polarizabilidade.

• Amostra pura ou mistura (gás, líquido ou sólido).

• Grau de fragmentação desejado.

• Sensibilidade.

Fontes principais

• Ionização por elétrons (EI) ou por ionização química (CI)

• Ionização por campo (FI)/ Dessorção (FD).

• Ionização por íons secundários (SIMS).

• FAB (fast atom bombardment).

• MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorpiton Ionization)

• Ionização a pressão atmosférica

Electrospray (ESI)

APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization)

Outros métodos recentes (DART, DESI,...)

Energia eletrônica e espectrometria de massas:

Eficiência de ionização a várias energias

Ionização por elétrons de um hidrocarboneto: energia do elétron é suficiente

para causar ionização da molécula e promover a fragmentação de M+

M+

(M-29)+

Ionização por elétrons de outro isômero C7H16: fragmentação extensa de

M+ auxiliada pela estabilidade dos fragmentos iônicos produzidos

(M-15)+

(M-43)+

Espectros de massas

por ionização por

elétrons de sistemas

inorgânicos com

padrões isotópicos

característicos:

a) caso do S8 (32S e 34S);

b) complexo de Cr (50Cr, 52Cr, 53Cr, 54Cr)

Espectros de massas de uma -lactama a duas energias eletrônicas

diferentes: maior fragmentação a 70 eV

Termoquímica associada a ionização por elétrons

Energia de ionização (IE)

Energia de aparecimento (AE)

Ionização química

• Ionização produzida por uma reação química provocada por um gás

ionizado.

• Gás reagente, p.ex. CH4

CH4+ + CH4 CH5

+ + CH3

• CH5+ é um ácido de Brønsted muito forte em fase gasosa: ionização suave

com formação de MH+ e fragmentos eventuais

M + CH5+ MH+ + CH4

• Outros reagentes: isobutano, C4H10, NH3

C4H10 + e- C4H9+ + H + 2 e-

NH3+ + NH3 NH4

+ + NH2

• Transferência de próton depende da afinidade protônica relativa entre o

substrato neutro e a base conjugada do ácido

M + H+ MH+ AP (M) = - Ho

AP (CH4) = 543,5 kJ mol-1

AP (C4H8, isobuteno ou Me2C=CH2) = 802,1 kJ mol-1

AP (NH3) = 853,6 kJ mol-1

Espectros de massa por ionização química

Íons reagentes no metano: CH5+ (m/z 17),

C2H5+ (m/z 29), C3H5

+ (m/z 41)

Íons reagentes no isobutano:

(CH3)3C+ (m/z 57), C3H7

+ (m/z

43)

The EI and CI mass spectra of 3,4-dimethoxyacetophenone

Comparação de

espectros de massa

obtidos por ionização

eletrônica e por ionização

química (método suave

de ionização)

Comparação de espectros de

massa obtidos por ionização

eletrônica e por ionização

química (método suave de

ionização)