Detectores Espectrométricos em Cromatografia Gasosa de ...graduacao.iqsc.usp.br/files/GC_MS-Instrumental-II2.pdf · • Seleção das linhas espectrais – ... C30, ésteres, ácidos,

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Detectores Espectrométricos em

Cromatografia Gasosa de Alta Resolução

•  Emissão Atômica •  Absorção no Infravermelho •  Espectrometria de Massas

Detector Espectrométrico de Massas (MSD)

•  Acoplamento de GC com um espectrômetro de massas.

•  O melhor e mais completo sistema para a detecção e identificação de compostos orgânicos voláteis.

•  Interfaceamento mais direto do que com LC: – GC: 1 mL/min de gás – LC: 0,1 - 1 mL/min (1 – 10 L/min de gás)

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MSD - Interfaceamento •  Objetivos

– Transferência quantitativa de todos analitos

– Compatibilidade de fluxo/pressão que o MS pode suportar

– Não custar os olhos da cara

•  Nenhuma interface atende todos requisitos!

MSD - Interfaceamento •  Interfaceamento com GC é muito

mais simples do que com LC! •  A amostra já se encontra em fase

gasosa •  Remoção do excesso do gás

carregador

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MSD - Interfaces •  Separador molecular

MSD - Interfaces •  Separador de permeação

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MSD - Interfaces •  Divisor aberto - “open split”

MSD - Interfaces •  Inserção direta da coluna capilar

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MSD - Analisadores •  Quadrupólo (Q)

– mais utilizado – maior número de espectros

MSD - Analisadores •  Ion Trap (MSn)

– Multidimensional – Flexível

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MSD - Analisadores •  Setor Magnético (B)

– Alta resolução

MSD - Fonte de Íons •  Ionização por elétron (EI)

– positivo – negativo

•  Ionização Química – pos & neg

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Uso dos Dados em GC/MS •  Existe dois modos básicos de

operação: – SCAN - coleta os dados sobre uma

extensa faixa. Fornece a máxima informação qualitativa

– SELECTED ION MONITORING (SIM) - coleta dados em apenas alguns valores de massa. Fornece os melhores resultados quantitativos

Scan × SIM •  Quando usar cada modo!

– Aquisição em SCAN é muito mais lenta do que em SIM.

– Na maioria do tempo não existe informação (linha de base).

– Conforme aumenta a faixa do scan, a informação qualitativa diminui.

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Scan × SIM •  Velocidade de aquisição (freqüência)

– ausência de pontos suficientes prejudica os resultados quantitativos

Scan × SIM Modo Ciclos/s DPR %Scan 0,5 6,5SIM 16 íons 2,0 2,5SIM 4 íons 4,0 1,2

Idealmente: 10-11 pontos para definir um pico; 20 pontos seria ideal

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Scan × SIM •  Máxima precisão e sensibilidade são

obtidas em condições que oferecem as mínimas informações qualitativas!

•  Como Contornar? – Fazer várias corridas – Focalizar na análise de compostos

“alvo”

Scan × SIM •  Corridas Múltiplas

– Fazer corrida inicial em modo scan - isto fornece a informação qualitativa!

– Repetir análise em modo SIM para obter dados quantitativos.

•  Abordagem válida se dispor de tempo e amostra!

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Scan × SIM •  Análise de Compostos “Alvo”

– Abordagem simples para obter tanto análise quantitativa quanto qualitativa.

– Melhor indicado para um número limitado se compostos Alvo

– Possível uso de isótopos marcados como padrão interno!

Análise de Compostos “Alvo”

•  Seleção das linhas espectrais – Para cada composto, selecionar pelo

menos 3 íons: •  Íon de quantificação - linha mais abundante •  dois ou mais íons qualificativos - linhas

intensas, bem resolvidas uma da outra! – Se existir um padrão interno marcado

isotopicamente, a seleção das linhas deve conter os íons do padrão e do analito!

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1. Adicione o padrão interno 2. Selecione o MS em modo SIM para

as 6 linhas (íons) 3. Critérios para qualificação

– Tempo de retenção apropriado –  Íons apropriados – Relação entre íons apropriada

– Suficiente para convencer um Júri!!


•  Exemplo: Análise de uma droga em urina

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Quantificação Múltipla

•  Se tr145 = tr142 •  Se A145/A179 = A142/A176 e A179/A214 =

A176/A211 ⇒ Composto único

QpiApiAsQs ⋅=

A

Q Qpi Qs

Api As

Análise Qualitativa •  Indentificação Estrutural de

Compostos Orgânicos – O espectro de massas:

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Análise Qualitativa •  Formação do Íon Molecular (M+)

•  Considerando Ionização por Elétron (EI) •  E = 70 eV

CH3OH + e- → CH3OH•+ (m/e 32) + 2e-

•  CH3OH•+ possui 1/2 vida curta (10-10 s)

CH3OH•+ → CH2OH+ (m/e 31) + H•

CH3OH•+ → CH3+ (m/e 15) + •OH CH2OH+ → CHO+ (m/e 29) + H2

Interpretação Espectral •  Identificação do Íon Molecular (M+)

– último íon identificável no espectro – nem todas as classes químicas

produzem M+ – presença de isótopos auxilia na

determinação de fórmula molecular: (M), (M + 1) e (M + 2)

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Elemento PesoAtômico

Nuclídeo Massa

Hidrogênio 1,00797 1HD(2H)

1,007832,01410

Carbono 12,01115 12C 12,00000Nitrogênio 14,0067 14N

15N14,003115,0001

Oxigênio 15,9994 16O17O18O

15,994916,999117,9992

Cloro 35,453 35Cl37Cl

34,968936,9659

Massa Exata dos Isótopos

Abundância dos Isótopos

Elementos Abundância

Hidrogênio 1H 100 2H 0,016

Carbono 12C 100 13C 1,08

Nitrogênio 14N 100 15N 0,38

Oxigênio 16O 100 17O 0,04 18O 0,20

Cloro 35Cl 100 37Cl 32,5

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Cáculo de (M + 1) e (M + 2) %(M +1) =100

(M +1)[ ]M[ ]

!"#

$#

%&#

'#≅

≅1,1×número átomos de C + 0,38 × número de átomos de N

[ ][ ]

O de átomos de número20,0200

C) de átomos de número1,1(

)2(100)2%(

2

×+

×≅

≅#$%

&'( +

=+MMM

m/e %150 (M) 100151 (M+1) 10,2152 (M+2) 0,88

Fórmula M+1 M+2C7H10N4 9,25 0,38C8H8NO2 9,23 0,78C8H10N2O 9,61 0,61C8H12N3 9,98 0,45C9H10O2 9,96 0,84C9H12NO 10,34 0,68C9H14N2 10,71 0,52

%(M+1) = (1,1)(9) + (0,38)(0) = 9,9% do íon molecular %(M+2) = [(1,1)(9)]2/200 + (0,20)(2) = 0,89% do íon molecular

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Reconhecimento do Pico do Íon Molecular

•  Duas situações possíveis 1- Íon molecular não aparece ou é muito fraco → refazer espectro com máxima sensibilidade → procurar por (M-18) → produzir algum tipo de derivado → utilizar ionização química 2- Íon molecular está presente e é um dos

mais intensos no espectro → reduzir a energia do feixe de e- para

distinguir (M) de (M-1) mais intenso ou de alguma impureza na amostra

Reconhecimento do Pico do íon Molecular

•  Regra do Nítrogênio: um composto de peso molecular par deve conter um no par de átomos de nitrogênio ou nenhum.

–  Íon molecular par → fragmento ímpar –  Íon molecular ímpar → fragmento par

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Reconhecimento do Pico do íon Molecular

•  Classes com M+ Detectável: –  cetonas lineares, hidrocarbonetos <

C30, ésteres, ácidos, aldeídos, amidas, éteres e halogenetos de alquila

•  Classes com M+ Não Detectável: –  álcoois alifáticos, aminas, nitritos,

nitratos, nitro-compostos e em compostos muito ramificados

Regras de Fragmentação •  Localização da carga do íon:

– no heteroátomo – em uma ligação π – deslocalizado

•  Quebra da ligação C—C próxima ao heteroátomo:

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Regras de Fragmentação

•  Regras relacionadas com: – a probabilidade de quebra de ligação – possibilidade de transições de baixa

energia – estabilidade dos fragmentos formados

no processo

Regras de Fragmentação 1- A intensidade relativa do íon molecular é maior em

composto de cadeia linear e diminui a medida que o grau de ramificação aumenta.

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Regras de Fragmentação 2- A intensidade relativa do íon

molecular diminui com o aumento do peso molecular em uma série homóloga. metilbenzeno > etilbenzeno > propilbenzeno > butilbenzeno ....

3- Quebra da ligação é favorecida em átomos de carbono ramificados: quanto maior a ramificação mais provável a quebra da ligação.

Regras de Fragmentação 3- Quebra da ligação é favorecida em

átomos de carbono ramificados: Devido ao aumento da estabilidade dos carbocátions mais ramificados!

C+H3 < R1C+H2 < R1R2C+H < R3C+

Adicionalmente, o substituinte maior será eliminado mais facilmente por poder estabilizar melhor o radical

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Regras de Fragmentação 4- Ligações duplas, estruturas cíclicas, anéis

aromáticos (ou heteroatômico) estabilizam o íon molecular.

Regras de Fragmentação 5- As ligações duplas favorecem a

quebra alílica e dão o íon carbônio alílico, que é estabilizado por ressonância

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Regras de Fragmentação 6- Anéis saturados tendem a perder as

cadeias laterais na ligação α. Anéis insaturados podem sofrer reação inversa de Diels-Alder

Regras de Fragmentação 7- Em compostos aromáticos alquil-

substituídos, a quebra mais provável é a ligação β ao anel dando o íon benzílico, o qual é estabilizado por ressonância.

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Regras de Fragmentação 7- Ou formação do íon tropílio

diretamente

Regras de Fragmentação 8- As ligações C—C próximas a hetero-

átomo freqüentemente se quebram deixando a carga com o fragmento que contém o heteroátomo

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Regras de Fragmentação 9- Vária quebras estão associadas à

eliminação de moléculas neutras e estáveis como: – monóxido de carbono (M-28) – dióxido de carbono (M-44) – água (M-18) – amônia (M-17) – metanol (M-32) – radical metila (M-15) – radical metoxil (M-31)

Rearranjos

•  Em casos especiais, alguns íons podem apresentar um padrão de fragmentação que não podem ser explicados pela simples quebra de uma ligação (Regras 1 - 9)

•  É o resultado de rearranjo intra-molecular durante o processo de fragmentação!

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Rearranjos •  Rearranjo de McLafferty: rearranjo

de hidrogênio em moléculas que contém heteroátomos

Rearranjos •  Rearranjo de McLafferty:

– Requisitos: •  heteroátomos apropriadamente localizados •  um sistema π (uma dupla ligação) •  um átomo de hidrogênio em posição favorável (γ em

relação ao sistema C=O)

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Espectros Típicos de Algumas Classes Químicas

•  Hidrocarbonetos Saturados


•  Hidrocarbonetos Olefínicos

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•  Hidrocarbonetos Aril-alquila


•  Compostos Hidroxilados - Álcoois

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•  Compostos Hidroxilados - Fenóis


•  Éteres

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•  Cetonas


•  Aldeídos

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•  Ácidos Carboxílicos


•  Ésteres Carboxílicos

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•  Aminas Alifáticas


•  Compostos Halogenados

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•  Compostos Halogenados

Exercício!

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Exercício!

Exercício!

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