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Data Tópicos
30/03 Espectrometria de massas – Técnicas básicas
06/04 Espectrometria de massas – Teoria de fragmentação
13/04 Espectrometria de massas – Teoria de fragmentação
20/04 Resolução de problemas
27/04 1ª Prova
04/05 Seminários
Períodicos especializados em
espectrometria de massas:
1. International Journal of Mass Spectrometry
2. International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes
3. Journal of Chromatography. A, Including Electrophoresis, Mass
Spectrometry and other Separation and Detection Methods
4. Journal of Mass Spectrometry
5. Journal of the American Society for Mass Spectrometry
6. Mass Spectrometry for Biotechnology
7. Mass Spectrometry Reviews
8. Rapid Communications in Mass Spectrometry
Histórico 1897: J.J. Thompson descobre elétron e determina m/z
1912: J.J. Thompson constrói o primeiro espectrômetro de massas
1942: Demster desenvolve a fonte de impacto de elétrons
1942: Primeiro instrumento comercial para análise orgânica
1953: Quadrupolo e ion trap (W. Paul e H.S. Steinwedel, Nobel 1989)
1956: Primeiro GC-MS
1974: Primeiro HPLC-MS
1987: Demonstração de MALDI
1988: Demonstração de ESI
1990s: Crescimento explosivo de MS, devido a ESI e MALDI
2002: Nobel para inventores ESI (Fenn e Tanaka)
A massa molecular
A fórmula molecular
Detalhes estruturais do composto
Informações Obtidas da Espectrometria de Massa
A massa de fragmentos
Espectrometria de Massas
Técnica analítica para: identificação de compostos desconhecidos quantificação de compostos conhecidos.
Sensibilidade: Substâncias podem ser detectadas com
quantidades mínimas de amostra (10-12 g, 10-15 moles pra um composto de massa 1000 Daltons.
Seletividade: Substâncias podem ser identificadas e
quantificadas em concentrações muito baixas (uma parte em 1012) em misturas complexas.
Definição IUPAC Espectrometria de Massas: Estudo de sistemas pela formação de íons em fase gasosa, com ou sem fragmentação, que são caracterizados por suas relações massa carga e abundâncias relativas
Fonte
Ionização
Analisador
Separação dos íons
Detector
Detecção dos íons
Sistema de dados
Manipulação dos dados
Entrada
Introdução da amostra Saída dos
dados
Espectro de massas
m/z0 50 100 150 200 250
Ion
Abun
danc
e (%
)
0
20
40
60
80
100
Em que consiste EM
Espectro de massas
m/z
Ion
abun
danc
e (%
)
100
60
40
80
20
Pico base (ion 100%) Pico do íon molecular (Precursor)
Íons fragmentários
Isótopos
Remoção de elétrons
M M+• – e-
Captura de elétrons
M M– • + e-
Protonação
M + H+ [MH]+
Cationização
M + Na+ [MNa]+
Desprotonação
M H M– – H+
Reações de produção de íons em EM
Necessidade de vácuo
Passo livre médio percorrido por uma
molécula entre colisões
mTorr) em( 95,4cm) (em
pL =
Sugere pressões da ordem de 10-5 torr para mover uma molécula um metro sem colisão
Espectrômetro de massas
Fonte de íons Analisador Detector
Quadrupolo TOF Ion trap FT-ICR Setor Magnético
Alto vácuo 10-5-10-8 mbar
Fotomultiplicador Multiplicador de elétrons Microchannel Plate
Sistema de dados
ESI* APCI* MALDI EI CI
*Fonte de íons a pressão atmosférica
Sistema de inserção
HPLC GC Bomba seringa
Métodos de produção de íons em EM
• EI (electron impact)
• CI (chemical ionization)
• FAB (fast atom bombardment)
• MALDI (matrix-assisted laser desorption/ionization)
• API (atmospheric pressure ionization)
• ESI (electrospray ionization)
• APCI (atmospheric pressure chemical ionization)
• ICP (inductively-coupled plasma)
• TIS (thermal ionization source)
70 eV e- A-B-C
Elétrons de baixa energia
<70 eV e-
A-B-C+. A+ + B-C.
A. + B-C+
B + C+
A-B . + C+
A-B+ + C .
B+ + C A + B+ A+ + B
cátion radicalar
• Método robusto e simples
• Fragmentação fornece informações estruturais;
• Espectros são facilmente reprodutíveis;
• Existência de biblioteca de “impressões digitais”;
Vantagens
Limitações
• Requer volatilização da amostra ou derivatização;
• Para substâncias de massa molar <800 uma
• Amostra deve ser termicamente estável;
• Íon molecular pode ser de difícil identificação;
• Fragmentação pode ser extensa (moléculas maiores).
Vantagens e desvantagens de EI
Como ocorre a ionização química?
• Modificação de EI
• Resulta em pouca ou nenhuma fragmentação
• Gás e amostra entram junto
• Amostra é tipicamente 1% da mistura
• Maior pressão do gás gera ionização preferencial
• Espécie iônica gerada transfere carga para o analito
Mecanismos de ionização química Troca de carga (hélio como reagente)
Reações ácido-base
Adição de grupo alquila
He+ + M → He + M+
Com metano: CH5+ + M → CH4 + M+ (P elevadas)
Com água: OH- + MH → H2O + M-
C2H5+ + M → MC2H5
+
Como ocorre a ionização química?
A fonte CI é uma fonte EI modificada
O gás reagente pode ser:
• Introduzido diretamente na fonte
• Misturado com a amostra antes de entrar na fonte.
• Requer colisão, logo, as pressões são mais altas
mTorr 495
4,95 01,0
95,4
=
=
=
ppcm
pL
• Determinação do peso molecular (íon molecular)
• Baixa fragmentação
Vantagens
Limitações
• Vários parâmetros (gás, reagente e pressão relativa) dificultam a reprodutibilidade
• Ausência de espectros de referência
• Perda de informações estruturais devido à baixa fragmentação
Vantagens e desvantagens de CI
Bombardeamento rápido de átomos (FAB)
• Técnica rápida e simples para análise de compostos de 300 a 6000 Da;
• Amostra é dissolvida numa matriz líquida, viscosa e com baixa pressão de vapor (glicerol ou álcool 3-nitrobenzílico);
• Matriz é bombardeada com feixe de átomos (xenônio ou argônio) ou íons (césio) de alta energia cinética;
• Moléculas são removidas da superfície da matriz, entram na fase gasosa e se ionizam por protonação ou desprotonação;
• Íon resultante é estável e fragmenta pouco.
• Rapidez e simplicidade
• Tolerante às variações na amostra
• Corrente intensa de íons (bom para altas resoluções)
Vantagens
Limitações
• Requer que o analito seja solúvel na matriz líquida
• Requer pureza e boa quantidade de amostra
• Não é adequado para compostos com mais de duas cargas
Vantagens e desvantagens de FAB
• Preparação de amostra: analito dissolvido junto com uma substancia orgânica, “matriz”, que possui absorção intensa no λ do laser (λ = 337 nm para laser de N2);
• Dessorção da solução sólida por um laser pulsado (ns) de alta intensidade;
• Matrizes típicas: ácido 2,5-dihidroxibenzóico; ácido 3,5-dimetóxi-4-hidroxicinâmico; ácido 5-clorosalicílico;
• Espectro resultante inclui íons (M+H)+, e outros com prótons adicionais, retirados da matriz.
• Deve ser usado com analisadores compatíveis com métodos pulsados (TOF ou FT-ICR)
Dessorção/ionização a LASER assistida por matriz - MALDI
• Baixa concentração do analito
• Velocidade
• Análise de polímeros e macromoléculas polares e não-polares (M>50.000)
Vantagens
Limitações
• Não compatível com LC/MS
• Difícil obtenção de espectros de MS/MS
• Deve ser usado com analisadores compatíveis com métodos pulsados (TOF ou FT-ICR)
Vantagens e desvantagens de MALDI
EM via MALDI de um anticorpo monoclonal
EM via MALDI de poli(metil metacrilato) Mw = 7100 Da
MW mero = 100
Ionização por electrospray - ESI
• Substância dissolvida numa mistura, p.ex. agua-metanol, é injetada diretamente, ou por HPLC, ou por eletroforese capilar.
• Íons são formados a partir das gotas a pressão atmosférica e formam um jato por expansão livre. O mecanismo exato ainda é objeto de especulações. Amostragem ocorre através de um “skimmer”, e introduzidos no alto vácuo do espectrômetro.
• Íons com número elevado de cargas. • Íons com carga múltipla podem ser detectados mesmos com
instrumentos menos sofisticados. • O número de cargas pode depender do pH, da presença de sais,
desnaturação da proteína, quebra de ligações S-S, etc.
• Amostras não-voláteis
• Ionização “branda” a pressão atmosférica
• Análise de compostos de elevado peso molecular
• Acoplamento com HPLC e eletroforese capilar
Vantagens
Limitações
• Espécies multiplamente carregadas exigem transformações matemáticas para interpretação do espectro
• Complementar à APCI. Não é boa para compostos não carregados, não básicos e de baixa polaridade, como esteróides
• Muito sensível a contaminantes, tais como metais alcalinos ou compostos básicos
• Corrente de íons relativamente baixa
Vantagens e desvantagens de ESI
Mioglobina de cavalo MW = 16.951,5 Da
A. Íons de carga +12 a +24 em
baixa resolução
B. Ampliação do +17 mostrando picos isotópicos (resolução 15.000)
Determinação do número de cargas e de M em espectros contendo íons com cargas múltiplas
a) Em espectros electrospray, a massa de um íon m1 com carga z1 pode ser equacionada com a massa da molécula (M) e da massa do próton (mp)
)()( 112 jzmMjzm p −+=−
)( 11
111
p
p
mmzMzmMzm
−=
+=
b) Escolhendo outro pico no espectro, separado por (j-1) picos em ordem crescente de m/z, podemos equacionar a massa m2 como
c) Da combinação de (1) e (2):
(2)
(1)
)()(
12
21 mm
mmjz p
−
−= (3)
Ionização química a pressão atmosférica (APCI)
Ionização similar à electrospray, com exceção de que:
• Ocorre em uma coroa de descarga e não no capilar
• Capilar encontra-se aquecido e não está submetido à alta voltagem
• As moléculas de solvente são ionizadas primeiramente
.
NATUREZA DA AMOSTRA MÉTODO DE IONIZAÇÃO EXEMPLO Amostras gasosas, voláteis e
termicamente estáveis EI, CI CO2, NO, solventes,PAH, dioxinas
Moléculas pequenas (< 1000 u), puras e suficientemente estáveis e voláteis para serem dessorvidas de
uma sonda
EI, CI (Em EI o pico do íon molecular pode
não aparecer)
Muitas moléculas orgânicas
Moléculas pequenas (< 1500 u) que não são voláteis ou termicamente estáveis. Devem ter um grau de
afinidade de próton
FAB (se pura), ESI ou APCI (infusão ou via HPLC,
se necessário).
Aminoácidos, carboidratos, lipídios
Moléculas como as acima, mas que podem ser derivatizadas para dar
produtos voláteis e estáveis
EI ou CI usando CG/MS. Ácidos como ésteres, álcoois como silil-éteres
Peptídeos, proteínas e oligonucleotídeos
ESI (via bomba de infusão ou acoplada com micro-CLAE).
Proteínas intactas.
Proteínas, peptídeos e misturas do mesmos
MALDI PPG, PEG
Interações não-covalentes ESI (nanoflluxo) com MS-MS. Interações droga-droga ou droga-proteína
Análise elementar ICP ou TIS Solo
Métodos de análise de íons em EM
• Deflexão elétrica
• Deflexão magnética
• Quadrupolo
• Tempo de vôo – TOF (time of flight)
• Aprisionamento de íons – IT (Ion trap)
• Ressonância ciclotrônica de íons – FT-ICR (Fourrier-
transform ion cyclotron resonance)
-+
- ++
-- +
Quadrupolo
22
2υDV
zM
=
D
Para um determinado V, D e ν só existe um M/z que tem uma oscilação estável através do quadrupolo sem chocar-se com os polos.
TOF = t0 + ta + tD + td
Onde: t0 = tempo de formação do íon
ta = tempo de aceleração tD = tempo de percurso
td = tempo de resposta do detector
TOF (tempo de vôo)
• Íons são presos através da ação de três eletrodos (2 end-cap e um anel)
• Voltagens aplicadas geram uma cavidade onde os íons oscilam em uma trajetória estável
• A trajetória exata dos íons é dependente das voltagens aplicadas e da razão m/z
• A alteração dos potenciais destabiliza a trajetória resultando em sua ejeção através do endcap de saída, em ordem crescente de m/z
• É possível isolar um valor particular de m/z e, assim, permitir experimentos CID (collision induced dissociation), para análise de íons-filho e MSn
Aprisionamento de íons (Ion trap)
• Íons se movem em um movimento circular em um campo magnético
• A freqüência ciclotrônica do movimento circular é dependente da massa
• Sob excitação externa de mesma freqüência (ressonante), a orbita aumenta e, quando se aproxima do receiver plate, induz uma corrente imagem que é amplificada e digitalizada
• Um unico pulso contendo todas as freqüências gera uma corrente-imagem contendo informações sobre todos os íons de diferentes massas (diferentes freqüências)
• Transformada de Fourrier do sinal da corrente-imagem gera espectro de massa
Ressonância ciclotrônica de íons
• Técnica de grande resolução (maior entre TOF, IT e anteriores)
• Adequado para técnicas pulsadas como MALDI
• Magneto supercondutor provém calibração estável
• Faixa dinâmica de trabalho é baixa
• Apresenta artefatos como harmonicas e bandas laterais
Ressonância ciclotrônica de íons
Orbitrap
- Similar ao FT-ICR
- Maior resolução (~200.000)
- Maior faixa dinâmica de trabalho
(~5000 Da)
Análise em série – Tandem MS
• Combina dois ou mais analisadores diferentes ou do mesmo tipo
• O primeiro analisador isola o íon de interesse (íon parente)
• Íons são fragmentados entre o primeiro e segundo analisador através
de colisões ou irradiação
• O último analisador obtém o MS dos fragmentos (íons filho)