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.
Uma breve retrospectiva histórica 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 of Organic Compounds, Holden-Day, 1967)
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. Cooks M. Dole C. Fenselau F. Hillenkamp D. Hunt M. Karas A. Marshall F. McLafferty A. Nier C. Robinson
Massa em química 2.) Massa de uma espécie isotópica específica, p. ex. 1 H 1,00783 Da 2 H 2,01210 Da 3.) Massa atômica média de um elemento químico, X i = fração de abundância relativa natural do isótopo M i X i M i X i 70 Ge 69,924250 0,2084 74 Ge 73,921178 0,3628 72 Ge 71,922076 0,2754 76 Ge 75,921403 0,0761 73 Ge 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. CH 4 = 16 u. Massa exata = massa calculada usando o valor da massa do isótopo principal, p.ex. 12 C 1 H 3 79 Br = 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 = (I i / I j ).
Diagrama de um espectrômetro de massas High Vacuum System Inlet Ion source Mass Analyzer Detector Data System
Diagrama de um espectrômetro de massas Sistema de alto vácuo Bombas turbomoleculares Inlet Ion source Mass Analyzer Detector Data System
Introdução da amostra High Vacuum System Entrada Ion Source Mass Analyzer Detector Data System HPLC ou GC Injeção por fluxo Placa de amostra Introdução direta
Fonte de íons High Vacuum System Inlet Fonte de íons Mass Analyzer Detector Data System MALDI ESI APCI EI CI
Analisador de Massa High Vacuum System Inlet Ion source m/z Detector Data System Tempo de vôo (TOF) Quadrupolo Armadilha de íons Setor magnético FTMS Orbitrap
Espectrômetro de massas em resumo Ionization Mass Sorting (filtering) Detection Ion Source Form ions (charged molecules) Mass Analyzer Sort Ions by Mass (m/z) Ion Detector Detect ions 100 75 Inlet Solid Liquid Vapor 50 25 0 1330 1340 1350 Mass Spectrum
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-29) + M +
Ionização por elétrons de outro isômero C 7 H 16 : fragmentação extensa de M + auxiliada pela estabilidade dos fragmentos iônicos produzidos (M-43) + (M-15) +
Espectros de massas por ionização por elétrons de sistemas inorgânicos com padrões isotópicos característicos: a) caso do S 8 ( 32 S e 34 S) ; b) complexo de Cr ( 50 Cr, 52 Cr, 53 Cr, 54 Cr)
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)
Gás reagente, p.ex. CH 4 CH 4 + + CH 4 CH 5+ + CH 3 Ionização química Ionização produzida por uma reação química provocada por um gás ionizado. CH 5+ é um ácido de Brønsted muito forte em fase gasosa: ionização suave com formação de MH + e fragmentos eventuais M + CH 5+ MH + + CH 4 Outros reagentes: isobutano, C 4 H 10, NH 3 C 4 H 10 + e - C 4 H 9+ + H + 2 e - NH 3 + + NH 3 NH 4+ + NH 2 Transferência de próton depende da afinidade protônica relativa entre o substrato neutro e a base conjugada do ácido M + H + MH + AP (M) = - H o AP (CH 4 ) = 543,5 kj mol -1 AP (C 4 H 8, isobuteno ou Me 2 C=CH 2 ) = 802,1 kj mol -1 AP (NH 3 ) = 853,6 kj mol -1
Espectros de massa por ionização química Íons reagentes no metano: CH 5+ (m/z 17), C 2 H 5+ (m/z 29), C 3 H 5+ (m/z 41) Íons reagentes no isobutano: (CH 3 ) 3 C + (m/z 57), C 3 H 7+ (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)