INTRODUÇÃO A ESPECTROMETRIA DE

MASSAS

• Espectrometria de massas: técnica que separa e

mede, em fase gasosa, a relação m/z (massa/carga)

de íons produzidos por algum método de ionização.

• Qual o princípio da separação de íons de acordo com

a relação m/z? Diferenças nas trajetórias, em alto

vácuo, sob a influência de campos elétricos e/ou

magnéticos.

• Um espectro de massas registra a abundancia

relativa de íons em função de m/z.

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.

• 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 JACS e Budzikiewicz. Djerassi e Williams “Mass Spectrometry of Organic 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.

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.

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).

Inlet Ion

source

Mass

Analyzer Detector Data

System

High Vacuum System

Diagrama de um espectrômetro de massas

Inlet Ion

source

Mass

Analyzer Detector Data

System

Sistema de alto vácuo

Diagrama de um espectrômetro de massas

Bombas

turbomoleculares

Entrada Ion

Source

Mass

Analyzer Detector Data

System

High Vacuum System

HPLC ou GC

Injeção por fluxo

Placa de amostra

Introdução direta

Introdução da amostra

Inlet Fonte

de íons

Mass

Analyzer Detector Data

System

High Vacuum System

MALDI

ESI

APCI

EI

CI

Fonte de íons

Inlet Ion

source m/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 ions Form 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,...)

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)

Energia eletrônica e espectrometria de massas:

Eficiência de ionização a várias energias

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)

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)

• Analito dissolvido

junto com uma

substancia orgânica,

“matriz”, que possui

absorção intensa no

do laser.

• Dessorção da

solução sólida por

um laser pulsado (ns)

de alta intensidade;

• Espectro resultante

inclui íons (M+H)+, e

outros com prótons

adicionais, retirados

da matriz.

MALDI

Espectro de um anticorpo monoclonal

Re

lative A

bund

ance

Mass (m/z)

0

10000

20000

30000

40000

50000 100000 150000 200000

MH+

(M+2H)2+

(M+3H)3+

MALDI TOF spectrum of IgG

Espectro (MALDI) de poli-metil metacrilato

<M> = 7100 Da

Positive-ion (a) and negative-

ion (b) MALDI mass spectra

of CS-D tetra with pmg.

Polysulfated-Derived

Oligosaccharides