Espectrometria de Massas QP422 -...
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Introdução
• Espectrometria de massas (MS, do inglês Mass Spectrometry) é o estudo da matéria através da formação de íons em fase gasosa que são caracterizados pela relação m/z (relação massa/carga).
Instrumentação
Introdução de
amostras
Fonte de Ionização
Analizador de m/z Detector
EI CI APCI APPI ESI MALDI ….
B Q Tof IT LIT ICR Orbitrap …
Direto GC HPLC CE
Multiplicador e- MCP
Vácuo
O que é a massa de um átomo ?
M = 5 1H (1p, 1e) = 1.0079 2H (1p, 1n, 1e) = 2.0141 4He (2p, 2n, 2e) = 4.0026 2 x 2H = 4.0282
4He/ 2H = 1.98 !!
Como são os prótons e neutrons ?
Próton: 2 quarks up e 1 down Nêutron: 1 quark up e 2 down
Cargas: Up: + 2/3 Down: -1/3
Forças Fundamentais
• No universo só existem 4 forças fundamentais:
– Gravitacional – Eletromagnética – Nuclear Forte – Nuclear Fraca
Qual é a massa de um átomo ?
Massa
=
Soma das massas das partículas
–
Energia liberada na formação do átomo (núcleo)
O que é a massa de um átomo ?
M = 5 1H (1p, 1e) = 1.0079 2H (1p, 1n, 1e) = 2.0141 4He (2p, 2n, 2e) = 4.0026
4He/ 2H = 1.98 !!
Mas final, de onde vêm os elementos químicos ?
• Formação de elementos químicos necessita de reações nucleares (nucleosíntese)
• 3 processos explicam toda a composição do universo – Nucleosíntese do primordial (Big Bang) – Nucleosíntese estelar – Nucleosíntese de supernovas
E depois do He ?
• Não há mais núcleos estáveis com Z=5 (5Li) ou Z=8 (8Be)!!
• É necessário uma “tripla colisão” 108 K !!
• 8Be 7×10−17 s
Nucleosíntese de Supernova
• A nucleosíntese se encerra no Fe • Não há mais uma força contra a gravidade • A estrela colapsa e implode • Os elementos previamente formados são
espalhados no espaço • Uma chuva de nêutrons são emitidos • Elementos absorvem esses nêutrons e dá
origem a nucleosíntese de supernova
Muita, Muita Energia !
• Uma supernova emite mais energia em um segundo do que o nosso sol já produziu em toda a sua vida …
Defeito de massa
• Nenhum átomo (c/ excessão do 12C) tem massa inteira
• Diferença é chamada de Defeito de Massa
Unidade de Massa Atômica (u)
• u = 1.6605 x 10-27 kg ( 1/12 12C) • Próton: 1.6726×10-27 kg (1.0073 u) • Nêutron:1.6749 x 10-27 kg (1.0086 u) • Elétron: 9.1093 × 10-31 kg (0.0005u) • 1 Da = 1 u
Isótopos • Isótopos: átomos com mesmo número de prótons e diferentes
numeros de nêutrons. 1H (1p, 1e), 2H (1p, 1n, 1e) 3H (1p, 2n, 1e)
12C (6p, 6n, 6e), 13C (6p, 7n, 6e), 14C (6p, 8n, 6e)
• Isótopos Naturais: Isótopos que ocorrem naturalmente 1H (99.98%), 2H (0.01%)
12C (98.93%), 13C (1.07%) 14N (99.63%), 15N (0.37%) 16O (99.80%), 18O (0.20%)
35Cl (75.78%), 37Cl (24.22%) 79Br (50.70%), 81Br (49.31%)
Tipos de massas atômicas • Nominal:
– Massa aredondada em 1 u: H = 1, C = 12, Cl = 35
• Média: – Massa média dos isótopos: H = 1.0079, C = 12.0107, Cl = 35,4532
• Monoisotópica: – Massa do isótopo mais abundante: H = 1.0078, C = 12.0000, Cl = 34.9688
Massas Moleculares Exatas
• Consiste na soma das massas atômicas
É única para cada fórmula N2 = 28.0061 C2H4 = 28.0313 CO = 27.9949 B2H6 = 28.0656
Padrão Isotópico
• Substâncias Orgânicas: 1H (99.98%), 2H (0.01%)
12C (98.93%), 13C (1.07%) 14N (99.63%), 15N (0.37%) 16O (99.80%), 18O (0.20%)
32S (94.93), 34S (4.29)
Para cada 100 átomos de C, 1 é 13C !!!
O Espectro de Massas
Intensidade relativa ao sinal mais intenso
(100%)
Relação m/z de cada íon
Sinal mais intenso: Pico base
MS e Padrão Isotópico
• MS mede isótopos individuais e não massas médias
• Substâncias apresentam várias massas dependendo da composição isotópica
• Composição isotópica varia de acordo com a composição química
Padrão Isotópico: Efeito do C
17 284
CH4 C10H22
C20H42
C50H102
706
C100H202 C150H302
M
M+1
M
M+1 M+1
M+2
M Padrão Isotópico
Padrão Isotópico: Efeito do C
284
C20H28
270
C20H42 C20H28N2O4
Portanto: No de carbonos = I(M+1)/1.1 = I(M+1)-10%
Ex: Intensidade do M+1 = 22 No de carbonos ~ 22-10% = 20
284
IM+1 = No C * 1.1
O e N
• Oxigênio e Nitrogênio têm abundâncias bem menores que C e H
• Oxigênio afeta a intensidade do M+2 (16O x 18O)
• Nitrogênio pode afetar M+1 em moléculas muito ricas em N (raro)
Efeito dos Halogênios
• 37Cl é 33% do 35Cl • 81Br é 50% do 79Br • F e I não têm isótopos naturais
CH3Cl CH3Br
Padrão Isotópico Cl2
mass60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Cl2 Scan EI+ 5.74e1269.9377
71.9377
73.9299
mass148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Br2 Scan EI+ 5.00e12159.8367
157.8367 161.8289
Br2
mass104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) BrCl Scan EI+ 4.96e12115.8872
113.8872
117.8794
BrCl
Colesterol (C27H46O)
mass377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C27H46O Scan EI+ 7.35e12386.3549
387.3549
388.3627
mass411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C27H45OCl Scan EI+ 5.57e12420.32
422.32
423.32
C27H45OCl
mass570 572 574 576 578 580 582 584 586 588 590 592 594
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C27H45OBr2Cl Scan EI+ 3.31e12580.15
578.15
582.15
583.15
585.15
C27H45OBr2Cl
Padrão Isotópico
mass44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Fe Scan EI+ 9.17e1255.9318
53.9396
Fe
mass191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Pt Scan EI+ 3.38e12194.9610193.9610
195.9689
197.9689
Pt
mass93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Ru Scan EI+ 3.16e12101.9076
100.9076
98.9076
95.9076
97.9076
103.9076
Ru
mass108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Sn Scan EI+ 3.26e12119.9048
117.9048
115.9048
123.9048
Sn
mass788 790 792 794 796 798 800 802 804 806 808 810 812 814 816 818 820 822 824
%
0
100
B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C20H36Cl6O5Sn2 Scan EI+ 1.36e12805.8732
803.8732
801.8732
799.8732
797.8732
807.8732
809.8654
811.8654
813.8654
815.8654
C20H36Cl6O5Sn2
Tabela de Isótopos Elemento Isótopo Massa (u) Abundância
(%) 1H 1.00782 100 H 2H 2.01410 0.02
12C 12.00000 100 C 13C 13.00335 1.07 14N 14.00307 100 N 15N 15.00010 0.37 16O 15.99491 100 O 18O 17.99916 0.20 32S 31.97207 100 S 34S 33.96786 4.52 35Cl 34.96885 100 Cl 37Cl 36.96590 31.96 79Br 78.91833 100 Br 81Br 80.91628 97.27
Isótopos
• D é um isótopo de H; 13C é isótopo de C • O que CD3OH é de CH3OH ? • O que CH2DOH é de CH3OD ? • Isotopólogos (“homólogo de isômeros”) • Isotopômeros (“isômeros de isótopos”)
Regra do Nitrogênio
• Uma molécula orgânica neutra só terá massa ímpar se ela tiver número ímpar de átomos de nitrogênio:
– C2H4O: 44 – CH3CONH2: 59 – C6H4(NH2)2: 108 – C10H22O: 158
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60M
ass
Defe
ct
Nominal Mass
Hidrocarbonetos
Instrumentação
Introdução de
amostras
Fonte de Ionização
Analizador de m/z Detector
EI CI APCI APPI ESI MALDI FAB DESI DART …
B Q Tof IT LIT ICR Orbitrap …
Direto GC HPLC CE
Multiplicador e- MCP
Vácuo
Ionização por Elétrons (EI)
• Moléculas neutras, na fase gasosa (dessorção térmica), a uma pressão típica de 10-5 torr, são bombardeadas por elétrons, com energia típica de 70 eV. Ocorre principalmente a retirada de um elétron formando íons M+.
• M + e- (70 eV) M+. (~ 5-10 eV) + 2e- (~60- 65 eV)
EI: Características • Processo unimolecular. Os íons formados são rapidamente
extraídos da fonte de ionização
• Íons moleculares são formados com excesso de energia interna e se fragmentam total ou parcialmente.
• EI é bastante informativo: produz tanto o íon molecular (massa/composição) como também fragmentos (estrutura);
• Espectros reprodutíveis: bibliotecas de espectros de EI a 70 eV
• Aplica-se a moléculas de média e baixa polaridade e baixo peso molecular (~500u), voláteis e termo-estáveis: moléculas orgânicas relativamente pequenas.
• Quando o íon molecular não é observado (devido a dissociação completa), existe um processo dissociativo exotérmico e portanto M+. é uma espécie instável.
• EI ocorre em ~10-16 s. Uma em cada 103-105 moléculas que entram na fonte de EI é ionizada.
Isômeros
(mainlib) Heptane0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0
50
100
2
15
29
41
43
53
57
6265
71
85
100
(mainlib) Hexane, 2-methyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0
50
100
15
29
37
39
43
50
57
63 71 77
85
100
(mainlib) Pentane, 3-ethyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0
50
100
15
29
37
39
41
43
50 53
55
5762 65
71
84 100
(mainlib) Butane, 2,2,3-trimethyl-0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0
50
100
2 1215
27
29
39
41
43
57
6369
77 81
85
99
Fragmentações em EI
• Localizar Íon Molecular • Observar característica do espectro • Analisar as fragmentações
Íon Molecular
• Íon de mais alta massa (Monoisotópico) • Se tem alta exatidão, calcular DBI • Verificar fragmentações lógicas
DBI (Índice de ligações duplas)
• Calculado por: – CxHyNzOn – DBI = x – 0.5y + 0.5z +1
• M+. => x.0 • F+ => x.5
Fragmentação
• Quatro mecanismos básicos: – Dissociação sigma – Clivagem alfa – Clivagem indutiva – Fragmentação remota
• Possibilidades de rearranjo – Rearranjo de McLafferty
Dissociação de Íons Radicalares M + e- → M+. + 2e-
F+. + mol0 F+ + Rad.
F+ + mol0
F+ + mol0
F+. + mol0 F+ + Rad.
F+ + mol0 F+ + Rad. F+. + mol0
• Íons positivos radicalares (camada aberta) podem: – Perder radical e formar fragmentos positivos
(camada fechada) – Perder molécula neutra e ficar positivo/radicalar
(camada aberta) • Íons positivos (camada fechada) podem:
– Perder moléculas neutras e ficar positivo (camada fechada)
• Fragmentos radicalares devem ser formados apenas a partir de precursores radicalares
Regra do Elétron Par
Clivagem Alfa
(mainlib) Acetone10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
0
50
100
14
15
16 1827
2931
3941
42
43
4452 55 57
58
59
O
Clivagem Alfa
(mainlib) 2-Butanone10 20 30 40 50 60 70 80
0
50
100
1526
2728
29
39 42
43
4457
71
72
73
O
(mainlib) 3-Pentanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
15 18
27
29
41 50
57
62 65 68 71 84
86
O
(mainlib) 2-Butanone, 3-methyl-20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
27
28 3139
41
42
43
53 56 59 67 7071
86
87
O
Rearranjo de McLafferty
(mainlib) 2-Pentanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
1517
27
3439
41
43
49 52
58
60 63 67
71
73
86
O
(mainlib) 2-Hexanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0
50
100
15 18
27
29
31 3739
41
43
50 55
58
6771
83
85
91
100
O
(mainlib) 2-Octanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140
0
50
100
15
27 39
41
43
5355
58
71
77 81
85
95 99113 128
O
(mainlib) 3-Heptanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
50
100
1519
27
29
31
39
41
43
45
57
63
72
78
85
91 98
114
O
Rearranjo de McLafferty
Compostos Aromáticos
(mainlib) Benzene10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
50
100
15 2638
39
4049
51
5363 74
77
78
79
Compostos Aromáticos
(mainlib) Toluene20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
27 38
39
41 4551
52 55
63
64
65
74 77 83 8689
91
92
94
(mainlib) Benzene, propyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130
0
50
100
15 2739 51
57 6365 78
85 89
91
105115
120
(mainlib) Ethylbenzene10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
0
50
100
15 2739
51
63
65
74
77
8689
91
106
Compostos Aromáticos
Compostos Aromáticos
(mainlib) Benzene, butyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
0
50
100
1527
32
3943
51
5763
65
69 74
7889
91
105
115 128
134
(mainlib) Benzene, pentyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
0
50
100
15
29 41
4351 57 63
6578
89
91
105
119 133
148
Fragmentação de Hidrocabonetos
• Dissociação Sigma seguida de perda de alcenos
• Íons moleculares pouco intensos • Ramificação dirige a fragmentação • Íons característicos: 15, 29, 43, 57, 71
Dissociação Sigma
(mainlib) Dodecane10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
0
50
100
14
29
41
43
57
71
85
99 113 127 141170
Dissociação Sigma
(mainlib) Decane, 2,2-dimethyl-20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180
0
50
100
27
29
32 39
41
57
69
71
8285
99 112 155
GC-MS • EI só é útil se analisarmos uma sustância pura:
espectros misturados impedem a interpretação e a busca na biblioteca
• Raramente temos uma substância pura • Acoplamento de cromatografia gasosa (GC) com
espectrometria de massas (MS) é uma combinação muito poderosa
• GC separa cada substância da amostra (alta resolução cromatográfica)
• MS identifica e quantifica qualquer composto que saia do GC
GC/MS
• Substâncias que saem da coluna estão na fase gasosa
• MS pode detectar qualquer substância que esteja na fase gasosa
• MS Detector universal com capacidade de identificação de compostos sem necessidade de padrão
• Quantificação simultânea de qualquer composto
Limitações EI
• A substância tem que estar na fase gasosa • Fonte de EI tem uma pressão de 10-5 mbar • Gases e líquidos voláteis se vaporizam • Líquidos menos voláteis necessitam de leve
aquecimento • Sólidos necessitam de maior temperatura • Para isso, substâncias que que ser
termoestáveis e possuir uma pequena pressão de vapor
Ionização Química (CI) Munson and Field - 1966
• EI: – Simples – Produz extensa fragmentação – Muitas vezes tem M+. – Quando não tem M+.