Espectrômetro de massa
espectrômetro de massa

Espectrômetro de massa - um dispositivo para determinar as massas dos átomos (moléculas) pela natureza do movimento de seus íons em campos elétricos e magnéticos.
Um átomo neutro não é afetado por campos elétricos e magnéticos. No entanto, se um ou mais elétrons forem retirados dele ou um ou mais elétrons forem adicionados a ele, ele se transformará em um íon, cuja natureza do movimento nesses campos será determinada por sua massa e carga. Estritamente falando, em espectrômetros de massa, não é a massa que é determinada, mas a razão entre massa e carga. Se a carga é conhecida, então a massa do íon é determinada de forma única e, portanto, a massa do átomo neutro e seu núcleo. Estruturalmente, os espectrômetros de massa podem diferir muito uns dos outros. Eles podem usar campos estáticos e campos magnéticos e/ou elétricos variáveis ​​no tempo.

Considere uma das opções mais simples.
O espectrômetro de massa consiste nas seguintes partes principais:
uma) da fonte de íons, onde átomos neutros se transformam em íons (por exemplo, sob a influência do aquecimento ou de um campo de micro-ondas) e são acelerados por um campo elétrico, b) áreas de campos elétricos e magnéticos constantes, e dentro) um receptor de íons que determina as coordenadas dos pontos onde caem os íons que cruzam esses campos.
Da fonte de íons 1, os íons acelerados através da fenda 2 caem na região 3 de campos elétricos E e magnéticos B1 constantes e uniformes. Direção campo elétricoé definido pela posição das placas do capacitor e é mostrado por setas. O campo magnético é direcionado perpendicularmente ao plano da figura. Na região 3, os campos elétrico E e magnético B 1 desviam os íons para lados opostos e a magnitude da intensidade do campo elétrico E e indução campo magnético B 1 são escolhidos de modo que as forças de sua ação sobre os íons (qE e qvB 1, respectivamente, onde q é a carga e v é a velocidade do íon) se compensem, ou seja. foi qE = qvB 1 . Na velocidade do íon v = E/B 1 ele se move sem se desviar na região 3 e passa pela segunda fenda 4, caindo na região 5 de um campo magnético uniforme e constante com indução B 2 . Neste campo, o íon se move ao longo do círculo 6, cujo raio R é determinado a partir da relação
Mv 2 /R = qvB 2, onde M é a massa do íon. Desde v \u003d E / B 1, a massa do íon é determinada a partir da relação

M = qB 2 R/v = qB 1 B 2 R/E.

Assim, com uma carga iônica conhecida q, sua massa M é determinada pelo raio R órbita circular na região 5. Para cálculos, é conveniente usar a razão no sistema de unidades dado em colchetes:

M[T] = 10 6 ZB 1 [T]B 2 [T]R[m]/E[V/m].

Se uma placa fotográfica for usada como detector de íons 7, esse raio será mostrado com alta precisão Ponto preto no lugar da chapa fotográfica revelada onde o feixe de íons atingiu. Os espectrômetros de massa modernos geralmente usam multiplicadores de elétrons ou placas de microcanais como detectores. O espectrômetro de massa permite determinar as massas com uma precisão relativa muito alta ΔM/M = 10 -8 - 10 -7 .
A análise de uma mistura de átomos de diferentes massas por um espectrômetro de massa também permite determinar seu conteúdo relativo nessa mistura. Em particular, o conteúdo de vários isótopos de qualquer elemento químico pode ser estabelecido.

Este método difere fundamentalmente dos métodos espectroscópicos considerados acima. A espectrometria de massa estrutural é baseada na destruição de uma molécula orgânica como resultado da ionização de uma forma ou de outra.

Os íons resultantes são classificados de acordo com sua razão massa/carga (m/z), então o número de íons para cada valor dessa razão é registrado na forma de um espectro. Na fig. 5.1. o esquema geral de um espectrômetro de massa típico é apresentado.

Arroz. 5.1. Diagrama de blocos de um espectrômetro de massa típico

Alguma forma de cromatografia é geralmente usada para guiar a amostra no espectrômetro de massa, embora muitos instrumentos tenham a capacidade de introduzir diretamente a amostra na câmara de ionização. Todos os espectrômetros de massa possuem dispositivos para ionização de amostras e separação de íons pelo valor m/z. Após a separação, é necessário detectar íons e medir seu número. Um coletor de íons típico consiste em ranhuras de colimação que são guiadas para dentro do coletor em este momento apenas íons de um tipo, onde eles são detectados, e o sinal de detecção é amplificado por um multiplicador de elétrons. Os espectrômetros de massa modernos são equipados com software especializado: computadores controlam o acúmulo, armazenamento e visualização de dados.

Agora tornou-se prática comum combinar um espectrômetro de massa com um cromatógrafo de gás (GC-MS) ou líquido (LC-MS).

Todos os espectrômetros de massa são divididos em duas classes: dispositivos de baixo (simples) e alta resolução(R). Espectrômetros de baixa resolução são dispositivos que podem separar massas inteiras até m/z 3000 (R = 3000/(3000-2990) = 3000). Em tal dispositivo, os compostos C 16 H 26 O 2 e C 15 H 24 NO 2 são indistinguíveis, uma vez que o dispositivo irá fixar a massa 250 tanto no primeiro como no segundo caso.

Instrumentos de alta resolução (R ​​= 20000) serão capazes de distinguir entre compostos C 16 H 26 O 2 (250,1933) e C 15 H 24 NO 2 (250,1807), neste caso R = 250,1933 / (250,1933 - 250,1807) = 19857 .

Assim, é possível estabelecer a fórmula estrutural de uma substância em instrumentos de baixa resolução, mas muitas vezes para isso é necessário envolver adicionalmente dados de outros métodos de análise (IR, espectroscopia de RMN).

Instrumentos de alta resolução podem medir a massa de um íon com precisão suficiente para determinar a composição atômica, ou seja, determinar a fórmula molecular da substância de teste.

Na última década, houve um rápido desenvolvimento e aprimoramento dos espectrômetros de massa. Sem discutir sua estrutura, notamos que eles são divididos em tipos dependendo 1) do método de ionização, 2) do método de separação de íons. Em geral, o método de ionização é independente do método de separação de íons e vice-versa, embora haja exceções. Informações mais completas sobre essas questões são apresentadas na literatura [Sainsb. Lebedev].

Neste manual serão considerados os espectros de massa obtidos por ionização por impacto de elétrons.

5.2. Espectro de massa com ionização por impacto de elétrons

O impacto de elétrons (EI, impacto de elétrons, EI) é o método de ionização mais comum em espectrometria de massa. A vantagem deste método é a possibilidade de utilizar motores de busca e bases de dados (o método EI foi historicamente o primeiro método de ionização, as principais bases de dados experimentais foram obtidas em dispositivos EI).

Uma molécula de substância de amostra na fase gasosa é bombardeada com elétrons de alta energia (tipicamente 70 eV) e ejeta um elétron, formando um cátion radical chamado íon molecular:

M + e → M + (íon molecular) + 2e

A energia mais baixa de elétrons de bombardeio (ionização), na qual a formação de um íon a partir de uma determinada molécula, é chamada de energia (ou, com menos sucesso, "potencial") da ionização de uma substância (U e).

A energia de ionização é uma medida da força com que uma molécula retém o elétron menos fortemente ligado a ela.

Como regra, para moléculas orgânicas, a energia de ionização é de 9-12 eV, então o bombardeio com elétrons com uma energia de 50 eV e acima confere um excesso de energia interna ao íon molecular resultante. Esta energia é parcialmente dissipada devido à quebra de ligações covalentes.

Como resultado dessa quebra, o íon molecular decai em partículas de massa menor (fragmentos). Tal processo é chamado fragmentação.

A fragmentação ocorre seletivamente, é altamente reprodutível e é característica de um determinado composto.. Além disso, os processos de fragmentação são previsíveis e são eles que determinam as amplas possibilidades da espectrometria de massa para Análise estrutural. De fato, a análise estrutural por espectrometria de massa consiste na identificação de íons fragmentados e na reconstrução retrospectiva da estrutura da molécula original, com base nas direções de fragmentação do íon molecular. Assim, por exemplo, o metanol forma um íon molecular de acordo com o esquema:

O
ponto inferior - o elétron ímpar restante; quando a carga está localizada em um único átomo, o sinal da carga é indicado nesse átomo.

Muitos desses íons moleculares decaem em 10 -10 - 10 -3 s e dão origem a vários íons fragmentados (fragmentação primária):

Se alguns dos íons moleculares têm grande momento vida útil, eles atingem o detector e são registrados como um pico de íons moleculares. Como a carga do íon inicial é igual à unidade, a razãom/ zpara esse pico dá o peso molecular do analito.

Por isso, espectro de massa é uma representação das concentrações relativas de fragmentos carregados positivamente (incluindo um íon molecular) em função de suas massas.

A literatura especial contém tabelas dos íons fragmentados mais comuns, onde a fórmula estrutural do íon e seu valor m/z são indicados [Prech, Gordon, Silverstein].

A altura do pico mais intenso no espectro é considerada como 100%, e as intensidades de outros picos, incluindo o pico do íon molecular, são expressas como uma porcentagem do pico máximo.

Em certos casos, o pico do íon molecular também pode ser o mais intenso. Em geral: a intensidade do pico depende da estabilidade do íon resultante.

Os espectros de massa geralmente contêm uma série de picos de íons de fragmentos que diferem por uma diferença homóloga (CH2), ou seja, 14 uma Séries homólogas de íons são características de cada classe de substâncias orgânicas e, portanto, carregam informações importantes sobre a estrutura da substância em estudo.

Capacidades de espectrometria de massa

O espectro de massa pode ser usado para determinar o peso molecular de uma substância. Isso é necessário para estabelecer Fórmula molecular substâncias (fórmula geral). A massa de um átomo, medida com alta precisão, difere do número de massa. Assim, para CO 2 e C 3 H 8 o número de massa é 44, mas suas massas moleculares relativas exatas são 43,989828 e 44,062600, respectivamente, ou seja, a diferença é 0,072772 amu. O espectrômetro de massas permite separar os feixes de íons CO 2 + e C 3 H 8 + quando obtidos simultaneamente.

Determinação da composição atômica por valor exato massa é realizada usando tabelas de massas exatas para várias razões do número de átomos C, H, O e N como os elementos mais comuns. A medição de massa precisa não substitui a análise elementar. Ambos os métodos se complementam.

Ao estudar o espectro de massa, além de determinar o tipo de íon molecular (M + ) medem picos e íons isotópicos, incluindo isótopos mais leves ou mais pesados ​​(com números de massa M ± 1, M ± 2, M ± 3, etc.). A presença simultânea de vários isótopos em uma molécula é improvável, porque a abundância natural dos isótopos mais pesados ​​C, H, O e N é desprezível. Por exemplo, 13 C: 12 C = 1×10 -2 ; 2H: 1H = 1,6×10-4; 15 N: 14 N = 4×10 -3 etc. No entanto, para cloro 35 Cl: 37 Cl = 3:1; para bromo 79 Br: 81 Br = 1:1. Consequentemente, no espectro de massa, juntamente com o íon M + um íon estará presente (M+1) + com uma intensidade proporcional à abundância de isótopos. Em tabelas de referência amplamente utilizadas, geralmente são fornecidas as razões das intensidades de pico de íons moleculares com números de massa M + 1 e M + 2.

Valor máximo m/z no espectro de massa de uma substância pode ter um íon molecular (M + ), cuja massa é igual à massa molecular do composto de teste. A intensidade do pico de um íon molecular (M+) é quanto maior, mais estável este íon é.

Na prática, raramente é possível estabelecer a estrutura completa de um composto apenas com base no espectro de massa. A maneira mais eficiente de usar vários métodos físicos e químicos. A espectrometria de massa, especialmente em combinação com a cromatografia, é um dos métodos mais informativos para estudar a estrutura de uma substância (espectrometria de cromato-massa).

Assim, as possibilidades do método são: determinação do peso molecular e fórmulas brutas das substâncias; estabelecer a estrutura de uma substância pela natureza dos fragmentos resultantes; análise quantitativa de misturas, incluindo a determinação de impurezas vestigiais; determinação da pureza de uma substância; determinação da composição isotópica de uma substância.

Considere, como exemplo, o espectro de massa do etanol (Fig. 2). Normalmente, o espectro é apresentado na forma de histogramas.

Arroz. 2. Espectro de massa do etanol

NO aparelhos modernos o processamento da intensidade dos impulsos elétricos correspondentes aos picos com diferentes valores de m/z é realizado por meio de um computador.

Os espectros de massa são dados na seguinte notação: os valores m/z são indicados e a intensidade relativa (%) entre parênteses. Por exemplo, para etanol:

Espectro de massa de C2H5OH (m/z): 15(9), 28(40), 31(100), 45(25), 46(14).

Questões de entrevista

1. Base teórica método.

2. Energia de ionização. Tipos de fragmentação.

3. Diagrama esquemático do espectrômetro de massa.

4. Métodos de ionização: impacto de elétrons, ionização química, etc.

5. Padrões de fragmentação de íons moleculares.

6. Possibilidades de espectrometria de massa.

Tarefas de teste

1. Tipos de fragmentação de íons moleculares:

uma). Dissociação - a desintegração de um íon molecular com a preservação da sequência de ligações. Como resultado do processo, um cátion e um radical são formados e são formados fragmentos com valores pares da razão m/z.

Rearranjo - uma mudança na sequência de ligações, um novo cátion radical de menor massa e uma molécula neutra estável são formados, os fragmentos são caracterizados por um valor ímpar da razão m / z.

b) Rearranjo - a desintegração de um íon molecular mantendo a sequência de ligações. Como resultado do processo, um cátion e um radical são formados e são formados fragmentos com valores ímpares da razão m/z.

A dissociação é uma mudança na sequência de ligações, um novo cátion radical de menor massa e uma molécula neutra estável são formados, os fragmentos são caracterizados por um valor par da razão m/z.

c) Dissociação - a desintegração de um íon molecular com a preservação da sequência de ligações. Como resultado do processo, um cátion e um radical são formados e são formados fragmentos com valores ímpares da razão m/z.

Rearranjo - uma mudança na sequência de ligações, um novo cátion radical de menor massa e uma molécula neutra estável são formados, os fragmentos são caracterizados por um valor par da razão m / z.

2. Capacidades do método de espectrometria de massa:

a) determinação do peso molecular e fórmulas brutas de substâncias, análise quantitativa de misturas;

b) estabelecer a estrutura da substância pela natureza dos fragmentos formados, determinando a composição isotópica da substância;

c) determinação do peso molecular e fórmulas brutas das substâncias; estabelecer a estrutura de uma substância pela natureza dos fragmentos resultantes; análise quantitativa de misturas, incluindo a determinação de impurezas vestigiais; determinação da pureza de uma substância; determinação da composição isotópica de uma substância.

3. Escolha a resposta correta:

a) Probabilidade de ruptura Conexões S-N diminui com o aumento da cadeia de hidrocarbonetos; energia de quebra de ligação S-S menos; em derivados aromáticos, a ruptura da ligação β com a formação de um íon tropílio de rearranjo é mais provável;

a) A probabilidade de quebra da ligação C-H diminui com o aumento da cadeia hidrocarbonada; energia de quebra de ligação S-S mais; em derivados aromáticos, a ruptura da ligação β com a formação de um íon tropílio de rearranjo é mais provável;

c) A probabilidade de quebra da ligação C-H diminui com o aumento da cadeia hidrocarbonada; energia de quebra Conexões C-C menor; em derivados aromáticos, a quebra da ligação a com a formação de um íon tropílio de rearranjo é mais provável;

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(espectroscopia de massa, espectrografia de massa, análise espectral de massa, análise espectrométrica de massa) - um método de estudo de uma substância determinando a proporção de massa para carga (qualidade) e o número de partículas carregadas formadas durante um processo específico de exposição a uma substância. A história da espectrometria de massa começa com os experimentos fundamentais de John Thomson no início do século XX. A terminação "-metria" foi dada ao termo após a transição ubíqua da detecção de partículas carregadas usando chapas fotográficas para medições elétricas correntes iônicas.

A diferença essencial entre a espectrometria de massa e outros métodos físico-químicos analíticos é que a óptica, raios X e alguns outros métodos detectam a emissão ou absorção de energia por moléculas ou átomos, e a espectrometria de massa detecta diretamente as próprias partículas da matéria (Fig. 6.12).

Arroz. 6.12.

Espectrometria de massa em sentido amploé a ciência de obter e interpretar espectros de massa, que, por sua vez, são obtidos usando espectrômetros de massa.

Um espectrômetro de massa é um instrumento de vácuo que usa leis físicas movimento de partículas carregadas em campos magnéticos e elétricos, necessários para obter um espectro de massa.

O espectro de massa, como qualquer outro espectro, sentido estreitoé a dependência da intensidade da corrente de íon (quantidade) na razão entre massa e carga (qualidade). Devido à quantização de massa e carga, um espectro de massa típico é discreto. Normalmente (em análises de rotina) isso é verdade, mas nem sempre. A natureza do analito, as características do método de ionização e os processos secundários no espectrômetro de massa podem deixar sua marca no espectro de massa. Assim, íons com as mesmas razões massa-carga podem acabar em partes diferentes espectro e até mesmo fazer parte dele contínuo. Portanto, o espectro de massa em sentido amplo é algo mais que carrega informações específicas e torna o processo de sua interpretação mais complexo e excitante. Os íons são carregados individualmente e carregados multiplamente, tanto orgânicos quanto inorgânicos. Maioria pequenas moléculas durante a ionização adquire apenas um positivo ou carga negativa. Os átomos podem adquirir mais de um carga positiva e apenas um é negativo. Esquilos, ácidos nucleicos e outros polímeros são capazes de adquirir múltiplas cargas positivas e negativas. átomos elementos químicos tem um peso específico. Por isso, definição precisa a massa da molécula analisada permite determinar sua composição elementar. A espectrometria de massa também permite obter informação importante sobre a composição isotópica das moléculas analisadas. Nas substâncias orgânicas, as moléculas são estruturas específicas formadas por átomos. A natureza e o homem criaram uma variedade verdadeiramente incalculável compostos orgânicos. Os espectrômetros de massa modernos são capazes de fragmentar íons detectados e determinar a massa dos fragmentos resultantes. Desta forma, podem ser obtidos dados sobre a estrutura de uma substância.

O princípio de operação do espectrômetro de massa

Instrumentos que são usados ​​em espectrometria de massa são chamados de espectrômetros de massa ou detectores de espectrometria de massa. Esses dispositivos funcionam com substância material, que consiste em partículas menores- Moléculas e átomos. Os espectrômetros de massa determinam que tipo de moléculas eles são (ou seja, quais átomos os compõem, qual é sua massa molecular, qual é a estrutura de seu arranjo) e que tipo de átomos eles são (ou seja, sua composição isotópica). A diferença essencial entre a espectrometria de massa e outros métodos físico-químicos analíticos é que a óptica, raios-x e alguns outros métodos detectam a emissão ou absorção de energia por moléculas ou átomos, enquanto a espectrometria de massa lida com as próprias partículas da matéria. A espectrometria de massa mede suas massas, ou melhor, a razão entre massa e carga. Para isso, são usadas as leis do movimento de partículas carregadas de matéria em um campo magnético ou elétrico. Um espectro de massa é uma classificação de partículas carregadas de acordo com suas massas (razões massa-carga).

Primeiro, para obter um espectro de massa, é necessário transformar moléculas e átomos neutros que compõem qualquer substância orgânica ou inorgânica em partículas carregadas - íons. Este processo é chamado de ionização e é realizado de forma diferente para orgânicos e substâncias inorgânicas. Nas substâncias orgânicas, as moléculas são estruturas específicas formadas por átomos.

Em segundo lugar, é necessário converter os íons na fase gasosa na parte de vácuo do espectrômetro de massa. O alto vácuo garante o movimento livre de íons dentro do espectrômetro de massa e, na sua ausência, os íons se dispersarão e se recombinarão (voltarão a partículas sem carga).

Convencionalmente, os métodos de ionização de substâncias orgânicas podem ser classificados de acordo com as fases em que as substâncias estão localizadas antes da ionização.

Fase gasosa:

• ionização eletrônica (EI, El - ionização eletrônica);
• ionização química (CI, Cl - Ionização Química);
• captura eletrônica (EZ, EU - captura eletrônica);
• ionização em campo elétrico (PI, FI - Ionização de campo).

Fase líquida:

• termopulverização;
• ionização em pressão atmosférica(ADI, AR - Ionização por Pressão Atmosférica);
• eletrospray (ES, ESI - ionização por eletrospray);
• ionização química à pressão atmosférica (APCI - ionização química à pressão atmosférica);
• – fotoionização à pressão atmosférica (FIAD, APPI – fotoionização à pressão atmosférica).

Fase sólida:

• dessorção direta a laser - espectrometria de massa (PLDMS, LDMS - Dessorção direta a laser - Espectrometria de massa);
• dessorção a laser assistida por matriz (ionização) (MALDI, MALDI - Dessorção a laser assistida por matriz (ionização));
• espectrometria de massa de íons secundários (MSVI, SIMS - Secondary-Ion Mass Spectrometry);
• bombardeamento por átomos rápidos (FAB, FAB - Fast Atom Bombardment);
• dessorção em campo elétrico (FD, FD - Field Desorption);
• dessorção de plasma (PD, PD - Dessorção de plasma).

Em não química orgânica para análise da composição elementar

Aplique métodos difíceis ionização, uma vez que a energia de ligação dos átomos em um sólido é muito maior, o que significa que métodos muito mais rigorosos devem ser usados ​​para quebrar essas ligações e obter íons:

• ionização em plasma acoplado indutivamente (ICP, IC - Plasma acoplado indutivamente);
• ionização térmica ou ionização de superfície;
• ionização por descarga luminosa e ionização por faísca;
• ionização durante a ablação a laser.

Historicamente, os primeiros métodos de ionização foram desenvolvidos para a fase gasosa. Infelizmente, muitas substâncias orgânicas não podem ser evaporadas; transferência para a fase gasosa sem decomposição. Isso significa que eles não podem ser ionizados por impacto de elétrons. Mas entre essas substâncias, quase tudo que compõe o tecido vivo (proteínas, DNA, etc.) substâncias ativas, polímeros, i.e. tudo o que é de particular interesse hoje. A espectrometria de massa não parou e em últimos anos Foram desenvolvidos métodos especiais ionização de tais compostos orgânicos. Hoje, duas delas são utilizadas principalmente - ionização à pressão atmosférica e suas subespécies - eletrospray (ES), ionização química à pressão atmosférica e fotoionização à pressão atmosférica, além da ionização por dessorção a laser assistida por matriz (MALDI).

Os íons obtidos durante a ionização são transferidos para o analisador de massa com a ajuda de um campo elétrico. Aí começa o segundo estágio da análise massa-mola-estiramento - classificação de íons por massa (mais precisamente, pela razão entre massa e carga).

Existem os seguintes tipos de analisadores de massa.

• 1. Analisadores de massa contínuos:
  • analisador de massa do setor magnético e eletrostático;
  • analisador de massa quadrupolo.
• 2. Analisadores de massa de pulso:
  • analisador de massa de tempo de voo;
  • armadilha de íons;
  • armadilha linear quadrupolar;
  • analisador de massa de ressonância íon-ciclotron com transformada de Fourier;
  • armadilha orbital.

Diferença entre contínuo e analisadores de massa de pulso reside no fato de que os primeiros íons entram em um fluxo contínuo e o segundo - em porções, em determinados intervalos de tempo.

O espectrômetro de massa pode ter dois analisadores de massa. Esse espectrômetro de massa é chamado tandem. Os espectrômetros de massa tandem são utilizados, via de regra, em conjunto com métodos de ionização "soft", nos quais não há fragmentação de íons das moléculas analisadas (íons moleculares). Assim, o primeiro analisador de massa analisa íons moleculares. Saindo do primeiro analisador de massa, os íons moleculares são fragmentados sob a ação de colisões com moléculas de gás inerte ou radiação laser, após o que seus fragmentos são analisados ​​no segundo analisador de massa. As configurações mais comuns de espectrômetros de massa em tandem são quadrupolo-quadrupolo e quadrupolo-tempo de voo.

O último elemento do espectrômetro de massa simplificado que estamos descrevendo é o detector de partículas carregadas. Os primeiros espectrômetros de massa usavam uma placa fotográfica como detector. Agora são usados ​​multiplicadores de elétrons secundários de dinodo, nos quais um íon, atingindo o primeiro dinodo, elimina um feixe de elétrons dele, que, por sua vez, atingindo o próximo dinodo, elimina mais grande quantidade elétrons, etc Outra opção são os fotomultiplicadores que detectam o brilho que ocorre quando bombardeados com íons de fósforo.

Além disso, multiplicadores de microcanais, sistemas como arranjos de diodos e coletores são usados ​​para coletar todos os íons que caíram em dado ponto espaço (coletores de Faraday).

Os espectrômetros de massa são usados ​​para analisar compostos orgânicos e compostos inorgânicos. As substâncias orgânicas na maioria dos casos são misturas multicomponentes componentes individuais. Por exemplo, mostra-se que o cheiro de frango frito é de 400 componentes (ou seja, 400 compostos orgânicos individuais). A tarefa da análise é determinar quantos componentes compõem a matéria orgânica, descobrir quais componentes são (identificá-los) e quanto de cada composto está contido na mistura. Para isso, a combinação de cromatografia com espectrometria de massa é ideal. A cromatografia gasosa é mais adequada para ser combinada com a fonte de íons de um espectrômetro de massa com ionização por impacto de elétrons ou ionização química, uma vez que os compostos já estão na fase gasosa na coluna do cromatógrafo. Instrumentos em que um detector de espectrometria de massa é combinado com um cromatógrafo de gás são chamados de espectrômetros de cromato-massa ("Chromass").

Muitos compostos orgânicos não podem ser separados em componentes usando cromatografia gasosa, mas podem ser separados usando cromatografia liquida. Para combinar a cromatografia líquida com a espectrometria de massa, agora são utilizadas fontes de ionização em eletropress e ionização química à pressão atmosférica, e a combinação de cromatografia líquida com espectrômetros de massa é chamada de LC/MS. Os sistemas mais poderosos de análise orgânica, exigidos pela proteômica moderna, são construídos com base em um ímã supercondutor e operam no princípio da ressonância íon-cíclotron.

O mais difundido em recentemente analisador de massa, que permite a medição mais precisa da massa do íon, e tem uma resolução muito alta. A alta resolução permite trabalhar com íons poliprotonados formados durante a ionização de proteínas e peptídeos em um eletrospray, e a alta precisão da determinação de massa possibilita a obtenção da fórmula bruta dos íons, possibilitando determinar a estrutura de aminoácidos sequências ácidas em peptídeos e proteínas, bem como para detectar modificações pós-traducionais de proteínas. Isso tornou possível sequenciar proteínas sem hidrólise prévia em peptídeos. Este método é chamado de proteômica "Top-down". A obtenção de informações únicas tornou-se possível devido ao uso de um analisador de massa de ressonância íon-ciclotron com uma transformada de Fourier. Neste analisador, os íons voam para um campo magnético forte e giram lá em órbitas cíclicas (como em um ciclotron, acelerador partículas elementares). Tal analisador de massa tem certas vantagens: tem uma resolução muito alta, a faixa de massas medidas é muito ampla e pode analisar íons obtidos por todos os métodos. No entanto, para seu funcionamento, requer um campo magnético forte, o que significa que o uso ímã forte com um solenóide supercondutor mantido a uma temperatura muito baixa (hélio líquido, aproximadamente -270°C).

O mais importante especificações técnicas espectrômetros de massa são sensibilidade, faixa dinâmica, resolução, velocidade de varredura.

A característica mais importante na análise de compostos orgânicos é a sensibilidade. Para chegar o mais longe possível maior sensibilidade quando a relação sinal-ruído melhora, recorre-se à detecção de íons selecionados individualmente. O ganho de sensibilidade e seletividade neste caso é colossal, mas ao usar dispositivos de baixa resolução, é preciso sacrificar outro parâmetro importante- credibilidade. O uso de alta resolução em dispositivos com foco duplo permite alcançar alto nível confiabilidade sem sacrificar a sensibilidade.

Para obter alta sensibilidade, a espectrometria de massa em tandem também pode ser usada, quando cada pico correspondente a um único íon pode ser confirmado pelo espectro de massa dos íons filhos. O campeão absoluto em sensibilidade é um espectrômetro de massa de cromatografia orgânica de alta resolução com foco duplo.

De acordo com as características da combinação da sensibilidade com a confiabilidade da determinação dos componentes, as armadilhas de íons seguem dispositivos de alta resolução. Os instrumentos quadrupolos clássicos de última geração são aprimorados por uma série de inovações, como o uso de um pré-filtro quadrupolo curvo para reduzir o ruído, evitando que partículas neutras atinjam o detector.

Aplicações da espectrometria de massa

• · Energia nuclear;
• · Arqueologia;
• · Petroquímica;
• · Geoquímica (geocronologia isotópica);
• · Agroquímica;
• · Indústria química;
• · Análise de materiais semicondutores, metais ultrapuros, filmes finos e pós (por exemplo, óxidos de U e REE);
• · Farmacêutico - para controlar a qualidade dos medicamentos fabricados e detectar falsificações;
• · Diagnósticos médicos;
• · Bioquímica - identificação de proteínas, estudo do metabolismo de fármacos.

Espectrometria de cromatomassa

A espectrometria de cromatomassa é um método para analisar misturas de substâncias principalmente orgânicas e determinar traços de substâncias em um volume líquido. O método é baseado na combinação de dois métodos independentes - cromatografia e espectrometria de massa. Com a ajuda do primeiro, a mistura é separada em componentes, com a ajuda do segundo - identificação e determinação da estrutura da substância, análise quantitativa. Existem 2 variantes de cromatografia-espectrometria de massa, que são uma combinação de espectrometria de massa com cromatografia gás-líquido (GLC) ou cromatografia líquida de alta eficiência.

Arroz. dez.

Primeiros estudos capacidades analíticas espectrometria de cromato-massa foram realizados na década de 1950, os primeiros instrumentos industriais que combinavam um cromatógrafo gás-líquido e

espectrômetro de massa, apareceu na década de 60. A compatibilidade fundamental desses dois instrumentos se deve ao fato de que em ambos os casos a substância analisada está na fase gasosa, os intervalos de temperatura de operação são os mesmos e os limites de detecção (sensibilidade) são próximos. A diferença é que um alto vácuo (10 -5 - 10 -6 Pa) é mantido na fonte de íons do espectrômetro de massa, enquanto a pressão na coluna cromatográfica é de 10 5 Pa. Para reduzir a pressão, é utilizado um separador, que é conectado em uma extremidade à saída da coluna cromatográfica e na outra extremidade à fonte de íons do espectrômetro de massa. O separador remove a parte principal do gás de arraste do fluxo de gás que sai da coluna e a matéria orgânica passa para o espectrômetro de massa. Neste caso, a pressão na saída da coluna é reduzida à pressão de operação no espectrômetro de massa.

O princípio de funcionamento dos separadores é baseado na diferença na mobilidade das moléculas do gás transportador e do analito, ou na sua permeabilidade diferente através de uma membrana semipermeável. Na indústria, os separadores de injetores são mais usados, que funcionam de acordo com o primeiro princípio. Os separadores de estágio único deste tipo contêm dois bicos com orifícios de pequeno diâmetro, que são instalados exatamente em frente um do outro. Uma pressão de 1,33 Pa é criada no volume entre os bicos. O fluxo de gás da coluna cromatográfica através do primeiro bocal em velocidade supersônica entra na região do vácuo, onde as moléculas se propagam em velocidades inversamente proporcionais à sua massa. Como resultado, as moléculas mais leves e rápidas do gás transportador são bombeadas para fora, e as moléculas mais lentas da matéria orgânica entram no orifício do segundo bocal e, em seguida, na fonte de íons do espectrômetro de massa. Alguns instrumentos estão equipados com um separador de dois estágios equipado com outro bloco de bico semelhante. Um alto vácuo é criado no volume entre eles. Quanto mais leves as moléculas do gás transportador, mais eficientemente elas são removidas do fluxo de gás e maior o enriquecimento matéria orgânica.

O gás de arraste mais conveniente para espectrometria de cromatomassa é o hélio. Eficiência do separador, ou seja, a razão entre a quantidade de matéria orgânica na corrente de gás que sai da coluna e sua quantidade que entra no espectrômetro de massa depende em grande parte da taxa de fluxo do gás de arraste que entra no separador. A uma taxa de fluxo ideal de 20-30 ml/min, até 93% do gás de arraste é removido e mais de 60% do analito entra no espectrômetro de massa. Essa taxa de fluxo de gás de arraste é típica para colunas empacotadas. No caso de usar uma coluna cromatográfica capilar, a vazão do gás de arraste não excede 2-3 ml/min, portanto, na sua saída, uma quantidade adicional de gás de arraste é adicionada à corrente de gás para que a vazão entrando no separador atinge 20-30 ml/min. Isso garante a melhor eficiência do separador. Colunas capilares de quartzo flexíveis podem ser injetadas diretamente na fonte de íons. Neste caso, a fonte de íons deve ser fornecida com um poderoso sistema de bombeamento que mantenha um alto vácuo.

Os espectrômetros de massa conectados a cromatógrafos gasosos usam ionização por impacto de elétrons, ionização química ou de campo. As colunas cromatográficas devem conter estacionários não voláteis e termoestáveis fases líquidas para que o espectro de massa de seus vapores não se sobreponha ao espectro do analito.

O analito (geralmente em solução) é introduzido no evaporador do cromatógrafo, onde evapora instantaneamente, e os vapores, misturados com um gás de arraste, entram na coluna sob pressão. Aqui, a mistura é separada, e cada componente no fluxo de gás de arraste, à medida que elui da coluna, entra no separador. No separador, o gás de arraste é removido principalmente e a corrente gasosa enriquecida com matéria orgânica entra na fonte de íons do espectrômetro de massa, onde as moléculas são ionizadas. O número de íons formados neste caso é proporcional à quantidade de substância recebida. Usando um sensor instalado no espectrômetro de massa, que responde a mudanças na corrente iônica total, os cromatogramas são registrados. Assim, o espectrômetro de massa pode ser considerado como um detector universal para um cromatógrafo. Simultaneamente ao registro do cromatograma em qualquer ponto, geralmente no topo do pico cromatográfico, pode-se registrar um espectro de massa, o que possibilita estabelecer a estrutura da substância.

Uma condição importante para o funcionamento do dispositivo é o registro rápido do espectro de massa, que deve ser registrado em um tempo muito menor que o tempo do pico cromatográfico. A gravação lenta do espectro de massa pode distorcer a proporção de intensidades de pico nele. A taxa de registro do espectro de massa (velocidade de varredura) é determinada pelo analisador de massa. O menor tempo de varredura do espectro de massa total (vários milissegundos) é fornecido por um analisador quadrupolo. Nos espectrômetros de massa modernos equipados com um computador, a construção de cromatogramas e o processamento de espectros de massa são realizados automaticamente. Através intervalos iguais enquanto os componentes da mistura são eluídos, os espectros de massa são registrados, características quantitativas que são armazenados na memória do computador. Para cada varredura, as intensidades de todos os íons registrados são adicionadas. Como esse valor total (corrente total de íons) é proporcional à concentração da substância na fonte de íons, ele é usado para construir um cromatograma (esse valor é plotado ao longo do eixo das ordenadas, ao longo do eixo das abcissas - o tempo de retenção e o número de varredura ). Ao definir o número de varredura, você pode recuperar o espectro de massa da memória em qualquer ponto do cromatograma.

Como descrito acima, podem ser analisadas misturas de substâncias suficientemente bem separadas em colunas adequadas de cromatografia gasosa-espectrometria de massa. Às vezes, picos cromatográficos não resolvidos também podem ser investigados. As substâncias em estudo devem ser termicamente estáveis, cromatograficamente móveis dentro da faixa de temperatura de operação da coluna, e ser facilmente transferidas para a fase vapor na temperatura do evaporador. Se as substâncias não atenderem a esses requisitos, elas podem ser modificadas quimicamente, por exemplo, por sililação, alquilação ou acilação de grupos hidroxi, carboxi, mercapto, amino.

A sensibilidade da cromatografia gasosa-espectrometria de massa (geralmente 10 -6 -10 -9 g) é determinada pela sensibilidade do detector do espectrômetro de massa. Uma variedade mais sensível (10 -12 -10 -15 g) de espectrometria de cromato-massa é a fragmentografia de massa, também chamada de detecção seletiva de íons ou multi-íons. Sua essência está no fato de que o registro de cromatogramas é realizado não de acordo com a corrente iônica total, mas de acordo com a mais característica para dada substânciaíons. Este tipo de espectrometria de cromatomassa é usado para pesquisar, identificar e análise quantitativa substâncias com um espectro de massa conhecido em uma mistura complexa, por exemplo, quando quantificação vestígios de substâncias em grandes volumes fluidos biológicos(medicina, farmacologia, toxicologia, controle de doping, bioquímica). Realize fragmentografia de massa em espectrômetros de cromatomassa usando um dispositivo especial - um detector multi-íon ou usando um computador que pode construir cromatogramas para um ou mais íons. Tal cromatograma, ao contrário do usual, contém picos apenas daqueles componentes cujos espectros de massa contêm tais íons. A análise é realizada usando um padrão interno, que muitas vezes é usado como análogo da substância desejada, rotulado isótopos estáveis(2H, 13C, 15N, 18O).

Outra opção para espectrometria de cromato-massa é a combinação de cromatografia líquida de alta eficiência e espectrometria de massa. O método destina-se à análise de misturas de substâncias polares pouco voláteis que não podem ser analisadas pelo método de espectrometria de cromato-massa GJ. Para manter o vácuo na fonte de íons do espectrômetro de massa, é necessário remover o solvente proveniente do cromatógrafo a uma taxa de 0,5 a 5 ml/min. Para fazer isso, parte do fluxo líquido passa por um orifício de vários mícrons, resultando na formação de gotas, que entram na zona aquecida, onde a maior parte do solvente evapora e a parte restante, juntamente com a substância , entra na fonte de íons e é ionizado quimicamente.

Vários dispositivos industriais implementam o princípio de um transportador de correia. O eluato da coluna entra em uma esteira móvel que passa por uma câmara aquecida por infravermelho, onde o solvente evapora. Em seguida, a fita com a substância passa pela área aquecida por outro aquecedor, onde o analito evapora, após o que entra na fonte de íons e é ionizado. Mais método eficaz A combinação de um cromatógrafo gás-líquido de alto desempenho e um espectrômetro de massa é baseada em pulverização eletro e térmica. Neste caso, o eluato é passado por um capilar aquecido a 150°C e pulverizado em uma câmara de vácuo. Os íons tampão presentes na solução participam da formação de íons. As gotículas resultantes carregam uma carga positiva ou negativa. Devido ao seu pequeno diâmetro, um alto gradiente de campo elétrico é criado ao longo da gota, e esse gradiente aumenta à medida que a gota se rompe. Nesse caso, ocorre a dessorção de gotículas de íons ou aglomerados protonados (molécula de substância + cátion tampão).

O método de espectrometria de cromatomassa é usado em estudos estruturais e analíticos em química orgânica, petroquímica, bioquímica, medicina, farmacologia, para a proteção meio Ambiente e etc