Instrumentação em espectrometria de massas

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA 
 
CAMILA GUARNIERI 
HELENA TOMAZ 
MATHEUS TANIGUCHI 
 
 
 
 
 
 
 
 
INSTRUMENTAÇÃO EM ESPECTROMETRIA DE MASSAS 
 
 
Trabalho apresentado pelos alunos: Camila 
Guarnieri, Helena Tomaz e Matheus Taniguchi 
da 6ª fase do Curso Técnico Integrado em 
Química do Instituto Federal de Santa Catarina, 
para a disciplina de Síntese e Análise Orgânica, 
ministrada pela Prof.ª Dr.ª Tula Beck Bisol. 
 
 
 
 
 
 
 
FLORIANÓPOLIS 
2016 
1 INTRODUÇÃO 
 
A espectrometria de massas (EM) é uma poderosa ferramenta física que caracteriza as 
moléculas pela medida da relação massa/carga (m/z) de seus íons. Ela foi usada, inicialmente, na 
determinação de massas atômicas e, vem sendo empregada na busca de informações sobre a 
estrutura de compostos orgânicos, na análise de misturas orgânicas complexas, na análise 
elementar e na determinação da composição isotópica dos elementos. (UFRGS, 2016) 
A EM apresenta uma vasta gama de aplicações, como por exemplo: na indústria de 
biotecnologia, para examinar e sequenciar proteínas, oligonucleotídeos e polissacarídeos; na 
indústria farmacêutica em todas as fases do processo de desenvolvimento de remédios; em 
clínicas de saúde para realizar testes de sangue e urina e ainda é usada por cientistas ambientais 
na ecologia e geologia, entre outras aplicações. (SILVERSTEIN, 2007) 
Os princípios fundamentais da EM datam do fim da década de 1980, quando Joseph J. 
Thomson determinou a razão m/z do elétron, e Wilhelm Wien estudou a deflexão magnética de 
raios anódicos e determinou que os raios eram carregados positivamente. (PAVIA, 2012) 
Thomson adquiriu um registro em chapas fotográficas obtidos pela ionização do 
gás neônio. Contudo seus registros acusavam a presença de duas marcas referentes ao neônio, que 
foram inicialmente entendidas como se o gás neônio fosse formado por uma mistura de dois gases. 
Mais tarde foi atribuído que a presença de compostos de massas diferentes no gás neônio era 
devido à presença de seus isótopos (20Ne, 21Ne e 22Ne), assim, outros compostos isotópicos 
acabaram sendo identificados. (PAVIA, 2012) 
Em 1918, Arthur J. Dempster desenvolveu o primeiro espectrômetro moderno, e fez a 
importante descoberta do isótopo 235U. Em 1919, Francis W. Aston também desenvolveu e 
melhorou seu espectrômetro de massa, o que lhe permitiu descobrir 212 isótopos naturais. Os 
conceitos desenvolvidos por Arthur J. Dempster e Francis W. Aston são utilizados até hoje no 
desenvolvimento dos modernos espectrômetros de massa. (BUDZIKIEWICZ, 2006) 
Mais de 20 tipos diferentes de espectrômetros de massas comerciais estão disponíveis 
dependendo da aplicação pretendida, mas todos possuem três partes básicas: uma fonte de 
ionização, em que as moléculas da amostra ganham uma carga elétrica; um analisador de massas, 
no qual os íons são separados pela relação m/z e um detector, onde os íons separados serão 
observados e contados. (MCMURRY, 2011) 
Antes de passar pela fonte de ionização, a amostra precisa passar por uma unidade de 
entrada, que traz a amostra do ambiente laboratorial (1 atm) para a pressão mais baixa do 
espectrômetro de massa. As pressões dentro do espectrômetro de massa vão de alguns poucos 
milímetros de mercúrio, na fonte de ionização, até alguns micrômetros de mercúrio nas regiões 
do analisador e do detector do instrumento. (PAVIA, 2012) 
A unidade de entrada da amostra leva até a fonte de ionização, onde as moléculas da 
amostra são transformadas em íons em fase gasosa. Os íons são, então, acelerados por um campo 
eletromagnético. A seguir, o analisador de massas separa os íons da amostra baseado em sua 
relação m/z. Os íons são, então, contados pelo detector, e o sinal é registrado e processado pelo 
sistema de dados, em geral um computador pessoal (PC). O produto do sistema de dados é o 
espectro de massa, um gráfico do número de íons detectados como uma função em sua razão m/z. 
(PAVIA, 2012) 
O espectro de massas de um composto é quase sempre apresentado como um gráfico de 
barras com massas (valores de m/z) no eixo x e a intensidade, ou abundância relativa dos íons de 
uma determinada relação m/z colidindo com o detector, no eixo y. O pico mais alto, ao qual 
eventualmente atribuímos uma intensidade de 100%, é chamado de pico base, e o pico que 
corresponde ao cátion radicalar não fragmentado é denominado íon molecular (M+). 
(MCMURRY, 2011) 
Vale destacar que o acoplamento de um espectrômetro de massas a algum tipo de 
instrumento cromatográfico, como por exemplos um cromatógrafo a gás (CG-EM) ou um 
cromatógrafo a liquido (CL-EM), é comum, podendo ampliar as informações descobertas sobre 
o composto analisado. (SILVERSTEIN, 2007) 
Quando examinamos em detalhes cada uma das funções essenciais de um espectrômetro 
de massa, vemos que este possui suas complexidades. A fim de esclarecer detalhes sobre o 
funcionamento deste instrumento tão importante, seguem as informações contidas neste trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 INSTRUMENTAÇÃO EM ESPECTROMETRIA DE MASSAS 
 
2.1 ESTRUTURA DE UM ESPECTRÔMETRO DE MASSA 
Um espectrômetro de massas pode conter componentes diferenciados em cada setor de 
funcionamento do aparelho para otimizar a resolução do resultado a ser obtido. Entretanto, é 
encontrado em todos os EM as seguintes estruturas: Fonte de ionização, fendas de passagem dos 
elétrons, analisador de massas e um detector de leitura. Ver figura 1. 
 
Figura 1: Representação de um espectrômetro de massas de ionização por elétron. 
 
FONTE: MCMURRY (2011) 
 
2.1.1 Fonte de Ionização 
Após a introdução do analito, em suas determinadas condições necessárias, no aparelho, 
a ionização da molécula é fundamental para formar seu estado ionizado, necessário para as 
próximas etapas da trajetória no espectro, como a separação de íons e a detecção. 
O processo de ionização da molécula pode ocorrer de diferentes processos, sendo eles: 
Impacto de elétrons (IE), Ionização química (IQ), Ionização por dessorção química (DCI), 
Ionização por campo/dessorção por campo (FI/FD), Espectrometria de massas de íons 
secundários (SIMS), Bombardeamento por átomos rápidos (FAB), Dessorção por plasma (PD), 
Dessorção por laser (LD), Termospray (TSI), Electronspray (ESI), Ionização à pressão 
atmosférica (API) Espectrometria de massas por neutralização - reionização (NRMS). 
(AZEVEDO, 2004) 
Esses métodos podem ser diferenciados pelo seu processo de ionização, sensibilidade 
atingida, volatilidade dos íons formados, espectro formado, entre outros fatores minoritáros. 
(SILVERSTEIN, 2007) 
O elétron-Volt (eV), é a unidade de medida utilizada para a quantificar a energia utilizada 
no bombardeamento da molécula, retirando um elétron para produzir um cátion-radical, também 
conhecido como íon molecular. Uma medida de elétron-Volt equivale a 1,602.177.33*10-19 Joule 
de energia. Geralmente são bombardeados 70 eV na amostra gasosa a ser analisada no método de 
Impacto de Elétrons. (SILVERSTEIN, 2007) 
 
2.1.1.1 Impacto de Elétrons (IE) 
O método de ionização de moléculas por impacto de elétrons é o mais utilizado. Isso se 
dá principalmente por duas questões. Primeiramente, a espectrometria por impacto de elétrons se 
tornou mundialmente acessível antes mesmo de qualquer outro método semelhante ao dele. 
Consequentemente, o banco de dados e estudos com base no método IE é abundantemente maior 
que outros atualmente utilizados, com isso, espectros de massas e procedimentos contidos nos 
bancos de dados são consideravelmente precisos. (SILVERSTEIN, 2007) 
Nessa região do espectrômetro de massasonde encontra-se a fonte de ionização há uma 
lâmpada de tungstênio ou um filamento de rênio na qual ejeta um feixe de elétrons de 
aproximadamente 70 eV com a finalidade de retirar um elétron do composto em estado gasoso o 
qual está sendo analisado. Devido a colisão de um elétron de alta energia do feixe com as 
molécula, são formados cátions radicalares, também chamados de íons moleculares. 
(MCMURRY, 2011) e- 
𝑀 𝑀+ + 2𝑒− 
 
Figura 2: Espectro de massas EI da 3,4-dimetóxi-acetofenona. 
 
FONTE: SILVERSTEIN (2007) 
 
2.1.2 Analisador de Massa 
 O analisador de massa é de suma importância para a leitura do composto final. No 
espectro, pois é nessa etapa em que os íons moleculares formados são separados de acordo com 
suas m/z. Assim como na fonte de ionização, os analisadores de massa possuem alguns tipos 
diferenciados. Podem ser diferenciados pela faixa de massas, resolução, sensibilidade, custo, entre 
outros fatores. (SILVERSTEIN, 2007) 
 
 2.1.2.1 Espectrômetros de Massas com Setores Magnéticos 
 Os espectrômetros de massas com setores magnéticos foram os primeiros a serem 
comercializados. Como mostrado na figura 3, esse tipo de espectro utiliza campo magnético (B) 
para desviar os íons em uma trajetória curva. A seleção dos íons é feita pela razão m/z, onde os 
íons mais pesados desviam menos que os íons mais leves. (SILVERSTEIN, 2007) 
 
Figura 3: Esquema de um analisador de massas com focalização simples. (O campo magnético é perpendicular à 
página) 
 
FONTE: SILVERSTEIN, 2007 
O processo de separação dos íons, que vem da fonte, com aceleração de carga z, voltagem 
V e energia cinética 𝐸 = 𝑧𝑉 = 𝑚𝑣
2
2⁄ , é dado pelo seu comportamento no campo magnético 
(B). Quando entram no campo magnético, sofrem uma força (Bzv), e movimentam-se de forma 
circular de acordo com o raio r (do aparelho), podendo ser representado pela equação 𝐵𝑧𝑣 =
𝑚𝑣2
𝑟⁄ . É de maior conhecimento, entretanto, a expressão que une as duas equações, sendo ela 
m/z = B²r²/2V. Pode-se observar que, como o raio do aparelho não se modifica, o campo 
magnético varia para focalizar os íons. (SILVERSTEIN, 2007) 
 Para uma melhor resolução e captação de determinado íon, é utilizado um setor 
eletrostático. Este, é capaz de reduzir a distribuição de energia de um feixe, forçando íons de 
mesma carga e energia cinética, seguirem a mesma trajetória. A focalização é ainda maior com 
uma fenda coletora na entrada do detector. (SILVERSTEIN, 2007) 
A resolução de um instrumento com setor magnético com focalização dupla (setor 
magnético com analisador eletrostático), tem capacidade de chegar a 100.000. Essa resolução 
permite uma altíssima precisão na massa do analito, o qual se torna extremamente útil. Porém, é 
valido ressaltar que o limite superior de massas dos instrumentos comerciais com setor magnético 
é de em torno m/z 15.000. Se torna impraticável aumentar esse limite. (SILVERSTEIN, 2007) 
 
2.1.3 Detectores 
 
O detector de um típico espectrômetro de massas é composto de um contador que produz 
uma corrente proporcional ao número de íons que o atingem. Essa corrente de íons é 
extremamente pequena, mas pode variar rapidamente em uma faixa bem grande; a estes baixos 
níveis, tipicamente na faixa de 10-14 a 10-11 A, ruído de fontes estranhas é um fator muito 
significativo (AZEVEDO, 2004). 
Para que possa se detectar os íons que atravessam o analisar muitas vezes é necessário 
que o detector amplifique a corrente minúscula que atravessa, pois o sinal elétrico produzido na 
passagem pelo analisador de um íon que passa 1 vez em 300 é minúscula. (PAVIA, 2012) 
Para essa amplificação utiliza-se multiplicadores de elétrons, que geram um ganho de 
sinal na faixa de 104 a 106, sendo assim detectadas no detector. Na figura 4 observa-se o processo 
ocorrido no detector. 
Detectores fotomultiplicadores operam de modo semelhante, com a diferença de que as 
colisões de íons com a tela fluorescente no fotomultiplicador resultam em uma emissão de fótons 
proporcional ao número de colisões de íons. A intensidade da luz é então analisada e registrada 
pelo sistema de dados, em vez de ser analisada a corrente elétrica. (PAVIA, 2012) 
 
Figura 4: Esquema de um multiplicador de elétrons de canal linear (a) e um multiplicador de elétrons de canal curvo 
(b) 
 
FONTE: PAVIA (2012) 
3 CONCLUSÃO 
Desde seu princípio, em 1980 por Thomson, a espectrometria de massas auxiliou e 
continua auxiliando diversas áreas, sendo de importante utilização na área biotecnológica, em 
indústrias farmacêuticas, em clínicas para técnicas de análise sanguíneas e de urina e por alguns 
cientistas ambientais e geológicos. 
Existem mais de 20 tipos de espectrômetros diferentes, mas todos tem as mesmas 
estruturas, sendo elas: a fonte de ionização, que pode ocorrer de diferentes formas como por 
exemplo, o impacto de elétrons e a ionização química; o analisador de massas, que pode ser 
diferenciados pela faixa de massas, resolução, sensibilidade, custo, entre outros fatores; e o 
detector, que detecta a quantidade de íons que o atinge. 
Após passar pelo detector, o sistema registra o sinal dos íons que foi captado em um 
computador pessoal, onde nos dá o espectro de massa, um gráfico enumerando os íons detectados 
com uma função m/z. O pico mais alto desse gráfico é chamado de pico base e o pico que 
corresponde ao cátion radicalar não fragmentado é denominado íon molecular (M+). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 REFERÊNCIAS 
 
1. AZEVEDO, Débora A., Apostila Espectrometria de Massas. Laboratório de 
Espectrometria de Massa do Instituto de Química – UFRJ: fev/2004. Disponível em: 
<http://cebime.propesq.ufsc.br/files/2012/07/Apostila-Espectrometria-de-Massas-Debora-Azeve 
do.pdf> Acesso em: 21 fev. 2016. 
2. BUDZIKIEWICZ, H.; GRIGSBY, R. D., Espectroemetria de Massas e isótopos: 
Um século de pesquisa e discussão. Mass Spectrom. Rev., v. 25, p. 146-157, 2006. 
3. CENTRO DE BIOTECNOLOGIA DA UFRGS Princípios de Análise: 
Espectrometria. Disponível em: <http://www.ufrgs.br/uniprote-
ms/Content/02PrincipiosDeAnalise/espectome tria.html> Acesso em: 21 fev. 2016. 
4. HIQ – GASES ESPECIAIS, EQUIPAMENTOS E SERVIÇOS. Técnicas Analíticas: 
Espectrometria de Massas. Disponível em <http://hiq.linde-gas.com.br/international/web/lg/br/ 
like35lgspgbr.nsf/docbyalias/appl_mass> Acesso em 21 fev. 2016. 
5. INSTITUTO DE QUÍMICA DA USP. Espectrometria de Massas. Disponível em: 
<http://www2.iq.usp.br/docente/miyamoto/DEG_7_Espectrometria_de_massas.pdf> Acesso em 
21 fev. 2016. 
6. MCMURRY, John., Química Orgânica, combo. Tradução 7ª ed. norte americana. São 
Paulo: Cengage Learning, 2011. 
7. MEURER, Eduardo C., Técnicas Modernas em Espectroscopia de Massas: 
Aplicações Analíticas e no Estudo de Reações íon/molécula na Fase Gasosa. Tese (doutorado) 
– Universidade Federal de Campinas, Instituto de Química. Campinas, 2003. 
8. PAVIA, Donald L. et al., Introdução à Espectroscopia. 4ª ed. São Paulo: Cengage 
Learning, 2012. 
9. SILVERSTEIN, Robert M.; WEBSTER, Francis X.; KIEMLE, David J., Identificação 
Espectrométrica de Compostos Orgânicos. 7a ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007.