aula 4 EM 03102016(N) e 05102016(D)

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O QUE É? 4ª aula:4ª aula:
Espectrometria de massasEspectrometria de massasEspectrometria de massasEspectrometria de massas
ESPECTROMETRIA DE MASSAS ESPECTROMETRIA DE MASSAS –– BREVE HISTÓRICOBREVE HISTÓRICO
� 19071907 → J. J. J. J. ThomsonThomson ((1906 – Prêmio Nobel de Física)
� Físico britânico que descobriu o elétron
� Início do entendimento da estrutura atômica
� Tubos de raios catódicos – existência dos elétrons
� Modelo atômico 
de Thomson
Pág.1
ESPECTROMETRIA DE MASSAS ESPECTROMETRIA DE MASSAS –– BREVE HISTÓRICOBREVE HISTÓRICO
� 19091909 → F. W. Aston começa a trabalhar em F. W. Aston começa a trabalhar em 
Cambridge convidado por Thomson. Aston se dedica Cambridge convidado por Thomson. Aston se dedica 
a identificação dos isótopos do Neônio.a identificação dos isótopos do Neônio.
� Inventa um espectrógrafo de massa
� Identificação de 212 dos 287 isótopos naturais
� Formula a “regra do número inteiro”
� 1922 – Prêmio Nobel de Química
Pág.2
Analisador de massa Detector
Fonte
O Espectrômetro de massas: uma visão geralO Espectrômetro de massas: uma visão geralO Espectrômetro de massas: uma visão geralO Espectrômetro de massas: uma visão geral
entrada
da 
amostra
Fonte
H2C=OH+
Pág.3
Fragmentação: elucidação dos fragmentos Fragmentação: elucidação dos fragmentos Fragmentação: elucidação dos fragmentos Fragmentação: elucidação dos fragmentos 
(detalhes estruturais da substância)(detalhes estruturais da substância)(detalhes estruturais da substância)(detalhes estruturais da substância)
Pág.4
Espectrometria de Espectrometria de Espectrometria de Espectrometria de massasmassasmassasmassas
�� É Estudo de “sistemas” pela formação de íons em fase gasosa,
com ou sem fragmentação, que são caracterizados por suas
relações massa /carga e abundâncias relativas.
Espectro de massas é um gráfico do número de íons detectados como 
uma função da sua razão massa/carga
Uso de padrões isotópicos para inferir a presença de determinado elemento
A
b
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n
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Espectrometria de massas
�Algumas aplicações da EM:
a) determinação de massa molecular com elevada exatidão,
inclusive de biomoléculas e materiais poliméricos;
b) identificação e quantificação de substâncias, mesmo em
misturas complexas;
c) informação estrutural: conectividade dos átomos numa
molécula;molécula;
d) análise de padrões isotópicos.
133.053 133,064 133,089
Pág.6
Espectrometria de Espectrometria de massasmassas
�Algumas aplicações da EM:
Elemento Isótopo Abundância
relativa
+1 
isótopo
Abundância
relativa
+2 
isótopo
Abundância
relativa
Carbono 12C 100 13C 1,1 ----- -----
Hidrogênio 1H 100 2H 0,016 ----- -----
Nitrogênio 14N 100 15N 0,038 ----- -----
Bromo 79Br 100 ----- 81Br 98,00
Oxigênio 16O 100 17O 0,04 18O 0,2
no de C = intensidade de A+1 / por 1,1 (abundância do Carbono 13 na natureza).
no de C = 25 / 1,1 = 23,7 ~ 24 átomos de carbono na molécula
25%
Pág.7
Espectrometria de Espectrometria de massasmassas
�Algumas aplicações da EM: Identificação de isômeros
Acetona Propanal
25%
2-Propen-1-ol
Oxido de propileno
Pág.8
Espectrometria de Espectrometria de massasmassas
�Algumas aplicações da EM: Identificação de isômeros
43
58
15
Pág.9
Espectrometria de massas uma visão geral
� Valores de pressão da
ordem de 10-6 a 10-8 Torr
é indicada para uma
molécula percorrer 1m
sem colisão.sem colisão.
Passo livre médio 
percorrido por uma 
molécula entre colisões.
Pág.10
Introdução da amostra Introdução da amostra 
Pág.11
� Objetivo: Propiciar a introdução de um fluxo de
amostras na câmara (fonte) de ionização.
� Técnicas de introdução de amostra:
� Sondas de inserção direta - “Probe”.
Introdução da amostra 
� Sondas de inserção direta - “Probe”.
� Introdução direta do vapor.
� Cromatografia gasosa de alta resolução 
(CGAR).
� Cromatografia líquida de alta eficiência 
(CLAE).
Pág.12
Introdução da amostra 
O analito na fase gasosa é introduzido diretamente na região da 
fonte do EM através de uma válvula agulha.
Este sistema pode ser aplicado para gases, líquidos ou sólidos com 
alta pressão de vapor.
Aplica-se a compostos termicamente estáveis. Pág.13
Introdução da amostra: Sondas de inserção direta
• Aparato para introduzir uma amostra pura, líquida ou sólida, é
introduzida diretamente no espectrômetro de massa.
• A amostra é usualmente depositada em um material
quimicamente inerte, como o quartzo.
�Limitações:
• Decomposição térmica de
algumas amostras.
• Contaminação rápida do
instrumento.
Pág.14
Introdução da amostra: Cromatografia Gasosa 
Pág.15
Métodos de Ionização Métodos de Ionização 
Pág.16
Fonte de íons Fonte de íons 
Métodos de ionização
Métodos agressivos
de ionização
Métodos suaves
de ionização
Pág.17
Tipo Tipo 
BásicoBásico
NomeNome Agente IonizanteAgente Ionizante
Fase 
gasosa
- Impacto de elétrons (EI)
- Ionização química (CI)
- Ionização por campo elétrico (FI)
- Luz síncrotron
Elétrons energéticos
Íons de um gás reagente
Eletrodo em potencial elétrico alto
Fótons
Dessorção - Dessorção por campo elétrico (FD) Eletrodo em potencial elétrico alto
Campo elétrico intenso
- Ionização por Electrospray (ESI)
- Ionização / dessorção por laser, 
assistido por uma matriz (MALDI)
- Dessorção de plasma (PDMS)
- Bombardeamento por átomos rápidos 
(FAB)
- Emissão de íons secundários (SIMS)
- Ionização térmica (thermospray)
- Impacto de íons pesados (HIMS)
Campo elétrico intenso
Feixe de laser (UV)
Fragmentos de fissão do 252 cf
Feixe de átomos energéticos
Feixe de íons energéticos
Temperatura alta
Feixe de íons acelerados
Pág.18
� Princípio Geral 
Moléculas neutras, na fase gasosa, a uma pressão de ~10-5
Torr, são bombardeadas por um feixe de elétrons, com 
energia típica de 70eV (∼6,7 x 103kJ.mol-1)
⇓
ocasionando principalmente a retirada ou captura de um 
elétron formando íons M+. ou M-
1. Fonte de ionização por elétrons (EI)
elétron formando íons M ou M
(Íons positivos são em geral predominantes, ~100 vezes 
mais que os íons negativos).
F1
F1
F2
F3 F4
F2
F3
F4
Cátion radical
Pág.19
Esquema de fonte de íons por ionização por 
elétrons (EI)
+ - - -
Feixe de íons
- - -
+
Pág.20
Ionização por EI
�Ionização enérgica.
�Processo unimolecular.
�Os íons formados são rapidamente repelidos da
fonte de ionização pelo eletrodo de repulsão
(‘repeller’).
fonte de ionização pelo eletrodo de repulsão
(‘repeller’).
Pág.21
Ionização por EI: Influência da energia do feixe de 
elétrons no grau de fragmentação da molécula 
A
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(a)
Íon 
molecular
e pico 
base
pico base
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m/z
Energia do elétron (eV)
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(b)
(c)
Íon molecular
Íon molecular
pico base
pico base
70 eV
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Ionização por elétrons (EI)
a) Produz tanto o íon molecular (massa molecular), o qual
por ter excesso de energia cinética se fragmenta
total ou parcialmente em fragmentos [M+]
(estrutura);
b) Padrões de fragmentações são reprodutíveis e podem
ser comparados com espectros de banco de dados;ser comparados com espectros de banco de dados;c)Alta sensibilidade;
d) Aplica-se a moléculas de média a baixa polaridade,
baixo peso molecular (~500u), voláteis e
termoestáveis;
e) diminuir a energia do feixe de elétrons, acarreta um
aumento na abundância do íon molecular.
Pág.23
Ionização por elétrons: característica do espectro obtido 
em função da estabilidade da molécula 
� Ionização enérgica (I.E.) e íon molecular estável:
Observa-se no espectro de massas
A preservação do íon molecular
⇓
Sofre pouca fragmentação
� Ionização enérgica (I.E.) e íon molecular instável
Desaparecimento do íon 
molecular
⇓
Sofre muita fragmentação
⇓
Tempo de vida curto
C10H22O
MM=158
Pág.24
�� VantagensVantagens::
� Método robusto e simples.
� Fragmentação fornece informações estruturais.
� Os espectros são facilmente reprodutíveis.
� Existência de biblioteca de espectros de massas.
Ionização por elétrons (EI)
� LimitaçõesLimitações::
�Requer volatilização da amostra ou derivatização.
�Amostra deve ser termicamente estável.
� O íon molecular pode ser de difícil detecção.
� A fragmentação pode ser extensa.
Pág.25
2. Ionização química: Definição e como ocorre
�� É uma técnica indireta de ionização, que consiste em introduzir na
câmara de ionização por EI um excesso de gás (por ex. CH4), o qual
uma vez ionizado pelo feixe de elétrons, gera íons reativos (gás
ionizante). O íons gerados ao colidirem com a molécula do analito
transfere, para a mesma, próton ou outra espécie carregada.
CH4 + e- CH4+. + 2 e- ................ ⇒ Reação inicial
CH4+. + CH4 CH5+ + CH3. ............... ⇒ Reação de protonação
CH4+. CH3+ + H. 
CH + + CH C H + + H ................ ⇒ Reação de alquilação
� Como é uma técnica que requer colisão, as pressões são mais altas
(∼ 495mTorr).
CH4 CH3 + H
CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 ................ ⇒ Reação de alquilação
M + CH5
+ (M + H+) + CH4
M + C2H5
+ (M + C2H5
+) 
Pág.26
2. Ionização química: Definição e como ocorre
Pág.27
2. Ionização química: Definição e como ocorre
� Exemplos de gases ionizantes (isobutano e amônia)
(CH3)3CH + e- (CH3)3CH.+ + 2 e-
(CH3)3CH.+ (CH3)3C+ + H. 
M + (CH3)3C+ (M + H)+ + (CH3)2C=CH2
M + (CH ) C+ [(M + C(CH ) )]+M + (CH3)3C+ [(M + C(CH3)3)]+
NH3 + e- NH3.+ + 2 e-
NH3.+ + NH3 NH4+ + . NH2 
M + NH4+ (M + H)+ + NH3
Pág.28
Gás
reagente
Afinidade 
Protônica
(kcal/mol)
Íons 
reagentes
Íon(s)
Analítico(s) Comentários 
H2 101 H3+ (M + H)+
Produz fragmentação 
significativa
CH4 132 CH5+, C2H5+
(M + H)+
(M + C2H5)+
Menos fragmentos que o H2, 
pode formar adutos
(M + H)+ Ionização seletiva, 
Ionização química (IC): ionização seletiva e o 
grau de fragmentação
NH3 204 NH4+
(M + H)+
(M + NH4)+
Ionização seletiva, 
fragmentação pequena, 
pouca formação de adutos
(CH3)3CH 196 (CH3)3C+
(M + H)+
[M + 
C(CH3)3)]+
Brando, protonação seletiva, 
fragmentação pequena
CH3OH 182 CH3OH2+
(M + H)+ Grau de fragmentação observado entre o metano e 
o isobutano
CH3CN 189 CH3CNH+ (M + H)+
Grau de fragmentação 
observado entre o metano e 
o isobutano Pág.29
isobutano
metano
Acetato de Lavandulila 
(PM = 196)
Influência da natureza do gás ionizante na seletividade 
da ionização e na extensão da fragmentação
amônia
isobutano
Íon 
aduto
Pág.30
Influência da técnica de ionização e dos gases ionizantes na 
seletividade da ionização e na extensão da fragmentação
Metacrilato de butila (MM = 142)
Metano
(CH5+; m/z = 17)
(C2H5+; m/z = 29)
Isobutano
(C H +; m/z = 41)
EI
(C3H5+; m/z = 41)
CI - metano
CI - isobutano
Aquisição do 
espectro de massas 
deve ser acima de 
m/z = 60 ou 70
Pág.31
Ionização enérgica (EI)
Desaparecimento do 
íon molecular, muita 
fragmentação
Influência da técnica de ionização na seletividade da 
ionização e na extensão da fragmentação
Ionização química
Preservação do íon 
molecular, pouca 
fragmentação
Pág.32
Ionização enérgica e molécula instável
Muita fragmentação
Íon molecular ainda visível
Influência da técnica de ionização na seletividade da 
ionização e na extensão da fragmentação
Ionização branda e molécula instável
Pouca fragmentação 
Íon molecular 
protonado é o mais 
intenso
Pág.33
Ionização química (IC)
� Vantagens:
� Produção seletiva de íons quase moleculares [(M+H)]+intactos;
� Espectros simples, com pouca ou nenhuma fragmentação;
� Determinação da massa molecular (através do íon molecular);
� Outros processos, como por ex., a abstração de prótons (M-H)-
podem ser explorados empregando o gás reagente NF3- ou CH3O-
� Desvantagens:
� Vários parâmetros (gás, reagente e pressão relativa) dificultam
a reprodutibilidade (104:1) dos espectros de massas;
� Ausência de espectros de referência;
� Perda de informações estruturais devido à baixa fragmentação;
aplica-se a moléculas de média e baixa polaridade, baixo peso
molecular, voláteis e termo estáveis, o que impede a análise de
biomoléculas e outros compostos com peso molecular alto.
Pág.34
MetioninaMetionina
EI x CIEI x CI
Pág.35
GlicerolGlicerol -- EI x CIEI x CI
Pág.36
EfedrinaEfedrina
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