aula 3- técnicas de ionização em CG

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Técnicas de ionização em GC
Espectrometria de Massas
Rodinei Augusti
augusti.rodinei@gmail.com
Analisador
Detector
Sistema Dados
Fonte
Inlet
Componentes do Espectrômetro de Massas
Ionização
Separação dos íons
Detecção dos íons
Arquivo e Manipulação dos dados
Saída de dados
Espectro de Massas
Introdução da amostra
3.unknown
Fontes de ionização
Entender o processo de ionização é essencial para o entendimento de como o espectro de massas é produzido!
Fonte
EM - Fonte de íons
	A fonte de íons ou câmera de ionização é onde ocorre a formação de íons em fase gasosa, a partir de amostras sólidas, líquidas ou gasosas, dependendo da forma de inserção de amostra.
	A ionização pode gerar íons positivos e/ou negativos, sendo os íons positivos predominantes.
	Os métodos “clássicos” de ionização, quando a inserção de amostra é por CG ou sonda de inserção direta, são a ionização por elétrons (EI) e a ionização química (CI).
Fonte
EM – Fonte de íons
	As formas principais de ionização são:
	Ejeção de elétrons – comum na fonte de íons EI
	Protonação ou desprotonação – comum nas fontes de íons CI, ESI, APCI
Fonte
IONIZAÇÃO POR ELÉTRONS (EI)
Fonte
Fonte
Ionização por Elétrons (EI) 
Quando uma molécula na fase gasosa é submetida a uma energia que seja maior que a sua energia de ionização, um elétron pode ser removido desta molécula.
M + Energia M•+ + e-
Essa energia pode ser proveniente de calor, luz ou colisão.
Uma maneira fácil de se ionizar uma molécula na fase gasosa é promover uma colisão desta molécula com um feixe de elétrons.
M + ei- M•+ + ei- + e-
A maioria dos espectrômetros de massas comerciais utilizam um feixe com energia de 70 eV.
Princípio geral de EI
Moléculas neutras, na fase gasosa (desorção térmica) a uma pressão típica de 10-5 torr, são bombardeadas por elétrons, com energia típica de 70 eV. Ocorre principalmente a retirada ou captura de um elétron formando íons M+• ou M-•. Íons positivos são em geral predominantes (~100 vezes mais). M-• se tornam importantes para moléculas com alta afinidade eletrônica (AE).
Fonte
M + e
-
(70
eV
) 
→
M
+.
(~ 5
eV
) + 2e
-
(65
eV
)
Características de EI
• Processo unimolecular. Os íons formados são rapidamente extraídos da fonte de ionização pelo eletrodo de repulsão (“repeller”).
• Íons moleculares (M+•) são formados com excesso de energia interna e se fragmentam total ou parcialmente.
• EI é bastante popular: produz tanto o íon molecular (massa) como também fragmentos (estrutura); espectros reprodutíveis; bibliotecas de espectros de EI a 70 eV; estável; fácil de operar; alta sensibilidade.
• Aplica-se a moléculas de média e baixa polaridade (~ 500 Da) voláteis e termo-estáveis: moléculas orgânicas relativamente pequenas.
• Quando o íon molecular não é observado (devido à dissociação excessiva), 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
Fonte
Características de EI
Fonte
íon molecular
Esquema Geral
Fonte
Fonte
Ionização por Elétrons (EI) 
	Compostos termicamente estáveis e voláteis;
	Processo de alta energia: geralmente se observa fragmentação dos íons precursores - espectro composto por fragmentos iônicos e íon molecular pouco intenso ou inexistente;
Fonte
Ionização por Elétrons (EI) 
Espectro de Massas: Ionização por Elétrons (EI) 
Fonte
Espectro de Massas: Ionização por Elétrons (EI) 
Fonte
Espectro de Massas: Ionização por Elétrons (EI) 
Fonte
Regra do Nitrogênio 
	 Contém Números ímpares de nitrogênio: 
	Íon molecular terá massa ímpar!!
	 Contém Números pares de átomos de nitrogênio ou não contém átomos de nitrogênio: 
	Íon molecular terá massa par!!
Fonte
IONIZAÇÃO QUÍMICA (CI)
Princípios Básicos e 
Aplicações
Fonte
Fonte
Ionização Química (CI)
	 Utilizada quando não é observado íon molecular no espectro de EI.
	 Confirmação da relação m/z de um composto de interesse.
	 Utiliza a mesma fonte de íons utilizada na ionização por elétrons mas, neste caso, a fonte é fechada e se utiliza um gás reagente.
	 O gás reagente é inicialmente submetido ao impacto de elétrons.
	 Os íons da amostra serão formados por interação do gás ionizado com a amostra na fase gasosa. = fenômeno conhecido como reação íon-molécula.
	 Íons do gás reagente são formados em quantidade muito maior que os íons da amostra.
Fonte
Ionização Química (CI)
	 Modo Positivo: 
GH+ + M MH+ + G
	 Modo Negativo: 
[G-H]- + M [M-H]- + G
	 Reações devem ser exotérmicas!
	 RESUMINDO: Reação de transferência de próton é a mais importante do processo!
			RH+ + M MH+ + R
Fonte
Ionização Química (CI)
	 Ionização Química Positiva:
Metano:
CH4 + e -----> CH4+. + 2e ------> CH3+ + H.
CH4+. + CH4 -----> CH5+ + CH3.
CH4+. + CH4 -----> C2H5+ + H2 + H.
Isobutano:
i-C4H10 + e -----> i-C4H10+. + 2e
i-C4H10+. + i-C4H10 ------> i-C4H9+ + C4H9. +H2
Amônia:
NH3 + e -----> NH3+. + 2e
NH3+. + NH3 ------> NH4+ + NH2.
NH4+ + NH3 --------->N2H7+
Esquema simplificado de uma Fonte de Ionização CI
•geração de elétrons no filamento 
•aceleração a 70 eV
•campo magnético: feixe de elétrons
•interação com amostra
•formação de íons
•extração por campo elétrico
(lentes de focalização)
• CI: presença de um gás reagente na fonte (ex.: metano). Necessário adaptação para manter alto vácuo no detector: Ex.: fechar ou diminuir orifícios
Fonte
Ionização Química (CI)
Espectro de EI 
Espectro de CI 
Fonte
Ionização Química (CI)
	 Ionização é seletiva: Afinidade por próton do gás reagente deve ser menor que a da amostra.
	 Pode-se utilizar um gás que seja seletivo para uma determinada classe de compostos.
	 Devido a injeção do gás: altas pressões na fonte de ionização.
	 Formação de um único íon: menor extensão de fragmentação!
Controle da exotermicidade da reação: exemplos 
Fonte
Príncípios Gerais
	Ionização por reação química (ex: protonação). A exotermicidade da reação controla a extensão dos processos dissociativos.
Gases ionizantes típicos: metano, isobutano, amônia.
Como em EI, aplica-se a moléculas de média e baixa polaridade e 
baixo peso molecular (~ 500 Da), voláteis e termo-estáveis.
Adutos formados entre a molécula neutra (M) e o íon reagente podem ser observados (Ex. M-NH4+). Estes adutos podem diferenciar isômeros.
CI é uma técnica branda de ionização por provocar pouca ou nenhuma fragmentação da molécula ionizada.
Fonte
Aplicações da Ionização Química
 Determinar a massa molar através da detecção do íon quasi-molecular.
 Complementar a caracterização realizada por EI para auxiliar na identificação de compostos.
 Resolver estruturas de isômeros que coeluem em cromatografia.
Fonte
CI X EI
 Vantagens
a) CI transfere menos energia para a molécula que EI, causando menos fragmentação.
b) Em alguns casos, NCI gera um aumento na sensibilidade analítica com relação a EI.
 Desvantagens
a) As interações entre o gás reagente e a amostra pode complicar a análise do espectro.
b) Diminui o tempo de vida do filamento
CI: Detecção de Íon Molecular
EI
PCI
Qual o método de ionização mais apropriado?
	 EI e CI: compostos pequenos (<800 Da), voláteis e termicamente estáveis.
EI: útil para informações estruturais. 
CI: útil para determinação da massa molecular.
Fonte
Espectrometria de Massas
Bibliotecas
Sistema Dados
Bibliotecas EM
	Busca automática em bibliotecas de espectros, baseada na comparação estatística (Probability Based Matching)
Espectros de analitos desconhecidos
Biblioteca de espectros
PBM
Possíveis candidatos
(Confiabilidade %)
Sistema Dados
Espectros de analitos desconhecidos
Biblioteca – EM obtido
Sistema Dados
Biblioteca – Resultado do PBM
Biblioteca de espectros
Sistema Dados
Biblioteca - Cuidados
	Limitações
	Identificação pouco confiável de espectros muito simples, p. ex. faixa de massa selecionada
	Diferenças entre espectros gerados por diversos analisadores de massas(Q x IT)
	Tamanho da base de dados
Sistema Dados
m/z
0
50
100
150
200
250
Ion Abundance (%)
0
20
40
60
80
100
ABCD 
®
 ABCD
+
·
 (M
+
·
) + e
-
AB
+
.
+ CD
AB
+
+ CD
.
ABC
+
+
D
.
AB
+
+ C
A
+
+ BC
ABCD ABCD
+
 (M
+
) + e
-AB
+
.
+ CD
AB
+
+ CD
.
ABC
+
+
D
.
AB
+
+ C
A
+
+ BC
O
H
+
.
M
(
m
/
z
 
8
8
)
.
+
-
 
H
.
+
.
m
/
z
 
8
7
+
O
H
.
-
 
 
 
C
H
3
O
H
+
m
/
z
 
7
3
-
 
H
2
O
+
.
m
/
z
 
7
0
m
/
z
 
4
5
+
O
H
-
.
O
+
.
M
+
.
(
m
/
z
 
1
3
4
)
m
/
z
 
1
1
9
+
O
-
 
 
 
C
H
3
.
-
 
C
O
+
m
/
z
 
9
1
+
.
H
3
C
C
O
+
m
/
z
 
4
3
C
H
2
B
r
+
.
M
+
.
(
m
/
z
 
1
7
0
/
 
1
7
2
)
+
m
/
z
 
9
1
+
.
-
 
B
r
m
/
z
 
9
1
 
(
í
o
n
 
t
r
o
p
í
l
i
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)