Introdução à Espectrometria de Massa

A espectrometria de massa é uma técnica analítica que permite a identificação e quantificação de compostos desconhecidos dentro de uma amostra e a determinação de sua estrutura.

Na espectrometria de massa, os íons da fase gasosa são gerados a partir dos átomos ou moléculas em uma amostra. Os íons são então separados com base em sua relação massa-carga, simbolizada por m/z.

Essa separação permite a determinação de informações quantitativas e qualitativas sobre uma amostra, como sua massa e estrutura.

Este vídeo apresentará os conceitos básicos e a instrumentação da espectrometria de massa e demonstrará seu uso na quantificação de elementos.

Um espectrômetro de massa é composto por uma fonte de ionização, um analisador de massa e um detector. Na fonte de ionização, os compostos são ionizados, geralmente com uma única carga positiva.

Os íons podem ser gerados usando várias técnicas, como impacto com feixe de elétrons, plasma ou lasers, cada uma resultando em uma série de fragmentações que auxiliam na determinação da estrutura molecular. Esses métodos são vagamente agrupados em ionização "dura" e "suave".

As técnicas de ionização dura causam fragmentação extensa, resultando em mais fragmentos de menor massa.

As técnicas de ionização suave resultam em menos, ou quase nenhuma, fragmentação com uma alta faixa de massa molecular.

Se a fragmentação for muito grande, informações valiosas da estrutura podem ser perdidas. Se for muito pouco, pequenas moléculas não serão ionizadas de forma eficiente. Assim, a seleção de um método de ionização depende do analito de interesse e do grau de fragmentação desejado.

Os íons são então acelerados em um campo elétrico à medida que entram no analisador de massa, onde serão separados.

O analisador de massa mais básico é um setor magnético, que é composto por um ímã curvo que produz um campo magnético homogêneo. A força atrativa do ímã, mais a força centrífuga dos íons em aceleração, faz com que eles viajem em um caminho circular através da curva.

O raio do caminho circular dos íons depende da tensão de aceleração, do campo magnético aplicado e da relação massa-carga.

A tensão e o campo magnético podem então ser selecionados para permitir apenas certas espécies de relação massa-carga através do caminho curvo. Outros íons colidem com as laterais da via magnética e são perdidos. Ao escanear a intensidade do campo magnético, os íons desejados chegam ao detector em momentos diferentes, identificando assim cada espécie com precisão.

Outro tipo de analisador de massa é o filtro de massa quadrupolo. O quadrupolo consiste em dois pares de hastes de metal paralelas, com cada par de hastes opostas conectadas eletricamente.

Uma tensão de corrente contínua é aplicada aos pares de hastes e seus potenciais alternados continuamente para que os pares estejam sempre fora de fase um com o outro.

O feixe de íons é então direcionado através do centro das quatro hastes. Os íons viajam em um caminho semelhante a um saca-rolhas, devido à constante atração e repulsão das hastes. Dependendo da relação massa-carga dos íons, o íon percorrerá todo o caminho do quadrupolo e alcançará o detector ou colidirá com as hastes.

Agora que os fundamentos do espectrômetro de massa foram descritos, vamos dar uma olhada em seu uso em laboratório.

O espectrômetro de massa usado neste experimento é um ionizador de plasma indutivamente acoplado, ou ICP, com um filtro quadrupolo. O instrumento será usado para detectar e quantificar um componente metálico em uma amostra.

Para iniciar o experimento, encha todos os tubos de polipropileno com 5 mL de ácido clorídrico 0,1 M para remover qualquer vestígio contaminante de ferro. Coloque os tubos em banho-maria por 1 h a 50 ° C.

Após a incubação, lave os tubos com 5 mL de água deionizada e seque os tubos em um forno ou coifa química.

Nos tubos limpos, adicione 1,8 mL de ácido nítrico concentrado e 200 ? L de amostra contendo o isótopo em causa.

Siga as precauções de segurança ao usar ácido concentrado.

Coloque os tubos em banho-maria durante a noite. A temperatura pode ser aumentada para encurtar o tempo de digestão, se necessário.

Depois que a amostra for digerida, deixe os tubos esfriarem até a temperatura ambiente.

Em seguida, adicione 8 mL de água deionizada para diluir as amostras e obter uma concentração de ácido nítrico abaixo de 20%. A diluição final da amostra é de 1/50. A concentração ideal para ICP está na faixa de partes por bilhão. Centrifugue os tubos para pellet quaisquer resíduos macroscópicos restantes.

ICP é um método de ionização dura que usa plasma de argônio acoplado a cerca de 10.000 ? C que é eletricamente condutor para ionizar as moléculas da amostra.

Comece a configuração do instrumento inspecionando a tocha ICP para garantir que esteja limpa.

Em seguida, inspecione o amostrador e os cones do skimmer para garantir que também estejam limpos. Esses cones permitem a amostragem apenas da porção interna do feixe de íons gerado pela tocha ICP e atuam como uma barreira ao alto vácuo do espectrômetro de massa.

Verifique a pressão do argônio e ligue o resfriador. Inicie o fluxo de plasma e líquido no sistema. Aguarde 20 minutos para que o sistema aqueça totalmente.

Em seguida, aspire uma solução de teste padrão, que contém vários padrões elementares conhecidos. A solução de ensaio deve ser seleccionada de modo a cobrir a gama de massas esperada da solução a analisar.

Quando o fluxo da solução for estabelecido, inicialize e teste o instrumento de acordo com as diretrizes do fabricante.

Para executar o instrumento, primeiro selecione os elementos e isótopos de interesse. Em seguida, defina o modo de varredura para pico de salto.

Selecione cinco réplicas por medição. Defina cada réplica para conter 40 varreduras de medição, cada varredura com um tempo de permanência de 50 ms. O tempo total de integração é de 2.000 ms por replicação.

Preparar uma curva de calibração para os elementos escolhidos medindo soluções-padrão pré-preparadas.

Finalmente, execute a amostra, neste caso, nanopartículas de óxido de ferro. Determinar a concentração de ferro utilizando a curva de calibração do ferro.

A espectrometria de massa é usada em uma ampla gama de aplicações usando várias técnicas de ionização e análise de massa.

Neste exemplo, um tipo de espectrometria de massa de ionização suave, chamada tempo de voo de ionização por dessorção a laser assistida por matriz, ou MALDI-TOF, foi usado para analisar proteínas de alto peso molecular. Com o MALDI, as moléculas são estabilizadas com uma matriz, para diminuir o fracionamento quando as moléculas grandes são ionizadas.

A solução proteica e a matriz foram localizadas na placa MALDI limpa e secas. A placa MALDI foi inserida no instrumento e a amostra analisada.

A análise de compostos voláteis e sensíveis à oxidação foi medida usando espectrometria de massa de ionização eletrônica, uma técnica de ionização dura.

Primeiro, um sistema de tubo bloqueável foi projetado para permitir a evacuação total do tubo, seguido pelo carregamento da amostra sob resfriamento por nitrogênio líquido.

O tubo de amostra foi conectado à porta de entrada e a amostra carregada no instrumento. O espectro de massa da amostra, neste caso tris (trifluorometil) fosfato, foi então analisado.

Um espectrômetro de massa de feixe molecular acoplado à radiação síncrotron foi usado para explorar a estrutura eletrônica de moléculas e aglomerados em fase gasosa.

O feixe molecular, integrado à radiação síncrotron, forneceu um método de ionização seletiva para sondar moléculas na fase gasosa.

A amostra foi carregada no bico, o bico recarregado no instrumento e o feixe de fótons permitiu entrar na câmara.

O espectro de massa foi então coletado e comparado com os dados de eficiência de fotoionização para determinar a estrutura eletrônica das moléculas.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à espectrometria de massa. Agora você deve entender a instrumentação básica da espectrometria de massa e como executar uma análise básica baseada em espectrometria de massa.

Obrigado por assistir!