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, íons de fase de gás 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 introduzirá os conceitos básicos e 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 a uma única carga positiva.

Íons podem ser gerados usando várias técnicas, como impacto com um 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”.

Técnicas de ionização dura causam fragmentação extensiva, resultando em mais fragmentos de massa inferior.

Técnicas de ionização suave resultam em menos, ou quase não, 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 eficientemente. Assim, a seleção de um método de ionização depende do analito de interesse e do grau desejado de fragmentação.

Os íons são então acelerados em um campo elétrico à medida que entram no analisador em 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 atraente do ímã, além da força centrífuga dos íons acelerados faz com que eles viajem em um caminho circular através da curva.

O raio do caminho circular dos íons depende da tensão acelerada, 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 batem nos lados da via magnética e estão perdidos. Ao escanear a força do campo magnético, 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 quadrupole. O quadrupole consiste em dois pares de hastes metálicas paralelas, com cada par de hastes opostas ligadas eletricamente.

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

O feixe de íons é então direcionado através do centro das quatro hastes. Íons viajam em um caminho parecido com um saca-rolhas, devido à constante atração e repulsa das hastes. Dependendo da relação massa-carga de íons, o íon viajará pelo caminho completo do quadrúpole e alcançará o detector, ou colidirá com as hastes.

Agora que o básico do espectrômetro de massa foi descrito, vamos dar uma olhada em seu uso em laboratório.

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

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

Após a incubação, lave os tubos com 5 mL de água desionizada e seque os tubos em um forno ou capô químico.

Nos tubos limpos, adicione 1,8 mL de ácido nítrico concentrado e 200 μL de amostra contendo o isótopo de interesse.

Siga as precauções de segurança ao usar ácido concentrado.

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

Depois que a amostra tiver sido 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. Centrifugar os tubos para pelotar 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.

Inicie o instrumento configurado inspecionando a tocha ICP para garantir que ela esteja limpa.

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

Verifique a pressão do argônio e inicie o refrigerador. Inicie o plasma e o fluxo líquido para o sistema. Espere 20 min para o sistema se aquecer completamente.

Em seguida, aspire uma solução de teste padrão, que contém vários padrões elementares conhecidos. A solução de teste deve ser selecionada para cobrir a faixa de massa esperada da solução analito.

Quando o fluxo da solução é 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, ajuste o modo de varredura para o pico de pulando.

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

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

Finalmente, execute a amostra, neste caso, nanopartículas de óxido de ferro. Determine a concentração de ferro usando a curva de calibração de 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 macia, chamada de ionização a laser assistida por matriz, tempo de voo, 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 grandes moléculas são ionizadas.

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

A análise de compostos sensíveis voláteis e de oxidação foi medida utilizando-se espectrometria de massa de ionização eletrônica, uma técnica de ionização dura.

Primeiro, um sistema de tubos 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 aliado à radiação síncrotron foi usado para explorar a estrutura eletrônica de moléculas e aglomerados de fase de gás.

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

A amostra foi carregada no bocal, o bocal recarregado no instrumento, e o feixe de fótons autorizado a entrar na câmara.

O espectro de massa foi então coletado e comparado aos dados de eficiência de fotoionização, a fim de determinar a estrutura eletrônica das moléculas.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à espectrometria em 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!