Espectrometria de massa

Espectrômetro de massa.

A espectrometria de massas é uma técnica analítica física para detectar e identificar moléculas de interesse por meio da medição da sua massa e da caracterização de sua estrutura química. O princípio físico básico de um espectrômetro de massa consiste em criar íons de compostos orgânicos por um método adequado, separá-los de acordo com a sua taxa de massa/carga (m/z) e, por conseguinte, detectá-los qualitativa e quantitativamente[1][2][3] por sua respectiva taxa m/z e abundância.[4][5] A espectrometria de massas é frequentemente aplicada no controle de poluição, controle de comida, física atômica, determinação de parâmetros termodinâmicos, controle de qualidade de medicamentos quanto a sua pureza, gerando laudos e acompanhando rotas de síntese dos mesmos; datação radiométrica quantificando c14 para c12, c13 de orgânicos carbonizados; e muitos outros ramos científicos.[6]

Histórico

John Fenn, agraciado com o Nobel de Química em 2002

Em 1886, o físico alemão Eugen Goldstein observou raios formados em descargas de gás sob baixa pressão que viajava através dos canais em um cátodo perfurado na direção do ânodo, e chamou este fenômeno de "Kanalstrahlen" (raios canais). Mais tarde (1907), utilizando campos magnéticos demonstrou que os raios produzidos revelavam que a matéria era composta por elementos de massa variável, sendo que a mais leve era a do hidrogênio. Em experimentos paralelos utilizando fortes campos magnéticos e elétricos, Wilhelm Wien (1898) identificou a presença de um elemento com carga positiva e massa igual a do hidrogênio, e em 1911 recebeu o Prêmio Nobel de Física. Também em paralelo, diversos estudos estavam sendo realizados por Joseph J. Thomson, que em 1897 descobriu os elétrons, recebendo o Prêmio Nobel de Física em 1906, como reconhecimento por esta descoberta. Posteriormente, trabalhando sobre os experimentos de Wien, J. J. Thomson obteve 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. 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 massas, o que lhe permitiu descobrir 212 isótopos naturais e em 1922 ele recebeu o Prêmio Nobel de Química pela sua pesquisa. Os conceitos desenvolvidos por Arthur J. Dempster e Francis W. Aston são utilizados até hoje no desenvolvimento dos modernos espectrômetros de massas. Mais tarde, na década de 50, foi desenvolvida uma das principais técnicas de análise de massas, chamada de íon trap (armadilha de íons). Seus criadores, Hans G. Dehmelt e Wolfgang Paul receberam o Prêmio Nobel de Física (1989). Contudo, todas as técnicas de ionização e análise de massas até então desenvolvidas, não permitiam análises de moléculas de alta massa molecular, mas nos anos 80, John Bennett Fenn desenvolveu um método de ionização suave chamado de electrospray ionization, que permitiu a análise de macromoléculas com baixos níveis ou nenhuma fragmentação. Fenn juntamente com Koichi Tanaka, quem desenvolveu outra técnica suave de ionização chamada de soft laser desorption (1987), receberam o Prêmio Nobel de Química em 2002. A importância do desenvolvimento desta técnica analítica pode ser notada pelo grande número de Prêmios Nobel que foram dados aos seus criadores. [7]

Estrutura de um espectrômetro de massas

Estrutura de um espectrômetro de massa

Na espectrometria de massas quase qualquer técnica para alcançar as metas de ionização, separação e detecção de íons em fase gasosa se aplica. Com isso, há uma configuração básica para todos os tipos de espectrômetros de massas. Um espectrômetro de massas consiste de uma fonte de íons (em que os componentes de uma amostra são convertidos em íons, através de um agente ionizante), seguido por um analisador de massas que separa os íons de acordo com a taxa m/z e um detector, o qual conta e transforma a corrente de íons em sinais elétricos que posteriormente vão para um sistema de computador que processa o sinal, todos os componentes do espectrômetro sendo operados sob condições de alto vácuo.[5] O resultado é um espectro de massas, que é uma representação, em duas dimensões, da intensidade do sinal (eixo das ordenadas), (que reflete diretamente a abundância das espécies iônicas) versus m/z(abscissa).[8] O espectrômetro de massas é, assim, composto de quatro partes:

• O sistema de introdução de amostras

Os métodos mais comuns são :

• a inserção direta: a amostra é colocada em primeiro lugar sobre uma sonda e, em seguida, inserido na região de ionização do espectrômetro de massas, tipicamente através de um bloqueio de vácuo, após a amostra é aquecida e evaporada).
• a infusão direta: Um capilar simples ou uma coluna capilar é utilizado para introduzir uma amostra, tal como um gás ou uma solução. Essa técnica, por exemplo inclui a cromatografia de gás.[5][9]
• A fonte de ionização: Nessa etapa a consideração mais importante é a energia interna transferida durante os processos de ionização e as propriedades físico-químicas que podem ser ionizados.Como exemplos de algumas fontes de ionização, temos:
• Ionização por elétrons
• Ionização química
• Bombardeamento atômico rápido(FAB)
• ionização química à pressão atmosférica
• ionização por electrospray
• A matriz de dessorção a laser assistida por ionização (MALDI)
• Analisador de massas: etapa em que ocorre a separação dos íons de acordo com a relação massa/carga (m/z). Há analisadores de baixa resolução: o quadrupolo (Q), o ion trap 3D (IT) ou linear (LIT) e analisadores de alta resolução ,que medem a massa exata dos analitos: o setor magnético acoplado com um setor elétrico, o tempo de voo (TOF),Transformada de Fourier de ressonância cíclotron de íons (FT-ICR) e Orbitrap. Estes analisadores podem ser acoplados em conjunto para executar as experiências de espectrometria de massas em tandem . Em geral, um primeiro analisador separa os íons, uma célula de colisão é usada para os íons do fragmento, e um segundo analisador os separa do fragmento. Alguns analisadores, como armadilhas de íons(ion trap,em inglês) e FT-ICR, constituem vários analisadores e permitem uma fragmentação dos íons e análise dos fragmentos diretamente.
• O sistema de detecção e processamento: etapa em que o detector transforma a corrente dos íons em sinal elétrico. Além disso, o detector amplifica o sinal obtido o qual pode ser processado por computador, criando, por conseguinte, o espectro de massas correspondente.[6]

Fontes de ionização

Algumas técnicas de ionização são muito energéticas e causam fragmentações extensivas. Outras técnicas são energeticamente menos intensas e produzem somente íons de espécies moleculares. Ionização por elétrons , ionização química, por exemplo, são somente úteis para ionização de fases gasosas e , então,seu uso é limitado a componentes suficientemente voláteis e termicamente estáveis.[6]

Ionização por elétrons(EI)

Diagrama da ionização por elétrons.A proporção dos produtos depende da energia dos elétrons

A fonte de ionização por íons foi concebido por Dempster e aperfeiçoada por Bleakney e Nier. Essa fonte de ionização é largamente usada na espectrometria de massas orgânica. Essa fonte consiste de um filamento aquecido que ejeta elétrons , os quais são acelerados em direção ao ânodo e colidem com as moléculas gasosas da amostra analisada.Para cada elétron ejetado corresponde um comprimento de onda, por exemplo, 2.7 A para um energia cinética de 20 eV. Quando o comprimento da onda é da ordem dos comprimentos de ligação da amostra analisada, a onda é perturbada e se torna complexa. Se uma das frequências dos elétrons têm energia correspondente a da transição da molécula, está pode absorvê-la e, então, produzir várias excitações eletrônicas. Em moléculas orgânicas, desde que 10 eV é suficiente para ionizá-las, e em um espectrômetro com condições usuais, a energia dos elétrons são em média de 70 eV, o excesso de energia orienta a uma fragmentação extensiva.Está fragmentação é útil , pois ele fornece informações estruturais de analitos desconhecidos.[6]

Ionização química

Fonte de ionização química

Em adição ao dispositivo EI acima, um gás reativo é introduzido na fonte e ionizado por impacto de elétrons. Segue-se uma série de reações que dão origem aos íons que podem reagir com as moléculas de analito que chegam da fonte. Este tipo de molécula-íon do produto de reação principalmente (em modo positivo) íon [MH]^+, permitindo o acesso a massa molecular da substância a analisar. O metano, isobutano e amônia estão entre os gases de ionização química mais utilizados. Para a detecção de moléculas globalmente eletronegativas , incluindo porções de derivados halogenados, utiliza-se a ionização química negativa. O princípio é carregar negativamente as moléculas do analito e bombardeá-las com elétron que serão capturados pelas moléculas eletronegativas. Devido à alta probabilidade de captura do elétron, este tipo de ionização pode ser 1000 vezes mais sensível do que a ionização química positiva.[10]

Bombardeamento por átomos rápidos

Bombardeamento por átomos rápidos , ou FAB(em inglês), é uma fonte de ionização que usa uma matriz e um feixe de partículas altamente energéticos para dissolver íons da superfície . O FAB usa um feixe de íons contínuos e tem tipicamente uma matriz líquida . As duas matrizes mais comuns usadas no FAB são álcool m-nitrobenzil e glicerol. O FAB é uma fonte de ionização suave que requer como técnica de introdução de amostra a inserção direta e um feixe de átomos neutros Xe ou íons Cs+ para fazer crepitação (sputter, em inglês) da amostra .Os átomos ou íons rápidos colidem com a matriz fazendo com que a matriz e o analito sejam dessorvidos para dentro da fase gasosa. A amostra já pode ser carregada e subsequentemente transferida para a fase gasosa por FAB, ou pode tornar-se carregada durante a dessorção por FAB através da reações com íons ou moléculas vizinhas. Uma vez na fase gasosa, as moléculas carregadas eletrostaticamente podem ser impelidas para o analisador de massas.[5][6]

Ionização por Electrospray(ESI)

Fonte de ionização por electrospray

Uma explicação física da ESI é que, a pressão atmosférica, uma voltagem(3-6 KeV ) entre o capilar(onde um líquido está passando com fluxo baixo (1–10) µlmin^−1), e o eletrodo produz um gradiente elétrico sobre o fluido que separa as cargas na superfície. Isso força o líquido a sair da agulha como um cone de Taylor. A ponta do cone de Taylor sobressai como um filamento até que o líquido atinge o limite de Rayleigh, onde a tensão superficial e repulsão eletrostática são iguais e as gotículas altamente carregadas deixam o filamento. As gotículas que rompem com o filamento são atraídos para a entrada do espectrômetro de massas, devido à alta tensão oposta à entrada do analisador de massas. À medida que a gota se move no sentido dos analisadores, a repulsão de Coulomb sobre a superfície ultrapassa a tensão superficial fazendo com que as gotículas então fragmentem-se em gotículas menores e em última análise libertando íons, que são orientados, por eletrostática, para o vácuo do analisador de massas.[6]

Ionização química à pressão atmosférica (APCI)

APCI tornou-se também uma importante fonte de ionização porque gera íons diretamente a partir da solução e é capaz de analisar os compostos relativamente apolares. Semelhante a electropray, o efluente líquido do APCI é introduzido diretamente na fonte de ionização. No entanto, a semelhança para. As gotículas não são carregadas e a fonte APCI contém um vaporizador aquecido, o que facilita a rápida vaporização das gotículas. Moléculas de amostra vaporizadas são transformadas em moléculas-íons por reações à pressão atmosférica. A ionização APCI origina-se do solvente sendo ionizado a partir da descarga corona. Uma vez que os íons de solventes estão presentes em condições de pressão atmosférica, a ionização química de moléculas de analito é muito eficiente; à pressão atmosférica moléculas de analito colidem com os íons reagentes frequentemente. Transferência de prótons ( reações de protonação MH^+) ocorre no modo positivo, e, ou a transferência de elétrons ou a perda do próton, ([MH]^-) no modo negativo.[5][6]

MALDI

Fonte de ionização MALDI

A técnica MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization) consiste na mistura da amostra a ser analisada com uma matrix sobre uma placa de metal condutora. Depois da cristalização da matriz junto com a amostra, a placa metálica é introduzida no espectrômetro de massas, onde é bombardeada com breves pulsos de laser. Quando esta matrix absorve a energia emitida por um laser, ocorre a transferência de prótons da matriz para os componentes da amostra e ao mesmo tempo desencadeia-se um processo de dessorção, o que possibilita a passagem da amostra do estado sólido para o gasoso. Os componentes da amostra ionizados e dessorvidos são direcionados para o analisador TOF, onde são acelerados através de um campo elétrico dentro de um tubo a vácuo, até que atinja o detector. Neste tubo a vácuo, os componentes da amostra são separados de acordo com suas relações m/z, chegando ao detector em diferentes tempos.[6] [11][12]

Analisadores de massas

Os analisadores são diferenciados pelo seu princípio de medição da razão m / z dos íons, que são:

• a dispersão dos íons com base no seu tempo e energia cinética (ou nos seus instrumentos de setor elétrico ou magnético).
• a separação em tempo, com base na velocidade dos íons (TOF)
• a transmissão de íons através de um campo eletrodinâmico (quadrupolo)
• movimento periódico em um campo magnético, ou eletrodinâmica ( armadilhas de íons)

Força de Lorentz

Parte elétrica.

Parte magnética.

O analisador de massas é a parte mais flexível do espectrômetro de massas. Utiliza um campo elétrico ou magnético para afetar o caminho ou a velocidade de partículas carregadas. A força exercida pelos campos elétricos e magnéticos é definida pela força de Lorentz[13]:

${\displaystyle {\vec {F}}=q({\vec {E}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}})}$

em que:

• ${\displaystyle {\vec {E}}}$ é o vetor campo elétrico,
• ${\displaystyle {\vec {B}}}$ é o vetor campo magnético,
• ${\displaystyle \ q}$ é a carga da partícula,
• ${\displaystyle {\vec {v}}}$ é o vetor velocidade e
• ${\displaystyle \times }$ simboliza o produto vetorial.

Todos os analisadores têm como princípio físico a aplicação das forças de Lorentz, de uma forma ou de outra, na determinação da taxa massa-carga (m/z), estática ou dinâmica. Além dos tipos de analisadores de massas originais da área magnética, outros tipos de analisadores atualmente usam esse princípio, incluindo os analisadores de massas de tempo de voo (TOF), de armadilha de íons,analisadores de quadrupolo e TF-ICR.

O analisador quadrupolar

Seção de um quadrupolo

Esses analisadores de massas apresentam três principais vantagens. Eles toleram a pressões relativamente altas. Em segundo lugar, os quadrupolos têm uma significativa escala de massa com a capacidade de se analisar uma taxa m / z de 4000, que é útil porque a ionização por electropray de proteínas e outras biomoléculas comumente produzem distribuições de carga a partir de taxas de m / z de 1000 e 3500. Finalmente, espectrômetros de massas de quadripolos são instrumentos de relativamente baixo custo.

Analisadores de massas de quadrupolo estão ligados em paralelo a um gerador de radiofrequência (RF) e um potencial DC. Num campo de RF específico, os íons de diferentes massas que se apresentam em conjunto dentro da armadilha, são expelidos de acordo com as suas massas de modo a obter o espectro.

À medida que os íons se repelem na armadilha, as suas trajetórias se expandem como uma função do tempo. Para evitar perdas de íons por essa expansão, cuidados devem ser tomados para reduzir a trajetória.Isto é conseguido através da manutenção na armadilha de uma pressão de gás hélio, que remove excesso de energia a partir dos íons por colisão. Esta pressão paira em torno de 10^−3Torr (0,13Pa).

Diagrama de estabilidade dos íons em um quadrupolo

Uma bomba de alto vácuo com um único fluxo de cerca de 40 ls^−1 é suficiente para manter um tal vácuo em comparação com os 250 ls^−1, necessários para outros espectrômetros de massas.

Esquema da trajetória da estabilidade de um íon em um quadrupolo

Aqui, novamente, uma análise matemática utilizando as equações de Mathieu permite-nos localizar áreas em que os íons de determinados massas têm uma trajetória estável. Estas áreas podem ser exibidas em diagrama como uma função de U, o potencial direto, e de V, a amplitude do potencial alternado. As áreas em que os íons são estáveis são aquelas em que as trajetórias nunca excedem as dimensões da armadilha.[6][14]

FT-ICR

Esquema de uma célula cúbica ICR

Nesse analisadores de massas temos de modo resumido as seguintes etapas: Uma cela cúbica é posicionada no centro de um ímã supercondutor (~3-7 T). Os íons formados dentro da cela (ou ali injetados) se movem em uma trajetória circular perpendicular ao eixo do campo magnético, de frequência angular (frequência de ressonância ciclotrônica) wc proporcional ao campo magnético B e as suas relações m/z's:

${\displaystyle \ wc={\frac {zeB}{m}}}$.

• Para evitar que íons escapem da cela, uma baixa voltagem dc é aplicada aos eletrodos de aprisionamento gerando um campo elétrico E perpendicular ao campo magnético B.
• Uma voltagem rf é aplicada aos eletrodos transmissores (laterais). Varre-se então

rapidamente a frequência da voltagem rf (pulso) mantendo-se B constante.

Etapas de um espectrômetro de massa ICR : a)íons antes de excitação, b) Excitação de íons até uma certa órbita, c) o movimento coerente de íons de mesma relação m / z

Quando a

frequência de rf (wrf) se iguala a frequência angular de oscilação de algum íon: wc, este absorve energia com aumento de velocidade e do raio de sua orbita mas sem alterar a frequência de sua oscilação. Após poucas rotações, os íons que absorveram energia estarão se movendo sincronizadamente. Esta oscilação ciclotrônica é sentida pelos eletrodos receptores (superior e inferior), produzindo uma corrente com frequência igual a wc. Rápida variação de wrf pode ser realizada, sendo o espectro de massas obtido pela aplicação da transformada de Fourier. Na prática, o campo magnético aplicado pelo supercondutor magnético é de (3-9)T. Para um campo de 3T , por exemplo, a frequência cíclotron é 1.65 MHz a 28Th e 11.5KHz a 4000Th. A primeira aplicação de ressonância cíclotron iônica para espectrometria de massas é devido a Sommer.[6]

Orbitrap

Trajetória dos íons através de um orbitrap (em vermelho)

O Orbitrap consiste de um eletrodo oco, no interior do qual é colocado coaxialmente um eletrodo em forma de fuso. A forma particular dos eletrodos permite a imposição de um campo eletrostático quadro-logarítmica com a tensão:

${\displaystyle \ U(r,z)={\frac {k}{2}}\cdot (z^{2}-{\frac {r^{2}}{2}})+{\frac {k}{2}}\cdot Rm^{2}\cdot ln({\frac {r}{Rm}})+C}$.

Rm como raio característico do eletrodo central, k a curvatura de campo, e C uma constante.
O campo quadripolar é principalmente ao longo do eixo z dos eletrodos. Os íons são injetados tangencialmente para o eletrodo central e preso em torno dele, a força eletrostática é a que compensa as “forças centrífugas”. O movimento de íons é então decomposto do seguinte modo: um movimento circular em torno do eletrodo central no plano (x, y) e um movimento oscilatório e para trás de acordo com o eixo Z. Em particular, os íons com uma relaçao m / z estão no mesmo percurso circular que oscila axialmente com uma frequência f. f é independente da velocidade ou da energia dos íons e é expressa como 1 / 2π√ (m / z). Da mesma forma que para FT-ICR, a corrente induzida por estas oscilações permite uma transformada de Fourier para aceder a relação m /z. A exatidão das medidas da taxa m / z é particularmente boa (1-2 ppm) e resolução (até 100.000) que rivaliza com FT-ICR, especialmente sendo proporcional a 1 / √ (m / z) o qual diminui menos rapidamente com a relação m / z que, no caso de FT-ICR. O Orbitrap é usado principalmente em espectrometria de massas acoplada com uma armadilha linear(em inglês, Linear Ion Trap).[15][16]

Detectores

Uma vez que os íons são separados por um analisador de massas, eles atingem o detector de íons, o qual gera uma corrente de sinal para os íons incidentes. O mais comumente usado detector é o multiplicador de elétrons, que transfere a energia cinética dos íons incidentes para a superfície , que por sua vez gera elétrons secundários . No entanto , uma variedade de abordagens são usados para detectar os íons dependendo do tipo de espectrômetro de massas.^[^carece de fontes?]

Multiplicadores de elétrons

Esquema da cascata de elétrons que ocorre nos multiplicadores de elétrons

Talvez a maneira mais comum de detecção de íons envolve um multiplicador de elétrons , que é constituído por uma série (12 a 24) dínodos de óxido de alumínio (Al₂O₃) mantidos em potenciais cada vez maiores. Os íons ao atingir a superfície do primeiro dínodo causam neste uma emissão de elétrons. Estes elétrons são então atraídos para o próximo dínodo , que está em um maior potencial, e, portanto, mais elétrons secundários são gerados. Em última análise, como numerosas dínodos estão envolvidos, uma cascata de elétrons é formado que resulta num ganho total de corrente na ordem de um milhão ou superior.[5][6]

Copo de Faraday

Espectrometria de massa Esquema do copo de Faraday

Um copo de Faraday envolve um íon que colide em uma superfície (BeO, GaP, ou CsSb) do dínodo que faz com que os elétrons secundários sejam ejetados. Esta emissão de elétrons temporária induz uma carga positiva no detector e, portanto, uma corrente de elétrons de fluxo para o detector. Este detector não é particularmente sensível, oferecendo limitada amplificação de sinal, ainda que é tolerante em uma pressão relativamente alta.[6]

Dínodo conversor fotomultiplicador

O detector dínodo fotomultiplicador de conversão não é tão utilizado como multiplicador de elétrons, mas é semelhante em funcionamento, em que os elétrons secundários atingem uma tela fosforecente em vez de um dinodo. Os fótons que saem da tela fosforecente são detectados pelo fotomultiplicador. Fotomultiplicadores também operam como o multiplicador de elétrons, onde a colisão dos fótons na superfície de um cintilador resulta no surgimento de elétrons, que são então amplificados utilizando o princípio da cascata. Uma vantagem do dinodo de conversão é que o tubo fotomultiplicador é selado em vácuo, não exposto ao meio ambiente do espectrômetro de massas e, assim, a possibilidade de contaminação é removida.[6]

Espectrometria de massas do tipo Tandem

Tandem-MS pode ser entendido como espectrometria de massas de modo sequencial, ou seja, uma sequência de análise que envolve pelos menos três estágios. O primeiro estágio é a seleção de um íon precursor (assim chamado porque dele serão formados outros íons). O segundo estágio consiste na ruptura deste íon precursor para gerar íons-fragmentos. O terceiro estágio compreende a análise e detecção destes fragmentos formados com adequados equipamentos. As configurações mais comuns são os triplo quadrupolos que são equipamentos que apresentam três componentes em sequência, sendo dois analisadores separados por uma câmara de fragmentação.[5][17]

Espectrômetro de massa triplo quadrupolo(TQMS)

Estrutura de um triplo quadrupolo

Um espectrômetro de massas triplo quadrupolo é um espectrômetro de massas Tandem consistindo de dois analisadores de massas quadrupolares em série com uma frequência de rádio(RF) de quadrupolos apenas entre eles para atuar como uma célula para a dissociação ativada por colisão (em inglês collisionally activated dissociation).

Princípio de operação

Patente de Paul 2939952 Fig5

Essencialmente, o espectrômetro de massas triplo quadrupolo opera sob os mesmos pretextos como o único analisador de massas quadrupolo. Cada um dos dois filtros de massas (Q1 e Q3) contém quatro barras metálicas cilíndricas paralelas. Ambos Q1 e Q3 são controlados por corrente contínua (DC) e potenciais de radio-frequência(RF), enquanto que a célula de colisão(q) só é submetida ao potencial RF. O potencial de RF associado com a célula de colisão (q) permite todos os íons que foram selecionados a passar pelo analisador . Em alguns instrumentos, a célula de colisão quadrupolo padrão, foi substituído por hexapolo ou células de colisão octopolo que melhoram a eficiência. Instrumentos de setor (termo geral para uma classe de espectrômetros que usam um campo elétrico ou um setor magnético ou alguma combinação dos dois (separadamente no espaço) como um analisador de massas) tendem a ultrapassar as TQMS em resolução de massa e escala de detecção de massa. No entanto, o triplo quadrupolo tem a vantagem de ser mais barato, fácil de operar, e altamente eficiente. Além disso, o triplo quadrupolo permite o estudo de reações de baixa energia, o que é útil quando as moléculas pequenas estão sendo analisadas.[5]

Instrumentação

Esquema de um espectrômetro de massa triplo quadrupolo

Nas TQMS, vários métodos de ionização podem ser utilizados. Alguns deles incluem ionização por electrospray, ionização química, ionização de elétrons, ionização química à pressão atmosférica , MALDI, os quais produzem um fornecimento contínuo de íons. Tanto o primeiro analisador de massas quanto a célula de colisão são expostos continuamente a íons da fonte, de uma maneira independente do tempo. Uma vez que os íons passam para o terceiro analisador de massas, a dependência com o tempo se torna um fator. O primeiro filtro de massas de quadrupolo, Q1, é o primeiro seletor da taxa m / z depois que a amostra deixa a fonte de ionização. Quaisquer íons com taxas de massa-carga diferentes daquele selecionado não serão permitidos a se infiltrar Q1. A célula de colisão, denotada como "q", situa-se entre Q1 e Q3, e é onde a fragmentação da amostra ocorre na presença de um gás inerte tal como o Ar, He, ou N2. Um “íon-filho” é produzido como resultado das colisões do gás inerte com o analito. Ao sair da célula de colisão, os íons fragmentados, em seguida, viajam para o segundo filtro de massas quadrupolo, Q3, onde a seleção m / z pode ocorrer novamente.

Porque o triplo quadrupolo é um instrumento de varredura, o tipo de sistema de detecção utilizado deve ser capaz de detectar íons com uma relação m / z por vez. Na maioria dos detectores comuns, o multiplicador de elétrons, é muitas vezes combinado com o triplo quadrupolo. O multiplicador de elétrons permite um tempo de resposta mais rápido, aumento da sensibilidade e ganho mais elevado. No entanto, eles têm um tempo de uso limitado devido a sobrecarga. Empregando ao TQMS proporciona maior seletividade, uma melhor precisão e maior reprodutibilidade ; todos os quais são limitados em analisadores de massa quadrupolos individuais. [18]

Espectrômetro de massas híbrido

Alguns espectrômetros de massas combinam vários tipos de analisadores. Os mais comuns incluem dois ou mais dos seguintes analisadores: Quadrupolos, TOF (time of flight), ressonância ciclotrônica de íons ou orbitrap. Estes são nomeados instrumentos híbridos. O objetivo de um instrumento híbrido é combinar os pontos fortes de cada analisador, evitando a combinação de suas fraquezas. Assim, melhores desempenhos são obtidos com um instrumento híbrido que com analisadores isolados.[5][6]

Analisadores eletromagnéticos acoplados a quadrupolos ou armadilhas iônicas

Espectrômetro híbrido de configuração BeqQ .

Eles são frequentemente compostos de um instrumento magnético na frente de um analisador quadrupolo. Íons podem ser analisados com alta resolução no instrumento magnético e então com baixa resolução na parte do quadrupolo. Duas opções estão disponíveis para os dois analisadores, que respeitem o requisitos de cada tipo de analisador em termos de energia cinética. Com efeito, a energia cinética deve estar na gama de quilovolts na parte eletromagnética e dezenas de volts nos quadrupolos. A primeira opção consiste em retardar todos os íons quando eles saem do analisador eletromagnético, o qual é fácil, porque, nesta fase, todos eles têm a mesma energia cinética. Íons com uma baixa energia são então fragmentados através de colisões no primeiro quadrupolo(q) e analisados no segundo quadrupolo P. A segunda opção consiste em alcançar com alta energia colisões em uma célula de colisão localizado na saída do analisador magnético, antes de entrar no primeiro quadrupolo. Os fragmentos estão então com energia cinética que é compatível com os quadrupolos. No entanto, neste caso, todos os fragmentos têm a mesma velocidade que seus precursores, e, portanto, têm energias cinéticas diferentes. Os primeiros espectrômetros híbridos resultantes da combinação de setores magnéticos com quadrupolos foram os instrumentos de confuguração BeqQ.[6]

Analisador de armadilha de íons(IT) combinado TOF ou ICR

Espectrômetro híbrido de configuração IT TOF

Vários instrumentos híbridos recentemente combinam analisadores TOF e IT em uma configuração IT TOF. A IT é usada para acumular íons e fazer a seleção de íons e ativação dos experimentos em espectrometria de massas antes da análise no TOF. Todos os íons que são acumulados na armadilha são então ejetados no analisador TOF. Por isso, o analisador TOF é usado para análise de massas ao invés de métodos de ejeção clássicos de íons usados com ITs. Em comparação com instrumentos TOF, sensibilidade superior é alcançada pelo acúmulo de íons na IT. Em comparação com os instrumentos de IT,a análise por TOF reduz o tempo e permite a análise rápida, amplia a faixa de massas que pode ser detectada, e dá uma melhor resolução. Um analisador de IT tem sido também acoplado a um instrumento TF-ICR , obtendo-se um instrumento híbrido de configuração IT ICR. Este instrumento híbrido dá uma sensibilidade elevada, uma alta resolução de 100 000FWHM e uma precisão de massa elevada de 1 a 2 ppm(partes por milhão) com calibração externa em 1 varredura por segundo. Um similar instrumento híbrido na qual o analisador ICR é trocado por um analisador orbitrap tem também sido utilizado. Este instrumento tem especificações similares ao instrumento IT ICR.[6]

Resolução

A resolução é a habilidade de um espectrômetro de massas distinguir entre íons de diferentes taxas m/z. Por isso, maior a resolução corresponde ao aumento na habilidade de diferenciar íons. A mais comum definição de resolução é dada pela equação a seguir:

${\displaystyle R={\cfrac {M}{\Delta M}}}$ = Resolução

em que M corresponde a taxa m/z e ΔM a largura a meia altura(FWHM).[5][6]

Tabela 1–Uma comparação geral de analisadores de massas normalmente utilizada para electrospray . Estes valores variam de acordo com a fabricação do instrumento.

	quadrupolo	Ion trap	TOF	Setor magnético	FTMS	quadrupolo-TOF
Precisão	0.01%(100ppm)	0.01%(100ppm)	0.02%(200ppm)	<0.0005% (<5 ppm)	<0.0005% (<5 ppm)	0.001% (10 ppm)
Resolução	4,000	4,000	8,000	30,000	100,000	10,000
Taxa m/z	4,000	4,000	>300,000	10,000	10,000	10,000

Calibração de massa

Até agora, os conceitos de massa exata, precisão e resolução de massa foram introduzidas sem considerar os meios através dos quais as medições de massa precisas podem ser realizadas. A chave para este problema é a calibração de massa. Resolução sozinha pode separar íons de diferentes valores de taxa m / z, mas não inclui automaticamente a informação da precisa localização no eixo m / z dos respectivos sinais.[5]

Calibração de massa externa

Todo espectrômetro de massa requer a calibração de massa antes de ser utilizado. Contudo, o número de pontos de calibração necessários pode diferir largamente entre os diferentes tipos de analisadores de massas.Estes pontos são fornecidos a partir de um composto de calibração de massa conhecido ou composto de referência em massa. A calibração é então realizada pela gravação do espectro de massas do composto de referência e posteriormente correlação com os valores experimentais das taxas m/z de uma lista de referência de massa. Normalmente, esta conversão é acompanhada pelo sistema de arquivos do espectrômetro de massas.Deste modo, o espectro de massas é recalibrado por interpolação da escala m / z entre a calibragem atribuída aos picos para obter a melhor correspondência. A calibração de massa obtido pode então ser armazenada em um arquivo de calibração e usado para medições futuras sem a presença de um composto de calibração.[5]

Calibração de massa interna

Se as medições de alta resolução são realizados a fim de atribuir composições elementares,a calibração de massa interna é quase sempre necessária. O composto de calibração pode ser introduzido a partir de um segundo sistema de admissão ou ser misturado com o analito antes da análise. Misturar os compostos de calibração com a substância a analisar exige algumas habilidades operacionais a fim de não suprimir o que se quer analisar pela referência ou vice-versa. Portanto, uma entrada separada para introduzir o composto de calibração é vantajoso. Isto pode ser conseguido mediante a introdução de padrões voláteis, tais como PFK a partir de um sistema de entrada de referência na ionização de elétrons, através da utilização de uma sonda de duplo-alvo no bombardeamento atômico rápido, ou pela utilização de um segundo pulverizador na ionização por electrospray.[5]

Aplicações

A espectrometria de massas é utilizada na análise química analítica e como um método para a determinação de elementos químicos ou compostos. Nesta forma, espectrômetros de massas são usados ​​em muitos campos da ciência e da tecnologia para a análise de materiais, incluindo química, biologia, arqueologia e climatologia.

Também se utiliza a espectrometria de massas em partículas. Nesta área, no entanto, o objetivo não é tanto a análise de elementos químicos, mas a determinação das massas de partículas elementares e núcleos atômicos ou a detecção de partículas ainda desconhecidas.

Bioquímica

A espectrometria de massas é utilizada em proteoma e metaboloma, onde o uso corresponde, em grande parte em química. A Espectrometria de massas de proteínas foi nomeado pela revista Nature Methods o método do Ano 2012.[19]

Exemplo de um espectro de massas: o peptídeo DSAHGFLK

Ver também

• Biofísica
• Espectroscopia
• Espectroscopia de infravermelho

Referências

1. Cox, Jürgen; Hein, Marco Y.; Luber, Christian A.; Paron, Igor; Nagaraj, Nagarjuna; Mann, Matthias (1 de setembro de 2014). «Accurate Proteome-wide Label-free Quantification by Delayed Normalization and Maximal Peptide Ratio Extraction, Termed MaxLFQ *». Molecular & Cellular Proteomics (em inglês) (9): 2513–2526. ISSN 1535-9476. doi:10.1074/mcp.M113.031591. Consultado em 7 de abril de 2022 
2. Calderón-Celis, Francisco; Cid-Barrio, Laura; Encinar, Jorge Ruiz; Sanz-Medel, Alfredo; Calvete, Juan J. (agosto de 2017). «Erratum to "Absolute venomics: Absolute quantification of intact venom proteins through elemental mass spectrometry"». Journal of Proteomics: 138–140. ISSN 1874-3919. doi:10.1016/j.jprot.2017.07.009. Consultado em 7 de abril de 2022 
3. Bantscheff, Marcus; Lemeer, Simone; Savitski, Mikhail M.; Kuster, Bernhard (8 de julho de 2012). «Quantitative mass spectrometry in proteomics: critical review update from 2007 to the present». Analytical and Bioanalytical Chemistry (4): 939–965. ISSN 1618-2642. doi:10.1007/s00216-012-6203-4. Consultado em 7 de abril de 2022 
4. Urban, Pawel L. (28 de outubro de 2016). «Quantitative mass spectrometry: an overview». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (2079). 20150382 páginas. PMC 5031646. PMID 27644965. doi:10.1098/rsta.2015.0382. Consultado em 7 de abril de 2022 
5. Gross, Jünger (2004). Mass spectrometry a textbook 1ª ed. [S.l.]: Springer. ISBN 10 3-540-40739-1 Verifique |isbn= (ajuda) 
6. Edmond de;Stroobant, Hoffman;Vicent (2007). Mass spectrometry principles and aplications 3ª ed. [S.l.]: Wiley. ISBN 978-0-470-03310-4 
7. http://www.biq.iqm.unicamp.br/arquivos/teses/vtls000321813.pdf
8. http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0124802_03_cap_02.pdf
9. http://old.vscht.cz/clab/ms/samples.htm
10. Gas Chromatography and mass spectrometry : a practical guide, Kitson, Larsen & McEwen, academic press, 1996
11. http://www.institutonanocell.org.br/maldi-tof-uma-ferramenta-revolucionaria-para-as-analises-clinicas-e-pesquisa-do-cancer/
12. Hiraoka, Kenzo (2013). Fundamental of mass spectrometry. [S.l.]: Springer. ISBN 978-1-4614-7232-2 
13. David J. Griffiths, Eletrodinâmica, 3ª edição.
14. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.112.6004&rep=rep1&type=pdf
15. Hu, Q.;Noll, R.J.; Li, H.;Makarov, A.; Hardman, M.; Cooks, G., J. Mass Spectrom. 2005 40(4), 430
16. Makarov, A.; Denisov, E.; Kholomeev, A.; Balschun, W.; Lange, O.; Strupat, K.; Horning, S. Anal Chem. 2006 78(7), 2113
17. http://www.chem.uky.edu/research/lynn/pdfs/tandem.pdf
18. Hail, M. E.; Berberich, D. W.; Yost, R.A. (1989). «Gas chromatographic sample introduction into the collision cell of a triple quadrupole mass spectrometer for mass-selection of reactant ions for charge exchange and chemical ionization». Analytical Chemistry. 61 (17): 1874–1879. doi:10.1021/ac00192a019 
19. Anonym: Method of the Year 2012. In: Nature Methods. 10, 2012, S. 1, doi:10.1038/nmeth.2329.