Espectrometría de Masas

Espectrometría
de Masas
Q. Georgina Duarte Lisci
Facultad de Química
UNAM
INTRODUCCIÓN
Cronología de la EM
Investigador (es)
Año
Contribución
J.J. Thompson
1912
Primer espectrómetro de masas
Dempster
1918
Electro-ionización y enfoque magnético
Stephens
1946
Analizador de Tiempo de Vuelo (TOF)
Nier-Johnson
1952
Instrumentos de doble enfoque
Paul, Steinwedel,
Raether, Reinhard y
von Zahn
1953
-58
1955
Analizador cuadrupolar
Gohlke y
McLafferty
Beynon
1956
1956
Cromatografía de Gases/Espectrometría de
Masas
Espectrometría de Masas de alta resolución
Munson y Field
1966
Ionización Química
Wiley y McLaren
Diseño avanzado del analizador de tiempo
de vuelo (TOF)
INTRODUCCIÓN
Cronología de la EM
Investigador (es)
Dole, Mack, Hines, M.
Ferguson y Alice
Año
Contribución
1968
Ionización por
Electro-spray (ESI)
1973
Cromatografía de
Líquidos/Espectrometría
de Masas
McLafferty
Barber, Bordoli, Sedgwick,
Tyler, Surman y
Vickerman
1981
Blakely y Vestal
1983
Yamashita, Fenn, Aleksandrov,
Gall, Krasnov, Nikolaev,
Pavlenko, Shkurov, Dokl,
Baram y Garacher
1984
Bombardeo de
átomos rápidos
(FAB)
Ionización por
Termo-spray
Aplicación de la
ionización por Electrospray (ESI) en
macromoléculas
J. J. Thompson, 1912
Joseph John
Thompson, 1912
Ventajas de la
Espectrometría de Masas
9Capacidad de Identificación
Identificación inequívoca de casi cualquier tipo de substancia, desde
átomos hasta moléculas complejas de peso molecular elevado
9Análisis cualitativo y cuantitativo
9Identificación de una substancia en presencia de otras similares
9Alta sensibilidad
9Técnica universal y específica
9Información isotópica
9Información estructural, energías de enlaces, cinética,
fisicoquímica, etc.
9Técnica rápida (análisis en línea en tiempos reales, control de
procesos enzimáticos, metabólicos, etc)
¿Por qué es importante la
Espectrometría de Masas?
Porque es una técnica analítica poderosa
utilizada para:
‰ Identificar compuestos químicos
‰ Cuantificar compuestos químicos
‰ Proveer información válida en áreas como la
química, física, astronomía, geología,
biología, criminalística, etc.
Algunas aplicaciones específicas
de la Espectrometría de Masas:
™ Detectar e identificar el uso de fármacos de
abuso en atletas (antidoping)
™ Monitorear los gases de la respiración en
pacientes durante cirugía
™ Determinar la composición de materiales
provenientes del espacio exterior
™ Determinar adulteración en la miel de abeja
Algunas aplicaciones específicas
de la Espectrometría de Masas:
™ Localizar depósitos petroleros (midiendo
precursores del petróleo en rocas)
™ Monitorear fermentaciones en línea (industria
biotecnológica)
™ Detectar contaminantes orgánicos en aire,
agua, suelo y alimentos
™ Determinar algunos tipos de envenenamiento
(criminalística)
INTRODUCCIÓN
EM Diagrama General
Sistema
de entrada
Sistema
de Cómputo
Cámara
de
Ionización
Detector
Analizador
Sistema de Alto Vacío
Componentes principales de
un Espectrómetro de Masas
9 Sistema
de bombeo
9 Sistema de entrada
9 Fuente de Iones (Cámara de Ionización)
9 Óptica Iónica
9 Analizador Másico
9 Detector
9 Línea de transferencia (CG-EM)
Sistema de Bombeo
Tipos de Bombas de Vacío
Sistemas de Entrada
•
Muestras Puras
„
•
Entrada directa
™ Sonda de Introducción Directa (DIP)
™ Sonda de Exposición Directa (DEP)
Mezclas
„
„
„
„
„
Cromatografía de Gases
Cromatografía de Líquidos
Electrocromatografía
Electroforesis Capilar
Extracción de Fluídos Supercríticos
Entrada Directa
Sonda de Inserción Directa (DIP)
La muestra en disolución se coloca en un tubo capilar de vidrio
Temperatura máxima: 300oC
Diferentes velocidades de Calentamiento
Posibilidad de calentamiento directo de la muestra (sin solubilizar)
Sonda de Esposición Directa (DEP)
La muestra en disolución se coloca en un filamento
Calentamiento balístico
Rampas de temperatura programables
Alcanza hasta 1000oC
Tipos de Ionización
9 Ionización en Fase Gaseosa:
9 Ionización y Desorción:
9 Bombardeo de Partículas:
9 Ionización a Presión
Atmosférica:
9 Desorción Lasser
Electroionización (EI)
Ionización Química (CI)
Desorción de Campo (FD)
Ionización de Campo (FI)
Bombardeo de Atomos Rápidos
(FAB)
Espectrometría de Ión Másico
Secundario (SIMS)
Electroespray (ESI)
Termospray
Ionización Química a Presión
Atmosférica (APCI)
Ionización por desorción lasser en
matriz asistida (MALDI)
CÁMARA DE IONIZACIÓN
Ionización Electrónica
Magneto
Filamento
+- --
+
+++++ + Hacia el Analizador
+ +
Repeledor
Target
Magneto
CÁMARA DE IONIZACIÓN
Ionización Electrónica
Las moléculas de la muestra son ionizadas
por un haz de electrones (70 eV)
ƒ Los iones son expulsados de la cámara y
dirigidos al analizador
ƒ Se producen iones positivos y negativos:
+
90% M + e
M. + 2 e.
10% M + e
M
ƒ
Espectro Electromagnético
70 eV
Ionización Electrónica
Excitación electrónica (similar a la teoría de UV) en
orden decreciente se ionizan preferentemente
los electrones:
n
n .. > π
R-O-R
>
σ.
+
R-O-R
π
R-CH :: CH-R
R-CH : . CH-R
σ
R-CH 2 : CH 2-R
R-CH 2 . CH 2 -R
+
+
Ionización Electrónica
„
„
„
„
„
„
„
„
70 eV de energía
Produce el Ion Molecular y una gran cantidad de iones
con diferentes estados de energía
Aquellos iones con gran cantidad de energía interna
(vibracional, rotacional y electrónica) liberan esta
energía por medio de la fragmentación
Los iones con baja energía permanecen intactos (Ion
Molecular)
Es la técnica de ionización más común
Es la técnica de ionización de la que se obtiene más
información
Todas las bibliotecas comerciales disponibles están
basadas en los espectros obtenidos por esta ionización
Es la ionización que más se utiliza con el sistema CG-EM
¿CÓMO SE GENERA UN
ESPECTRO DE MASAS POR IE?
Filamento
Analizador
Cámara de Ionización
%
Espectro de Masas
m/z
Detector
Ionización Electrónica
Metanol (CH3OH, P.M. 32)
31
12C
16O
29
32
1H
13C
15
30
17
33
Ionización Química
„
„
„
„
Es una técnica de ionización significativamente más
suave que IE.
Se utiliza cuando en el espectro por IE no aparece el ion
molecular, para confirmar el ion molecular o para
aumentar la intensidad de algunos iones fragmento a
masas altas.
Se utiliza un gas reactivo (metano, isobutano,
amoníaco, etc.) que es ionizado por IE. Los iones
resultantes reaccionan con las moléculas del analito
que se encuentran en la fuente, con transferencia de
carga (protón) las moléculas neutras del analito se
transforman en iones.
Algunos iones moleculares son demasiado inestables
para permanecer intactos aún utilizando esta técnica.
Ionización Química
Reacciones
CH4 + e -
.
+
CH4
+ CH4
CH5+
+
.
+ 2 e-
+
CH4
.
+
CH5 + CH3
+
+ CH4
M
MH
analito
Protonación
Ionización Química
Ejemplo
IE
IQ
Malatión
(Pesticida)
P.M. 330
Ionización por FAB
„ La energía para desorción es
suministrada por un haz de átomos de
Xenón ó Argón de alta energía (6-10
KeV)
„ Se utiliza para ionizar moléculas polares
y/o lábiles (Ej.organometálicos)
Ionización por FAB
Ionización por FAB
Voltaje de aceleración
Xe
Xe+
Xe
Xe+
Xe+
Xe+
Xe+
Xe+
Xe+
Xe+
Xe
Xe
Intercambio de carga
Ionización
Xe+
Xe
M
M+
M
M-
Xe
M
M+
M+
M+H+
M-H-
Xe
Procesos primarios
Procesos secundarios
Ionización por transferencia de carga
Xe
ANALIZADORES
„
„
„
El objetivo del analizador de masas es resolver los
iones después de que fueron formados en la fuente
de ionización.
La diferencia entre GC/MS y LC/MS son las técnicas
de ionización utilizadas (no el analizador)
Analizadores más utilizados:
Sector Magnético
Cuadrupolo
Trampa de Iones
Tiempo de Vuelo
Sector Magnético
Magneto
Cámaradedeionización
Cámara
Ionización
Detector
Sector Magnético
y Sector Eléctrico
Sector magnético: El campo magnético ejerce una
fuerza perpendicular al movimiento del ion para
deflectar los iones de acuerdo a su momento.
Sector eléctrico: El campo eléctrico ejerce una fuerza
perpendicular al movimiento del ion para deflectar los
iones de acuerdo a su energía cinética.
Al salir los iones de la cámara de ionización tienen
diferente velocidad, para obtener una mejor
resolución es necesario adicionar un sector eléctrico
que colime o reúna los iones de acuerdo a su energía
cinética.
Doble Sector
m/z=B2r2/2V
Sector Magnético
Doble sector
Geometría
Nier - Johnson
Geometría Inversa:
1.
Sector Magnético
2.
Sector Eléctrico
Sector Electrostático
Sector Magnético
•Ventajas:
–Excelente resolución de masa
–Excelente exactitud de masa
–Excelente sensibilidad
•Desventajas:
–Precio: Sistemas de alto costo
–Adquisición espectral lenta
(tiempos de análisis largos)
Cuadrupolo
Cuadrupolo
Un valor
de m/z
sale
Todos los
valores de m/z +
entran
+
-
Separación basada en la estabilidad del valor de m/z dentro
de los campos de RF y CD sobre las barras cuadrupolo
Cuadrupolo
Cuadrupolo
•Ventaja:
–Precio: el sistema menos caro del mercado
•Desventajas:
–Los límites de detección no son
tan buenos como en otros sistemas
–Adquisición espectral lenta
(tiempos de análisis largos)
–Rango de masas limitado
Trampa de Iones
Parte superior del electrodo
Filamento
Paso de los electrones
Centro de la trampa
Salida de los iones
Parte inferior del electrodo
Detector
Trampa de Iones
Trampa de Iones
•Ventajas:
–Capacidad para MS/MS
–Precio: no tan bajo como los
cuadrupolares
–Límites de detección mejores que
los cuadrupolares
•Desventajas:
–Reacciones ion-molécula
–Adquisición espectral lenta
(tiempos de análisis largos)
–Rango de masas limitado
Tiempo de Vuelo (TOF)
Con Reflectrón
Reflectrón
Detector
El detector es colocado en el punto focal
para asegurar una óptima resolución másica
Tiempo de Vuelo (TOF)
•Ventajas:
–Potencial para rangos de masas más grandes
–Buena resolución y exactitud de masas
–Excelente sensibilidad
–La mas rápida adquisición espectral (los tiempos más
cortos de análisis)
•Desventaja:
–Precio: tiende a ser más caro que los
sistemas cuadrupolares y algunas
trampas de iones pero menos costoso
que los de sectores
Sistema CG/EMTOF
En el sistema MS/TOF las abundancias de los iones permanecen
constantes a través de todo el pico cromatográfico. Esto es la clave
de los algoritmos automatizados que permiten “descubrir”
señales de compuestos que coeluyen.
Algoritmo de Detección
Automática de Picos
El software identifica automáticamente las posiciones de los picos
en el cromatograma aún aquéllos que esten bajo la línea base.
Enmascaramiento y Coelución
Propylene Glycol
Análisis Tradicional de Petróleo
(Nafta)
95
95Analitos
Analitos
11hora
hora15
15minutos
minutos
139
139Analitos
Analitos
16
16minutos
minutos
Análisis Elemental
(Combustión-Reducción)
La información
obtenida se reporta
como porcentajes de
elementos (C, H, N, S,
y O). Hay rompimiento
de todos los enlaces
Análisis por
Espectrometría de Masas
En Espectrometría de
Masas la energía
impartida por el haz
de electrones a la
molécula rompe
algunos de los
enlaces. Porciones
grandes de la
estructura de la
molécula
permanecen intactas
permitiendo la
identificación del
analito.
Resolución
Cálculo de Masa
3 diferentes formas de calcular el Peso Molecular:
• Masa Promedio: Se utiliza el peso atómico (es el
promedio de todos los isótopos) para cada
elemento. C=12.01115, H=1.00797, O=15.9994,
N=14.00674
• Masa Monoisotópica: Se utiliza la masa exacta
del isótopo más abundante de cada elemento.
C=12.000000, H=1.007825, O=15.994915,
N=14.003074
• Masa Nominal: Se utiliza la masa íntegra del
isótopo más abundante de cada elemento. C=12,
H=1, O=16, N=14
Resolución
Es la capacidad de un espectrómetro
para distinguir entre dos iones con
masas cercanas.
Se expresa como R=m/∆m, donde ∆m es
la diferencia de masas entre los dos
iones y m la masa nominal del ión de
menor masa.
Resolución
Baja Resolución
CO .
+
N2 .
+
C2H4 .
+
27 28 29
Alta Resolución
+
+
CO
+
N2
.
.
C2H4
.
27.9949 28.0061 28.0313
Resolución
Ejemplo
Masa
Nominal
Masa
Monoisotópica
Masa Promedio
C17H32
236
236.2504
236.44459
C16H28O
236
236.2140
236.40096
C15H28N2
236
236.2252
236.40389
Resolución
Ejemplo
C17H32 y C16H28O
C17H32 y C15H28N2
C15H28N2 y C16H28O
Diferencia entre Masas
Monoisotópicas
236.2504-236.2140=0.0364
236.2504-236.2252=0.0252
236.2252-236.2140=0.0112
Resolución = R = m / ∆m
C 17H 32 y C 16H 28O
C 17H 32 y C 15H 28N 2
C 15H 28N 2 y C 16H 28O
Resolución necesaria
236.2140 / 0.0364= 6,489
236.2252 / 0.0252= 9,374
236.2140 / 0.0112= 21,090
Exactitud de Masa
Exactitud de Masa = m/z Calculada – m/z Observada x 106
m/z Calculada
Ejemplo:
400.0020 – 400.0000 = 0.002 x106 = 4.99 ppm
400.0020
400.0020
Exactitud: 2 mmu (miliunidades) o 5 ppm
Sensibilidad
• Es una medida de la respuesta del
instrumento para iones de un compuesto en
particular
• Indica el valor de la corriente iónica
detectada en el colector
• Siempre debe estar referida a un compuesto
determinado (relación señal-ruido)
• Disminuye al aumentar la resolución y la
velocidad de barrido
• Está determinada por la eficiencia de la
ionización, eficiencia de la transmisión y
respuesta del detector
Sensibilidad y
Detectores para CG
DETECTOR
MS-SIM
MS-Scan
1
FPDS
TCD
ECD-CC
3
0.1
NPD
0.1
FID
0
20
40
60
80
100 500 1000 2500 5000 50000
pg
Diagrama Muestra Pura
Muestra
pura
¿Volátil?
+
DIP
Sí
DEP
Se obtuvo M .
IE
+
No se obtuvo M.
No
IQ
PM < 3000
PM > 3000
FAB
Otras técnicas
(ESI, MALDI)
Diagrama Mezcla
+
Se obtuvo M .
Mezcla
Sí
¿Volátil?
No
CG
HPLC
IE
IQ
+.
No se obtuvo M
ECZ
Otras técnicas
Electroespray, , Frit FAB