Espectrometria de massas: fundamentos, instrumentação e aplicações

Espectrometria de massas fundamentos, instrumentação e aplicações

Fernando M. Lanças

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Lanças, Fernando M.

Espectrometria de massas : fundamentos, instrumentação e aplicações / Fernando M. Lanças. - Campinas, SP : Editora Átomo, 2019.

Bibliografia

ISBN 978-85-7670-305-1

1. Espectrometria de massa I. Título.

19-26623 CDD-543.65 Índices para catálogo sistemático: 1. Espectrometria de massa : Química analítica 543.65

Cibele Maria Dias - Bibliotecária - CRB-8/9427

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CONSELHO EDITORIAL Área | Química Aécio Pereira Chagas Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Célio Pasquini Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Flávio Leite T & E Analítica

José de Alencar Simoni Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Mário Sérgio Galhiane Universidade Estadual Paulista – UNESP

Pedro Faria Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP

Robson Fernandes de Farias Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN

Sumário Apresentação.............................................................................................................11 Capítulo 1 Introdução à Espectrometria de Massas.................................................................13 1.1 Introdução......................................................................................................13 1.2 O que é a espectrometria de massas?............................................................15 1.3 Uma breve história dos estágios iniciais da espectrometria de massas.........15 1.4 O período pós-guerra e o acoplamento cromatografia-espectrometria de massas.................................17 1.5 O conceito de espectrometria de massas.......................................................19 1.6 A ocorrência de isótopos dos elementos e sua importância em espectrometria de massas...........................................24 1.6.1 A região do íon molecular sem Cl, Br e S............................................28 1.6.2 A presença de nitrogênio......................................................................29 1.6.3 A presença de enxofre..........................................................................29 1.6.4 A presença de halogênios.....................................................................30 1.6.5 Estimativa da abundância relativa entre as intensidades dos íons M, M+1 e M+2.....................................32 1.7 Terminologia e simbologia............................................................................34 1.7.1 Unidades utilizadas em espectrometria de massas...............................34 1.7.2 Tipos de Íons........................................................................................35 1.7.3 Massa nominal, massa monoisotópica e massa real.............................38 1.8 O espectrômetro de massas...........................................................................40 1.9 Principais formas de aquisição de dados em espectrometria de massas.......41 1.9.1 Espectro de varredura completa (SCAN).............................................42 1.9.2 Monitoramento de Íons Selecionados (SIM).......................................44 1.9.3 Cromatograma de Íons Extraídos (EIC)...............................................45 1.9.4 Relação entre SCAN, SIM e EIC.........................................................46 1.10 Referências....................................................................................................49

Capítulo 2 Instrumentação.........................................................................................................51 2.1 2.2

2.3

2.4 2.5 2.6 2.7

Introdução......................................................................................................51 Introdução da amostra...................................................................................53 2.2.1 Técnicas de inserção direta..................................................................53 2.2.2 Acoplamento com técnicas cromatográficas e eletroforéticas.............55 2.2.3 Outras formas de ‘inserção direta’ da amostra em um espectrômetro de massas..........................................................55 Ionização da amostra.....................................................................................57 2.3.1 Ionização com elétrons (EI).................................................................58 2.3.2 Ionização Química (CI)........................................................................64 2.3.3 Ionização sob Pressão Atmosférica (API)............................................74 Analisadores de massas.................................................................................97 Detectores de íons.........................................................................................98 Sistemas de vácuo.........................................................................................98 Referências..................................................................................................100

Capítulo 3 Analisadores de Massas..........................................................................................105 3.1 3.2 3.3

3.4

3.5 3.6

3.7

Introdução....................................................................................................105 Analisadores de massas baseados em setores elétricos e magnéticos.........106 Analisadores de massas do tipo quadrupolo...............................................109 3.3.1 Aquisição de dados no modo varredura (SCAN) em um quadrupolo linear....................................................................112 3.3.2 Aquisição de dados no modo SIM em um quadrupolo linear............115 Analisadores de massas do tipo ion trap ou quadrupolo tridimensional.......116 3.4.1 Ion trap tridimensional.......................................................................116 3.4.2 Ion trap linear (LIT)...........................................................................118 3.4.3 Ion trap curvilíneo (CIT)...................................................................119 Analisadores de massas do tipo ToF...........................................................120 Analisadores de massas de alta resolução baseados em transformada de Fourier (FT-MS)..........................................126 3.6.1 Analisador FT-ICR.............................................................................126 3.6.2 Analisador de massas Orbitrap...........................................................131 Detectores de íons.......................................................................................134 3.7.1 Chapas fotográficas............................................................................135 3.7.2 Detector de Faraday...........................................................................136 3.7.3 Detectores baseados na multiplicação de elétrons (EM)....................137

Considerações finais sobre os detectores de íons usados em MS......140 Referências..................................................................................................141 3.7.4

3.8

Capítulo 4 Resolução e Exatidão em Espectrometria de Massas..........................................143 4.1 Introdução....................................................................................................143 4.2 Resolução e poder de resolução..................................................................144 4.2.1 Resolução de acordo com o modelo do vale......................................144 4.2.2 Resolução determinada com apenas um íon......................................145 4.2.3 Resolução determinada com dois íons...............................................146 4.2.4 Resolução x poder de resolução.........................................................151 4.3 Exatidão de massas......................................................................................155 4.4 Conclusões..................................................................................................159 4.5 Referências..................................................................................................160 Capítulo 5 Espectrometria de Massas em Tandem (MS/MS)................................................163 5.1 Introdução....................................................................................................163 5.2 Tandem no espaço e tandem no tempo........................................................167 5.3 Modos de varredura em MSn baseados em analisadores em tandem no espaço..............................................................168 5.3.1 Varredura completa (full SCAN)........................................................168 5.3.2 Monitoramento de íon selecionado (SIM).........................................170 5.3.3 Monitoramento de reação selecionada (SRM) e Monitoramento de múltiplas reações (MRM)....................................171 5.3.4 Varredura do produto iônico...............................................................175 5.3.5 Varredura do íon precursor.................................................................176 5.3.6 Varredura de perda neutra..................................................................177 5.3.7 SRM x MRM......................................................................................178 5.3.8 Representações simbólicas dos vários modos de varredura para sistemas MS/MS operando em tandem......................................179 5.4 Modos de varredura em MSn empregando analisadores em tandem no tempo..........................................181 5.5 MSn empregando analisadores distintos: sistemas híbridos........................185 5.6 Referências..................................................................................................190 Capítulo 6 Cromatografia.........................................................................................................193 6.1 Introdução....................................................................................................193 6.1.1 Classificação das técnicas cromatográficas........................................194

Desenvolvimento da cromatografia líquida.......................................195 6.1.3 Desenvolvimento da cromatografia gasosa........................................198 6.1.4 Desenvolvimento da cromatografia a fluido supercrítico..................199 6.1.5 Índices de retenção em cromatografia................................................204 Fundamentos da cromatografia a gás (GC).................................................208 6.2.1 O processo de separação....................................................................210 6.2.2 Instrumentação em cromatografia gasosa..........................................212 Fundamentos da cromatografia a líquido (LC)...........................................224 6.3.1 Introdução..........................................................................................224 6.3.2 Número de pratos teóricos (n) e altura equivalente a um prato teórico (h)...........................................224 6.3.3 Instrumentação...................................................................................225 Cromatografia a fluido supercrítico (SFC)..................................................253 6.4.1 Introdução..........................................................................................253 6.4.2 Definição e características dos fluidos supercríticos..........................254 6.4.3 Principais propriedades dos fluidos supercríticos..............................255 6.4.4 Instrumentação empregada em SFC...................................................257 Referências..................................................................................................263

6.1.2

6.2

6.3

6.4

6.5

Capítulo 7 Acoplamento entre Espectrometria de Massas e Técnicas Cromatográficas....273 7.1 Introdução....................................................................................................273 7.2 O acoplamento entre cromatografia gasosa e espectrometria de massas (GC-MS ou CG-EM).........................................273 7.2.1 Requisitos instrumentais....................................................................274 7.2.2 Histórico da GC-MS..........................................................................276 7.2.3 Interfaces para o acoplamento GC-MS..............................................278 7.2.4 Acoplamento direto GC-MS..............................................................280 7.3 Aquisição e tratamento de dados em GC-MS.............................................281 7.3.1 Velocidade de Varredura.....................................................................283 7.3.2 Calibração do sistema GC-MS...........................................................285 7.3.3 Análise dos dados...............................................................................289 7.4 Análise qualitativa e quantitativa em GC-MS.............................................300 7.5 Figuras de mérito em GC-MS.....................................................................304 7.5.1 Ruído de fundo (noise).......................................................................304 7.5.2 Precisão, exatidão e limites de detecção e quantificação...................305 7.5.3 Sensibilidade......................................................................................306 7.5.4 Especificidade....................................................................................306 7.6 Cromatografia líquida-espectrometria de massas (LC-MS)........................307

Desenvolvimento das interfaces para LC-MS....................................308 Cromatografia a fluido supercrítico-espectrometria de massas (SFC-MS)......322 7.7.1 Introdução à SFC-MS........................................................................322 7.7.2 Desenvolvimento do acoplamento SFC-MS......................................323 7.7.3 Instrumentação para o acoplamento SFC-MS....................................325 7.7.4 Conclusão...........................................................................................330 Referências..................................................................................................331 7.6.1

7.7

7.8

Capítulo 8 Sistemas de Vácuo...................................................................................................339 8.1 O que é vácuo?............................................................................................339 8.2 Unidades de pressão e vácuo.......................................................................340 8.3 Categorias de vácuo....................................................................................342 8.4 Faixas de operação das bombas de vácuo...................................................342 8.5 Descrição das principais bombas de vácuo.................................................343 8.5.1 Bomba rotatória de palheta................................................................343 8.5.2 Bomba de difusão...............................................................................345 8.5.3 Bomba turbomolecular.......................................................................346 8.6 Referências..................................................................................................347 Lista de Siglas..........................................................................................................349

Apresentação A Espectrometria de Massas teve sua origem e fundamentação em um ambiente repleto de físicos que dedicavam seu tempo e esforços ao estudo de radiações provenientes de descargas elétricas em ampolas de vidro que continham gases. Dentre esses pioneiros nos estudos das propriedades íntimas da matéria, o físico J.J. Dalton destacou-se ao verificar que a radiação era desviada para o polo positivo quando uma corrente elétrica era aplicada. Essa ‘radiação’, depois denominada partícula e, mais recentemente, onda-partícula, é hoje conhecida como elétron. A determinação da massa e da carga do elétron conduziram, pouco tempo depois, à proposição da MS. Em paralelo ao desenvolvimento da MS, também no início do século XX, uma importante técnica de análise química teve seus princípios estabelecidos: a Cromatografia. As duas técnicas evoluíram separadamente até que, na metade do século XX, pesquisadores conseguiram juntar as duas em uma única plataforma analítica (GC-MS) a qual, rapidamente, se tornou uma ferramenta única na análise de compostos químicos voláteis e semivoláteis, ou passíveis de serem volatilizados.

Avanços na área de Cromatografia Líquida permitiram o desenvolvimento, no final do século XX, de uma nova plataforma analítica que acopla a cromatografia líquida à MS (ou seja, LC-MS, a qual foi seguida pelo acoplamento entre eletroforese capilar e MS (CE-MS). Atualmente, estuda-se o desenvolvimento de novas formas de introdução de amostras em MS, evitando-se o uso de uma técnicas de separação como a LC e a CE. Uma dessas vertentes é a utilização de microtécnicas de extração como SPME e MEPS. Ao mesmo tempo, novas modalidades de ionização unidas à dessorção, principalmente com laser, permitiram o desenvolvimento de técnicas MS para análise de superfícies. O campo fascinante da MS encontra-se em grande desenvolvimento, prevendo-se potenciais inovações relevantes na próxima década.

O presente trabalho tem como objetivo descrever os fundamentos da técnica, os principais nichos de aplicação desta, atuando só ou acoplada a uma técnica cromatográfica ou eletroforética, e a instrumentação atual. Procurou-se empregar, sempre que possível, termos recomendados pela IUPAC e pelo Sistema Internacional (SI) de

12 Apresentação medidas. O autor espera que este livro traga uma contribuição para o desenvolvimento dessa área no Brasil, agradecendo sugestões e melhoramentos para novas edições.

A ideia inicial, que serviu de embrião para o desenvolvimento deste trabalho, surgiu durante um período como Visiting Professor na Cornell University – EUA, onde o autor desenvolveu estudos na área de interfaces para o acoplamento LC-MS/MS e CE-MS/MS. Isso ocorreu em um laboratório no qual havia sido desenvolvida a interface Ion Spray para MS, e o convívio com pesquisadores da área impulsionou o interesse em produzir um material didático, em português, sobre o assunto.

Após esse período, retornando para o Brasil, o projeto do livro caminhou de forma lenta, em razão de novas prioridades assumidas.

Uma realimentação importante no projeto ocorreu quando o Dr. Frank I. Onuska, pesquisador do National Water Research Institute do Canadá, passou um período como Visiting Scientist no nosso laboratório, trazendo com ele muita experiência prática, especialmente em MS de Alta Resolução, e um acervo importante de publicações na área. A ideia era redigir o livro em conjunto, agora focalizando o uso de técnicas cromatográficas e espectroscópicas na área ambiental, na qual ambos possuíamos interesse.

Infelizmente, o projeto não foi concluído e a prioridade após o retorno do Dr. Onuska ao Canadá mudou. Entretanto, o material que geramos em conjunto, somado àqueles posteriormente desenvolvidos para disciplinas de graduação, pós-graduação, cursos de curta duração, congressos, artigos de revisão e outros permitiram catalogar uma significativa quantidade de textos e figuras sobre MS. A atualização permanente desse material e o retorno à proposta original de um livro de cunho mais geral na área, serviram de semente para o presente projeto. A publicação de dois artigos detalhados de revisão no periódico Scientia Chromatographica a respeito do acoplamento LC-MS auxiliou a organização dos conteúdos da parte do livro que trata desse tema e, juntamente com a experiência na orientação de alunos de pós-graduação e trabalho com pesquisadores colaboradores, foi gerada a primeira versão do livro.

Portanto, muitas pessoas e entidades contribuíram para que o presente trabalho se concretizasse, e mencionar alguns nomes certamente seria injusto para com os demais. Assim, reconheço e agradeço a todos meus ex e atuais alunos e colaboradores pela colaboração e por me forçarem a manter a atualização na técnica. Entretanto, não poderia deixar de agradecer e reconhecer o papel importante da grande figura humana e excelente pesquisador na área, o saudoso Dr. Frank Onuska (in memoriam).

O autor