19.5 Analisadores de massas

amostragem). Bombas de alta capacidade removem o material em excesso.

 

19.5 Analisadores de massas

 

O analisador de massas separa os íons que se formam na fonte de acordo

com suas razões massa/carga. Como os íons, em geral, têm uma carga

simples, o espectro corresponde, na prática, ao “espectro de massas”. As

características do analisador variam nos diferentes espectrômetros de

massas. Em alguns, a separação se limita às massas de até cerca de 500 u e,

no outro extremo, deseja-se, em outros, separar íons cujas massas diferem

por algumas partes por milhão. Por isso, qualquer comparação entre os

diversos analisadores deve ser feita com o auxílio da quantidade chamada

poder de resolução, R. Sua definição mais comum é

 

R = m/Δm

 

onde Δm é a diferença entre as massas de dois picos adjacentes separados

no limite da resolução do aparelho e m é a média da massa nominal dos dois

picos. A expressão “picos resolvidos” deve ser também definida uma vez

que, apesar de não existir uma convenção estabelecida, grande parte dos

espectroscopistas aceita o critério do vale em 10%, nos quais os picos são

considerados como resolvidos se a altura do vale entre eles é menor do que

10% da altura (Fig. 19.7).

Um espectrômetro com poder de resolução igual a 1000 (vale em 10%)

pode distinguir os seguintes picos:

 

Em massas ~ 1000 picos separados por 1 unidade, isto é,

1000 e 1001, por exemplo

Fig. 19.7 Resolução: definição do vale de 10%

 

Em massas ~ 100 picos separados por 0,1 unidade, isto é,

99,9 e 100, por exemplo

 

O valor 1000 foi escolhido para este exemplo porque é o poder de resolução

típico de muitos espectrômetros de massas, mas ele pode variar muito.

Sistemas de alta resolução são capazes de resolução até 125 000. Nestes

sistemas, o poder de resolução é independente da massa.

Observe que alta resolução e capacidade de medir massas elevadas não

estão diretamente relacionadas. Para distinguir entre CO+ + + , N e C H, por

2 2 4

exemplo, que têm massa nominal igual a 28 u, porém têm massas iguais a

27,9949, 28,0062 e 28,0313 u, respectivamente, é necessária uma resolução

aproximadamente igual a 3000. Embora a resolução seja importante, não é

o único parâmetro relevante. Sensibilidade, capacidade de medir massas

elevadas e velocidade de varredura do espectro devem ser também

consideradas na escolha do equipamento.

 

19.5.1 Analisadores de setor magnético (focalização simples)

 

Nos primeiros experimentos em espectrometria de massas, a separação dos

íons era feita com o auxílio de uma combinação de campos elétricos e

magnéticos e, em muitos casos, estes analisadores ainda são os mais adequados. Os íons produzidos na fonte passam por uma série de fendas

onde são submetidos a potenciais crescentes. Os íons são acelerados e

adquirem energia proporcional ao gradiente de potencial, a massa e a carga

do íon:

 

onde V é o gradiente de potencial, v é a velocidade do íon, e é a carga do íon

( –19 e = 1,60 × 10C) e z é o número de cargas.

Se estes íons passam entre os pólos de um eletromagneto cujo campo é

perpendicular à direção do movimento, eles sofrem deflexão e assumem

uma trajetória de raio r, proporcional ao momento do íon e à força do

campo B:

 

Eliminando v nas Eqs. 19.1 e 19.2, tem-se que

 

Todos os parâmetros deveriam ser expressos em unidades SI: m (kg), r(m),

B(T), ze(C) e V(V), porém m é normalmente dado em unidades de massa

unificadas (u) ou daltons (1 u = 1,66 × 10 –27kg), r é dado em centímetros e

ze é o número de cargas eletrônicas elementares. B é dado em teslas (1 tesla

= 10 000 gauss).

A Eq. 19.3 mostra que os íons podem ser separados de acordo com a

massa (m/z) variando-se uma das grandezas B, V ou r e mantendo-se duas

delas constantes. Os analisadores de setor magnético modernos mantêm r e

V constantes e variam B, o campo magnético, alterando a corrente do

eletromagneto. Isto é feito porque a sensibilidade e a resolução caem com a

diminuição da voltagem de aceleração. Esta técnica de varredura leva a uma

escala de massas não-linear porque 2 m / z é proporcional a B. Embora, em

teoria, possa-se usar pequenos campos magnéticos e voltagens de

aceleração baixas, na prática, é necessário usar altas voltagens (8–15 kV) que geram campos magnéticos fortes em eletromagnetos laminados no

interior, grandes e caros.

Um cálculo simples baseado na Eq. 19.3 dá a intensidade típica do

campo dos instrumentos de setor magnético modernos. Para m/z = 500

unidades, raio magnético r = 30 cm e voltagem de aceleração V = 5 kV

 

A resolução do melhor destes sistemas de focalização simples limita-se a

2000, aproximadamente. Isto ocorre porque os íons, quando formados na

fonte, não têm inicialmente a mesma velocidade. Eles são produzidos em

uma dada faixa de energias e adquirem uma faixa de velocidades. Isto leva

ao espalhamento dos íons que deixam o analisador, limitando a resolução. O

espalhamento é diminuído quando o componente cinético da velocidade é

pequeno em comparação com a velocidade devida à voltagem de aceleração

e esta é a razão da necessidade do uso de altas voltagens de aceleração,

porém ainda existe um limite para a resolução.

 

19.5.2 Analisadores de foco duplo

 

O problema da variação da energia inicial dos íons pode ser resolvido

usando-se dois elementos de focalização colocados em série. Os

espectrômetros de massas de focalização dupla usam este arranjo. Os íons

produzidos na fonte são acelerados até um analisador eletrostático (ESA)

formado por duas placas curvas de metal com um potencial dc aplicado

entre elas, isto é, um capacitor, que submete os íons a uma força F,

perpendicular à direção do movimento, cuja magnitude é dada por

F = zeE

 

A esta força corresponde uma força centrífuga oposta, gerada quando os

íons entram em trajetória circular, logo

 

zeE 2 = mv/R

 

onde a força centrífuga age em uma massa m no círculo de raio R.

Como 1/2 ( 2 mv) = zeV, esta equação pode ser rearranjada a

 

R = 2V/E

 

A equação mostra que todos os íons que têm uma dada energia seguem, ao

serem acelerados por um potencial V sob um campo elétrico E, a mesma

trajetória de raio, R, independentemente do valor de m/z. A conseqüência

disso é que os íons que passam pelo campo E têm trajetórias de raios

diferentes segundo suas energias cinéticas, isto é, a focalização depende das

velocidades. Uma fenda colocada na saída do analisador eletrostático serve

como filtro de energia e deixa passar apenas um feixe de íons. Os íons que

entram no analisador magnético podem ser, então, separados de acordo com

seu momento. Existem várias maneiras de acoplar os analisadores

eletrostáticos e os setores magnéticos. Uma delas é a configuração de Nier–

Johnson (Fig. 19.4), em que se usa um analisador eletrostático de 90°

seguido por um setor magnético também de 90°, mas também se pode usar

setores de 30° e 60°. Um problema destes sistemas é que os íons são

focalizados somente em um ponto, no qual o detector tem de ser colocado

com precisão.

Também são usados instrumentos de geometria invertida nos quais o

setor magnético precede o analisador eletromagnético. Eles têm certas

vantagens, especialmente quando se estudam íons metaestáveis. A grande

vantagem dos analisadores de foco duplo é a alta resolução que pode ser

conseguida (125 000) nos instrumentos mais complexos. O problema é que

esta resolução só é alcançada em analisadores eletrostáticos grandes e caros,

associados a setores magnéticos, e estes instrumentos exigem freqüentemente componentes adicionais para a focalização (lentes de íons)

baseados em filtros de quadrupolo.

 

19.5.3 Filtros de massas de quadrupolo

 

O filtro de quadrupolo (Fig. 19.3) é muito menor e mais robusto do que o

instrumento de setor magnético, é mais fácil de construir e é mais barato. O

instrumento é feito com quatro cilindros de metal paralelos, arranjados em

dois pares, nos quais é aplicada uma combinação de voltagens dc e ac. Os

íons produzidos na fonte passam entre os quatro cilindros e atingem o

detector colocado na outra extremidade. Neste tipo de analisador, os íons

não precisam passar por um campo intenso para serem acelerados e um

potencial da ordem de 5 a 15 V é, normalmente, suficiente para levar os

íons ao analisador. O filtro de quadrupolo é capaz de aceitar íons com uma

faixa razoavelmente grande de energias (ou velocidades) iniciais, o que

permite o uso de uma fenda muito mais larga, geralmente circular, entre a

fonte e o analisador, e isto dá ao quadrupolo uma sensibilidade intrínseca

mais elevada.

Os cilindros que estão em lados opostos são ligados eletricamente, um

par ao lado positivo de uma fonte dc variável e o outro ao lado negativo da

fonte. Um gerador de radiofreqüência fornece o potencial ac (+V cos t) a

um dos pares e a mesma freqüência defasada de 180° (–V cos t) ao outro

par. Esta combinação de potenciais faz com que a trajetória dos íons seja

errática em relação ao centro do quadrupolo. No plano definido pelos dois

pares positivos de cilindros, os íons leves sofrem deflexões e colidem com

os cilindros. Os íons mais pesados sofrem deflexões menores e com a ajuda

do componente ac tendem a passar incólumes. Este arranjo funciona como

um filtro de massas. No plano formado pelos pares negativos de cilindros,

os íons positivos são atraídos pelos cilindros e tendem a ser neutralizados,

porém o componente ac se opõe a isto, mais no caso dos íons mais leves do

que nos dos mais pesados, formando assim um filtro de massas leves. O

efeito combinado é um filtro de massas de faixa estreita que permite

estabelecer uma trajetória estável para um íon de massa m/z pelo controle da razão Vdc/Vrf. Os demais íons são neutralizados por colisão com os

cilindros. (A resolução máxima é obtida quando Vdc/Vrf= 0,168.)

Quando se varia as voltagens dc e rf combinadas, mantendo-se a razão

constante, pode-se obter o espectro de massas completo. Muitas pesquisas

têm sido feitas para melhorar o desenho dos quadrupolos. A resolução

depende do comprimento dos cilindros, da qualidade do paralelismo e da

freqüência do componente rf. A sensibilidade aumenta com o diâmetro dos

cilindros. Alguns destes fatores, entretanto, tendem a trabalhar em oposição.

Diminuir o diâmetro dos cilindros leva à diminuição da sensibilidade mas

também ao aumento da faixa de massas. Os sistemas comerciais de alta

qualidade têm, comumente, cilindros de 20 cm de comprimento e 5 mm de

diâmetro que operam em freqüências rf de cerca de 10 8 Hz, e analisam

massas de 1500 u, no máximo, com resolução unitária, isto é, resolução de

1500 na massa de 1500 u.

Os desenhos mais recentes têm alguns refinamentos. Os cilindros são

colocados em uma matriz rígida de cerâmica, o que impede mudanças de

geometria em temperaturas mais elevadas. Também se utiliza um pequeno

filtro de quadrupolo preliminar dotado apenas da voltagem dc, colocado

antes do quadrupolo principal. Este arranjo protege o analisador de

contaminações e mantém o desempenho em seu melhor nível.

Embora a resolução e a faixa de massas pareçam restritas em comparação

com o desempenho de um instrumento de setor magnético e dupla

focalização, o quadrupolo tem uma grande vantagem, além do custo mais

baixo e o tamanho menor — o tempo de varredura do espectro é muito

pequeno. Como a varredura é controlada pela alteração dos potenciais

aplicados aos cilindros e como ela varia linearmente com o potencial, o

espectro de massas completo pode ser obtido (com alta acurácia e

reprodutibilidade) em alguns milissegundos. Um instrumento de setor

magnético limita-se normalmente a cerca de 0,1 segundo por década devido

às correntes localizadas produzidas no eletromagneto quando a corrente é

aumentada. (Uma década corresponde a 1–10 ou 10–100 unidades de

massa. A expressão das velocidades de varredura em termos de tempo por

década tem origem na natureza não-linear da varredura obtida por meios magnéticos.) Como veremos na Seção 19.10, esta capacidade de varredura

rápida torna o filtro de quadrupolo uma escolha interessante para o

acoplamento com as frentes de eluição da cromatografia. O filtro de

quadrupolo também é ideal para a espectrometria de massas de íons

negativos porque o filtro não depende da polaridade dos íons que passam

por ele e também porque é até mesmo possível obter varreduras alternadas

de íons positivos e negativos em um intervalo de tempo muito pequeno,

inclusive em um único pico de cromatografia em um sistema CG-MS.

 

Fig. 19.8 Detector de captura de elétrons

 

19.5.4 Detectores de captura de íons

 

Um detector muito semelhante ao anterior é o detector de captura de íons

(ITD) [6], no qual se utiliza uma voltagem de radiofreqüência variável para

capturar íons na cavidade formada por um eletrodo toroidal central e dois

eletrodos aterrados colocados nas extremidades do detector (Fig. 19.8). Este

sistema, mecanicamente simples, combina as funções de fonte de íons e

analisador porque, quando em operação, pulsos de elétrons gerados por um filamento aquecido convencional entram no detector através de um eletrodo

em grade, interagem com as moléculas da amostra e produzem fragmentos

semelhantes aos produzidos pelos EI normais. Estes fragmentos são, por

sua vez, retidos na cavidade pelo campo rf e liberados por uma varredura de

voltagem do campo. Os íons saem da cavidade de acordo com os valores de

m/z e são detectados como um espectro de massas. Os detectores de captura

de íons têm várias características que os tornam ideais para o acoplamento

com um cromatógrafo a gás e eles têm sido usados principalmente como

detectores de CG-MS, embora sistemas de HPLC-MS ou de LCQ estejam

ficando cada vez mais comuns, especialmente quando acoplados a uma

fonte API.

O desempenho ótimo do aparelho ocorre quando a pressão na cavidade é

da ordem de 10 –2 –3 a 10torr (1 Pa a 100 mPa) para um gás de baixo peso

molecular, hidrogênio ou hélio, porque nesta faixa de pressões o movimento

dos íons na cavidade é reduzido e eles colidem com as paredes com menos

freqüência. A freqüência de operação de 1 MHz em 20 V,

aproximadamente, confina os íons ao plano xy, isto é, eles só podem se

movimentar na direção z. Quando a voltagem atinge cerca de 15 kV, íons de

massa crescente são ejetados através de um furo no eletrodo de uma das

extremidades. O controle da voltagem de varredura pode ser conseguido

rapidamente (mais rapidamente do que em um quadrupolo) e normalmente

o controle do sistema por microcomputador permite fazer um grande

número de varreduras cuja média é o espectro final. As varreduras são

sincronizadas com a voltagem da porta de modo a capturar o número ótimo

de íons para produzir o espectro. Com quantidades muito pequenas de

amostra, cada varredura leva menos de 30 ms e com quantidades muito

grandes de material na cavidade, menos de 75 ms. A conseqüência é uma

sensibilidade muito alta. Os sistemas são desenhados para dar resolução

unitária na faixa de m/z 50–650 para amostras da ordem de 1 pg com custo

mais baixo do que o de outros tipos de analisador.

Embora usado normalmente no modo de impacto de elétrons, também é

possível fazer experimentos de ionização química com alta sensibilidade. A troca de um modo para o outro pode ser feita rapidamente, o que permite

medidas EI/CI mesmo em picos de cromatografia a gás em eluição rápida.

 

19.5.5 Analisadores de tempo de vôo

 

Um analisador de massas, usado há muito tempo, é o analisador de tempo

de vôo (TOF), um outro dispositivo mecânico muito simples controlado por

uma eletrônica complexa (Fig. 19.9). Originalmente, o pulso de íons era

formado por dessorção com um plasma de califórnio-252 mas, atualmente,

isto é feito, em geral, por uma das duas técnicas de feixe, em particular com

um laser, ou pelo uso de uma fonte API. Um potencial de 1 a 10 kV,

estabelecido entre as placas de repulsão e extração, acelera o feixe até um

tubo de passagem com 15 a 100 cm de comprimento. Este tubo não está

sujeito a um campo magnético ou um campo elétrico e, por isto, é, às vezes,

denominado “zona livre de campo”. Como todos os íons sofrem

inicialmente o mesmo gradiente de potencial, eles adquirem a mesma

energia cinética, zV, mas percorrem o tubo em velocidades inversamente

proporcionais à raiz quadrada de suas massas e atingem o detector,

colocado na extremidade do tubo, em tempos diferentes. Os tempos de vôo

típicos são da ordem de 1 a 30 ms, dependendo da massa, e a informação de

muitos pulsos pode ser adquirida e tratada para produzir o espectro de

massas final.

O sinal detectado correspondente discrimina a massa contra o tempo e o

espectro de massas completo pode ser calibrado se o tempo de vôo de duas

ou mais massas conhecidas puder ser computado. A possibilidade de

calibração rápida do espectro para massas mais elevadas é uma das

principais vantagens desta técnica, já que o analisador TOF é o único que

não sofre limitações de massas e pode ser aplicado, usando MALDI-TOF

(Seção 19.4.5), no estudo de grandes biomoléculas, com m/z superior a 300

000 u. No sistema que acabamos de descrever, entretanto, a energia do feixe

de íons primário não é focalizada e a resolução limita-se a menos de 1000.

A conseqüência inesperada é que o analisador não permite a resolução de

grupos isotópicos quando as moléculas são muito grandes. Isto significa que os íons observados não correspondem às massas nominais (massas

isotópicas) normalmente encontradas na espectrometria de massas e sim às

massas isotopicamente ponderadas ou massas químicas. As duas massas

diferem em cerca de uma unidade em cada 1500 u.

 

Fig. 19.9 Espectrômetro de massas de tempo de vôo (TOF)

 

A técnica conhecida como focalização com atraso foi recentemente

desenvolvida para permitir a separação inicial dos íons segundo sua

velocidade. Assim que produzidos, os íons podem se expandir em uma

região livre de campo entre as placas de repulsão e de extração. Após um

pequeno atraso (de centenas de nanossegundos a alguns microssegundos)

aplica-se um pulso de extração à placa de repulsão para fazer com que os

íons entrem no tubo de passagem. O ajuste correto do atraso e da voltagem do pulso focaliza os íons segundo sua energia e aumenta a resolução, de