ii.9.-spectroscopie de masa -17

7/21/2019 II.9.-Spectroscopie de Masa -17

1/33

Spectroscopie de mas

Spectrometria de mas (MS)

Spectrometria de mas (n engl. Mass Spectrometry - MS )reprezint la ora actual procedeul cel mai performant performant alanaliticii instrumentale fiind folosit pentru :

- analiza calitativ i cantitativ att a compoziieielementale ct i a

celei moleculare din compoziii complee de su!stane- determinarea comoziiei i structurii izotopice a

su!stanelor- determinarea compoziiei i structurii de suprafa a

corpurilor solide. Spre deose!ire de spectroscopia cu radia iielectromagnetice unde spectrul reprezint o distri!uie a intensitiiradiaiei n funcie de lungimea de und n spectrometria a de mas

un spectru reprezint distri!uia intensitii ( frecvena de apariie amasei specifice) n funcie de raportul dintre mas i sarcin. "vndn vedere aceste considerente muli cercettori nu considerspectrometria de mas ca fiind o metod spectrometric# n sensuldefiniiei clasice# ci mai degra! una spectro - gravimetric. "vanta$ulprincipal al spectrometriei de mas este limita de detec ie care poateco!or pn la %&-%' (ppt- pr i per trilion) limite neatinse de nici o altmetod spectrometric. e asemenea analiza calitativ poate fiautomatizat complet identificarea speciilor fcindu-se prin apelareaautomat a unor !i!lioteci de spectre etalon. n domeniu deose!ital aplica!ilitii acestui procedeu l reprezint analiza izotopic. "a

1


2/33


cum se tie izotopii au au mase diferite ns proprieti c*imiceidentice i ca atare nu pot fi identificai i dozai dup metode ce se!azeaz pe sc*im!urile energetice din nveliul electronic. +reciziade determinare izotopic prin spectrometria de mas este ndomeniul ppm la mase ale pro!elor mai mici de % microgram.

Principiul spectroscopiei de masSpectrometria de mas reprezint un procedeu de msurare

a masei unor segmente moleculare sau a unor structuri atomice. ,n

acest scop su!stan a de analizat este adus n prima faz n staregazoas dup care este ionizat . Materia ionizat este ulterioraccelerat intr-un cmp electric i separat ntr-un analizor dupraportul mas sarcin. ,n figura % este reprezentat sc*ema deprincipiu a unui spectrometru de mas.

Sistem deintroducere

pro!e

Sistemaducere

in fazagazoas

Sistemionizare

"cceleratorn cimp

electric

"nalizor etector Sistemelectronic

ac*izitieprelucrarei afi are

dateFig. 1Sc*ema de principiu a unui spectrometru de mas.

up separarea fragmentelor moleculare valorile raporturilor m/zsnt transformate de ctre un detector i sistemul electronic deprelucrare a datelor n informaii calitative i cantitative despre

2


3/33


speciile c*imice analizate. n cadrul spectrometriei de mas sefolosete unitatea de mas atomic - amu( engl. atom massic units)care se !azeaz pe o scar relativ ce are ca referin izotopul de

car!on C126 cruia i se atri!uie eact masa de %' amu# ca atare o

unitate amu este 1/12 din masa atomului neutru a

carbonbului C12

6 . ,n figura ' este reprezentat informativ un spectru

de mas pentru clorura de !enzil.

Fig. 2.Spectrul de mas a clorurii de !enzil#

Rezolu ia de mas i precizia de mas

3


4/33


n spectrometru de mas este caracterizat de doi indicatoriimportan i : rezolu ia de mas i precizia de mas. Rezolu ia demas indic diferen a de mas dm pe care tre!uie s-o prezinte doiioni pentru a putea fi pu i n evident fiecare separat. ezolu ia de mas se eprim prin unitatea /*omson (/*). 0a ora actualeist trei modalit i de eprimare a rezolu iei :

- metoda %&1 - se eprim dmca diferen a de mas lacare valoarea unui +ea2 scade la %& 1 din intensitatea

maim a acestuia- metoda 3&1 - se eprim dm ca diferen a de mas la

care valoarea unui +ea2 scade la 3& 1 din intensitateamaim a acestuia

- metoda l imii integrale a pea2-ului (456M - full 7idt* at*alf maimum *eig*t) 8 diferen a de mas dm estedefinit ca fiind l imea integral a pea2-ului la $umtatedin nl imea maim a acestuia

in motivul diferit de eprimare # care poate genera confuzii# cel mai

adesea este ins folosit rata rezolu ia de mas eprimat prinraportul dintre masa m i diferen a de mas dm a urmtorilor doiioni care pot fi fi pu i n evident fiecare separat :

dm

mR =

()

e eemplu la o rezolu ie de 9'&&& se mai pot distinge clarpea2urile ionilor la '&&& /* i la '&&% /* deoarece : ('&&&'&&%-

4


5/33


'&&& 9 '&&&) dar in egal msur i pea2-urile de la o rezolu ie de 9%&&& /* i %&& /* deoarece : (%&&&%&&&-%&& 9 '&&&)Precizia de masindic ct de eact poate fi determinat masa uneispecii ionice# ea se eprim in pr i per milion (ppm) . de eempluo molecul cu o mas nominal de '&&& la o precizie de % ppmpoate fi determinat la un nivel de &&' ;

Spectrometre de mas

"a cum s-a artat de$a un spectrometru de mas se compune dintr-o surs generatoare de ioni# un analizor de mas care desfacefasciculul de ioni dup raportul mz (analizorul de mas a unuispectroscop de mas este ec*ivalentul reelei de difracie nspectrometria clasic # reea care desface fasciculul de radiaieelectromagnetic dup lungimea de und) # un detector i un sistem

electronic de prelucrare a datelor.

Sursa de ioni. Modul de prezentare a unui spectru depinden mare msur de metoda de o!inere a ionilor. n acest sensacestea se clasific n dou categorii mari :

- surse de ioni de nalt energie- surse de ioni de $oas energie

Sursele de ioni de nalt energie transmit speciilor analizate energiimari pe care le aduc n stri de oscilaie i de rotaie avansate #

stri care n urma relarii duc la o fragmentare ionic avansat dincare rezult spectre de mas complee !ogate n informaii. Sursele

5


6/33


de ioni de $oas energie transmit speciilor analizate energii deecitaie mic situaie care duce la o fragmentare ionic sczutdin care rezult spectre de mas simple . "m!ele categorii desurse de ioni au importan# cele de $oas energie# n rndul croraintr ionizarea c*imic i sursele de ioni cu desor!ie# folosescpentru determinarea rapid a masei moleculare# cele de naltenergie# n rndul crora intr intr sursele cu electroni accelerai

n cmp electric # folosesc pentru analiza calitativ de naltrezoluie. < alt clasificare a surselor de ioni este dup starea de

agregare n care este adus pro!a# n acest sens deose!indu-se :- surse de ioni gazoase- surse de ioni cu desor!ie

0a sursele de ioni gazoase pro!a de analizat este adus eternsau intern prima dat n stare gazoas dup care este ionizat prindiferite metode. 0a sursele de ioni cu desor!ie la care pro!a deanalizat este trecut prima dat printr-o sond n care estea!sor!it i desor!it succesiv pe un suport solid cruia i se aduce

aport de energie su! diverse forme ceea ce are ca efect desor!iaspeciilor analizate i trecerea acestora din faza condensat n staregazoas at fiind importana mare a sursei de ioni precum ivarietatea etrem de mare a speciilor c*imice precum i strile deagregare diferite su! care se poate prezenta materia pentruanalizat # la ora actual eist diferite metode de ionizareprezentate i descrise pe scurt n ta!elul %

Tab.1. diferite surse de ioni folosite n spectrometria de mas

6


7/33


Sursa de ionizare Stareadeagregare

Agentul deionizare

escriere

,onizarea prin impactcu electroni (!" -=lectron ,mpact).

fazgazoas

electroniaccelerai ncmp electric

=ste folosit la gaze sau su!stane lic*idesau solide ce pot fi aduse n stare de vapori.0a ora actual ,n spectrometrele uzuale sntfolosii electroni cu energii cuprinse ntre 3-'&& => ( din motive de sta!ilitate la oraactual se folosete adesea energia de ?&e>). +rin ciocnirea dintre electroni imolecule se transmite celor din urmenergie ceee ce duce la o!inerea de ioni

primari pozitivi. "ceti@ A e-9 @AA ' e-

ioni snt etrem de insta!ili i sefragmenteaz total sau parial n structuride mas mai mic ncrcate electric. 0aionizarea unei su!stane fragmentarea serealizeaz dup un model ionic previzi!il.

-,onizarea c*imic (#"-B*emical ,onisation)

fazgazoas

reacie ionic folosete ionizarea cu un gaz care n primafaz a fost ionizat la rndul lui prin impactelectronic. Cradul de fragmentare laionizarea c*imic este mai redus ca laionizarea prin fragmentarea cu impact deelectroni.

,onizarea n cmp (F"84ield ,onisation) fazgazoas electroniaccelerai ncmp electric

folosete un gaz ce este ionizat mena$at icontrolat ntr-un cmp electric de nalttensiune cu a$utorul unui numr mare dedendrite ascuite de grafit.

,onizarea cudesor!ie n cmp (F-4ield esor!tion)

cudesor!ie

electroniaccelerai ncmp electric

se folosete pentru su!stane de analizatsolide sau lic*ide ce se introduc su! formlic*id n structuri dentritice de grafit undesnt ionizate cu un cmp electric puternic iacest tip de ionizare ete mena$ant i !inecontrolat.

,onizarea cu!om!ardament deatomi sau (FA$)# ioni

rapizi(S"MS)particuleneutre (S%MS)

fazlic*id isolid

!om!ardamentcu particule

Metoda este folosit pentru !om!ardamentcu atomi # ioni sau particule neutre lasu!stane lic*ide i solide . n cazul folosirii

particulelor neutre acestea snt ionizate npreala!il cu un fascicul laser,onizarea prin ionizare n este folosit la soluii de su!stane ncrcate

7


8/33


electropulverizare(!S"-=le2trospray-,onisation)

cmp electricde inalttensiune

electric sau su!stane polare. "cestesu!stane snt pulverizate# ionizate# iarulterior picturile fine n care se gsesc ionia su!stanei de analizat snt uscate. Metodaeste recomandat n special pentru analizasu!stanelor ce conin molecule mari cumsnt de eemplu proteinele.

,onizare cu fascicullaser pulsator (MA&"Matri-"ssisted 0aseresorption,onization).

,onizaretermic

este folosit pentru evaporarea i ionizareasu!stanelor de analizat solide. Su!stanade analizat se amestec cu un eces almatricei si se cristalizeaz cu aceasta( legarea su!stanei de analizat in matriceacristalin). olul matricei este acela de a

nmagazina energie laser pulsatorie energiecare este folosit ulterior pentru ionizareasu!stanei de analizat.

,onizare termic(T"MS ' /*ermal,onisations MassSpectrometry)

,onizaretermic

este folosit n spectroscopia de mas acorpului solid. n scopul ionizrii su!stanade analizat ( cantitile folosite pot fi ndomeniul ;g sau c*iar ng) este adus pe unfilament de 7olfram nclzit electric unde seevapor i se ionizeaz parial.

,onizare cu a$utorulplasmei cuplatinductiv ("#P,nductively Boupled

+lasma).

,onizaretermic iinductiv ncmp de nalt

frecven

este folosit n special pentru determinareametalelor grele din lic*ide . Su!stana deanalizat se in$ecteaz su! form de aerosolintr-o plasm fier!inte de argon unde are loc

ionizarea complet

0a iesirea ionilor din camera de ionizare acetia snt accelerai cu otensiune ) aplicat armturilor celor dou fante de ieire. =nergiacinetic ( =cin) a unui ion accelerat de mas (m) i sarcin electricelementar (e) i multiplul ntreg (z) al sarcinii este :

8
http://de.wikipedia.org/wiki/MALDIhttp://de.wikipedia.org/wiki/MALDI


9/33


2

cin vm

2

1UezE ==

(')

Analizorul de mas.

"nalizorul de mas tre!uie s satisfac dou condiii eseniale :

- s prezinte o rezoluie ct mai !un- s acopere un domeniu de uniti masice ct mai mare

ca i la reele de difracie din spectroscopia clasic # unde acestecondiii se eprim prin atingerea unei rezoluii ct mai nalte ntr-undomeniu spectral ct mai ntins # i la spectroscopia de mas elesnt antagoniste i se urmrete atingerea unui compromis care sdea satisfacie pentru un grup ct mai mare de aplicaii. 0aspectrometria de mas rezoluia () se definete ca fiind :

9 mDm(E)

unde (Dm) reprezint diferena de mas ntre dou semnale vecinecare mai pot fi percepute i citite !ine. Bel mai adesea rezoluia ()se definete ca fiind acea diferena de mas (Dm) la care valoarea

nlimii piciorului suprapunerii a dou semnale de aceeaiintensitate nu

9


10/33


Fig. =plicarea grafic a rezoluiei spectrometria demas

depeste %&1 din inimea pea2-urilor lor# figura . ezoluia unuispectrometru de mas se poate eprima numeric prin raportul dintremasa (m) i diferena de mas (Dm) a dou pea2-uri rezolu!ile i sesitueaz ntre la spectroscoapele actuale la %.&&& 8 '.&&& mDm

Analizorul de mas cu cmp magnetic sectorial.

Analizorul de mas cu ocalizare simpl. "cest tip deanalizor are n compunere un electromagnet puternic cu a$utorulcruia fasciculul de ioni# cu diverse raporturi masa-sarcin# estedeviat pe traiectorii circulare de raze r diferite specifice valoariiacestor raporturi. azele traiectoriilor circulare mai depind i deintensitatea cimpului magnetic B i de tensiunea de accelerare U.atorit acestor influen e prin varierea fie a intensit ii cmpului magnetic B fie a tensiunea de accelerare U este posi!ilg*idarea unui anumit tip de ion # cu un raport masa-sarcin !ine

definit# pe detectorul ionic. ,ntensitatea semnalului ca func ie aintensit ii cimpului magnetic B d spectrul de mas.

10


11/33


Fig./raiectoria de z!or a ionilor intr-un cimp magnetic sectorial*+,

n analizorul de mas cu cmp magnetic sectorial fasciculul de ioni

accelerat a$unge ntr-un n prima faz ntr-un cmp magneticputernic care realizeaz devierea fasciculului de ioni dup traiectoriicirculare distincte n funcie de energia i masa particulelor astfel

nct dup traversarea electromagnetului se realizeaz o distri!uiea maselor dup circumferina unui cerc# figura '. +entru catraiectoria ionilor de mas m s fie circular# este nevoie ca forele0orenz Fi fora centripet Fcs fie n ec*ili!ru :

(F)

11
http://www.vias.org/tmanalytik_germ/ms_sectorfield.exe%7Cms_spec_sample.tra


12/33


Fc(3)

unde : e - sarcina elementar GeH 9 %#I&.%&-%JBz - numrul ntreg al sarcinilor elementarev - viteza a ionilorK - cmpul magnetic- ungiul dintre direcia cmpului magnetic i direcia de

deplsare a ionilor

r- raza de cur!ur a sectorului magneticdac cmpul magnetic este perpendicular la direcia de deplsare =1#

F = Fc#(I)

adic : (?)

sau: (L)

dac se nlocuiete relaia (L) n relaia (') se o!ine relaiafundamentatal a spectrometriei de mas ca fiind:

(%&)

Bonform acestei relaii prin procedeul spectrometriei de mas nupot fi determinate mase a!solute ci numai raporturi dintre mas i

sarcin. "cest lucru nu reprezint o ngrdire ci dimpotriv un mareavanta$ deoarece n practic nu eist ngrdiri n ce privete

12


13/33


o!inerea de ioni n condiii de ionizare normale. /ot din relaia (%&)rezult c spectrele de mas pot fi o!inute prin modificarea a treivaria!ile: cmpul magnetic B# tensiunea de accelerare Ui raza decur!ur r a sectorului magnetic. atorit dependenei ptratice araportului mz de tensiunea U# dependen care asigur precizii demsurare mai mari# la spectrometrele moderne se apeleaz lavarierea cmpului magnetic B prin curentul de alimentatre aelectromagnetului i la meninerea constant a tensiunii Ui a razeir. eoarece n acest caz nu este posi!il determinarea eact a

cmpului magnetic se apeleaz la determinri comparative cusu!stane de mas cunoscut cum este de eemplu+erfluoro2erosen (+4). "par totui i situaii la care se apeleaz lamodificarea tensiunii Ui a razei r# astfel cmpul magnetic ridicat #care garanteaz aa cum s-a artat precizie !un# limiteazdomeniul masic eaminat la ioni grei. Ba atare pentru eaminareaionilor grei tre!uie sczut fie tensiunea Ufie crescut raza r. "cestemodificri duc ns la o dispersie masic mai sla! deci la orezoluie mai sla!# ca atare tre!uie gsit un compromis care

inseamn un domeniu masic ct mai mare n condiiile unei precizii irezoluii ct mai mari posi!il.

Analizorul de mas cu ocalizare dubl. Spectrometrelede mas cu focalizare simpl au o rezolu ie destul de sczut (N'&&&) motiv pentru care s-au materializat solu ii la care dup

traversarea cmpului magnetic fasciculul de ioni travereaz un cimpelectric . 0a analizorul de mas cu analizor electromagnetic i

13


14/33


electrostatic magnetic ionii snt deviai att de cmpuri magnetice cti de cmpuri electrice. 0a toate tipurile de analizoare pentru a

o! ine# n condi iile unei rezolu ii inalte# o intensitate !un a semnalului util este necesar focalizarea fasciculului ionic. 0aanalizoarele electromagnetice cuplate cu analizoare electrostaticefocalizarea se face pentru fiecare analizor n parte# de undedenumirea de O"nalizorul de mas cu focalizare du!lP. azatraiectoriei circulare pe care o parcurg ionii n aceste cmpuridepinde de de impuls (n cadrul cmpului magnetic) i de energie ( n

cadrul cmpului electric). Bunoscnd impulsul sarcina i energia sepoate determina masa.n figura ' este repretzentat un spectroscopde mas sectorial de nalt rezoluie cu du!l focalizare.

Fig.2eprezentare sc*ematic a unui spectrometru de mas sectorial denalt rezoluie

Bimpul electric este o! inut cu un analizor electrostatic care esteun condensator cilindric (sectorul de J& & a unui cilindru) . ,nanalizorul electrostatic ionii se gsesc n ec*ili!rul dintre for aelectrostatic i for a centrifug putnd fi diri$a i prin modificarea for ei electrostatice astfel nct s cad selectiv pe detector.

ezolu ia unui asemenea sistem cu du!l focalizare poate a$unge

14


15/33


la %&&.&&& . Ba dezavanta$e pot fi prezentate sensi!ilitatea sczut icosturile mari de ac*izi ie .

Analizorul de mas cu -uadrupol. "cest tip de analizorcunoa te etinderea cea mai mare la ora actual din cauazaconstruciei simple si compacte i a pre ului de cost mai sczut fa de alte analizoare. 4asciculul de ioni este accelerat ntr-o camerace conine patru electrozi de construc ie *iper!olic aezai paralelidup laturile unui ptrat# figura . =lectrozii opui au acelai potenial

iar electrozii alturai snt alimentai cu o tensiune continu pestecare se suprapune o tensiune alternativ de nalt frecven :

s9 A- A >Qcos(t)

()

unde: s - Suma tensiunii electrice continuie i a tensiunii electricealternative aplicate electrozilor

A- - tensiunea continu aplicat electrozilor >- tensiunea alternativ aplicat electrozilor

- frecven a circular

t- timpul

prin aceasta in golul dintre cei patru electrozi *iper!olici # pentru unraport precis ntre mas i sarcin# rezult pentru ioni o traiectoriede z!or sta!il # de rezonan # situat in $urul aei de simetrie agrupa$ului de electrozi.


16/33


Fig.Sc*ema de principiu a unui analizor de mas de tip cuadrupol cu

care nu corespund ca dimensiune cu frecven a de rezonant#aplicat la acel moment# capt o miscare elicoidal in spa iuldintre electrozi# miscare care sfir este cu impactul acestora cu

peretele eterior al ectrozilor ceea ce provoac reducerea vitezeilor la valoarea zero i prin aceasta imposi!ilitatea acestora de aa$unge pe detector. +rin modificarea tensiunii Us aplicate se poatescana tot domeniul de msurare determinnd prin aceasta ca toatespeciile ionice s ating traiectorii sta!ile de rezonan i s soseasc pe rnd la detector. +entru atingerea acestui scop n modpractic eist dou posi!ilit i : fie se modific frecven a circular

i se tine constant valoarea tensiunii continuie +/ U i a tensiunii

alternative !# fie se men ie constant frecven a circular i se

mofdific valoarea tensiunii continuie +/ U i a tensiunii alternative!. Spectrometrele ec*ipate cu un singur cuadrupol analizor atingrezoluiei situate la nivelul unei uniti de mas atomic ntre %&&& iF&&&. 0a ora actual pentru separare inalt sint folosite com!inatii detip cuadrupol - cuadrupol# sau cuadrupol - octopol .

Analizorul de mas cu separare dup timpui de zbor

(TF'MS) (engl. time o" "li#$t - /


17/33


()

de unde : ()

unde :()

- m - masa- - tensiunea cimpului electrostatic de accelerare

- >- viteza ionului

- R - sarcina ionului sau atomului

- t - timpul de z!or

- 0- lungimea traiectoriei de z!or

in rela ia () rezult c prin msuratrea timpului de z!or t se poate

determina masa m a speciei ionice sau atomice. ,n figura estereprezentat sc*ema de principiu a acestui analizor. +entru a puteadetermina timpii de z!or situai n domeniul micro- i milisecundelorcu suficient precizie este nevoie ca ionii s fie produi pulsator #durata pulsului fiind cuprins n domeniul nanosecundelor# iarsistemul de nregistrare s fie n msur s redea semnalul furnizatde detector cu o rezoluie ituat tot n domeniul nanosecundelor.ezoluia la acest procedeu este limitat de durata %ta pulsului deproducerea ionilor .

17


18/33


Ein TOF-Gert arbeitet im gepulten !"#u un# eignet i$% e%r gut &'r #ie

("niati"n #ur$% )aerpule *!+),(. ,ie &"lgen#e +bbil#ung /eigt ein

eipiel eine TOF-petrum *#er ea 60 entpri$%t 720 ,a

Fig.Sc*ema de principiu a "nalizorului de mas cu separare dup timpuide z!or

"vnd n vedere c durata %tde producere a pulsului scade rapid ncomparaie cu timpul de z!or todat cu creterea masei la acest tipde spectrometru rezoluia a!solut crete accentuat odat cucreterea masei. +entru creterea rezoluiei se apeleaz lareducerea dispersiei de energie printr-o oglind de focalizareelectrostatic P plasat la $umtatea traseului de parcurs pentru ioni#

acest artificiu permite de altfel i n$umirea dimensiunii eterioare# nlimea acestuia reducndu-se tot la $umtate# rezoluia acestorspectrometre poate atinge %&.&&&.

.

eim Eintritt #er ("nen in #ie &el#&reie "ne eien #ie ("nen eine lei$%tunter$%ie#li$%e ineti$%e Energie au& #ie man #ur$% ("nenpiegel aber

18
http://www.vias.org/tmanalytik_germ/hl_laserdesorption.htmlhttp://www.vias.org/tmanalytik_germ/hl_laserdesorption.html


19/33


erein%eitli$%en ann. ,abei ir# #er ("nentra%l au& ein )inen:tem

ge&'%rt #a " "ntruiert it #a #ie ("nen ;gepiegelt; er#en un# #abei#ie Energieuni$%er%eit erleinert ir#. ,ur$% "l$%e ("nenpiegel *au$%

;


20/33


2. ca&can ionic cu rezonan' ciclotronic cu trans"ormat

Fourier are n capcana de ioni un cmp magnetic omogen careforeaz ionii s se deplaseze pe o traiectorie circular cu ofrecven de rotaie dependent de mas. +rin aplicarea unui cmpelectric alternativ perpendicular pe cmpul magnetic se poate o!ineo rezonan ciclotronic. ac frecvena cmpului alternativ aplicatcoincide cu frecvena de rotaie ciclotronic a masei ionice seinstaleaz rezonana# iar raza ciclotronic a traiectoriei ionuluirespectiv se mrete prin preluarea de energie din cmpul alternativ.

Modificrile razei ciclotronice duc la semnale msura!ile la plciledetectoare ale spectrometrului de mas . +entru a putea procesaioni de mase diferite se variaz intensitatea cmpului electricalternativ iar semnalul electric msurat este transformat 4ourier.Spectrometrele de mas cu rezonan ciclotronic cu transformat4ourier ating rezoluii foarte inalte ce depesc# mai ales ndomeniul maselor ionice mari# rezoluia spectroscoapelor de mascu cmpuri sectoriale cu aproape trei ordine de mrime. ezoluiaacestor aparate crete proporional cu puterea i omogenitatea

cmpului magnetic. ,ntensitatea de cmp la aparate curente sesitueaz la pn la %% /esla. "semenea intensiti se pot o!inenumai cu magnei supraconductori raci i cu *eliu sau azot lic*id.

etectoare.etectoarele folosite n spectroscopia de massnt fotomultiplicatorul # amplificatorul de electroni secundari# vezi icapitolul sau cuca 4araday. 0a nceputurile spectroscopiei de mass-au folosit ca detectoare i plci fotografice. etectorul d uncurent electric a crui intensitate este propor ional cuconcentra iile speciilor ionice sau izotopice care sosesc n timpi

diferiti # n func ie de masa lor# pe detector . =talonareaspectrometrului se face cu ioni cunoscui. +entru evitarea ciocnirilor

20


21/33


ionilor de pe traiectoriile circulare cu atomii din aer ntregul sistemfuncioneaz n vacuum nalt (N %&-Im!ar).,n figura ' este prezentatspectrul de mas a enonului eistent n aer. "a cum se o!servspectrul d compoziia izotopic iar intensitatea +ea2-urilor dinspectru d concentraia acestora# n dreapta figurii fiind trecut unta!el cu compoziia procentual izotopic .

Fig.%.spectrul de mas al enonului eistent n natur

Sursa de ioni are rolul de ionizare a su!stanei de analizat # scop n care sefolosesc diferite metode# astfel:

- ionizarea prin impact cu electroni (!"- =lectron ,mpact). =ste folosit la gazesau su!stane lic*ide sau solide ce pot fi aduse n stare de vapori. 0a oraactual ,n spectrometrele uzuale snt folosii electroni cu energii cuprinse

ntre 3-'&& => ( din motive de sta!ilitate la ora actual se folosete adeseaenergia de ?& e>). +rin ciocnirea dintre electroni i molecule se transmite

21


22/33


celor din urm energie ceee ce duce la o!inerea de ioni primari pozitivi."ceti ioni snt etrem de insta!ili i se fragmenteaz total sau parial nstructuri de mas mai mic ncrcate electric. 0a ionizarea unei su!stanefragmentarea se realizeaz dup un model ionic previzi!il.

- ,onizarea c*imic (#" -B*emical ,onisation) folosete ionizarea cu un gazcare n prima faz a fost ionizat la rndul lui prin impact electronic. Cradul defragmentare la ionizarea c*imic este mai redus ca la ionizarea prinfragmentarea cu impact de electroni.

- ,onizarea n cmp (F" 8 4ield ionisation) folosete un gaz ce este ionizatmena$at i controlat ntr-un cmp electric nalt cu a$utorul unui numr mare dedendrite ascuite de grafit.

- ,onizarea cu desor!ie n cmp (F-4ield esor!tion) se folosete pentrusu!stane de analizat solide sau lic*ide ce se introduc su! form lic*id nstructuri dentritice de grafit unde snt ionizate cu un cmp electric puternic.Si acest tip de ionizare ete mena$ant i !ine controlat.

- ,onizarea cu !om!ardament de atomi sau ioni rapizi este o metod aplicat lasu!stane lic*ide sau solide. ,n cazul folosirii de atomi pentru !or!adamentmetoda se numeste FA$ (4ast "tom Kom!ardement). ac pentru!om!ardament se folosesc ioni metoda poart denumirea de S"MS(Secondary ,on Mass Spectrometry). +e lng ionii secundari rezult iparticule neutre . ac aceste particule neutre smnt ionizate cu un fascicullaser se vor!ete de spectroscopie S%MS (Secondary Ueutral MassSpectrometry)

- ,onizarea prin electropulverizare !S" (=le2trospray-,onisation) este folositsoluii cde su!stane ncrcate electric sau su!stane polare "ceste su!stanesnt pulverizate# ionizate# iar ulterior picturile fine n care se gsesc ioni asu!stanei de analizat snt uscate. Metoda este recomandat n special pentruanaliza su!stanelor ce conin molecule mari cum snt de eemplu proteinele.

22


23/33


- ,onizare cu fascicul laser pulsator MA&" (Matri-"ssisted 0aseresorption,onization). =ste folosit pentru evaporarea i ionizareasu!stanelor de analizat solide. Su!stana de analizat se amestec cu uneces al matricei si se cristalizeaz cu aceasta ( legarea su!stanei deanalizat in matricea cristalin). olul matricei este acela de a nmagazinaenergie laser pulsatorie energie care este folosit ulterior pentru ionizareasu!stanei de analizat.

- ,onizare termic T"MS (/*ermal ,onisations Mass Spectrometry) este folositn spectroscopia de mas a corpului solid. n scopul ionizrii su!stana deanalizat ( cantitile folosite pot fi n domeniul ;g sau c*iar ng) este adus peun filament de 7olfram nclzit electric unde se evapor i se ionizeazparial.

- ,onizare cu a$utorul plasmei cuplat inductiv "#P (,nductively Boupled+lasma). 0a acest tip de ionizare din ma$oritatea eldementelor rezult ionisimpli ncrcai pozitiv. +rocedeul este folosit n principal la analizaelementar a suspensiilor anorganice n ap. in cauza potenialului ridicatla care se gsete sursa de ioni # ionii rezultai snt puternic accelerai.

Analizatorul.n analizator ionii snt separai dup masa lor# mai eact dupraportul massarcin# mz. ,n acest scop eist mai multe metode i tipuri deaparate# astfel :

n s&ectrometre de mas cu c(m&uri sectoriale ionii snt deviai de cmpurielectrice i magnetice . aza traiectoriei circulare pe care o parcurg ionii naceste cmpuri depinde de energie ( n cadrul cmpului electric) i de impuls (ncadrul cmpului magnetic). Bunoscnd sarcina energia i impulsul se poatedetermina masa.

Fig.eprezentare sc*ematic a unui spectroscop de mas sectorial de nalt rezoluie

,n figura este repretzentat un spectroscop de mas sectorial de nalt rezoluie

23
http://de.wikipedia.org/wiki/MALDIhttp://de.wikipedia.org/wiki/MALDI


24/33


Spectrometrele de mas sectoriale pot fi construite n aa fel nct ioni cuviteze uor diferite pot fi evideniate n detector ntr-un punct (focalizare devitez) . e asemenea i ioni a cror traiectorie este uor diferit pot fievideniate n detector ntr-un punct (focalizare de direcie). Spectroscoapelecare realizeaz am!ele tipuri de focalizare se numesc cu du!l focalizare .4ocalizarea este necesar pentru ca n cadrul unei rezoluii nalte s se maio!in o intensitate accepta!il a semnalului util. spectrometrele de massectoriale snt cele mai eacte dar i cele mai scumpe aparate ele permiindrezoluii de pn la %&&.&&& (raportul dintre masa ionic i limea liniei).

n s&ectrometre de mas cu )uadru&ol ionii se deplaseaz printr-unaran$ament de patru electrozi cilindrici paraleli aezai dup un ptrat.=lectrozii opui au acelai potenial iar electrozii alturai snt alimentai cu otensiune continu peste care se suprapune o tensiune alternativ. aportuldintre tensiunea continu i cea alternativ determin ( la frecven constant)ce ioni pot traversa aran$amentul . ac ionii nu au masa corespunztoare eisnt accelerai spre eterior i se ciocnesc cu electrozii. Spectrometrelecuadrupol ating rezoluii situate ntre %&&& i F&&&.

n s&ectrometre de mas cu se&arare du& tim&ui de z*or este "olositTF' MS( /ime


25/33


%. &ectrometrele de mas cu ca&can ionic clasic au capcanaformat dintr-un cmp de tip Ruadrupol care se o!ine cu trei electrozi cu rotaiesimetric: doi electrozi de capt i un electrod median inelar . ntre electrodulinelar i electrozii de capt eist o suprapunere ntre o tensiune continu iuna alternativ. ,n timpul efecturii analizei amplitudinea componenteitensiunii alternative este crescut . n funcie de mas # la atingerea unei anumiteamplitudini# ionii snt aruncai din capcana ionic. Ti a$ung la detector. ezoluiao!inut este aproimativ egal cu cea cu spectrometrele de mas cuRuadrupol. Spectrometre cu capcan ionic spre deose!ire de celelaltespectrometre enumerate nu pot fi eploatate continuu ceea ce nseamn cionizarea i analiza se desfsoar pe rnd nu n paralel

&ectrometrele de mas cu rezonan' ciclotronic cu trans"ormatFourier au n capcana de ioni un cmp magnetic omogen care foreaz ionii sse deplaseze pe o traiectorie circular cu o frecven de rotaie dependentde mas . +rin aplicarea unui cmp electric alternativ perpendicular pe cmpulmagnetic se poate o!ine o rezonan ciclotronic. ac frecvena cmpuluialternativ aplicat coincide cu frecvena de rotaie ciclotronic a masei ionicese instaleaz rezonana# iar raza ciclotronic a traiectoriei ionului respectiv semrete prin preluarea de energie din cmpul alternativ. Modificrile razeiciclotronice duc la semnale msura!ile la plcile detectoare ale spectrometruluide mas . +entru a putea procesa ioni de mase diferite se variaz intensitateacmpului electric alternativ iar semnalul electric msurat este transformat4ourier. Spectrometrele de mas cu rezonan ciclotronic cu transformat4ourier ating rezoluii foarte inalte ce depesc# mai ales n domeniul maselorionice mari# rezoluia spectroscoapelor de mas cu cmpuri sectoriale cuaproape trei ordine de mrime. ezoluia acestor aparate crete proporional cu

25


26/33


puterea i omogenitatea cmpului magnetic. ,ntensitatea de cmp la aparatecurente se situeaz la pn la %% /esla. "semenea intensiti se pot o!inenumai cu magnei supraconductori

etectoare. etectoarele folosite n spectroscopia de mas sntfotomultiplicatorul # amplificatorul de electroni secundari sau cuca 4araday.0a nceputurile spectroscopiei de mas s-au folosit ca detectoare i plcifotografice .

#uplarea spectroscoapelor de mas cu cromatograe /i

cuplarea0 spectroscop de mas ' spectroscop de mas .0a pro!ecomplee este util ca acestea s fie separate pe componente mai simplenainte de intrarea n spectrometru. n acest sens spectrometrele de mas sntadesea cuplate la cromatografe de gaze #MS(Cas B*romatograp*y MassSpectrometry) sau de lic*ide MS (0iRuid B*romatograp*y MassSpectrometry). 0a analize c*imice de multe ori este de interes ca ionii separaicu un spectrometru de mas s fie fragmentai iar fragmentele s fie analizatedin nou cu un alt spectrometru de mas. n acest scop se nseriaz douspectrometre de mas (MSMS)#

"nterpretarea spectrelor de mas Bonditia esenial pentrudeterminarea masei (m) este cunoaterea sarcinii (R) a ionului deoareceanalizatorii pot separa ionii numai dup raportul mR . Sarcina (R) estetotdeauna un multiplu ntreg a sarcinii elementare (e): R 9ze i de cele maimulte ori z 9A%. Ba unitate pentru mR s-a propus /*omson-ul (T3)4 GmRH 9 T3.

n prima faz tre!uie determinat masa su!stanei de analizat . n mod normalaceasta este masa celui mai greu ion detecta!il . =vident c la ionizarea prinimpact electronic adesea o mare parte a moleculelor este fragmentat . nacest caz se procedeaz la micoreaz energiei de ionizare cu ruperea unuinumr mai mic molecule ceea ce permite identificarea mai uoar a maseicelui mai greu ion detecta!il. ,nterpretarea n continuare se !azeaz pe faptul

c atomii diferitelor elemente c*imice prezint un defect de mas diferit . 0amolecule uoare eist numai o com!inaie sau un numr restns de com!inaii

26
http://de.wikipedia.org/wiki/GC/MShttp://de.wikipedia.org/wiki/LC/MShttp://de.wikipedia.org/wiki/GC/MShttp://de.wikipedia.org/wiki/LC/MS


27/33


atomice care se potrivesc la masa msurat. 0a molecule grele# mari# numrulde com!inaii este n sc*im! mult mai mare. "a de eemplu car!onul esteformat in procent de JL#J1 din %'B i n procent de %#%1 din %EB. up ciatomi de car!on snt prezeni n molecul pe lng semnalul principal dinspectru apar semnale secundare care difer cu una# dou sau mai multeuniti de mas atomic (amu). ,ntensitatea semnalelor secundare este ntr-un raport caracteristic cu intensitatea semnalului principal. 6alogeni precumclorul i !orul au raporturi caracteristice ale izotopilor ce pot fi folosite pentruidentificare. Metodele enumerate snt aplica!ile i fragmentelor moleculare.Moleculele se rup adesea n locuri caracteristice. in masa fragmentelor i dineventuale alte

Fig.Spectru de mas pentru tetraclordi!enzofuran# ionizare cu impact de electroni

informaii poate fi determinat n final formula structural. ,n acest fel laionizare cu impact de electroni a$ut n mod deose!it !i!liotecile de spectre demas . intre acestea cele mai cunoscute snt cele de la 5iley si cele ale U,S/(Uational ,nstitute of Standards and /ec*nology). urarea cuantificrii delegturi se realizeaz i prin folosirea de standarde interne !azate pe marcriiizotopice sau deuterri.

27


28/33


Fig.'.spectrul de mas al enonului eistent nnatur

"nterpretarea spectrelor de masAnaliza calitati5 a substan6elor pure.Spectrul de mas a

unei su!stane pure d urmtoarele informaii importante despreaceasta:

%. ofer cu o precizie nemaintilnit masa molecular asu!stanei. Bonditia esenial pentru determinarea maseim este cunoaterea sarcinii ) a ionului deoareceanalizatorii pot separa ionii numai dup raportul mR .Sarcina ) este totdeauna un multiplu ntreg a sarciniielementare e: ) =ze i de cele mai multe ori z =+1. Baunitate pentru m/) s-a propus /*omson-ul (T3)4 ,m/)- =Th.n prima faz tre!uie determinat masa su!stanei deanalizat . n mod normal aceasta este masa celui mai

greu ion detecta!il . =vident c la ionizarea prin impactelectronic adesea o mare parte a moleculelor estefragmentat. n acest caz se procedeaz la micoreazenergiei de ionizare cu ruperea unui numr mai micmolecule ceea ce permite identificarea mai uoar amasei celui mai greu ion detecta!il. ,nterpretarea ncontinuare se !azeaz pe faptul c atomii diferitelorelemente c*imice prezint un defect de mas diferit . 0amolecule uoare eist numai o com!inaie sau un numr

restns de com!inaii atomice care se potrivesc la masamsurat. 0a molecule grele# mari# numrul de com!inaii

28


29/33


este n sc*im! mult mai mare. "a de eemplu car!onuleste format in procent de JL#J1 din 12C i n procent de%#%1 din 1C. up ci atomi de car!on snt prezeni nmolecul pe lng semnalul principal din spectru aparsemnale secundare care difer cu una# dou sau maimulte uniti de mas atomic (amu). ,ntensitateasemnalelor secundare este ntr-un raport caracteristic cuintensitatea semnalului principal. 6alogeni precum cloruli !orul au raporturi caracteristice ale izotopilor ce pot fi

folosite pentru identificare. Metodele enumerate sntaplica!ile i fragmentelor moleculare. Moleculele se rupadesea n locuri caracteristice.

'. ofer formula general a su!stanei# cu condiiacunoaterii eacte a masei moleculare i cu folosirea unuispectrometru de mas de nalt rezoluie sau cu folosireaunui spectrometru de rezoluie mai sczut i araporturilor de izotopi

E. diferite modelele de fragmentare tipice# rezultate ca

urmare a ionizrii su!stanei# ofer informaii certe despreprezena anumitor grupri funcionale n su!stan

F. prin compararea electronic a spectrului rezultat cuspectre din !i!lioteci electronice de spectre se poatedetermina automat identitatea unui compus. ,n acest fel laionizare cu impact de electroni a$ut n mod deose!it!i!liotecile de spectre de mas . intre acestea cele maicunoscute snt cele de la 5iley si cele ale U,S/ (Uational,nstitute of Standards and /ec*nology). urarea

cuantificrii de legturi se realizeaz i prin folosirea de

29


30/33


standarde interne !azate pe marcrii izotopice saudeuterri.

7. I.

?. Fig.Spectru de mas pentru tetraclordi!enzofuran# ionizarecu impact de electroni

L. Analiza calitati5 a amestecurilor de substan6e.Spectrometria de mas clasic este un ecellent mi$loc deidentificare calitativ a su!stanelor pure. 0a folosirea eipentru identificarea unor amestecuri complee# c*iar i ncondiiile utilizrii unor spectrometre de mas de naltrezoluie # din cauza numrului imens de fragmentri cuvalori mz diferite# utilizarea ei este limitat. in acestmotiv spectrometrele de mas se cupleaz fie lacromatografe # constituind elementul de detecie a

acestora# fie se inseriaz mai multe spectrometre de masrezultnd structuri de gen MSMS sau c*iar MSMSMS.

J.

18. Aplicatii de baz ale spectrometrelor de

mas.

11.

%'. atorit limitei de detec ie foarte avansate# aposi!ilit ii identificrii automate a speciilor moleculare #

30


31/33


atomice i ionice# spectrometrele de mas reprezintunit ile finale de detec ie i analiz la cromatografia de gaze (CB-MS) # la cromatografia de lic*ide de tip 6+0B(0B-MS)# la electroforez capilar (=B-MS) i laspectrometria atomic de emisie cu plasm cuplatainductiv (,B+-MS). 0a analize c*imice complee pentru astudia fragmentrile rezultate# dar i pentru m!unt irea senzitivita ii (legat direct de limita de detec ie) precum i a selectivit ii de multe ori este necesar ca ionii separai

s fie fragmentai i analiza i etrem de avansat scop n care se nseriaz dou spectrometre de mas (MSMS).Snt cunoscute i utilizate c*iar i nserieri a trei spectrometre de mas rezultnd structuri de genul :MSMSMS.

9iii. Spectroscopia de mas

Spectroscopia de mas reprezint un procedeu analitic pentrudeterminarea de elemente c*imice# mase moleculare i mase de fragmentemoleculare. +entru su!stana analizat este determinat frecvena cu careapar ioni i fragmentele lor moleculare. Spre deose!ire de spectroscopiaelectromagnetic unde spectrul reprezint o distri!uie a intensitii radiaiei nfuncie de lungimea de und n spectroscopia de mas un spectru reprezintdistri!uia intensitii ( frecvena de apariie a masei specifice) n funcie deraportul dintre mas i sarcin

ac se fac msurri pentru un singur element spectrometrul de massepar izotopii ale acestui element su! form de linii distincte deoarece izotopiiau mase diferite. ,ntensitatea acestor linii este proporional cu 6Vufig2eiten der

31


32/33


,sotope eines =lements. +recizia de determinare izotopic este n domeniulppm la la mase ale pro!elor mai mici de % microgram

Spectroscopia de mas reprezint astzi cea mai performant metodde analiz instrumental a c*imiei analitice folosit pentru determinareastructurii# a compoziiei i a concentraiei amestecurilor de su!stane. easemenea este cea mai important metod pentru analiza urmelor i pentruidentificarea i dozarea izotopilor. ,n figura % este reprezentat sc*ema deprincipiu a unui spectroscop de mas.

Fig.Sc*ema de principiu a spectroscopului de mas

Spectroscopul de mas

ntr-un spectroscop de de mas particule ncrcate electric i sc*im!traiectoria de z!or n funcie de masa lor. n spectroscop de mas se compunedintr-o surs de ioni ioni# un analizator i un detector# figura %. 0aspectrometrele de mas cu capcan ionic sursa de ioni i analizatorulformeaz o singur unitate# acest tip de spectrometru va fi descris separat.

"tomii sau moleculele ce urmeaz a fi msurate nainte de intrarea nspectrometru snt transformate prin diferite metode n ioni pozitivi.

@ A e-9 @AA ' e-

< optic special pentru ioni culege i focalizeaz fasciculul de electroniasupra fantei de intrare a spectrometrului. 4ascicului de ioni cu aceeai

32


33/33


energie cinetic a$unge n cmpul magnetic perpendicular pe direcia lui dedeplasare i este desprit de acesta pe traiectorii circulare dependente demasa ionilor ce compun fasciculul. Bu ct este mai mare masa ionului cu attmai mare este raza traiectoriei circulare. +e ecranul de detecie se

nregistreaz desfurat i distinct speciile ionice sau izotopice n funcie demas. ,ntensitatea unui anumit fascicul de ioni de o anumit mas esteproporional cu concentraia acestuia. =talonarea spectrometrului se face cuioni cunoscui. +entru evitarea ciocnirilor ionilor de pe traiectoriile circulare cuatomii din aer ntregul sistem funcioneaz n vacuum nalt (N %&-Im!ar). ,nfigura este prezentat spectrul de mas a enonului eistent n natur . "a cumse o!serv spetrul d compoziia izotopic iar intensitatea +ea2-urilor dconcentraia acestora

ii.9.-spectroscopie de masa -17

Documents