Espectrometria de massas.

Espectrometria de massas pode ser entendida como uma técnica analítica que permite a identificação da composição química de um determinado composto isolado, ou de diferentes compostos em misturas complexas, através da determinação de suas massas moleculares na forma iônica, (ou seja, com carga elétrica líquida, positiva ou negativa), baseada na sua movimentação através de um campo elétrico ou magnético. Esta movimentação é determinada pela razão entre a massa de um determinado composto (analito) e sua carga liquida, designada por m/z (mass to charge ratio) (HOFFMANN e STROOBANT, 2007).

A Figura 4 mostra um resumo dos métodos de introdução de amostra, fontes de ionização, tipos de analisadores e detectores.

Figura 4: Representação da instrumentação da análise por espectrometria de massas com alguns exemplos (retirada da aula QP422 (Prof. Fábio Gozzo – IQ/UNICAMP)

A espectrometria de massas é uma técnica instrumental muito ampla dentro da ciência moderna, com amplas aplicações em diversas áreas da química, biologia, ciências médicas e tecnológicas. Isto se deve aos avanços em instrumentação e ao desenvolvimento de novas técnicas de ionização que a revigoraram. Compostos polares e termicamente lábeis podem ser analisados por técnicas de ionização brandas, que operam em pressão atmosférica, tais como ESI (Electrospay), APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization) e APPI (Atmospheric Pressure Photo Ionization), com grande rapidez, sensibilidade, seletividade e preparo mínimo de amostra. A evolução das técnicas de ionização e dos analisadores de massas tornou possível a análise qualitativa e quantitativa de misturas orgânicas complexas de qualquer espécie, e possibilitou o acoplamento com a cromatografia líquida, que antes não era compatível com as algumas técnicas de ionização devido a interface entre o espectrômetro de massas, onde a fonte de ionização opera em uma região de alto vácuo, e o cromatógrafo líquido opera em pressão atmosférica. No ESI, a

ionização é obtida através da protonação, desprotonação, ou pela adição de Na+, K+,

NH4+ o Cl-, formando adutos. Nas técnicas de ionização branda os íons gerados têm

baixas energias internas, o que resulta em espectros de massas com sinais intensos relativos a moléculas protonadas ou desprotonadas com pouca informação sobre íons relativos a fragmentos. A ausência de informação estrutural estimulou o desenvolvimento de técnicas de fragmentação induzidas, surgindo assim a espectrometria de massas tandem ou sequencial (MS/MS), onde geralmente os fragmentos são gerados pela colisão do íon gerado na fonte de ionização com uma molécula de gás (por exemplo argônio) em uma câmara de colisão (CID – Collision- Induced Dissociation). A ionização por ESI é um método para produzir moléculas gasosas ionizadas a partir de uma solução líquida. Este processo pode ser dividido em três etapas principais: a nebulização da solução da amostra em gotículas carregadas decorrentes da aplicação direta de voltagem no capilar; a liberação dos íons a partir das gotículas; e o transporte dos íons da região de pressão atmosférica da fonte para a região de alto vácuo do analisador. A Figura 5 mostra a representação da fonte de ionização por eletrospray (CABRAL, 2010).

Figura 5: Representação da fonte te ionização por eletrospray (CABRAL, 2010)

Analisadores quadrupolares utilizam campos elétricos oscilantes, gerados por quatro barras metálicas (eletrodos), para estabilizar ou desestabilizar seletivamente os íons, de acordo com seus valores de m/z, durante sua passagem pelo centro do quadrupólo (Figura 6) O campo elétrico oscilante é gerado nos eletrodos pela aplicação de potenciais de corrente-direta (DC – direct-current) e rádio-freqüência (RF). A trajetória dos íons é estabilizada ou desestabilizada, através de variações sistemáticas nos valores de DC e RF, assim o quadrupolo funciona como um filtro. Os íons de diferentes valores de m/z são diferenciados pois chegam no detector em tempos diferentes (HOFFMANN e STROOBANT, 2007; DASS, 2007).

Figura 6: Representação de um quadrupolo (DASS, 2007).

A espectrometria de massas de modo seqüencial (Tandem-MS) é uma sequência de análise que envolve pelos menos três estágios. O primeiro estágio é a seleção de um íon precursor, o segundo estágio consiste na ruptura deste íon

precursor para gerar íons-fragmentos e o terceiro estágio compreende na análise e detecção destes fragmentos formados. As configurações mais comuns para realização da análise tandem-MS, também chamadas de MS/MS ou MSn, são os triploquadrupólos (Q-Q-Q) (Figura 7 A), quadrupólo-TOF, TOF/TOF, que são equipamentos que apresentam três componentes em sequência, um analisador de massas, uma câmera de fragmentação e outro analisador de massas. O íon precursor é selecionado no primeiro analisador (chamado de MS1) e depois ele é fragmentado na câmera de colisão. O modo mais comum de se obter fragmentos é através da dissociação induzida por colisão (CID – collision induced dissociation, também conhecida como CAD – collisionally activated dissociation – dissociação ativada por colisão). Neste processo, a câmara de colisão é preenchida com um gás inerte, como argônio (hélio e xenônio também podem ser utilizados dependendo do tipo de espectrômetro), e então os íons são acelerados pela aplicação de altos campos elétricos. Duas etapas são importantes neste processo: a ativação por colisão, onde a energia translacional resultante é convertida em energia interna, tornando as moléculas energeticamente excitadas, e a dissociação uni-molecular, processo pelo qual as moléculas excitadas sofrem a dissociação. Finalmente, os fragmentos formados serão analisados pelo segundo quadrupólo (MS2) antes de chegar até o detector (Figura 7 B)

(HOFFMANN e STROOBANT, 2007; DASS, 2007; SOUZA, 2008).

(A): Triplo Quadrupólo, fonte: Manual de operações da Waters, (B) esquema de seleção do íon precursor e sua fragmentação. (SOUZA, 2008).

O modo de operação empregado nas análises quantitativas deste trabalho foi o Monitoramento de Reações Selecionadas (SRM). Neste modo o primeiro analisador está configurado para selecionar íons com massa específica. A energia de colisão é otimizada para produzir o fragmento que será diagnosticado no segundo analisador. Somente íons procedentes da transição configurada podem ser detectados. Este modo é ideal para aplicações quantitativas, às quais requerem alta sensibilidade e seletividade.

O desenvolvimento de um método capaz de qualificar e quantificar aditivos em gasolina é uma nova demanda e a espectrometria de massas apresenta os requisitos necessários para atendimento dessa demanda. Os métodos encontrados na literatura para análise de aditivos em gasolina têm suas limitações. Em alguns casos, há a necessidade de pré-concentração das amostras e, a maioria dos métodos realiza apenas a qualificação ou a quantificação. Uma única técnica que permita a identificação do aditivo bem como determine a concentração do mesmo seria muito útil em ações de fiscalização das agências reguladores bem como para os órgãos que fazem fiscalização de combustíveis. Os equipamentos de massas apresentam alto custo, mas a facilidade de preparo de amostra e o tempo reduzido de análise diminuem o custo de mão de obra e também diminuem o passivo de resíduos, como por exemplo, solventes, o que torna essa técnica vantajosa para laboratórios prestadores de serviços. A espectrometria de massas associada a cromatografia líquida é uma poderosa ferramenta para caracterização e quantificação de compostos.