Sistema de Detecção

Um detector ideal deve ser sensível, de modo a originar limites de detecção baixos, fácil de operar, estável e reprodutível, originar uma resposta linear num intervalo de concentrações adequado, dar resposta semelhante para todos os compostos (detector universal) ou resposta selectiva e expectável para determinadas classes de compostos (detector selectivo), ser sensível a baixas concentrações dos compostos e não contribuir para um alargamento dos picos dos compostos. De um modo geral, os detectores podem ser de dois tipos: detector de propriedades do soluto, considerados selectivos, em que a resposta depende da variação de propriedades do composto, ou detector de mudanças nas propriedades do solvente causadas pela presença do composto, sendo estes considerados quase universais.5,8

Há uma grande variedade de sistemas de detecção em GC, devendo escolher-se o mais adequado em função da aplicação pretendida, dos quais se destacam o detector de ionização de chama (FID), de condutividade térmica (TCD), de captura electrónica (ECD) e de azoto e fósforo (NPD), mas também hifenados, como o detector selectivo de massa (MS).

4.3.4.1. Cromatografia Gasosa – Espectrometria de Massa (GC-MS)

A GC-MS é uma técnica hifenada, que combina o poder da separação da cromatografia com a detecção selectiva e sensível da MS. Após saírem da coluna cromatográfica, as moléculas são ionizadas e fragmentadas numa fonte de ionização; os iões formados são separados num analisador de massa e detectados de acordo com a sua razão m/z. Dado que

65 cada composto sofre uma ionização e fragmentação características, o correspondente espectro de massa (que relaciona a intensidade dos iões com a razão m/z) oferece informação única e característica de cada composto, como uma “impressão digital”, a qual pode ser usada para o identificar.1,7,8

Na fonte de ionização as moléculas neutras são ionizadas, podendo ocorrer também fragmentação secundária dos iões formados. Existem dois tipos de ionização em fase gasosa: química ou por impacto electrónico (EI), sendo esta última a mais utilizada. Na EI os espectros obtidos podem ser comparados com bibliotecas de espectros para identificação de compostos desconhecidos, uma vez que são reprodutíveis para a grande maioria dos compostos orgânicos.7 Quando entram na câmara de ionização, as moléculas dos compostos são bombardeadas por um feixe de electrões (e-), provenientes de um filamento à base de tungsténio ou rénio incandescente e que atravessam a câmara de ionização por acção de um eléctrodo com potencial positivo. Normalmente, os electrões possuem uma energia de 70 eV, dado que este valor tem a vantagem de produzir espectros de massa mais reprodutíveis e característicos das moléculas em estudo.5,7,8

Uma vez na câmara de ionização, ocorrem colisões entre as moléculas do composto e os electrões, transferindo-se energia para as moléculas, as quais perdem um electrão de valência originando um ião radical M+•, designado por ião molecular (equação 4.9). Quando os electrões possuem energia em excesso, os iões radicais formados tornam-se instáveis e sobreexcitados, pelo que procuram estabilidade através do rompimento de ligações, formando fragmentos da molécula original. Os iões fragmento mais estáveis são reproduzidos no respectivo espectro de massa.7,8

M + e- → M+• + 2 e- (4.9) O modo de ionização EI apresenta diversas vantagens, nomeadamente o facto de

produzir muitos iões, o que contribui para a obtenção de sensibilidades mais elevadas, e originar fragmentação extensiva, muito útil para uma identificação de compostos. Porém, esta fragmentação extensiva também pode ser uma desvantagem, principalmente para compostos desconhecidos, pois o ião molecular pode ser completamente fragmentado, não sendo observado no espectro de massa e impedindo a determinação da massa molecular do composto em causa.5,8

Após a ionização, os iões entram no analisador de massa, onde são separados de acordo com a sua razão m/z. Um dos analisadores de massa mais comuns em GC-MS é o

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quadrupolo, muito usado principalmente devido ao baixo custo e elevada robustez. São instrumentos estáveis e compactos, com elevada velocidade de varrimento, o que permite obter um espectro de massa total em menos de 100 ms, com resolução de uma unidade de massa e registo de 2 a 8 espectros por segundo.4,5,7,8

O quadrupolo consiste em 4 cilindros metálicos paralelos, formando entre si um quadrado e que funcionam como eléctrodos, sendo um par de cilindros ligado ao pólo positivo e o outro par ao pólo negativo. É-lhes aplicada uma voltagem constante (DC) e uma voltagem de radiofrequência oscilante (RF) criando um campo eléctrico que deflecte os iões em trajectórias complexas à medida que migram da câmara de ionização para o detector. Para uma determinada razão dos dois tipos de voltagem, apenas iões com uma determinada razão

m/z (iões ressonantes) podem atingir o detector. Os iões que não possuem a razão m/z

escolhida (iões não ressonantes) são eliminados. Para efectuar um varrimento de várias razões

m/z, as voltagens são rapidamente alteradas em simultâneo. A massa que pode atravessar o

quadrupolo e atingir o detector está linearmente relacionada com a amplitude da voltagem, sendo esta relação linear de fácil controlo e calibração.4,5,7,8

O analisador pode analisar todas as razões m/z num determinado intervalo de massas ou apenas algumas razões m/z específicas; estes dois modos de operação são designados respectivamente por varrimento contínuo (full scan) e monitorização seleccionada de iões (SIM). No modo full scan analisam-se todas as massas dentro de um intervalo definido entre valores de m/z de 50 (para excluir iões produzidos a partir de ar residual ou gás de arraste) e 600 (valor definido pela volatilidade útil dos compostos). O resultado obtido traduz-se num registo completo da análise da amostra, sendo registado um elevado número de espectros; a soma das abundâncias iónicas em cada espectro em função do tempo de retenção é designada de traçado de corrente iónica total. No modo SIM, o analisador de massa detecta apenas alguns valores de m/z pré-seleccionados aumentando a sensibilidade em cerca de 100 a 1000 vezes, o que permite baixar os limites de detecção num factor de mais de 100 vezes, visto que mais tempo é dispendido a analisar cada um dos iões com interesse. Este modo de análise é muito útil quando os compostos estão mal resolvidos ou coeluem, pois podem escolher-se iões diferentes para cada composto, assim como em aplicações vestigiais em que se pretende a quantificação de compostos conhecidos.4,7,8

Após saírem do quadrupolo os iões dirigem-se para o detector iónico, no qual a energia de colisão dos iões com a superfície do detector é convertida num sinal eléctrico. O sistema de detecção mais comum em GC-MS é o multiplicador de iões, que produz correntes de amplificação de 103 a 108 vezes mais com baixo ruído de fundo, convertendo a energia

67 cinética dos iões incidentes numa cascata de electrões secundários. Para tal, os iões colidem com vários conjuntos de díodos que operam com voltagens de 1 a 3 kV, sendo frequente que o primeiro díodo (díodo de conversão) tenha uma voltagem superior (5 a 20 kV). Ao atingir a superfície do díodo, libertam-se electrões que são acelerados para colidir com um novo díodo, onde por sua vez se libertam novos electrões e assim sucessivamente num conjunto de 10 a 40 díodos ligados a um potencial sucessivamente mais elevado. Assim, o número de electrões usado para criar o sinal de corrente eléctrica é muito maior que o inicial, o que aumenta a corrente eléctrica e o sinal dela proveniente.7,8

A reprodutibilidade de um espectro de massa depende do percurso médio livre das moléculas correspondente à distância percorrida sem colisão entre elas. Para que estas colisões não ocorram, é necessário que o percurso percorrido pelas moléculas seja inferior ao percurso médio livre, razão pela qual o espectrómetro de massa tem que operar em condições de alto vácuo. Nestas condições, as moléculas e os iões colidem apenas com as paredes e não entre si, não interferindo na sensibilidade e reprodutibilidade do espectro de massa.7 Normalmente, o espectrómetro de massa tem uma bomba mecânica que permite um vácuo inicial de cerca de 10-3 Torr. Uma vez obtido este valor, outros sistemas de vácuo incorporados no sistema são activados, de forma a obter pressões tão baixas quanto 10-5 Torr. Para além desta função, o sistema de vácuo é ainda importante para garantir que não existem moléculas de água ou de oxigénio quando ocorre a ionização.9