Analisadores de Massas
n Magnéticos-Eletrostáticos BE
o Quadrupolos Qq
p “Íon-Traps 3D” e “Íon-Traps Lineares” QIT
qTempos de Vôo TOF
r Ressonância Ciclotônica de Íons FT-MS
6- “Orbitraps”
BE ou EB
Dupla Focalização com Setor Magnético e Eletrostático
Thomson → Aston → Dempster 1918
V de acelaração típico de 8.000V
Energia Cinética dos íons ½ mv2 = zeV
onde z = carga do íon V = potencial aplicado
Para atravessar o analisador B e chegar ao detector, o íon deve descrever
uma trajetória perfeita de raio rB
BE ou EB
Dispersão de energia cinética na fonte causa perda de resolução.
Correção: B + E ou E + B !
Em E temos: mv2 / rE = eZE (3) sendo que ½ mv2 = ZeV (1)
(1) + (3) rE = 2V / E Íons que sofreram aceleração exatamente proporcional a V
descreverão a trajetória de raio rE no analizador eletrostático e serão transmitidos.
Os outros com Ec maior ou menor serão retidos !
Analisador E funciona então com um analisador/filtro de energia cinética de íons,
aumentando assim a resolução da análise de m/z. B resolução 1.000; B + E ou E + B +
E resolução 60.000
Jurássico !
Características principais
1 Pode operar em baixa (1.000) ou alta resolução (até 60.000).
2 Alta precisão nas medidas de massas (5 ppm em alta resolução).
3 Análise discriminatória. Fendas filtram o sinal, baixa transmissão
principalmente em alta resolução.
4 Alto custo e complexidade.
5 Íons precisam ser acelerados com alta energia cinética para compensar
dispersão de energia na fonte (8 kV).
6 Escala de massas não é linear: m/z α B2.
7 Varreduras relativamente lentas (efeito de esteresse de campo).
8 Ideal para análise isotópicas precisas: 12C/14C 1H/2H
Quadrupolos Lineares : Q / q
Wolfgang Paul
Paul & Steinwedel 1953
Prêmio Nobel 1989
y
z
x
+
+
-
• A varredura é feita variando simultaneamente U (DC) e V0 (AC) mas
mantendo constante a relação U/V0.
Analisador de Massas Quadrupolar
Equação Mathieu
stability diagram
3 eV
3,2 eV
Ion Paths in Quadrupoles
Quadrupolo
Características principais
- Baixa resolução: resolução "unitária“ controlada por U/V0.
- Análise discriminatória.
- Íons são acelerados com baixa energia cinética (~15 V).
- Varreduras rápidas.
- Facilmente acoplados (QqQ e QqQqQ).
- Tolerantes a pressões relativamente altas: 10-4 torr.
- Quando operam somente com aplicação de AC ("rf-only”) funcionam
como focalizadores de íons: câmaras de colisão ou reação.
QIT - Quadrupolos "Ion Trap Tridimensionais
(3D)”
Paul & Steinwedel 1953
QIT - Quadrupolos "Ion Trap Tridimensionais (3D)”
Paul & Steinwedel 1953
Ion traps
Um eletrodo hiperbólico
“Ring” e dois “endcap”
QIT 3D
• Um eletrodo hiperbólico simétrico na forma de um anel ou "doughnut" (“ring electrode”) é
posicionado entre dois eletrodos hiperbólicos (“end cap electrodes”). Aplica-se sobre o ring
electrode uma voltagem AC (rf) de amplitude (V) variável e freqüência (~1.1 MHz) fixa (V +
coswt) que cria um potencial quadrupolar tridimensional aprisionador. Os eletrodos end cap
são aterrados (V = zero). Não se aplica normalmente voltagem dc (U), portanto os QIT podem
ser classificados como quadrupolos "rf-only" tridimensionais. Liga-se o filamento e todos os
íons formados dentro do QIT (ou ali injetados) de m/z acima de um certo valor limite
(determinado por V) são aprisionados por um certo período de tempo (~1 ms). Após este
período de captura dos íons, desliga-se o filamento e obtêm-se um espectro de massas pela
varredura de V; íons de m/z crescente são acelerados na direção do eixo Z, sendo assim
ejetados através de orifício no eletrodo end cap, e detectados.
• "Bath gas": adiciona-se hélio a uma pressão típica de 10-3 Torr para aumentar sensibilidade e
resolução. A repulsão entre íons de mesma carga confinados no centro do trap tende a
desestabilizar suas trajetórias por dispersão (efeito "space-charge"). Colisões com o "bath gas"
resfriam os íons (energia cinética), mantendo-os aprisionados com refocalização para o centro do
trap.
• Aprisionamento seletivo de íons: Seqüência de eventos. Após o aprisionamento de vários íons, um
íon de m/z específico (ex: 100) pode ser mantido no trap, e os demais eliminados. Uma voltagem rf
adicional é aplicada nos eletrodos end-cap com amplitude e freqüência ajustadas para eliminar os
íons mais pesados (m/z > 100). A amplitude da voltagem rf (V) aplicada no ring electrode é então
aumentada até um valor limite (imediatamente inferior aquele necessário para a eliminação do íon
de m/z 100), e durante a varredura de V tanto os íons pesados como os leves são sucessivamente
eliminados.
Trajetória Estável
Características principais QIT
• Baixa resolução: resolução "unitária". Pode trabalhar em alta resolução em
varreduras lentas.
• Baixo custo, simples, robusto e pequeno: ~ 5 x 5 x 5cm. (Cilíndricos
miniaturizados)
• Eletrônica simples: somente voltagem RF.
• Escala de massas é linear: m/z α V.
• Permite experimentos MSn seqüenciais no tempo (ex: MS13).
• Trabalha com pressões relativamente altas: 10-3 torr.
• Devido a possibilidade de ocorrer reações íon-molécula durante aprisionamento,
espectros de EI podem ser "contaminados" por CI.
• Fácil realização de CI a pressões relativamente baixas.
• Baixa precisão nas medidas de massas. “Mass-shifts” eletrônicos e químicos.
Ion traps
n
(MS )
QIT - Quadrupolos "Ion Traps Lineares”
Vantagens: ~50 vezes mais sensíveis; maior capacidade de armazenamento. Reduzem
os problemas de “charge space” : repulsão íon-íon e assim minimizam “mass-shifts”.
Sem problemas de self-CI e perda de 1/3 m/z em MS/MS !
QIT - Quadrupolos "Ion Traps Lineares”
Dipolar Aux AC
Ion
N2 CAD Gas
Skimmer
Q0
Orifice
Q1
IQ1
trap
Q2
Q3
IQ3
IQ2
LINAC
Exit
linear ion trap
3x10-5 Torr
Tempos de Vôo “TOF”
Cameron 1948
O patinho feio
• Através de um tubo de comprimento L (~ 1m) sob alto vácuo, íons formados por
ionização pulsada (~0.25 a 1 ms) são acelerados pela aplicação de uma voltagem V
(~1-10 KV) e adquirem velocidades proporcionais as suas m/z's. Ocorre dispersão em
tempo e íons de diferentes m/z's chegam ao detector em tempos diferentes :
t = (m / 2zeV)1/2 L
• Princípio básico: Dispersão no tempo de íons por aceleração seguida da medidas de
seus tempos de vôo "livre".
Reflectron Instruments
Analisador de Massas por tempo de Vôo.
Tof Linear
Resolução = 600
Tof Ortogonal
Resolução = 3400
Aumento da Resolução em TOF
a) Aceleração Ortogonal
Lindo Cisne
b) Espelho Elestrostático
Aumento da Resolução em TOF
• TOF's lineares apresentam baixa resolução devido a duração do pulso de ionização e
dispersão de energia cinética dos íons na fonte. Solução paliativa: Aumento de L ou técnicas
de aceleração "pós-ionização".
• Reflectors (Espelhos Eletrostáticos): Uma série de grades ou eletrodos onde se aplica um
potencial repulsivo crescente. Os íons penetram angularmente no reflector, são
desacelerados por repulsão eletrostática, fazem uma curva, e assim retornam para o tubo de
vôo. Considere dois íons de mesma m/z mas com diferentes velocidades, dispersos no tempo.
O íon de maior energia cinética, a frente em tempo de vôo, penetra mais profundamente no
reflector e ali permanece por mais tempo. O outro penetra menos profundamente, e ali
permanece por um tempo menor. A dispersão é corrigida, e os íons são refocalizados em
tempo de vôo, com conseqüente aumento da resolução (largura do pico) ou poder de
separação.
• Aceleração ortogonal. o-TOF: Íons são produzidos de forma contínua na fonte de
ionização, e acelerados. O feixe de íons é focalizado com o auxílio de lentes e
quadrupolos/octapolos "rf-only". Uma aceleração pulsada e ortogonal ao movimento do
feixe de íons é aplicada. Íons então adquirem velocidades "ortogonais" que não são
influenciadas pelas suas velocidades divergentes adquiridas pela aceleração na fonte.
TOF
Características principais.
•TOF's lineares: baixa resolução. TOF's com reflector: média
resolução. o-TOF's com reflector: alta resolução e alta precisão (
5 ppm).
• Análise não-discriminatória. Alta sensibilidade.
• Baixo custo, fácil manutenção.
• Varreduras extremamente rápidas.
• Ampla faixa de varredura > 106 u. Único analisador acoplável
a MALDI de macromoléculas.
Hoje, uma das melhores relações custo/benefício.
FTMS
Espectrometria de Massas com Ressonância Ciclotrônica
de Íons (ICR) e Transformada de Fourier
Comosarow & Marshal 1974
“Monster MS”
FT-MS
• Uma cela cúbica é posicionada no centro de um íma supercondutor (~ 3-7 Tesla). Os
íons formados dentro da cela (ou ali injetados) se movem em uma trajetória circular
perpendicular ao eixo do campo magnético, de frequência angular (frequência de
ressonância ciclotrônica) wc proporcional ao campo magnético B e as suas m/z's:
wc = zeB/m
• Para evitar que íons escapem da cela, uma baixa voltagem dc é aplicada aos eletrodos de
aprisionamento gerando um campo elétrico E perpendicular ao campo magnético B.
• Uma voltagem rf é aplicada aos eletrodos transmissores (laterais). Varre-se então
rapidamente a frequência da voltagem rf (pulso) mantendo-se B constante. Quando a
frequência de rf (wrf) se iguala a frequência angular de oscilação de algum íon: wc, este
absorve energia com aumento de velocidade e do raio de sua orbita mas sem alterar a
frequência de sua oscilação. Após poucas rotações, os íons que absorveram energia
estarão se movendo sincronizadamente. Esta oscilação ciclotrônica é sentida pelos
eletrodos receptores (superior e inferior), produzindo uma corrente com frequência iqual a
wc. Rápida variação de wrf pode ser realizada, sendo o espectro de massas obtido pela
aplicação de FT.
• Princípio básico: Aprisionamento de íons em uma campo magnético/elétrico, seguido da
medida de suas frequências de ressonância ciclotrônica.
Princípios de operacão do ICR (FTMS)
Partículas carregadas irão apresentar um movimento circular
em um campo magnético com uma frequência ciclotrônica
relacionada ao seu valor de m/z !
F = z (v x B)
F = massa . aceleração
zvB = mv2
r
ν c = ωc
2π
=
zB
2πm
F = mv2
r
ωc = v = zB
r m
m= B
z 2πνc
Características principais FT-MS
• Altíssima resolução (função de B como em RMN) que diminue com o
aumento de m/z.
• Alta sensibilidade. 10-100 íons precisam normalmente oscilar para serem
sentidos pelos eletrodos receptores.
• Alto custo (supercondutores), difícil manutenção.
• MSn. Operação semelhante aos “ion-traps”.
• Trabalham sob altíssimo vácuo (< 10-8 Torr) enquanto a quantidade de íons
aprisionados na cela é pequena ("charge-spacing").
• Muito utilizados em estudos de reações íon-molécula (estudos cinéticos) e
em análise de altíssima resolução-precisão.
Orbitrap
Detecção de Íons
(Multiplicadores de Eléctrons)
“Copper-Beryllium (CuBe) Discrete Dynode Multipliers”
Alta sensibilidade mas relativamente instáveis frente a seguidas
exposições à atmosfera
“Continuous Dynode Multipliers”
Duráveis e mais resistentes a exposiçoes frequentes à atmosfera
1- “Gramofone” de vidro com superfície interna de óxido de chumbo
causa um gradiente de voltagem atrativo para elétrons.
2- Íons incidindo sobre a superfície em alto potencial negativo (~ 2000V) causam a emissão de ~ 3 elétrons/íon.
3- Processo de multiplicação de elétrons em cascata: ganho de 106 - 108
!!
“Conversion Dynode”
Um eletrodo complementar onde se aplica voltagem de 3- 20 KV.
Aumenta a sensibilidade para íons de alta massa !
MCP - Micro-Channel Plates
Multiplicadores de électrons compactos de alto ganho. MCP
consistem de cerca de 10.000.000 canais do mesmo diametro
formados por “drawing, etching, or firing in hydrogen a lead
glass matrix. Diâmetro típico de ~ 10 microns.
Detectores
MCP - microchannel plates
Detectores ultra sensíveis utilizados na maioria dos espectrômetros com TOF. Vários canais
multiplicadores de elétrons.
Detectores
Fotomultiplicador
dynode
phosphor
p h o to m u ltip lie r
Dinodo de conversão transforma íons positivos ou negativos em elétrons. Estes
elétrons atingem uma superfície de fósforo e emite fótons.
Os fótons atingem um fotocatodo produzindo elétrons que são amplificados pelo
fotomultiplicador.
Os “top MS” são MS/MS ou
MSn e Híbridos !
EBqQ
Triploquadrupolo
Setor EBEB
y Qtof Waters-Micromass Hybrid High-Resolution
Quadrupole Orthogonal Time-of-Flight Mass
Spectrometer (MS2) ESI-APCI
y Qtof Waters-Micromass Hybrid High-Resolution
Quadrupole Orthogonal Time-of-Flight Mass
Spectrometer (MS2) ESI-APCI
QTrap - Quadrupolos com “Ion Traps Lineares (QqLTQ)”
TM
N2 CID Gas
Dipolar Aux RF
linear ion trap
3x10-5 Torr
QqFT-MS
The APEX-Q platform combines a Q-q- "front-end" and a
high field FTMS magnet (9.4 or 12 Tesla) for the ultimate
resolution proteomics mass spectrometer.
LCMS-IT-TOF
Shimadzu introduces the first high resolution LCMS-ion trap-time-of-flight mass
spectrometer
Featuring MSn Capability Shimadzu's new LCMS-IT-TOF is a novel hybrid mass spectrometer for biomarker discovery,
metabolite identification and human health research, and ideal for applications in forensics, drug development, and
environmental chemistry. Coupling atmospheric pressure ionization with Ion-Trap (IT) and Time-of-Flight (TOF)
technologies, the LCMS-IT-TOF delivers high mass accuracy and high mass resolution (10,000 at 1000 m/z)
independent of MS mode.
Ion Trap Linear com FT-MS
Ion Trap Linear com FT-MS
For the first time in the history of mass spectrometry, the LTQ FT combines the ruggedness,
n
versatility, and MS capabilities of the most advanced ion trap mass spectrometer with the
accurate mass measurement capability of a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance
analyzer. This has been achieved without compromising the analytical capabilities of either the
ion trap or the FTICR-MS.
Triploquadrupolos ?