22-01-15 Tema 2 Espectroscopia de Masas Clase 4 III-2014

TEMA 2 MÉTODOS

ESPECTROMÉTRICOS

Prof. Luis Peña

ANÁLISIS INSTRUMENTAL

Espectroscopia de Masas-Clase 4

Contenido✓ Definición, características y campo de aplicación

✓ Fundamentos del método

✓ Etapas del procedimiento

✓Componentes principales del equipo

✓ Introducción de la muestra e ionización

✓ Analizadores de masas

✓Fragmentación de moléculas orgánicas

La Espectrometría de Masas (MS) es un método de análisis

que se basa en la determinación de masas de especies

atómicas o moleculares individuales de la muestra

analizada, lo que permite recabar información sobre:

✓ su naturaleza

✓su composición

✓su estructura

Definición, características y campo de aplicación

Los continuos perfeccionamientos de los equipos, su

miniaturización, así como la aparición de nuevas técnicas de

ionización, han hecho que esta técnica tenga un amplio campo

de aplicación en sectores como:


Química orgánica e inorgánica

Bioquímica

Química clínica y medioambiental

Geoquímica

Controles agroalimentarios

Otros

Es la técnica más completa que existe por diversas razones:

✓ amplia capacidad de identificación (desde átomos a

moléculas complejas)

✓ puede identificar y cuantificar con sólo pequeñas cantidades

de muestras

✓ posee una gran sensibilidad

✓ universal y específica, es capaz de analizar mezclas y de

detectar y separar una sustancia concreta en presencia de

una matriz compleja


También:

✓ se puede acoplar con técnicas como cromatografía

(CG/MS o HPLC/MS) para mejorar los resultados

✓ proporciona información estructural

✓ técnica rápida (un espectro en décimas de s). Se puede

utilizar para la monitorización de procesos, en tiempo real


Fundamentos del método

M/Z7Para un compuesto, operando en idénticas condiciones, la fragmentación

es reproducible y por lo tanto característica

CH3(CH2)3CH3 + e- CH3(CH2)3CH3+ + 2e-

CH3(CH2)3CH3+

•En la identificación de compuestos moleculares por MS se

trata de reconstruir la estructura de un compuesto como si

fuera un “rompecabezas”, siendo un ejercicio tanto más

difícil cuanto más elevada sea la carga.

•Las fragmentaciones sucesivas de los iones siguen

mecanismos complejos. La tarea se simplifica si se

disponen de varios espectros registrados en condiciones

diferentes y de programas de ayuda para la interpretación.


•Se denomina Espectroteca (o biblioteca de espectros) a

una base de datos constituida por un gran número de

espectros de fragmentación, entre los cuales, en caso

favorable, es posible encontrar el espectro del compuesto

estudiado.


MUESTRA(vaporizada)

IONIZACIÓNSe somete a

CAMPO ELÉCTRICO Y/O MAGNÉTICO

Iones se someten a

DETERMINAR LA ABUNDANCIA DE LA

RELACIÓN MASA-CARGA DE LOS IONES

Se estudia sus trayectorias

NATURALEZA

Masa MolecularEstructura

Grupo Funcional

Etapas del procedimiento

Etapas del procedimiento

1.- Ionización: la muestra es vaporizada y a la vez ionizada en la fuente del equipo. Así, todo compuesto produce una mezcla estadística de iones de fragmentación

5.- Obtención del espectro de masas

4.- Detección: los iones chocan con el detector

En el espectrómetro de masas el compuesto pasa por las siguientes etapas:

2.- Aceleración: los iones son focalizados y acelerados por las lentes electrónicas. En función de su masa, los iones formados tendrán distinta velocidad, pero igual energía cinética inicial.

3.- Separación: los iones son “filtrados” siguiendo su relación m/z por el analizador

Principales componentes del equipo

• Fuente iones: Sistema introducción de muestra + Ionización

• Sistema introducción de muestra: se introduce la muestra al

interior equipo que opera en alto vacío (P< 10-6 mbar) por lo

que se vaporiza si no es gaseosa. Para muestras complejas

existen técnicas acopladas de GC/MS, HPLC/MS, CE/MS

• Técnica ionización: en función del tipo de muestra (más

habitual EI), se forman moléculas ionizadas (iones

moleculares, M+) y fragmentos debidos a la descomposición

de iones moleculares con exceso de energía

Introducción de la muestra e ionización


El punto de arranque de un análisis por espectrometría de

masas es la formación de iones del analito en forma gaseosa

y la proyección y utilidad del mismo, está condicionada por el

proceso de ionización.

El aspecto de los espectros de masas para distintas

especies moleculares, depende en gran medida del método

utilizado para la formación de los iones.

En la tabla 1 se facilita un listado de numerosas fuentes de

iones empleadas en espectrometría de masas molecular

Introducción de la muestra e ionizaciónTabla 1. Fuentes de iones en espectrometría de masas molecular

Tipo Nombre y acrónimo Agente ionizante

Fase gaseosa Impacto de electrones (EI) Electrones energéticos

Ionización química (CI) Iones gaseosos reactivos

Ionización por campo (FI) Electrodo de elevado potencial

Desorción Desorción por campo (FD) Electrodo de elevado potencial

Ionización por electronebulización (ESI) Campo eléctrico elevado

Desorción/ionización asistida por una matriz (MALDI)

Haz de láser

Desorción por plasma (PD) Fragmentos de fisión del 252Cf

Bombardeo con átomos rápidos (FAB) Haz de átomos energéticos

Espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS)

Haz de iones energéticos

Ionización por termonebulización (TS) Elevada temperatura


Tipo Muestra AplicabilidadFase gaseosa

Gaseosa, si está líquida primero se volatiliza y luego se ioniza

Están restringidas a compuestos térmicamente estables que tengan puntos de ebullición menores de 500 °C con PM < 1000 aprox.

Desorción Líquida o sólida, se transforma directamente en iones gaseosos

Se aplican a muestras no volátiles y térmicamente inestables, como no se requiere volatilización éstas pueden tener PM > 100000

Normalmente los espectrómetros de masas comerciales

están equipados con accesorios que permiten el uso de

varias de estas fuentes de forma intercambiable

Tabla 2. Características de las fuentes de iones en MS

Figura 3. Espectros de masa del 1-decanol: a) con una fuente dura, b) con una fuente blanda


También se pueden clasificar los principales procedimientos

de ionización según la presión a la que trabajen, así:

1) Al vacío:

a) Ionización por Impacto Electrónico (IE)

b) Ionización Química Positiva (IC)

c) Bombardeo por átomos rápidos (FAB)

d) Ionización por láser asistida por una matriz (MALDI)

2) A presión atmosférica (API):

a) Por plasma de argón

b) Por spray


Procedimiento de Ionización al Vacío:

•Ionización por Impacto Electrónico (EI):

•Es una fuente de iones dura, se introduce una muestra gaseosa

en la fuente de ionización, allí las moléculas no colisionan entre sí

debido al vacío (10-6 mbar).

•Las moléculas neutras se encuentran (chocan) con una cortina

de electrones procedentes de un filamento incandescente

(tungsteno) obtenidos por efecto termoiónico.


M + e- M+ + 2e- Analito Ion Molecular



En el Impacto, si Eelectrón > Eionización, se arranca uno de sus

electrones, lo que implica la formación de un ion molecular

portador de una carga elemental positiva.

Si el choque ha sido muy eficaz, la E comunicada por el electrón

será mayor que la necesaria para la ionización, por lo tanto queda

el exceso de E en forma de Evibracional que provoca la

fragmentación del ión molecular por rotura de uno o varios

enlaces.




Puede suceder:

•Ionización sin exceso de Energía: iones moleculares

•Ionización con exceso de Energía: fragmentos

Para un compuesto determinado, si se reproducen las

condiciones de ionización (energía e-), las proporciones relativas

del ión molecular y los fragmentos serán fijas, constituyendo el

patrón de fragmentación: ESPECTRO DE MASAS

(huella digital de la molécula analizada)



Figura 5. Fuente de impacto de electrones

•Procedimiento de Ionización al Vacío:


•Se caracteriza por ser muy agresiva, comunica un exceso de E a

las moléculas que se pretenden ionizar

•Abundante fragmentación con lo cual se obtiene información

estructural aunque disminuye la intensidad del ión molecular

Si se requiere estudiar el ión molecular existen técnicas menos

agresivas, que producen un ión molecular intenso y poca o nula

fragmentación.



•Ionización Química (CI):

•Es una fuente de iones blanda, se realiza mediante la reacción

de las moléculas neutras del analito (MH) con iones procedentes

de la ionización previa (EI) de un gas reactivo (CH4, CH3CH2CH3,

NH3, (CH3)3CH). Ella puede ser:

• Positiva (CI+): Siendo metano el gas reactivo, al chocar éste

con electrones de alta energía reacciona para dar varios iones

como CH4+, CH3

+ y CH2+, los dos primeros constituyen el 90 %

de los iones.




Estos iones reaccionan rápidamente con moléculas de metano

adicionales como sigue:

CH4+ + CH4 CH5

+ + CH3

CH3+ + CH4 C2H5

+ + H2


Generalmente, las colisiones entre la molécula de la muestra MH

y CH5+ o C2H5

+ son muy reactivas e implican la transferencia de

protones o de hidruros. Por ejemplo,



CH5+ + MH MH2

+ + CH4

ion (M+1)+

C2H5+ + MH MH2

+ + C2H4

ion (M+1)+

C2H5+ + MH M+ + C2H6

ion (M-1)+


Transferencia de protones

Transferencia de protones

Transferencia de hidruros

En algunos compuestos, también se encuentra un pico (M+29)+, que

resulta de la transferencia de un ion C2H5+ al analito.



• Positiva (CI+) CH4 CH5+, C2H5

+

NH3 NH4+

CH5+ + MH CH4 + MH2

+ (M+1)+

Proporción: 103 moléculas gas reactivo por cada molécula

problema, de esta forma la reacción normal será la producida

por un ión reactivo del gas y una molécula neutra problema




• Negativa (CI-):Se utiliza ocasionalmente en aquellos analitos

que contienen átomos muy electronegativos.

MH + R- RH + M-

ion (M-1)-

MH: analito

M- : ion muy estable, ausencia fragmentación

R-: Gases como Cl- (procedente diclorometano), OH-


Analizador de masas

Su función es limitar los iones que llegan al detector

permitiendo que lo hagan aquellos que posean un estrecho

intervalo de masas.

Existen dos tipos

importantes:

✓De sector magnético

✓De sector eléctrico

El campo magnético B ejerce una fuerza lateral que desvía los iones de su

trayectoria en función de su masa y su velocidad. Variando B los iones de

diferentes masas se van enfocando sucesivamente en la rendija del colector

y son detectados secuencialmente según sus masas, en orden creciente o

decreciente.

Para un valor dado de campo magnético (B) y de potencial de aceleración

(V), sólo los iones de m/z determinada seguirán trayectorias curvas de radio

R y se enfocarán en un punto al final del campo magnético. Los iones de

masa superior (mayor R) y los de masa inferior (menor R) no llegan al

colector.

Analizador de Sector Magnético

Analizador de masas

La masa m enfocada seguirá una trayectoria de radio R en equilibrio, para ello

es necesario que se igualen las fuerzas a las que está sometida: Fi (fuerza

ejercida por el campo magnético) y Fc (fuerza centrífuga)

Para detectar los iones de distintas masas se tienen:

✓multicolector: B y V constantes, R variable

✓detector puntual y secuencial de los iones: para una trayectoria fija R

mediante barrido de campo magnético (B) o del voltaje de aceleración (V)

En principio es preferible variar B y mantener fijo V (alto) (barridos magnéticos)

Analizador de masas

Analizador de Sector Magnético

Formado por 4 barras o polos de sección cilíndrica alineadas paralelamente entre sí y equidistantes de un eje central imaginario situado sobre el eje zMediante la aplicación a cada pareja de barras opuestas de voltajes variables de corriente continua (DC) y de radiofrecuencia (RF) superpuestos se consigue que iones de masas determinadas pasen por el túnel formado por las 4 barras, siguiendo trayectorias oscilantes estables que conducen al detector mientras que las demás masas se desvían. Variando los voltajes se podrán ir enfocando de modo sucesivo las diferentes masas presentes y así obtener el espectro.

• Cuadrupolo:

Analizador de masasAnalizador de Sector Eléctrico

Fragmentación de Moléculas Orgánicas

m/z

CH4 CH4+ 16 Pico Base

CH3+ 15 iones con exceso de E

CH2+ 14 que se descomponen

CH+ 13 formando distintos

C+ 12 iones fragmento

Las intensidades relativas de los picos son una medida de la

abundancia relativa de cada uno (patrón de fragmentación)

Se pueden tener:

✓Espectro de alta resolución: en ellos la medida de la masa

exacta del ión molecular puede ser suficiente para identificar

el compuesto analizado, distinta masa

✓Espectro de baja resolución: N2, CO, CH2=CH2 misma masa

(PM=28)


Para el N2:

En el espectro del nitrógeno, además del ion molecular y del (M+1)+, podemos ver el fragmento de masa 14 correspondiente al átomo de nitrógeno

Patrón de FragmentaciónComo vemos, el patrón de fragmentación también nos

ayuda a interpretar el espectro de baja resolución, por

ejemplo para el caso de N2, CO y CH2CH2 todos con igual

masa molecular 28 g/g-mol.

En el espectro del monóxido de carbono, aparecen los fragmentos de masa 16 y 12 correspondientes al oxígeno y al carbono

Para el CO:

Patrón de Fragmentación

Para el CH2=CH2:

En el espectro del etileno hay varios fragmentos procedentes de la pérdida de uno o varios protones, además del ion fragmento de masa 12 correspondiente al carbono.

Patrón de Fragmentación


Si analizamos mezclas de varios compuestos, el espectro

resultante puede interpretarse a partir de los patrones de

fragmentación de cada uno de ellos (deconvolución)

Aunque siempre que se pueda es mejor separar antes los

compuestos empleando técnicas cromatográficas

EjerciciosEjercicio 1:

A continuación se presentan los espectros IR y MS para

dos compuestos en particular, trate de identificarlos

explicando de forma razonada sus argumentos.

Señale en los espectros las líneas/bandas que le permiten

hacer la identificación.

EjerciciosCompuesto A

EjerciciosCompuesto B

22-01-15 Tema 2 Espectroscopia de Masas Clase 4 III-2014

Documents

Transcript of 22-01-15 Tema 2 Espectroscopia de Masas Clase 4 III-2014