22-01-15 Tema 2 Espectroscopia de Masas Clase 4 III-2014
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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:
Definición, características y campo de aplicación
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
Definición, características y campo de aplicación
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
Definición, características y campo de aplicación
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.
Fundamentos del método
•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.
Fundamentos del método
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
• 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
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
Introducción de la muestra e ionización
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
Introducción de la muestra e ionización
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
Introducción de la muestra e ionización
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.
Introducción de la muestra e ionización
M + e- M+ + 2e- Analito Ion Molecular
Procedimiento de Ionización al Vacío:
•Ionización por Impacto Electrónico (EI):
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.
Introducción de la muestra e ionización
Procedimiento de Ionización al Vacío:
•Ionización por Impacto Electrónico (EI):
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)
Introducción de la muestra e ionización
•Procedimiento de Ionización al Vacío:
•Ionización por Impacto Electrónico (EI):
•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.
Introducción de la muestra e ionización
•Procedimiento de Ionización al Vacío:
•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.
Introducción de la muestra e ionización
•Procedimiento de Ionización al Vacío:
•Ionización Química (CI):
Estos iones reaccionan rápidamente con moléculas de metano
adicionales como sigue:
CH4+ + CH4 CH5
+ + CH3
CH3+ + CH4 C2H5
+ + H2
Introducción de la muestra e ionización
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,
•Procedimiento de Ionización al Vacío:
•Ionización Química (CI):
CH5+ + MH MH2
+ + CH4
ion (M+1)+
C2H5+ + MH MH2
+ + C2H4
ion (M+1)+
C2H5+ + MH M+ + C2H6
ion (M-1)+
Introducción de la muestra e ionización
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.
•Procedimiento de Ionización al Vacío:
•Ionización Química (CI):
• 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
Introducción de la muestra e ionización
•Procedimiento de Ionización al Vacío:
•Ionización Química (CI):
• 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-
Introducción de la muestra e ionización
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)
Fragmentación de Moléculas Orgánicas
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
Fragmentación de Moléculas Orgánicas
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.