Espectrometria de-masas

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Espectrometria de-masas

  1. 1. Espectrometría de masas Martha Isabel Paez M. PhD
  2. 2. Ejemplo Elemental ACTIVACION (Ionización) ACELERACIÓN (Extracción) ANALISIS (Separación) r ado s e par po Cam COLECCIÓNLuís Esteban 1993 (Detección)
  3. 3. El primer paso en los análisis de Espectrometría de Masas de un compuesto es la producción de un ion en fase gaseosa del compuesto.
  4. 4. M+e - M +2e .+ - EE +R + + M.+ OE +N ++
  5. 5.  Lacarga de un ion se representa por q, la carga de un electrón por e y el numero de cargas de los iónes por zq = ze y e = 1,6x10-19 coulomb
  6. 6.  Unaunidad de masa atómica, cuyo símbolo es u (antiguamente era uma), equivale a una duodécima (1/12) parte de la masa de un átomo de carbono-12. 1u= 1Da=1,665402x10-27 Kg±0,59 ppm
  7. 7. Diagrama de un Espectrometro de Masas Sistema en Vacío Fuente de ionización Detector DetectorFuente de ionización Analizador Analizador Transductor TransductorIntroducción de muestra Registrador Registrador
  8. 8. Espectrómetro de Masas GC HPLC DIP ENTRADA SEPARADOR DE EI - CI MASAS A NIVEL FAB MOLECULAR FI/FD MALDI IONIZACION El espectrómetro de masas debe evacuarse a un vació de <=10-4 torr para proporcionar una camino libre de EBE colisiones Q TOF SEPARACION IC RECORRIDO LIBRE MEDIOELECTROMULTIPLICADOR(CHANELTRON) DETECCION 10-4 torr: 200 mm 1 torr: 2X10-4 mmLuís Esteban 1993
  9. 9. Esquema de un espectrómetro de masas SEPARACIÓN ACELERACION IONIZACIÓN DETECCIÓN EntradaLuís Esteban 1993
  10. 10. HistoriaJoseph John Francis William Wolfgang John Bennet Koichi TanakaThomson Aston Paul Fenn 2002 Nobel de1906 Nobel 1922 Nobel de 1989 Nobel de 2002 Nobel de Química, Química,de Física desarrollo el física, Química, desarrollo elDescubrió el primer desarrollo la desarrollo la MALDIelectrón y espectrómetro de trampa ionica electrsparay ESIdetermino la masas conrelación m/Z velocidad enfocada
  11. 11.  Tras descubrir la existencia de partículas cargadas positivamente en 1886 y demostrar que estas se desvían al atravesar un campo eléctrico o magnético. Thomson demostró en 1913 que el neón existe como mezcla de dos átomos diferentes en su peso atómico, es decir la existencia de isótopos.
  12. 12. J.J. Thomson 1.912 Investiga propiedades de los rayos positivos Pantalla Ecuación de las Campo parábola s Magnético 22 Y2 e B2 B 20 =K X m E - E Campo Ne+ Eléctrico + + . + . Las partículas +Ánodo - E Cátodo menos desviadas son las de mayor Cuanto mas cerca este velocidad B del ánodo se forman los + iones, mayor velocidadLuís Esteban 1993 adquirida
  13. 13. 6 años mas tarde Aston descubre que los pesos atómicos de los elementos no son múltiplos enteros de un valor unidad sino que presentaban una diferencia Defecto de masa.
  14. 14. Necesidad de alto vacío1) Bajo y mediano vacío.El intervalo de presión atmosférica con estas características se manifiesta desde un poco menos de 760 torr hasta 10-2 torr.
  15. 15. Con las técnicas usuales para hacer vacío (que se describen más adelante), los gases que componen el aire se evacuan a diferentes velocidades y esto altera la composición de gases del aire residual.
  16. 16. 2) Alto vacío.El intervalo de presión se extiende desde cerca de 10-3 hasta 10-7 torr. La composición de gases residuales presenta un alto contenido de vapor de agua (H2O).
  17. 17. 3) Ultra alto vacío. El intervalo de presión va desde 10-7 hasta 10-16 torr. Las superficies internas del recipiente se mantienen limpias de gas. En este intervalo el componente dominante de los gases residuales es el hidrógeno.
  18. 18. Historia de la bombas de vacío Año Autor DescubrimientoSiglo VIII Hauskbee y Nollet Mejoras a la bomba de Von Guericke1850 Geissler y Toepler Bomba de columna de Hg1865 Sprengel Bomba de gota de Hg1905 Wolfgang Gaede Bomba de vacío o rotatoria1913 Wolfgang Gaede Bomba molecular de vacío1915 Wolfgang Gaede Bomba de difusión1916 Irving Langmuir Condensación-difusión1923 F. Holweck Bomba molecular1935 Wolfgang Gaede Bomba de balastra1936 Kenneth Hickman Bomba de difusión de aceite1953 Schwartz y Herb Bomba iónica Bomba criogénica
  19. 19. Rasgos de presión para bomba de vacío.
  20. 20. Bomba Mecánica de Paleta Puerto del Puerta al descarga vació Bomba mecánica de paleta rotatoria en acción. A) Las paletas deslizantes se muevenRecipiente cuando el rotor gira. El volumen entre la entrada y la Válvula de paleta inferior es descarga incrementado; esto causa que el gas se mueva dentro de esta Rotor área desde la entrada. B) El gas Paleta ha sido aislado del sistema de vacío y comienza a empujarse hacia la válvula de descarga. C) El gas se comprime ligeramente arriba de la presión atmosférica. La válvula de descarga se abre y el gas es expulsado fuera de la bomba a través del aceite en el recipiente.
  21. 21. BOMBA MECANICA EstabilizadorBomba mecánica Espectrómetro
  22. 22. Unidades de vacíoEl Torr es milímetro de mercurio (mmHg) ycomo 1/760 de atmósfera.Debido que la atmósfera estándar es definidacuantitativamente en elSistema Internacional de Unidades, el Torr esdefinido exactamente como 101325 / 760pascales.Aunque su uso es todavía frecuente en medidasde baja presión, el pascal es la unidad depresión recomendada.
  23. 23. Bombeo simple Bombeo diferencial RECORRIDO LIBRE MEDIO 10-4 tor200 mmLuís Esteban 1993 1 tor 10-4 mm
  24. 24. Unidades de vacío1 pascal (Pa) = 1 N/m2 = 1 J/m3 = 1 kg·m–1 ·s–2 Equivale 9,86923 x 10 -6 atmósferas.
  25. 25. EL RECORRIDO LIBRE MEDIO•Se define como la trayectoriaque debe recorrer un ión,desde la fuente hasta eldetector en un vacio suficientepara asegurar la ausencia decolisiones.
  26. 26.  Depende de factores como:1. el tamaño de las moléculas a analizar,2. el vacío reinante,3. la temperatura o agitaciín termica.
  27. 27. EL RECORRIDO LIBRE MEDIO En mecánica estadística y teoría cinética de los gases, se define como recorrido libre medio a la distancia o espacio entre dos colisiones sucesivas de las moléculas de gas. Recordemos que en un gas, sus moléculas están en constante movimiento chocando unas con otras. La temperatura del gas es función de la energía cinética de estas.
  28. 28. Cálculo del recorrido libre medio El recorrido libre KT medio se calcula L= multiplicando la velocidad media de 2ρ σ las moléculas del gas por el tiempo entre K= Constante de Boltzman colisiones, L en T temperatura en K metrod: Ρ presion en Pa σ la seccion cruzada que puede colisionar (m2)
  29. 29. BOMBA TURBOMOLECULAR ROTOR ENTRADA DE AIRE PREVACIO CONEXIÓ N A LA REFRIGE RACIÓN MOTORLuís Esteban 1993
  30. 30. Bombas turbomoleculares
  31. 31. BOMBA TURBOMOLECULAR• El rotor gira de 60.000a 90.000 rpm• Las moleculas a evacuar chocan con las aspas y estas reciben un componente adicional de velocidad en dirección a la camara inferior• Esta camara esta siendo evacuada por una bomba rotativa mecanica.
  32. 32. BOMBA TURBOMOLECULAR• Si la velocidad de las aspas del rotor es del mismo orden que la velocidad de agitación termica de las moleculas a evacuar, el proceso sera muy eficiente, y se conseguira una buena relacion de compresión entre la zona de prevacio y la de alto vacio
  33. 33. EYECTOR LATERAL EYECTORES ACEITE MENOS VOLATIL ACEITE PLACA CON CALEFACTOCOMPONENTES VOLATILES RALuís Esteban 1993
  34. 34. Bomba de difusión. Elfluido de bombeo secalienta hasta que seevapora mediante uncalentador situado alfondo de la bomba. Elvapor se eleva y esdeflectado hacia abajo,trayéndose consigo lasmoléculas de gas de lacámara (puntosnegros).
  35. 35. BOMBA DE DIFUSIÓN
  36. 36. Las bombas criogénicas (de baja temperatura). A la camara de vacio Radiador a( 76oK) Barrera de radiacion (76oK)He liquido Vapor de He
  37. 37. Las bombas criogénicas (de baja temperatura).•Se usan en aplicacionesespecíficas de ultra altovacío.•Una criobomba es unabomba de vacío que tieneuna superficie internaenfriada a temperaturasmenores a los 120°K, dondelos gases y vapores secondensan.
  38. 38. Existen varios mecanismos mediante los cuales se capturan los gases sobre la superficie fría, los más importantes se pueden representar por medio de las criotrampas y la criosorción.
  39. 39. Una trampa de vapor enfriada con nitrógeno líquido actúa como una criobomba.El término criotrampa se usa para la condensación de gases difícilmente condensables, por ejemplo el H2, Ar, CH4, CO2, NH3 y los hidrocarburos pesados.
  40. 40. Medidores de vacio
  41. 41. Medidor Pirani El medidor de Pirani, diseñado en 1906, nos da una medida de la presión a través de la variación de la conductividad térmica del gas. Este dispositivo consta de un filamento metálico suspendido en un tubo en el sistema de vacío y conectado a una fuente de voltaje o corriente constante. El alambre puede ser de tungsteno u otro material cuya resistencia varíe mucho con la temperatura. Al aumentar el vacío, se reduce la pérdida de calor por conducción a través del gas y aumenta la temperatura y la resistencia del conductor, que se mide con un aparato adecuado
  42. 42. EL MEDIDOR DE IONIZACIÓN DE CÁTODO CALIENTE
  43. 43. GAUGER- MEDIDOR DE VACIO
  44. 44. GAUGER MEDIDOR DE VACIO CONT.
  45. 45. MEDIDOR DE VACIO CONT.
  46. 46. VISTA GENERAL DELDETECTOR DE MASAS
  47. 47. DIFUSIÓN TURBO• VENTAJAS • VENTAJAS• COSTO REDUCIDO • ALCANZA REGIMEN• MANTENIMIENTO RAPIDAMENTE CASI NULO • POSICIÓN EN• RELACION DE ALGULO COMPRESION CASI • MENOR NECESIDAD ALTA DE REFRIGERACIÓN
  48. 48. OTROS TIPOS DE BOMBASBombas IónicaBombas de sublimación de titanioBombas criogénicasTrampa de nitrógeno LíquidoBlower/ BoosterSorciónMecanica de aceiteRotativa de Piston
  49. 49. Bombas difusoras y turbomoleculares. Relación de compresión P1 P1 N2 H2 1010 106 s a os ui d f r P2 1010P2 a 500 a 106 1000 s ob u r t P2/P1
  50. 50. Detectores Primerose utilizaron placas fotosensibles, de detección simultaneo del haz ionico, asi como multiplicadores de electrones de detección puntual situados en el ambiente de alto vació del espectrómetro
  51. 51. Detectores Copa de faraday Multiplicador de electrones secundarios Chaneltron Detector de conversión fotónica (Detecctor “Daly” ó de cenetelleo Detector multicanal. Mulktiple Channel Detector, Multiplier Array Detector
  52. 52. Detector Copa de Faraday e- e- e- e- + + + + e- e- e- Corriente eléctrica generadaLa copa de Faraday consiste en un simple electrodo, normalmente enforma de copa o caja, que recibe el impacto de los iones a detectar.Los iones se neutralizan por transferencia de electrones, y la senalse mide con una corriente analógica igual o superior a la corrienteiónica original
  53. 53. Multiplicador de electrones. Multiplicador de electrones secundarios (SEM) de dinodos discretos+ - - e- ee - - e- ee+ e- ee -e e - - - -3Kv 0Kv El ion a detectar choca con el primer dinodo, provocando la emisión de un elevado numero de electrones que van a incidir sobre el segundo dinodo. El proceso de multiplicación se repite sucesivamente
  54. 54. 1. Cátodo Ánod o
  55. 55. DETECTOR TIPO CHANELTRON + IONES EJE OPTICO PREAMPLIFICA DOR“ CHANELTRON”FUERA DEL EJE(NO CENTRADO) -3Kv
  56. 56. e+ + + + + e +
  57. 57. M M M M M M M M MV< Potencial de Ionicación V >> Potencial de V>>> Potencial de ionización ionización
  58. 58. IONIZACIÓN POR IMPACTO ELECTRONICOCorriente iónica total Eficacia del proceso Procesos Primarios 10 eV 70 eV
  59. 59. DUENTE DE IONIZACIÓN POR IMPACTO ELECTRONICO 75 eV = 1.700 Kcal /mol En la fuente EI se producen TEORIA DELREACCIONES UNIMOLECULARES ABC + e- energético -------ABC+ CUASI-EQUILIBRIO Los iones ABC+ Formados tendrán un alto contenido L de energía interna, unos o mas que otros, según como s haya sido de “pleno” el impacto. Por tanto, unos se i fragmentaran mucho, otros ó poco y otros nada n
  60. 60. MODELO MECANISISTICO DE LA ESPECTROMETRIS DE MASAS PRIMER POSTULADO POCO ABUNDANTEUno de los factores principales que regulan la abundancia relativa de los ionesproducidos por fragmentación, el la estabilidad de los IONproductos de descomposición PRECURSOR ENTALPIA DE FORMACIÓN BAJA,CONDUCE A FRAGMENTOS ABUNDANTES ...Y DE AQUÍ ARRANCA TODA UNA MECANICA DE INTERPRETACIÓN DE ESPECTROS
  61. 61. FUENTE DE IONIZACIÓN DE IMPACTO ELECTRÓNICO FILAMENTO PLACAS 70 eV ACELERADORAS PLACAREPULSORAENTRADA VOLTAJE DE ACELERACIÓN
  62. 62. ++ ++ EXTRACTOR LENTE- Ec = ½ mv2
  63. 63. TIPOS DE FUENTES IONICASCERRADARADIALDE HAZ MOLECULARDE U.H.V.
  64. 64. TIPOS DE FILAMENTOS TUNGSTENO RENIO IRIDIO TORIADO HEXABORURO DE LANTANO
  65. 65. CADA COMPUESTO PATRON DESE FRAGMENTA DE FRAGMENTACIÓN MANERA DIFERENTE ABUNDANCIA RELATIVA
  66. 66. Como la molecula tiene 10 carbonos, la probabilidad de que M+ haya uno de masa 13 sera:(100%) 10x 1.12 = 11.2% La probabilidad correspondiente a la presencia de un deuterio sera: 8x 0.016 = 0.128 % Por tanto, la probabilidad de que un ion molecular contenga un isotopo pesado, o la probabilidad del ion (M+1)+ será 11.328%
  67. 67. PATRON DE FRAGMENTACIÓNComo vemos, el patrón de fragmentacióntambién ayuda a interpretar el espectro debaja resolución.En el espectro del nitrógeno, además delion molecular y del (M+1)+ podemos ver elfragmento de masa 14 correspondiente alátomo de nitrógeno.En el caso del monóxido de carbonoaparecen los fragmentos de masa 16 y 12correspondientes al oxigeno y al carbono.En el espectro del etileno hay variosfragmentos procedentes de la perdida deuno o varios protones además del ionfragmento de masa 12 correspondiente alcarbono
  68. 68. ESPECTRO DE BAJA ESPECTRO DE ALTA RESOLUCIÓN RESOLUCIÓN
  69. 69. ION (M+2)+ HALOGENOSISOTOPO MASA MASA ABUNDANCIA ION NOMINAL EXACTA RELATIVA GENERADO 19 F M+ 35 Cl M+ 37 Cl M+2+ 79 Br M+ 81 Br M+2+ 17 2 I M+
  70. 70. CUADRO DE DISTRIBUCIÓN DE ISOTOPOS DEL CLORO Y BROMO
  71. 71. En los espectrometros de masas la adquisición de datos y elcontrol total del instrumento se realiza por computador. Unaherramienta muy util para la interpretación de espectros es lacomparación con espectrotecas realizada automáticamentepor el sofwer Ventajas del sistema inverso Desventajas sistema inverso
  72. 72. SENSIBILIDADEl parámetro sensibilidad indica el valor de la corriente ionica detectada en el colector, para una presión de vapor determinada en la fuente iónicaSe mide en amperios/ torr y debe estar siempre referida a un compuesto determinado. MINIMA PRESIÓN PARCIAL DETECTABLE Este término es realmente mas importante que el desensibilidad. Es mucho mas dependiente de la calidad del amplificador empleado.
  73. 73. Desventajas de la ionización por impacto electrónico 1.Dificultad en la medida relativa del ion molecular de algunas moléculas 2. Es difícil distinguir entre isómeros 3. Algunos compuestos pueden sufrir degradación térmica antes de su ionización o ser propensas a la fragmentación después de la ionización debido a la temperatura requerida para la vaporización 4. Algunas muestras son simplemente poco volatiles para generar un espectro
  74. 74.  Debido a esto se hace necesario pensar en otro tipo de ionización. Los metodos alternativos que son comunmente usados cuando el analisis por impacto electronico es inapropiado son: Ionizacion quimica Ionización por campo Desorcion por campo Bombardeo por atomos rapidos Ionización por desorcion via laser
  75. 75. Ionización Quimica
  76. 76. Efecto tunel.El efecto tunel puede ser explicado a partir del concepto de ondas de probabilidad.Consideremos el balanceo de una bola en una colina con subidas y bajadas sin friccion,segun lo mostrado en la figura, suponga que la bola esta sostenida momentaneamente yse suelta de la posicion A,esta rodara cuesta abajo y subira la colina hacia la posicion C,nunca podra llegar a una altura mas alta que el nivel del punto A, podra llegar a laposicion B, que esta en la misma altura que A,la bola ira hacia arriba y haciaabajo,oscilando entre los puntos A y B, para siempre. No hay forma por la cual la bolapueda pasar a la posicion D dentro del dominio de la mecanica Newtoniana,pero esto esexactamente lo que ocurre en el dominio de la mecanica cuantica. La bola puede rodarcuesta abajo en la otra cara de la colina,despues de subir hasta la posicion B, esta sematerializa en la otra cara,esto se denomina efecto tunel en la mecanica cuantica.Si un hombre tira una pelota contra una pared,la bola rebota devuelta,de acuerdo a lasleyes de la fisica cuantica,la bola puede penetrar a traves de un tunel por la pared,perodebido que la bola es un objeto macroscopico,las posibilidades de que esto ocurra, esinfinitamente pequena.Dos metales separados por un vacio,se aproximan a esta situacion,los electrones en elmetal son bolas y el vacio representa la pared.Los electrones no tienen suficiente energiapara escapar a traves del vacio,pero,los dos metales pueden intercambiar electrones porefecto tunel,si estos estan suficientemente proximos,la probabilidad de que esto suceda esgrande,porque los electrones son particulas microscopicas.
  77. 77. DISOLVENTES NORMALMENTE UTILIZADOS EN IONIZACION FAB GLICEROL TIOGLICEROL 3-NITROBENCILALCOHOL N-OCTIL-3-NITROFENILETER TRIETANOLAMINA DIETANOLAMINA POLIETILENGLICOL (MEZCLAS)
  78. 78. LA MATRIZ ELEGIDA DEBERA SER UN BUEN ABSORBENTE DE LA L DEL LASER EMPLEADO FORMAR CON LA NUESTRA UNA DISOLUCION O SUPERFICIE SOLIDA HOMOGENEA SON HABITUALES DISOLUCIONES DESDE 100:1 HASTA 10 000:1
  79. 79. LA MATRIZ ELEGIDA DOS DE LOS COMPUESTOS NAS UTILIZADOS COMO MATRIZ SON: ACIDO 2,5 DIHIDROXIBENZOICO (DHB) ACIDO TRANS-3,5P DIMETOXI-4- HIDROXICINAMICO AMBOS OPERAN A 266 nm, 337 nm, 355nm 2,79 mm
  80. 80. Técnicas para i liquidas p•Solo introducción (Dire- Moving Belt – Cinta mo- Particle Beam - Haz de
  81. 81. MUESTRAS GASEOSAS ORIFICIODEPOSITO CAPILAR CALENTADO INMERCION DIRECTA JET MUESTREO AUTOMATICO EN CONTROL DE PROCESOSLA CROMATOGRAFIA GASEOSA
  82. 82. MUESTRAS LIQUIDAS SONDA DE INTRODUCCION DIRECTA SONDA ROBOTIZADA DEPOSITO CALENTADO (“SEPTUN INLET) AGHIS (ALL GLASS HEATED INLET SYSTEM) MEMBRANA CROMATOGRAFO LIQUIDO HPLC CROMATOGRAFO DE GAS SISTEMAS ESPECIALES PARA ISOTOPOS
  83. 83. MUESTRAS SOLIDASSONDA DE SÓLIDOSTECNICAS ESPECIALES. ABLASIÓN POR LASERMALDIICP-MASAS
  84. 84. El sector magnético es unelemento dispersivo( enmasas velocidades omomentos) y tambiénenfoca en direcciones oángulos Trayectoria R Fc=mv2/R Ec=1/2(mv2)=zV FL=zVB Fc=Fl Mv2/r=zvB Fc=mv2 m/z = R2B2 / 2V
  85. 85. Al salir los iones de la fuente,extraídos mediante la aplicación de un potencial positivo en la placa repulsora, se encuentra con un campo acelerador de voltaje’”V”, y adquieren una energía translacional “zV”, siendo z la carga del ion, generalmente carga unitaria
  86. 86. Por tanto: 1 2Ec = mv = zV 2 1  2 zV  2v=   m 
  87. 87. -+ + -
  88. 88. +- - +
  89. 89. CORRIENTE DIRECTA ++20v T1 T3RF +120 T2 T1= +140 T3= +140 T2=-100
  90. 90. RI ETE R CO DE IVA OS SIT RID POE BAR CTA DIRE BARRIDOS DE RF BAR DIR RID ECT OS D A N E COR EGA RIE TIV TE A

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