Analytica 102

Espectrometria de Massa
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REVISTA ANALYTICA - AGO/SET 19
Analisadores de íons por quadrupolo na
tridimensional. tridimensional.
espectrometria de massas
Por Oscar Vega Bustillos*
No dia 20 de Julho de 1969 o
americano Neil Armstrong foi o primeiro
homem a chegar à Lua. Este
ano celebramos os 50 anos deste
feitio sensacional da conquista
espacial. Este acontecimento foi o
ápice de uma disputa pós-guerra,
denominada corrida espacial, realizada
entre duas superpotências da
época, os Estados Unidos e a União
Soviética. O primeiro ponto vitorioso
foi conquistado pelos soviéticos,
quando no dia 12 de Abril de 1961,
o cosmonauta soviético Iuri Gagarin
realizou a primeira viagem pelo
espaço a bordo da nave espacial
Vostok. Vários desenvolvimentos
científicos e tecnológicos que hoje
utilizamos são fruto desse anseio
do ser humano: conquistar o espaço.
Entre os desenvolvimentos
científicos, um diz respeito a química
analítica, o espectrômetro de
massas utilizando um analisador de
massas quadrupolo.
O espectrômetro de massas quadrupolo
foi inventado e desenvolvido
pelo Professor Wolfgan Paul e seus
alunos da Universidade de Bom na
Alemanha. Tal como ele conta como
foi este acontecimento: Após o fim
da 2ª guerra mundial a Alemanha
estava destruída. Não tinha nenhum
parafuso inteiro para construir um espectrômetro.
Os aliados vencedores
da guerra estavam avançando com
novos aceleradores de partículas e
novos espectrômetros de massas.
Os alunos do professor Paul reclamavam
da falta de verbas para construção
de novos espectrômetros. Foi
nesse ambiente conturbado que ele
fez uma reunião com seus alunos
exaltando que não reclamassem
das circunstâncias negativas, pelo
Tanto o QMF Tanto como o QMF também como o também QIT são o dois QIT são dispositivos dois dispositivos de uma mesma de uma fam m
de quadrupolos de quadrupolos transformados transformados geometricamente geometricamente conforme conforme a Figura a 1. Fig E
quadrupolos quadrupolos utilizam utilizam a estabilidade a estabilidade do caminho do caminho dos íons dos como íons meio com
separação separação discriminar para discriminar as suas massas suas de massas acordo de a acordo razão massa/ca a razão
(m/z). A (m/z). estabilidade A estabilidade dos íons dos no íons QMF no é QMF bidimensional é bidimensional e no QIT e
O QMF é O composto QMF é composto de quatro de barras quatro feitas barras de feitas condutores de condutores metálicos metálic paral
mantidos mantidos numa configuração numa configuração duas a duas. a Cada duas. par Cada das par barras das opo ba
geometricamente geometricamente são
contrário, sugeriu ele que pegassem
papel e lápis, desenhassem e variando (V), mas RF as (V), com magnitudes mas sinais com trocados sinais DC (U) trocados como e RF mostra como a mostra Figur
seletividade
eletricamente são eletricamente
do
conectadas
QMF é estabelecida
conectadas a potencias a potencias elétricos elétric DC (
radio frequência radio frequência RF
inventassem novos espectrômetros.
Assim, no Assim, interior no das (V) interior aplicadas barras se barras a estabelece uma se razão estabelece um constante campo um elétrico campo quadrup elétrico
Foi assim que surgiram bidimensional os espectrômetros
de massas de Enquanto quadrupolo Enquanto viajam nesta viajam No direção, Ion nesta Trap direção, os (QIT) íons a oscilam oscilação íons no oscilam dos plano no (x,y), plano devido (x,y
bidimensional no plano para no (x,y). cada plano Os par (x,y). íons de barras. ingressam Os íons ingressam no quadrupolo no quadrupolo na direçãn
(Quadrupole Mass Filter - QMF) e o íons é tridimensional (x,y,z) graças a
potencial potencial aplicado aplicado às barras. às Sobre barras. condições Sobre condições elétricas elétricas apropriadas, apropria os
quadrupolo Ion Trap (Quadrupole Ion esta configuração geométrica o Ion
com uma com única uma razão única m/z razão terão m/z uma terão trajetória uma trajetória estável até estável o final até do o quadru final d
Trap – QIT). W. Paul e H. Steinwedel Trap é denominado de armadilha
os outros os íons outros serão íons
registraram a patente alemã do espectrômetro
de massas quadrupolo W. variando as Paul magnitudes ganhou as magnitudes o DC prêmio (U) e DC RF Nobel (U) (V) e de aplicadas RF (V) aplicadas a uma ra
iônica
eliminados serão
(Figura
eliminados por
3).
sua
Por
instabilidade. por
este
sua instabilidade.
arranjo,
A seletividade A seletivida do QM
estabelecida estabelecida variando
“Apparatus for separating
constante
charged
constante para cada para física cada de em barras. 1989, par de barras. ou seja, pela técnica
particles of different specific charge”, de armadilhar íons que possibilitou o
No Ion Trap No Ion (QIT) Trap a oscilação (QIT) a oscilação dos íons dos é tridimensional íons é tridimensional (x,y,z) graças (x,y,z) a g
em 7 de Junho de 1960.
estudo de uma única partícula com
configuração configuração geométrica
Tanto o QMF como também o QIT extrema geométrica o Ion precisão. Trap o Ion é denominado Trap é denominado armadilha de armadilha iônica (Fig i
3). Por este 3). Por arranjo, este
são dois dispositivos de uma mesma Um W. arranjo, Paul íon num W. ganhou Paul campo o ganhou prêmio de quadrupolo o Nobel prêmio de Nobel física de em física 1989
família de quadrupolos transformados
seja, pela seja, técnica pela de técnica experimenta armadilhar de armadilhar íons uma que forte íons possibilitou focalização que possibilitou o estudo o de estudo uma úd
geometricamente conforme partícula a Figura partícula com extrema com pela precisão. extrema força de precisão. restauração a qual direciona
o íon de volta ao centro do
1. Estes quadrupolos utilizam a estabilidade
do caminho dos íons como aparato, de campo quadrupolo aumentando de quadrupolo experimenta a medida experimenta uma que forte uma focalização forte foca
Um num Um íon campo num
meio de separação para força discriminar de força restauração de restauração o íon a qual se desvia direciona a qual do direciona centro o íon do de o aparato. volta íon de ao volta centro ao do centro apar
as suas massas de acordo aumentando a aumentando razão a medida O a movimento que medida o íon que se de desvia o íons se num do desvia centro campo do do de centro aparato. do aparato. O movimO
massa/carga (m/z). A de estabilidade
íons num de íons campo num
quadrupolo
de campo quadrupolo de
pode
quadrupolo pode
ser descrito
ser pode descrito
matematicamente
pela equação diferen-
ser matematicamente
descrito dos íons no QMF é bidimensional e
equação equação diferencial diferencial de segunda de segunda ordem descritas ordem descritas pela equação pela equação de Mat
no QIT é tridimensional.
cial de segunda ordem descritas pela
(Equação (Equação 1). 1).
O QMF é composto de quatro barras
equação de Mathieu (Equação 1).
feitas de condutores metálicos 2 2
d u d u
paralelos mantidos numa configuração
duas a duas. Cada par das bar-
d d
+( au
-+( 2qau
- 2qu
cos 2
)u = 0
2 u
cos 2
)u = 0
2
ras opostas geometricamente são Onde, u representa os eixos coordenados
(x,y,z); é um parâmetro
eletricamente conectadas a potencias
elétricos DC (U) e radio frequência
RF (V), mas com sinais trocados frequência e t o tempo; au e qu pa-
adimensional igual a t/2 onde é a
como mostra a Figura 2. Assim, no râmetros adimensionais conhecidos
interior das barras se estabelece como parâmetros aprisionadores
um campo elétrico quadrupolar bidimensional
no plano (x,y). Os íons respectivamente. Usando os valores
correlacionados aos potenciais U e V,
ingressam no quadrupolo na direção (au,qu) que satisfazem a equação
z. Enquanto viajam nesta direção, os de Mathieu, diagramas específicos
íons oscilam no plano (x,y), devido ao de estabilidade dos íons podem ser
potencial aplicado às barras. Sobre representados (Figura 4).
condições elétricas apropriadas, os As diferenças entre o QMF e QIT
íons com uma única razão m/z terão
uma trajetória estável até o final QIT é menor que o QMF. 2) As ana-
são as seguintes: 1) O tamanho do
do quadrupolo os outros íons serão lises em Tanden (quadrupolos em
eliminados por sua instabilidade. A série), que conseguem análises de
(1) (1