ISÓTOPOS ISÓTOPOS ESTÁVEIS ESTÁVEIS EM BIOLOG BIOLOGIAIA- CEN-0225 CEN-0225
Prof. Prof. Hel Helder der de Oli Olivei veira ra
Laboratório de Isótopos Estáveis CENA-USP
•
Módulo 2: Espectrometria de Massas
•
Módulo 2: Espectrometria de Massas
Espectrometria de Massa
Té cni ca anal anal ític ti ca, uti l i zada ada par par a i denti denti f i car e
quantif uantif icar icar comp mpo ostos tos conhec nhecidos idos e elucida lucidar r a est r u t u r a e a pr opr i edade qu ími ca de mol é cu l as
Espectrometria de Massa
I nstrumento que mede as massas de molé culas
individuais carregadas (íons) 27 Kg) = 1/12 12 1 u.m.a. = (1,66054 x 10 C
Íons sã o separados de acordo com suas razões
(m/q)
Espectrometria de Massa
F ornece
informações
valiosas
profissionais de diversas mé dicos, agrônomos,
para
áreas:
químicos, biólogos,
geólogos, farmacêuti cos, físicos, astr ônomos, etc.
Espectrometria de Massa - Usos Detectar e identifi car o uso de esteróides em
atletas lises judiciais (abuso de drogas) Aná Determinar como as drogas sã o usadas pelo
corpo o de paci entes por M oni tor ar a r espi r açã anestesistas dur ante a cirur gia
Espectrometria de Massa - Usos Verificar adul teraçã o de alimentos e bebidas
(mel, vinho, vinagre, cerveja e outros) M onitorar
processos de fermentação em
indústr ias biotecnológicas nciar bi opol ímeros Seqüê culas I dentificar a estrutur a de biomolé
Espectrometria de Massa - Usos
L ocali zar depósitos de petróleo Determinar a idade e origens de espé cimes
na geoquímica e arqueologia D eter mi nar
a
composi ção
de
moleculares encontradas no espaço
espé ci es
Espectrometria de Massa - Usos Aná lise de poluentes ambientais Estabelecer
a
composição
elementar
de
matrizes vegetais, animais e minerais I dentificar
e
quantificar
compostos
mistur as orgâni cas complexas Análise de compostos inorgânicos
em
Origem e Evolução
Or ig em e ev o lu ção d a Es p ect ro m etr ia d e Mas s a p ara d eterm in ações d e Razão Iso tópic a de Elem ento s L eves (IRMS)
Origem e Evolução Descoberta dos I sótopos: àpartir dos Radioisótopos
1ªL EI DO DESL OCAM ENTO DA RADI OATI VI DAD E
DE DU ZI DA POR SODDY E FAJA N (1913)
U I 24
23 8 92
U x1
23 4 90
U x2
234 91
234 92
U II
:U I e U I I – I dênticos quimicamente não sendo possível separá-los por Processos Químicos
Origem e Evolução 234 92
UII
4
230
2
90
Io
(Iônio – isótopo-Th) 232 Th 90
Como foi descoberta a radioatividade?
1898: E rnest Ruther f or d
tela fluorescente
detectou radiações de materi al radioativo metálicas eletr icamente carregadas tipos de radiação (alf a e beta).
placas
descobriu: dois
1909: Rutherford mostrou que as partículas alfa são íons de hélio bipositivos Rutherfor (1920)
+ e - reaç p ão íntima
n
1871-1937 (66 anos)
Geiger e Rutherford
Origem e Evolução – Pesos atômicos PROUST (1816)
n os inteiros
múltipl os do H idr ogênio (dedução de qquer elemento era a partir do H )
Problema – cloro (
35,46 17
Cl )
Solução - à frente ASTON (1920) ESPECTRÓGRAFO DE MASSAS
Origem e Evolução – Palestra Seção de Química CROOKES (1886) - BRI STI SH ASSOCI ATI ON - (Presidente)
Peso Atômico do Ca (40) “não existem somente áts de 40 Ca, podem existir áts com massas atômi cas difer entes, por exempl o 42, 41, etc. Para a maioria das
espécies a P.A. é relativo”
40 20
Ca
hoje 40 96,97% 42 0,64 % 43 2 , 06 % 44 0,003% 48 0 , 185 %
“ELEMENTOS SÃO MISTURAS DE VÁRIOS ISÓTOPOS”
Origem e Evolução – F ormulou a hipótese p + - n H EI SENBERG (1932) culas no núcleo (p + n) é igual número nºpar tí de massa (A) dado pela car ga nuclear Z nºpr ótons é nºnê utrons (A-Z)
- Consistênci a com o Fenômeno Radioatividade A ZX
n
p+
A Z 1Y
e
e- + p+ + energia (excesso de nêutrons) n + e- + energia (déficit nêutrons)
emissor
-
Origem e Evolução – Descoberta do nêutr on CH ADWI CH (1932) pesquisas
tr ansmutação de núcleos por partícul as
Be 24 126C 01n
9 4
“Revelou que o núcleo é constituído por prótons e nêutrons “
Origem e Evolução - Quími ca I sotópica -
A análise de rai os positivos àexi stência de isótopos Eugen GOLDSTEI N (1850-1930) – fí sico alemão
(1886) – Descobriu os raios positi vos Provocou descargas elé tr icas num tubo de gás com
pressão e usou um cátodo perfur ado
Origem e Evolução o de um feixe luminoso Observou a pr opagaçã no senti do oposto aos raios catódicos, chamou esse feixe de raios canais ou raios positivos Esses rai os var iam em funçã o do gás
(Photo Deutsches Museum)
Origem e Evolução alta voltagem
+
-
cátodo
(raios: propagação linha reta)
Íons de H+
feixe luminoso
ânodo gás
Origem e Evolução Joseph John THOMSON
(1856-1940) físico inglês
(1897) – Descobrimento do elé tron
Origem e Evolução Tubo de raios catódicos y
L
x
F onte: Science Museum
-
+ cátodo ( )
-
A
y
E
B
H z
+
Y1
x (exper iênci a determinação da r azão e/m)
Origem e Evolução Tubo de raios catódicos
-
cátodo
L
F
E D
-
-
+ + Alta tensão
B
(exper iênci a deter minação da r azão e/m)
Origem e Evolução E
F F elétrica
a
ma qE F q
e
d
1
a t2
d
2
t
L
1 2
qE
q L2 E 2 m v
v
q m
2 d v2
E L2
d
Felétrica
Fmagnética
qEq vB
q m
2 d E B2 L2
v
E B
m
Origem e Evolução
q m
2 d E B2 L2
Thomson: 1,7 x 1011 C kg-1 atual: 1,7589 x 1011 C kg-1
(1856-1940)
Origem e Evolução
o 1906: Pr ê mio N obel (construção do 1
espectrômetro – espectr ógr af o de par ábol a) para a determinação das razões massa-carga dos íons
Modêlo
atômico “pudim de passas”
Origem e Evolução
(descar gas elé tr icas de gases)
(1912) – Analisador de raios positi vos F onte: Science M useum
Origem e Evolução 19Ne
Neônio
+
17,22 s
20Ne
90,51 %
21Ne
0,21 %
22Ne
9,22 %
23Ne
-
37,2 s
Origem e Evolução l
M
P1
vx vz vy
P2 (20Ne) P3 (22Ne)
Origem e Evolução
z x
y
Origem e Evolução Ar thur J. DEM PSTER
(1886-1950) físico norte americano
1919: I nstr umento de deflexã o magné tica com
focalização simpl es Photo, courtesy Arthur & Elizabeth Dempster, Cambridge, Massachusetts]
Espectr ógrafo de M assa de Dempster 90o (S3)
S3
S2
+ 20000
S1 + 20000
S4
90o (S4)
setor magné tico = 180 o
Espectr ógrafo de M assa de Dempster
Espectr ogr amas de massa de vários isótopos
Origem e Evolução Francis William ASTON
(1877-1945) físico inglês
1922: Prê mio Nobel (novo espectrômetro de massa
de maior resolução – íons dispersos pela massa e focalizados pela velocidade )
Origem e Evolução
10 vezes melhor aparelho de Thomson Estabeleceu as bases “Massas Atômicas“ Simil ar aos modernos
M elhor ia da r esol ução: (di spersão/separ ação feixes) ou ímã: (aumento r ai o)
atual mente: assimetr ia
simé tricos
assimé tr icos
Espectrômetro de massa de NIER (1940) Alfred Otto Carl NIER
(1911 - 1995)
Físico norte americano Nier e seu espectrômetr o de massa que foi usado par a separar amostr as de 235 U, uti lizado na f abr icação da 1 a bomba atômi ca Fotos extraídas de: http://www.hcc.mnscu.edu/programs/dept/chem/abomb/page_id_28519.html
Origem e Evolução Aston (1932): relações isotópicas 16O
: 17O : 18O = 5 3 6 : 0 , 2 4 : 1 18
Sendo a razão:
O 16 O 18
O Nier (1950) obteve: 16 O
1 536 1 489
Com a seguinte abundância isotópica: 16O
: 17O : 18O = 99,759 : 0,0374 : 0,2039
Origem e Evolução ANOS 50: Desenvolvimento e aplicações dos I RM S
ANOS 60 - 70: Aperfeiçoamento (alta precisã o e
velocidade analíti ca ; produção escala comercial I RM S) ANOS 80 - 90: (avanço da eletrônica, tecnologia de
vácuo e computacional): Excelentes melhorias: automação (partes mecânicas e válvulas), e inf ormatização (sistema de coleta de dados)
ESPECTRÔM ETRO DE M ASSAS
Éum instrumento que separa í ons, positivos
ou negativos, produzidos a partir de átomos ou
molé culas de acordo com a razão
massa/carga (m/q)
Parâmetros de desempenho Resolução
(R): habilidade do aparelho para
separar feixe de íons de diferentes razões (m/q)
R
m Δm
m = massa do 1o pico ou a massa mé dia de dois picos m = diferença nas massas ou números de massa dos feixes dos íons
Parâmetros de desempenho R < 100 100 R < 500 R > 500
baixa resolução média resolução alta resolução
US$ 150,000 Custo equipamento US$ 500,000
Exemplo: Nitrogênio (A= 14,0067630258) 14N
(A = 14,003074; p 1 = 99,63%)
15N
(A = 15,000108; p 2 = 0,37%)
massa média ponderada = 14,003074 x 0,9963 + 15,000108 x 0,0037 = 14,0067630258 http://www.webelements.com/
N a
N b
14 N
15 N
14 N 15 N 15 N
14 N
14 N
14 N
14 N 14 N
15 N
15 N
15 N 15 N
N 2
14N14N 14N15N
28,006 29,003
CO2 O
N2
C
O
CO O
C
12C16O16O
= 28
14N
14N
= 28
14N
15N
= 29
15N
15N
= 30
12C
C
O
Núm Nú m ero d e mass a (A): (A): (44 - 4 5 - 4 6 - 4 7 - 4 8 - 4 9)
16O
13C
17O
14N14N
12C16O
28,0134
27,9994
14N
= 14,0067 12C = 12,0000 (1 u.m.a. = 1/12 12C) 16O = 15,9994
Qu al deverá dever áser a r esol esol u ção de um u m M S par a sepa separr ar os f eix ei x es de íon s dos dos gase gasess de N 2 e CO? CO ? R
m Δm
28,0134
28,0134 27,9994
R
2000,9571 (alta resolução )
Para se ter habilidade em separar os dois feixes íons, depende de R$ ou se contorna problema (preparo eficiente amostra) Qual seria o valor de R para separar os feixes de íons 14 N14 N e 14 N15 N?
Intensidade relativa do íon em função da razão (m/q) 100 ) % ( a v i t a l e r e d a d i s n e t n I
(14N14N)+
80 60 40 20
(14N15N)+ (15N15N)+
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
m/q
50
Parâmetros de desempenho (Precisão)
Precisão: refere-se à reprodutibilidade de uma medida de abundância ou razão isotópica Expressa em termos de erro relativo (e.r.) ou CV S 102 m
e.r.
sendo : S (DP)
i
(xi n
x)2
Parâmetros de desempenho (Exatidão) Exatidão:
avalia-se por comparação com um padrão HIDROGÊNIO – 2D (Deutério)
Padrão Internacional: Padrão Primário - SMOW (“Standard Mean Ocean Water”)
CARBONO – 13C Padrão Internacional: Padrão Primário - PDB (“Carbonato de cálcio da formação
Pee-dee da Carolina do Sul-EUA”)
Parâmetros de desempenho OXIGÊNIO – 18O Águas: SMOW Carbonatos: PDB NITROGÊNIO – 15N Padrão Internacional: Padrão Primário N2 do ar atmosférico ENXOFRE – 34S Padrão Internacional: Padrão Primário - CDT (“Canyon Diablo Troilite”)
Sulfeto de Ferro (FeS)
Exatidão
Precisão
Exatidão e Precisão
Parâmetros de desempenho (Sensibilidade)
Sensibilidade: mínimo de
amostra requerida
para uma análise, com certa precisão
ESPECTRÔM ETROS DE M ASSAS NO CEN A
Prof. D r. Ei chi M atsui (I PEN/CNEN): Desenvolveu
tr abalh os metodológicos no CEN A Atualmente os laboratórios de L I E e L EI do CENA
trabal ham com determi nações isotópicas (D;
13 C; 15 N; 18 O; 34 S)
L I E : L aboratór io de I sótopos Estáveis L EI : L aboratóri o de Ecologia I sotópica
ESPECTRÔM ETROS DE M ASSAS DO CEN A
– I RMS) N - L I E F I NI NI GAM M AT 230 (DI ATL AS-M AT mod. CH 4 (Fl uxo molecular: aná li ses
absolutas) N/S/B - L I E ANCA-SL (CF -I RM S) – C/N - L I E ANCA-GSL (CF -I RM S) – C/N/S - L I E
– I RMS) D - L EI Varian – M AT mod. GD 150 (DI F I NNI GAN M AT mod. DELTA E – (DI-IRMS)
D/C/O - L EI F I N NI GAN M AT mod. D EL TA PL US – (CF-IRMS;
DI-IRMS) C/O/N - L EI
Espectrômetro de massas de setor magnético com ionização por impacto de elétrons IRMS (ATLAS MAT CH4)
sistema de admissão simples
fluxo molecular e um coletor
não necessita de padrão (análise absoluta)
CONSTI TUI ÇÃ O BÁSI CA DE U M ESPECTRÔM ETRO DE M ASSAS DE SETOR M AGNÉTI CO COM I ONI ZAÇÃ O POR I M PACTO DE EL ÉTRONS (I RM S)
gás
Sistema de admissão
Fonte de ionização
Moléculas
Moléculas: Íons Alto vácuo
Fonte: Ducatti, 1973
Analisador magnético Íons
Detector Íons: Impulsos elétricos
Sistema de entrada ou admissão de amostras
Reservatório de amostra
Câmara de ionização
Passagem (leak)
gás F olha de ouro diâmetro (0,013 – 0,050 mm)
Escoamento molecular
P 1
P 2
2 a 10 -2 mm H g 10
-4 mm H g 10
Sistema de entrada ou admissão de amostras Escoamento molecul ar Q
πr
2
p
K
2 π M k T
M
Sendo: Q = taxa de escoamento das molé culas de um gás M = peso molecular p = pr essã o par cial do gás (lado do reservatório) k = constante de Bol tzman T = temperatur a em Kelvin K = constante general izada
Q = 1/ M
Freqüência vibracional ( )
Sistema com fluxo molecular Gá s com 50% M p e 50% M l (M p > M ) l
analisador
reservatório de gás ( R )
fonte de ionização ( f i )
molecular “leak”
Sistema com fluxo molecular
Escoamento molecul ar Se: M p > M l então: Q M p < Q M l
Ocorre o fracionamento entr e massas , enriquecendo
o gás no r eservatório na molé cula de menor fluxo ou de maior massa (M ) p
Sistema com fluxo molecular
I mediatamente após o “leak” (folha de ouro com
furos de (10-50 m) e depois de ser atingido o equil íbri o no fl uxo do gás (t > 0):
Mp Mp Ml R Ml f
i
Mp Mp K 1 Ml R Ml f
i
K 1 > 1
(A )
Sistema com fluxo molecular
Para um t, o áts/moléculas no f i, será Mp > Ml Mp Ml
Mp f
Ml
i
K 2
Mp Ml
analisador
Mp f i
Ml
K 2 > 1 analisador
(B)
Sistema com fluxo molecular
Supondo: K 1 = K 2 de (A ) e (B ) temos: Mp Mp K 1 Ml R Ml f
i
Mp K 2 Ml f
i
Mp Ml
Mp Ml analisador
Mp R
Ml
analisador
Sistema simples de admissã o (reservatório gás: V=5,0 L )
Sistema com f luxo viscoso
Não
há fracionamento no escoamento pelo “leak” (longo capilar)
Nã o ocorre alteração na razão (M /M p ) l R
Sistema com f luxo viscoso
Mp Ml
Mp R
Mp Ml
K 2
K 2
Mp Ml
fi
Mp fi
Ml
analisador
Mp fi
Mp Ml
Ml
(C)
Ml
analisador
Mp R
Ml
Mp analisador
Ml
det er min ado
Sistema com f luxo viscoso
Mp Ml
K 2
det er min ado
1
Mp Ml
(D )
R
Como exemplo: 15
R amostra det erm.
N( / )
15
R padrão det er min .
R padrão det er min .
N( / )
K 2 R amostra
K 2 R padrão
K 2 R padrão
3
(E )
10
3
10
Sistema com f luxo viscoso
15
N( / )
R amostra
R padrão R padrão
103
Sistema dupl o de admissão (amostr a e padrão)
(F )
Sistema de entrada ou admissão de amostras
Amostr a r eal (bal ão)
I29 I28
íons que entr am no analisador
Amostra após os “leak” na fonte de íons
0
t
tempo
F luxo molecular (f olha de ouro com
= 10-50 µm)
Sistema de entrada ou admissão de amostras
Razão isotópi ca determinada na amostr a I29 I28
Razão isotópi ca real da amostr a 0
t
tempo
F luxo viscoso (capilar)
Energia vibr acion al (E ) n E 0
E leve
16 E pesado (H 2 18 O) < E leve (H 2 O)
E pesado
Gás com 50% M p e 50% M l (M p > M ) l
E ci né ti ca (leve) > E ci né ti ca pesado)
Sistema de entrada ou admissão de amostras
Reservatório de amostra
Câmara de ionização
Passagem (leak)
gás F olha de ouro diâmetro (0,013 – 0,050 mm)
Escoamento molecular
P 1
P 2
2 a 10 -2 mm H g 10
-4 mm H g 10
Câmar a de ionização (parte 1) gás
Filamento (Re, I r, W)
e - e - e - e - e - e -
200 o C
- 80 V (E:aceleração dos elé tron s)
placa repelente í ons
e - 80 eV
F onte de ionização (molé culas íons) Pr obabilidade de ionização
o ã ç 10 a z i ) n o i a r i á r t e i d b r a e d a l a a c d s i l e i ( b a b o r P
Ar N2
6
Ne
2
He 50
100
150
Energi a dos elé trons (eV)
Câmar a de ionização (par te 1)
ep- (80 eV) + N2 N2+ + es- + ep- (< 64,5 eV) ep- = elé tron pr imário es- = elé tr on secundário
+ tem uma energia no estado fundamental de Cáti on exci tado ( N 2 )
15,6 eV > mol é cula original de N 2
Câmar a de ionização (par te 2)
analisador magn é tico íons
gás 400 V
4000 V
acel er ação de íons 1 molécula em 1000 é convertida em íon positivo Fontes de ionização: simples, estáveis e confiáveis
E potencial E cinética q V
1 2
2
m v (1)
E potencial de um íon de um elemento ou molécula pesada (m p) = E potencial de um íon de elemento ou molécula leve (ml)
mp > Ecinética ml < Ecinética
F magnética F centrípeta
E potencial E ci nética q V
1 2
2
qvB
m v (1)
m v2 R
(2)
De (2): B q R m
v (3)
De (3) em (1): qV
1 2
m
B 2 q 2 R 2 m2
q=1 R 2
K
m V q B2
( 4)
em: baixa resolução (< 100) m A
Anal isador magné tico de íons
B
r1 F1
F1 F1
F1
coletor GÁS detector -11 a 10 -8 A) Coletor : copo de F araday (corr ente de 10
Espectrômetro de massa de NIER (1940) Ee = q V
Fmagnética = Fcentrípeta
Ecin = ½ mv2
Fe = Ecin
Fmagnética
q v B sen θ
Fcentrípeta
m v
2
m q
k
B2 R 2 V
R
Sendo: r = rai o da traj etór ia
Espectr ômetro bai xa r esol ução
m = massa do íon q = car ga do elé tr ica do íon
m
A
q
q
V = potenci al de aceleração dos íon s B = indu ção magné tica
M AT CH 4: Análise por varredur a (var iação de B)
ionização
m/q 16
m/q 12 12
M
m/q 20
M+
amostra gasosa
resultado gráfico
m/q 17 absorção excesso energia
gás
m/q 32
32
Sistema de admissão moléculas
Fonte de ionização moléculas: Íons Alto vácuo
decomposição unimolecular do M +
Analisador magnético Íons
análise dos íons
Detector Íons: Impulsos elétricos
Espectrômetro de Massas Atlas Mat CH 4 (LIE) (vista parcial)
LiOBr
N2 (NH4)2SO4
H2 O Br 2
armadilha criogênica
- 196 oC
Espectrômetro de Massas Atlas Mat CH 4 (LIE)
Análise de razão isotópica IRMS (ANCA-SL e Finnigan MAT Delta Plus: D/C/O)
sistema de admissão simples/duplo
fluxo viscoso e três coletores
necessita de padrão (análise relativa)
N2
ANCA-SL
30 29 28
CG
CG
entrada amostras (simples)
amostrador automático
o ã t s u b m o c e d o b u t
CG
MgClO4
(a) Carbosorb
perclorato de magnésio (reter H2O)
(b)
CG
CO2
caminho (a)
N2
caminho (b)
CO2: polar N2: apolar
* reter oxigênio
Porquê reter o CO2?
ANCA-SL
pulso O2
Fios (CuO)
Catalisador (Cr 2O3)
Oxidação
Lã de Ag
Retenção S-SO2 halogênios (F, Cl, Br, I, At)
hidrocarbonetos
1000 oC
1700 oC
ANCA-SL 1700 oC
600 oC
H2O(v) CO2
Cobre metálico
N2 NOx
Redução: Cu + NOx
N2 + CuO
excesso
FINNIGAN MAT DELTA PLUS entrada amostras (dupla)
N2
30 29 28
CG
CG
Gás referência
FINNIGAN MAT DELTA PLUS Sistema duplo de admissão (IRMS-DIS) DIS (duplo sistema de admissão)
P1 A1 P2 A2 P3 A3 P4 A4
1
2
AX(‰)
AX(‰)
=
=
RA1 R m (P1+P2) R m (A1+A2) RP2
– 1 103
– 1 103
FINNIGAN MAT DELTA PLUS P4 A4 P5 A5 P6 A6
6
médio
Sendo:
m
AX(‰)
=
AX(‰)
1+
2+
10
= precisão analítica
=
... +
R m (A5+A6) RP6
10
±
– 1 103
m
saída de resultados
N2
CO2
30 29
44
28 processamento de dados triplo coletor
fonte de íons
ímã permanente
F l ux uxo o Vi Vi sco cosso V
46 45
H : f i x o +s + s es estável
: Var Varii áve vell ( 2000 a 8000 800 0 V) V )
ANCA-SL (LIE)
ANCA-SL (LIE)
ANCA-SL (LIE)
