Capitolul FH.04. Separări izotopice Cuvinte-cheie Metode de separare, tipuri de spectrometre, spectre de masă, rezoluţia, sensibilitatea FH.04.. Metode de separare. Tipuri de spectrometre Câteva din metodele clasice de separare ale izotopilor stau la baza construcţiei spectrometrelor de masă. Astfel, separarea maselor şi deci ale elementelor sau chiar a izotopilor are loc prin acţiunea câmpului (de cele mai multe ori magnetic) asupra unui fascicul de ioni obţinut prin delimitare de către o fantă la ieşirea din sursa de ioni (fanta de intrare în câmp). Câmpul magnetic realizează imaginea acestei fante în vecinătatea colectorului unde trece printr-o a doua fantă. Din jocul celor două fante se pot obţine diferite forme de pic; pentru fante de lăţimi comparabile se obţine pic triunghiular, iar pentru cazul în care lărgimea unei fante este sensibil mai mare decât cealaltă se obţine pic trapezoidal. Figura Spectrometru cu deflexie la 80 o (Dempster) a) sursa de ioni; b) fante c) fanta de intrare; d) fascicul de ioni e) fanta de ieşire; f) colector Există şi spectrometre de masă cu dublă focalizare. La acestea ionii pozitivi ce ies din camera de ionizare (a), după ce trec prin fanta de ieşire a acestuia, vor trece printr-un analizor electrostatic (b) şi apoi printr-unul magnetic (c) şi de abia apoi vor ajunge pe colector (e) în care intră trecând prin fanta colectorului (d). Schema spectrometrului de masă (Nier-Johnson) care realizează dubla focalizare este prezenatată în figura. Figura Spectrometru de masă cu dublă focalizare
Separarea ionilor se poate realiza şi fără utilizarea câmpului magnetic şi anume prin supunerea ionilor la oscilaţiile unui câmp electric cuadrupolar de înaltă frecvenţă. În acest caz ionii se deplasează între 4 bare metalice, paralel cu acestea. Pe câte bare opuse se aplică potenţiale electrice de acelaşi semn dar decalate cu 80 (vezi Fig. ). Peste această tensiune se aplică un câmp de înaltă frecvenţă. Potenţialul barelor va fi modulat de câmpul de înaltă frecvenţă. Pentru un potenţial dat numai particulele de o anumită masă pot trece printre barele cuadrupolului ajungând până la fanta de ieşire. Figura Focalizarea în cuadrupol şi secţiunea acestuia. Cele 4 bare sunt de fapt 4 electrozi de unde şi denumirea de cuadrupol a sistemului format de aceştia. Datorită câmpului de înaltă frecvenţă ionii vor oscila pe axa OZ. Numai ionii cu un raport m/z bine determinat vor putea ajunge la fanta de ieşire, ceilalţi căzând pe pereţi (electrozi). Filtrele de masă cuadrupolare se crează alternând câmpuri electrice într-o arie pătratică a patru electrozi prin combinarea tensiunii de radiofrecvenţă (V) şi a tensiunii continue (U) aplicate pe perechile adiacente de electrozi. Ionii din sursa de ioni sunt introduşi în filtru de-a lungul axei barelor la o tensiune mică şi au o traiectorie oscilantă de amplitudine crescândă fiind în final colectaţi pe electrozi. La tensiuni selectate ale barelor, o masă particulară este transmisă prin filtru, în timp ce ionii de masă mai mică sau mai mare execută mişcări de oscilaţie cu amplitudine din ce în ce mai mare lovindu-se de bare. Raportul U/V este mentinut constant şi V creşte în amplitudine pentru a permite maselor mari să trecă prin filtru. Avantajele constau într-un cost mai scăzut, greutate mai redusă, lipsă de histerezis, posibilitatea de a fi baleat foarte rapid (lipsă inductanţă) şi posibilităţi de control prin computer. Aceste instrumente sunt potrivite aplicaţiilor în modul de lucru monitorizare de ion selectat (SIM). Tensiunea joasă de accelerare necesară cu filtrul cuadrupolar (0-0V) are dezavantaje în detecţia ionilor de mase mari. Sursa de tensiune mică este compatibilă cu 4
ionizarea termospray. Domeniul de masă este limitat de tensiunea de radiofrevenţă şi nu este posibilă atingerea rezoluţiilor înalte. Pentru rezoluţi înalte în plus este necesară şi focalizarea ionilor cu energii diferite (dubla focalizare sau focalizarea de direcţie şi energie). Dubla focalizare se poate realiza cu anumite combinaţii de câmpuri magnetic şi electric. Un aranjament de dublă focalizare o reprezintă geometria Nier-Johnson inversată utilizată la spectrometrul de masă MAT. Figura 4 Spectrometrul de masă MAT (cu geometrie Nier-Johnson inversată). Puterea de rezoluţie a unui spectrometru de masă cu simplă focalizare creşte cu creşterea razei de curbură r a analizorului şi cu mărirea potenţialului accelerator. Din motive de ordin tehnologic aceşti parametri nu pot fi măriţi nelimitat, astfel că puterea de rezoluţie a acestor aparate nu depăşeşte 000. Alţi factori care determină puterea de rezoluţie sunt lăţimea s a fantei de intrare în tubul analizorului şi lăţimea w a fasciculului ionic cu cel mai mare număr de masă m la care se poate obţine o rezoluţie a ionilor. Aceasta este dată de relaţia m = r/(ws). Deoarece nu toţi ionii sunt focalizaţi de câmpul magnetic şi nu toţi ionii formaţi au energii şi direcţii iniţiale identice, rezoluţia unei singure focalizări este limitată de aşa numitele aberaţii. Pentru a obţine rezoluţii înalte, este adăugat un câmp electrostatic radial înaintea câmpului magnetic (geometria Nier-Johnson sau Mattauck-Herzog) (Fig. 5) sau după câmpul magnetic (geometria inversă Nier-Johnson). Un spectrometru de masă corect proiectat, cu dublă focalizare poate corecta aberaţiile de direcţie şi energie. Sectorul electrostatic realizează focalizarea de energie iar cel magnetic realizează focalizarea de direcţie. Spectrometrele de masă cu dublă focalizare sunt capabile de rezoluţii înalte. Un aranjament celebru de dublă focalizare îl reprezintă geometria Mattauch-Herzog cu un sector electrostatic de o urmat de un sector magnetic de 90 o, având focarul diferitelor mase într-un plan şi detecţtia ionilor pe placă fotografică. 5
Figura 5 Spectrometre de masă cu dublă focalizare M 0000 R = = = = () M M M,000x x M Rezoluţia este limitată la un instrument cu analizor magnetic de dispersia unghiulară a fasciculului de ioni şi de împrăştierea de energie cinetică a ionilor. Dispersia de energie sau de viteză a fasciculului este contracarată de un al doilea sector constând dintr-un câmp electrostatic obţinându-se rezoluţii de pâna la 00000. Există diferite tipuri de spectrometre de masă cu dublă focalizare. În rezoluţie înaltă este posibilă determinarea maselor exacte ale ionilor la citeva părţi pe milion precizie. Înregistrând proba simultan cu un standard de masă cunoscută se poate determina compozitia elementară a fiecarui ion prin combinarea maselor exacte ale atomilor. În figura 6 sunt prezentate spectrometrul de masă MAT şi sistemul de introducere directă al acestuia, utilizat pentru probe solide de sinteză, pentru care se fac măsurători de masă exactă şi studii de căi de fragmentare prin măsurători metastabile. Partile componente ale acestuia sunt pentru a) Cuplaj cromatograf de gaze-spectrometru de masă (GC-MS). cromatograf de gaze, GC;. spectrometru de masă,ms;. injector; 4. interfaţă (separator); 5. sursa de ioni; 60 detector MS; 7) introducerea directă a probei; 8) înregistrator cromatograf; 9) osciloscop; 0) înregistrator spectru de masă; ) indicare digitală a masei; şi pentru b) spectrometrul de masă cu dublă focalizare şi geometrie Nier-Johnson inversată MAT cu dubla focalizare;. sursa de ioni;. curent total de ioni;. fanta de intrare; 4. fanta sursei; 5. analizor magnetic; 6. fanta intermediară; 7. analizor electrostatic; 8. fanta colector; 9. fantă ieşire; 0. multiplicator electroni secundari. 6
Figura 6 a) Cuplaj cromatograf de gaze-spectrometru de masă (GC-MS) şi b)spectrometrul de masă cu dublă focalizare şi geometrie Nier-Johnson inversată MAT cu dublă focalizare. FH.04.. Spectre de masă. Rezoluţia spectrometrelor Spectrul de masă se reprezintă în literatură sau în colecţiile de spectre de masă de referinţă fie normat faţă de picul de bază (I (%)= I i 00/I b ; unde I i este intensitatea corespunzătoare unui ion oarecare iar I b este intensitatea corespunzătoare ionului de bază, cel mai intens din spectru şi reprezintă 00%), fie grafic sub formă de spectre de linii cu intensitate relativă pe ordonată şi număr de masă pe abscisă. În cele ce urmează se va analiza modul în care se poate fragmenta molecula de metanol. În cazul metanolului (CH -OH) procesul de fragmentare din camera de ionizare va conduce la obţinerea a 4 fragmente principale şi anume: CH - OH e CH - OH e m / z = CH OH CH e CH OH OH H m m / z / z = = 5 CH OH CHO H m4 / z4 = 9 7
m/z Figura 7 Spectrul de masă al metanolului. În figura 7 este prezentat spectrul de masă al metanolului. Acesta constă din linii care reprezintă abundenţa relativă (%) a fragmentelor în funcţie de valorile raportului m/z. Menţionăm că înregistratorul înregistrează curentul ionic care este proporţional cu numărul ionilor de o anumită specie, deci cu abundenţa acestora. În figura 7 se vede că picul pentru m/z = este cel mai important deoarece are cea mai mare abundenţă. El se numeşte pic de bază, i se atribuie abundenţa 00%, iar intensitatea celorlalte picuri se va exprima în funcţie de picul de bază. Ionizarea prin impact electronic este o metodă energică de fragmentare care conduce la un număr mare de fragmente care servesc apoi ca elemente în vederea reconstituirii moleculei iniţiale. Uneori caracterul energic al acestei metode este un inconvenient deoarece complică interpretarea spectrului de masă. Acest lucru a determinat căutarea unor tehnici mai blânde de ionizare (în care să fie implicate energii mai mici) aşa cum este cazul ionizării chimice. Spectrele de masă sunt adevărate amprente ale moleculelor fiind folosite la identificarea acestora. De cele mai multe ori interpretarea spectrelor prezintă dificultăţi din cauza numărului mare de de linii care pot să apară. De exemplu în cazul unei substanţe simple ca etanolul în spectru apar de linii mai importante la care se adaugă încă 0 linii slabe. La interpretarea spectrelor, liniile foarte slabe nu se iau în consideraţie mai ales că ele pot proveni de la impurităţi. Izotopii elementelor chimice, de cele mai multe ori au mase foarte apropiate. Astfel pentru a fi separaţi este nevoie ca spectrometrele de masa să fie capabile să îi diferenţieze şi astfel putem vorbi despre sensibilitatea spectrometrelor şi despre rezoluţia spectrelor. 8
Sensibilitatea spectrometrului şi rezolutia spectrelor Eficienţa utilizării probei în operaţiile GC/MS pentru separari izotopice este de importanţă practică în obţinerea sensibilitătii maxime. Sensibilitatea (în C/mg) a instrumentului se defineşte în funcţie de intensitatea de pic raportată la cantitatea de probă: La rezoluţie joasă doar un ion din 06 molecule introduse în sursa de ioni ajunge la detector. Sensibilitatea spectrometrului de masă este astfel o funcţie de numărul de ioni care lovesc detectorul faţă de masa substanţei introduse în sursa de ioni şi factorul de amplificare (câstigul) al detectorului: A S = ( C µ g) () G n R f unde A reprezinta aria de sub pic (Vs=C), Rf este rezistenţa amplificatorului (07 Ω), G este factorul de amplificare (câştigul) al multiplicatorului (G ~ 06) iar n este cantitatea de probă masurată (µg). Sensibilitatea măsurată ca raport semnal/zgomot (S/N=h/Hz) se defineşte ca: S N FSts ;, 0 9 = () Fluctuaţia statistică este F=00/ n, π ω = Tm zg. e0, 60 0 0 F = 00; F = = ω Ipic ITm πi I 4 9 4 4 ω (4) Stearatul de metil se utilizează pentru specificarea sensibilitatii în termeni de curent ionic pentru o cantitate dată de probă. În modul EI, ionul molecular la m/z 98 şi R = 000, la o tensiune a electronilor de 70 ev, sensibilitatea este în domeniul 0-8 - 0-9 C/µg. Figura 8. Multiplicator de electroni secundari 9
La lovirea barelor cuadrupolului de către ioni se pot genera raze X. Acestea pot cauza emisie electronică la multiplicator prin acţiune fotoelectrică. Curentul datorat razelor X poate masca complet semnalul fascicului de ioni, cauzând probleme de detecţie. O caracteristică importată a spectrometrului de masă este puterea sa de separare pentru două mase apropiate (cum ar fi de exemplu izotopii). Aceasta se poate exprima în mai multe moduri. Fie spre exemplu cazul a două molecule cu mase foarte apropiate M şi M. Rezoluţia (capacitatea de a putea fi distinse cu ajutorul spectrului lor de masă) poate fi exprimată : R = M M M = M M (5) unde M este masa moleculei mai uşoare. În spectrul de masă vor apare două picuri apropiate care pot avea un grad oarecare de suprapunere (vezi Fig. 9). Rezoluţia sau puterea de separare, definită ca abilitatea de a separa ioni de mase diferite, conform relaţiei: R=M/ M (6) Se consideră rezolvate două specii de ioni a căror raport H/H este mai mic de, 0 respectiv 50%. Când se indică rezoluţia unui aparat se dă şi valoarea H/H, adică înăltimea "văii" dintre cele două picuri rezolvate. Figura 9 Definirea puterii de rezolutie Figura 0 a) Picuri complet rezolvate; b) Picuri rezolvate incomplet; c) Picuri nerezolvate. Rezoluţii de ordinul sutelor sunt denumite "rezoluţii joase" şi permit determinarea masei nominale definită ca număr întreg. Rezoluţii de ordinul miilor sau mai mari, reprezintă "rezoluţie înaltă" şi permit măsurarea masei cu o precizie de ordinul miliunităţilor sau mai bună. Rezoluţia joasă se obţine în spectrometrele de masă în care are loc, în planul fantei de 0
ieşire din câmpul magnetic, focalizarea fasciculului de ioni care iese din sursă cu o mică divergenţă unghiulară (câteva grade; focalizare de directie = simplă focalizare). Neomogenităţile de energie nu permit realizarea de rezoluţii mari. Rezoluţii înalte pot fi obţinute numai cu ajutorul spectrometrelor de masă cu dublă focalizare. FH.04.. Aplicaţii Spectrometria de masă cunoaşte astăzi o continuă dezvoltare cu un larg număr de aplicaţii în determinări de mase exacte, determinări de căi de fragmentare, determinări structurale complexe, măsurători/separări izotopice, determinări cantitative precise. Domeniul aplicaţiilor spectrometriei de masă şi a cuplajului cromatografie de gaze cu spectrometrul de masă este foate larg: ecologie (ex. determinarea de poluanţi organici: hidrocarburi, pesticide, poluanţi (PAH, THM, BTX) în apă, aer, sol, alimente, metale în urme, control alimente, etc), farmacie (determinare de parametrii farmacocinetici, purităţi ale medicamentelor, studii de bioechivalenţă, etc), medicină (tratament, diagnosticare, nutriţie, studii de metabolism, etc), geologie, chimie, fizică, biofizică, criminalistică, toxicologie, agricultură.