Funcionamento do TOF - Espectrometria de massas

Gabriela Estevam Pereira, RA: 168282.

Atividade de QO 425 Espectrometria de Massas

O funcionamento de um analisador “Time-of-flight” (TOF).

Os analisadores de Espectrometria de massas "Time-of-flight" ou TOF são analisadores em que os íons 1+ de partículas ionizadas são acelerados de forma que todas as partículas tenham mesma energia cinética. Desta forma o tempo que elas levam para percorrer uma distancia fixa é então usado para encontrar a massa de cada íon na amostra.

Apesar de os analisadores TOF terem sidos desenvolvidos desde a década de 1940, só ficou popular a partir de 1990, com o desenvolvimento de novas tecnologias que os aprimorassem. Entre essas tecnologias podemos citar a aceleração ortogonal, espelhos de reflexão de íons e eletrônica de alta velocidade, que ampliaram significativamente a resolução dos TOFs. Desta forma, com a sua resolução ampliada, quando combinado com uma fonte de íon adequada e com quadrupolos como filtro de massas, o TOF é uma das tecnologias mais importantes para analise de moléculas pequenas, que podem ser separadas por cromatografia a gás.

Neste texto será abordado mais profundamente o funcionamento e operação de um analisador TOF, assim como se ocorre todo o processo de analise utilizando-se deste equipamento.

A primeira etapa para a análise por espectrometria de massas é a ionização. A utilização de analisadores do tipo TOF não limita as técnicas de ionização. Para realização desta etapa, podem ser utilizadas diversas formas de ionização. Duas formas de ionização que são úteis para analise com o TOF são a ionização eletrônica e a ionização por Eletrospray.

Na ionização eletrônica a amostra analisada é vaporizada e então bombardeada com elétrons de alta energia. A partícula geralmente tem um elétron retirado por conseqüência, formando o íon 1+, conhecido como íon molecular.

X(g) + e-          X+(g) + 2e-[pic 1]

Os íons 1+ são então atraídos por uma placa negativa onde serão acelerados. Os íons moleculares geralmente se fragmentam em íons menores, que então são detectados pela espectrometria de massas.

Já na ionização por Eletrospray, a amostra X é dissolvida em um solvente volátil e injetada através de uma agulha hipodérmica fina, para resultar em um aerossol. A ponta da agulha é ligada a um terminal positivo de alta voltagem.  As moléculas são então ionizadas ganhando um próton do solvente enquanto saem da agulha, produzindo íons XH+.

X(g) + H+          XH+ (g)[pic 2]

O solvente é então evaporado enquanto os íons são atraídos por uma placa negativa, onde serão evaporados. Essa é uma técnica conhecida como branda, pois ocorre  pouca ou nenhuma fragmentação.

A segunda etapa é a aceleração dos íons no analisador TOF. Neste texto será explicada a aceleração ortogonal de um espectrômetro de massas time-of-flight.

 Nesta etapa, os íons que foram formados na etapa anterior, a ionização, estão localizados na primeira câmara a vácuo, a fonte de íons. Após serem formados, estes são então mandados para o filtro de massas, na segunda câmara a vácuo. Localizado após o filtro de massas está uma célula de colisão hexapolar. A célula de colisão hexapolar é um conjunto de hastes metálicas com um eixo comum no qual os íons podem passar. Uma tensão de radiofreqüência (RF) é então aplicada às hastes, criando um campo eletromagnético que confina íons acima de uma certa massa no centro das hastes. As moléculas são então induzidas à dissociação por colisão (CID) por um gás de colisão. Ao saírem da célula de colisão os íons entram em uma nova região onde serão focalizados, para que assim o feixe de íons saía paralelo e iniciem o seu tempo de vôo a partir de um mesmo ponto. Quanto mais paralelo for o feixe de íons maior será o poder de resolução do analisador TOF. Após os íons serem focalizados para um feixe paralelo estes entrarão em uma terceira câmara a vácuo. É nesta última câmara á vácuo que a analise de massa por tempo de vôo acontece. Dessa maneira, como a massa de cada íon está relacionada com o seu tempo de vôo, nessa etapa a pressão de gás de fundo deve ser muito baixa. Isso se deve porque qualquer colisão com uma molécula residual de fundo irá alterar o tempo de vôo do íon analisado a afetar a precisão da determinação da massa.

Dentro do analisador de massas de tempo de vôo, os íons passarão por um impulsor de íons. Este impulsor de íons é um conjunto de placas que contém um furo em seu centro (exceto a placa de fundo). Os íons então passam por este conjunto de placas, entre a placa de fundo e a primeira placa, e é então aplicado um pulso de alta voltagem (HV) na placa de fundo, acelerando o íon através do conjunto de placas do impulsor, iniciando assim seu tempo de vôo. Assim que os íons deixam o impulsor de íons, estes passam a viajar pelo tubo de vôo, que tem por volta de um metro de comprimento.

No lado oposto do tubo de vôo há um espelho eletrostático de íons de duas etapas. Esse espelho eletrostático de íons inverte a direção dos íons direcionando-os de volta ao impulsor de íons. O espelho de duas etapas possui dois gradientes de potencial, um em seu inicio e outro mais profundo no espelho. Esse mecanismo melhora a focalização dos íons para o detector. Como os íons entram no impulsor de íons com um certo momento horizontal, estes continuam a se mover no tubo de vôo tanto verticalmente quanto horizontalmente, desta forma os íons não são refletidos diretamente de volta ao impulsor de íons, mas sim para o detector.   Na figura a seguir é esquematizado os locais onde ocorrem as etapas das analises discutida até aqui.

[pic 3]

Figura 1 Fonte de íons, óptica de íons e filtro de massas de um espectrômetro de massas CG Q-TOF da Agillent.

No detector é que ocorre o maior ganho de sinal. O primeiro estágio do detector é uma placa de microcanais (MCP),  uma fina placa com precisos tubos microscópicos (canais). Quando um íon com energia suficiente atinge o MCP, um ou mais elétrons são liberados. Cada microcanal age como um multiplicador de elétrons.Os elerons que saem do MCP são acelerados para um cintilador, que quando atingido por elétrons emitem fótons. Os fótons do cintilador são são focados através de lentes ópticas em um tubo fotomultiplicador(PMT), que amplifica o número de fótons e produz um sinal elétrico proporcional ao numero de fótons.  O sinal é convertido de elétrico para óptico e depois para elétrico novamente na tentativa de isolar o tubo de vôo e a frente do detector.

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