Bloc 5: Espectrometria de masses, Universitat de Barcelona

Fonaments de l'Espectrometria de Masses

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions ca Analítica Bloc 5: Espectrometria de masses 5. Fonaments. Components. Espectrometria de masses en tàndem Tècniques acoblades. Aplicacions. Q UNIVERSITAT DE BARCELONA JLB Anàlisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 1 / 54

Components, Ions i Isòtops en Espectrometria de Masses

Definició i Principi Bàsic de l'Espectrometria de Masses

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Espectrometria de masses : "Tecnica Analítica que identifica la composició química d'un compost o d'una mostra en base a la relació massa-carrega (m/z) de partícules carregades." Principi basic: generar ions de compostos tant organics com inorganics a partir d'un metode adequat, separar aquest ions en funció de la seva relació massa- càrrega (m/z) i detectar-los tant de forma quantitativa com qualitativa a partir de la relació m/z i la seva abundància.

Camps d'Aplicació de l'Espectrometria de Masses

Camps d'aplicació: vicodinci

• Indústria farmacêutica.
• Analisi d'aliments.
• Caracterització de metabolits en el desenvolupament de farmacs. rmacs.NIVI
• Analisi mediambiental.
• Proteòmica i genòmica.
• Biomarcadors.
• Analisi qualitativa.
• Productes naturals.
• Anàlisi quantitativa. SITATBY NA
• Agricultura. BAR Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 2 / 54 JLB

Característiques de l'Espectrometria de Masses

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Características:

• No és una tècnica espectroscopica (s'utilitza el patró de fragmentació per analitzar la molecula, en lloc d'una mesura directa de la interacció de la molécula amb la radiació electromagnética).
• Permet obtenir un Espectre de Masses (Intensitat senyal vs. relació m/z).
• Nomes permet separar i detectar especies carregades (Fonts de lonització). DE
• Técnica destructiva (en la obtenció de l'espectre tenen lloc processos químics amb el que la mostra utilizada es destrueix i no es pot recuperar).
• Permet fer analisi qualitatiu i/o quantiatiu d'especies.
• Permet determinar la massa molecular de les especies, la composició isotópica, etc .. MINT
• Permet fragmentar especies (caracterització estructural de les espècies). JLB Anàlisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 3 / 54

Components d'un Espectròmetre de Masses

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Components d'un espectrometre de masses Injecció directa GC, LC, CE, ... ICP El, ESI, ... alítica Quadrupol, TOF, ... INTRODUCCIÓ DE LA MOSTRA FONT D'IONITZACIÓ ANALITZADOR DE MASSES nica JERSITA ELOMA PROCESSAMENT DE DADES DETECTOR Espectre de masses BAR JLB Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 4 / 54 bench ed Cinema

Informació i Característiques de l'Espectre de Masses

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Espectre de masses: DESC+ + ONEGUT . CONEG+ + UT DESCONEGUT + e- - + DESCONEGUT + + 2 e- +DES + CONEGUT +. DES' + CONEGUT + CON+ + EGUT . INFORMACIÓ sobre: o Fragmentació i abundancia relativa. o Estructura química de les molécules. Analcon CARACTERÍSTI o Especificitat. o Sensibilitat. 0 Selectivitat. o Informació estructural. 0 Diferents tecniques d'ionització. o Capacitat limitada per a l'anàlisi de mescles. JLB Anàlisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 5 / 54

Tipus d'Ions en Espectrometria de Masses

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Tipus d'ions (IUPAC, Mass Spectrometry Terminology, Pure Appl. Chem., 85 (2013) 7, 1515-1609) Ió molecular: ió format com a consequência d'arrencar un o més electrons d'una molècula per formar un ió positiu, o d'afegir un o més electrons a una molécula per formar un ió negatiu. - La forma en que es genera depèn de la font d'ionització. - Permet obtenir informació sobre la massa de la molecula. Ió molecular: [M]+., [M] , [M]+, [M] AT DE Molecula protonada/desprotonada: [M+H]+., [M-H] , [M+H]+, [M-H] ( "ló pseudo-molecular") CORSI 100 Clúster isotopic: grup de pics que representen ions d'igual composició elemental, però de diferent composició isotopica. Exemple: abundàncies naturals del Carboni 12℃ (98,89 %) ; 13C (1,1 %); 14℃ (10-10 %) relative intensity 50 0 1153.9 1155.9 1157.9 1159.9 m/z Ió fragment: ió producte que prové de la dissociació d'un ió precursor. UNKNOWN+. Font d'ionització > UN + KNOWN+. Cel·la de col · lisió (ió precursor) (ió producte) ITIQUES: ¿ molecul Abundancia relativa CON + UNIVERSITAONEGUT DES LONGUTA DESCONEGUT +· DESC + CONEG + AR® m/z dionitau JLB Anàlisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 6 / 54

Isòtops i Perfil Isotopic

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Isòtops Abundancia natural del CI: CI: 34.96885 75.77 % CI: 36.96590 24.23 % Abundancia natural del Br: Br: 78.91833 50.69 % Perfil isotopic de molécules que contenen àtoms de Cl i de Br

1. Nº d'àtoms de Br 1 3 4 5
2. Nº d'àtoms de CI 2 3 B. on-line MS TOOLS: https://www.sisweb.com/mstools.htm JLB Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 7 / 54

Exemple d'Isòtops: Cafeïna

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Isòtops: exemple Ions amb abundancia ≥ 0.001 % 194,08039 (100) 195,07742 (1,445) 195,08375 (8,653) 195,0846 (0,08) 195,08667 (0,16) 196,07446 (0,008) 196,08078 (0,125) 196,08163 (0,001) 196,0837 (0,002) CH3 55 160; 100 % 196,08463 (0,401) 0.2 % 196,0871 (0,328) CBH10NAO2 196,08796 (0,007) 196,09003 (0,014) 10.3% 197,07782 (0,001) 197,08166 (0,006) 197,08413 (0,005) 197,08799 (0,035) 197,09046 (0,007) 197,09091 (0,001) 197,09338 (0,001) 198,08502 (0,001) 198,09134 (0,001) 290 CAFFEINE CBH10N402: C8 H10 N4 02 pigss, s/p:40) Chrg 1R: D ... 194.1 100 [M]++ mica An 100 % CH3 85 H3C N 14 N : 100 % 15N: 0.37 % Z- 60 IT BARCEL 192 199 194 195 199 200 201 202 NIVER E [M+1] ++) 195. 0.89% [M+2] + JLB Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 8 /54 LLONA Isotopes 1.1 % N

Nomenclatura de Valors de Massa

Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Nomenclatura relacionada amb els valors de massa (valors de massa) · Massa mitjana (average mass): massa d'un ió o molécula corregida per la composició isotòpica ( "Massa molecular" ). Té en compte la distribució natural dels isòtops: H: 1,008, C: 12,0011 O: 15,999 . · Massa nominal (nominal mass): massa d'un ió o molecula calculada utilitzant la massa isotopica de l'isotop més abundant arrodonida al valor sencer més proper per a cadascun dels elements, i multiplicada pel nombre d'àtoms de cada element. SIT .D Si 1H: 1, 12C: 12, 14N: 14 | 160: 16 => Massa nominal cH+ = Massa nominal H+ = 16 (instruments de baixa resolució). · Massa monoisotopica (monoisotopic mass): massa d'un io o molecula calculada amb la massa de l'isotop mes abundant de cada element. Si 1H: 1,0078, 12C: 12,0000, 14N: 14,0031 | 160: 15.9949 Massa monoisotopica (H+ = 16, 0312 i Massa monoisotopica H+ = 16, 0187 (instruments d'alta resolució). · Massa exacta (exact mass): massa calculada d'un ió o molecula amb una composició isotópica definida. (exemple: 1H: 1,0078 , 12C: 12,0000, 13C: 13,0034 , 14N: 14,0031, 15N: 15,0001). · Massa experimental (accurate mass): massa determinada experimentalment per a un ió de càrrega coneguda JLB Anàlisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 9 / 54

Exemple de Valors de Massa

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Valors de massa: exemple CH3CH2OH Massa nominal Massa mitjana Massa exacta C 12×2 = 24 12,0011x2 = 24,022 12,0000×2 = 24,0000 H 1×6 = 6 1,008 6 = 6,048 1,0078×6 = 6,0468 0 16x1 = 16 15,999×1X= 15,999 15,9949×1 = 15,9949 46,069 46,0417 Baixa resolució Calculs químics Alta resolució Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 10 / 54 JLB massa monoi uica ERS

Exactitud i Resolució de Massa

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Exactitud de massa: Es calcula l'error relatiu entre la massa exacta (exact mass) i l'experimental (accurate mass): Mexp - Mexacta Resolució: Es calcula el quocient entre el valor de m/z i una certa diferencia de m/z: A(m/z) m/z ITAT DE A(m/z) s'acostuma a calcular com l'amplada del pic a una certa alçada (generalment al 50 %, FWHM: Full Width at Half Maximum). UN m/z 500 = 1040 (FWHM) 0,481 = 0.481 499 500 501 502 m/z En qualsevol cas, cal especificar com s'ha calculat la resolució. JLB Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 11 / 54

Exemple d'Exactitud i Resolució de Massa

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Components E.Masses lons Isòtops Nom. Exac./Res. Exactitud i resolució: exemple 135.038679 195,065349 OH 6100 Resolving Power (FWHM) 14000 Resolving Power (FWHM) O HO Butilparabè [M+H]* = m/z 195,10157 195 19: 02 12:04 19: 06 12:00 101 198 12 1% 14 196 16 198.18 1952 195 00 195.44 196.06 195.00 Error de massa: 5-Acetilsalicili Erel Mexp - Mexacta . 106 195, 06535 - 195, 06519 · 10° = 0,82 ppm Butilparabè: . Mexp - Mexacta 195, 10139 - 195, 10157 Erel = . 10° = - 0,92 ppm Mexacta 195,10157 Analytica VERSITES DE LONA Mexacta 195,06519 AR19 106 JLB Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 12 / 54 TAMnica Ein Pi Ceno Erel = Mexacta . 106 Components E.Masses lons Isotops Nom. Exac./Res. 5-Acetilsalicili [M+H]+ = m/z 195,06519 195,101392 BAAm

Components Bàsics de l'Espectrometria de Masses

Introducció de Mostra i Ionització

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Alt buit Fonts lonit. Analit. Massa Detectors Components basics INTRODUCCIÓ MOSTRA ALT BUIT Gas, Liquid, Sòlid - GC, LC - ICP IONITZACIÓ T DE Fonts Ionització EI, CI, APCI, ESI, FAB, MALDI SEPARACIÓ IONS (m/z) (ANALITZADOR) um PRESSIÓ ATMOSFERICA Analitzadors Sectors, B, EB, BE Quadrupols: Q Trampa d'ions : IT Temps de vol: TOF Sistema de dades JLB Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 13 / 54

Sistema d'Alt Buit en Espectrometria de Masses

Fonaments Instr. MS/MS Acobl. Modes Aplicacions Alt buit Fonts lonit. Analit. Massa Detectors Per què cal un sistema d'alt buit? Necessitat de que els ions arribin al detector sense patir collisions. L: recorregut lliure mitjà (lon Free Path): Atmospheric Pressure Short Mean Free Path (Atmospheric Pressure) Below Atmospheric Pressure Long Mean Free Path (Low Pressure) L = k T V2 Po (m) k : constant de Boltzmann T : temperatura (K) P : pressió (Pa) o = TT d2 : secció transversal de col·lisió (m2) TA Molecule A Molecule B d: suma dels radis de les molecules que col·lisionen (m) El recorregut lliure mitjà ha d'estar en concordancia amb la llargada total de la trajectòria a través de l'instrument (font d'ionització -> detector). Les col·lisions poden produir: - desviació de les trajectories. - perdua de carrega de l'ió contra les parets de l'instrument. - reaccions no desitjades augmentant la complexitat de l'espectre. Gamma de buit Pressió (mbar) Molècules / cm3 Camí lliure mitjà Pressió ambiental 1013 (1 atm) 2,7 × 1019 68 nm Baix buit 300 - 1 1019 - 1016 0,1 - 100 um Buit mitjà 1-10-3 1016 - 1013 0,1 - 100 mm Buit alt 10-3 - 10-7 1013 - 109 10 cm - 1 km Buit ultra alt 10-7 - 10-12 109 - 104 1 km - 105 km = JLB Analisi Instrumental, 2024/25. B1. Lliçó 5 14 / 54 ATS contra les par U T lítica MARCELUNA DETECCIÓ NIVE