thumb|upright=1.4|Espectrômetro de massa. A espectrometria de massas é uma técnica analítica física para detectar e identificar moléculas de interesse por meio da medição da sua massa e da caracterização de sua estrutura química. O princípio físico básico de um espectrômetro de massa consiste em criar íons de compostos orgânicos por um método adequado, separá-los de acordo com a sua taxa de massa/carga (m/z) e, por conseguinte, detectá-los qualitativa e quantitativamente por sua respectiva taxa m/z e abundância. A espectrometria de massas é frequentemente aplicada no controle de poluição, controle de comida, física atômica, determinação de parâmetros termodinâmicos, controle de qualidade de medicamentos(sua pureza), gerando laudos e acompanhando rotas de síntese dos mesmos; datação radiométrica quantificando c14 para c12, c13 de orgânicos carbonizados; e muitos outros ramos científicos.
Histórico thumb|250px|John Fenn, agraciado com o Nobel de Química em 2002 Em 1886, o físico alemão Eugen Goldstein observou raios formados em descargas de gás sob baixa pressão que viajava através dos canais em um cátodo perfurado na direção do ânodo, e chamou este fenômeno de "Kanalstrahlen" (raios canais). Mais tarde (1907), utilizando campos magnéticos demonstrou que os raios produzidos revelavam que a matéria era composta por elementos de massa variável, sendo que a mais leve era a do hidrogênio. Em experimentos paralelos utilizando fortes campos magnéticos e elétricos, Wilhelm Wien (1898) identificou a presença de um elemento com carga positiva e massa igual a do hidrogênio, e em 1911 recebeu o Prêmio Nobel de Física. Também em paralelo, diversos estudos estavam sendo realizados por Joseph J. Thomson, que em 1897 descobriu os elétrons, recebendo o Prêmio Nobel de Física em 1906, como reconhecimento por esta descoberta. Posteriormente, trabalhando sobre os experimentos de Wien, J. J. Thomson obteve um registro em chapas fotográficas obtidos pela ionização do gás neônio. Contudo seus registros acusavam a presença de duas marcas referentes ao neônio, que foram inicialmente entendidas como se o gás neônio fosse formado por uma mistura de dois gases. Mais tarde foi atribuído que a presença de compostos de massas diferentes no gás neônio era devido à presença de seus isótopos (20Ne, 21Ne e 22Ne), assim, outros compostos isotópicos acabaram sendo identificados. Em 1918, Arthur J. Dempster desenvolveu o primeiro espectrômetro moderno, e fez a importante descoberta do isótopo 235U. Em 1919, Francis W. Aston também desenvolveu e melhorou seu espectrômetro de massas, o que lhe permitiu descobrir 212 isótopos naturais e em 1922 ele recebeu o Prêmio Nobel de Química pela sua pesquisa. Os conceitos desenvolvidos por Arthur J. Dempster e Francis W. Aston são utilizados até hoje no desenvolvimento dos modernos espectrômetros de massas. Mais tarde, na década de 50, foi desenvolvida uma das principais técnicas de análise de massas, chamada de íon trap (armadilha de íons). Seus criadores, Hans G. Dehmelt e Wolfgang Paul receberam o Prêmio Nobel de Física (1989). Contudo, todas as técnicas de ionização e análise de massas até então desenvolvidas, não permitiam análises de moléculas de alta massa molecular, mas nos anos 80, John Bennett Fenn desenvolveu um método de ionização suave chamado de electrospray ionization, que permitiu a análise de macromoléculas com baixos níveis ou nenhuma fragmentação. Fenn juntamente com Koichi Tanaka, quem desenvolveu outra técnica suave de ionização chamada de soft laser desorption (1987), receberam o Prêmio Nobel de Química em 2002. A importância do desenvolvimento desta técnica analítica pode ser notada pelo grande número de Prêmios Nobel que foram dados aos seus criadores. http://www.biq.iqm.unicamp.br/arquivos/teses/vtls000321813.pdf
Estrutura de um espectrômetro de massas thumb|500x300 px |Estrutura de um espectrômetro de massa Na espectrometria de massas quase qualquer técnica para alcançar as metas de ionização, separação e detecção de íons em fase gasosa se aplica. Com isso, há uma configuração básica para todos os tipos de espectrômetros de massas. Um espectrômetro de massas consiste de uma fonte de íons (em que os componentes de uma amostra são convertidos em íons, através de um agente ionizante), seguido por um analisador de massas que separa os íons de acordo com a taxa m/z e um detector, o qual conta e transforma a corrente de íons em sinais elétricos que posteriormente vão para um sistema de computador que processa o sinal, todos os componentes do espectrômetro sendo operados sob condições de alto vácuo. O resultado é um espectro de massas, que é uma representação, em duas dimensões, da intensidade do sinal (eixo das ordenadas), (que reflete diretamente a abundância das espécies iônicas) versus m/z(abscissa).http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0124802_03_cap_02.pdf O espectrômetro de massas é, assim, composto de quatro partes:
O sistema de introdução de amostras
Os métodos mais comuns são :
a inserção direta: a amostra é colocada em primeiro lugar sobre uma sonda e, em seguida, inserido na região de ionização do espectrômetro de massas, tipicamente através de um bloqueio de vácuo, após a amostra é aquecida e evaporada). a infusão direta: Um capilar simples ou uma coluna capilar é utilizado para introduzir uma amostra, tal como um gás ou uma solução. Essa técnica, por exemplo inclui a cromatografia de gás.http://old.vscht.cz/clab/ms/samples.htm A fonte de ionização: Nessa etapa a consideração mais importante é a energia interna transferida durante os processos de ionização e as propriedades físico-químicas que podem ser ionizados.Como exemplos de algumas fontes de ionização, temos: Ionização por elétrons Ionização química Bombardeamento atômico rápido(FAB) ionização química à pressão atmosférica ionização por electrospray A matriz de dessorção a laser assistida por ionização (MALDI) Analisador de massas: etapa em que ocorre a separação dos íons de acordo com a relação massa/carga (m/z). Há analisadores de baixa resolução: o quadrupolo (Q), o ion trap 3D (IT) ou linear (LIT) e analisadores de alta resolução ,que medem a massa exata dos analitos: o setor magnético acoplado com um setor elétrico, o tempo de voo (TOF),Transformada de Fourier de ressonância cíclotron de íons (FT-ICR) e Orbitrap. Estes analisadores podem ser acoplados em conjunto para executar as experiências de espectrometria de massas em tandem . Em geral, um primeiro analisador separa os íons, uma célula de colisão é usada para os íons do fragmento, e um segundo analisador os separa do fragmento. Alguns analisadores, como armadilhas de íons(ion trap,em inglês) e FT-ICR, constituem vários analisadores e permitem uma fragmentação dos íons e análise dos fragmentos diretamente. O sistema de detecção e processamento: etapa em que o detector transforma a corrente dos íons em sinal elétrico. Além disso, o detector amplifica o sinal obtido o qual pode ser processado por computador, criando, por conseguinte, o espectro de massas correspondente.
Fontes de ionização Algumas técnicas de ionização são muito energéticas e causam fragmentações extensivas. Outras técnicas são energeticamente menos intensas e produzem somente íons de espécies moleculares. Ionização por elétrons , ionização química, por exemplo, são somente úteis para ionização de fases gasosas e , então,seu uso é limitado a componentes suficientemente voláteis e termicamente estáveis.
Ionização por elétrons(EI) thumb|Diagrama da ionização por elétrons.A proporção dos produtos depende da energia dos elétrons A fonte de ionização por íons foi concebido por Dempster e aperfeiçoada por Bleakney e Nier. Essa fonte de ionização é largamente usada na espectrometria de massas orgânica. Essa fonte consiste de um filamento aquecido que ejeta elétrons , os quais são acelerados em direção ao ânodo e colidem com as moléculas gasosas da amostra analisada.Para cada elétron ejetado corresponde um comprimento de onda, por exemplo, 2.7 A para um energia cinética de 20 eV. Quando o comprimento da onda é da ordem dos comprimentos de ligação da amostra analisada, a onda é perturbada e se torna complexa. Se uma das frequências dos elétrons têm energia correspondente a da transição da molécula, está pode absorvê-la e, então, produzir várias excitações eletrônicas. Em moléculas orgânicas, desde que 10 eV é suficiente para ionizá-las, e em um espectrômetro com condições usuais, a energia dos elétrons são em média de 70 eV, o excesso de energia orienta a uma fragmentação extensiva.Está fragmentação é útil , pois ele fornece informações estruturais de analitos desconhecidos.
Ionização química thumb|right|Fonte de ionização química|291x291px Em adição ao dispositivo acima, um gás reativo é introduzido na fonte e ionizado por impacto de elétrons. Segue-se uma série de reações que dão origem aos íons que podem reagir com as moléculas de analito que chegam da fonte. Este tipo de molécula-íon do produto de reação é principalmente (em modo positivo) íon [MH]+, permitindo o acesso a massa molecular da substância a analisar. O metano, isobutano e amônia estão entre os gases de ionização química mais utilizados. Para a detecção de moléculas globalmente eletronegativas , incluindo porções de derivados halogenados, utiliza-se a ionização química negativa. O princípio é carregar negativamente as moléculas do analito e bombardeá-las com elétron que serão capturados pelas moléculas eletronegativas. Devido à alta probabilidade de captura do elétron, este tipo de ionização pode ser 1000 vezes mais sensível do que a ionização química positiva.Gas Chromatography and mass spectrometry : a practical guide, Kitson, Larsen & McEwen, academic press, 1996
Bombardeamento por átomos rápidos Bombardeamento por átomos rápidos , ou FAB(em inglês), é uma fonte de ionização que usa uma matriz e um feixe de partículas altamente energéticos para dissolver íons da superfície . O FAB usa um feixe de íons contínuos e tem tipicamente uma matriz líquida . As duas matrizes mais comuns usadas no FAB são álcool m-nitrobenzil e glicerol. O FAB é uma fonte de ionização suave que requer como técnica de introdução de amostra a inserção direta e um feixe de átomos neutros Xe ou íons Cs+ para fazer crepitação (sputter, em inglês) da amostra .Os átomos ou íons rápidos colidem com a matriz fazendo com que a matriz e o analito sejam dessorvidos para dentro da fase gasosa. A amostra já pode ser carregada e subsequentemente transferida para a fase gasosa por FAB, ou pode tornar-se carregada durante a dessorção por FAB através da reações com íons ou moléculas vizinhas. Uma vez na fase gasosa, as moléculas carregadas eletrostaticamente podem ser impelidas para o analisador de massas.
Ionização por Electrospray(ESI) thumb|right|Fonte de ionização por electrospray Uma explicação física da ESI é que, a pressão atmosférica, uma voltagem(3-6 KeV ) entre o capilar(onde um líquido está passando com fluxo baixo (1–10) µlmin−1), e o eletrodo produz um gradiente elétrico sobre o fluido que separa as cargas na superfície. Isso força o líquido a sair da agulha como um cone de Taylor. A ponta do cone de Taylor sobressai como um filamento até que o líquido atinge o limite de Rayleigh, onde a tensão superficial e repulsão eletrostática são iguais e as gotículas altamente carregadas deixam o filamento. As gotículas que rompem com o filamento são atraídas para a entrada do espectrômetro de massas, devido à alta tensão oposta à entrada do analisador de massas. À medida que a gota se move no sentido dos analisadores, a repulsão de Coulomb sobre a superfície, ultrapassa a tensão superficial fazendo com que as gotículas então fragmentem-se em gotículas menores e em última análise libertando íons, que são orientados, por eletrostática, para o vácuo do analisador de massas.
Ionização química à pressão atmosférica (APCI)