Espectrometria de Massa

QFL-5922

Espectrometria de Massa

Parte 2 Luiz Henrique Catalani

Aula 2 Análise do espectro de massas

Fragmentação

NIST’s Chemistry WebBook @ http://webbook.nist.gov/chemistry (National Institute of Standards and Technology)

McLafferty & Turecek, Interpretation of Mass Spectra, 4th Ed., 1993.

R. Martin Smith, Understanding Mass Spectra, 4th Ed., 1993.

•  Massa molecular nominal: a massa molecular mais próxima de um número inteiro

•  Cada valor m/z é a massa molecular nominal de um determinado fragmento

•  O pico com o maior valor de m/z representa o íon molecular (M)

•  Picos com valores m/z menores, chamados picos de fragmentação, representam fragmentos carregados positivamente da molécula

•  O pico base é o pico de maior intensidade, pois tem a maior abundância

•  Ligações mais fracas quebram preferencialmente

•  Ligações que se quebram para formar fragmentos mais estáveis têm preferência

•  O pico do íon molecular tem número IMPAR de elétrons; sua fragmentação pode gerar fragmentos com número IMPAR de elétrons (OE+.) ou com de número PAR de elétrons (EE+)

The Molecular Ion

•  Most valuable info of the mass spectrum –  Molecular mass –  Elemental composition –  Fragments must be consistent with it

•  Not always stable with EI –  Be careful about over-interpretation of peak of highest m/z! –  Use soft-ionization such as CI in parallel

•  MS Definition: –  m/z of the molecular ion is the peak that contains the most abundant

isotope of all the elements involved (by convention) •  Won’t always be most abundant peak

Requirements for the Molecular Ion

•  Necessary but not sufficient conditions –  It must be the ion of highest mass (isotope caveat) –  It must be an odd-electron ion –  It must be capable of yielding the most important ions

in the high-mass region by loss of logical neutral species •  If candidate fails either test, it cannot be the MI •  If candidate passes all tests, it may or may not be

the MI

Odd-Electron Ions

•  For EI, a molecule becomes ionized by loosing one electron –  It must have an unpaired electron (so it’s a radical)

Even Electron Ions

•  Even-electron ions: –  All electrons on the outer shell are fully paired –  Generally more stable –  Often the more abundant fragment ions

CH4+⋅ → CH3

+ + H⋅

•  In CI, even electron ions such as MH+ are formed, resulting in lower fragmentation

O pico base m/z = 43 no espectro de massa do pentano indica a preferência de fragmentação em C-2 do que em C-3

Carbocátions podem sofrer fragmentações adicionais

O 2-metilbutano tem a mesma massa molecular do que o pentano, mas o pico em m/z = 57 (M – 15) é mais intenso

Isotopos na Espectroscopia de Massa


•  picos atribuídos à isótopos ajudam na identificação estrutural do composto

•  picos M+2: contribuição do 18O ou de dois átomos pesados na mesma molécula

•  um pico grande M+2 sugere um composto contendo cloro ou bromo: um cloro se M+2 é 1/3 da altura de M; um bromo, se M+2 é da mesma altura que M

•  para calcular as massas molares de fragmentos e moléculas, a massa atômica de um isótopo único deve ser usada



Abundância de picos isotópicos é dada por:

AaBbCc….

%(M+1) = a × %(A+1) + b × %(B+1) + c × %(C+1)….. %(M+2) = a × %(A+2) + b × %(B+2) + c × %(C+2)…..

Isótopos de baixa abundância: C, H, N, O

(M+1) = 1,1 × no C + 0,36 × no de N (M+2) = (1,1 × no C)/200 + 0,2 × no de O

Isótopos de alta abundância: S, Si, Cl, Br

(a + b)n expandido a = % leve, b = %pesado, n = no de átomos presente

Regra do Nitrogênio: - Composto onde M+ é par deve conter número par de átomos de N, ou nenhum

- Composto onde M+ é impar deve conter número impar de átomos de N

- Causa: valência é impar e massa é par

•  N-Rule applies to all ions –  An odd-electron ion will be at an even mass number if it

contains an even number of nitrogen atoms –  An even-electron ion containing an even number of

nitrogen atoms will appear at an odd mass number

Cálculo do número de anéis e duplas ligações (rpdb): -  Para CxHyNzOn

rpdb = x – ½ y + ½ z + 1 -  Causa: valência dos átomos (para íons rpdb pode terminar em 0,5)

-  caso geral AxByCzDn

onde A = C, Si B = H, F, Cl, Br, I C = N, P D = O, S (não conta duplas ligações de elementos de estados de valência superior)

More on Odd- & Even-Electron Ions

•  If you can establish the elemental composition of the ion, the rings plus double-bonds rule will show whether the ion is odd or even-electron: –  Even: integer + 1/2 RPDB –  Odd: integer RPDB

Espectrometria de massa de alta resolução

Espectrometria de massa de alta resolução

• Espectrômetros de massa de baixa resolução medem valores de m/z ao número inteiro mais próximo (massa molecular) • Espectrômetros de massa de alta resolução medem valores de m/z com três ou quatro casas decimais • A alta precisão do cálculo de massa molecular permite a determinação exata da fórmula do fragmento • Exemplo

–  Pode-se escolher a fórmula molecular de fragmento com peso molecular de 32 usando MS de alta resolução

=

Equações de Fragmentação

• O íon M+. É formado pela perda de um dos seus elétrons mais lábeis • Se elétrons não-ligantes ou elétrons pi estão presentes, um destes elétrons é perdido por impacto de elétrons para formar M+. • Elétrons lábeis não-ligantes de nitrogênio e oxigênio, e elétrons pi de duplas ligações são preferencialmente perdidos • Em moléculas com somente ligações C-C e C-H, a localização do elétron solitário não pode ser prevista e a fórmula é escrita entre parênteses para refletir isto

Mecanismos de Reações de Fragmentação a) clivagem em uma ligação C-C (sigma cleavage, s):

b) clivagem em uma ligação C-Heteroátomo (inductive cleavage, i):

c) iniciação radicalar vizinha (alpha cleavage, a):

d) rearranjos e extrusão (rearrangement, rH e rd):

e) Retro-Diels-Alder (rearrangement, rRDA):

f) Rearranjo McLafferty (rearrangement, rMcL):

Mecanismos de Reações de Fragmentação

FRAGMENTAÇÃO DOS HIDROCARBONETOS

ALCANOS

Sinal do Íon Molecular Cadeias Lineares: normalmente aparece (baixa intensidade)

Cadeias Ramificadas: menor ocorrência (às vezes ausente)

Clivagem Favorecida Formação de Carbocátion + estável

R CH3+

CH3+R+

Octano m/z 43 CH3CH2CH2

+

43

CH3CH2+

m/z 29

29

CH3CH2CH2CH2+

m/z 57

57

CH3CH2CH2CH2CH2+

m/z 71

71

CH3CH2CH2CH2CH2CH2+

m/z 85

85

M (114)

CH3(CH2)6CH3

M (114)

2,2,4-trimetilpentano

CH3 C

CH3

CH3

CH2 CH

CH3

CH3

M (114)

CH3 C+CH3

CH3m/z 57

57


ALCENOS

Sinal do Íon Molecular Normalmente observado

Clivagem Favorecida alílica

CH2 CH CH2 R CH2 CH CH2+

CH2 CH CH2+

m/z 41

R .

Alcenos cíclicos Sofrem Retro Diels-Alder


ALCENOS

Íon radicalar

+

Neutro

1-buteno

41

+CH2 CH CH2

m/z 41

CH3CH2CH CH2

M (56)

M (56)

Limoneno

CH3

CCH3 CH2

M (136)

M (136)

CH3 H2C C

CCH3 CH2

H

+

m/z 68

68


ALCINOS

Tipos de Clivagem

H C C CH2 R

H C C CH2+

H C C CH2+R .

Íon propargil m/z 39

H C C R H .

+ +C C R

1-pentino

H C C CH2CH2CH3 +H C C CH2

m/z 39

39

C C CH2CH2CH3+

m/z 67

67

M (68)

M (68)

FRAGMENTAÇÃO DOS HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS

Sinal do Íon Molecular Intenso

Tipos de Clivagem Anel com cadeia lateral alquila

CH2 R

+

Íon tropílio m/z 91

+

CH2+

+

CH2

Íon benzílico

R .

Fragmentações do íon tropílio

FRAGMENTAÇÃO DOS HIDROCARBONETOS AROMÁTICOS

Tipos de Clivagem Cadeia lateral alquila com 3 ou + C

CH2CH2

CHRHH

m/z 92

CH2

HH

CH2

H R+

Rearranjo de McLafferty

+

m/z 65

+

m/z 39

+

m/z 91

Isopropil benzeno

C

CH3

CH3

H

C+

CH3

H.CH3

m/z 105 105

+

CH3

M (120)

M (120)

Propil benzeno +

m/z 91

91

CH2

HH

m/z 92

92

CH2 CH2CH3

M (120)

M (120)

FRAGMENTAÇÃO DOS ÁLCOOIS

Sinal do Íon Molecular Baixa Intensidade (1ários e 2ários) Ausente (3ários)

Tipos de Clivagem Quebra da ligação C-C vizinha ao Oxigênio

..+.

R C

R'

OH

R''

.

.. R''

Saída primeiro do substituinte maior

C OHR'

R

+ C OHR'

R

+


Desidratação Tipos de Clivagem

RCH

(CH2)n

CHR'

OHH

H

+CH2 CH2 OH CH2 CH2 OH2

+ H2O+

CH2CH2

+.RCH

(CH2)n

CHR'

H2O

RCH

(CH2)n

CHR'

H2O OU +.RCH

(CH2)n

CHR'


Perda simultânea de H2O e alceno (+ de 4C) Tipos de Clivagem

H2O+ + CH2 CHR

(alceno + H2O) +M

+.

H2CCH2

CHR

H

OHH2C

HO CH2CH2CH2CH3

1-butanol

CH2

CH2 CH2

CH2

m/z 56

56

CH2 OH+

m/z 31

31

M (74)

M (74)

2-butanol

CH3 CH CH2CH3OH

M (74)

CH3 CH

OH

+

m/z 45 45

2-metil-2-propanol

CH3 C

CH3

CH3

OHCH3 C

CH3

OH+

m/z 59

59

Álcool benzílico

CH2OH OH

+

m/z 107

107

-H. H H

+

m/z 79

79

-CO

M 108

M 108 m/z 77

77

-H2 +

FRAGMENTAÇÃO DOS FENÓIS

Sinal do Íon Molecular Intenso (é o pico base)

Clivagens

OH

+.-CO

H H

m/z 66

-H. C5H5+

m/z 65

Fenol

OH

+. -H. C5H5+

m/z 65

65

m/z 94

94

H H

m/z 66

66

-CO

FRAGMENTAÇÃO DOS ÉTERES

Sinal do Íon Molecular Baixa Intensidade

Tipos de Clivagem

RCH2 CH2 CH O CH2 CH3CH3

..+. +

..CH O CH2 CH3CH3

- RCH2CH2.

CH2 CH2 CH3CH OH+

..-

m/z 45

+

..CH3CH O CH2CH2H

Éter diisopropílico

+CH3CH OH

m/z 45 45

CH3CH O CHCH3

CH3CH3

M 102

CH O CHCH3

CH3CH3

m/z 87

87

FRAGMENTAÇÃO DOS ALDEÍDOS


Tipos de Clivagem

Clivagem α

R C O+

H . +

R . H C O+

+

Clivagem β

R CH2 CHO . CH2 CH OR+ +

R CO

H

R CHO

Butanal

M (72)

CH3CH2CH2 C H

O

M (72)

H C O+

m/z 29

29

CH2 CH OHm/z 44

44

CH3CH2CH2 C O+

m/z 71

71

FRAGMENTAÇÃO DAS CETONAS

Pico do Íon Molecular Intenso

Tipos de Clivagem

Cetonas alifáticas

CR

R'O.+..

R CCH

CHR2

CHR3H

O

R'

.. .+

R CCH

O

R'

H.. + .+

.

..

R CCH

O

R'

_


R' C O+..

R' C O+-R.

R 3 C H C H R 2

H

CETONAS CÍCLICAS

CH2C

OH

H

+

.

m/z 98

O

m/z 98

+CH2CH2CH2.

m/z 42

CO+

C2H4+

m/z 70

.

+

CH2

C

O

CETONAS CÍCLICAS

.+

CH3C

OH

m/z 98

CH2C

OH

H

+

.

m/z 98

CCO

CH2

+

H C3H7 .+

m/z 55

.+

CH3C

OH

m/z 98

C O+

CH3.+

m/z 83

CETONAS AROMÁTICAS Rearranjo de McLafferty

CCH

CHR2

CHR3H

O

R'

.. .+ R3CH CHR2

+

.

..

CCH

O

R'

CCH

O

R'

H.. + .

2-octanona

CH3 C (CH2)5CH3

O

M=128

128

CH3 C CH2

OH

m/z 58

58

CH3 C O+

m/z 43

43

Cicloexanona

O

m/z 98

98

m/z 70

.

+

CH2

C

O

70

+CH2CH2CH2.

m/z 42

42

CCO

CH2

+

H

m/z 55

55

C O+

m/z 83

83

Estabilidade Relativa de Carbocátions

Estabilidade Relativa de Radicais

FRAGMENTAÇÃO DOS ÁCIDOS CARBOXÍLICOS


Ácidos de baixo peso molecular

ÁCIDOS ALIFÁTICOS

Clivagem α a C=O Picos intensos

C

O

OHR

C

O

OHR

R+ COOH+

(M -COOH)

COOH+

(m/z 45) R. +

+ .

R CO+

(M -OH) + .


HO CCH

CHR2

CHR3H

O

R1

.+R3CH CHR2

.HO C

CH

O

R1

H++

HO CCH

O

R1

H

.

Ácidos de cadeia longa


ÁCIDOS AROMÁTICOS

C

O

OH

CH2H

.+

Perda de OH (M - 17) + .

Perda de COOH (M - 45) + .

Perda de água Efeito orto

+.C

O

CH2

CO

CH2.

+H2O

Ácido butírico

CH3CH2CH2 C OH

O

M (88)

M (88)

C

OH

HO CH2

m/z 60 60

FRAGMENTAÇÃO DOS ÉSTERES


ÉSTERES ALIFÁTICOS

Clivagem mais característica Rearranjo de McLafferty

Íons resultantes da quebra da ligação α em relação ao grupo C=O

R C OR'

OR+ C

O

OR'

+

e

R C OR'

OR C O+ OR'

+e

ÉSTERES BENZÍLICOS E FENÍLICOS

CH2 O CO

CH2H.+ CH2 C O CH2O

H

m/z 108

FRAGMENTAÇÃO DOS ÉSTERES

Pico resultante é o pico base

Acetato de benzila e de fenila

Eliminam uma molécula neutra de ceteno

Butirato de metila

CH3CH2CH2 C OCH3

O

M (102)

M (102)

CH3CH2CH2+

m/z 43

43

CH3OCCH2

OH

m/z 74 74

CH3CH2CH2 CO+

m/z 71

71

CH3 O C O+

m/z 59

59

Benzoato de metila

COCH3

O

M (136)

M (136)

C O+

m/z 105

105

m/z 77

77

FRAGMENTAÇÃO DAS AMINAS

C NR3R4R2

R1R .+ .R2 +

C NR3R4

R1R

C NR3R4

R1R +

Sinal do Íon Molecular monoamina alifática ÍMPAR

Clivagem C-C próxima ao átomo de N

Aminas de cadeia longa Fragmentos cíclicos

R CH2(CH2)n

NH2+

R +CH2

(CH2)n

NH2

n=3,4

AMINAS ALIFÁTICAS CÍCLICAS


N

CH3. N

CH3

+

+ H

m/z 84

CH3 N CH+

CH2CH2CH2. . +

m/z 42

N

CH3

NCH2CH2

CH3

+ CH2 CH2.

+

m/z 57

CH2 N CH2+

CH3. +

m/z 42

AMINAS AROMÁTICAS


NH2

m/z 93

NH

+-H .

m/z 92

H H+ HCN

m/z 66

Etilamina

CH3 CH2 NH2

M (45)

M (45)

CH2 NH2+

m/z 30

30

Dietilamina

CH2CH3NH

CH2CH3M (73)

M (73)

CH2 NH2+

m/z 30

30

CH2 N CH2CH3H

+

m/z 58

58

Trietilamina

M (101)

CH2CH3N

CH2CH3

CH2CH3

M (101)

m/z 86

CH2 N CH2CH3CH2CH3

+

86

CH2 NH2+

m/z 30

30

CH2 N CH2CH3H

+

m/z 58

58

FRAGMENTAÇÃO DAS AMIDAS


Amidas primárias

Pico base em amidas primárias maiores que propionamida resulta do Rearranjo de McLafferty

C

O

H2N CCH2

CHRH

H2

+

m/z 44

Sinal intenso em m/z 44

R CNH2

O+

O C NH2+ O C NH2

+- R

CH2 CHRC

O

H2N CH2

H+

m/z 59

Clivagem entre os C γ e δ ao átomo de N ciclização

R CH2

H2CC

C O

NH2

H2

.+

H2

NH2

OCC

H2C

CH2 +

-R.

m/z 86

FRAGMENTAÇÃO DAS AMIDAS

Amidas secundárias Quebra do grupo N-alquila na posição β

C NH CH2 R'

O

CH2R

+C NH CH2

O

CR H

H

+

R'NH2 CH2+

RHC C Om/z 30

AMIDAS AROMÁTICAS

C NH2

O

m/z 121

C O+

NH2.

m/z 105 CO

m/z 77

Acetamida

CH3 C

O

NH2M(59)

M(59)

O C NH2+

m/z 44

44

CH3CO+

m/z 43

43

Butanamida

M(87)

CH3CH2CH2 C

O

NH2

M(87)

O C NH2+

m/z 44

44

C

O

H2N CH2

H+

m/z 59

59

H2

NH2

OCC

H2C

CH2 +

m/z 86

86

FRAGMENTAÇÃO DAS NITRILAS

Sinal do Íon Molecular Fraco ou ausente (exceto a acetonitrila e a propionitrila)

Clivagens

Eliminação de um hidrogênio α Μ+.- 1 (útil na diagnose)

RCH C NH

.+ H.RCH C N

++

RCH C N

FRAGMENTAÇÃO DAS NITRILAS

N

CCH2

CH2

CHRH

+. CH2 CHR .+N

CCH2

H .+

N

CCH2

H

m/z 41

Nitrilas Lineares de 4 a 9 C Rearranjo de McLafferty

Hexanonitrila

CH3CH2CH2CH2CH2CN

M(97)

M(97)

N

C

CH2

H

m/z 41 41

+CH3(CH2)3CH C N

m/z 96

96

FRAGMENTAÇÃO DOS NITRO COMPOSTOS

Sinal do Íon Molecular (NÚMERO ÍMPAR) Fraco ou ausente

COMPOSTOS NITRO-ALIFÁTICOS

Presença de um grupo nitro Indicada por um sinal em m/z 30 ( )e um em m/z 46( ) NO+ NO2

+

Os sinais principais são atribuídos aos fragmentos hidrocarbônicos

FRAGMENTAÇÃO DOS NITRO COMPOSTOS

Sinal do Íon Molecular (NÚMERO ÍMPAR) Intenso

COMPOSTOS NITRO-AROMÁTICOS

NO2

O+

NO+

m/z 93

+

CO+

m/z 65

NO2 +NO2+

m/z 77

C4H3+ HC CH+

m/z 51

1-nitropropano

CH3CH2CH2 NO2

M(89)

NO2+

m/z 46

46

C3H7+

m/z 43

43

NO+

m/z 30

30

Nitrobenzeno

C4H3+

m/z 51

51

+

m/z 77

77

NO2

M(123)

M(123)

+

m/z 65

65

O+

m/z 93

93

FRAGMENTAÇÃO DOS NITRITOS ALIFÁTICOS


Clivagem da ligação C-C próxima ao grupo ONO

R CH2 ONO CH2 ONO+.R

m/z 60

A ausência de um pico em m/z 46 distingui os nitritos dos nitro compostos

O sinal em m/z 30 ( ) é sempre + intenso Pico base NO+

Nitrito de metila

CH3 ONO

M(61)

M(61)

NO+

m/z 30

30

CH2 ONO+

m/z 60

60

CH3+

m/z 15

15

FRAGMENTAÇÃO DOS NITRATOS ALIFÁTICOS


Clivagem da ligação C-C próxima ao grupo ONO2 Pico base

R CH O NO2R'

+CH O NO2R'

+.R

O sinal em m/z 46 ( ) é proeminente NO2+

Nitrato de etila H2C O NO2

+

m/z 76

76

NO2+

m/z 46

46

CH3CH2+

m/z 29

29

CH3CH2 O NO2

M(91)

M(91)

FRAGMENTAÇÃO DOS COMPOSTOS SULFURADOS

A contribuição do isótopo 34S para o sinal em M + 2 e para os sinais correspondentes aos fragmentos mais duas unidades

Facilita a identificação dos compostos contendo enxofre


MERCAPTANS ALIFÁTICOS (TIÓIS)

Sinal do Íon Molecular Forte o bastante para que o pico M+2 possa ser medido


Clivagem da ligação C-C próxima ao grupo SH

R CH2 SH+ +

CH2 SH.R +

CH2 SH

m/z 47

+ + CH2 CHR

(alceno + H2S) +M

H2S

MERCAPTANS ALIFÁTICOS (TIÓIS)

SH2C

H

H2CCH2

CHR

H

.+..

Tióis primários perdem uma molécula neutra de H2S

Etanotiol

CH3CH2SH

M( 62)

M( 62)

M+2

CH2 SH+

m/z 47

47

CH3CH2+

m/z 29

29


SULFETOS ALIFÁTICOS

Sinal do Íon Molecular Forte o bastante para que o pico M+2 possa ser medido

CH3 CH3CH S CH2CH2H

+CH2 CH2

CH3CH SH CH3CH SH+ +

m/z 61

CH S CH2CH3

CH3CH3

+

Clivagem da ligação C-C vizinha do S

Sulfeto de di-pentila

CH3(CH2)4 S (CH2)CH3

M( 174)

M( 174)

C5H11S CH2+

C5H11SH+

H2C CH2

SH+

CH2 SH+

+C5H11S

+C5H10

m/z 117 m/z 104

m/z 103 m/z 70

m/z 61 m/z 47

104 117

103

70

61

47

FRAGMENTAÇÃO DOS COMPOSTOS HALOGENADOS

COMPOSTO COM UM ÁTOMO DE CLORO

Terá um pico M+2 com 1/3 da intensidade do íon molecular (presença do isótopo 37Cl)

COMPOSTO COM UM ÁTOMO DE BROMO

Terá um pico M+2 com igual intensidade do íon molecular (presença do isótopo 81Br)

FRAGMENTAÇÃO DOS COMPOSTOS HALOGENADOS

CLORETOS E BROMETOS ALIFÁTICOS

Sinal do Íon Molecular Só observado nos compostos de baixo peso molecular

R CH2 Cl+

CH2 Cl+ CH2 Cl

+.R

m/z 49 m/z 51 e

R CH2 Br+

CH2 Br+ CH2 Br

+.Rm/z 93 m/z 95 e

IODETOS ALIFÁTICOS

Sinal do Íon Molecular É o mais forte dentre todos os halogenetos

Os iodetos quebram da mesma forma que os cloretos e brometos

FLUORETOS ALIFÁTICOS

Sinal do Íon Molecular É o mais fraco dentre todos os halogenetos

A quebra da ligação C-C α,β é menos importante do que nos demais mono-halogenetos, porém a quebra de uma ligação

C-H no Cα é mais importante

99

Standard Interpretation Procedure 1)  Study all available information (spectroscopic, chemical,

sample history). Give explicit directions for obtaining spectrum (better yet, do it yourself).

a) Verify the m/z assignments. Use calibrants if needed.

2)  Using isotopic abundances (where possible) deduce the elemental composition of each peak in the spectrum; calculate rings plus double bonds.

3)  Test molecular ion identity; must be the highest mass peak in spectrum, odd-electron ion, and give logical neutral losses. Check with CI or other soft ionization.

4)  Mark ‘important’ ions: odd-electron and those of highest abundance, highest mass, and/or highest in a group of peaks.

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Standard Interpretation Procedure 5)  Study general appearance of the spectrum: molecular stability,

labile bonds, etc. 6)  Postulate and rank possible sub-structural assignments for:

a) Important low-mass ion series b) Important primary neutral fragments from M.+ indicated by high-mass ions (loss of largest alkyl favored) plus those secondary fragmentations indicated by MS/MS spectra. c) Important characteristic ions.

7)  Postulate molecular structures; test against a reference spectrum, against spectra of similar compounds, or against spectra predicted from mechanisms of ion decompositions

Espectrometria de Massa

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