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Espectrometría de movilidad iónica

Chip IMS en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico de EE. UU .: este chip del tamaño de una moneda de diez centavos proporciona docenas de canales a través de los cua...

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Chip IMS en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico de EE. UU .: este chip del tamaño de una moneda de diez centavos proporciona docenas de canales a través de los cuales viajan los iones (perpendicularmente al plano de visión) para ser separados e identificados.

La espectrometría de movilidad iónica ( IMS ) es un método de investigación analítica que separa e identifica moléculas ionizadas presentes en la fase gaseosa basándose en la movilidad de las moléculas en un gas portador. Si bien se utiliza ampliamente con fines militares o de seguridad, como la detección de drogas y explosivos, esta tecnología también tiene muchas aplicaciones en el análisis de laboratorio, incluyendo el estudio de biomoléculas pequeñas y grandes. [ 1 ] Los instrumentos IMS son dispositivos autónomos extremadamente sensibles, pero a menudo se acoplan con espectrometría de masas (MS), cromatografía de gases o cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) para lograr una separación multidimensional. Vienen en varios tamaños, desde unos pocos milímetros hasta varios metros, según la aplicación específica, y son capaces de operar en una amplia gama de condiciones. Los instrumentos IMS, como la espectrometría de movilidad iónica de forma de onda asimétrica de alto campo a microescala , pueden ser portátiles para su uso en una variedad de aplicaciones, incluyendo el monitoreo de compuestos orgánicos volátiles (COV), el análisis de muestras biológicas, el diagnóstico médico y el control de calidad de los alimentos. [ 2 ] Los sistemas que funcionan a mayor presión (es decir, condiciones atmosféricas, 1 atm o 1013  hPa) suelen ir acompañados de una temperatura elevada (superior a 100  °C), mientras que los sistemas de menor presión (1–20  hPa) no requieren calefacción.

Historia

La espectrometría de masas de movilidad iónica (IMS) fue desarrollada inicialmente por Earl W. McDaniel del Instituto Tecnológico de Georgia en las décadas de 1950 y 1960, cuando utilizó celdas de deriva con campos eléctricos aplicados bajos para estudiar la movilidad y las reacciones de iones en fase gaseosa. [ 3 ] En las décadas siguientes, integró la tecnología recientemente desarrollada en la que había estado trabajando con un espectrómetro de masas de sector magnético. Durante este período, otros también utilizaron sus técnicas de maneras novedosas y originales. Desde entonces, las celdas de IMS se han incluido en diversas configuraciones de espectrómetros de masas, cromatógrafos de gases e instrumentos de cromatografía líquida de alta resolución. La IMS es un método utilizado en múltiples contextos, y la amplitud de aplicaciones que puede soportar, además de sus capacidades, se está expandiendo continuamente.

Aplicaciones

Quizás la mayor fortaleza de la espectrometría de movilidad iónica sea la velocidad a la que se producen las separaciones, típicamente del orden de decenas de milisegundos. Esta característica combinada con su facilidad de uso, sensibilidad relativamente alta y diseño altamente compacto ha permitido que la IMS como producto comercial se utilice como herramienta de rutina para la detección en campo de explosivos , drogas y armas químicas . Los principales fabricantes de dispositivos de detección IMS utilizados en aeropuertos son Morpho y Smiths Detection . Smiths compró Morpho Detection en 2017 y posteriormente tuvo que desinvertir legalmente en la propiedad de la división Trace del negocio (Smiths tiene Trace Products) [ 4 ] que fue vendida a Rapiscan Systems a mediados de 2017. Los productos se enumeran en ETD Itemisers. El último modelo es un 4DX sin radiación.

En la industria farmacéutica, la espectrometría de movilidad iónica (IMS) se utiliza en las validaciones de limpieza , demostrando que los recipientes de reacción están suficientemente limpios para proceder con el siguiente lote de producto farmacéutico. La IMS es mucho más rápida y precisa que los métodos de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) y de carbono orgánico total utilizados anteriormente. La IMS también se utiliza para analizar la composición de los fármacos producidos, encontrando así un lugar en el control y aseguramiento de la calidad. [ 5 ]

Como herramienta de investigación, la movilidad iónica se está convirtiendo en una técnica cada vez más utilizada para el análisis de materiales biológicos, específicamente en proteómica , metabolómica y glicómica . Por ejemplo, en proteómica, la espectrometría de masas de movilidad iónica acoplada a espectrometría de masas (IMS-MS) con desorción/ionización láser asistida por matriz ( MALDI) como método de ionización ha contribuido a proporcionar separaciones de alta resolución más rápidas de fragmentos de proteínas en el análisis. [ 6 ] Una información importante obtenida mediante la movilidad iónica son las secciones transversales de colisión (CCS). Estas proyecciones 2D promediadas rotacionalmente de la molécula proporcionan una visión de su forma global. En proteómica, estas se pueden utilizar para obtener información sobre la estabilidad de proteínas y complejos multiproteicos mediante experimentos de disociación inducida por colisión (CID). Mientras que en metabolómica y glicómica, la CCS, cuando se acopla a la espectrometría de masas (MS), se puede utilizar para separar isómeros del mismo compuesto. [ 7 ] De esta forma, agregar valores CCS de glicanos y sus fragmentos a las bases de datos aumentará la confianza y la precisión en la identificación estructural. [ 8 ] Además de la determinación empírica, los valores CCS se pueden calcular computacionalmente si se conoce la estructura 3D de la molécula. Los algoritmos CCS actuales permiten tiempos de cálculo de milisegundos, lo que los hace muy potentes cuando se combinan con AlphaFold y/o simulaciones de dinámica molecular . [ 9 ]

Fuera de los laboratorios, la espectrometría de movilidad iónica (IMS) se ha utilizado ampliamente como herramienta de detección de sustancias peligrosas. Más de 10 000 dispositivos IMS se utilizan en aeropuertos de todo el mundo, y el Ejército de los EE. UU. cuenta con más de 50 000. [ 10 ] [ 11 ] En entornos industriales, la IMS se utiliza para verificar la limpieza de los equipos y detectar el contenido de las emisiones, como determinar la cantidad de ácido clorhídrico e hidrofluórico en los gases de combustión de un proceso. [ 12 ] También se aplica en la industria para detectar sustancias nocivas en el aire. [ 13 ]

En metabolómica, la espectrometría de masas de movilidad iónica (IMS) se utiliza para detectar cáncer de pulmón , enfermedad pulmonar obstructiva crónica , sarcoidosis , posibles rechazos después de un trasplante de pulmón y relaciones con bacterias dentro del pulmón (véase análisis de gases respiratorios ).

Movilidad iónica

La magnitud física movilidad iónica K se define como el factor de proporcionalidad entre la velocidad de deriva de un ion v d en un gas y un campo eléctrico de intensidad E : vd=Kmi.{\displaystyle v_{\text{d}}=KE.}

Tras realizar los ajustes necesarios para tener en cuenta la densidad estándar del gas n₀ , las movilidades iónicas suelen expresarse como movilidades reducidas. Este valor también puede describirse en función de la temperatura estándar T₀ = 273 K y la presión estándar p₀ = 1013 hPa . Ambos valores se encuentran en la tabla siguiente. Las concentraciones iónicas son otro término que puede utilizarse al referirse a las movilidades iónicas. Por ello, la disminución de la movilidad iónica sigue dependiendo de la temperatura, aunque este ajuste no considera otros factores además de la reducción de la densidad del gas.   K0=Knortenorte0=KT0Tpagpag0.{\displaystyle K_{0}=K{\frac {n}{n_{0}}}=K{\frac {T_{0}}{T}}{\frac {p}{p_{0}}}.}

La movilidad iónica K puede calcularse, bajo diversas suposiciones, mediante la ecuación de Mason-Schamp. K=3162πμkTQnorteσ,{\displaystyle K={\frac {3}{16}}{\sqrt {\frac {2\pi }{\mu kT}}}{\frac {Q}{n\sigma }},} donde Q es la carga del ion , n es la densidad numérica del gas de deriva , μ es la masa reducida del ion y las moléculas del gas de deriva, k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura del gas de deriva y σ es la sección transversal de colisión entre el ion y las moléculas del gas de deriva. A menudo, se usa N en lugar de n para la densidad numérica del gas de deriva, y Ω en lugar de σ para la sección transversal de colisión ion-neutro. Esta relación se cumple aproximadamente en un límite de campo eléctrico bajo, donde la relación E / N es pequeña, y por lo tanto la energía térmica de los iones es mucho mayor que la energía ganada del campo eléctrico entre colisiones. Con estos iones teniendo energías similares a las de las moléculas del gas amortiguador, las fuerzas de difusión dominan el movimiento de los iones en este caso. La relación E / N se da típicamente en townsends (Td), y la transición entre condiciones de campo bajo y alto se estima típicamente que ocurre entre 2 y 10  Td. [ 14 ] Cuando ya no prevalecen las condiciones de campo bajo, la movilidad iónica misma se convierte en una función de la intensidad del campo eléctrico, que generalmente se describe empíricamente a través de la llamada función alfa: K(minorte)=K(0)[1+α(minorte)]=K(0)[1+α2[minorte]2+α4[minorte]4+…].{\displaystyle K\left({\frac {E}{N}}\right)=K(0)\left[1+\alpha \left({\frac {E}{N}}\right)\right]=K(0)\left[1+\alpha _{2}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{2}+\alpha _{4}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{4}+\dots \right].}

Ionización

Las moléculas de la muestra deben ionizarse , generalmente mediante descarga de corona , fotoionización a presión atmosférica (APPI), ionización por electrospray (ESI) o fuente de ionización química a presión atmosférica radiactiva (R-APCI), por ejemplo, un pequeño trozo de 63 Ni o 241 Am , similar al utilizado en detectores de humo por ionización . [ 15 ] Las técnicas ESI y MALDI se utilizan comúnmente cuando la espectrometría de masas por imágenes (IMS) se combina con la espectrometría de masas.

En ocasiones, se añaden sustancias dopantes al gas de deriva para mejorar la selectividad de la ionización. Por ejemplo, se puede añadir acetona para la detección de agentes de guerra química, disolventes clorados para explosivos y nicotinamida para la detección de drogas. [ 16 ]

Analizadores

Existen espectrómetros de movilidad iónica basados ​​en diversos principios, optimizados para diferentes aplicaciones. Una revisión de 2014 enumera ocho conceptos diferentes de espectrometría de movilidad iónica. [ 17 ]

Espectrometría de movilidad iónica de tubo de deriva

La espectrometría de movilidad iónica de tubo de deriva (DTIMS) mide el tiempo que tarda un ion en recorrer una longitud determinada en un campo eléctrico uniforme a través de una atmósfera específica. A intervalos predefinidos, se introduce una muestra de iones en la región de deriva; el mecanismo de control se basa en un electrodo cargado que funciona de forma similar a como la rejilla de control en los triodos funciona para los electrones. Para un control preciso del ancho del pulso iónico que ingresa al tubo de deriva, se emplean sistemas de control más complejos, como el de Bradbury-Nielsen o un obturador de conmutación de campo. Una vez dentro del tubo de deriva, los iones se someten a un campo eléctrico homogéneo que varía desde unos pocos voltios por centímetro hasta varios cientos de voltios por centímetro. Este campo eléctrico impulsa los iones a través del tubo de deriva, donde interactúan con las moléculas de deriva neutras contenidas en el sistema y se separan según su movilidad iónica , llegando al detector para su medición. Los iones se registran en el detector en orden, del más rápido al más lento, generando una señal de respuesta característica de la composición química de la muestra medida.

La movilidad iónica K puede determinarse experimentalmente a partir del tiempo de deriva t D de un ion que atraviesa dentro de un campo eléctrico homogéneo la diferencia de potencial U en la longitud de deriva L.

K=L2tDU{\displaystyle K={\frac {L^{2}}{t_{\text{D}}U}}}

El poder de resolución R P de un tubo de deriva se puede calcular, cuando se supone que la difusión es el único factor que contribuye al ensanchamiento del pico, como

RPAG=tDΔtD=LmiQ16kTln⁡2{\displaystyle R_{\text{P}}={\frac {t_{\text{D}}}{\Delta t_{\text{D}}}}={\sqrt {\frac {LEQ}{16kT\ln 2}}}}

donde t D es el tiempo de deriva del ion, Δ t D es el ancho completo a media altura , L es la longitud del tubo, E es la intensidad del campo eléctrico, Q es la carga del ion, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura del gas de deriva. Los métodos de presión ambiente permiten un mayor poder de resolución y una mayor selectividad de separación debido a una mayor tasa de interacciones ion-molécula y se utilizan típicamente para dispositivos independientes, así como para detectores para cromatografía de gases, líquidos y fluidos supercríticos. Como se muestra arriba, el poder de resolución depende de la caída de voltaje total que atraviesa el ion. Utilizando un voltaje de deriva de 25  kV en un  tubo de deriva de presión atmosférica de 15 cm de longitud, se puede lograr un poder de resolución superior a 250 incluso para iones pequeños con carga simple. [ 18 ] Esto es suficiente para lograr la separación de algunos isotopólogos en función de su diferencia en masa reducida μ . [ 19 ]

tubo de deriva de baja presión

Los tubos de deriva de presión reducida funcionan con los mismos principios que sus homólogos de presión atmosférica, pero a una presión de gas de deriva de tan solo unos pocos torr. Debido a la drástica reducción del número de interacciones ión-neutro, se necesitan tubos de deriva mucho más largos o obturadores de iones mucho más rápidos para lograr el mismo poder de resolución. Sin embargo, la operación a presión reducida ofrece varias ventajas. En primer lugar, facilita la interfaz del IMS con la espectrometría de masas. [ 3 ] En segundo lugar, a presiones más bajas, los iones pueden almacenarse para su inyección desde una trampa de iones [ 20 ] y reenfocarse radialmente durante y después de la separación. En tercer lugar, se pueden alcanzar valores altos de E / N , lo que permite la medición directa de K ( E / N ) en un amplio rango. [ 21 ]

Onda viajera

Aunque los campos eléctricos de deriva suelen ser uniformes, también se pueden utilizar campos de deriva no uniformes. Un ejemplo es el IMS de onda viajera, [ 22 ] que es un IMS de tubo de deriva de baja presión donde el campo eléctrico se aplica solo en una pequeña región del tubo de deriva. Esta región se mueve a lo largo del tubo de deriva, creando una onda que empuja los iones hacia el detector, eliminando la necesidad de un alto voltaje de deriva total. No es posible una determinación directa de las secciones transversales de colisión (CCS) con TWIMS. Los calibradores pueden ayudar a sortear este inconveniente importante; sin embargo, estos deben coincidir en tamaño, carga y clase química del analito dado. [ 23 ] Una variante especialmente notable es el IMS "SUPER", [ 24 ] que combina el atrapamiento de iones mediante las llamadas estructuras para manipulaciones de iones sin pérdidas (SLIM) con varios pasos a través de la misma región de deriva para lograr poderes de resolución extremadamente altos.

Espectrometría de movilidad de iones atrapados

En la espectrometría de movilidad iónica atrapada (TIMS), los iones se mantienen estacionarios (o atrapados) en un gas tampón en flujo mediante un perfil de gradiente de campo eléctrico axial (EFG), mientras que la aplicación de potenciales de radiofrecuencia (rf) produce el atrapamiento en la dimensión radial. [ 25 ] La TIMS opera en el rango de presión de 2 a 5  hPa y reemplaza el embudo iónico que se encuentra en la región de la fuente de los espectrómetros de masas modernos. Puede acoplarse con casi cualquier analizador de masas a través del modo de operación estándar para instrumentos de tipo haz o el modo de acumulación selectiva (SA-TIMS) cuando se utiliza con instrumentos de espectrometría de masas (MS) de atrapamiento.

En efecto, la celda de deriva se prolonga por el movimiento de iones creado a través del flujo de gas. [ 26 ] Por lo tanto, los dispositivos TIMS no requieren ni un gran tamaño ni un alto voltaje para lograr una alta resolución, por ejemplo, alcanzando un poder de resolución superior a 250 con un  dispositivo de 4,7 cm mediante el uso de tiempos de separación prolongados. [ 27 ] Sin embargo, el poder de resolución depende en gran medida de la movilidad de los iones y disminuye para iones más móviles. Además, TIMS puede ser capaz de una mayor sensibilidad que otros sistemas de movilidad iónica porque no existen rejillas ni obturadores en la trayectoria de los iones, lo que mejora la transmisión de iones tanto durante los experimentos de movilidad iónica como cuando se opera en un modo de espectrometría de masas transparente únicamente.

Espectrometría de movilidad iónica de forma de onda asimétrica de alto campo

Los espectrómetros de movilidad diferencial (DMS ) o los espectrómetros de movilidad iónica asimétricos de campo (FAIMS ) utilizan la dependencia de la movilidad iónica K con la intensidad del campo eléctrico E a altos campos eléctricos. Los iones son transportados a través del dispositivo por el flujo de gas de deriva y sometidos a diferentes intensidades de campo en dirección ortogonal durante diferentes periodos de tiempo. Los iones se desvían hacia las paredes del analizador en función del cambio en su movilidad. De este modo, solo los iones con una determinada dependencia de la movilidad pueden atravesar el filtro creado.

Analizador de movilidad diferencial

Ejemplo de sensor IMS de aspiración.

Un analizador de movilidad diferencial ( DMA ) utiliza un flujo de gas rápido perpendicular al campo eléctrico. De este modo, los iones con diferentes movilidades siguen trayectorias distintas. Este tipo de IMS corresponde a los instrumentos de sector en espectrometría de masas . También funcionan como filtros escaneables. Un ejemplo es el detector de movilidad diferencial comercializado por primera vez por Varian en el microcromatógrafo de gases CP-4900. El IMS de aspiración funciona con circulación de aire muestreado en bucle abierto. El flujo de muestra pasa a través de la cámara de ionización y luego entra en el área de medición, donde los iones son desviados hacia uno o más electrodos de medición por un campo eléctrico perpendicular , que puede ser estático o variable. La salida del sensor es característica de la distribución de movilidad iónica y puede utilizarse para la detección e identificación.

Principio de funcionamiento de un analizador de movilidad diferencial para la separación de aerosoles.

Un DMA puede separar partículas de aerosol cargadas o iones según su movilidad en un campo eléctrico antes de su detección, lo que puede hacerse con varios medios, incluidos electrómetros o espectrómetros de masas más sofisticados. [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]

Gas de deriva

La composición del gas de deriva es un parámetro importante para el diseño y la resolución del instrumento IMS. A menudo, diferentes composiciones del gas de deriva permiten la separación de picos que de otro modo se superpondrían. [ 31 ] Una temperatura elevada del gas ayuda a eliminar los cúmulos de iones que pueden distorsionar las mediciones experimentales. [ 32 ] [ 33 ]

Detector

A menudo, el detector es una simple placa de Faraday acoplada a un amplificador de transimpedancia ; sin embargo, los instrumentos de movilidad iónica más avanzados se acoplan a espectrómetros de masas para obtener simultáneamente información sobre el tamaño y la masa. Cabe destacar que el detector influye en las condiciones óptimas de funcionamiento para el experimento de movilidad iónica. [ 34 ]

Métodos combinados

La espectrometría de masas por imágenes (IMS) se puede combinar con otras técnicas de separación.

Cromatografía de gases

Cuando la espectrometría de movilidad iónica (IMS) se acopla con la cromatografía de gases, la introducción de la muestra se realiza comúnmente con la columna capilar de GC conectada directamente al sistema IMS, y las moléculas se ionizan a medida que eluyen de la GC. [ 16 ] Una técnica similar se utiliza comúnmente para la cromatografía líquida de alta resolución ( HPLC ). En 2012 se desarrolló un nuevo diseño para la espectrometría de movilidad iónica con ionización por descarga de corona (CD-IMS) como detector después de la cromatografía de gases capilar. En este diseño, se utilizó una aguja hueca para crear la descarga de corona y el efluente se introdujo en la región de ionización en el lado aguas arriba de la fuente de corona. Además de las ventajas prácticas de acoplar el capilar a la celda IMS, esta interfaz axial directa ayuda a lograr una ionización más eficiente, lo que resulta en una mayor sensibilidad.

Cuando se utiliza con GC, un analizador de movilidad diferencial se denomina a menudo detector de movilidad diferencial ( DMD ). [ 35 ] Un DMD suele ser un tipo de sistema microelectromecánico , un dispositivo de espectrometría de movilidad iónica modulada por radiofrecuencia (MEMS RF-IMS). [ 36 ] Aunque pequeño, puede integrarse en unidades portátiles, como cromatógrafos de gases transferibles o sensores de drogas/explosivos. Por ejemplo, Varian lo incorporó en su CP-4900 DMD MicroGC, y Thermo Fisher en su sistema EGIS Defender, diseñado para detectar narcóticos y explosivos en el transporte u otras aplicaciones de seguridad.

Cromatografía líquida

Combinada con LC y MS, la IMS se ha vuelto ampliamente utilizada para analizar biomoléculas, una práctica desarrollada en gran medida por David E. Clemmer , ahora en la Universidad de Indiana (Bloomington) . [ 37 ]

Espectrometría de masas

Cuando se utiliza IMS con espectrometría de masas, la espectrometría de movilidad iónica-espectrometría de masas ofrece muchas ventajas, incluyendo una mejor relación señal/ruido, separación de isómeros e identificación del estado de carga. [ 3 ] [ 38 ] IMS se ha acoplado comúnmente a varios analizadores de espectrometría de masas, incluyendo cuadrupolo, tiempo de vuelo y resonancia ciclotrónica por transformada de Fourier.

Software especializado

La espectrometría de masas de movilidad iónica es una técnica de análisis de iones en fase gaseosa relativamente reciente. Por ello, no existe una amplia oferta de software para visualizar y analizar datos de espectrometría de masas de movilidad iónica, aparte de los paquetes de software que se incluyen con los instrumentos. ProteoWizard, [ 39 ] OpenMS, [ 40 ] y msXpertSuite [ 41 ] son ​​software libre según la definición de la OpenSourceInitiative. Si bien ProteoWizard y OpenMS cuentan con funciones para el análisis de espectros, estos paquetes de software no ofrecen funciones de combinación. En cambio, msXpertSuite permite combinar espectros según diversos criterios: tiempo de retención, rango m/z, rango de tiempo de deriva, por ejemplo. De este modo, msXpertSuite se asemeja más al software que suele venir incluido con el espectrómetro de masas.

Véase también

Referencias

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