Espectrometría de masas

A continuación se describe el funcionamiento de un espectrómetro de masas sencillo que utiliza un espectrómetro de sectores . Otros tipos se tratan más adelante.

Consideremos una muestra de cloruro de sodio (sal de mesa). En la fuente de iones, la muestra se vaporiza (se convierte en gas ) y se ioniza (se transforma en partículas con carga eléctrica) en iones de sodio (Na ⁺ ) y cloruro (Cl− ⁾ .

Los átomos e iones de sodio son monoisotópicos , con una masa de aproximadamente 23 daltons (símbolo: Da o símbolo anterior: u). Los átomos e iones de cloruro se presentan en dos isótopos estables con masas de aproximadamente 35 u (con una abundancia natural de alrededor del 75 %) y aproximadamente 37 u (con una abundancia natural de alrededor del 25 %).

La sección analizadora del espectrómetro contiene campos eléctricos y magnéticos que ejercen fuerzas sobre los iones que se desplazan a través de ellos. La velocidad de una partícula cargada puede aumentar o disminuir al pasar por el campo eléctrico, y su dirección puede modificarse por efecto del campo magnético.

La magnitud de la desviación de la trayectoria del ion en movimiento depende de su relación masa-carga. Los iones más ligeros son desviados por la fuerza magnética en mayor medida que los iones más pesados ​​(según la segunda ley del movimiento de Newton , F = ma ).

Los flujos de iones separados magnéticamente pasan del analizador al detector, que registra la abundancia relativa de cada tipo de ion. Esta información se utiliza para determinar la composición química de la muestra original (es decir, que tanto el sodio como el cloro están presentes en la muestra) y la composición isotópica de sus componentes (la relación entre ^35Cl y ^37Cl ).

Las técnicas de ionización dura son aquellas que confieren una gran cantidad de energía interna residual a la molécula, incluso después de la ionización. Parte de esta energía se disipa al romperse los enlaces químicos dentro del ion, generando numerosos iones radicales fragmentarios . Los iones resultantes suelen tener una relación masa /carga (m/z) menor que la del ion molecular (salvo en el caso de transferencia de protones y sin incluir picos isotópicos). El ejemplo más común de ionización dura es la ionización electrónica (IE).

Los iones radicales producidos tras la primera ionización se denominan iones producto de segunda generación. Estos productos son dirigidos hacia el analizador de masas mediante un electrodo repulsor. El proceso de ionización suele ir seguido de reacciones de escisión predecibles que dan lugar a iones fragmento que, tras su detección y procesamiento de señal, proporcionan información estructural sobre el analito.

Por el contrario, las técnicas de ionización suave son aquellas que imparten poca energía residual a la molécula en cuestión y, por lo tanto, dan como resultado poca fragmentación. Algunos ejemplos son el bombardeo de átomos rápidos (FAB), la ionización química (CI), la ionización química a presión atmosférica (APCI), la fotoionización a presión atmosférica (APPI), la ionización por electrospray (ESI), la ionización por desorción por electrospray (DESI) y la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI).

En la ionización electrónica (IE), los electrones energéticos se producen mediante un cátodo caliente : un filamento de alambre calentado al hacer pasar corriente eléctrica a través de él, lo que genera electrones energéticos por emisión termoiónica . Los electrones se aceleran entonces hacia un ánodo. La diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo determina la energía del flujo de electrones. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

La mayoría de los compuestos orgánicos tienen una energía de ionización de 8-15 eV , pero empíricamente, la eficiencia de ionización es demasiado baja a menos que el haz de electrones tenga una energía de 50-70 eV por electrón. Las características espectrales, incluidos los patrones de fragmentación, dependen del ajuste de energía. Convencionalmente, para EI, la energía de los electrones se estandariza a exactamente 70 eV. En consecuencia, si se desea comparar los resultados de EI-MS con bases de datos estándar, o producir resultados que puedan agregarse a dichas bases de datos, se debe estandarizar la energía de los electrones de EI a 70 eV. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

El sistema EI acepta como entrada una corriente de gas proveniente de la fuga molecular. Esta corriente de gas cruza perpendicularmente la corriente de electrones. La colisión ioniza la corriente de gas. La corriente de iones se acelera mediante una sucesión de electrodos. Normalmente, un ion que transporta 1 e se acelera a 1-10 keV. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

La ionización por impacto electrónico (EI) ofrece numerosas ventajas para la espectrometría de masas rutinaria de moléculas orgánicas pequeñas. Es económica y robusta, con espectrogramas reproducibles. Existen bases de datos de espectrogramas de EI ampliamente disponibles que abarcan muchas de estas moléculas. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

La ionización por impacto electrónico (EI) no es adecuada para moléculas grandes, como la mayoría de las biomoléculas. Es una técnica compleja que tiende a descomponer los iones de moléculas grandes durante el vuelo, ya que estas moléculas se fragmentan con especial facilidad. Además, las moléculas grandes son difíciles de volatilizar sin que se degraden por el calor. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

En la ionización química (CI), el analito se ioniza mediante una reacción química con un gas reactivo ionizado (a su vez ionizado mediante alguna técnica, como la ionización por impacto electrónico, EI). El gas analito y el gas reactivo se encuentran y reaccionan. La reacción produce fragmentos de analito ionizados mediante diversos mecanismos, como la transferencia de protones , la transferencia de electrones y la formación de aductos . El ion se acelera electrostáticamente, como en la EI. Las fuentes de iones de CI son similares a las de EI, y la mayoría de los espectrómetros de masas modernos pueden cambiar del modo EI al modo CI en cuestión de minutos. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

Para garantizar la eficiencia, la cantidad de reactivo es mucho mayor que la de analito. En consecuencia, una gran cantidad de iones de reactivo terminarían en el analizador de masas. Esto generalmente se maneja midiendo solo la parte del espectrograma con m/z superior a la de las especies principales en el flujo de iones de reactivo. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

Los reactivos ionizantes comunes para CI-MS incluyen metano , amoníaco , isobutano y metanol . La afinidad protónica del gas reactivo y de la muestra debe coincidir para asegurar una ionización eficiente. Si la afinidad protónica del gas reactivo es demasiado alta, la ionización es ineficiente. Si la afinidad protónica del gas reactivo es demasiado baja, la fragmentación es excesiva. ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

Por ejemplo: ^{[ 11 ] : Cap. 3.3}

• Cuando el reactivo es metano, la reacción predominante es la transferencia de protones M + CH ₅ ⁺ → (MH) ⁺ + CH ₄ .
• Cuando el reactivo es amonio, la reacción predominante es la transferencia de protones M + NH ₄ ⁺ → (MH) ⁺ + NH ₃ .
• Cuando el reactivo es isobutano, la reacción puede ser una transferencia de protones M + (CH ₃ ) ₃ C ⁺ → (MH) ⁺ + (CH ₃ ) ₂ C=CH ₂ o la formación de un aducto M + (CH ₃ ) ₃ C ⁺ → (M · C(CH ₃ ) ₃ ) ⁺ .
• La CI también puede producir iones de analito con carga negativa mediante la abstracción de protones o la formación de aductos. Por ejemplo, el NF ₃ ionizado contiene F ⁻ , que abstrae un protón.

La ionización por electrospray (ESI) y la ionización por termospray (TSI) son adecuadas para biomoléculas de alto peso molecular y otros compuestos lábiles o no volátiles, especialmente en un sistema LC-MS. En ambos casos, el analito se encuentra en solución. La solución se pulveriza, ya sea por electrospray o termospray, en una corriente de niebla que luego se evapora en una corriente de iones. La TSI ha sido reemplazada por la ESI para la mayoría de las aplicaciones. ^{[ 11 ] : Sec. 3.3}

En TSI, la solución entra en un capilar calentado, produciendo una pulverización de gotitas. El disolvente se evapora, dejando los analitos ionizados. La ionización puede ocurrir debido a 3 posibles procesos:

• El analito ya se encuentra en forma iónica en la disolución y se desorbe a medida que el disolvente se evapora.
• Transferencia ácido-base. Si el disolvente es una solución tampón , el analito puede ionizarse intercambiando un protón con la solución tampón. Esta forma de ionización es idónea para la cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC-MS), ya que el líquido utilizado en esta técnica ya es una solución tampón.
• Ionización por plasma o funcionamiento con filamento. El disolvente en el aerosol se ioniza mediante un haz de electrones de alta energía. El disolvente ionizado ioniza químicamente el analito.

En ESI, la solución entra en un capilar mantenido a un alto voltaje (generalmente de 2 a 5 kV), produciendo un electrospray en una cámara calentada contra un flujo de gas de secado (generalmente nitrógeno). Esto evapora las moléculas del disolvente. La densidad de carga aumenta en una gota a medida que se evapora, hasta que la energía electrostática supera la energía de tensión superficial, provocando la explosión de la gota. Este proceso se repite, finalizando con un flujo de iones sin el disolvente. La ionización puede ocurrir mediante: ^{[ 11 ] : Sec. 3.3}

• Concentración de carga en las gotas durante la evaporación.
• Procesos electroquímicos derivados del potencial electrostático del capilar.

A diferencia de TSI, los iones del analito producidos por ESI pueden tener una cantidad de carga diferente a la que tendría el mismo analito en la solución. Es decir, un analito que se presenta naturalmente como M ⁺ en la solución puede terminar convirtiéndose en una corriente de iones que contiene una mezcla de M ⁺ , M2 ⁺ , M3 ⁺ , etc. Una molécula grande puede tener mucha carga. Las proteínas típicas pueden tener muchos protones debido a la presencia de cadenas laterales de aminoácidos básicos, lo que da como resultado picos en m/z = 600–2000 para proteínas con un peso molecular de ~200 000 Da. Esto es conveniente, ya que significa que el ion no excedería los límites de m/z en los analizadores de masas típicos. ^{[ 11 ] : Sec. 3.3}

La ionización por desorción (DI) es una familia de técnicas de ionización. Los principales ejemplos son la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), el bombardeo de átomos rápidos (FAB) y la ionización por desorción láser asistida por matriz (MALDI). En DI, la muestra se disuelve o dispersa en una matriz y se bombardea con un haz de alta energía (1-10 keV) de iones (SIMS), átomos neutros (FAB) o fotones (MALDI). El haz ioniza y expulsa ( desorbe ) algunas moléculas de la muestra de la matriz. El ion se acelera electrostáticamente, como en EI. ^{[ 11 ] : Sec. 3.3}

La matriz debe ser no volátil y relativamente inerte, para que no reaccione con el analito. También debe ser un buen electrolito para permitir la formación de iones. Los fragmentos ionizados de la propia matriz se forman generalmente${\displaystyle m/z\lesssim 600}$, por lo que el espectrograma suele filtrar ese segmento. ^{[ 11 ] : Sec. 3.3}

SIMS y FAB son bastante similares. SIMS utiliza un haz de iones, generalmente Ar ⁺ o Cs ⁺ . FAB utiliza un haz de átomos neutros, generalmente Ar o Xe. Para SIMS y FAB, si el compuesto de la matriz es más ácido que el analito, entonces se forman predominantemente (M + H) ⁺ , y viceversa (M − H) ⁻ . También es posible que se formen (M + Na) ⁺ , (M + K) ⁺ , etc., si la matriz se contamina incidentalmente (adventiciamente) con sodio, potasio, etc. Los materiales de matriz típicos incluyen glicerol , tioglicerol , alcohol 3-nitrobencílico , dietanolamina , trietanolamina y una mezcla de ditiotreitol - ditioeritritol . Generalmente se utilizan para analizar polipéptidos y oligonucleótidos de hasta 20 kDa. ^{[ 11 ] : Sec. 3.3}

MALDE utiliza un haz de fotones, generalmente el láser de nitrógeno UV suave de 337  nm . También puede utilizar un láser infrarrojo (IR) para el análisis directo de muestras contenidas en geles o placas de cromatografía de capa fina (TLC). MALDE puede analizar polímeros pequeños (~1 kDa), oligosacáridos, oligonucleótidos y polipéptidos, anticuerpos, hasta proteínas pequeñas (~300 kDa). Es altamente sensible y requiere solo femtomoles de muestra. ^{[ 11 ] : Sec. 3.3}

La desorción/ionización sobre silicio (DIOS) es similar a la MALDE, pero sin la matriz. La muestra se deposita directamente sobre una superficie nanoestructurada ( silicio poroso ) y se desorbe directamente de dicha superficie mediante la adsorción de energía láser. La DIOS se ha utilizado para analizar moléculas orgánicas, metabolitos, biomoléculas y péptidos, y, en última instancia, para obtener imágenes de tejidos y células. ^{[ 15 ]}

Las fuentes de plasma acoplado inductivamente (ICP) se utilizan principalmente para el análisis de cationes en una amplia variedad de muestras. En esta fuente, se emplea un plasma eléctricamente neutro en general, pero con una fracción sustancial de sus átomos ionizados a alta temperatura, para atomizar las moléculas de la muestra introducidas y extraer los electrones externos de dichos átomos. El plasma se genera generalmente a partir de gas argón, ya que la primera energía de ionización de los átomos de argón es superior a la de cualquier otro elemento, excepto He, F y Ne, pero inferior a la segunda energía de ionización de todos los metales, excepto los más electropositivos. El calentamiento se logra mediante una corriente de radiofrecuencia que circula por una bobina que rodea el plasma.

La fotoionización puede utilizarse en experimentos que buscan emplear la espectrometría de masas como medio para dilucidar mecanismos de cinética química y ramificación de productos isoméricos. ^{[ 16 ]} En tales casos, se utiliza un fotón de alta energía, ya sea de rayos X o UV, para disociar moléculas gaseosas estables en un gas portador de He o Ar. En los casos en que se utiliza una fuente de luz de sincrotrón , se puede emplear una energía de fotón ajustable para obtener una curva de eficiencia de fotoionización que puede utilizarse junto con la relación de carga m/z para identificar especies moleculares e iónicas. Más recientemente, se ha desarrollado la fotoionización a presión atmosférica (APPI) para ionizar moléculas, principalmente como efluentes de sistemas LC-MS.

Algunas aplicaciones de la ionización ambiental incluyen aplicaciones medioambientales y clínicas. En estas técnicas, los iones se forman en una fuente de iones fuera del espectrómetro de masas. El muestreo resulta sencillo, ya que las muestras no requieren separación ni preparación previas. Algunos ejemplos de técnicas de ionización ambiental son el análisis directo en tiempo real (DART), DESI , SESI , LAESI , la ionización química a presión atmosférica (APCI), la ionización química a presión atmosférica por desorción (DAPCI), la ionización suave por reacción química en transferencia (SICRT) y la fotoionización a presión atmosférica por desorción (DAPPI), entre otras.

Otros métodos incluyen la descarga luminiscente , la desorción de campo (FD), la ionización por chispa y la ionización térmica (TIMS). ^{[ 17 ]}

Las siguientes dos leyes rigen la dinámica de las partículas cargadas en campos eléctricos y magnéticos en el vacío:

${\displaystyle \mathbf {F} =Q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} )}$( Ley de fuerza de Lorentz );

${\displaystyle \mathbf {F} =m\mathbf {a} }$( Segunda ley del movimiento de Newton en el caso no relativista, es decir, válida solo a velocidades iónicas mucho menores que la velocidad de la luz).

Aquí F es la fuerza aplicada al ion, m es la masa del ion, a es la aceleración, Q es la carga del ion, E es el campo eléctrico y v × B es el producto vectorial de la velocidad del ion y el campo magnético.

Igualando las expresiones anteriores para la fuerza aplicada al ion se obtiene:

${\displaystyle (m/Q)\mathbf {a} =\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} .}$

Esta ecuación diferencial es la ecuación clásica de movimiento para partículas cargadas . Junto con las condiciones iniciales de la partícula, determina completamente su movimiento en el espacio y el tiempo en términos de m/Q . Por lo tanto, los espectrómetros de masas podrían considerarse como "espectrómetros de masa a carga". Al presentar datos, es común usar la relación m/z (oficialmente) adimensional , donde z es el número de cargas elementales ( e ) en el ion (z = Q/e). Esta cantidad, aunque informalmente se la denomina relación masa-carga, representa con mayor precisión la relación entre el número másico y el número de carga, z .

Existen varias características importantes del analizador.

El poder de resolución de masas${\displaystyle \Delta (m/z)}$es la diferencia apenas detectable en m/z , en ese m/z particular , generalmente medida en unidades de milimasa (mDa). En particular, la resolución puede ser diferente en diferentes m/z . Generalmente se operacionaliza como el ancho completo a media altura de un pico en ese m/z dado .

La resolución es la relación${\displaystyle {\tfrac {m/z}{\Delta (m/z)}}}$Es adimensional. Un analizador de masas de "alta resolución" suele tener una resolución superior a 1 millón. Concretamente, esto significa que puede distinguir dos picos de aproximadamente 1 kDa, con una diferencia de tan solo 1 mDa.

La precisión absoluta es la relación entre el error de medición m/z y el valor real de m/z . Se define como${\displaystyle |(m/z)_{\text{medido}}-(m/z)_{\text{verdadero}}|}$La precisión relativa es${\displaystyle {\tfrac {|(m/z)_{\text{medido}}-(m/z)_{\text{verdadero}}|}{(m/z)_{\text{verdadero}}}}}$Es adimensional.

El rango de masas es el rango de m/z que un analizador determinado puede analizar.

La velocidad se define como el número de líneas espectrales que se pueden generar por unidad de tiempo. Generalmente, una mayor resolución requiere una menor velocidad, y viceversa. Algunos espectrómetros de masas, como los de transformada de Fourier, permiten un equilibrio continuo entre velocidad y resolución.

Un analizador de masas de tipo sectorial utiliza un campo eléctrico estático y/o magnético para controlar la trayectoria del haz de iones. El tipo más común utiliza un campo magnético.

En un caso simplificado, el campo es un campo constante.${\displaystyle B}$y tenemos un ion de masa${\displaystyle m}$y cobrar${\displaystyle ze}$que entra en el campo perpendicularmente a velocidad${\displaystyle v}$. Luego, en el campo, el ion experimenta un movimiento circular de radio${\displaystyle R={\tfrac {v(m/z)}{Be}}}$Si el ionizador ha acelerado el ion bajo un voltaje conocido${\displaystyle V}$, entonces la energía cinética del ion es${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$, dando ^{[ 11 ] : Sec. 3.4}$${\displaystyle m/z={\frac {eR^{2}B^{2}}{2V}}}$$De este modo, el único haz de iones de entrada se analiza en un abanico de haces de iones, donde los iones con mayor relación m/z giran a un radio mayor. A continuación, se puede seleccionar un valor de m/z específico mediante una rendija estrecha móvil. También se puede utilizar una rendija estrecha fija, pero variando${\displaystyle V}$o${\displaystyle B}$.

Si solo hay un detector, el analizador puede recorrer el espectro de masas rendija por rendija. Con varios detectores, la velocidad de análisis aumenta. ^{[ 18 ]}

Un analizador de sector magnético puro puede alcanzar una resolución de aproximadamente 10 000. Con un campo de enfoque electrostático añadido antes o después del sector magnético, el analizador puede alcanzar una resolución de aproximadamente 100 000. ^{[ 11 ] : Sec. 3.4}

Los iones particularmente inestables pueden desintegrarse al pasar por el analizador. Si experimenta la reacción M ^z+ → M' ^z+ + (otras partes) al entrar en el analizador, experimentaría un movimiento circular de radio${\displaystyle R'={\tfrac {v(m'/z)}{Be}}}$. Esto se mostraría entonces en el espectrograma resultante como un pico que aparentemente está formado por un ion con${\displaystyle (m^{*}/z)=({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$. Dado que no existe ningún ion real con masa${\displaystyle m^{*}}$, esto se denomina pico anormal o pico de ión metaestable . En general, un pico de ión metaestable es un pico ancho centrado en un valor altamente no entero de${\displaystyle m^{*}/z}$. La existencia de un pico de iones metaestables en${\displaystyle ({\tfrac {m'^{2}}{m}}/z)}$es una fuerte evidencia de que dos iones de masas${\displaystyle m/z,m'/z}$De hecho, están relacionados por la reacción M ^z+ → M' ^z+ + (otras partes) . ^{[ 11 ] : Sec. 3.5}

El analizador de tiempo de vuelo (TOF) recibe como entrada un pulso corto de iones y lo hace volar a través de un tubo de vacío largo. Los iones con diferentes relaciones masa/carga (m/z) llegan al final del tubo en diferentes momentos, lo que permite su análisis. Los iones deben entrar al tubo como pulsos, ya que de lo contrario no se puede medir el TOF. Si el ionizador emite un flujo continuo de iones, este debe dividirse en pulsos iónicos mediante métodos como un obturador mecánico rápido , un campo eléctrico oscilante y una rendija estrecha, entre otros. El ionizador MALDI es particularmente adecuado para el analizador TOF, dado que el láser utilizado en MALDI suele ser un láser de pulsos de alta intensidad . MALDI-TOF ha permitido la medición de espirogramas de masa utilizando solo unos pocos attomoles de material. ^{[ 11 ] : Sec. 3.4}

Concretamente, sea la longitud del analizador${\displaystyle L}$, entonces el tiempo que tarda un ion de velocidad${\displaystyle v}$pasar por el analizador es${\displaystyle t=L/v}$. Desde${\displaystyle KE=zeV={\tfrac {1}{2}}mv^{2}}$, tenemos ^{[ 11 ] : Sec. 3.4}$${\displaystyle m/z={\frac {2eV}{L^{2}}}t^{2}}$$A menudo, los iones de entrada ya están concentrados en su m/z . Es decir, cada ion en la entrada satisface${\displaystyle m/z=\delta (m/z)+(m/z)_{0}}$, dónde${\displaystyle (m/z)_{0}}$es una constante, y${\displaystyle \delta (m/z)\ll (m/z)_{0}}$En ese caso, tenemos$${\displaystyle m/z=(m/z)_{0}+{\frac {4eVt_{0}}{L^{2}}}\delta t}$$Esto significa que la señal se puede medir con un osciloscopio en modo de disparo. De hecho, el primer GC-MS se realizó en 1950 utilizando un osciloscopio. Los experimentadores tomaron fotografías rápidas de la pantalla del osciloscopio para cada componente que salía del cromatógrafo de gases. ^{[ 19 ]}

Esta distribución de velocidades amplía los picos mostrados en el gráfico de recuento vs. m/z , pero generalmente no cambia la ubicación central de los picos, ya que la velocidad inicial de los iones suele estar centrada en cero. Para solucionar este problema, se ha acoplado el enfoque con retardo de tiempo/ extracción retardada con TOF-MS. ^{[ 20 ]} Si los iones no comienzan con energías cinéticas idénticas, algunos iones pueden retrasarse con respecto a los iones de mayor energía cinética, disminuyendo la resolución. Las geometrías de reflectrón se emplean comúnmente para corregir este problema. ^{[ 21 ]}

Los tubos más largos dan como resultado una mayor resolución. Un reflector duplica la longitud efectiva del tubo. Un espectrómetro de masas TOF con reflector puede alcanzar una resolución de varios miles. A pesar de su baja resolución, los espectrómetros de masas TOF compensan esta desventaja con su velocidad. Son particularmente útiles en estudios de cinética química . Permiten estudiar reacciones rápidas como la combustión y las explosiones. ^{[ 11 ] : Sec. 3.4}

Un analizador de masas cuadrupolar utiliza cuatro varillas metálicas paralelas para crear un campo eléctrico cuadrupolar que oscila a radiofrecuencia (RF), con el fin de estabilizar o desestabilizar selectivamente las trayectorias de los iones que lo atraviesan.

Con cada patrón de oscilación, los iones que lo atraviesan experimentan un movimiento helicoidal. Si el ion tiene una relación masa/carga (m/z) dentro de un rango determinado, el movimiento helicoidal es estable. De lo contrario, la amplitud del movimiento helicoidal aumenta hasta que el ion colisiona con las varillas. Esto significa que solo los iones con una relación m/z dentro de un rango estrecho pueden atravesarlo. El espectrograma completo se puede recorrer modificando los potenciales en las varillas, de forma continua o mediante una sucesión de saltos discretos.

Suelen tener una resolución baja (~1000), pero son baratos y pequeños, por lo que son adecuados para espectrómetros de masas de sobremesa. ^{[ 11 ] : Sec. 3.4}

El filtro de masas cuadrupolar está estrechamente relacionado con la trampa de iones cuadrupolar , en particular con la trampa de iones cuadrupolar lineal, con la diferencia de que está diseñado para dejar pasar los iones no atrapados en lugar de recolectar los atrapados, y por ello se le denomina cuadrupolo de transmisión . La propia trampa de iones cuadrupolar puede utilizarse como analizador, como en el caso de los analizadores de trampas de iones .

Una variante común del cuadrupolo de transmisión es el espectrómetro de masas de triple cuadrupolo. Este espectrómetro cuenta con tres etapas de cuadrupolo consecutivas: la primera actúa como filtro de masas para transmitir un ion específico al segundo cuadrupolo, una cámara de colisión donde dicho ion se fragmenta. El tercer cuadrupolo también actúa como filtro de masas, transmitiendo un ion fragmento específico al detector. Se trata de un espectrómetro de masas en tándem ( MS/MS) , por lo que puede realizar diversos tipos de escaneo característicos de esta técnica.

Un analizador de masas cuadrupolar mejorado magnéticamente tiene un campo magnético adicional, axial o transversal. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

La espectrometría de masas por transformada de Fourier (FTMS), o más precisamente la espectrometría de masas por resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier (FT-ICR MS), mide la masa detectando la corriente de imagen producida por los iones que giran en espiral en presencia de un campo magnético. En lugar de medir la desviación de los iones con un detector como un multiplicador de electrones , los iones se inyectan en una trampa de Penning (una trampa electromagnética estática de iones ) donde forman parte de un circuito. Los detectores en posiciones fijas en el espacio miden la señal eléctrica de los iones que pasan cerca de ellos a lo largo del tiempo, produciendo una señal periódica. Dado que la frecuencia del ciclo de un ion está determinada por su relación m/z , esta puede deconvolucionarse mediante la transformada de Fourier de la señal. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

La resonancia ciclotrónica de iones (ICR) es una técnica de análisis de masas más antigua. Es similar a la espectrometría de masas por transformada de Fourier (FTMS) en que los iones experimentan resonancia ciclotrónica. Sin embargo, los iones se detectan con un detector tradicional. Los iones atrapados en una trampa de Penning se excitan mediante un campo eléctrico de radiofrecuencia hasta que impactan contra la pared de la trampa, donde se ubica el detector. Los iones de diferente masa se distinguen según el tiempo de impacto.

El FTMS es generalmente el analizador más sensible del mercado, con una resolución de aproximadamente 1 millón. Esta alta resolución se debe a que cada ion es "contado" varias veces por el espectrómetro. Desde la perspectiva del principio de incertidumbre del procesamiento de señales , una señal oscilante altamente deslocalizada en el tiempo también está altamente localizada en frecuencia.

Orbitrap

Los analizadores Orbitrap son similares a los analizadores FTMS. Los iones quedan atrapados electrostáticamente en una órbita alrededor de un electrodo central en forma de huso. El electrodo confina los iones de manera que orbitan a su alrededor y oscilan a lo largo de su eje longitudinal. Esta oscilación genera una corriente de imagen en las placas del detector, la cual es registrada por el instrumento. Las frecuencias de estas corrientes de imagen dependen de la relación masa-carga de los iones. Los espectros de masas se obtienen mediante la transformada de Fourier de las corrientes de imagen registradas.

Las trampas orbitales tienen una alta precisión de masa, alta sensibilidad y un buen rango dinámico. Además, son bastante pequeñas. ^{[ 31 ]}

Algunas especies químicas tienen la misma composición química, pero diferentes isótopos ( isótopos ). Se pueden distinguir mediante un analizador muy básico. De hecho, los isótopos se descubrieron en 1922, en los inicios de la espectrometría de masas.

Sin embargo, dos especies químicas pueden tener el mismo número de nucleones (neutrones y protones). Por ejemplo, C ₃ y SH ₄ tienen ambos 36 nucleones. Aún se pueden distinguir, ya que la masa del protón y del neutrón difiere en 1,4 mDa, y dado que los diferentes núcleos tienen diferente energía de enlace , que por${\displaystyle E=mc^{2}}$da como resultado una masa diferente. El resultado neto es que C ₃ y S ₁ H ₄ difieren en 3,4 mDa. Se pueden lograr diferencias aún menores mediante la coincidencia precisa de isótopos. Por ejemplo, C ₄ y S ₁ H ₃ ¹³ C ₁ difieren en 1,1 mDa. Estas diferencias se pueden resolver mediante espectrometría de masas de alta resolución, que alcanza una resolución >1 millón, suficiente para resolver una diferencia de ~1 mDa a m/z ~ 1000. Nótese que la masa del electrón es de 0,5 mDa. ^{[ 32 ]}

Existen muchas técnicas para espectrometría de masas de alta resolución, ^{[ 33 ]} pero la resolución más alta se logra mediante espectrometría de masas por transformada de Fourier (FTMS) con un campo magnético alto. Con el aumento de la intensidad del campo magnético, la resolución y la velocidad de adquisición espectral aumentan linealmente, mientras que la precisión de masa y el rango dinámico aumentan cuadráticamente. ^{[ 34 ]} En consecuencia, la resolución más alta se logra mediante FTMS de campo alto, hasta 21 Tesla . Alcanza una resolución >2,7 millones a m/z ~ 400 y una precisión de medición de masa < 80 ppb. ^{[ 35 ] [ 32 ]}

Se emplean con frecuencia en estudios geoquímicos y petroquímicos , dado que hay mucho dinero en la industria petrolera y la composición del petróleo es muy compleja. ^{[ 32 ]} Otra aplicación es en el análisis isotópico de proteínas grandes. Dos proteínas que difieren en un solo átomo isotópico se separan mediante${\displaystyle \Delta m\approx 1}$, que requiere una resolución de${\displaystyle m/\Delta m}$para resolver. Para proteínas grandes con m > 100 kDa y z ~ 50, como los anticuerpos monoclonales , esto requiere un analizador que alcance un poder de resolución > 100 000 a m/z ~ 2000. ^{[ 35 ]}

La espectrometría de masas por transformada de Fourier de alta resolución (FTMS) también es muy sensible como detector. Ha permitido detectar proteínas en el rango de 8 a 20 kDa con una concentración de muestra de aproximadamente 30 zeptomoles (es decir, alrededor de 20 000 moléculas individuales ). ^{[ 36 ]}

Cuando se va a medir la masa de una sola especie de ion, la mayor precisión que se puede lograr es mediante trampas de tipo Penning. El PENTATRAP, por ejemplo, mide la masa de iones pesados, altamente cargados y de larga vida, con una precisión de${\displaystyle m/\Delta m>10^{11}}$. ^{[ 37 ]} Esto es suficientemente sensible como para medir directamente la energía de los estados electrónicos metaestables con una precisión de ~1 eV a través de la ecuación masa-energía . ^{[ 38 ]}

Una combinación común es la cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC/MS o GC-MS). En esta técnica, se utiliza un cromatógrafo de gases para separar diferentes compuestos. Este flujo de compuestos separados se introduce en línea en la fuente de iones , un filamento metálico al que se aplica voltaje . Este filamento emite electrones que ionizan los compuestos. Los iones pueden fragmentarse aún más, generando patrones predecibles. Los iones intactos y los fragmentos pasan al analizador del espectrómetro de masas y finalmente se detectan. ^{[ 50 ]} Sin embargo, las altas temperaturas (300 °C) utilizadas en el puerto de inyección (y el horno) de la GC-MS pueden provocar la degradación térmica de las moléculas inyectadas, lo que resulta en la medición de productos de degradación en lugar de la(s) molécula(s) de interés. ^{[ 51 ]} 

De forma similar a la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS), la cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC/MS o LC-MS) separa los compuestos cromatográficamente antes de introducirlos en la fuente de iones y el espectrómetro de masas. Se diferencia de la GC-MS en que la fase móvil es líquida, generalmente una mezcla de agua y disolventes orgánicos , en lugar de gaseosa. Lo más común es que se utilice una fuente de ionización por electrospray en LC-MS. Otras fuentes de iones LC-MS populares y disponibles comercialmente son la ionización química a presión atmosférica y la fotoionización a presión atmosférica . También existen algunas técnicas de ionización de reciente desarrollo, como la ionización por láser .

La electroforesis capilar-espectrometría de masas (CE-MS) es una técnica que combina el proceso de separación líquida de la electroforesis capilar con la espectrometría de masas. ^{[ 52 ]} La CE-MS se acopla típicamente a la ionización por electrospray. ^{[ 53 ]}

La espectrometría de movilidad iónica acoplada a espectrometría de masas (IMS/MS o IMMS) es una técnica en la que los iones se separan primero por tiempo de deriva a través de un gas neutro bajo un gradiente de potencial eléctrico aplicado, antes de ser introducidos en un espectrómetro de masas. ^{[ 54 ]} El tiempo de deriva es una medida de la sección transversal de colisión relativa a la carga del ion. El ciclo de trabajo de la IMS (el tiempo durante el cual se realiza el experimento) es más largo que el de la mayoría de las técnicas de espectrometría de masas, de modo que el espectrómetro de masas puede tomar muestras durante el proceso de separación por IMS. Esto produce datos sobre la separación por IMS y la relación masa-carga de los iones de manera similar a la LC-MS . ^{[ 55 ]}

El ciclo de trabajo de IMS es corto en relación con las separaciones por cromatografía líquida o cromatografía de gases y, por lo tanto, puede acoplarse a dichas técnicas, produciendo modalidades triples como LC/IMS/MS. ^{[ 56 ]}

La espectrometría de masas produce varios tipos de datos. La representación de datos más común es el espectro de masas .

Ciertos tipos de datos de espectrometría de masas se representan mejor como un cromatograma de masas . Los tipos de cromatogramas incluyen el monitoreo de iones seleccionados (SIM), la corriente iónica total (TIC) y el monitoreo de reacción seleccionada , entre muchos otros.

Otros tipos de datos de espectrometría de masas se representan adecuadamente como un mapa de contorno tridimensional . En este formato, la relación masa/carga ( m/z) se representa en el eje x , la intensidad en el eje y , y un parámetro experimental adicional, como el tiempo, se registra en el eje z .

El análisis de datos de espectrometría de masas es específico del tipo de experimento que genera los datos. Las subdivisiones generales de los datos son fundamentales para comprender cualquier conjunto de datos.

Muchos espectrómetros de masas funcionan en modo de iones negativos o positivos . Es fundamental saber si los iones observados tienen carga negativa o positiva. Esto suele ser importante para determinar la masa neutra, pero también proporciona información sobre la naturaleza de las moléculas.

Los distintos tipos de fuentes de iones generan diferentes conjuntos de fragmentos a partir de las moléculas originales. Una fuente de ionización electrónica produce numerosos fragmentos, principalmente radicales con carga simple (1-) (número impar de electrones), mientras que una fuente de electrospray suele producir iones cuasimoleculares no radicales, frecuentemente con carga múltiple. La espectrometría de masas en tándem genera iones fragmento después de la fuente y puede modificar drásticamente el tipo de datos obtenidos en un experimento.

El conocimiento del origen de una muestra puede proporcionar información sobre sus moléculas componentes y su fragmentación. Una muestra procedente de un proceso de síntesis o fabricación probablemente contendrá impurezas químicamente relacionadas con el componente de interés. Una muestra biológica preparada de forma rudimentaria probablemente contendrá cierta cantidad de sal, que puede formar aductos con las moléculas del analito en determinados análisis.

Los resultados también pueden depender en gran medida de la preparación de la muestra y de cómo se procesó o introdujo. Un ejemplo importante es la matriz utilizada para la detección por MALDI, ya que gran parte de la energética del proceso de desorción/ionización está controlada por la matriz y no por la potencia del láser. En ocasiones, se añade sodio u otra especie portadora de iones a las muestras para producir aductos en lugar de especies protonadas.

La espectrometría de masas permite medir la masa molar, la estructura molecular y la pureza de la muestra. Cada una de estas cuestiones requiere un procedimiento experimental diferente; por lo tanto, definir adecuadamente el objetivo experimental es fundamental para obtener los datos correctos e interpretarlos correctamente.

La espectrometría de masas también se utiliza para determinar la composición isotópica de los elementos dentro de una muestra. Las diferencias de masa entre los isótopos de un elemento son muy pequeñas, y los isótopos menos abundantes de un elemento suelen ser muy raros, por lo que se requiere un instrumento muy sensible. Para la medición de elementos ligeros (p. ej. H, C, N, O, S), los espectrómetros de masas de relación isotópica suelen utilizar un solo imán para desviar un haz de partículas ionizadas hacia una serie de copas de Faraday que convierten los impactos de las partículas en corriente eléctrica . Un análisis rápido en línea del contenido de deuterio del agua se puede realizar utilizando espectrometría de masas de descarga posterior en flujo , FA-MS. Probablemente el espectrómetro de masas más sensible y preciso para este propósito es la espectrometría de masas con acelerador . Esto se debe a que proporciona la máxima sensibilidad, capaz de medir átomos individuales y medir nucleidos con un rango dinámico de ~10 ¹⁵ en relación con el isótopo estable principal. ^{[ 61 ]} Las firmas isotópicas pueden servir como marcadores de una variedad de procesos. Algunas proporciones isotópicas se utilizan para determinar la edad de los materiales, por ejemplo, en la datación por carbono . El marcaje con isótopos estables también se utiliza para la cuantificación de proteínas (véase la caracterización de proteínas más adelante).

Varias técnicas utilizan iones creados en una fuente de iones específica e inyectados en un tubo de flujo o un tubo de deriva: el tubo de flujo de iones seleccionados (SIFT-MS) y la reacción de transferencia de protones (PTR-MS) son variantes de la ionización química dedicadas al análisis de gases traza en el aire, el aliento o el espacio de cabeza líquido, utilizando un tiempo de reacción bien definido que permite calcular las concentraciones de analitos a partir de la cinética de reacción conocida sin necesidad de un estándar interno o calibración.

Otra técnica con aplicaciones en el campo del análisis de gases traza es la ionización por electrospray secundaria (SESI-MS), una variante de la ionización por electrospray . La SESI consiste en una columna de electrospray de disolvente acidificado puro que interactúa con vapores neutros.  Las moléculas de vapor se ionizan a presión atmosférica cuando la carga se transfiere de los iones formados en el electrospray a las moléculas. Una ventaja de este método es su compatibilidad con la mayoría de los sistemas ESI-MS. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

Una sonda atómica es un instrumento que combina la espectrometría de masas por tiempo de vuelo y la microscopía de evaporación de campo para determinar la ubicación de átomos individuales.

La farmacocinética se estudia frecuentemente mediante espectrometría de masas debido a la complejidad de la matriz (generalmente sangre u orina) y a la necesidad de alta sensibilidad para observar datos de dosis bajas y tiempos prolongados. La instrumentación más común en esta aplicación es la cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC-MS) con un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo . La espectrometría de masas en tándem se emplea habitualmente para mayor especificidad. Se utilizan curvas de calibración y estándares internos para la cuantificación de un único fármaco en las muestras. Estas representan diferentes momentos durante la administración, el metabolismo y la eliminación del fármaco del organismo. Las muestras en blanco o de t=0, tomadas antes de la administración, son importantes para determinar el fondo y garantizar la integridad de los datos con matrices de muestra tan complejas. Se presta mucha atención a la linealidad de la curva de calibración; sin embargo, es frecuente utilizar el ajuste de curvas con funciones más complejas, como las cuadráticas, dado que la respuesta de la mayoría de los espectrómetros de masas es menos que lineal en amplios rangos de concentración. ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}

Actualmente existe un gran interés en el uso de la espectrometría de masas de muy alta sensibilidad para estudios de microdosificación , que se consideran una alternativa prometedora a la experimentación con animales .

Estudios recientes muestran que la ionización por electrospray secundaria (SESI) es una técnica potente para monitorizar la cinética de fármacos mediante el análisis del aliento. ^{[ 68 ] [ 69 ]} Dado que el aliento se produce de forma natural, se pueden recopilar fácilmente varios puntos de datos. Esto permite aumentar considerablemente el número de puntos de datos recopilados. ^{[ 70 ]} En estudios con animales, este enfoque SESI puede reducir el sacrificio de animales. ^{[ 69 ]} En humanos, el análisis no invasivo del aliento mediante SESI-MS puede ayudar a estudiar la cinética de fármacos a nivel personalizado. ^{[ 68 ] [ 71 ] [ 72 ]}

La espectrometría de masas es un método importante para la caracterización y secuenciación de proteínas. Los dos métodos principales para la ionización de proteínas completas son la ionización por electrospray (ESI) y la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI). De acuerdo con el rendimiento y el rango de masas de los espectrómetros de masas disponibles, se utilizan dos enfoques para caracterizar proteínas. En el primero, las proteínas intactas se ionizan mediante cualquiera de las dos técnicas descritas anteriormente y luego se introducen en un analizador de masas. Este enfoque se conoce como estrategia " de arriba hacia abajo " para el análisis de proteínas. Sin embargo, el enfoque de arriba hacia abajo se limita en gran medida a estudios de proteínas individuales de bajo rendimiento. En el segundo, las proteínas se digieren enzimáticamente en péptidos más pequeños utilizando proteasas como la tripsina o la pepsina , ya sea en solución o en gel después de la separación electroforética . También se utilizan otros agentes proteolíticos. La colección de productos peptídicos a menudo se separa por cromatografía antes de introducirlos en el analizador de masas. Cuando se utiliza el patrón característico de péptidos para la identificación de la proteína, el método se denomina huella peptídica de masas (PMF). Si la identificación se realiza utilizando los datos de secuencia determinados en el análisis de espectrometría de masas en tándem , se denomina secuenciación de péptidos de novo . Estos procedimientos de análisis de proteínas también se conocen como el enfoque " de abajo hacia arriba " y se han utilizado para analizar la distribución y la posición de modificaciones postraduccionales como la fosforilación en las proteínas. ^{[ 73 ]} También se está empezando a utilizar un tercer enfoque, este enfoque intermedio "de abajo hacia arriba" implica el análisis de péptidos proteolíticos que son más grandes que el péptido tríptico típico. ^{[ 74 ]}

Como método estándar de análisis, los espectrómetros de masas han llegado a otros planetas y lunas. Dos fueron llevados a Marte por el programa Viking . A principios de 2005, la misión Cassini-Huygens transportó un instrumento GC-MS especializado a bordo de la sonda Huygens a través de la atmósfera de Titán , la luna más grande del planeta Saturno . Este instrumento analizó muestras atmosféricas a lo largo de su trayectoria de descenso y pudo vaporizar y analizar muestras de la superficie congelada y cubierta de hidrocarburos de Titán una vez que la sonda aterrizó. Estas mediciones comparan la abundancia de isótopos de cada partícula con la abundancia natural de la Tierra. ^{[ 75 ]} También a bordo de la nave espacial Cassini-Huygens había un espectrómetro de masas de iones y neutros que había estado tomando mediciones de la composición atmosférica de Titán, así como de la composición de los penachos de Encélado . Un espectrómetro de masas Thermal and Evolved Gas Analyzer fue transportado por el módulo de aterrizaje Mars Phoenix lanzado en 2007. ^{[ 76 ]}

Los espectrómetros de masas también se utilizan ampliamente en misiones espaciales para medir la composición de los plasmas. Por ejemplo, la nave espacial Cassini transportaba el espectrómetro de plasma Cassini (CAPS), ^{[ 77 ]} que medía la masa de iones en la magnetosfera de Saturno .

Los espectrómetros de masas se utilizaron en hospitales para el análisis de gases respiratorios desde aproximadamente 1975 hasta finales de siglo. Probablemente algunos todavía estén en uso, pero actualmente no se fabrica ninguno. ^{[ 78 ]}

Ubicados principalmente en el quirófano , formaban parte de un sistema complejo en el que las muestras de gases respiratorios de los pacientes sometidos a anestesia se introducían en el instrumento mediante un mecanismo de válvulas diseñado para conectar secuencialmente hasta 32 habitaciones al espectrómetro de masas. Un ordenador dirigía todas las operaciones del sistema. Los datos recopilados por el espectrómetro de masas se enviaban a cada habitación para que el anestesiólogo los utilizara.

La singularidad de este espectrómetro de masas de sector magnético pudo haber residido en el hecho de que un plano de detectores, cada uno posicionado específicamente para recolectar todas las especies iónicas esperadas en las muestras, permitía al instrumento informar simultáneamente sobre todos los gases respirados por el paciente. Si bien el rango de masas se limitaba a poco más de 120 u , la fragmentación de algunas de las moléculas más pesadas eliminó la necesidad de un límite de detección más alto. ^{[ 79 ]}

La función principal de la espectrometría de masas es como herramienta para análisis químicos basados ​​en la detección y cuantificación de iones según su relación masa-carga. Sin embargo, la espectrometría de masas también se muestra prometedora para la síntesis de materiales. ^{[ 61 ]} El aterrizaje suave de iones se caracteriza por la deposición de especies intactas en superficies a bajas energías cinéticas, lo que impide la fragmentación de las especies incidentes. ^{[ 80 ]} La técnica de aterrizaje suave se informó por primera vez en 1977 para la reacción de iones que contienen azufre de baja energía sobre una superficie de plomo. ^{[ 81 ]}

La mayoría de los espectrómetros de masas miden la relación masa-carga; la masa real solo se puede determinar si se conoce la carga. Para moléculas pequeñas, la carga se puede determinar a partir del espaciado de los picos isotópicos, pero para biomoléculas y partículas muy grandes (en el rango de megadaltons), la resolución puede no ser suficiente para separar los picos isotópicos y, por lo tanto, no se puede determinar la masa. En la espectrometría de masas con detección de carga (CDMS), la carga de un ion/partícula individual se mide directamente (junto con su relación masa-carga) y, por lo tanto, se conoce la masa real. Es una técnica de partícula única, pero para obtener resultados más precisos y exactos, se pueden combinar los datos de muchos iones medidos individualmente. ^{[ 82 ] [ 83 ]}