espectrómetro de masas en miniatura

Un espectrómetro de masas en miniatura ( MMS ) es un tipo de espectrómetro de masas (MS) de tamaño y peso reducidos, que puede considerarse un dispositivo portátil o de mano. Se ha analizado en detalle qué significa ser portátil y los criterios para evaluar los espectrómetros de masas portátiles y en miniatura. ^{[ 1 ]} Sin embargo, los espectrómetros de masas actuales a escala de laboratorio suelen pesar cientos de libras y su precio oscila entre miles y millones de dólares. Uno de los objetivos de la producción de MMS es el análisis in situ . Este análisis in situ simplifica considerablemente el funcionamiento del espectrómetro de masas, permitiendo que personal no técnico, como médicos en la cabecera del paciente, bomberos en una fábrica en llamas, inspectores de seguridad alimentaria en un almacén o personal de seguridad aeroportuaria en los controles de seguridad, analicen las muestras por sí mismos, ahorrando tiempo, esfuerzo y costes al evitar que un técnico especializado en MS analice la muestra fuera del laboratorio. Si bien la reducción del tamaño del MS puede conllevar un rendimiento inferior al de los estándares actuales de los laboratorios analíticos, el MMS está diseñado para mantener resoluciones, límites de detección, precisión y, sobre todo, capacidad de funcionamiento automático suficientes. Estas características son necesarias para las aplicaciones in situ específicas de MMS mencionadas anteriormente. ^{[ 2 ]}

En la espectrometría de masas típica, la MS se acopla con herramientas de separación como la cromatografía de gases , la cromatografía líquida o la electroforesis para reducir el efecto de la matriz o el fondo y mejorar la selectividad, especialmente cuando los analitos tienen concentraciones muy diferentes. La preparación de la muestra, que incluye la recolección, la extracción y la preseparación, aumenta el tamaño del sistema de análisis de masas y añade tiempo y complejidad al análisis. Muchas contribuciones promueven la miniaturización de los dispositivos y la simplificación de las operaciones. Se ha implementado un micro-GC para adaptarlo a un sistema MS portátil. ^{[ 3 ]} Además, la microfluídica es una candidata competente para MMS y la automatización de la preparación de muestras. En esta técnica, la mayoría de los pasos para la preparación de muestras se realizan de forma similar a los sistemas de laboratorio, pero se utilizan dispositivos basados ​​en chips miniatura con un bajo consumo de muestra y disolventes. Una forma de sortear los sistemas clásicos de introducción de muestras en laboratorio es el uso de ionización ambiental , ya que no requiere acoplamiento mecánico ni eléctrico a un MMS y puede generar iones en la atmósfera abierta sin preparación previa de la muestra, ^{[ 4 ]} pero a costa de requisitos más rigurosos del sistema de vacío. Se ha demostrado que diferentes métodos de ionización ambiental, incluyendo plasma de baja temperatura, pulverización sobre papel y pulverización de extracción, son altamente compatibles con MMS. ^{[ 5 ]} Una revisión rigurosa de las fuentes de ionización ambiental en el contexto de la espectrometría de masas portátil y en miniatura ha desarrollado un conjunto de criterios mediante los cuales se puede evaluar el rendimiento y la portabilidad. ^{[ 6 ]} Sin acoplamiento de separación, los bloques de construcción básicos en MMS, que son similares en composición a su contraparte de laboratorio convencional, son la entrada de muestra, la fuente de ionización , los analizadores de masas, el detector , el sistema de vacío, el control del instrumento y el sistema de adquisición de datos . ^{[ 7 ]} Los tres componentes más importantes en MMS que contribuyen a la miniaturización son el analizador de masas, el sistema de vacío y el sistema de control electrónico. Reducir el tamaño de cualquiera de los componentes es beneficioso para la miniaturización. Sin embargo, cabe destacar que minimizar el tamaño del analizador puede mejorar considerablemente la miniaturización de los demás componentes, especialmente del sistema de vacío, ya que el analizador es el factor determinante de la presión para el análisis por espectrometría de masas y la fabricación de la interfaz de presión.

Los analizadores de masas más pequeños requieren un sistema de control más pequeño para generar un campo eléctrico y un campo magnético adecuados , dos campos fundamentales que separan los iones según su relación masa-carga . Dado que un circuito compacto puede generar un campo eléctrico intenso, la reducción del tamaño del sistema generador de voltaje no afecta significativamente la miniaturización de la espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOF) ni de los sectores eléctricos que utilizan únicamente el campo eléctrico para separar los iones.

En principio, el campo electromagnético depende principalmente de la forma de los analizadores de masas. Por lo tanto, un imán más pequeño que se ajusta a un espectrómetro de masas de tamaño reducido disminuye significativamente el peso del sistema. En la práctica, al reducir el tamaño, las geometrías del analizador de masas se distorsionan. Por ejemplo, un menor volumen en la trampa de iones conlleva una menor capacidad de atrapamiento y, por consiguiente, una pérdida de resolución y sensibilidad. Sin embargo, mediante el uso de espectrometría de masas en tándem, la resolución y la selectividad pueden mejorarse considerablemente en mezclas complejas. En general, los analizadores de masas de tipo haz, como los analizadores de masas TOF y de sector, son mucho más grandes que los de tipo trampa de iones, como la trampa de Paul , la trampa de Penning o la espectrometría de masas de resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier (FT-ICR). Además, los analizadores de masas de trampa de iones pueden utilizarse para realizar espectrometría de masas en tándem ( MS/MS) multietapa en un solo dispositivo. Por consiguiente, las trampas de iones han recibido una atención predominante en la construcción de un espectrómetro de masas de masas (MMS).

El objetivo de utilizar el vacío es eliminar la señal de fondo y evitar colisiones intermoleculares, proporcionando así un largo recorrido libre medio para los iones. El sistema de vacío, incluyendo las bombas de vacío y el colector de vacío con sus diversas interfaces, suele ser la parte más pesada y la que consume más energía en un espectrómetro de masas. En el caso de TOF, si se reduce la longitud de la región de deriva, la presión dentro de la región puede operarse a un valor más alto, ya que la región de colisión libre se mantiene durante una corta distancia de recorrido de los iones. Como resultado, el sistema de vacío requiere menos energía para su funcionamiento. Para un analizador de masas de tipo trampa, dado que los iones quedan atrapados en el dispositivo durante largos períodos y la longitud de la trayectoria acumulada es mucho mayor que el tamaño del analizador de masas, la reducción del tamaño del analizador de masas puede no afectar directamente a la presión de funcionamiento adecuada. Se han desarrollado configuraciones de bombas turbomoleculares miniatura similares a las de los instrumentos de laboratorio para que sean compatibles con MMS. Para el bombeo de alto vacío, también se han mejorado las bombas turbomoleculares . Un espectrómetro de masas Thermo Fisher Orbitrap utilizó tres bombas turbomoleculares en modo LC-MS para lograr un vacío inferior a 10⁻¹⁰ ^torr .

Recientemente, una bomba turbomolecular de Creare, Inc.™ pesa solo 500 g y necesita menos de 18 W de potencia para funcionar. La bomba puede proporcionar un vacío máximo inferior a 10⁻⁸ ^torr , que es mucho menor que la presión de funcionamiento necesaria para un MMS. ^{[ 12 ]}

Uno de los grupos líderes en la academia para la creación de MMS de trampa de iones es el Prof. Graham Cooks con su profesor asociado Zheng Ouyang en la Universidad de Purdue. Han construido una serie de mini espectrómetros de masas basados ​​en trampa de iones cuadrupolar llamados Mini 10, Mini 11, Mini 12. ^{[ 13 ]} El grupo utilizó el espectrómetro de masas Mini 10 que pesa 10  kg para analizar proteínas, péptidos y alcaloides en materiales vegetales complejos con ionización por electrospray ESI e ionización por paperspray. ^{[ 14 ]} El grupo utilizó baja radiofrecuencia de eyección de iones resonante para aumentar el rango de masas hasta proteínas de 17 000 Da. Para la interfaz de la fuente ESI con MMS,  se fabricó un capilar de acero inoxidable de 10 cm para transferir los iones directamente al colector de vacío. La alta presión resultante de 20 mTorr, que es varios órdenes de magnitud mayor que la utilizada en espectrómetros de masas a escala de laboratorio, se compensa mediante el uso de la trampa de iones rectilínea tolerante a la presión. ^{[ 15 ]} Uno de los componentes clave de este MMS es el turbo-bump comercial y el MS puede operar a 10 ⁻³ torr. Para superar el problema de la introducción continua de la muestra debido al pequeño tamaño de la bomba, el grupo desarrolló una técnica llamada introducción discontinua a presión atmosférica (DAPI). Esta técnica realiza análisis químicos directos sin pretratamiento de la muestra y permite el acoplamiento de espectrómetros de masas en miniatura a fuentes de ionización a presión atmosférica, incluyendo ESI, ionización química a presión atmosférica (APCI) y varias fuentes de ionización ambiental. Los iones se transfieren desde la fuente de ionización y se mantienen en una válvula de punzón y se inyectan al MS periódicamente. El rendimiento de un espectrómetro de masas portátil Mini-10 se actualizó con el modo de iones negativos para detectar compuestos explosivos y materiales peligrosos a nivel de picogramos, lo que es altamente aplicable para el control de equipaje en aeropuertos. ^{[ 4 ] [ 16 ]} El Mini-11 de 8,5  kg y el  Mini-12 de 25 kg pueden producir espectros de masas con una resolución de hasta m/z 600, un rango que lo hace útil para estudiar metabolitos, lípidos y otras moléculas pequeñas. El grupo también desarrolló e incorporó una plataforma microfluídica digital al MMS con la aplicación de extraer y cuantificar fármacos en la orina. El Mini 12 puede realizar MS ⁵ y analizar directamente muestras complejas como sangre entera, alimentos sin tratar y muestras ambientales, sin preparación de la muestra ni separación cromatográfica. ^{[ 17 ]}

1st Detect presentó el MMS 1000, un espectrómetro de masas de trampa de iones cilíndrica con capacidad MS/MS. Algunas de sus características destacadas son un amplio rango de masas (35-450 Da), alta resolución (<0,5 Da FWHM) y un rápido tiempo de análisis (>=0,5 s). El caudal de entrada puede ser elevado, hasta 600 ml/min, sin necesidad de bombas externas ni gases portadores. El MMS 1000 incorpora un preconcentrador no criogénico. Este acoplamiento mejora la sensibilidad hasta 10⁵ ^con una velocidad de análisis de 30 s. Los espectrómetros de masas miniaturizados de 1st Detect se utilizan en diversas aplicaciones, como seguridad nacional, aplicaciones militares, análisis de aliento, detección de fugas y control de calidad ambiental e industrial. El MMS 1000 fue diseñado originalmente para la NASA con el fin de monitorizar la calidad del aire en la Estación Espacial Internacional. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

908 Devices presentó un espectrómetro de masas portátil que utiliza espectrometría de masas de alta presión, el M908, con un peso de 2  kg y un detector multifásico para sólidos, líquidos y gases. ^{[ 20 ]} Por otro lado, Microsaic Systems en Surrey, Reino Unido, desarrolla espectrómetros de masas de cuadrupolo simple llamados 3500 y 4000 MiD. Estos analizadores de masas se utilizan para apoyar la química de procesos farmacéuticos. ^{[ 19 ]}

También se han fabricado otros instrumentos MMS utilizando analizadores de masas de trampa de iones, entre ellos el Tridion-9 GCMS de TorionInc, ahora parte de Perkin Elmer (AmericanFork, Utah), el GC/QIT del Laboratorio de Propulsión a Chorro y el Chemsense 600 de Griffin Analytical Technology LLC. (West Lafayette, Indiana). ^{[ 21 ]}

Otro ejemplo es Girgui, de la Universidad de Harvard, quien construyó un espectrómetro de masas de metano (MMS) basado en espectrómetros de masas subacuáticos (UMS) existentes, capaces de operar bajo el agua para estudiar la influencia de los microbios en el contenido de metano e hidrógeno del océano. Trabajó con un ingeniero mecánico para integrar un analizador de masas cuadrupolar comercial de Stanford Research Systems, una turbobomba Pfeiffer HiPace80 y un extractor de gas personalizado en un cilindro de 25  cm × 90  cm. El costo total fue de aproximadamente $15,000. ^{[ 9 ]}

El Instituto de Investigación de Instrumentación Analítica de Corea también desarrolló un espectrómetro de masas portátil. Su tamaño y peso se redujeron a 1,54  L y 1,48  kg respectivamente, y consume  solo 5 W de potencia. El PPMS se basa en cuatro trampas de iones de disco paralelas, una pequeña bomba de captación de iones y un microordenador. El PPM puede realizar el escaneo de masas de iones de hasta m/z 300 y detectar la concentración en ppm de gases orgánicos disueltos en el aire. ^{[ 22 ]}

La Sociedad de Espectrometría de Masas en Entornos Extremos ^{[ 23 ]} organiza un taller bianual centrado en la espectrometría de masas in situ en entornos extremos, como las profundidades oceánicas, los cráteres volcánicos o el espacio exterior, que requieren alta fiabilidad, operación autónoma o remota, robustez y mínimo tamaño, peso y consumo de energía. Los archivos del taller incluyen aproximadamente 100 presentaciones centradas en el diseño y la aplicación de espectrómetros de masas en miniatura. Por ejemplo, en el 8.º Taller de Espectrometría de Masas en Entornos Extremos, un grupo de científicos presentó su estudio sobre la utilización de instrumentación ligera basada en espectrometría de masas y pequeñas plataformas de vehículos aéreos no tripulados (UAV) para el análisis in situ de plumas volcánicas en los volcanes Turrialba y Arenal (Costa Rica). Se integraron en una aeronave espectrómetros de masas en miniatura que utilizan  un transceptor cuadrupolar de varillas miniatura de 18 mm para operar a presión mTorr, una bomba de arrastre turbomolecular en miniatura y recursos como un pequeño conjunto de sensores alimentados por batería MiniGas con sistema de control de micro PC integrado y un sistema de telemetría para adquirir imágenes 4D de una columna volcánica en erupción. ^{[ 21 ]}