analizador de masas cuadrupolar

En espectrometría de masas , el analizador de masas cuadrupolar (o filtro de masas cuadrupolar ) es un tipo de analizador de masas concebido originalmente ^{[ 1 ]} por el premio Nobel Wolfgang Paul y su alumno Helmut Steinwedel. Como su nombre indica, consta de cuatro varillas cilíndricas dispuestas paralelamente entre sí. ^{[ 2 ]} En un espectrómetro de masas cuadrupolar (QMS), el cuadrupolo es el analizador de masas , el componente del instrumento responsable de seleccionar los iones de la muestra en función de su relación masa-carga ( m/z ). Los iones se separan en un cuadrupolo en función de la estabilidad de sus trayectorias en los campos eléctricos oscilantes que se aplican a las varillas. ^{[ 2 ]}

El cuadrupolo consta de cuatro varillas metálicas paralelas. Cada par de varillas opuestas está conectado eléctricamente, y se aplica un voltaje de radiofrecuencia (RF) con un voltaje de compensación de CC entre un par de varillas y el otro. Los iones viajan a lo largo del cuadrupolo entre las varillas. Solo los iones con una determinada relación masa-carga llegarán al detector para una relación de voltajes dada; otros iones tienen trayectorias inestables y colisionarán con las varillas. Esto permite seleccionar un ion con una relación m/z particular o permite al operador escanear un rango de valores de m/z variando continuamente el voltaje aplicado. ^{[ 2 ]} Matemáticamente, esto se puede modelar con la ayuda de la ecuación diferencial de Mathieu . ^{[ 3 ]}

Idealmente, las varillas son hiperbólicas ; sin embargo, las varillas cilíndricas con una relación específica entre el diámetro y la separación proporcionan una aproximación adecuada a las hipérbolas, más fácil de fabricar. Pequeñas variaciones en esta relación tienen grandes efectos en la resolución y la forma del pico. Los distintos fabricantes eligen relaciones ligeramente diferentes para ajustar con precisión las características operativas en función de los requisitos previstos de la aplicación. Desde la década de 1980, la empresa MAT y, posteriormente, Finnigan Instrument Corporation utilizaron varillas hiperbólicas fabricadas con una tolerancia mecánica de 0,001 mm, cuyo proceso de producción exacto era un secreto bien guardado dentro de la empresa. ^{[ 4 ]}

Un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo , compuesto por una serie lineal de tres cuadrupolos , actúa como filtro de masas (Q₁ y Q₃). El primer cuadrupolo (Q₁ _{) y} el tercero ( _Q₃ ) funcionan como filtros de masas, mientras que el cuadrupolo central (Q₂) se utiliza como celda de colisión. Esta celda de colisión es un cuadrupolo de radiofrecuencia (sin filtrado de masas) que emplea gas Ar, He o N₂ ₍ ~10⁻³ ^Torr , ~30 eV) para la disociación inducida por colisión de iones precursores seleccionados de Q₁ _. Los fragmentos resultantes se envían a Q₃, _donde pueden filtrarse o analizarse completamente.

Este proceso permite estudiar fragmentos útiles para la elucidación estructural mediante espectrometría de masas en tándem . Por ejemplo, el _cuadrupolo Q1 puede configurarse para filtrar un ion de fármaco de masa conocida, que se fragmenta en el cuadrupolo Q2 _. El tercer cuadrupolo (Q3 ₎ puede configurarse para escanear todo el rango m/z , proporcionando información sobre las intensidades de los fragmentos. De este modo, se puede deducir la estructura del ion original.

La disposición de tres cuadrupolos fue desarrollada por primera vez por Jim Morrison de la Universidad La Trobe en Australia con el propósito de estudiar la fotodisociación de iones en fase gaseosa. ^{[ 5 ]} El primer espectrómetro de masas de triple cuadrupolo fue desarrollado en la Universidad Estatal de Michigan por Christie Enke y el estudiante de posgrado Richard Yost a finales de la década de 1970. ^{[ 6 ]}

Los cuadrupolos pueden utilizarse en espectrómetros de masas híbridos . Por ejemplo, un instrumento de sector puede combinarse con un cuadrupolo de colisión y un analizador de masas de cuadrupolo para formar un instrumento híbrido. ^{[ 7 ]}

Un cuadrupolo de selección de masas y un cuadrupolo de colisión con un dispositivo de tiempo de vuelo como segunda etapa de selección de masas es un híbrido conocido como espectrómetro de masas de tiempo de vuelo de cuadrupolo (QTOF MS). ^{[ 8 ] [ 9 ]} También son posibles las configuraciones de cuadrupolo-cuadrupolo-tiempo de vuelo (QqTOF) y se utilizan especialmente en la espectrometría de masas de péptidos y otros polímeros biológicos grandes. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Von Zahn inventó una variante del analizador de masas cuadrupolar llamada monopolo, que funciona con dos electrodos y genera un cuarto del campo cuadrupolar. ^{[ 12 ]} Tiene un electrodo circular y otro en forma de V. Sin embargo, su rendimiento es inferior al de un analizador de masas cuadrupolar.

Se ha demostrado que el rendimiento del analizador de masas cuadrupolar mejora al aplicarle un campo magnético. Se han reportado múltiples mejoras en la resolución y la sensibilidad al aplicar un campo magnético en diversas orientaciones a un QMS. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Estos espectrómetros de masas destacan en aplicaciones donde se estudian iones específicos, ya que pueden mantener la señal enfocada en un solo ion durante periodos prolongados. Esto resulta útil, por ejemplo, en cromatografía líquida-espectrometría de masas o cromatografía de gases-espectrometría de masas, donde funcionan como detectores de alta especificidad. Los instrumentos de cuadrupolo suelen tener un precio razonable y son adecuados como instrumentos multipropósito. Un espectrómetro de masas de cuadrupolo simple con ionizador de impacto electrónico se utiliza como analizador independiente en analizadores de gases residuales , analizadores de gases en tiempo real, diagnóstico de plasma y sistemas de análisis de superficies SIMS .

• resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier
• imán cuadrupolar
• Enfriador de haz cuadrupolar de radiofrecuencia