Introducción a la espectrometría de masas

La espectrometría de masas es una técnica analítica que permite la identificación y cuantificación de compuestos desconocidos dentro de una muestra, y la determinación de su estructura.

En espectrometría de masas, los iones en fase gaseosa se generan a partir de los átomos o moléculas de una muestra. A continuación, los iones se separan en función de su relación masa-carga, simbolizada por m/z.

Esta separación permite la determinación de información cuantitativa y cualitativa sobre una muestra, como su masa y estructura.

Este video presentará los conceptos básicos y la instrumentación de la espectrometría de masas, y demostrará su uso en la cuantificación de elementos.

Un espectrómetro de masas está compuesto por una fuente de ionización, un analizador de masas y un detector. En la fuente de ionización, los compuestos se ionizan, generalmente a una sola carga positiva.

Los iones se pueden generar utilizando varias técnicas, como el impacto con un haz de electrones, plasma o láseres, cada una de las cuales da como resultado una variedad de fragmentaciones que ayudan en la determinación de la estructura molecular. Estos métodos se agrupan vagamente en ionización "dura" y "suave".

Las técnicas de ionización dura causan una fragmentación extensa, lo que resulta en más fragmentos de menor masa.

Las técnicas de ionización blanda dan como resultado una fragmentación menor, o casi nula, con un rango de masa molecular alto.

Si la fragmentación es demasiado grande, se puede perder información valiosa de la estructura. Si es demasiado poco, las moléculas pequeñas no se ionizarán de manera eficiente. Por lo tanto, la selección de un método de ionización depende del analito de interés y del grado de fragmentación deseado.

A continuación, los iones se aceleran en un campo eléctrico a medida que entran en el analizador de masas, donde se separan.

El analizador de masas más básico es un sector magnético, que está compuesto por un imán curvo que produce un campo magnético homogéneo. La fuerza de atracción del imán, más la fuerza centrífuga de los iones en aceleración, hace que viajen en una trayectoria circular a través de la curva.

El radio de la trayectoria circular de los iones depende del voltaje de aceleración, el campo magnético aplicado y la relación masa-carga.

Luego, el voltaje y el campo magnético se pueden seleccionar para permitir solo ciertas especies de relación masa-carga a través de la trayectoria curva. Otros iones chocan contra los lados de la vía magnética y se pierden. Al escanear la intensidad del campo magnético, los iones deseados llegan al detector en diferentes momentos, identificando así cada especie con precisión.

Otro tipo de analizador de masas es el filtro de masas cuadrupolar. El cuadrupolo consta de dos pares de varillas metálicas paralelas, cada par de varillas opuestas conectadas eléctricamente.

Se aplica un voltaje de corriente continua a los pares de varillas y sus potenciales se alternan continuamente para que los pares estén siempre desfasados entre sí.

A continuación, el haz de iones se dirige a través del centro de las cuatro varillas. Los iones viajan en un camino similar a un sacacorchos, debido a la constante atracción y repulsión de las varillas. Dependiendo de la relación masa-carga de los iones, el ion recorrerá el camino completo del cuadrupolo y llegará al detector, o se estrellará contra las barras.

Ahora que se han descrito los conceptos básicos del espectrómetro de masas, echemos un vistazo a su uso en el laboratorio.

El espectrómetro de masas utilizado en este experimento es un ionizador de plasma acoplado inductivamente, o ICP, con un filtro cuadrupolar. El instrumento se utilizará para detectar y cuantificar un componente metálico en una muestra.

Para comenzar el experimento, llene todos los tubos de polipropileno con 5 mL de ácido clorhídrico 0,1 M para eliminar cualquier rastro contaminante de hierro. Coloque los tubos en un baño de agua durante 1 h a 50 ?C.

Después de la incubación, lave los tubos con 5 mL de agua desionizada y seque los tubos en un horno o campana química.

En los tubos limpios, agregue 1,8 mL de ácido nítrico concentrado y 200 ? L de la muestra que contiene el isótopo de interés.

Siga las precauciones de seguridad cuando use ácido concentrado.

Coloque los tubos en un baño de agua durante la noche. La temperatura se puede aumentar para acortar el tiempo de digestión, si es necesario.

Después de digerir la muestra, deje que los tubos se enfríen a temperatura ambiente.

A continuación, añadir 8 mL de agua desionizada para diluir las muestras, y obtener una concentración de ácido nítrico inferior al 20%. La dilución final de la muestra es 1/50. La concentración ideal para ICP está en el rango de partes por billón. Centrifugar los tubos para granular los residuos macroscópicos restantes.

ICP es un método de ionización dura que utiliza plasma de argón acoplado a unos 10.000 ? C que es conductor de electricidad para ionizar las moléculas de la muestra.

Comience la configuración del instrumento inspeccionando la antorcha ICP para asegurarse de que esté limpia.

Luego, inspeccione el muestreador y los conos del skimmer para asegurarse de que también estén limpios. Estos conos permiten el muestreo de solo la parte interna del haz de iones generado por la antorcha ICP y actúan como una barrera para el alto vacío del espectrómetro de masas.

Compruebe la presión de argón y encienda el enfriador. Inicie el flujo de plasma y líquido en el sistema. Espere 20 minutos para que el sistema se caliente por completo.

A continuación, aspire una solución de prueba estándar, que contiene varios estándares elementales conocidos. La solución de prueba debe seleccionarse para cubrir el rango de masa esperado de la solución de analito.

Cuando se establezca el flujo de solución, inicialice y pruebe el instrumento de acuerdo con las pautas del fabricante.

Para ejecutar el instrumento, primero seleccione los elementos e isótopos de interés. A continuación, configure el modo de escaneo en salto de pico.

Seleccione cinco réplicas por medición. Establezca cada réplica para que contenga 40 barridos de medición, cada barrido con un tiempo de permanencia de 50 ms. El tiempo total de integración es de 2.000 ms por réplica.

Prepare una curva de calibración para los elementos de elección midiendo soluciones estándar preparadas previamente.

Finalmente, ejecute la muestra, en este caso, nanopartículas de óxido de hierro. Determine la concentración de hierro utilizando la curva de calibración de hierro.

La espectrometría de masas se utiliza en una amplia gama de aplicaciones que utilizan diversas técnicas de ionización y análisis de masas.

En este ejemplo, se utilizó un tipo de espectrometría de masas de ionización suave, llamada tiempo de vuelo de ionización por desorción láser asistida por matriz, o MALDI-TOF, para analizar proteínas de alto peso molecular. Con MALDI, las moléculas se estabilizan con una matriz, para disminuir el fraccionamiento cuando las moléculas grandes se ionizan.

La solución proteica y la matriz se localizaron en la placa MALDI limpia y se secaron. Se insertó la placa MALDI en el instrumento y se analizó la muestra.

El análisis de compuestos volátiles y sensibles a la oxidación se midió mediante espectrometría de masas de ionización electrónica, una técnica de ionización dura.

En primer lugar, se diseñó un sistema de tubos con cerradura para permitir la evacuación completa del tubo, seguido de la carga de la muestra bajo enfriamiento mediante nitrógeno líquido.

El tubo de muestra se conectó al puerto de entrada y la muestra se cargó en el instrumento. A continuación, se analizó el espectro de masas de la muestra, en este caso tris(trifluorometilo) fosfato.

Se utilizó un espectrómetro de masas de haz molecular acoplado a radiación de sincrotrón para explorar la estructura electrónica de las moléculas y grupos de moléculas en fase gaseosa.

El haz molecular, integrado con la radiación de sincrotrón, proporcionó un método de ionización selectiva para sondear moléculas en la fase gaseosa.

La muestra se cargó en la boquilla, la boquilla se recargó en el instrumento y se permitió que el haz de fotones entrara en la cámara.

A continuación, se recopiló el espectro de masas y se comparó con los datos de eficiencia de fotoionización para determinar la estructura electrónica de las moléculas.

Acabas de ver la introducción de JoVE a la espectrometría de masas. Ahora debería comprender la instrumentación básica de la espectrometría de masas y cómo ejecutar un análisis básico basado en espectrometría de masas.

¡Gracias por mirar!