INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
TUXTEPEC
ESPECTROSCOPÍA DE
MASAS
DOCENTE
ASIGNATURA
PRESENTAN
SEMESTRE
: María Araceli Gallegos Vázquez
: Análisis Instrumental
: Yamilet Carmona Francisco
: 4ºA
14 DE MAYO DE 2022
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Análisis por Espectrometría de Masas: Tipos de Ionización y Aplicaciones, Apuntes de Metodología de Investigación
Una introducción a la espectrometría de masas, incluyendo diferentes modos de ionización como impacto electrónico, ionización química y análisis directo en tiempo real. Se discuten las aplicaciones de este método en campos como la biomédica, medioambiental y la industria. Además, se explica el funcionamiento básico del espectrómetro de masas y los diferentes tipos de fuentes de ionización.
Tipo: Apuntes
2021/2022
1 / 15
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE
TUXTEPEC
ESPECTROSCOPÍA DE
MASAS
DOCENTE
ASIGNATURA
PRESENTAN
SEMESTRE
: María Araceli Gallegos Vázquez
: Análisis Instrumental
: Yamilet Carmona Francisco
: 4 ºA
14 DE MAYO DE 2022
INTRODUCCIÓN
Actualmente la espectrometría de Masas es una de las técnicas analíticas más versátiles para identificar compuestos desconocidos, para cuantificar compuestos conocidos y para elucidar una estructura desconocida. Todo esto con cantidades muy pequeñas (picogramos o menos). La Espectrometría de masas suministra información valiosa a un amplio rango de profesionales químicos, físicos, astrónomos y biólogos, por nombrar algunos. Resumiendo, podemos decir que la Espectrometría de Masas es el arte de medir átomos y moléculas para determinar su peso molecular. La información es algunas veces suficiente, frecuentemente necesaria y siempre útil para determinar la identidad de una especie. Este gran desarrollo es debido a la gran variedad de instrumentos y modos de ionización que existen, dependiendo del tipo de muestra existe un instrumento especifico, los modos de ionización más usados son: impacto electrónico (IE) para moléculas termoestables se observa generalmente demasiada fragmentación, pero muy importante para la elucidación estructural. Y a veces el ión molecular es muy pequeño o no se observa; ionización química (IQ) es una extensión del impacto electrónico utiliza un gas ionizante que reacciona con moléculas en fase gaseosa, se observa poca fragmentación, pero se forman iones moleculares más un protón con una intensidad muy alta, en ocasiones es el pico base del espectro; tanto en IE como en IQ se llegan observar iones moleculares de 1000 Daltons. Otro modo de ionización es el bombardeo rápido de átomos (FAB) se utiliza para sustancias termolábiles (carbohidratos, péptidos, organometálicos) la condición de estos es que sean solubles en una matriz como m-nitrobencilalcohol, glicerol que posteriormente son bombardeadas directamente con átomos acelerados neutros de Xe o Cs, se han observado pesos moleculares de 3000 daltons. Análisis directo en tiempo real (DART) es un novedoso modo de ionización recientemente desarrollado (2005) este modo de ionización es un híbrido de impacto electrónico, ionización química y bombardeo rápido de átomos, no requiere preparación previa de la muestra, utiliza helio en estado excitado a temperatura variable (300 a 450oC.) Reacciona con vapor de agua presente en medio ambiente para formar el ion hidronio y este reacciona con la muestra en fase de vapor todo este proceso se lleva
(Figura 1), el cual los iones que pasen por ese detector producen una señal eléctrica que es enviada a un ordenado generando así un gráfico (picos cromatográficos) permitiendo así analizar el compuesto mediante los patrones de fragmentación y sus relaciones m/z apropiadas, detectado la presencia, cuantificación y estructura química del analito. Existen diversas formas o fuentes de ionización de las moléculas, dependiendo de las propiedades físico-químicas de las mismas, en donde los más usados son el ESI (Electrospray ionization) y el MALDI-TOF (Desorción/Ionización láser asistida por matriz). En donde el ESI en un método de electrospray que consiste en pasar los analitos en disolución por un fino capilar que presenta un campo magnético interno y presión de flujo elevado, es usado para analizar compuestos pesados y es usado en proteómica y en petroleómica (análisis de petróleo). Por otro lado, el MALDI-TOF es muy usado en proteómica para la identificación y caracterización estructural de biomoléculas, realiza una ionización suave, permitiendo la vaporización de moléculas no volátiles que sean termolábiles como las proteínas, lípidos, permite la identificación rápida de hongos, virus, bacterias, y esta fuente de ionización sirve para ionizar proteínas mediante una matriz orgánica cargada de electrones, donde las proteínas son polimerizadas en la matriz y se hace incidir un láser sobre esas
muestras, vaporizando así las proteínas de la matriz, capturando electrones cuando salen ionizadas. Finalmente, los gráficos (espectro) son generados por el equipo computo que se encuentra acoplado con el espectrómetro de masas en donde los resultados son presentados en gráficos de barras, en el cual el eje X indica la abundancia (porcentajes) del fragmento perteneciente a la muestra analizada y el eje Y indica la relación masa/carga de los fragmentos, indicando así mismo el mayor valor m/z la masa molecular del analito entero estudiado (Figura 2).
INSTRUMENTOS
Básicamente un espectrómetro de masas costa esencialmente de las siguientes partes:
- Sistema de entrada de muestras.
- Cámara de ionización.
- Acelerador.
- Analizadores.
- Detector.
Las fuentes de iones de los espectrómetros de masas, tienen todas unas características comunes, pese a la variabilidad de tipos existente y es que todas transforman los componentes de una muestra en iones. En muchos casos el sistema de entrada y la fuente de iones están combinados en un único componente. En todos los casos, se obtiene un haz de iones positivos o negativos (normalmente positivos) que posteriormente se acelera hacia el interior del analizador de masas o sistema separador a través del acelerador. (Skoog, Hiller, Hieman, 2000, 212). La formación de iones del analito es el punto de arranque de arranque de un análisis por espectrometría de masas. El aspecto de los espectros de masas para distintas especies moleculares, depende en gran medida del método utilizado para la formación de los iones. Estos métodos los podemos dividir en dos categorías:
- Fuentes de fase gaseosa: en estas primero se volatiliza la muestra y luego se ioniza. Están generalmente restringidas a compuestos térmicamente estables que tengan puntos de ebullición menores de unos 500ºC. En la mayoría de los casos, estos requerimientos limitan la utilización de las fuentes de fase gaseosa a compuestos con pesos moleculares menores de unos 103 Daltons. Son aplicables a muestras no volátiles y térmicamente inestables (Harvey, 2002,
- Normalmente los espectrómetros de masas están equipados con accesorios que permiten intercambiar ambos tipos de fuentes. Son aplicables a compuestos que tienen pesos moleculares superiores de 1000 Daltons.
- Fuentes de desorción: es estas la muestra en estado sólido o líquido, se transforman directamente en iones gaseosos.
Son aplicables a muestras no volátiles y térmicamente inestables (Harvey, 2002,
- Normalmente los espectrómetros de masas están equipados con accesorios que permiten intercambiar ambos tipos de fuentes. Son aplicables a compuestos que tienen pesos moleculares superiores de 100000 Daltons. Las fuentes de iones se pueden clasificar también en fuentes duras y fuentes blandas.
- Fuentes duras: comunican suficiente energía a las moléculas para que estén en un estado de energía altamente excitado. La relajación posterior, implica la rotura de las uniones produciendo iones fragmentados. Su espectro da lugar a muchos picos y nos da información acerca de la naturaleza de los grupos funcionales e información estructural de los analitos.
- Fuentes blandas: dan lugar a poca fragmentación y el resultado es un espectro con muy pocos picos dándonos información útil ya que nos permite la determinación exacta del peso molecular de la molécula o moléculas
- Sistema acelerador. En el sistema acelerador las partículas ionizadas producidas por el impacto de los electrones son obligados a atravesar una primera ranura aceleradora por una pequeña diferencia de potencial. Entre esta primera y una segunda ranura existe una diferencia de potencial muy elevada que imprime a las partículas su velocidad final. Una tercera ranura actúa como colimador del haz de partículas.
- Analizadores de masa. Para la separación de iones con diferente relación m/e se dispone de varios dispositivos. Lo ideal es que el analizador fuera capaz de distinguir entre diferencias muy pequeñas de masa. Además, los analizadores deberían de permitir el paso del número suficiente para producir corrientes iónicas fáciles de medir. Al igual que sucede con los monocromadores ópticos, a los que los analizadores son análogos,
periodos de tiempo por la acción de campos eléctricos y/o magnéticos. Los espectrómetros de trampa de iones son más robustos, compactos y más económicos que los anteriores.
- Transformada de Fourier (FT): Como sucede con los instrumentos de infrarrojo y de resonancia magnética nuclear, los espectrómetros de masas de transformada de Fourier proporcionan mejores relaciones señal/ruido, velocidades mayores y sensibilidad y resolución más elevadas. La parte fundamental de un instrumento de transformada de Fourier es una trampa de iones en la cual los iones circulan en órbitas bien definidas durante largos periodos. Tales cavidades se construyen aprovechando el fenómeno de resonancia iónica ciclotrónica. La resolución es espectrometría de masas de transformada de Fourier está limitada por la precisión en la medida de la frecuencia más que por las rendijas o las medidas de campo (Plasencia, 2003, 16 - 17). Es posible alcanzar una resolución extremadamente elevada (superior a 106) dado que las medidas de frecuencia se pueden realizar con elevada precisión.
- Detectores. Los iones procedentes del sistema acelerador llegan al detector el cual generalmente esta constituido por un cátodo emisor que al recibir el impacto producido por las partículas cargadas emite electrones. Estos electrones son acelerados hacia un dínodo el cual emite varios electrones más al recibir el impacto de cada electrón. Este proceso se repite varias veces hasta obtenerse una cascada de electrones que llega al colector lográndose una corriente fuertemente amplificada, por un procedimiento muy similar al que se utiliza en los tubos fotomultiplicadores. La corriente obtenida puede amplificarse de nuevo por procedimientos electrónicos y se lleva a un sistema registrador.
APLICACIONES
Las aplicaciones son tan numerosas y abarcan tantos campos que resulta complicado citarlas todas, a continuación, veremos las más características:
- Elucidación de la estructura de moléculas orgánicas y biológicas.
- Determinación del peso molecular de péptidos, proteínas y oligonucleicos.
- Identificación de los compuestos de cromatogramas en capa fina y papel.
- Determinación de secuencias de aminoácidos en muestras de polipéptidos y proteínas.
- Detección e identificación de especies separadas por cromatrografía y electroforesis capilar.
- Identificación de drogas de abuso y sus metabolitos en sangre, orina y saliva.
- Control de gases en enfermos respiratorios durante los procesos quirúrgicos.
- Pruebas para confirmar la presencia de drogas en sangre de caballos de carreras y en atletas olímpicos.
- Datación de ejemplares en arqueología.
- Análisis de partículas en aerosoles.
- Determinación de residuos de pesticidas en alimentos.
- Control de compuestos orgánicos volátiles en el agua de suministro Vamos a ver ahora de un modo más extenso las principales aplicaciones de esta técnica.
- Aplicaciones cualitativas (Skoog D., Holler J., Nieman T., 2000, pág. 272-
- Determinación del peso molecular de todas las sustancias que pueden volatilizarse por la posición del pico correspondiente a la masa patrón.
- Determinación de la formula molecular. Si el instrumento es de gran resolución bastará la determinación precisa de su masa molecular para poder atribuirle una fórmula empírica. Otras veces puede determinarse por la relación entre las alturas del pico correspondiente a la masa patrón y la de
Para la determinación cuantitativa de los componentes de una mezcla es conveniente que cada uno de ellos presente por lo menos un pico que difiera claramente de los demás. La calibración se realiza por comparación de los picos con patrones adecuados. Las alturas de los picos son directamente proporcionales a las presiones parciales de los componentes volatilizados en la muestra. Las aplicaciones cuantitativas de la espectrometría de masas para análisis cuantitativo son de dos tipos:
- Determinación cuantitativa de especies moleculares o tipos de especies moleculares en muestras orgánicas, biológicas y ocasionalmente inorgánicas: normalmente tales análisis se llevan a cabo haciendo pasar la muestra a través de una columna cromatográfica o de electroforesis capilar y posteriormente por el espectrómetro.
- Determinación de la concentración de elementos en muestras inorgánicas y, en menor medida, de muestras orgánicas y biológicas: las concentraciones de analito en este caso se obtienen directamente a partir de las alturas de los picos de los espectros de masas. Se crean curvas de calibrado que nos permiten el análisis cuantitativo gracias a la existencia de picos únicos para cada componente y cada valor de m/z.
ANÁLISIS DE PROCESOS
Como consecuencia del bombardeo electrónico en la cámara de ionización, las moléculas se rompen en una serie de fragmentos, siempre que una misma molécula se rompa en las mismas condiciones nos dará el mismo tipo y número de fragmentos y constituyen la fragmentación patrón.´ Gracias a esto se pueden determinar que es la muestra por comparación y por otra parte, la intensidad relativa de los distintos picos, permite deducir la proporción en que cada componente se encuentra en la muestra. El pico del espectrograma que aparece con valor más elevado de m/e corresponde a la molécula ionizada sin fragmentar y recibe el nombre de masa patrón. Esta masa patrón nos permite determinar con rapidez y precisión la masa molecular, siempre
que se opere con una tensión de ionización no excesivamente elevada, la cual produciría la fragmentación total de la molécula (Rouessac, Rouessac, 2003, 312) El pico mayor del espectrograma de masa se llama pico base. Normalmente la altura de este pico se toma como valor cien. Las intensidades de los demás picos se expresan en porcentajes de la intensidad del pico base.