La espectrometría de masas (espectroscopia de masas, espectrografía de masas, análisis espectral de masas, análisis espectrométrico de masas) es un método para estudiar e identificar una sustancia que le permite determinar la concentración de varios componentes en ella ( composición isotópica , elemental o química ). La base para la medición es la ionización de los componentes, lo que permite distinguir físicamente los componentes sobre la base de la relación de masa a carga que los caracteriza y, midiendo la intensidad de la corriente de iones, hacer un cálculo separado de la fraccióncada uno de los componentes (obtener el espectro de masas de la sustancia).
Debido a que la composición química permite juzgar las propiedades y el origen de una sustancia, la espectrometría de masas es de gran importancia en la ciencia , la industria y la medicina .
La historia de la espectrometría de masas comienza con los experimentos fundamentales de J. J. Thomson a principios del siglo XX . La terminación "-metria" en el nombre del método apareció después de la transición generalizada de la detección de partículas cargadas usando placas fotográficas a mediciones eléctricas de corrientes de iones.
Espectro de masas - la dependencia de la intensidad de la corriente de iones (cantidad de sustancia) en la relación de masa a carga (naturaleza de la sustancia). Dado que la masa de cualquier molécula está formada por las masas de sus átomos constituyentes, el espectro de masas siempre es discreto, aunque a baja resolución del espectrómetro de masas, los picos de los diferentes componentes pueden superponerse o incluso fusionarse. La naturaleza del analito, las características del método de ionización y los procesos secundarios en el espectrómetro de masas pueden afectar el espectro de masas (ver iones metaestables, gradiente de voltaje acelerado sobre los sitios de producción de iones, dispersión inelástica). Por lo tanto, los iones con las mismas proporciones de masa a carga pueden terminar en diferentes partes del espectro e incluso hacer que parte de él sea continua.
Una partícula cargada que se mueve en un campo magnético se ve afectada por la fuerza de Lorentz, que distorsiona su trayectoria. Al determinar la diferencia en las trayectorias de los átomos ionizados que se mueven en un campo magnético, se pueden sacar conclusiones sobre la relación entre la masa y la carga del ion.
El diseño del espectrómetro de masas incluye un ionizador de la sustancia de la muestra, un acelerador de iones, una potente fuente de campo magnético y un conjunto de detectores de flujo de iones.
Lo primero que hay que hacer para obtener un espectro de masas es convertir las moléculas y átomos neutros que componen cualquier sustancia orgánica o inorgánica en partículas cargadas- iones . Este proceso se llama ionización y se lleva a cabo de manera diferente para sustancias orgánicas e inorgánicas. La segunda condición necesaria es la transferencia de iones a la fase gaseosa en la parte de vacío del espectrómetro de masas. El alto vacío garantiza el movimiento sin obstáculos de los iones dentro del espectrómetro de masas y, en su ausencia, los iones se dispersan y se recombinan (vuelven a convertirse en partículas sin carga).
La mayoría de las moléculas pequeñas adquieren solo una carga positiva o negativa cuando se ionizan. Cuanto más grande es la molécula, más probable es que durante la ionización se convierta en un ion de carga múltiple. Por lo tanto, este efecto es especialmente fuerte para moléculas extremadamente grandes, como proteínas, ácidos nucleicos y polímeros. Con algunos tipos de ionización (por ejemplo, impacto de electrones ), una molécula puede dividirse en varias partes características, lo que brinda oportunidades adicionales para identificar y estudiar la estructura de sustancias desconocidas.
Convencionalmente, los métodos de ionización de sustancias orgánicas se pueden clasificar según las fases en las que se encuentran las sustancias antes de la ionización.
fase gaseosaEn química inorgánica, para analizar la composición elemental se utilizan métodos de ionización duros, ya que las energías de enlace de los átomos en un sólido son mucho más altas y se deben utilizar métodos mucho más duros para romper estos enlaces y obtener iones.
Históricamente, los primeros métodos de ionización se desarrollaron para la fase gaseosa.
Muchas sustancias orgánicas no pueden evaporarse, es decir, convertirse en la fase gaseosa, sin descomposición. Esto significa que no pueden ionizarse por impacto de electrones. Pero entre tales sustancias, casi todo lo que constituye un tejido vivo (proteínas, ADN, etc.), sustancias fisiológicamente activas, polímeros, es decir, todo lo que es de particular interés en la actualidad. La espectrometría de masas no se ha detenido y en los últimos años se han desarrollado métodos especiales para la ionización de dichos compuestos orgánicos. Hoy en día, dos de ellos se utilizan principalmente: la ionización a presión atmosférica y sus subespecies: electrospray (ESI), ionización química a presión atmosférica (APCI) y fotoionización a presión atmosférica (APPI), así como ionización por desorción láser asistida por matriz (MALDI) .) .
Los iones obtenidos durante la ionización se transfieren al analizador de masas con la ayuda de un campo eléctrico. Allí comienza la segunda etapa del análisis espectrométrico de masas: clasificar los iones por masa (más precisamente, por la relación entre masa y carga, o m / z). Existen los siguientes tipos de analizadores de masas:
analizadores de masa continuaLa diferencia entre los analizadores de masas continuos y pulsados radica en que en los primeros los iones entran en un flujo continuo, y en los segundos, en porciones, en determinados intervalos de tiempo.
El espectrómetro de masas puede tener dos analizadores de masas. Este espectrómetro de masas se denomina espectrómetro de masas en tándem . Los espectrómetros de masas en tándem se utilizan, por regla general, junto con métodos de ionización "suave", en los que no hay fragmentación de los iones de las moléculas analizadas (iones moleculares). Así, el primer analizador de masas analiza iones moleculares. Al salir del primer analizador de masas, los iones moleculares se fragmentan bajo la acción de colisiones con moléculas de gas inerte o radiación láser, después de lo cual sus fragmentos se analizan en el segundo analizador de masas. Las configuraciones más comunes de espectrómetros de masas en tándem son cuadrupolo-cuadrupolo y cuadrupolo-tiempo de vuelo.
Entonces, el último elemento del espectrómetro de masas simplificado que estamos describiendo es el detector de partículas cargadas. Los primeros espectrómetros de masas utilizaban una placa fotográfica como detector. Ahora se utilizan multiplicadores de electrones secundarios de dínodo, en los que un ion, al golpear el primer dínodo , elimina un haz de electrones de él, que, a su vez, al golpear el siguiente dínodo, elimina aún más electrones, etc. Otra opción es fotomultiplicadores, registrando el brillo que se produce cuando es bombardeado por iones de fósforo. Además, se utilizan multiplicadores de microcanales, sistemas como matrices de diodos y colectores que recogen todos los iones que caen en un punto determinado del espacio ( colectores de Faraday ).
Los espectrómetros de masas se utilizan para analizar compuestos orgánicos e inorgánicos.
Las muestras orgánicas en la mayoría de los casos son mezclas complejas de sustancias individuales. Por ejemplo, se muestra que el olor del pollo frito tiene 400 componentes (es decir, 400 compuestos orgánicos individuales). La tarea de la analítica es determinar cuántos componentes componen la materia orgánica, averiguar qué componentes son (identificarlos) y averiguar qué cantidad de cada compuesto contiene la mezcla. Para ello, la combinación de cromatografía con espectrometría de masas es ideal. La cromatografía de gases es más adecuada para combinarla con la fuente de iones de un espectrómetro de masas con ionización por impacto de electrones o ionización química, ya que los compuestos ya están en fase gaseosa en la columna del cromatógrafo. Los dispositivos en los que se combina un detector espectrométrico de masas con un cromatógrafo de gases se denominan espectrómetros cromato-masa ("Chromass").
Muchos compuestos orgánicos no se pueden separar en componentes mediante cromatografía de gases, pero se pueden separar mediante cromatografía líquida. Hoy en día, las fuentes de ionización por electropulverización (ESI) y de ionización química a presión atmosférica (APCI) se utilizan para combinar la cromatografía líquida con la espectrometría de masas, y la combinación de cromatografía líquida con espectrómetros de masas se denomina LC/TMS ( ing. LC/MS ). Los sistemas más potentes para el análisis orgánico que exige la proteómica moderna se construyen sobre la base de un imán superconductor y funcionan según el principio de resonancia de ciclotrón de iones. También se denominan FT/MS porque utilizan la transformada de Fourier de la señal.
Las características técnicas más importantes de los espectrómetros de masas son la sensibilidad , el rango dinámico , la resolución y la velocidad de exploración .
Al analizar compuestos orgánicos, la característica más importante es la sensibilidad . Para mejorar la sensibilidad mediante el aumento de la relación señal-ruido , se utiliza la detección selectiva de iones. Al utilizar este método en dispositivos de baja resolución, un parámetro igualmente importante, la confiabilidad, empeora debido a la alta complejidad de confirmar el cumplimiento de los resultados con las expectativas teóricas. Los instrumentos de doble foco no tienen este problema cuando se usa alta resolución . Un método alternativo de análisis es la espectrometría de masas en tándem, cuyo rasgo característico es la posibilidad de confirmar los resultados de la medición principal de iones iniciales con detectores secundarios de iones hijos. El instrumento más sensible para el análisis de compuestos orgánicos es un espectrómetro de masas de cromatografía de enfoque dual de alta resolución.
De acuerdo con las características de la combinación de alta sensibilidad con la confiabilidad de la determinación de los componentes, se deben tener en cuenta los dispositivos cuadrupolares clásicos de nueva generación. El uso de la última tecnología (como un prefiltro de cuadrupolo curvo para reducir el ruido al evitar que las partículas neutras entren en el detector) le permite lograr un alto rendimiento del instrumento.
Desarrollo de nuevos medicamentos para salvar a las personas de enfermedades anteriormente incurables y control de producción de medicamentos, ingeniería genética y bioquímica, proteómica . Sin espectrometría de masas, es inconcebible el control de la distribución ilegal de estupefacientes y psicotrópicos, el análisis forense y clínico de drogas tóxicas y el análisis de explosivos.
Descubrir la fuente de origen es muy importante para resolver una serie de problemas: por ejemplo, determinar el origen de los explosivos ayuda a encontrar terroristas, drogas, para combatir su distribución y bloquear sus rutas de tráfico. La seguridad económica del país es más confiable si los servicios aduaneros no solo pueden confirmar mediante análisis en casos dudosos el país de origen de las mercancías, sino también su conformidad con el tipo y calidad declarados. Y el análisis de petróleo y productos derivados del petróleo es necesario no solo para optimizar los procesos de refinación de petróleo o los geólogos para buscar nuevos campos petroleros, sino también para identificar a los responsables de los derrames de petróleo en el océano o en tierra.
En la era de la “quimización de la agricultura”, la cuestión de la presencia de trazas de productos químicos aplicados (por ejemplo, pesticidas) en los productos alimenticios se ha vuelto muy importante. En pequeñas cantidades, estas sustancias pueden causar daños irreparables a la salud humana.
Varias sustancias tecnogénicas (es decir, que no existen en la naturaleza, pero que resultan de la actividad industrial humana) son supertóxicas (que tienen un efecto tóxico, cancerígeno o nocivo para la salud humana en concentraciones extremadamente bajas). Un ejemplo son las conocidas dioxinas .
La existencia de la energía nuclear es impensable sin la espectrometría de masas. Con su ayuda, se determina el grado de enriquecimiento de los materiales fisionables y su pureza.
La espectrometría de masas también se utiliza en medicina. La espectrometría de masas de isótopos de átomos de carbono se utiliza para el diagnóstico médico directo de la infección humana por Helicobacter pylori y es el más fiable de todos los métodos de diagnóstico. La espectrometría de masas también se utiliza para determinar la presencia de dopaje en la sangre de los atletas.
Es difícil imaginar un área de actividad humana donde no habría lugar para la espectrometría de masas [1] . Nos limitamos a enumerar simplemente: química analítica , bioquímica , química clínica , química general y química orgánica , farmacéutica , cosmética , perfumería , industria alimentaria , síntesis química , petroquímica y refinación de petróleo , control ambiental , producción de polímeros y plásticos , medicina y toxicología . , forense , control de dopaje , control de drogas , control de bebidas alcohólicas , geoquímica , geología , hidrología , petrografía , mineralogía , geocronología , arqueología , industria y energía nuclear , industria de semiconductores , metalurgia .
| Espectrometría de masas | |
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| fuente de iones | |
| analizador de masas |
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| Detector |
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| combinación de EM |
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| patología en medicina | |
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| patohistologia | Daño celular apoptosis necrobiosis cariopicnosis cariorrexis cariolisis Necrosis necrosis coagulativa necrosis colicuacional gangrena secuestro ataque al corazón Adaptación celular Atrofia Hipertrofia Hiperplasia displasia Metaplasia escamoso glandular Distrofia Proteína graso carbohidrato Mineral |
| Procesos patológicos típicos |
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Diagnóstico de laboratorio y autopsia. |
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