Ventajas de la Espectrometría de Masas Capacidad de Identificación

Identificación inequívoca de casi cualquier tipo de substancia, desde átomos hasta moléculas complejas de peso molecular elevado

Análisis cualitativo y cuantitativo

Identificación de una substancia en presencia de otras similares

Alta sensibilidad

Técnica universal y específica

Información isotópica

Información estructural, energías de enlaces, cinética, fisicoquímica, etc.

Técnica rápida (análisis en línea en tiempos reales, control de procesos enzimáticos, metabólicos, etc)

¿Por qué es importante la Espectrometría de Masas?

Porque es una técnica analítica poderosa

utilizada para:

Identificar compuestos químicos

Cuantificar compuestos químicos

Proveer información válida en áreas como la

química, física, astronomía, geología,

biología, criminalística, etc.

Algunas aplicaciones específicas de la Espectrometría de Masas:

Detectar e identificar el uso de fármacos de

abuso en atletas (antidoping)

Monitorear los gases de la respiración en

pacientes durante cirugía

Determinar la composición de materiales

provenientes del espacio exterior

Determinar adulteración en la miel de abeja

Localizar depósitos petroleros (midiendo precursores del petróleo en rocas)

Monitorear fermentaciones en línea (industria biotecnológica)

Detectar contaminantes orgánicos en aire, agua, suelo y alimentos

Determinar algunos tipos de envenenamiento (criminalística)

Algunas aplicaciones específicas de la Espectrometría de Masas:

Investigador (es)

Año

Contribución

J.J. Thompson

1912

Primer espectrómetro de masas

Dempster

1918

Electro-ionización y enfoque magnético

Stephens

1946

Analizador de Tiempo de Vuelo (TOF)

Nier-Johnson

1952

Instrumentos de doble enfoque

Paul, Steinwedel,

Raether, Reinhard y

von Zahn

1953

-58

Analizador cuadrupolar

Wiley y McLaren

1955

Diseño avanzado del analizador de tiempo

de vuelo (TOF)

Gohlke y

McLafferty

1956

Cromatografía de Gases/Espectrometría de

Masas

Beynon

1956

Espectrometría de Masas de alta resolución

Munson y Field

1966

Ionización Química

INTRODUCCIÓN Cronología de la EM

INTRODUCCIÓN Cronología de la EM

Investigador (es)

Año

Contribución

Dole, Mack, Hines, M.

Ferguson y Alice

1968

Ionización por

Electro-spray (ESI)

McLafferty

1973

Cromatografía de

Líquidos/Espectrometría

de Masas

Barber, Bordoli, Sedgwick,

Tyler, Surman y Vickerman

1981

Bombardeo de

átomos rápidos (FAB)

Blakely y Vestal

1983

Ionización por

Termo-spray

Yamashita, Fenn, Aleksandrov,

Gall, Krasnov, Nikolaev,

Pavlenko, Shkurov, Dokl,

Baram y Garacher

1984

Aplicación de la

ionización por Electro-

spray (ESI) en

macromoléculas

Joseph John Thompson, 1912

INTRODUCCIÓN EM Diagrama General

Sistema

de entrada

Cámara

de

Ionización Analizador Detector

Sistema

de Cómputo

S i s t e m a d e A l t o V a c í o

Componentes principales de un Espectrómetro de Masas

Sistemas de bombeo

Sistema de entrada (Línea de transferencia e interfase)

Fuente de Iones (Cámara de Ionización)

Óptica Iónica

Analizador Másico

Detector

Sistema de Bombeo Tipos de Bombas de Vacío

Sistemas de Entrada

• Muestras Puras Entrada directa

Sondas de introducción o exposición Directa (DIP o DEP)

• Mezclas Cromatografía de Gases

Cromatografía de Líquidos

Electrocromatografía

Electroforesis Capilar

Extracción de Fluidos Supercríticos

Sonda de Inserción Directa (DIP)

Sonda de Esposición Directa (DEP)

La muestra en disolución se coloca en un tubo capilar de vidrio

Temperatura máxima: 300oC

Diferentes velocidades de Calentamiento

Posibilidad de calentamiento directo de la muestra (sin solubilizar)

La muestra en disolución se coloca en un filamento

Calentamiento balístico

Rampas de temperatura programables

Alcanza hasta 1000oC

Entrada Directa

Tipos de Ionización

Ionización en Fase Gaseosa:

Ionización y Desorción:

Bombardeo de Partículas:

Ionización a Presión

Atmosférica:

Desorción Lasser

Electroionización (EI)

Ionización Química (CI)

Desorción de Campo (FD)

Ionización de Campo (FI)

Bombardeo de Atomos Rápidos

(FAB)

Espectrometría de Ión Másico

Secundario (SIMS)

Electroespray (ESI)

Termospray

Ionización Química a Presión

Atmosférica (APCI)

Ionización por desorción lasser en

matriz asistida (MALDI)

CÁMARA DE IONIZACIÓN Ionización Electrónica

+ - + Hacia el Analizador

Magneto

Magneto

+ + + + + +

+ + -

- -

-

Target

Filamento

Repeledor

CÁMARA DE IONIZACIÓN Ionización Electrónica

Las moléculas de la muestra son ionizadas

por un haz de electrones (70 eV)

Los iones son expulsados de la cámara y

dirigidos al analizador

Se producen iones positivos y negativos:

90%

10%

M + e-

M + e-

M + . + 2 e-

M - .

Espectro Electromagnético

70 eV

Ionización Electrónica

Excitación electrónica (similar a la teoría de UV) en orden decreciente se ionizan preferentemente los electrones:

n > p > s

n

p

s

R-O-R . .

R-O-R + .

R-CH CH-R :: R-CH CH-R + . :

R-CH 2 CH 2 -R : R-CH 2 CH 2 -R + .

70 eV de energía

Produce el Ion Molecular y una gran cantidad de iones con diferentes estados de energía

Aquellos iones con gran cantidad de energía interna (vibracional, rotacional y electrónica) liberan esta energía por medio de la fragmentación

Los iones con baja energía permanecen intactos (Ion Molecular)

Es la técnica de ionización más común

Es la técnica de ionización de la que se obtiene más información

Todas las bibliotecas comerciales disponibles están basadas en los espectros obtenidos por esta ionización

Es la ionización que más se utiliza con el sistema CG-EM

Ionización Electrónica

¿CÓMO SE GENERA UN ESPECTRO DE MASAS POR IE?

Analizador Detector

Cámara de Ionización

Espectro de Masas m/z

%

Filamento

Ionización Electrónica Metanol (CH3OH, P.M. 32)

33

32

31

30

29

17

15

12C

16O

1H

13C

Ionización Química Es una técnica de ionización significativamente más

suave que IE.

Se utiliza cuando en el espectro por IE no aparece el ion molecular, para confirmar el ion molecular o para aumentar la intensidad de algunos iones fragmento a masas altas.

Se utiliza un gas reactivo (metano, isobutano, amoníaco, etc.) que es ionizado por IE. Los iones resultantes reaccionan con las moléculas del analito que se encuentran en la fuente, con transferencia de carga (protón) las moléculas neutras del analito se transforman en iones.

Algunos iones moleculares son demasiado inestables para permanecer intactos aún utilizando esta técnica.

CH 4 + e - 2 CH 4 - e

+ + . .

CH 4 +

+

. + CH 4 CH 5 +

+ CH 3

+ CH 5 + + M MH CH 4

Ionización Química Reacciones

analito Protonación

IE IQ

Malatión (Pesticida)

P.M. 330

Ionización Química Ejemplo

Ionización por FAB

La energía para desorción es

suministrada por un haz de átomos de

Xenón ó Argón de alta energía (6-10

KeV)

Se utiliza para ionizar moléculas polares

y/o lábiles (Ej.organometálicos)

Ionización por FAB

ANALIZADORES

El objetivo del analizador de masas es resolver los iones después de que fueron formados en la fuente de ionización.

La diferencia entre GC/MS y LC/MS son las técnicas de ionización utilizadas (no el analizador)

Analizadores más utilizados:

Sector Magnético

Cuadrupolo

Trampa de Iones

Tiempo de Vuelo

Sector Magnético

Magneto

Cámara de ionización

Detector

Cámara de

Ionización

Sector magnético: El campo magnético ejerce una fuerza perpendicular al movimiento del ion para deflectar los iones de acuerdo a su momento.

Sector eléctrico: El campo eléctrico ejerce una fuerza perpendicular al movimiento del ion para deflectar los iones de acuerdo a su energía cinética.

Al salir los iones de la cámara de ionización tienen diferente velocidad, para obtener una mejor resolución es necesario adicionar un sector eléctrico que colime o reúna los iones de acuerdo a su energía cinética.

Sector Magnético y Sector Eléctrico

Doble Sector

m/z=B2r2/2V

Sector Magnético Doble sector

Geometría

Nier - Johnson

Geometría Inversa:

1. Sector Magnético

2. Sector Eléctrico

Sector Electrostático

•Ventajas:

–Excelente resolución de masa

–Excelente exactitud de masa

•Desventajas:

–Precio: Sistemas de alto costo

–Adquisición espectral lenta

(tiempos de análisis largos)

–Poco útil en acoplamientos

Sector Magnético

Cuadrupolo

•Ventaja:

–Precio: el sistema menos caro del mercado

•Desventajas:

–Rango de masas limitado

Cuadrupolo

Filamento

Paso de los electrones

Salida de los iones

Detector

Centro de la trampa

Parte superior del electrodo

Parte inferior del electrodo

Trampa de Iones

•Ventajas:

–Capacidad para MS/MS (MSn)

–Precio mediano

•Desventajas:

–Reacciones ion-molécula

–Adquisición espectral lenta

(tiempos de análisis largos)

–Rango de masas limitado

Trampa de Iones

El detector es colocado en el punto focal

para asegurar una óptima resolución másica

Detector

Tiempo de Vuelo (TOF) Con Reflectrón

Reflectrón

•Ventajas:

–Potencial para rangos de masas más grandes

–Buena resolución y exactitud de masas

–Excelente sensibilidad

–La mas rápida adquisición espectral (los tiempos más

cortos de análisis)

•Desventaja:

–Precio: tiende a ser más caro que los

sistemas cuadrupolares y algunas

trampas de iones pero menos costoso

que los de sectores

Tiempo de Vuelo (TOF)

Análisis por Espectrometría de Masas

En Espectrometría de

Masas la energía

impartida por el haz

de electrones a la

molécula rompe

algunos de los

enlaces. Porciones

grandes de la

estructura de la

molécula

permanecen intactas

permitiendo la

identificación del

analito.

Resolución Cálculo de Masa

3 diferentes formas de calcular el Peso Molecular:

• Masa Promedio: Se utiliza el peso atómico (es el promedio de todos los isótopos) para cada elemento. C=12.01115, H=1.00797, O=15.9994, N=14.00674

• Masa Monoisotópica: Se utiliza la masa exacta del isótopo más abundante de cada elemento. C=12.000000, H=1.007825, O=15.994915, N=14.003074

• Masa Nominal: Se utiliza la masa íntegra del isótopo más abundante de cada elemento. C=12, H=1, O=16, N=14

Resolución

Es la capacidad de un espectrómetro

para distinguir entre dos iones con

masas cercanas.

Se expresa como R=m/Dm, donde Dm es

la diferencia de masas entre los dos

iones y m la masa nominal del ión de

menor masa.

Resolución

CO + .

N2

+ . +

C2H4 .

CO + .

N2

+ . + C2H4

.

27 28 29 27.9949 28.0061 28.0313

Baja Resolución Alta Resolución

Resolución Ejemplo

Masa Nominal

Masa Monoisotópica

Masa Promedio

C17H32 236 236.2504 236.44459

C16H28O 236 236.2140 236.40096

C15H28N2 236 236.2252 236.40389

Resolución Ejemplo

Diferencia entre Masas Monoisotópicas

C17H32 y C16H28O 236.2504-236.2140=0.0364

C17H32 y C15H28N2 236.2504-236.2252=0.0252

C15H28N2 y C16H28O 236.2252-236.2140=0.0112

Resolución = R = m / Dm

Resolución necesaria

C17H32 y C16H28O 236.2140 / 0.0364= 6,489

C17H32 y C15H28N2 236.2252 / 0.0252= 9,374 C15H28N2 y C16H28O 236.2140 / 0.0112= 21,090

Exactitud de Masa

Exactitud de Masa = m/z Calculada – m/z Observada

m/z Calculada

x 106

Ejemplo:

400.0020 – 400.0000 =

400.0020

0.002 x106 = 4.99 ppm

400.0020

Exactitud: 2 mmu (miliunidades) o 5 ppm

Sensibilidad • Es una medida de la respuesta del

instrumento para iones de un compuesto en particular

• Indica el valor de la corriente iónica detectada en el colector

• Siempre debe estar referida a un compuesto determinado (relación señal-ruido)

• Disminuye al aumentar la resolución y la velocidad de barrido

• Está determinada por la eficiencia de la ionización, eficiencia de la transmisión y respuesta del detector

3

0 20 40 60 80 100 500 1000 2500 5000 50000

FID

NPD

ECD-CC

TCD

FPD-

S

MS-Scan

MS-SIM

1

0.1

0.1

DETECTORDETECTOR

pg

Sensibilidad y Detectores para CG