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
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