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Espectrometría de masas

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La espectrometría de masas (MS) es la ciencia de la visualización de la espectros (espectro singular) de las masas de las moléculas que comprenden una muestra de material. Se utiliza para determinar la composición elemental de una muestra, las masas de las partículas y de las moléculas , y para elucidar las estructuras químicas de moléculas, tales como péptidos y otros compuestos químicos . La espectrometría de masas por ionización funciona compuestos químicos para generar moléculas cargadas o fragmentos de moléculas y la medición de su masa-carga proporciones. En un procedimiento típico MS:

  1. Una muestra (que puede ser sólido, líquido, o gas) es ionizado.
  2. Los iones se separan de acuerdo con su relación masa-carga. Este es el paso clave.
  3. Los iones son detectados dinámicamente por algún mecanismo capaz de detectar partículas energéticas cargadas.
  4. La señal es procesada en el espectros (espectro singular) de las masas de las partículas de esa muestra.

Los elementos o moléculas se identifican mediante la correlación de masas conocidas por las masas identificadas.

Un instrumento espectrómetro de masas constará de cuatro módulos:

1. Un ionizador convierte una parte de la muestra en iones. Hay una amplia variedad de técnicas para esto, dependiendo de la fase (sólido, líquido, gas) de la muestra, y la eficiencia de los diversos mecanismos de ionización de las especies objetivo en cuestión. Los espectrómetros de masas son generalmente el nombre de la fuente de iones utilizado. Algunos ejemplos son:

  • Electron ionización
  • Glow espectrometría de masas de alta (GDMS)
  • ICPMS
  • Ionización Resonant espectrometría de masas (RIMS)
  • SIMS
  • TIMS

2. Un sistema de extracción que elimina los iones de la muestra y les da una trayectoria que permite que el analizador de masas para transmitir ellos.

3. Un analizador de masas ordena los iones en masa. Los métodos utilizados incluyen:

  • Sector magnético
  • Cuadrupolo
  • Tiempo de vuelo

4. Un detector, el cual mide el valor de un indicador de la cantidad y por lo tanto proporciona datos para el cálculo de las abundancias de cada ion presente. Algunos detectores también dan información espacial, por ejemplo, una placa de múltiples canales. La técnica tiene tanto cualitativa y usos cuantitativos. Estos incluyen la identificación de compuestos desconocidos, la determinación de la isotópica composición de los elementos en una molécula, y determinar la estructura de un compuesto mediante la observación de su fragmentación. Otros usos incluyen la cuantificación de la cantidad de un compuesto en una muestra o el estudio de los fundamentos de la química de iones en fase gaseosa (la química de iones y neutrales en el vacío). MS se encuentra ahora en uso muy común en los laboratorios analíticos que estudian las propiedades biológicas de una gran variedad de compuestos físicos, químicos, o.

Etimología

La palabra espectrógrafo se había convertido en parte de la vocabulario científico internacional por 1884. La raíces lingüísticas son una combinación y eliminación de morfemas ligados y morfemas libres que se refieren a los términos Spectr ograph placa -ic -um y phot-. Dispositivos de espectrometría primeros que midieron la relación masa-carga de iones fueron llamados espectrógrafos de masas, que consistía en instrumentos que registraron un espectro de valores de masa en una placa fotográfica. Un espectroscopio de masas es similar a un espectrógrafo de masas excepto que el haz de iones se dirige sobre una pantalla de fósforo. Una configuración espectroscopio de masas se utilizó en los primeros instrumentos cuando se desea que los efectos de los ajustes pueden observar rápidamente. Una vez que el instrumento se ajustó adecuadamente, se insertó y se expone una placa fotográfica. El espectroscopio de masas término se siguió utilizando a pesar de que la iluminación directa de una pantalla de fósforo fue reemplazado por mediciones indirectas con una osciloscopio. El uso de la espectroscopia de masas término ahora se desaconseja debido a la posibilidad de confusión con luz espectroscopia . La espectrometría de masas es a menudo abreviado como masa-spec o simplemente como MS.

Historia

Replica de un espectrómetro de masas temprana

En 1886, Eugen Goldstein observó rayos en emisiones de gases a baja presión que viajó lejos del ánodo y por medio de los canales de una perforada cátodo, opuesta a la dirección de carga negativa los rayos catódicos (que viajan desde el cátodo al ánodo). Goldstein llama estos cargado positivamente rayos anódicos "Kanalstrahlen"; la traducción estándar de este término en Inglés es " rayos canales ". Wilhelm Wien encontró que fuertes campos eléctricos o magnéticos desvían los rayos canales y, en 1899, construyeron un dispositivo con campos eléctricos y magnéticos paralelos que separaban los rayos positivos en función de su carga a masa (Q / m). Wien encontró que la relación de carga a masa dependía de la naturaleza del gas en el tubo de descarga. Inglés científico JJ Thomson tarde mejoró en el trabajo de Wien reduciendo la presión para crear el espectrógrafo de masas.

La primera aplicación de espectrometría de masas para el análisis de aminoácidos y péptidos se informó en 1958. Carl-Ove Andersson puso de relieve las principales iones de fragmentos observados en la ionización de los ésteres metílicos.

Algunas de las modernas técnicas de espectrometría de masas fueron diseñadas por Arthur Jeffrey Dempster y FW Aston en 1918 y 1919 respectivamente. En 1989, la mitad del Premio Nobel de Física fue otorgado a Hans Dehmelt y Wolfgang Paul para el desarrollo de la técnica de trampa de iones en los años 1950 y 1960. En 2002, el Premio Nobel de Química fue otorgado a John Bennett Fenn para el desarrollo de ionización por electrospray (ESI) y Koichi Tanaka para el desarrollo de desorción láser suave (SLD) y su aplicación a la ionización de macromoléculas biológicas, especialmente proteínas.

Ejemplo simplificado

Esquema de un espectrómetro de masas con analizador de masas sencillo Tipo de sector. Esta es para la medición de dióxido de carbono de isótopos ratios ( IRMS) como en el carbono-13 prueba de aliento con urea

El siguiente ejemplo describe el funcionamiento de un analizador de masas del espectrómetro, que es de la Tipo de sector. (Otros tipos de analizadores se tratan a continuación.) Considere una muestra de cloruro de sodio (sal de mesa). En la fuente de iones, la muestra es vaporizado (convertido en gas ) y ionizado (transformado en partículas cargadas eléctricamente) en sodio (Na +) y cloruro (Cl -) iones. Los átomos de sodio y los iones son monoisotopic, con una masa de aproximadamente 23 amu. Átomos de iones cloruro y vienen en dos isótopos con masas de aproximadamente 35 amu (a una abundancia natural de aproximadamente 75 por ciento) y aproximadamente 37 amu (a una abundancia natural de aproximadamente 25 por ciento). La parte del analizador del espectrómetro contiene eléctrica y campos magnéticos, que ejercen fuerzas sobre los iones que viajan a través de estos campos. La velocidad de una partícula cargada puede ser aumentado o disminuido mientras pasa a través del campo eléctrico, y su dirección puede ser alterada por el campo magnético. La magnitud de la desviación de la trayectoria del movimiento de iones depende de su relación de masa a carga. Iones más ligeros consiguen desviados por la fuerza magnética más de iones pesados (basado en la segunda ley del movimiento de Newton , F = ma). Las corrientes de iones según pasan desde el analizador al detector, que registra la abundancia relativa de cada tipo de iones. Esta información se utiliza para determinar la composición de un elemento químico de la muestra original (es decir, que tanto el sodio y cloro están presentes en la muestra) y la composición isotópica de sus componentes (la relación de 35 a 37 Cl Cl).

Creación de iones

La fuente de iones es la parte del espectrómetro de masas que ioniza el material bajo análisis (el analito). A continuación, los iones son transportados por magnéticos o campos eléctricos al analizador de masas.

Técnicas para la ionización han sido clave para determinar qué tipos de muestras pueden ser analizadas por espectrometría de masas. Electron ionización y ionización química se utilizan para los gases y vapores. En fuentes de ionización química, el analito se ioniza mediante reacciones químicas ion-molécula durante colisiones en la fuente. Dos técnicas utilizadas con frecuencia con líquidos y sólidos muestras biológicas incluyen ionización por electrospray (inventado por John Fenn) y láser asistida por matriz de desorción / ionización (MALDI, desarrollado inicialmente como una técnica similar "Laser Desorption Soft (SLD)" por K. Tanaka para el cual un Premio Nobel fue otorgado y como MALDI por M. Karas y Hillenkamp F.).

Plasma de acoplamiento inductivo

Plasma de acoplamiento inductivo (ICP) fuentes se utilizan principalmente para el análisis de cationes de una amplia gama de tipos de muestras. En este tipo de tecnología de fuente de iones, una "llama" de plasma que es eléctricamente neutro en general, pero que ha tenido una fracción sustancial de sus átomos ionizados por alta temperatura, se utiliza para atomizar moléculas de la muestra introducidas ya las tiras aún más los electrones exteriores de esos átomos. El plasma se genera normalmente a partir de gas de argón, ya que la primera energía de ionización de átomos de argón es más alto que el primero de cualesquiera otros elementos excepto Él, O, F y Ne, pero inferior a la segunda energía de ionización de todos excepto los metales más electropositivos. El calentamiento se logra mediante una corriente de radiofrecuencia pasado a través de una bobina que rodea el plasma.

Otras técnicas de ionización

Otros incluyen resplandor de descarga, desorción de campo (FD), bombardeo de átomos rápidos (FAB), termospray, desorción / ionización en el silicio (DIOS), Análisis directo en Tiempo Real (DART), ionización química a presión atmosférica (APCI), espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), ionización chispa y ionización térmica (TIMS). Ion de fijación de ionización es una técnica de ionización que permite el análisis libre de fragmentación.

La selección masal

Analizadores de masas se separan los iones en función de su relación masa-carga. Las dos leyes siguientes gobiernan la dinámica de partículas cargadas en campos eléctricos y magnéticos en vacío:

\ Mathbf {F} = Q (\ mathbf {E} + \ mathbf {v} \ times \ mathbf {B}) ( Lorentz ley de la fuerza);
\ Mathbf {F} = m \ mathbf {a} ( segunda ley de Newton de movimiento en caso de no-relativista, es decir, válida sólo en la velocidad de iones mucho menor que la velocidad de la luz).

Aquí F es la fuerza aplicada al ión, m es la masa del ión, a es la aceleración, Q es la carga del ion, E es el campo eléctrico, y v × B es el producto vectorial de la velocidad de iones y la campo magnético

Igualando las expresiones anteriores para la fuerza aplicada a los rendimientos de iones:

(M / Q) \ mathbf {a} = \ mathbf {E} + \ mathbf {v} \ times \ mathbf {B}.

Esta ecuación diferencial es la ecuación clásica de movimiento para partículas cargadas. Junto con las condiciones iniciales de la partícula, que determina por completo el movimiento de la partícula en el espacio y el tiempo en términos de m / Q. Así espectrómetros de masas podrían ser considerados como "masa-carga espectrómetros". Al presentar los datos, es común utilizar el (oficialmente) adimensional m / z, donde z es el número de cargas elementales (E) en la iónico (z = Q / e). Esta cantidad, aunque se llama informalmente la relación masa a carga, hablando con más precisión representa la relación entre el número de masa y el número de carga, z.

Hay muchos tipos de analizadores de masas, ya sea utilizando los campos estáticos o dinámicos, y los campos magnéticos o eléctricos, pero todos funcionan de acuerdo con la ecuación diferencial anterior. Cada tipo de analizador tiene sus fortalezas y debilidades. Muchos espectrómetros de masas utilizan dos o más analizadores de masas para espectrometría de masas en tándem (MS / MS). Además de los analizadores de masas más comunes que se enumeran a continuación, existen otros diseñados para situaciones especiales.

Hay varias características importantes del analizador. La resolviendo masa de energía es la medida de la capacidad de distinguir dos picos de ligeramente diferente m / z. La exactitud de la masa es la relación entre el error de medición m / z a la verdadera m / z. Precisión la masa se mide en ppm o mili unidades de masa. El intervalo de masas es el rango de m / z susceptibles de análisis mediante un analizador dado. El rango dinámico lineal es el rango en el que la señal de iones es lineal con la concentración de analito. Velocidad se refiere al marco de tiempo del experimento y en última instancia se utiliza para determinar el número de espectros por unidad de tiempo que se puede generar.

Instrumentos del sector

Un analizador de masas de campo de sector utiliza un campo eléctrico y / o magnético para afectar a la ruta de acceso y / o la velocidad de los cargadas partículas en alguna manera. Como se muestra arriba, instrumentos del sector doblan las trayectorias de los iones a medida que pasan a través del analizador de masas, de acuerdo con sus relaciones masa-carga, desviando los iones más cargadas y de movimiento más rápido, más ligeros más. El analizador puede ser utilizado para seleccionar una gama estrecha de m / z o para escanear a través de una gama de m / z para catalogar los iones presentes.

Tiempo de vuelo

La tiempo de vuelo (TOF) analizador utiliza un campo eléctrico para acelerar los iones a través de la misma potencial y, a continuación, mide el tiempo que tardan en llegar al detector. Si las partículas todos tienen el mismo cargo , las energías cinéticas serán idénticos, y sus velocidades dependerán solamente de sus masas . Iones más ligeros alcanzarán el primer detector.

Filtro de masas cuadrupolo

Analizadores de masas de cuadrupolo utilizan campos eléctricos oscilantes para estabilizar selectivamente o desestabilizar las trayectorias de los iones que pasan a través de una frecuencia de radio (RF) campo de cuadripolo creado entre 4 varillas paralelas. Sólo los iones en un cierto rango de masas de relaciones / carga se pasan a través del sistema en cualquier momento, pero los cambios en los potenciales sobre las varillas permiten una amplia gama de valores de m / z para ser barridos rápidamente, de forma continua o en una sucesión de saltos discretos. Un analizador de masas de cuadrupolo actúa como un filtro selectivo de masas y está estrechamente relacionado con el cuadrípolos, trampa de iones, en particular la trampa de iones cuadrupolo lineal, excepto que está diseñado para pasar los iones no interceptado en lugar de recoger las atrapadas queridos, y es por esa razón se refiere como un cuadrupolo transmisión. Una variación común de la cuadrupolo transmisión es el espectrómetro de masas de triple cuadrupolo. El "triple quad" tiene tres etapas cuadrupolares consecutivas, la primera que actúa como un filtro de masa para transmitir un ion entrante en particular a la segunda cuadrupolo, una cámara de colisión, en el que el ion se puede dividir en fragmentos. El tercer cuadrupolo también actúa como un filtro de masa, para transmitir un ion fragmento particular, al detector. Si se hace un cuadrupolo para desplazarse rápidamente y de forma repetitiva a través de una gama de ajustes de filtro de masas, se puede informar espectros completos. Del mismo modo, un triple quad puede hacerse para llevar a cabo diversos tipos de análisis característico de espectrometría de masas.

Las trampas de iones

Tridimensional trampa de iones cuadrupolo

La trampa de iones cuadrupolo trabaja en los mismos principios físicos como el analizador de masas cuadrupolar, pero los iones son atrapados y secuencialmente expulsado. Los iones son atrapados en un campo de RF principalmente cuadrupolo, en un espacio definido por un electrodo de anillo (por lo general conectado a la principal potencial RF) entre dos electrodos de remate (típicamente conectado a DC o AC potenciales auxiliares). La muestra se ioniza ya sea internamente (por ejemplo, con un electrón o rayo láser), o externamente, en cuyo caso los iones se introducen a menudo a través de una abertura en un electrodo de tapa de extremo.

Hay muchos / carga métodos de separación y aislamiento de masas pero el más comúnmente utilizado es el modo de inestabilidad de masas en el que el potencial de RF se eleva de manera que la órbita de iones con una masa> b son estables mientras que los iones con masa b vuelven inestables y están expulsado en el eje x z sobre un detector. También hay métodos de análisis no destructivos.

Los iones también pueden ser expulsados por el método de excitación de resonancia, con lo cual se aplica un voltaje de excitación oscilatoria suplementario a los electrodos de remate, y la amplitud del voltaje de captura y / o frecuencia de la tensión de excitación se varía para llevar iones en una condición de resonancia en el orden de su masa / cargar relación.

La cilíndrica espectrómetro de masas de trampa de iones es un derivado del espectrómetro de masas de trampa de iones cuadrupolo.

Trampa de iones cuadrupolo lineal

La trampa de iones cuadrupolo lineal es similar a una trampa de iones cuadrupolo, pero que atrapa iones en un campo de cuadripolo de dos dimensiones, en lugar de un campo de cuadripolo tridimensional como en una trampa de iones cuadrupolo 3D. LTQ de Thermo Fisher ("trampa de cuadrupolo lineal") es un ejemplo de la trampa de iones lineal.

Una trampa de iones toroidal se puede visualizar como un cuadrupolo lineal curvada alrededor y conectados en los extremos o como una sección transversal de una trampa de iones 3D rotado en el borde para formar el toroide, trampa en forma de rosquilla. La trampa puede almacenar grandes cantidades de iones mediante la distribución de ellos a través de la estructura de la trampa en forma de anillo. Esta trampa de forma toroidal es una configuración que permite el aumento de la miniaturización de un analizador de masas de trampa de iones. Además todos los iones se almacenan en el mismo campo de captura y detección expulsados juntos simplificación que puede ser complicado con configuraciones de matriz debido a variaciones en la alineación detector y mecanizado de las matrices.

Orbitrap

Estos son similares a Transformada de Fourier de resonancia ciclotrón espectrómetros de masas de iones (ver texto más abajo). Los iones son electrostáticamente atrapado en una órbita alrededor de un electrodo central, en forma de huso. El electrodo limita los iones de manera que ambos órbita alrededor del electrodo central y oscile hacia atrás y adelante a lo largo del eje largo del electrodo central. Esta oscilación genera una actual imagen en las placas detectoras que se registra por el instrumento. Las frecuencias de estas corrientes de imagen dependen de la masa a carga proporciones de los iones. Los espectros de masas se obtienen Transformación de Fourier de las corrientes de imagen grabados.

Orbitraps tienen una masa de alta precisión, alta sensibilidad y un buen rango dinámico.

Transformada de Fourier de resonancia ciclotrón de iones

Transformada de Fourier espectrometría de masas (FTMS), o más precisamente Transformada de Fourier de resonancia ciclotrón de iones MS, mide la masa detectando la actual imagen producida por los iones cyclotroning en presencia de un campo magnético. En lugar de medir la deflexión de iones con un detector tal como un multiplicador de electrones, los iones se inyectan en una Penning trampa (a electricidad estática / magnética trampa de iones) donde forman efectivamente parte de un circuito. Detectores en posiciones fijas en el espacio miden la señal eléctrica de los iones que pasan cerca de ellos con el tiempo, produciendo una señal periódica. Dado que la frecuencia de los ciclos de un ion se determina por su relación masa a carga, esto puede ser deconvoluted mediante la realización de una Transformada de Fourier de la señal. FTMS tiene la ventaja de alta sensibilidad (ya que cada ion es "contado" más de una vez) y mucho más alto resolución y por lo tanto la precisión.

Ion resonancia de ciclotrón (ICR) es una técnica de análisis de masas mayores similar a FTMS excepto que los iones se detectan con un detector tradicional. Los iones atrapados en una Penning trampa se excita por un campo eléctrico de RF hasta que impacten en la pared de la trampa, donde se encuentra el detector. Los iones de distinta masa se resuelven de acuerdo con el tiempo de impacto.

Detectores

Un detector multiplicador de partícula dynode continua.

El elemento final del espectrómetro de masas es el detector. Los registros del detector sea la carga inducida o la corriente producida cuando un ion pasa o golpea una superficie. En un instrumento de exploración, la señal producida en el detector durante el curso de la exploración frente donde el instrumento está en el análisis (en lo que m / Q) producirá una espectro de masas, un registro de iones como una función de m / Q.

Normalmente, algún tipo de se utiliza multiplicador de electrones, aunque otros detectores incluyendo Tazas de Faraday y También se utilizan detectores de iones a fotón. Debido a que el número de iones de abandonar el analizador de masas en un instante particular es normalmente bastante pequeño, considerable amplificación es a menudo necesario para conseguir una señal. Detectores de placas de microcanal se utilizan comúnmente en instrumentos comerciales modernos. En FTMS y Orbitraps, el detector consiste en un par de superficies metálicas dentro de la región trampa de analizador / ion de masa que sólo los iones pasan cerca, ya que oscilan. Sin corriente continua se produce, sólo una imagen actual de CA débil se produce en un circuito entre los electrodos. También se han utilizado otros detectores inductivos.

Tandem espectrometría de masas

Un espectrómetro de masas en tándem es uno capaz de múltiples rondas de espectrometría de masas, generalmente separadas por alguna forma de fragmentación molécula. Por ejemplo, un analizador de masas puede aislar una péptido de muchos de entrar en un espectrómetro de masas. Un segundo analizador de masas luego se estabiliza los iones de péptidos, mientras que chocan con un gas, haciendo que se fragmento por disociación inducida por colisión (CID). Un tercer analizador de masas continuación, ordena los fragmentos producidos a partir de los péptidos. Tandem MS también se puede hacer en un solo analizador de masas con el tiempo, como en una trampa de iones cuadrupolo. Hay varios métodos para la fragmentación de las moléculas de tándem MS, incluyendo disociación inducida por colisión (CID), disociación de captura de electrones (ECD), disociación de transferencia de electrones (ETD), disociación multifotónica infrarroja (IRMPD), cuerpo negro disociación radiativo infrarrojos (BIRD), disociación electrones desprendimiento (EDD) y la disociación inducida por la superficie (SID). Una importante aplicación utilizando la espectrometría de masas es en la identificación de proteínas .

Tandem espectrometría de masas permite una variedad de secuencias experimentales. Muchos espectrómetros de masas comerciales están diseñados para acelerar la ejecución de dichas secuencias de rutina como monitoreo seleccionado reacción (SRM) y barrido de iones precursores. En SRM, el primer analizador sólo permite una sola masa a través de los segundos y monitores analizador para varios iones de fragmentos definidos por el usuario. SRM se utiliza más a menudo con los instrumentos de exploración donde el evento segundo análisis de masas es ciclo de trabajo limitado. Estos experimentos se utilizan para aumentar la especificidad de la detección de moléculas conocidas, en particular en los estudios farmacocinéticos. Barrido de iones Precursor se refiere a la detección de una pérdida específica del ión precursor. Las primera y segunda analizadores de masas escanear todo el espectro como se repartió por un valor m / z definida por el usuario. Este experimento se utiliza para detectar motivos específicos dentro de las moléculas desconocidas.

Otro tipo de espectrometría de masa utilizado para datación por radiocarbono es acelerador de espectrometría de masas (AMS), que utiliza voltajes muy altos, por lo general en el intervalo de mega-voltios, para acelerar los iones negativos en un tipo de espectrómetro de masas en tándem.

Configuraciones espectrómetro de masas comunes y técnicas

Cuando una configuración específica de la fuente, analizador, y el detector se convierte convencional en la práctica, a menudo un compuesto sigla surge para designarlo, y el acrónimo compuesto puede ser mejor conocido entre nonspectrometrists que las siglas de componentes. El epítome de esto es MALDI-TOF, que simplemente se refiere a la combinación de un fuente láser de desorción / ionización asistida por matriz con una analizador de masas de tiempo de vuelo. El apodo de MALDI-TOF es más ampliamente reconocido por los spectrometrists no masivos que MALDI TOF o individualmente. Otros ejemplos incluyen plasma de acoplamiento inductivo-espectrometría de masas (ICP-MS), espectrometría de masas de acelerador (AMS), espectrometría de masas de ionización térmica (TIMS) y espectrometría de masas fuente de chispas (SSMS). A veces, el uso del genérico "MS" en realidad connota un muy específico analizador de masas y el sistema de detección, como es el caso con AMS, que es siempre sector basado.

Ciertas aplicaciones de espectrometría de masas se han desarrollado monikers que aunque estrictamente hablando parecería para referirse a una amplia aplicación, en la práctica han venido lugar para connotar un específico o un número limitado de configuraciones del instrumento. Un ejemplo de esto es isótopo espectrometría de masas de relación (IRMS), que se refiere en la práctica a la utilización de un número limitado de analizadores de masas sectoriales basados; este nombre se utiliza para referirse tanto a la aplicación y el instrumento utilizado para la aplicación.

Las técnicas cromatográficas combinadas con espectrometría de masas

Una mejora importante para la resolución de la masa y la masa para determinar las capacidades de espectrometría de masas se utiliza en conjunto con cromatográficas técnicas de separación.

La cromatografía de gases

Un cromatógrafo de gases (derecha) directamente acoplado a un espectrómetro de masas (izquierda)

Una combinación común es gas cromatografía-espectrometría de masas (GC / MS o GC-MS). En esta técnica, una cromatógrafo de gases se utiliza para separar compuestos diferentes. Esta corriente de compuestos separados se alimenta en línea en el ion fuente, una metálica filamento a la cual se aplica tensión. Este filamento emite electrones que ionizan los compuestos. Los iones pueden luego más fragmento, produciendo patrones predecibles. Iones intactos y fragmentos pasan al analizador del espectrómetro de masas y finalmente son detectados.

La cromatografía líquida

Similar a cromatografía de gases MS (GC / MS), espectrometría de masas de cromatografía líquida (LC / MS o LC-MS) separa cromatográficamente compuestos antes de que se introducen en la fuente de iones y el espectrómetro de masas. Se diferencia de GC / MS en que la fase móvil es un líquido, por lo general una mezcla de agua y orgánicos disolventes , en lugar de gas y los fragmentos de iones no puede producir patrones predecibles. Más comúnmente, una fuente de ionización por electrospray se utiliza en LC / MS. También hay algunas técnicas de ionización recientemente desarrollados como pulverización láser.

Movilidad iónica

Espectrometría de movilidad iónica / espectrometría de masas (IMS / MS o IMMS) es una técnica donde los iones se separan primero por el tiempo de deriva a través de un poco de gas neutro bajo un gradiente de potencial eléctrico aplicado antes de ser introducido en un espectrómetro de masas. Drift tiempo es una medida del radio con respecto a la carga del ión. La ciclo de servicio de IMS (el tiempo durante el cual tiene lugar el experimento) es más largo que la mayoría de las técnicas de espectrometría de masas, de tal manera que el espectrómetro de masas puede muestrear a lo largo del curso de la separación IMS. Esto produce datos sobre la separación IMS y la relación de masa a carga de los iones de una manera similar a la LC / MS.

El ciclo de servicio de IMS es corto en relación con cromatografía o cromatografía de gases separaciones líquidos y por lo tanto se puede acoplar a tales técnicas, la producción de modalidades triples tales como LC / IMS / MS.

Y análisis de datos

Espectro de masas de un péptido que muestra la distribución isotópica

Representaciones de datos

La espectrometría de masas produce varios tipos de datos. La representación de datos más común es el espectro de masas.

Ciertos tipos de datos de espectrometría de masas están mejor representados como una cromatograma de masas. Tipos de cromatogramas incluyen monitorización de iones seleccionados (SIM), corriente iónica total (TIC), y la reacción seguimiento de cromatograma (SRM) seleccionados, entre muchos otros.

Otros tipos de datos de espectrometría de masas están bien representadas como un tridimensional mapa de contorno. En esta forma, la masa-carga, m / z está en el eje x, el eje y la intensidad, y un parámetro experimental adicional, como el tiempo, se registra en el eje x z.

Análisis de los datos

Lo esencial

Análisis de los datos de espectrometría de masas es un tema complicado que es muy específico para el tipo de producción de los datos de experimento. Hay subdivisiones generales de datos que son fundamentales para la comprensión de los datos.

Muchos espectrómetros de masas funcionan tanto en modo de ion negativo o modo de ion positivo. Es muy importante saber si los iones observados están cargadas negativamente o positivamente. Esto es a menudo importante en la determinación de la masa neutra pero también indica algo sobre la naturaleza de las moléculas.

Diferentes tipos de fuente de iones dan lugar a diferentes conjuntos de fragmentos producidos a partir de las moléculas originales. Una fuente de ionización por electrones produce muchos fragmentos y en su mayoría (1-) radicales de un solo acusado (número impar de electrones), mientras que una fuente de electrospray generalmente produce iones quasimolecular no radicales que con frecuencia se multiplican acusados. Tandem espectrometría de masas produce a propósito iones fragmento posterior a la fuente y puede cambiar drásticamente el tipo de datos obtenidos por un experimento.

Al comprender el origen de una muestra, ciertas expectativas se puede suponer en cuanto a las moléculas componentes de la muestra y sus fragmentaciones. Una muestra de un proceso / fabricación síntesis probablemente contendrá impurezas químicamente relacionados con el componente de destino. Una muestra biológica relativamente crudamente preparado probablemente contendrá una cierta cantidad de sal, que puede formar aductos con las moléculas de analito en ciertos análisis.

Los resultados también pueden depender en gran medida de cómo se preparó la muestra y la forma en que se ha ejecutado / introducido. Un ejemplo importante es la cuestión de que la matriz se utiliza para MALDI manchas, ya que gran parte de la energética de caso de desorción / ionización es controlada por la matriz en lugar de la potencia del láser. A veces, las muestras se enriquecieron con sodio u otro ion de transporte de especies para producir aductos en lugar de una especie protonada.

La mayor fuente de problemas cuando spectrometrists no masivos tratan de llevar a cabo la espectrometría de masas por su propia cuenta o colaborar con un spectrometrist masa es inadecuada definición del objetivo de la investigación del experimento. La adecuada delimitación del objetivo experimental es un requisito previo para la recogida de los datos adecuados y con éxito interpretarlo. Entre las determinaciones que se pueden lograr con la espectrometría de masas son la masa molecular, la estructura molecular y la pureza de la muestra. Cada una de estas preguntas requiere un procedimiento experimental diferente. Simplemente pidiendo un "espectro de masas" lo más probable es no responder a la pregunta real en la mano.

Interpretación de los espectros de masas

Desde el preciso estructura o secuencia peptídica de una molécula es descifrado a través de la serie de masas de fragmentos, la interpretación de Los espectros de masas requiere el uso combinado de varias técnicas. Por lo general, la primera estrategia para la identificación de un compuesto desconocido es comparar su espectro experimental de masas contra una biblioteca de espectros de masa. Si la búsqueda aparece vacío, entonces la interpretación manual o software de interpretación asistida de espectros de masas se realizan. La simulación por ordenador de ionización y procesos de fragmentación que ocurre en un espectrómetro de masas es la principal herramienta para la asignación de estructura o secuencia del péptido a una molécula. Una una información estructural priori está fragmentada in silico y el patrón resultante se compara con el espectro observado. Tal simulación es a menudo el apoyo de una biblioteca de fragmentación que contiene pautas publicadas de reacciones de descomposición conocidos. Software de tomar ventaja de esta idea se ha desarrollado tanto para moléculas pequeñas y proteínas.

Otra forma de interpretar los espectros de masas implica espectros con masa exacta. Un valor de la relación masa-carga (m / z), con sólo precisión entero puede representar un inmenso número de teóricamente posibles estructuras de iones. Figuras de masa más precisas reducen significativamente el número de candidatos fórmulas moleculares , aunque cada uno puede representar todavía un gran número de compuestos estructuralmente diversos. Un algoritmo de computadora llamado generador de fórmula calcula todas las fórmulas moleculares que caben teóricamente un hecho masa con una tolerancia especificada.

Una técnica reciente para la elucidación estructural en la espectrometría de masas, llamado fingerprinting ion precursor identifica piezas individuales de información estructural mediante la realización de una búsqueda de la tándem espectros de la molécula en investigación en contra de una biblioteca de la Los espectros de producto-ion de iones precursores estructuralmente caracterizados.

Aplicaciones

Relación isotópica MS: isótopos de citas y seguimiento

Espectrómetro de masas para determinar la relación isotópica 16 O / 18 O y 12 C / 13 C de carbonato biogénico

La espectrometría de masas también se utiliza para determinar la isotópica composición de los elementos dentro de una muestra. Las diferencias en la masa entre los isótopos de un elemento son muy pequeñas, y las menos abundantes isótopos de un elemento son típicamente muy raro, por lo se requiere un instrumento muy sensible. Estos instrumentos, a veces referido como espectrómetros de masas de relación isotópica (IR-MS), por lo general utilizan un solo imán para doblar un haz de partículas ionizadas hacia una serie de Tazas de Faraday que convierten los impactos de partículas para corriente eléctrica. Un rápido análisis en línea de contenido de deuterio del agua se puede hacer usando Fluir espectrometría de masas resplandor, FA-MS. Probablemente el espectrómetro de masas más sensible y preciso para este propósito es el espectrómetro de masas de acelerador (AMS). Las relaciones de isótopos son marcadores importantes de una variedad de procesos. Algunas proporciones de isótopos se utilizan para determinar la edad de materiales por ejemplo como en datación por carbono. El marcaje con isótopos estables también se utiliza para la cuantificación de proteínas. (Véase la caracterización de proteínas a continuación)

Análisis de gases traza

Varias técnicas utilizan iones creados en una fuente de iones dedicada inyectado en un tubo de flujo o un tubo de deriva:tubo de flujo de iones seleccionados (SIFT-MS), y lareacción de transferencia de protones (PTR-MS), son variantes deionización química dedicadas para el análisis de gases traza de aire, aliento o espacio de cabeza líquido usando el tiempo de reacción bien definido que permite cálculos de concentraciones de analito a partir de la cinética de reacción conocidas sin la necesidad de estándar interno o calibración.

Sonda Atom

Una sonda átomo es un instrumento que combinaespectrometría de tiempo-de-vuelo de masas ymicroscopía de iones de campo (FIM) para mapear la ubicación de los átomos individuales.

Farmacocinética

Farmacocinética se estudia a menudo usando espectrometría de masas debido a la compleja naturaleza de la matriz (a menudo sangre u orina) y la necesidad de una alta sensibilidad para observar dosis baja y los datos de puntos de tiempo largos. La instrumentación más común usado en esta solicitud es LC-MS con un espectrómetro de masas de triple cuadrupolo. Tandem espectrometría de masas por lo general se emplea para la especificidad añadido. Las curvas de calibración y los estándares internos se usan para la cuantificación de por lo general una sola farmacéutica en las muestras. Las muestras representan diferentes puntos de tiempo como se administra y luego un fármaco metabolizado o elimina del cuerpo. En blanco o t = 0 muestras tomadas antes de la administración son importantes para determinar el fondo y asegurar la integridad de datos con tales matrices de muestras complejas. Se presta mucha atención a la linealidad de la curva estándar; sin embargo, no es raro utilizar apropiado con funciones más complejas tales como curva cuadráticas ya que la respuesta de la mayoría de los espectrómetros de masas es menos de lineal a través de los intervalos de concentración de gran tamaño.

En la actualidad existe un gran interés en el uso de muy alta sensibilidad espectrometría de masas paraestudios de microdosificación, que son vistos como una alternativa prometedora ala experimentación con animales.

Caracterización de proteínas

La espectrometría de masas es un método emergente importante para la caracterización y secuenciación de proteínas. Los dos métodos principales para la ionización de las proteínas integrales son ionización por electrospray (ESI) y láser asistida por matriz de desorción / ionización (MALDI). De acuerdo con el rango de rendimiento y la masa de los espectrómetros de masas disponibles, dos enfoques se utilizan para la caracterización de proteínas. En el primero, las proteínas intactas son ionizados por cualquiera de las dos técnicas descritas anteriormente, y luego introducido a un analizador de masas. Este enfoque se conoce como " la estrategia de arriba hacia abajo "de análisis de proteínas. En el segundo, las proteínas se digirieron enzimáticamente en pequeños péptidos usando proteasas tales como tripsina o pepsina, ya sea en solución o en gel después de la separación electroforética. También se utilizan otros agentes proteolíticos. La colección de productos peptídicos Se introducen entonces al analizador de masas. Cuando se utiliza el patrón característico de los péptidos para la identificación de la proteína se llama al método de huellas másicas de péptidos (PMF), si se realiza la identificación utilizando los datos de secuencia determinada en tándem análisis MS se llama secuenciación de novo. Estos procedimientos de análisis de proteínas también se les conoce como el " enfoque de abajo hacia arriba ".

Análisis Glycan

Espectrometría de masas (MS), con su requisito de muestra de baja y alta sensibilidad, se ha utilizado predominantemente en glicobiología para la caracterización y la elucidación de estructuras de glicano. La espectrometría de masas proporciona un método complementario a HPLC para el análisis de glicanos. Glicanos intactos se pueden detectar iones directamente como una sola carga por láser asistida por matriz de desorción / ionización de espectrometría de masas (MALDI-MS) o, tras permetilación o peracetilación, por bombardeo de átomos rápidos espectrometría de masas (FAB-MS). electrospray espectrometría de masas de ionización (ESI -MS) también da buenas señales para los glicanos más pequeños. Vario software libre y comercial están ahora disponibles que interpretar los datos de MS y la ayuda en la estructura Glycan caracterización.

Exploración espacial

Como método estándar para el análisis, espectrómetros de masas han llegado a otros planetas y lunas. Dos de ellos fueron llevados a Marte por el Programa Viking. A principios de 2005 la misión Cassini-Huygens realizó un especializado instrumento GC-MS a bordo de la sonda Huygens a través de la atmósfera de Titán, la luna más grande del planeta Saturno . Este instrumento analizó muestras atmosféricas a lo largo de su trayectoria de descenso y fue capaz de vaporizar y analizar muestras de superficie helada, cubierta de hidrocarburos de Titán una vez que la sonda había aterrizado. Estas mediciones se comparan la abundancia de isótopo (s) de cada partícula comparativamente a la abundancia natural de la Tierra. También a bordo de la nave espacial Cassini-Huygens es un espectrómetro de masas de iones y neutral que ha estado tomando medidas de la composición de la atmósfera de Titán, así como la composición de las columnas de Encelado. La Térmica y Evolved Gas Analizador espectrómetro de masas se realizó por el Marte Phoenix Lander lanzado en 2007.

Espectrómetros de masas también son ampliamente utilizados en misiones espaciales para medir la composición de plasmas. Por ejemplo, la nave espacial Cassini lleva la Cassini Espectrómetro de Plasma (CAPS), que mide la masa de los iones en Saturno magnetosfera.

Monitor de gas respirado

Espectrómetros de masas se utilizan en los hospitales para el análisis de gas respiratorio que comienza alrededor de 1975 hasta finales de siglo. Algunos son, probablemente, todavía en uso, pero ninguno se están fabricando actualmente.

Encontrado principalmente en el quirófano, que eran parte de un sistema complejo, en el que las muestras de gases respirados de los pacientes sometidos a la anestesia se elaboraron en el instrumento a través de un mecanismo de válvula diseñada para secuencialmente conectar hasta 32 habitaciones en el espectrómetro de masas. Un ordenador dirige todas las operaciones del sistema. Los datos recogidos en el espectrómetro de masas fue entregado a las habitaciones individuales para el anestesiólogo a utilizar.

La singularidad de este sector magnético espectrómetro de masas puede haber sido el hecho de que un plano de detectores, cada uno a propósito posicionada para recoger todas las especies de iones se espera que estén en las muestras, permitió que el instrumento para informar simultáneamente todos los gases de respirado por el paciente . Aunque el rango de masas se limitaba a poco más de 120 u, la fragmentación de algunas de las moléculas más pesadas niega la necesidad de un límite de detección superior.

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