Conceutos clave

• La resolución (R) ye la capacidá de dixebrar y midir mases d'iones de masa molecular similar. Ta definida como la división ente la masa d'interés (m) ente la diferencia de masa (Δm), definíu como l'anchu d'un picu de señal a metá del so altor. Polo tanto R=(m/Δm). Dos picos de señales vecines considerar abondo dixebraes cuando'l valle de la señal que dixebren los máximos escayera hasta'l 10% de la intensidá. A esti criteriu conocer como'l "10% definición de resolución de los valles". La condición por que se cumpla'l valle al 10% ye cuando l'anchu del picu al 5% relativu al so altor iguala la diferencia de mases de los correspondientes iones, yá que entós el 5% de contribución de cada picu nel mesmu puntu de la exa m/z suma hasta'l 10%.
• Masa monoisotópica y masa medio:
  • La masa exacto del isótopu más abondosu llamar masa monoisotópica. La masa monoisotópica ye la suma de les mases monoisotópicas de cada elementu del analito.
  • La masa medio ye la suma de la media química de les mases de los sos componentes considerando la so bayura.
• La precisión de masa ye un porcentaxe de la masa midida y mídese tantu en porcentaxe como en partes per millón.

Fonte d'ionización

La fonte d'iones ye l'elementu del espectrómetru que ioniza el material por analizar (el analito). Depués los campos magnéticos o llétricos tresporten los iones al analizador total.

Les téuniques d'ionización fueron fundamentales pa determinar qué tipos de muestres pueden analizase por espectrometría de mases. La ionización del electrón y l'ionización molecular utilizar pa los gases y los vapores.

Dos téuniques, usaes de cutiu con líquidos y muestres biolóxiques sólides, inclúin la ionización por electrospray (por cuenta de John Fenn) y la desorción/ionización por láser asistida por una matriz (MALDI, por cuenta de M. Karas y a F. Hillenkamp). Les fontes d'afigura acopláu inductivamente utilícense, sobremanera, pal analís de metales nuna amplia gama de muestres. Otres téuniques inclúin la ionización por aciu bombardéu d'átomos rápidos (FAB, poles sos sigles n'inglés), el termospray, la ionización química por presión atmosférica (APCI), la espectrometría de mases d'iones secundarios, etc.

• Ionización por electrones: El procedimientu clásicu d'ionización basar en disparar electrones enerxéticos nun átomu neutru. A esto llamar ionización por electrones (IE). La ionización por electrones tamién-y lo llama ionización per impautu d'electrones o impautu d'electrones(IE). Pal IE, la muestra neutra tuvo que ser primeramente tresferida nuna fase gaseosa altamente esleida, que se llogra evaporando la muestra. Na práutica, considérase que la fase gaseosa atópase altamente esleida cuando'l camín llibre mediu de les partícules atópase lo suficientemente llargu como por que les interacciones bimoleculares sían cuasi imposibles dientro del tiempu de vida de les partícules. Esto consíguese fácilmente a presiones nel rangu de los 10^-4 Pa usualmente realizáu na fonte d'iones. Cuando un átomu neutru ye cutíu por un electrón enerxéticu que cunta con delles decenes de electronvolts (eV) d'enerxía cinética, una parte d'esa enerxía del electrón ye tresferida escontra l'átomu. Si l'electrón, en términos de tresferencia denergía, topeta bien efeutivamente col átomu neutru, la cantidá d'enerxía tresferida puede faer que se ionize al eyectar unu de los electrones del átomu neutru, entós dando como resultáu un ion radical positivu.

Analizador de masa

Parte llétrica.

Parte magnética.

L'analizador de masa ye la pieza más flexible del espectrómetru de masa. Los distintos tipos espectrómetros de mases varien según l'analizador que tienen. Pal casu del espectrómetru de seición magnética, este utiliza un campu llétrico o magnéticu p'afectar la trayeutoria o la velocidá de les partícules cargaes d'una cierta manera. La fuercia exercida pelos campos llétricos y magnéticos ye definida pola fuercia de Lorentz:

${\displaystyle {\vec {F}}=q({\vec {Y}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}})}$

onde:

• ${\displaystyle {\vec {Y}}}$ ye'l vector campu llétrico, *

${\displaystyle {\vec {B}}}$ ye'l vector campu magnéticu, *

${\displaystyle \ q}$ ye la carga de la partícula, * ${\displaystyle {\vec {v}}}$ ye'l vector velocidá y * ${\displaystyle \times }$ simboliza'l productu vectorial.

Tolos analizadores totales utilicen les fuercies de Lorentz d'una manera o otra na determinación de masa-carga, estáticamente o dinámicamente. Amás de los tipos orixinales del área magnética, otros tipos d'analizadores tán anguaño nun usu más común, incluyendo tiempu-de-vuelu, la trampa d'iones con cuadrupolo, cuadrupolo y Fourier tresforma analizadores de la masa de la resonancia del ciclotrón del ion. Amás d'estos hai munchos más analizadores totales esperimentales y combinaciones exótiques d'analizadores.

Según lo amosao enriba, los preseos del área camuden la direición de los iones que tán volando al traviés del analizador total. Los iones, pola mor del campu magnéticu o'l campu llétrico, ven esviaes les sos trayectories en función de la so masa y la so carga, de manera que cuanto más s'esvien, más llixeros van ser. Asina, l'analizador dirixe les partícules al detector, variando un campu llétrico o magnéticu que se basa nel cociente masa/carga (m/z).

Nel casu del espectrómetru de seición magnética, puede usase la fuercia de Lorentz pa saber cual ye'l radiu de combadura na cual los iones esviar según la so rellación m/z.

${\displaystyle r={\frac {mv}{zB}}}$

onde:

• ${\displaystyle r}$ ye'l radiu de xiru, *

${\displaystyle m}$ ye la masa del ion, * ${\displaystyle v}$ ye la velocidá cola qu'entra na seición magnética, * ${\displaystyle z}$ ye la carga del ion y * ${\displaystyle B}$ ye'l campu magnéticu.

Podemos notar que si la rellación m/z aumenta, manetiendo el campu magnéticu constante, el radiu de xiru aumenta, y viceversa. Pa poder realizar un barríu de mases, tien de camudase la intensidá del campu magnéticu por que les distintes mases cutan el detector.

Anguaño esisten distintos métodos pa "penerar" los iones al respective de la so rellación Masa/carga. El más comúnmente usáu ye'l denomináu cuadrupolo. Componer de 4 barres allargaes en formación cuadrada, coneutaes llétricamente ente sigo en pares opuestos. A dichos pares (polos) aplícase-yos una tensión de radiofrecuencia variable que sintoniza con un determináu ion. Cuando esiste sintonía ente'l ion que ta pasando por elles y la frecuencia aplicada, dichu ion sigue'l so camín esviándose tolos demás non sintonizados fuera del cuadrupolo y de esta manera nun impacten nel detector. El principiu matemáticu del so funcionamientu ye'l siguiente. Supongamos que les barres que tienen tensión positivo atopar na exa Y, ente que les que cunten con tensión negativo son les de la exa X. A midida que el ion entra nel cuadrupolo na direición Z, siente una fuercia curioso por dalguna de les barres con carga opuesta a la del ion. Si'l voltaxe aplicáu nes barres ye periódicu, l'atracción y repulsión na exa X y Y son alternaos nel tiempu, una y bones el signu de la fuercia llétrico camuda de signu dacuando nel tiempu. Si'l voltaxe aplicáu ta compuestu d'una CC de voltaxe O y una a radiofrecuencia (RF) de voltaxe V con una frecuencia ${\displaystyle \omega }$, entós la potencia total ${\displaystyle \phi }$ ta dada por:

${\displaystyle \phi =O+Vcos\omega t}$

Poro, les ecuaciones de movimientu son:

${\displaystyle {\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}+{\frac {y}{mr^{2}}}(O+Vcos\omega t)x=0}$

${\displaystyle {\frac {d^{2}y}{dt^{2}}}-{\frac {y}{mr^{2}}}(O+Vcos\omega t)y=0}$

A estes ecuaciones conocer como ecuaciones diferenciales de Mathieu, que la so resolución ye numbérica. Lo que nos indica ye que, por cuenta de qu'esiste un rangu de frecuencies nel cual les soluciones son estables, les mases que van pasar al traviés del analizador cuadrupolar van ser les que cunten cola rellación m/z correuta, ye dicir que l'analizador cuadrupolar actúa como un "filtru pasabanda de mases".

La configuración de los actuales espectrómetros de masa pasa por disponer d'unu, dos y hasta trés cuadrupolos en serie (triplecuadrupolo bien en boga). Esisten tamién configuraciones non cuadripolares, como pueden ser los hexapolos, anque'l so funcionamientu ye análogu al cuadripolo.

L'analizador puede utilizase pa escoyer una gama estrecha de m/z's o pa esplorar al traviés d'una gama de m/z's pa catalogar los iones presentes:

• quiciabes el más bono d'entender ye l'analizador del Tiempu-de-vuelu (TOF) que s'integra típicamente con fontes del ion de MALDI. Alza los iones a la mesma enerxía cinética pol pasu al traviés d'un campu llétrico y mide los tiempos que tomen p'algamar el detector. Anque la enerxía cinética ye igual, la velocidá ye distinta, asina que el ion de menor rellación m/z, va algamar el detector primeru. La teoría funciona de la siguiente manera. Suponiendo que'l ion parte dende un estáu de reposu y depués acelerar con un potencial ${\displaystyle O}$, la enerxía potencial tresformar n'enerxía cinética de la siguiente manera:

${\displaystyle qU={\frac {1}{2}}mv^{2}}$

onde ${\displaystyle qU}$ ye la enerxía potencial y ${\displaystyle {\frac {1}{2}}mv^{2}}$ye la enerxía cinética. Depués, por definición de velocidá tiense que v = d/t. Reemplazando llegar a:

${\displaystyle qU={\frac {1}{2}}m\left({\frac {d}{t}}\right)^{2}}$

estenando la variable ${\displaystyle t}$ y aplicando el raigañu cuadráu a dambos términos unu llogra:

${\displaystyle t={\frac {d}{\sqrt {2O}}}{\sqrt {\frac {m}{q}}}}$

onde ${\displaystyle {\frac {d}{\sqrt {2O}}}}$ ye una constante ${\displaystyle k}$. Notar que'l tiempu que tarden los iones que percuerren una distancia ${\displaystyle d}$, depende de la so rellación m/z.

Propiedaes d'un TDV llinial: La transmitancia d'un analizador TDV averar al 90% por cuenta de la perdida d'iones por causa de choques con gases residuales o por una mal enfoque de la fonte d'iones, causando qu'estos s'esvalixen. Con una superficie del detector lo suficientemente llarga alcontrada non bien lloñe de la salida de la fonte d'iones, una gran fracción d'estos van ser recoyíos pol detector. Incluyendo decomposiciones metaestables mientres el vuelu nun amenorguen la intensidá de la señal d'un ion molecular, una y bones los fragmentos formaos caltienen la velocidá de la fragmentación del ion y son, entós, detectaos nel mesmu tiempu de vuelu como'l so precursores intactos. Nesi casu, el neutral y el fragmentu ionizado causen una respuesta nel detector. Estes propiedaes faen del analizador TDV l'aparatu ideal pal analís de fragmentación y/o partícules con alta concentración de masa. Tocantes a la so resolución cunten con ciertos entueyos. Por casu, cambeos nel tiempu de vuelu d'iones que difieren en 1 o en masa estan nel orde de 10 ns nuna rellación m/z de 1000. El tiempu necesariu pa la ionización o fragmentación ye d'aproximao 100 ns nel casu de láseres UV standard, pero depende na duración del pulsu del láser. Arriendes d'ello, la variedá nos tiempos iniciales pa los iones del mesmu valor m/z son usualmente mayores que la diferencia nel tiempu de vuelu de valores vecinos de m/z, polo tanto llindando'l so resolución. Otru de los problemes de resolución que pueden tener los TDV ye'l siguente: Los iones disociados por cuenta de los láseres, por casu, tienen una gran enerxía cinética inicial de dellos 10eV que son impuestos na enerxía cinética qu'aprove'l voltaxe d'aceleración, que ta nel orde de 10-30kV. Un mayor voltaxe d'aceleración ye ventaxosu en cuanto mengüen la contribución relativa d'enerxía que s'espardi debíu pol procesu d'ionización. El posible efeutu na esviación ye por cuenta de que supónse que los iones atópense primeramente en reposu nuna superficie equipotencial. Toos estos efeutos xuntos llinden el resolución a R = 500 pa ectraciones continues p'analizadores TDV lliniales.

Analizador de tiempu de vuelu con reflector: El reflector o reflectron foi desenvueltu pol científicu Boris Aleksandrovich Mamyrin. Nel analizador TVD (xeneralmente embrivíu como TDVRe) el reflector actúa como un espeyu d'iones qu'enfoca iones con distintes enerxíes cinétiques nel tiempu. El so funcionamientu puede ameyorase usando un diseñu de reflectores de dos etapes o d'etapes múltiples. Comúnmente, el reflector ye un preséu que tambien cuenta con un edetector detras d'él, dexando una manera llinial d'operación a cencielles apagando'l voltaxe del reflector. Un reflector simple consiste nun campu llétrico retardante alcontráu detrás de la zona na que los iones viaxen llibremente, opuesta a la fonte d'iones. Na práutica, el reflector componer d'una serie d'aniellos (o menos preferentemente allunes) con un potencial creciente. El voltaxe de reflección Ur configurar n'aprosimao 1.05-1.10 vegaes l'aceleración devida al voltaxe O pa poder asegurase que tolos iones seya reflexaos dientro de la porción homoxénea del campu llétrico del aparatu. Los iones enfusen el reflectron hasta qu'algamen una enerxía cinética igual a 0 y son depués explusados del reflector na direición opuesta. La enerxía cinética de los iones que salen del reflector permanez inafectada, pero'l so camín de vuelu varia según la diferencia na enerxía cinética. Los iones que cunten con mayor enerxía cinética viaxaren más fondu dientro del campu desacelerante, y entós van pasar más tiempu dientro del reflector que los iones con menor enerxía cinética. Entós, el reflector llogra una correición nel timepo de vuelu qu'ameyora sustancialmente el poder de resolución del analizador TDV. Amás, el reflector aprove (magar imperfectu) un focu con respectu al esparicimento angular de los iones que salen de la fonte y corrixe la so distribución espacial. Afaciendo'l reflector a una pequeña escala con al respective de los iones que salen de la fonte, dexa que'l detector del reflector seya asitiáu de forma axacente a la fonte d'iones (diseñu de Mamyrin). Magar el reflector cuasi dobla'l camín de vuelu y entós la disperción del tiempu de vuelu, esti efeutu ye de menor importancia que la so capacidá pa compensar ye esparcimientu na enerxía cinética inical. Una simple elongación nel camín de vuelu puede tambien ser llograda con tubos pal vuelu más llargos en preseos lliniales. Sicasí, tubos demasiáu llongures pal camín del vuelu d'iones pueden causar una escayencia nel funcionamientu d'analizadores TDV pola perdidad d'iones nel esparcimientu angular del rayu d'iones y l'esparcimientu de los iones depués de coliciones col gas residual. Pa compensar esto, cables d'iones empuestos son incorporaos en llargos intrumentos pa los TDV.

• los analizadores totales cuadrupolo y los campos llétricos trémboles del ion del usu cuadrupolo de les trampes [ QIT ] estabilicen selectívamente o desestabilicen los iones que cayen dientro d'una ventana estrecha de los valores de m/z. Fourier tresforma midíes de la espectrometría de masa que se forma detectando la corriente de la imaxe producida polos iones ciclotronándolos en presencia d'un campu magnéticu. Poder escoyer l'analizador más fayadizu pa un esperimentu depende del tipu d'información que se llogra del esperimentu.

Detector

L'elementu final del espectrómetru total ye'l detector. El detector rexistra la carga inducida o la corriente producida cuando un ion pasa cerca o cute una superficie. Nun preséu d'esploración la señal ye producida nel detector mientres la trayeutoria de la mesma (en qué m/z) y va producir un espectru de masa, un espediente del m/z's nel cual los iones tán presentes. Típicamente, utilízase un ciertu tipu de multiplicador d'electrones (electromultiplicador), anque s'emplegaron otru detectores (como les taces de Faraday).

Espectru de mases.

El funcionamientu del electromultiplicador basar nel efeutu cascada producíu al impautar un determináu ion (o iones) nel mesmu. Aplicando una diferencia de potencial ente los sos estremos, consíguese aumentar el factor d'amplificación, que va venir determináu pol númberu de subetapas amplificadores que componen el detector. De normal, ye un componente sometíu a gastadura qu'hai de reemplazase col tiempu al perder eficiencia d'amplificación.

Una y bones el númberu d'iones que dexen l'analizador total nun intre particular ye realmente pequeñu, una amplificación significativa ye xeneralmente necesaria pa consiguir una señal mínimamente procesable. El detectores de la placa de Microchannel utilícense comúnmente en preseos comerciales modernos. En FTMS el "detector" ye un par de plaques de metal dientro de la rexón total del analizador que los iones pasen solamente cerca. Nun se produz nenguna corriente de la C.C., solo una corriente débil de la imaxe de la CA producir nun circuitu ente les plaques.