20.3: Espectrómetros de Masas

Un espectrómetro de masas tiene cuatro elementos esenciales: un medio para introducir la muestra en el instrumento, un medio para generar una mezcla de iones, un medio para separar los iones y un medio para contar los iones. En el Capítulo 20.2 presentamos algunas de las formas más importantes de generar iones. En esta sección dirigimos nuestra atención a los sistemas de entrada de muestras y a la separación y recuento de iones. Es posible que desee revisar el Capítulo 11 donde consideramos estos temas en el contexto de la espectrometría de masas atómicas. Como señalamos en el Capítulo 11, un espectrómetro de masas debe operar bajo vacío para asegurar que los iones puedan viajar largas distancias sin sufrir colisiones no deseadas que afecten su energía iónica.

Sistemas de entrada de muestras

Cuando la muestra es un gas o un líquido volátil, es fácil transferir una porción de la muestra a un depósito como un gas mantenido a una presión relativamente pequeña. Luego se permite que la muestra entre en la fuente de iones del espectrómetro de masas a través de un diafragma que contiene un orificio de alfiler, arrastrado manteniendo la fuente de iones a menor presión.

Los líquidos sólidos y no volátiles se muestrean insertándolos directamente en la fuente de iones a través de un bloqueo de vacío que permite que el espectrómetro de masas permanezca bajo vacío excepto por la fuente de iones donde se inserta la muestra. La muestra se coloca en un tubo capilar o una copa pequeña al final de una sonda de muestra, y luego se mueve a la fuente de iones. La sonda de muestra incluye una bobina de calentamiento que se utiliza, junto con el vacío del instrumento, para ayudar a volatilizar la muestra.

De particular importancia son los sistemas de entrada que acoplan un instrumento cromatográfico o electroforético a un espectrómetro de masas, proporcionando una manera de separar una mezcla compleja en sus componentes individuales y luego usar el espectrómetro de masas para determinar la composición de esos componentes. La interfaz entre un cromatógrafo de gases y un espectrómetro de masas (GC-MS) debe explicar la caída significativa de la presión desde la presión atmosférica hasta una presión de 10 ^—8 torr; la interfaz para CL-EM y para EC-MS debe proporcionar una manera de eliminar el eluyente líquido, volatilizar las muestras y cuenta de la caída de presión. Consulte los Capítulos 27, 28 y 30 para más detalles.

Analizadores de Masa

El propósito del analizador de masas es separar los iones por sus relaciones de masa a carga. Idealmente queremos que el analizador de masas nos permita distinguir entre pequeñas diferencias de masa y hacerlo con una fuerte relación señal-ruido. Como aprendimos en el Capítulo 7 al introducir la espectroscopia óptica, estos dos deseos suelen estar en tensión entre sí, con mejoras en la resolución que a menudo vienen con un aumento en el ruido.

Resolución

La resolución entre dos picos,\(R\), en espectrometría de masas se define como la relación de su masa promedio a la diferencia en sus masas

\[R = \frac{\overline{m}}{\Delta m} \label{resolution} \]

En la siguiente tabla se muestra cómo varía la resolución en función de la masa promedio y la diferencia en masa. Una resolución de 1,000, por ejemplo, es suficiente para resolver dos iones con una masa promedio de 100 amu que difieren en 0.1 amu, o dos iones que tienen una masa promedio de 1,000 amu que difieren en 1 amu.

Mesa\(\PageIndex{1}\). Resolución para valores declarados de\(\overline{m}\) y\(\Delta m\).

\[\overline{m} \rightarrow \nonumber \] \[ \Delta m \downarrow \nonumber \]	100 amu	1000 amu	10,000 amu
\ [\ overline {m}\ fila derecha\ nonumber\]\[ \Delta m \downarrow \nonumber \] “>0.1 amu	1,000	10,000	100,000
\ [\ overline {m}\ fila derecha\ nonumber\]\[ \Delta m \downarrow \nonumber \] “>1 amu	100	1,000	10,000
\ [\ overline {m}\ fila derecha\ nonumber\]\[ \Delta m \downarrow \nonumber \] “>10 amu	10	100	1,000

Analizadores de Masa de Sector Magnético

Cuando un haz de iones pasa por un campo magnético, su trayectoria se altera, como vemos en la Figura\(\PageIndex{1}\). Los iones experimentan una aceleración a medida que salen de la fuente de iones y entran en el analizador de masas con una energía cinética que viene dada por las ecuaciones

\[\ce{KE} = z e V \label{msa1} \]

\[\ce{KE} = \frac{1}{2} mv^2 \label{msa2} \]

donde\(z\) está la carga del ion (generalmente +1),\(e\) es la carga electrónica en Coulombs,\(V\) es el voltaje aplicado responsable de la aceleración,\(m\) es la masa del ion, y\(v\) es la velocidad del ion después de la aceleración. La ecuación\ ref {msa1} nos muestra que todos los iones con la misma carga tienen la misma energía cinética. La ecuación\ ref {msa2}, entonces, nos dice que los iones con una mayor masa se moverán más lentamente.

Figura\(\PageIndex{1}\): Ilustración de un analizador de sector magnético para espectrometría de masas. Los iones de la fuente de iones entran en el analizador de masas. Los imanes en el analizador de masas doblan la trayectoria seguida por los iones. Para cualquier combinación de intensidad de campo magnético y voltaje de aceleración, solo los iones con una relación masa-carga compatible pueden salir del analizador de masas a través de la ranura de salida; los iones que son demasiado pesados o demasiado ligeros, no logran salir del analizador de masas.

La trayectoria de un ion a través del campo magnético está determinada por dos fuerzas. La primera de estas fuerzas es la fuerza magnética,\(F_M\), que actúa sobre el ion, que es

\[F_M = B z e v \label{msa3} \]

donde\(B\) esta la intensidad del campo magnetico. La segunda de estas fuerzas es la fuerza centrípeta,\(F_C\), que actúa sobre el ion a medida que se mueve a lo largo de su trayectoria curva, que es

\[F_C = \frac{mv^2}{r} \label{msa4} \]

donde\(r\) está el radio de curvatura del imán. Un ion solo puede navegar por estas fuerzas opuestas si\(F_M\) y\(F_C\) son iguales entre sí. Esto requiere que

\[B z e v = \frac{mv^2}{r} \label{msa5} \]

Resolviendo para\(v\) da

\[v = \frac{B z e r}{m} \label{msa6} \]

Sustituir de nuevo a la ecuación\ ref {msa2} y resolver la relación masa-carga da

\[\frac{m}{z} = \frac{B^2 r^2 e}{2V} \label{msa7} \]

La ecuación\ ref {msa7} nos dice que para cualquier combinación de intensidad de campo magnético\(B\), y voltaje de aceleración\(V\), solo una relación masa-carga tiene el valor correcto de\(r\) para llegar al director. Los iones que son demasiado pesados o los iones que son demasiado ligeros, colisionarán con los lados del analizador de masas antes de que lleguen al detector. El espectro de masas se registra manteniendo\(V\) y\(r\) constante y variando la intensidad del campo magnético,\(B\). La resolución de un instrumento de sector magnético suele ser inferior a 2000.

Analizadores de Masas de Doble Enfoque

La resolución de un instrumento de sector magnético adolece de limitaciones que afectan su capacidad para estrechar el rango de energías cinéticas y, por lo tanto, velocidades, que poseen los iones cuando salen de la fuente de iones y entran en el analizador de masas. El analizador de masas de doble enfoque en la Figura\(\PageIndex{2}\) compensa esto colocando un analizador electrostático ante el analizador magnético, separando los dos por una hendidura. El analizador electrostático consta de dos placas metálicas curvadas, una de las cuales se mantiene a un potencial positivo y otra a un potencial negativo. A medida que los iones pasan entre las placas, aquellos iones que tienen demasiada energía y los que tienen muy poca energía no logran pasar a través de la hendidura que separa el analizador electrostático del analizador magnético. De esta manera, se aprieta la distribución de las energías y, por lo tanto, de las velocidades, mejorando la resolución alcanzada por el analizador de sector magnético. Dependiendo de su diseño, un analizador de doble enfoque puede lograr una resolución de hasta 100,000.

Figura\(\PageIndex{2}\): Ilustración de un analizador de masas de doble enfoque que consiste en un analizador de masa electrostático y un analizador de masa magnética. Los iones que lo hacen a través de la hendidura que separa los dos analizadores tienen un rango de energías cinéticas menor que los iones en un analizador de masas de sector magnético, lo que mejora la resolución.

Analizadores de Masa Cuadrupolo

El analizador de masas cuadrupolo se introdujo en el Capítulo 11 y el tratamiento aquí es en gran parte el mismo. Un analizador de masas quadupole es compacto en tamaño, bajo costo, fácil de usar y fácil de mantener. Como se muestra en la figura\(\PageIndex{3}\), consta de cuatro varillas cilíndricas, dos de las cuales están conectadas al terminal positivo de una fuente de alimentación de corriente continua variable (dc) y dos de las cuales están conectadas al terminal negativo de la fuente de alimentación; las dos barras positivas están posicionadas opuestas entre sí y las dos varillas negativas se colocan opuestas entre sí. Cada par de barras también está conectado a una fuente de corriente alterna variable (ac) operada de tal manera que las corrientes alternas están desfasadas 180° entre sí. Un haz de iones de la fuente se introduce en el canal entre los cuadrupolos y, dependiendo de los voltajes dc y ac aplicados, los iones con una sola relación masa-carga recorren con éxito la longitud del analizador de masas y alcanzan el transductor; todos los demás iones chocan con una de las cuatro barras y son destruidos.

Figura\(\PageIndex{3}\): Disposición básica del analizador de masas cuadrupolo. Los signos más y menos en cada varilla indican cuáles están conectados al terminal positivo de la fuente de alimentación de CC. Aquí no se muestra la circuitería para aplicar la corriente alterna. El haz de iones entra en el canal entre los cuadrupolos. Dependiendo de los voltajes dc y ac aplicados, algunos de los iones emergen de este canal y llegan al transductor.

Para entender cómo un analizador de masas cuadrupolo logra esta separación de iones, ayuda a considerar el movimiento de un ion con relación a solo dos de las cuatro barras, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) para los polos que llevan una tensión positiva de CC. Cuando el haz de iones entra en el canal entre las barras, el voltaje de CA hace que el ion comience a oscilar. Si, como en el diagrama superior, el ion es capaz de mantener una oscilación estable, pasará por el analizador de masas y llegará al transductor. Si, como en el diagrama del medio, el ion es incapaz de mantener una oscilación estable, entonces el ion finalmente choca con una de las barras y se destruye. Cuando las varillas tienen un voltaje de CC positivo, como lo hacen aquí, los iones con mayores relaciones de masa a carga serán lentos para responder a la tensión alterna alterna y pasarán a través del transductor. El resultado se muestra en la figura en la parte inferior (y se repite en la figura\(\PageIndex{5}a\)) donde vemos que los iones con una relación masa-carga suficientemente grande pasan con éxito a través del transductor; los iones con relaciones masa-carga más pequeñas no lo hacen. En este caso, el analizador de masas cuadrupolo actúa como un filtro de paso alto.

Figura\(\PageIndex{4}\): Ilustración de cómo un analizador de masas cuadrupolo logra la separación de iones por su relación masa/carga. Consulte el texto para obtener más detalles.

Podemos extender esto al comportamiento de los iones cuando interactúan con varillas que llevan un voltaje negativo de CC. En este caso, los iones son atraídos hacia las barras, pero aquellos iones que tienen una relación masa/carga suficientemente pequeña son capaces de responder al voltaje de la corriente alterna y permanecer en el canal entre las varillas. Los iones con mayores relaciones de masa a carga se mueven más lentamente y eventualmente chocan con una de las varillas. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}b\), en este caso, el analizador de masas cuadrupolo actúa como un filtro de paso bajo. Juntos, como vemos en la Figura\(\PageIndex{5}c\), un analizador de masas cuadrupolo opera como filtro de paso alto y de paso bajo, permitiendo que una banda estrecha de relaciones masa-carga pase a través del transductor. Variando el voltaje dc aplicado y el voltaje ac aplicado, podemos obtener un espectro de masa completo.

Figura\(\PageIndex{5}\): Ilustración que muestra cómo un analizador de masas cuadrupolo actúa como (a) un filtro de paso alto y (b) un filtro de paso bajo, con el resultado de que solo pasa iones con un rango estrecho de relaciones masa-carga.

Los analizadores de masa cuadrupolo proporcionan una resolución modesta de masa a carga de aproximadamente 1 amu y se extienden a\(m/z\) relaciones de aproximadamente 2000.

Analizadores de Masa de Tiempo de Vuelo

En un analizador de masas de tiempo de vuelo, Figura\(\PageIndex{6}\), los iones se crean en pequeños racimos aplicando un pulso periódico de energía a la muestra usando un rayo láser o un haz de partículas energéticas para ionizar la muestra. El pequeño grupo de iones se introduce entonces en un tubo aplicando un campo eléctrico y luego se deja que se desvíe a través del tubo en ausencia de cualquier campo aplicado adicional; el tubo, por razones obvias, se llama tubo de deriva. Todos los iones del cúmulo ingresan al tubo de deriva con la misma energía cinética, KE, que definimos como

\[\text{KE} = \frac{1}{2} m v^2 =z e V \label{tof1} \]

El tiempo,\(T\), que toma el ion para recorrer la distancia\(L\),, al detector es

\[T = \frac{L}{v} \label{tof2} \]

Sustituyendo la ecuación\ ref {tof2} en la ecuación\ ref {tof1}

\[T = \sqrt{\frac{m}{z}} \times \sqrt{\frac{1}{2eV}} \label{tof3} \]

nos muestra que el tiempo que tarda un ion en viajar a través del tubo de deriva es proporcional a la tasa cuadrada de su relación masa-carga. Como resultado, los iones más ligeros se mueven más rápidamente que los iones más pesados. Los tiempos de vuelo suelen ser menores de 30 µs. Un analizador de masas de tiempo de vuelo proporciona una mejor resolución que un analizador de masas cuadrupolo, pero está limitado a fuentes que pueden ser pulsadas. Un analizador lineal de tiempo de vuelo, como el de la Figura\(\PageIndex{6}\), proporciona una resolución de aproximadamente 4,000; otras configuraciones pueden lograr resoluciones de 10,000 o mejores. El analizador de tiempo de vuelo es adecuado para la ionización MALDI, ya que el tiempo entre pulsos del láser proporciona el tiempo necesario para que se produzca la detección.

Figura\(\PageIndex{6}\): Ilustración de un analizador de masa lineal de tiempo de vuelo que muestra tres vistas de las posiciones relativas de tres iones con una relación de masa a carga pequeña (verde), media (azul) y grande (roja) a medida que migran a través del tubo de deriva.

Analizadores de Masa de Trampa de

La figura\(\PageIndex{7}\) proporciona una ilustración de un analizador de masa de trampa de iones, que consta de tres electrodos, un electrodo de anillo central y dos electrodos cónicos de tapa terminal, que crean una cavidad en la que se extraen los iones. Los iones en la cavidad experimentan fuerzas estabilizadoras y desestabilizadoras que afectan su movimiento dentro de la cavidad. Los iones que adoptan órbitas estables permanecen en la cavidad. Al variar los potenciales aplicados a los electrodos, los iones con diferentes relaciones de masa a carga entran en órbitas desestabilizadoras y salen a través de un pequeño orificio en el fondo de la trampa. Una trampa de iones proporciona típicamente una resolución de 1,000.

Figura\(\PageIndex{7}\): Ilustración del analizador de masa de trampa de iones que muestra la cavidad definida por la tapa de extremo superior, el electrodo de anillo y la tapa de extremo inferior. Las fotografías en la parte inferior muestran la tapa de extremo superior de forma cónica con pequeños orificios (dentro del círculo amarillo) que permite que los iones entren en la cavidad, el electrodo de anillo y la tapa de extremo inferior de forma cónica, que tiene un pequeño orificio (dentro del círculo amarillo) que permite que los iones salgan de la cavidad y lleguen al detector.

Analizador de masas por resonancia de ciclotrón

El analizador de resonancia de ciclotrón iónico (ICR) es una forma de trampa de iones pero opera de una manera que retiene todos los iones dentro de la trampa. Cuando se coloca un ion en fase gaseosa dentro de un campo magnético aplicado, los iones se mueven en una órbita circular que es perpendicular al campo aplicado (Figura\(\PageIndex{8}\)). Al discutir el analizador de sector magnético, demostramos que la velocidad\(v\),, de un ion en un campo magnético aplicado con una intensidad de\(B\) es una función del radio del movimiento del ion,\(r\), y su carga

\[v = \frac{B z e r}{m} \label{icr1} \]

Resolviendo para la relación\(v / r\) da la frecuencia de ciclotrón del ion,\(w_c\), como

\[w_c = \frac{v}{r} = \frac{z e B}{m} \label{icr2} \]

Cuando un ion que se mueve en una órbita circular, como lo muestra la menor de las dos órbitas circulares en la Figura\(\PageIndex{8}a\), absorbe energía igual a su frecuencia de ciclotrón\(w_c\), su velocidad\(v\), y el radio de su órbita,\(r\) ambos aumentan para mantener un valor constante para\(w_c\); el resultado es un ion que se mueve en una órbita circular de mayor radio. Como\(w_c\) depende de la relación masa/carga, todos los iones iguales\(m/z\) experimentan el mismo cambio en su órbita, mientras que los iones con otras relaciones masa-carga no se ven afectados. Los iones en las órbitas más grandes eventualmente regresan a su órbita circular original como resultado de colisiones en las que pierden energía.

Figura\(\PageIndex{8}\): Ilustración de cómo funciona un analizador de masas ICR. En (a) un ion originalmente en órbita circular con un radio pequeño, mostrado en azul se mueve a una órbita circular con un radio mayor, que se muestra en verde cuando absorbe energía igual a su frecuencia de ciclotrones\(w_c\), siguiendo la trayectoria mostrada en rosa. La célula ICR en (b) consiste en dos placas transmisoras que aplican el potencial que altera la órbita de cada ion, y dos placas receptoras que miden la corriente generada por los iones; hay dos placas adicionales, una en frente y otra en la parte posterior, que proporcionan una entrada para llevar iones a la célula ICR desde el fuente de iones y para eliminar los iones en preparación para la siguiente muestra. La señal en (c) decae con el tiempo a medida que los iones pierden energía a través de colisiones.

La trampa misma, como se ve en la Figura\(\PageIndex{8}b\), está definida por dos pares de placas (cuatro en total). Las placas transmisoras se utilizan para aplicar el potencial que altera las órbitas de los iones. El movimiento de los iones genera una corriente en las placas receptoras que sirve como señal, como se ve en la Figura\(\PageIndex{8}c\), que es positiva cuando el ion está más cerca de una placa receptora y negativa cuando está más cerca de la otra placa receptora. La magnitud inicial de la corriente es proporcional al número de iones con la relación masa-carga.

El analizador de resonancia de ciclotrón iónico suele ser operado aplicando un pulso corto de energía que varía linealmente en su frecuencia. Esto pone en movimiento todos los iones, con cada relación masa-carga dando una respuesta de corriente similar a la de la Figura\(\PageIndex{8}c\). Colectivamente, estas curvas individuales de corriente-tiempo dan un espectro de dominio de tiempo que podemos ocultar en un espectro de dominio de frecuencia tomando la transformada de Fourier. El espectro de dominio de frecuencia produce el espectro de masas a través de la Ecuación\ ref {icr2}. Los instrumentos FT-ICR son capaces de lograr resoluciones de 1,000,000.