4.1: Cuadrupolo

El espectrómetro de masas cuadrupolo (1) es el analizador de masas más común. Su tamaño compacto, velocidad de escaneo rápido, alta eficiencia de transmisión, ^* y sus modestos requisitos de vacío son ideales para instrumentos pequeños y económicos. La mayoría de los instrumentos cuadrupolares están limitados a la resolución m/z de unidad ^** y tienen un rango de masa de 1000 m/z. Muchos instrumentos de banco tienen un rango de masa de 500 m/z, pero los instrumentos de investigación están disponibles con un rango de masa de hasta 4000 m/z.

Figura\(\PageIndex{1}\): Analizador de Masa Cuatripolo. A) Trayectoria de iones a través del cuadrupolo, B) Enfoque iónico durante la primera mitad del ciclo de RF, C) Enfoque iónico durante la segunda mitad del ciclo de RF.

En el espectrómetro de masas, un campo eléctrico acelera los iones fuera de la región fuente y hacia el analizador cuadrupolo. El analizador consta de cuatro varillas o electrodos dispuestos uno frente al otro (Figura\(\PageIndex{1}\)). A medida que los iones viajan a través del cuadrupolo, se filtran de acuerdo con su valor m/z para que solo un solo ion de valor m/z pueda golpear el detector. El valor m/z transmitido por el cuadrupolo está determinado por los voltajes de Radio Frecuencia (RF) y Corriente Continua (CC) aplicados a los electrodos. Estos voltajes producen un campo eléctrico oscilante que funciona como un filtro de paso de banda para transmitir la masa seleccionada al valor de carga.

El voltaje de RF rechaza o transmite iones de acuerdo con su valor m/z enfocándolos alternativamente en diferentes planos (Figura 9). Los cuatro electrodos están conectados en p aires y el potencial de RF se aplica entre estos dos pares de electrodos. Durante la primera parte del ciclo de RF, las barras superior e inferior están en un potencial positivo y las varillas izquierda y derecha están en un potencial negativo. Esto aprieta los iones positivos en el plano horizontal. Durante la segunda mitad del ciclo de RF se invierte la polaridad de las varillas. Esto cambia el campo eléctrico y enfoca los iones en el plano vertical. El campo cuadrupolar continúa alternando a medida que los iones viajan a través del analizador de masas. Esto hace que los iones sufran un complejo conjunto de movimientos que produce una onda tridimensional.

El campo cuadrupolo transmite iones seleccionados porque la amplitud de esta onda tridimensional dep termina en el m/z v alue del ion, los potenciales aplicados y la frecuencia RF. Al seleccionar una frecuencia y potencial de RF apropiados, el cuadrupolo actúa como un filtro de paso alto, transmitiendo iones m/z altos y rechazando iones m/z bajos. Los iones bajos m/z tienen una mayor tasa de aceleración por lo que la onda para estos iones tiene una mayor amplitud. Si esta amplitud es lo suficientemente grande los iones chocarán con los electrodos y no podrán llegar al detector. El valor de corte bajo m/z del cuadrupolo se cambia ajustando el potencial de RF o la frecuencia de RF. Cualquier ion con una m/z mayor que este corte se transmite por el cuadrupolo.

También se aplica un voltaje de CC a través de las barras del analizador. Este potencial combinado con el potencial de RF actúa como un filtro de paso bajo para rechazar iones m/z altos. Debido a que responden rápidamente al campo de RF cambiante, el movimiento de los iones m/z bajos está dominado por el potencial de RF. Este movimiento estabiliza su trayectoria reenfocando cada vez que el potencial de RF cambia de polaridad. Debido a que los iones m/z bajos se reenfocan rápidamente, el potencial de CC no afecta a estos iones. Los iones m/z altos, sin embargo, no se vuelven a enfocar tan rápidamente durante el ciclo de RF. El potencial de CC tiene una mayor influencia en su trayectoria y lentamente se alejan del centro del cuadrupolo. Al final del analizador, están demasiado lejos del eje para golpear el detector.

La combinación de filtros de paso alto y bajo producidos por los potenciales de RF y CC se ajusta para transmitir únicamente el valor m/z seleccionado. Todos los iones por encima o por debajo del valor establecido de m/z son rechazados por el filtro cuadrupolar. Los campos RF y CC se escanean (ya sea por potencial o frecuencia) para recopilar un espectro de masas completo. Los analizadores de masas cuadrupolares a menudo se denominan filtros de masa debido a la similitud entre la selección m/z por un cuadrupolo y la selección de longitud de onda por un filtro óptico o la selección de frecuencia por un filtro electrónico.

^* La eficiencia de transmisión se refiere a cuántos de los iones producidos en la región fuente realmente llegan al detector. Esta es una medida importante de sensibilidad para espectrómetros de masas.
^** Los espectros de masas de resolución unitaria (o baja resolución) distinguen entre iones separados por\(1 \mathrm{~m} / \mathrm{z}\) unidad. Los espectros, como los que aquí se presentan, se muestran comúnmente como histogramas. Este es un método común para presentar espectros porque resulta en un tamaño de archivo de datos mucho más pequeño. Algunos analizadores de masas pueden obtener espectros a una resolución mucho mayor. Esto se discute en detalle en la sección de interpretación.

Referencias

1. Steel, C.; Henchman, M. J. Chem. Educ., 1998, 75, 1049-1054.