Espectometría de masas

Espectrometría de masas

La espectrometría de masas es una de las técnicas que más frecuentemente se utiliza en laboratorios para investigaciones científicas en las que se busca determinar la distribución de las moléculas de una sustancia en función de su masa. Esto lo cumple a través de un espectrómetro.

Esta técnica básicamente estudia el efecto de la energía ionizante sobre las moléculas. Depende de las reacciones químicas en la fase gaseosa en las que se consumen las moléculas de muestra durante la formación de especies iónicas y neutras.

La obtención de iones a partir de moléculas orgánicas en fase gaseosa es una de las funciones que caracterizan a la espectrometría de masas. Estos iones no solo se separan por la masa, sino también de acuerdo con la carga que contengan. Posteriormente, se procede a detectar estas propiedades por medio de un elemento detector.

En consecuencia, un espectro de masas se convierte en una información bidimensional que representa un parámetro relacionado con la abundancia de diferentes tipos de iones en función de la relación masa-carga de cada uno de ellos.

Principio básico de la espectrometría de masas

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Para el análisis espectrométrico de masas, se considera como primer paso la producción de iones en fase gaseosa del compuesto, esto por ionización electrónica. Dicho ion molecular sufre una fragmentación. Por ende, cada ión derivado del ión molecular, sufrirá una fragmentación, y así sucesivamente.

Los iones se separan en el espectrómetro de masas de acuerdo con su relación masa-carga y se detectan en proporción a su abundancia. De esta manera, se produce un espectro de masas de la molécula.

Seguidamente, el resultado se muestra en forma de gráfico de abundancia de iones frente a la relación masa-carga. Los iones proporcionan información sobre la naturaleza y la estructura de la molécula precursora.

Componentes de un espectrómetro de masas

Este instrumento consta de tres componentes principales:

Fuente de ionización

La fuente de ionización sirve para producir iones gaseosos a partir de la sustancia en estudio. Las moléculas se convierten en iones en fase gaseosa para que puedan moverse y manipularse mediante campos eléctricos y magnéticos externos.

Analizador de masas

El analizador de espectrometría de masas es usado para descomponer los iones en sus componentes de masa característicos de acuerdo con su relación masa/carga. Una vez ionizados, estos se clasifican y separan según las relaciones de masa a carga, es decir de m a z.

Existen varios analizadores de masas disponibles actualmente, cada uno de los cuales tiene ventajas y desventajas relacionadas con la velocidad de funcionamiento, la resolución de la separación y otros requisitos operativos.

Sistema de detección de iones

Finalmente, el sistema de detección de iones, sirve para detectar los iones y registrar la abundancia relativa de cada una de las especies iónicas resueltas. Luego, los iones separados se miden y se envían a un sistema de datos donde las relaciones m / z se almacenan junto con su abundancia relativa.

Un espectro de masas es simplemente la relación m / z de los iones presentes en una muestra representada frente a sus intensidades. Cada pico en un espectro de masas muestra un componente de m / z único en la muestra, y las alturas de los picos connotan la abundancia relativa de los diversos componentes en la muestra.

Además, es necesario un sistema de introducción de muestras para admitir las muestras a estudiar en la fuente de iones mientras se mantienen los requisitos de alto vacío de la técnica, que son de ~ 10-6 a 10-8 mm de mercurio.

Adicionalmente se requiere una computadora para controlar el instrumento, adquirir y manipular datos y comparar espectros con otras referencias. Con todos los componentes mencionados anteriormente, es importante conocer que, un espectrómetro de masas, siempre debe realizar los siguientes procesos:

La producción de iones de la muestra en la fuente de ionización.

La separación estos iones de acuerdo con su relación masa / carga en el analizador de masas.

La fragmentación de los iones seleccionados y analice los fragmentos en un segundo analizador.

Por último, la detección de los iones que emergen del último analizador, incluyendo la medición de su abundancia con el detector que convierte los iones en señales eléctricas.

Los usos más destacados de la espectrometría de masas

Esta técnica de la espectrometría de masas es posicionada dentro del sector de la investigación científica, resaltando grandes aportes a las ramas de la física, química y biología. Así mismo, en áreas tales como, astronomía, criminalística, geología, exploración clínica y otros ámbitos.

En ese sentido, la espectrometría de masas es un método que se utiliza para la investigación de la caracterización y la secuencia de distintas proteínas.  Incluyendo, el revelado de dos técnicas suaves de la ionización capaces de ionizar las proteínas, estas serían: La ionización electrospera y desorción del láser matriz-ayudadas.

En el medio ambiente, la detección de sustancias contaminantes se realiza gracias a la gran resolución que pueden alcanzar los espectrómetros de masas.

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La espectrometría de masas en la medicina: Análisis de glicanos

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Los glicanos, también llamados polisacáridos, son polímeros a base de carbohidratos fabricados por todos los organismos vivos. Los glicanos son biomoléculas esenciales que sirven para la estructura, el almacenamiento de energía y la regulación del sistema.

Los avances en glicobiología implican un estudio integral de la estructura, biosíntesis y biología de azúcares y sacáridos. La espectrometría de masas está emergiendo como una tecnología habilitadora en el campo de la glucómica y la glicobiología, así como en la industria farmacéutica y la biomedicina académica.

En la actualidad, las dos técnicas de espectrometría de masas es muy utilizada para el análisis de carbohidratos, son la ionización láser asistida por matriz, MALDI y la ionización por electropulverización, ESI.

MALDI produce una serie de iones moleculares cargados individualmente, la eficiencia de la ionización de los carbohidratos neutros es constante a medida que aumenta el tamaño de la molécula. Al contrario, con la de ESI, donde la eficiencia de ionización disminuye al aumentar el peso molecular.

La espectrometría de masas en la medicina: Análisis de proteínas y péptidos

Las proteínas y los péptidos están involucrados en una amplia gama de funciones y procesos vitales en el cuerpo que son esenciales para la vida. Las proteínas y los péptidos también tienen varios roles en condiciones patológicas como el cáncer y la diabetes.

La utilidad de la espectrometría de masas es usada para análisis de proteínas y péptidos radica en su capacidad para proporcionar información de peso molecular altamente precisa en moléculas intactas.

La capacidad de generar información tan precisa puede ser extremadamente útil para la identificación y caracterización de proteínas. Por ejemplo, una proteína a menudo se puede identificar sin ambigüedades mediante el análisis de masa preciso de sus péptidos constituyentes producido por el tratamiento químico o enzimático de una muestra.

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Espectrometría de masas en criminalística

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En los estudios forenses o criminalística, el uso de la espectroscopia de masas se ha vuelto de gran interés para investigar el uso de drogas ilegales. Esto, a través de análisis de fluidos y tejidos corporales.

Las muestras de cabello, orina y sangre son las más utilizadas para este tipo de análisis. Las drogas más comunes a detectarse son los opiáceos, cocaína, marihuana, LSD y anfetaminas. También son candidatos para este tipo de análisis, los casos de asesinatos o muertes por intoxicación o sobredosis de drogas.

La técnica en otras áreas

La espectrometría de masas es usada en los procesos médicos o de investigación. También hay espacios relacionados de la técnica que observan calidad del aire de la misión espacial guarnecida y que examinan la composición de atmósferas planetarias.

De este mismo modo, la espectrometría de masas es fundamental en muchas fases del descubrimiento de la droga por su velocidad y sensibilidad.

La optimización de la reacción, análisis estructural de los productos de la biblioteca, y la evaluación de la calidad de la composición de la biblioteca es apenas pocos ejemplos de cómo esta técnica puede ser empleada.

otras areas

Espectrometría de masa y cromatografía de gases GC-MS

gases GC-MS

En 1950, los investigadores Fred McLafferty y Roland Gohlke mejoraron drásticamente el poder analítico de la cromatografía de gases GC, al acoplarlo con la espectrometría de masas MS. La adición de la espectrometría de masas es algo que permitió analizar por separado cada componente que sale del cromatógrafo de gases.

En la actualidad, la GC-MS es una tecnología esencial en los laboratorios modernos de química analítica. Sus aplicaciones van desde el desarrollo de nuevos productos farmacéuticos y el análisis de su pureza, la detección de explosivos, hasta agentes de guerra química. Así mismo, el análisis de orina de atletas en busca de sustancias prohibidas para mejorar el rendimiento y también, el análisis de muestras de suelo en Marte.

La GC-MS se puede utilizar para estudiar muestras líquidas, gaseosas o sólidas. Los análisis comienzan con el cromatógrafo de gases, donde la muestra se vaporiza en la fase gaseosa y se separa en diversos componentes utilizando una columna capilar recubierta con una fase estacionaria, bien sea líquida o sólida. Los compuestos son propulsados ​​por un gas portador inerte como helio, hidrógeno o nitrógeno.

Tipos de GC-MS y su usabilidad

Las diferentes tareas analíticas requieren diferentes capacidades de detección. Si bien el sistema de cromatografía de gases puede seguir siendo el mismo, es posible que se requieran diferentes tipos de espectrómetros de masas para diferentes tipos de análisis, según el nivel de selectividad y sensibilidad requeridos.

GC-MS de cuadrupolo simple

Cuando la cromatografía de gases se combina con un espectrómetro de masas que incluye solo un cuadrupolo, a menudo se denomina simplemente GC-MS. Las aplicaciones típicas incluyen análisis de pesticidas en muestras ambientales y de alimentos, análisis de muestras biológicas en busca de drogas de abuso y análisis de compuestos orgánicos volátiles en muestras de agua.

GC-MS / MS de triple cuadrupolo

La cromatografía de gases combinada con un sistema de espectrometría de masas de triple cuadrupolo se denomina GC-MS / MS. El MS de triple cuadrupolo proporciona un mayor nivel de selectividad y es más adecuado para análisis donde se requiere la mayor sensibilidad. Este suele ser el caso cuando se cuantifican plaguicidas en alimentos o contaminantes ambientales.

GC-MS / MS de masa precisa de alta resolución HRAM GC-MS / MS

Un sistema GC se puede combinar con un espectrómetro de masas de alta resolución y precisión (HRAM). Estos sistemas GC-MS / MS ofrecen la potencia cuantitativa de un GC-MS / MS de triple cuadrupolo combinado con capacidades HRAM de barrido completo de alta precisión disponibles solo en los espectrómetros de masas más sensibles y precisos. Estos sistemas son ideales para aplicaciones que requieren tanto un análisis dirigido preciso como una identificación segura de compuestos desconocidos.

Aplicaciones del GC-MS en la actualidad

Desde la detección de posibles productos químicos tóxicos en los alimentos hasta la cuantificación de contaminantes orgánicos en el agua o el análisis de productos derivados del petróleo durante el procesamiento del aceite, la GC-MS se puede utilizar para una variedad de aplicaciones.

Análisis de alimentos y bebidas

El análisis GC-MS es integral para garantizar la seguridad y autenticidad de los alimentos y las bebidas que consumimos. Desde la determinación de residuos de pesticidas hasta la caracterización de ingredientes, los sistemas GC-MS brindan información valiosa sobre la seguridad de nuestro suministro de alimentos.

alimentos analisis
ambiental

Análisis ambiental

En esta área, el GC-MS se ha convertido en una herramienta poderosa para monitorear contaminantes en el aire, el agua y el suelo. Es particularmente útil para la cuantificación de compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles. Además de pesticidas organoclorados, retardadores de llama bromados e hidrocarburos aromáticos policíclicos.

Metabolómica

En esta área, el GC-MS se ha convertido en una herramienta poderosa para monitorear contaminantes en el aire, el agua y el suelo. Es particularmente útil para la cuantificación de compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles. Además de pesticidas organoclorados, retardadores de llama bromados e hidrocarburos aromáticos policíclicos.

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Análisis de petróleo y gas

De igual forma, el GC-MS puede ser utilizado durante las pruebas de petróleo y gas natural que determinan el contenido de energía, azufre orgánico de gas natural y los condensados​s de gas natural. Además, el GC-MS se puede utilizar en el análisis de gases de refinería e hidrocarburos para detectar compuestos oxigenados, aromáticos y compuestos BTEX y PAHs.

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