Espectrometría de masas

La espectrometría de masas es una técnica analítica que se utiliza para determinar el peso molecular de diversas moléculas y biomoléculas. Proporciona información estructural sobre las proteínas y realiza análisis cuantitativos con alta sensibilidad y especificidad, clasificando los analitos ionizados en función de su relación masa-carga. El análisis espectrométrico de masas, o la medición del analito ionizado, se lleva a cabo en fase gaseosa. Las moléculas se ionizan y se introducen en un campo eléctrico; dentro de este campo, se clasifican según su relación masa-carga. La espectrometría de masas se emplea en numerosos campos y se aplica tanto a muestras puras como a mezclas complejas.

En la espectrometría de masas, una muestra —independientemente de su estado físico— se ioniza mediante un haz de electrones. Como resultado de esta ionización, algunas de las moléculas presentes en la muestra se fragmentan, dando lugar a fragmentos con carga positiva. En otros casos, no se produce fragmentación, sino que simplemente se forman partículas con carga positiva. Estos iones con carga positiva se separan posteriormente de acuerdo con su relación masa-carga. A continuación, dichos iones son detectados por un mecanismo multiplicador de electrones. Los resultados se visualizan en forma de espectros que representan la intensidad de la señal en función de la relación masa-carga. Finalmente, es posible identificar los átomos o moléculas de la muestra basándose en sus masas y cotejándolas con masas conocidas.

Historia de la espectrometría de masas:

En 1886, Eugen Goldstein observó rayos en descargas gaseosas y, en 1899, construyó un dispositivo con campos eléctricos y magnéticos perpendiculares que separaba los rayos positivos según su relación carga-masa (Q/m). Los primeros dispositivos espectrométricos que medían la relación masa-carga de los iones se denominaban espectrógrafos de masas; estos consistían en instrumentos que registraban un espectro de valores de masa en una placa fotográfica. Las técnicas modernas de espectrometría de masas fueron desarrolladas por Arthur Jeffrey Dempster y F.W. Aston en 1918 y 1919, respectivamente.

Componentes de la espectrometría de masas:

Un espectrómetro de masas consta de tres partes distintas: una fuente de iones, un analizador de masas y un detector. El ionizador convierte la muestra en iones. Posteriormente, mediante un mecanismo de extracción, se separan los iones de la muestra. Estos iones viajan a través del analizador de masas hasta el detector. Las diferencias en las masas de los fragmentos permiten al analizador de masas diferenciar los iones según su relación masa-carga. El detector mide el valor de una magnitud indicadora y, por lo tanto, proporciona datos para calcular la abundancia de cada ion presente. Existen muchos tipos de analizadores de masas, que utilizan campos estáticos o dinámicos, magnéticos o eléctricos, pero todos funcionan según la ecuación diferencial descrita anteriormente. Cada tipo de analizador tiene sus ventajas y desventajas. Muchos espectrómetros de masas utilizan dos o más analizadores de masas para la espectrometría de masas en tándem (MS/MS).

Se utilizan diferentes tipos de fuentes de iones como

Ionización electrónica (EI):

Se trata de un método común para generar iones a partir de compuestos volátiles, el cual produce un alto grado de fragmentación, generando espectros de masas detallados que pueden utilizarse para la elucidación estructural, la caracterización y la identificación de compuestos desconocidos. Sin embargo, la EI no resulta adecuada para su acoplamiento a la HPLC —es decir, para LC-MS—, dado que, a presión atmosférica, los filamentos empleados para generar electrones se queman rápidamente. Por lo tanto, la EI está acoplada predominantemente con GC, es decir GC-MS, donde todo el sistema se encuentra bajo alto vacío.

Ionización por electrospray (ESI):

Se utiliza para el análisis de moléculas no volátiles y polares, tales como péptidos y proteínas. El tercer método es la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI), la cual se emplea para el análisis de moléculas de gran tamaño, como proteínas y péptidos. Los analizadores de masas más comúnmente utilizados son el cuadrupolo, el TOF y el Orbitrap. El cuadrupolo es un tipo muy habitual que se emplea para separar iones basándose en su relación masa-carga. En el TOF, la separación se fundamenta en el tiempo que tarda el átomo en recorrer una distancia determinada, lo que permite realizar la separación en función de la masa. El Orbitrap utiliza un campo electromagnético para llevar a cabo la separación; este ofrece una resolución muy superior en comparación con los demás.

Combinación de diferentes técnicas de separación con espectrometría de masas

Se combinan diferentes técnicas de separación con la espectrometría de masas para mejorar las capacidades de resolución y determinación de masas. Se utiliza junto con cromatográfico y otras técnicas de separación.

Una combinación común es la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC/MS o GC-MS). En esta técnica, un Cromatógrafo de gases se utiliza para separar diferentes compuestos. Este flujo de compuestos separados se alimenta en línea al ion fuente, a metallic filamento al cual Voltaje …se aplica. Este filamento emite electrones, los cuales ionizan los compuestos. Posteriormente, los iones pueden fragmentarse aún más, generando patrones predecibles. Tanto los iones intactos como los fragmentos pasan al analizador del espectrómetro de masas y, finalmente, son detectados. Sin embargo, debido a las altas temperaturas empleadas en el puerto de inyección y en el horno del sistema GC-MS, existe la posibilidad de que la molécula inyectada sufra degradación térmica, lo que daría como resultado la medición de la masa de los productos de degradación en lugar de la de la molécula de interés propiamente dicha.

Al igual que la cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS), la cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas (LC/MS o LC-MS) separa los compuestos cromatográficamente antes de que sean introducidos en la fuente de iones y en el espectrómetro de masas. Se diferencia de la GC-MS en que la fase móvil es líquida, generalmente una mezcla de agua Y orgánica Disolventes, en lugar de gas. Lo más común es un Ionización por electrospray La fuente se utiliza en LC-MS. La electroforesis capilar y la movilidad iónica son la otra técnica que combina el proceso de separación líquida de Electroforesis capilar …con espectrometría de masas. La CE-MS suele acoplarse a la ionización por electrospray. La espectrometría de movilidad iónica acoplada a espectrometría de masas (IMS/MS o IMMS) es una técnica en la que los iones se separan primero en función de su tiempo de deriva a través de un gas neutro, bajo la influencia de un gradiente de potencial eléctrico aplicado, antes de ser introducidos en un espectrómetro de masas.

Ventajas y desventajas:

Como herramienta analítica de nueva generación, presenta ventajas y desventajas únicas en comparación con cualquier otro tipo de herramienta analítica similar. Posee la mayor sensibilidad de entre todos los instrumentos o herramientas analíticas disponibles. Esto se debe a que incorpora un filtro de masa-carga que reduce la interferencia de fondo y confiere la máxima especificidad y sensibilidad, tanto para identificar sustancias desconocidas como para confirmar la presencia de un compuesto. La desventaja de este método radica en que, por lo general, no logra distinguir entre isómeros ópticos y geométricos, ni diferenciar las posiciones de los sustituyentes en las posiciones orto (o-), meta (m-) y para (p-) dentro de un anillo aromático. Asimismo, su alcance es limitado a la hora de identificar hidrocarburos que generan iones fragmentados similares.

Aplicaciones de la espectrometría de masas: La espectrometría de masas tiene usos tanto cualitativos como cuantitativos. Actualmente, la espectrometría de masas (MS) se emplea habitualmente en laboratorios analíticos dedicados al estudio de las propiedades físicas, químicas o biológicas de una gran variedad de compuestos. La cuantificación puede ser relativa o absoluta. Se utiliza para identificar compuestos desconocidos mediante el análisis de su espectro de masas, así como para cuantificar compuestos ya conocidos. También se emplea para el análisis estructural, interpretando el patrón de fragmentación de la molécula. Asimismo, puede utilizarse para determinar la proporción isotópica de un elemento. La espectrometría de masas se utiliza para analizar tanto moléculas pequeñas como grandes, tales como metabolitos y proteínas. La técnica LC-MS (cromatografía líquida acoplada a espectrometría de masas) ayuda a identificar y cuantificar las impurezas que puedan estar presentes en principios activos farmacéuticos o en formulaciones, garantizando así la calidad y la seguridad del producto. La LC-MS se utiliza para medir las concentraciones de fármacos en fluidos biológicos (sangre, plasma, orina) con el fin de evaluar su absorción, distribución, metabolismo y excreción.

Preguntas frecuentes:

References: