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¿Qué es un Espectrómetro de Masas?

Un espectrómetro de masas, también conocido como MS (Mass Spectrometer), es un instrumento utilizado para analizar las moléculas de una muestra. Su funcionamiento se basa en la ionización de las moléculas de la muestra, la detección de los iones resultantes y la identificación de su relación masa-carga (m/z).

Cuando las moléculas son ionizadas mediante un método específico, son aceleradas por fuerzas electrostáticas. El espectrómetro de masas es capaz de separar y detectar los iones en vuelo según su relación masa-carga (m/z) utilizando campos eléctricos, magnéticos u otros métodos en un entorno de vacío. El instrumento está compuesto principalmente por una sección de introducción de la muestra, una fuente de iones, una sección de separación de masas y un detector.

Existen diferentes tipos de espectrómetros de masas que utilizan distintos métodos de ionización y separación de masas, dependiendo de la muestra que se va a analizar y la aplicación específica. Los espectrómetros de masas tienen la capacidad de identificar muestras desconocidas, analizar su composición y distinguir y detectar isótopos.

Usos de los Espectrómetros de Masas

Los espectrómetros de masas desempeñan un papel fundamental en el análisis cualitativo y cuantitativo de una amplia gama de moléculas, abarcando desde compuestos de bajo peso molecular hasta compuestos de alto peso molecular como proteínas y polímeros sintéticos.

Este método analítico se utiliza ampliamente en campos como la química orgánica, la bioquímica y otros campos químicos y biológicos debido a su eficacia para identificar sustancias conocidas y determinar la estructura de sustancias desconocidas. Los espectrómetros de masas se aplican en investigaciones y desarrollos científicos, control de calidad y análisis relacionados con productos agroquímicos, farmacéuticos y compuestos naturales.

En los últimos años, los avances tecnológicos han permitido la ionización de proteínas de alto peso molecular, lo que ha llevado a la utilización de espectrómetros de masas en las ciencias de la vida y en el campo de la medicina. 

Principios de los Espectrómetros de Masas

El principio básico de un espectrómetro de masas es el siguiente. El espectro de masas se obtiene en la siguiente secuencia de pasos, con m/z en el eje horizontal y la intensidad de detección en el eje vertical.

1. La muestra se introduce en el instrumento a través de la introducción de la muestra.
2. La muestra es ionizada por la fuente de iones.
3. En la sección de separación de masas, la muestra se separa utilizando las diferentes magnitudes de la acción recibida del campo magnético o eléctrico en función del m/z, y es detectada por el detector.

En los espectrómetros de masas, además de los iones de carga simple, en los que la molécula de la muestra tiene una sola carga, se pueden producir y detectar iones multivalentes cargados con más de dos cargas, iones fragmento producidos por disociación, o iones agregados producidos por la asociación de muestras entre sí, respectivamente. Los picos también suelen tener una distribución inherente derivada de la relación isotópica de la molécula original.

Tipos de Espectrómetros de Masas

Existen varios tipos de espectrómetros de masas, clasificados principalmente según la combinación del tipo de fuente de iones y el tipo de separador de masas. Por ejemplo, se describen como "MALDI-TOF-MS" o "ESI-TOF-MS".

1. Sección de Introducción de la Muestra

Algunos espectrómetros de masas tienen una sección de introducción de muestras precedida por una combinación de otros instrumentos, que se utilizan en investigación y desarrollo y control de calidad. Algunos ejemplos son LC-MS combinada con cromatografía líquida, GC-MS combinada con cromatografía de gases e ICP-MS combinada con plasma acoplado inductivamente.

2. Fuentes de Iones

Método EI (ionización por electrones)
Electrones acelerados colisionan con moléculas (M) térmicamente aireadas en un alto vacío. A continuación, los electrones son expulsados de la molécula, produciendo cationes radicales (M+) denominados iones moleculares.

Método ESI (ElectroSpray Ionisation)

1. En primer lugar, la solución de la muestra se introduce en un capilar al que se aplica un alto voltaje.
2. Se pulveriza gas atomizador (gas nebulizador) desde el exterior del capilar para formar gotitas cargadas.
3. A medida que las gotitas cargadas se mueven, el disolvente se evapora y el campo eléctrico superficial aumenta, y finalmente la fuerza de repulsión entre las cargas supera la tensión superficial del líquido, provocando la división de las gotitas.
4. La repetición de la evaporación y la división acaba liberando los iones de la muestra en la fase gaseosa.

Método MALDI (Ionización por Desorción Láser Asistida por Matriz)
Este método consiste en mezclar una muestra en una matriz, como un compuesto orgánico aromático matricial, para formar cristales, que luego se ionizan mediante irradiación láser. El intervalo de pesos moleculares aplicable es extremadamente amplio, de 1 a 10 000 000, y la mayor característica de este método es que puede ionizar de forma estable compuestos de alto peso molecular, como las proteínas.

Método FAB (Fast Atom Bombardment)
Este método ioniza las moléculas de la muestra haciéndolas colisionar con una matriz como el glicerol y una solución de muestra disuelta en un disolvente orgánico, que luego se agita bien y se bombardea con átomos neutros a alta velocidad.

Otros métodos son el CI, el FD, el APCI y el ICP.

3. Sección de Separación de Masas

Cuadrupolo (Q)
Este método utiliza cuatro varillas de electrodos para aplicar una tensión de alta frecuencia a los iones emitidos por la fuente de iones. Las varillas de electrodos se someten a tensiones de corriente continua y alterna, que crean un campo eléctrico en el que sólo los iones con un determinado m/z pueden llegar al detector.

El método permite, en principio, medir todos los iones en el intervalo m/z deseado variando linealmente la tensión alterna y manteniendo una relación constante entre las tensiones continua y alterna.

Tipo de Doble Enfoque
Este es uno de los separadores de masas del tipo Sector Magnético (Magnetic Sector). En el tipo Sector Magnético, los iones pasan a través de un campo magnético y se aprovecha el cambio de trayectoria de vuelo debido a las fuerzas de Lorentz que experimentan. El tipo de doble enfoque combina específicamente los sectores de campo magnético y eléctrico para lograr tanto la velocidad como la convergencia direccional de los iones.

Tiempo de Vuelo (TOF)
Técnica en la que un campo eléctrico de intensidad de campo conocida acelera una muestra ionizada y detecta la diferencia de tiempo entre la llegada de cada ion al detector; cuanto mayor sea el m/z, más lenta será la velocidad de vuelo y más tiempo tardará en llegar al detector, lo que se utiliza para identificar cada ion. En principio, no hay límite para el rango de masas que puede medirse.

Otros métodos son la trampa de iones (IT), la resonancia de ciclotrón iónico con transformada de Fourier (FT-ICR), la espectrometría de masas con acelerador ( AMS).