sesion 2 espectrometria de masas

8/16/2019 Sesion 2 Espectrometria de Masas

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CURSO TEÓRICOCURSO TEÓRICO--PRÁCTICO DEPRÁCTICO DE

ESPECTROMETRÍA DE MASASESPECTROMETRÍA DE MASAS

Dra. Pilar Blasco

Dr. Pablo Candela

CURSO FORMACIÓN ESPECÍFICA PAS 2012

El ANALIZADOR esla parte principal delespectrómetro demasas.

Partes del Espectrómetro de MasasPartes del Espectrómetro de Masas

El resto decomponentes debenseleccionarse enfunción de su

compatibilidad y susprestaciones.

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¿Qué ocurre en la Fuente de Ionización?¿Qué ocurre en la Fuente de Ionización?

IONES en FASE GAS

IONIZACIÓN FRAGMENTACIÓN? C6H5CO+

C6H5+

C4H3+

CH3CO+

C3H3++·

39

105

77

51

43VOLATILIZACIÓN

C6H5COCH5+

120

¿Qué ocurre en el Analizador?¿Qué ocurre en el Analizador?

m/z

A b u n d a n c i a

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CONDUCE los iones desde la fuente de ionizaciónhasta el detector.

SEPARA los iones en función de su RELACIÓN

Funciones del AnalizadorFunciones del Analizador

MASA/CARGA m/z .

SELECCIONA iones actuando como filtro.

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MOVIMIENTO de IONES (o del HAZ de IONES) mediante unaOPTICA IÓNICA equivalente a la óptica del haz luminoso.

Movimiento de iones (o del haz iónico)Movimiento de iones (o del haz iónico)

5

MOVIMIENTO de IONES emplea diferentes elementos: rendijas,lentes, uso de campos eléctricos, magnéticos, de radiofrecuencia, …

Movimiento de iones (o del haz iónico)Movimiento de iones (o del haz iónico)

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Sector MagnéticoSector Magnético

CuadrupolarCuadrupolar

Trampa de ionesTrampa de iones

Analizadores de MasasAnalizadores de Masas

Transformada de Fourier/IónTransformada de Fourier/Ión ciclotrónicociclotrónico OrbitrapOrbitrap

Sistemas híbridosSistemas híbridos

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RESOLUCIÓN

PRECISIÓN DE MASA

RANGO de MASAS

Características que definen el analizadorCaracterísticas que definen el analizador

VELOCIDAD de ADQUISICIÓN

RANGO DINÁMICO LINEAL

8

¿¿¿Hay analizador ideal???

Cronología de los Analizadores en E.M.Cronología de los Analizadores en E.M.

1899-1912 Primerespectrómetro demasas

1946 Tiempo devuelo

1949 ICR1974 FT-ICR 2004 LITs

2000 Orbitrap

9

1918 Enfoquesimple (sector)

1952 Doble enfoque(sector)

1953 Quads

1950 FT-MS 1978 Triple Quads

1980 Trampa deiones


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IÓN EN UN CAMPO MAGNÉTICO

m2 m3m1

m1 < m2 < m3

m B2R2

z 2V=

ECUACIÓN FUNDAMENTAL EC = ½ mv2 = zVFc = mv2 /RFm = zvB

zvB = mv2 /R v2 = 2zV/m

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Sector MagnéticoSector Magnético m B2R2

z 2V=

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Sector MagnéticoSector Magnéticom B2R2

z 2V=MODOS DE TRABAJO:

B y V CONSTANTES, R VARIABLE

• VARIABLE B (BARRIDO MAGNÉTICO)• VARIABLE V (BARRIDO ELÉCTRICO)• PEAK-MATCHING

R CONSTANTE, B o V VARIABLE

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m/z =74m/z =87m/z =143 BARRIDO

V o B

m B2R2

z 2V=

t0 t1 t2 tSCANt3

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Sector MagnéticoSector MagnéticoRESOLUCIÓN: es baja debido a la gran dispersidad de energíascinéticas de los iones formados en la fuente.Solución:ANALIZADOR ELECTROSTÁTICO

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GEOMETRÍAS:

ENFOQUE SIMPLE

DOBLE ENFOQUE GEOMETRÍA NIER-JOHNSON

DOBLE ENFOQUE GEOMETRÍA INVERSA

TRIPLE ENFOQUE

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CARACTERÍSTICAS

o Capacidad de medida de masa exacta

o Capacidad de realizar estudios cinéticos y de iones metastables.

o Modo de trabajo Peak-Matchingo Complejidad de manejo, elevado Coste y Mantenimiento

o IRMS

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En la unidad de Espectrometría de Masas de los SSTTI Sector MagnéticoSector Magnético

DOBLE ENFOQUE (BE) TRIPLE ENFOQUE (EBE)

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IÓN EN UN CUADRUPOLO

Un CUADRUPOLO está formado por CUATRO superficies

“barras” hiperbólicas, EQUIDISTANTES entre sí unadistancia R, sobre las que se aplica un voltaje de radio

frequencia (RF) y una corriente directa (DC).20


Las barras positivas actúancomo un filtro de paso alto,

Cada pareja de barras opuestas están conectadas entre sí. Unade las parejas toma polaridad positiva y la otra negativa.

IÓN EN UN CUADRUPOLO: en la PRÁCTICA

filtrando las masas quetienen un valor de m/z pordebajo del valor deseado.

Las barras negativas actuancomo un filtro de paso bajo,filtrando las masas quetenga un valor de m/z porencima del valor deseado.

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ECUACIÓN FUNDAMENTAL

Ecuaciones de Mathieu.

Solo ciertas combinacionesde U (α) y V (q) producentrayectorias estables parauna determinada relaciónmasa/carga.

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DIAGRAMAS DE ESTABILIDAD

Línea de barrido

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BARRIDOMODOS DE TRABAJO:

BARRIDO (SCAN)


o Información estructuralo Comparación con librerías

S/N ~1559.4

o Mejor Sensibilidad (S/N)o Mayor Selectividad SIM

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S/N ~18630.2


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CARACTERÍSTICAS

o Baja resolución (unidad)

o Rango de masas 5-4000 (dependiendo del modelo)

o Baja sensibilidad (en modo barrido)

o Elevada velocidad adquisición (2-10 espectros/segundo)

o Compacto, robusto, económico y de fácil manejo

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Los CUADRUPOLOS cuando trabajan SOLO con RF no filtran iones,actúan como transmisores de iones. Para este fin también son usadosHEXAPOLOS y OCTAPOLOS.


MULTIPOLOS

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En la unidad de Espectrometría de Masas de la UA los equipos deGC/MS de baja resolución presentan este tipo de analizador (5en total).


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IÓN EN UN TRAMPA DE IONES

Consiste en un ELECTRODO con forma DE ANILLO y dos “TAPAS” ELIPSOIDES

en la parte superior e inferior, que crean un campo cuadrupolar 3D donde losiones son RETENIDOS de forma indefinida en una trayectoria circular.

También conocida como “Cuadrupolo Circular”, Trampa de iones de PAUL, QIT,

QUISTOR, Trampa 3D.29

Trampa de ionesTrampa de ionesECUACIÓN FUNDAMENTAL

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DIAGRAMAS DE ESTABILIDAD

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MODOS DE TRABAJO:


La Trampa de Iones trabaja por ETAPAS:

1. ACUMULACIÓN de Iones en la Trampa

2. CIERRE de la trampa

3. EXPULSI N Secuencial de los Iones atrapados hacia el detector o

SELECCIÓN de Ión para su aislamiento.

4. FRAGMENTACIÓN del ión Seleccionado.

5. …

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Trampa de ionesTrampa de ionesMODOS DE TRABAJO:

BARRIDO (SCAN) Expulsión en el límite de estabilidad Expulsión resonante

TRANSICIONES (MRM)

EXPERIMENTOS MS/MS o MSn

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MODOS DE TRABAJO:

BARRIDO (SCAN)


170 210 250 290

210

222

268 280165

1 90 2 10

210

1

2

1. AISLAMIENTO2. FRAGMENTACIÓN

ION PRECURSOR

TRANSICIONES (MRM)

EXPERIMENTOS MS/MS o MSn

150 170 190 210

210

158

191

160

158

190

191 3

.

210 → 158210 → 191

TRANSICIONES

IONES PRODUCTO

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1-Acumulación

La energía deFragmentación se aplica

selectivamente. Sólo larecibe el Ión Precursor o

rango de iones que interesefragmentar


+

3-Excitación3

4-Fragmentación421

2-Aislamiento

Ión

Precursor

Espectrode Masasn

(n=1-11)

(C.I.D.: Disociación Inducida porColisión (con helio) del ión precursor)

Espectro

MSnMS/MSMS/…

En una Trampa el procesode transmisión de Iones

de “Fuente a Detector” esun proceso discontinuo

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6-Detección6

5-Acumulación

de Fragmentos

5

He

He

Trampa de ionesTrampa de ionesCARACTERÍSTICAS

o Resolución variable, con la velocidad de barrido

o El cut-off (no permite el atrapado de todos los iones, 1/3).

o Elevada sensibilidad (en modo scan más que Q 100veces)

o Elevadas velocidades adquisición 2-10 espectros/s (=Q)

o MS/MS/MS/…(MSn) con MS/MS en el tiempo

o Aplicaciones en ANALISIS ESTRUCTURAL 36


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TRAMPAS LINEALES (2D)


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En la unidad de Espectrometría de Masas de la UA

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Transformada de Fourier/IónTransformada de Fourier/Ión ciclotrónicociclotrónico

OrbitrapOrbitrap



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Tiempo de vueloTiempo de vuelo

IÓN EN UN TIEMPO DE VUELO (TOF)

ACELERACIÓNde los iones

VELOCIDADES

DETECCIÓN

TIEMPOS

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ECUACIÓN FUNDAMENTAL

EC = zV = 1/2 mv2

m/z = 2V / v2 = 2Vt2 / L2

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IONIZACIÓN

RETARDO

ACELERACIÓN

ANÁLISIS (VUELO)

DETECCIÓN

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Distribuciones temporales Distribuciones de E.Cinética inicial Distribuciones espaciales.

Tiempo de vueloTiempo de vueloRESOLUCIÓN.La resolución de iones se obtiene a partir de dt, por ello los iones debenabandonar la fuente al mismo tiempo (pulsos de nanosegundos).

Extracción pulsada (1-2 etapas) Voltajes elevados de aceleraciónTiempo de retardo Reflectores 1-2 eta as

REFLECTOR

s/REFLECTOR

c/REFLECTOR

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MODOS DE TRABAJO:

BARRIDO (SCAN)MALDI-TOF

100 fmol digerido de BSA

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Tiempo de vueloTiempo de vueloCARACTERÍSTICAS

o Alta resolución (FWHMTRAP>Q

o Precio TOF>TRAP>Q 45


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Transformada de Fourier/Ión ciclotrónicoTransformada de Fourier/Ión ciclotrónico

MODO DE TRABAJO:

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La parte fundamental de un instrumento de transformada deFourier es una trampa de iones en la cual los iones circulan enórbitas bien definidas durante largos periodos. Tales cavidadesse construyen aprovechando el fenómeno de resonancia iónicaciclotrónica.

Transformada de Fourier/Ión ciclotrónicoTransformada de Fourier/Ión ciclotrónico

CARACTERÍSTICAS

o Alta resolución - Masa exacta Es posible alcanzar una resolución

extremadamente elevada (superior a 106) dado que las medidas de

frecuencia se pueden realizar con elevada precisión.o Los espectrómetros de masas FT proporcionan mejores relaciones

señal/ruido, velocidades mayores y sensibilidad y resolución más

elevadas. 50





51


OrbitrapOrbitrap


OrbitrapOrbitrap


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OrbitrapOrbitrap

o Trabaja solo con DC.

o FT.

CARACTER STICAS

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OrbitrapOrbitrap

Sistemas híbridosSistemas híbridos Sistemas híbridosSistemas híbridos

COMBINAR varios analizadores.

Para FAVORECER las VENTAJAS de cada uno, y EVITAR los

INCONVENIENTES.


e s m o zan me an e a com nac n e as en

su orden.

Es posible casi CUALQUIER COMBINACIÓN.

Permite realizar análisis de MS/MS en el ESPACIO.

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ENERGÍA CINÉTICA DE LOS IONES

CLASIFICACIÓN de los ANALIZADORES

MS/MS EN EL ESPACIO o EN EL TIEMPO

PODER DE RESOLUCIÓN o PRECISIÓN DE MEDIDA

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Instrumentos Híbridos “Beam-Beam”

Instrumentos Híbridos “Beam-Trap”

QqQ, QTOF, BEBE, BEqQ o EBqQ, …


CLASIFICACIÓN

Instrumentos Híbridos “Trap-Beam”

Instrumentos Híbridos “Trap-Trap”

QIT, QqLIT, Q/FTICR, …

QIT/TOF, LIT/TOF, QTRAP, …

LIT/FT-ICR, LIT/Orbitrap, …

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57


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ALGUNOS EJEMPLOS

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QqQ QqTOF(QTOF)


ALGUNOS EJEMPLOS

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QqTRAP(QTRAP)

EJERCICIOEJERCICIO

o Sector doble enfoque

(BE o EB)

o Químico de síntesis orgánico que quiere conocer la

masa exacta de un compuesto

o Bioquímico que quiere conocer el peso molecular de

Para cada aplicación elegir la opción más adecuadade analizador, teniendo en cuenta que no podemos

repetir!!!

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o Cuadrupolo

o Tiempo de vuelo

o FT-ICR

una proteína relativamente grande (MW=300 000).

o EPA quiere confirmación del benceno en extractos

de 3000 muestras sólidas

o Químico de la industria petrolera quiere confirmar

la presencia de 55 compuestos únicos en un único

valor de masas nominal (m/z) en un espectro de

masas


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EJERCICIOEJERCICIO

o Sector doble enfoque (BE o EB)

Ordenar los analizadores siguientes según su

capacidad de realizar experimentos MS/MS en el

tiempo o en el espacio

o Trampa de iones

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o Cuadrupolo

o QTOF

o FT-ICR

o QqQ (triple cuadrupolo)

o QTrap

o Tiempo de Vuelo

RESUMENRESUMEN

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El DETECTOR esla parte final delespectrómetro demasas, donde se


rea za e recuento elos iones separadospor el analizador,generando elespectro de masas.

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¿Qué ocurre en¿Qué ocurre en el detector?el detector?

+ + ++

SEÑAL+

+

+

HAZ IONICO

REGISTRO Y AMPLIFICACIÓN

I (V)

(-1200V TO -3000V)

E.M. VOLTS (CDEM)

QUADS

Diagrama de Barras Abundancia vs m/z 64

AMPLIFICACIÓN

RANGO de MASAS

SENSIBILIDAD

Características que definen el DetectorCaracterísticas que definen el Detector

VELOCIDAD de ADQUISICIÓN

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Sensibi lidad, tiempo de respuesta y precisión son los factores quedeterminan el detector más adecuado.

La sensibilidad está determinada por los iones que alcanzan el detector/moléculas introducidas y por la ganancia.

Algunos detectores son tan sensibles como para detectar un simple ión.

Consideraciones generalesConsideraciones generales

Puede ser deseable una posterior amplificación de la señal en eldetector. También podemos diferenciar entre aquellos detectores quepermiten una medida directa de las cargas que alcanzan el detector, comoson las placas fotográficas y la Copa de Faraday, de aquellos que aumentanla intensidad de la señal como los detectores multiplicadores de electroneso fotones y los detectores “array”.

Los detectores de iones pueden situarse en el eje del haz de iones ofuera de éste, dependiendo del diseño del instrumento.

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Los detectores de iones pueden dividirse en dos clases:aquellos que detectan la llegada de todos los iones de formasecuencial en un punto (detector de iones puntual) y aquellosque detectan la llegada de iones de forma simultánea a lolargo de un plano (detector “array”).

ClasificaciónClasificación

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Placa FotográficaPlaca Fotográfica

Copa deCopa de FaradayFaraday

Multiplicador de ElectronesMultiplicador de Electrones

DetectoresDetectores


ChanneltronChanneltron

ConversiónConversión fotónicafotónica,, DalyDaly o de centelleoo de centelleo

MulticanalMulticanal MicrochannelMicrochannel PlatePlate

68


Empleado en los primeros espectrómetros

Detector simultaneo

No cuantitativo

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ChanneltronChanneltron ConversiónConversión fotónicafotónica,, DalyDaly o de centelleoo de centelleo

MulticanalMulticanal

MicrochannelMicrochannel PlatePlate

70

Gran sencillez y robustez

Baja sensibilidad

Puede trabajar a presiones relativamente altas

Gran linealidad de respuesta


Combinado con un SEM

Muy precisos. Respuesta independiente de la energía, de

la masa y de la naturaleza del ión

Baja velocidad de barrido Situado en el eje óptico del haz de iones

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Multiplicador de ElectronesMultiplicador de Electrones Multiplicador de ElectronesMultiplicador de Electrones







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a) Multiplicador de electrones secundarios (SEM) dedinodos discretos


73

b) Detector Channeltron (CEM)


74


El más empleado en MS

Tanto para iones positivos como negativos

Amplificación del orden 106-108

75

Requiere alta tensión y mejor vacío

Detector de vida limitada

Robustos y seguros

Ganancias elevadas

Dinodos de conversión

Tiempos de respuesta (ns)


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ChanneltronChanneltron ConversiónConversión fotónicafotónica,, DalyDaly o de centelleoo de centelleo




76


Elevada sensibilidad

77

Larga duración

Elevada velocidad de respuesta

Buena estabilidad

Detección fuera del eje óptico Consta de dinodo, pantalla fosforescente y tubo

fotomultiplicador.










78


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Detector simultáneo


Medida rápida

Amplificación (104-107)

Diferentes configuraciónes







MulticanalMulticanal MicrochannelMicrochannel PlatePlate MicrochannelMicrochannel PlatePlate

80


81


Se pueden conectar varios placas

Amplificación 108

Actúa como un ÚNICO detector puntual que conecta

todos los multicanales.


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DETECTORES SECUENCIAL(puntual)

SIMULTÁNEA (array)

“medida directa” COPA FARADAY PLACA FOTOGRAFICA


“con amplificación” SEM

CENTELLEO

DETECTORES MÚLTIPLES

MCP Analizadores Q, Sector, TOF, IT Sector

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CONCLUSIÓN:Todos los E. deMasas no soniguales.

Selección delinstrumento que

necesitamos paranuestro análisis.

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