Espectro de masas

Un espectro de masas es un gráfico de histograma de intensidad versus relación masa-carga (m/z) en una muestra química, generalmente adquirido utilizando un instrumento llamado espectrómetro de masas. No todos los espectros de masas de una sustancia determinada son iguales; por ejemplo, algunos espectrómetros de masas rompen las moléculas del analito en fragmentos; otros observan las masas moleculares intactas con poca fragmentación. Un espectro de masas puede representar muchos tipos diferentes de información según el tipo de espectrómetro de masas y el experimento específico aplicado. Los procesos de fragmentación comunes de las moléculas orgánicas son el reordenamiento de McLafferty y la escisión alfa. Los alcanos de cadena lineal y los grupos alquilo producen una serie típica de picos: 29 (CH₃CH₂⁺), 43 (CH₃ CH₂CH₂⁺), 57 (CH₃CH_{2CH2CH2⁺), 71 (CH3CH2 CH2CH2CH2⁺) etc.}

Eje X: m/z (relación masa-carga)

El eje x de un espectro de masas representa una relación entre la masa de un ion determinado y el número de cargas elementales que lleva. Esto se escribe como el estándar IUPAC m/z para denotar la cantidad formada al dividir la masa de un ion (en daltons) por la unidad de dalton y por su número de carga (valor absoluto positivo). Por tanto, m/z es una cantidad adimensional sin unidades asociadas. A pesar de no llevar unidades de masa ni de carga, el m/z se conoce como la relación masa-carga de un ion. Sin embargo, esto es distinto de la relación masa-carga, m/Q (unidades estándar SI kg/C), que se usa comúnmente en física. El m/z se utiliza en espectrometría de masas aplicada porque, de forma natural, surgen relaciones numéricas convenientes e intuitivas al interpretar los espectros. Un único valor m/z por sí solo no contiene información suficiente para determinar la masa o carga de un ion. Sin embargo, se puede extraer información sobre la masa considerando todo el espectro, como el espaciamiento de isótopos o la observación de múltiples estados de carga de la misma molécula. Estas relaciones y la relación con la masa del ion en daltons tienden hacia valores de números aproximadamente racionales en el espacio m/z. Por ejemplo, los iones con una carga exhiben un espaciado entre isótopos de 1 y la masa del ion en daltons es numéricamente igual a m/z. El Libro de Oro de la IUPAC da un ejemplo de uso apropiado: "para el ion C₇H₇²⁺, m /z es igual a 45,5".

Notaciones alternativas del eje x

Hay varias alternativas a la notación estándar m/z que aparecen en la literatura; sin embargo, actualmente no son aceptados por las organizaciones de normalización ni por la mayoría de las revistas. m/e aparece en la literatura histórica más antigua. Una etiqueta más consistente con el libro verde de la IUPAC y las convenciones ISO 31 es m/Q o m/q donde m es el símbolo de masa y Q o q el símbolo de carga con las unidades u/e o Da/e. Esta notación no es infrecuente en la física de la espectrometría de masas, pero rara vez se utiliza como abscisa de un espectro de masas. También se sugirió introducir una nueva unidad Thomson (Th) como unidad de m/z, donde 1 Th = 1 u/e. Según esta convención, el eje x del espectro de masas podría etiquetarse como m/z (Th) y los iones negativos tendrían valores negativos. Esta notación es poco común y no es aceptada por la IUPAC ni por ninguna otra organización de normalización.

Historia de la notación del eje x

En 1897 la relación entre masa y carga ${displaystyle m/e}$ del electron fue medido por primera vez por J. J. Thomson. Al hacer esto mostró que el electrón, que fue postulado antes para explicar la electricidad, era de hecho una partícula con una masa y una carga y que su relación de masa a carga era mucho más pequeña que la del hidrógeno ion H⁺. En 1913 midió la relación de masa a carga de iones con un instrumento que llamó un espectrógrafo parabola. Aunque estos datos no estaban representados como un espectro de masas moderno, era similar en el sentido. Finalmente hubo un cambio en la notación como m/e dar paso al estándar actual de m/z.

Temprano en la investigación de espectrometría masiva la resolución de espectrómetros masivos no permitió una determinación precisa de masa. Francis William Aston ganó el premio Nobel de Química en 1922. "Por su descubrimiento, por medio de su espectrógrafo de masas, de isótopos, en un gran número de elementos no radiactivos, y por su enunciación de la Regla de Número completo." En el que afirmó que todos los átomos (incluidos los isótopos) siguen una regla general Esto implicaba que las masas de átomos no estaban en una escala sino que podían expresarse como enteros (de hecho, varios iones cargados eran raros, por lo que en su mayor parte la proporción también estaba entera). Ha habido varias sugerencias (por ejemplo, la unidad thomson) para cambiar la nomenclatura de espectrometría de masas oficiales ${displaystyle m/z}$ para ser más coherente internamente.

Eje Y: intensidad de la señal

El eje y de un espectro de masas representa la intensidad de la señal de los iones. Cuando se utilizan detectores de conteo, la intensidad a menudo se mide en conteos por segundo (cps). Cuando se utilizan dispositivos electrónicos de detección analógicos, la intensidad normalmente se mide en voltios. En FTICR y Orbitraps, la señal en el dominio de la frecuencia (el eje y) está relacionada con la potencia (~amplitud al cuadrado) de la onda sinusoidal de la señal (a menudo reducida a una potencia rms); sin embargo, el eje normalmente no está etiquetado como tal por muchas razones. En la mayoría de las formas de espectrometría de masas, la intensidad de la corriente iónica medida por el espectrómetro no representa con precisión la abundancia relativa, pero se correlaciona vagamente con ella. Por lo tanto, es común etiquetar el eje y con "unidades arbitrarias".

Eje Y y abundancia relativa

La intensidad de la señal puede depender de muchos factores, especialmente la naturaleza de las moléculas que se analizan y cómo se ionizan. La eficiencia de la ionización varía de una molécula a otra y de una fuente de iones a otra. Por ejemplo, en fuentes de electropulverización en modo de iones positivos, una amina cuaternaria se ionizará excepcionalmente bien, mientras que lo más probable es que no se vea un alcohol hidrófobo grande, sin importar cuán concentrado esté. En una fuente de EI, estas moléculas se comportarán de manera muy diferente. Además, puede haber factores que afecten la transmisión de iones de manera desproporcionada entre la ionización y la detección.

En el lado de la detección, hay muchos factores que también pueden afectar la intensidad de la señal de forma no proporcional. El tamaño del ion afectará la velocidad del impacto y con ciertos detectores la velocidad es proporcional a la salida de la señal. En otros sistemas de detección, como FTICR, el número de cargas del ion es más importante para la intensidad de la señal. En los espectrómetros de masas tipo Orbitrap y de resonancia ciclotrón de iones por transformada de Fourier, la intensidad de la señal (eje Y) está relacionada con la amplitud de la señal de desintegración de inducción libre. Esto es fundamentalmente una relación de poder (amplitud al cuadrado), pero a menudo se calcula como [rms]. Para señales en decadencia, el valor eficaz no es igual a la amplitud promedio. Además, la constante de amortiguación (tasa de caída de la señal en el fid) no es la misma para todos los iones. Para sacar conclusiones sobre la intensidad relativa se requiere una gran cantidad de conocimiento y cuidado.

Una forma común de obtener más información cuantitativa de un espectro de masas es crear una curva estándar para comparar la muestra. Esto requiere saber de antemano qué se va a cuantificar, tener un estándar disponible y diseñar el experimento específicamente para este propósito. Una variación más avanzada de esto es el uso de un estándar interno que se comporta de manera muy similar al analito. Suele ser una versión marcada isotópicamente del analito. Hay formas de espectrometría de masas, como la espectrometría de masas con acelerador, que están diseñadas de abajo hacia arriba para ser cuantitativas.

Sesgo espectral

Sesgo espectral es el cambio en la intensidad relativa de los picos espectrales de masas debido a los cambios en la concentración del analito en la fuente de iones a medida que se explora el espectro de masas. Esta situación ocurre habitualmente cuando los componentes cromatográficos eluyen en una fuente de iones continua. La desviación espectral no se observa en analizadores de masas con trampa de iones (cuadrupolo (esto también se ha observado en QMS) o magnéticos) o de tiempo de vuelo (TOF) porque potencialmente todos los iones se formaron en el ciclo operativo (una instantánea en el tiempo) del instrumento. están disponibles para su detección.