Los analizadores de masas TOF (Tiempo de vuelo) tienen ventajas significativas sobre las de cuadrupolo en muchas aplicaciones. La medición simultánea de la relación entre Masa/Carga de iones con la espectrometría de masas por “Tiempo de vuelo” mejora la velocidad y sensibilidad, asegurando que no se pierda información relevante, haciendo más sencillo la identificación de analitos e interpretación de resultados. El poder de resolución mejorado y la precisión de masa de los analizadores de “Tiempo de vuelo” ayudan a identificar componentes y caracterizar mezclas complejas.
RESUMEN
| Analizador de masas TOF | Analizador de masas de Cuadrupolo | |
| Adquisición | Mide todo m/Q simultáneamente | Mide individualmente m/Q en una secuencia |
| Velocidad | 1000 espectros completos/segundo | 1000 mediciones / segundo de una sola m/Q |
| Poder de resolución de masa R = M/dM | >10 000 R ~ Constante en el rango de masas Isobaros separados. Determina fórmula química. | Masa unitaria dM ~ Constante en el rango de masas. Isobaros no separados. |
| Precisión de masa relativa dM/M | 4 ppm = 4 mTh/Th a 1000 Th | Cambia en el rango de masas. |
| Precisión de masa, dM | 0.001 Th a 300 Th | 0.5 Th |
| Rango de masas | 1 Th a 10 000 Th | Típicamente 10 Th a 500 Th |
¿Cómo funcionan los analizadores de masa TOF y de Cuadrupolo?
Los analizadores de “Tiempo de vuelo” (TOF) y de cuadrupolo separan los iones de diferentes relación masa/carga (m/Q) mediante estrategias fundamentalmente distintas, lo que resulta en capacidades distintas de detección.
Analizador de masa Cuadrupolo
Un analizador de masa cuadrupolo es un filtro de masas: solo los iones con una relación Masa/Carga (m/Q) específica alcanzan el detector. Un espectro es registrado tras el escaneo por medio de la medición de cada m/Q de interés.
La Figura 1 muestra el procedimiento de medición. Un campo eléctrico RF (radiofrecuencia) es usado para guiar a los iones a través del eje central del cuadrupolo. Un campo DC superpuesto es usado para desestabilizar selectivamente ciertos iones y expulsarlos del cuadrupolo. La fuerza de ambos campos puede ser ajustada tal que solo un rango pequeño de m/Q tenga una trayectoria estable a través del cuadrupolo. Todos los iones con m/Q fuera de este rango serán expulsados, mientras que los que estén dentro del rango serán detectados. Para registrar un espectro de masas completo, el rango de estabilidad es escaneado a lo largo de todo el rango de m/Q, realizando una medición en cada paso.
Figura 1: Los iones de una sola relación masa/carga son medidos cada ocasión. Todos los demás iones son descartados. En esta figura, el monitoreo selectivo de iones es aplicado para medir las tres relaciones masa/carga más pequeñas (azul, amarillo y gris) y la más grande, rojo, no es medida.
Analizadores de masa TOF
Un analizador de masa TOF separa a los iones basándose en su velocidad mientras viajan a través de la región de vuelo, usualmente llamado el tubo de vuelo. La medición es similar a una carrera: un grupo de iones es acelerado por un extractor (comienzo de la carrera), lo que genera que se muevan a través del tubo de vuelo (la pista de carrera) hacia un detector (la línea final). El tiempo desde la extracción hasta la colisión con el detector es registrado. Intuitivamente, una molécula con mayor masa debería viajar más lento que una molécula con menor masa, por lo que el tiempo registrado indica la masa molecular. Este es el caso para iones con igual carga.
La Figura 2 muestra el proceso a detalle. En el extractor TOF al inicio de la región de vuelo, los iones enfrentan un campo eléctrico que los acelera hasta una energía cinética E similar. De forma más exacta, los iones ganan energía cinética de manera proporcional a su carga Q. Para iones con la misma carga, E/Q es aproximadamente constante.
La energía cinética está relacionada a la masa y la velocidad:
E=1/2 mv2
Esto quiere decir:
E/Q=1/2m/Q v2 ̴ constante
Por lo tanto, los iones con m/Q más pequeño van más rápido a través de la cámara TOF y alcanzan el detector más temprano. El instrumento mide el tiempo de vuelo de cada ion desde el extractor hasta el detector, lo cual es después convertido a un espectro de masa.
Figura 2: El extractor da a los iones la misma energía cinética. Viajan a una región libre de campos (la cámara TOF). Un reflectrón incrementa la resolución. El detector cuenta cuántos iones llegan como función del tiempo. Todos los iones son medidos en cada viaje de 1 microsegundo. Miles de vuelos son añadidos juntos para reportar una sola medida.
En la animación de la parte superior, el vuelo dura unos pocos segundos. Con instrumentación TOFWERK, el vuelo es mucho más rápido: décimas de miles de vuelos por segundo, o tiempos de vuelo de entre 10 us y 100 us. En casos donde una tasa espectral de 20 000 espectros/s no es necesario, múltiples extracciones TOF son acumuladas en un solo espectro. Por ejemplo, cuando un TOF es operado a 20 000 extracciones/s, los datos de 2000 extracciones pueden ser acumulados en un solo espectro, lo que resulta en una tasa de 10 espectros/s.
La instrumentación TOF moderna usa electrónica ingeniosa y diseños mecánicos que incrementan el poder de resolución, al incluir elementos como el reflectrón, y en la práctica existen muchos pasos intermedios entre el impacto de los iones con el detector y el espectro de masas mostrado en la pantalla del instrumento.
Espectro Completo vs. Escaneo
A diferencia del analizador de cuadrupolo, que cuenta los iones de una sola relación Masa/Carga en cada medición, un analizador TOF cuenta el número de iones de toda relación Masa/Carga en cada medición. La detección simultánea de todos los iones es preferible a ambos métodos de Monitoreo Selectivo de Iones (SIM) y Análisis de espectro completo de los espectrómetros de cuadrupolo.
Los análisis de espectro completo del cuadrupolo requieren cierto tiempo de exposición por cada ion. Puede tomar un tiempo prolongado analizar un espectro completo. Esto resulta en una medición lenta y la pérdida de una gran cantidad de información. Por ejemplo, en la Figura 3A se muestra la medición de una sola absorción hecha por un Vocus 2R PTR-TOF, con una tasa de adquisición de 4Hz. 241 VOCs (Compuestos orgánicos volátiles) diferentes fueron cuantificados en esta muestra, sin incluir el VOC en la matriz del background. Tomaría más de un minuto medir el mismo número de iones con un analizador de cuadrupolos, usando el mismo tiempo de exposición de 0.25 segundos. Cuando finalice el escaneo del espectro completo de los cuadrupolos (Figura 3B), la absorción habría culminado buen tiempo atrás.
Figura 3: Medición serie temporal de una sola absorción, empezando a los 1.5 segundos. Izquierda: medida TOFMS de la absorción. Los marcadores muestran cuando las mediciones son hechas por cada ion. Derecha: La misma medición de absorción, como sería medida por el QMS. Los marcadores muestran cuando las mediciones son tomadas por cada ion.
Decremento de la sensibilidad a medida que más m/Q son añadidos al análisis de cuadrupolos
Durante la exposición del cuadrupolo a un solo m/Q, los iones de cualquier m/Q son descartados. Esto afecta directamente a la sensibilidad neta. Imagine una medición de 10 segundos de un estándar de calibración. Un cuadrupolo y un TOF miden cada uno 10 relaciones Masa/Carga. El cuadrupolo no puede tardar más de un 1 segundo acumulando la señal por cada relación Masa/Carga, mientras que el TOF acumula completamente los 10 segundos de señal para cada m/Q. Queda claro que el TOF medirá un mayor número de cuentas por cada m/Q y por lo tanto tendrá una sensibilidad mayor en el periodo de 10 segundos.
Detección simultánea por TOF implica que especies importantes no se pierden
La medición de un cuadrupolo puede ser realizada de manera más rápida realizando la medición solamente de un número reducido de iones preseleccionados (Monitoreo Selectivo de Iones o SIM). Sin embargo, los iones que no son monitoreados pueden contener información importante. Por ejemplo, la Figura 4 muestra parte de una elución cromatográfica medida con un TOF Ionización de electrón (EI) TOFWERK a una tasa de adquisición de 5 espectros/s. Para los picos cromatográficos, un operador del cuadrupolo podría seleccionar no más de 3 iones por SIM. El verdadero espectro EI de la molécula contenida en el pico cromatográfico más grande contiene más de 200 iones. La identificación de picos por medio de relacionamiento de los espectros con una librería NIST es mucho más robusto haciendo uso de un análisis de espectro completo de 200 iones.
Adicionalmente, un científico que use el método SIM debe estar muy seguro de no estar interesado en cualquier otro VOC que no esté en la muestra. Esto es especialmente importante y extremadamente difícil de hacer para análisis no selectivos, en el cual la composición exacta de la muestra no es conocida con anticipación. Midiendo los iones todo el tiempo, la medición se vuelve “a prueba del futuro”: si una investigación o nueva aplicación indican que una nueva molécula es importante, el analista puede revisar datos de TOF previamente recolectados, donde la nueva molécula de interés ya ha sido medida.
Figura 4: Elución cromatrográfica medida con EI-TOF. La figura principal muestra la elución cromatográfica. Por lo menos ocho picos cromatográficos son visibles. Las líneas coloreadas y marcadores muestran dónde un QMS (Analizador de masas de cuadrupolo) usando SIM haría la medición. La imagen anexa muestra el verdadero espectro de masas EI completo en el pico más grande, que incluye más de 200 iones.
La detección simultánea correlaciona especies dentro de la muestra
Un cuadrupolo produce mediciones escalonadas: cada ion en una secuencia, en vez de simultáneamente. Este efecto es conocido como “Desviación espectral”.
Esto es importante para aplicaciones como tomas quimiométricas de huellas genéticas o reparto de la fuente para monitoreo de la calidad del aire. Si la composición de VOCs en la muestra cambia rápidamente, no es posible encontrar las proporciones relativas de VOCs. Como ejemplo, la Figura 5 muestra la medición de un Vocus Elf PTR-TOF de aromáticos en el aire. Esta medición fue hecha desde un laboratorio móvil en una ciudad europea, y la composición del aire analizado cambia con extrema rapidez.
Figura 5: Concentraciones aromáticas rápidamente cambiantes durante monitoreo móvil. QMS muestra desviación espectral, mientras TOFMS no.
Las relaciones relativas de benceno, tolueno, xileno y aromáticos en mayor cantidad indican la fuente: en este caso, el tubo de escape de un vehículo a gasolina. Mediante la medición SIM de 3 iones del cuadrupolo, es imposible determinar las relaciones relativas de los distintos aromáticos y la identificación de la fuente y reparto se vuelven tareas mucho más complicadas.
Otra aplicación en la cual la adquisición rápida y simultánea del espectro completo de masa es beneficiosa es la espectrometría de masas con plasma inductivamente acoplado (ICP-MS, por sus siglas en inglés) para análisis elemental o isotópico. En la ICP-MS, el analizador de masa TOF sobresale por encima de los analizadores de masa secuenciales cuando un gran número de isótopos debe ser medido en un lapso muy corto de tiempo. Tal es el tipo de señales cortas que se producen, por ejemplo, por parte de las partículas individuales (microgotas o nanopartículas) o por células sometidas a ablación por láser rápido (baja-dispersión), lo que permite obtener rápidas imágenes multielementales.
La Figura 6 muestra un ejemplo de nanopartículas de acero que fueron analizadas por contenido de Cr, Fe, Ni y Mo. La señal de una sola nanopartícula de acero tiene una duración menor a 0.5 ms. Por otro lado, el icpTOF de TOFWERK (un instrumento ICP-MS equipado con un analizador TOF) caracteriza de manera confiable la señal entera de partículas individuales; un espectrómetro de masas secuencial (p. ej., QMS) perdería una porción significativa de la señal al medir los elementos uno por uno. Esto conlleva no solo bajas generalizadas de intensidad de señal, sino también a proporciones incorrectas de masas.
Figura 6: Resolución temporal de señal de nanopartículas de acero compuesto de Fe, Cr, Ni, Mo en una dispersión acuosa MilliQ. Las partículas fueron medidas con un icpTOF R. Arriba: Señal transitoria de una partícula individual de acero detectada con resolución temporal de 90 us. Tres extracciones de TOF fueron promediadas y las cuentas totales por partícula son dadas. Abajo: Señales transitorias simuladas de la misma partícula registrada con un analizador de masas de cuadrupolo con medición secuencial. Los datos fueron simulados de la señal TOF usando tiempos de exposición de 90 us en cada isótopo, sin tiempo de establecimiento del analizador. La sensibilidad decrece hasta 33 veces debido a la detección secuencial de los cuatro isótopos. Las proporciones de masa de los elementos medidas por el cuadripolo se desvían de las verdaderas proporciones por 76-270%.
El alto poder de resolución del TOF permite la identificación de picos
El poder de resolución de un analizador de masas de cuadrupolo está limitado por la precisión de mecanizado de las barras del cuadrupolo y la capacidad de la electrónica. Los analizadores de masas de cuadrupolo son típicamente operados con una resolución de masa unitaria, e incluso los analizadores de masas de cuadrupolo más sofisticados en el mercado actual tienen un poder de resolución de tan solo R=M/dM (FWHM) = 3000-4000 Th/Th. Un espectro de masas de un analizador de masas de cuadrupolo con resolución de masa unitaria es comparado con un espectro de masas de un Vocus S PTR-TOF con poder de resolución de R=5000 Th/Th en la Figura 7.
Figura 7: Comparación de datos de PTR-QMS y PTR-TOFMS
Con resolución de masa unitaria, los compuestos isobáricos no pueden ser distinguidos. Los compuestos isobáricos tienen la misma masa nominal, pero diferente composición de elementos. Los isobaros pueden tener comportamientos diferentes en la muestra, por lo que es importante poder medirlos separadamente (Figura 8).
Figura 8: Datos de un Vocus S PTR-TOF con poder de resolución de 5000. Arriba: Serie temporal de tres compuestos isobaros detectados a una relación masa-nominal/carga de 69 Th. Cada isobaro tiene claramente un comportamiento distinto. Abajo: Espectros de masa en puntos seleccionados, mostrando picos isobáricos claramente resolubles.
Un poder de resolución mayor también permite la determinación de la composición de elementos. Esto resulta crucial para la identificación de componentes y no puede lograrse con un poder de resolución de masa unitaria. En el ejemplo ilustrado en la Figura 9, fue necesario un alto poder de resolución de masa (R ≈ 5000 Th/Th) y alta precisión de masa relativa (dentro de 5 ppm) para identificar el compuesto detectado a 97.045 Th como fluorobenceno, en vez de 3-furaldehido (97.028 Th) o 2-etilfurano (97.065 Th).
Figura 9: Alto poder de resolución de masa y alta precisión de masa son necesarios para determinar robustamente la composición elemental de los compuestos detectados.
Conclusión
Las ventajas de los analizadores de masas de “Tiempo de vuelo” comparado con uno de cuadrupolo son claras. Las muestras pueden ser medidas de modo más rápido y sin ninguna desviación espectral. Para el mismo rango de masa, un analizador TOF medirá cada ion más sensiblemente. Puesto que todos los iones son incluidos en cada análisis simultáneo de espectro completo, ninguna información importante se pierde o es descartado. Finalmente, el poder de resolución más alto de un analizador TOF permite la separación de isobaros y la determinación de la fórmula elemental.
20-09-22