Espectrometría de Masas: Principios, Interpretación y Fundamentos

Espectrometría de Masas

La espectrometría de masas (MS) engloba un conjunto de técnicas basadas en la producción de iones en estado gaseoso, que son posteriormente separados según su relación masa/carga (m/z) y finalmente detectados.

Cualidades de la MS

• Capacidad de identificación, proporcionando información estructural.
• Puede alcanzar una gran sensibilidad.
• Es universal y específica.
• Suministra información isotópica.
• Es una técnica muy rápida.
• Es cualitativa y cuantitativa.

Espectrómetro de masas

Instrumento analítico muy sensible que responde a las cuestiones de «¿qué hay?» y «¿cuánto hay?» para un número de muestras increíblemente variado y amplio. Está conformado por:

1. Fuente de ionización: las moléculas se evaporan, se ionizan y se aceleran.
2. Analizador: separa los iones de distinta masa, de modo que los diferentes tipos de iones llegan al transductor en tiempos diferentes.
3. Transductor/detector: la pequeña corriente generada se amplifica, normalmente mediante un multiplicador de electrones. Esto produce una señal de salida: la corriente iónica frente al tiempo se representa como corriente iónica frente a la masa, dando lugar a un espectro.

Conceptos básicos de masa

La unidad de masa atómica (uma) es el Dalton (Da), definido como 1/12 de la masa del isótopo neutro del carbono ¹²₆C.

Isótopos: son los diferentes tipos de átomos de un mismo elemento cuyos núcleos difieren en su número de neutrones, presentando el mismo número de protones y de electrones. Todos los isótopos de un mismo elemento se encuentran en el mismo sitio de la tabla periódica, pues tienen igual número atómico (número de protones en el núcleo) pero diferente número másico (suma del número de neutrones y de protones en el núcleo). La mayoría de los elementos químicos poseen más de un isótopo; únicamente 21 elementos poseen un solo isótopo natural.

La masa molecular de una molécula es la suma de las masas atómicas de cada uno de los elementos que la constituyen.

La masa que se mide en MS es la masa monoisotópica: la masa calculada a partir de un solo isótopo de los posibles de cada elemento que forman la especie, concretamente del isótopo más abundante de cada elemento. La masa monoisotópica expresada con todas sus cifras significativas se denomina masa exacta. La masa nominal de una molécula es su masa entera.

El espectro de masas

El espectro de masas es un gráfico que representa la abundancia relativa de los iones producidos en función de su relación masa/carga.

• Pico base: la señal más intensa del espectro de masas, a la que se asigna una abundancia relativa del 100%.
• Ion molecular: informa de la masa molecular monoisotópica del compuesto analizado, relacionada directamente con su fórmula molecular, es decir, con su composición elemental.
• Iones fragmento: derivados de la ruptura de un ion molecular, ayudan a definir la estructura del compuesto analizado y son claves para la identificación de la molécula.
• Perfil isotópico: los elementos que forman las moléculas poseen isótopos naturales en un porcentaje distinto y característico para cada elemento, reflejado en el espectro mediante el conjunto de iones isotópicos que acompañan a toda señal, siempre a masas mayores y normalmente con menores abundancias. La abundancia relativa de los iones en el perfil informa de la composición elemental de la molécula y ayuda a confirmar su fórmula molecular.

Interpretación de un espectro de masas

1. Identificación del ion molecular y su carga

• Ion molecular M⁺ o M^-: ion originado por la pérdida o ganancia de un electrón de una molécula; su masa corresponde a la de la molécula con los isótopos más abundantes, más o menos un electrón.
• Ion cuasimolecular (M+H)⁺ o (M-H)^-: ion originado por la protonación o desprotonación de una molécula; su masa corresponde a la de la molécula con los isótopos más abundantes, más o menos un protón.

El ion molecular o cuasimolecular es normalmente el que tiene mayor m/z de todos los picos significativos del espectro que no puede atribuirse a iones isotópicos, aductos, clústeres o multímeros. Cualquiera de estas señales permite calcular la masa monoisotópica de una molécula, informando de su composición elemental y su fórmula molecular.

• Aducto: ion originado por la interacción de la molécula con un catión (M+C⁺) o un anión (M+A^-); su masa corresponde a la de la molécula con los isótopos más abundantes, considerando la ganancia del catión (Na⁺, K⁺, NH₄⁺) o del anión (Cl^-, HCOO^-, CH₃COO^-).
  MNa⁺ (+23); MK⁺ (+39); MNH₄⁺ (+18); MC₂H₅⁺ (+29); MCl^- (+35); MBr^- (+79); MHCOO^- (+45); MCH₃COO^- (+59); MCF₃COO^- (+113).
• Clúster: ion originado por la asociación de un ion cuasimolecular o aducto con una molécula de disolvente (agua, metanol, acetonitrilo, …).
  [MH+H₂O]⁺ (+19), [MH+CH₃OH]⁺ (+33), [MH+CH₃CN]⁺ (+42), [MH+H₂O+CH₃OH]⁺ (+51), [MNa+CH₃CN]⁺ (+64), …; [M-H+H₂O]^- (+17), [M-H+CH₃OH]^- (+31), [M-H+CH₃CN]^- (+40), …
• Multímero: asociación de dos o más moléculas y su posterior protonación o desprotonación, formación de aducto o clúster: [2M+H]⁺, [3M+H]⁺, [2M+Na]⁺, [2MH+H₂O]⁺, …

Iones moleculares o cuasimoleculares según la carga:

• Carga simple: m/z = M/1 o (M+H)/1.
• Doble carga: m/z = M/2 o (M+2H)/2.
• n cargas: m/z = M/n o (M+nH)/n.

Iones isotópicos según la carga:

• Carga simple: Δm/z = 1.
• Doble carga: Δm/z = 1/2.
• n cargas: Δm/z = 1/n.

En el caso de moléculas grandes (cargadas con un número de cargas elevado) no será posible observar el perfil isotópico, pero las señales correspondientes a los distintos iones con diferente carga que pueden formarse permiten determinar la carga y la masa del compuesto.

2. Estudio del perfil de fragmentación buscando pérdidas razonables

El pico del fragmento iónico más pesado no debe corresponder a una pérdida improbable de masa a partir del pico del ion molecular. Es raro encontrar pérdidas de masa (fragmentos neutros) en los intervalos 2-14 y 20-25 Da.

3. Estudio del perfil isotópico del ion molecular o cuasimolecular

Las abundancias relativas de los picos isotópicos deben ser coherentes con la composición elemental propuesta. La abundancia relativa depende de los elementos de la molécula, junto con la abundancia de sus isótopos, y del número de cada uno de los elementos.

Perfil isotópico:

• El primer pico isotópico presentará normalmente una intensidad relativa del 100%.
• La intensidad relativa del segundo pico isotópico dividida por 1,08 (abundancia relativa del ¹³C en la naturaleza) proporciona información sobre el número de átomos de carbono, aunque a esta intensidad también pueden contribuir otros isótopos como ¹⁵N (0,37%), ²⁹Si (5,08%) y ³³S (0,80%).
• El tercer pico isotópico tendrá una abundancia relativa comprendida entre el 0,5% y el 2,5% si la molécula solo contiene C, H, O y N.
• El tercer pico isotópico tendrá una abundancia relativa superior al 4% si la molécula contiene Si, y superior al 5% si contiene S.
• El tercer pico isotópico será más abundante que el segundo si la molécula contiene Cl, con una abundancia relativa de aproximadamente 1/3 del ion molecular.
• El tercer pico isotópico tendrá la misma intensidad que el ion molecular o cuasimolecular si la molécula contiene Br.
• Si existen más de 4 picos isotópicos medibles, la molécula contiene varios átomos de Cl y/o Br.

4. Estudio de la presencia de elementos característicos

Si se sabe que un fragmento iónico contiene, por ejemplo, 3 átomos del elemento X, debe haber al menos 3 átomos de X en el ion molecular.

5. Aplicación de la regla del nitrógeno

Un compuesto, independientemente del número de C, H, O, S, Si, P y halógenos, si no tiene o tiene un número par de átomos de nitrógeno, su ion molecular M⁺ tiene una masa nominal par; si tiene un número impar de átomos de nitrógeno, tendrá una masa nominal impar.

Poder de resolución vs. resolución

Los espectros de masas no son gráficos de barras: la señal real de un pico espectral tiene una anchura finita que limita la mínima diferencia de masas entre dos iones contiguos que pueden registrarse como distintos.

El poder de resolución de un espectrómetro de masas es su capacidad para generar picos espectrales más o menos estrechos a partir de un ion y, así, obtener un espectro con una resolución adecuada (señales separadas entre sí):

• Mayor poder de resolución → menor ancho del pico.
• Mayor resolución entre picos contiguos → mayor capacidad de separación de iones y resolución de menores diferencias de masa.

A mayor masa a medir, se necesita mayor poder de resolución para mantener la misma resolución.