La espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOFMS) es un método de espectrometría de masas en el que la relación masa / carga de un ion se determina mediante una medición de tiempo de vuelo . Los iones son acelerados por un campo eléctrico de fuerza conocida. [1] Esta aceleración da como resultado un ion que tiene la misma energía cinética que cualquier otro ion que tenga la misma carga. La velocidad del ion depende de la relación masa-carga(Los iones más pesados de la misma carga alcanzan velocidades más bajas, aunque los iones con mayor carga también aumentarán su velocidad). Se mide el tiempo que posteriormente tarda el ion en llegar a un detector a una distancia conocida. Este tiempo dependerá de la velocidad del ion y, por lo tanto, es una medida de su relación masa / carga. A partir de esta relación y los parámetros experimentales conocidos, se puede identificar el ion.
Teoría
La energía potencial de una partícula cargada en un campo eléctrico está relacionada con la carga de la partícula y con la fuerza del campo eléctrico:
( 1 )
donde E p es la energía potencial, q es la carga de la partícula y U es la diferencia de potencial eléctrico (también conocida como voltaje).
Cuando la partícula cargada se acelera en el tubo de tiempo de vuelo ( tubo TOF o tubo de vuelo) por el voltaje U , su energía potencial se convierte en energía cinética . La energía cinética de cualquier masa es:
( 2 )
En efecto, la energía potencial se convierte en energía cinética, lo que significa que las ecuaciones ( 1 ) y ( 2 ) son iguales
( 3 )
( 4 )
La velocidad de la partícula cargada después de la aceleración no cambiará ya que se mueve en un tubo de tiempo de vuelo sin campo. La velocidad de la partícula se puede determinar en un tubo de tiempo de vuelo ya que se conoce la longitud de la trayectoria ( d ) del vuelo del ion y el tiempo de vuelo del ion ( t ) se puede medir usando un digitalizador transitorio o convertidor de tiempo a digital .
Por lo tanto,
( 5 )
y sustituimos el valor de v en ( 5 ) en ( 4 ).
( 6 )
Reorganizando ( 6 ) para que el tiempo de vuelo sea expresado por todo lo demás:
( 7 )
Sacar la raíz cuadrada da como resultado el tiempo,
( 8 )
Estos factores para el tiempo de vuelo se han agrupado a propósito. contiene constantes que en principio no cambian cuando se analiza un conjunto de iones en un solo pulso de aceleración . ( 8 ), por tanto, se puede dar como:
( 9 )
donde k es una constante de proporcionalidad que representa factores relacionados con la configuración y las características del instrumento.
( 9 ) revela más claramente que el tiempo de vuelo del ion varía con la raíz cuadrada de su relación masa-carga ( m / q ).
Considere un ejemplo del mundo real de un instrumento de espectrómetro de masas de tiempo de vuelo MALDI que se utiliza para producir un espectro de masas de los péptidos trípticos de una proteína . Suponga que la masa de un péptido tríptico es de 1000 daltons ( Da ). El tipo de ionización de péptidos producidos por MALDI es típicamente +1 iones, por lo que q = e en ambos casos. Suponga que el instrumento está configurado para acelerar los iones en un potencial de U = 15.000 voltios (15 kilovoltios o 15 kV). Y suponga que la longitud del tubo de vuelo es de 1,5 metros (típico). Ahora se conocen todos los factores necesarios para calcular el tiempo de vuelo de los iones para ( 8 ), que se evalúa primero del ión de masa 1000 Da:
( 10 )
Tenga en cuenta que la masa tuvo que convertirse de daltons (Da) a kilogramos (kg) para que sea posible evaluar la ecuación en las unidades adecuadas. El valor final debe estar en segundos:
que es de unos 28 microsegundos . Si hubiera un ión de péptido tríptico con carga simple con una masa de 4000 Da, y es cuatro veces más grande que la masa de 1000 Da, tomaría el doble de tiempo, o alrededor de 56 microsegundos, atravesar el tubo de vuelo, ya que el tiempo es proporcional al cuadrado. raíz de la relación masa-carga.
Extracción retrasada
La resolución de masas se puede mejorar en el espectrómetro de masas axial MALDI -TOF donde la producción de iones tiene lugar en el vacío al permitir que la explosión inicial de iones y neutros producida por el pulso láser se equilibre y permita que los iones viajen una distancia perpendicular a la placa de muestra antes de Los iones pueden acelerarse en el tubo de vuelo. El equilibrio iónico en la columna de plasma producido durante la desorción / ionización tiene lugar aproximadamente 100 ns o menos, después de que la mayoría de los iones, independientemente de su masa, comiencen a moverse desde la superficie con una velocidad promedio. Para compensar la propagación de esta velocidad promedio y mejorar la resolución de la masa, se propuso retrasar la extracción de iones de la fuente de iones hacia el tubo de vuelo de unos pocos cientos de nanosegundos a unos pocos microsegundos con respecto al inicio del corto (típicamente , unos pocos nanosegundos) pulso láser. Esta técnica se conoce como "enfoque con retardo de tiempo" [3] para la ionización de átomos o moléculas por ionización multifotónica mejorada por resonancia o por ionización por impacto de electrones en un gas enrarecido y "extracción retardada" [4] [5] para iones producidos generalmente por desorción / ionización por láser de moléculas adsorbidas en superficies planas o microcristales colocados en superficies planas conductoras.
La extracción retrasada generalmente se refiere al modo de operación de las fuentes de iones de vacío cuando el inicio del campo eléctrico responsable de la aceleración (extracción) de los iones en el tubo de vuelo se retrasa por un tiempo corto (200-500 ns) con respecto a la ionización ( o desorción / ionización). Esto difiere de un caso de campo de extracción constante donde los iones se aceleran instantáneamente al formarse. La extracción retardada se utiliza con fuentes de iones MALDI o de desorción / ionización por láser (LDI) en las que los iones que se van a analizar se producen en un penacho en expansión que se mueve desde la placa de muestra a alta velocidad (400 a 1000 m / s). Dado que el grosor de los paquetes de iones que llegan al detector es importante para la resolución de la masa, en la primera inspección puede parecer contrario a la intuición permitir que la columna de iones se expanda aún más antes de la extracción. La extracción retrasada es más una compensación por el momento inicial de los iones: proporciona los mismos tiempos de llegada al detector para iones con las mismas relaciones masa-carga pero con diferentes velocidades iniciales.
En la extracción retardada de iones producidos en vacío, los iones que tienen menor impulso en la dirección de extracción comienzan a acelerarse a un potencial más alto debido a que están más lejos de la placa de extracción cuando el campo de extracción está encendido. Por el contrario, aquellos iones con mayor impulso hacia adelante comienzan a acelerarse a un potencial más bajo ya que están más cerca de la placa de extracción. A la salida de la región de aceleración, los iones más lentos en la parte posterior de la columna se acelerarán a mayor velocidad que los iones inicialmente más rápidos en la parte delantera de la columna. Entonces, después de la extracción retrasada, un grupo de iones que abandona la fuente de iones antes tiene una velocidad más baja en la dirección de la aceleración en comparación con algún otro grupo de iones que sale de la fuente de iones más tarde pero con mayor velocidad. Cuando los parámetros de la fuente de iones se ajustan correctamente, el grupo de iones más rápido alcanza al más lento a cierta distancia de la fuente de iones, por lo que la placa detectora colocada a esta distancia detecta la llegada simultánea de estos grupos de iones. A su manera, la aplicación retardada del campo de aceleración actúa como un elemento de enfoque de tiempo de vuelo unidimensional.
Reflectron TOF
La distribución de energía cinética en la dirección del vuelo de los iones se puede corregir utilizando un reflectrón. [6] [7] El reflectrón utiliza un campo electrostático constante para reflejar el haz de iones hacia el detector. Los iones más energéticos penetran más profundamente en el reflectrón y toman un camino un poco más largo hacia el detector. Los iones menos energéticos de la misma relación masa / carga penetran una distancia más corta en el reflectrón y, en consecuencia, toman un camino más corto hacia el detector. La superficie plana del detector de iones (típicamente una placa de microcanal , MCP) se coloca en el plano donde llegan al mismo tiempo iones de la misma m / z pero con diferentes energías contados con respecto al inicio del pulso de extracción en la fuente de iones. . Un punto de llegada simultánea de iones de la misma relación masa-carga pero con diferentes energías se denomina a menudo foco de tiempo de vuelo. Una ventaja adicional de la disposición re-TOF es que se logra el doble de la trayectoria de vuelo en una longitud determinada del instrumento TOF.
Puerta de iones
Un obturador Bradbury-Nielsen es un tipo de puerta de iones que se utiliza en los espectrómetros de masas TOF y en los espectrómetros de movilidad iónica , así como en los espectrómetros de masas TOF de transformación de Hadamard . [8] El obturador Bradbury-Nielsen es ideal para el selector de iones temporizado rápido (TIS), un dispositivo que se utiliza para aislar iones en espectrómetros de masas MALDI en un rango de masa estrecho en tándem (TOF / TOF). [9]
Tiempo de vuelo de aceleración ortogonal
Las fuentes de iones continuos (más comúnmente ionización por electropulverización, ESI) generalmente se interconectan con el analizador de masas TOF mediante "extracción ortogonal" en la que los iones introducidos en el analizador de masas TOF se aceleran a lo largo del eje perpendicular a su dirección inicial de movimiento. La aceleración ortogonal combinada con el enfriamiento de iones por colisión permite separar la producción de iones en la fuente de iones y el análisis de masas. En esta técnica, se puede lograr una resolución muy alta para los iones producidos en fuentes MALDI o ESI. Antes de entrar en la región de aceleración ortogonal o en el pulsador, los iones producidos en fuentes continuas (ESI) o pulsadas (MALDI) se enfocan (enfrían) en un haz de 1-2 mm de diámetro por colisiones con un gas residual en guías multipolares de RF. Un sistema de lentes electrostáticas montadas en la región de alto vacío antes de que el generador de impulsos haga que el haz sea paralelo para minimizar su divergencia en la dirección de aceleración. La combinación de enfriamiento por colisión de iones y TOF de aceleración ortogonal [11] [12] ha proporcionado un aumento significativo en la resolución de los TOF MS modernos de unos pocos cientos a varias decenas de miles sin comprometer la sensibilidad.
Espectrometría de masas de tiempo de vuelo con transformada de Hadamard
La espectrometría de masas de tiempo de vuelo por transformada de Hadamard (HT-TOFMS) es un modo de análisis de masas utilizado para aumentar significativamente la relación señal / ruido de un TOFMS convencional. [13] Mientras que TOFMS tradicional analiza un paquete de iones a la vez, esperando que los iones lleguen al detector antes de introducir otro paquete de iones, HT-TOFMS puede analizar simultáneamente varios paquetes de iones que viajan en el tubo de vuelo. [14] Los paquetes de iones se codifican modulando rápidamente la transmisión del haz de iones, de modo que los iones más ligeros (y por lo tanto más rápidos) de todos los paquetes de masa liberados inicialmente de un haz se adelantan a los iones más pesados (y por tanto más lentos). [15] Este proceso crea una superposición de muchas distribuciones de tiempo de vuelo convolucionadas en forma de señales. El algoritmo de transformación de Hadamard se utiliza luego para llevar a cabo el proceso de deconvolución que ayuda a producir una tasa de almacenamiento espectral de masas más rápida que el TOFMS tradicional y otros instrumentos de separación de masas comparables. [13]
Tiempo de vuelo en tándem
El tiempo de vuelo en tándem ( TOF / TOF ) es un método de espectrometría de masas en tándem en el que se utilizan dos espectrómetros de masas de tiempo de vuelo de forma consecutiva. [16] [17] [18] [19] Para registrar el espectro completo de iones precursores (padres), TOF / TOF funciona en modo MS. En este modo, la energía del láser de pulso se elige ligeramente por encima del inicio de MALDI para la matriz específica en uso para asegurar el compromiso entre un rendimiento de iones para todos los iones originales y la fragmentación reducida de los mismos iones. Cuando se opera en modo tándem (MS / MS), la energía del láser aumenta considerablemente por encima del umbral MALDI. El primer espectrómetro de masas TOF (básicamente, un tubo de vuelo que termina con el selector de iones cronometrado) aísla los iones precursores de su elección utilizando un filtro de velocidad, típicamente de tipo Bradbury-Nielsen, y el segundo TOF-MS (que incluye el poste acelerador, tubo de vuelo, espejo de iones y detector de iones) analiza los iones del fragmento. Los iones de fragmentos en MALDI TOF / TOF son el resultado de la desintegración de iones precursores excitados vibratoriamente por encima de su nivel de disociación en la fuente MALDI (desintegración posterior a la fuente [20] ). La fragmentación de iones adicional implementada en una celda de colisión de alta energía se puede agregar al sistema para aumentar la tasa de disociación de los iones precursores excitados por vibración. Algunos diseños incluyen extintores de señales precursoras como parte del segundo TOF-MS para reducir la carga de corriente instantánea en el detector de iones.
Detectores
Un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo (TOFMS) consta de un analizador de masas y un detector. Se utiliza una fuente de iones (pulsada o continua) para los experimentos de TOF relacionados con el laboratorio, pero no es necesaria para los analizadores de TOF utilizados en el espacio, donde el sol o las ionosferas planetarias proporcionan los iones. El analizador de masas TOF puede ser un tubo de vuelo lineal o un reflectrón. El detector de iones normalmente consta de un detector de placa de microcanal o un multiplicador de emisión secundaria rápido (SEM) donde la primera placa convertidora ( dínodo ) es plana. [21] La señal eléctrica del detector se registra mediante un convertidor de tiempo a digital (TDC) o un convertidor rápido de analógico a digital (ADC). El TDC se utiliza principalmente en combinación con instrumentos TOF de aceleración ortogonal (oa).
Los convertidores de tiempo a digital registran la llegada de un solo ión en "bins" de tiempo discreto; una combinación de activación por umbral y discriminador de fracción constante (CFD) discrimina entre eventos de llegada de ruido y de iones. CFD convierte pulsos eléctricos en forma de Gauss de unos pocos nanosegundos de duración de diferentes amplitudes generados en el ánodo del MCP en pulsos de forma común (por ejemplo, pulsos compatibles con circuitos lógicos TTL) enviados a TDC. El uso de CFD proporciona un punto de tiempo correspondiente a una posición de pico máximo independiente de la variación en la amplitud máxima causada por la variación de la ganancia de MCP o SEM. Los CFD rápidos suelen tener un tiempo muerto de varios nanosegundos, lo que evita la activación repetitiva del mismo pulso.
El TDC es un detector de conteo de iones; puede ser extremadamente rápido (con una resolución de unos pocos picosegundos), pero su rango dinámico es limitado debido a su incapacidad para contar correctamente los eventos cuando más de un iones golpean simultáneamente el detector. El resultado de un rango dinámico limitado es que el número de iones detectados en un espectro es algo pequeño. Este problema de rango dinámico limitado se puede aliviar utilizando un diseño de detector multicanal: una matriz de mini ánodos conectados a una pila MCP común y múltiples CFD / TDC, donde cada CFD / TDC registra señales de mini ánodos individuales. Para obtener picos con intensidades estadísticamente aceptables, el recuento de iones se acompaña de la suma de cientos de espectros de masas individuales (lo que se denomina histograma). Para alcanzar una tasa de conteo muy alta (limitada solo por la duración del espectro TOF individual que puede ser tan alto como unos pocos milisegundos en configuraciones TOF multitrayecto), se usa una tasa de repetición muy alta de extracciones de iones al tubo TOF. Los analizadores de masas TOF de aceleración ortogonal comerciales suelen funcionar a tasas de repetición de 5 a 20 kHz. En los espectros de masas combinados obtenidos sumando un gran número de eventos de detección de iones individuales, cada pico es un histograma obtenido sumando recuentos en cada contenedor individual. Debido a que el registro de la llegada de iones individuales con TDC produce solo un punto de tiempo único (por ejemplo, un "intervalo" de tiempo correspondiente al máximo del pulso eléctrico producido en un evento de detección de iones únicos), el TDC elimina la fracción de ancho de pico en espectros combinados determinados por un tiempo de respuesta limitado del detector MCP. Esto se propaga a una mejor resolución de masa.
Los modernos convertidores de analógico a digital ultrarrápidos de 8 GSample / s digitalizan la corriente iónica pulsada del detector MCP a intervalos de tiempo discretos (125 picosegundos). El ADC típico de 8 bits o de 10 bits a 8 GHz tiene un rango dinámico mucho más alto que el TDC, lo que permite su uso en instrumentos MALDI-TOF con sus altas corrientes pico. Para grabar señales analógicas rápidas de los detectores MCP, se requiere hacer coincidir cuidadosamente la impedancia del ánodo del detector con el circuito de entrada del ADC ( preamplificador ) para minimizar el efecto de "timbre". La resolución de masas en los espectros de masas registrados con ADC ultrarrápido se puede mejorar mediante el uso de detectores MCP de poros pequeños (2-5 micrones) con tiempos de respuesta más cortos.
Aplicaciones
La ionización por desorción láser asistida por matriz (MALDI) es una técnica de ionización pulsada que es fácilmente compatible con TOF MS.
La tomografía con sonda atómica también aprovecha la espectrometría de masas TOF.
La espectroscopia de coincidencia de fotoiones de fotoelectrones utiliza fotoionización suave para la selección de energía interna de iones y espectrometría de masas TOF para análisis de masas.
La espectrometría de masas de iones secundarios comúnmente utiliza espectrómetros de masas TOF para permitir la detección en paralelo de diferentes iones con un alto poder de resolución de masas.
Historia del campo
AE Cameron y DF Eggers Jr, que trabajaban en el Complejo de Seguridad Nacional Y-12 , en 1948 , informaron sobre un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo, llamado Velocitron. La idea había sido propuesta dos años antes, en 1946, por WE Stephens de la Universidad de Pensilvania en una sesión del viernes por la tarde de una reunión, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts , de la Sociedad Estadounidense de Física . [22] [23]
Referencias
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( ayuda ) - ^ Marrón, RS; Lennon, JJ (1995). "Mejora de la resolución de masas mediante la incorporación de extracción de iones pulsados en un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo lineal de desorción / ionización láser asistido por matriz". Anal. Chem . 67 (13): 1998-2003. doi : 10.1021 / ac00109a015 . PMID 8694246 .
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Bibliografía
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enlaces externos
- Tutorial IFR / JIC TOF MS
- Tutorial del espectrómetro de masas TOF de los productos Jordan TOF
- Tutorial TOF-MS de la Universidad de Bristol
- Tecnología Kore: introducción a la espectrometría de masas de tiempo de vuelo