Introducción a la espectrometría de masas

Fuente: Laboratorio del Dr. Khuloud Al-Jamal - College de Londres King

Espectrometría de masas es una técnica de química analítica que permite la identificación de compuestos desconocidos dentro de una muestra, la cuantificación de los materiales conocidos, la determinación de la estructura y propiedades químicas de moléculas diferentes.

Un espectrómetro de masas se compone de una fuente de ionización, un analizador y un detector. El proceso consiste en la ionización de compuestos químicos para generar iones. Cuando usando inductivo acoplado a plasma (ICP), las muestras que contienen elementos de interés se introducen en el plasma de argón como gotitas de aerosol. El plasma seca el aerosol, disocia las moléculas y luego remueve un electrón de los componentes para ser detectadas por el espectrómetro de masas. Otros métodos de ionización tal como ionización por electrospray (ESI) y de la matriz asistida de ionización desorción del laser (MALDI) se utilizan para analizar las muestras biológicas. Siguiendo el procedimiento de ionización, los iones se separan en el espectrómetro de masas según su relación masa / carga (m/z), y se mide la abundancia relativa de cada tipo de ion. Por último, el detector consiste comúnmente en un multiplicador de electrón donde la colisión de iones con un ánodo cargado conduce a una cascada de aumento de número de electrones, que puede ser detectado por un circuito eléctrico conectado a un ordenador.

En este video, se describirá el procedimiento de análisis de ICP-MS por la detección de ⁵⁶Fe como ejemplo.

ICP-MS combina una fuente de alta temperatura ICP (plasma acoplado inductivamente) con un espectrómetro de masas.

Las muestras deben ser en forma iónica antes de entrar en el analizador de masas con el fin de ser detectado. El proceso de digestión de muestras sólidas consiste en la incubación de muestras sólidas en ácido fuerte y oxidante a alta temperatura y durante un período prolongado de tiempo dependiendo de los analitos metálicos. La muestra se presenta como un aerosol en el plasma ICP (temperatura de 6.000 – 10.000 K) para ser convertidos en átomos gaseosos, que se ionizan.

El analizador de masas más utilizado es el filtro de masas cuadrupolo. Actúa como un filtro electrostático que sólo permite que los iones de una solo relación masa a carga (m/z) para alcanzar el detector en un momento dado. Se puede separar hasta 15.000 daltons (Da) por segundo y por lo tanto se considera que tiene propiedades de análisis simultáneo de múltiples elemental. ICP-MS es un método muy sensible que permite la detección de elementos con concentraciones por debajo de partículas por billón (ppb) y a continuación la partícula por trillón (ppt) para ciertos elementos.

Por último, el sistema detector convierte al número de iones pulso del detector en una señal eléctrica. Mediante el uso de estándares de calibración (muestras de concentración conocida de un determinado elemento), es posible evaluar la concentración de una muestra de uno o varios elementos de interés.

1. limpieza de tubos de policarbonato

1. Utilizar tubos de policarbonato resistentes a soluciones ácidas para la digestión de la muestra. Con el fin de eliminar cualquier rastro de contaminante de hierro, se llenan todos los tubos 5 mL de 0.1 M HCl.
2. Coloque los tubos en un baño de agua durante 1 h a 50 ° C.
3. Lavar los tubos con 5 mL de agua Milli-Q y secar los tubos en una campana horno o químicos.

2. preparación y digestión de la muestra

1. Lugar 200 μL de muestra en 1,8 mL de ácido nítrico concentrado (65%).
2. Coloque los tubos en un baño de agua durante la noche a 50 ° C. Ajuste el protocolo mediante el aumento de la temperatura si es necesario una reducción del tiempo total de digestión.
3. Dejar que enfríen los tubos a temperatura ambiente.
4. Diluir las muestras mediante la adición de 8 mL de agua Milli-Q para obtener un fuelle de concentración final de ácido nítrico 20% (v/v).
5. Centrifugar los tubos a 3.000 x g durante 10 minutos para que sedimenten los restantes residuos macroscópicos.

3. preparación del instrumento

1. Limpie la antorcha ICP mediante ultrasonidos en ácido nítrico al 5% para los conos de 15 minutos limpiar con ácido nítrico al 5%. Cambiar el tubo peristáltico. Compruebe el nivel de aceite de la bomba.
2. Encienda el argón y el refrigerador, empezar a plasma. Iniciar el flujo de líquido en plasma y esperar a que instrumento se estabilice, unos 20 minutos.
3. Optimizar la lente voltajes. Funcionan todos los días verificación de rendimiento mediante la medición de prueba de soluciones que contengan Mg, en y para confirmar la sensibilidad del instrumento ICP-MS. Medir la Ce y el Ba en forma de óxido e iones con carga doble deben permanecer por debajo del 3%. Verificar la masa en 8 y 220 Da para medir la señal de fondo.
4. El instrumento está listo para su uso.

4. selección del método de usuario y lista de muestra

1. Seleccione el elemento y los isótopos de interés.
2. Seleccione el modo de exploración como salto de pico.
3. Elegir un tiempo de 100 ms (mínimo 50) con 40 barridos (mínimo 15) por la lectura. Seleccione una lectura por repetición y 5 réplicas (mínimo 3). El tiempo de integración total es Sra. 4.000 si la cantidad de muestra es limitada, reducir el tiempo de permanencia, número de barridos y repeticiones manteniendo los valores superiores a los mínimos valores definidos anteriormente.
4. Utilizar un caudal de amoníaco (NH₃) en 0,7 mL/min para evitar la interferencia de ⁴⁰Ar¹⁶O en la determinación de ⁵⁶Fe.
5. Preparar curva de calibración para los elementos de elección.
6. Ejecutar los ejemplos.

A continuación se muestra el análisis de ICP-MS de las muestras que contienen nanopartículas de óxido de hierro. Una curva estándar se llevó a cabo utilizando una concentración conocida de ⁵⁶Fe (figura 1). El coeficiente de correlación es cercano a 1 (R² = 0.999989) demostró la buena relación lineal entre las concentraciones de la muestra y la intensidad medida por el detector. Muestras de intereses mostraron valores dentro del intervalo de calibración (figura 2). Las concentraciones calculadas por el software entonces fueron ajustados según la dilución realizada durante el protocolo. El presente Protocolo describe una dilución de 1/50 tras la dilución en ácido (1/10) y en la Mili-Q agua (1/5). Por ejemplo, se midió una concentración de 51.427 μg/L para el número 51 (figura 2). La concentración de la muestra original era 50 x mayor correspondiente a 2,57 mg/L.

Figura 1. Curva de calibración para ⁵⁶medidas Fe. Cuatro puntos estándar (0.01, 0.1, 1 y 10 μg/mL) muestran un coeficiente de correlación (R²) de 0.999989. Esto confirma la buena relación lineal entre la intensidad de la señal detectada y las concentraciones de referencia.

Figura 2. Resultados representativos siguiendo medidas de ICP-MS en muestras de nanopartículas de óxido de hierro. La concentración de cada muestra diluida se calcula automáticamente según la curva de calibración definidas.

Los campos ambientales y geológicos representan el primer uso para ICP-MS por ejemplo medir los contaminantes presentes en el agua, en el suelo o en la atmósfera. La presencia de contaminantes en altas concentraciones en agua como Fe, Cu o Al puede controlarse utilizando ICP-MS.

Los campos de la ciencia médica y forense también utilizan detección de ICP-MS. En caso de sospecha de un envenenamiento de metales como arsénico, muestras tales como sangre y orina pueden ser analizadas utilizando ICP-MS. Esta técnica también puede proporcionar información valiosa en caso de patología que implica problemas de hepatológicos resultante en la excreción pobre de ciertos elementos o problemas metabólicos.

ICP-MS permite la cuantificación de metales en cualquier material. En la figura 3, la concentración de Fe se midió en nanopartículas y relacionados con sus propiedades de la proyección de imagen de resonancia magnética (MRI). ICP-MS proporciona una cuantificación fiable de la Fe de diferentes nanopartículas para discriminar que nanopartículas son los más eficientes para la aplicación de la proyección de imagen.

Otra aplicación es el estudio de la biodistribución de nanopartículas de metales. Figura 4 presenta la biodistribución de órgano de nanopartículas que contienen óxido de hierro en ratones después de la inyección intravenosa. A las 24 h, cada órgano fue recogido y digiere en ácido nítrico concentrado hasta digestión completa del órgano. ⁵⁶concentración de Fe se cuantificó por ICP-MS. resultados Mostrar una concentración más alta de ⁵⁶Fe en hígado y bazo de ratones inyectados con nanopartículas que en órganos de animales ingenuos. Por lo tanto, se concluyó que las nanopartículas se acumulan sobre todo en órganos hígado y bazo.

Figura 3. Resonancia magnética medida (MRI) de la función de nanopartículas de su concentración de Fe. Cinco concentraciones de hierro fueron utilizadas (0.25, 0.5, 0.75, 1 y 1,25 mM) que fue fotografiada por sus propiedades de MRI (tasa de relajación, R₂*).

Figura 4. Biodistribución de nanopartículas de óxido de hierro después de la inyección intravenosa en ratones. Ingenuos demuestran el nivel de órgano básico de hierro en ratones no tratados. Después de la inyección de nanopartículas que contienen óxido de hierro, la cantidad de hierro en ciertos aumentos de órgano que se asocia a la acumulación de las nanopartículas.