Un espectrómetro de masas en miniatura ( MMS ) es un tipo de espectrómetro de masas (MS) que tiene un tamaño y peso pequeños y puede entenderse como un dispositivo portátil o de mano. Sin embargo, los espectrómetros de masas a escala de laboratorio actuales, por lo general pesan cientos de libras y pueden costar entre miles y millones de dólares. Uno de los propósitos de producir MMS es el análisis in situ . Este análisis in situ puede conducir a una operación mucho más simple del espectrómetro de masas, de modo que el personal no técnico, como los médicos junto a la cama, los bomberos en una fábrica en llamas, los inspectores de seguridad alimentaria en un almacén o la seguridad del aeropuerto en los puestos de control del aeropuerto, etc., pueden analizar las muestras por sí mismos, ahorrando el tiempo, el esfuerzo y el costo de que la muestra sea analizada por un técnico de MS capacitado fuera del sitio. Aunque la reducción del tamaño de MS puede conducir a un rendimiento más bajo del instrumento en comparación con los estándares de laboratorio analítico actuales, MMS está diseñado para mantener resoluciones suficientes, límites de detección, precisión y especialmente la capacidad de operación automática. Estas características son necesarias para las aplicaciones in situ específicas de MMS mencionadas anteriormente. [1]
En la espectrometría de masas típica, la MS se combina con herramientas de separación como la cromatografía de gases , la cromatografía de líquidos o la electroforesis para reducir el efecto de la matriz o el fondo y mejorar la selectividad, especialmente cuando los analitos son muy diferentes en concentración. La preparación de la muestra, que incluye la recolección de muestras, la extracción y la separación previa, aumenta el tamaño del sistema de análisis de masas y agrega tiempo y sofisticación al análisis. Una gran contribución promueve la miniaturización de dispositivos y la simplificación de las operaciones. Se ha implementado un micro-GC para adaptarse a un sistema MS portátil. [2] Además, la microfluídica es un candidato competente para MMS y la automatización de la preparación de muestras. En esta técnica, la mayoría de los pasos para la preparación de la muestra se realizan de manera similar a los sistemas de laboratorio, pero se utilizan dispositivos basados en chips en miniatura con bajo consumo de muestra y solventes. Una forma de evitar los sistemas clásicos de introducción de muestras basados en laboratorio es el uso de ionización ambiental , ya que no requiere acoplamiento mecánico o eléctrico a un MMS y puede generar iones en la atmósfera abierta sin preparación previa de la muestra, [3] pero a costa de requisitos de sistema de vacío más rigurosos. Se ha demostrado que diferentes métodos de ionización ambiental, incluido el plasma de baja temperatura, la pulverización de papel y la pulverización de extracción, son altamente compatibles con MMS. [4] Sin acoplamiento de separación, los bloques de construcción básicos en MMS, que son similares en composición con su contraparte de laboratorio convencional, son la entrada de muestra, la fuente de ionización , los analizadores de masas, el detector , el sistema de vacío, el control del instrumento y el sistema de adquisición de datos. [5] Los tres componentes más importantes en MMS que contribuyen a la miniaturización son el analizador de masas, el sistema de vacío y el sistema de control electrónico. Reducir el tamaño de cualquier componente es beneficioso para la miniaturización. Sin embargo, es evidente que minimizar el tamaño del analizador puede mejorar en gran medida la miniaturización de los demás componentes, especialmente el sistema de vacío, porque el analizador es el factor decisivo de presión para el análisis de MS y la fabricación de la interfaz de presión.
Los analizadores de masas más pequeños requieren un sistema de control más pequeño para generar un campo eléctrico y una intensidad de campo magnético adecuados , que son dos campos fundamentales que separan los iones en función de su relación masa-carga . Debido a que un circuito compacto puede generar un campo eléctrico alto, la disminución del tamaño del sistema generador de voltaje no afecta significativamente a la miniaturización de la espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOF) y los sectores eléctricos que utilizan solo el campo eléctrico para separar los iones.
En principio, el campo electromagnético depende principalmente de la forma de los analizadores de masas. Como resultado, un imán más pequeño que se adapta a un MS de tamaño pequeño reduce significativamente el peso del sistema. En la práctica, al reducir el tamaño, las geometrías del analizador de masas se distorsionan. Por ejemplo, un volumen menor en la trampa de iones conduce a una menor capacidad de captura y, por lo tanto, da como resultado una pérdida de resolución y sensibilidad. Sin embargo, al utilizar MS en tándem, la resolución y la selectividad se pueden mejorar en gran medida en mezclas complejas. En general, los analizadores de masas de tipo haz, como los analizadores de masas TOF y sectoriales, son mucho más grandes que los de tipo trampa de iones, como la trampa de Paul , la trampa de Penning o la espectrometría de masas por resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier (FT-ICR). Además, los analizadores de masas con trampa de iones se pueden utilizar para realizar MS/MS multietapa en un solo dispositivo. Como resultado, las trampas de iones reciben una atención dominante para construir un MMS.
Algunos investigadores han logrado diseñar una serie de analizadores de masas TOF en miniatura. Cotter, de la Universidad Johns Hopkins, utilizó un analizador de masas de extracción pulsada en tiempo de vuelo lineal y los iones se aceleran con una energía más alta de 12 keV para permitir la detección de masas altas. El grupo logró resoluciones de 1/1200 y 1/600 a m/z 4500 y 12000 respectivamente. Este minianalizador puede medir proteínas de 66k Da, mezclas de oligonucleótidos y esporas biológicas. [6] Verbeck, de la Universidad del Norte de Texas, creó un mini-TOF basado en reflectrón TOF con una tecnología de sistema microelectromecánico. Para superar la baja resolución del tubo de vuelo corto, la longitud efectiva del recorrido de los iones se extiende moviendo los iones de ida y vuelta en períodos de tiempo. El sistema utilizó un reflectrón TOF de tapa terminal de 5 cm con enfoque de energía cinética de orden superior para analizar los iones con m/z superior a 60 000. [7]
Ecelberger, un científico profesional de alto nivel del Grupo de Ciencia de Sensores del Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico de APL, también desarrolló un TOF de maleta incorporado con MALDI de desorción/ionización láser asistida por matriz . El TOF de maleta fue probado por científicos del Comando de Soldados y Químicos Biológicos del Ejército de los EE. UU. Las muestras son toxinas biológicas y agentes químicos con un rango de masas que va desde unos pocos cientos de daltons hasta más de 60 kDa. El TOF de maleta se comparó con un TOFMS comercial para los mismos experimentos. Ambos instrumentos pueden detectar todos los compuestos, excepto unos pocos, con resultados muy alentadores. Debido a que un TOFMS comercial utiliza una extracción pulsada de voltaje más alto con un tubo de vuelo más largo con otras condiciones optimizadas, generalmente tiene mejor sensibilidad y resolución que un TOF de maleta. Sin embargo, en el caso de compuestos de masa muy alta, el TOF de maleta muestra una resolución y sensibilidad tan buenas como el TOF comercial. El TOF de maleta también se probó con una serie de agentes de armas químicas. Todos los compuestos probados se detectaron a niveles comparables a las técnicas analíticas estándar para estos agentes. [8]
Se han fabricado varios analizadores de masas de doble enfoque en miniatura. Se desarrolló un sector de geometría Mattauch-Herzog sin barrido utilizando nuevos materiales para construir un imán más ligero. En el marco de la colaboración entre la Universidad de Minnesota y la Universidad de Costa Rica, se produjo un sector de doble enfoque en miniatura mediante una técnica sofisticada de métodos de mecanizado convencionales y modelado de películas delgadas para superar la distorsión de los campos electromagnéticos debido a su pequeño tamaño. El MMS puede alcanzar un límite de detección cercano a 10 ppm, un rango dinámico de 5 órdenes de magnitud y un rango de masas de hasta 103 Da. El analizador de masas tiene un tamaño total de 3,5 cm x 6 cm x 7,5 cm, pesa 0,8 kg y consume 2,5 W. [9]
El filtro de masas cuadrupolo lineal o analizador de masas cuadrupolo es uno de los analizadores de masas más populares. El mini-cuadrupolo se ha utilizado como analizador único o en conjuntos de analizadores de masas idénticos. El conjunto de cuadrupolos tiene varillas de 0,5 mm de radio y 10 mm de largo, mientras que otro tiene varillas de 1 mm de radio y 25 mm de largo. Estos mini-cuadrupolos se desarrollaron y caracterizaron a una frecuencia de radio (RF) superior a 11 MHz. Los compuestos orgánicos volátiles se ionizaron por ionización electrónica y se caracterizaron con una resolución unitaria. Se aplicó el micromaquinado para producir un cuadrupolo con ranura en V mucho más pequeño. [10]
Las trampas de iones incluyen trampas de iones cuadrupolos o trampas de Paul, resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier o trampa de Penning y el recientemente desarrollado orbitrap. Sin embargo, la trampa de Paul recibe una gran atención de los investigadores para un MMS debido a sus claras ventajas sobre otros analizadores de masas para construir MMS. Uno de los beneficios es que las trampas de iones pueden funcionar a presiones mucho más altas que los analizadores de masas de tipo haz y se pueden simplificar con una geometría diferente para facilitar la fabricación. Por ejemplo, un analizador de masas de trampa de iones cuadrupolo en miniatura, como la trampa de iones cilíndrica, la trampa de iones lineal, la trampa de iones rectilínea), puede funcionar a varios mTorr en contraste con 10 −5 Torr o menos para otros analizadores y es capaz de realizar MS/MS en un solo dispositivo con un tamaño mínimo de sistema electrónico. Sin embargo, a medida que el tamaño se hace más pequeño, es difícil mantener la forma del campo eléctrico y la configuración precisa y afectará negativamente al movimiento de iones. El objetivo es hacer la trampa más pequeña sin perder capacidad iónica. El espectrómetro de masas Tridion-9 con trampa de iones toroidal está diseñado con un volumen en forma de rosquilla que puede contener hasta 400 veces más iones. El resultado excepcional se logra ya que el radio se reduce a una quinta parte de una trampa de iones de laboratorio convencional mientras se mantiene la capacidad de iones. [10]
El propósito de utilizar el vacío es eliminar la señal de fondo y evitar eventos de colisión intermolecular, proporcionando así un largo camino libre medio para los iones. El sistema de vacío, incluidas las bombas de vacío y el colector de vacío con sus diversas interfaces, es a menudo la parte más pesada y consume la mayor parte de la energía en un espectrómetro de masas. En el caso de TOF, si se reduce la longitud de la región de deriva, la presión dentro de la región puede funcionar a un valor más alto porque la región de colisión libre aún se mantiene durante una corta distancia de viaje de los iones. Como resultado, el sistema de vacío requiere menos energía para hacer funcionar el sistema. Para un analizador de masas de tipo trampa, debido a que los iones quedan atrapados en el dispositivo durante largos períodos y la longitud de trayectoria acumulada es mucho mayor que el tamaño del analizador de masas, la reducción del tamaño del analizador de masas puede no afectar directamente la presión de funcionamiento adecuada. Se han desarrollado configuraciones de bombas turbomoleculares en miniatura similares a los instrumentos a escala de laboratorio para que sean compatibles con MMS. Para el bombeo de alto vacío, también se actualizan las bombas turbomoleculares . Un Thermo Fisher Orbitrap utilizó tres bombas turbo en modos LC-MS para lograr un vacío por debajo de 10 −10 torr.
Recientemente, una bomba turbo de Creare, Inc.TM pesa solo 500 g y necesita menos de 18 W de potencia para funcionar. La bomba puede proporcionar un vacío máximo por debajo de 10 −8 torr, que es mucho menor que la presión de funcionamiento necesaria para un MMS. [10]
Uno de los grupos líderes en la academia para la creación de MMS con trampa de iones es el del Prof. Graham Cooks con su profesor asociado Zheng Ouyang en la Universidad de Purdue. Han construido una serie de mini espectrómetros de masas basados en trampas de iones cuadrupolos llamados Mini 10, Mini 11, Mini 12. [11] El grupo utilizó el espectrómetro de masas Mini 10 que pesa 10 kg para analizar proteínas, péptidos y alcaloides en materiales vegetales complejos con ionización por electrospray ESI e ionización por paperspray. [12] El grupo utilizó una radiofrecuencia baja de eyección de iones resonantes para aumentar el rango de masas de las proteínas hasta 17.000 Da. Para interconectar la fuente ESI con MMS, se fabricó un capilar de acero inoxidable de 10 cm para transferir los iones directamente al colector de vacío. La alta presión resultante de 20 mTorr, que es varios órdenes de magnitud más alta que la utilizada en los espectrómetros de masas a escala de laboratorio, se compensa utilizando la trampa de iones rectilínea tolerante a la presión. [13] Uno de los componentes clave de este MMS es el turbo-bump comercial y el MS puede funcionar a 10 −3 torr. Para superar el problema de la introducción continua de la muestra debido al pequeño tamaño de la bomba, el grupo desarrolló una técnica llamada introducción discontinua a presión atmosférica (DAPI). Esta técnica realiza un análisis químico directo sin pretratamiento de la muestra y permite el acoplamiento de espectrómetros de masas en miniatura a fuentes de ionización a presión atmosférica, incluidas ESI, ionización química a presión atmosférica (APCI) y varias fuentes de ionización ambiental. Los iones se transfieren desde la fuente de ionización y se mantienen en una válvula de punzón y se inyectan al MS periódicamente. El rendimiento de un espectrómetro de masas portátil Mini-10 se mejoró con el modo de iones negativos para detectar compuestos explosivos y materiales peligrosos a nivel de picogramos, lo que es muy aplicable para el control de equipaje en el aeropuerto. [3] [14] El Mini-11 de 8,5 kg y el Mini-12 de 25 kg pueden producir espectros de masas con una resolución de hasta m/z 600, un rango que lo hace útil para estudiar metabolitos, lípidos y otras moléculas pequeñas. El grupo también desarrolló e incorporó una plataforma microfluídica digital al MMS con la aplicación para extraer y cuantificar fármacos en orina. El Mini 12 puede realizar MS 5 y analizar directamente muestras tan complejas como sangre completa, alimentos no tratados y muestras ambientales, sin preparación de muestras ni separación cromatográfica. [15]
1st Detect presentó el MMS 1000, un espectrómetro de masas cilíndrico con trampa de iones y capacidad MS/MS. Algunas de sus características son su amplio rango de masas (35-450 Da), alta resolución (<0,5 Da FWHM) y rápido tiempo de análisis (>=0,5 s). El caudal de entrada puede ser alto (hasta 600 ml/min sin bombas externas ni gases portadores). El MMS 1000 incorpora un preconcentrador no criogénico. Este acoplamiento mejora la sensibilidad hasta 10^ 5 con una velocidad rápida de 30 s. Los espectrómetros de masas miniaturizados de 1st Detect se utilizan en una variedad de aplicaciones, entre las que se incluyen seguridad nacional, militares, análisis del aliento, detección de fugas y control de calidad ambiental e industrial. El MMS 1000 se diseñó originalmente para la NASA con el fin de monitorear la calidad del aire en la Estación Espacial Internacional. [16] [17]
908 Devices introdujo un espectrómetro de masas portátil que utiliza espectrometría de masas de alta presión M908 con un peso de 2 kg y un detector multifásico de sólidos, líquidos y gases. [18] Por otro lado, Microsaic Systems en Surrey, Reino Unido, desarrolla espectrómetros de masas de cuadrupolo simple llamados 3500 y 4000 MiD. Estos analizadores de masas se utilizan para respaldar la química de procesos farmacéuticos. [17]
También se han fabricado otros instrumentos MMS utilizando analizadores de masas con trampa de iones, incluidos el GCMS Tridion-9 de TorionInc, ahora parte de Perkin Elmer (AmericanFork, Utah), el GC/QIT del Laboratorio de Propulsión a Chorro y el Chemsense 600 de Griffin Analytical Technology LLC. (West Lafayette, Indiana). [19]
Otro ejemplo es el de Girgui, de la Universidad de Harvard, que construyó un MMS basado en espectrómetros de masas submarinos (UMS) existentes que pueden funcionar bajo el agua para estudiar la influencia de los microbios en el contenido de metano e hidrógeno del océano. Trabajó con un ingeniero mecánico para empaquetar un analizador de masas cuadrupolo comercial de Stanford Research Systems, una turbobomba Pfeiffer HiPace80 y un extractor de gas personalizado en un cilindro de 25 cm × 90 cm. El costo total es de aproximadamente 15.000 dólares. [7]
El Instituto de Investigación de Instrumentación Analítica de Corea también desarrolló un espectrómetro de masas portátil. El tamaño y el peso se redujeron a 1,54 L y 1,48 kg respectivamente, y utilizó solo 5 W de potencia. El PPMS se basa en cuatro trampas de iones de disco paralelas, una pequeña bomba de captura de iones y una microcomputadora. El PPM puede realizar el escaneo de masas de iones de hasta m/z 300 y detectar la concentración en ppm de gases orgánicos diluidos en el aire. [20]
La Sociedad de Espectrometría de Masas para Ambientes Adversos [21] está llevando a cabo un taller bianual que se centra en la espectrometría de masas in situ en entornos extremos, como en las profundidades del océano, cráteres de volcanes o el espacio exterior, que requieren alta confiabilidad, operación autónoma o remota, robustez con un tamaño, peso y potencia mínimos. Los archivos del taller incluyen ~100 presentaciones centradas en el diseño y la aplicación de espectrómetros de masas en miniatura. Por ejemplo, en el 8º Taller de Espectrometría de Masas para Ambientes Adversos, un grupo de científicos presentó su estudio sobre la utilización de instrumentación ligera basada en espectrometría de masas y pequeñas plataformas de vehículos aéreos no tripulados (UAV) para el análisis in situ de columnas volcánicas en los volcanes Turrialba y Arenal (Costa Rica). Se integraron en una aeronave mini espectrómetros de masas que se basan en transpectores cuadrupolos de varillas en miniatura de 18 mm para operación de presión de mTorr, una bomba de arrastre molecular turbo en miniatura y activos como el pequeño conjunto de sensores multiparamétricos alimentados por batería MiniGas integrado con un sistema de control de micro PC y un sistema de telemetría para adquirir una imagen 4D de una columna volcánica en erupción. [19]
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