La cromatografía de gases-espectrometría de masas ( GC-MS ) es un método analítico que combina las características de la cromatografía de gases y la espectrometría de masas para identificar diferentes sustancias dentro de una muestra de prueba. [1] Las aplicaciones de GC-MS incluyen la detección de drogas , la investigación de incendios , el análisis ambiental, la investigación de explosivos , el análisis de alimentos y sabores, y la identificación de muestras desconocidas, incluidas las muestras de materiales obtenidas del planeta Marte durante misiones de sonda ya en la década de 1970. GC-MS también se puede utilizar en la seguridad de los aeropuertos para detectar sustancias en el equipaje o en seres humanos. Además, puede identificar oligoelementos en materiales que anteriormente se pensaba que se habían desintegrado más allá de su identificación. Al igual que la cromatografía líquida-espectrometría de masas , permite el análisis y la detección incluso de cantidades minúsculas de una sustancia. [2]
La cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) se ha considerado un " patrón oro " para la identificación de sustancias forenses porque se utiliza para realizar una prueba 100% específica , que identifica positivamente la presencia de una sustancia en particular. Una prueba no específica simplemente indica que está presente cualquiera de varias sustancias en una categoría de sustancias. Aunque una prueba no específica podría sugerir estadísticamente la identidad de la sustancia, esto podría conducir a una identificación positiva falsa . Sin embargo, las altas temperaturas (300 °C) utilizadas en el puerto de inyección (y el horno) de la cromatografía de gases-espectrometría de masas pueden provocar la degradación térmica de las moléculas inyectadas, [3] lo que da como resultado la medición de productos de degradación en lugar de la(s) molécula(s) de interés reales.
El primer acoplamiento en línea de la cromatografía de gases a un espectrómetro de masas se informó a finales de los años 50. [4] [5] Ya en diciembre de 1954 se había sugerido el interés por acoplar los métodos, [6] pero las técnicas de registro convencionales tenían una resolución temporal demasiado pobre. Afortunadamente, la espectrometría de masas de tiempo de vuelo, desarrollada aproximadamente en la misma época, permitió medir espectros miles de veces por segundo. [7]
El desarrollo de computadoras asequibles y miniaturizadas ha ayudado a simplificar el uso de este instrumento, así como ha permitido grandes mejoras en la cantidad de tiempo que lleva analizar una muestra. En 1964, Electronic Associates, Inc. (EAI) , un proveedor líder estadounidense de computadoras analógicas, comenzó el desarrollo de un espectrómetro de masas cuadrupolo controlado por computadora bajo la dirección de Robert E. Finnigan . [8] Para 1966, la división EAI de Finnigan y su colaborador Mike Uthe había vendido más de 500 instrumentos analizadores de gases residuales cuadrupolos. [8] En 1967, Finnigan dejó EAI para formar Finnigan Instrument Corporation junto con Roger Sant, TZ Chou, Michael Story, Lloyd Friedman y William Fies. [9] A principios de 1968, entregaron el primer prototipo de instrumentos GC/MS cuadrupolos a la Universidad de Stanford y Purdue. [8] Cuando Finnigan Instrument Corporation fue adquirida por Thermo Instrument Systems (más tarde Thermo Fisher Scientific ) en 1990, era considerada "el fabricante líder mundial de espectrómetros de masas". [10]
El cromatógrafo de gases y el espectrómetro de masas se componen de dos bloques principales: el cromatógrafo de gases y el espectrómetro de masas . El cromatógrafo de gases utiliza una columna capilar cuyas propiedades con respecto a la separación de moléculas dependen de las dimensiones de la columna (longitud, diámetro, espesor de la película), así como de las propiedades de la fase (por ejemplo, fenilpolisiloxano al 5%). La diferencia en las propiedades químicas entre diferentes moléculas en una mezcla y su afinidad relativa por la fase estacionaria de la columna promoverá la separación de las moléculas a medida que la muestra recorre la longitud de la columna. Las moléculas son retenidas por la columna y luego eluyen (salen) de la columna en diferentes momentos (llamado tiempo de retención), y esto permite que el espectrómetro de masas aguas abajo capture, ionice, acelere, desvíe y detecte las moléculas ionizadas por separado. El espectrómetro de masas hace esto rompiendo cada molécula en fragmentos ionizados y detectando estos fragmentos utilizando su relación masa-carga.
Estos dos componentes, utilizados juntos, permiten un grado mucho más fino de identificación de sustancias que cada unidad utilizada por separado. No es posible hacer una identificación precisa de una molécula particular mediante cromatografía de gases o espectrometría de masas sola. El proceso de espectrometría de masas normalmente requiere una muestra muy pura, mientras que la cromatografía de gases que utiliza un detector tradicional (por ejemplo, detector de ionización de llama ) no puede diferenciar entre múltiples moléculas que tardan la misma cantidad de tiempo en viajar a través de la columna ( es decir , tienen el mismo tiempo de retención), lo que da como resultado dos o más moléculas que coeluyen. A veces, dos moléculas diferentes también pueden tener un patrón similar de fragmentos ionizados en un espectrómetro de masas (espectro de masas). La combinación de los dos procesos reduce la posibilidad de error, ya que es extremadamente improbable que dos moléculas diferentes se comporten de la misma manera tanto en un cromatógrafo de gases como en un espectrómetro de masas. Por lo tanto, cuando aparece un espectro de masas de identificación en un tiempo de retención característico en un análisis GC-MS, generalmente aumenta la certeza de que el analito de interés está en la muestra.
Para el análisis de compuestos volátiles , se puede utilizar un sistema concentrador de purga y trampa (P&T) para introducir las muestras. Los analitos objetivo se extraen mezclando la muestra con agua y se purgan con gas inerte (por ejemplo, gas nitrógeno ) en una cámara hermética, esto se conoce como purga o burbujeo . Los compuestos volátiles se mueven hacia el espacio de cabeza sobre el agua y son arrastrados a lo largo de un gradiente de presión (causado por la introducción del gas de purga) fuera de la cámara. Los compuestos volátiles son arrastrados a lo largo de una línea calentada hacia una "trampa". La trampa es una columna de material adsorbente a temperatura ambiente que retiene los compuestos devolviéndolos a la fase líquida. Luego, la trampa se calienta y los compuestos de muestra se introducen en la columna GC-MS a través de una interfaz de volátiles, que es un sistema de entrada dividida. P&T GC-MS es particularmente adecuado para compuestos orgánicos volátiles (VOC) y compuestos BTEX (compuestos aromáticos asociados con el petróleo). [11]
Una alternativa más rápida es el sistema de "purga en circuito cerrado". En este sistema, el gas inerte se burbujea a través del agua hasta que las concentraciones de compuestos orgánicos en la fase de vapor están en equilibrio con las concentraciones en la fase acuosa. A continuación, se analiza directamente la fase gaseosa. [12]
El tipo más común de espectrómetro de masas (MS) asociado con un cromatógrafo de gases (GC) es el espectrómetro de masas cuadrupolo, a veces conocido por el nombre comercial de Hewlett-Packard (ahora Agilent ) "Detector selectivo de masas" (MSD). Otro detector relativamente común es el espectrómetro de masas de trampa de iones. Además, se puede encontrar un espectrómetro de masas de sector magnético, sin embargo, estos instrumentos particulares son caros y voluminosos y no se encuentran típicamente en laboratorios de servicio de alto rendimiento. Se pueden encontrar otros detectores, como el tiempo de vuelo (TOF), los cuadrupolos en tándem (MS-MS) (ver a continuación) o, en el caso de un MS de trampa de iones, n donde n indica el número de etapas de espectrometría de masas.
Cuando se añade una segunda fase de fragmentación de masas, por ejemplo, utilizando un segundo cuadrupolo en un instrumento cuadrupolo, se denomina espectrometría de masas en tándem (MS/MS). La MS/MS a veces se puede utilizar para cuantificar niveles bajos de compuestos objetivo en presencia de un fondo de matriz de muestra alto.
El primer cuadrupolo (Q1) está conectado con una celda de colisión (Q2) y otro cuadrupolo (Q3). Ambos cuadrupolos se pueden utilizar en modo de barrido o estático, dependiendo del tipo de análisis MS/MS que se esté realizando. Los tipos de análisis incluyen el barrido de iones producto, el barrido de iones precursores, el monitoreo de reacción seleccionada (SRM) (a veces denominado monitoreo de reacción múltiple (MRM)) y el barrido de pérdida neutra. Por ejemplo: cuando Q1 está en modo estático (observando una sola masa como en SIM) y Q3 está en modo de barrido, se obtiene un espectro de iones producto (también llamado "espectro hijo"). A partir de este espectro, se puede seleccionar un ion producto prominente que puede ser el ion producto para el ion precursor elegido. El par se llama "transición" y forma la base para el SRM. El SRM es altamente específico y prácticamente elimina el fondo de la matriz.
Después de que las moléculas recorren la columna, pasan por la línea de transferencia y entran en el espectrómetro de masas, se ionizan mediante varios métodos, aunque normalmente solo se utiliza un método en un momento dado. Una vez que la muestra está fragmentada, se detecta, normalmente mediante un multiplicador de electrones , que básicamente convierte el fragmento de masa ionizado en una señal eléctrica que luego se detecta.
La técnica de ionización elegida es independiente de si se utiliza escaneo completo o SIM.
La forma más común y quizás la más estándar de ionización es la ionización electrónica (EI). Las moléculas entran en el MS (la fuente es un cuadrupolo o la trampa de iones en un MS con trampa de iones) donde son bombardeadas con electrones libres emitidos desde un filamento, no muy diferente del filamento que se encontraría en una bombilla estándar. Los electrones bombardean las moléculas, haciendo que la molécula se fragmente de una manera característica y reproducible. Esta técnica de "ionización dura" da como resultado la creación de más fragmentos de baja relación masa-carga (m/z) y pocas moléculas, si es que hay alguna, que se acerquen a la unidad de masa molecular. Los espectrometristas de masas consideran que la ionización dura es el empleo del bombardeo de electrones moleculares, mientras que la "ionización blanda" es la carga por colisión molecular con un gas introducido. El patrón de fragmentación molecular depende de la energía de los electrones aplicada al sistema, normalmente 70 eV (electronvoltios). El uso de 70 eV facilita la comparación de los espectros generados con los espectros de la biblioteca mediante el uso de software proporcionado por el fabricante o software desarrollado por el Instituto Nacional de Normas (NIST-USA). Las búsquedas en la biblioteca de espectros emplean algoritmos de coincidencia como la coincidencia basada en probabilidad [13] y la coincidencia de producto escalar [14] que se utilizan con métodos de análisis escritos por muchas agencias de estandarización de métodos. Las fuentes de bibliotecas incluyen NIST, [15] Wiley, [16] la AAFS, [17] y los fabricantes de instrumentos.
El proceso de "ionización dura" de ionización de electrones se puede suavizar mediante el enfriamiento de las moléculas antes de su ionización, lo que da como resultado espectros de masas que son más ricos en información. [18] [19] En este método llamado ionización de electrones fríos (cold-EI), las moléculas salen de la columna de GC, se mezclan con gas de reposición de helio agregado y se expanden al vacío a través de una boquilla supersónica especialmente diseñada, formando un haz molecular supersónico (SMB). Las colisiones con el gas de reposición en el chorro supersónico en expansión reducen la energía vibratoria (y rotacional) interna de las moléculas de analito, reduciendo así el grado de fragmentación causado por los electrones durante el proceso de ionización. [18] [19] Los espectros de masas de EI fría se caracterizan por un ion molecular abundante mientras que se conserva el patrón de fragmentación habitual, lo que hace que los espectros de masas de EI fría sean compatibles con las técnicas de identificación de búsqueda en bibliotecas. Los iones moleculares mejorados incrementan las probabilidades de identificación de compuestos conocidos y desconocidos, amplifican los efectos espectrales de masa de los isómeros y permiten el uso del análisis de abundancia de isótopos para la elucidación de fórmulas elementales. [20]
En la ionización química (CI), se introduce un gas reactivo, normalmente metano o amoníaco , en el espectrómetro de masas. Según la técnica elegida (CI positiva o CI negativa), este gas reactivo interactuará con los electrones y el analito y provocará una ionización "suave" de la molécula de interés. Una ionización más suave fragmenta la molécula en un grado menor que la ionización dura de la EI. Uno de los principales beneficios de utilizar la ionización química es que se produce un fragmento de masa que se corresponde estrechamente con el peso molecular del analito de interés. [21]
En la ionización química positiva (PCI), el gas reactivo interactúa con la molécula objetivo, generalmente mediante un intercambio de protones, lo que produce la especie en cantidades relativamente altas.
En la ionización química negativa (NCI), el gas reactivo disminuye el impacto de los electrones libres sobre el analito de interés. Esta disminución de la energía suele dejar un gran suministro de fragmentos.
Un espectrómetro de masas se utiliza normalmente de una de dos maneras: escaneo completo o monitoreo selectivo de iones (SIM). El instrumento GC-MS típico es capaz de realizar ambas funciones de forma individual o concomitante, según la configuración del instrumento en particular.
El objetivo principal del análisis instrumental es cuantificar una cantidad de sustancia. Esto se hace comparando las concentraciones relativas entre las masas atómicas en el espectro generado. Son posibles dos tipos de análisis: comparativo y original. El análisis comparativo compara esencialmente el espectro dado con una biblioteca de espectros para ver si sus características están presentes en alguna muestra de la biblioteca. Esto se realiza mejor con una computadora porque hay una gran cantidad de distorsiones visuales que pueden tener lugar debido a las variaciones en la escala. Las computadoras también pueden correlacionar simultáneamente más datos (como los tiempos de retención identificados por GC), para relacionar con mayor precisión ciertos datos. Se demostró que el aprendizaje profundo conduce a resultados prometedores en la identificación de COV a partir de datos brutos de GC-MS. [22]
Otro método de análisis mide los picos en relación con los demás. En este método, al pico más alto se le asigna el 100% del valor y a los demás picos se les asignan valores proporcionales. Se asignan todos los valores superiores al 3%. La masa total del compuesto desconocido normalmente se indica mediante el pico original. El valor de este pico original se puede utilizar para ajustarlo a una fórmula química que contenga los diversos elementos que se cree que están en el compuesto. El patrón isotópico en el espectro, que es único para los elementos que tienen muchos isótopos naturales, también se puede utilizar para identificar los diversos elementos presentes. Una vez que se ha hecho coincidir una fórmula química con el espectro, se puede identificar la estructura molecular y el enlace, que deben ser coherentes con las características registradas por GC-MS. Normalmente, esta identificación se realiza automáticamente mediante programas que vienen con el instrumento, dada una lista de los elementos que podrían estar presentes en la muestra.
Un análisis de "espectro completo" considera todos los "picos" dentro de un espectro. Por el contrario, el monitoreo selectivo de iones (SIM) solo monitorea iones seleccionados asociados con una sustancia específica. Esto se hace asumiendo que en un tiempo de retención dado, un conjunto de iones es característico de un compuesto determinado. Este es un análisis rápido y eficiente, especialmente si el analista tiene información previa sobre una muestra o solo está buscando algunas sustancias específicas. Cuando la cantidad de información recopilada sobre los iones en un pico cromatográfico de gases determinado disminuye, la sensibilidad del análisis aumenta. Por lo tanto, el análisis SIM permite detectar y medir una cantidad menor de un compuesto, pero se reduce el grado de certeza sobre la identidad de ese compuesto.
Al recopilar datos en el modo de escaneo completo, se determina un rango objetivo de fragmentos de masa y se coloca en el método del instrumento. Un ejemplo de un rango amplio típico de fragmentos de masa para monitorear sería m/z 50 a m/z 400. La determinación de qué rango utilizar está dictada en gran medida por lo que uno anticipa que estará en la muestra mientras se reconoce el solvente y otras posibles interferencias. Un MS no debe configurarse para buscar fragmentos de masa demasiado bajos o de lo contrario se puede detectar aire (que se encuentra como m/z 28 debido al nitrógeno), dióxido de carbono ( m/z 44) u otra posible interferencia. Además, si uno va a utilizar un rango de escaneo grande, la sensibilidad del instrumento disminuye debido a que se realizan menos escaneos por segundo, ya que cada escaneo tendrá que detectar un amplio rango de fragmentos de masa.
El escaneo completo es útil para determinar compuestos desconocidos en una muestra. Proporciona más información que el SIM cuando se trata de confirmar o resolver compuestos en una muestra. Durante el desarrollo del método del instrumento, puede ser común analizar primero las soluciones de prueba en modo de escaneo completo para determinar el tiempo de retención y la huella de fragmentos de masa antes de pasar a un método de instrumento SIM.
En el monitoreo selectivo de iones (SIM, por sus siglas en inglés), ciertos fragmentos de iones se introducen en el método del instrumento y solo esos fragmentos de masa son detectados por el espectrómetro de masas. Las ventajas del SIM son que el límite de detección es menor, ya que el instrumento solo observa una pequeña cantidad de fragmentos (por ejemplo, tres fragmentos) durante cada escaneo. Pueden realizarse más escaneos por segundo. Dado que solo se monitorean unos pocos fragmentos de masa de interés, las interferencias de la matriz suelen ser menores. Para confirmar adicionalmente la probabilidad de un resultado potencialmente positivo, es relativamente importante estar seguro de que las proporciones iónicas de los diversos fragmentos de masa sean comparables con un estándar de referencia conocido.
La cromatografía de gases y espectrometría de masas se está convirtiendo en la herramienta preferida para el seguimiento de contaminantes orgánicos en el medio ambiente. El coste de los equipos de cromatografía de gases y espectrometría de masas ha disminuido significativamente y, al mismo tiempo, su fiabilidad ha aumentado, lo que ha contribuido a su creciente adopción en los estudios medioambientales .
La GC-MS puede analizar las partículas de un cuerpo humano para ayudar a vincular a un criminal con un crimen . El análisis de los restos de un incendio mediante GC-MS está bien establecido, e incluso existe un estándar establecido de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) para el análisis de restos de un incendio. La GC-MS/MS es especialmente útil en este caso, ya que las muestras a menudo contienen matrices muy complejas y los resultados utilizados en los tribunales deben ser muy precisos.
La cromatografía de gases con espectrometría de masas (GC-MS) se utiliza cada vez más para la detección de narcóticos ilegales y, con el tiempo, podría llegar a sustituir a los perros detectores de drogas. [1] El Instituto Robert Koch de Alemania ha desarrollado recientemente un método de cromatografía de gases con espectrometría de masas sencillo y selectivo para detectar el consumo de marihuana. Consiste en identificar un metabolito ácido del tetrahidrocannabinol (THC), el ingrediente activo de la marihuana, en muestras de orina empleando la derivatización en la preparación de la muestra. [23] La cromatografía de gases con espectrometría de masas también se utiliza habitualmente en toxicología forense para encontrar drogas o venenos en muestras biológicas de sospechosos, víctimas o fallecidos. En la detección de drogas, los métodos de cromatografía de gases con espectrometría de masas utilizan con frecuencia la extracción líquido-líquido como parte de la preparación de la muestra, en la que se extraen los compuestos objetivo del plasma sanguíneo. [24]
La cromatografía de gases y la espectrometría de masas (GC-MS) son la principal herramienta utilizada en los laboratorios antidopaje deportivos para analizar las muestras de orina de los atletas en busca de drogas prohibidas para mejorar el rendimiento, por ejemplo, esteroides anabólicos . [25]
Los sistemas de detección de explosivos , una novedad posterior al 11 de septiembre, se han convertido en parte de todos los aeropuertos de Estados Unidos . Estos sistemas funcionan con una serie de tecnologías, muchas de ellas basadas en cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS). Solo hay tres fabricantes certificados por la FAA para proporcionar estos sistemas, [ cita requerida ] uno de los cuales es Thermo Detection (anteriormente Thermedics), que produce el EGIS, una línea de detectores de explosivos basada en cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS). Los otros dos fabricantes son Barringer Technologies, ahora propiedad de Smith's Detection Systems, e Ion Track Instruments, parte de General Electric Infrastructure Security Systems.
Como parte de la iniciativa posterior al 11 de septiembre para aumentar la capacidad de preparación en materia de seguridad nacional y salud pública, las unidades GC-MS tradicionales con espectrómetros de masas de cuadrupolo de transmisión, así como aquellas con espectrómetros de masas de trampa de iones cilíndrica (CIT-MS) y trampa de iones toroidal (T-ITMS) se han modificado para su portabilidad en el campo y la detección casi en tiempo real de agentes de guerra química (CWA) como el sarín, el somán y el VX. [26] Estos sistemas GC-MS complejos y de gran tamaño se han modificado y configurado con cromatógrafos de gases de baja masa térmica (LTM) calentados por resistencia que reducen el tiempo de análisis a menos del diez por ciento del tiempo requerido en los sistemas de laboratorio tradicionales. [27] Además, los sistemas son más pequeños y más móviles, incluidas las unidades que se montan en laboratorios analíticos móviles (MAL), como los utilizados por la Fuerza de Respuesta a Incidentes Químicos y Biológicos del Cuerpo de Marines de los Estados Unidos MAL y otros laboratorios similares, y sistemas que son transportados a mano por equipos de dos personas o individuos, mucho más que los detectores de masa más pequeños. [28] Dependiendo del sistema, los analitos se pueden introducir mediante inyección de líquido, desorberse de los tubos absorbentes a través de un proceso de desorción térmica o con microextracción en fase sólida (SPME).
La cromatografía de gases y espectrometría de masas se utiliza para el análisis de mezclas de compuestos orgánicos desconocidos. Un uso fundamental de esta tecnología es el uso de la cromatografía de gases y espectrometría de masas para determinar la composición de los bioaceites procesados a partir de biomasa cruda. [29] La cromatografía de gases y espectrometría de masas también se utiliza para la identificación de componentes de fase continua en un material inteligente, un fluido magnetorreológico (MR) . [30]
Los alimentos y bebidas contienen numerosos compuestos aromáticos , algunos de ellos presentes de forma natural en las materias primas y otros que se forman durante el procesamiento. La cromatografía de gases y la espectrometría de masas se utilizan ampliamente para el análisis de estos compuestos, que incluyen ésteres , ácidos grasos , alcoholes , aldehídos , terpenos , etc. También se utilizan para detectar y medir contaminantes procedentes de la descomposición o adulteración que pueden ser perjudiciales y que suelen estar controlados por agencias gubernamentales, por ejemplo, los pesticidas .
Varios sistemas GC-MS han abandonado la Tierra. Dos de ellos fueron llevados a Marte por el programa Viking . [31] Venera 11 y 12 y Pioneer Venus analizaron la atmósfera de Venus con GC-MS. [32] La sonda Huygens de la misión Cassini-Huygens aterrizó un GC-MS en la luna más grande de Saturno , Titán . [33] El instrumento de análisis de muestras en Marte (SAM) del rover MSL Curiosity contiene un cromatógrafo de gases y un espectrómetro de masas cuadrupolo que se pueden usar en tándem como GC-MS. [34] El material del cometa 67P/Churyumov–Gerasimenko fue analizado por la misión Rosetta con un GC-MS quiral en 2014. [35]
Docenas de enfermedades metabólicas congénitas, también conocidas como errores innatos del metabolismo (EIM), son ahora detectables mediante pruebas de detección en recién nacidos , especialmente las pruebas que utilizan cromatografía de gases-espectrometría de masas. La cromatografía de gases-espectrometría de masas puede determinar compuestos en la orina incluso en concentraciones menores. Estos compuestos normalmente no están presentes, pero aparecen en personas que sufren trastornos metabólicos. Esta se está convirtiendo en una forma cada vez más común de diagnosticar EIM para un diagnóstico temprano y la instauración del tratamiento que finalmente conduce a un mejor resultado. Ahora es posible realizar pruebas a un recién nacido para detectar más de 100 trastornos metabólicos genéticos mediante un análisis de orina al nacer basado en cromatografía de gases-espectrometría de masas. [ cita requerida ]
En combinación con el marcaje isotópico de compuestos metabólicos, la cromatografía de gases-espectrometría de masas se utiliza para determinar la actividad metabólica . La mayoría de las aplicaciones se basan en el uso de 13 C como marcaje y la medición de las proporciones 13 C- 12 C con un espectrómetro de masas de proporción isotópica (IRMS); un espectrofotómetro de masas con un detector diseñado para medir unos pocos iones seleccionados y devolver valores como proporciones.