La espectrometría de masas en tándem cuadrupolo-tiempo de vuelo (QqTOF) es una técnica de detección de espectrometría de masas para detectar e identificar moléculas midiendo su relación masa / carga ( m / z ). Es un espectrómetro de masas híbrido: es el acoplamiento de un analizador cuadrupolo , que mide la relación m / z de iones mediante la transmisión de iones que atraviesan un campo electrostático , y de un analizador de tiempo de vuelo , que mide el Relación m / z de los iones por la separación en el tiempo de la velocidad de los iones. El primer cuadrupolo proporciona alta eficiencia al proceso MS / MS. El tiempo de vuelo (TOF), por su parte, aporta a su alta sensibilidad, su alta velocidad de análisis y sus resoluciones y precisión en masa mucho mejor sobre los iones producidos por la celda de colisión que la configuración de un espectrómetro de tipo triple cuadrupolo. Por otro lado, en comparación con el triple cuadrupolo, los espectrómetros de masas en tándem del tipo QqTOF están limitados por el bajo rango dinámico del TOF.
La espectrometría de masas en tándem cuadrupolo-tiempo de vuelo se comercializó por primera vez alrededor de 1995. Los espectrómetros de masas de tipo QqTOF, que son robustos, potentes y poseen capacidades únicas, han sido adoptados desde entonces por la comunidad química .
Para analizar compuestos, primero hay que transformar los analitos en iones en fase gaseosa. Los espectrómetros de masas están equipados con una fuente de iones, analizadores de masas, un detector y un sistema de procesamiento de datos. En un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo de cuadrupolo en tándem, los iones producidos por la fuente de iones pasan a través de un cuadrupolo , luego una celda de colisión y se canalizan a un detector de tiempo de vuelo. El QqTOF se puede describir como un triple cuadrupolo en el que el último cuadrupolo ha sido reemplazado por un analizador de tiempo de vuelo. Para el análisis de masas en tándem (MS / MS), los iones deben ser producidos por una fuente de iones. La fuente de iones, en el caso de un espectrómetro de masas en tándem de tiempo de vuelo cuadrupolo, generalmente se basa en desorción-ionización láser asistida por matriz (MALDI), ionización química a presión atmosférica (APCI) o una fuente de ionización por electropulverización ( ESI).
Los iones producidos son guiados por el cuadrupolo 0 al primer analizador de masas, el cuadrupolo 1. El cuadrupolo 0 se usa para enfriar y enfocar los iones que ingresan al instrumento. El cuadrupolo 1 se opera en modo constante, para permitir que solo pasen los iones de interés, pero esto puede cambiar si se usa el modo ms / ms. En el modo ms / ms, el cuadrupolo 1 produce un campo electrostático que estabiliza la trayectoria de los iones que tienen una relación m / z precisa. Los otros iones con una relación m / z diferente se desestabilizan y se expulsan fuera del cuadrupolo.
Los iones así seleccionados entran luego en la celda de colisión donde chocan con un gas inerte como el nitrógeno (N 2 ) o el argón (Ar), lo que conduce a su disociación. Los iones del producto resultantes y los iones precursores no fraccionados se concentran en la última sección del espectrómetro de masas utilizando lentes de iones. En el modo ms, la celda de colisión solo transmite los iones al TOF.
El chorro continuo de iones viaja al acelerador ortogonal donde un impulso eléctrico empuja los iones perpendicularmente a su trayectoria original. Luego, los iones terminan en una región donde no se aplica ningún campo electrostático y aquí es donde ocurre la separación del tiempo de vuelo. Luego, los iones ingresan a un espejo iónico o reflectrón que está formado por una serie de anillos con voltajes crecientes. Esta parte del analizador se utiliza para corregir las diferencias en el tiempo de vuelo de iones de la misma relación m / z causadas por variaciones en la energía cinética . Esto tiene el efecto de reducir la dispersión temporal de los iones de la misma relación m / z y así aumentar la resolución del espectro que se obtendrá. Luego, los iones se dirigen al detector que genera una señal eléctrica cuando los iones golpean su superficie. Esta señal luego se amplifica, procesa y finalmente se envía a una computadora para su visualización.
El QqTOF es un instrumento que se puede utilizar con varias fuentes de ionización como MALDI o ESI. El láser asistido por matriz de ionización por desorción (MALDI) es un ionizador que se utiliza a menudo para el análisis de péptidos o proteínas . Utilizado con el espectrómetro de masas cuadrupolo-tiempo de vuelo, se convierte en una herramienta muy importante para estos análisis. Después de ser ionizadas por MALDI, las partículas de la muestra deben pasar por el cuadrupolo que permite una selección de los iones analitos de interés y luego el tiempo de vuelo permite separar los iones por el tiempo que tardan. Este instrumento se usa ampliamente para mediciones cualitativas, como para la determinación de una proteína desconocida. Una proteína puede identificarse fácilmente comparando la combinación de péptidos identificados por análisis con los de una base de datos. La alta precisión de masas y la alta resolución son características importantes de la espectrometría de masas en tándem y una de las razones por las que el uso de QqTOF se está generalizando cada vez más. Además, dado que MALDI usa una placa de metal donde se depositan la matriz y los analitos, el QqTOF se usa ampliamente con esta fuente de iones para analizar moléculas orgánicas como proteínas. Esta placa puede tomar varias sustancias que luego pueden ser analizadas por el instrumento sin tener que modificar su configuración y calibración . Esto significa que se pueden analizar varios analitos en diferentes matrices sin inconvenientes y de una manera más eficiente.
Si el analito es ionizable, QqTOF se usa ampliamente en el análisis de residuos orgánicos y se puede adaptar para el análisis de moléculas pequeñas de menos de 1000 Da, o de macromoléculas como biopolímeros , polímeros y similares. El análisis de residuos consiste en verificar la presencia de compuestos orgánicos distintos a los indicados para evitar alergias o contaminación. El QqTOF no solo está emparejado con MALDI, también se puede emparejar con HPLC -ESI. El HPLC-ESI-QTOF es un instrumento que realiza cromatografía líquida para separar analitos. Su separación está determinada por su tiempo de retención, que está determinado por su afinidad con la columna por la que pasan. A continuación, los analitos se nebulizan mediante la fuente de iones ESI y luego se introducen en el QqTOF donde se produce la selección de iones y el análisis de los iones seleccionados. Este instrumento se utiliza para la caracterización de analitos. Se ha utilizado, entre otras cosas, para caracterizar a fondo compuestos aromáticos en hojas de olivo, en una matriz de etanol o en agua.
El QqTOF también se utiliza para mediciones cuantitativas. Al combinar QqTOF con cromatografía líquida (LC), es posible analizar cuantitativamente los pesticidas en el agua. Por otro lado, el rendimiento del dispositivo para datos cuantitativos es menos bueno que el de otras tecnologías ya presentes y menos costoso. La matriz utilizada para este análisis puede ser agua o alimentos. El LC-QqTOF tiene varias aplicaciones relacionadas con el campo de la alimentación y la salud, como la identificación de sustancias que pueden degradar plaguicidas , la identificación de metabolitos y el escaneo de plaguicidas no objetivo. La identificación de sustancias degradantes es importante porque los plaguicidas degradados pueden tener propiedades tóxicas. En salud, el potencial tóxico o peligroso de ciertos metabolitos hace que su caracterización sea muy importante. El escaneo de pesticidas no dirigido se usa para empresas que desean probar ciertos pesticidas que pueden estar presentes en sus productos.
El QqTOF junto con la cromatografía líquida de ultra rendimiento (HPLC) permite el análisis de residuos farmacéuticos en alcantarillas . Estos residuos suelen ser ácidos o neutros. La matriz para este tipo de medición es el agua liberada por las empresas farmacéuticas. Las concentraciones de residuos farmacéuticos en el agua son a veces demasiado bajas para analizarlas sin preparar la muestra. Entonces, antes de continuar con el análisis, es necesaria una extracción para concentrar el analito.
El QqTOF es uno de los instrumentos más versátiles del mercado actual. Sin embargo, tiene ciertas limitaciones. Una de las limitaciones de QqTOF es el tamaño de las moléculas y los iones a analizar. El QqTOF no puede ofrecer la misma precisión en masa con moléculas grandes en comparación con las más pequeñas. Esto se debe a la diferencia de velocidad entre los dos. Un QqTOF tiene una celda de colisión en la que los iones se encuentran en un entorno donde la presión se reduce y donde chocan con partículas inertes como nitrógeno o argón . La velocidad media de una partícula inerte es de 475 m / sy la velocidad de la mayoría de las moléculas pequeñas es muy similar (entre 470 y 475 m / s ). Una partícula más grande, cuyo tamaño excede los 20 kDa, tiene un momento demasiado pequeño para que su paso a través de la celda de colisión sea mucho más largo y, por tanto, la partícula grande recibe muchas más colisiones que una molécula pequeña. Una molécula con una masa de 650 kDa sufre 1000 veces más colisiones que una molécula más pequeña. En un choque, las moléculas pequeñas no se ven realmente afectadas porque la velocidad de la molécula y el gas inerte son aproximadamente la misma. Por otro lado, para una molécula grande, estas colisiones son muy eficientes y pueden empujar a la molécula fuera de su camino. Una molécula fuera de trayectoria significa que pasan menos moléculas por el TOF, por lo tanto, se analizarán menos iones y, por lo tanto, la señal observada en la computadora es más débil.
Otra de las principales limitaciones del instrumento es la tasa inicial del analito cuando se introduce en el instrumento. En el momento de la inyección, el movimiento browniano implica que las partículas pueden ir en cualquier dirección; por tanto, la velocidad inicial de una partícula puede oponerse a la dirección del instrumento. Una vez dentro de los campos electrostáticos del instrumento, este tipo de partícula ve disminuir su velocidad en la dirección "incorrecta" y acelera para ir en la dirección correcta (Figura 2, 2.). Este evento, también llamado “ tiempo de vuelta ”, tiene como consecuencia que para dos moléculas con las mismas características, una de ellas puede ir en dirección opuesta a la trayectoria planificada y luego regresar. El tiempo que tarda la partícula en realizar este desvío antes de moverse en la dirección correcta genera un retraso, de manera que cuando se detecta la molécula, el pico obtenido es más ancho de lo debido (Figura 2, 3). El ensanchamiento de los picos es un problema, ya que puede disminuir la resolución del instrumento. Este es un problema en el modo MS / MS pero no en el modo MS, ya que la alta resolución del TOF permite una separación suficiente. Por otro lado, en MS / MS no podemos saber a qué analito corresponde cada pico del espectro ya que los espectros están superpuestos.
Otra limitación de QqTOF es que cuando se combina con cromatografía líquida para análisis cuantitativos de pesticidas en agua, el cuadrupolo no tiene suficiente resolución para realizar determinaciones e identificaciones. Cuando la matriz de ensayo es demasiado compleja o hay más de un analito presente en la solución, el cuadrupolo no tiene la precisión suficiente para poder separar todos los analitos. Dado que el cuadrupolo sirve como selector para luego hacer el análisis con el TOF y el MS, esto implica que los iones dirigidos al TOF no son necesariamente solo los iones deseados.
Se realizó un estudio para comparar un espectrómetro de masas de tipo triple cuadrupolo (QqQ) con un espectrómetro de masas cuadrupolo de tiempo de vuelo (QqTOF). En condiciones experimentales similares, el estudio demostró que el sistema de cuadrupolo-tiempo de vuelo era hasta cinco veces más preciso que el instrumento de triple cuadrupolo. Además, la selectividad del barrido de iones precursores es mejor para el QqTOF gracias a la alta resolución que aporta el reflectrón al tiempo de vuelo. Los resultados de este estudio sugieren que los instrumentos de tipo QqTOF son más eficientes que los instrumentos de tipo QqQ. Finalmente, los espectrómetros de masas de cuadrupolo de tiempo de vuelo son una alternativa muy viable a los cuadrupolos triples para escanear iones precursores en un experimento ms / ms, combinando alta sensibilidad y selectividad, tanto para análisis de espectrometría de masas simples como en tándem. Una de las principales ventajas de QqTOF sobre QqQ es la capacidad de lograr una precisión de masa muy buena en el modo de escaneo o en el modo de escaneo de iones de producto. Esto proporciona información sobre la composición del analito. El QqQ no puede obtener este tipo de información porque es un analizador híbrido de baja resolución. Esto evita la medición de relaciones de masa a carga con buena precisión en la masa en matrices complejas.