Introducción

En los últimos años, la espectrometría de masas (EM) se ha incorporado a numerosos laboratorios clínicos, tanto de análisis o de bioquímica clínica como de microbiología. No obstante, el inicio de la tecnología de la EM se remonta mucho tiempo atrás, de hecho, en el año 1922, se dio el primer Premio Nobel de EM al físico y químico Francis William Aston, que consiguió identificar numerosos isótopos no radioactivos con su espectrómetro de masas.

Con el paso del tiempo, se han producido avances tecnológicos que han permitido la obtención de espectros de masas capaces de identificar y cuantificar metabolitos de manera adecuada. Pero, ¿qué es un espectro de masas? ¿En qué consiste la espectrometría de masas?

Pese a que se utiliza en la gran mayoría de los laboratorios clínicos, la espectrometría de masas sigue siendo una de las grandes desconocidas para muchos profesionales. Por eso, a lo largo de este artículo, te daremos unas pinceladas sobre esta técnica y te contaremos en qué consiste, para qué sirve y algunos aspectos básicos sobre ella.

¿Qué es la espectrometría de masas?

La espectrometría de masas se define como una técnica analítica que permite estudiar diversos compuestos de la naturaleza, tanto orgánicos como inorgánicos o biológicos, así como obtener información cualitativa o cuantitativa.

Mediante el análisis por espectrometría de masas, es posible obtener información de la masa molecular del compuesto analizado e información estructural del mismo. No obstante, también permita detectar su presencia y/o cuantificar su concentración.

El proceso en sí tiene lugar en la fuente de ionización. Los iones generados son acelerados hacia un analizador y separados en función de su relación masa/carga mediante la aplicación de campos eléctricos, magnéticos o determinando el tiempo de llegada a un detector. Cuando los iones llegan a este, producen una señal eléctrica que se envía al ordenador.

El registro que se obtiene se llama Espectro de masas y, en general, es una información bidimensional que representa un parámetro relacionado con la abundancia de los diferentes tipos de iones en función de la relación masa/carga de cada uno de ellos.

De esta forma, un espectrómetro de masas consta de tres elementos: la fuente de ionización, el analizador de masas y, finalmente, el detector. Una vez se consiguen los átomos o moléculas de una determinada muestra, se ionizan, separan y detectan en una fase gaseosa.

Elementos de la espectrometría de masas

Como hemos dicho anteriormente, los procesos que tienen lugar en un espectrómetro de masas son de naturaleza química. Por ello, la presencia y abundancia en el espectro de determinados tipos de iones será en función de la estructura química de cada compuesto.

La espectrometría de masas puede ofrecer una enorme cantidad de información sobre un compuesto determinado y, para ello, se divide en tres partes. La primera de ella es la fuente de ionización.

Hay dos fuentes básicas de ionización en la mayoría de los espectrómetros de masas: MALDI y ESI. La primera de ellas usa una matriz orgánica en la que se encuentra la muestra a analizar. Esta matriz capta la energía de un láser transfiriendo parte a las moléculas de la muestra, de forma que las ioniza.

Esa energía procede de la irradiación láser y desestructura la matriz, apareciendo una nube de iones que sale de esta como consecuencia de un campo eléctrico, en el que se aceleran por al carga que presenta. Así, posteriormente, se dirigen al analizador de masas y después al detector.

En ESI, por su parte, se utiliza un disolvente orgánico en el que se disuelve la muestra a analizar, que pasa por un capilar metálico en cuyo extremo se le aplica un potencial y una presión de una atmósfera. Cuando la muestra abandona el capilar, se produce una nube de gotas de reducido tamaño con elevada carga, originando iones en fase gaseosa al evaporarse el solvente.

La segunda parte del proceso es el analizador de masas. Lo cierto es que existen varios tipos de analizadores de masas, aunque, junto con el ionizador MALDI, el más usado es el analizador TOF (tiempo de vuelo).

Este analizador se fundamenta en las diferentes velocidades que adquieren los iones acelerados en el campo eléctrico. Dado que la energía cinética que se les aplica es la misma, la diferencia en la velocidad dependerá de la relación masa/carga y, con ello, el tiempo necesario para llegar al detector dependerá de esa ratio.

Otro analizador que se suele utilizar es el cuadrupolo. Consiste en cuatro barras alargadas, paralelas y conectadas eléctricamente entre sí. A estas barras se les aplica un determinado potencial de corriente continua y de radiofrecuencia. De esta forma, el ion, procedente de la fuente de ionización, atraviesa esta estructura para llegar al analizador y, al hacerlo, se puede modificar su trayectoria para una determinada combinación de potencial aplicado al cuadrupolo.

El detector es la última parte del espectrómetro de masas y, en él, se detectan y registran los iones que llegan. Así, como resultado de estos datos, se generan unos espectros de masas correspondientes a los átomos o moléculas ionizadas, que en el caso del TOF estarán relacionadas con el tiempo empleado en llegar a este elemento y, en el caso del analizador tipo cuadrupolo, dependerá del potencial cuadrupolar aplicado.

El sistema de introducción de muestras en el espectrómetro de masas

Básicamente, el espectrómetro de masas debe desempeñar las siguientes funciones:

  • Vaporizar substancias de volatilidades muy diferentes.
  • Originas iones a partir de las moléculas neutras en fase gaseosa.
  • Separar estos iones en función de su relación masa/carga.
  • Detectar los iones formados y registrar la información adecuadamente.

De esta forma, el espectrómetro consta de cuatro partes, más o menos independientes: sistema de introducción de muestras, fuente de iones, analizador y sistema detector y registrador. Anteriormente ya hemos visto estos tres últimos, así que en este apartado nos vamos a centrar en el sistema de introducción de muestras.

Normalmente, el principal factor limitante en la espectrometría de masas es la posibilidad de vaporización de la muestra. Como norma general, la condición necesaria para que se pueda obtener el espectro de un compuesto es que su presión de vapor sea igual o superior a 10 mm de mercurio, a una temperatura en la que la muestra no pirolice.

Cabe destacar que para poder realizar el espectro, no es necesario vaporizar toda la muestra, sino únicamente la cantidad necesaria para alcanzar la presión indicada. De esta forma, hay tres métodos para la introducción de muestras:

Utilidades de la espectrometría de masas en el laboratorio clínico

El espectrómetro de masas es una técnica altamente utilizada en el análisis elemental de semiconductores, biosensores, cadenas poliméricas complejas, fármacos, productos de síntesis química, análisis forense, contaminación medioambiental, perfumes y todo tipo de analitos que sean susceptibles de pasar a fase vapor e ionizarse sin descomponerse.

Además, esta técnica ofrece una serie de ventajas, como que permite tener resultados satisfactorios en poco tiempo, obtener resultados cualitativos y cuantitativos de una misma muestra y trabajar con todo tipo de moléculas, ya sean grandes o pequeñas.

En el laboratorio clínico, lo cierto es que esta técnica tiene una gran variedad de utilidades. A continuación, vamos a ver algunas de ellas de forma resumida.

Cribado neonatal. Últimamente, se están abriendo posibilidades terapéuticas mediante la terapia génica, sustitución enzimática o trasplante de células hematopoyéticas. De ahí que la EM también se implemente en los laboratorios con la finalidad de formar parte del cribado neonatal.

Proteómica-metabolómica. Cuando una función biológica se ve afectada por un determinado factor, no hay una sola molécula afectada. Por ello, como reflejo de esa disfunción, se modificará una gran variedad de proteínas y metabolitos, sujetos de estudio por la proteómica y metabolómica. Generalmente, la EM se utiliza junto con la cromatografía líquida y permite ofrecer un perfil diferencial más preciso de los procesos fisiopatológicos.

Cuantificación de testosterona. Actualmente, se hacen determinaciones de testosterona de manera rutinaria en los laboratorios clínicos, ya sea con fines diagnósticos o seguimiento de pacientes con trastornos. Para estas determinaciones, se empezó usando el radioinmunoanálisis, aunque esta técnica ha sido desplaza por técnicas más adaptadas a la rutina de un laboratorio clínico, como la electro quimioluminiscencia o la quimioluminiscencia.

No obstante, algunos estudios evidencian limitaciones en estas técnicas y es ahí cuando la espectrometría de masas se extiende a esta área clínica, ya que puede ofrecer una mayor precisión a esos bajos niveles hormonales.

Monitorización de fármacos. Dentro de la monitorización de fármacos, el control de un tratamiento antimicrobiano es esencial. Esto se debe a que la disminución en la concentración por debajo de la mínima inhibitoria puede suponer el fracaso en el tratamiento y un riesgo para la salud del paciente.

La espectrometría de masas acoplada a la cromatografía líquida de ultra alta resolución puede ser una herramienta en la rutina diaria de monitorización de fármacos en el laboratorio clínico.

Detección y cuantificación de tóxicos. En esta área, la EM permite detectar concentraciones muy bajas de tóxicos. Por ello, se utiliza para algunas intoxicaciones, como es el caso de la escopolamina, una droga altamente tóxica que presenta actividad antimuscarínica.

Detección de enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). La EPOC es una enfermedad respiratoria en la que hay una limitación del flujo aéreo. Uno de los factores de riesgo más importantes es el tabaco, que genera un elevado número de especies reactivas del oxígeno y radicales libres que conducen a un estrés oxidativo a nivel pulmonar.

La prueba de referencia es la espirometría, pero debido a la alta mortalidad de esta patología y al alto grado de infradiagnóstico, la espectrometría de masas podría contribuir a la detección de este tipo de pacientes, diferenciándolos de los sanos. ¿Cómo? Mediante la identificación de los ácidos orgánicos volátiles.

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