La relación masa-carga (m/q) es una magnitud física que relaciona la masa de una partícula con la carga eléctrica que porta. En el Sistema Internacional la unidad habitual es kg/C, es decir, kilogramos divididos por el culombio. En muchos contextos experimentales se usa en cambio la notación m/z, donde m representa la masa (habitualmente en daltons o unidades de masa atómica) y z el número entero de cargas elementales (número de cargas positivas o negativas), por lo que m/z tiene unidades prácticas de dalton por carga elemental (a veces llamada unidad Thomson, Th). A veces se emplea la expresión inversa, carga-masa (q/m), según convenga al análisis.

Principio físico y movimiento en campos

El comportamiento de una partícula en campos eléctricos y magnéticos viene dado por la fuerza de Lorentz: F = q(E + v × B). Para partículas en el vacío sometidas a los mismos campos E y B y con condiciones iniciales equivalentes, la trayectoria depende únicamente del cociente m/q (o de q/m): partículas con la misma relación masa-carga describirán la misma trayectoria geométrica. Este principio es la base de muchos analizadores (por ejemplo, sectores magnéticos).

En configuraciones concretas aparecen fórmulas útiles:

  • Sector magnético (momento lineal p = m v): radio de curvatura r = (m v)/(q B). De aquí se obtiene que, para una velocidad dada, r ∝ m/q.
  • Espectrómetro de tiempo de vuelo (TOF): el tiempo de vuelo t desde la aceleración corta hasta el detector sigue t ∝ sqrt(m/q) en el régimen no relativista.
  • En analizadores de tipo cuadrupolo o trampa iónica la estabilidad del movimiento depende de parámetros proporcionales a q/m, por lo que también discriminan según m/q.

En aceleradores o partículas a velocidades relativistas hay que introducir correcciones relativistas porque la masa efectiva (energía) varía con la velocidad y modifica las relaciones anteriores.

Uso en espectrometría de masas

La espectrometría de masas mide precisamente m/q para separar, identificar y cuantificar iones. En la práctica:

  • Los espectrómetros suelen reportar valores como m/z, con m en daltons (Da) y z el número entero de cargas; así, una molécula de 1000 Da con carga +2 dará un pico en m/z ≈ 500 Th.
  • Muchas biomoléculas (péptidos, proteínas) adquieren múltiples cargas en técnicas como la ionización por electrospray (ESI); la multi-carga reduce el m/z aparente, permitiendo analizar especies muy grandes con detectores diseñados para rangos de m/z menores.
  • Los espectros isotópicos y la resolución del instrumento permiten distinguir especies con masas muy parecidas; conocer el estado de carga es esencial para determinar la masa neutra real mediante deconvolución de picos (reconstrucción de la masa molecular a partir de varios estados de carga observados).

Conversión práctica entre unidades

Si se necesita convertir entre la notación práctica m/z (en Da/e o Th) y el SI (kg/C):

  • 1 dalton (Da) ≈ 1,6605×10⁻²⁷ kg.
  • 1 carga elemental e ≈ 1,6022×10⁻¹⁹ C.
  • Por tanto, un valor m/z = X (Da/e) corresponde, en SI, a m/q = X × (1,6605×10⁻²⁷ kg) / (1,6022×10⁻¹⁹ C) ≈ X × 1,0364×10⁻⁸ kg/C.

Ejemplos y notas prácticas

  • Ejemplo simple: una molécula de 2000 Da con carga +4 se observará en m/z ≈ 500 Th.
  • En espectrometría, la nomenclatura de picos suele indicar explícitamente la carga, p. ej. [M + 2H]2+, lo que ayuda a calcular la masa neutral M = z·(m/z) − z·(masa del protón) cuando la ionización añade protones.
  • La distinción entre m/q y m/z es importante: m/q emplea la carga en coulombios (q = z·e) y es la magnitud física estricta; m/z usa la carga en unidades elementales y es la convención práctica en espectrometría.

Resumen: la relación masa-carga es una magnitud fundamental para describir cómo responden las partículas a campos eléctricos y magnéticos y es la variable central en técnicas analíticas como la espectrometría de masas, donde su medida permite identificar y cuantificar iones, determinar estados de carga y reconstruir masas neutrales.