Espectrómetru de mases

La espectrometría de mases ye una téunica d'analís que dexa determinar la distribución de les molécules d'una sustancia en función de la so masa. El espectrómetru de mases ye un dispositivu que dexa analizar con gran precisión la composición de distintos elementos químicos y isótopos atómicos, dixebrando los nucleos atómicos en función de la so rellación ente masa y carga (m/z). Puede utilizase pa identificar los distintos elementos químicos que formen un compuestu, o pa determinar el conteníu isotópico de distintos elementos nun mesmu compuestu. Con frecuencia atópase como detector d'un cromatógrafu de gases, nuna téunica híbrida conocida poles sos iniciales n'inglés, GC-MS. 

L'espectrómetru de mases mide razones masa/carga d'iones, caleciendo un fexe de material del compuestu a analizar hasta vaporizarlo y ionizar los distintos átomos. El fexe d'iones produz un patrón específicu nel detector, que dexa analizar el compuestu. Na industria ye una téunica altamente utilizada nel analís elemental de semiconductores, biosensores, cadenes polimériques complexes, fármacos, productos de síntesis química, analís forense, contaminación medioambiental, arumes y tou tipu de analitos que sían susceptibles de pasar a fase vapor y ionizarse ensin descomponese.

 Historia  

En 1886, Eugen Goldstein reparó rayos de descarga en gases a baxa presión que viaxaben lloñe del ánodu y al traviés de canales nun cátodu furáu, opuestos a la direición de los rayos catódicos cargaos negativamente (que viaxen dende'l cátodu al ánodu). Goldstein llamó a estos rayos d'ánodu con carga positiva Kanalstrahlen (rayos canales). Wilhelm Wien afayó que fuertes campos llétricos o magnéticos esviaben esos rayos canales, y en 1899 construyó un dispositivu con campos llétricos y magnéticos paralelos que dixebraba los rayos positivos en función de la so rellación carga-masa (Q/m). Wien afayó que la rellación de carga a masa dependía de la naturaleza del gas nel tubu de descarga. El científicu inglés J. J. Thomson, que taba interesáu en midir la rellación masa-carga del electrón, ameyoró más tarde el trabayu de Wien amenorgando la presión pa crear el primer preséu similar a un espectrómetru de mases.

Dalgunes de les téuniques modernes d'espectrometría de mases fueron escurríes por Arthur Jeffrey Dempster y F. W. Aston en 1918 y 1919, respeutivamente. En 1989, diose la metá del Premiu Nobel de Física a Hans Dehmelt y Wolfgang Paul pol desenvolvimientu de la téunica de trampa d'iones nos años 1950 y 1960. En 2002, diose'l Premiu Nobel de Química a John Bennett Fenn pol desenvolvimientu de la ionización por electrospray (electrospray ionizatio, ESI), y a Koichi Tanaka pol desenvolvimientu de la desorción láser nidio (soft laser desorptio, SLD) y la so aplicación a la ionización de macromolécules biolóxiques, especialmente proteínes.

 Fundamentos de la espectrometría de mases d'iones secundarios (SIMS) 
La téunica de detección d'iones basar nel fenómenu conocíu como forgáu (sputtering, n'inglés) de partícules centraes nun blancu, que son bombardiaes por aciu iones, átomos o molécules. Dependiendo del intervalu d'enerxía de la partícula primaria, asoceden choques elásticos y inelásticas: 
 nel intervalu de los keV, les interacciones dominantes son les elástiques; 
 los choques inelásticas aumenten según aumenta la enerxía. Estes son más comunes nel intervalu d'enerxía de los MeV.

El procesu de dispersión produz iones secundarios nel rangu de les enerxíes cinétiques traslacionales. Les distribuciones d'enerxía son distintes según trátese d'iones atómicos o moleculares. La eficiencia d'ionización del SIMS defínese como la fracción de los átomos espardíos que se ionizan. La eficiencia varia con respectu al elementu d'analís en dellos órdenes de magnitú. Les influencies más obvies son el potencial d'ionización y l'afinidá electrónica de los iones negativos.

 Conceutos clave 
 La resolución (R) ye la capacidá de dixebrar y midir mases d'iones de masa molecular similar. Ta definida como la división ente la masa d'interés (m) ente la diferencia de masa (Δm), definíu como l'anchu d'un picu de señal a metá del so altor. Polo tanto R=(m/Δm). Dos picos de señales vecines considerar abondo dixebraes cuando'l valle de la señal que dixebren los máximos escayera hasta'l 10% de la intensidá. A esti criteriu conocer como'l "10% definición de resolución de los valles". La condición por que se cumpla'l valle al 10% ye cuando l'anchu del picu al 5% relativu al so altor iguala la diferencia de mases de los correspondientes iones, yá que entós el 5% de contribución de cada picu nel mesmu puntu de la exa m/z suma hasta'l 10%.
 Masa monoisotópica y masa medio: 
 La masa exacto del isótopu más abondosu llamar masa monoisotópica. La masa monoisotópica ye la suma de les mases monoisotópicas de cada elementu del analito.
 La masa medio ye la suma de la media química de les mases de los sos componentes considerando la so bayura.
 La precisión de masa ye un porcentaxe de la masa midida y mídese tantu en porcentaxe como en partes per millón.

 Llendes de detección 

Polo xeneral, a mayor velocidá d'erosión, meyor sensibilidá, polo que, a corriente alta, el fexe primariu d'iones d'alta enerxía ye l'ideal. Pero, desafortunadamente, cola enerxía non solo aumenta la eficiencia del “sputtering”, sinón tamién la fondura de penetración y el volume de cascada (dañu inducíu, perturbación). Ye por eso que SIMS ye una téunica d'analís destructiva. Podemos entender la distinción ente condiciones dinámiques y estátiques analizando'l tiempu de vida (t) na primer capa atómica atopada en superficie:La densidá d'átomos sobre superficie ye de 10^5 átomos/cm2 



onde:

 t = tiempu de vida de la monocapa.
 A = área de superficie pulverizada [cm²].
 Ip = fluxu primario de partícules [cm-2].
 y = parte tremada.

 Asistencia d'iones positivos o negativos 

L'asistencia del osíxenu (O2+) asocedi como resultáu d'enllazar metal-osíxenu nuna zona arriquecida con osíxenu. Cuando estos enllaces romper mientres la emisión d'iones, l'osíxenu cárgase negativamente por cuenta de la so alta afinidá electrónica, favorez la captura, y el so altu potencial d'ionización inhibe les partícules positives (iones positivos). El metal ye aislláu entós de cargues positives. Amás, el bombardéu con osíxenu amonta la concentración d'osíxenu na superficie.

Per otra parte, el bombardéu con cesio (Cs+) favorez los iones negativos de la muestra. Esti fenómenu pueden esplicase por funciones trabayu que son amenorgaes pola implantación de cesio na superficie de la muestra. Más electrones secundarios son escitaos sobre la superficie de la barrera de potencial. Amontar la disponibilidad d'electrones lleva a la formación d'iones negativos.

 Funcionamientu 
En términos xenerales, les molécules tienen mases diverses, fechu qu'un espectrómetru de mases utiliza pa determinar qué molécules tán presentes nuna muestra. Por casu, se vaporiza sal de mesa (NaCl) y analícense los iones na primer parte del espectrómetru de masa. Esto produz iones del sodiu ya iones del cloru que tienen pesos moleculares específicos. Estos iones tamién tienen una carga, que significa que por cuenta de ella van tener movimientu so influencia d'un campu llétricu determináu. 

Estos iones unviar a un compartimientu d'aceleración y pásense al traviés d'una llámina metálica. Aplícase un campu magnéticu a un llau del compartimientu qu'atrai a cada unu de los iones cola mesma fuercia (suponiendo carga idéntica), y esviar sobre un detector. Naturalmente, los iones más llixeros van esviase más que los iones pesaos porque la fuercia aplicao a cada ión ye igual pero los iones llixeros tienen menos masa. El detector mide esautamente qué lloñe esvióse cada ión, y a partir d'esi datu calcula'l "cociente masa por unidá de carga". Con esta información ye posible determinar con un altu nivel de certidume cuál ye la composición química de la muestra orixinal.

Hai munchos tipos d'espectrómetros de mases que non solamente analicen los iones, sinón que tamién producen diversos tipos d'iones. Sicasí, toos utilicen campos llétricos y magnéticos pa camudar la trayeutoria iónica de determinada manera.

 Componentes 
Un espectrómetru de mases tien trés componentes fundamentales: la fonte d'ionización, l'analizador de masa y el detector. 

 Fonte d'ionización 

La fonte d'iones ye l'elementu del espectrómetru que ioniza el material por analizar (el analito). Depués los campos magnéticos o llétricos tresporten los iones al analizador total.

Les téuniques d'ionización fueron fundamentales pa determinar qué tipos de muestres pueden analizase por espectrometría de mases. La ionización del electrón y la ionización molecular utilizar pa los gases y los vapores.

Dos téuniques, usaes de cutiu con líquidos y muestres biolóxiques sólides, inclúin la ionización por electrospray (por cuenta de John Fenn) y la desorción/ionización por láser asistida por una matriz (MALDI, por cuenta de M. Karas y a F. Hillenkamp). Les fontes de plasma acopláu inductivamente utilícense, sobremanera, pal analís de metales nuna amplia gama de muestres. Otres téuniques inclúin la ionización por aciu bombardéu d'átomos rápidos (FAB, poles sos sigles n'inglés), el termospray, la ionización química por presión atmosférica (APCI), la espectrometría de mases d'iones secundarios, etc.

Ionización por electrones: El procedimientu clásicu d'ionización basar en disparar electrones enerxéticos nun átomu neutru. A esto llamar ionización por electrones (IE). La ionización por electrones tamién-y lo llama ionización per impautu d'electrones o impautu d'electrones(IE). Pal IE, la muestra neutra tuvo que ser primeramente tresferida nuna fase gaseosa altamente esleida, que se llogra evaporando la muestra. Na práutica, considérase que la fase gaseosa atópase altamente esleida cuando'l camín llibre mediu de les partícules atópase lo suficientemente llargu como por que les interacciones bimoleculares sían cuasi imposibles dientro del tiempu de vida de les partícules. Esto consíguese fácilmente a presiones nel rangu de los 10^-4 Pa usualmente realizáu na fonte d'iones. Cuando un átomu neutru ye cutíu por un electrón enerxéticu que cunta con delles decenes de electronvolts (eV) d'enerxía cinética, una parte d'esa enerxía del electrón ye tresferida escontra l'átomu. Si l'electrón, en términos de tresferencia denergía, topeta bien efeutivamente col átomu neutru, la cantidá d'enerxía tresferida puede faer que se ionize al eyectar unu de los electrones del átomu neutru, entós dando como resultáu un ión radical positivu.

 Analizador de masa 
L'analizador de masa ye la pieza más flexible del espectrómetru de masa. Los distintos tipos espectrómetros de mases varien según l'analizador que tienen. Pal casu del espectrómetru de seición magnética, este utiliza un campu llétricu o magnéticu p'afectar la trayeutoria o la velocidá de les partícules cargaes d'una cierta manera. La fuercia exercida pelos campos llétricos y magnéticos ye definida pola fuercia de Lorentz:

onde:
  ye'l vector campu llétricu, *
  ye'l vector campu magnéticu, *
 ye la carga de la partícula, *
 ye'l vector velocidá y *
 simboliza'l productu vectorial.

Tolos analizadores totales utilicen les fuercies de Lorentz d'una manera o otra na determinación de masa-carga, estáticamente o dinámicamente. Amás de los tipos orixinales del área magnética, otros tipos d'analizadores tán anguaño nun usu más común, incluyendo tiempu-de-vuelu, la trampa d'iones con cuadrupolo, cuadrupolo y Fourier tresforma analizadores de la masa de la resonancia del ciclotrón del ión. Amás d'estos hai munchos más analizadores totales esperimentales y combinaciones exótiques d'analizadores.

Según lo amosao enriba, los preseos del área camuden la direición de los iones que tán volando al traviés del analizador total. Los iones, pola mor del campu magnéticu o'l campu llétricu, ven esviaes les sos trayectories en función de la so masa y la so carga, de manera que cuanto más s'esvien, más llixeros van ser. Asina, l'analizador dirixe les partícules al detector, variando un campu llétricu o magnéticu que se basa nel cociente masa/carga (m/z).

Nel casu del espectrómetru de seición magnética, puede usase la fuercia de Lorentz pa saber cual ye'l radiu de combadura na cual los iones esviar según la so rellación m/z.

onde:
  ye'l radiu de xiru, *
 ye la masa del ión, *
 ye la velocidá cola qu'entra na seición magnética, *
 ye la carga del ión y *
 ye'l campu magnéticu.

Podemos notar que si la rellación m/z aumenta, manetiendo el campu magnéticu constante, el radiu de xiru aumenta, y viceversa. Pa poder realizar un barríu de mases, tien de camudase la intensidá del campu magnéticu por que les distintes mases cutan el detector.

Anguaño esisten distintos métodos pa "penerar" los iones al respective de la so rellación Masa/carga. El más comúnmente usáu ye'l denomináu cuadrupolo. Componer de 4 barres allargaes en formación cuadrada, coneutaes llétricamente ente sigo en pares opuestos. A dichos pares (polos) aplícase-yos una tensión de radiofrecuencia variable que sintoniza con un determináu ión. Cuando esiste sintonía ente l'ión que ta pasando por elles y la frecuencia aplicada, dichu ión sigue'l so camín esviándose tolos demás non sintonizados fuera del cuadrupolo y de esta manera nun impacten nel detector.
El principiu matemáticu del so funcionamientu ye'l siguiente. Supongamos que les barres que tienen tensión positivo atopar na exa Y, ente que les que cunten con tensión negativo son les de la exa X. A midida que l'ión entra nel cuadrupolo na direición Z, siente una fuercia curioso por dalguna de les barres con carga opuesta a la del ión. Si'l voltaxe aplicáu nes barres ye periódicu, l'atracción y repulsión na exa X y Y son alternaos nel tiempu, una y bones el signu de la fuercia llétrico camuda de signu dacuando nel tiempu. Si'l voltaxe aplicáu ta compuestu d'una CC de voltaxe O y una a radiofrecuencia (RF) de voltaxe V con una frecuencia , entós la potencia total  ta dada por:

Poro, les ecuaciones de movimientu son:

A estes ecuaciones conocer como ecuaciones diferenciales de Mathieu, que la so resolución ye numbérica. Lo que nos indica ye que, por cuenta de qu'esiste un rangu de frecuencies nel cual les soluciones son estables, les mases que van pasar al traviés del analizador cuadrupolar van ser les que cunten cola rellación m/z correuta, ye dicir que l'analizador cuadrupolar actúa como un "filtru pasabanda de mases".

La configuración de los actuales espectrómetros de masa pasa por disponer d'unu, dos y hasta trés cuadrupolos en serie (triplecuadrupolo bien en boga). Esisten tamién configuraciones non cuadripolares, como pueden ser los hexapolos, anque'l so funcionamientu ye análogu al cuadripolo.

L'analizador puede utilizase pa escoyer una gama estrecha de m/z's o pa esplorar al traviés d'una gama de m/z's pa catalogar los iones presentes:
 quiciabes el más bono d'entender ye l'analizador del Tiempu-de-vuelu (TOF) que s'integra típicamente con fontes del ión de MALDI. Alza los iones a la mesma enerxía cinética pol pasu al traviés d'un campu llétricu y mide los tiempos que tomen p'algamar el detector. Anque la enerxía cinética ye igual, la velocidá ye distinta, asina que l'ión de menor rellación m/z, va algamar el detector primeru. La teoría funciona de la siguiente manera. Suponiendo que l'ión parte dende un estáu de reposu y depués acelerar con un potencial , la enerxía potencial tresformar n'enerxía cinética de la siguiente manera:

onde  ye la enerxía potencial y ye la enerxía cinética. Depués, por definición de velocidá tiense que v = d/t. Reemplazando llegar a:

estenando la variable  y aplicando el raigañu cuadráu a dambos términos unu llogra:

onde  ye una constante . Notar que'l tiempu que tarden los iones que percuerren una distancia , depende de la so rellación m/z.

Propiedaes d'un TDV llinial: La transmitancia d'un analizador TDV averar al 90% por cuenta de la perdida d'iones por causa de choques con gases residuales o por una mal enfoque de la fonte d'iones, causando qu'estos s'esvalixen. Con una superficie del detector lo suficientemente llarga alcontrada non bien lloñe de la salida de la fonte d'iones, una gran fracción d'estos van ser recoyíos pol detector. Incluyendo decomposiciones metaestables mientres el vuelu nun amenorguen la intensidá de la señal d'un ión molecular, una y bones los fragmentos formaos caltienen la velocidá de la fragmentación del ión y son, entós, detectaos nel mesmu tiempu de vuelu como'l so precursores intactos. Nesi casu, el neutral y el fragmentu ionizado causen una respuesta nel detector. Estes propiedaes faen del analizador TDV l'aparatu ideal pal analís de fragmentación y/o partícules con alta concentración de masa. Tocantes a la so resolución cunten con ciertos entueyos. Por casu, cambeos nel tiempu de vuelu d'iones que difieren en 1 o en masa estan nel orde de 10 ns nuna rellación m/z de 1000. El tiempu necesariu pa la ionización o fragmentación ye d'aproximao 100 ns nel casu de láseres UV standard, pero depende na duración del pulsu del láser. Arriendes d'ello, la variedá nos tiempos iniciales pa los iones del mesmu valor m/z son usualmente mayores que la diferencia nel tiempu de vuelu de valores vecinos de m/z, polo tanto llindando'l so resolución. Otru de los problemes de resolución que pueden tener los TDV ye'l siguente: Los iones disociados por cuenta de los láseres, por casu, tienen una gran enerxía cinética inicial de dellos 10eV que son impuestos na enerxía cinética qu'aprove'l voltaxe d'aceleración, que ta nel orde de 10-30kV. Un mayor voltaxe d'aceleración ye ventaxosu en cuanto mengüen la contribución relativa d'enerxía que s'espardi debíu pol procesu d'ionización. El posible efeutu na esviación ye por cuenta de que supónse que los iones atópense primeramente en reposu nuna superficie equipotencial. Toos estos efeutos xuntos llinden la resolución a R = 500 pa ectraciones continues p'analizadores TDV lliniales.

Analizador de tiempu de vuelu con reflector: El reflector o reflectron foi desenvueltu pol científicu Boris Aleksandrovich Mamyrin. Nel analizador TVD (xeneralmente embrivíu como TDVRe) el reflector actúa como un espeyu d'iones qu'enfoca iones con distintes enerxíes cinétiques nel tiempu. El so funcionamientu puede ameyorase usando un diseñu de reflectores de dos etapes o d'etapes múltiples. Comúnmente, el reflector ye un preséu que tambien cuenta con un edetector detras d'él, dexando una manera llinial d'operación a cencielles apagando'l voltaxe del reflector. Un reflector simple consiste nun campu llétricu retardante alcontráu detrás de la zona na que los iones viaxen llibremente, opuesta a la fonte d'iones. Na práutica, el reflector componer d'una serie d'aniellos (o menos preferentemente allunes) con un potencial creciente. El voltaxe de reflección Ur configurar n'aprosimao 1.05-1.10 vegaes l'aceleración devida al voltaxe O pa poder asegurase que tolos iones seya reflexaos dientro de la porción homoxénea del campu llétricu del aparatu. Los iones enfusen el reflectron hasta qu'algamen una enerxía cinética igual a 0 y son depués explusados del reflector na direición opuesta. La enerxía cinética de los iones que salen del reflector permanez inafectada, pero'l so camín de vuelu varia según la diferencia na enerxía cinética. Los iones que cunten con mayor enerxía cinética viaxaren más fondu dientro del campu desacelerante, y entós van pasar más tiempu dientro del reflector que los iones con menor enerxía cinética. Entós, el reflector llogra una correición nel timepo de vuelu qu'ameyora sustancialmente el poder de resolución del analizador TDV. Amás, el reflector aprove (magar imperfectu) un focu con respectu al esparicimento angular de los iones que salen de la fonte y corrixe la so distribución espacial. Afaciendo'l reflector a una pequeña escala con al respective de los iones que salen de la fonte, dexa que'l detector del reflector seya asitiáu de forma axacente a la fonte d'iones (diseñu de Mamyrin). Magar el reflector cuasi dobla'l camín de vuelu y entós la disperción del tiempu de vuelu, esti efeutu ye de menor importancia que la so capacidá pa compensar ye esparcimientu na enerxía cinética inical. Una simple elongación nel camín de vuelu puede tambien ser llograda con tubos pal vuelu más llargos en preseos lliniales. Sicasí, tubos demasiáu llongures pal camín del vuelu d'iones pueden causar una escayencia nel funcionamientu d'analizadores TDV pola perdidad d'iones nel esparcimientu angular del rayu d'iones y l'esparcimientu de los iones depués de coliciones col gas residual. Pa compensar esto, cables d'iones empuestos son incorporaos en llargos intrumentos pa los TDV.

 los analizadores totales cuadrupolo y los campos llétricos trémboles del ión del usu cuadrupolo de les trampes [ QIT ] estabilicen selectívamente o desestabilicen los iones que cayen dientro d'una ventana estrecha de los valores de m/z. Fourier tresforma midíes de la espectrometría de masa que se forma detectando la corriente de la imaxe producida polos iones ciclotronándolos en presencia d'un campu magnéticu. Poder escoyer l'analizador más fayadizu pa un esperimentu depende del tipu d'información que se llogra del esperimentu.

 Detector 
L'elementu final del espectrómetru total ye'l detector. El detector rexistra la carga inducida o la corriente producida cuando un ión pasa cerca o cute una superficie. Nun preséu d'esploración la señal ye producida nel detector mientres la trayeutoria de la mesma (en qué m/z) y va producir un espectru de masa, un espediente del m/z's nel cual los iones tán presentes. Típicamente, utilízase un ciertu tipu de multiplicador d'electrones (electromultiplicador), anque s'emplegaron otru detectores (como les taces de Faraday).
El funcionamientu del electromultiplicador basar nel efeutu cascada producíu al impautar un determináu ión (o iones) nel mesmu. Aplicando una diferencia de potencial ente los sos estremos, consíguese aumentar el factor d'amplificación, que va venir determináu pol númberu de subetapas amplificadores que componen el detector. De normal, ye un componente sometíu a gastadura qu'hai de reemplazase col tiempu al perder eficiencia d'amplificación.

Una y bones el númberu d'iones que dexen l'analizador total nun intre particular ye realmente pequeñu, una amplificación significativa ye xeneralmente necesaria pa consiguir una señal mínimamente procesable. Los detectores de la placa de Microchannel utilícense comúnmente en preseos comerciales modernos. En FTMS el "detector" ye un par de plaques de metal dientro de la rexón total del analizador que los iones pasen solamente cerca. Nun se produz nenguna corriente de la C.C., solo una corriente débil de la imaxe de la CA producir nun circuitu ente les plaques.

 Ventayes d'un espectrómetru de mases 
De siguío numbérense dalgunes de les principales ventayes d'esti dispositivu:
 Dexa tener resultaos satisfactories en poco tiempu.
 Llograr resultaos cualitatives y cuantitativu d'una mesma amuesa.
 Trabaya con tou tipu de molécules yá sían grandes o pequeñes.

 Referencies 

 Bibliografía 
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 J.M.Walls. Methods of Surface analysis. Techniques & aplications. Cambridge.1989
 J.M.Walls, R. Smith Surface Science Methods. Pergamon. 1994. Elsevier Science.
 R. Chang. Química. 10a Ed. 2010. Mc Graw Hill

 Enllaces esternos 

Categoría:Instrumentos de midida

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Categoría:Ciencia y teunoloxía d'Alemaña