ESPECTROMETRÍA DE MASAS

Introducción y Fundamentos

La espectrometría de masas es una técnica analítica que proporciona información sobre la composición de muestras, estructuras de moléculas y las relaciones isotópicas de átomos en las muestras.

Generación de un Espectro de Masas:

1. Se bombardea el vapor del analito con un haz de electrones (e^–), lo que provoca la pérdida de un e^– del analito y la formación de un ion molecular M⁺.
2. La especie cargada (ion molecular) tiene el mismo peso molecular que la molécula. La colisión entre los e^– energéticos y las moléculas del analito proporciona a estas suficiente energía para dejarlas en estado excitado.
3. Luego se produce la relajación, mediante la fragmentación de parte de los iones moleculares, que dan lugar a iones de masas más bajas.
4. Los iones producidos por impacto de e^– pasan a través de la rendija del espectrómetro de masas, donde salen de acuerdo con su relación masa/carga, originándose un espectro de masas.
5. El espectro tiene forma de un gráfico de barras, en cada una de las cuales se relaciona la intensidad relativa de los picos de masa con respecto a su relación masa-carga. También podemos observar que al pico más alto (pico base) se le asigna un valor de forma arbitraria y los demás picos se ajustan respecto de él.

Instrumentación

Fuentes de Iones:

El punto de arranque de un análisis por espectrometría de masas es la formación de iones del analito en forma gaseosa, y la proyección y utilidad del mismo está condicionada por el proceso de ionización.

• Fuentes de Fase Gaseosa: Primero se volatiliza la muestra y luego se ioniza. Están restringidas a compuestos térmicamente estables que tengan puntos de ebullición menores a 500ºC.
  • Fuente de Impacto de e^– (EI): Los e^– son emitidos por un filamento caliente de W o Re y se aceleran mediante un potencial de 70V que se aplica entre el filamento y el ánodo. Las trayectorias cruzan en el centro de la fuente donde colisionan y se ionizan (Fuente dura).
  • Fuente de Ionización Química (CI): Los átomos gaseosos se ionizan al colisionar con los iones producidos al bombardear con e^– un exceso de gas reactivo. Existe menor fragmentación (Fuente blanda). Hay dos tipos:
    • CI positiva: se emplea metano, isobutano o NH₃ previamente ionizado (bombardeo de e^–).
    • CI negativa: se genera un radical del analito cargado negativamente, el ion (M-H)^– o un aducto negativo.
  • Fuente de Ionización por Campo (FI): Los iones se forman por la influencia de un campo electrónico elevado en un emisor de microagujas de carbono. La muestra gaseosa procedente de un sistema de entrada indirecto puede difundir hacia el área de campo elevado (Fuente blanda).
• Fuentes de Desorción: Prescinden de la volatilización y la posterior ionización del analito. En su lugar, se suministra energía a la muestra sólida o líquida, lo que provoca la formación directa de iones gaseosos. Se obtienen espectros muy simplificados.
  • Bombardeo por Átomos Rápidos (FAB): Las muestras en un estado condensado en una matriz de una disolución de glicerol se ionizan por bombardeo con átomos de Xe o Ar de elevada energía. Tanto los iones positivos como negativos del analito son expulsados de la superficie de la muestra por un proceso de desorción.
  • Desorción por Campo (FD): Se utiliza un emisor similar al FI montado sobre una sonda impregnada en muestra. La ionización se produce por la aplicación de un potencial elevado.
  • Desorción/Ionización con Láser Asistida por una Matriz (MALDI): Permite obtener información sobre los pesos moleculares exactos. Se mezcla una disolución acuosa/alcohólica de la muestra con un exceso de una matriz que absorbe la radiación. Se introduce con una sonda y se expone a un láser pulsante que sublima e ioniza.
• Plasma Inducido Acoplado: Un ICP atomiza las muestras e ioniza a dichos átomos. Este método es adecuado para el análisis elemental de iones generados a partir de muestras inorgánicas. El plasma está alineado con un cono de muestras refrigerado con agua. Se focalizan mediante una serie de lentes hacia el analizador de masas.

Sistemas de Vacío:

Se necesitan presiones de 10^-4-10^-9 torr en todos los componentes del instrumento. Hay dos tipos:

• Bomba Rotativa: Se usan para conseguir un pre-vacío de 10^-3 torr. Partiendo de la presión atmosférica alcanzan hasta 0,0001 mbar.
• Bombas de Alto Vacío:
  • Bomba Difusora de Aceite: Se calienta el aceite que sube por las toberas y cae al pasar por las chimeneas. Así arrastra las moléculas de gas que son evacuadas con la ayuda de una bomba rotatoria. Las ventajas son su coste reducido y su nulo mantenimiento. Los inconvenientes son su posición vertical, que alcanza el vacío lentamente y que necesita una mayor refrigeración.
  • Bomba Turbomolecular: Las paletas móviles giran a 30.000-90.000 rpm succionando a las moléculas de gas que son finalmente evacuadas por una bomba rotatoria. Hasta 10^-10 bar. Las ventajas son que alcanza el vacío rápido, menor necesidad de refrigeración, cualquier posición. Los inconvenientes son que son caras, coste de averías, riesgo de daño, vibraciones.

Sistema de Introducción de Muestra:

Su finalidad es permitir la introducción de una muestra representativa en la fuente de iones con la mínima pérdida de vacío. Hay 3 tipos:

• Discretos: Formación de fase vapor antes de la ionización. Se arrastra a la fuente de ionización por vacío. Aplicable a muestras líquidas y gaseosas, líquidas que tengan un punto de ebullición hasta 500ºC y gaseosas, un pequeño volumen de gas se recoge entre dos válvulas.
• Sonda: Los líquidos y sólidos no volátiles se pueden introducir en la región de ionización mediante una sonda. Se usan también cuando la cantidad de muestra es limitada. Se forma una fase vapor en la fuente de ionización, la muestra atraviesa la cámara de vacío.
• Sistemas Cromatográficos: Los espectrómetros de masas a menudo están acoplados a sistemas de cromatografía de gases o de líquidos de alta eficacia o a columnas de electroforesis capilar que permiten la separación y determinación de los componentes de mezclas complejas.

Analizador de Masas:

Para la separación de iones con diferente relación masa/carga se dispone de varios dispositivos. Tipos:

• Analizador de Sector Magnético: Utilizan un imán permanente o un electroimán para hacer que el haz procedente de la fuente de iones se desplace con una trayectoria circular. La velocidad de los iones es controlada y solo los iones de una determinada m/z recorren todo el tubo dependiendo del potencial de aceleración y el campo aplicado, pudiendo realizar barridos.
• Analizador de Doble Enfoque: Se aplica a los iones un campo eléctrico que limita la energía cinética de los iones que llegan al sector magnético, son doblemente enfocados. Mejora la resolución (picos estrechos).
• Analizador de Cuadrupolo (Q): Ofrecen barridos más rápidos. Son los más utilizados.
• Analizador de Tiempo de Vuelo (TOF): Los iones se aceleran en un tubo analizador (1 cm) libre de campo mediante un campo eléctrico pulsante adquiriendo la misma energía cinética y distinta velocidad en función de m/z. Los más ligeros viajan a más velocidad.
• Trampa de Iones: Electrodo anular conectado a una fuente de radiofrecuencia y un par de electrodos conectados a tierra. Los iones de m/z apropiada circulan en una órbita estable dentro de la cavidad del anillo y quedan atrapados. Al barrer el potencial los iones se desestabilizan y abandonan el analizador por la rendija del colector inferior.

Detectores:

• Multiplicador de e^–: Los iones colisionan con un cátodo (Cu/Be) que emite una ráfaga de e^– que se multiplican al colisionar con dinodos a potencial más alto (pueden ser discretos o continuos).
• Copa de Faraday: Se coloca un electrodo colector en una placa. La carga positiva se neutraliza por un flujo de e^– a través de la resistencia. Es menos sensible.
• Detector de Centelleo: Los iones primarios son convertidos en e^– en un dinodo de conversión (Cu/Be). Los e^– golpean un oscilador (cristalino/placa Al) que emiten fotones al excitarse. Los fotones golpean en el primer cátodo del tubo TFM.

Aplicaciones:

• Espectroscopia de Masas Orgánica:
  • Elucidación estructural de moléculas orgánicas (la fragmentación del espectro da información sobre grupos funcionales presentes y estructura del compuesto. Son características de cada compuesto).
  • Obtención de pesos moleculares: diferencia entre ion molecular protonado o desprotonado. También puede discriminar compuestos con igual masa molecular y da información sobre las relaciones isotópicas mediante la relación de altura M, M+1, y M+2.
  • Sistemas de detección para técnicas de separación: se separan los analitos de las mezclas, se ionizan a diferentes tiempos, registrando su espectro de masas (química clínica, forense, alimentación o medioambiente).
• Espectroscopia de Masas Inorgánica (ICP-MS): Se combina la gran capacidad para el análisis multielemental del ICP con la sensibilidad de detección del MS. Se obtienen rectas de calibrado muy amplias y se alcanzan límites de detección muy bajos.