Espectroscopia de masas/Primera parte

La ciencia cada día avanza rápidamente sin nisiquiera darnos cuenta y podemos decir que cada vez más resulta más complicado poder asimilar tanta información, con esto me refiero a nuevos conceptos que involucran estos nuevos inventos, sin embargo, a todo esto, los científicos debemos hacerle frente y adaptarnos a estas tecnologías que ayudan al desarrollo.

Las técnicas espectroscópicas durante mucho tiempo han tenido un papel fundamental en la ciencia y en mi opinión personal cualquier profesional debería tener conocimiento de ellas, ya que abarcan prácticamente todas las áreas y subáreas científicas.

Esta técnica de espectroscopia es una de la más antiguas, no obstante, en la actualidad se sigue usando a pesar de los avances que se han dado en las últimas décadas con la creación de nuevos espectrómetros muy sofisticados y de fácil manejo. A continuación, voy hablar sobre algunos aspectos importantes en lo que se fundamenta esta técnica, tanto teóricos como experimentales. espero sea de su agrado.

^{Espectrómetro de masas de la compañia Chevrolet[Licencia libre. 15/8/1979 Fotógrafo: DONALD HUEBLER]}

En primer lugar, debemos saber que significa la espectroscopia de masas. Es una técnica de análisis que permite analizar diferentes materiales o compuestos de naturaleza orgánica, inorgánica y biológica. Podemos obtener información tanto cualitativa como cuantitativa. LA EDM permite determinar la distribución de las moléculas de diversos materiales ya se una sustancia siempre en función de su masa. También tiene la posibilidad de obtener información muy eficaz de la masa molecular del material analizado y de aquí se puede sacar información de la estructura atómica de este, con tal solo detectar su presencia o cuantificar su concentración química.

Algo que debemos tomar en cuenta es que la espectrometría de masas no se considera un método espectroscópico, aunque muchos científicos aseguran lo contrario. Una gran de diferencia entre la espectroscopia de masas y las otras técnicas espectroscópicas clásicas es que, si nos centramos en la obtención del espectro desde el punto de vista clásica, este nos proporciona información bidimensional que trae como resultado final parámetros obtenidos debido a la emisión o absorción que se le realiza al material. Es un tema bastante complejo porque también otra diferencia notable es que para la técnicas espectroscópicas clásicas los procesos físicos que se realizan a las muestras para luego obtener el espectro no tiene la necesidad de modificarse químicamente y por lo tanto la muestra puede ser reutilizable para otras medidas, en cambio en la espectroscopia de masas la muestra se pierde totalmente luego de su barrido, debido a que la cantidad necesaria para obtener un espectros es mínimo y muy despreciable.

El fundamento físico de esta técnica se centra en obtener iones a partir de diferentes moléculas dentro del material que se desea analizar, dichas moléculas en su mayoría son orgánicas en fase de estado gaseoso que se mueven en presencia de un campo magnético luego de obtener los iones de estas moléculas dentro del material se procede a separar su masa y carga elemental, donde finalmente y gracias a un equipo de detección especializado podemos observar el espectro.

Como acabo de mencionar un espectro nos da información bidimensional del fenómeno iónico involucrado en este proceso, que está representado por un proceso que involucra ciertos parámetros de estos iones que dan información precisa en función de la masa y carga del material.

Hemos dicho que esta viene siendo una herramienta bastante poderosa y precisa, ya que a través de la espectroscopia de masas podemos obtener información sobre la estructura de muestras moleculares bastantes complejas de analizar por otras técnicas y de acuerdo al análisis cualitativo y cuantitativo podemos determinar su composición química a través de los espectros de masas.

Sabemos que el espectrómetro utilizado para esta técnica de análisis experimental mide razones masa/carga de iones, al calentar precisamente un haz de la muestra del compuesto que nosotros deseamos analizar hasta finalmente poder vaporizar y ionizar los átomos dentro de la muestra.

El haz de iones produce un patrón específico en el detector, que permite analizar el compuesto. En la industria 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 y ionizarse sin descomponerse.

Los procesos involucrados en el espectrómetro de masas son de carácter químico, es decir, la información recogida de los materiales por medio de los espectros de determinados tipos de iones que se puede identificar siempre en el material a través de su masa, se obtienen a través de su estructura química, la información extraída de esto espectros se comparan de alguna u otra forma mediante una cantidad de reacciones químicas para la determinación de dichas estructuras químicas, entonces este equipo es una herramienta muy poderosa que puede ofrecer mucha información de diferentes compuestos.

Dato: J. J. Thomson en el año 1912 cuando el científico empujado por su afán de descubrir los secretos más profundos de la química, se las ingenió para crear el primer espectrómetro de masa y obtener de él los primeros espectros de elementos como O2, N2, CO y COCl2.

Ahora bien, vamos a centrarnos en hablar sobre los fundamentos del espectrómetro de masas que por medio del siguiente esquema a continuación, iremos explicando paso a paso cada uno de ellos.

^{Digrama de un espectrómetro de masas}

Este equipo debe ser capaz de realizar ciertas tareas esenciales para su perfecto funcionamiento las cuales son:

Deber tener la capacidad de poder vaporizar sustancias muy volátiles, y a su vez debe tener la capacidad de crear iones a partir de moléculas en estado gaseoso. Luego de pasar esta etapa y de haber generado los iones debe cumplir la tarea más importante que es separar los iones en función de la relación masa/carga del material. Y finalmente luego de haber vaporizado los iones y separarlos con la relación anterior, detectarlos y formarlos debe registrar la información y traducirla en el espectro de masas.

Vamos a explicar cada etapa del proceso involucrado en la espectroscopia de masas:

El sistema de entrada de la muestra tiene como objetivo principal introducir cierta cantidad de muestra del material en el espectrómetro, dicha cantidad debe ser muy pequeña en el orden de un micro o quizás menos. Uno de los principales problemas que presenta esta técnica de espectroscopia es la limitación de poder vaporizar la muestra, para que se pueda obtener un espectro que se pueda visualizar perfectamente se necesita una presión de vapor aproximada de 10exp-6 mm de mercurio, cabe destacar que no se necesita evaporar totalmente la muestra sino solamente una porción que pueda alcanzar la presiona anteriormente indicada.

Se usan 3 métodos de introducción de muestras los cuales son: Directa, indirecta y de un cromatógrafo.

El primero se trata de introducir la muestra del material que se desea analizar directamente en la fuente de ionización, esto se hace cuidadosamente con una especie de tubo metálico, donde en la punta está sostenida la muestra. El siguiente paso es calentar la muestra directamente usando una resistencia variable, cabe destacar que la muestra no se debe dejar de sostener del tubo, luego procedemos a introducirla en la fuente de iones, dónde está completamente en vacío, dicho vacío está regulado por diferentes válvulas para no dejarse escapar el mismo.

^{Sistema de entrada de la muestra}

El segundo se basa en vaporizar la muestra fuera del equipo de medida, es recomendable un envase de vidrio totalmente esmaltado en el interior que ayude a mantener la temperatura indicada, es decir, el esmalte actúa como un poderoso aislante térmico. Posteriormente se debe introducir la muestra de manera cuidadosa, cabe destacar que para este tipo de técnica espectroscópica las muestras son muy pequeñas y en especial las metálicas son tan finas que pueden romperse, entonces para evitar procesos de catálisis que puedan alterar la muestra se necesita un manejo cuidadoso. Este método también se puede aplicar en gases y líquidos con un punto de ebullición aproximado a los 200º C, se recomienda tener un recipiente con una capacidad aproximada de 1 litro.

Luego que se vaporizada el material dentro del recipiente a una presión aproximada de 10exp-2 mm de mercurio, se deja salir en el gas de vapor hacia la fuente de iones, debido a las altas presiones este gas fluye muy rápido lo que permite que las moléculas puedan transcurrir hacia la fuente de iones a un paso constante.

Y finalmente el método del cromatógrafo es sin duda alguna uno de los más usados actualmente ya que no se necesita preparación alguna para la muestra, simplemente debe introducirse directamente, ya sea líquido, sólida o en fase gaseosa.

Fuente de iones es el encargado de convertir la muestra en iones ya se por medio del bombardeo de electrones o fotones hacia el material. Otra opción que se usa mucho para la transformación de iones es a través de energía térmica o eléctrica.

Las técnicas de ionización han sido fundamentales para determinar qué tipos de muestras se pueden analizar por espectrometría de masas. La ionización del electrón y la ionización molecular se utilizan para los gases y los vapores.

Dato: Dos técnicas, usadas a menudo con líquidos y muestras biológicas sólidas, incluyen la ionización por electrospray (debido a John Fenn) y la desorción/ionización por láser asistida por una matriz (MALDI, debido a M. Karas y a F. Hillenkamp).

Existe una variedad de fuentes de ionización, entre ellas la de gas donde la muestra en primer lugar es volatilizada y después ionizada. Otra es la fuente de desorción, donde los iones para llegar al estado gaseoso primero necesitan que se inyecte energía directamente desde fases sólidas y líquidas.

Ionización por medio del impacto electrónico es otro método donde las muestras son ionizadas a través del bombardeo de electrones a una energía muy alta. Para poder originar la ionización se usan electrones con un filamento incandescente muy similar al de un bombillo, estos emiten una energía termoeléctrica y se aceleran debido a la diferencia de potencial variable de voltaje.

Otra característica importante de este método de ionización es que se debe utilizar un campo magnético paralelo en la dirección de trayectoria de los electrones, esto con la finalidad de que se puedan enfocar de manera correcta y puedan describir una trayectoria helicoidal hasta finalmente llegar el ánodo.

^{Ionización por impacto electrónico}

Otro método es la ionización química, en este se usan normalmente un material ionizante que pueda convertir el ion y transferir su carga a las moléculas del material por causa de una reacción química molecular.

Debemos introducir un metano en la fuente de ionización y producir una presión determinada alrededor de 1 a 1.5 mm de mercurio, para que se pueda producir la reacción, gracias a que los electrones ionizan esencialmente a las moléculas de metano dentro de la muestra.

También existen dos tipos de más de fuentes de ionización y estas se aplican según el tipo de muestra ya sea dura o blanda.

En las fuentes duras los iones se encuentran en estados vibracionales y rotacionales por lo que tiene energías muy altas a los iones que se pueden formar, cuando estos iones se relajan tienden fragmentarse por lo que se traduce en la creación de espectros de masas bastante complejos únicos.

En cambio, las fuentes blandas son todo lo contrario a la anterior, en esta la excitación producida en los iones produce una fragmentación que da lugar a espectros bastante simple y fáciles de analizar.

La espectroscopia de masas es muy interesante y tema bastante amplio en mis próxima publicación continuaré hablando de todo el proceso involucrado que se necesita para poder obtener un espectro de masas.