HERNANDEZ MELGAR ALAN GERARDOFISICA II
29/SEPTIEMBRE/2009
ESPECTROMETRO DE MASAS INTRODUCCIÓN: El espectrómetro de masas es un aparato que se basa fundamentalmente en el movimiento de partículas cargadas en un campo magnético; y modo de ma mate teria ria se define define co como mo:: “Méto “Método do de anál anális isis is basa basado do en el estu estudio dio deta detall llad ado o de los los ione ioness que que se form forman an al sumi sumini nist stra rarr ener energí gía a a una una molécula”. La Espectrometría Espectrometría de Masas es una poderosa técnica microanalítica microanalítica que se usa para identificar compuestos desconocidos, para cuantificar compuestos conocidos, para elucidar la estructura y propiedades químicas de moléculas ó para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto. La detección de los compuestos es regularmente llevada a cabo con cantidades realmente pequeñas (algunos pmoles) de sustancia y así obtener información característica como el peso y algunas veces la estructura. En principio, el espectro de masas de cada compuesto es único y puede ser usad usado o co como mo una una “hue “huell lla a quím químic ica” a” para para ca cara ract cter eriz izar ar el co comp mpue uest sto o o muestra. HISTORIA A finales del siglo XIX y comienzos comienzos del siglo XX, hubo una gran cantidad de trabaj trabajos os experim experiment entales ales sobre sobre cargas cargas eléctri eléctricas; cas; la espect espectrom rometrí etría a de masas inició cerca del año 1886 cuando el físico aleman Eugen Goldstein, descub descubrió rió los iones iones positiv positivos, os, continuo continuo tomando tomando forma forma con otro otro físico físico alemán, W. Wien quien consiguó analizarlos analizarlos por deflección magnética en el año de 1898 1898 y se dio un paso paso definitiv definitivo o cuando cuando en 1901 W. Kaufma Kaufmam m cons co nsgu guió ió anal analiz izar ar los los rayo rayoss ca cató tódi dico coss usan usando do ca camp mpos os eléc eléctr tric icos os y magnéticos magnéticos paralelos; paralelos; pero fue cerca del año 1912 cuando cuando el científico J. J. Thoms Thomson on observo observo el fenóme fenómeno no de emisión emisión de iones; estimul estimulado ado por su ambición de descubrir los secretos más profundos de la química y el gran interés en medir la relación masa-carga del electrón, se las ingenió para crear crear primer primer espec espectró trómet metro ro de masa masa y así así obtener obtener de de él, los prim primero eross espectros de elementos y compuestos, tales como: O 2, N 2, CO y COCl 2,20Ne, y 22Ne. FUNDAMENTO: Como ya se mencionó, mencionó, un espectrómet espectrómetro ro de masas es un claro ejemplo del movimiento de partículas cargadas en un campo magnético. A continuación se ilustra y se explica su funciona funcionamie miento nto de manera muy fundamental. fundamental. Donde I es una fuente de iones (para electrones puede puede trat tratar arse se de un
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filamento caliente), S1 y S2son dos rendijas estrechas a través de las cuales pasan los iones siendo acelerados por la diferencia de potencial (V) aplicada entre ambas. En la región que está por debajo de las rendijas hay un campo magnético uniform uniforme e dirigid dirigido o hacia hacia usted usted (el lector lector). ). El ion descri describirá birá entonc entonces es una órbita circular curvada en un sentido o en otro según sea el signo de su carga carga q. Despué Despuéss de descri describir bir una semici semicircu rcunfer nferenc encia ia los iones iones inciden inciden sobre una placa fotográfica (P) dejando una marca. COMPONENTES PRINCIPALES DE UN ESPECTROMETRO DE MASAS: Existen muchas técnicas de ionización de muestras, que se adecuan a los distintos tipos de sustancias, pero un espectrómetro de masa en general se compone de: • • • • • • • •
SISTEMA DE BOMBEO SISTEMA DE ENTRADA FUENTE DE IONES (CAMARA DE IONIZACIÓN) OPTICA IONICA ANALIZADOR MÁSICO DETECTOR LÍNEA DE TRANSFERENCIA (CG-EM) Como los iones son inestables y muy reactivos se deben manipular en alto vacío (SISTEMA DE BOMBEO).
En todas las mediciones, alguna forma de energía es suministrada a las moléculas a analizar para perturbar la ionización, existen distintas técnicas de ioni ioniza zaci ción ón co como mo las: las: FAB FAB y MALD MALDII que que son son má máss adec adecua uada dass para para sustancias poco volátiles, inestables o de peso molecular alto (proteínas, polisacáridos), pero para moléculas de polaridad baja o media de hasta peso molec mo lecul ular ar 500 la técn técnic ica a de ioni ioniza zaci ción ón má máss util utiliza izada da es la de impa impact cto o electrónico (EI). En la técnica tradicional de impacto electrónico (electron ionization EI), algunas de las moléculas ionizadas del compuesto o muestra en estado gaseoso, son golpeadas por un haz de electrones de alta energía, estas “explotan” en una variedad de fragmentos ioni ioniza zado dos, s, el patr patrón ón de fragmentación resultante así como los iones residuales const constitu ituyen yen el espect espectro ro de masas. ESQUEMA DE UN ESPECTROME ESPECTROMETRO TRO DE MASA MASA POR IMPACT IMPACTO O ELECTRÓNICO (EI).
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El impacto hace que la muestra muestra M pierda un electrón, electrón, generando así un ion radi radica call M+, M+, este este tien tiene e un gran gran exce exceso so de ener energí gía a y a su vez vez pued puede e fragmentarse generando un nuevo ion radical o simplemente un ion.
Estos iones formados a su vez pueden fragmentarse generando otros iones, al dete detect ctor or o plac placa a lleg llegar arán án todo todoss los los ione iones, s, tant tanto o el M+, M+, co como mo los los fragmentos de éste. En el espectrómetro de masas se separan los iones que tienen la misma carga carga (q) pero diferen diferente te masa masa (m), (m), al detect detector or llegara llegaran n todos todos los iones según su relación m/q, ya que el radio de la trayectoria trayectoria de cada ion cambia según según el valor valor de q/m del mismo, mismo, y los cuantifi cuantificar cara a según según su abunda abundanci ncia a relativa. Los científicos que usaban esta técnica, descubrieron en la década del 20 que átomos del mismo elemento químico no tienen necesariamente la mism misma a ma masa sa;; las las difer diferen ente tess vari varieda edade dess de átom átomos os de un ele elemen mento to químico, variedades que difieren en masa, se denominan isotopos. El ion molecular M+ generalmente no es el más abundante, porque se fragmenta, lo que permite obtener el peso molecular de la sustancia.
VENTAJAS DE LA ESPECTROMETRIA DE MASAS. 1. Capacidad de identificación (desde átomos a moléculas muy complejas) 2. Es cualitativa y cuantitativa • •
huella dactilar de nuestra sustancia medir [ sustancia ] (concentración de la sustancia)
3. Permite analizar mezclas complejas 4. Pose Posee e una gran gran sens sensib ibili ilida dad: d: cuatrillón).
[con [conce cent ntra raci ción ón]] de ppq (par (parte tess por
5. Es universal y específica (muestras sólidas, líquidas o gaseosas). 6. Permite determinar el peso molecular de la sustancia analizada 7. Suministra información estructural de la molécula analizada 8. Suministra información isotópica 9. Es muy rápida (espectro en décimas de segundo) 10. Técnica en fin muy evolucionada y automatizada.
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DESVENTAJAS DE LA ESPECTROMETRIA DE MASAS. 1. Necesidad de disponer de la muestra en fase vapor sin descomposición lo que implica que la sustancia a analizar sea: • •
Volátil Termoestable
2. Es una técnica destructiva. 3. Es necesario un alto vacío (10 -6 torr). 4. Dificultad operativa 5. Dificultad de analizar sustancias de alto peso molecular. APLICACIONES ESPECÍFICAS DE LA ESPECTROMETRIA DE MASAS. ○ ○
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Determinar adulteración en la miel de abeja. Dete Detect ctar ar e iden identi tifi fica carr el uso uso de fárm fármac acos os de abus abuso o en atle atleta tass (antidoping). Monitorear los gases de la respiración en pacientes durante cirugía. Determinar la composición de materiales provenientes del espacio exterior. Localizar Localizar depósitos petroleros (midiendo precursores precursores del petróleo petróleo en rocas). Monitorear fermentaciones en línea (industria biotecnológica). Detectar contaminantes orgánicos en el aire, agua, suelo y alimentos. Determinar algunos tipos de envenenamiento (criminalística).
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