thumb|Fai d'iones por electrospray nun espectrómetru de masa.
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. L'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 thumb|250px|Retruque d'unu de los primeros espectrómetros de mases.
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 oxíxenu (O2+) asocedi como resultáu d'enllazar metal-oxíxenu nuna zona arriquecida con oxíxenu. Cuando estos enllaces romper mientres la emisión d'iones, l'oxíxenu 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 oxíxenu amonta la concentración d'oxíxenu 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 right|250px|thumb|Detector. 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, sobre manera, 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 primero 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 thumb|x150px|Parte llétrica. thumb|x150px|Parte magnética. 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.