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¿Qué es y cómo funciona la espectrometría de masas?



La espectrometría de masas es uno de los detectores analíticos con las aplicaciones más diversas y desde su invención ha crecido de manera exponencial entre los métodos analíticos debido a su inigualable sensibilidad y límite de detección.

Este equipo se basa en la medición de la relación masa carga de las moléculas o fragmentos de estas que llegan al detector. Tal es su sensibilidad que incluso permite la cuantificación de distintos isótopos de un mismo elemento.

Definiciones

Para poder comprender el funcionamiento de este detector en su totalidad, es necesario definir algunos conceptos con antelación:

Espectro de masas: Representación gráfica de los datos obtenidos por el espectrómetro de masas.

Pico base: Es el pico con la abundancia relativa más alta, al cual se le asigna el valor 100, el resto de picos reciben su abundancia relativa en función de este.

MS: Es la abreviatura de espectrómetro de masas o espectrometría de masas, aunque algunos autores la utilizan se suele encontrar en la metodología que se esté usando en el ensayo (p.e. HPLC-MS).

m/z: Abreviatura de relación masa-carga.



Fundamentos de la espectrometría de masas

El espectrómetro de masas basa su funcionamiento en la medición de la relación masa carga del átomo o molécula que entra al detector, por lo que la primera etapa cuando se quiere usar la espectrometría de masas es otorgar carga a la muestra que se va a introducir al detector.

Para ello lo primero es la producción de una fase gas ionizada de la muestra. Para lo cual existen diversas técnicas, para el ejemplo, utilizaremos la ionización por electrón, y tendríamos que:

El resultado de esta ionización es inestable y normalmente sufre fragmentación ya que tiene un número de electrones raro. Así mismo, la molécula  + puede fragmentarse dando un radical y un ion, o bien, dando una molécula y un nuevo catión radical.

Todas estas fragmentaciones que tienen diferentes masas se separan en el espectrómetro de masas en función de su relación masa/carga y se detectarán en función de su abundancia.



Partes de un espectrómetro de masas

Como regla general un espectrómetro de masas siempre presenta un esquema similar a este:

La entrada para la muestra, que introduce la molécula a analizar, puede ser o una sonda de inyección directa, o un equipo de separación, por ejemplo un cromatógrafo de gases o un HPLC (aunque este último requiere de una interfase).

Una fuente de ionización donde, como hemos comentado en el apartado anterior, se le otorga carga a la muestra.

Uno o varios analizadores de masas, los cuales se encargan de segregar los distintos iones provenientes de la fuente de ionización.

Un detector encargado de “contar” los iones que provienen del último de los analizadores de masas y envía la señal al sistema encargado del tratamiento de datos.



¿Cómo funciona un espectrómetro de masas?

Para explicar cómo funciona el equipo que lleva a cabo la espectrometría de masas vamos a dividirlo en dos partes, la primera, donde veremos como funciona el analizador de masas o selector de velocidades y la segunda, donde veremos como funciona la parte del detector.

Funcionamiento del analizador de masas

Existen diversidad de tipos de analizadores de masas, pero todos ya sea de manera estática o dinámica utilizan campos magnéticos y eléctricos perpendiculares entre sí y definidos por fuerzas conocidas.

En la siguiente imagen os dejamos un esquema del analizador de masas donde se ha introducido una partícula con carga positiva:

El analizador de masas es la pieza encargada de elegir las partículas que tienen una velocidad concreta para llevarlas al detector, así como de descartar las que no la tienen.

Para ello dispone de un campo eléctrico con su parte negativa representadas con signos ““ en la figura y la parte positiva con signo “+”. Con la disposición que se ha descrito, la dirección del campo eléctrico, será hacia arriba.

Por otro lado, el analizador dispone de un potente imán que crea el campo magnético situado de manera saliente y perpendicular al campo eléctrico, representado con círculos en la imagen.

Tras tener todo orientado de la manera correcta, se necesita que sólo sean las partículas con una velocidad concreta lleguen al detector. Para ello se utilizan los campos magnético y eléctrico mencionados:

Cada partícula que entra al analizador de masas sufre dos fuerzas, independientemente que la carga que posea sea positiva o negativa (aunque en el caso de la figura, aparece una partícula con carga positiva y tomaremos ese supuesto para que la explicación se haga de manera más visual).



La primera fuerza, provocada por el campo eléctrico, tendrá una dirección o la contraria en dependencia del signo de la carga, es decir, si la carga es positiva (como se muestra en la figura) será repelida por el lado positivo de la placa que provoca el campo eléctrico y atraída por el lado negativo. Si la carga fuera negativa, se daría el caso contrario. La fuerza eléctrica que sufre esta partícula viene dada por la ecuación:

Donde q es la carga que posee la partícula y E el campo eléctrico.

La segunda fuerza es provocada el campo magnético, que siendo la carga de la figura positiva, el campo eléctrico saliente y aplicando la regla de la mano derecha, la fuerza magnética sufrida por la partícula sería en la dirección que se muestra en la figura, y vendría dada por la expresión matemática:

Donde q es la carga que posee la partícula, v la velocidad de esta y B el valor del campo magnético.

Para que una partícula consiga atravesar el selector de velocidad necesita que las fuerzas eléctricas y magnéticas ejercidas sobre ella sean iguales, por el contrario, si las fuerzas sufrida por la partícula son desiguales se desviará de la trayectoria haciendo que choque con alguna de las placas y no llegue al analizador.

De acuerdo con descrito en el párrafo anterior, y utilizando las expresiones matemáticas dadas:

Con lo que se deduce que las partículas que pasarán el analizador de masas serán las que tengan una velocidad igual al valor del campo eléctrico partido por el valor del campo magnético.



Funcionamiento del detector

Para entender cómo funciona el detector, primero debemos tener en cuenta es que una partícula cargada que entra en un campo magnético empieza a describir un recorrido circular en función de la ecuación:

Donde: 

r es el radio de la circunferencia descrita, m la masa de la partícula cargada, v la velocidad de partícula, q la carga, B el campo magnético.

Una vez tenemos presente esta ecuación, podemos comentar que el detector no es más que un campo magnético al que se introduce una partícula cargada a velocidad conocida (la hemos seleccionado en el analizador de masas), el cual tiene un dispositivo capaz de llevar a cabo el conteo de las veces que se impacta a una determinada distancia y transmitir esa señal a otro dispositivo capaz de almacenarla (normalmente un ordenador).

Si se tiene en cuenta la distancia que nos ha dado el detector, tenemos todos los elementos necesarios para despejar la masa de la ecuación dada. Cuanto mayor sea la masa de la partícula, mayor es la distancia que recorre.

El porqué este detector es tan preciso se explica mejor con un ejemplo: una partícula de carbono 12 impactará a una determinada distancia, sin embargo, una partícula de carbono 14, la cual tiene una masa de solo 2 unidades atómica superior impactará a otra distancia distinta, permitiendo tanto diferenciar entre estas dos especies como saber la abundancia de ambas.

Nota importante: Todos los detectores de espectrometría de masas trabajan con vacío, esto evita que las partículas que van al detector choquen con otras que se encuentren en él y las desvíe de su trayectoria.



El espectro de masas

La abundancia dada por el detector frente a la relación masa/carga se recoge en una representación gráfica que se conoce como espectro de masas. A continuación, os adelantamos una figura correspondiente con el espectro de masas del metanol, que es el que usaremos más adelante a modo de ejemplo:

En los espectros de masas, existe el pico  base que es el más intenso, al que se le asigna la abundancia relativa del 100%, el resto de picos que aparecen en el espectro se les asigna un valor proporcional a este. 

Estos espectros, también aportan información sobre la estructura de la molécula inicial como se detalla en el ejemplo.

Nota: La mayoría de los iones positivos tiene una carga positiva, correspondiente a la pérdida de un electrón, por lo tanto su relación masa/carga corresponde al peso molecular del ion, pero, hay que tener en cuenta que para moléculas grandes se pueden obtener con múltiples cargas y el detector los separará, aún siendo el mismo ion, en función de su masa/carga.



Ejemplo de espectro de masas

Para entender mejor los espectro de masas, vamos a tener  en cuenta este ejemplo:

Imaginemos que introducimos al espectrómetro de masas una muestra de metanol con la fórmula

Y el espectrómetro nos devuelve lo siguiente:

El ion molecular aparece a en m/z 32, correspondiente a su peso molecular, aunque también podemos observar un pequeño pico en m/z 33, el cual se debe a la presencia del isótopo de carbono 13.

También podemos ver un pico que llama la atención en m/z 15, el cual nos refleja la presencia del grupo metilo (CH3+). Si tomamos la diferencia del pico de mayor m/z (32) y le restamos la m/z del grupo metilo (15) nos dará 17, la cual es correspondiente al grupo hidroxilo (OH).

A partir de esto, podemos definir la masa de la molécula si la desconociéramos, para ello en química se una la masa promedio, que no es más que el promedio ponderado de las masas de los diferentes isótopos de cada elemento en la molécula.



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