Espectrometría de masas para niños
La espectrometría de masas es una técnica especial que nos ayuda a descubrir de qué están hechas las sustancias. Imagina que es como una balanza súper precisa para las partículas más pequeñas, como las moléculas. Un espectrómetro de masas es el aparato que hace este trabajo. Puede analizar con mucha exactitud la composición de diferentes elementos químicos y sus isótopos (que son versiones de un mismo elemento con diferente peso). Lo hace separando las partículas según su relación entre su masa y su carga eléctrica.
Esta técnica se usa para identificar los distintos elementos químicos en un compuesto o para saber qué cantidad de cada isótopo hay. A menudo, se combina con otra técnica llamada cromatografía de gases (GC-MS) para analizar mezclas complejas.
El espectrómetro de masas mide la relación masa/carga de las partículas cargadas (llamadas iones). Para ello, calienta una muestra de la sustancia hasta convertirla en vapor y luego le da una carga eléctrica a sus átomos. Este "rayo" de iones crea un patrón único en un detector, lo que permite saber de qué está hecha la sustancia.
En la industria, esta técnica es muy útil. Se usa para analizar materiales en la fabricación de semiconductores, para estudiar biosensores, cadenas de moléculas grandes, productos químicos, en investigaciones forenses, para detectar contaminación en el medio ambiente, en la creación de perfumes y en muchos otros campos donde se necesite identificar sustancias que puedan convertirse en vapor y cargarse eléctricamente sin romperse.
Contenido
Historia de la Espectrometría de Masas
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La historia de la espectrometría de masas comenzó hace mucho tiempo con descubrimientos importantes.
Primeros Descubrimientos y Rayos Canales
En 1886, un científico llamado Eugen Goldstein observó unos rayos especiales en gases a baja presión. Estos rayos viajaban en dirección opuesta a los conocidos "rayos catódicos" (que tienen carga negativa). Goldstein los llamó Kanalstrahlen, que significa "rayos canales", porque tenían carga positiva.
Más tarde, en 1899, Wilhelm Wien descubrió que estos rayos canales podían ser desviados por campos eléctricos o magnéticos fuertes. Construyó un aparato que usaba estos campos para separar los rayos positivos según su relación de carga y masa. Wien se dio cuenta de que esta relación cambiaba dependiendo del gas que se usara.
El científico inglés J. J. Thomson, famoso por estudiar el electrón, mejoró el trabajo de Wien. Redujo la presión en el aparato para crear el primer instrumento que se parecía a un espectrómetro de masas.
Avances Modernos y Premios Nobel
Algunas de las técnicas modernas de espectrometría de masas fueron desarrolladas por Arthur Jeffrey Dempster y F. W. Aston entre 1918 y 1919. En 1922, Aston recibió el Premio Nobel de Química. Lo ganó por descubrir, gracias al espectrógrafo de masas, los isótopos de muchos elementos no radiactivos y por formular la "regla del número entero".
Mucho después, en 1989, la mitad del Premio Nobel de Física fue para Hans Dehmelt y Wolfgang Paul. Ellos fueron reconocidos por desarrollar la técnica de "trampa de iones" en los años 1950 y 1960.
En 2002, el Premio Nobel de Química se otorgó a John Bennett Fenn por crear la técnica de ionización por electrospray (ESI). También se premió a Koichi Tanaka por desarrollar la desorción láser suave (SLD) y aplicarla para cargar eléctricamente moléculas biológicas grandes, como las proteínas.
¿Cómo Funciona un Espectrómetro de Masas?
En general, las moléculas tienen diferentes pesos, y un espectrómetro de masas usa esta diferencia para saber qué moléculas hay en una muestra. Por ejemplo, si se analiza sal de mesa (NaCl), el aparato puede identificar iones de sodio y de cloro, que tienen pesos moleculares específicos. Estos iones también tienen una carga, lo que significa que se moverán de una forma particular bajo la influencia de un campo eléctrico.
Los iones se envían a una zona de aceleración y pasan por una lámina de metal. Luego, se aplica un campo magnético que desvía cada ion con la misma fuerza (si tienen la misma carga). Los iones más ligeros se desviarán más que los pesados, porque la fuerza es la misma para todos, pero los ligeros tienen menos masa. Un detector mide exactamente cuánto se ha desviado cada ion. Con esta información, se calcula la "relación masa por unidad de carga". Así, se puede determinar con mucha certeza la composición química de la muestra original.
Existen muchos tipos de espectrómetros de masas. Todos usan campos eléctricos y magnéticos para cambiar la trayectoria de los iones de una manera específica.
Partes Principales de un Espectrómetro de Masas
Un espectrómetro de masas tiene tres partes esenciales: la fuente de ionización, el analizador de masa y el detector.
Fuente de Ionización: ¿Cómo se Cargan las Partículas?
La fuente de iones es la parte del espectrómetro que le da una carga eléctrica al material que se va a analizar (el analito). Después, los campos magnéticos o eléctricos mueven estos iones hacia el analizador.
Las técnicas para cargar las partículas han sido clave para saber qué tipos de muestras se pueden analizar. Para gases y vapores, se usan la ionización por electrones y la ionización molecular.
Para líquidos y muestras biológicas sólidas, se usan a menudo dos técnicas: la ionización por electrospray (creada por John Fenn) y la desorción/ionización por láser asistida por una matriz (MALDI, desarrollada por M. Karas y F. Hillenkamp). También hay otras técnicas como la ionización por bombardeo de átomos rápidos (FAB) o la ionización química a presión atmosférica (APCI).
- Ionización por electrones: Esta es una forma clásica de cargar partículas. Consiste en disparar electrones con mucha energía a un átomo neutro. Si el electrón choca con el átomo de forma muy efectiva, le transfiere suficiente energía para que el átomo expulse uno de sus propios electrones. Así, el átomo se convierte en un ion con carga positiva. Para que esto funcione, la muestra debe estar en una fase gaseosa muy diluida, lo que se logra evaporándola en un espacio con muy baja presión.
Analizador de Masa: ¿Cómo se Separan las Partículas?
El analizador de masa es la parte más versátil del espectrómetro. Los diferentes tipos de espectrómetros de masas se distinguen por el analizador que usan. Por ejemplo, un analizador de sección magnética usa un campo eléctrico o magnético para cambiar la trayectoria o la velocidad de las partículas cargadas. La fuerza que ejercen estos campos se describe con la fuerza de Lorentz.
Todos los analizadores usan la fuerza de Lorentz para determinar la relación masa/carga de las partículas. Los instrumentos de área magnética cambian la dirección de los iones que vuelan a través del analizador. Los iones se desvían según su masa y su carga: cuanto más se desvíen, más ligeros serán. El analizador dirige las partículas al detector, variando un campo eléctrico o magnético según la relación masa/carga (m/z).
Actualmente, existen varios métodos para "filtrar" los iones según su relación Masa/carga. El más común es el cuadrupolo. Se compone de cuatro barras alargadas dispuestas en forma de cuadrado, conectadas eléctricamente en pares opuestos. A estos pares se les aplica un voltaje de radiofrecuencia variable. Cuando la frecuencia del voltaje coincide con la de un ion específico, ese ion puede pasar. Los demás iones, que no "sintonizan" con la frecuencia, se desvían y no llegan al detector. El cuadrupolo actúa como un "filtro" que solo deja pasar las masas correctas.
Otro tipo de analizador es el de tiempo-de-vuelo (TOF). Este tipo de analizador acelera los iones para que todos tengan la misma energía cinética. Luego, mide el tiempo que tardan en llegar al detector. Aunque la energía cinética es igual, la velocidad es diferente: los iones con menor relación masa/carga (m/z) son más rápidos y llegan primero al detector.
La idea es simple: si un ion parte del reposo y se acelera con un voltaje, su energía cinética será igual a la energía potencial. Como la velocidad es distancia dividida por tiempo, podemos ver que el tiempo que tardan los iones en recorrer una distancia depende de su relación m/z.
Detector: ¿Cómo se Registran las Partículas?
El detector es la parte final del espectrómetro. Registra la carga o la corriente que se produce cuando un ion pasa cerca o golpea una superficie. En un instrumento que "escanea", la señal se produce en el detector a medida que los iones llegan, creando un "espectro de masa". Este espectro es un registro de las relaciones masa/carga de los iones presentes.
Normalmente, se usa un tipo de multiplicador de electrones (electromultiplicador). Este funciona como una cascada: cuando un ion golpea una superficie, libera electrones. Estos electrones son acelerados y golpean otra superficie, liberando más electrones, y así sucesivamente. Al final, se produce una corriente eléctrica mucho más grande que puede ser detectada y amplificada.
Ventajas de un Espectrómetro de Masas
Este dispositivo ofrece varias ventajas importantes:
- Permite obtener resultados rápidos.
- Puede dar información tanto cualitativa (qué sustancias hay) como cuantitativa (cuánto de cada sustancia hay) de una misma muestra.
- Funciona con todo tipo de moléculas, ya sean grandes o pequeñas.
