espectrometría de masas atómica
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TEMA 15: ESPECTROMETRÍA DE MASAS ATÓMICA
La espectrometría de masas átomica es muy utilizada para identificar los elementos presentes en muestras
de materia y determinar sus concentraciones. Casi todos los elementos de la tabla periódica se pueden
determinar mediante espectrometría de masas. La espectrometría de masas atómica ofrece numerosas
ventajas frente a los métodos espectrométricos ópticos atómicos. Entre dichas ventajas están
1. Los límites de detección que para muchos elementos son tres órdenes de magnitud mejores que en
los métodos ópticos.
2. Espectros notablemente sencillos que casi siempre son únicos y a menudo se interpretan con
facilidad.
3. Capacidad para medir relaciones isotópicas atómicas.
Entre las desventajas están:
1. El costo del instrumento es de dos a tres veces mayor comparado con los instrumentos ópticos
atómicos.
2. La deriva del instrumento puede ser de 5 a 10 % por hora y 3.
3. Ciertos tipos de interferencias.
Un espectrómetro de masas es un instrumento que produce iones y los separa de acuerdo con sus relaciones
masa/carga (m/z). La mayor parte de los iones que se estudian tienen una sola carga, de modo que la
relación es simplemente el número de masa del ion.
En todos los casos, alguna forma de energía es transferida a las moléculas (o átomos) a analizar para afectar
la ionización. Las moléculas ionizadas del analito “explotan” en una variedad de fragmentos ionizados, el
patrón de fragmentación resultante así como los iones residuales constituyen el espectro de masas. En
principio, el espectro de masas de cada compuesto es único y puede ser usado como la “huella química”
para caracterizar el analito.
El pico más alto se denomina pico base o pico de referencia y se le asigna el valor arbitrario de 100.
Normalmente el espectrómetro asigna de forma automática el pico base y luego normaliza los picos
restantes en el espectro en relación al pico base.
Un análisis por espectrometría de masas atómica consta de las etapas siguientes:
1. Atomización.
2. Conversión de una fracción significativa de los átomos formados en la etapa 1 en un flujo de iones
(casi siempre positivos en una sola carga).
3. Separación de los iones formados en la segunda etapa con base en su relación masa/carga (m/z),
donde m es el número de masa del ión en unidades de masa atómica y z es el número de cargas
fundamentales.
4. Conteo del número de iones de cada tipo o medición de la corriente iónica producida cuando los
iones formados a partir de la muestra inciden en un detector adecuado.
Masas atómicas en espectrometría de masas
Las masas atómicas y moleculares se expresan generalmente en unidades de masa atómica (uma) o en
Daltons (Da). El dalton se define en relación con el peso del isótopo de carbono 𝐶612 , al cual se le asigna
exactamente un peso de 12 uma. Por consiguiente, la uma, o Da se define como 1/12 de la masa de un
átomo neutro de 𝐶612 , es decir:
Entonces la unidad de masa atómica es
La masa atómica relativa de un isótopo como el 𝐶𝑙1735 se mide entonces respecto a la masa del átomo de
referencia 𝐶612 . El cloro 35 tiene una masa que es 2.914071 veces mayor que la masa del isótopo de carbono.
Por tanto, la masa atómica del isótopo del cloro es:
En espectrometría de masas, a diferencia de otros ámbitos de la química , interesa con frecuencia la masa
exacta m de determinados isótopos de un elemento o la masa exacta de los componentes que contienen un
cierto grupo de isótopos. Por tanto, es necesario poder diferenciar entre las masas de los compuestos como:
La masa atómica química o masa atómica promedio(A) de un elemento en la naturaleza viene dado por la
ecuación:
Donde A1,A2,…,An son las masas atómicas, en daltons, de los n isotopos de un elemento y p1,p2,…,pn son las
abundancias fraccionarias de estos isótopos en la naturaleza. Naturalmente la masa atómica química o
promedio de un compuesto es entonces la suma de las masas atómicas químicas de los átomos que
aparecen en la fórmula del compuesto. Por consiguiente, la masa molecular química del CH4 es 12.01115+(4
x 1.00797)= 16.0434 Da. La masa atómica o molecular expresada sin unidades es el número de masa.
Otro término que se utiliza es la relación masa- carga de un ión atómico o molecular. Para un ión esta es la
relación adimensional entre su número de masa y el número de cargas fundamentales z que tiene. Por
consiguiente:
EJEMPLO:
Espectro de masas del etilbenceno (Masa molecular 106 Da)
El producto principal del etilbenceno es
el C6H5CH2 , surge de la pérdida de un grupo CH3. También se forman otros fragmentos más pequeño,
aunque en menor cantidad, con carga positiva.
EJEMPLO:
Espectro de masas del cloruro de metileno (Masa molecular 84 Da)
- El pico de base aparece a una relación m/z= 49 que corresponde a la pérdida de un átomo de Cl.
- El pico del ión molecular aparece a una masa correspondiente a la masa molecular del analito, m/z=
84.
- Se puede observar los picos correspondientes a las especies isotópicas más importantes:
El tamaño de los diferentes picos depende de la abundancia relativa de los isótopos.
COMPONENTES DE UN ESPECTRÓMETRO DE MASAS
El objetivo del sistema de entrada es introducir una cantidad muy pequeña de muestra en la fuente de iones,
donde los componentes de dicha muestra se transforman en iones gaseosos gracias al bombardeo de
electrones, fotones, iones o moléculas. Otra manera de lograr la ionización es aplicar energía térmica o
eléctrica. La salida de la fuente de iones es un flujo de iones positivos, que es lo más común, o iones
negativos gaseosos que son acelerados en el analizador de masas.
La función del analizador de masas es similar a la de un monocromador de un espectrómetro óptico. En el
analizador de masas la dispersión depende de la relación masa- carga de los iones del analito y no de la
longitud de onda de los fotones.
Al igual que un espectrómetro óptico, un espectro de masas contiene un transductor que convierte el haz
de iones en una señal eléctrica que pueda ser procesada, almacenada en la memoria de una computadora y
mostrada de una pantalla o almacenada en otros medios. A diferencia de los espectrómetros ópticos, los
espectrómetros de masas requieren un complejo sistema de vacío para mantener una presión baja en todos
los componentes, excepto en los sistemas para procesar la señal y de lectura. La presión baja asegura
colisiones no frecuentes en el espectrómetro de masas para producir y conservar iones y electrones libres.
1. Sistema de entrada: su objetivo es introducir una pequeña cantidad de muestra (un micromol o
menos) en el espectrómetro de masas. A menudo el sistema de entrada contiene un medio que
permite la volatilización de muestras sólidas o líquidas.
Vaporización electrotérmica (ETV):
- Una alícuota de la muestra se introduce en un pequeño horno de grafito y se procede con un
programa de temperaturas.
- Se obtienen señales transitorias en forma de pico más o menos achatado dependiendo de la
velocidad de volatilización y volatilidad de los elementos.
- Adecuado para:
-En caso de disponer sólo de pequeños volúmenes de muestra
-Muestras sólidas
-Muestras difíciles de disolver (“slurries”)
Ablación Laser (LA):
Consiste en una cámara de ablación donde los fotones de un láser inciden en un punto específico de la
muestra sólida para vaporizarla. La elevada energía de los fotones laser origina, al interaccionar, pequeñas
partículas, átomos e iones de las capas atómicas superficiales de la muestra creando un aerosol sobre la
superficie de la misma. Este aerosol es transportado a ICP-MS a través de un flujo de gas inerte
(normalmente Ar).
Empleado para el análisis directo de muestras sólidas.
El proceso de ablación láser fuertemente en el ICP-MS no se corresponde con la composición de la muestra.
2. Fuente de ionización: convierte los componentes de la muestra de iones. Esto puede conseguirse
por bombardeo con electrones, moléculas o fotones. Alternativamente también puede lograrse la
ionización mediante energía térmica o eléctrica. En muchos casos la fuente de ionización y el sistema
de entrada están combinados en un único componente. Si se emplean fuentes de fase gas la
muestra es primero volatilizada y después ionizada, si se emplean fuentes de desorción la energía se
transmite directamente a la fase sólida o líquida, produciéndose la ionización y la transferencia de
los iones al estado gaseoso.
Existen diversos tipos de fuentes de ionización según los distintos tipos de muestras y para
diferentes aplicaciones. De forma general se distinguen dos tipos: duras y blandas.
a) Las fuentes duras comunican elevadas energías a los iones formados, de esta forma estos iones
se encuentran en niveles vibracionales y rotacionales muy elevados. La relajación de estos iones
produce gran cantidad de fragmentación, resultando espectros de masas de gran complejidad,
únicos para cada compuesto como una “huella dactilar” y que permiten la identificación
inequívoca del mismo. Un ejemplo muy representativo de fuente dura es la de impacto de
electrones, en la que la muestra se bombardea con un haz de electrones de elevada energía.
b) Las fuentes blandas por el contrario, producen relativamente poca excitación de los iones de
modo que tiene lugar poca fragmentación y los espectros son sencillos. Estos espectros suelen
permitir la determinación exacta del peso molecular de un compuesto. Entre las fuentes blandas
más empleadas están la de ionización química, que emplea unos iones gaseosos reactivos y la de
electroaspersión (o electronebulización).
3. Aceleración y enfoque: el sistema está formado por una serie e lentes electroestáticas entre las que
existe una elevada diferencia de potencial que imprime a las partículas su velocidad final.El enfoque
de los iones se realiza mediante un sistema de lentes electroestáticas que coliman y focalizan el haz
de iones. Ádemas de dirigir y enfocar los iones, el sistema de lentes iónicas es responsable de
separar los iones de las especies neutras y de los fotones gracias a los campos electroestáticos
creados.
4. Analizadores: deben ser capaz de distinguir un haz de iones de masa “m” de otro de masa “m+∆m”
muy próxima. Debería permitir el paso de iones suficientes para producir corrientes iónicas fáciles de
medir. Análogos a los monocromadores ópticos.
*RESOLUCIÓN Y PODER DE RESOLUCIÓN: capacidad de un espectrómetro de masas de distinguir
entre masas
Dependiendo de la aplicación se requiere mayor o menor poder de resolución:
Para diferenciar iones de la misma masa nominal: poder de resolución de varios miles.
Iones de bajo peso molecular que difieren de una unidad o mas: poder de resolución inferior a 50.
Para cuantitativa, se considera que dos picos están separados si la altura del valle entre ellos no es
mayor del 10% de su altura.
Los espectrómetros comerciales disponibles tienen un poder de resolución que va de 500 a 500000.
Un espectrómetro con poder de resolución = 4000 distingue picos con m/z= 400.0 ó m/z= 40.00 ya
que:
*LÍMITE MÁSICO SUPERIOR: cualquier espectrómetro permite determinar la relación m/z hasta un valor
máximo. La correspondiente masa más elevada , en Daltons, depende por tanto del número de cargas z
transportadas por el ión. Por ejemplo, si m/z llega a 2000, el equipo podrá detectar una masa de 80000Da si
el ion lleva una carga de 40e.
*SENSIBILIDAD: la sensibilidad de un espectrómetro de masas se mide en relación al peso de la muestra
consumido por segundo (algunos pg/s o fmol/s) para obtener una señal de intensidad normalizada. Dado
que los iones están permanentemente renovándose, los espectros se obtienen por barridos repetidos.
*TRANSMISIÓN: es la razón entre el número de iones que llega al detector y el número de iones producido
por la fuente.
TIPOS DE ANALIZADORES
Analizadores de sector magnético (enfoque simple)
-El campo magnético sirve para separar los iones en base a su masa/carga.
-El radio de curvatura descrito por los iones es una función del campo magnético (B) aplicado.
-El campo magnético es generado por una corriente de intensidad variable.
-Solo aquellos iones cuyo radio de curvatura descrito coincida con el del sector magnético
alcanzarán el detector.
-Equipos voluminosos.
-Requieren alto vacío (10-7 torr)
-La dispersión del haz de iones conduce a pérdidas de resolución. Todos los iones que salen de la
fuente de ionización no tienen la misma energía cinética. En una fuente EI la dispersión de valores de
energía cinética puede ser mayor de 1eV y en el caso de una fuente FAB de 4eV. Este rango de
valores causa una imagen difusa en el detector porque el campo magnético no puede enfocar los
iones de la misma masa y diferente energía cinética hacia un mismopunto.
-Su principal característica es que permiten trabajar a alta resolución (diferenciar m/z que solo
difieren a partir del cuarto decimal) con gran sensibilidad.
Analizador de sector eléctrico:
-El analizador electrostático dispersa un haz iónico de acuerdo a sus energías cinéticas.
-Los iones con igual energía cinética se moverán en una trayectoria común de igual radio r.
-El radio de curvatura descrito por los iones es una función voltaje de aceleración V y el campo
eléctrico.
Analizadores de doble enfoque:
-Se consigue utilizando combinaciones de campos magnéticos y electrostáticos. El electrostático
actúa sobre el haz de iones a modo de filtro energético y el analizador magnético enfoca únicamente
un ion con determinada m/z en el plano focal.
-Capaces de alcanzar resoluciones del orden de 105.
-Útiles para la determinación exacta de m/z.
-Muy sensibles sobre todo a valores elevados de la razón m/z.
Analizadores de cuadrupolo
-Consiste en cuatro rodillos paralelos a los que se aplica una corriente continua (DC) sobre la que se
superpone una corriente alterna (RF)
-El campo creado en los rodillos actúa a modo de filtro y determina los iones que alcanzarán el
detector.
-Su funcionamiento no depende de la energía cinética de los iones cuando estos abandonan la
fuente de ionización.
-El alcance de masas, o relación m/z más elevada detectable, se limita a unos 4000th
-Tiempos de barrido pequeños (<100ms) lo que los hace útiles para realizar barridos de picos
cromatográficos en tiempo real.
-Robustos.
-Compactos.
-Bajo coste.
-Baja resolución (aprox. 3000). Resolución unitaria.
-Son los analizadores más ampliamente utilizados en los espectrómetros de masas modernos.
-Puede utilizarse como lente de enfoque, dejando que todos los iones con m/z superiores a un
mínimo dado por V lo atraviesen (potencial estático nulo(U) y valores adecuados del potencial
alterno).
-Un espectrómetro de masas puede utilizar varios analizadores cuadrupolares situados uno después
de otro (tándem de masas en el espacio), con lo que se pueden realizar diferentes tipos de barrido.(
ejemplo: EM cuadrupolar triple)
TIPOS DE DETECTORES
SISTEMA DE VACÍO
ESPECTROMETRÍA DE MASAS ELEMENTAL (ICP-MS)
APLICACIONES DE LA ESPECTROMETRÍA DE MASAS MOLECULAR
Las principales aplicaciones de la espectrometría de masas molecular pueden resumirse en:
Elucidación de la estructura de moléculas orgánicas y biológicas.
Determinación del peso molecular de péptidos, proteínas y oligonucleótidos
Identificación de los compuestos de cromatogramas en capa fina y papel.
Determinación de secuencias de aminoácidos en muestras de polipéptidos y proteínas.
Detección e identificación de especies separadas por cromatografía y electroforesis capilar.
Identificación de drogas de abuso y sus metabolitos en sangre, orina y saliva.
Control de gases en enfermos respiratorios durante los procesos quirúrgicos.
Pruebas para confirmar la presencia de drogas en sangre de caballos de carreras y en atletas
olímpicos.
Datación de ejemplares en arqueología.
Análisis de partículas en aerosoles.
Determinación de residuos de pesticidas en alimentos.
Control de compuestos orgánicos volátiles en el agua de suministro.
1. Identificación de compuestos puros:
Se establece mediante una comparación de su espectro de masas con los de compuestos
conocidos hasta llegar a una total coincidencia, suponiendo:
Que los modelos de fragmentación son únicos
Que las condiciones experimentales se pueden controlar lo suficiente como para
conseguir espectros reproducibles.
La ionización por impacto de electrones es el método de elección para la comparación de espectros.
Existen sistemas computarizados de comparación de espectros. El espectro de masas de un
compuesto proporciona datos útiles para su identificación (peso molecular, fórmula molecular,
presencia o ausencia de grupos funcionales)
-Determinación de los pesos moleculares a partir de los espectros de masas:
Se requiere la identificación del ion molecular, o en algunos casos del pico (M+1)* y (M-1)*. También
hay que tener en cuenta el tipo de fuente de impacto de electrones utilizada. Cuando existen dudas,
son útiles los espectros adicionales de ionización química, de ionización por campo y de ionización
por desorción.
-Fórmulas moleculares
- A partir de esos pesos moleculares exactos es necesaria la identificación del ion molecular, y
conocer la masa exacta de la molécula. Requiere un instrumento de alta resolución
- A partir de relaciones isotópicas: pico molecular suficientemente intenso para que su altura
y la de sus isótopos puedan determinarse con precisión. Especialmente útil para la
determinación y estimación del número de átomos de azufre, cloro y bromo que hay en la
molécula dado que contribuyen en gran medida a la formación de (M+2)*.
2. Ánalisis de mezclas por métodos espectrales de masas acoplados:
Los espectros de masas de mezclas son muy complejos y en la mayoría de las ocasiones
imposibles de interpretar.
Se utilizan los métodos acoplados (cromatografía/espectrometría de masas, espectrometría de
masas en tándem.
3. Determinación cuantitativa de especies moleculares:
- A partir de las alturas de pico de los espectros de masas.
- A partir de las áreas y alturas de pico de los cromatogramas y electroferogramas
- Patrón externo
- Patrón interno
- Ánalogo estable del analito marcado isot
APLICACIONES DE LA ESPECTROMETRÍA DE MASAS ATÓMICA
-Aplicaciones cualitativas, semicuantitativas y cuantitativas
Medioambiente: medida de contaminantes en los distintos compartimentos
medioambientales.(análisis de aguas, efluentes de procesos industriales y domésticos, lodos, suelos,
sedimentos y biota.)
Geología: determinación de elementos traza en diversas matroces (tierras raras, metales
nobles(Pt,Pd,Rh,Ru,Ir,Os,Re y Au)
Estudio de materiales: pureza de los materiales involucrados en la fabricaión de materiales
especiales (semiconductores. Industria nuclear.
Medicina y Biología: determinación a nivel de traza de diversos elementos tóxicos en matrices
biológicas (elementos tóxicos, metabolismo de metales y en general de biomoléculas asociadas a un
elemento metálico.
-Medida de la relación isotópica
Medidas útiles para arqueólogos y geólogos (establecimiento de la edad de los artefactos y de los
distintos depósitos), químicos y clínicos (emplean los materiales enriquecidos isotópicamente como
marcadores en distintos tipos de estudios.
Medidas mas rápidas aunque menos reproducibles que las obtenidas mediante atomización e
ionización térmica.
Medioambiente: medida en las variaciones de las relaciones isotópicas de ciertos elementos como
indicadores de procesos en distintos compartimentos medioambientales.( 15N: contaminación de
aguas por residuos urbanos y granjas,13C: procedencia del CO2 de efecto invernadero,2H y 18º:
estudio de acuíferos.)
Geología: determinación de la edad de formaciones geológicas (relaciones isotópicas de los sistemas
U-Th-Pb, Rb-Sr,Sm-Nd,…
Industria nuclear: control del enriquecimiento de 235U en el reprocesado de combustibles nucleares.
Medicina y Biología: las moléculas marcadas con isótopos radiactivos y/o estables han sido
especialmente útiles para aclarar las trayectorias metabólicas de la síntesis y degradación
bioquímicas (15N: fijación de nitrógeno en plantas, 13C : déficit de amilasa, metabolismo oxidativo de
ácidos grasos y carbohidratos,57Fe,67Zn,63Cu,74Se: déficit de micronutrientes.
