A espectrometría de masas ou espectrometría de masa No BUSCatermos aparecen ambas as variantes: espectrometría de masas ou de masa. (abreviada EM e na literatura inglesa, MS) é unha técnica analítica que se usa para medir a razón masa-carga de ións. Os resultados preséntanse como un espectro de masas, un gráfico da intensidade en función da razón masa-carga. A espectrometría de masas utilízase en moitos campos da ciencia e aplícase a mostras puras ou a mesturas complexas.
Un espectro de masas é un tipo de gráfico do sinal dos ións en función da razón masa-carga. Estes espectros úsanse para determinar a sinatura isotópica ou elemental dunha mostra, así como as masas de partículas e moléculas e para dilucidar a identidade química ou estrutura de moléculas e outros compostos químicos.
miniatura|Descubrimento dos isótopos do neon. Nun procedemento típico de espectrometría de masas, unha mostra, que pode ser sólida, líquida ou gasosa, é ionizada, por exemplo bombardeándoa cun feixe de electróns. Isto pode causar que algunhas das moléculas da mostra rompan en fragmentos cargados positivamente ou simplemente queden cargadas positivamente sen se fragmentar. Estes ións (fragmentos) son despois separados de acordo coa súa razón masa-carga, por exemplo ao aceleralos e sometelos a un campo magnético ou eléctrico: os ións da mesma razón masa-carga sofren a mesma cantidade de desviación. Os ións detéctanse por un mecanismo que pode detectar partículas cargadas, como un multiplicador de electróns. Os resultados móstranse como espectros da intensidade do sinal dos ións detectados en función da razón masa-carga. Os átomos ou moléculas da mostra poden ser identificados correlacionando as masas coñecidas (por exemplo, unha molécula enteira) para identificar masas ou por un padrón de fragmentación característico.
Historia da espectrometría de masas miniatura|upright=1.35|Réplica do terceiro espectrómetro de masas de F.W. Aston. En 1886, Eugen Goldstein observou os raios dunhas descargas de gas a baixa presión que viaxaban desde o ánodo e a través de canles nun cátodo perforado, en dirección oposta á dos raios catódicos cargados negativamente (que viaxan do cátodo ao ánodo). Goldstein chamou a estes raios anódicos cargados positivamente "Kanalstrahlen"; a tradución habitual deste termo é "raios canais". Wilhelm Wien atopou que fortes campos eléctricos ou magnéticos deflectaban os raios canais e, en 1899, construíu un aparello con campos magnéticos e eléctricos perpendiculares que separaba os raios positivos de acordo coa súa razón carga-masa (Q/m). Wien atopou que a razón carga-masa dependía da natureza do gas no tubo de descarga. O científico inglés J. J. Thomson mellorou posteriormente o traballo de Wien ao reducir a presión para crear o espectrógrafo de masas.
miniatura|esquerda|upright|Os espectrómetros de masa calutrón utilizáronse no Proxecto Manhattan para o enriquecemento do uranio. A palabra espectrógrafo pasou a formar parte do vocabulario científico internacional en 1884."Definition of spectrograph|date=setembro de 2017." Merriam Webster. Consultado o 13 de xuño de 2008. Os primeiros aparellos de espectrometría que medían a razón masa-carga de ións denomináronse especrógrafos de masas, que consistían en instrumentos que rexistraban un espectro de valores de masas nunha placa fotográfica. Un espectroscopio de masas é similar a un espectrógrafo de masas excepto en que o feixe de ións se dirixe a unha pantalla fosforescente. A configuración dun espectroscopio de masas utilizouse nos primeiros instrumentos cando se desexaba que os efectos dos axustes se observasen rapidamente. Unha vez que o instrumento era debidamente axustado, inseríase e expoñíase unha placa fotográfica. O termo espectroscopio de masas continuou usándose incluso a pesar de que a iluminación directa dunha pantalla fosforescente foi substituída por medidas indirectas feitas cun osciloscopio. O uso do termo espectroscopia de masas agora é desaconsellado debido á posible confusión coa espectroscopia de luz. A espectrometría de masas abréviase miúdo como EM ou MS (do inglés mass-spec ou mass spectrometry).
As técnicas modernas da espectrometría de masas foron ideados por Arthur Jeffrey Dempster e F.W. Aston en 1918 e 1919, respectivamente.
Os espectrómetros de masas de sector coñecidos como calutróns desenvolveunos Ernest O. Lawrence e usáronse para separar os isótopos do uranio durante o Proxecto Manhattan. Os espectrómetros de masa calutrón utilizáronse para o enriquecemento do uranio na planta Y-12 de Oak Ridge, Tennessee creada durante a segunda guerra mundial.
En 1989, unha metade do Premio Nobel de Física concedéuselles a Hans Dehmelt e Wolfgang Paul polo desenvolvemento da técnica da trampa nas décadas de 1950 e 1960.
En 2002 o Premio Nobel de Química recibírono John Bennett Fenn polo desenvolvemento da ionización electrospray (ESI, do inglés electrospray ionization ) e Koichi Tanaka polo desenvolvemento da desorción láser suave (SLD, do inglés soft laser desorption ) e a súa aplicación á ionización de macromoléculas biolóxicas, especialmente proteínas.
Partes dun espectrómetro de masas
miniatura|upright=1.2|Esquema dun espectrómetro de masas simple cun analizador de masas de tipo sector. Este serve para a medición das proporcións dos isótopos do dióxido de carbono (IRMS) como na proba de alento da urea co carbono-13.
Un espectrómetro de masas consta de tres compoñentes: unha fonte de ións, un analizador de masas e un detector. O ionizador converte unha porción da mostra en ións. Hai unha ampla variedade de técnicas de ionización, dependendo da fase (sólida, líquida ou gasosa) da mostra e a eficiencia de varios mecanismos de ionización para especies descoñecidas. Un sistema de extracción quita os ións da mostra, os cales son despois dirixidos a través do analizador de masas e ao detector. As diferenzas en masa dos fragmentos permiten que o analizador de masas clasifique os ións pola súa razón masa-carga. O detector mide o valor dunha cantidade indicadora e así proporciona datos para calcular as abundancias de cada ión presente. Algúns detectores tamén dan información espacial, por exemplo, unha placa multicanle.
Exemplo teórico Seguidamente, descríbese a operación dun analizador de espectrómetro de masas, que é de tipo sector. (Outros tipos de analizadores trátanse máis abaixo). Consideremos unha mostra de cloruro de sodio (sal de mesa). Na fonte de ións a mostra é vaporizada (pasa ao estado gasoso) e ionizada (transformada en partículas cargadas electricamente) formando ións sodio (Na+) e cloruro (Cl−). Os átomos de sodio e os seus ións son monoisotópicos, cunha masa de 23 daltons (úsase o símbolo Da ou o símbolo antigo u). Os átomos e ións de cloruro poden aparecer como dous isótopos estables con masas de aproximadamente 35 u (cunha abundancia natural do 75 %) e de 37 u (cunha abundancia natural do 25 %). A parte correspondente ao analizador do espectrómetro contén campos eléctricos e magnéticos, que exercen forzas sobre os ións que viaxan a través deles. A velocidade dunha partícula cargada pode ser incrementada ou diminuída mentres pasan a través do campo eléctrico, e a súa dirección pode ser alterada polo campo magnético. A magnitude da deflexión da traxectoria dos ións en movemento depende da súa razón masa-carga. Os ións máis lixeiros son desviados pola forza magnética a un maior grao que os máis pesados (baseándose na segunda lei de Newton do movemento, F = ma). As correntes de ións clasificados magneticamente pasan desde o analizador ao detector, o cal rexistra a abundancia relativa de cada tipo de ión. Esta información utilízase para determinar a composición en elementos químicos da mostra orixinal (é dicir, que están presentes na mostra tanto o sodio coma o cloro) e a composición isotópica dos seus constituíntes (a razón de 35Cl respecto a 37Cl).
Creación de ións miniatura|Fonte de ionización de superficie no acelerador lineal do Argonne National Laboratory.
A fonte de ións é a parte do espectrómetro de masas que ioniza o material sometido a análise (o analito). Os ións son despois transportados por campos magnéticos ou eléctricos ao analizador de masas.
As técnicas de ionización foron claves para determinar que tipos de mostras se poden analizar por espectrometría de masas. A ionización de electróns e a ionización química utilízanse para gases e vapores. Nas fontes de ionización química, o analito é ionizado por reaccións ión-molécula químicas durante as colisións na fonte. Dúas técnicas que se utilizan con frecuencia con mostras biolóxicas líquidas ou sólidas son a ionización electrospray (inventada por John Fenn) e a desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI, desenvolvida inicialmente como unha técnica similar chamada "desorción láser suave ou SLD" por K. Tanaka, pola cal se concedeu un Premio Nobel, e como MALDI por M. Karas e F. Hillenkamp).
Ionizacións dura e suave miniatura|O espectrómetro de masas cuadrupolo e a fonte de ións electrospray usados para o traballo inicial de John Fenn.
Na espectrometría de masas, ionización refírese á produción de ións da fase de gas axeitados para a resolución no analizador de masas ou filtro de masas. A ionización ocorre na fonte de ións. Hai varias fontes de ións dispoñibles; cada unha delas ten vantaxes e desvantaxes para determinadas aplicacións. Por exemplo, a ionización electrónica (EI) proporciona un alto grao de fragmentación, creando espectros de masas moi detallados que, cando se analizan apropiadamente, poden darnos información importante para a dilucidación/caracterización estrutural e facilitan a identificación de compostos descoñecidos comparándoos con bibliotecas de espectros de masas obtidas en condicións operativas idénticas. Porén, a EI non é axeitada para acoplarse coa cromatografía líquida de alto rendemento (HPLC), é dicir, a LC-MS, xa que á presión atmosférica, os filamentos usados para xerar electróns arden rapidamente. Así, a EI acóplase predominantemente coa cromatografía de gas (GC), é dicir, GC-MS, na cal o sistema completo está nun alto baleiro.
As técnicas de ionización dura son procesos que aplican gran cantidade de enerxía residual na molécula suxeito orixinando un alto grao de fragmentación (é dicir, a rotura sistemática de enlaces actúa eliminando o exceso de enerxía, restaurando a estabilidade do ión resultante). Os ións orixinados adoitan ter un m/z máis baixo que o ión molecular (á parte de no caso de transferencia de protóns e non incluíndo picos isotópicos). O exemplo máis común de ionización dura é a ionización electrónica (EI).
A ionización suave refírese aos procesos nos que se aplica pouca enerxía residual na molécula suxeito e como resultado hai pouca fragmentación. Exemplos son o bombardeo atómico rápido (FAB), a ionización química (CI), a ionización química a presión atmosférica (APCI), a fotoionización a presión atmosférica (APPI), a ionización electrospray (ESI), a ionización electrospray de desorción (DESI), e a ionización/desorción láser asistida por matriz (MALDI).
Plasma acoplado indutivamente miniatura|Fonte de ións de plasma acoplado indutivamente. As fontes de plasma acoplado indutivamente (ICP) utilízanse principalmente para a análise de catións dunha ampla gama de tipos de mostras. Nesta fonte, utilízase un plasma que é en conxunto neutro electricamente, pero que ten unha fracción substancial dos seus átomos ionizados por altas temperaturas, para atomizar as moléculas da mostra introducida e para arrancar máis electróns externos deses átomos. O plasma xérase habitualmente a partir de gas argon, xa que a primeira enerxía de ionización de átomos de argon é maior que a primeira enerxía de ionización de calquera outro elemento excepto o He, F e o Ne, pero máis baixa que a segunda enerxía de ionización de todos excepto os metais máis electropositivos. O quentamento conséguese por correntes de radio-frecuencias que pasan a través dunha bobina que rodea o plasma.