Espectrometría de masas: Técnica esencial para el análisis químico, principios y utilidad.

Hola de nuevo a toda la comunidad, esta vez tendré la oportunidad de hablarles un poco sobre una técnica espectroscópica que resulta de gran utilidad para la caracterización de compuestos químicos conocidos o desconocidos, así como la determinación del grado de pureza de los mismos. Esta técnica se conoce como espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo o ICP-MS por sus siglas en ingles.

Para comenzar, como hemos podido apreciar en diversas publicaciones presentadas en la comunidad #steemespanol existen diversas técnicas para el estudio cualitativo y cuantitativo de sustancia químicas ya sean conocidas o desconocidas, entre estas técnicas tenemos: espectrometría Uv-Visible, espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de resonancia magnética nuclear, espectroscopia de rayos x en todas sus variaciones, espectrometría de masas, entre otras. Emplear estas técnicas nos da información sobre propiedades ópticas, estructurales, y composicionales que resultan de gran utilidad para conocer la naturaleza de una sustancia como veremos a continuación.

Imagen 1. Fuente.

Para darles una idea, en química cuando nos enfrentamos a una muestra desconocida o simplemente se requiere la caracterización de una conocida se comienza por espectroscopia de Uv-Visible. Esta técnica en general nos da información respecto a la geometría estructural en caso de que estemos en presencia de algún tipo complejo o información respectos a algunos posibles grupos químicos o cromóforos presentes en la sustancia como lo son los alquenos conjugados y diversos compuestos aromáticos. La espectroscopia de Uv-Visible va seguida generalmente del análisis por espectrometría de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR), emplear esta técnica nos aporta información referente a la familia o grupo químico al que pueda pertenecer la sustancia, ya sea un alcano, alqueno, amina, alcohol, éster, si posee anillos aromáticos como el benceno y todos sus derivados, en el caso de que sea una amina si es primaria, secundaria o terciaria y muchas más información la cual nos da una primera idea de cuál es la naturaleza de la sustancia, además nos ayuda a corroborar la información obtenida a través del Uv-Visible.

Si bien las dos técnicas anteriores nos ofrecen información en cuanto a características geométricas y estructurales de una sustancia, no nos ofrecen la información necesaria para poder establecer la estructura y fórmula molecular de la misma. Es por esto que se emplean otras técnicas que además de corroborar todo lo observado en las técnicas previas nos ofrecen información referente a la composición de la sustancia, es decir, cuántos átomos de carbono, nitrógeno, oxigeno, etc están presente y en que forman se encuentran unidos entre ellos. Estas otras técnicas son resonancia magnética nuclear (RMN), espectroscopia de rayos X y espectrometría de masas.

La espectrometría de masas es una técnica esencial y de gran utilidad a la hora de establecer la composición de una sustancia, principalmente porque permite analizar con gran precisión y exactitud diferentes elementos químicos e isótopos atómicos al separar cada átomo según su relación tamaño/carga. Además, es una técnica que resulta económica en comparación a otras como resonancia magnética nuclear y espectroscopia de rayo X en todas sus variaciones debido principalmente al costo de los equipos en la actualidad. Además, empleando espectrometría de masa se obtienen resultados en tiempo real por lo que el análisis resulta más rápido que empleando cualquier otra técnica.

Imagen 2. Espectrómetro de masas ICP-MS, Fuente..

Para comprender como es que un espectrómetro de masas lleva a cabo el análisis es necesario comprender su completo funcionamiento como veremos a continuación, pero primero hay que aclarar que existen variaciones en cuanto a los espectrómetros de masas, especialmente por los diferentes equipos empleados en la primera fase la cual es la introducción de la muestra como lo son el horno de grafito, cromatógrafos de gas y líquido, entre otros. Por lo que en este post como lo mencione al inicio me referiré de forma general a un espectrómetro de masas con plasma de acoplamiento inductivo o ICP-MS. En la imagen 3 se pueden observar todos los componentes de un ICP-MS.

Imagen 3. Partes y componentes de un espectrómetro de masas, Fuente..

Primero, antes de introducir la muestra al ICP-MS esta debe ser tratada y digerida empleando una digestión ácida por lo general usando ácido nítrico lo cual se realiza con el fin de descomponer lo más posible la muestra. Una vez en solución la muestra es succionada por el mismo equipo a la fase de nebulización donde la muestra liquida es convertida en un aerosol el cual es arrastrado por una corriente de argón hacia el plasma. El ICP como su nombre lo dice es un plasma inducido, inducción que ocurre gracias a unas bobinas de radiofrecuencia (imagen 4), el campo magnético oscilante de alta frecuencia excita e ioniza los átomos de argón los cuales a su vez generan fricción iónica y electro-estática lo que genera elevadas temperaturas de aproximadamente 8.000 ºC, para soportar estas temperaturas la antorcha donde se origina el plasma está elaborada en cuarzo.

Imagen 4. Representación gráfica de un ICP. Fuente.

Cuando la muestra llega a este punto sufre varios cambios primero el aerosol se desolvata es decir, se elimina el solvente de la muestra por vaporización, seguido del cambio a la fase gaseosa de la sustancia luego se atomiza, lo que quiere decir que cualquier molécula presente se descomponen en sus respectivos átomos y por últimos estos átomos se ionizan por las altas temperaturas, este proceso se puede apreciar en la imagen 5.

Imagen 5. Proceso de ionización de la muestra en el ICP, Fuente: de mi autoría.

Una vez que se tiene toda la materia ionizada esta es arrastrada por un flujo eléctrico a través del equipo. El hecho de que los iones responda a un campo eléctrico resulta de gran utilidad no solo para el desplazamiento de la muestra que se desea analizar, sino que también permite eliminar cualquier interferencia ocasionada por especie neutras, es decir materia no ionizada y cualquier fotón generado durante el proceso de ionización. Para eliminar estas interferencias se utilizan unos dispositivos llamados lentes fuera de eje y la función de estos es alterar o darle un trayecto no uniforme al campo eléctrico de manera que solo la materia ionizada será capaz de seguir el trayecto del campo eléctrico, mientras que la no ionizada y fotones no lo pueden seguir y así son eliminados, un ejemplo ilustrativo puede ser apreciado en la imagen 6.

Imagen 6. Ilustración de la función de un lente fuera de eje, Fuente: de mi autoría.

Luego de la cámara de ionización los iones son enviado a la cámara de celdas de colisión donde se elimina el material no deseado aún presente porque a pesar de que solo hay materia ionizada aún existen contaminantes que pueden causar interferencia. Estos tipos de contaminantes son los gases di-atómicos ionizados o iones poli-atómicos los cuales son moléculas de gases como O₂ y N₂ que no se descomponen en sus 2 respectivos átomos para luego ionizarse y por contrario se ionizan como molécula. Estas moléculas se eliminan al hacer chocar el flujo de iones con un flujo de gas de helio presente en la cámara y el principio se basa en el hecho de que los iones poli-atómicos son más grandes, colisionan de forma más frecuente con el helio y por tanto pierden más energía de manera que su trayectoria se ve afectada y son arrastrados así por el flujo de helio y no por el flujo eléctrico.

Posteriormente, los iones son direccionados a la cámara de análisis donde se encuentra el analizador también conocido como cuadrupolo. Un cuadrupolo en general se compone de 4 barras alargadas en formación cuadrada conectadas eléctricamente entre sí, pero con polos opuestos, es decir 2 barras se cargan positivamente mientras las otras 2 negativa de forma alternada. Cuando la corriente pasa por las barras genera un campo electromagnético y provoca que los iones se muevan de forma circular como se muestra en la imagen 7.

Imagen 7. Barras del cuadrupolo y efectos de los campos generados sobre los iones, Fuente.

Acá es donde entra la parte interesante, el campo que genera el cuadrupolo es específico para cada tipo de ión, cuando el ión esta en sincronía o sintonizado con el cuadrupolo este mantiene su movimiento circular mientras lo atraviesa hasta pasar al área de detección (Imagen 8), pero todos los demás iones que no estén sintonizados intentan girar con el campo pero al no estar en sincronía no mantienen el movimiento siendo expulsados del cuadrupolo y extraídos, por lo que no pasan al detector.

Imagen 8. Cuadrupolo e iones síncronizados, Fuente.

Para poder sincronizar un ión en específico se debe alterar o cambiar la frecuencia de la electricidad con que se alimentan las barras que generan los campos en el cuadrupolo para hacer coincidir el campo electromagnético con el cociente masa/carga (m/z) del ión entrando así en sincronía permitiendo separar específicamente un solo tipo de átomo de una gran variedad de los mismos.

Finalmente, los iones seleccionados pasan a la cámara de detección donde en la primera etapa se encuentra una placa sensible a los iones la cual al ser impactada por un ion libera un electrón, este electrón generado pasa a un centellador que no es más que una placa compuesta de un material sensible a los electrones el cual libera un fotón cada vez que un electrón la impacta y finalmente el fotón pasa a un fotomultiplicador el cual prácticamente multiplica la señal que sería generada por un fotón hasta alcanzar niveles de fácil detección para el equipo y de esta manera la información puede ser representada en un espectro. La imagen 9 es una representación gráfica de este proceso.

Imagen 9. Representación gráfica de la funcion de un detector en un ICP-MS, Fuente.

El resultado que obtenemos es un espectro como el que se aprecia en la imagen 10 este espectro está representado por 2 ejes, uno representa la abundancia relativa (eje Y) y el otro representa la relación tamaño carga m/z (eje x) de manera que se puede determinar la proporción o porcentaje de diversos átomos o isótopos en una muestra al conocer la relación tamaño carga para cada uno y determinar el grado de abundancia por la intensidad de la señal exhibida.

Imagen 10. Espectro de masas del compuesto químico hexanal, Fuente.

Si bien todo esto parece un proceso extenso el hecho es que todo esto ocurre en cuestión de segundos desde que ingresa la muestra hasta que obtenemos el espectro de masas en la pantalla del equipo. Este tipo de espectrómetro como le mencione al inicio representa una herramienta fundamental en un laboratorio de análisis químico debido a las ventajas que nos ofrece con respecto a otros, por lo cual nunca debe de faltar en un laboratorio.

Probablemente sea algo difícil visualizar el completo funcionamiento del ICP-MS por lo cual a continuación les dejo un vídeo animado de uno de los principales fabricantes de este tipo de espectrómetro donde se puede apreciar todo el proceso.