Espectrometría de masas con acelerador

La espectrometría de masas con acelerador ( AMS ) es una forma de espectrometría de masas que acelera los iones a energías cinéticas extraordinariamente altas antes del análisis de masas. La principal ventaja de la AMS entre los diferentes métodos de espectrometría de masas reside en su capacidad para separar un isótopo raro de una masa vecina abundante ("sensibilidad a la abundancia", por ejemplo, ^14C de 12C ). ^{[ 1 ]} Este método suprime completamente los isóbaros moleculares y, en muchos casos ^, también puede separar ^los isóbaros atómicos (por ejemplo, 14N ^de 14C ^{) . Esto posibilita la detección de} radioisótopos naturales de larga vida, ^como 10Be ^, 36Cl ^, 26Al y 14C . ( Su abundancia isotópica típica oscila entre ^10⁻¹² y 10⁻¹⁸ ⁾ .

La espectrometría de masas con acelerador (AMS) puede superar a la técnica de conteo de desintegración para todos los isótopos con una vida media suficientemente larga. ^{[ 2 ]} Otras ventajas de la AMS incluyen su corto tiempo de medición, así como su capacidad para detectar átomos en muestras extremadamente pequeñas. ^{[ 3 ]}

Generalmente, los iones negativos se crean (los átomos se ionizan ) en una fuente de iones . En casos favorables, esto permite suprimir un isóbaro no deseado, que no forma iones negativos (como el ^14N en el caso de las mediciones de ^14C ). Los iones preacelerados se separan normalmente mediante un primer espectrómetro de masas de sector y entran en un acelerador electrostático en tándem. Este es un gran acelerador de partículas nucleares basado en el principio de un acelerador de van de Graaff en tándem que opera de 0,2 a varios millones de voltios con dos etapas que operan en tándem para acelerar las partículas. En el punto de conexión entre las dos etapas, los iones cambian de carga de negativa a positiva al pasar a través de una fina capa de materia ("despojamiento", ya sea gas o una fina lámina de carbono). Las moléculas se desintegran en esta etapa de despojamiento. ^{[ 4 ] [ 5 ]} La supresión completa de isóbaros moleculares (por ejemplo, ¹³ CH ⁻ en el caso de mediciones de ¹⁴ C) es una razón de la excepcional sensibilidad de abundancia de AMS. Además, el impacto arranca varios de los electrones del ion, convirtiéndolo en un ion con carga positiva. En la segunda mitad del acelerador, el ion ahora con carga positiva es acelerado lejos del centro altamente positivo del acelerador electrostático que previamente atrajo al ion negativo. Cuando los iones salen del acelerador están cargados positivamente y se mueven a varios por ciento de la velocidad de la luz. En la segunda etapa del espectrómetro de masas, los fragmentos de las moléculas se separan de los iones de interés. Este espectrómetro puede constar de sectores magnéticos o eléctricos y los llamados selectores de velocidad , que utilizan campos eléctricos y magnéticos . Tras esta etapa, no queda ningún fondo, a menos que exista un isóbaro estable (atómico) que forme iones negativos (por ejemplo, ^36S si se mide ^36Cl ), el cual no se suprime en absoluto con la configuración descrita hasta ahora. Gracias a la alta energía de los iones, estos pueden separarse mediante métodos propios de la física nuclear, como láminas atenuadoras e imanes llenos de gas. Finalmente, los iones individuales se detectan mediante el conteo de iones individuales (con detectores de barrera superficial de silicio, cámaras de ionización o telescopios de tiempo de vuelo). Gracias a la alta energía de los iones, estos detectores pueden proporcionar una identificación adicional de los isóbaros de fondo mediante la determinación de la carga nuclear.

Generalizaciones

Lo anterior es solo un ejemplo. Existen otras formas de lograr la espectrometría de masas con acelerador (AMS); sin embargo, todas se basan en mejorar la selectividad y especificidad de masas mediante la creación de altas energías cinéticas antes de la destrucción de la molécula por desorción, seguida del conteo de iones individuales.

LW Alvarez y Robert Cornog, de Estados Unidos, fueron los primeros en utilizar un acelerador como espectrómetro de masas en 1939, cuando emplearon un ciclotrón para demostrar la estabilidad del ^³He . A partir de esta observación, concluyeron de inmediato y correctamente que el otro isótopo de masa 3, el tritio ( ^³H ), era radiactivo. En 1977, inspirado por este trabajo inicial, Richard A. Muller, del Laboratorio Lawrence Berkeley, reconoció que los aceleradores modernos podían acelerar partículas radiactivas a una energía tal que las interferencias de fondo podían separarse mediante técnicas de identificación de partículas. Publicó el artículo fundamental en Science ^{[ 7 ],} donde demostró cómo los aceleradores (ciclotrones y lineales) podían utilizarse para la detección de tritio, radiocarbono ( ^¹⁴C ) y otros isótopos de interés científico, como el ¹⁰Be ^. También informó de la primera datación radioisotópica exitosa obtenida experimentalmente con tritio. Su artículo fue la inspiración directa para otros grupos que utilizaban ciclotrones (G. Raisbeck y F. Yiou, en Francia) y aceleradores lineales en tándem (D. Nelson, R. Korteling, W. Stott en McMaster). K. Purser y sus colegas también publicaron la detección exitosa de radiocarbono utilizando su acelerador en tándem en Rochester. Poco después, los equipos de Berkeley y Francia informaron la detección exitosa de ¹⁰ Be, un isótopo ampliamente utilizado en geología. Pronto, la técnica del acelerador, al ser más sensible por un factor de aproximadamente 1000, prácticamente suplantó los métodos más antiguos de "conteo de desintegración" para estos y otros radioisótopos. En 1982, los laboratorios AMS comenzaron a procesar muestras arqueológicas para datación por radiocarbono ^{[ 8 ].}

Existen muchas aplicaciones para AMS en diversas disciplinas. AMS se emplea con mayor frecuencia para determinar la concentración de ¹⁴ C , por ejemplo, por arqueólogos para datación por radiocarbono . En comparación con otros métodos de datación por radiocarbono, AMS requiere tamaños de muestra más pequeños (alrededor de 50  mg), a la vez que produce cronologías extensas. La tecnología MS ha ampliado el alcance de la datación por radiocarbono. Se pueden datar con éxito muestras que van desde 50 000 años de antigüedad hasta 100 años de antigüedad utilizando AMS, ^{[ 9 ]} ya que otras formas de espectrometría de masas proporcionan una supresión insuficiente de isóbaros moleculares para resolver ¹³ CH y ¹² CH ₂ de los átomos de ¹⁴ C. Debido a la larga vida media del ¹⁴ C, el conteo de desintegración requiere muestras significativamente más grandes. ¹⁰ Be, ²⁶ Al y ³⁶ Cl se utilizan para la datación de exposición superficial en geología. ^{[ 10 ] 3} H , ¹⁴ C, ³⁶ Cl y ¹²⁹ I se utilizan como trazadores hidrológicos.

La espectrometría de masas con acelerador se utiliza ampliamente en la investigación biomédica. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} En particular, ^{el 41} Ca se ha utilizado para medir la resorción ósea en mujeres posmenopáusicas.

• Lista de instalaciones de espectrometría de masas con acelerador
• Laboratorio de Espectrometría de Masas con Acelerador de Arizona