Fuente de iones

La ionización por captura electrónica (ECI) es la ionización de un átomo o molécula en fase gaseosa mediante la unión de un electrón para crear un ion de la forma A ^−• . La reacción es

${\displaystyle {\ce {A + e^- ->[M] A^-}}}$

donde la M sobre la flecha indica que para conservar la energía y el momento se requiere un tercer cuerpo (la molecularidad de la reacción es tres).

La captura de electrones puede utilizarse junto con la ionización química . ^{[ 4 ]}

En algunos sistemas de cromatografía de gases se utiliza un detector de captura de electrones . ^{[ 5 ]}

La ionización por intercambio de carga (también conocida como ionización por transferencia de carga) es una reacción en fase gaseosa entre un ion y un átomo o molécula en la que la carga del ion se transfiere a la especie neutra. ^{[ 8 ]}

${\displaystyle {\ce {A+ + B -> A + B+}}}$

La quimioionización es la formación de un ion mediante la reacción de un átomo o molécula en fase gaseosa con un átomo o molécula en estado excitado . ^{[ 9 ] [ 10 ]} La quimioionización puede representarse mediante

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->G{}+M^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

donde G es la especie en estado excitado (indicada por el asterisco en superíndice) y M es la especie que se ioniza por la pérdida de un electrón para formar el catión radical (indicado por el punto más en superíndice).

La ionización asociativa es una reacción en fase gaseosa en la que dos átomos o moléculas interactúan para formar un único ion producto. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} Una o ambas especies que interactúan pueden tener exceso de energía interna .

Por ejemplo,

${\displaystyle {\ce {A^{\ast }{}+B->AB^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

donde la especie A con exceso de energía interna (indicada por el asterisco) interactúa con B para formar el ion AB ⁺ .

La ionización de Penning es una forma de quimioionización que implica reacciones entre átomos o moléculas neutras. ^{[ 14 ] [ 15 ]} El proceso recibe su nombre del físico neerlandés Frans Michel Penning, quien lo describió por primera vez en 1927. ^{[ 16 ] La ionización de Penning implica una reacción entre un átomo o molécula G *} en estado excitado en fase gaseosa y una molécula objetivo M, lo que da como resultado la formación de un catión molecular radical M ⁺ , un electrón e− ^y una molécula de gas neutra G: ^{[ 17 ]}

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->G{}+M^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

La ionización de Penning se produce cuando la molécula objetivo tiene un potencial de ionización inferior a la energía interna del átomo o molécula en estado excitado.

La ionización de Penning asociativa puede proceder a través de

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->MG^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

La ionización de Penning superficial (también conocida como desexcitación Auger) se refiere a la interacción del gas en estado excitado con una superficie masiva S, lo que resulta en la liberación de un electrón según

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+S->G{}+S{}+e^{-}}}}$.

La ionización por unión de iones es similar a la ionización química, en la que un catión se une a la molécula del analito en una colisión reactiva:

${\displaystyle {\ce {M + X+ + A -> MX+ + A}}}$

Donde M es la molécula del analito, X ⁺ es el catión y A es un compañero de colisión que no reacciona. ^{[ 18 ]}

En una fuente de iones radiactivos, se utiliza un pequeño trozo de material radiactivo, por ejemplo 63Ni o 241Am, para ionizar un gas. ^Esto se ^utiliza en detectores de humo por ionización y espectrómetros de movilidad iónica .

Los iones pueden crearse en un plasma acoplado inductivamente, que es una fuente de plasma en la que la energía es suministrada por corrientes eléctricas producidas por inducción electromagnética , es decir, por campos magnéticos variables en el tiempo . ^{[ 19 ]}

Las fuentes de iones de plasma inducido por microondas son capaces de excitar descargas de gas sin electrodos para crear iones para espectrometría de masas de elementos traza. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Un plasma de microondas tiene radiación electromagnética de alta frecuencia en el rango de GHz . Es capaz de excitar descargas de gas sin electrodos . Si se aplican en modo de onda superficial sostenida , son especialmente adecuadas para generar plasmas de gran área con alta densidad de plasma. Si están tanto en modo de onda superficial como de resonador , pueden exhibir un alto grado de localización espacial. Esto permite separar espacialmente la ubicación de las generaciones de plasma de la ubicación del procesamiento de la superficie. Dicha separación (junto con un esquema de flujo de gas apropiado) puede ayudar a reducir el efecto negativo que las partículas liberadas de un sustrato procesado pueden tener en la química del plasma de la fase gaseosa .

La fuente de iones ECR utiliza la resonancia ciclotrónica de electrones para ionizar un plasma. Se inyectan microondas en un volumen a la frecuencia correspondiente a la resonancia ciclotrónica de electrones, definida por el campo magnético aplicado a una región dentro de dicho volumen. El volumen contiene un gas a baja presión.

Los iones pueden crearse en una descarga luminiscente . Una descarga luminiscente es un plasma formado por el paso de corriente eléctrica a través de un gas a baja presión. Se crea aplicando un voltaje entre dos electrodos metálicos en una cámara al vacío que contiene gas. Cuando el voltaje supera un cierto valor, denominado voltaje de descarga , el gas forma un plasma.

Un duoplasmatrón es un tipo de fuente de iones de descarga luminiscente que consta de un cátodo caliente o frío que produce un plasma que se utiliza para ionizar un gas. ^{[ 1 ] [ 22 ]} Pueden producir iones positivos o negativos. ^{[ 23 ]} Se utilizan para espectrometría de masas de iones secundarios, grabado con haz de iones y física de altas energías. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

En un plasma residual en flujo, los iones se forman en un flujo de gas inerte, típicamente helio o argón . ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} Se añaden reactivos aguas abajo para crear productos iónicos y estudiar las velocidades de reacción. La espectrometría de masas de plasma residual en flujo se utiliza para el análisis de gases traza para compuestos orgánicos. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

La ionización por chispa eléctrica se utiliza para producir iones en fase gaseosa a partir de una muestra sólida. Cuando se incorpora a un espectrómetro de masas, el instrumento completo se denomina espectrómetro de masas de ionización por chispa o espectrómetro de masas de fuente de chispa (SSMS). ^{[ 32 ]}

Una fuente de iones de deriva cerrada utiliza un campo magnético radial en una cavidad anular para confinar electrones e ionizar un gas. Se utilizan para la implantación iónica y para la propulsión espacial ( propulsores de efecto Hall ).

En la ionización multifotónica (MPI), varios fotones con una energía inferior al umbral de ionización pueden combinar sus energías para ionizar un átomo.

La ionización multifotónica mejorada por resonancia (REMPI, por sus siglas en inglés) es una forma de MPI en la que uno o más de los fotones acceden a una transición ligada-ligada que resuena en el átomo o molécula que se está ionizando.

La fotoionización a presión atmosférica (APPI) utiliza una fuente de fotones, generalmente una lámpara UV de vacío (VUV), para ionizar el analito mediante un proceso de ionización de un solo fotón. De forma análoga a otras fuentes de iones a presión atmosférica, se calienta un aerosol de disolvente a temperaturas relativamente altas (superiores a 400 grados Celsius) y se rocía con un flujo elevado de nitrógeno para su desolvatación. El aerosol resultante se somete a radiación UV para generar iones. La ionización láser a presión atmosférica utiliza fuentes de luz láser UV para ionizar el analito mediante MPI.

La desorción de campo se refiere a una fuente de iones en la que se aplica un campo eléctrico de alto potencial a un emisor con una superficie afilada, como una cuchilla de afeitar, o más comúnmente, un filamento del que se han formado diminutos "bigotes". ^{[ 34 ]} Esto da como resultado un campo eléctrico muy alto que puede provocar la ionización de moléculas gaseosas del analito. Los espectros de masas producidos por FI tienen poca o ninguna fragmentación. Están dominados por cationes radicales moleculares M ⁺ y, con menos frecuencia, por moléculas protonadas [ M + H] ⁺

La desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI) es una técnica de ionización suave. La muestra se mezcla con una matriz. Al recibir un pulso láser, la matriz absorbe la energía láser y se cree que, como consecuencia, la matriz se desorbe e ioniza (mediante la adición de un protón). Las moléculas del analito también se desorben. Posteriormente, se cree que la matriz transfiere un protón a las moléculas del analito (por ejemplo, a las proteínas), cargándolas así.

La ionización asistida por matriz (MAI) es similar a MALDI en la preparación de la muestra, pero no requiere un láser para convertir las moléculas del analito incluidas en un compuesto de matriz en iones en fase gaseosa. En MAI, los iones del analito tienen estados de carga similares a los de la ionización por electrospray, pero se obtienen de una matriz sólida en lugar de un disolvente. No se requiere voltaje ni láser, pero se puede usar un láser para obtener resolución espacial para la obtención de imágenes. Las muestras de matriz-analito se ionizan en el vacío de un espectrómetro de masas y se pueden introducir en el vacío a través de una entrada de presión atmosférica. Las matrices menos volátiles, como el ácido 2,5-dihidroxibenzoico, requieren un tubo de entrada caliente para producir iones de analito mediante MAI, pero las matrices más volátiles, como el 3-nitrobenzonitrilo, no requieren calor, voltaje ni láser. Simplemente introduciendo la muestra de matriz-analito en la abertura de entrada de un espectrómetro de masas de ionización a presión atmosférica se producen iones abundantes. Compuestos al menos tan grandes como la albúmina sérica bovina [66 kDa] pueden ionizarse con este método. ^{[ 53 ]} En este método, la entrada al espectrómetro de masas puede considerarse la fuente de iones.

La ionización química a presión atmosférica utiliza un chorro de disolvente a presión atmosférica. ^{[ 54 ]} Un chorro de disolvente se calienta a temperaturas relativamente altas (superiores a 400 grados Celsius), se rocía con altos caudales de nitrógeno y toda la nube de aerosol se somete a una descarga de corona que crea iones, actuando el disolvente evaporado como gas reactivo de ionización química. La APCI no es una técnica de ionización tan "suave" (de baja fragmentación) como la ESI. ^{[ 55 ]} Cabe señalar que la ionización a presión atmosférica (API) no debe utilizarse como sinónimo de APCI. ^{[ 56 ]}

La ionización por termonebulización es una forma de ionización a presión atmosférica en espectrometría de masas . Transfiere iones de la fase líquida a la fase gaseosa para su análisis. Es particularmente útil en cromatografía líquida-espectrometría de masas . ^{[ 57 ]}

En la ionización por electrospray, un líquido se empuja a través de un capilar muy pequeño, cargado y generalmente metálico . ^{[ 58 ]} Este líquido contiene la sustancia a estudiar, el analito , disuelta en una gran cantidad de solvente , que suele ser mucho más volátil que el analito. A menudo también se añaden ácidos, bases o tampones volátiles a esta solución. El analito existe como un ion en solución, ya sea en su forma aniónica o catiónica. Debido a que las cargas iguales se repelen, el líquido se expulsa del capilar y forma un aerosol, una niebla de pequeñas gotitas de aproximadamente 10 μm de diámetro. El aerosol se produce, al menos parcialmente, mediante un proceso que implica la formación de un cono de Taylor y un chorro desde la punta de este cono. A veces se utiliza un gas portador sin carga, como el nitrógeno , para ayudar a nebulizar el líquido y a evaporar el solvente neutro de las gotitas. A medida que el solvente se evapora, las moléculas del analito se acercan, se repelen entre sí y rompen las gotitas. Este proceso se denomina fisión de Coulomb porque está impulsado por fuerzas repulsivas de Coulomb entre moléculas cargadas. El proceso se repite hasta que el analito queda libre de disolvente y es un ion desnudo. Los iones observados se crean mediante la adición de un protón (un ion hidrógeno) y se denotan como [ M + H] ⁺ , o de otro catión como el ion sodio, [ M + Na] ⁺ , o la eliminación de un protón, [ M − H] ⁻ . A menudo se observan iones con carga múltiple como [ M + 2H] ²⁺ . Para las macromoléculas , puede haber muchos estados de carga, que ocurren con diferentes frecuencias; la carga puede ser tan grande como [ M + 24H] ²⁴⁺ , por ejemplo. ^{[ 59 ]}

La ionización a presión atmosférica sin contacto es una técnica utilizada para el análisis de muestras líquidas y sólidas mediante espectrometría de masas. ^{[ 61 ]} La API sin contacto puede funcionar sin una fuente de alimentación eléctrica adicional (que suministre voltaje al emisor), suministro de gas o bomba de jeringa . Por lo tanto, la técnica proporciona un método sencillo para analizar compuestos químicos mediante espectrometría de masas a presión atmosférica.

La ionización por pulverización sónica es un método para crear iones a partir de una solución líquida, por ejemplo, una mezcla de metanol y agua. ^{[ 62 ]} Se utiliza un nebulizador neumático para convertir la solución en una pulverización supersónica de pequeñas gotitas. Los iones se forman cuando el disolvente se evapora y la distribución de carga estadísticamente desequilibrada en las gotitas produce una carga neta; la desolvatación completa da como resultado la formación de iones. La ionización por pulverización sónica se utiliza para analizar pequeñas moléculas orgánicas y fármacos, y puede analizar moléculas grandes cuando se aplica un campo eléctrico al capilar para ayudar a aumentar la densidad de carga y generar iones con carga múltiple de proteínas. ^{[ 63 ]}

La ionización por pulverización sónica se ha acoplado con la cromatografía líquida de alta resolución para el análisis de fármacos. ^{[ 64 ] [ 65 ]} Se han estudiado oligonucleótidos con este método. ^{[ 66 ] [ 67 ]} La SSI se ha utilizado de forma similar a la ionización por electrospray de desorción ^{[ 68 ]} para la ionización ambiental y se ha acoplado con la cromatografía de capa fina de esta forma. ^{[ 69 ]}

La ionización por pulverización asistida por ultrasonidos (UASI) es similar a las técnicas anteriores, pero utiliza un transductor ultrasónico para lograr la atomización del material y generar iones. ^{[ 70 ] [ 71 ]}

En un espectrómetro de masas, una muestra se ioniza en una fuente de iones y los iones resultantes se separan según su relación masa-carga. Los iones se detectan y los resultados se muestran como espectros de la abundancia relativa de los iones detectados en función de dicha relación. Los átomos o moléculas de la muestra se pueden identificar correlacionando masas conocidas con las masas identificadas o mediante un patrón de fragmentación característico.

^{En los aceleradores de partículas ,} una fuente de iones crea un haz de partículas al inicio de la máquina, la fuente . La tecnología para crear fuentes de iones para aceleradores de partículas depende en gran medida del tipo de partícula que se necesita generar: electrones , protones , iones H− o iones pesados .

Los electrones se generan con un cañón de electrones , del cual existen muchas variedades.

Los protones se generan con un dispositivo basado en plasma , como un duoplasmatrón o un magnetrón .

^{Los iones} H⁻ se generan mediante un magnetrón o una fuente Penning . Un magnetrón consta de un cátodo cilíndrico central rodeado por un ánodo. La tensión de descarga suele ser superior a 150  V y la corriente de descarga ronda los 40  A. Un campo magnético de aproximadamente 0,2 teslas es paralelo al eje del cátodo . El hidrógeno gaseoso se introduce mediante una válvula de gas pulsada. El cesio se utiliza a menudo para reducir la función de trabajo del cátodo, aumentando así la cantidad de iones producidos. También se emplean grandes fuentes de cesio para el calentamiento del plasma en dispositivos de fusión nuclear. 

En una fuente Penning , un campo magnético intenso, paralelo al campo eléctrico de la vaina, guía los electrones e iones en espirales ciclotrónicas de cátodo a cátodo. En los cátodos se generan iones H-menos rápidos, al igual que en un magnetrón. Estos iones se ralentizan debido a la reacción de intercambio de carga al migrar hacia la abertura del plasma. Esto da como resultado un haz de iones más frío que el obtenido en un magnetrón.

Los iones pesados ​​pueden generarse con una fuente de iones de resonancia ciclotrónica de electrones . El uso de fuentes de iones de resonancia ciclotrónica de electrones (ECR) para la producción de haces intensos de iones altamente cargados ha crecido enormemente en la última década. Las fuentes de iones ECR se utilizan como inyectores en aceleradores lineales, generadores Van de Graaff o ciclotrones en física nuclear y de partículas elementales. En física atómica y de superficies, las fuentes de iones ECR proporcionan haces intensos de iones altamente cargados para experimentos de colisión o para la investigación de superficies. Sin embargo, para los estados de carga más altos, se necesitan fuentes de iones de haz de electrones (EBIS). Estas pueden generar incluso iones desnudos de elementos de peso medio. La trampa de iones de haz de electrones (EBIT), basada en el mismo principio, puede producir hasta iones de uranio desnudos y también puede utilizarse como fuente de iones.

Los iones pesados ​​también pueden generarse con un cañón de iones , que normalmente utiliza la emisión termoiónica de electrones para ionizar una sustancia en estado gaseoso. Estos instrumentos se utilizan habitualmente para el análisis de superficies.

El gas fluye a través de la fuente de iones entre el ánodo y el cátodo. Se aplica un voltaje positivo al ánodo. Este voltaje, combinado con el alto campo magnético entre las puntas de los cátodos interno y externo, permite que se inicie un plasma. Los iones del plasma son repelidos por el campo eléctrico del ánodo. Esto crea un haz de iones. ^{[ 84 ]}

• Limpieza de superficies y pretratamiento para la deposición en grandes áreas.
• deposición de película delgada
• Deposición de películas gruesas de carbono tipo diamante (DLC).
• Rugosidad superficial de polímeros para mejorar la adhesión y/o la biocompatibilidad ^{[ 85 ]}