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La ionización por chispa (también conocida como ionización por fuente de chispa ) es un método utilizado para producir iones en fase gaseosa a partir de una muestra sólida. La muestra sólida preparada se vaporiza y se ioniza parcialmente mediante una descarga intermitente o chispa. [ 1 ] Esta técnica se utiliza principalmente en el campo de la espectrometría de masas . 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). [ 2 ]
Historia
El uso de la ionización por chispa para el análisis de impurezas en sólidos fue indicado por el trabajo de Dempster en 1935. [ 3 ] Los metales eran una clase de materiales que no podían ser ionizados previamente por ionización térmica (el método utilizado anteriormente para ionizar muestras sólidas). Las fuentes de iones por chispa no se produjeron comercialmente hasta después de 1954, cuando Hannay demostró su capacidad para el análisis de impurezas traza (sensibilidad de detección de subpartes por millón) en materiales semiconductores. [ 4 ] El prototipo del instrumento de fuente de chispa fue el espectrómetro de masas MS7 producido por Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd. en 1959. La producción comercial de instrumentos de fuente de chispa continuó durante las décadas de 1950, 1960 y 1970, pero fueron eliminados gradualmente cuando se inventaron otras técnicas de detección de elementos traza con resolución y precisión mejoradas (alrededor de la década de 1960). [ 5 ] Los sucesores de la fuente de iones de chispa para el análisis de elementos traza son la fuente de iones láser, la fuente de iones de descarga luminiscente y la fuente de iones de plasma acoplado inductivamente . Hoy en día, muy pocos laboratorios utilizan la ionización por chispa en todo el mundo.
Cómo funciona
La fuente de iones por chispa consta de una cámara de vacío que contiene los electrodos, denominada carcasa de chispa. Las puntas de los electrodos están compuestas de la muestra o la contienen y están conectadas eléctricamente a la fuente de alimentación. Los electrodos de extracción crean un campo eléctrico que acelera los iones generados a través de la ranura de salida.
Fuentes de iones
Para la ionización por chispa, existen dos fuentes de iones: la fuente de arco de corriente continua (CC) de bajo voltaje y la fuente de chispa de radiofrecuencia (RF) de alto voltaje. La fuente de arco presenta una mejor reproducibilidad y los iones producidos tienen una dispersión de energía más estrecha en comparación con la fuente de chispa; sin embargo, la fuente de chispa tiene la capacidad de ionizar tanto muestras conductoras como no conductoras, mientras que la fuente de arco solo puede ionizar muestras conductoras. [ 6 ]
En la fuente de arco de CC de bajo voltaje, se aplica un alto voltaje a los dos electrodos conductores para iniciar la chispa, seguido de la aplicación de una corriente continua de bajo voltaje para mantener el arco entre los electrodos. La duración del arco suele ser de tan solo unos cientos de microsegundos para evitar el sobrecalentamiento de los electrodos, y se repite entre 50 y 100 veces por segundo. [ 2 ] Este método solo puede utilizarse para ionizar muestras conductoras, por ejemplo, metales.
La fuente de chispa de radiofrecuencia de alto voltaje es la que se utiliza en los instrumentos comerciales de espectrometría de masas de estado sólido (SSMS) debido a su capacidad para ionizar materiales conductores y no conductores. Normalmente, las muestras se incorporan físicamente a dos electrodos conductores entre los cuales se produce una chispa eléctrica intermitente (1 MHz) de alto voltaje (50-100 kV utilizando un transformador Tesla) , ionizando el material en las puntas de los electrodos en forma de aguja. [ 2 ] Cuando se aplica la corriente pulsada a los electrodos en ultra alto vacío, se produce un plasma de descarga de chispa en el espacio de chispa en el que se generan iones por impacto de electrones. Dentro del plasma de descarga, la muestra se evapora, se atomiza y se ioniza por impacto de electrones. [ 7 ] La corriente iónica total se puede optimizar ajustando la distancia entre los electrodos. Este modo de ionización se puede utilizar para ionizar muestras conductoras, semiconductoras y no conductoras.
Preparación de la muestra
Las muestras conductoras y semiconductoras pueden analizarse directamente tras ser convertidas en electrodos. Las muestras no conductoras se pulverizan, se mezclan con un polvo conductor (generalmente grafito o plata de alta pureza), se homogeneizan y, a continuación, se les da forma de electrodos. Incluso los líquidos pueden analizarse si se congelan o después de impregnarlos con un polvo conductor. [ 8 ] La homogeneidad de la muestra es importante para la reproducibilidad.
Espectrometría de masas con fuente de chispa (SSMS)
La fuente de chispa de RF crea iones con una amplia dispersión de energía (2-3 kV), lo que requiere un analizador de masas de doble enfoque. Los analizadores de masas suelen tener geometría Mattauch-Herzog , que logra el enfoque direccional y de velocidad en un plano con placas fotosensibles para la detección de iones o matrices de detectores de canaltrón lineal . [ 9 ] SSMS tiene varias características únicas que la convierten en una técnica útil para diversas aplicaciones. Las ventajas de SSMS incluyen alta sensibilidad con límites de detección en el rango de ppb, detección simultánea de todos los elementos en una muestra y preparación de muestra sencilla. Sin embargo, la corriente de iones de chispa de RF es discontinua e irregular, lo que resulta en una resolución y precisión aceptables cuando no se implementan estándares. Otras desventajas incluyen equipos costosos, largo tiempo de análisis y la necesidad de personal altamente capacitado para analizar el espectro. [ 5 ]
Aplicaciones de SSMS
La espectrometría de masas con fuente de chispa se ha utilizado para el análisis de trazas y el análisis multielemental en materiales altamente conductores, semiconductores y no conductores. Algunos ejemplos de aplicaciones de SSMS son el análisis de elementos traza en materiales de alta pureza, el análisis multielemental de elementos en aleaciones técnicas, muestras geoquímicas y cosmoquímicas, muestras biológicas, muestras de corrientes industriales y material radiactivo. [ 8 ]
Referencias
- ↑ Definición del libro de oro de la IUPAC
- 1 2 3 H. E. Beske, A. Hurrle y KP Jochum (1981). "Parte I. Principios de la espectrometría de masas con fuente de chispa (SSMS)". Fresenius' Journal of Analytical Chemistry . 309 (4): 258– 261. doi : 10.1007/BF00488596 .
- ↑ Dempster, AJ (abril de 1935). "Nuevas fuentes de iones para espectroscopia de masas" . Nature . 135 (3414): 542. doi : 10.1038/135542a0 .
- ↑ Hannay, NB (julio de 1954). "Un espectrógrafo de masas para el análisis de sólidos". Review of Scientific Instruments . 25 (7): 644– 648. doi : 10.1063/1.1771150 .
- 1 2 Verlinden, Jozef; Gijbels, Renaat; Adams, Freddy (1986). "Aplicaciones de la espectrometría de masas con fuente de chispa en el análisis de materiales semiconductores. Una revisión". Journal of Analytical Atomic Spectrometry . 1 (6): 411. doi : 10.1039/JA9860100411 .
- ↑ Adams, F.; Thomas, JM (1982). "Avances recientes en espectrometría de masas con fuente de chispa analítica [y discusión]". Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 305 (1491): 509– 519. doi : 10.1098/rsta.1982.0048 . ISSN 0080-4614 . JSTOR 37113 .
- ↑ Kraj, Agnieszka (2009). Ekman, Rolf; Silberring, Jerzy; Westman-Brinkmalm, Ann; Kraj, Agnieszka (eds.). Espectrometría de masas: instrumentación, interpretación y aplicaciones . John Wiley & Sons. pp. 19–20 . doi : 10.1002/9780470395813 . ISBN 9780470395806.
- 1 2 Beske, ÉL; Gijbels, R.; Hurrle, A.; Jochum, KP (1981). "Parte IV. Revisión y evaluación de la espectrometría de masas con fuente de chispa como método analítico". Zeitschrift für Analytische Chemie de Fresenius . 309 (4): 329– 341. doi : 10.1007/BF00488613 .
- ↑ Becker, Sabine; Dietze, Hans-Joachim (29 de febrero de 2000). "Métodos espectrométricos de masas inorgánicos para análisis de trazas, ultratrazas, isótopos y superficies". International Journal of Mass Spectrometry . 197 ( 1–3 ): 1–35 . doi : 10.1016/S1387-3806(99)00246-8 .
- Fuente de iones
