como funciona un espectrómetro de masas

Los principios en los que se basa la espectrometría de masas son algo abstractos, así que comencemos con un ejercicio mental. Imagínese que quiere pesar un camión completamente cargado. Lo más fácil sería conducir el vehículo hasta una báscula de camiones pesados. Después, queremos pesar una rueda. Esto lo podríamos hacer con una báscula normal. A continuación queremos pesar un tornillo de esa rueda, para lo cual nos serviría cualquier báscula simple de cocina. Finalmente, imagine que lo quiere pesar es un átomo de la superficie del tornillo. ¿Cómo lo haría? Incluso la balanza más precisa y exacta construida actualmente sería incapaz de realizar la medición.

Fundamentos de la espectrometría de masas

Esta fue la situación a la que se enfrentaban los químicos a principios del siglo XX. Gracias a la teoría atómica de John Dalton, sabían que la materia estaba formada por átomos y que los átomos de un mismo elemento eran iguales. Pero, ¿qué aspecto tenía un átomo y cuánto pesaba? En 1897, J.J. Thomson descubrió el electrón estudiando el comportamiento de los rayos catódicos, la corriente de partículas con carga negativa que se originaban en el cátodo en un tubo de vacío lleno de gas. Un año más tarde, en 1898, Willy Wien comenzó a trabajar con “rayos positivos”, partículas cargadas positivamente que salen del ánodo y se dirigen al cátodo. Wien observó que un campo magnético podía desviar los rayos positivos. Posteriormente, en 1907, Thomson comenzó a desviar los rayos positivos con campos eléctricos y magnéticos y descubrió que podía determinar la masa de las partículas midiendo la distancia a la cual eran desviadas.

En 1919, Francis Aston mejoró los métodos y equipos de Thomson, lo que llevó al primer espectrómetro de masas que era, literalmente, un equipo que pesaba átomos y moléculas. Hoy día también se usa para medir los pesos moleculares de los compuestos, pero también para identificar y cuantificar sustancias presentes en una muestra.  

Entendiendo la espectrometría de masas

Para comprender los principios básicos de la espectrometría de masas vamos a poner el siguiente ejemplo. Imaginemos a una persona situada en lo alto de un rascacielos en un día con mucho viento. Esa persona tiene varias pelotas de distinto tamaño: una pelota de tenis, un balón de fútbol y un balón medicinal. Y se dispone a lanzarlas al vacío una a una. A medida que cada pelota cae, el viento desvía la trayectoria a lo largo de un camino curvo. La masa de cada pelota influye en la trayectoria ya que, por ejemplo, el balón medicinal es más pesado que la pelota de tenis y por lo tanto será más difícil de mover por el viento. Así que cada pelota seguirá una trayectoria diferente.

En un espectrómetro de masas sucede lo mismo, con la excepción de que en lugar de las pelotas son los átomos los que se están desviando y son los campos eléctricos o magnéticos los que desvían la trayectoria de esos átomos.

Detectando iones

Figura 1. Ionización mediante ESI

Los átomos, para poder ser desviados por campos magnéticos o eléctricos, deben ionizarse primero mediante un bombardeo de un haz de electrones, dando lugar a partículas cargadas positivamente. Esos electrones actúan como bolas de billar, eliminando electrones de la muestra. Esto se consigue pasando la muestra en solución a través de un capilar al que se aplica un potencial eléctrico. A la salida del capilar la solución se dispersa en forma de spray, formando pequeñas gotas cargadas, las cuales se evaporan rápidamente. Esto es lo que se conoce como ionización por electrospray (ESI por sus siglas en inglés).

A continuación, los iones positivos salen de la cámara de ionización mediante la fuerza de un campo eléctrico provista de una red cargada positivamente (repele) y otra cargada negativamente (atrae). Debido a que las fuerzas de atracción y repulsión actúan en la misma dirección, los iones se moverán rápidamente hacia la red cargada negativamente. Los iones más ligeros “viajarán” a mayor velocidad que los iones más pesados.

El trabajo principal del analizador de masas es aplicar un campo magnético externo a los iones que salen de la cámara de ionización. Este campo externo interactúa con el campo magnético generado por las partículas en movimiento, lo que hace que la trayectoria de cada partícula se doble ligeramente. La cantidad de curvas de la trayectoria de un ión depende de dos factores: la masa y su carga. Esto se conoce como relación (m/z), donde los iones más ligeros y con una carga mayor se desvían más que los iones pesados con una carga más pequeña. Por tanto, cada ión sigue un camino que depende de su masa.

Detectando iones

Los átomos, para poder ser desviados por campos magnéticos o eléctricos, deben ionizarse primero mediante un bombardeo de un haz de electrones, dando lugar a partículas cargadas positivamente. Esos electrones actúan como bolas de billar, eliminando electrones de la muestra. Esto se consigue pasando la muestra en solución a través de un capilar al que se aplica un potencial eléctrico. A la salida del capilar la solución se dispersa en forma de spray, formando pequeñas gotas cargadas, las cuales se evaporan rápidamente. Esto es lo que se conoce como ionización por electrospray (ESI por sus siglas en inglés).

A continuación, los iones positivos salen de la cámara de ionización mediante la fuerza de un campo eléctrico provista de una red cargada positivamente (repele) y otra cargada negativamente (atrae). Debido a que las fuerzas de atracción y repulsión actúan en la misma dirección, los iones se moverán rápidamente hacia la red cargada negativamente. Los iones más ligeros “viajarán” a mayor velocidad que los iones más pesados.

El trabajo principal del analizador de masas es aplicar un campo magnético externo a los iones que salen de la cámara de ionización. Este campo externo interactúa con el campo magnético generado por las partículas en movimiento, lo que hace que la trayectoria de cada partícula se doble ligeramente. La cantidad de curvas de la trayectoria de un ión depende de dos factores: la masa y su carga. Esto se conoce como relación (m/z), donde los iones más ligeros y con una carga mayor se desvían más que los iones pesados con una carga más pequeña. Por tanto, cada ión sigue un camino que depende de su masa.

De todos los iones que pasan a través del analizador de masas habrá muchos que no nos interesen. Para lo cual filtramos la corriente de iones que nos interese haciéndolos llegar hasta el detector, el cual nos va a dar el espectro de masas. Este espectro de masas se representa mediante un eje X con la masa de los distintos iones y un eje Y que nos da la intensidad relativa. A continuación se muestra un ejemplo de un espectro de masas de la capsaicina en el que podemos ver su ión molecular de 305 (Figura 2). Un compuesto no tan desconocido para las personas que disfruten de las comidas picantes. En otra ocasión hablaremos sobre esta molécula tan interesante.

Figura 2. Espectro de masas de la capsaicina

De todos los iones que pasan a través del analizador de masas habrá muchos que no nos interesen. Para lo cual filtramos la corriente de iones que nos interese haciéndolos llegar hasta el detector, el cual nos va a dar el espectro de masas. Este espectro de masas se representa mediante un eje X con la masa de los distintos iones y un eje Y que nos da la intensidad relativa. A continuación se muestra un ejemplo de un espectro de masas de la capsaicina en el que podemos ver su ión molecular de 305 (Figura 2). Un compuesto no tan desconocido para las personas que disfruten de las comidas picantes. En otra ocasión hablaremos sobre esta molécula tan interesante.