Masa-espektrometro

Masa-espektrometria substantzia baten molekulen banaketa bere masaren arabera zehaztea ahalbidetzen duen analisi-teknika da. Masa-espektrometroa elementu kimiko eta isotopo atomiko ezberdinen konposizioa zehaztasun handiz aztertzeko aukera ematen duen gailua da, nukleo atomikoak masa eta kargaren arteko erlazioaren arabera (m/q) bereiziz. Konposatu bat osatzen duten elementu kimiko desberdinak identifikatzeko edo konposatu bereko elementu ezberdinen eduki isotopikoa zehazteko erabil daiteke. Gas-kromatografo batean, detektagailu gisa aurkitzen da maiz, ingelesez GC-MS izenez ezagutzen den teknika hibridoan.

Thumb — Elektrosprai bidezko ioi-sorta masa-espektrometro batean.

Masa espektrometroak ioien masa/karga erlazioak neurtzen ditu, aztertu beharreko konposatuaren material-sorta bat berotuz atomo desberdinak lurrundu eta ionizatu arte. Ioi-sortak eredu zehatz bat sortzen du detektagailuan, eta horrek konposatua aztertzeko aukera ematen du. Industrian oso erabilia den teknika da erdieroaleen, biosentsoreen, kate polimeriko konplexuen, sendagaien, sintesi kimikoko produktuen, analisi forentseen, ingurumenaren kutsaduran, lurrinetan eta, hautsi gabe, lurrin fasera pasa eta ionizatu daitezkeen mota guztietako analitoetan.

1886an, Eugen Goldstein-ek presio baxuko gasetan deskarga izpiak ikusi zituen zulatutako katodo batean anodotik urrun eta kanaletan barrena, negatiboki kargatutako izpi katodoen norabidearen kontrakoa (katodotik anodora bidaiatuz). Goldsteinek positiboki kargatutako anodo izpi horiei Kanalstrahlen (kanal izpiak) deitu zien. Wilhelm Wien-ek eremu elektriko edo magnetiko indartsuek kanal-izpiak desbideratzen zituztela aurkitu zuen, eta, 1899an, eremu elektriko eta magnetiko paraleloekin izpi positiboak bereizten zituen karga-masaren erlazioan (Q/m) oinarritutako gailu bat eraiki zuen. Wienek karga eta masa erlazioa deskarga-hodiko gasaren izaeraren araberakoa zela aurkitu zuen. J. J. Thomson zientzialari ingelesak —elektroiaren masa eta karga erlazioa neurtzeko interesa zuena— geroago, Wienen lana hobetu zuen presioa murriztuz masa espektrometroaren antzeko lehen tresna sortzeko.

Masa espektrometriako teknika moderno batzuk Arthur Jeffrey Dempster eta FW Aston-ek asmatu zituzten 1918an eta 1919an, hurrenez hurren. 1922an, masa-espektrografoa erabiliz, elementu ez-erradioaktibo anitzen isotopoen aurkikuntzagatik eta zenbaki osoen erregela enuntziatzeagatik Kimikako Nobel Saria eman zioten Astoni. 1989an, Fisikako Nobel Sariaren erdia Hans Dehmelt eta Wolfgang Paul-i eman zieten 1950eko eta 1960ko hamarkadetan ioien tranpa teknika garatzeagatik; beste erdia Norman Foster Ramsey-ri eman zioten. 2002an, Kimikako Nobel Saria eman zieten: John Bennett Fenn-i elektrosprai ionizazioaren garapenagatik (electrospray ionizatio, ESI), eta Koichi Tanakari laser desortzio biguna (soft laser desorptio, SLD) eta haren aplikazioa makromolekula biologikoen ionizazioari, batez ere, proteinenari^[1].

Ioiak detektatzeko teknika helburu batean zentratutako partikulen arbastatze gisa (ingelesez sputtering) ezagutzen den fenomenoan oinarritzen da, ioi, atomo edo molekulek bonbardatzen dituztenak. Partikula primarioaren energia-barrutiaren arabera, talka elastikoak eta inelastikoak gertatzen dira:

keV tartean, interakzio nagusiak elastikoak dira;
talka inelastikoak handitu egiten dira energia handitu ahala. Horiek MeV energia barrutian izaten dira ohikoenak.

Dispertsio-prozesuak ioi sekundarioak sortzen ditu translazio-energia zinetikoen tartean. Energia-banaketa desberdinak dira ioi atomikoekin edo molekularrekin ari garen arabera. SIMS ionizazio-eraginkortasuna ionizatuta dauden atomo sakabanatuen zati gisa definitzen da. Eraginkortasuna analisi-elementuarekiko hainbat magnitude ordenatan aldatzen da. Eragin agerikoenak ionizazio potentziala eta ioi negatiboen afinitate elektronikoa dira.

Funtsezko kontzeptuak

Ebazpena (E) antzeko masa molekularra duten ioien masa bereizteko eta neurtzeko gaitasuna da, eta definitzen da: interesgarria den (m) masaren eta masa-desberdintasunaren (Δm) —seinalearen gailur baten zabalera gisa definitua bere altueraren erdian— arteko zatiketa gisa. Beraz, E=(m/Δm). Inguruko seinaleen bi gailur nahiko bereizita jotzen dira maximoak bereizten dituen seinalearen harana intentsitatearen % 10era jaitsi denean. Irizpide horri «% 10eko haranaren ebazpenaren definizioa» deritzo. % 10eko harana betetzeko baldintza da: gailurraren zabalera % 5era bere altuerarekiko ioien masa-diferentzia berdintzea, orduan, gailur bakoitzaren % 5aren ekarpena m/z ardatzeko puntu berean % 10eraino batzen baitu.
Masa monoisotopikoa eta batez besteko masa:
- Isotopo ugarienaren masa zehatzari masa monoisotopikoa deitzen zaio. Masa monoisotopikoa analitoaren elementu bakoitzaren masa monoisotopikoen batura da.
- Batez besteko masa bere osagaien masen batez besteko kimikoaren batura da, haien ugaritasuna kontuan hartuta.
Masaren zehaztasuna neurtutako masaren ehuneko bat da, eta ehunekotan eta milioiko zatitan neurtzen da.

Oro har, higadura-tasa zenbat eta azkarragoa izan, orduan eta sentsibilitatea hobea izango da; beraz, korronte handian, energia handiko ioi izpi primarioa aproposa da. Baina, zoritxarrez, energiarekin arbastatze eraginkortasuna ez ezik, sartze-sakonera eta kaskadaren bolumena ere handitzen dira (eragindako kalteak, asaldurak). Horregatik, SIMS analisi suntsitzaile teknika bat da. Baldintza dinamikoen eta estatikoen arteko bereizketa uler dezakegu gainazalean aurkitutako lehen geruza atomikoaren bizi-denbora (t) aztertuz^[2]: