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 o chispa intermitente. [1] Esta técnica se utiliza principalmente en el campo de la espectrometría de masas . Cuando se incorpora con un espectrómetro de masas, el instrumento completo se denomina espectrómetro de masas de ionización de chispa o espectrómetro de masas de fuente de chispas (SSMS). [2]
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Historia
El trabajo de Dempster en 1935 indicó el uso de ionización por chispa para el análisis de impurezas en sólidos. [3] Los metales eran una clase de material que no se podía ionizar previamente por ionización térmica (el método utilizado anteriormente para ionizar muestras sólidas). Las fuentes de iones de chispa no se produjeron comercialmente hasta después de 1954, cuando Hannay demostró su capacidad para el análisis de trazas de impurezas (sensibilidad de detección de subparte por millón) en materiales semiconductores. [4] El instrumento fuente de chispa prototipo fue el espectrómetro de masas MS7 producido por Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd . en 1959. La producción comercial de instrumentos de fuente de chispas continuó durante los años 50, 60 y 70, pero fueron eliminados cuando se inventaron otras técnicas de detección de elementos traza con resolución y precisión mejoradas (alrededor de los años 60). [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 acoplada inductivamente . Hoy en día, muy pocos laboratorios utilizan la ionización por chispa en todo el mundo.
Cómo funciona
La fuente de iones de chispa consta de una cámara de vacío que contiene los electrodos, que se denomina carcasa de chispa. Las puntas de los electrodos están compuestas o contienen la muestra 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 tiene una mejor reproducibilidad y los iones producidos tienen una distribución 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 voltaje alto a los dos electrodos conductores para iniciar la chispa, seguido de la aplicación de una corriente continua de bajo voltaje para mantener un arco entre el espacio de chispa. La duración del arco suele ser de unos pocos cientos de microsegundos para evitar el sobrecalentamiento de los electrodos, y se repite entre 50 y 100 veces por segundo. [2] Este método solo se puede utilizar para ionizar muestras conductoras, por ejemplo, metales.
La fuente de chispa de RF de alto voltaje es la que se utilizó en los instrumentos SSMS comerciales debido a su capacidad para ionizar materiales tanto conductores como no conductores. Por lo general, las muestras se incorporan físicamente en dos electrodos conductores entre los cuales se produce una chispa eléctrica intermitente (1 MHz) de alto voltaje (50-100 kV usando un transformador Tesla) , ionizando el material en las puntas de los electrodos en forma de clavija. [2] Cuando la corriente pulsada se aplica a los electrodos bajo vacío ultra alto, se produce un plasma de descarga de chispas en el espacio de chispas en el que se generan iones a través del impacto de electrones. Dentro del plasma de descarga, la muestra se evapora, atomiza e ioniza por impacto de electrones. [7] La corriente iónica total puede optimizarse 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 se pueden analizar directamente después de formar electrodos. Las muestras no conductoras se pulverizan primero, se mezclan con un polvo conductor (generalmente grafito o plata de alta pureza), se homogeneizan y luego se forman electrodos. Incluso los líquidos pueden analizarse si están congelados o después de impregnar 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 distribución de energía (2-3 kV), lo que requiere un analizador de masas de doble enfoque. Los analizadores de masas son típicamente de geometría Mattauch-Herzog , que logran un enfoque direccional y de velocidad en un plano con placas fotosensibles para la detección de iones o matrices de detectores de channeltron lineales . [9] SSMS tiene varias características únicas que lo convierten en una técnica útil para diversas aplicaciones. Los méritos 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 simple de la muestra. Sin embargo, la corriente de iones de chispa de RF es discontinua y errática, lo que da como resultado una resolución y precisión justas cuando no se implementan los estándares. Otros inconvenientes incluyen equipos costosos, tiempo de análisis prolongado y la necesidad de personal altamente capacitado para analizar el espectro. [5]
Aplicaciones de SSMS
La espectrometría de masas de fuente de chispa se ha utilizado para aplicaciones de análisis de trazas y análisis de elementos múltiples para materiales altamente conductores, semiconductores y no conductores. Algunos ejemplos de aplicaciones de SSMS son el análisis de elementos traza de materiales de alta pureza, análisis de elementos múltiples de elementos en aleaciones técnicas, muestras geoquímicas y cosmoquímicas, muestras biológicas, muestras de corrientes industriales y material radiactivo. [8]
Referencias
- ^ Definición de libro de oro IUPAC
- ↑ a b c H. E. Beske, A. Hurrle y KP Jochum (1981). "Parte I. Principios de la espectrometría de masas de fuente de chispas (SSMS)". Revista de Química Analítica de Fresenius . 309 (4): 258–261. doi : 10.1007 / BF00488596 .
- ^ Dempster, AJ (abril de 1935). "Nuevas fuentes de iones para espectroscopia de masas" . Naturaleza . 135 (3414): 542. doi : 10.1038 / 135542a0 .
- ^ Hannay, NB (julio de 1954). "Un espectrógrafo de masas para el análisis de sólidos". Revisión de instrumentos científicos . 25 (7): 644–648. doi : 10.1063 / 1.1771150 .
- ^ a b Verlinden, Jozef; Gijbels, Renaat; Adams, Freddy (1986). "Aplicaciones de la espectrometría de masas de fuente de chispa en el análisis de materiales semiconductores. Una revisión". Revista de espectrometría atómica analítica . 1 (6): 411. doi : 10.1039 / JA9860100411 .
- ^ Adams, F .; Thomas, JM (1982). "Avances recientes en espectrometría de masas de fuente de chispa analítica [y discusión]". Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres . 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 . http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/9780470395813 : John Wiley & Sons. pp. 19 -20. doi : 10.1002 / 9780470395813 . ISBN 9780470395806.Mantenimiento de CS1: ubicación ( enlace )
- ^ a b Beske, ÉL; Gijbels, R .; Hurrle, A .; Jochum, KP (1981). "Parte IV. Revisión y evaluación de la espectrometría de masas de 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 de espectrometría de masas inorgánicas para análisis de trazas, ultratrazas, isótopos y superficies". Revista Internacional de Espectrometría de Masas . 197 (1-3): 1-35. doi : 10.1016 / S1387-3806 (99) 00246-8 .