aplicaciones de la espectrometría de masas en el análisis químico.

APLICACIONES DE LA ESPECTROMETRÍA DE
MASAS EN EL ANÁLISIS QUÍMICO.
ANÁLISIS DE MOLÉCULAS COMPLEJAS Y BIOMOLÉCULAS.
Andrés Madrid Montoyaa
aEstudiante
pregrado en quimica. Universidad Nacional de Colombia. Sede Bogota. Codigo:
174519.
Resumen
Cuando una partícula cargada de determinada masa entra en un campo magnético
uniforme con una velocidad característica, experimenta una fuerza que la obliga a
desviarse de su trayectoria y mas aun, ya que la fuerza magnética no realiza trabajo sobre
la partícula debido a que no cambia la magnitud de la velocidad sino solamente su
dirección, que siempre es perpendicular a la fuerza y al campo magnetico, adquiere un
movimiento circular. Un espectrometro de masas es una aplicación directa de la fuerza
magnetica, es un aparato, esencialmente conformado por dos superficies planas atraves
de las cuales se mantiene un campo magnetico constante tanto en direccion como en
magnitud.Cuando particulas provenientes de una sustancia a analizar entran por un
mismo punto al campo magnetico experimentan un movimiento circular uniforme hasta
que impactan en una de las placas del espectrometro, la distancia recorrida por cada
particula representa el radio del movimiento circular y éste depende de su masa,
velocidad, del campo magnetico aplicado y de la carga, ya que todas las particulas
possen similar carga es posible determinar una relación carga- masa para cada una
dependiente del radio, el campo magnetico aplicado y la velocidad de entrada (para todas
se puede establecer la misma), de modo que es posible conocer la naturaleza de las
particulas expresada como el peso atomico. Un espectrometro posse detectores que
determinan la abundancia relativa de cada atomo o ion molecular en la muestra analizada
y esto permite realizar un analisis elemental cuantitativo. La espectrometria toma especial
importancia cuando las moleculas son demasiado grandes como para ser analizadas por
metodos menos sensibles como los que habitualmente se usan en quimica de moleculas
menos complejas, es decir la espectrometria permite conocer la naturaleza, en cuanto a la
composicion elemental se refiere, de moleculas desconocidas, por ejemplo de
biomoleculas.
FUNDAMENTOS DE LA
ESPECTROMETRÍA DE
MASAS
Los actuales espectrómetros de
masas poseen el mismo fundamento
físico de los primeros instrumentos de
este tipo; las partículas cargadas que
entran perpendicularmente en un
campo magnético con una velocidad
característica, experimentan un
movimiento circular en el que el radio
de giro se obtiene aplicando la
primera ley de Newton y la expresión
de la fuerza magnética:
𝐹(𝑚𝑎𝑔. ) = 𝑞𝑉𝐱𝐵
∑ 𝐹 = 𝑚𝑎 ; 𝑎(𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑝𝑒𝑡𝑎) =
𝑞𝑉𝐱𝐵 = 𝑚
𝑉2
𝑅
𝑉2
𝑅
Todas las cantidades son conocidas,
excepto la masa y la carga, siendo la
variable de interés la masa ya que
todas las partículas poseen la misma
carga.
La espectrometría de masa
comprende varias etapas, en la
primera etapa la muestra se dispone
en un sistema de entrada en la que
pasa a estado gaseoso por
calentamiento a alta temperatura.
En la segunda etapa las moléculas de
la muestra en fase gaseosa son
ionizadas por múltiples métodos [1],
entre los cuales se destacan los
métodos por impacto de electrones
altamente energético (EI), la
ionización química (CI) por medio de
iones gaseosos que reaccionan con
la muestra, la ionización TS
(ionización por termo nebulización) en
la cual se usan altas temperaturas
que descomponen la muestra en
iones, la ionización por electro
nebulización (ESI) [2] en la cual por
medio de un campo eléctrico de gran
magnitud comúnmente es conocida
como ionización por electrospray (en
español electro pulverización), y la
ionización por deserción laser asistida
por matriz (MALDI) en la cual se usa
una sustancia que se mezcla con el
analito y que absorbe la luz emitida
por un rayo laser de infrarrojo o
ultravioleta que ioniza la matriz
arrastrando la muestra.
El uso de uno u otro método de
ionización depende del grado de
disociación que se quiere obtener, ,
por ejemplo, con la CI que es un
método que usa altas energías la
molécula los iones obtenidos son mas
pequeños (molécula mas
fragmentada) y en la MALDI los iones
obtenidos corresponden a los iones
moleculares (molécula menos
fragmentada).
En la tercera etapa, los iones son
acelerados, idealmente se espera
obtener la misma velocidad, para
ellos se usa selectores de
velocidades, otra aplicación del
electromagnetismo, en los cuales una
partícula entra en una región de
campos eléctricos y magnéticos
cruzados (perpendiculares) con el fin
de obtener el equilibrio, la velocidad
se puede hallar mediante la ley de
Lorentz [3], [4].
𝐹 = 𝑞𝐸 + 𝑞𝑉𝐱B = 0
𝑞𝐸 = 𝑞𝑉𝐱B ; V = E/B
De modo que la velocidad obtenida
en un selector de velocidades no
depende de la masa ni de la carga de
la partícula y en el espectrómetro
todas las partículas impactan en el
mismo punto con la misma velocidad.
También es posible acelerar los iones
por medio de una diferencia de
potencial, con lo cual su energía
potencial se convierte en energía
cinética [5].
𝑚𝑉 2
= 𝑞∆𝑉
2
En la siguiente etapa, los iones son
separados en el espectrómetro de
acuerdo a su relación carga masa
𝑚 𝐵𝑅
=
𝑞
𝑉
𝑚 𝐵2 𝑅 2
=
𝑞
2∆𝑉
segun el metodo
utilizado para acelerar las particulas
El principio de esta separación es
sencillo, los iones inciden en una
ranura del espectrómetro e impactan
a una distancia de 2R (dos veces el
radio). Por ultimo los iones son
detectados, el espectrómetro se
conecta a un programa que como
información final arroja gráficos de
picos con la relación carga-masa en
el eje horizontal y la abundancia
relativa en el eje vertical, a el pico
máximo se le asigna el pico base ya
que corresponde al ion mas
abundante y los demás se clasifican
con respecto a este. El pico
correspondiente a la máxima relación
carga-masa corresponde al ion
molecular sin fragmentar, por lo cual
es una de las más importantes
fuentes de información de la molécula
[6].
CONCLUSIONES
La espectrometría de masas es una
técnica ampliamente usada en
química como método preliminar para
la caracterización química de las
sustancia, ya que permite el uso de
cantidades muy pequeñas de
muestra de hasta pg. (Picogramos),
de modo que cuando se sintetiza una
nueva sustancia es posible conservar
la mayor cantidad obtenida sin
gastarla en métodos menos eficaces.
Existen espectrómetros con alta
resolución, por lo tanto son capaces
de diferenciar átomos ionizados y
iones moleculares de muy cercano
peso molecular, esto unido a la
cantidad de formas posibles para
ionizar las muestras, hace de la
espectrometría un gran método de
análisis de moléculas complejas, que
son difíciles de caracterizar por otros
medios. Entre las aplicaciones mas
frecuentes de la espectrometría están
la determinación de la formula
molecular de moléculas biológicas y
orgánicas como péptidos, proteínas
aminoácidos, etc. Permitiendo el
análisis de muestras que poseen un
alto valor cultural, arqueológico,
geológico o histórico, ya que no trae
consigo un muestreo destructivo de la
sustancia de interés.
REFERENCIAS
[1] SOGORB SÁNCHEZ, Miguel Ángel, VILANOVA
Eugenio. Técnicas analíticas de contaminantes
químicos. Ediciones Díaz de Santos. España: 2004.
Consultado en http://books.google.com.co a
24/05/2010 12:36 P.M. pp. 253-259.
[2] http://mural.uv.es/caloan/ 21/05/2003 5:30
P.M UNIVERSIDAD DE VALENCIA
FACULTAD DE FARMACIA DEPARTAMENTO DE
QUÍMICA ANALÍTICA.
[3]http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagn
et/espectrometro/espectro.html
[4]WILSON, Jerry D., BUFFA, Anthony J. Física.
Science: 2003. pp. 641-643. Consultado en
http://books.google.com.co 23/05/2010 1:30
P.M.
[5] PASTO, Daniel J. JOHNSON, Carl R.
Determinación de estructuras orgánicas. 1981.
pp. 273-277
[6] Mcmurry, John. Química Orgánica.
Consultado en http://books.google.com.co
22/05/2010 2:00 P.M. pp. 408-416.