Desorción de campo

La desorción de campo ( FD ) es un método de formación de iones utilizado en espectrometría de masas (MS) en el que se aplica un campo eléctrico de alto potencial a un emisor con una superficie afilada, como una hoja de afeitar o, más comúnmente, un filamento del que se han formado diminutos "bigotes". ^{[1] [2]} Esto da como resultado un campo eléctrico alto que puede provocar la ionización de moléculas gaseosas del analito. Los espectros de masas producidos por FD tienen poca o ninguna fragmentación porque la FD es un método de ionización suave . Están dominados por cationes radicales moleculares M ⁺ y, con menor frecuencia, moléculas protonadas . La técnica fue reportada por primera vez por Beckey en 1969. ^[3] También es el primer método de ionización para ionizar compuestos no volátiles y térmicamente lábiles. Una diferencia importante de la FD con otros métodos de ionización es que no necesita un haz primario para bombardear una muestra. ^[4]${\displaystyle {\ce {[{M}+H]+}}}$

En la FD, el analito se aplica como una película fina directamente al emisor, o se colocan pequeños cristales de materiales sólidos sobre el emisor. Luego comienza el calentamiento lento del emisor, pasando una corriente alta a través del emisor, que se mantiene a un potencial alto (por ejemplo, 5 kilovoltios). A medida que continúa el calentamiento del emisor, los materiales de baja presión de vapor se desorben e ionizan mediante la unión de cationes de metales alcalinos .

Diferentes analitos involucran diferentes mecanismos de ionización en FD-MS, y comúnmente se observan cuatro mecanismos, que incluyen ionización de campo, unión de cationes, ionización térmica y abstracción de protones. ^[5]

En la ionización de campo, los electrones se eliminan de una especie mediante un efecto túnel mecánico cuántico en un campo eléctrico alto, lo que da como resultado la formación de iones moleculares (M ⁺ ̇ en modo de iones positivos). Este método de ionización suele tener lugar en compuestos orgánicos no polares o ligeramente polares. ^[5]

En el proceso de unión de cationes, los cationes (normalmente H ⁺ o Na ⁺ ) se adhieren a las moléculas del analito; la desorción del catión adherido (por ejemplo, MNa ⁺ ) se puede realizar mediante el calentamiento del emisor y el campo alto. La ionización de moléculas orgánicas más polares (por ejemplo, aquellas con grupos hidroxilo o amino alifáticos) en FD-MS normalmente pasa por este mecanismo. ^[5]

En la ionización térmica, el emisor se utiliza para sostener y calentar la muestra, y luego los analitos se desorben de la superficie caliente del emisor. La ionización térmica de iones preformados puede aplicarse a la ionización de sales orgánicas e inorgánicas en FD-MS. ^[5]

La abstracción de protones es diferente de los tres métodos de ionización mencionados anteriormente porque durante el proceso se forman iones negativos (NI) en lugar de iones positivos. Los iones (MH) ⁻ a menudo se producen en compuestos orgánicos polares en el modo NI.

Los tres primeros mecanismos de ionización analizados anteriormente tienen todos sus análogos en NI-FD-MS. En la ionización de campo, se pueden generar aniones moleculares (M ⁻ ̇ ). La unión de aniones también puede conducir a la formación de iones negativos para algunas moléculas, por ejemplo, (M + Cl) ⁻ . La desorción térmica generalmente produce aniones (A ⁻ ) y iones en racimo (p. ej. CA ₂ ⁻ ) para sales. ^[5]

Se han utilizado varias configuraciones de emisores diferentes para los emisores FD, como puntas individuales, cuchillas afiladas y alambres delgados. Las puntas de metal individuales se pueden hacer a partir de alambres de grabado, ya sea sumergiéndolos periódicamente en sales fundidas o por electrólisis en soluciones acuosas. En comparación con otros tipos de emisores, las puntas individuales tienen la ventaja de que pueden alcanzar las intensidades de campo más altas. Además, la forma geométrica bien definida de una sola punta permite un cálculo preciso de la distribución de potencial en el espacio entre la punta y el contraelectrodo. Para las cuchillas utilizadas como emisores, su robustez bajo el alto campo eléctrico es una de sus ventajas. También se utilizaron diferentes alambres delgados como emisores, como alambres de platino y alambres de tungsteno . Los alambres de platino son frágiles y los alambres de tungsteno son mucho más estables que los alambres de platino. Entre esos emisores, los alambres de tungsteno con microagujas de carbono son los emisores más utilizados en la espectrometría de masas FD. ^[6]

El proceso de crecimiento de las microagujas en los emisores se denomina "activación". Las puntas de las microagujas pueden proporcionar una alta intensidad de campo para la desorción de campo, y se puede obtener una mayor corriente de emisión debido al aumento del área de emisión en comparación con las puntas de metal. Algunos métodos de activación incluyen la activación a alta temperatura (HT), la activación a alta velocidad (HR) y la desorción electroquímica.

En el modo de activación HT, un alambre de tungsteno de 10 μm se activa fuera del espectrómetro de masas en una celda de vacío que contiene benzonitrilo a una presión de aproximadamente 10 ^{−1 Pa. El alambre de tungsteno que sirve como} ánodo de campo se calienta luego hasta aproximadamente 1500 K con corriente continua a un potencial de aproximadamente 10 kV con respecto a un cátodo . Las microagujas de carbono se pueden producir en 8-12 h. El método de activación HR consiste en invertir la polaridad del emisor y el contraelectrodo, que emite una fuerte corriente de electrones. La fuerte corriente de electrones da como resultado el calentamiento de las agujas de carbono en crecimiento y, por lo tanto, las altas tasas de crecimiento de las agujas. En el modo de activación HR, también se pueden generar agujas de otros metales ( hierro , níquel o cobalto ) y de aleaciones . En lugar de microagujas de carbono, se pueden producir dendritas metálicas (principalmente de níquel o cobalto) en alambres delgados mediante un proceso de desorción electroquímica. Este método es incluso más rápido que el método HR. ^[6]

Existen principalmente dos métodos para cargar muestras en los emisores de FD: la técnica de inmersión del emisor y la técnica de la jeringa. La técnica de inmersión del emisor es sencilla y se utiliza habitualmente en la mayoría de los laboratorios. En esta técnica, las muestras sólidas se disuelven o se suspenden en un medio adecuado y, a continuación, se sumerge en la solución un emisor activado (normalmente un alambre de tungsteno con muchas microagujas) y se vuelve a extraer. Cuando se retira el alambre de la solución, la solución de un volumen de aproximadamente 10 ⁻² μL se adhiere a las microagujas (una longitud media de 30 μm) o permanece entre ellas. La otra técnica, la técnica de la jeringa, se aplica a los compuestos que están menos concentrados que 10 ⁻⁵ M. Una gota de la solución de una microjeringa que está acoplada a un micromanipulador se deposita uniformemente sobre las microagujas. Tras la evaporación del disolvente, el procedimiento de las dos técnicas se puede repetir varias veces para cargar más muestras. La técnica de la jeringa tiene la ventaja de que se pueden dispensar volúmenes medidos de la solución con precisión en el centro del alambre. ^{[7] [8]}

La técnica de ionización por inyección líquida de FD (LIFDI) ^{[9], desarrollada recientemente, "representa un gran avance para la FD-MS de analitos reactivos": [10]} Los complejos de metales de transición son neutros y, debido a su reactividad, no sufren protonación ni unión de iones. Se benefician de ambos: la ionización suave por FD y la transferencia segura y simple por LIFDI de la solución de analito sensible al aire/humedad. Esta transferencia ocurre desde el matraz Schlenk hasta el emisor de FD en la fuente de iones a través de un capilar de sílice fundida sin romper el vacío. La LIFDI se ha acoplado con éxito a un espectrómetro de masas de resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier (FTICR). El sistema acoplado permite el análisis de materiales que contienen azufre en petróleo crudo en condiciones de poder de resolución de masa extremadamente alto. ^[11]

Una de las principales aplicaciones de la FD es determinar la masa molecular de una gran variedad de compuestos orgánicos y organometálicos no volátiles, no polares y polares, térmicamente lábiles y estables, y de moléculas de fuentes bioquímicas y ambientales. ^{[4] [11]}

Para el análisis cualitativo, la FD-MS se puede aplicar en áreas de bioquímica, medicina, sales, polímeros y análisis ambiental. Por ejemplo, en bioquímica, se puede utilizar para caracterizar péptidos , nucleósidos y nucleótidos , pesticidas y vitaminas. En medicina, se puede aplicar a medicamentos contra el cáncer y sus metabolitos , y antibióticos . ^[7]

La FD-MS también se puede utilizar para el análisis cuantitativo cuando se aplica el método del estándar interno . Hay dos modos comunes de añadir un estándar interno: la adición de un compuesto homólogo de peso conocido a la muestra o la adición de un compuesto sustituido isotópicamente de peso conocido. ^[7]

Muchas de las aplicaciones anteriores de la FD para el análisis de analitos polares y no volátiles, como polímeros y moléculas biológicas, han sido suplantadas en gran medida por técnicas de ionización más nuevas. Sin embargo, la FD sigue siendo una de las únicas técnicas de ionización que pueden producir espectros de masas simples con información molecular de hidrocarburos y otros analitos particulares. La aplicación más común de la FD en la actualidad es el análisis de mezclas complejas de hidrocarburos, como las que se encuentran en las fracciones de petróleo.

La FD-MS tiene muchas ventajas, ya que es aplicable a cualquier tipo de disolvente y solo se necesita una pequeña cantidad de muestra para el análisis. Además, dado que es una ionización suave, se producirá un espectro de masas limpio (fragmentación muy limitada o nula). También tiene algunas desventajas. Por ejemplo, los emisores son frágiles y solo se pueden analizar moléculas de tamaño pequeño y mediano en FD-MS. Además, si hubiera demasiada sal presente, sería difícil obtener corrientes de emisión de iones estables. ^[11] Además, el espectro FD de un compuesto es menos reproducible que el espectro de otros métodos de ionización. Los métodos FD son buenos para el análisis cualitativo, pero menos adecuados para el análisis cuantitativo de mezclas complejas. ^[8]