Investigadores de Skoltech y MIPT han desarrollado un dispositivo para actualizar los espectrómetros de masas utilizados para analizar la composición química de sustancias desconocidas. El nuevo dispositivo analiza una sustancia desde cuatro perspectivas diferentes. Alternativamente, permite examinar varias muestras simultáneamente. Por el contrario, Los espectrómetros de masas convencionales analizan una sustancia a la vez. El artículo de investigación fue publicado en la revista Química analítica .

La espectrometría de masas es la forma más eficaz de determinar la composición química de una mezcla desconocida. Para hacer esto, primero se ionizan las moléculas de la muestra. Es decir, algunos de sus electrones se arrancan, impartiéndoles una carga eléctrica. Estas moléculas cargadas, o iones, responden a los campos eléctricos y magnéticos desviando las trayectorias de su movimiento. Cuanto mayor es la carga y menor la masa de un ion, cuanto más se desvía. Este efecto se puede utilizar para separar iones según la relación entre su masa y su carga. Un espectrómetro de masas es un dispositivo que mide las proporciones de masa a carga de las moléculas ionizadas en una mezcla. Por lo tanto, se puede determinar su composición química.

Un espectrómetro de masas tiene tres componentes básicos:primero está la fuente de iones, donde las moléculas están ionizadas, esta es la parte que fue refinada por los autores. El analizador de masas separa los iones en función de su masa y carga. Finalmente, un detector registra la información sobre los iones.

La espectrometría de masas es omnipresente en las industrias y las ciencias. Se utiliza para identificar la composición de mezclas en farmacéutica y metalurgia, así como en el nuclear, petróleo y gas, y las industrias cosmética. Domina el control de dopaje. Aunque el espectrómetro de masas se inventó hace más de 100 años, los investigadores continúan perfeccionando el método haciéndolo más eficaz y universal, y menos tiempo.

Las sustancias se pueden ionizar de varias formas, pero cada técnica de ionización funciona bien con un número limitado de compuestos. Un espectrómetro de masas convencional tiene una fuente de iones usando una técnica, reduciendo el número de compuestos con los que puede lidiar. Para abordar este asunto, profesor Evgeny Nikolaev, un miembro correspondiente de la Academia de Ciencias de Rusia, y Yury Kostyukevich, un doctorado en física y matemáticas, propuso un espectrómetro de masas que utiliza cuatro técnicas de ionización a la vez. Su dispositivo combina la ionización por electropulverización nativa y regular con la fotoionización a presión atmosférica y la ionización por impacto de electrones. (Las técnicas se explicarán a continuación).

"La espectrometría de masas es una técnica analítica poderosa. Básicamente, funciona ionizando moléculas y luego midiendo su masa. El primer paso, ionización, es cuando la sustancia cambia a un estado gaseoso. Esta etapa es bastante problemática, porque una mezcla puede contener sustancias que requieren diferentes técnicas para ser ionizadas, "explica el profesor Evgeny Nikolaev de Skoltech y MIPT." Por primera vez, hemos combinado cinco técnicas en un espectrómetro de masas. Esto nos permite analizar mezclas con un detalle sin precedentes ". La quinta técnica mencionada por Nikolaev se refiere a la descomposición térmica.

En ionización por electropulverización, un líquido se ioniza en un campo eléctrico fuerte y luego se convierte en gas. Primero, una sustancia en forma de solución se electrifica en un capilar de dos a cinco kilovoltios. Una gota cargada sale del capilar y se mueve en un campo eléctrico, desintegrándose en muchas gotitas cargadas más pequeñas. A medida que el solvente se vaporiza, la sustancia que se está examinando también cambia a estado gaseoso. Este método funciona mejor con proteínas y productos derivados del petróleo. Adicionalmente, hay una variación más delicada en la misma técnica llamada ionización por electropulverización nativa, que se utiliza para analizar proteínas sin cambiar su estructura tridimensional natural.

La fotoionización a presión atmosférica utiliza fotones de alta energía. Un fotón que lleva de 10 a 40 electronvoltios de energía puede causar ionización de dos maneras:una molécula absorbe un fotón y luego expulsa un electrón, o esto le sucede a una sustancia química que se introduce en la mezcla. Cuando está ionizado, ese químico, a su vez, ioniza la molécula al reaccionar con ella. Esta técnica es potente para analizar hormonas y petróleo crudo.

La ionización por impacto de electrones funciona bombardeando la muestra con electrones resultantes de una desintegración beta. Este método primero ioniza las moléculas en el aire circundante. Los iones resultantes interactúan con la sustancia de muestra, ionizándolo.

El dispositivo recientemente propuesto hace uso de las cuatro técnicas, sin embargo, los procesos asociados ocurren de forma independiente en espacios separados, para no afectarnos unos a otros. Un beneficio adicional de este diseño modular es que el dispositivo puede acomodar aún más ionizadores. Según los autores, su espectrómetro de masas cambia entre modos en un mero segundo. Por lo tanto, se puede utilizar para realizar experimentos separados simultáneamente. Alternativamente, el dispositivo puede analizar una sustancia con gran detalle utilizando todos los ionizadores. En esta configuración, la mezcla en un canal de ionización se puede utilizar como muestra de referencia, mientras que los canales restantes se adaptan a reacciones moleculares como la deuteración u ozonización. (El primero se refiere a la sustitución de átomos de hidrógeno en moléculas de agua con deuterio, y el segundo significa oxidación por exposición a moléculas de ozono). los investigadores crearon una opción para controlar la temperatura de la muestra, que también se puede utilizar para descomponerlo térmicamente.

"En el futuro, este dispositivo permitirá paralelizar las operaciones de química analítica, lo que sería completamente análogo a la forma en que los cálculos se paralelizaban en la informática hace mucho tiempo, "dice Yury Kostyukevich, investigador de Skoltech y MIPT. "En esta analogía, cada fuente de ionización que actúa sobre una determinada fracción de la muestra es como una unidad de procesamiento individual que realiza cálculos. El espectrómetro de masas combina los datos de todas las fuentes y los envía al investigador ".

Los autores ya han demostrado que su dispositivo puede analizar simultáneamente moléculas de aceite y biológicas en sus estados nativos, así como apoyo deuteration. Esta nueva solución de espectrometría de masas tiene el potencial de una amplia aplicación científica e industrial.