La espectrometría de masas con acelerador ( AMS ) es una forma de espectrometría de masas que acelera iones a energías cinéticas extraordinariamente altas antes del análisis de masas. La ventaja especial del AMS entre los diferentes métodos de espectrometría de masas es su capacidad para separar un isótopo raro de una masa vecina abundante ("sensibilidad a la abundancia", por ejemplo, 14 C de 12 C ). [1] El método suprime completamente las isobaras moleculares y en muchos casos también puede separar isobaras atómicas (p. ej., 14 N de 14 C). Esto hace posible la detección de radioisótopos naturales de larga vida, como 10 Be , 36 Cl , 26 Al y 14 C. (Su abundancia isotópica típica oscila entre 10 −12 y 10 −18 ).
El AMS puede superar a la técnica competidora de recuento de desintegración para todos los isótopos cuya vida media sea lo suficientemente larga. [2] Otras ventajas de AMS incluyen su corto tiempo de medición, así como su capacidad para detectar átomos en muestras extremadamente pequeñas. [3]
Generalmente, los iones negativos se crean (los átomos se ionizan ) en una fuente de iones . En casos afortunados, esto ya permite suprimir una isobara no deseada, que no forma iones negativos (como 14 N en el caso de mediciones de 14 C). Los iones preacelerados suelen separarse mediante un primer espectrómetro de masas del tipo de campo sectorial y entrar en un "acelerador en tándem" electrostático. Se trata de un gran acelerador de partículas nucleares basado en el principio de un acelerador de Van de Graaff en tándem que funciona entre 0,2 y muchos millones de voltios con dos etapas que funcionan en tándem para acelerar las partículas. En el punto de conexión entre las dos etapas, los iones cambian de carga de negativa a positiva pasando a través de una fina capa de materia ("stripping", ya sea gas o una fina lámina de carbono). Las moléculas se romperán en esta etapa de extracción. [4] [5] La supresión completa de las isobaras moleculares (por ejemplo, 13 CH − en el caso de mediciones de 14 C) es una de las razones de la excepcional sensibilidad a la abundancia del AMS. Además, el impacto arranca varios de los electrones del ion, convirtiéndolo en un ion cargado positivamente. En la segunda mitad del acelerador, el ion ahora cargado positivamente se acelera alejándose del centro altamente positivo del acelerador electrostático que anteriormente atraía al ion negativo. Cuando los iones salen del acelerador, están cargados positivamente y se mueven a varios por ciento de la velocidad de la luz. En la segunda etapa del espectrómetro de masas, los fragmentos de las moléculas se separan de los iones de interés. Este espectrómetro puede constar de sectores magnéticos o eléctricos y de los llamados selectores de velocidad , que utilizan tanto campos eléctricos como campos magnéticos . Después de esta etapa, no queda ningún fondo, a menos que exista una isobara estable (atómica) que forme iones negativos (por ejemplo, 36 S si se mide 36 Cl), que no se suprime en absoluto con la configuración descrita hasta ahora. Gracias a la alta energía de los iones, estos pueden separarse mediante métodos tomados de la física nuclear, como láminas degradantes e imanes llenos de gas. Los iones individuales finalmente se detectan mediante el conteo de iones individuales (con detectores de barrera de superficie de silicio, cámaras de ionización y/o telescopios de tiempo de vuelo). Gracias a la alta energía de los iones, estos detectores pueden proporcionar una identificación adicional de las isobaras de fondo mediante la determinación de la carga nuclear.
Lo anterior es sólo un ejemplo. Hay otras formas de lograr la AMS; sin embargo, todos funcionan basándose en la mejora de la selectividad y especificidad de la masa mediante la creación de altas energías cinéticas antes de la destrucción de las moléculas mediante extracción, seguida del recuento de iones individuales.
LW Alvarez y Robert Cornog de los Estados Unidos utilizaron por primera vez un acelerador como espectrómetro de masas en 1939 cuando emplearon un ciclotrón para demostrar que el 3 He era estable; A partir de esta observación, concluyeron inmediata y correctamente que el otro isótopo de masa 3, el tritio ( 3 H), era radiactivo. En 1977, inspirado por estos primeros trabajos, Richard A. Muller , del Laboratorio Lawrence Berkeley, reconoció que los aceleradores modernos podían acelerar partículas radiactivas hasta una energía en la que las interferencias de fondo podían separarse mediante técnicas de identificación de partículas. Publicó un artículo fundamental en Science [7] que muestra cómo se podrían utilizar aceleradores (ciclotrones y lineales) para la detección de tritio, radiocarbono ( 14 C ) y varios otros isótopos de interés científico, incluido el 10 Be ; También informó sobre la primera datación exitosa con radioisótopos obtenida experimentalmente utilizando tritio. Su artículo fue la inspiración directa para otros grupos que utilizaban ciclotrones (G. Raisbeck y F. Yiou, en Francia) y aceleradores lineales en tándem (D. Nelson, R. Korteling, W. Stott en McMaster). K. Purser y sus colegas también publicaron la detección exitosa de radiocarbono utilizando su tándem en Rochester. Poco después, los equipos de Berkeley y Francia informaron de la detección exitosa de 10 Be, un isótopo ampliamente utilizado en geología. Pronto, la técnica del acelerador, dado que era más sensible en un factor de aproximadamente 1.000, prácticamente suplantó a los antiguos métodos de "conteo de desintegración" para estos y otros radioisótopos. En 1982, los laboratorios de AMS comenzaron a procesar muestras arqueológicas para la datación por radiocarbono [8].
Existen muchas aplicaciones para AMS en una variedad de disciplinas. La AMS se utiliza con mayor frecuencia para determinar la concentración de 14 C , por ejemplo, por los arqueólogos para la datación por radiocarbono . En comparación con otros métodos de datación por radiocarbono, la AMS requiere tamaños de muestra más pequeños (alrededor de 50 mg), al tiempo que produce cronologías extensas. La tecnología MS ha ampliado el alcance de la datación por radiocarbono. Se pueden fechar con éxito muestras con edades comprendidas entre 50.000 y 100 años utilizando AMS. [9] Se requiere un espectrómetro de masas con acelerador sobre otras formas de espectrometría de masas debido a su supresión insuficiente de isobaras moleculares para resolver 13 CH y 12 CH 2 del radiocarbono. Debido a la larga vida media del 14 C, el recuento de desintegraciones requiere muestras significativamente más grandes. 10 Be, 26 Al y 36 Cl se utilizan para la datación por exposición de superficies en geología. [10] Se utilizan 3 H , 14 C, 36 Cl y 129 I como trazadores hidrológicos.
La espectrometría de masas con aceleradores se utiliza ampliamente en la investigación biomédica. [11] [12] [13] En particular, el 41 Ca se ha utilizado para medir la resorción ósea en mujeres posmenopáusicas.