La espectrometría de masas por ionización térmica (TIMS) también se conoce como ionización superficial y es una técnica de caracterización de espectrometría de masas isotópica altamente sensible. Las proporciones isotópicas de radionucleidos se utilizan para obtener una medición precisa para el análisis elemental de una muestra. [1] Los iones con carga única de la muestra se forman mediante el efecto de ionización térmica . Se coloca una muestra líquida químicamente purificada sobre un filamento metálico que luego se calienta para evaporar el disolvente. En consecuencia, la eliminación de un electrón de la muestra purificada se logra calentando el filamento lo suficiente como para liberar un electrón, que luego ioniza los átomos de la muestra. [2] TIMS utiliza un analizador de masas del sector magnético para separar los iones en función de su relación masa-carga. Los iones ganan velocidad mediante un gradiente de potencial eléctrico y se enfocan en un haz mediante lentes electrostáticas. Luego, el haz de iones pasa a través del campo magnético del electroimán, donde se divide en haces de iones separados según la relación masa/carga del ión. Estos haces de masa resuelta se dirigen a un detector donde se convierten en voltaje. El voltaje detectado se utiliza luego para calcular la relación isotópica. [3]
Los filamentos utilizados están hechos de tantalio (Ta), tungsteno (W), platino (Pt) o renio (Re). Convencionalmente, se utilizan dos filamentos en TIMS. Un filamento es para la muestra y se llama filamento de muestra. La muestra líquida se coloca sobre el filamento de muestra que luego se evapora. Posteriormente, estos analitos evaporados aterrizan en el otro filamento, también conocido como filamento de ionización, donde se ioniza. [4]
También es posible el método de un solo filamento. Una vez que la muestra se evapora, los analitos pueden volver a depositarse en el mismo filamento para ionizarse. [4]
El uso de una configuración de triple filamento o multifilamento mejora la eficiencia de la ionización y permite que la velocidad de evaporación y de ionización se controlen por separado. [4]
Los filamentos deben cargarse con activadores. Un activador reprime la evaporación del elemento deseado y puede aumentar o disminuir el potencial de ionización del filamento. Esto da como resultado una alta eficiencia de ionización y un mayor rendimiento total. El activador más común es el gel de sílice/ácido fosfórico para Pb. [5]
Los filamentos están en un vacío que puede alcanzar temperaturas entre 400 y 2300 °C. Para evitar daños a los filamentos, se fijan firmemente a una torreta de muestras en forma de carrusel que normalmente tiene de 10 a 20 conjuntos de filamentos. El proceso de evaporación suele realizarse a temperaturas relativamente bajas a cambio de señales duraderas y un fraccionamiento isotópico menor. La parte de ionización requiere altas temperaturas para garantizar una buena eficiencia de ionización. [6]
Los iones emitidos tienen una baja dispersión espacial y energética, lo que hace que sea adecuado un analizador de masas de sector magnético de enfoque único o cuadrupolos. [6] Los detectores más comunes utilizados para TIMS son la copa de Faraday , el detector Daly y el multiplicador de electrones . [5] Habitualmente, las fuentes de iones de TI se ensamblan con sistemas multicolectores (MC). [6]
Cuando el filamento caliente calienta la muestra líquida, los niveles de Fermi dentro de la muestra alcanzan la paridad con los del metal. A su vez, esto permite que un electrón haga un túnel desde la muestra hasta el filamento metálico. Como resultado, se forman iones positivos a partir de la muestra que perdió un electrón. Esta transferencia de electrones también resulta en la formación de iones negativos. Posteriormente, existen dos tipos de ionizaciones térmicas. Uno es la ionización térmica positiva (P-TI) y el segundo es la ionización térmica negativa (N-TI). [5] La producción de iones está parametrizada por la ecuación de ionización de Saha o la ecuación de Saha-Langmuir. [4]
Las abundancias relativas de diferentes isótopos se utilizan luego para describir el fraccionamiento químico de diferentes isótopos, los viajes en diferentes reservorios de isótopos no radiogénicos y la edad u orígenes de los objetos del sistema solar mediante la presencia de isótopos radiogénicos hijos. [7] [8]
El análisis elemental es una aplicación predominante de TIMS, ya que proporciona proporciones isotópicas fiables. Siguiendo la tendencia de disminución de la energía de ionización , los elementos ubicados hacia la parte inferior izquierda de la tabla periódica son viables para TIMS. Además, la alta afinidad electrónica que se observa en la parte superior derecha de la tabla periódica convierte a estos no metales en excelentes candidatos. [4] La técnica se utiliza ampliamente en geoquímica isotópica, geocronología y cosmoquímica. [7] [8]
Las técnicas cuantitativas de relaciones de isótopos incluyen la espectrometría de masas de ionización térmica por dilución de isótopos (ID-TIMS) [9] y la espectrometría de masas de ionización térmica por abrasión química (CA-TIMS). [10]
El método de dilución de isótopos se utiliza porque la intensidad de la señal en TIMS no es proporcional a la cantidad que se coloca en TIMS. [5]
Para la datación por edad, los espectrómetros de masas con sectores magnéticos tienen mejor precisión que un espectrómetro de masas cuadrupolo o un analizador de masas cuadrupolo . Los espectrómetros de masas de plasma-cuadrupolo acoplados inductivamente permiten una precisión aún mayor en la detección del cambio de proporciones isotópicas por desintegración radiactiva. Cuanto mayor sea la precisión, mayor será la resolución en la datación por edad. [5]