La ionización por chispa (también conocida como ionización por fuente de chispa ) es un método utilizado para producir iones en fase gaseosa a partir de una muestra sólida. La muestra sólida preparada se vaporiza y se ioniza parcialmente mediante una descarga intermitente o chispa. [1] Esta técnica se utiliza principalmente en el campo de la espectrometría de masas . Cuando se incorpora con un espectrómetro de masas, el instrumento completo se denomina espectrómetro de masas de ionización por chispa o espectrómetro de masas de fuente de chispa (SSMS). [2]
El uso de la ionización por chispa para el análisis de impurezas en sólidos fue indicado por el trabajo de Dempster en 1935. [3] Los metales eran una clase de material que no podía ionizarse previamente por ionización térmica (el método utilizado anteriormente para ionizar muestras sólidas). Las fuentes de iones de chispa no se produjeron comercialmente hasta después de 1954, cuando Hannay demostró su capacidad para el análisis de impurezas traza (sensibilidad de detección de subpartes por millón) en materiales semiconductores. [4] El prototipo del instrumento de fuente de chispa fue el espectrómetro de masas MS7 producido por Metropolitan-Vickers Electrical Company, Ltd. en 1959. La producción comercial de instrumentos de fuente de chispa continuó durante los años 50, 60 y 70, pero se eliminaron gradualmente cuando se inventaron otras técnicas de detección de elementos traza con resolución y precisión mejoradas (alrededor de la década de 1960). [5] Los sucesores de la fuente de iones de chispa para el análisis de elementos traza son la fuente de iones láser, la fuente de iones de descarga luminiscente y la fuente de iones de plasma acoplada inductivamente . Hoy en día, muy pocos laboratorios utilizan la ionización por chispa en todo el mundo.
La fuente de iones de chispa consiste en una cámara de vacío que contiene los electrodos, llamada carcasa de chispa. Las puntas de los electrodos están compuestas por la muestra o la contienen y están conectadas eléctricamente a la fuente de alimentación. Los electrodos de extracción crean un campo eléctrico que acelera los iones generados a través de la ranura de salida.
Para la ionización por chispa, existen dos fuentes de iones: la fuente de arco de corriente continua (CC) de bajo voltaje y la fuente de chispa de radiofrecuencia (RF) de alto voltaje. La fuente de arco tiene una mejor reproducibilidad y los iones producidos tienen una distribución de energía más estrecha en comparación con la fuente de chispa; sin embargo, la fuente de chispa tiene la capacidad de ionizar tanto muestras conductoras como no conductoras, mientras que la fuente de arco solo puede ionizar muestras conductoras. [6]
En la fuente de arco de CC de bajo voltaje, se aplica un alto voltaje a los dos electrodos conductores para iniciar la chispa, seguido de la aplicación de una corriente continua de bajo voltaje para mantener un arco entre los electrodos. La duración del arco suele ser de solo unos pocos cientos de microsegundos para evitar el sobrecalentamiento de los electrodos, y se repite de 50 a 100 veces por segundo. [2] Este método solo se puede utilizar para ionizar muestras conductoras, por ejemplo, metales.
La fuente de chispa de RF de alto voltaje es la que se utilizó en los instrumentos SSMS comerciales debido a su capacidad para ionizar materiales tanto conductores como no conductores. Por lo general, las muestras se incorporan físicamente a dos electrodos conductores entre los cuales se produce una chispa eléctrica intermitente (1 MHz) de alto voltaje (50-100 kV utilizando un transformador Tesla) , que ioniza el material en las puntas de los electrodos con forma de clavija. [2] Cuando se aplica la corriente pulsada a los electrodos en condiciones de vacío ultraalto, se produce un plasma de descarga de chispa en el espacio de chispa en el que se generan iones a través del impacto de electrones. Dentro del plasma de descarga, la muestra se evapora, se atomiza y se ioniza a través del impacto de electrones. [7] La corriente iónica total se puede optimizar ajustando la distancia entre los electrodos. Este modo de ionización se puede utilizar para ionizar muestras conductoras, semiconductoras y no conductoras.
Las muestras conductoras y semiconductoras se pueden analizar directamente después de haberlas transformado en electrodos. Las muestras no conductoras primero se pulverizan, se mezclan con un polvo conductor (normalmente grafito o plata de alta pureza), se homogeneizan y luego se transforman en electrodos. Incluso los líquidos se pueden analizar si se congelan o después de impregnarlos con un polvo conductor. [8] La homogeneidad de la muestra es importante para la reproducibilidad.
La fuente de chispa de RF crea iones con una amplia dispersión de energía (2-3 kV), lo que requiere un analizador de masas de doble enfoque. Los analizadores de masas suelen tener una geometría Mattauch-Herzog , que logra un enfoque direccional y de velocidad sobre un plano con placas fotosensibles para la detección de iones o matrices de detectores de canaltrón lineales. [9] La SSMS tiene varias características únicas que la convierten en una técnica útil para diversas aplicaciones. Las ventajas de la SSMS incluyen una alta sensibilidad con límites de detección en el rango de ppb, detección simultánea de todos los elementos en una muestra y una preparación simple de la muestra. Sin embargo, la corriente de iones de chispa de RF es discontinua y errática, lo que da como resultado una resolución y precisión justas cuando no se implementan estándares. Otras desventajas incluyen equipos costosos, un tiempo de análisis prolongado y la necesidad de personal altamente capacitado para analizar el espectro. [5]
La espectrometría de masas con fuente de chispa se ha utilizado para análisis de trazas y aplicaciones de análisis multielemento para materiales altamente conductores, semiconductores y no conductores. Algunos ejemplos de aplicaciones de SSMS son el análisis de elementos traza de materiales de alta pureza, el análisis multielemento de elementos en aleaciones técnicas, muestras geoquímicas y cosmoquímicas, muestras biológicas, muestras de corrientes industriales y material radiactivo. [8]