La ionización electrónica ( EI , anteriormente conocida como ionización por impacto electrónico [1] e ionización por bombardeo electrónico [2] ) es un método de ionización en el que los electrones energéticos interactúan con átomos o moléculas en fase sólida o gaseosa para producir iones . [3] La EI fue una de las primeras técnicas de ionización desarrolladas para la espectrometría de masas . [4] Sin embargo, este método sigue siendo una técnica de ionización popular. Esta técnica se considera un método de ionización duro (alta fragmentación), ya que utiliza electrones altamente energéticos para producir iones. Esto conduce a una fragmentación extensa, que puede ser útil para la determinación de la estructura de compuestos desconocidos. La EI es la más útil para compuestos orgánicos que tienen un peso molecular por debajo de 600 uma. Además, varios otros compuestos térmicamente estables y volátiles en estados sólido, líquido y gaseoso se pueden detectar con el uso de esta técnica cuando se combina con varios métodos de separación. [5]
La ionización electrónica fue descrita por primera vez en 1918 por el físico canadiense-estadounidense Arthur J. Dempster en el artículo "Un nuevo método de análisis de rayos positivos ". Fue el primer espectrómetro de masas moderno y utilizó rayos positivos para determinar la relación entre la masa y la carga de varios constituyentes. [6] En este método, la fuente de iones utilizaba un haz de electrones dirigido a una superficie sólida. El ánodo se hizo de forma cilíndrica utilizando el metal que se iba a estudiar. Posteriormente, se calentó mediante una bobina concéntrica y luego se bombardeó con electrones. Utilizando este método, se pudieron determinar los dos isótopos de litio y tres isótopos de magnesio , con sus pesos atómicos y proporciones relativas. [7] Desde entonces, esta técnica se ha utilizado con modificaciones y desarrollos posteriores. El uso de un haz monoenergético enfocado de electrones para la ionización de átomos y moléculas en fase gaseosa fue desarrollado por Bleakney en 1929. [8] [9]
En este proceso, un electrón de la molécula de analito (M) se expulsa durante el proceso de colisión para convertir la molécula en un ion positivo con un número impar de electrones. La siguiente reacción en fase gaseosa describe el proceso de ionización de electrones [10]
donde M es la molécula de analito que se ioniza, e − es el electrón y M +• es el ion molecular resultante .
En una fuente de iones EI , los electrones se producen a través de emisión termoiónica calentando un filamento de alambre que tiene corriente eléctrica corriendo a través de él. La energía cinética de los electrones bombardeados debe tener mayor energía que la energía de ionización de la molécula de muestra. Los electrones se aceleran a 70 eV en la región entre el filamento y la entrada al bloque de la fuente de iones. La muestra bajo investigación que contiene las moléculas neutras se introduce en la fuente de iones en una orientación perpendicular al haz de electrones. El paso cercano de electrones altamente energéticos a baja presión (aproximadamente 10 −5 a 10 −6 torr) causa grandes fluctuaciones en el campo eléctrico alrededor de las moléculas neutras e induce ionización y fragmentación. [11] La fragmentación en la ionización de electrones se puede describir utilizando curvas de potencial de Born Oppenheimer como en el diagrama. La flecha roja muestra la energía de impacto de electrones que es suficiente para eliminar un electrón del analito y formar un ion molecular a partir de resultados no disociativos. Debido a la mayor energía que aportan los electrones de 70 eV distintos del ion molecular, se pueden observar otras reacciones de disociación de enlaces como resultados disociativos, que se muestran con la flecha azul en el diagrama. Estos iones se conocen como iones de producto de segunda generación. Los productos catiónicos radicales se dirigen entonces hacia el analizador de masas mediante un electrodo repelente. El proceso de ionización suele seguir reacciones de escisión predecibles que dan lugar a iones fragmentados que, tras la detección y el procesamiento de la señal, transmiten información estructural sobre el analito.
El aumento del proceso de ionización de electrones se realiza aumentando la eficiencia de ionización . Para lograr una mayor eficiencia de ionización, debe haber una corriente de filamento, una corriente de emisión y una corriente ionizante optimizadas. La corriente suministrada al filamento para calentarlo hasta la incandescencia se denomina corriente de filamento. La corriente de emisión es la corriente medida entre el filamento y la ranura de entrada de electrones. La corriente ionizante es la tasa de llegada de electrones a la trampa. Es una medida directa de la cantidad de electrones en la cámara que están disponibles para la ionización.
La corriente de iones de muestra (I + ) es la medida de la tasa de ionización. Esto se puede mejorar mediante la manipulación de la eficiencia de extracción de iones (β), la sección transversal de ionización total (Qi ) , la longitud efectiva del camino de ionización (L), la concentración de las moléculas de muestra ([N]) y la corriente de ionización (Ie ) . La ecuación se puede mostrar de la siguiente manera:
La eficiencia de extracción de iones (β) se puede optimizar aumentando el voltaje tanto del repulsor como del acelerador. Dado que la sección transversal de ionización depende de la naturaleza química de la muestra y de la energía de los electrones ionizantes, se utiliza un valor estándar de 70 eV. A energías bajas (alrededor de 20 eV), las interacciones entre los electrones y las moléculas de analito no transfieren suficiente energía para causar ionización. Alrededor de 70 eV, la longitud de onda de De Broglie de los electrones coincide con la longitud de los enlaces típicos en las moléculas orgánicas (alrededor de 0,14 nm ) y la transferencia de energía a las moléculas de analito orgánico se maximiza, lo que conduce a la ionización y fragmentación más fuertes posibles. En estas condiciones, aproximadamente 1 de cada 1000 moléculas de analito en la fuente se ionizan. A energías más altas, la longitud de onda de De Broglie de los electrones se vuelve más pequeña que las longitudes de enlace en analitos típicos; las moléculas se vuelven "transparentes" a los electrones y la eficiencia de ionización disminuye. La longitud efectiva del camino ionizante (L) se puede aumentar utilizando un campo magnético débil. Pero la forma más práctica de aumentar la corriente de muestra es hacer funcionar la fuente de iones a una corriente ionizante más alta (I e ). [5]
A la derecha se muestra un diagrama esquemático de la instrumentación que se puede utilizar para la ionización de electrones. El bloque de fuente de iones está hecho de metal. Como fuente de electrones, el cátodo , que puede ser un filamento delgado de tungsteno o alambre de renio , se inserta a través de una ranura en el bloque de fuente. Luego se calienta hasta una temperatura incandescente para emitir electrones. Se aplica un potencial de 70 V entre el cátodo y el bloque de fuente para acelerarlos a una energía cinética de 70 eV para producir iones positivos. El potencial del ánodo (trampa de electrones) es ligeramente positivo y se coloca en el exterior de la cámara de ionización, directamente opuesto al cátodo. Los electrones no utilizados son recogidos por esta trampa de electrones. La muestra se introduce a través del orificio de muestra. Para aumentar el proceso de ionización, se aplica un campo magnético débil paralelo a la dirección del viaje de los electrones. Debido a esto, los electrones viajan en un camino helicoidal estrecho, lo que aumenta su longitud de camino. Los iones positivos generados son acelerados por el electrodo repelente hacia la región de aceleración a través de la ranura en el bloque fuente. Al aplicar un potencial a la fuente de iones y mantener la ranura de salida en el potencial de tierra, los iones ingresan al analizador de masas con una energía cinética fija. Para evitar la condensación de la muestra, el bloque fuente se calienta a aproximadamente 300 °C. [5]
Desde principios del siglo XX, la ionización electrónica ha sido una de las técnicas de ionización más populares debido a la gran cantidad de aplicaciones que tiene. Estas aplicaciones se pueden clasificar en términos generales según el método de inserción de la muestra utilizado. Las muestras gaseosas y líquidas altamente volátiles utilizan un colector de vacío, los sólidos y líquidos menos volátiles utilizan una sonda de inserción directa y las mezclas complejas utilizan cromatografía de gases o cromatografía de líquidos.
En este método, la muestra se introduce primero en un depósito de muestra calentado en el colector de vacío. Luego, se escapa hacia la cámara de ionización a través de un pequeño orificio. Este método es útil con muestras altamente volátiles que pueden no ser compatibles con otros métodos de introducción de muestras. [12]
En este método, la sonda se fabrica a partir de un canal metálico largo que termina en un pocillo para alojar un capilar de muestra. La sonda se inserta en el bloque de fuente a través de una esclusa de vacío. La muestra se introduce en el pocillo utilizando un capilar de vidrio. A continuación, la sonda se calienta rápidamente a la temperatura deseada para vaporizar la muestra. Con esta sonda, la muestra se puede colocar muy cerca de la región de ionización. [5]
La espectrometría de masas de ionización electrónica de inserción directa (EI-MS de inserción directa) se ha utilizado para la identificación de adhesivos arqueológicos como alquitranes, resinas y ceras encontradas durante excavaciones en sitios arqueológicos. Estas muestras se investigan típicamente utilizando cromatografía de gases-MS con extracción, purificación y derivatización de las muestras. Debido al hecho de que estas muestras se depositaron en períodos prehistóricos , a menudo se conservan en pequeñas cantidades. Al utilizar muestras arqueológicas de EI-MS de inserción directa, se analizaron directamente restos orgánicos antiguos como resinas de pino y pistacho , alquitrán de corteza de abedul, cera de abejas y aceites vegetales de períodos tan lejanos como la Edad del Bronce y la Edad del Hierro . La ventaja de esta técnica es que la cantidad requerida de muestra es menor y la preparación de la muestra se minimiza. [13]
Tanto la cromatografía de gases por inserción directa como la cromatografía de gases por inserción directa se utilizaron y compararon en un estudio de caracterización del material orgánico presente como revestimientos en ánforas romanas y egipcias que pueden tomarse como un ejemplo de materiales resinosos arqueológicos. A partir de este estudio, se revela que el procedimiento de inserción directa parece ser una herramienta rápida, sencilla y única que es adecuada para la detección de materiales arqueológicos orgánicos que pueden revelar información sobre los principales componentes dentro de la muestra. Este método proporciona información sobre el grado de oxidación y la clase de materiales presentes. Como desventaja de este método, es posible que no se identifiquen los componentes menos abundantes de la muestra. [14]
Otra aplicación de la EI-MS de inserción directa es la caracterización de nuevos clústeres de carbono sintéticos aislados en la fase sólida. Estos materiales cristalinos están compuestos de C 60 y C 70 en una proporción de 37:1. En una investigación se ha demostrado que la molécula sintética de C 60 es notablemente estable y que conserva su carácter aromático . [15]
La cromatografía de gases (GC) es el método más utilizado en EI-MS para la inserción de muestras. La GC se puede incorporar para la separación de mezclas de gases volátiles y térmicamente estables que coincidan perfectamente con las condiciones de ionización electrónica.
La cromatografía de gases-espectrometría de masas-espectrometría de masas se ha utilizado para el estudio y caracterización del material orgánico presente en los revestimientos de las ánforas romanas y egipcias . A partir de este análisis, los científicos descubrieron que el material utilizado para impermeabilizar las ánforas era un tipo particular de resina que no era originaria del yacimiento arqueológico, sino que se había importado de otra región. Una desventaja de este método era el largo tiempo de análisis y el requisito de un pretratamiento químico húmedo. [14]
La cromatografía de gases -espectrometría de masas-espectrometría de masas (GC-EI-MS) se ha utilizado con éxito para la determinación de residuos de pesticidas en alimentos frescos mediante un análisis de una sola inyección. En este análisis se identificaron 81 residuos de pesticidas de varias clases en verduras. Para este estudio, los pesticidas se extrajeron con diclorometano y se analizaron posteriormente mediante cromatografía de gases- espectrometría de masas en tándem (GC-MS-MS). El método de ionización óptimo puede identificarse como EI o ionización química (CI) para esta única inyección del extracto. Este método es rápido, sencillo y rentable, ya que se pueden determinar grandes cantidades de pesticidas mediante cromatografía de gases con una única inyección, lo que reduce considerablemente el tiempo total de análisis. [16]
El GC-EI-MS se puede incorporar para el análisis de fluidos biológicos para varias aplicaciones. Un ejemplo es la determinación de trece moléculas de insecticidas piretroides sintéticos y sus estereoisómeros en sangre completa. Esta investigación utilizó un nuevo método rápido y sensible de ionización electrónica-cromatografía de gases-espectrometría de masas en modo de monitoreo selectivo de iones (SIM) con una sola inyección de la muestra. Todos los residuos de piretroides se separaron utilizando un GC-MS operado en modo de ionización electrónica y cuantificados en modo de monitoreo selectivo de iones. La detección de residuos específicos en sangre es una tarea difícil debido a su concentración muy baja, ya que tan pronto como ingresan al cuerpo, la mayoría de las sustancias químicas pueden excretarse. Sin embargo, este método detectó los residuos de diferentes piretroides hasta el nivel de 0,05–2 ng/ml. La detección de este insecticida en sangre es muy importante ya que una cantidad ultra pequeña en el cuerpo es suficiente para ser dañina para la salud humana, especialmente en niños. Este método es una técnica muy simple y rápida y, por lo tanto, puede adoptarse sin interferencias de matriz. El modo de monitorización selectiva de iones proporciona una sensibilidad de detección de hasta 0,05 ng/ml. [17] Otra aplicación es en los estudios de recambio de proteínas mediante GC-EI-MS. Este método mide niveles muy bajos de d-fenilalanina que pueden indicar el enriquecimiento del aminoácido incorporado a la proteína tisular durante los estudios de síntesis de proteínas humanas. Este método es muy eficiente ya que tanto la d-fenilalanina libre como la unida a proteínas se pueden medir utilizando el mismo espectrómetro de masas y solo se necesita una pequeña cantidad de proteína (aproximadamente 1 mg). [18]
La GC-EI-MS también se utiliza en la ciencia forense . Un ejemplo es el análisis de cinco anestésicos locales en sangre mediante microextracción en fase sólida en espacio de cabeza (HS-SPME) y cromatografía de gases-espectrometría de masas-monitoreo de iones seleccionados por ionización por impacto electrónico (GC-MS-EI-SIM). La anestesia local se utiliza ampliamente, pero a veces estos fármacos pueden causar accidentes médicos. En tales casos, se requiere un método preciso, simple y rápido para el análisis de anestésicos locales. GC-EI-MS se utilizó en un caso con un tiempo de análisis de 65 minutos y un tamaño de muestra de aproximadamente 0,2 g, una cantidad relativamente pequeña. [19] Otra aplicación en la práctica forense es la determinación de drogas de violación en citas (DRD) en orina. Estas drogas se utilizan para incapacitar a las víctimas y luego violarlas o robarlas. Los análisis de estas drogas son difíciles debido a las bajas concentraciones en los fluidos corporales y, a menudo, un largo retraso entre el evento y el examen clínico. Sin embargo, el uso de GC-EI-MS permite un método simple, sensible y robusto para la identificación, detección y cuantificación de 128 compuestos de DRD en orina. [20]
Se pueden incorporar dos enfoques recientes para acoplar la cromatografía líquida a escala capilar con la espectrometría de masas por ionización electrónica (LC-EI-MS) para el análisis de varias muestras. Se trata de una interfaz LC/MS basada en EI a escala capilar y una interfaz EI directa. En la EI capilar, el nebulizador se ha optimizado para lograr linealidad y sensibilidad. La interfaz EI directa es una interfaz miniaturizada para nano y microHPLC en la que el proceso de interconexión tiene lugar en una fuente de iones modificada adecuadamente. Se puede obtener una mayor sensibilidad , linealidad y reproducibilidad porque la elución de la columna se transfiere completamente a la fuente de iones. Mediante el uso de estas dos interfaces, se puede incorporar con éxito la ionización electrónica para el análisis de moléculas pequeñas y medianas con varias polaridades. Las aplicaciones más comunes para estas interfaces en LC-MS son aplicaciones ambientales como separaciones en gradiente de pesticidas , carbaril , propanil y clorprofam usando una fase inversa , y aplicaciones farmacéuticas como la separación de cuatro fármacos antiinflamatorios , difenildramina, amitriptilina , naproxeno e ibuprofeno . [21]
Otro método para categorizar las aplicaciones de la ionización electrónica se basa en la técnica de separación que se utiliza en la espectroscopia de masas. Según esta categoría, la mayoría de las aplicaciones se pueden encontrar en la espectrometría de masas TOF ( tiempo de vuelo ) o TOF ortogonal (OA-TOF MS), la resonancia ciclotrónica iónica por transformada de Fourier (FT-ICR MS) y la espectrometría de masas cuadrupolar o de trampa de iones .
La espectroscopia de masas de tiempo de vuelo de ionización electrónica (EI-TOF MS) es muy adecuada para estudios analíticos y de física química básica. La EI-TOF MS se utiliza para encontrar potenciales de ionización de moléculas y radicales , así como energías de disociación de enlaces para iones y moléculas neutras. Otro uso de este método es estudiar la química y la física de iones negativos. Los tiempos de vida de autodesprendimiento , la disociación metaestable , las reacciones de transferencia de electrones de Rydberg y el desprendimiento de campo, el método de depuración de SF6 para detectar estados de iones negativos temporales y muchos otros se han descubierto utilizando esta técnica. En este método, la región de ionización libre de campo permite una alta precisión en la energía de los electrones y también una alta resolución de la energía de los electrones. La medición de los campos eléctricos a lo largo del tubo de vuelo de iones determina el autodesprendimiento y la descomposición metaestable, así como el desprendimiento de campo de iones negativos débilmente unidos. [22]
La primera descripción de un sistema de espectrometría de masas TOF con aceleración ortogonal de ionización electrónica (EI oa-TOFMS) se realizó en 1989. Al utilizar la "aceleración ortogonal" con la fuente de iones EI, se aumentó el poder de resolución y la sensibilidad. Una de las principales ventajas del oa-TOFMS con fuentes EI es su implementación con sistemas de entrada de cromatografía de gases (GC), lo que permite que la separación cromatográfica de compuestos orgánicos volátiles se realice a alta velocidad. [23]
La FT-ICR EI-MS se puede utilizar para el análisis de tres fracciones de destilación de gasóleo de vacío (VGO) en 295-319 °C, 319-456 °C y 456-543 °C. En este método, la EI a 10 eV permite la ionización suave de compuestos aromáticos en el rango de gasóleo de vacío. Las variaciones de composición a nivel molecular se determinaron a partir de la asignación de composición elemental. El poder de resolución ultraalto, el tamaño pequeño de la muestra, la alta reproducibilidad y la precisión de masa (<0,4 ppm) son las características especiales de este método. El producto principal fueron hidrocarburos aromáticos en las tres muestras. Además, se observaron directamente muchos compuestos que contienen azufre , nitrógeno y oxígeno cuando la concentración de esta especie heteroatómica aumentó con el punto de ebullición . Mediante el análisis de datos se obtuvo información sobre los tipos de compuestos ( anillos más dobles enlaces ), sus distribuciones de número de carbono para hidrocarburos y compuestos heteroatómicos en las fracciones de destilación, el aumento del peso molecular promedio (o distribución del número de carbono) y la aromaticidad con el aumento de la temperatura de ebullición de las fracciones de petróleo . [24]
La EI MS con trampa de iones se puede incorporar para la identificación y cuantificación de residuos de polietoxilato de nonilfenol (NPEO) y sus productos de degradación, como los carboxilatos de polietoxi de nonilfenol y los carboxilatos de etoxi de carboxialquilfenol, en las muestras de agua de río y efluentes cloacales. A partir de esta investigación, han descubierto que la GC-MS con trampa de iones es un enfoque analítico confiable y conveniente con una variedad de métodos de ionización, incluida la EI, para la determinación de compuestos objetivo en muestras ambientales. [25]
Existen varias ventajas y desventajas al utilizar EI como método de ionización en espectrometría de masas. Se enumeran a continuación.
![{\displaystyle I^{+}=\beta Q_{i}L[{\ce {N}}]I_{e}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b26c11b367d00217e435cc09f9d8e01b0aed4f4)