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 fortaleza especial de AMS entre los diferentes métodos de espectrometría de masas es su capacidad para separar un isótopo raro de una masa vecina abundante ("sensibilidad de abundancia", p. ej. 14 C de 12 C ). [1] El método suprime las isóbaras moleculares por completo y en muchos casos también puede separar isóbaras atómicas (p. ej. 14 N de 14 C). Esto hace posible la detección de radioisótopos naturales de larga duración como 10 Be , 36 Cl , 26 Al y 14 C. (Su abundancia isotópica típica varía de 10 −12 a 10 −18 ).
El AMS puede superar a la técnica competidora de conteo de desintegración para todos los isótopos donde la vida media es lo suficientemente larga. [2] Otras ventajas del AMS incluyen su corto tiempo de medición, así como su capacidad para detectar átomos en muestras extremadamente pequeñas. [3]
En general, los iones negativos se crean (los átomos se ionizan ) en una fuente de iones . En casos afortunados, esto ya permite la supresión de una isobara no deseada, que no forma iones negativos (como 14 N en el caso de las mediciones de 14 C). Los iones preacelerados suelen separarse mediante un primer espectrómetro de masas de tipo sector-campo y entran en un "acelerador tándem" electrostático. Se trata de un gran acelerador de partículas nucleares basado en el principio de un acelerador tándem de Van de Graaff que funciona a 0,2 a 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 negativos a positivos al pasar 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 stripping. [4] [5] La supresión completa de las isóbaras moleculares (por ejemplo, 13 CH − en el caso de las mediciones de 14 C) es una de las razones de la excepcional sensibilidad de abundancia del AMS. Además, el impacto elimina 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 lejos 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 porcentajes 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 (atómica) estable 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 se pueden separar mediante métodos tomados de la física nuclear, como láminas degradantes e imanes llenos de gas. Los iones individuales finalmente se detectan mediante el recuento 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. [ cita requerida ]
Lo anterior es solo un ejemplo. Existen otras formas de lograr la AMS; sin embargo, todas funcionan en base a mejorar la selectividad y especificidad de masa mediante la creación de altas energías cinéticas antes de la destrucción de la molécula por desprendimiento, seguida del conteo de iones individuales. [ cita requerida ]
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 de inmediato y correctamente que el otro isótopo de masa 3, el tritio ( 3 H), era radiactivo. En 1977, inspirado por este trabajo temprano, Richard A. Muller en el Laboratorio Lawrence Berkeley reconoció que los aceleradores modernos podían acelerar partículas radiactivas a una energía donde las interferencias de fondo podían separarse utilizando técnicas de identificación de partículas. Publicó el artículo seminal en Science [7] que mostraba cómo los aceleradores (ciclotrones y lineales) podían usarse para la detección de tritio, radiocarbono ( 14 C ), y varios otros isótopos de interés científico, incluido el 10 Be ; también informó la primera fecha de radioisótopos exitosa obtenida experimentalmente utilizando tritio. Su artículo sirvió de inspiración directa a 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 de Francia informaron sobre la detección exitosa de 10 Be, un isótopo ampliamente utilizado en geología. Pronto, la técnica del acelerador, al ser más sensible en un factor de aproximadamente 1000, 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 datación por radiocarbono [8].
Existen muchas aplicaciones para AMS en una variedad de disciplinas. AMS se emplea 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, 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. Las muestras que van desde 50.000 años de antigüedad a 100 años de antigüedad pueden fecharse con éxito utilizando AMS, [9] ya que otras formas de espectrometría de masas proporcionan una supresión insuficiente de isóbaros moleculares para resolver 13 CH y 12 CH 2 de átomos de 14 C. Debido a la larga vida media de 14 C, el recuento de desintegración requiere muestras significativamente más grandes. 10 Be, 26 Al y 36 Cl se utilizan para la datación por exposición superficial en geología. [10] 3 H , 14 C, 36 Cl y 129 I se utilizan como trazadores hidrológicos.
La espectrometría de masas con acelerador se utiliza ampliamente en la investigación biomédica. [11] [12] [13] En particular, se ha utilizado 41Ca para medir la resorción ósea en mujeres posmenopáusicas. [ cita requerida ]