12 de mayo 2015

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E

INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Profesora: IRAIS ELEANA SANTANA GARCIA

Alumnos:BARAT SANCHEZ IRVING

FERNÁNDEZ CRUZ JAVIER

Grupo: 4IM82Sección: B

PRACTICA 1:“RECONOCIMIENTO DE OS

COMPONENTES DE UN ESPECTRÓMETRO DE MASAS ”

ACADEMIA DE QUÍMICA ANALÍTICA

LABORATORIO DE TÉCNICAS INSTRUMENTALES AVANZADAS

OBJETIVO:

Que el alumno identifique las principales partes que constituyen el espectrómetro de masas, así como reconocerlas físicamente y compararlas con la bibliografía correspondiente.

INTRODUCCIÓN:

ESPECTROSCOPIA DE MASAS

La espectrometría de masas es una técnica de análisis cuantitativo, de amplia utilización para la determinación de estructuras orgánicas, en combinación con otras técnicas de espectrofotometría.

La espectrometría de masas está basada en la obtención de iones a partir de moléculas orgánicas en fase gaseosa; una vez obtenidos estos iones, se separan de acuerdo con su masa y su carga y finalmente los iones formados se detectan por medio de un dispositivo adecuado.

Esencialmente el espectrómetro de masas debe ser capaz de desempeñar cuatro funciones:

1) El espectrómetro de masas debe ser capaz de vaporizar sustancias de volatilidades muy diferentes.

2) Una vez volatilizada la muestra, el espectrómetro de masas debe de ser capaz de originar iones a partir de las moléculas neutras en fase gaseosa.

3) Una vez generados os iones, el espectrómetro debe de ser capaz de separarlos en su función de relación masa/carga.

4) Una vez separados los iones, el espectrómetro de masas debe de ser capaz de detectar los iones formados y registrar la información adecuadamente.

Por lo que el espectrómetro debe cumplir estas cuatro funciones, deberá constar de cuatro partes independientes:

a) Sistema de inducción de muestras.b) Fuente de iones.c) Analizador para la separación de iones.d) Sistema detector y registrado.

Un espectro de masas será, en consecuencia, una información bidimensional que representa un parámetro relacionado con la abundancia de los diferentes tipos de iones en función de l< relación masa/carga de cada uno de ellos.

La espectrometría de masas atómicas es una herramienta de masas versátil y muy utilizada para identificar los elementos presentes en muestra de materia y determinar sus concentraciones. La espectrometría de masas atómica ofrece numerosas ventajas frente a los métodos ópticos analíticos.

Entre las ventajas se encuentran:

Límites de detección Espectros sencillos y fácilmente interpretables Capacidad para medir relaciones isotópicas

Entre las desventajas se encuentran

El coste del instrumento La deriva del instrumento

La espectroscopia de masas atómicas implica las siguientes etapas:

Atomización Conversión significativa de los átomos Separación de los iones formados en la segunda etapa según su etapa

masa/carga (m/z) Recuento del número de iones de cada tipo de corriente iónica de cada tipo o

medida de la corriente iónica producida cuando los iones son formados a partir de la muestra.

Un Espectrómetro de Masas es un instrumento que mide las masas de moléculas individuales que han sido convertidas en iones. Un espectrómetro de masas no mide la masa molecular directamente, pero mide la relación masa/carga de los iones formados de las moléculas. Los espectrómetros de masas tienen siete componentes mayores: un sistema de entrada, una fuente de iones, un analizador de masas, un detector, un sistema de vacío, un sistema de control y un sistema de datos.

Figura 1. Componentes Básicos de un Espectrómetro de Masas

Los fundamentos de las medidas espectrales de masas son sencillos y fácilmente comprensibles; aunque desafortunadamente, esta simplicidad no se extiende a la instrumentación. Un espectrómetro de masas de alta resolución típico es un montaje electrónico y mecánico complejo que es caro tanto en términos de adquisición inicial como en operación y mantenimiento.

El objetivo del sistema de entrada es introducir una cantidad muy pequeña en la fuente de iones, donde los componentes de la muestra se convierten en iones gaseosos mediante el bombardeo de electrones, fotones, iones o moléculas. Alternativamente, la ionización se puede conseguir con carga térmica o eléctrica. La salida de señal de la fuente de iones es un flujo de iones positivos o iones negativos gaseosos que son acelerados en el analizador de masas. Un espectrómetro de más contiene un detector que convierte el haz de iones en una señal eléctrica que puede ser procesada, almacenada en la memoria de un ordenador y ser mostrada en la pantalla. Un espectrómetro de masas dispone de un detector que convierte el haz de iones en una señal eléctrica que puede ser procesada, un hecho característico es la necesidad de disponer de un sistema de vacío para mantener bajas presiones en todos los componentes excepto del procesador de señal y el dispositivo de lectura. La necesidad de crear un vacío se debe a las partículas cargadas incluidos los electrones reaccionan con los componentes de la atmosfera y consecuencia son destruidos, además está constituido por los sistemas de entrada y distintos tipos de analizadores.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Fig. 2 diagrama de bloques de la experimentación.

Paso 1

Reconocimiento fisico del equipo de espectrometro de masas.

Paso 2

Seleccionar la herramienta adecuada para desarmar el equipo.

Paso 3

Desmontar la tapa superior de platico del espectromero de masas.

Paso 4

Separar la parte correspondiente del espectrometro de masas.

Paso 5

Desconectar todo el cableado electrico.

Paso 6

Desmontar la bomba de vacio.

Paso 7

Desmontar la fuente de iones.Paso 8

Desmontar el analizador.Paso 9

Desmontar el detector de iones.

Paso 10

Analizar cada parte que conforma el espectrometro de masas.

Paso 11

Armar el espectrometro de masas.

Paso 12

El equipo debe quedar armado sin que sobren piezas.

Paso

13

Comentar el uso de cada una de las partes.

Paso

14

Realizar las observaciones y conclusiones correspondientes.

RESULTADOS

TABLA 1 ESPECTOMETRO DE MASASImagen de bibliografía Información bibliográfica

ESPECTOMETRO

DE

MASAS

Fig. 3 Espectrómetro de masas Mass-Q 910 de bibliografía

MODELO: Q-MASS 910 Mass Spectrometer.MODO DE IONIZACION: Impacto de electrones.VOLTAGE EV: 70 ev.CONFIGURACION: Integrado a CG/MS.ENTRADA DE MUESTRA: Capilar directo.HARDWARE: DEC PC 433 dx LP, 245MB fixed disk, 3.5" 1.44 MB floppy.SOFTWARE: Automatico/manual.DISPLAY: Monitor De color, printer/plotter.DIMENSIONES: 33x 50.8 x 58.4 (cm).PESO: 45.8 (kg).RESOLUCION: unidad de masa.SENSIBILIDAD: Picogramos.ANALIZADOR DE MASAS: cuadrupolo.DETECTOR: Dinodos continuos.METODO DE VACIO: bomba turbomolecular.

Imagen de laboratorio Explicación

Fig. 4 Espectrómetro de masas Mass-Q 910 de laboratorio

El laboratorio cuenta con equipo (CG/MS), este equipo consta de un espectrómetro de masas acoplado a gases.

En el cromatógrafo de gases es donde se separa la mezcla, para posteriormente pasar al espectrómetro de masas donde se puede cualificar los elementos presentes en la muestra.

El espectrómetro de masas cuenta con un sistema eléctrico que provee de energía y un sistema de masas el cual consta de una bomba turbomolecular, un sistema de entrada de muestra, un Ionizador de impacto electrónico, un analizador cuadrupolar, un detector de dinodos continuos y un software para programar el equipo.

SISTEMA

DE

ALTO

VAC IO

TABLA 2 PARTES DEL ESPECTROMETRO DE MASASImagen de bibliografía Información bibliográfica

Fig. 5 Esquema de una Bomba Turbomolecular

Las bombas turbomoleculares consiste en una turbina con una serie de alabes que se mueven a una velocidad supersónica girando a una velocidad de 60000-90000 rpm. Cuando las moléculas gaseosas chocan con los alabes del rotor, reciben un componente adicional de velocidad de bombeo, a fin de crear un flujo macroscópico neto. Las moléculas impulsadas por el rotor deben alcanzar los alabes de estator antes de chocar con otra molécula, lo que las desviaría por su trayectoria, para que se cumpla esta condición, la velocidad de agitación térmica de las moléculas. La presión debe ser suficientemente baja como para que el recorrido sea superior a la distancia del rotor y estator. En estas condiciones se alcanza la condición de flujo molecular y el bombeo empieza a ser eficiente.

Imagen de laboratorio Explicación

Fig. 6 Bomba Turbomolecular del equipo Mass-Q 910

La bomba turbomolecular permite generar un alto vacío al sistema hasta (10-7 torr), ya que para llevar a cabo un buen análisis en espectrometría de masas es necesario mantener el equipo a alto vacío, esto permite que los iones formados puedan desplazarse sin chocar con otros iones y de este modo registrar un buen espectro.

SISTEMA

DE

ENTRADA

TABLA 3 SISTEMA DE ENTRADAImagen de bibliografía Información bibliográfica

Fig. 7 Entrada de una muestra por acoplamiento de (CG/MS)

Los espectrómetros de masas a menudo están acoplados con sistemas cromatográficos de gases o de líquidos de alta resolución que permiten la separación y determinación de los componentes de mezclas complejas.

El acoplamiento de una columna cromatográfica a un espectrómetro de masas requiere la utilización de sistemas de entrada especiales. Algunos fabricantes de instrumentos ofrecen equipos de cromatografía de gases que pueden acoplarse directamente con distintos tipos de espectrómetros de masas de barrido rápido.

Imagen de laboratorio Explicación

Fig. 8 Sistema de Entrada

La utilización de la cromatografía de gases acoplada a un espectrómetro de masas requiere sistemas especiales de conexión.

El único obstáculo serio a la hora de realizar su acoplamiento es que el efluente que emerge de la columna cromatográfica sale a presión atmosférica y debe introducirse en el interior del espectrómetro de masas que trabaja a alto vacío.

En principio, se trata de dos técnicas que trabajan en fase gaseosa y necesitan una muy pequeña cantidad de muestra para su análisis, por lo que son muy

compatibles.

HEPTACOSA

TABLA 4 GAS DE REFERENCIA HEPTACOSAImagen de bibliografía Información bibliográfica

Fig. 9 Estructura Molecular de la Heptacosa

Con el fin de disponer de picos de masas conocidas se utilizan sustancias de referencia, de espectro bastante complejo pero muy bien conocido, para realizar la calibración de la escala de masas del espectrómetro. Lo que se hace es ajustar las distintas lentes y rendijas de la fuente para conseguir los valores óptimos de los iones fragmento del compuesto de referencia de los cuales se conoce su masa exacta así como las abundancias relativas de cada uno.Las sustancias de referencia más utilizadas son heptacosa (perfluorterbutilamina) para la calibración de las masas en equipos de baja resolución y el PFK (perfluorkeroseno) para los de alta. En los espectrómetros de masas de baja resolución conviene hacer un tune a la semana para asegurarse del buen funcionamiento del mismo. Normalmente lo que se hace es abrir la válvula de fuga para conseguir un flujo de heptacosa hacia la fuente iónica que provoca la presencia permanente del espectro de esta sustancia con lo que el equipo compara el espectro de masas detectado con el que tiene almacenado en la memoria del ordenador.

Imagen de laboratorio Explicación

Fig.10 Contenedor de Heptacosa

En este equipo la sustancia almacenada es la heptacosa. Este matraz tiene una válvula automatica que se abre para regular el flujo de heptacosa hacia la fuente iónica.

La heptacosa esta almacenada es un matraz muy pequeño de vidrio que nos ayudan a realizar la sintonía y calibración de nuestro espectrómetro de masas.

FUENTE

DE

IONIZACI

TABLA 5 FUENTE DE IONIZACIÓNImagen de bibliografía Información bibliográfica

Fig, 11 Esquema de Ionizador por Impacto de

Electrones

Los electrones son emitidos por un filamento caliente de tungsteno o renio y son acelerados por un potencial de aproximadamente 70 eV que se aplica entre el filamento y el ánodo, las trayectorias de los electrones y las moléculas están en ángulo recto y se cruzan en el centro de la fuente, donde colisionan y tiene lugar la ionización.El producto primario son iones de una única carga positiva que se forman cuando los electrones de elevada energía se acercan suficientemente a las moléculas como para causarles la pérdida de electrones por repulsiones electrostáticas

Imagen de laboratorio Explicación

Fig. 12 fuente de ionizacion por impacto de electrones.

La fuente de ionización es el medio por el cual los iones son cargados con cierto nivel de energía y de este modo provocar la fragmentación para obtener espectros complejos o no complejos. Existen fuentes duras y fuentes blandas y dentro de estas existen más tipos de fuentes que dependen del tipo de agente ionizante que se utiliza, pueden ser por medio de electrodos, de

ÒN

electrones, de iones, ház de láser, etc.

La ionización por impacto de electrones se somete la muestra a una temperatura elevada para producir un vapor molecular para posteriormente se ioniza bombardeando las moléculas originadas con un haz de electrones de elevada energía.

ANALIZADOR

TABLA 6 ANALIZADORImagen de bibliografía Información bibliográfica

Fig. 13 Esquema de Analizador Cuadrupolar

El instrumento cuadrupolar es un conjunto de las cuatro barras cilíndricas que actúan como electrodos. Las barras se conectan eléctricamente, un par está unido al polo positivo de una fuente variable de corriente continua y el otro par se une a la terminal negativa. A cada par de barras potenciales variables de corriente alterna de radiofrecuencia, que están desfasados180°.Para obtener un espectro de masas con este dispositivo, los iones se aceleran en el espacio entre las barras mediante un potencial de 5 a 10ev.Entre tanto, las tenciones continuas y de la corriente alterna se incrementan simultáneamente, mientras se mantiene su relación, el cualquier momento, todos los iones excepto aquellos que tenga un determinado valor de m/z inciden en las barras y se convierten en moléculas neutras.Generalmente, los instrumentos cuadrupolares

separan fácilmente iones que difieren en su masa en una unidad.

Imagen de laboratorio Explicación

Fig. 14 Analizador Cuadrupolo

El cuadrupolo es un analizador de iones que sirve para separarlos y transmitirlos al detector.El cuadrupolo tiene cuatro barras, dos se conectan al polo positivo y dos al polo negativo, estas barras se encargan de realizar la selección de los iones lo cuales pueden pasar al detector. Por lo general sólo transmite iones de un pequeño intervalo de relaciones m/z.Todos los demás iones se neutralizan y son eliminados. Variando las señales eléctricas del cuadrupolo también se pueden variar las relaciones de m/z.

DETECTOR

TABLA 7 DETECTORImagen de bibliografía Información bibliográfica

Fig. 16 Esquema de Multiplicador de Electornes de Dinodos Continuos

Es similar al multiplicador de electrones clásico, con la principal diferencia de que no tiene múltiples dínodos discretos, sino que está formado por un tubo de vidrio en forma de corneta, a veces terminado en forma de espiral o caracol, cuyo interior está recubierto por un óxido de plomo semiconductor de composición y características especiales.Si se desea detectar iones positivos, se aplica un potencial negativo en la boca del detector para que los iones procedentes del espectrómetro de masas, desviados de su trayectoria por una placa repulsora con potencial positivo sean atraídos a su interior y choquen con la cara interna, produciendo la emisión de un cierto número de electrones. El final del tubo del detector se sitúa a un potencial cercano a tierra, con lo que existirá un gradiente continuo de potencial desde la boca al fondo del detector. Debido a esto, los electrones arrancados en el impacto inicial del ion volarán en la dirección de los potenciales menos negativos, hacia potencial cero, produciéndose una gran cantidad de impactos en el camino, en cada uno de los cuales se multiplicará el numero de electrones, con lo que se puede conseguir un efecto multiplicador del orden de 108 . Al final del recorrido

del tubo multiplicador se encuentran un cono colector con la electrónica de preamplificación y amplificación asociada. Si se desean detectar iones negativos, en principio basta con cambiar el signo de los potenciales aplicados a la placa repulsora y a la boca del detector. Por tanto, este detector es susceptible de ser empleado tanto para detectar iones positivos como negativos.

Imagen de laboratorio Explicación

Fig. 15 Multiplicador De Electrones de Dinodos Continuos.

El multiplicador de electrones de dinodos continuos es un detector que tiene forma de trompeta muy chiquita, a través de este pasan los iones que van chocando con los dinodos y con cada choque se expulsan electrones. Cada choque genera la fragmentación de los iones y al final del multiplicador los electrones salen en forma de cascada para ser detectados.

OBSERVACIONES

En esta práctica se visualizaron las piezas que conforman el espectrómetro de masas, el espectrómetro es un equipo que está conformado por 2 elementos particulares la parte eléctrica y la parte mecánica, la parte mecánica es la que nos interesa analizar ya que es la parte que contiene el sistema de entrada, una bomba turbomolecular. la fuente de ionización, el analizador, el detector, el contenedor de heptacosa.

Al observar el equipo seleccionamos la herramienta más adecuada ya que el equipo contiene tornillos de diferentes, lo mismo para las tuercas con el fin de que no se barran y queden atoradas se selecciona la llave adecuada.

Se debe tener el absoluto cuidado del desmontaje de nuestro equipo, ya que las partes son delicadas y un manejo brusco puede dañarlas.

El sistema de entrada del equipo esta acoplado a un sistema de cromatográfico de gases, aquí se puede observar que está constituido por un pequeño tubo con roscas y empaques por donde pasa la muestra para ser inyectada a la fuente de ionización.

La bomba turbomolecular tiene unas aspas, la velocidad de las aspas debe ser muy grande para generar un flujo macroscópico para poder generar el alto vacío lo que permite que las moléculas no interaccionen con las moléculas presentes en el aire y podamoa obtener una mejor resolución de nuestro espectro.

Contenedor de heptacosa es parecido a un matraz muy pequeño observamos que la heptacosa es una sustancia transparente semi aceitosa que nos ayuda a realizar la sintonización y calibración el espectrómetro de masas.

La fuente de ionización es una parte fundamental del espectro consiste en un parte cilíndrica con filamentos dorados, en el cual se lleva a cabo el bombardeo de electrones lo que permite que las moléculas se ionicen y sean enviadas al analizador.

El analizador cuadrupolar es una parte compuesta por cuatro barras colocadas en forma de cruz 2 están conectadas a terminales positivas y las otras 2 a terminales negativas con el fin de que el flujo de iones sean seleccionados y llevados al detector.

El detector tiene forma de trompeta de enrollada es de material metálico, los iones entran y chocan en el interior se multiplican, por su forma peculiar llama la atención.

Fernández Cruz Javier

CONCLUSIONES

En esta práctica cumplimos con el objetivo de identificar las partes que conforman el espectrómetro de masas para conocerlas físicamente, que piezas las conforman, como están acomodadas en el equipo, así como entender su funcionamiento particular y general de las partes.

Es de importancia conocer como está compuesto un espectrómetro de masas ya que así se pueden identificar si existe algún problema con nuestro equipo y poderlo así reportar al técnico.

El conocer el equipo y poder compararlo con la bibliografía, y las clases de teoría nos permiten conocer y entender como es su principio y como es su función particular de cada pieza fundamental que contiene el espectrómetro de masas como viaja los iones a través de cada una de las partes.

Una de las ventajas de la técnica de espectrometría de masas es que se acoplan a la cromatografía de líquidos y de gases lo que genera una técnica altamente poderosa

que permite la separación e identificación de componentes que se encuentran en muestras.

Fernández Cruz Javier

BIBLIOGRAFIA

Capitulo 11. “Espectrometría de masas atómicas”. Douglas A. Skoog, F. James Holler, Timothy A, Nieman. Principios de Analisis Instrumental. 5ta edicion, Madrid España, Mc Graw-Hill, 2001, p269 - 289

Capitulo 20. “Espectrometría de masas molecular”. Douglas A. Skoog, F. James Holler, Timothy A, Nieman. Principios de Analisis Instrumental. 5ta edicion, Madrid España, Mc Graw-Hill, 2001, p537 - 575