Desarrollo y caracterización de descargas luminiscentes a presión atmosférica con capacidad de desorción/ionización para espectrometría de masas

Abstract

La Espectrometría de Masas (MS) ha experimentado un gran desarrollo desde su aparición a principios del siglo XX. Se han desarrollado técnicas de análisis elemental y molecular de muestras gaseosas, líquidas o sólidas, con gran selectividad y sensibilidad. Sin embargo, una limitación de las técnicas basadas en MS es la necesidad de adaptar la muestra al sistema experimental que requieren procesos de pretratamiento de muestra, aumentando los tiempos y costes de análisis. En este sentido, la última década ha dado lugar a un campo dentro de la MS denominado Espectrometría de Masas por Desorción/Ionización Ambiental (Ambient Desorption/Ionization Mass Spectrometry, ADI-MS). Este campo utiliza fuentes de desorción/ionización capaces de realizar análisis de muestras en su forma natural, sin realizar pretratamientos de muestra o reduciéndolos al mínimo, a través de MS. Así, se obtienen técnicas de análisis rápidas y directas con alta selectividad y sensibilidad, obteniendo información molecular con baja fragmentación. Esta tesis doctoral ha sido dedicada al desarrollo de un sistema experimental ADI-MS basado en una Descarga Luminiscente a Presión Atmosférica (APGD) utilizando He como gas plasmógeno. Para ello se han desarrollado varios diseños de generación de la descarga que han permitido realizar varios estudios de caracterización mediante diferentes estrategias: ¿ Espectroscopía de emisión óptica incluyendo medidas con resolución espacial en 2D. Estas medidas han permitido estudiar qué especies reactivas se generan y cómo se distribuyen en la descarga y en la región de interacción con la atmósfera ambiente, denominada región afterglow. Las medidas con resolución espacial han permitido estudiar la estructura de la APGD (en la figura 1 se muestra un ejemplo de estas imágenes). ¿ Caracterización eléctrica de la APGD. Se ha estudiado el régimen de operación de la descarga (la relación voltaje-corriente) y la potencia que consume la descarga, en función de las condiciones de operación. Además, las medidas han permitido el cálculo de la diferencia de potencial y el campo eléctrico en las regiones que componen la descarga. ¿ Caracterización del transporte de masa en la región afterglow. Este estudio se realizó mediante imágenes schlieren que permite detectar cambios en el índice de refracción del medio, permitiendo visualizar el chorro de He que sale de la descarga. Además, se estudió la interacción entre el chorro de He y superficies con diferentes rugosidades. ¿ Estudio de la formación de iones reactivos y los procesos de ionización. Se ha detallado como se forman los iones reactivos positivos a partir de los estudios de esta tesis y otros trabajos publicados. Se estudió como depende la formación de los iones reactivos de las condiciones de operación (que marcan la temperatura del gas a la salida de la cámara) y de la humedad ambiental. Se relacionaron estos resultados con los procesos de ionización a través de la sensibilidad analítica obtenida en el análisis de muestras volátiles, incluyendo un estudio de la fragmentación en el proceso de análisis. ¿ Estudio de la adición de gases auxiliares en la región afterglow, utilizando gases inertes (N2, Ar o He) y gases reactivos (O2 y N2O). En este estudio se detalla la formación de iones en modo negativo a través de estos y otros trabajos. Se comprobó la capacidad de una de las cámaras de descarga diseñadas para detectar pequeñas cantidades (~ng) de drogas de abuso, pesticidas y explosivos, así como muestras sólidas, detectando sus componentes principales. A partir de estos estudios, se diseñó una fuente ADI de bajo coste de fabricación, bajo consumo de gas plasmógeno y eléctrico y de pequeño tamaño, con gran capacidad de formación de iones reactivos y de análisis (se muestra una dos imágenes de la fuente en las figuras 2a y b). Con esta fuente se implementó un sistema experimental apto para el análisis de muestras gaseosas, líquidas y sólidas. Se realizaron estudios de las capacidades analíticas para muestras gaseosas y líquidas. En este sentido, se cuantificó con precisión la cantidad de cafeína en muestras reales, comparando los resultados con técnicas de análisis basadas en ADI-MS y otras técnicas más convencionales.