Descarga luminiscente de radiofrecuencia- Espectrometría de masas de tiempo de vuelo: optimización, carecterización y desarrollo de aplicaciones analíticas cuantitativas en ciencia de los materiales

Abstract

El aumento del mercado de nuevos materiales, como por ejemplo de recubrimientos superficiales dirigidos a mejorar las prestaciones de los ya existentes, ha motivado la necesidad de disponer de técnicas de análisis de sólidos cada vez más potentes, que permitan establecer relaciones entre las características de los materiales con la composición y la distribución de sus componentes. En este contexto, hace unos años se desarrolló en el marco del proyecto europeo “New Elemental and Molecular Depth Profiling Analysis of Advanced Materials by Modulated Radiofrequency Glow Discharge Time of Flight Mass Spectrometry” (EMDPA) un prototipo de descarga luminiscente (GD) con detección por espectrometría de masas de tiempo de vuelo (TOFMS). El TOFMS ofrece ventajas importantes respecto a otros analizadores de masas ya que realiza la detección casi-simultánea de todos los elementos presentes en una muestra a una elevada velocidad, convirtiéndolo en el instrumento ideal para llevar a cabo la determinación multielemental de señales rápidas transitorias. Además, el prototipo estaba basado en una GD de radiofrecuencia pulsada, lo que permite el análisis tanto de materiales conductores como de no conductores. Actualmente, la versión comercial de dicho prototipo ya se encuentra disponible y lleva por nombre “Plasma Profiling TOFMS” o PP-TOFMS, fabricado por Horiba Scientific (Francia). En la presente Tesis Doctoral se han evaluado las características de este equipo, que ahora presenta un cuadrupolo en la interfase, y se han desarrollado nuevas metodologías de cuantificación para diferentes muestras. Para ello, en el primer capítulo, se han estudiado las características analíticas realizando experimentos a diferentes condiciones experimentales de la GD y también se ha investigado la acción del cuadrupolo como filtro de iones. En los estudios realizados se ha observado que es factible no perder sensibilidad analítica al disminuir la anchura de pulso, permitiéndonos seleccionar la velocidad de arrancado en función de la muestra, y además se ha comprobado que la sensibilidad para valores de m/z bajos y altos aumenta considerablemente al atenuar los iones procedentes del gas de descarga y de la matriz. En el segundo capítulo, aprovechando las ventajas de la fuente pulsada, se evaluaron los distintos regímenes temporales del pulso de la GD para la obtención de señales analíticas buscando evitar la saturación del detector por parte de componentes mayoritarios. Con este fin, se desarrollaron dos metodologías de cuantificación para llevar a cabo análisis en profundidad de muestras monocapa y multicapa de Cu y NiCu de composición modulada utilizando dos regiones del pulso: el plateau y el afterglow. Los resultados muestran que ambas estrategias proporcionan valores semejantes a los teóricos tanto de espesor como de composición de las diferentes capas de las muestras. En el tercer capítulo se llevó a cabo el análisis en profundidad de una serie de muestras compuestas por un acero inoxidable que se ha sometido a distintos procesos de contaminación con diversos elementos de tierras raras. Además, dada la falta de materiales de referencia para estos analitos, se desarrolló y validó una metodología de cuantificación basada en factores de sensibilidad relativos. Por último, en el cuarto capítulo se han empleado muestras poliméricas para investigar la detección en modo negativo en el PP-TOFMS. Este modo de medida presenta ventajas para cierto tipo de analitos (como por ejemplo, la posibilidad de detectar iones como el F, que tienen un potencial de ionización mayor que el del Ar) respecto al modo positivo que es utilizado habitualmente. En este contexto, se llevó a cabo una evaluación de la información tanto elemental como molecular con tres retardantes de llama halogenados y, además, se investigó la formación de iones poliatómicos empleando como gas de descarga una mezcla Ar + O2.