EspectrometríaEnForense(trabajocurso20162017) (2017)

Trabajo Español
Universidad Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED)
Grado Química - 4º curso
Asignatura Química Forense
Año del apunte 2017
Páginas 13
Fecha de subida 25/09/2017
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La PEC del curso 2016/17, como ejemplo.

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Espectrometría de masas y su uso en química forense.
Beatriz Mingol, Química Forense, curso 2016/17.
Objetivo del trabajo: Este trabajo, dentro de la asignatura química forense tiene como objetivo profundizar un poco más en la técnica de la espectrometría de masas, comprender mejor su funcionamiento y descubrir para qué casos dentro de la química forense o legal puede ser útil e incluso imprescindible. La espectrometría de masas, a grandes rasgos, nos da un espectro similar al IR con la abundancia relativa de cada elemento, en este trabajo profundizaremos un poco más en cómo se consigue esto y qué aplicaciones puede tener dentro del marco del análisis en ciencia forense.
1. Antecedentes históricos.
En 1886, Eugen Glodstein descubrió una débil luminiscencia detrás de la placa metálica del cátodo de un tubo de descarga, sustituyó esta placa por una perforada y observó que los rayos pasaban a través de las perforaciones y se movían en sentido contrario a los rayos catódicos (de electrones). Por comportarse de esta manera los llamó “rayos positivos” o “rayos canales”. A diferencia de los rayos catódicos, estos rayos eran diferentes para cada tipo de gas. Los rayos canales son iones positivos que se forman cuando los rayos catódicos chocan con átomos o moléculas de gas, por el impacto pierden electrones y al quedar con carga positiva se mueven en sentido contrario. Son diferentes para cada gas porque los átomos de cada gas tienen cargas y masas diferentes, con lo que la relación carga/masa (Q/m) tiene valor diferente para cada gas.
Wilhelm Wien descubrió que campos eléctricos o magnéticos podían desviar esos rayos y, en 1899, construyó un dispositivo con campos eléctricos y magnéticos paralelos que separaba los rayos positivos en función de su relación carga-masa (Q/m). Así descubrió que la relación de carga a masa dependía de la naturaleza del gas en el tubo de descarga.
Tubo de rayos catódicos de Thomson.
Estos avances hicieron que J. J.
Thomson, interesado en medir la relación Q/m del electrón, fabricara el primer instrumento similar a un espectrómetro de masas. En 1911, descubrió la manera de separar átomos de diferente masa. Lo consiguió desviando los rayos positivos mediante campos eléctricos y magnéticos. Esto le sirvió para descubrir, por ejemplo, que el neón tiene dos isótopos (neón-20 y neón-22).
Más tarde, en 1918 y 1919, Arthur Jeffrey Dempster y F. W. Aston desarrollaron y describieron el proceso que daría lugar más directamente a la espectrometría moderna. El espectrómetro de masas de desviación magnética diseñada por Dempster fue comercializado en los años 1930 y 1940 y todavía está en uso hoy en día.
En 1989, Hans Dehmelt y Wolfgang Paul recibieron la mitad del Premio Nobel de Física por el desarrollo de la técnica de trampa de iones, también inventaron una manera de separar los iones de diferente masa y de almacenarlos en la trampa, usando un principio que se utilizó posteriormente en espectrómetros modernos.
En 2002, John Bennett Fenn recibió el Nobel de Química por el desarrollo de la ionización por electrospray, junto con Koichi Tanaka por el desarrollo de la desorción láser suave, por su importancia para la ionización de macromoléculas biológicas. La ionización por electrospray permite producir pequeñas gotas de una muestra que se reducen de tamaño al evaporarse el agua que las transporta, mientras los iones de las proteínas permanecen en forma de suspensión libre. La relación masa/carga de los iones así obtenidos permite su análisis en cualquier espectrómetro de masas. La desorción de láser suave permite la dispersión en porciones ionizadas de tamaño pequeño, aptas para su análisis por espectrometría de masas.
2. Fundamento teórico.
La espectrometría de masas se basa en la separación de partículas por su diferente masa. Se obtienen los iones a partir de moléculas en fase gaseosa y una vez obtenidos se separan de acuerdo con su masa y carga.
Para poder llevar a cabo esto, el espectrómetro tiene cuatro partes independientes: 1.
Sistema de introducción de muestras.
2.
Fuente de iones.
3.
Analizador para separar los iones.
Esquema de un espectrómetro de masas clásico, de separación magnética.
4.
Sistema detector y registrador.
2.1.
Introducción de muestras.
Según el tipo de muestra que se tenga, se puede usar introducción indirecta, directa, o a partir de un cromatógrafo.
En la introducción indirecta, se vaporiza la muestra en un recipiente externo, un balón de vidrio o metal esmaltado a temperatura elevada. Una vez vaporizado el producto, se deja escapar a escala molecular, el vapor fluye hacia la fuente de iones por diferencia de presión, ya que ésta se mantiene a un elevado vacío. Así se consigue un flujo continuo de moléculas. Este tipo de introducción se utiliza para analizar gases, líquidos con el punto de fusión inferior a 200ºC o sólidos que sublimen.
En la introducción directa, la muestra es introducida directamente en la fuente de iones mediante una varilla metálica, la cual lleva un capilar con la muestra. Se calienta la muestra en el capilar, que se introduce mediante un sistema de válvulas para mantener el vacío. Este sistema presenta varios problemas, como el hecho de que no se pueda utilizar para realizar análisis cuantitativos: las muestras cristalinas no vaporizan de manera continua y la presión no se mantiene constante. Otro inconveniente es que, si la muestra contiene impurezas, éstas pueden volatilizarse antes y dar lugar al espectro de esas impurezas en lugar del deseado. También es importante tener en cuenta la necesidad de secar completamente las muestras de posibles restos de disolventes, ya que se vaporizaría rápidamente y produciría un aumento muy rápido de la presión, aunque los espectrómetros suelen ir provistos de sistemas de seguridad, esto provocaría el reinicio del sistema.
En introducción a partir de un cromatógrafo, la muestra ya se introduce en fase gas, y el cromatógrafo ya ha realizado la separación de componentes.
2.2.
Fuente de iones.
Existen principalmente dos métodos para ionizar la muestra: ionización por impacto o bombardeo electrónico y ionización química.
a) Ionización por impacto o bombardeo electrónico: las moléculas de la muestra son ionizadas por medio de un haz de electrones de energía elevada. Los electrones utilizados proceden de un filamento incandescente y acelerados por diferencia de potencial variable. Para enfocar los electrones en una trayectoria determinada, se usa un campo magnético paralelo a la dirección en la que éstos se mueven, así describen una trayectoria helicoidal hasta el ánodo.
El haz de moléculas que procede de la introducción de la muestra, atraviesa el haz de electrones de alta energía y al colisionar, pueden darse varios casos: eliminación de un electrón, eliminación de dos electrones, captación de un electrón, o disociación de la molécula. El más probable, con mucha diferencia, es el primer caso, con lo que al final obtendremos una molécula ionizada “A+”. Tras esto, se utiliza una placa cargada positivamente para repeler los iones y sacarlos fuera del haz de electrones, para esto se utiliza un potencial eléctrico muy elevado, entre 1 y 10 kV. La producción de iones depende de la energía de los electrones, suele alcanzar un máximo que tiende a mantenerse.
No todos los impactos proporcionan la misma energía, así que se obtendrán moléculas ionizadas con varias energías.
Como se trabaja en vacío, se evita que ocurran reacciones bimoleculares, así que el ion de mayor masa que se detecte originará lo que se llama el “pico molecular”, que da información muy exacta sobre el peso molecular de la muestra.
Este método presenta un inconveniente, dependiendo de la naturaleza de la muestra algunos iones serán más estables que otros. En algunas ocasiones hay que buscar métodos alternativos para evitar este inconveniente.
b) Ionización química. Un ion usado como agente ionizante transfiere su carga a la molécula de muestra por reacción bimolecular. La fuente de iones es similar al caso anterior. Se introduce metano en la fuente de iones a presión baja, los electrones ionizan a las moléculas de metano, a CH5+, que será la que reacciones con las moléculas de la muestra para ionizarlas.
A pesar de nombrar solo dos métodos, hay otros métodos de ionización para casos especiales, pero éstos son los más utilizados.
2.3.
Analizador.
A la salida de la fuente de iones, se tiene una mezcla de iones que hay que separar para detectar de manera individual. Lo ideal es que el analizador sea capaz de distinguir entre diferencias muy pequeñas de masa. A continuación, hay un resumen de los analizadores más utilizados.
• Analizador magnético: utiliza un imán permanente o un electroimán para hacer que el haz procedente de la fuente de iones se desplace con una trayectoria circular de 180, 90 o 60º. Estos analizadores también son llamados de enfoque simple.
• Espectrómetro de masa cuadrupolar: tienen como ventaja frente a los magnéticos de emplear tiempos de barrido pequeños (<100ms), muy útil para realizar barridos de picos cromatrográficos en tiempo real. Sin embargo, tiene un poder de resolución pequeño y sólo permite separar iones con Q/m menos a 1000.
• Analizador de masas de tiempo de vuelo: produce iones positivos periódicamente por bombardeo de la muestra con impulsos de electrones, de iones secundarios o de fotones generados por láser. Los iones producidos se aceleran en un tubo analizador libre de campo mediante un campo eléctrico pulsante de 103 a 104 V.
La separación de los iones en función de la masa se produce durante su recorrido hacia el detector, situado al final del tubo. Tienen una sensibilidad y una resolución limitadas.
• Analizador de trampa de iones: los cationes o aniones gaseosos pueden formarse y quedar atrapados durante un largo de tiempo por campos eléctricos o magnéticos. Es una modificación del analizador de masa cuadrupolar. Tiene mejor sensibilidad y velocidad de barrido que otros, pero al tener una concentración de iones elevada en la “trampa” puede producir reacciones bimoleculares.
• Transformada de Fourier: los espectrómetros de masas de transformada de Fourier proporcionan mejores relaciones señal/ruido, velocidades mayores y sensibilidad y resolución más elevadas. La parte principal de un instrumento de transformada de Fourier es una trampa de iones en la que los iones circulan en órbitas bien definidas durante largos periodos. Estas trampas se construyen aprovechando el fenómeno de resonancia iónica ciclotrónica.
Resultado de un análisis de masas con el pico base (base peak) y las abundancias relativas en función de Q7M 2.4.
Detectores.
Los iones procedentes del sistema acelerador llegan al detector con una intensidad pequeñísima, así que su detección debe ser muy rápida y precisa. Hay principalmente tres tipos de detectores: • Caja de Faraday: consiste en una caja con una palca ligeramente inclinada, al chocar con ésta, los iones toman electrones para neutralizar su carga y al medir la corriente electrónica que ha sido necesaria para neutralizar a todos los iones, se puede calcular la cantidad de iones que han chocado. Es muy utilizado para análisis cuantitativo, aunque presenta el inconveniente de que, al ser la corriente muy débil, es necesario un aparato muy preciso para determinarla.
• Multiplicador de electrones: utiliza la energía cinética de los iones que chocan sobre una placa recubierta por óxidos de tierras raras, al chocar, la placa emite una corriente de electrones que son acelerados hacia una segunda placa, de la que vuelven a arrancar electrones y así sucesivamente. Se suelen usar entre 10 y 16 placas. No se pueden hacer análisis cuantitativos exactos con esta técnica.
• Detección fotográfica: usada muy poco, sólo cuando se requiere sensibilidad muy alta o mucha resolución. Las placas sobre las que han incidido el haz de electrones se procesan por métodos fotográficos y su lectura se hace con un densitómetro.
Componentes de un espectrómetro de masas 3. Utilización de la espectrometría de masas en química forense.
La ciencia forense en general, se basa en la aplicación de métodos científicos a los procesos de la materia que se involucran con un crimen. Existen muchas ramas de la ciencia forense ya que todas las ciencias tienen alguna aplicación en los asuntos públicos y criminales. La química forense, es una de las ciencias forenses que más peso tienen dentro del conjunto de ciencia forense, ya que la mayoría de técnicas y procedimientos son de tipo química, y gran parte del personal son químicos especializados en este campo. Dentro de la química, la química forense se basa casi en su totalidad en química analítica: análisis cuantitavos y cualitativos y también análisis comparativos.
Dentro de los análisis, la espectrometría de masas nos permite hacer análisis cualitativos o cuantitativos de muestras incluso en cantidades muy pequeñas. El espectrómetro genera un espectro de masas característico para cada sustancia, similar la IR, que nos permite identificarla.
Esta técnica tiene multitud de aplicaciones, aunque entre las más utilizadas están la detección de drogas de abuso o de sustancias dopantes en deportistas, y, en general, está muy relacionada con la toxicología. También es útil para la detección de explosivos, restos de aceleradores, residuos de disparo, etc.
La toxicología forense, en general, estudia la relación entre sustancias tóxicas, como pueden ser venenos o drogas de abuso, y crímenes. Muchas sustancias tóxicas no generan ninguna característica a simple vista, con lo que la investigación visual no sería del todo suficiente para llegar a una conclusión, y aquí es donde es de vital importancia el análisis, por ejemplo, con espectrometría de masas.
4. Caso concreto: espectrometría de masas y dopaje en el deporte.
La espectrometría de masas se comenzó a usar en control antidopaje en la década de 1970, y desde entonces se ha ido imponiendo como esencial en esta aplicación científica.
Se ha convertido en la única técnica posible para analizar de una manera conjunta todos los anabólicos esteroides.
Además, cualquier sustancia identificada por cromatografía de gases o de líquidos debe confirmarse por espectrometría de masas, actualmente es la técnica de elección para analizar betabloqueantes, sustancias nitrogenadas que se excretan conjugadas y diuréticos.
Por definición, el doping o dopaje es la acción de administrar fármacos a deportistas para aumentar su rendimiento. Hasta 2003 el COI era el responsable de la lista de sustancias prohibidas, desde 2004 es la agencia mundial antidopaje (WADA), que también se encarga de los controles de calidad de los laboratorios que llevan a cabo estos análisis antidopaje, sólo unos pocos en todo el mundo están acreditados.
Para cubrir todas las posibilidades de dopaje, la química analítica tiene que anticiparse a las nuevas técnicas de dopaje que surgen continuamente. Las técnicas de análisis más complejas, como la cromatografía y la espectrometría de masas, son los grandes recursos que permiten el éxito del control antidoping.
Aunque siempre es posible el fraude, los avances de la química analítica reducen cada vez más esa posibilidad. En algunos casos, el fraude puede pasar inicialmente inadvertido, pero los datos o las muestras recolectadas pueden ser analizados nuevamente con nuevas técnicas, lo que permite sancionar a los atletas hasta con años de inhabilitación, y quitarles los títulos y medallas obtenidas en forma fraudulenta.
Por excelente que sea un laboratorio de química analítica, los resultados que obtiene dependerán en gran medida de la calidad de las muestras que recibe. Por lo tanto, la recolección de las muestras para controlar el dopaje exige la intervención de personal cualificado al que no puedan engañar posibles ocultamientos y manipulaciones por parte de los atletas. Se practica un riguroso sellado con lacres inviolables de los recipientes de la muestra, que cierra el mismo atleta, y se aplican procedimientos de transporte que garantizan una cadena de custodia del material hasta el laboratorio. Una vez allí, las muestras se identifican por códigos que ocultan la identidad del atleta, para asegurar la objetividad.
Gracias a la espectrometría de masas, que hace que cada molécula tenga un espectro de masas característico, se puede determinar la presencia de una determinada molécula solo por iones cuya estructura combinada sea característica de ella. Así, se puede detectar si aparecen centenares de sustancias prohibidas o sus metabolitos en la orina de los atletas.
Espectro de masas de la efedrina no derivada de un hallazgo adverso durante los Juegos Olímpicos de Munich en 1972 comparado con un espectro adquirido más recientemente.
Conclusiones: Tras realizar este trabajo, soy capaz de comprender un poco mejor como funciona un espectrómetro de masas, aun sin saber profundizar excesivamente en su parte teórica.
También entender los descubrimientos que llevaron a su creación y, sobretodo, su uso e importancia en ciencia forense y legal, ya que, por ejemplo, en los controles antidopaje es de uso obligatorio para confirmar la presencia de sustancias prohibidas. Creo que es una técnica indispensable en cualquier laboratorio de análisis forense y que continuamente está intentando mejorarse para adaptarse a los nuevos tiempos.
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• Libros y publicaciones: Cornago Ramírez, Pilar; Esteban Santos, Soledad. Química forense. UNED. Madrid.
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