Uno spettrometro di massa a gas è uno strumento analitico utilizzato per determinare la concentrazione di elementi in campioni noti e come strumento per dedurre la composizione di campioni sconosciuti. Funziona rilevando la deflessione degli ioni carichi derivati dall’atomo o dalla molecola in un campo magnetico. Nell’analisi inorganica, ogni atomo elementare produce uno spettro caratteristico. Gli atomi meno massicci vengono deviati di più, così come gli atomi con una carica maggiore. Diversi miglioramenti a questa configurazione di base rendono lo spettrometro di massa a gas utile nell’analisi organica e nella determinazione elementare.
Negli spettrometri di massa a gas di base utilizzati per l’analisi elementare, un campione liquido viene prima preparato estraendo o isolando in altro modo l’elemento di interesse dal campione originale. Il liquido viene quindi vaporizzato e ionizzato mediante bombardamento con un flusso di elettroni che stacca uno o più elettroni dall’atomo. Lo ione ora caricato positivamente passa attraverso un campo magnetico ad angolo retto, che esercita una forza laterale sullo ione. Il grado di deflessione è direttamente proporzionale al rapporto tra carica e massa degli ioni.
Mentre il principio dello spettrometro di massa a gas è facilmente comprensibile, lo strumento è un’attenta combinazione di componenti. Il campione vaporizzato viene introdotto in una camera di ionizzazione evacuata. È necessario un vuoto, altrimenti lo ione appena creato entrerebbe presto in collisione con una molecola d’aria. Nella camera di ionizzazione, una bobina metallica riscaldata elettricamente irradia elettroni lateralmente, espellendo gli elettroni dagli atomi che formano ioni, che vengono poi raccolti in una trappola per elettroni. La camera di ionizzazione funziona a 10,000 volt positivi.
Gli ioni positivi vengono accelerati fuori dalla camera di ionizzazione da una piastra repellente agli ioni tenuta a una tensione positiva leggermente superiore. Il flusso di particelle altamente energizzate viene concentrato in un fascio stretto e quindi fatto passare attraverso un campo magnetico indotto da un elettromagnete. A seconda del rapporto tra massa e carica, gli ioni saranno deviati in misura minore o maggiore. La carica sull’elettromagnete può essere variata per mettere a fuoco il flusso ionico di interesse sulla piastra di rilevamento. Il rivelatore confronta la corrente elettrica prodotta da ciascun flusso ionico per determinarne l’abbondanza relativa.
Ogni elemento ha uno spettro caratteristico. Uno spettro è un grafico dell’abbondanza relativa di ciascun rapporto carica/massa. Ogni linea sul grafico è correlata alla concentrazione relativa degli ioni prodotti dall’eliminazione del primo elettrone, seguito dal secondo elettrone, dal terzo e così via. Confrontando uno spettro con gli spettri di massa elementare nei riferimenti, è possibile determinare l’elemento che produce lo spettro.
L’uso dello spettrometro di massa a gas nell’analisi organica è un po’ più complicato. I composti organici creeranno una grande varietà di frammenti ionizzati nella camera di ionizzazione. Gli spettri di massa di composti organici anche semplici sono molto più complessi e sono spesso soggetti a più interpretazioni. Lo spettrometro di massa a gas può essere utilizzato per confermare l’identità di un composto organico se lo spettro è molto pulito, ma spesso sono necessari risultati di correlazione da altre tecniche.
In uno spettrometro di massa per gascromatografia (GC/MS), una miscela di composti viene prima separata mediante gascromatografia e quindi inviata a uno spettrometro di massa per gas. Nella parte gascromatografica di questo strumento combinato, le molecole vaporizzate si separano grazie alla loro capacità di diffondere attraverso un gas di trasporto. Variando il tipo, la temperatura e la portata del gas di trasporto, è possibile separare diverse miscele per fornire campioni puliti e separati di ciascun composto. L’ottimizzazione è necessaria per determinare il gascromatografo corretto e le successive impostazioni dello spettrometro di massa. Una volta caratterizzata la fonte del campione, come in un impianto di produzione o una fonte naturale come un pozzo petrolifero, questi strumenti producono risultati economici e affidabili.