9. Хімічна іонізація та області її аналітичного застосування

Це «м’який» метод іонізації. Надлишкова енергія молекулярних іонів в цьому випадку не перевищує 5 еВ. Як результат, фрагментація виявляється досить незначною. Іноді спектр представляє собою лише пік молекулярного іону. Перевага: здатність надати інформацію про молекулярну масу аналізуючих сполук у випадках, коли ЕУ не здатний цього зробити.

Процес іонізації здійснюється в основному в результаті іонно-молекулярних реакцій. Головною відмінністю від ЕУ є значно високий тиск в джерелі іонів (до 1 мм рт.ст.). Цей тиск створюється за рахунок газу-реагенту. Таким газом може бути майже будь-яка летка сполука: гелій, вода, метан, аміак, бензол… Бажано, щоб ця сполука утворювала 1 або декілька високо реакційних іонів при взаємодії з електронами або в результаті іонно-молекулярних реакцій. Саму аналізуючи сполуку, як і в ЕУ, вносять в мікрокількостях з парціальним тиском на рівні 10^-5 мм рт.ст. Необхідні для іонізації зразка іони газу-реагенту утворюються при взаємодії його молекул з розігнаними електронами з енергіями 200 – 500 еВ. В результаті в джерелі створюється плазма з переважанням певних іонів, які називаються іонами-реагентами. Наприклад, у випадку метану в джерелі іонів протікають наступні основні реакції:

В утвореній іонній плазмі максимальну концентрацію мають СН₅⁺ (44 %) і С₂Н₅⁺ (30 %). Саме ці частинки і є основними іонами-реагентами хімічної іонізації метаном.

(Комаров:

)

Реакції між іонами-реагентами і молекулами зразка можна розділити на 4 типи:

1. Протонуванння

2. Перезарядка

3. Електрофільне приєднання

4. Відрив аніону

10. Методи йонізації лабільних молекул (польова йонізація, польова десорбція, fab, електроспрей-йонізація) та їх порівняння з методом еу.

В польовій іонізації (ПІ, Беккерей) ключову роль грає емітер (типу кінчик голки чи лезо) у вигляді дроту, поверхня якого покрита мікроголками. На емітер подається виоска напруга (8-10 кВ). Завдяки малому радіусу кривизни на кінцях голок створюється висока напруженість електричного поля (до 1 В/А^о). Молекула зразку в газовій фазі, перебуваючи безпосередньо біля емітера, підлягає дії поля. Основним механізмом іонізації є тунелювання електрону із молекули органічної сполуки на емітер. Енергія, що переноситься внаслідок цього процесу, - долі еВ, тобто надлишкова енергія М^+· навіть нижча, ніж для ХІ. Інші електрони не збуджуються і М^+· залишається в не збудженому стані. Високий позитивний потенціал емітера миттєво виштовхує катіон із джерела. Середній час присутності М^+· в джерелі 10^-12 с, а для ЕУ – 10^-6 с. В результаті навіть можливі низько енергетичні процеси фрагментації не встигають відбутися, і часто спектр складається лише із піку молекулярного йону. ПІ, будучи м’яким методом, теж потребує переведення проби у газ, як і ХІ і ЕУ. Для подолання цього недоліку запропонували польову десорбцію.

Польова десорбція (ПД) апаратурно та за механізмом іонізації не відрізняється від ПІ. Принципова відмінність – розчин зразку наноситься безпосередньо на емітер. Після випаровування розчинника емітер вноситься в джерело іонів. При подачі на нього високої напруги, в результаті тунелювання електрону із молекули зразка, іон утворюється безпосередньо в конденсованій фазі., а потім десорбується із поверхній однойменно зарядженого емітера. На відміну від ПІ утворюються в основному протоновані МН⁺. Додавання кислот чи неорганічних солей полегшує утворення МН⁺ чи [М+катіон]⁺. Метод хороший для аналізу цукрі, пептидів, нуклеотидів, солей, кислот, синтетичних неполярних полімерів. Проблеми ПД і ПІ в основному пов’язані із виготовленням емітерів і нанесенням на них зразка. Тонкі вуглецеві голки наносять на емітер піролізом бензонітрилу. Спектри часто є мало інтенсивними, тому щоб запобігти цьому використовують багатократне сканування всередині вузького інтервалу мас з наступним інтегруванням. В результаті нівелюється нестабільність спектру і покращується відношення сигнал/шум.

При бомбардуванні швидкими атомами (Fast Atom Bombardment, FAB) пучок прискорених атомів (інертний газ) направляється на розчин речовини, нанесеної не металеву підложку, розташовану на кінці металевого штоку. Взаємодіючи із речовиною, атоми створюють інтенсивний локальний розігрів, в результаті чого молекули поверхневих шарів відриваються у вигляді щільного газу, що містить катіони, аніони і нейтральні частинки, що можуть іонізуватись над поверхнею зразка. Пучок атомів отримують в «атомній пушці»: спочатку отримують розігнані іони інертного газу, що взаємодіють з атомами газу шляхом переносу заряду. Непрореаговані іони відхиляються спеціальною лінзою, а утворені після перезарядки прискорені

а томи з енергією 6-8 кеВ направляються під кутом 60-70⁰ до зразку. Якщо на шток нанести суху речовину, то через короткий проміжок часу відбувається різке падіння інтенсивності пучка генерованих іонів; тому використовують розчинений зразок (рівномірно – інакше різко погіршується якість спектру). Дифузія в рідкій матриці є швидкою, щоб забезпечити постійну концентрацію молекули зразка на поверхні. Як розчинник (матрицю) використовують нелеткі за даної Т сполуки: гліцерин (-20 до +40, оптимально +25), іноді – м-нітробензиловий спирт. Найбільшою перевагою FAB є можливість аналізу високомолекулярних сполук (тисячі дальтон), але це не м’який тип іонізації типу ПД. FAB забезпечує передачу енергії в широкому діапазоні. У спектрі поряд із М^+· є інтенсивні піки осколочних іонів, тому не потрібно використовувати ЕУ для вивчення фрагментації. FAB схожий на ХІ: чітко видно МН⁺ и [М —Н]^-, але не М+ і М-. Кислоти додають для збільшення виходу катіонів з основними центрами, а основи – для аніонів із кислими групами. FAB використовують для аналізу цукрі, нуклеотидів, вітамінів, солей, антибіотиків, стероїдів і особливо поліпептидів, але для неполярних полімерів результати погані.

Електроспрей-іонізація (Нобель 2002): на виході із капіляру під напругою 6 кВ утворюється аерозоль із заряджених капель, що рухаються до

п ротиелектроду. Через сепаратори утворюються мікрокраплі. В результаті в аналізаторі виявляються несольватовані (розчинник випарувався) молекули досліджуваної речовини. Якщо використовують азот для покращення розпилення, то це метод іоноспрею. Чутливість методі при використанні звичайних потоків (20 мкл/хв.) є неперевершеною – 10^-8 М. Електроспрей дозволяє працювати із термолабільними та нелеткими сполуками, а також ВМС із масою до 1 000 000 дальтон і більше. Умови іонізації приводять до утворення багатозарядних іонів. Але фрагментація майже не відбувається (на відміну від FAB), бо іони, утворені за цих умов, мають малу внутрішню енергію (для ініціювання вик-ть тандемну мас-спектрометрію). Мас-спектр при цьому – набір піків для [М+nН]ⁿ⁺.