Методы ионизации

В течение последних двух десятилетий масс-спектрометрия стала важнейшим аналитическим инструментом в структурной биологии. Этому способствовало развитие методов получения интактных, высокомолекулярных ионов различных биологических макромолекул в газовой фазе. Некоторые техники ионизации, такие как бомбардировка быстрыми атомами, ионизация лазерной десорбцией при помощи матрицы и электрораспыление, произвели революцию в масс-спектрометрии и открыли ее для биологии. Используя эти техники, можно выделять отдельные ионы – от полиэтиленгликоля до ДНК с массой свыше 10⁸ Да.

Получение заряженных частиц в процессе того или иного воздействия на нейтральные частицы называется ионизацией. Именно получение ионов и является первым этапом применения масс-спектрометрии. Ионы бывают однозарядные и многозарядные, органические и неорганические. Белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические макромолекулы способны приобретать множественные положительные и отрицательные заряды. Отметим одно существенное различие между белками и пептидами, с одной стороны, и сахаридами и олигонуклеотидами, с другой. Белки или пептиды имеют функциональные группы, которые относительно легко принимают протон (H⁺), например амины R–NH₂+H⁺=R–NH₃⁺. В этом случае прибор должен быть настроен на детектирование положительных ионов.

Сахариды и олигонуклеотиды имеет функциональные группы, которые легко отдают протон (H⁺), например, карбоксильные R–CO₂H = R–CO₂^- и спирты R–OH = R–O. В этом случае прибор настраивается на детектирование отрицательных ионов.

От ионов в растворе к ионам в газовой фазе

Переход ионов из газовой фазы в раствор процесс самопроизвольный. В присутствии молекул растворителя, таких как H₂O, «голые» (дегидратированные) ионы в газовой фазе, например Na⁺, спонтанно образуют молекулярные кластеры ион-растворитель – Na⁺(H₂O)_n. Если давление паров растворителя несколько больше давления насыщенного пара, эти кластеры вырастут до размеров небольших капель.

Перенос ионов из раствора в газовую фазу представляет собой процесс десольватации, требующий затрат энергии (эндотермические процесс), и поэтому он не происходит спонтанно. Например, для переноса ионов Na⁺ из водной фазы в газовую требуется большая свободная энергия – около 400 кДж·моль^-1 (98 ккал·моль^-1). В большинстве методов аналитической масс-спектрометрии для переноса молекул в газовую фазу требуется очень большая энергия, которая обеспечивается за счет каскадов высокоэнергетических столкновений или сильно локализованного нагрева.

Ионы можно получать тремя разными способами. Во-первых, отрывая электрон от молекулы с образованием положительно заряженного катиона, который может быть ускорен в растущем градиенте отрицательного поля, либо в понижающемся градиенте положительного поля. Во-вторых, добавляя электрон, получая при этом отрицательно заряженный анион. В этом случае ускоряющие поля прямо противоположны тем, что используются для катионов. В-третьих, удаляя или добавляя протон. В этом случае масса результирующего иона будет отличаться на единицу от массы исходного нейтрального иона.

Большинство стабильных органических соединений имеют четное число суммарных электронов, отражая тот факт, что электроны занимают молекулярные орбитали парами. Когда одиночный электрон удаляется из молекулы, давая ион, общее число электронов становится нечетным. Такой ион принято называть радикальным катионом. Его фрагменты могут содержать как четное, так и нечетное число электронов. Дальнейшая фрагментация приводит к еще большему усложнению картины образования ионов. Ниже мы опишем наиболее часто используемые пути для получения ионов в масс-спектрометрах.