Электронная ионизация

Электронная ионизация (EI от английского Electron Ionization) – наиболее часто используемая техника в масс-спектрометрии. Она является относительно простой иллюстрацией общего принципа ионизации при электронной бомбардировке. Электроны, – легкие по сравнению с молекулами отрицательно заряженные частицы, – сталкиваясь с другими молекулами, вырывают из электронных оболочек электроны и превращают молекулы в ионы. При этом молекулы часто разваливаются на заряженные фрагменты по определенному для каждого соединения механизму. Энергия электронов, полученных в результате нагревания нити, находящейся в источнике ионов, стандартно составляет 70 эВ. Ионизационная эффективность при такой энергии близка к оптимальной. Фиксированная величина такой энергии позволяет сравнивать между собой спектры, полученные на разных инструментах. Напоминаем, что электронвольт (эВ) – это единица энергии, равная кинетической энергии электрона, приобретенной им вследствие приложенной разности потенциалов в 1 В.

1 эВ = 1.610^–19 Дж

Джоуль (Дж) – стандартная единица энергии в системе СИ.

1 Дж = 1 Н · м^-1

Под воздействием электронов такой энергии молекула может терять или приобретать один электрон. Ковалентные связи образуются спариванием электронов. При образовании катиона в результате ионизации происходит потеря электрона с образованием связи с одним неспаренным электроном. Тогда:

M (нейтральная) + e^- → M^*+ + 2e^-

где M^*+  это положительно заряженный молекулярный ион. В случае захвата электрона образуется анион через добавление неспаренного электрона и поэтому:

M (нейтральная) + e^- → M^*-

где M^*- обозначает отрицательно заряженный молекулярный ион. В условиях электронной бомбардировки такие ионы относительно нестабильны и образуют серии дочерних ионов, которые и регистрируются в виде спектра. На рисунке 7.7. показаны основные элементы техники электронной ионизации.

Рис. 7.7. Схематическое представление техники электронной ионизации

Поскольку давление в источнике ионов в условиях электронной ионизации соответствует высокому вакууму и образец можно нагревать до нескольких сотен градусов, в газовую фазу переходят многие органические соединения. Тем не менее, для анализа неустойчивых соединений метод не пригоден. Кроме того, в спектрах EI многих веществ пик M^*- имеет низкую интенсивность, либо вообще отсутствует.

Ионизация полем

Для ионизации полем (IF от английского Field Ionization) образец должен находиться в газовой фазе. Молекулы подвергаются действию электрического поля высокой напряженности порядка 10⁹-10¹⁰ В·м^-1. Такая напряженность достигается использованием металлической (W) иглы с радиусом 100-1000 нм, к которой прилагается напряжение около 5 кВ. В этих условиях электроны внешней оболочки испытывают действие сил, достаточных для образования молекулярных катионов.

Бомбардировка быстрыми атомами

В масс-спектрометрии с использованием бомбардировки быстрыми атомами FAB (от англ. Fast Atom Bombardment), ионизация происходит при бомбардировке поверхности образца пучком атомов благородных газов, разогнанных до энергии в несколько кэВ. Предполагается, что в этом случае первичные частицы способны вызвать каскад столкновений в небольшом объеме. Однако, в результате такой бомбардировки фиксируются лишь осколки того вещества, которое находилось на поверхности. В дальнейшем оказалось, что если большая нелетучая молекула изолирована от себе подобных и окружена инородными телами (изолирована в "матрице"), то ее можно выбить из этого окружения без разрушения.

Для этого образец помещается в жидкую матрицу (обычно глицерин или н-нитробензол этиловый спирт) для поддержания относительно постоянной концентрации молекул в поверхностном слое, за счет того, что на смену испарившимся молекулам приходят молекулы из основного объема. Эта процедура позволяет получать стабильный масс-спектр в течение продолжительного времени (около одного часа).

В FAB-ионизации капли образца бомбардируются атомами аргона, ксенона или гелия, обладающими кинетической энергией от 8-10 кэВ. При такой энергии, изначально заряженные молекулы образца будут десорбированы, тогда как формирование протонированых молекулярных ионов (M+H)⁺ при получении положительных ионов и (M-H)^– при получении отрицательных ионов происходит вследствие перехода молекул в газовую фазу и химических процессов в растворе.

Основной недостаток техники FAB (очень высокая концентрация органической жидкой матрицы) преодолевается за счет использования проточной кюветы, когда раствор образца постоянно подается к месту бомбардировки с небольшой скоростью до 10 мкл ∙мин^-1. В этом случае требуется меньше органической матрицы, в результате чего отношение сигнал-шум возрастает. На рисунке 7.8 показаны основные элементы техники FAB.

Рис.7.8. Механизм десорбции в процессе FAB-ионизации. Капля бомбардируется атомами Xe или Ar, обладающими большой энергией

Самым большим преимуществом метода FAB является его простота. Спектры легко интерпретируются. В настоящее время FAB-МS широко используется для анализа компонентов с молекулярной массой ниже 5 кДа.

Модификацией FAB является метод бомбардировки тяжелыми кластерами (Massive cluster impact, MCI). В этом случае в качестве энергетических частиц используются кластеры ионов аммония с глицерином. В результате их взаимодействия с образцом образуются многозарядные ионы, т.е. появляется возможность получать спектры более тяжелых, чем в случае классической методики FAB, биополимеров. Использование кластеров увеличивает также чувствительность анализа.