Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы ионизации в МС

.pdf
Скачиваний:
126
Добавлен:
06.06.2020
Размер:
1.35 Mб
Скачать

«Методы ионизации в масс-спектрометрии» Р.С.Борисов, В.Г.Заикин, А.В.Варламов, Л.Н.Куликова

1

Содержание

 

Введение

2

1.

Ионизация электронами (ИЭ, EI).

3

2.

Химическая ионизация (ХИ, CI)

9

3.

Химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД, ХИАД)

13

4.

Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ,

14

МАЛДИ).

 

5.

Ионизация электрораспылением (ИЭР, ESI) .

19

6.

Десорбционная ионизация под действием электрораспыления (DESI)

23

7.

Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС, SIMS) и

24

бомбардировка быстрыми атомами (ББА, FAB).

 

8.

Прямой анализ в реальном времени (DART).

28

9.

Ионизация индуктивно-связанной плазмой (ИСП, ICP).

29

10. Некоторые малоиспользуемые методы ионизации.

31

11. Некоторые англоязычные масс-спектральные термины и 36 русскоязычные эквиваленты

2

Введение

Масс-спектрометрия является инструментальным методом изучения органических соединений. С помощью этого метода устанавливают молекулярную массу органического вещества и строение его молекул, определяют его элементный состав. Как аналитический метод массспектрометрия обладает исключительно высокой чувствительностью и позволяет обнаруживать и количественно определять микро- и следовые количества органического вещества в больших объемах газов и жидкостей, а также в биологических системах. Существенное отличие массспектрометрии от других физико-химических методов анализа состоит в том, что оптические, рентгеновские и некоторые другие методы детектируют излучение или поглощение энергии молекулами или атомами, в то время как масс-спектрометрия детектирует ионы, образующиеся в результате ионизации вещества. Ионизацией называется явление превращения нейтрального атома или молекулы в заряженную частицу путем удаления из них или присоединения к ним одного или нескольких электронов, отщеплением гидрид-иона, либо присоединением катиона. Наиболее часто используемые методы ионизации представлены в Табл.1.

Таблица1. Основные методы ионизации в масс-спектрометрии.

«Жесткие»

«Мягкие» методы ионизации

 

 

методы

 

 

 

 

ионизации

Химическая ионизация (ХИ, CI)

 

 

Ионизация

 

 

электронами

Химическая ионизация при

атмосферном

давлении

(ИЭ, EI)

(ХИАД, APCI)

 

 

 

Ионизация

Матрично активированная лазерная десорбция/ионизация

индуктивно-

(МАЛДИ, MALDI)

 

 

 

связанной

Ионизация электрораспылением (ИЭР, ESI)

 

плазмой (ICP)

Бомбардировка ускоренными ионами атомами (ББА, FAB)

 

Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС, SIMS)

 

Десорбциионная

ионизация

под

действием

 

электрораспыления (DESI)

 

 

 

Прямой анализ в реальном времени (DART)

 

3

1. Ионизация электронами (ИЭ, EI).

Ионизация электронами (ИЭ, electron ionization) - один из первых методов ионизации, использовавшихся при появлении масс-спектрометрии, однако он до сих пор широко применяется на практике, превратившись из исследовательского в рутинный метод, а приборы, чье устройство подразумевает использование ионизации электронами, составляет основу парка масс-спектрометров. Важным преимуществом этого метода является то, что образующиеся в результате ИЭ молекулярные ионы, претерпевают воспроизводимые процессы фрагментации, что в свою очередь приводит к формированию воспроизводимого масс-спектра соединения, который может быть использован в качестве его «отпечатка пальца». В настоящее время созданы библиотеки, содержащие сотни тысяч масс-спектров органических соединений и позволяющие проводить идентификацию исследуемых соединений в автоматическом режиме. Вместе с тем, подобная идентификация возможна только в том случае, когда масс-спектр этого соединения представлен в используемой базе данных, поскольку теоретическое предсказание масс-спектра органического вещества по его структуре в настоящее время не возможно.

В основе ИЭ лежит взаимодействие газообразных молекул веществ с электронами, эмитируемыми в источнике ионов. В результате этого нейтральным молекулам сообщается дополнительная внутренняя энергия, что, в свою очередь, приводит к элиминированию из электронной орбитали анализируемой молекулы электрона и образование молекулярного ионрадикала. В некоторых случаях результатом взаимодействия молекулы вещества с электронами могут быть и другие процессы (см. схему 1), приводящие к образованию отрицательно заряженных частиц. Однако наиболее информативными считаются масс-спектры положительных ионов. Процесс ионизации характеризуется энергией ионизации, т.е. минимальной энергией, необходимой для отрыва электрона. Энергия ионизации для большинства органических молекул лежит в пределах 7-12 эВ. Если энергия

4

ионизирующих электронов равна энергии ионизации молекулы, происходит удаление собственного электрона молекулы (ионизация), и образуется молекулярный ион М+.. При увеличении энергии электронов начинает происходить расщепление молекулярных ионов, причем относительное количество осколочных ионов возрастает до энергий 25-35 эВ, а далее наступает насыщение (см. рис. 1). Общепринятым значением ионизирующей энергии является 70 эВ, когда небольшие флуктуации этой энергии не сказываются на количественной каптине масс-спектра, образованного из пиков молекулярного и осколочных ионов. Все масс-спектры, представленные в масс-спектральных базах данных, измерены при этой ионизирующей энергии.

Схема 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

A-B

 

* +

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A-B

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A-B

e

 

 

 

 

 

 

A-B

 

 

 

 

n + ( n + 1 ) e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[A]

 

 

+

[B]

 

 

 

 

+ e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[A]

 

 

+

B +

 

2 e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A-B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( возбуждение ) ( ионизация )

( многократная ионизация )

( образование ионной пары ) ( диссоциативная ионизация ) ( захват электрона )

Рис.1. Кривая зависимости выхода ионов от энергии ионизирующих электронов: А-образование только молекулярных ионов; Б- начало образования фрагментных ионов; В- обычный режим работы прибора.

5

В некоторых случаях для получения более интенсивных пиков молекулярных ионов допускается снижение ионизирующей энергии до меньших значений, но это обычно приводит к существенному падению чувствительности прибора за счет снижения эффективности ионизации. Для примера на рис. 2 сравнены высоковольтный (а) и низковольтные (б,в) массспектры одного и того же соединения.

Рис. 2. Масс-спектры бензойной кислоты, полученные при 70 (а), 20 (б),

и 9 (в) эВ.

6

Рис. 3. Устройство источника ионов ИЭ.

В качестве источника электронов в масс-спектрометрах с ИЭ выступает тонкая лента из металла (вольфрам, рений) - катод (см. рисунок 3), которая нагревается проходящим через нее электрическим током до температуры, при которой начинается эмиссия электронов. Эмитированные электроны притягиваются анодом (ловушкой) расположенной на противоположной от катода стороне ячейки ионизации. Фокусировка пучка электронов осуществляется за счет щели расположенной непосредственно у катода. Пары исследуемого вещества напускаются в источник ионов с помощью

7

системы ввода вещества и ионизируются. Образовавшиеся молекулярные и фрагментные ионы вытягиваются из источника ускоряющим напряжением, фокусируются системой линз в моноэнергетический пучок и направляются в масс-анализатор. Не ионизировавшиеся молекулы, а таковыми оказываются ~99.99% из них, откачиваются из источника турбомолекулярным (редко диффузионным) насосом и выбрасываются из прибора. Несмотря на столь малую «производительность» источника ионов, ИЭ обеспечивает возможность детектирования вещества в пикограммовых количествах.

Важнейшими достоинствами метода ионизации электронами являются простота экспериментальных установок и высокая воспроизводимость массспектров, применимость к большинству летучих веществ, большой объем структурной информации, заключенной в масс-спектрах, наличие объемных высокоэффективных баз масс-спектров, пригодных для быстрой идентификации веществ, высокая чувствительность, возможность измерения высокоточных масс ионов. Недостатком же его является высокие требования к летучести и термической стабильности веществ, которые, правда, иногда могут быть преодолены использованием предварительной химической модификации анализируемых веществ. В масс-спектрах ионизации электронами иногда отсутствуют пики молекулярных ионов, что затрудняет их интерпретацию.

Вопросы для самоконтроля:

1.К какому типу (мягкая, жесткая) ионизации относится ИЭ?

2.Имеет ли значение для процесса ионизации энергия ионизирующих электронов? Будет ли меняться характер спектра при ее изменении?

3.Можно ли для поиска в масс-спектральных базах данных использовать масс-спектр, измеренный при ионизирующей энергии 10 эВ?

4.Каким требованиям должны удовлетворять аналиты, исследуемые с применением ИЭ?

5.Перечислите основные достоинства и недостатки ИЭ.

8

2. Химическая ионизация (ХИ, CI)

Метод химической ионизации (chemical ionization) основывается на ионизации молекул аналита в результате ионно-молекулярных взаимодействий с присутствующими в источнике ионами газа-реагента. В качестве газов-реагентов используют углеводороды (метан, изобутан, изопентан), аммиак (для селективной ионизации спиртов и аминов как нуклеофильный агент), воду, тетраметилсилан и ряд других газов, обеспечивающих кислотно-основные взаимодействия, а также благородные газы, N2, CO, CO2, NO, O2 и другие для проведения окислительновосстановительных реакций (перезарядки).

Процессы, протекающие при химической ионизации, являются следующей последовательностью реакций.

1.Образование первичных ионов газа-реагента при ИЭ (энергия электронов 70-200 эВ). Например, из метана возникают следующие ионы:

CH4 + е- [CH4]+., [CH3]+, [CH2]+.

2.Образование вторичных ионов. При увеличении давления в источнике происходят столкновения между первичными ионами и нейтральными молекулами газа-реагента, и образуются следующие вторичные ионы:

[CH4]+. + CH4 [CH5]+ + .CH3 [CH3]+ + CH4 [C2H5]+ + H2 [CH2]+. + CH4 [C2H4]+. + H2 [CH2]+. + CH4 [C2H3]+ + H2 + .H

[C2H3]+ + CH4 [C3H5]+ + H2

При давлении 1 Торр плазма газа-реагента на 95% состоит из ионов

[CH5]+, [C2H5]+ и [C3H5]+.

3.Ионно-молекулярные реакции с участием молекул исследуемого вещества и вторичных ионов, которые происходят при введении 0,1% вещества в плазму газа-реагента. Например, в плазме газа-реагента метана, где присутствуют ионы метония [CH5]+, являющиеся наиболее сильными

9

донорами протона, может происходить как перенос протона от вторичного иона на молекулу, так и отщепление гидрид-иона от молекулы и перенос его на вторичный ион:

BH+[СН5]+, [С2Н5]+

 

-H-[BH2]++CH4, C2H5, H

 

 

+

 

 

 

+H[B]++CH4, C2H5, H

 

 

Как отмечалось выше, ионы [BH2]+ являются пртонированными молекулами (ранее их называли псевдомолекулярными ионами). Ионы же [B]+ часто называют квазимолекулярными. Оба этих типа иона могут претерпевать дальнейший распад:

[BH2]+ [B]+ + H2 ,

[BH2]+ [A]+ + C ,

[B]+ [A]+ + D .

Вероятность протонирования молекулы субстрата зависит от сравнительного сродства к протону ее и газа-реагента. Чем выше сродство к протону субстрата, тем больше вероятность его протонирования.

Следует отметить, что химическая ионизация является «мягким» методом ионизации: внутренняя энергия ионов, образующихся в этом случае, гораздо ниже, чем при ионизации электронами. Поэтому ионы, образованные благодаря присоединению или отщеплению протона, распадаются слабо (хотя есть примеры и достаточно интенсивной фрагментации), а массспектры химической ионизации содержат преимущественно пики ионов [M+H]+ или [M-H]+. Для примера на рис. 4 приведены масс-спектры одного и того же соединения, зарегистрированные при ионизации электронами и химической ионизации.

10