Масс-спектрометрия. Способы ионизации

Наиболее широко применяемый в современной масс-спектрометрии метод ионизации – электронный удар (рис.1.1). Для того, чтобы ионизировать вещество, необходимо сначала из конденсированной фазы (жидкость, твердое тело) перевести его в газовую фазу, например, нагреть. Затем вещество в газообразном состоянии нужно ввести в источник ионов, где оно подвергается бомбардировке пучком электронов катода. Можно поместить вещество в конденсированной фазе в источник ионов и там его испарить.

Рис. 1.1. Ионизация электронным ударом

Электроны – легкие по сравнению с молекулами отрицательно заряженные частицы – сталкиваясь с молекулами, вырывают из электронных оболочек электроны и превращают молекулы в ионы. При этом молекулы распадаются на заряженные фрагменты по определенному для каждого соединения механизму.

Именно в результате этого процесса в конечном итоге получится масс-спектр.

Другой способ ионизации – это ионизация в ионно-молекулярных реакциях, называемая химической ионизацией. При этом способе источник ионов заполняется каким-либо газом при повышенном давлении (типично используется метан или изобутан, редко аммиак и другие газы). Этот газ ионизируется электронным ударом, а в результате большой популяции молекул в источнике, начинают происходить ионно-молекулярные реакции, ведущие к образованию ионов-реагентов, которые в свою очередь взаимодействуют с молекулами вещества, ведя к их ионизации.

При этом происходит протонирование, т.е. образование положительно заряженных ионов. Вводимые в источник ионов соединения также могут реагировать с медленными (термическими) электронами, которые образуются в плазме источника работающего в режиме химической ионизации. При этом взаимодействии происходит диссоциативный резонансный захват электронов, ведущий к тому, что образуется ион с лишним электроном, т.е. отрицательно заряженный.

Этот метод дает меньше информации о том, как устроена структура молекулы, зато с его помощью легче определить ее молекулярную массу. Это касается в основном положительно заряженных ионов.

Для ряда применений очень удобным может оказаться метод PPNICI (Импульсная попеременная регистрация положительных ионов и отрицательных ионов при химической ионизации). В этом методе от одной съемки образца получаются две хроматограммы (и соответственно две совокупности масс-спектров): одна по положительно заряженным ионам, другая – по отрицательно заряженным. Тандемная масс-спектрометрия (или многостадийная, или многомерная) весьма полезна для того, чтобы использовать информационно значимые ионы, образовавшиеся при химической ионизации, и подвергнуть дополнительной фрагментации, позволяющей выявить структуры фрагментов молекулы.

К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить без разложения, то есть перевести в газовую фазу. А это значит, что их нельзя ионизировать электронным ударом. Но среди таких веществ почти все, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т.д.), физиологически активные вещества, полимеры. Для их ионизации используются, в основном, методы ионизации при атмосферном давлении – ионизация в электроспрее (ESI) (рис. 1.2) или – химическая ионизация при атмосферном давлении – APCI (и ее подвид с дополнительной фотоионизацией – APPI), а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы или матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI, Matrix Assisted Laser Desorbtion/Ionization).

Рис.1.2. Ионизация в электроспрее

В первом случае жидкость (исследуемое вещество разведенное в растворителе) вырывается под давлением вместе с коаксиально подаваемым разогретым газом (азотом) из узкого капилляра (иглы, которая находится под повышенным потенциалом – 5 - 10 кВ) с высокой скоростью и прямо в этой струе мелкодисперсного тумана с оболочек молекул срываются электроны, превращая их в ионы. Большая часть растворителя при движении этой струи переходит в газовую фазу и не попадает в отверстие входного конуса источника ионов API.

В режиме химической ионизации при атмосферном давлении потенциал прикладывается не к игле, через которую поступает жидкость, а к электроду в области распыления, что приводит к образованию коронного разряда. В этом случае фрагментация значительно меньше, чем в предыдущем – электроспрее (ESI).

В методе MALDI лазерный луч вырывает ионы с поверхности мишени, на которую нанесен образец со специально подобранной матрицей.

Рис. 1.3.Ионизация лазерной десорбцией

Эти методы применяются для ионизации относительно мягких соединений, составляющих органическую материю. Мягких означает, что для того, чтобы перевести молекулы органики в ионы, нужны относительно небольшие энергии. Для ионизации неорганических материалов (металлы, сплавы, горные породы и т.д.) требуется использование других методов. Энергии связи атомов в твердом теле гораздо больше, поэтому необходимо использовать значительно более жесткие методы для того, чтобы разорвать эти связи и получить ионы. Многие способы ионизации были опробованы и на сегодняшний день лишь несколько из них применяются в аналитической масс-спектральной практике.

Первый метод, наиболее распространенный, ионизация в индуктивно-связанной плазме. Индуктивно-связанная плазма (ИСП, ICP) образуется внутри горелки, в которой горит обычно аргон. Когда в плазму аргоновой горелки попадают атомы и молекулы, они моментально превращаются в ионы. Для того чтобы ввести атомы и молекулы интересующего материала в плазму, их обычно растворяют в воде и распыляют в плазму в виде мельчайшей взвеси. Другой метод состоит в том, чтобы превратить вещество в газ. Например, это делают с помощью мощного лазерного луча, который взрывает кратер в подставленной под него пробе материала, переводя небольшую его часть в газообразное состояние (лазерная абляция).

Еще один способ – термоионизация или поверхностная ионизация. Анализируемое вещество наносится на проволоку из тугоплавкого металла, по которой пропускается ток, разогревающий ее до высокой температуры. За счет высокой температуры нанесенное вещество испаряется и ионизируется. Этот метод обычно используется в изотопной масс-спектрометрии.

Два других метода могут применяться для ионизации проводящих ток материалов. Это искровая ионизация и ионизация в тлеющем разряде. В первом за счет разницы потенциалов между пробой исследуемого материала и другим электродом пробивается искра, вырывающая с поверхности мишени ионы, а во втором происходит то же самое, но за счет тлеющего разряда.

Надо отметить, что начиная от ионного источника и до детектора масс-спектрометр представляет собой вакуумный прибор. Довольно глубокий вакуум обеспечивает беспрепятственное движение ионов внутри масс-спектрометра, а при его отсутствии ионы просто рассеются и рекомбинируют (превратятся обратно в незаряженные частицы).