Общая схема метода масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия — метод исследования и анализа вещества, основанный на ионизации атомов и молекул, входящих в состав пробы, и регистрации спектра масс образовавшихся ионов.

Идея метода проста и может быть изложена в виде следующей схемы.

• 1. Превратить нейтральные частицы — атомы или молекулы в частицы заряженные — ионы.
• 2. Разделить образовавшиеся ионы в пространстве в соответствии с их массой посредством электрического или магнитного поля.
• 3. Измеряя электрический ток, образуемый направленно движущимися ионами, можно судить об изотопном, атомарном и молекулярном составе анализируемого вещества, как на качественном, так и на количественном уровне.

Методы ионизации вещества

Существует много способов сообщить заряд нейтральной частице. В зависимости от задач исследования, а также от устойчивости частицы выбор падает на тот или иной способ ионизации. Наиболее широко применяется до настоящего времени метод электронного удара. Ионизация происходит при столкновении пучка электронов с энергией 40 — 80 эВ с молекулами исследуемого вещества. Время взаимодействия электрона с молекулой порядка 10^-18 с, и в результате образуется молекулярный положительный ион, а избыточная кинетическая энергия уносится двумя электронами. Если время жизни образующегося молекулярного иона меньше 10^— 6 с, то он не достигает регистрирующего устройства и отсутствует в масс-спектре. В этом случае фиксируются лишь продукты распада молекулярного иона, время жизни которых превышает 10^— 6 с. Этот процесс называется фрагментацией, а продукты распада — фрагментарными или осколочными ионами.

Рассмотрим нейтральную молекулу типа АБ. При электронном ударе возможно протекание различных процессов:

АБ + з? АБ⁺ + 2з (1) z = +1, m = m_АБ

АБ + з > А⁺ + Б ^- (2) z = ±1, m₁ = m_А, m₂ = m_Б

АБ + з > А⁺ + Б* + 2з (3) z = +1, m = m_А

АБ + з > АБ ^- (4) z = -1, m = m_АБ

АБ + з > АБ^{+ +} + 3з (5) z = +2, m = m_АБ

Ионы имеют массу m и заряд z, и, строго говоря, разделение осуществляется не по массе, а по отношению массы иона к его заряду m / z.

Метод фотонного удара по существу аналогичен методу электронного удара, но эффективность ионизации на два-три порядка ниже. Вся избыточная кинетическая энергия уносится одним выбитым электроном, и поэтому пороговые законы, то есть зависимость интенсивности ионного тока от энергии бомбардирующих частиц, отличаются для фотонного и электронного удара. Фотонный удар оказывается существенно более точным при определении таких величин, как потенциалы ионизации. Для ионизации термически нестойких соединений использование обоих методов бесперспективно. Для ионизации труднолетучих соединений в аналитической химии применяются искровая и лазерная ионизация вещества. Ионизации подвергается твердое вещество. В искровом источнике испарение и ионизация исследуемого вещества происходят за счет искрового разряда, зажигающегося между электродами при разности потенциалов между ними от 3 до 5 кВ. На одном из электродов находится сам образец. Лазерная ионизация производится путем импульсного лазерного нагрева твердого вещества, и образующийся плазменный пучок направляется в масс-анализатор. В этих условиях происходит полное разрушение химических соединений, и в масс-спектре фиксируются лишь атомные ионы и определяется элементный состав образца. Похожие результаты можно получить производя испарение и ионизацию твердого вещества ионами или нейтральными атомами с энергией в несколько киловольт. Все эти методы хороши и широко применяются для элементного анализа.

Метод поверхностной ионизации позволяет получать ионы при термической ионизации веществ на поверхности металлов. Обычно используются металлы с высоким значением работы выхода электрона, и поверхность отбирает электрон у соединения, адсорбированного на этой поверхности.

Наиболее распространенный метод электронного удара сопровождается фрагментацией, что в большой степени связано с энергией возбуждения молекулярного иона, получаемой при электронном ударе. Поэтому появился интерес к мягкой ионизации, то есть к ионизации без фрагментации.

К методам мягкой ионизации относится химическая ионизация. При химической ионизации образование ионов происходит за счет ион-молекулярных газовых реакций. Метод хорош в тех случаях, когда исследуемое вещество, А — газ. В ионизационную камеру вместе с, А напускают газ-реагент R, причем давление R около 150 Па, давление, А 1,5 * 10^— 3 Па. Первоначально производится ионизация газа-реагента электронным ударом, затем протекают ион-молекулярные реакции вида.

R⁺ + A = A⁺ + R.

Большая часть образующихся ионов молекулярные и квазимолекулярные. Для пояснения термина «квазимолекулярные» рассмотрим пример с ди-n-пентиламином. В масс-спектре электронного удара основной ион имеет m / z, равное 100, и образуется путем отрыва группы С₄Н₉, М = 57. При химической ионизации наблюдается «квазимолекулярный» ион массой 158, который образуется за счет присоединения протона к молекуле ди-n-пентиламина, М = 157. Основным этапом ионизации является получение соединения в газовой фазе.

Другим методом мягкой ионизации является полевая десорбция. Полевая десорбция — это образование ионов в сильном электростатическом поле (10⁸ В/см) за счет квантово-механического туннельного эффекта. Полевая десорбция может происходить при низких температурах эмиттера вплоть до 4 К и не сопровождаться диссоциацией. В результате образуются в основном молекулярные и квазимолекулярные ионы. Так, например, в масс-спектре электронного удара ацетилсалициловой кислоты преобладают продукты диссоциативной ионизации с m / z, равным 140 и 120, а в масс-спектре полевой десорбции есть только два пика: молекулярный с М = 180 и квазимолекулярный с М = 181, образованный путем присоединения протона к молекуле ацетилсалициловой кислоты. Однако, несмотря на определенные успехи, этот метод не получил достаточно широкого применения в связи с его избирательностью. Далеко не все молекулы отдают поверхности электрон при низких температурах.

К началу 80-х годов в масс-спектрометрии органических молекул возникла двоякая ситуация. Для тех молекул, которые удавалось поднять в газовую фазу, масс-спектрометрия оказалась незаменимым методом исследования. В большинстве случаев удавалось определить молекулярную массу, а процесс фрагментации был напрямую связан с наличием тех или иных функциональных групп и строением углеродного каркаса. Масс-спектр давал «отпечатки пальцев» каждого органического соединения и позволял распознать его в природных соединениях. Однако все это было справедливо только тогда, когда вещество можно было перевести в газовую фазу, минуя процесс термической деструкции самого соединения. Большинство тяжелых органических молекул оказались недоступными для исследования. К началу 80-х годов стало очевидно, что наиболее серьезное ограничение масс-спектрального метода связано с получением масс-спектров нелетучих соединений. Масс-спектрометрическим методом можно определять молекулярную массу и структуру только тех сложных органических веществ, которые легко переходят в парообразное состояние, что резко сужает перечень возможных объектов исследования. Поиск путей получения в газовой фазе молекулярных или псевдомолекулярных ионов нелетучих соединений, минуя стадию парообразования, представляется наиболее интересным этапом развития масс-спектрометрии.

Главная идея найденного решения заключалась в использовании матрицы. Оказалось, что если большая нелетучая молекула изолирована от «соотечественников» и окружена инородными телами (изолирована в «матрице»), то ее можно выбить из этого окружения без разрушения. При этом выбивание должно быть осуществлено путем импульсной подачи большой энергии так, чтобы молекула была выбита из матрицы частично в виде ионов, как положительных, так и отрицательных, и частично с захватом некоторых элементов матрицы, то есть с образованием квазимолекулярных ионов. Начало было положено методом, получившим название FAB (от англ. Fast Atom Bombardment — бомбардировка быстрыми атомами). Ионизация быстрыми атомами давно хорошо известна. Обычная схема эксперимента заключалась в том, что проводилась ионизация атомов гелия электронным ударом. Положительные ионы гелия разгоняли в электростатическом поле до энергий 5 — 10 кВ, затем ионы поступали в камеру перезарядки, наполненную гелием, и в результате перезарядки получали атомы гелия с энергией 5 — 10 кВ, которые и направляли на исследуемый твердофазный образец. В результате фиксировали лишь осколки того вещества, которое находилось на поверхности. Однако при помещении исследуемого вещества в глицериновую матрицу удалось получить спектр нелетучих органических молекул. Это был принципиальный прорыв в технике ионизации термически нестойких соединений без их деструкции. Дальнейшее развитие привело к вытеснению этого метода технически более удобным методом, получившим название MALDI (от английского Matrix Laser Desorption Ionization — матриксная лазерно-десорбционная ионизация) — лазерная десорбция в матрице. Идеальным является сочетание MALDI с времяпролетным масс-спектрометром благодаря импульсному режиму работы последнего. При этом достижимы массы до 5000 при разрешении в 5000. Использование приборов ион-циклотронного резонанса и их последней модификации, получившей название масс-спектрометрия с Фурье-преобразованием (Furier Transform Mass Spectrometry, FTMS), позволило проводить измерения в диапазоне до 30 000 а.е.м. При этом сохраняется высокое разрешения на уровне 20 000.

Серьезную конкуренцию MALDI составляет метод ионизации, получивший название «электрораспыление» (от английского Electrospray Ionization, ESI — электрораспылительная ионизация). Этот метод ионизации часто называют электродинамическим. Ионизация происходит при взаимодействии сильного электростатического поля с поверхностью жидкости на конце капиллярной трубки. В исследуемой жидкости должны быть ионы. Поэтому обычно добавляют небольшие количества ионных солей или другие соединения, которые могут привести к образованию ионов. Так, например, добавка амальгамы натрия к раствору смеси фуллеренов в органическом растворителе позволила зарегистрировать отрицательные ионы фуллеренов С₆₀, С₇₀ и С_{70 + 2n}, где n принимает значения от 1 до 12. Техника ионизации MALDI и ESI в сочетании с наиболее мощными современными масс-анализаторами позволяет успешно определять молекулярные веса таких молекул, как т-РНК (транспортная рибонуклеиновая кислота) — диапазон масс 25 000 а.е.м., ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) для последовательности в 100 нуклеотидов масса в диапазоне 31 000 а.е.м., белок альбумин — масса в районе 66 000 а.е.м. При некотором снижении разрешающей способности достижимый диапазон масс составляет несколько сот тысяч атомных единиц. Здесь уместно привести цитату из пленарной лекции на конференции в Будапеште: «ESI и MALDI позволяют получить спектры нескольких фемтомолей образца с молекулярной массой в несколько сот тысяч атомных единиц. Этот успех открывает перспективу для применения масс-спектрометрии в медицине, биологии и исследованиях окружающей среды».