Химия - Десорбционные методы ионизации в масс-спектрометрии - Механизмы образования ионов

01 марта 2011


Оглавление:
1. Десорбционные методы ионизации в масс-спектрометрии
2. Сущность «мягкой» десорбции
3. Источники ионизации
4. Механизмы образования ионов

Бомбардировка быстрыми атомами и масс-спектрометрия вторичных ионов

Масс-спектрометрия ББА отличается от ВИМС в жидкой матрице лишь тем, что в качестве первичных частиц используются нейтральные ускоренные частицы. Считается, что механизм образования ионов в обоих случаях довольно похож. За редким исключением масс-спектры обоих методов мало друг от друга отличаются.

Наблюдаемые молекулярные или квазимолекулярные ионы могут присутствовать в масс-спектрах в следующем виде:

1) Протонированные / депротонированные молекулы;

2) Катионированные / анионированные молекулы,;

3) Радикал-ионы;

4) Кластерные];,).

Чаще всего наблюдаемые ионы в спектрах — это ионы с четным числом электронов: протонированные или депротонированные ионы и катионированные ионы. Для полиароматических соединений, где возможна стабилизация радикалов путем делокализации электронной плотности по сопряженной системе двойных связей, характерны радикал-ионы с нечетным числом электронов.

Ионы анализируемого вещества генерируются из капли раствора объемом в несколько микролитров, нанесенного на поверхность площадью 20-25 мм². Как минимум, раствор содержит два компонента — растворитель и растворенное в ней исследуемое вещество. Жидкость должна иметь малое давление паров.

Наиболее распространёнными матрицами в ББА и ВИМС являются глицерин, тиоглицерин и м-нитробензиловый спирт. Для образования положительных протонированных молекул исследуемого вещества используют, как правило, глицерин и тиоглицерин. У тиоглицерина несколько выше давление паров, чем у глицерина. Однако благодаря его более высокой кислотности, выходной сигнал протонированных ионов более интенсивен. Слой глицерина испаряется со скоростью 50 нм/с даже при отсутствии бомбардировки частицами, поэтому время жизни капли глицерина в вакууме составляет 10-20 минут. С его испарением в приповерхностной области концентрация молекул, растворенных в матрице, становится выше, чем в объеме. Вместе с тем, при облучении образца происходит постоянное пополнение поверхностного слоя неповрежденными исследуемыми молекулами. Таким образом, устраняется влияние радиационных повреждений молекул вещества, характерное для ББА на твердых образцах.

Кинетическая энергия бомбардирующего атома или иона рассеивается при столкновении с молекулами жидкой мишени. Материал, удаляемый с бомбардируемой поверхности, состоит главным образом из молекул и кластеров, причем часть из них возбуждена и ионизована. В области вблизи поверхности существует заметное локальное давление. Эту область принято называть «кромкой». В ней возможны такие процессы, как химическая ионизация и столкновительная стабилизация возбужденных молекулярных ионов.

Наиболее простой способ образования ионов — прямая десорбция ионов. Это возможно в том случае, когда предварительно сформированные ионы молекул уже существуют на поверхности. Это характерно для большинства неорганических и органических солей, сильных оснований и кислот. При бомбардировке частицами происходит десорбция и распад таких молекул, соответственно, на положительные и отрицательные ионы:

cationanion → cation + anion.

Протонирование или катионирование может протекать как в конденсированной, так и в газовой фазе. Присоединение катиона щелочных металлов к молекуле легко происходит, если эти ионы изначально присутствуют в растворе в виде их солей.+ ионы образуются похожим образом: свободные протоны могут быть присоединены к молекуле в результате кислотно-основного взаимодействия в растворе в присутствии сильной кислоты. В конечном счете, образование уже отдельных ионов может происходить за счет десольватации:

→,

→

или

→.

Другой способ ионизации заключается в том, что значительная часть ионов образуется в газовой фазе за счет ион-молекулярных реакций. На начальном этапе при бомбардировке частицами непосредственно у поверхности образца в области «кромки» образуются ионы реагенты, которые преимущественно состоят из ионов растворителя. Например, для глицериновой матрицы основным таким газом-реагентом является его протонированный молекулярный ион. Реакции, ведущие к его образованию, могут быть представлены в следующем виде:

Xe + Gly → Pi + + Xe + e,

Pi + + Gly → GlyH+ +,

где Xe — бомбардирующий атом, Gly — глицериновая матрица, Pi — первичный ион и отрицательно заряженная частица в виде электрона или фрагмента С.

За реакциями и следует протонизация анализируемого вещества:

GlyH + An → AnH + Gly.

Для регистрации интенсивного сигнала иона AnH необходимо, чтобы сродство к протону в газовой фазе анализируемого вещества была выше, чем СП глицерина. В противном случае такая реакция будет эндотермической и константа скорости ион-молекулярной реакции будет крайне низкой.

Зависимость отношения интенсивностей токов в значительной степени определяется разностью СП между двумя веществами. Если СП анализируемого соединения было выше чем у матрицы, то в масс-спектре регистрируется его более интенсивный сигнал протонированного иона относительно матричного иона. И по мере роста разности между СП и СП соотношение интенсивностей между ионами исследуемого вещества и матрицы увеличиваеся.

Когда в образце присутствовует эквимолярная смесь анализируемых соединений в глицериновой матрице с различными значениями СП в масс-спектре наблюдается эффект подавления сигнала протонированного иона одного вещества другим, который обладает бóльшим СП, то есть СП < СП. При этом способность присоединять протон в растворе никакой роли на распределение ионов в масс-спектре не играет. В итоге в рамках рассматриваемой модели механизм образования протонированных ионов можно представить в виде следующей последовательности реакций:

1) перенос протона между матрицей и анализируемым веществом:

GlyH + An1 → An1H + Gly,

GlyH + An2 → An2H + Gly.

2) перенос протона между двумя анализируемыми веществами:

+ An2 → An1 + An2H.

Плазменная десорбция

Диапазон кинетической энергии бомбардирующих частиц для ПД МС лежит в области МэВ, что на три порядка больше энергии первичных частиц в ББА и ВИМС. Отсюда следует и совершенно другой механизм образования ионов. Если для частиц с кэВ потеря энергии происходит, главным образом, за счет рассеяния частиц ядром атома мишени, то для частиц с МэВ потеря энергии происходит за счет взаимодействия частицы с электронами в мишени.

Частицы, образующиеся в результате радиоактивного распада, проходят сквозь металлическую фольгу, на которую нанесен образец. Происходит почти мгновенное выделение большой энергии, локальный разогрев до 10 000 К. Это приводит к выбросу ионов, электронов и образует высокотемпературную плазму.

Время, за которое протекает этот процесс, порядка периода колебаний атомов в решетке, то есть ~10 с. За такой малый период времени очень низка вероятность, что образуемые молекулярные ионы успеют диссоциировать на фрагменты. Стоит отметить, что при такой ионизации образуются крайне низкие ионные токи: лишь одно из десяти столкновений приводит к образованию молекулярного иона. Поэтому для регистрации образуемых ионов необходимо накопить сигнал после 10−10 раз облучения частицами распада, что занимает по времени от 10 до 100 минут анализа.

Представления о механизмах образования ионов в случае МАЛДИ

Образец, представляющий собой твердый раствор или твердую смесь анализируемого вещества в матрице, облучают лазером с длительностью импульса несколько наносекунд с высокими значениями удельной мощности излучения. Переданной энергии, как правило, бывает достаточно для возникновения локального нагрева: выделяется значительная энергия, которая переходит в энергию электронного и колебательного возбуждения, а также кинетическую энергию молекул. Таким образом, в области светового пятна происходит испарение или сублимация образца.

На первой стадии происходит выброс материала в виде эмиссии микрочастиц. Такие частицы могут достигать размеров более чем несколько сот микрометров, а скорость десорбции их может составлять 600—800 м/с. Над поверхностью образца возникает область высокого локального давления — так называемый факел, который преимущественно состоит из нейтральных частиц. Вместе с тем, в нем наблюдаются и заряженные частицы, доля которых по разным оценкам составляет 10−10 от полного числа всех частиц.

На начальном этапе образования факела его плотность близка по величине плотности вещества в конденсированном состоянии. C расширением факела происходит распад конгломератов вплоть до образования отдельных молекул или их фрагментов, а также заряженных частиц. Ионизацию молекул, происходящую непосредственно при выбросе материала из конденсированного состояния, принято рассматривать как первичную. Разница во времени с начала момента импульса лазера до появления матричных ионов составляет примерно несколько нс.

В образующемся расширяющемся факеле происходят непрерывные соударения между частицами, в том числе возможны ион-молекулярные реакции между матричными заряженными частицами и молекулами анализируемого вещества, которые приводят к ионизации последнего. Такого рода ионизацию относят к вторичной.

Первичная ионизация

1) Фотоионизация

В простейшем случае фотоионизация молекул может быть представлена в виде прямой многофотонной ионизации:

M + hν → M;

M + n → M + e.

Как правило, промежуточное электронно-возбужденное состояние молекулы длится порядка 10−10 с, так что один или несколько фотонов могут быть поглощены вплоть до образования матричного радикального катиона и свободного электрона. Однако при характерных для МАЛДИ интенсивностях излучения возможна лишь прямая одно- или двухступенчатая ионизация. Таким образом, для ионизации отдельной молекулы необходимо, чтобы, по крайней мере, энергия двух фотонов лазера была больше, чем энергия ионизации молекулы.

Стоит отметить, что для ионизации в газовой фазе многих матричных молекул энергии двух фотонов недостаточно. В этом случае предполагается, что первоначально облучение приводит к образованию возбужденного матричного кластера, распад которого может протекать по следующим механизмам:

а) распад кластера с образованием радикала и радикал-катиона:

MM + 2hν → MM → M + M + e ;

б) по реакции диспропорционирования:

MM + 2hν → MM → + MH,

MM + 2hν → MM → M + M.

2) Разделение зарядов

При лазерной абляции образуются кластеры с определенным набором локально распределенных зарядовых состояний, которые затем при распаде кластера отражают состав и тип образуемых ионов. Образование ионов происходит в результате десольватации матрицы и остаточного растворителя.

Для пептидов и белков, для анализа которых используют кислотные матрицы, образование ионов может быть представлено следующим образом:

{ +A + x ma} → +AH + x ma,

где Аnalyte — молекула белка/пептида, ma — матрица, A — анион матричной молекулы. Для олигонуклеотидов рекомендуется применять 2,4,6-тригидроксиацетофенон в качестве матрицы. В этом случае матрица играет роль основания и при ионизации образуются преимущественно отрицательные ионы:

{ +BH+ + x ma} → +B + x ma.

Вторичная ионизация

Перенос протона

Ионизация многих полярных органических соединений чаще всего происходит благодаря переносу протона от протонированной формы матричного иона к молекуле анализируемого вещества. Ионы MH могут образовываться как в результате первичной ионизации, так и вторичной.

1) Реакция «матрица-матрица»

Процесс образования матричных ионов в газовой фазе MH можно рассматривать как одну из промежуточных стадий протонирования молекулы анализируемого вещества. Если первичными ионами являются радикал-катионы, то протонирование матрицы может происходить следующим образом:

M + M → MH +.

Образующийся радикал в дальнейшем может присоединить свободный электрон, что приводит к образованию отрицательного иона:

+ e →.

Также депротонированные ионы могут образовываться при диссоциативном электронном захвате:

M + e → + H.

2) Реакция «матрица-анализируемое вещество»

Вслед за взаимодействием «матрица-матрица» возможно образование протонированных ионов анализируемого вещества по следующему механизму:

MH + A → M + AH.

Такой механизм лежит в основе образования протонированных ионов белков и пептидов. Как правило, сродство к протону у данных веществ больше, чем у многих известных матричных соединений.

Другой возможный путь вторичной ионизации анализируемого вещества — взаимодействие депротонированного матричного иона с молекулой анализируемого вещества:

+ A → M +.

Перенос катиона металла

Для целого ряда соединений катионизация является одним из основных путей вторичной ионизации. Предполагается, что катионированные ионы образуются в результате переноса катиона металла от матричного иона к анализируемому веществу:

+ A → M + AMet, где Met=Na, K, Ag, Cu и др.

Как правило, в процессе пробоподготовки при анализе таких соединений в качестве добавки к матрице применяют такие катионизирующие агенты, как трифторацетат серебра, гидрокарбонат натрия и др.

Перенос электрона

Для молекул с низкими значениями энергии ионизации характерно образование радикал-катионов с нечетным числом электронов. Образование А ионов может происходить в результате взаимодействия матричных радикал-катионов и нейтральных молекул анализируемого вещества путем переноса электрона:

M + A → M + A.

Просмотров: 4762

<<<