Ионизация Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое вещество, в заряженные частицы – ионы. Этот процесс называется ионизацией. Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.
Газовая фаза:
· электронная ионизация
· химическая ионизация
Жидкая фаза:
· термоспрей
· ионизация при атмосферном давлении
· электроспрей (ESI)
· химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
· фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)
Твердая фаза:
· ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI)
· бомбардировка быстрыми атомами (FAB)
Химическая ионизация – это альтернативный метод ионизации газообразных соединений. Химическая ионизация является "мягкой", то есть образовавшиеся ионы не разваливаются на мелкие фрагменты, а скорее остаются крупными кусками либо чуть меньше, чем исходная молекула, либо даже большее ее за счет присоединения других ионов. 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.
Технически химическая ионизация очень похожа на электронную ионизацию. Разница заключается в том, что химическая ионизация происходит не в вакууме, а разряженном газе (метан, изобутан, аммиак и др.). Так как доля молекул газа значительно превышает долю молекул анализируемого вещества, происходит преимущественная ионизация газа:
СH4 + e– > СH4+ + 2e–
Ионы распадаются или, по большей части, реагируют с неионизированными молекулами газа:
СH4 + СH4+ > СH3 + СH5+
В случае метана, ион СH5+ передает протон анализируемым молекулам ABC, тем самым ионизуя их:
СH5+ + ABC > СH4 + ABCH+
Так как при химической ионизации образуется множество побочных продуктов ионизации газа, возможно образование аддуктов, например:
СH3+ + ABC > (ABC СH3)+
Таким образом, происходит мягкая ионизация анализируемых молекул, которая не вызывает значительной фрагментации, в отличие от электронной ионизации.
Выбор газа для химической ионизации определяется его сродством к протону в газовой фазе. Оно возрастает в ряду:
СH4 < С4H10 < NH3
Таким образом, если с помощью метана можно ионизовать практически любые летучие вещества, то с помощью аммиака – только сильные основания, например, амины. Таким образом достигается необходимая селективность.
Преимущества:
– Позволяет получить информацию о молекулярной массе соединения;
– Масс-спектр намного проще, чем при ионизации электронами.
Недостатки:
– Как и в случае электронной ионизации, анализируемое вещество должно обладать достаточной летучестью и термической стабильностью;
– Поскольку осколочных ионов практически не образуется, метод в большинстве случаев не позволяет получить информацию о строении вещества;
– Результат сильно зависит от типа газа-реагента, его давления, времени взаимодействия с веществом, поэтому очень трудно добиться воспроизводимых результатов.
Фотоионизация
Фотоионизация – это ионизация монохроматическими пучками фотонов с разбросом по энергии 0.01 – 0.02 эВ. Пучки могут быть получены излучением молекул инертных газов в газоразрядных трубках либо при помощи лазеров. Энергии самих фотонов лежат в диапазоне 10-40 эВ, что позволяет ионизировать любые органические соединения.
Преимущества:
– Полная передача энергии фотона молекуле вещества;
– Удобен для установления энергетических характеристик молекул, радикалов, ионов.
Недостатки:
– Незначительная фрагментация молекулярных ионов;
– Зависимость фрагментации от энергии фотонов;
– Невозможность работы с образцами, которые нельзя перевести в газовую фазу.
Электроспрей
Электроспрей (электрораспыление) – это метод, в котором вещество на ионизацию поступает в растворе полярного растворителя (им может быть вода, ацетонитрил, метанол и т. д.), при этом в растворе присутствуют катионы водорода или щелочных металлов, натрия или калия. Небольшая капля раствора подается в металлический специальный капилляр-распылитель, к которому одновременно приложено высокое (несколько кВ) электрическое напряжение, в результате чего капля с раствором образца, срываясь с конца капилляра, имеет положительный заряд. Далее, продвигаясь в электрическом поле, капля испаряется под действием нагретого потока инертного газа (чаще всего азота). Объем капли уменьшается, заряд ее поверхностный растет – и капля «взрывается» на ряд мелких капель, заряженных положительно, и продолжающих испарять молекулы растворителя под действием нагретого сухого инертного газа. Далее через узкие отверстия сепараторов, где происходит постепенное снижение давления с примерно атмосферного до глубокого вакуума, ионизированные частицы, состоящие из молекул исследуемого вещества и катиона (H+,Na+,K+), попадают в ионную оптику.
Преимущества:
– Возможность работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу;
– Метод практически идеально подходит для стыковки масс-спектрометра и жидкостного хроматографа;
– Возможность анализа крупных (до нескольких миллионов дальтон) молекул;
– Мягкое ионизационное воздействие.
Недостатки:
– Вещество должно быть растворимо в полярных растворителях;
– Масс-спектр малоинформативен, присутствуют лишь пики комплексов молекулярного иона с катионом (H+,Na+,K+), многозарядных ионов таких комплексов.