А.Т. Лебедев - Масс-спектрометрия в органической химии, страница 6

Результаты часто улучшаются при увеличении полярности подвижной фазы, например при использовании в СФХ-МС электроспрея (разд. 5.12) положительным образом сказывается добавление к подвижной фазе метанола или другого полярного органического растворителя [501. Помимо электроспрея активно используется химическая ионизация при атмосферном давлении (разд. 2.12). Применение ленточного транспортера (разд.

1.5.1), потока частиц (разд. 1.5.3) или специальных капиллярных ограничителей позволяет работать в режимах электронного удара (разд. 2.1) и химической ионизации (разд. 5.2). Следует подчеркнуть, что в случае химической ионизации газом-реагентом служит не СОз, а метан, изобутан или аммиак. Последний часто оказывается предпочтительным, поскольку процесс ионизации аммиаком подвержен менее значительному влиянию изменений парциального давления СОз в процессе анализа.

Это связано прежде всего с очень низким сродством к7. клпилллриый электрофореэ — масс-спелтрометрил 27 к протону молекулы углекислого газа. Некоторое «раскрытие» ионизационной камеры, хотя и ухудшает чувствительность, позволяет получать классические спектры электронного удара. Ионизация молекул образца осуществляется как напрямую, при их взаимодействии с электронами, так и в результате перезарядки при взаимодействии с СО+ . Такие спектры перезарядки (разд. 5.2) оказываются практически аналогичными обычным спектрам электронного удара. Их даже можно использовать для поиска по компьютерным библиотекам масс- спектров [51).

Говоря об анализаторах, следует отметить, что большинство опубликованных работ выполнено на квадрупольных приборах, для которых вакуумные требования минимальны (разд. 6.5). Однако исследования велись также на магнитных [разд. 6.1) и времяпролетных [разд. 6.7) масс-спектрометрах, а также ионных ловушках [разд. 6.6). 1.7. Капиллярпый электрофорез — масс-спектрометрия (СарШагу Е1ес1горйогекЫМай8 ЯресФгоп1етгу, СЕ/МЯ) Создание капиллярного варианта электрофореза [521 существенно повысило разрешающую способность разделения компонентов смесей (до 10т теоретических тарелок), и, как следствие, эффективность анализа, а стыковка электрофоретического капилляра с масс-спектрометром подняла этот метод на новый уровень [53, 541. В данном случае можно с натяжкой говорить о принципиально другой системе ввода образца в масс-спектрометр, потому что в качестве интерфейса используются системы ЖХ-МС.

Наилучших результатов удалось достигнуть при использовании на выходе из колонки техники электрораспыления (разд. 5.12). Возможно также использование техники ультразвукового распыления (разд. 5.13) [55-571. Тем не менее капиллярный электрофорез — масс-спектрометрия по праву считается самостоятельным методом анализа прежде всего в случае биологических молекул [белков, аддуктов с ДНК и т. д.). Поскольку наряду с очень малым количеством пробы (менее 10 с л) капиллярный электрофорез позволяет проводить сверхбыстрое разделение компонентов смеси с шириной пика в несколько миллисекунд [58], необходимо осуществлять такое же быстрое сканирование спектра.

Впечатляющие результаты получены при использовании времяпролетного анализатора с ортогональным ускорением [591 и масс-спектрометрии с преобразованиями Фурье [60). Глава 2 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО РАСПАДА Поскольку масс-спектрометрия имеет дело с положительными или отрицательными ионами, после ввода вещества в прибор необходимо провести ионизацию молекул образца. На сегодняшний день существует несколько десятков методов ионизации. Часть из них используется очень активно, часть— только в единичных экспериментах.

Популярность метода может достигать максимума в какой-то момент времени, а затем с появлением новых, более эффективных, сходить на нет. 2.1. Электронный удар или электронная ионизация, ЭУ (Е1ес1гоп 1п1рас1, Е1ес1гоп 1опиайоп, Е1) Среди различных методов ионизации особое положение занимает электронный удар (ЭУ). Исторически это первый метод ионизации органических соединений. Он же остается и наиболее распространенным на сегодняшний день. Основными достоинствами метода являются надежность и универсальность.

Кроме того„ в существующих компьютерных библиотеках масс-спектров (%11еу и 1~ПЯТ) используются именно спектры электронного удара. Теории масс-спектрометрического распада и подходы к интерпретации спектров, о которых идет речь в этой главе и последующих (гл. 3, 4), также базируются в основном на первоначальном образовании молекулярного катион-радикала в результате электронной ионизации. Название метода — электронный удар — несколько не соответствует действительности. Реального удара электронов по молекуле не происходит.

Электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку. Собственные электроны молекулы перемещаются на более высокие орбитали и могут покинуть молекулу. В связи с этим в последнее время термин «электронный удар» (особенно в англоязычной литературе) заменяется на «электронную ионизацию». Пучок электронов генерируется катодом (проволока или пластина из рения или вольфрама) и ускоряется потенциалом 12-70 В по направлению к аноду (рис.

2.1). Вещество в газовой фазе (давление 10 ~-10 ~ мм рт. ст.) взаимодействует с электронами и ионизируется. Формально можно представить процесс ионизации уравнением 2.1: М+е=М+'+2е (2.1) 2.1. Электронный удар или электроииая ионизация 29 Ионы Рис. 2.1. Принципиальная схема источника электронного удара В результате образуется молекулярный ион (М+').

Это — нечетноэлектронный ион, т. е. катион-радикал. Эффективность ионизации очень низка. Фактически ионизируется примерно одна из десяти тысяч молекул образца. Более 99,99% неионизованных молекул вещества откачивается из источника вакуумными насосами. Этот факт, тем не менее, позволяет еще раз подчеркнуть высочайшую чувствительность масс-спектрометрии, когда для получения спектра нужны нано- и пикограммовые количества вещества. Вероятность ионизации меняется от вещества к веществу.

Эта характеристика соединения имеет количественный показатель, называемый сечением ионизации. Важным параметром является энергия ионизирующих электронов. График зависимости ионного тока от энергии ионизирующих электронов представлен на рис. 2.2. Ионный ток достигает максимума при энергиях электронов около 50 эВ. Стандартные масс-спектры ЭУ принято снимать, используя ионизируюшие электроны с энергией около 70 эВ. Использование электронов с энергией около 70 эВ помимо высокой эффективности ионизации объясняется и большей стабильностью спектра. Пучок электронов не монохроматичен, причем разброс по энергиям, как правило, очень велик и может достигать 5 эВ.

Это приводит к тому, что условия взаимодей- ЭИ за 1оо Энергия электронов Рис. 2.2. Зависимость величины ионного тока от энергии ионизирующих электронов 30 Глава 2. Физические основы процесса масс-спектрометрическото распада ствия вещества с низкоэнергетическими электронами (крутая часть графика на рис. 2.2) не стабильны, а соответственно, не стабилен и масс-спектр. Чем меньше угол наклона кривой эффективности ионизации в какой-либо точке, тем выше стабильность масс-спектра, поэтому высокоэнергетическая часть кривой предпочтительна. Для того чтобы молекула образца потеряла свой электрон, необходима энергия ионизирующих частиц выше какого-то определенного критического значения. Эта энергия характеристична для каждого индивидуального соединения и называется энергией ионизации (ЭИ). Поскольку каждая молекулярная илн атомная орбиталь имеет свою собственную энергию, молекула имеет несколько значений энергии ионизации (см.

метод фотоэлектронной спектроскопии 1611). В масс-спектрометрии под энергией ионизации подразумевается первый потенциал ионизации, т. е. энергия высшей занятой молекулярной орбитали. Величина ЭИ для большинства органических соединений лежит в диапазоне б-12 эВ. Если энергия электронов, эмиттируемых катодом, ниже ЭИ, ионизация образца невозможна, и масс-спектр не будет получен. В процессе ионизации молекулярный ион получает избыточную внутреннюю энергию в диапазоне 0-20 эВ. Эта избыточная энергия равномерно распределяется по всем связям, причем превышение энергии какой-либо связи, ведет к ее разрыву с отщеплением нейтрального фрагмента и образованием осколочного иона. Минимальная энергия ионизирующих электронов, при которой в масс- спектре помимо молекулярного будет регистрироваться осколочный ион, называется энергией появления (ЭП) данного иона. Чем выше энергия ионизирующих электронов, тем большее число направлений распада М+' реализуется, причем, если избыточная энергия осколочного иона остается высокой, могут идти вторичные процессы его распада.

Принимая во внимание, что различия в ЭП осколочных ионов очень незначительны, небольшие изменения энергии ионизирующих электронов могут приводить к весьма существенным изменениям в масс-спектре. Если учесть отсутствие монохроматичности пучка ионизирующих электронов, понятно, что оптимальные условия получения спектра достигаются при энергиях электронов 50-70 эВ, когда максимален выход ионного тока, минимален наклон кривой эффективности ионного тока (рис. 2.2), а также задействованы все возможные направления распада М+ .

Наряду с однозарядными образуются двух и более зарядные ионы. Количество многозарядных ионов существенно меньше, чем однозарядных, и зависит прежде всего от структуры молекул образца, а также от условий эксперимента. Например, повышенным выходом многозарядных ионов характеризуются поли- циклические ароматические углеводороды (разд. 8.5). В некоторых случаях, коща хотят увеличить интенсивность пика М+', снимают спектр, используя ионизирующие электроны с энергией 12-20 эВ. Следует подчеркнуть, что в этом случае возрастает только относительная интенсивность пика М+ и пиков перегруппировочных ионов (см.ниже) по отношению к интен- 2.1. Электронный удар или электронная ионизация 31 1ОО ва 4О га о 20 1аа 60 60 1ОО 1 20 во во го о га 100 аа 60, во 1ОО 1 20 во 40 га а га 40 60 во 1ОО 12О Рве.

2З. Масс-спектр электронного удара этилпропионата (молекулярная масса 102 Дя) при энергиях ионизирующих электронов 70, 20 н 14 эВ. сивности пиков осколочных ионов, тогда как абсолютная интенсивность всех пиков в спектре падает. Кроме того, происходит потеря определенной информации, так как многие направления фрагментации не реализуются в таких условиях. Это положение проиллюстрировано на рис.