А.Т. Лебедев - Масс-спектрометрия в органической химии (1111819), страница 20
Текст из файла (страница 20)
[133]. Можно упомянуть использование ионов железа Ее+ для установления положения кратных связей в алкенах, алкинах и кислотах [134], а также катионов меди Си+ для анализа карбонилсодержащих соединений [135]. 5.3. Химическая ионизация отрицательных ионов (Хера1Ье 1оп СЬеппса1 1опиайопз Х1С1) В стандартных условиях химической ионизации в ионизационной камере присутствуют низкоэнергетичные тепловые электроны, а из молекулы газа-реагента помимо положительных ионов образуются отрицательные ионы. Моле- 5.3. химическая ионизация отрицательных ионов 97 купы образца могут захватывать электроны с образованием анион-радикалов [резонансный захват электронов, разд.
2.1) или вступать во взаимодействие с ионами-реагентами. В последнем случае протекают ионно-молекулярные реакции нескольких типов. 1. Депротонированне А +ВН вЂ” ~АН+В Этот процесс, как и в случае положительных ионов, контролируется величинами сродства к протону. Если величина СП иона реагента А выше, чем иона В, реакция оказывается экзотермичной, и процесс идет. Величины СП наиболее часто используемых ионов-реагентов лежат в диапазоне от 1689 кДж/моль для ИН~ до 1395 кДж/моль для С1 . Понятно, что сильное основание 1з[Н~ будет депротонировать практически любое органическое соединение [1361, тогда как мягкий ион С1 реагирует с весьма ограниченным кругом субстратов [1371.
2. Перезарядка В+А '-+В +А Если величина сродства к электрону анализируемой молекулы выше чем молекулы газа-реагента, может идти процесс перезарядки. Например, молекула кислорода характеризуется низкой величиной сродства к электрону. В результате, реагируя с органическими субстратами, ион О ' приводит к образованию в результате перезарядки молекулярных авион-радикалов. Перезарядка может вести и к потере характеристических ионов. В частности, если в ионном источнике в результате какого-либо процесса образуются атомы фтора, обладающие очень высоким сродством к электрону, они могут, реагируя с анион-радикалами образца, превращать последние в нейтральные частицы [1381.
3. Нуклеофильное присоединение В+А — >АВ Авионы-реагенты с низкой величиной СП могут реагировать с молекулами субстрата с образованием стабильных аддуктов. Одним из наиболее активных в этом отношении ионов-реагентов является С1 . В результате нуклеофильного присоединения он образует комплексы с широким кругом органических молекул [1393.
4. Нуклеофильное замещение АВ+ С вЂ” ВС+ А Любое основание является одновременно нуклеофилом, т. е. наряду с атакой на атом водорода возможна атака на атом углерода. Наиболее активно вступают 98 Глава 5. Альтернативные методы ионизации образца в реакцию нуклефильного замещения ионы ОН и О '134]. Последний является столь активным нуклеофилом, что может вытеснять атом водорода из ароматических соединений. Метод химической ионизации отрицательных ионов активно используется в настоящее время и в фундаментальной масс-спектрометрии, и в прикладных исследованиях.
В обзорах Дж. Бови [136, 1401 рассмотрена фрагментация депротонированных молекулярных ионов различных классов органических соединений. В обзоре 11411 представлены результаты использования данного метода в экологических исследованиях. 5.4. Пульсирующая химическая ионизация (РиЬед Рояле, Яедаг1че 1оп СЬеппса1 1опиаг1оп Ма88 Ярес1гошеггу) Этот метод, предложенный Хантом и др. 11421, позволяет одновременно получать масс-спектры химической ионизации положительных и отрицательных ионов. Два вида спектров удачно дополняют друг друга, что важно и для целей структурного определения, и для количественных расчетов, поскольку пределы обнаружения для разных соединений зависят от заряда ионов.
Метод успешно используется на квадрупольных приборах (разд. 6.5), поскольку анализатор этого типа легко пропускает и катионы, и анионы. Для магнитных секторных приборов такой вариант неприемлем. В данном режиме полярность вытягивающего потенциала переключается со скоростью примерно 10000 раз в секунду, поэтому ионы сгруппированы в «пакеты» с чередованием положительных и отрицательных. После прохождения анализатора положительные ионы направляются на один детектор, а отрицательные — на другой. Происходит регистрация сразу двух типов спектров. Важным моментом является природа газа-реагента, который должен «работать» в обоих режимах.
Например, хорошим вариантом является смесь метана с монооксидом азота, в которой роль основных ионов реагентов выполняют СН+ и ОН 5.5. Десорбционная (прямая) химическая ионизация, ДХИ (Шгес1 (Ре8огрйоп) СЬепнса1 1опиайоп, РС1) Скорости испарения и деструкции органических веществ имеют разные температурные зависимости. При низких температурах предпочтительна деструкция, а при высоких — испарение (рис. 5.1). Испарение труднолетучего вещества можно осуществить при его быстром нагреве до температуры, при которой испарение наиболее эффективно. Метод, использующий этот эффект в источнике химиче- 5.5.
Десорбцнонная (прямая) химическая ионизация 99 Рис. 5.1. Зависимость скоростей деструкции и испарения от температуры образца ской ионизации, был впервые описан в работе Балдвина и Мак-Лафферти [143]. Следует отметить, что аналогичный подход был использован и для получения спектров электронного удара [144]. Этот метод называется электронный удар в пучке. Название обусловлено тем, что образец на штоке прямого ввода помещается как можно ближе к пучку электронов, что уменьшает вероятность термодеструкции на внутренней поверхности источника. В настоящее время для прямой химической ионизации используют обогреваемые электрические эмитгеры.
Очень хорошо зарекомендовали себя эмиттеры полевой ионизации (разд. 5.7), но поскольку они сложны в изготовлении, обычно используется вольфрамовая, рениевая или платиновая проволока диаметром 50-200 мкм. Для увеличения выхода молекулярных ионов проволока покрывается нанесенным с помощью электрофореза полиимидным слоем. После снятия спектра для повторного использования эмиттера желательна его прожарка. Как правило, эмиттеры с полиимидным слоем годятся не более чем для 10 образцов. Метод используется для анализа термолабильных и нелетучих соединений: сахаров, пептидов, солей, кислот.
Спектр представляет собой интенсивный пик молекулярного иона и ряд пиков фрагментных ионов, часть из которых может быть обусловлена не фрагментацией молекулярного иона, а термодеструкцией исходной молекулы. Зачастую ДХИ используют для увеличения выхода молекулярных ионов. В этом случае полезно несколько повысить давление в ионизационной камере за счет газа-реагента. Некоторое снижение абсолютной чувствительности компенсируется определенным подавлением фрагментации. Очень важную роль играет газ-реагент.
Так фрагментация аскорбиновой кислоты при использовании метана интенсивнее, чем при использовании аммиака (ионы [М+)х1Ня]+). Еще лучшие результаты получаются при применении авионов С1 . В этом случае спектр представлен исключительно пиками иона [М+С1] . Таким образом, для снижения фрагментации предпочтительно использовать «мягкие» ионы-реагенты ( )х1Н~, С1, ОН ). 100 Глава 5. Альтернативные методы ионизации образца Для каждого вещества существует оптимальная температура съемки спектра. Анализируя неизвестное соединение, его нагревают со скоростью 10 град./мин, и находят оптимум.
При повторной съемке резко нагревают вещество до этой температуры. Существенным недостатком метода является быстрое ухудшение качества спектра во времени. Это связано с процессами термодеструкции, которые все-таки идут с заметной скоростью. Некоторого улучшения можно добиться при быстрой развертке спектра 11451. 5.6. Полевая ионизация (Ие16 1оп1ха11оп, Е1) Еще одним методом получения интенсивного пика молекулярного иона является полевая ионизация. Автором данного подхода к анализу органических молекул является Беккей 11461. Ключевую роль играет проволочный эмитгер, поверхность которого покрыта микроиглами. В простейшем случае эмиттером может служить острие иглы или лезвие бритвы.
На эмиттер подается высокое напряжение (8-10 кВ). Благодаря малому радиусу кривизны на концах игл создается высокая напряженность электрического поля (до 1 В/А). Молекула образца в газовой фазе, оказываясь в непосредственной близости от эмиттера, подвергается воздействию этого поля. Основным механизмом ионизации является туннелирование электрона из молекулы органического соединения на эмитгер. Энергия, переносимая в результате такого процесса, составляет доли электронвольта, т. е. избыточная энергия молекулярного иона М+' значительно ниже, чем даже в условиях ХИ.
Кроме того, другие электроны ионизирующейся молекулы не возбуждаются, и М+' оказывается в основном (невозбужденном) электронном состоянии. Высокий положительный потенциал эмиттера резко выталкивает образовавшийся катион из источника. Среднее время присутствия М+ в источнике полевой ионизации составляет 10 ы с, тогда кака случае ЭУв 10 ~ с.
В результате даже возможные низкоэнергетические процессы фрагментации не успевают реализоваться в полной мере, и спектр зачастую представляет собой единственный пик, принадлежащий молекулярному иону 11471. Полевая ионизация, являясь наиболее мягким методом, в то же время не устраняет недостатка ХИ и ЭУ, связанного с необходимостью перевода образца в газовую фазу. Для его преодоления была предложена модификация метода, получившая широкое признание и названная полевой десорбцией. 5.7. Полевая дееорбция (ИеЫ Рейогр6оп, гР) Аппаратурное оформление, а также механизм полевой десорбции, не отличаются от описанных выше для полевой ионизации.
Единственным, но принципиальным отличием является нанесение раствора образца непосредственно на эмиттер. 5.8. Плазменная десорбннонная масс-спектрометрня 101 После испарения растворителя эмиттер помещается в источник ионов. При подаче на него высокого напряжения, в результате туннелирования электрона из молекулы образца, ион образуется непосредственно в конденсированной фазе. Поскольку энергия десорбции иона с поверхности одноименно заряженного эмиттера значительно ниже, чем энергия десорбции исходной нейтральной молекулы, ион переходит в газовую фазу. В отличие от полевой ионизации здесь образуются в основном четноэлектронные протонированные молекулярные ионы МН+.
Добавка к анализируемому образцу кислот или неорганических солей облегчает процесс ионизации с образованием ионов МН+ и 1М+катион1+. В этом случае, поскольку ионы присутствуют уже в конденсированной фазе, для их извлечения требуется меньший потенциал (около 10 ~ В/А). Метод хорошо зарекомендовал себя для анализа сахаров, пептидов, нуклеотцдов, солей, кислот. Отличные результаты получены также при анализе синтетических неполярных полимеров 1148, 1491. Определенные проблемы полевой десорбции (как и полевой ионизации) связаны с изготовлением эмиттеров и нанесением на них образца. Тонкие углеродные иглы обычно наносят на эмиттер пиролизом бензонитрила в специальной камере.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
