Кіріспе

Іондық ағынды түтіктің массалық спектрометриясы (SIFT MS) – іздік газ талдауына арналған сандық массалық спектрометрия әдісі, ол белгілі бір уақыт аралығында ағын түтігі бойымен таңдалған оң прекурсорлық иондармен лезде ұшпалы қосылыстардың химиялық иондалуын қамтиды. Бұл кең температура диапазонында толыққанды термалдық жағдайларда атомдар мен молекулалармен оң немесе теріс иондардың реакцияласуын зерттейтін жылдам ағынды түтік/иондық шоғыр әдісі. Ол ион-молекулалық реакциялар кинетикасын зерттеуде кеңінен қолданылады. Оның 20 жылдық кезеңде ионосфералық және жұлдызаралық ион химиясына қолданылуы осы тақырыптарды дамыту мен түсінуге үлкен үлес қосты. SIFT MS бастапқыда адам тынысының талдауы үшін әзірленді және физиологиялық мониторинг пен ауруларды диагностикалау үшін инвазивті емес құрал ретінде үлкен перспектиива көрсетті. Содан бері ол өмірлік ғылымдар саласында, әсіресе ауыл шаруашылығы және мал шаруашылығы, экологиялық зерттеулер және азық-түлік технологиясы сияқты көптеген салаларда қолдануға мүмкіндік берді. SIFT MS технологиясы Жаңа Зеландияның Крайстчерч қаласында орналасқан Syft Technologies компаниясымен сатылып, таңдаулы нарыққа ұсынылады. SIFT MS-ның негізі болып табылатын SIFT техникасы шамамен 40 жыл бұрын Ұлыбританияның Бирмингем университетінде Н. Г. Адамс және Дэвид Смит жасаған. Профессор Дэвид Смит 2023 жылдың 15 ақпанында дүниеден озды.

Аспаптар

Таңдалған ион ағыны түтігі массалық спектрометрі SIFT MS-де иондар микротолқынды плазмалық ион көзінде, әдетте зертханалық ауа мен су буы қоспасынан пайда болады. Құрылған плазмадан "алдын ала иондар" (SIFT MS және химиялық иондануға қатысты басқа процестерде жиі бастапқы немесе реагент иондар деп аталады) ретінде әрекет ету үшін бір иондық түр төртполярлы массалық сүзгі арқылы таңдалады. SIFT MS талдауларында H3O+, NO+ және O2+ прекурсорлық иондар ретінде қолданылады, олар ауаның негізгі компоненттерімен (азот, оттегі және т.б.) айтарлықтай реакцияға түспейтіндігі белгілі болғандықтан таңдалды, бірақ көптеген өте төмен деңгейдегі (іздік) газдармен реакцияласа алады. Таңдалған прекурсорлық иондар ағынды тасымалдаушы газға (әдетте 1 Торр қысымында гелий) Вентури тесігі (диаметрі ~1 мм) арқылы жіберіледі, онда олар реакциялық ағын түтігі бойымен конвекция арқылы қозғалады. Сонымен қатар, сынама буының бейтарап аналиттері қыздырылған сынама алу түтігі арқылы ағын түтігіне енгізіліп, онда олар прекурсорлық иондармен кездеседі және олардың химиялық қасиеттеріне байланысты, мысалы, протондық жақындығы немесе иондану энергиясы сияқты химиялық ионданудан өтуі мүмкін. Жаңадан пайда болған "өнім иондары" екінші төртполярлы массалық сүзгісі және электронды көбейту детекторы бар массалық спектрометр камерасына ағылады, олар иондарды масса/заряд қатынасы (m/z) бойынша бөліп, қажетті m/z диапазонындағы иондардың санау жылдамдығын өлшеуге қолданылады.

Талдау

Жеке қосылыстардың концентрацияларын негізінен прекурсорлық және өнім иондарының санау жылдамдықтарын және реакция жылдамдығы коэффициенттерін, k, пайдалану арқылы анықтауға болады. Экзотермиялық протондық трансфер реакциялары H3O+ ионымен соқтығысу жылдамдығымен жүреді деп есептеледі (Соқтығысу теориясын қараңыз), kc коэффициенті Су мен Чеснавич сипаттаған әдіс бойынша есептеледі, егер реакция құралы молекуласының поляризациялану қабілеті және диполь моменті белгілі болса. NO+ және O2+ реакциялары көбінесе kc көрсеткіші бойынша сирек жүреді, сондықтан реакцияға түсетін молекуланың реакция жылдамдығы осы прекурсорлық иондармен салыстыру арқылы тәжірибелік жолмен анықталуы керек. Осылайша, 200-ден астам ұшқыш қосылыстар үшін өнім иондары мен жылдамдық коэффициенттері анықталды, олар ғылыми әдебиеттерде кездеседі. Құрал массалық спектрді алу үшін массаның белгілі бір диапазоны бойынша сканерлеуге (Full Scan, FS, режимі) немесе тек қана қызығушылық тудыратын m/z мәндеріне жылдам ауысуға (Multiple Ion Monitoring, MIM, режимі) бағдарламалана алады. Жоғарыда аталған прекурсорлық иондардың (H3O+, NO+ және O2+) әртүрлі химиялық қасиеттеріне байланысты, бу үлгісі үшін әртүрлі FS режимі спектрлерін алуға болады, және олар үлгінің құрамы туралы әртүрлі ақпарат бере алады. Осы ақпаратты пайдалану арқылы іздік қосылыстарды анықтау көбінесе мүмкін болады. MIM режимінде әр ионда көбірек уақыт тоқталады, нәтижесінде миллиардқа бөлшек (ppb) деңгейінде дәл мөлшерлеуге қол жеткізіледі. Мысалы, тіпті протондық трансфер реакциясының массалық спектрометриясы (PTR MS), H3O+ реагент ионын пайдаланатын тағы бір жұмсақ иондау технологиясы, SIFT MS-ке қарағанда өнім ионының айтарлықтай көп фрагментациясын береді. SIFT MS-дің тағы бір маңызды ерекшелігі – жоғары ағыстағы массалық төртполюс, ол бірнеше прекурсорлық иондарды пайдалануға мүмкіндік береді. Үш түрлі спектрлерді алу үшін үш прекурсорлық ионды, H3O+, NO+ және O2+ пайдалану мүмкіндігі өте құнды, себебі ол операторға көптеген қосылыстарды талдауға мүмкіндік береді. Мұның мысалы – метан, ол H3O+ прекурсор ионы ретінде талдауға келмейді (өйткені оның протондық туыстығы 543,5 кДж/моль, H2O-дан сәл кем), бірақ O2+ арқылы талдауға болады. Сонымен қатар, үш прекурсорлық ионды параллель пайдалану операторға белгілі бір спектрлерде бірдей масса/заряд қатынасына иондар түзетін екі немесе одан да көп қосылыстарды ажыратуға мүмкіндік береді. Мысалы, диметил сульфиді (C2H6S, 62 аму) H3O+ ионымен реакцияға түсіп, C2H7S+ өнім иондарын түзгенде протонды қабылдайды, олар алынған спектрде m/z 63-те пайда болады. Бұл көмірқышқыл газымен реакциядан алынған ассоциациялық өнім, H3O+CO2, және протонды ацетальдегид ионының C2H5O+(H2O) моногидраты сияқты басқа өнім иондарымен қақтығысуы мүмкін, олар да m/z 63-те пайда болады, сондықтан ол кейбір үлгілерде анықталмайды. Алайда диметил сульфиді зарядты беру арқылы NO+ ионымен реакцияға түседі, нәтижесінде C2H6S+ ионы пайда болады, ол алынған спектрлерде m/z 62-де пайда болады, ал көмірқышқыл газы NO+ ионымен реакцияға түспейді, ал ацетальдегид гидрид ионын сыйлайды, нәтижесінде 43 m/z, C2H3O+ бірден-бір өнім ионын береді, сондықтан диметил сульфидін оңай ажыратуға болады. Соңғы жылдары SIFT MS технологиясының жетістіктері осы құрылғылардың сезімталдығын айтарлықтай арттырды, сондықтан анықтау шегі қазір бір цифрлы ppt деңгейіне дейін төмендеді.