Химиялық иондану (CI) – масс-спектрометрияда қолданылатын жұмсақ иондау әдісі. Реактивтік иондар арқылы анализдiк молекулаларды иондайды. НCI, APCI, APPI түрлерi бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Массалық спектроскопияда қолданылатын иондау техникасы
Ionization technique used in mass spectroscopy
Химиялық иондау (ХИ) – массалық спектрометрияда қолданылатын жұмсақ иондау техникасы. Бұл әдісті алғаш рет Бернаби Мунсон және Фрэнк Х. Филд 1966 жылы енгізді. Бұл техника газдық ион-молекулалық химияның бір саласы болып табылады. Реактивтік иондарды құру үшін электрондық иондау арқылы иондалады, олар кейіннен газ фазасындағы талдауға жататын молекулалармен реакцияласып, массалық спектрометриямен талдау үшін талдауға жататын иондарды жасайды. Теріс химиялық иондау (NCI), заряд алмасу химиялық иондау, атмосфералық қысымдағы химиялық иондау (APCI) және атмосфералық қысымдағы фотоиондау (APPI) – бұл техниканың кең таралған түрлері. CI массалық спектрометриясы органикалық қосылыстарды анықтау, құрылымды зерттеу және мөлшерлеуде, сондай-ақ биохимиялық талдауда қолданылады. Сондықтан, EI талдау заттың тым көп фрагментациясына алып келгенде, молекулалық иондық шыңының әлсіз немесе толығымен жоқ болуына себеп болатын жағдайларда, CI балама әдіс ретінде пайдалы.
Chemical ionization (CI) is a soft ionization technique used in mass spectrometry. This was first introduced by Burnaby Munson and Frank H. Field in 1966. This technique is a branch of gaseous ion molecule chemistry. are ionized by electron ionization to form reagent ions, which subsequently react with analyte molecules in the gas phase to create analyte ions for analysis by mass spectrometry. Negative chemical ionization (NCI), charge exchange chemical ionization, atmospheric pressure chemical ionization (APCI) and atmospheric pressure photoionization (APPI) are some of the common variants of the technique. CI mass spectrometry finds general application in the identification, structure elucidation and quantitation of organic compounds as well as some utility in biochemical analysis. CI is thus useful as an alternative technique in cases where EI produces excessive fragmentation of the analyte, causing the molecular ion peak to be weak or completely absent.
Аспаптар
Массалық спектрометр үшін КИ көзінің конструкциясы ЭИ көзінің конструкциясына өте ұқсас. Иондар мен молекулалар арасындағы реакцияларды жеңілдету үшін камера шамамен 1 торр қысыммен салыстырмалы түрде газ өткізбейтіндей етіп ұсталады. Электрондар көз көлемінен тыс жерде (10−4 торр қысымда) жасалады, осылайша олар кем дегенде камераның ортасына жетеді.
The CI source design for a mass spectrometer is very similar to that of the EI source. To facilitate the reactions between the ions and molecules, the chamber is kept relatively gas tight at a pressure of about 1 torr. Electrons are produced externally to the source volume (at a lower pressure of 10−4 torr so that they penetrate to at least the centre of the box.
Механизм
КИ-тәжірибесінде камерада газ фазасындағы қышқыл-негіздік реакциялар қолданылады. Көп қолданылатын реактивтік газдарға: метан, аммиак, су және изобутан жатады. Ион көзінің ішінде реактивтік газ анализге қарағанда әлдеқайда көп мөлшерде болады. Көзға кіретін электрондар басым бөлігімен реактивтік газды иондайды, себебі ол анализге қарағанда көп мөлшерде. Алғашқы реактивтік иондар кейін екінші ион/молекулалық реакцияларға (төменде көрсетілгендей) түседі, нәтижесінде тұрақтырақ реактивтік иондар пайда болады, олар соңында төмен концентрациялы аналит молекулаларымен соқтығысып, реакцияласып, өнім иондарын құрайды. Реактивтік иондар мен аналит молекулалары арасындағы соқтығысулар дерлік жылулық энергия деңгейінде жүзеге асады, сондықтан аналит иондарын фрагменттеу үшін қолжетімді энергия ион-молекулалық реакцияның экзотермиялық сипаттамасымен шектеледі. Протондық ауысу реакциясы үшін бұл бейтарап реактивтік молекула мен бейтарап аналит молекула арасындағы протондық жақындық айырмасымен анықталады.
A CI experiment involves the use of gas phase acid base reactions in the chamber. Some common reagent gases include: methane, ammonia, water and isobutane. Inside the ion source, the reagent gas is present in large excess compared to the analyte. Electrons entering the source will mainly ionize the reagent gas because it is in large excess compared to the analyte. The primary reagent ions then undergo secondary ion/molecule reactions (as below) to produce more stable reagent ions which ultimately collide and react with the lower concentration analyte molecules to form product ions. The collisions between reagent ions and analyte molecules occur at close to thermal energies, so that the energy available to fragment the analyte ions is limited to the exothermicity of the ion molecule reaction. For a proton transfer reaction, this is just the difference in proton affinity between the neutral reagent molecule and the neutral analyte molecule.
Артықшылықтары мен шектеулері
CI-нің EI-ге қарағанда басты артықшылығы – жоғарыда айтылғандай, фрагментацияның азаюы. Бұл, әсіресе, нәзік молекулалар үшін, аналиттың молекулалық салмағын көрсететін массалық спектрдегі шықтың пайда болуына әкеледі. Бұл биологиялық қолданулар үшін ерекше пайдалы, себебі EI көбінесе спектрде қолдануға жарамды молекулалық иондарды бермейді. EI сияқты, бұл әдіс иондау көзінде булануға қабілетті қосылыстармен шектеледі. Фрагментацияның төмен деңгейі кемшілік болуы мүмкін, өйткені құрылымдық ақпарат аз ұсынылады. Сонымен қатар, фрагментация дәрежесі, демек массалық спектр, иондау көзіндегі қысым, температура және қосымша заттардың (мысалы, су буы) болуы сияқты жағдайларға сезімтал болуы мүмкін. Осы қайта жаңартудың болмауы салдарынан, қосылыстарды анықтау үшін CI спектрлерінің кітапханалары жасалмаған. Көптеген бейтарап аналиттер жоғарыда сипатталған реакциялар арқылы оң иондарды құрай алады. Теріс химиялық иондау (NCI, сондай-ақ NICI) арқылы сигнал алу үшін аналит теріс ионды (теріс зарядты тұрақтандыру) қалыптастыруға қабілетті болуы керек, мысалы электронды тұтқындау иондау арқылы. Барлық аналиттер мұны жасай алмайтындықтан, NCI пайдалану басқа, әмбебап иондау әдістерімен (EI, PCI) қол жетімді емес белгілі бір таңдамалылықты қамтамасыз етеді. NCI қышқыл топтарды немесе электронегативті элементтерді (әсіресе галогендерді) қамтитын қосылыстарды талдау үшін қолданылуы мүмкін. Галоген атомдарының жоғары электронегативтілігіне байланысты, NCI оларды талдау үшін жиі қолданылады. Бұған полихлорирленген бифенилдер (ПХБ), пестицидтер және отқа төзімді заттар сияқты көптеген қосылыстар жатады. Бұл қосылыстардың көпшілігі қоршаған ортаны ластайтын заттар болып табылады, сондықтан NCI талдаудың көп бөлігі қоршаған ортаны талдау саласында жүргізіледі. Өте төмен анықтау шегі қажет болған жағдайларда, галогенді қосылыстар, тотықтырғыштар және алкилдеуші заттар сияқты қоршаған ортаға зиянды заттар көбінесе газ хроматографымен байланыстырылған электронды тұтқындау детекторы арқылы талданады. Теріс иондар жылу энергиясына жақын электронды резонанстық тұтқындау, төмен энергиялы электронды диссоциативтік тұтқындау және протондық, зарядтық және гидридтік алмасу сияқты ион-молекулалық өзара әрекеттесулер арқылы пайда болады. Теріс иондарды қолданатын басқа әдістермен салыстырғанда, NCI тиімді, себебі аниондардың реакциялық қабілетін еріткішсіз бақылауға болады. Электрондық туыстық және төменгі валенттіліктердің энергиясын осы әдіспен анықтауға болады.
One of the main advantages of CI over EI is the reduced fragmentation as noted above, which for more fragile molecules, results in a peak in the mass spectrum indicative of the molecular weight of the analyte. This proves to be a particular advantage for biological applications where EI often does not yield useful molecular ions in the spectrum. As with EI, the method is limited compounds that can be vapourized in the ion source. The lower degree of fragmentation can be a disadvantage in that less structural information is provided. Additionally, the degree of fragmentation and therefore the mass spectrum, can be sensitive to source conditions such as pressure, temperature, and the presence of impurities (such as water vapour) in the source. Because of this lack of reproducibility, libraries of CI spectra have not been generated for compound identification. Almost all neutral analytes can form positive ions through the reactions described above. In order to see a response by negative chemical ionization (NCI, also NICI), the analyte must be capable of producing a negative ion (stabilize a negative charge) for example by electron capture ionization. Because not all analytes can do this, using NCI provides a certain degree of selectivity that is not available with other, more universal ionization techniques (EI, PCI). NCI can be used for the analysis of compounds containing acidic groups or electronegative elements (especially halogens). Because of the high electronegativity of halogen atoms, NCI is a common choice for their analysis. This includes many groups of compounds, such as PCBs, pesticides, and fire retardants. Most of these compounds are environmental contaminants, thus much of the NCI analysis that takes place is done under the auspices of environmental analysis. In cases where very low limits of detection are needed, environmental toxic substances such as halogenated species, oxidizing and alkylating agents are frequently analyzed using an electron capture detector coupled to a gas chromatograph. Negative ions are formed by resonance capture of a near thermal energy electron, dissociative capture of a low energy electron and via ion molecular interactions such as proton transfer, charge transfer and hydride transfer. Compared to the other methods involving negative ion techniques, NCI is quite advantageous, as the reactivity of anions can be monitored in the absence of a solvent. Electron affinities and energies of low lying valencies can be determined by this technique as well.
Атмосфералық қысымдағы химиялық иондау
Атмосфералық қысымдағы электр разрядындағы химиялық иондану атмосфералық қысымдағы химиялық иондану (АПКИ) деп аталады, ол көбінесе суды реагенттік газ ретінде пайдаланады. АПКИ көзі сұйық хроматографиясының шығысы, элюентті шашырату, қыздырылған буландырғыш түтік, короналық разряд инесі және 10−3 торр вакуумға кіретін кішкентай тесіктен тұрады. Анализ зат газда немесе сұйық шашыранды түрінде болады және иондану атмосфералық қысымдағы короналық разряд арқылы жүзеге асырылады. Бұл иондау әдісі жиі жоғары өнімді сұйық хроматографиясымен жұптастырылады, онда азот немесе гелийдің жоғары жылдамдығымен шашыратылған элюцияланған аналит құрамын қамтитын жылдамдық фазасы және аэрозольді шашыранды короналық разрядқа ұшыратып иондар жасалады. Ол салыстырмалы түрде аз полярлы және жылуға төмен тұрақты қосылыстарға қолданылады. АПКИ мен CI арасындағы айырмашылық – АПКИ атмосфералық қысымда жұмыс істейді, онда соқтығысу жиілігі жоғарылайды. Бұл сезімталдық пен иондану тиімділігін жақсартуға мүмкіндік береді.
Chemical ionization in an atmospheric pressure electric discharge is called atmospheric pressure chemical ionization (APCI), which usually uses water as the reagent gas. An APCI source is composed of a liquid chromatography outlet, nebulizing the eluent, a heated vaporizer tube, a corona discharge needle and a pinhole entrance to 10−3 torr vacuum. The analyte is a gas or liquid spray and ionization is accomplished using an atmospheric pressure corona discharge. This ionization method is often coupled with high performance liquid chromatography where the mobile phase containing eluting analyte sprayed with high flow rates of nitrogen or helium and the aerosol spray is subjected to a corona discharge to create ions. It is applicable to relatively less polar and thermally less stable compounds. The difference between APCI and CI is that APCI functions under atmospheric pressure, where the frequency of collisions is higher. This enables the improvement in sensitivity and ionization efficiency.