Электронды иондау техникасы

Кіріспе

Ионизациялау техникасы

Электрондық ионизациялау (ЭИ, бұрын электронды соққы арқылы ионизациялау және электронды бомбалау ионизациялау деп аталған) – иондарды жасау үшін энергетикалық электрондардың қатты немесе газ фазасындағы атомдармен немесе молекулалармен өзара әрекеттесуіне негіделген ионизациялау әдісі. ЭИ – массалық спектрометрия үшін дамытылған ең алғашқы ионизациялау әдістерінің бірі. Дегенмен, бұл әдіс қазірге дейін танымал ионизациялау әдісі болып табылады. Бұл әдіс «қатты» (көп фрагментацияланатын) ионизациялау әдісі саналады, себебі иондарды жасау үшін жоғары энергетикалық электрондар қолданылады. Бұл кең ауқымды фрагментацияға алып келеді, бұл белгісіз қосылыстардың құрылымын анықтауға көмектеседі. ЭИ молекулалық салмағы 600-ден төмен органикалық қосылыстар үшін ең тиімді. Сонымен қатар, әртүрлі ажырату әдістерімен үйлестірілгенде, осы әдіс арқылы қатты, сұйық және газ күйіндегі басқа да термотұрақты және ұшқыш қосылыстарды анықтауға болады.

Тарих

Электронды иондауды алғаш рет 1918 жылы канадалық-американдық физик Артур Дж. Демпстер «Позитивті сәулелерді талдаудың жаңа әдісі» деген мақаласында сипаттады. Бұл – алғашқы заманауи массалық спектрометр және әртүрлі құрамдас бөліктердің массасы мен зарядының қатынасын анықтау үшін оң сәулелерді пайдаланды. Бұл әдісте ион көзі қатты бетке бағытталған электрондық сәулені қолданды. Анод зерттелетін металлдан цилиндр пішіндес етіп жасалды. Кейіннен ол концентрлі катушкамен қыздырылып, содан кейін электрондармен бомбаланды. Осы әдіс арқылы литийдің екі изотопы және магнийдің үш изотопы, олардың атомдық салмақтары мен салыстырмалы үлестері анықталды. Содан бері бұл техника одан әрі өзгерістермен және жетілдірулермен қолданылып келеді. Газ фазасындағы атомдар мен молекулаларды иондау үшін шоғырланған моноэнергетикалық электрондық сәулені пайдалануды Блекни 1929 жылы ұсынды.

ЭИ тиімділігі

Электронды иондау процесін арттыру иондау тиімділігін арттыру арқылы жүзеге асырылады. Жоғары иондау тиімділігіне қол жеткізу үшін қыздыру тогы, эмиссия тогы және иондау тогы оптималды болуы керек. Қыздыру тогы – қыздыру элементіне оны қыздыру үшін берілетін ток. Эмиссия тогы – қыздыру элементі мен электрондық кіріс саңылауы арасында өлшенетін ток. Иондау тогы – электронның тұзаққа жетіп келгендігінің жылдамдығы. Бұл – камерадағы иондануға қолжетімді электрондар санын тікелей өлшейтін көрсеткіш. Үлгі ион тогы (I+) – иондану жылдамдығының өлшемі. Оны иондарды алу тиімділігін (β), жалпы иондау қимасын (Qi), тиімді иондау жолының ұзындығын (L), үлгі молекулаларының концентрациясын ([N]) және иондау тогын (Ie) реттеу арқылы арттыруға болады. Теңдеуді былай көрсетуге болады: Иондарды алу тиімділігін (β) репеллер және үдеткіштің кернеуін арттыру арқылы оңтайландыруға болады. Иондау қимасы үлгінің химиялық қасиеттеріне және иондаушы электрондардың энергиясына байланысты болғандықтан, 70 эВ стандартты мән қолданылады. Төмен энергияда (шамамен 20 эВ) электрондар мен талданатын молекулалар арасындағы өзара әрекеттесу иондануға жеткілікті энергияны бермейді. 70 эВ шамасында электрондардың де Бройль толқын ұзындығы органикалық молекулалардағы типтік байланыстар ұзындығына (шамамен 0,14 нм) сәйкес келеді, бұл органикалық талданатын молекулаларға энергия беруді максималды деңгейге жеткізеді, соның нәтижесінде ең күшті иондану және фрагментация жүреді. Мұндай жағдайда, көздің ішіндегі 1000 молекуланың 1-і иондалады. Жоғары энергияда электрондардың де Бройль толқын ұзындығы типтік талданатын молекулалардағы байланыс ұзындығынан кіші болады; молекулалар электрондар үшін "мөлдір" болады және иондану тиімділігі төмендейді. Тиімді иондау жолының ұзындығын (L) әлсіз магниттік өріс қолдану арқылы ұлғайтуға болады. Бірақ үлгі тогын арттырудың ең тиімді жолы – ион көзін жоғары иондау тогымен (Ie) жұмыс істету.

Тікелей енгізу EI-MS

Бұл әдісте зонд ұзын металл арнадан жасалады, ол үлгі капиллярын орналастыруға арналған ойыспен аяқталады. Зонд вакуумдық құлып арқылы бастапқы блокқа енгізіледі. Үлгі шыны капилляр арқылы ойысқа енгізіледі. Содан кейін зонд қажетті температураға дейін жылдам қыздырылып, үлгі буландырылады. Осы зондты пайдалану арқылы үлгі иондану аймағына өте жақын орналастырылуы мүмкін. Тікелей енгізу MS және газ хроматографиясы MS әдістері римдік және египеттік амфоралардағы қаптама ретінде кездесетін органикалық материалды сипаттау зерттеуінде қолданылып, салыстырылды. Бұл зерттеуден тікелей енгізу процедурасының жылдам, түзу және бірегей құрал екені көрінеді, ол үлгідегі негізгі құрамдас бөліктер туралы мәліметтерді анықтауға мүмкіндік беретін органикалық археологиялық материалдарды тексеруге қолайлы. Бұл әдіс материалдың тотығу дәрежесі және класы туралы ақпаратты ұсынады. Бұл әдістің кемшілігі – үлгідегі сирек кездесетін компоненттерді анықтау қиын болуы мүмкін.

Синтетикалық көмір кластерлерінің сипаттамасы

Тікелей енгізу EI MS-нің тағы бір қолданысы – қатты фазада оқшауланған жаңа синтетикалық көміртек кластерлерін сипаттау. Бұл кристалдық материалдар 37:1 қатынасында C60 және C70-тен тұрады. Бір зерттеуде синтетикалық C60 молекуласының ерекше тұрақты екені және оның ароматикалық қасиеттерін сақтайтыны көрсетілді.

Газдық хроматографиялық массалық спектрометрия

Газ хроматографиясы (ГХ) ЭИ МС-де сынаманы енгізуге ең көп қолданылатын әдіс болып табылады. ГХ жылулық тұрақты және ұшпалы газдардың қоспаларын бөлу үшін қолданылуы мүмкін, бұл газдар электрондық иондану шарттарына толық сәйкес келеді.

Археологиялық материалдарды талдау

GC EI MS римдік және египет амфораларындағы қаптамалардағы органикалық материалды зерттеу және сипаттау үшін қолданылды. Осы талдау нәтижесінде ғалымдар амфораларды су өткізбейтін ету үшін қолданылған материалдың археологиялық қазба орнында тумаған, бірақ басқа аймақтан әкелінген ерекше шайыр түрі екенін анықтады. Бұл әдістің бір кемшілігі – талдаудың ұзаққа созуы және ылғалды химиялық алдын ала өңдеуді қажет етуі.

Биологиялық сұйықтықтарды талдау

GC EI MS бірнеше қолдану үшін биологиялық сұйықтықтарды талдауға қолданылуы мүмкін. Мысалы, синтетикалық пиретроидты инсектицидтердің он үш молекуласы және олардың стереоизомерлерін толық қаннан анықтау. Бұл зерттеуде таңдаулы иондық мониторинг режимінде (SIM) жаңа, жылдам және сезімтал электрондық иондау газ хроматография-массалық спектрометрия әдісі, бір рет үлгіні енгізу арқылы қолданылды. Барлық пиретроид қалдықтары электрондық иондау режимінде жұмыс істейтін GC MS арқылы бөлінді және таңдаулы иондық мониторинг режимінде мөлшерленді. Қандағы нақты қалдықтарды анықтау өте төмен концентрациясының салдарынан қиын міндет, себебі олар денеге енгеннен кейін көптеген химиялық заттар шығарылуы мүмкін. Дегенмен, бұл әдіс 0,05–2 нг/мл деңгейіне дейін әртүрлі пиретроидтардың қалдықтарын анықтады. Бұл инсектицидті қаннан анықтау өте маңызды, өйткені адам денсаулығына, әсіресе балаларға зиян келтіру үшін организмдегі өте аз мөлшері жеткілікті. Бұл әдіс өте қарапайым, жылдам техника болып табылады және сондықтан матрицалық кедергілерсіз қолданылуы мүмкін. Таңдаулы иондық мониторинг режимі 0,05 нг/мл дейін анықтау сезімталдығын қамтамасыз етеді. Тағы бір қолдану – GC EI MS қолданылатын ақуыз алмасу зерттеулері. Бұл адам ақуыз синтезін зерттеу кезінде тіндік ақуызға енген аминқышқылының байығанын көрсететін d-фенилаланиннің өте төмен деңгейін өлшейді. Бұл әдіс өте тиімді, себебі еркін және ақуызға байланысқан d-фенилаланин бір массалық спектрометрмен өлшенуі мүмкін және тек шамамен 1 мг ақуыз ғана қажет.

Сот-медициналық қолдану

GC EI MS сот медицинасында да қолданылады. Мысалы, қандағы бес жергілікті анестетиктерді талдау үшін бас кеңістігіндегі қатты фазалы микроэкстракция (HS SPME) және газ хроматографиясы-масс-спектрометриясы-электрондық соққы иондау (GC–MS–EI SIM) таңдалған иондарды бақылау әдісі қолданылды. Жергілікті анестезия кеңінен қолданылады, бірақ кейде бұл препараттар медициналық оқиғаларға себеп болуы мүмкін. Мұндай жағдайларда жергілікті анестетиктерді талдау үшін дәл, қарапайым және жылдам әдіс қажет. Бір жағдайда GC EI MS 65 минуттық талдау уақытымен және шамамен 0,2 г үлгі көлемімен, яғни салыстырмалы түрде аз мөлшерде қолданылды. Сот тәжірибесіндегі тағы бір қолданылуы – несепте зорлауға қолданылатын препараттарды (DRD) анықтау. Бұл препараттар құрбандарды әлсіретіп, одан кейін зорлау немесе тонау үшін қолданылады. Бұл препараттарды талдау қиын, себебі олардың дене сұйықтықтарындағы концентрациясы төмен және көбінесе оқиға мен клиникалық тексеру арасында ұзақ уақыт өтеді. Дегенмен, GC EI MS қолдану арқылы несептегі 128 DRD қосылысын анықтау, іздеу және мөлшерлеу үшін қарапайым, сезімтал және тұрақты әдіс пайдалануға болады.

Сұйық хроматография EI-MS

Түрлі үлгілерді талдау үшін капиллярлық масштабтағы сұйық хроматография-электронды иондау массалық спектрометриясын (LC EI MS) байланыстырудың екі жаңа тәсілін қолдануға болады. Бұл капиллярлық масштабтағы ЭИ негізделген LC/MS интерфейсі және тікелей ЭИ интерфейсі. Капиллярлық ЭИ-де тұмандатқыш сызықтылық және сезімталдық үшін жақсартылған. Тікелей ЭИ интерфейсі – нано және микро HPLC үшін қолданылатын, интерфейс процесінің тиісті түрде өзгертілген ион көзінде жүзеге асатын шағын интерфейс. Бағанадан элюат толықтай ион көзіне берілгендіктен, жоғары сезімталдық, сызықтылық және қайталанатын нәтижелерге қол жеткізуге болады. Осы екі интерфейсті пайдалану арқылы электронды иондауды әртүрлі полярлылығы бар шағын және орташа молекулаларды талдау үшін сәтті қолдануға болады. LC MS-дегі осы интерфейстердің ең көп таралған қолданылуы – кері фазада пестицидтерді (карбарил, пропанил және хлорпрофам) градиенттік бөлу сияқты экологиялық қолданыстар, сондай-ақ дифенилдрамин, амитриптилин, напроксен және ибупрофен сияқты төрт қабынуға қарсы препаратты бөлу сияқты фармацевтикалық қолданыстар. Электронды иондаудың қолданылуын жіктеудің тағы бір әдісі – массалық спектроскопияда қолданылатын бөлу техникасына негізделуі. Бұл санат бойынша, қолданыстардың көп бөлігі уақыт-ұшу (TOF) немесе ортогональды TOF массалық спектрометриясы (OA TOF MS), Фурье түрлендіру иондық циклотрондық резонансы (FT ICR MS) және төртполярлы немесе иондық тұзақ массалық спектрометриясында кездеседі.

Ұшу уақытын өлшеу бойынша массалық спектрометрияда қолдану

Электронды иондалу уақыты-ұшу массалық спектроскопиясы (EI TOF MS) талдамалық және химиялық физиканың негізгі зерттеулері үшін өте қолайлы. EI TOF MS молекулалар мен радикалдардың иондану потенциалын, сондай-ақ иондар мен бейтарап молекулалар үшін байланыс үзілу энергиясын анықтау үшін қолданылады. Бұл әдіс теріс иондар химиясы мен физикасын зерттеуге де пайдаланылады. Автодетачменттік өмір сүру ұзақтығы, метастабильді диссоциация, Ридберг электрондық трансфер реакциялары және өріссіз ажырату, уақытша теріс иондық күйлерді анықтау үшін SF6 скраббер әдісі және тағы да басқалары осы техниканы қолдану арқылы ашылды. Бұл әдісте өріссіз иондану аймағы электрон энергиясының жоғары дәлдігін және электрон энергиясының жоғары ажыратымдылығын қамтамасыз етеді. Иондардың ұшу түтігі бойындағы электр өрістерін өлшеу әлсіз байланысқан теріс иондардың автодетачментісі мен метастабильді ыдырауын, сондай-ақ өріссіз ажырауын анықтайды. Электрондық иондалу ортогональды үдеу TOF MS (EI oa TOFMS) алғаш рет 1989 жылы сипатталған. "Ортогональды үдеуді" пайдалану арқылы EI ион көзінің ажырату қабілеті мен сезімталдығы арттырылды. EI көздерімен жабдықталған oa TOFMS-тің басты артықшылығы газ хроматографиясы (ГХ) енгізу жүйелерімен қолдану мүмкіндігі болып табылады, бұл ұшпа органикалық қосылыстардың хроматографиялық бөлінуін жоғары жылдамдықпен жүргізуге мүмкіндік береді.

Фурье трансформациясы иондық циклотрондар резонанстық массалық спектрометриясы

FT ICR EI MS вакуумдық газ майының (VGO) үш дистилляциялық фракциясын 295–319 °C, 319–456 °C және 456–543 °C температураларында талдау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл әдісте 10 ЭВ энергиядағы EI вакуумдық газ майы диапазонындағы ароматты қосылыстарды жұмсақ иондауға мүмкіндік береді. Құрамдық өзгерістер молекулалық деңгейде элементтік құрамын анықтау арқылы белгіленді. Бұл әдістің ерекшеліктері – өте жоғары ажыратымдылық, кішкентай сынама көлемі, жоғары қайталанатындық және массаның жоғары дәлдігі (<0,4 ppm). Барлық үш сынақта негізгі өнім ароматты көмірсутектер болды. Сонымен қатар, күкірт, азот және оттегі бар көптеген қосылыстар осы гетероатомдық элементтердің концентрациясы қайнау температурасымен бірге артқанда тікелей байқалды. Деректерді талдау нәтижесінде қосылыстардың түрлері (сақиналар және екі байланыстар), дистилляциялық фракциялардағы көмірсутектер мен гетероатомдық қосылыстардың көміртек санының таралуы, орташа молекулалық салмақтың (немесе көміртек санының таралуы) және мұнай фракцияларының қайнау температурасының артуымен ароматтылығы туралы мәліметтер алынды.

Ион тұтқынының массалық спектрометриясы

Иондық тұтқы EI МС-ны өзен сулары мен кәріз суларының сынамаларында нонилфенол полиэтоксилаты (NPEO) қалдықтарын және нонилфенол полиэтокси карбоксилаттары және карбоксиалкилфенол этиокси карбоксилаттары сияқты олардың ыдырау өнімдерін анықтау және мөлшерлеу үшін қолдануға болады. Осы зерттеу нәтижесінде, иондық тұтқы GC МС-ның қоршаған ортадағы сынамалардағы ізделіп отырған қосылыстарды анықтау үшін EI және басқа да иондау әдістерін қоса алғанда, сенімді және қолайлы талдау әдісі екені анықталды.