Введение
Техника ионизации, используемая в масс-спектроскопии. Химическая ионизация (CI) – это метод мягкой ионизации, применяемый в масс-спектрометрии. Он был впервые представлен Бернаби Мунсоном и Фрэнком Х. Филдом в 1966 году. Данный метод является разделом газофазной ионно-молекулярной химии. Реагенты ионизируются посредством электронной ионизации с образованием ионов-реагентов, которые затем взаимодействуют с молекулами анализируемого вещества в газовой фазе, образуя ионы анализируемого вещества для анализа методом масс-спектрометрии. Негативная химическая ионизация (NCI), химическая ионизация с переносом заряда, химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) – это некоторые из распространенных вариантов данной техники. Масс-спектрометрия с использованием CI широко применяется для идентификации, установления структуры и количественного определения органических соединений, а также находит применение в биохимическом анализе. Таким образом, CI является полезной альтернативой в тех случаях, когда EI приводит к избыточной фрагментации аналита, что приводит к ослаблению или полному отсутствию пика молекулярного иона.
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.
Инструментовка
Конструкция ионного источника химической ионизации (CI) для масс-спектрометра очень похожа на конструкцию источника электронной ионизации (EI). Для облегчения реакций между ионами и молекулами камера поддерживается относительно герметичной при давлении около 1 торр. Электроны генерируются вне объема источника (при более низком давлении 10−4 торр, чтобы они проникали как минимум до центра камеры).
Механизм
Эксперимент с КИ (химической ионизацией) включает использование кислотно-основных реакций в газовой фазе внутри камеры. К числу распространенных реакционных газов относятся: метан, аммиак, вода и изобутан. Внутри источника ионов реакционный газ присутствует в значительном избытке по сравнению с анализируемым веществом. Электроны, поступающие в источник, преимущественно ионизируют реакционный газ, поскольку его концентрация намного выше концентрации аналита. Первичные ионы реагента затем вступают во вторичные ионно-молекулярные реакции (как показано ниже) с образованием более стабильных ионов реагента, которые в конечном итоге сталкиваются и реагируют с молекулами аналита в меньшей концентрации, формируя ионы продукта. Столкновения между ионами реагента и молекулами аналита происходят при энергиях, близких к тепловым, поэтому энергия, доступная для фрагментации ионов аналита, ограничена экзотермичностью ионно-молекулярной реакции. Для реакции переноса протона это просто разница в сродстве к протону между нейтральной молекулой реагента и нейтральной молекулой аналита.
Преимущества и ограничения
Одним из главных преимуществ химической ионизации (CI) по сравнению с электронной ионизацией (EI) является снижение фрагментации, как отмечалось выше, что для более лабильных молекул приводит к появлению в масс-спектре пика, соответствующего молекулярной массе аналита. Это представляет собой особое преимущество для биологических применений, где EI часто не дает полезных молекулярных ионов в спектре. Как и в случае с EI, метод ограничен соединениями, которые могут быть испарены в источнике ионов. Меньшая степень фрагментации может быть недостатком, поскольку предоставляется меньше структурной информации. Кроме того, степень фрагментации и, следовательно, масс-спектр могут быть чувствительны к условиям в источнике, таким как давление, температура и присутствие примесей (например, водяного пара). Из-за отсутствия воспроизводимости библиотеки спектров CI не были созданы для идентификации соединений. Почти все нейтральные аналиты могут образовывать положительные ионы в результате описанных выше реакций. Для наблюдения отклика при отрицательной химической ионизации (NCI, также NICI) аналит должен быть способен образовывать отрицательный ион (стабилизировать отрицательный заряд), например, путем ионизации захватом электрона. Поскольку не все аналиты обладают этой способностью, использование NCI обеспечивает определенную степень селективности, недоступную при использовании других, более универсальных методов ионизации (EI, PCI). NCI может использоваться для анализа соединений, содержащих кислотные группы или электроотрицательные элементы (особенно галогены). Благодаря высокой электроотрицательности атомов галогенов NCI часто является предпочтительным методом для их анализа. Это включает в себя многие классы соединений, такие как полихлорированные бифенилы (ПХБ), пестициды и антипирены. Большинство этих соединений являются загрязнителями окружающей среды, поэтому значительная часть анализа с использованием NCI проводится в рамках экологического мониторинга. В случаях, когда требуются очень низкие пределы обнаружения, экологически опасные вещества, такие как галогеносодержащие соединения, окислители и алкилирующие агенты, часто анализируют с помощью детектора захвата электронов, соединенного с газовым хроматографом. Отрицательные ионы образуются в результате резонансного захвата электрона с почти тепловой энергией, диссоциативного захвата электрона с низкой энергией, а также посредством ионно-молекулярных взаимодействий, таких как перенос протона, перенос заряда и перенос гидрида. По сравнению с другими методами, использующими отрицательную ионизацию, NCI имеет значительные преимущества, поскольку реактивность анионов можно контролировать в отсутствие растворителя. С помощью этого метода также можно определять сродство к электрону и энергии низлежащих валентных состояний.
Химическая ионизация при атмосферном давлении
Химическая ионизация в электрическом разряде при атмосферном давлении называется химической ионизацией при атмосферном давлении (APCI), которая обычно использует воду в качестве реагентного газа. Источник APCI состоит из выхода жидкостной хроматографии, распылителя элюента, нагретой трубки испарения, игольчатого электрода для коронного разряда и отверстия для входа в вакуум 10−3 торр. Анализируемое вещество представляет собой газообразный или жидкий аэрозоль, а ионизация осуществляется с использованием коронного разряда при атмосферном давлении. Этот метод ионизации часто сочетается с высокоэффективной жидкостной хроматографией, где подвижная фаза, содержащая выходящий аналит, распыляется с высокой скоростью потока азота или гелия, а образовавшийся аэрозоль подвергается коронному разряду для создания ионов. Он подходит для относительно менее полярных и термически нестабильных соединений. Отличие APCI от CI заключается в том, что APCI работает при атмосферном давлении, где выше частота столкновений. Это способствует повышению чувствительности и эффективности ионизации.