Введение

Техника ионизации

Электронная ионизация (EI, ранее известная как ионизация электронным ударом и ионизация электронным облучением) – это метод ионизации, при котором энергичные электроны взаимодействуют с атомами или молекулами в твердой или газовой фазе с образованием ионов. EI была одним из первых методов ионизации, разработанных для масс-спектрометрии. Однако этот метод по-прежнему остается популярной техникой ионизации. Данный метод считается жестким (приводящим к высокой фрагментации) методом ионизации, поскольку для образования ионов используются высокоэнергетические электроны. Это приводит к интенсивной фрагментации, которая может быть полезна для определения структуры неизвестных соединений. EI наиболее эффективен для органических соединений с молекулярной массой менее 600. Кроме того, с использованием данной техники в сочетании с различными методами разделения можно детектировать ряд других термически стабильных и летучих соединений, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях.

История

Электронная ионизация была впервые описана в 1918 году канадско-американским физиком Артуром Дж. Демпстером в статье "Новый метод анализа положительных лучей". Это был первый современный масс-спектрометр, использовавший положительные лучи для определения отношения массы к заряду различных компонентов. В этом методе в качестве источника ионов использовался электронный луч, направленный на твердую поверхность. Анод изготавливался в цилиндрической форме из металла, который подлежал исследованию. Затем он нагревался концентрической катушкой и подвергался бомбардировке электронами. С помощью этого метода удалось определить два изотопа лития и три изотопа магния, включая их атомные массы и относительное содержание. С тех пор эта техника применялась с дальнейшими модификациями и усовершенствованиями. Использование сфокусированного моноэнергетического пучка электронов для ионизации атомов и молекул в газовой фазе было разработано Блекни в 1929 году.

Эффективность ИЭ

Увеличение процесса ионизации электронов достигается за счет повышения эффективности ионизации. Для достижения более высокой эффективности ионизации необходимо оптимизировать ток нити, эмиссионный ток и ионизирующий ток. Ток, подаваемый на нить для ее нагрева до свечения, называется током нити. Эмиссионный ток – это ток, измеряемый между нитью и входной щелью электронов. Ионизирующий ток – это скорость поступления электронов в ловушку, являющаяся прямой мерой количества электронов в камере, доступных для ионизации. Ионный ток образца (I+) является мерой скорости ионизации, которую можно усилить, изменяя эффективность извлечения ионов (β), полное ионизирующее сечение (Qi), эффективную длину пути ионизации (L), концентрацию молекул образца ([N]) и ионизирующий ток (Ie). Уравнение можно представить следующим образом:

Эффективность извлечения ионов (β) можно оптимизировать, увеличивая напряжение как репеллера, так и ускоряющего электрода. Поскольку ионизирующее сечение зависит от химической природы образца и энергии ионизирующих электронов, используется стандартное значение 70 эВ. При низких энергиях (около 20 эВ) взаимодействия между электронами и молекулами аналита не передают достаточной энергии для ионизации. Приблизительно при 70 эВ длина волны де Бройля электронов соответствует длине типичных связей в органических молекулах (около 0,14 нм), что максимизирует передачу энергии органическим молекулам аналита, приводя к наиболее эффективной ионизации и фрагментации. В таких условиях ионизируется примерно 1 из 1000 молекул аналита в источнике. При более высоких энергиях длина волны де Бройля электронов становится меньше длины связей в типичных аналитах, в результате чего молекулы становятся "прозрачными" для электронов, и эффективность ионизации снижается. Эффективную длину пути ионизации (L) можно увеличить, используя слабое магнитное поле, однако наиболее практичным способом увеличения тока образца является работа источника ионов при более высоком ионизирующем токе (Ie).

Прямая вставка EI-MS

При этом методе зонд изготавливается из длинного металлического канала, который заканчивается лункой для удержания капилляра с образцом. Зонд вставляется в блок источника через вакуумный шлюз. Образец в лунку вводится с помощью стеклянного капилляра. Затем зонд быстро нагревается до необходимой температуры для испарения образца. С помощью этого зонда образец можно позиционировать очень близко к области ионизации. В исследовании, посвященном характеристике органического материала, присутствующего в виде покрытий на римских и египетских амфорах, как пример археологических смолистых веществ, использовались и сравнивались методы прямой пробоподготовки для масс-спектрометрии и газовой хроматографии с масс-спектрометрией. Результаты этого исследования показали, что процедура прямой пробоподготовки является быстрым, простым и уникальным инструментом, подходящим для скрининга органических археологических материалов, позволяющим получить информацию об основных компонентах образца. Этот метод предоставляет информацию о степени окисления и классе присутствующих материалов. Недостатком метода является то, что менее распространенные компоненты образца могут остаться неидентифицированными.

Характеристика синтетических кластеров углерода

Еще одно применение прямого введения EI MS – характеристика новых синтетических углеродных кластеров, выделенных в твердой фазе. Эти кристаллические материалы состоят из C60 и C70 в соотношении 37:1. В одном исследовании было показано, что синтетическая молекула C60 обладает замечательной стабильностью и сохраняет свой ароматический характер.

Газовая хроматография

Газовая хроматография (ГХ) является наиболее широко используемым методом в масс-спектрометрии с электронным ударом (МС ЭИ) для ввода пробы. ГХ может быть применена для разделения смесей термически стабильных и летучих газов, оптимально подходящих для условий ионизации электронами.

Анализ археологических материалов

GC EI MS использовался для изучения и характеристики органического материала в покрытиях римских и египетских амфор. По результатам анализа ученые установили, что для гидроизоляции амфор использовался определенный тип смолы, не произведенный на месте археологических раскопок, а импортированный из другого региона. Одним из недостатков этого метода являлось длительное время анализа и необходимость предварительной химической обработки с использованием влажных реагентов.

Анализ биологических жидкостей

Система GC EI MS может быть использована для анализа биологических жидкостей в различных областях. Одним из примеров является определение тринадцати синтетических пиретроидных инсектицидов и их стереоизомеров в цельной крови. В данном исследовании был применен новый быстрый и чувствительный метод газовой хроматографии-масс-спектрометрии с электронной ионизацией в режиме селективного ионного мониторинга (SIM) с однократным введением образца. Все остатки пиретроидов были разделены с использованием GC MS, работающего в режиме электронной ионизации, и количественно определены в режиме селективного ионного мониторинга. Обнаружение специфических остатков в крови – сложная задача из-за их крайне низкой концентрации, поскольку после попадания в организм большая часть химических веществ может быть выведена. Однако, данный метод позволил обнаружить остатки различных пиретроидов в диапазоне концентраций от 0,05 до 2 нг/мл. Обнаружение этого инсектицида в крови имеет большое значение, так как даже очень небольшое количество в организме может быть вредным для здоровья человека, особенно для детей. Этот метод прост, быстр и может быть использован без влияния интерференции матрицы. Режим селективного ионного мониторинга обеспечивает чувствительность обнаружения до 0,05 нг/мл. Другая область применения – исследования обмена белков с использованием GC EI MS, позволяющая измерять очень низкие уровни d-фенилаланина, что может указывать на обогащение аминокислотой, включенной в тканевый белок, в ходе исследований синтеза белка у человека. Этот метод отличается высокой эффективностью, поскольку свободный и белок-связанный d-фенилаланин могут быть измерены с помощью одного и того же масс-спектрометра, при этом требуется лишь небольшое количество белка (около 1 мг).

Судебно-медицинские приложения

GC EI MS также используется в судебно-медицинской экспертизе. Одним из примеров является анализ пяти местных анестетиков в крови с использованием микроэкстракции твердой фазы из газовой фазы (HS SPME) и газовой хроматографии – масс-спектрометрии с ионизацией электронами и селективным мониторингом ионов (GC–MS–EI SIM). Местная анестезия широко применяется, но иногда эти препараты могут приводить к медицинским ошибкам. В таких случаях необходим точный, простой и быстрый метод анализа местных анестетиков. В одном случае для анализа использовался GC EI MS с временем анализа 65 минут и объемом образца около 0,2 г, что является относительно небольшим количеством. Другое применение в судебно-медицинской практике – определение веществ, используемых для совершения сексуальных преступлений (DRDs) в моче. Эти вещества применяются для выведения жертв из строя с целью последующего изнасилования или ограбления. Анализ этих веществ затруднен из-за их низкой концентрации в биологических жидкостях и часто из-за значительного времени, прошедшего между событием и клиническим обследованием. Однако использование GC EI MS позволяет разработать простой, чувствительный и надежный метод для идентификации, обнаружения и количественного определения 128 соединений DRDs в моче.

Жидкая хроматография EI-MS

Для анализа различных образцов можно использовать два современных подхода к сочетанию жидкостной хроматографии капиллярного масштаба и масс-спектрометрии с электронной ионизацией (LC EI MS). Это капиллярный интерфейс EI для LC/MS и прямой интерфейс EI. В капиллярном интерфейсе EI небулайзер оптимизирован для обеспечения линейности и чувствительности. Прямой интерфейс EI представляет собой миниатюрный интерфейс для нано- и микро-ВЭЖХ, в котором процесс соединения происходит в соответствующим образом модифицированном источнике ионов. Более высокая чувствительность, линейность и воспроизводимость достигаются благодаря полному переносу элюата из колонки в источник ионов. С использованием этих двух интерфейсов электронная ионизация может быть успешно применена для анализа малых и средних молекул с различной полярностью. Наиболее распространенные области применения этих интерфейсов в LC MS включают экологический анализ, например, градиентное разделение пестицидов карбарила, пропанила и хлорпрофама с использованием обращенной фазы, и фармацевтический анализ, такой как разделение четырех противовоспалительных препаратов – дифенилдрамина, амитриптилина, напроксена и ибупрофена. Другой способ классификации применений электронной ионизации основан на методе разделения, используемом в масс-спектрометрии. В соответствии с этой классификацией, большинство применений встречается в масс-спектрометрии с временем пролета (TOF) или ортогональной TOF масс-спектрометрии (OA TOF MS), масс-спектрометрии с преобразованием Фурье ионного циклотронного резонанса (FT ICR MS), а также квадропольной или ионно-ловушечной масс-спектрометрии.

Использование при массовой спектрометрии времени полета

Времяионизационный масс-спектрометр с полётным временем (EI TOF MS) хорошо подходит для аналитических исследований и фундаментальных исследований в области химической физики. EI TOF MS используется для определения потенциалов ионизации молекул и радикалов, а также энергий диссоциации связей для ионов и нейтральных молекул. Другим применением этого метода является изучение химии и физики отрицательных ионов. С помощью этой методики были открыты времена автоотрыва, метастабильная диссоциация, реакции переноса электронов Ридберга и отрыв поля, метод использования SF6 в качестве акцептора для детектирования временных отрицательных ионных состояний и многое другое. В этом методе область ионизации без электрического поля обеспечивает высокую точность энергии электронов и высокое разрешение по энергии электронов. Измерение электрических полей вдоль ионного канала позволяет определять автоотрыв и метастабильное разложение, а также отрыв поля слабосвязанных отрицательных ионов. Первое описание масс-спектрометра с полётным временем и ортогональным ускорением, использующего электронную ионизацию (EI oa TOFMS), появилось в 1989 году. Применение "ортогонального ускорения" совместно с источником ионов EI позволило повысить разрешающую способность и чувствительность. Одним из ключевых преимуществ oa TOFMS с источниками EI является возможность его использования с газохроматографическими (ГХ) системами ввода пробы, что обеспечивает быстрое хроматографическое разделение летучих органических соединений.

Фурье преобразование ион циклотрона резонансная масс-спектрометрия

FT ICR EI MS может быть использован для анализа трех фракций дистилляции вакуумного газового масла (VGO) в диапазонах температур 295–319 °C, 319–456 °C и 456–543 °C. В данном методе ЭИ при 10 эВ обеспечивает мягкую ионизацию ароматических соединений в диапазоне вакуумного газового масла. Изменения в составе на молекулярном уровне были установлены на основе определения элементарного состава. К особенностям метода относятся сверхвысокое разрешение, малый размер пробы, высокая воспроизводимость и точность определения массы (<0,4 ppm). Основным продуктом во всех трех образцах являлись ароматические углеводороды. Кроме того, было непосредственно обнаружено множество соединений, содержащих серу, азот и кислород, концентрация которых увеличивалась с повышением температуры кипения. Анализ данных позволил получить информацию о типах соединений (количество колец и двойных связей), распределении числа атомов углерода в углеводородах и гетероатомных соединениях в фракциях дистилляции, а также об увеличении средней молекулярной массы (или распределения числа атомов углерода) и ароматичности с ростом температуры кипения нефтяных фракций.

Массовая спектрометрия ионных ловушек

Ионные ловушки EI MS могут быть использованы для идентификации и количественного определения остатков нонилфенола полиэтоксилата (NPEO) и продуктов его деградации, таких как нонилфенола полиэтоксикарбоксилаты и карбоксиалкилфенола этоксикарбоксилаты, в образцах речной воды и сточных вод. Из этого исследования следует, что GC MS с ионной ловушкой является надежным и удобным аналитическим методом с использованием различных методов ионизации, включая EI, для определения целевых соединений в пробах окружающей среды.