Десорбционные методы ионизации в масс-спектрометрии — группа методов ионизации в масс-спектрометрии, для которых процессы десорбции твердого анализируемого вещества и его ионизации практически неотделимы во времени.
Наиболее полное развитие получили следующие методы: (1) бомбардировка быстрыми атомами (ББА) ― Fast Atom Bombardment (FAB); (2) масс-спектрометрия вторичных ионов с жидкой матрицей (ВИМС) ― Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry (LSIMS); (3) матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ) ― Matrix-Assisted Laser Desorption / Ionization (MALDI); (4) плазменная десорбция (ПД) ― Plasma Desorption (PD).
История развития десорбционных ионизационных методов
В течение последних двух-трёх десятилетий значительное внимание уделялось созданию принципиально новых методов получения в газовой фазе ионов соединений, ограниченная летучесть (или полное её отсутствие) которых не позволяет воспользоваться традиционными подходами. К таким классам относятся различные высокомолекулярные молекулы, биоорганические объекты, всевозможные термолабильные органические и металлоорганические соединения. Реальным прорывом в этой области послужило появление методов ионизации, при которых десорбция и ионизация вещества осуществляется путём бомбардировки (облучения) их ионами, фотонами или нейтральными частицами.
В конце 1970-х годов Макфарлейном () и сотр. был разработан метод ионизации биомолекул быстрыми продуктами деления 252Cf — метод плазменной десорбции (ПД). Тогда впервые была показана возможность масс-спектрометрии в определении точных молекулярных масс для нелетучих соединений, ранее недоступных для анализа методами электронной и химической ионизации. Чуть позднее Беннингховен () и сотр. стали использовать для бомбардировки ионы Ar+, что послужило началом развития метода ВИМС. В начале 1980-х годов в работах Барбера () и сотр. был представлен метод ББА инертного газа. В это же время Сурман () и Викерман () выдвинули идею использования жидкой матрицы, которая впоследствии явилась основой для методики анализа различных сложных органических соединений. Так, уже к началу 1980-х годов было показано, что с помощью метода ББА в жидкой матрице в сочетании с масс анализатором с секторным магнитным полем можно изучать молекулы с массами до 20 кДа.
В середине 1980-х годов были предложены различные идеи использования матрицы, когда десорбция/ионизация вещества индуцировалась импульсным лазерным излучением. В 1985 году методика на основе использования мелкодисперсного порошка кобальта для поглощения излучения лазера в глицериновом растворе была предложена Танаке (). Благодаря этой методике были впервые получены молекулярные ионы с массами более чем в 100 кДа. В 2002 году Коити Танака, наряду с Джоном Феном (метод ионизации при электрораспылении), была присуждена Нобелевская премия за вклад в развитие «методов мягкой десорбционной ионизации для масс-спектрального анализа биологических макромолекул».
Карас () и Гилленкамп () предложили применять в качестве матрицы молекулы органических веществ небольших размеров, обладающие высокими абсорбционными свойствами при длине волны лазерного излучения. Это легло в основу метода МАЛДИ. Метод МАЛДИ открыл более широкие возможности масс-спектрометрии в исследовании таких биомолекул, как пептиды, белки, олигонуклеотиды, полисахариды и др. Диапазон масс молекул, которые можно изучать этим методом, практически неограничен: известны случаи, когда в спектрах наблюдали ионы с массами более чем 1000 кДа.
К настоящему времени МАЛДИ масс-спектрометрия существенно потеснила все остальные десорбционные методы. Современные масс спектрометры МАЛДИ являются более коммерчески доступными и встречаются в очень большом числе лабораторий всего мира. Во многом благодаря своей универсальности и простоте в выполнении экспериментов МАЛДИ остается одним из самых популярных методов аналитической масс-спектрометрии для анализа крупных органических молекул.
Сущность «мягкой» десорбции
Основной принцип «мягкой» десорбции можно представить следующим образом. Если соединение АВ, находящееся в конденсированном состоянии, подвергается нагреву, то переход его в газовую фазу может происходить как с разложением на фрагменты А и B, так и с испарением в виде целой молекулы AB: AB → A+B (процесс разложения); AB→ AB (процесс испарения). Константы скорости таких процессов в простейшем приближении можно описать уравнением Аррениуса и записать в следующем виде:
где и — предэкспоненциальные множители; и — энергии активации для процессов разложения и испарения, соответственно, — газовая постоянная и — абсолютная температура.
На рисунке схематично приведены зависимости констант скорости процессов испарения и разложения от температуры. Условием для распада термически неустойчивых соединений при испарении будет превалирование константы скорости разложения над константой скорости испарения . Из-за того, что величина энергии активации испарения выше, чем энергия активации разложения , угол наклона прямой, отвечающей процессу испарения , больше, чем для процесса разложения относительно оси абсцисс . Таким образом, при низких температурах (в правой части графика) будет преобладать разложение вещества АВ, однако с увеличением температуры может быть достигнуто условие, при котором скорость процесса испарения будет существенно преобладать над разложением (левая часть графика). Иными словами, мгновенное достижение высокой температуры может привести к тому, что молекулы AB смогут испаряться без разложения.
Источники ионизации Десорбционные ионизационные методы можно разделить на две группы по методам энергетического воздействия на анализируемое вещество (см. таблицу): десорбция, индуцированная либо бомбардировкой высокоэнергетическими частицами (ББА, ВИМС, ПД), либо воздействием лазерным излучением (лазерная десорбция/ионизация (ЛД) и модификации на её основе — МАЛДИ и др.).
В случае ББА и ВИМС бомбардирующими частицами являются либо нейтральные атомы (например, Ar, Xe), либо ионы (например, Cs+, (CsI)mCs+). Кинетическая энергия таких частиц составляет несколько кэВ. Например, ион Cs+, разогнанный при ускоряющем напряжении от 5 до 35 кВ, приобретает скорость от 2,2 до 8,4 м/с. Предполагая, что время взаимодействия (столкновения) ионизирующей частицы с мишенью составляет 0,1 нс, мощность излучения будет составлять от 0,8•10-5 до 5,6•10-5 Дж/с. Эта величина зависит, соответственно, от скорости и массы бомбардирующей частицы. При увеличении мощности ток образующихся ионов возрастает, однако вместе с тем увеличивается вероятность фрагментации молекул. Пороговая величина, при которой возможны процессы десорбции и ионизации, приблизительно равна ~10−5 Дж/с. Вместе с тем, величина площади соударения чрезвычайно мала и плотность потока энергии будет составлять более чем 106 Дж/см²·с.
В методе ББА пучок быстрых атомов (например, Ar) формируется в устройстве, называемом «атомной пушкой», за счет перезарядки предварительно образованных в газоразрядном устройстве ионов (Ar+). При этом вся кинетическая энергия определяется ускоряющим напряжением, прикладываемым к промежуточным образованным ионам. Ионный пучок в ВИМС формируется в основном за счет термической эмиссии ионов. Например, пучок ионов Cs+ (цезиевая пушка) получают разложением алюмосиликата щелочных металлов при высоких температурах (около 1000 °C). Одно из преимуществ источника ВИМС перед ББА заключается в том, что данный пучок легко фокусируется, и это позволяет также проводить исследования структуры поверхности материала с помощью атомной ВИМС.
В плазменной десорбции ионизирующие частицы образуются за счет радиоактивного распада нуклида 252Cf. Основной его особенностью является то, что наряду с доминирующим α-распадом (98 %), происходит также спонтанное деление нуклида. Последнее явление и нашло своё применение в ПД масс спектрометрии. 252Сf распадается на два высокоэнергетических ионных осколка, эмитируемых в противоположные направления на 180° друг от друга. Распад сопровождается большим выделением энергии, которая в значительной степени переходит в кинетическую энергию осколочных частиц и составляет 90-130 МэВ. Набор образуемых фрагментов достаточно широк, для них характерен разброс по кинетической энергии и высокие заряды ионов. Наиболее распространенным среди них является ион технеция (Tc) с кинетической энергией 100 МэВ и зарядом +20. Пучок частиц распада проходит через тонкую металлическую фольгу, на поверхности которой расположен анализируемый образец, вызывая быстрый нагрев на несколько тысяч Кельвинов и десорбцию образца.
Наконец, последний из обсуждаемых десорбционных методов ― лазерная десорбция. Этот метод больше известен благодаря его модификации МАЛДИ. Источником ионизации служат различные типы импульсных лазеров (газовые, твердотельные, лазеры на красителях). Используемые длины волн для получения ионов лежат в диапазонах либо ближнего УФ, либо в ИК-области. Абсолютное большинство коммерческих масс спектрометров МАЛДИ работают только на азотном лазере, с длиной волны излучения 337 нм (3,68 эВ), то есть в области ближнего ультрафиолета, и длительностью импульса в несколько наносекунд.
Метод Бомбардирующая частица Энергия частицы Плотность потока частицДесорбция индуцированная массовыми частицами Статическая масс спектрометрия вторичных ионов (ВИМС) Ионы Ar+, Xe+, Cs+, O2+, O−, металлические ионы (Ga+, In+, Bi+ и др.) 100 эв-10 000 эВ, возможно до 100 кэВ < 10−8 А / см²·с Бомбардировка быстрыми атомами (ББА) Атомы инертных газов (Ar, Xe и др.) 3-10 кэВ 105 А / см²·с (эквивалент)Плазменная десорбция (ПД)Продукты радиоактивного распада 252Cf90 — 130 МэВ10³ частиц / см²·сДесорбция индуцированная излучениемУФ Лазерная десорбция/ионизация (ЛДИ)УФ лазерное излучение (фотоны)2,9 эВ (430 нм) 6,5 эВ (193 нм)3,105 — 109 Вт / см²·с
Механизмы образования ионов
Бомбардировка быстрыми атомами и масс-спектрометрия вторичных ионов Масс-спектрометрия ББА отличается от ВИМС в жидкой матрице лишь тем, что в качестве первичных частиц используются нейтральные ускоренные частицы. Считается, что механизм образования ионов в обоих случаях довольно похож. За редким исключением масс-спектры обоих методов мало друг от друга отличаются.
Наблюдаемые молекулярные или квазимолекулярные ионы могут присутствовать в масс-спектрах в следующем виде: 1) Протонированные / депротонированные молекулы ([М+Н]+, [М-Н]+ [M+H]−, [M-H]−); 2) Катионированные / анионированные молекулы ([M+cat]+ (например, [M+Na]+), [M+an]− (например, [M+Cl]−); 3) Радикал-ионы (M+•, M-•); 4) Кластерные ([cationnanionn+1]−, [M(M+H)]+; [cationnanionn+1]−, [M(M-H)]−).
Чаще всего наблюдаемые ионы в спектрах — это ионы с четным числом электронов: протонированные или депротонированные ионы ([M+H]+, [M-H]−) и катионированные ионы ([M+cat]+). Для полиароматических соединений (например, нафталин, антрацен, фуллерен), где возможна стабилизация радикалов путём делокализации электронной плотности по сопряженной системе двойных связей, характерны радикал-ионы с нечетным числом электронов.
Ионы анализируемого вещества генерируются из капли раствора объемом в несколько микролитров, нанесенного на поверхность площадью 20-25 мм². Как минимум, раствор содержит два компонента — растворитель (матрица) и растворенное в ней исследуемое вещество. Жидкость должна иметь малое давление паров (p < 10−3 Па).