изотоп спектрометрия полураспад ион

В конце XX столетия из всех ежегодно производимых в мире приборов для научных исследований на долю масс-спектрометров приходилось около 5.%. Едва ли можно назвать другие методы, которые имели бы столь широкое применение, какое имеет масс-спектрометрический метод, кроме разве что непревзойденного по его способности и глубине проникновения в недра строения вещества спектроскопического метода. Нашедшая первоначально свое применение в физике изотопов, масс-спектрометрия в настоящее время - один из наиболее широко используемых методов в химии, геологии, биологии и других областях науки.

В 1912 году английский физик Дж. Дж. Томсон, используя свой прибор - первый прототип будущих масс-спектрометров, впервые разделил различные массовые компоненты химических элементов. Оказалось, что неон имеет две разновидности атомов, имеющие относительные массы 20 и 22. В настоящее время известно, что существует также и третий изотоп - 10Ne21. Таким образом, впервые были измерены массы различных изотопов, то есть атомов одних и тех же элементов, но с различными массами. Несколькими годами позже Ф.У. Астоном было открыто 212 стабильных изотопов различных элементов, а масс-спектрометрия и по сей день остается основным методом определения масс ядер.

В 80-е годы был найден метод перевода в газовую фазу нелетучих органических соединений в виде ионов, и масс-спектрометрия превратилась в универсальный метод определения молекулярных масс больших молекул, несмотря на то, что большинство из них претерпевают деструкцию при термическом нагреве. К 1991 году был осуществлен принципиально новый подход к ионизации нелетучих соединений с сохранением их молекулярной целостности, то есть без термической деструкции больших молекул. Почти все крупнейшие фирмы научного приборостроения заинтересованы в выпуске используемых для этого метода приборов. Возросло число параметров, требующихся при создании этих приборов: точное измерение масс, ультравысокое разрешение, наличие всех методов ионизации - электроискровой, матричной лазерной десорбционной (MALDI), электрораспыление (ESI), электронного удара (EI) и химической (CI). По капиталовложениям в научное приборостроение масс-спектрометрия занимает второе место после оптических спектральных приборов, куда входят и лазеры.

1. Общая схема метода масс-спектрометрии

Масс-спектрометрия - метод исследования и анализа вещества, основанный на ионизации атомов и молекул, входящих в состав пробы, и регистрации спектра масс образовавшихся ионов.

Идея метода проста и может быть изложена в виде следующей схемы.

1. Превратить нейтральные частицы - атомы или молекулы в частицы заряженные - ионы.

2. Разделить образовавшиеся ионы в пространстве в соответствии с их массой посредством электрического или магнитного поля.

3. Измеряя электрический ток, образуемый направленно движущимися ионами, можно судить об изотопном, атомарном и молекулярном составе анализируемого вещества, как на качественном, так и на количественном уровне.

2. Методы ионизации вещества

Существует много способов сообщить заряд нейтральной частице. В зависимости от задач исследования, а также от устойчивости частицы выбор падает на тот или иной способ ионизации. Наиболее широко применяется до настоящего времени метод электронного удара. Ионизация происходит при столкновении пучка электронов с энергией 40 - 80 эВ с молекулами исследуемого вещества. Время взаимодействия электрона с молекулой порядка 10^-18 с, и в результате образуется молекулярный положительный ион, а избыточная кинетическая энергия уносится двумя электронами. Если время жизни образующегося молекулярного иона меньше 10^{- 6} с, то он не достигает регистрирующего устройства и отсутствует в масс-спектре. В этом случае фиксируются лишь продукты распада молекулярного иона, время жизни которых превышает 10^{- 6} с. Этот процесс называется фрагментацией, а продукты распада - фрагментарными или осколочными ионами.

Рассмотрим нейтральную молекулу типа АБ. При электронном ударе возможно протекание различных процессов:

АБ + з ? АБ⁺ + 2з (1) z = +1, m = m_АБ

АБ + з > А⁺ + Б ^- (2) z = ±1, m₁ = m_А, m₂ = m_Б

АБ + з > А⁺ + Б* + 2з (3) z = +1, m = m_А

АБ + з > АБ ^- (4) z = -1, m = m_АБ

АБ + з > АБ^{+ +} + 3з (5) z = +2, m = m_АБ

Ионы имеют массу m и заряд z, и, строго говоря, разделение осуществляется не по массе, а по отношению массы иона к его заряду m / z.

Метод фотонного удара по существу аналогичен методу электронного удара, но эффективность ионизации на два-три порядка ниже. Вся избыточная кинетическая энергия уносится одним выбитым электроном, и поэтому пороговые законы, то есть зависимость интенсивности ионного тока от энергии бомбардирующих частиц, отличаются для фотонного и электронного удара. Фотонный удар оказывается существенно более точным при определении таких величин, как потенциалы ионизации. Для ионизации термически нестойких соединений использование обоих методов бесперспективно. Для ионизации труднолетучих соединений в аналитической химии применяются искровая и лазерная ионизация вещества. Ионизации подвергается твердое вещество. В искровом источнике испарение и ионизация исследуемого вещества происходят за счет искрового разряда, зажигающегося между электродами при разности потенциалов между ними от 3 до 5 кВ. На одном из электродов находится сам образец. Лазерная ионизация производится путем импульсного лазерного нагрева твердого вещества, и образующийся плазменный пучок направляется в масс-анализатор. В этих условиях происходит полное разрушение химических соединений, и в масс-спектре фиксируются лишь атомные ионы и определяется элементный состав образца. Похожие результаты можно получить производя испарение и ионизацию твердого вещества ионами или нейтральными атомами с энергией в несколько киловольт. Все эти методы хороши и широко применяются для элементного анализа.

Метод поверхностной ионизации позволяет получать ионы при термической ионизации веществ на поверхности металлов. Обычно используются металлы с высоким значением работы выхода электрона, и поверхность отбирает электрон у соединения, адсорбированного на этой поверхности.

Наиболее распространенный метод электронного удара сопровождается фрагментацией, что в большой степени связано с энергией возбуждения молекулярного иона, получаемой при электронном ударе. Поэтому появился интерес к мягкой ионизации, то есть к ионизации без фрагментации.

К методам мягкой ионизации относится химическая ионизация. При химической ионизации образование ионов происходит за счет ион-молекулярных газовых реакций. Метод хорош в тех случаях, когда исследуемое вещество А - газ. В ионизационную камеру вместе с А напускают газ-реагент R, причем давление R около 150 Па, давление А 1,5 * 10^{- 3} Па. Первоначально производится ионизация газа-реагента электронным ударом, затем протекают ион-молекулярные реакции вида

R⁺ + A = A⁺ + R

Большая часть образующихся ионов молекулярные и квазимолекулярные. Для пояснения термина «квазимолекулярные» рассмотрим пример с ди-n-пентиламином. В масс-спектре электронного удара основной ион имеет m / z, равное 100, и образуется путем отрыва группы С₄Н₉, М = 57. При химической ионизации наблюдается «квазимолекулярный» ион массой 158, который образуется за счет присоединения протона к молекуле ди-n-пентиламина, М = 157. Основным этапом ионизации является получение соединения в газовой фазе.

Другим методом мягкой ионизации является полевая десорбция. Полевая десорбция - это образование ионов в сильном электростатическом поле (10⁸ В/см) за счет квантово-механического туннельного эффекта. Полевая десорбция может происходить при низких температурах эмиттера вплоть до 4 К и не сопровождаться диссоциацией. В результате образуются в основном молекулярные и квазимолекулярные ионы. Так, например, в масс-спектре электронного удара ацетилсалициловой кислоты преобладают продукты диссоциативной ионизации с m / z, равным 140 и 120, а в масс-спектре полевой десорбции есть только два пика: молекулярный с М = 180 и квазимолекулярный с М = 181, образованный путем присоединения протона к молекуле ацетилсалициловой кислоты. Однако, несмотря на определенные успехи, этот метод не получил достаточно широкого применения в связи с его избирательностью. Далеко не все молекулы отдают поверхности электрон при низких температурах.

К началу 80-х годов в масс-спектрометрии органических молекул возникла двоякая ситуация. Для тех молекул, которые удавалось поднять в газовую фазу, масс-спектрометрия оказалась незаменимым методом исследования. В большинстве случаев удавалось определить молекулярную массу, а процесс фрагментации был напрямую связан с наличием тех или иных функциональных групп и строением углеродного каркаса. Масс-спектр давал «отпечатки пальцев» каждого органического соединения и позволял распознать его в природных соединениях. Однако все это было справедливо только тогда, когда вещество можно было перевести в газовую фазу, минуя процесс термической деструкции самого соединения. Большинство тяжелых органических молекул оказались недоступными для исследования. К началу 80-х годов стало очевидно, что наиболее серьезное ограничение масс-спектрального метода связано с получением масс-спектров нелетучих соединений. Масс-спектрометрическим методом можно определять молекулярную массу и структуру только тех сложных органических веществ, которые легко переходят в парообразное состояние, что резко сужает перечень возможных объектов исследования. Поиск путей получения в газовой фазе молекулярных или псевдомолекулярных ионов нелетучих соединений, минуя стадию парообразования, представляется наиболее интересным этапом развития масс-спектрометрии.

Главная идея найденного решения заключалась в использовании матрицы. Оказалось, что если большая нелетучая молекула изолирована от «соотечественников» и окружена инородными телами (изолирована в «матрице»), то ее можно выбить из этого окружения без разрушения. При этом выбивание должно быть осуществлено путем импульсной подачи большой энергии так, чтобы молекула была выбита из матрицы частично в виде ионов, как положительных, так и отрицательных, и частично с захватом некоторых элементов матрицы, то есть с образованием квазимолекулярных ионов. Начало было положено методом, получившим название FAB (от англ. Fast Atom Bombardment - бомбардировка быстрыми атомами). Ионизация быстрыми атомами давно хорошо известна. Обычная схема эксперимента заключалась в том, что проводилась ионизация атомов гелия электронным ударом. Положительные ионы гелия разгоняли в электростатическом поле до энергий 5 - 10 кВ, затем ионы поступали в камеру перезарядки, наполненную гелием, и в результате перезарядки получали атомы гелия с энергией 5 - 10 кВ, которые и направляли на исследуемый твердофазный образец. В результате фиксировали лишь осколки того вещества, которое находилось на поверхности. Однако при помещении исследуемого вещества в глицериновую матрицу удалось получить спектр нелетучих органических молекул. Это был принципиальный прорыв в технике ионизации термически нестойких соединений без их деструкции. Дальнейшее развитие привело к вытеснению этого метода технически более удобным методом, получившим название MALDI (от английского Matrix Laser Desorption Ionization - матриксная лазерно-десорбционная ионизация) - лазерная десорбция в матрице. Идеальным является сочетание MALDI с времяпролетным масс-спектрометром благодаря импульсному режиму работы последнего. При этом достижимы массы до 5000 при разрешении в 5000. Использование приборов ион-циклотронного резонанса и их последней модификации, получившей название масс-спектрометрия с Фурье-преобразованием (Furier Transform Mass Spectrometry, FTMS), позволило проводить измерения в диапазоне до 30 000 а.е.м. При этом сохраняется высокое разрешения на уровне 20 000.

Серьезную конкуренцию MALDI составляет метод ионизации, получивший название «электрораспыление» (от английского Electrospray Ionization, ESI - электрораспылительная ионизация). Этот метод ионизации часто называют электродинамическим. Ионизация происходит при взаимодействии сильного электростатического поля с поверхностью жидкости на конце капиллярной трубки. В исследуемой жидкости должны быть ионы. Поэтому обычно добавляют небольшие количества ионных солей или другие соединения, которые могут привести к образованию ионов. Так, например, добавка амальгамы натрия к раствору смеси фуллеренов в органическом растворителе позволила зарегистрировать отрицательные ионы фуллеренов С₆₀, С₇₀ и С_{70 + 2n}, где n принимает значения от 1 до 12. Техника ионизации MALDI и ESI в сочетании с наиболее мощными современными масс-анализаторами позволяет успешно определять молекулярные веса таких молекул, как т-РНК (транспортная рибонуклеиновая кислота) - диапазон масс 25 000 а.е.м., ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) для последовательности в 100 нуклеотидов масса в диапазоне 31 000 а.е.м., белок альбумин - масса в районе 66 000 а.е.м. При некотором снижении разрешающей способности достижимый диапазон масс составляет несколько сот тысяч атомных единиц. Здесь уместно привести цитату из пленарной лекции на конференции в Будапеште: «ESI и MALDI позволяют получить спектры нескольких фемтомолей образца с молекулярной массой в несколько сот тысяч атомных единиц. Этот успех открывает перспективу для применения масс-спектрометрии в медицине, биологии и исследованиях окружающей среды».

3. Способы разделения ионов

Как способов ионизации, так и способов пространственного разделения ионов существует достаточно много.

На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая принцип работы так называемого магнитного масс-спектрометра, в котором ионы разделяются под действием магнитного поля, с ионизацией посредством электронного удара.

Масс-спектрометр требует создания в нем очень чистого вакуума. Давление остаточного газа в приборе обычно составляет около 10^-7 - 10^-10 мм рт. ст. Нейтральные молекулы исследуемого газа поступают в область камеры ионизации, где подвергаются столкновению с ионизирующими электронами. При этом часть молекул (около 0,1%) превращается в ионы по схемам, приведенным выше. Электрическое поле, образованное ускоряющей разностью потенциалов U_уск, сообщает ионам кинетическую энергию. Используя закон сохранения энергии, получим

На ион, влетающий со скоростью х в масс-анализатор, действует сила Лоренца:

F_л = qхB

В данном случае вектор магнитной индукции направлен на нас (значок ), а угол a между B и х равен 90⁰.

В то же время F_л является по своему характеру центростремительной силой: и, следовательно,

В результате ион с массой m и зарядом z будет двигаться в магнитном поле по дуге окружности радиуса R, определяемого из соотношения

или

Таким образом, изменяя либо U_уск, либо B, можно заставлять двигаться по окружности радиуса R_д, на линии которой находится щель входа в детектор, ионы той или другой массы или величины заряда. Записывая зависимость ионного тока от m / z, получают набор пиков, называемый масс-спектром.

Некоторые другие способы разделения ионов по массе.

Комбинированное высокочастотное (несколько мегагерц) переменное и постоянное электрическое напряжение вида U = V + U₀ cos щt, подаваемое на систему четырех электродов (рис. 2), вынуждает ионы совершать колебательное движение в такт с частотой щ этого поля. При определенных величинах U₀, V и щ во выходную щель масс-анализатора будут проходить только ионы с определенной массой m, отвечающей условию:

m = aU₀ / щ²,

где а - некоторая постоянная прибора. Все ионы с отличными массами будут двигаться с нарастающими амплитудами колебаний, что приводит к их нейтрализации на стенках электродов. Путем изменения амплитуды высокочастотного напряжения U₀ или его частоты щ масс-анализатор настраивают на регистрацию ионов той или иной требуемой массы. Так работают квадрупольные масс-анализаторы. Они гораздо компактнее магнитных и обладают довольно высокой чувствительностью.

Еще один способ разделить ионы по массам - создать кратковременный импульс постоянного электрического поля (рис. 3).

Приобретая скорость ионы долетают до коллектора за время где L - длина анализатора. Таким об разом, из-за различия в массах ионы приобретают различные скорости, обратно пропорциональные . Образуется ионный «пакет», в голове которого летят легкие ионы, тогда как тяжелые его замыкают, и, следовательно, ионы достигают коллектора в разные моменты времени. В этом состоит принцип разделения ионов по массам во времяпролетном масс-спектрометре, главными преимуществами которого являются практически неограниченный диапазон масс и очень быстрое время регистрации масс-спектра порядка 10^{- 3} с.

В масс-спектрометрах ион-циклотронного резонанса ион движется под действием сразу двух полей: сильного постоянного магнитного и переменного электрического (рис. 4). Под действием магнитного поля ион движется по окружности с циклической частотой

определяемой массой иона и магнитной индукцией. Электрическое поле изменяется с циклической частотой wЕ по закону

E = E₀ сos щ_Et

При равенстве частот щ_Е и щ_В (напомним, что последняя зависит от массы иона) наступает резонанс, проявляющийся в заметном поглощении энергии электрического поля. Такой масс-спектрометр черезвычайно компактен (ячейка некоторых разновидностей не превышает размера кусочка сахара), имеет очень высокие чувствительность, разрешающую способность и диапазон масс. Интересно отметить, что ионы в ячейке могут удерживаться на своих круговых орбитах по нескольку десятков часов. Отрицательные ионы, которые также могут образовываться в процессе ионизации, вращаются в ячейке в противоположном направлении и также будут регистрироваться в масс-спектре при частоте электрического поля, соответствующей их массе.

4. Виды регистрирующих устройств

Третья обязательная деталь масс-спектрометра - регистрирующее устройство, с помощью которого можно определить количество ионов с данным m / z. Это могут быть фотопластина (масс-спектрограф), электрометр или электронный умножитель (масс-спектрометр). В современном приборе регистрирующее устройство непосредственно связано с компьютером, который производит обработку результатов и управляет экспериментом.

Частицы с различными m / z по-разному отклонятся в магнитном поле и окажутся в разных точках детектора. Если детектор - фотопластина, мы получим на фотографии масс-спектр пучка ионов. В большинстве масс-спектрометров используют другой прием: радиус r оставляют постоянным, а сканирование по массам производят изменяя B. Фокусирующее действие секторного магнитного поля проиллюстрировано на рис. 5. Как видно из рис. 5, фокусировка осуществляется по углу, то есть ионы, имеющие одинаковое значение m / z, но входящие под разными углами в магнитное поле, после прохождения этого поля снова собираются в одну точку. На практике происходит некоторое уширение изображения, и последнее получило название «сферическая аберрация». Хроматическая аберрация связана с разбросом ионов по энергии. Приборы, в которых осуществляется фокусировка ионов как по углу, так и по энергии (скорости), называются приборами с двойной фокусировкой. Эти приборы по техническим характеристикам существенно превосходят приборы с одной фокусировкой. Основными характеристиками масс-спектрометров являются диапазон измеряемых масс и разрешающая способность (разрешение). Разрешающая способность 1000 означает, что сигналы, отвечающие m / z, равные 1000 и 1001, будут фиксироваться отдельно на регистрирующем устройстве, и их перекрывание не будет превышать 10% от полусуммы их интенсивностей (уровень фона). В некоторых случаях разрешение указывается для 50% уровня фона. В наиболее распространенных и относительно дешевых статических приборах диапазон измеряемых масс лежит в интервале 500-1500 атомных единиц массы, а разрешение - в интервале 200-800.

Более дорогие статические масс-спектрометры с двойной фокусировкой имеют разрешающую способность до нескольких тысяч и диапазон измеряемых масс, превышающий 10 000 а.е.м. В последние десятилетия широкое применение нашли времяпролетные масс-спектрометры и приборы ион-циклотронного резонанса. Во времяпролетном масс-спектрометре (ВПМ, английское сокращение - TOFMS от Time of Flight Mass-Spectrometers) пучок ионов, пройдя ускоряющую разность потенциалов (несколько киловольт), летит в бесполевом пространстве к детектору. Под действием одинакового ускоряющего напряжения ионы с разным m / z приобретают разную скорость и регистрируются в разное время. Таким образом, происходит разделение по отношению массы к заряду.

Времяпролетные масс-спектрометры работают в импульсном режиме, длительность импульса около 10^{- 4} секунды. Они незаменимы при исследовании процессов, быстро протекающих во времени. В лучших образцах диапазон измеряемых масс и разрешающая способность достигают нескольких тысяч. Именно на времяпролетном масс-спектрометре удалось впервые зарегистрировать фуллерены, полученные при лазерном испарении графита.

Приборы ион-циклотронного резонанса имеют рекордно высокую разрешающую способность, достигающую нескольких миллионов. В этих приборах ионы дрейфуют из ионного источника в резонансную полость под действием постоянного магнитного В и электрического E полей, направленных перпендикулярно друг к другу. Траектория движения - циклоида, являющаяся результатом равномерного прямолинейного движения и движения по окружности с циклотронной частотой (угловой скоростью) щ = qB / m. В резонансной полости ионный пучок попадает под действие поляризованного радиочастотного поля частоты n. При равенстве щ / 2 = н наступает резонанс, происходит поглощение энергии поля ионами. При постоянной н, меняя B, можно достичь резонанса последовательно по различным m / z. Из изложенного легко видеть, что современные масс-спектрометры позволяют определять массы тяжелых молекул вплоть до сотен а.е.м. с точностью до одной массовой единицы. Но здесь следует заметить, что масс-спектрометр работает только с заряженными частицами и определяет именно их массы.

Переворот происходит и в системе ввода образцов в масс-спектрометр. Эксперименты с использованием мембранных напускных систем вызывают наибольший интерес. В научный обиход вошло сокращение MIMS (от англ. Membrane Inlet Mass Spectromertic Method - масс-спектрометрические методы мембранного ввода). Этот метод применяется для прямого анализа органических соединений в водных растворах. Сигнал на масс-спектрометре пропорционален величине потока анализируемого соединения через мембрану. Для анализа газов, растворенных в воде, используются мембраны, изготовленные из тефлона, а в случае летучих органических соединений - из силиконовой резины.

5. Физические и химические задачи, решаемы масс-спектрометрией

Определение изотопного состава элементов и массовых чисел новых элементов. Многие химические элементы имеют несколько стабильных изотопов. У углерода, например, два стабильных изотопа - ₆С¹² и ₆С¹³, распространенности которых 99 и 1% соответственно. Натрий моноизотопен. Это означает, что он представлен только одним стабильным, не подвергающимся естественному радиоактивному распаду изотопом ₁₁Na²³. В этой связи интересны ситуации с двумя галогенами: хлором и бромом. Природный хлор обладает двумя изотопами с массовыми числами 35 (76%) и 37 (24%), вследствие чего его средняя атомная масса, приводимая в справочниках, нецелочисленна и равна 35,5 а.е.м. Элемент бром представлен двумя изотопами - ₃₅Br⁷⁹ и ₃₅Br⁸¹ с практически одинаковой распространенностью - 51 и 49%. В результате в расчетах мы как бы используем массу несуществующего стабильного изотопа бром-80.

Масс-спектрометрический метод позволяет также идентифицировать и определять изотопный состав ядер, образующихся в результате ядерных реакций и бомбардировки ядер быстрыми частицами в ускорителях.

Разделение изотопов. То обстоятельство, что в масс-анализаторе ионы разделяются в пространстве в зависимости от их массы m (при равном заряде z) используется для разделения изотопов одного и того же элемента по массе. Это позволяет производить обогащение вещества требуемым изотопом. Масс-сепараторы для обогащения изотопов в промышленном масштабе существовали уже в первой половине 50-х годов XX столетия.