Техника ионизации

Масс-спектрометрия (MS) — это мощная аналитическая техника, используемая для определения отношения массы к заряду ионов. Это важный инструмент для анализа состава веществ и играет ключевую роль в различных областях, включая химию, биологию и экологическую науку. Одним из ключевых аспектов масс-спектрометрии является процесс ионизации, который включает преобразование молекул в ионы, чтобы они могли быть обработаны и обнаружены масс-спектрометром. В этом уроке мы исследуем различные техники ионизации, используемые в масс-спектрометрии, предоставляя всестороннее понимание их принципов, применения и важности.

Введение в технику ионизации

В масс-спектрометрии ионизация — это этап, на котором нейтральные молекулы преобразуются в заряженные частицы, обычно ионы. Это важно, потому что масс-спектрометры могут обнаруживать только заряженные частицы. Методы ионизации варьируются в зависимости от природы образца, желаемой чувствительности и типа информации, которую предполагается получить от анализа.

Почему ионизация важна?

Ионизация важна по нескольким причинам:

• Обнаружение: В масс-спектрометрии могут быть обнаружены только ионы.
• Фрагментация: Ионизация может привести к расщеплению молекул на фрагменты, предоставляя информацию о структуре соединения.
• Чувствительность: Эффективная ионизация улучшает пределы обнаружения, делая возможным измерение образцов с низкой концентрацией.

Распространенные техники ионизации

Наиболее распространенные техники ионизации в масс-спектрометрии приведены ниже:

1. Электронная ионизация (EI)

Электронная ионизация — одна из старейших и наиболее широко используемых методов ионизации. В этой технике для ионизации газообразных молекул используется поток электронов, часто приводящий к значительной фрагментации. Это помогает в идентификации структурных особенностей соединений.

M + e⁻ → M⁺• + 2e⁻

Здесь M представляет собой ионизируемую молекулу, e⁻ - это электрон, а M⁺• - результирующий ион.

2. Химическая ионизация (CI)

Химическая ионизация — более мягкая альтернатива электронной ионизации. Она включает ионизацию газа-реагента, который затем реагирует с молекулами образца для образования ионов. Этот метод обычно приводит к меньшей фрагментации.

Reagent gas + e⁻ → Reagent gas⁺ → Reagent gas⁻ Reagent gas⁺ + M → MH⁺ + products

MH⁺ обычно представляет собой протонированную форму молекулы.

3. Матрица-активированная лазерная десорбция/ионизация (MALDI)

MALDI - это метод, который используется преимущественно для анализа биомолекул и крупных органических молекул, склонных к фрагментации. Сначала матричный материал смешивается с анализируемым веществом, который затем поглощает энергию от лазера для облегчения ионизации.

Matrix + hv → Matrix⁺ + e⁻ Matrix⁺ + M → M⁺ + Matrix

В этом случае hv относится к фотонам, излучаемым лазером, а Matrix относится к матрическому материалу, используемому в процессе.

4. Электроспрейная ионизация (ESI)

Электроспрейная ионизация обычно используется для крупных полярных молекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты. В ESI жидкий образец распыляется через тонкое сопло под высоким напряжением, создавая заряженные капли, которые в конечном итоге генерируют ионы.

Liquid sample → Charged droplets → Gas-phase ions

5. Бомбардировка быстрыми атомами (FAB) и жидкостная вторичная ионизационная масс-спектрометрия (LSIMS)

Обе эти техники распространены для ионизации полярных и невысоколетучих соединений. FAB использует высокоэнергетические атомы для бомбардировки образца, в то время как LSIMS использует пучок ионов. Такие методы применяются, когда другие методы ионизации менее эффективны.

Sample + Atom/Ion beam → Molecular ions

6. Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)

APCI связана с ESI и обычно используется для малых, термически стабильных молекул. Этот метод включает ионизацию растворителя при атмосферном давлении, который затем ионизирует образец.

Solvent + Corona Discharge → Solvent ions Solvent ions + M → MH⁺ + products

Выбор правильной технологии ионизации

Выбор подходящей техники ионизации зависит от нескольких факторов, включая природу образца, молекулярную массу, полярность и желаемый уровень фрагментации. Вот руководство, которое поможет вам выбрать лучшую технику:

• MALDI и ESI: Лучшие для биомолекул и органических полимеров из-за их большого размера и склонности к фрагментации.
• EI: Идеально подходит для малых, нестабильных соединений и молекул, где фрагментация помогает в определении структуры.
• CI: Используется, когда требуется мягкая ионизация для сохранения молекулярного иона.
• APCI: Подходит для малых и средних неполярных соединений.
• FAB и LSIMS: Эффективны для полярных и невысоколетучих соединений.

Будущие тенденции в технологиях ионизации

Область масс-спектрометрии и техники ионизации постоянно развивается. Будущие тенденции, вероятно, будут сосредоточены на увеличении чувствительности, разрешающей способности и скорости анализа, при одновременном сокращении требований к подготовке образцов. Гибридные методы и методы ионизации в окружающей среде — это области, которые привлекают интерес.

Техника ионизации в окружающей среде

Эти методы позволяют генерировать ионы непосредственно из образцов в их естественной среде с минимальной или вовсе без подготовки образца. Такие методы могут значительно упростить процесс анализа.

Некоторые примеры включают десорбционную электроспрейную ионизацию (DESI) и прямой анализ в реальном времени (DART). Их все чаще используют в диагностических приложениях для быстрого и точного анализа.

Заключение

Ионизация — важный компонент масс-спектрометрии, предоставляющий методы для преобразования образцов в ионы для обнаружения и анализа. Каждая техника имеет свои сильные стороны и области применения, и выбор подходящего метода ионизации имеет решающее значение для получения надежных и значимых результатов. По мере развития технологий будущие достижения в методах ионизации, несомненно, расширят возможности и области применения масс-спектрометрии еще больше.

Комментарии