Ионизация

Первое, что надо сделать для того, чтобы получить масс-спектр, превратить нейтральные молекулы и атомы, составляющие любое вещество, в заряженные частицы – ионы. Этот процесс называется ионизацией. Условно способы ионизации органических веществ можно классифицировать по фазам, в которых находятся вещества перед ионизацией.

Газовая фаза:

• электронная ионизация
• химическая ионизация

Жидкая фаза:

• термоспрей
• ионизация при атмосферном давлении
• электроспрей (ESI)
• химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)
• фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)

Твердая фаза:

• ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI)
• бомбардировка быстрыми атомами (FAB)

Исторически первые методы ионизации были разработаны для газовой фазы. К сожалению, очень многие органические вещества невозможно испарить без разложения, то есть перевести в газовую фазу. А это значит, что их нельзя ионизовать электронным ударом. Но среди таких веществ почти все, что составляет живую ткань (белки, ДНК и т.д.), физиологически активные вещества, полимеры, то есть все то, что сегодня представляет особый интерес. Масс-спектрометрия не стояла на месте и последние годы были разработаны специальные методы ионизации таких органических соединений. Сегодня используются, в основном, два из них – ионизация при атмосферном давлении и ее подвиды – электроспрей (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизация при атмосферном давлении (APPI), а также ионизация лазерной десорбцией при содействии матрицы (MALDI).

Наиболее распространенный в хромато-масс-спектрометрии метод ионизации веществ – электронная ионизация.

Электронная ионизация – процесс ионизации молекул посредством электронов, испускаемых нагретым катодом (филаментом). Энергии ионизации большинства органических молекул лежат в пределах 7-10 эВ. Чаще всего для получения масс-спектров используют электроны с энергией 70 эВ. При меньшей энергии ионизации образуется незначительное количество ионов, а при более высокой – происходит сильная фрагментация ионов и полученный масс-спектр становится менее информативен.

Зависимость информативности масс-спектра от энергии ионизации.

Столкновение молекулы и электрона приводит к  выбиванию электрона от молекулы с образованием молекулярного иона:

ABC + e– > ABC+ + 2e–

Так как энергия электронов значительно превышает энергию химической связи, происходит дальнейшая фрагментация образовавшихся ионов:

Процесс фрагментации ионов при электронной ионизации хорошо изучен, поэтому, зная массы фрагментов и их интенсивности можно предсказать первоначальную структуру вещества. Масс-спектры, полученные с помощью метода электронной ионизации хорошо воспроизводимы, поэтому на сегодняшний день существуют библиотеки, содержащие сотни тысяч спектров различных веществ, значительно облегчающие качественный анализ.
Некоторые вещества подвергаются очень интенсивной фрагментации, порождая только низкомолекулярные фрагменты, затрудняющие идентификацию. Для анализа таких веществ существует метод химической ионизации.

Электронная ионизация происходит в вакууме (менее 10^-3 Па), чтобы предотвратить массовое образование ионов атмосферных газов, которые могут рекомбинироваться с ионами анализируемого вещества и разрушать их.

Химическая ионизация – это альтернативный метод ионизации газообразных соединений. Химическая ионизация является "мягкой", то есть образовавшиеся ионы не разваливаются на мелкие фрагменты, а скорее остаются крупными кусками либо чуть меньше, чем исходная молекула, либо даже большее ее за счет присоединения других ионов. Этот метод дает меньше информации о том, как устроена структура молекулы, зато с его помощью легче определить ее молекулярную массу. Это касается, в основном, положительно заряженных ионов.

Технически химическая ионизация очень похожа на электронную ионизацию. Разница заключается в том, что химическая ионизация происходит не в вакууме, а разряженном газе (метан, изобутан, аммиак и др.). Так как доля молекул газа значительно превышает долю молекул анализируемого вещества, происходит преимущественная ионизация газа:

СH₄ + e– > СH₄⁺ + 2e–

Ионы распадаются или, по большей части, реагируют с неионизированными молекулами газа:

СH₄ + СH₄⁺ > СH₃ + СH₅⁺

В случае метана, ион СH₅⁺ передает протон анализируемым молекулам ABC, тем самым ионизуя их:

СH₅⁺ + ABC > СH₄ + ABCH⁺

Так как при химической ионизации образуется множество побочных продуктов ионизации газа, возможно образование аддуктов, например:

СH₃⁺ + ABC > (ABC СH₃)⁺

Таким образом, происходит мягкая ионизация анализируемых молекул, которая не вызывает значительной фрагментации, в отличие от электронной ионизации.
Выбор газа для химической ионизации определяется его сродством к протону в газовой фазе. Оно возрастает в ряду:

СH₄ < С₄H₁₀ < NH₃

Таким образом, если с помощью метана можно ионизовать практически любые летучие вещества, то с помощью аммиака – только сильные основания, например, амины. Таким образом достигается необходимая селективность.