Материал: Vinarsky-Jurchenko

1.6.9. Гибридные (комбинированные) и тандемные анализаторы масс

При использовании «мягких» методов ионизации из исходных молекул образуются первичные ионы, обладающие, как правило, незначительной внутренней энергией и по этой причине не претерпевающие дальнейшей фрагментации. Для того чтобы получить информацию о структуре молекул, используют проведение процедуры принудительной диссоциации этих первичных ионов, что и является отличительным признаком тандемной масс-спектрометрии.

Метод тандемной масс-спектрометрии основан на использовании масс-спектрометров как минимум с двумя масс-анализаторами, между которыми располагается так называемая ячейка столкновения.

Последовательность протекающих при этом процессов приведена на рис. 48.

Рис. 48. Схема реализации метода тандемной спектрометрии

Образовавшиеся в ионном источнике ионы исследуемых соединений разделяются по своим массам в первом анализаторе. Далее выбранный пучок ионов с одинаковой массой, получивших название ионов-предшествен- ников, попадает в ячейку столкновений, заполненную благородным газом.

Ячейка столкновений выполняет роль второго источника ионов, в котором при столкновении с атомами газа ионы-предшественники исследуемого соединения, соответствующим образом выделенные из ионного пучка, получают приращение внутренней энергии и вследствие протекания

86

процессов диссоциации, индуцированной столкновениями, распадаются на фрагменты, т. е. происходят процессы фрагментации ионов-предшест- венников, в результате которых образуются новые ионы – ионы-продук- ты. Образовавшиеся ионы-продукты направляются во второй анализатор, в котором происходит их разделение и последующее детектирование.

Основная суть процессов фрагментации ионов-предшественников, происходящих в ячейке столкновений, состоит в следующем.

По времени жизни все ионы, образующиеся в ионном источнике и вылетающие из него, делятся на три группы:

zz со временем жизни менее 10‾ 7 с. Эта группа ионов полностью распадается, находясь еще в объеме источника ионов и только их осколки покидают источник;

zz со временем жизни более 10‾ 6 с. Ионы этой группы способны достичь детектора до их разложения;

zz со временем жизни в диапазоне 10‾ 6–10‾ 7 с. Это группа так называемых метастабильных ионов, которые оказываются достаточно стабильными, чтобы миновать область действия первого анализатора, но обладают еще достаточной энергией, чтобы разложиться на пути следования ко второму анализатору.

Именно эта, последняя категория ионов, и является объектом взаимодействий в ячейке столкновений.

В ячейку столкновений напускают газ (гелий, аргон) с атомами которого и сталкиваются метастабильные ионы. За время столкновений, которое составляет 10‾14–10‾16 с, происходит возбуждение иона и его последующий распад.

Столкновения, реализуемые в ячейке, подразделяются на две группы – высокоэнергетические (несколько килоэлектронвольт) и низко­ энергетические (сотни электронвольт).

Высокоэнергетические столкновения осуществляются в ячейках, расположенных между магнитным и электростатическим анализаторами или между обратной последовательностью этих анализаторов.

Низкоэнергетические столкновения реализуются в ячейках массспектрометров с тройными квадруполями, где средний квадруполь выполняет роль ячейки столкновений.

Поскольку величина энергии, передающейся ионам при низкоэнергетических столкновениях ниже, чем при высокоэнергетических столкновениях, для заполнения ячейки используются более легкие газы – аргон, ксенон, криптон.

Для проведения активированной диссоциации ионов-предшествен- ников в ячейке столкновений используются возможности электронного или фотонного пучка лучей, а также столкновение с поверхностью.

87

Еще одним вариантом диссоциации является взаимодействие положительных ионов-предшественников с тепловыми электронами, энергия которых меньше 0,2 эВ. В этом случае протекают процессы захвата электронов и образующиеся ионы претерпевают характеристический распад.

Сечение данной реакции сильно возрастает с увеличением заряда

иона:

[M + nH]n+ + e- → [M + nH](n-1)+.

Возникающий радикальный центр инициирует специфическую фрагментацию молекул.

Данный метод особенно широко применяется для определения последовательности звеньев в биополимерах методом ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье, источником ионов для которого служит электроспрей.

Известен также и так называемый метод распада после источника, который заключается в том, что метастабильные ионы, вылетевшие из источника ионов, могут распадаться во втором анализаторе масс, но образовавшиеся продукты распада будут регистрироваться при этих же значениях отношений массы к заряду, что и их предшественники.

Если дополнительно применять специальное устройство, рефлектрон, то анализатор становится способным разделить ионы-предшественники и продукты их распада по их кинетическим энергиям. Такой подход позволяет получить масс-спектры, содержащие большое число пиков фрагментных ионов, полезных при структурных отношениях.

Следует отметить еще один метод, метод инфракрасной мультифотонной диссоциации, который основан на диссоциации ионов, активированной поглощенными фотонами:

m1+ + хhν → m2+ + n.

Энергию фотонов можно изменять. Метод удобен для использования с масс-спектрометрией ионного циклотронного резонанса, когда ионы можно удерживать в ячейке при возбуждении фотонами длительное время.

1.7. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИОНОВ

Последним звеном получения масс-спектра является процесс детектирования ионов.

Основные требования, предъявляемые к детектору, сводятся к следующему:

zz минимальное снижение разрешающей способности, которую позволяют получить выбранные анализатор и источник ионов;

zz максимальная чувствительность;

88

zz обеспечение заданной точности анализа; zz обеспечение необходимой скорости записи спектров; zz стабильность характеристик во времени;

zz временное разрешение детектора, обеспечивающее необходимую разрешающую способность и точность измерений.

Взависимости от сложности решаемой задачи для детектирования ионов используются:

zz фотопластинки; zz электрометры; zz детекторы Фарадея; zz решетчатые детекторы;

zz вторичные электронные умножители; zz фотоумножители.

Вранних масс-спектрометрах детектирование ионов производилось

сиспользованием фотопластинки, расположенной в фокальной плоскости ионного луча за масс-анализатором.

Бомбардировка фотопластинок ионным пучком приводит к образованию скрытого изображения на зернах галогенидов серебра, диспергированных в желатине. Поскольку пробег ионов с энергией до 20 кэВ в эмульсии небольшой, толщина эмульсионного слоя должна быть очень маленькой, а содержание галогенида серебра выше, чем в эмульсиях для регистрации обычных световых пучков.

Пластинка затем проявлялась, обрабатывалась с помощью денситометра и по величине ее затемненности устанавливалась относительная интенсивность каждого конкретного иона. Подобные устройства для детектирования ионов получили название масс-спектрографов.

Масс-спектрограмма положительных ионов приведена на рис. 49.

Рис. 49. Масс-спектрограмма положительных ионов

Разрешение такой системы оставляло желать много лучшего, а интенсивность засветки была не прямо пропорциональна количеству ионов.

89

Из существующих способов повышения чувствительности, целесо­ образно отметить следующие:

zz удаление желатина из ионочувствительного слоя, что уменьшает различия в глубине внедрения ионов и приводит к выравниванию чувствительности эмульсии для легких и тяжелых ионов;

zz введение в эмульсию люминесцентных веществ, что приводит к усилению вторичного механизма почернения;

zz добавление серы в эмульсию при ее изготовлении для образования соединения Ag2S;

zz введение AgI в кристаллы бромида серебра для увеличения центров чувствительности;

zz увеличение энергии ионов.

Для измерения ионных токов используют также электрометры, действие которых основано на измерении постоянного напряжения, создаваемого либо за счет протекания ионного тока по высокоомному сопротивлению, либо за счет накопления заряда на емкости, подключенной к коллектору.

Электрометры, измеряющие падение напряжения за счет протекания тока на высокоомном сопротивлении, получили название электрометрических усилителей постоянного тока (УПТ), а электрометры, использующие явление накопления заряда на емкости, называются интеграторами тока. В масс-спектрометрии в основном используют электрометрические усилители постоянного тока, которые характеризуются чувствительностью 10‾15 А при сопротивлении на входе 1011–1012 Ом.

Принципиальная схема устройства приемника ионного тока приведена на рис. 50.

Рис. 50. Принципиальная схема устройства приемника ионного тока:

1 – приемная щель; 2 – электрод задержки; 3 – антидинатронный электрод; 4 – экранный электрод; 5 – коллектор

90