Электронная ионизация ( EI , ранее известная как ионизация электронным ударом [1] и ионизация электронной бомбардировкой [2] ) — это метод ионизации, при котором энергичные электроны взаимодействуют с атомами или молекулами твердой или газовой фазы для получения ионов . [3] EI был одним из первых методов ионизации , разработанных для масс-спектрометрии . [4] Однако этот метод по-прежнему является популярным методом ионизации. Этот метод считается жестким (высоко фрагментированным) методом ионизации, поскольку он использует высокоэнергетические электроны для получения ионов. Это приводит к обширной фрагментации, которая может быть полезна для определения структуры неизвестных соединений. EI наиболее полезен для органических соединений, которые имеют молекулярную массу ниже 600 а.е.м. Кроме того, несколько других термически стабильных и летучих соединений в твердом, жидком и газообразном состоянии могут быть обнаружены с использованием этого метода в сочетании с различными методами разделения. [5]
Электронная ионизация была впервые описана в 1918 году канадско-американским физиком Артуром Дж. Демпстером в статье «Новый метод анализа положительных лучей ». Это был первый современный масс-спектрометр, который использовал положительные лучи для определения отношения массы к заряду различных компонентов. [6] В этом методе источник ионов использовал электронный луч, направленный на твердую поверхность. Анод был сделан цилиндрической формы с использованием металла, который должен был изучаться. Затем он нагревался концентрической катушкой, а затем бомбардировался электронами. Используя этот метод, удалось определить два изотопа лития и три изотопа магния с их атомными весами и относительными пропорциями. [7] С тех пор этот метод использовался с дальнейшими модификациями и разработками. Использование сфокусированного моноэнергетического пучка электронов для ионизации атомов и молекул газовой фазы было разработано Бликни в 1929 году. [8] [9]
В этом процессе электрон из молекулы аналита (M) выбрасывается во время процесса столкновения, чтобы преобразовать молекулу в положительный ион с нечетным числом электронов. Следующая реакция газовой фазы описывает процесс электронной ионизации [10]
где M — ионизируемая молекула аналита, e − — электрон, а M +• — образующийся молекулярный ион .
В источнике ионов EI электроны производятся посредством термоионной эмиссии путем нагревания проволочной нити, по которой течет электрический ток . Кинетическая энергия бомбардирующих электронов должна иметь большую энергию, чем энергия ионизации молекулы образца. Электроны ускоряются до 70 эВ в области между нитью и входом в блок источника ионов. Исследуемый образец, содержащий нейтральные молекулы, вводится в источник ионов в перпендикулярной ориентации к электронному пучку. Близкое прохождение высокоэнергетических электронов при низком давлении (примерно от 10−5 до 10−6 торр ) вызывает большие колебания в электрическом поле вокруг нейтральных молекул и вызывает ионизацию и фрагментацию. [11] Фрагментацию при электронной ионизации можно описать с помощью потенциальных кривых Борна-Оппенгеймера, как на схеме. Красная стрелка показывает энергию электронного удара, которая достаточна для удаления электрона из аналита и образования молекулярного иона из недиссоциативных результатов. Из-за более высокой энергии, поставляемой электронами 70 эВ, отличными от молекулярного иона, несколько других реакций диссоциации связей можно рассматривать как диссоциативные результаты, показанные синей стрелкой на диаграмме. Эти ионы известны как ионы-продукты второго поколения. Затем радикальные катион- продукты направляются к масс-анализатору отталкивающим электродом. Процесс ионизации часто следует за предсказуемыми реакциями расщепления, которые приводят к образованию фрагментных ионов, которые после обнаружения и обработки сигнала передают структурную информацию об аналите.
Увеличение процесса ионизации электронов осуществляется путем увеличения эффективности ионизации . Для достижения более высокой эффективности ионизации необходимо оптимизировать ток нити накала, ток эмиссии и ионизирующий ток. Ток, подаваемый на нить накала для ее нагрева до раскаленного состояния, называется током накала. Ток эмиссии — это ток, измеряемый между нитью накала и щелью для входа электронов. Ионизирующий ток — это скорость прибытия электронов в ловушку. Это прямая мера количества электронов в камере, которые доступны для ионизации.
Ионный ток образца (I + ) является мерой скорости ионизации. Это можно улучшить, манипулируя эффективностью извлечения ионов (β), полным сечением ионизации (Q i ), эффективной длиной пути ионизации (L), концентрацией молекул образца ([N]) и током ионизации (I e ). Уравнение можно представить следующим образом:
Эффективность извлечения ионов (β) можно оптимизировать, увеличив напряжение как отражателя, так и ускорителя. Поскольку сечение ионизации зависит от химической природы образца и энергии ионизирующих электронов, используется стандартное значение 70 эВ. При низких энергиях (около 20 эВ) взаимодействия между электронами и молекулами аналита не передают достаточно энергии, чтобы вызвать ионизацию. При около 70 эВ длина волны де Бройля электронов совпадает с длиной типичных связей в органических молекулах (около 0,14 нм ), и передача энергии органическим молекулам аналита максимальна, что приводит к максимально возможной ионизации и фрагментации. В этих условиях около 1 из 1000 молекул аналита в источнике ионизируются. При более высоких энергиях длина волны де Бройля электронов становится меньше длин связей в типичных аналитах; молекулы затем становятся «прозрачными» для электронов, и эффективность ионизации снижается. Эффективную длину ионизирующего пути (L) можно увеличить, используя слабое магнитное поле. Но наиболее практичный способ увеличить ток образца — это эксплуатировать источник ионов при более высоком ионизирующем токе (I e ). [5]
Справа показана принципиальная схема приборов, которые можно использовать для электронной ионизации. Блок источника ионов изготовлен из металла. В качестве источника электронов катод , который может быть тонкой нитью из вольфрамовой или рениевой проволоки, вставляется через щель в блок источника. Затем он нагревается до температуры накаливания для испускания электронов. Между катодом и блоком источника подается потенциал 70 В, чтобы ускорить их до кинетической энергии 70 эВ для получения положительных ионов. Потенциал анода (электронной ловушки) слегка положительный, и он расположен снаружи ионизационной камеры, прямо напротив катода. Неиспользованные электроны собираются этой электронной ловушкой. Образец вводится через отверстие для образца. Для усиления процесса ионизации прикладывается слабое магнитное поле параллельно направлению движения электронов. Из-за этого электроны движутся по узкой спиральной траектории, что увеличивает длину их пути. Положительные ионы, которые генерируются, ускоряются отталкивающим электродом в ускоряющую область через щель в блоке источника. Прикладывая потенциал к источнику ионов и поддерживая выходную щель на нулевом потенциале, ионы попадают в масс-анализатор с фиксированной кинетической энергией. Чтобы избежать конденсации образца, блок источника нагревается примерно до 300 °C. [5]
С начала 20 века электронная ионизация стала одним из самых популярных методов ионизации из-за большого количества применений. Эти применения можно в целом классифицировать по методу введения образца. Газообразные и легколетучие жидкие образцы используют вакуумный коллектор, твердые вещества и менее летучие жидкости используют зонд с прямой вставкой, а сложные смеси используют газовую хроматографию или жидкостную хроматографию.
В этом методе образец сначала вставляется в нагретый резервуар для образца в вакуумном коллекторе. Затем он выходит в ионизационную камеру через точечное отверстие. Этот метод полезен для высоколетучих образцов, которые могут быть несовместимы с другими методами введения образца. [12]
В этом методе зонд изготавливается из длинного металлического канала, который заканчивается в углублении для удерживания капилляра образца. Зонд вставляется в блок источника через вакуумный замок. Образец вводится в углубление с помощью стеклянного капилляра. Затем зонд быстро нагревается до нужной температуры для испарения образца. Используя этот зонд, образец можно расположить очень близко к области ионизации. [5]
Масс-спектрометрия с прямой вставкой электронов и ионизацией (прямая вставка EI-MS) использовалась для идентификации археологических клеев , таких как дегти, смолы и воски, найденных во время раскопок на археологических объектах. Эти образцы обычно исследуются с помощью газовой хроматографии–МС с экстракцией, очисткой и дериватизацией образцов. В связи с тем, что эти образцы были отложены в доисторические периоды, они часто сохраняются в небольших количествах. С помощью археологических образцов с прямой вставкой EI–MS были напрямую проанализированы древние органические останки, такие как смолы сосны и фисташки , берестяной деготь, пчелиный воск и растительные масла, относящиеся к периодам далекого бронзового и железного века . Преимущество этого метода заключается в том, что требуемое количество образца меньше, а подготовка образца сведена к минимуму. [13]
Как метод прямой вставки-МС, так и метод газовой хроматографии-МС использовались и сравнивались в исследовании характеристики органического материала, присутствующего в качестве покрытий в римских и египетских амфорах , которые можно взять в качестве примера археологических смолистых материалов. Из этого исследования следует, что процедура прямой вставки, по-видимому, является быстрым, простым и уникальным инструментом, который подходит для скрининга органических археологических материалов, который может раскрыть информацию об основных компонентах в образце. Этот метод предоставляет информацию о степени окисления и классе присутствующих материалов. Недостатком этого метода является то, что менее распространенные компоненты образца могут не быть идентифицированы. [14]
Другое применение прямого ввода EI-MS — это характеристика новых синтетических углеродных кластеров, изолированных в твердой фазе. Эти кристаллические материалы состоят из C 60 и C 70 в соотношении 37:1. В одном исследовании было показано, что синтетическая молекула C 60 является исключительно стабильной и что она сохраняет свой ароматический характер. [15]
Газовая хроматография (ГХ) является наиболее широко используемым методом в EI-MS для ввода образца. ГХ может быть включена для разделения смесей термически стабильных и летучих газов, которые идеально соответствуют условиям электронной ионизации.
ГХ-ЭИ-МС использовался для изучения и характеристики органического материала, присутствующего в покрытиях на римских и египетских амфорах . Из этого анализа ученые обнаружили, что материал, используемый для водонепроницаемости амфор, представлял собой особый тип смолы, не являющейся родной для археологического памятника, а импортированной из другого региона. Одним из недостатков этого метода было длительное время анализа и необходимость предварительной обработки влажными химикатами. [14]
ГХ-ЭИ-МС успешно использовался для определения остатков пестицидов в свежих продуктах питания с помощью анализа с одной инъекцией. В этом анализе в овощах были идентифицированы 81 остатки пестицидов разных классов . Для этого исследования пестициды были экстрагированы дихлорметаном и далее проанализированы с помощью газовой хроматографии- тандемной масс-спектрометрии (ГХ-МС-МС). Оптимальным методом ионизации может быть определена ЭИ или химическая ионизация (ХИ) для этой однократной инъекции экстракта. Этот метод быстрый, простой и экономически эффективный, поскольку большое количество пестицидов может быть определено с помощью ГХ с одной инъекцией, что значительно сокращает общее время анализа. [16]
ГХ-ЭИ-МС может быть включен в анализ биологических жидкостей для различных применений. Одним из примеров является определение тринадцати молекул синтетических пиретроидных инсектицидов и их стереоизомеров в цельной крови. В этом исследовании использовался новый быстрый и чувствительный метод электронной ионизации-газовой хроматографии-масс-спектрометрии в режиме селективного мониторинга ионов (SIM) с однократной инъекцией образца. Все остатки пиретроидов были разделены с помощью ГХ-МС, работающего в режиме электронной ионизации, и количественно определены в режиме селективного мониторинга ионов. Обнаружение определенных остатков в крови является сложной задачей из-за их очень низкой концентрации, поскольку как только они попадают в организм, большинство химических веществ могут быть выведены. Однако этот метод обнаружил остатки различных пиретроидов вплоть до уровня 0,05–2 нг/мл. Обнаружение этого инсектицида в крови очень важно, поскольку сверхмалого количества в организме достаточно, чтобы нанести вред здоровью человека, особенно у детей. Этот метод является очень простой, быстрой техникой и, следовательно, может быть принят без каких-либо помех матрицы. Режим селективного мониторинга ионов обеспечивает чувствительность обнаружения до 0,05 нг/мл. [17] Другое применение — исследования оборота белка с использованием ГХ-ЭИ-МС. Это измеряет очень низкие уровни d-фенилаланина , что может указывать на обогащение аминокислоты , включенной в тканевой белок во время исследований синтеза человеческого белка. Этот метод очень эффективен, поскольку как свободный, так и связанный с белком d-фенилаланин можно измерить с помощью одного и того же масс-спектрометра, и требуется только небольшое количество белка (около 1 мг). [18]
ГХ-ЭИ-МС также используется в судебной экспертизе . Одним из примеров является анализ пяти местных анестетиков в крови с использованием твердофазной микроэкстракции в парофазном пространстве (HS-SPME) и газовой хроматографии–масс-спектрометрии–ионизации электронным ударом с выбранным ионным мониторингом (ГХ–МС–ЭИ-СИМ). Местная анестезия широко используется, но иногда эти препараты могут вызывать медицинские несчастные случаи. В таких случаях требуется точный, простой и быстрый метод анализа местных анестетиков. ГХ-ЭИ-МС использовался в одном случае со временем анализа 65 минут и размером образца приблизительно 0,2 г, относительно небольшим количеством. [19] Другим применением в судебной экспертизе является определение наркотиков для изнасилования на свидании (DRD) в моче. Эти препараты используются для того, чтобы вывести жертв из строя, а затем изнасиловать или ограбить их. Анализ этих препаратов затруднен из-за низкой концентрации в жидкостях организма и часто большой задержки между событием и клиническим обследованием. Однако использование ГХ-ЭИ-МС позволяет использовать простой, чувствительный и надежный метод идентификации, обнаружения и количественной оценки 128 соединений DRD в моче. [20]
Два последних подхода к сопряжению капиллярной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии с электронной ионизацией (ЖХ-ЭИ-МС) могут быть включены для анализа различных образцов. Это интерфейс ЖХ/МС на основе капиллярной ЭИ и интерфейс прямой ЭИ. В капиллярной ЭИ распылитель оптимизирован для линейности и чувствительности. Интерфейс прямой ЭИ представляет собой миниатюризированный интерфейс для нано- и микро- ВЭЖХ , в котором процесс сопряжения происходит в соответствующим образом модифицированном источнике ионов. Более высокая чувствительность , линейность и воспроизводимость могут быть получены, поскольку элюирование из колонки полностью переносится в источник ионов. Используя эти два интерфейса, электронная ионизация может быть успешно включена для анализа молекул малого и среднего размера с различной полярностью. Наиболее распространенными применениями для этих интерфейсов в ЖХ-МС являются экологические приложения, такие как градиентное разделение пестицидов , карбарила , пропанила и хлорпрофама с использованием обращенной фазы , а также фармацевтические приложения, такие как разделение четырех противовоспалительных препаратов : дифенилдрамина, амитриптилина , напроксена и ибупрофена . [ 21]
Другой метод категоризации приложений электронной ионизации основан на технике разделения, которая используется в масс-спектроскопии. Согласно этой категории, большинство приложений можно найти в масс- спектрометрии с временем пролета (TOF) или ортогональной масс-спектрометрии TOF (OA-TOF MS), ионно-циклотронном резонансе с преобразованием Фурье (FT-ICR MS) и квадрупольной или ионной ловушке масс-спектрометрии.
Масс-спектроскопия с электронной ионизацией во времени пролета (EI-TOF MS) хорошо подходит для аналитических и основных химических физических исследований. EI-TOF MS используется для нахождения потенциалов ионизации молекул и радикалов , а также энергий диссоциации связей для ионов и нейтральных молекул. Другое применение этого метода - изучение химии и физики отрицательных ионов. С помощью этой техники были обнаружены времена жизни автоотрыва , метастабильная диссоциация, реакции переноса электронов Ридберга и полевой отрыв, метод поглотителя SF6 для обнаружения временных состояний отрицательных ионов и многие другие. В этом методе область ионизации без поля обеспечивает высокую точность в энергии электронов, а также высокое разрешение по энергии электронов. Измерение электрических полей вниз по трубке пролета ионов определяет автоотрыв и метастабильный распад, а также полевой отрыв слабосвязанных отрицательных ионов. [22]
Первое описание электронно-ионизационного ортогонального ускорения TOF MS (EI oa-TOFMS) было в 1989 году. Используя «ортогональное ускорение» с источником ионов EI, была увеличена разрешающая способность и чувствительность. Одним из ключевых преимуществ oa-TOFMS с источниками EI является возможность использования с газовыми хроматографическими (ГХ) системами ввода, что позволяет проводить хроматографическое разделение летучих органических соединений с высокой скоростью. [23]
FT-ICR EI-MS можно использовать для анализа трех фракций перегонки вакуумного газойля (VGO) в диапазоне 295-319 °C, 319-456 °C и 456-543 °C. В этом методе EI при 10 эВ позволяет проводить мягкую ионизацию ароматических соединений в диапазоне вакуумного газойля. Изменения состава на молекулярном уровне определялись на основе назначения элементного состава. Сверхвысокая разрешающая способность, малый размер образца, высокая воспроизводимость и точность определения массы (<0,4 ppm) являются особыми характеристиками этого метода. Основным продуктом во всех трех образцах были ароматические углеводороды. Кроме того, многие серо- , азото- и кислородсодержащие соединения были непосредственно обнаружены, когда концентрация этого гетероатомного вида увеличивалась с температурой кипения . Используя анализ данных, он дал информацию о типах соединений ( кольца плюс двойные связи ), их распределении числа атомов углерода для углеводородных и гетероатомных соединений в дистилляционных фракциях, увеличении средней молекулярной массы (или распределения числа атомов углерода) и ароматичности с увеличением температуры кипения нефтяных фракций . [24]
Ионная ловушка EI MS может быть включена для идентификации и количественного определения остатков полиэтоксилата нонилфенола (NPEO) и продуктов их распада, таких как полиэтоксикарбоксилаты нонилфенола и этоксикарбоксилаты карбоксиалкилфенола, в образцах речной воды и сточных вод. В ходе этого исследования они обнаружили, что ионная ловушка GC-MS является надежным и удобным аналитическим подходом с различными методами ионизации, включая EI, для определения целевых соединений в образцах окружающей среды. [25]
Использование ЭИ в качестве метода ионизации в масс-спектрометрии имеет ряд преимуществ и недостатков. Они перечислены ниже.
![{\displaystyle I^{+}=\beta Q_{i}L[{\ce {N}}]I_{e}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b26c11b367d00217e435cc09f9d8e01b0aed4f4)