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 с образованием ионов . [3] ЭУ был одним из первых методов ионизации , разработанных для масс-спектрометрии . [4] Однако этот метод по-прежнему остается популярным методом ионизации. Этот метод считается методом жесткой (высокой фрагментации) ионизации, поскольку для производства ионов используются высокоэнергетические электроны. Это приводит к обширной фрагментации, что может быть полезно для определения структуры неизвестных соединений. ЭУ наиболее полезен для органических соединений с молекулярной массой ниже 600. Кроме того, с помощью этого метода в сочетании с различными методами разделения можно обнаружить несколько других термически стабильных и летучих соединений в твердом, жидком и газообразном состояниях. [5]
Электронная ионизация была впервые описана в 1918 году канадско-американским физиком Артуром Дж. Демпстером в статье «Новый метод положительного лучевого анализа». Это был первый современный масс-спектрометр, в котором положительные лучи использовались для определения отношения массы к заряду различных компонентов. [6] В этом методе в качестве источника ионов использовался электронный луч, направленный на твердую поверхность. Анод изготавливался цилиндрической формы из исследуемого металла . Впоследствии он нагревался концентрической катушкой, а затем бомбардировался электронами. Используя этот метод, удалось определить два изотопа лития и три изотопа магния с их атомными массами 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 (М) выбрасывается во время процесса столкновения, превращая молекулу в положительный ион с нечетным числом электронов. Следующая газофазная реакция описывает процесс электронной ионизации [10]
где M — ионизируемая молекула аналита, e − — электрон и M +• — образующийся молекулярный ион .
В источнике ионов ЭУ электроны производятся посредством термоэлектронной эмиссии путем нагревания проволочной нити, по которой проходит 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 перпендикулярно электронному пучку. Близкое прохождение высокоэнергетичных электронов при низком давлении (приблизительно от 10 -5 до 10 -6 Торр) вызывает большие флуктуации электрического поля вокруг нейтральных молекул и вызывает ионизацию и фрагментацию. [11] Фрагментацию при электронной ионизации можно описать с помощью потенциальных кривых Борна-Оппенгеймера, как показано на диаграмме. Красная стрелка показывает энергию удара электрона, достаточную для удаления электрона из аналита и образования молекулярного иона по недиссоциативным результатам. Из-за более высокой энергии, передаваемой электронами с энергией 70 эВ, отличными от молекулярного иона, несколько других реакций диссоциации связей можно рассматривать как результаты диссоциации, показанные синей стрелкой на диаграмме. Эти ионы известны как ионы-продукты второго поколения. Продукты катион -радикалов затем направляются к масс-анализатору с помощью отталкивающего электрода. Процесс ионизации часто следует за предсказуемыми реакциями расщепления, которые приводят к образованию фрагментированных ионов, которые после обнаружения и обработки сигнала передают структурную информацию об анализируемом веществе.
Увеличение процесса ионизации электронов достигается за счет увеличения эффективности ионизации . Для достижения более высокой эффективности ионизации необходимо оптимизировать ток накала, ток эмиссии и ток ионизации. Ток, подаваемый на нить для нагрева ее до накала, называется током накала. Ток эмиссии — это ток, измеряемый между нитью накала и щелью входа электронов. Ионизирующий ток — это скорость поступления электронов в ловушку. Это прямая мера количества электронов в камере, доступных для ионизации.
Ионный ток образца (I + ) является мерой скорости ионизации. Это можно улучшить путем манипулирования эффективностью экстракции ионов (β), общим сечением ионизации (Q i ), эффективной длиной пути ионизации (L), концентрацией молекул образца ([N]) и ионизирующим током ( Я е ). Уравнение можно представить следующим образом:
Эффективность извлечения ионов (β) можно оптимизировать, увеличивая напряжение как отталкивателя, так и ускорения. 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 длине волны де Бройля электронов около 70 эВ длина волны электронов соответствует длине типичных связей в органических молекулах (около 0,14 нм ), и передача энергии молекулам органических аналитов максимизируется, что приводит к максимально возможной ионизации и фрагментации. В этих условиях примерно 1 из 1000 молекул аналита в источнике ионизируется. При более высоких энергиях длина волны де Бройля электронов становится меньше, чем длины связей в типичных аналитах; тогда молекулы становятся «прозрачными» для электронов, и эффективность ионизации снижается. Эффективную длину пути ионизации (L) можно увеличить, используя слабое магнитное поле. Но наиболее практичный способ увеличить ток образца — использовать источник ионов с более высоким ионизирующим током (I e ). [5]
Принципиальная схема приборов, которые можно использовать для электронной ионизации, показана справа. Блок источника ионов изготовлен из металла. В качестве источника электронов катод , который может представлять собой тонкую нить из вольфрамовой или рениевой проволоки, вставляется через щель в блок источника. Затем его нагревают до температуры накаливания для испускания электронов. Между катодом и блоком источника подается потенциал 70 В, чтобы ускорить их до кинетической энергии 70 эВ для образования положительных ионов. Потенциал анода (электронной ловушки) слегка положительный и он расположен снаружи ионизационной камеры, прямо напротив катода. Неиспользованные электроны собираются этой электронной ловушкой. Проба вводится через отверстие для пробы. Чтобы усилить процесс ионизации, параллельно направлению движения электронов прикладывается слабое магнитное поле. Из-за этого электроны движутся по узкой спиральной траектории, что увеличивает длину их пути. Генерируемые положительные ионы ускоряются отталкивающим электродом в ускоряющую область через щель в блоке источника. При приложении потенциала к источнику ионов и поддержании выходной щели под потенциалом земли ионы попадают в масс-анализатор с фиксированной кинетической энергией. Чтобы избежать конденсации образца, блок источника нагревают примерно до 300 °C. [5]
С начала 20-го века электронная ионизация была одним из самых популярных методов ионизации из-за большого количества применений. Эти приложения можно разделить на общие категории по используемому методу введения образца. Для анализа газообразных и легколетучих жидких проб используют вакуумный коллектор, для твердых веществ и менее летучих жидкостей используют зонд прямого введения, а для сложных смесей используют газовую или жидкостную хроматографию.
В этом методе образец сначала помещается в нагретый резервуар для образцов в вакуумном коллекторе. Затем он попадает в ионизационную камеру через точечное отверстие. Этот метод полезен при работе с легколетучими пробами, которые могут быть несовместимы с другими методами введения проб. [12]
В этом методе зонд изготавливается из длинного металлического канала, который заканчивается углублением для капилляра с образцом. Зонд вводится в блок источника через вакуумный затвор. Проба вводится в лунку с помощью стеклянного капилляра. Затем зонд быстро нагревают до желаемой температуры для испарения образца. С помощью этого зонда образец можно расположить очень близко к области ионизации. [5]
Масс-спектрометрия с прямой вставкой с электронной ионизацией (ЭИ-МС с прямой вставкой) использовалась для идентификации археологических клеев , таких как смолы, смолы и воски , обнаруженных 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 прямой вставки EI-MS были непосредственно проанализированы древние органические останки, такие как сосновые и фисташковые смолы, берестовый деготь, пчелиный воск и растительные масла, начиная с периодов бронзового и железного веков . Преимущество этого метода заключается в том, что требуемое количество образца меньше, а подготовка образца сводится к минимуму. [13]
Как прямая вставка-МС, так и газовая хроматография-МС использовались и сравнивались в исследовании характеристик органического материала, присутствующего в качестве покрытий в римских и египетских амфорах , которые можно взять в качестве примера археологических смолистых материалов. Исследование показало, что процедура прямого введения представляет собой быстрый, простой и уникальный инструмент, подходящий для проверки органических археологических материалов и позволяющий выявить информацию об основных компонентах образца. Этот метод предоставляет информацию о степени окисления и классе присутствующих материалов. Недостатком этого метода является то, что менее распространенные компоненты образца не могут быть идентифицированы. [14]
Еще одним применением ЭУ-МС прямого введения является характеристика новых синтетических углеродных кластеров, изолированных в твердой фазе. Эти кристаллические материалы состоят из С 60 и С 70 в соотношении 37:1. В одном исследовании было показано, что синтетическая молекула C 60 чрезвычайно стабильна и сохраняет свой ароматический характер. [15]
Газовая хроматография (ГХ) является наиболее широко используемым методом ЭУ-МС для введения образца. ГХ можно использовать для разделения смесей термически стабильных и летучих газов, которые идеально соответствуют условиям электронной ионизации.
ГХ-ЭУ-МС использовался для изучения и характеристики органических материалов, присутствующих в покрытиях римских и египетских амфор . В результате этого анализа ученые обнаружили, что материалом, использованным для гидроизоляции амфор, был особый тип смолы, не родной для места археологических раскопок, а импортированный из другого региона. Одним из недостатков этого метода было длительное время анализа и необходимость предварительной влажной химической обработки. [14]
ГХ-ЭИ-МС успешно используется для определения остатков пестицидов в свежих продуктах путем однократного анализа. В ходе этого анализа в овощах был выявлен 81 остаток пестицидов разных классов . Для данного исследования пестициды экстрагировали дихлорметаном и далее анализировали с помощью газовой хроматографии- тандемной масс-спектрометрии (ГХ-МС-МС). Оптимальный метод ионизации можно определить как ЭУ или химическую ионизацию (ХИ) для этой однократной инъекции экстракта. Этот метод быстрый, простой и экономически эффективный, поскольку большое количество пестицидов можно определить с помощью ГХ за одну инъекцию, что значительно сокращает общее время анализа. [16]
ГХ-ЭИ-МС можно использовать для анализа биологических жидкостей в различных целях. Одним из примеров является определение тринадцати молекул синтетических пиретроидных инсектицидов и их стереоизомеров в цельной крови. В исследовании использовался новый быстрый и чувствительный метод электронной ионизационно-газовой хроматографии-масс-спектрометрии в режиме селективного ионного мониторинга (SIM) с однократным вводом пробы. Все остатки пиретроида были разделены с помощью ГХ-МС, работающего в режиме электронной ионизации, и количественно определены в режиме селективного ионного мониторинга. Обнаружение специфических остатков в крови является сложной задачей из-за их очень низкой концентрации, поскольку как только они попадают в организм, большая часть химических веществ может выводиться из организма. Однако этот метод обнаруживает остатки различных пиретроидов вплоть до уровня 0,05–2 нг/мл. Обнаружение этого инсектицида в крови очень важно, поскольку даже сверхмалого количества в организме достаточно, чтобы нанести вред здоровью человека, особенно детей. Этот метод является очень простым и быстрым и поэтому может быть применен без каких-либо вмешательств в матрицу. Режим селективного ионного мониторинга 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 аминокислот , включенных в тканевой белок во время исследований синтеза белка человека. 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 лишь небольшое количество белка (около 1 мг). [18]
GC-EI-MS также используется в судебной медицине . Одним из примеров является анализ пяти местных анестетиков в крови с использованием твердофазной микроэкстракции в свободном пространстве (HS-SPME) и газовой хроматографии-масс-спектрометрии-ионизации электронным ударом для мониторинга выбранных ионов (GC-MS-EI-SIM). Широко используется местная анестезия, но иногда эти препараты могут стать причиной медицинских несчастных случаев. В таких случаях требуется точный, простой и быстрый метод анализа местных анестетиков. В одном случае использовали ГХ-ЭИ-МС со временем анализа 65 минут и размером образца примерно 0,2 г, что является относительно небольшим количеством. [19] Еще одним применением в судебно-медицинской практике является определение в моче наркотиков, предназначенных для изнасилования на свидании (DRD). Эти наркотики используются, чтобы вывести из строя жертв, а затем их изнасиловать или ограбить. Анализ этих препаратов затруднен из-за низких концентраций в жидкостях организма и зачастую длительной задержки между событием и клиническим обследованием. Однако использование ГХ-ЭИ-МС позволяет использовать простой, чувствительный и надежный метод идентификации, обнаружения и количественного определения 128 соединений DRD в моче. [20]
Два последних подхода к соединению капиллярной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии с электронной ионизацией (ЖХ-ЭУ-МС) могут быть использованы для анализа различных образцов. Это капиллярный интерфейс ЖХ/МС на основе ЭУ и интерфейс прямого ЭУ. В капиллярном ЭУ распылитель оптимизирован с точки зрения линейности и чувствительности. Интерфейс прямого ЭУ представляет собой миниатюрный интерфейс для нано- и микро- ВЭЖХ , в котором процесс взаимодействия происходит в соответствующим образом модифицированном источнике ионов. Более высокую чувствительность , линейность и воспроизводимость можно получить, поскольку элюирование из колонки полностью переносится в источник ионов. Используя эти два интерфейса, электронная ионизация может быть успешно использована для анализа молекул малого и среднего размера с различной полярностью. Наиболее распространенными применениями 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 и т . д. напроксен и ибупрофен . [21]
Другой метод категоризации применений электронной ионизации основан на методе разделения, который используется в масс-спектроскопии. В соответствии с этой категорией большую часть временных приложений можно найти во времяпролетной (TOF) или ортогональной TOF масс-спектрометрии (OA-TOF MS), ионно-циклотронном резонансе с преобразованием Фурье (FT-ICR MS) и квадрупольной масс-спектрометрии или масс-спектрометрии с ионной ловушкой .
Времяпролетная масс-спектроскопия с электронной ионизацией (EI-TOF MS) хорошо подходит для аналитических и фундаментальных исследований химической физики. EI-TOF MS используется для определения 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 этого метода были обнаружены времена жизни автоотщепления , метастабильная диссоциация, реакции переноса электронов Ридберга и отщепление поля, метод поглотителя SF6 для обнаружения временных состояний отрицательных ионов и многие другие. В этом методе область ионизации без поля обеспечивает высокую точность определения энергии электронов, а также высокое разрешение по энергии электронов. Измерение электрических полей в ионной пролетной трубке определяет автоотрыв и метастабильный распад, а также полевой отрыв слабосвязанных отрицательных ионов. [22]
Первое описание TOF MS с ортогональной ионизацией и ортогональным ускорением (EI oa-TOFMS) было сделано в 1989 году. Благодаря использованию «ортогонального ускорения» с источником ионов EI разрешающая способность и чувствительность были увеличены. Одним из ключевых преимуществ oa-TOFMS с источниками ЭУ является возможность использования с системами ввода газовой хроматографии (ГХ), что позволяет хроматографическому разделению летучих органических соединений происходить с высокой скоростью. [23]
ФТ-ИКР ЭИ-МС может использоваться для анализа трех фракций вакуумной газойля (ВГО) при температурах 295-319 °С, 319-456 °С и 456-543 °С. В этом методе ЭУ при 10 эВ обеспечивает мягкую ионизацию ароматических соединений в диапазоне вакуумного газойля. Вариации состава на молекулярном уровне определяли на основе отнесения элементного состава. Особенностями этого метода являются сверхвысокая разрешающая способность, небольшой размер образца, высокая воспроизводимость и точность измерения массы (<0,4 ppm). Во всех трех образцах основным продуктом были ароматические углеводороды. Кроме того, многие серо- , азот- и кислородсодержащие соединения наблюдались непосредственно, когда концентрация этих гетероатомных соединений увеличивалась с температурой кипения . Используя анализ данных, он дал информацию о типах соединений ( кольца плюс двойные связи ), их распределении числа атомов углерода для углеводородов и гетероатомных соединений во фракциях дистилляции, увеличении средней молекулярной массы (или распределения числа атомов углерода) и ароматичности с увеличением температуры кипения нефти . дроби. [24]
Ионная ловушка EI MS может быть встроена для идентификации и количественного определения остатков нонилфенолполиэтоксилата (NPEO) и продуктов их разложения, таких как нонилфенолполиэтоксикарбоксилаты и карбоксиалкилфенолэтоксикарбоксилаты, в пробах речной воды и сточных вод. В результате этого исследования они обнаружили, что ГХ-МС с ионной ловушкой представляет собой надежный и удобный аналитический подход с использованием различных методов ионизации, включая ЭУ, для определения целевых соединений в пробах окружающей среды. [25]
Использование ЭУ 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)