Хроматографические методы и их использование в идентификации загрязнителей природных сред

Вплоть до 1980-х электронная ионизация (EI) была основным способом ионизации для анализа масс. Однако EI ограничивала химиков и биохимиков малыми молекулами, масса которых намного ниже массы большинства биоорганических соединений. Это ограничений побудило таких учёных, как Дж. Б. Фенн, К. Танака, Ф. Хилленкамп, М. Карас, Г. Кукс и М. Барбер, разработать новое поколение способов ионизации, включая бомбардировку быстрыми атомами/ионами (FAB), лазерную ионизацию при помощи матрицы (MALDI) и ионизацию электроспрея (таблица 2). Эти способы совершили революцию в биомолекулярном анализе, особенно для больших молекул. Среди них, ESI и MALDI стали по-настоящему «избранными», когда дело касается биомолекулярного анализа. [11]

Таблица 2

1.4.1 Ионизация электроспрея (ESI)

Идея электроспрея, хоть и не нова, была возрождена в связи с её настоящим применением к биомолекулам. Первые эксперименты с электроспреем были проведены Чепменом в поздних 1930-х, а практическое развитие ионизации электроспрея для масс-спектрометрии было завершено Доулом в поздних 1960-х. Доул также открыл важное явление множественной зарядки молекул. Работы Фенна окончательно привели к современной технике ионизации электроспрея в масс-спектрометрии, и её применению для биологических молекул.

Суть ESI заключается в следующем. Электрическое напряжение на игле приводит к большому электрическому градиенту на жидкости, который разделяет заряды на поверхности. Это вынуждает жидкость выпячиваться с иглы в форме конуса Тейлора. Верхушка конуса вытягивается в нить до тех пор, пока не достигнет предела Рэлея, при котором поверхностное натяжение и электростатическое отталкивание сравняются и сильно заряженная капля не оторвётся от нити. Капли, которые оторвались от конуса, притягиваются к входу в масс-спектрометр из-за большой разности потенциалов между иглой и входом в масс-анализатор. По мере продвижения капли к анализатору кулоновское отталкивание на поверхности превосходит поверхностное натяжение и капля «взрывается», окончательно высвобождая ионы. [12]

Рис. 2. Ионизация электроспрея

Ионизация электроспрея - метод, который обычно применяется для пептидов, белков, углеводов, малых олигонуклеотидов, синтетических полимеров и липидов. ESI производит газообразные заряженные молекулы прямо из жидкого раствора. Ионизация происходит при создании тонкого спрея сильно заряженных капель в присутствии электрического поля. Образец раствора распыляется из области с сильным электрическим полем на конце металлической форсунки, поддерживаемой при потенциале между 700 и 5000 В. Форсунка (или игла), к которой приложен потенциал, служит для распыления раствора в тонкий спрей заряженных капель. Использование сухого газа, нагревания или оба этих способа применяется к заряженным каплям при атмосферном давлении для испарения из них растворителя.

Достоинства метода:

· Метод позволяет работать с веществами, которые нельзя перевести в газовую фазу;

· Удобен для сочетания масс-спектрометра с жидкостным хроматографом;

· Возможность анализа крупных (до нескольких миллионов дальтон) молекул;

· Мягкое (низкоэнергетическое) ионизационное воздействие.

Недостатки метода:

· Вещество должно быть растворимо в полярных растворителях;

· Масс-спектр малоинформативен, как правило, присутствуют лишь пики комплексов молекулярного иона с катионом (H⁺, Na⁺, K⁺), многозарядных ионов таких комплексов.

1.4.2 Растворители для электроспрея

Многие растворители могут быть использованы в ESI и выбираются в зависимости от растворимости исследуемых соединений, летучести растворителя и способности растворителя к отдаче протона. Обычно, основными являются протонные растворители, такие, как, метанол, 50/50 метанол/вода или 50/50 ацетонитрил/вода, в то время как апротонные растворители, такие, как 10% ДМСО в воде, а также изопропиловый спирт, используются, чтобы улучшить растворимость для некоторых соединений. Хотя 100% вода и используется в ESI, её относительно низкое давление пара является определяющим фактором чувствительности; лучшая чувствительность получается при добавлении летучего органического растворителя. Некоторые соединения требуют использования чистого хлороформа с добавлением 0.1% муравьиной кислоты для обеспечения ионизации. Такой подход, хоть и менее чувствительный, может быть эффективен для соединений, не растворимых другим образом.[6]

Буферы, такие, как Na⁺, K⁺, фосфат и соли представляют проблему для ESI из-за снижения давления пара капель, ведущего к ослаблению сигнала из-за увеличения поверхностного натяжения капель, ведущего к уменьшению летучести. Поэтому летучие буферы, такие, как ацетат аммония, могут быть использованы более эффективно.[6]

1.4.3 Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)

APCI также стала важным способом ионизации, потому что она генерирует ионы непосредственно из раствора, и способна к анализу относительно неполярных соединений. Так же, как и в электроспрее, поток жидкости для APCI (рис. 3) вытекает непосредственно в устройство ионизации.

Рис. 3. Химическая ионизация (APCI)

Однако сходство здесь заканчивается. Капли не заряжаются и APCI устройство содержит нагретый испаритель, который обеспечивает быстрое разделение/испарение капель. Молекулы образца в паре проходят через зону ионно-молекулярной реакции при атмосферном давлении.

В APCI ионизация возникает из-за возбуждения/ионизации растворителя коронным разрядом. Т.к. ионы растворителя существуют при атмосферном давлении, химическая ионизация молекул аналита очень эффективна; при атмосферном давлении молекулы аналита сталкиваются с ионами реагента очень часто. Перенос протона (для реакций протонирования MH⁺) образует положительные ионы, а перенос электрона или отщепление протона ([MH]^-) даёт отрицательные. Сглаживающее влияние сольватных оболочек на ионах реагента и высокое давление газа уменьшают фрагментацию во время ионизации и ведут к образованию практически только нетронутых молекулярных ионов. Многократная зарядка обычно не наблюдается, скорее всего потому, что процесс ионизации более энергичен, чем при ESI.

Достоинства метода:

· Работа ионного источника при атмосферном давлении;

· Необязательно использовать только полярные растворители для образца (как в случае электрораспыления);

· Возможность работы с образцами, которые сложно перевести в газовую фазу обычными методами.

Недостатки метода:

· Возможен анализ образцов с массой примерно до 1500 дальтон, что относительно немного;

· Полученные масс-спектры малоинформативны и не позволяют использовать их для структурных исследований (мало линий).

1.4.4 Фотоионизация при атмосферном давлении (APPI)

Фотоионизация при атмосферном давлении (APPI) стала сейчас важным способом ионизации, потому что она генерирует ионы непосредственно из раствора с относительно малым фоновым сигналом и способна к анализу относительно неполярных соединений. Так же, как и APCI, поток жидкости для APPI (рис. 4) вводится прямо в устройство ионизации. [3]

Рис. 4. Масс-спектрометрия с фотоионизацией при атмосферном давлении.

Основное различие между APCI и APPI состоит в том, что в APPI парообразный образец проходит через ультрафиолетовый свет (обычная криптоновая лампа испускает от 10.0 эВ до 10.6 эВ). Часто APPI является намного более чувствительным, нежели ESI или APCI и показывает более высокое соотношение сигнал/шум из-за более низкой ионизации фона. Низкий сигнал фона во многом обусловлен высоким потенциалом ионизации стандартных растворителей, таких, как метанол и вода (10.85 и 12.62 эВ, соответственно), которые не ионизируются криптоновой лампой.

Недостатком ESI и APCI является то, что они образуют фоновые ионы растворителей. В дополнение к этому, ESI особенно подвержен эффектам подавления ионов, а APCI требует испарения при температурах 350-500°C, что может вызвать термическое разложение.

APPI производит ионизацию двумя механизмами. Первый - простое фотовозбуждение, инициирующее испускание электрона с образованием молекулярного катион-радикала (M⁺). APPI устройство воздействует светом с энергией выше, чем потенциалы ионизации (ПИ) большинства целевых молекул, но ниже, чем ПИ для большинства молекул растворителей и воздуха, тем самым исключая их как помехи. К тому же, из-за малой избыточной энергии, сообщаемой молекулам, достигается минимальная фрагментация. [11]

Второй механизм - фотоиндуцированная химическая ионизация при атмосферном давлении, которая похожа на APCI в том, что она включает перенос заряда при протонировании (MH⁺) или потере протона ([MH]^-).

Для инициирования химической ионизации фотоионизирующийся реагент добавляется к элюенту. После фотоионизации реагента происходит перенос заряда на аналит. Типичными реагентами для положительной ионизации являются ацетон и толуол. Ацетон также служит реагентом для отрицательной ионизации.

Механизм ионизации (M⁺ или [M+H]⁺), который претерпевает молекула, зависит от сродства к протону аналита, растворителя и типа используемого дополнительного реагента.

1.4.5 Электронная ионизация (EI)

Рис. 5. Масс-спектрометрия электронной ионизацией (EI).

Электронная ионизация - один из наиболее важных способов ионизации для повседневных анализов малых гидрофобных термически стабильных молекул и до сих пор широко используется. Так как EI обычно даёт большое число фрагментарных ионов, это «жёсткий» способ ионизации.

Однако, фрагментарная информация также может быть очень полезной. Например, используя базы данных, содержащие свыше 200000 масс-спектров электронной ионизации, возможно определить неизвестное соединение в течение нескольких секунд (конечно, если оно есть в базе данных). Эти базы данных, а также объём памяти и поисковые алгоритмы современных компьютеров позволяет быстро просматривать такие базы (как, например, база NIST), таким образом значительно облегчая идентификацию малых молекул.

Устройство электронной ионизации прямолинейно (рис. 5). Образец должен поставляться в газообразной форме, что осуществляется «выкипанием» образца посредством термической десорбции или введением газа через капилляр. Капилляр часто является выходом капиллярной колонки прибора газовой хроматографии. В этом случае капиллярная колонка обеспечивает разделение (это также известно как газовая хромат-масс-спектрометрия - GC/MS). Десорбция твердых или жидких образцов производится нагреванием в вакууме масс-спектрометра. После перехода в газовую фазу соединения переносятся в устройство электронной ионизации, где электроны возбуждают молекулу, тем самым вызывая ионизацию отрывом электрона и фрагментацию.

Применимость электронной ионизации значительно уменьшается для соединений с молекулярной массой свыше 400 дальтон, потому что необходимая термическая десорбция образца ведёт к температурному разложению до того, как происходит испарение. Принципиальными проблемами, связанными с термической десорбцией при электронной ионизации являются 1) нелетучесть больших молекул, 2) термическое разложение, 3) избыточная фрагментация. [10]

Механизм отрыва электрона при образовании положительного иона осуществляется следующим образом:

· Образец термически испаряется.

· Электроны испускаются нагретым катодом и ускоряются электрическим полем с разностью потенциалов в 70 В, чтобы образовать непрерывный пучок электронов.

· Молекулы образца проходят через пучок электронов.

· Электроны с кинетической энергией 70 эВ передают часть своей энергии молекулам. Эта передача вызывают ионизацию (отрыв электрона) так, что ион сохраняет обычно не более 6 эВ избыточной энергии.

· Избыток внутренней энергии (6 эВ) в молекуле ведёт к некоторой фрагментации.

Электронный захват обычно намного менее эффективен, чем отрыв электрона, хотя иногда используется таким же способом, с высокой чувствительностью работая для соединений с большим сродством к электрону: M + e^- > M^-. [8]

Достоинства метода:

· Метод ионизации электронным ударом дает богатые фрагментами масс-спектры, которые однозначно характеризуют структуру молекулы, что удобно для идентификации веществ;

· Масс-спектрометрия электронного удара - высокочувствительный метод анализа, позволяет анализировать пикомольные количества вещества;

· Существуют "библиотеки" масс-спектров, содержащие спектры более 200000 органических соединений, по которым можно проводить их идентификацию с применением ЭВМ.

Недостатки метода:

· Молекулярные ионы образуются лишь у 20% органических соединений;

· метод применим только для определения легколетучих термически стабильных соединений;

· ионы с большими значениями m/z, дающие информацию о молекулярной массе и наличии функциональных групп обеспечивают небольшой вклад в значения полного ионного тока;

· отрицательно заряженные ионы, имеющие большое значение в структурном анализе, образуются в очень небольшом количестве и ограниченным числом органических соединений.

1.4.6 Лазерная десорбция/ионизация при помощи матрицы (MALDI)

Масс-спектрометрия с лазерной десорбцией/ионизацией при помощи матрицы (MALDI-MS) впервые была использована в 1988 году Танакой, Карасом и Хилленкампом. С тех пор он стал широко распространённым методом для пептидов, белков и большинства других биомолекул (олигонуклеотидов, углеводов, природных веществ и липидов). Эффективный и направленный перенос энергии во время акта индуцированной лазером десорбции при помощи матрицы приводит к большому выходу ионов незатронутого аналита и позволяет проводить измерения соединений с субпикомолярной чувствительностью. Вдобавок, удобство MALDI для анализа гетерогенных образцов делает его очень привлекательным для масс-анализа сложных биологических образцов, как, например, гидролизат белков. [9]

Хотя точный механизм десорбции/ионизации для MALDI неизвестен, принято считать, что MALDI вызывает ионизацию и перевод образца из конденсированной фазы в газовую посредством лазерного возбуждения и индивидуализации молекул образца из матрицы. В MALDI анализе аналит сначала сокристаллизуется с большим молярным избытком матричного соединения, обычно УФ-поглощающей слабой органической кислотой. Облучение такой смеси аналита с матрицей лазером приводит к испарению матрицы, которая несёт аналит в себе. Матрица играет ключевую роль в этом методе. Сокристаллизованные молекулы образца также испаряются, но без прямого поглощения энергии лазера. Молекулы, чувствительные к лазерному излучению, поэтому защищены от прямого возбуждения УФ-лазером.

Матрица MALDI - нелетучий твёрдый материал, обеспечивающий процессы десорбции и ионизации посредством поглощения лазерного излучения. Как результат, и матрица, и любой образец, встроенный в неё, испаряются. Матрица также служит для того, чтобы минимизировать ущерб образцу от лазерного излучения, поглощая большую часть падающей энергии.

Оказавшись в газовой фазе, десорбированные заряженные молекулы затем электростатически направляются из MALDI устройства ионизации в масс-анализатор. Времяпролётные (TOF) масс-анализаторы часто используются для разделения ионов по отношению массы к заряду (m/z). Импульсная природа MALDI очень удобна для TOF анализаторов, т.к. начальный момент времени можно засекать как момент лазерного импульса.

Было разработано несколько теорий для объяснения десорбции посредством MALDI. Модель термических пиков предполагает, что выброс неповреждённых молекул обусловлен слабым колебательным взаимодействием между матрицей и аналитом, что минимизирует перенос колебательной энергии от матрицы к модам молекул аналита, тем самым минимизируя фрагментацию. Теория импульсного давления предполагает, что создаётся градиент давления, перпендикулярный поверхности, и десорбция больших молекул вызвана передачей импульса при их столкновениях с быстро движущимися молекулами матрицы. Обычно считается, что ионизация происходит посредством передачи протона или катионизации во время процесса десорбции.

Полезность MALDI для анализа биомолекул основана на её способности давать информацию о молекулярном весе неповреждённых молекул. Способность давать точную информацию может быть чрезвычайно важна для определения и характеристики белков. Например, белок часто может быть однозначно определён точным анализом масс составляющих его пептидов (полученных химическим или же ферментативным воздействием на образец). [4]

Достоинства метода:

· Возможность анализа крупных молекул (массой до 100 000 дальтон и выше);

· Мягкая ионизация образца;

· Возможность анализа загрязненных примесями образцов.

Недостатки метода:

· Малоинформативный масс-спектр - присутствуют лишь пики молекулярного иона и его «мультимеров» - частиц, состоящих из нескольких молекул образца с зарядом +1;

· Долгая пробоподготовка и необходимость подбора условий под образец - подбирать вещество для матрицы.

1.4.7 Бомбардировка быстрыми атомами/ионами (FAB)

Рис. 6. Масс-спектрометрия с бомбардировкой быстрыми атомами, также известная как жидкостная масс-спектрометрия вторичных ионов (LSIMS).

Бомбардировка быстрыми атомами/ионами, или FAB - метод ионизации, схожий с MALDI, так как в нём используется матрица и пучок высокоэнергетических частиц для десорбции ионов с поверхности. Важно, однако, обозначить различия между MALDI и FAB. В MALDI, энергетический пучок представляет собой импульсный лазерный свет, в то время как FAB использует непрерывный пучок ионов. В MALDI матрица обычно твёрдая кристаллическая, а в FAB обычно использует жидкую матрицу. Также нужно отметить, что FAB примерно в 1000 раз менее чувствителен, нежели MALDI.

Бомбардировка быстрыми атомами - мягкий способ ионизации, который требует прямого введения зонда для подачи образца и пучок нейтральных атомов Xe или ионов Cs⁺ для распыления образца и матрицы с поверхности зонда для подачи. Обычно в FAB спектре обнаруживаются ионы матрицы, наряду с протонированными или катионизированными (например, M+Na⁺) молекулярными ионами аналита. [6]

Матрица FAB. Способствующая процессам десорбции и ионизации, матрица FAB - нелетучая жидкость, которая служит, чтобы постоянно восполнять поверхность новым образцом по мере того, как он бомбардируется пучком ионов. Поглощая большую часть падающей энергии, матрица также минимизирует разложение образца из-за высокоэнергетических частиц образца.

Две наиболее часто употребляющихся матрицы для FAB - м-нитробензиловый спирт и глицерин.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Быстрые атомы или ионы сталкиваются с матрицей, вынуждая матрицу и аналит десорбироваться в газовую фазу. Образец может быть уже заряженным и только потом быть переведённым в газовую фазу, или же может стать заряженным в ходе десорбции посредством FAB посредством реакций с окружающими молекулами или ионами. Оказавшись в газовой фазе, заряженные молекулы могут быть электростатически перемещены в масс-анализатор.

1.5 Масс-анализаторы