ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 9, с. 916-924
= СТАТЬИ ОБЩЕГО ХАРАКТЕРА =
УДК 543.51
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА ЛАЗЕРНОЙ ДЕСОРБЦИИ/ИОНИЗАЦИИ, АКТИВИРУЕМОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ, ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ЛЕТУЧИХ СОЕДИНЕНИЙ © 2015 г. А. А. Гречников
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук
119991 Москва, ул. Косыгина, 19 E-mail: grechnikov@geokhi.ru Поступила в редакцию 10.10.2014 г., после доработки 29.12.2014 г.
Рассмотрены основные подходы к определению низкомолекулярных химических соединений методом лазерной десорбции/ионизации, активируемой поверхностью (Surface-Assisted Laser Desorp-tion/Ionization, SALDI). Определяемые соединения адсорбируются из газовой фазы на поверхности специально приготовленной твердотельной подложки. Затем на поверхность воздействуют импульсным лазерным излучением, что приводит к ионизации и десорбции ионов, которые детектируются масс-анализатором. Рассмотрены факторы, определяющие эффективность ионизации, представлены варианты инструментальной реализации SALDI, приведены метрологические характеристики метода. Высокая эффективность ионизации основных соединений, превышающая эффективность традиционных методов ионизации на порядки величины; мягкие условия ионизации; простота исполнения; возможность сочетания с системами, обеспечивающими разделение определяемых компонентов, характеризуют SALDI как исключительно перспективный метод определения низкомолекулярных летучих соединений.
Ключевые слова: масс-спектрометрия; лазерная десорбция/ионизация, активируемая поверхностью; адсорбция; определение низкомолекулярных соединений.
DOI: 10.7868/S0044450215090054
Развитие лазерной техники в последние десятилетия привело к появлению новых подходов и методов в масс-спектрометрии органических соединений. Ярким примером может служить лазерная десорбция/ионизация (laser desorption-ionization, LDI), предложенная на рубеже 1970—1980 гг. для ионизации нелетучих органических и биоорганических соединений [1, 2]. В рамках этого подхода анализируемую пробу наносят на поверхность твердого тела, хорошо поглощающего лазерное излучение. Затем на поверхность фокусируют излучение импульсного лазера, под воздействием которого нанесенные соединения переходят в газовую фазу и ионизуются. В первых работах по LDI ионизация в большинстве случаев достигалась катионизацией — присоединением молекулой катиона металла (обычно Na+ или K+), присутствующего или специально добавленного в пробу в виде соли. В качестве твердого тела использовали металлические подложки, а пробу наносили в виде пленки толщиной от единиц до тысяч монослоев. В настоящее время такой вариант LDI часто называют
" прямой лазерной десорбцией/ионизацией" (direct LDI).
Описанный выше подход оказался плодотворным и получил дальнейшее развитие в середине 1980-х годов, когда были предложены два принципиально новых метода LDI. Их отличительная особенность заключалась в том, что кроме анали-та на поверхность металлической подложки наносили также специальную матрицу, хорошо поглощающую лазерное излучение. Первый метод основан на применении в качестве матрицы "ультратонких металлических порошков плюс жидкость" [3]. С использованием суспензий наноча-стиц кобальта в глицерине впервые были зарегистрированы масс-спектры пептидов и белков с отношением масс к заряду m/z до 100000 [3]. Тем самым эти важнейшие биоорганические соединения были введены в сферу задач, решаемых с помощью масс-спектрометрии. В 2002 г. автор метода К. Танака был награжден Нобелевской премией по химии "за разработку методов мягкой
лазерной десорбции для масс-спектрометриче-ского анализа биологических макромолекул".
Хилленкамп и Карас предложили использовать в качестве матриц нелетучие низкомолекулярные органические кислоты, и на этой основе разработали принципы второго метода, названного ими Matrix-Assisted Laser Desorption/Ioniza-tion, MALDI (матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация) [4]. Матрица выполняет две основные функции — перевод молекул аналита в газовую фазу и их ионизацию. Воздействие лазерного излучения приводит к импульсному испарению (абляции) матрицы и сокристалли-зованного с ней определяемого соединения. Над поверхностью образца формируется область сравнительно высокого давления — "факел", в которой и протекают реакции ионизации. Основным (но не единственным) каналом ионизации является про-тонирование молекул аналита. В настоящее время именно MALDI — основной масс-спектрометриче-ский метод определения высокомолекулярных соединений. Однако, несмотря на большой успех, MALDI имеет ряд серьезных недостатков, из которых можно выделить следующие:
— интенсивный фоновый сигнал, создаваемый ионами матрицы, затрудняет, а во многих случаях делает недоступным определение соединений в диапазоне низких масс (примерно до 600 а. е. м.);
— отсутствует "универсальная" матрица. Известно большое число матриц, и для правильного выбора матрицы необходимо заранее знать, к какому классу химических соединений относятся аналиты в пробе;
— трудность количественного анализа.
Эти и ряд других проблем стимулировали дальнейшие исследования в области LDI, которые привели к созданию нового метода, названного Surface Assisted Laser Desorption Ionization, SALDI (лазерная десорбция/ионизация, активируемая поверхностью) [5]. Первый вариант SALDI был тесно связан с методом Танака и основан на использовании суспензий микрочастиц графита в глицерине или воде в качестве матрицы [5, 6]. Развитие метода привело к появлению другого, безматричного варианта SALDI, в котором суспензия микрочастиц графита заменена графитовой подложкой с шероховатой поверхностью (эмиттер ионов) [7, 8]. Важным шагом в этом направлении стала работа [9], в которой предложено использовать в качестве материала твердотельной подложки — эмиттера ионов — пористый кремний. В настоящее время оба варианта SALDI динамично развиваются, появляются новые способы реализации метода на основе использования как нано-частиц различной природы, так и твердотельных подложек. Все это затрудняет однозначную дефиницию понятия, выражаемого термином SALDI. Так, например, в ранних редакциях списка масс-
спектрометрических терминов, рекомендованных ИЮПАК, SALDI определяли сначала как вариант MALDI, использующий в качестве матрицы "жидкость плюс частицы", затем — как самостоятельный "метод получения в газовой фазе ионов из молекул, нанесенных на специально приготовленную поверхность материала, который облучается импульсным лазером". В последней (на момент написания данной статьи) редакции списка под SALDI понимается "класс безматричных способов лазерной десорбции/ионизации биологических макромолекул" [10]. Такую дефиницию также нельзя признать удачной. Безусловно, определение и идентификация высокомолекулярных биоорганических соединений, которые наносят на активную поверхность путем осаждения из раствора, является важной частью исследований по SALDI, однако возможности метода существенно шире.
В данной статье рассмотрены аналитические характеристики метода SALDI при определении соединений с относительно низкими молекулярными массами, которые могут быть нанесены на активную поверхность путем адсорбции из газовой фазы.
Факторы, определяющие эффективность SALDI при детектировании летучих соединений с низкими молекулярными массами. Принципиальная схема ионного источника SALDI представлена на рис. 1. Определяемые соединения адсорбируются из газовой фазы на поверхности эмиттера ионов, установленного в ионном источнике масс-спектрометра. В качестве эмиттера ионов используют твердотельные подложки, поскольку применение наночастиц в SALDI обычно предусматривает жидкофазное нанесение образца (суспензии на-ночастиц с анализируемой жидкой пробой). На поверхность подложки фокусируют излучение импульсного лазера. Воздействие излучения инициирует ионизацию определяемых соединений и десорбцию ионов. Полученные ионы ускоряются, разделяются в соответствии с величинами m/z и детектируются в масс-анализаторе. Основным каналом ионизации в положительном ионизационном режиме является протонирование молекул.
В такой схеме эффективность SALDI определяется тремя основными факторами: физико-химическим составом эмиттера ионов, параметрами лазерного излучения и химическими свойствами аналита.
Физико-химический состав эмиттера ионов. В ходе развития метода исследован широких круг различных веществ в качестве потенциальных эмиттеров ионов, и лишь небольшое число материалов (в основном, полупроводниковых) оказались эффективными для SALDI. Наибольшее распространение нашли кремниевые материалы, среди достоинств которых следует выделить высокую эффективность ионизации, исключитель-
Рис. 1. Схема ионного источника SALDI для детектирования низкомолекулярных летучих соединений.
но высокую степень чистоты материала и сравнительную легкость его обработки с целью формирования активного поверхностного слоя. Чистота материала решает проблему фоновых сигналов, а его обработка необходима, поскольку эффективность SALDI на поверхности монокристаллических подложек крайне мала [8, 11]. Известные способы формирования активного слоя разнообразны. Для кремниевых материалов наиболее часто используют химическое и электрохимическое травление [9, 12]. Кроме того, нашли применение химическое и плазмохимическое осаждение из газовой фазы [13], бомбардировка поверхности атомами или ионами [8], радиочастотное распыление [12, 14] и ряд других способов. Разнообразны также структура и морфология формируемых активных слоев — это, например, пористые, аморфные, нанокристаллические слои, нанони-ти. Следует, однако, отметить одно общее для эффективных кремниевых эмиттеров ионов свойство: все они принадлежат к классу сильно разу-порядоченных полупроводниковых материалов с высокой плотностью структурных дефектов и связанных с ними локализованных состояний — эффективных ловушек носителей заряда.
Важную роль играет и химический состав поверхности. Хорошим примером может служить
процесс "активации" пористого кремния [12, 15], который заключается в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.