ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2004, том 23, № 11, с. 44-50
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ^^^^^^^^ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
УДК 543.51+537.534.7
КЛАСТЕРЫ КАК ПЕРВООБРАЗНЫЕ ИОНОВ В УФ-МАТРИЧНО-АКТИВИРОВАННОЙ ЛАЗЕРНОЙ ДЕСОРБЦИИ/ИОНИЗАЦИИ
© 2004 г. В. Е. Франкевич1' 2' *, М. Даштиев1' 2, Р. Зеноби1
1 Department of Chemistry, Swiss Federal Institute of Technology, ETH Hoenggerberg, CH-8093 Zurich, Switzerland 2Институт энергетических проблем химической физики Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 10.12.2003
Эксперименты с задерживающим потенциалом, проводимые на спектрометре ионного циклотронного резонанса с внутренним источником - матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (МАЛДИ), непосредственно показывают, что ионы при МАЛДИ возникают не на поверхности образца, а образуются из тяжелых "первообразных" частиц. Показано, что кластеры с массой в несколько тысяч Да, состоящие в основном из молекул матрицы, присутствуют в облаке несколько микросекунд после лазерного УФ-импульса. Существование кластеров как первообразных ионов позволяет объяснить многие процессы, приводящие к появлению ионов при ионизации методом МАЛДИ.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных проблем масс-спектрометрии начала 80-х годов было получение масс-спектров нелетучих соединений. Решением данной проблемы стала разработка метода матрично-активиро-ванной лазерной десорбции/ионизации (МАЛДИ). В 1988 году Хиленкампом и Карасом, а также независимо Танакой был разработан принципиально новый подход к ионизации нелетучих соединений с сохранением их молекулярной целостности [1-3]. Основная идея состояла в использовании матрицы - вещества, способного хорошо поглощать энергию лазера. В МАЛДИ молекулы анализируемого вещества внедрены в органическую матрицу и под действием лазерного излучения переходят в газовую фазу в виде положительных и отрицательных ионов. Таким образом, этот метод решил главную задачу для масс-спектрометрии - сделал возможным переход нелетучих соединений в газовую фазу в виде однозарядных ионов. Метод МАЛДИ - мягкий метод ионизации, позволяющий легко идентифицировать молекулярные ионы и исследовать слабосвязанные комплексы. Сегодня МАЛДИ - наиболее распространенный ионизационный метод для анализа нелетучих биомолекул, таких как полипептиды и белки, синтетических полимеров и других соединений [4-8].
Фундаментальные процессы образования ионов в МАЛДИ еще не до конца исследованы. Определение работающих экспериментальных протоколов происходит в основном эмпирически, и до сих пор нет единой теории, описывающей процессы образования ионов в МАЛДИ. Все модели
*Автор для корреспонденции. E-mail: frankevich@org.chem.ethz.ch
и теории еще далеки от того, чтобы предсказывать возможный выход ионов, и не могут описать множество процессов, протекающих в области ионизации. Некоторые теории описывают лишь часть процесса: как, например, переход вещества из твердого состояния в газообразное или же процессы ионизации в облаке [9-13]. Последние эксперименты, выполненные на современных приборах, позволяющих получать сверхвысокое разрешение по массам, высокую чувствительность и точность измерений, часто входят в противоречие с предыдущими теориями и моделями [10, 14]. МАЛДИ - это очень сложный процесс, который протекает всего за несколько микросекунд. Сразу после лазерного импульса мы получаем концентрированное облако, в котором находятся испаренные молекулы матрицы, радикалы, электроны, кластеры, атомы водорода и молекулы анализируемого вещества [15-17]. Множество экспериментальных параметров, таких как длина волны и мощность лазерного излучения, различные способы нанесения матрицы, различные соотношения анализируемого вещества и матрицы влияют на выход ионов, и описать все эти процессы одной теорией чрезвычайно трудно. Исследование процесса образования ионов в МАЛДИ аналогично исследованию образования нашей вселенной по наблюдениям за ее нынешним состоянием.
Понимание процессов, происходящих в МАЛДИ, позволит найти новые приложения, улучшить воспроизводимость результатов, увеличить выход ионов и контролировать их фрагментацию.
В данной работе обсуждаются начальные процессы образования ионов в МАЛДИ. До настоящего времени остается открытым вопрос о времени образования первичных ионов. Образуются
ли ионы на поверхности мишени в момент импульса лазера или они появляются позже за счет ионно-молекулярных реакций в газовом облаке? Эксперименты, проведенные на спектрометре ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье, показали, что ионы образуются через несколько микросекунд после импульса УФ-ла-зера. В начальный момент времени в облаке присутствуют тяжелые кластеры. На основе разработанной модели могут быть объяснены некоторые экспериментальные эффекты в МАЛДИ и значительно расширены возможности использования метода.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Импульсная природа МАЛДИ привела к широкому распространению комбинации этого метода с времяпролетными масс-спектрометрами. Другим, часто встречающимся масс-анализато-ром для МАЛДИ является спектрометр ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) [18-21]. Основная часть спектрометра - измерительная ячейка, в которой происходит захват, возбуждение и детектирование ионов. Наиболее распространены спектрометры ИЦР с внешним источником МАЛДИ. При такой конфигурации ионы образуются вне высоковакуумной части спектрометра и вводятся в измерительную ячейку с помощью системы транспорта ионов, состоящей из радиочастотных квадрупо-лей и элементов ионной оптики. В спектрометре ИЦР с внутренним источником МАЛДИ образец располагается в высоковакуумной части спектрометра, вблизи от измерительной ячейки. В некоторых случаях образец может располагаться непосредственно в измерительной ячейке. К недостаткам спектрометра такого типа можно отнести достаточно трудоемкий ввод образца. Преимуществом спектрометра ИЦР с внутренним источником МАЛДИ является возможность исследования процессов образования ионов. От момента импульса УФ-лазера до захвата и анализа ионов в ячейке спектрометра проходит лишь несколько микросекунд. Измеряя характеристики удерживаемых ионов, можно получить дополнительную информацию об их энергетическом распределении и начальных скоростях, которая важна при исследовании процессов их образования.
Эксперименты проводили на установке, основу которой составляет спектрометр ИЦР ПФ со сверхпроводящим магнитом, расположенной в Федеральном техническом институте (ЕТН) г. Цюриха (Швейцария). Установка состоит из высоковакуумной камеры, откачиваемой турбомолекуляр-ным насосом TPU-330 (Balzers), сверхпроводящего магнита 4.7 Т (Bruker, Fallanden, Switzerland) и коммерческого блока управления спектрометром Odyssey (Finnigan FT/MS, Madison, WI, USA).
В качестве измерительной ячейки использовалась открытая ячейка ИЦР, описанная в деталях в работе [22]. Ионы образовывались методом МАЛДИ. Образец располагался в высоковакуумной части установки на расстоянии 2 см от торцевого электрода (рис. 1а). Неодимовый лазер: Nd:YAG, 355 мм (Continuum, Minilite ML-10), использовался для лазерной десорбции. Дигидрок-сибензойная кислота (DHB) использовалась в качестве матрицы. На расстоянии 1 см от образца располагался сетчатый электрод, на который подавался короткий (1-5000 нс) импульс задерживающего потенциала с амплитудой в диапазоне от 1 до 50 В. В зависимости от длительности и амплитуды задерживающего импульса изменялись время прибытия ионов в измерительную ячейку и, соответственно, интенсивность сигнала. Ионы захватывались в измерительной ячейке методом импульсного поднятия потенциалов торцевых электродов (электроды А и Б на рис. 1). Генератор импульсов был синхронизован с лазерным импульсом, что позволяло подавать задерживающий потенциал через заданное время (+/- 50 нс) после импульса УФ-лазера. Теоретический расчет траекторий движения ионов в электрическом и магнитных полях проводился с использованием компьютерной программы Simion 7.0 [23]. В экспериментах по измерению масс-спектра облака МАЛДИ образец вводился непосредственно в измерительную ячейку (рис. 16), при этом сетчатый электрод не использовался. Импульс возбуждения ионов подавался через заданное время после импульса ионизации.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Ионы образца и матрицы, полученные методом МАЛДИ, имеют скорость в диапазоне 500900 м/с [24]. Начальная скорость ионов слабо зависит от их массы и определятся в основном химическими свойствами матрицы [11]. В спектрометре ИЦР с внутренним источником МАЛДИ ионы двигаются в свободном от электрических полей пространстве и достигают центра ячейки, где захватываются в создаваемой торцевыми электродами ячейки потенциальной яме. В момент нахождения ионов около центра ячейки мгновенно (за время <1 мкс) создается потенциальная яма с глубиной, превышающей энергию ионов (рис. 1а). При этом на электроды А и Б ячейки (рис. 1) подается потенциал 5-15 В. Наиболее эффективно захватываются те ионы, которые находились в момент поднятия потенциалов в центре ячейки и имели энергию ниже созданного потенциального барьера. Расстояние между мишенью и центром ячейки равно 10 см, и ионы проходят это расстояние за 90-200 мкс, в зависимости от их начальной скорости.
Время пролета, Т
Сетчатый электрод
Мишень МАЛДИ
Область захвата и детектирования ионов
Потенциальная яма
, + УФ - лазер
Электрод А Электрод Б
Ловушка ИЦР
Генератор импульсов 0-50 В, 0-10 мс
а
Область захвата и детектирования ионов
Потенциальная яма
УФ-лазер
Мишень МАЛДИ
Ловушка ИЦР
Рис. 1. а - Схема масс-спектрометра ИЦР с внутренним источником МАЛДИ и дополнительным электродом; ма эксперимента с внутренним источником МАЛДИ.
- схе
На рис. 2 показана зависимость интенсивности сигнала ионов матрицы БЫВ от времени захвата ионов (времени поднятия потенциалов). Данная зависимость является распределением ионов по скоростям, так как расстояние от мишени до центра ячейки точно определено. Для эффективного
Интенсивность сигнала
Время пролета, мкс
Рис. 2. Зависимость интенсивности сигнала ионов [M + H]+ матрицы DHB от времени их захвата в ячейке
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.