WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 9 |

«УДК 543.226 МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СИСТЕМ В.А. Покровский Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины, ул. Генерала ...»

-- [ Страница 2 ] --

Возвращаясь к первым десятилетиям существования масс-спектрометрии, следует обратить внимание на то, что первоначально именно исследование изотопов в течение длительного времени составляло основной интерес и предмет МС исследований. Этот начальный период завершился в середине прошлого века созданием и применением ядерного оружия. Когда метод вошел составной частью в технологию промышленной добычи и очистки урана и других радиоактивных элементов, изотопная массспектрометрия перестала представлять значительный собственно научный интерес. И хотя в последние десятилетия периодически публикуются работы, призванные реанимировать изотопный анализ в качестве современного эффективного инструмента научных исследований, все же вплоть до настоящего времени эти попытки не принесли заметных результатов.

Таким образом, в конце 50-х годов прошлого века масс-спектрометрия, выполнив свою функцию основного метода для изотопного анализа, оказалась на распутье, и наиболее проницательные исследователи начали размышлять об альтернативных путях ее дальнейшего развития. В Украине решение этой проблемы неразрывно связано с именем А. И. Бродского, директора Института физической химии имени Л.В. Писаржевского НАН Украины. Александр Ильич с довоенных времен был крупнейшим специалистом по тяжелой воде на территории бывшего Советского Союза и в этом качестве участвовал в урановом проекте. Возглавив Институт, он начал активно развивать МС методики для нужд физической химии. В частности, по его инициативе и под его руководством была выполнена серия работ по применению изотопной масс-спектрометрии в органической химии [3] для изучения механизма химических реакций.

Здесь перед ним, как и перед всеми химиками, встала фундаментальная трудность применения метода масс-спектрометрии к органическим, в том числе биологически активным молекулам. Проблема состоит в том, что нейтральная молекула сама по себе не поддается МС анализу, который возможно реализовать только для заряженных частиц, поскольку в эксперименте регистрируется не собственно масса, а ее отношение к заряду.

Следовательно, молекулу необходимо предварительно ионизировать, причем таким образом, чтобы минимизировать фрагментацию и получить в масс-спектре мономолекулярный или протонированный ион в количествах, достаточных для последующих исследований. Традиционные «ударные» методы ионизации требуют предварительного перехода молекул в газовую фазу без разложения. Это далеко не всегда возможно для органических молекул, а для биологически активных молекул возможно лишь в редчайших случаях. Но даже и тогда, когда переход в газовую фазу без разложения возможен, находящаяся в газовой фазе молекула в процессе ионизации испытывает электронные и колебательные возбуждения под воздействием ионизирующего агента, например, бомбардирующего электрона. Последствия такого удара приводят к глубокой фрагментации образовавшегося иона и к необратимой потере сведений об его первоначальной структуре.

Эта проблема была решена в дальнейшем применением «мягких» способов десорбции/ионизации. Наиболее эффективными методами такого рода оказались методы полевой ионизации и полевой десорбции (ПИ/ПД), вторично-ионной массспектрометрии (ВИМС), бомбардировки быстрыми атомами (ББА) и др. В этом ряду исключительное место заняли ионизация распылением в вакуум (ESI, electrospray ionization) и матрично-активированная лазерная десорбционно-ионизациионная массспектрометрия (МАЛДИ МС, matrix-assisted laser desorption/ionization, MALDI). За создание этих методов Дж. Фенн и К. Танака были удостоены Нобелевской премии 2002 г по химии с формулировкой «за создание мягких методов десорбционной ионизации для МС анализа биологических макромолекул». Именно с помощью метода МАЛДИ нами был получен масс-спектр БСА, приведенный на рис. 1.

Но 50 лет назад предвидеть подобное развитие событий было невозможно, и следует отдать должное эрудиции и проницательности А. И. Бродского за выбор именно такого пути развития масс-спектрометрии, который впоследствии оказался наиболее продуктивным. Визит в Киев ведущего специалиста по полевой ионной микроскопии Э.Мюллера и основополагающая работа М.Г. Ингрэма и Р. Гомера [4] стимулировали интерес А. Бродский к разработке и применению методов полевой ионизации и полевой десорбции для нужд физико-химических исследований. Эти работы были проведены в Институте под непосредственным руководством И.В. Гольденфельда [5–7]. Характерный штрих: несмотря на постоянный интерес к работе и участие в обсуждениях, Александр Ильич категорически отказался от соавторства в публикациях по полевой массспектрометрии, мотивируя это тем, что не принимал непосредственного участия в экспериментальной работе. Он высоко оценивал первые полученные результаты и настаивал на их опубликовании в ДАН СССР. Не будучи академиком АН СССР, он не мог представить первую статью по полевой масс спектрометрии [5] в этот журнал и просил об этом академика В.Н. Кондратьева.

Успехи применения полевой ионизации и полевой десорбции в решении химических задач с помощью МС методик были к концу 70-х годов описаны в фундаментальной монографии Беки [8], а основные результаты работы, проделанной в Институте физической химии АН УССР, изложены в монографиях [9,10]. Обзор работ по полевой ионизации и полевой десорбции, выполненных в Институте физической химии им.

Л.В. Писаржевского, можно найти также в обобщающей статье [11].

Наряду с работами, проводившимися в Киеве, МС исследования биологически активных молекул в области молекулярной биофизики были развернуты в Харькове по инициативе и под руководством основателя Физико-технического института низких температур НАН Украины академика Б.И. Веркина. В 70-е годы прошлого века Б.И. Веркин поставил задачу создания новых физических методов для молекулярнобиофизических исследований биомолекул, в первую очередь ДНК. По его инициативе академиком И.К. Янсоном и его учениками Л.Ф. Суходубом (чл.-корр. НАН Украины с 2008 г.) и А.Б. Теплицким был разработан метод температурно-зависимой полевой массспектрометрии, предназначенный для изучения термодинамических параметров межмолекулярных взаимодействий биомолекул [12]. С помощью этого метода впервые в мире в 1979 г были определены энтальпии взаимодействия азотистых оснований нуклеиновых кислот [13]. Эта работа широко цитируется до настоящего времени. Затем метод температурно-зависимой полевой масс-спектрометрии был успешно применен для решения ряда молекулярно-биофизических задач, таких как изучение образования кластеров воды [14], моделирование белково-нуклеинового узнавания [15] и т.д.



В настоящее время МС направление исследований во ФТИНТ продолжает развиваться под руководством М.В. Косевич. Основными достижениями этой группы является разработка метода низкотемпературной вторично-эмиссионной масс-спектрометрии для криобиофизических, криобиологических и экологических исследований [16, 17], создание графитовых эмиттеров для полевой десорбции [18], установление молекулярных механизмов действия ряда противоопухолевых, антимикробных и антималярийных препаратов, развитие фундаментальных основ десорбционной масс-спектрометрии [19, 20]. В последнее время заведующим отделом молекулярной биофизики ФТИНТ В.А. Карачевцевым инициировано приложение масс-спектрометрии к нанотехнологическим задачам, таким как разработка наноматериалов для использования в биосенсорах и других наноустройствах [21]. Часть этих исследований проводится в творческом содружестве ученых ФТИНТ и ИХП НАН Украині [22].

Температурно-программированная десорбционная масс-спектрометрия По инициативе А. А. Чуйко, основателя Института химии поверхности НАН Украины, с момента создания Института были начаты работы по температурнопрограммированной десорбционной масс-спектрометрии (ТПД МС) как оптимального метода для исследования наноструктурированных систем и, в частности, для решения задач химии поверхности [23-25].

ТПД МС. Методика и оборудование В качестве методики изучения элементарных процессов на поверхности твердых тел термодесорбционный эксперимент подразумевает определение количества десорбируемых продуктов как функции времени при заданном законе изменения температуры образца. Анализ литературы показывает, что наибольшие успехи, достигнутые к настоящему времени с помощью метода ТПД МС, связаны с исследованием взаимодействия поверхности монокристаллов, преимущественно металлов, с простыми молекулами, как правило двухатомными. Системы подобного рода удобны для изучения, но в большинстве случаев практически малоинтересны для задач, решаемых в химии поверхности. Ни монокристаллы, ни металлы вообще не являются технически важными адсорбентами и объектами химического модифицирования. Обычно применяемые в химии поверхности материалы представляют собой диэлектрики или полупроводники в поликристаллическом либо аморфном состоянии, обладающие к тому же наноструктурными особенностями.

Основная трудность, возникающая при интерпретации результатов ТПД эксперимента в отношении систем подобного рода, состоит в недостатке модельных представлений, адекватно отражающих детали десорбционных процессов на их поверхности. В ряде обзоров [26–30], которые посвящены реакциям, происходящим на однородных поверхностях, в частности на гранях монокристаллов, было показано, что даже в простейших случаях адекватное описание кинетики соответствующих процессов требует привлечения к рассмотрению, как минимум, латеральных взаимодействий и процессов переноса энергии в приповерхностном слое.

В еще большей степени ограничены возможности современных теоретических методов изучения явлений на поверхности твердых тел в случае наноструктурированных систем. Ограничения обусловлены сложностью структуры, высокой удельной поверхностью, разнообразием и вариабельностью активных центров и т. д., то есть именно теми свойствами, которые делают такие системы перспективными матрицами при синтезе разнообразных нанокомпозитов, в особенности получаемых путем взаимодействия наносистем с биологически активными молекулами.

И в экспериментальном плане последние десятилетия убедительно продемонстрировали высокую эффективность различных видов десорбционной масс-спектрометрии в изучении адсорбированных биологически активных молекул, но в основном при использовании просто и регулярно организованных подложек, таких как монокристаллы, поверхности жидкостей, пленки Ленгмюра–Блоджетт и т.д. В отношении же систем, составляющих главный интерес для химии поверхности, которая имеет дело в основном с активными центрами поверхности и привитыми группами, расположенными внутри твердых тел, в нанопорах, на границах раздела фаз, на поверхности наночастиц, нанокластеров, нанотрубок и т.д., достижения были гораздо более скромными. Развитие и адаптация методов десорбционной масс-спектрометрии к объектам подобного рода и возможные перспективы развития обсуждалась нами ранее [25]. Все же вплоть до настоящего времени известно крайне немного успешных МС исследований биологически активных молекул, размещенных на поверхности наноструктурированных матриц. Главная причина этого – труднодоступность объектов исследования, включенных в состав наноструктурированных объектов.

В этом аспекте ТПД МС является исключением в ряду других десорбционных МС методов. Стабильные летучие продукты термических превращений молекул адсорбата и привитых групп, раз образовавшись, далее самостоятельно находят путь вовне, и задача сводится к обычному МС анализу летучих продуктов. Возможные случаи реадсорбции и диффузионного торможения летучих продуктов в образце и напускной системе массспектрометра представляют значительную проблему, однако могут быть обнаружены и учтены путем варьирования температурных параметров эксперимента.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 9 |