WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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 5 ] --

С конца 90-х годов безматричные подходы в лазерно-десорбционной массспектрометрии претерпели ряд кардинальных изменений. Во-первых, успешное использование наноструктурированных материалов, таких как графит и пористый кремний, определили особенности, которыми должны обладать поверхности подложек, – наличие большого числа поверхностных дефектов, низкая теплопроводность и интенсивное поглощение в УФ-диапазоне. Во-вторых, направленное гидроксилирование поверхности пористого кремния открыло возможность функционализировать его поверхность разнообразными химическими соединениями и получать образцы с заданными свойствами поверхности, способствующими анализу выбранных для анализа веществ.

В частности, использование пористого кремния, модифицированного ионообменными группами, в качестве ионизационной подложки для анализа ионогенных низкомолекулярных веществ показало, что адсорбция соответствующих молекул на модифицированной поверхности пористого кремния значительно уменьшает степень фрагментации ионов исследуемого образца в сравнении со случаем, когда исследуемые молекулы нанесены непосредственно на поверхность немодифицированной подложки. Таким образом, наличие противоиона в адсорбционном состоянии открывает возможность прямой диссоциативной ионизации.

Прежде всего усилия исследователей были сосредоточен на создании унифицированной методики получения пористого кремния, который бы проявлял активность в десорбции/ионизации на своей поверхности (Desorption Ionization On Silicon, DIOS) [41]. В дальнейшем было предложено проводить целенаправленное модифицирование поверхности пористого кремния для получения гидрофобных или гидрофильных поверхностей, что позволило усовершенствовать процесс подготовки пробы, проводя его непосредственно на поверхности ионизирующей подложки [42]. В литературе также широко обсуждались механизмы влияния наноструктурированной поверхности пористого кремния на процессы десорбции/ионизации исследуемых молекул [43, 44]. Безматричные методы десорбционной масс-спектрометрии за последние десять лет многократно расширили и диапазон применения, и спектр наноструктурированных поверхностей, используемых в качестве подложек [45], объединившись теперь под обобщенныим названием «поверхностно-активированная лазерная десорбция/ионизация» (Surface-Assisted Laser Desorption/Ionization, SALDI).

Усилия масс-спектрометрической группы Института химии поверхности НАН Украины им. А.А. Чуйко были направлены на анализ результатов, достигнутых в области применений безматричной масс-спектрометрии с использованием пористого кремния в качестве ионизационной подложки и на решение двух задач: создание наноструктурированной поверхности, которая обладала бы селективностью в отношении определенных классов соединений для качественного извлечения их из смесей, и оптимизацию процессов десорбции/ионизации на такой специфической поверхности под действием лазерного излучения при условии, что исследуемые молекулы не поглощают на частоте используемого лазера (337 нм).

Работы по селективному извлечению исследуемых веществ из растворов поверхностью пористого кремния были начаты нами с создания пористых подложек, модифицированных анион- и катионобменными функциональными группами. Это позволило путем ионнообменной адсорбции закреплять на поверхности ионизационной подложки исследуемые молекулы, которые могут быть переведены в ионную форму в растворе.

Как было показано на примере красителя метиленового голубого (МГ), в результате ионнообменного закрепления образца на поверхности пористого кремния (ПК), модифицированного сульфогруппами (ПК-SO3MB), полученные масс-спектры почти полностью свободны от осколочных ионов исследуемых молекул, в отличие от непосредственного нанесения красителя на исходную ПК-Н и окисленную ПК-ОХ поверхность пористого кремния (рис. 7).

При использовании функционализованного ПК было также установлено, что модификаторы позволяют создавать ионизирующие подложки, с помощью которых в ходе масс-спектрометрического эксперимента можно контролировать доступность протоно- и электронодонорных центров поверхности. То есть, возможно исследовать процессы переноса заряда (протон, электрон) при анализе исследуемых веществ, которые проявляют окислительно-восстановительные свойства. [46]. Мы полагаем, что в дальнейшем использование ПК для десорбционной масс-спектрометрии позволит расширить количество изучаемых методом DIOS низкомолекулярных веществ, которые могут быть закреплены на поверхности не только методом ионнообменной адсорбции, но и за счет более широкого круга селективных взаимодействий «модификатор–исследуемое вещество».

Изучение природы влияния наноструктурированной поверхности на процессы десорбции/ионизации основывается на том, что во-первых, не все пористые материалы проявляют SALDI-активность, а лишь графит, пористые германий и кремний (среди металлов были исследованы только наночастички золота), а во-вторых, как было установлено в наших экспериментах, обязательным требованием к ПК является не только существование наноразмерных образований на поверхности, но и резкое снижение теплоотвода в подложку при ее лазерном облучении. Кроме того, эффективные подложки должны обладать высокой поглощающей способностью в ультрафиолетовом диапазоне. На примере DIOS пиридоксина на поверхности квантовых точек Si/Ge, ПК и полированного кремния было показано, что элементарные стадии процессов десорбции и ионизации зависят oт количества энергии, переданной материалу подложки [47]. Принимая во внимание, что основным фактором, приводящим к ионизации адсорбированной молекулы, является наличие локальных электрических и электромагнитных полей вблизи наноструктурных особенностей поверхности, можно сделать вывод, что именно процесс десорбции зависит от эффективности передачи энергии материалу подложки. Таким образом, процессы десорбции/ионизации исследуемого вещества на наноструктурированной поверхности разделять нецелесообразно, а следует влияние локальных полей и температуры подложки рассматривать как результат совокупного воздействия на десорбируемую молекулу.



Рис. 7. DIOS масс-спектры красителя МГ на исходном пористом кремнии ПК-Н (а), окисленном пористом кремнии ПК-ОХ (б), модифицированном пористом кремнии ПК-SO3MГ (в).

В дальнейших экспериментах нами были сделаны попытки соединить ПК с наночастицами золота (ПК-Au) для получения эффективной десорбции/ионизации образца при более низких значениях мощности облучения за счет возникновения поверхностных плазмонов в частицах металла. Было обнаружено снижение порогового значения энергии лазерного облучения, необходимого для получения масс-спектров исследуемых молекул.

Было также установлено, что частички золота могут конкурировать за электроны с молекулами образца, подавляя тем самым процесс востановления редокс-активных веществ, как это было показано на примере МГ (рис. 8).

На основании экспериментальных данных по методам SALDI можно сделать вывод о том, что безматричная лазерно-десорбционная масс-спектрометрия за последние десять лет пополнила свой арсенал по крайней мере двумя перспективными материалами– пористым кремнием и графитом и продолжает развиваться в направлении создания новых наноструктурированных материалов для решения задач химии поверхности.

Рис. 8. Масс-спектры метиленового голубого на поверхности ПК-Au (а) и на окисленном пористом кремнии (б).

Изучение адсорбции компонентов желчи методом DIOS В качестве иллюстрации применения метода DIOS к изучению биологически активных молекул ниже приведены результаты исследования компонент желчи, качественное и количественное определение которых в составе биологических жидкостей может служить показателем для диагностики патологических состояний организма. Это натриевая соль таурохолевой кислоты (TCNa), которая является поверхностно-активным веществом и отвечает за солюбилизацию в организме нерастворимых соединений, и билирубин, в избыточных количествах проявляющий нейро- и гепатотоксическое действие.

Формулы таурохолата натрия и билирубина и структура поверхности ионизационной положки приведены на рис. 9.

Адсорбцию таурохолевой кислоты и билирубина проводили при комнатной температуре путем помещения модифицированных образцов ПК в раствор исследуемого вещества аналита). Через 30 мин образцы извлекали, промывали этиловым спиртом и высушивали на воздухе. В качестве ионизационных подложек для измерения методом DIOS были использованы «свободные слои» ПК с различной природой поверхностного слоя, полученные методом анодного травления полированных с обеих сторон пластин кремния. Поверхность свежеполученного ПК (PS-H) покрыта силановыми группами SiHx (x=1…3). Для получения образцов ПК с гидроксилированной поверхностью их окисляли путем обработки смесью H2O2 и H2SO4 в соотношении 3:7 по объему в течение 15 мин при 90 оС, а затем тщательно промывали водой. Поверхность полученных образцов (PSOX) не содержит силановых групп, а толщина оксидного слоя, определенная методами гравиметрии и ИК-интерферометрии, составляет примерно 0,7 нм при удельной поверхности 200 м2/г.

Адсорбцию на поверхности ПК проводили с учетом химических свойств исследуемых веществ. МС анализ образцов ПК показывает, что в случае билирубина в спектре наблюдается интенсивный пик c m/z = 607,7, который отвечает однозамещенной натриевой соли [M+Na]- и малоинтенсивный фрагментный пик с m/z = 580,5, отвечающий фрагменту [M+Na – C2H3]-. Полученные масс-спектры свидетельствует о том, что на поверхности модифицированного ПК происходит хемосорбция билирубина и мономера таурохолата натрия, а десорбция/ионизация проходит по месту химической связи.

HOOC COOH

Рис. 9. Компоненты желчи: а – таурохолевиая кислота; б – билирубин; в – ионизационная подложка, использованная для масс-спектрометрического исследования и г – DIOS масс-спектр билирубина в режиме детектирования отрицательных ионов с поверхности ПК, модифицированного группами –(CH2)3N(CH3)2C18H37+Cl.

Новые возможности применения пористого кремния к десорбционной массспектрометрии растворов Упоминавшиеся выше методы матрично-активировнной лазерной десорбции/ионизации МАЛДИ (MALDI, Matrix-assisted laser desorption/ionization) и бомбардировки быстрыми атомами ББА (FAB, Fast atom bombardment) относятся к матричным методам десорбции/ионизации в масс-спектрометрии. Их различие состоит в том, что в случае ББА десорбция индуцируется бомбардировкой высокоэнергетическими частицами (нейтральными атомами Ar, Xe) либо ионами (например, Cs+, (CsI)nCs+), в случае же МАЛДИ – лазерным излучением (чаще всего это азотный лазер с длиной волны излучения 337 нм и длительностью импульса в несколько наносекунд). Кроме того и это существенно для дальнейшего, эти методы различаются тем, что для них матрицы выбираются в различных агрегатных состояниях. В случае МАЛДИ это, как правило, органические кислоты, находящиеся при комнатной температуре в твердом состоянии, а для ББА – труднолетучие жидкости, которые могут находиться в вакууме без изменения агрегатного состояния. Оба метода используются для анализа веществ, пренадлежащих к самым различным классам химических соединений, и особенно эффективны в приложении к биомолекулам.

В методе ББА ионы аналита генерируются из капли раствора объемом в несколько микролитров. Наиболее распространенными матрицами в ББА являются глицерин, тиоглицерин и м-нитробензиловый спирт, но используются также и другие. При бомбардировке исследуемого раствора происходит прямая ионизация, т. е. в вакуум перемещаются уже существующие на поверхности ионы молекул (или кластеров). Это характерно для большинства неорганических и органических солей, сильных оснований и кислот.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 9 |