Ионизация электронным ударом

Особое положение среди методов ионизации органических веществ занимает ионизация электронным ударом. Основными достоинствами этого метода являются надежность и универсальность. Кроме того, в су­ществующих компьютерных библиотеках масс-спектров Wiley и NIST используются именно спектры электронного удара. Теории масс-спектрометрического распада и подходы к интерпретации спектров так­же базируются, в основном, на первоначальном образовании молекуляр­ного катион-радикала в результате электронной ионизации.

Название метода ионизации - электронный удар - несколько не со­ответствует действительности. Реального удара электронов по молекуле не происходит. Электрон, пролетая вблизи молекулы, возбуждает ее электронную оболочку, в результате чего собственные электроны моле­кулы перемещаются на более высокие орбитали и могут выйти за гра­ницы действия ядерных сил. В связи с этим в последнее время термин «электронный удар» все чаще, особенно в англоязычной ли­тературе, заменяется терми­ном «электронная ионизация».

Пучок электронов гене­рируется катодом (проволока или пластина из рения или вольфрама) и ускоряется по­тенциалом 12-70 В по направ­лению к аноду. Ве­щество в газовой фазе при давлении

10^-5 -10^-6мм рт. ст. Процесс ионизации формально можно представить уравнением

Принципиальная схема

источника электронного удара:

1- катод; 2 - анод; 3 – отверстие

для ввода образца; 4 – выталкивающий электрод

М + е = М^+.+ 2е^-

В результате образуется молекулярный ион М^+.. Это нечетно-электронный ион, т. е. катионрадикал.

Эффективность ионизации, как правило, очень низкая. Фактиче­ски ионизируется не более 0,01% молекул. Вероятность ионизации для каждого вещества имеет характеристическое значение, называе­мое сечением ионизации.

Важным параметром ионизации является энергия ионизирующих электронов. В большинстве случаев количество ионизированных мо­лекул достигает максимума при энергиях электронов около 50 эВ. Стандартные масс-спектры электронного удара принято снимать, ис­пользуя ионизирующие электроны с энергией около 70 эВ, что объ­ясняется достигаемой при этом достаточно высокой эффективностью ионизации и стабильностью получаемого масс-спектра.

В процессе ионизации молекулярный ион получает избыточную внутреннюю энергию в диапазоне 0-20 эВ. Эта избыточная энергия равномерно распределяется по всем связям, причем превышение энергии какой-либо связи приводит к ее разрыву с отщеплением ней­трального фрагмента и образованием осколочного иона. Минималь­ная энергия ионизирующих электронов, при которой в масс-спектре помимо молекулярного будет регистрироваться осколочный ион, на­зывается энергией появления данного иона. Чем выше энергия ио­низирующих электронов, тем большее число направлений распада молекулярного иона реализуется. При этом, если избыточная энергия осколочного иона остается высокой, могут идти вторичные процессы его дальнейшего распада. Так как различия в энергии появления ос­колочных ионов незначительны, даже небольшие изменения энергии ионизирующих электронов могут привести к существенным измене­ниям в масс-спектре.

Наряду с однозарядными ионами при ионизации молекул обра­зуются и многозарядные. Количество многозарядных ионов сущест­венно меньше, чем однозарядных; оно зависит, в первую очередь, от структуры молекул и от условий ионизации.

В некоторых случаях, когда необходимо увеличить интенсив­ность пика МГ', используют ионизирующие электроны с энергией 12-20эВ. В этих условиях возрастает только относительная интен­сивность пика М4"* и пиков так называемых перегруппировочных ио­нов по отношению к интенсивности пиков осколочных ионов, тогда как абсолютная интенсивность всех пиков в спектре падает. Кроме того, в таких случаях не реализуются многие направления фрагмен­тации, что приводит к потере определенной части получаемой ин­формации. Однако следует помнить, что если пик молекулярного иона отсутствует в масс-спектре, полученном при энергии иони­зирующих электронов 70 эВ, его не будет и при меньшей энергии электронов. В этом случае можно утверждать, что молекулярный ион данного соединения нестабилен. Следует подчеркнуть, что не­стабильными ионами в условиях электронного удара характеризуется значительное число органических соединений, что является сущест­венным недостатком данного метода ионизации.

Поскольку давление в ионном источнике электронного удара со­ставляет Ю^-КГ3 мм рт. ст., а образец можно нагревать до несколь­ких сотен градусов, в газовую фазу переходят многие органические соединения. Однако для анализа термолабильных, труднолетучих и высокомолекулярных соединений метод ионизации электронным ударом не пригоден. Кроме того, в масс-спектрах, полученных с ис­пользованием ионизации электронным ударом, пик молекулярного иона имеет низкую интенсивность или вообще отсутствует. Широкий разброс ионизирующих электронов по энергиям не позволяет с дос­таточной точностью определять характеристики молекул и ионов (энергии появления и ионизации). Это основные недостатки метода электронного удара, работа над устранением которых привела к соз­данию целого ряда альтернативных методов ионизации.