авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

ФИЗИКО-ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ

_

УДК 543.226

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ

СИСТЕМ

В.А.

Покровский

Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины,

ул. Генерала Наумова, 17, Киев, 03164, Украина

Рассмотрены специфические технические и научные проблемы масс-спектрометрии, возникающие и решаемые при исследовании наноструктурированных систем. Под этим углом зрения проведен краткий анализ тенденций развития метода и приложений масс спектрометрии в мире и в Украине. Обозначены наиболее впечатляющие достижения в этой области на протяжении последних десятилетий. Приведен краткий обзор результатов, кото рые получены украинскими исследователями, активно использующими различные разновидности масс-спектрометрии для решения задач химии поверхности, катализа, супрамолекулярной хи мии, биологии и охраны окружающей среды. Особое внимание уделено методам температурно программированной десобционной и лазерной десорбционно-ионизационной масс-спектрометрии наноматериалов на основе кремния.

Краткий очерк истории масс-спектрометрии Создание современной масс-спектрометрии принято связывать с именем Дж. Дж. Томсона, знаменитого физика-экспериментатора конца девятнадцатого – начала двадцатого века, который много сделал для становления современной физики в том виде, в котором она ныне существует. Он стал лауреатом Нобелевской премии по физике г. «в ознаменование огромного значения его теоретических и экспериментальных иссле дований электропроводности газов». За этой осторожной формулировкой Нобелевского комитета скрываются, в частности, доказательство существования электрона и прямое экспериментальное наблюдение изотопов. Для разделения изотопов Томпсоном был специально изобретен так называемый «метод парабол», позволивший непосредственно наблюдать и регистрировать изотопы инертных газов, образующиеся в газоразрядной трубке, которую, таким образом, следует считать родоначальницей всех современных масс-спектрометров. Следует отметить, однако, что с конструктивной точки зрения уст ройство Томсона имело мало общего с ныне используемыми приборами.

Честь сделать следующий крупный шаг в развитии масс-спектрометрии принад лежит Ф. В. Астону. В 1919 г. на чердаке собственного дома из подручных материалов ему удалось сконструировать и изготовить прибор, который уже содержал основные элементы современных масс-спектрометрических (МС) устройств. Это предопределило успех прибора и позволило получить фундаментальные результаты в исследовании изо топов. Нобелевский комитет на сей раз осознал важность проводимых МС исследований и присудил Астону Нобелевскую премию по химии 1922 г. «за открытие, с помощью его масс-спектрографа, изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и закона це лых чисел».

Таким образом, масс-спектрометрия первоначально возникла и далее существова ла на границе физики и химии и в качестве метода исследования внесла существенный вклад в обе эти дисциплины. Такое положение сохранилось и до настоящего времени, хотя сфера применений метода не только расширилась и в физике, и в химии, но широко Поверхность. 2010. Вып. 2(17). С. 63–93 распространилась на многочисленные области фундаментальных и прикладных исследо ваний, результаты которых оказались особенно значительными в биологии, биохимии, медицине и охране окружающей среды. Что касается технологии и промышленности, то в настоящее время практически не существует области, где масс-спектрометрия не игра ла бы значительной роли, заняв в мировом аналитическом приборостроении второе ме сто по объему продаж (после хроматографии) и продолжая наращивать свой относитель ный вклад.

Современный исследовательский масс-спектрометр претерпел со времени Астона существенное усложнение и теперь, в общих чертах, выглядит следующим образом (рис.1). Прибор включает в себя минимум семь элементов (часто больше), из которых подготовка пробы и интерфейс ввода функционируют при атмосферном давлении, как и система обработки данных, включающая компьютер и библиотеку масс-спектров. Все остальные события происходят в вакууме. Изучаемое вещество, подготовленное к анали зу тем или иным способом, помещается в ионный источник, где молекулы, подлежащие исследованию, превращаются в ионы, которые затем фокусируются в пучок, пригодный для разделения по массам. Процесс разделения пучка ионов на компоненты с различны ми массами происходит в анализаторе масс, для которого изобретено и используется множество разнообразных конструкций. Разделенный по массам сигнал регистрируется, как правило, ионно-электронным умножителем с последующим накоплением сигнала. В качестве примера аналитических возможностей такого прибора на рис. 1 приведен масс спектр бычьего сывороточного альбумина, включающий помимо молекулярного иона (М67 kDa) еще и следовые количества бимолекулярного иона-ассоциата с удвоенной молекулярной массой 2М, а также двух- и трехзарядные ионы БСА с кажущимися мас сами М/2 и М/3.

1 2 3 4 5 6 Вакуум Отн. ед. Масс-спектр БСА Пробоподготовка 1.

Интерфейс ввода 2. Масс-спектр Ионный источник 3.

Фокусировка 4.

Масс-анализатор 5.

Регистрирация 6.

Обработка 7.

Рис. 1. Современный исследовательский масс-спектрометр. Справа внизу масс-спектр бычьего сывороточного альбумина (БСА).

Таким образом, современное исследовательское МС оборудование включает не сколько составных частей, сопоставимых по стоимости, и оценивается дорого (от сотен тысяч до миллионов долларов). Регулярно делаются попытки его радикального удешев ления. Но это возможно только за счет уменьшение числа элементов и, соответственно, функций прибора, т. е. его узкой специализации, что целесообразно лишь при включении в технологические линии и промышленные установки.



Для исследовательских целей такая специализация совершенно неприемлема, так что в аналитическом приборостроении следует ожидать дальнейшего усложнения и удо рожания МС установок – тенденция, установившаяся со времен Астона. А для того, что бы применение столь дорогостоящего оборудования было оправданным, решаемые с его помощью задачи должны носить фундаментальный и общезначимый характер либо оку паться коммерческой выгодой.

Для примера на рис. 2 схематически показано, как с помощью МС техники произ водится секвенирование пептидов и других биологически важных соединений.

Тандемная масс-спектрометрия (МС/МС техника) в сочетании с высокоэффектив ной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ) и матрично-активированной лазерно десорбционной ионизацией (МАЛДИ) КС ВЭЖХ ИИ МС 1 МС 2 ПК И+Ar Вакуум Ar Лазер Хроматограмма Первичный Вторичный Cеквенирование масс-спектр масс-спектр пептида Рис. 2. Устройство прибора для секвенирования пептидов (слева направо): 1- высокоэф фективный жидкостный хроматограф, 2-ионный источник, 3-первый масс спектрометр, 4-камера соударения, 5-второй масс-спектрометр, 6-персональный компьютер и библиотека масс-спектров, 7-напуск аргона.

Смесь биологически активных молекул, например пептидов, предварительно раз деляется на компоненты высокоэффективным жидкостным хроматографом. Отдельная фракция смеси, соответствующая индивидуальному пептиду, идентифицируется по пику хроматограммы, и затем через систему ввода пробы поступает в ионный источник ваку умной камеры МС установки на анализ. Под воздействием импульсного лазерного излу чения происходит ионизация индивидуального пептида, сопровождаемая его фрагмента цией. Первый масс-анализатор позволяет выделить, зарегистрировать и идентифициро вать молекулярный ион отобранного для исследования пептида и его стабильные фраг менты. Отобранный для секвенирования компонент масс-спектра, первичный ион фрагмент, поступает в камеру соударений, где испытывает столкновения с атомами ар гона, предварительно введенными в камеру в регулируемом количестве. Проходя через камеру соударений, первичный ион-фрагмент колебательно возбуждается за счет соуда рений с атомами аргона, причем степень этого возбуждения может регулироваться дав лением аргона в камере. В результате колебательных возбуждений первичный ион фрагмент распадается в свою очередь, а результаты его распада фиксируются вторым масс-анализатором. Во вторичном масс-спектре отсутствуют все линии, не относящиеся к первичному иону-фрагменту, а содержатся только ионы, соответствующие последова тельному отщеплению от него аминокислот. Закономерности фрагментации пептидов в вакуумной камере масс-спектрометра давно и хорошо изучены (см., напр., [1]), что по зволяет установить по спектру фрагментов аминокислотную последовательность пепти дов значительной длины непосредственно из масс-спектра, без их предварительного мо дифицирования. Массовое применение этого и подобных ему МС методов позволило провести расшифровку генома человека, что явилось выдающимся достижением масс спектрометрии и послужило основой многих направлений фундаментальных исследова ний в таких областях биологии и биохимии, как протеомика, гликомика, метаболомика и многих других.

Одним из наиболее значительных достижений последних лет в развитии техники МС эксперимента явилась разработка принципиально нового вида масс-анализатора – орбитальной ионной ловушки, получившей название «Orbitrap» [2]. Автором этой разра ботки является наш бывший соотечественник, выпускник МИФИ А.А. Макаров. История создания этого анализатора является классическим примером научно-коммерческого ус пеха: начав с фундаментальных академических разработок и опытных образцов, Мака ров смог добиться внедрения соответствующих приборов в производство на одной из ведущих зарубежных фирм-производителей МС оборудования – «Thermo Fisher Scientific» в 2005 г. В настоящее время он является руководителем научно исследовательского подразделения этой фирмы, а количество выпускаемых приборов с новым масс-анализатором по состоянию на 2009 г приближается к тысяче.

За свою разработку А.А. Макаров удостоен ряда почетных наград, среди которых медаль К. Бимана Американского МС общества и медаль Всероссийского МС общества «За заслуги в развитии российской масс-спектрометрии». На 18-й Международной МС конференции 2009 г. в Бремене медаль имени К. Брюнне (выдающегося разработчика МС техники фирмы Finnigan) была вручена Макарову самим К. Брюнне. Специальный выпуск журнала Американского МС общества «Journal of the American Society for Mass Spectrometry» посвящен современным исследованиям, в которых используется масс анализатор, предложенный Макаровым.

В основе действия орбитальной ионной ловушки лежит захват и удержание заря женных частиц электростатическим полем. В масс-анализаторе «Orbitrap» ионы враща ются вокруг электрода специальной сферической формы, осциллируя вдоль оси враще ния с частотами, соответствующими отношению их массы к заряду m/z. Масс-спектр по лучают путем Фурье-преобразования сигналов, поступающих на детектор. Коммерче ский успех приборов, сконструированных на этой основе, в молекулярно-биологических исследованиях обусловлен сравнительной простотой, надежностью и высокой произво дительностью такого анализатора в сочетании с высокой разрешающей способностью, а также возможностью его сопряжения с современными источниками ионов, использую щими явление распыления растворов в вакуум (Electrospray ionization, ESI). С этим спо собом разделения ионов по массам связаны надежды на создание, в конечном итоге, прибора, который совмещал бы возможности, предоставляемые современными высоко классными масс-спектрометрическими установками для биохимических и биомедицин ских применений метода, с высокой производительностью и относительной дешевизной получаемых результатов. Это позволило бы вывести масс-спектрометрию биомолекул на каче ственно новый уровень, облегчить доступ к современным методам исследования и существенно расширить сферу ее применений. Время покажет, оправданы ли эти надежды.

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 масс спектрометрия перестала представлять значительный собственно научный интерес. И хотя в последние десятилетия периодически публикуются работы, призванные реаними ровать 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 наи более 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 ак тивным 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 об разом, чтобы минимизировать фрагментацию и получить в масс-спектре мономолеку лярный или протонированный ион в количествах, достаточных для последующих иссле дований. Традиционные «ударные» методы ионизации требуют предварительного пере хода молекул в газовую фазу без разложения. Это далеко не всегда возможно для орга нических молекул, а для биологически активных молекул возможно лишь в редчайших случаях. Но даже и тогда, когда переход в газовую фазу без разложения возможен, нахо дящаяся в газовой фазе молекула в процессе ионизации испытывает электронные и коле бательные возбуждения под воздействием ионизирующего агента, например, бомбарди рующего электрона. Последствия такого удара приводят к глубокой фрагментации обра зовавшегося иона и к необратимой потере сведений об его первоначальной структуре.

Эта проблема была решена в дальнейшем применением «мягких» способов де сорбции/ионизации. Наиболее эффективными методами такого рода оказались методы полевой ионизации и полевой десорбции (ПИ/ПД), вторично-ионной масс спектрометрии (ВИМС), бомбардировки быстрыми атомами (ББА) и др. В этом ряду ис ключительное место заняли ионизация распылением в вакуум (ESI, electrospray ionization) и матрично-активированная лазерная десорбционно-ионизациионная масс спектрометрия (МАЛДИ МС, matrix-assisted laser desorption/ionization, MALDI). За соз дание 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 от дать должное эрудиции и проницательности А. И. Бродского за выбор именно такого пу ти развития масс-спектрометрии, который впоследствии оказался наиболее продуктив ным. 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 десорб ции для нужд физико-химических исследований. Эти работы были проведены в Инсти туте 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 масс спектрометрии, мотивируя это тем, что не принимал непосредственного участия в экспе риментальной работе. Он высоко оценивал первые полученные результаты и настаивал на их опубликовании в ДАН СССР. Не будучи академиком АН СССР, он не мог пред ставить 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 химиче ских задач с помощью МС методик были к концу 70-х годов описаны в фундаменталь ной монографии Беки [8], а основные результаты работы, проделанной в Институте фи зической химии АН УССР, изложены в монографиях [9,10]. Обзор работ по полевой ио низации 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 ак тивных 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 молекулярно биофизических 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 масс спектрометрии, предназначенный для изучения термодинамических параметров межмо лекулярных 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 темпе ратурно-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 разви ваться 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], созда ние графитовых эмиттеров для полевой десорбции [18], установление молекулярных ме ханизмов действия ряда противоопухолевых, антимикробных и антималярийных препа ратов, развитие фундаментальных основ десорбционной масс-спектрометрии [19, 20]. В последнее время заведующим отделом молекулярной биофизики ФТИНТ В.А. Карачевцевым инициировано приложение масс-спектрометрии к нанотехнологиче ским задачам, таким как разработка наноматериалов для использования в биосенсорах и других наноустройствах [21]. Часть этих исследований проводится в творческом содру жестве ученых ФТИНТ и ИХП НАН Украині [22].

Температурно-программированная десорбционная масс-спектрометрия По инициативе А. А. Чуйко, основателя Института химии поверхности НАН Ук раины, с момента создания Института были начаты работы по температурно программированной 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 десорби руемых продуктов как функции времени при заданном законе изменения температуры образца. Анализ литературы показывает, что наибольшие успехи, достигнутые к настоя щему 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 большинст ве 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 поликристалличе ском либо аморфном состоянии, обладающие к тому же наноструктурными особенно стями.





Основная трудность, возникающая при интерпретации результатов ТПД экспери мента в отношении систем подобного рода, состоит в недостатке модельных представле ний, адекватно отражающих детали десорбционных процессов на их поверхности. В ряде обзоров [26–30], которые посвящены реакциям, происходящим на однородных поверх ностях, в частности на гранях монокристаллов, было показано, что даже в простейших случаях адекватное описание кинетики соответствующих процессов требует привлече ния 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 поверхно стью, 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 нано систем с биологически активными молекулами.

И в экспериментальном плане последние десятилетия убедительно продемонст рировали высокую эффективность различных видов десорбционной масс-спектрометрии в изучении адсорбированных биологически активных молекул, но в основном при ис пользовании просто и регулярно организованных подложек, таких как монокристаллы, поверхности жидкостей, пленки Ленгмюра–Блоджетт и т.д. В отношении же систем, со ставляющих 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, нанок ластеров, 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 на стоящего времени известно крайне немного успешных МС исследований биологически активных молекул, размещенных на поверхности наноструктурированных матриц. Глав ная 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 масс спектрометра представляют значительную проблему, однако могут быть обнаружены и учтены путем варьирования температурных параметров эксперимента.

Следует также особо отметить фундаментальную аналогию, существующую меж ду методами ТПД МС и термического анализа. Характерной особенностью образцов, изучаемых обычно в химии поверхности, является большая удельная поверхность (сотни квадратных метров на грамм). Адсорбционная емкость образцов подобного рода обеспе чивает десорбцию до 10-3 его массы. Это дает выигрыш в интенсивности около 105 по количеству адсорбата в сравнении с массивными образцами, и общая экспериментальная схема температурно-программированной десорбцией с образцов, обладающих столь вы сокой удельной поверхностью, становится сходной с термическим анализом, сопровож даемым МС регистрацией летучих компонент распада [31, 32]. Это сходство определяет ся тем, что в обоих случаях вещество находится в конденсированном состоянии. С одной стороны, процессы на поверхности раздела фаз, в частности термодесорбция, играют оп ределяющую роль в большинстве топохимических моделей, которые используются для интерпретации результатов, получаемых с помощью термического анализа. С другой стороны, типичная картина термического разложения адсорбционного слоя, которое со провождается многоканальными химическими реакциями, характерными для термиче ского анализа, неоднократно наблюдалась в наших экспериментах по ТПД МС.

Таким образом, термический анализ и температурно-программированная десорб ционная масс-спектрометрия в определенном смысле являются взаимно дополняющими методами и их комбинация позволяет сравнивать и перепроверять механизмы термиче ского разложения молекул как внутри твердого тела, так и адсорбированных на поверх ности высокодисперсных оксидов [31]. В нашей практике не было случая, чтобы такой сравнительный подход не принес информативных результатов.

Количественное описание термического анализа и ТПД следует основывать на теории переходного состояния. Нам удалось применить теорию переходного состояния к нескольким простым случаям химических реакций в адсорбционном слое, используя мо дели распада поверхностных комплексов [32, 33].

Подобно другим температурно-программированным методом исследования, в ме тоде ТПД МС образец нагревается обычно по линейному закону. Рост температуры осу ществляется достаточно медленно, чтобы избежать заметных температурных градиентов в образце. Обычно скорость нагрева составляет до 10 °C/мин, что обеспечивает надеж ную идентификацию летучих продуктов, выделяющихся из образца с ростом температу ры, а также позволяет отслеживать механизм неизотермического разложения поверхно стных комплексов адсорбированных молекул. Идентификация надежна, поскольку масс спектр индивидуального соединения является его “отпечатком пальца”.

После того, как продукты распада идентифицированы, а неизотермическая кине тика поверхностных реакций измерена, можно строить правдоподобные предположения относительно исходной структуры поверхностных групп, о промежуточных стадиях термического разложения и о конечном результате нагрева образца. Таким образом, по рядок реакции, предэкспоненциальный множитель и энергия активации процесса терми ческой десорбции и/или термического разложения – основные параметры, вычисляемые из экспериментальных данных, а теория переходного состояния является основным средством интерпретации характерных особенностей неизотермической кинетики.

Как отмечалось, материалы с высокой удельной поверхностью наиболее удобны для исследований методом ТПД МС, поскольку в процессе эксперимента разлагается от носительно большое количество исследуемого вещества. Реакционный объем, в котором происходит нагревание образца, должен быть открыт в направлении ионного источника масс-спектрометра, с тем чтобы диффузионными эффектами можно было пренебречь, а система напуска не должна содержать температурных градиентов, влияющих на кинети ку транспорта продуктов десорбции в ионный источник. В целом полагают, что необхо димые для правильной интерпретации условия квазистационарности выполнены, если форма и положение десорбционного пика не зависят от температуры вакуумного интер фейса, дисперсности и размера образца.

Прибор для исследования методом ТПД МС включает вакуумную установку, уст ройство для подогрева образца и его газофазного модифицирования, усовершенствован ный ионный источник для исследований методом ТПД МС, напускную систему, вакуум ное обеспечение и регистрационную систему, интерфейс ТПД МС/компьютер. Схема ТПД масс-спектрометра на основе монопольного масс-анализатора 7304А приведена на рис. 3.

В ТПД МС эксплуатация оборудования, регистрация масс-спектров и обработка результатов измерений являются простыми, удобными и эффективными, что составляет его наибольшее преимущество. В результате одного эксперимента могут быть получены около сотни термограмм и пятидесяти масс-спектров. Такое большое количество экспе риментального материала является следствием высокой чувствительности МС метода. В совокупности оказывается возможным обеспечить однозначную идентификацию лету чих продуктов термического разложения, предложить надежную интерпретацию кине тики разложения и десорбции и сделать обоснованные предположения о структуре по верхностных комплексов.

Вакуумный вентиль Масс спектрометр Кварцевая кювета ПК Трубчатая печь Нагреватель Образец Термопара Рис. 3. Прибор для исследований методом ТПД МС [25]. Диапазон масс: 1–400 Da. Раз решающая способность 1 M на 10 % высоте, обеспечиваемая прибором MX 7304A (ПО «Селми», Украина). Скорость развертки по температуре: (0.05 30) °C/мин. Верхняя граница по температуре 800 °C. Средняя продолжитель ность эксперимента 1–2 ч.

При всех достоинствах метод ТПД МС имеет также три существенных недостатка.

1. Метод является относительным, что существенно ограничивает его практиче ские аналитические применения. В разное время были предприняты многочисленные попытки сочетания ТПД МС с количественными измерениями или же введения внутрен него стандарта для калибровки интенсивности. Однако все они до сих пор не увенчались успехом, так что количественная трактовка интенсивности МС линий в рамках ТПД экс перимента может привести (и часто приводит) к серьезным ошибкам.

2. Ключевой стадией ТПД МС эксперимента является интерпретация термограмм.

Практически важные химически модифицированные наноструктурированные системы обладают интересными и неожиданными свойствами как в термической десорбции, так и в термическом разложении комплексов на поверхности, включая латеральные взаимо действия и даже фазовые переходы в адсорбционном слое. Применение разнообразных известных многопараметрических моделей к сложным системам подобного рода связано с опасностью получения согласия с экспериментальными данными только за счет варьи рования параметров и созданием иллюзии понимания процессов независимо от адекват ности модели. Так что возможности математических моделей, в том числе и той, которая представлена в работе [24], не следует переоценивать. Как справедливо указал Мензел в основополагающей работе [27], всегда необходима независимая проверка полученных параметров, что является сложной задачей для химически модифицированных наност руктурированных систем. Преимущество предложенного в работах [23–25] простого подхода состоит в том, что результаты получены в аналитической форме. Это облегчает всестороннее выяснение зависимости результатов от параметров модели и компьютер ную обработку экспериментальных термограмм, обеспечивая надежность интерпретации.

3. Особое внимание при работе с термограммами следует обращать на поведение летучих продуктов распада. На пути от образца до ионного источника масс-спектрометра молекулы проходят зоны с различной температурой, и если летучесть их недостаточна, происходит неконтролируемая реадсорбция в системе напуска. В результате, исследует ся не кинетика термических превращений в образце, а кинетика диффузии и реадсорбции продуктов термолиза в приборе, т. е. чисто аппаратурный эффект. К сожалению, подоб ные ситуации имеют место довольно часто, в особенности при работе с биологически активными молекулами.

Применение метода ТПД МС к решению конкретных задач химии поверхности ниже кратко иллюстрируется рядом характерных примеров.

Термолиз бутоксисилильных групп Были изучены образцы дисперсного кремнезема (Аэросил А-300 с удельной по верхностью около 300 м2/г) с привитыми группами O(CH2)3CH3, полученными с помо щью реакции SiOH + CH3(CH2)3OH Si-O(CH2)3CH3 + H2O, и с поверхностной кон центрацией 0,5 ммоль/г (бутосил). Изучение разложения таких групп, связанных с по верхностью кремнезема, вследствие нагрева образца или вследствие их взаимодействия с окружением представляет интерес, поскольку подобные материалы широко используют ся в химической промышленности и их стабильность весьма существенна для многих практических применений.

Исследование газообразных продуктов, выделяющихся при нагревании бутосила, производилось методом ТПД МС на установке, описанной выше (рис. 3). Образцы (0,5 – 20 мг) помещались в кварц-молибденовую кювету и откачивались до давления 10-1 Па.

Затем кювета присоединялась к напускной системе масс-спектрометра МХ-7304А. Ин терфейс «реактор/масс-спектрометр» включал высоковакуумный вентиль с отверстием диаметром 3 мм и длиной 25 см и трубку напуска пробы, которая поддерживалась при температуре 150 оС. Реакционное пространство было открыто в направлении источника ионов, так что при использовании скорости температурной развертки 0,1 °С/с и менее, наблюдающуюся интенсивность ионного тока можно было считать пропорциональной скорости десорбции во всем использованном температурном диапазоне [33].

Экспериментальное исследование разложения бутоксисилильных групп показало, что общая картина термической десорбции летучих продуктов с поверхности изученных образцов включала два максимума термической десорбции, как это показано на рис.4.

Анализ масс-спектров, полученных при температуре около 70оС, в области первого мак симума дает соотношение компонент, характерное для бутанола. Можно предположить, что наличие бутанола на поверхности объясняется остатком модификатора в процессе получения бутосила либо физической адсорбцией молекул бутанола, образовавшихся при гидролизе бутоксигрупп на поверхности. Как бы то ни было, присутствие линии при M/z 31 Dа указывает на наличие именно бутанола в качестве основного продукта терми ческой десорбции при этой температуре.

I, отн. ед Рис. 4. Термограммы компонент масс-спектра бутосила для M/z 28, 31, 41, 56 в интерва ле температур от комнатной до 600 оС.

В области около 500 оС характерная линия при M/z 31 Dа отсутствует, а остав шийся набор компонент масс-спектра однозначно подтверждает выделение 1-бутена [34]. Поскольку бутен наблюдается в высокотемпературной области в качестве основно го продукта, можно уверенно заключить, что он образуется при термической деструкции бутоксигрупп по реакции Si-O(CH2)3CH3 SiOH + CH2СHCH2CH3. Наиболее интен сивным в масс-спектре 1-бутена является пик иона-осколка при М/z = 41, который и был использован для определения кинетических параметров десорбции бутена с по форму лам работы [24].

Результаты квантовохимических расчетов на основе теории переходного состоя ния хорошо согласуются с полученными экспериментальными результатами, как это бы ло показано в работе [35], что подтверждает действенность предложенных моделей, а также иллюстрирует возможности, предоставляемые методом ТПД МС для определения механизмов реакций на поверхности наноструктурированных твердых тел.

На рис. 5 приведены результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными по разложению бутоксигрупп.

Таким образом, экспериментальное исследование разложения бутоксильных групп показало, что основным каналом этого процесса является выделение бутена с мак симумом скорости этого процесса около 500 оС, что позволяет надежно определить по рядок реакции, энергию активации и предэкспоненциальный множитель.

а б Рис. 5. а – скорости десорбции и, соответственно, значения интенсивности ионного тока бутена, рассчитанные по формулам (5) работы [24] для первого, второго и третьего порядков реакции;

б – экспериментальная температурная зависимость интенсивности пика бутена, определенная по линии М/z 41 Dа. Очевидно, что реакция образования бутена идет по первому порядку.

ТПД МС воды с поверхности высокодисперсных оксидов Содержание различных форм воды, адсорбированной на поверхности наноокси дов и пористых оксидных адсорбентов (исходных и химически или адсорбционно моди фицированных), активированных углей и пористых полимеров было изучено методом однопролетной ТПД МС (давление в камере ~107 Па, навеска образца 5–7 мг, скорость нагрева 2 К/с, при расстоянии ~0,5 см между образцом и детектором) с помощью время пролетного масс-спектрометра MC-3 (ПО «Сэлми» Сумы, Украина, чувствительность 1,65107 А/Па, напряжение ускорения 0,5 кВ, частота пульсации 3 кГц,) [36].

Содержание воды, молекулярно и диссоциативно адсорбированной на поверхно сти адсорбентов, зависит от природы поверхности и температуры подготовки и может изменяться в широких пределах: от нуля до десяти и более процентов. Распределение молекулярно адсорбированной воды по поверхности пористых или непористых частиц зависит как от природы этой поверхности, так и от текстурных характеристик материала.

На поверхности нанокремнезема молекулы воды образуют кластеры вблизи сила нольных групп, не формируя сплошного покрытия даже при C H2O 20 %мас., так как их взаимодействие с силоксановыми связями энергетически невыгодно, свидетельствует о гидрофобности мостиков Si-O-Si. Однако, например, на пирогенном ТiО2 образуется сплошной слой воды уже в обычных условиях, так как концентрация гидроксильных групп на нем значительно выше, чем на нанокремнеземе – на поверхности отсутствуют гидрофобные участки. В случае смешанных оксидов (TiO2/SiO2, Al2O3/SiO2 и особенно TiO2, нанесенного методом наслаивания (CVD) на пирогенный SiO2), адсорбированная в молекулярной форме вода локализуется преимущественно на границах раздела оксидных фаз. Эти особенности распределения адсорбированной воды отражаются в десорбцион ных термограммах. Ассоциативная десорбция воды с поверхности диоксида титана и смешанных оксидов происходит в основном при более низкой температуре и с меньшей энергией активации, чем в случае кремнезема. После получасовой регидратации тех же образцов десорбционные пики смещаются в область низких температур, что обусловлено меньшей энергией активации десорбции молекул из больших кластеров воды (молеку лярная десорбция) или с участием близко расположенных групп МОН и МО(Н)М (ассоциативная десорбция), так как на начальной стадии адсорбции образуются остров ковые структуры на поверхности и молекулы воды не успевают диффундировать в объем наночастиц. Вакуумирование при комнатной температуре приводит к удалению значи тельного количества адсорбированной воды: – более 60 % с кремнезема, более 80 % с диоксида титана и более 90 % с титанокремнезема [36]. Эти различия обусловлены вели чинами C H2O и соотношениями молекулярно и диссоциативно адсорбированной воды на разных оксидах (природа поверхности которых и определяет указанные параметры), а также и тем обстоятельством, что при вакуумировании без нагревания удаляется в ос новном молекулярно адсорбированная вода.

Для анализа ТПД МС данных была разработана специальная компьютерная про грамма на основе методов регуляризации, сингулярного разложения функций и макси мальной энтропии, позволяющая рассчитать функции распределения по энергии актива ции десорбции с поверхности твердых тел для различных соединений. Была также раз работана программа расчета констант скоростей на основании теории РРКМ, исходя из теоретических данных квантовохимическиих расчетов сечений поверхности потенци альной энергии, статистических сумм в предреакционном и переходном состояниях.

Данные, полученные с помощью разработанных программ, хорошо согласуются с кон стантами скоростей, рассчитанными из экспериментальных данных [36]. Поведение раз личных форм воды на наноструктурированных поверхностях подробно описано в обзоре [37] и монографии [38].

ТПД МС нанокомпозитов на основе БСА, глюкозы и фруктозы Для иллюстрации применения ТПД МС к нанокомпозитам на основе высокодисперсного кремнезема, модифицированного БСА, на рис. 6 приведен набор термограмм для термолиза БСА в кристаллическом и адсорбированном на поверхности кремнезема состояниях [31].

а б Рис. 6. Набор ТПД МС термограмм БСА в твердой фазе (а) и адсорбированного на по верхности высокодисперсного кремнезема (б) для компонент масс-спектра: M/z 17 (ОН+), 28 (CO+), 34 (H2S+), 56 (C4H8+).

Как можно видеть из сравнения термограмм, после адсорбции общая картина термического разложения адсорбированного на пирогенном кремнеземе БСА изменяется незначительно в сравнении с термолизом БСА в твердой фазе, сохраняя свои характер ные особенности. Основные продукты и фазы разложения твердофазного БСА могут быть использованы для понимания и описания неизотермической кинетики превращений белка, входящего в состав нанокомпозитов. Наблюдается, однако, одно исключение – температурная зависимость компоненты M/z 34, соответствующей молекулярному иону сероводорода H2S+, происхождение которого обусловлено термическим разложением входящих в состав белка серусодержащих аминокислот.

Разложение белка начинается в обоих случаях с выделения молекулы сероводоро да в газовую фазу при температуре около 180 оС. Узкая форма термограммы для твердо фазного состояния (по сравнению с адсорбированным состоянием БСА) указывает на важную роль и кооперативный характер процессов тиол-дисульфидного обмена в термо лизе твердой фазы БСА. Эти вопросы обсуждались в работе [39], равно как и роль водо родных связей и молекул воды в образовании белковых олигомеров.

Таким образом, на основании данных ТПД МС можно утверждать, что адсорбция на поверхности наноразмерного кремнезема изменяет неизотермическую кинетику обра зования и выделения H2S, снижая кооперативные эффекты в межмолекулярных взаимо действиях адсорбированных молекул белка в сравнении с твердофазным образцом, а также позволяет оценить степень этого влияния по форме термограммы.

Методом ТПД МС были также исследованы нанокомпозиты на основе высоко дисперсного кремнезема, глюкозы и фруктозы с целью определения и оптимизации их биологической активности, определяемой по воздействию на эритроциты. В состав оли госахаридных цепей поверхности эритроцитов входят глюкоза, галактоза, фукоза и ряд аминосахаров, которые являются терминальными углеводами рецепторов клеточной по верхности высших животных и участвуют, таким образом, в процессах распознавания.

Фруктоза, в отличие от глюкозы, в их число не входит. Оба исследованных сахара сход ны по строению и не адсорбируются на ВДК. Для их закрепления на поверхности был в качестве модификатора использован БСА, предварительно адсорбированный на высоко дисперсном кремнеземе. Это дало возможность синтезировать и исследовать композиты состава (ВДК+БСА+глюкоза) и (ВДК+БСА+сахароза). Спектрофотометрические изме рения подтвердили присутствие каждого из сахаров в адсорбционном слое обоих синте зированных нанокомпозитов.

Как можно было ожидать, образец, содержащий глюкозу, проявил гораздо большую биологическую активность в сохранении эритроцитов по сравнению с композитом, содержащим фруктозу, a также в сравнении с контрольным образцом ВДК+БСА, вообще не содержащим сахара. При этом никаких следов термического разложения сахаров в масс-спектрах не обнару жилось. Это означает, что, хотя молекулы сахаров и присутствуют в адсорбционном слое, меха низмы их термических превращений отличны от твердофазного термолиза, вследствие чего ле тучие продукты их термического разложения не образуются и не наблюдаются.

При этом картина разложения белка существенно различается для каждого из приведенных нанокомпозитов. В случае адсорбции фруктозы картина разложения БСА по форме и локализации максимумов десорбции совпадает с приведенной на рис. 6, б, т.е. фруктоза не влияет на механизм термического разложения белка. В случае же ад сорбции глюкозы картина термодесорбции БСА изменяется радикальным образом. Мак симумы искажаются и смещаются в сторону высоких температур. На термограммах на блюдаются лишь размытые пики, соответствующие выделению H2S, а остальные макси мумы, соответствующие термолизу белка, отсутствуют.

Таким образом, установлено, что образование адсорбционных комплексов с БСА изменяет механизм термического разложения сахаров в сравнении с их твердофазным термолизом. Показано также, что механизмы термолиза адсорбционных комплексов са хар+БСА на поверхности наноразмерного кремнезема различны для биологически ак тивных (содержащих глюкозу) и менее биологически активных (содержащих фруктозу) нанокомпозитов.

Отсутствие летучих продуктов разложения сахаров в синтезированных образцах не позволяет выяснить в деталях причины наблюдаемых различий, коорелирующих с биологической активностью синтезированных нанокомпозитов. Здесь сказывается прин ципальная ограниченность метода ТПД МС, оперирующего лишь с летучими продукта ми разложения, и следует привлекать дополнительные методические возможности, в ча стности, предоставляемые методами МАЛДИ МС, примеры использования которых приведены в следующем разделе.

Подводя промежуточный итог, можно констатировать, что данные, полученные с помощью ТПД МС, полезны в установлении корреляций между особенностями адсорб ции биомолекул на поверхности носителя и биологической активностью синтезирован ных нанокомпозитов. Возможности метода не всегда позволяют определить детали структуры адсорбционных комплексов и природу обнаруженных корреляций, но указы вают пути их дальнейшего исследования.

Масс-спектрометрия с использованием лазерной десорбции/ионизации По инициативе и при активной поддержке А.А. Чуйко в Институте химии поверх ности НАН Украины, было приобретено необходимое оборудование и начаты работы по решению проблем химии поверхности наноразмерных систем МС методами, исполь зующими матрично-активированную и безматричную лазерно-десорбцонную ионизацию (МАЛДИ и ЛДИ). Ниже приведен ряд результатов, полученных этими методами при ис следовании наноструктурированных систем различной природы и строения.

Использование монокристаллического, пористого и модифицированного пористого кремния для лазерной десорбции/ионизации Развитие упоминавшегося выше метода МАЛДИ неожиданно возродило интерес к безматричным подходам в десорбционной масс-спектрометрии, в основе которых ле жат методы полевой ионизации и полевой десорбции (ПИ/ПД) [8]. Обращаясь к истории развития МАЛДИ, следует отметить, что первые эксперименты по применению этого метода использовали в качестве матрицы высокодисперсный металлический порошок с размером частиц в несколько десятков нанометров и, следовательно, эффекты полевой ионизации и локальный разогрев подложки безусловно играли большую роль в десорб ции/ионизации молекул образца. Затем применение твердотельных органических матриц вытеснило первоначально применявшиеся металлические наноструктурированныне под ложки, и только через двадцать лет после первых экспериментов Танаки, когда метод МАЛДИ уже получил широкое распространение, использование пористого кремния в качестве поверхности, способствующей ионизации адсорбированных молекул, придало новый импульс методам безматричной десорбционной масс-спектрометрии [40].

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

В частности, использование пористого кремния, модифицированного ионообмен ными группами, в качестве ионизационной подложки для анализа ионогенных низкомо лекулярных веществ показало, что адсорбция соответствующих молекул на модифици рованной поверхности пористого кремния значительно уменьшает степень фрагмента ции ионов исследуемого образца в сравнении со случаем, когда исследуемые молекулы нанесены непосредственно на поверхность немодифицированной подложки. Таким обра зом, наличие противоиона в адсорбционном состоянии открывает возможность прямой диссоциативной ионизации.

Прежде всего усилия исследователей были сосредоточен на создании унифициро ванной методики получения пористого кремния, который бы проявлял активность в де сорбции/ионизации на своей поверхности (Desorption Ionization On Silicon, DIOS) [41]. В дальнейшем было предложено проводить целенаправленное модифицирование поверх ности пористого кремния для получения гидрофобных или гидрофильных поверхностей, что позволило усовершенствовать процесс подготовки пробы, проводя его непосредст венно на поверхности ионизирующей подложки [42]. В литературе также широко обсу ждались 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 «поверх ностно-активированная лазерная десорбция/ионизация» (Surface-Assisted Laser Desorp tion/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 наност руктурированной поверхности, которая обладала бы селективностью в отношении опре деленных классов соединений для качественного извлечения их из смесей, и оптимиза цию процессов десорбции/ионизации на такой специфической поверхности под действи ем лазерного излучения при условии, что исследуемые молекулы не поглощают на час тоте используемого лазера (337 нм).

Работы по селективному извлечению исследуемых веществ из растворов поверх ностью пористого кремния были начаты нами с создания пористых подложек, модифи цированных 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), модифи цированного 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 мо дификаторы 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 пе реноса заряда (протон, электрон) при анализе исследуемых веществ, которые проявляют окислительно-восстановительные свойства. [46]. Мы полагаем, что в дальнейшем ис пользование ПК для десорбционной масс-спектрометрии позволит расширить количест во изучаемых методом DIOS низкомолекулярных веществ, которые могут быть закреп лены 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 де сорбции/ионизации основывается на том, что во-первых, не все пористые материалы проявляют SALDI-активность, а лишь графит, пористые германий и кремний (среди ме таллов были исследованы только наночастички золота), а во-вторых, как было установ лено в наших экспериментах, обязательным требованием к ПК является не только суще ствование наноразмерных образований на поверхности, но и резкое снижение теплоот вода в подложку при ее лазерном облучении. Кроме того, эффективные подложки долж ны 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 за висят oт количества энергии, переданной материалу подложки [47]. Принимая во внима ние, что основным фактором, приводящим к ионизации адсорбированной молекулы, яв ляется наличие локальных электрических и электромагнитных полей вблизи нанострук турных особенностей поверхности, можно сделать вывод, что именно процесс десорбции зависит от эффективности передачи энергии материалу подложки. Таким образом, про цессы десорбции/ионизации исследуемого вещества на наноструктурированной поверх ности разделять нецелесообразно, а следует влияние локальных полей и температуры подложки рассматривать как результат совокупного воздействия на десорбируемую мо лекулу.

[МГН]+ [MГH–CH2]+ (а) [MГH–CH2]+ [МГН]+ (б) [МГ]+ [MГ–CH2]+ (в) 300 m/z 200 220 240 260 Рис. 7. DIOS масс-спектры красителя МГ на исходном пористом кремнии ПК-Н (а), окисленном пористом кремнии ПК-ОХ (б), модифицированном пористом крем нии ПК-SO3MГ (в).

В дальнейших экспериментах нами были сделаны попытки соединить ПК с нано частицами 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 моле кулами 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 вы вод о том, что безматричная лазерно-десорбционная масс-спектрометрия за последние десять лет пополнила свой арсенал по крайней мере двумя перспективными материала ми– пористым кремнием и графитом и продолжает развиваться в направлении создания новых наноструктурированных материалов для решения задач химии поверхности.

MГ+ а MГ+ б 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 m/z 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 ак тивных молекул ниже приведены результаты исследования компонент желчи, качест венное и количественное определение которых в составе биологических жидкостей мо жет служить показателем для диагностики патологических состояний организма. Это на триевая соль таурохолевой кислоты (TCNa), которая является поверхностно-активным веществом и отвечает за солюбилизацию в организме нерастворимых соединений, и би лирубин, 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 темпера туре путем помещения модифицированных образцов ПК в раствор исследуемого веще ства аналита). Через 30 мин образцы извлекали, промывали этиловым спиртом и высу шивали 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 крем ния. 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 (PS OX) не содержит силановых групп, а толщина оксидного слоя, определенная методами гравиметрии и ИК-интерферометрии, составляет примерно 0,7 нм при удельной поверх ности 200 м2/г.

Адсорбцию на поверхности ПК проводили с учетом химических свойств исследуе мых веществ. МС анализ образцов ПК показывает, что в случае билирубина в спектре наблюдается интенсивный пик c m/z = 607,7, который отвечает однозамещенной натрие вой 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 по верхности модифицированного ПК происходит хемосорбция билирубина и мономера таурохолата натрия, а десорбция/ионизация проходит по месту химической связи.

а HOOC COOH б O O HN NH C N N H H H в + N ( C H 3)2 C 18 H Si C l г Рис. 9. Компоненты желчи: а – таурохолевиая кислота;

б – билирубин;

в – ионизацион ная 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 масс спектрометрии растворов Упоминавшиеся выше методы матрично-активировнной лазерной десорб ции/ионизации МАЛДИ (MALDI, Matrix-assisted laser desorption/ionization) и бомбарди ровки быстрыми атомами ББА (FAB, Fast atom bombardment) относятся к матричным ме тодам десорбции/ионизации в масс-спектрометрии. Их различие состоит в том, что в случае ББА десорбция индуцируется бомбардировкой высокоэнергетическими частица ми (нейтральными атомами Ar, Xe) либо ионами (например, Cs+, (CsI)nCs+), в случае же МАЛДИ – лазерным излучением (чаще всего это азотный лазер с длиной волны излуче ния 337 нм и длительностью импульса в несколько наносекунд). Кроме того и это суще ственно для дальнейшего, эти методы различаются тем, что для них матрицы выбирают ся 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 агрегатно го 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 несколь ко микролитров. Наиболее распространенными матрицами в ББА являются глицерин, тиоглицерин и м-нитробензиловый спирт, но используются также и другие. При бомбар дировке исследуемого раствора происходит прямая ионизация, т. е. в вакуум перемеща ются уже существующие на поверхности ионы молекул (или кластеров). Это характерно для большинства неорганических и органических солей, сильных оснований и кислот.

Образующийся при прямой ионизации ион имеет нечетное количество электронов в обо лочке, т. е. является нестабильным ион-радикалом. Наоборот, ионы, полученные с по мощью «химической ионизации» за счет присоединения протона, более стабильны. Ме ханизм такой ионизации заключается в том, что значительная часть ионов образуется в газовой фазе за счет ион-молекулярных реакций:

Xe + Gly Pi + + Xe + e– (или С–), (1) Pi + + Gly GlyH+ + (Pi–H), (2) где Xe – бомбардирующий атом, Gly – глицериновая матрица, Pi – первичный ион и от рицательно заряженная частица в виде электрона (e–) или фрагмента С–. За реакциями (1) и (2) следует протонирование анализируемого вещества: GlyH+ + An AnH+ + Gly.

В методе МАЛДИ ионизацию молекул, происходящую непосредственно при вы бросе материала из конденсированного состояния, принято рассматривать как первич ную. В расширяющемся факеле происходят непрерывные соударения между частицами, в том числе возможны ион-молекулярные реакции между заряженными частицами мат рицы и молекулами анализируемого вещества, которые приводят к ионизации последне го (вторичная ионизация). Как правило, доминирующим процессом в их образовании яв ляются процессы вторичной ионизации. Иными словами, вторичная ионизация может происходить за счет таких процессов, как перенос протона (Н+), электрона (e–), металл катионов (Na+, Ag+ и др.). В качестве матриц для МАЛДИ чаще всего используются сла бые органические кислоты (например, синаповая).

При использовании метода МАЛДИ для исследования растворов, особенно мно гокомпонентных, возникает ряд спорных вопросов, поэтому для масс спектрометрических исследований растворов чаще применяется метод ионизации рас пылением в вакуум (ElectroSpray ionization ESI), который с большей достоверностью отображает состояние вещества в растворе. В литературе приводятся масс-спектры сое динений, полученные как с помощью методов МАЛДИ, так и полученные с помощью ESI. Результаты для холевых кислот, например [48, 49], практически совпадают, что не снимает, однако, вопросов к механизму ионизации и к соответствию между структурой раствора и составом масс-спектра.

В литературе также встречается сравнение масс-спектрометрических результатов, полученных с использованием ЛДИ и ББА, например для нуклеозидов и красителей [50].

Результаты этих исследований показывают, в основном, что более «мягкий» метод МАЛДИ позволяет получить масс-спектры с меньшим числом фрагментов и большими интенсивностями. Однако использование этого метода вызывает радиационные повреж дения молекул исследуемого вещества (аналита) и матрицы, характерные для десорбции с поверхности твердых образцов. Наоборот, в методе ББА при облучении образца проис ходит постоянное пополнение приповерхностного слоя неповрежденными исследуемы ми молекулами аналита. Поэтому совмещение этих двух разновидностей масс спектрометрии – а именно использование в методе МАЛДИ десорбции из жидкой фазы, характерной для ББА, в состоянии значительно расширить возможности метода. Такое методическое решение имеет еще несколько положительных особенностей. Поскольку десорбция происходит из раствора, исследуемая молекула аналита переходит в факел в виде иона в сольватной оболочке. Поглощение сольватной оболочкой избыточной энер гии предохраняет молекулярный ион аналита от разрушения, что может существенно уменьшить фрагментацию, характерную для ББА, и, кроме того, дать возможность полу чать молекулярные и ассоциативные ионы комплексных соединений.

Чрезвычайный интерес представляет методическая возможность совмещения ме тодов ББА и МАЛДИ с методом ДИОС, описанным в предыдущем разделе. Использова ние в качестве подложки макропористого кремния может увеличить количество образца, пригодного для исследования за счет размещения жидкой матрицы в порах кремния.

Можно ожидать также, что сопоставление результатов, получаемых при использовании матричных и безматричных методов ионизации молекул лазерным излучением, позволит прояснить детали происходящих при этом процессов. В случае реализации описанной выше методической возможности (а именно получения МАЛДИ масс-спектров из жид кой фазы) МАЛДИ масс-спектрометрия может существенно приблизиться к решению задачи получения адекватной информации о составе растворов.

Превращения акридинового желтого (АЖ) и акридинового оранжевого (АО) на по верхности мезопористых пленок на основе диоксида титана Производные акридина и аминоакридина привлекают внимание исследователей в связи с широтой и разнообразием областей их практического применения. Способность флуорохрома АО избирательно связываться с нуклеиновыми кислотами обусловила его использование в качестве флуоресцентной метки в молекулярной биологии и биофизике.

При взаимодействии в мономерной форме с ДНК этот краситель флуоресцирует зеленым цветом (530 нм), а образовывая комплекс в димерной форме с РНК, имеет максимум в красной области (640 нм). На основе акридина синтезируются новые противоопухолевые препараты для химио-, фотодинамической и комбинированной терапии. Акридиновые производные рассматриваются при поиске фотосенсибилизаторов в энергетических про ектах, при разработке систем очистки воды, воздуха, самоочищающихся поверхностей, полимеров, пригодных для вторичной переработки.

Мезопористые пленки на основе диоксидов титана и кремния относятся к числу перспективных наноматериалов, обладающих уникальными фотокаталитическими, ад сорбционными, сенсорными свойствами, химической стойкостью, низкой токсичностью и биологической совместимостью.

Исследования фотоиндуцированного переноса носителей заряда в сложных сис темах с участием органических красителей, элементарных реакций окисле ния/восстановления, процессов ассоциации молекул становятся все более актуальными в связи с использованием перечисленных явлений в разнообразных областях практическо го применения акридиновых красителей. Отдельный интерес представляет ситуация, в которой фотособытия развиваются на поверхности облученного полупроводника, кото рый, сам являясь активным поставщиком носителей заряда, может активно влиять на ход перестроек и выполнять роль фотокатализатора.

Ранее нами было показано, что мезопористые пленки TiO2 и SiO2 можно успешно использовать в качестве подложек (субстратов) для масс-спектрометрического анализа красителей методом лазерной десорбции/ионизации (ЛДИ) [22,51,52], поскольку ЛДИ масс-спектры красителей, нанесенных на подложки из TiO2, SiO2 и TiO2/SiO2, содержат интенсивные сигналы красителей при минимальной фрагментации. Однако, помимо чис то аналитических задач, условия ЛДИ позволяют получать информацию о некоторых па раметрах взаимодействия красителей с наноматериалами и о фотохимических процессах, индуцируемых в системе «фотоактивный краситель–наноматериал» лазерным излучени ем в УФ-диапазоне.

Прочные оптически прозрачные стабильные пленки кремнезема SiO2 и диоксида титана ТiO2 на стеклянных субстратах, обладающие развитой пористостью и большой удельной поверхностью, были синтезированы темплатным золь-гель методом, аналогич ным описанному в [52]. Термическая обработка кремниевых пленок производилась при 350оС, титановых – при 500оС. Полученные пленки обладают упорядоченной гексаго нальной пористой структурой. TiO2 пленки по данным рентгеноструктурного анализа содержат наночастицы анатаза со средним размером 10–15 нм. Удельная поверхность пленок оценивается в 600–700 м2/г. Средний размер пор в пленках, рассчитанный из ма лоуглового рассеяния рентгеновских лучей, составляет 8–20 нм.

Масс-спектры ЛДИ акридиновых красителей получали с помощью масс спектрометра Autoflex II (Bruker Daltonics Inc, Германия), оборудованного азотным лазе ром (=337 нм). Ионизация образцов производилась импульсами длительностью 3 нс с частотой 20 Гц. В опытых использовалось ускоряющее напряжение 20 кВ. Спектры по ложительных ионов регистрировались в рефлектронном режиме с временной задержкой экстракции ионов 10 нс при мощности лазера 27 мДж для титановых пленок и 37 мДж для кремниевых пленок.

Образцы акридиновых красителей АЖ и АО, исследовавшихся в работе, пред ставляли собой гидрохлориды, структуру которых можно условно обозначить как (М·HCl), где М – органический хромофор. Соответственно, катионная форма красителей, образующаяся при диссоциации соли (рис. 10), обозначается как [М+Н]+.

H3C CH H3C CH N N N N NH H2N H+ CH3 CH H+ а б Рис. 10. Структурные формулы катионов [M+Н]+ красителей акридинового желтого (а) и акридинового оранжевого (б).

Были получены масс-спектры ЛДИ красителей АЖ и АО, нанесенных на стан дартную металлическую подложку (рис. 11), адсорбированных на мезопористых пленках диоксида титана ТiO2 и диоксида кремния SiO2.

Адсорбция красителей в форме димеров или кластеров, как было показано нами ранее [51], также находит свое отражение в масс-спектрах ЛДИ, в первую очередь, в форме появления двухзарядных ионов. Необходимо отметить особенности выявления двухзарядных димеров катионов в масс-спектрах. Пик со значением m/z = (2M + 2H)/2e перекрывается с пиком мономера (М + Н)/1e, однако пик первого изотопомера (2M + 1 + 2H), имеющий нечетную массу, попадает на нецелочисленное значение массы, и ион (2M + 3)/2e регистрируется как (M + 1,5). Именно такие пики присутствуют в ЛДИ масс спектрах, показанных на рис. 12 а, в, для обоих красителей, адсорбированных на пленке TiO2. Согласно расчетам вклад двухзарядных ионов может быть на уровне 50 % от сум марной интенсивности пика, регистрируемого при значении m/z [М+1]+. Можно заклю чить, что для соответствующих образцов характерна димерная (кластерная) форма ад сорбции красителей.

Рис. 11. Фрагменты масс-спектров АЖ (а) и АО (б), полученные в результате ЛДИ со стандартной металлической подложки.

Отсутствие сигналов двухзарядных ионов в масс-спектрах образцов, приведен ных на рис. 12 б, г, подтверждает наше предположение о мономерной адсорбции краси телей в данных образах. Соответственно, ионы, отсутствующие в спектрах этих образцов и появляющиеся в спектрах образцов на рис. 12 а, в, можно с уверенностью отнести к ионам, образующимся при ЛДИ за счет взаимодействия в димерах.

Рис. 12. Варианты распределения интенсивностей в группах пиков в масс-спектрах ЛДИ красителей АЖ (а, б) и АО (в, г), адсорбированных на мезопористых пленках TiO2.

Согласно электронным спектрам поглощения АО сорбируется на оксидных пленках преимущественно в виде димеров, стабилизированных стэкинг взаимодействием ароматических систем его молекул. Об этом свидетельствует сдвиг максимума полосы поглощения в коротковолновую область от 490 нм в растворе до нм для красителя АО, адсорбированного на пленках TiO2 и SiO2. Перемещение макси мума поглощения от значения 440 до 430 нм указывает на сходную ситуацию для АЖ в случае его адсорбции на пленке SiO2. На пленке TiO2 адсорбция этого красителя сопро вождается смещением положения максимума в длинноволновую область с 440 до нм, что является показателем образования димерных ассоциатов иного пространственно го строения, где основную роль играют, по-видимому, водородные связи между прото нодонорными центрами красителя, а не дисперсионное взаимодействия хромофоров АЖ.

Склонность акридиновых производных к самоассоциации известна и исследова лась различными методами. Результаты, полученные в наших экспериментах, согласу ются с выводами, сделанными в работе [53]. В работах, выполненных с применением ме тодик подсчета одиночных фотонов и анализа спектров поглощения и флуоресценции, показано, что димеризации подвержены именно катионы [М+Н]+. При этом образуются двухзарядные ионы [2М+2Н]2+. С помощью методики импульсного фотолиза установлен также механизм распада катиона красителя АО, возбужденного в триплетное состояние, а именно образование полувосстановленного и полуокисленного радикалов АО в резуль тате переноса электрона между двумя триплетными молекулами [54]. Отметим, что ион M+• формально относится к полуокисленной форме красителя, в то время как полувос становленная форма [M + 2H]+• вносит вклад в интенсивность пика [M+2]+ для АО (рис.

11 в). Отмеченное выше отличие в пространственной организации димеров АЖ может уменьшать выход продуктов восстановления АЖ (рис. 11 в) в сравнении с АО в условиях ЛДИ.

Для сравнения отметим, что в наших предыдущих исследованиях адсорбции ка тионного красителя метиленового голубого (МГ) на мезопористых пленках SiO2 и TiO [51] пики, соответствующие димерам и полувосстановленной форме МГ, наблюдались при ЛДИ только лишь с пленок TiO2, для пленок SiO2 они были практически подавлены.

Поскольку приведенные выше спектроскопические данные указывают на возможность адсорбции красителей в димерной форме на обоих типах пленок, можно высказать пред положение о влиянии на вид спектров не только димерной формы адсорбции, но и элек тронных донорно-акцепторных свойств материала TiO2. Реакции фотовозбуждения и пе реноса заряда более активно реализуются в системе «красительTiO2», чем в системе «краситель–SiO2».

Рассматривая ссобственно процесс адсорбции красителей на мезопористом ок сидном материале, необходимо учитывать суммарный результат разнонаправленных ре акций. Результатом их протекания может оказаться стабилизация определенной тауто мерной формы красителя, а, следовательно, сдвиг равновесия сосуществования амино- и имино-форм в ту или другую сторону, стереоизомеризация, димеризация молекул, про тонирование или депротонирование, миграция атомов водорода между экзо- и эндоцик лическим азотом, между молекулой адсорбата и поверхностными группами –ОН, –Н и др. Нельзя оставить без внимания возможное влияние на характер взаимодействия кра сителя и подложки количества и состояния сортированных мезопористой пленкой ком понент воздуха. Вода и кислород являются активными участниками первичных фоторе акций. С химической точки зрения адсорбированная в процессе подготовки образцов во да может считаться эффективным центром рекомбинации электронно-дырочных пар, то гда как адсорбированный кислород – эффективной электронной ловушкой, предотвра щающей этот процесс.

Известна зависимость положения равновесия между таутомерными амино- и иминоформами производных акридина от степени электроотрицательности заместителей при экзоциклическом азоте и в целом от локального окружения молекул. Взаимодейст вие исследуемых молекул с поверхностными группами пленок стимулирует реакции с переносом заряда от адсорбата к адсорбенту, приводит к сдвигу в соотношениях тауто мерных форм акридиновых красителей [55].

Таким образом, с помощью лазерной десорбционно-ионизационной масс спектрометрии изучены системы, содержащие красители акридиновый желтый и акри диновый оранжевый, адсорбированные на поверхности мезопористых пленок диоксидов титана ТiO2 и кремния SiO2. Показано, что использование мезопористых пленок ТiO2 и SiO2 в качестве подложек для исследуемого вещества позволяет получать интенсивные информативные масс-спектры акридиновых красителей в условиях ЛДИ. Обнаружено, что распределение пиков в масс-спектрах ЛДИ с мезопористых пленок качественно от личается от полученного при ЛДИ с гладкой металлической поверхности. Выделен на бор ионов, формирование которых обусловлено специфическими взаимодействиями кра сителей с наноструктурированными диоксидами в условиях ЛДИ. Показано, что пре имущественная десорбция катионной формы красителей [M+H]+ осуществляется при ЛДИ с пленок с мономерной формой адсорбции красителей. Адсорбция красителей в форме димеров и кластеров отражается в появлении в ЛДИ масс-спектрах двухзарядных ионов димеров [2M+3]2+, а также продуктов термической ионизации и окислительно восстановительных процессов М+•, [M-H]+ и [М+Н]+, стимулированных в агрегатах кра сителей лазерным облучением в УФ-диапазоне. Фотоэлектронные свойства пленок TiO способствуют более активному протеканию фотостимулированных процессов в адсор бированных красителях в сравнении с SiO2. Полученные данные являются основой для дальнейшего масс-спектрометрического изучения процесса и продуктов фотодеградации красителей на мезопористых оксидных пленках.

Тенденции развития современной масс-спектрометрии В таблице представлены данные по количеству публикаций в марте 2002 и в ок тябре 2009 года в области масс-спектрометрии по данным журнала Journal of Mass Spec trometry, публикуемого издательством John Wiley & Sons и редактируемого Р. Каприоли, одним из ведущих специалистов в области масс-спектрометрии. Этот журнал, по сло жившейся традиции, содержит раздел с перечнем ссылок на самые значительные работы, опубликованные за месяц, предшествующий выходу журнала в свет, таким образом, зна комя подписчиков с последними достижениями и тенденциями. Отбор работ и их тема тическая классификация носит, естественно, следы личных предпочтений главного ре дактора, но предоставляет, тем не менее, ценный материал для анализа современного со стояния масс-спектрометрии и направлений ее развития.

2002 г интересен для анализа тем, что именно в этом году Нобелевская премия по химии после долгого перерыва и впервые после Астона была присуждена масс спектрометристам Дж. Ф. и К. Танаке за разработку мягких десорбционных методов ио низации для МС анализа биологических макромолекул, как об этом уже упоминалось выше. Что касается 2009 г, то он является в определенном смысле переломным момен том для науки о поверхности, поскольку накануне, в 2008 году, Г. Эртль получил Нобе левскую премию по химии «за изучение химических процессов на твердых поверхно стях». Это явилось следствием повышенного научного и практического интереса к ис следованию поверхности нанообъектов и наносистем, и можно было ожидать, что этот факт отразится на тематике экспериментальных исследований в области химии поверх ности, выполненных масс-спектрометрическими методами.

Первая колонка таблицы – тематические направления опубликованных работ. Во второй и третьей колонках приведено количество публикаций в апреле 2002 и октябре 2009 г, соответственно. В четвертой колонке подсчитан относительный рост числа пуб ликаций за истекший период, причем данные по тем направлениям, где число публика ций увеличилось более, чем вдвое, выделены жирным шрифтом. В последней строке таблицы приведены результаты, суммированные по всем направлениям, которые пока зывают, что общий рост числа реферируемых публикаций за рассмотренный период со ставил 1,61.

Анализ приведенных в таблице данных позволяет сделать некоторые заключения.

Во-первых, работы биохимического профиля, от биологии/биохимии до нуклеи новых кислот включительно, показали за рассматриваемый период увеличение числа статей в 1,26 раза, что ниже увеличения общего числа статей МС направленности. Таким образом, ожидавшийся бум применений масс-спектрометрии в области биологии, био химии и сопутствующей тематики в рассматриваемый период не состоялся. Приблизи тельно на том же относительно низком уровне находится и рост числа статей, относя щихся к охране окружающей среды. Более значительный рост числа публикаций наблю дается в приложениях масс-спектрометрии для решения задач фармаколо гии/токсикологии и в анализе природных продуктов.

Таблица. Тематическое распределение МС публикаций по данным журнала Journal of Mass Spectrometry (Импакт-фактор 3.57) за апрель 2002 и октябрь 2009 года Тематика наиболее значимых публикаций Рост 2002 Книги, обзоры и симпозиумы 11 8 0, 41 110 2, Инструментальная техника и методы Газофазная ионная химия 10 11 1, Биология/биохимия 39 69 1, Углеводы 9 5 0, Липиды 20 14 0, Нуклеиновые кислоты 6 3 0, 45 116 2, Фармакология/токсикология 14 37 2, Природные продукты Анализ окружающей среды 40 67 1, Анализ органических соединений 17 8 0, Неорганические и координационные соединения 10 7 0, 4 9 2, Исследование поверхности Элементный анализ 36 22 0, Всего 302 486 1, Во-вторых, среди работ, не относящихся к наукам о жизни, наибольший интерес вызывает значительное увеличение числа публикаций по инструментальной технике и методам масс-спектрометрии. Опыт предыдущих десятилетий показывает, что такого рода повышенный интерес к инструментальным и прикладным аспектам МС техники наблюдается тогда, когда метод стоит перед новой фундаментальной проблемой, для решения которой прежние, апробированные способы решения физико-химических задач оказываются неподходящими, вследствие чего исследователи начинают поиск принци пиально новых подходов.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:


 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.