313

СТРУКТУРА И ДИНАМИКА МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ. ЯЛЬЧИК-2002. Т. 1.
313
УДК 539.196
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИССОЦИАТИВНОГО ЗАХВАТА
ЭЛЕКТРОНОВ МОЛЕКУЛОЙ 2,5-DHB
Лукин В.Г., Пшеничнюк С.А., Асфандиаров Н.Л., Фалько В.С.
Институт физики молекул и кристаллов УНЦ РАН, Уфа
Метод MALDI (Matrix assisted laser desorption/ionization) является одним
из инструментов исследования структуры молекул большого (до сотен тысяч
Дальтон) молекулярного веса [1]. Несмотря на очевидные успехи этого метода
и его широкую распространенность, механизмы образования ионов обоих
знаков остаются до сих пор не выясненными [2], а выбор матриц предметом
метода проб и ошибок [3]. Лишь в самом недавнем времени был экспериментально измерен энергетический спектр электронов, высвобождаемых под
действием импульсного излучения лазера с длиной волны 355 нм (3.48 эВ) [4].
В случае подложки из золота максимум гауссоподобного распределения лежал
при энергии ~0.5 эВ, в случае подложки из нержавеющей стали – при 1 эВ. При
этом количество таких свободных электронов значительно превосходило
количество отрицательных и положительных ионов. Этот результат
подтверждает справедливость нашего вывода о существенной роли процесса
диссоциативного захвата электронов низких энергий молекулами матрицы в
методе MALDI [5].
Не менее важным моментом в методе MALDI является процесс десорбции не разрушенных тяжелых молекул исследуемого вещества в газовую фазу.
В работах В. Л. Тальрозе предложен механизм частичного химического
разложения эффективных матриц с выделением CO2, собирающегося в микропузырьки, взрыв которых вызывает пневматический выброс микрокапелек
жидкости [6]. При этом предполагается, что поглощение лазерного импульса
молекулами матрицы приводит к разогреву смеси матрицы с исследуемым
веществом до температур, превышающих температуру плавления матрицы за
время порядка нескольких нс [7].
С целью подтверждения данного механизма десорбции была исследована
температурная зависимость сечения диссоциативного захвата электронов
молекулами одной из самых распространенных MALDI матриц 2,5-DHB. Для
интерпретации полученных результатов были исследованы молекулы
гидрохинона (HQ), являющегося продуктом термодеструкции 2,5-DHB с
выделением молекулы CO2, а также парабензохинона (PBQ), являющегося
продуктом распада HQ с выбросом молекулы водорода:
COOH
HO
OH
2,5-DHB
t0
HO
OH + CO2
HQ
t0
O + CO2 + H2
O
PBQ
Результаты эксперимента иллюстрирует рис. 1. Кривые эффективного
выхода (КЭВ) отрицательных ионов (ОИ), как функции энергии налетающих
Лукин В.Г., Пшеничнюк С.А., Асфандиаров Н.Л., Фалько В.С.
314
электронов, имеют для каждого из исследованных объектов свои характерные
резонансные области. Это обстоятельство позволяет установить, что при
температуре камеры ионизации около 300 0С масс-спектр ОИ 2,5-DHB представляет собой сумму масс-спектров всех трех молекул: 2,5-DHB+HQ+PBQ.
250
0
0
2,5-DHB T=80 C
Intensity, urb. un.
200
2,5-DHB T=295 C
153
109 (x10)
108 (x10)
150
153
109 (x10)
108 (x10)
100
100
50
50
0
0
0
0
Intensity, urb. un.
Hydroquinone, T=75 C
150
150
109
108 (x10)
100
100
50
50
0
0
Hydroquinone, T=300 C
109
108 (x10)
0
0
PBQ, T=75 C
PBQ, T=300 C
2500
Intensity, urb. un.
108
108
500
2000
1500
250
1000
500
0
0
0
2
4
6
Electron Energy, eV
8
0
2
4
6
8
Electron Energy, eV
Рис. 1. Температурная зависимость КЭВ ОИ 2,5-DHB, HQ и PBQ.
СТРУКТУРА И ДИНАМИКА МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ. ЯЛЬЧИК-2002. Т. 1.
315
Измерение относительных сечений образования ОИ исследованных
молекул позволило установить, что высокотемпературный масс-спектр ОИ
2,5-DHB обусловлен процессами, представленными на следующей схеме:
Относительная
интенсивность ОИ
OH
+ e-(0.16 eV)
O
O
-
O + CO2 + H2 m/z 108
I
9.4
HO
-
OH + H m/z 153
II
11.2
III
10.3
IV
3.7
OH
+ e-(0.76 eV)
OH
O
T=295 0C
O
O
OH
+ CO2 + e-(1.4 eV)
+ H + CO2
m/z 109
OH
OH
T=295 0C
O
O
+ H2 + CO2 + e-(1.24 eV)
O
-
+ CO2 + H2
m/z 108
O
Отсюда видно, что процесс образования молекул СО2 из молекулы
матрицы может протекать не только путем термического разложения, но и при
взаимодействии с электронами низких энергий. Это доказывает, что эффект
образования газовых пузырьков в методе MALDI следует учитывать при
анализе свойств используемой матрицы.
В заключение приведем таблицу, иллюстрирующую различие типичных
MALDI матриц в способности образовывать осколочные ионы (M-H) при
взаимодействии с низкоэнергетическими электронами. Эти ионы принято
считать агентами перезарядки с молекулами анализируемого вещества
(процесса обмена протоном) по схеме:
(M-H) + A → M + (A-H),
где М – молекула матрицы, А – исследуемая молекула. Из таблицы видно, что
наиболее эффективная матрица 2,5-DHB имеет наибольшее относительное
сечение образования ионов (M-H), на четыре порядка превышающее
аналогичное сечение в случае молекулы мочевины. Это позволяет
предположить, что именно сечение диссоциативного захвата электронов низких
энергий является фактором, определяющим эффективность матрицы в методе
MALDI.
Лукин В.Г., Пшеничнюк С.А., Асфандиаров Н.Л., Фалько В.С.
316
Таблица.
Относительные сечения образования σDA ионов (M-H) , вычисленные с учетом сечения
диссоциативного захвата электронов молекулами типичных MALDI матриц.
В последнем столбце приведены максимумы соответствующих пиков КЭВ.

σDA (M-H)
#
Матрица
Энергия максимума КЭВ, эВ
1
2,5-DHB
100
0.83
2
Caffeic acid
52
0.53
3
Succinic acid
16
1.16
4
Sinapinic acid
11
1.2
5
Nicotinic acid
2
0.92
6
ATT
0.1
0.97
7
Urea
0.01
2.53
Отметим, что в высокотемпературном спектре 2,5-DHB регистрируются
ионы О при энергии электронов ~4 эВ, что доказывает присутствие молекул
СО2, продукта термодеструкции матрицы.
Работа поддержана фондом ИНТАС, грант № 99-00647.
ЛИТЕРАТУРА
1. Karas M., Bachmann D., Hillenkamp F. //Anal. Chem., 1985. V. 57. P. 2935.
Harvey D. J. //Mass Spec. Rev., 1999. V. 18. P. 349.
2. Hillenkamp F., Karas M., Beavis R. C., Chait B. T. //Anal. Chem., 1991. V. 63.
P. 1193A.
3. Frankevich V., Zenobi R. //Book of Abstracts. Workshop-school “Mass
spectrometry in chemical physics, bio-physics and environmental sciences”,
Zvenigorod, Russia, April, 25-26, 2002. P. 40.
4. Пшеничнюк С. А., Асфандиаров Н. Л., Фалько В. С., Лукин В. Г., Фокин А. И.,
Зубарев Р. А. //Сб. Статей VIII Всероссийской конференции «Структура и
динамика молекулярных систем», Йошкар-Ола, 2001. С. 58.
5. Talroze V. L., Jacob R. J., Burlingame A. L., Baldwin M. A. //Adv. Mass Spectrom.,
2001. V. 15. P. 481.
6. Тальрозе В. Л., Барлингейм А. Л., Лейпунский И. О., Болдуин М. А.
//Материалы школы-семинара «Масс-спектрометрия в химической физике,
биофизике и экологии», Звенигород, Россия, Апрель, 25-26, 2002. С. 70.