Содержание к диссертации
Введение
2. Литературный обзор методов струевой масс спектрометрии, применяемых для исследования ион/молекулярных реакций 7
2.1. Метод распадающейся плазмы (Flowing afterglow - FA) 7
2.2. Метод проточной дрейфовой трубы (Flow Drift Tube - FDT) 12
2.3. Струевой реактор с инжекцией селектированных ионов (Selected Ion Flow Tube - SIFT) 17
2.4. Методика с инжектированием селектированных ионов в проточный дрейфовый реактор (Selected Ion Flow Drift Tube - SIFDT) 20
3. Постановка задачи и выбор объектов исследования 21
3.1. Исследование ион/молекулярных реакций методом кинетической масс спектрометрии 21
3.2. Создание многоканального масс спектрометра и определение его эксплуатационных характеристик 25
4. Установка для изучения процессов с участием заряженных частиц в потоке 26
4.1. Анализ возможностей установки 30
5. Исследование ион/молекулярных реакций в системе Хе+ + этанол методом струевой масс спектрометрии 33
5.1. Описание эксперимента 33
5.2. Результаты 34
5.3. Обсуждение результатов 43
5.4. Выводы 54
6. Исследование ион/молекулярных реакций в системе Хе + ацетон методом струевой масс спектрометрии 56
6.1. Описание экспериментов 57
6.2. Результаты 57
6.3. Обсуждение результатов 71
6.4. Выводы 77
7. Исследование ион/молекулярных реакций в системе Ог+ CH3CN 78
7.1. Квантовохимические расчеты реагентов, продуктов и переходных состояний процессов изомеризации CH3CN -> CH2CNH+; HCN -> CNH; и HCN+ CNH+ 89
7.2. Приложение 1 101
8. Многоканальный масс спектрометр с источниками ионов электрораспылением 105
8.1. Описание прибора 106
8.2. Результаты 110
8.2.1. Анализ аминокислот 111
8.2.2. Анализ небольших молекул лекарственных веществ 117
8.2.3. Анализ аминосоединений 119
8.2.4. Анализ белков 121
8.3. Выводы 125
9. Эксперименты по анализу веществ с использованием многоканального масс спектрометра с источниками ионов электронным ударом (EI) и/или химической ионизацией (С I) 126
10. Выводы 131
11. Список литературы 133
- Струевой реактор с инжекцией селектированных ионов (Selected Ion Flow Tube - SIFT)
- Создание многоканального масс спектрометра и определение его эксплуатационных характеристик
- Квантовохимические расчеты реагентов, продуктов и переходных состояний процессов изомеризации CH3CN -> CH2CNH+; HCN -> CNH; и HCN+ CNH+
- Анализ небольших молекул лекарственных веществ
Введение к работе
Введение. Интерес к кинетике ион/молекулярных реакции (ИМР) связан с их важностью для физики и химии ионизованного газа. Сведения о кинетике ИМР также важны для методов аналитической масс спектрометрии, в которых ионы образуются в области высокого давления (методы химической ионизации и ионизации при атмосферном давлении). Когда образование ионов происходит при бомбардировке поверхности частицами с высокой энергией (методы SIMS, FAB) или импульсом лазерного излучения (MALDI), образование ионов происходит в области высокой концентрации нейтральных частиц, поэтому ион/молекулярные реакции могут оказать влияние на масс спектры.
Детальная информация о механизмах ион/молекулярных реакций может быть получена для простых органических молекул методами современной кинетической масс спектрометрии. Эти исследования могут служить базисом для понимания деталей процессов в более сложных системах.
Экспериментальные исследования могут быть дополнены информацией, получаемой методами квантовой химии, которые позволяют рассчитать структуры и значения (термохимических) величин, для которых отсутствуют экспериментальные данные. К таким величинам можно отнести, энергии, частоты колебаний ионов (включая различные изомерные состояния) и ионных комплексов, величины барьеров реакций. Для систем с небольшим числом атомов современные методы квантовой химии позволяют определить указанные величины с высокой степенью точности. Полученные в результате экспериментов и квантовохимических расчетов данные могут быть использованы в дальнейшем при моделировании таких процессов как внутренние перегруппировки в ионных кластерах статистическими методами (теория RRKM)
В последнее время значительно возрос интерес к исследованию ион/молекулярных
процессов в системах, содержащих большие органические молекулы, включая белки.
Активно создаются и совершенствуются методы аналитической масс спектрометрии,
использующие в своей основе регистрацию продуктов ИМР для проведения анализа таких
систем. При этом из-за потребности фармацевтических и биоинженерных кампаний в
массовом анализе большого количества образцов (практически поставленного на поток),
синтезируемых ими (или получаемьж другим способом), соЗ|а*ОГО. ttHWff}\4ffiW%>а
приборы с высокой производительностью анализа. I «'БДИОТЕКЛ J
Цель и задачи исследования. Первая часть диссертационной раЬоШ IIUCUJIIUUIU ««' экспериментальному исследованию ион/молекулярных реакций с участием простых
органических молекул при тепловых энергиях столкновений в потоке методом распадающейся плазмы (Rowing Afterglow).
Основное внимание было уделено исследованию реакций простых и кластерных ионов с небольшими органическими молекулами, содержащими гетероатомы. Интерес к исследованию этих объектов связан с тем, что нейтральные реагенты являются полярными частицами, и можно было ожидать, что ион/дипольное притяжение может оказать влияние на динамику частиц в столкновительном комплексе, и реакционную способность систем.
Другой особенностью исследованных систем является тот факт, что уровень энергии молекулярного иона, имеющего структуру молекулы, из которой он был образован, лежит выше, чем у изомерного иона, у которого атом водорода перемещён к гетероатому. В связи с этим представляла интерес проблема детектирования конверсии изомеров и идентификации изомерных состояний по различию их реакционных способностей. Экзотермическая перегруппировка частиц может происходить и в ионньж кластерах, что практически не исследовалось.
Эксперименты и расчеты, относящиеся к этому разделу, были выполнены в лаборатории химии атмосферы ИНЭПХФ РАН. Экспериментальные результаты были дополнены квантовохимическимн расчетами структуры, энергии, частот колебаний ионов (включая различные изомерные состояния) и ионньж комплексов. Для реакции изомеризации катиона ацетонитрила был произведен поиск переходных состояний.
Как указывалось выше, высокопроизводительный масс анализ представляет большой интерес для различных областей производства и исследований. Вторая часть диссертационной работы посвящена созданию прототипа многоканального масс спектрометра с различными источниками ионизации, в том числе электрораспыленнем, и исследованию его эксплуатационных характеристик. Многоканальные масс спектрометры - новый тип масс спектрометров, дающих возможность производить анализ различных веществ в разньж каналах прибора одновременно, что позволяет повысить прошводительность анализа. При этом многие компоненты прибора (вакуумная система, многие компоненты электроники) являются общими для всех каналов анализа. Такой подход принципиально отличается от используемого в настоящее время метода повышения производительности анализа путем разделения одного масс анализатора между несколькими хроматографическими колоннами (так называемое временное разделение масс анализатора).
Наличие нескольких каналов анализа в одном приборе позволяет также повысить надежность и избирательность анализа одного образца путем его анализа в разньж
каналах с использованием в них разных методов ионизации Это представляет интерес для определения вредных и токсичных веществ, содержащихся в атмосфере на уровне примесей Данная часть работы была выполнена в университете Purdue, Indiana, USA, в лаборатории возглавляемой Г. Куксом (R.G. Cooks)
Научная новизна.
Впервые обнаружена нетипичная для ИМР конкуренция быстрого слабо экзотермичного процесса переноса протона с процессом ассоциации в системе Хе+ -этанол. Построена модель, описывающая конкуренцию реакции и процесса диссипации энергии в долгоживущем столкновительном комплексе.
Обнаружена реакция перегруппировки частиц в ионном кластере приводящая к образованию сложного нейтрального продукта, причем скорость этого процесса критическим образом зависит от размера ионного кластера (кластеры смешанного состава СН3СО+((СНз)2СО)„).
При исследовании ИМР в системах 02*+ CH3CN, СНзСИ* + 02, 0*+ CH3CN, Кг*+ CHjCN впервые разработаны методы выявления образования различньж изомеров ионов на основании детального анализа кинетических кривых. Показана возможность детектирования различньж изомерных состояний иона по различию их реакционной способности.
С использованием квантовохимических методов был произведен расчет пути реакции изомеризации катиона ацетонитрила.
Создан и опробован прототип многоканального масс спектрометра с источниками ионов электрораспылением и СЩсіІпкМсаІ ion trap - цилиндрическая ионная ловушка) масс анализаторами. Подобный прибор может предоставить относительно простой способ исследования ион/ионной химии, поскольку предоставляет возможность введения в одну ионную ловушку ионов одной или разной полярностей, образованных в различньж источниках ионов.
Практическое значение. Полученные в работе результаты могут быть использованы:
- для дальнейшего развития теоретических представлений о фундаментальных
аспектах ионно/молекулярньж взаимодействий
- для моделирования процессов в атмосфере Земли
- при разработке и оптимизации конструкции масс спектрометрического
аналитического оборудования. Создание систем для высокопроизводительного масс
анализа имеет большое практическое значение для многих областей индустрии
(фармацевтика, биотехнология, химические производства и тд). Иллюстрацией такого интереса может служить то, что работы по созданию прототипа многоканального масс спектрометра с источниками ионизации электрораспылением финансировались компаниями Thermo Finnigan Corporation (один из лидеров рынка аналитического оборудования) и Procter & Gamble Company.
Апробация работы. Результаты работы, представленной в диссертации, докладывались на следующих конференциях:
Turkey Run Analytical Chemistry Conference, Turkey Run State Park, Indiana, USA, 2003; Научно-техническая конференция Московского физико-технического института (МФТИ), Москва, 2002; Семинар-школа "Масс спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии", 25-26 апреля 2002 г., Звенигород; 13-th Symposium on Atomic and Surface Physics and related topics, Innsbruck, Austria, February 17-22, 2002; 12- th Symposium on Atomic and Surface Physics and related topics, Folgaria ( Trento ), Italy, January 30 -February 5, 2000;
Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 10-ти печатных работах: 3-х статьях и 7-ми (из них 6 международных) сообщениях на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 144 страницах. Работа иллюстрирована 61-м рисунком и содержит 4 таблицы. Список цитированной литературы содержит 136 наименований.
Струевой реактор с инжекцией селектированных ионов (Selected Ion Flow Tube - SIFT)
Принципиальный подход в методе SIFT тот же, что и в методе flowing afterglow, только дополнительно производится первичная селекция ионов по массе перед впрыскиванием их в зону реакции. Это, с одной стороны представляет определенную техническую трудность, так как в реакторе давление газа порядка одного Торр, в то время как в области селекции ионов (осуществляемой обычно посредством квадрупольного масс фильтра) давление составляет порядка 10"5 - 10"3 Торр. С другой стороны такой подход позволил избежать некоторых трудностей при обработке кинетических зависимостей, присущих методам flowing afterglow, drift tube, ICR. В частности этим методам присущи следующие особенности, частично упоминавшиеся в разделе, посвященном описанию метода flowing afterglow: (а) Присутствие в зоне реакции газа-источника исследуемых ионов может привести к возникновению конкурирующих каналов реакции ионов с этим газом наряду с каналом исследуемой реакции. Также свой вклад в результирующий спектр вносят реакции ионов старших поколений (вторичных, третичных, четвертичных и т.д.) с газом-источником. Это приводит к усложнению кинетической схемы процессов в системе и в некоторых случаях может затруднить идентификацию продуктов реакций. Также, для реакций с достаточно малым тепловым эффектом (термонейтральных), присутствие газа-источника ионов может привести к возникновению обратной реакции, что может повлечь определение ошибочно малой величины скорости реакции первичных ионов [Adams N. С, 1970, Fehsenfeld F. С, 1975]. (б) Присутствие в зоне реакции различных типов первичных ионов (что, как было отмечено, может иметь место в частности при образовании ионов методом химической ионизации) также усложняет кинетическую схему. При этом приходится учитывать наличие нескольких каналов образования ионов, интересующих исследователя, Наличие нескольких каналов образования ионов может усложнить идентификацию продуктов реакций в системе. [Marx R, 1975; Govers Т. R.. 1974; Anicich V. G„ 1975]. (в) Метастабильные возбужденные частицы могут реагировать с присутствующими в системе газами, что может привести к образованию первичных ионов и, как следствие, к заниженной оценке константы скорости этих ионов. Также реакции этих частиц могут привести к появлению ионов, которые могут быть ошибочно отнесены к продуктам реакций изучаемых ионов [Kim J. К., 1975]. (г) Присутствие электронов, неизбежное во многих экспериментах на установках типа flowing afterglow в сочетании с достаточной концентрацией молекулярных катионов может привести к диссоциативной рекомбинации катионов. Этот механизм может конкурировать с изучаемыми ион-молекулярными реакциями, приводя к получению ошибочных величин констант скорости реакций и к нарушению результирующей картины спектра. Электроны также могут эффективно тушить возбуждение ионов и нейтральных частиц в неупругих столкновениях, что может затруднить изучение реакций частиц, находящихся в возбужденных состояниях. [Phelps А. V., 1955; Adams N. GM 1972; Smith D., 1975]. (д) Энергетичные фотоны из области ионизации могут ионизовать газы в реакционной зоне, что приведет к возникновению распределенного источника ионов [Ferguson Е.Е., 1965]. Перечисленных трудностей можно избежать, если ионы, реакции которых необходимо исследовать, будут образовываться в удаленном источнике ионов и затем впрыскиваться в поток буферного газа. Несмотря на очевидность идеи данного метода, он был реализован относительно недавно. Главным образом это произошло потому, что долгое время не удавалось преодолеть следующий фактор - инжекцию ионов из области низкого давления в масс спектрометре (масс фильтре) в область высокого давления в реакторе - что приводит к тому, что ионам приходится двигаться против обратного потока нейтрального газа-носителя, что приводит к существенной потере интенсивности ионного пучка. Следует отметить, что этот фактор может существенно затруднить изучение реакций комплексных(кластерных) ионов, впрыск которых в реактор может привести к их распаду. Данное препятствие впервые удалось преодолеть Смиту и Адамсу в 1976 году [Adams N. G., 1976 а]. Это стало возможным благодаря разработанной ими оригинальной конструкции системы ввода ионов, в которой быстрый поток буферного газа поступает в реактор через множество небольших отверстий, расположенных вокруг места впрыска ионов. При этом его поток оказывается параллельным ионному пучку. Это обеспечивает существенно меньшую величину обратного потока буферного газа в масс фильтр.
Впоследствии метод SIFT широко использовался различными группами [Viggiano А. А., 1983; Knight J. S., 1985; Shul P.J., 1987]. Метод SIFT в настоящее время является наиболее совершенным методом для измерения констант скорости отдельных ион-молекулярных реакций при температурах в диапазоне 80 - 400 К. В настоящее время методики SIFT, SIFDT (см. ниже) применяются различными группами из которых можно выделить группы S.Leone [Kato S., 1993; Krishnamurthy M., 1997], D. Smith [Fairley D.A., 1999], W. Lindinger (трагически погиб в 2001) [Hansel A., 1999].
Схематическое изображение установки SIFT представлена на рис. 2.3.1. Ионы образуются в источнике ионов, удаленном от реактора, и после прохождения квадрупольного масс фильтра они попадают через отверстие Оі в реактор. Попав в реактор, ионы достаточно быстро термолизуются в столкновениях с буферным газом. Нейтральный газ-реагент вводится через радиально расположенные порты ввода (RG). В конце зоны реакции часть потока, содержащего ионы, проходит через другое отверстие (Ог), после чего они отбираются по массе с помощью второго квадрупольного масс фильтра и детектируются системой регистрации. Система отбора ионов и система регистрации могут быть калиброваны с целью избежать дискриминации ионов по массе, что важно для точного определения распределений ионов-продуктов [Adams N. G., 1976 bj. Методы контроля и измерения потока газов, регистрации ионов и анализа данных с целью получения констант скорости реакций, в общем, схожи с аналогичными методами методики flowing afterglow.
Создание многоканального масс спектрометра и определение его эксплуатационных характеристик
Как указывалось во введении к диссертации, высокопроизводительный масс анализ представляет большой интерес для различных областей производства и исследований, особенно для фармацевтики и биоиндустрии, поскольку в этих отраслях синтезируется большое количество веществ, требующих анализа. В настоящее время данная проблема решается путем разделения одного масс анализатора между несколькими хроматографическими колоннами, как, к примеру, в коммерчески реализованном методе, известном под названием "MUX system " (Micromass). Однако остается потребность в упрощенной форме высокопроизводительного масс спектрометра, в котором каждый канал масс анализа работает все время, и вакуумная система и многие компоненты электроники являются общими для всех каналов. Относительно компактная высокопроизводительная система может быть создана, если будет использован подходящий тип масс анализатора. Масс анализатор, основанный на цилиндрической ионной ловушке, хорошо подходит для целей создания компактной системы.
Цилиндрическая геометрия ионной ловушки благодаря относительно простому процессу изготовления позволяет миниатюризировать ионную ловушку [Badman, Е. R., 2000 а; О. Kornienko, 1999] и изготовлять массивы ионных ловушек [Badman, Е. R., 2000 Ь]. Такие компоненты масс спектрометров как детекторы стали в последнее время доступны в миниатюрной форме. Источники ионов, использующие метод электрораспыления и имеющие несколько каналов, описаны в работах Хениона (Henion) [Henion J., 2002] и становятся коммерчески доступными.
Целями проекта, результаты которого излагаются в главе 8 диссертации, являлись создание и исследование эксплуатационных характеристик четырехканального масс спектрометра с источниками ионов электрораспылением и массивом ионных ловушек (масс анализаторы) цилиндрической геометрии. Такой прибор позволил бы производить высокопроизводительный анализ различных типов веществ, включая большие биомолекулы (например, белки). 4. Ионы образуются электронным ударом в подвижном ионизаторе, по которому пропускается поток инертного газа. Образовавшаяся плазма впрыскивается в реактор в поток буферного газа (газа-носителя). Нейтральный реагент подмешивается либо непосредственно в буферный газ выше по потоку от ионизатора, либо ниже по потоку по подвижному капилляру. От точки смешения реагентов начинается реакционная зона, заканчивающаяся заборным конусом -соплом, отбирающим часть потока для анализа и формирующим молекулярный пучок, часть которого, в свою очередь, отбирается вторым заборным конусом сепаратором. Затем ионы ускоряются до 3 кВ, разделяются по массам магнитным масс - анализатором серийного масс-спектрометра МИ-1309 и регистрируются вторичным электронным умножителем (ВЭУ).
Основными отличиями данной установки от традиционной Flowing Afterglow являются использование повышенного (0.5 - 7 Торр) рабочего давления в реакторе, подвижного ионизатора, двухступенчатой системы ввода ионов в зону селекции ионов и использование магнитного масс - анализатора.
Двухступенчатая система напуска ионов в масс - анализатор позволяет повысить давления в реакторе и существенно расширяет кинетические возможности установки, прежде всего за счет возможности изучения тримолекулярных реакций ассоциации и реакций ионных кластеров. Использование подвижного ионизатора обеспечивает дополнительную возможность варьирования времени контакта реагентов, а также возможность изучения процессов диффузии и рекомбинации ионов. Система напуска ионов в масс - анализатор с дифференциальной системой откачки обеспечивает необходимый вакуум в масс - анализаторе (около 10 "5 Торр) при высоком (до 7 Торр) рабочем давлении в реакторе при использовании заборных конусов с достаточно большими отверстиями в вершинах (0.4 - 1 мм), что позволяет избежать возмущений ионного состава при напуске, поскольку и длина свободного пробега, и дебаевский радиус Rd = (кТ/ne2 )1/г много меньше размера отверстий.
Использование магнитного масс - анализатора с одной стороны усложняет конструкцию установки в связи с необходимостью электрической изоляции верхней части установки, находящейся при потенциале 3 кВ, и предотвращения разрядов в системах откачки и напуска газа; но, с другой стороны, открывает возможность исследования столкновительного (и, в принципе, спонтанного) распада ионных кластеров.
Ионизатор представляет из себя трубку из нержавеющей стали диаметром 4 мм и длиной 50-70 см, в которой пропущены два электрода питания катода в изоляторе. Катод V - образной формы изготовляется из торированного вольфрама или вольфрам - рениевой проволоки толщиной 50 - 120 микрон и прикрепляется к электродам с помощью специально изготовленного переходника контактной сваркой. Сам катод располагается внутри трубки, расстояние от его вершины до среза трубки 2-4 мм. В промежутке между катодом и стенками трубки и происходит ускорение ионизирующих электронов. По этой же трубке подается инертный газ (как правило, аргон), часть атомов которого становится ионами. Трубка, вводимая в реактор через сальниковое уплотнение, перемещается по оси реактора и центруется специальным устройством (рис.4.1). Энергия ионизирующих электронов варьируется в пределах 10 -100 эВ, ток эмиссии катода в обычном рабочем режиме 100 - 200 микроампер, но может быть доведен до 3 тА.
Такая закрытая конструкция ионизатора разработана впервые и позволяет проводить ионизацию электронным ударом с катодом прямого накала в атмосфере инертного газа, даже если основной поток в реакторе содержит агрессивные для катода вещества.
Квантовохимические расчеты реагентов, продуктов и переходных состояний процессов изомеризации CH3CN -> CH2CNH+; HCN -> CNH; и HCN+ CNH+
В случае реакции СНзСНОН с этанолом из-за очень малой величины экзотермики реакции возможность образования стабилизированных комплексов оказывается достаточно высокой. Это может быть связано как с большим временем жизни соответствующего столкновительного комплекса, так и с тем, что требуется передать малую энергию третьей частице для его стабилизации, что, возможно, может произойти за одно - два столкновения с гелием. Модель, описывающая конкуренцию процессов, будет рассмотрена ниже.
В реакциях смешанных протонированных кластеров ацетальдегид - этанол наблюдается конкуренция ассоциации и замещения альдегида на спирт. Теплота реакции СНзСНОН+СН3СН2ОН + СН3СН2ОН -» СНзСН2ОНН+СНзСН2ОН + СН3СНО составит 4,4 ккал/моль. Эта оценка сделана, исходя из следующих термохимических данных: энергия декластеризации комплекса СНзСНОН СНзСНгОН составляет 29,5 ккал/моль [Larson J. W., 1982]; разница в сродстве к протону СНзСНО и СН3СН2ОН , как указывалось ранее, составляет 1,9 ккал/моль; энергия кластеризации СНзСНгОННҐ+СНзСНгОН составляет 32 ккал/моль [Larson J.W., 1982]. Если предположить, что ион с массой т/е=91 состоит из протонированного этанола и ацетальдегида (лиганд), то реакция образования протонированного димера этанола является реакцией замещения лиганда. Теплота этой реакции, полученная из разницы энергии кластеризации СНзСНгОНН + СНзСНО (31,2 ккал/моль [Larson J. W., 1982]) и энергии кластеризации СНзСНгОНН + СН3СН2ОН (32 ккал/моль), составляет значительно меньшую величину - 0,8 ккал/моль. Как и ранее конкуренцию ассоциации с экзотермическим каналом реакции можно объяснить малой экзотермикой реакции замещения ацетальдегида. Определить однозначно в каком виде присутствует альдегид в образовавшихся кластерах смешанного состава на основании имеющихся экспериментальных данных нельзя. Полуэмпирические расчёты указывают на возможность существования двух стабильных структур кластера с гп/е=91. В процессе дезактивации внутреннего возбуждения комплекса (СНзСНО-Н+ СНэСНгОН) он может оказаться в любой из "двух потенциальных ям" (см. диаграмму б) на рис. 5.14), соответствующим двум структурам. Из исследованных в данной работе процессов только для реакции СНзСНОН + СН3СН2ОН в литературе имеются данные по константам скорости.
Они получены при более низких давлениях. Оценка, полученная методом масс спектрометрия с повышенным давлением (менее 1СГ3 Торр) в области протекания реакции, составляет к=(1,2±0,6) 1СҐ9 см3/с (Sieck L.W., 1966], а метод ИЦР даёт величину к=1,12 10"9 см3/с [McMahon Т.В., 1977] . Полученное в данной работе значение к4&47 = 1,18 10"9 см3/с согласуется с этими оценками.
Полученные значения констант скорости в среде буферного газа и в условиях низкого давления в принципе могут различаться, поскольку в первом случае с бимолекулярной реакцией переноса протона конкурирует трёхчастичный процесс. Ниже будет рассмотрена возможная модель процесса. Предварительно следует сделать следующие замечания, касающиеся абсолютных значений констант скорости, поскольку это важно для сопоставления экспериментальных результатов с моделью.
Величина k4s несколько больше константы скорости соударений этих ионов с этанолом, которая согласно расчётам, использующим модель взаимодействия иона с усреднённым диполем с учетом сохранения углового .момента-AADO.jSu . Т. 1979], составляет 1,9 10 9 см3/с. Аналогичный расчет для столкновений Хе+ + этанол даёт величину константы скорости 1,56 10"9 см3/с. Последнее значение лежит на пределе пофешности определения ко. Можно предположить, что различие между ко и расчетным значением связано с систематической пофешностью определения констант скорости из-за занижения калибровки потока полярного реагента. Поэтому можно ввести фактор, учитывающий эту пофешность, который предполагается равным отношению расчётного значения к определённому ранее в эксперименте. Его величина составляет 0,886.
Ниже приведена схема образования продуктов (см рис 5.15). Предполагается, что продукты реакции образуются из двух типов промежуточных комплексов. Комплекс (АН+В) образуется непосредственно в столкновении. Для этого комплекса возможны два расладных канала: либо распад на исходные частицы, либо с образованием ВН+ с константами скорости реакций мономолекулярного распада К.1 и К соответственно. В столкновениях с гелием комплекс (АН+В) может потерять часть внутренней энергии и перейти в комплекс (АН В) с константой скорости процесса KRI = кяі[Не]. Предполагается, что для комплекса (АН В) отсутствует канал обратного распада. Он может либо стабилизироваться, образуя продукты ассоциации, либо распасться и образовать протонированный продукт ВН с константами скорости Ks и К соответственно. Следует особо отметить следующие допущения.
Модель предполагает только слабые столкновения комплекса (АН+В) с атомами гелия, т.е. потеря внутренней энергии комплекса менее 1,8 ккап/моль на столкновение. В модели пренебрегается активацией комплекса (АН+В)# в столкновениях. Скорость распада комплекса (АН+В)# на исходные частицы предполагается пренебрежимо малой, хотя для многоатомных систем, в принципе, существует возможность слабо эндотермического распада.
Анализ небольших молекул лекарственных веществ
Методика струевой масс спектрометрии была использована для исследования реакции иона Хе с ацетоном и последующих превращений ионов-продуктов при давлении буферного газа (Гелий) 1.1 Торр. Была определена кинетическая схема, описывающая эволюцию ионов в системе вплоть до ионов четвертого поколения. Значения констант скорости и соотношения каналов реакций для ключевых процессов в системе были оценены из экспериментальных кинетических зависимостей.
Основным каналом реакции Хе + СНзСОСНз (данная реакция происходит практически при каждом столкновении) является образование иона-фрагмента СНзСО , поскольку экзотермика реакции перезарядки ксенона на ацетоне выше порога диссоциации основного состояния катиона ацетона. Образование в параллельном канале фракции молекулярного иона ацетона на уровне 2.5 % указывает на образование электронно возбужденного долгоживущего состояния катиона ацетона.
Была исследована конкуренция процессов ассоциации и перераспределения частиц в реакциях иона СНзСО и его кластера СНзС0 (СНз)гС0 с ацетоном. Было найдено, что каналы реакций, в которых имеет место перераспределение частиц (образование протонированного ацетона для СНзСО и протонированного димера ацетона для СНзСО (СНз)гСО), медленнее каналов ассоциации данных ионов с ацетоном при давлении буферного газа (гелий) 1.1 Торр. Общая эффективная константа скорости (включающая все каналы) для СНзСО составляет несколько единиц на 10"10 см3 с 1; для кластерного иона эффективная константа скорости примерно на 40 % меньше.
При увеличении концентрации ацетона было обнаружено образование медленно реагирующей фракции ионов СзНеО . Их структура может быть приписана катиону ацетона енольной формы (СНгСОНСНз ). Единственным экзотермичным каналом реакции этого катиона с ацетоном является канал ассоциации. Продукт такого процесса - непрстонированный димер ацетона -наблюдался в масс спектрах.
Первичные ионы Хе+ образовывались в ионизаторе электронным ударом. Нейтральный реагент (ацетон) добавлялся ниже по потоку через капилляр. Концентрация ацетона являлась варьируемым кинетическим параметром. Длина зоны реакции L определялась расстоянием между срезом капилляра и отверстием в первом заборном конусе.
При расчете эффективного времени реакции t во внимание была принята поправка, которая учитывала, что профиль скоростей в потоке имеет параболическую форму, а также поправка, учитывающая "краевые эффекты" [Р. S. Vinogradov, 1998]. Эффективное время реакции составило 0.87 10"3 с. Данное время оставалось неизменным в течение экспериментов. Давление буферного газа гелия также оставалось неизменным и составляло 1.1 Торр.
На рисунке 6.1 представлены кинетические зависимости относительных токов наиболее интенсивных составляющих масс спектра, независимым параметром является [A]t - произведение концентрации нейтрального реагента на эффективное время реакции. На рисунке приведены кинетические зависимости для ионов третьего поколения [СНзСО+СНзСОСНз] (m/e = 101), СНзСОСНэН (m/e = 59), а также ионов четвертого поколения [СНзСО+(СН3СОСНз)2] (m/e = 159) и (СН3СОСН3)2Н+ (m/e =117). Как следует из рисунка 6.1, основным продуктом реакции Хе с ацетоном является ион СНзСО (m/e = 43), в то время как другой канал (образование молекулярного иона ацетона) является менее интенсивным. была определена из наклона зависимости логарифма относительного ионного тока ионов Хе+ от [A]t , поскольку зависимость концентрации первичных ионов [Хе+] задается выражением.
Следует отметить, что приводимая погрешность является лишь погрешностью процедуры аппроксимации экспериментальной зависимости и не включает в себя систематическую погрешность.
Основной источник систематических погрешностей в кинетических измерениях связан с измерением концентрации нейтрального реагента (потока нейтрального реагента). Поток ацетона в реактор градуировался в специальном эксперименте по скорости падения давления его паров в фиксированном объеме (источнике нейтрального реагента) при его свободном течении в реактор через капилляр. Десорбция ацетона (полярная молекула) со стенок реактора может привести к занижению потока реагента и таким образом повлиять на [A]t (независимую переменную кинетических зависимостей). Таким образом, константы скорости, найденные из процедуры аппроксимации могут оказаться завышенными. Анализ показывает, что величина систематической погрешности такого рода не превышает 30%.
Выражения для кинетических зависимостей относительных токов вторичных ионов были определены путем решения уравнений химической кинетики для соответствующих ионных концентраций.
Выражение для относительного тока иона СН3СО+ имеет вид где Ка - суммарная константа скорости гибели ионов СНзСО в реакции с ацетоном, включающая все каналы, а значение Аде равно ко-4з - парциальной константе скорости образования ионов СНзСО в реакции (6.1), если нет дискриминации в эффективности детектирования различных ионов. В противном случае в выражение (6.3) следует ввести поправочный множитель. Ниже будет показано, что данный множитель близок к 1 и может не учитываться. Выражение для относительного тока другого вторичного иона СзН60+ имеет вид аналогичный (6.3).
