Введение к работе
Актуальность темы
Развитие лазерной техники в последние десятилетия привело к появлению новых методов высокочувствительного определения органических и биоорганических соединений. К числу наиболее перспективных и интенсивно развивающихся относится метод поверхностно активированной лазерной десорбции и ионизации SALDI (Surface Assisted Laser Desorption Ionization). В этом методе определяемые органические или биоорганические соединения предварительно наносятся из раствора или адсорбируются из газовой фазы на поверхность специально приготовленной подложки - эмиттера ионов. Затем на поверхность эмиттера воздействуют лазерным излучением, что приводит к ионизации и десорбции ионов определяемых соединений, которые затем анализируются масс-спектрометром.
Несмотря на успешное применение метода SALDI для высокочувствительного определения различных органических и биоорганических соединений c массой меньше 1000 а.е.м., механизм образования ионов все ещё остается предметом дискуссий. Уже на ранних этапах развития метода было установлено, что для эффективного образования ионов необходимо сформировать на поверхности специальную структуру (например, пористый или шероховатый слой). Поэтому в ходе развития метода SALDI в литературе неоднократно предлагались простые модели, связывающие эффективность образования ионов с особенностями структуры эмиттера ионов. Однако за последние годы накопились много новых экспериментальных и теоретических результатов, которые невозможно объяснить в рамках предложенных моделей.
Поэтому для дальнейшего целенаправленного развития этого метода крайне актуальной является задача определения механизма образования и десорбции ионов в SALDI. Для построения корректной модели необходимо учитывать не только роль морфологической структуры подложки, но и другие факторы, основными из которых являются лазерное излучение, химический состав поверхности и концентрация дефектов структуры материала эмиттера ионов.
Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании факторов, определяющих эффективность SALDI, и разработке на этой основе модели лазерной десорбции и ионизации с поверхности кремния.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Создать оптическую схему для подачи лазерного излучения различных длин волн в ионный источник SALDI масс-спектрометра.
Исследовать кремниевые подложки с различным химическим составом, морфологией поверхности и структурой приповерхностного слоя в качестве эмиттеров ионов в методе SALDI.
Изучить зависимость выхода ионов от параметров лазерного излучения для различных типов эмиттеров ионов и на основе полученных результатов определить основные функции лазерного излучения в методе SALDI.
Провести численные расчёты для оценки изменения температуры кремниевых поверхностей при воздействии на них импульса лазерного излучения.
Провести квантово-механические расчёты, моделирующие процесс переноса протона от поверхностного протонодонорного центра к адсорбированной молекуле.
Определить оптимальные условия детектирования органических соединений и оценить эффективность SALDI ионизации на примере молекул кофеина.
Научная новизна
Впервые показано, что эффективность SALDI-процесса определяется концентрацией структурных дефектов типа оборванных связей, выступающих в роли центров захвата фотоиндуцированных носителей заряда.
Определены основные функции лазерного излучения, состоящие в очистке и активации поверхностного разупорядоченного слоя, генерации фотоиндуцированных носителей в этом слое и его разогреве, обеспечивающем десорбцию протонированных ионов анализируемых соединений.
Показано, что для эффективной SALDI-ионизации необходима предварительная активация поверхностного разупорядоченного слоя путём обработки кремниевой поверхности лазерным излучением в присутствии паров воды.
На основе квантово-механических расчётов определено, что локализация положительного заряда на поверхностном SiOH-центре принципиально (на 4 эВ) понижает барьер передачи протона адсорбированной на нём молекуле.
Определена эффективность SALDI-ионизации молекул кофеина, составившая величину ~10-3.
На основе теоретических и экспериментальных исследовании предложена новая модель SALDI, которая описывает процессы формирования ионов и их десорбцию с кремниевых поверхностей.
Практическая значимость
Предложено использовать плёнки аморфного кремния a-Si в качестве высокоэффективных эмиттеров ионов SALDI. Показано, что такие плёнки обеспечивают более высокую воспроизводимость и чувствительность анализа по сравнению с известными эмиттерами ионов SALDI.
Предложенная модель SALDI позволяет оптимизировать факторы, определяющие эффективность ионизации органических соединений, а также осуществлять целенаправленный поиск новых материалов для использования в качестве эмиттеров ионов.
Показано, что с учётом накопления анализируемых молекул на активированной кремниевой поверхности метод SALDI позволяет реализовать рекордно высокие чувствительности определения ряда азотсодержащих органических соединений. Полученные результаты могут быть использованы для терапевтического лекарственного мониторинга, для решения задач фармакокинетики, в аналитической практике для высокочувствительного определения органических соединений в природных и промышленных объектах.
Выносимые на защиту положения
Эффективность SALDI с кремниевых поверхностей определяется концентрацией структурных дефектов типа оборванных связей, выступающих в роли центров захвата фотоиндуцированных носителей заряда.
Источником протонов в методе SALDI являются поверхностные SiOH- группы, образующиеся при диссоциации молекул остаточных паров воды на поверхности кремния.
Для эффективной SALDI-ионизации необходима предварительная активация эмиттера ионов, осуществляемая путём обработки кремниевой поверхности лазерным излучением в присутствии паров воды.
Локализация положительного заряда на поверхностном SiOH центре адсорбции/десорбции принципиально (на 4 эВ) понижает барьер передачи протона адсорбированной молекуле.
Основные функции лазерного излучения в процессе SALDI заключаются в очистке и активации поверхностного слоя эмиттера ионов, генерации фотоиндуцированных носителей и разогреве приповерхностного слоя, обеспечивающем десорбцию протонированных ионов анализируемых соединений.
- При найденных оптимальных условиях анализа метод SALDI позволяет реализовать рекордно высокие чувствительности определения ряда азотсодержащих органических соединений.
Апробация работы
Результаты работы были представлены на Всероссийской конференции «Аналитика России» (2004), II-ом международном семинаре-школе «Масс- спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (2004), XXII международной Чугаевской конференция по координационной химии (2005, Молдавия), на VI Всероссийской Конференции-школе «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и её аналитические применения» (2010), на IV Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы» (2011).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 6 тезисов докладов.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав и списка литературы. Диссертация изложена на 115 страницах, содержит 35 рисунков и 4 таблицы.
