МИКРОДИСПЕРСНЫЙ РЕЖИМ ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЯ В ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ МОДЕ КАК СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ОБРАЗЦА НА ЛДИ-МИШЕНЬ

В начале 1980-х гг. лаборатория профессора Лидии Галль в Ленинграде разработала метод "экстракция солватированных ионов при атмосферном давлении" (ЭРИ АД), аналогичный методу электрораспыления [1]. ЭРИ АД использует электростатическую атомизацию жидкостей и был соединен с магнитным секторным масс-спектрометром. Массовые спектры ЭРИ АД содержали молекулярные ионы для солей и квазимолекуляр-ные ионы для биомолекул с очищением спектров за счет умеренной фрагментации. Метод позволял контролируемую фрагментацию квазимолекуляр-ных ионов для подтверждения структуры анализируемых веществ. В течение десяти лет лаборатория развивала технологии ЭРИ АД и их применение, что отражено в ранних публикациях [2, 3]. Метод электрораспыления (ИЭР) является результатом развития технологии ЭРИ АД и применяется для распыления образца при атмосферном давлении электрическим полем, создающим жидкостной мениск на конце металлического капилляра и распыляющим заряженные капли в сторону про-тивоэлектрода. Метод электрораспыления не останавливается в своем развитии, и по сей день публикуется множество работ по развитию и оптимизации данного метода мягкой ионизации [4, 5].

В последнее десятилетие ИАП РАН проводились исследования [6, 7], в которых была пред- ставлена система электрораспыления, функционирующая с динамическим делением потока распыляемого раствора в диапазоне от 10 до 100 мкл/мин, при этом обеспечивающая режим мелкодисперсного электрораспыления (получившего в то время название "безкапельный"), позволившая расширить диапазон распыляемых жидкостей. В последующих исследованиях была разработана установка, обеспечивающая электрораспыление суспензии наночастиц оксидов металлов в мелкодисперсном режиме с динамическим делением потока жидкости при нормальном давлении для напыления покрытия на ЛДИ-мишень [8]. Позднее проведенная оптимизация установки [9] позволила сделать ее компактнее, дешевле и проще в использовании, продемонстрировав высокое качество результатов при напылении наночастиц диоксида титана на поверхность металлической подложки, что стало основой для разработки способов функционализации поверхности ЛДИ-мишени TiO2 [10]. К основным достоинствам мелкодисперсного электрораспыления можно отнести отсутствие крупных капель растворителя, мешающего адгезии частиц к подложке, а также возможность распылять высококонцентрированные солевые растворы [7].

На сегодняшний день микродисперсное электрораспыление изучалось преимущественно при подаче положительного потенциала на внутренний капилляр и заземлении металлического противо-электрода, в то время как отрицательная мода также вызывает не меньший интерес. Известно, что электрораспыление в отрицательной моде осуществляется с использованием анион-обра-зующих солей, что вызывает ряд проблем, связанных в том числе с формированием неустойчивого жидкостного мениска. Нами было сделано предположение, что в случае установки для микродис-персного электрораспыления за счет откачивания излишков нераспыленного раствора через зазор между капиллярами получится сформировать устойчивый мениск при распылении наночастиц TiO2 на ЛДИ-мишень в отрицательной моде. Что и стало основной целью данной работы.

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Подбор параметров микродисперсного электрораспыления в отрицательной моде

Изучение процесса микродисперсного электрораспыления с динамическим делением потока распыляемого раствора при нормальных условиях в отрицательной моде проводилось с помощью установки, схема которой представлена на рис. 1. Система включает в себя несколько основных узлов: система подачи раствора (1, 2), узел микро-дисперсного электрораспыления растворов при атмосферном давлении (3, 4), механический воздушный насос с блоком питания (YA XUN, Китай) (5–8) и система обеспечения, включающая в себя управляемые высоковольтный блок питания

(Stanford Research Systems) (9, 10), ЛДИ-мишень для нанесения на ее поверхность механически устойчивого пятна сорбента (11), а также систему видеонаблюдения — цифровой микроскоп (DOMEE, Китай) – компьютер (12, 13).

Тенденция к возникновению коронного разряда представляет собой дополнительный фактор, усложняющий процесс электрораспыления с отрицательными ионами по сравнению с аналогичным процессом с положительными ионами [11]. В предыдущей работе [10] нами было предложено использование высокоомного последовательного резистора, который способствует частичному подавлению коронного разряда и уменьшению искрения при распылении раствора в положительной моде. Мы предположили, что данная модификация позволит стабилизировать распыление и при отрицательном режиме распыления. И первой задачей было формирование устойчивого жидкостного мениска.

Обычно для достижения более стабильного и эффективного распыления в режиме отрицательных ионов используют такие добавки, как соли аммония, которые могут образовывать стабильные отрицательные ионы путем электрохимического восстановления в растворе [12]. В сильном электрическом поле на жидкость в области мениска действуют электрогидродинамические силы. Взаимодействие между этими силами и вязким сопротивлением определяет эффективность сохранения формы мениска и его стабильность [11].

Рис. 1. Схема лабораторной установки для микродисперсного распыления ксенобиотиков в отрицательной моде.

1 — шприцевой микронасос Harvard Apparatus Model 11 Single Syringe Pump; 2 — капилляр; 3 — внутренний металлический капилляр; 4 — внешний диэлектрический капилляр; 5 — воздушный насос R385 G-12V DC; 6 — пластиковая трубка; 7 — блок питания воздушного насоса (YA XUN 1502DD 0-15V-2A); 8 — емкость для слива раствора; 9 — регулируемый высоковольтный блок питания (PS350 Stanford Research Systems High Voltage Power Supply); 10 — высокоомный резистор; 11 — заземленная мишень ЛДИ; 12 — электронный микроскоп Dscope Digital Microscope; 13 — управляющий компьютер

В отрицательной моде, когда ионы генерируются из отрицательно заряженных капель, этот баланс имеет решающее значение для обеспечения постоянного производства ионов. Хотя вязкость играет значительную роль, поверхностное натяжение остается доминирующим фактором влияния на поведение мениска [13]. Сочетание высокого поверхностного натяжения и повышенной вязкости может повысить стабильность, однако это может также потребовать корректировки приложенного напряжения для поддержания оптимальных условий электрораспыления [14].

На первом этапе в качестве жидкой фазы нами был выбран 50% водный метанол как один из основных растворов для электрораспыления в отрицательной моде [10, 12] и NH4HCO3. Были приготовлены растворы с концентрациями NH4HCO3 1, 2, 5, 10, 25, 50 и 75 мМ. Для каждой отдельной концентрации соли варьировались параметры распыления: напряжение между внешним капилляром и противоэлектродом; скорость потока; расстояние между внешним и внутренним капиллярами; расстояние между внешним капилляром и проти-воэлектродом. За процессом формирования мениска наблюдали с помощью системы видеонаблюдения — цифровой микроскоп – компьютер. К сожалению, ни в одном из исследуемых случаев не удалось добиться устойчивого формирования мениска. Поэтому на следующем этапе выбрали органический растворитель со схожими химическими свойствами, но обладающий более высоким показателем вязкости и поверхностного натяжения — этанол. Для распыления использовали растворы NH4HCO3 в 50% водном этаноле в тех же концентрациях, что и в предыдущем эксперименте. И для раствора 50 мМ NH4HCO3 в 50% водном этаноле удалось зафиксировать устойчивое формирование мениска в течение 5 мин (рис. 2, Б). При том что при 25 мМ NH4HCO3 не удавалось достичь полного формирования мениска из капли раствора; при 75 мМ мениск образовывался, но не удерживался в течение заданного времени эксперимента — происходил срыв режима распыления (рис. 2, А, В).

Таким образом, устойчивый мениск был получен при следующих параметрах: напряжение между внешним капилляром и противоэлектродом — 4.5 кВ; расстояние между мишенью и внутренним капилляром ~ 30 мм; внутренний капилляр выдвинут из внешнего капилляра на 3 мм; скорость подачи раствора в капилляр 200 мкл/мин; рабочий объем раствора не менее 5 мл; время распыления 5 мин; жидкая фаза — 50 мМ NH 4 HCO 3 в 50% водном этаноле.

Рис. 2. Микродисперсное электрораспыление этанол-водного раствора бикарбоната аммония в отрицательной моде.

А —25 мМ NH₄HCO₃ в 50% водном этаноле, мениск не сформирован; Б — 50 мМ NH 4 HCO 3 в 50% водном этаноле, образование устойчивого мениска;

В — 100 мМ NH 4 HCO 3 в 50% водном этаноле, мениск неустойчив;

Г — раствор диклофенака в суспензии наночастиц TiO 2 50 мМ раствора NH 4 HCO 3 в 50% водном этаноле, в процессе распыления образуется тонкий слой распыленного раствора на поверхности мишени ЛДИ

МИКРОДИСПЕРСНОЕ ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЕ СУСПЕНЗИИ НАНОЧАСТИЦ TiO 2

В ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ МОДЕ

Следующий этап исследования был посвящен отработке микродисперсного распыления суспензии наночастиц диоксида титана в отрицательной моде. Для контроля процесса распыления раствора и результатов его напыления на ЛДИ-мишень были приготовлены два раствора суспензии наночастиц TiO 2 (размер частиц ~21 нм, Sigma-Aldrich, 1 мкг/мл в 50 мМ растворе NH 4 HCO 3 и 50% водном этаноле), к одной из которых добавили диклофенак (Sigma-Aldrich) в концентрации 25 мкг/мл. Суспензии предварительно перемешивали с помощью устройства типа "Вортекс", затем в течение 10 мин выдерживали в ультразвуковой ванне при комнатной температуре.

Подбор условий распыления для обоих образцов проводили так же, как и в предыдущем эксперименте. В результате приготовленные суспензии удалось распылить при следующих параметрах (для получения пятна сорбента диаметром 2 мм): напряжение между внешним капилляром и проти-воэлектродом 5.0 кВ; расстояние между мишенью и внутренним электродом ~ 25 мм; внутренний капилляр выдвинут из внешнего капилляра на 2 мм; скорость подачи раствора в капилляр 200 мкл/мин; рабочий объем раствора не менее 5 мл; время рас- пыления 5 мин с визуальным фиксированием образования пятна диоксида титана на поверхности ЛДИ-мишени (рис. 2, Г).

Следует отметить, что при таком способе нанесения наночастицы прочно удерживаются на поверхности мишени. Это позволило в дальнейшем использовать их как эмиттер ионов при проведении ПАЛДИ-МС-анализа. Анализ проводили с помощью масс-спектрометра, оснащенного источником ионов МАЛДИ — MALDI-FT-ICR MS (Bruker Daltonics). Спектры регистрировали в диапазоне m / z 200–700 с детектированием положительных ионов при следующих настройках масс-спектрометра: для получения одного спектра было использовано 40 актов облучения образца лазером при мощности лазера 90% и частоте облучения 1000 Гц.

При перечисленных условиях проведения анализа в масс-спектре, полученном с пятна распыленной суспензии TiO 2 , содержащей диклофенак, искомый сигнал аддукта диклофенака с натрием ( m / z 318) оказался одним из наиболее интенсивных (рис. 3, А), в то время как в масс-спектре с пятна суспензии диоксида титана соответствующего сигнала обнаружено не было. При этом достаточно высокая концентрация соли в распыляемом растворе не помешала ПАЛДИ-масс-спектрометрическому анализу.

Рис. 3. Масс-спектры ПАЛДИ-МС-анализа.

A — МС-спектр ПАЛДИ-анализа распыленного раствора диклофенака в суспензии наночастиц TiO 2 : 50 мМ раствора NH 4 HCO 3 в 50% водном этаноле;

Б — МС-спектр ПАЛДИ-анализа распыленного раствора суспензии наночастиц TiO₂: 50 мМ раствора NH 4 HCO 3 в 50% водном этаноле

Соответственно, можно предположить, что совместное распыление эмиттера ионов для ПАЛДИ и аналита в режиме микродисперсного электрораспыления в отрицательной моде в дальнейшем может стать основой для разработки новых чувствительных методик анализа низкомолекулярных соединений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в данной работе представлены результаты исследования возможности реализации микродисперсного электрораспыления в отрицательной моде водно-этанольного раствора бикарбоната аммония. Предложенный метод может быть использован для дальнейшего изучения различных низкомолекулярных соединений, что открывает новые возможности для применения мик-родисперсного распыления в задачах аналитической химии.