1.3. Виды ионизации

заряженных частиц. Это равновесное состояние характеризуется определенной степенью ионизации газа, т. е. отношением концентрации ионизированных частиц к общей концентрации частиц

	Kион =	nион	,	(1.7)
		NΣ

где Kион – коэффициент степени ионизации газа; nион – концентрация ионизированных частиц;

NΣ – общая концентрация частиц (NΣ ≈ 1022 атомов на см3).

Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизирована,

называется плазмой (nион ≥ 1012–1014 ионов на см3).

Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова. Плазма – форма существования вещества при температуре примерно 5000 К и выше.

При столкновении электронов с нейтральным атомом или молекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются, — электроположительными (азот, гелий).

Различают объемную и поверхностную ионизации. Объемная иони-

зация – образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация – излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов.

Объемная ионизация подразделяется:

1)на ударную ионизацию;

2)ступенчатую ионизацию;

3)фотоионизацию;

4)термоионизацию.

Ударная ионизация – соударение электрона с нейтральным атомом или молекулой. Если к промежутку между электродами в газе приложено напряжение, то заряженные частицы, кроме тепловой скорости, приобретают под действием электрического поля направленную скорость

где V – скорость, см/с;

Различные виды ионизации в газах

Ударная ионизация в газе, характеризуемая коэффициентом ионизации α, является в электрическом поле основным поставщиком свободных электронов. Вместе с тем на условия развития разряда могут оказывать влияние и даже стать определяющими и другие механизмы ионизации молекул и атомов. К их числу относятся фотоионизация и термоионизация.

Источником ионизирующего излучения может быть внешнее излучение, но таким источником может быть и сам газовый разряд, в котором фотоны образуются при возвращении в исходное состояние возбужденных атомов и молекул. Возникающие фотоны поглощаются газом, причем механизм фотопоглощения чрезвычайно разнообразен и зависит от энергии фотона и структуры молекулы.

Наибольшее практическое значение для развития разряда имеет поглощение фотона с последующей ионизацией молекулы — фотоионизация. Для осуществления фотоионизации нужно, чтобы энергия фотона hν ≥ W_и. Молекулярные газы для фотоионизации требуют ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. При ультрафиолетовом излучении атом ионизуется путем выбивания одного из самых внешних электронов. Рентгеновское излучение взаимодействует преимущественно с более сильно связанными внутренними электронами.

Если в газе имеются молекулы разных сортов, отличающиеся разными значениями энергий ионизации и возбуждения, и если энергия электронного возбуждения одних молекул больше энергии ионизации других, то при девозбуждении молекул одного сорта может происходить фотоионизация молекул другого сорта, что имеет место, например, в воздухе при развитии разряда.

При повышении температуры газа до нескольких тысяч градусов возможно осуществление целого ряда реакций, в результате которых образуются положительные ионы и электроны. При высокой температуре за счет большой кинетической энергии частиц возможны неупругие столкновения между собой нейтральных молекул, которые приводят к возбуждению и диссоциации сталкивающихся частиц. В последнем случае молекула распадается на составляющие ее атомы или группы атомов, причем продукты диссоциации, обладающие чаще всего более низкими энергиями ионизации, чем сложная молекула, претерпевают ионизацию при последующих столкновениях.

В смесях газов, таких как воздух, при возвращении термически возбужденных молекул одного сорта (азота) в основное состояние происходит излучение с последующим поглощением фотонов молекулами другого сорта (кислорода), в результате чего также может быть ионизация. Таким образом под термической ионизацией понимается целая совокупность процессов, приводящих к ионизации при высокой температуре газа. Интенсивность термической ионизации характеризуют степенью ионизации m, равной отношению числа (концентрации) ионизованных частиц в единице объема газа n

и к числу (концентрации) всех частиц в единице объема — n, так что m = n_и/n.

Если газ находится в условиях теплового равновесия, когда средняя тепловая энергия частиц разного сорта (нейтральных молекул, электронов, ионов) одинакова, то для определения степени ионизации m по известной температуре Т можно пользоваться уравнением Саха:
p[m²/(1-m²)] = AT^2,5exp(W_и/kT), где р — давление газа, мм рт.ст.; W_и — энергия ионизации газа, эВ; k — постоянная Больцмана, эВ/К; постоянная А = 2,4×10

-4. Обычно даже при температурах порядка 10000 К степень ионизации газа еще очень мала и не превышает 0,1.

Ионизация газа: виды и особенности процесса

Технология высоких напряжений и ионизация газа — взаимосвязанные процессы. Если рассматривать процесс с точки зрения природного явления, он происходит при разрядах молнии и ультрафиолетовом излучении, а в искусственном исполнении — при работе электродов (будь то сварка или электродуговой переплав металла) около высоковольтной ЛЭП. Чаще всего с этим явлением сталкиваются при сварных работах как обычной электросваркой, так и аргонодуговой.

Процесс ионизации газов, в зависимости от интенсивности, оказывает влияние на диэлектрические свойства защитной атмосферы и нередко ухудшает качество сварного соединения, поэтому стоит обратить на него особое внимание. Он аналогичен диссоциации электролита, реагирующего с растворителем, в результате чего освобождаются ионы. При ионизации этот же процесс активизируется либо при попадании в электрическое поле, либо при нагревании — это то, чем ионизация газов отличается от диссоциации электролитов.

Оба явления достаточно изучены, чтобы использовать их в бытовых целях, а также минимизировать оказываемое ими негативное влияние. В научной практике для контроля над атомными процессами используется ионизация газа, прибор же, основанный на этом принципе, называется детектором ионизации.

Ионизация газа

Особенности процесса

Важно! Если количество свободных электронов и катионов незначительно, а потенциал тока невысок, ионизация молекул газа не возникнет, и газ останется диэлектриком

Разберем подробнее, как происходит ионизация газа. По сути, каждый газ является диэлектриком (при нормальном давлении и температуре), поскольку заряд его молекулы нейтральный. Частицы находятся в постоянном хаотичном движении: ударяются друг о друга, отталкиваются, продолжая столкновение дальше. Чем больше концентрация молекул, тем чаще происходят столкновения (выше давление), но хаотичность от этого не меняется. И только при появлении электрического поля (направленное движение электронов) в перемещении заряженных частиц появляется направление. Каким образом?

Освежим курс химии и вспомним, какие частицы вызывают ионизацию газа. Молекула этого вещества рассматривается как электрический диполь. При попадании под «бомбардировку» электронами отдельные диполи распадаются, образуя положительно заряженные частицы — ионы (катионы, у которых недостает одного электрона) и свободный электрон. Первые движутся к катоду, вторые — к аноду, образуя электрический поток. При повышении напряженности количество «разорванных» молекул (диполей) будет увеличиваться в геометрической прогрессии, пока процесс станет не лавинообразным. И как результат — диэлектрик проводит электрический ток в газах — ионизация газов достигает своей апогейной фазы.

Виды ионизации в газах

При постоянной подаче газа и тока, первый можно перевести в новое агрегатное состояние — плазму. Момент, когда происходит проход тока через газ, называется разрядом, по определению он может делиться на 4 типа:

• Дуговой — плазма представлена дугой. Возникает при более низком напряжении, высокой плотности тока, чем при тлеющем разряде. Источником столба являются электроны, подаваемые через электрод. Этот тип используется при сварочных работах.
• Тлеющий — явление можно наблюдать в специально созданных условиях разреженного газа. При определенном напряжении (невысоком, поскольку атмосфера разряжена) ток проходит сквозь плазму, что характеризуется появлением света. Цвет зависит от типа газа. Используется в светотехнике (неон).
• Искровой — аналог тлеющего разряда, но происходит в обычных условиях (при высоком напряжении). Разряд сопровождается треском. Этот тип используется в двигателях внутреннего сгорания.
• Коронный — назван по фигурной форме. Объясняется она возникновением разряда в поле с мощной, но неоднородной напряженностью. В результате образуется градиент: там, где напряженность больше — усиливается свечение. Применяется в оргтехнике, воздушных ионизаторах, производстве озона.

Поскольку этот процесс зависит от различных параметров, то он подразделяется на 2 вида ионизации в газах:

• Объемная — появление ионов непосредственно в самом газе. Образование частиц также имеет свой характер и подразделяется на 4 группы:

1. Ударная ионизация в газах — появление катодов в результате соударения нейтрального атома или молекулы электроном.
2. Ступенчатая — для «выбивания» частицы из нейтрального атома нужно действие второго электрона, поскольку первый приводит его лишь в возбужденное состояние.
3. Фотопроцесс ионизации запускают фотоны, но их мощность излучения должна быть больше мощности поглощения нейтральными атомами. Возможна ступенчатая ионизация.
4. Термическая ионизация газа — появляется в результате нагрева газа до очень высоких температур в момент, когда соударение атомов освобождает электроны.

• Поверхностная — излучение ионов поверхностью электрода, появляется за счет:

1. Бомбардировки катода катионами.
2. Фотоэмиссии — облучения катода лучистой энергией.
3. Термоэлектронной эмиссии — нагрева катода.
4. Электрического поля, подаваемого на катод.

Процесс изменения состояния газа инертен, он происходит в течение времени, на него влияют такие параметры, как напряжение, тип газа. Для расчета приращения тока за счет ионизации, а также последующего определения соотношения интенсивности и давления, используется такое понятие как коэффициент ионизации газов. Переход в состояние плазмы возможен, только если степень ионизации газа достигнет нужного предела (т. е. количество заряженных частиц будет превышать число общих).

Ионизация газа возникает под действием сторонних сил и зависит от объема газа и силы тока. Процесс отрыва электрона и его возврат называется ионизация и рекомбинация газов. Поскольку движение +/- ионов противоположно, наряду с разрушением, происходят восстановление диполей и возврат нейтрально заряженных частиц.

Плазменная сварка

Применение в сварочных работах

Важно! При работе с аргонодуговой сваркой при подключении обратной полярности нельзя сильно нагревать аргон, поскольку осуществляется переход в состояние плазмы

Чтобы исключить появление нежелательной фазы, нужно знать, при каком условии происходит ионизация газа во время сварочных работ. Появляется она независимо от режимов, в которых проводятся работы, но большую опасность представляет для обратной полярности. Здесь мы имеем дело с ионизацией газа пламенем. Разогретый свыше 2400 °С газ начинает превращаться в плазму. Это агрегатное состояние меняет свои характеристики, превращая газ из защитной атмосферы в активную струю, используемую для резки металла. Энергия ионизации газов изменяется при регулировании температуры разогрева газа (как правило, используется аргон).

Заключение

Широкое применение получила ионизация газа: прибор для измерения, основанный на этом принципе, используется в современных телескопах, лазерных установках, приборах для подсчета атомных частиц — все это позволяет проводить сложнейшие опыты, изготавливать медицинское и другое оборудование. Потенциал ионизации газов еще полностью не раскрыт и проходит свою стадию изучения.

Видео: Ионизация газа

Ионизация — все статьи и новости

Ионизация — образование положительных и отрицательных ионов, а также свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Этот процесс относится к типу эндотермической реакции, при которой происходит поглощение теплоты.

При ионизации образуется положительно заряженный ион, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии. В продуктах данной реакции содержится больше энергии, чем в исходных компонентах.

Можно выделить несколько типов ионизации, таких как столкновительная (ударная), фотоионизация, термическая ионизация и ионизация лазерным излучением. В процессе столкновительной ионизации происходит столкновение свободного электрона с невозбуждёнными или возбужденными атомами или молекулами. Данный процесс является важнейшим механизмом при ионизации в газах и плазме. При фотоионизации происходит ионизация молекул и атомов под действием света. Термическая ионизация происходит при достаточно высокой температуре, когда велика энергия теплового движения атомов или молекул. В этом случае частицы могут ионизовать друг друга при взаимных ударах без участия других частиц извне. В качестве примера можно привести термическую ионизацию при нагревании газа. Для ионизации лазерным излучением необходимо достаточное количество частоты лазерного излучения, чтобы поглощение одного фотона вызвало ионизацию. В этом случае требуется высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке, чтобы произвести многофотонную ионизацию, которая осуществляется при помощи одновременного поглощения нескольких фотонов.

Также различают процесс ионизации в электролитах и в газах. Ионизация в электролитах — веществах, которые обладают ионной проводимостью — происходит в процессе распада электролита на ионы под действием растворителя. Такой процесс называют электролитической диссоциацией. Ионизация в газах осуществляется в результате отрыва от атома или молекулы одного или нескольких электронов под влиянием внешних воздействий. Энергия, необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации.

Также существует понятие «степени ионизации» — отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объема.

Стоит отметить, что при ионизации самих ионов увеличивается их разряд.

Виды ионизации | Инструмент, проверенный временем

В электрическом газовом разряде различают следу­ющие виды ионизации газов: соударением, фотоиониза­цию, тепловую, электрическим полем.

Ионизация соударением заключается в том, что вышедшие электроны с поверхности отрицательного полюса электрода (катода) движутся со скоростью све­та через слой молекулярного газа к положительному полюсу (аноду). При своем движении электроны, стал­киваясь с молекулами и атомами газа, сбивают сих ор­бит электроны, образуя при этом положительные ионы. Электроны, сбитые с поверхности электрода, называются первичными, а электроны, выбитые с орбит нейтральных частиц (атомов), — вторичными. Вторичные электроны также могут оказать ударное действие на следующие мо­лекулы и атомы и образовать так называемые третичные электроны, которые при потере кинетической энергии об­разуют с нейтральными частицами отрицательные ионы (последние легко образуются в кислороде, окислах азо­та, галоидах, водяном паре и т. д.). Образовавшиеся положительные и отрицательные ионы стремятся проде­лать путь к противоположному по знаку полюсу. При столкновении положительных ионов с отрицательными ионами или с электронами будут образовываться ней­тральные молекулы или атомы (процесс рекомбинации).

Соударения ионизируемой частицы со свободным электроном и нейтральным атомом могут быть упругими и неупругими. При упругом соударении кинетическая энергия остается неизменной, при неупругом — часть ки­нетической энергии расходуется на внутреннюю рабо­ту— возбуждение или ионизацию. Поэтому после соуда­рения энергия частицы уменьшится. Возбуждение и иони­зация частицы возможны только в том случае, если кинетическая энергия ударяющейся частицы будет боль­ше работы возбуждения или ионизации.

Фото ионизация заключается в том, что при воз­действии на газовый промежуток световой энергией атомы и молекулы газа будут поглощать кванты света (фотоны), образуя электрически заряженные частицы — электроны и ионы. Процесс образования атомами и моле­кулами газа электрически заряженных частиц за счет по­глощения квантов света называется фотоионизацией. Фотоионизация возможна в том случае, если энергия кванта света будет больше работы ионизации газовой молекулы.

Тепловая ионизация заключается в образова­нии электрически заряженных частиц в газах от воздей­ствия на газ высоких температур в результате неупругих столкновений частиц газа, имеющих большие запасы кинетической энергии. Образование электрически заря­женных частиц в газах уже становится заметным при температуре около 2000° К.

Под степенью термической ионизации газа следует понимать отношение числа образовавших­ся электрически заряженных частиц к общему количест­ву нейтральных частиц в объеме газа до ионизации. При атмосферном давлении степень ионизации газа изменя­ется с изменением температуры и зависит от потенциала ионизации.

При сварке в дуговом промежутке находится не один газ, & сйесь газов и паров, поэтому ионизация каждого газа, входящего в смесь газов и паров, протекает иначе, чем отдельного газа. Для удобства определения степени ионизации газовой смеси вводится понятие «эффектив­ный потенциал ионизации». Под эффективным потенци­алом ионизации понимают потенциал ионизации неко­торого однородного газа, который при тех же темпера­турах, давлении и концентрации образует такое же количество заряженных частиц, как и газовая смесь. Ес­ли в атмосферу дуги будут введены вещества с малым потенциалом ионизации, то эффективный потенциал ио­низации значительно снизится, что повысит стабильность дугового разряда.

Иониэ а ц ия э л е кт р и ч е ским полем заклю­чается в том, что электрическое поле, действуя на элект­рически заряженные частицы газа, ориентирует и уско­ряет их движение. Воздействие электрического поля на электрически заряженные частицы газа сказывается на участке пути, равном свободному пробегу частицы. При движении частицы соударяются, вследствие чего проис­ходит либо возбуждение, либо ионизация частиц, а вмес­те с этим и изменение направления их движения.

В чем польза ионизации и что это такое? Плюсы и минусы.

Что такое ионизация? Лучше всего ответ на этот вопрос даст википедия. Мы же в данной статье попробуем «на пальцах» рассмотреть и объяснить, что это такое.

Ионизация: что это такое и причины возникновения

Сначала необходимо затронуть легкие вопросы, которые касаются состава воздуха и структуры газов. Все вещества, находящиеся в воздухе, имеют нейтральный заряд, т.е. количество положительно заряженных частиц и отрицательно в веществе одинаковое.

Поэтому само вещество имеет нейтральный заряд. Если же баланс частиц в веществе нарушается, то причина этого кроется в образовавшихся новых ионах – положительных или отрицательных соответственно. Именно образование таких ионов называют ионизацией. И вот тут возникает вопрос, при каких же обстоятельствах эти ионы могут образовываться? Таких ситуаций в обычной жизни существует несколько. А именно:

• Воздействие на воздух (или газ) сильного электрического поля, когда большой показатель напряженности внутреннего электрического поля приводит к отрыву электрона от атома вещества. Научное название такой ионизации – ионизация электрическим полем.
• Воздействие на воздух (или газ) какой-либо энергией, которая приводит к столкновению частиц, повышению температуры, в результате чего электроны отрываются от атома вещества. Научное название этого вида ионизации – термическая ионизация

В этих двух случаях количество образовавшихся ионов достаточно большое. Бытуют суждения о существовании еще одной ситуации, в результате которой может наблюдаться ионизация. Это воздействие на воздух (или газ) так называемым «видимым светом». К такому свету относится инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Что касается инфракрасного излучения, то оно достаточно слабое и не может привести к ионизации. Ультрафиолетовое излучение же, в некоторых случаях, может привести к образованию небольшого количества ионов.

В природе источником ионизации могут являться некоторые растения, чаще всего это хвойные деревья. Также ионизация воздуха происходит при грозе за счёт сильных электрических разрядов. Поскольку ионизация наблюдается не только в газах, но и в жидкостях, то при мелком дроблении воды рядом с водопадами тоже можно наблюдать процесс ионизации.

Принимая во внимание различные научные высказывания, можно сделать вывод, что заряженные частицы воздуха (аэроионы) в целом положительно влияют на организм человека. При этом активизируются работа эритроцитов, увеличивая газообмен в легких примерно на 10%. Именно этот фактор и рассматривается в качестве основного положительного эффекта.

Положительный и отрицательный эффект ионизации

Однако ионизация воздуха имеет две стороны. Помимо самого известного положительного эффекта – улучшающего дыхания – есть много других позитивных воздействий на здоровье человека, но перечислять их все мы здесь не будем. Хотелось бы отметить лишь один из них, который напрямую на организм не воздействует. Рассмотрим его.

Ионизация воздуха способствует реакции осаждения неприятных газов, аэрозолей, а также всех твёрдых и жидких частиц на электродах, в качестве которых будут выступать различные предметы, стены. Объясняется это тем, что как только воздух начинает ионизироваться, ионы, содержащиеся в нем, приступают к заряжению частиц пыли. Заряженные частицы пыли движутся под действием поля к предметам, где и оседают.

Число ионов может быть различным. Существуют санитарно-гигиенические нормы, в которых регламентируются такие минимальные количества (СанПиН 2.2.4.1294-2003 от 15 июня 2003 года). В производственных и общественных помещениях они должны составлять 400 положительных или 400 отрицательных ионов на куб. см воздуха. Регламентируется и максимально допустимое количество – 50 000 положительных или 50 000 отрицательных ионов на куб. см воздуха.

Кроме положительных воздействий, ионизация может и причинить вред. В основном это касается людей, у которых имеются различного рода хронические заболевания или текущие болезни. Поэтому перед покупкой устройства, которое имеет функцию ионизации, необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией и с перечисленными в ней противопоказаниями. Еще лучше получить консультацию у своего лечащего врача. Но даже если у человека есть противопоказания, то можно выращивать растения, которые способны естественным путем ионизировать воздух. Эффект чистого воздуха будет тот же, но без заряженных частиц ионов. В крайнем случае можно приобрести другие приборы, такие как увлажнитель и очиститель воздуха, которые будут давать эффект не хуже ионизатора.

Кстати, в некоторых случаях человек может и сам не знать, что в помещении, где он находится, работают приборы, которые при всей своей непосредственной работе еще и ионизирует воздух. Это такие приборы как, например, копировальные аппараты или лазерные принтеры.

Люстра Чижевского

Один из распространенных аппаратов, который предлагается в качестве терапевтических действий, это люстра Чижевского. Доза выработки ионов в пределах 10000-100000 ионов на куб. см воздуха при норме работы от 5 до 60 минут. При этом хочется отметить, что люстра Чижевского производит только отрицательные ионы. Люстра работает на основе искусственной аэроионификации. Также на основе этого создан прибор для лечения – аэроионификатор, который повышает концентрацию отрицательных аэроионов кислорода в воздухе. Для эффективной генерации аэроионов подаваемое напряжение отрицательной полярности должно быть не ниже 25 кВ. Для обеспечения безопасности ток на люстре должен быть ниже 0,03 мА (на выходе перед люстрой ставится ограничивающее сопротивление 1ГОм).

Ионизация и озонирование воздуха – в чем различия

И последнее. Не стоит путать понятие ионизация и озонирование воздуха. Это совершенно разные явления и абсолютно разное принцип воздействия на организм человека. Хотя в некоторых случаях при ионизации воздуха имеет место небольшое озонирование, но это совершенно безопасно.

Виды ионизации воздуха — преимущества Биполярной ионизация

В чем кардинальное отличие ионизаторов 5-го поколения? И чем ионизаторы отличаются друг от друга.

 

Особенности биполярных ионизаторов пятого поколения или чем они отличаются от других ионизаторов:

— Биполярному ионизатору можно работать постоянно
— Не происходит накопление отрицательно заряженных ионов и создания отрицательного заряда всех предметов в помещении
— Отсутствие озона при работе ионизатора
— Компактность
— Большая мощность
— Малое потребление энергии

 

 

 

Многочисленные исследования в области ионизации и очистки воздуха показали, что воздух, прошедший через кондиционеры и воздухоочистители «мертв», как дистиллированная вода. В такой чересчур очищенной искусственной атмосфере отсутствуют многие необходимые человеку вещества, что может привести как к снижению трудоспособности, так и к различным заболеваниям. Очистители воздуха, увлажнители, люстра Чижевского и однополярный ионизатор воздуха (озонатор)- это еще не выход. Обычные очистители ионизаторы воздуха не учитывают конкретные условия, а ведь повышенная концентрация ионов и озона тоже вредна.

До   сих   пор   далеко   не   всем   понятно,   зачем   нужны   биполярные   ионизаторы   воздуха,   когда   в   продаже   полно   униполярных,   создающих   отрицательные   ионы   приборов,   которые   дешевле   биполярных.

А.Л.   Чижевский,   изобретший   коронный   генератор   отрицательных   ионов   большой   мощности,   который   стали   именовать   «Люстра   Чижевского»,   использовал   ее   для   лечебно-профилактических   целей   и   сажал   под   нее   людей   всего   на   5-6   минут.

 

Х.Ф.   Таммет,   разработавший   несколько   портативных   генераторов   отрицательных   ионов   еще   в   1958 году,   считал,   что   лечебные   сеансы   с   его   ионизаторами   должны   быть   около   десяти   минут.

В   1973   году   американский   изобретатель   Д.   Мейер,   который   занимался   разработкой   генераторов   ионов   для   лечебных   целей   заметил,   что   если   давать   возможность   пациенту   вдыхать   ионизированный   отрицательными   (или   положительными)   ионами   воздух,   то   через   несколько   минут,   в   зависимости   от   мощности   ионизатора,   размеров   помещения   и   наличия   электростатических   полей,   как   пациент,   так   и   все   вещи   вокруг   него,   приобретают   заряд   за   счет   осаждения   ионов,   того   же   знака,   что   и   заряд   ионов.   Возникает   электрическое   поле,   которое   отталкивает   ионы   одного   с   ним   знака,   и   поэтому   дальнейшая   ионизация   воздуха   становится   бесполезной,   т.   к.   ионы   до   пациента   не   доходят.

Более   того,   при   длительной   униполярной   ионизации   да   еще   в   сухом   помещении   все   предметы   зарядятся   тем   же   зарядом,   может   даже   возникнуть   объемный   заряд   воздуха,   который   будет   препятствовать   выходу   ионов   из   генератора.

 

Чтобы   избавиться   от   этого   явления,   Д.   Мейер   предложил   биполярный   генератор   ионов,   который   циклически   излучает   то   положительные,   то   отрицательные   ионы.   Для   помещений   среднего   размера   (его   ионизаторы   снабжены   вентиляторами)   он   предлагает   пятиминутные   циклы   ионизации.

 

А   вот   биполярные   ионизаторы   можно   держать   включенными   круглосуточно,   если   они   правильно   настроены   и   не   дают   излишнего   количества   ионов.   Надо   помнить,   что   в   природе,   даже   в   лучших   ее   местах,   не   бывает   концентрации   ионов   более   3-х   тысяч   в   см3   воздуха   при   коэффициенте   униполярности   ионов   близком   к   единице.   Причем,   как   правило,   у   приземного   слоя   положительных   ионов   несколько   больше,   чем   отрицательных.   Тому   причиной   отрицательный   заряд   земли,   который   гонит   отрицательные   ионы   вверх,   а   положительные   –   вниз.

 

Точно также работают и наши биполярные ионизаторы воздуха

 

Eichmier   Y.   с   соавторами   проводили   исследование   различных   ионизаторов   воздуха   и   сделали   вывод,   что   возле   ионизаторов,   не   имеющих   вентилятора,   легкие   «живительные»   ионы   существуют   только   на   небольшом   (менее   одного   метра)   расстоянии   от   ионизатора,   а   на   больших   расстояниях   из-за   малой   скорости   их   движения   они   превращаются   в   «средние»   и   «тяжелые»,   т.   е.   успевают   «состариться»   и   становятся   либо   бесполезными,   либо   вредными   для   дыхания   больных   людей.   Поэтому   приобретать   любые   ионизаторы,   у   которых   нет   собственного   вентилятора,   а   движение   ионов   якобы   обеспечивается   электрическим   полем,   вряд   ли   имеет   смысл   (это   замечание   не   относится   к   настоящей   «Люстре   Чижевского»).

 

Упомянутый   выше   Д.   Мейер   заметил,   что   если   в   воздухе   положительных   ионов   чуть   больше,   чем   отрицательных,   то   за   счет   небольшого   положительного   заряда   тела   пациента   и   предметов   вокруг   него   увеличивается   притяжение   к   пациенту   отрицательных   ионов.   В   итоге   в   таких   условиях   в   легкие   пациента   отрицательных   ионов   поступает   больше.

После   окончания   сеанса   ионизации   положительный   эффект   исчезает.   Отсюда   следует   сделать   вывод,   что   при   многих   болезнях   следует   применять   биполярную   ионизацию   воздуха   в   течение   длительного   времени.   Но   в   некоторых   случаях,   например,   при   астме,   гипертонии,   ревматических   болезнях   и   разных   климатических   нарушениях,   нескольких   сеансов   было   достаточно   для   получения   облегчения   на   длительное   время,   иногда   –   навсегда.

Виды ионизирующего излучения

3 апреля 2015 г. | Компания Mirion Technologies

Ионизирующее излучение принимает несколько форм: альфа-, бета- и нейтронные частицы, а также гамма- и рентгеновские лучи. Все типы вызваны нестабильными атомами, у которых либо избыток энергии, либо масса (или и то, и другое). Чтобы достичь стабильного состояния, они должны высвободить эту дополнительную энергию или массу в виде излучения.

Альфа-излучение Альфа-излучение: испускание альфа-частицы из ядра атома .

Альфа-излучение возникает, когда атом подвергается радиоактивному распаду, испуская частицу (называемую альфа-частицей), состоящую из двух протонов и двух нейтронов (по сути, ядро ​​атома гелия-4), превращая исходный атом в один из элементов с атомный номер на 2 меньше, а атомный вес на 4 меньше, чем было вначале.Из-за своего заряда и массы альфа-частицы сильно взаимодействуют с веществом и перемещаются по воздуху всего на несколько сантиметров. Альфа-частицы не могут проникнуть через внешний слой мертвых клеток кожи, но способны, если излучающее альфа вещество попадает в организм с пищей или воздухом, вызывать серьезные повреждения клеток. Александр Литвиненко — известный пример. Он был отравлен полонием-210, альфа-излучателем, в своем чае.

Бета-излучение Бета-излучение: испускание бета-частицы из ядра атома

Бета-излучение принимает форму электрона или позитрона (частицы с размером и массой электрона, но с положительным зарядом), испускаемого атомом.Благодаря меньшей массе он может перемещаться по воздуху дальше, на расстояние до нескольких метров, и его можно остановить толстым куском пластика или даже стопкой бумаги. Он может проникать через кожу на несколько сантиметров, создавая некоторую внешнюю опасность для здоровья. Однако основная угроза по-прежнему связана с внутренними выбросами из проглоченного материала.

Гамма-излучение Гамма-излучение: излучение высокоэнергетической волны из ядра атома

Гамма-излучение, в отличие от альфа или бета, не состоит из каких-либо частиц, а состоит из фотона энергии, испускаемого нестабильным ядром.Не обладая массой или зарядом, гамма-излучение может проходить по воздуху гораздо дальше, чем альфа или бета, теряя (в среднем) половину своей энергии на каждые 500 футов. Гамма-волны могут быть остановлены толстым или достаточно плотным слоем материала, при этом материалы с высоким атомным номером, такие как свинец или обедненный уран, являются наиболее эффективной формой защиты.

Рентген Рентгеновские лучи: излучение волны высокой энергии из электронного облака атома

Рентгеновские лучи похожи на гамма-излучение, с той разницей, что они исходят из электронного облака.Обычно это вызвано изменениями энергии электрона, такими как переход от более высокого энергетического уровня к более низкому, что приводит к высвобождению избыточной энергии. Рентгеновские лучи имеют большую длину волны и (обычно) более низкую энергию, чем гамма-излучение.

Нейтронное излучение Нейтронное излучение: испускание нейтрона ядром атома

Наконец, нейтронное излучение состоит из свободного нейтрона, обычно испускаемого в результате спонтанного или индуцированного деления ядер.Они способны преодолевать сотни или даже тысячи метров в воздухе, однако их можно эффективно остановить, если они заблокированы материалом, богатым водородом, таким как бетон или вода. Обычно не способные ионизировать атом напрямую из-за отсутствия заряда, нейтроны чаще всего являются ионизирующими косвенно, поскольку они поглощаются стабильным атомом, что делает его нестабильным и с большей вероятностью испускает ионизирующее излучение другого типа. Фактически, нейтроны являются единственным типом излучения, которое может сделать другие материалы радиоактивными.

Масс-спектрометрические методы ионизации

В масс-спектрометрических методах используется много типов методов ионизации. Классические методы, с которыми знакомо большинство химиков, — это электронный удар (EI) и бомбардировка быстрыми атомами (FAB). Эти методы мало используются в современной масс-спектрометрии, за исключением ЭУ для экологических работ с использованием ГХ-МС. Более современные методы химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), ионизации электрораспылением (ESI), матричной лазерной десорбционной ионизации (MALDI) и другие производные методы заняли свое место в лаборатории масс-спектрометрии.Причина предпочтения APCI по сравнению с EI заключается в том, что APCI образует протонированную молекулу и полностью совместим с жидкостной хроматографией (LC), в то время как EI с большей вероятностью фрагментирует ион, что приводит к возможной более неоднозначной идентификации веса молекулы и несовместим с LC. ESI вместе с матричной лазерной десорбционной ионизацией (MALDI) в основном исключили использование FAB, потому что он производит протонированные молекулы, которые сделали FAB настолько популярным, но гораздо более чувствительным. Кроме того, MALDI вместе с ESI позволили провести ионизацию и измерение большой молекулярной массы, что раньше было невозможно сделать даже с помощью FAB.Преимущество ESI в том, что она легко совместима с LC. В то время как MALDI имеет преимущества для визуализации масс-спектрометрии.

Ионизация электронным ударом (EI) — EI выполняется путем улетучивания пробы непосредственно в источнике, который содержится в вакуумной системе, непосредственно подключенной к анализатору. Молекулы газовой фазы бомбардируются пучком электронов, образующимся при нагревании смещения нити накала при отрицательном напряжении по сравнению с источником. Напряжение смещения обычно составляет -70 вольт. Электронный пучок выбрасывает ион из молекулы газовой фазы, образуя ион-радикал.Этот метод считается методом жесткой ионизации, потому что он вызывает фрагментацию иона. ЭИ также является методом, наиболее часто используемым для ГХ-МС.

Бомбардировка быстрым атомом (FAB) — FAB — это метод, который был популярен в 80-х — начале 90-х годов, потому что это был первый метод, который позволил легко осуществить ионизацию нелетучих соединений. Это было сделано путем бомбардировки образца в вакууме пучком атомов, обычно Ar или Xe, ускоренных до энергий в киловольтах.Образец обычно смешивали в матрице. Двумя наиболее распространенными матрицами были глицерин и 3-нитробензойная кислота. Матрица позволила образцу обновиться. Ионы, образованные FAB, представляют собой аддукты к молекуле, причем аддуктами могут быть протоны, ионы натрия, ионы калия или ионы аммония. Разновидностью FAB была замена пучка атомов пучком ионов, обычно ионов цезия, что было названо масс-спектрометрией вторичных ионов (ВИМС). Спектры SIMS обычно были идентичны спектрам FAB, и термины стали взаимозаменяемыми.

Ионизация электрораспылением (ESI) — ESI — это метод ионизации, который стал наиболее популярным методом ионизации. Электрораспыление создается путем подачи высокого напряжения на поток жидкости при атмосферном давлении, иногда этому способствует одновременный поток газа. Созданный спрей направляется в отверстие в вакуумной системе масс-спектрометра, где капли десольватируются комбинацией тепла, вакуума и ускорения в газ под действием напряжения. В конце концов ионы выбрасываются из капель и под действием напряжения ускоряются в масс-анализатор.Для более крупных молекул ионы могут содержать несколько зарядов, что позволяет обнаруживать очень большие молекулы на анализаторах с ограниченными диапазонами отношения массы к заряду (m / Z)). Благодаря естественному использованию текущей жидкости, он легко адаптируется к жидкостной хроматографии (ЖХ).

Есть много других методов, которые являются вариациями электроспрея, например, наносспрей является производным от ESI, который в основном является версией с низким расходом и очень чувствителен, поскольку чувствительность ESI зависит от концентрации, а не от количества используемого образца.Статический наноспрей или пикоспрей является аналогичным производным, но поток создается только электростатическим распылителем или небольшим давлением газа, что позволяет нескольким микролитрам хватить на один час. Кроме того, статический наноспрей имеет преимущество меньшего уноса, поскольку игла утилизируется после каждого образца. Другой подобный метод ионизации — это распыление на поверхность спрея ESI и удаление ионов с поверхности в масс-спектрометр. Этот метод называется десорбционной ионизацией электрораспылением (DESI) и дает спектры, аналогичные электрораспылению, но при этом анализируется образец на поверхности.

Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) — APCI — это метод, который обычно выполняется с использованием источника, аналогичного ESI, но вместо того, чтобы прикладывать напряжение к самому спрею, напряжение прикладывается к игле, которая создает коронный разряд при атмосферное давление. Этот разряд создает ионы, теоретически в основном h4O + или кластеры воды. Образец впрыскивается в разряд с помощью струи, создаваемой потоком жидкости в сочетании с нагретым газом, который испаряет образец.Ионы образуются в результате переноса протона от кластеров h4O + или воды к образцу. Затем эти ионы извлекаются в тот же открытый вакуум, который используется для электрораспыления. Другим вариантом этого метода является фотоионизация при атмосферном давлении (APPI), где первоначальная ионизация выполняется путем фотоионизации, обычно легирующей примеси, которая поглощает свет и добавляется в поток образца.

Вариантом метода APCI, используемого в нашей лаборатории, является зонд для анализа твердых веществ в атмосфере (ASAP), который в основном использует источник APCI.Образец не впрыскивается в поток жидкости, а помещается на зонд, помещенный непосредственно в коронный разряд. В этом методе поток жидкости может быть отключен, но для улетучивания образца необходим нагретый газ. Поток жидкости можно использовать для изменения химического состава разряда и уменьшения фрагментации. Преимущество этого метода перед традиционным методом заключается в простоте использования и меньшем переносе пробы.

Матричная лазерная десорбционная ионизация (MALDI) -MALDI — это метод ионизации, при котором образец бомбардируется лазером.Образец обычно смешивается с матрицей, которая поглощает лазерное излучение и переносит протон на образец. Некоторые образцы малой массы можно ионизировать без матрицы, но это обычно называется лазерной десорбцией. Лазер всегда импульсный и обычно находится в вакууме. Кроме того, MALDI в основном образует однозарядные ионы. Это означает, что MALDI в основном выполняется на специально созданных времяпролетных приборах. Одним из основных приложений MALDI, помимо простого анализа, является масс-спектрометрия с визуализацией.

Несколько типов источников ионов — Creative Proteomics Blog

Как мы уже знали, масс-спектрометр состоит из трех основных компонентов: источника ионов, масс-анализатора и детектора.В ионном источнике образец ионизируется. Сегодня мы собираемся представить несколько типов источников ионов, которые обычно используются в масс-спектрометрах.
Электронная ионизация (EI)

EI — один из первых и популярных методов ионизации для масс-спектрометрии. Он подходит для органических молекул, относительная молекулярная масса которых ниже 600. В этом методе ток, проходящий через проволочную нить, может производить электроны для ионизации. А электрическое поле ускоряет эти электроны, создавая пучок электронов высокой энергии.Когда молекула проходит этот пучок электронов высокой энергии, электрон может быть вытеснен из молекулы с образованием иона.
EI хорошо подходит для многих молекул газовой фазы, поэтому он всегда работает с газовой хроматографией (ГХ), которую можно использовать для разделения смесей термически стабильных и летучих газов. Хотя ЭУ хорошо работает для многих молекул газовой фазы, у него есть некоторые недостатки. ЭУ вызывает обширную фрагментацию, поэтому для многих соединений молекулярный ион не наблюдается.
Химическая ионизация (CI)

Химическая ионизация — это процесс с меньшей энергией, чем EI. В ХИ ионы образуются в результате столкновения образцов с ионами газа-реагента, которые присутствуют в источнике ионов. Внутри ионного источника газ-реагент — это нечто большее, чем просто образцы. Газ-реагент сначала подвергается электронному удару, чтобы быстрые электроны нити накаливания производили ионы газа-реагента. Ионы пробы образуются в результате ион-молекулярных реакций ионов газа-реагента и молекул пробы.Обычно молекулы газа-реагента присутствуют в соотношении примерно 100: 1 по отношению к молекулам пробы. Некоторые общие газы-реагенты включают метан, аммиак и изобутен. Положительные и отрицательные ионы образца образуются в результате реакций с этой плазмой. Как и EI, CI обычно работает с газовой хроматографией. CI имеет те же общие ограничения, что и масс-спектрометрия с электронной ионизацией (EIMS), в отношении летучести и термической стабильности анализируемого соединения.
Химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI)

APCI — это метод, который создает ионы при атмосферном давлении (105 Па), обычно в сочетании с высокоэффективной жидкостной хроматографией (ВЭЖХ).И этот метод подходит для относительно полярных и полулетучих образцов. APCI всегда состоит из зонда небулайзера, который может нагреваться до 350-500 ℃, зоны ионизации с иглой коронного разряда и зоны переноса ионов. Раствор пробы проходит через нагретый распылитель, где он превращается в туман, а туман превращается в поток газа. Когда поток газа достигает области ионизации при атмосферном давлении, газообразный растворитель и образец ионизируются коронным разрядом, в котором сильно заряженный электрод создает электрическое поле, достаточно сильное, чтобы ионизировать близлежащие молекулы.Полученные ионы образца затем проходят через скиммер в зону переноса ионов. Ионы вводятся в масс-анализатор для обнаружения.
Ионизация электрораспылением (ESI)

ESI — это метод мягкой ионизации, который полезен для биологических молекул с большой молекулярной массой, потому что этот процесс превращает ионизированную макромолекулу в мелкие капли вместо того, чтобы фрагментировать макромолекулы на более мелкие заряженные частицы. ESI использует электрическое напряжение между выходом зонда ESI и противоэлектродом, который расположен в нескольких миллиметрах от зонда.Процесс приводит к образованию сильно заряженных капель непосредственно из раствора для заваривания. С помощью другого потока тепла или сухого газа, который часто называют газом десольватации, заряженные капли непрерывно уменьшаются в размере за счет испарения растворителя, что приводит к увеличению поверхностной плотности заряда и уменьшению радиуса капли. И это приводит к колумбовскому отталкиванию между зарядами, присутствующими в капле, а затем к образованию отдельных ионов газовой фазы анализируемого вещества (эта критическая точка, известная как предел Рэлея).Наконец, ионы направляются в масс-анализатор.
Матричная лазерная десорбция / ионизация (MALDI)

Матричная лазерная десорбция / ионизация (MALDI) — это метод, позволяющий высокомолекулярным соединениям попадать в газовую фазу в виде неповрежденных ионов. Механизм MALDI состоит из трех процессов. Сначала образец смешивают с подходящим матричным материалом в избытке и наносят их на пластину. Во-вторых, импульсный лазер облучает образец, материал матрицы вызывает быстрое колебательное возбуждение, поглощая лазерное излучение, что приводит к локализованному распаду твердого раствора.Наконец, молекулы анализируемого вещества ионизируются путем протонирования или депротонирования, а затем могут быть ускорены в масс-анализаторе. Анализаторы времени пролета (TOF) всегда используются с источником ионизации MALDI.

Список литературы
1. Мансон Б. Масс-спектрометрия с химической ионизацией: теория и приложения. Энциклопедия аналитической химии, 2006.
2. Хо С. С., Лам С. В. К., Чан М. Х. М. и др. Масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением: принципы и клиническое применение.Обзоры клинических биохимиков, 2003 г., 24 (1): 3.

Масс-спектрометрическая ионизация | Технологические сети

Масс-спектрометрия (МС) играет жизненно важную роль во многих аспектах нашей жизни, от диагностики заболеваний и обнаружения загрязнителей пищевых продуктов до борьбы с мошенничеством. Однако, чтобы образец можно было проанализировать с помощью МС, он должен быть сначала ионизирован. Существует несколько способов ионизации пробы в зависимости от типа пробы, целевого аналита и желаемого рабочего процесса.В этой статье мы рассмотрим некоторые распространенные методы ионизации и типы образцов, для которых они лучше всего подходят.

Источники ионов — газофазные методы

Многие из наиболее распространенных методов ионизации описаны ниже. Подробности читайте в обзоре Siuzdak. ¹

Электронная ионизация (EI)

Электронная ионизация (EI) была впервые разработана Демпстером в 1918 году. ² и может считаться довольно жестким методом фрагментации и ионизации молекул.В EI молекулы аналита должны находиться в паровой фазе, чтобы обеспечить эффективное взаимодействие с энергичными электронами, производимыми в вакууме нагретой нитью накала (подобно лампе накаливания). Электроны, производимые ионным источником, обычно имеют кинетическую энергию 70 эВ. Если только 10-12 эВ этой энергии поглощается молекулой, это переводит молекулу в состояние, в котором она имеет значительную энергию, превышающую ее потенциал ионизации, что приводит к выбросу электрона (рис. 1).Это оставляет молекулу в ионизированном состоянии с чистым положительным зарядом. Однако он может все еще иметь избыточную энергию, которую нужно рассеять. Один из способов добиться этого — фрагментировать химические связи для получения более стабильного иона. Таким образом, зная органическую и физическую химию, можно также получить информацию о структуре молекулярного соединения посредством этих процессов фрагментации.

Рисунок 1: Принципиальная схема ионного источника электронной ионизации. Предоставлено: Thilini Ukwaththage, воспроизведено по международной лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 .

EI обычно используется, когда образцы относительно летучие и имеют низкую молекулярную массу. Они часто вводятся в источник ионизации в виде выходящего потока из системы газовой хроматографии (ГХ) или улетучиваются при нагревании твердого образца in situ внутри ионизационной камеры. ³

Химическая ионизация (CI)

В отличие от EI, химическая ионизация (CI) является очень мягкой методикой ионизации и не приводит к обширной фрагментации молекул аналита.Фактически, некоторые молекулярные частицы (например, спирты, простые эфиры, амины, аминокислоты) подвергаются такой сильной фрагментации под действием ЭУ, что в результирующем масс-спектре интактной молекулы не наблюдается пиков. Для этих типов молекул предпочтительным методом ионизации может быть ХИ.

При ХИ газ (обычно метан, аммиак или изобутан) вводится в ионизационную камеру ЭУ в концентрации, превышающей концентрацию аналита. Взаимодействие газа-носителя с электронами приведет к образованию нескольких молекулярных ионов, которые впоследствии будут реагировать с избыточным газом-носителем и образовывать различные молекулярные ионы (рис. 2).Затем эти ионы будут реагировать с молекулами аналита с образованием молекулярных ионов аналита посредством нескольких различных механизмов. ⁴

Рисунок 2: Схематическая диаграмма химической ионизации в масс-спектрометрии. Предоставлено: OviniW, воспроизведено по международной лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 .

Поскольку этот механизм низкоэнергетической ионизации приводит к значительно меньшей фрагментации, результирующий масс-спектр часто проще интерпретировать с гораздо меньшим количеством пиков.Кроме того, он обычно показывает сильный, легко идентифицируемый пик молекулярного иона протонированного аналита, что позволяет легко определять молекулярную массу. Однако отсутствие фрагментации ограничивает объем структурной информации, которую можно определить о молекуле аналита.

Прямой анализ в реальном времени (DART)

Источник прямого анализа в реальном времени (DART) был разработан в 2003 году и полностью коммерциализирован в 2005 году. различных форм и размеров без предварительной подготовки образцов.

В источнике DART (рис. 3) сначала создается плазма из азота или гелия, производящая ионы, электроны и частицы в возбужденном состоянии. Газ течет из плазменной камеры во вторую камеру, где ионы удаляются из газа. Затем газ проходит в третью секцию источника, где при желании его можно нагреть, что способствует десорбции некоторых материалов. ^{5 , 6} Газ выходит из источника через решетчатый электрод, который служит нескольким целям для усиления сигнала и может быть направлен на образец жидкой, твердой или паровой фазы, расположенный перед входом в масс-спектрометр.Взаимодействие разновидностей возбужденного состояния отвечает за ионизацию молекулы аналита. Механизмы, с помощью которых это происходит, сложны и зависят от множества факторов. ⁷

Рисунок 3: Принципиальная схема источника DART. Предоставлено: Rbcody, воссоздано по международной лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 .

Источник DART нашел широкое применение в результате его гибкости и способности проводить анализ в окружающей атмосфере.Обычно используется для тестирования запрещенных наркотиков и судебно-медицинской экспертизы, а также для анализа пищевых продуктов. ^{8 , 9}

Индуктивно-связанная плазма (ICP)

Индуктивно-связанная плазма (ICP) обычно используется для жидких образцов (которые могут быть кислотными ферментами твердых материалов). В своей простейшей форме ИСП берет заранее приготовленную жидкость, содержащую аналит, и прокачивает ее через распылитель для создания аэрозоля, который вводится в плазму газообразного аргона.При попадании капель жидкости в высокотемпературную плазму (~ 5500-6500 К) они переходят в газообразное состояние. Поглощая больше энергии, они в конечном итоге высвободят электрон, чтобы сформировать один положительно заряженный ион (рис. 4).

Рисунок 4: Принципиальная схема источника ICP.

ICP обладает способностью ионизировать почти все элементы, в том числе элементы с самым высоким потенциалом ионизации. Этот метод также очень хорошо подходит для использования стоков других методов разделения, таких как жидкостная хроматография (ЖХ), ГХ, капиллярный электрофорез (КЭ) и гель-электрофорез (ГЭ), все из которых могут изолировать интересующий элемент и направить их в систему ICP для ионизации и возможного масс-спектрометрического обнаружения.Более подробную информацию о масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) можно найти здесь.

Источники ионов — методы десорбции

Матричная лазерная десорбционная ионизация (MALDI)

Метод матричной лазерной десорбционной ионизации (MALDI) был впервые разработан в 1985 году ¹⁰ и с тех пор стал одним из основные методы «мягкой» ионизации, используемые в МС. Это особенно полезно для анализа больших или лабильных молекул, таких как белки, пептиды, олигонуклеотиды, полимеры и липиды.

В этом методе используется «матрица», которая в избытке добавляется к анализируемой пробе (рис. 5). Матрица требует следующих свойств:

· должна быть способна совместно кристаллизоваться с аналитом с образованием твердого раствора

· иметь возможность переносить или принимать протоны от аналита

· быть химически инертной

· стабильной в вакууме и растворим в растворителях

Рис. 5: Схематическая диаграмма источника MALDI. Предоставлено: Mikayé , воспроизведено по лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported , 2.5 Generic , 2.0 Generic и 1.0 Generic лицензии .

Обычно используемые матрицы включают 2,5-дигидроксибензойную кислоту, синапиновую кислоту, α-циано-4-гидроксикоричную кислоту и пиколиновую кислоту, и это лишь некоторые из них. ¹¹ Выбор матрицы будет зависеть от типа обнаруживаемой молекулы.

После нанесения матрицы образец облучают лазером. Это не только передает энергию матрице и испаряет молекулы аналита с небольшой фрагментацией или разложением или без них, но также обеспечивает механизм ионизации для образования положительно или отрицательно заряженного иона.

Бомбардировка быстрыми атомами (FAB)

Бомбардировка быстрыми атомами (FAB) — еще один механизм мягкой ионизации, при котором пучок ускоренных атомов, обычно инертных газов, таких как аргон или ксенон, фокусируется на анализируемом образце. . ^{12 , 13} Чтобы создать «быстрый» пучок, атомы должны сначала сами ионизироваться, чтобы их можно было ускорить с помощью приложения сильных электрических полей и сфокусировать с помощью электростатических линз. Направляя этот пучок ионов в ячейку столкновения, содержащую тот же инертный газ, будут происходить реакции перезарядки, нейтрализующие ионы инертного газа.

Рисунок 6: Принципиальная схема ионизации FAB. Предоставлено: Kkmurray, воспроизведено по лицензии . Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 Международная лицензия .

Подобно MALDI, используется матрица, обычно глицерин. В случае FAB это должно уменьшить повреждение образца, которое может быть вызвано пучком атомов, предотвратить агрегацию молекул аналита и (как в MALDI) способствовать ионизации выбрасываемых молекул аналита. Также, как и MALDI, метод ионизации производит положительные ионы путем протонирования и отрицательные ионы путем депротонирования.

Источники термической ионизации

Наиболее распространенным типом источника термической ионизации, встречающимся в МС, является источник первичных ионов Cs ⁺ , который регулярно используется в экспериментах с вторичной ионной масс-спектрометрией.Это относительно простой источник, содержащий два основных компонента: резервуар, в котором находится источник Cs, и ионизатор, представляющий собой пористую вольфрамовую фритту, поддерживаемую при высокой температуре (> 1000 ° C), которая обеспечивает тепловую энергию для ионизации атомов Cs. . Резервуар содержит гранулу карбоната Cs (также использовался хромат), который нагревают для возгонки материала с образованием пара атомов Cs. Когда эти атомы достигают горячей фритты, они ионизируются как положительные ионы и могут быть извлечены и сфокусированы с помощью элементов электростатической ионной оптики.В старых системах в качестве исходного материала использовался жидкий Cs, но из-за присущей опасности обращения с этим материалом во время замены источника он больше не используется на практике.

Источники ионизации плазмы

Дуоплазматроны также обычно используются для получения пучков газообразных ионов для МС, в частности кислорода O ^— и O ₂ ⁺ . В дуоплазматроне катодная нить накала излучает электроны, в которые выпускается чистый кислород до давления ~ 10 ^-5 торр.Газ ионизируется в результате взаимодействия с электронами и молекулами газа внутри камеры, образуя плазму (рис. 7). Затем плазма ускоряется через серию, по крайней мере, из двух сильно заряженных решеток, что приводит к первичному пучку ионов кислорода. Однако будет присутствовать много различных форм ионов кислорода, поэтому в этом типе источника обычно используется фильтр Вина для получения чистого пучка с O ^— и O ₂ ⁺ .

Рисунок 7: Кредит: Эван Мейсон, воспроизведено под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 Международная лицензия.

Источники жидких ионов металлов (LMIS)

Пучки ионов, создаваемые источниками ионов жидких металлов, характеризуются наименьшим размером пятна и максимальной яркостью. Они особенно полезны при формировании изображений с помощью МС, где требуется высокое пространственное разрешение — размер пятна пучка может уменьшаться до 5 нм, что близко к пространственному разрешению в сканирующем ионном масс-спектрометре. Требование к этим источникам — металл с низкой температурой плавления, и Ga является наиболее часто используемым.Сам источник очень похож на вольфрамовую нить для электронного микроскопа, но содержит дополнительный резервуар с Ga. При нагревании Ga будет стекать по поверхности нити к наконечнику, где возникает высокое электрическое поле, возникающее из-за высоких приложенных вытяжных напряжений. а малый радиус острия нити приводит к полевой ионизации Ga от очень маленького точечного источника (острия).

Источники ионов — методы распыления

Ионизация электрораспылением (ESI)

Ионизация электрораспылением (ESI) — еще один метод мягкой ионизации, подходящий для анализа больших молекул и макромолекул. ^{14 , 15} Образец подается в капилляр, в котором находится высокое напряжение (несколько кВ). При этом образуется туман из заряженных капель одинаковой полярности. При использовании осушающего газа или повышенных температур заряженные капли перемещаются через источник и постепенно уменьшаются в размере за счет испарения растворителя, что приводит к увеличению плотности поверхностного заряда. В определенный момент напряженность электрического поля внутри капли будет достаточно большой, чтобы ионы на поверхности капли выбрасывались в газовую фазу (см. Рисунок 8).

Рисунок 8: Схема источника ESI и описание механизма ионизации.

Десорбционная ионизация электрораспылением (DESI)

Как следует из названия, десорбционная ионизация электрораспылением (DESI) очень похожа на ESI, за исключением того, что теперь заряженные капли, первоначально сформированные в источнике ESI, используются в качестве источника и направляются на образец удерживается при атмосферном давлении (что очень похоже на DART). Отраженные или «разбрызганные» капли от образца несут десорбированные и ионизированные аналиты, которые впоследствии могут быть направлены в масс-спектрометр (рис. 9).Механизмы ионизации могут быть сложными. ¹⁶

Рис. 9: Принципиальная схема ионного источника DESI. Предоставлено: Anzhela016, воспроизведено по лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Вы можете узнать больше о следующих этапах процесса МС, перейдя по ссылкам ниже на статьи о масс-анализаторах и детекторах ионов.

Ссылки

1. SIUZDAK G. Введение в масс-спектрометрическую ионизацию: отрывок из книги «Расширяющаяся роль масс-спектрометрии в биотехнологии», 2-е изд.; MCC Press: Сан-Диего, 2005. J Assoc Lab Autom. 2004; 9 (2): 50-63. DOI: 10.1016 / j.jala.2004.01.004

2. Демпстер AJ. Новый метод положительного лучевого анализа. Phys Rev. 1918; 11 (4): 316-325. DOI: 10.1103 / PhysRev.11.316

3. Уотсон Дж. Т.. Электронно-ионизационная масс-спектрометрия. В: Энциклопедия аналитической химии. John Wiley & Sons, Ltd; 2000. DOI: 10.1002 / 9780470027318.a6006

4. Мансон Б. Масс-спектрометрия с химической ионизацией: теория и приложения.В: Энциклопедия аналитической химии. John Wiley & Sons, Ltd; 2000. DOI: 10.1002 / 9780470027318.a6004

5. Коди РБ, Лараме Дж. А., Дерст HD. Универсальный новый источник ионов для анализа материалов на открытом воздухе в условиях окружающей среды. Anal Chem. 2005; 77 (8): 2297-2302. DOI: 10.1021 / ac050162j

6. Yew JY. Обнаружение натуральных продуктов с помощью прямого анализа в масс-спектрометрии в реальном времени. Масс-спектрометр. 2019; 8 (2): S0081-S0081.DOI: 10.5702 / масс-спектрометрия.S0081

7. Коди РБ. Наблюдение молекулярных ионов и анализ неполярных соединений с прямым анализом в реальном времени с источником ионов. Anal Chem. 2009; 81 (3): 1101-1107. DOI: 10.1021 / ac8022108

8. Лесиак А.Д., Муса Р.А., Коди Р.Б., Домин М.А., датчанин А.Дж., Шепард JRE. Прямой анализ в режиме реального времени масс-спектрометрии (DART-MS) смесей катинона «соль для ванн». Аналитик. 2013; 138 (12): 3424. DOI: 10,1039 / c3an00360d

9.Го Т., Юн В., Джин И и др. Применение DART-MS для обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов в цепочке поставок пищевых продуктов. Mass Spectrom Rev. 2017; 36 (2): 161-187. DOI: 10.1002 / mas.21466

10. Карас М., Бахманн Д., Хилленкамп Ф. Влияние длины волны в ультрафиолетовой лазерной десорбционной масс-спектрометрии органических молекул с высокой интенсивностью излучения. Anal Chem. 1985; 57 (14): 2935-2939. DOI: 10.1021 / ac00291a042

11. Дункан М.В., Гибсон Д., Уолш Р., Масуд А., Бенабделькамель Х.Обзор масс-спектрометрии с матричной лазерной десорбцией / ионизацией (MALDI) и некоторых ее приложений. In: Detection of Chemical, Biological, Radiological and Nuclear Agents for Prevention of Terrorism, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology ; 2014: 69-81. DOI: 10.1007 / 978-94-017-9238-7_5

12. Rinehart KL. Масс-спектрометрия с бомбардировкой быстрыми атомами. Наука (80-). 1982; 218 (4569): 254-260. DOI: 10.1126 / science.218.4569.254

13. Барбер М., Бордоли Р.С., Седжвик Р.Д., Тайлер А.Н. Бомбардировка твердых тел быстрыми атомами как источник ионов в масс-спектрометрии. Природа. 1981; 293 (5830): 270-275. DOI: 10.1038 / 293270a0

14. Ho CS, Lam CWK, Chan MHM, et al. Масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением: принципы и клиническое применение. Clin Biochem Rev. 2003; 24 (1): 3-12. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18568044

15. Банерджи С., Мазумдар С. Масс-спектрометрия с ионизацией электрораспылением: метод доступа к информации, выходящей за рамки молекулярного веса аналита .Int J Anal Chem. 2012; 2012: 1-40. DOI: 10.1155 / 2012/282574

16. Такатс З., Вайзман Дж. М., Повара Р. Г.. Масс-спектрометрия окружающей среды с использованием десорбционной ионизации электрораспылением (DESI): приборы, механизмы и приложения в судебной медицине, химии и биологии. Дж Масс-спектрометр . 2005; 40 (10): 1261-1275. DOI: 10.1002 / jms.922

Методика ионизации — обзор

5.1 Ионизация

Липиды обладают большой химической неоднородностью; их изучение требует использования разнообразных методов ионизации.Липидомика в основном выполняется с использованием методов ионизации при атмосферном давлении (API): в основном ESI с последующей химической ионизацией при атмосферном давлении (APCI) и фотоионизацией при атмосферном давлении (APPI), но также с использованием матричной лазерной десорбции / ионизации (MALDI) в вакууме. Методы мягкой ионизации способны сохранить молекулярную структуру липидов после ионизации без их фрагментации, что означает, что они могут быть проанализированы без изменений (Fenn, Mann, Meng, Wong, & Whitehouse, 1989; Yamashita & Fenn, 1984).

ESI генерирует молекулярные ионы в газовой фазе с помощью механизмов десольватации при атмосферном давлении, что позволяет легко сочетать их с прямой инфузией или жидкостной хроматографией (Fenn et al., 1989; Whitehouse, Dreyer, Yamashita, & Fenn, 1985). Раствор образца распыляется на конце тонкой капиллярной иглы, удерживаемой под высоким электрическим потенциалом (несколько кВ), образуя маленькие заряженные капли, которые направляются в масс-анализатор под действием приложенного электрического поля. Во время полета капли десольватируются либо путем прохождения через завесу из нагретых инертных газов, либо через нагретый капилляр, либо и то, и другое.Таким образом, во время десольватации кулоновская сила между ионами резко возрастает. Когда эта сила превышает поверхностное натяжение растворителя, капли взрываются, образуя более мелкие капли. Этот цикл итеративно повторяется до тех пор, пока молекулярные ионы не будут генерироваться перед их входом в масс-анализатор. Хотя многие физико-химические особенности процесса ионизации и фрагментации все еще неясны, поверхностное натяжение капель и пространственная близость поверхностных зарядов распыляемых капель являются критическими детерминантами процесса ионизации.Принципы и механизмы ESI для липидов хорошо изложены во многих обзорных статьях и книгах (Duffin, Henion, & Shieh, 1991; Fenn, Mann, Meng, Wong, & Whitehouse, 1990; Murphy & Axelsen, 2011; Pulfer & Murphy, , 2003).

APCI — это тип химической ионизации, выполняемой при атмосферном давлении, который может использоваться для анализа выходящих потоков жидкостной хроматографии. Аналиты распыляются с высокой скоростью потока азота, образуя аэрозоль из мелких капель, которые легко испаряются в источнике ионов.Эта смесь газофазных аналитов, растворителя и распыляющего газа затем подвергается коронному разряду, создаваемому поднятием острой металлической иглы до нескольких тысяч вольт. Первичные ионы образуются в результате электронов коронного разряда и избыточного распыляющего газа. Эти первичные ионы реагируют с молекулами растворителя (такими как H ₂ O, метанол и ацетонитрил) в сложной последовательности с образованием в конечном итоге сольватированных ионов с наивысшим протонным сродством. Впоследствии ионы анализируемого вещества образуются в результате газофазных ионно-молекулярных реакций между молекулами анализируемого вещества и этими сольватированными ионами (Byrdwell, 2001; Horning et al., 1974).

Источник

APPI — это новейшая технология ионизации (Hanold, Fischer, Cormia, Miller, & Syage, 2004; Robb, Covey, & Bruins, 2000). В этом подходе, который является модификацией APCI, жидкие отходящие потоки испаряются в нагретом распылителе для образования газофазных аналитов. Фундаментальный процесс фотоионизации — это поглощение молекулой фотона высокой энергии, испускаемого УФ-лампой, и последующий выброс электрона. В более распространенном режиме APPI с добавлением допанта задействованы два этапа.На первом этапе область ионизации заполняется легирующей примесью с высокой концентрацией с низкой энергией ионизации (например, толуолом или ацетон), а катион-радикалы допанта производятся путем поглощения фотонов. На втором этапе анализируемые вещества затем ионизируются путем прямого переноса заряда от катион-радикала допанта или посредством ионизации, опосредованной растворителем. Во время последнего, молекула растворителя ионизируется за счет переноса протона от катион-радикала допанта, образуя ион, который, в свою очередь, ионизирует молекулу аналита посредством второй реакции переноса протона (Cai, Short, Syage, Potvin, & Curtis, 2007; Cai & Syage, 2006; Raffaelli & Saba, 2003).

MALDI представляет собой альтернативный источник выбора для анализа молекулярных видов липидов (Fuchs, Süß, & Schiller, 2010). MALDI MS основан на использовании матрицы, которая поглощает энергию лазера и выводит квазимолекулярные ионы (Hillenkamp and Peter-Katalinić, 2007). Выбор матрицы представляет собой решающую часть для обнаружения видов липидов с помощью MALDI-MS. Наиболее распространенными матрицами, используемыми для анализа липидов, обычно являются небольшие органические кислоты, такие как 2,5-дигидроксибензойная кислота, α-циано-4-гидроксициннаминная кислота, а также 9-аминоакридин (9-AA) (Sun et al., 2008), 5-хлор-2-меркаптобензотиазол и 2,4,6-тригидроксиацетофенон. Совсем недавно было разработано использование 2,6-дигидроксиацетофенона (DHA) для ограничения аддуктов солей и увеличения интенсивности сигнала в режиме положительных ионов (Colsch, Jackson, & Woods, 2011; Colsch & Woods, 2010; Delvolve, Colsch, & Woods , 2011). Однако, в зависимости от выбора матрицы, были проведены многочисленные исследования для характеристики видов липидов с использованием режимов МС и МС / МС (Fuchs et al., 2010; Harvey, 1999; Schiller, 2004).За последние 10 лет были проведены новые разработки с использованием MALDI-MS для картирования биомолекул непосредственно на срезах тканей (Cornett, Reyzer, Chaurand, & Caprioli, 2007). В настоящее время многочисленные виды липидов могут быть картированы с помощью визуализации MS (IMS; Fernández, Ochoa, Fresnedo, Giralt, & Rodríguez-Puertas, 2011; Goto-Inoue, Hayasaka, Zaima, & Setou, 2011; Horn et al., 2012). ; Джексон, Ван и Вудс, 2005).

Эффективность ионизации аналита во многом зависит от электрической склонности отдельного аналита в его собственной микросреде терять или приобретать заряд (т.е. окислять или восстанавливать) в электрическом поле. Полная ионизация всех классов липидов при однократной ионизации является действительно сложной задачей из-за химического разнообразия липидов и их свойств. Либо катионная, либо анионная область в соединениях, которые обладают связями с легко разделяемыми зарядами, могут быть легко ионизированы в режимах ионизации положительными или отрицательными ионами, соответственно. Эффективность ионизации для этих ионов намного выше, чем для соединений, не несущих собственного заряда.При наличии достаточного дипольного потенциала ионизация также может быть достигнута в источнике ионов за счет образования ионов аддукта либо с небольшим анионом (NH ₃ ), либо с катионом (Na ⁺ , NH ₄ ⁺ , Li ⁺ ) и, таким образом, потенциально подходит для анализа с помощью ESI-MS, APCI-MS или MALDI-MS (Byrdwell, 2001; Duffin et al., 1991; Hsu & Turk, 1999, 2010; Pulfer & Murphy, 2003). .

Еще одна инновация ESI в анализе липидов — электрораспыление озоном (OzESI).В этом подходе озон вводится в ионный источник вместе с десольватационным газом, что позволяет анализировать положения двойных связей в широком диапазоне обычных ненасыщенных липидов, включая кислые и нейтральные глицерофосфолипиды, сфингомиелины и ТАГ (Thomas, Mitchell, & Blanksby , 2006; Томас, Митчелл, Харман, Дили, Мерфи и Бланксби, 2007; Томас, Митчелл, Харман, Дили, Нилон и Бланксби, 2008).

Техника ионизации — обзор

C. Инструменты

Техника масс-спектрометрии существует уже почти 100 лет.Большинство практиков нацелены на отчеты Дж. Дж. Томсона за 1910–1912 гг. ⁵⁸ о его работе с масс-спектрографом параболы в качестве источника. Эта область превратилась в ряд методов — «инструментов», которые изначально имели значительную полезность, а затем либо доказали свою ценность в долгосрочной перспективе в качестве инструментов общего назначения, заняли определенную нишу в области применения или полностью исчезли из поля зрения.

Для проведения масс-спектрометрии необходимо получить ионы из нейтральных молекул. Методы ионизации прошли путь от классической электронной ионизации (EI) через химическую ионизацию, ⁵⁹ полевой десорбции, ⁶⁰ бомбардировки быстрыми атомами (FAB), ^{61, 62} и термораспыления ⁶³ до ионизации при атмосферном давлении (API ) техники, пользующиеся в настоящее время предпочтением.EI является классическим, но ограничивается термически стабильными летучими соединениями. Полевая десорбция всегда была специализированной нишевой техникой, применимой к некоторым более крупным соединениям. Бомбардировка быстрыми атомами имела стремительный рост использования, когда о ней впервые было сообщено в 1981 году, но сейчас она почти исчезла, ее заменили методы API: химическая ионизация при атмосферном давлении (APcI) ⁶⁴ и ионизация электрораспылением (ESP). ⁶⁵ Матричная лазерная десорбционная ионизация ⁶⁶ используется для характеристики более крупных белков, примерно 100 кДа и больше.

Магнитный секторный масс-анализатор является прототипом прибора. Был разработан ряд геометрий секторов с двойной фокусировкой, но секторный инструмент в последние годы в значительной степени устарел. Его дороговизна, сложность и сложность в эксплуатации привели к его отказу в пользу квадрупольных приборов, приборов для измерения времени пролета (TOF) и ионных ловушек. Улучшения во времяпролетном масс-анализаторе рефлектрона (rTOF) бросили вызов даже одной оставшейся нише, которую занимают секторные приборы и столь же технологически интенсивные масс-спектрометры с преобразованием Фурье (FT), а именно арену точного измерения массы с высоким разрешением.

При последовательном применении двух или более масс-анализаторов получается тандемный масс-спектрометр (МС – МС), ⁶⁷ , наиболее известным из которых является тройной квадруполь. Было построено несколько геометрий тандемных секторов, некоторые из которых коммерчески доступны. Также были созданы и охарактеризованы гибридные геометрии, сочетающие инструмент с магнитным сектором с квадруполем или ионной ловушкой. Ионных ловушек, тройных квадруполей и, в последнее время, тандемных квадрупольных приборов с TOF стало больше и они удобны для пользователя.Геометрия квадруполя и сектора дает возможность проводить тандемные эксперименты МС – МС в космосе. Ионные ловушки и приборы FT-MS позволяют проводить тандемные MS-MS во времени, что позволяет проводить эксперименты с MS ⁿ (масс-спектрометрия повышена до n -й степени). Несколько ступеней МС-МС в космосе потребуют масс-анализатора для каждой ступени МС-МС, что быстро сделает тандемные космические эксперименты непрактичными для n больше чем 2.

Развитие методов ионизации, обсуждавшееся выше, продвигается вперед. от метода жесткой ионизации (EI), который вызывает обширную фрагментацию, до методов мягкой ионизации (API), которые обычно производят только молекулярные ионы. ^* При достижении цели ионизации более крупных, более полярных, менее термически стабильных молекул и оптимизации производства молекулярных ионов большая часть информации о фрагментации, указывающей на структуру, была потеряна. MS – MS эксперименты восстанавливают структурную информативность. Они выбирают молекулярный ион, полученный методом мягкой ионизации в первом масс-анализаторе тандемного прибора, и активируют его при столкновении с целевым газом. Записывают масс-спектр иона-продукта фрагментов, образовавшихся в результате разложения, индуцированного столкновением (CID) родительского иона, в более позднем масс-анализаторе.Эффект индуцирования фрагментации за счет активации столкновением также может быть достигнут за счет столкновения с молекулами растворителя в источнике ионов API. Различные реализации этой процедуры называются предварительным CID, фрагментацией конусного напряжения и «MS – MS для бедняков». Полученные таким образом результаты сопоставимы с истинными спектрами продуктовых ионов МС – МС. Строгая интерпретация результатов с точки зрения соотношений ионов-предшественников и продуктовых продуктов утрачена, но это ограничение не отменяет полезности метода, когда настоящий тандемный инструмент недоступен.

Системы ввода — механизмы, с помощью которых вводятся образцы в масс-спектрометр — также претерпели значительные изменения. Подогреваемые объемы расширения и зонды прямого ввода уступили место интерфейсам, которые соединяются с хроматографическими устройствами — газом, жидкостью, сверхкритической жидкостью, капиллярным электрофорезом и тонким слоем — к входу масс-спектрометра. Это привело к появлению множества комбинированных методов хроматографии и масс-спектрометрии. Применимость этих различных примеров зависит от свойств анализируемых целевых соединений.На рисунке 12 показаны два распространенных способа сопоставления органических соединений друг с другом, чтобы помочь визуализировать, какие методы подходят для того или иного типа молекул.

РИСУНОК 12. Применимость различных методов хромато-масс-спектрометрии к молекулярной области.

Изучив эту краткую историю развития приборов и методов, должно быть ясно, какие параметры определяют инструмент выбора для анализа фармацевтически важных молекул. Такой прибор может выполнять ЖХ-МС, обычно с использованием разделения ВЭЖХ с обращенной фазой и одного из методов API.Желательна возможность МС – МС с использованием ионной ловушки, тройного квадруполя или другого тандемного масс-анализатора. Также желательна возможность точного измерения массы. Эти атрибуты составляют список приоритетных возможностей «идеального» полнофункционального инструмента для использования в среде фармацевтических исследований. По мере продвижения по этому списку стоимость прибора возрастает, его сложность возрастает, а интеллектуальные и технологические обязательства, необходимые для проведения этих экспериментов, возрастают.

Теперь, когда мы знаем, что такое некоторые из инструментов, нижеследующее проиллюстрирует полезность масс-спектрометрии в области идентификации примесей / продуктов разложения с использованием этих инструментов. Признайте, что мы упустили большое количество очень ценных и интересных областей и аспектов масс-спектрометрии, чтобы сосредоточиться на анализе фармацевтически важных соединений.

Ионизация — WikiLectures

послать

Спасибо за ваши Коментарии.

Спасибо за просмотр этой статьи.

Ваш отзыв не был вставлен (допускается один отзыв на статью в день)!

В 1895 году Вилм Конрад Рентген открыл ионизирующее электромагнитное излучение и его потенциал для медицинской диагностики. Этот тип излучения возникает из-за субатомных частиц или электромагнитных волн, обладающих достаточной энергией, чтобы отрывать электроны от ионов, атомов или молекул, а затем ионизировать их. Этот процесс ионизации сильно зависит от энергии отдельных частиц и волн, не связанных с их числом, числом фотонов.Как объяснил Эйнштейн, основываясь на теории Макса Планка, могут быть тысячи фотонов, но если на каждый фотон не хватает энергии, ионизации не происходит. Энергичные альфа-частицы, бета-частицы и нейтроны, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение ионизируют. Однако излучение с более низкой энергией, такое как видимый свет, микроволны и радиоволны, — нет. Поскольку человеческие чувства не могут обнаружить это излучение, такие инструменты, как счетчики Гейгера, помогают обнаружить присутствие такого излучения.

Мы можем выделить два типа ионизации:

Последовательная (классическая) ионизация) [править | править источник]

Описание ионизации атома или молекулы:
Положительная ионизация — Это происходит с высвобождением электрона, и энергия фотона больше или равна энергии удаления (если она равна, электрон остается на том же месте, но в «свободное состояние»; если энергия выше, электрон высвобождается с некоторой кинетической энергией).
Отрицательная ионизация — это происходит, когда электрон теряет некоторую энергию.Тип потерянной энергии зависит от уровней до и после ионизации.

Непоследовательная ионизация [править | править источник]

Нарушает несколько законов классической физики — когда электрическое поле света сочетается с туннельной ионизацией.

Можно выделить два источника ионизации:

Природные источники (86%) [править | править источник]

1. Гамма-лучи Земли
2. Космические лучи
3. Распад урана на Земле

Искусственные источники [править | править источник]

1. Рентгеновские аппараты
2. Сброс радиоактивных отходов ядерных производств
3. Чернобыльская авария
4. Испытания ядерного оружия

Ионизирующее излучение оказывает повреждающее биологическое действие на все живые организмы.На этот эффект влияют несколько факторов, таких как количество поглощенной энергии [количество энергии в одном килограмме поглощающей среды, размер Дж. Кг ^-1 , а единица измерения — Грей (Гр)], тип излучения и состав облучаемого объекта, такого как орган или ткань. Мы можем различить коэффициент ослабления ткани, который является физической величиной, которая показывает, насколько ткань способна поглощать рентгеновское излучение.

Доза ионизирующего излучения, которая может вызвать смерть организма, известна как смертельная доза.Существует три уровня смертельных доз:

• Минимальная смертельная доза (LDmin) — может привести к смерти одного организма в группе облучения;
• Средняя летальная доза (LD50 / время) — может привести к гибели не менее половины группы, подвергшейся воздействию;
• Абсолютная смертельная доза (100 / время) — определяет смерть всех людей в течение определенного периода времени.

Значение чувствительности [править | править источник]

Каждая ткань имеет разное значение чувствительности:

• Высокая чувствительность: стволовые клетки костного мозга, сперматогонии, клетки гранулезы, окружающие яйцеклетку
• Средняя чувствительность: печень, щитовидная железа, соединительная ткань, эндотелий сосудов
• Низкая чувствительность: нервных клеток, органов чувств

Воздействие [править | править источник]

• Острое радиационное воздействие (детерминистские эффекты) — проявляется как однократное, чрезвычайно сильное воздействие ионизирующего излучения (0,1Гр).В целом выраженность этого эффекта соответствует полученной дозе. Обычно детерминированные эффекты имеют пороговый уровень. Ниже этого уровня радиационное воздействие не оказывает никакого влияния. Однако при превышении порогового уровня серьезность эффекта будет усиливаться по мере увеличения дозы. Это излучение повреждает живые ткани, передавая энергию атомам и молекулам клеток, а затем повреждая ДНК, РНК и белки, разрывая и создавая химические связи и создавая свободные радикалы.

Например: Лучевая болезнь — связана с острым радиационным воздействием и сопровождается набором характерных симптомов, таких как рвота, диарея, усталость, головная боль, воспаление рта и горла, выпадение волос, жжение и стойкое потемнение кожи, а также кровоточащие пятна под кожей. Как тип, так и величина радиации влияют на тяжесть симптомов, а также время воздействия и то, какая часть тела подверглась воздействию (Хиросима и Нагасаки в Японии во время Второй мировой войны и после аварии на ядерном реакторе).

• Хроническое радиационное облучение (стохастические эффекты) — небольшое радиационное облучение, которое распространяется в течение длительного периода времени, вызывая стохастические эффекты, как это происходит, например, с космическим излучением. Этот тип воздействия может увеличить риск преждевременного старения, рака и мутаций.

Например: Лучевой дерматит — рентген может, наряду с лучевой терапией, вызвать лучевой дерматит. Это воспаление кожи, связанное с длительным воздействием радиации.При лучевом дерматите кожа может казаться красной, зудящей, шелушащейся и иногда покрытой волдырями. Большинство пациентов, проходящих лучевую терапию, страдают лучевым дерматитом различной степени. На тяжесть радиодерматита влияют несколько факторов, включая общую дозу облучения, тип и энергию луча, площадь кожи, подвергшуюся облучению, и общее время лечения. Кроме того, на радиочувствительность также могут влиять такие факторы, как возраст пациента, телосложение, сопутствующие заболевания, такие как диабет, и генетические синдромы.

Применение ионизирующего излучения в медицине [править | править источник]

Мы можем использовать ионизирующее излучение для диагностики и лечения. Оба имеют некоторые преимущества и некоторые риски для пациентов, поэтому мы можем использовать их только в том случае, если польза больше, чем риск. Ионизирующее излучение произвело революцию в области исследования внутренних органов без хирургического вмешательства. Теперь можно изучать мозг или сердце без необходимости открывать тело. Изображения записываются в вокселях (элемент объемного изображения), которые имеют как площадь, так и глубину (3D), в отличие от компьютерных пикселей, которые представляют только двухмерную область (2D).

Диагностическое приложение ионизирующего излучения [править | править источник]

В радиологии используются рентгеновские лучи, ультразвук (и т. Д.) И передаются на тело пациента извне. Они вырабатываются и взаимодействуют с тканями в организме пациента посредством абсорбции или рассеяния.

Эта процедура является одной из самых важных, так как она широко доступна. Его низкая стоимость позволяет использовать его в качестве первого инструмента для диагностики ряда заболеваний.

Однако взаимодействие между тканями человека и ионизирующим излучением может вызвать некоторые опасные проблемы, такие как отложение некоторого количества излучения у пациента, которое может быть разрушительным для всех живых тканей и может повредить ДНК, вызывая мутации.

Ионизирующее излучение было использовано, прежде всего, в качестве метода визуализации с помощью рентгеновских лучей в диапазоне от 0,01 до 10 нм.

Радиография использует рентгеновские лучи для изучения плотности между тканями, и эта разница дает нам изображение.

Рентгеновские лучи генерируются в рентгеновской трубке. Эти лучи проходят через пациента и фильтруются устройством, называемым рентгеновским фильтром (алюминиевый).

Рентгенограммы работают по принципу, согласно которому кость поглощает рентгеновские лучи за счет фотоэлектрических процессов, а мягкие ткани — нет.

В костях рентгенография позволяет увидеть переломы, опухоли, деминерализацию, как остеопороз; в стоматологии, кариес.

Рентгеновские лучи способствовали появлению компьютерной томографии.

• Компьютерная томография (КТ) — Рентгеновские лучи

Этот метод дает нам коэффициент ослабления.

Устройство визуализации разделяет пациента на трехмерный набор вокселей. Каждая двумерная плоскость вокселей (корональная, сагиттальная или поперечная) называется томограммой.

Компьютерная аксиальная томография используется для объединения пучков рентгеновских лучей под разными углами для создания томограммы, что позволяет получить детальные изображения мягких тканей.

Как и в рентгенографии, рентгеновские лучи производятся в рентгеновской трубке. Эти лучи направляются коллиматором и проходят через пациента. Некоторые из них поглощаются, ослабляются, а другие проходят через детектор на другой стороне. Программное обеспечение измеряет затухание, формируя изображение на основе разницы значений поглощения рентгеновских лучей между тканями.

Устройство состоит из контактного кольца, которое вращается на 360º вокруг человека, как при сканировании по спирали или спирали.

С помощью этого метода можно получать движущиеся изображения внутренних структур пациента в реальном времени с помощью флюороскопа (который имеет источник рентгеновского излучения и флуоресцентный экран).

Флюороскоп — это устройство, используемое в интервенционных операциях, в которых медицинские изображения необходимы для размещения медицинских устройств, таких как иглы для биопсии, катетеры…

Поскольку необходимо сделать много изображений, мы должны защитить пациента от радиации, поэтому используются рентгеновские лучи низкой интенсивности. Врач должен избегать прямого воздействия рентгеновских лучей на себя, так как интервенционист должен носить защитные куртки и очки из-за рассеянного излучения от пациента. Прежде чем врач включит прибор, он должен сделать шаг назад.

• Магнитно-резонансная томография (МРТ)

МРТ используется для детальной визуализации внутренней части тела.

С помощью этого метода мы можем измерить концентрацию водорода. Поскольку плотность протонов водорода варьируется между тканями, мы можем получить контраст, а затем мы можем получить изображение исследуемой ткани.

Многие из этих протонов находятся в воде. В костях черепа не так много протонов, поэтому они показаны темным цветом, как и полости носовых пазух.

Ядерная медицина — это медицинская и лабораторная специальность, которая исследует ядерные свойства радиоактивных и стабильных нуклидов для оценки метаболических, физиологических и патологических состояний организма.Он основан на радиофармацевтических препаратах, которые классифицируются по фармацевтическим препаратам, маркированным радиоактивным агентом, чтобы их можно было отследить. Итак, в ядерной медицине радиология действует внутренне.

При визуализации этого типа врачи вводят пациентам небольшие количества радиофармпрепаратов или заставляют пациентов их вдыхать или проглатывать. Эти радионуклиды плюс фармацевтические соединения распределяются по телу сзади (определенные органы или клеточные рецепторы). По мере того, как период полураспада радионуклида уменьшается, происходит часть общего распада, что приводит к испусканию гамма-лучей и, следовательно, к получению изображения.

Однако изображения, полученные с помощью этого метода, имеют более низкое разрешение по сравнению с изображениями, полученными с помощью рентгенографии. Но, в конце концов, это не большая проблема, поскольку врачи при такой диагностике уделяют больше внимания обнаружению и измерению аномального органа, чем измененной структуре органа.

• Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

Это метод, в котором обычно используется глюкоза, поскольку она легко проникает через высокоселективные барьеры крови.Эта биологически активная молекула (содержащая радионуклиды) вводится в организм пациента.

Пациенту необходимо подождать 30–45 минут. За это время концентрация этих нуклидов в интересующих тканях увеличится. Радиоизотопы распадаются и испускают позитроны (e ⁺ ). Эти позитроны входят в ткань, теряя энергию, а затем взаимодействуют с электроном, образуя гамма-фотоны — они отправляются в противоположных направлениях.

• Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ)

ОФЭКТ — это метод томографической визуализации ядерной медицины с использованием гамма-лучей.В нем используется гамма-камера.

Основное отличие от ПЭТ заключается в том, что для него требуется только одно однократное облучение, а не одновременное двукратное (как в ПЭТ). Это приводит к ухудшению чувствительности изображения, а также к более низким ценам, поскольку используемые радиоактивные материалы имеют более длительный срок службы.

Терапевтические приложения [править | править источник]

Ионизирующее излучение можно разделить на 2 категории: оно может быть внешним — для внешнего использования по отношению к пациенту — или оно может быть внутренним — для внутреннего использования по отношению к пациенту.

Внешние источники (телетерапия) [редактировать | править источник]

Уничтожает опухолевые клетки радиацией. Это возможно только при неметастазированных опухолях. Радиация уменьшает боль при метастазах, контролирует кровотечение, а также препятствие, вызванное опухолью. В телетерапии используются гамма-лучи, фотоны и электроны.

Существует нескольких видов терапевтических приложений с использованием внешних источников:

• Стереотаксическое излучение использует сфокусированные пучки излучения, нацеленные на четко очерченную опухоль с использованием чрезвычайно подробных изображений сканирования.Существует два типа стереотаксического излучения: стереотаксическая радиохирургия (SRS) — используется в мозге или позвоночнике; и стереотаксическая лучевая терапия тела (SBRT) — используется в организме, например в легких.

Преимущество: при этом лечении рак доставляет нужное количество радиации за более короткое время, чем обычные методы лечения. Кроме того, эти процедуры выполняются с особой точностью, что ограничивает воздействие излучения на здоровые ткани.

Недостаток: подходят только для некоторых небольших опухолей.

• Обычное внешнее лучевое излучение состоит из одного луча излучения, направляемого пациенту со многих направлений.

Недостаток: некоторые виды лечения высокими дозами ограничены из-за радиационной токсичности здоровых тканей, которые могут находиться рядом с опухолью.

• Терапия частицами использует прямую энергию протонов в опухоли.

Преимущество: меньше энергии передается в здоровую ткань, окружающую ткань-мишень.

Внутренние источники (брахитерапия) [редактировать | править источник]

Облучение проводится внутри или рядом с областью, требующей лечения. при этом лечении облучение воздействует только на очень небольшую область — это преимущество по сравнению с внешней лучевой терапией.