А.Т. Лебедев - Масс-спектрометрия в органической химии (1111819), страница 29
Текст из файла (страница 29)
6.8. Квалрупольный анализатор 136 Глава 6. Разделение и регистрация ионов возможность работы при повышенном (до 5 х 10 з мм рт. ст.) давлении. Эти факторы обусловили широчайшее распространение квадрупольных приборов начиная с 70-х годов ХХ века, особенно для серийных стандартных анализов, съемки рутинных спектров электронного удара или химической ионизации. Еще один импульс для использования приборов этого типа связан с созданием метода электрораспыления (разд. 5.12). Современные квадруполи работают в диапазоне величин т/г до 3000-4000, что делает их чрезвычайно удобными для анализа белков, пептидов, других биомолекул с применением электрораспыления, когда образование многозарядных ионов происходит в условиях атмосферного давления.
Квадрупольные анализаторы отлично зарекомендовали себя также в приборах гибридной геометрии для тандемной масс-спектрометрии (гл. 7). Для этих же целей широко используются системы из трех или пяти квадруполей. К недостаткам анализаторов этого типа можно отнести не самый широкий диапазон масс (до лз/з 3000-4000), низкую разрешающую способность и плохие результаты при работе в режиме МЛДИ. 6.6. Ионная ловушка Ионная ловушка была впервые описана одновременно с квадрупольным анализатором, однако первый коммерческий прибор появился на рынке только в 1983 г. 12091.
Тем не менее к настоящему времени ионная ловушка превратилась из простого детектора к газовому хроматографу в высокоэффективный хроматомасс-спектрометр с диапазоном регистрируемых масс в десятки тысяч дальтон, разрешающей способностью до 25 000, возможностью работы в режиме тандемной масс-спектрометрни с регистрацией до 10 поколений фрагментных ионов и высочайшей чувствительностью.
Основой прибора являются три электрода (рис. 6.9): два концевых (полюсных) гиперболической формы, обычно имеющие потенциал Земли, и один кольцевой электрод между ними, на который подается радиочастотное напряжение, обычно мегагерцового диапазона. Эта система электродов создает некое подобие ячейки, используемой в методе ионно-циклотронного резонанса (разд. 6.4). Ловушка может удерживать ионы достаточно долгое время. Для ионизации образца используют электронный удар или химическую ионизацию. Работа ведется в импульсном режиме.
Например, импульсная подача электронов в ловушку (0,1-10 мс) вызывает ионизацию необходимого числа молекул образца. Образовавшиеся ионы какое-то время удерживаются полем центрального электрода. В классическом варианте нестабильного масс-селективного сканирования импульсное изменение амплитуды радиочастотного напряжения, приложенного к кольцевому электроду, заставляет ионы с определенным значением лз/г переходить на нестабильные траектории и покидать ловушку, попадая на электронный умножитель.
В результате генерируется масс-спектр. 6.6. Ионная ловушка 137 Ввод образца Рне. 6.9. Принципиальная схема ионной ловушки Вариантом этого метода является резонансное извлечение. В обычных условиях работы ионы в зависимости от величины а/я имеют характеристические частоты движения. Эти частоты зависят от многих параметров. Можно создать условия резонанса для конкретных ионов благодаря дополнительному радиочастотному сигналу, приложенному к концевым электродам. В условиях резонанса ионы поглощают достаточную энергию для того, чтобы покинуть ловушку, после чего они регистрируются внешним детектором.
В этом случае ионы можно извлечь из ловушки, приложив более низкое напряжение, чем в классическом варианте. Основным результатом является возможность расширения диапазона регистрируемых масс. Например, прибор с верхним диапазоном масс 650 Да при работе в обычном режиме может регистрировать соединения с массой до 70000 Да в режиме резонансного извлечения ионов. Возможность удаления мешающих ионов на разных стадиях ускорения и замедления движения ионов, индуцирование фрагментации ионов при их столкновениях с атомами гелия позволяют успешно использовать ионные ловушки для работы в режиме тандемной масс-спектрометрии, причем можно получить 138 Глава 6. Разделение и регистрация ионов информацию о нескольких последовательных поколениях фрагментных ионов.
Такая техника зачастую обозначается в литературе (МЯ)". Показана также возможность достижения разрешающей способности 25000 [2091. Результатам исследований с использованием ионных ловушек посвящены два номера журнала масс-спектрометрического общества США за 2002 г. [210, 2111. К достоинствам ионных ловушек следует добавить также небольшие размеры и самую низкую среди масс-спектрометров стоимость прибора. К недостаткам можно отнести протекание в ловушке полно-молекулярных реакций, что приводит к искажениям стандартного масс-спектра.
В результате использование стандартных компьютерных библиотек Н1БТ и %11еу для идентификации соединений по масс-спектрам оказывается менее эффективным, чем в случае магнитных или квадрупольных анализаторов. 6.7. Времяиролетный анализатор Этот тип анализатора масс [2121 основан на простейшем принципе: скорость разогнанных ионов обратно пропорциональна их массам (уравнение 6.11).
ея = тнз/2 или лз = 2е'г/н~ (6.11) где К вЂ” ускоряющее напряжение Если ионы движутся в полой трубе, то места регистрации они достигают в порядке увеличения своей массы. Анализатор такого типа крайне прост и дешев, а его диапазон масс практически не лимитирован. Однако широкому использованию времяпролетных приборов мешала низкая разрешающая способность и невозможность их применения с непрерывными методами ионизации. Время достижения ионом детектора можно рассчитать по формуле 6.12: (6.12) Для разности потенциалов 3 кВ и длины трубы дрейфа 0,5 м ион с лт/л 500 достигает детектора за 15 мкс, а ион с и/г 50 — за 4,6 мкс, т. е.
масс-спектр в диапазоне от 50 до 500 Да можно зарегистрировать за время около 10 мкс. Понятно, что время можно увеличивать, уменьшая разность потенциалов или увеличивая длину дрейфа. Основные проблемы времяпролетных приборов †э разброс ионов с одной массой по времени, по скорости (энергии) и в пространстве. На рисунке 6.10 представлена схема линейного варианта времяпролетного анализатора, предложенная в пионерской работе Мак-Ларена и Уайли [2121. Ионы, образовавшиеся в левой части источника, ускоряются разностью потенциалов между стенкой источника и сеткой по направлению к детектору. В области дрейфа происходит 6.7. Времапролвгный анализатор 139 Рис.
6.10. Схема линейного времяпролетного масс-спеатрометра разделение ионов по скоростям (следовательно, по массам). Детектор регистрирует интенсивность пучков изобариых ионов. В результате генерируется масс- спектр. Следует отметить, что иа детектор поступают все ионы, что существенно улучшает чувствительность метода по сравнению со сканирующими анализаторами, в которых детектора достигает фактически менее одного процента ионов. Разброс по энергиям связан с тем, что ионы уже изначально (до ускорения) имеют различную кинетическую энергию ааУ.
В результате полная энергия движения ионов в области дрейфа будет (ер' + ЬУ). Пространственный разброс связан с тем, что ионы в источнике находятся не иа одной линии, а занимают конкретный объем. Часть их оказывается ближе к сетке, часть — дальше. Если обозначить это отклонение в пространстве от среднего значения аал, и, учитывая, что 1г = Ез, получается, что энергия ионов в области дрейфа равна еЕ(з ~ Ьз). Таким образом, происходит уширеиие сигнала и, соответственно, потеря разрешения.
Прибор, представленный иа рис. б.10, не приспособлен для работы в сочетании с классическими непрерывными методами иоиизации органических молекул (ЭУ, ХИ, полевая ионизация, электрораспыление), поскольку в этом случае разброс во времени появления ионов бесконечен, что означает нулевую разрешающую способность. Тем ие менее использование импульсных методов генерирования ионов (лазерная десорбциоииая масс-спектрометрия, масс-спектрометрия вторичных ионов и др.) позволяет достаточно эффективно работать иа линейных времяпролетиых приборах.
В этом случае время генерирования ионного пучка ограничивается временем импульса, т. е. разброс ионов по времени имеет конечное значение, причем, чем короче импульс, тем меньше разброс. Указанные методы иоиизации, а также МЛДИ, связаны с геиерированием ионов с поверхности.
В результате помимо разброса образования ионов во времени одновременно устраняется и пространственный разброс, наблюдающийся при использовании методов иоиизации молекул в газовой фазе. Для устранения разброса по энергиям и повышения разрешающей способности линейных анализаторов было предложено использование двух сеток, а также метод задержки извлечения ионов из источника импульсной подачей напряжения 12121. Однако 140 Глава 6.
Разделение и регистрация иолов Рис. 6.11. Схема времяпролетного масс-спектромегра с рефлекгроном революционным решением стало использование отражателя (рефлектрон, ионное зеркало), предложенное в 1973 г. Б. А. Мамыриным 12131. Схема времяпролетного масс-спектрометра с рефлектроном представлена на рнс. 6.11. Из группы ионов с одной массой частицы с большей кинетической энергией проникают глубже внутрь отражающего поля рефлектрона, тем самым затрачивая больше времени на замедление и последующее ускорение. Первыми достигая ионного зеркала, они последними покидают его и догоняют более медленные ионы в фокальной плоскости, в которой располагается детектор.
'Такой принцип позволил проводить корректировку разброса по энергиям н повысить разрешающую способность времяпролетных приборов до 10000. Еще одним замечательным нововведением в масс-спектрометрию было использование принципа ортогонального ускорения (рис. 6.12). Благодаря этому методу удалось состыковать времяпролетный анализатор с непрерывными источниками ионов. Фактически одновременно А. Ф. Додоновым в России 12141 и М. Гилхаусом в Австралии 12151 были сконструированы масс-спектрометры с ортогональным ускорением в сочетании с электроспреем и электронным ударом Вьгпеткиваюлзий электрод ° 'а.
Рис. 6.12. Принципиальная схема метода ортогонального ускорения: а — выталкивающий электрод выключен, б — выталкивающий электрод включен б.е. Детектирование ионов 141 соответственно. В приборах этого типа импульсное приложение потенциала к линзе, расположенной параллельно движению ионов от источника к детектору, ускоряет сегмент коллимированного пучка ионов в направлении перпендикулярном их движению. В итоге ионы достигают второго детектора в соответствии со своей массой. После того как самые тяжелые ионы достигнут детектора, ортогональный импульс может быть повторен.
В этом случае разброс в скоростях в ортогональном направлении отсутствует, а пространственный разброс невелик и определяется только шириной пучка коллимированных ионов. Важным достоинством времяпролетного анализатора является значительно более высокая чувствительность по сравнению со сканирующими приборами. Все ионы, образовавшиеся в результате импульса ионизации или оказавшиеся в зоне действия импульса ортогонального ускорения, достигают детектора. Следующий импульс можно осуществить, как только самый тяжелый ион достигнет детектора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
