Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений на основе масс-спектрометрического и кинетического разделения ионов этих соединений

Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений на основе масс-спектрометрического и кинетического разделения ионов этих соединений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к методам и технике химического анализа органических и биоорганических соединений на базе сочетания разделения ионов этих соединений по отношениям массы к заряду, подвижности, устойчивости к столкновительной фрагментации ионов и масс-спектрометрического анализа ионов-продуктов этой фрагментации. В частности, речь идет о предварительном разделении ионов при совместном действии электрических полей и газовых потоков в линейной радиочастотной ловушке по величинам зарядов и масс, сечений столкновений и устойчивости к распаду. Последующий анализ ионов-продуктов по отношениям массы к заряду может производиться с помощью времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) либо на каком-либо другом масс-анализаторе или на основе регистрации наведенных сигналов от вращающихся или осциллирующих ионов в том же радиочастотном квадруполе.

Распад или гибель ионов может вызываться как разогревом вращающихся ионов за счет их столкновений с атомами или молекулами газа, так и соударениями ионов с поверхностями электродов. Использование таких распадов или гибели для разделения и идентификации анализируемых соединений является одним из отличительных признаков настоящего изобретения, оно многократно увеличивает разделительную способность метода.

Регистрация наведенного сигнала от вращающихся или осциллирующих ионов перед масс-анализом ионов-продуктов подобно тому, как это сделано в масс-спектрометре ионно-циклотронного резонанса (ИЦР) с быстрым преобразованием Фурье, является еще одной важной особенностью настоящего изобретения. Она позволяет получать дополнительную информацию об исследуемых ионах в виде оценок сечений столкновений с атомами или молекулами буферного газа и энергий разрыва связей при столкновительной диссоциации. Сокращается также общее время, необходимое для измерений при решении структурно-аналитических задач, и расширяется динамический диапазон измеряемых интенсивностей потоков ионов, что является слабым местом орто-ВПМС, особенно при использовании времяцифрового преобразования в качестве способа регистрации.

Среди задач, для которых, кроме чувствительности, важны как разделительная способность, так и динамический диапазон измерений, может быть упомянут экспресс-анализ микропримесей в атмосферном воздухе применительно к использованию в системах безопасности, таможенного и экологического контроля. Вторая задача, где разделительная способность и «информационная производительность» являются определяющими - это исследование структуры ионов биомолекул, что может быть важным для задач протеомики, биомедицинских и биотехнологических применений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

После разработки и создания в нашем институте первых времяпролетных масс-спектрометров с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) [1, 2] приборы этого типа получили широкое распространение как при решении аналитических задач, так при исследовании структуры биомолекул [3-5]. Удобство сочленения таких приборов с различными устройствами предварительного разделения ионов, производящими непрерывный или квазинепрерывный поток ионов, с импульсным времяпролетным масс-анализом, рекордным по быстродействию среди всех известных типов масс-анализаторов, обусловили высокую эффективность и привлекательность таких сочетаний для решения разнообразных аналитических и структурных задач. В то же время существуют важные структурно-аналитические проблемы, для которых разделительная способность и «информационная производительность» известных приборных комплексов, включающих в свой состав орто-ВПМС, оказывается недостаточной. Для преодоления этих ограничений естественным является стремление ввести в масс-спектрометрический эксперимент дополнительные размерности измерений, связанные с контролируемыми превращениями исследуемых ионов и регистрацией данных в процессе этих превращений. Для проведения подобных измерений желательно иметь в реакторе достаточно большое число (или достаточно интенсивный поток) исследуемых ионов и отделить эти ионы или сигнал от них от других мешающих ионов.

В последние 10-15 лет широкое распространение в масс-спектрометрии получили газонаполненные радиочастотные мультиполи, устройства, содержащие набор обычно параллельных друг другу стержней и симметрично расположенных вокруг оси устройства. Радиочастотные напряжения чаще всего в противофазе подаются на соседние стержни. Эти устройства обычно используются как средства фокусировки и эффективной транспортировки ионов или для накопления ионов (в этом случае они называются линейными радиочастотными ловушками или линейными ионными ловушками) с возможной изоляцией выбранных ионов и проведением контролируемой диссоциации и других структурных превращений [6-8]. В этих устройствах используется описанное еще в Механике Ландау и Лифшица [9] свойство высокочастотных силовых полей вызывать выталкивание частиц в таких полях в сторону уменьшения напряженности этих полей. Если говорить более точно, то усредненное движение частиц в таких (электрических) полях описывается в первом приближении эффективным потенциалом, прямо пропорциональным квадрату напряженности высокочастотного поля, умноженной на заряд частицы, и обратно пропорциональным ее массе. Для частного случая идеального радиочастотного квадруполя эффективный потенциал квадратично зависит от обеих координат (в прямоугольной системе координат), достигая минимального значения на оси квадруполя, и усредненное свободное движение ионов в таком поле - независимые гармонические колебания по обеим координатам. Как указано там же [9], идея такого воздействия высокочастотных полей принадлежит П.Л.Капице, и она была высказана им в 1951 году. Потребовалось около 40 лет, прежде чем эта идея нашла практическое применение в таких эффективных средствах манипулирования ионами, как газонаполненные радиочастотные квадруполи или мультиполи. В этих устройствах, используемых как ионные накопители и реакторы, два важных в этом случае свойства - способность к накоплению ионов и способность разделять эти ионы могут вступать в противоречие друг с другом. Для того, чтобы эффективно останавливать ионы внутри мультиполя, нужна достаточно высокая плотность газа, а для высокой селективности изоляции выбранных ионов или возбуждения резонансных осцилляций ионов и их разогрева (для проведения фрагментации и других превращений) плотность газа должна быть относительно мала.

Одной из целей настоящего изобретения является преодоление этого противоречия. Второй целью является создание эффективных способов проведения последовательных кинетических измерений превращений нескольких типов выбранных ионов, присутствующих в не полностью разделенных смесях, развитие методов анализа экспериментальных данных для дополнительного разделения на этой основе исследуемых ионов и получения количественной информации о строении, термохимии и кинетических свойствах этих ионов.

Одной из наиболее важных предпосылок для настоящего изобретения является создание нами методики резонансного возбуждения вращения выбранных ионов вокруг оси радиочастотного квадруполя и осуществление фрагментации этих ионов за счет столкновений с молекулами буферного газа [10-12]. Эта методика была новой, ранее никем не предлагавшейся. В отличие от настоящего изобретения, возбуждение вращения ионов в этом случае производится во время их движения вдоль квадруполя без предварительного накопления. Это сужает возможности для проведения кинетических измерений и обеспечивает ограниченную способность отстройки от сигналов мешающих ионов. Кроме этого, такой способ осуществления резонансного вращения накладывает очень жесткие ограничения на качество изготовления квадруполя. Небольшие отклонения в диаметре стержней или в расстояниях между ними приводит к существенным потерям в разрешающей способности метода, которая при проведении реальных измерений в нашем случае оказывалась не более 100.

В предлагаемом варианте ионы вращаются в относительно узкой зоне (несколько мм), при этом они совершают вдоль этой зоны квазихаотические колебания со средним временем прохождения этой зоны, сравнимым с периодом вращения и много меньшим времени измерения. Таким образом, неоднородности полей в значительной степени усредняются, и их влияние на ширину резонансных кривых ослабляется. В этом случае разрешающая способность резонансного возбуждения для заданных ионов и заданного буферного газа будет в основном определяться плотностью этого газа в области вращения. При разумном остаточном давлении в 0.1 мТорр для гелия ожидаемая массовая разрешающая способность на полувысоте пиков для органических ионов с массой около 1000 Д будет около или даже более 5000.

Одной из трудностей при проведении кинетических исследований в реализованном случае была некоторая неопределенность в фактической скорости вращения ионов и в связанной с этим внутренней температуре распадающихся ионов. Это было следствием того, что измерения подвижности ионов проводились при напряженностях электрического поля, меньших тех значений, при которых начинаются процессы фрагментации. Считалось при этом, что эти подвижности остаются такими же в больших полях. Это предположение не всегда соответствует действительности. В предлагаемом методе эта трудность преодолевается за счет измерения сдвига фазы наведенного сигнала от вращающихся и распадающихся ионов от вращающего поля. Этот сдвиг определяется отклонением частоты вращающего поля от резонансной частоты и временем релаксации скорости ионов, которая однозначно связана с подвижностью этих ионов.

Нами была разработана расчетная модель и проведены эксперименты по формированию сверхзвукового газового потока при относительно низких давлениях буферного газа с переносом ионов этим потоком и отражением ионов от поверхностей, покрытых тонкой заряженной диэлектрической пленкой [13-15]. Эти методы также были новыми, неизвестными в литературе.

Создан газодинамический интерфейс для имеющегося в нашем распоряжении орто-ВПМС с формирователем газового потока и секционированным радиочастотным квадруполем. Такая конфигурация интерфейса является новой. В основных чертах она описана в нашем патенте США №7547878 от 16 июня 2009 года [16]. В отличие от настоящего изобретения, в квадруполе отсутствует «запирающая» диафрагма, и вместо квазиоднородного поля внутри квадруполя создается параболическое распределение потенциала с минимумом, расположенным недалеко от начала квадруполя. Предварительные эксперименты продемонстрировали работоспособность этого оборудования, однако эффективный захват ионов примесей в буферном газе гелии в такую ловушку пока осуществить не удалось. Возбуждением нерезонансного вращения, как предлагается в настоящем изобретении, ионы выводятся из области вблизи оси радиочастотной линейной ловушки, что лишит их возможности обратного выхода через входную диафрагму ловушки. Это должно гарантированно обеспечить эффективный захват ионов в ловушку, если предприняты меры (как это сделано в настоящем изобретении), предотвращающие гибель ионов на внутренней поверхности входной диафрагмы. Возможная замена буферного газа на более тяжелый и введение запирающей диафрагмы уменьшит время термализации ионов в ловушке.

Теоретическая модель разогрева ионов, движущихся в газе под действием электрического поля, описана нами в [17]. Модель является оригинальной, ее предсказания несколько отличаются от известных моделей. В частности, она предсказывает несколько более высокую величину внутренней температуры иона по сравнению с температурой его поступательного движения. Эта модель подтверждается имеющимися экспериментальными данными, и ее использование для получения количественных термохимических данных для исследуемых ионов является возможным.

Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных должно включать пакеты программ, реализующие в основных чертах разработанные нами оригинальные методы, описанные в [18-22, 32]. Среди этих методов наиболее важными являются следующие.

1. Метод коррекции эффектов насыщения и «мертвого» времени при использовании времяцифрового преобразования для регистрации данных ВПМС [20, 32].

2. Метод выявления экспоненциальных вкладов в затухающий наведенный сигнал от распадающихся ионов [18, стр.192] с нахождением корней характеристического полинома с помощью процедуры, описанной в [22].

3. Метод выявления экспоненциальных вкладов в совокупности кривых ионного тока, развитый ранее для анализа совокупности эффузиометрических кривых [21].

Существующие методы при реализации столкновительной диссоциации ионов или при проведении кинетических масс-спектрометрических измерений предполагают обычно предварительную изоляцию одного типа ионов при потере всех остальных, тем самым требуя использования большого объема исходного образца и больших временных затрат на проведение экспериментов. Одно из исключений представляет собой «многоотражательный» орто-ВПМС А.Н.Веренчикова [23], где из-за значительного увеличения эффективной длины дрейфа ионов и, следовательно, их времени пролета появляется возможность произвести столкновительную диссоциацию не одного, а нескольких типов выбранных ионов, достаточно далеко разнесенных по времени выхода (на время, большее времени дрейфа ионов во вторичном времяпролетном масс-спектрометре). Этот гораздо более технически сложный, чем в нашем случае, подход, конечно, исключает проведение каких-либо кинетических измерений и производит выделение первичных ионов для диссоциации только по m/z. He предусматривается также, в отличие от предлагаемого метода, возможности дальнейшего столкновительного исследования ионов-продуктов первичной диссоциации.

Возможный подход, снижающий потери первичных ионов, описан в заявке А.В.Лободы №20070120053 на патент США [24]. В этой заявке предлагается после накопления ионов в квадруполе при давлении буферного газа около 0.1 Торр осуществлять дипольное возбуждение колебаний ионов с выбранным m/z, так чтобы эти ионы в плоскости дипольного возбуждения в среднем достаточно далеко отклонялись от оси квадруполя. Во время такого возбуждения или после его окончания создается линейно изменяющееся вдоль квадруполя постоянное во времени квадрупольное поле. Потенциалы этого поля выбираются такими, чтобы в плоскости возбуждения колебаний выбранных ионов создавать в среднем электрическое поле, двигающее ионы к выходу из квадруполя (на оси квадруполя такое поле равно 0, а в перпендикулярной плоскости оно двигает ионы в противоположном направлении). В этом случае невозбужденные ионы, имеющие в среднем меньшее отклонение от оси квадруполя в этой плоскости, будут менее подвержены влиянию этого вытягивающего поля. Таким образом, интересующий пакет ионов может быть передвинут в камеру столкновений, а остальные ионы останутся в накопительном квадруполе. После завершения работы с первым пакетом аналогичным образом в камеру столкновений может быть доставлен следующий пакет. Такой подход достаточно интересен и, по-видимому, будет работать. Однако, его разрешающая способность должна быть достаточно низкой (вряд ли она будет более 10) по нескольким причинам. Главная из них - это достаточно высокая плотность буферного газа, необходимая для захвата ионов в ловушку. Таким образом, передаваемые в камеру столкновений пакеты ионов будут содержать множество ионов в достаточно широком диапазоне масс, и для проведения столкновительной диссоциации «индивидуальных» ионов все остальные ионы из этого пакета должны быть удалены. Относительно большая плотность газа в радиочастотном мультиполе при накоплении ионов в существующих системах приводит либо к невысокой избирательности ионов при их изоляции, либо требует дополнительного времени на скачивание "лишнего" газа. Другое возможное решение - это создание сложных многотамбурных систем, где функции накопления, изоляции и столкновительной диссоциации выполняются в разных частях системы с сильно различающимися плотностями буферного газа. Такая конструкция приводит к дополнительным потерям ионов и удорожанию приборного комплекса. Именно такое построение и предлагается в только что описанной заявке на патент США [24].

Динамические методы захвата ионов в квадрупольную ловушку, когда обратный выход ионов запирается включением соответствующего потенциала до момента возврата запущенного пакета ионов от точки разворота, позволяют использовать только небольшую часть исходного потока ионов, если последующие манипуляции с ионами требуют относительно большого времени. Исходный поток ионов должен быть заперт на это время, и соответствующие ионы обычно теряются.

Масс-спектрометрия ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием (МС ИЦР ФП) в настоящее время обеспечивает самое точное измерение отношения массы иона к заряду (m/z) с демонстрируемым разрешением свыше 100000. В МС ИЦР ФП ионы или вводятся снаружи в ячейку или создаются внутри ячейки и удерживаются в ней комбинацией статических магнитных и электрических полей (ловушка Пеннинга). Статические магнитное и электрическое поля определяют зависимую от m/z циклотронную частоту движения. Это движение возбуждается осциллирующим электрическим полем. После короткого времени приложения поле выключается. Усиление и регистрация слабых напряжений, индуцированных на пластинах ячейки движением ионов, позволяют определить частоту движения ионов и, таким образом, m/z ионов. Ионы выборочно изолируются или фрагментируются изменением величины и частоты прикладываемого поперечного радиочастотного электрического поля и остаточного давления газа. Повторные последовательности изоляции ионов и их фрагментации (MSⁿ-операции) могут быть выполнены в единственной ячейке. МС ИЦР ФП - "большой" приборный комплекс, занимающий большую площадь и также достаточно дорогой в основном из-за затрат на создание магнитного поля с помощью сверхпроводящего соленоида и сверхвысокого вакуума. Кроме того, МС ИЦР ФП демонстрирует слабое удержание ионов в MSⁿ-операции (сравнительно с трехмерной ионной ловушкой). Высокое разрешение требует чрезвычайно высокого вакуума (ниже 10^-9 Торр).

В дополнение к масс-спектрометрии ИЦР другое применение вращения ионов предложено в ловушках постоянного электрического поля подобно инструменту Orbitrap (описанному Макаровым в 1999, Патент США 5886346 [25]). Orbitrap имеет перед методом ИЦР важное преимущество, связанное с отсутствием магнитного поля. Оба метода могут обеспечить чрезвычайно высокое разрешение для малых и средних ионов. Для больших ионов разрешение падает по двум главным причинам: меньшие частоты вращения иона (или осцилляции в Orbitrap) для больших m/z и уменьшение времени когерентного движения ионов из-за увеличенной вероятности столкновений с атомами или молекулами остаточного газа из-за больших сечений столкновения. Кроме того, Orbitrap имеет дополнительное ограничение для введения больших ионов в ловушку постоянного электрического поля, так как эти ионы могут иметь достаточно большую вероятность столкновения с атомами или молекулами остаточного газа в квадруполе накопления во время их ускорения до относительно высокой энергии (около 1 кэВ). Таким образом, в процессе введения этих больших ионов в Orbitrap, существенная часть может быть потеряна из-за диссоциации или иметь энергию меньше, чем оптимальная во время захвата иона в ловушку постоянного электрического поля. Эти приборы так же, как и приборы ИЦР, требуют достаточно большого времени измерения (до нескольких секунд) и немного больше времени для предварительного накопления ионов.

Регистрация наведенного сигнала при свободном движении ионов в радиочастотном квадруполе описана в патенте США 6784421, M.A.Park [26]. Отличие нашего варианта такой регистрации состоит в использовании в нашем случае предопределенного типа движений ионов в квадруполе в виде суперпозиции двух вращений ионов: нерезонансного, выводящего ионы из относительно плотной области газового потока, и резонансного, или собственного вращения, сигнал от которого и регистрируется. Кроме этого, в нашем случае предполагается организовать регистрацию чисто вынужденных вращений или осцилляции ионов, в том числе при наличии частот вращающего или осциллирующего поля, близких к резонансной частоте ионов. Именно в этом случае ожидается получение важной дополнительной информации об исследуемых ионах. Для уменьшения уровня наведенных сигналов от вращающего или осциллирующего поля в нашем случае предполагается использовать измерение разности потенциалов между электродами, расположенными между стержнями квадруполя так, чтобы наведенные сигналы от стержней были близки, сигнал от ионов на электродах, расположенных ближе к центру квадруполя был бы превалирующим. В рассматриваемом патенте предлагается после накопления ионов, которое производится при относительно высоком давлении буферного газа, скачивать большую часть газа. Затем собственные движения накопленных ионов в радиочастотном квадруполе возбуждаются широкополосным импульсом напряжений, приложенных в квадрупольной моде к стержням квадруполя, и после этого наведенный сигнал от их свободного движения регистрируется. Такой подход увеличивает время при проведении измерений, требует более длительного прерывания потока ионов и приведет, следовательно, к их дополнительным потерям. Кроме этого, повышенное давление буферного газа в нашем случае создало бы сложности для работы источника электронной ионизации, что потребовало бы дифференциальной откачки области источника ионов и отдельного прерываемого ввода газа в объем квадруполя. Это привело бы к дополнительным потерям анализируемых ионов, неизбежным при их введении в квадруполь против газового потока. Предлагаемый в настоящем изобретении метод накопления ионов лишен этих недостатков.

Использование резонансного вращательного движения ионов, так же как и их резонансных одномерных колебаний в радиочастотном квадруполе для устранения излишних ионов, мешающих измерению менее интенсивных аналитических ионов или вызывающих явления насыщения в измерительной системе времяпролетного масс-спектрометра, описано в патентной заявке США №20080149825 Козловского В.И. и др. [27]. В нашем случае аналогичных целей можно добиться путем соответствующей резонансной раскрутки нерезонансно вращающихся ионов в накопительной части радиочастотного квадруполя, что позволит повысить избирательность такого устранения в случае наличия заметного газового потока вдоль оси квадруполя. Использование для этих целей гибели раскрученных ионов на проводящей части выходной диафрагмы позволит избавиться не только от ионов с выбранным m/z, но и осуществить избирательное ослабление популяции накопленных ионов, существенно различающихся по подвижности или величине заряда. Периодическое возбуждение свободного дополнительного (к нерезонансному) вращения ионов и регистрация наведенных сигналов даст в нашем случае возможность проводить эти операции своевременно и не допускать нежелательных эффектов, связанных с излишним накоплением тех или иных ионов.

Использование вращательного поля для селективной диссоциации накопленных в квадрупольной линейной ловушке ионов при столкновении с атомами или молекулами буферного газа описано в патенте США №7351965 В2 [28]. Регистрацию ионов-продуктов, также удаление нежелательных ионов предлагается производить через щели вдоль вершин основных электродов гиперболической формы. Нарушения квадрупольного поля вблизи этих щелей предлагается компенсировать с помощью тонких электродов, расположенных вдоль по середине на выходе из этих щелей. При проведении диссоциации предлагается намеренно искажать квадрупольное поле заданием потенциалов на этих вспомогательных электродах, отличных от потенциалов основных электродов. Это полезно делать для смещения резонансных частот сильно раскрученных ионов для предотвращения их гибели на электродах квадруполя. В нашем случае использование круглых стержней квадруполя (что технологически много проще использования гиперболических стержней) приведет к тому же самому эффекту при диссоциации выбранных ионов. При регистрации же наведенных сигналов нет необходимости вынуждать ионы двигаться очень близко к поверхностям стержней квадруполя, так что отклонение поля от идеально квадрупольного в этом случае имеет меньшее значения по сравнению с регистрацией ионов, предлагаемой в рассматриваемом патенте. В патенте предлагается производить захват ионов в ловушку динамически, поднимая напряжение на входной диафрагме, т.к. давление буферного газа в квадруполе недостаточно, чтобы остановить ионы, отраженные от запирающего потенциала на последней секции квадруполя. В этом случае в ловушке остаются ионы, совершившие отражение от этого потенциала и не успевшие выйти назад через выходную диафрагму квадруполя до установления на ней запирающего напряжения. Для обеспечения улавливания достаточно большого числа анализируемых ионов предполагается использование относительно длинного квадруполя (1000 мм). Такая длина не только увеличивает габариты прибора, но и предъявляет более жесткие требования к параллельности стержней квадруполя и соблюдению других условий его изготовления для обеспечения однородности резонансных частот свободных движений ионов в разных местах квадруполя. Предлагаемый в настоящем изобретении метод накопления ионов, как ожидается, позволит накапливать достаточное число ионов в квадруполе, на порядок менее длинном, при сравнимом остаточном давлении буферного газа.

По-видимому, наиболее близкий по своим возможностям метод, который можно рассматривать как прототип предлагаемого изобретения, заявлен в патенте США №7507953 [29]. В основных чертах это развитие описанного в предыдущем пункте подхода, если не принимать во внимание компенсацию нарушений квадрупольного поля вблизи выходных щелей вдоль стержней линейной квадрупольной ловушки для транспорта ионов в систему регистрации. В рассматриваемом случае выбранные ионы в виде «ленточного» пучка могут попадать и в плоскую камеру столкновений, а затем транспортироваться непосредственно или после столкновительной диссоциации во времяпролетный масс-спектрометр с ортогональным вводом ионов. Возможность автономной регистрации (отдельной системой, как в предыдущем патенте) исходных ионов также предусмотрена. В этом методе в отличие от общепринятых подходов достигается использование для столкновительной диссоциации не одного, а любого желаемого числа видов родительских ионов.

Такая же возможность реализуется и в предлагаемом изобретении. Предусмотрено также стандартное использование линейной квадрупольной ловушки для последовательного осуществления изоляции и столкновительной диссоциации ионов для реализации MSⁿ метода, включая на последнем этапе регистрацию ионов-продуктов с помощью время-пролетного масс-спектрометра. Эта же возможность может быть реализована и в настоящем изобретении.

В перспективе предполагается использование описанного в патенте прибора в сочетании с жидкостным хроматографом для предварительного разделения сложных образцов биологического происхождения. В этом случае такой подход по сравнению с другими известными представляется наиболее эффективным с точки зрения объема получаемой информации, времени анализа и количества используемого образца.

К недостаткам описанной системы можно отнести потери разрешающей способности и чувствительности при ортогональном вводе родительских ионов в ячейку столкновений в том числе и из-за отклонений поля вблизи выходной щели от квадрупольного. Кроме этого, использование дипольного возбуждения ионов в отличие от нашего подхода, где преимущественно используются вращательные поля, приводит к более сильному влиянию объемного заряда остальных накопленных ионов на разрешающую способность выделения родительских ионов. В нашем случае эти ионы рассредоточены на различных орбитах нерезонансного вращения (в зависимости от m/z и подвижности ионов). В случае же резонансного дипольного возбуждения остальные ионы сосредоточены вблизи оси квадруполя, и при достаточно большом их числе создают заметное дополнительное поле, искажающее гармонический характер эффективного потенциала квадрупольного поля вблизи оси квадруполя.

Для достижения более эффективного использования потока исходных ионов в одном из вариантов, предлагаемых в патенте, предусмотрено разделение линейной квадрупольной ловушки на две части. В первой части, работающей при повышенном давлении, происходит накопление всех ионов предпочтительно в непрерывном режиме. Во вторую часть, осуществляющую резонансную селекцию родительских ионов при пониженном давлении (для лучшей избирательности), ионы в выбранном интервале m/z переводятся возбуждением продольных колебаний в первой части для сообщения им энергии, достаточной для преодоления потенциального барьера между первой и второй частями. В нашем случае достаточно эффективное накопление ионов, выделение родительских ионов и их фрагментацию предполагается проводить в едином квадруполе, откачиваемом одним турбомолекулярным насосом.

В рассматриваемом патенте для контроля числа накапливаемых ионов предполагается проводить предварительные эксперименты по определению скорости накопления ионов с заданными значениями m/z, используя описанные способы регистрации выбранных ионов, или путем измерения полного ионного тока скорости накопления всех ионов. Для таких измерений необходимо возбуждение колебаний соответствующих ионов в плоскости выходных щелей для транспортировки их в систему регистрации и камеру столкновений. В нашем случае измерение наведенного сигнала от вращающихся ионов позволяет осуществлять такой контроль накопления ионов в процессе самого накопления без необходимости проведения предварительных экспериментов и без заметных потерь накапливаемых ионов.

В патенте проведение кинетических измерений не предусматривается и вряд ли в описываемой конструкции возможно. С другой стороны, такие измерения, как предлагается в настоящем изобретении, при сочетании с предварительным хроматографическим разделением из-за временных ограничений возможны только для отдельных хроматографических пиков, отделенных друг от друга достаточными временными интервалами. В то же время эти измерения могут обеспечить дополнительное разделение ионов, которое может компенсировать отсутствие или даже превысить разделительные способности хроматографа при меньшем общем времени анализа. Возможно также и значительное увеличение результирующего разделения при сочетании с хроматографом, т.к. устойчивость к столкновительной диссоциации вряд ли будет сильно коррелировать с временами удерживания соединений в хроматографических колонках.

Преимуществом регистрации наведенного сигнала от вынужденно вращающихся ионов, как предлагается в настоящем изобретении и отсутствует в обсуждаемом и других аналогах, является получение дополнительных сведений об изучаемых ионах. В частности, это могут быть оценки сечений столкновений с атомами или молекулами буферного газа и энергий разрывов связей, приводящих к образованию ионов-продуктов столкновительной диссоциации.

Стандартным методом оценки сечений столкновений ионов, движущихся в газе, является та или иная разновидность измерения подвижности иона или коэффициента пропорциональности между стационарной скоростью иона и напряженностью электрического поля, вызывающего это движение. Часто это движение используется для предварительного разделения ионов. Поскольку в обычных вариантах реализации метода время движения ионов в дрейфовой трубе относительно невелико, наиболее приемлемым оказывается сочетание разделения ионов по подвижности с времяпролетным анализатором с ортогональным вводом ионов.

Серьезной проблемой такого сочетания является обеспечение высокой трансмиссии ионов через дрейфовую трубу в ВПМС. Одно из возможных решений было предложено нами в патенте США №6992284 [31], где приведен достаточно подробный обзор работ по разделению ионов по подвижности. В патенте 6992284 речь идет об использовании в дрейфовой трубе при давлении буферного газа в несколько Торр вместо однородного электрического поля последовательности чередующихся участков сильного и слабого поля. Это приводит к фокусировке ионов к оси квадруполя и позволяет несколько увеличить общее напряжение вдоль трубы, что благоприятно сказывается на разрешении пакетов ионов по подвижности. Все же во всех реализованных вариантах разделения ионов по подвижности достаточно высокого разрешения получить не удается. Даже для дрейфа ионов при атмосферном давлении не достигается разрешения более 100.

В предлагаемом изобретении подвижность ионов в их разделении выступает опосредованно. Чем больше подвижность ионов с заданным m/z, тем большую скорость движения ионы будут иметь под действием вращающего поля и, следовательно, более высокую внутреннюю температуру, пропорционально квадрату скорости. Если устойчивости к распаду рассматриваемых ионов близки, то быстрее будут распадаться ионы с большей подвижностью. При этом в нашем случае, выбором частоты вращающего поля имеется возможность выбора m/z ионов, а выбором амплитуды вращающего поля можно регулировать скорость распада. В случае классического разделения ионов по подвижности имеется довольно слабая возможность влиять на время выхода и ширину пакета интересующих ионов. Уменьшением напряженности поля вдоль трубы можно увеличить время выхода ионов, но при этом уменьшается разрешение по подвижности. В нашем случае измерение величины подвижности достигается без наличия дрейфовой трубы и без необходимости прикладывания высокого постоянного напряжения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Особенностями одной из возможных реализаций предлагаемых методов является следующее.

При давлении буферного газа (это может быть гелий, аргон, азот или другие газы) несколько Торр на входе и менее мТорра на выходе из цилиндрического канала формируется узко направленный газовый поток. Относительно малая примесь анализируемой пробы в потоке буферного газа транспортируется в виде сфокусированного молекулярного пучка в ионный источник электронной ионизации.

Вторая возможность формирования потока исследуемых ионов - это транспортировка ионов, в том числе и многозарядных ионов биомолекул, из электроспрейного источника с их фокусировкой системой апертурных диафрагм на вход канала формирования газового потока. Для минимизации потерь ионов внутри канала производится его подогрев - это один из стандартных способов передачи ионов из электроспрейного источника в область относительно низкого давления на входе в масс-спектрометр. Вместо электроспрейного источника при таком вводе ионов может использоваться и любой другой источник ионов, работающий при атмосферном или относительно высоком давлении.

Ионизация газов в молекулярном пучке производится источником электронной ионизации с изменяемой энергией ионизации, позволяя осуществлять непосредственную ионизацию анализируемых соединений. При наличии в потоке многозарядных ионов биомолекул, например, из электроспрейного источника возможен захват медленных электронов с последующими процессами диссоциации.

Накопление, предварительное разделение, управляемая фрагментация и фокусировка ионов осуществляются в секционированном радиочастотном квадруполе, ось которого совпадает с осью газового потока. В начале квадруполя в области, ограниченной «запирающей» диафрагмой, создается относительно слабое квазиоднородное электрическое поле заданием соответствующих напряжений на секциях стержней квадруполя. Поле между входной диафрагмой и первой секцией квадруполя может иметь несколько большую напряженность для обе