Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений при разделении ионов этих соединений в сверхзвуковом газовом потоке, направленном вдоль линейной радиочастотной ловушки

Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений при разделении ионов этих соединений в сверхзвуковом газовом потоке, направленном вдоль линейной радиочастотной ловушки

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, зарядовым состояниям ионов и по степени устойчивости к фрагментации, индуцированной многократными столкновениями с атомами и молекулами буферного газа, с масс-спектрометрическим анализом таких частично разделенных ионов и ионов-продуктов их фрагментации. В частности, речь идет о предварительном разделении ионов при совместном действии электрических полей и газового потока в линейной радиочастотной ловушке по величинам масс, зарядов и сечений столкновений с атомами или молекулами газового потока и, в необходимых случаях, по степени устойчивости к процессам мономолекулярного распада. Индуцированная столкновениями фрагментация выбранных ионов также может осуществляться их ускорением вдоль газового потока, а анализ ионов-продуктов по отношениям массы к заряду производиться с помощью времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) либо на каком-либо другом масс-анализаторе, сопряженном с линейной радиочастотной ловушкой.

Предлагающиеся подходы и методы полезны для качественного и/или количественного химического и биологического анализа.

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 и 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, например, с совместным действием электрических полей и газового потока на исследуемые ионы, что является по существу специфическим вариантом разделения ионов по подвижности.

Спектрометр ионной подвижности обычно включает в себя источник ионизации, ячейку дрейфа и детектор ионов. Детектором ионов может быть, например, цилиндр Фарадея, электронный умножитель или масс-спектрометр. Спектрометр ионной подвижности (СИП) разделяет ионы по их подвижности в дрейфовом или буферном газе на основании их различной равновесной скорости дрейфа. Когда газофазные ионы в присутствии буферного газа подвержены действию постоянного электрического поля, они ускоряются до момента столкновения с нейтральным атомом или молекулой буферного газа. Это ускорение и последующие столкновения повторяются многократно. Через какое-то время этот микроскопический сценарий усредняет мгновенные скорости ионов, что приводит к их постоянной дрейфовой скорости, зависящей от размера иона, его заряда, давления и температуры буферного газа. Отношение скорости дрейфа иона к величине напряженности электрического поля определяется как подвижность иона. Другими словами, скорость дрейфа иона (V_d) пропорциональна напряженности электрического поля (E), где подвижность иона κ=V_d/E - функция отношения объем/заряд иона. Таким образом, СИП - техника разделения, подобная масс-спектрометрии. СИП, как известно, имеет высокую чувствительность с умеренной разрешающей способностью. Эффективность разделения снижается из-за диффузионного расплывания “пакета” ионов, приводя к временному уширению кривых регистрируемого ионного тока.

Разрешающая способность измерения подвижности ионов для однородного или квазиоднородного электрического поля увеличивается в первом приближении как квадратный корень из напряжения, приложенного вдоль ячейки подвижности для данного заряда иона. Казалось бы, что нет большой свободы увеличить разрешение. Однако ситуация может быть улучшена, если организовать дрейф ионов в газовом потоке под действием электрического поля, направленного против потока. Ионы двигаются против газового потока, только если напряженность поля больше, чем некоторая величина, определяемая их подвижностью. Ионы с более низкой подвижностью могут быть неподвижны или двигаться вместе с газовым потоком. В этом случае возникает возможность управления скоростью выхода ионов на детектор в отличие от классического СИП. Это приводит, во-первых, к повышению ожидаемой разрешенности спектров, хотя бы из-за меньшей трансляционной температуры ионов. Во-вторых - не накладывает серьезных ограничений на быстродействие детектора.

Комбинация спектрометра ионной подвижности (СИП) с масс-спектрометром (МС) широко известна. В 1961 году Barnes с сотрудниками [6] были среди первых, осуществивших объединение этих двух методов разделения. Такие приборы производят разделение и анализ ионов согласно их подвижности и по отношению массы к заряду, которое упоминается часто как двухмерное разделение или двухмерный анализ. Young с сотрудниками [7] впервые осознали, что времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС) является наиболее предпочтительным типом МС, который используется в такой комбинации из-за его способности зарегистрировать практически одновременно ионы всех масс, поступающих из спектрометра ионной подвижности. Комбинация спектрометра ионной подвижности с ВПМС может называться как Подвижность-ВПМС или СИП-ВПМС. Этот известный прибор включал средства для получения ионов, ячейку дрейфа, ВПМС и небольшое отверстие для передачи ионов из ячейки подвижности в ВПМС.

В 2003 году Лобода (Патент США №6630662) [8] описал метод для улучшения разделения ионов по подвижности на основе баланса дрейфа иона, обусловленного влиянием постоянного электрического поля и противопотока газа. Используя этот баланс, ионы сначала накапливаются в радиочастотном фокусирующем устройстве, в частности в квадруполе, и затем, изменяя электрическое поле или газовый поток, ионы постепенно выводятся из квадруполя и поступают в масс-спектрометр. Такой тип накопления ионов ограничен сбором относительно небольшого количества ионов из-за эффекта пространственного заряда. Имеется также некоторое ограничение по диапазону отношений массы к заряду иона (m/z), поскольку радиочастотная фокусировка для данного радиочастотного напряжения имеет меньшую эффективность для больших ионов, которая не может быть сильно улучшена увеличением этого напряжения из-за возможности создания условий зажигания разряда при относительно высоком газовом давлении. К сожалению, при более низком давлении влияние газового потока на ионы меньше и могут быть достигнуты только менее эффективные накопление и разделение больших ионов. Значительное увеличение давления или плотности газового потока, также уменьшающее возможность зажигания разряда, тоже невозможно, т.к. в этом случае исчезает фокусирующая способность радиочастотного напряжения. По крайней мере по этим причинам этот метод имеет существенные ограничения по разрешению.

Разделение ионов при воздействии на них электрических полей и сверхзвукового газового потока, как предложено в настоящем изобретении, свободно от этих недостатков. Рассматривая описанное устройство как прототип настоящего изобретения, можно отметить следующие основные отличительные моменты, связанные с наличием в нашем случае слабо расходящегося относительно плотного в приосевой области радиочастотного квадруполя газового потока и относительно малой остаточной плотности газа вне потока внутри квадруполя. Малая остаточная плотность газа вне потока позволяет с относительно высокой избирательностью включением резонансных вращающих полей уводить избыточные ионы на стержни квадруполя, значительно уменьшая нежелательные эффекты накопления объемного заряда. Отсутствуют ограничения на использование достаточно высоких радиочастотных напряжений для фокусировки больших ионов, так как относительно высокая газовая плотность сосредоточена в узкой приосевой области, где квадрупольное поле мало.

Относительно медленно убывающая плотность газового потока вдоль оси квадруполя позволяет заданием соответствующего постоянного квазиоднородного электрического поля, направленного против потока, «останавливать» анализируемые ионы в желаемом месте внутри квадруполя, так чтобы интенсивность потока этих ионов в орто-ВПМС или другом масс-анализаторе соответствовала динамическому диапазону измерительной системы. Используя расталкивание относительно больших аналитических ионов малыми ионами, сфокусированными около оси квадруполя, а также зависящее от m/z смещение ионов от оси нерезонансным вращающим полем, можно обеспечить разделение ионов по m/z за счет различных смещений ионов противополем вдоль оси (из-за уменьшения плотности потока при удалении ионов от оси) наряду с разделением по подвижности. Это же управляемое смещение анализируемых ионов от оси позволяет использовать близкие к оптимальному значения напряженности противополя для получения достаточно высокой разрешенности пакетов ионов по подвижности с минимизацией эффектов объемного заряда анализируемых ионов. Относительно высокая плотность газового потока вблизи оси квадруполя позволяет эффективно осуществлять фрагментацию, индуцированную преимущественно однократными столкновениями выбранных ионов с атомами или молекулами газового потока, без организации специальной камеры столкновений. Существенно меньшие требования к мощности откачки в нашем случае для создания плотности газового потока вблизи оси квадруполя, сравнимой с плотностью потока в квадруполе прототипа, являются еще одним преимуществом предлагаемой системы.

Одной из важных предпосылок для настоящего изобретения является создание нами ранее методики резонансного возбуждения вращения выбранных ионов вокруг оси радиочастотного квадруполя и осуществление фрагментации этих ионов за счет столкновений с молекулами буферного газа [9-11]. Эта методика была новой, ранее никем не предлагавшейся. В отличие от настоящего изобретения, возбуждение вращения ионов в этом случае производилось во время их движения вдоль квадруполя без приостановки этого движения. Это обеспечивало ограниченные возможности для проведения кинетических измерений и определяло относительно невысокую способность отстройки от сигналов мешающих ионов. Кроме этого, такой способ осуществления резонансного вращения накладывал очень жесткие требования на качество изготовления квадруполя: небольшие отклонения в диаметре стержней или в расстояниях между ними приводили к существенным потерям в разрешающей способности, которая в нашем случае оказывалась не более 100 при проведении реальных измерений.

В предлагаемом варианте облако ионов при резонансном возбуждении вращается в относительно узкой зоне по длине квадруполя (от нескольких мм до 1-2 см), при этом ионы совершают вдоль этой зоны квазихаотические колебания со средним временем прохождения этой зоны, сравнимым с периодом вращения и значительно меньшим характерного времени регистрации. 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 Да будет около или даже более 5000. Для других буферных газов разрешающая способность при заданном давлении газа изменяется обратно пропорционально корню квадратному из молекулярной массы.

Нами была разработана расчетная модель и проведены эксперименты по формированию сверхзвукового газового потока при относительно низких начальных давлениях буферного газа с переносом ионов этим потоком [12-14] и фокусировкой ионов внутрь потока, направленного вдоль оси радиочастотного квадруполя. Эти методы также являются новыми, не известными ранее 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 №7,547,878 от 16 июня 2009 года [15]. В отличие от настоящего изобретения, в этом 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 осуществить не удалось. Возбуждением нерезонансного вращения или созданием относительно плотного потока малых ионов, дрейфующих вдоль оси квадруполя, как предлагается в настоящем изобретении, аналитические (относительно большие) 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.

Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных должно включать пакеты программ, реализующие в основных чертах разработанные нами оригинальные методы, описанные ранее [16-20, 29]. Среди этих методов наиболее важными являются:

1. Метод коррекции эффектов насыщения и «мертвого» времени при использовании время-цифрового преобразования для регистрации данных ВПМС [18, 29].

2. Метод выявления экспоненциальных вкладов в затухающий наведенный сигнал от распадающихся ионов [16, стр.192] с нахождением корней характеристического полинома с помощью процедуры, описанной в [20].

3. Метод выявления экспоненциальных вкладов в совокупности кривых ионного тока, развитый ранее для анализа множества эффузиометрических кривых [19].

Существующие методы реализации столкновительной диссоциации ионов или тандемной масс-спектрометрии (МС/МС) 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 [21], 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 производит выделение первичных ионов для диссоциации только по m/z.

Определенные возможности для столкновительной диссоциации нескольких типов ионов в одном первичном пакете ионов обеспечивает сочетание СИП с ВПМС и особенно для ВПМС с ортогональным вводом ионов.

Shoff и Harden [22] были первыми в использовании СИП-МС в способе, подобном тандемной масс-спектрометрии (МС/МС) для исследования органических соединений. В этом способе спектрометр подвижности используется, чтобы изолировать исходный ион. Масс-спектрометр применяется для анализа ионов фрагментов, которые произведены фрагментацией, индуцированной столкновениями исходных ионов с атомами или молекулами буферного газа. Ниже эта специфическая техника функционирования СИП-МС упоминается как СИП/МС, или как СИП/ВПМС, если масс-спектрометр является времяпролетным масс-спектрометром. Другие предшествующие приборы и методы, использующие последовательный СИП/МС анализ, были описаны в работах [23-25], но ни один из них не объединяет инструментальные усовершенствования, предложенные в данном изобретении. Вместе с методами «мягкой» ионизации и повышением чувствительности, полученными с помощью газодинамического интерфейса, раскрытыми здесь, СИП/МС системы и соответствующие методы настоящего изобретения предлагают существенные аналитические преимущества перед предшествующей техникой, особенно для анализа высокомолекулярных соединений, таких как биомолекулы.

Возможный подход, снижающий потери исходных ионов, описан в заявке А.В.Лободы №20070120053 на патент США [26]. 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 нулю, 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 [26].

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.

Использование резонансного вращательного движения ионов так же, как и их резонансных одномерных колебаний в радиочастотном квадруполе для устранения избыточных ионов, мешающих измерению менее интенсивных аналитических пиков 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 облаков анализируемых ионов, смещенных от оси квадруполя электростатическим полем ионов буферного газа, или включением нерезонансного вращающего поля в накопительной части радиочастотного квадруполя, что позволит повысить избирательность такого устранения при наличии существенного газового потока вдоль оси квадруполя. Резонансная раскрутка вокруг оси квадруполя при сравнительно небольшой напряженности вращающего поля будет уводить анализируемые ионы на стержни квадруполя. Таким образом, при отсутствии заметного влияния объемного заряда ионов возможно контролируемое уменьшение количества выбранных ионов вне газового потока, где давление буферного газа существенно меньше, чем внутри потока, при сохранении этих ионов внутри потока.

Серьезной проблемой сочетания разделения ионов по подвижности с времяпролетным анализатором является обеспечение высокой трансмиссии ионов через дрейфовую трубу в ВПМС. Одно из возможных решений было предложено нами в патенте США №6,992,284 [28], где приведен достаточно подробный обзор работ по разделению ионов по подвижности. В патенте №6,992,284 речь идет об использовании в дрейфовой трубе при давлении буферного газа в несколько Торр последовательности чередующихся участков сильного и слабого поля вместо однородного электрического 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 и позволяет достичь близкой к 100% трансмиссии аналитических ионов вдоль трубы дрейфа. 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.

Расталкивание ионов, накопленных в линейной радиочастотной ловушке, и связанное с этим явление стратификации облаков ионов с различными m/z вокруг оси ловушки рассматривалось в ряде работ [31, 32]. Это явление связано с уменьшением фокусирующей способности эффективного потенциала радиочастотного квадрупольного поля при увеличении m/z ионов. Уравнивание сил электростатического отталкивания ионов с меньшими m/z, сфокусированными вокруг оси квадруполя, с направленным к оси квадруполя сжимающим влиянием квадрупольного радиочастотного поля приводит к образованию относительно узких круговых в поперечном сечении облаков ионов. Расстояние между этими облаками и осью квадруполя возрастает с увеличением m/z ионов, образующих эти облака. При наличии газового потока вдоль оси квадруполя достаточно большая плотность «малых» ионов вокруг оси квадруполя может вытолкнуть из зоны газового потока относительно «большие» анализируемые ионы, тем самым выполнить функцию их нерезонансного вращения, что было в основе нашей заявки на патент РФ №2009126684/20(037160), 14 июля, 2009 [33]. Если в случае вращения ионы сфокусированы в плоскости вращения в относительно небольшое пятно, вращающееся вокруг оси квадруполя, то электростатическое расталкивание приводит к более или менее равномерному распределению ионов вдоль некоторой окружности с центром на оси квадруполя. Это даст возможность эффективно работать с большим числом накопленных ионов, чем в случае нерезонансного вращения. Это может быть важным преимуществом при анализе многокомпонентных смесей.

В 1991 году Amirav и Danon (Патент США №5055677) [41] описали метод и устройство для анализа образцов, включающего в себя: формирование и ввод в вакуумную камеру масс-спектрометра сверхзвукового молекулярного пучка газа-носителя в смеси с образцом материала для анализа; ионизацию материала в сверхзвуковом молекулярном пучке; разделение ионов согласно их отношению массы к заряду m/z; и регистрацию разделенных по m/z ионов анализируемого материала. Ионы в сверхзвуковом молекулярном пучке могут быть отфильтрованы от ионов тепловых фоновых молекул и ионов газа носителя после ионизации, но перед регистрацией. Описана система с источником электронной ионизацией и квадрупольным масс-спектрометром. Обсуждены преимущества использования сверхзвукового газового потока или молекулярного пучка для анализа химических веществ как нейтральных примесей к этому газовому потоку.

Приведенные масс-спектры для одних и тех же соединений, зарегистрированные в обычных условиях и в условиях с охлаждением в сверхзвуковом газовом потоке, ясно демонстрируют значительно лучшее качество данных, полученных для последнего случая - достигается намного меньший уровень химического шума и существенное увеличение интенсивности молекулярных пиков (более чем в 100 раз). Хотя последнее авторы приписывают исключительно охлаждению ионов в сверхзвуковом газовом потоке, кажется очевидным, что, по крайней мере, частично увеличение интенсивности молекулярных пиков по сравнению с масс-спектрами электронной ионизации с энергией 70 эВ можно объяснить перезарядкой ионов гелия с энергией ионизации 24,587 эВ на молекулах анализируемых соединений в сверхзвуковом газовом потоке.

В дальнейшем практически та же методика со сверхзвуковым газовым потоком использовалась для решения специфических аналитических задач (Amirav и др., Патенты США №7345215 от 18 марта 2008 г. и №7518103 от 14 апреля 2009 г.) [42, 43]. Во всех этих системах использовалась классическая схема формирования сверхзвукового потока (сопло-скиммер) и нигде не предпринималось попыток предварительного разделения ионов или организации их диссоциации, индуцированной столкновениями. Поток ионов из источника электронной ионизации с фиксированной энергией электронов (70 эВ) направлялся непосредственно (если не считать их отражения в электростатическом зеркале) в квадрупольный масс-спектрометр.

Альтернативное формирование сверхзвукового газового потока с использованием длинного стеклянного капилляра с длиной 180 мм и внутренним диаметром 0,6 мм при сопряжении электроспрейного ионного источника с квадрупольным масс-спектрометром описано Дж. Феном (J. Fenn) в Патенте США №6297499 от 2 октября 2001 г. [44]. Здесь также никакого предварительного разделения или фрагментации ионов перед масс-анализатором не предусматривалось. В нашем случае мы при проведении экспериментальных измерений использовали для формирования сверхзвукового потока металлический капилляр примерно десятикратно меньших длины и площади поперечного сечения, и давление газа в камере на входе в капилляр было существенно ниже атмосферного (более чем в 20 раз).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Особенностями одной из возможных реализаций предлагаемых методов являются:

При давлении буферного газа (гелий, аргон, азот или другие газы или смесь газов) порядка нескольких Торр или десятков Торр на входе и менее мТорр 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 относительно высоком давлении вплоть до атмосферного.

Ионизация газов в молекулярном пучке производится в источнике электронной ионизации с изменяемой энергией ионизации, позволяя осуществлять ионизацию только целевых анализируемых соединений, которые, как правило, обладают более низкими величинами энергии ионизации, чем атомы или молекулы буферного газа. 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 близка к оси газового потока. В начальной области квадруполя, ограниченной входной и «запирающей» диафрагмами, заданием соответствующих напряжений на секциях стержней квадруполя создается относительно слабое квазиоднородное электрическое поле, тормозящее ионы. Поле между входной диафрагмой и первой секцией квадруполя имеет противоположную направленность. Оно ускоряет ионы и имеет достаточную напряженность для обеспечения потенциального барьера, препятствующего нейтрализации ионов на внутренней поверхности входной диафрагмы. Обе диафрагмы являются многослойными с чередующимися проводящими и диэлектрическими слоями, позволяющими создавать достаточно сильное поле внутри отверстия диафрагмы, способное остановить ионы, движущиеся внутри газового потока, или вызвать столкновительно-индуцированную диссоциацию ионов. В то же время внешние проводящие слои диафрагм позволяют организовать желаемое распределение электрического потенциала вне диафрагм.

В режиме положительных ионов ионы буферного газа можно получить при повышенной энергии ионизирующих электронов в ионном источнике с электронной ионизацией. Для увеличения их плотности в начальной области квадруполя эти ионы затормаживаются постепенным увеличением продольного электрического поля, направленного против их движения между входной и запирающей диафрагмами. Если энергия ионизации анализируемых нейтральных примесей в газовом потоке меньше энергии ионизации буферного газа, то в плотном облаке ионов буферного газа в области между входной и запирающей диафрагмами нейтральные примеси будут ионизоваться за счет перезарядки, и это может существенно повысить чувствительность анализа. При достаточно плотном потоке ионов буферного газа и в области после запирающей диафрагмы часть аналитических ионов также может образоваться путем перезарядки. При необходимости от этих процессов можно избавиться, например, увеличением напряженности радиочастотного поля во второй половине квадруполя, так чтобы легкие ионы буферного газа потеряли устойчивость движения в квадруполе и погибли на его стержнях.

При отсутствии продольного электрического поля в квадруполе, направленного против газового потока, который далее называется противополем, орто-ВПМС или другим масс-анализатором, сопряженным с квадруполем, регистрируется обзорный масс-спектр исследуемой смеси. Поскольку предлагаемый метод предполагает, по крайней мере, частичную остановку потока ионов противополем, то для предотвращения нежелательных эффектов накопления объемного заряда наиболее интенсивные потоки ионов, особенно те из них, которые не представляют интереса для исследования, должны быть по возможности уменьшены. Это может быть сделано включением резонансных вращающих полей для ионов с соответствующими m/z. Эти поля при надлежащем подборе их напряженности могут обеспечить желаемую скорость гибели выбранных групп ионов, если они оказались в зоне остаточной плотности буферного газа. Для контроля скорости их гибели и уровня их накопления (при невозможности регистрации этих ионов последующим масс-анализатором) желательно иметь дополнительный канал измерения ионных токов. Одним из возможных способов такого измерения может быть регистрация наведенного сигнала на специально введенных электродах между стержнями квадруполя, как было описано в нашей заявке на Патент РФ [33]. Ниже описание этого способа будет частично повторено и предложены новые подходы для анализа получаемых данных.

Если процессами перезарядки после запирающей диафрагмы можно пренебречь или их вклад достаточно мал, то газовый поток при увеличивающейся напряженности противополя будет обеспечивать, в основном, транспорт ионов с существенно большими сечениями и m/z, чем ионы буферного газа, находящиеся вблизи оси квадруполя и газового потока. Это будет происходить до тех пор, пока под влиянием накапливаемого объемного заряда малых ионов буферного газа эти большие ионы не начнут сдвигаться от оси квадруполя и поток этих ионов в орто-ВПМС станет убывать. Движение ионов буферного газа будет обеспечиваться резонансной перезарядкой.

При существенном уменьшении потока регистрируемых анализируемых ионов с наименьшим значением m/z начинается постепенное уменьшение протовополя в квадруполе до установления состояния регистрации этих пиков с минимально достаточной интенсивностью. В процессе и по завершении этой процедуры интересующие ионы будут накапливаться в ловушке и находиться в среднем на некотором удалении от оси квадруполя и от запирающей диафрагмы.

Показателем накопления этих ионов будет нарастание регистрируемой интенсивности соответствующего пика ионного тока или суммы интенсивностей нескольких пиков, обусловленных изотопным распределением данных ионов. Это нарастание интенсивности для индивидуальных ионов в условиях стационарного воздействия объемного заряда всех ионов внутри ловушки будет носить экспоненциальный характер приближения к начальной интенсивности тока рассматриваемых ионов при отсутствии запирания потока этих ионов входной диафрагмой. Характеристическое время этой экспоненты будет определяться средним расстоянием ионов от запирающей диафрагмы, дисперсией их распределения вдоль оси квадруполя и массой соответствующих ионов. При заданной массе это характеристическое время будет зависеть от сечения ионов (или их подвижности) и их заряда. При наличии нескольких типов регистрируемых ионов с возрастающей интенсивностью это возрастание будет описываться несколькими экспонентами с характеристическими временами, специфичными в данных условиях для каждого типа ионов.

Выделение этих экспонент будет означать фактическое разделение этих ионов, дополнительное к их разделению по m/z во времяпролетном масс-спектрометре или другом последующем масс-анализаторе. Поскольку относительные различия в характеристических временах этих экспонент могут быть значительно большими, чем соответствующие различия в подвижностях ионов, то разделительная способность предлагаемого метода может быть существенно большей, чем в традиционных методах разделения ионов по подвижности, и она будет определяться в конечном счете временем регистрации. Кроме этого, ионы, обладающие разными зарядами, даже при совпадающих подвижностях также могут быть разделены, поскольку дисперсия распределения ионов вдоль оси квадруполя прямо пропорциональна эффективной трансляционной температуре ионов и обратно пропорциональна их заряду в однородном электрическом поле и в линейном приближении изменения плотности потока ионов вдоль оси квадруполя вблизи точки равновесия между влияниями потока и поля на рассматриваемые ионы.

Есть еще одна возможность попытаться разделить ионы с совпадающими характеристическими временами нарастания сигнала от них. Включением резонансного вращающего напряжения, вызывающего радиальные колебания для стратифицированных ионов с данным m/z, можно изменить эти характеристические времена. Это изменение для разных ионов может быть различным за счет различного изменения подвижности ионов при увеличении средней скорости столкновения