Способ анализа примесей в жидкостях при их просачивании через трековую мембрану с формированием и транспортировкой анализируемых ионов через радиочастотную линейную ловушку в масс-анализатор при воздействии сверхзвукового газового потока с возможным содержанием в нём метастабильно возбуждённых атомов

Способ анализа примесей в жидкостях при их просачивании через трековую мембрану с формированием и транспортировкой анализируемых ионов через радиочастотную линейную ловушку в масс-анализатор при воздействии сверхзвукового газового потока с возможным содержанием в нём метастабильно возбуждённых атомов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к методам и технике химического анализа примесных соединений и ионов в растворах, в том числе многозарядных ионов биомолекул, при их экстракции из жидкости воздействием газовых потоков и электрических полей. Эти методы могут включать сочетание разделения анализируемых ионов по отношениям массы к заряду, по подвижности, устойчивости к столкновительной фрагментации ионов и масс-анализа ионов-продуктов этой фрагментации. В частности, речь идет о выявлении индивидуальных компонент релаксационных кривых ионов, как экстрагируемых непосредственно из жидкости, так и образуемых в результате ионизации Пеннинга при воздействии метастабильно возбужденных атомов из сверхзвукового газового потока на молекулы примесей. Релаксационные кривые выбранных ионов могут наблюдаться при изменении условий ионизации и/или при совместном действии переключающихся электрических полей и профилированного сверхзвукового газового потока в линейной радиочастотной ловушке, направленного к ее выходу. Регистрация и анализ молекулярных ионов и их ионов-продуктов по отношениям массы к заряду может производиться с помощью время-пролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) либо на каком-либо другом масс-анализаторе. Характеризация пространственной структуры ионов биомолекул может достигаться на основе декомпозиции многомерных зарядовых распределений их регистрируемых ионов, обусловленных удерживанием различных совокупностей носителей заряда, присутствующих в растворе.

Распад или гибель анализируемых ионов может вызываться как разогревом ионов за счет их столкновений с атомами или молекулами газа, так и соударениями ионов с метастабильно возбужденными частицами, создаваемыми в газовом разряде или в источнике электронной ионизации и движущимися вместе с газовым потоком. Использование таких распадов или гибели для разделения и идентификации анализируемых соединений является одним из отличительных признаков настоящего изобретения, оно многократно увеличивает разделительную способность метода.

Среди задач, для которых кроме чувствительности важны как разделительная способность, так и динамический диапазон измерений, может быть упомянут экспресс-анализ микропримесей в воде и других жидкостях применительно к использованию в системах безопасности, таможенного и экологического контроля. Анализ жидких смесей различного происхождения в реальном масштабе времени может быть также важен для разнообразных приложений технологического, медицинского и иного характера.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

После разработки и создания в нашем институте первых время-пролетных масс-спектрометров с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) [1, 2] приборы этого типа получили широкое распространение при решении разнообразных аналитических и структурных задач [3-5]. Удобство сочленения таких приборов, в частности, с источником ионов на основе электрораспыления жидкостей обусловило их эффективное применение для исследования состава и структуры ионов различной природы, изначально присутствующих в растворе. В то же время существуют важные проблемы в том числе и при анализе жидких образцов, для которых применимость, чувствительность, разделительная способность и «информационная производительность» известных приборных комплексов, включающих в свой состав орто-ВПМС, оказываются недостаточными. Для преодоления этих ограничений естественным является стремление ввести в масс-спектрометрический эксперимент альтернативные методы получения ионов, их транспортировки в вакуумную часть прибора и использовать дополнительные размерности измерений, связанные с контролируемыми превращениями исследуемых ионов и регистрацией данных в процессе этих превращений.

Одним из возможных методов получения ионов из жидкости является полевое испарение ионов. Несмотря на то, что само полевое испарение ионов исследуется давно [6, 7], особенности перехода ионов из жидкой фазы в газовую остаются до сих пор недостаточно изученными. В частности, это относится к вопросу о влиянии зарядового состояния на эффективность выхода ионов из жидкости в электрических полях. Основная масса работ по полевому испарения ионов из жидкости связана с изучением механизма образования ионов при электрораспылении полярных растворов [8, 9]. Однако, экспериментальные методы, основанные на электрораспылении растворов, не являются прямыми и не позволяют получать информацию о первичных ионах, покидающих заряженные микрокапли.

Другое обстоятельство, стимулирующее интерес к изучению полевого испарения ионов из растворов, обусловлено бурным развитием масс-спектрометрии, особенно ее биохимических, биологических, экологических и медицинских направлений, которое связано с разработкой новых методов ионизации и созданием ионных источников, в которых полевое испарение является ключевым процессом, определяющим эффективность ионизации сложных молекул. В основном это относится к электрораспылению растворов, которое широко используется в масс-спектрометрии тяжелых органических ионов [10]. Считается, что полевое испарение ионов является одним из главных механизмов, ответственных за генерацию простых ионов при электрораспылении. В то же время механизм выхода из жидкости больших многозарядных ионов до сих пор остается предметом обсуждения [11-14]. Увеличение заряда ионов, с одной стороны, приводит к увеличению энергетического барьера за счет роста энергии поляризации, а с другой, к его снижению за счет усилению действия электрического поля. В целом высота барьера увеличивается. В связи с этим возникает вопрос о принципиальной возможности реализации условий полевого испарения многозарядных (в частности двухзарядных) ионов из полярных растворителей.

Можно ожидать, что для многозарядных ионов, имеющих сложное строение, вопрос об эффективности полевого испарения из растворов не имеет столь однозначного ответа. Во-первых, потому, что в некоторых ионах центры локализации отдельных зарядов пространственно разделены. В этом случае энергия поляризационного взаимодействия иона со средой должна, по-видимому, выражаться некой суммой энергий поляризации отдельных зарядов, входящих в состав многозарядного иона. Во-вторых, для протяженных многозарядных ионов, например, для денатурированных протонированных биомолекул, размер которых может существенно превышать область барьера на границе раздела фаз отдельные части такого иона могут оказаться по разную сторону барьера, что должно облегчать выход оставшейся в жидкости части иона.

Следует учесть еще одну важную особенность полевого испарения ионов из жидкостей, а именно то, что границу раздела фаз преодолевает не изолированный ион, а ионный кластер, в состав которого входит несколько полярных молекул жидкости [8, 9, 15]. Поэтому энергия поляризации определяется размером всего ионного кластера, покидающего жидкость. Размер кластерной оболочки зависит от величины заряда иона, поэтому более корректное рассмотрение вопроса об эффективности полевого испарения многозарядных ионов должно учитывать и это обстоятельство. Впервые возможность создания условий для прямого полевого испарения ионов из полярных растворов без его разбрызгивания была продемонстрирована в [16, 17]. Стабилизация поверхности жидкости в сильном электрическом поле обеспечивалась за счет того, что содержащий ионы раствор, помещался в каналы полимерной трековой мембраны, диаметр которых составлял несколько десятков нанометров. Перспективы применения этого метода в настоящее время признаны (см., например, обзор [18]). Впоследствии было показано, что в стационарных условиях сильное локальное электрическое поле, способное стимулировать эффективный выход ионов из полярной жидкости, создается благодаря зарядке поверхности диэлектрической мембраны. Эта методика экстракции ионов из растворов имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих ее использование, в частности, в аналитических приложениях. Во-первых, в стационарном режиме формирование экстрагирующего ионы электрического поля имеет ряд особенностей, которые сильно затрудняют управление процессом выхода ионов из раствора. Кроме того, существует проблема удержания жидкости в каналах мембраны. Отсутствие возможности прямого управления электрическим полем с большой вероятностью может привести к ситуации, когда напряженность поля на конце канала превысит некоторое критическое значение и раствор вытечет на вакуумную поверхность мембраны, что приведет к полной потере работоспособности мембранного интерфейса.

Один из способов преодоления этих трудностей описан в патенте РФ на изобретение [19]. Основная идея этого подхода состоит в использовании импульсов электрического поля с длительностью, достаточной для экстракции относительно легких ионов из жидкости, но неспособных привести к существенному перемещению и вытеканию жидкости из каналов мембраны. Важной особенностью описанной конструкции мембранного ионного источника в этом случае является покрытие поверхности мембраны проводящей металлической пленкой для эффективного создания электрических полей внутри каналов мембраны. При этом некоторая зона вокруг каналов остается непокрытой металлом, что важно для сохранения достаточного угла смачивания жидкостью поверхности мембраны, препятствующего растеканию жидкости. Эти особенности предлагаемой конструкции мембранного ионного источника могут быть использованы в некоторых вариантах реализации настоящего изобретения, поэтому описанный подход принят за его прототип.

Воздействие на поверхность мембраны сверхзвукового газового потока, особенно при содержании в нем метастабильно возбужденных атомов, как предлагается в настоящем изобретении, может также позволить преодолеть описанные трудности. Кроме этого ионы могут быть образованы из нейтральных молекул раствора, а изначально ионизированные соединения в растворе подвергнуты трансформации воздействием метастабильно возбужденных атомов, что может расширить аналитические возможности такого подхода.

В последние 20 лет широкое распространение в масс-спектрометрии получили газонаполненные радиочастотные мультиполя, устройства, содержащие набор обычно параллельных друг другу стержней, 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 [20-22]. В этих устройствах используется описанное еще в Механике Ландау и Лифшица [23] 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 квадрат заряда частицы, и обратно пропорциональным массе частицы. Для частного случая идеального радиочастотного квадруполя эффективный потенциал квадратично зависит от обеих координат (в прямоугольной системе координат в плоскости, ортогональной оси квадруполя), достигая минимального значения на оси квадруполя. Усредненное свободное движение ионов в таком поле (при отсутствии других внешних полей, столкновений с молекулами остаточных газов и в пренебрежении ион-ионными взаимодействиями) - независимые гармонические колебания по обеим координатам. 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, обычно 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.

Один из возможных подходов для преодоления этого противоречия путем создания мало расходящегося сверхзвукового газового потока [24], направленного вдоль оси мультиполя и создающего повышенную плотность газа около этой оси, описан в наших патентах РФ [25-27]. При использовании многоканального сверхзвукового потока, направленного вдоль образующих слабо расходящегося клина, как описано в нашей заявке на патент РФ [28] чувствительность может быть заметно выше, чем при одноканальном таком же потоке. При этом время пребывания ионов внутри потока в многоканальном случае может быть существенно уменьшено, и в конце квадруполя анализируемые ионы могут быть сфокусированы вблизи оси радиочастотного квадруполя, где плотность газа будет близка к остаточной плотности. Таким образом, проблема экстракции ионов из газового потока, критичная при его распространении вдоль оси квадруполя, также практически может быть снята.

Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных должно включать пакеты программ, реализующие в основных чертах разработанные нами оригинальные методы, описанные в [29-33]. Среди этих методов наиболее важными являются:

1. Метод коррекции эффектов насыщения и «мертвого» времени при использовании время-цифрового преобразования для регистрации данных ВПМС [31];

2. Метод выявления экспоненциальных вкладов в зарегистрированный сигнал от ансамбля ионов, релаксирующего к новому стационарному состоянию после переключения режима накопления ионов [29, стр. 192], с нахождением корней характеристического полинома с помощью процедуры, описанной в [33];

3. Метод выявления экспоненциальных вкладов в совокупности кривых ионного тока, развитый ранее для анализа совокупности эффузиометрических кривых [32].

Существующие методы при реализации столкновительно-индуцированной 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 [34], 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 время-пролетном 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.

Динамические методы захвата ионов в квадрупольную ловушку, когда обратный выход ионов запирается включением соответствующего потенциала (например, на входной диафрагме квадруполя) 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 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 [35]. 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 щелей посередине на выходе из них. 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 рассматриваемом патенте [35] 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. В патенте [35] 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.

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 время-пролетным 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 [36], 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 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 амплитуду колебаний ионы будут иметь под действием резонансного осциллирующего поля и, следовательно, будут сильнее отталкиваться запирающим полем выходной диафрагмы квадруполя, обеспечивая увеличение характеристического времени релаксации сигнала при изменении условий накопления ионов. Определение таких характеристических времен релаксационных кривых ионов с выбранным значением m/z, позволит дополнительно разделять их в соответствии с различными значениями подвижности.

В Патенте США №7397029 от 8 июля 2008 г., В.Д. Беркута и В.М. Дорошенко [37], описан способ возбуждения фрагментации ионов метастабильно возбужденными частицами (атомами или молекулами). Выделение исходных ионов производится с помощью первичного масс-спектрометра, при этом они накапливаются в трехмерной или линейной ионной ловушке или движутся в транспортном мультиполе. Предусмотрена возможность дополнительного возбуждения исходных ионов или ионов-продуктов приложением переменного электрического поля с получением вторичных ионов-продуктов за счет столкновительной активации. Все эти получающиеся ионы регистрируются вторичным масс-спектрометром. Метастабильные атомы и молекулы предполагается получать с помощью газового разряда. Их ввод внутрь ионной ловушки предполагается производить по направлению, перпендикулярному оси ловушки.

Действующая система, реализующая такой подход, описана в [38, 39]. Приведены экспериментальные данные, демонстрирующие ожидаемые зависимости интенсивностей потоков исходных ионов и ионов-продуктов взаимодействия с метастабильными атомами благородных газов при изменении времени нахождения исходных ионов в линейной квадрупольной ловушке при воздействии постоянного потока метастабильных атомов.

В нашем случае метастабильные атомы или молекулы получаются в ионном источнике электронной ионизации в сверхзвуковом газовом потоке, и их плотность в потоке и распределение по энергиям возбуждения может регулироваться изменением потока или энергии ионизирующих электронов. Более того при использовании смеси инертных газов в качестве буферного газа изменением энергии электронов может достигаться изменение состава метастабильных атомов, что может позволить производить селективную ионизацию компонент анализируемого образца без изменения состава буферного газа. Разделение первичных исследуемых ионов производится как по величинам m/z и подвижностей ионов, так и по степени устойчивости к фрагментации «остановленных» в линейной ионной ловушке ионов для выбранных значений энергии ионизирующих электронов. Фрагментация первичных ионов организуется совместным действием с контролируемыми вкладами столкновениями с метастабильными частицами и с атомами и молекулами сверхзвукового потока и остаточного газа. При этом энергия основных компонент газового потока может изменяться заданием температуры капилляров формирования потока.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Особенностями возможной реализации предлагаемых методов являются: Поток исследуемых ионов - это результат экстракции ионов из жидкой пробы, выходящей из каналов в мембранном ионном источнике, при воздействии сверхзвукового газового потока на поверхность мембраны. Альтернативно ионы образуются из нейтральных молекул, испаряющихся из этой пробы, за счет ионизации Пенинга при взаимодействии с метастабильными атомами буферного газа в сверхзвуковом газовом потоке. Метастабильные атомы в упомянутом потоке образуются либо в высокочастотном газовом разряде, организуемом на выходе каналов формирования потока, либо поток пропускается через источник электронной ионизации с изменяемой кинетической энергией электронов. Часть каналов формирования сверхзвукового потока направлена на поверхность мембраны, остальные - вдоль образующих, ортогональных острию слабо сходящегося клина, ось симметрии которого проходит через источник электронной ионизации и далее вдоль радиочастотного квадруполя, практически совпадая с осью этого квадруполя. Острие клина или линия пересечения образующих проходит вблизи поверхности упомянутой выше мембраны, из каналов которой просачивается анализируемая жидкость. Просачивание жидкости через каналы мембраны обуславливается перепадом давления между наружной и внутренней поверхностями мембраны и разностью электрических потенциалов между этими поверхностями. Для подачи нужных потенциалов поверхности мембраны могут быть покрыты проводящими слоями. При анализе проводящей жидкости покрытие наружной поверхности мембраны (находящейся под атмосферным давлением) проводящим слоем не является обязательным.

Каналы формирования сверхзвукового потока на противоположных плоскостях клина смещены в направлении вдоль острия клина, так что в области острия клина вблизи мембраны, где продолжения таких каналов оказываются максимально близкими, вышедшие из них струи сверхзвукового газового потока пересекаются только своими периферийными частями, где плотность атомов газа в струе по крайней мере вдвое меньше, чем в середине струи. Подогрев камеры и каналов формирования струй сверхзвукового газового потока обеспечит эффективное испарение жидкости из каналов мембраны и выход ионов и заряженных капель жидкости за счет повышенной кинетической энергии атомов потока. Для обеспечения надежного испарения заряженных капель, для лучшего собирания и декластеризации анализируемых ионов на небольшом удалении от мембраны и острия клина в направлении квадруполя располагается тонкий проволочный электрод, электрическое поле которого притягивает анализируемые ионы. Для предотвращения гибели таких ионов на этом электроде он либо покрывается тонкой диэлектрической пленкой, либо к нему прикладывается наряду с постоянным, радиочастотное напряжение, отталкивающее ионы. Далее расходящиеся струи сверхзвукового газового потока вместе с ионами поступают внутрь радиочастотного квадруполя. Угол расходимости струй таков, что плотность газа в потоке около оси квадруполя в его второй половине значимо не превышает средней плотности остаточных газов в квадруполе. После выхода из квадруполя ионный пучок вводится в последующий масс-анализатор с помощью соосного конического или клинообразного скиммера с входным отверстием или щелью на его вершине. При этом большая часть газового потока рассеивается внешней поверхностью скиммера и поступает в первую ступень дифференциальной откачки

Особенности и преимущества предлагаемого подхода являются следствием малой расходимости сверхзвукового газового потока, выходящего из относительного тонких и длинных каналов с пониженным (по сравнению с атмосферным) давлением газа на их входе. При этом длина свободного пробега молекул основного компонента газового потока сравнима с диаметром канала. Можно подобрать условия формирования упомянутого потока, так чтобы во второй половине радиочастотного квадруполя плотность газа около его оси практически не отличалась от плотности остаточных газов на периферии радиочастотного квадруполя. Эта плотность для эффективного функционирования источника электронной ионизации должна быть достаточно мала, соответствуя давлению при комнатной температуре 10^-4 Торр и менее. Таким образом, движение ионов вблизи оси квадруполя будет таким же, как в обычном квадруполе при такой же плотности остаточных газов. Разница будет в том, что относительно энергичные собственные колебания ионов в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии клина, будут значительно быстрее погашены газовым потоком вдоль поверхностей клина. Тем самым, будут обеспечены более благоприятные условия для регистрации обзорных масс-спектров исследуемого образца по сравнению с обычным газонаполненным квадруполем или с одноканальным сверхзвуковым потоком вдоль его оси.

Поток ионов, выходящих из каналов мембраны воздействием электрического поля и сверхзвукового газового потока, будет постепенно менять pH раствора за счет преимущественного выхода малых ионов H₃O⁺ или OH^- из каналов мембраны. Направление изменения pH определяется знаком регистрируемых ионов. Если в анализируемый раствор была добавлена в подходящей концентрации соль щелочного металла, например, NaCl, то могут наблюдаться двумерные зарядовые распределения многозарядных ионов биомолекул по числу удерживаемых этими ионами протонов и в данном случае ионов натрия. Используя развитую нами методику декомпозиции таких зарядовых распределений [33, 40] можно определить вероятности удерживания различных носителей заряда отдельными ионогенными группами биомолекул. Если контролировать pH основного раствора и содержание ионов натрия, то получив вероятности удерживания протона и ионов натрия некоторыми сайтами биомолекул, можно оценить отношения соответствующих констант равновесия для этих сайтов. Совокупность таких оценок может характеризовать пространственную структуру биомолекулы в растворе и практически не зависеть от изменения состава и вида ионов при переходе в газовую фазу и от их различных дискриминаций при транспортировке и регистрации.

При анализе нейтральных микропримесей производится их детектирование в виде ионов, образовавшихся под действием метастабильных атомов сверхзвукового газового потока. Здесь возможно некоторое разделение анализируемых микропримесей при изменении энергии ионизирующих электронов в ионном источнике электронной ионизации. Для этого в качестве буферного газа при формировании сверхзвукового потока можно, например, использовать смесь инертных газов с близкими концентрациями: He, Ne, Ar, Xe. Энергии ионизации этих газов и образования их метастабильно возбужденных атомов меняются в диапазоне около 10 эВ и покрывают разброс возможных энергий ионизации большинства известных соединений. Переход от одной энергии электронов к другой для интервала, специфичного для данного целевого соединения, может позволить выделить ионы, образованные из этого соединения.

Для идентификации биомолекул, также как и для установления структуры молекул обычных химических соединений может потребоваться детальный анализ выбранных ионов, включая их столкновительно-индуцированную диссоциацию. Вынужденные колебания ионов в плоскости симметрии клина во второй половине квадруполя при соответствующем дипольном возбуждении будут происходить при давлении газа, близком к остаточному. Это может обеспечить достаточно высокую избирательность элиминирования нежелательных компонент и накопления выбранных ионов, отличающихся по m/z и/или находящихся в разных зарядовых состояниях, для последующей диссоциации при столкновениях с атомами и/или молекулами буферного газа. Для обеспечения эффективного управления движением ионов внутри квадруполя созданием подходящих электрических полей без нарушения условий фокусировки ионов вне квадруполя входная и выходная диафрагмы этого квадруполя являются многослойными с независимым заданием потенциалов на этих слоях.

Созданием в первой половине квадруполя продольного электрического поля, направленного против потока (противополя) при практическом отсутствии продольного поля во второй половине квадруполя, поступление некоторых ионов (с сечением столкновений, существенно меньшим, чем анализируемых ионов) во вторую половину квадруполя может быть прекращено. Поток ионов с m/z, меньшим заданного, может быть прерван приложением соответствующего радиочастотного напряжения к стержням в первой половине квадруполя. Наложением нерезонансного осциллирующего поля в плоскости симметрии клина с частотой, много меньше резонансной для анализируемых ионов с максимальным значением m/z, заторможенные продольным противополем ионы могут быть переведены на осциллирующие траектории. Амплитуды этих траекторий пропорциональны величине осциллирующего напряжения и практически не зависят от плотности газа. Они возрастают с увеличением m/z иона. Таким образом, ионы с желаемым значением m/z могут быть выведены в область максимума накопления за счет увеличивающегося отражения ионов от излома продольного напряжения в середине квадруполя, некомпенсированного их гибелью на стержнях квадруполя. При этом ионы с большими m/z могут будут накапливаться в уменьшающейся степени по мере быстрого увеличения их гибели на стержнях квадруполя при увеличении амплитуды осцилляций.

Изменением напряженности противополя в первой половине квадруполя накапливающиеся или достигшие стационарного уровня накопления ионы могут быть «остановлены» на различных расстояниях от конца первой половины квадруполя. Сдвиг локализации такой «остановки» приведет к релаксационному переходу от одного стационарного числа «остановленных» ионов к другому, что выразится в наблюдении соответствующих релаксационных кривых. Характеристические времена этих кривых будут соответствовать средним положениям остановленных ионов (зависящим от их подвижности) по отношению к области перехода из первой половины квадруполя во вторую.

При энергиях ионизирующих электронов, достаточных для образования метастабильно возбужденных частиц основных компонент газового потока, внутри этого потока возможны процессы трансформации и гибели анализируемых ионов, которые могут происходить в результате захвата таких частиц этими ионами. Поляризуемость метастабильно возбужденных атомов много больше, чем для невозбужденных (для Ar ~300 и ~1,6 А³ соответственно). Частота столкновений исследуемых ионов и атомов газа пропорциональна заряду иона, корню квадратному из поляризуемости атома газа и при массе иона, существенно большей массы атома, практически не зависит от других свойств иона. Скорость гибели ионов будет зависеть от времени пребывания данных ионов внутри газового потока и от вероятности гибели данных ионов при столкновении их с метастабильными частицами. Следует ожидать, что эта вероятность для разных ионов может быть разной, даже если они не будут значимо различаться по m/z и по подвижности. Передача энергии от метастабильной частицы иону необязательно означает его гибель или изменение m/z. Избыточная энергия может изменить структуру иона или быть рассеяна при столкновениях с атомами и молекулами газового потока. Таким образом, скорости релаксации интенсивностей пиков ионов при скачкообразном изменения условий для захвата метастабильных частиц могут быть разными для разных типов ионов (даже при совпадающих m/z и подвижностях), и на этой основе возможно дополнительное разделение ионов.

В настоящем случае также возможно образование ионов-продуктов, если в результате взаимодействия с метастабильной частицей происходит диссоциация при сохранении заряда, хотя бы одним осколком исходного иона. Если исходные ионы «остановлены» в конце первой половины квадруполя, то частично произвольные ионы-продукты могут оказаться во второй половине квадруполя и могут быть зарегистрированы масс-анализатором, если их образование произошло вблизи или внутри зоны перехода из первой половины квадруполя во вторую или заняло некоторое время, превышающее время перехода родительского иона из первой половины квадруполя во вторую. Интенсивности этих ионов-продуктов будут релаксировать с тем же характерным временем, что и родительские ионы. При наложении нескольких типов ионов, релаксирующих с разными характерными временами, они могут разделены методами многомерного разделения экспоненциальных вкладов, описанными нами ранее [25, 32].

Более интересная возможность подобного анализа ионов может быть реализована во второй половине квадруполя после предварительного выделения интересующего пакета ионов описанным выше способом в первой половине квадруполя или без такого выделения. Для обеспечения беспрепятственного переноса заторможенных ионов из первой половины квадруполя создается практически нулевое продольное поле вдоль второй половины квадруполя. Это обеспечит регистрацию обзорных масс-спектров ионов, выходящих из первой половины квадруполя. Если выходная диафрагма квадруполя выбрана такой, чтобы пропускать большую часть газового потока, то приложение к ней небольшого тормозящего напряжения, не превышающего потенциал ионного источника, не уменьшит заметно поток регистрируемых ионов. Эта диафрагма сможет отразить назад только ионы, достаточно сильно отклонившиеся от оси квадруполя. Возбуждением резонансных или нерезонансных осцилляций ионов с выбранным m/z в плоскости симметрии клина, содержащего струи газового потока, можно вывести интересующие ионы в зону, где они будут отталкиваться от выходной диафрагмы. Они будут возвращаться в первую половину квадруполя и накапливаться там до достижения некоторого стационарного уровня, определяемого исходным потоком этих ионов и скорост