Способ анализа примесей в жидкостях или газах при их микроканальном истечении в вакуум под воздействием сверхзвукового газового потока, содержащего ионы и метастабильно возбуждённые атомы, с формированием и транспортировкой анализируемых ионов в радиочастотной линейной ловушке, сопряжённой с масс-анализатором

Способ анализа примесей в жидкостях или газах при их микроканальном истечении в вакуум под воздействием сверхзвукового газового потока, содержащего ионы и метастабильно возбуждённые атомы, с формированием и транспортировкой анализируемых ионов в радиочастотной линейной ловушке, сопряжённой с масс-анализатором

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к методам и технике химического анализа примесных соединений и ионов в газовых смесях и в жидких растворах, в том числе многозарядных ионов биомолекул, при их экстракции из жидкости или образования анализируемых ионов под воздействием газового потока, содержащего ионы и метастабильно возбужденные атомы. Эти методы могут включать сочетание разделения анализируемых ионов по адсорбционной способности на стенках напускной камеры, а для ионов биомолекул и по изоэлектрической точке перед вводом раствора в канал микронного диаметра и по подвижности при движении внутри канала. 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.

Среди задач, для которых кроме чувствительности важны как разделительная способность, так и динамический диапазон измерений, может быть упомянут экспресс-анализ микропримесей в газах, в воде и других жидкостях применительно к использованию в системах безопасности, таможенного и экологического контроля. Анализ газовых и 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.

Возможным методом экстракции ионов из жидкости, по крайней мере с точки зрения ожидаемой чувствительности анализа, является полевое испарение ионов. Несмотря на то что явление полевого испарения ионов исследуется давно [6,7], детали и условия перехода ионов из жидкой фазы в газовую остаются до сих пор недостаточно изученными. В частности, это относится к вопросу о влиянии заряда ионов на эффективность их выхода из жидкости в электрических полях. Основная масса работ по полевому испарению ионов связана с изучением механизма образования ионов при электрораспылении полярных растворов [8,9]. Однако существующие экспериментальные методы, использующие электрораспыление растворов, не позволяют получать информацию о первичных ионах, покидающих заряженные микрокапли.

Электрораспыление растворов наиболее широко используется в масс-спектрометрии тяжелых органических ионов [10]. Считается, что полевое испарение ионов является одним из главных механизмов, ответственных за выход относительно малых ионов при электрораспылении. В то же время механизм экстракции из жидкости больших многозарядных ионов до сих пор остается предметом обсуждения [11-14]. Можно ожидать, что для многозарядных ионов, имеющих сложное строение, вопрос об эффективности полевого испарения из растворов не имеет столь однозначного ответа.

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]. Это обстоятельство обычно затрудняет решение аналитических задач. Поэтому желательной является декластеризация исследуемых ионов перед их вводом в масс-анализатор.

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. 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.

Один из способов преодоления этих трудностей описан в патенте РФ на изобретение [18]. 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.

Воздействие на поверхность мембраны сверхзвукового газового потока, особенно при содержании в нем метастабильно возбужденных атомов, как описано в нашей заявке на изобретение [19], 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. Описанный в этой заявке способ анализа является прототипом настоящего изобретения. Его основные недостатки связаны именно с использованием трековой мембраны, наноразмерные каналы которой в реальных условиях не способны к длительной работе. Это приводит к необходимости достаточно частой замены мембраны в описанном источнике. Кроме этого размещение мембраны на некотором удалении от радиочастотного квадруполя должно приводить к заметным потерям анализируемых ионов. Использование капилляров с каналом микронного размера, характерных для наноспрейных ионных источников, как предлагается в настоящем изобретении, и их введение внутрь радиочастотного квадруполя позволит в значительной степени снять эти проблемы.

В последние 20 лет широкое распространение в масс-спектрометрии получили газонаполненные радиочастотные мультиполи, устройства, содержащие набор параллельных друг другу стержней, симметрично расположенных вокруг оси устройства. Сдвинутые по фазе радиочастотные напряжения 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 полях описывается в первом приближении эффективным потенциалом, прямо пропорциональным квадрату напряженности высокочастотного электрического 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 целевых соединений на основе селективной цифровой фильтрации серий масс-спектров, зарегистрированных для специфически меняющихся во времени потоков компонент анализируемой смеси [30];

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

Использование дозвукового потока, проходящего через зону тлеющего разряда, для ионизации соосного потока исследуемой газовой пробы на входе в радиочастотный квадруполь описано в [34]. Давление газа в области ионизации этой пробы составляет от 0.03 до 3 миллибар, что, по крайней мере, в несколько сот раз превышает остаточное давление газа в квадруполе в нашем случае. Сечение области ионизации в нашем случае примерно в 25 меньше при сравнимой плотности газа в области ионизации, которая в нашем случае находится не на входе, а внутри квадруполя. Следует ожидать существенного повышения чувствительности анализа в нашем случае и уменьшения нагрузки на систему откачки.

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 №7,351,965 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 №6,992,284 [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 реализуется при истечении раствора через капилляр после скачкообразного изменения направления электрического поля в капилляре. По существу, это некоторый вариант капиллярного электрофореза. Как и при движении в газе, подвижность иона здесь определяется отношением его заряда к сечению столкновений. Особенность состоит в том, что в растворе заряд иона может изменяться в зависимости от свойств раствора, в частности его рН. Для ионов биомолекул он даже может менять свой знак, а в изоэлектрической точке (при соответствующем значении рН раствора) он в среднем равен 0. Проводя такой капиллярный электрофорез при различных значениях рН раствора, можно реализовать фактически двумерное предварительное разделение компонент анализируемого раствора, включающее в себя и разделение по изоэлектрическим точкам.

Обычно для изоэлектрического разделения и фокусировки отдельных фракций смесей биополимеров используют электролиты, локально неоднородные по величине рН. Двигаясь под действием приложенного электрического поля, чаще всего близкого к однородному, ионы биомолекул, достигая зон с рН, близким к их изоэлектрическим точкам, перестают двигаться и накапливаются в этих зонах. Такой способ разделения не слишком хорошо приспособлен для сочетания с масс-спектрометрическим детектированием разделенных фракций. В работе Р.А. Зубарева с сотрудниками [37] описана конструкция устройства для изоэлектрической фокусировки и разделения смесей пептидов и белков, работающего в сопряжении с масс-спектрометром с ионным источником на основе электрораспыления растворов. В их же следующей работе [38] описан усовершенствованный вариант, такого устройства, предназначенный для собирания разделенных фракций. Принцип работы близок к только что описанному. Сама конструкция представляется достаточно сложной. Капилляр, в котором организуется изоэлектрическое фракционирование ионов, разделен на 8 секций. В них концентрируются биомолекулы с соответствующими изоэлектрическими точками в течение периода изоэлектрической фокусировки, когда в капилляре создано электрическое поле, направленное против потока в ионный источник. Секции контактируют с соответствующими буферными растворами через мембраны из нафиона. При выключенном поле потоком раствора накопленные пакеты ионов последовательно попадают в ионный источник и далее в масс-анализатор.

В предлагаемом нами капиллярном ионном источнике создаются поля противоположной направленности в напускной камере источника и внутри капилляра. Такие поля пропускают через капилляр только в среднем нейтральные ионы, изоэлектрическая точка которых совпадает с рН раствора. Меняя этот рН постепенным или одномоментным добавлением буферного раствора, можно обеспечивать выход в зону формирования анализируемых ионов биомолекул с различными значениями их изоэлектрической точки.

В Патенте США №7397029 от 8 июля 2008 г., В.Д. Беркута и В.М. Дорошенко [39], 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.

В нашем случае метастабильные атомы или молекулы могут получаться 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.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Особенностями возможной реализации предлагаемых методов являются: Поток исследуемых ионов - это результат экстракции ионов из жидкой пробы, выходящей из капилляра, введенного внутрь радиочастотного квадруполя, либо такие ионы получаются из молекул анализируемых соединений в газовой фазе за счет перезарядки на ионах буферного газа или ионизации Пенинга на метастабильных атомах сверхзвукового газового потока. Экстракция ионов стимулируется воздействием «подогретого» сверхзвукового газового потока на поверхность выходящей жидкости. Для обеспечения большей эффективности использования этого потока для формирования анализируемых ионов капилляр вставлен внутрь канала большего диаметра так, что выходной кончик капилляра близок, но не выходит за окончание канала. На некотором протяжении до выхода капилляра имеется зазор между капилляром и внутренней стенкой канала. Выход из канала выполнен так, что сверхзвуковой поток, направленный на выход капилляра, основной своей частью попадает внутрь канала. На входном конце зазор между каналом и капилляром заполнен непроницаемым связующим материалом. Метастабильные атомы и ионы в упомянутом потоке образуются либо в высокочастотном газовом разряде, организуемом на выходе канала формирования сверхзвукового газового потока, либо этот поток пропускается через источник электронной ионизации с изменяемой кинетической энергией электронов. Струя сверхзвукового потока направлена на выходной кончик капилляра и проходит вблизи центра входной диафрагмы в этот квадруполь. Просачивание жидкости через капилляр обуславливается давлением насыщенного пара в напускной камере, содержащей анализируемый раствор, или специально организуемым перепадом давления. Выход газовой смеси через капилляр обеспечивается перепадом давления вдоль капилляра, которое поддерживается постоянным. Анализируемая газовая смесь вводится в напускную камеру однократно, либо непрерывно с помощью шприца. Для обеспечения постоянной скорости истечения газа через капилляр при однократном вводе газовой смеси в напускную камеру капиллярного ионного источника непрерывно вводится буферный газ при постоянном, например, атмосферном давлении. Скорость просачивания жидкой пробы может также регулироваться изменением температуры напускной камеры, создающим соответственное давление насыщенных паров в этой камере, содержащей анализируемый раствор.

Подогрев напускной камеры при анализе газовых смесей также играет важную роль. Переход к более высокой температуре этой камеры может приводить к наблюдению релаксационных процессов, которые будут нести дополнительную аналитическую информацию об анализируемых соединениях. Более высокая температура вызовет увеличение потока газа через выходной капилляр. Это приведет к первоначальному увеличению регистрируемого сигнала от ионизированных компонент газовой смеси. Следствием этого будет перераспределение плотности примесных соединений внутри напускной камеры и последующий релаксационное затухание этих сигналов с характеристическими временами, специфичными для различных соединений. Характеристические времена релаксации интенсивностей пиков ионов, соответствующих определенному соединению, будут определяться величиной коэффициента диффузии этого соединения и адсорбционной способностью этого соединения на стенках напускной камеры. Регистрация релаксационных кривых возможна также при уменьшении температуры напускной камеры.

Нарастание или снижение температуры в напускной камере требует заметного времени, а релаксационное затухание ионных токов будет происходить после установления нового уровня температуры. Ионные токи, соответствующие определенным соединениям, будут при последовательной регистрации выглядеть как унимодальные пики, форма которых будет специфичной для разных соединений при данных условиях измерений. Выявление таких пиков для целевых соединений в анализируемой смеси может быть проведено на основе нашего метода селективной цифровой фильтрации по известным масс-спектрам этих соединений [30]. Совпадение полученной формы пика с ожидаемой для данного целевого соединения будет критерием его обнаружения, а площадь этого пика будет определять относительное содержание этого соединения в анализируемой смеси. Для количественного определения этого содержания желательно предварительное проведение соответствующих калибровочных измерений, когда искомые целевые соединения добавляются в анализируемую смесь в известных концентрациях.

Для экспоненциально затухающих «хвостов» полученных распределений ионных токов с различными значениями miz может быть найдена наилучшая в среднеквадратичном матрица перехода от предыдущей совокупности значений упомянутых ионных токов к последующей такой совокупности. Вычислив собственные числа и собственные векторы полученной матрицы перехода, находим приемлемую по ожидаемой погрешности аппроксимацию упомянутых «хвостов» распределений линейной комбинацией минимального числа упомянутых собственных векторов с факторами экспоненциального затухания, определяемыми соответствующими собственными числами. Принимаем найденную совокупность таких собственных векторов за масс-спектры обнаруженных компонент в рассматриваемой совокупности данных, а вычисленные коэффициенты упомянутой линейной комбинации за приближенные оценки относительных вкладов этих компонент в анализируемую смесь. Эти оценки могут быть протестированы и уточнены путем проведения соответствующих калибровочных экспериментов.

После прохождения источника электронной ионизации или зоны газового разряда струя сверхзвукового газового потока вместе с ионами и с метастабильно возбужденными атомами буферного газа поступает внутрь радиочастотного квадруполя. Организованное в первой половине квадруполя тормозящее продольное поле, сочетающееся с относительно плотным газовым потоком приводит к накоплению значительного числа ионов буферного газа в этой половине квадруполя вокруг его оси. Эффективная температура этого облака ионов, как показывают проведенные нами измерения, может быть достаточно высокой (около 6000 K). Эту температуру можно еще значительно увеличить за счет вынужденных осцилляций или вращений ионов. При этом следует ожидать эффективного испарения и дробления капель раствора, выходящих из капилляра. Это будет происходить как за счет передачи энергии от осциллирующих «нагретых» ионов ионам на поверхности капли, так и их вхождения внутрь капли и увеличения плотности зарядов на этой поверхности. Эти капли, пройдя сквозь облако осциллирующих ионов буферного газа и расталкиваясь далее объемным зарядом этих ионов, будут частично подхватываться струями газового потока. Поскольку их подвижность существенно меньше подвижности ионов буферного газа, они будут сильнее увлекаться газовым потоком и более эффективно выводиться во вторую половину квадруполя.

Если в этой половине радиочастотное напряжение существенно больше, чем в первой, и выбрано оптимальным для фокусировки относительно больших ионов биомолекул, то ионы буферного газа будут гибнуть здесь на стержнях квадруполя. Анализируемые ионы, вышедшие из заряженных капель будут фокусироваться к оси квадруполя. При отсутствии продольного поля в этой половине квадруполя и наличии достаточно плотного облака накопленных ионов буферного газа в первой половине квадруполя возникнет электрическое поле, препятствующее возврату анализируемых ионов в первую половину квадруполя, и эти ионы будут накапливаться около оси квадруполя. Под действием их объемного заряда избыточная часть таких ионов будет выводиться через выходную диафрагму квадруполя в масс-анализатор. При этом недоиспарившиеся капли, обладая существенно большими значениями m/z, чем анализируемые ионы, тем же объемным зарядом будут выталкиваться на относительно большие удаления от оси квадруполя. Эти капли тем самым будут подвержены действию отталкивающего поля выходной диафрагмы квадруполя. Удерживаясь внутри квадруполя, эти капли будут нагреваться воздействием радиочастотного поля квадруполя и высоэнергичными малыми ионами, покидающими эти капли, и в конечном итоге высвобождать содержащиеся в них анализируемые ионы, которые после их фокусировки к оси и будут зарегистрированы в масс-анализаторе.

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 относительно тонкого и длинного канала 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 в радиочастотном квадруполе 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 смещения газовой струи будут значительно быстрее погашены газовым потоком в начале квадруполя. Тем самым будут обеспечены более благоприятные условия для регистрации масс-спектров исследуемого образца по сравнению с квадруполем вакуумным, газонаполненным квадруполем (меньший поток газа в масс-анализатор) или при наличии сверхзвуковой газовой струи вдоль его оси (больший поток ионов в масс-анализатор).

Если в напускной камере, содержащей анализируемый раствор, и внутри капилляра его истечения отсутствуют электрические поля, то будет регистрироваться обзорный масс-спектр в выбранном диапазоне m/z для данных условий ионизации. Если же в этой камере на поверхности вокруг входа в капилляр создать достаточно сильное напряжение при близком к 0 потенциале поверхности раствора, то около этого капилляра будут накапливаться ионы соответствующего знака заряда, а внутрь капилляра будут преимущественно поступать в среднем нейтральные молекулы из раствора. В том числе это могут быть биомолекулы, изоэлектрическая точка которых близка к рН раствора. Такая ситуация является следствием возникновения в капилляре поля обратной направленности из-за относительно небольшого потенциала на выходе капилляра, обусловленного контактом с облаком накопленных ионов буферного газа в квадруполе.

Переключением полярности запирающего напряжения часть накопленных ионов на входе в капилляр будет запущена внутрь капилляра. В соответствии с их подвижностью под действием электрического поля внутри капилляра эти ионы будут двигаться с разными скоростями и виде разделенных по времени выхода пакетов будут зарегистрированы масс-анализатором. После выхода последнего пакета будет продолжена регистрация квазинейтральных молекул. При выходе раствора из капилляра квазинейтральные молекулы могут изменить свое зарядовое состояние из-за проникновения ионов буферного газа внутрь раствора, и они смогут быть зарегистрированы в конечном итоге в масс-анализаторе. Для предотвращения электролиза анализируемого раствора на электродах капиллярного ионного источника эти электроды могут быть покрыты тонкой диэлектрической пленкой.

Если в анализируемый раствор была добавлена в подходящей концентрации соль щелочного металла, например, ацетат натрия, 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 измерять рН основного раствора и концентрацию ионов натрия в нем, то получив вероятности удерживания протона и ионов натрия некоторыми сайтами биомолекул при различных рН или концентрациях ионов натрия, 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 их транспортировке и регистрации.

При значимом изменении рН раствора, например, при добавлении соответствующего буферного раствора, может измениться состав квазинейтральных молекул движущихся в каналах вместе с раствором. Т.е. фактически возможно разделение биомолекул в растворе по их изоэлектрическим точкам. В сочетании с описанным выше разделением ионов по подвижности на выходе из каналов это является важным преимуществом настоящего изобретения.

При анализе нейтральных микропримесей как в жидкой, так и газовой среде производится их детектирование в виде ионов, образовавшихся в газовой фазе под действием метастабильных атомов и ионов сверхзвукового газового потока. Здесь возможно некоторое дополнительное 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: Не, Ne, Ar, Хе. 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.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

Для более полного понимания настоящего изобретения последующее описание соотнесено с соответствующими иллюстрациями.

Рис. 1. Общая схема газодинамического интерфейса орто-ВПМС с микроканальным ионным источником и сверхзвуковым газовым.

Рис. 2. Иллюстрация к предварительному разделению заряженных и квазинейтральных частиц в микроканальном ионном источнике.

Рис. 2а. Особенности функционирования микроканального ионного источника при анализе нейтральных примесей в жидкостях.

Рис. 3. Схематический вид поперечного сечения В-В, Рис. 1, интерфейса в расположении области доиспарения заряженных капель и декластеризации анализируемых ионов.

Рис. 4. Экспериментальные зависимости регистрируемых ионных токов для молекулярных и двух фрагментарных ионов циклогексана (2% примеси в гелии) от радиочастотного напряжения в квадруполе для комнатной (25°С) и увеличенной (100°С) начальной температуры газового потока.

Рис. 5. Экспериментальные зависимости регистрируемых ионных токов и их отношений для молекулярных и двух фрагментарных ионов циклогексана (2% примеси в аргоне) от осциллирующего напряжения для существующего интерфейса со смещенной сверхзвуковой газовой струей при радиочастотном квадрупольном напряжении, превышающем порог прохождения этих фрагментарных ионов через интерфейс.

Рис. 6. Аррениусовская аппроксимация относительной интенсивности фрагментов осциллирующих ионов циклогексана при среднем удалении от сверхзвуковой струи аргона около 1 мм при найденной оптимальной температуре накопленных в квадруполе молекулярных ионов циклогексана в ~6000 K.

Рис. 7. Экспериментальные зависимости регистрируемых ионных токов и их отношений для молекулярных и двух фрагментарных ионов циклогексана (2% примеси в гели