Способ анализа смесей химических соединений на основе разделения ионов этих соединений в линейной радиочастотной ловушке

Изобретение относится к области анализа смесей химических соединений на основе разделения ионов, выведенных из приосевой зоны, в линейной радиочастотной ловушке с газовым потоком вдоль оси этой ловушки по отношениям массы к заряду и на базе различий в устойчивости ионов к столкновительно-индуцированной диссоциации. Для предотвращения излишней гибели анализируемых ионов внутренние стенки входной и выходной диафрагм разрезаны на сегменты, и к ним приложены альтернированные или переменные напряжения. Регистрация масс-спектров ионов-продуктов в процессе столкновительно-индуцированной диссоциации осуществляется с помощью масс-анализатора, сопряженного с ловушкой, в частности на времяпролетном масс-анализаторе с ортогональным вводом ионов. Технический результат - получение количественной информации об исследуемых соединениях и повышение точности структурно-химического анализа. 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к методам и технике химического анализа органических, биоорганических и неорганических соединений на базе сочетания разделения ионов этих соединений по отношениям массы к заряду, подвижности, устойчивости к столкновительной фрагментации ионов и масс-анализа ионов-продуктов этой фрагментации. В частности, речь идет о предварительном разделении ионов, поступающих из источника электронной ионизации или из внешних источников ионов, при совместном действии электрических полей и газового потока в линейной радиочастотной ловушке, направленного к ее выходу, по величинам зарядов и масс, сечений столкновений и устойчивости к распаду. Последующий анализ ионов-продуктов по отношениям массы к заряду может производиться с помощью времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) либо на каком-либо другом масс-анализаторе.

Распад или гибель анализируемых ионов может вызываться как разогревом вращающихся ионов за счет их столкновений с атомами или молекулами газа, так и соударениями ионов со стержнями ловушки. 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 атмосферном воздухе применительно к использованию в системах безопасности, таможенного и экологического контроля. Вторая задача, где разделительная способность и «информационная производительность» являются определяющими - это исследование структуры ионов биомолекул, что может быть важным для задач протеомики, биомедицинских и биотехнологических применений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

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

В последние 20 лет широкое распространение в масс-спектрометрии получили газонаполненные радиочастотные мультиполи, 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 [6-8]. В этих устройствах используется описанное еще в Механике Ландау и Лифшица [9] свойство высокочастотных силовых полей вызывать выталкивание частиц в таких полях в сторону уменьшения напряженности этих полей. Если говорить более точно, то усредненное движение частиц в таких (электрических) полях описывается в первом приближении эффективным потенциалом, прямо пропорциональным квадрату напряженности высокочастотного поля, умноженной на 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, и усредненное свободное движение ионов в таком поле - 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 осцилляции 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 [16], направленного вдоль оси мультиполя и создающего повышенную плотность газа около этой оси, описан в наших патентах РФ [10, 11] и заявке на патент РФ [12]. Второй возможный способ накопления выбранных ионов является предметом настоящего изобретения. Его предпосылкой является создание нами методики резонансного возбуждения вращения выбранных ионов вокруг оси радиочастотного квадруполя и осуществление фрагментации этих ионов за счет столкновений с молекулами буферного газа [13-15]. Эта методика была новой, ранее никем не предлагавшейся. В отличие от настоящего изобретения, возбуждение вращения ионов в этом случае производится во время их одностороннего движения вдоль квадруполя без накопления. В конце квадруполя вращающее поле отсутствует, и ионы фокусируются к оси квадруполя, что и требует относительно высокой плотности буферного газа. Такая плотность также нужна для того, чтобы иметь относительно короткое время установления стационарного радиуса вращения ионов при наличии вращающего поля. Это сужает возможности для проведения кинетических измерений и обеспечивает ограниченную способность отстройки от сигналов мешающих ионов. Кроме этого, такой способ осуществления резонансного вращения накладывает очень жесткие ограничения на качество изготовления квадруполя. Небольшие отклонения в диаметре стержней или в расстояниях между ними приводит к существенным потерям в разрешающей способности метода, которая при проведении реальных измерений в нашем случае была существенно менее 100.

В предлагаемом варианте ионы вращаются при значительно меньшей плотности буферного газа. Эта плотность такова, что характерное время релаксации скорости немного превышает или становится сравнимым со временем прохождения ионами расстояния между входной и выходной диафрагмами. При обеспечении отражения ионов от внутренних поверхностей этих диафрагм вращающиеся ионы при их радиусе вращения, превышающем эффективные радиусы отверстий выходной и входной диафрагм, будут накапливаться в пространстве между этими поверхностями, осциллируя между ними. 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 остаточном давлении в 0,1 мТорр (азота) ожидаемая массовая разрешающая способность на полувысоте пиков для органических ионов с массой около 500 Да может быть около или даже более 1000. Для идеального квадруполя разрешенность резонансного вращательного возбуждения ионов будет возрастать пропорционально уменьшению плотности буферного газа.

Теоретическая модель разогрева ионов, движущихся в газе под действием электрического поля, описана нами в [20]. Модель является оригинальной, ее предсказания несколько отличаются от известных моделей. В частности, она предсказывает несколько более высокую величину внутренней температуры иона по сравнению с температурой его поступательного движения, которая в литературе обычно называется эффективной температурой. Эта модель косвенно подтверждается имеющимися экспериментальными данными, и ее использование для получения количественных термохимических данных для исследуемых ионов является возможным.

Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных должно включать пакеты программ, реализующие в основных чертах разработанные нами оригинальные методы, описанные в [21-25, 32]. Среди этих методов наиболее важными являются:

1. Метод коррекции эффектов насыщения и «мертвого» времени при использовании времяцифрового преобразования для регистрации данных ВПМС [23, 32];

2. Метод выявления экспоненциальных вкладов в зарегистрированный сигнал от ансамбля ионов, релаксирующего к новому стационарному состоянию после переключения режима накопления ионов [21, стр.192], с нахождением корней характеристического полинома с помощью процедуры, описанной в [25];

3. Метод выявления экспоненциальных вкладов в совокупности кривых ионного тока, развитый ранее для анализа совокупности эффузиометрических кривых [24].

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 [26], где из-за значительного увеличения эффективной длины дрейфа ионов и, следовательно, их времени пролета появляется возможность произвести столкновительную диссоциацию не одного, а нескольких типов выбранных ионов, достаточно далеко разнесенных по времени выхода (на время, большее времени дрейфа ионов во вторичном времяпролетном масс-спектрометре). Этот гораздо более технически сложный, чем в нашем случае, подход, конечно, исключает проведение каких-либо кинетических измерений и производит выделение первичных ионов для диссоциации только по m/z.

Возможный подход, снижающий потери первичных ионов, описан в патенте США А.В. Лободы №7,459,679 [27]. В этом патенте предлагается после накопления ионов в квадруполе при давлении буферного газа около 0.1 Торр осуществлять дипольное возбуждение колебаний ионов с выбранным m/z, так чтобы эти ионы в плоскости дипольного возбуждения в среднем достаточно далеко отклонялись от оси квадруполя. Во время такого возбуждения или после его окончания создается линейно изменяющееся вдоль квадруполя постоянное во времени квадрупольное поле. Потенциалы этого поля выбираются такими, чтобы в плоскости возбуждения колебаний выбранных ионов создавать в среднем электрическое поле, двигающее ионы к выходу из квадруполя (на оси квадруполя такое поле равно 0, а в перпендикулярной плоскости оно двигает ионы в противоположном направлении). В этом случае невозбужденные ионы, имеющие в среднем меньшее отклонение от оси квадруполя в этой плоскости, будут менее подвержены влиянию этого вытягивающего поля. Таким образом, интересующий пакет ионов может быть передвинут в камеру столкновений, а остальные ионы останутся в накопительном квадруполе. После завершения работы с первым пакетом аналогичным образом в камеру столкновений может быть доставлен следующий пакет. Такой подход достаточно интересен и, по-видимому, будет работать. Однако, его разрешающая способность должна быть достаточно низкой (вряд ли она будет более 10) по нескольким причинам. Главная из них - это достаточно высокая плотность буферного газа, необходимая для захвата ионов в ловушку. Таким образом, передаваемые в камеру столкновений пакеты ионов будут содержать множество ионов в достаточно широком диапазоне масс, и для проведения столкновительной диссоциации «индивидуальных» ионов все остальные ионы из этого пакета должны быть удалены. Относительно большая плотность газа в радиочастотном мультиполе при накоплении ионов в существующих системах приводит либо к невысокой избирательности ионов при их изоляции, либо требует дополнительного времени на скачивание "лишнего" газа. Другое возможное решение - это создание сложных многотамбурных систем, где функции накопления, изоляции и столкновительной диссоциации выполняются в разных частях системы с сильно различающимися плотностями буферного газа. Такая конструкция приводит к дополнительным потерям ионов и удорожанию приборного комплекса. Именно такое построение и предлагается в только что описанном патенте США [27].

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 также как и их резонансных одномерных колебаний в радиочастотном квадруполе для устранения излишних ионов, мешающих измерению менее интенсивных аналитических ионов или вызывающих явления насыщения в измерительной системе времяпролетного масс-спектрометра описано в патентной заявке США №20080149825 Козловского В.И. и др. [28]. В нашем случае аналогичных целей можно добиться путем соответствующей резонансной раскрутки ионов, осциллирующих в накопительной части радиочастотного квадруполя, что позволит повысить избирательность такого устранения по сравнению с раскруткой ионов при однократном прохождении квадруполя.

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 B2 [29]. 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 нашем случае использование круглых стержней квадруполя (что технологически много проще использования гиперболических стержней) приведет к тому же самому эффекту при диссоциации выбранных ионов. В патенте США №7,353,965 В2 [29] 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 [29] для обеспечения улавливания достаточно большого числа анализируемых ионов предполагается использование относительно длинного квадруполя (1000 мм). Такая длина не только увеличивает габариты прибора, но и предъявляет более жесткие требования к параллельности стержней квадруполя и соблюдению других условий его изготовления для обеспечения однородности резонансных частот свободных движений ионов в разных местах квадруполя. Предлагаемый в настоящем изобретении метод накопления ионов, как ожидается, позволит накапливать достаточное число ионов в квадруполе, на порядок менее длинном, при сравнимом остаточном давлении буферного газа.

По-видимому, наиболее близкий по своим возможностям метод, который можно рассматривать как один из аналогов предлагаемого изобретения, заявлен в патенте США №7,507,953 [30]. В основных чертах это развитие описанного в предыдущем пункте подхода, если не принимать во внимание компенсацию нарушений квадрупольного поля вблизи выходных щелей вдоль стержней линейной квадрупольной ловушки для транспорта ионов в систему регистрации. В рассматриваемом случае выбранные ионы в виде «ленточного» пучка могут попадать и в плоскую камеру столкновений, а затем транспортироваться непосредственно или после столкновительной диссоциации во времяпролетный масс-спектрометр с ортогональным вводом ионов. Возможность автономной регистрации (отдельной системой, как в предыдущем патенте) исходных ионов также предусмотрена. В этом методе в отличие от общепринятых подходов достигается использование для столкновительной диссоциации не одного, а любого желаемого числа видов родительских ионов. Такая же возможность реализуется и в предлагаемом изобретении. В патенте предусмотрено также стандартное использование линейной квадрупольной ловушки для последовательного осуществления изоляции и столкновительной диссоциации ионов для реализации MS" метода, включая на последнем этапе регистрацию ионов-продуктов с помощью времяпролетного масс-спектрометра. Эта же возможность может быть реализована и в настоящем изобретении.

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

К недостаткам описанной системы можно отнести потери разрешающей способности и чувствительности при ортогональном вводе родительских ионов в ячейку столкновений, в том числе и из-за отклонений поля вблизи выходной щели от квадрупольного. Кроме этого, использование дипольного возбуждения ионов в отличие от нашего подхода, где используются вращающие поля, приводит к более сильному влиянию объемного заряда остальных накопленных ионов на разрешающую способность выделения родительских ионов. В нашем случае эти ионы рассредоточены на различных орбитах вращения (в зависимости от m/z и подвижности ионов). В случае же резонансного дипольного возбуждения остальные ионы в среднем сосредоточены вблизи оси квадруполя, и при достаточно большом их числе создают заметное дополнительное поле, искажающее гармонический характер эффективного потенциала квадрупольного поля вблизи оси квадруполя. Для вращающихся ионов возможность возбуждения дополнительных гармонических осцилляции сохраняется и при наличии существенного влияния объемного заряда других ионов [11].

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

В рассматриваемом патенте [11] проведение кинетических измерений не предусматривается, и вряд ли в описываемой конструкции это возможно. С другой стороны, такие измерения, как предлагается в настоящем изобретении, при сочетании с предварительным хроматографическим разделением из-за временных ограничений возможны только для отдельных хроматографических пиков, отделенных друг от друга достаточными временными интервалами. В то же время эти измерения могут обеспечить дополнительное разделение ионов, которое может компенсировать отсутствие или даже превысить разделительные способности хроматографа при меньшем общем времени анализа. Возможно также и значительное увеличение результирующего разделения при сочетании с хроматографом, т.к. устойчивость к столкновительной диссоциации вряд ли будет сильно коррелировать с временами удерживания соединений в хроматографических колонках.

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

Серьезной проблемой такого сочетания является обеспечение высокой трансмиссии ионов через дрейфовую трубу в ВПМС. Одно из возможных решений было предложено нами в патенте США №6,992,284 [31], 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 скорость движения и больший радиус вращения ионы будут иметь под действием вращающего поля и, следовательно, более высокую внутреннюю температуру, добавки к которой пропорциональны квадрату скорости [20] и квадрату радиуса вращения [13]. Если устойчивости к распаду рассматриваемых ионов близки, то быстрее будут распадаться ионы с большей подвижностью. При этом в нашем случае, имеется возможность выбора m/z ионов заданием частоты вращающего поля, а выбором амплитуды вращающего поля можно регулировать скорость распада. В случае классического разделения ионов по подвижности имеется довольно слабая возможность влиять на время выхода и ширину пакета интересующих ионов. Уменьшением напряженности поля вдоль трубы можно увеличить время выхода ионов, но при этом уменьшается разрешение по подвижности.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Особенностями одной из возможных реализации предлагаемых методов являются:

Поток исследуемых ионов - это результат ионизации соединений, поступающих с газовым потоком в ионный источник электронной ионизации, или транспортировки ионов, в том числе и многозарядных ионов биомолекул, например, из электроспрейного источника на вход радиочастотного квадруполя, сопряженного с орто-ВПМС. Вместо электроспрейного источника при таком вводе ионов может использоваться и любой другой источник ионов, работающий при атмосферном или относительно высоком давлении. При использовании внешнего источника ионов источник электронной ионизации может отсутствовать.

Накопление, предварительное разделение, управляемая фрагментация и фокусировка ионов осуществляются в радиочастотном квадруполе с газовым потоком, имеющим значимую составляющую скорости вдоль оси квадруполя, направленную к выходу из квадруполя. Внутренние поверхности входной и выходной диафрагм разрезаны на секторные фрагменты, к которым приложены противоположные по знаку и близкие по абсолютной величине напряжения, которые далее для краткости называются альтернированными напряжениями. При относительно большой абсолютной величине этих напряжений для вращающихся вокруг оси квадруполя ионов возникает достаточный отталкивающий эффективный потенциал. Это аналогично фокусировке ионов, движущихся вдоль секционированного цилиндрического канала с альтернированными напряжениями, приложенными к соседним секциям канала, как показано в работе Маршалла [34]. Альтернативно вместо таких постоянных напряжений на внутренние секции входной или/и выходной диафрагм могут быть поданы и переменные напряжения, если подача таких напряжений может обеспечить, например, более благоприятные условия по вводу ионов из ионного источника внутрь квадруполя и по выводу ионов-продуктов управляемой фрагментации из квадруполя. При этом газовый поток будет обеспечивать транспорт ионов, находящихся вблизи оси квадруполя (с резонансными частотами вращения, отличающимися от частот раскрутки) в выходную часть квадруполя и далее во времяпролетный масс-анализатор или какой-либо другой масс-анализатор. В том числе такой транспорт будет осуществляться для ионов-продуктов столкновительно-индуцированной диссоциации, если среди вращающих полей нет поля с частотой, совпадающей с резонансной частотой, какого-либо дочернего иона. При желании такие поля можно создавать специально, чтобы накапливать желаемые ионы-продукты для дальнейшего исследования. Похожий способ накопления ионов описан в нашей заявке на патент РФ [35]. Отличия состоят в вводе ионов не в квадруполь, а в секционированнную цилиндрическую ячейку, в которой в режиме накопления создается усредненное по вращениям ионов тормозящее параболическое поле, и входящие ионы отражаются именно от этого поля. Входная диафрагма имеет также секционированную внутреннюю поверхность. Однако, это секционирование является более сложным, чем в случае настоящего изобретения, и наряду с созданием отталкивательного эффективного потенциала приложенные к секциям напряжения вместе напряжениями секций цилиндрической поверхности ячейки создают усредненные по вращениям ионов квадратичные распределения потенциала вдоль оси и по радиусу ячейки.

Формированием соответствующего резонансного вращающего поля (или нескольких полей для изоляции нескольких типов выбранных ионов) ионы заданного отношения массы к заряду начинают вращаться и удерживаются далее на устойчивых орбитах вращения (ионы с более высокой подвижностью на более высокой орбите) в основной части вне отверстий входной и выходной диафрагм. При необходимости альтернированное или переменное напряжение на выходной диафрагме может быть повышено для увеличения потенциального барьера для накапливаемых ионов. Значимое уменьшение регистрируемого тока выбранных ионов означает начало их накопления. Возвращение к прежнему или несколько меньшему стационарному значению (при возможной гибели части ионов внутри квадруполя) соответствует достижению максимального в данных условиях уровня накопления ионов. Достижение характерных времен релаксации регистрируемого ионного тока в диапазоне секунд или десятков секунд - желательное условие для проведения удобных измерений для настоящего изобретения. Такая релаксация после достижения стационарного уровня регистрируемого потока анализируемых ионов может быть вызвана изменением стационарного радиуса их вращения при задании нового значения амплитуды вращающего поля или запиранием входного потока ионов повышением напряжения на внешней поверхности входной диафрагмы.

При достижении достаточного количества вращающихся ионов или после прохождения заданного времени накопления амплитуда (выбранного) вращающего напряжения в квадруполе увеличивается до оптимального значения для удерживания и резонансной раскрутки с возможной фрагментацией анализируемых ионов. При этом напряжение на внешней стороне входной диафрагмы может быть увеличено, чтобы прекратить поступление ионов в квадруполь. Если при накоплении альтернированное или переменное напряжение выходной диафрагмы было повышено, то оно может быть понижено для обеспечения более свободного выхода ионов, движущихся вблизи оси квадруполя.

В стационарных условиях разогрева индивидуальных ионов (при отсутствии заметной гибели ионов за счет расталкивания объемным зарядом) должны будут наблюдаться экспоненциально затухающие сигналы ионов-продуктов, по характеристическому времени уменьшения сигналов и соотношениям амплитуд которых могут быть определены соответствующие константы скорости распада. При наличии нескольких типов распадающихся ионов с заданным значением m/z появляется возможность на основе анализа пиков всех продуктов выявить число таких типов и определить константы распада по каждому каналу всех этих типов ионов. Характеристические времена убывания интенсивностей регистрируемых пиков будут определяться суммарными константами распада исходных ионов, что может позволить отделить соответствующие сигналы для разных исходных ионов, хотя их величины m/z и подвижностей могут совпадать.

При увеличении амплитуд вращающих напряжений также возможно включение процессов распада более устойчивых ионов и выбывание из «игры» относительно легко распадающихся ионов. Тем самым могут быть проанализированы все ионы, резонансные частоты которых близки к частотам вращающих полей, если только дальнейшее увеличение радиуса вращения ионов не приведет к неприемлемому увеличению скорости их гибели на стержнях квадруполя. В этом случае альтернативой может быть периодическое кратковременное увеличение амплитуды фокусирующего радиочастотного напряжения в целое число раз вплоть до последней величины, не превышающей порога устойчивости движения выбранных ионов в квадруполе. Желательно при этом, чтобы другие накопленные ионы в квадруполе обладали большими m/z и меньшими радиусами вращения, чтобы не было потери их устойчивости движения и гибели и в результате столкновительно-индуцированной диссоциации. Время включения увеличенного радиочастотного напряжения должно быть близким к периоду вращения анализируемых ионов или к кратной величине для этого периода. В этом случае эти ионы, получив кратно увеличенные частоты вращения за прежний период вращения совершат целое число оборотов, и их фаза будет близка к фазе вращающего напряжения. При возврате к прежней амплитуде радиочастотного напряжения резонансное вращающее напряжение относительно быстро восстановит прежний стационарный радиус вращения выбранных ионов. Время между включениями увеличенного радиочастотного напряжение должно превышать время выхода из квадруполя ионов, не подверженных раскрутке. В этом случае ионы продукты даже при меньших значениях m/z, чем для исходных ионов, будут зарегистрированы последующим масс-анализатором и не будут в значительной степени гибнуть из-за потери устойчивости движения при повышенной напряженности радиочастотного поля.

Поскольку ионы часто довольно сильно различаются по степени устойчивости к распаду, то возможны адекватные оценки резонансных частот и даже в случаях, когда эти значения достаточно близки и не могли быть разрешены стандартными методами масс-анализа. Эта ситуация аналогична предварительному хроматографическому разделению анализируемых соединений или разделению на основе электрофореза. Отличие состоит в том, что в предлагаемом изобретении имеется возможность выбора для кинетического исследования ионов в некотором относительно узком диапазоне m/z за счет подбора частот соответствующих вращающих полей.

Теоретические основы метода разделения экспоненциальных вкладов применительно к анализу совокупностей эффузиометрических кривых нами были разработаны ранее [24]. Суть подхода основана на полной аналогии между системами дифференциальных и конечно-разностных линейных уравнений с постоянными коэффициентами. Эта аналогия для одного уравнения, например, была использована нами при разработке методов линейного прогноза для эффективной оценки массовых чисел ионов по их временам выхода для магнитного статического масс-спектрометра [21, 33]. Определив коэффициенты такого прогноза, в частности, являющегося точным для суммы экспоненциальных кривых, факторы затухания соответствующих экспонент могут быть определены нахождением корней характеристического полинома, как и для соответствующего дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами. В этом случае может быть использована вычислительная процедура, описанная нами в [25].

Исходя из этой аналогии, для линейной комбинации экспоненциально спадающих потоков ионов-продуктов в общем случае совокупный вектор интенсивностей этих ионов для последующих регистрации без учета ошибок измерения может быть выражен как произведение некоторой матрицы перехода на вектор таких интенсивностей для предыдущей регистрации. Матричные элементы этой матрицы перехода могут быть найдены минимизацией погрешности такой аппроксимации, что сводится к решению соответствующих систем линейных алгебраических уравнений для каждой строки этой матрицы. Собственные векторы этой матрицы описывают с точностью до нормировки вектор интенсивностей ионов-продуктов каждого типа ионов, присутствующих в анализируемой смеси. Соответствующие этим векторам собственные числа характеризуют факторы экспоненциального затухания числа таких ионов. Коэффициенты, описывающие вклады собственных векторов матрицы перехода в наблюдаемые интенсивности ионов-продуктов, находятся по методу наименьших квадратов для обеспечения в среднем минимальных погрешностей измеренных интенсивностей пиков масс-спектра для всех регистрации. Качество аппроксимации по сравнению с ошибками измерений является критерием правильности проведенного анализа. Зная число типов исходных ионов и характерные времена их экспоненциального убывания, можно решением соответствующих систем линейных уравнений найти вклады каждой из этих экспонент во все отсчеты в зарегистрированных масс-спектрах. Тем самым будут получены масс-спектры ионов-продуктов каждого типа исходных ионов, как будто они были полностью разделены перед их регистрацией. Это важно, т.к. позволит определить «точные» массы всех ионов-продуктов, если соответствующие масс-спектры были зарегистрированы на масс-анализаторе с высокой разрешающей способностью.

Альтернативно гибель и распад ионов могут происходить при их соударении с поверхностью стержней квадруполя. В этом случае частота соударений достаточно сильно раскрученных ионов о поверхность этих стержней будет контролироваться средним расстоянием этих ионов до ближайшей поверхности, глубиной потенциальной ямы, создаваемой эффективным потенциалом радиочастотного поля и центробежным потенциалом вращающихся ионов. Эффективная температура ионов, являющаяся вторым фактором для частоты столкновений, будет определяться для данных ионов и буферного газа скоростью вращения этих ионов или средним радиусом вращения. Малая часть ионов, зависящая от их заряда, энергия которых достаточна, чтобы преодолеть разность потенциальных энергий между дном ямы и условной границей устойчивого движения ионов в квадруполе, будет сталкиваться со стержнями и гибнуть в результате такого столкновения с вероятностью, по-видимому, близкой к 1. При контакте многозарядных ионов биомолекул со стержнем квадруполя из-за захвата электрона возможны процессы диссоциации, приводящие к образованию ионов-продуктов с m/z, выводящими их из резонансного вращения. При этом различия в частоте всех этих процессов могут многократно превышать различия в эффективной температуре ионов (до 10 и более раз при разумных временах измерения), т.к. сталкиваться с поверхностью стержней будут ионы на высокоэнергетическом «хвосте» Максвелловского распределения ионов по энергии или наиболее удаленные на внешней стороне от средней траектории вращения.

Если эффективности гибели ионов при столкновениях с поверхностью стержней для близких по массе и подвижности ионов мало различаются, то характерные времена убывания числа вращающихся ионов будут определяться частотами этих столкновений с поверхностью, что в конечном итоге будет определяться подвижностью этих ионов. Если разница в 10% в частотах столкновений достаточна для уверенного разделения сигналов, то это означает, что различия в подвижности исходных ионов на уровне 1% вполне может хватить для разделения сигналов от соответствующих ионов. Возможно комбинирование обоих описанных способов организации гибели и распада ионов, когда одного из них недостаточно для уверенного разделения сигналов от близких ионов.

При исследовании смеси ионов описанным выше способом проведение такого анализа при различных амплитудах резонансного вращающего поля или при разных уровнях периодического увеличения амплитуды радиочастотного напряжения может дать дополнительный критерий адекватности полученных результатов. Об этом может говорить совпадающее число найденных компонент для разных условий вращения и близкий к Аррениусовскому характер изменения отношений констант образования соответствующих ионов-продуктов в предположении, что внутренняя температура ионов линейно зависит от средней кинетической энергии ионов [20].

После проведения исследования ионов для данного m/z и выключения соответствующего вращающего напряжения по методике, описанной выше, могут быть исследованы поочередно все интересующие ионы среди накопленных. В отличие от многих других существующих методов здесь не происходит потерь в каждом цикле измерений других накопленных ионов, кроме выбранных в этом цикле. Включением соответствующих резонансных вращений при необходимости можно обеспечить сохранение некоторых ионов-продуктов на устойчивых орбитах вращения вокруг оси квадруполя. В этом случае после накопления достаточного количества они могут быть подвергнуты столкновительной диссоциации и исследованию кинетики этой диссоциации наряду с родительскими ионами.

Выделение экспоненциальных составляющих в регистрируемых релаксационных кривых для ионов с выбранными значениями m/z при быстром изменении энергии ионизирующих электронов в источнике электронной ионизации с определением наряду с характеристическими временами затухания найденных экспонент стационарных уровней соответствующих ионных токов в результате может позволить получить кривые эффективности ионизации (КЭИ) для различных ионов с совпадающими значениями m/z, но отличающихся по их характеристическим временам релаксации соответствующих ионных токов.

Имеющиеся экспериментальные данные, как наши, так и известные из литературы, свидетельствуют о том, что изменение внутренней энергии ионизируемых соединений обычно приводит к смещению соответствующих кривых эффективности ионизации по энергии ионизирующих электронов. Это смещение при изменении температуры вводимой смеси будет специфичным для различных соединений. Таким образом, стабилизация и контролируемое задание температуры напускаемой смеси в ионный источник с изменяемой энергией ионизации может позволить получить дополнительный критерий соответствия регистрируемых кривых эффективности ионизации индивидуальным соединениям. Это относится и к получению КЭИ ионов на основе выделения экспоненциальных составляющих в соответствующих релаксационных кривых ионных токов при быстром переключении энергии ионизирующих электронов.

Термостатирование и управление температурой радиочастотного квадруполя позволит получать количественные термохимические данные при осуществлении столкновительно-индуцированной диссоциации исследуемых ионов в квадруполе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

Для более полного понимания настоящего изобретения последующее описание соотнесено с соответствующими иллюстрациями, в которых:

Рис.1. Общая схема интерфейса орто-ВПМС для предварительного разделения ионов и формирования их ионов-продуктов столкновительно-индуцированной диссоциации.

Рис.2. Расчетные резонансные кривые для вращающихся ионов в квадруполе с m/z=400 и 401 для буферного газа аргона при плотности, соответствующей 0,3 мТорр при комнатной температуре.

Рис.3. Иллюстрация для усредненного движения ионов в квадруполе при кратном увеличении радиочастотного напряжения на период вращающего поля, близкий к резонансному для выбранных ионов.

Рис.4. Схема поперечного сечения (А-А, Рис.1) области вращения ионов.

Рис.5.Блок-схема процедуры вычисления экспоненциальных вкладов в кинетическую кривую распадающихся ионов

Рис.6. Иллюстрация к методу разделения экспоненциально спадающих наложенных пиков ионов-продуктов столкновительной фрагментации исходных изобарных ионов.

Рис.7. Иллюстрация к процессам гибели вращающихся ионов, при столкновениях с поверхностью стержней квадруполя.

Все эти иллюстрации носят поясняющий характер и не накладывают каких-либо ограничений на возможную реализацию предлагаемого изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Новый подход для транспортировки ионов из области повышенного давления на выходе из ячейки подвижности в вакуумную часть масс-спектрометра с помощью сверхзвукового газового потока описан в нашем патенте США №7,482,582 от 27 января 2009 года [17]. Он был развит далее для обеспечения дополнительных аналитических возможностей за счет резонансного возбуждения вращения ионов вокруг сверхзвукового потока в следующем нашем патенте США №7,547,878 от 16 июня 2009 года [19]. Специфическое развитие этих подходов для обеспечения эффективного количественного определения наличия примесей в газовых смесях и структурного анализа многозарядных ионов биомолекул описано в наших патентах РФ [10, 11], и заявке на патент РФ [12].

Особенностью предлагаемого метода в отличие от упомянутых патентов и заявки является реализация альтернативного к предлагаемому ранее подхода к накоплению и изоляции анализируемых ионов в радиочастотном квадруполе при относительно низкой плотности буферного газа и без обязательного наличия сверхзвукового газового потока вдоль оси квадруполя. Смысл его состоит в том, что вместо «остановки» и фокусировки выбранных ионов вокруг оси квадруполя при относительно большой плотности буферного газа или в мало расходящемся сверхзвуковом потоке производится динамический захват резонансно вращающихся ионов между входной и выходной диафрагмой. Его основное преимущество по сравнению с обычными широко распространенными подходами - это выделение желаемых ионов (возможно не одного, а нескольких m/z) из потока всех ионов, а не удаление всех лишних ионов из накопленных в квадруполе, или использование отдельного масс-анализатора для выделения нужных ионов для накопления.

По сравнению с выводом ионов из сверхзвукового потока нерезонансным вращающим полем или электростатическим расталкивающим полем ионов буферного газа в данном случае для выделения и накопления нужных ионов достаточно только создать соответствующие резонансные вращающие поля. Однако, использование нерезонансной раскрутки ионов может оказаться полезным при регистрации обзорных масс-спектров для предотвращения осцилляции регистрируемых интенсивностей потоков ионов, характерных для квадруполей с малой плотностью буферного газа. Преимущество предлагаемой реализации настоящего изобретения - это также возможность соосного сопряжения интерфейса с последующим масс-анализатором, тогда как при наличии относительно плотного сверхзвукового газового потока необходимо наличие электростатического [12] или какого-либо иного зеркала для вывода ионов из газового потока и их направления в масс-анализатор.

Возможная схема организации предлагаемого в настоящем изобретении накопления и изоляции ионов показана на Рис.1. Еще одно отличие описываемой конструкции от заявленных ранее состоит в том, что вместо покрытия внутренних поверхностей входной и выходной диафрагм (9) тонкой диэлектрической пленкой с ее зарядкой ионами буферного газа для отражения ионов [18] предполагается разрезание этих поверхностей на секторные фрагменты (26) и (27). Приложение постоянных альтернированных или переменных напряжений к этим секторам создаст эффективный отталкивающий потенциал для вращающихся ионов. Такой вариант создания ионной ловушки связан с тем, что при отсутствии относительно плотного потока газа ионизация буферного газа перестает быть удобным способом зарядки внутренних поверхностей диафрагм внутри квадруполя. Кроме этого возникает возможность управления эффективностью отражения ионов от диафрагм, включая организацию при необходимости частичной гибели ионов на поверхностях этих диафрагм, если, например, влияние объемного заряда ионов на результаты измерений становится неприемлемым. Поскольку плотность буферного газа внутри квадруполя предполагается достаточно низкой, отпадает необходимость создания продольных электрических полей в квадруполе, поэтому квадруполь (10) в данном случае в отличие от предыдущих наших конструкций не предполагается секционированным.

Поток ионов анализируемых соединений (1) из какого-либо внешнего источника транспортируется на вход радиочастотного квадруполя (10) системой фокусирующих электродов, не показанных на Рис.1, которые могут быть использованы вместо источника с электронной ионизацией (6). При анализе нейтральной газовой смеси (2) эффузионный поток (4) из системы напуска (3) вводится в ионный источник (6), где образующиеся ионы (5) вместе с остатками газового потока (1) через входную диафрагму (8) попадают внутрь квадруполя (10). Ионный источник (6) имеет катод (18) косвенного подогрева (22), что позволяет иметь достаточно узкое распределение ионизирующих электронов по энергии. Это дает возможность в необходимых случаях отсекать образование ионов с относительно высокой энергией ионизации, например, основных компонент воздуха. Откачка газов, поступающих с потоком (1), осуществляется, в основном, насосом (15). Незначительная часть потока через выходную диафрагму (17) поступает в следующую ступень дифференциальной откачки орто-ВПМС или другого масс-анализатора.

При анализе смесей неизвестного состава или в начале работы может потребоваться калибровка измерительной системы. При отсутствии внутри квадруполя (10) других электрических полей, кроме радиочастотного, регистрация обзорного масс-спектра может привести при достаточно малой плотности газа (7) внутри квадруполя к модуляции регистрируемого потока ионов различных m/z. Это следствие колебаний ионов около оси квадруполя в эффективном потенциале при их движении вдоль квадруполя. Для получения масс-спектра, более или менее адекватно соответствующего составу исследуемой смеси, может быть использовано возбуждение нерезонансного вращения с частотой ωrot, много меньшей резонансной частоты ωres (40) для ионов с максимально возможным значением m/z в регистрируемом диапазоне и равновесным радиусом

,

не превышающим радиуса отверстия выходной диафрагмы (16). Здесь е - элементарный заряд; Vrot - вращающее напряжение; Vrf - радиочастотное напряжение; ωrf - частота радиочастотного напряжения; r0 - вписанный радиус квадруполя - минимальное расстояние от оси квадруполя до его стержней. В этом случае ионы (23), вышедшие за пределы выходного отверстия диафрагмы (16) будут отражены эффективным потенциалом, создаваемым секциями типа (26) и (27) с альтернированными или переменными напряжениями. Дойдя до внутренней поверхности входной диафрагмы (8) часть ионов (12), двигаясь по траекториям (23), (24), вне ее отверстия будут отражены снова и будут циркулировать между диафрагмами (8) и (16) до тех пор, пока на каком либо цикле не выйдут из квадруполя в ту или иную сторону. Потери таких ионов для регистрации могут быть сведены до приемлемого уровня увеличением размера эффективного отверстия диафрагмы (16) по сравнению с диафрагмой (8), созданием поля как вытягивающего ионы из квадруполя внутри отверстия (16), так и тормозящего выходящие ионы внутри отверстия (8). Кроме этого, наличие заметной составляющей скорости газового потока в направлении от диафрагмы (8) к диафрагме (16) также уменьшит обратный выход ионов, когда они потеряют большую часть начальной энергии продольного движения.

Сдвинутыми по фазе на π/2 высокочастотными потенциалами соседних стержней квадруполя (10), с угловой частотой , вблизи резонансной частоты для выбранных ионов газа, которая может быть вычислена по формуле:

создается близкое к резонансному вращающее поле (11). Амплитуда этого поля постепенно увеличивается до тех пор, пока стационарно регистрируемый ток выбранных ионов не станет заметно и устойчиво меньше их ионного тока при отсутствии этого вращающего поля за счет гибели раскрученных ионов на стержнях квадруполя. Варьированием частоты вращающего поля вблизи ωres добиваемся максимального падения стационарного регистрируемого тока выбранных ионов, тем самым достигая достаточно хорошего приближения к реальной резонансной частоте рассматриваемых ионов. Под действием этого поля (при выключенном нерезонансном вращающем поле) ионы (13) с «резонансным» отношением массы к заряду m/z будут вращаться в стационарных условиях со средним радиусом:

достаточным для предотвращения беспрепятственного прохода через центральное отверстие выходной диафрагмы (16), но недостаточным для эффективной гибели этих ионов на стержнях квадруполя (10). Здесь τv - характерное время релаксации скорости ионов. Такой радиус вращения соответствует максимумам кривых (50) и (49) на рисунке 2. Здесь показаны резонансные кривые для относительных средних радиусов раскрутки ионов, исходя из формулы (43), взятой из нашей работы [13]:

Кривые (50), (49) приведены для гипотетических ионов с m/z 400 и 401 для ожидаемой плотности остаточных газов. Ширины этих кривых на полувысоте предсказываются формулой (44):

Характерное время релаксации скорости ионов τv было вычислено по формуле (45):

исходя из массы атомов буферного газа М=40 Да, средней тепловой скорости их движения V (скоростями движения ионов пренебрегли) при комнатной температуре и разумной величине сечения столкновения ионов с атомами газа σ=200Å2. Плотность газа n вычислена из уравнения состояния идеального газа при давлении 0.3 мТорр. Линейная скорость вращающихся ионов определяется вращающим напряжением Vrot и их подвижностью:

При сдвиге угловой частоты от резонанса средний радиус вращения меняется и для других давлений и газов аналогично тому, как показано на Рис.2. Это означает, что использование круглых стержней квадруполя в нашем случае может оказаться предпочтительным по сравнению с идеальными гиперболическими стержнями. Поскольку при приближении к круговым стержням резонансные частоты вращения ионов будут изменяться, радиус вращения ионов при увеличении Vrot, начиная с некоторого значения Vrot и в каких-то разумных пределах этой величины, перестанет расти, и излишняя гибель ионов на стержнях квадруполя в этом случае будет предотвращена. При необходимости увеличить вероятность гибели ионов и в такой ситуации можно подвергнуть ионы дополнительному нерезонанасному вращению.

В формулах (40) и (42) Vrf, ωrf, Vrot, ωrot - амплитуды и частоты радиочастотного и вращающего полей. На Рис.3 показано поперечное сечение квадруполя (А-А). Приложенные напряжения (102) и (103) приведены внутри сечений стержней (101). Показаны резонансно вращающиеся ионы (106) и (105), мгновенное направление резонансного вращающего поля (108), направление нерезонансного вращения (124). При выходе за условную границу (107) ионы гибнут на стержнях квадруполя. При движении внутри эффективной границы (104) выходного отверстия ионы (109) регистрируются.

Напряженность фокусирующего радиочастотного поля, пропорциональная амплитуде Vrf, должна быть относительно небольшой,

чтобы обеспечить устойчивость движения возможных ионов-продуктов столкновительной диссоциации, m/z которых может быть в несколько раз меньше, чем m/z исходных ионов. В этом случае возбуждение вращения ионов с приемлемым радиусом может не привести к их заметной диссоциации. Этот радиус или пропорциональная ему величина Vrot должны быть такими, чтобы время установления стационарного тока при запирании входного потока ионов через диафрагму (8), изменении Vrot, было удобным для его измерения в диапазоне секунд или десятков секунд. Увеличения этого времени при необходимости можно добиться некоторым увеличением амплитуды радиочастотного напряжения при сохранении прежнего радиуса вращения ионов (при соответствующих изменениях частоты и амплитуды вращающего поля), если нет заметной диссоциации ионов. В этом случае фокусировка ионов улучшается, и облака ионов с меньшей вероятностью диффузионно достигают как стержней квадруполя, так и области выхода из квадруполя около отверстия выходной диафрагмы. Увеличение амплитуды альтернированного или переменного напряжения на секциях (27), (26) выходной диафрагмы также может увеличить это время, так как должно уменьшить вероятность выхода вращающихся ионов через выходную диафрагму. Уменьшение радиуса вращения, также как некоторое уменьшение альтернированного или переменного напряжения может привести к уменьшению характеристического времени установления нового уровня регистрируемого ионного тока данных ионов и к увеличению начального значения этого тока.

Для того, чтобы увеличить фрагментацию вращающихся ионов без увеличения радиуса вращения, можно периодически кратно увеличивать амплитуду фокусирующего радиочастотного напряжения в течение одного или нескольких периодов вращения выбранных ионов. Проще всего это сделать, когда радиочастотное напряжение имеет прямоугольную форму, генерируемую цифровым образом от компьютера [36]. Кратное увеличение амплитуды этого напряжения в это же число раз увеличит собственную частоту вращения ионов (40). Вернее, это будет движение ионов по почти эллиптической траектории с уменьшающимися размерами за счет столкновений с молекулами буферного газа, как показано на Рис.4. За период вращающего поля ионы совершат кратное число оборотов (на Рис.4 показаны два оборота (133), и их фаза практически совпадет с фазой вращающего поля (132). Возврат к прежней напряженности радиочастотного поля вернет прежнюю резонансную частоту для рассматриваемых ионов, совпадающую с частотой вращающего поля, что при совпадении их фаз достаточно быстро восстановит (134) прежнюю стационарную орбиту вращения ионов (131).

Поскольку энергия столкновений иона с молекулами буферного газа при увеличении амплитуды радиочастотного поля возрастает примерно пропорционально ее квадрату [13], то вероятность диссоциации иона возрастет, и при некоторой величине такой амплитуды может быть достигнута желаемая степень фрагментации изучаемых ионов. Поскольку при увеличении числа таких энергичных столкновений вероятность диссоциации будет увеличиваться и достигнет максимума к концу периода повышенной амплитуды радиочастотного напряжения, то основная масса ионов-продуктов диссоциации будет образована в конце этого периода и сразу после его окончания. Эти ионы-продукты, даже если их m/z будет меньше предела устойчивости при повышенном радиочастотном напряжении, в основном не успеют погибнуть до конца действия этого напряжения и будут сфокусированы к оси квадруполя и выведены из него газовым потоком и далее поступят в масс-анализатор, если следующее включение повышенного радиочастотного напряжения произойдет после такого выхода ионов-продуктов из квадруполя.

Изменением общей скорости движения ионов одним из перечисленных выше способов можно изменять характерное время фрагментации ионов и соотношение интенсивностей потоков ионов-фрагментов. Как следует из нашей [20] и других моделей нагрева ионов в газе под действием электрического поля при сохранении среднего квадрата скорости движения ионов и при сохранении прочих условий эксперимента, внутренняя температура ионов не меняется, и не меняются скорость распада и соотношения между каналами фрагментации ионов.

Если убыль этих ионов будет происходить только за счет процессов мономолекулярного распада (как и любых независимых процессов гибели, описывающихся некоторой постоянной вероятностью гибели), то она будет экспоненциально затухающей во времени с характерным временем, специфичным при заданных условиях для каждого соединения.

Как известно, сумма экспоненциальных кривых удовлетворяет конечно-разностному уравнению с постоянными коэффициентами аналогично дифференциальному уравнению с постоянными коэффициентами или, другими словами, имеет место точный линейный прогноз последующего значения таких кривых по предыдущим, измеренным с некоторым (постоянным в данном случае) временным шагом. Определив коэффициенты такого прогноза, например, по методу наименьших квадратов, факторы затухания соответствующих экспонент могут быть определены нахождением корней характеристического полинома, как и для соответствующего дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами. В этом случае может быть использована вычислительная процедура, описанная нами в [25], модифицированная блок-схема которой приведена на Рис.5 Исходными данными этой процедуры являются число и величины коэффициентов линейного прогноза. Если записать условие точного прогноза для одной экспоненты ехр(-t/τ) для равноотстоящих измерений с шагом Δt, то получится характеристическое уравнение, если ввести обозначение w=exp(-Δt/τ):

.

Его корни (положительные числа, меньшие 1) равны факторам затухания всех экспонент, входящих в измеренные данные. На блок-схеме Рис.5 эти искомые корни названы факторами экспонент. Именно корни полинома с ограничениями находились с помощью процедуры, описанной нами в [25]. Процедура принимает во внимание погрешности измерения или вычисления коэффициентов полинома, сводя задачу к поиску минимума функций многих переменных, описывающую сумму квадратов расхождений этих коэффициентов с вычисленными их значениями через искомые корни. Для повышения точности нахождения такого минимума производится случайный выбор начальной точки спуска к минимуму, и полученные результаты поиска затем усредняются.

Можно, по-видимому, использовать стандартные процедуры нахождения корней полинома. Однако, неточности в задании коэффициентов полинома могут привести к появлению корней, выходящих за допустимый диапазон, или даже комплексных. Как поступать в таких случаях не совсем ясно. Лучше воспользоваться методом, где ограничения на искомые величины заложены с самого начала. При этом точность аппроксимации коэффициентов полинома через найденные корни при наличии оценок погрешности вычисления этих коэффициентов будет критерием адекватности полученных экспоненциальных факторов затухания.

Зная эти факторы или характеристические времена затухания всех экспонент, входящих в сигнал, измеренный на частоте вращения ионов, близкой к резонансной, решением соответствующей системы нормальных уравнений можно найти вклады этих экспонент.

Еще одна возможность идентификации целевых соединений или разделения сигналов от ионов с одним и тем же m/z, но различающихся по характеристическим временам их фрагментации или гибели, получается на основе анализа масс-спектров ионов-продуктов, зарегистрированных на орто-ВПМС или в других последующих масс-анализаторах.

Рис.6, иллюстрирует идею такого анализа ионов. Здесь изображено изменение во времени t интенсивностей J трех гипотетических пиков масс-спектра. Один из них (150) с минимальным m/z, изображенный толстыми линиями, затухает относительно медленно по экспоненте (151) с характеристическим временем τ1. Другой - (153) с максимальным m/z, показанный тонкими линиями, экспоненциально исчезает значительно быстрее (154) с характеристическим временем τ2. Средний пик (155) является суммой двух первых пиков и составлен соответственно из двух линий - толстой и тонкой. Эти три пика соответствуют двум гипотетическим исходным ионам, исчезающим с характеристическими временами τ1 и τ2, дающим при фрагментации по два равновероятных иона-продукта, показанные толстыми и тонкими линиями соответственно. Эти три пика в последовательные равноотстоящие моменты времени с интервалом Δt (152) могут быть выражены друг через друга с помощью линейных выражений, которые в матричной форме выписаны в (156):

В более общем случае следующие по времени интенсивности пиков масс-спектра записываются в виде произведения матрицы перехода Akl на вектор предыдущих интенсивностей - уравнение (157):

Здесь l нумерует измеряемые масс-спектральные пики (полное число - n), k - задает номер исходных ионов (не больше n), распадающихся с различными характеристическими временами и дающих ионы-продукты, интенсивности которых образуют линейно независимую систему векторов. Матричные элементы матрицы перехода могут быть вычислены по методу наименьших квадратов из условия наилучшего в среднеквадратичном выполнения равенства (157) для всех моментов измерения. Для этого число зарегистрированных масс-спектров (моментов измерения) должно быть не меньше числа пиков масс-спектра (n). Решением проблемы собственных значений (158) для матрицы перехода находятся собственные векторы и собственные числа (159):

Собственные векторы описывают распределения интенсивностей ионов-продуктов для каждого исходного иона, которому соответствует собственное число (159), являющееся экспоненциальным фактором затухания числа этих ионов. Так, например, для матрицы перехода в выражении (156) векторы с компонентами (1, 1, 0) и (0, 1, 1) являются собственными с собственными числами, равными первому ехр(-Δt/τ1) и второму ехр(-Δt/τ2) экспоненциальным факторам затухания. После того, как найдены число исходных ионов и экспоненциальные факторы затухания или релаксации соответствующих сигналов, могут быть вычислены вклады масс-спектров ионов-продуктов от этих исходных ионов во всех зарегистрированных отсчетах исходного масс-спектра в последовательные равноотстоящие моменты времени решением соответствующих систем линейных алгебраических уравнений, исходя из требования минимума среднеквадратичной ошибки приближения. Таким образом, могут быть получены масс-спектры для каждого исходного иона, как в случае их полного разделения перед измерениями. При известных заранее m/z некоторые ионы-продукты могут быть оставлены на устойчивых орбитах резонансного вращения. Это позволит провести в необходимых случаях после их накопления более детальный анализ этих ионов, включая их разделение по характеристическим временам гибели.

Ионы-продукты, чтобы не помешать адекватному анализу других накопленных ионов, должны обладать m/z, отличными от других ионов, вращающихся вокруг оси квадруполя. В случае обычных однозарядных ионов это означает, что наиболее удобными являются измерения распада ионов с наименьшими m/z среди всех вращающихся ионов.

Вторая возможность организации управляемой гибели или может быть фрагментации многозарядных ионов - это использовать их столкновения с поверхностью стержней квадруполя. Этот случай проиллюстрирован на Рис.7. Потенциальная яма (215) вблизи границы стабильного движения в квадруполе (10), качественно показана для δR в условных единицах от положения минимума. Она является результатом суперпозиции вращающего поля и эффективного потенциала радиочастотного поля. Распределение плотности вращающихся ионов в потенциальной яме (215) вблизи границы (107), Рис.3, в соответствии с принципом Больцмана в стационарных условиях задается выражением (221):

Два параметра этого распределения определяются природой вращающихся ионов: эффективная температура Teff и заряд ионов ez. При заданных m/z ионов и вращающем поле эффективная температура в первом приближении определяется в основном подвижностью ионов κ - формулы (222) и (223), однако коэффициент пропорциональности α, в различных моделях нагрева ионов несколько по разному зависящий от свойств иона и атомов или молекул газа, может также повлиять на величину эффективной температуры:

Сдвиг фазы вращающихся ионов φ возникает за счет отклонения частоты вращающего поля от резонансной частоты ионов. На графиках (216), Рис.7, показаны зависимости относительной плотности трех гипотетических типов ионов, вращающихся с одинаковым средним радиусом, т.е. при заданной частоте вращения обладающими одинаковыми m/z и подвижностями для идеальной квадратичной ямы (215) от смещения δR вдоль радиуса квадруполя. Пусть облако целевых ионов (210) обладает увеличенной эффективной температурой. Оно максимально протяженно среди других ионов, и именно ионы из крайне правой части облака имеют шанс при столкновении со стержнем (101) рекомбинировать или погибнуть. По-видимому, вероятность такой гибели по крайней мере для однозарядных сложных органических и биоорганических ионов практически равна 1. Чтобы отскочить назад и «уйти» от стенки при соударении с проводящей поверхностью иону, который вблизи поверхности приобрел дополнительную энергию за счет притяжения к противоиону-изображению, нужно упругое соударение, а это для сложного иона при его повышенной энергии крайне маловероятно.

В конфигурации, показанной на Рис.7, ионы (214), обладающие примерно на 10% меньшей эффективной температурой, чем ионы (210), будут иметь более чем в 2 раза меньшую частоту столкновений со стержнем (101), чем ионы (210), поскольку в этом случае «работают» правые хвосты распределений - уровни «отсечки» гибнущих ионов (218) и (220). Если вероятности гибели этих обоих типов ионов при столкновении со стенкой близки к 1, то такое различие в частоте столкновений приведет примерно к вдвое различающимся временам релаксации соответствующих ионных токов и позволит достаточно легко разделить сигналы от таких ионов с помощью описанного выше метода нахождения экспоненциальных вкладов в экспериментальных зависимостях. Если скорость вращения этих ионов достаточно велика, и они начинают фрагментировать с заметной эффективностью, образуя спектр ионов-фрагментов, то используя методы, описанные выше, можно также разделить сигналы от различных ионов. При этом характеристические времена затухания этих сигналов будут определяться как процессами гибели исходных ионов на стержнях (101), так и процессами их фрагментации. Интересно при этом отметить, что скорость фрагментации исходных ионов при наличии одного доминирующего канала распада при варьировании среднего радиуса вращения или скорости вращения ионов, должна следовать аррениусовской зависимости от внутренней температуры ионов. Эта внутренняя температура, как и эффективная температура (222), должна квадратично зависеть от средней скорости ионов, однако значения коэффициента а для этих температур могут различаться. Например, в нашей модели нагрева ионов при их движении в газе [20] такой коэффициент для внутренней температуры иона, по сравнению с его эффективной (трансляционной) температурой увеличивается, но не более чем в 2 раза. Более того, и первый член в (222) пропорционально увеличивается. Проведение подобных измерений, при варьировании вращающего напряжения для ионов, которые сопоставимо могут гибнуть по двум механизмам, может дать информацию о степени адекватности нашей модели [20].

Замечательным свойством разделения сигналов от разных ионов при их гибели на стержнях (101) является возможность практически полного разделения ионов разной зарядности в тех случаях, когда их не удается различить по m/z и устойчивости к столкновительной фрагментации. Показанное на Рис.7 облако 4-х зарядных ионов (213), совпадающих по m/z и близких по подвижности с ионами (210), сосредоточено в области, удаленной от поверхности (101), так что эти ионы практически не будут с ней сталкиваться. Такой подход к идентификации отличает предлагаемый метод от других масс-спектрометрических методик, где нет прямого разделения ионов по абсолютной величине заряда, а ионы разделяются только по m/z.

Важное значение в процессах взаимодействия ионов с поверхностью стержней квадруполя могут иметь направления и напряженности электрических полей, действующих на ионы во время их прохождения вблизи поверхности. Так например, если радиочастотное поле в это время будет притягивать ионы к поверхности, то вероятность столкновения иона с поверхностью при прочих равных условиях будет больше по сравнению со случаем противоположной направленности этого поля. Для многозарядных биоионов, содержащих ионогенные группы с зарядами противоположных знаков, такое изменение направления локального поля при достаточно больших размерах иона может привести к появлению различных ионов-продуктов. Притяжение положительных зарядов к стержню квадруполя может привести к потере одного (или нескольких) положительных зарядов ионом, а при противоположном направлении поля могут с большей вероятностью теряться отрицательные заряды. Поэтому интересных структурно-зависимых результатов измерений взаимодействий ионов с поверхностью стержней квадруполя можно ожидать, если менять согласованно амплитуды, частоты и фазы полей, вызывающих вращение ионов и их возможное столкновение со стержнями квадруполя.

При компьютерной генерации таких полей подобная задача не представляется излишне сложной. Так, например, если частота нерезонансного вращения ионов будет задана впятеро меньшей «резонансной» частоты вращения выбранных ионов, то при таком комбинированном движении ионы при совершении полного оборота с четвертью с «резонансной» частотой сдвинутся по фазе нерезонансного вращения на π/2. Таким образом, вращающиеся ионы относительно соседних стержней квадруполя будут иметь одинаковое расположение, и вероятность их столкновения с поверхностью при одних и тех же радиусах резонансного и нерезонансного вращения будет определяться их фазой резонансного вращения относительно стержня квадруполя. При этом, если 5/4 периода «резонансного» вращения составляет нечетное число полупериодов радиочастотного напряжения, то при согласовании начальных фаз всех трех напряжений ионы, движущиеся вблизи поверхности стержней квадруполя будут находиться при примерно одинаковом фазовом распределении воздействующих на ионы полей. Добиться такого соотношения периодов рассматриваемых полей можно, например, подбором соответствующей амплитуды радиочастотного напряжения. Меняя согласованно амплитуды, частоты и фазы воздействующих на ионы полей, можно менять условия столкновений ионов с поверхностью, вероятности их рекомбинации или гибели и соответственно характеристические времена установления новых уровней регистрируемых ионных токов при относительно быстром изменении упомянутых условий столкновения ионов с поверхностью.

При проведении описанных выше измерений важным является ограничение числа накопленных ионов. Намеренное освобождение от нежелательных или излишних ионов может быть важным также при накоплении ионов микропримесей, которое иначе из-за влияния объемного заряда могло бы быть невозможным или затруднительным. Соответствующая резонансная раскрутка в радиочастотном квадруполе позволяет получить достаточно высокую избирательность такого устранения.

Дополнительные возможности разделения ионов и получения информации об их структуре и термохимии при их накоплении в квадруполе (10) возникают при изменении энергии ионизирующих электронов в источнике электронной ионизации (6) - Рис.1. При быстром переключении от текущего значения энергии электронов к другому начнется релаксационный переход к новым уровням накопленных ионов в радиочастотном квадруполе. Выделение экспоненциальных составляющих в регистрируемых релаксационных кривых для ионов с выбранными значениями m/z по описанным выше методам в результате может позволить получить кривые эффективности ионизации (КЭИ) соединений или кривые появления для различных ионов с совпадающими значениями m/z, но отличающихся по характеристическим временам релаксации соответствующих ионных токов.

Имеющиеся экспериментальные данные как наши [37], так и других исследователей, свидетельствуют о том, что изменение внутренней энергии ионизируемых соединений обычно приводит к смещению соответствующих кривых эффективности ионизации по энергии ионизирующих электронов. Это смещение происходит в противоположную сторону по отношению к направлению изменения внутренней энергии соединений и на величину, близкую к средней величине такого изменения, если соответствующее распределение по этой внутренней энергии является достаточно узким. Таким образом, стабилизация и контролируемое задание температуры напускаемой смеси в ионный источник (6) с изменяемой энергией ионизации может позволить получить дополнительный критерий соответствия регистрируемых кривых эффективности ионизации индивидуальным соединениям, т.к. теплоемкости сложных соединений могут значительно различаться, даже если их молекулярные массы совпадают. Снятые при разных температурах КЭИ индивидуальных соединений должны получаться друг из друга некоторым сдвигом по шкале энергий электронов. Это относится и к получению КЭИ ионов на основе только что описанного выделения экспоненциальных составляющих в соответствующих релаксационных кривых ионных токов при быстром переключении энергии ионизирующих электронов. Поскольку кривые появления ионов-продуктов из данных родительских ионов во время их образования в ионном источнике также будут сдвигаться на величину изменения средней энергии родительских ионов, то появляется также дополнительный критерий отнесения наблюдаемых ионов к ионам-продуктам, получающимся из данных родительских ионов.

Термостатирование и управление температурой радиочастотного квадруполя является также важным для получения количественных термохимических данных при осуществлении столкновительно-индуцированной диссоциации исследуемых ионов как при столкновениях с молекулами остаточного газа, так и при взаимодействии со стержнями квадруполя. Регистрация релаксационных кривых для ионов-продуктов при диссоциации исследуемых ионов при различных температурах буферного газа в квадруполе может позволить получить оценки энергий активации соответствующих процессов и энергий разрываемых связей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Додонов А.Ф., Чернушевич И.В., Додонова Т.О., Разников В.В., Тальрозе В.Л. Способ масс-спектрометрического анализа по времени пролета непрерывного пучка ионов Авторское Свидетельство №.1681340 с приоритетом от 25.02.87. Бюлл. изобр. N36, 30.09.91.

2. Dodonov A., Loboda A. Kozlovski V., Raznikov V., Soulimenkov I., Tolmachev A., Zhen Z., Horwath Т., Wollnik H.High Resolution electrospray ionization orthogonal-injection time-of-flight mass spectrometer European Journal of Mass Spectrometry, 6,481-490, 2000.

3. Shevchenko A., Chemushevich I., Ens W., Standing K.G., Thomson В., Wilm M., and Mann M., Rapid Commun. Mass Spectrom., 11, 1015-1024 (1997).

4. Morris H.R., Paxton Т., Dell A., Langhom В., Berg M., Bordoli R.S., Hoyes J. and Bateman R.H. High sensitivity collisionally - activated decomposition tandem mass spectrometry on a novel quadrupole /orthogonal-acceleration time-of-flight mass spectrometer. Rapid Commun. Mass Spectrom., 10, 889-896 (1996).

5. Chemushevich I.V., Ens W., Standing K.G. Orthogonal injection TOFMS for analysis ofbiomolecules. Anal.Chem.News & Features July1, 1999, 453 A-461 A.

6. Douglas D.J., French J.B. Collisional focussing effects in radio frequency quadruples J.Am.Soc.Mass Spectrom. 3, 398-408 (1992).

7. Morris H.R., Paxton Т., Panico M., McDowel R. and Dell A., J.Prot.Chem. 16, 469-479(1997).

8. Tolmachev A.V., Chemushevich I.V., Dodonov A.F., Standing K.G., Nucl. Instrum. Methods Phys. Rev., B124, 112 (1997).

9. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика, Наука, Москва, 1965, с.119-121.

10. В.В. Разников, В.В. Зеленов, Е.В. Апарина, М.О. Разникова, А.Р. Пихтелев, И.В. Сулименков, А.В. Чудинов, Г.Н. Савенков, Л.А. Тихомиров. Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений на основе масс-спектрометрического и кинетического разделения ионов этих соединений. Патент РФ №2402099 с приоритетом от 14.07.2009 г. Выдан 20.10.2010 г. (прототип)

11. В.В. Разников, В.В. Зеленов, М.О. Разникова, А.Р. Пихтелев, И.В. Сулименков Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений при разделении ионов этих соединений в сверхзвуковом газовом потоке, направленном вдоль линейной радиочастотной ловушки. Патент РФ №2420826 от 10.06.2011.

12. В.В. Разников, В.В. Зеленов, И.В. Сулименков, А.Р. Пихтелев, М.О. Разникова, Г.Н. Савенков Способ разделения ионов органических и биоорганических соединений по приращению ионной подвижности и транспортировки этих ионов внутрь сверхзвукового газового потока. Заявка на патент РФ №2011123281 от 09.06.2011.

13. Raznikov V.V., Soulimenkov I.V., Kozlovski V.I., Pikhtelev A.R., Raznikova M.O., Horvath Т., Kholomeev A.A., Zhou Z., Wollnik H., Dodonov A.F., "Ion rotating motion in gas-filled radio-frequency quadrupole ion guide as a new technique for structural and kinetic investigations of ions". Rapid Commun. Mass Spectrom. 15, 1912-1921 (2001). (аналог)

14. Soulimenkov I.V., Kozlovski V.I., Pikhtelev A.R., Raznikov V.V., Chardakova E.V., Dodonov A.F., "A new method to the kinetics of ion decay in a radio frequency quadrupole with resonance rotational excitation", Eur. J. Mass Spectrom. 8,99-105 (2002).

15. Сулименков И.В., Козловский В.И., Пихтелев А.Р., Брусов B.C., Разников В.В., Додонов А.Ф.. Новый метод исследования кинетики распада ионов в газонаполненном радиочастотном квадруполе с резонансным вращательным возбуждением. 1. Принципы и тестирование метода на примере комплексного иона Cs[H2O]+. Масс-спектрометрия, 2(3), 2005.

16. Разников В.В., Ивашин С.В., Зеленев В.В., Апарина Е.В., Савенков Г.Н. Охлаждение ионов в сверхзвуковом газовом потоке как основа создания компактных эффективных приборов для мониторинга загрязнений окружающей среды. Известия Академии Наук «Энергетика» №5, стр.140-155, 2007.

17. Raznikov V.V, Schultz J.A., Egan T.F., Ugarov M.V., Tempez A., Savenkov G.N., Zeienov V.V. United States Patent 7,482,582, January 27,2009. Multi-Beam Ion Mobility Time-of-Flight Mass Spectrometry with Multi-Channel Data Recording.

18. Raznikov V.V., Zeienov V.V., Aparina E.V., Ivashin S.V., Savenkov G.N., Ugarov M., Tempez A., Schultz J.A. Ion cooling in adiabatic gas flow and their reflecting from coated charged conducting surface as a new way for inserting mobility separated ions into orthogonal injection TOFMS. 17-я Международная Конференция по Масс-спектрометрии, г Прага, Чехия, 27 августа - 1 сентября 2006 года.

19. Schultz J.A., Raznikov V.V., Egan T.F., Ugarov M.V., Tempez A., Raznikova M.O., Zeienov V.V., Pikhtelev A.R., Vaughn V. United States Patent 7,547,878, June 22,2009. Neutral/Ion Reactor in Adiabatic Supersonic Gas Flow for Ion Mobility Time-Of-Flight Mass Spectrometry. (аналог)

20. Raznikov V.V., Kozlovsky V.I., Dodonov A.F., Raznikova M.O. "Heating of Ions Moving in a Gas Under the Influence of a Uniform and Constant Electric Field", Rapid Commun. Mass Spectrom. 13, 370-375, 1999.

21. Разников В.В., Разникова M.O. Информационно-аналитическая масс-спектрометрия "Наука", М., 1992 г.

22. Разников В.В., Пихтелев А.Р., Разникова M.O., Лобода А.В. Новые подходы к преобразованию и анализу масс-спектрометрической и хромато-масс-спектрометрической информации. Известия Академии Наук, Энергетика, N1,1997, сс 87-106.

23. Разников В.В., Пихтелев А.Р., Разникова M.O. Анализ не полностью разрешенных масс-спектрометрических данных. Масс-спектрометрия 3(2), 2006, стр.113-130.

24. Разников В.В., Додонов А.Ф., Егоров В.А., Разникова M.O. Масс-эффузиометрический метод анализа газовых смесей. Всесоюзное науч.-техн. совещание «Разработка и применение специализированных масс-спектрометрических установок», Москва, 1983, Тезисы докладов, с.100-101.

25. Raznikov V.V., Raznikova M.O. Decomposition of charge-state distributions for better understanding ofelectrospray mass spectra ofbioorganic compounds. Part 1. Basic formalism. // European Journal of Mass Spectrometry. - 2009, v.l5, pp.367-375.

26. Веренчиков А.Н. Время-пролетная масс-спектрометрия биополимеров на основе планарных многоотражательных анализаторов Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук ИАП РАН г.Санкт-Петербург 2006 г.

27. Loboda A. United States Patent 7,459,679, December 2, 2008. Method and apparatus for mass selective axial transport using pulsed axial field. (аналог)

28. Kozlovski V.A.; Fuhrer R.; Gonin M. United States Patent Application 200080149825. June 26, 2008. Apparatus for mass analysis of ions (аналог)

29. Wells G.J. United States Patent 7,353,965 B2, April 1, 2008. Rotating excitation field in linear ion processing apparatus (аналог)

30. Makarov A.A., Syka J.E.P. United States Patent 7,507,953, March 24, 2009. Obtaining tandem mass spectrometry data for multiple parent ions in an ion population (аналог)

31. Schultz J.A.; Raznikov V. United States Patent 6,992,284 January 28, 2006. Ion mobility TOF/MALDI/MS using drift cell alternating high and low electric field.

32. Gonin M. Raznikov V., Fuhrer K., Schultz J.A., McCully M.I. United States Patent 7,291,834, November 6, 2007. Multi-anode detector with increased dynamic range for time-of-flight mass spectrometers with counting data acquisition.

33. Raznikov V.V., Raznikova M.O. Assignment of the mass number to peaks in high resolution mass spectra acquired via counting of ion Int.J.Mass Spectrom.Ion Proc. v.85, 1988,p.1-21.

34. S. Guan, A.G. Marshall, Stacked-ring electrostatic ion guide. J.Am.Soc.Mass Spectrom. 1996, 7,101-106. (аналог)

35. В.В. Разников, В.И. Козловский, И.В. Сулименков Способ разделения ионов органических и биоорганических соединений в усредненном по вращениям ионов электрическом поле секционированной цилиндрической ячейки. Заявка на патент РФ №2011123281 от 09.06.2011. (аналог)

36. Nikolaev E., Sudakov M. Ion Motion Stability Diagram For Distorted Square Waveform Trapping Voltage. Eur. J. Mass Spectrom. 8, 191-199 (2002).

37. V.V. Raznikov, A.F. Dodonov, V.V. Zelenov Disentangling the fine structure of ionization efficiency curves. Int.J.Mass Spectrom. Ion Proc. v.71 (1986) p.1-27

1. Способ анализа смесей химических соединений на основе накопления и/или поочередной селективной фрагментации совокупности различных родительских ионов в линейной радиочастотной ловушке, включающей одну или более диафрагм с отверстиями по оси ловушки, отличающийся тем, что поверхности диафрагм внутри упомянутой ловушки секционируются, и к соседним секциям прикладываются постоянные и/или переменные управляемые напряжения для создания отталкивательного эффективного потенциала для накапливаемых ионов, а фрагментация, индуцированная столкновениями накопленных ионов с атомами или молекулами буферного газа, производится возбуждением периодического движения ионов с выбранным m/z приложением к стержням ловушки переменных напряжений с частотой, близкой к резонансной для данных родительских ионов, в необходимых случаях с кратным увеличением на один или несколько периодов этого периодического движения амплитуды радиочастотного напряжения на стержнях ловушки с возможным повторением такого увеличения через времена, превышающие время выхода приосевых ионов из ловушки; при этом осуществляется регистрация изменяющихся во времени токов ионов-продуктов фрагментации и/или токов выбранных родительских ионов, что обеспечивает возможность дополнительного разделения этих родительских ионов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что линейная радиочастотная ловушка является радиочастотным квадруполем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что анализируемая газовая смесь в виде молекулярного пучка пропускается через источник электронной ионизации, расположенный перед входной диафрагмой линейной радиочастотной ловушки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что источник электронной ионизации п.3 является источником с изменяемой энергией ионизации, и переход от одной энергии ионизирующих электронов к другой может быть использован для запуска релаксации регистрируемых ионных токов с выделением экспоненциальных составляющих релаксационных кривых, что может привести к получению кривых эффективности появления индивидуальных ионов даже при их совпадении по m/z с другими ионами.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в газовый поток, поступающий в линейную радиочастотную ловушку, добавляется газовая смесь, содержащая ионы анализируемых соединений из внешнего ионного источника, например многозарядные ионы биомолекул из электроспрейного ионного источника.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что вывод ионов из приосевой зоны радиочастотного квадруполя для относительно большого диапазона отношений массы к заряду (m/z) производится возбуждением нерезонансного вращения ионов приложением к соседним стержням квадруполя сдвинутых по фазе на π/2 периодических напряжений с частотой, в несколько раз отличающихся от резонансной частоты упомянутого диапазона m/z, наиболее близкой к данной нерезонансной частоте.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что селективный вывод ионов из приосевой зоны радиочастотного квадруполя производится возбуждением близкого к резонансному вращения ионов с выбранным значением m/z приложением к соседним стержням квадруполя сдвинутых по фазе на π/2 периодических напряжений с частотой, близкой к частоте собственных колебаний или вращений этих ионов в данном поле радиочастотного квадруполя.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что эти стержни имеют круглое поперечное сечение, обеспечивая вблизи стержней значимое отклонение от идеального квадрупольного поля и соответственно сдвиг резонансных частот ионов.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что линейная радиочастотная ловушка сопряжена с времяпролетным масс-анализатором с ортогональным вводом ионов.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждением вращения, близкого к резонансному или включающего такое вращение, ионы с выбранными величинами m/z и подвижности периодически выводятся в зону возможного диффузионного контакта со стержнями квадруполя; путем изменения амплитуд, и/или частот, и/или фаз компонент воздействующего на ионы электрического поля изменяется характерное время гибели ионов, которое определяется при заданных условиях стационарного вращения подвижностью ионов, их зарядом и массой.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что при временном увеличении амплитуды радиочастотного напряжения это увеличение производится периодически, одинаковым образом и синхронизованно с периодическим запуском измерительного цикла во время-пролетном масс-спектрометре в течение всего времени измерения этих кривых и/или синхронизованно с периодическим движением выбранных ионов в квадруполе.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что при регистрации последовательных масс-спектров ионов-продуктов столкновительной фрагментации разделение вкладов в эти масс-спектры ионов-продуктов от исходных ионов, различающихся по характерным временам гибели, производится на основе вычисления статистически устойчивой матрицы перехода между эквидистантными по времени совокупностями интенсивностей пиков масс-спектров и оценки ее собственных чисел.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наличии в линейной радиочастотной ловушке фрагментирующих или гибнущих ионов с различными характерными временами гибели производится разделение сигналов от них на основе известных методов выявления экспоненциальных составляющих в экспериментальных данных.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в линейной радиочастотной ловушке входной поток ионов на время измерений запирается соответствующим потенциалом на внешней поверхности входной диафрагмы.

15. Способ по п.4, отличающийся тем, что температура системы напуска и линейной радиочастотной ловушки стабилизируется и контролируется.



 

Похожие патенты:
Метод масс-спектрометрического секвенирования пептидов и определения их аминокислотных последовательностей основан на фрагментировании в ионном источнике масс-спектрометра между соплом и скиммером молекулярных ионов пептидов под воздействием электрического поля управляемой величины и на последующем анализе масс-спектров фрагментов.

Изобретение относится к области электронной и ионной оптики и масс-спектрометрии, где используется движение заряженных частиц в статических и переменных двумерных линейных электрических полях, и может быть использовано для усовершенствования конструкций и технологий изготовления устройств пространственно-временной фокусировки и масс-разделения заряженных частиц.

Изобретение относится к области масс-анализа потоков ионов, эмиттируемых с поверхности твердого тела под воздействием первичного излучения, и может быть использовано для улучшения аналитических свойств масс-спектрометров, используемых для исследования объектов твердотельной микро- и нано-электроники методами вторично-ионной и лазерной масс-спектрометрии.

Изобретение относится к разделению ионов в линейной радиочастотной ловушке с газовым потоком вдоль оси этой ловушки на базе различий этих ионов в энергиях появления, в массах, зарядах, подвижности, сечениях захвата медленных электронов и метастабильно возбужденных частиц, а также в эффективности образования путем перезарядки на ионах буферного газа при воздействии на эти ионы переменных и постоянных электрических полей, создаваемых внутри ловушки, в том числе и зарядами ионов с относительно малыми m/z, сфокусированных вокруг оси ловушки.

Изобретение относится к области газового анализа, а именно к технике генерации заряженных ионов в воздушной среде или в других газах, и может быть использовано в качестве источника ионов в спектрометрах ионной подвижности, масс-спектрометрах и других аналитических приборах.

Изобретение относится к области оптики заряженных частиц и масс-спектрометрии, а именно к радиочастотным системам транспортировки и манипулирования заряженными частицами.

Изобретение относится к способам и устройствам, обеспечивающим анализ потоков заряженных частиц по энергиям и массам с помощью электромагнитных полей, и может быть использовано при изучении поверхностей твердых тел, для определения элементного или изотопного состава плазмы рабочего вещества.

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований, и может быть использовано в ходе натурного эксперимента для измерения элементного состава собственной внешней атмосферы космического аппарата. Технический результат - расширение диапазона исследуемых масс с увеличением разрешающей способности. Циклический масс-спектрометр газовых частиц содержит приемник ионов, три тороидальных дефлектора, блок обработки ионных спектров и заземленные сетки, дополнительно снабжен ионным источником, подключенным к блоку обработки спектров, выталкивающей сеткой, подключенной к генератору выталкивающих импульсов, отклоняющим электродом, подключенным к генератору отклоняющих импульсов, генератором отклоняющего напряжения тороидальных дефлекторов, подключенным к внешним отражающим электродам, генераторы напряжений подключены к устройству синхронизации, тороидальные дефлекторы расположены друг за другом и обеспечивают циклический пролет ионов. В пространстве дрейфа установлены выравнивающие сетки и фокусаторы, представляющие собой квадруполи или фокусирующие кольца. 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики, а именно к технологии получения заряженных частиц больших энергий, и предназначено для применения в области ядерной физики и технологии. Технический результат - повышение плотности энергии потока заряженных частиц. Способ осуществляется путем выполнения во времени последовательности процессов: генерации потока заряженных частиц, ускорения, фокусировки, замедления и дефокусировки, причем процессы в указанном порядке осуществляются периодически с частотой изменения величины магнитного поля, а вывод потока частиц на мишень происходит за счет изменения индукции магнитного поля на стационарной траектории в сторону увеличения или уменьшения. Все перечисленные процессы осуществляются под действием одного и того же переменного аксиально-симметричного магнитного поля бетатронного типа, параметры которого позволяют проводить процессы в согласованном режиме и определяются следующим образом: индукция магнитного поля в области стационарной траектории уменьшается пропорционально расстоянию ρ от оси симметрии по закону В ~ ρ-α, где α=0,5, индукция магнитного поля В0 на стационарной траектории, окружности радиуса ρ0, составляет половину среднего значения магнитного поля Bcp внутри этой окружности B0=0,5·Bcp; частота изменения В0, в зависимости от вида ускоряемых частиц - электронов или ионов, составляет ν=105-109; изменение B0 во времени подчинено условию периодичности B(t+2T)=B(t), B(t+T)=-B(t), где T=ν-1 - полупериод изменения величины индукции магнитного поля. 3 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при изготовлении спектрометров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Спектрометр содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2 генераторы СВЧ, измерительный аттенюатор 3, смеситель опорного 4 и сигнального 5 каналов, циркулятор 6, измерительный резонатор 7 с элементом перестройки его резонансной частоты 8, УПЧ опорного 9 и сигнального 10 каналов, фазочастотные дискриминаторы 11 и 12, делители частоты 13 и 14, синхронные детекторы 15 и 16, опорный генератор 17, устройство синтеза частот 18, трехпозиционный переключатель 19, импульсный модулятор фазы 20, усилитель переменного тока 21 и импульсный демодулятор 22. Технический результат - повышение точности работы системы автоподстойки частоты сигнального генератора и резонансной частоты измерительного резонатора. 1 ил.

Изобретение относится к области спектрометрии ионной подвижности. Технический результат - увеличение разрешающей способности анализатора, например, по ионной подвижности в широком диапазоне времени открывающего затвор основного импульса. Особенностями способа являются эпюры напряжений, подаваемых на электропроводящие нити затвора, или их комбинация. Применяемые эпюры напряжений или их комбинация позволяют сузить ионный пакет (импульс) по времени на полувысоте за счет «поджатия» заднего фронта ионного пакета и увеличить его интенсивность, не влияя на состояние заряженных частиц. 9 ил.
Наверх