Типы ионизации.

Электронный удар (Electron impact, EI)

Химическая ионизация (Chemical ionization, CI)

Полевая ионизация (Field ionization)

Электрораспылительная ионизация (Electrospray ionization, ESI) и её вариант – электрораспылительная ионизация с нагреваемым капилляром (Heated electrospray ionization, HESI)

Химическая ионизация при атмосферном давлении (Atmospheric pressure chemical ionization, APCI)

Матрично-активированная лазерная десорбрция/ионизация (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization, MALDI)

Подробно о каждом типе ионизации можно прочитать в учебнике Лебедева – «масс-спектрометрия в органической химии».

Виды масс-анализаторов.

Time-of-flight (TOF) – времяпролетный масс-анализатор. Наиболее распространенный масс-анализатор высокого разрешения. Точность определяемых масс колеблется от 3 до 5 знака после запятой. Так от чего же это зависит? Почему получается такой большой разброс? Все очень просто: из названия Вы уже поняли, что принцип его работы – время прохождения определенного пути. Именно этот путь и определит разрешающую способность.

Рассмотрим несколько архитектур времяпролетных масс-анализаторов (иллюстрации взяты из презентации А. Т. Лебедева):

1. Длина пути 1.25 м.

линзы

зеркало

зеркало

2. Длина пути 20 м (высокое разрешение)

3. Длина пути 40 м и более (сверхвысокое разрешение)

Ярким представителем сверхвысокого разрешения является Leko Pegasus.

Как видно из представленных выше иллюстраций, длина пробега – получается достаточно высокой именно за счет переотражений.

Итак, для чего же нужны времяпролетные масс-анализаторы? В первую очередь для определения точной молекулярной массы соединений. Однако никто не говорит, что нельзя их использовать для анализа фрагментов. Только стоит помнить, что скорость сканирования будет низкой и ждать такой же точности, как и при сканировании 1 единицы масс – не стоит.

Но все ли так хорошо с TOF? Отнюдь. Времяпролетник крайне чувствителен к перепадам температур даже на 1 градус. Это проявляется в том, что начинает «плыть» шкала масс. Современные времяпролетники имеют внутреннюю калибровку. Т.е. в состав подвижной фазы входит компонент, который является также и стандартом, таким образом, прибор в процессе реального времени калибрует шкалу масс. Однако не все приборы на это способны, кроме того, это спасает лишь при малых колебаниях температуры. В идеальном случае прибор должен стоять в помещении с прецизионным кондиционером, а оператор должен зайти лишь для того, чтобы поставить пробы в автосамплер, после чего закрыть дверь и дать устояться температуре. Также категорически запрещены сквозняки. Например, у Брукер «труба» направлена вверх. Это экономит пространство на столе, но делает прибор чувствительным к сквознякам.

Кроме того, некоторые могут подумать, что чем больше длина пути, тем лучше. На самом деле, это довольно спорно, поскольку чем больше длина пути, тем больше дискриминация тяжелых масс, ведь больше длина пути.

Орбитальная ловушка – ионы через систему ионной оптики попадают в линейную квадрупольную ловушку FINNIGAN LTQ , которая может работать как отдельный прибор, детектируя ионы двумя вторично-электронными умножителями, расположенными ортогонально к оси квадрупольной ловушки. Этот прибор обладает рядом преимуществ, может эффективно работать в режиме МСⁿ, выполнять множественные функции зависимых от данных сканирований и автоматически регулировать число ионов в ловушке с помощью уникальной функции AGC (Automated Gain Control).

Все или отобранные ионы выбрасываются из линейной ловушки в аксиальном направлении и направляются квадрупольной ионной линзой в ловушку, назваемую C-Trap. Эта ловушка заполняется сухим газом (азот) при давлении менее 1 мТорр. На электроды С-ловушки подается потенциал, таким образом, что ионы сжимаются в плотный пакет и этот пакет ускоряется ионно-оптическими электродами и выталкивается в орбитальную ловушку.

Пакет ионов влетает в ионную ловушку в точке, отстоящей от ее центра, закручиваются электрическим полем вокруг центрального электрода и начинают когерентно осциллировать вдоль оси ловушки без какого-либо дополнительного возбуждения. Все ионы в орбитальной ловушке будут осциллировать с одинаковыми амплитудами, но частота осцилляций будет зависеть от отношения массы к заряду в соответствии со следующим уравнением:

Ионизация образца происходит в источнике IonMax в режиме электроспрея (ESI), химической ионизации при атмосферном давлении (APCI), атмосферной фотоионизации (APPI) или MALDI. 

Все иллюстрации взяты с сайта http://www.textronica.com/

Существенным недостатком орбитальной ловушки является её высокая стоимость. Кроме того, скорость сканирования при разрешении в 1 млн составляет около 2 Гц, что крайне мало. Однако больше никто не может предложить лучшее разрешение (на сегодняшний день).

Ионно-циклотронный резонанс – при возбуждении, захваченные в ловушку ионы начинают радиальное движение от центральной оси цилиндрической ячейки и закручиваются в круговое движение. Возбуждение ионов осуществляется за счет приложения радиочастотного напряжения к возбуждающим электродам ячейки. Результирующая частота ионно-циклотронного движения зависит от отношения массы иона к его заряду и силы магнитного поля.

При этом на электродах возникает изображение тока всех ионов (наведенный ток или образ тока), циркулирующих в ячейке, которое может быть записано. Каждый ион вращается в ячейке с индивидуальной частотой и различные частоты анализируются и извлекаются из общего сигнала с помощью преобразования Фурье, а результирующий частотный спектр конвертируется в масс-спектр с использованием известного соотношения частоты и массы.

Ионы захватываются ячейкой за счет потенциалов, прикладываемых к электродам, показанным синим цветом. Радиочастоное напряжение, прикладываемое к цилиндрическим электродам, вызывает циклотронное движение ионов.

Ионы, движущиеся в ячейке по циклическим орбитам с циклотронной частотой, индуцируют на цилиндрических электродах "образ тока"

Множество ионов образуют сложный частотный сигнал.

Преобразование Фурье выделяет каждую индивидуальную частоту и с помощью простой формулы пересчитывает ее в величну отношения массы к заряду.

Принципиальная схема масс-спектрометра ионно-циклотронного резонанса с Фурье преобразованием сигнала:

Иллюстрации и материалы взяты с сайта http://www.textronica.com/

Ионная ловушка – принцип действия ионной ловушки сравнительно прост и представлен на рисунке ниже.

Определяемые соединения ионизируются, после чего они попадают в камеру ловушки, где под действием закрывающих и кольцевых электродов вращаются, тем самым имея определенное «время жизни». Прикладывая к ним определенное напряжение можно получать и регистрировать масс-спектры n-го поколения (1, 2, 3, …, n).

Основные преимущества: MSⁿ и стоимость.

Квадруполь – данный тип масс-анализаторов наиболее распространен. Это обуславливается его относительно невысокой стоимостью, надежностью, простотой обслуживания. Разберемся в том, как устроены квадрупольные масс-анализаторы. Принципиальная схема приведена на рисунке ниже.

Итак, опустим процесс хроматографического разделения и перейдем непосредственно к детектированию. Вещества, пройдя через transfer line (интерфейс) попадают в камеру ионизации (ионный объем). Мы будем рассматривать ионизацию посредством электронного удара (electron impact, EI). Основная задача ионной скиммера, ионной оптики, предквада и квадруполя – сохранить фокусировку ионного пучка, отсеяв при этом лишнее.

Теперь немного об ионном источнике. Для чего же он нужен? Что такое репеллер? Если в двух словах, то именно там и протекает ионизация. Под действием температуры и высокого напряжения и протекает ионизация. В случае электронного удара энергия коллизии составляет 70 эВ. Именно при этой энергии сняты все библиотечные спектры. Чем выше энергия – тем сильнее фрагментация, тем выше сечение ионизации, можете подумать Вы. Отчасти это правда. Только когда речь идет об энергии до 70-80 эВ. Далее наблюдается падение сечения ионизации.

При низких же значениях энергии коллизии и фрагментация минимальна.

Однако стоит помнить, что в ряде случаев и при 70 эВ фрагментация будет минимальна и неинформативна, это может быть обусловлено структурой соединений. Как пример – некоторые ɑ-аминоарилкетоны дают малоинформативные спектры ЭУ.

Triple quadrupole (тройной квадруполь) – эти системы стали очень популярны в последние 5 лет, несмотря на то, что опытные образцы известны больше 10 лет. На это есть несколько причин, основной, конечно же, является их стоимость. Сейчас наблюдается тенденция к удешевлению тройных квадруполей и падению цен на single quad системы. Вероятно, со временем они совсем исчезнут. Ведь если подумать – 4 года назад обычный квадруполь с хроматографом стоили порядка 6-7 млн, а сегодня можно купить неплохую систему за 2.5-3 млн с набором расходников на пару лет.

Вернемся к теме обсуждения. Итак, в плане устройства эти приборы до боли похожи на обычные квадруполи, что абсолютно логично. На рисунках ниже представлены несколько изображений, иллюстрирующих устройство и принцип работы тройного квадруполя:

Архитектура МС/МС систем Thermo

Bruker Scion TQ в разрезе (предоставлено Bruker Daltonics)

Итак, на представленных рисунках Вы можете увидеть, что начальная часть у всех абсолютно одинаковая: источник ионизации, ионная оптика, предварительный квадруполь, 1-ый квадруполь. Различия начинаются дальше: на сегодняшний день применяются 3 варианта геометрии второго квадруполя (октаполя/гексаполя), который в дальнейшем мы будем называть просто ячейкой соударений. 1-ый вариант: линейная архитектура. Подобные приборы выпускает Shimadzu, Agilent. Существенный недостаток таких систем – их размер. Он сравним с хорошим TOF’ом. Кроме того, для улучшения соотношения сигнал/шум (S/N, signal/noise) увеличивается число линз в ионной оптике, а это значит, что прибор становится сложнее. 2-ой вариант: ячейка соударений изогнута на 90^о. Такая архитектура очень распространена, применяется у AB Sciex, Thermo Fisher Scientific и у новой линейки Shimadzu. За счет изогнутой ячейки удается улучшить соотношение сигнал/шум, несколько упростить ионную оптику без ущерба разрешающей способности прибора. Именно такая архитектура представлена на первой картинке. И, наконец, последний вариант: ячейка соударений, повернутая на 180^о. Эта архитектура используется компанией Bruker в приборе Scion TQ. Сам прибор «в разрезе» Вы можете увидеть на рисунке 2. Итак, что же происходит в ячейке соударений? Для чего она нужна и к чему такие ухищрения? Обратите внимание на рисунок ниже: