Различные типы масс-анализаторов
В настоящее время используются пять типов масс-анализаторов: магнитный сектор, квадрупольный масс-фильтр, квадрупольная ионная ловушка, время-пролетные и ионно-циклотронные резонансные устройства. В 2005 году появился коммерческий прибор, в котором используется принцип орбитальной ловушки, обладающий по многим параметрам рекордными показателями. Детектирование ионов после масс-анализа может осуществляться с помощью деструктивных и не деструктивных методик (см. ниже). Современные масс-спектрометры полностью управляются компьютерами, а для обработки и интерпретации данных используются специальные программы. Напомним читателю, что магнитным анализатором природного происхождения является магнитное поле Земли, являющееся ловушкой огромного количества космических заряженных частиц высоких энергий.
Масс-спектрометры с одиночной и двойной фокусировкой
В инструментах с одним фокусировочным сектором ионы с массой m, зарядом z и определенной кинетической энергией помещаются в магнитное поле B. Как было отмечено ранее, при заданных значениях B, V и z ионы с различными массами будут двигаться по траекториям с различными радиусами r.
а) б)
Рис. 8.2. Общая схема масс-спектрометра с одной фокусировкой, основанного на принципе а) электромагнитного анализатора и б) электростатического анализатора
Смеси ионов с большим диапазоном масс будет соответствовать траектории с различными радиусами. Поэтому определение масс-спектра такой смеси требует большого числа детекторов. На практике проблему можно решить, если заставить все ионы следовать по траекториям с одинаковым радиусом. Этого можно добиться двумя способами. В электромагнитном анализаторе (английская аббревиатура ЕМА) используются электромагниты, позволяющие изменять магнитное поле B таким образом, чтобы ионы с разными массами, но с одинаковой скоростью, следовали по заданному радиусу (рис. 8.2 а). В электростатическом анализаторе (английская аббревиатура ESA) ускоряющее напряжение V изменяют так, чтобы разгонять ионы с разными массами до различных конечных скоростей u (рис. 8.2 б). Отметим, что масс-спектрометр с одиночной фокусировкой обладает ограниченным массовым диапазоном и низким разрешением.
В масс-спектрометрах с двойной фокусировкой используется комбинация ESA и ЕМА (рис. 8.3). В таком приборе обе траектории пересекаются в одной точке. Инструменты с двойной фокусировкой обладают намного бóльшим разрешением, чем одиночные.
Рис. 8.3. Общая схема масс-спектрометра с двойной фокусировкой
Квадрупольный масс-фильтр
Разделение масс в линейном квадрупольном масс-фильтре (общепринятая английская аббревиатура Q) основано на достижении стабильной траектории для ионов с определенными значениями m/z в быстро меняющемся электрическом поле. Квадрупольный масс-фильтр состоит из четырех цилиндрических стержней круглого сечения, как показано на рисунке 8.4. К одной паре диагонально расположенных стержней прикладывается постоянное отрицательное напряжение и переменное напряжение. К другой паре постоянное напряжение с противоположной полярностью и переменное напряжение с разностью фаз в (180о). Разделение масс происходит при изменении постоянного и переменного напряжений, при сохранении постоянства их отношения. При данных характеристиках поля только траектории ионов с определенными массами будут стабильными, они и попадут в детектор. Ионы с нестабильными траекториями не пройдут сквозь стержни, поэтому такое устройство и называется фильтром.
Рис. 8.4. Схема линейного квадрупольного масс-фильтра. Для сканирования значений m/z от 1 до 500, постоянное напряжение варьируют между 0 и 300 В, а переменное напряжение – от 0 до 1500 В. Частота переменного поля находится в мегагерцовом диапазоне
Одно из преимуществ квадрупольного масс-фильтра заключается в низком напряжении, прилагаемом к источнику ионов (5-20 В), по сравнению с несколькими кВ в ESА-приборах. Низкое напряжение, к тому, же делает более простым соединение инструмента с жидкостным хроматографом.
С введением в практику квадрупольных масс-фильтров масс-спектрометры уменьшились в размерах, стали проще в эксплуатации и, что самое главное, намного дешевле, чем спектрометры с магнитами, что открыло возможность использовать этот аналитический метод многим тысячам пользователей.
К недостаткам анализаторов данного типа можно отнести не очень широкий диапазон масс (до максимального значения m/z = 3000-4000) и плохую совместимость с методом MALDI.