Времяпролетная масс-спектрометрия

редактировать

метод масс-спектрометрии

Времяпролетный масс-спектрометр с лазерной ионизацией, в котором ионы ускоряются и разделяются по массе в области дрейфа без поля перед обнаружением.

Времяпролетный масс-спектрометр Bendix MA-2, 1960-е годы

Времяпролетная масс-спектрометрия (TOFMS) - метод масс-спектрометрия, в которой отношение массы иона к заряду иона определяется посредством измерения времени пролета. Ионы ускоряются электрическим полем известной силы. Это ускорение приводит к тому, что ион имеет такую же кинетическую энергию, что и любой другой ион с таким же зарядом. Скорость иона зависит от отношения массы к заряду (более тяжелые ионы с одинаковым зарядом достигают более низких скоростей, хотя ионы с более высоким зарядом также увеличивают скорость). Затем измеряется время, за которое ион достигает детектора на известном расстоянии. Это время будет зависеть от скорости иона и, следовательно, является мерой его отношения массы к заряду. По этому соотношению и известным экспериментальным параметрам можно идентифицировать ион.

Содержание

1 Теория
2 Отложенная экстракция
3 Reflectron TOF
4 Ионный строб
5 Время пролета с ортогональным ускорением
6 Времяпролетная масса с преобразованием Адамара спектрометрия
7 Тандемное времяпролетное
8 Детекторы
9 Приложения
10 История области
11 Ссылки
12 Библиография
13 Внешние ссылки

Теория

Рисунок из патента TOF Уильяма Э. Стивенса 1952 года.

потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле связана с зарядом частицы и силой электрического поля:

E p = q U {\ displaystyle E _ {\ mathrm {p}} = qU \,}

E _ {{\ mathrm {p}}} = qU \,

(1)

где E p - потенциальная энергия, q - заряд частица, а U - разность электрических потенциалов (также известная как напряжение).

Когда заряженная частица ускоряется во времяпролетной трубе (TOF-трубе или пролетной трубе) напряжением U, ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Кинетическая энергия любой массы равна:

E k = 1 2 mv 2 {\ displaystyle E _ {\ mathrm {k}} = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2 }}

E _ {{\ mathrm {k}}} = {\ frac {1} {2}} mv ^ { {2}}

(2)

Фактически, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, что означает, что уравнения (1) и (2) равны

E p = E k {\ displaystyle E _ {\ mathrm {p}} = E _ {\ mathrm {k}} \,}

E _ {{\ mathrm {p}}} = E _ {{\ mathrm {k}}} \,

(3)

q U = 1 2 mv 2 {\ displaystyle qU = {\ frac {1} {2} } mv ^ {2} \,}

qU = {\ frac {1} {2}} mv ^ {{2}} \,

(4)

скорость заряженной частицы после ускорения не изменится, так как она движется в бесполевой времяпролетной трубе. Скорость частицы может быть определена во времяпролетной трубке, поскольку длина пути (d) полета иона известна, а время полета иона (t) может быть измерено с помощью или время в цифровой преобразователь.

Таким образом,

v = dt {\ displaystyle v = {\ frac {d} {t}} \,}

v = {\ frac {d} {t}} \,

(5)

и мы замените значение v в (5) на (4).

q U = 1 2 м (dt) 2 {\ displaystyle qU = {\ frac {1} {2}} m \ left ({\ frac {d} {t}} \ right) ^ {2} \,}

qU = {\ frac {1} {2}} m \ left ({\ frac {d} {t}} \ right) ^ {{2}} \,

(6)

Изменение порядка (6) так, чтобы время полета выражалось всем остальным:

t 2 = d 2 2 U mq {\ displaystyle t ^ {2} = {\ frac {d ^ {2}} {2U}} {\ frac {m} {q}} \,}

t ^ {{2}} = {\ frac {d ^ {{2}}} {2U}} {\ frac {m} {q}} \,

(7)

Взяв квадратный корень, получаем время

t = d 2 U mq {\ displaystyle t = {\ frac {d} {\ sqrt {2U}}} {\ sqrt {\ frac {m} {q}}} \,}

t = {\ frac {d} {{\ sqrt {2U}}}} {\ sqrt {{\ frac {m} {q}}}} \,

(8)

Эти факторы для времени полета сгруппированы намеренно. $d 2 U {\ displaystyle {\ frac {d} {\ sqrt {2U}}}}$ ${\ frac {d} {{\ sqrt {2U}}}}$ содержит константы, которые в принципе не меняются, когда набор ионов анализируется за один импульс ускорения. (8), таким образом, можно представить как:

t = kmq {\ displaystyle t = k {\ sqrt {\ frac {m} {q}}} \,}

t = k {\ sqrt {{\ frac {m} {q} }}} \,

(9)

где k - константа пропорциональности, представляющая факторы, связанные с настройками и характеристиками прибора.

(9) более ясно показывает, что время полета иона изменяется в зависимости от квадратного корня из его отношения массы к заряду (м / q).

Рассмотрим реальный пример MALDI времяпролетного масс-спектрометра, который используется для получения масс-спектра триптические пептиды белка . Предположим, что масса одного триптического пептида составляет 1000 дальтон (Да ). Тип ионизации пептидов, продуцируемых MALDI, обычно составляет +1 ион, поэтому q = e в обоих случаях. Предположим, что прибор настроен на ускорение ионов при потенциале U = 15000 в (15 киловольт или 15 кВ). И предположим, что длина летной трубы составляет 1,5 метра (типовая). Все факторы, необходимые для расчета времени пролета ионов, теперь известны для (8), которое оценивается первым для иона массой 1000 Да:

t = 1,5 м 2 (15000 В) (1000 Д а) (1,660538921 × 10–27 кг D a - 1) + 1,602 × 10–19 C {\ displaystyle t = {\ frac {1.5 \; \ mathrm {m}} {\ sqrt {2 (15000 \; \ mathrm {V})}}} {\ sqrt {\ frac {(1000 \; \ mathrm {Da}) (1.660538921 \ times 10 ^ {- 27} \; \ mathrm {kg \; Da} ^ {- 1}) } {+ 1.602 \ times 10 ^ {- 19} \; \ mathrm {C}}}}}

t = {\ frac {1.5 \; {\ mathrm {m}}} {{\ sqrt {2 (15000 \; {\ mathrm {V}})}}}} { \ sqrt {{\ frac {(1000 \; {\ mathrm {Da}) }) (1.660538921 \ times 10 ^ {{- 27}} \; {\ mathrm {kg \; Da}} ^ {{- 1}})} {+ 1.602 \ times 10 ^ {{- 19}} \; {\ mathrm {C}}}}}}

(10)

Обратите внимание, что массу нужно было преобразовать из дальтонов (Да) в килограммы (кг), чтобы можно было оценить уравнение в надлежащих единицах измерения. Окончательное значение должно быть в секундах:

t = 2.792 × 10-5 s {\ displaystyle t = 2.792 \ times 10 ^ {- 5} \; \ mathrm {s}}

t = 2,792 \ times 10 ^ {{- 5}} \; {\ mathrm {s}}

, что составляет примерно 28 <129.>микросекунд. Если бы существовал однозарядный триптический пептидный ион с массой 4000 Да, и он в четыре раза больше массы 1000 Да, потребовалось бы вдвое больше времени, или около 56 микросекунд, чтобы проходят через пролетную трубу, поскольку время пропорционально квадратному корню из отношения массы к заряду.

Отсроченная экстракция

Массовое разрешение может быть улучшено с помощью аксиального масс-спектрометра MALDI -TOF, где образование ионов происходит в вакууме, позволяя начальный выброс ионов и нейтралов, производимых лазерный импульс, чтобы уравновесить и позволить ионам пройти некоторое расстояние перпендикулярно пластине с образцом, прежде чем ионы смогут ускориться в пролетную трубу. Уравновешивание ионов в плазменном шлейфе, образующемся во время десорбции / ионизации, происходит примерно за 100 нс или меньше, после чего большинство ионов независимо от их массы начинают двигаться от поверхности с некоторой средней скоростью. Чтобы компенсировать разброс этой средней скорости и улучшить разрешение по массе, было предложено задерживать извлечение ионов из ионного источника в сторону пролетной трубы на несколько сотен наносекунд до нескольких микросекунд по сравнению с началом короткого (обычно, несколько наносекунд) лазерный импульс. Этот метод называется «запаздывающей фокусировкой» для ионизации атомов или молекул с помощью многофотонной ионизации с усилением резонанса или ионизацией электронным ударом в разреженном газе и «отложенной экстракцией» для ионы, получаемые, как правило, путем лазерной десорбции / ионизации молекул, адсорбированных на плоских поверхностях, или микрокристаллов, размещенных на проводящей плоской поверхности.

Отложенное извлечение обычно относится к режиму работы вакуумных источников ионов, когда возникновение электрического поля, отвечающего за ускорение (извлечение) ионов в пролетную трубу, задерживается на некоторое короткое время (200–500 нс). по отношению к событию ионизации (или десорбции / ионизации). Это отличается от случая постоянного поля экстракции, когда ионы мгновенно ускоряются после образования. Отсроченная экстракция используется с ионными источниками MALDI или (LDI), где ионы, подлежащие анализу, образуются в расширяющемся шлейфе, движущемся от пластины для образцов с высокой скоростью (400–1000 м / с). Поскольку толщина ионных пакетов, поступающих в детектор, важна для разрешения по массе, при первом осмотре может показаться нелогичным допускать дальнейшее расширение ионного шлейфа перед извлечением. Отсроченное извлечение больше похоже на компенсацию начального импульса ионов: оно обеспечивает одинаковое время прибытия в детектор для ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными начальными скоростями.

При отложенном извлечении ионов, образовавшихся в вакууме, ионы, которые имеют меньший импульс в направлении извлечения, начинают ускоряться при более высоком потенциале из-за того, что они находятся дальше от пластины извлечения, когда поле извлечения включено. И, наоборот, ионы с большим прямым импульсом начинают ускоряться при более низком потенциале, поскольку они находятся ближе к пластине вывода. На выходе из области ускорения более медленные ионы в задней части факела будут ускоряться до большей скорости, чем первоначально более быстрые ионы на фронте факела. Таким образом, после отложенного извлечения группа ионов, которая покидает ионный источник раньше, имеет более низкую скорость в направлении ускорения по сравнению с некоторой другой группой ионов, которая покидает ионный источник позже, но с большей скоростью. При правильной настройке параметров ионного источника более быстрая группа ионов догоняет более медленную на некотором расстоянии от ионного источника, поэтому пластина детектора, размещенная на этом расстоянии, обнаруживает одновременное прибытие этих групп ионов. В своем роде отложенное приложение поля ускорения действует как одномерный элемент фокусировки времени пролета.

Reflectron TOF

Reflectron TOF MS Схема

Двухступенчатый рефлектрон от прибора Shimadzu IT-TOF. 46 металлических пластин несут напряжение, которое создает градиент потенциала.

Распределение кинетической энергии в направлении полета иона можно скорректировать с помощью рефлектрона. Рефлектрон использует постоянное электростатическое поле для отражения ионного луча к детектору. Более энергичные ионы проникают глубже в рефлектрон и проходят немного более длинный путь к детектору. Менее энергичные ионы с таким же отношением массы к заряду проникают в рефлектрон на меньшее расстояние и, соответственно, на более короткий путь к детектору. Плоская поверхность ионного детектора (обычно микроканальная пластина, MCP) размещается в плоскости, где ионы с одинаковым m / z, но с разными энергиями прибывают в одно и то же время, считая по отношению к началу импульс извлечения в ионном источнике. Точку одновременного прибытия ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными энергиями часто называют времяпролетным фокусом. Дополнительным преимуществом схемы re-TOF является то, что при заданной длине прибора TOF достигается удвоенная траектория полета.

Ионный строб

A Затвор Брэдбери – Нильсена - это тип ионного затвора, который используется в масс-спектрометрах TOF и в спектрометрах подвижности ионов, а также преобразовании Адамара TOF масс-спектрометры. Затвор Брэдбери – Нильсена идеален для селектора ионов с быстрой синхронизацией (TIS) - устройства, используемого для выделения ионов в узком диапазоне масс в тандемных (TOF / TOF) масс-спектрометрах MALDI.

Ортогональное ускорение по времени пролета.

Agilent 6210 электроспрей ионизационный ортогональный времяпролетный масс-спектрометр (справа) и ВЭЖХ (слева)

Схема масс-спектрометра с ортогональным ускорением времени полета: 20 - ионный источник; 21 - ионный транспорт; 22 - летная труба; 23 - запорный клапан; 24 - пластина отпугивателя; 25 - сетки; 26 - область разгона; 27 - рефлектрон; 28 - детектор.

Непрерывные источники ионов (чаще всего электрораспылительная ионизация, ESI) обычно подключаются к TOF масс-анализатору посредством «ортогональной экстракции», при которой ионы, введенные в TOF-масс-анализатор, ускоряются вдоль ось перпендикулярна их начальному направлению движения. Ортогональное ускорение в сочетании со столкновительным ионным охлаждением позволяет разделить образование ионов в ионном источнике и масс-анализ. С помощью этого метода можно достичь очень высокого разрешения для ионов, произведенных в источниках MALDI или ESI. Перед входом в область ортогонального ускорения или в генератор импульсов ионы, произведенные в непрерывных (ESI) или импульсных (MALDI) источниках, фокусируются (охлаждаются) в пучок диаметром 1-2 мм путем столкновения с остаточным газом в многополюсных радиоводах. Система электростатических линз, установленных в области высокого вакуума перед генератором импульсов, делает луч параллельным, чтобы минимизировать его расходимость в направлении ускорения. Комбинация ионно-столкновительного охлаждения и ортогонального ускорения TOF обеспечила значительное увеличение разрешения современных TOF MS с нескольких сотен до нескольких десятков тысяч без снижения чувствительности.

времяпролетная масс-спектрометрия с преобразованием Адамара

времяпролетная масс-спектрометрия с преобразованием Адамара времяпролетная масс-спектрометрия (HT-TOFMS) - это режим масс-анализа, используемый для значительного увеличения отношения сигнал-шум коэффициент обычного TOFMS. В то время как традиционный TOFMS анализирует один пакет ионов за раз, ожидая, пока ионы достигнут детектора, прежде чем ввести другой ионный пакет, HT-TOFMS может одновременно анализировать несколько ионных пакетов, перемещающихся в летной трубе. Пакеты ионов кодируются путем быстрой модуляции передачи ионного пучка, так что более легкие (и, следовательно, более быстрые) ионы из всех первоначально выпущенных пакетов массы из пучка опережают более тяжелые (и, следовательно, более медленные) ионы. Этот процесс создает перекрытие многих распределений времени пролета, свернутых в виде сигналов. Затем алгоритм преобразования Адамара используется для выполнения процесса деконволюции, который помогает обеспечить более быструю скорость хранения масс-спектров, чем традиционные TOFMS и другие сопоставимые инструменты разделения масс.

Тандемное время пролета

TOF / TOF, ионы ускоряются до первой TOF, а масса вводится в ячейку столкновений; ионы фрагментов разделяются во втором TOF.

Тандемное время пролета (TOF / TOF ) - это метод тандемной масс-спектрометрии, в котором два времени прохождения полетные масс-спектрометры используются последовательно. Для регистрации полного спектра предшественников (родительских) ионов TOF / TOF работает в режиме МС. В этом режиме энергия импульсного лазера выбирается немного выше начала MALDI для конкретной используемой матрицы, чтобы обеспечить компромисс между выходом ионов для всех родительских ионов и уменьшенной фрагментацией тех же ионов. При работе в тандемном (MS / MS) режиме энергия лазера значительно превышает пороговое значение MALDI. Первый масс-спектрометр TOF (в основном, пролетная трубка, которая заканчивается синхронизированным селектором ионов) изолирует ионы-предшественники по выбору с использованием скоростного фильтра, обычно типа Брэдбери-Нильсена, а второй TOF-MS (который включает пост ускоритель, пролетная трубка, ионное зеркало и детектор ионов) анализирует ионы-фрагменты. Фрагментные ионы в MALDI TOF / TOF возникают в результате распада ионов-предшественников, колебательно возбужденных выше их уровня диссоциации в источнике MALDI (распад после источника). Дополнительная ионная фрагментация, реализованная в высокоэнергетической ячейке столкновений, может быть добавлена к системе для увеличения скорости диссоциации колебательно-возбужденных ионов-предшественников. Некоторые конструкции включают гасители сигналов прекурсоров как часть второй TOF-MS для уменьшения мгновенной токовой нагрузки на ионный детектор.

Детекторы

Времяпролетный масс-спектрометр (TOFMS) состоит из масс-анализатора и детектора. Источник ионов (импульсный или непрерывный) используется для лабораторных экспериментов TOF, но не требуется для анализаторов TOF, используемых в космосе, где ионы обеспечивают солнце или планетарные ионосферы. Масс-анализатор TOF может быть линейной пролетной трубкой или рефлектроном. Детектор ионов обычно состоит из детектора с микроканальной пластиной или быстрого умножителя вторичной эмиссии (SEM), где первая пластина преобразователя (динод ) является плоской. Электрический сигнал детектора регистрируется с помощью временного преобразователя в цифровой (TDC) или быстрого аналого-цифрового преобразователя (ADC). ВМТ в основном используется в сочетании с инструментами TOF с ортогональным ускорением (oa).

Цифро-временные преобразователи регистрируют приход одного иона в дискретные временные интервалы; комбинация порогового запуска и дискриминатор постоянной доли (CFD) различает события шума и прихода ионов. CFD преобразует несколько наносекундных электрических импульсов гауссовой формы разной амплитуды, генерируемых на аноде MCP, в импульсы общей формы (например, импульсы, совместимые с логической схемой TTL), отправленные в TDC. Использование CFD обеспечивает момент времени, соответствующий положению максимума пика, независимо от изменения амплитуды пика, вызванного изменением усиления MCP или SEM. Быстрые CFD обычно имеют мертвое время в несколько наносекунд, что предотвращает повторное срабатывание одного и того же импульса.

TDC - это детектор счета ионов - он может быть чрезвычайно быстрым (с разрешением до нескольких пикосекунд), но его динамический диапазон ограничен из-за его неспособности правильно подсчитывать события, когда в детектор одновременно попадает более одного иона. Результатом ограниченного динамического диапазона является то, что количество ионов, обнаруживаемых в одном спектре, несколько невелико. Эту проблему ограниченного динамического диапазона можно решить, используя конструкцию многоканального детектора: массив мини-анодов, прикрепленных к общему стеку MCP, и несколько CFD / TDC, где каждый CFD / TDC записывает сигналы от отдельного мини-анода. Для получения пиков со статистически приемлемой интенсивностью подсчет ионов сопровождается суммированием сотен индивидуальных масс-спектров (так называемое гистограммирование). Для достижения очень высокой скорости счета (ограниченной только длительностью отдельного спектра TOF, которая может достигать нескольких миллисекунд в многолучевых установках TOF), используется очень высокая частота повторения извлечения ионов в трубку TOF. Коммерческие масс-анализаторы TOF с ортогональным ускорением обычно работают с частотой повторения 5–20 кГц. В комбинированных масс-спектрах, полученных суммированием большого количества событий обнаружения отдельных ионов, каждый пик представляет собой гистограмму , полученную путем суммирования значений в каждой отдельной ячейке. Поскольку регистрация прихода отдельных ионов с помощью TDC дает только одну временную точку (например, временной интервал, соответствующий максимуму электрического импульса, генерируемого в событии обнаружения одного иона), TDC исключает часть ширины пика в комбинированных спектрах определяется ограниченным временем отклика детектора МКП. Это способствует лучшему массовому разрешению.

Современные сверхбыстрые аналого-цифровые преобразователи 8 Гвыб / сек оцифровывают импульсный ионный ток от детектора MCP через дискретные интервалы времени (125 пикосекунд). Типичный 8-битный или 10-битный АЦП 8 ГГц имеет гораздо более высокий динамический диапазон, чем TDC, что позволяет использовать его в приборах MALDI-TOF с его высокими пиковыми токами. Для записи быстрых аналоговых сигналов от детекторов MCP необходимо тщательно согласовать импеданс анода детектора с входной схемой АЦП (предусилитель ), чтобы минимизировать эффект «звона». Массовое разрешение в масс-спектрах, записанных с помощью сверхбыстрого АЦП, может быть улучшено за счет использования детекторов MCP с малыми порами (2-5 микрон) с более коротким временем отклика.

Приложения

Матричная лазерная десорбционная ионизация (MALDI) - это метод импульсной ионизации, который легко совместим с TOF MS.

Атомно-зондовая томография также использует преимущества масс-спектрометрии TOF.

Фотоионная спектроскопия совпадений фотоэлектронов использует мягкую фотоионизацию для выбора внутренней энергии ионов и масс-спектрометрию TOF для анализа масс.

В масс-спектрометрии вторичных ионов обычно используются масс-спектрометры TOF, чтобы обеспечить параллельное обнаружение различных ионов с высокой разрешающей способностью по массе.

История области

О раннем времяпролетном масс-спектрометре, названном Velocitron, сообщили AE Cameron и DF Eggers Jr, работающие в Y-12 National Комплекс безопасности, в 1948 году. Идея была предложена двумя годами ранее, в 1946 году, У.Э. Стивенсом из Пенсильванского университета на пятничной дневной сессии собрания в Массачусетсе. Технологический институт, Американское физическое общество.