Ионная воронка
В масс-спектрометрии — ионная воронка это устройство, используемое для фокусировки пучка ионов с помощью серии сложенных друг на друга кольцевых электродов с уменьшающимся внутренним диаметром. комбинированная радиочастота и фиксированный электрический потенциал . К сетям подается [ 1 ] [ 2 ] В масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением (ESI-MS) ионы создаются при атмосферном давлении, но анализируются при последующем более низком давлении. Ионы могут теряться, когда они перемещаются из областей с более высоким давлением в область с более низким из-за процесса передачи, вызванного явлением, называемым джоулевым расширением или «расширением свободной струи». Эти ионные облака расширяются наружу, что ограничивает количество ионов, попадающих в детектор, поэтому анализируется меньше ионов. Ионная воронка эффективно перефокусирует и переносит ионы из областей с высоким давлением в область низкого. [ 3 ]
История
[ редактировать ]Первая ионная воронка была создана в 1997 году в Лаборатории молекулярных наук Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории исследователями из Ричарда Д. Смита лаборатории . Ионная воронка была внедрена для замены скиммера с ограниченным пропусканием ионов для более эффективного захвата ионов в источнике ESI. [ 4 ] Многие характеристики ионной воронки приписываются многослойному кольцевому ионоводу, однако диски ионной воронки различаются по диаметру вдоль ее длинной оси. В основании ионной воронки имеется участок, в котором ряд цилиндрических кольцевых электродов имеет уменьшающийся диаметр, что позволяет пространственно рассредоточить ионное облако, входящее в ионную воронку. [ 5 ] Это обеспечивает эффективную передачу ионного облака через отверстие, ограничивающее проводимость на выходе, поскольку ионное облако фокусируется до гораздо меньшего радиального размера. Электрическое поле постоянного тока служит для продвижения ионов через воронку. Для положительных ионов передняя пластина воронки имеет наиболее положительное напряжение постоянного тока, а последующие пластины имеют постепенно уменьшающиеся компоненты постоянного тока, что обеспечивает дополнительный контроль. Электрические поля РЧ и постоянного тока применяются совместно с псевдопотенциалом , создаваемым чередующимися полярностями РЧ на соседних электродах. Этот «псевдопотенциал» радиально удерживает ионы и вызывает нестабильность ионов с более низким m/z (отношением массы к заряду), в то время как ионы с более высоким m/z фокусируются в центре воронки. [ 6 ] Первоначальная конструкция ионной воронки, использованная в исследовательской лаборатории Смита, оказалась неэффективной для сбора ионов с низким m/z . Моделирование показывает, что уменьшение расстояния между линзами, чтобы оно было меньше диаметра наименьшего кольцевого электрода, могло бы стать вероятным решением этой проблемы. [ 7 ] Другая проблема конструкции заключается в том, что воронка чувствительна к шуму от быстрых нейтралов и заряженных капель на многих границах с атмосферой во время начальной фазы вакуума. Модификации повышают эффективность и соотношение сигнал/шум ионной воронки.
Некоторые из первых ионных воронок с трудом могли контролировать поток газа, поскольку давление в ионной вакуумной камере не было равномерным из-за газодинамических эффектов. По оценкам, давление на выходе из воронки в 2–3 раза превышало давление по манометру. Более высокое давление требовало большей откачки в последующих вакуумных камерах, чтобы компенсировать больший впрыск газа. Несоответствие измеренного давления давлению на выходе из воронки было вызвано тем, что значительная часть сверхзвуковой газовой струи из форсунки выходила за диск Маха или ударный алмаз в начале воронки и продолжалась до конца. . Наиболее эффективным решением является использование струйного разрушителя , состоящего из латунного диска диаметром 9 мм, подвешенного перпендикулярно газовому потоку в центре ионной воронки. [ 5 ]
Приложения
[ редактировать ]Масс-спектрометрия
[ редактировать ]Ионные воронки часто используются в устройствах масс-спектроскопии для сбора ионов из источника ионизации. Предыдущие устройства, не имевшие ионной воронки, часто теряли ионы при переходе от источника ионизации к детектору масс-спектрометра. Эта потеря произошла из-за увеличения числа столкновений ионов с другими молекулами газа, присутствующими в атмосфере. Внедрение ионной воронки значительно сократило количество ионов, теряемых во время экспериментов, направляя ионы к желаемому месту назначения. [ 8 ] а за счет изменения количества входов также можно повысить чувствительность измерений, проводимых масс-спектрометром. Несколько входных отверстий позволяют использовать несколько эмиттеров электрораспыления, уменьшая поток через каждый отдельный эмиттер. Это создает множество высокоэффективных электрораспылений при низких скоростях потока. [ 5 ] Несколько входов также повышают чувствительность: 19 линейно расположенных эмиттеров электрораспыления, соединенных с 19 входами, работающими при давлении 18 Торр, дают девятикратное увеличение по сравнению с одним входом. [ 5 ]
Реакционная камера переноса протона
[ редактировать ]В масс-спектрометрии реакции переноса протона традиционно используются дрейфовые трубки в качестве ионных ловушек. Однако радиочастотные ионные воронки представляют собой привлекательную альтернативу, поскольку они значительно улучшают специфическую чувствительность соединений. Это происходит за счет увеличения эффективного времени реакции и фокусировки ионов. Такие же диапазоны давлений необходимы для ионных воронок и дрейфовых трубок, поэтому технология не сложна в реализации. Было показано, что ионные воронки способствуют передаче ионов с высоким m/z. [ 9 ]
Анализ дыхания
[ редактировать ]Анализ дыхания — это удобный и неинвазивный способ обнаружения химических веществ в организме, таких как содержание алкоголя, для определения интоксикации, контроля уровня анестетиков в организме во время хирургических процедур и выявления веществ, повышающих работоспособность, в организме спортсменов. Однако традиционные методы неэффективны при низких концентрациях. Было показано, что интерфейс ионизации электрораспылением с помощью ионной воронки, используемый в масс-спектрометре ионно-циклотронного резонанса с линейной ловушкой и квадруполем Фурье, значительно увеличивает чувствительность при высоком разрешении. [ 10 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ким, Тэман; Толмачев Алексей В.; Харкевич, Ричард; Прайор, Дэвид К.; Андерсон, Гордон; Удсет, Гарольд Р.; Смит, Ричард Д.; Бейли, Томас Х.; Раков, Сергей; Фатрелл, Джин Х. (2000). «Разработка и реализация новой электродинамической ионной воронки». Аналитическая химия . 72 (10): 2247–2255. дои : 10.1021/ac991412x . ISSN 0003-2700 . PMID 10845370 .
- ^ Келли, Райан Т.; Толмачев Алексей В.; Пейдж, Джейсон С.; Тан, Кэци; Смит, Ричард Д. (2009). «Ионная воронка: теория, реализации и приложения» . Обзоры масс-спектрометрии . 29 (2): 294–312. дои : 10.1002/mas.20232 . ISSN 0277-7037 . ПМК 2824015 . ПМИД 19391099 .
- ^ «Ионная воронка | Масс-спектр Pro» . www.massspecpro.com . Проверено 03 декабря 2018 г.
- ^ Джулиан, Райан Р.; Маббетт, Сара Р.; Джаррольд, Мартин Ф. (1 октября 2005 г.). «Ионные воронки для масс: эксперименты и моделирование с упрощенной ионной воронкой». Журнал Американского общества масс-спектрометрии . 16 (10): 1708–1712. дои : 10.1016/j.jasms.2005.06.012 . ISSN 1044-0305 . ПМИД 16095911 .
- ^ Jump up to: а б с д Келли, Райан Т.; Толмачев Алексей В.; Пейдж, Джейсон С.; Тан, Кэци; Смит, Ричард Д. (2010). «Ионная воронка: теория, реализации и приложения» . Обзоры масс-спектрометрии . 29 (2): 294–312. дои : 10.1002/mas.20232 . ISSN 0277-7037 . ПМК 2824015 . ПМИД 19391099 .
- ^ Шаффер, Скотт А.; Тан, Кэци; Андерсон, Гордон А.; Прайор, Дэвид К.; Удсет, Гарольд Р.; Смит, Ричард Д. (30 октября 1997 г.). «Новая ионная воронка для фокусировки ионов при повышенном давлении с использованием масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 11 (16): 1813–1817. doi : 10.1002/(sici)1097-0231(19971030)11:16<1813::aid-rcm87>3.0.co;2-d . ISSN 1097-0231 .
- ^ Шаффер, Скотт А.; Прайор, Дэвид К.; Андерсон, Гордон А.; Удсет, Гарольд Р.; Смит, Ричард Д. (29 октября 1998 г.). «Интерфейс ионной воронки для улучшения фокусировки и чувствительности ионов с использованием масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением». Аналитическая химия . 70 (19): 4111–4119. дои : 10.1021/ac9802170 . ISSN 0003-2700 . ПМИД 9784749 .
- ^ Смит, Ричард Д.; Шаффер, Скотт А. Метод и устройство для направления ионов и других заряженных частиц, генерируемых при давлениях, близких к атмосферному, в область под вакуумом. Патент США. US6107628A. 3 июня 1998 г.
- ^ Браун П., Кристеску С., Маллок С., Райх Д., Ламонт-Смит С., Харрен Ф. (2017). «Реализация и характеристика ионовода с радиочастотной ионной воронкой в качестве камеры реакции переноса протона» (PDF) . Международный журнал масс-спектрометрии . 414 : 31–38. Бибкод : 2017IJMSp.414...31B . дои : 10.1016/j.ijms.2017.01.001 . hdl : 2066/174572 . S2CID 100259890 .
- ^ Мейер Л., Бертольд С., Шмид С., Зеноби Р. (2012). «Анализ дыхания с высоким массовым разрешением с использованием масс-спектрометрии с вторичной ионизацией электрораспылением и ионной воронкой». Журнал масс-спектрометрии . 47 (12): 1571–1575. Бибкод : 2012JMSp...47.1571M . дои : 10.1002/jms.3118 . ПМИД 23280745 .