Времяпролетная масс-спектрометрия

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

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

Времяпролетная масс-спектрометрия ( TOFMS ) — это метод масс-спектрометрии , в котором к отношение массы иона заряду определяется путем измерения времени пролета . Ионы ускоряются электрическим полем известной силы. Это ускорение приводит к тому, что ион имеет ту же кинетическую энергию , что и любой другой ион с таким же зарядом. Скорость иона зависит от соотношения массы к заряду (более тяжелые ионы с одинаковым зарядом достигают более низких скоростей, хотя ионы с более высоким зарядом также будут увеличивать скорость). Измеряется время, которое впоследствии потребуется иону для достижения 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.

Теория

Рисунок из патента TOF Уильяма Э. Стивенса 1952 г.

Потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле связана с зарядом частицы и напряженностью электрического поля:

$E_{\mathrm {p} }=qU\,$ ( 1 )

где E _p — потенциальная энергия, q — заряд частицы, а U — разность электрических потенциалов (также известная как напряжение).

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

$E_{\mathrm {k} }={\frac {1}{2}}mv^{2}$ ( 2 )

По сути, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а это означает, что уравнения ( 1 ) и ( 2 ) равны

$E_{\mathrm {p} }=E_{\mathrm {k} }\,$ ( 3 )

$qU={\frac {1}{2}}mv^{2}\,$ ( 4 )

Скорость заряженной частицы после ускорения не изменится , так как она движется в бесполевой времяпролетной трубе. Скорость частицы можно определить во времяпролетной трубке, поскольку известна длина пути ( d ) полета иона, а время полета иона ( t ) можно измерить с помощью переходный дигитайзер или время-цифровой преобразователь .

Таким образом,

$v={\frac {d}{t}}\,$ ( 5 )

и подставим значение v из ( 5 ) в ( 4 ).

$qU={\frac {1}{2}}m\left({\frac {d}{t}}\right)^{2}\,$ ( 6 )

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

$t^{2}={\frac {d^{2}}{2U}}{\frac {m}{q}}\,$ ( 7 )

Извлечение квадратного корня дает время,

$t={\frac {d}{\sqrt {2U}}}{\sqrt {\frac {m}{q}}}\,$ ( 8 )

Эти факторы по времени полета были сгруппированы намеренно. ${\frac {d}{\sqrt {2U}}}$ содержит константы , которые в принципе не изменяются при анализе набора ионов за один импульс ускорения . ( 8 ) можно, таким образом, представить как:

$t=k{\sqrt {\frac {m}{q}}}\,$ ( 9 )

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

( 9 ) более четко показывает, что время полета иона зависит от квадратного корня из его отношения массы к заряду ( m/q ).

Рассмотрим реальный пример MALDI времяпролетного масс-спектрометра который используется для получения масс-спектра триптических , пептидов белка . Предположим, что масса одного триптического пептида равна 1000 дальтон ( Да ). Тип ионизации пептидов, продуцируемых MALDI, обычно представляет собой ион +1, поэтому q = e в обоих случаях. Предположим, что прибор настроен на ускорение ионов при потенциале U = 15 000 вольт (15 киловольт или 15 кВ). И предположим, что длина полетной трубы составляет 1,5 метра (типовая). Все факторы, необходимые для расчета времени полета ионов, теперь известны для ( 8 ), которое оценивается в первую очередь для иона массой 1000 Да:

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

Обратите внимание, что массу пришлось перевести из дальтонов (Да) в килограммы (кг), чтобы можно было выразить уравнение в нужных единицах. Окончательное значение должно быть в секундах:

$t=2.788\times 10^{-5}\;\mathrm {s}$

что составляет около 28 микросекунд . существовал однозарядный ион триптического пептида с массой 4000 Да, и он в четыре раза больше массы 1000 Да, то для прохождения пролетной трубки потребовалось бы вдвое больше времени, или около 56 микросекунд, поскольку время пропорционально квадрату Если бы корень из отношения массы к заряду.

Отложенное извлечение

Основная статья: Отложенное извлечение

Массовое разрешение может быть улучшено в аксиальном масс-спектрометре MALDI -TOF, где производство ионов происходит в вакууме, позволяя начальному взрыву ионов и нейтралов, созданному лазерным импульсом, уравновеситься и позволяя ионам пройти некоторое расстояние перпендикулярно пластине с образцом перед ионы могут ускоряться в пролетную трубу. Ионное равновесие в плазменном факеле, возникающем при десорбции/ионизации, происходит примерно за 100 нс и менее, 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 задержать извлечение ионов из источника ионов в пролетную трубу на от нескольких сотен наносекунд до нескольких микросекунд по сравнению с началом короткого (обычно , несколько наносекунд) лазерного импульса. Этот метод называется «фокусировкой с задержкой во времени». для ионизации атомов или молекул путем резонансной многофотонной ионизации или ионизации электронным ударом в разреженном газе и «замедленной экстракции» для ионов, образующихся, как правило, путем лазерной десорбции/ионизации молекул, адсорбированных на плоских поверхностях, или микрокристаллов, помещенных на проводящую плоскую поверхность.

Замедленной экстракцией обычно называют режим работы вакуумных источников ионов, когда возникновение электрического поля, ответственного за ускорение (вытягивание) ионов в пролетную трубу, задерживается на некоторое короткое время (200–500 нс) по отношению к ионизации ( или десорбция/ионизация). Это отличается от случая постоянного экстракционного поля, когда ионы ускоряются мгновенно после образования. Замедленная экстракция используется с источниками ионов MALDI или лазерной десорбцией/ионизацией (LDI), где анализируемые ионы образуются в расширяющемся шлейфе, движущемся от пластины для образца с высокой скоростью (400–1000 м/с). Поскольку толщина ионных пакетов, поступающих в детектор, важна для разрешения массы, при первом осмотре может показаться нелогичным допускать дальнейшее расширение ионного шлейфа перед извлечением. Замедленная экстракция является скорее компенсацией начального импульса ионов: она обеспечивает одинаковое время прибытия в детектор ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными начальными скоростями.

При отсроченной экстракции ионов, полученных в вакууме, ионы, имеющие меньший импульс в направлении экстракции, начинают ускоряться при более высоком потенциале из-за того, что при включении экстракционного поля они находятся дальше от экстракционной пластины. И наоборот, ионы с большим поступательным импульсом начинают ускоряться при более низком потенциале, поскольку они находятся ближе к экстракционной пластине. На выходе из области ускорения более медленные ионы в задней части факела будут ускоряться до большей скорости, чем первоначально более быстрые ионы в передней части факела. Таким образом, после отсроченной экстракции группа ионов, покидающая источник ионов раньше, имеет меньшую скорость в направлении ускорения по сравнению с некоторой другой группой ионов, покидающей источник ионов позже, но с большей скоростью. При правильной настройке параметров источника ионов более быстрая группа ионов догоняет более медленную на некотором расстоянии от источника ионов, поэтому пластина детектора, расположенная на этом расстоянии, обнаруживает одновременное прибытие этих групп ионов. По сути, задержанное приложение поля ускорений действует как одномерный элемент фокусировки времени пролета.

Рефлектрон TOF

Основная статья: Рефлектрон

Схема Reflectron TOF MS

Двухкаскадный рефлектор прибора Shimadzu IT-TOF. 46 металлических пластин несут напряжение, которое создает градиент потенциала.

Распределение кинетической энергии в направлении полета ионов можно скорректировать с помощью рефлектрона. Рефлектрон использует постоянное электростатическое поле для отражения пучка ионов в сторону детектора. Более энергичные ионы проникают глубже в рефлектрон и проходят немного более длинный путь к детектору. Менее энергичные ионы с тем же соотношением массы к заряду проникают в рефлектрон на меньшее расстояние и, соответственно, проходят более короткий путь к детектору. Плоская поверхность детектора ионов (обычно микроканальная пластина , MCP) размещается в плоскости, куда одновременно прибывают ионы с одинаковым m/z, но с разными энергиями, отсчитываемые по отношению к началу экстракционного импульса в источнике ионов. . Точку одновременного прибытия ионов с одинаковым соотношением массы к заряду, но с разными энергиями часто называют времяпролетным фокусом. Дополнительным преимуществом схемы повторного TOF является то, что при заданной длине прибора TOF достигается удвоенная траектория полета.

Ионное стробирование

Затвор Брэдбери -Нильсена — это тип ионного затвора, используемый в TOF-масс-спектрометрах и спектрометрах подвижности ионов , а также в TOF-масс-спектрометрах с преобразованием Адамара . Затвор Брэдбери-Нильсена идеально подходит для быстродействующего ионного селектора (TIS) — устройства, используемого для изоляции ионов в узком диапазоне масс в тандемных (TOF/TOF) масс-спектрометрах MALDI.

Время пролета ортогонального ускорения

Agilent 6210 с ионизацией электрораспылением Ортогональный времяпролетный масс-спектрометр (справа) и ВЭЖХ (слева)

Схема времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным ускорением: 20 – источник ионов; 21 – ионный транспорт; 22 – летательная трубка; 23 – запорный клапан; 24 – пластина-отражатель; 25 – сетки; 26 – область ускорения; 27 – рефлектрон; 28 – детектор.

Непрерывные источники ионов (чаще всего ионизация электрораспылением, ESI) обычно подключаются к TOF- масс-анализатору посредством «ортогональной экстракции», при которой ионы, введенные в TOF-масс-анализатор, ускоряются вдоль оси, перпендикулярной их начальному направлению движения. Ортогональное ускорение в сочетании со столкновительным охлаждением ионов позволяет разделить производство ионов в источнике ионов и массовый анализ. С помощью этого метода можно достичь очень высокого разрешения для ионов, полученных в источниках MALDI или ESI. Перед входом в область ортогонального ускорения или в импульсный генератор ионы, образующиеся в непрерывных (ESI) или импульсных (MALDI) источниках, фокусируются (охлаждаются) в пучок диаметром 1–2 мм за счет столкновений с остаточным газом в ВЧ-мультипольных направляющих. Система электростатических линз, установленных в области высокого вакуума перед генератором импульсов, делает луч параллельным, чтобы минимизировать его расхождение в направлении ускорения. Комбинация ионного столкновительного охлаждения и ортогонального ускорения TOF. обеспечило значительное увеличение разрешения современных TOF MS с нескольких сотен до нескольких десятков тысяч без ущерба для чувствительности.

Времяпролетная масс-спектрометрия с преобразованием Адамара

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

Тандемное время полета

В режиме TOF/TOF ионы ускоряются в первый TOF и попадают в ячейку столкновений; фрагментированные ионы разделяются во втором TOF.

Тандемный времяпролетный масс- спектрометр ( TOF/TOF ) — это метод тандемной масс-спектрометрии , в котором последовательно используются два времяпролетных масс-спектрометра. Для регистрации полного спектра ионов-предшественников (родительских) 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 режиме (МС/МС) энергия лазера значительно превышает порог MALDI. Первый TOF-масс-спектрометр (по сути, пролетная трубка, которая заканчивается синхронизированным селектором ионов) изолирует выбранные ионы-предшественники с помощью скоростного фильтра, обычно типа Брэдбери-Нильсена, а второй TOF-MS (который включает пост-фильтр) ускоритель, пролетная труба, ионное зеркало и детектор ионов) анализирует осколочные ионы. Ионы-фрагменты в MALDI TOF/TOF возникают в результате распада ионов-предшественников, колебательно возбужденных выше их уровня диссоциации в источнике MALDI (распад после источника ). В систему может быть добавлена ​​дополнительная фрагментация ионов, реализованная в ячейке столкновений высоких энергий, для увеличения скорости диссоциации колебательно-возбужденных ионов-предшественников. Некоторые конструкции включают в себя гасители сигналов предшественников как часть второй TOF-MS, чтобы уменьшить мгновенную токовую нагрузку на детектор ионов.

Квадрупольное время пролета

Квадрупольная времяпролетная масс-спектрометрия (QToF-MS) имеет конфигурацию, аналогичную тандемному масс-спектрометру с квадруполем, разрешающим массу, и гексаполем ячейки столкновений, но вместо второго квадруполя, разрешающего массу, используется времяпролетная масса. используется анализатор. Оба квадрупеля могут работать в радиочастотном режиме только для того, чтобы позволить всем ионам пройти к масс-анализатору с минимальной фрагментацией. Для увеличения спектральной детализации система использует диссоциацию, вызванную столкновениями . Как только ионы достигают пролетной трубки, ионный генератор отправляет их вверх к рефлектрону и обратно в детектор. Поскольку ионный генератор передает одинаковую кинетическую энергию всем молекулам, время полета определяется массой аналита.

QToF способен измерять массу до 4-го десятичного знака и часто используется для фармацевтического и токсикологического анализа в качестве метода скрининга аналогов лекарств. Идентификация осуществляется путем сбора масс-спектра и сравнения с тандемными библиотеками масс-спектров.

Детекторы

Времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС) состоит из масс-анализатора и детектора. Источник ионов (импульсный или непрерывный) используется для лабораторных TOF-экспериментов, но не требуется для TOF-анализаторов, используемых в космосе, где ионы поставляют солнце или планетарные ионосферы. TOF-масс-анализатор может представлять собой линейную пролетную трубку или рефлектрон. Детектор ионов обычно состоит из микроканального пластинчатого детектора или быстрого умножителя вторичной эмиссии (SEM), где первая пластина преобразователя ( динод ) является плоской. Электрический сигнал с детектора записывается с помощью время-цифрового преобразователя (ВЦП) или быстрого аналого-цифрового преобразователя (АЦП). TDC в основном используется в сочетании с TOF-приборами с ортогональным ускорением (oa).

Преобразователи времени в цифру регистрируют прибытие одного иона в «ячейки» дискретного времени; комбинация порогового запуска и дискриминатора постоянной доли (CFD) позволяет различать электронный шум и события прибытия ионов. CFD преобразует наносекундные электрические импульсы гауссовой формы различной амплитуды, генерируемые на аноде MCP, в импульсы обычной формы (например, импульсы, совместимые с логической схемой TTL/ESL), отправляемые в TDC. Использование CFD обеспечивает момент времени, соответствующий положению максимума пика, независимо от изменения пиковой амплитуды, вызванного изменением усиления MCP или SEM. Быстрые CFD усовершенствованных конструкций имеют мертвое время, равное или менее двух времен отклика ионного детектора при однократном попадании (время отклика при однократном попадании для MCP с каналами шириной 2–5 микрон может составлять где-то между 0,2 нс и 0,8 нс, в зависимости от от угла канала), что предотвращает повторный запуск от одного и того же импульса. Разрешение двойного попадания (мертвое время) современных многокадровых ВЦП может составлять всего 3-5 наносекунд.

TDC представляет собой счетный детектор – он может работать чрезвычайно быстро (с разрешением до нескольких пикосекунд), но его динамический диапазон ограничен из-за его неспособности правильно подсчитывать события, когда одновременно более одного иона (т. е. в пределах мертвого времени TDC) ) попал в детектор. Результатом ограниченного динамического диапазона является то, что количество ионов (событий), зарегистрированных в одном масс-спектре, меньше по сравнению с реальным числом. Проблему ограниченного динамического диапазона можно облегчить, используя конструкцию многоканального детектора: массив мини-анодов, подключенных к общему стеку MCP, и несколько CFD/TDC, где каждый CFD/TDC записывает сигналы с отдельного мини-анода. Для получения пиков со статистически приемлемой интенсивностью подсчет ионов сопровождается суммированием сотен отдельных масс-спектров (так называемое гистограммирование). Чтобы достичь очень высокой скорости счета (ограниченной только длительностью отдельного TOF-спектра, которая может достигать нескольких миллисекунд в многолучевых установках TOF), используется очень высокая частота повторения экстракции ионов в TOF-трубку. Коммерческие TOF-масс-анализаторы с ортогональным ускорением обычно работают с частотой повторения 5–20 кГц. В комбинированных масс-спектрах, полученных суммированием большого числа событий регистрации отдельных ионов, каждый пик представляет собой гистограмма, полученная путем сложения значений в каждом отдельном интервале. Поскольку запись прибытия отдельных ионов с помощью TDC дает только один момент времени, TDC исключает часть ширины пика, определяемую ограниченным временем отклика как детектора MCP, так и предварительного усилителя. Это приводит к лучшему массовому разрешению.

Современные сверхбыстрые аналого-цифровые преобразователи со скоростью 10 Гвыб/с оцифровывают импульсный ионный ток с детектора MCP через дискретные интервалы времени (100 пикосекунд). Современный 8-битный или 10-битный АЦП 10 ГГц имеет гораздо более широкий динамический диапазон, чем ВЦП, что позволяет использовать его в приборах MALDI-TOF с высокими пиковыми токами. Для записи быстрых аналоговых сигналов с детекторов MCP необходимо тщательно согласовать сопротивление анода детектора с входной схемой АЦП ( предусилителя ), чтобы минимизировать эффект «звона». Массовое разрешение в масс-спектрах, записанных с помощью сверхбыстрого АЦП, можно улучшить за счет использования MCP-детекторов с малыми порами (2–5 микрон) и более коротким временем отклика.

Приложения

Лазерная десорбционная ионизация с помощью матрицы (MALDI) представляет собой метод импульсной ионизации, который легко совместим с TOF MS.

В атомно-зондовой томографии также используются преимущества TOF-масс-спектрометрии.

Фотоэлектронная спектроскопия фотоионных совпадений использует мягкую фотоионизацию для выбора внутренней энергии ионов и времяпролетную масс-спектрометрию для масс-анализа.

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

Стефан Рутцингер предложил использовать TOF-масс-спектрометрию с криогенным детектором для спектрометрии тяжелых биомолекул .

История поля

О первом времяпролетном масс-спектрометре, названном Велоцитроном, сообщили А.Э. Кэмерон и Д.Ф. Эггерс-младший, работавшие в Комплексе национальной безопасности Y-12 , в 1948 году. Идея была предложена двумя годами ранее, в 1946 году, У.Э. Стивенс из Пенсильванского университета на дневном заседании в пятницу в Массачусетском технологическом институте Американского физического общества .

Библиография

• Коттер, Роберт Дж. (1994). Времяпролетная масс-спектрометрия . Колумбус, Огайо: Американское химическое общество. ISBN  978-0-8412-3474-1 .
• Феррер, Имма; Турман, Э.М. (2009). Жидкостная хроматография – времяпролетная масс-спектрометрия: принципы, инструменты и приложения для точного масс-анализа . Нью-Йорк, Нью-Джерси: Уайли. ISBN  978-0-470-13797-0 .
• Феррер, Имма; Турман, Э.М. (2005). «Измерение массы электрона с помощью LC/TOF-MS: исследование «двойных ионов» ». Анальная химия . 77 (10): 3394–3400. дои : 10.1021/ac0485942 . ПМИД   15889935 .
• А.Э. Кэмерон и Д.Ф. Эггерс-младший (1948). «Ионный «велоцитрон» ». Рев Научный Инструмент 19 (9): 605–607. Бибкод : 1948RScI...19..605C . дои : 10.1063/1.1741336 .
• МЫ Стивенс (1946). «Импульсный масс-спектрометр с временной дисперсией». Bull Am Phys Soc . 21 (2): 22.

Внешние ссылки

• Учебное пособие по IFR/JIC TOF MS
• Jordan TOF Products Учебное пособие по масс-спектрометру TOF
• Учебное пособие по TOF-MS Бристольского университета
• Kore Technology – Введение во времяпролетную масс-спектрометрию