Спектрометрия ионной подвижности

США Чип IMS в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории : этот чип размером с десятицентовую монету обеспечивает десятки каналов, по которым проходят ионы (перпендикулярно плоскости обзора), чтобы их можно было разделить и идентифицировать.

Спектрометрия ионной подвижности ( IMS ). Это метод проведения аналитических исследований, который разделяет и идентифицирует ионизированные молекулы, присутствующие в газовой фазе, на основе подвижности молекул в буферном газе-носителе. Несмотря на то, что она широко используется в военных целях или целях безопасности, таких как обнаружение наркотиков и взрывчатых веществ, эта технология также имеет множество применений в лабораторном анализе, включая изучение малых и больших биомолекул. Приборы IMS представляют собой чрезвычайно чувствительные автономные устройства, но их часто объединяют с масс-спектрометрией , газовой хроматографией или высокоэффективной жидкостной хроматографией для достижения многомерного разделения. Они бывают разных размеров: от нескольких миллиметров до нескольких метров в зависимости от конкретного применения и способны работать в широком диапазоне условий. Приборы IMS, такие как микромасштабная спектрометрия асимметричной подвижности ионов в сильном поле, могут быть портативными для использования в ряде приложений, включая мониторинг летучих органических соединений (ЛОС), анализ биологических образцов, медицинскую диагностику и мониторинг качества пищевых продуктов. Системы, работающие при более высоком давлении (т.е. атмосферные условия, 1 атм или 1013 гПа), часто сопровождаются повышенной температурой (выше 100 °С), тогда как системы с более низким давлением (1–20 гПа) не требуют подогрева.

История

IMS была впервые разработана Эрлом У. МакДэниелом из Технологического института Джорджии в 1950-х и 1960-х годах, когда он использовал дрейфовые ячейки с низкими приложенными электрическими полями для изучения подвижности и реакций ионов в газовой фазе. В последующие десятилетия он интегрировал недавно разработанную технологию, над которой работал, с магнитно-секторным масс-спектрометром. В этот период другие также использовали его методы новыми и оригинальными способами. С тех пор ячейки IMS используются в различных конфигурациях масс-спектрометров, газовых хроматографов и высокоэффективных приборов для жидкостной хроматографии. IMS — это метод, используемый во многих контекстах, и спектр приложений, которые он может поддерживать, в дополнение к его возможностям, постоянно расширяется.

Приложения

Возможно, самым сильным преимуществом спектрометрии ионной подвижности является скорость, с которой происходит разделение — обычно порядка десятков миллисекунд. Эта особенность в сочетании с простотой использования, относительно высокой чувствительностью и очень компактной конструкцией позволили IMS как коммерческому продукту использоваться в качестве обычного инструмента для полевого обнаружения взрывчатых веществ , наркотиков и химического оружия . Основными производителями устройств досмотра IMS, используемых в аэропортах, являются компании Morpho и Smiths Detection .Smiths приобрела Morpho Detection в 2017 году и впоследствии была вынуждена по закону отказаться от права собственности на часть бизнеса, занимающуюся Trace (у Smiths есть Trace Products). который был продан Rapiscan Systems в середине 2017 года. Продукты перечислены в разделе ETD Itemisers. Последняя модель — безрадиационная 4DX.

В фармацевтической промышленности IMS используется при проверке очистки , демонстрируя, что реакционные сосуды достаточно чисты, чтобы можно было приступить к следующей партии фармацевтического продукта. IMS намного быстрее и точнее, чем методы ВЭЖХ и общего органического углерода, использовавшиеся ранее. IMS также используется для анализа состава производимых лекарств, тем самым находя место в обеспечении и контроле качества.

В качестве исследовательского инструмента подвижность ионов становится все более широко используемой при анализе биологических материалов, особенно в протеомике и метаболомике . Например, IMS-MS с использованием MALDI в качестве метода ионизации помог добиться успехов в протеомике, обеспечивая более быстрое разделение фрагментов белка с высоким разрешением при анализе. Более того, это действительно многообещающий инструмент для гликомики , поскольку можно получить усредненные значения сечения столкновений (CCS) при вращении. Значения CCS являются важными отличительными характеристиками ионов в газовой фазе, и в дополнение к эмпирическим определениям их также можно рассчитать вычислительно, если известна трехмерная структура молекулы. Таким образом, добавление значений CCS гликанов и их фрагментов в базы данных повысит достоверность и точность структурной идентификации.

Помимо лабораторных целей, IMS нашел широкое применение в качестве инструмента обнаружения опасных веществ. В аэропортах по всему миру используется более 10 000 устройств IMS, а в армии США имеется более 50 000 устройств IMS. В промышленных условиях использование IMS включает проверку чистоты оборудования и обнаружение содержания выбросов, например, определение количества соляной и плавиковой кислоты в дымовых газах технологического процесса. Он также применяется в промышленных целях для обнаружения вредных веществ в воздухе.

В метаболомике IMS используется для выявления рака легких , хронической обструктивной болезни легких , саркоидоза , потенциальных отторжений после трансплантации легких и связи с бактериями в легких (см. анализ газов дыхания ).

Подвижность ионов

Основная статья: Электрическая мобильность

Физическая величина подвижности ионов K определяется как коэффициент пропорциональности между скоростью дрейфа ионов v _d в газе и электрическим полем напряженностью E .

$v_{d}=KE$

После внесения необходимых корректировок для учета стандартной плотности газа n0 подвижность ионов часто выражается как уменьшенная подвижность. Это число также можно описать как стандартную температуру T0 = 273 К и стандартное давление p0 = 1013 гПа. Оба эти параметра можно найти в таблице ниже. Концентрация ионов — это еще один термин, который можно использовать применительно к подвижности ионов. Из-за этого снижение подвижности ионов по-прежнему зависит от температуры, хотя эта корректировка не учитывает никаких иных воздействий, кроме уменьшения плотности газа.

$K_{0}=K{\frac {n}{n_{0}}}=K\ {\frac {T_{0}}{T}}\ {\frac {p}{p_{0}}}$

Подвижность ионов K при различных предположениях можно рассчитать по уравнению Мэйсона-Шампа.

$K={\frac {3}{16}}{\sqrt {\frac {2\pi }{\mu kT}}}{\frac {Q}{n\sigma }}$

где Q иона — заряд , n дрейфового газа — числовая плотность , μ — приведенная масса иона и молекул дрейфового газа, k — постоянная Больцмана , T дрейфового газа — температура , а σ — сечение столкновения между ион и дрейфовые молекулы газа. Часто N используется вместо n для числовой плотности дрейфового газа и Ω вместо σ для сечения ионно-нейтрального столкновения. Это соотношение сохраняется примерно при низком пределе электрического поля, когда отношение E/N мало и, таким образом, тепловая энергия ионов намного больше, чем энергия, полученная от электрического поля между столкновениями. Поскольку эти ионы имеют такую ​​же энергию, как и молекулы буферного газа, в этом случае в движении ионов доминируют диффузионные силы. Отношение E/N обычно указывается в Таунсендах (Td), а переход между условиями низкого и сильного поля обычно оценивается в диапазоне от 2 Td до 10 Td. Когда условия слабого поля больше не преобладают, подвижность ионов сама по себе становится функцией напряженности электрического поля, которую обычно описывают эмпирически через так называемую альфа-функцию.

$K\left({\frac {E}{N}}\right)=K(0)\,\left[1+\alpha \left({\frac {E}{N}}\right)\right]=K(0)\,\left[1+\alpha _{2}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{2}+\alpha _{4}\left[{\frac {E}{N}}\right]^{4}+...\right]$

Ионизация

Молекулы образца необходимо ионизировать , обычно с помощью коронного разряда , фотоионизации при атмосферном давлении (APPI), ионизации электрораспылением (ESI) или радиоактивного источника химической ионизации при атмосферном давлении (R-APCI), например небольшого кусочка образца. ⁶³ Ни или ²⁴¹ Am , аналогичный тому, который используется в ионизационных детекторах дыма . Методы ESI и MALDI обычно используются, когда IMS сочетается с масс-спектрометрией.

Легирующие материалы иногда добавляются в дрейфовый газ для селективности ионизации. Например, ацетон можно добавлять для обнаружения боевых отравляющих веществ, хлорированные растворители — для взрывчатых веществ, а никотинамид — для обнаружения наркотиков.

Анализаторы

Спектрометры ионной подвижности существуют на различных принципах, оптимизированных для разных приложений. В обзоре 2014 года перечислены восемь различных концепций спектрометрии ионной подвижности.

Спектрометрия ионной подвижности с дрейфовой трубкой

Спектрометрия подвижности ионов с дрейфовой трубкой (DTIMS) измеряет, сколько времени требуется данному иону, чтобы пройти заданную длину в однородном электрическом поле через данную атмосферу. Через заданные промежутки времени в область дрейфа пропускают пробу ионов; Механизм управления основан на заряженном электроде, работающем аналогично тому, как управляющая сетка в триодах работает для электронов. Для точного контроля ширины ионного импульса, подаваемого в дрейфовую трубку, более сложные вентильные системы, такие как система Брэдбери-Нильсена используются или затвор с переключением поля. Попав в дрейфовую трубку, ионы подвергаются воздействию однородного электрического поля величиной от нескольких вольт на сантиметр до многих сотен вольт на сантиметр. Затем это электрическое поле проводит ионы через дрейфовую трубку, где они взаимодействуют с нейтральными дрейфовыми молекулами, содержащимися внутри системы, и разделяются в зависимости от подвижности ионов , достигая детектора для измерения. Ионы регистрируются на детекторе в порядке от самых быстрых к самым медленным, генерируя ответный сигнал, характерный для химического состава измеряемой пробы.

Подвижность ионов K затем может быть экспериментально определена по времени дрейфа t _D иона, пересекающего в однородном электрическом поле разность потенциалов на длине дрейфа L. U

$K={\frac {L^{2}}{t_{D}U}}$

Разрешающая способность дрейфовой трубки R _P , если предполагается, что диффузия является единственным фактором, вносящим вклад в уширение пика, может быть рассчитана как

$R_{P}={\frac {t_{D}}{\Delta t_{D}}}={\sqrt {\frac {LEQ}{16kT\ln 2}}}$

где t _D — время дрейфа ионов, Δt _D — полная ширина на половине высоты , L — длина трубки, E — напряженность электрического поля, Q — заряд иона, k — постоянная Больцмана, а T — температура дрейфового газа. . Методы при атмосферном давлении обеспечивают более высокую разрешающую способность и большую селективность разделения из-за более высокой скорости ион-молекулярных взаимодействий и обычно используются для автономных устройств, а также для детекторов для газовой, жидкостной и сверхкритической жидкостной хроматографии. Как показано выше, разрешающая способность зависит от общего падения напряжения, которое проходит ион. Используя дрейфовое напряжение 25 кВ в дрейфовой трубке атмосферного давления длиной 15 см, разрешающую способность выше 250 можно достичь даже для небольших однозарядных ионов. Этого достаточно, чтобы добиться разделения некоторых изотопологов по разнице их приведенной массы ц.

Дрейфовая трубка низкого давления

Дрейфовые трубки пониженного давления работают по тем же принципам, что и их аналоги при атмосферном давлении, но при давлении дрейфового газа всего несколько торр. Из-за значительного уменьшения количества ионно-нейтральных взаимодействий для достижения той же разрешающей способности необходимы гораздо более длинные дрейфовые трубки или гораздо более быстрые ионные затворы. Однако работа при пониженном давлении дает несколько преимуществ. Во-первых, это упрощает взаимодействие IMS с масс-спектрометрией. Во-вторых, при более низких давлениях ионы можно хранить для инжекции из ионной ловушки. и перефокусироваться радиально во время и после разделения. В-третьих, могут быть достигнуты высокие значения E/N , что позволяет напрямую измерять K ( E/N ) в широком диапазоне.

Бегущая волна

Хотя дрейфовые электрические поля обычно однородны, можно также использовать неоднородные дрейфовые поля. Одним из примеров является бегущая волна IMS. который представляет собой дрейфовую трубку низкого давления IMS, в которой электрическое поле приложено только в небольшой области дрейфовой трубки. Затем эта область перемещается вдоль дрейфовой трубки, создавая волну, подталкивающую ионы к детектору, устраняя необходимость в высоком общем дрейфовом напряжении. Прямое определение сечений столкновений (CCS) с помощью TWIMS невозможно. Калибранты могут помочь обойти этот серьезный недостаток, однако они должны соответствовать размеру, заряду и химическому классу данного аналита. Особого внимания заслуживает вариант «СУПЕР» ИМС, который сочетает захват ионов с помощью так называемых структур для манипулирования ионами без потерь (SLIM) с несколькими проходами через одну и ту же область дрейфа для достижения чрезвычайно высокой разрешающей способности.

Спектрометрия подвижности захваченных ионов

При спектрометрии подвижности захваченных ионов (TIMS) ионы удерживаются неподвижными (или захваченными) в текущем буферном газе с помощью профиля осевого градиента электрического поля (EFG), в то время как применение радиочастотных (РЧ) потенциалов приводит к захвату в радиальном измерении. TIMS работает в диапазоне давлений от 2 до 5 гПа и заменяет ионную воронку, используемую в области источника современных масс-спектрометров. Его можно соединить практически с любым масс-анализатором либо в стандартном режиме работы для приборов лучевого типа, либо в режиме селективного накопления (SA-TIMS) при использовании с приборами ловушечной масс-спектрометрии (МС).

Фактически дрейфовая ячейка удлиняется за счет движения ионов, создаваемого потоком газа. Таким образом, устройства TIMS не требуют ни больших размеров, ни высокого напряжения для достижения высокого разрешения, например, достигая разрешающей способности более 250 от устройства 4,7 см за счет использования увеличенного времени разделения. Однако разрешающая способность сильно зависит от подвижности ионов и уменьшается для более подвижных ионов. Кроме того, TIMS может иметь более высокую чувствительность, чем другие системы определения подвижности ионов, поскольку на пути ионов отсутствуют сетки или заслонки, что улучшает передачу ионов как во время экспериментов по подвижности ионов, так и при работе только в режиме прозрачного МС.

Спектрометрия подвижности ионов с асимметричной формой волны в сильном поле

Основная статья: Спектрометрия подвижности ионов с асимметричной формой волны в сильном поле

DMS ( спектрометр дифференциальной подвижности ) или FAIMS ( спектрометр асимметричной подвижности ионов ) используют зависимость подвижности ионов K от напряженности электрического поля E в сильных электрических полях. Ионы переносятся через устройство потоком дрейфового газа и подвергаются воздействию поля различной напряженности в ортогональном направлении в течение разного времени. Ионы отклоняются к стенкам анализатора за счет изменения их подвижности. Таким образом, через созданный таким образом фильтр могут пройти только ионы с определенной зависимостью подвижности.

Анализатор дифференциальной подвижности

Пример аспирационного датчика IMS.

Анализатор дифференциальной подвижности ( DMA ) использует быстрый газовый поток, перпендикулярный электрическому полю. Таким образом, ионы с разной подвижностью перемещаются по разным траекториям. Этот тип ИМС соответствует отраслевым приборам масс -спектрометрии . Они также работают как сканируемый фильтр. Примеры включают детектор дифференциальной подвижности, впервые выпущенный на рынок компанией Varian в CP-4900 MicroGC. Aspiration IMS работает с разомкнутой циркуляцией отобранного воздуха. Поток пробы проходит через ионизационную камеру, а затем поступает в зону измерения, где ионы отклоняются в один или несколько измерительных электродов под действием перпендикулярного электрического поля , которое может быть как статичным, так и переменным. Выходной сигнал датчика характеризует распределение подвижности ионов и может использоваться для целей обнаружения и идентификации.

Принцип работы анализатора дифференциальной подвижности для разделения аэрозолей

DMA может разделять заряженные аэрозольные частицы или ионы в соответствии с их подвижностью в электрическом поле до их обнаружения, что можно сделать с помощью нескольких средств, включая электрометры или более сложные масс-спектрометры.

Дрейфовый газ

Состав дрейфового газа является важным параметром для конструкции и разрешения прибора IMS. Часто различные составы дрейфового газа позволяют разделить перекрывающиеся пики. Повышенная температура газа помогает удалить кластеры ионов, которые могут искажать экспериментальные измерения.

Детектор

Часто детектор представляет собой простую пластину Фарадея, соединенную с трансимпедансным усилителем , однако более совершенные инструменты для определения подвижности ионов соединяются с масс-спектрометрами , чтобы одновременно получать информацию как о размере, так и о массе. Примечательно, что детектор влияет на оптимальные условия проведения эксперимента по подвижности ионов.

Комбинированные методы

IMS можно комбинировать с другими методами разделения.

Газовая хроматография

Когда IMS сочетается с газовой хроматографией, обычно образец вводится с помощью капиллярной колонки ГХ, напрямую подключенной к установке IMS, при этом молекулы ионизируются по мере их элюирования из ГХ. Подобный метод обычно используется для ВЭЖХ . В 2012 году была создана новая конструкция для ионизационной подвижной спектрометрии коронного разряда (CD-IMS) в качестве детектора после капиллярной газовой хроматографии. В этой конструкции для создания коронного разряда использовалась полая игла, а эффлюент вводился в область ионизации. на стороне выше по течению от источника короны. Помимо практических удобств соединения капилляра с ячейкой IMS, такое прямое осевое соединение помогает нам достичь более эффективной ионизации, что приводит к более высокой чувствительности.

При использовании с ГХ анализатор дифференциальной подвижности часто называют детектором дифференциальной подвижности ( ДМД ). DMD часто представляет собой тип микроэлектромеханической системы , устройство спектрометрии радиочастотной модулированной подвижности ионов (MEMS RF-IMS). Несмотря на небольшой размер, он может поместиться в портативные устройства, такие как переносные газовые хроматографы или датчики наркотиков/взрывчатых веществ. внедрила его Например, компания Varian в свой CP-4900 DMD MicroGC, а компания Thermo Fisher — в свою систему EGIS Defender, предназначенную для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ на транспорте или в других приложениях безопасности.

Жидкостная хроматография

В сочетании с ЖХ и МС IMS стала широко использоваться для анализа биомолекул. Эта практика активно развивалась Дэвидом Э. Клеммером , сейчас работающим в Университете Индианы (Блумингтон) .

Масс-спектрометрия

Основная статья: Спектрометрия ионной подвижности-масс-спектрометрия

Когда IMS используется с масс-спектрометрией, масс-спектрометрия ионной подвижности дает множество преимуществ, в том числе лучшее отношение сигнал-шум, разделение изомеров и идентификацию зарядового состояния. IMS обычно подключается к нескольким анализаторам масс-спектра, включая квадропольный, времяпролетный и циклотронный резонанс с преобразованием Фурье.

Специальное программное обеспечение

Масс-спектрометрия ионной подвижности - сравнительно недавно популярный метод ионного анализа в газовой фазе. Таким образом, не существует большого программного обеспечения, предлагающего отображение и анализ данных масс-спектрометрии подвижности ионов, за исключением пакетов программного обеспечения, которые поставляются вместе с приборами. ПротеоВизард, ОпенМС, и msXpertSuite являются свободным программным обеспечением согласно определению OpenSourceInitiative. Хотя ProteoWizard и OpenMS имеют функции, позволяющие анализировать спектр, эти пакеты программного обеспечения не предоставляют комбинированных функций. Напротив, msXpertSuite позволяет комбинировать спектры по различным критериям: например, по времени удерживания, диапазону m/z, диапазону времени дрейфа. Таким образом, msXpertSuite более точно имитирует программное обеспечение, которое обычно поставляется в комплекте с масс-спектрометром.

См. также

• Электрическая мобильность
• Обнаружение взрывчатых веществ
• Теория Виланда – Мэйсона

Библиография

• Г.А. Айсман; З. Карпас (2005). Спектрометрия ионной подвижности (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. ISBN  9780849322471 .
• Александр А. Шварцбург (2008). Спектрометрия дифференциальной подвижности ионов: нелинейный транспорт ионов и основы FAIMS (2-е изд.). Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. ISBN  9781420051063 .
• Чарльз Л. Уилкинс; Сара Тримпин, ред. (2010). Спектрометрия ионной подвижности - Масс-спектрометрия: теория и приложения . Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. ISBN  9781439813249 .
• Стах, Иоахим; Баумбах, Йорг И. (2002). «Спектрометрия ионной подвижности - основные элементы и приложения». Международный журнал спектрометрии ионной подвижности . 5 (1): 1–21.

Внешние ссылки

• Список сайтов аналитических приборов в Curlie