Квадрупольная ионная ловушка

Квадруполь

Двойная фокусировка

Масс-анализаторы

Полученные ионы переходят второй этап масс-спектрометрического анализа - сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). Это происходит в той части масс-спектрометра, которая называется "масс-анализатором".

Все масс-анализаторы используют физические законы движения заряженных частиц. Исторически первым масс-анализатором, остающимся непревзойденным по своим характеристикам, был магнит. Согласно физическим законам траектория заряженных частиц в магнитном поле искривляется, а радиус кривизны зависит от массы частиц. Именно это используется для анализа ионов по массам. Для того, чтобы увеличить разрешение, на пути ионов устанавливается еще и электростатический анализатор. Магнитные масс-спектрометры имеют высокое разрешение и могут использоваться со всеми видами ионизации.

Несмотря на значительные преимущества современных магнитных масс-анализаторов перед остальными (рекордная чувствительность, однозначность идентификации, большой рабочий диапазон масс, широкий линейный диапазон), они обладают двумя основными "недостатками" - эти приборы большие как по размерам, так и по стоимости.

Ученые в течение долгого времени искали альтернативу магниту в качестве масс-анализатора. Первым успеха добился профессор Стэнфордского университета Robert Finnigan, построивший в 1967 году первый коммерческий хромато-масс-спектрометр с квадрупольным анализатором. Квадруполь представляет собой четыре стержня, к которым попарно в противоположной полярности подается определенная комбинация постоянного и радиочастотного переменного напряжений. Ионы, влетающие параллельно оси этих стержней, попадают в гиперболическое поле и оно, в зависимости от соотношения их массы (m/z) и частоты, пропускаются этим полем или не пропускаются дальше. Создание квадрупольных масс-анализаторов стало революцией в масс-спектрометрии. Магнитные масс-спектрометры требуют использования высоких напряжений (тысячи вольт), а квадрупольные нет, и это упрощает его конструкцию, меньшие размеры вакуумной части упрощают систему создания вакуума.

Дальнейшее развитие квадрупольных анализаторов привело к созданию "ионной ловушки". Одна пара стержней была закручена в кольцо, а вторая пара превратилась в шарообразные чашки. Теперь комбинация радиочастотных и постоянных напряжений, прикладываемых к электродам ионной ловушки, стала позволять удерживать ионы внутри нее или выбрасывать из нее.

Существенным моментом работы ионных ловушек является подбор времени, в течение которого ионы остаются захваченными в ловушке. С одной стороны, это время должно быть достаточно "большим" (речь идет о милисекундах) для того, чтобы можно было провести фрагментацию ионов, выбросить из ловушки ненужные, провести следующую фрагментацию ионов, которые уже один раз претерпели ее и другие манипуляции с ионами. С другой стороны, слишком длительное время, проведенное в ловушке может приводить к нежелательным ионно-ионным и ионно-молекулярным реакциям, которые могут привести к нежелательным изменениям масс-спектра, а также к образованию объемного заряда, препятствующего как можно более полному детектированию ионов умножителем. Для того, чтобы избежать всего этого, Thermo Scientific использует патентованную систему AGC (Automatic Gain Control), которая "следит" за количеством ионов в ловушке.

Появление квадрупольных ловушек на базе линейных квадруполей также явилось существенным прорывом в технологии масс-спектрметрического анализа. Прежде всего, линейная квадрупольная ловушка характеризуется большей емкостью ионов, кроме того, в ней можно проводить больше манипуляций с ионами путем контролируемой фрагментации или отбора ионов и за меньшее время. Процессы, происходящие в линейной квадрупольной ионной ловушке описываются ниже, там где речь идет о гибридных приборах, включающих масс-спектрометры с Фурье- преобразованием сигнала.

Использование ионных ловушек дало импульс к развитию систем тандемной масс-спектрометрии или МС/МС. МС/МС - это когда масс-анализаторы выстраивают последовательно друг за другом.

Важнейшим преимуществом тандемной масс-спектрометриии в ГХ/МС является так называемый целевой анализ. Многочисленные задачи, стоящие перед аналитикой, подразумевают определение конкретных органических соединений в образцах, причем, чем меньше уровень их определения, тем лучше (например, допинговый контроль, определение пестицидов и других загрязнителей пищевой продукции и окружающей среды, анализ диоксинов). При этом концентрации и, соответственно, сигналы этих целевых соединений много меньше, чем других многочисленных соединений, находящихся в этом же образце. Эти сигналы не видны за "химическим шумом" или сигналом матрицы. Для того, чтобы добиться селективности, можно использовать высокое разрешение, но это и сложнее и дороже, можно использовать метод селективной регистрации ионов (SIM). Селективная регистрация ионов приводит к выигрышу в чувствительности (все время, которое тратилось раньше на запись полного масс-спектра, теперь тратиться на запись одного или нескольких ионов) и селективности (регистрируется только один или несколько ионов, а остальные не видны), но менее достоверна. Если по полному спектру в сочетании с хроматографическим временем удерживания можно было практически однозначно подтвердить целевое соединение, то теперь у нас осталось только время удерживания и одна палка в масс-спектре, довольно зыбкие доказательства, явно недостаточные для "вынесения приговора" (например, в допинговом контроле, контроле диоксинов и ксенбиотиков). Если использовать тандемную масс-спектрометрию и регистрировать один родительский и один (или несколько) дочерних ионов, то при их появлении можно однозначно говорить о детектировании целевого компонента, достигая практически такой же чувствительности и лучшей селективности.