Масс-анализаторы

Ионизация неорганических веществ

Для ионизации неорганических материалов (металлы, сплавы, горные породы и т.д.), в которых энергии связи атомов в твердых телах гораздо больше, применяют значительно более жесткие методы ионизации.

Первый метод, наиболее распространенный, – это ионизация в индуктивно-связанной плазме. Индуктивно-связанная плазма (ИСП, ICP) образуется внутри аргоновой горелки. Аргон – инертный негорючий газ, поэтому для его сгорания применяют индукционную катушку. При попадании в плазму аргоновой горелки атомы и молекулы превращаются в ионы. Для введения вещества в горелку, его предварительно растворяют в воде и распыляют в плазму в виде мельчайшей взвеси.

В методе лазерной абляции вещество переводят в газ с помощью мощного лазерного луча, который "взрывает" кратер в подставленном под него кусочке материала, переводя небольшую его часть в газообразное состояние.

В методе термоионизации анализируемое вещество наносится на проволочку из тугоплавкого металла, по которой пропускается ток, разогревающий ее до высокой температуры. За счет высокой температуры нанесенное вещество испаряется и ионизируется. Этот метод обычно используется в изотопной масс-спектрометрии.

Для токопроводящих материалов применяется искровая ионизация и ионизация в тлеющем разряде. В первом случае за счет разницы потенциалов между навеской исследуемого материала и другим электродом пробивается искра, вырывающая с поверхности мишени ионы. Во втором – ионы образуются за счет тлеющего разряда, поджигаемого между кусочком проводящего материала и электродом в атмосфере инертного газа, находящегося под очень низким давлением (того же аргона в большинстве случаев).

После получения ионов их вытягивают из ионизатора с помощью электрического поля. Третьим этапом масс-спектрометрического анализа является сортировка ионов по массам (точнее по отношению ). Это происходит в масс-анализаторе. Существует несколько типов масс-анализаторов.

Магнитный масс-анализатор

Все масс-анализаторы используют физические законы движения заряженных частиц. Исторически первым масс-анализатором, остающимся непревзойденным по своим характеристикам и сегодня, 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 имеют большие размеры, используют высокие напряжения (тысячи вольт) и достаточно дороги. Они используются в органическом анализе с высоким разрешением, анализе изотопов, элементном анализе на предельной чувствительности.

Квадрупольный масс-анализатор

Кроме магнита в масс-анализаторе используется квадрупольный анализатор. (Р. Финниган, 1967). 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 (как всегда, m/z) и частоты, пропускаются этим полем или не пропускаются дальше.

Создание квадрупольных масс-анализаторов стало революцией в масс- спектрометрии. Эти анализаторы имеют упрощенную (по сравнению с магнитами) конструкцию, упрощенную систему создания вакуума, небольшие размеры, и, что самое главное, намного дешевле, что открыло возможность использовать этот аналитический метод многим тысячам пользователей.

Ионные ловушки

Дальнейшее развитие квадрупольных анализаторов привело к созданию "ионной ловушки". В ней 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 их. Первые ионные ловушки были выпущены фирмой Finnigan в 1983 году.

Существенным моментом работы ионных ловушек является подбор времени, в течение которого ионы остаются 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 эту и другие манипуляции с ионами несколько раз. С другой стороны, слишком длительное время в ловушке приводит к нежелательным ионным реакциям, которые искажают масс-спектр.

Для того, чтобы избежать побочных процессов используют патентованную систему AGC (Automatic Gain Control), которая "следит" за количеством ионов в ловушке. Система делает очень короткий прескан, при котором определяется концентрация ионов, затем подстраивается время, в течение которого ионы остаются в ловушке и делается аналитическое сканирование.

Появление квадрупольных ловушек на базе линейных квадруполей также явилось существенным прорывом в технологии МС-анализа. Линейная квадрупольная ловушка характеризуется большей емкостью ионов, в ней можно проводить контролируемую фрагментацию или отбор ионов за меньшее время.

В настоящее время многие фирмы выпускают МС с квадрупольной ловушкой. Например, фирма Thermo Fisher Scientific выпускает два типа таких приборов – LTQ XL и LXQ. Прибор LTQ XL является самым чувствительным масс-спектрометром в мире. Масс-спектрометры на базе ионной ловушки с внутренним источником ионов в настоящее время выпускаются фирмой Varian.

Использование ионных ловушек дало импульс к развитию систем тандемной масс-спектрометрии или МС/МС. В системе МС/МС масс-анализаторы выстраивают последовательно друг за другом. В этом случае сложные органические молекулы разбивают фрагменты. Из разделенных в первом масс-анализаторе ионов выбирают те, которые представляют интерес. Во втором масс-анализаторе их разбивают на более мелкие фрагменты и снова рассортировывают по массам и т.д.

В ионной ловушке можно удерживать ионы, которые представляют интерес, а остальные "выбросить" из нее. Оставшиеся в ловушке ионы можно подвергнуть распаду (управляемой фрагментации), зарегистрировать их и так до 10…15 раз.

Тандемную масс-спектрометрию в сочетании с ГХ (ГХ/МС) используют в целевом анализе, если концентрация определяемых веществ намного меньше, чем концентрация матрицы (основных компонентов). Например, пестициды, загрязнители пищевой продукции и окружающей среды, диоксины. Сигналы этих веществ не видны за "химическим шумом" или сигналом матрицы. Если регистрировать один родительский и один (или несколько) дочерних ионов, то при их появлении можно однозначно говорить о детектировании целевого компонента, достигая очень высокой чувствительности.

На сегодняшний день в этой области самым передовым и распространенным методом анализа стал 2DLC-ESI-MS/MS, то есть двумерная микроколоночная высокоэффективная жидкостная хроматография – ионизация в электроспрее – тандемная масс-спектрометрия, а самым распространенным прибором – LCQ.

Ионно-циклотронный резонанс

Для определения сложных органических веществ – протеинов, метаболитов, липидов (протеомики, метаболомики, липидомики) и анализа биополимеров, широкое распространение получил масс-анализатор на основе ионно-циклотронного резонанса. Именно этот тип масс-анализатора позволяет наиболее точно измерять массу иона и обладает очень высоким разрешением. Высокое разрешение позволяет работать с полипротонированными ионами, образующимися при ионизации белков и пептидов в электроспрее, а высокая точность определения массы позволяет получать брутто-формулу ионов, определять структуру последовательностей аминокислотных остатков в пептидах и белках, а также детектировать послетрансляционные модификации белков. Это сделало возможным секвенировать белки без их предварительного гидролиза на пептиды. Такой способ получил название "Top-down" протеомики.

Получение уникальной информации стало возможно благодаря применению масс-анализатора ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. В этом анализаторе ионы влетают в сильное магнитное поле и вращаются там по циклическим орбитам (как в циклотроне, ускорителе элементарных частиц). Для своей работы он требует сильного магнитного поля со сверхпроводящим соленоидом, поддерживаемым при очень низкой температуре (жидкого гелия, приблизительно –270 ^оС). Примером такого масс-спектрометра является LTQ FT.

Имеется видео информация, позволяющая представить процессы захвата, фрагментации и анализа ионов в линейной квадрупольной ионной ловушке.

Время-пролетный анализатор

При исследовании соединений, непереводимых в газовую фазу, также популярны "время-пролетные" (Time Of Flight, TOF) масс-анализаторы. В них ионы движутся в бесполевом пространстве. Ионы из источника разгоняются электрическим полем, приобретая достаточно большую кинетическую энергию, и вылетают в бесполевое пространство. На входе в это пространство все ионы имеют одинаковую кинетическую энергию. В зависимости от массы (E = mv²/2) ионы будут двигаться с разными скоростями и, соотвественно, в разное время достигнут детектора, расположенного в конце трубы их пролета. Зарегистрировав их и измерив время, рассчитывают их массу. Все процессы происходят за миллионные доли секунды.

На основе такого масс-анализатора был создан очень быстрый масс-спектрометр, который используется при анализе смеси огромного количества индивидуальных соединений (например, нефть). Примером такого прибора является GC/TOF MS TEMPUS.

На таких анализаторах гораздо проще получать очень широкий диапазон масс, то есть можно измерять массы очень больших молекул. На базе квадрупольных анализаторов это сделать невозможно, недостаточно энергии для разгона больших молекул. Магнитные анализаторы такого масштаба окажутся слишком большими (рабочий диапазон масс магнитного анализатора пропорционален магнитному полю). Время-пролетные анализаторы применяются для измерений масс огромных молекул (с массами в десятки и сотни тысяч атомных единиц). А наиболее подходящим методом ионизации оказался описанный выше MALDI (ионизация лазерной десорбцией с матрицы).

Орбитальная ловушка ионов

В июне 2005 года представлен серийный масс-спектрометр, использующий новый масс-анализатор – орбитальную ловушку ионов, которая была изобретена российским физиком Александром Макаровым, работающим в Thermo Fisher Scientific в Бремене (Германия).

Эта ловушка не использует ни магнитных полей, как масс-спектрометр с двойной фокусировкой или ионно-циклотронного резонанса, ни радиочастот, как квадруполи или квадрупольные ионные ловушки. Этот масс-анализатор, базируется на электростатической аксиально-гармонической орбитальной ловушке ионов, которая использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы. Попадающие в поле ионы начинают двигаться по стабильным циклическим траекториям вокруг центрального электрода и одновременно осцилировать вдоль оси центрального электрода.

Благодаря тому, что аксиальная осциляция не зависит от энергии ионов и тому, что электрическое поле установливается с высокой точностью и стабильностью, может быть достигнуто высокое разрешение и масса может быть измерена с высокой точностью. Орбитальная ловушка также характеризуется большей емкостью ионов