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

Время пролета масс - спектрометрия (TOFMS) является методом масс - спектрометрии , в котором ион «сек отношение массы к заряду определяется с помощью времени пролета измерения. Ионы ускоряются электрическим полем известной силы. ^[1] Это ускорение приводит к тому, что ион имеет такую ​​же кинетическую энергию, что и любой другой ион с таким же зарядом. Скорость иона зависит от отношения массы к заряду.(более тяжелые ионы с одинаковым зарядом достигают более низких скоростей, хотя ионы с более высоким зарядом также увеличивают скорость). Затем измеряется время, за которое ион достигает 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 [ править ]

Рисунок из патента TOF Уильяма Э. Стивенса 1952 года. ^[2]

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

${\ Displaystyle Е _ {\ mathrm {p}} = qU \,}$

( 1 )

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

Когда заряженная частица ускоряется в времяпролетную трубку (TOF-трубку или пролетную трубку) с помощью напряжения U , ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию . Кинетическая энергия любой массы равна:

${\ displaystyle E _ {\ mathrm {k}} = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2}}$

( 2 )

Фактически, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, что означает, что уравнения ( 1 ) и ( 2 ) равны

${\ Displaystyle E _ {\ mathrm {p}} = E _ {\ mathrm {k}} \,}$

( 3 )

${\ displaystyle qU = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2} \,}$

( 4 )

Скорость заряженной частицы после ускорения не будет меняться , так как он движется в полевых условиях свободного времени пролета трубки. Скорость частицы может быть определена во времяпролетной трубке, поскольку длина пути ( d ) полета иона известна, а время полета иона ( t ) может быть измерено с помощью переходный дигитайзер или преобразователь времени в цифровой .

Таким образом,

${\ displaystyle v = {\ frac {d} {t}} \,}$

( 5 )

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

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

( 6 )

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

${\ displaystyle t ^ {2} = {\ frac {d ^ {2}} {2U}} {\ frac {m} {q}} \,}$

( 7 )

Извлечение квадратного корня дает время,

${\ displaystyle t = {\ frac {d} {\ sqrt {2U}}} {\ sqrt {\ frac {m} {q}}} \,}$

( 8 )

Эти факторы для времени полета сгруппированы намеренно. содержит константы, которые в принципе не изменяются, когда набор ионов анализируется за один импульс ускорения . Таким образом, ( 8 ) можно представить в виде:${\ displaystyle {\ frac {d} {\ sqrt {2U}}}}$

${\ Displaystyle т = к {\ sqrt {\ гидроразрыва {м} {q}}} \,}$

( 9 )

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

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

Рассмотрим реальный пример MALDI спектрометра массового времени пролета инструмента , который используется для получения масс - спектра из триптических пептидов одного белка . Предположим, масса одного триптического пептида составляет 1000 дальтон ( Да ). Вид ионизации из пептидов , полученных MALDI обычно +1 ионов, так что д = е в обоих случаях. Предположим, что прибор настроен на ускорение ионов напряжением U = 15000 вольт.(15 кВ или 15 кВ) потенциал. И предположим, что длина полетной трубы составляет 1,5 метра (типовая). Все факторы, необходимые для расчета времени пролета ионов, теперь известны для ( 8 ), которое сначала оценивается для иона с массой 1000 Да:

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

( 10 )

Обратите внимание, что массу нужно было преобразовать из дальтонов (Да) в килограммы (кг), чтобы можно было оценить уравнение в правильных единицах. Окончательное значение должно быть в секундах:

${\displaystyle t=2.792\times 10^{-5}\;\mathrm {s} }$

что составляет около 28 микросекунд . Если бы не были однозарядным трипсином пептида иона с 4000 Да массами, и это в четыре раза больше , чем 1000 Да масс, это заняло бы в два раза больше времени, или около 56 мкс для прохождения полет трубки, так как время пропорционально к квадрату корень отношения массы к заряду.

Отложенное извлечение [ править ]

Массовое разрешение может быть улучшено в осевом MALDI-TOF масс-спектрометр, в котором образование ионов происходит в вакууме за счет уравновешивания начального выброса ионов и нейтралов, создаваемых лазерным импульсом, и позволяя ионам перемещаться на некоторое расстояние перпендикулярно пластине с образцом, прежде чем ионы могут быть ускорены в пролетной трубе . Уравновешивание ионов в плазменном шлейфе, образующемся при десорбции / ионизации, происходит примерно через 100 нс или меньше, 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 задерживать извлечение ионов из ионного источника в сторону пролетной трубы на несколько сотен наносекунд до нескольких микросекунд относительно начала короткого (обычно , несколько наносекунд) лазерный импульс.Этот метод называется "фокусировка с задержкой по времени".^[3] для ионизации атомов или молекул путем резонансной усиленной многофотонной ионизации или ионизации электронным ударом в разреженном газе и «отсроченной экстракции» ^{[4] [5]} для ионов, обычно образующихся в результате лазерной десорбции / ионизации молекул, адсорбированных на плоских поверхностях или микрокристаллы размещены на проводящей плоской поверхности.

Отложенная экстракция обычно относится к режиму работы вакуумных источников ионов, когда возникновение электрического поля, ответственного за ускорение (извлечение) ионов в пролетную трубу, задерживается на некоторое короткое время (200–500 нс) по отношению к ионизации ( или десорбция / ионизация) событие. Это отличается от случая постоянного поля экстракции, когда ионы мгновенно ускоряются после образования. Отсроченная экстракция используется с MALDI или лазерной десорбцией / ионизацией.(LDI) источники ионов, в которых ионы, подлежащие анализу, образуются в расширяющемся шлейфе, движущемся от пластины для образцов с высокой скоростью (400–1000 м / с). Поскольку толщина ионных пакетов, поступающих в детектор, важна для разрешения по массе, при первом осмотре может показаться нелогичным допускать дальнейшее расширение ионного шлейфа перед извлечением. Отсроченная экстракция - это скорее компенсация начального импульса ионов: она обеспечивает одинаковое время прибытия в детектор для ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными начальными скоростями.

При отложенном извлечении ионов, произведенных в вакууме, ионы, которые имеют меньший импульс в направлении извлечения, начинают ускоряться при более высоком потенциале из-за того, что они находятся дальше от пластины извлечения, когда поле извлечения включено. И, наоборот, ионы с большим прямым импульсом начинают ускоряться при более низком потенциале, поскольку они находятся ближе к пластине извлечения. На выходе из области ускорения более медленные ионы в задней части факела будут ускоряться до большей скорости, чем первоначально более быстрые ионы на фронте факела. Таким образом, после отложенного извлечения группа ионов, которая покидает ионный источник раньше, имеет более низкую скорость в направлении ускорения по сравнению с некоторой другой группой ионов, которая покидает ионный источник позже, но с большей скоростью. Когда параметры ионного источника настроены правильно,более быстрая группа ионов догоняет более медленную на некотором расстоянии от источника ионов, поэтому пластина детектора, размещенная на этом расстоянии, обнаруживает одновременное прибытие этих групп ионов. В своем роде отложенное приложение поля ускорения действует как одномерный элемент фокусировки времени пролета.

Reflectron TOF [ править ]

Распределение кинетической энергии в направлении полета иона можно скорректировать с помощью рефлектрона. ^{[6] [7]} рефлектрон использует постоянное электростатическое поле , чтобы отразить ионный пучок в направлении детектора. Более энергичные ионы проникают глубже в рефлектрон и проходят немного более длинный путь к детектору. Менее энергичные ионы с таким же отношением массы к заряду проникают в рефлектрон на меньшее расстояние и, соответственно, на более короткий путь к детектору. Плоская поверхность ионного детектора (обычно микроканальная пластина, MCP) размещается в плоскости, где ионы с одинаковым m / z, но с разными энергиями прибывают в одно и то же время, отсчитываемое от начала импульса экстракции в источнике ионов. Точку одновременного прибытия ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными энергиями часто называют времяпролетным фокусом. Дополнительным преимуществом схемы re-TOF является то, что при заданной длине прибора TOF достигается удвоенная траектория полета.

Ионный строб [ править ]

Брэдбери-Нильсен затвора представляет собой тип ионного ворот , используемых в масс - спектрометре TOF и в спектрометрах ионной подвижности , а также преобразование Адамара TOF - масс - спектрометры. ^[8] Затвор Брэдбери – Нильсена идеален для селектора ионов с быстрой синхронизацией (TIS) - устройства, используемого для выделения ионов в узком диапазоне масс в тандемных масс-спектрометрах MALDI (TOF / TOF). ^[9]

Время пролета с ортогональным ускорением [ править ]

Источники ионов непрерывного действия (чаще всего электрораспылительная ионизация, ESI) обычно подключаются к масс-анализатору TOF.с помощью "ортогональной экстракции", при которой ионы, введенные в масс-анализатор TOF, ускоряются вдоль оси, перпендикулярной их начальному направлению движения. Ортогональное ускорение в сочетании с столкновительным ионным охлаждением позволяет разделить образование ионов в ионном источнике и масс-анализ. С помощью этого метода можно достичь очень высокого разрешения для ионов, произведенных в источниках MALDI или ESI. Перед входом в область ортогонального ускорения или в генератор импульсов ионы, произведенные в непрерывных (ESI) или импульсных (MALDI) источниках, фокусируются (охлаждаются) в пучок диаметром 1-2 мм за счет столкновений с остаточным газом в многополюсных радиоводах. Система электростатических линз, установленных в области высокого вакуума перед генератором импульсов, делает луч параллельным, чтобы минимизировать его расхождение в направлении ускорения.Комбинация ионно-столкновительного охлаждения и ортогонального ускорения TOF^{[11] [12]} обеспечили значительное увеличение разрешения современных TOF MS с нескольких сотен до нескольких десятков тысяч без ущерба для чувствительности.

Времяпролетная масс-спектрометрия с преобразованием Адамара [ править ]

Времяпролетная масс-спектрометрия с преобразованием Адамара (HT-TOFMS) - это режим масс-анализа, используемый для значительного увеличения отношения сигнал / шум обычного TOFMS. ^[13] В то время как традиционный TOFMS анализирует один пакет ионов за раз, ожидая, пока ионы достигнут детектора, прежде чем ввести другой ионный пакет, HT-TOFMS может одновременно анализировать несколько ионных пакетов, движущихся в летной трубе. ^[14] Пакеты ионов кодируются путем быстрой модуляции передачи ионного пучка, так что более легкие (и, следовательно, более быстрые) ионы из всех первоначально выпущенных пакетов массы из пучка опережают более тяжелые (и, следовательно, более медленные) ионы. ^[15]Этот процесс создает перекрытие многих распределений времени пролета, свернутых в виде 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. ^[13]

Тандемное времяпролетное [ править ]

Тандемный времяпролетный ( TOF / TOF ) - это метод тандемной масс-спектрометрии, при котором последовательно используются два времяпролетных масс-спектрометра. ^{[16] [17] [18] [19]}Для регистрации полного спектра предшественников (родительских) ионов 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 (MS / MS) режиме энергия лазера значительно превышает пороговое значение MALDI. Первый масс-спектрометр TOF (в основном, пролетная трубка, которая заканчивается синхронизированным селектором ионов) изолирует выбранные ионы-предшественники с использованием скоростного фильтра, обычно типа Брэдбери-Нильсена, а второй TOF-MS (который включает ускоритель, пролетная трубка, ионное зеркало и детектор ионов) анализирует ионы-фрагменты.Фрагментные ионы в MALDI TOF / TOF возникают в результате распада ионов-предшественников, колебательно возбужденных выше их уровня диссоциации в источнике MALDI (распад после источника^[20] ). Дополнительная ионная фрагментация, реализованная в высокоэнергетической ячейке столкновений, может быть добавлена ​​к системе для увеличения скорости диссоциации колебательно-возбужденных ионов-предшественников. Некоторые конструкции включают гасители сигналов прекурсоров как часть второй TOF-MS для уменьшения мгновенной токовой нагрузки на ионный детектор.

Детекторы [ править ]

Времяпролетный масс-спектрометр (TOFMS) состоит из масс-анализатора и детектора. Источник ионов (импульсный или непрерывный) используется для лабораторных экспериментов TOF, но не требуется для анализаторов TOF, используемых в космосе, где ионы поступают от Солнца или планетных ионосфер. Масс-анализатор TOF может быть линейной пролетной трубкой или рефлектроном. Детектор ионов обычно состоит из микроканального пластинчатого детектора или быстродействующего умножителя вторичной эмиссии (SEM), где первая пластина преобразователя ( динод ) является плоской. ^[21] Электрический сигнал от детектора записывается с помощью преобразователя времени в цифровой (TDC) или быстрого аналого-цифрового преобразователя.(АЦП). TDC в основном используется в сочетании с инструментами TOF с ортогональным ускорением (oa).

Цифро-временные преобразователи регистрируют приход одиночного иона в дискретные временные «ячейки»; комбинация порогового запуска и дискриминатора постоянной доли (CFD) различает шум и события прибытия ионов. CFD преобразует несколько наносекундных электрических импульсов гауссовой формы разной амплитуды, генерируемых на аноде MCP, в импульсы общей формы (например, импульсы, совместимые с логической схемой TTL), отправленные в TDC. Использование CFD обеспечивает момент времени, соответствующий положению максимума пика, независимо от изменения амплитуды пика, вызванного изменением усиления MCP или SEM. Быстрые CFD обычно имеют мертвое время в несколько наносекунд, что предотвращает повторное срабатывание одного и того же импульса.

TDC - это детектор счета ионов - он может быть чрезвычайно быстрым (с разрешением до нескольких пикосекунд), но его динамический диапазонограничен из-за его неспособности правильно подсчитать события, когда более одного иона одновременно попадают в детектор. Результатом ограниченного динамического диапазона является то, что количество ионов, обнаруживаемых в одном спектре, несколько невелико. Эту проблему ограниченного динамического диапазона можно решить, используя конструкцию многоканального детектора: массив мини-анодов, прикрепленных к общему стеку MCP, и несколько CFD / TDC, где каждый CFD / TDC записывает сигналы от отдельного мини-анода. Для получения пиков со статистически приемлемой интенсивностью подсчет ионов сопровождается суммированием сотен индивидуальных масс-спектров (так называемое гистограммирование). Чтобы достичь очень высокой скорости счета (ограниченной только длительностью отдельного спектра TOF, которая может составлять несколько миллисекунд в многолучевых установках TOF), используется очень высокая частота повторения извлечения ионов в трубку TOF.Коммерческие TOF-масс-анализаторы с ортогональным ускорением обычно работают с частотой повторения 5–20 кГц. В комбинированных масс-спектрах, полученных суммированием большого количества событий обнаружения отдельных ионов, каждый пик представляет собойгистограмма, полученная суммированием значений в каждой отдельной ячейке. Поскольку регистрация прихода отдельных ионов с помощью TDC дает только одну временную точку (например, временной интервал, соответствующий максимуму электрического импульса, генерируемого в событии обнаружения одного иона), TDC исключает часть ширины пика. в комбинированных спектрах, определяемых ограниченным временем отклика детектора МКП. Это способствует лучшему массовому разрешению.

Современные сверхбыстрые аналого-цифровые преобразователи 8 Гвыб / сек оцифровывают импульсный ионный ток от детектора MCP через дискретные интервалы времени (125 пикосекунд). Типичный 8-битный или 10-битный АЦП 8 ГГц имеет гораздо более высокий динамический диапазон, чем TDC, что позволяет использовать его в приборах MALDI-TOF с его высокими пиковыми токами. Для записи быстрых аналоговых сигналов от детекторов MCP необходимо тщательно согласовать импеданс анода детектора с входной схемой АЦП ( предусилителя ), чтобы минимизировать эффект «звона». Массовое разрешение в масс-спектрах, записанных с помощью сверхбыстрого АЦП, может быть улучшено за счет использования детекторов MCP с малыми порами (2-5 микрон) с более коротким временем отклика.

Приложения [ править ]

Матричная лазерная десорбционная ионизация (MALDI) - это метод импульсной ионизации, который легко совместим с TOF MS.

Атомно-зондовая томография также использует преимущества TOF-масс-спектрометрии.

Фотоэлектронная фотоионная спектроскопия совпадений использует мягкую фотоионизацию для отбора внутренней энергии ионов и TOF-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.

История поля [ править ]

О раннем времяпролетном масс-спектрометре, названном Velocitron, 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, Мы Stephens из Пенсильванского университета в пятницу во второй половине дня сессии заседания, в Массачусетском технологическом институте , в американском физическом обществе . ^{[22] [23]}

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• IFR / JIC TOF MS Учебное пособие
• Руководство Jordan TOF Products TOF Mass Spectrometer
• Учебник TOF-MS Бристольского университета
• Kore Technology - Введение в времяпролетную масс-спектрометрию