 Где ɛ=2w/2 и  и Данное равенство известное как дифференциальное уравнение Мэтьюса. Стабильные решения уравнения Мэтьюса обычно представляются как «диаграмма устойчивости» в координатах (a, q) (рисунок 3.20). Наивысшая масс-разрешающая мощность будет достигнута, если фильтр настроен таким образом, что «точка», отвечающая интересующим ионам расположена близка к вершине области устойчивости. В этом случае незначительное возрастание или уменьшение значения m/zиона приведёт к нестабильной траектории. Для получения масс-спектра, как DC, так и RFпотенциалы (Uи V)должны варьироваться, сохраняя при этом своё соотношение постоянным.Это приведет к тому, что ранее нестабильные ионы попадут в область вершины области устойчивости, что позволит пропустить их через фильтр.Другое важное заключение из рассмотрения диаграммы стабильности — это то, что квадруполь становится скорее ионным проводником, чем ионным фильтром, если DCкомпонент электрического поля равен нулю (этот режим обычно называют как «только RF» режим операции). Очень интуитивная обработка ионных движений в квадрупольных фильтрах может быть найдено в недавних туториалах. Диапазон m/zтипичной квадрупольной масс-спектрометрии ограничено 4000. Разрешение квадрупольного масс-спектрометра может быть отрегулировано за счет изменения соотношения U/V, наклона «линии сканирования». Массовое разрешение не постоянно по m/z оси, поскольку ширина трансмиссионного окна «фиксирована» после выбора «рабочего» соотношения U / V. Типично, массовое разрешение не может возрастать значительно выше уровня нескольких тысяч. Сканирующий уровень типичного квадрупольного масс-спектрометра достаточно высок, чтобы позволять непосредственную связь с ВЭЖХ. МС/МС эксперименты быть выполнены, если три квадруполя расположены в тандеме (конфигурация называется QqQ). Первый квадруполь установлен для передачи ионов с определенным значением m/z(ионы предшественники), в то время как второй используется как коллизионная ячейка. Он работает в «только RF» режиме чтобы позволять неизбирательную передачу всех ионов (предшественника и фрагментов) в третий квадруполь, который сканируется для нахождения спектра фрагментного иона. Альтернативно, третий квадруполь может быть установлен, чтобы позволять передачу определенных фрагментных ионов, в то время, пока первый сканируется. Масс-спектры, полученные в этом режиме, содержат пики всех ионов, фрагментация которых приводит к выбранному фрагменту (так называемое сканирование ионов предшественников). Наконец, оба – первыйивторойквадруполимогутбытьпросканированы(поддерживая постоянную разницу), получая спектры «постоянных нейтральных потерь». Квадруполи часто связаны с другими типами масс-анализаторов для получения «гибридных» масс-спектрометров. 3.5.4. Масс анализатор как устройство хранилища ионов: квадрупольная ионная ловушка Идея использования квадрупольного поля для хранения ионов является логическим расширением концепта квадрупольного масс-фильтра и было введено изобретателем последнего (за которую Нобелевской премии по физике был удостоен Вольфганг Пауль в 1989). Квадрупольная ионная ловушка может быть рассмотрена как линейный квадрупольный фильтр, который был «свернут», таким образом, что электрическое поле стало квадрупольным во всех измерениях, а не только в плоскости (x, y). Ограниченная емкость устройства квадрупольной ионной ловушки за счет формирования захватывающей потенциальной ямы, когда соответствующеие потенциалы применяются к трем электродам гиперболического сечения (две торцевые крышки и один кольцевой электрод, см. Рисунок 3.21). Колеблющийся (RF) потенциал на кольцевом электроде ФR=Vcoswtсоздает динамичную параболическую (или правильнее, cедловое) поле внутри захватывающего объема, который фокусирует ионы в своем центре. Потенциал, который применяется к торцевым крышкам ФR=Uпостоянный (DC), и поле в любой точке внутри захватывающего объема это  Где rи zэто цилиндрические координаты (r2=x2+y2), и r0это кратчайшая дистанция от центра ловушки до поверхности кольцевого электрода. (На практике, DCпотенцил применяется, путем обеспечения смещения постоянного тока к RF-потенциалу, который применяется к кольцевому электроду.)Ионные траектории в таком поле будут определяться решениями уравнения Мэтьюса сходными с написанным ранее. Решения, соответствующие траекториям, ограниченным объемом захвата, образуют область устойчивости в плоскости (az, qz). Захват ионов генерированных извне ионов, которые вводятся в ловушку, облегчён коллизионным охлаждением (используя гелевый газ в ловушку при давлении примерно 1 мТорр). Рассмотрение диаграммы устойчивости на рис. 3.22 предполагает, что для максимизации «стабильного» диапазона m/z ионная ловушка должна работать при az= 0. Это не соответствует потенциалу постоянного тока, прилагаемому к торцевым крышкам (режим массовой избирательной нестабильности). В таких условиях ионы будут выбрасываться из ловушки только в том случае, если их значение qz превышает 0,908 (рисунок 3.22). Это используется для целей обнаружения ионов в специфической для массы (или, более точно, m/z-специфической) манере. Поскольку qz=4zeV/(mr02w2), постепенное увеличение Vвыльется в возрастание qzи приведет к выбросу ионов с постепенным увеличением значений m/z из ловушки с последующим их обнаружением.
Захваченые («стабильные») ионы данных m/zколебляться с частотой (известной, как секулярная частота) пропорциональную w. Если гармонический потенциал применен к торцу крышек, резонансные состояния будут достигнуты для тех ионов чья секулярная частота совпадает с полученным потенциалом. Резонантная абсорбция энергии таких ионов будет прогрессивно увеличивать амплитуды их колебаний пока они не станут нестабильными и не введутся из объема захвата (Рисунок 3.21, справа). Резонантное поглощение может также быть использовано для масс-селективного выброса/обнаружения, за счет создания «впадины» в диаграмме стабильности при относительно низких значениях qz. Постепенное увеличение Vприведет ионы к прогрессивному возрастанию значений m/z к этой «впадине», делая их траектории нестабильными и в итоге фокусируя ионы из ловушки.
Интересующий ион может быть также выделен в ловушку, используя разнообразные методы. Например, ион может быть «принесен» к вершине стабильности диаграммы стабильности, что сделает все другие ионы нестабильными (Рисунок 3.22). Альтернативно, ион может быть «оставлен» наоси qzи RFамплитуда V затем сканируется (увеличивается) для извлечения всех ионов с более низкими значениями m / z. Далее, «резонансная впадина» создает более высокое m/z и V сканируется, чтобы заставить все ионы с высокими значениями m / z выйти из ловушки через эту дыру.
После выделения интересующего иона резонансное возбуждение может быть вызвано применением гармонического потенциала к торцевым крышкам (см. выше). Амплитуда резонансного сигнала может быть отрегулирована так, что ионы, которые выброшены из ловушки, подвергаются серии столкновений с молекулами демпфирующего газа. Если энергия таких столкновения достаточно высока, ионная внутренняя энергия будет постоянно расти и в итоге приведет к фрагментации иона. Сканирование ВЧ-амплитуды V после периода такой столкновительной активации позволит получить массовый спектр фрагментных ионов. Отбор (выделение) ионов предшественников, коллизионная активация и фрагментация, также как масс-анализ фрагментных ионов – всё происходит последовательно в одном месте, отсюда и термин тандемная-во-времени (в противоположность «тандемная-в-пространстве») масс-спектрометрия.
Любой из фрагментных ионов, полученных в ходе только что описанных экспериментов MS / MS, может быть выделен в ловушку, активирован (частота резонансного потенциала нужно будет скорректировать для нового значения m/z), фрагментирован, с последующим получением масс спектра второго поколения фрагментных ионов. Этот процесс может повторяться любое количество раз, до тех пор, пока число ионов, остающихся в ловушки будет достаточно высоко для обеспечения приличного соотношения сигнал-к-шуму. Такие эксперименты названы мультишаговой тандемной масс-спектрометрией или MSn. Эффективность фрагментации в масс-спектрометрии с ионной ловушкой приближается к 100% для малых (<1 кДа) пептидных ионов.
За счет значительных улучшений в исполнении ионных ловушек, простоты операций и относительно низкой цены, эти анализаторы недавно стали весьма популярны – как автономные масс-спектрометры, так и часть гибридных приборов. Быстрое время сканирования позволяет ионным ловушкам быть непосредственно подключенными к ВЭЖХ (используя ионизацию электроспреем в качестве интерфейса). Ионные ловушки также идеально подходят для импульсных ионизационных источников, таких как МАЛДИ, хотя диапазон m/z большинства коммерческих инструментов с ионной ловушкой ограничивается 6000 (с оптимальным уровнем исполнения ниже 2500), который ограничиваетобъем биомолекул доступный для анализа. Применение ESIможет расширить диапазон биополимеров, доступных для анализа (из-за множественной зарядки, сгенерированные ESI белковые ионы обычно попадают в «допустимый» диапазон m/z). Однако, следует знать другие потенциальные проблемы, которые относятся к пространственно-зарядному эффекту. Поскольку захватывающий объем обычно очень мал, накопление большого числа зарядов (число зарядов может превышать число пойманных белков по крайней мере на порядок (за счет множественного заряжания)) может создать появление мощных электрических полей внутри ловушки. Феномен пространственно-зарядного эффекта оказывает вредный эффект на чувствительность и разрешение и часто приводит к масс-спектрометрическим артефактам, такими как призрачные пики. Больше информации о главных принципах квадрупольных ионных ловушек можно найти в нескольких недавних обзорах и обучающих статьях.
3.5.5. Масс-анализатор как ион-сохраняющее устройство: FTICRMS.
Лишение свободы иона ионное ограничение в ограниченном объеме также может быть достигнуто с использованием комбинации электростатических и магнитных полей. Простейшая конфигурация таких устройств-ловушек изображено на рисунке 3.23. Потенциал постоянного тока, применяемый к передней и задней пластинкам, будет ограничивать движение ионов в z-осевом направлении, в то время как постоянное магнитное поле в том же направлении будет вызывать круговое (циклотронное) движение в плоскости (x, y).В соответствии с формулой (3-1-1), центростремительная сила будет равна силе Лоренца, возникающей на ионе за счет магнитного поля, и поэтому частота циклотронного движения будет однозначно определяться напряженностью магнитного поля B и отношением m / z иона:
Следовательно, измерение циклотронной частоты движения может быть использовано для масс-анализа. Различные модификации этого концепта были выдвинуты в поздних 1940х и ранних 1950х под названиями магнитный времяпролётный масс-спектрометр, масс-спектрометр магнетического периода или масс-синхромет, омегатрон и масс-спектрометр магнитного резонанса. Поскольку частота является физическим параметром, который может быть измерен очень точно, масс-спектрометры, основанные на принципе циклотронного движения, могут обеспечивать высочайшую точность измерений m/z. Однако, этого не случилось до середины 1970х, когда масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса наконец стала мощной аналитической техникой, какой мы её знаем сейчас, за счет введения цифрового преобразования Фурье, как средства создания масс-спектра. Исторический вклад развития ICRMSможет быть найден в недавнем обзоре Маршала (149).
Ионная детекция в FTICRMSвыполнена за счет измерения степени величины токаизображения, индуцированного на пластинах ионом, вращающимся между ними (рисунок 3.23). Не синхронизованное движение большого числа ионов приводит к не приведет к отсутствию чистого тока из-за случайного распределения фаз среди ионной популяции.Следовательно, детекция ионов должна предшествоваться ионным возбуждением (например, за счет применения однородного гармонического электрического поля в направлении, ортогональном магнитному полю). Если частота поля такая же, как циклотронная частота орбитальных ионов, они будут синхронизированы (приведены в фазу с полем). Более того, такие резонансные состояния будут поднимать кинетическую энергию ионов, увеличивая радиус их орбит (и, следовательно, степень изображающего тока, вводящегося каждым ионом. Гомогенная популяция ионов, чьи орбитальные движения в фазе будут уменьшать ток изображения на «приемных» пластинах (верхние и нижние пластины на рисунке 3.24) вида I=I0sin(ωt+α), чья угловая частота ωс будет равна циклотронной частоте ω орбитальных ионов. Амплитуда тока I0 будет пропорциональной числу ионов в популяции и существенно независима от циклотронной частоты ωcс типичными ICR условиями. |
Скачать 102.87 Kb.