Времяпролетная масс-спектрометрия - Time-of-flight mass spectrometry

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

Времяпролетная масс-спектрометрия (TOFMS) - это метод масс-спектрометрии в котором ион с отношение массы к заряду определяется через время полета измерение. Ионы ускоряются электрическое поле известной силы.^[1] Это ускорение приводит к тому, что ион имеет такой же кинетическая энергия как и любой другой ион с таким же зарядом. Скорость иона зависит от отношение 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

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

В потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле связана с зарядом частицы и напряжённостью электрического поля:

${displaystyle E_ {mathrm {p}} = qU,}$

(1)

куда E_п потенциальная энергия, q - заряд частицы, а U это разность электрических потенциалов (также известная как напряжение).

Когда заряженная частица ускоряется до времяпролетная труба (TOF-трубка или полетная трубка) по напряжению U, его потенциальная энергия преобразуется в кинетическая энергия. Кинетическая энергия любого масса является:

${displaystyle E_ {mathrm {k}} = {frac {1} {2}} mv ^ {2}}$

(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)

В скорость заряженной частицы после ускорения не изменится, так как она движется в бесполевой времяпролетной трубке. Скорость частицы можно определить во времяпролетной трубке, поскольку длина пути (d) полета иона известно и время пролета иона (т) можно измерить с помощью переходный дигитайзер или же время в цифровой преобразователь.

Таким образом,

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

(5)

и мы заменять значение v в (5) в (4).

${displaystyle qU = {frac {1} {2}} mleft ({frac {d} {t}} ight) ^ {2},}$

(6)

Перестановка (6), так что время полета выражается всем остальным:

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

(7)

Принимая квадратный корень дает время,

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

(8)

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

${displaystyle t = k {sqrt {frac {m} {q}}},}$

(9)

куда k это константа пропорциональности представляющие факторы, связанные с настройками и характеристиками прибора.

(9) более четко показывает, что время пролета иона меняется в зависимости от квадратный корень своего отношение массы к заряду (м / кв).

Рассмотрим реальный пример МАЛДИ времяпролетный масс-спектрометр инструмент, который используется для производства масс-спектр из триптический пептиды из белок. Предположим, масса одного триптического пептида составляет 1000 дальтон (Да ). Вид ионизация из пептиды MALDI обычно составляет +1 ион, поэтому q = е в обоих случаях. Предположим, что прибор настроен на ускорение ионов в U = 15,000 вольт (15 кВ или 15 кВ) потенциал. И предположим, что длина полетной трубы составляет 1,5 метра (типовая). Теперь известны все факторы, необходимые для расчета времени пролета ионов для (8), который оценивается первым из иона массой 1000 Да:

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

(10)

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

${displaystyle t = 2,792 imes 10 ^ {- 5}; mathrm {s}}$

что примерно 28 микросекунды. Если бы был однозарядный триптический пептид иона с массой 4000 Да, и это в четыре раза больше, чем масса 1000 Да, потребуется вдвое больше времени, или около 56 микросекунд, чтобы пройти через летную трубку, поскольку время пропорциональный к квадратный корень отношения массы к заряду.

Отложенное извлечение

Массовое разрешение можно улучшить в осевом МАЛДИ -TOF масс-спектрометр, в котором образование ионов происходит в вакууме за счет уравновешивания первоначального 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 по отношению к началу короткого (обычно , несколько наносекунд) лазерный импульс. Этот метод называется "фокусировка с запаздыванием". ^[3] для ионизации атомов или молекул резонансная многофотонная ионизация или по ионизация электронным ударом в разреженном газе и «отложенной добыче»^[4][5] для ионов, образующихся обычно путем лазерной десорбции / ионизации молекул, адсорбированных на плоских поверхностях, или микрокристаллов, размещенных 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. Отсроченное извлечение используется с МАЛДИ или же лазерная десорбция / ионизация (LDI) ионные источники, 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. Отсроченное извлечение больше похоже на компенсацию начального импульса ионов: оно обеспечивает одинаковое время прибытия в детектор для ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными начальными скоростями.

При отложенном извлечении ионов, образующихся 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. Напротив, 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. При правильной настройке параметров ионного источника более быстрая группа ионов догоняет более медленную на некотором расстоянии от ионного источника, 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.

Отражатель TOF

Схема TOF MS Reflectron

Двухступенчатый рефлектрон от прибора Shimadzu IT-TOF. 46 металлических пластин несут напряжения, которые создают градиент потенциала.

Распределение кинетической энергии в направлении полета иона можно скорректировать с помощью рефлектрона.^[6][7] В рефлектрон использует постоянное электростатическое поле для отражения ионного луча к детектору. 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 одинаковыми m / z, но с разными энергиями прибывают в одно и то же время, отсчитываемое от начала импульса экстракции в источнике ионов. Точка одновременного прибытия ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными энергиями часто упоминается как времяпролетная фокусировка. Дополнительным преимуществом схемы re-TOF является то, что удвоенная траектория полета достигается в заданная длина инструмента TOF.

Ионный строб

А Затвор Брэдбери – Нильсена представляет собой тип ионного затвора, используемый в масс-спектрометрах TOF и в спектрометры ионной подвижности, а также Преобразование Адамара TOF масс-спектрометры.^[8] Затвор Брэдбери – Нильсена идеален для быстродействующего селектора ионов (TIS) - устройства, используемого для выделения ионов в узком диапазоне масс в тандемных масс-спектрометрах MALDI (TOF / TOF).^[9]

Время пролета с ортогональным ускорением

Agilent 6210 электроспрей ионизационный ортогональный времяпролетный масс-спектрометр (справа) и ВЭЖХ (оставили)

Схема ортогонального ускорения времени полета масс-спектрометра:^[10] 20 - ионный источник; 21 - ионный транспорт; 22 - летная труба; 23 - запорный клапан; 24 - пластина отпугивателя; 25 - сетки; 26 - область разгона; 27 - рефлектрон; 28 - детектор.

Источники непрерывных ионов (чаще всего электрораспылительная ионизация, ESI) обычно подключаются к TOF. масс-анализатор с помощью "ортогональной экстракции", при которой ионы, введенные в масс-анализатор TOF, ускоряются вдоль оси, перпендикулярной их начальному направлению движения. Ортогональное ускорение в сочетании со 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 импульсный генератор ионы, произведенные в непрерывных (ESI) или импульсных (MALDI) источниках, фокусируются (охлаждаются) в пучок диаметром 1–2 мм при столкновении с остаточным газом в многополюсных ВЧ волноводах. Система электростатических линз, установленных в области высокого вакуума перед генератором импульсов, делает луч параллельным, чтобы минимизировать его расходимость в направлении ускорения. Комбинация ионно-столкновительного охлаждения и ортогонального ускорения TOF ^[11][12] обеспечил значительное увеличение разрешения современных TOF MS с нескольких сотен до нескольких десятков тысяч без ущерба для чувствительности.

Времяпролетная масс-спектрометрия с преобразованием Адамара

Преобразование Адамара времяпролетная масс-спектрометрия (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, перемещающихся 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 сохранения масс-спектров, чем традиционные TOFMS и другие сопоставимые инструменты разделения масс.^[13]

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Май 2008 г.)

Тандемное время пролета

В TOF / TOF ионы ускоряются до первой TOF, а масса вводится в ячейку столкновений; Ионы фрагмента разделяются во втором TOF.

Тандемное время полета (TOF / TOF) это тандемная масс-спектрометрия метод, 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 ионы-предшественники по выбору с использованием скоростного фильтра, обычно типа Брэдбери-Нильсена, а второй TOF-MS (который включает пост 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

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 обеспечивают солнце или планетные ионосферы. Масс-анализатор TOF может быть линейной пролетной трубкой или рефлектроном. Детектор ионов обычно состоит из микроканальный пластинчатый детектор или пост вторичная эмиссия множитель (SEM), где первая пластина преобразователя (динод ) плоский.^[21] Электрический сигнал от детектора регистрируется с помощью время в цифровой преобразователь (ВМТ) или быстрый аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ВМТ в основном используется в сочетании с инструментами TOF с ортогональным ускорением (oa).

Цифро-временные преобразователи регистрируют прибытие одного иона в дискретные временные «ячейки»; комбинация порогового срабатывания и дискриминатор постоянной дроби (CFD) различает шум и приход 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 очень быстрым (с разрешением до нескольких пикосекунд), но его динамический диапазон ограничен 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, подключенных к общему стеку MCP, и несколько CFD / TDC, где каждый CFD / TDC записывает сигналы с 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 достигать нескольких миллисекунд в многолучевых установках TOF), используется очень высокая частота повторения извлечения ионов в трубку TOF. Промышленные масс-анализаторы TOF 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 собой гистограмма полученные путем суммирования количества 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 определяется 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 (предусилитель ) для минимизации эффекта «звонка». Массовое разрешение в масс-спектрах, записанных с помощью сверхбыстрого АЦП, можно улучшить за счет использования детекторов MCP с малыми порами (2-5 микрон) с более коротким временем отклика.

Приложения

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Май 2008 г.)

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

Атомный зонд томография также использует преимущества масс-спектрометрии TOF.

Фотоэлектронная спектроскопия фотоионных совпадений использует мягкую фотоионизацию для выбора внутренней энергии ионов и масс-спектрометрию TOF для масс-анализа.

Масс-спектрометрия вторичных ионов обычно используются масс-спектрометры TOF, чтобы обеспечить параллельное обнаружение различных ионов с высокой разрешающей способностью по массе.

История отрасли

Эта секция нуждается в расширении. Вы можете помочь добавляя к этому. (Август 2010 г.)

О раннем времяпролетном масс-спектрометре, названном Velocitron, сообщили А. Э. Камерон и Д. Ф. Эггерс-младший, работавшие в Y-12 Комплекс национальной безопасности, в 1948 г. Идея была предложена двумя годами ранее, в 1946 г., У. Э. Стивенсом из Пенсильванский университет на пятничном дневном заседании собрания в Массачусетский Институт Технологий, из Американское физическое общество.^[22][23]

Рекомендации

Библиография

внешняя ссылка

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