20.3: Мас-спектрометри

Мас-спектрометр має чотири основних елементи: засіб для введення зразка в прилад, засіб для генерації суміші іонів, засіб для поділу іонів, засіб для підрахунку іонів. У розділі 20.2 ми представили деякі найважливіші способи генерації іонів. У цьому розділі ми звернемо увагу на системи введення зразків, а також на розділення та підрахунок іонів. Ви можете переглянути главу 11, де ми розглянули ці теми в контексті атомної мас-спектрометрії. Як ми зазначали в главі 11, мас-спектрометр повинен працювати під вакуумом, щоб гарантувати, що іони можуть подорожувати на великі відстані, не зазнаючи небажаних зіткнень, які впливають на їх іонну енергію.

Системи впуску зразків

Коли зразок являє собою газ або летючу рідину, легко перенести частину зразка в резервуар як газ, що підтримується при відносно невеликому тиску. Потім зразку дають увійти в джерело іонів мас-спектрометра через діафрагму, яка містить штирьовий отвір, втягнутий, утримуючи джерело іонів при більш низькому тиску.

Тверді та нелеткі рідини відбираються шляхом введення їх безпосередньо в джерело іонів через вакуумний замок, який дозволяє мас-спектрометру залишатися під вакуумом, за винятком джерела іонів, куди вставляється зразок. Зразок поміщають в капілярну трубку або невелику чашку на кінці пробного зонда, а потім переміщують в джерело іонів. Зонд для зразків включає нагрівальну котушку, яка використовується разом з вакуумом приладу, щоб допомогти випаровувати зразок.

Особливе значення мають вхідні системи, які з'єднують хроматографічний або електрофоретичний прилад з мас-спектрометром, забезпечуючи спосіб розділити складну суміш на окремі компоненти, а потім за допомогою мас-спектрометра для визначення складу цих компонентів. Інтерфейс між газовим хроматографом і мас-спектрометром (GC-MS) повинен враховувати значне падіння тиску від атмосферного тиску до тиску 10 ^—8 торр; інтерфейс для LC-MS і для EC-MS повинен забезпечувати спосіб видалення рідкого елюента, випаровування зразків та облік падіння тиску. Докладніші відомості див. у розділах 27, 28 та 30.

Аналізатори маси

Призначення масоаналізатора полягає в розділенні іонів за співвідношенням маси до заряду. В ідеалі ми хочемо, щоб аналізатор маси дозволяв нам розрізняти невеликі відмінності в масі і робити це з сильним співвідношенням сигнал/шум. Як ми дізналися в розділі 7 при введенні оптичної спектроскопії, ці два бажання зазвичай знаходяться в напрузі один з одним, причому поліпшення роздільної здатності часто відбувається зі збільшенням шуму.

Дозвіл

Роздільна здатність між двома піками\(R\), в мас-спектрометрії визначається як відношення їх середньої маси до різниці їх мас

\[R = \frac{\overline{m}}{\Delta m} \label{resolution} \]

Наступна таблиця показує, як роздільна здатність змінюється залежно від середньої маси та різниці в масі. Роздільна здатність 1000, наприклад, достатня для розчинення двох іонів із середньою масою 100 аму, які відрізняються на 0,1 аму, або двох іонів, які мають середню масу 1000 аму, які відрізняються на 1 аму.

Таблиця\(\PageIndex{1}\). Дозвіл для заявлених значень\(\overline{m}\) і\(\Delta m\).

\[\overline{m} \rightarrow \nonumber \] \[ \Delta m \downarrow \nonumber \]	100 аму	1000 аму	10 000 аму
\ [\ overline {m}\ стрілка вправо\ nonumber\]\[ \Delta m \downarrow \nonumber \] «>0.1 amu	1 000	10 000	100 000
\ [\ overline {m}\ стрілка вправо\ nonumber\]\[ \Delta m \downarrow \nonumber \] «>1 amu	100	1 000	10 000
\ [\ overline {m}\ стрілка вправо\ nonumber\]\[ \Delta m \downarrow \nonumber \] «>10 amu	10	100	1 000

Масові аналізатори магнітного сектора

Коли пучок іонів проходить через магнітне поле, його шлях змінюється, як ми бачимо на малюнку\(\PageIndex{1}\). Іони відчувають прискорення, коли вони виходять з джерела іонів і потрапляють в аналізатор маси з кінетичною енергією, яка задається рівняннями.

\[\ce{KE} = z e V \label{msa1} \]

\[\ce{KE} = \frac{1}{2} mv^2 \label{msa2} \]

де\(z\) - заряд іона (зазвичай +1),\(e\) електронний заряд в Кулоні,\(V\) це прикладена напруга, що відповідає за прискорення,\(m\) це маса іона і\(v\) швидкість іона після прискорення. Рівняння\ ref {msa1} показує нам, що всі іони з однаковим зарядом мають однакову кінетичну енергію. Рівняння\ ref {msa2}, значить, говорить нам, що іони з більшою масою будуть рухатися повільніше.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ілюстрація аналізатора магнітного сектора для мас-спектрометрії. Іони з джерела іонів надходять в мас-аналізатор. Магніти в аналізаторі маси згинають шлях, за яким слідують іони. При будь-якій комбінації напруженості магнітного поля і прискорення напруги тільки іони з сумісним співвідношенням маси до заряду здатні покинути мас-аналізатор через вихідну щілину; іони, які занадто важкі або занадто легкі, виходять з аналізатора маси.

Шляху іона через магнітне поле визначають двома силами. Першою з цих сил є магнітна сила\(F_M\), яка діє на іон, який

\[F_M = B z e v \label{msa3} \]

де\(B\) - напруженість магнітного поля. Другою з цих сил є доцентрова сила\(F_C\), яка діє на іон, коли він рухається по його вигнутому шляху, який

\[F_C = \frac{mv^2}{r} \label{msa4} \]

де\(r\) - радіус кривизни магніту. Іон може орієнтуватися лише в цих протилежних силах\(F_C\), якщо\(F_M\) і рівні один одному. Для цього потрібно, щоб

\[B z e v = \frac{mv^2}{r} \label{msa5} \]

Рішення для\(v\) дарує

\[v = \frac{B z e r}{m} \label{msa6} \]

Підстановка назад в Equation\ ref {msa2} і розв'язування співвідношення маси до заряду дає

\[\frac{m}{z} = \frac{B^2 r^2 e}{2V} \label{msa7} \]

Рівняння\ ref {msa7} говорить нам,\(B\) що для будь-якої комбінації напруженості магнітного поля та прискорення напруги\(V\), тільки одне відношення маси до заряду має правильне значення,\(r\) щоб досягти директора. Занадто важкі іони або занадто легкі іони зіткнуться з боками аналізатора маси, перш ніж вони потраплять до детектора. Масовий спектр реєструється шляхом утримання\(V\) і\(r\) постійної і змінної напруженості магнітного поля,\(B\). Роздільна здатність приладу магнітного сектора зазвичай менше 2000.

Масові аналізатори з подвійним фокусуванням

Роздільна здатність приладу магнітного сектора страждає від обмежень, які впливають на його здатність звужувати діапазон кінетичних енергій - і, таким чином, швидкостей, якими володіють іони, коли вони виходять з джерела іонів і потрапляють в аналізатор маси. Масоаналізатор подвійного фокусування на малюнку\(\PageIndex{2}\) компенсує це, розміщуючи електростатичний аналізатор перед магнітним аналізатором, розділяючи їх щілиною. Електростатичний аналізатор складається з двох вигнутих металевих пластин, одна з яких утримується при позитивному потенціалі, а одна - при негативному потенціалі. Коли іони проходять між пластинами, ті іони, які мають занадто багато енергії, і ті, які мають занадто мало енергії, не проходять через щілину, яка відокремлює електростатичний аналізатор від магнітного аналізатора. Таким чином, розподіл енергій - і, таким чином, швидкостей - посилюється, покращуючи роздільну здатність, досягнуту аналізатором магнітного сектора. Залежно від своєї конструкції аналізатор з подвійним фокусуванням може досягти роздільної здатності до 100 000.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ілюстрація мас-аналізатора з подвійним фокусуванням, який складається з електростатичного аналізатора маси і магнітного аналізатора маси. Іони, які роблять його через щілину, яка розділяє два аналізатори, мають менший діапазон кінетичних енергій, ніж іони в аналізаторі маси магнітного сектора, що покращує роздільну здатність.

Квадрупольні аналізатори маси

Квадрупольний аналізатор маси був введений в главі 11, і лікування тут багато в чому однакове. Чотириполюсний аналізатор маси має компактні розміри, низьку вартість, простий у використанні та простий в обслуговуванні. Як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\), він складається з чотирьох циліндричних стрижнів, два з яких з'єднані з позитивним висновком джерела живлення змінного постійного струму (постійного струму), а два з яких підключені до негативної клеми джерела живлення; два позитивні стрижні розташовані навпроти один одного, а два негативні стрижні розташовуються навпроти один одного. Кожна пара стрижнів також підключена до змінного змінного струму (змінного струму) джерела, що працює таким чином, що змінні струми знаходяться на 180° поза фазою один з одним. Іонний промінь від джерела втягується в канал між квадруполями і в залежності від прикладеного постійного і змінного напруг іони з одним співвідношенням маси до заряду успішно переміщаються по довжині мас-аналізатора і досягають перетворювача; всі інші іони стикаються з одним з чотирьох стрижнів і руйнуються.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Базове розташування квадрупольного аналізатора маси. Знаки «плюс» і «мінус» на кожному стрижні вказують, які підключені до плюсової клеми джерела живлення постійного струму. Тут не показана схема подачі змінного струму. Іонний промінь потрапляє в канал між чотириполюсами. Залежно від застосованих постійних і змінних напруг частина іонів виходить з цього каналу і досягає перетворювача.

Щоб зрозуміти, як квадрупольний аналізатор маси досягає цього поділу іонів, допомагає розглянути рух іона відносно лише двох з чотирьох стрижнів, як показано\(\PageIndex{4}\) на малюнку для полюсів, які несуть позитивну напругу постійного струму. Коли іонний промінь потрапляє в канал між стрижнями, змінна напруга змушує іон почати коливатися. Якщо, як на верхній діаграмі, іон здатний підтримувати стабільне коливання, він пройде через мас-аналізатор і досягне перетворювача. Якщо, як на середній діаграмі, іон не здатний підтримувати стабільне коливання, то іон з часом стикається з одним з стрижнів і руйнується. Коли стрижні мають позитивну напругу постійного струму, як це роблять тут, іони з більшими співвідношеннями маси до заряду будуть повільно реагувати на змінну змінну напругу змінного струму і проходитимуть через перетворювач. Результат показаний на малюнку внизу (і повторюється на малюнку\(\PageIndex{5}a\)), де ми бачимо, що іони з досить великим співвідношенням маси до заряду успішно проходять через перетворювач; іони з меншими співвідношеннями маси до заряду - ні. В цьому випадку квадрупольний аналізатор маси виконує роль фільтра високих частот.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Ілюстрація того, як квадрупольний аналізатор маси досягає поділу іонів за співвідношенням маси до заряду. Додаткові відомості див. в тексті.

Ми можемо розширити це на поведінку іонів, коли вони взаємодіють зі стрижнями, які несуть негативну напругу постійного струму. При цьому іони притягуються до стрижнів, але ті іони, які мають досить невелике відношення маси до заряду, здатні реагувати на напругу змінного струму і залишатися в каналі між стрижнями. Іони з більшими співвідношеннями маси до заряду рухаються більш мляво і в кінцевому підсумку стикаються з одним із стрижнів. Як показано на малюнку\(\PageIndex{5}b\), в даному випадку квадрупольний аналізатор маси виконує роль фільтра низьких частот. Разом, як ми бачимо на малюнку\(\PageIndex{5}c\), квадрупольний аналізатор маси працює як фільтр високих частот, так і низьких частот, дозволяючи вузькій смузі співвідношення маси до заряду проходити через перетворювач. Змінюючи прикладену напругу постійного струму та прикладену змінну напругу, ми можемо отримати повний спектр маси.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ілюстрація, яка показує, як квадрупольний аналізатор маси діє як (а) фільтр високих частот, так і (б) фільтр низьких частот, в результаті чого він пропускає тільки іони з вузьким діапазоном співвідношення маси до заряду.

Квадрупольні аналізатори маси забезпечують скромне дозвіл маси до заряду близько 1 аму і поширюються на\(m/z\) співвідношення приблизно 2000.

Аналізатори маси часу польоту

У аналізаторах маси часу польоту, рис\(\PageIndex{6}\)., Іони створюються невеликими кластерами шляхом прикладання періодичного імпульсу енергії до зразка за допомогою лазерного променя або пучка енергетичних частинок для іонізації зразка. Потім невелике скупчення іонів втягується в трубку, застосовуючи електричне поле, а потім дозволяється дрейфувати через трубку за відсутності будь-якого додаткового прикладеного поля; трубка, зі зрозумілих причин, називається дрейфовою трубкою. Всі іони в кластері потрапляють в дрейфову трубку з однаковою кінетичною енергією, КЕ, яку ми визначаємо як

\[\text{KE} = \frac{1}{2} m v^2 =z e V \label{tof1} \]

Час\(T\), що він приймає іон, щоб пройти відстань\(L\), до детектора

\[T = \frac{L}{v} \label{tof2} \]

Підставляємо рівняння\ ref {tof2} на рівняння\ ref {tof1}

\[T = \sqrt{\frac{m}{z}} \times \sqrt{\frac{1}{2eV}} \label{tof3} \]

показує нам, що час, необхідний іону для подорожі через дрейфову трубку, пропорційний квадратній швидкості його співвідношення маси до заряду. В результаті легші іони рухаються швидше, ніж важчі іони. Час польоту, як правило, менше 30 мкс. Аналізатор маси часу польоту забезпечує кращу роздільну здатність, ніж квадрупольний аналізатор маси, але обмежений джерелами, які можуть бути імпульсними. Лінійний аналізатор часу польоту, такий як на малюнку\(\PageIndex{6}\), забезпечує роздільну здатність приблизно 4,000; інші конфігурації можуть досягти роздільної здатності 10000 або краще. Аналізатор часу польоту добре підходить для іонізації MALDI, оскільки час між імпульсами лазера забезпечує час, необхідний для виявлення.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Ілюстрація лінійного аналізатора маси часу польоту, що показує три види відносних положень трьох іонів з малим (зеленим), середнім (синім) та великим (червоним) співвідношенням маси до заряду, коли вони мігрують через дрейфуючу трубку.

Аналізатори маси іонної пастки

\(\PageIndex{7}\)На малюнку наведено ілюстрацію аналізатора маси іонної пастки, який складається з трьох електродів - центрального кільцевого електрода та двох конічних електродів торцевої кришки - які створюють порожнину, в яку втягуються іони. Іони в порожнині відчувають стабілізуючі і дестабілізуючі сили, які впливають на їх рух всередині порожнини. Іони, які приймають стабільні орбіти, залишаються в порожнині. Змінюючи прикладені до електродів потенціали, іони з різним співвідношенням маси до заряду потрапляють на дестабілізуючі орбіти і виходять через невеликий отвір на дні пастки. Іонна пастка зазвичай забезпечує роздільну здатність 1000.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Ілюстрація аналізатора маси іонної пастки, що показує порожнину, визначену верхньою торцевою кришкою, кільцевим електродом та нижньою торцевою кришкою. На фотографіях внизу зображена конічна верхня торцева кришка з невеликими отворами (всередині жовтого кола), що дозволяє іонам потрапляти в порожнину, кільцевий електрод та конічну нижню торцеву кришку, яка має невеликий отвір (всередині жовтого кола), що дозволяє іонам вийти з порожнини і досягати детектор.

Іонний циклотронний резонансний аналіз маси

Аналізатор іонного циклотронного резонансу (ICR) є формою іонної пастки, але працює таким чином, що утримує всі іони всередині пастки. Коли іон газової фази розміщується в межах прикладеного магнітного поля, іони рухаються по круговій орбіті, перпендикулярній прикладному полю (рис.\(\PageIndex{8}\)). Обговорюючи аналізатор магнітного сектора, ми показали\(v\), що швидкість іона в прикладеному магнітному полі з напруженістю\(B\) є функцією радіуса руху іона та його заряду\(r\)

\[v = \frac{B z e r}{m} \label{icr1} \]

Розв'язування для співвідношення\(v / r\) дає циклотронну частоту іона\(w_c\), як

\[w_c = \frac{v}{r} = \frac{z e B}{m} \label{icr2} \]

Коли іон рухається по круговій орбіті, як показано меншою з двох кругових орбіт на малюнку\(\PageIndex{8}a\), поглинає енергію, рівну його частоті циклотрону\(w_c\)\(v\), його швидкості та радіусу його орбіти,\(r\) обидва збільшуються, щоб підтримувати постійне значення для\(w_c\); результат це іон, який рухається по круговій орбіті більшого радіуса. Як\(w_c\) залежить від співвідношення маси до заряду, всі однакові іони\(m/z\) відчувають однакову зміну своєї орбіти, тоді як іони з іншими співвідношеннями маси до заряду не впливають. Іони на більших орбітах з часом повертаються на свою початкову кругову орбіту в результаті зіткнень, в яких вони втрачають енергію.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Ілюстрація того, як працює аналізатор маси ICR. В (а) іон спочатку на круговій орбіті з малим радіусом, показаний синім кольором, рухається на кругову орбіту з більшим радіусом, показаний зеленим кольором, коли він поглинає енергію, рівну його частоті циклотрона\(w_c\), слідуючи шляху, показаному рожевим кольором. ICR комірка в (b) складається з двох передавальних пластин, які застосовують потенціал, який змінює орбіту кожного іона, і двох пластин приймача, які вимірюють струм, що генерується іонами; є дві додаткові пластини, одна спереду і одна ззаду, які забезпечують вхід для введення іонів в комірку ICR з іонного джерела і для видалення іонів при підготовці до наступного зразка. Сигнал в (c) розпадається з часом, оскільки іони втрачають енергію через зіткнення.

Сама пастка, як видно на малюнку\(\PageIndex{8}b\), визначається двома парами пластин (всього чотири). Пластини передавача використовуються для застосування потенціалу, який змінює орбіти іонів. Рух іонів генерує струм у пластин приймача, який служить сигналом, як показано на малюнку\(\PageIndex{8}c\), тобто позитивний, коли іон ближче до однієї пластини приймача, і негативний, коли він ближче до іншої пластини приймача. Початкова величина струму пропорційна числу іонів при співвідношенні маси до заряду.

Аналізатор іонного циклотронного резонансу зазвичай експлуатується шляхом застосування короткого імпульсу енергії, який лінійно змінюється за своєю частотою. Це приводить всі іони в рух, причому кожне співвідношення маси до заряду дає реакцію струму, подібну до реакції на рис\(\PageIndex{8}c\). У сукупності ці окремі криві поточного часу дають спектр часової області, який ми можемо приховати в спектрі частотної області, взявши перетворення Фур'є. Спектр частотної області дає масовий спектр через Equation\ ref {icr2}. Прилади FT-ICR здатні досягати роздільної здатності 1 000 000.