Времяпролетная масс-спектрометрия ( TOFMS ) — это метод масс-спектрометрии , в котором отношение массы иона к заряду определяется путем измерения времени пролета . Ионы ускоряются электрическим полем известной напряженности. [1] Это ускорение приводит к тому, что ион имеет ту же кинетическую энергию , что и любой другой ион с таким же зарядом. Скорость иона зависит от отношения массы к заряду (более тяжелые ионы с тем же зарядом достигают более низких скоростей, хотя ионы с более высоким зарядом также будут увеличивать скорость). Измеряется время, которое впоследствии требуется иону, чтобы достичь детектора на известном расстоянии. Это время будет зависеть от скорости иона и, следовательно, является мерой отношения его массы к заряду. По этому отношению и известным экспериментальным параметрам можно идентифицировать ион.
Потенциальная энергия заряженной частицы в электрическом поле связана с зарядом частицы и напряженностью электрического поля:
где E p — потенциальная энергия, q — заряд частицы, а U — разность электрических потенциалов (также известная как напряжение).
Когда заряженная частица ускоряется в трубке времени пролета (трубке TOF или пролетной трубке) напряжением U , ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию . Кинетическая энергия любой массы равна:
По сути, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, что означает, что уравнения ( 1 ) и ( 2 ) равны.
Скорость заряженной частицы после ускорения не изменится, поскольку она движется в свободном от поля времяпролетном зонде. Скорость частицы можно определить в времяпролетном зонде, поскольку длина пути ( d ) пролета иона известна, а время пролета иона ( t ) можно измерить с помощью переходного оцифровщика или время-цифрового преобразователя .
Таким образом,
и подставляем значение v из ( 5 ) в ( 4 ).
Переставим ( 6 ) так, чтобы время полета выражалось через все остальное:
Извлечение квадратного корня дает время,
Эти факторы для времени пролета были сгруппированы намеренно. содержит константы , которые в принципе не изменяются, когда набор ионов анализируется в одном импульсе ускорения . ( 8 ) таким образом, может быть задано как:
где k — коэффициент пропорциональности , представляющий факторы, связанные с настройками и характеристиками прибора.
( 9 ) более ясно показывает, что время пролета иона изменяется пропорционально квадратному корню из отношения его массы к заряду ( m/q ).
Рассмотрим реальный пример прибора MALDI времяпролетного масс-спектрометра , который используется для получения масс-спектра триптических пептидов белка . Предположим, что масса одного триптического пептида составляет 1000 дальтон ( Да ). Тип ионизации пептидов , производимых MALDI , обычно составляет +1 ионов, поэтому q = e в обоих случаях. Предположим, что прибор настроен на ускорение ионов при потенциале U = 15 000 вольт (15 киловольт или 15 кВ). И предположим, что длина пролетной трубы составляет 1,5 метра (типично). Все факторы, необходимые для расчета времени пролета ионов, теперь известны для ( 8 ), которое оценивается сначала для иона массой 1000 Да:
Обратите внимание, что массу пришлось преобразовать из дальтонов (Да) в килограммы (кг), чтобы можно было оценить уравнение в правильных единицах. Окончательное значение должно быть в секундах:
что составляет около 28 микросекунд . Если бы имелся однозарядный ион триптического пептида с массой 4000 Да, и он был бы в четыре раза больше массы 1000 Да, то ему потребовалось бы в два раза больше времени, или около 56 микросекунд, чтобы пересечь пролетную трубу, поскольку время пропорционально квадратному корню из отношения массы к заряду.
Массовое разрешение может быть улучшено в аксиальном масс-спектрометре MALDI -TOF, где производство ионов происходит в вакууме, позволяя начальному всплеску ионов и нейтралов, произведенных лазерным импульсом, уравновеситься и позволить ионам пройти некоторое расстояние перпендикулярно пластине образца, прежде чем ионы смогут быть ускорены в пролетной трубке. Уравновешивание ионов в плазменном шлейфе, произведенном во время десорбции/ионизации, происходит приблизительно за 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 массовое разрешение, было предложено задержать извлечение ионов из источника ионов в направлении пролетной трубки на несколько сотен наносекунд до нескольких микросекунд относительно начала короткого (обычно несколько наносекунд) лазерного импульса. Этот метод называется «фокусировкой с задержкой во времени» [3] для ионизации атомов или молекул с помощью резонансно-усиленной многофотонной ионизации или ионизации электронным ударом в разреженном газе и «задержанной экстракцией» [4] [5] [6] для ионов, получаемых обычно путем лазерной десорбции/ионизации молекул, адсорбированных на плоских поверхностях или микрокристаллах, размещенных на проводящей плоской поверхности.
Отложенная экстракция обычно относится к режиму работы вакуумных ионных источников, когда начало электрического поля, ответственного за ускорение (извлечение) ионов в пролетную трубку, задерживается на некоторое короткое время (200–500 нс) относительно события ионизации (или десорбции/ионизации). Это отличается от случая постоянного поля экстракции, где ионы мгновенно ускоряются после образования. Отложенная экстракция используется с источниками ионов MALDI или лазерной десорбцией/ионизацией (LDI), где анализируемые ионы производятся в расширяющемся шлейфе, движущемся от пластины образца с высокой скоростью (400–1000 м/с). Поскольку толщина ионных пакетов, поступающих на детектор, важна для разрешения по массе, на первый взгляд может показаться нелогичным позволять ионному шлейфу еще больше расширяться перед извлечением. Задержка извлечения — это скорее компенсация начального импульса ионов: она обеспечивает одинаковое время прибытия на детектор для ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными начальными скоростями.
При отсроченном извлечении ионов, полученных в вакууме, ионы, имеющие 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 струи будут ускорены до большей скорости, чем изначально более быстрые ионы в передней части струи. Таким образом, после отсроченного извлечения группа ионов, которая покидает источник ионов раньше, имеет меньшую скорость в направлении ускорения по сравнению с некоторой другой группой ионов, которая покидает источник ионов позже, но с большей скоростью. Когда параметры источника ионов правильно настроены, более быстрая группа ионов догоняет более медленную на некотором расстоянии от источника ионов, поэтому детекторная пластина, размещенная на этом расстоянии, обнаруживает одновременное прибытие этих групп ионов. В своем роде отсроченное приложение поля ускорения действует как одномерный фокусирующий элемент времени пролета.
Распределение кинетической энергии в направлении полета ионов можно скорректировать с помощью рефлектрона. [7] [8] Рефлектрон использует постоянное электростатическое поле для отражения ионного пучка в сторону детектора. Более энергичные ионы проникают глубже в рефлектрон и проходят немного более длинный путь к детектору. Менее энергичные ионы с тем же отношением массы к заряду проникают на более короткое расстояние в рефлектрон и, соответственно, проходят более короткий путь к детектору. Плоская поверхность ионного детектора (обычно микроканальная пластина , МКП) расположена в плоскости, куда ионы с одинаковым m/z, но с разными энергиями прибывают в одно и то же время, подсчитанное относительно начала импульса извлечения в источнике ионов. Точка одновременного прибытия ионов с одинаковым отношением массы к заряду, но с разными энергиями часто называется фокусом времени пролета. Дополнительным преимуществом схемы re-TOF является то, что при заданной длине прибора TOF достигается удвоенный путь пролета.
Затвор Брэдбери-Нильсена — это тип ионного затвора, используемый в масс-спектрометрах TOF и в спектрометрах ионной подвижности , а также в масс-спектрометрах TOF с преобразованием Адамара . [9] Затвор Брэдбери-Нильсена идеально подходит для быстродействующего ионного селектора (TIS) — устройства, используемого для изоляции ионов в узком диапазоне масс в тандемных (TOF/TOF) масс-спектрометрах MALDI. [10]
Непрерывные источники ионов (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 первоначальному направлению движения. Ортогональное ускорение в сочетании с охлаждением столкновительных ионов позволяет разделить производство ионов в источнике ионов и масс-анализ. В этой технике можно достичь очень высокого разрешения для ионов, полученных в источниках MALDI или ESI. Перед входом в область ортогонального ускорения или импульсный генератор ионы, полученные в непрерывных (ESI) или импульсных (MALDI) источниках, фокусируются (охлаждаются) в пучок диаметром 1–2 мм путем столкновений с остаточным газом в многополюсных радиочастотных направляющих. Система электростатических линз, установленных в области высокого вакуума перед импульсным генератором, делает пучок параллельным, чтобы минимизировать его расхождение в направлении ускорения. Сочетание ионно-столкновительного охлаждения и ортогонального ускорения TOF [12] [13] обеспечило значительное увеличение разрешения современных TOF MS с нескольких сотен до нескольких десятков тысяч без ущерба для чувствительности.
Времяпролетная масс-спектрометрия с преобразованием Адамара (HT-TOFMS) — это режим анализа масс, используемый для значительного увеличения отношения сигнал/шум обычного TOFMS. [14] В то время как традиционный TOFMS анализирует один пакет ионов за раз, ожидая, пока ионы достигнут детектора, прежде чем ввести другой пакет ионов, HT-TOFMS может одновременно анализировать несколько пакетов ионов, перемещающихся в пролетной трубке. [15] 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. [16] Этот процесс создает перекрытие многих распределений времени пролета, свернутых в форме сигналов. Затем алгоритм преобразования Адамара используется для выполнения процесса деконволюции, который помогает обеспечить более высокую скорость хранения масс-спектра, чем традиционный TOFMS и другие сопоставимые инструменты разделения масс. [14]
Тандемный времяпролетный метод ( TOF/TOF ) — это метод тандемной масс-спектрометрии , в котором последовательно используются два времяпролетных масс-спектрометра. [17] [18] [19] [20] Для регистрации полного спектра исходных (родительских) ионов TOF/TOF работает в режиме MS. 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 режиме (MS/MS) энергия лазера значительно увеличивается выше порога MALDI. Первый TOF масс-спектрометр (в основном, пролетная трубка, которая заканчивается синхронизированным селектором ионов) изолирует исходные ионы по выбору с помощью скоростного фильтра, как правило, типа Брэдбери-Нильсена, а второй TOF-MS (который включает в себя пост-ускоритель, пролетную трубку, ионное зеркало и детектор ионов) анализирует фрагментные ионы. Фрагментные ионы в MALDI TOF/TOF возникают в результате распада исходных ионов, колебательно возбужденных выше уровня их диссоциации в источнике MALDI (распад после источника [21] ). Дополнительная фрагментация ионов, реализованная в высокоэнергетической ячейке столкновений, может быть добавлена в систему для увеличения скорости диссоциации колебательно возбужденных исходных ионов. Некоторые конструкции включают гасители сигнала предшественника как часть второго TOF-MS для снижения мгновенной токовой нагрузки на ионный детектор.
Квадрупольная времяпролетная масс-спектрометрия (QToF-MS) имеет конфигурацию, похожую на тандемный масс-спектрометр с разрешающим массу квадруполем и гексаполем с ячейкой соударений, но вместо второго разрешающего массу квадруполя используется времяпролетный масс-анализатор. [22] [23] Оба квадруполя могут работать только в режиме RF, чтобы позволить всем ионам пройти через масс-анализатор с минимальной фрагментацией. [22] Для повышения спектральной детализации система использует диссоциацию, вызванную столкновениями . Как только ионы достигают пролетной трубки, ионный импульсатор отправляет их вверх к рефлектрону и обратно в детектор. Поскольку ионный импульсатор передает одну и ту же кинетическую энергию всем молекулам, время пролета диктуется массой аналита.
QToF способен измерять массу до 4-го знака после запятой и часто используется для фармацевтического и токсикологического анализа в качестве метода скрининга аналогов лекарственных препаратов. [24] Идентификация выполняется путем сбора масс-спектра и сравнения с тандемными библиотеками масс-спектров. [25]
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 поставляются солнцем или планетарными ионосферами. Анализатор масс TOF может быть линейной пролетной трубкой или рефлектроном. Детектор ионов обычно состоит из микроканального пластинчатого детектора или быстрого вторично-эмиссионного умножителя (SEM), где первая пластина преобразователя ( динод ) плоская. [26] Электрический сигнал с детектора регистрируется с помощью время-цифрового преобразователя (TDC) или быстрого аналого-цифрового преобразователя (ADC). TDC в основном используется в сочетании с приборами TOF с ортогональным ускорением (oa).
Время-цифровые преобразователи регистрируют прибытие одного иона в дискретных временных «ячейках»; комбинация порогового срабатывания и дискриминатора постоянной фракции (CFD) различает электронный шум и события прибытия ионов. CFD преобразует наносекундные гауссовские электрические импульсы различной амплитуды, генерируемые на аноде MCP, в импульсы общей формы (например, импульсы, совместимые с логическими схемами TTL/ESL), отправляемые в TDC. Использование CFD обеспечивает временную точку, соответствующую положению пикового максимума, независимо от изменения амплитуды пика, вызванного изменением усиления MCP или SEM. Быстрые CFD усовершенствованных конструкций имеют мертвое время, равное или меньше двух времен отклика одиночного удара детектора ионов (время отклика одиночного удара для MCP с каналами шириной 2-5 микрон может быть где-то между 0,2 нс и 0,8 нс, в зависимости от угла канала), тем самым предотвращая повторное срабатывание от одного и того же импульса. Разрешение по двум ударам (мертвое время) современных многоударных TDC может составлять всего 3–5 наносекунд.
TDC — это счетный детектор — он может быть чрезвычайно быстрым (разрешение до нескольких пикосекунд), но его динамический диапазон ограничен из-за его неспособности правильно подсчитывать события, когда более одного иона одновременно (т. е. в течение мертвого времени TDC) попадают в детектор. Результатом ограниченного динамического диапазона является то, что количество ионов (событий), зарегистрированных в одном масс-спектре, меньше по сравнению с реальным числом. Проблема ограниченного динамического диапазона может быть смягчена с помощью конструкции многоканального детектора: массив мини-анодов, прикрепленных 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 отдельных масс-спектров (так называемое гистограммирование). Для достижения очень высокой скорости счета (ограниченной только длительностью отдельного спектра TOF, которая может достигать нескольких миллисекунд в многолучевых установках TOF), используется очень высокая частота повторения извлечений ионов в трубку TOF. Коммерческие ортогональные ускоренные масс-анализаторы TOF обычно работают с частотой повторения 5–20 кГц. В комбинированных масс-спектрах, полученных путем суммирования большого количества отдельных событий обнаружения ионов, каждый пик представляет собой гистограмму , полученную путем сложения отсчетов в каждом отдельном бине. Поскольку регистрация прибытия отдельного иона с помощью TDC дает только одну временную точку, TDC устраняет часть ширины пика, определяемую ограниченным временем отклика как детектора MCP, так и предусилителя. Это распространяется на лучшее разрешение по массе.
Современные сверхбыстрые 10 Гвыб/сек аналого-цифровые преобразователи оцифровывают импульсный ионный ток от детектора MCP с дискретными временными интервалами (100 пикосекунд). Современный 8-битный или 10-битный 10 ГГц АЦП 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 требуется тщательно согласовывать импеданс анода детектора с входной схемой АЦП ( предусилителя ), чтобы минимизировать эффект «звона». Массовое разрешение в масс-спектрах, записанных с помощью сверхбыстрого АЦП, можно улучшить, используя детекторы MCP с малыми порами (2-5 микрон) с более коротким временем отклика.
Матрично-активированная лазерная десорбционная ионизация (МАЛДИ) — это метод импульсной ионизации, который легко совместим с масс-спектрометрией с времяпролетным рассеянием (TOF MS).
Атомно-зондовая томография также использует преимущества масс-спектрометрии TOF.
Спектроскопия совпадений фотоэлектронов и фотоионов использует мягкую фотоионизацию для отбора внутренней энергии ионов и масс-спектрометрию TOF для анализа масс.
Вторичная ионная масс-спектрометрия обычно использует масс-спектрометры TOF, позволяющие параллельно обнаруживать различные ионы с высокой разрешающей способностью по массе.
Стефан Рутцингер предложил использовать масс-спектрометрию TOF с криогенным детектором для спектрометрии тяжелых биомолекул . [27]
О раннем времяпролетном масс-спектрометре, названном Velocitron, сообщили А. Э. Кэмерон и Д. Ф. Эггерс-младший, работавшие в Национальном комплексе безопасности Y-12 , в 1948 году. Идея была предложена двумя годами ранее, в 1946 году, У. Э. Стивенсом из Университета Пенсильвании на пятничном дневном заседании заседания Американского физического общества в Массачусетском технологическом институте . [28] [29]
{{cite journal}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на март 2024 г. ( ссылка )