Содержание к диссертации
Введение. 4
ГЛАВА 1. Обзор вопроса. 9
-
Обзор литературы 9 .1.1. Достоинства времяпролетных масс-спектрометров. 9 .1.2, Принцип работы ВПМС. 10 .1.3. Применение ионных зеркал во ВПМС. 13 .1.4. Масс-рефлектрон. 16 .1.5. «Квазикон», Orbitrap. 22
-
Постановка задачи, 27
1.3. Безразмерные модели. 28
ГЛАВА 2. Принципы работы ионных ловушек с потенциалом <р = f(x,y) + z2.
-
Формула разрешающей способности. 34
-
Одномерная динамика частиц. 44
-
Обратные задачи динамики (формулы обращения). 45
-
Идеальная фокусировка в квадратичном поле. 49
-
Одномерные ловушки с заданным порядком временной фокусировки.
-
Идеальная фокусировка (по z2) и общая схема многопериодного масс-спектрометра. 51
-
Принципы удержания поперечных потоков (пох,у). 53
-
Системы с разделенными переменными. 54
-
Ловушка с осевой симметрией (образование эффективных ям). 61
2.10. Систематизация вариантов ям из 2.8. 72
ГЛАВА 3. Системы удержания с плоскостью симметрии. 77
3.1. Обратные задачи для поперечного движения. 77
-
Полное разделение переменных в уравнении Гамильтона-Якоби для двумерных полей. 77
-
Решение обратных задач движения заряженных частиц при помощи уравнения Гамильтона-Якоби. 81
3.2. Одновременная фокусировка по Z и по XY. 83
ГЛАВА 4. Ионные ловушки с аддитивной квадратичной составляющей
потенциала. 93
-
Аналитическое описание полей. 93
-
Поля суперпозиции линейных зарядов и гиперболоидов. 94
-
Ионная ловушка на базе полей линейных зарядов и гиперболоидов.
4.4. Времяпролетные характеристики в плоскости симметрии. 111
ГЛАВА 5. Охлаждающие квадрупольные ловушки. 131
-
Геометрия исследуемой системы. 132
-
Метод моделирования. 139
-
Удержание ионного пучка в ловушке. 140
-
Охлаждение ионов. 141
-
Экстракция ионов. 150
-
Зависимость от геометрии и режима работы ловушки. 150
-
Зависимость от давления. 155
-
Зависимость от степени охлаждения ионов. 157
-
Зависимость от количества ионов в ловушке. 159
5.6. Заключение. 161
Заключение. 162
Список литературы, 164
Введение к работе
Нужды биоаналитической химии являются основной движущей силой новых разработок в масс-спектрометрии в последнее время. Геномика, протеомика, метаболоуика, липидомика, разработка новых лекарственных средств, их клинические испытания и тому подобные работы требуют выполнения анализов чрезвычайно сложных многокомпонентных смесей, детектирования совершенно различных по структуре соединений, часто в предельно малых концентрациях. Эти задачи требуют применения приборов с лучшими характеристиками разрешения по массам, точности определения массы, динамического диапазона, возможностей тандемной масс-спектрометрии. Ввиду широты использования таких приборов они должны быть простыми в использовании, давать надежные и воспроизводимые результаты.
Высокое разрешение и точное определение массы может быть достигнуто на масс-спектрометрах с двойной фокусировкой, ионно-циклотронного резонанса, времяпролетных анализаторах (TOF). Первые являются относительно медленными во временной шкале высокоэффективного разделения с помощью жидкостной хроматографии. Масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса идеальны для такого анализа, но проблемой с ними является высокая стоимость эксплуатации (жидкий гелий и азот для сверхпроводящего магнита) и маленький динамический диапазон внутри масс-спектра. Классические времяпролетные масс-спектрометры позволяют достигать хорошей точности измерения массы, но ограничены в использовании режимов многомерной масс-спектрометрии, а источники ассистируемой матрицей ионизации лазерной десорбцией не дают полипротонированных ионов, позволяющих измерять большие массы в малых диапазонах m/z, а с ростом m/z их разрешение катастрофически падает.
Электростатическая ловушка ионов может быть рассмотрена как продолжение идеи классического ВПМС. Здесь механизм удержания связан исключительно с геометрией электростатического поля, порождающего своеобразную потенциальную яму для ионов, подобно тому, как она образуется, например, для кеплерова движения вблизи точечного тяготеющего (кулоновского) центра. Прототипом таких многопериодичных колебательных и колебательно-вращательных систем является «Квазикон», он же «Удав», предложенный в свое время Ю.К. Голиковым [1, 2] сначала в качестве светосильного высокоразрешающего энергоанализатора, а затем многопериодного времяпролетного масс-спектрометра. В дальнейшем эта новая схема была реализована и блестяще развита А. Макаровым в конце 90-ых годов прошлого столетия. На основе «Квазикона» он разработал совершенно новый масс-анализатор, базирующийся на электростатической аксиально-гармонической орбитальной ловушке ионов. Орбитальная ионная ловушка, или Orbitrap, использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы. Попадающие в поле ионы начинают двигаться по стабильным циклическим траекториям вокруг центрального электрода и одновременно осциллировать вдоль оси центрального электрода (благодаря тому, что введенные перпендикулярно центральной оси в ловушку ионы обладают потенциальной энергией вследствие отклонения точки ввода от точки симметрии ловушки). Хотя радиальная и угловая частоты также зависят от m/z иона, гармоническая осцилляция ионов вдоль оси z не зависит от этих величин. По аналогии с ионно-циклотронным резонансом ион детектируется по наведенному изображению тока на внешних электродах, а затем, конвертируется в масс-спектр с б помощью алгоритма Фурье-преобразования. Благодаря тому, что аксиальная осцилляция не зависит от энергии ионов и тому, что электрическое поле устанавливается с высокой точностью и стабильностью, может быть достигнуто высокое разрешение и масса может быть измерена с высокой точностью. Орбитальная ловушка также характеризуется большей емкостью ионов. Большая емкость пространственного заряда по сравнению с ионно-циклотронной и квадрупольной ловушками позволяет достигать большей точности измерения массы, более широкого динамического диапазона и диапазона отношений величин массы к заряду.
Но «Квазикон» является всего лишь одним из представителей очень широкого класса полевых структур, обеспечивающих удержание ионов в статическом режиме электрического питания и на базе которых можно строить как чисто времяпролетные системы с большим временем пребывания ионных пакетов в компактной области пространства, так и фарвитроны и новые динамические ловушки нетрадиционного типа с большим фазовым объемом удержания. Этот класс потенциальных структур описывается потенциалами, которые имеют в своем составе аддитивную квадратичную по одной координате (z) составляющую.
Времяпролетные методы основаны на независимости траекторий ионов в электростатических полях от их массы. То есть ионы равных масс проходят по одним и тем же траекториям со скоростями, зависящими от массы, и в разное время достигают приемника, на котором и разворачивается во времени массовый спектр. Как и в любых методах измерения, связанных с конкретными приборами, борьба идет за повышение дисперсии, чувствительности и разрешения, В большинство ВПМС в качестве дисперсионного элемента используется дрейфовый промежуток, поэтому увеличение дисперсии ограничивается геометрическими размерами прибора.
Следующим направлением совершенствования ВПМС является повышение чувствительности. В [3] для этого используется фокусирующая оптика, а в [4] - режим с накоплением ионов. С помощью специального источника Стьюдеру удалось увеличить чувствительность в 300 раз. Однако часть накапливаемых в источнике ионов выходит оттуда раньше времени по статистическим законам и служит источником шума.
Известно, что разрешающая способность ВПМС растет с увеличением времени пролета ионов, поскольку при этом уменьшается относительный вклад в разрешающую способность временного разброса ионов в пакете, формируемом в ионном источнике. Увеличить время пролета можно, наращивая длину пролета иона от источника до детектора. Сохранение разумных физических габаритов прибора требует при этом многократного отражения ионных пакетов в системе электростатических зеркал.
Простейшие воплощенные на практике многоотражательные ВПМС [5] основаны на использовании классических сеточных зеркал, предложенных в свое время Мамыриным [6]. Хотя указанные ВПМС продемонстрировали определенные преимущества (разрешающая способность, достигнутая в них составляла 60 000 после 6 отражений), классические зеркала все же, очевидно, не подходят для многоотражательных ВПМС с большим числом отражений, поскольку многократное прохождение сеток резко снижает пропускание анализатора и вызывает рассеяние ионов на мелкомасштабных неоднородностях электростатического поля, приводя к потере разрешающей способности и чувствительности. Поэтому в многоотражательных ВПМС применяются бессеточные отражательные полевые структуры.
Основной задачей работы является исследование полевых структур с аддитивной квадратичной составляющей с точки зрения создания ионной ловушки, как источника для многопериодных времяпролетных масс-спектрометров. Так же исследуется другой тип «источника» - квадрупольная охлаждающая ловушка, которая вполне успешно проходит уже практические исследования.
На защиту выносится:
Предложена принципиально новая ионно-оптическая схема времяпролетного масс-спектрометра с идеальной пространственно-временной фокусировкой.
Построено многообразие полевых структур с разделением обобщенных переменных с квадратичной составляющей в потенциале.
Исследованы механизмы пространственного удержания ионных пакетов в полях с квадратичной составляющей в потенциале. Рассчитаны конкретные варианты полей с временной и пространственной фокусировкой.
Теоретически исследован механизм охлаждения ионов в буферном газе ионных ловушек, предложена новая конструкция с оптимальными параметрами.
