Новое семейство дрейфовых спектрометров и гибридных масс-спектрометрических приборов на их основе для прецизионных измерений подвижности ионов Сысоев Алексей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

1. Роль и место времяпролетной масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности среди физических методов обзорного анализа 21

1.1. Традиционные физические гибридные методы обзорного анализа многокомпонентных проб 21

1.2. Физические методы детектирования органических соединений, основанные на разделении ионов по сечению взаимодействия с молекулами газа 26

1.3. Методы ионизации при атмосферном давлении, применяемые в спектрометрии ионной подвижности и масс-спектрометрии 46

1.4. Гибридные методы анализа многокомпонентных смесей, учитывающие влияние структуры ионов на движение в электрических полях в вязкостном и молекулярно-вязкостном потоках газа 53

1.5. Постановка проблемы 64

2. Разработка концепции высокоэффективного времяпролетного разделения ионных сгустков в комбинации электростатических полей различной симметрии 67

2.1. Разработка и создание семейства дрейфовых спектрометров ионной подвижности высокого разрешения с многофункциональным источником ионов 67

2.2. Разработка и создание гибридных приборов на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности высокого разрешения, тандемной квадрупольной и квадрупольно-времяпролетной масс-спектрометрии для исследования ограничений на точность измерений 83

2.3. Разработка и создание аспирационного спектрометра ионной подвижности/тандемного квадрупольного масс-спектрометра 93

2.4. Концепция гибридного прибора на основе синтеза методов дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии с сепарацией в секторных электростатических полях для изучения ограничений на точность, чувствительность и быстродействие

измерений 100

2.5. Выводы к главе 2 111

3. Разработка методов и средств высокоскоростной регистрации спектральной информации и математической обработки результатов измерений 114

3.1. Основные средства автоматизации физического эксперимента в области времяпролетной масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности 114

3.2. Регистрация данных в широком динамическом диапазоне аналитического сигнала и их математическая обработка при каскадировании аналогово-цифровых преобразователей 116

3.3. Высокоскоростная регистрация и математическая обработка трехмерных данных в гибридных приборах на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии 129

3.4. Выводы к главе 3 137

4. Эффективность формирования, транспортировки и разделения ионных сгустков в комбинации электростатических полей различной симметрии на основе синтеза методов дрейфовой спектрометрии и времяпролетной масс спектрометрии 139

4.1. Селективность по подвижности при транспортировке ионных сгустков при атмосферном давлении 139

4.2. Формирование ионных сгустков при атмосферном давлении в спектрометрии ионной подвижности 152

4.3. Влияние процессов транспортировки ионных сгустков

газодинамическим интерфейсом на основе ускоряющего ассиметричного

квадруполя и их разделения аксиально-симметричным времяпролетным

анализатором секторного типа с ортогональным вводом на характеристики

спектрометра ионной подвижности/масс-спектрометра 162

4.4. Выводы к главе 4 175

5. Прецизионное определение приведенной подвижности ионов в дрейфовых спектрометрах и масс-спектрометрических гибридных приборах на их основе 178

5.1. Компенсация ошибки определения приведенной подвижности при применении эталона 178

5.2. Выбор и обоснование новых эталонов приведенной подвижности 182

5.3. Исследование долговременной воспроизводимости результатов измерений приведенной подвижности эталонов, включая измерения, проведенные в удаленных лабораториях 191

5.4. Прецизионные измерения приведенной подвижности в системах с участками с молекулярно-вязкостным и молекулярным режимом течения . 196

5.5. Выводы к главе 5 200

6. Некоторые практические приложения, обуславливающие необходимость определения ранее неизвестных значений приведенной подвижности 202

6.1. Измерение приведенной подвижности в научных исследованиях 202

6.2. Контроль состояния окружающей среды: информативность спектрометрии ионной подвижности/масс-спектрометрии при анализе фенолсодержащих соединений 205

6.3. Фармацевтика: прецизионные измерения приведенной подвижности лекарственных препаратов и возможность их экспрессного анализа 207

6.4. Безопасность: информативность метода при анализе взрывчатых веществ 214

6.5. Криминалистика: изучение штриха красящего вещества на основе смеси трифенилметановых синтетических красителей 217

6.6. Криминалистика: прецизионные измерения приведенной подвижности наркотиков с измененной химической формулой и возможность их оперативной однозначной идентификации 223

6.7. Выводы к главе 6 232

Заключение 235

Литература 240

• Методы ионизации при атмосферном давлении, применяемые в спектрометрии ионной подвижности и масс-спектрометрии
• Разработка и создание гибридных приборов на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности высокого разрешения, тандемной квадрупольной и квадрупольно-времяпролетной масс-спектрометрии для исследования ограничений на точность измерений
• Регистрация данных в широком динамическом диапазоне аналитического сигнала и их математическая обработка при каскадировании аналогово-цифровых преобразователей
• Формирование ионных сгустков при атмосферном давлении в спектрометрии ионной подвижности

Введение к работе

Актуальность работы. В последние годы в различных областях науки и техники расширяется круг задач, требующих определения молекулярного состава сложных многокомпонентных проб. Одновременно повышается значимость быстроты проведения анализа и правильности его результатов. Сегодня не вызывает сомнений, что наиболее перспективной альтернативой химическим и биологическим методам анализа являются физические методы исследования вещества. Традиционные методы определения состава многокомпонентных проб сочетают жидкостную либо газовую хроматографию и масс-спектрометрию. Особое внимание привлекают уникальные по быстродействию времяпролетные методы разделения компонентов пробы, включая спектрометрию ионной подвижности и времяпролетную масс-спектрометрию. Это связано с быстротой получения больших объемов информации от каждого события ионизации, либо формирования сгустка ионов пробы. В частности, спектрометрия ионной подвижности широко применяется как самостоятельное средство детектирования, и как средство предварительного разделения пробы в масс-спектрометрии. В случае объединения дрейфовой спектрометрии и вре-мяпролетной масс-спектрометрии получается новое средство быстрого анализа, способное реализовать времена идентификации соединений в многокомпонентных пробах, более чем на порядок меньшие по сравнению с традиционными методами.

Важным фактором, влияющим на чувствительность, а также достоверность результатов измерений, является эффективность использования пробы физическим методом исследования вещества. По этой причине, как в спектрометрии ионной подвижности, так и во времяпролетной масс-спектрометрии, наблюдается постоянный поиск решений, обеспечивающих увеличение как коэффициента токопрохождения ионно-оптических систем, так и коэффициента заполнения импульсов тока.

Исследование новых возможностей при сочетании дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и масс-спектрометрии является важнейшей задачей, направленной на понимание роли молекулярно-кинетических явлений в изучении молекулярных свойств веществ. Крайне актуальной во многих областях является задача измерения сечения взаимодействия молекулярных и кластерных ионов (как правило, протонированной молекулы [M+H]⁺ либо связанного протоном димера [M+H+M]⁺) с молекулами окружающего газа, решаемая измерением приведенной подвижности ионов. Практическое осуществление новых возможностей рассматриваемого направления, основанного на гибридизации дрейфовой спектрометрии ионной подвижности высокого разрешения и масс-спектрометрии, включая традиционные и новые типы масс-анализаторов, является актуальной проблемой.

Однако реализация поставленной проблемы связана с решением большого числа задач, которые ранее не ставились и не решались. В первую очередь, это связано с изучением факторов, влияющих на точность, чувствительность и быстродействие. Необходим был анализ закономерностей транспортировки сгустков ионов при атмосферном давлении с целью получения соответствующей теоретическому пределу селективности в спектрометрии ионной подвижности с детектированием коллектором ионов. Необходимо было предложить новый подход к построению ионно-оптической системы газодинамического интерфейса, уменьшающей вклад интерфейса в уширение ионных сгустков и обеспечивающей оптимизацию коэффициента прохождения ионов. Новой является задача создания метода сбора данных и математической обработки в реальном времени трехмерной информации, получаемой с единого детектора ионов. Необходимо было разработать новый метод прецизионного определения приведенной подвижности ионов для спектрометрии ионной подвижности высокого разрешения/времяпролетной масс-спектрометрии.

Целью диссертационной работы является:

Исследование сепарирующих свойств комбинации электрических полей с различной конфигурацией и разными механизмами разделения ионов при транспортировке через них ионных сгустков и разработка принципов создания на их основе электрофизических приборов и методов с широкими функциональными возможностями по быстродействию, селективности и точности анализа органических веществ на молекулярном уровне. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ совокупности физических процессов массопереноса и закономерностей транспортировки сгустков ионов в ионно-оптической системе, включающей дрейфовый спектрометр ионной подвижности при атмосферном давлении, газодинамический интерфейс с участками при давлениях от 10⁵ до 10^-7 Па, содержащий симметричный и асимметричный транспортирующие радиочастотные электрические квадруполи, и секторный электростатический времяпролетный анализатор с формированием ионных сгустков в ортогональном ускорителе.

2. Разработка новых методов сбора и математической обработки данных в реальном времени, исключающих потерю информации при сочетании спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии.

3. Разработка и создание дрейфовых спектрометров ионной подвижности высокого разрешения, обеспечивающих достижение разрешающей способности 100, с комбинированным источником ионов и с детектором на основе коллектора ионов.

4. Разработка и создание новых гибридных ионно-оптических систем для определения состава многокомпонентных проб на основе дрейфового спектрометра ионной подвижности высокого разрешения с масс-спектрометрическим детектированием.

5. Разработка транспортирующей системы газодинамического интерфейса, уменьшающей вклад интерфейса в уширение ионных сгустков, разделенных

спектрометром ионной подвижности, и обеспечивающей оптимизацию коэффициента прохождения ионов.

6. Разработка метода прецизионного определения приведенной подвижности ионов для спектрометрии ионной подвижности высокого разреше-ния/времяпролетной масс-спектрометрии.

Научная новизна:

6. Разработана новая научная концепция высокоэффективного времяпролет-ного разделения ионных сгустков в комбинации электростатических полей, на основе впервые предложенного синтеза методов дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии с сепарацией в секторных электростатических полях.

7. Разработана и экспериментально апробирована новая схема газодинамического интерфейса, включающая симметричный квадруполь, ассиметричный квадруполь, одиночную ионную линзу, транспортирующая ионные сгустки через области с давлением от атмосферного до 10^-5 Па, обеспечивающая коэффициент прохождения ионов 70% и уменьшающая вклад интерфейса в уширение сгустков, разделенных спектрометром ионной подвижности.

8. Впервые предложен и экспериментально верифицирован новый метод прецизионного определения приведенной подвижности исследуемых соединений в электрическом поле с повышенной точностью (0.3-0.6%), основанный на применении спектрометрии ионной подвижности высокого разреше-ния/времяпролетной масс-спектрометрии и впервые предложенном применении ионов галогенидов тетраалкиламмония в качестве эталонов.

9. Разработаны новые методы сбора и математической обработки в реальном времени трехмерной информации в виде оцифрованного с шагом дискретизации 1.5 нс аналогового сигнала как функции интенсивности от времени дрейфа и времени пролета, обеспечивающие увеличение чувствительности

и быстродействия измерений при сочетании методов спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии.

5. Созданные ионно-оптические системы и разработанные методы позволили впервые экспериментально определить значения приведенной подвижности в электрическом поле для ионов 60 молекул и кластерных соединений, включая недавно синтезированные новые наркотические вещества, фармацевтические препараты, галогениды тетраалкиламмония, загрязняющие окружающую среду фенолсодержащие соединения, димеры и мономеры гомологического ряда n-алкил ацетатов, производные пиридина и нафтолы.

6. Впервые создана комбинированная ионно-оптическая система на базе дрейфового спектрометра ионной подвижности и масс-спектрометра с вре-мяпролетным электростатическим секторным анализатором с ортогональным вводом, позволяющая увеличить чувствительность и быстродействие измерений, и обеспечить абсолютный 110^-12 г и относительный 10^-9 Моль/л пределы обнаружения для 2,6-DtBP при времени анализа 100 с при прямом обзорном анализе в полном диапазоне масс и подвижностей.

Практическая значимость:

1. Разработаны и внедрены новые приборы и методы измерений на основе спектрометрии ионной подвижности и масс-спектрометрии в ведущих научных центрах, включая НИЯУ МИФИ, ЭКЦ МВД России, Университет Хельсинки (Финляндия), Европейский исследовательский центр Дженерал Электрик (Мюнхен, Германия).

2. Подготовлена электронная конструкторская документация для проектирования и разработки нового поколения аналитических приборов.

3. Определены перспективы применения разработанного семейства приборов для экспрессного высокочувствительного анализа многокомпонентных смесей в таких областях как криминалистика, фармацевтика, безопасность, медицина, мониторинг объектов окружающей среды.

4. Представлены методические рекомендации по дальнейшему улучшению чувствительности на два порядка и точности определения приведенной подвижности молекулярных ионов в 5 – 6 раз.

Автор выносит на защиту следующие основные положения:

4. Новую научную концепцию высокоэффективного времяпролетного разделения ионных сгустков в комбинации электростатических полей различной симметрии, на основе впервые предложенного синтеза методов дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии с сепарацией в секторных электростатических полях, позволившую создать экспериментальную аппаратуру с лучшими по совокупности чувствительностью и быстродействием измерений.

5. Оригинальный метод прецизионного определения приведенной подвижности ионов, основанный на разработанной концепции высокоэффективного времяпролетного разделения ионных сгустков, а также найденных новых эталонах подвижности - галогенидах тетраалкиламмония, обеспечивающий улучшение точности измерений до 0.3-0.6% по сравнению с 1-2%.

6. Новую ионно-оптическую систему газодинамического интерфейса на основе ускоряющего ассиметричного квадруполя, способную транспортировать ионные сгустки через области с давлением от атмосферного до 10^-5 Па, обеспечивающую лучший коэффициент прохождения ионов (70%) при снижении дисперсии времени транспортировки ионных сгустков, разделенных спектрометром ионной подвижности, а также одновременное достижение лучших по совокупности чувствительности и быстродействия измерений с помощью гибридного прибора на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии.

7. Оригинальный подход к сбору и обработке в реальном времени трехмерной информации в виде оцифрованного с шагом дискретизации 1.5 нс аналогового сигнала как функции интенсивности от времени дрейфа и времени

пролета, который основан на структурном разделении и независимой обработке 8 потоков данных с последующей реконструкцией в матрицу размерностью 65536х256х32768, обеспечивший уменьшение объема передаваемых в компьютер данных с 2 Гб для традиционного подхода, до 16 Мб в случае нового подхода, а также позволивший улучшить чувствительность и увеличить быстродействие измерений.

5. Проведенные с помощью разработанных приборов и методов прецизионные измерения, позволившие получить ранее неизвестные значения приведенной подвижности характеристичных ионов новых наркотических веществ, фармацевтических препаратов, галогенидов тетраалкиламмония, фенолсодер-жащих соединений, димеров и мономеров гомологического ряда n-алкил ацетатов, производных пиридина и нафтолов.

6. Созданное семейство новых аналитических систем для сепарации ионного состава многокомпонентных проб, включающее два спектрометра ионной подвижности высокого разрешения с детектированием на основе коллектора ионов и три гибридных прибора на основе спектрометра ионной подвижности высокого разрешения с масс-спектрометрическим детектированием, в том числе на основе тандемного квадрупольного и квадрупольно-времяпролетного масс-спектрометров, а также времяпролетного масс-спектрометра с секторным электростатическим анализатором.

Апробация диссертационной работы: данная работа была выполнена в НИЯУ МИФИ в течение 1996 - 2015 гг.

Основные результаты были представлены на 16-й международной масс-спектрометрической конференции (Эдинбург, Великобритания, 2003), 2-м международном семинаре-школе «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (Звенигород, Россия, 2004), Всероссийской конференции с международным участием "Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы" (Москва, Россия, 2005), Международном конгрессе по аналитическим

наукам (Москва, Россия, 2006), 14-м международном симпозиуме по спектрометрии ионной подвижности (Париж, Франция, 2005), 17-й международной масс-спектрометрической конференции (Прага, Чехия, 2006), 3-й международной конференции-школе «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (Звенигород, Россия, 2007), 16-й международной конференции по спектрометрии ионной подвижности (Миккели, Финляндия, 2007), 2-й Всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы (Москва, Россия, 2007), 3-й всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы (Москва, Россия, 2009), 4-й всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы (Москва, Россия, 2011), 19-й международной масс-спектрометрической конференции (Киото, Япония, 2012), 2-й ежегодной конференции «Аналитикс-2013» (Сучжоу, Китай, 2013), 5-й всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы (Москва, Россия, 2013).

Разработанные приборы экспонировались в 2004 году на Всероссийской выставке “Перспективные технологии XXI века” (ВВЦ, Москва), в 2007 - 2009 годах на Ежегодной выставке научно-технических работ «МИФИ – городу Москве», в 2009 г. на Центральной выставке IV Фестиваля науки (МВК Экспоцентр, Москва).

По теме диссертации опубликованы двадцать две работы в изданиях, рекомендованных ВАК (19 статей в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus, включая шесть прямых переводов статей в журналах из списка ВАК; 1 статья в журнале из списка ВАК; 2 патента на изобретение).

Личный вклад автора

Основные результаты работы получены при непосредственном участии автора, при его прямом руководстве либо консультациях. Личный вклад автора состоит в разработке новой научной концепции высокоэффективного время-пролетного разделения ионных сгустков в комбинации электростатических по-

лей; выработке целей и постановке задач исследований; участии в исследованиях и разработках на всех этапах процесса; участии в апробации результатов исследования, обосновании и разработке физических основ спектрометрии ионной подвижности высокого разрешения и спектрометрии ионной подвиж-ности/времяпролетной масс-спектрометрии с сепарацией в секторных электростатических полях; разработке действующих образцов приборов с рекордными аналитическими характеристиками; разработке методов обработки и регистрации данных, разработке программы испытаний; формулировании проблемы прецизионного измерения приведенной подвижности; непосредственном участии в экспериментальных исследованиях; обработке и интерпретации экспериментальных данных; подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Структура диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения. Работа имеет 266 страниц текста, включая 80 рисунков. Библиография насчитывает 229 наименований.

Методы ионизации при атмосферном давлении, применяемые в спектрометрии ионной подвижности и масс-спектрометрии

Метод дрейфовой спектрометрии ионной подвижности позволяет провести прямой расчет сечения столкновений формируемых ионов с молекулами дрейфового газа. Этот метод основан на разделении ионов по подвижностям при атмосферном и пониженном давлении в слабых электрических полях, напряженностью до 600-700 В см-1 в противотоке дрейфового газа. Более точно критерий малости напряженности поля формулируется следующим неравенством: ш , (і) где М- масса иона, У а - средняя скорость дрейфа ионов, к - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура.

Скорость дрейфа ионов индивидуальна и определяется сечением столкновения этих ионов с молекулами дрейфового газа и зависит от напряжённости электрического поля и внешних условий, таких как температура и давление. Скорость линейно зависит от напряженности поля, если значение напряженности поля не превышает значения 600-700 В см-1. vd=K-E, (2) где Vd - скорость дрейфа ионов [м/с], Е - напряженность поля [В см"1], а коэффициент пропорциональности К определяется как подвижность ионов [см2/(Вс)]. Экспериментально подвижность определяют, измеряя время дрейфа ионов в промежутке с однородным электрическим полем. Формулы для теоретической оценки подвижности ионов были предложены в [17].

Подвижность ионов К главным образом зависит от сечения столкновения QD, плотности молекул нейтрального газа N и эффективной температуры (определяется тепловой энергией и энергией, приобретаемой в электрическом поле), а также слабо зависит от приведённой массы сталкивающихся частиц /л. Зависимость от приведённой массы становится слабой при большом отношении масс ионов и молекул дрейфового газа [17]. Это отражено в формуле подвижности, приведённой ниже. где a - поправочный член, обычно не превышающий 0.02, q - заряд иона. Так же следует отметить, что сечение столкновения QD является функцией эффективной температуры Т, которое в общем случае может быть получено при решении столкновительного интеграла, учитывающего все виды взаимодействий между ионом и нейтральными молекулами, такие как: взаимодействие между ионом и постоянным дипольным или квадрупольным моментом нейтральной молекулы, взаимодействие между ионом и наведённым дипольным моментом нейтральной молекулы и т.д. [17]: где Q(U) (Г ) - безразмерный столкновительный интеграл, зависящий от потенциала взаимодействия иона с нейтральной молекулой и является функцией безразмерной температуры Ґ=кТ/є0. Здесь є0 - глубина минимума потенциальной энергии, соответствующего расстоянию между центрами иона и нейтральной молекулы rm. Такие расчёты довольно сложны и избыточны для многих приложений. Для решения такой задачи следует учитывать все возможные виды взаимодействий, что часто оказывается невозможным и не позволяет получить точного решения. Метод требует решения интегралов, которые не всегда могут быть вычислены аналитическими методами. Поэтому для практического применения обычно используются два приближения: модель столкновений твёрдых шаров или модель поляризационного взаимодействия иона с нейтральными молекулами, а также их комбинации. Такие упрощения в большинстве случаев дают удовлетворительные оценки для траекторного анализа и проверки результатов расчётов.

Для сравнения экспериментальных значений, полученных при разных температурах и давлениях, было введено понятие приведённой подвижности [18]. [Т ){760) (5) где Т - температура [К], Р - давление [торр]. Критерием селективности спектрометра ионной подвижности является разрешающая способность, определяемая по одному пику, как:

Std SK (6) где td – время дрейфа, t – ширина пика на полувысоте, K - подвижность ионов, а K - диапазон подвижностей, соответствующий длительности пика аналитического сигнала на полувысоте его интенсивности. Разрешающая способность отражает минимальные различия в подвижности, необходимые для разрешения пиков в заданном диапазоне подвижностей.

В традиционном дрейфовом спектрометре ионной подвижности (Рисунок 5) проба в газовой фазе попадает в прогреваемую камеру ионизации, где под действием радиоактивного источника образуются положительные или отрицательные ионы. Ионы периодически подаются в зону дрейфа через электрический затвор. Поле дрейфа может быть сформировано как дискретными электродами, так и резистивными трубками [19]. Под действием статического электрического поля в зоне дрейфа они перемещаются к коллекторной пластине. Время дрейфа составляет примерно несколько мс, зависит от заряда, массы и размеров иона и является характерным для различных видов ионов. Ток коллектора измеряется как функция времени, и график ионного тока на спектре ионной подвижности (то есть в зависимости от времени) содержит пики, соответствующие различным типам ионов. Полученное распределение времени дрейфа переводится в распределение приведенной подвижности ионов, используя значения приведенной подвижности эталонных образцов и/или параметры области дрейфа прибора. Наличие детектируемых веществ в анализируемой пробе определяется по наличию характерных пиков в распределениях приведенной подвижности.

Дрейфовые спектрометры ионной подвижности широко используются для детектирования взрывчатых веществ и наркотиков в аэропортах, обнаружения химического оружия в военных целях, мониторинга загрязнителей атмосферного воздуха в промышленности, измерения уровня летучих органических соединений в атмосфере системы жизнеобеспечения на международной космической станции.

Существенным преимуществом дрейфовой спектрометрии ионной подвижности является быстрота получения данных и возможность получения информации о сечении столкновения ионов изучаемых соединений с молекулами дрейфового газа. Характерные времена разделения по времени дрейфа составляют десятки мкс. Существенными недостатками дрейфовой спектрометрии ионной подвижности долгое время оставалась недостаточная селективность метода спектрометрии ионной подвижности, характеризовавшаяся разрешающей способностью в диапазоне 20-60 [20], сложность одновременного достижения быстродействия и чувствительности многокомпонентного анализа в условиях масс-спектрометрического детектирования. Дрейфовые спектрометры ионной подвижности могут работать при атмосферном давлении, и благодаря этому нашли широкое самостоятельное применение.

Разработка и создание гибридных приборов на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности высокого разрешения, тандемной квадрупольной и квадрупольно-времяпролетной масс-спектрометрии для исследования ограничений на точность измерений

Масс-спектрометр работал в режиме регистрации выбранных ионов и в режиме сканирования. В режиме регистрация выбранных ионов использовалось время задержки в 1 или 5 с. В режиме сканирования, масс-спектры записывались от m/z=50 а.е.м. до m/z=300 а.е.м. за 1 или 5 с.

При работе масс-спектрометра ионной подвижности с тандемным квадрупольным анализатором использовались следующие режимы работы. В режиме непрерывного ионного потока модуль ионной подвижности устанавливался между источником ионов и масс-спектрометром, но ионные затворы спектрометра ионной подвижности оставлялись открытыми и ионы, образованные в источнике с электрораспылением непрерывно поступали в масс-спектрометр. Масс-спектрометр работал в режиме регистрация выбранных ионов или в режиме сканирования для сбора необходимой масс-спектральной информации.

"Быстрый" однозатворный режим сбора спектров в реальном времени, известный как режим усреднения сигнала [92], не мог быть реализован с использованным в данном исследовании масс-спектрометром. Таким образом, использовался только "медленный", двухзатворный режим (также известный как режим стробирования или аппаратного мониторинга) [92]. В этом режиме работы первый затвор (входной затвор) открывался в течение короткого периода (Atent, обычно 0.2 мс или 0.5 мс) для того, чтобы впустить ионы в трубу дрейфа. Второй затвор (выходной затвор) открывался после некоторого времени задержки (tdei) на период времени (Atex), обычно такой же длительности, как и время открытия входного затвора (Atent = Atex). Если ионный пакет приходил на выходной затвор в то время, в течение которого он открыт, то ионный пакет транспортировался в масс-спектрометр и детектировался. Если выходной затвор открывался только после некоторого постоянного времени tdel, то регистрировались только ионы с определенной подвижностью (соответствующей равенству времени дрейфа и tdel).

Двухзатворный режим сканирования по подвижности реализовывался следующим образом. Когда время задержки tdel сканируется от tdel=0 до времени, соответствующего окончанию разделения по подвижности, т.е. времени, после которого не ожидается выход ионов из трубы дрейфа, может быть записан полный спектр подвижности. В данном эксперименте максимальное время разделения было установлено на уровне 50 мс. Время задержки tdel сканировалось с шагом в 50 мкс. Время задержки спектрометра ионной подвижности, т.е. время, в течение которого время открытия второго затвора tdel остается постоянным, равнялось 1 с в режиме регистрация выбранных ионов. Это позволяло накапливать данные от 20 циклов разделения по подвижности, т.к. максимальное время цикла разделения по подвижности равнялось 50 мс. Время задержки спектрометра ионной подвижности в режиме сканирования было 5 с. Эти времена были обусловлены тем, что время накопления масс-спектрометра в режиме регистрации выбранных ионов было 1 с, а время сканирования (от m/z=50 а.е.м. до m/z=300 а.е.м.) было 5 с.

В случае применения лазерной десорбции ионизации исследования проводились с использованием двух разных режимов сканирования: двухзатворного режима сканирования по подвижности и режима сканирования по подвижности с лазерной инжекцией ионов. Ожидалось, что двухзатворный режим сканирования по подвижности позволит получить лучшую воспроизводимость измеряемых значений подвижности, а режим сканирования по подвижностям с лазерной инжекцией ионов позволит получить лучшую чувствительность. В двухзатворном режиме сканирования по подвижности ионный пакет формировался входным затвором из ионов, образованных лазерным импульсом. Входной затвор открывался на короткое время (tent=0.5 мс) для того, чтобы ввести ионы в область дрейфа, в то время как выходной затвор открывается после некоторого времени задержки (tdel) на период времени (tex), обычно такой же длительности, как и время открытия входного затвора (tent=tex). При этом tdel оставалось постоянным некоторое время (шаг сканирования спектрометра ионной подвижности), а затем изменялось с шагом в 50 мкс.

В режиме сканирования по подвижностям с лазерной инжекцией ионов пакет ионов формировался импульсом лазера. В этом случае входной затвор был открыт для ионов все время и tdel определяло время между выстрелом лазера и моментом прохождения выходного затвора. Режим сканирования по подвижностям с лазерной инжекцией ионов работал таким же образом, как и двухзатворный режим сканирования по подвижностям, но в режиме сканирования по подвижностям с лазерной инжекцией ионов вспышка лазера соответствовала открытию входного затвора. Блок управления спектрометром ионной подвижности был синхронизирован с электроникой лазера путем подачи TTL-импульса входного ионного затвора на вход триггера блока управления лазером. Для управления масс-спектрометром ионной подвижности с тандемным квадрупольным анализатором использовалось специально разработанное программное обеспечение. Программное обеспечение позволяло осуществлять чередование между режимом непрерывного ионного потока, когда оба затвора были постоянно открыты, и двумя двухзатворными режимами СИП. В режиме регистрации выбранных подвижностей tdel оставалось постоянным, в режиме сканирования по подвижностям tdel сканировалось с выбранной скоростью и шагом. В режиме регистрации выбранных подвижностей существовала возможность регулировки длительности открытия входного и выходного затворов tent, tex, соответственно, задержки, после которой открывается второй затвор tdel и времени работы спектрометра ионной подвижности. В режиме сканирования по подвижностям задаются все те же параметры, за исключением tdel, которое является здесь исходной задержкой, начиная с которой осуществляется сканирование по подвижностям. Также определялись время задержки, шаг tdel и период работы спектрометра ионной подвижности.

Регистрация данных в широком динамическом диапазоне аналитического сигнала и их математическая обработка при каскадировании аналогово-цифровых преобразователей

Аспирационный спектрометр ионной подвижности представляет собой достаточно простое устройство, в котором ионы, обладающие различной подвижностью, разделяются в пространстве под действием слабого электрического поля, формируя различные траектории [28,29]. Возможность фильтрации по подвижности, основанной на компактном аспирационном устройстве, ранее не исследовалась, и по этой причине представляла интерес. В настоящем разделе рассматривается возможность построения гибридного прибора на основании аспирационного спектрометра ионной подвижности и квадрупольного масс-спектрометра, подробно изложенная в работе [130]. Разработанный комбинированный прибор состоял из трех основных частей: аспирационный спектрометр ионной подвижности, интерфейс и тройной квадрупольный масс-спектрометр.

Основные принципы функционирования аспирационного спектрометра ионной подвижности этого прибора были описаны в работах [28-33]. Основными частями аспирационного спектрометра ионной подвижности являются источник ионов, отклоняющая область и область ионных коллекторов. Поток газовой пробы обеспечивает непрерывный поток ионов через прибор при атмосферном давлении без необходимости использования газа-носителя или дрейфового газа. Радиоактивная ионизация 241Am используется для формирования первичных ионов из основных компонентов газовой пробы (например, N2, O2, H2O, CO2). Этот процесс сопровождается ионно-молекулярными реакциями между первичными ионами и нейтральными молекулами анализируемых соединений, которые образуются в области ионизации. Электрическое поле перпендикулярно потоку газа и подается на электроды в пределах области ионных коллекторов. В используемой конструкции было 8 пар электродов. Каждая пара электродов представляла собой один коллектор, расположенный напротив соответствующего отражающего электрода. Базовое напряжение прикладывалось к коллекторам (Ubase), в то время как напряжение смещения (Ubias) представляло собой разницу потенциалов между отражающим электродом и коллектором. Каждый коллектор детектирует различные диапазоны распределения ионов по подвижности. Ионы отклоняются электростатическим полем и собираются на один из коллекторов, отвечающий их подвижности. Траектории ионов в пределах области ионных коллекторов зависят от скорости потока газа (v), напряжения смещения (Ubias), расстояния между отражающими электродами и коллекторами (h), и подвижности ионов (K). Напряжение смещения Ubias, при котором все ионы с подвижностью k собираются до того, как они достигают детектирующий канал на расстоянии l от начала области ионных коллекторов, выражается следующим уравнением: Общее базовое напряжение (Ubase) подавалось на все ионные коллекторы и общее напряжение (Ubase+Ubias) было приложено на все отражающие электроды. Двухканальный источник постоянного напряжения обеспечивал напряжения Ubase и Ubias в диапазоне 0-100 вольт и 0-5 вольт, соответственно.

Важной особенностью разработанного интерфейса между аспирационным спектрометром ионной подвижности и масс-спектрометром была возможность быстрой установки аспирационного спектрометра ионной подвижности на тройной квадрупольный масс-спектрометр [130]. Фактически интерфейс между аспирационным спектрометром ионной подвижности и масс-спектрометром заменил штатную пластину газа завесы в области газодинамического интерфейса, находящейся при атмосферном давлении. Этот интерфейс представлял собой пластину, изготовленную из полимерного материала, с отверстием для транспортировки ионов диаметром 10 мм.

Единственным изменением, которое претерпел аспирационный Принципиальная схема интерфейса. спектрометр ионной подвижности, стало прямоугольное отверстие (5x0.5 mm), выполненное в середине третьего ионного коллектора с тем, чтобы сделать возможной транспортировку ионов в масс-спектрометр. Третий электрод для размещения отверстия был выбран в результате предварительного моделирования, учитывающего размеры аспирационного спектрометра ионной подвижности и интерфейса масс-спектрометра.

Аспирационный спектрометр ионной подвижности был подключен к пластине интерфейса таким образом, что отверстие, сделанное в третьем коллекторе ионов, оказалось напротив отверстия пробоотбора масс спектрометра (Рисунок 41). Расстояние между отверстием и диафрагмой масс-спектрометра составляло 6 мм.

В данной работе использовался промышленный тандемный квадрупольный масс-спектрометр API-300. Газом завесы масс-спектрометра служил высокочистый азот (99.5%), производимый генератором азота. Поток газа, поступающего в интерфейс, был установлен равным потоку газа в масс спектрометр ( 0.56 л/мин). Это было сделано для того чтобы обеспечить малость потока газа из интерфейса в аспирационный спектрометр ионной подвижности. Ионы вытягивались из интерфейса в масс-спектрометр через отверстие диафрагмы диаметром 254 м. Напряжения диафрагмы (Uorifice), фокусирующего кольца, и входного транспортного квадруполя поддерживались равными 30, 150, и 5 В, соответственно, по отношению к напряжению скиммера, который был заземлен. Масс-спектрометр работал в режиме регистрации выбранных ионов, либо регистрации нескольких ионов.

Поскольку аспирационный спектрометр ионной подвижности ранее не комбинировался с масс-спектрометрическими приборами, интерес представляла принципиальная возможность такого сочетания. Условия эксперимента подробно описаны в работе [130]. В качестве модельных проб использовались 2,6-ди(трет-бутил)пиридин и диметил метилфосфонат, растворенные в пентане и испаренные в потоке высокочистого азота 99.5%, получаемого с помощью промышленного генератора. В результате деления потоков концентрация в газовой фазе составляла 8 ppb для 2,6-ди(трет-бутил)пиридина и 5 ppb для диметил метилфосфоната.

Поток газа разделялся на две части и количество газа, отводимого в аспирационный спектрометр ионной подвижности (от 0.5 до 4.0 л/мин), контролировалось игольчатым клапаном. Отток аспирационного спектрометра ионной подвижности откачивался отдельным насосом, также контролируемым игольчатым клапаном. Как поток пробы, так и выходной поток измерялись с помощью теплового массового расходомера.

Оптимизация интерфейса аспирационного спектрометра ионной подвижности/масс-спектрометра была выполнена с помощью 2,6-DtBP. Были оптимизированы потоки входящих газов (поток пробы) и исходящих газов (выходной поток). С увеличением отношения потоков пробы к выходным потокам, наблюдалось увеличение ширины пиков и интенсивности сигнала. При увеличении потоков возрастала роль газодинамического механизма увлечения ионов в масс-спектрометр. Однако отношение потока пробы к выходящему потоку более 1.2 приводило к нестабильности сигнала, в то время как отношение менее 0.9 уменьшало интенсивность сигнала, потому что в слабом электрическом поле, существующем внутри аспирационного спектрометра ионной подвижности, газ завесы, текущий из интерфейса масс-спектрометра, мог препятствовать прохождению ионов через отверстие в коллекторе ионов. В результате исследования нескольких отношений потока пробы к выходящему потоку в диапазоне от 0.9 до 1.2, было найдено оптимальное значение этой величины, приблизительно равное 1.08. Предполагается, что при этом значении поток газа через отверстие в ионном коллекторе должен быть достаточно слабым, чтобы сильно не влиять на разделение по подвижности, но должен быть достаточно сильным, чтобы сопутствовать увеличению ионной трансмиссии через отверстие на ионном коллекторе. Его небольшой размер необходим для того, чтобы отверстие не влияло на отклоняющие поля. Наблюдалось, что при увеличении потока пробы, при постоянном отношении потока пробы к выходящему потоку, равном 1.08, улучшалась чувствительность. В то же время возникала необходимость использовать большие значения напряжения смещения Ubias, в соответствии с формулой 1. Также было экспериментально определено оптимальное значение напряженности электрического поля между коллекторами аспирационного спектрометра ионной подвижности и диафрагмой масс-спектрометра. Напряженность поля варьировали, изменяя Ubase в пределах от 20 до 100 В с шагом в 10 В, поддерживая при этом диафрагму масс-спектрометра при 30 В. При каждом из исследуемых значений Ubase, Ubias изменяли с шагом в 0.1

Формирование ионных сгустков при атмосферном давлении в спектрометрии ионной подвижности

В двухзатворном режиме сканирования по подвижностям отслеживались только ионы [M]+. Двухзатворный режим сканирования по подвижностям производил нестабильный и плохо воспроизводимый ионный сигнал на очень низких уровнях с плохими формами пиков. Однако подвижности всех тестовых соединений могли быть получены от одного измерения для каждого соединения. С целью улучшения формы распределения подвижности и для увеличения уровня сигнала, были суммированы четыре масс-селективных спектра подвижности для каждого соединения. Полученные данные систематизированы в Таблице 11. В отличие от непрерывных ионных источников (например ESI, APCI) источник с поверхностно активированной лазерной десорбцией ионизацией обычно использует импульсный лазер и формируемые ионные пакеты характеризуются низкой воспроизводимостью количества ионов от импульса к импульсу. В двухзатворном режиме сканирования по подвижностям частота импульсов лазера была установлена равной 100 Гц. По этой причине незначительное число образовавшихся ионов фактически участвовало в формировании распределения по подвижности.

С целью улучшения стабильности сигнала и формы пика путем увеличения эффективности отбора ионов, спектрометр ионной подвижности/ масс-спектрометр исследовался в режиме сканирования по подвижности с лазерной инжекцией ионов. В этом режиме длиной дрейфа была сумма длин области десольватации и области дрейфа, которая составил 21.2 см. Однако, фактическая длина дрейфа незначительно менялась между экспериментами из-за того, что образец и пятно лазера не всегда оказываются на одном и том же месте. С целью корректировки этого фактора, одновременно с подвижностью измерявшегося галогенида тетраалкиламмония была измерена подвижность 2,6-DtBP. Фактическая приведенная подвижность была вычислена на основе времени дрейфа 2,6-DtBP и значения приведенной подвижности 2,6-DtBP, взятого из литературы [128]. Было использовано значение 1.50 [см2/(Вс)] для [M+H]+. Приведенная подвижность анализируемого соединения определялась как K0a = (tstd/ta)K0std, где K0std – это приведенная подвижность стандарта, tstd – время дрейфа стандарта, и ta – время дрейфа анализируемого соединения.

Рисунок 58 показывает пример масс-селективных спектров подвижности галогенидов с 2,6-ди(трет-бутил)пиридином. Рассчитанные приведенные подвижности соединений галлогенидов приведены в Таблице 8. Измеренные значения подвижности согласуются с литературными данными для ионизации электрораспылением [128] с точностью 4-5%. С двухзатворным режимом сканирования по подвижностям согласие было существенно лучше (разница менее чем 1%). Однако с режимом сканирования по подвижностям с лазерной инжекцией ионов может быть получено хорошее отношение сигнал-шум (S/N) за существенно меньшее время измерений по сравнению с двухзатворным режимом сканирования по подвижности.

Спектры ионной подвижности для трех тестовых соединений галогенидов тетраалкиламмония также были получены спектрометром ионной Масс-селективные распределения ионной подвижности для a) тетрапропиламмониййодида и 2,6-DtBP, b) тетрабутиламмониййодида и 2,6-DtBP и c) тетрапентиламмониййодида и 2,6-DtBP. подвижности с детектором на основе коллектора ионов (Рисунок 59). Указанные спектры ионной подвижности имеют два хорошо разделенных пика подвижности. Сравнительно высокий уровень шума на спектрах не мешает определению подвижности хорошо разрешенных пиков ионов.

Этим они отличаются от представленных выше результатов, полученных, используя спектрометр ионной подвижности/масс-спектрометр. На основе данных спектрометрии ионной подвижности/масс-спектрометрии второй пик

Спектры ионной подвижности a) тетрапропиламмониййодида, b) тетрабутиламмониййодида и c) тетрапентиламмониййодида, полученные спектрометром ионной подвижности с детектором на основе коллектора ионов. во всех трех спектрах подвижности был идентифицирован как ион [M]+ соответствующего галогенида.

Первый пик был идентифицирован как фрагмент на основе данных спектрометрии ионной подвижности/масс-спектрометрии, выполненных путем измерения массы фрагментов ионов отдельных галогенидов тетраалкиламмония. В масс-спектрах поверхностно активированной лазерной десорбции/ионизации фрагмент иона, соответствующий утрате одной из цепочек алкилов с различной интенсивностью обычно наблюдался для всех галогенидов тетраалкиламмония.

Значения приведенной подвижности галлогенидов тетраалкиламмония были определены с использованием 2,6-ди(трет-бутил)пиридина в качестве внешнего стандарта с известным значением приведенной подвижности 1.50 см2/(Вс). Таблица 12 показывает рассчитанные подвижности для основного и фрагментарного пиков галлогенидов тетраалкиламмония из данных, полученных в течение одного дня. Полученные значения приведенной подвижности относительно хорошо согласуются со значениями, полученными в результате измерений методом спектрометрии ионной подвижности/масс-спектрометрии, и литературными данными. Разница с литературными данными составила 4-5%.

Разрешение пиков галогенидов тетраалкиламмония, полученных методом спектрометрии ионной подвижности с коллектором ионов, составляло 50-70. Это значение оказалась ниже, чем в случае измерений с прочими методами ионизации (100). Основной причиной ухудшения разрешающей способности по сравнению с результатами, достигаемыми с прочими методами ионизации, является исходное уширение ионного сгустка в области лазерной десорбции/ионизации. Такое уширение в области незначительного электрического поля приводит к ухудшению разрешающей способности.

Для дальнейшего улучшения характеристик источника с десорбцией/ионизацией на пористом кремнии целесообразно использовать лазер с более высокой частотой следования лазерных импульсов с целью более эффективного сбора данных и повышения воспроизводимости результатов измерений. Также желательно формирование достаточно сильного электрического поля в области десорбции ионов, напряженностью не ниже, чем в области дрейфа.