Время-пролётный масс-анализатор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Времяпролётный масс-анализатор — простейший вид масс-анализатора.

Во время-пролётном масс-анализаторе ионы вылетают из источника и попадают во время пролетную трубу, где отсутствует электрическое поле (бесполевой промежуток). Пролетев некоторое расстояние d , ионы регистрируются детектором ионов с плоской или почти плоской регистрирующей поверхностью. В 1950—1970 годах, в качестве детектора ионов использовался вторичный электронный умножитель «жалюзного типа» (Venetian blind), позже применялся комбинированный детектор, использующий две или иногда три последовательно расположенных микроканальных пластины (МКП).

Физический принцип работы время-пролётного масс-анализатора заключается в том, что разность потенциалов U ускоряет ионы в источнике ионов до скорости v согласно уравнению:

\frac{mv^2}{2} = zU.

При фиксированной длине бесполевого промежутка от источника ионов до детектора ионов время полета ионов

t = \frac{d}{v}\,

тогда

\frac{m}{z} = t^2 \frac{2U}{d^2}.

Время-пролётный масс-анализатор является импульсным масс-анализатором, то есть ионы поступают из источника ионов во время-пролетную часть не непрерывно, а порциями через определенные интервалы времени. Такие масс-анализаторы совместимы с ионизацией лазерной десорбцией при содействии матрицы (МАЛДИ), так как в данном методе ионизации ионы также образуются не непрерывно, а при каждом импульсе лазера.

К достоинствам время-пролётных масс-анализаторов относится высокий верхний порог детектируемой массы иона (зарегистрирована масса ионов ДНК в 1.5 миллиона m/z), ограниченный только фактом резкого уменьшения чувствительности ионного детектора (обычно, это две близко расположенные микро-канальные пластины — для такой схемы используется сокращение «шеврон») при регистрации медленно (скорость <20000 м/с) летящих ионов. На современных приборах типичный порог чувствительности составляет 50000-100000 m/z. Идея время-пролётного масс-анализатора принадлежит Стивенсу, предложившему конструкцию прибора в 1948 году. Первый анализатор был описан и построен Уилли и МакЛареном в 1955 году. К недостаткам первых приборов, в которых ионы молекул, ионизированных в газовой фазе, ускорялись коротким импульсом электрического поля и летели к детектору по прямой, относилось их низкое разрешение из-за начального больцмановского распределения скоростей ионов. В современных время-пролетных масс-спектрометрах ионы, образующиеся в газовой фазе или на поверхности, ускоряются при помощи импульса электрического поля, время создания которого задержано на доли микросекунд по отношению к времени окончания ионизирующего импульса, причем ускоряющий импульс продолжается до тех пор, пока все ионы не вылетят из источника ионов. Помимо этого, дополнительная фокусировка может происходить в ионном зеркале. Фокусировка значительно повысила разрешающую способность время-пролётных масс-анализаторов, позволив им конкурировать с магнитными масс-анализаторами.

Возможность использования ионного зеркала для время-пролетной фокусировки заряженных частиц, которые вылетают из одной эквипотенциальной плоскости с некоторой средней начальной скоростью и при этом имеют разброс по начальным скоростям, во время-пролётных масс-анализаторах была коротко упомянута Алихановым в конце 1950-х. В конце 1960-х годов в лаборатории Мамырина (Физико-Технический Институт имени Иоффе, г. Ленинград) была разработана теория ионных зеркал с двумя тормозящими промежутками. В 1969 впервые в мире, в лаборатории Мамырина была продемонстрирована работа масс-спектрометра с время-пролетной фокусировкой и ионным зеркалом для регистрации ионов в газовой фазе. В 1989—1993, Московец (Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный; Институт Спектроскопии, г. Троицк) рассчитал параметры ионных зеркал для случаев с многими промежутками и показал возможность одновременной геометрической и время-пролетной фокусировок для двумерных зеркал (типа «кошачий» глаз). В 1996—2000 годах, Ковтун (Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный; и Университет Джонса Хопкинса, г. Балтимор) разработал теорию время-пролетной фокусировки, которая учитывала масс-эффект для достижения более высокого разрешения во всем диапазоне регистрируемых масс.

Принцип работы тандемного время-пролетного масс-спектрометра с дополнительным ускорением фрагментированных ионов был впервые описан в 1998 году в патенте зарегистрированном в США. В 2000 годы несколько типов тандемных время-пролетных масс-спектрометров работающих с МАЛДИ источниками ионов появилось на рынке. Время-пролетная фокусировка для тандемных масс-спектрометров, в которой использовались электрические импульсы сложной формы и которая позволила значительно улучшить фокусировку вторичных (фрагментированных) ионов был предложена Курносенко (Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный) и Московцом (Северо-восточный Университет, г. Бостон) в 2009 году.