Ионные ловушки в динамической масс-спектрометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Никитина, Дарья Владимировна

• Никитина, Дарья Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Никитина, Дарья Владимировна

Введение.

1 ГЛАВА 1. Обзор вопроса.

1.1. Обзор литературы

1.1.1. Достоинства времяпролетных масс-спектрометров.

1.1.2. Принцип работы ВПМС.

1.1.3. Применение ионных зеркал во ВПМС.

1.1.4. Масс-рефлектрон.

1.1.5. «Квазикон», Orbitrap.

1.2. Постановка задачи.

1.3. Безразмерные модели.

ГЛАВА 2. Принципы работы ионных ловушек с потенциалом (p-f(x,y) + z2.

2.1. Формула разрешающей способности.

2.2. Одномерная динамика частиц.

2.3. Обратные задачи динамики (формулы обращения).

2.4. Идеальная фокусировка в квадратичном поле.

2.5. Одномерные ловушки с заданным порядком временной фокусировки.

2.6. Идеальная фокусировка (по z2) и общая схема многопериодного масс-спектрометра.

2.7. Принципы удержания поперечных потоков (по х,у).

2.8. Системы с разделенными переменными.

2.9. Ловушка с осевой симметрией (образование эффективных ям).

2.10. Систематизация вариантов ям из 2.8.

ГЛАВА 3. Системы удержания с плоскостью симметрии.

3.1. Обратные задачи для поперечного движения.

3.1.1 Полное разделение переменных в уравнении Гамильтона-Якоби для двумерных полей.

3.1.2 Решение обратных задач движения заряженных частиц при помощи уравнения Гамильтона-Якоби.

3.2. Одновременная фокусировка по Z и по XY.

ГЛАВА 4. Ионные ловушки с аддитивной квадратичной составляющей потенциала.

4.1. Аналитическое описание полей.

I 4.2. Поля суперпозиции линейных зарядов и гиперболоидов.

4.3. Ионная ловушка на базе полей линейных зарядов и гиперболоидов.

4.4. Времяпролетные характеристики в плоскости симметрии.

ГЛАВА 5. Охлаждающие квадрупольные ловушки.

5.1. Геометрия исследуемой системы.

5.2. Метод моделирования.

5.3. Удержание ионного пучка в ловушке.

5.4. Охлаждение ионов.

5.5. Экстракция ионов.

5.5.1. Зависимость от геометрии и режима работы ловушки.

5.5.2. Зависимость от давления. 155 * 5.5.3. Зависимость от степени охлаждения ионов.

5.5.4. Зависимость от количества ионов в ловушке.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Ионные ловушки в динамической масс-спектрометрии»

Нужды биоаналитической химии являются основной движущей силой новых разработок в масс-спектрометрии в последнее время. Геномика, протеомика, метаболомика, 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 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 ООО 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:

1. Предложена принципиально новая ионно-оптическая схема времяпролетного масс-спектрометра с идеальной пространственно-временной фокусировкой.

2. Построено многообразие полевых структур с разделением обобщенных переменных с квадратичной составляющей в потенциале.

3. Исследованы механизмы пространственного удержания ионных пакетов в полях с квадратичной составляющей в потенциале. Рассчитаны конкретные варианты полей с временной и пространственной фокусировкой.

4. Теоретически исследован механизм охлаждения ионов в буферном газе ионных ловушек, предложена новая конструкция с оптимальными параметрами.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Никитина, Дарья Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В представленной работе выполнены следующие задачи:

1. Предложена принципиально новая ионно-оптическая схема времяпролетного масс-спектрометра с идеальной пространственно-временной фокусировкой.

2. Построено многообразие полевых структур с разделением обобщенных переменных с квадратичной составляющей в потенциале.

3. Исследованы механизмы пространственного удержания ионных пакетов в полях с квадратичной составляющей в потенциале. Рассчитаны конкретные варианты полей с временной и пространственной фокусировкой.

4. Теоретически исследован механизм охлаждения ионов в буферном газе ионных ловушек, предложена новая конструкция с оптимальными параметрами.

По результатам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Голиков Ю.К., Никитина Д.В., Уткин К.Г. Энергоанализатор "модифицированная арка" // материалы 7 Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах». - 20-21 июня 2003г. - С. 102-103.

2. Голиков Ю.К., Никитина Д.В., Соловьев К.В. Обратные задачи движения в теории электростатических ионных ловушек // материалы 7 Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах». - 20-21 июня 2003г. - С. 103-104.

3. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев К.В., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки И Прикладная физика. - 2006. - №5. - С. 50-57.

4. Веренчиков А.Н., Козлов Б.Н., Явор М.И., Труфанов А.С., Никитина Д.В. Газонаполненная линейная квадрупольная ловушка с аксиальным выбросом как источник для многоотражательного времяпролетного масс-спектрометра // Научное приборостроение. - 2005. - т. 15. - № 2 - С. 95-111.

5. Явор М.И., Никитина Д.В., Веренчиков А.Н., Щербаков А.П., Козлов Б.Н. Расчет параметров ионного пучка, выходящего из газонаполненного радиочастотного квадруполя // Научное приборостроение - 2005. - т. 15 - № 3 - С. 40-53.

6. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев К.В., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки // тезисы 8 всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». - 25-27 мая 2005.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Никитина, Дарья Владимировна, 2006 год

1. Gall L.N., Golikov Y.K., Aleksandrov M.L. Pechalina Y.E., Holin N.A. USSR Inventor's Certificate 1247973. 1984.

2. Флегонтова Е.Ю. Разделение потоков ионов по массам и энергиям в квазистатических электрических полях. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физ-мат наук. С-Пб, 1997.

3. Павленко В.А., Озеров Л.Н., Рафальсон А.Э. Безмагнитные времяпролетные масс-спектрометры // ЖТФ. 1968 - 38(4) - С. 581-602.

4. Стьюдер Ионный источник непрерывного действия для масс-спектрометра по времени пролета // Приборы для научных исследований. 1963 - 34(12) - С. 64-67.

5. Park М. et. al. Extended abstract ASMS, 2001 (www.asms.org).

6. Каратаев В.И., Мамырин Б.А., Шмикк Д.В. Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетной масс-спектрометрии//ЖТФ. 1971 -t.41.-C. 1498-1501.

7. Mamyrin В.А. Time-of-flight mass-spectrometry (concepts, achievements and prospects) // International Journal of Mass-Spectrometry. 206(2001). - Pp. 251-266.

8. Шмикк Д.В. Разработка и исследование новых схем безмагнитных времяпролетных масс-спектрометров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физ-мат наук. Ленинград, 1974.

9. Makarov А.А. Electrostatic Axially Harmonic Orbital Trapping: A High-Performance Technique of Mass Analysis // Analytical Chemistry. -72(2000)-Pp1156-1162.

10. Hardman M., Makarov A. Interfacing the Orbitrap Mass Analyzer to an Electrospray Ion Source // Analytical Chemistry.

11. Голиков Ю.К., Уткин К.Г., Чепарухин В.В. Расчет элементов электронно-оптических систем // Ленинград, 1984.

12. Голиков Ю.К. Определение электростатических полей по заданным характеристикам движения заряженных и дипольных частиц // Диссертация на соискание ученой степени доктора физмат наук. ЛПИ, 1985.

13. Явор М.И., Веренчиков А.Н. Планарный многоотражательный времяпролетный масс-анализатор, работающий без ограничения диапазона масс // Научное приборостроение. 2004 - т. 14. - № 2. - С. 38-45.

14. Dahl D.A. SIMION 3D, v.7.0: User's Manual // Idaho National Eng. Envir. Lab, 2000.

15. Сысоев A.A., Чупахин M.C. Введение в масс-спектрометрию. М., 1977.

16. Галль Л.Н., Голиков Ю.К. и др. Авторское свидетельство на изобретение «Времяпролетный масс-спектрометр».

17. Golikov Y.K., Krasnova N.K. Electrostatic mass spectrometer for concurrent mass-, energy- and angle-resolved measurements // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. v. 72. - 1995. - Pp. 323-326.

18. Голиков Ю.К., Печалина Е.Э. Определение траекторий заряженных частиц в двумерных электростатических полях с потенциалом, удовлетворяющим уравнению Пуассона /\ср = -2А // Препринт №38 АН СССР НТО Институт аналитического приборостроения. Л., 1990.

19. Damaschin loanovicin Ion-optical properties of time-of-flight mass-spectrometers // International Journal of Mass-Spectrometry. -206(2001). Pp. 211-229.