СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЕМ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПО МАССЕ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В МНОГООТРАЖАТЕЛЬНЫХ ВРЕМЯПРОЛЕТНЫХ МАСС-СПЕКТРОМЕТРАХ
METHOD OF CONTROLLING RELATION OF RESOLUTION ABILITY BY WEIGHT AND SENSITIVITY IN MULTI-REFLECTIVE TIME-OF-FLIGHT MASS-SPECTROMETERS

Предлагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к многоотражательным времяпролётным масс-спектрометрам. Времяпролётные масс-спектрометры в настоящее время являются одним из наиболее востребованных типов приборов для анализа состава и структуры веществ в биохимии, медицине и многих других отраслях науки и промышленности. Преимуществами времяпролётных приборов являются возможность анализа ионов в практически неограниченном диапазоне масс, высокие чувствительность и информативность получаемых масс-спектров, скорость анализа и точность определения массы при типичном высоком уровне разрешающей способности по массам от 5000 до 20000. Разрешающая способность – одна из важнейших аналитических характеристик времяпролётных масс-спектрометров, стремление к увеличению которой представляет собой общую тенденцию в истории развития времяпролётных приборов и диктуется перспективами расширения применений времяпролётного метода анализа вещества на области задач, характеризующихся сложными молекулярными масс-спектрами (нефтехимия, протеомика и т.д.) или наличием в атомных спектрах близких по массе изобар (анализ редких изотопов в ядерной физике). За последние несколько лет ряду зарубежных фирм (Bruker Daltonics, Agilent Technologies, Waters) удалось за счёт совершенствования технологии изготовления элементов традиционных времяпролётных масс-спектрометров рефлектронного типа и увеличения их физических размеров достичь в таких приборах величин разрешающей способности по массе порядка 40000-50000. Наиболее перспективным направлением развития времяпролётных масс-спектрометров является разработка многоотражательных приборов, в которых увеличение длины пролёта ионов - ключевой фактор повышения разрешающей способности по массе - достигается с помощью  многократного отражения ионов в бессеточных ионных зеркалах либо многократными поворотами ионов в секторных электростатических дефлекторах. В многоотражательных времяпролётных масс-спектрометрах возможно увеличение разрешающей способности по массе до 100000 и более. Для расширения аналитических и методических возможностей масс-спектрометрического метода анализа вещества часто на практике часто возникает необходимость управления соотношением разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометра. При высокой разрешающей способности и, соответственно, больших временах и длинах пролёта ионных пакетов чувствительность времяпролётного масс-спектрометра существенно снижается прежде всего вследствие невысокого процента использования анализируемого вещества, рассеяния ионов на остаточном газе и апертурах ионно-оптической системы, поэтому  при малых концентрациях анализируемого вещества получение представительного масс-спектра становится невозможным. В то же время наличие достаточно высокой концентрации анализируемого вещества позволяет при увеличении разрешающей способности без потери информативности выявить характерные особенности масс-спектра, что особенно актуально при анализе веществ со сложной структурой, например белков и пептидов, и при этом не сузить анализируемого диапазона масс при  достижения оптимального соотношения  разрешающей способности по массе и чувствительности времяпролётного масс-спектрометра.
Многоотражательный времяпролётный масс-спектрометр челночного типа, в котором ионные пакеты совершают периодические обороты в пространстве между двумя бессточными ионными зеркалами, состоящими из набора цилиндрических электродов, описан в  работе [1]. Стандартным способом ввода и вывода ионных пакетов в масс-спектрометр является их инжекция и выброс через отверстия в отражательных электродах зеркал при отключении или снижении потенциалов, прикладываемых к этим электродам. Соотношение разрешающей способности и чувствительности времяпролётного прибора может регулироваться путём изменения количества оборотов ионных пакетов в пространстве между ионными зеркалами, однако существенным недостатком масс-спектрометра челночного типа является существенное сужение анализируемого массового диапазона, особенно при достижении высоких величин разрешающей способности вследствие необходимости импульсного переключения электродов.
Аналогичным недостатком обладают многооборотные времяпролётные масс-спектрометры на основе секторных электростатических дефлекторов с углом поворота 157° с организацией движения ионных пакетов по замкнутым траекториям [2-3], в которых инжекция ионных пакетов и их вывод осуществляются через отверстия во внешних секторных электродах при импульсном выключении потенциалов соответствующих дефлекторов.
Многооборотный времяпролётный масс-спектрометр на основе цилиндрических электростатических дефлекторов, функционирующий в режиме полного массового диапазона, описан в работе [4]. В приборе реализовано спиральное движение ионных пакетов, при котором они движутся по 8-образной траектории в плоскости пространственной дисперсии и медленно дрейфуют в перпендикулярном этой плоскости направлении вдоль вытянутых электродов секторных дефлекторов. Для осуществления периодической пространственной фокусировки ионных пакетов в направлении их дрейфа в межэлектродных зазорах цилиндрических секторов используется периодический набор пластин Мацуды, определяющий шаг смещения ионных траекторий в указанном направлении после одного полного оборота. Таким образом, поскольку общее количество оборотов пакетов заряженных частиц оказывается фиксированным геометрией времяпролётного прибора, возможность управления  соотношением разрешающей способности и чувствительности отсутствует.
Возможность управления соотношением разрешающей способности по массе и чувствительности в режиме полного массового диапазона реализована в планарном многоотражательном времяпролётном масс-спектрометре, описанном в работе [5], который выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения. В рассматриваемом приборе многократное отражение ионных пакетов осуществляется между двумя одинаковыми планарными бессточными электростатическими зеркалами, каждый электрод которых выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости и вытянутых в направлении дрейфа ионных пакетов.  Ионные пакеты инжектируются в масс-спектрометр под маленьким углом дрейфа и, отражаясь от планарных зеркал, движутся вдоль зигзагообразной оптической оси. Пространственное ограничение ионных пакетов в направлении их дрейфа осуществляется при помощи блока помещённых в центре дрейфового пространства периодических двумерных одиночных линз, осуществляющих периодическую фокусировку заряженных частиц. Крайние одиночные линзы блока выполняют функции дефлекторов: нижняя линза задаёт угол дрейфа ионных пакетов, определяющий шаг ионных траекторий в направлении дрейфа, а верхняя отклоняет ионные пакеты на детектор либо осуществляет разворот ионных пакетов в направлении дрейфа, двукратно увеличивая их время пролёта. Таким образом, управление соотношением разрешающей способности по массе и чувствительности в масс-спектрометре осуществляется настройкой электрического потенциала концевого дефлектора линзовой колонки. Однако реализованный в приборе способ управления соотношением разрешающей способности по массе и чувствительности имеет ряд недостатков. Во-первых, управление рассматриваемым соотношением требует наличия двух детекторов, что усложняет конструкцию времяпролётного прибора и увеличивает его стоимость. Во-вторых, в масс-спектрометре возможно реализовать только два режима работы, соответствующих различным значениям соотношения разрешающей способности и чувствительности, и нельзя обеспечить плавного управления этим соотношением: при реализации разворота ионных пакетов концевым дефлектором разрешающая способность и чувствительность прибора меняются скачкообразно.  Наконец, пространственная высота ионных пакетов в направлении их дрейфа в масс-спектрометре не превышает нескольких миллиметров из-за быстрого роста аберрационного уширения временного сигнала и, соответственно, ухудшения разрешающей способности, обусловленного прохождением  ионными пакетами периодических линз и их разворотом в концевом дефлекторе, что является фундаментальным  ограничением чувствительности времяпролётного прибора.
Задачей изобретения является организация плавного управления соотношением разрешающей способности по массе и чувствительности времяпролётного масс-спектрометра без сужения анализируемого диапазона масс. Поставленная задача решается за счёт формирования периодически поворачиваемых траекторий ионных пакетов с помощью планарных бессеточных ионных зеркал, к электродам которых прикладываются постоянные электрические напряжения. В отличие от прототипа, число оборотов ионных траекторий и, соответственно, разрешающая способность времяпролётного масс-спектрометра определяются управляемой энергией ионных пакетов в направлении дрейфа, ортогональном направлению их импульсного выталкивания. При этом соотношение кинетических энергий ионных пакетов в направлении дрейфа и в направлении их импульсного выталкивания соответствует целому количеству оборотов ионных траекторий с сохранением  анализируемого массового диапазона.
0z
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого изобретения. Для пояснения сущности изобретения можно рассмотреть следующую последовательность событий. Непрерывный ионный пучок с управляемой энергией дрейфа (1) из источника поступает в устройство ортогонального ввода (2), в котором он ускоряется периодически создаваемым импульсным электрическим полем в направлении, перпендикулярном направлению движения непрерывного пучка, формируя на выходе импульсного конвертера ионные пакеты с короткой длительностью временного сигнала. Ионные пакеты, совершая отражения в пространстве между бессеточными ионными зеркалами (3), к электродам которых прикладываются постоянные электрические напряжения, движутся по зигзагообразным траекториям и в итоге попадают в окно детектора (4). Импульсный конвертер, ионные зеркала и детектор расположены в высоковакуумной камере (5). Приведённые на фиг. 1 траектории ионных пакетов (6А) и (6Б) соответствуют различным значениям их энергии дрейфа. При этом соотношение кинетических энергий ионных пакетов в направлении дрейфа и в направлении их импульсного выталкивания соответствует целому количеству оборотов траекторий ионных пакетов. Время разворота заряженных частиц в устройстве ортогонального ввода определяется выражением , где m и Q - масса и заряд иона соответственно, E - напряжённость однородного импульсного выталкивающего поля, v - скорость иона в направлении, перпендикулярном направлению движения непрерывного пучка заряженных частиц в момент импульсного выталкивания.
0
Выполненные расчёты показывают, что при умеренных габаритах времяпролётного прибора 500 мм на 1000 мм (настольный вариант) удаётся реализовать 4 полных оборота ионных пакетов, что соответствует энергии непрерывного ионного пучка в импульсном конвертере в 16 эВ. При диаметре непрерывного ионного пучка d = 1.5 мм и угловом разбросе Δa = ±1° величина времени разворота ионов в импульсном конвертере с напряжённостью однородного выталкивающего поля E = 300 В/мм на полувысоте, оцениваемая как ΔT/2, для ионов массы m = 1000 а.е.м. составляет 1 нс, а полный относительный энергетический разброс ионов при их ускорении до 7 кВ - приблизительно 6.4%. С учётом вносимого системой регистрации временного уширения сигнала, которое имеет гауссово распределение с полной шириной на полувысоте 1.5 нс, длительность временного сигнала на полувысоте для ионов массы m = 1000 а.е.м. составляет около 1.8 нс, что при полном времени пролёта в 214 мкс соответствует разрешающей способности 60000 (временное уширение сигнала на полувысоте, вносимое высокоразрешающими бессеточными ионными зеркалами, пренебрежимо мало по сравнению с временем разворота ионов в импульсном конвертере). Таким образом, трём полным оборотам ионных пакетов будет соответствовать разрешающая способность 45000, двум оборотам - 30000 и одному обороту - 15000 при условии неизменности времени разворота ионов в устройстве ортогонального ввода. Поскольку траектории ионных пакетов не являются замкнутыми, управление соотношением разрешающей способности по массе и чувствительности осуществляется без сужения анализируемого массового диапазона. Поскольку общая длина траекторий ионных пакетов невелика и составляет около 8 м для четырёх полных оборотов, необходимость в использовании набора периодических линз отсутствует. Отказ от периодических линз позволяет увеличить протяжённость ионных пакетов в направлении дрейфа до нескольких десятков миллиметров, что в разы повышает чувствительность времяпролётного прибора по сравнению с прототипом.
Таким образом, формирование периодически поворачиваемых траекторий ионных пакетов с помощью бессеточных ионных зеркал и управление энергией этих пакетов в направлении дрейфа способствует выполнению поставленной задачи плавного управления соотношением разрешающей способности по массе и чувствительности времяпролётного масс-спектрометра в полном массовом диапазоне.
Источники информации
1. Wollnik, H., Casares A. An energy-isochronous multi-pass time-of-flight spectrometer consisting of two coaxial electrostatic mirrors // Int. J. Mass Spectrom. 2003. V. 227. N. 2. P. 217-222.
2. Toyoda M., Okumura D., Ishihara M., Katakuse I. Multi-turn time-of-flight mass spectrometers with electrostatic sectors // J. Mass Spectrom. 2003. V. 38. N. 11. P. 1125-1142.
3. Okumura D., Toyoda M., Ishihara M., Katakuse I. A compact sector-type multi-turn time-of-flight  mass spectrometer «MULTUM II» // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2004. V. 519. N. 1-2. P. 331-337.
4. Satoh T., Tsuno H., Iwanaga M., Kammei Y. The design and characteristic features of a new time-of-flight mass spectrometer with a spiral ion trajectory // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2005. V. 16. P. 1969–1975.
5. Verentchikov A. Multi-reflecting time-of-flight mass spectrometer with orthogonal acceleration // US Patent 7772547 B2. 2005.