УСТРОЙСТВО ОРТОГОНАЛЬНОГО ВВОДА ИОНОВ В ИОН-ДРЕЙФОВЫЙ ИЛИ МАСС-СПЕКТРОМЕТР
APPARATUS FOR ORTHOGONAL INPUT OF IONS INTO ION-DRIFT OR MASS-SPECTROMETER

Предполагаемое изобретение относится к области ион-дрейфовой и масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии и медицины при ионизации исследуемых веществ методом «электроспрей» и других. Метод «электроспрей» является одним из современных методов «мягкой» ионизации, который позволяет переводить в газовую фазу и одновременно ионизировать большие биологические молекулы, такие как пептиды, белки и полинуклеотиды. Однако у существующих масс- и ион-дрейфовых спектрометров с прямым соосным вводом ионов имеется ряд факторов, ограничивающих их работоспособность. Наличие больших неиспарившихся капель, летящих из источника, приводит, как правило, к засорению и закупориванию входных интерфейсов, зарядке их элементов, увеличению шумов в регистрируемом спектре.
Известен ион-дрейфовый спектрометр с источником ионов типа «электроспрей» [1], где источник и дрейфовая область располагаются на одной оси. В этом случае в ион-дрейфовый спектрометр попадают и крупные капли, что усложняет анализ, а также функционирование прибора.
Ближайшим из известных, выбранным в качестве прототипа, является устройство ортогонального ввода ионов [2] - неосевая конфигурация электроспрея, когда ось источника располагается под углом ко входу. Такое устройство ввода позволяет избежать засорения или закупоривания входного отверстия при введении ионов в анализатор масс-спектрометра, так как при использовании неосевой конфигурации электроспрея большие капли пролетают мимо. Таким образом масс-спектрометр предохраняется от попадания больших капель вовнутрь, а ионы затягиваются электрическим полем. Однако в этом устройстве ионы вводятся непосредственно в откачиваемую область масс-спектрометра без предварительной сепарации ионов.
Наличие за входным скиммером масс-спектрометра изогнутых каналов [3] также способствует решению поставленной задачи. При наличии изогнутых каналов тяжелые капли, вследствие большей инерции, не могут вписаться в поворот и теряются на стенке канала. Однако вследствие пониженного давления в системе, эффективность такого способа не реализуется в полной мере.
Задачей изобретения является существенное снижение степени загрязнения входной системы как ион-дрейфового спектрометра, так и масс-спектрометра каплями растворителя при возможности увеличения интенсивности потока и уменьшения шумов в регистрируемом дрейфовом спектре.
Поставленная задача решается посредством сепарации ионов непосредственно при атмосферном давлении в области перед входными устройствами ион-дрейфового или масс-спектрометров. Устройство ввода ионов выполнено ортогональным в виде Т-образного сочленения газодинамического и входного каналов, последний состоит из диафрагмы и элементов электростатической линзовой системы. В этом случае крупные распыленные капли сносятся газовым потоком дальше по каналу и тем самым не попадают во входную систему, а ионы затягиваются туда электрическим полем.
На фиг.1 показан общий вид (в разрезе) устройства ортогональной сепарации и ввода ионов в ион-дрейфовый или масс-спектрометр вместе с характерными траекториями ионов.
На фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства. Устройство ввода ионов (фиг.1, 2) состоит из источника ионов типа «электроспрей» (не показан), цилиндрического канала 1, ортогонального входного канала с диафрагмой 2, линзовой системой 3-7 и сетки 8 (затвор Бредбери-Нильсена ион-дрейфового спектрометра либо на месте сетки располагается входной скиммер масс-спектрометра).
На фиг.3 проиллюстрирован физический принцип функционирования устройства: показаны характерные траектории ионов в зависимости от их близости ко входу дрейфовой области при различных значениях прикладываемого тянущего потенциала.
gas
0
0
ion
gas
0
gas
2
3
4
5
6
7
8
0
2
Предлагаемое устройство работает следующим образом (фиг.2, 3). Ионы и крупные распыленные капли, образуемые в источнике «электроспрей», двигаются в газовом потоке вдоль цилиндрического канала - трубки 1. При атмосферном давлении скорость ионов принимается равной скорости газового потока U. Перпендикулярно оси трубки располагается входной канал ион-дрейфового или масс-спектрометра. На входную диафрагму 2 (фиг.2) ион-дрейфового канала подается тянущий электростатический потенциал. За входной диафрагмой располагается линзовая система 3-7 (фиг.2). Когда ионы, увлекаемые газовым потоком, подходят к области расположения входного отверстия ион-дрейфового канала, на них начинает действовать электрическое поле Е входной диафрагмы 2. Появляется составляющая скорости движения, определяемая коэффициентом подвижности иона k - U=kE. Таким образом, полная скорость движения иона будет складываться из движения в газовом потоке и движения в появляющемся электрическом поле входной системы - U=U+kE. Характерные результирующие траектории ионов, полученные с помощью программы SIMION [4] и подпрограммы [5], показаны на фиг.2. Для определенности коэффициент подвижности ионов полагается равным 2 см/(В·c). В данном примере скорость газового потока U=12 см/с, потенциал входной диафрагмы 2 относительно потенциала трубки V=-100 В, соответственно V=-500 В, V=-600 В, V=-700 В, V=-800 В, V=-900 В. Потенциал сетки 8 (затвор Бредбери-Нильсена ион-дрейфового спектрометра либо располагаемый на месте сетки входной скиммер масс-спектрометра) составляет V=-1000 В. Диффузия иона в газе определяется из соотношения Эйнштейна [6], связывающего коэффициент подвижности k с коэффициентом диффузии D:
B
½
где k - постоянная Больцмана, Т - температура, Ze - заряд иона. Тогда равновероятное по направлениям смещение иона за Δt, обусловленное диффузией, будет равно (6DΔf). Диффузия приводит к незначительному искажению траектории движения иона.
На тяжелые или незаряженные капли «проваливающееся» электрическое поле входной системы не будет оказывать существенного влияния и они, увлекаемые газовым потоком, пройдут мимо. При этом ионы будут затягиваться во входную систему. Пространственная конфигурация проваливающегося в газодинамический канал электрического поля способствует фокусировке ионов на оси независимо от ординаты движения иона в потоке. Видно, что следуя силовым линиям поля, ионы огибают край входной системы. Эффективность захвата иона электрическим полем зависит как от прикладываемого потенциала, так и от координаты движения иона относительно сечения канала. На фиг.3 показывается эффективность захвата ионов в зависимости от их начального положения и напряженности затягивающего электрического поля (-90, -150, -180, -210 В на входной диафрагме, потенциал цилиндрического канала 0 В) и постоянной скорости газового потока 24 см/с. Видно, что ионы, двигающиеся вдоль дальней стенки, слабее отклоняются в проваливающемся в канал электрическом поле. По мере роста потенциала входной системы повышается эффективность захвата ионов по сечению. При потенциале -210 В (фиг.3) все ионы попадают во входную систему ион-дрейфового или масс-спектрометра. Однако слишком сильное поле может привести к затягиванию вовнутрь крупных капель, что нежелательно.
Таким образом, предложенное устройство ортогонального ввода ионов во входную систему ион-дрейфового или масс-спектрометра способствует достижению поставленной цели, а именно уменьшению засорения элементов входных интерфейсов, зарядке их элементов, уменьшению шумов в регистрируемом спектре.
Источники информации
1. Tang X., Bruce J.E., Hill H.H. Characterizing electrospray ionization using atmospheric pressure ion mobility spectrometry // Anal. Chem. 2006, v.78, p.7751-7760.
2. Apffel J.A., Werlich M.H., Bertsch J.L., Goodley P.C. Orthogonal ion sampling for electrospray LC/MS. US patent: 5495108, date of patent Feb.27, 1996. (прототип)
3. Bajic S. Electrospray and atmospheric pressure chemical ionization mass spectrometer and ion source. US patent: 5756994, date of patent May 26,1998.
4. Dahl D.A. SEMION 7 User's Manual. Idaho National Engineering Lab., 2000, 657 p.
5. Курнин И.В., Самокиш В.А., Краснов H.B. Моделирование работы ион-дрейфового спектрометра с затвором Бредбери-Нильсена // Научное приборостроение, 2010, т.20, №3 (в печати).
6. Смирнов Б.М. Диффузия и подвижность ионов в газе.// УФН, 1967, т.92, вып.1, с.75-103.