СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ОРГАНИЧЕСКИХ И БИООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СВЕРХЗВУКОВОМ ГАЗОВОМ ПОТОКЕ, ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ РЕГИСТРАЦИИ И ТРАСПОРТИРОВКИ ЭТИХ ИОНОВ В ПОСЛЕДУЮЩИЙ МАСС-АНАЛИЗАТОР

1. Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений и ионов этих соединений на основе комбинации воздействий на эти соединения, их ионы, атомы или/и молекулы буферного газа изменяемого тока электронов с выбранной энергией в источнике электронной ионизации, электрических полей в линейной радиочастотной ловушке и узко направленного потока буферного газа, отличающийся тем, что для повышения эффективности разделения упомянутых анализируемых соединений или ионов подбором постоянных и переменных электрических полей внутри упомянутой ловушки с учетом возможного влияния ионов буферного газа, сфокусированных вокруг оси упомянутой ловушки, упомянутые анализируемые ионы движутся вдоль упомянутой оси с различными скоростями, имея поэтому разные времена контакта с метастабильно-возбужденными частицами буферного газа в упомянутом потоке, если они там присутствуют, и/или образуются из анализируемых соединений за счет пререзарядки на ионах буферного газа, линейная плотность которых изменяется с изменением упомянутого тока электронов, и/или локализуются в среднем в определенных местах вдоль оси упомянутой ловушки, имея некоторое среднее удаление от упомянутой оси так, чтобы регистрировались сигналы, пропорциональные числу выбранных из упомянутых анализирумых ионов в упомянутой ловушке или потокам ионов из упомянутого источника электронной ионизации и/или пропорциональные диффузионному потоку выбранных упомянутых ионов, постепенно поступающих на детектор с характеристическими временами, специфичными при данных условиях измерений для ионов с различными сечениями столкновений с атомами или молекулами буферного газа, в том числе и метастабильно возбужденными, и/или отличающихся по m/z, и/или в разных зарядовых состояниях, и/или различающихся по степени устойчивости к мономолекулярному распаду, вызванному столкновениями с атомами или молекулами буферного газа, в том числе и с метастабильно возбужденными, плотность которых в потоке газа может изменяться контролируемым образом изменением энергии и тока электронов в источнике электронной ионизации, что обеспечивает возможность дополнительного разделения и более точной идентификации упомянутых анализируемых соединений и/или их ионов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания потока ионов исследуемых соединений в линейную радиочастотную ловушку анализируемая смесь добавляется в поток буферного газа или напускается поток атмосферного воздуха, и в виде мало расходящегося молекулярного пучка этот поток пропускается через источник электронной ионизации с изменяемыми энергией и током электронов, расположенный перед входной диафрагмой линейной радиочастотной ловушки.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в газовый поток п.2 добавляется газовая смесь, содержащая ионы анализируемых соединений из внешнего ионного источника, например, многозарядные ионы биомолекул из ионного источника с электрораспылением.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения более высокой избирательности возбуждения вращений или колебаний ионов и других преимуществ создания электрических полей, близких к идеальным квадрупольным полям, линейная радиочастотная ловушка является радиочастотным квадруполем.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для предотвращения
несанкционированной гибели резонансно вращающихся или осциллирующих ионов на стержнях квадруполя эти стержни имеют круглое поперечное сечение, обеспечивая вблизи стержней значимое отклонение от идеального квадрупольного поля и соответственно сдвиг резонансных частот ионов.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания желаемых распределений продольных постоянных электрических полей в линейной радиочастотной ловушке и возможного изменения продольных распределений фокусирующего радиочастотного поля и/или вращающего или осциллирующего поля ее стержни секционированы.
7. Способ по п.2, отличающийся тем, что для создания желаемых электрических полей вне входной диафрагмы и в ее отверстии упомянутая диафрагма линейной радиочастотной ловушки является многослойной с чередующимися проводящими и диэлектрическими слоями.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для регистрации выбранных ионов и их ионов-продуктов фрагментации линейная радиочастотная ловушка ортогонально сопряжена с масс-анализатором, в частности это может быть времяпролетный масс-анализатор с ортогональным вводом ионов.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что для осуществления ортогонального сопряжения с масс-анализатором используется двухсеточное плоское электростатическое зеркало, расположенное под углом около 45° относительно направления газового потока.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что для обеспечения возможно меньшего проникновения компонент газового потока в масс-анализатор шаги сеток и их взаимное расположение выбираются такими, чтобы проволочки первой сетки могли быть виртуально совмещены с проволочками второй сетки параллельным сдвигом вдоль оси потока, основная часть которого откачивается турбомолекулярным насосом, расположенным вниз по потоку.
11. Способ по п.8, отличающийся тем, что для предварительной регистрации сигналов от ионов, движущихся в газовом потоке, ионы, выводящиеся из этого потока после выхода из линейной радиочастотной ловушки двухсеточным электростатическим зеркалом и не попавшие внутрь упомянутого масс-анализатора, направляются на регистрирующие элементы одноканальной или многоканальной регистрации, которые могут включать цилиндры Фарадея с электрометрическими усилителями и/или микроканальные пластины с одним или несколькими анодами, подключенными к аналого-цифровым преобразователям.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что для обеспечения количественных измерений сечений столкновений ионов с атомами или молекулами газового потока производится оценка плотности газа в потоке на выходе из упомянутой ловушки на основе согласованного задания относительного слабого продольного поля во второй половине упомянутой ловушки и изменения потенциалов электростатического зеркала, выводящего те же ионы после упомянутой ловушки на регистрирующие элементы, что и при отсутствии противополя; оценка упомянутой плотности производится в предположении справедливости Ланжевеновского сечения столкновений для рассматриваемого случая; оценка упомянутых сечений для относительно больших продольных полей производится на основе известных соотношений, связывающих скорость дрейфа ионов в «неподвижном» газе с приложенным электрическим полем, сечением столкновений и приведенной массой сталкивающихся частиц.
13. Способ по п.1, отличающийся тем, что для анализа больших многозарядных ионов биомолекул, поступающих в источник электронной ионизации, ступенчато изменяется ток электронов с относительно малой фиксированной энергией, и для каждого значения упомянутого тока регистрируется не менее двух масс-спектров интересующих ионов, включающих исходные ионы и ионы-продукты, образующиеся из упомянутых исходных ионов в результате электрон-захватной диссоциации; для пиков первых масс-спектров находятся коэффициенты линейного прогноза, дающие в среднем наименьшую ошибку предсказания последней в ряду последовательных измерений интенсивности каждого пика по предыдущим измерениям того же пика с контролем этой ошибки по длине последовательности измерений по остальным масс-спектрам и остановкой вычислений и измерений при минимуме этой контрольной ошибки; на основе калибровки шкалы эффективного электронного тока по значениям интенсивности известного иона при тех же значениях электронного тока, что при измерениях исследуемых ионов, составляется характеристическое уравнение с найденными коэффициентами линейного прогноза, умноженными на экспоненты от значений эффективного электронного тока с независимой переменной в показателях экспонент, и находятся корни этого характеристического уравнения с определением их кратностей; простые корни - это показатели экспоненциальных зависимостей компонент ионного тока исходных ионов от эффективного тока электронов; корни кратности А: соответствуют произведениям до (k-1)-й степени эффективного электронного тока на экспоненту от эффективного электронного тока с соответствующим показателем, они описывают ионы-продукты, получившиеся в результате захвата до k-1 электронов исходными ионами, изменение тока которых описывается экспонентой с тем же показателем; суммируя все серии зарегистрированных масс-спектров, методом наименьших квадратов находятся вклады всех найденных компонент во все зарегистрированные отсчеты суммарных масс-спектров, эти вклады будут характеризовать фактически разделенные масс-спектры исходных ионов, обладающих различными сечениями захвата электрона, вместе с их ионами-продуктами электрон-захватной диссоциации.
14. Способ по п.3, отличающийся тем, что для возможности анализа относительно малозарядных ионов из внешнего источника, для которых захват медленных электронов может быть недостаточно эффективен, энергия ионизирующих электронов повышается до уровня, при котором в значительном количестве могут образовываться метастабильно возбужденные частицы в газовом потоке, что при максимальном электронном токе приводит к значимому уменьшению максимального регистрируемого потока интересующих ионов; в первой половине линейной ловушки создается продольное электрическое поле, направленное против газового потока, которое тормозит интересующие ионы настолько, что максимальный регистрируемый поток этих ионов уменьшается примерно на порядок; при ступенчатом уменьшении элетронного тока регистрируются и анализируются данные по п.13; при необходимости регистрация и анализ данных могут быть повторены для другой напряженности затормаживающего поля.
15. Способ по п.2, отличающийся тем, что для анализа ионов, образующихся в источнике электронной ионизации из нейтральных молекул и в результате перезарядки на малых ионах газового потока, энергия ионизирующих электронов повышается до уровня, при котором в значительном количестве могут образовываться относительно малые ионы основных компонент газового потока; в первой половине линейной радиочастотной ловушки создается радиочастотное поле, фокусирующее малые ионы газового потока вокруг оси ловушки; во второй половине упомянутой ловушки создается радиочастотное поле, приводящее к потере устойчивости движения и гибели упомянутых малых ионов и фокусирующее подлежащие регистрации анализируемые ионы с большими значениями m/z, чем упомянутые малые ионы; ступенчато изменяется ток электронов в источнике электронной ионизации и производятся измерения и анализ данных по п.13; среди корней характеристического уравнения в этом случае ожидается присутствие нулевого корня, кратность которого должна быть равна 2, который описывает изменяющуюся линейно от эффективного электронного тока регистрируемую интенсивность потоков ионов, образующихся непосредственно в ионном источнике электронной ионизации.
16. Способ по п.13, отличающийся тем, что для возможности дальнейшего разделения исходных многозарядных ионов и получившихся в результате электронного захвата ионов-продуктов все эти ионы при заданной величине тока электронов в источнике электронной ионизации затормаживаются в первой половине линейной радиочастотной ловушки ступенчато увеличивающимся продольным электрическим полем, направленным против газового потока, и производится регистрация ионного тока интересующих ионов до того момента, когда начинает наблюдаться начальное уменьшение и затем восстановление упомянутого ионного тока вплоть до прежнего уровня с характерным временем, удобным для измерений; после этого ступенчато изменяется ток электронов, и измеряется кривая релаксации упомянутого ионного тока к новому уровню; ток электронов возвращается к прежнему значению и снова измеряется кривая релаксации того же ионного тока; такие пары измерений производятся для некоторого набора значений электронного тока, при которых упомянутый ионный ток находится в приемлемом интервале для измерений; ко всей этой совокупности измерений применяется формализм обработки данных по п.13, где роль шкалы m/z выполняют значения электронного тока, а шкала эффективных значений электронного тока заменяется на времена, при которых регистрируются точки релаксационных кривых; корни характеристического уравнения в этом случае должны быть невырожденными, они должны соответствовать показателям экспонент, описывающим в совокупности измеренные релаксационные кривые, каждая экспонента характеризует определенный тип ионов, отличающихся положением и шириной ионных облаков «остановленных» противополем в газовом потоке; при наличии в совокупности интересующих ионов вкладов от ионов с различными сечениями электронного захвата производится выделение этих вкладов во всех релаксационных кривых и затем разложение этих вкладов на найденные экспоненциальные составляющие по методу наименьших квадратов, что может привести к двумерному разделению интересующих ионов по сечениям электронного захвата и по характеристическим временам релаксации диффузионных потоков «остановленных» ионов, дополнительно к разделению по m/z, производящемуся масс-анализатором.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что для возможности получения ионов-продуктов столкновительной диссоциации «остановленные» в газовом потоке интересующие ионы выводятся из плотной части газового потока постепенно увеличивающимся вращающим полем, сдвинутым по частоте от резонанса в сторону, противоположную m/z желаемых для регистрации ионов-продуктов, при этом продольное электрическое поле, направленное против потока, постепенно уменьшается, чтобы сохранить приемлемые для регистрации характеристическое время релаксации и стационарный уровень регистрируемого тока интересующих ионов; далее постепенным увеличением резонансного вращающего напряжения выбирается желаемый уровень преобразования выбранных ионов в ионы-продукты за счет столкновений с атомами или молекулами буферного газа; при наличии значительных пиков, которые могут соответствовать ионам-фрагментам столкновительной диссоциации все они могут быть включены наряду с пиками интересующих исходных ионов в совокупность данных, регистрируемых и обрабатываемых по п.16; компоненты, пропорциональные экспоненциальным зависимостям от времени с совпадающими характеристическими временами, будут соответствовать специфическим исходным ионам и их ионам-продуктам.
18. Способ по п.14, отличающийся тем, что для возможности избирательного возбуждения диссоциации выбранных ионов столкновениями с атомами или молекулами буферного газа, включая метастабильно возбужденные; упомянутые выбранные ионы выводятся из плотной части газового потока вращающим полем в первой половине линейной радиочастотной ловушки, сдвинутым по частоте от резонанса в сторону, противоположную m/z желаемых для регистрации ионов-продуктов; создается продольное электрическое поле, направленное против потока, ступенчато возрастающее до момента, когда наблюдается значимое уменьшение регистрируемого ионного тока выбранных ионов и последующая релаксация этого тока к прежнему значению с приемлемым для регистрации характеристическим временем такой релаксации; включением и увеличением резонансного вращающего напряжения выбирается желаемый уровень преобразования выбранных ионов в ионы-продукты за счет столкновений с атомами или молекулами буферного газа, в том числе метастабильно возбужденными; ступенчатым изменением электронного тока запускается релаксационное изменение регистрируемого ионного тока исходных выбранных ионов и их ионов-продуктов, таким образом возникает возможность вместо серий масс-спектров, как в п.14, регистрировать совокупность релаксационных кривых для каждого пика этих масс-спектров; определение характристических времен этих кривых может быть произведено аналогично п.16, стационарные уровни этих релаксационных кривых в зависимости от эффективного ионного тока будут нести ту же информацию, что и масс-спектры п.14, и могут быть аналогичным образом обработаны, найденные показатели экспоненциальных вкладов и полученные величины характеристических времен релаксации позволят осуществить по этим величинам двумерное разделение (помимо разделения по m/z) всей совокупности данных с привязкой ионов-продуктов к соответствующим исходным ионам.
19. Способ по п.15, отличающийся тем, что для возможности получения продуктов столкновительно-индуцированной диссоциации выбранных ионов, выходящих в том числе из жгута малых газовых ионов, сфокусированных вокруг оси линейной радиочастотной ловушки, создается в первой половине упомянутой ловушки относительно слабое продольное поле, направленное против газового потока, «останавливающее» упомянутые выбранные ионы в конце первой половины упомянутой ловушки; критерием такой остановки также, как и в п.18, является наблюдение релаксационных кривых установления ионного тока упомянутых выбранных ионов с приемлемым характеристическим временем; созданием в первой половине упомянутой ловушки вращающего электрического поля с резонансной частотой для выбранных ионов, локализованных в виде кольцевого облака вокруг жгута малых газовых ионов, сфокусированных около оси упомянутой ловушки, возбуждается вращательное движение упомянутого кольцевого облака; ионы-продукты, получающиеся в результате столкновений выбраных ионов с атомами или молекулами газа, в том числе и метастабильно возбужденными, обладая меньшими m/z, чем выбранные исходные ионы, сильнее фокусируются радиочастотным полем упомянутой ловушки около ее оси и выводятся газовым потоков во вторую половину упомянутой ловушки и далее в масс-анализатор; разложением регистрируемых кривых на экспоненциальные составляющие при использовании метода, описанного в п.13, производится фактическое разделение выбранных ионов с определением принадлежащих им ионов-продуктов по характеристическим временам релаксации соответствующих сигналов.
20. Способ по п.15, отличающийся тем, что для возможности разделения по подвижности и получения специфических продуктов диссоциации, индуцированной столкновениями с метастабильно возбужденными частицами газового потока для исследуемых ионов, выходящих в том числе из жгута малых газовых ионов, сфокусированных вокруг оси в первой половине линейной радиочастотной ловушки, создается во второй половине упомянутой ловушки продольное поле, направленное против газового потока, затормаживающее достаточно сильно упомянутые исследуемые ионы до минимально приемлемого уровня регистрируемого ионного тока этих ионов при отсутствии релаксационного установления этого уровня; измерения проводятся аналогично п.13 с той разницей, что в настоящем случае после установки очередной величины электронного тока регистририруется серия масс-спектров с некоторым временным шагом; если наблюдаются релаксационно меняющиеся пики ионов, то они должны соответствовать ионам-продуктам с подвижностью, меньшей исходных ионов, которые «остановлены» противополем в газовом потоке во второй половине линейной радиочастотной ловушки; после выявления экспоненциальных вкладов от эффективного электронного тока в исследуемые ионы они могут быть разделены на компоненты, в каждой из которой присутствуют две экспоненты, одна с отрицательным коэффициентом перед ней соответствует появлению этих ионов в результате перезарядки на малых ионах газа в первой половине линейной радиочастотной ловушки, вторая с положительным коэффициентом перед ней соответствует гибели исследуемых ионов в результате захвата метастабильных частиц в потоке, ионы с меньшими m/z, содержащие те же экспоненты в своих зависимостях от эффективного электронного тока, если таковые существуют, квалифицируются как ионы-продукты соответствующих компонент исходных ионов, тем самым может быть осуществлено двумерное разделение исследуемых ионов помимо их разделения по m/z масс-анализатором.
21. Способ по п.4, отличающийся тем, что для поддержания приемлемого содержания ионов внутри квадруполя, обеспечивающего допустимый уровень влияния объемного зараяда ионов на результаты измерений, возбуждением вращения, близкого к резонансному, ионы с выбранными величинами m/z и подвижности периодически выводятся в зону возможного контакта со стержнями квадруполя; путем изменения напряженности постоянного продольного и/или амплитуды нерезонансного вращающего поля, амплитуды и/или частоты квазирезонансного вращающего поля изменяется характерное время гибели ионов, которое определяется при заданных условиях стационарного вращения m/z ионов, их подвижностью и зарядом.