Введение в ЖХ-МС-Продолжение
Часть 6
Квадрупольный МС
Квадрупольные системы МС содержат четыре параллельных цилиндрических металлических стержня (электроды с гиперболоидной внутренней поверхностью) внутри вакуумной камеры, расположенных на равном расстоянии от центральной оси (рис. 10).
Рис. 10 Схема квадрупольного МС
Ионы, образующиеся в блоке ионизации, ускоряются в направлении Z относительно слабым напряжением всего в несколько десятков вольт. Эти ионы проходят через маленькое отверстие и попадают в область квадруполя.
На противоположные по диагонали полюса подается напряжение одинаковой полярности, а на соседние полюса подается напряжение противоположной полярности. При приложении к каждому полюсу комбинации напряжения постоянного тока U и напряжения переменного тока высокой частоты V cos ωt (где ω — частота, t — время) внутри квадруполя создается электрическое поле с быстро меняющейся фазой.
Следовательно, ионы, проходящие через это электрическое поле, колеблются в направлениях X и Y. Когда применяется заданный набор условий (для U, V и ω), определенные ионы в определенном диапазоне отношения массы к заряду (m/z) сохраняют стабильные колебания и проходят через квадруполь, чтобы достичь детектора.
Наоборот, колебания ионов с другими значениями m/z становятся неустойчивыми, заставляя их сталкиваться с полюсами, вылетать из системы или не обнаруживаться.
Известно, что колебания ионов внутри квадруполя происходят в соответствии с уравнением, называемым уравнением Матье. Независимо от начальной скорости или начального положения иона движение ионов удовлетворяет уравнению (1).
Простая диаграмма иллюстрирует, как решается уравнение (рис. 11).
Рис. 11 Стабильные области для ионов в квадрупольной МС-системе (диаграмма Матье)
Условия, необходимые для устойчивых колебаний иона, определяются массой m и частотой колебаний ω иона. Это показано в виде областей, обведенных линиями на рис. 2. Область стабильности различна для ионов с массами m1, m2 и m3. Следовательно, если напряжение варьировать, сохраняя соотношение между напряжением постоянного тока и напряжением высокочастотного переменного тока постоянным (прямая линия развертки (1)), так что линия (1) проходит через соответствующие области стабильности для m1, m2 , и m3 ионы с массами m1, m2 и m3 могут проходить через квадруполь последовательно по порядку. Таким образом можно получить масс-спектр для ионов с массами от малых до больших.
Характеристики квадрупольного МС
Поскольку квадрупольные системы МС компактны и просты, они проще в эксплуатации и обслуживании и относительно дешевле. Следовательно, они получили широкое распространение в качестве инструмента общего назначения.
Масс-спектрометры требуют высокого уровня вакуума, тогда как квадрупольные системы МС способны разделять ионы при более низком уровне вакуума (10-2 - 10-3 Па), чем другие методы масс-разделения. Таким образом, даже если они подключены к блоку ГХ или ЖХ, падение уровня вакуума, вызванное интерфейсом, оказывает минимальное влияние на эффективность масс-разделения, что делает его наиболее подходящим для сопряжения с хроматографами.
Кроме того, с максимальной скоростью сканирования около 6000 а.е.м./сек он способен проводить измерения при более высоких скоростях сканирования, чем системы МС с магнитным сектором, а его диапазон измерения массы примерно до 2000 м/г позволяет проводить качественный анализ в практическом диапазоне молекулярные массы. Кроме того, он обеспечивает высокоскоростное переключение, что позволяет одновременно отслеживать несколько выбранных ионов (SIM) для высокочувствительного одновременного количественного анализа нескольких компонентов.
Таким образом, квадрупольные системы МС можно использовать как для качественного, так и для количественного анализа, что делает их де-факто стандартной системой среди масс-спектрометров.
Ионная ловушка МС
Рис. 12 Схема МС с ионной ловушкой
Системы МС с ионной ловушкой используют тот же квадрупольный принцип. В этих системах движение ионов внутри масс-анализатора подчиняется уравнению Матье.
Эти системы состоят из кольцевого электрода в форме пончика, зажатого между двумя торцевыми электродами. На входе находится блок ионизации, а на выходе детектор (рис. 12).
Как и в квадрупольной системе, внутренние поверхности электродов гиперболоидальны, что можно рассматривать как вход и выход квадруполя, соединенных в форме кольца.
Обычно ионная ловушка используется без подачи на электроды напряжения постоянного тока U, что соответствует работе по горизонтальной оси на рис. 12.
Для измерения спектра торцевые электроды заземляют, затем на кольцевой электрод подается низкое высокочастотное напряжение. Затем вводятся ионы с требуемым диапазоном m/z, где все они временно захватываются внутри электрода. Это состояние обозначено на рис. 2 точкой А. Она показывает, что ионы с массами m1, m2 и m3 испытывают устойчивые колебания. Далее постепенно увеличивают высокочастотное напряжение (прямая линия развертки (2)), сохраняя U равным нулю. Затем колебание m1 становится неустойчивым в точке B, а m2 становится неустойчивым в точке C, и в это время эти ионы разряжаются через отверстие в концевом электроде.
Системы квадрупольного МС разделяют и обнаруживают массы, позволяя колеблющимся ионам проходить через квадруполь и достигать детектора, тогда как Системы МС с ионной ловушкой разделяют и обнаруживают массы, выпуская ионы с неустойчивыми колебаниями из системы.
Характеристики МС с ионной ловушкой
Как следует из названия, системы МС с ионной ловушкой улавливают образующиеся ионы перед их разделением по массе. Следовательно, они не могут выполнять измерения SIM для масс-спектрометрии пропускающего типа. Кроме того, может быть захвачено лишь ограниченное количество ионов, что приводит к более узкому динамическому диапазону, чем у квадрупольных МС-систем.
Однако, поскольку обнаруживаются все захваченные ионы, обеспечивается более высокая чувствительность при сканирующем анализе, чем в квадрупольных моделях. Кроме того, системы с ионной ловушкой позволяют улавливать определенные ионы, затем фрагментировать их и обнаруживать образующиеся в результате ионы-фрагменты. Поэтому он считается масс-спектрометром, предназначенным для качественного анализа.
Время пролетные МС
Времяпролетные системы МС имеют простую конструкцию. Все, что нужно, — это ускоритель и детектор в сильном вакууме (рис. 13).
Рис. 13 Схема времяпролетного МС
Ионы, образующиеся в ионизационном блоке, извлекаются импульсами и ускоряются высоким ускоряющим напряжением (от 10 до 30 кВ), приложенным между электродами, затем каждый ион пролетает с постоянной скоростью через область дрейфа, свободную от каких-либо электрических или магнитных полей, чтобы достичь детектор.
Если ионы ускоряются постоянным напряжением, то ко всем ионам прилагается кинетическая энергия, соответствующая напряжению.
Это можно описать уравнением (2), где скорость v ионов, ускоренных постоянной кинетической энергией, больше для ионов с меньшей массой и меньше для ионов с большей массой.
(m: масса иона, v: скорость иона, z: номер заряда, e: элементарный заряд и V: ускоряющее напряжение)
При расстоянии L между блоком ионизации и детектором время полета иона массой m описывается уравнением (3).
Поскольку расстояние L, ускоряющее напряжение V и элементарный заряд e в уравнении (3) постоянны, время пролета T пропорционально квадратному корню из отношения m/z.
При фиксированном расстоянии полета ионы с меньшими значениями m/z достигают детектора раньше, тогда как ионы с большими значениями m/z достигают детектора позже. Следовательно, масс-спектр можно получить, переведя эти различия во времени в различия в массах.
Кроме того, если в уравнении (3) нет ограничения на время полета T, то теоретически неограничен и диапазон измерения масс.
Характеристики времяпролетной МС
Из-за своего принципа работы времяпролетные системы МС не ионизируют молекулы до тех пор, пока предыдущая группа не достигнет детектора. Следовательно, они, по-видимому, хорошо совместимы с методами ионизации, которые ионизируют молекулы импульсами, такими как лазерная ионизация. Аналитический метод был чрезвычайно полезен для протеомики с использованием систем MALDI-TOFMS, где белки идентифицируются путем сравнения измерений фрагментированных пептидов с базой данных.
При использовании для ЖХ-МС непрерывный ионный пучок, поступающий в устройство, должен быть преобразован в импульс.
Ранние системы времяпролетной МС имели низкое разрешение, что считалось ее слабостью, но благодаря развитию технологий, минимизирующих различия в кинетической энергии ионов, таких как рефлектронный и импульсный методы вывода, времяпролетная МС системы в настоящее время используются для масс-спектрометрии высокого разрешения.
Выбор блока МС для использования в качестве детектора ЖХ
В настоящее время масс-спектрометры используются для самых разнообразных приложений, каждое из которых имеет свои особенности. Поэтому непросто решить простым способом, какой тип МС является оптимальным. С точки зрения цены и простоты эксплуатации продукты на основе квадруполей увеличивают долю рынка для приложений ЖХ-МС. Напротив, модели с ионной ловушкой и времяпролетные модели предлагают характеристики, недоступные квадрупольным моделям, поэтому их популярность также продолжает расти. Это означает, что система должна выбираться на основе целей, например, требуется ли высокая чувствительность, высокое разрешение или требуется компактная система общего назначения. Самое главное — выбрать систему, которая позволит воспользоваться преимуществами каждого метода ионизации и метода разделения масс.
Источник: https://www.shimadzu.com/an/service-support/technical-support/analysis-basics/lcms-intro/index.html