Способ предварительной сепарации потока заряженных частиц в источнике ионов с ионизацией при атмосферном давлении Российский патент 2020 года по МПК H01J49/26 

Настоящее предлагаемое изобретение относится к области массспектрометрии, а именно к источникам ионов с мягкими методами ионизации: электроспрей (ESI), химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI), фотоионизация при атмосферном давлении (FIAD) и найдет широкое применение в масс-спектрометрии, спектрометрии подвижности ионов при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностики заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, токсикологии, проведении анализов в протеомике, метаболомике и криминалистике: исследовании белков, в том числе их триптических гидролизатов, следового анализа биохимических маркеров, наркотиков и их метаболитов в биологических тканях и жидкостях.

Во всех источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении используется метод образования целевых ионов в результате ряда ион-молекулярных реакций между ионами-реагентами и молекулами целевого вещества.

Известен способ предварительной сепарации потока заряженных частиц в источниках ионов электроспрей (ESI). Отличительной чертой этих источников ионов является присутствие в потоке заряженных частиц не доиспарившихся микрокапель содержащих целевое вещество. Для частичной сепарации потока заряженных частиц от микрокапель используют: горячий газ носитель [2]; на входе в систему транспортировки ионов в анализатор применяют дополнительные селектирующие методы либо в виде Z образных каналов [3], в которых большие капли осаждаются на стенки канала, а ионы с газом носителем поступают в анализатор, либо длинные прогреваемые капилляры, в которых либо происходит до испарение больших капель, либо их осаждение на стенки; электрораспыление под углом к оси входа в интерфейс анализатора с последующим электрическим отклонением дополнительным электродом заряженных частиц к отверстию во входной диафрагме интерфейса [2]. Неиспарившееся микрокапли оседают на элементах источника ионов, диафрагмах, что выводит его из работоспособного состояния. Для всех источников ионов с ионизацией при атмосферном давлении присуще наличие большого количества ионов-реагентов - легких ионов, при помощи которых происходит образование заряженных ионов целевых веществ по различным механизмам ион-молекулярных реакций. Для реализации метода ESI ионами реагентами являются катионы [1] присутствующие в распыляемом растворе, чаще всего в роли катионов выступают протоны - Н⁺, которые вносят в раствор с уксусной или муравьиной кислотой. В результате получают как квазимолекулярные ионы анализируемого вещества - МН⁺ или MKat⁺_n, так и большое количество свободных протонов - Н⁺ во много раз превышая количество целевых ионов. Таким образом из источника ионов выходит поток заряженных частиц в виде квазимолекулярных ионов и протонов, которые создают большой объемный заряд и в анализе не нужны, но ведут к кулоновскому взаимодействию одноименно заряженных частиц. Кулоновское взаимодействие связанное с протонами приводит к рассеянию потока заряженных частиц и ухудшению его транспортировки в анализатор и как следствие ухудшению аналитических параметров анализатора: разрешающая способность, чувствительность, соотношение сигнал/шум. На фигуре 1 показан спектр ионной подвижности клеток эпидермоидной карциномы человека А431 полученных из суспензии клеток в смеси вода-ацетонитрил (50%/50%) подкисленной 0,1% уксусной кислотой с использованием источника ионов ESI [4]. Концентрация клеток в суспензии 1 млн/мл. На фигуре представлен спектр «бланка» - чистого растворителя (А) и спектр карциномы из суспензии (В). Из спектров видно, что интенсивность пиков протонов и протонированных молекул растворителя, являющихся легкими ионами, много больше интенсивности заряженной частицы эпидермоидной карциномы имеющей размер 1 мкм. Таким образом основное влияние на движение потока заряженных частиц оказывает объемный заряд легких ионов, обладающих большей подвижностью. В совокупности наличие легких неинформативных ионов приводит к ухудшению разрешающей способности анализатора, что отображается на затягивании задних фронтов их пиков.

В качестве примера источника ионов с химической ионизацией при атмосферном давлении (APCI) можно привести [5], в котором образование ионов анализируемых веществ происходит по такому же механизму, как описано выше. В качестве газа носителя при ионизации при атмосферном давлении наиболее часто используется азот. В результате ионизации газа-носителя электронами из коронного разряда, содержащего низкие концентрации воды наблюдается ряд ионно-молекулярных реакций [5] приводящих к образованию протонированных квазимолекулярных ионов МН⁺ либо кластерных ионов (H₂O)nH⁺ [6] и протонов Н+, ток которых много больше квазимолекулярных ионов. Используя дополнительный газ-реагент и учитывая его сродство к протону достигается селективность ионизации целевого вещества. Влияние легких ионов на характеристики анализатора такие же как описано выше.

В источнике ионов с фотоионизацией при атмосферном давлении поток газа-носителя Не, поступающего из колонки газового хроматографа, ионизуется УФ-излучением и в виде первичных ионов Не⁺ участвует в ион-молекулярных реакциях с целевым веществом для получения максимального ионного тока вещества. Целевое вещество является микропримесью в потоке гелия, поэтому после прохождения всех ион-молекулярных реакций ионов гелия оказывается много больше ионов целевого вещества. Таким образом, и в источнике ионов с фотоионизацией при атмосферном давлении легкие неинформативные ионы находятся в большом количестве и создают объемный заряд пучка заряженных частиц транспортируемого в анализатор, что в свою очередь приводит к тем же недостаткам - ухудшение аналитических параметров анализатора: разрешающая способность, чувствительность, соотношение сигнал/шум.

Наилучшие характеристики по составу потока заряженных частиц, получаемого в источнике ионов электроспрей (ESI), основанного на способе образования бес капельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением [8]. Этот способ выбран в качестве прототипа в данном патенте.

Использование динамического деления распыляемого раствора позволяет во все время распыления получать поток заряженных частиц не содержащий капельной компоненты при этом распыление производится при нормальных условиях без использования горячего газа-носителя, распыления под углом к оси входной диафрагмы интерфейса, без дополнительного электрода для корректировки направления движения распыленного раствора. В результате сепарацию микрокапель проводить не надо из-за их отсутствия.

Недостатком известного способа получения потока заряженных частиц, содержащего ионы целевого вещества является то, что протоны и протонированные молекулы растворителя по прежнему составляют значительную долю в потоке заряженных частиц поступающих в анализатор. Наличие легких неинформативных ионов приводит к ухудшению разрешающей способности анализатора, чувствительности, соотношения сигнал/шум.

Целью предложенного способа является организация предварительной сепарации легких ионов из потока заряженных частиц в источнике ионов с ионизацией при атмосферном давлении для уменьшения влияния объемного заряда на характеристики потока основанная на том, что за противоэлектродом создается область постоянного тянущего электрического поля вдоль оси транспортировки частиц, внутри области расположены параллельно оси транспортировки электроды, на которые подается импульсное поперечное электрическое поле с амплитудой и на время достаточное для вывода легких ионов из общего потока заряженных частиц, при этом смещение ионов целевого вещества не влияет на их потерю при движение в потоке заряженных частиц к интерфейсу. Далее располагается еще одна область постоянного тянущего электрического поля вдоль оси транспортировки частиц, внутри области расположены параллельно оси транспортировки электроды, на которые подается импульсное поперечное электрическое поле обратной полярности с амплитудой и на время достаточное для смещения ионов целевого вещества на первоначальные траектории движения в потоке заряженных частиц вдоль оси их транспортировки к отверстию входной диафрагмы интерфейса. Благодаря высокой подвижности протонов и легких ионов происходит предварительная сепарация потока заряженных частиц от легких ионов и соответственно уменьшение влияния объемного заряда потока на движения ионов целевого вещества.

В качестве примера осуществления изобретения можно рассмотреть следующие действия. Области дрейфа в постоянном электрическом поле ограничены сеточными электродами с высокой прозрачностью. Эти электроды подключены к делителю с источником питания. Между сеточными электродами в каждой области расположены, относительно протяженные пары электродов, параллельных оси транспортировки. Электроды каждой пары подключены к импульсным источникам питания, которые в свою очередь находятся под потенциалом задаваемым с делителя. Поперечные электрические импульсы в первой области выводят легкие ионы из потока заряженных частиц, а обратные по полярности поперечные импульсы во второй области корректируют движение ионов целевого (тяжелого) вещества по оси потока к входной диафрагме ионтерфейса. На фигуре 2 показаны результаты числового эксперимента по движению легких ионов при воздействии поперечного электрического импульса - характерные траектории легких ионов обладающих большим коэффициентом подвижности по сравнению с тяжелыми, при этом тяжелые ионы лишь сместятся с оси. На фигуре 3 показаны результаты числового эксперимента по зависимости величины поперечного смещения ионов для масс 1, 10 и 100 Да от времени в импульсном поперечном поле напряженностью 500 В/см при прохождении первой области дрейфа. Из представленной зависимости видно, что на момент времени, когда ионы с массой 10 Да покинут канал транспортировки радиусом 15 мм, ионы массой 100 Да сместятся с оси только на расстояние 6 мм. На фигуре 4 показаны зависимости времени вылета ионов за пределы канала транспортировки от амплитуды импульсного поперечного электрического поля в первой области для масс ионов 1,10 и 100 Да.

Такой вариант осуществления изобретения позволяет проводить предварительную сепарацию легких неинформативных ионов из потока заряженных частиц в источнике ионов с ионизацией при атмосферном давлении без потери ионов целевого вещества.

Источники информации

1. M.L.Alexandrov, L.N. Gall, N.V. Krasnov, V.I. Nikolaev, V.A. Pavlenko end V/А/ Shkurov. Extraction of ions from solutions under atmospheric pressure as a method for mass spectrometric analysis of bioorganic compounds. Rapid communications in mass spectrometry. 2008, 22, p. 267-270. DOI: 10.1002/rcm.3113.

2. URL: www.Shimadzu.com

3. http// conquerscientific.com/w http// conquerscientific aters-micronass-q-tof-micro

4. E.E. Al-Tavil, Kurnin I.V., Krasnov N.V., Muradymov M.Z., Krasnov M.N. Dropless ESI for IMS at ambient conditions. International Journal for Ion Mobility Spectrometry, 2019, V. 22, N 2, P. 31-38 DOI:10.1007/sl2127-019-00250-2

5. А.А. Полякова, И.А. Ревельский, М.И. Токарев, Л.О. Коган, В.Л. Тальрозе. Масс-спектрометрический анализ смесей с применением ион-молекулярных реакций. М.: Химия, 1989, С. 240

6. De Castro S.C., Schaefer H.F., itzer W.W. Electronic structure of the N molecular ion. J. Chem. Phys., 1981, V. 74, N1, P. 550-558.

7. Патент SU 1159412 Способ масс-спектрометрического анализа газовой смеси. 23.12.1985. И.А. Ревельский, Ю.С. Яшин, В.Н. Вознесенский, В.К. Курочкин, Р.Г. Костяновский.

8. Патент РФ №2613429 от 16.03.2017 г. Способ образования без капельного ионного потока при электрораспылении анализируемых растворов в источниках ионов с атмосферным давлением. М.Н. Краснов, Н.В. Краснов.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Предварительная сепарация легких неинформативных ионов (ионов-реагентов) из потока заряженных частиц в источнике ионов с ионизацией при атмосферном давлении осуществляется без потери ионов целевого вещества. Способ основан на том, что последовательно по оси источника ионов расположены 2 независимые области дрейфа, в каждой их которых организованы поперечные импульсные электрические поля противоположной между собой направленности, при этом в первой области дрейфа более подвижные легкие ионы покидают ионный поток и оседают на транспортирующей системе, а во второй области дрейфа импульсное электрическое поле корректирует траектории движения ионов целевого вещества по оси источника ионов. Технический результат - повышение аналитических параметров анализатора. 4 ил.

Способ предварительной сепарации потока заряженных частиц в источнике ионов с ионизацией при атмосферном давлении, основанный на формировании потока заряженных частиц в электрическом поле при нормальных условиях, отличающийся тем, что за противоэлектродом последовательно по оси источника ионов расположены 2 независимые области дрейфа, в каждой из которых организованы поперечные импульсные электрические поля противоположной между собой направленности.