Предварительная сепарация заряженных частиц в источнике ионов с ионизацией при атмосферном давлении

В источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении реализованы мягкие методы ионизации: электроспрей (ESI) [1], химическая ионизация при атмосферном давлении (APCI) [2], фотоионизация при атмосферном давлении (FIAD) [3], которые широко применяются в масс-спектрометрии, спектрометрии подвижности ионов при решении аналитических и поисковых задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, фармацевтики, токсикологии, следового анализа допинга, наркотиков и их метаболитов в биологических тканях и жидкостях. Из литературных данных известно, что в источниках такого типа образуются ионные пучки довольно сложного состава, включающие в себя как неинформативную компоненту, так и ионы исследуемых веществ. Поэтому важной задачей является найти возможности предварительной сепарации ионного потока от неинформативных ионов и заряженных частиц (микрокапель), влияющих на качество ионного пучка, поступающего в анализатор.

СОСТАВ ИОНОВ В ИСТОЧНИКАХ ESI, APCI, FIAD

В источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении APCI и FIAD используется механизм образования целевых ионов в результате ряда ион-молекулярных реакций между ионами-реагентами, получаемыми из газа-носителя азота под воздействием его первичной ионизации ко- ронным разрядом, Ni63 или УФ-излучением, с газом-носителем гелием и молекулами целевого вещества. Для источника ионов ESI ситуация с ионами-реагентами немного сложнее, т.к. их получают непосредственно в анализируемом растворе, добавляя кислоту в раствор, и при необходимости дополнительные ионы-реагенты образовываются в газовой фазе из азота при воздействии коронного разряда, УФ-излучения. В результате ионизации газа-носителя, содержащего низкие концентрации воды, наблюдается ряд ион-моле-кулярных реакций [2], приводящих к появлению следующих ионов, например, в положительной моде: N2+, 2N+ , N4 +, N3+, H2O+, H3O+, (H2O)2H+, (H2O)nH+, которые называют ионами-реагентами. В зависимости от физико-химических свойств анализируемого вещества и его соотношения с ионами-реагентами в газовой фазе в последующих ион-молекулярных реакциях образуются положительные или отрицательные ионы. Образование положительных ионов целевого вещества А происходит в результате таких ион-молекулярных реакций как перенос заряда (1), перенос протона либо протонирование (2), отрыв гидридиона (3), диссоциация с переносом протона (4), реакция присоединения (5), кластерообразование (6), за-мешения (7):

А + В+ → А++ В, (1) А + ВН+ → АН+В, (2) АН + В+ → А++ ВН, (3) АС + В+→ В + А++ С, (4) А + В+ → АВ+, (5) А + В+ + М → АВ+ + М, (6) АХ + С+ → СА++ Х. (7)

При использовании в качестве газа-носителя азота основными ионами-реагентами являются протонированные водные кластеры [4], при взаимодействии с которыми в зависимости от свойств целевого вещества и его концентрации в газе-носителе также образуются в основном протонированные молекулярные ионы целевого вещества АН⁺ либо кластерные ионы (H 2 O) n АН⁺. При рассмотрении процессов, происходящих в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении, учитывались лишь те из них, которые происходят в камере высокого давления, и не рассматривались неизбежно происходящие в сверхзвуковой струе рабочего газа-носителя, образующейся в системе транспортировки ионного пучка в анализатор.

Из проведенного рассмотрения следует, что в ионных спектрах целевых веществ присутствуют легкие ионы-реагенты, в основном протоны и протонированные кластеры воды. Наиболее показательны в этом ионные спектры тяжелых заряженных частиц, полученных при помощи источников ионов типа ESI. В работе [5] представлены спектры ионной подвижности молекулярных ионов макробиомолекул в положительной моде — Human serum albumin (69367 Da), Hemoglobin Human (16 000 Da), Apoferritin (445 000 Da), Myoglobin (17 083 Da), Chymotrypsinogen A (25 666 Da). Спектры получены из растворов этих веществ при использовании источника ионов типа ESI в беска-пельном режиме с динамическим делением потока анализируемого раствора [6]. Из приведенных там спектров следует, что интенсивность ионной компоненты, принадлежащей легким ионам — протонам и катионированным кластерам растворителя, больше интенсивности целевых веществ приблизительно в десять раз. Аналогичный вид имеет спектр 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 [7]. Концентрация клеток в суспензии 1 млн/мл. На рис. 1 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. Аналогично выглядят и масс-спектры, содержащие большие биомолекулы.

В источнике ионов FIAD с фотоионизацией при атмосферном давлении поток газа-носителя гелия, 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.

Легкие неинформативные ионы обладают большой подвижностью, создают объемный заряд и оказывают основное влияние на движение потока заряженных частиц, транспортируемых в анализатор.

Вклад объемного заряда в поток заряженных частиц, выходящих из источника ионов, хорошо демонстрируется ходом вольт-амперных характеристик на начальном этапе [8]. Экспериментальные вольт-амперные характеристики при малых значениях тока и ненулевой разности потенциалов между противоэлектродом и входной в анализатор диафрагмой имеют нелинейный характер. Такая нелинейность, по-видимому, определяется электрическим полем объемного заряда, проникающего за противоэлектрод, и зависит от величины ионного тока, диаметра отверстия в противоэлектроде и разностью потенциалов между противоэлектро-дом и входной диафрагмой. В совокупности наличие легких неинформативных ионов, полученных в результате ион-молекулярных реакций, приводит к ухудшению разрешающей способности анализатора [9].

Источнику ионов ESI присуще наличие большого количества ионов-реагентов — легких ионов, при помощи которых происходит образование заряженных ионов целевых веществ по различным механизмам ион-молекулярных реакций. В этом случае 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⁺ или катионов Kat⁺, во много раз превышающее 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: разрешающей способности, чувствительности, соотношения сигнал/шум.

В потоке заряженных частиц, поступающих из источника ионов ESI к входной диафрагме анализатора, поступают, кроме легких ионов, ионы целевых веществ и еще не испарившиеся заряженные микрокапли анализируемого раствора, которые содержат молекулы целевого вещества.

Неиспарившиеся микрокапли оседают на элементах источника ионов (диафрагмах), что выводит его из работоспособного состояния, и существенно ухудшают качество пучка заряженных частиц. Для частичной сепарации потока заряженных частиц от микрокапель используют горячий газ-носитель [10]; на входе в систему транспортировки ионов в анализатор применяют дополнительные селектирующие методы либо в виде Z-образных каналов [11], в которых большие капли осаждаются на стенки канала, а ионы с газом-носителем поступают в анализатор, либо длинные прогреваемые капилляры, в которых происходит доиспарение больших капель или 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 [10]. Как сказано выше, неис-парившиеся микрокапли оседают на элементах источника ионов (диафрагмах), что выводит его из работоспособного состояния.

Альтернативой сепарации потока заряженных частиц от микрокапель является использование особого режима работы источника ионов с электроспреем (ESI), основанного на способе образования бескапельного ионного потока при динамическом делении распыляемого раствора при нормальных условиях, что позволяет во время распыления [6] освободиться от микрокапель, но легкие неинформативные ионы остаются как в масс-спектрах, так и спектрах подвижности. В результате сепарацию микрокапель проводить не требуется из-за их отсутствия. Но в составе потока полученных заряженных частиц, кроме ионов целевого вещества, присутствует большое количество протонов и протонированных молекул растворителя, которые в потоке заряженных частиц поступают в анализатор и оказывают свое отрицательное воздействие в результате увеличения общего объемного заряда.

МЕТОД ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ СЕПАРАЦИИ ЛЕГКИХ ИОНОВ ИЗ ПОТОКА

ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Цель настоящей работы — показать решение по организации предварительной сепарации легких ионов из потока заряженных частиц в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении для уменьшения влияния объемного заряда на характеристики потока целевых ионов. Предлагаемое решение проблемы сепарации легких ионов при атмосферном давлении из общего потока заряженных частиц заключается в том, что за про-тивоэлектродом 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, достаточные для вывода легких ионов из общего потока заряженных частиц, при этом смещение ионов целевого вещества не влияет на их потерю при движении 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

Рис. 2. Характерные траектории в рассматриваемой конфигурации электродов при импульсном воздействии поперечного электрического поля (показаны эквипотенциальные линии выталкивающего электрического поля)

и на время, достаточные 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 экстракция легких ионов из потока заряженных частиц и соответственно уменьшение влияния объемного заряда потока на движение ионов целевого вещества. Т.к. коэффициент подвижности легких ионов больше, чем у тяжелых, легкие ионы быстрее будут выброшены на электроды, в то время как тяжелые лишь сместятся с оси.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА

Рассмотрим схему решения данной задачи. Области постоянного тянущего электрического поля 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 вещества по оси потока к входной диафрагме интерфейса. На рис. 2 показаны характерные расчетные траектории ионов в рассматриваемой конфигурации электродов при импульсном воздействии поперечного электрического поля: легкие ионы, имеющие больший коэффициент подвижности по сравнению с тяжелыми, за время импульса будут вынесены на электроды, а тяжелые ионы лишь сместятся с оси. При проведении количественной оценки эффективности работы предлагаемого решения по предварительной сепарации легких заряженных частиц в источнике ионов с ионизацией при атмосферном давлении используем зависимость коэффициента подвижности при нормальных условиях от массы заряженной частицы, приведенную в работе [12]. А именно, по массе рассматриваемого иона находится его модельный диаметр, значение которого определяет коэффициент подвижности:

d i = 0.120415405 - ( m i )^1/3,

A i. = 4.9137 - 1.4491 - lg( d i ) -

- 0.2772 • ( lg( d i ) ) + 0.717 •( lg( d i ) ) ,

K0 = 10—5 -10A, где mi — масса иона в а.е.м., di — его диаметр в нм, K0 — коэффициент подвижности при нормальных условиях, выраженный в см2/(В·с). Соответственно перемещение иона dL за временной шаг dt определится как dL=K0·E·dt, где E — напряженность электрического поля. Если изменение абсолютного значения скорости иона за счет внешнего поля на длине свободного пробега сравнимо с тепловой скоростью, то уже нельзя считать, что его подвижность не зависит от величины внешнего поля. В этом случае можно воспользоваться зависимостью коэффициента подвижности от скорости иона в сильных электрических полях, приведенной в работе [13], что позволяет корректно описывать движение иона в плотном газе при наличии таких полей. На рис. 3 показаны модельные, согласно выражениям (8), зависимости величины поперечного смещения ионов для масс 1, 10 и 100 Да от времени в импульсном поперечном поле напряженностью 500 В/см при прохождении

Рис. 3. Модельные зависимости величины смещения ионов с массами 1, 10 и 100 Да в импульсном поперечном поле напряженностью 500 В/см от времени

Рис. 4. Зависимости времени вылета ионов за пределы канала транспортировки радиусом 15 мм от амплитуды импульсного поперечного электрического поля для масс ионов 1, 10 и 100 Да первой области тянущего электрического поля.

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 рис. 4 показаны зависимости времени вылета ионов за пределы канала транспортировки радиусом 15 мм от амплитуды импульсного поперечного электрического поля в первой области для масс ионов 1, 10 и 100 Да.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Такой вариант решения предварительной сепарации легких ионов в источниках ионов с ионизацией при атмосферном давлении позволяет уменьшить величину объемного заряда и не потерять ионы целевого вещества из потока заряженных частиц.

Работа частично выполнена в рамках НИР 00742019-0009 (номер Гос. регистрации АААА-А19-119053190069-2), входящей в состав Гос. задания № 075-00780-19-02 ИАП РАН.