ВКЛАД Л.Н. ГАЛЛЬ В РАЗВИТИЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ: ПРОШЛОЕ И СОВРЕМЕННОСТЬ

Масс-спектрометрия является сегодня одним из основных методов аналитической химии, биотехнологии, одной из базовых технологий атомной промышленности. Без масс-спектрометрии невозможно представить современную цивилизацию, получать энергию из атомных реакторов, создавать и совершенствовать водородную энергетику, создавать новые, высокоэффективные лекарства, легкие и прочные конструкционные материалы, синтетические ткани, надежные средства обороны, развивать методы и методики в геологии и геохронологии, эффективно вести поиски залежей полезных ископаемых и ценных металлов. В настоящее время масс-спектрометрия занимает значительное место в общем объеме научного приборостроения и по уровню технического прогресса, и по объему рынка, и в развитии новейших методов современных технологий [1–5].

Л.Н. Галль стояла у истоков разработки отечественных серийных масс-спектрометров, разработала ряд фундаментальных принципов и концепций, широко применяемых до сих пор разработчиками современных статических масс-спектрометров, создала научную школу, щедро передавая свой опыт и знания — ее ученики являются в настоящее время значимыми фигурами в масс-спектрометрических компаниях и лабораториях в России и за ее пределами. Целью настоящей работы является обзор базовых концепций, созданных Л.Н. Галль в контексте их современного понимания и применения.

НАЧАЛО

Лидия Николаевна Галль, в девичестве Логинова, родилась в Лениграде в 1934 г., ее отец работал в оборонной промышленности (был конструктором танков КВ), мать была домохозяйкой. В 1957 г Л.Н. Галль закончила Радиофизический факультет Ленинградского Политехнического института, получив по его окончании два диплома: по теоретической физике, факультативно сдав знаменитый "теорминимум Л.Д. Ландау", и по экспериментальной физике, блестяще защитив дипломную работу, выполненную под руководством акад. В.М. Кельмана. После окончания Политехнического института она распределилась в ГСКБ приборов газового анализа, которому по поручению Правительства было суждено стать в будущем по существу единственным в СССР центром разработки отечественных масс-спектрометров, остро востребованных наукой и промышленностью страны.

ИЗОТОПНАЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Первый этап работы Л.Н. Галль — с конца 50-х по начало 70-х гг. — был связан с созданием изотопных масс-спектрометров для атомной промышленности страны. При этом требованиями к изотопным масс-спектрометрам в то время, актуальными по сути и поныне спустя почти 70 лет [6], являлись:

• 1.    Разрешающая способность — примерно 800, но с высокими требованиями к качеству масс-

• спектрометрических пиков, плоскостности их вершин.

• 2.    Высокая и сверхвысокая точность измерения изотопных отношений.

• 3.    Высокая изотопическая чувствительность, т.е. возможность измерения соседних пиков с интенсивностью, отличающейся на несколько порядков.

• 4.    Высокая абсолютная чувствительность.

• 5.    Образец в виде раствора или газовой смеси.

• 6.    Максимальное соответствие состава ионов составу пробы: ионизация и анализ должны проходить с минимальной дискриминацией ионных компонент по массам.

• 7.    Эффективное прохождение ионного пучка через всю ионно-оптическую систему с максимально возможным подавлением вклада рассеянных ионов.

Особые дополнительные условия предъявляются к приборам для анализа водородно-гелиевых смесей.

Для изотопного анализа традиционно использовались и продолжают использоваться магнитные статические масс-анализаторы с одинарной или двойной фокусировкой, с источниками ионов с электронной ионизацией (для газовой фазы), с поверхностной термоионизацией или с ионизацией в индуктивно связанной плазме (для жидкой фазы) [7].

Несмотря на то, что теория расчета таких масс-анализаторов уже существовала, известные в то время методы расчета ограничивались анализом движения ионов в средней плоскости прибора на основе упрощенной модели учета влияния рассеянных краевых полей физических элементов ионно-оптической системы (ИОС), заключающейся в замене их реальных механических границ так называемыми "эффективными границми" рассеянного поля, и без рассмотрения вклада траекторий ионов, движущихся вне средней плоскости в аберрационное уширение фокуса ионного пучка в области его регистрации.

Лидия Николаевна предложила несколько инновационных решений, которые легли в основу разработки серийных приборов, ориентированных на измерения изотопного состава элементов в газовой и твердой фазах. Разработанные с ее непосредственным участием изотопные масс-спектрометры МВ2301 (1958 г.) и позже МВ2302 (1964 г.), ориентированные на анализ изотопного состава водородно-гелиевых смесей, содержащих мультиплеты масс, имели уже в то время выдающиеся результаты. Так, уже на первом из указанных приборов удалось достигнуть разрешающую способность порядка 5000 (!) на 50% высоте пиков с возможностью измерений в диапазоне масс от 1 до 200 а.е.м. Прибор был разработан для Научного центра атомной промышленности (впоследствии известного как Арзамас-16) и стал первым в мире магнитным спектрометром со столь высокой разрешающей способностью, достигнутой за счет применения неоднородного магнитного поля и удачной конструкции магнитного анализатора. Масс-спектрометр был отмечен золотой медалью на Международной выставке в Брюсселе. Именно Л.Н. Галль, еще недавняя выпускница Ленинградского Политехнического Института, предложила оригинальную ионно-оптическую систему данного прибора.

Не менее знаменательной разработкой был изотопный прибор МИ1306 для анализа урана в твердой фазе (1960 г.) [8], разработанный на базе магнитного масс-анализатора с круглыми границами, что позволило скомпенсировать сферическую аберрацию и получить стабильно высокую разрешающую способность — порядка 800 на уровне 10%. Впервые предложенная Л.Н. Галль конструкция трехленточного источника ионов с поверхностной термоионизацией позволила получить рекордную по тому времени чувствительность по урану — порядка 10–12 г; при этом использовался счетчик ионов с вторичным электронным умножителем открытого типа. Эти удачные технические решения затем были повторены в многочисленных последующих разработках и вошли в состав изотопных масс-спектрометров, выпускавшихся как СКБ АП АН СССР, так и Сумским заводом (серия МИ1201, СЕЛМИ, Украина), а также были использованы английской компанией VG в масс-спектрометре SECTOR.

Знаменательной работой СКБ АП была завершенная в 1966 г. по заказу Института атомных реакторов разработка уникального многокаскадного масс-спектрометра МВ3301 с тройной фокусировкой (по двум направлениям и по энергии) для изотопного анализа микропримесей в микроколичествах урана и трансурановых элементов (рис. 1). Прибор обладал рекордной абсолютной чувствительностью — 10–14 г по урану, при рекордной изотопической чувствительности — 10–7 на соседних массах в области урана (рис. 2) [9]. При создании прибора впервые в мире была предложена и реализована обращенная геометрия ионно-оптической системы Е–Н, а также новые источники ионов и системы детектирования. Все эти достижения изотопного приборостроения в дальнейшем были применены в широко известных и используемых многими предприятиями, институтами и комбинатами Минатома масс-спектрометрах: МИ 3304, МИ 3305, МИ 1320, МИ 1340 и других.

Ионизатор масс-спектрометра МВ3301 (рис. 3) этого источника совмещал в своей конструкции принципы камеры Кнудсена с однородным

Рис. 1. Ионно-оптическая схема масс-спектрометра МВ3301.

1 — источник ионов, 2 — траектории ионов в первом плече масс-анализатора, 3 — диспергирующий магнит масс-анализатора, 4 — траектории ионов на пути к промежуточному приемнику ионов, 5 — траектории ионов на пути к энергощели, 6 —энергощель, 7 — промежуточный приемник, 8 — электростатический конденсатор масс-анализатора. 9 — разрешающая щель приемника, 10 — основной приемник ионов

Рис. 2. Форма линии масс-спектра для масс-спектрометра МВ3301.

а

Рис. 3. Конструкция трубчатого ионизатора для поверхностной термоионизации (а) и зависимость распределения температуры вдоль ионизатора (б).

1 — вольфрамовый нагреваемый элемент; 2 — молибденовый капилляр для ввода пробы; 3 — выходной токоподводящий электрод; 4 , 5 — термические экраны; 6 , 7 — входной молибденовый электрод.

По оси абсцисс (б) — длина ионизатора в направлении от выходной части

вытягивающим полем, что позволило получить абсолютный рекорд по чувствительности, не превзойденный и до настоящего времени: уверенно регистрировать сигнал от пробы, содержащей всего 104 атомов урана (10–19г) [10].

Отметим, что в настоящее время последовательность каскадов H–E используется в наи- более совершенных масс-спектрометрах, предназначенных для анализа элементного и/или изотопного состав, в частности в масс-спектрометрах MAT-95 с разрешающей способностью 30000 и в современных приборах ELEMENT и NEPTUNE производства компании Thermo Scientific (США–Германия).

МАСС-СПЕКТРОМЕТРЫ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

В 60-х гг. началось стремительное развитие нефтехимии, и возникла необходимость создания методов и масс-спектрометрических приборов для определения химического состава — как исходного сырья, так и продуктов переработки нефти. Нефтехимия на долгие годы стала заказчиком и основным потребителем масс-спектрометров с высокой разрешающей способностью; с ее развитием связано появление первых масс-спектрометрических комплексов ГХ-МС. Это было время развития отечественной статической магнитной масс-спектрометрии с двойной фокусировкой, и Л.Н. Галль приняла в нем активное участие как в совершенствовании теории расчетов, так и непосредственно в разработках приборов. Выдающимся событием 70-х гг. было создание серийного масс-спектрометра МХ1310 (рис. 4), позволявшего достигать разрешающую способность свыше 100000 на уровне 5% интенсивности пика. Данный прибор получил золотую медаль на Промышленной выставке в Париже и оказался настолько удачным, что до настоящего времени в научных лабораториях еще сохранились его отдельные экземпляры, высоко ценимые химиками за надежность, чувствительность и множество реализуемых методик. На рисунке (рис. 4) представлен

Рис. 4. Внешний вид масс-спектрометра МХ1310, до настоящего времени работающего в Казани в Институте физической и органической химии.

масс-спектрометр МХ1310, в Институте физической и органической химии в Казани работающий у них до настоящего времени [11].

Выдающимся по своим параметрами также был призменный масс-спектрометр, позволявший достигать разрешающую способность порядка 200000 [12] (рис. 5). Этот прибор работает до настоящего времени в решении задач химической кинетики, демонстрируя сверхвысокую чувствительность в области разрешений 50000–70000.

б

а

О 50*1

12 3 4

Рис. 5. Призменный масс-спектрометр.

а — ионно-оптическая схема, б — внешний вид.

И — источник ионов ; Д — входная диафрагма ; 1 , 2 , 3 — электроды входной трансаксиальной линзы; 4 , 5 , 6 — входная часть призменного энергоанализатора; i , j , α — ионно-оптические углы призменного энергоанализатора; a , b — границы пучка ионов внутри призменного магнита; c — граница однородности магнитного поля; ρ — радиус поворота центральной траектории ионов в диспергирующем магните; М — призменный диспергирующий магнит; П — приемник ионов

Все эти успехи в области статической масс-спектрометрии были связаны как с совершенствованием ионно-оптической теории статических масс-анализаторов, так и с впервые разработанной Л.Н. Галль методикой, основанной на применении теории транспортировки пучков ионов, успешно использованной при разработке ускорителей заряженных частиц. Л.Н. Галль писала в те годы: "…параметры масс-анализаторов на основе секторных магнитных полей могут быть значительно улучшены за счет

• 1)    точного учета эффектов краевых полей;

• 2)    исследования аберраций изображения и развития методов их коррекции, включая вертикальные аберрации;

• 3)    оптимизации параметров анализатора с целью достижения наилучшего соотношения между разделением масс и фокусировкой для каждой массы и в конечном итоге с целью увеличения разрешающей способности;

• 4)    оптимизации с целью достижения наилучшего соотношения между разрешающей способностью и абсолютной чувствительностью" [13].

Для решения последней из этих задач Л.Н. Галль впервые предложила применить концепцию согласования эмиттанса ионного пучка, сформированного источником ионов, с ак-септансом масс-анализатора на основе матричного описания транспортировки ионов в масс-ана-лизаторе одновременно с расчетом его разрешающей способности. Отметим, что данная концепция впервые была применена в теории расчетов статических масс-анализаторов.

МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ ДЛЯ БИОТЕХНОЛОГИЙ

Один из самых глобальных вызовов, возникших в масс-спектрометрии 70–80 гг., был мотивирован проблемами анализа свойств и структуры нелетучих соединений, в первую очередь — био-органического происхождения. До того времени единственными методами исследования таких веществ были оптическая спектроскопия, ЯМР и жидкостная хроматография. Для масс-спектрометрии этот вызов явился сигналом к необходимости разработки методов ионизации биополимеров, позволяющих объединить в единый приборный комплекс такие плохо подходящие друг к другу приборы, как жидкостной хроматограф и масс-спектрометр, а также к необходимости создания новых принципов масс-спектрометрического анализа для веществ с большой и очень большой массой. Инициатором идеи создания ХЖ-МС был Виктор Львович Тальрозе, лауреат медали Томсо- на 2002 г., в те годы руководивший развитием научного приборостроения в Академии наук СССР.

В реализацию идеи анализа нелетучих биоор-ганических соединений Л.Н. Галль внесла значительный личный вклад. Включившись в поиски принципиального решения проблемы анализа нелетучих соединений — ею уже занимались масс-спектрометристы всего мира, — группа молодых энтузиастов, руководимая Л.Н. Галль, в 1982 г. разработала метод, известный сейчас как электроспрей; тогда в России его назвали ЭРИАД — по первым буквам русских слов "Экстракция Растворенных Ионов при Атмосферном Давлении". И с того же 1982 г. в Институте аналитического приборостроения АН СССР (сейчас РАН) в лаборатории Л.Н. Галль начали интенсивно проводиться экспериментальные работы по совершенствованию нового метода и анализу нелетучих соединений как органических, так и неорганических.

Метод был реализован на статическом масс- а

б

Рис. 6. Ионно-оптическая схема (а) и внешний вид (б) первого в мире серийного масс-спектрометра с ионизацией электрораспылением (ЭРИАД) МХ3303.

спектрометре с двойной фокусировкой. Уже в 1983 г. впервые были получены масс-спектры, содержащие многозарядные ионы, до того времени считавшиеся исходя из существовавших тогда моделей их появления невозможными. На рис. 6 представлены ионно-оптическая схема и внешний вид первого в мире серийного масс-спектрометра с ионизацией электрораспылением (ЭРИАД) МХ3303 [14, 15].

В 1983 г. с помощью метода ЭРИАД были получены многочисленные масс-спектры антибиотиков, пептидов, витаминов и других биологически активных веществ. В 1984 г. под руководством Л.Н. Галль был реализован первый комплекс ХЖ-МС и начались широкие научные исследования в области элементов газодинамической масс-спектрометрии, позволяющих увеличить чувствительность метода.

На сегодняшний день метод электроспрей (ЭРИАД) используется во всем мире: работают тысячи научных групп, использующих ионизацию электрораспылением для решения задач фармакологии, диагностической и лечебной медицины, развития биотехнологии; крупнейшие приборостроительные компании выпускают универсальные или специализированные масс-спектрометры, оснащенные данным методом ионизации.

ПЕРЕСТРОЕЧНЫЕ ГОДЫ

И МАСС-СПЕКТРОМЕТРЫ СЕРИИ МТИ-350

Экономическая катастрофа в России, известная как "перестройка", привела к разрушению промышленности высоких технологий, в частности разработок отечественного научного приборостроения. Страна практически перестала выпускать отечественные масс-спектрометры и фактически закрыла все их разработки, предпочтя их импорт под лозунгом "мы все купим". Разработки перестали финансироваться, а уникальные отечественные специалисты, оказавшись невостребованными, разъехались по миру,

Однако уже к концу 90-х гг. стало понятно, что атомно-промышленный комплекс страны не может ориентироваться на импортные приборы, по крайней мере в разделительном производстве, т.к. это грозило полной потерей суверенитета. В результате по инициативе Л.Н. Галль была создана Программа разработки и замещающего производства специализированных масс-спектрометров, которая поддержана правительством, назначив инициатора заместителем главного конструктора по этой Программе. Л.Н. Галль удалось получить некоторую финансовую поддержку этой программы и привлечь к этой программе молодых разработчиков и оставшихся опытных специалистов, с помощью которых удалось частично восстановить утраченный уровень масс-спектрометрических разработок. В результате была разработана и запущена в производство линейка масс-спектрометров МТИ-350, обеспечивающая возможности контроля и управления на всех технологических этапах получения и переработки как гексафторида урана, так и ядерных отходов (рис. 7– 9). Были разработаны изотопные приборы серии МТИ трех типов: для управления сублиматным производством получения гексафторида урана, для прецизионного контроля изотопных отношений газообразного UF 6 в процессе разделения изотопов и для контроля состава твердой пробы [16].

Рис. 8. Фотография масс-спектрометра Ми-350ГС.

Рис. 7. Фотография масс-спектрометра Ми-350Г.

Рис. 9. Фотография масс-спектрометра Ми-350Т.

ПОСЛЕДНИЕ ГОДЫ:

ЭЛЕМЕНТНЫЙ И ИЗОТОПНЫЙ ЭРИАД

В оригинале метод ЭРИАД, изобретенный группой, руководимой Л.Н. Галль, в выгодную сторону отличался от электроспрея, применяемого за рубежом, дополнительной возможностью направленно управлять фрагментацией образующихся ионов за счет того, что конструкция интерфейса позволяла подавать высокую разность потенциалов (до 1000 В) между соплом и скиммером. На примере соли урана (рис. 10) показана возможность управлять фрагментацией ионов на счет разности потенциалов Δ U между соплом и скиммером: на рис. 10, а, — ионы водных кластеров соли, далее, б, — область существования молекулярного иона соли, а рис. 10, в, при Δ U = 600 В — только ионы урана и его окислов.

[UO/DMSO)J

Рис. 10. Масс-спектры соли урана при различных ΔU.

а — 115 В, б — 300 В, в — 450 В. Использовалась комплексная соль

UO 2 Cl 2 •3ДМСО с концентрацией 10^–6 М, вода–метанол 20 : 80

Эта особенность ЭРИАД позволяет использовать его как метод элементного [17] и даже изотопного анализа [18]. Это направление, предложенное Л.Н. Галль, стало активно развиваться в последние десятилетия ее жизни. Под ее руководством был разработан масс-спектрометр МИ-20 LowMass для изотопного анализа лития методом ЭРИАД, который показал возможность получения очень высокой точности измерения изотопных отношений на уровне 0.03%. В настоящий момент к испытаниям готовится масс-спектрометр DirectMass, ориентированный на широкий круг элементов от калия до урана. Использование метода ЭРИАД по сравнению с традиционными методами "индуктивно связанной плазмы" и поверхностной термоионизацией позволяет резко повысить скорость анализа и упростить конструкцию прибора без потери чувствительности и точности измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Л.Н. Галль внесла огромный вклад в развитие отечественной масс-спектрометрии, опубликовала более 250 научных статей, 6 научных книг и написала научно-методическое пособие для студентов, аспирантов и разработчиков статических и динамических масс-спектрометров. При этом со свойственным ей юмором она относилась к тому, что не была отмечена государственными наградами и не была избрана в академию: "…не прочь бы стать академиком. Да вот, не берут…".

По представлению масс-спектрометрических обществ ряда стран, включая Россию и США, "За огромный вклад в мировую масс-спектрометрию" Л.Н. Галль была награждена медалью Томсона — высшей наградой в области научного приборостроения, имеющей статус "малая Нобелевская премия" в этой области, которая ежегодно присуждается международным масс-спектрометрическим комитетом. Эта награда в полной мере отразила международное признание сообществом масс-спектрометристов значительный вклад Л.Н. Галль в масс-спектрометрию. Награждение, состоявшееся в 2022 г. в Бразилии, было для Л.Н. Галль лучшим и особенно ценным признанием ее заслуг.