Spektrometria masowa czasu przelotu - Time-of-flight mass spectrometry

Spektrometr masowy z jonizacją laserową czasu przelotu, w którym jony są przyspieszane i rozdzielane masowo w obszarze dryfu bez pola przed detekcją.

Spektrometr masowy czasu przelotu Bendix MA-2, lata 60.

Spektrometrii masowej czasu przelotu (TOFMS) jest metodą spektrometrii masowej w którym jonu „s stosunek masy do ładunku, jest określona przez czas przelotu pomiaru. Jony są przyspieszane przez pole elektryczne o znanej sile. Przyspieszenie to powoduje, że jon ma taką samą energię kinetyczną jak każdy inny jon o tym samym ładunku. Prędkość jonu zależy od stosunku masy do ładunku (cięższe jony o tym samym ładunku osiągają niższe prędkości, chociaż jony o wyższym ładunku również zwiększają prędkość). Mierzy się czas, jaki następnie zajmuje jonowi dotarcie do detektora w znanej odległości. Ten czas będzie zależał od prędkości jonu, a zatem jest miarą jego stosunku masy do ładunku. Na podstawie tego stosunku i znanych parametrów eksperymentalnych można zidentyfikować jon.

Teoria

Rysunek z patentu TOF Williama E. Stephensa z 1952 roku.

Energia potencjalna naładowanej cząstki w polu elektrycznym jest powiązana z ładunkiem cząstki i siłą pola elektrycznego:

${\ Displaystyle E_ {\ operatorname {p}} = qU \,}$

( 1 )

gdzie E _p to energia potencjalna, q to ładunek cząstki, a U to różnica potencjałów elektrycznych (znana również jako napięcie).

Gdy naładowana cząstka jest przyspieszana do lampy czasu przelotu ( lampy TOF lub lampy przelotowej) napięciem U , jej energia potencjalna jest zamieniana na energię kinetyczną . Energia kinetyczna dowolnej masy to:

${\ Displaystyle E_ {\ operatorname {k}} = {\ Frac {1} {2}} mv ^ {2}}$

( 2 )

W efekcie energia potencjalna jest zamieniana na energię kinetyczną, co oznacza, że ​​równania ( 1 ) i ( 2 ) są równe

${\ Displaystyle E_ {\ operatorname {p}} = E_ {\ operatorname {k}} \,}$

( 3 )

${\ Displaystyle qU = {\ Frac {1} {2}} mv ^ {2} \,}$

( 4 )

Prędkość na cząstki naładowane po przyspieszeniu nie zmienia się, ponieważ porusza się w polu wolne czasu przelotu rury. Prędkość cząstki można określić w tubie czasu przelotu, ponieważ długość drogi ( d ) przelotu jonu jest znana, a czas przelotu jonu ( t ) można zmierzyć za pomocą digitizer przejściowy lub konwerter czasu na cyfrowy .

A zatem,

${\ Displaystyle v = {\ Frac {d} {t}} \,}$

( 5 )

i podstawiamy wartość v w ( 5 ) do ( 4 ).

${\ Displaystyle qU = {\ Frac {1} {2}} m \ lewo ({\ Frac {d} {t}} \ prawej) ^ {2} \}$

( 6 )

Przegrupowanie ( 6 ) tak, aby czas lotu wyrażał wszystko inne:

${\ Displaystyle t ^ {2} = {\ Frac {d ^ {2}} {2 U}} {\ Frac {m} {q}} \}$

( 7 )

Wyciągnięcie pierwiastka kwadratowego daje czas,

${\ Displaystyle t = {\ Frac {d} {\ sqrt {2U}}} {\ sqrt {\ Frac {m} {q}}} \}$

( 8 )

Te czynniki dla czasu lotu zostały celowo pogrupowane. zawiera stałe, które w zasadzie nie zmieniają się, gdy zbiór jonów jest analizowany w pojedynczym impulsie przyspieszenia . ( 8 ) można zatem podać jako: ${\displaystyle {\frac {d}{\sqrt {2U}}}}$

${\displaystyle t=k{\sqrt {\frac {m}{q}}}\,}$

( 9 )

gdzie k jest stałą proporcjonalności reprezentującą czynniki związane z ustawieniami i charakterystykami przyrządu.

( 9 ) pokazuje wyraźniej, że czas przelotu jonu zmienia się wraz z pierwiastkiem kwadratowym jego stosunku masy do ładunku ( m/q ).

Rozważmy przykład, w świecie rzeczywistym o MALDI spektrometru czasu przelotu masy przyrządu, który jest używany do uzyskania widma masowego z trawieniu trypsyną peptydów o białka . Załóżmy, że masa jednego peptydu trypsynowego wynosi 1000 daltonów ( Da ). Rodzaj jonizacji z peptydów wytwarzanych przez MALDI zwykle +1 jonów tak, q = e w obu przypadkach. Załóżmy, że przyrząd jest ustawiony na przyspieszanie jonów o potencjale U = 15 000 woltów (15 kilowoltów lub 15 kV). I załóżmy, że długość tuby lotu wynosi 1,5 metra (typowo). Znane są już wszystkie czynniki potrzebne do obliczenia czasu przelotu jonów ( 8 ), który jest obliczany jako pierwszy jon o masie 1000 Da:

${\displaystyle t={\frac {1,5\;\mathrm {m}}}{\sqrt {2(15000\;\mathrm {V})}}}}{\sqrt {\frac {(1000\;\mathrm { Da} )(1.660538921\times 10^{-27}\;\mathrm {kg\;Da} ^{-1})}{+1,602\times 10^{-19}\;\mathrm {C} }} }}$

( 10 )

Zwróć uwagę, że masę trzeba było przeliczyć z daltonów (Da) na kilogramy (kg), aby umożliwić obliczenie równania we właściwych jednostkach. Ostateczna wartość powinna być w sekundach:

${\ Displaystyle t = 2,788 \ razy 10 ^ {-5} \; \ operator {s}}$

czyli około 28 mikrosekund . Gdyby nie było pojedynczym ładunkiem trypsyną peptydów jonowej z 4000 Da masy i jest cztery razy większa niż 1000 Da masy zajęłoby dwukrotnie dłużej, lub około 56 mikrosekund dla przejścia rury przelotowej od czasu jest proporcjonalny do kwadratu pierwiastek stosunku masy do ładunku.

Opóźniona ekstrakcja

Rozdzielczość masy można poprawić w osiowym spektrometrze masowym MALDI -TOF, w którym produkcja jonów odbywa się w próżni, umożliwiając początkowemu wyrzutowi jonów i obojętnych wytwarzanych przez impuls laserowy do zrównoważenia i umożliwienia jonom przebycia pewnej odległości prostopadle do płytki próbki przed jony mogą być przyspieszane do wyrzutni. Równoważenie jonów w pióropuszu plazmy wytwarzanej podczas desorpcji/jonizacji następuje około 100 ns lub mniej, po czym większość jonów niezależnie od ich masy zaczyna oddalać się od powierzchni z pewną średnią prędkością. Aby skompensować rozrzut tej średniej prędkości i poprawić rozdzielczość masową, zaproponowano opóźnienie ekstrakcji jonów ze źródła jonów w kierunku rurki przelotowej o kilkaset nanosekund do kilku mikrosekund w stosunku do początku krótkiego (zazwyczaj , kilka nanosekund) impuls laserowy. Technika ta jest określana jako „ogniskowanie z opóźnieniem czasowym” w celu jonizacji atomów lub cząsteczek przez wzmocnioną rezonansem jonizację wielofotonową lub przez jonizację wiązką elektronów w rozrzedzonym gazie i „opóźnioną ekstrakcję” jonów wytwarzanych ogólnie przez desorpcję/jonizację laserową cząsteczek zaadsorbowanych na płaskie powierzchnie lub mikrokryształy umieszczone na przewodzącej płaskiej powierzchni.

Opóźniona ekstrakcja ogólnie odnosi się do trybu działania próżniowych źródeł jonów, gdy początek pola elektrycznego odpowiedzialnego za przyspieszenie (ekstrakcję) jonów do rury przelotowej jest opóźniony o krótki czas (200–500 ns) w stosunku do jonizacji ( lub desorpcji/jonizacji). Różni się to od przypadku stałego pola ekstrakcji, w którym jony są przyspieszane natychmiast po utworzeniu. Opóźniona ekstrakcja jest stosowana w przypadku źródeł jonów MALDI lub laserowej desorpcji/jonizacji (LDI), w których analizowane jony są wytwarzane w rozszerzającym się pióropuszu poruszającym się z płytki próbek z dużą prędkością (400–1000 m/s). Ponieważ grubość pakietów jonów docierających do detektora jest ważna dla rozdzielczości masowej, przy pierwszej kontroli może wydawać się sprzeczne z intuicją, aby umożliwić dalsze rozszerzanie się chmury jonów przed ekstrakcją. Opóźniona ekstrakcja jest bardziej kompensacją początkowego pędu jonów: zapewnia takie same czasy przybycia do detektora dla jonów o tych samych stosunkach masy do ładunku, ale o różnych prędkościach początkowych.

W opóźnionej ekstrakcji jonów wytwarzanych w próżni, jony, które mają mniejszy pęd w kierunku ekstrakcji, zaczynają być przyspieszane przy wyższym potencjale, ponieważ znajdują się dalej od płyty ekstrakcyjnej, gdy włączone jest pole ekstrakcyjne. I odwrotnie, te jony o większym pędzie do przodu zaczynają być przyspieszane przy niższym potencjale, ponieważ znajdują się bliżej płyty ekstrakcyjnej. Na wyjściu z obszaru przyspieszenia wolniejsze jony z tyłu pióra będą przyspieszane do większej prędkości niż początkowo szybsze jony z przodu pióra. Tak więc po opóźnionej ekstrakcji grupa jonów, która wcześniej opuszcza źródło jonów, ma niższą prędkość w kierunku przyspieszenia w porównaniu z jakąś inną grupą jonów, która później opuszcza źródło jonów, ale z większą prędkością. Gdy parametry źródła jonów są odpowiednio ustawione, szybsza grupa jonów dogania wolniejszą w pewnej odległości od źródła jonów, więc płytka detekcyjna umieszczona w tej odległości wykrywa jednoczesne przybycie tych grup jonów. Na swój sposób opóźnione przyłożenie pola przyspieszenia działa jak jednowymiarowy element ogniskowania czasu przelotu.

Reflektor TOF

Schemat TOF MS Reflectron

Dwustopniowy reflektron z instrumentu Shimadzu IT-TOF. 46 metalowych płytek przenosi napięcia, które tworzą gradient potencjału.

Rozkład energii kinetycznej w kierunku lotu jonów można korygować za pomocą reflektronu. Reflectron zastosowaniem stałego pola elektrostatycznego w celu odzwierciedlenia wiązkę jonów w kierunku detektora. Bardziej energetyczne jony wnikają głębiej w odbłyśnik i podążają nieco dłuższą drogą do detektora. Mniej energetyczne jony o tym samym stosunku masy do ładunku wnikają na krótszą odległość do odbłyśnika i odpowiednio podążają krótszą drogą do detektora. Płaska powierzchnia detektora jonów (zwykle płytka mikrokanalikowa , MCP) jest umieszczona w płaszczyźnie, w której jony o tym samym m/z, ale o różnych energiach docierają w tym samym czasie, liczone w odniesieniu do początku impulsu ekstrakcji w źródle jonów . Punkt jednoczesnego napływu jonów o tym samym stosunku masy do ładunku, ale o różnych energiach, jest często określany jako ognisko czasu przelotu. Dodatkową zaletą układu re-TOF jest to, że dwukrotnie tor lotu jest osiągany na danej długości instrumentu TOF.

Bramkowanie jonowe

Bradbury-Nielsen przesłona jest typu bramy jonów stosowane w spektrometrach masowych TOF i spektrometr ruchliwości jonów , a także Hadamarda przekształcić spektrometru masowego TOF. Migawka Bradbury-Nielsen jest idealna do szybkiego selektora jonów (TIS) - urządzenia używanego do izolowania jonów w wąskim zakresie mas w tandemowych spektrometrach masowych (TOF / TOF) MALDI.

Ortogonalne przyspieszenie czasu lotu

Agilent 6210 spektrometr masowy z ortogonalnym czasem przelotu z jonizacją w elektrorozpylaniu (po prawej) i HPLC (po lewej)

Schemat czasowego przyspieszenia ortogonalnego spektrometru masowego: 20 – źródło jonów; 21 – transport jonów; 22 – wyrzutnia; 23 – zawór odcinający; 24 – płyta odstraszająca; 25 – siatki; 26 – rejon przyspieszenia; 27 – reflektor; 28 – czujka.

Ciągłe źródła jonów (najczęściej jonizacja elektrorozpylania, ESI) są zazwyczaj połączone z analizatorem masy TOF przez „ekstrakcję ortogonalną”, w której jony wprowadzone do analizatora masy TOF są przyspieszane wzdłuż osi prostopadłej do ich początkowego kierunku ruchu. Przyspieszenie ortogonalne w połączeniu z chłodzeniem jonów zderzeniowych umożliwia oddzielenie produkcji jonów w źródle jonów od analizy masy. W tej technice bardzo wysoką rozdzielczość można osiągnąć dla jonów wytwarzanych w źródłach MALDI lub ESI. Przed wejściem w obszar przyspieszenia ortogonalnego lub pulsera, jony wytwarzane w źródłach ciągłych (ESI) lub impulsowych (MALDI) są skupiane (chłodzone) w wiązce o średnicy 1–2 mm przez zderzenia z gazem resztkowym w prowadnicach multipolowych RF. System soczewek elektrostatycznych zamontowanych w obszarze wysokiej próżni przed impulsatorem ustawia wiązkę równolegle, aby zminimalizować jej rozbieżność w kierunku przyspieszenia. Połączenie chłodzenia kolizyjnego jonów i przyspieszenia ortogonalnego TOF zapewniło znaczny wzrost rozdzielczości współczesnego TOF MS z kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy bez pogorszenia czułości.

Spektrometria masowa z transformacją Hadamarda w czasie przelotu

Spektrometria masowa czasu przelotu z transformacją Hadamarda (HT-TOFMS) to tryb analizy masy stosowany do znacznego zwiększenia stosunku sygnału do szumu konwencjonalnego TOFMS. Podczas gdy tradycyjny TOFMS analizuje jeden pakiet jonów na raz, czekając na dotarcie jonów do detektora przed wprowadzeniem kolejnego pakietu jonów, HT-TOFMS może jednocześnie analizować kilka pakietów jonów przemieszczających się w rurze przelotowej. Pakiety jonów są kodowane przez szybką modulację transmisji wiązki jonów, dzięki czemu lżejsze (a tym samym szybsze) jony ze wszystkich początkowo uwolnionych pakietów masy z wiązki wyprzedzają cięższe (a tym samym wolniejsze) jony. Proces ten powoduje nakładanie się wielu rozkładów czasu lotu, splątanych w postaci sygnałów. Algorytm transformacji Hadamarda jest następnie wykorzystywany do przeprowadzenia procesu dekonwolucji, który pomaga uzyskać szybszą szybkość przechowywania widma masowego niż tradycyjne TOFMS i inne porównywalne instrumenty do separacji masy.

Tandem czas lotu

W TOF/TOF jony są przyspieszane do pierwszego TOF, a masa jest bramkowana do komórki kolizyjnej; jony fragmentacyjne są rozdzielone w drugim TOF.

Tandem time-of-flight ( TOF/TOF ) to tandemowa metoda spektrometrii masowej , w której używane są kolejno dwa spektrometry masowe do pomiaru czasu przelotu. Aby zarejestrować pełne spektrum jonów prekursorowych (macierzystych) TOF/TOF działa w trybie MS. W tym trybie energia lasera impulsowego jest dobierana nieco powyżej początku MALDI dla określonej używanej matrycy, aby zapewnić kompromis między wydajnością jonową dla wszystkich jonów macierzystych a zmniejszoną fragmentacją tych samych jonów. Podczas pracy w trybie tandem (MS/MS) energia lasera wzrasta znacznie powyżej progu MALDI. Pierwszy spektrometr masowy TOF (w zasadzie rura przelotowa, która kończy się z czasowym selektorem jonów) izoluje wybrane jony prekursorowe za pomocą filtra prędkości, zwykle typu Bradbury-Nielsen, a drugi TOF-MS (który obejmuje słupek akcelerator, rura przelotowa, lustro jonowe i detektor jonów) analizują jony fragmentacyjne. Jony fragmentaryczne w MALDI TOF/TOF powstają w wyniku rozpadu jonów prekursorowych wzbudzonych wibracyjnie powyżej ich poziomu dysocjacji w źródle MALDI (rozpad poźródłowy). Do systemu można dodać dodatkową fragmentację jonów zaimplementowaną w wysokoenergetycznej komórce kolizyjnej, aby zwiększyć szybkość dysocjacji wzbudzanych wibracyjnymi jonami prekursorowymi. Niektóre konstrukcje zawierają prekursorowe wygaszacze sygnału jako część drugiego TOF-MS w celu zmniejszenia chwilowego obciążenia prądem detektora jonów.

Detektory

Spektrometr masowy czasu przelotu (TOFMS) składa się z analizatora masy i detektora. Źródło jonów (impulsowe lub ciągłe) jest wykorzystywane do eksperymentów TOF związanych z laboratorium, ale nie jest potrzebne do analizatorów TOF używanych w kosmosie, gdzie jony dostarczają Słońce lub planetarne jonosfery. Analizator masy TOF może być liniowym lotnikiem lub reflektronem. Detektor jonów zazwyczaj składa się z detektora płytki mikrokanałowej lub szybkiego mnożnika emisji wtórnej (SEM), gdzie pierwsza płytka konwertera ( dynoda ) jest płaska. Sygnał elektryczny z czujki rejestrowany jest za pomocą przetwornika czasu na cyfrę (TDC) lub szybkiego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). TDC jest najczęściej używany w połączeniu z instrumentami z przyspieszeniem ortogonalnym (oa)TOF.

Przetworniki czasu na cyfrę rejestrują przybycie pojedynczego jonu w dyskretnych „pojemnikach”; połączenie wyzwalania progowego i stałego dyskryminatora frakcji (CFD) rozróżnia zakłócenia elektroniczne i zdarzenia nadejścia jonów. CFD przekształca nanosekundowe impulsy elektryczne w kształcie Gaussa o różnych amplitudach generowane na anodzie MCP na impulsy o wspólnym kształcie (np. impulsy kompatybilne z obwodami logicznymi TTL/ESL) wysyłane do TDC. Korzystanie z CFD zapewnia punkt czasowy odpowiadający pozycji maksimum piku niezależnie od zmian amplitudy piku spowodowanych zmianami wzmocnienia MCP lub SEM. Szybkie CFD zaawansowanych konstrukcji mają czas martwy równy lub krótszy niż dwa czasy odpowiedzi pojedynczego trafienia detektora jonów (czas odpowiedzi pojedynczego trafienia dla MCP z kanałami o szerokości 2-5 mikronów może wynosić od 0,2 ns do 0,8 ns, w zależności na kącie kanału), zapobiegając w ten sposób powtarzającemu się wyzwalaniu tym samym impulsem. Rozdzielczość podwójnego trafienia (czas martwy) nowoczesnego TDC z wieloma trafieniami może wynosić zaledwie 3-5 nanosekund.

TDC jest detektorem zliczającym – może być niezwykle szybki (do kilku pikosekund), ale jego zakres dynamiczny jest ograniczony ze względu na niemożność prawidłowego zliczania zdarzeń, gdy więcej niż jeden jon jednocześnie (tj. w czasie martwym TDC ) uderzył w detektor. Wynikiem ograniczonego zakresu dynamicznego jest to, że liczba jonów (zdarzeń) zarejestrowanych w jednym widmie masowym jest mniejsza w porównaniu z liczbą rzeczywistą. Problem ograniczonego zakresu dynamicznego można złagodzić za pomocą wielokanałowej konstrukcji detektora: zestawu minianod podłączonych do wspólnego stosu MCP i wielu CFD/TDC, gdzie każdy CFD/TDC rejestruje sygnały z indywidualnej minianody. Aby uzyskać piki o statystycznie akceptowalnym natężeniu, zliczaniu jonów towarzyszy sumowanie setek pojedynczych widm masowych (tzw. histogramowanie). Aby osiągnąć bardzo wysoką szybkość zliczania (ograniczoną jedynie czasem trwania pojedynczego widma TOF, która może wynosić nawet kilka milisekund w wielościeżkowych konfiguracjach TOF), stosuje się bardzo wysoką częstotliwość powtarzania ekstrakcji jonów do rurki TOF. Komercyjne analizatory masy TOF z przyspieszeniem ortogonalnym zwykle działają z częstotliwością powtarzania 5–20 kHz. W połączonych widmach masowych uzyskanych przez zsumowanie dużej liczby pojedynczych zdarzeń wykrywania jonów, każdy pik jest histogramem uzyskanym przez zsumowanie zliczeń w każdym indywidualnym przedziale. Ponieważ rejestracja przybycia pojedynczego jonu za pomocą TDC daje tylko jeden punkt czasowy, TDC eliminuje część szerokości piku określoną przez ograniczony czas odpowiedzi zarówno detektora MCP, jak i przedwzmacniacza. To przekłada się na lepszą rozdzielczość masową.

Nowoczesne ultraszybkie przetworniki analogowo-cyfrowe 10 GSample/sek digitalizują impulsowy prąd jonowy z detektora MCP w dyskretnych odstępach czasu (100 pikosekund). Nowoczesny 8-bitowy lub 10-bitowy ADC 10 GHz ma znacznie wyższy zakres dynamiki niż TDC, co pozwala na jego zastosowanie w instrumentach MALDI-TOF z wysokimi prądami szczytowymi. W celu rejestracji szybkich sygnałów analogowych z detektorów MCP należy dokładnie dopasować impedancję anody detektora z obwodami wejściowymi ADC ( przedwzmacniacza ), aby zminimalizować efekt „dzwonienia”. Rozdzielczość masową w widmach masowych rejestrowanych za pomocą ultraszybkiego ADC można poprawić, stosując detektory MCP o małych porach (2-5 mikronów) o krótszych czasach odpowiedzi.

Aplikacje

Jonizacja desorpcji laserowej wspomagana matrycą (MALDI) to technika jonizacji impulsowej, która jest łatwo kompatybilna z TOF MS.

Tomografia sondy atomowej wykorzystuje również spektrometrię mas TOF.

Spektroskopia koincydencji fotoelektronów wykorzystuje miękką fotojonizację do selekcji energii wewnętrznej jonów oraz spektrometrię mas TOF do analizy masy.

Spektrometria masowa jonów wtórnych powszechnie wykorzystuje spektrometry masowe TOF, aby umożliwić równoległą detekcję różnych jonów z dużą zdolnością rozdzielenia mas.

Historia pola

Wczesny spektrometr masowy do pomiaru czasu przelotu, nazwany Velocitron, został ogłoszony przez AE Camerona i DF Eggersa Jr, pracujących w Kompleksie Bezpieczeństwa Narodowego Y-12 , w 1948 roku. Pomysł został zaproponowany dwa lata wcześniej, w 1946 roku, przez MY Stephens z University of Pennsylvania w piątek po południu sesji spotkania, w Massachusetts Institute of Technology , z amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego .

Bibliografia

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Samouczek IFR/JIC TOF MS
• Jordan TOF Products Samouczek dotyczący spektrometru mas TOF
• Samouczek TOF-MS na Uniwersytecie w Bristolu
• Technologia Kore — wprowadzenie do spektrometrii masowej czasu przelotu