Ионная воронка - Ion funnel

Изображение ионной воронки, прикрепленной к прибору.
Вид сбоку на ионную воронку. Каждый электрод (металлический диск) виден снаружи.
Вид сверху на ионную воронку. С этого угла видно уменьшение радиусов электродов.

в масс-спектрометрии, ионная воронка это устройство, используемое для фокусировки луча ионы используя серию сложенных колец электроды с уменьшающимся внутренним диаметром. Комбинированный радиочастота и исправлено электрический потенциал применяется к сеткам.[1][2] В ионизация электрораспылением -массовая спектрометрия (ESI-MS), ионы создаются при атмосферном давлении, но затем анализируются при более низких давлениях. Ионы могут быть потеряны, когда они перемещаются из областей с более высоким давлением в области с более низким давлением из-за процесса передачи, вызванного явлением, называемым расширение джоуля или «расширение свободной струи». Эти ионные облака расширяются наружу, что ограничивает количество ионов, которые достигают детектора, поэтому анализируется меньшее количество ионов. Ионная воронка перефокусирует и эффективно передает ионы из областей высокого давления в зоны низкого давления.[3]

История

Первая ионная воронка была создана в 1997 г. в г. Лаборатория молекулярных наук об окружающей среде Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория исследователями в Ричард Д. Смит лаборатория. Ионная воронка была реализована для замены скиммера с ограниченным пропусканием ионов для более эффективного захвата ионов в источнике ESI.[4] Многие характеристики ионной воронки приписываются многослойному кольцевому ионопроводу, однако диски ионной воронки различаются по диаметру вдоль ее длинной оси. В основании ионной воронки есть часть, в которой ряд цилиндрических кольцевых электродов имеет уменьшающийся диаметр, что позволяет ионному облаку, входящему в ионную воронку, пространственно диспергироваться.[5] Это позволяет эффективно переносить ионное облако через отверстие, ограничивающее проводимость, на выходе, поскольку ионное облако фокусируется до гораздо меньшего радиального размера. Электрическое поле постоянного тока служит для проталкивания ионов через воронку. Для положительных ионов передняя пластина воронки имеет наиболее положительное постоянное напряжение, а последующие пластины имеют постепенно уменьшающиеся составляющие постоянного тока, обеспечивая дополнительный контроль. Электрические поля РЧ и постоянного тока применяются совместно с псевдопотенциал создается с чередующимися полярностями RF на соседних электродах. Этот «псевдопотенциал» ограничивает ионы в радиальном направлении и вызывает нестабильность в ионах с более низким m / z (отношение массы к заряду), в то время как ионы с более высоким m / z фокусируются в центре воронки.[6] Первоначальная конструкция ионной воронки, используемая в исследовательской лаборатории Смита, оказалась неэффективной для сбора ионов с низким м / з. Моделирование предполагает, что уменьшение расстояния между линзами до того, чтобы они были меньше диаметра наименьшего кольцевого электрода, могло бы быть правдоподобным решением этой проблемы.[7] Другой проблемой конструкции является то, что воронка чувствительна к шуму из-за быстрых нейтралей и заряженных капель на многих поверхностях раздела атмосферы во время начальной фазы вакуума. Модификации увеличивают эффективность и соотношение сигнал / шум ионной воронки.

Некоторые из первых ионных воронок пытались контролировать поток газа, поскольку давление в ионно-вакуумной камере не было однородным из-за газодинамических эффектов. Давление на выходе из воронки было оценено в 2–3 раза выше, чем давление по манометру. Более высокое давление потребовало большей откачки в вакуумных камерах, расположенных ниже по потоку, чтобы компенсировать больший впрыск газа. Расхождение между измеренным давлением и давлением на выходе из воронки было вызвано тем, что значительная часть сверхзвуковой газовой струи из инжектора продолжала выходить за пределы Диск Маха или же ударный алмаз в начале воронки и продолжая до конца. Наиболее эффективное разрешение - использование реактивный разрушитель который состоит из латунного диска диаметром 9 мм, подвешенного перпендикулярно потоку газа в центре ионной воронки.[5]

Приложения

Масс-спектрометрии

Ионные воронки часто используются в устройствах масс-спектроскопии для сбора ионов из источника ионизации. Предыдущие устройства без ионной воронки часто теряли ионы при переходе от источника ионизации к детектору масс-спектрометра. Эта потеря была связана с увеличением числа столкновений ионов с другими молекулами газа, присутствующими в атмосфере. Введение ионной воронки значительно уменьшило количество ионов, теряемых во время экспериментов, направляя ионы в желаемое место назначения.[8] а за счет изменения количества входов также может повысить чувствительность измерений, проводимых масс-спектрометром. Несколько входов позволяют использовать несколько эмиттеров электрораспыления, уменьшая поток через каждый отдельный эмиттер. Это создает множество высокоэффективных электрораспылений при низких скоростях потока.[5] Множественные входы также улучшают чувствительность, с линейно расположенными излучателями электрораспыления 19, соединенными с 19 входами, работающими при 18 торр, что дает девятикратное увеличение по сравнению с одним входом.[5]

Камера реакции переноса протона

Масс-спектрометрия реакции переноса протона традиционно использовала дрейфовые трубки в качестве ионных ловушек. Однако радиочастотные ионные воронки являются привлекательной альтернативой, поскольку они значительно улучшают специфическую чувствительность соединения. Это связано с увеличением эффективного времени реакции и фокусировкой ионов. Для ионных воронок и дрейфовых трубок требуются одинаковые диапазоны давления, поэтому реализовать эту технологию нетрудно. Было показано, что ионные воронки способствуют пропусканию ионов с высокими m / z.[9]

Анализ дыхания

Анализ дыхания - это удобный и неинвазивный способ обнаружения химических веществ в системе организма, таких как содержание алкоголя, для определения интоксикации, отслеживания уровней анестетиков в организме во время хирургических процедур и выявления веществ, повышающих производительность, в организме спортсменов. Однако обычные методы неэффективны при низких концентрациях. An ионизация электрораспылением интерфейс с помощью ионной воронки, используемой в квадруполе с линейной ловушкой Ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье Было показано, что масс-спектрометр значительно увеличивает чувствительность при высоком разрешении.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ким, Тэман; Толмачев, Алексей В .; Харкевич, Ричард; Prior, David C .; Андерсон, Гордон; Udseth, Harold R .; Смит, Ричард Д .; Бейли, Томас Н .; Раков, Сергей; Футрелл, Джин Х. (2000). «Разработка и реализация новой электродинамической ионной воронки». Аналитическая химия. 72 (10): 2247–2255. Дои:10.1021 / ac991412x. ISSN  0003-2700. PMID  10845370.
  2. ^ Келли, Райан Т .; Толмачев, Алексей В .; Пейдж, Джейсон С .; Тан, Кэци; Смит, Ричард Д. (2009). «Ионная воронка: теория, реализация и приложения». Обзоры масс-спектрометрии. 29 (2): 294–312. Дои:10.1002 / mas.20232. ISSN  0277-7037. ЧВК  2824015. PMID  19391099.
  3. ^ "Ионная воронка | Mass Spec Pro". www.massspecpro.com. Получено 2018-12-03.
  4. ^ Джулиан, Райан Р .; Mabbett, Sarah R .; Джарролд, Мартин Ф. (01.10.2005). «Ионные воронки для масс: эксперименты и моделирование с упрощенной ионной воронкой». Журнал Американского общества масс-спектрометрии. 16 (10): 1708–1712. Дои:10.1016 / j.jasms.2005.06.012. ISSN  1044-0305. PMID  16095911.
  5. ^ а б c d Келли, Райан Т .; Толмачев, Алексей В .; Пейдж, Джейсон С .; Тан, Кэци; Смит, Ричард Д. (2010). «Ионная воронка: теория, реализации и приложения». Обзоры масс-спектрометрии. 29 (2): 294–312. Дои:10.1002 / mas.20232. ISSN  0277-7037. ЧВК  2824015. PMID  19391099.
  6. ^ Shaffer, Scott A .; Тан, Кэци; Андерсон, Гордон А .; Prior, David C .; Udseth, Harold R .; Смит, Ричард Д. (1997-10-30). «Новая ионная воронка для фокусировки ионов при повышенном давлении с использованием масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением». Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии. 11 (16): 1813–1817. Дои:10.1002 / (sici) 1097-0231 (19971030) 11:16 <1813 :: aid-rcm87> 3.0.co; 2-д.. ISSN  1097-0231.
  7. ^ Shaffer, Scott A .; Prior, David C .; Андерсон, Гордон А .; Udseth, Harold R .; Смит, Ричард Д. (1998-10-29). «Интерфейс ионной воронки для улучшения фокусировки и чувствительности ионов с использованием масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением». Аналитическая химия. 70 (19): 4111–4119. Дои:10.1021 / ac9802170. ISSN  0003-2700. PMID  9784749.
  8. ^ Смит, Ричард Д .; Шаффер, Скотт А. Метод и устройство для направления ионов и других заряженных частиц, генерируемых при давлении, близком к атмосферному, в область под вакуумом. Патент США. US6107628A. 3 июня 1998 г.
  9. ^ Браун П., Кристеску С., Маллок С., Райх Д., Ламонт-Смит С., Харрен Ф. (2017). "Реализация и характеристика ионопровода RF-ионной воронки в качестве камеры реакции переноса протона" (PDF). Международный журнал масс-спектрометрии. 414: 31–38. Bibcode:2017IJMSp.414 ... 31B. Дои:10.1016 / j.ijms.2017.01.001. HDL:2066/174572.
  10. ^ Мейер Л., Берхтольд С., Шмид С., Зеноби Р. (2012). «Анализ дыхания с высоким разрешением по массе с использованием вторичной масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением с использованием ионной воронки». Журнал масс-спектрометрии. 47 (12): 1571–1575. Bibcode:2012JMSp ... 47,1571 млн. Дои:10.1002 / jms.3118. PMID  23280745.