RU2640393C2 - Method for analyzing impurities in liquids or gases during their microchannel outflow in vacuum under supersonic gas flow influence containing ions and metastable excited atoms with formation and transportation of analyzed ions in rf linear trap linked to mass analyzer - Google Patents

Method for analyzing impurities in liquids or gases during their microchannel outflow in vacuum under supersonic gas flow influence containing ions and metastable excited atoms with formation and transportation of analyzed ions in rf linear trap linked to mass analyzer Download PDF

Info

Publication number
RU2640393C2
RU2640393C2 RU2016103597A RU2016103597A RU2640393C2 RU 2640393 C2 RU2640393 C2 RU 2640393C2 RU 2016103597 A RU2016103597 A RU 2016103597A RU 2016103597 A RU2016103597 A RU 2016103597A RU 2640393 C2 RU2640393 C2 RU 2640393C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ions
gas
solution
analyzed
quadrupole
Prior art date
Application number
RU2016103597A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016103597A (en
Inventor
Валерий Владиславович Разников
Владислав Валерьевич Зеленов
Елена Викторовна Апарина
Илья Вячеславович Сулименков
Александр Робертович Пихтелев
Марина Олеговна Разникова
Геннадий Николаевич Савенков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе
Priority to RU2016103597A priority Critical patent/RU2640393C2/en
Publication of RU2016103597A publication Critical patent/RU2016103597A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2640393C2 publication Critical patent/RU2640393C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method provides extraction of ions or their formation from a solution or gas that enters the radiofrequency linear trap of the gas dynamic interface through a microscopic size capillary. The evaporation of the liquid is maintained by the influx of heat from the supersonic gas jet leaving the heated channel. The jet is directed to the outlet end of the capillary, which is surrounded by a cylindrical shell with an inlet for injecting a jet, which stimulates the outlet or formation of the analyzed ions. It is possible to preliminary separate the analyzed ions from the solution by their isoelectric points before entering the capillary and by mobilities during movement inside the capillary under the action of an electric field. Also, ions from the gas mixture and from the solution can be isolated due to differences in the adsorptivity of the corresponding compounds on the chamber walls and with differences in the yield rates of these compounds from the capillary. The trap is coupled to a mass analyzer, for example, a time-of-flight mass spectrometer with orthogonal ion injection.
EFFECT: possibility of characterizing biomolecules in solutions by the equilibrium probabilities of holding different charge carriers by their separate functional groups.
21 cl, 9 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к методам и технике химического анализа примесных соединений и ионов в газовых смесях и в жидких растворах, в том числе многозарядных ионов биомолекул, при их экстракции из жидкости или образования анализируемых ионов под воздействием газового потока, содержащего ионы и метастабильно возбужденные атомы. Эти методы могут включать сочетание разделения анализируемых ионов по адсорбционной способности на стенках напускной камеры, а для ионов биомолекул и по изоэлектрической точке перед вводом раствора в канал микронного диаметра и по подвижности при движении внутри канала. Регистрация и анализ молекулярных ионов и их ионов-продуктов по отношениям массы к заряду может производиться с помощью время-пролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) либо на каком-либо другом масс-анализаторе. Характеризация пространственной структуры ионов биомолекул может достигаться на основе декомпозиции многомерных зарядовых распределений их регистрируемых ионов, обусловленных удерживанием различных совокупностей носителей заряда, присутствующих в растворе.The present invention relates to methods and techniques for chemical analysis of impurity compounds and ions in gas mixtures and in liquid solutions, including multiply charged ions of biomolecules, when they are extracted from a liquid or the formation of analyzed ions under the influence of a gas stream containing ions and metastable excited atoms. These methods may include a combination of the separation of the analyzed ions by adsorption capacity on the walls of the inlet chamber, and for biomolecule ions by the isoelectric point before the solution is introduced into the micron-diameter channel and by mobility when moving inside the channel. Registration and analysis of molecular ions and their product ions in terms of mass-to-charge ratios can be performed using a time-of-flight mass spectrometer with orthogonal ion input (ortho-VPMS) or on some other mass analyzer. The characterization of the spatial structure of ions of biomolecules can be achieved on the basis of decomposition of the multidimensional charge distributions of their recorded ions, due to the retention of various sets of charge carriers present in the solution.

Среди задач, для которых кроме чувствительности важны как разделительная способность, так и динамический диапазон измерений, может быть упомянут экспресс-анализ микропримесей в газах, в воде и других жидкостях применительно к использованию в системах безопасности, таможенного и экологического контроля. Анализ газовых и жидких смесей различного происхождения в реальном масштабе времени может быть также важен для разнообразных приложений технологического, медицинского и иного характера.Among the tasks for which, in addition to sensitivity, both the separation ability and the dynamic measurement range are important, rapid analysis of microimpurities in gases, in water and other liquids as applied to safety, customs and environmental control systems can be mentioned. Real-time analysis of gas and liquid mixtures of various origins can also be important for a variety of technological, medical and other applications.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

После разработки и создания в нашем институте первых время-пролетных масс-спектрометров с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) [1,2] приборы этого типа получили широкое распространение при решении разнообразных аналитических и структурных задач [3-5]. Удобство сочленения таких приборов, в частности, с источником ионов на основе электрораспыления жидкостей обусловило их эффективное применение для исследования состава и структуры ионов различной природы, изначально присутствующих в растворе. В то же время существуют важные проблемы в том числе и при анализе жидких образцов, для которых применимость, чувствительность, разделительная способность и «информационная производительность» известных приборных комплексов, включающих в свой состав орто-ВПМС, оказываются недостаточными. Для преодоления этих ограничений естественным является стремление ввести в масс-спектрометрический эксперимент альтернативные методы получения ионов, их транспортировки в вакуумную часть прибора и использовать дополнительные размерности измерений, связанные с контролируемыми превращениями исследуемых ионов и регистрацией данных в процессе этих превращений.After the development and creation at our institute of the first time-of-flight mass spectrometers with orthogonal ion injection (ortho-VPMS) [1,2], devices of this type became widespread in solving various analytical and structural problems [3-5]. The convenience of connecting such devices, in particular, with an ion source based on the electrospray of liquids, made them effective for studying the composition and structure of ions of various nature that were originally present in the solution. At the same time, there are important problems, including in the analysis of liquid samples, for which the applicability, sensitivity, separation ability and "information performance" of known instrument systems, including ortho-VPMS, are insufficient. To overcome these limitations, it is natural to strive to introduce alternative methods for producing ions into the mass spectrometric experiment and transport them to the vacuum part of the device, and to use additional measurement dimensions associated with controlled transformations of the studied ions and data recording during these transformations.

Возможным методом экстракции ионов из жидкости, по крайней мере с точки зрения ожидаемой чувствительности анализа, является полевое испарение ионов. Несмотря на то что явление полевого испарения ионов исследуется давно [6,7], детали и условия перехода ионов из жидкой фазы в газовую остаются до сих пор недостаточно изученными. В частности, это относится к вопросу о влиянии заряда ионов на эффективность их выхода из жидкости в электрических полях. Основная масса работ по полевому испарению ионов связана с изучением механизма образования ионов при электрораспылении полярных растворов [8,9]. Однако существующие экспериментальные методы, использующие электрораспыление растворов, не позволяют получать информацию о первичных ионах, покидающих заряженные микрокапли.A possible method of extracting ions from a liquid, at least from the point of view of the expected sensitivity of the analysis, is field evaporation of ions. Despite the fact that the phenomenon of field evaporation of ions has been studied for a long time [6,7], the details and conditions of the transition of ions from the liquid phase to the gas phase are still poorly understood. In particular, this relates to the question of the influence of the ion charge on the efficiency of their exit from the liquid in electric fields. The bulk of the work on field evaporation of ions is associated with the study of the mechanism of ion formation during the electrospray of polar solutions [8, 9]. However, existing experimental methods using the electrospray of solutions do not allow obtaining information on primary ions leaving charged microdrops.

Электрораспыление растворов наиболее широко используется в масс-спектрометрии тяжелых органических ионов [10]. Считается, что полевое испарение ионов является одним из главных механизмов, ответственных за выход относительно малых ионов при электрораспылении. В то же время механизм экстракции из жидкости больших многозарядных ионов до сих пор остается предметом обсуждения [11-14]. Можно ожидать, что для многозарядных ионов, имеющих сложное строение, вопрос об эффективности полевого испарения из растворов не имеет столь однозначного ответа.The electrospray of solutions is most widely used in mass spectrometry of heavy organic ions [10]. It is believed that field evaporation of ions is one of the main mechanisms responsible for the yield of relatively small ions during electrospray. At the same time, the mechanism of extraction of large multiply charged ions from a liquid is still the subject of discussion [11-14]. It can be expected that for multiply charged ions having a complex structure, the question of the efficiency of field evaporation from solutions does not have such an unambiguous answer.

Следует учесть еще одну важную особенность полевого испарения ионов из жидкостей, а именно то, что границу раздела фаз преодолевает не изолированный ион, а ионный кластер, в состав которого входит несколько полярных молекул жидкости [8,9,15]. Это обстоятельство обычно затрудняет решение аналитических задач. Поэтому желательной является декластеризация исследуемых ионов перед их вводом в масс-анализатор.One more important feature of the field evaporation of ions from liquids should be taken into account, namely, that the phase boundary is crossed not by an isolated ion, but by an ion cluster, which includes several polar liquid molecules [8, 9, 15]. This circumstance usually complicates the solution of analytical problems. Therefore, it is desirable to decluster the studied ions before entering them into the mass analyzer.

Впервые возможность создания условий для прямого полевого испарения ионов из полярных растворов без его разбрызгивания была продемонстрирована в [16,17]. Стабилизация поверхности жидкости в сильном электрическом поле обеспечивалась за счет того, что содержащий ионы раствор, помещался в каналы полимерной трековой мембраны, диаметр которых составлял несколько десятков нанометров. Впоследствии было показано, что в стационарных условиях сильное локальное электрическое поле, способное стимулировать эффективный выход ионов из полярной жидкости, создается благодаря зарядке поверхности диэлектрической мембраны. Эта методика экстракции ионов из растворов имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих ее использование, в частности, в аналитических приложениях.The possibility of creating conditions for direct field evaporation of ions from polar solutions without spraying was first demonstrated in [16, 17]. The stabilization of the liquid surface in a strong electric field was ensured due to the fact that the solution containing ions was placed in the channels of the polymer track membrane, the diameter of which was several tens of nanometers. Subsequently, it was shown that under stationary conditions, a strong local electric field capable of stimulating the effective exit of ions from the polar liquid is created due to the charging of the surface of the dielectric membrane. This technique of extraction of ions from solutions has a number of significant drawbacks that limit its use, in particular, in analytical applications.

Один из способов преодоления этих трудностей описан в патенте РФ на изобретение [18]. Основная идея этого подхода состоит в использовании импульсов электрического поля с длительностью, достаточной для экстракции относительно легких ионов из жидкости, но неспособных привести к существенному перемещению и вытеканию жидкости из каналов мембраны.One way to overcome these difficulties is described in the RF patent for the invention [18]. The main idea of this approach is to use electric field pulses with a duration sufficient for extraction of relatively light ions from the liquid, but incapable of leading to a significant movement and leakage of liquid from the membrane channels.

Воздействие на поверхность мембраны сверхзвукового газового потока, особенно при содержании в нем метастабильно возбужденных атомов, как описано в нашей заявке на изобретение [19], может также позволить преодолеть описанные трудности. Кроме этого ионы могут быть образованы из нейтральных молекул раствора, а изначально ионизированные соединения в растворе подвергнуты трансформации воздействием метастабильно возбужденных атомов, что может расширить аналитические возможности такого подхода. Описанный в этой заявке способ анализа является прототипом настоящего изобретения. Его основные недостатки связаны именно с использованием трековой мембраны, наноразмерные каналы которой в реальных условиях не способны к длительной работе. Это приводит к необходимости достаточно частой замены мембраны в описанном источнике. Кроме этого размещение мембраны на некотором удалении от радиочастотного квадруполя должно приводить к заметным потерям анализируемых ионов. Использование капилляров с каналом микронного размера, характерных для наноспрейных ионных источников, как предлагается в настоящем изобретении, и их введение внутрь радиочастотного квадруполя позволит в значительной степени снять эти проблемы.The impact on the membrane surface of a supersonic gas flow, especially when it contains metastable excited atoms, as described in our patent application [19], can also overcome the difficulties described. In addition, ions can be formed from neutral molecules of the solution, and initially ionized compounds in the solution are transformed by the action of metastable excited atoms, which can expand the analytical capabilities of this approach. The analysis method described in this application is a prototype of the present invention. Its main disadvantages are associated precisely with the use of a track membrane, the nanoscale channels of which in real conditions are not capable of long-term operation. This leads to the need for a fairly frequent replacement of the membrane in the described source. In addition, placing the membrane at some distance from the radio frequency quadrupole should lead to noticeable losses of the analyzed ions. The use of capillaries with a micron-sized channel characteristic of nanospray ion sources, as proposed in the present invention, and their introduction into the radio-frequency quadrupole will significantly remove these problems.

В последние 20 лет широкое распространение в масс-спектрометрии получили газонаполненные радиочастотные мультиполи, устройства, содержащие набор параллельных друг другу стержней, симметрично расположенных вокруг оси устройства. Сдвинутые по фазе радиочастотные напряжения подаются на соседние стержни. Эти устройства обычно используются как средства фокусировки и эффективной транспортировки ионов или для накопления ионов (в этом случае они называются линейными радиочастотными ловушками или линейными ионными ловушками) с возможной изоляцией выбранных ионов и проведением контролируемой диссоциации и других структурных превращений [20-22]. В этих устройствах используется описанное еще в Механике Ландау и Лифшица [23] свойство высокочастотных силовых полей вызывать выталкивание частиц в таких полях в сторону уменьшения напряженности этих полей. Если говорить более точно, то усредненное движение частиц в таких полях описывается в первом приближении эффективным потенциалом, прямо пропорциональным квадрату напряженности высокочастотного электрического поля, умноженной на квадрат заряда частицы, и обратно пропорциональным массе частицы. Для частного случая идеального радиочастотного квадруполя эффективный потенциал квадратично зависит от обеих координат (в прямоугольной системе координат в плоскости, ортогональной оси квадруполя), достигая минимального значения на оси квадруполя. Усредненное свободное движение ионов в таком поле (при отсутствии других внешних полей, столкновений с молекулами остаточных газов и в пренебрежении ион-ионными взаимодействиями) - независимые гармонические колебания по обеим координатам. В этих устройствах, используемых как ионные накопители и реакторы, два важных в этом случае свойства - способность к накоплению ионов и способность разделять эти ионы могут вступать в противоречие друг с другом. Для того чтобы эффективно останавливать ионы внутри мультиполя, обычно нужна достаточно высокая плотность газа, а для высокой селективности изоляции выбранных ионов или возбуждения резонансных осцилляций ионов и их разогрева (для проведения фрагментации и других превращений) плотность газа должна быть относительно мала.In the past 20 years, gas-filled radio frequency multipoles, devices containing a set of rods parallel to each other, symmetrically located around the axis of the device, have become widespread in mass spectrometry. The phase-shifted RF voltages are applied to adjacent rods. These devices are usually used as a means of focusing and efficiently transporting ions or for accumulating ions (in this case they are called linear radio frequency traps or linear ion traps) with the possible isolation of selected ions and conducting controlled dissociation and other structural transformations [20-22]. In these devices, the property of high-frequency force fields described in Mechanics of Landau and Lifshitz [23] is used to cause the particles to be pushed out in such fields to reduce the strength of these fields. More precisely, the average particle motion in such fields is described, to a first approximation, by the effective potential, which is directly proportional to the square of the high-frequency electric field multiplied by the square of the particle’s charge and inversely proportional to the particle’s mass. For a special case of an ideal radio-frequency quadrupole, the effective potential depends quadratically on both coordinates (in a rectangular coordinate system in a plane orthogonal to the axis of the quadrupole), reaching a minimum value on the axis of the quadrupole. The averaged free movement of ions in such a field (in the absence of other external fields, collisions with residual gas molecules, and neglecting ion-ion interactions) are independent harmonic oscillations in both coordinates. In these devices, used as ion storage rings and reactors, two important properties in this case - the ability to accumulate ions and the ability to separate these ions can conflict with each other. In order to effectively stop ions inside a multipole, a sufficiently high gas density is usually needed, and for high selectivity of isolation of selected ions or excitation of resonant ion oscillations and their heating (for fragmentation and other transformations), the gas density should be relatively low.

Один из возможных подходов для преодоления этого противоречия путем создания мало расходящегося сверхзвукового газового потока [24], направленного вдоль оси мультиполя и создающего повышенную плотность газа около этой оси, описан в наших патентах РФ [25-27]. При использовании многоканального сверхзвукового потока, направленного вдоль образующих слабо расходящегося клина, как описано в нашей заявке на патент РФ [28] чувствительность может быть заметно выше, чем при одноканальном таком же потоке. При этом время пребывания ионов внутри потока в многоканальном случае может быть существенно уменьшено, и в конце квадруполя анализируемые ионы могут быть сфокусированы вблизи оси радиочастотного квадруполя, где плотность газа будет близка к остаточной плотности. Таким образом, проблема экстракции ионов из газового потока, критичная при его распространении вдоль оси квадруполя, также практически может быть снята.One of the possible approaches to overcome this contradiction by creating a slightly diverging supersonic gas flow [24] directed along the multipole axis and creating an increased gas density near this axis is described in our patents in the Russian Federation [25-27]. When using a multichannel supersonic flow directed along the generators of a slightly diverging wedge, as described in our patent application [28], the sensitivity can be noticeably higher than with a single channel of the same flow. In this case, the residence time of ions inside the flow in the multichannel case can be significantly reduced, and at the end of the quadrupole, the analyzed ions can be focused near the axis of the radio frequency quadrupole, where the gas density will be close to the residual density. Thus, the problem of the extraction of ions from the gas stream, critical for its propagation along the axis of the quadrupole, can also be practically eliminated.

Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных должно включать пакеты программ, реализующие в основных чертах разработанные нами оригинальные методы, описанные в [29-33]. Среди этих методов наиболее важными являются:The software for the analysis of experimental data should include software packages that basically implement the original methods developed by us, described in [29–33]. Among these methods, the most important are:

1. Метод коррекции эффектов насыщения и «мертвого» времени при использовании время-цифрового преобразования для регистрации данных ВПМС [31];1. The correction method for the effects of saturation and "dead" time when using time-to-digital conversion for recording data of the VPMS [31];

2. Метод выявления целевых соединений на основе селективной цифровой фильтрации серий масс-спектров, зарегистрированных для специфически меняющихся во времени потоков компонент анализируемой смеси [30];2. A method for identifying target compounds based on selective digital filtering of a series of mass spectra recorded for specific time-varying flows of components of the analyzed mixture [30];

3. Метод выявления экспоненциальных вкладов в совокупности кривых ионного тока, развитый ранее для анализа совокупности эффузиометрических кривых [32].3. A method for identifying exponential contributions to a set of ion current curves, developed earlier for analyzing a set of effusiometric curves [32].

Использование дозвукового потока, проходящего через зону тлеющего разряда, для ионизации соосного потока исследуемой газовой пробы на входе в радиочастотный квадруполь описано в [34]. Давление газа в области ионизации этой пробы составляет от 0.03 до 3 миллибар, что, по крайней мере, в несколько сот раз превышает остаточное давление газа в квадруполе в нашем случае. Сечение области ионизации в нашем случае примерно в 25 меньше при сравнимой плотности газа в области ионизации, которая в нашем случае находится не на входе, а внутри квадруполя. Следует ожидать существенного повышения чувствительности анализа в нашем случае и уменьшения нагрузки на систему откачки.The use of a subsonic flow passing through a glow discharge zone to ionize the coaxial flow of a test gas sample at the inlet of a radio frequency quadrupole is described in [34]. The gas pressure in the ionization region of this sample is from 0.03 to 3 millibars, which is at least several hundred times higher than the residual gas pressure in the quadrupole in our case. The cross-section of the ionization region in our case is approximately 25 smaller with a comparable gas density in the ionization region, which in our case is not at the entrance, but inside the quadrupole. A significant increase in the sensitivity of the analysis in our case and a decrease in the load on the pumping system should be expected.

Динамические методы захвата ионов в квадрупольную ловушку, когда обратный выход ионов запирается включением соответствующего потенциала (например, на входной диафрагме квадруполя) до момента возврата запущенного пакета ионов от точки разворота, позволяют использовать только небольшую часть исходного потока ионов, если последующие манипуляции с ионами требуют относительно большого времени. Исходный поток ионов должен быть заперт на это время, и соответствующие ионы обычно теряются.Dynamic methods of capturing ions in a quadrupole trap, when the reverse ion exit is blocked by switching on the corresponding potential (for example, at the input diaphragm of the quadrupole) until the launched ion packet returns from the pivot point, only a small part of the initial ion flux can be used if subsequent manipulations with the ions require relatively great time. The initial ion flow should be locked at this time, and the corresponding ions are usually lost.

Использование вращательного поля для селективной диссоциации накопленных в квадрупольной линейной ловушке ионов при столкновении с атомами или молекулами буферного газа описано в патенте США №7,351,965 В2 [35]. Регистрацию ионов-продуктов, также удаление нежелательных ионов предлагается производить через щели вдоль вершин основных электродов гиперболической формы. Нарушения квадрупольного поля вблизи этих щелей предлагается компенсировать с помощью тонких электродов, расположенных вдоль щелей посередине на выходе из них. При проведении диссоциации предлагается намеренно искажать квадрупольное поле заданием потенциалов на этих вспомогательных электродах, отличных от потенциалов основных электродов. Это полезно делать для смещения резонансных частот сильно раскрученных ионов для предотвращения их гибели на электродах квадруполя. В рассматриваемом патенте [35] предлагается производить захват ионов в ловушку динамически, поднимая напряжение на входной диафрагме, т.к. давление буферного газа в квадруполе недостаточно, чтобы остановить ионы, отраженные от запирающего потенциала на последней секции квадруполя. В этом случае в ловушке остаются ионы, совершившие отражение от этого потенциала и не успевшие выйти назад через выходную диафрагму квадруполя до установления на ней запирающего напряжения. В патенте [35] для обеспечения улавливания достаточно большого числа анализируемых ионов предполагается использование относительно длинного квадруполя (1000 мм). Такая длина не только увеличивает габариты прибора, но и предъявляет более жесткие требования к параллельности стержней квадруполя и соблюдению других условий его изготовления для обеспечения однородности резонансных частот свободных движений ионов в разных местах квадруполя. Предлагаемый в настоящем изобретении метод накопления ионов, как ожидается, позволит накапливать достаточное число ионов в квадруполе, на порядок менее длинном, при сравнимом остаточном давлении буферного газа.The use of a rotational field for the selective dissociation of ions accumulated in a quadrupole linear trap in a collision with atoms or molecules of a buffer gas is described in US Pat. No. 7,351,965 B2 [35]. It is proposed that the registration of product ions, as well as the removal of unwanted ions, be made through gaps along the vertices of the main electrodes of a hyperbolic shape. It is proposed to compensate for violations of the quadrupole field near these slots with the help of thin electrodes located along the slots in the middle at the exit from them. When conducting dissociation, it is proposed to intentionally distort the quadrupole field by setting potentials on these auxiliary electrodes that are different from the potentials of the main electrodes. This is useful for shifting the resonance frequencies of strongly promoted ions to prevent their death on the quadrupole electrodes. In the considered patent [35], it is proposed to capture ions dynamically in the trap, raising the voltage at the input diaphragm, because the buffer gas pressure in the quadrupole is not enough to stop the ions reflected from the blocking potential in the last section of the quadrupole. In this case, ions remain in the trap, which have reflected from this potential and did not have time to go back through the output diaphragm of the quadrupole until a blocking voltage is established on it. In the patent [35], to ensure the capture of a sufficiently large number of analyzed ions, the use of a relatively long quadrupole (1000 mm) is assumed. This length not only increases the dimensions of the device, but also makes more stringent requirements for the parallelism of the rods of the quadrupole and other conditions for its manufacture to ensure uniformity of the resonant frequencies of free movements of ions in different places of the quadrupole. The ion accumulation method of the present invention is expected to accumulate a sufficient number of ions in a quadrupole, an order of magnitude shorter, with a comparable residual pressure of the buffer gas.

Стандартным методом оценки сечений столкновений ионов, движущихся в газе, является та или иная разновидность измерения подвижности иона или коэффициента пропорциональности между стационарной скоростью иона и напряженностью электрического поля, вызывающего это движение. Часто это движение используется для предварительного разделения ионов. Поскольку в обычных вариантах реализации метода время движения ионов в дрейфовой трубе относительно невелико, наиболее приемлемым оказывается сочетание разделения ионов по подвижности с время-пролетным анализатором с ортогональным вводом ионов.A standard method for estimating the cross sections for collisions of ions moving in a gas is one or another type of measurement of the mobility of the ion or the proportionality coefficient between the stationary velocity of the ion and the electric field strength that causes this movement. Often this movement is used for preliminary separation of ions. Since in ordinary versions of the method, the time of movement of ions in a drift tube is relatively small, the most acceptable combination of separation of ions by mobility with a time-of-flight analyzer with orthogonal ion input.

Серьезной проблемой такого сочетания является обеспечение высокой трансмиссии ионов через дрейфовую трубу в ВПМС. Одно из возможных решений было предложено нами в патенте США №6,992,284 [36], где приведен достаточно подробный обзор работ по разделению ионов по подвижности. В патенте 6,992,284 речь идет об использовании в дрейфовой трубе при давлении буферного газа в несколько Торр вместо однородного электрического поля последовательности чередующихся участков сильного и слабого поля. Это приводит к фокусировке ионов к оси квадруполя и позволяет несколько увеличить общее напряжение вдоль трубы, что благоприятно сказывается на разрешении пакетов ионов по подвижности. Все же во всех реализованных вариантах разделения ионов по подвижности достаточно высокого разрешения получить не удается. Даже для дрейфа ионов при атмосферном давлении не достигается разрешения более 100.A serious problem of this combination is the provision of high ion transmission through the drift tube in the HPMC. One of the possible solutions was proposed by us in US patent No. 6,992,284 [36], which provides a fairly detailed overview of the work on the separation of ions by mobility. Patent 6,992,284 refers to the use of a sequence of alternating sections of a strong and a weak field in a drift tube at a gas pressure of several Torr instead of a uniform electric field. This leads to the focusing of ions to the axis of the quadrupole and allows you to slightly increase the total voltage along the pipe, which favorably affects the resolution of ion packets in mobility. Nevertheless, in all realized variants of separation of ions by mobility, a sufficiently high resolution cannot be obtained. Even for ion drift at atmospheric pressure, a resolution of more than 100 is not achieved.

В предлагаемом изобретении подвижность ионов в их разделении реализуется при истечении раствора через капилляр после скачкообразного изменения направления электрического поля в капилляре. По существу, это некоторый вариант капиллярного электрофореза. Как и при движении в газе, подвижность иона здесь определяется отношением его заряда к сечению столкновений. Особенность состоит в том, что в растворе заряд иона может изменяться в зависимости от свойств раствора, в частности его рН. Для ионов биомолекул он даже может менять свой знак, а в изоэлектрической точке (при соответствующем значении рН раствора) он в среднем равен 0. Проводя такой капиллярный электрофорез при различных значениях рН раствора, можно реализовать фактически двумерное предварительное разделение компонент анализируемого раствора, включающее в себя и разделение по изоэлектрическим точкам.In the present invention, the mobility of the ions in their separation is realized when the solution flows through the capillary after an abrupt change in the direction of the electric field in the capillary. Essentially, this is some variant of capillary electrophoresis. As with motion in a gas, the mobility of an ion here is determined by the ratio of its charge to the collision cross section. The peculiarity is that in a solution the charge of an ion can vary depending on the properties of the solution, in particular its pH. For ions of biomolecules, it can even change its sign, and at the isoelectric point (with the corresponding pH of the solution) it is equal to 0 on average. Carrying out such capillary electrophoresis at various pH values of the solution, one can actually realize two-dimensional preliminary separation of the components of the analyzed solution, which includes and isoelectric point separation.

Обычно для изоэлектрического разделения и фокусировки отдельных фракций смесей биополимеров используют электролиты, локально неоднородные по величине рН. Двигаясь под действием приложенного электрического поля, чаще всего близкого к однородному, ионы биомолекул, достигая зон с рН, близким к их изоэлектрическим точкам, перестают двигаться и накапливаются в этих зонах. Такой способ разделения не слишком хорошо приспособлен для сочетания с масс-спектрометрическим детектированием разделенных фракций. В работе Р.А. Зубарева с сотрудниками [37] описана конструкция устройства для изоэлектрической фокусировки и разделения смесей пептидов и белков, работающего в сопряжении с масс-спектрометром с ионным источником на основе электрораспыления растворов. В их же следующей работе [38] описан усовершенствованный вариант, такого устройства, предназначенный для собирания разделенных фракций. Принцип работы близок к только что описанному. Сама конструкция представляется достаточно сложной. Капилляр, в котором организуется изоэлектрическое фракционирование ионов, разделен на 8 секций. В них концентрируются биомолекулы с соответствующими изоэлектрическими точками в течение периода изоэлектрической фокусировки, когда в капилляре создано электрическое поле, направленное против потока в ионный источник. Секции контактируют с соответствующими буферными растворами через мембраны из нафиона. При выключенном поле потоком раствора накопленные пакеты ионов последовательно попадают в ионный источник и далее в масс-анализатор.Usually, isoelectric separation and focusing of individual fractions of mixtures of biopolymers use electrolytes that are locally nonuniform in pH. Moving under the action of an applied electric field, most often close to uniform, the ions of biomolecules, reaching zones with a pH close to their isoelectric points, stop moving and accumulate in these zones. This separation method is not well suited for combination with mass spectrometric detection of the separated fractions. In the work of R.A. Zubareva and co-workers [37] described the design of a device for isoelectric focusing and separation of mixtures of peptides and proteins, working in conjunction with a mass spectrometer with an ion source based on electrospray of solutions. Their next work [38] described an improved version of such a device, designed to collect separated fractions. The principle of operation is close to just described. The design itself seems rather complicated. The capillary, in which isoelectric fractionation of ions is organized, is divided into 8 sections. They concentrate biomolecules with corresponding isoelectric points during the period of isoelectric focusing, when an electric field is created in the capillary, which is directed upstream of the ion source. Sections are contacted with appropriate buffer solutions through Nafion membranes. When the field is turned off by the flow of the solution, the accumulated ion packets sequentially fall into the ion source and then into the mass analyzer.

В предлагаемом нами капиллярном ионном источнике создаются поля противоположной направленности в напускной камере источника и внутри капилляра. Такие поля пропускают через капилляр только в среднем нейтральные ионы, изоэлектрическая точка которых совпадает с рН раствора. Меняя этот рН постепенным или одномоментным добавлением буферного раствора, можно обеспечивать выход в зону формирования анализируемых ионов биомолекул с различными значениями их изоэлектрической точки.In our proposed capillary ion source, fields of opposite directions are created in the inlet chamber of the source and inside the capillary. Such fields pass through the capillary only on average neutral ions, the isoelectric point of which coincides with the pH of the solution. By changing this pH by the gradual or simultaneous addition of a buffer solution, it is possible to provide access to the formation zone of the analyzed ions of biomolecules with different values of their isoelectric point.

В Патенте США №7397029 от 8 июля 2008 г., В.Д. Беркута и В.М. Дорошенко [39], описан способ возбуждения фрагментации ионов метастабильно возбужденными частицами (атомами или молекулами). Выделение исходных ионов производится с помощью первичного масс-спектрометра, при этом они накапливаются в трехмерной или линейной ионной ловушке или движутся в транспортном мультиполе. Предусмотрена возможность дополнительного возбуждения исходных ионов или ионов-продуктов приложением переменного электрического поля с получением вторичных ионов-продуктов за счет столкновительной активации. Все эти получающиеся ионы регистрируются вторичным масс-спектрометром. Метастабильные атомы и молекулы предполагается получать с помощью газового разряда. Их ввод внутрь ионной ловушки предполагается производить по направлению, перпендикулярному оси ловушки.U.S. Patent No. 7397029 of July 8, 2008, V.D. Berkut and V.M. Doroshenko [39], describes a method for exciting ion fragmentation by metastable excited particles (atoms or molecules). The initial ions are extracted using a primary mass spectrometer, while they accumulate in a three-dimensional or linear ion trap or move in a transport multipole. It is possible to additionally excite the initial ions or product ions by applying an alternating electric field to produce secondary product ions due to collisional activation. All of these resulting ions are recorded by a secondary mass spectrometer. Metastable atoms and molecules are supposed to be obtained using a gas discharge. They are supposed to be introduced into the ion trap in a direction perpendicular to the axis of the trap.

В нашем случае метастабильные атомы или молекулы могут получаться в ионном источнике электронной ионизации в сверхзвуковом газовом потоке, и их плотность в потоке и распределение по энергиям возбуждения может регулироваться изменением потока или энергии ионизирующих электронов. Более того при использовании смеси инертных газов в качестве буферного газа изменением энергии электронов может достигаться изменение состава метастабильных атомов, что может позволить производить селективную ионизацию компонент анализируемого образца без изменения состава буферного газа.In our case, metastable atoms or molecules can be obtained in the ion source of electron ionization in a supersonic gas stream, and their density in the stream and distribution over the excitation energies can be controlled by changing the flow or energy of ionizing electrons. Moreover, when using a mixture of inert gases as a buffer gas, a change in the energy of the metastable atoms can be achieved by changing the energy of the electrons, which can allow selective ionization of the components of the analyzed sample without changing the composition of the buffer gas.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Особенностями возможной реализации предлагаемых методов являются: Поток исследуемых ионов - это результат экстракции ионов из жидкой пробы, выходящей из капилляра, введенного внутрь радиочастотного квадруполя, либо такие ионы получаются из молекул анализируемых соединений в газовой фазе за счет перезарядки на ионах буферного газа или ионизации Пенинга на метастабильных атомах сверхзвукового газового потока. Экстракция ионов стимулируется воздействием «подогретого» сверхзвукового газового потока на поверхность выходящей жидкости. Для обеспечения большей эффективности использования этого потока для формирования анализируемых ионов капилляр вставлен внутрь канала большего диаметра так, что выходной кончик капилляра близок, но не выходит за окончание канала. На некотором протяжении до выхода капилляра имеется зазор между капилляром и внутренней стенкой канала. Выход из канала выполнен так, что сверхзвуковой поток, направленный на выход капилляра, основной своей частью попадает внутрь канала. На входном конце зазор между каналом и капилляром заполнен непроницаемым связующим материалом. Метастабильные атомы и ионы в упомянутом потоке образуются либо в высокочастотном газовом разряде, организуемом на выходе канала формирования сверхзвукового газового потока, либо этот поток пропускается через источник электронной ионизации с изменяемой кинетической энергией электронов. Струя сверхзвукового потока направлена на выходной кончик капилляра и проходит вблизи центра входной диафрагмы в этот квадруполь. Просачивание жидкости через капилляр обуславливается давлением насыщенного пара в напускной камере, содержащей анализируемый раствор, или специально организуемым перепадом давления. Выход газовой смеси через капилляр обеспечивается перепадом давления вдоль капилляра, которое поддерживается постоянным. Анализируемая газовая смесь вводится в напускную камеру однократно, либо непрерывно с помощью шприца. Для обеспечения постоянной скорости истечения газа через капилляр при однократном вводе газовой смеси в напускную камеру капиллярного ионного источника непрерывно вводится буферный газ при постоянном, например, атмосферном давлении. Скорость просачивания жидкой пробы может также регулироваться изменением температуры напускной камеры, создающим соответственное давление насыщенных паров в этой камере, содержащей анализируемый раствор.The features of the possible implementation of the proposed methods are: The flow of the studied ions is the result of the extraction of ions from a liquid sample leaving the capillary introduced into the radio-frequency quadrupole, or such ions are obtained from the molecules of the analyzed compounds in the gas phase due to recharging with buffer gas ions or Penning ionization by metastable atoms of a supersonic gas stream. The extraction of ions is stimulated by the action of a “heated” supersonic gas flow on the surface of the outgoing liquid. To ensure greater efficiency in using this stream to form the analyzed ions, the capillary is inserted into the channel of a larger diameter so that the output tip of the capillary is close, but does not extend beyond the end of the channel. There is a gap between the capillary and the inner wall of the channel for some length before the exit of the capillary. The exit from the channel is made so that the supersonic flow directed to the exit of the capillary, its main part falls into the channel. At the inlet end, the gap between the channel and the capillary is filled with an impermeable binder material. Metastable atoms and ions in the aforementioned flow are formed either in a high-frequency gas discharge organized at the outlet of the supersonic gas flow formation channel, or this flow is passed through an electron ionization source with a variable kinetic electron energy. The supersonic flow jet is directed to the output tip of the capillary and passes near the center of the input diaphragm into this quadrupole. The leakage of liquid through the capillary is determined by the pressure of saturated steam in the inlet chamber containing the analyzed solution, or by a specially organized differential pressure. The exit of the gas mixture through the capillary is provided by the pressure drop along the capillary, which is maintained constant. The analyzed gas mixture is injected into the inlet chamber once, or continuously using a syringe. To ensure a constant rate of gas outflow through the capillary during a single injection of the gas mixture into the inlet chamber of the capillary ion source, buffer gas is continuously introduced at a constant, for example, atmospheric pressure. The rate of leakage of the liquid sample can also be controlled by changing the temperature of the inlet chamber, creating the corresponding saturated vapor pressure in this chamber containing the analyzed solution.

Подогрев напускной камеры при анализе газовых смесей также играет важную роль. Переход к более высокой температуре этой камеры может приводить к наблюдению релаксационных процессов, которые будут нести дополнительную аналитическую информацию об анализируемых соединениях. Более высокая температура вызовет увеличение потока газа через выходной капилляр. Это приведет к первоначальному увеличению регистрируемого сигнала от ионизированных компонент газовой смеси. Следствием этого будет перераспределение плотности примесных соединений внутри напускной камеры и последующий релаксационное затухание этих сигналов с характеристическими временами, специфичными для различных соединений. Характеристические времена релаксации интенсивностей пиков ионов, соответствующих определенному соединению, будут определяться величиной коэффициента диффузии этого соединения и адсорбционной способностью этого соединения на стенках напускной камеры. Регистрация релаксационных кривых возможна также при уменьшении температуры напускной камеры.The heating of the inlet chamber in the analysis of gas mixtures also plays an important role. The transition to a higher temperature of this chamber can lead to the observation of relaxation processes, which will carry additional analytical information about the analyzed compounds. A higher temperature will cause an increase in gas flow through the outlet capillary. This will lead to an initial increase in the recorded signal from the ionized components of the gas mixture. The consequence of this will be a redistribution of the density of impurity compounds inside the inlet chamber and subsequent relaxation attenuation of these signals with characteristic times specific to different compounds. The characteristic relaxation times of the intensities of the ion peaks corresponding to a particular compound will be determined by the diffusion coefficient of this compound and the adsorption capacity of this compound on the walls of the inlet chamber. Recording relaxation curves is also possible with decreasing temperature of the inlet chamber.

Нарастание или снижение температуры в напускной камере требует заметного времени, а релаксационное затухание ионных токов будет происходить после установления нового уровня температуры. Ионные токи, соответствующие определенным соединениям, будут при последовательной регистрации выглядеть как унимодальные пики, форма которых будет специфичной для разных соединений при данных условиях измерений. Выявление таких пиков для целевых соединений в анализируемой смеси может быть проведено на основе нашего метода селективной цифровой фильтрации по известным масс-спектрам этих соединений [30]. Совпадение полученной формы пика с ожидаемой для данного целевого соединения будет критерием его обнаружения, а площадь этого пика будет определять относительное содержание этого соединения в анализируемой смеси. Для количественного определения этого содержания желательно предварительное проведение соответствующих калибровочных измерений, когда искомые целевые соединения добавляются в анализируемую смесь в известных концентрациях.The increase or decrease in temperature in the inlet chamber requires noticeable time, and the relaxation attenuation of ion currents will occur after a new temperature level is established. Ion currents corresponding to certain compounds will look like unimodal peaks during sequential registration, the shape of which will be specific for different compounds under given measurement conditions. The detection of such peaks for the target compounds in the analyzed mixture can be carried out on the basis of our method of selective digital filtering by known mass spectra of these compounds [30]. The coincidence of the obtained peak shape with the expected for a given target compound will be a criterion for its detection, and the area of this peak will determine the relative content of this compound in the analyzed mixture. To quantify this content, it is advisable to preliminarily carry out appropriate calibration measurements when the desired target compounds are added to the test mixture in known concentrations.

Для экспоненциально затухающих «хвостов» полученных распределений ионных токов с различными значениями miz может быть найдена наилучшая в среднеквадратичном матрица перехода от предыдущей совокупности значений упомянутых ионных токов к последующей такой совокупности. Вычислив собственные числа и собственные векторы полученной матрицы перехода, находим приемлемую по ожидаемой погрешности аппроксимацию упомянутых «хвостов» распределений линейной комбинацией минимального числа упомянутых собственных векторов с факторами экспоненциального затухания, определяемыми соответствующими собственными числами. Принимаем найденную совокупность таких собственных векторов за масс-спектры обнаруженных компонент в рассматриваемой совокупности данных, а вычисленные коэффициенты упомянутой линейной комбинации за приближенные оценки относительных вкладов этих компонент в анализируемую смесь. Эти оценки могут быть протестированы и уточнены путем проведения соответствующих калибровочных экспериментов.For exponentially decaying “tails” of the obtained ion current distributions with different values of miz, the best in the rms transition matrix from the previous set of values of the mentioned ion currents to the next such set can be found. After calculating the eigenvalues and eigenvectors of the obtained transition matrix, we find the approximation of the mentioned “tails” of distributions acceptable by the expected error by a linear combination of the minimum number of the mentioned eigenvectors with exponential decay factors determined by the corresponding eigenvalues. We take the found set of such eigenvectors for the mass spectra of the detected components in the considered data set, and the calculated coefficients of the mentioned linear combination for approximate estimates of the relative contributions of these components to the analyzed mixture. These estimates can be tested and refined by conducting appropriate calibration experiments.

После прохождения источника электронной ионизации или зоны газового разряда струя сверхзвукового газового потока вместе с ионами и с метастабильно возбужденными атомами буферного газа поступает внутрь радиочастотного квадруполя. Организованное в первой половине квадруполя тормозящее продольное поле, сочетающееся с относительно плотным газовым потоком приводит к накоплению значительного числа ионов буферного газа в этой половине квадруполя вокруг его оси. Эффективная температура этого облака ионов, как показывают проведенные нами измерения, может быть достаточно высокой (около 6000 K). Эту температуру можно еще значительно увеличить за счет вынужденных осцилляций или вращений ионов. При этом следует ожидать эффективного испарения и дробления капель раствора, выходящих из капилляра. Это будет происходить как за счет передачи энергии от осциллирующих «нагретых» ионов ионам на поверхности капли, так и их вхождения внутрь капли и увеличения плотности зарядов на этой поверхности. Эти капли, пройдя сквозь облако осциллирующих ионов буферного газа и расталкиваясь далее объемным зарядом этих ионов, будут частично подхватываться струями газового потока. Поскольку их подвижность существенно меньше подвижности ионов буферного газа, они будут сильнее увлекаться газовым потоком и более эффективно выводиться во вторую половину квадруполя.After passing through the electron ionization source or gas discharge zone, the jet of a supersonic gas stream, together with ions and metastably excited buffer gas atoms, enters the radio-frequency quadrupole. The braking longitudinal field organized in the first half of the quadrupole, combined with a relatively dense gas flow, leads to the accumulation of a significant number of buffer gas ions in this half of the quadrupole around its axis. The effective temperature of this ion cloud, as shown by our measurements, can be quite high (about 6000 K). This temperature can still be significantly increased due to forced oscillations or ion rotations. In this case, one should expect effective evaporation and crushing of droplets of solution leaving the capillary. This will occur both due to the transfer of energy from oscillating "heated" ions to the ions on the surface of the droplet, as well as their entry into the droplet and an increase in the charge density on this surface. These droplets, having passed through a cloud of oscillating ions of a buffer gas and pushed further by the space charge of these ions, will be partially picked up by the jets of the gas stream. Since their mobility is significantly less than the mobility of the buffer gas ions, they will be more entrained in the gas flow and more effectively displayed in the second half of the quadrupole.

Если в этой половине радиочастотное напряжение существенно больше, чем в первой, и выбрано оптимальным для фокусировки относительно больших ионов биомолекул, то ионы буферного газа будут гибнуть здесь на стержнях квадруполя. Анализируемые ионы, вышедшие из заряженных капель будут фокусироваться к оси квадруполя. При отсутствии продольного поля в этой половине квадруполя и наличии достаточно плотного облака накопленных ионов буферного газа в первой половине квадруполя возникнет электрическое поле, препятствующее возврату анализируемых ионов в первую половину квадруполя, и эти ионы будут накапливаться около оси квадруполя. Под действием их объемного заряда избыточная часть таких ионов будет выводиться через выходную диафрагму квадруполя в масс-анализатор. При этом недоиспарившиеся капли, обладая существенно большими значениями m/z, чем анализируемые ионы, тем же объемным зарядом будут выталкиваться на относительно большие удаления от оси квадруполя. Эти капли тем самым будут подвержены действию отталкивающего поля выходной диафрагмы квадруполя. Удерживаясь внутри квадруполя, эти капли будут нагреваться воздействием радиочастотного поля квадруполя и высоэнергичными малыми ионами, покидающими эти капли, и в конечном итоге высвобождать содержащиеся в них анализируемые ионы, которые после их фокусировки к оси и будут зарегистрированы в масс-анализаторе.If in this half the radio frequency voltage is much higher than in the first one, and it is chosen optimal for focusing relatively large ions of biomolecules, then the buffer gas ions will die here on the rods of the quadrupole. The analyzed ions emerging from the charged droplets will be focused to the axis of the quadrupole. In the absence of a longitudinal field in this half of the quadrupole and the presence of a sufficiently dense cloud of accumulated buffer gas ions, an electric field will appear in the first half of the quadrupole, which prevents the return of the analyzed ions to the first half of the quadrupole, and these ions will accumulate around the axis of the quadrupole. Under the influence of their space charge, the excess part of such ions will be output through the output aperture of the quadrupole to the mass analyzer. In this case, the under-evaporated droplets, having significantly higher m / z values than the analyzed ions, will be pushed out by the same space charge at relatively large distances from the axis of the quadrupole. These drops will thereby be subject to the repulsive field of the output diaphragm of the quadrupole. Holding inside the quadrupole, these droplets will be heated by the radio frequency field of the quadrupole and by the high-energy small ions leaving these droplets, and ultimately release the analyzed ions contained in them, which, after they are focused to the axis, will be detected in the mass analyzer.

После выхода из квадруполя ионный пучок вводится в последующий масс-анализатор с помощью соосного конического или клинообразного скиммера с входным отверстием или щелью на его вершине. При этом большая часть газового потока рассеивается внешней поверхностью скиммера и поступает в первую ступень дифференциальной откачки.After leaving the quadrupole, the ion beam is introduced into the subsequent mass analyzer using a coaxial conical or wedge-shaped skimmer with an inlet or slot at its apex. In this case, most of the gas stream is scattered by the outer surface of the skimmer and enters the first stage of differential pumping.

Особенности и преимущества предлагаемого подхода являются следствием малой расходимости сверхзвукового газового потока, выходящего из относительно тонкого и длинного канала с пониженным (по сравнению с атмосферным) давлением газа на их входе. При этом длина свободного пробега молекул основного компонента газового потока сравнима с диаметром канала. Можно подобрать условия формирования упомянутого потока, так чтобы в радиочастотном квадруполе плотность газа около его оси практически не отличалась от плотности остаточных газов на периферии радиочастотного квадруполя. Эта плотность для эффективного функционирования источника электронной ионизации должна быть достаточно мала, соответствуя давлению при комнатной температуре 10-4 Торр и менее. Таким образом, движение ионов вблизи оси квадруполя будет таким же, как в обычном квадруполе при такой же плотности остаточных газов. Разница будет в том, что относительно энергичные собственные колебания ионов в направлении смещения газовой струи будут значительно быстрее погашены газовым потоком в начале квадруполя. Тем самым будут обеспечены более благоприятные условия для регистрации масс-спектров исследуемого образца по сравнению с квадруполем вакуумным, газонаполненным квадруполем (меньший поток газа в масс-анализатор) или при наличии сверхзвуковой газовой струи вдоль его оси (больший поток ионов в масс-анализатор).The features and advantages of the proposed approach are a consequence of the small divergence of a supersonic gas stream emerging from a relatively thin and long channel with a reduced (compared to atmospheric) gas pressure at their inlet. The mean free path of the molecules of the main component of the gas stream is comparable with the diameter of the channel. The conditions for the formation of the aforementioned flow can be selected so that in the radio-frequency quadrupole the density of the gas near its axis does not practically differ from the density of the residual gases at the periphery of the radio-frequency quadrupole. This density for the effective functioning of the electron ionization source should be sufficiently low, corresponding to a pressure at room temperature of 10 -4 Torr or less. Thus, the movement of ions near the axis of the quadrupole will be the same as in a conventional quadrupole with the same density of residual gases. The difference will be that the relatively energetic natural vibrations of the ions in the direction of displacement of the gas stream will be much faster offset by the gas stream at the beginning of the quadrupole. Thereby, more favorable conditions will be provided for recording the mass spectra of the sample under study in comparison with a vacuum quadrupole, a gas-filled quadrupole (a smaller gas flow to the mass analyzer) or in the presence of a supersonic gas jet along its axis (a larger ion flux to the mass analyzer).

Если в напускной камере, содержащей анализируемый раствор, и внутри капилляра его истечения отсутствуют электрические поля, то будет регистрироваться обзорный масс-спектр в выбранном диапазоне m/z для данных условий ионизации. Если же в этой камере на поверхности вокруг входа в капилляр создать достаточно сильное напряжение при близком к 0 потенциале поверхности раствора, то около этого капилляра будут накапливаться ионы соответствующего знака заряда, а внутрь капилляра будут преимущественно поступать в среднем нейтральные молекулы из раствора. В том числе это могут быть биомолекулы, изоэлектрическая точка которых близка к рН раствора. Такая ситуация является следствием возникновения в капилляре поля обратной направленности из-за относительно небольшого потенциала на выходе капилляра, обусловленного контактом с облаком накопленных ионов буферного газа в квадруполе.If there are no electric fields in the inlet chamber containing the analyzed solution and inside the capillary of its outflow, then a survey mass spectrum will be recorded in the selected m / z range for these ionization conditions. If, in this chamber, a sufficiently strong voltage is created at the surface around the entrance to the capillary at a solution surface potential close to 0, then ions of the corresponding charge sign will accumulate around this capillary, and on average neutral molecules from the solution will mainly enter the capillary. Including it can be biomolecules, the isoelectric point of which is close to the pH of the solution. This situation is a consequence of the appearance of a reverse direction field in the capillary due to the relatively small potential at the capillary exit due to the contact of the accumulated buffer gas ions in the quadrupole with the cloud.

Переключением полярности запирающего напряжения часть накопленных ионов на входе в капилляр будет запущена внутрь капилляра. В соответствии с их подвижностью под действием электрического поля внутри капилляра эти ионы будут двигаться с разными скоростями и виде разделенных по времени выхода пакетов будут зарегистрированы масс-анализатором. После выхода последнего пакета будет продолжена регистрация квазинейтральных молекул. При выходе раствора из капилляра квазинейтральные молекулы могут изменить свое зарядовое состояние из-за проникновения ионов буферного газа внутрь раствора, и они смогут быть зарегистрированы в конечном итоге в масс-анализаторе. Для предотвращения электролиза анализируемого раствора на электродах капиллярного ионного источника эти электроды могут быть покрыты тонкой диэлектрической пленкой.By switching the polarity of the blocking voltage, part of the accumulated ions at the entrance to the capillary will be launched inside the capillary. In accordance with their mobility under the influence of an electric field inside the capillary, these ions will move at different speeds and will be recorded by a mass analyzer in the form of packets separated by the exit time. After the release of the last package, registration of quasineutral molecules will continue. When the solution leaves the capillary, quasineutral molecules can change their charge state due to the penetration of buffer gas ions into the solution, and they can ultimately be registered in the mass analyzer. To prevent electrolysis of the analyzed solution on the electrodes of a capillary ion source, these electrodes can be coated with a thin dielectric film.

Если в анализируемый раствор была добавлена в подходящей концентрации соль щелочного металла, например, ацетат натрия, то могут наблюдаться двумерные зарядовые распределения многозарядных ионов биомолекул по числу удерживаемых этими ионами протонов и в данном случае ионов натрия. Используя развитую нами методику декомпозиции таких зарядовых распределений [33,40] можно определить вероятности удерживания различных носителей заряда отдельными ионогенными группами биомолекул. Если измерять рН основного раствора и концентрацию ионов натрия в нем, то получив вероятности удерживания протона и ионов натрия некоторыми сайтами биомолекул при различных рН или концентрациях ионов натрия, можно оценить отношения соответствующих констант равновесия для этих сайтов. Совокупность таких оценок может характеризовать пространственную структуру биомолекулы в растворе и практически не зависеть от изменения состава и вида ионов при переходе в газовую фазу и от их различных дискриминаций при их транспортировке и регистрации.If an alkali metal salt, for example, sodium acetate, was added to the analyzed solution in a suitable concentration, then two-dimensional charge distributions of multiply charged ions of biomolecules by the number of protons held by these ions, and in this case sodium ions, can be observed. Using our developed method of decomposition of such charge distributions [33,40], it is possible to determine the probabilities of holding various charge carriers by separate ionogenic groups of biomolecules. If we measure the pH of the main solution and the concentration of sodium ions in it, then having obtained the probabilities of the proton and sodium ions being retained by certain sites of biomolecules at different pH or concentrations of sodium ions, we can estimate the ratios of the corresponding equilibrium constants for these sites. The totality of such estimates can characterize the spatial structure of a biomolecule in solution and practically does not depend on changes in the composition and type of ions upon transition to the gas phase and on their various discriminations during their transportation and registration.

При значимом изменении рН раствора, например, при добавлении соответствующего буферного раствора, может измениться состав квазинейтральных молекул движущихся в каналах вместе с раствором. Т.е. фактически возможно разделение биомолекул в растворе по их изоэлектрическим точкам. В сочетании с описанным выше разделением ионов по подвижности на выходе из каналов это является важным преимуществом настоящего изобретения.With a significant change in the pH of the solution, for example, by adding the appropriate buffer solution, the composition of quasi-neutral molecules moving in the channels along with the solution can change. Those. in fact, it is possible to separate biomolecules in solution according to their isoelectric points. In combination with the above-described separation of ions by mobility at the outlet of the channels, this is an important advantage of the present invention.

При анализе нейтральных микропримесей как в жидкой, так и газовой среде производится их детектирование в виде ионов, образовавшихся в газовой фазе под действием метастабильных атомов и ионов сверхзвукового газового потока. Здесь возможно некоторое дополнительное разделение анализируемых микропримесей при изменении энергии ионизирующих электронов в ионном источнике электронной ионизации. Для этого в качестве буферного газа при формировании сверхзвукового потока можно, например, использовать смесь инертных газов с близкими концентрациями: Не, Ne, Ar, Хе. Энергии ионизации этих газов и образования их метастабильно возбужденных атомов меняются в диапазоне около 10 эВ и покрывают разброс возможных энергий ионизации большинства известных соединений. Переход от одной энергии электронов к другой для интервала, специфичного для данного целевого соединения, может позволить выделить ионы, образованные из этого соединения.In the analysis of neutral microimpurities in both a liquid and a gas medium, they are detected in the form of ions formed in the gas phase under the action of metastable atoms and ions of a supersonic gas flow. Here, some additional separation of the analyzed microimpurities is possible when the energy of ionizing electrons in the ion source of electron ionization changes. For this purpose, for example, a mixture of inert gases with close concentrations: He, Ne, Ar, Xe can be used as a buffer gas in the formation of a supersonic flow. The ionization energies of these gases and the formation of their metastable excited atoms vary in the range of about 10 eV and cover the range of possible ionization energies of most known compounds. The transition from one electron energy to another for an interval specific to a given target compound may allow the release of ions formed from this compound.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙBRIEF DESCRIPTION OF ILLUSTRATIONS

Для более полного понимания настоящего изобретения последующее описание соотнесено с соответствующими иллюстрациями.For a more complete understanding of the present invention, the following description is related to the corresponding illustrations.

Рис. 1. Общая схема газодинамического интерфейса орто-ВПМС с микроканальным ионным источником и сверхзвуковым газовым.Fig. 1. General scheme of the gas-dynamic interface of the ortho-VPMS with a microchannel ion source and a supersonic gas source.

Рис. 2. Иллюстрация к предварительному разделению заряженных и квазинейтральных частиц в микроканальном ионном источнике.Fig. 2. Illustration for the preliminary separation of charged and quasineutral particles in a microchannel ion source.

Рис. 2а. Особенности функционирования микроканального ионного источника при анализе нейтральных примесей в жидкостях.Fig. 2a. Features of the functioning of a microchannel ion source in the analysis of neutral impurities in liquids.

Рис. 3. Схематический вид поперечного сечения В-В, Рис. 1, интерфейса в расположении области доиспарения заряженных капель и декластеризации анализируемых ионов.Fig. 3. Schematic view of the cross-section BB, Fig. 1, the interface in the location of the region of evaporation of charged droplets and declusterization of the analyzed ions.

Рис. 4. Экспериментальные зависимости регистрируемых ионных токов для молекулярных и двух фрагментарных ионов циклогексана (2% примеси в гелии) от радиочастотного напряжения в квадруполе для комнатной (25°С) и увеличенной (100°С) начальной температуры газового потока.Fig. 4. Experimental dependences of the recorded ion currents for molecular and two fragmented cyclohexane ions (2% impurities in helium) on the radio frequency voltage in the quadrupole for room temperature (25 ° C) and increased (100 ° C) initial gas flow temperature.

Рис. 5. Экспериментальные зависимости регистрируемых ионных токов и их отношений для молекулярных и двух фрагментарных ионов циклогексана (2% примеси в аргоне) от осциллирующего напряжения для существующего интерфейса со смещенной сверхзвуковой газовой струей при радиочастотном квадрупольном напряжении, превышающем порог прохождения этих фрагментарных ионов через интерфейс.Fig. 5. Experimental dependences of the recorded ion currents and their relations for molecular and two fragmented cyclohexane ions (2% impurity in argon) on the oscillating voltage for the existing interface with a displaced supersonic gas stream at a radio frequency quadrupole voltage exceeding the threshold for the passage of these fragmented ions through the interface.

Рис. 6. Аррениусовская аппроксимация относительной интенсивности фрагментов осциллирующих ионов циклогексана при среднем удалении от сверхзвуковой струи аргона около 1 мм при найденной оптимальной температуре накопленных в квадруполе молекулярных ионов циклогексана в ~6000 K.Fig. 6. Arrhenius approximation of the relative intensity of fragments of oscillating cyclohexane ions at an average distance of about 1 mm from the supersonic argon stream at the found optimal temperature of molecular cyclohexane ions accumulated in the quadrupole of ~ 6000 K.

Рис. 7. Экспериментальные зависимости регистрируемых ионных токов и их отношений для молекулярных и двух фрагментарных ионов циклогексана (2% примеси в гелии) от осциллирующего напряжения для существующего интерфейса со смещенной сверхзвуковой газовой струей при радиочастотном квадрупольном напряжении, превышающем порог прохождения этих фрагментарных ионов через интерфейс.Fig. 7. Experimental dependences of the recorded ion currents and their relations for molecular and two fragmented cyclohexane ions (2% impurities in helium) on the oscillating voltage for the existing interface with a displaced supersonic gas jet at a radio frequency quadrupole voltage exceeding the threshold for the passage of these fragmented ions through the interface.

Рис. 8. Иллюстрация к формированию многомерных релаксационных данных.Fig. 8. Illustration to the formation of multidimensional relaxation data.

Рис 9. Зависимость потока Qвх смеси 2% Хе в Ar через капилляр от давления рвх на входе капилляра: точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - аппроксимация квадратичной функцией: Qвх≈а⋅рвх 2.Figure 9. Dependence of the flux Q in of a mixture of 2% Xe in Ar through a capillary on the pressure p in at the inlet of the capillary: points are experimental data, the solid curve is an approximation by a quadratic function: Q in ≈ a⋅ p in 2 .

Все эти иллюстрации носят поясняющий характер и не накладывают каких-либо ограничений на возможную реализацию предлагаемого изобретения.All these illustrations are explanatory in nature and do not impose any restrictions on the possible implementation of the invention.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Новый подход для транспортировки ионов из области повышенного давления на выходе из ячейки подвижности в вакуумную часть масс-спектрометра с помощью сверхзвукового газового потока описан в нашем патенте США №7,482,582 от 27 января 2009 года [42]. Он был развит далее для обеспечения дополнительных аналитических возможностей за счет резонансного возбуждения вращения ионов [43] вокруг сверхзвукового потока в следующем нашем патенте США №7,547,878 от 16 июня 2009 года [44]. Специфическое развитие этих подходов для обеспечения эффективного количественного определения наличия примесей в газовых смесях и структурного анализа многозарядных ионов биомолекул описано в наших патентах РФ [25-27]. Реализация нового варианта накопления и изоляции анализируемых ионов из источника электронной ионизации в радиочастотном квадруполе, основанного на использовании внеосевого многоканального сверхзвукового потока описана в нашей заявке на патент РФ [28]. Струи этого потока направлены вдоль образующих расходящегося клина с осью симметрии, направленной вдоль оси радиочастотного квадруполя. В этом случае в отличие от описанного в патенте РФ [27] варианта ортогонального вывода ионов в масс-анализатор имеется возможность эффективного соосного сопряжения масс-анализатора с газодинамическим интерфейсом.A new approach for transporting ions from the high-pressure region at the exit of the mobility cell to the vacuum part of the mass spectrometer using a supersonic gas flow is described in our US patent No. 7,482,582 of January 27, 2009 [42]. It was further developed to provide additional analytical capabilities due to the resonant excitation of ion rotation [43] around a supersonic flow in our next US patent No. 7.547.878 of June 16, 2009 [44]. The specific development of these approaches to ensure effective quantitative determination of the presence of impurities in gas mixtures and structural analysis of multiply charged ions of biomolecules is described in our patents in the Russian Federation [25-27]. The implementation of a new version of the accumulation and isolation of the analyzed ions from an electronic ionization source in a radio frequency quadrupole based on the use of an off-axis multichannel supersonic flow is described in our patent application [28]. The jets of this flow are directed along the generators of the diverging wedge with the axis of symmetry directed along the axis of the radio-frequency quadrupole. In this case, in contrast to the version of the orthogonal ion output to the mass analyzer described in the RF patent [27], there is the possibility of efficient coaxial coupling of the mass analyzer with a gas-dynamic interface.

В настоящем изобретении струя сверхзвукового газового потока (5) из канала (4), Рис. 1, направлена на выходной кончик капилляра (89), проходя вблизи средней точки входной диафрагмы (8-9). Воздействием атомов (в том числе метастабильно возбужденных) и ионов из струи (5) на выходящий мениск (91) анализируемого раствора из капилляра (89) микроканального источника (82) стимулируется образование капель раствора и испарение растворителя. Чтобы более полно использовать для этих целей энергию струи (5) капилляр (89) помещен внутрь цилиндрического канала (84) так, что имеется некоторый зазор (210), Рис. 2, между внешней стенкой капилляра (89) на некотором его протяжении перед выходным концом капилляра и внутренней стенкой канала (84). В зоне близкой к входной стороне капилляра (89) зазор (210) заполнен непроницаемым связующим материалом (211). Выходное отверстие канала (84) выполнено так, чтобы основная часть струи (5) попадала внутрь зазора (210). Встретив препятствия внутри зазора струя (5) хаотизируется, образуя расходящийся поток (209) со средним направлением, близким к направлению навстречу струе (5), способствуя выходу и испарению раствора из капилляра.In the present invention, a jet of supersonic gas flow (5) from the channel (4), Fig. 1, is directed to the output tip of the capillary (89), passing near the midpoint of the input diaphragm (8-9). The action of atoms (including metastably excited ones) and ions from the jet (5) on the outgoing meniscus (91) of the analyzed solution from the capillary (89) of the microchannel source (82) stimulates the formation of solution droplets and the evaporation of the solvent. In order to make fuller use of the energy of the jet (5) for these purposes, the capillary (89) is placed inside the cylindrical channel (84) so that there is some gap (210), Fig. 2, between the outer wall of the capillary (89) for some extent in front of the outlet end of the capillary and the inner wall of the channel (84). In the area close to the upstream side of the capillary (89), the gap (210) is filled with an impermeable binder material (211). The outlet of the channel (84) is designed so that the main part of the jet (5) falls into the gap (210). Upon encountering obstacles within the gap, the jet (5) is randomized, forming a diverging flow (209) with a middle direction close to the direction towards the jet (5), contributing to the exit and evaporation of the solution from the capillary.

Проведем необходимые оценки при просачивании водных растворов через канал диаметром 10μ, длиной 1.5 см. Средняя тепловая скорость молекул воды при комнатной температуре - Tr=293 K (k - постоянная Больцмана, MH2O - молекул воды) равна:We carry out the necessary estimates when filtering aqueous solutions through a channel with a diameter of 10 μm and a length of 1.5 cm. The average thermal velocity of water molecules at room temperature - T r = 293 K (k is the Boltzmann constant, M H2O - water molecules) is equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

Давление насыщенного пара воды при комнатной температуре - ~18 Торр, эквивалентная плотность - nsat, радиус канала r=0.5⋅10-3 см. Скорость испарения жидкости равна скорости конденсации в условиях равновесия:The pressure of saturated water vapor at room temperature is ~ 18 Torr, the equivalent density is n sat , the channel radius is r = 0.5⋅10 -3 cm. The rate of liquid evaporation is equal to the rate of condensation under equilibrium conditions:

Figure 00000002
- из канала 10μ диам. Поток газа в нашей системе при остаточном давлении в интерфейсе 10-4 Торр - 0,75 sccm ≈9,5 см3 Торр/с. Таким образом, поток паров воды из канала при комнатной температуре на ~2% увеличит остаточное давление в интерфейсе. Поток жидкости (масса в секунду, Ландау Гидродинамика, стр. 82) через канал радиуса r и длины L при перепаде давления Δр (~2.4⋅104 дн/см2 для давления насыщенных паров воды при комнатной температуре 18 Торр) и динамической вязкости v=0.01 см2/с для воды (Ландау стр. 74):
Figure 00000002
- from the channel 10μ diam. The gas flow in our system at a residual pressure in the interface of 10 -4 Torr is 0.75 sccm ≈9.5 cm 3 Torr / s. Thus, the flow of water vapor from the channel at room temperature by ~ 2% will increase the residual pressure in the interface. Fluid flow (mass per second, Landau Hydrodynamics, p. 82) through a channel of radius r and length L with a pressure drop Δр (~ 2.4⋅10 4 days / cm 2 for saturated water vapor pressure at room temperature 18 Torr) and dynamic viscosity v = 0.01 cm 2 / s for water (Landau p. 74):

Figure 00000003
Figure 00000003

1 см3 Торр/с для водяного пара при комнатной температуре в массовой шкале соответствует -

Figure 00000004
. Скорость истечения в объемных единицах (пара) будет Q≈0.04 см3 Торр/с.1 cm 3 Torr / s for water vapor at room temperature in the mass scale corresponds to -
Figure 00000004
. The flow rate in volume units (steam) will be Q≈0.04 cm 3 Torr / s.

Таким образом, для канала с диаметром 10μ и длиной 1.5 см скорость испарения при комнатной температуре в ~5 раз больше скорости истечения воды при перепаде давления 18 Торр. Увеличить скорость истечения раствора из канала (89) можно увеличением давления в напускной камере (83) микроканального источника, например, подогревая (85) камеру (83). При 50°С в камере (83) давление насыщенного пара воды будет более 92 Торр, и скорость истечения превысит скорость испарения при комнатной температуре мениска раствора при его минимальной площади. При атмосферном давлении в камере (83) поток жидкости по газовому эквиваленту будет около 1.7 см3/с или не более 18% от газового потока в 0.75sccm. Таким образом, истечение раствора при атмосферном давлении в напускной камере с газовым потоком около 0.6sccm обеспечат приемлемый уровень остаточного давления около 10-4 Торр.Thus, for a channel with a diameter of 10 μ and a length of 1.5 cm, the evaporation rate at room temperature is ~ 5 times higher than the rate of water outflow at a pressure drop of 18 Torr. It is possible to increase the rate of solution outflow from the channel (89) by increasing the pressure in the inlet chamber (83) of the microchannel source, for example, by heating the chamber (83) (85). At 50 ° С in chamber (83), the pressure of saturated water vapor will be more than 92 Torr, and the outflow rate will exceed the evaporation rate at room temperature of the meniscus of the solution with its minimum area. At atmospheric pressure in chamber (83), the fluid flow by gas equivalent will be about 1.7 cm 3 / s or not more than 18% of the gas flow at 0.75 sccm. Thus, the outflow of the solution at atmospheric pressure in the inlet chamber with a gas flow of about 0.6sccm will provide an acceptable level of residual pressure of about 10 -4 Torr.

Если 100% газового потока «работает» на подогрев раствора в канале (89), то при исходной температуре газа около 100° Цельсия энергии газовых атомов хватит с примерно 6-ти кратным запасом, чтобы поддерживать испарение воды из канала при комнатной температуре. Запас становится почти двадцатикратным для испарения при температуре, несколько большей 0°С. Таким образом, замерзание раствора в канале вряд ли возможно.If 100% of the gas flow “works” to heat the solution in the channel (89), then at the initial gas temperature of about 100 ° Celsius the energy of gas atoms will be enough with about 6-fold supply to maintain the evaporation of water from the channel at room temperature. The stock becomes almost twenty times for evaporation at a temperature slightly higher than 0 ° C. Thus, freezing of the solution in the channel is hardly possible.

Кроме упомянутого выше подогрева (85) конструкция капиллярного ионного источника предполагает, что напускная камера (83) закрывается, например, резиновой прокладкой (87). Жидкая проба вводится через эту прокладку шприцем (88). Кроме варианта подогрева (85) возможны еще три режима работы капиллярного ионного источника. В первом случае шприц (88), содержащий в достаточном объеме анализируемую жидкую пробу оставляется на все время измерений, и жидкость из этого шприца под действием атмосферного давления на поршень шприца поступает внутрь камеры (83) источника, поддерживая в ней постоянный объем и состав анализируемого образца. Во втором режиме работы с помощью шприца (88) заводится некоторый фиксированный объем жидкой пробы, шприц с жидкостью удаляется и вставляется шприц, содержащий инертную газовую среду. Этот «газовый» шприц оставляется на все время измерений, и он поддерживает постоянное (около атмосферного) давление газовой среды над жидкой пробой, позволяя ей расходоваться просачиванием через капилляр (89). Последний вариант работы состоит в том, что после ввода фиксированного объема жидкой пробы, как во втором режиме, вместо «газового» шприца вставляется шприц (88), содержащий буферный раствор с рН, значительно отличающимся от начального рН раствора в камере (83). Если контролировать ионный состав анализируемого раствора (методика и аппаратура для этого известны - http://www.shelfscientific.com/cgi-bin/tame/newlaz/microionn-m82.tam?ofr=16544039), то можно регистрировать распределения многозарядных ионов биомолекул в этих меняющихся и известных условиях. Проводим декомпозицию получаемых многомерных зарядовых распределений (при наличии в растворе нескольких носителей заряда в растворе, которые могут удерживаться биомолекулами) по описанной нами методике [33]. Далее устанавливаем адекватность изменений вероятностей определяемых вероятностей удерживания носителей заряда отдельными ионогенными группами биомолекулы равновесным процессам в растворе. В случаях соответствия равновесным соотношениям для таких групп могут быть определены соответствующие константы равновесия удерживания различных носителей заряда, которые являются специфичными для тех или иных конформаций исследуемых биомолекул в растворе. Тем самым они могут быть использованы для характеризации таких форм в анализируемых смесях. Здесь проблемой может быть скорость установления допустимой однородности состава по всему объему раствора и соответствия измеряемых концентраций носителей заряда тем, которые реально определяют процессы замещения этих носителей для тех или иных ионогенных групп исследуемых биомолекул.In addition to the aforementioned heating (85), the design of the capillary ion source suggests that the inlet chamber (83) is closed, for example, with a rubber gasket (87). A liquid sample is injected through this gasket using a syringe (88). In addition to the heating option (85), three more modes of operation of a capillary ion source are possible. In the first case, the syringe (88), containing a sufficient volume of the analyzed liquid sample, is left for the entire time of measurement, and the liquid from this syringe under the influence of atmospheric pressure on the syringe piston enters the chamber (83) of the source, maintaining a constant volume and composition of the analyzed sample in it . In the second mode of operation, a fixed volume of the liquid sample is started using the syringe (88), the syringe with the liquid is removed, and the syringe containing the inert gas medium is inserted. This “gas” syringe is left for the entire time of measurement, and it maintains a constant (near atmospheric) pressure of the gaseous medium above the liquid sample, allowing it to dissipate by seepage through the capillary (89). The last option is that after entering a fixed volume of the liquid sample, as in the second mode, instead of a “gas” syringe, a syringe (88) is inserted containing a buffer solution with a pH significantly different from the initial pH of the solution in the chamber (83). If you control the ionic composition of the analyzed solution (the methods and equipment for this are known - http://www.shelfscientific.com/cgi-bin/tame/newlaz/microionn-m82.tam?ofr=16544039), then you can record the distribution of multiply charged ions of biomolecules in these changing and well-known conditions. We carry out the decomposition of the obtained multidimensional charge distributions (in the presence of several charge carriers in the solution that can be retained by biomolecules) according to the technique described by us [33]. Next, we establish the adequacy of the changes in the probabilities of the determined probabilities of carrier retention by individual ionogenic groups of the biomolecule to the equilibrium processes in solution. In cases of correspondence to equilibrium relations for such groups, the corresponding equilibrium holding constants of various charge carriers can be determined that are specific for particular conformations of the studied biomolecules in solution. Thus, they can be used to characterize such forms in the analyzed mixtures. Here, the problem may be the rate of establishing the acceptable uniformity of the composition over the entire volume of the solution and the correspondence of the measured concentrations of charge carriers to those that actually determine the replacement processes of these carriers for certain ionic groups of the studied biomolecules.

Заряженные капли и кластерные ионы, выходящие из капилляра (89) под действием фокусирующего радиочастотного входят в зону накопленных ионов (206) буферного газа из сверхзвуковой струи (5). Под действием достаточно энергичных столкновений с этими ионами (их измеренная температура может быть около 6000 K - Рис. 6) происходит дальнейшее испарение капель и декластеризация ионов. Под действием объемного заряда ионов (206) и потока (5) недоиспарившиеся капли и кластерные ионы переходят во вторую половину квадруполя (10). Радиочастотное квадрупольное напряжение здесь установлено таким, чтобы ионы буферного газа из первой половины квадруполя теряли устойчивость движения и гибли на стержнях квадруполя. В этом случае более тяжелые аналитические ионы (304), Рис. 3, фокусируются к оси квадруполя, и своим объемным зарядом выталкивают недоиспаривщиеся капли (308) с большими m/z на более удаленные от оси квадруполя орбиты. Подвергаясь более сильному отталкиванию поля (39) выходной диафрагмы (19) эти капли (12) будут сохраняться внутри квадруполя достаточное время, нагреваясь воздействием радиочастотного напряжения квадруполя и столкновениями с ионами и атомами остаточного газа, чтобы экстрагировать аналитические ионы (20), которые будут в конечном итоге поступать через диафрагму (19) и систему фокусирующих электродов (17) в виде пакета регистрируемых ионов (70) в систему транспортировки и регистрации орто-ВПМС.Charged droplets and cluster ions emerging from the capillary (89) under the action of a focusing radio-frequency energy enter the zone of accumulated ions (206) of the buffer gas from a supersonic jet (5). Under the influence of sufficiently energetic collisions with these ions (their measured temperature can be around 6000 K - Fig. 6), further evaporation of the droplets and declustering of the ions occur. Under the action of the space charge of ions (206) and flow (5), under-evaporated droplets and cluster ions pass into the second half of the quadrupole (10). The radio-frequency quadrupole voltage here is set so that the buffer gas ions from the first half of the quadrupole lose their motion stability and die on the rods of the quadrupole. In this case, heavier analytical ions (304), Fig. 3, they are focused towards the axis of the quadrupole, and their volume charge eject the under-evaporating droplets (308) with large m / z into orbits more distant from the axis of the quadrupole. Subjected to stronger repulsion of the field (39) of the output diaphragm (19), these droplets (12) will remain inside the quadrupole for a sufficient time, being heated by the action of the radio frequency voltage of the quadrupole and collisions with ions and residual gas atoms to extract analytical ions (20) that will ultimately enter through the diaphragm (19) and the system of focusing electrodes (17) in the form of a packet of registered ions (70) into the transport and registration system of the ortho-VPMS.

Газодинамический интерфейс, схематически и показанный на Рис. 1, в основных частях близок к варианту, приведенному в заявке [28]. Отличительным моментом от этой заявки является то, что газовый поток (1) уже не содержит напускаемых через вентиль (53) анализируемых соединений. В этом случае в камере (2) при пониженном по сравнению с атмосферным давлении образуется смесь инертных газов (Не, Ne, Ar, Kr, Хе) в близких концентрациях, чтобы в источнике электронной ионизации (6) изменением энергии электронов иметь возможность получать разнообразные ионы и метастабильные атомы упомянутых инертных газов. Переход от одной энергии электронов к другой для интервала, специфичного для данного целевого соединения, может позволить выделить ионы, образованные из этого соединения. Нужная исходная температура этих газов поддерживается пропусканием тока через обмотку (3). Подогрев только входного кончика канала (4) достаточен для обеспечения повышенной кинетической энергии атомов струи (5), т.к. формирование этой струи происходит на сравнительно небольшом удалении от начала канала. Для диаметра канала около 0,2 мм для наших измерений [24] это расстояние не превышает 4 мм, далее атомы газа зеркально отражаются от стенок канала, практически не обмениваясь с ними энергией.The gas-dynamic interface, schematically and shown in Fig. 1, in the main parts is close to the option given in the application [28]. A distinctive point from this application is that the gas stream (1) already does not contain the analyzed compounds that are blown through the valve (53). In this case, a mixture of inert gases (He, Ne, Ar, Kr, Xe) is formed in chamber (2) at a lower pressure than atmospheric pressure (He, Ne, Ar, Kr, Xe) in close concentrations so that in the electron ionization source (6) it is possible to obtain various ions by changing the electron energy and metastable atoms of said inert gases. The transition from one electron energy to another for an interval specific to a given target compound may allow the release of ions formed from this compound. The desired initial temperature of these gases is maintained by passing current through the winding (3). Heating only the input tip of the channel (4) is sufficient to provide increased kinetic energy of the atoms of the jet (5), because the formation of this jet occurs at a relatively small distance from the beginning of the channel. For the channel diameter of about 0.2 mm for our measurements [24], this distance does not exceed 4 mm, then the gas atoms are mirrored from the channel walls, practically not exchanging energy with them.

Такое поведение газового потока подтверждается нашими измерениями, приведенными на Рис. 4. Измерения проводились для смеси газов при содержании 2% циклогексана в гелии для интерфейса со смещенной газовой струей, показанной на схеме справа (404). На графике справа вверху показаны зависимости ионных токов молекулярных ионов циклогексана с m/z=84-(401) и его фрагментарных ионов с m/z=69-(402) и с m/z=56-(403) от радиочастотного напряжения при отсутствии нагрева кончика канала (3), начальная температура газа - 25°С. Распределение потенциала (405) продольного поля вдоль оси квадруполя показано на схеме справа. Осциллирующий характер полученных зависимостей обусловлен собственными колебаниями облаков ионов в фокусирующем радиочастотном поле квадруполя. Графики вверху слева демонстрируют зависимости тех же ионов при нагреве (3) кончика канала (4) до 100°С. Видно примерно двукратное падение начальных значений тока молекулярных ионов (406) и более, чем трехкратное увеличение тока ионов с m/z=56 (407), и относительно небольшое увеличение тока ионов с m/z=69 (408). Такое поведение можно объяснить уменьшением плотности газа в струе при нагреве и соответствующим ослаблением стабилизации молекулярных ионов и их увеличенным их распадом. Эти относительно малые ионы фокусируясь вокруг оси квадруполя будут расталкивать своим объемным зарядом молекулярные ионы на достаточно большое расстояние от оси квадруполя и приводить к их фрагментации и образованию новых фрагментных ионов. Т.е, процесс сам себя ускоряет и приводит к наблюдаемому значительному росту тока фрагментарных ионов. Если зависимости в верхней половине Рис. 4 были получены при относительно малом ионизирующем напряжении в 12В, то графики слева внизу (кривые (409) - m/z=84, (410) - m/z=56, (411) - m/z=69) демонстрируют дальнейшее значительное увеличение относительной интенсивности фрагментарных ионов при увеличении энергии ионизации до 40 эВ при сохранении нагрева кончика канала (4) до 100°С. Такое поведение подтверждает описанный механизм ускорения распада молекулярных ионов, поскольку увеличенная энергия ионизирующих электронов приводит к усилению начальной фрагментации, что делает еще более эффективным каскад описанных процессов. Наблюдаемое при этом примерно 4-х кратное превышение потока ионов с m/z=56 по сравнению с молекулярными ионами заметно отличается от их доли в 0.7 от тех же ионов с m/z=56 для масс-спектра из базы данных Национального института стандартов (412), полученного для энергии ионизации в 70 эВ.This behavior of the gas flow is confirmed by our measurements shown in Fig. 4. The measurements were carried out for a gas mixture with a content of 2% cyclohexane in helium for the interface with a displaced gas stream, shown in the diagram on the right (404). The graph in the upper right shows the dependences of the ion currents of the molecular ions of cyclohexane with m / z = 84- (401) and its fragmented ions with m / z = 69- (402) and with m / z = 56- (403) on the radio frequency voltage at lack of heating of the channel tip (3), the initial gas temperature is 25 ° C. The distribution of the potential (405) of the longitudinal field along the axis of the quadrupole is shown in the diagram on the right. The oscillatory nature of the obtained dependences is due to the natural vibrations of ion clouds in the focusing radio frequency field of the quadrupole. The graphs at the top left show the dependences of the same ions when heating (3) the tip of the channel (4) to 100 ° C. One can see an approximately twofold drop in the initial values of the molecular ion current (406) and a more than threefold increase in the ion current with m / z = 56 (407), and a relatively small increase in the ion current with m / z = 69 (408). This behavior can be explained by a decrease in the gas density in the jet upon heating and a corresponding weakening of the stabilization of molecular ions and their increased decay. These relatively small ions, focusing around the quadrupole axis, will push molecular ions with their space charge to a sufficiently large distance from the axis of the quadrupole and lead to their fragmentation and the formation of new fragment ions. That is, the process accelerates itself and leads to the observed significant increase in the current of fragmentary ions. If the dependencies in the upper half of Fig. 4 were obtained with a relatively small ionizing voltage of 12V, the graphs at the bottom left (curves (409) - m / z = 84, (410) - m / z = 56, (411) - m / z = 69) show a further significant an increase in the relative intensity of fragmentary ions with an increase in ionization energy to 40 eV while maintaining the heating of the channel tip (4) to 100 ° C. This behavior confirms the described mechanism for accelerating the decay of molecular ions, since the increased energy of ionizing electrons increases the initial fragmentation, which makes the cascade of the described processes even more effective. The observed approximately 4-fold excess of the ion flux with m / z = 56 compared to molecular ions differs noticeably from their fraction of 0.7 from the same ions with m / z = 56 for the mass spectrum from the database of the National Institute of Standards ( 412) obtained for an ionization energy of 70 eV.

Для адекватного функционирования всей системы величина газового потока (5)должна быть такова, чтобы плотность газового потока вблизи оси квадруполя при выходе из него была настолько малой, чтобы напуск (70) ионов с газом через скиммер (71) не приводил к недопустимому остаточному давлению внутри масс-анализатора. Поскольку газовый поток диффузно рассеивается (81) на скиммере (71) откачка (75) будет менее эффективной, чем для случая ортогонального вывода ионов [27]. Таким образом, при соосном сопряжении масс-анализатора с газодинамическим интерфейсом нужно использовать более мощную откачку, либо ограничиться напуском менее интенсивных газовых потоков, чтобы обеспечить работоспособность источника ионов (6). Нужно при этом учитывать и вклад потока из капилляра (89). Если при вводе водного раствора согласно проведенной выше оценки этот вклад не превышает 18% от максимально возможного потока (5) при атмосферном давлении внутри камеры (83), то для напуска газовых смесей оценка потока из капилляра (89) получается еще ниже (почти в три раза для потока аргона, как буферного газа).For the entire system to function properly, the gas flow (5) must be such that the density of the gas flow near the axis of the quadrupole when leaving it is so small that the inlet (70) of ions with gas through the skimmer (71) does not lead to an unacceptable residual pressure inside mass analyzer. Since the gas flow diffusely scatters (81) on the skimmer (71), pumping (75) will be less efficient than for the case of orthogonal ion removal [27]. Thus, when the mass analyzer is coaxially coupled with a gas-dynamic interface, it is necessary to use more powerful pumping, or confine oneself to the inlet of less intense gas flows to ensure the operability of the ion source (6). In this case, the contribution of the flow from the capillary must also be taken into account (89). If, when injecting an aqueous solution according to the above estimate, this contribution does not exceed 18% of the maximum possible flow (5) at atmospheric pressure inside the chamber (83), then for the inlet of gas mixtures the estimate of the flow from the capillary (89) is even lower (almost three times for argon flow as a buffer gas).

Оценку сверху ожидаемого газового потока из капилляра (89) можно получить на основе предложенной нами модели формирования сверхзвуковой струи [24] и проведенных измерений. В этой модели ключевую роль играет критическая скорость потока

Figure 00000005
, когда кинетическая энергия направленного движения его атомов становится равной половине исходной тепловой энергии этих атомов. Здесь и далее k - постоянная Больцмана, Т0 - исходная температура газа, М - масса атомов газа. Для аргона и комнатной температуры (293 K) эта скорость равна:An upper estimate of the expected gas flow from the capillary (89) can be obtained on the basis of our proposed model for the formation of a supersonic jet [24] and our measurements. In this model, the critical role is played by the critical flow rate.
Figure 00000005
when the kinetic energy of the directed motion of its atoms becomes equal to half the initial thermal energy of these atoms. Hereinafter, k is the Boltzmann constant, T 0 is the initial temperature of the gas, M is the mass of gas atoms. For argon and room temperature (293 K), this speed is equal to:

Figure 00000006
Figure 00000006

До достижения этой скорости зависимость плотности газа n в канале радиуса r от расстояния Z от начала канала при диффузном отражении атомов газа от его стенок в первом приближении определяется выражением (решение уравнения (1) в [24]):Before reaching this speed, the dependence of the gas density n in a channel of radius r on the distance Z from the channel beginning with diffuse reflection of gas atoms from its walls in a first approximation is determined by the expression (the solution of equation (1) in [24]):

Figure 00000007
Figure 00000007

где n0 - плотность газа на входе в канал, f=nVZ - плотность газового потока в канале, VZ - скорость газового потока. Для

Figure 00000008
Z(n) достигает максимального значения и далее начинает убывать, указывая на то, что упрощенная модель течения газа в канале, основанная на балансе импульсов атомов газа в тонком слое газового потока, перестает быть адекватной. Она не учитывает, например, вклад диффузии атомов газа, что принципиально важно вблизи критической точки. Введение диффузионного члена в уравнение газового потока (уравнение (3) в [24]) позволяет пройти критическую точку
Figure 00000009
, но требует для получения осмысленного результата фактического отсутствия или очень малого сопротивления потоку в оставшейся части канала. Это условие может быть удовлетворено, если доминирующим здесь станет зеркальное отражение атомов от стенок канала, что представляется вполне вероятным для очень малых углов столкновения атомов со стенкой (при относительно большой продольной скорости этих атомов). Для проведенных измерений с каналом с диаметром 0.215 мм и величине потока F=0,75 sccm плотность потока такова:where n 0 is the density of the gas at the entrance to the channel, f = nV Z is the density of the gas flow in the channel, V Z is the velocity of the gas flow. For
Figure 00000008
Z (n) reaches its maximum value and then begins to decrease, indicating that the simplified model of gas flow in the channel, based on the balance of momenta of gas atoms in a thin layer of a gas stream, ceases to be adequate. It does not take, for example, the contribution of the diffusion of gas atoms, which is fundamentally important near the critical point. The introduction of a diffusion term into the gas flow equation (equation (3) in [24]) allows one to pass the critical point
Figure 00000009
, but requires to obtain a meaningful result of the actual absence or very small resistance to flow in the remaining part of the channel. This condition can be satisfied if the mirror reflection of atoms from the channel walls becomes dominant here, which seems quite probable for very small angles of collision of atoms with the wall (at a relatively large longitudinal velocity of these atoms). For measurements with a channel with a diameter of 0.215 mm and a flux of F = 0.75 sccm, the flux density is as follows:

Figure 00000010
Figure 00000010

Расстояние до критической точки, исходя из (99), будет около 4 мм:The distance to the critical point, based on (99), will be about 4 mm:

Figure 00000011
Figure 00000011

Относительное сопротивление потоку газа при длине свободного пробега, сравнимой с радиусом канала, определяющееся в основном отношением площади боковой поверхности (с протяженностью около длины свободного пробега атомов газа) к площади поперечного сечения, обратно пропорционально этому радиусу. Поэтому плотность газового потока при данном начальном давлении будет примерно пропорциональна радиусу канала. Т.е. в рассматриваемом случае поток через канал с диаметром 10 мкм (пропорциональный кубу диаметра) при неизменном начальном давлении уменьшится примерно в 9940 раз по сравнению с каналом с диаметром около 0,215 мм. Увеличение начального давления до атмосферного в ~25 раз по сравнению с исходным (30 Торр) увеличит этот поток примерно квадратично в ~625 раз, т.е. фактор уменьшения потока для канала (∅10 мкм) составит около 16. Таким образом, для аргона величина потока через капилляр (89) при атмосферном давлении в камере (83) будет около 6% от потока 0.75 seem из канала (4) при условиях наших измерений. Для гелия из камеры (83), как показывают измерения, увеличение потока (по сравнению потоком аргона из канала (4)) будет примерно в 1.4 раза, т.е. это будет не более 9% от суммарного потока, что также вполне приемлемо. Квадратичная зависимость (902), Рис. 9, величины потока от начального давления была нами подтверждена экспериментальными измерениями для используемого в настоящее время в нашей системе канала формирования сверхзвуковой струи. Эти данные (901) указывают на то, что скорость потока при входе в канал в нашем случае пропорциональна начальному давлению. Поскольку плотность газа также пропорциональна давлению, то отсюда как раз и возникает квадратичная зависимость величины потока или плотности потока от давления. Таким образом, исходя из (99), расстояние до критической точки будет уменьшаться обратно пропорционально начальному давлению газа Качественно это понятно, так как ускорение газа вдоль канала, пропорциональное числу соударений атомов в объеме (или квадрату давления) и обратно пропорциональное плотности газа (массе ускоряющегося газа), будет в результате пропорционально давлению. Тем самым скорость потока будет достигать критического значения на расстоянии от начала канала обратно пропорциональном давлению. Если для нашего канала (∅215 мкм) критическая скорость достигалась на расстоянии около 3,6 мм от входа в канал, то для канала диаметром 10 мкм при давлении в ~25 раз большем, чем в исходном канале критическая длина будет около 0,14 мм. Таким образом, длина такого канала в 1.5 см будет более, чем достаточна для развития в нем сверхзвукового потока, если бы на выходе был вакуум. Наличие же некоторого давления на выходе капилляра может только уменьшить величину потока через него. Можно ожидать в нашем случае, что сверхзвуковой характер газового потока из капилляра (89) сохранится, несмотря на то что вблизи выходного конца капилляра (89) можно ожидать давления газов на уровне десятых долей Торр. Дело в том, для обеспечения в 16 раз меньшего потока из капилляра с площадью сечения в ~400 меньшей, чем для канала (4), плотность потока из капилляра (89) должна быть в ~25 раз больше, чем из канала (4). Если в последнем случае для потока 0.75 seem эта плотность соответствовала давлению газа при комнатной температуре ~0.6 Торр, то для капилляра (89) это будет 15 Торр. Такой поток почти не почувствует присутствия газа при давлении на уровне десятых долей Торр около конца капилляра (89). Лишь малая доля газа из потока (89) будет испытывать столкновения с атомами внешнего газа, и эта малая доля уйдет из потока.The relative resistance to gas flow with a mean free path comparable with the radius of the channel, which is determined mainly by the ratio of the lateral surface area (with a length of about the mean free path of gas atoms) to the cross-sectional area, is inversely proportional to this radius. Therefore, the density of the gas stream at a given initial pressure will be approximately proportional to the radius of the channel. Those. in the case under consideration, the flow through the channel with a diameter of 10 μm (proportional to the cube of the diameter) at a constant initial pressure will decrease by about 9940 times compared with the channel with a diameter of about 0.215 mm. An increase in the initial pressure to atmospheric pressure by a factor of ~ 25 compared with the initial pressure (30 Torr) will increase this flow approximately quadratically by ~ 625 times, i.e. the flux reduction factor for the channel (∅10 μm) will be about 16. Thus, for argon, the flow through the capillary (89) at atmospheric pressure in the chamber (83) will be about 6% of the 0.75 flow seem from channel (4) under the conditions of measurements. For helium from chamber (83), measurements show that the flux increase (compared to the argon flux from channel (4)) will be about 1.4 times, i.e. it will be no more than 9% of the total flow, which is also quite acceptable. Quadratic dependence (902), Fig. 9, the flow rate from the initial pressure was confirmed by us with experimental measurements for the supersonic jet formation channel currently used in our system. These data (901) indicate that the flow velocity at the entrance to the channel in our case is proportional to the initial pressure. Since the gas density is also proportional to pressure, this is precisely where the quadratic dependence of the flow value or flow density on pressure arises. Thus, based on (99), the distance to the critical point will decrease inversely with the initial gas pressure. This is qualitatively understandable, since the gas acceleration along the channel is proportional to the number of atomic collisions in the volume (or pressure squared) and inversely proportional to the gas density (the mass of the accelerating gas) will result in proportion to pressure. Thus, the flow velocity will reach a critical value at a distance from the channel beginning inversely proportional to the pressure. If for our channel (∅215 μm) the critical velocity was reached at a distance of about 3.6 mm from the entrance to the channel, then for a channel with a diameter of 10 μm and a pressure ~ 25 times greater than the critical channel, the critical length will be about 0.14 mm . Thus, the length of such a channel of 1.5 cm will be more than sufficient for the development of a supersonic flow in it if there were a vacuum at the outlet. The presence of some pressure at the outlet of the capillary can only reduce the magnitude of the flow through it. It can be expected in our case that the supersonic character of the gas flow from the capillary (89) will be preserved, despite the fact that near the outlet end of the capillary (89) one can expect gas pressure at the level of tenths of a Torr. The point is, to provide 16 times less flow from a capillary with a cross-sectional area of ~ 400 less than for channel (4), the flux density from capillary (89) should be ~ 25 times higher than from channel (4). If in the latter case for a 0.75 seem stream this density corresponded to a gas pressure at room temperature of ~ 0.6 Torr, then for capillary (89) it will be 15 Torr. Such a flow almost does not feel the presence of gas at a pressure of tenths of Torr near the end of the capillary (89). Only a small fraction of the gas from the stream (89) will experience collisions with atoms of the external gas, and this small fraction will leave the stream.

Таким образом, можно ожидать, что при той же скорости откачки давление остаточных газов в предлагаемой системе при атмосферном давлении в напускной камере ионного источника (83) будет близким, к тому, что имелось в существующем газодинамическом интерфейсе - около 10-4 Торр для начального давления в камере (2) ~30 Торр. Для этого надо немного уменьшить давление газа в этой камере: при напуске водного раствора это давление не должно превышать 25 Торр, а для газовой пробы оно может быть около 28 Торр. Как и в существующем интерфейсе конический скиммер (71) с входным отверстием с диаметром ~2 мм на оси квадруполя будет пропускать в масс-анализатор допустимый газовый поток, чтобы обеспечить в масс-анализаторе давление менее 10-7 Торр, если в интерфейсе при той же скорости откачки обеспечивается давление не хуже, чем 10-4 Торр. Регистрируемые ионы (20) при этом к концу квадруполя должны быть сконцентрированы в этой зоне около оси (38) и электрическими полями (31), (33) и (35) должны быть ускорены до энергии φ, а выпуклыми вверх распределениями потенциала (55) и (76) вдоль оси квадруполя, создающими фокусирующее распределение потенциала в плоскости, ортогональной оси, направлены внутрь скиммера (71). Эти поля создаются системой электродов (17). Величина потенциала φ (55) должна быть близка к оптимальной для регистрации на орто-ВПМС. Повышенная величина задерживающего потенциала (59) на выходной диафрагме (19), создающая поле (39), может задаваться для накопления ионов внутри квадруполя (10). Возбуждение нерезонансных осцилляций ионов (304) с частотой, значимо меньшей резонансной частоты выбранных ионов, позволяет ограничить диапазон m/z накапливаемых ионов. Отсечение ионов с относительно малыми m/z может быть проведено повышением величины радиочастотного напряжения (302), приводящего к потери устойчивости движения и гибели ионов с m/z, меньше заданного. Ионы с относительно большими m/z имеют большую амплитуду нерезонансных осцилляций по мере приближения к резонансу и будут эффективнее гибнуть за счет диффузии на стержнях квадруполя (301).Thus, it can be expected that at the same pumping rate, the pressure of the residual gases in the proposed system at atmospheric pressure in the inlet chamber of the ion source (83) will be close to that in the existing gasdynamic interface - about 10 -4 Torr for the initial pressure in the chamber (2) ~ 30 Torr. To do this, it is necessary to slightly reduce the gas pressure in this chamber: when injecting an aqueous solution, this pressure should not exceed 25 Torr, and for a gas sample it can be about 28 Torr. As in the existing interface, a conical skimmer (71) with an inlet with a diameter of ~ 2 mm on the axis of the quadrupole will pass an admissible gas flow into the mass analyzer to provide a pressure of less than 10 -7 Torr in the mass analyzer, if the interface has the same pumping speed is ensured by a pressure no worse than 10 -4 Torr. In this case, the recorded ions (20) at the end of the quadrupole should be concentrated in this zone near the axis (38) and the electric fields (31), (33) and (35) should be accelerated to the energy φ, and the potential distributions convex upward (55) and (76) along the axis of the quadrupole, creating a focusing distribution of the potential in the plane orthogonal to the axis, directed inward to the skimmer (71). These fields are created by an electrode system (17). The value of potential φ (55) should be close to optimal for registration with ortho-VPMS. The increased value of the holding potential (59) at the output diaphragm (19), which creates the field (39), can be set for the accumulation of ions inside the quadrupole (10). Excitation of nonresonant ion oscillations (304) with a frequency significantly lower than the resonant frequency of the selected ions allows us to limit the range m / z of the accumulated ions. Cutoff of ions with relatively small m / z can be carried out by increasing the radio frequency voltage (302), which leads to loss of stability of motion and the death of ions with m / z, less than the specified value. Ions with relatively large m / z have a large amplitude of nonresonant oscillations as they approach the resonance and will more effectively die due to diffusion on the rods of the quadrupole (301).

Ионный источник электронной ионизации (6) имеет катод (18) косвенного подогрева (22), который обеспечивает относительно небольшой разброс (на уровне 0,1 эВ) по управляемой энергии ионизирующих электронов, что позволяет с хорошей точностью задавать состав ионов и метастабильно-возбужденных атомов в газовом потоке и не допускать значительного образования ионов, наличие которых может приводить к гибели метастабильных атомов. Именно так могут быть интерпретированы данные, приведенные на Рис. 7.The ion source of electron ionization (6) has an indirect heating cathode (18) (22), which provides a relatively small spread (at the level of 0.1 eV) over the controlled energy of ionizing electrons, which allows one to set the composition of ions and metastable excited atoms with good accuracy in the gas stream and to prevent significant formation of ions, the presence of which can lead to the death of metastable atoms. This is how the data shown in Fig. 7.

Под действием электрических полей (28) и (29), направленных через входную диафрагму, состоящую из проводящих слоев (9) с непроводящими слоями (8) между ними, с круглым входным отверстием (48) ионы внутри газового потока и частично с его наружной стороны будут вводиться внутрь радиочастотного квадруполя (10). Созданием в первой половине квадруполя продольного электрического поля (13), направленного против потока (5) (противополя), поступление некоторых ионов во вторую половину квадруполя может быть прекращено. Прежде всего, это будут ионы, движущиеся вне газового потока, кинетическая энергия которых при входе в квадруполь не позволит преодолеть перепад напряжения в первой половине квадруполя (56)-(60), показанного на потенциальной кривой (57)-(27) газодинамического интерфейса, проведенной вблизи электродов, на которых заданы соответствующие потенциалы U.Under the action of electric fields (28) and (29) directed through an inlet diaphragm consisting of conductive layers (9) with non-conductive layers (8) between them, with a round inlet (48), ions are inside the gas stream and partially from its outside will be inserted inside the radio frequency quadrupole (10). By creating in the first half of the quadrupole a longitudinal electric field (13) directed against the flow (5) (counterfield), the flow of some ions into the second half of the quadrupole can be stopped. First of all, these will be ions moving outside the gas flow, the kinetic energy of which, when entering the quadrupole, will not allow overcoming the voltage drop in the first half of the quadrupole (56) - (60), shown on the potential curve (57) - (27) of the gas-dynamic interface, conducted near the electrodes on which the corresponding potentials U are given.

Ионы, движущиеся внутри газового потока (5), будут тормозиться не перепадом напряжения, а напряженностью электрического поля. Для того чтобы воспрепятствовать обратному выходу заторможенных ионов через входную диафрагму (9) создается на ней потенциальный барьер (61). Имеет смысл также, как в нашем патенте РФ [41], секционировать внутреннюю поверхность входной диафрагмы (9) квадруполя (в сечении А-А, Рис. 1) и приложить к соседним секциям (46)-(47) достаточное, но не слишком большое радиочастотное напряжение в противоположных фазах. Накопление ионов в существующем интерфейсе со смещенной сверхзвуковой струей было подтверждено наблюдением соответствующих релаксационных кривых [19]. Данные, приведенные здесь на Рис. 4, если иметь в виду приведенную выше их интерпретацию, так же подтверждают значительное накопление ионов в нашем интерфейсе и, более того, их существенный разогрев, приводящий к значительной фрагментации накопленных молекулярных ионов циклогексана.Ions moving inside the gas stream (5) will be inhibited not by the voltage drop, but by the electric field strength. In order to prevent the reverse exit of inhibited ions through the input diaphragm (9), a potential barrier is created on it (61). It also makes sense, as in our patent of the Russian Federation [41], to partition the inner surface of the entrance diaphragm (9) of the quadrupole (in section AA, Fig. 1) and apply sufficient but not too much to the adjacent sections (46) - (47) high radio frequency voltage in opposite phases. The accumulation of ions in the existing interface with a displaced supersonic jet was confirmed by observing the corresponding relaxation curves [19]. The data shown here in Fig. 4, if we take into account the above interpretation, they also confirm the significant accumulation of ions in our interface and, moreover, their significant heating, leading to a significant fragmentation of the accumulated molecular ions of cyclohexane.

Прямое подтверждение такой фрагментации демонстрируют данные, приведенные на Рис. 5. Эти данные были получены для смеси аргона с 2% циклогексана, пропущенной в виде сверхзвуковой газовой струи через ионный источник с энергией ионизирующих электронов 40 эВ, при радиочастотном напряжении в квадруполе 40 В, при котором только молекулярные ионы циклогексана с m/z=84 могли пройти через квадруполь. Тем не менее, кроме этих ионов регистрировались также фрагментарные ионы с m/z=56 и с m/z=69, которые могли образоваться после квадруполя из возбужденных или «нагретых» ионов с m/z=84. Степень дополнительного нагрева этих ионов или их дополнительная эффективная температура задавалась наложением нерезонансного осциллирующего напряжения с частотой 50 кГц (более чем вдвое ниже резонансной частоты для ионов с m/z=84) в двух направлениях: в направлении смещения газовой струи (вертикальные осцилляции) и в ортогональном направлении (горизонтальные осцилляции). Такое значительное смещение частоты от резонансной дает практически однозначное соответствие между амплитудой осциллирующего напряжения и амплитудой колебаний рассматриваемых ионов, независимо от частоты столкновений с атомами газа и другими ионами. В соответствии с нашей моделью нагрева ионов при их движении в газе под действием электрического поля [45] имеет место в этом случае однозначная связь между осциллирующим напряжением и дополнительной эффективной температурой молекулярных ионов циклогексана.Direct confirmation of such fragmentation is demonstrated by the data shown in Fig. 5. These data were obtained for a mixture of argon with 2% cyclohexane, passed as a supersonic gas jet through an ion source with an ionizing electron energy of 40 eV, at a radio frequency voltage of 40 V in a quadrupole, at which only molecular cyclohexane ions with m / z = 84 could go through the quadrupole. Nevertheless, in addition to these ions, fragmentary ions with m / z = 56 and m / z = 69 were also detected, which could form after a quadrupole from excited or “heated” ions with m / z = 84. The degree of additional heating of these ions or their additional effective temperature was set by applying a non-resonant oscillating voltage with a frequency of 50 kHz (more than half the resonance frequency for ions with m / z = 84) in two directions: in the direction of the gas jet displacement (vertical oscillations) and in orthogonal direction (horizontal oscillations). Such a significant shift of the frequency from the resonance gives an almost unambiguous correspondence between the amplitude of the oscillating voltage and the amplitude of the considered ions, regardless of the frequency of collisions with gas atoms and other ions. In accordance with our model of heating of ions during their motion in a gas under the action of an electric field [45], in this case there is an unambiguous relationship between the oscillating voltage and the additional effective temperature of the cyclohexane molecular ions.

Шкала этой температуры показана вверху графиков на Рис. 5. Кривая (501) демонстрирует убывание потока регистрируемых молекулярных ионов циклогексана с увеличением амплитуды осциллирующего напряжения для вертикальных осцилляций. Максимум этого напряжения соответствует амплитуде осцилляций этих ионов около 1 мм. Кривые (502) и (503) описывают поведение потоков (с увеличением в 20 раз) регистрируемых фрагментарных ионов с m/z=56 и с m/z=69. Эти кривые с хорошей точностью пропорциональны друг другу. Далее обе совокупности этих двух ионов анализируются суммарно. Суммарная кривая для них, нормированная на совпадение начальных значений с кривой (501) показана контурными окружностями (504). Отношение значений (504) и (501) показано на кривой (505). Близкие данные были получены в данном случае и для горизонтальных осцилляций. Кривая (506) представляет усредненные значения, аналогичные (505), для вертикальных и горизонтальных осцилляций. Видно заметное уменьшение шумовых осцилляций для кривой (506) по сравнению со значениями (505).The scale of this temperature is shown at the top of the graphs in Fig. 5. Curve (501) shows a decrease in the flux of detected molecular ions of cyclohexane with an increase in the amplitude of the oscillating voltage for vertical oscillations. The maximum of this voltage corresponds to the amplitude of oscillations of these ions of about 1 mm. Curves (502) and (503) describe the behavior of the flows (with a 20-fold increase) of the recorded fragmented ions with m / z = 56 and with m / z = 69. These curves are proportional to each other with good accuracy. Further, both sets of these two ions are analyzed in total. The total curve for them normalized to the coincidence of the initial values with the curve (501) is shown by contour circles (504). The ratio of the values (504) and (501) is shown on the curve (505). Close data were obtained in this case for horizontal oscillations. Curve (506) represents averaged values similar to (505) for vertical and horizontal oscillations. A noticeable decrease in noise oscillations is seen for curve (506) as compared with values (505).

Более корректно для кинетических расчетов использовать отношение потоков регистрируемых ионов с m/z=56 и с m/z=69 к полной сумме потоков всех трех рассматриваемых ионов с m/z=84, m/z=56 и m/z=69. Аррениусовская аппроксимация такого отношения от предполагаемой обратной абсолютной температуры молекулярных ионов циклогексана показана на Рис. 6 Величина постоянного вклада в такую температуру, оказавшегося около 6000К, была найдена из минимальности ошибки аппроксимации логарифмов зарегистрированных величин рассматриваемого отношения (601) линейной функцией (602). Величина получившейся энергии активации оказалась равной 1.33±0.04 эВ, а частотного фактора - (0.77±0.07)×104. Первая величина оказалась вполне разумной для процессов образования фрагментарных ионов: ⋅СН2СН2СН2СН2СН2СН2 +→СН2=СН2+⋅СН2СН2СН2СН2 +(m/z=56) и ⋅СН2СН2СН2СН2СН2СН2 +→⋅СН3+СН2=СНСН2СН2СН2 +(m/z=69). Вторая с приемлемой точностью соответствует числу соударений молекулярных ионов с атомами остаточных газов при давлении 10-4 Торр. Полученные результаты говорят о том, что накопленный ансамбль ионов достаточно сильно разогрет.Его базовая температура 6000К соответствует средней энергии ионов ~0.74 эВ. При осцилляциях с амплитудой колебаний около 1 мм температура ансамбля ионов возрастает до 8700 K, что соответствует средней энергии ионов около 1.07 эВ. Это означает, что капли анализируемого раствора в среде таких ионов будут приобретать избыточный заряд. Так чтобы зарядить каплю диаметром 10μ до 1 В нужно примерно 3⋅103 зарядов на ее поверхности.It is more correct for kinetic calculations to use the ratio of the fluxes of registered ions with m / z = 56 and with m / z = 69 to the total sum of fluxes of all three considered ions with m / z = 84, m / z = 56 and m / z = 69. The Arrhenius approximation of this ratio from the assumed inverse absolute temperature of the molecular ions of cyclohexane is shown in Fig. 6 The value of the constant contribution to such a temperature, which turned out to be about 6000 K, was found from the minimization of the approximation error of the logarithms of the recorded values of the ratio under consideration (601) by the linear function (602). The value of the resulting activation energy turned out to be 1.33 ± 0.04 eV, and the frequency factor - (0.77 ± 0.07) × 10 4 . The first value turned out to be quite reasonable for the processes of fragmentary ion formation: ⋅CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 + → СН2 = СН2 + ⋅CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 + (m / z = 56) and ⋅CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 + → ⋅CH 3 + CH 2 = CHCH 2 CH 2 CH 2 + (m / z = 69). The second corresponds with acceptable accuracy to the number of collisions of molecular ions with residual gas atoms at a pressure of 10 -4 Torr. The results obtained indicate that the accumulated ion ensemble is quite strongly heated; its basic temperature of 6000 K corresponds to an average ion energy of ~ 0.74 eV. In oscillations with an oscillation amplitude of about 1 mm, the temperature of the ion ensemble rises to 8700 K, which corresponds to an average ion energy of about 1.07 eV. This means that drops of the analyzed solution in the medium of such ions will acquire an excess charge. So, to charge a droplet with a diameter of 10μ to 1 V, approximately 3⋅10 3 charges are needed on its surface.

Рис. 7 демонстрирует данные, аналогичные показанным на Рис. 5, когда основным газом в сверхзвуковой струе вместо аргона является гелий. Если данные с аргоном были получены при энергии электронов (40 эВ) в источнике (6), превышающей энергию ионизации аргона (15.76 эВ), то в случае гелия энергия электронов (20 эВ) существенно меньше энергии ионизации гелия (24.59 эВ). В то же время энергии электронов 20 эВ достаточно для образования метастабильно возбужденных атомов гелия. В случае аргона не наблюдалось заметной разницы для наблюдаемых зависимостей ионных токов от осциллирующего напряжения при горизонтальных и вертикальных осцилляциях. Однако для гелия отношение токов молекулярных ионов циклогексана для вертикальных и горизонтальных осцилляций (705) имеет выраженный минимум при осцилляциях с амплитудой около 0.9 мм, что соответствует среднему удалению сверхзвуковой струи от оси квадруполя. Естественное объяснение этому - дополнительная гибель молекулярных ионов при их столкновениях с метастабильными атомами гелия в струе. В случае аргона, поскольку энергии электронов хватало на образование ионов аргона, эти ионы могли значительно уменьшить концентрацию метастабильных атомов аргона в струе за счет их гибели при поляризационном захвате этих атомов ионами аргона. Поэтому заметной дополнительной гибели молекулярных ионов циклогексана (701) на метастабильных атомах аргона нами в данном случае не наблюдалось. В случае гелия нормализованная суммарная кривая (704) для фрагментарных ионов циклогексана с m/z=56 (702) и с m/z=69 (703) не показывает в отличие от данных с аргоном растущего с осциллирующим напряжением отклонения от кривой (701). Такое поведение подтверждает, что для столкновений с атомами гелия увеличение эффективной температуры ионов при их осцилляциях существенно меньше, как и предсказывается нашей моделью [45], чем при столкновениях с атомами аргона. Возникает, однако, вопрос, почему не наблюдается значимого различия относительных интенсивностей фрагментарных ионов для потоков с гелием и аргоном при отсутствии вынужденных нерезонансных осцилляций. Возможное объяснение такого эффекта - это накопление достаточно большого ансамбля ионов, когда ион-ионные взаимодействия по своей значимости существенно превосходят ион-атомные столкновения. При включении осциллирующего напряжения, поскольку ансамбль накопленных ионов в данном случае - это однородный ансамбль молекулярных ионов циклогексана (остальные ионы с меньшими m/z гибнут на стержнях квадруполя при данном радиочастотном напряжении), то в соответствии теоремой о движении центра инерции этот ансамбль осциллирует как единое целое. Его дополнительная кинетическая энергия таких осцилляций преобразуется в дополнительную эффективную температуру именно при столкновении с атомами газа, а не ионов, так как относительная (нетепловая) скорость ионов при таких осцилляциях в среднем остается неизменной.Fig. 7 shows data similar to those shown in Fig. 5, when helium is the main gas in the supersonic jet instead of argon. If data with argon were obtained at an electron energy (40 eV) in the source (6) exceeding the argon ionization energy (15.76 eV), then in the case of helium the electron energy (20 eV) is significantly lower than the helium ionization energy (24.59 eV). At the same time, an electron energy of 20 eV is sufficient for the formation of metastable excited helium atoms. In the case of argon, no noticeable difference was observed for the observed dependences of the ion currents on the oscillating voltage for horizontal and vertical oscillations. However, for helium, the ratio of the currents of molecular cyclohexane ions for vertical and horizontal oscillations (705) has a pronounced minimum for oscillations with an amplitude of about 0.9 mm, which corresponds to the average distance of the supersonic stream from the axis of the quadrupole. A natural explanation for this is the additional loss of molecular ions in their collisions with metastable helium atoms in the jet. In the case of argon, since the electron energy was sufficient for the formation of argon ions, these ions could significantly reduce the concentration of metastable argon atoms in the jet due to their death during polarization capture of these atoms by argon ions. Therefore, a noticeable additional loss of molecular ions of cyclohexane (701) on metastable argon atoms was not observed in this case. In the case of helium, the normalized total curve (704) for fragmented cyclohexane ions with m / z = 56 (702) and with m / z = 69 (703) does not show deviations from the curve (701) growing with oscillating voltage, unlike the data with argon . This behavior confirms that for collisions with helium atoms, the increase in the effective temperature of ions during their oscillations is much less, as predicted by our model [45], than in collisions with argon atoms. However, the question arises of why there is no significant difference in the relative intensities of fragmentary ions for flows with helium and argon in the absence of forced nonresonant oscillations. A possible explanation for this effect is the accumulation of a sufficiently large ensemble of ions, when ion-ion interactions significantly exceed ion-atom collisions. When the oscillating voltage is turned on, since the ensemble of accumulated ions in this case is a homogeneous ensemble of molecular cyclohexane ions (the remaining ions with smaller m / z die on the quadrupole rods at a given radio frequency voltage), then in accordance with the theorem on the motion of the center of inertia, this ensemble oscillates as a single whole. Its additional kinetic energy of such oscillations is converted to an additional effective temperature precisely when it collides with gas atoms, not ions, since the relative (non-thermal) ion velocity during such oscillations remains unchanged on average.

Этот вывод о превалирующем влиянии ансамбля накопленных ионов буферного газа в рассматриваемых условиях на релаксационные процессы в том числе и анализируемых ионов является очень важным для настоящего изобретения. В этом случае для фокусировки таких ионов в квадруполе не нужно использование дополнительных струй сверхзвукового газового потока, кроме той, что направлена на выход капилляра (89). Это существенно упрощает всю конструкцию. Такой достаточно плотный ансамбль относительно малых ионов буферного газа позволяет ожидать достаточно высокую эффективность ионизации исследуемых соединениях в газовых смесях и при испарении таких соединений из жидкостей. Аналитические ионы, как правило, обладающие большими m/z, чем ионы буферного газа, будут выталкиваться объемным зарядом этих относительно малых ионов на достаточное удаление от оси квадруполя. Подвергаясь по этой причине, а также из-за увеличенного сечения столкновений большему ускорению от атомов газовой струи (5) аналитические ионы будут более эффективно выходить во вторую половину квадруполя (10) и далее регистрироваться в орто-ВПМС. Этому также будет способствовать увеличение радиочастотного напряжения во второй половине квадруполя до величины, приводящей к гибели в этой половине ионов буферного газа и наличию по этой причине массового потока ионов буферного газа из первой половины квадруполя во вторую. Такой поток вызовет перепад плотности объемного заряда ионов при переходе из первой половины квадруполя во вторую и возникновение соответствующего электрического поля, двигающего аналитические ионы на выход из квадруполя и фокусирующего эти ионы к оси квадруполя. Достаточно высокая эффективная температура ионов буферного газа в накопленном относительно плотном ансамбле будет также способствовать доиспарению и дроблению капель раствора, а также декластеризации многозарядных ионов биомолекул. Этим процессам могут также способствовать вынужденные осцилляции или вращения вокруг оси квадруполя ансамбля накопленных ионов буферного газа.This conclusion about the prevailing effect of the ensemble of accumulated buffer gas ions under the considered conditions on relaxation processes, including the analyzed ions, is very important for the present invention. In this case, the focusing of such ions in the quadrupole does not require the use of additional jets of a supersonic gas flow, except for that directed at the exit of the capillary (89). This greatly simplifies the entire structure. Such a fairly dense ensemble of relatively small buffer gas ions allows one to expect a rather high ionization efficiency of the studied compounds in gas mixtures and upon evaporation of such compounds from liquids. Analytical ions, as a rule, possessing larger m / z than the buffer gas ions, will be pushed out by the space charge of these relatively small ions to a sufficient distance from the axis of the quadrupole. Subjected for this reason, and also because of the increased collision cross section, to a greater acceleration from the atoms of the gas stream (5), analytical ions will more efficiently exit into the second half of the quadrupole (10) and then be registered in the ortho-VMS. This will also be facilitated by an increase in the radio frequency voltage in the second half of the quadrupole to a value leading to the death of buffer gas ions in this half and the presence for this reason of a mass flux of buffer gas ions from the first half of the quadrupole to the second. Such a flow will cause a difference in the density of the space charge of ions upon transition from the first half of the quadrupole to the second and the appearance of the corresponding electric field, which moves the analytical ions to exit the quadrupole and focuses these ions to the axis of the quadrupole. A sufficiently high effective temperature of the buffer gas ions in the accumulated relatively dense ensemble will also contribute to the evaporation and fragmentation of solution droplets, as well as the declustering of multiply charged ions of biomolecules. These processes can also be facilitated by forced oscillations or rotations around the axis of the quadrupole of the ensemble of accumulated buffer gas ions.

Регистрируемый сигнал для соединения определенного типа при постоянной скорости потока газа или жидкости через капилляр (89) без поступления извне этого соединения в камеру (83) и при сохранении постоянным общего объема и давления газа или жидкости в камере (83) будет экспоненциально затухать с некоторым характеристическим временем. Это будет иметь место, по крайней мере начиная с достаточно малых концентраций этого соединения, когда отсутствуют нелинейные эффекты адсорбции, и скорость истечения мала по сравнению со скоростью установления адсорбционного и диффузионного равновесия в камере (83). При наличии среди этих соединений таких, которые дают ионы с совпадающими значениями m/z (или неразличимыми для данного масс-анализатора) будет наблюдаться сумма экспоненциально затухающих кривых с различными, вообще говоря, характеристическими временами. Если такую суммарную кривую разделить на экспоненциальные составляющие, то они будут соответствовать ионам для различных соединений.The recorded signal for a certain type of connection at a constant gas or liquid flow rate through the capillary (89) without external connection of this compound to the chamber (83) and while keeping the total volume and pressure of the gas or liquid in the chamber (83) constant will decay exponentially with some characteristic time. This will take place, at least starting from sufficiently low concentrations of this compound, when there are no nonlinear adsorption effects, and the outflow rate is low compared to the rate of establishment of adsorption and diffusion equilibrium in the chamber (83). If among these compounds there are those that produce ions with coinciding m / z values (or indistinguishable for a given mass analyzer), a sum of exponentially decaying curves with different, generally speaking, characteristic times will be observed. If such a total curve is divided into exponential components, then they will correspond to ions for various compounds.

Нужно иметь в виду, что для каждого типа соединений, как правило, будет регистрироваться целый спектр ионов, обусловленных их взаимодействием с ионами и с метастабильно возбужденными частицами основных компонент газового потока. Релаксационные кривые для фрагментарных ионов, выходящих вместе с молекулярными ионами соединений некоторого типа, будут экспонентами с тем же характеристическим временем, что и для молекулярного иона. Для нескольких типов соединений эти кривые будут комбинироваться, например, так, как показано на Рис. 8. Уникальные фрагментарные ионы разного происхождения (800) и (803) спадают по своим экспонентам (801) и (804) соответственно. Фрагментарные ионы (805), имеющие вклады, происходящие от обоих типов молекулярных ионов, включают две экспоненты в свою релаксационную кривую. В этом случае возможно использование многомерных методов разделения совокупности релаксационных кривых, описанных, например, в наших патентах РФ [25,26] и в [32]. Отстоящие по времени измерения на постоянный интервал Δt (802) интенсивности пиков масс-спектра Jk(t+Δt) записываются в виде произведения матрицы перехода Akl на вектор предыдущих интенсивностей Jk(t) - уравнение (807):It must be borne in mind that for each type of compound, as a rule, a whole spectrum of ions will be recorded, due to their interaction with ions and metastable excited particles of the main components of the gas stream. The relaxation curves for fragmented ions leaving together with molecular ions of compounds of a certain type will be exponentials with the same characteristic time as for a molecular ion. For several types of joints, these curves will be combined, for example, as shown in Fig. 8. Unique fragmentary ions of different origin (800) and (803) fall in their exhibitors (801) and (804), respectively. Fragmented ions (805), having contributions originating from both types of molecular ions, include two exponentials in their relaxation curve. In this case, it is possible to use multidimensional methods for separating the set of relaxation curves described, for example, in our patents in the Russian Federation [25,26] and in [32]. Time-spaced measurements for a constant interval Δt (802) of the peak intensity of the mass spectrum J k (t + Δt) are written as the product of the transition matrix A kl by the vector of previous intensities J k (t) - equation (807):

Figure 00000012
Figure 00000012

Здесь l и k нумеруют измеряемые масс-спектральные пики (полное число - n).Here l and k number the measured mass spectral peaks (the total number is n).

Матричные элементы матрицы перехода могут быть вычислены по методу наименьших квадратов из условия наилучшего в среднеквадратичном выполнения равенства (807) для всех моментов измерения. Для этого число зарегистрированных масс-спектров (моментов измерения) должно быть не меньше числа пиков масс-спектра (n). Решением проблемы собственных значений (809) для матрицы перехода находятся собственные векторы

Figure 00000013
и собственные числа:The matrix elements of the transition matrix can be calculated using the least squares method from the condition of the best in the mean-square fulfillment of equality (807) for all moments of measurement. For this, the number of recorded mass spectra (measurement times) should be no less than the number of peaks of the mass spectrum (n). By solving the eigenvalue problem (809) for the transition matrix, eigenvectors are found
Figure 00000013
and eigenvalues:

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

Собственные векторы

Figure 00000013
описывают распределения интенсивностей ионов или масс-спектры для каждого исходного соединения, которому соответствует собственное число (808), являющееся экспоненциальным фактором затухания числа этих ионов. После того, как масс-спектры исходных соединений и экспоненциальные факторы затухания или релаксации соответствующих сигналов, могут быть вычислены вклады масс-спектров во всех зарегистрированных отсчетах общего масс-спектра в последовательные равноотстоящие моменты времени решением соответствующих систем линейных алгебраических уравнений, исходя из требования минимума среднеквадратичной ошибки приближения. Таким образом, могут быть получены масс-спектры для каждого исходного соединения и их вклады в общий масс-спектр, как в случае их полного разделения перед измерениями. Эти оценки могут быть протестированы и уточнены путем проведения соответствующих калибровочных экспериментов.Custom vectors
Figure 00000013
describe the distribution of ion intensities or mass spectra for each initial compound, which corresponds to an eigenvalue (808), which is an exponential decay factor of the number of these ions. After the mass spectra of the starting compounds and the exponential decay or relaxation factors of the corresponding signals, the contributions of the mass spectra in all recorded samples of the total mass spectrum to successive equally spaced time instants can be calculated by solving the corresponding systems of linear algebraic equations based on the requirement of a minimum mean square approximation errors. Thus, mass spectra can be obtained for each starting compound and their contributions to the total mass spectrum, as in the case of their complete separation before measurements. These estimates can be tested and refined by conducting appropriate calibration experiments.

Для эффективного использования описанного подхода в реальных аналитических измерениях нужно, чтобы характеристические времена затухания регистрируемых сигналов были в диапазоне, удобном для измерений. При анализе газовых смесей проведенная выше оценка скорости истечения из капилляра (89) при атмосферном давлении в камере (83) составляла для аргона около 45 мм3/мин, а для гелия примерно 67 мм3/мин. Для объема камеры (83) около 46 мм3 характеристическое время истечения неадсорбирующегося соединения с достаточно большим коэффициентом диффузии будет для аргона около 1 мин, а для гелия около 41 с. Если увеличения этого времени, связанные с адсорбцией и диффузией не превысят 1 мин, то это будет вполне удобно для измерений.To effectively use the described approach in real analytical measurements, it is necessary that the characteristic decay times of the recorded signals be in a range convenient for measurements. In the analysis of gas mixtures, the above estimate of the rate of discharge from the capillary (89) at atmospheric pressure in the chamber (83) was about 45 mm 3 / min for argon and about 67 mm 3 / min for helium. For a chamber volume (83) of about 46 mm 3, the characteristic expiration time of a non-adsorbed compound with a sufficiently large diffusion coefficient will be about 1 min for argon and about 41 s for helium. If the increase in this time associated with adsorption and diffusion does not exceed 1 min, then it will be quite convenient for measurements.

Хотя для жидкости скорость истечения из капилляра (89), пересчитанная в газовый объем, оказалась более, чем вдвое больше, чем для газа, эффективный объем камеры (83) оказался в этом случае слишком большим (для жидкости он примерно в 1000 раз больше, чем для газа). Таким образом, при полном заполнении камеры (83) жидкостью ожидаемое характеристическое время истечения анализируемого соединения примерно в 500 раз превысит это время для газа. Выход из этого проиллюстрирован на Рис. 2а. Если объем анализируемой жидкости (214) уменьшить раз в 50 до ~1 мм3, то соответствующее характеристическое время будет около 10 мин, что менее удобно, чем 1 мин, но тоже приемлемо. Для поддержания постоянным этого объема шприц (88), содержащий буферный раствор, вставляется через резиновую крышку (87) в камеру (83) так, чтобы его игла (212) входила в объем (214). Поршень (213) шприца (88) открыт для атмосферы в комнате, и если атмосферное давление в комнате во время измерений можно считать постоянным, то объем (214) практически не будет меняться. Неизменной также остается поверхность камеры (83), доступная для адсорбции из жидкости и из газовой фазы анализируемых соединений, что должно приводить к неизменному вкладу адсорбционных и диффузионных процессов в характеристические времена релаксации соответствующих сигналов. Следствием этого будет применимость описанного подхода анализа многомерных релаксирующих данных и для этого случая.Although for a liquid the velocity of outflow from the capillary (89), recalculated into the gas volume, turned out to be more than twice as much as for gas, the effective volume of the chamber (83) turned out to be too large in this case (for liquid it is approximately 1000 times greater for gas). Thus, when the chamber (83) is completely filled with liquid, the expected characteristic expiration time of the analyte is approximately 500 times higher than for gas. The way out of this is illustrated in Fig. 2a. If the volume of the analyzed liquid (214) is reduced by a factor of 50 to ~ 1 mm 3 , then the corresponding characteristic time will be about 10 minutes, which is less convenient than 1 minute, but also acceptable. To keep this volume constant, a syringe (88) containing a buffer solution is inserted through the rubber cover (87) into the chamber (83) so that its needle (212) enters the volume (214). The piston (213) of the syringe (88) is open to the atmosphere in the room, and if the atmospheric pressure in the room during measurements can be considered constant, the volume (214) will practically not change. The chamber surface (83), which is accessible for adsorption from the liquid and from the gas phase of the analyzed compounds, remains unchanged, which should lead to the constant contribution of adsorption and diffusion processes to the characteristic relaxation times of the corresponding signals. The consequence of this will be the applicability of the described approach to the analysis of multidimensional relaxing data for this case.

Для того чтобы привести адсорбционные и диффузионные вклады анализируемых соединений в измеряемые характеристические времена к удобному диапазону можно использовать нагрев (85) камеры (83). Для каждого целевого соединения существует своя оптимальная температура или диапазон температур, наиболее подходящие для определения этого соединения. Когда примерно половина молекул этого соединения стационарно находится в объеме камеры (83), а вторая половина адсорбирована на ее стенках, характеристическое время истечения этого соединения удваивается по сравнению со случаем отсутствия адсорбции, если скорость диффузии много больше скорости истечения. При существенно более низких температурах, это характеристическое время становится слишком большим, а квазистационарная концентрация рассматриваемого соединения в камере (83) сильно уменьшается, также значительно снижаются регистрируемые ионные токи для этого соединения. При высоких температурах вклад адсорбции в характеристическое время истечения исчезает. Величина этого вклада, как было показано нами для случая эффузиометрических измерений [29] экспоненциально зависит от энергии адсорбции рассматриваемого соединения, деленной на температуру поверхности. Т.е. эта величина может быть существенно различной для разных соединений.In order to bring the adsorption and diffusion contributions of the analyzed compounds to the measured characteristic times to a convenient range, heating (85) of the chamber (83) can be used. Each target compound has its own optimum temperature or temperature range that is most suitable for determining this compound. When approximately half of the molecules of this compound are stationary in the chamber volume (83), and the second half is adsorbed on its walls, the characteristic expiration time of this compound doubles compared to the case of the absence of adsorption if the diffusion rate is much higher than the expiration rate. At significantly lower temperatures, this characteristic time becomes too long, and the quasistationary concentration of the compound in question in the chamber (83) is greatly reduced, and the recorded ion currents for this compound are also significantly reduced. At high temperatures, the contribution of adsorption to the characteristic expiration time disappears. The value of this contribution, as was shown by us for the case of effusiometric measurements [29], depends exponentially on the adsorption energy of the compound in question divided by the surface temperature. Those. this value can be significantly different for different compounds.

При скачкообразном увеличении мощности нагрева (85) выход температуры в камере (83) на новый стационарный уровень занимает некоторое время, в течение которого регистрируемые ионные токи будут возрастать и после прохождения максимальных значений будут релаксировать к 0 с характеристическими временами, специфичными для различных соединений. Также специфичными для каждого соединения могут быть скорость начального нарастания, локализация и величины максимумов соответствующих ионных токов. Если для данного целевого соединения подобные измерения были проведены заранее, то возникает возможность выявления присутствия и оценки относительной концентрации этого соединения в анализируемой смеси на основе разработанного нами ранее метода селективной цифровой фильтрации [30].With an abrupt increase in the heating power (85), it takes some time for the temperature in the chamber (83) to reach a new stationary level, during which the recorded ion currents will increase and, after passing the maximum values, will relax to 0 with characteristic times specific for different compounds. Also specific for each compound may be the initial growth rate, localization, and maximum values of the corresponding ion currents. If similar measurements were carried out in advance for a given target compound, then it becomes possible to detect the presence and estimate the relative concentration of this compound in the analyzed mixture based on the previously developed method of selective digital filtering [30].

Селективная цифровая фильтрация включает в себя следующие шаги. После регистрации описанного массива ионных токов по всем пикам масс-спектра с выбранными значениями μ=m/z, строится линейный цифровой фильтр Fμ с единичной суммой квадратов коэффициентов фильтра

Figure 00000016
, максимально подавляющий в среднем наборы ионных токов Gμk в этом двумерном массиве со всеми номерами k при заданном подавлении масс-спектра целевого соединения Jμ. Т.е. решается задача на условный экстремум - найти такие Fμ, которые дают минимально возможное значение дляSelective digital filtering includes the following steps. After registering the described array of ion currents over all peaks of the mass spectrum with the selected values μ = m / z, a linear digital filter F μ is constructed with a single sum of squares of the filter coefficients
Figure 00000016
, which suppresses on average the sets of ion currents G μk on average in this two-dimensional array with all numbers k for a given suppression of the mass spectrum of the target compound J μ . Those. the conditional extremum problem is solved - to find those F μ that give the minimum possible value for

Figure 00000017
Figure 00000017

где Ftrans - прозрачность фильтра, показывающая степень ослабления результирующего сигнала для анализируемого масс-спектра по сравнению с суммой интенсивностей всех используемых его линий. Эта величина является ключевой для количественной оценки относительной доли определяемого компонента в анализируемой смеси.where F trans is the transparency of the filter, showing the degree of attenuation of the resulting signal for the analyzed mass spectrum compared to the sum of the intensities of all its lines. This value is key to quantifying the relative share of the determined component in the analyzed mixture.

Сформулированная задача может быть решена минимизацией соответствующей функции Лагранжа:The formulated problem can be solved by minimizing the corresponding Lagrange function:

Figure 00000018
Figure 00000018

Величины параметров λ и η могут быть затем найдены при использовании выражений для соответствующих условий (813). После приравнивания 0 первых производных по значениям Fμ функции (814) получаем следующую систему линейных алгебраических уравнений:The values of the parameters λ and η can then be found using expressions for the corresponding conditions (813). After equating the 0 first derivatives with respect to the values F μ of function (814), we obtain the following system of linear algebraic equations:

Figure 00000019
Figure 00000019

где

Figure 00000020
, Feff=1/λ, θ=-η/λ. Величина Feff может быть названа эффективностью фильтра, так как она связана со способностью фильтра подавить компоненты Gμk (для Feff=0 величины Fμ=θJμ не зависят от набора Gμk). Величина θ может быть найдена из условия
Figure 00000021
Where
Figure 00000020
, F eff = 1 / λ, θ = -η / λ. The value of F eff can be called the filter efficiency, since it is related to the filter’s ability to suppress the components G μk (for F eff = 0, the values F μ = θJ μ do not depend on the set G μk ). The value of θ can be found from the condition
Figure 00000021

Значение Feff также могло бы быть найдено при заданной величине Ftrans из последнего условия (813). Однако проще использовать фильтры с различными значениями Feff и выбрать тот, который дает приемлемый результат, и использовать полученное из последнего равенства (813) значение Ftrans для количественной оценки относительной доли искомого вещества в анализируемой смеси.The value of F eff could also be found for a given value of F trans from the last condition (813). However, it is easier to use filters with different values of F eff and choose one that gives an acceptable result, and use the F trans value obtained from the last equality (813) to quantify the relative fraction of the desired substance in the analyzed mixture.

В качестве оптимального фильтра можно взять тот, который обеспечивает получение максимального отношения сигнал/шум для максимального квадрата значения после фильтрации, принимая за шумовой уровень средний квадрат значений после фильтрации в массиве при удалении от локализации указанного максимального квадрата значения, большем заданного расстояния. Критериями обнаружения целевого соединения являются близкая к ожидаемой локализация максимального квадрата значения после фильтрации и достигнутый уровень отношения сигнал/шум для него. Количественные параметры этих критериев и оценки относительного содержания целевого соединения в анализируемой смеси вырабатываются на основе анализа калибровочных смесей известного состава, содержащих соответствующие целевые соединения. Это касается средних значений локализаций и их дисперсий для максимального значения квадрата отклика цифрового фильтра на зарегистрированные и преобразованные описанным выше способом данные для калибровочных смесей. Также определяются уровни отношения описанного отношения сигнал/шум, соответствующие определенным концентрациям целевых соединений в калибровочных смесях и строятся соответствующие калибровочные кривые.As an optimal filter, one can take one that provides the maximum signal-to-noise ratio for the maximum square of the value after filtering, taking the average square of the values after filtering in the array as the noise level while moving away from the localization of the specified maximum square of the value greater than the specified distance. The criteria for the detection of the target compound are close to the expected localization of the maximum squared value after filtering and the achieved signal-to-noise ratio for it. Quantitative parameters of these criteria and estimates of the relative content of the target compound in the analyzed mixture are generated based on the analysis of calibration mixtures of known composition containing the corresponding target compounds. This concerns the average values of localizations and their dispersions for the maximum value of the square of the response of the digital filter to the data recorded and transformed as described above for calibration mixtures. Also determined are the levels of the ratio of the described signal-to-noise ratio corresponding to certain concentrations of the target compounds in the calibration mixtures and the corresponding calibration curves are constructed.

При анализе ионных примесей в полярных жидкостях, в частности ионов биомолекул в водных растворах, возможна реализация следующих, проиллюстрированных на Рис. 2, способов предварительного разделения анализируемых компонент. Если на дне камеры (83) создать проводящий слой (86), изолированный от внешней оболочки (82) камеры (83) изолятором (90) и подать на него некоторое достаточно большое напряжение, например, отрицательное по отношению к оболочке (82), то между этой оболочкой и слоем (86) возникнет электрическое поле (200). Это поле будет сдвигать положительные ионы (203) к области входа в капилляр (89), а отрицательные (204) - к внешней оболочке (82). Часть положительных ионов будет под действием потока жидкости (201) даже заходить внутрь капилляра (89). Далее однако они не продвинутся, так как на них внутри капилляра будет действовать поле (202) противоположной направленности, т.к. потенциал слоя (86) существенно меньше потенциала в области облака накопленных ионов (206). Последний потенциал положительный и обычно не превышает 10 В. Только в среднем нейтральные частицы (208) будут свободно проникать внутрь капилляра (89) и далее с потоком жидкости выводиться в зону формирования анализируемых ионов (207). Для биомолекул это будет означать, что регистрируются только те из них, чья изоэлектрическая точка близка к рН раствора. Шприц (88), изображенный на Рис. 2, содержит некоторый буферный раствор, который под действием атмосферного давления на поршень (213), вытекает внутрь камеры (83). В результате постепенно изменяется рН раствора, и внутрь капилляра (89) будут поступать новые биомолекулы с соответствующей изоэлектрической точкой. Тем самым достигается разделение биомолекул по их изоэлектрическим точкам.When analyzing ionic impurities in polar liquids, in particular, biomolecule ions in aqueous solutions, the following, illustrated in Fig. 2, methods for preliminary separation of the analyzed components. If at the bottom of the chamber (83) to create a conductive layer (86), isolated from the outer shell (82) of the chamber (83) by an insulator (90) and apply some fairly high voltage to it, for example, negative with respect to the shell (82), then an electric field (200) will arise between this shell and the layer (86). This field will shift positive ions (203) to the region of entry into the capillary (89), and negative (204) to the outer shell (82). Part of the positive ions will even enter the capillary (89) under the influence of a liquid flow (201). Further, however, they will not advance, since a field (202) of the opposite direction will act on them inside the capillary, because the potential of layer (86) is significantly lower than the potential in the region of the cloud of accumulated ions (206). The latter potential is positive and usually does not exceed 10 V. Only on average, neutral particles (208) will freely penetrate into the capillary (89) and then be discharged into the zone of formation of the analyzed ions (207) with a stream of liquid. For biomolecules, this will mean that only those are registered whose isoelectric point is close to the pH of the solution. The syringe (88) shown in Fig. 2, contains some buffer solution, which, under the influence of atmospheric pressure on the piston (213), flows into the chamber (83). As a result, the pH of the solution gradually changes, and new biomolecules with the corresponding isoelectric point will enter the capillary (89). Thus, the separation of biomolecules by their isoelectric points is achieved.

При изменении полярности напряжения, приложенного к слою (86) часть ионов (203), которые были заведены потоком жидкости (201) внутрь капилляра (89) начнут движение вдоль капилляра. В соответствии с их подвижностью эти ионы поочередно будут выходить из капилляра (89) в виде более или менее разделенных пакетов. Обычно для достижения наибольшей разрешенности подобных спектров подвижности требуется создание электрических полей возможно большей напряженности, что приводит к достаточно коротким временам выхода пиков такого спектра. В этом случае естественным ограничением является быстродействие масс-анализатора. Для используемого нами времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов обычное время регистрации одного масс-спектра с диапазоном m/z до 1000 составляет 100 μс. Для приемлемого описания формы пиков спектра подвижности нужно около 10 масс-спектров на каждый такой пик. Т.е. длительность такого пика должна быть около 1 мс, что накладывает ограничение на величину напряженности электрического поля (202). Если нет других ограничений, то эта длительность определяет максимальную разрешенность таких спектров подвижности. Ожидаемое время выхода всех ионов из капилляра (89), включая ионы с нулевой подвижностью определяется скоростью истечения раствора из капилляра (89) и его длиной, которая в нашей системе около 1.5 см. При скорости истечения для атмосферного давления в камере (83) около 2.5 см/с, что соответствует полученной выше оценке объемной скорости потока водного раствора ~0.15 мм3/мин из капилляра диаметром 10μ при атмосферном давлении в камере (83), это время будет около 600 мс. Это означает, в данном случае максимальное ожидаемое разрешение будет в районе 600, что является достаточно высоким разрешением по подвижности ионов.When the polarity of the voltage applied to the layer (86) changes, some of the ions (203), which were introduced by the fluid flow (201) into the capillary (89), begin to move along the capillary. In accordance with their mobility, these ions will alternately leave the capillary (89) in the form of more or less separated packets. Usually, in order to achieve the highest resolution of such mobility spectra, it is necessary to create electric fields of the greatest possible intensity, which leads to sufficiently short exit times for the peaks of such a spectrum. In this case, the natural limitation is the speed of the mass analyzer. For our time-of-flight mass spectrometer with orthogonal ion injection, the usual time of recording one mass spectrum with a range of m / z up to 1000 is 100 μs. An acceptable description of the shape of the peaks of the mobility spectrum requires about 10 mass spectra for each such peak. Those. the duration of such a peak should be about 1 ms, which imposes a limitation on the magnitude of the electric field strength (202). If there are no other restrictions, then this duration determines the maximum resolution of such mobility spectra. The expected exit time of all ions from the capillary (89), including ions with zero mobility, is determined by the rate of outflow of the solution from the capillary (89) and its length, which is about 1.5 cm in our system. At the outflow rate for atmospheric pressure in the chamber (83), about 2.5 cm / s, which corresponds to the above estimate of the volumetric flow rate of an aqueous solution of ~ 0.15 mm 3 / min from a capillary with a diameter of 10 μ at atmospheric pressure in the chamber (83), this time will be about 600 ms. This means, in this case, the maximum expected resolution will be around 600, which is a fairly high resolution in ion mobility.

Понятно, что для получения приемлемых спектров подвижности требуется их многократное накопление, например, в течение 600 с (10 мин), чтобы было накоплено по 1000 масс-спектров для каждой точки спектра подвижности. В течение этого времени условия в растворе не должны заметно измениться. Для этого достаточно, например, через шприц (88) подавать не буферный раствор, а сам анализируемый раствор, либо для поддержания постоянной скорости истечения раствора из капилляра (89) из шприца (88) подавать в камеру (83) некоторый инертный газ. Реализовать такое накопление можно, переключая с периодом 600 мс полярность напряжения на слое (89). В этом случае поочередно будут регистрироваться «одиночные» спектры подвижности положительных и отрицательных ионов, которые должны отдельно накапливаться, давая два финальных спектра подвижности положительных и отрицательных ионов. Общее время накопления этих двух спектров подвижности в описанных условиях будет 20 мин.It is clear that to obtain acceptable mobility spectra, their multiple accumulation is required, for example, for 600 s (10 min), so that 1000 mass spectra for each point of the mobility spectrum are accumulated. During this time, the conditions in the solution should not noticeably change. For this, it is enough, for example, to supply the analyzed solution rather than the buffer solution through the syringe (88), or to maintain a constant rate of the solution flowing out of the capillary (89) from the syringe (88) into the chamber (83) to supply some inert gas. Such accumulation can be realized by switching the polarity of the voltage across the layer with a period of 600 ms (89). In this case, the “single” mobility spectra of positive and negative ions will be recorded alternately, which must be separately accumulated, giving two final mobility spectra of positive and negative ions. The total accumulation time of these two mobility spectra under the described conditions will be 20 min.

Такие спектры могут быть зарегистрированы для различных значений рН раствора и/или концентраций, например, ионов натрия, добавлением в раствор в камере (83) соответствующих буферных растворов. После установления постоянных значений датчиков рН (214) и концентрации ионов натрия (215) запускается описанная выше процедура получения спектров подвижности. Вся эта последовательность действий повторяется желаемое число раз до получения некоторой совокупности серий масс-спектров, зарегистрированных для выбранных интервалов значений рН и/или концентраций ионов натрия в растворе. Выбираем в каждой серии масс-спектров, те совокупности масс-спектров, которые могут относиться к интересующим биомолекулам, например, те, которые соответствуют их молекулярным массам с учетом возможного протонирования или депротонирования, вхождения в их состав катионов (ионов натрия) и анионов (ионы хлора, брома и т.д.). Выбор типа катионов и анионов зависит от той соли, что была использована при приготовлении буферного раствора. Суммируем масс-спектры, соответствующие разрешенным пикам спектров подвижности по соответствующим масс-спектральным пикам.Such spectra can be recorded for various pH values of the solution and / or concentrations, for example, sodium ions, by adding appropriate buffer solutions to the solution in the chamber (83). After establishing constant values of the pH sensors (214) and the concentration of sodium ions (215), the above procedure for obtaining mobility spectra is started. All this sequence of actions is repeated the desired number of times until a certain set of series of mass spectra is recorded for the selected ranges of pH values and / or concentrations of sodium ions in solution. In each series of mass spectra, we select those sets of mass spectra that can relate to biomolecules of interest, for example, those that correspond to their molecular masses, taking into account possible protonation or deprotonation, the inclusion of cations (sodium ions) and anions (ions chlorine, bromine, etc.). The choice of the type of cations and anions depends on the salt that was used in the preparation of the buffer solution. We summarize the mass spectra corresponding to the allowed peaks of the mobility spectra for the corresponding mass spectral peaks.

Для каждого из таких суммарных масс-спектров, составляющих распределение по числам удерживаемых носителей заряда запускаем процедуру декомпозиции таких многомерных зарядовых распределений [33]. В соответствии с критерием, сформулированным в [46], находим сайты и соответственные масс-спектры для каждой пары значений рН и концентраций ионов натрия, для которых найденные относительные вероятности удерживания протона и иона натрия наиболее хорошо описываются равновесными значениями для некоторого отношения соответствующих констант равновесия. Представляется, что совокупность таких отношений, наряду с изоэлектрической точкой соответствующей биомолекулы может быть принята за характеристику структуры этой биомолекулы в растворе и может быть использована для идентификации ее изоформ в биологических жидкостях. Это предположение, конечно, требует проведения соответствующих экспериментальных исследований и сопоставления с данными других методов.For each of these total mass spectra that make up the distribution of the numbers of charge carriers held in, we start the decomposition of such multidimensional charge distributions [33]. In accordance with the criterion formulated in [46], we find sites and corresponding mass spectra for each pair of pH values and concentrations of sodium ions, for which the found relative probabilities of proton and sodium ion retention are best described by equilibrium values for some ratio of the corresponding equilibrium constants. It seems that the totality of such relations, along with the isoelectric point of the corresponding biomolecule, can be taken as a characteristic of the structure of this biomolecule in solution and can be used to identify its isoforms in biological fluids. This assumption, of course, requires appropriate experimental studies and comparison with the data of other methods.

При проведении описанных выше измерений при создании достаточно сильных электрических полей в камере (83) при наличии открытых металлических электродов могут происходить процессы электролиза, приводящие к травлению материала этих электродов, изменению состава анализируемого раствора и к превращению самих анализируемых компонент. Для предотвращения всех этих процессов, могущих иметь нежелательные последствия для проводимых анализов, возможно покрытие упомянутых электродов тонкой диэлектрической пленкой. Методика такого покрытия была разработана ранее при участии одного из авторов настоящего изобретения и использовалась для решения разнообразных технологических задач [47].During the measurements described above, when sufficiently strong electric fields are created in the chamber (83) in the presence of open metal electrodes, electrolysis processes can occur that lead to etching of the material of these electrodes, to a change in the composition of the analyzed solution, and to the transformation of the analyzed components themselves. To prevent all of these processes, which may have undesirable consequences for the analyzes, it is possible to coat the said electrodes with a thin dielectric film. The technique of such a coating was developed previously with the participation of one of the authors of the present invention and was used to solve a variety of technological problems [47].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫBIBLIOGRAPHY

1. Додонов А.Ф., Чернушевич И.В., Додонова Т.Ф., Разников В.В., Тальрозе В.Л. Способ масс-спектрометрического анализа по времени пролета непрерывного пучка ионов Авторское Свидетельство №.1681340 с приоритетом от 25.02.87. Бюл. изобр. N36, 30.09.91.1. Dodonov A.F., Chernushevich I.V., Dodonova T.F., Raznikov V.V., Talroze V.L. The method of mass spectrometric analysis by time of flight of a continuous ion beam Copyright Certificate No. 1681340 with a priority of 02.25.87. Bull. fig. N36, 09.30.91.

2. Dodonov A., Loboda A. Kozlovski V., Raznikov V., Soulimenkov I., Tolmachev A., Zhen Z., Horwath Т., Wollnik H. High Resolution electrospray ionization orthogonal-injection time-of-flight mass spectrometer European Journal of Mass Spectrometry, 6, 481-490, 2000.2. Dodonov A., Loboda A. Kozlovski V., Raznikov V., Soulimenkov I., Tolmachev A., Zhen Z., Horwath T., Wollnik H. High Resolution electrospray ionization orthogonal-injection time-of-flight mass spectrometer European Journal of Mass Spectrometry, 6, 481-490, 2000.

3. Shevchenko A., Chernushevich I., Ens W., Standing K.G., Thomson В., Wilm M., and Mann M., Rapid Commun. Mass Spectrom., 11, 1015-1024 (1997).3. Shevchenko A., Chernushevich I., Ens W., Standing K. G., Thomson B., Wilm M., and Mann M., Rapid Commun. Mass Spectrom., 11, 1015-1024 (1997).

4. Morris H.R., Paxton T., Dell Α., Langhorn В., Berg M., Bordoli R.S., Hoyes J. and Bateman R.H. High sensitivity collisionally -activated decomposition tandem mass spectrometry on a novel quadrupole /orthogonal-acceleration time-of-flight mass spectrometer. Rapid Commun. Mass Spectrom., 10, 889-896 (1996).4. Morris H.R., Paxton T., Dell Α., Langhorn B., Berg M., Bordoli R.S., Hoyes J. and Bateman R.H. High sensitivity collisionally -activated decomposition tandem mass spectrometry on a novel quadrupole / orthogonal-acceleration time-of-flight mass spectrometer. Rapid Commun. Mass Spectrom., 10, 889-896 (1996).

5. Chernushevich I.V., Ens W., Standing K.G. Orthogonal injection TOFMS for analysis of biomolecules. Anal.Chem.News & Features Julyl, 1999, 453 A-461 A.5. Chernushevich I.V., Ens W., Standing K.G. Orthogonal injection TOFMS for analysis of biomolecules. Anal.Chem.News & Features Julyl, 1999, 453 A-461 A.

6. Мюллер E.B., Цонг T.T. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. М.: Наука, 1980, 220 с.6. Muller E.B., Tsong T.T. Field ion microscopy, field ionization and field evaporation. M .: Nauka, 1980, 220 p.

7. Мюллер Э.В., Цонг Т.Т. Автоионная микроскопия (принципы и применение). М.: Металлургия, 1972. 360 с.7. Muller E.V., Tsong T.T. Autoion microscopy (principles and application). M .: Metallurgy, 1972.360 s.

8. Iribarne J.V., Thomson В.Α. // J. Chem. Phys. 1976. V. 64, No 6, P. 2287-2294.8. Iribarne J.V., Thomson B.Α. // J. Chem. Phys. 1976.V. 64, No. 6, P. 2287-2294.

9. Labowsky M., Fenn J.B., de la Mora J.F. // Anal. Chem. Acta. 2000. V. 406. P. 105-118.9. Labowsky M., Fenn J.B., de la Mora J.F. // Anal. Chem. Acta. 2000. V. 406. P. 105-118.

10. Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse CM. // Science. 1989. V. 246. No 4926. P. 64-71.10. Fenn J.B., Mann M., Meng C.K., Wong S.F., Whitehouse CM. // Science. 1989. V. 246.No. 4926. P. 64-71.

11.

Figure 00000022
F.W., Bramer-Weger E.,
Figure 00000023
L. // J. Phys. Colloques 1987. V. 48 (C6). P. 253-256.eleven.
Figure 00000022
FW, Bramer-Weger E.,
Figure 00000023
L. // J. Phys. Colloques 1987. V. 48 (C6). P. 253-256.

12. Kebarle P., Peschke M. // Anal. Chem. Acta. 2000. V. 406. P. 11-35.12. Kebarle P., Peschke M. // Anal. Chem. Acta. 2000. V. 406. P. 11-35.

13. Nguyen S., Fenn J.B. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2007. V. 104 / P. 1111-1117.13. Nguyen S., Fenn J.B. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007. V. 104 / P. 1111-1117.

14. Wilm M. // Mol. Cell.& Proteomics. 2011: M111.009407.14. Wilm M. // Mol. Cell. & Proteomics. 2011: M111.009407.

15. Balakin Α.Α., Dodonov A.F., Novikova L.I., Talrose V.L. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2001. V. 15. No. 5. P. 489-495.15. Balakin Α.Α., Dodonov A.F., Novikova L.I., Talrose V.L. // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2001. V. 15. No. 5. P. 489-495.

16. B.S. Yakovlev, V.L. Talrose, C. Fencelau. Membrane ion source for mass spectrometry. Anal. Chem, 1994, 66, 1704-1707.16. B.S. Yakovlev, V.L. Talrose, C. Fencelau. Membrane ion source for mass spectrometry. Anal. Chem, 1994, 66, 1704-1707.

17. Б.С. Яковлев. Использование трековых мембран для транспорта ионов из жидкости в газовую фазу. Химия высоких энергий, 1995, 29, 421-422).17. B.S. Yakovlev. The use of track membranes for the transport of ions from a liquid to a gas phase. High Energy Chemistry, 1995, 29, 421-422).

18. А.А. Балакин, Е.А. Буйдо, С.Г. Хидиров. Способ транспорта ионов из полярной жидкости в вакуум и устройство для его осуществления. Патент РФ №2537961 от 14 ноября 2014 г. Опубл. 10.01.2015. Бюл. №1.18. A.A. Balakin, E.A. Buido, S.G. Khidirov. A method of transporting ions from a polar liquid into a vacuum and a device for its implementation. RF patent No. 2537961 dated November 14, 2014. Publ. 01/10/2015. Bull. No. 1.

19. В.В. Разников, В.В. Зеленов, Е.В. Апарина, И.В. Сулименков, А.Р. Пихтелев, М.О. Разникова, Г.Н. Савенков. Способ анализа примесей в жидкостях при их просачивании через трековую мембрану с формированием и транспортировкой анализируемых ионов через радиочастотную линейную ловушку в масс-анализатор при воздействии сверхзвукового газового потока с возможным содержанием в нем метастабильно возбужденных атомов. Заявка на патент РФ №2015110662 от 26.03.2015 (прототип).19. V.V. Raznikov, V.V. Zelenov, E.V. Aparina, I.V. Sulimenkov, A.R. Pikhtelev, M.O. Raznikova, G.N. Savenkov. A method for analyzing impurities in liquids when they seep through a track membrane with the formation and transportation of the analyzed ions through a radio-frequency linear trap to a mass analyzer when exposed to a supersonic gas stream with a possible content of metastable excited atoms in it. Application for a patent of the Russian Federation No. 2015110662 dated 03/26/2015 (prototype).

20. Douglas D.J., French J.B. Collisional focussing effects in radio frequency quadrupoles J. Am. Soc. Mass Spectrom. 3, 398-408 (1992).20. Douglas D.J., French J.B. Collisional focussing effects in radio frequency quadrupoles J. Am. Soc. Mass Spectrom. 3, 398-408 (1992).

21. Morris H.R., Paxton T., Panico M., McDowel R. and Dell Α., J. Prot. Chem. 16, 469-479(1997).21. Morris H. R., Paxton T., Panico M., McDowel R. and Dell Α., J. Prot. Chem. 16, 469-479 (1997).

22. Tolmachev A.V., Chernushevich I.V., Dodonov A.F., Standing K.G., Nucl. Instrum. Methods Phys. Rev., В124, 112 (1997).22. Tolmachev A.V., Chernushevich I.V., Dodonov A.F., Standing K.G., Nucl. Instrum. Methods Phys. Rev. B124 112 (1997).

23. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Механика, Наука, Москва, 1965, c. 119-121.23. Landau L.D., Lifshitz E.M. Mechanics, Science, Moscow, 1965, p. 119-121.

24. V.V. Raznikov, V.V. Zelenov New way to build a high-performance gas-dynamic interface to produce and transport ions into a mass analyzer. International Journal of Mass Spectrometry V. 325-327 (2012) 86-94.24. V.V. Raznikov, V.V. Zelenov New way to build a high-performance gas-dynamic interface to produce and transport ions into a mass analyzer. International Journal of Mass Spectrometry V. 325-327 (2012) 86-94.

25. В.В. Разников, В.В. Зеленов, Е.В. Апарина, М.О. Разникова, А.Р. Пихтелев, И.В. Сулименков, А.В. Чудинов, Г.Н. Савенков, Л.А. Тихомиров. Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений на основе масс-спектрометрического и кинетического разделения ионов этих соединений. Патент РФ №2402099 с приоритетом от 14.07.2009 г. Выдан 20.10.2010 г.25. V.V. Raznikov, V.V. Zelenov, E.V. Aparina, M.O. Raznikova, A.R. Pikhtelev, I.V. Sulimenkov, A.V. Chudinov, G.N. Savenkov, L.A. Tikhomirov. The method of structural-chemical analysis of organic and bioorganic compounds based on mass spectrometric and kinetic separation of ions of these compounds. RF patent No. 2402099 with priority dated July 14, 2009; issued on October 20, 2010

26. В.В. Разников, В.В. Зеленов, М.О. Разникова, А.Р. Пихтелев, И.В. Сулименков Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений при разделении ионов этих соединений в сверхзвуковом газовом потоке, направленном вдоль линейной радиочастотной ловушки. Патент РФ №2420826 от 10.06.2011 (аналог).26. V.V. Raznikov, V.V. Zelenov, M.O. Raznikova, A.R. Pikhtelev, I.V. Sulimenkov. A method of structural-chemical analysis of organic and bioorganic compounds in the separation of ions of these compounds in a supersonic gas stream directed along a linear radio-frequency trap. RF patent No. 2420826 from 06/10/2011 (analogue).

27. В.В. Разников, В.В. Зеленов, А.В. Апарина, М.О. Разникова, А.Р. Пихтелев, И.В. Сулименков, А.В. Чудинов. Способ разделения ионов органических и биоорганических соединений в сверхзвуковом газовом потоке, предварительной регистрации и транспортировки этих ионов в последующий масс-анализатор. Патент РФ №2474916 от 10.02.2013.27. V.V. Raznikov, V.V. Zelenov, A.V. Aparina, M.O. Raznikova, A.R. Pikhtelev, I.V. Sulimenkov, A.V. Chudinov. The method of separation of ions of organic and bioorganic compounds in a supersonic gas stream, pre-registration and transportation of these ions to a subsequent mass analyzer. RF patent No. 2474916 dated 02/10/2013.

28. В.В. Разников, В.В. Зеленов, Чудинов А.В., И.В. Сулименков, А.Р. Пихтелев, М.О. Разникова, Савенков Г.Н. Способ анализа примесей в газовых смесях при их напуске в виде внеосевого сверхзвукового газового потока через источник электронной ионизации и радиочастотный квадруполь с последующим выводом ионов в масс-анализатор. Заявка 2014132341, 06 августа 2014 г.28. V.V. Raznikov, V.V. Zelenov, Chudinov A.V., I.V. Sulimenkov, A.R. Pikhtelev, M.O. Raznikova, Savenkov G.N. A method for analyzing impurities in gas mixtures during their inlet in the form of an off-axis supersonic gas stream through an electron ionization source and a radio frequency quadrupole with subsequent removal of ions to a mass analyzer. Application 2014132341, August 6, 2014

29. Разников В.В., Разникова М.О. Информационно-аналитическая масс-спектрометрия "Наука", М., 1992 г.29. Raznikov VV, Raznikova M.O. Information-analytical mass spectrometry "Science", M., 1992

30. Разников В.В., Пихтелев А.Р., Разникова М.О., Лобода А.В. Новые подходы к преобразованию и анализу масс-спектрометрической и хромато-масс-спектрометрической информации. Известия Академии Наук, Энергетика, N1, 1997, сс. 87-106.30. Raznikov V.V., Pikhtelev A.R., Raznikova M.O., Loboda A.V. New approaches to the conversion and analysis of mass spectrometric and chromato-mass spectrometric information. Proceedings of the Academy of Sciences, Energy, N1, 1997, ss. 87-106.

31. Разников В.В., Пихтелев А.Р., Разникова М.О. Анализ не полностью разрешенных масс-спектрометрических данных. Масс-спектрометрия 3(2), 2006, стр. 113-130.31. Raznikov V.V., Pikhtelev A.R., Raznikova M.O. Analysis of incompletely resolved mass spectrometric data. Mass Spectrometry 3 (2), 2006, pp. 113-130.

32. Разников В.В., Додонов А.Ф., Егоров В.А., Разникова М.О. Масс-эффузиометрический метод анализа газовых смесей. Всесоюзное науч.-техн. совещание «Разработка и применение специализированных масс-спектрометрических установок», Москва, 1983, Тезисы докладов, с. 100-101.32. Raznikov V.V., Dodonov A.F., Egorov V.A., Raznikova M.O. Mass-effusiometric method for the analysis of gas mixtures. All-Union Scientific and Technical meeting "Development and application of specialized mass spectrometric installations", Moscow, 1983, Abstracts, p. 100-101.

33. В.В. Разников, М.О. Разникова. Декомпозиция многомерных зарядовых распределений ионов биоорганических соединений при ионизации электрораспылением. Часть 1. Теоретические основы и реализация метода. Масс-спектрометрия, 2013, т. 10 (3), стр. 175-182.33. V.V. Raznikov, M.O. Raznikova. Decomposition of multidimensional charge distributions of ions of bioorganic compounds during electrospray ionization. Part 1. Theoretical foundations and implementation of the method. Mass Spectrometry, 2013, v. 10 (3), pp. 175-182.

34. Козловский В.И., Сулименков И.В., Брусов B.C., Зеленов В.В. Способ масс-спектрометрического анализа газовой пробы в тлеющем разряде и устройство для его осуществления. Патент РФ №2529009 от 30.07.2014 г (аналог).34. Kozlovsky V.I., Sulimenkov I.V., Brusov B.C., Zelenov V.V. Method for mass spectrometric analysis of a gas sample in a glow discharge and a device for its implementation. RF patent No. 2529009 dated July 30, 2014 (analogue).

35. Wells G.J. United States Patent 7,353,965 B2, April 1, 2008. Rotating excitation field in linear ion processing apparatus (аналог).35. Wells G.J. United States Patent 7,353,965 B2, April 1, 2008. Rotating excitation field in linear ion processing apparatus (analog).

36. Schultz J.A. Raznikov V. United States Patent 6,992,284. January 28,2006. Ion mobility TOF/MALDI/MS using drift cell alternating high and low electric field.36. Schultz J.A. Raznikov V. United States Patent 6.992.284. January 28,2006. Ion mobility TOF / MALDI / MS using drift cell alternating high and low electric field.

37. K. Chingin, J. Astorga-Wells, M.P. Najafabadi, T. Lavold, R.A. Zubarev Separation of polypeptides by isoelectric point focusing in electrospray-friendly solution using a multiple-junction capillary fractionator. Anal. Chem. 2012, 84, 6856-6862.37. K. Chingin, J. Astorga-Wells, M.P. Najafabadi, T. Lavold, R.A. Zubarev Separation of polypeptides by isoelectric point focusing in electrospray-friendly solution using a multiple-junction capillary fractionator. Anal. Chem. 2012, 84, 6856-6862.

38. M. Pirmoradian, B. Zhang, K. Chingin, J. Astorga-Wells, R.A. Zubarev Membrane-assisted isoelectric focusing device as a micropreparative fractionators for two-dimensional shotgun proteomics Anal. Chem. 2014, 86, 5728-5732.38. M. Pirmoradian, B. Zhang, K. Chingin, J. Astorga-Wells, R.A. Zubarev Membrane-assisted isoelectric focusing device as a micropreparative fractionators for two-dimensional shotgun proteomics Anal. Chem. 2014, 86, 5728-5732.

39. Berkout V.D., Doroshenko V.M. United States Patent 7397029, July 8, 2008. Method and apparatus for ion fragmentation in mass spectrometry.39. Berkout V.D., Doroshenko V.M. United States Patent 7397029, July 8, 2008. Method and apparatus for ion fragmentation in mass spectrometry.

40. В.В. Разников, М.О. Разникова. Декомпозиция многомерных зарядовых распределений ионов биоорганических соединений при ионизации электрораспылением. Часть 2. Тестирование метода на одномерных данных. Масс-спектрометрия, 2013, т. 10 (3), стр. 183-190.40. V.V. Raznikov, M.O. Raznikova. Decomposition of multidimensional charge distributions of ions of bioorganic compounds during electrospray ionization. Part 2. Testing the method on one-dimensional data. Mass Spectrometry, 2013, v. 10 (3), pp. 183-190.

41. Разников В.В., Козловский В.И., Зеленов В.В., Сулименков И.В., Пихтелев А.Р., Разникова М.О. Способ анализа смесей химических соединений на основе разделения ионов этих соединений в линейной радиочастотной ловушке. Патент РФ №2502152 от 20.12.2013 (аналог).41. Raznikov V.V., Kozlovsky V.I., Zelenov V.V., Sulimenkov I.V., Pikhtelev A.R., Raznikova M.O. A method for analyzing mixtures of chemical compounds based on the separation of ions of these compounds in a linear radio frequency trap. RF patent No. 2502152 dated December 20, 2013 (analogue).

42. Raznikov V.V., Schultz J.A., Egan T.F., Ugarov M.V., Tempez Α., Savenkov G.N., Zelenov V.V. United States Patent 7,482,582, January 27, 2009. Multi-Beam Ion Mobility Time-of-Flight Mass Spectrometry with Multi-Channel Data Recording.42. Raznikov V.V., Schultz J.A., Egan T.F., Ugarov M.V., Tempez Α., Savenkov G.N., Zelenov V.V. United States Patent 7,482,582, January 27, 2009. Multi-Beam Ion Mobility Time-of-Flight Mass Spectrometry with Multi-Channel Data Recording.

43. Schultz J.Α., Raznikov V.V., Egan T.F., Ugarov M.V., Tempez Α., Raznikova M.O., Zelenov V.V., Pikhtelev A.R., Vaughn V. United States Patent 7,547,878, June 16, 2009. Neutral/Ion Reactor in Adiabatic Supersonic Gas Flow for Ion Mobility Time-Of-Flight Mass Spectrometry (аналог).43. Schultz J.Α., Raznikov VV, Egan TF, Ugarov MV, Tempez Α., Raznikova MO, Zelenov VV, Pikhtelev AR, Vaughn V. United States Patent 7,547,878, June 16, 2009. Neutral / Ion Reactor in Adiabatic Supersonic Gas Flow for Ion Mobility Time-Of-Flight Mass Spectrometry (equivalent).

44. Raznikov V.V., Soulimenkov I.V., Kozlovski V.I., Pikhtelev A.R., Raznikova M.O., Horvath T., Kholomeev A.A., Zhou Z., Wollnik H., Dodonov A.F., "Ion rotating motion in gas-filled radio-frequency quadrupole ion guide as a new technique for structural and kinetic investigations of ions", Rapid Commun. Mass Spectrom. 15, 1912-1921 (2001) (аналог).44. Raznikov VV, Soulimenkov IV, Kozlovski VI, Pikhtelev AR, Raznikova MO, Horvath T., Kholomeev AA, Zhou Z., Wollnik H., Dodonov AF, "Ion rotating motion in gas-filled radio-frequency quadrupole ion guide as a new technique for structural and kinetic investigations of ions ", Rapid Commun. Mass Spectrom. 15, 1912-1921 (2001) (analogue).

45. Raznikov V.V., Kozlovsky V.I., Dodonov A.F., Raznikova M.O. "Heating of Ions Moving in a Gas Under the Influence of a Uniform and Constant Electric Field", Rapid Commun. Mass Spectrom. 13, 370-375,1999.45. Raznikov V.V., Kozlovsky V.I., Dodonov A.F., Raznikova M.O. "Heating of Ions Moving in a Gas Under the Influence of a Uniform and Constant Electric Field", Rapid Commun. Mass Spectrom. 13, 370-375.1999.

46. М.О. Разникова, В.В. Разников Вероятностный расчет зарядовых состояний биомолекул, порождающих масс-спектры многозарядных ионов. Журнал молекулярной биологии 2015, том 49, N5, с. 817-825.46. M.O. Raznikova, V.V. Raznikov Probabilistic calculation of the charge states of biomolecules that generate mass spectra of multiply charged ions. Journal of Molecular Biology 2015, Volume 49, N5, p. 817-825.

47. Г.Н. Савенков, Ю.П. Байдаровцев, К.Н. Янчивенко, А.Н.Пономарев Плазмохимическое формирование полимерных пленок на твердых поверхностях с использованием продуктов термической деструкции полимеров. Химия высоких энергий, 1996, т. 30, №1, с. 65-67.47. G.N. Savenkov, Yu.P. Baydarovtsev, K.N. Yanchenko, A.N. Ponomarev Plasma-chemical formation of polymer films on solid surfaces using products of thermal degradation of polymers. Chemistry of High Energies, 1996, v. 30, No. 1, p. 65-67.

Claims (21)

1. Способ структурно-химического анализа примесных соединений в растворах или газах, вытекающих в вакуум через капилляр, при формировании регистрируемых масс-анализатором ионов под воздействием сверхзвукового газового потока, содержащего ионы и/или метастабильно возбужденные частицы, на вытекающий анализируемый раствор или газ, отличающийся тем, что истечение анализируемого раствора или газа производится внутрь линейной радиочастотной ловушки, и упомянутый капилляр на выходном конце окружен цилиндрической оболочкой с некоторым зазором от стенок капилляра и отверстием для ввода сверхзвукового газового потока внутрь упомянутого зазора.1. The method of structural-chemical analysis of impurity compounds in solutions or gases flowing into a vacuum through a capillary during the formation of ions detected by the mass analyzer under the influence of a supersonic gas stream containing ions and / or metastable excited particles, on the outgoing analyzed solution or gas, which differs the fact that the outflow of the analyzed solution or gas is made inside a linear radio-frequency trap, and the capillary at the output end is surrounded by a cylindrical shell with some gap rum from the capillary walls and an opening for entering the supersonic gas flow inside said gap. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый поток буферного газа, содержащий смесь инертных газов, пропускают через источник электронной ионизации или зону тлеющего разряда в условиях, обеспечивающих формирование в этом потоке ионов и/или метастабильно возбужденных атомов, по крайней мере, некоторых из этих инертных газов.2. The method according to p. 1, characterized in that the said buffer gas stream containing a mixture of inert gases is passed through an electron ionization source or a glow discharge zone under conditions ensuring the formation of ions and / or metastable excited atoms in this stream, at least , some of these inert gases. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеспечивают подогрев до контролируемой температуры буферного газа на входе в систему формирования сверхзвукового газового потока, имеющую один или несколько цилиндрических каналов, с диаметром, сравнимым с длиной свободного пробега атомов газа и протяженностью, достаточной для формирования внутри них сверхзвуковых газовых струй.3. The method according to p. 1, characterized in that they provide heating to a controlled temperature of the buffer gas at the inlet to the supersonic gas flow formation system having one or more cylindrical channels with a diameter comparable to the mean free path of gas atoms and a length sufficient for the formation of supersonic gas jets inside them. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производят подогрев камеры, содержащей анализируемый раствор или газ, до заданной температуры.4. The method according to p. 1, characterized in that they produce heating of the chamber containing the analyzed solution or gas to a predetermined temperature. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что транспортировку регистрируемых ионов в масс-анализатор производят через упомянутую радиочастотную линейную ловушку, внутрь которой ввод анализируемого раствора или газа организуют через промежуток между стержнями в начале этой ловушки с выходом анализируемого раствора или газа на некотором удалении от оси этой ловушки.5. The method according to p. 1, characterized in that the transport of registered ions to the mass analyzer is carried out through the aforementioned radio-frequency linear trap, into which the input of the analyzed solution or gas is organized through the gap between the rods at the beginning of this trap with the exit of the analyzed solution or gas on some away from the axis of this trap. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что линейная радиочастотная ловушка является радиочастотным квадруполем.6. The method according to p. 5, characterized in that the linear radio frequency trap is a radio frequency quadrupole. 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что стержни первой половины радиочастотного квадруполя секционированы, а цепи электрического питания для первой и второй половин квадруполя таковы, что позволяют создание отдельно управляемого квазилинейного продольного постоянного поля в первой половине, независимо создаваемых постоянного напряжения во второй половине квадруполя и радиочастотных квадрупольных и осциллирующих полей для противоположных пар стержней для обеих половин квадруполя.7. The method according to p. 6, characterized in that the rods of the first half of the radio-frequency quadrupole are partitioned, and the electric power circuits for the first and second halves of the quadrupole are such that they allow the creation of a separately controlled quasilinear longitudinal constant field in the first half, independently generated by the constant voltage in the second half of the quadrupole and radio frequency quadrupole and oscillating fields for opposite pairs of rods for both halves of the quadrupole. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что входная и выходная диафрагмы квадруполя являются многослойными с чередующимися проводящими и диэлектрическими слоями, внешние слои этих диафрагм являются проводящими.8. The method according to p. 7, characterized in that the input and output diaphragms of the quadrupole are multilayer with alternating conductive and dielectric layers, the outer layers of these diaphragms are conductive. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что проводящий слой упомянутой входной диафрагмы на стороне около квадруполя разделен на секции, к которым приложены противофазные радиочастотные напряжения с управляемыми частотой и амплитудой.9. The method according to p. 8, characterized in that the conductive layer of the aforementioned input diaphragm on the side near the quadrupole is divided into sections to which antiphase radio frequency voltages with controlled frequency and amplitude are applied. 10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что в первой половине квадруполя создается тормозящее электрическое поле для ионов буферного газа; радиочастотное напряжение второй половины увеличено по сравнению с первой половиной так, что приводит к гибели ионов буферного газа и является приемлемым для фокусировки к оси квадруполя больших по m/z анализируемых ионов; напряжение первой секции выходной диафрагмы увеличено по сравнению с напряжением второй половины квадруполя, так чтобы достичь оптимального тока анализируемых ионов.10. The method according to p. 9, characterized in that in the first half of the quadrupole creates a braking electric field for the ions of the buffer gas; the radio frequency voltage of the second half is increased compared with the first half so that it leads to the death of buffer gas ions and is acceptable for focusing large ions of m / z analyzed ions to the quadrupole axis; the voltage of the first section of the output diaphragm is increased compared to the voltage of the second half of the quadrupole, so as to achieve the optimal current of the analyzed ions. 11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что в первой половине квадруполя создается осциллирующее напряжение; амплитуда, направление и частота осцилляций выбираются оптимальными для регистрации желаемого потока выбранных анализируемых ионов.11. The method according to p. 10, characterized in that in the first half of the quadrupole creates an oscillating voltage; the amplitude, direction and frequency of oscillations are chosen optimal for recording the desired flow of the selected analyzed ions. 12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что линейная радиочастотная ловушка соосно сопряжена с масс-анализатором, в частности, это может быть времяпролетный масс-анализатор с ортогональным вводом ионов.12. The method according to p. 1, characterized in that the linear radio frequency trap is coaxially coupled to the mass analyzer, in particular, it can be a time-of-flight mass analyzer with orthogonal ion input. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что для осуществления соосного сопряжения с масс-анализатором используют конический или клинообразный скиммер, входное отверстие или входная щель которого в его вершине расположены на оси линейной радиочастотной ловушки.13. The method according to p. 12, characterized in that for the implementation of coaxial pairing with the mass analyzer, a conical or wedge-shaped skimmer is used, the inlet or inlet of which at its apex is located on the axis of the linear radio-frequency trap. 14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в анализируемом растворе в направлении его истечения создается электрическое поле, накапливающее перед выходным капилляром ионы раствора соответствующего знака; электрическое поле, возникающее внутри капилляра за счет контакта с ионами буферного газа, накопленных в квадруполе, препятствует выходу накопленных анализируемых ионов с вытекающим раствором, обеспечивая выход в зону формирования регистрируемых ионов в среднем нейтральных частиц из раствора.14. The method according to claim 1, characterized in that an electric field is created in the analyzed solution in the direction of its outflow, accumulating solution ions of the corresponding sign in front of the output capillary; the electric field arising inside the capillary due to contact with the buffer gas ions accumulated in the quadrupole prevents the accumulation of the analyzed ions from the effluent solution, providing, on average, neutral particles from the solution exit into the formation zone of the detected ions. 15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что электроды, к которым прикладывается перепад напряжения для создания упомянутого электрического поля перед выходным капилляром покрывают тонкой диэлектрической пленкой, препятствующей процессам электролиза анализируемого раствора на этих электродах.15. The method according to p. 14, characterized in that the electrodes to which the voltage drop is applied to create the said electric field in front of the output capillary is coated with a thin dielectric film that impedes the electrolysis of the analyzed solution on these electrodes. 16. Способ по п. 14 или 15, отличающийся тем, что полярность электрического поля в анализируемом растворе в направлении истечения этого раствора меняется на противоположную, обеспечивая запуск пакета накопленных на входе в капилляр ионов раствора внутрь капилляра и их разделение по подвижности электрическим полем внутри капилляра.16. The method according to p. 14 or 15, characterized in that the polarity of the electric field in the analyzed solution in the direction of the outflow of this solution is reversed, ensuring the launch of the packet of solution ions accumulated at the inlet of the capillary into the capillary and their separation by mobility by an electric field inside the capillary . 17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что описанная в п. 16 процедура периодически повторяется с некоторой временной задержкой, обеспечивая поочередный запуск в зону формирования регистрируемых ионов в среднем нейтральных частиц, накопленных положительных ионов, снова нейтральных частиц и затем отрицательных накопленных ионов и т.д. с возможным накоплением масс-спектров соответственных ионов.17. The method according to p. 16, characterized in that the procedure described in p. 16 is periodically repeated with a certain time delay, providing sequential launch of neutral particles, accumulated positive ions, again neutral particles and then negative accumulated ions into the formation zone of the detected ions on average etc. with the possible accumulation of mass spectra of the corresponding ions. 18. Способ по п. 14 или 17, отличающийся тем, что производят последовательную регистрацию серий масс-спектров в выбранном диапазоне отношений масс к заряду при постепенном изменении состава носителей заряда в растворе, в котором предполагается или организуется наличие исследуемых биомолекул; изменение состава носителей заряда в растворе обеспечивается замещением выходящей через капилляр части анализируемого раствора специально подобранным буферным раствором; концентрации малых ионов - носителей заряда в анализируемом растворе определяются соответствующими датчиками; в масс-спектрах обнаруживаются пики, соответствующие многозарядным ионам исследуемой биомолекулы; производится декомпозиция получаемых многомерных зарядовых распределений для различных концентраций носителей заряда в растворе; из всей совокупности определяемых вероятностей удерживания различных носителей заряда отдельными ионогенными группами биомолекулы выбираются те, которые соответствуют равновесным процессам замещения носителей заряда в растворе и которые дают адекватные оценки констант равновесия этих процессов; совокупности таких оценок используют для характеризации структуры исследуемых биомолекул в растворе.18. The method according to p. 14 or 17, characterized in that the series of mass spectra are recorded sequentially in the selected range of mass to charge ratios with a gradual change in the composition of charge carriers in the solution in which the presence of the studied biomolecules is assumed or organized; a change in the composition of the charge carriers in the solution is ensured by replacing the part of the analyzed solution emerging through the capillary with a specially selected buffer solution; concentrations of small ions - charge carriers in the analyzed solution are determined by appropriate sensors; peaks corresponding to multiply charged ions of the studied biomolecule are detected in the mass spectra; decomposition of the resulting multidimensional charge distributions is performed for various concentrations of charge carriers in solution; from the totality of the determined probabilities of holding various charge carriers by separate ionogenic groups of the biomolecule, those that correspond to the equilibrium processes of substitution of charge carriers in solution and which give adequate estimates of the equilibrium constants of these processes are selected; the totality of such estimates is used to characterize the structure of the studied biomolecules in solution. 19. Способ по п. 2, отличающийся тем, что анализируемая газовая смесь или раствор вводится в камеру, в которой поддерживаются постоянные контролируемые давление и температура; производят последовательную регистрацию серий обзорных масс-спектров при ступенчатом изменении температуры камеры формирования анализируемого потока; построением и применением к зарегистрированным сериям масс-спектров селективных цифровых фильтров, построенным для известных масс-спектров целевых соединений, определяют наличие и оценивают концентрацию ожидаемых целевых соединений в анализируемой смеси.19. The method according to p. 2, characterized in that the analyzed gas mixture or solution is introduced into the chamber, in which constant controlled pressure and temperature are maintained; sequential registration of series of survey mass spectra is carried out with a stepwise change in the temperature of the chamber for the formation of the analyzed stream; by constructing and applying to the recorded series of mass spectra of selective digital filters built for known mass spectra of the target compounds, the presence and the concentration of the expected target compounds in the analyzed mixture are determined and evaluated. 20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что для экспоненциально затухающих «хвостов» полученных распределений ионных токов с различными значениями m/z находят наилучшую в среднеквадратичном матрицу перехода от предыдущей совокупности значений упомянутых ионных токов к последующей такой совокупности; вычисляют собственные числа и собственные векторы найденной матрицы перехода; находят приемлемую по ожидаемой погрешности аппроксимацию упомянутых «хвостов» распределений линейной комбинацией минимального числа упомянутых собственных векторов с факторами экспоненциального затухания, определяемыми соответствующими собственными числами; принимают найденную совокупность таких собственных векторов за масс-спектры обнаруженных компонент в рассматриваемой совокупности данных, а вычисленные коэффициенты упомянутой линейной комбинации за приближенные оценки относительных вкладов этих компонент в анализируемую смесь; эти оценки могут быть уточнены путем проведения соответствующих калибровочных экспериментов.20. The method according to p. 19, characterized in that for the exponentially decaying “tails” of the obtained ion current distributions with different m / z values, the best transition in the rms matrix from the previous set of values of the mentioned ion currents to the next such set is found; calculate the eigenvalues and eigenvectors of the found transition matrix; find an approximation of the said “tails” of distributions acceptable by the expected error by a linear combination of the minimum number of the mentioned eigenvectors with exponential decay factors determined by the corresponding eigenvalues; take the found set of such eigenvectors for the mass spectra of the detected components in the considered data set, and the calculated coefficients of the mentioned linear combination for approximate estimates of the relative contributions of these components to the analyzed mixture; these estimates can be refined by conducting appropriate calibration experiments. 21. Способ по п. 2, отличающийся тем, что анализируемая газовая смесь или раствор подвергаются воздействию сверхзвукового потока, содержащего смесь инертных газов и пропущенного через ионный источник электронной ионизации при различных энергиях ионизирующих электронов, которые обеспечивают существенные изменения в составе ионов и метастабильных атомов в потоке; сравнением зарегистрированных масс-спектров при подходящих энергиях электронов с соответствующими масс-спектрами целевого соединения делается вывод о наличии или отсутствии этого соединения в анализируемой пробе.21. The method according to p. 2, characterized in that the analyzed gas mixture or solution is exposed to a supersonic stream containing a mixture of inert gases and passed through an ion source of electron ionization at different energies of ionizing electrons, which provide significant changes in the composition of ions and metastable atoms in flow by comparing the recorded mass spectra at suitable electron energies with the corresponding mass spectra of the target compound, it is concluded that this compound is present or absent in the analyzed sample.
RU2016103597A 2016-02-04 2016-02-04 Method for analyzing impurities in liquids or gases during their microchannel outflow in vacuum under supersonic gas flow influence containing ions and metastable excited atoms with formation and transportation of analyzed ions in rf linear trap linked to mass analyzer RU2640393C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016103597A RU2640393C2 (en) 2016-02-04 2016-02-04 Method for analyzing impurities in liquids or gases during their microchannel outflow in vacuum under supersonic gas flow influence containing ions and metastable excited atoms with formation and transportation of analyzed ions in rf linear trap linked to mass analyzer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016103597A RU2640393C2 (en) 2016-02-04 2016-02-04 Method for analyzing impurities in liquids or gases during their microchannel outflow in vacuum under supersonic gas flow influence containing ions and metastable excited atoms with formation and transportation of analyzed ions in rf linear trap linked to mass analyzer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016103597A RU2016103597A (en) 2017-08-09
RU2640393C2 true RU2640393C2 (en) 2018-01-09

Family

ID=59632072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016103597A RU2640393C2 (en) 2016-02-04 2016-02-04 Method for analyzing impurities in liquids or gases during their microchannel outflow in vacuum under supersonic gas flow influence containing ions and metastable excited atoms with formation and transportation of analyzed ions in rf linear trap linked to mass analyzer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2640393C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060289746A1 (en) * 2005-05-27 2006-12-28 Raznikov Valeri V Multi-beam ion mobility time-of-flight mass spectrometry with multi-channel data recording
US20080164409A1 (en) * 2006-06-29 2008-07-10 Schultz J Albert Neutral/ion reactor in adiabatic supersonic gas flow for ion mobility time-of-flight mass spectrometry
US7507953B2 (en) * 2003-03-19 2009-03-24 Thermo Finnigan Llc Obtaining tandem mass spectrometry data for multiple parent ions in an ion population
RU2402099C1 (en) * 2009-07-14 2010-10-20 Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds based on mass-spectrometric and kinetic separation of ions of said compounds

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7507953B2 (en) * 2003-03-19 2009-03-24 Thermo Finnigan Llc Obtaining tandem mass spectrometry data for multiple parent ions in an ion population
US20060289746A1 (en) * 2005-05-27 2006-12-28 Raznikov Valeri V Multi-beam ion mobility time-of-flight mass spectrometry with multi-channel data recording
US20080164409A1 (en) * 2006-06-29 2008-07-10 Schultz J Albert Neutral/ion reactor in adiabatic supersonic gas flow for ion mobility time-of-flight mass spectrometry
RU2402099C1 (en) * 2009-07-14 2010-10-20 Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds based on mass-spectrometric and kinetic separation of ions of said compounds

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016103597A (en) 2017-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8129675B2 (en) Neutral/ion reactor in adiabatic supersonic gas flow for ion mobility time-of-flight mass spectrometry
Kelly et al. The ion funnel: theory, implementations, and applications
US8115167B2 (en) Multi-beam ion mobility time-of-flight mass spectrometry with multi-channel data recording
US7429729B2 (en) Multi-beam ion mobility time-of-flight mass spectrometer with bipolar ion extraction and zwitterion detection
US7372042B2 (en) Lens device for introducing a second ion beam into a primary ion path
US20120256083A1 (en) High Duty Cycle Ion Storage/Ion Mobility Separation Mass Spectrometer
RU2420826C1 (en) Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap
US6784421B2 (en) Method and apparatus for fourier transform mass spectrometry (FTMS) in a linear multipole ion trap
JP2003346706A (en) Mass spectrometer
US10600627B2 (en) Hybrid mass spectrometer
Zhou et al. Following the ions through a mass spectrometer with atmospheric pressure interface: simulation of complete ion trajectories from ion source to mass analyzer
RU2402099C1 (en) Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds based on mass-spectrometric and kinetic separation of ions of said compounds
Calvete The expanding universe of mass analyzer configurations for biological analysis
RU2474917C1 (en) Method of separating ions of organic and bioorganic compounds in ion rotation-averaged electric field of sectioned cylindrical cell
Wanczek et al. FT‐ICR mass spectrometry: Superconducting magnet, external ion source, ion–molecule reactions, and ion–ion traps
RU2640393C2 (en) Method for analyzing impurities in liquids or gases during their microchannel outflow in vacuum under supersonic gas flow influence containing ions and metastable excited atoms with formation and transportation of analyzed ions in rf linear trap linked to mass analyzer
RU2468464C9 (en) Method of separating ions of organic and bioorganic compounds based on ion mobility increment and transportation of said ions inside supersonic gas stream
EP3889595A1 (en) Counterflow uniform-field ion mobility spectrometer
RU2601294C2 (en) Method of analyzing impurities in liquids in infiltration through track membrane with formation and transportation of analyzed ions through linear radio frequency trap into mass analyzer when exposed to supersonic gas stream with possible content of metastable atoms in it
RU2576673C2 (en) Method for analysing admixtures in gas mixtures in their passing in form of extra-axial supersonic gas stream through source of electronic ionisation and radio-frequency quadrupole with following output of ions into mass-analyser
Chalkley Instrumentation for LC-MS/MS in proteomics
GB2583758A (en) Improved injection of ions into an ion storage device
RU2502152C2 (en) Method of analysing mixtures of chemical compounds based on separation of ions of said compounds in linear radio frequency trap
Adamson et al. Electrospray Ionization Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometry for Lectin Analysis
Ujma Development and Use of Novel Instrumentation for Structural Analysis of Gaseous Ions

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200205