Идентификация следовых количеств органических соединений на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии

Чернышев, Денис Михайлович

Идентификация следовых количеств органических соединений на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Чернышев, Денис Михайлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Идентификация следовых количеств органических соединений на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии»

Автореферат диссертации на тему "Идентификация следовых количеств органических соединений на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии"

На правах рукописи

Чернышев Денис Михайлович

ИДЕНТИФИКАЦИЯ СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ СПЕКТРОМЕТРИИ ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ И ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

1 " ?•'.'(! 4

005547»^

Москва 2014

005547834

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете

«МИФИ»

Научный Доктор физико-математических наук,

руководитель: профессор Сысоев Александр Алексеевич,

НИЯУ МИФИ, г. Москва

Консультант:

Кандидат физико-математических наук, доцент Сысоев Алексей Александрович, НИЯУ МИФИ, г. Москва

Официальные Доктор физико-математических наук,

оппоненты: профессор Манагадзе Георгий Георгиевич,

заведующий лабораторией, ИКИ РАН, г. Москва

Кандидат физико-математических наук, доцент Махмудов Марат Наильевич, РГУ им. С.А. Есенина, г. Рязань

Ведущая организация: НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва

Защита состоится 2014г. в /Г час.£?£Яшн. на заседании

диссертационного совета Д 212.130.04 при НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское ш., 31, тел.(499)3248498

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ. Автореферат разослан апреля 2014 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенном печатью организации, по адресу НИЯУ МИФИ.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д. ф.-м.н., профессор Чернов И.И.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Современные задачи определения химического состава сложных смесей предъявляют высокие требования к методам анализа по точности и достоверности. Одним из эффективных подходов решения подобных задач является сочетание различных принципов разделения компонент анализируемых смесей, позволяющих одновременно получать разнородную информацию о составе пробы, что повышает достоверность распознавания близких по строению, но различных по свойствам соединений, и это особенно актуально для приложений безопасности, криминалистики, биологии, фармацевтики, медицины, экологии, промышленного мониторинга и т.д. Широко распространенные методы с применением хроматографии и масс-спектрометрии (MC) позволяют решать такие задачи, но обладают существенным недостатком - время анализа занимает десятки минут. Представляется актуальным исследование сочетания спектрометрии ионной подвижности (СИП) и времяпролетной масс-спектрометрии (ВПМС), потенциально позволяющих уменьшить время анализа до нескольких секунд.

Предпочтительным представляется использование дрейфового СИП в качестве не только инструмента предварительного разделения иошплх компонент по подвижности, но и ее измерения, на основе которого возможно определение ион-молекулярного сечения столкновений, что невозможно с остальными типами СИП. Ранние работы объединения СИП с MC, в силу одинаковых «скоростных» возможностей по регистрации спектральной информации, не позволяли достичь приемлемых характеристик по пределу обнаружения и времени анализа одновременно. Характерное время разделения сгустков молекулярных ионов в СИП составляет 50 мс, а временная ширина не менее 0,2 мс, что позволяет использовать ВПМС для регистрации полного распределения по отношению молекулярной массы к заряду {m/z) данных сгустков с частотой порядка 10 кГц. Это достигается благодаря типичному времени получения времяпролетного масс-спектра низкого разрешения (до 10 ООО) низкомолекулярных соединений (до 1 ООО а.е.м.) порядка 100 мкс.

Данные методы независимо демонстрируют относительную чувствительность на уровне единиц ppb (parts per billion - частей на миллиард) и меньших значений. Но вследствие существенного перепада давления, от атмосферного в СИП, до высокого вакуума (Ю-3 мм.рт.ст.) ВПМС, превышающего 108, требуется создание газодинамического интерфейса, эффективно удерживающего потоки молекулярных ионов от расширения и транспортирующего их из СИП во ВПМС. В связи с принципиальными ограничениями трансмиссии ВПМС типа «масс-рефлектрон» представляется актуальной разработка альтернативных типов масс-анализаторов. Поэтому представляется перспективным исследование

ВПМС с аксиально-симметричными полями, позволяющими получить тройную фокусировку первого порядка начальных параметров ионов. Кроме того, для повышения чувствительности СИП/ВПМС рациональным представляется накопление спектральной информации.

Целью диссертационной работы явилась разработка нового типа аналитической системы на основе дрейфового спектрометра ионной подвижности и времяпролетного масс-спектрометра с секторным электростатическим анализатором, и метода идентификации следовых количеств молекулярных соединений на ее основе. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• создана аппаратура на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии с аксиально-симметричным анализатором с ортогональным вводом молекулярных ионов с мягкими методами ионизации при атмосферном давлении;

• разработан метод анализа на основе созданной аппаратуры с применением средства регистрации со встроенным аппаратным сумматором, обеспечивающим непрерывную и полную регистрацию трехмерных спектральных данных;

• разработана методика оценки ширины области снижения интенсивности сгустка молекулярных ионов при его формировании в потоке дрейфового газа ионным затвором конструкции Брэдбери-Нильсона на основе зависимости дискриминации трансмиссии созданной аппаратуры от подвижности молекулярных ионов;

• исследована воспроизводимость разрешающей способности по массам и по подвижности, определен вклад в уширение молекулярных ионных сгустков транспортирующих свойств интерфейса;

• разработана методика калибровки и исследования ее влияния на достигаемую точность измеряемых величин: сходимость и воспроизводимость определения молекулярных масс, приведенной подвижности молекулярных ионов;

• разработана методика анализа синтетических наркотических соединений с видоизмененной формулой и антибиотиков.

Научная новизна работы

1. Разработана новая аппаратура на основе спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии, включающая новую конструкцию интерфейса дифференциальной откачки, обеспечивающей малое уширение в интерфейсе по сравнению с начальной шириной ионного сгустка, формируемой ионным затвором, что позволяет достичь высокой разрешающей способности по подвижности, более 100 единиц.

2. Разработано новое высокоскоростное устройство и метод непрерывной регистрации и обработки трехмерных потоков данных, аппаратно суммируемых и получаемых в тандемном устройстве на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и вре-мяпролетной масс-спектрометрии.

3. Разработан новый метод идентификации следовых количеств органических соединений на основе дрейфового спектрометра ионной подвижности/времяпролетного масс-спектрометра, новизна которого заключается в применении электростатического секторного масс-анализатора с ортогональным вводом ионов.

4. Разработана методика анализа антибиотиков и наркотических веществ на основе спектрометрии ионной подвижности/масс-спектрометрии с видоизмененной химической формулой, что позволило определить значения приведенной подвижности характеристичных ионов группы наркотических веществ с видоизмененной химической формулой с подтверждением достоверности результатов масс-спектрометрическим детектированием, по которым отсутствуют данные в литературе.

5. Показана принципиальная возможность достижения более высокой чувствительности спектрометра ионной подвижности/масс-спектрометра применением времяпролетно-го электростатического секторного масс-анализатора с ортогональным вводом ионов по сравнению с анализатором типа «масс-рефлектроп».

Практическая значимость работы

Новый метод идентификации следовых количеств органических соединений обеспечивает меньшее время анализа по сравнению с существующими и может быть применен для создания передвижной лаборатории, использован в таможенном контроле с целью идентификации наркотических соединений и антибиотиков, что подтверждается результатами проведенных испытаний и характеристиками созданной аппаратуры. Разработанные методики анализа синтетических наркотических соединений и антибиотиков могут быть применены для задач контроля незаконного оборота наркотиков и контроля качества лекарственных средств, поставляемых па потребительский рынок. Результаты исследований и разработок могут быть использованы при создании новой масс-спектрометрической техники, превышающей существующие аналоги по совокупности характеристик, быстродействию и чувствительности. Подтверждена возможность детектирования синтетических трифенилметановых красителей, в том числе в составе красящих композиций при исследовании штрихов паст шариковых ручек с диагностикой состава этой композиции по молекулярным ионам, что может быть применено в экспертизе документов.

Основные положения, выносимые па защиту

1. Метод идентификации следовых газовых потоков молекулярных соединений на основе их ионной подвижности и молекулярной массы путем последовательного разделения в электрических полях при атмосферном давлении и высоком вакууме.

2. Разработанная новая методика калибровки по приведенной подвижности устройств на основе спектрометрии ионной подвижности/времяпролетной масс-спектрометрии, обеспечивающая удовлетворительную точность для целей идентификации следовых количеств органических соединений.

3. Результаты апробации метода при определении характеристических спектров антибиотиков и наркотических соединений, включающие значения приведенной подвижности гаркотических соединений с видоизмененной формулой, полученные впервые.

4. Метод повышения эффективности ввода ионов с помощью ортогонального ускорителя ВПМС с предварительным разделением ионов в дрейфовом СИП на основе корреляции молекулярная масса - подвижность.

Апробация работы

Основные результаты представлены и обсуждены на «Научной сессии 11ИЯУ МИФИ» (2009-2013 гг.); Международной конференции «19 th International Mass-Spectrometry Conference» (2012, Киото, Япония); Всероссийской конференции-школе «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения» (2010, Звенигород, Россия); III Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (2009, Москва, Россия). По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 работы в журналах из списка ВАК, и получено два патента.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается согласием расчетов и моделирования с известными литературными данными, воспроизводимостью результатов экспериментальных измерений, а также широкой апробацией результатов работы.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, библиографии и приложения. Работа изложена на 121 страницах, содержит 37 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 82 наименований.

Основное содержание работы

В первой главе приведены результаты литературного обзора по теме методов и средств анализа многокомпонентных смесей следовых количеств органических соедине-

ний, включая комбинации спектрометрии ионной подвижности с масс-спектрометрией (СИП/МС), и жидкостной хроматографии в комбинации с масс-спектрометрией (ЖХ/МС). Рассмотрены разные типы соответствующих приборов, их характеристики и примеры приложений. Сформулирована цель диссертационной работы.

Приведено принципиальное устройство жидкостного хроматографа (ЖХ), газового хроматографа (ГХ). Рассмотрены их достоинства: высокая чувствительность, воспроизводимость, повышение информативности на несколько порядков при соединении с МС. К их недостаткам относятся: требование термостабильности соединений при использовании ГХ, многофакторный подбор параметров анализа в случае ЖХ, и главный - большое время анализа, по сравнению с МС - десятки минут. Рассмотрены особенности идентификации данными методами, обусловленные применяемыми методами ионизации: электронно-ударная, с электрораспылением, в коронном разряде, - использование универсальной базы данных в первом случае, и необходимость создания собственной в случае ионизации при атмосферном давлении. Метод идентификации ЖХ/МС обладает крайне высокой информативностью, порядка 400 ООО. При этом СИП/ВПМС, по причине корреляции масса-подвижность, уступает по данному параметру на порядок, но выигрывает на 3-4 прядка по времени анализа.

Далее рассмотрена теория дрейфового СИП, который был выбран для реализации, среди остальных видов СИП, как характеризующий сечение столкновения П. Приведено ограничение на отношение напряженности электрического поля Е к плотности окружающего газа N (эквивалентно давлению Р). При атмосферном давлении данное ограничение составляет Е < 700 В/см. При выполнении данного условия наблюдается линейная зависимость между скоростью дрейфа и £ с коэффициентом пропорциональности К, являющимся подвижностью. Приведена теоретическая зависимость К от свойств ионов и внешних условий, подтверждающая возможность определения О по измеренному значению К. Рассмотрена типичная методика определения К по времени дрейфа ионов и отмечена сложность ее применения для СИП/МС, вызванная наличием области интерфейса. Введена приведенная ионная подвижность К0, компенсирующая небольшие колебания внешних условий (температуры Т и Р). Экспериментально наблюдаются качественно различное поведение К0 при больших изменениях Т, за исключением небольшого числа соединений, стандартов в СИП, демонстрирующих независимость Ка. Но вариации в условиях ионизации приводят к образованию различных характеристичных молекулярных ионов, то есть вариации {А"0, т/г}. Следовательно, применение МС совместно со СИП повышает достоверность измерения К0, так как позволяет контролировать т/г.

Рассмотрена разрешающая способность СИП и основные факторы, на нее влияющие: диффузионное уширение, начальная ширина ионного пакета. Последняя задается

ионным затвором (ИЗ), и удовлетворительно описывается распределением Гаусса, несмотря на импульсный характер работы ИЗ, и эффектом снижения интенсивности ионного сгустка при закрытии ИЗ. Типичной разрешающей способностью современных СИП является 20-100. Предел обнаружения находится на уровне от нг до пг. Совокупность характеристик СИП позволяют успешно применять его для определения типа соединения среди заранее ограниченного класса веществ. Для уменьшения вероятности ложной положительной идентификации, в условиях отсутствия априорной информации о пробе, целесообразным представляется объединение СИП с ВПМС.

Рассмотрены основные работы, определившие существующие на сегодняшний момент два основных вида ВПМС: рефлектронный (и предшествующий ему, линейный), и с комбинацией аксиально-симметричного поля и бесполевого промежутка. Первый обладает более высокой разрешающей способностью благодаря развитым методам получения фокусировки начального разброса энергии высоких порядков (второго, третьего и т.д.) по времени пролета. Во втором виде ВПМС относительно легко достигается тройная фокусировка первого порядка начальных параметров молекулярных ионов (энергии, радиального угла и координаты), что обусловливает возможность достижения более высокой чувствительности. Длина пролета ионов определяет разрешающую способность, но вызывает соответствующее увеличение габаритов, что привело к появлению, с одной стороны, многоотражательных анализаторов / со спиральными траекториями ионов, с другой, многооборотных анализаторов, недостатком которых является быстрое уменьшение диапазона масс (ДМ) в зависимости от числа оборотов. Общей проблемой при увеличении длины пролета является рост времени пролета, что несовместимо с быстрым режимом СИП.

В последнем подразделе первого раздела описаны основные работы в области СИП/МС. Для первых работ характерно низкое быстродействие: измерение только одного масс-селективного спектра подвижности за время получения спектра подвижности, что объясняется технологическими ограничениями систем регистрации. При этом СИП работает в режиме стробирования, что уменьшает чувствительность на 1-2 порядка. Только в 90-х гг начались попытки получения полного СИП/ВПМС спектра сопровождающиеся, как правило, разработкой специальных алгоритмов регистрации, уменьшающих объем передаваемых и сохраняемых данных.

. Во второй главе описано общее устройство созданного экспериментального образца СИП/ВПМС, схема которого показана на рис. 1. Приведены результаты испытаний отдельных узлов при наладке и описана разработанная методика работы на создашюм приборе. Принцип работы прибора состоит в следующем: проба распыляется в источнике ионов (ИИ) в потоке азота, ионизируется, поступает в СИП, где группы молекулярных ионов дрейфуют под влиянием электрического поля в противотоке дрейфового газа, раз-

деляясь по времени пролета в зависимости от подвижности, и далее, последовательно, поступают в интерфейс, в котором происходит транспортировка ионов в область высокого вакуума ВПМС, где для каждой группы ионов несколько раз формируются времяпролет-иые масс-спектры. Ионный ток детектируется только на выходе масс-анализатора. Устройство регистрации обеспечивает синхронизацию разделений по подвижности и по m/z, а также непрерывное преобразование аналогового сигнала в цифровой и его аппаратное суммирование, формируя итоговый спектр подвижность-масса.

ИИ СИП ИНТЕРФЕЙС ВПМС

ИЭР или ХИАД-КР Обл. десоль-вата-ции Область дрейфа 1 ступень 2 ступень с аксиально-симметричным анализатором и ортогональным ускорителем

Давление, мм.рт.ст.:

760 4 -3 10 -7 10

иш г' '

ионы ЕШ ?>5

Рис. 1. Схема экспериментального образца СИП/ВПМС, включающая: источник ионов (ИИ) на основе методов ионизации электрораспылением (ИЭР) и химической ионизации при атмосферном давлении в коронном разряде (ХИАД-КР), СИП, двухступенчатый интерфейс, времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС), электроника, система детектирования и регистрации данных. Также неотъемлемой частью экспериментального образца являются программный комплекс и алгоритмы обработки данных.

Проба в виде раствора подается гаприцевым насосом (50-500 мют/ч, 78-9100С, Cole Parmer, США) в ИИ. Высокочистый поток азота (99,96%) под давлением (4-6 атмосфер), с генератора азота (N300D, PeakScientific), с низкой влажностью (относительная влажность

0,01-0,2 %), через прецизионные регуляторы потока (Л=0,01 л/мин, Bronkhorst) поступает в ИИ и в трубу дрейфа, обеспечивая распыление пробы и поток дрейфового газа в СИП.

Ионизация осуществляется двумя методами, на выбор: химическая ионизация при атмосферном давлении в коронном разряде (ХИАД-КР) или ионизация при распылении раствора с пробой в электрическом поле, то есть ионизация электрораспылением (ИЭР). Оба метода обеспечивают «мягкую» ионизацию молекул пробы: формированием прото-нированной молекулы (присоединением однократно заряженного протона к молекуле), либо образованием соединений с молекулярными ионами растворителя, либо слабой диссоциацией (так же, на молекулярные ионы), - это упрощает интерпретацию масс-спектров. В случае ХИАД-КР высокое напряжение подается на острую иглу (острие имеет радиус порядка 10 мкм) - вблизи поверхностей с малым радиусом кривизны резко увеличивается напряженность электрического поля, что приводит к лавинному образованию электронов вблизи острия, ионизующих молекулы газа, содержащегося в ИИ. Образовавшиеся ионы, в основном, из дрейфового газа и содержащихся примесей, через цепочку ион-молекулярных реакций иопизуют анализируемые компоненты пробы, распыляемой в потоке азота (0,1-1,5 л/мин) в камере ИИ. В случае ИЭР распыление раствора с пробой в потоке азота происходит в электрическом поле, образуются капли, из которых выделяются молекулярные ионы либо при испарении капель, либо, не достигая полного испарения капли, происходит выделение молекулярных ионов вследствие кулоновского расталкивания ионов внутри капли. В данной работе использован коммерческий ИИ с ИЭР (Turbo IonSpray, AB Sciex, Канада).

Далее ионы поступают в СИП (внутренний диаметр 5 см, длина 22,3 см), разделенного на три области: десольватации (длиной 8 см), где происходит распад метастабиль-ных кластеров и обеспечивается постоянство анализируемого состава молекулярных ионов; дрейфа (13,5 см), где обеспечивается разделение по ионной подвижности; и экстракции (0,8 см), из которой ионы вводятся в интерфейс с входным отверстием диаметром 0,03 см. Труба дрейфа состоит из 23 кольцевых электродов, формирующих квазиодно-родпое электрическое поле (300 В/см) вдоль оси, что важно для достижения высокой разрешающей способности и точности определения подвижности. Сгусток молекулярных ионов формируется ИЗ конструкции Брэдбери-Нильсона на границе области дрейфа (длительностью порядка 0,2-0,5 мс при периоде работы ИЗ равном 50 мс). В случае необходимости получения максимального ионного тока, ИЗ остается открытым, электрически прозрачным - разделения по ионной подвижности не происходит. Область дрейфа начинается и заканчивается двумя ИЗ, но выходной формирует однородное поле вблизи области экстракции и используется только для наладочных экспериментов, а в обычных СИП/МС анализах остается открытым. В работах по СИП/МС, опубликованных до 90-х

г.г., выходной ИЗ использовался только в режиме стробирования, если требовалось получить СИП/МС спектр. Область экстракции обладает повышенным и неоднородным электрическим полем (600-700 В/см), обусловленным конусной формой скиммера, на отверстии которого диаметром 0,03 см фокусируются молекулярные ионы.

Интерфейс необходим для транспортировки сгустков молекулярных ионов из области с атмосферным давлением, где ионы разделяются по подвижности, в высокий вакуум MC (менее 10° торр), где они разделяются по m/z и детектируются. Для этого применяется двухкамерная схема с транспортировкой ионов с помощью квадрупольной электродной системы, удерживающей ионы от поперечного разлета. В первой камере режим движения вязкостный (~4 торр), во второй переходит в молекулярный (~10~3 торр). В результате, движение ионов вдоль оси в первой ступени обусловлено взаимодействием с молекулами струи газа. А во второй, относительно высокое давление внутри скиммера (10,1 торр) в совокупности с радиочастотным квадрупольным полем обеспечивают термо-лизацию ионов - то есть далее ионы двигаются с существенным замедлением, что увеличивает длительность сгустков молекулярных ионов. Для уменьшения влияния данного эффекта вторая ступень квадрупольной системы выполнена в виде двух пар расходящихся/сходящихся с углами раствора +0,5' и -0,5" к оси стержней, между которыми поддерживается разница постоянных составляющих напряжения, обеспечивающая дополнительную осевую составляющую электрического поля. При выходе из интерфейса ионы ускоряются до 20 эВ и фокусируются цилиндрической линзой перед вводом в ортогональный ускоритель масс-анализатора. Давление в первой камере поддерживается пластинчато-роторным форвакуумным насосом производительностью 5 л/мин (5НВР-2Д, Вакууммаш), во второй турбомолекулярным насосом 60 л/с (ТМН 071 YPN, Pfeiffer).

Далее ионы оказываются в камере масс-анализатора, где давление менее 10"6 торр поддерживается турбомолекулярным насосом производительностью 230 л/мин (Pfieffer, Германия). Ионы, сфокусированные цилиндрической линзой, поступают в ортогональный ускоритель, где выталкиваются импульсов 400 В с частотой 20 кГц в направлении, ортогональном исходному (то есть оси движения в СИП и интерфейсе) и ускоряются в среднем до энергии 3700 эВ. Ортогональный ускоритель позволяет повысить разрешающую способность и компактность ионно-оптической системы. А далее через систему линз ионы вводятся в цилиндрический конденсатор на среднюю траекторию с радиусом 150 мм. Ионы поворачиваются в конденсаторе на угол у=254'. Последний участок пролета ионов - бесполевой (длиной -60 см), на выходе которого установлен вторичный электронный умножитель (ВЭУ, ЕТР 14882, SGE, Австралия). Коэффициент умножения ВЭУ, определенный экспериментально, составил 10б-107, при длительности импульсов от одиночных ионов порядка 2 не.

Система регистрации представляет собой разработанную по заказу аппаратуру, включающую: два 8-битных АЦП с частотой дискретизации 327,68 МГц, объединенных в архитектуру с чередованием оцифровки через 1 времешюй шаг, что повышает частоту дискретизации вдвое, до 655,36 МГц, встроенный аппаратный сумматор на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), внутреннюю быструю память 16 МБ. Цель создания системы - обеспечение непрерывной регистрации данных при любой частоте появления полезного сигнала. Каждые 4 масс-спектра суммируются (полная длительность этого цикла регистрации составляет 0,2 мс), записываются в матрицу 256 масс-спектров (длительность регистрации одной матрицы 51,2 мс), являющейся по сути СИП/МС спектром. И далее СИП/МС спектры суммируются от 1 до 2048 раз (что занимает 0,05-105 с). Благодаря аппаратному суммированию исходный объем данных, генерируемых со скоростью ~656 МБ/с, уменьшается до 16 МБ, независимо от длительности суммирования (техническое ограничение 105 с). В результате передача данных занимает 3-5 секунд. В режиме регистрации СИП/МС спектров наблюдается слабый ионный ток (~10"18 А), неотделимый от шума при аппаратном суммировании, но достоверно регистрируемый в одиночных спектрах (отношение сигнал/шум > 3). Поэтому был реализован режим регистрации сигналов от одиночных ионов при любой частоте появления сигнала (вплоть до единичных импульсов за весь цикл накопления). Суть методики состоит в регистрации сигнала, превышающего определенное отношение сигнал/шум - следовательно, при аппаратном суммировании увеличивается интенсивность только полезного сигнала, а шумовая составляющая исключается, что обеспечивает достоверную регистрацию полезного сигнала независимо от частоты его наблюдения.

Электроника, задающая потенциалы иошю-оптической системы, включает в себя систему постоянных блоков питания с номиналом от 5 до 15 000 В (15 штук), генераторы импульсов для ИЗ СИП и ортогонального ускорителя ВПМС, синусоидальные генераторы для транспортных квадруполей интерфейса. Стабильность не хуже 0,1% обеспечивает разрешающую способность по массам 2000. Распределение потенциалов на электродах СИП, обеспечивающих однородное электрическое поле, необходимое для достижения высокой разрешающей способности по подвижности до 100, задается высокоомным дис-крепгым резистнвным делителем, состоящим из 23 элементов (в сумме обладающих сопротивлением ~100 МОм). Рассмотрены особенности функционирования ортогонального ускорителя (ОУ): время задержки формирования выталкивающего импульса (240 не) учитывается при определении времени пролета в МС (до 50 мке); потребовался дополнительный электрод (и потенциал) для компенсации слабого паразитного поля в ОУ, ухудшающего трансмиссию ОУ, наблюдаемого в течение времени между выталкивающими импульсами, что важно для достижения удовлетворительной чувствительности. Описана

система задания высоковольтных потенциалов МС с подстроенными сопротивлениями и метод ее настройки с применением высоковольтного пробника, включающий корректировку искажений, вносимых измерениями при настройке. Работы, описанные в данном подразделе, обеспечили достижение воспроизводимых высоких характеристик экспериментального образца СИШВПМС.

Управление системой регистрации и обработка данных осуществляется программным комплексом, являющимся последней ступенью в реализации преимуществ созданной установки - одновременного получения спектров подвижности и массы. Он обеспечивает уменьшение времени регистрации спектральных данных, примерно на два порядка. С другой стороны, - оп позволяет проводить обработку данных независимо от процесса их получения. Программа управления позволяет контролировать параметры системы регистрации, визуализировать текущие спектры и автоматически сохранять данные. Обработка включает: преобразование исходных дашплх к трехмерному спектру (восстановление последовательности данных), построение селективных масс-спектров и спектров подвижности с выбором диапазона суммирования по подвижности и по массам, соответственно, автоматическое детектирование пиков и определение их характеристик (положение, центр масс, ширина, площадь и рассчитанных на их основе разрешающей способности, отношения сигнал/шум). Данный уровень автоматизации рутинных операций позволил существенно сократить время обработки спектров, а также наладку и оптимизацию работы прибора, интерпретацшо результатов анализов.

Перед сборкой экспериментально го образца СИП/МС в окончательном виде, были проведены экспериментальные исследования каждого узла в отдельности: МС, интерфейса, СИП. Для МС был разработан тестовый ИИ с поверхностной ионизацией, моделирующий поток ионов га интерфейса с кинетической энергией 20 эВ. Интенсивность ионного тока позволяла регистрировать полезный сигнал на фоне шумов регистрирующей системы, в том числе при пониженном в 10 раз коэффициенте умножения ВЭУ. В процессе наладки интерфейса во второй ступени сегментированный квадруполь был заменен на квадруполь с расходящимися/сходящимися попарно электродами. При соединении интерфейса с МС использовался ИИ ХИАД-КР. Интенсивность иогаюго тока позволяла достоверно регистрировать полезный сигнал. Разработка алгоритма регистрации со смещением уровня фона потребовалась только после установки последнего узла - СИП, так как это привело к падению интенсивности ионного тока в 104-106 раз, что обусловлено формированием короткого ионного сгустка ИЗ СИП и потерями ионов при вводе в интерфейс через малое отверстие, равное 0,03 см в диаметре.

Описана разработанная методика анализа тестовых образцов и определения их предела обнаружения. Целью анализа является определение характеристичных пиков образ-

цов и их воспроизводимости. Процесс анализа включает: пробоподготовку, ввод пробы, получение спектров в различных режимах, интерпретацию результатов. Тестовые образцы - это чистые соединения в виде порошков или растворов, содержащих минимальное количество примесей. Идентификация массовых пиков и пиков подвижности проводилась в сравнении со спектрами контрольных растворов, проходящих все стадии пробоподго-товки, за исключением добавления исследуемого соединения. Рабочая концентрация для новых соединений составляла 1-100 мкмоль/л. Для определения предела обнаружения проводились дополнительные измерения с концентрацией, оцениваемой экстраполяцией ранее полученных данных до отношения сигнал/шум равного 10. Отношение сигнал/шум определялось по сравнению с контрольным раствором для соответствующих пиков: уровень интенсивности специфичных пиков массы и подвижности в контрольном анализе выбирался за уровень фона, а его СКО - за уровень шума.

В третьей главе приведены результаты исследований физических процессов, влияющих на характеристики метода. Сначала рассматриваются причины невоспроизводимости характеристик массовых пиков - площади и центра масс пиков. Описывается метод определения средней интенсивности пиков одиночных ионов. Обосновывается применение распределения Пуассона для оценки влияния статистики дискретных событий на воспроизводимость площади пика. Разработана методика определения среднего значения интенсивности сигналов от одиночньпГионов, экспериментальное значение которого составило 20 мВ при выбранном напряжении на ВЭУ (-3 700 В). Это позволило оценить число ионов, формирующих любой пик и, следовательно, исследовать воспроизводимость площади пиков. Установлено, что она удовлетворительно согласуется с зависимостью от абсолютного значения площади, ожидаемой согласно распределению Пуассона - как квадратный корень из числа ионов (N), формирующих массовый пик. Следовательно, основным ограничением воспроизводимости массовых пиков при определенной концентрации является интенсивность тока молекулярных ионов и для ее увеличения необходимо увеличивать трансмиссию созданного экспериментального образца СИП/ВПМС.

Исследована точность определения массы молекулярных ионов является одним из важнейших показателей СИП/МС. Исследована точность определения m/z в режиме максимальной трансмиссии (при открытом ИЗ СИП). Получена серия масс-спектров при анализе 8-компонентной пробы, и измеренные значения масс сравнивались с табличными. Разница в значениях масс не превысила 10-20 ррш и удовлетворительно согласуется с относительной погрешностью среднего времени пролета в масс-анализаторе, а так же со статистической оценкой, полученной на основе наблюдения, что интенсивности массового пика от времени пролета близко к гауссову:

S- =l/(2V21n2Wß), (1)

где R - разрешающая способность по массам, составляющая 2 ООО для данного прибора. Следовательно, существенных систематических искажений при регистрации масс не наблюдается и на созданном MC ограничена, в основном, уровнем разрешающей способности. Точность измерения масс может быть увеличена путем увеличения не только разрешающей способности по массам, но и трансмиссии данного прибора. Достигнутая точность определения m/z с применением разработанной регистрирующей аппаратуры на основе АЦП не является предельной, и обосновывается, что при существенном увеличении интенсивности ионного тока возможно продемонстрировать преимущества созданной системы по сравнению с применением многоканального временного анализатора (МВА).

Рассмотрена сходимость и воспроизводимость измерения приведенной ионной подвижности. Приведено описание метода регистрации времени дрейфа ионов, определяемое по номеру сохраненного масс-спектра. А так как каждые 4 зарегистрированных последовательно масс-спектра аппаратно суммируются, то шаг дискретизации спектра подвижности (времени дрейфа) составляет 0,2 мс. При этом погрешность определения среднего времени дрейфа для одного суммарного спектра оказывается меньше шага дискретизации благодаря нормальному распределению ионов от времени дрейфа и составляет 0,02-0,12 мс или 0,1-0,2%.

С другой стороны, измеряемое время дрейфа включает в себя составляющую движения не только в трубе дрейфа, но так же и в интерфейсе. При этом зависимость времени пролета интерфейса не коррелирует с ионной подвижностью, так как закон движения ионов в нем отличается от того, которым описывается движете в трубе дрейфа СИП. Экспериментально определено, что время пролета области экстракции и интерфейса составляет 1-2,5 мс в зависимости от подвижности, что несущественно по сравнению с полным временем пролета 30-60 мс. Однако оказывается достаточным для внесения систематических отклонений >1% при калибровке с использованием обычно применяемой калибровочной функцией. Поэтому в функцию преобразования "время дрейфа - ионная подвижность" добавлен дополнительный постоянный коэффициент, определяемый при калибровке. Он позволяет учитывать время пролета ионов в интерфейсе, повышая правильность определения ионной подвижности.

Калибровка выполняется по 4 пикам подвижности методом наименьших квадратов (МНК), а относительное СКО, определенное данным методом, является погрешностью определения подвижности анализируемых соединений, если погрешность их времени дрейфа не оказывается больше. Для этого в каждую пробу добавляется 4 вещества, являющихся стандартами в ионной подвижности, то есть обладающих стабильной приве-

денной ионной подвижностью при изменяющихся внешних условиях получения спектров. Строятся спектры подвижности, селективные по массам данных стандартов, что дает точные значения их времени дрейфа. МНК находятся коэффициенты линейной зависимости и погрешности их определения, а также определения подвижности. В результате, точность определения среднего времени пролета в одной серии (10-30 спектров, полученных подряд) составляет ~0,1%, а сходимость приведенной ионной подвижности одной серии уже существенно ее превышает и составляет 0,1-0,5%. Воспроизводимость, полученная при сравнении результатов измеренных в разные дни и месяцы, составила 0,30,6%. Это объясняется недостаточной точностью значений приведенной подвижности стандартных соединений, которые приводятся в литературе с относительной погрешностью 0,3-0,6%. Существенным фактором, влияющим на погрешность определения приведенной подвижности, оказалась стабильность времени дрейфа, экспериментально измеренное значение которого составило 0,2-0,3 %/час, что объясняется вариациями внешних условий (давления, температуры, влажности и др.). Это обусловливает необходимость повторять калибровку по подвижности в течение каждых нескольких часов.

Кроме того, сравнение различных литературных источников показывает, что абсолютные значения приведенной подвижности стандартных соединений, полученные в различных лабораториях, могут отличаться на 2-5%, в то время как нормированные по значению приведенной подвижности стандартных соединений 2,6-ПКВР или ТААН-3 согласуются в пределах 0,5-2%, которые и целесообразно использовать для межлабораторного сравпения. Еще одной проблемой на пути повышения точности определения приведенной ионной подвижности является кулоновское взаимодействие в трубе дрейфа сгустков молекулярных ионов с близкой подвижностью. Из литературы известно, что отклонения времени дрейфа вследствие данного эффекта могут достигать 0,4%. Поэтому для дальнейшего увеличения воспроизводимости определения приведенной ионной подвижности до уровпя порядка 0,1% необходимо разработать метод учета отклонений времен дрейфа из-за-кулоновского взаимодействия на основе получаемых спектров.

Исследована дискриминация трансмиссии СИП, соединенного с интерфейсом дифференциальной откачки и разработана методика оценки эффективного временного вклада ИЗ конструкции Брэдбери-Нильсона. Было собрано две серии спектров, в режимах максимального пропускания и СИП/МС, отличающихся коэффициентом пропускания ИЗ: 100% (открытый) и д, = 0,5 мс/ 51,2 мс = 0,01 (формирование коротких ионных сгустков). Экспериментально наблюдается пропорциональность между отношением средних значений площадей массовых пиков и ионной подвижностью компонент. Помимо трансмиссии, обусловленной импульсным характером работы ИЗ (/;,), из литературы известно об эффекте снижения интенсивности сгустка молекулярных ионов при закрытии ИЗ (у^<1),

являющегося функцией ионной подвижности. В результате теоретическая зависимость отношения трансмиссий СИП в двух режимах имеет вид:

где р введено для определения систематического отклонения экспериментально измеряемой и теоретической зависимости. В результате определения коэффициентов МНК определена длина области снижения интенсивности: /¿= (0,75±0,09) мм, 61й= 12%, что удовлетворительно согласуется с расстоянием между проволоками ИЗ (0,6 мм). Распределение электрического поля в области ИЗ было смоделировано с помощью программы вишоп-в 31}. Длина области, где электрическое поле противоположно направлению дрейфа ионов, составляет 0,6 мм, что удовлетворительно согласуется с экспериментальными результатами и, следовательно, обосновывает причину рассматриваемого эффекта. Экстраполиро-вашюе пороговое значение приведенной ионной подвижности, при котором 9=0 (ионы не пропускаются) для данных условий получения спектров и характерных размеров ИЗ составило АГ0„„„=:(0,44±0,05) см2/В-с, 8К0тт = 12%. Увеличение экспериментального отношения трансмиссий по сравнению с теоретической составило р = (3,6±0,18), 5р = 5%. Это объясняется разной скоростью радиального уширения сгустка молекулярных ионов в режиме постоянного тока и в импульсном - во втором случае кулоновское расталкивание не существенно и при вводе ионов в интерфейс из СИП через малое отверстие (диаметром 0,3 мм) концентрация ионов па оси оказывается выше. Оценки качественно подтверждают данное предположение.

Рассмотрена селективность. Разрешающая способность по массам составила 2000, что хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Был определен уровень коэффициента умножения ВЭУ, при достижении которого воспроизводимость качественно улучшается с 20-30% до 5-6%. Установлено, что причиной невоспроизводимости является систематическая разница в опорных уровнях сигнала, поступающих на микросхемы АЦП, объединенных с чередованием для обеспечения требуемой частоты дискретизации. При обеспечении коэффициента умножения ВЭУ, при котором уровень сигнала от одиночных ионов на порядок превышает данную систематическую составляющую, качество сигнала резко повышается. Предельная разрешающая способность по подвижности составила не менее 100, что достигается при задании времени длительности открытия ИЗ равного 0,2 мс и менее. Это уменьшает трансмиссию СИП па порядок и поэтому используется только при необходимости получения высокой селективности по подвижности. Экспериментально измерешюе уширение сгустка молекулярных ионов в интерфейсе не превысило 0,2 мс, с учетом чего расчетная разрешающая способность достигает 100 при времени открытия

(2)

ИЗ tg = 0,2 мс и менее. Это подтверждается результатами экспериментов по измерению разрешающей способности по подвижности с использованием стандартных соединений, которая составила: 79 (13%), 80 (14%) и 114 (30%) для ТААНЗ, -5 и -8, соответственно.

Исследована возможность повышения эффективности ввода молекулярных ионов в масс-анапизатор с ортогональным ускорителем для исследуемого класса приборов. Первоначально приводится оценка эффективности ввода ионов ортогональным ускорителем (ОУ) (его коэффициента заполнения) созданного экспериментального образца СИП/ВПМС, дающая 1-25% для диапазона 20-890 а.е.м., пропорциональная miz ионов. Ввод ионов в масс-анализатор состоит из двух стадий: заполнения ОУ и собственно импульсного ускорения в перпендикулярном направлении, после чего ионы разделяются в масс-анализаторе и регистрируются на детекторе. Отсюда оценка сверху эффективности ввода ионов определяется отношением высот: ОУ и масс-анализатора за вычетом высоты детектора в аксиальном направлении (вдоль оси Z на рис. 1). Для аксиально-симметричных времяпролетных масс-анализаторов с углом поворота менее 360' ее значение принципиально не ограничено, так как ОУ и детектор пространственно разнесены. В результате, коэффициент заполнения для приведенного диапазона с данным типом анализатора может быть повышен вплоть до 4-100%. То есть дискриминация по miz сохраняется, так как ионы имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию.

Начало времяпролетного масс-спектра обычно совпадает с импульсом выталкивания ионов из ОУ, запускающим процесс разделения ионов по miz, а со следующим импульсом масс-спектр заканчивается. По сути, это формирует требование: все анализируемые ионы должны быть разделены по времени пролета и зарегистрированы до запуска следующего сгустка ионов в масс-анализатор, - которое и обусловливает дискриминацию коэффициента заполнения ОУ по miz. Здесь предложено заменить данный подход другим: определять границ масс-спектра по времени пролета ионов с минимальным и максимальным miz, подлежащим анализу, что позволяет устранить указанную выше дискриминацию. Для этого, во-первых, необходимо выполнение условия: время заполнения ОУ определяется ионами с минимальным miz — это позволит сохранить остальные ионы, с большим miz, при заполнении ОУ. Но такой подход может привести к наложению масс-спектров. Поэтому вводится второе условие: разница времен пролета ионов в анализаторе должна быть не больше времени заполнения ОУ. Подстановка времени заполнения ОУ ионами с минимальным m/z из первого условия во второе - дает выражение, связывающее временя пролета молекулярных ионов в анализаторе и заполнения ОУ. Представление времени пролета в анализаторе в виде суммы по областям с постоянной линейной скоростью (области ускорения исключены для простоты интерпретации результатов, и, кроме того, их вклад в итоговое время пролета для аксиально-симметричного анализатора несу-

ществен), выражение их через параметры масс-анализатора (геометрические и электрические) и использование закона подобия для приведения всех потенциалов области пролета относительно «основного» (максимального), позволяет получить условие:

где а, — отношение Ц к 11\, 11\ — «основной» потенциал, £/,„, — потенциал ускорения ионов на выходе из интерфейса (определяет кинетическую энергию при заполнении ОУ), /, -длина/-ой области анализатора, 1р — высота ОУ, 2 - кратность заряда ионов, принята за 1. Отношения потенциалов (а,) и длины областей (/,) анализатора получены из решения задачи оптимизации то разрешающей способности. Данное условие связывает отношение кинетических энергий ионов в ортогональных направлениях: энергии заполнения ОУ и движения в анализаторе, с отношением предельных масс (максимальной и минимальной т/г), при выполнении которого снимается принципиальное ограничение на эффективность ввода ионов в масс-анализатор с ОУ. Это обеспечивает использование 100% молекулярных ионов для любой массы из выбранного диапазона.

Отношешге масс определяет требуемые потенциалы полезадающих элементов и смещение областей выталкивания и детектирования сгустков молекулярных ионов относительно друг друга в аксиальном направлении. Далее рассмотрены некоторые характерные значения отношений предельных масс с целью оценки возможности реализации описанного в предыдущем параграфе подхода. Во-первых, для реализованной геометрии анализатора (отношение 1Р к расстоянию до области детектирования в аксиальном направлении, 1ь, составляет ~0,25) из условия определяется отношение масс —1,6. Следовательно, подобная геометрия может быть использована только для анализа узкого диапазона масс, но в режиме повышенной чувствительности. Например, для реализованного диапазона повышение эффективности составляет 4—50 раз, в зависимости от массы. Особенным случаем является отношение масс 4 - в этом случае для минимальной массы время заполнения ортогонального ускорителя должно быть больше или равно времени пролета масс-анализатора {Тм5> ¡м^гппы)), - следовательно, области детектирования и выталкивания не должны быть разделены в аксиальном направлении или даже должны перекрываться. Это возможно реализовать только в масс-анализаторах, где данные области пространственно разнесены - например, в линейном, а так же в аксиально-симметричном анализаторе, использованном в данной работе.

Для реального диапазона масс (отношение предельных масс составило =44) такое условие требует соотношение компонент энергий ионов в ортогональных направлениях на несколько порядков больше типично реализуемых (10е против 102_103). В этом случае

(3)

диапазон масс можно разделить на несколько частей с небольшим отношением, например, 4, обеспечивающим возможность реализации на практике вытекающего из него отношения энергий ионов. Следовательно, результирующая эффективность ввода ионов при таком подходе будет обратно пропорциональна числу частей. Для используемого диапазона эффективность составляет порядка 33%.

Другим подходом к разделению диапазона на несколько частей является именно соединение СИП с ВПМС. Благодаря тому, что существует корреляция масса-подвижность, спектр масса-подвижность можно разделить на зоны по подвижности, в каждой из которых типично регистрируются массы с отношением, не превышающим 4—5 (определено эмпирически, при обработке различных СИП/МС спектров). Поэтому предлагается использовать корреляцию масса-подвижность в СИП/ВПМС с аксиально-симметричным анализатором и описанное выше условие, связывающее отношение ортогональных компонент кинетических энергий ионов и отношение предельных масс узкого диапазона, составляющее 4-5, что в совокупности принципиально позволяет достичь 100% эффективности ввода ионов ОУ в масс-анализатор. Рассмотрены примеры разбиения СИП/МС спектров на области с требуемым отношением масс и ограничения предлагаемого метода.

В четвертой главе описаны результаты апробации созданного экспериментального образца СИП/ВПМС. С целью определения возможности идентификации следовых количеств органических соединений были проведены исследования нескольких классов веществ. Во-первых, на протяжении нескольких месяцев проводились исследования антибиотиков: офлоксацина, ломофлоксацина, ампициллина, амоксициллина, - при получении молекулярных ионов методом электрораспыления. При пробоподготовке добавлялись внутренние стандарты (2,6-DtBP, ТААН-3, -5 и -8), используемые в качестве реперных пиков для калибровки по Ко- Готовые пробы хранились в морозильной камере (менее -10°С). Определены характеристичные пики, образованные протонированными молекулами [М+Н]+ (для всех антибиотиков), а в случае ломефлоксацина это был единственный характеристичный сигнал А"о=1,082 см2/В с (моноизотопная масса 352,15 а.е.м.). Характеристичные пики и соотношение их интенсивностей для остальных антибиотиков зависят от времени хранения раствора для анализа. Регистрировались также протониро-ванные соединения амоксициллина и ампициллина с растворителем (метанолом или аце-тонитрилом), обладающие одинаковой в пределах погрешности с протонированными молекулами подвижностью ¡0=0,907 см2/В с (m/z = 366,11, 398,14 и 407,14 а.е.м.) и АГ0=0,945 см2/В с (m/z = 350,12, 382,14 и 391,14 а.е.м.), соответственно. Установлено, что чем дольше хранится проба, тем выше интенсивность соединения с растворителем. Наибольшее разнообразие характеристичных молекулярных ионов наблюдалось для офлок-

сацина - помимо протонированной молекулы ЛГ0=1,051 и 1,30-1,47 см2/Вс (m/z = 362,15 а.е.м.), наблюдался однозарядный протонированный димер [2М+Н]+ А"{|=0,816 см2/Вс ( m/z = 723,30 а.е.м.) и двухзарядпый дипротонированный димер [2М+2Н]+2 с неустойчивым значением подвижности АГ0=1,3(>—1,47 см2/Вс (m/z = 362,15, 724,30 а.е.м.). При этом третий пик подвижности, формируемый одновременно двухзарядным дипротонирован-ным димером [2М+2Н]+2 и протонированной молекулой [М+Н]+ наблюдался только в растворах, выдержанных более 2 суток после приготовления. Для достоверного определения молекул, формирующих данный пик, использовался тот факт, что в селективном спектре подвижности наблюдается пик с m/z = 362,66 а.е.м. (на 0,5 а.е.м. больше основного пика протонированной молекулы с m/z — 362,15 а.е.м.), что позволило выдвинуть гипотезу о наличии [2М+2Н]+2. А для ее проверки было произведено сравнение измеренных соотношений интенсивностей пиков m/z = 362,15, 362,66 и 363,15 а.е.м., и расчетных изотопных соотношений, формируемых одновременно молекулярными ионами [2М+2Н]+2 и [М+Н]+, с соотношением концентраций, определяемых пиком m/z = 362,66 а.е.м., который формируется только соединением [2М+2Н]+2. Воспроизводимость подвижности третьего пика подвижности офлоксацина К0=1,3-1,47 см2/В-с оказалась крайне низкой, порядка 15%. Воспроизводимость приведенной подвижности остальных пиков, в том числе и других антибиотиков, составила 0,6%. Важность контроля концентрации антибиотиков в окружающей среде обусловлена их широким применением в животноводстве, приводящим к попаданию антибиотиков в грунтовые воды, что увеличивает вероятность образования резистентных штаммов бактерий.

В лаборатории ЭКЦ МВД России были проведены исследования наркотических соединений: methylone, 4-МЕС, 3,4-MDPV, JWH-210, JWH-250, JWH-203, cocaine. Показано, что метод ХИАД-КР предпочтительнее ИЭР с точки зрения предела обнаружения для всех соединений, за исключением cocaine. Предел обнаружения в первом режиме лучше на несколько порядков. Относительный предел обнаружения, полученный для данных соединений, 4-400 нмоль/л, абсолютный 14 пг-1,7 нг. ТААН-3, -5 и -8 не ионизуются в режиме ХИАД-КР, поэтому для калибровки по Ко использовались 2,6-DtBP, 3,4-MDPV и cocaine. Их значения К0 определялись в режиме ИЭР при калибровке с использованием ТААН-3, -5 и -8. Воспроизводимость составила ЛГ0=0,01 см2/В-с. Для всех соединений наблюдаются протонированные молекулы, а в режиме ХИАД-КР Methylone и 4-МЕС дополнительно давали сигнал от депротонироватюй молекулы [М-Н]+. Для 4 из 7 проанализированных соединений значения К0 получены впервые. Полученные значения К0 могут применяться для настройки портативных СИП, применяемых в качестве средств предварительного мониторинга наркотических соединений, например, таможенными службами.

Проведен анализ взрывчатых веществ и синтетических красителей (паста шариковой ручки). Для красителей наблюдались характеристичные пики, подтверждающие возможность применения созданного метода для экспертиз документов. Для взрывчатых веществ воспроизводимо был зарегистрирован только сигнал от гексаметилентрипероксид-диамина (НМ'ГО) с низким пределом обнаружения (хуже 0,1 ммоль/л). Это объясняется отсутствием режима отрицательных ионов в созданном экспериментальном образце СИП-ВПМС, при котором, в основном, выполняются анализы взрывчатых веществ, согласно литературным данным.

Основные выводы

1. Впервые на основе комбинированного измерения подвижности молекулярных ионов в противотоке дрейфового газа и времяпролетного масс-спектра создан новый метод идентификации следовых органических соединений.

2. Для реализации нового метода разработан экспериментальный образец на базе оригинальной комбинации дрейфового спектрометра иоппой подвижности (патент РФ № 2390069, 2009 г.) и времяпролетного масс-анализатора с аксиально-симметричным электрическим полем.

3. Показана принципиальная возможность достижения более высокой чувствительности (до двух порядков) спектрометра ионной подвижности/времяпролетного масс-спектрометра с аксиально-симметричным электростатическим секторным масс-анализатором с ортогональным вводом ионов с применением корреляции молекулярная масса - подвижность, по сравнению с использованием масс-анализатора типа «рефлек-трон».

4. Разработана методика калибровки созданной аппаратуры по приведенной подвижности и молекулярной массе. Экспериментально показано, что точность определения молекулярной массы с внутренним стандартом составляет 10-20 ррш, воспроизводимость определения приведенной ионной подвижности с внутренним стандартом составляет 0,30,6%, что соответствует современному уровню аналогичного класса приборов.

5. Экспериментально показано, что созданная аппаратура обеспечивает получение высокой разрешающей способности по подвижности (до 100), благодаря новой конструкции интерфейса дифференциальной откачки, обеспечивающей малое уширение ионного сгустка по сравнению с начальной шириной, формируемой ионным затвором.

6. Разработана методика оценки эффективной ширины ионного затвора конструкции Бредбери-Нильсона для СИП/ВПМС, что важно для определения исходного соотношения концентраций соединений, и показано, что эффективность ввода ионов из СИП в интерфейс выше в импульсном режиме, по сравнению с режимом постоянного ионного тока,

что важно для точного определения эффективности методов повышения ионного тока в СИП основанных, например, на преобразовании Адамара или применении иоштых ловушек.

7. Разработана методика идентификации синтетических наркотических веществ и антибиотиков, обеспечивающая экспресс-обнаружение следовых количеств с подтверждением достоверности по молекулярному иону, и впервые получены значения приведенной ионной подвижности наркотических соединений с видоизмененной химической формулой.

Основные публикации по теме диссертации

1. Sysoev А.А., Chernyshev D.M., Poteshin S.S., Karpov A.V., Fomin O.I., Sysoev A.A. Development of an atmospheric pressure ion mobility spectrometer - mass spectrometer with an orthogonal acceleration electrostatic sector TOF mass analyzer. - Analytical Chemistry, 2013, v. 85(19), p. 9003-9012.

2. Chernyshev D.M., Poteshin S.S., Sysoev A.A., Sysoev A.A. A new approach to the ion mobility spectrometer/mass spectrometer based on the orthogonal acceleration sector time-offlight mass analyzer. - J. of Analytical Chemistry, 2012, v. 67, № 14, p. 1093-1095.

3. Chernyshev D.M., Frolov I.S., Frolov A.S., Mukhanov M.S., Sysoev A.A. Measurements of reduced mobility of standard compounds by high resolving power ion mobility spectrometer in remote laboratories. - J. of Analytical Chemistry, 2011, v. 66, № 13, p. 5-9.

4. Чернышев Д.М., Фролов И.С., Фролов A.C., Муханов М.С., Сысоев A.A. Спектрометр ионной подвижности/масс-спектрометр на основе спектрометра ионной подвижности высокого разрешения и квадрупольно-времяпролетного масс-спектрометра. — ВАНТ. Сер.: Техническая физика и автоматизация, 2010, № 64-65, с. 209-217.

5. Сысоев А.А., Фролов А.С., Фролов И.С., Чернышев Д.М. Спектрометр ионной подвижности. - Патент на изобретение № 2390069, заявка № 2009111093/28, МПК H01J49/00 (2006.01), 27.03.2009.

6. Сысоев А.А., Фролов А.С., Фролов И.С., Чернышев Д.М. Устройство подготовки проб для анализа. - Патент на полезную модель №86314, заявка № 2009111092, МПК GO IN 13/00, 27.03.2009.

7. Чернышев Д.М., Потешин С.С., Сысоев А.А. Исследование характеристик спектрометра ионной подвижности/времяпролетного масс-спектрометра с аксиально-симметричным анализатором. - в сб.: Тезисы V Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», Москва, октябрь 2013 г., с. 102.

8. Чернышев ДМ., Потешин С.С., Сысоев A.A. Разработка экспресс-метода идентификации органических соединений на основе ионной подвижности и времяпролетиой масс-спектрометрии. - в сб.: Аннотации докладов научной сессии НИЯУ МИФИ-2013, т. 1, с. 197.

9. Sysoev A.A., Sysoev A.A., Poteshin S.S., Chernyshev D.M. An ion mobility mass spectrometer with an axial sector TOF analyzer. - In: Abstracts of 19th International Mass-Spectrometry Conference, Kyoto, Japan, 2012, p.896.

10. Чернышев Д.М., Потешин C.C., Сысоев A.A. Преимущества соединения спектрометра ионной подвижности с масс-спектрометром. - В сб.: Аннотации докладов научной сессии НИЯУ МИФИ-2012, т. 1, с. 228.

11. Чернышев Д.М., Потешин С.С., Сысоев A.A. Времяпролетный масс-анализатор с ортогональным вводом ионов. - В сб.: Аннотации докладов научной сессии МИФИ-2011, т. 1, с. 56.

12. Чернышев Д.М., Потешин С.С., Сысоев A.A. Секторный времяпролетный масс-анализатор с ортогональным вводом для комбинации со спектрометром ионной подвижности. - В сб.: Тезисы 4-ой всероссийской конференции-школы «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения», Звенигород, 2010 г., с. 42.

13. Чернышев Д.М., Фролов И.С., Фролов A.C., Сысоев A.A. Спектрометр ионной подвижности/масс-спектрометр на основе дрейфового спектрометра ионной подвижности и квадруполыю-времяпролетного масс-спектрометра. — В сб.: Тезисы 3-ой всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», Москва, 2009 г., с. 187.

14. Сысоев A.A., Сысоев A.A., Потешин С.С., Фролов A.C., Чернышев Д.М., Семенов А.Ю., Стецкевич А.Д. Применение времяпролетного масс-спектрометра в качестве детектора спектрометра ионной подвижности. — В сб.: Материалы 4-ой всероссийской научно-практической конференции по криминалистике и судебной экспертизе, 2009 г., с. 353-356.

15. Чернышев Д.М., Фролов A.C., Фролов И.С., Сысоев A.A. Масс-спектрометр ионной подвижности. - В сб.: Аннотации докладов научной сессии МИФИ-2009, т. 1, с. 82.

16. Чернышев Д.М., Ворожбицкий В.В., Фролов И.С., Фролов A.C., Сысоев A.A. Исследование воспроизводимости результатов измерений в спектрометрии ионной подвижности высокого разрешения при атмосферном давлении. — В сб.: Аннотации докладов научной сессии МИФИ-2008, т. 4, с. 32-33.

Подписано в печать:

18.04.2014

Заказ № 9963 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш.( 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Чернышев, Денис Михайлович, Москва

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

__________. . на правах рукописи

Чернышев Денис Михайлович

01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

научный руководитель д.ф.-м.н., профессор Сысоев А.А.

Москва 2014

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ.....................................................................................................................2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...................................................................................4

1. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ДЛЯ АНАЛИЗА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ.....................9

1.1 Существующие методы анализа многокомпонентных смесей..............................9

1.2 Дрейфовая спектрометрия ионной подвижности.................................................16

1.3 Основные типы времяпролетных масс-спектрометрических анализаторов и их характеристики.......................................................................................................................22

1.4 Существующие типы спектрометров ионной подвижности/масс-спектрометров и их характеристики...................................................................................................................28

1.5 Постановка задачи................................................................................................33

2. УСТРОЙСТВО СОЗДАННОГО ДРЕЙФОВОГО СПЕКТРОМЕТРА ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ / ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА С АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫМ АНАЛИЗАТОРОМ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ВВОДОМ ИОНОВ...............................................36

2.1 Источники ионов при атмосферном давлении.....................................................40

2.2 Спектрометр ионной подвижности.......................................................................43

2.3 Интерфейс дифференциальной откачки.................................................................45

2.4 Времяпролетный масс-анализатор........................................................................48

2.5 Детектирование ионов...........................................................................................50

2.6 Средства регистрации и обработки информации...................................................52

2.7 Электроника...........................................................................................................55

2.8 Программное обеспечение и алгоритмы обработки спектров масса-подвижность ................................................................................................................................................60

2.9 испытания экспериментального образца и разработка методов анализа............63

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА............................................................................................................................70

3.1 Воспроизводимость характеристик массовых пиков: площади, центра масс.....70

3.2 Воспроизводимость приведенной ионной подвижности....................................76

3.3 Дискриминация трансмиссии в спектрометре ионной подвижности..................81

3.4 Селективность........................................................................................................86

3.5 Метод повышения эффективности ортогонального ввода ионов в аксиально-симметричный времяпролетный масс анализатор, соединенный с дрейфовым спектрометром ионной подвижности...................................................................................90

4. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИЛОЖЕНИЯ МЕТОДА...............................100

4.1 Анализ фармацевтических препаратов и определение их основных характеристических признаков............................................................................................100

4.2 Анализ синтетических наркотических веществ и изучение возможности их быстрой идентификации.....................................................................................................105

4.3 Анализ синтетических красителей, взрывчатых веществ....................................108

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.....................................................................................................111

СОКРАЩЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ...................................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................................122

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Современные задачи определения химического состава сложных смесей предъявляют высокие требования к методам анализа по точности и достоверности. Одним из эффективных подходов решения подобных задач является сочетание различных принципов разделения компонент анализируемых смесей, позволяющих одновременно получать разнородную информацию о составе пробы, что повышает достоверность распознавания близких по строению, но различных по свойствам соединений, и это особенно актуально для приложений безопасности, криминалистики, биологии, фармацевтики, медицины, экологии, промышленного мониторинга и т.д. Широко распространенные методы с применением хроматографии и масс-спектрометрии (МС) позволяют решать такие задачи, но обладают существенным недостатком - время анализа занимает десятки минут. Представляется актуальным исследование сочетания спектрометрии ионной подвижности (СИП) и времяпролетной масс-спектрометрии (ВПМС), потенциально позволяющих уменьшить время анализа до нескольких секунд.

Предпочтительным представляется использование дрейфового СИП в качестве не только инструмента предварительного разделения ионных компонент по подвижности, но и ее измерения, на основе которого возможно определение ион-молекулярного сечения столкновений, что невозможно с остальными типами СИП. Ранние работы объединения СИП с МС, в силу одинаковых «скоростных» возможностей по регистрации спектральной информации, не позволяли достичь приемлемых характеристик по пределу обнаружения и времени анализа одновременно. Характерное время разделения сгустков молекулярных ионов в СИП составляет 50 мс, а временная ширина не менее 0,2 мс, что позволяет использовать ВПМС для регистрации полного распределения по отношению молекулярной массы к заряду (m/z) данных сгустков с частотой порядка 10 кГц. Это достигается благодаря типичному времени получения времяпролетного масс-спектра низкого разрешения (до 10 ООО) низкомолекулярных соединений (до 1 ООО а.е.м.) порядка 100 мкс.

Данные методы независимо демонстрируют относительную чувствительность на уровне единиц ppb (parts per billion - частей на миллиард) и меньших

значений. Но вследствие существенного перепада давления, от атмосферного в

5 8

СИП, до высокого вакуума (10" мм.рт.ст.) ВПМС, превышающего 10 , требуется создание газодинамического интерфейса, эффективно удерживающего потоки молекулярных ионов от расширения и транспортирующего их из СИП во ВПМС. В связи с принципиальными ограничениями трансмиссии ВПМС типа «масс-рефлектрон» представляется актуальной разработка альтернативных типов масс-анализаторов. Поэтому представляется перспективным исследование ВПМС с аксиально-симметричными полями, позволяющими получить тройную фокусировку первого порядка начальных параметров ионов. Кроме того, для повышения чувствительности СИП/ВПМС рациональным представляется накопление спектральной информации.

Целью диссертационной работы явилась разработка нового типа аналитической системы на основе дрейфового спектрометра ионной подвижности и вре-мяпролетного масс-спектрометра с секторным электростатическим анализатором, и метода идентификации следовых количеств молекулярных соединений на ее основе. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

Научная новизна работы

2. Разработано новое высокоскоростное устройство и метод непрерывной регистрации и обработки трехмерных потоков данных, аппаратно суммируемых и получаемых в тандемном устройстве на основе дрейфовой спектрометрии ионной подвижности и времяпролетной масс-спектрометрии.

3. Разработан новый метод идентификации следовых количеств органических соединений на основе дрейфового спектрометра ионной подвижно-сти/времяпролетного масс-спектрометра, новизна которого заключается в применении электростатического секторного масс-анализатора с ортогональным вводом ионов.

5. Показана принципиальная возможность достижения более высокой чувствительности спектрометра ионной подвижности/масс-спектрометра применением времяпролетного электростатического секторного масс-анализатора с ортогональным вводом ионов по сравнению с анализатором типа «масс-рефлектрон».

Практическая значимость работы

Новый метод идентификации следовых количеств органических соединений обеспечивает меньшее время анализа по сравнению с существующими и может быть применен для создания передвижной лаборатории, использован в таможенном контроле с целыо идентификации наркотических соединений и антибиотиков, что подтверждается результатами проведенных испытаний и характеристиками созданной аппаратуры. Разработанные методики анализа синтетических наркотических соединений и антибиотиков могут быть применены для задач контроля незаконного оборота наркотиков и контроля качества лекарственных средств, поставляемых на потребительский рынок. Результаты исследований и разработок могут быть использованы при создании новой масс-спектрометрической техники, превышающей существующие аналоги по совокупности характеристик, быстродействию и чувствительности. Подтверждена возможность детектирования синтетических трифенилметановых красителей, в том числе в составе красящих композиций при исследовании штрихов паст шариковых ручек с диагностикой состава этой композиции по молекулярным ионам, что может быть применено в экспертизе документов.

Основные положения, выносимые на защиту

3. Результаты апробации метода при определении характеристических спектров антибиотиков и наркотических соединений, включающие значения приведенной подвижности наркотических соединений с видоизмененной формулой, полученные впервые.

Апробация работы

Основные результаты представлены и обсуждены на «Научной сессии НИЯУ МИФИ» (2009-2013 гг.); Международной конференции «19 th International Mass-Spectrometry Conference» (2012, Киото, Япония); Всероссийской конференции-школе «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения» (2010, Звенигород, Россия); III Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (2009, Москва, Россия). По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 работы в журналах из списка ВАК, и получено два патента.

Объем и структура работы

1. Приборы и методы для анализа многокомпонентных смесей

1.1 Существующие методы анализа многокомпонентных смесей

На сегодняшний день наиболее распространены хроматографические методы анализа многокомпонентных смесей. Это газовая (ГХ), жидкостная хроматография (ЖХ) и ее современные, обладающие более высокими характеристиками, варианты - высокоэффективная ЖХ (ВЭЖХ) и другие. Принцип их работы основан на разделении пробы на фракции, что допонительно приводит к повышению концентрации компонент, а значит, и чувствительности. Данные методы обладают высокой воспроизводимостью, что позволяет выполнять не только качественный, но и количественный анализ. При соединении с масс-спектрометром (МС) возможна идентификация соединений в смесях с большим количеством компонент, так как хроматографическое и масс-спектрометрическое разделение смеси на компоненты основано на независимых физико-химических свойствах. Узким местом с точки зрения времени выполнения анализа в подобных тандем-ных приборах является именно хроматограф: типичное время хроматографиче-ского анализа составляет десятки минут. Рассмотрим подробнее схемы их работы и особенности идентификации соединений данными методами.

Газовая хроматография применяется для анализа летучих соединений. Кроме того, существенно ограничивает круг анализируемых соединений требование термостабилыюсти при 400-500 °С. Принципиальная схема приведена на рис. 1.

рис. 1 принципиальная схема газового хроматографа [1, с. 26]

Газ-носитель (элюент, из устройства 1) смешивается в дозирующем устройстве (2) с пробой в газообразном состоянии. Полученная смесь разделяется на составляющие на основе сорбционных свойств в колонке (3). Детектор (4, и 6 - его блок питания) служит преобразователем потока частиц в электрический ток. Эффективность разделения обеспечивается заданием температурного профиля в термостате (штриховой контур, и 5 - управляющая система), и контролем параметров эксперимента (10), включающих в себя скорость потоков газов, температуры и т.п. Сигнал с детектора усиливается (7) и регистрируется (8), поступая на хранение в компьютерную систему (9). В дальнейшем полученные хроматогра-фические спектры обрабатываются и интерпретируются для получения информации о составе пробы [1, с. 26].

Суть метода заключается в сорбционных процессах, происходящих в разделительной колонке, которая представляет собой полую металлическую, стеклянную, кварцевую или фторопластовую трубку с внутренним диаметром 0,2-4 мм и длиной 0,5-200 м. Внутрь колонки помещается пористый сорбент, заполняющий весь объем. Смесь газа-носителя с пробой, проникая сквозь сорбент, взаимодействует с его развитой поверхностью. Другим вариантом реализации выступает пленочное нанесение сорбента на внутреннюю поверхность капилляра. В этом слу-

чае, фактически, трубка остается полой, а эффективность взаимодействия обеспечивается длиной капилляров в десятки и сотни метров [1, с. 51-53].

Жидкостная хроматография позволяет анализировать молекулы до 10б а.е.м., в том числе не обладающие термической стабильностью. На рис. 2 приведена принципиальная схема ЖХ.

Д 5

-О-ЛЛЛА-^

I-----;

рис. 2 принципиальная схема жидкостного хроматографа [1, с. 175]

Раствор, содержащий анализируемую пробу, микро шприцом инжектируется (7) в поток �