Введение к работе
Введение. Актуальность работы
Метод масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ) обладает самой высокой разрешающей способностью и точностью измерения масс среди всех известных методов масс-спектрометрии. Сверхвысокие характеристики масс-спектрометров ИЦР ПФ позволяют успешно применять их при решении самых сложных аналитических задач, таких как: анализ сложных смесей - нефть, гуминовые вещества; идентификация молекулы по точной массе; разделение изотопных кластеров в масс-спектрах белков в top-down протеомике для определения моноизотопной массы. Измерительной ячейкой масс-спектрометра ИЦР ПФ является ионная ловушка Пеннинга. В такой ловушке ионы удерживаются сильным магнитным полем в радиальном направлении, а в направлении вдоль магнитного поля они удерживаются электрическим полем. Для измерения отношения массы к заряду на электроды измерительной ячейки подается переменное напряжение, которое, входя в резонанс с циклотронными частотами ионов, возбуждает их циклотронное движение. Вращающиеся ионы наводят переменный ток между детектирующими электродами измерительной ячейки, зависимость которого от времени измеряется, и получаемый сигнал подвергается частотному анализу, который обычно совершается методом преобразования Фурье, в результате которого получается спектр циклотронных частот. По циклотронным частотам по известной формуле определяются отношения масс к зарядам. При заданной индукции магнитного поля, в котором находится измерительная ячейка ИЦР, для увеличения разрешающей способности и точности измерения массы нужно увеличивать время детектирования наведенного тока в соответствии со свойствами Фурье преобразования. Для этого необходимо, чтобы ионное облако, совершающее циклотронное движение, двигалось синхронно как можно дольше. Основными факторами, лимитирующими время, в течение которого детектируемый ток не затухает, является давление остаточных газов в измерительной ячейке и неоднородность электрического поля, удерживающего ионы в аксиальном направлении. Благодаря прогрессу в вакуумной технике в последнее время удается снизить значение первого фактора, и основным источником влияния на разрешающую способность ИЦР масс-спектрометров становится неоднородность электрического поля. В нескольких лабораториях были предложены измерительные ячейки ИЦР, конструкция которых направлена на создание такого удерживающего электрического поля, которое как можно меньше возмущает синфазность движения ионного пакета (устранение асинхронности движения ионов называется гармонизацией измерительной ячейки). Предлагаемые измерительные ячейки ИЦР спроектированы так, чтобы создать электрическое поле максимально близкое к гиперболическому, так как такое поле в идеале вообще не приводит к расфазировке ионов. При этом поле, близкое к гиперболическому, удается создать лишь в области около центра измерительной ячейки.
В диссертации предложен принципиально новый подход к решению этой проблемы. Он состоит в том, чтобы создать не истинно гиперболическое поле, а такое, которое оказалось бы гиперболическим в результате усреднения по циклотронному периоду. Теоретически (если считать, что частота аксиальных колебаний намного меньше циклотронной) предложенная конфигурация электрического поля не приводит к расфазировке при движении ионного пакета с любым циклотронным радиусом и с любыми амплитудами аксиальных колебаний составляющих его ионов. В диссертации теоретически и экспериментально показано, что измерительная ячейка ИЦР на основе предложенной идеи превосходит все другие по разрешающей способности и точности измерения масс. Разрешающая способность, продемонстрированная этой измерительной ячейкой на белке бычий альбумин, является самой высокой, когда-либо полученной для белка на магните с индукцией 7 Тесла.
Цель работы
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное доказательство возможности создания ловушки Пеннинга, в которой усредненный по циклотронному движению потенциал является гармоническим, и не происходит потери синхронизации циклотронного движения ионов, благодаря чему достигается сверхвысокая разрешающая способность.
Научная новизна работы
В работе предложен новый принцип создания электрических полей в ловушках Пеннинга для обеспечения условий гармоничности аксиального движения ионов в них: при наличии сильного магнитного поля использование вместо гиперболического поля эффективно-гиперболического, то есть гиперболического после усреднения по циклотронному периоду. Приводится теоретическое обоснование подхода. Разработана и создана уникальная измерительная ячейка ИЦР, использующая этот принцип для создания электрического поля, удерживающего ионы в аксиальном направлении и не разрушающего синфазность циклотронного движения ионного пакета в течение длительного времени (десятков секунд). Измерительная ячейка охарактеризована экспериментально, на ней получена рекордная для магнитов 7 Тесла разрешающая способность.
Практическая значимость работы
Разработанная измерительная ячейка ИЦР позволяет значительно повысить разрешающую способность ИЦР спектрометра. Это существенно для приложений, в которых требуется сверхвысокое разрешение по массам, например, при измерении масс белков в top-down протеомике и при анализе сложных смесей, таких как нефть и гуминовые кислоты. Предлагаемый метод измерения позволяет применять недорогие сверхпроводящие магниты с относительно низкой магнитной индукцией.
Личный вклад автора
Автор внес основной вклад в разработку, конструирование и создание измерительной ячейки. Автором выполнено аналитическое исследование и компьютерное моделирование движения ионов в ячейке, чем доказана возможность ее использования в масс-спектрометрии ИЦР. Автор принял участие в разработке электрической схемы измерений. Он также принял участие в первых измерениях масс-спектров с применением новой ячейки.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих конференциях: 58-ая ежегодная конференция американского масс-спектрометрического общества «масс-спектрометрия и смежные темы» в Солт Лейк Сити, США, 23-27 мая 2010; Четвертая Всероссийская конференция «Фундаментальные вопросы масс-спектрометрии и ее аналитические применения», Звенигород, Россия, 10 -14 октября 2010; 9th European FTMS meeting, Лозанна, Швейцария, 6 - 9 апреля 2010; 1st Middle Eastern and Mediterranean Sea Region Countries Mass Spectrometry Workshop, Реховот, Израиль, 17-22 октября 2010.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах и 16 тезисов конференций.
Структура и объем диссертации
Работа изложена на 82 страницах и содержит 26 рисунков. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы из 72 наименований.
