Содержание к диссертации
Введение
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
- Основные типы времяпролетных масс-спектрометрических анализаторов и их характеристики
- Средства регистрации и обработки информации
- Метод повышения эффективности ортогонального ввода ионов в аксиально-симметричный времяпролетный масс анализатор, соединенный с дрейфовым спектрометром ионной подвижности
- Анализ синтетических наркотических веществ и изучение возможности их быстрой идентификации
Введение к работе
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 10 000) низкомолекулярных соединений (до 1 000 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 (10-5 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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-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 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 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
-
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.
-
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.
-
Результаты апробации метода при определении характеристических спектров антибиотиков и наркотических соединений, включающие значения приведенной подвижности наркотических соединений с видоизмененной формулой, полученные впервые.
-
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 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.
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
Основные типы времяпролетных масс-спектрометрических анализаторов и их характеристики
Первый времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС), созданный в 1948г, назывался «Velocitron». Разрешающая способность не превышала 10. Ионизация производилась импульсным разрядом остаточного газа [29]. В 1955 г сообщалось о первой работе, в которой посредством ионной оптики компенсировался начальный пространственный и энергетический разброс ионов в источнике (см рис. 4).
Для этого ИИ был разделен на две области с различной напряженностью поля. Экстракция ионов производилась с задержкой от ионизации. В результате разрешающая способность достигла 200 [30]. Первый серийно выпускавшийся ВПМС c 1957 г компанией “Bendix Corporation” (США) был создан на основе этой работы. ВПМС подобного типа называются линейными.
Следующим шагом в развитии ВПМС стало изобретение ионного зеркала, что позволило достичь разрешающей способности по m/z в несколько тысяч. Построенные на данном принципе МС называются «рефлектронами» (см рис. 5). Ионное зеркало, расположенное в конце области пролета ионов, обеспечивает их разворот. А отклоняющая пластина задает смещение так, что б ионы попадали в усилитель. В результате компенсируется начальное распределение ионов по энергиям. В первой работе была продемонстрирована разрешающая способность 3 500 при длине пролета 1,6 метра [31].
Разработка бессеточного масс-рефлектрона позволила увеличить токопро-водимость анализатора, повысить однородность распределения электрического потенциала, исключить поверхностно-индуцированную диссоциацию [32]. Разрешающая способность составила 20 000, в то время как в другой работе она достигла 35 000 при длине пролета более 6 м [33]. Все это привело к тому, что большинство современных коммерческих ВПМС построены на базе схемы масс-рефлектрона.
В связи с принципиальными ограничениями трансмиссии ВПМС типа «масс-рефлектрон», связанными прежде всего с потерями ионов при заполнении ортогонального ускорителя. Другим недостатком, присущим всем конструкциям масс-рефлектрона, является наличие области в которой ионы замедляются до нулевых или близких к ним значений энергии. В случае интенсивных ионных пакетов это приводит к возрастанию влияния объемного заряда, вызывающего ухудшение разрешения и дополнительное рассеяние ионов. Представляется актуальной разработка альтернативных типов ВПМС, например с аксиально-симметричными полями, позволяющими получить тройную фокусировку первого порядка начальных параметров ионов, а значит и повысить чувствительность.
Первое применение аксиально-симметричного анализатора известно в качестве энерго-анализатора с плазменным источником ионов для определения энергетического распределения ионов [34]. Его конструкция была довольно простой: бесполевой промежуток и цилиндрический конденсатор.
Конструкция многооборотного ВПМС на основе электростатических секторных полей была исследована в 1972 г [35]. Задача состояла в отыскании ионно-оптической конфигурации полей, обеспечивающих зависимость времени пролета от m/z, и независимость от начального распределения энергии ионов. Такие системы называются изохронными. Были найдены конструкции, обеспечивающие изохронную фокусировку по энергиям и углам вылета ионов из ИИ. Длина пролета не ограничивалась размерами вакуумной камеры, так как траектории ионов были замкнуты (см рис. 6). В результате разрешающая способность увеличивалась пропорционально количеству оборотов. Ввод и вывод ионов производился импульсным изменением напряжений на одном из секторов.
Другим направлением развития применение секторных электростатических полей во ВПМС стало использование нескольких секторов без зацикливания ионных траекторий. Используя 4 симметрично расположенных сектора с тороидальным электростатическим полем с разворотом в 270 каждый (см рис. 7), была продемонстрирована тройная изохронная и пространственная фокусировка по энергиям ионов [36]. В результате разрешающая способность достигла 700 при длине пролета 1,7 м, причем данная конструкция обладает преимуществами по сравнению с масс-рефлектронами – габариты камеры не превысили 0,5м, а токо-прохождение составило 90%. В данной конструкции применены пластины Мацу-да, формирующие тороидальное электростатическое поле, обеспечивающие фокусировку по аксиальному углу, и подстройку фокусного расстояния секторов из менением потенциала на пластинах [37].
Несмотря на преимущества, высокое разрешение с применением секторных электростатических полей удалось получить только благодаря циклическому накоплению времени пролета. Используя так же 4 сектора с пластинами мацуда, плюс порядка двух десятков квадрупольных линз, была продемонстрирована разрешающая способность в 350 000 при 500 циклах (см рис. 8). Для иона азота (m/z = 28 а.е.м.) время пролета составило 6,5 мс [38], что достаточно приемлемо, при условии практически полной трансмиссии. Но в данном случае возникает проблема вывода ионов. Так как время пролета 1 круга составляет порядка 10–100 мкс (для массы 10–500 а.е.м.), то по мере накопления числа циклов сужается ДМ, находящихся на одном цикле. А остальные массы перемешиваются – тяжелые начинают отставать на круг и более от легких. Так, ДМ на одном круге уменьшается до ±5% после 10 циклов [39].
Средства регистрации и обработки информации
Ионный ток, преобразованный в электронный и усиленный в 106-107 раз на ВЭУ, в виде импульса тока длительностью 3 нс передается по высокочастотному коаксиальному кабелю с волновым сопротивлением 50 Ом на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), где преобразуется в импульс напряжения. Максимальная амплитуда сигнала в выбранном режиме работы АЦП составила 256 мВ. Частота дискретизации АЦП составляет 655,36 МГц благодаря применению архитектуры многоканального АЦП с чередованием (оцифровки): используется две 8-битных микросхемы АЦП с вдвое меньшей частотой дискретизации, оцифровывающие сигнал последовательно. В результате образуется непрерывный поток информации 655 МБ/с, который необходимо передать в компьютер. Учитывая, что данные повторяются с периодом спектра подвижности, то к АЦП был добавлен интегратор, реализованный на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).
Алгоритм интеграции обеспечивает непрерывное (он-лайн) суммирование СИП/МС спектров с регулировкой числа суммирований от 1 до 2048 штук, что занимает 0,05-104 с, до отправки итогового спектра в компьютер. Итоговый файл занимает 16 МБ и передается по широко распространенному интерфейсу (usb 2.0), позволяя использовать любой бытовой компьютер или ноутбук для сбора данных, а так же для управления системой электроники. Так же устройство обеспечивает синхронизацию запуска разделения по массам и по ионной подвижности, генерируя TTL синхро-импульсы: для МС с периодом 50 мкс, для СИП с периодом 51,2 мс. Таким образом, за время получения одного спектра подвижности регистрируется 1024 масс-спектра, каждый из которых состоит из 32 768 точек (однобайтных слов).
Но сохраняется в СИП/МС спектре только 256 масс-спектров, т.к. каждые 4 суммируются между собой. Таким образом, результирующий СИП/МС спектр содержит 256 масс-спектров, собранных за 0,2 мкс каждый. Это, согласно теореме Найквиста (Котельникова) о необходимости двойного запаса по частоте дискретизации по сравнению с частотой сигнала для правильной регистрации, обеспечивает возможность воспроизводимой регистрации пиков при разрешающей способности по ионной подвижности более 100. Кроме того, дискретность в 200 мкс (по 4 суммируемых масс-спектра) позволяет в 4 раза сократить объем необходимой памяти (с 64 до 16 МБ), и обеспечивает приемлемое время передачи данных в компьютер (3-5 секунд).
При суммировании растет объем одного слова: от 8 до 16 бит, достигающий максимума при суммировании 64 СИП/МС спектров (время регистрации 3,3с). Дальнейшее интегрирование происходит по правилам двоичного сложения, и выражается в одинаковом небольшом смещении сигнала (как уровня фона, так и полезной информации) во всем СИП/МС спектре. Для максимального времени интегрирования (105 с) смещение не превышает 10 000 емзр, что составляет менее 20% от амплитуды максимального суммированного сигнала без искажений (216 = 65 536 емзр). При этом полезный сигнал суммируется без искажений, если не достигает насыщения. Данный режим не был заложен при разработке, но был найден и исследован при методической работе с уже созданной системой регистрации.
Собственные шумы АЦП-интегратора достигают 200 емзр при суммировании 64 СИП/МС спектров. Под амплитудой шума понимается СКО шумовой дорожки любого из масс-спектров. Зависимость амплитуды от числа суммированных спектров близка к линейной и плотность распределения шума состоит из двух гауссовых пиков, практически не соприкасающихся. Это объясняется неточностью задания уровня смещения сигнала между двумя микросхемами АЦП – т.е. шум представляет собой сумму случайных шумов этих микросхем и разницы в напряжении смещения. Причем, амплитуда случайной части растет пропорционально корню квадратному из числа интегрирований, что следует из свойств распределения гаусса. А разница смещений, систематическая часть, растет линейно. Было определенно, что систематическая часть повторяется с периодом в 32 отсчета масс спектра, что, предположительно, объясняется, внутренними наводками процессов интегрирования. Для ее вычитания выбирается на всех масс спектрах часть чистой шумовой дорожки, без полезного сигнала, суммируется по всем сохраненным масс-спектрам, что уменьшает случайную часть в 16 раз (корень из 256 масс спектров). Благодаря данному методу плотность распределения шума приобретает явно выраженную гауссову форму и уменьшается в 3-6 раз. Воспроизводимость амплитуды шума улучшается до 10-20 %, что в 3-4 раза лучше, чем до вычитания систематической составляющей. В абсолютных выражениях шум, при суммировании в течение 3,5с (64 СИП/МС спектра) составил 5-30 мВ, пропорционально коэффициенту усиления АЦП, т.е. диапазону регистрируемого без искажений сигнала. Минимальный диапазон (при максимальном коэффициенте усиления) составляет ±125 мВ. Внешний вид созданного АЦП-интегратора пред ставлен на рис. 20.
При испытаниях МС со специально созданным ИИ с поверхностной ионизацией интенсивность ионного тока была достаточной для достоверной регистрации массовых пиков, отношение сигнал шум составляло 10 - 1 000 при 3,5 с интегрирования (коэффициент умножения ВЭУ в тех экспериментах был на порядок меньше итогового). При наладке полной установки СИП/МС ионный ток упал до нескольких десятков ионов в секунд и стал необходим режим достоверной регистрации сигнала от одиночных ионов и его сохранения при интегрировании. Для этого уровень смещения был задан так, что б уровень фона сигнала вместе с шумовой составляющей оказался за пределами диапазона, но при этом полезный сигнал регистрировался. Шум в одиночном спектре оценочно не превышает 1-2 емзр, что для минимального диапазона (±125 мВ) соответствует 1-2 мВ. Поэтому увеличение коэффициента умножения ВЭУ так, что б средняя интенсивность пика от одного иона составляла 10-20 мВ, позволило достоверно регистрировать большую часть событий при отсечении шумовой составляющей. Фактически, это реализация время-канальной регистрации на АЦП. Из практики следует, что для идентификации необходимо зарегистрировать не менее 10 ионов с определенным m/z, так как отсечение электрических шумов не исключает ложные сигналы, обусловленные: рассеянными ионами и взаимодействием с остаточным газом, естественным фоном, темновым током ВЭУ (не превышает 5 отсчетов/мин).
Метод повышения эффективности ортогонального ввода ионов в аксиально-симметричный времяпролетный масс анализатор, соединенный с дрейфовым спектрометром ионной подвижности
В интерфейсе ионы ускоряются до средней энергии 20 эВ, что обуславливает их скорость (1,8 – 13,9) 103 м/с для измеряемого диапазона масс (ДМ) 20 – 1 200 а.е.м., соответственно. Учитывая высоту области выталкивания, 2,5 см (обусловленную размерами апертуры ВЭУ), получаем время заполнения 14 – 2 мкс, соответственно. Период следования выталкивающих импульсов 50 мкс. Так как коэффициент заполнения определяется отношением длин области выталкивания (lp) и пролета пучка в первоначальном направлении (Lz(TMS)) между выталкивающими импульсами (TMS) [70], получаем оценку 28 – 4 %, соответственно, эффективности выталкивания. Она обратно пропорциональна массе, т.е. чем тяжелее ион – тем выше эффективность. Не учитываем разброс скоростей, ввиду малости вклада в уширение ионного пучка, т.к. ионы термолизуются (средняя кинетическая энергия 0,03 эВ) до ускорения (до 20 эВ) перед вводом в ортогональный ускоритель масс анализатора. Следовательно эффективность выталкивания предопределяет геометрическую эффективность детектирования при условии, что размеры детектора не меньше, чем области выталкивания. Но при попытке измерения массы такой, что длина пролета пучка за период (TMS=50 мкс) окажется меньше, чем расстояние вдоль оси анализатора (без учета «боковой» компоненты скорости, приобретаемой ионами при выталкивании) между входом в ортогональный ускоритель и ближней точкой ВЭУ (Lb=10 см), мы будем наблюдать сигнал данной массы уже в следующем спектре. То есть будет происходить наложение сигналов от разных ионов – легкие ионы, из следующего спектра, догонят тяжелые. Этого необходимо избегать и при необходимости измерения тяжелых масс – можно повышать энергии ускорения в интерфейсе и в масс-анализаторе, что и делалось в данной работе для достижения максимальной измеряемой массы 1 200 а.е.м., либо увеличивать период разделения по массам. С типичными значениями энергий 20 эВ / 3700 эВ максимальная масса составляет 890 а.е.м., для которой время заполнения области выталкивания 12 мкс, то есть 24% коэффициент заполнения и Lz(50 мкс) = 10,4см lb.
Таким образом, верхняя оценка коэффициента заполнения, определяемая отношением lp / lb действительна при условии, что длина пролета пучка (вдоль первоначального направления движения ионов, из интерфейса) не меньше, чем расстояние между входом в масс-анализатор (ортогональным ускорителем) и детектором (ВЭУ): lb(m)Lz(TMS) – это позволяет избежать наложения масс-спектров [71].
Оценка эффективности выталкивания в зависимости от массы (m) [72]: , где mmax – максимальная масса, преодолевающая масс-анализатор за время, равное периоду выталкивания. Эта оценка составляет 2% для минимальной массы 20 а.е.м. в нашем случае. Таким образом, разница трансмиссии ортогонального ускорителя определяется квадратным корнем из отношения масс измеряемого ДМ, что превышает 10. Можно обеспечить совпадение окончания области выталкивания вдоль оси анализатора с началом детектора (lp=lb), что может быть сделано на применяемом в данной работе аксиально-симметричном масс анализаторе благодаря тому, что ионные траектории не находятся в одной плоскости. Это позволит достичь эффективности выталкивания, близкой к 100%, для тяжелых ионов (mmax). Но дискриминация сохранится, пропорционально корню из массы.
Для повышения эффективности использования ортогонального ускорителя и корректировки эффекта дискриминации по массам этой эффективности был разработан метод повышения коэффициента заполнения, суть которого заключается в том, что б обеспечить Lz(TMS,mmin)lp – т.е. длина пучка самых легких ионов, формируемого за время повторения импульсов выталкивания (TMS), не больше длины области выталкивания, которую они стремятся заполнить (см рис. 30). Сравнивая с обычным подходом, когда самый тяжелый ион должен обязательно не только заполнить область выталкивания (lp), но и долететь вдоль оси анализатора до начала детектора (lb), а иначе он не будет зарегистрирован до следующего импульса выталкивания, тут происходит другая крайняя ситуация. Самый легкий ион может заполнить область выталкивания не до конца за время чередования импульсов, и, следовательно, все остальные ионы заполнят меньшую часть этой области.
Анализ синтетических наркотических веществ и изучение возможности их быстрой идентификации
На базе лабораторий ФГКУ «Экспертно-криминалистический Центр» Министерства внутренних дел Российской Федерации (ЭКЦ МВД России) были проведены исследования возможности идентификации следовых количеств наркотических и психотропных соединений. Для этого определялись характерные пики, пределы обнаружения. Результаты испытаний документированы в акте №3 (см. приложения). Для испытаний лабораторией ЭКЦ были предоставлены: methylone, 4-MEC, 3,4-MDPV, JWH-210, JWH-250, JWH-203, cocaine, - в виде растворов с концентрацией 1-5 млМ в метаноле или ацетонитриле. Пробы для анализа приготовлялись разбавлением до 10-15 мкМ и менее, при определении порога обнаружения, с добавкой 0,5%(объем.) AcOH. Для определения уровня фона и шума измерялись контрольные растворы используемых растворителей с добавкой AcOH (т.е. раствор без целевой компоненты).
Порог обнаружения определялся по минимальной измеренной концентрации, при которой отношение сигнал/шум превышало 3. Для этого начинали измерение с концентраций 10-15 мкМ, и по результатам оценивали чувствительность прибора. Далее готовилась проба с концентрацией в 10 раз превышающей порог обнаружения, полученный исходя из предыдущей оценки. Порог обнаружения определялся экстраполяцией по соотношению сигнал/шум равному 3. Получено по 5 спектров каждой концентрации. Абсолютный порог обнаружения – расход пробы за время анализа (100с). Режим ХИАД-КР позволяет достигать лучших значений порогов обнаружения для всех исследованных соединений, кроме cocaine.
Для определения приведенной ионной подвижности первоначально использовали ИЭР: в пробу cocaine были добавлены СИП-стандарты (0,5 мкМ 2,6-DtBP и 1 мкМ TAAH3, -5 и -8), по которым была проведена калибровка и определено значение K0(cocaine) = 1,20 ± 0,01 см2/Вс. Т.к. остальные наркотические соединения давали слабый сигнал в режиме ИЭР, то они анализировались в режиме ХИАД-КР с добавкой 2,6-DtBP, cocaine и 3,4-MPDV (TAAH не ионизуются в данном режиме) в качестве внутренних стандартов, по которым проводилась СИП-калибровка. Было установлено, что в качестве растворителя предпочтительнее использовать ACN, чем MeOH, так как с ним наблюдается более высокая разрешающая способность по ионной подвижности в масс-селективных СИП-спектрах. В таблица 5 сведены результаты испытаний: моноизотопная масса (М), приведенная ионная подвижность (К0), точность определения составила 0,01 см2/Вс, пределы обнаружения. Для всех соединений наблюдался пик протониро-ванной молекулы. Methylone и 4-MEC в режиме ХИАД-КР демонстрировали так же депротонированный катион одновременно с протонированной молекулой.
Минимальный относительный предел обнаружения среди исследованных наркотиков, 4 нМ у cocaine, получен при минимальной скорости подачи пробы, 60 мкл/ч, при которой наблюдается стабильный сигнал. При уменьшении скорости пробоподачи сигнал нестабилен. С учетом разбавления жидкой пробы, подающейся со скоростью 1-10 мкл/мин в потоке азота 0,2-0,4 л/мин концентрация в газовой фазе при ХИАД-КР понижается на несколько порядков, и результирующий предел обнаружения в газовой фазе оценивается в 5 ppt (part-perrillion), при концентрации вещества 100 nM в жидком растворе.
Важность разработки метода идентификации неизвестных соединений, обладающего малым временем анализа и возможностью разделения изомеров, возрастает год от года. В подтверждение этого, 14 из 40 новых веществ, обнаруженных за 2010 год Европейским Центром Мониторинга Наркотиков и Наркомании (EMCDDA), являются производными катинона и изомерами. Наиболее популярными производными являются methylone и mephedrone [77]. Полученные значения К0 могут применяться для настройки портативных СИП, применяемых в качестве средства предварительного мониторинга наркотических соединений, например, таможенными службами.
Так же на базе ЭКЦ МВД РФ были проведены исследования возможности идентификации следовых количеств взрывчатых веществ (ВВ), красителей.
Были предоставлены растворы ВВ: гексаметилентрипероксиддиамин (HMTD), триацетона трипероксид (TATP), гексоген (RDX), октоген (HMX), - в MeOH и ACN в концентрации 1-5 мМ. Пробы для анализа готовились разбавлением до концентраций 10-500 мкМ с добавкой 0,5% AcOH. Анализ проводился в режиме СИП/МС спектра (100с интегрирования, 0,5с ИЗ) в широком диапазоне параметров: потоки дрейфового газа и газа-распылителя 1-3 Л/мин и 0,2-1,5 Л/мин, скорость подачи пробы 50 – 400 мкЛ/час, с нагревом дрейфовой области до 150 С и без, режимы ХИАД-КР и ИЭР. При пробоподготовке добавлялись водные растворы ацетата аммония и аммиака. Но воспроизводимо удалось зарегистрировать только протонированную молекулу [HMTD+H]+ (m/z=209,08 а.е.м.). Порог обнаружения HMTD в режиме ИЭР в растворе MeOH с 0,5% AcOH составил 100 мкМ, абсолютный 1 мкг. Отсутствие сигнала от остальных ВВ объясняется их химическими свойствами и в подтверждение этого - в литературе в основном приводятся спектры ВВ, полученных в режиме отрицательных ионов [78], либо области дрейфа и ионизационной камеры поддерживаются при высокой температуре (порядка 150-300 С) [79], либо применение газа реагента, например, аммиака [80], тетраметилсилан [81]. Любой из этих методов существенно повышает эффективность ионизации взрывчатых веществ, но ни один из них не был доступен в данной работе.
