Масс-анализаторы

Полученные при ионизации ионы с помощью электрического поля переносятся в масс-анализатор. Теперь, начинается второй этап масс-спектрометрического анализа — сортировка ионов по массам (точнее по отношению массы к заряду, или m/z). Существуют следующие типы масс-анализаторов:

Непрерывные масс-анализаторы:

1. Магнитный масс-анализатор
2. Квадрупольный масс-анализатор

Пульсовые масс-анализаторы:

1. Ионная ловушка
2. Времяпролетный масс-анализатор
3. Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием

Разница между непрерывными и пульсовыми масс-анализаторами заключается в том, что в первые ионы поступают непрерывным потоков, а во вторые — порциями, через определенные интервалы времени.

Масс-спектрометр может иметь два масс-анализатора. Такой масс-спектрометр называют тандемным. Тандемные масс спектрометры применяются, как правило, вместе с "мягкими" методами ионизации, при которых не происходит фрагментации ионов анализируемых молекул (молекулярных ионов). Таким образом первый масс-анализатор анализирует молекулярные ионы. Покидая первый масс-анализатор, молекулярные ионы фрагментируются под действием соударений с молекулами инертного газа или излучения лазера, после чего их фрагменты анализируются во втором масс-анализаторе.

Магнитный масс-анализатор
В этих масс-спектрометрах ионы, покидающие источник, ускоряются и проходят через сектор, в котором магнитное или электрическое поле прикладывается перпендикулярно к направлению движения ионов. Поле изгибает траекторию полета ионов с различным отношением m/z таким образом, что они разлетаются веером. В масс-спектрометре с одноканальным детектором ионы регистрируются путем последовательного сканирования. При этом каждый раз регистрируется только одна масса. В масс-спектрометре с многоканальным детектором ионы с различной массой регистрируются одновременно (в определенном диапазоне масс).

Квадрупольный масс-анализатор
Квадрупольный масс-анализатор состоит из четырех металлических стержней, к которым попарно в противоположной полярности подается определенная комбинация постоянного и радиочастотного переменного электрического напряжения. Ионы, пролетающие параллельно оси стержней, попадают в электромагнитное поле, и разделяются там по принципу резонанса в соответствии с величиной m/z. В каждый конкретный момент на детектор поступают только резонансные ионы.

Ионная ловушка
В спектрометрах этого типа одна пара металлических стержней преобразована в кольцевые электроды, а вторая пара – в концевые заглушки, имеющие вид шарообразных чашек. Ионы собираются внутри полости ловушки и удерживаются там на орбитах полем, создаваемым комбинацией постоянных и высокочастотных напряжений, которые подают к кольцевому электроду и концевым заглушкам. Доступ ионам из ловушки на детектор осуществляется с помощью резонансной радиочастоты, соответствующей величине m/z.

Времяпролетный масс-анализатор
В этих масс-анализаторах ионы после прохождения через электростатические линзы приобретают одинаковую кинетическую энергию и вылетают в бесполевое пространство. С учетом соотношения, выражающего величину кинетической энергии через массу и скорость (E=mv2/2), очевидно, что в зависимости от массы ионы будут двигаться с разными скоростями и, соответственно, в разное время достигнут детектора. Время пролета ионов пропорционально квадратному корню отношения m/z. Ионы с большим значением отношения m/z движутся к детектору медленнее, чем ионы с малым значением m/z. Так время пролета ионов массой около 10 кДа расстояния 0,1 м составляет около 70 мкс, а массой около 1 кДа – несколько нс. Поскольку ионы с большим значением m/z движутся к детектору медленнее, они позже его достигают по сравнению с ионами, обладающими малым значением m/z. Измерив время пролета ионов, можно установить их значения m/z и массу.

Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием
Этот масс-анализатор работает на основе ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. Ионы на первой стадии анализа попадают в сильное магнитное поле и начинают вращаться (как в циклотроне – ускорителе элементарных частиц) по низким орбитам. Радиус этих орбит зависит от m/z ионов. Под действием прилагаемого высокочастотного поля ионы в соответствии с величиной m/z ионы резонансно поглощают энергию, ускоряются и начинают вращаться на более высоких орбитах. Непоглотившие энергию ионы остаются вращаться на низких орбитах. Таким способом осуществляется разделение ионов по величине отношения m/z. Высокочастотный сигнал, генерируемым вращающимися на высоких орбитах ионами, измеряется и подвергается Фурье-преобразованию. Математическое преобразование Фурье применяют к зашумленным сигналам. В процессе Фурье-преобразования зашумленных сигналов вначале производят их разложение, а затем обратное преобразование с занулением частей с низкими амплитудами. В результате обратного Фурье-преобразования сохраняется практически вся полезная информация на фоне существенного снижения искажающих анализ шумов.
Ионно-циклотронные масс-спектрометры обладают важными преимуществами: имеют очень высокое разрешение, широкий диапазон измеряемых масс, могут анализировать ионы, получаемые различными методами. Однако для своей работы они требует сильного магнитного поля, а значит, использования сильного магнита со сверхпроводящим соленоидом, поддерживаемым при температуре жидкого гелия.