Времяпролётный масс-анализатор

Времяпролётный масс-анализатор — простейший вид масс-анализатора.

Во времяпролётном масс-анализаторе ионы вылетают из источника и попадают во время пролётную трубу, где отсутствует электрическое поле (бесполевой промежуток). Пролетев некоторое расстояние d , ионы регистрируются детектором ионов с плоской или почти плоской регистрирующей поверхностью. В 1950—1970 годах, в качестве детектора ионов использовался вторичный электронный умножитель «жалюзного типа» (Venetian blind), позже применялся комбинированный детектор, использующий две или иногда три последовательно расположенных микроканальных пластины (МКП).

Физический принцип работы времяпролётного масс-анализатора заключается в том, что разность потенциалов U ускоряет ионы в источнике ионов до скорости v согласно уравнению:

$\frac{m{v}^2}{2}=zU.$$\frac{mv^2}{2} = zU.$

При фиксированной длине бесполевого промежутка от источника ионов до детектора ионов время полета ионов

$t=\frac{d}{v}$$t={\frac {d}{v}}$

тогда

$\frac{m}{z}=t^2\frac{2U}{d^2}.$$\frac{m}{z} = t^2 \frac{2U}{d^2}.$

Времяпролётный масс-анализатор является импульсным масс-анализатором, то есть ионы поступают из источника ионов во времяпролётную часть не непрерывно, а порциями через определенные интервалы времени. Такие масс-анализаторы совместимы с ионизацией лазерной десорбцией при содействии матрицы (МАЛДИ), так как в данном методе ионизации ионы также образуются не непрерывно, а при каждом импульсе лазера.

К достоинствам времяпролётных масс-анализаторов относится высокий верхний порог детектируемой массы иона (зарегистрирована масса ионов ДНК в 1,5 миллиона m/z), ограниченный только фактом резкого уменьшения чувствительности ионного детектора (обычно, это две близко расположенные микроканальные пластины — для такой схемы используется сокращение «шеврон») при регистрации медленно (скорость <20000 м/с) летящих ионов. На современных приборах типичный порог чувствительности составляет 50000-100000 m/z. Идея времяпролётного масс-анализатора принадлежит Стивенсу, предложившему конструкцию прибора в 1948 году. Первый анализатор был описан и построен Уилли и МакЛареном в 1955 году. К недостаткам первых приборов, в которых ионы молекул, ионизированных в газовой фазе, ускорялись коротким импульсом электрического поля и летели к детектору по прямой, относилось их низкое разрешение из-за начального больцмановского распределения скоростей ионов. В современных времяпролётных масс-спектрометрах ионы, образующиеся в газовой фазе или на поверхности, ускоряются при помощи импульса электрического поля, время создания которого задержано на доли микросекунд по отношению к времени окончания ионизирующего импульса, причем ускоряющий импульс продолжается до тех пор, пока все ионы не вылетят из источника ионов. Помимо этого, дополнительная фокусировка может происходить в ионном зеркале. Фокусировка значительно повысила разрешающую способность времяпролётных масс-анализаторов, позволив им конкурировать с магнитными масс-анализаторами.

Возможность использования ионного зеркала для времяпролётной фокусировки заряженных частиц, которые вылетают из одной эквипотенциальной плоскости с некоторой средней начальной скоростью и при этом имеют разброс по начальным скоростям, во времяпролётных масс-анализаторах была коротко упомянута Алихановым в конце 1950-х. В конце 1960-х годов в лаборатории Мамырина (Физико-технический институт имени Иоффе, г. Ленинград) была разработана теория ионных зеркал с двумя тормозящими промежутками. В 1969 впервые в мире, в лаборатории Мамырина была продемонстрирована работа масс-спектрометра с времяпролётной фокусировкой и ионным зеркалом для регистрации ионов в газовой фазе. В 1989—1993 годах Московец (Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный; Институт спектроскопии, г. Троицк) рассчитал параметры ионных зеркал для случаев с многими промежутками и показал возможность одновременной геометрической и времяпролётной фокусировок для двумерных зеркал (типа «кошачий» глаз). В 1996—2000 годах Ковтун (Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный; и Университет Джонса Хопкинса, г. Балтимор) разработал теорию времяпролётной фокусировки, которая учитывала масс-эффект для достижения более высокого разрешения во всем диапазоне регистрируемых масс.

Принцип работы тандемного времяпролётного масс-спектрометра с дополнительным ускорением фрагментированных ионов был впервые описан в 1998 году в патенте, зарегистрированном в США. В 2000-е годы на рынке появилось несколько типов тандемных времяпролётных масс-спектрометров, работающих с МАЛДИ источниками ионов.

Времяпролётная фокусировка для тандемных масс-спектрометров, в которой использовались электрические импульсы сложной формы и которая позволила значительно улучшить фокусировку вторичных (фрагментированных) ионов, была предложена Курносенко (Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный) и Московцом (Северо-восточный Университет, г. Бостон) в 2009 году.