Формирование структуры пика для радиочастотного масс-спектрометра типа "ионная ловушка"

• Автор: Назаркин, Андрей Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Содержание
Введение

1. Основы функционирования ионной ловушки

1.1. Статистическое описание системы многих частиц

1.2. Конструкция ионной ловушки

1.3. Диаграмма устойчивости уравнений движения

1.4. Исследование физических процессов, влияющих на движение ионов в

ионных ловушках

1.5. Выводы

2. Особенности работы масс-спектрометра типа ионная ловушка

2.1 Обработка масс-спекгральных данных

2.2 Потенциал электрического поля цилиндрической квадрупольной
системы
2.3 Параметрический резонанс в масс-селективных приборах
3. Фазовый маркер ансамбля ионов
3.1. Вероятностное описание процесса ионизации
3.2. Эволюция функции распределения для процесса рождения частиц
3.3. Эволюция фазовой плотности на стадии накопления ионов
3.3.1. Влияние начального разброса скоростей
3.3.2. Размывание "запрещенной зоны", вызванное столкксзитглшыми процессами
3.3.3. Влияние самосогласованного потенциала
3.4. Численное моделирование процесса масс-спектрометрического
сканирования
3.5. Описание характеристик сигнала в режиме управляемой ионизации
Заключение
Литература
Введение

Введение
Задача идентификации молекулярных структур востребована такими жизненно важными отраслями человеческой деятельности как биология, экология, медицина, химия, криминалистика и т.д. Одним из приборов, сочетающих высокую чувствительность с широким спектром идентификационных возможностей, является масс-спектрометр (MC) типа “ионная ловушка”.
Трехмерная ионная ловушка является разновидностью квадрупольных электронно-оптических систем, на которые впервые было обращено внимание, по-видимому, в 1947 году [1], в 1953 году была запатентована [2] электродная система цилиндрической гиперболической ионной ловушки (Paul trap), а в 80-е годы появился первый MC типа ионная ловушка [3]. Возможности ионной ловушки, как измерительного инструмента отмечены нобелевской премией 1989 года (Norman F. Ramsey, Hans G. Dehmelt, Wolfgang Paul).
Для работы MC необходима ионизация пробы, которая может быть произведена электронным ударом. Отсутствие универсальной теории электронноударной диссоциации [4, 5] приводит к тому, что идентификация исследуемого соединения производится путем сравнения полученного спектра с библиотечным спектром. Во многих случаях такой подход приводит к невозможности однозначной идентификации и необходимости привлечения дополнительной информации о неизвестном соединении.
Зарегистрированный спектр масс искажен большим количеством факторов: шумами электронной аппаратуры, коллективными эффектами, ион-моле-кулярными реакциями, присутствием химического фона. Общий подход к задачам реконструкции свойств исследуемых объектов рассмотрен в монографии [б], где показано, что подобные вопросы относятся к классу некорректных задач. Один из путей преодоления указанной трудности состоит в привлечении дополнительной информации об исследуемом объекте [б]. Такая возможность определяется качеством аналитического описания конкретного измерительного процесса.
Введение

Дополнительная информация о физических характеристиках регистрируемых ионов может быть получена при анализе структуры масс-спектрометрического пика.
Для МС типа “ионная ловушка” структура пика формируется в результате параметрической дестабилизации удерживаемых ионов, которые, вылетая из объема ловушки, формируют регистрируемый ток. Регистрируемый сигнал может быть рассмотрен как нестационарный стохастический процесс, который описывается временной эволюцией одночастичной функции распределения. При этом функция распределения зависит от многих физических факторов: 1) параметров потенциала внешнего поля; 2) самосогласованного потенциала пространственного заряда; 3) упругих и неупругих столкновительных процессов.
Большое количество современных исследований посвящено изучению свойств ловушек при вариации геометрических характеристик электродной системы, изучению динамики ионов, обусловленной краевыми эффектами, изучению свойств ловушек при негармоническом питающем напряжении. Все эти случаи, как правило, сводятся к исследованию нелинейного дифференциального уравнения, описывающего движение одиночного иона, коллективная динамика, как правило, исследуется численно.
Однако каковы бы ни бьши характеристики прибора, каждый гопе в спектральном наборе характеризуется только одним параметром - отношением массы к заряду иона /«/ Целью диссертации является разработка метода, позволяющего по структуре масс-спектрометрического пика определить его предысторию, а именно, различить пики, являющимися продуктами ион-молекулярных реакций, от пиков, образовавшихся в результате управляемого процесса электронноударной диссоциации.
1. Основы функционирования ионной ловушки

Влияние нелинейных искажений квадрупольного поля на динамику иона вблизи границы стабильности исследовано аналитически в работах [44,57], где показано, что при наличии отрицательных чётных членов разложения (1.47) рост амплитуды колебаний сопровождается тем, что рабочая точка в плоскости параметров аг, q2, "отбрасывается" назад, внутрь области стабильности. Для компенсации этого эффекта вносятся искажения геометрии электродной системы, обеспечивающие наличие положительных четных гармоник. Одним из вариантов реализации такой электродной системы является увеличение расстояния а2. Например, для ионной ловушки ITD-800 параметры а2 и а имеют следующие значения: а2 = 1.0000 см, а; = 0.7811 см (вместо 0.7071 см для "чистого квадруполя" к = 2). Исследование [44] проведено методом матричных отображений [58, 59, 37].
Отметим, что экспериментальные результаты, полученные в работе [54], отражают всё многообразие физических процессов, определяющих движение иона в ловушке: нелинейность уравнений движения, обусловленную краевыми эффектами электродной системы, влияние пространственного заряда, упругие и неупругие взаимодействия ион-молекула. Так, например, при длительном удержании (10 с) ионов Н*, Н2+ интенсивность сигнала (Н*, Нг*) падала за счет ион-молекулярных реакций [54] Н2+ + Н2 Нз+ + Н.
Ион-молекулярные реакции. Возможность длительного удержания ионного облака при относительно большом давлении паров пробы, буферного газа или специально введенного газа-реагента, создаются условия для исследования ион-молекулярных взаимодействий [60]. В работе [3] приведено более 30 ссылок на исследование механизмов конкретных реакций, которые произведены с помощью ионной ловушки. Характеристики процесса неупругого взаимодействия иона и молекулы сильно зависят от индивидуальных особенностей частиц и энергии их взаимодействия, в основном исследуются экспериментально [61 - 65]. Условия для протекания ион-молекулярных реакций (Collision-induced dissociation, reaction) могут создаваться сознательно [66, 67] для