비행 시간 질량 분석

Time-of-flight mass spectrometry
레이저 이온화 비행 시간 질량 분석계. 검출 전 전계 자유 드리프트 영역에서 이온을 질량 단위로 가속 분리한다.
Bendix MA-2 비행시간 질량분석계, 1960년대

비행시간분석법(TOFMS)은 이온의 질량 대 전하비가 비행 시간에 의해 결정되는 질량분석법이다.이온은 알려진 강도의 [1]전장에 의해 가속됩니다.이 가속은 이온이 같은 전하를 가진 다른 이온과 같은 운동 에너지를 갖는 결과를 낳습니다.이온의 속도는 질량 대 전하 비율에 따라 달라집니다(같은 전하를 가진 이온이 클수록 속도가 느리지만, 더 높은 전하를 가진 이온도 속도가 느립니다).이온이 알려진 거리에서 검출기에 도달하는 데 걸리는 시간이 측정된다.이 시간은 이온의 속도에 따라 달라지며, 따라서 질량 대 전하 비율의 측정값입니다.이 비율과 알려진 실험 매개변수를 통해 이온을 식별할 수 있습니다.

이론.

William E의 그림.Stephens 1952 TOF 특허.[2]

전계에서 하전 입자의 위치 에너지는 입자의 전하 및 전장의 강도와 관련이 있습니다.

(1)

여기서p E는 전위 에너지, q는 입자의 전하, U는 전위차(전압이라고도 함)입니다.

하전된 입자가 U 전압에 의해 비행 시간 튜브(TOF 튜브 또는 비행 튜브)로 가속되면, 그 위치 에너지는 운동 에너지로 변환됩니다.질량의 운동 에너지는 다음과 같습니다.

(2)

사실상, 전위 에너지는 운동 에너지로 변환되는데, 이것은 방정식 (1)과 (2)가 같다는 것을 의미한다.

(3)

(4)

가속 후 하전 입자의 속도는 전계 자유 비행 시간 튜브 내에서 이동하기 때문에 변경되지 않습니다.입자의 속도는 이온 비행 경로의 길이 d가 알려져 있고 과도 디지타이저 또는 디지털 변환기를 사용하여 이온 비행 시간을 측정할 수 있기 때문에 비행 시간 튜브에서 결정할 수 있다.

따라서,

(5)

(5)의 v 값을 (4)로 대입한다.

(6)

비행 시간이 다른 모든 것으로 표현되도록 (6) 재배치:

(7)

제곱근을 구하면 시간이 생성됩니다.

(8)

비행 시간에 대한 이러한 요소들은 의도적으로 그룹화되었습니다. 2 { {d은 이온 세트를 하나의 가속 펄스로 분석해도 원칙적으로 변하지 않는 상수를 포함하고 있으며, (8)은 다음과 같이 구할 수 있다.

(9)

여기서 k는 계측기 설정 및 특성과 관련된 요인을 나타내는 비례 상수입니다.

(9) 이온의 비행 시간이 질량 대 전하비(m/q)의 제곱근에 따라 달라진다는 것을 더 명확하게 밝혀낸다.

단백질의 트립틱 펩타이드의 질량 스펙트럼을 생성하는 데 사용되는 MALDI 비행 시간 질량 분석계 기기의 실제 예를 생각해 보자.1개의 트립틱펩타이드 질량을 1000 달톤(Da)으로 가정한다.MALDI에 의해 생성되는 펩타이드의 이온화 종류는 일반적으로 +1 이온이므로 두 경우 모두 q = e이다.기기가 U = 15,000V(15kV 또는 15kV) 전위의 이온을 가속하도록 설정했다고 가정합니다.그리고 비행 튜브의 길이가 1.5미터(일반)라고 가정합니다.이온의 비행 시간을 계산하는 데 필요한 모든 인수는 (8)로 알려져 있으며, 질량 1000Da의 이온 중 먼저 평가됩니다.

(10)

질량을 달톤(Da)에서 킬로그램(kg)으로 변환해야 적절한 단위로 방정식을 평가할 수 있었다.최종값은 초단위로 지정합니다.

약 28마이크로초입니다4000Da 질량의 1회 충전 트립틱펩타이드 이온이 존재하며 1000Da 질량의 4배 크기라면 시간은 전하 질량비의 제곱근에 비례하기 때문에 비행관을 통과하는 데 2배인 약 56마이크로초가 걸린다.

추출 지연

주요 기사:추출 지연

레이저 펄스에 의해 생성된 이온과 중성자의 초기 버스트를 평형화하고 이온이 비행관 안으로 가속되기 전에 샘플 플레이트에 대해 수직 방향으로 일정 거리를 이동시킴으로써 진공 상태에서 이온이 발생하는 축방향 MALDI-TOF 질량 분석계에서 질량 분해능을 향상시킬 수 있다.탈착/이온화 중에 생성된 플라즈마 플룸의 이온 평형화는 약 100ns 이하에서 발생하며, 그 후 대부분의 이온은 질량에 관계없이 표면에서 평균 속도로 이동하기 시작합니다.이 평균 속도의 확산을 보상하고 질량 분해능을 개선하기 위해 짧은(일반적으로 몇 나노초) 레이저 펄스의 시작과 관련하여 이온 소스에서 비행 튜브로 이온 추출을 수백 나노초 늦추는 것이 제안되었다.이 기법에"시간 지연 집중"[3]로서의 원자나 분자의 이온화를 위해 공명을 강화하여 다 광자 이온화는 고상한 가스에 전리의 예로, 일반적으로 분자들 평평한 표면이나 microcrystals cond에 대해 흡수된 레이저 desorption/ionization에서 생성된"추출 지연"[4][5], 전자 충돌에 의해로 일컬어진다.fuctive위도 표면

지연 추출이란 일반적으로 비행관 내 이온의 가속(추출)을 담당하는 전계 개시가 이온화(또는 탈착/이온화) 이벤트에 대해 짧은 시간(200–500 ns) 지연될 때 진공 이온원의 작동 모드를 말한다.이것은 이온이 형성되는 순간 순간적으로 가속되는 지속적인 추출장의 경우와는 다릅니다.지연추출은 시료판에서 고속(400~1000m/s)으로 이동하는 팽창플룸에서 분석대상 이온이 생성되는 MALDI 또는 레이저탈착이온(LDI) 이온원에 사용된다.검출기에 도달하는 이온 패킷의 두께는 질량 분해능에 중요하기 때문에, 첫 번째 검사에서는 이온 플룸이 추출되기 전에 더 확장될 수 있도록 하는 것이 직관에 반하는 것처럼 보일 수 있다.지연 추출은 이온의 초기 운동량에 대한 보상에 가깝습니다. 즉, 질량 대 전하 비율은 같지만 초기 속도가 다른 이온에 대해 검출기에 동일한 도착 시간을 제공합니다.

진공에서 발생하는 이온의 추출 지연 시에는 추출장 온 시 추출판에서 멀어져 추출방향의 운동량이 낮은 이온이 높은 전위로 가속되기 시작한다.반대로 전진운동량이 큰 이온은 추출판에 가까워지기 때문에 낮은 전위로 가속되기 시작한다.가속 영역 출구에서는 플룸 후면의 느린 이온이 플룸 전면의 초기 빠른 이온보다 더 빠른 속도로 가속됩니다.따라서 추출이 지연된 후, 이온원을 먼저 떠나는 이온 그룹은 이온원을 늦게 떠나는 다른 이온 그룹에 비해 가속 방향에서 속도가 더 느리지만 속도가 더 빠르다.이온원 파라미터를 적절하게 조정하면 이온원으로부터 어느 정도 떨어진 곳에서 더 빠른 이온군이 더 느린 이온군을 따라잡기 때문에 이 거리에 배치된 검출판이 이러한 이온군의 동시 도착을 감지합니다.이와 같이 가속도장의 지연적 적용은 1차원 비행시간 초점 요소로서 작용한다.

리플렉트론 TOF

주요 기사: 리플렉트론
리플렉트론 TOF MS 도식
시마즈 IT-TOF 계측기의 2단 리플렉트론.46개의 금속 플레이트는 전위 구배를 설정하는 전압을 전달합니다.

이온 비행 방향의 운동 에너지 분포는 리플렉트론을 [6][7]이용하여 보정할 수 있다.리플렉트론은 일정한 정전장을 사용하여 이온 빔을 검출기 쪽으로 반사합니다.에너지가 높은 이온은 리플렉트론 깊숙이 침투하여 검출기로 가는 경로가 약간 길어집니다.같은 질량 대 전하 비율의 덜 에너지적인 이온은 반사체 안으로 더 짧은 거리를 투과하고, 그에 따라 검출기로의 더 짧은 경로를 통과한다.이온 검출기의 평평한 표면(일반적으로 마이크로 채널 플레이트, MCP)은 이온 소스에서 추출 펄스의 시작과 관련하여 계산되는 동시에 다른 에너지를 가진 이온이 도달하는 평면에 배치된다.같은 질량 대 전하 비율을 가지지만 에너지가 다른 이온이 동시에 도달하는 지점을 흔히 비행 시간 초점이라고 합니다.re-TOF 약정의 추가적인 장점은 TOF 계측기의 주어진 길이로 비행 경로가 두 배로 달성된다는 것입니다.

이온 게이트

Bradbury-Nielsen 셔터는 TOF 질량 분석기 [8]및 이온 이동도 분석기 및 Hadamard 변환 TOF 질량 분석기에 사용되는 이온 게이트의 일종입니다.Bradbury-Nielsen 셔터는 TIS(고속 시간 이온 선택기)에 이상적입니다.TIS는 좁은 질량 범위에서 연속([9]TOF/TOF) MALDI 질량 분석기를 사용하여 이온을 분리하는 장치입니다.

직교 가속도 비행 시간

애질런트 6210 일렉트로스프레이 이온화 직교 비행 시간 질량 분석계(오른쪽) 및 HPLC(왼쪽)
비행질량분석계 직교가속시간 도식:[10] 20 – 이온원; 21 – 이온수송; 22 – 비행관; 23 – 격리밸브; 24 – 리피터 플레이트; 25 – 그리드; 26 – 가속도 영역; 27 – 리플렉트론; 28 – 검출기.

연속 이온원(가장 일반적으로 일렉트로스프레이 이온화, ESI)은 일반적으로 TOF 질량 분석기에 도입된 이온이 초기 운동 방향에 수직인 축을 따라 가속되는 "직교 추출"에 의해 TOF 질량 분석기와 인터페이스된다.충돌 이온 냉각과 결합된 직교 가속은 이온 소스와 질량 분석에서 이온 생성을 분리할 수 있습니다.이 기술에서는 MALDI 또는 ESI 소스에서 생성된 이온에 대해 매우 높은 분해능을 달성할 수 있습니다.직교가속영역 또는 펄서에 진입하기 전에 연속(ESI) 또는 펄스(MALDI) 소스에서 생성된 이온은 RF 멀티폴 가이드의 잔류 가스와 충돌하여 직경 1~2mm의 빔에 집속(냉각)된다.펄서 전 고진공 영역에 탑재된 정전렌즈 시스템은 빔을 평행하게 하여 가속방향의 차이를 최소화한다.이온 충돌 냉각과 직교 가속 TOF의 조합은 감도를 해치지 않고 최신 TOF MS의 분해능을 수백에서 수 만으로 크게 증가시켰다.

아다마르 변환 비행 시간 질량 분석

아다마르 질량 분석이 필요한 시점이고 이온을 다른 이온 패킷을 소개하기 전에 탐지에 도달하기를 기다리고 이온의 한 패킷 분석은 재래식 TOFMS.[13]반면에 전통적인 TOFMS의 신호 대 잡음 비율을 증가시키기 위해 사용 모드를, HT-TOFMS simultaneousl 수 있time-of 비행기 질량 분석기(HT-TOFMS)변신합니다.y비행 [14]튜브를 통과하는 여러 이온 패킷을 분해합니다.이온 패킷은 이온 빔의 전송을 빠르게 변조하여 부호화되므로 빔에서 최초로 방출된 모든 질량 패킷에서 가벼운(그리고 빠른) 이온이 무거운([15]따라서 느린) 이온보다 우선합니다.이 프로세스는 신호의 형태로 복잡하게 얽힌 많은 비행 시간 분포의 오버랩을 생성합니다.그런 다음 아다마르 변환 알고리즘을 사용하여 디콘볼루션 프로세스를 수행함으로써 기존의 TOFMS 및 기타 유사한 질량 분리 [13]기기보다 빠른 질량 스펙트럼 저장 속도를 생성한다.

탠덤 비행 시간

TOF/TOF는 제1TOF에 이온이 가속되어 충돌 셀에 질량 게이트되고, 제2TOF에서 단편 이온이 분리된다.

탠덤 비행시간(TOF/TOF)은 2개의 비행시간 질량분석계가 [16][17][18][19]연속적으로 사용되는 탠덤 질량분석법이다.전구체(부모) 이온의 전체 스펙트럼을 기록하기 위해 TOF/TOF는 MS 모드에서 작동합니다.이 모드에서 펄스 레이저의 에너지는 사용 중인 특정 매트릭스의 MALDI 시작보다 약간 높게 선택되며, 모든 모이온에 대한 이온 수율과 동일한 이온의 파편화 감소 사이의 타협을 보증한다.탠덤(MS/MS) 모드로 동작하고 있는 경우, 레이저 에너지는 MALDI 문턱치를 크게 웃돌고 있습니다.첫 번째 TOF 질량 분석기(기본적으로 시간 이온 선택기로 끝나는 비행 튜브)는 일반적으로 브래드베리-닐슨 유형의 속도 필터를 사용하여 선택된 전구 이온을 분리하고, 두 번째 TOF-MS(후가속기, 비행 튜브, 이온 미러 및 이온 검출기 포함)는 단편 이온을 분석합니다.MALDI TOF/TOF의 fragment 이온은 MALDI 선원의 해리 수준 이상으로 진동적으로 들뜬 전구체 이온의 붕괴에 기인한다(선원 붕괴 후).고에너지 충돌 셀에 실장된 추가 이온 단편화를 시스템에 첨가하여 진동 들뜸 전구체 이온의 해리율을 높일 수 있다.일부 설계에는 이온 검출기에 대한 순간 전류 부하를 줄이기 위해 두 번째 TOF-MS의 일부로 전구 신호 담금질을 포함한다.

검출기

비행시간 질량분석계(TOFMS)는 질량분석기와 검출기로 구성된다.이온원(펄스 또는 연속)은 실험실 관련 TOF 실험에 사용되지만 태양 또는 행성 이온권이 이온을 제공하는 우주에서 사용되는 TOF 분석기에는 필요하지 않습니다.TOF 질량 분석기는 선형 비행 튜브 또는 리플렉트론일 수 있습니다.이온 검출기는 일반적으로 마이크로채널 플레이트 검출기 또는 첫 번째 변환기 플레이트([21]다이노드)가 평평한 고속 2차 방출 승수(SEM)로 구성됩니다.검출기의 전기 신호는 시간-디지털 변환기(TDC) 또는 고속 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 기록됩니다.TDC는 주로 직교 가속도(oa)와 조합하여 사용됩니다.TOF 인스트루먼트

시간-디지털 변환기는 이산 시간 "빈"에 단일 이온의 도착을 등록합니다. 임계값 트리거링과 상수 분율 판별기(CFD)의 조합은 전자 노이즈와 이온 도착 이벤트를 판별합니다.CFD는 MCP의 양극에서 발생하는 서로 다른 진폭의 나노초 길이의 가우스 모양의 전기 펄스를 TDC로 전송되는 공통 형상 펄스(예를 들어 TTL/ESL 논리 회로와 호환되는 펄스)로 변환합니다.CFD를 사용하면 MCP 또는 SEM 게인의 변동으로 인한 피크 진폭의 변동과는 무관한 피크 최대 위치에 대응하는 시점을 얻을 수 있습니다.고급 설계의 고속 CFD는 이온 검출기의 싱글 히트 응답 시간이 2회 이하인 데드 타임을 가지므로(2~5미크론 폭 채널을 가진 MCP의 싱글 히트 응답 시간은 채널 각도에 따라 0.2ns에서 0.8ns 사이일 수 있음) 동일 펄스에서의 반복 트리거를 방지할 수 있습니다.최신 멀티히트 TDC의 더블히트 해상도(데드타임)는 3~5나노초입니다.

TDC는 계수 검출기이다. 계수 검출기는 매우 빠를 수 있지만(수 피코초 분해능까지 내려감), 두 개 이상의 이온이 동시에 검출기에 도달했을 때(즉, TDC 데드 타임 내) 이벤트를 적절히 계수할 수 없기 때문에 동적 범위가 제한된다.제한된 동적 범위의 결과는 하나의 질량 스펙트럼에서 기록된 이온(이벤트)의 수가 실제 수에 비해 적다는 것이다.멀티채널 검출기 설계(공통 MCP 스택에 접속된 미니애노드 배열 및 각 CFD/TDC가 개별 미니애노드로부터의 신호를 기록하는 복수의 CFD/TDC)를 사용하면, 다이나믹 레인지의 제한적인 문제를 경감할 수 있습니다.통계적으로 허용되는 강도의 피크를 얻기 위해 이온 계수는 수백 개의 개별 질량 스펙트럼의 합계를 동반한다(이른바 히스토그램).매우 높은 계수율(다중 경로 TOF 설정에서 몇 밀리초까지 높아질 수 있는 개별 TOF 스펙트럼의 지속 시간에만 제한됨)에 도달하기 위해 TOF 튜브에 대한 이온 추출의 매우 높은 반복률이 사용된다.상용 직교 가속도 TOF 질량 분석기는 일반적으로 5 – 20 kHz 반복 속도로 작동합니다.다수의 개별 이온 검출 이벤트를 합산하여 얻은 복합 질량 스펙트럼에서 각 피크는 각 개별 빈의 카운트를 합산하여 얻은 히스토그램이다.TDC에 의한 개별 이온 도달의 기록은 단 하나의 시점만을 산출하기 때문에 TDC는 MCP 검출기와 프리앰프 양쪽의 제한된 응답 시간에 의해 결정되는 피크 폭의 비율을 제거한다.이것은 더 나은 질량 분해능으로 전파됩니다.

최신 초고속 10GSample/sec 아날로그-디지털 변환기는 이산 시간 간격(100피코초)으로 MCP 검출기의 펄스 이온 전류를 디지털화합니다.최신 8비트 또는 10비트 10GHz ADC는 TDC보다 다이내믹 범위가 훨씬 높아 피크 전류가 높은 MALDI-TOF 계측기에서 사용할 수 있습니다.MCP 디텍터의 빠른 아날로그 신호를 기록하려면 "링" 효과를 최소화하기 위해 검출기 양극의 임피던스를 ADC(프리앰프)의 입력 회로와 신중하게 일치시켜야 합니다.초고속 ADC로 기록된 질량 스펙트럼의 질량 분해능은 응답 시간이 짧은 소구(2-5미크론) MCP 검출기를 사용하여 개선할 수 있다.

적용들

매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화(MALDI)는 TOF MS와 쉽게 호환되는 펄스 이온화 기술입니다.

원자 탐침 단층 촬영은 또한 TOF 질량 분석법을 활용합니다.

광전자 광이온 일치 분광법은 이온 내부 에너지 선택에는 연성 광이온화를, 질량 분석에는 TOF 질량 분석법을 사용한다.

2차 이온 질량 분석기는 일반적으로 TOF 질량 분석기를 사용하여 높은 질량 분해력으로 서로 다른 이온을 병렬로 검출할 수 있습니다.

필드의 역사

A. E. Cameron과 D는 초기 비행시간 질량 분석계인 벨로시트론을 보고했다.1948년 Y-12 국가안보 복합시설에서 일하던 F. 에거스 주니어.이 아이디어는 2년 전인 1946년 펜실베니아 대학의 W. E. 스티븐스에 의해 미국 물리학회 [22][23]매사추세츠 공과대학에서 열린 금요일 오후 회의에서 제안되었다.

레퍼런스

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참고 문헌

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외부 링크