Модификация времяпролётного масс-спектрометра для точного
advertisement
УДК 53.082.77, 53.082.1,577.2 Модификация времяпролётного масс-спектрометра для точного измерения масс наночастиц с применением терагерцового излучения. Попик В.М.1, Горячковская Т.Н.2, Пельтек С.Е. 2 Куйбида Л.В. 3, Семёнов А.И. 1, Щеглов М.А.1, 1 Институт Ядерной физики им. Будкера СО РАН, Новосибирск 2 Институт Цитологии и Генетики СО РАН, Новосибирск 3 Институт Химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск Аннотация Разрабатывается новый метод масс-спектрометрического анализа на основе мягкой неразрушающей абляции под действием терагерцового излучения. Мягкая неразрушающая абляция используется для перевода в газовую фазу неорганических наночастиц и биополимеров с сохранением их первичной структуры и является принципиально новым методом получения молекулярных ионов, что существенно расширяет круг биополимеров, доступных для масс-спектрометрии, а также позволяет проводить прямое и точное измерение масс наночастиц. На данное время создан макет времяпролетного масс-спектрометра для точного измерения масс неорганических наночастиц с использованием терагерцового излучения. Введение Масс-спектрометрия является современным и развивающимся методом научных и прикладных исследований. Современное развитие методов масс-спектрометрии биомакромолекул привело к возникновению нового направления науки – протеомики [1]. Постгеномная эра развития современной биологии ставит задачу исследования протеомов отдельных организмов, органов и тканей, что представляет собой на порядки более сложную задачу, по сравнению с изучением геномов. Однако современные методы массспектрометрии применимы только для анализа биополимеров определенной физикохимической природы и не охватывают широкий круг водонерастворимых протеинов, полисахаридов и ДНК больших молекулярных масс [2, 3]. Масса наночастиц является важным параметром в бурно развивающихся нанотехнологиях и нанонауке. Большинство неорганических наночастиц также не могут быть ионизованы в современных масс-аналитических приборах, и измерение масс наночастиц представляет собой нерешенную мировым научным сообществом задачу. Разрабатываемый метод на основе мягкой неразрушающей абляции под действием терагерцового излучения является принципиально новым методом получения молекулярных ионов и существенно расширяет круг биополимеров, доступных для массспектрометрии, а также для прямого и точного измерения масс наночастиц. Мягкая неразрушающая абляция представляет собой перевод в газовую фазу с твердых подложек и из жидкой фазы неорганических наночастиц и биополимеров с сохранением их первичной структуры [4]. Переведенные в газовую фазу нанобъекты затем ионизируются для получения молекулярных ионов. Для проведения экспериментов используется терагерцовое излучение Новосибирского лазера на свободных электронах (НЛСЭ). НЛСЭ на несколько порядков превосходит по средней мощности все существующие в мире источники терагерцового излучения [5]. На данное время изготовлен макет времяпролетного масс-спектрометра для точного измерения масс неорганических наночастиц с использованием терагерцового излучения. Для этого была проведена модернизация времяпролетного масс-спектрометра МСХ-6. В макете, переведенные в газовую фазу неорганические наночастицы, ионизируются с помощью электронного удара, ускоряются и анализируются. Ионизация и анализ переведенных в газовую фазу биополимеров является более сложной задачей и будет предметом дальнейших разработок. Модификация времяпролётного масс-спектрометра Масс-спектрометр МСХ-6 предназначен для измерения масс газообразных веществ. Катод эмитирует электроны, которые фокусируются в плоскопараллельный пучок и направляются в пространство ионизации, ограниченное эквипотенциальными сетками. Молекулы исследуемого газа, находящегося между сетками, ионизуются под действием электронного удара (энергия электронов около 70 эВ). Образовавшиеся ионы ускоряются выталкивающим импульсом и массы ионов измеряются с помощью анализатора. Модификация включала следующие работы: разработку и изготовление оптической фокусирующей системы; переделку вакуумно-откачной системы; изготовление специального механизма для перемещения пластинки с образцами в вакууме; переделку узла ионизации и переделку электронной части. Разработка и изготовление оптической фокусирующей системы Явление мягкой неразрушающей абляции носит пороговый характер и зависит от пиковой плотности мощности излучения. Терагерцовое излучение Новосибирского лазера на свободных электронах (НЛЭС) является полностью пространственно когерентным и может быть сфокусировано до дифракционного предела – порядка λ2. Система предназначена для фокусировки терагерцового излучения на пластинку с исследуемыми образцами. Предварительно фокусирующая система была рассчитана с помощью программы «Zemax» (Radiant Zemax, LLC, США). Система собрана по схеме рефлектора Грегори и состоит из двух фокусирующих медных зеркал с фокусными расстояниями 260 мм диаметром 80 мм и 38 мм диаметром 10 мм. Зеркала закреплены в специальном корпусе и размещены на одной оси. Терагерцовое излучение попадает на большое зеркало, отражается от него и фокусируются, попадает на маленькое зеркало, отражается от него и через отверстие в большом фокусируется на пластинке с образцами. Переделка вакуумно-откачной системы Переделка заключалась в полной замене вакуумно-откачной системы массспектрометра МСХ-6 на современную – трехступенчатую. Первая ступень – форвакуумный нанос, предназначен для откачки вакуумной системы до 1 Па, а также для обеспечения работы второй ступени – турбомолекулярного насоса. Переключение режима работы форвакуумного наноса осуществляется с помощью специально сконструированной и изготовленной запорной арматуры. Запорная арматура размещена на передней панели макета и управляет всей вакуумно-откачной системой. Разрабатываемый метод масс-спектрометрических измерений с использованием мягкой неразрушающей абляции с твердых подложек под действием терагерцового излучения требует частой смены образцов и откачки вакуумной системы. Для удобства работы и сохранения времени жизни вторичного электронного умножителя, вакуумная система с помощью шибера может быть разделена на два объема: объем узла ионизации и объем анализатора. Перед сменой образца шибер закрывается, в объем блока ионизатора напускается воздух и образец меняется, при этом объем анализатора остается при рабочем вакууме. После установки образца объем блока ионизатора сначала откачивается форвакуумным насосом, а потом используется вторая ступень вакуумно-откачной системы – турбомолекулярный насос ТМН-150. Турбомолекулярный нанос позволяет получить вакуум до 10-4 Па. Турбомолекулярный насос также используется как вторая ступень при откачке всей вакуумной системы макета. Третья ступень вакуумно-откачной системы состоим из магниторазрядного насоса НМД-0.16-1 и предназначена для достижения рабочего вакуума (не менее 5*10-5 Па) в макете. Магниторазрядный насос предназначен также для поддержания вакуума, когда макет не используется для измерений. Переделка узла ионизации и изготовление специального механизма для перемещения пластинки с образцами в вакууме Узел ионизации в масс-спектрометре МСХ-6 предназначен для получения и накопления ионов исследуемых веществ методом электронного удара, формирования пакетов ионов с помощью выталкивающего импульса, ускорения, фокусировки и задания необходимого угла влета в анализатор пакетов ионов (рис 1). В блоке ионизации опорный стакан был заменен на 4 опорные стойки. Размеры стоек на 15 мм больше высоты стакана. Все подводящие провода были удлинены, заключены в керамические трубки и уложены вблизи стоек. В результате появилось свободное пространство для размещения пластинки с образцом. Пластинка располагается под углом 45˚ к оси блока ионизации и на 10 мм ниже оси. Терагерцовое излучение переводит наночастицы с пластины в аэрозольную фазу, после чего они накапливаются, ионизируются, ускоряются и анализируются. Пластинка с помощью специально сконструированного и изготовленного механизма может перемещаться на 40 мм поперек оси блока ионизации. Поскольку диаметр пятна терагерцового излучения, сформированного с помощью оптической телескопической системы на пластине, составляет около 0.5 мм, то на пластину наносятся образцы в виде поперечных полосок шириной 5 мм. Угол наклона пластины приводит к увеличению поперечного размера и оставляет неизменным продольный. Такое устройство позволяет исследовать до семи независимых образцов за один этап установки пластины с образцами и откачки на рабочий вакуум. Основной частью блока перемещения пластины является сильфонный узел тарельчатого типа. Он предназначен для перемещения пластины в вакууме. Сильфонный узел закрепляется в цилиндрический корпус, состоящий из двух частей. Перемещение пластины происходит путём вращения одной части корпуса относительно другой. Переделка электронной системы Переделка электронной системы включала следующие пункты. 1. Частота следования выталкивающих импульсов в масс-спектрометре МСХ-6 составляла 3 кГц. Поскольку, масс-спектрометр МСХ-6 предназначен для измерения масс не больше 1500 Да, то при такой частоте и для таких масс происходит полное заполнение молекулами исследуемого вещества промежутка между сетками выталкивающего импульса. Заполнение происходит за счет тепловых скоростей молекул. Тепловые скорости наночастиц на порядок меньше тепловых скоростей молекул. Предварительные расчеты показали, что при частоте 3 кГц для наночастиц характерной массой 100000 Да не происходит полное заполнение ими участка между сетками выталкивающего импульса. Поэтому, частота следования была понижена до 250 Гц изменением параметров задающего генератора. 2. Длительность выталкивающего импульса составляла 1 мкс, что достаточно, для того, чтобы все накопленные иона невысоких масс ускорились и покинули ускоряющий промежуток. Для наночастиц характерной массой 100000 Да этого времени недостаточно. Поэтому переделкой электронного блока выталкивающего импульса длительность выталкивающего импульса в соответствии с расчетами была увеличена до 4 мкс. Заключение Таким образом, изготовлен макет времяпролетного масс-спектрометра для измерения масс неорганических наночастиц (рис 2). Терагерцовое излучение Новосибирского лазера на свободных электронах через специальное окно попадает в фокусирующую телескопическую систему. Окно разделяет вакуумный объем макета времяпролетного масс-спектрометра и канал подачи излучения, заполненный сухим азотом при атмосферном давлении. Телескопическая система фокусирует излучение на пластинку с образцами наночастиц. На пластинку полосами наносится 7 образцов исследуемых наночастиц. Пластинка может перемещаться в вакуумном объеме макета с помощью специального механизма. При измерении масс наночастиц терагерцовое излучение облучает одну из полос. Под действием излучения наночастицы переводятся в газовую фазу, попадают в область ионизации, где ионизируются и ускоряются. Массы наночастиц измеряются с помощью блока анализатора макета времяпролетного массспектрометра. Работоспособность макета проверена путем измерения масс остаточных газов (рис 3). Начаты эксперименты по измерению масс неорганических наночастиц. Благодарности Работа выполнена при использовании оборудования ЦКП СЦСТИ и финансовой поддержке Минобрнауки России и грантом №62 программы фундаментальных исследований Президиума РАН №24. Список литературы 1. Siuzdak G. The Expanding Role of Mass Spectrometry in Biotechnology, /MCC Press, San Diego, CA, 2003. 2. Tang K., Taranenko N.I., Allman S.L., Chen C.H., Cháng L.Y., Jacobson K.B. Picolinic acid as a matrix for laser mass spectrometry of nucleic acids and proteins. // Rapid Commun Mass Spectrom. - 1994 – Vol. 8(9). - P. 673-7. 3. Williams T.I., Saggese D.A., Toups K.L., Frahm J.L., An H.J., Li B., Lebrilla C.B., Muddiman D.C. Investigations with O-linked protein glycosylations by matrix-assisted laser desorption/ionization Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry //J Mass Spectrom. – 2008. – Vol. 43(9). - P. 1215–1223. 4. Петров А.К., Козлов А.С.,. Тарабан М.Б, Горячковская Т.Н., Малышкин С.Б., Попик В.М., Пельтек С.Е. Мягкая абляция биологических объектов под воздействием субмиллиметрового излучения лазера на свободных электронах //ДАН. – 2005. – Т. 404. № 5. – С. 1–3. 5. Gavrilov N.G., Knyazev B.A., Kolobanov E.I., Kotenkov V.V., Kubarev V.V., Kulipanov G.N., Matveenko A.N., Medvedev L.E., Miginsky S.V., Mironenko L.A., Oreshkov A.D., Ovchar V.K., Popik V.M., Salikova T.V., Scheglov M.A., Serednyakov S.S., Shevchenko O.A., Skrinsky A.N., Tcheskidov V.G. and Vinokurov N.A., Status of the Novosibirsk high-power terahertz FEL. //Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. - 2007. - Vol. 575(1/2). - P. 54-57. Подписи к рисункам Рисунок 1. Блок ионизации до и после переделки Рисунок 2. Макет времяпролетного масс-спектрометра для измерения масс неорганических наночастиц. Рисунок 3. Спектр масс остаточных газов, измеренных с помощью макета. Рисунок 1 Рисунок 2 Рисунок 3 TOF mass spectrometer modification for accurate mass measurement of nanoparticles using terahertz radiation. Popik V.M.1, Goryachkovskaya T.N.2, Kuibida L.V. 3, Semenov A.I. 1, Shcheglov M.A.1, Peltek S.E. 2 1 Budker Institute of Nuclear Physics, SB RAS Novosibirsk Institute of Cytology and Genetics SB RAS, Novosibirsk 3 Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, Novosibirsk 2 abstract Developed a new method for mass spectrometric analysis, based on a soft non-destructive ablation under the terahertz irradiation. Soft non- destructive ablation is used to transfer in the gas phase inorganic nanoparticles and biopolymers with preserving their primary structure, and is a fundamentally new method for obtaining molecular ions, which significantly expands the range of biopolymers that are available for mass spectrometry, and also allows direct and precise measurement of the nanoparticles. At this time, there is created the model TOF mass spectrometer for accurate mass measurements of inorganic nanoparticles using terahertz radiation.