Почему при разрешении 2 а.е.м. прибор врёт?
Что означает разрешение в квадрупольном ИСП МС
В классической масс-спектрометрии разрешающая способность часто записывается как:R = m / Δm
где m — масса, а Δm — минимальная разница масс, которую прибор может разделить.Но для квадрупольных ИСП МС чаще используют более практическое определение: разрешение — это ширина пика на уровне 10% от его высоты. То есть смотрят, насколько широким получается пик в масс-спектре. Чем шире пик, тем хуже прибор отделяет соседние массы друг от друга.
Для квадрупольного масс-спектрометра разрешение и изотопическая чувствительность (abundance sensitivity) — две главные характеристики масс-спектрометра.
У обычного квадрупольного ИСП МС разрешение теоретически можно менять примерно от 0,3 до 2,0 а.е.м., но в большинстве рутинных задач прибор работает около 0,5–0,8 а.е.м. Это компромисс: сигнал еще достаточно высокий, а пики еще достаточно узкие. При 0,3 а.е.м. пик уже, но чувствительность падает. При 2,0 а.е.м. сигнал выше, но пик становится слишком широким.
Поэтому разрешение 2 а.е.м. — это не «чуть хуже нормы». Это уже очень широкое окно для ИСП МС. Такой режим дает "грязный сигнал", неприемлемый для высокоточного анализа: в него попадет не только нужный элемент, но и соседние массы, хвосты соседних пиков и полиатомные интерференции.
Почему пик имеет колоколообразную форму
Интуитивно можно ожидать, что пик массы должен быть тонкой вертикальной линией: есть масса — есть сигнал, нет массы — нет сигнала. Но квадруполь так не работает.Квадруполь не открывает и не закрывает проход мгновенно. Он создает область устойчивых траекторий. В центре этой области ионы нужной массы проходят лучше всего. Чуть в сторону — проходят хуже. Еще дальше — почти не проходят. Поэтому при сканировании массы сигнал сначала растет, достигает максимума, а потом плавно падает.
Так появляется пик, похожий на колокол.
Причина в том, что ионы одного и того же изотопа не летят абсолютно одинаково. У них немного отличаются начальные положения, углы входа, скорости, кинетические энергии. Плюс сам квадруполь имеет конечную геометрию, реальные поля, реальные стержни, реальный вакуум и реальные электронные настройки. Поэтому фильтрация получается не как резкий нож, а как плавная функция пропускания.
На вершине пика проходят ионы с наиболее устойчивыми траекториями. На склонах — ионы, которые еще частично проходят, но уже хуже. У основания — хвосты: слабый сигнал от ионов, которые формально находятся рядом, но не полностью отсечены.
Важно:
У квадруполя пик обычно не идеальный симметричный «колокол». Форма пика асимметрична: на низкомассовой стороне обычно есть более выраженный хвост или плечо. Из-за этого изотопическая чувствительность (abundance sensitivity) на стороне M−1 хуже, чем на стороне M+1; типичные значения порядка 10⁻⁶ для M−1 и 10⁻⁷ для M+1. Иными словами, большой соседний пик может давать заметный хвост в область аналитической массы.Почему пик «расползается» при плохом разрешении
Разрешение квадруполя определяется настройкой RF/DC, где radio frequency - радиочастотное переменное напряжение или ВЧ-напряжение; DC - direct current - постоянное напряжение.Если настройка жесткая, область устойчивых траекторий узкая: проходят только ионы в очень узком диапазоне масс. Пик получается узким, а соседние массы разделяются лучше.
Если настройка мягкая, область устойчивых траекторий расширяется. Через квадруполь начинает проходить более широкий диапазон ионов. Пик становится выше, потому что через фильтр проходит больше ионов, но одновременно он становится шире. Это и есть «расползание».
На пальцах:
хорошее разрешение — это узкая дверь: проходит только нужная масса;
плохое разрешение — это широкие ворота: проходит нужная масса, соседняя масса и часть «шума» рядом;
2 а.е.м. — это уже настолько широкие ворота, что в сложном образце невозможно уверенно сказать, что именно дало сигнал.
Почему 2 а.е.м. это даже опасно?
Потому что подрывает достоверность получегнных данных. В ИСП МС мы часто работаем с очень малыми концентрациями: ppb, ppt и ниже. При таких уровнях даже слабая помеха может оказаться больше полезного сигнала.Допустим, мы измеряем элемент на уровне ppt. Его сигнал маленький. Рядом есть матричный ион, которого в тысячи или миллионы раз больше. Если пик этого большого иона широкий или имеет хвост, он попадает в измеряемую массу. Прибор честно считает ионы, но аналитик получает не концентрацию элемента, а сумму:
аналитический элемент + соседний пик + хвост интерференции
Так появляются ложные результаты: элемент «обнаружен», хотя его нет, или концентрация получается заметно выше реальной.
Очень показательный пример из практики с пиком ⁵⁵Mn⁺ рядом с большой концентрацией ⁵⁶Fe⁺. При переходе на более узкое разрешение 0,3 а.е.м. сигнал Mn стал примерно в 3 раза ниже, зато фон от хвоста большого Fe-пика снизился примерно в 7 раз, что улучшило предел обнаружения Mn. Это хорошо показывает главный принцип: большой сигнал не всегда означает хороший анализ; иногда лучше потерять часть чувствительности, но убрать хвост соседнего пика.
При разрешении 2 а.е.м. происходит обратное: сигнал может быть выше, но селективность хуже. А для следового анализа селективность часто важнее абсолютной высоты сигнала.