Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к области масс-спектрометрического анализа вещества и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением ионов. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции ионно-оптической системы (ИОС), улучшении качества возбуждающего поля и повышении разрешающей способности квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов. Известными приборами такого типа являются линейные ионные ловушки с гиперболическими или цилиндрическими электродами с дипольным возбуждением ионов [2]. Коммерческие приборы с анализаторами такого типа широко используются для рутинных анализов с разрешением до нескольких тысяч. Их аналитические возможности ограничены особенностями геометрии и конструкции ИОС квадрупольных анализаторов с гиперболическими или круглыми электродами [1]. Предлагаемый способ и устройство, реализуемые с помощью ИОС с планарными дискретными электродами [3], позволяют усовершенствовать конструктивные, аналитические и коммерческие параметры масс-спектрометров данного класса.

Новый способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов заключается в воздействии на заряженные частицы, совершающие колебания с ограниченными амплитудами по осям XYZ в суперпозиции квадрупольного в плоскости XOY высокочастотного и статического задерживающего по оси Z электрических полей в анализаторе с геометрическим параметром r_o, возбуждающим по оси X переменным электрическим полем, отличающимся тем, что возбуждающее поле однородное и направлено вдоль одной из асимптот квадрупольного поля.

В известных квадрупольных анализаторах (Фиг. 1, а) распределение ВЧ-потенциала описывается выражением

где U_ВЧ=V⋅cos(ωt), V и ω - амплитуда и частота ВЧ-питающего напряжения, r₀ - геометрический параметр квадрупольного анализатора. Колебания ионов по осям X и Y в ВЧ поле (1) описываются дифференциальными уравнениями [3]

где q=2eV/(r₀²ω²m) - параметр Матье, m - масса ионов. При q<0,3 решение дифференциальных уравнений (2) описываются гармоническими функциями

где x₀, y₀, ν_0x, ν_0y - начальные координаты и скорости ионов по осям X и Y, - секулярная частота колебания ионов.

При дипольном возбуждении в известных квадрупольных анализаторах на ВЧ-поле (1) накладывается возбуждающее переменное электрическое поле с частотой Ω_в, которое лишь приближенно вблизи оси X можно считать однородным (Фиг. 1, б). При равенстве частот Ω_в≈Ω_с под действием возбуждающего поля амплитуда колебаний ионов по оси X нарастает и они через щели в электродах, расположенных на оси X, выводятся на устройство регистрации. Неоднородность возбуждающего поля и отклонения вблизи щелей квадрупольного ВЧ поля в существующих масс-анализаторах с резонансным выводом ионов ограничивают их разрешение и чувствительность. Кроме того, колебания ионов по оси X наряду с секулярными составляющими (3) содержат компоненты с частотами nω±Ω, где n=1, 2, 3…, амплитуды которых увеличиваются с возрастанием параметра q. Наличие этих компонент колебаний ионов большого уровня искажает шкалу масс и снижает разрешающую способность анализаторов.

Предлагаемый способ предполагает резонансное возбуждение ионов в линейной ионной ловушке переменным однородным вдоль оси X электрическим полем, образованным парой планарных дискретных электродов с возбуждающими потенциалами U₁=-U₂ (Фиг. 1, г). Распределение ВЧ потенциала в ИОС на Фиг. 1, в в системе координат x',y' описываются выражением

где , x_а, y_а - размеры ИОС с планарными дискретными электродами по осям X' и Y'. Электрические поля в квадрупольной ИОС Фиг. 1, а и в ИОС с планарными дискретными электродами Фиг. 1, в совпадают при повороте системы координат X'OY' относительно системы XOY на угол π/4.

Поворот системы координат не влияет на секулярные колебания ионов, описываемые выражениями (3), но изменяет соотношение амплитуд высших гармоник с частотами nω±Ω - по одной оси амплитуды увеличиваются, а по другой уменьшаются. При резонансном выводе ионов высшие гармоники колебаний искажают форму массовых пиков и снижают разрешающую способность анализатора. Для достижения высокого разрешения уровень высших гармоник колебаний ионов необходимо снижать. Это реализуется в планарной ИОС (Фиг. 1, в, г), где уровень высших гармоник по оси X' оказывается на порядок меньше, чем по оси X в квадрупольной ИОС (Фиг. 1, а, б).

Таким образом ИОС с планарными дискретными электродами решает две важные для линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением проблемы:

- повышает однородность возбуждающего поля;

- снижает уровень высших гармоник колебаний ионов по оси возбуждения.

Это позволяет в 2-3 раза повысить разрешающую способность масс-анализаторов ионов данного класса.

Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществления

Фиг. 1 а, б - квадрупольная ионно-оптическая система; а - схема ВЧ-питания и распределение ВЧ-поля; б - схема питания и распределение возбуждающего поля; в, г - ионно-оптическая система с планарными дискретными электродами 1, 2; в - распределение ВЧ-поля, г - распределение возбуждающего поля.

Литература

1. D.J. Douglas, N.V. Konenkov. Mass selectivity of dipolar resonant excitation in linear quadrupole ion trap // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2014. V. 28. P. 430-438.

2. Collings B.A., Stott W.R., Londry F.A. Resonant excitation in low-pressure linear ion trap // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2003. Vol. 14. P. 522-534.

3. Мамонтов E.B. Способ образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля и устройство для его осуществления. Патент РФ №2497226. 2012 г.

Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществления

Фиг. 1 а, б - квадрупольная ионно-оптическая система; а - схема ВЧ питания и распределение ВЧ поля; б - схема питания и распределение возбуждающего поля; в, г - ионно-оптическая система с планарными дискретными электродами 1, 2; в - распределение ВЧ поля, г - распределение возбуждающего поля.

Изобретение относится к области масс-спектрометрического анализа вещества и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением ионов. Технический результат - улучшение качества поля и режима работы квадрупольных масс-спектрометров с резонансным выводом ионов. Способ масс-анализа заключается в воздействии на колебания ионов в квадрупольном ВЧ-поле однородным возбуждающим полем, направленным вдоль одной из асимптот квадрупольного поля. Способ реализуется в масс-анализаторе с планарными дискретными электродами, где создается суперпозиция квадрупольного ВЧ и однородного возбуждающего по одной оси поля. Использование планарных дискретных электродов позволяет повысить качество однородного поля и снизить амплитуды высших гармоник колебаний ионов вдоль оси возбуждения. Способ и устройство улучшают форму массовых пиков и в 2-3 раза повышают разрешающую способность линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов, заключающийся в воздействии на заряженные частицы, совершающие колебания с ограниченными амплитудами в суперпозиции квадрупольного в плоскости XOY высокочастотного и статического задерживающего по оси Z электрических полей анализатора с геометрическим параметром r₀ возбуждающим по оси X переменным электрическим полем, отличающийся тем, что возбуждающее поле однородное и направлено вдоль одной из асимптот квадрупольного поля.

2. Устройство для масс-анализа с резонансным возбуждением ионов, содержащее ионно-оптическую систему для образования в плоскости XOY суперпозиции высокочастотного квадрупольного и переменного возбуждающего электрических полей, отличающееся тем, что ионно-оптическая система состоит из 2-х в плоскостях x=±x_a, дискретных по оси Y с шагом Δy с размерами 2y_a>>2x_a, 2z_a>>2x_a по осям X и Z, электродов с противофазными суперпозициями дискретно-линейных и дискретно-равномерных распределений на них высокочастотных и переменных возбуждающих потенциалов, образующих в рабочей области ионно-оптической системы |x|<(x_a-Δy), |y|<(y_a-x_a), |z|<(z_a-x_a) суперпозицию квадрупольного в плоскости ХОУ высокочастотного и однородного по оси X переменного возбуждающего электрических полей, причем в середине электродов, параллельно оси Z, прорезаны щели шириной Δx<Δy и длиной 2Δz>[2(z_a-x_a)] для резонансного вывода ионов из анализатора на устройство регистрации.