СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ИОНОВ В ТРЕХМЕРНОЙ ИОННОЙ ЛОВУШКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для создания масс-спектрометров типа трехмерной ионной ловушки с высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Техническим результатом является повышение чувствительности и достоверности анализа масс-спектрометра.

Характер поведения заряженных частиц в высокочастотных квадрупольных полях, создаваемых электродами трехмерной ионной ловушки, описывается уравнениями Хилла [Э. Камке Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1971]:

r''+[а-2qΨ(T)]r=0,

z''-[а-2qΨ(T)]z=0

где r и z - радиальная и осевая координаты соответственно, Ψ(T) - периодическая функция времени Т, а и q - безразмерные параметры стабильности, которые в случае использования гармонического высокочастотного напряжения Ψ(T)=U₌+U_~cos(2T) имеют вид:

,

,

где σ=e/m - удельный заряд иона, U₌ - значение постоянной составляющей питающего напряжения, U_~ - амплитуда переменной составляющей, ω - циклическая частота, - величина, определяемая геометрией электродной системы, d - расстояние от центра системы до торцевого электрода, r_o - расстояние от центра системы до кольцевого электрода.

Для характеристики устойчивости/неустойчивости движения ионов используют диаграмму стабильности (фиг. 1), которую изображают в координатах a-q. При попадании рабочей точки иона в пределы зоны стабильности по соответствующей координате его колебания имеют ограниченную амплитуду (устойчивые колебания). В противном случае амплитуда колебаний иона неограниченно возрастает (неустойчивые колебания). Связь характера колебаний иона с его удельным зарядом и используется для масс-спектрометрического анализа веществ в ионной ловушке.

Известен способ анализа ионов по удельным зарядам в масс-анализаторе типа трехмерной ловушки, по которому после образования внутри датчика анализатора или ввода извне ионов исследуемого вещества путем выбора соотношения параметров питающего напряжения (постоянной составляющей U₌, переменной составляющей U_~, циклической частоты ω), а также заданной фиксированной геометрии электродной системы в процессе удержания в рабочем объеме датчика захватываются и остаются ионы достаточно узкого диапазона удельных зарядов σ (в идеале - только одного заданного), которые совершают колебания ограниченной амплитуды относительно центра системы (устойчивые ионы). Все ионы, удельные заряды которых не соответствуют указанному диапазону, неограниченно увеличивают амплитуду колебаний и тем самым попадают на полеобразующие электроды и нейтрализуются (неустойчивые ионы). Отсортированные в рабочем объеме датчика анализатора ионы выводятся через перфорированные области торцевых электродов в систему регистрации путем подачи на электроды выплескивающего импульса. Сканирование по массовому диапазону осуществляется при этом изменением одного или одновременно нескольких характеристик питающего напряжения (частоты и постоянной/переменной составляющих). Данный режим работы получил название «метод масс-селективного накопления» (МСН). [US Patent №3527939 А, 08.09.1970].

Для достижения высоких аналитических характеристик сепарирующее поле в объеме датчика анализатора должно характеризоваться высокой степенью линейности зависимости напряженности поля от смещения от центра системы, что определяет необходимость гиперболического профиля полезадающих электродов и строго заданного их взаимного расположения.

К недостатку данного способа анализа ионов можно отнести то, что для получения высокой разрешающей способности прибора рабочие точки удерживаемых (отсортированных) частиц по всем трем координатам (радиальным - X и Y и осевой - Z) находятся вблизи соответствующей границы стабильности, то есть в вершине совмещенной зоны (см. фиг. 1). В результате по всем трем координатам амплитуды отсортированных ионов велики, что приводит к неизбежной потере части из них и, соответственно, к снижению чувствительности. Кроме того, необходимость повторения этапа ионизации/ввода ионов при получении каждой точки на спектре масс приводит к снижению скорости его формирования.

Лучшим в этом отношении является метод «масс-селективной нестабильности» (МСНс) [US Patent №4540884, 10.09.1985]. Это связано в первую очередь с реализацией в нем принципа одномерной сортировки, когда по радиальным координатам (X и Y) ионы только удерживаются с относительно небольшими амплитудами колебаний, а сортировка осуществляется только по осевой координате Z (фиг. 1). При этом рабочие точки захваченных ионов на диаграмме стабильности находятся в глубине совмещенной зоны стабильности, далеко от границ зоны. Сущность данного метода заключается в том, что ионы, образованные внутри датчика анализатора или введенные извне, захватываются высокочастотным квадрупольным электрическим полем в широком диапазоне удельных зарядов. Далее электрические параметры высокочастотного поля (обычно постоянная и переменная составляющие) меняются таким образом, что рабочие точки ионов, находящихся в пределах захваченного диапазона, последовательно переводятся в нестабильную область по осевой Z координате. Амплитуда колебаний этих ионов в осевом направлении неограниченно возрастает, и они выходят из рабочего объема в систему регистрации через перфорированную часть торцевых электродов. При этом рабочие точки всех остальных удерживаемых ионов остаются внутри зоны стабильности, так что амплитуды их колебаний остаются ограниченными и в систему регистрации они не попадают. Типичный рабочий цикл метода представлен на фиг. 2. Он включает в себя следующие этапы:

- этап ионизации/накопления частиц исследуемого вещества, находящихся в объеме ловушки или ввода/накопления ионов исследуемого вещества в рабочий объем датчика масс-анализатора извне (0-А). При этом формируется рабочий диапазон захватываемых (стабильных) ионов, которые впоследствии будут избирательно детектироваться. Ионы с рабочими точками, не попадающими внутрь диаграммы стабильности (нестабильные ионы), увеличивают амплитуды колебания и выходят из объема удержания. На этом же этапе происходит демпфирование колебаний стабильных частиц с использованием легкого буферного газа, который напускается в систему до давления 10^-4-10^-3 Торр. На этом этапе система детектирования закрыта, выходящие ионы не регистрируются.

- этап сканирования по выбранному диапазону удельных зарядов (А-В), на котором путем изменения параметров питающего напряжения рабочие точки ионов, захваченных ловушкой на предыдущем этапе, по очереди переводятся в нестабильную область по Z-координате, увеличивают амплитуду колебаний в осевом направлении, выходят из ловушки через перфорированные части торцевых электродов и регистрируются в открытой к этому времени системе детектирования. Таким образом формируется масс-спектр/участок масс-спектра исследуемого вещества.

- далее этапы создания-ввода-накопления ионов и сканирования по удельным зарядам повторяются для того же или другого массового диапазона (В-А' и далее). «Сшивая» полученные участки или накладывая друг на друга, можно сформировать спектр масс в заданном диапазоне массовых чисел.

К особенностям реализации данного метода относится то, что помимо необходимости наличия в рабочем объеме демпфирующего легкого газа сепарирующее поле должно быть нелинейным, содержащим составляющие четного порядка с положительными весовыми коэффициентами [Franzen J. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Proc. 1993. Vol. 125. P. 165-170.]. Нелинейность поля создается преднамеренно либо за счет увеличения расстояния от торцевых электродов до центра ловушки [Louris J., Schwartz J., Sta_ord G. et al. // Proc. 40th ASMS Conf. on Mass Spectrometry and Allied Topics. Washington, DC, 1992. P. 1003.1013.], либо за счет уменьшения асимптотического угла образующей гиперболы торцевых электродов [Wang J. and Franzen J. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Proc. 1992. Vol. 112. P. 167-175.]. Ионные ловушки с подобного рода модификацией геометрии принято называть нелинейными ионными ловушками [Wang Y., Franzen J. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Proc. 1994. Vol. 132. P. 155-172.]. В обоих случаях отклонение параметров геометрии электродной системы от «идеального» линейного случая составляет порядка 10%, что приводит к возникновению в рабочем объеме датчика анализатора нелинейных искажений четного порядка.

К недостатку метода относится то, что улучшая условия выхода ионов при переводе рабочей точки в нестабильную область по осевой координате, нелинейные искажения неблагоприятно воздействуют на поведение ионов, удерживаемых в объеме ловушки. Наличие нелинейных искажений квадрупольного поля приводит к возникновению связанных резонансных колебаний ионов определенных удельных зарядов, рабочие точки которых на диаграмме стабильности попадают на т.н. резонансные линии [F. v. Busch, W. Paul nichtlineare Resonanzen im elektrischen Massenfilter als Folge von Feldfehlern. Zeitschrift Physik, 1961, Volume 164, Issue 5, pp 588-594]. Для этих изначально «стабильных» ионов с рабочими точками внутри зоны стабильности амплитуды колебаний по всем координатам с течением времени начинают увеличиваться (ионы становятся «нестабильными»). В результате они выходят из объема удержания, попадают на электроды, где нейтрализуются. Потеря этих ионов из-за резонансных эффектов приводит к тому, что регистрируемый на этапе сканирования сигнал не соответствует реальному количеству частиц в исследуемом веществе, что снижает достоверность масс-анализа. На фиг. 3 представлен набор линий резонансов различных порядков для части диаграммы стабильности трехмерной ионной ловушки, соответствующей рабочей области метода «масс-селективной нестабильности», а на фиг. 4 - относительное количество детектируемых ионов в зависимости от значения q при постоянном значении а=-0,0136, измеренное в работе [R. Alheit et al. / International Jounal Mass Spectrometry and Ion Processes 154 (1996) 155-169]. В этой же работе показано соответствие провалов в числе детектируемых ионов положению определенной линии резонанса.

Для увеличения амплитуды колебания необходимо время, таким образом, наиболее значительно количество детектируемых ионов уменьшается при длительном воздействии резонанса. Это в первую очередь происходит на этапе ионизации/ввода-накопления метода «масс-селективной нестабильности», когда параметры питающего напряжения достаточно продолжительный период времени (до 100 мсек, от нескольких сотен - до десятков тысяч периодов высокочастотного напряжения) остаются неизменными и рабочие точки части ионов длительное время соответствуют положению резонансных линий. На этапе сканирования изменение параметров высокочастотного поля приводит к изменению положения рабочей точки на диаграмме стабильности, к достаточно быстрому пересечению ею линии резонанса, так что увеличение амплитуды колебания происходит в значительно меньшей степени, нежели в предыдущем случае. В случае же идеального квадратичного распределения потенциала (линейного поля), используемого в методе масс-селективного накопления, резонансные эффекты отсутствуют.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что влияние нелинейных искажений высокочастотного поля, необходимых для получения высокой разрешающей способности в методе «масс-селективной нестабильности», приводит к уменьшению чувствительности метода и к возникновению дискриминации по массовому диапазону, причем наибольшее негативное влияние проявляется на этапе ионизации/накопления.

Целью предлагаемого изобретения является реализация метода масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке с использованием на этапе ионизации/накопления линейного высокочастотного поля как в методе масс-селективного накопления, а на этапе сканирования - нелинейного высокочастотного поля. Техническая реализация способа достигается вводом между этапами ионизации/накопления и сканирования дополнительных этапов, на котором геометрия электродной системы датчика анализатора трехмерной ионной ловушки изменяется путем сдвига торцевых электродов из положения, соответствующего идеальному квадрупольному полю, в положение нелинейного поля и наоборот. Тем самым на этапе ионизации/накопления в рабочем объеме датчика масс-анализатора создается линейное поле, в котором колебания ионов по различным координатам не связаны друг с другом и нелинейные резонансы не возникают, а на этапе сканирования формируется поле, содержащее нелинейные составляющие, необходимые для эффективного последовательного вывода ионов из рабочего объема датчика анализатора. Величина сдвига электродов при этом не превышает 10% минимального расстояния от центра электродной системы до торцевых электродов.

Прецизионный сдвиг электродов может быть осуществлен либо электромагнитным, либо пьезоэлектрическим двигателями. Так, например, последние могут работать в условиях вакуума и обеспечивают рабочий ход 20 мм при скорости движения до 800 мм/сек с ускорением 20 g и точности позиционировании и стабильности положения порядка 50 нм. Усилие привода пьезодвигателя может достигать до 600 Н. [А. Самарин. Миниатюрные линейные пьезоэлектрические двигатели, Компоненты и технологии, №63, 2006, стр. 36-41]. Для уменьшения массы (инерционности) перемещаемых электродов они могут быть изготовлены тонкостенными с помощью метода электролитического формования. В этом случае их масса не превышает нескольких десятков грамм. Таким образом, при существующих расстояниях в ионных ловушках от центра системы до торцевых электродов 1-2 см, сдвиг в ту или иную сторону на 10% может быть осуществлен за 3-4 мсек, что незначительно увеличивает длительность всего цикла сортировки.

На фиг. 5 представлено схематичное изображение датчика масс-анализатора типа трехмерной ионной ловушки с радиальным вводом ионизирующего излучения и изменяемым положением торцевых электродов. При этом фиг. 5а представляет положение торцевых электродов, соответствующее идеальному квадрупольному полю (линейная трехмерная ловушка, расстояние от центра системы до торцевого электрода - d); фиг. 5б - положение торцевых электродов, соответствующее увеличенному расстоянию от центра системы до полеобразующей поверхности электрода (нелинейная трехмерная ловушка, расстояние от центра системы до торцевого электрода d+Δd). На фиг. 5 цифрой 1 обозначен кольцевой электрод, цифрами 2 и 3 - торцевые электроды, цифрой 4 - поток ионизирующего излучения, цифрой 5 - направляющая керамическая обойма, цифрой 6 - линейные двигатели, цифрой 7 - система перемещения торцевых электродов.

На фиг. 6 показана схема рабочего цикла масс-анализатора типа трехмерной ионной ловушки в режиме масс-селективной нестабильности с изменяемой геометрией электродной системы.

Работа масс-анализатора при этом состоит из следующих этапов:

- этап перевода торцевых электродов в положение, соответствующее формированию в рабочем объеме датчика анализатора линейного высокочастотного поля (0-0'). При этом минимальное расстояние между центром системы и поверхностью торцевого электрода - d. Это достигается подачей на двигатель (двигатели) торцевых электродов соответствующего управляющего импульса Uv.

- этап ионизации/накопления частиц исследуемого вещества, находящихся в объеме ловушки, или ввода/накопления ионов исследуемого вещества в рабочий объем датчика масс-анализатора извне (0'-А'). Характеристики питающего напряжения (амплитуда, частота, скважность, форма огибающей переменной и величина постоянной составляющих) выбираются такими, что «стабильными» траекториями обладают ионы заданного диапазона удельных зарядов, а остальные оказываются нестабильными и выходят из объема удержания. При этом на систему ионизации/ввода подается открывающий импульс (U_i), а система детектирования закрыта, выходящие нестабильные ионы не регистрируются (I_ion=0).

- этап сдвига торцевых электродов в положение нелинейного поля (А'-А). При этом минимальное расстояние между центром электродной системы и торцевыми электродами становится d+Δd.

- по окончании сдвига торцевых электродов начинается этап сканирования по захваченному диапазону удельных зарядов (А-В), который идентичен аналогичному этапу прототипа. Система ионизации/ввода при этом закрыта, а система регистрации открыта, последовательно выходящие в осевом направлении ионы различных удельных зарядов регистрируются, и формируется масс-спектр/участок масс-спектра исследуемого вещества.

- перед началом следующего этапа ионизации/накопления или ввода/накопления заряженных частиц торцевые электроды возвращаются в исходное состояние линейного поля путем подачи управляющего импульса на двигатели (В-В') и описанные выше этапы повторяются для того же или другого массового диапазона. «Сшивая» полученные участки или накладывая друг на друга, можно сформировать спектр масс в заданном диапазоне массовых чисел.

К особенностям предлагаемого рабочего цикла можно отнести то, что увеличение расстояния между торцевыми электродами от d до d+Δd можно производить асимметрично (не одновременно), с задержкой перемещения одного из электродов по отношению к другому. Такой асимметричный сдвиг приведет к возникновению во время перемещения электродов дополнительно к осевым искажениям поля четного порядка искажений нечетного порядка. Наличие асимметричных искажений вызовет создание в центре системы отличного от нуля продольного электрического поля, что приведет к «выносу» из нее ионов с малыми начальными скоростями, которые в симметричном поле практически не сортируются, то есть имеют большое время нарастания амплитуды колебаний. Это позволит уменьшить разброс времен осевого вывода ионов данного вида на этапе развертки спектра масс и тем самым увеличить разрешающую способность прибора и отношение сигнал/шум в предлагаемом способе работы масс-спектрометра.

Реализация рассматриваемого способа работы квадрупольного масс-спектрометра типа трехмерной ионной ловушки возможна в устройстве, представленном на фиг. 7. Конструкция масс-спектрометра включает в себя: источник ионизирующего излучения и/или источник ионов (1), блок управления ионизацией/вводом ионов (2), датчик масс-анализатора, состоящий из кольцевого (3) и двух торцевых электродов (4), детектор ионов (5), блок формирования питающего высокочастотного и постоянного напряжения, подаваемого между кольцевым и торцевыми электродами (6), блок управления рабочим циклом (7), двигатели перемещения торцевых электродов (8) с системой перемещения (9), блок приема и обработки информации (10), вакуумный насос (11).

Предлагаемый способ работы реализуется с помощью указанного устройства следующим образом.

После установления в вакуумной камере прибора, в которой находятся датчик анализатора, состоящий из кольцевого (3) и торцевых электродов (4), источник ионизирующего излучения и/или источник ионов (1), детектор ионов (5), двигатели перемещения торцевых электродов (8) с системой перемещения (9) необходимого вакуума, обеспечиваемого вакуумным насосом (11), на двигатели перемещения торцевых электродов подается от блока управления рабочим циклом (7) управляющий импульс. Двигатели переводят с помощью системы перемещения (9) торцевые электроды в положение, обеспечивающее создание в рабочем объеме датчика анализатора линейного высокочастотного поля. Детектор ионов (5) - закрыт.

После этого блок управления рабочим циклом подает сигналы на блок формирования питающего высокочастотного и постоянного напряжения (6) и блок управления ионизацией/вводом ионов (2), запуская их.

Блок (6) формирует высокочастотное питающее напряжение с постоянной составляющей, которое подается между кольцевым и торцевыми электродами датчика анализатора, создавая в объеме анализатора высокочастотное электрическое поле.

Блок (2) формирует напряжения, необходимые для работы источника ионизирующего излучения и/или источника ионов (1), которые при запуске осуществляют процесс ионизации/накопления частиц исследуемого вещества, находящихся в объеме ловушки или ввода/накопления ионов исследуемого вещества в рабочий объем датчика масс-анализатора извне.

При этом параметры питающего напряжения (амплитуда, частота, скважность, форма огибающей переменной и величина постоянной составляющих) выбираются такими, что «стабильными» траекториями обладают ионы заданного диапазона удельных зарядов (удерживаются в объеме анализатора), а остальные оказываются «нестабильными» и выходят из объема удержания.

После окончания этапа ионизации-ввода/накопления ионов блок (7) подает управляющий импульс на двигатели перемещения торцевых электродов (8), которые с помощью системы перемещения (9) переводят торцевые электроды в положение, соответствующее формированию в рабочем объеме анализатора нелинейного высокочастотного поля.

В момент окончания сдвига электродов импульсом от блока (7) открывается тракт детектора ионов (5) и начинается этап сканирования по захваченному диапазону удельных зарядов, на котором путем изменения параметров питающего напряжения рабочие точки ионов, захваченных ловушкой на предыдущем этапе, по очереди переводятся в нестабильную область по Z-координате, увеличивают амплитуду колебаний в осевом направлении, выходят из ловушки через перфорированные части торцевых электродов и регистрируются системой детектирования. Тем самым формируется масс-спектр/участок масс-спектра исследуемого вещества.

Перед началом следующего цикла получения масс-спектра исследуемого вещества блок управления рабочим циклом (7), подав управляющий импульс на двигатели (8), переводит торцевые электроды в начальное положение, перед началом этапа ионизации/накопления или ввода/накопления заряженных частиц торцевые электроды возвращаются в исходное состояние линейного поля путем подачи управляющего импульса на двигатели (В-В') и описанные выше этапы повторяются для того же или другого массового диапазона. «Сшивая» полученные участки или накладывая друг на друга, можно сформировать спектр масс в заданном диапазоне массовых чисел.

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для создания масс-спектрометров типа трехмерной ионной ловушки с высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Технический результат - чувствительности и достоверности анализа масс-спектрометра. В процессе сортировки заряженных частиц в масс-спектрометре типа квадрупольной трехмерной ионной ловушки по методу масс-селективной нестабильности изменяют расстояние между торцевыми электродами так, что ионизация и накопление ионов осуществляется в линейном квадрупольном поле, а сортировка - в нелинейном квадрупольном поле с положительными четными компонентами. В результате повышается чувствительность метода и уменьшается дискриминация по массам. Сдвиг электродов осуществляется за счет ввода в конструкцию масс-спектрометра малогабаритных быстродействующих прецизионных двигателей. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ масс-спектрометрического анализа в квадрупольном масс-спектрометре типа трехмерной ионной ловушки, содержащий этап ионизации газа в рабочем объеме датчика анализатора либо ввода ионов в рабочий объем датчика анализатора извне, захвата и удержания в рабочем объеме датчика анализатора квадрупольным высокочастотным электрическим полем ионов заданного диапазона удельных зарядов, этап сортировки ионов по удельным зарядам путем селективного последовательного вывода захваченных и удерживаемых ионов в измерительное устройство путем изменения параметров высокочастотного квадрупольного электрического поля и детектирования количества ионов, выходящих из рабочего объема датчика анализатора, отличающийся тем, что этап ионизации/ввода ионов осуществляется в линейном квадрупольном высокочастотном электрическом поле, а этап сортировки - в нелинейном квадрупольном высокочастотном электрическом поле, для чего между этапами ионизации/ввода и сортировки торцевые электроды ловушки хотя бы один раз сдвигают из положения, соответствующего формированию в рабочем объеме датчика анализатора линейного квадрупольного высокочастотного электрического поля, в положение, при котором в рабочем объеме датчика анализатора создается нелинейное квадрупольное высокочастотное электрическое поле.

2. Способ масс-спектрометрического анализа в квадрупольном масс-спектрометре типа трехмерной ионной ловушки по п. 1, отличающийся тем, что сдвиг электродов происходит ступенчато, в один или несколько этапов.

3. Способ масс-спектрометрического анализа в квадрупольном масс-спектрометре типа трехмерной ионной ловушки по пп. 1, 2, отличающийся тем, что сдвиг торцевых электродов происходит с задержкой перемещения одного из них по отношению к другому.

4. Квадрупольный масс-спектрометр типа трехмерной ионной ловушки, включающий источник ионизирующего излучения и/или источник ионов, блок управления ионизацией/вводом ионов, датчик масс-анализатора, состоящий из кольцевого и двух торцевых электродов, детектор ионов, блок формирования питающего высокочастотного и постоянного напряжения, подаваемого между кольцевым и торцевыми электродами, блок управления рабочим циклом, блок приема и обработки информации, вакуумный насос, отличающийся тем, что торцевые электроды могут перемещаться в осевом направлении.

5. Квадрупольный масс-спектрометр типа трехмерной ионной ловушки по п. 4, отличающийся тем, что для перемещения торцевых электродов включает в себя хотя бы один механический двигатель.