Ионная воронка для эффективного пропускания ионов с низким отношением массы к заряду с уменьшенным расходом газа на выходе Российский патент 2019 года по МПК H01J49/26 

Предпосылки создания изобретения

[0001] Ионизация при атмосферном давлении относится к аналитическому методу, который может использоваться для создания и идентификации ионизированного материала, такого как молекулы и атомы, при атмосферном или близком к нему давлении. После ионизации способ детектирования, такой как масс-спектрометрия, может использоваться для спектрального анализа ионизированного материала. Например, масс-спектрометры (Mass Spectrometer, MS) разделяют ионы в масс-анализаторе по отношению массы к заряду, где ионы регистрируются устройством, способным к детектированию заряженных частиц. Сигнал от детектора в масс-спектрометре затем обрабатывается для получения спектров относительной интенсивности ионов как функции отношения массы к заряду. Атомы или молекулы идентифицируются посредством сопоставления идентифицируемых масс с известными массами или посредством характерной схемы фрагментации. Вообще, способы ионизации при атмосферном давлении позволяют использование селективной химии и непосредственного анализа поверхности для подготовки и детектирования пробы. Например, способы ионизации при атмосферном давлении и детектирования могут использоваться для военных применений и обеспечения безопасности, например, для обнаружения наркотиков, взрывчатых веществ и т.п. Способы ионизация при атмосферном давлении и детектирования могут использоваться также в лабораторных аналитических применениях, а также с дополнительными способами детектирования, такими как масс-спектрометрия, жидкостная хроматография и т.п.

Сущность изобретения

[0002] Описываются устройство ввода пробы и способы его использования. Устройство содержит ионную воронку, имеющую множество электродов с отверстиями, расположенными вокруг оси, проходящей от входа ионной воронки к выходу ионной воронки; ионная воронка содержит множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов; каждое из множества промежуточных колец устанавливается вблизи одного или двух соседних электродов. В реализациях каждое из множества промежуточных колец определяет отверстие с диаметром, который больше, чем диаметр отверстия, определяемого каждым соответствующим соседним электродом. Ионная воронка сконфигурирована для прохождения пробы ионов через отверстия электродов и промежуточных колец к дополнительным частям системы детектирования, таким как система масс-анализатора и детектор. Дополнительно устройство детектирования пробы может содержать ионопровод, масс-анализатор, детектор, по меньшей мере один вакуумный насос (например, низковакуумный насос, высоковакуумный насос и т.д.). В реализации процесс для использования устройства ввода пробы, которое использует способы данного изобретения, включает создание пробы ионов от источника ионов, прием пробы ионов в ионной воронке, имеющей множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов, и передачу пробы ионов из ионной воронки в блок детектирования.

[0003] Это описание сущности изобретения приводится, чтобы в упрощенной форме предоставить выбор концепций, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Это описание сущности изобретения не предназначено для выявления ключевых признаков или основных признаков особенности заявленного предмета, а также не предназначено для использования в качестве помощи в определении объема заявленного предмета.

Краткое описание чертежей

[0004] Подробное описание приводится со ссылкой на сопутствующие фигуры чертежей. Использование того же самого номера позиции в различные примерах в описании и на фигурах может указывать подобные или идентичные предметы.

[0005] Фиг. 1 - график расчетов эффективных потенциалов на центральной оси ионной воронки для двух отношений массы к заряду (m/z) ионов в соответствии с примерами реализации данного изобретения.

[0006] Фиг. 2 - график эффективных электрических полей, соответствующих расчетам эффективных потенциалов на центральной оси ионной воронки, показанным на фиг. 1, в соответствии с примерами реализации данного изобретения.

[0007] Фиг. 3 - схематический вид в разрезе, иллюстрирующий устройство ввода пробы, которое содержит ионную воронку, имеющую множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов, в соответствии с примером реализации данного изобретения.

[0008] Фиг. 4А - вид сверху промежуточного кольца, сконфигурированного для размещения в ионной воронке между соседними пластинчатыми электродами, в соответствии с примером реализации данного изобретения.

[0009] Фиг. 4В - вид сверху пластинчатого электрода, сконфигурированного для размещения в ионной воронке, в соответствии с примером реализации данного изобретения.

[0010] Фиг. 5 - схематический вид в разрезе, иллюстрирующий устройство детектирования пробы, в соответствии с примером реализации данного изобретения.

[0011] Фиг. 6 - блок-схема, иллюстрирующая устройство детектирования пробы, которое содержит источник ионизации пробы, устройство ввода пробы, систему масс-анализатора и детектор, в соответствии с примером реализации данного изобретения.

[0012] Фиг. 7 - изображение двух графиков, показывающих относительные интенсивности различных ионов, измеренные после прохождения через ионную воронку при двух различных давлениях, в соответствии с примерами реализации данного изобретения.

[0013] Фиг. 8 - блок-схема, иллюстрирующая пример процесса использования устройства ввода пробы и устройства детектирования пробы, показанных на фиг. 3-6.

Подробное описание

[0014] Масс-спектрометры (MS) работают в вакууме и разделяют ионы по отношению массы к заряду. В некоторых формах осуществления изобретения, использующих масс-спектрометр, проба, которая может быть твердым телом, жидкостью или газом, ионизируется и анализируется. Ионы разделяются в масс-анализаторе согласно отношению массы к заряду и детектируются детектором, способным к детектированию заряженных частиц. Сигнал от детектора затем обрабатывается для получения спектра относительной интенсивности ионов как функции отношения массы к заряду. Атомы или молекулы идентифицируются посредством сопоставления идентифицируемых масс с известными массами или посредством характерной схемы фрагментации.

[0015] Способы ионизации при атмосферном давлении позволяют использование селективной химии и прямого поверхностного анализа. Чтобы анализировать ионы, произведенные способами ионизации при атмосферном давлении, ионы должны быть перемещены из атмосферного или близкого к нему давления в вакуум или близкое к вакууму давлению. Есть значительные сложные технические проблемы обеспечения эффективного перехода исследуемых ионов определяемого компонента с низкой интенсивностью из атмосферы в вакуумную среду, такую как среда миниатюрного масс-анализатора. Сложные технические проблемы могут быть связаны с ограничениями размера и веса портативных систем детектирования, которые строго ограничивают выбор компонентов системы, таких как вакуумные насосы. Дифференциальная откачка может использоваться, чтобы уменьшить давление от атмосферного (например, 760 торр) до давления, при котором масс-спектрометр может анализировать ионы (например, 10^-3 торр или ниже). Дифференциальная откачка может применяться в многоступенчатом процессе понижения давления. Расход текучей среды из атмосферы должен быть по меньшей мере 0,15 л/мин через отверстие или малый капилляр, чтобы избежать значительных потерь ионов и засорения. Вакуумная магистраль первой ступени (например, содержащей малый диафрагменный насос) с такими расходами на входе приводит к давлениям порядка нескольких торр в этой области.

[0016] При давлениях в несколько торр, чтобы ограничивать расширяющийся пучок ионов от пробы, проходящей через входной капилляр, может использоваться ионная воронка. Ионная воронка (например, как описано в патенте США №6107628) состоит из стопки близко расположенных кольцевых электродов с постепенно уменьшающимися внутренними диаметрами и несовпадающими по фазе радиочастотными (Radio Frequency, RF) потенциалами, прикладываемыми к соседним электродам. Радиочастотное поле, прикладываемое к электродам воронки, создает эффективный потенциал, который удерживает ионы радиально в присутствии буферного газа, тогда как градиент аксиального электрического поля постоянного тока (Direct Current, DC) перемещает ионы от входного капилляра к выходному электроду. Между соседними электродами обычно размещаются резисторы, чтобы создать линейный градиент потенциала постоянного тока, и конденсаторы используются для развязки источников мощности RF и DC. Ионная воронка улучшает принятие ионов при наличии большого уменьшения входного отверстия к выходу, которое эффективно сосредотачивает ионы на выходе (например, в месте ограничения передачи). Однако стало понятно, что радиочастотные потенциалы на кольцевых электродах ионной воронки создают эффективный потенциальный барьер, который препятствует пропусканию (или, как иначе называют, трансмиссии) ионов с низким отношением массы к заряду (m/z) в следующую вакуумную ступень (R.D. Smith et al., "Characterization of an Improved Electrodynamic Ion Funnel Interface for Electrospray Ionization Mass Spectrometry", Analytical Chemistry, vol. 71, pp.2957-2964 (1999)). Значение эффективного потенциала при адиабатической аппроксимации может быть определено уравнением (1):

где E_rf(r,z) - абсолютное значение радиочастотного электрического поля, ω=2πf - угловая частота, m - масса и q - заряд. Что касается фиг. 1, то на ней представлены результаты расчетов эффективных потенциалов на центральной оси ионной воронки. Для расчетов амплитудное значение (zero to peak) радиочастотного потенциала, прикладываемого к кольцевым электродам, было 50 В, частота была 2 МГц. Как показано, эффективный потенциал возрастает с уменьшением внутреннего диаметра кольца и достигает 4,5 В и 9,0 В для m/z=100 и 50, соответственно, у последнего электрода ионной воронки (с диаметром отверстия 1,4 мм для этих расчетов). Соответствующее эффективное электрическое поле, рассчитанное на центральной оси ионной воронки, показано на фиг. 2. Электрическое поле было рассчитано делением разности эффективных потенциалов между соседними точками на расстояние между этими точками.

[0017] Чтобы преодолеть проблему пропускания ионов с низким m/z в ионной воронке, было предложено иметь последний электрод воронки с диаметром отверстия 2,0 мм или больше (R.D. Smith et al., "Theoretical and Experimental Evaluation of the Low m/z Transmission of an Electrodynamic Ion Funnel", J Am Soc. Mass Spectrom, vol. 17, pp.586-592; A. Mordehai et al., "Optimization of the Electrodynamic Ion Funnel for Enhanced Low Mass Transmission, Proc. of Am. Soc. Mass Spectrom Conf., Salt Lake City, Utah, 2010). Однако это предложение предусматривает такой расход пробы из ионной воронки, который является недопустимым для портативных систем, использующих малые насосы, чтобы достигнуть вакуума для анализа ионов.

[0018] Соответственно, описываются устройство ввода пробы и способы его использования. Устройство содержит ионную воронку, имеющую множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов ионной воронки. Промежуточные кольца обеспечивают по существу герметизированную конструкцию ионной воронки, которая позволяет благоприятную газодинамику потока пробы для обнаружения масс-анализатором ионов с относительно низким отношением m/z. Промежуточные кольца устанавливаются вблизи одного или двух соседних электродов, с каждым из множества промежуточных колец, имеющим отверстие с диаметром, который больше, чем диаметр каждого соседнего электрода. Ионная воронка сконфигурирована для пропускания пробы ионов через отверстия электродов и промежуточных колец к дополнительным частям системы детектирования, таким как система масс-анализатора и детектор. Предлагается процесс для использования устройства ввода пробы, которое использует ионную воронку с промежуточными кольцами.

[0019] На фиг. 3 показано устройство 300 ввода пробы в соответствии с примерами реализации данного изобретения. Как показано, устройство 300 ввода пробы содержит ионную воронку 302, сконфигурированную для приема пробы ионов от источника ионизации пробы. Ионная воронка 302 содержит множество электродов 304 (например, пластинчатых электродов, как показано на фиг. 4В) и множество промежуточных колец 306 (например, как показано на фиг. 4А). В реализациях электроды 304 определяют отверстия 308, расположенные вокруг оси 310, проходящей от входа 312 ионной воронки 302 к выходу 314 ионной воронки 302. Например, ось 310 направлена через центр отверстия 308 каждого из электродов 304. Размер отверстий 308 постепенно уменьшается или сужается от входа 312 ионной воронки 302 к выходу 314 ионной воронки 302 вдоль оси 310. Чтобы удерживать или направлять пробу ионов через ионную воронку 302, несовпадающие по фазе радиочастотные (RF) потенциалы прикладываются к соседним электродам 304. Прикладываемые радиочастотный потенциалы создают эффективный потенциал, который удерживает ионы радиально с помощью отверстий 308 и 316 в присутствии буферного газа. Градиент осевого электрического поля постоянного тока прикладывается к ионной воронке 302, чтобы облегчить перемещение ионов вдоль оси 310 к выходу 314 ионной воронки 302.

[0020] Электроды 304 могут быть изготовлены из печатных плат и таким образом могут содержать материал печатной платы. Электроды могут содержать также резисторы и проводники (показанные на фиг. 3), смонтированные на материале печатной платы. В реализациях электроды 304 могут иметь отверстие 308, окантованное проводящим слоем или покрытием 400. Проводящее покрытие 400 может покрывать внутреннюю часть отверстия 308, а также переднюю и заднюю поверхности вокруг отверстия. Ионная воронка 302 может содержать пружинные штифты для создания соединений между электродами 304.

[0021] Промежуточные кольца 306 устанавливаются вблизи электродов 304 в ионной воронке 302. В реализациях промежуточные кольца 306 располагаются коаксиально с множеством электродов 304. Например, промежуточные кольца 306 определяют отверстия 316, расположенные вокруг оси 310, так, что ось 310 направлена через центр отверстия 316 каждого из промежуточных колец 306. Каждое из промежуточных колец 306 установлено вблизи одного или двух соседних электродов 304 в зависимости от того, является ли промежуточное кольцо 306 конечным элементом вблизи выхода 314 ионной воронки 302 (где промежуточное кольцо 306 может быть установлено рядом с одним электродом 304) или внутренним элементом (где промежуточное кольцо 306 будет расположено между двумя электродами 304).

[0022] В приводимых в качестве примеров реализациях отверстия 308 электродов 304 и отверстия 316 промежуточных колец 306 имеют по существу круглую форму, причем отверстия 308 имеют диаметр d_e (фиг. 4В) и отверстия 316 имеют диаметр d_s (фиг. 4А). Форма отверстий 308 зависит от конкретных соображений о конструкции ионной воронки 302, электродов 304 и т.д., и таким образом может иметь другие формы помимо круглой, такие как прямоугольную, неправильную и т.д. В реализации диаметры d_e отверстий 308 постепенно уменьшаются или суживаются от входа 312 ионной воронки 302 к выходу 314 ионной воронки 302 вдоль оси 310. Размеры отверстий 308 и 316 зависят от конкретных соображений конструкции ионной воронки 302, таких как конкретная рабочая среда впускного устройства 300 для пробы. Например, в одной реализации отверстие 308 электрода 304, самого близкого к входу 312 ионной воронки 302, имеет диаметр (d₁, как показано на фиг. 3) приблизительно 21 мм, причем диаметр d_e постепенно уменьшается на 0,5 мм для каждого электрода 304 по оси 310 (например, d₂ на фиг. 3 равен приблизительно 20,5 мм), где отверстие 308 электрода 304, самого близкого к выходу 314 ионной воронки 302, имеет диаметр (d_f, как показано на фиг. 3) приблизительно 1,0 мм. В реализациях отверстие 308 электрода 304, самого близкого к выходу 314 ионной воронки 302, может иметь диаметр (d_f, как показано на фиг. 3) меньше чем 2,0 мм, такой как диаметр приблизительно между 1,5 и 1,0 мм, или другой диаметр в соответствии с конкретными характеристиками ионной воронки. Отверстия 316 промежуточных колец 306 сконфигурированы так, чтобы позволить прохождение пробы ионов через промежуточные кольца 306, не препятствуя течению в последующие электроды 304. Соответственно, диаметр d_s отверстия 316 отдельного промежуточного кольца 306 больше, чем диаметр d_e отверстия 308 каждого соответствующего соседнего электрода 304, так, что течению через соседние электроды 304 не препятствует размер диаметра d_s отверстия 316 промежуточного кольца 306.

[0023] Промежуточные кольца 306 могут формироваться из эластичных материалов, чтобы облегчить формирование газонепроницаемого стыка между промежуточными кольцами 306 и соседними электродами 304. Например, в реализациях промежуточные кольца 306 формируются из политетрафторэтилена. Газонепроницаемый стык может проходить по всей ионной воронке 302 посредством ориентирования промежуточных колец 306 относительно электродов 304 чередующимся образом, так, как показано на фиг. 3.

[0024] На фиг. 5 показана система 500 детектирования пробы. Система 500 детектирования пробы содержит источник 502, ионизирующий пробу, часть 504 ввода пробы, часть 506 ионопровода и часть 508 масс-анализатора. Часть 504 ввода пробы, часть 506 ионопровода и часть 508 масс-анализатора поддерживаются под давлением ниже атмосферного. В реализациях система дифференциальной откачки снабжается тремя откачивающими ступенями, по одной для каждой части 504 ввода пробы, части 506 ионопровода и части 508 масс-анализатора. Например, в реализациях низковакуумный насос 510 (например, диафрагменный насос) используется, чтобы уменьшить давление в части 504 ввода пробы, высоковакуумный насос 512 используется, чтобы уменьшить давление в части 506 ионопровода до давления ниже, чем в части 504 ввода пробы, и высоковакуумный насос 514 (например, турбомолекулярный насос) используется, чтобы уменьшить давление части 508 масс-анализатора до давления ниже, чем в части 506 ионопровода. В отдельной реализации низковакуумный насос 510 обеспечивает вакуум приблизительно до 30 торр (например, для вакуумной камеры, которая содержит ионную воронку 302), в частности, между 5 и 15 торр, высоковакуумный насос 512 обеспечивает вакуум приблизительно между 0,1 и 0,2 торр, и высоковакуумный насос обеспечивает вакуум приблизительно между 10^-3 и 10^-4 торр, хотя низковакуумный насос 510, высоковакуумный насос 512 и высоковакуумный насос 514 могут обеспечивать также другие вакуумметрические давления. Кроме того, хотя показаны три насоса, система 500 детектирования пробы может содержать меньше или больше насосов, чтобы обеспечивать условия низкого давления.

[0025] Часть 504 ввода пробы содержит трубопровод 516 и ионную воронку 302. Трубопровод 516 может включать капиллярную трубку, которая может быть нагреваемой или не нагреваемой. В формах осуществления изобретения трубопровод 516 может иметь постоянный диаметр (например, иметь форму плоской пластины или цилиндра). Трубопровод имеет конфигурацию канала 518 подвода, чтобы пропускать пробу ионов от источника 502 ионизации пробы к входу 312 ионной воронки 302. Источник 502 ионизации пробы может включать источник ионизации при атмосферном давлении (Atmospheric Pressure Ionization, API), такой как источник ионизации электрораспылением (ElectroSpray, ES) или химической ионизации при атмосферном давлении (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI), или другой подходящий источник ионов. В формах осуществления изобретения определение размеров канала 518 подвода включает размеры, которые позволяют проходить ионной пробе и/или газу-носителю и при этом позволяют вакуумной камере (например, части масс-спектрометра) поддерживать надлежащий вакуум. Ионная воронка 302 может функционировать так, чтобы фокусировать ионный пучок (или пробу ионов) в малое отверстие, ограничивающее передачу, на выходе 314 ионной воронки 302. В некоторых формах осуществления изобретения ионная воронка 302 работает при относительно высоких давлениях (например, между 5 и 15 торр) и таким образом обеспечивают удержание ионов и эффективную передачу в следующую вакуумную ступень (например, часть 506 ионопровода) или последующие ступени, которые находятся при относительно более низких давлениях. Проба ионов может затем течь из ионной воронки 302 в ионопровод 520 части 506 ионопровода.

[0026] В реализациях ионопровод 520 служит для направления ионов из ионной воронки 302 в часть 508 масс-анализатора при откачивании и удалении нейтральных молекул. В некоторых формах осуществления изобретения ионопровод 520 включает многополюсный ионопровод, который может содержать многочисленные стержневые электроды, расположенные по траектории ионов, где радиочастотное электрическое поле создается электродами и удерживает ионы вдоль оси ионопровода. В некоторых формах осуществления изобретения ионопровод 520 работает при давлении приблизительно между 0,1 и 0,2 торр, хотя могут использоваться другие давления. За ионопроводом 520 следует диафрагма, ограничивающая передачу.

[0027] В реализациях часть 508 масс-анализатора включает компонент масс-спектрометра (например, устройства 500 детектирования пробы), который разделяет ионизированные массы на основании отношений заряда к массе и подает ионизированные массы на детектор. Некоторые примеры масс-анализатора включают квадрупольный масс-анализатор, масс-анализатор по времени пролета (Time Of Flight, TOF), магнитный секторный масс-анализатор, электростатический секторный масс-анализатор, квадрупольный масс-анализатор с ионной ловушкой и т.д.

[0028] Фиг. 6 поясняет один пример устройства 500 детектирования пробы, содержащего источник 502 ионизации пробы, устройство 300 ввода пробы, систему 508 масс-анализатора и детектор 600. В формах осуществления изобретения источник 502 ионизации пробы может включать устройство, которое создает заряженные частицы (например, ионы). Некоторые примеры ионных источников могут включать источник ионизации электрораспылением, источник ионизации с индуктивно-связанной плазмой, искровой источник ионов, источник ионов с коронным разрядом, радиоактивный источник ионов (например, ⁶³Ni или ²⁴¹Am) и т.д. Дополнительно, источник 502 ионизации пробы может создавать ионы из пробы при приблизительно атмосферном давлении. Устройство 300 ввода пробы содержит ионную воронку, такую как ионная воронка 302, описанная в предшествующих абзацах. Аналогично, система 508 масс-анализатора может включать системы, подобные описанным выше. Детектор 600 может включать устройство, сконфигурированное для регистрации тока, наведенного зарядом, или тока, создаваемого, когда ион проходит около или входит в контакт с поверхностью детектора 600. Некоторые примеры детекторов 600 включают электронные умножители, коллекторы Фарадея, детекторы с преобразованием ионов в фотоны и т.д.

[0029] Как описано, промежуточные кольца 306 ионной воронки 302 могут облегчать формирование газонепроницаемого стыка между промежуточными кольцами 306 и соседними электродами 304. Соответственно, поток текучей среды ограничивается посредством отверстий 308 и 316 электродов 304 и промежуточных колец 306, соответственно. Газонепроницаемое устройство ионной воронки 302 обеспечивает желательные газодинамические эффекты, чтобы преодолевать барьер эффективного радиочастотного потенциала для ионов с низким m/z на выходе 314 ионной воронки 302, где внутренний диаметр электродов является относительно малым. Из-за большого перепада давления между частью 504 ввода пробы и следующей вакуумной ступенью (например, частью 506 ионопровода), который может составлять разность больше чем 2 порядка амплитуды, относительно высокоскоростной поток газа (например, приблизительно 300 м/с в различных реализациях) создается на выходе 314 ионной воронки 302. Число столкновений ионов с газовыми молекулами прямо пропорционально давлению газа и увеличивается с увеличением давления. Чтобы оценить газодинамическое воздействие на движение ионов, можно использовать следующее соотношение:

где υ - скорость газа и K - коэффициент подвижности исследуемого иона.

[0030] Для значений υ=300 м/с или 3⋅10⁴ см/с и K₀=2,0 см²/В/с, Е^*_g оценивается как 20 В/см при 1 торр и 200 В/см при 10 торр. Эффективный градиент радиочастотного электрического поля (данные примера показаны на фиг. 1) составляет порядка 200 В/см для m/z=50 и 100 В/см для m/z=100. Эти оценки демонстрируют, что при больших давлениях (например, приблизительно 10 торр) газодинамические эффекты становятся сопоставимыми с градиентами радиочастотного поля и таким образом позволяют эффективное пропускание ионов с низким m/z в следующую вакуумную ступень. На фиг. 7 приведены два графика (700 вверху, 702 внизу), показывающие относительную интенсивность различных ионов, измеренных масс-спектрометром после прохождения ионной воронки с газонепроницаемой структурой (такой, как описанная здесь), при двух различных давлениях. Для получения графиков 700 и 702 использовался источник химической ионизации при атмосферном давлении, чтобы получать ионы из воздуха, содержащего пары ацетона. Диаметр самого малого отверстия электродов ионной воронки был 1,0 мм, с амплитудой RF напряжения 50 В. Давление в ионной воронке, используемое для получения графика 700, было 1 торр с нормализованной интенсивностью (Normalized Intensity, NL) 5,3×10⁵, тогда как давление в ионной воронке, используемое для получения графика 702, было 10 торр с NL 1,4×10⁶. Все другие параметры масс-спектрометра (например, давление в следующей вакуумной секции после ионной воронки) сохранялись одинаковыми между экспериментами. Как можно видеть, пропускание ионов с низким m/z значительно улучшается с увеличением давления в ионной воронке за счет газодинамических эффектов. Например, пропускание ионов с m/z 116,93, 101,20 и 59,33 очевидно выражено на графике 702, но недостаточно на графике 700. Пропускание ионов с высоким m/z остается стабильным (например, может быть коэффициент уменьшения 2 для некоторых ионов). Малый диаметр выходной платы ионной воронки уменьшает поток газа в следующую вакуумную секцию, таким образом позволяя использовать малые вакуумные насосы.

[0031] На фиг. 8 показан пример процесса 800, который использует раскрытые способы для применения устройства детектирования пробы, такого как устройство 500 детектирования пробы, показанное на фиг. 3-6.

[0032] Соответственно, получается проба ионов (блок 802). В реализациях получение пробы ионов может включать, например, использование источника ионов (например, источника ионизации электрораспылением, ионизации из индуктивно-связанной плазмы, искрового источника ионов, источника ионов с коронным разрядом, радиоактивного источника ионов (например, ⁶³Ni) и т.д.) или электромагнитного устройства для получения ионов. В одной форме осуществления изобретения получение пробы ионов включает использование источника 502 ионизации пробы, такого как источник ионов с коронным разрядом. Источник ионов с коронным разрядом использует коронный разряд, окружающий проводник, чтобы создавать пробу ионов. В другой форме осуществления изобретения для создания пробы ионов используется ионизация электрораспылением. Ионизация электрораспылением может включать применение высокого напряжения к пробе с помощью иглы, которая испускает пробу в виде аэрозоля. Аэрозоль затем пересекает пространство между иглой электрораспыления и воронкой, одновременно происходит испарение растворителя, которое приводит к формированию ионов.

[0033] Проба ионов принимается в капилляр (блок 804). В реализациях проба ионов производится источником 502 ионизации пробы и принимается в трубопровод 516. В одной форме осуществления изобретения проба ионов создается с использованием источника электрораспыления, принимается в нагреваемый капилляр 516 и затем проходит через нагреваемый капилляр 516.

[0034] Проба ионов перемещается к входу ионной воронки (блок 806). В реализациях ионная воронка 302 содержит вход 312, сконфигурированный для приема пробы ионов из капилляра 516. Ионная воронка 302 содержит множество электродов 304 с отверстиями 308, размещенными вокруг оси 310, проходящей от входа 312 ионной воронки 302 к выходу 314 ионной воронки 302, и содержит множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов. В реализациях электроды 304 и промежуточные кольца 306 расположены в чередующейся конфигурации, чтобы облегчить газонепроницаемые стыки между электродами 304 и промежуточными кольцами 306, таким образом ограничивая поток текучей среды через отверстия 308 и 316 электродов 304 и промежуточных колец 306, соответственно. Газонепроницаемая структура ионной воронки 302 может приводить к желательному динамическому потоку газа, чтобы облегчить переход ионов с низким значением m/z из ионной воронки 302 в систему масс-анализатора 508 при использовании портативных систем с вакуумными насосами. Проба ионов перемещается через ионную воронку к выходу ионной воронки (блок 808).

[0035] Хотя изобретение было описано в терминах, специфических для конструктивных деталей и/или методологических действий, следует понимать, что изобретение, определяемое в прилагаемой формуле изобретения, не обязательно ограничено описанными определенными особенностями или действиями. Хотя рассмотрены различные конфигурации, устройства, системы, субсистемы, компоненты и т.д. могут быть созданы множеством способов без отступления от данного изобретения. Напротив, конкретные особенности и действия раскрыты как примеры форм осуществления заявляемого изобретения.

Изобретение относится к устройству ввода пробы для масс-спектрометрии, которое служит для пропускания ионов, генерируемых при приблизительно атмосферных условиях. Устройство содержит ионную воронку, имеющую множество электродов с отверстиями, размещенными вокруг оси, проходящей от входа ионной воронки к выходу ионной воронки. Ионная воронка содержит множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов; каждое из множества промежуточных колец установлено между одним или двумя соседними электродами; каждое из множества промежуточных колец имеет отверстие с диаметром, который больше, чем диаметр каждого соседнего электрода. Ионная воронка сконфигурирована для пропускания пробы ионов через отверстия электродов и промежуточных колец к дополнительным частям системы детектирования, таким как система масс-анализатора и детектор. Техническим результатом является возможность идентификации ионизированного материала в виде молекул и атомов, при атмосферном или близком к нему давлении. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство ввода пробы для масс-спектрометрии, которое служит для пропускания ионов, генерируемых при приблизительно атмосферных условиях, содержащее: ионную воронку, сконфигурированную для приема пробы ионов от источника ионизации пробы и содержащую: множество электродов с отверстиями, сконфигурированными для прохождения ионов пробы, размещенных вдоль общей оси, проходящей от входа ионной воронки к выходу ионной воронки, причем каждый электрод из множества электродов подключен к соответствующему радиочастотному потенциалу, и радиочастотный потенциал, прикладываемый к соответствующим электродам из множества электродов, не совпадает по фазе с радиочастотным потенциалом, прикладываемым к соседним электродам; и множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов, причем по меньшей мере одно из множества промежуточных колец располагается между двумя соседними электродами так, чтобы обеспечить газонепроницаемую структуру, сконфигурированную для создания осевого динамического потока газа на выходе ионной воронки.

2. Устройство по п. 1, в котором ионная воронка дополнительно имеет градиент потенциала постоянного тока вдоль оси посредством приложения потенциала постоянного тока по меньшей мере к одному из электродов.

3. Устройство по п. 1, в котором соответствующие кольца из множества промежуточных колец определяют отверстие, имеющее диаметр, который больше диаметров отверстий соседних электродов.

4. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере одно из множества промежуточных колец выполнено из политетрафторэтилена.

5. Устройство по п. 1, в котором электрод, наиболее близкий к выходу ионной воронки, определяет внутреннее отверстие, имеющее диаметр приблизительно 1,0 мм.

6. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из множества электродов содержит материал печатной платы.

7. Устройство по п. 6, в котором по меньшей мере один из множества электродов включает один или несколько резисторов и один или несколько конденсаторов, установленных на материале печатной платы.

8. Устройство по п. 6, дополнительно включающее один или несколько пружинных штифтов, подключающих множество электродов.

9. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из множества электродов имеет отверстие, окаймленное проводящим покрытием.

10. Устройство по п. 1, дополнительно включающее капилляр, сконфигурированный для подачи пробы ионов к входу ионной воронки.

11. Устройство по п. 1, в котором множество промежуточных колец установлено в чередующейся конфигурации относительно множества электродов.

12. Система детектирования пробы, содержащая: источник ионизации пробы; устройство ввода пробы, сконфигурированное для приема пробы ионов от источника ионизации пробы и содержащее: ионную воронку, которая содержит: множество электродов с отверстиями, сконфигурированными для прохождения ионов пробы, размещенных вдоль общей оси, проходящей от входа ионной воронки к выходу ионной воронки, причем каждый электрод из множества электродов подключен к соответствующему радиочастотному потенциалу, и радиочастотный потенциал, прикладываемый к соответствующим электродам из множества электродов, не совпадает по фазе с радиочастотным потенциалом, прикладываемым к соседним электродам; множество промежуточных колец, расположенных коаксиально с множеством электродов, причем по меньшей мере одно из множества промежуточных колец располагается между двумя соседними электродами так, чтобы обеспечить газонепроницаемую структуру, сконфигурированную для создания осевого динамического потока газа на выходе ионной воронки; капилляр, установленный рядом с входом ионной воронки, чтобы направлять пробу ионов в ионную воронку; и систему масс-анализатора, содержащую вакуумную камеру.

13. Система по п. 12, в которой соответствующие кольца из множества промежуточных колец определяют отверстие, имеющее диаметр, который больше диаметров отверстий соседних электродов.

14. Система по п. 12, в которой по меньшей мере одно из множества промежуточных колец выполнено из политетрафторэтилена.

15. Система по п. 12, в которой электрод, установленный наиболее близко к выходу ионной воронки, определяет внутреннее отверстие, имеющее диаметр приблизительно 1,0 мм.

16. Система по п. 12, в которой капилляр является нагреваемым капилляром.

17. Система по п. 12, в которой множество промежуточных колец установлено в чередующейся конфигурации относительно множества электродов.

18. Способ сбора ионов в систему детектирования пробы, включающий:

создание пробы ионов от источника ионов;

прием пробы ионов в капилляр;

передачу пробы ионов из капилляра на вход ионной воронки устройства ввода пробы по любому из пп.1-9 или 11; и

передачу пробы ионов через ионную воронку к выходу ионной воронки.

19. Способ по п. 18, в котором передача пробы ионов через ионную воронку к выходу ионной воронки включает передачу пробы ионов через отверстие пластинчатого электрода, соседнего с выходом ионной воронки, причем отверстие имеет диаметр приблизительно 1,0 мм.

20. Способ по п. 18, дополнительно включающий передачу пробы ионов от выхода ионной воронки к ионопроводу.

21. Способ по п. 20, дополнительно включающий передачу пробы ионов из ионопровода в масс-анализатор.