УСТРОЙСТВО ТРАНСПОРТА ИОНОВ Российский патент 2024 года по МПК H01J49/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиочастотным устройствам для транспортировки, фокусировки и удержания ионов, которые используются в приложениях масс спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности.

Уровень техники

Масс-спектрометр обычно состоит источника ионов, вакуумной камеры, масс анализатора и детектора ионов. Образовавшиеся ионы в источнике ионов поступают в масс-анализатор, где разделяется по отношению их массы к заряду (далее будем говорить к “массе”) и затем регистрируются детектором. Если источник ионов работает при повышенном давлении, необходима система, которая транспортирует ионы в вакуумную камеру с типичным давлением 1Е-5 - 1Е-6 Торр. Такие устройства называются интерфейсами дифференциальной откачки, где перепад давления разбивается на несколько камер-областей. Каждая последующая камера имеет отличающееся давление от соседних камер и обычно отделяется от них диафрагмами, которые ограничивают поток газа в последующую камеру. При этом, чтобы достичь наибольшей чувствительности, ионы необходимо транспортировать между ступенями с минимальными потерями. Диафрагмы с меньшими отверстиями между ступенями интерфейса обеспечивают меньшую нагрузку на насосы, но при прохождении узких диафрагм, значительная часть ионов теряется. В сложных, многосоставных масс-спектрометрах, составные части прибора или функциональные узлы иногда называют ступенями. Это могут быть ступени интерфейса, ячейки фрагментации ионов, устройства накопления ионов, устройства формирования ионных пакетов, масс-анализаторы, которых может в масс-спектрометре может быть несколько штук и т.д. Например, одним из видов манипуляций ионами в масс-спектрометре, является подготовка ионов для последующего их транспорта в импусьсный ортогональный ускоритель (ОУ) и получения их времяпролетного спектра. Разрешение и пропускание времяпролетного масс-анализатора с ортогональным ускорителем существенным образом зависит от фазового объема поступившего ионного пакета. В следствие этого, важным этапом подготовки ионного пакета перед его вводом в ОУ является уменьшение его фазового объема, которое эффективно происходит при столкновении ионов с нейтральным газом и, соответственно, их охлаждении. Этот процесс называют также термолизацией ионов в газе.

Одной из проблем в масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности при анализе соединений является потеря ионов при прохождении интерфейса дифференциальной откачки, в процессе транспортировки ионов из области повышенного давления в область высокого вакуума, где происходит разделение ионов по массам в масс-анализаторе. Потери ионов негативно сказываются на чувствительности прибора.

Масс-спектрометры, и в частности масс-анализаторы, часто объединяют в тандем с устройствами предварительного разделения ионов по какому-либо параметру, например с высокоскоростной хроматографией или со спектрометром ионной подвижности (СИП), которые разделяют компоненты пробы на высоких скоростях ~ с характерным временем от 200-300 мкс (для СИП) и 20-1000 мс (для хроматографии). В этом случае, наряду с эффективностью, на ионно-транспортные системы, которые соединяют эти устройства между собой, дополнительно накладывается требование на скорость работы фокусирующей и транспортной системы. Чтобы не терялось достигнутое разрешение на предыдущей ступени разделения перед масс-анализатором, ионно-транспортные системы не должны допускать смешивания и размытия поступивших на ее вход разделенных во времени ионных пакетов. В тандемных масс-спектрометрах,

В настоящее время реализованы системы, позволяющие осуществлять фокусировку и транспортировку ионов в газе. Наиболее распространенными из них являются: ионная воронка, ВЧ мультиполи (квадруполи, гексополи, октуполи и тд) [Douglas D.J., French J.B. Patent US 4964746, 1989 г.] и устройства с полем “бегущей волны”.

Ионная воронка является одним из классических способов реализации системы для транспортировки и фокусировки ионов, которая представляет собой массив электродов с коаксиально расположенными отверстиями, в котором у каждого последующего электрода, в направлении от выхода из МС в сторону анализатора, диаметр отверстия меньше предыдущего, так образуется пространство для движения ионов - «воронка» (US6107628A, 22.08.2000, US8299443B1, 30.10.2012).

Недостатками выше приведенных устройств являются низкая эффективность транспорта ионов в следующую камеру с отличающимся давлением, медленный перенос ионов вдоль поверхности, низкая чувствительность прибора на коротких временах накопления данных, высокая газовая нагрузки на насосы в последующих ступенях, размытие ионных пакетов при их транспорте через устройство, неспособность подготовки ионных пакетов для последующих манипуляций на следующих ступенях масс-спектрометра, а именно - фрагментации ионов и/или их термолизации.

Представленное ниже изобретение было сделано для того, чтобы решить вышеупомянутые проблемы.

Раскрытие изобретения

Техническая задача заключается в создании высокоэффективного устройства и способа транспорта ионов, обеспечивающих высокую чувствительность прибора на коротких временах накопления данных, предотвращающих размытие ионных пакетов при их транспорте через устройство, обеспечивающих подготовку ионных пакетов для последующих манипуляций на следующих ступенях масс-спектрометра, а именно - фрагментацию ионов и/или их термолизацию.

Технический результат заключается в достижении высокой эффективности транспорта ионов в следующую камеру с отличающимся давлением; обеспечении высокой чувствительности прибора на коротких временах накопления данных; в снижении газовой нагрузки на насосы в последующих ступенях; в предотвращении размытия ионных пакетов при их транспорте через устройство; в подготовке ионных пакетов для последующих манипуляций на следующих ступенях масс-спектрометра, а именно - фрагментации ионов и/или их термолизации.

Технический результат достигается за счет того, что устройство транспорта ионов содержит канал переноса ионов, имеющий входной и выходной концы, ограниченный поверхностями, на которых расположены радиочастотные и/или DC электроды, создающие поле бегущей волны, направляющее ионы к выходному концу канала, причем в выходной части устройства расположены электроды, обеспечивающие функцию фрагментации или термолизации ионов, отличающиеся от других электродов, расположенных на остальной части устройства, режимом питания и/или геометрией.

Кроме того, канал переноса ионов имеет прямоугольную, круглую или овальную форму в сечении.

Кроме того, канал переноса ионов выполнен сужающимся к выходу.

Кроме того, канал переноса ионов образован двумя плоскими расположенными друг напротив друга поверхностями с радиочастотными электродами и двумя плоскими противоположными поверхностями с DC электродами.

Кроме того, канал переноса ионов образован четырьмя плоскими поверхностями с радиочастотными электродами или чередующимися вдоль канала электродами в виде диафрагм.

Кроме того, электроды выполнены в виде групп по два и/или три и/или четыре и/или пять и/или более электродов, на которые подеется соответствующее ВЧ питание со сдвигом фаз.

Кроме того, электроды, расположенные в выходной части устройства, выполнены в виде отдельной группы и расположены вдоль длины канала переноса ионов.

Кроме того, электроды, расположенные в остальной части устройства, выполнены в виде групп электродов и расположены поперек длины канала переноса ионов. 10. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что геометрия электродов, расположенных в выходной части устройства, выполнена повторяющей геометрию электродов, расположенных в остальной части устройства.

Кроме того, расстояние между соседними электродами, расположенными в выходной части устройства, на одной поверхности, меньше расстояния между противоположными поверхностями, на которых расположены указанные электроды.

Кроме того, электроды имеют прямоугольную форму или имеют форму сектора окружности с центром окружности на оси поверхности или другую изогнутую форму.

Кроме того, диаметр или размер изогнутости электродов выполнен изменяющимся в направлении к выходу из устройства.

Кроме того, электроды имеют повторяющийся узор по длине поверхности.

Кроме того, электроды имеют узор и масштаб, изменяющиеся по длине поверхности.

Кроме того, поверхности, ограничивающие канал, содержат отверстия или поры.

Кроме того, поверхности, ограничивающие канал для транспорта ионов и полезадающие электроды изготовлены с помощью технологий печатных плат.

Кроме того, канал, который образуется поверхностями с электродами герметичный или имеет ограниченную газопроницаемость и выполнен с возможностью создания сопротивления газовому потоку, проходящему через канал.

Кроме того, устройство транспорта ионов выполнено с возможностью осуществления режима удержания и накопления ионов в выходной области канала.

Кроме того, устройство транспорта ионов выполнено с возможностью транспортировки ионов через себя в область более высокого давления, чем на входе в устройство.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - Предпочтительный вариант реализации изобретения для течения в вязкостном и молекулярно-вязкостном режиме с управляемой ячейкой фрагментации;

Фиг.2 - Предпочтительный вариант реализации изобретения для течения в молекулярном режиме с ячейкой термолизации ионов;

Фиг.3 - Смоделированная в SIMION зависимость эффективной температуры ионов Teff, от их положения по длине канала;

Фиг.4 - Распределение давления по длине канала при соединении этим каналом двух камер с давлением P1=10 Торр и P2=0,01 Торр;

Фиг.5 - Электродная система предпочтительной реализации устройства транспорта ионов для молекулярного режима течения газа через канал;

Фиг.6 - Один из вариантов применения ИТУ с узкими каналами в составе интерфейса дифференциальной откачки. На фигуре показаны два вида предпочтительной реализации ИТУ в зависимости от режима течения газа через канал: когда течение газа происходит в моллекулярно-вязкозном режиме, в этом случае частью устройства является ячейка фрагментации ионов; в молекулярном режиме течения, в этом случае, частью устройства является ячейка термолизации и накопления ионов для подготовки ионного пучка для ввода во времяпролетный масс-спектрометр.

Осуществление изобретения

Раскрываемое решение направлено на устройство транспортировки, фокусировки и улавливания ионов в газах в широком диапазоне давлений с минимальными потерями ионов с использование электрических полей.

Основная область применения раскрываемого устройства, далее будем его называть ионнотранспортное устройство (ИТУ) - это интерфейсы дифференциальной откачки, входная или выходная ступень устройств сепарации ионов по их свойствам, например, по их подвижности или по отношению М/z.

Перед раскрываемым ионнотранспортным устройством (ИТУ) ставится выполнение комплекса задач, с целью улучшения характеристик масс-спектрометра. А именно: более эффективная транспортировка ионов с минимальными потерями из области с одним давлением в область с другим давлением, снижение газовой нагрузки на насосы в последующих ступенях, в предотвращении размытия ионных пакетов при их транспорте во времени, а также, в зависимости от задачи анализа, устройство также должно осуществлять фрагментацию ионов и/или их термолизацию.

Для источников ионов, работающих при повышенном давлении, необходимо применять интерфейсы дифференциальной откачки, осуществляющих транспорт ионов из области с высоким давлением в область высокого вакуума, при котором происходит их разделение по M/z. Для ограничения потока газа обычно используют диафрагмы с малыми отверстиями, в которые фокусируется поток ионизированной пробы. При этом, чтобы достичь наибольшей чувствительности, предпочтительнее использовать диафрагмы с большей апертурой, но при этом увеличивается газовая нагрузка на вакуумные насосы, откачивающие следующую ступень за диафрагмой. В изобретении предлагается уменьшить газовую нагрузку за счет увеличения длины канала, связывающего две камеры с разными давлениями. Чтобы предотвратить потери ионов в процессе их движения в длинном канале, необходимо обеспечить их транспорт без существенных потерь с помощью радиочастотных фокусирующих полей.

Одним из решений, позволяющим достичь технический результат является увеличение длины канала, по которому транспортируются ионы в следующую ступень, когда длина канала в пять и более раз, т.е. существенно больше его характерного размера в сечении. Во-первых, с увеличением длины канала, можно существенно увеличить входную апертуру ионнотранспортного устройства. Во-вторых, это решение ограничивает поток газа в следующую ступень. В предпочтительных вариантах реализации изобретения было выбрано прямоугольное сечение канала по трем причинам: 1) в вязкостном и молекулярно- вязкостном режиме течения проводимость канала в этом случае существенно меньше (см. выражение для проводимости ниже); 2) влияние объемного заряда снижается по сравнению с круглым каналом аналогичного сечения; 3) плоские поверхности удобны для размещения электродной системы, которая создает транспортирующее и фокусирующее поле.

Проводимость прямоугольного канала в молекулярно-вязкостном режиме, если Kn~0.005..5, как в нашем случае можно оценить с помощью формулы

где, f≈4.5 - параметр, который зависит от соотношения сторон прямоугольника в сечении, a - размер длинной стороны, b - размер короткой стороны, Pmid - среднее давление в канале, L - длина канала.

Проводимость диафрагмы -

, где d_hol - диаметр диафрагмы.

Если взять параметры канала предпочтительного варианта осуществления с сечением 1х6 мм и длиной L=100 мм, то примерно такую же проводимость обеспечит диафрагма с апертурой d_hol=1 мм, т.е. с площадью в 7,6 раз меньше. Или если взять диафрагму с аналогичной площадью апертура равной 6 мм², то поток через нее будет примерно в 10 раз выше.

Для молекулярного режима течения проводимость прямоугольного канала длиной L:

, где a и b -длины сторон прямоугольного сечения.

Проводимость круглой диафрагмы для молекулярного режима течения:

где d - диаметр диафрагмы/

Для параметров канала предпочтительного варианта осуществления для молекулярного режима течения, длина L=100 мм, сечение 1х2.5 мм. Если взять диафрагму с аналогичной площадью апертура равной 2,5 мм², то поток через нее, будет примерно в 10 раз выше.

Одним из решений, позволяющим достичь технический результат является применение поля бегущей волны для транспорта ионов вдоль канала. Это позволит избежать смешивание разделенных во времени ионных пакетов от разных компонент пробы Их разделение может быть достигнутую на предыдущих сепарирующих ступенях, например таких, как газовая хроматография (ГХ), жидкостная хроматография (ЖХ), спектрометрия ионной подвижности (СИП). Заявленное устройство транспорта должно обеспечить характерные времена размытия временных фронтов изменения концентраций компонент смеси на уровне 50-200 мкс и ниже.

На Фиг. 1 представлен пример осуществления ионнотранспортного устройства транспортировки и манипуляции ионов для молекулярно-вязкостного режима, содержащее область или камеру (1) с давлением P1, входную апертуру (2), через которую поступают ионы из камеры (1) в канал (10) для перемещения ионов, образованный двумя предпочтительно плоскими поверхностями с множеством радиочастотных RF полезадающих электродов (5) и (7) и двумя предпочтительно плоскими поверхностями содержащей DC электроды (6). В результате действия полей, сформированных множеством электродов (5 и 7) и электродом (6) формируется канал (10) переноса ионов, внутри которого удерживаются ионы и в котором ионы перемещаются вдоль оси X в направлении к выходу из ионнотранспортного устройства. В предпочтительном варианте, движение ионов в направлении оси X осуществляется за счет электрического поля бегущей волны, которое направляет ионы вдоль канала (10) переноса ионов от входной апертуры (2) к выходной апертуре (8) и далее в область или камеру (9) с давлением P2. Это поле задается группами электродов (5 и 7).

В направлении Y, канал (10) для перемещения ионов ограничивается поверхностью, содержащей электрод (6), на который подается DC напряжение, чтобы создаваемое электродом (6) поле направляло ионы внутрь канала (10) и предотвращало потерю ионов в направлении Y. Достаточно подать +0.3…+2 В и более вольт относительно потенциала канала на оси для положительно заряженных ионов, чтобы предотвратить их потерю. Как вариант, ограничить выход ионов из канала в направлении Y можно расположив DC электроды на поверхностях, где расположены электроды (5 и 7).

Как вариант, ограничить выход ионов из канала в направлении Y можно расположив вместо электродов (6) такие же группы электродов как (5 и 7) и с их помощью создавать аналогичное поле бегущей волны, как на поверхностях, где расположены электроды (5 и 7).

Поверхности, ограничивающие канал (10) образуют герметичный канал или канал имеет ограниченную газопроницаемость и выполнен с возможностью создания сопротивления газовому потоку, проходящему через канал.

Как вариант, поверхности, ограничивающие канал (10) могут содержать множество отверстий или пор, чтобы обеспечить дополнительное истекание газа из канала и обеспечить более быстрый или изменяющийся по определенному закону спад давления по длине канала.

На выходе из канала (10) можно установить диафрагму (8), в апертуру которой ионы фокусируются на выходе из канала. Ее апертура может иметь меньшую площадь, чем канал, вэтом случае, диафрагма может дополнительно ограничивать поток газа через канал.

Поле бегущей волны является предпочтительным видом поля для транспорта ионов в узких каналах для решения технической задачи. Его применение позволяет существенно уменьшить размытие ионных пакетов, проходящих через длинные узкие каналы. Основное причиной размытия ионных пакетов является тот факт, что газ в узких каналах движется с разной скоростью. Если нет электрического поля, которое будет двигать ионы вдоль оси, то скорость этого движения будет в большей степени определяться скоростью газа в месте положения иона. В вязкостном режиме, при ламинарном течении газа через канал устанавливается режим течения Пуазёйля, при котором скорость потока будет иметь распределение по сечению близкое к параболическому. На оси будет максимальная скорость, а на поверхности, которая ограничивает канал - скорость потока будет близка к 0, согласно выражению: . В связи с этим, различные ионы, , в итоге придут к выходу канала в разное время. Моделирование движения ионов через канал длиной L=100 мм с поперечным сечением 1 мм, когда P1=10 Торр, P2=0,01 Торр, с учетом течения газа в режиме Пуазёйля для ионов 200 M/z, показывает, что фронты размывается на 200-400 мкс на 50% высоты пика. Если в предыдущей ступени происходило разделение ионных пакетов по времени, в зависимости от их свойств, таких как M/z, столкновительное сечение или их совокупность, и характерное время длительности пиков составляет 100-300 мкс, такое размытие существенно ухудшит достигнутую на предыдущей ступени сепарацию ионов во времени. Поле бегущей волны радикально решает эту проблему. Моделирование движения ионов при тех же условиях течения газа через канал, при предпочтительном режиме питании и предпочтительной структура RF электродов (описывается ниже), размытие ионных пакетов составляет всего 30-40 мкс.

Далее, в предпочтительном варианте осуществления для течения в вязкостном и молекулярно-вязкостном режиме, электродная система канала (10) разделяется по крайней мере на две области (3) и (4), имеющие различные режимы питания. Структура электродов также может отличаться в этих областях. Но для упрощения изготовления, для достижения технического результата достаточно осуществить различные режимы питания, при этом геометрия электродов (4) может повторять электроды (3). Это сделано для того, чтобы обеспечить управляемость процессом фрагментации ионов при движении по каналу, а также дополнительной оптимизации режима транспортировки ионов с целью уменьшения размытия ионных пакетов во времени. Как известно, распределение давления при течении через длинные узкие каналы происходит таким образом, что основной перепад давления происходит в выходной области канала на коротком промежутке, который составляет примерно 1/10 длины. Это демонстрирует график (см. Фиг. 4), полученный путем моделирования истечения газа через канал 1х6 мм длиной 100 мм из камеры с давлением P1=10 Торр в камеру P2=0.01 Торр. Т.к. давление в выходной области сильно отличается от среднего давления в канале, более чем на порядок, питание электродов предпочтительно должно осуществляться в другом режиме. Как известно, при больших давлениях, для удержания и транспорта ионов требуется более высокие амплитуды RF напряжений, питающих электроды. Таким образом, оптимальные параметры быстрой транспортировки вдоль канала с помощью бегущей волны отличаются для разных давлений в канале. При движении ионов в газе под действием поля, энергия соударений ионов с газом оказывается выше температуры окружающего нейтрального газа. Происходит, так называемый нагрев ионов полем, с характерной эффективной температурой ионов Teff, при этом энергия соударений ионов с газом может переходить во внутреннюю энергию ионизированной молекулы, что может вызывать ее фрагментацию.

Необходимо рассматривать два режима работы ионнотранспортного устройства - работа в режиме транспорта и работа в режиме фрагментации. Как видно на фиг. 3 эффективная температура ионов Teff, существенным образом меняется в выходной части канала. Характерная температура, при которой некоторые виды хрупких молекул начинают фрагментироваться, составляет ~1000°…1500° K. Для предотвращения нежелательной фрагментации, необходимо изменить режим ВЧ питания электродов группы (4) на фиг. 1 в выходной части канала, а именно уменьшить амплитуду в 1.2-5 раз, в зависимости от вида транспортируемых ионов. И наоборот, если устройство должно работать в режиме фрагментации, увеличить амплитуду ВЧ питания электродов группы (4) на фиг. 1 в 1.2-5 и более раз.

Таким образом, если ионнотранспортное устройство работает в режиме фрагментации, можно достигнуть сверхбыстрой фрагментации разделенных во времени ионных пакетов без их размытия во времени и перемешивания на характерных временах 30-200 мкс для разного вида ионов.

Предпочтительные варианты режимов питания для геометрии электродов, описанных ниже: амплитуда 2-60 В и более, частота 1-4 МГц и более, сигнал сдвинут на 90° для соседних электродов, чтобы обеспечить поле бегущей волны. Конкретная величина амплитуды имеет оптимум для выбранной массы. Для легких масс, например, 30-100 M/z оптимальными являются амплитуды 5-10 В, для высоких, например, 1000 M/z, амплитуды 30-60 В. Как вариант питания, на соседние электроды подается ВЧ напряжение в противофазе с параметрами: амплитуда 5-50 В, частота 1-4 МГц, и на него отдельно накладывается медленно меняющееся напряжение с частотами 0.01-0.5 МГц и амплитудой 0.03-20 В. Параметры питания ВЧ электродов не ограничиваются указанными пределами, могут лежать в более широких пределах. Как отмечалось выше, параметры ВЧ питания электродов группы (4) можно настраивать отдельно в зависимости выбранного от режима работы.

На Фиг. 2 представлен пример осуществления ионнотранспортного устройства транспортировки и манипуляции ионов для работы в условиях молекулярного режима течения газа. Устройство работает по тому же принципу и содержит те же составные части. Отличается предпочтительный режим питания групп электродов (5 и 7), а также, его характерной особенностью, является то, что группа электродов (4) выполняет другую функцию и отличается от группы (3) не только режимом питания, но и геометрическими параметрами.

Основная функция группы электродов (4) - это дополнительная термолизация ионов перед их выводом в следующую ступень. Чем меньший энергетический разброс в пучке поступающих ионов во времяпролетный масс-анализатор, тем будет выше его разрешение по M/Z и меньше потери ионного сигнала. Эффективным способом уменьшения энергоразброса в ионном пакете, является его охлаждение в нейтральном газе, при этом, чтобы избежать потери ионов, используется их удержание в транспортном канале (10) за счет ВЧ полей.

Как показало моделирование процесса транспорта ионов с помощью только поля бегущей волны при характерных давлениях 10^-4…0.1 Торр, на выходе из таких устройств имеют повышенный энергоразброс из-за особенностей поля бегущей волны. Энероразброс при этом, имеет характерную величину, пропорциональную амплитуде питания, обеспечивающей это поле. Эффективный транспорт ионов через канал, который также не позволяет размыть ионные пакеты во времени, обеспечивается амплитудой питания бегущей волны 0,5-3 В, соответственно, ионы будут иметь близкий к этим значениям энергоразброс, что является недопустимой величиной для достижения высокого разрешения по массам в ToF масс-анализаторах. В мультипольных полях, типа квадрупольного, гексапольного, октупольного и т.д. достигается более эффективное охлаждение, т.к. потенциал поля на оси, где фокусируются ионы, не претерпевает колебаний в отличие поля бегущей волны. Таким образом, группа электродов (4) образует группу квадруполей, расположенных вдоль оси X устройства. Группа электродов (4) может быть сформирована на поверхности электродами в виде полосок, направленных вдоль оси X. Таким образом, вдоль оси Y формируется от двух и более групп электродов, формирующие приблизительно квадрупольное поле. Ширина полосок может варьироваться в пределах от 0.05 мм до 1 мм и более, в зависимости от ширины канала в направлении Y. В других вариантах реализации, электроды (7) не обязательно должны обеспечивать именно квадрупольное поле, с характерным расположением электродов на приблизительно одинаковом расстоянии от оси квадруполя и с характерным противофазным питанием на соседних электродах. Электроды на поверхности, в первую очередь, должны формировать достаточный псевдопотенциал, чтобы удерживать ионы в канале. Таким образом характерное расстояние между соседними полосками (7) на одной поверхности может быть меньше характерного между противоположными поверхностями, на которых держатся электроды (7).

Можно выделить два основных режима работы электродов группы (4) в устройстве - режим накопления и режим транспорта ионов. В режиме накопления питание на диафрагму (8) фиг.2 подается запирающий потенциал, препятствующий выходу ионов из канала (10). Для осуществления режима транспорта ионов, на электрод (8) подаются напряжение, вытягивающее ионы из канала (10) и направляющее ионы к выходу из диафрагмы (8). Длина электродов (4) и вытягивающий потенциал на диафрагме (8) подбирается таким образом, чтобы время вытягивания ионного пакета в режиме транспорта из области электродов (4) не превышало 10-100 мкс для случая работы устройства в режиме высокого временного разрешения.

Аналогичного эффекта изменения режимов накопления и режима транспорта ионов, можно достигнуть, изменяя средний потенциал, на который накладывается ВЧ составляющая, для электродной системы (4) относительно соседних средних потенциалов электродов (3) и выходной диафрагмы.

Для других режимов, не требующих такой быстрой динамики время выхода ионов можно существенно увеличить путем снижения вытягивающего потенциала на диафрагме (8). При этом энергоразброс в пучке вытянутых ионов будет уменьшаться и таким образом, можно оптимизировать параметры ионного пучка на выходе для достижения более высокого разрешения масс-анализатора. Чередование упомянутых режимов позволяет формировать ионные пакеты нужной длительности.

В некоторых вариантах реализации устройства, когда энергоразброс ионов на выходе из ИТУ не критичен, например, когда ионы транспортируются в квадруполь для дальнейшей их фильтрации по M/z, группа электродов (4), которая выполняет функцию термолизации ионов, может отсутствовать.

В предпочтительных вариантах исполнения отдельные электроды из множества радиочастотных электродов (5 и 7, фиг.1, 2) и имеют прямоугольную форму и разделены изолятором, имеют периодически повторяющийся рисунок, состоящий из групп по 2, 3, 4, 5 и более электродов. Наиболее предпочтительный вариант для групп (5) и (7) на фиг.1 и для (5) на фиг.2 - когда массив множества радиочастотных электродов разделен на группы по 4 электрода, чтобы задавать поле бегущей волны.

Канал, образованный поверхностями с ВЧ электродами (5 и 7 фиг.1) может сужаться к выходу с целью дополнительного ограничения снижения общей проводимости канала для потока газа, проходящего в следующую ступень.

Согласно предпочтительному варианту осуществления повторяющийся узор полезадающих электродов (5 и 7) распространяется по большей части поверхности.

Размер электродов и расстояние между ними можно варьировать на основе требований к электрическому полю для различных условий транспортировки ионов. В типичных примерах, когда ионнотранспортное устройство работает при давлениях от 0.00001 до 100 Торр, зазор между электродами составляет от 0.05 до 1 мм, в том числе более 1 мм, ширина отдельного электрода может составлять от 0.05 до до 1 мм, в том числе более 1 мм.

В одном из вариантов, форма отдельных электродов (5 и 7) кроме прямоугольной, может иметь форму сектора окружности с центром окружности на оси поверхности, угловую форму или другую изогнутую форму. Диаметр или характерный размер изогнутости электродов может меняться в направлении к выходу из устройства. В этом случае поле бегущей волны будет дополнительно направлять ионы из периферийной области к центральной оси устройства.

В одном из вариантов, масштаб повторяющегося узора может меняться по длине поверхностей, образующих канал. Например, на входе ионнофокусирующего устройства масштаб узора может быть примерно в 1.2-5 и более раз больше масштаба узора на выходе ионнофокусирующего устройства.

Наиболее предпочтительный вариант для группы (7) на фиг.2 - когда массив множества радиочастотных электродов разделен на группы по 2 электрода, на которые соответственно подается противофазное напряжение, чтобы задавать поле, удерживающее ионы внутри канала и чтобы потенциал на оси этого поля не претерпевал колебаний во времени.

В одном из вариантов реализации, поверхности, ограничивающие канал для транспорта ионов и полезадающие электроды изготовлены с помощью технологий печатных плат.

Перед ионнотраспортным устойством может быть расположена система дополнительной фокусировки ионов, фокусирующая и направляющая ионы в канал ионнотраспортного устойства, например IonFunnel или другое подобное устройство с аналогичной функцией.

Питание электродов можно варьировать на основе требований к электрическому полю для различных условий транспортировки ионов. В предпочтительном варианте питание на электроды (5) и (7) на фиг.1 и для (5) на фиг.2 подается таким образом, чтобы над поверхностью электродов создавалось поле бегущей волны, когда создается поле с чередующимися максимумами и минимумами потенциала, которые двигаются вдоль поверхности над электродами. Чтобы сформировать электрическое поле бегущей волны на чередующиеся группы электродов подают изменяющееся во времени напряжение со сдвигом фазы относительно соседней группы электродов. В каждой группе, начиная от первого до последнего электрода по ходу движения ионов, фаза напряжения на соседних электродах сдвинуто таким образом, чтобы образовывались “пики” и “впадины” потенциала, перемещающиеся вдоль поверхности. В классическом случае значение сдвига фаз выбирается как 360/n, где n - число электродов в группе. Так в одной группе первый электрод, удерживается при первом значении напряжения, второй электрод - на втором и так далее. При этом, в первый момент времени t1 первое напряжение подается на первые электроды всех групп, второе напряжение - на вторые электроды всех групп и так далее соответственно. Во второй момент времени t2 первое напряжение подается на вторые электроды в каждой группе, второе напряжение - на третьи электроды в каждой группе и так далее. Таким образом толкающее поле над электродами “шагает” создавая бегущую волну, которая заставляет двигаться ионы в выбранном направлении.

В зависимости от отношения скорости иона к скорости “бегущей волны” возможны два типа движения ионов. Если ионы обладают очень высокой подвижностью, они перемещаются вместе с волной. В таком варианте скорость иона оказывается равной скорости “бегущей волны”. Если ион увлекается потенциальной волной, «проскальзывая» по “гребням”, это приводит к тому, что скорость иона оказывается ниже скорости волны. В этом случае, ионы будут двигаться в поле волны с разными скоростями вдоль канала в зависимости от их подвижностей. Ионы с более высокой подвижностью будут двигаться вместе с волной значительную часть времени, в то время как ионы с более низкой подвижностью будут чаще “проскакивать” гребни волны. Чем больше ионы “проскакивают” пики, тем медленнее они перемещаются через устройство.

Амплитуда и частота питающих электроды (5 и 7) ВЧ напряжений зависит от характерного размера электродов, величины давления в канале, вида нейтрального газа, шага между ними, и совокупности M/z с CCS ионов, проходящих через канал. Для выбранного размера электродов, амплитуда составляет 10..50 В, с характерной частотой 0.5-5 МГц для ионов c M/z=200 В, но не ограничивается этим диапазоном.

В одном из вариантов, питающие напряжения на группы электродов может представлять собой сумму напряжений, меняющихся с разной частотой и с разным набором фаз и амплитуд. В одном из предпочтительных вариантов питание подается следующим образом. На соседние электроды подается противофазный сигнал с более высокой частотой, например 0.2…10 Мгц и более. Это ВЧ напряжение создает удерживающее ионы поле внутри канала. На этот сигнал накладывается другой сигнал с другой частотой предпочтительно в 1.2..20 и более раз меньшей относительно первой и со сдвигом фаз относительно соседних электродов в группе, которая распределяется по упомянутым группам электродов. На соседние электроды сигнал подается со сдвигом фаз, который соответствует выбранному количеству электродов в группе. Например, если в группе 4 электрода, то сдвиг фазы будет 90°. Амплитуда второго сигнала предпочтительно должна быть в 1.2..20 и более раз меньшей амплитуды первого сигнала.

Наиболее предпочтительный вариант питающих ВЧ напряжений для группы (7) на фиг.2 - когда на соседние электроды подается противофазный сигнал, чтобы задавать поле удерживающее ионы внутри канала. Амплитуда составляет 5..100 В, с характерной частотой 1-5 МГц для ионов c M/z=200 В, но не ограничивается этим диапазоном и может меняться в широких пределах в зависимости от характерного размера электродов, величины давления в канале, вида нейтрального газа, шага между ними, и совокупности M/z с CCS ионов проходящих через канал.

Также, возможны варианты, когда в группе электродов для задания поля бегущей волны, на 2..4 соседних электрода подаются одинаковые или близкие потенциалы. Это делается для того, чтобы обеспечить более равномерный градиент поля на фронтах бегущей волны и этим достигается меньшее размытие временных фронтов проходящих ионных пакетов.

Питающее напряжение может представлять собой синусоидальный сигнал, иметь прямоугольную, треугольную форму, форму пилы и другие формы сигнала. Термин “радиочастотные RF электроды“ не ограничивает режим питания электродов только RF напряжением.

На фиг. 6 показан один из вариантов применения ИТУ с узкими каналами в составе интерфейса дифференциальной откачки (14). На фигуре показаны два вида предпочтительной реализации ИТУ в зависимости от режима течения газа через канал: когда течение газа происходит в моллекулярно-вязкозном режиме (20) - в этом случае частью устройства является ячейка фрагментации ионов (13); и в молекулярном режиме течения (21) - в этом случае, частью устройства является ячейка термолизации и/или накопления ионов (16) для подготовки ионного пучка для ввода во времяпролетный масс-спектрометр. Режим накопления ионов может быть применим для снижения эффекта скважности в последующем ToF масс-анализаторе и лучшей термолизации ионного пакета. Ионы попадают в канал (19) ИТУ (20) из камеры (11) с давлением P1, которое может быть 0.5..20 Торр и более, ионы через электроды (12), соединенные со средством подачи питающих напряжений (18), транспортируются к выходу ИТУ (20), где могут быть фрагментированы в секции (13). Далее ионы или их фрагменты попадают в камеру (14) с давлением P2~0.001-0.1 Торр и далее в ИТУ (21), ионы транспортируются в поле бегущей волны, которое задается электродами (15), соединенными со средством подачи питающих напряжений (18), и поступают в область (16), которая выполняет функцию термолизации ионов. После термолизации, прошедшие ионы попадают в камеру (17) с давлением P3~10^-5…10^-9 Торр, где располагается масс-анализатор или камера с промежуточным давлением перед масс-анализатором.

При прохождении ИТУ (20 и 21) ионы претерпевают минимальные потери и минимальное размытие ионных пакетов во времени, а каналы (19) ограничивают поток газа в следующую ступень.

В некоторых вариантах реализации перед ИТУ (20 и 21) можно применять дополнительные ионно-фокусирующие устройства, такие как ионные воронки, ионно-фокусирующие линзы и т.д.

Предпочтительно, описанный интерфейс дифференциальной откачки работает совместно со спектрометром ионной подвижности (СИП), разделяющим ионные пакеты по их совокупности их свойств, таких как M/z и CCS. Это могут быть дрейфовые (20) в камере (19) может дрейфовый СИП или СИП с разделением ионов поле «бегущей волны».

Предпочтительно, описанный интерфейс работает совместно с времяпролетным типом масс-анализаторов высокого разрешения, для которых необходим высокий вакуум. Но раскрываемые устройства могут работать и с другими типами масс-анализаторов, такими как квадрупольные масс-анализаторы, Орбитрап, ИЦР, магнитные масс-анализаторы и т.д.

Также, возможны варианты, когда описываемые ИТУ могут осуществлять транспортировку ионов в область повышенного давления из области более низкого давления, когда P1<P2 или P2<P3.

Выполнение заявленного устройства вышеуказанным образом повышает эффективность транспорта ионов в камеру с сильно отличающимся давлением; обеспечивает высокую чувствительность прибора, особенно на коротких временах накопления данных, обеспечивает снижение газовой нагрузки на насосы в последующих ступенях, предотвращает размытие ионных пакетов при их транспорте через устройство, при этом обеспечивает возможность подготовки ионных пакетов для последующих манипуляций на следующих ступенях масс-спектрометра, а именно - фрагментация ионов и/или их термолизация.

Изобретение относится к радиочастотным устройствам для транспортировки, фокусировки и удержания ионов, которые используются в приложениях масс спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности. Устройство транспорта ионов содержит канал переноса ионов, имеющий входной и выходной концы, ограниченный поверхностями, на которых расположены радиочастотные и/или DC электроды, создающие поле бегущей волны, направляющее ионы к выходному концу канала. Причем в выходной части устройства расположены электроды, обеспечивающие функцию фрагментации или термолизации ионов, отличающиеся от других электродов, расположенных на остальной части устройства, режимом питания и/или геометрией. Техническим результатом является высокая эффективность транспорта ионов в следующую камеру с отличающимся давлением при обеспечении высокой чувствительности прибора на коротких временах накопления данных, снижении газовой нагрузки на насосы в последующих ступенях, а также предотвращение размытия ионных пакетов при их транспорте через устройство, обеспечивающее возможность подготовки ионных пакетов для последующих манипуляций на следующих ступенях масс-спектрометра. 16 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство транспорта ионов, характеризующееся тем, что содержит канал переноса ионов, имеющий входной и выходной концы, ограниченный поверхностями, на которых расположены радиочастотные и/или DC электроды, создающие поле бегущей волны, направляющее ионы к выходному концу канала, причем в выходной части устройства расположены электроды, обеспечивающие функцию фрагментации или термолизации ионов, отличающиеся от других электродов, расположенных на остальной части устройства, режимом питания и/или геометрией.

2. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что канал переноса ионов имеет прямоугольную, круглую или овальную форму в сечении.

3. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что канал переноса ионов выполнен сужающимся к выходу.

4. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что канал переноса ионов образован двумя плоскими расположенными друг напротив друга поверхностями с радиочастотными электродами и двумя плоскими противоположными поверхностями с DC электродами.

5. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что канал переноса ионов образован четырьмя плоскими поверхностями с радиочастотными электродами или чередующимися вдоль канала электродами в виде диафрагм.

6. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что электроды выполнены в виде групп по два и/или три и/или четыре и/или пять и/или более электродов, на которые подеется соответствующее ВЧ питание со сдвигом фаз.

7. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что электроды, расположенные в выходной части устройства, выполнены в виде отдельной группы и расположены вдоль длины канала переноса ионов.

8. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что электроды, расположенные в остальной части устройства, выполнены в виде групп электродов и расположены поперек длины канала переноса ионов.

9. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что геометрия электродов, расположенных в выходной части устройства, выполнена повторяющей геометрию электродов, расположенных в остальной части устройства.

10. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что электроды имеют прямоугольную форму или имеют форму сектора окружности с центром окружности на оси поверхности или другую изогнутую форму.

11. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что электроды имеют повторяющийся узор по длине поверхности.

12. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что электроды имеют узор и масштаб, изменяющиеся по длине поверхности.

13. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что поверхности, ограничивающие канал, содержат отверстия или поры.

14. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что поверхности, ограничивающие канал для транспорта ионов и полезадающие электроды изготовлены с помощью технологий печатных плат.

15. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что канал, который образуется поверхностями с электродами герметичный или имеет ограниченную газопроницаемость и выполнен с возможностью создания сопротивления газовому потоку, проходящему через канал.

16. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью осуществления режима удержания и накопления ионов в выходной области канала.

17. Устройство транспорта ионов по п.1, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью транспортировки ионов через себя в область более высокого давления, чем на входе в устройство.