УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ И РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ Российский патент 2025 года по МПК H01J49/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области разделения ионов по их свойствам, в частности по их подвижности и/или отношению M/z.

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к области методов и устройств разделения ионов по их подвижности. Подвижность иона, находящегося в нейтральном газе и движущимся под действием электрического поля со скоростью V определяется как коэффициент пропорциональности K в соотношении V=KE, где Е - приложенное электрическое поле. Основные принципы, преимущества и недостатки различных типов спектрометров подвижности описаны, например в обзоре Anal. Chem. 2015, 87, 3, 1422-1436. Более конкретно, изобретение относится к одному из направлений развития спектрометров ионной подвижности, а именно устройств на основе полей типа "бегущая волна" (T-wave или Т-волна). Устройства на основе Т-волна не ограничиваются функцией разделения ионов по их физическим параметрам. Устройства с этим типом волны также успешно выполняют функции ионно-транспортных систем, столкновительных ячеек диссоциации (СИД).

Для формирования поля Т-волны обычно используется последовательность из нескольких электродов. Электроды объединяются в группы, содержащие от 4 до 10 электродов. Группы электродов располагаются друг за другом вдоль оси устройства. На электроды подается переменное напряжение или изменяющийся во времени DC потенциал со сдвигом фазы относительно соседнего электрода в соответствии с номером электрода в группе. Бегущая волна создает "пики" и "впадины" потенциала, которые перемещается вдоль канала, что заставляет ионы перемещается вдоль этого канала. Варьируя скорость перемещения Т-волны и ее амплитуду, можно добиться различных режимов движения ионов, когда ионы двигаются вдоль канала со скоростью, которая соотносится с их свойствами, и таким образом, ионы с разными свойствами приходят к выходу из устройства в разное время или, когда ионы транспортируются преимущественно без разделения по их свойствам.

Одной из важнейших проблем систем, разделяющих ионы по их свойствам во времени, является скважность. Суть проблемы подобных системах состоит в том, что для разделения ионов во времени необходимо сформировать короткий стартовый ионный пакет, а остальная часть ионов, не вошедшая в этот короткий пакет, обычно теряется. Эта проблема обходится, если осуществляется накопление ионов, пока происходит временная развертка первоначального ионного пакета, еще острее усугубляется для систем высокого разрешения, когда для коротких ионных пакетов необходимо длительное время дрейфа для достижения высокого разрешения. Для устройств, разделяющих ионы по их подвижности K/ΔK~Т/ΔТ, где Т - время дрейфа, a ΔT - длительность разделенного пика на детекторе. Уровень потерь за счет скважности у сепарирующие устройств такого типа, для разрешения R=100, составляет 99% ионов. Уменьшить эти потери за счет накопления ионов перед формирователем ионных пакетов приводит к искажению результатов количественного анализа компонент в пробе. Искажения происходят по причине формирования в зоне накопления значительного объемного заряда и потери ионов, происходящие за счет этого заряда, носят слабо предсказуемый характер и зависят от состава пробы.

Один из вариантов устройств и методов, использующих принцип разделения ионов в Т-волне, раскрыт в патенте US 6794641 B2, 21.09.2004. Этот вид устройств наиболее распространенный в практике аналитического приборостроения и успешно применяются в коммерческих приборах. В преимущественном варианте устройство состоит из множества электродов с преимущественно круглой апертурой, на каждый из которых подается ВЧ сигнал, содержащий смесь напряжений с высокой частотой ~ 1 МГц и амплитудой ~150-500 V и низкочастотного напряжения с частотой ~ 10-100 кГц и амплитудой 5-40 V. Высокочастотная составляющая представляет собой 2-х фазный сигнал со сдвигом фаз 180 град и подается попеременно на соседние электроды. Низкочастотный сигнал служит для формирования поля Т-волны вдоль канала, который формируют множество электродов.

Недостатком как указанного устройства, так и остальных известных из уровня техники является их, недостаточная разрешающая способность, нежелательная фрагментация ионов в процессе разделения, не возможность гибкой настройки режимов работы как в широком диапазоне подвижностей, так и в режиме фильтрации ионов с узким диапазоном подвижности.

Раскрытие изобретения

Техническая задача заключается в создании устройства транспортировки и разделения ионов по их подвижности и/или отношению M/z обладающим возможностью выбора между режимами с предпочтением высокой чувствительности или с предпочтением режима сканирования в широком диапазоне подвижностей ионов, но с меньшей чувствительностью.

Технический результат заключается в, увеличении чувствительности и уменьшения потерь ионов за счет снижения эффекта скважности, обеспечение сепарации ионов по их совокупности свойств - подвижности, столкновительному сечению (CCS) и отношению M/z, обеспечении возможности гибкой настройки режимов работы как в широком диапазоне подвижностей, так и в режиме фильтрации ионов с узким диапазоном подвижности, но с низкой скважностью, обеспечивая квазинепрерывный поток ионов в выбранном диапазоне подвижностей, упрощении конструкции и уменьшении количества выходных каналов генератора для задания поля типа Т-волна и уменьшении количества питающих генераторов.

Технический результат достигается за счет того, что устройство для транспортировки и разделения ионов содержит первую поверхность и вторую поверхность, расположенные параллельно на расстоянии друг от друга, внешние электроды, расположенные по бокам от первой и второй поверхности, множество электродов, расположенных на первой и второй поверхности, разделенных на группы, на которые прикладывается несколько питающих переменных напряжений, создающих поле, удерживающее ионы между поверхностями, и поле бегущей волны, транспортирующее ионы от входа к выходу устройства, при этом часть из множества электродов, расположенных на первой и второй поверхности, выполнены с возможностью подачи на них периодических запирающих напряжений, пропускающих к выходу из устройства часть ионов, имеющих выбранную среднюю скорость движения ионов вдоль канала.

Кроме того, упомянутая часть из множества электродов расположены эквидистантно.

Кроме того, упомянутая часть из множества электродов расположены с нарастающим промежутком между ними, чтобы учесть диффузионное уширение ионных пакетов.

Кроме того, выполнено с возможностью использования в тандемных масс-спектрометрических приборах в качестве первой ступени фильтрации для выбора прекурсора.

Кроме того, выполнено с возможностью использования для выбора нужного иона реактанта в источниках ионов типа PTR.

Кроме того, поле бегущей волны образовано за счет ШИМ модуляция питающих ВЧ напряжений, при этом ШИМ модуляция ВЧ напряжения, приложенного к по меньшей мере одному электроду, сдвинуто по фазе относительно ШИМ модуляции ВЧ напряжения, приложенному к соседнему электроду.

Кроме того, дополнительно содержит боковые электроды, ограничивающие канал по короткой стороне сечения, на которые подается постоянное напряжение.

Кроме того, первая и вторая поверхности, а также боковые электроды изогнуты.

Кроме того, первая и вторая поверхности с электродами, ограничивающие канал для транспорта ионов, изогнуты и уложены в виде спирали или восьмерки, при этом восьмерки расположены друг над другом или уложены последовательно друг за другом.

Кроме того, форма отдельных электродов представляет из себя последовательно расположенные друг за другом диафрагмы, которые имеют прямоугольную, овальную или другую апертуру.

Кроме того, множество электродов изготовлено с использованием технологии печатных плат.

Кроме того, питающее напряжение представляет собой синусоидальный сигнал, имеющий прямоугольную или треугольную форму или форму пилы.

Кроме того, на входе устройства осуществляется накопление ионов для уменьшения потерь ионов, возникающих за счет скважности.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Предпочтительный вариант осуществления электродной системы устройства для транспортировки и разделения ионов, а) продольный разрез, б) поперечный разрез, в) вид сверху;

Фиг. 2. Осуществление питания устройства в режиме квазинепрерывного пропускания ионов в выбранном диапазоне подвижностей, а) режим транспортировки или разделения ионов по свойствам в широком диапазоне подвижностей, б) режим транспортировки или разделения ионов по свойствам в узком диапазоне подвижностей. На графике показан примерный потенциал поля на оси устройства;

Фиг. 3. ВЧ напряжение на одном из электродов, формирующем Т-волну для предпочтительного варианта режима питания прототипа;

Фиг. 4. Предпочтительный вариант питания электродов с применением периодической ШИМ модуляции сигнала;

Фиг. 5. Вариант укладки транспортного канала для сокращения линейных габаритов устройства.

Осуществление изобретения

Представленное изобретение осуществляет разделение ионов по их подвижности и/или отношению M/z в поле "бегущей волны". От параметров поля, которое создается в межэлетродном пространстве, зависит режим движения ионов.

Варьируя скорость перемещения Т-волны и ее амплитуду, можно добиться различных режимов движения ионов, когда ионы двигаются вдоль канала со скоростью, которая соотносится с их свойствами, и таким образом, ионы с разными свойствами приходят к выходу из устройства в разное время или, когда ионы транспортируются преимущественно без разделения по их свойствам.

В зависимости от отношения скорости движения иона вдоль оси транспортного канала к скорости "бегущей волны" возможны несколько типов движения. Если ионы обладают очень высокой подвижностью, они перемещаются вместе с волной и выходят из устройства без разделения, в таком варианте скорость иона оказывается равной скорости потенциальной Т-волны. В этом режиме устройство используется как эффективное ионно-транспортное устройство (ion guide).

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, что приводит к разделению, основанному на их подвижности.

Для того, чтобы ионы разделялись по подвижности в поле Т-волны, параметры поля подбираются таким образом, чтобы скорость движения Т-волны превышала среднюю скорость движения иона вдоль оси. Очевидно, что оптимальные параметры для наилучшего разделения ионов будут при этом зависеть от подвижности проходящих ионов. Приближенная формула для оценки средней скорости дрейфа иона в поле Т-волны приведена в статье A. Shvartsburg Anal. Chem. 2008, 80, 24, 9689-9699.

где K - подвижность иона, Е - характерная напряженность поля, обеспечивающего Т - волну, S - скорость движения «бегущей волны» вдоль канала.

Чтобы ионы не терялись на ограничивающих ионно-транспортный канал поверхностях, необходимо осуществить над этими поверхностями такое поле, которое будет отталкивает ионы от этих поверхности. Обычно такое поле осуществляется с помощью чередующихся электродов, при этом на соседние электроды подается противофазное напряжение. Таким образом, над поверхностями осуществляется удерживающее псевдопотенциальное поле типа ионный ковер (Gerlich D. Inhomogeneous rf Fields: a Versatile Tool for the Study of Processes with Slow Ions. In: Adv. Chem. Phys Vol. LXXXII, 1992, 82, p1-176).), (Kelly RT, Tolmachev A V, Page JS, etal. The ion funnel: theory, implementations, and applications. Mass Spectrom Rev 2010; 29: 294-312). Согласно статье, максимальное значение псевдопотенциала где q заряд частицы, - амплитуда питающих ВЧ напряжений, ω - их угловая частота, М - масса иона, d - расстояние между электродами (шаг электродов). U_max уменьшается, когда имеет место столкновение ионов с газом на коэффициент где т определяется характерным временем столкновительной релаксации ионов, проходящих через буферный газ. Оно может быть рассчитано как: σ - сечение ионно-молекулярных столкновений, Т - температура, k - постоянная Больцмана, m - масса молекул буферного газа, v - средняя скорость молекул. Согласно приведенным формулам, на значение псевдопотенциального поля над поверхностью влияет совокупность параметров, входящих в приведенные формулы. И соответственно, параметры питающих ВЧ напряжений и геометрию электродов выбирают в соответствии с конкретными условиями решаемой устройством задачи. Кроме этого, на характер движения ионов в канале влияет параметр стабильности. Так, при высоких значениях V_rf, ионы, начиная с легких масс теряют стабильность и оседают на электроды, при этом значение псевдопотенциала U_max может быть высоким.

Более точные значения параметров устройства определяются путем проведения модельных и реальных экспериментов.

Разделение ионов по подвижности в предлагаемом устройстве осуществляется аналогично тому, как это реализуется в подобных устройствах с разделением ионов в поле «бегущей волны». Как показано на Фиг. 1, ионы поступают из предыдущих ступеней устройства в канал (4). Предыдущая ступень может быть, например, источником ионов, одной из ступеней интерфейса дифференциальной откачки, или масс-анализатором. В канале (4) образованном поверхностями с электродами (1 и 2), осуществляют удерживающее ионы поле вблизи оси канала, а также, поле бегущей волны. Для этого, на полезадающие электроды подается ВЧ питание, чтобы над поверхностями с электродами (1 и 2) образовывалось псевдопотенциальное поле, которое отталкивает ионы от поверхности. Параметры ВЧ питания для создания подобного поля можно оценить с помощью формул, приведенных выше. Вместе с этим, одним из способов, описанных ниже в соответствующих разделах, внутри канала осуществляется поле «бегущей волны», с помощью которого ионы транспортируются вдоль канала и при определенном выбранном режиме задания поля «бегущей волны», происходит разделение ионов по подвижности.

В предпочтительном варианте изобретения, для того чтобы ограничить потери ионов в направлении X, на электроды (3) подается небольшой запирающий потенциал, достаточно подать 0,2…10 В относительно оси канала, чтобы создать направленное к оси канала поле.

В предпочтительном варианте электродная система устройства представлена на Фиг. 1. Устройство транспорта и разделения ионов содержит внешние электроды (3), расположенные перпендикулярно поверхностям (1 и 2), внешние электроды простираются в основном вдоль длины первой и второй поверхности со множеством электродов. На электроды (3) подается DC потенциал для формирования поля, направляющего ионы коси устройства. Таким образом, вместе с удерживающим полем, которое создается поверхностям (1 и 2) ионы улавливаются между поверхностями со множеством электродов и двигаются вдоль оси устройства в поле Т-волны, которое задается теми же поверхностями с электродами (1 и 2).

В предпочтительном варианте изобретения отдельные электроды из множества радиочастотных электродов (1 и 2 фиг. 1) и имеют прямоугольную форму и разделены изолятором и имеют периодически повторяющийся рисунок, состоящий из групп по 2, 3, 4, 5 и более электродов. Наиболее предпочтительный и простой в реализации вариант, когда массив множества радиочастотных электродов (1) и (2) на фиг. 1 разделен на группы по 4 электрода, чтобы задавать поле бегущей волны

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения повторяющийся узор полезадающих электродов (1 и 2) распространяется по большей части поверхности.

Размер электродов, расстояние между ними и расстояние между поверхностями с электродами (1 и 2) 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 0.01 до 1 мм, в том числе более 1 мм, ширина отдельного электрода может составлять от 0.01 до до 1 мм, в том числе более 1 мм.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения,, оптимальное расстояние между поверхностями с электродами составляет 0.5-1 мм но в некоторых случаях может варьироваться в пределах от 0.3 до 5 мм и более.

В одном из вариантов, форма отдельных электродов (1) и (2) может представлять из себя последовательно расположенные друг за другом диафрагмы, которые имеют прямоугольную, овальную или другую апертуру.

В одном из вариантов, масштаб повторяющегося узора может меняться по длине поверхностей, образующих канал. Например, на входе в канал (4) масштаб узора может быть примерно в 1.2-5 и более раз больше масштаба узора на выходе из устройства.

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

Разрешающая способность по подвижности ионов пропорциональна корню из длины канала, в котором происходит разделение ионов ~ L^0.5. Таким образом предпочтительно увеличивать длину пути, на котором происходит разделение. Чтобы существенно сократить линейные размеры устройства разделения ионов по подвижности, в одном из вариантов реализации устройства поверхности с электродами, ограничивающие канал для транспорта ионов, могут быть изогнуты и уложены в виде спирали или восьмерки. Упомянутые восьмерки могут располагаться друг над другом или могут быть уложены последовательно друг за другом, аналогично тому, как это указано на рис. 5.

Поле «бегущей волны» задается путем подачи на эту электродную систему питающих напряжений по принципу, который описывается ниже.

Питание электродов можно варьировать на основе требований к электрическому полю для различных условий транспортировки ионов. В предпочтительном варианте питание на электроды (1, 2) на рис. 1 подается таким образом, чтобы над поверхностью электродов создавалось поле бегущей волны, когда создается поле с чередующимися максимумами и минимумами потенциала, которые двигаются внутри канала. Чтобы сформировать электрическое это поле, 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.

Амплитуда и частота питающих электроды (1 и 2) ВЧ напряжений зависит от характерного размера электродов, шага между ними, расстояния между поверхностями, давления в канале, вида нейтрального газа, M/z и CCS ионов, проходящих через канал.

В предпочтительном варианте, 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 с амплитудой 2-100 В. Это ВЧ напряжение создает удерживающее ионы поле внутри канала. На этот сигнал накладывается другой сигнал с предпочтительно в 1.2…20 и более раз меньшей относительно первой, у который имеет сдвиг 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 составляет 0.02…20 В и более. Амплитуда и частота сигналов 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.

В одном из вариантов реализации изобретения, поле, удерживающее ионы вблизи оси канала создается за счет поля бегущей волны без приложения противофазного питания на соседние электроды. При этом, образующееся в результате поле является одновременно и удерживающее ионы вблизи оси канала, и толкающим полем вдоль канала. В этом случае, например, для групп, состоящих из 4-электроды (1,2) питаются только 4-фазным сигналом. В этом случае, на 4 электрода подается также 4 сигнала со сдвигом фаз пи/2 относительно соседнего электрода. При этом, регулировкой амплитуды и частоты питающих напряжений можно менять описанный выше характер движения ионов в канале, когда меняется «степень проскальзывания» ионов в поле бегущей волны. Амплитуда Vrf и частота F питающих напряжений для нужного режима транспорта ионов в канале устанавливаются в зависимости комплекса параметров. Например, для шага между электродами на поверхности (1,2)=1 мм, расстояния между поверхностями=2.5 мм, давления в канале=5 Торр, M/z=200, газ - азот, оптимальные значения амплитуды и частоты сигналов для эффективного разделения ионов по подвижности лежат в пределах: V_rf=10…80 В, F=0.3…5 МГц. Эти значения могут меняться для другого набора параметров. Аналогичное питание можно организовать для групп из 5 и более электродов, тогда подается 5-ти фазное питание и т.д.

Также, для перечисленных выше видов питания возможны подварианты, 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.

Для реализации питания электродов, требующем меньшее количество выходных каналов генератора для задания поля типа Т-волна предлагается режим с ШИМ модуляцией питающих ВЧ напряжений.

Режим питания для предпочтительного варианта устройства представлен на Фиг. 3. На Фиг. 3 показан типичный вид сигнала, который подается на один из электродов устройства.. Если для задания Т-волны используется 4 электрода в группе, то необходимо 4 питающих напряжения с независимо управляемым сдвигом фаз относительно друг друга. В типичном случае сдвиг фаз составляет тг/2 для 4-электродной системы. Для осуществления такого питания требуется 4-канальный генератор, который суммирует высокочастотный ВЧ сигнал с низкочастотным сигналом, который будет иметь свой сдвиг фаз относительно другого канала. При этом генератор должен обеспечивать высокую степень стабильности параметров.

Один из предпочтительных варианта изобретения заключается в том, что режим питания, обеспечивающий поле Т-волны, который показан на Фиг. 3 реализуется с использованием модуляции ВЧ напряжения на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Реализация этого способа модуляции широко применяется в электронике. Таким образом, реализация этого режима питания с необходимыми для осуществления Т-волны параметрами, не вызывает существенных трудностей на современной элементной базе. Для осуществления питания упомянутой выше 4-электродной системы с помощью ШИМ модуляции нужно будет использовать 4-канальный генератор, у которого модулирующий ШИМ сигнал будет сдвинут у каждого канала на необходимую величину. Уровень сигнала низкочастотного сигнала будет определяться глубиной ШИ-модуляции, которая, в свою очередь, управляется за счет изменения скважности прямоугольных импульсов.

Vcp=D⋅Vmax+(1-D)⋅Vmin,

где D - скважность, Vmax - верхний уровень питающего напряжения, Vmin - нижний уровень питающего напряжения. Таким образом, управляя скважностью опорного питающего напряжения, можно задавать необходимый уровень усредненного по периоду итогового сигнала. Другими словами, глубина модуляции, определяет амплитуду Т-волны. Соответственно она не может иметь амплитуду больше амплитуды опорного напряжения.

Согласно изобретению, предпочтительный вариант устройства транспорта и разделения ионов представлен на Фиг. 2. Устройство содержит две поверхности (1) и (2) со множеством электродов. В предпочтительном варианте исполнения отдельные электроды из множества радиочастотных электродов (1) и (2) имеют прямоугольную форму и разделены изолятором. Множество радиочастотных электродов (1) и (2) имеет периодически повторяющийся рисунок, состоящий из групп содержащих 2, 3, 4, 5 и более электродов. Повторяющийся рисунок накладывается преимущественно по всей длине пластины с электродами. Наиболее простой в реализации вариант для осуществления поля Т-волны - когда группа имеет 4 электрода. Множество электродов запитывается питающими ВЧ напряжениями V1, V2…Vn, примерный вид которых представлен на Фиг. 4. На Фиг. 4 показаны - M(t) - модулирующий сигнал для одного из каналов питания; V1(t) и V2(t) - питающие напряжения на соседних электродах №1 и №2. Как пример, на Фиг. 4 показано, что модулирующий сигнал M(t) задает глубину модуляции, т.е. величину изменения скважности от 0.2 до 0.8. Таким образом, результирующий, усредненный по периоду, сигнал будет иметь амплитуду 50 В при амплитуде несущего сигнала 100 В.

Например, если множество радиочастотных электродов (1) и (2) состоит из групп, содержащих 4 электрода, необходимо 4 независимых питающих напряжения. Как показано на Фиг. 4, в предпочтительном варианте питающее напряжение имеет прямоугольную форму. На соседних электродах опорное питающее напряжение находится в противофазе, т.е. сдвинуто на 180°. Каждое питающее напряжение V1, V2…Vn, может иметь свой собственный сдвиг фазы ШИМ модулирующего сигнала и глубину модуляции. Если на множество электродов (1) и (2) подается питающее напряжение, аналогичное показанному на Фиг. 4, между электродными поверхностями (1) и (2) формируется периодическое поле бегущей волны (Т-волны). Т-волна перемещается вдоль пластины в направлении, в котором необходимо перемещать ионы, и со скоростью, с которой требуется перемещать ионы. Сдвиг фазы и глубина модуляции, которая определяет амплитуду Т-волны, подбирается в соответствии решаемой задачей.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения множество электродов и режим их питания конфигурируются так, чтобы реализовать квазинепрерывный режим транспорта ионов с фильтрацией части ионов в выбранном диапазоне их подвижности.

Для осуществления этого варианта, поле между поверхностями с множеством электродов организуется таким образом, чтобы стабильно двигались к выходу устройства только ионы с определенной выбранной средней скоростью или в некотором выбранном диапазоне средних скоростей. Как упоминалось выше, где K - подвижность иона, Е - характерная напряженность поля, обеспечивающего Т - волну, S - скорость движения «бегущей волны». Таким образом, средняя скорость движения иона в канале, при оптимальной настройке параметров поля бегущей волны связана с подвижностью иона. Оптимальные параметры - когда соотношение но немного меньше чем S. Сущность предложенного режима фильтрации ионов заключается в том, чтобы ионы, имеющие отличающуюся от выбранной для фильтрации группы ионов скорость движения, не доходили до выхода из канала. Для этого достаточно не подавать на одну из групп электродов, расположенных на поверхности (1 и 2), запирающий потенциал с определенным периодом (см Фиг. 2). Рассмотрим этот режим на примере 4-электродной группы электродов для задания «бегущей волны». Для осуществления фильтрации вводится 5-ая группа электродов. Она представляет собой такой же по геометрии электрод как соседние в группе, но располагается по длине поверхностей с электродами с определенным ритмом. Например, на месте каждого 5-го, 9-го по и т.д. электрода. На это группу подается аналогичное соседним электродам ВЧ напряжение и дополнительно запирающий сигнал. Когда над 5-ой группой, назовем ее запирающей группой, проходят ионы из выбранной для фильтрации группы, на нее подается такой же сигнал как на первый электрод из группы - V1. В этом случае, осуществляется обычный транспорт ионов вдоль канала с определенной скоростью и их разделение по подвижности (см Фиг. 2 (а)). Когда над запирающей группой проходят ионы, которые нужно подавить, на эту группу подается запирающий потенциал. Если ионы движутся с а электроды запирающей группы расположены с шагом L_lock, тогда запирающий импульс нужно подавать с периодом Как видно из формулы, этот период связан с подвижностью. Скважность запирающего импульса можно выбрать 50%, но она может варьироваться в соответствии с конкретными условиями решаемой задачи. В результате, на выходе из устройства мы будем иметь отфильтрованный поток ионов из выбранного диапазона подвижностей. Чтобы перейти на другую группу ионов с другой подвижностью, соответствующим образом меняется период. «Чистота» выбранного потока ионов будет зависеть от разрешения устройства на данной длине по подвижности. Если в обычном режиме работы, когда на вход устройства подается короткий ионный пакет и на выходе он имеет длительность ΔТ, а время прихода Т_о, то разрешение по подвижности будет Соответственно, отфильтрованный поток ионов будет содержать ионы близко этому диапазону ΔK.

В описанном выше виде предлагаемое устройство будет удовлетворительно работать при невысоком уровне разрешения по подвижности. Для работы описанного устройства при более высоком разрешении, т.е. большей чистоте фильтрации, чтобы предотвратить потери ионов, необходимо учитывать диффузию ионного облака, двигающегося в канале транспортного устройства. При продвижении к выходу устройства, ионный пакет будет пространственно размываться, в том числе и в направлении оси Z устройства. Диффузию на длине пройденной длине L при транспорте в поле «бегущей волны» будет приблизительно составлять величину где k_b - постоянная Больцмана, K - подвижность ионов, Т - температура, ze - их заряд, L -путь, пройденный ионами, средняя скорость движения ионов в канале. Таким образом, в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, шаг между запирающими электродами должен увеличиваться по направлению к выходу устройства с ростом координаты

В одном из вариантов осуществления изобретения запирающую группу электродов можно расположить на одной из поверхностей (1) или (2) или на обоих сразу.

Описанный выше режим питания электродов, формирующий квазинепрерывный поток ионов, приводит к примерно 50% уровню потерь за счет скважности. Уменьшить потери этих 50% можно за счет накопления ионов на входе устройства. Искажения концентраций ионов, соответствующим разным компонентам пробы будет не так значительны, т.к. в случае режима формирования квазинепрерывного потока ионов, накопление будет происходить только приблизительно 50% общего времени и для этого нет необходимости формировать на входе устройства короткие ионные пакеты, как в классическом случае.

В одном из предпочтительных вариантов, для осуществления накопления ионов в период времени, когда требуется запирание потока ионов, поступающих на вход устройства, можно изменить режим питания электродов на входе устройства. Для накопления ионов можно использовать туже электродную систему устройства (4). Для этого можно выделить 1-2 см вблизи входа в устройство (4) и запирающий электрод, формирующий ионные пакеты, соответственно расположить на глубине 1-2 см от входа в устройство. Питающие напряжения в зоне накопления могут меняться в зависимости от режима функционирования - накопления или транспорта.

Можно выделить три основных режима работы устройства, которые изменяются за путем изменения режима питания - режим накопления, транспорта и разделения ионов по их подвижности. В режиме накопления, питание электродов (1 и 2) не отличается от режима питания, который осуществляет транспорт ионов. В режиме накопления на запирающий электрод подается потенциал, который создает поле, отталкивающее ионы в область их накопления. В режиме транспорта питание на электроды (1) и (2) подается таким образом, чтобы ионы не оседали на поверхности электродов, но проходили к выходу устройства. В одном из вариантов, для осуществления этого режима, на электроды подается такое напряжение, которое формирует поле, которое только удерживает ионы над поверхностью, но не создает поле, которое продвигает ионы в направлении к выходу устройства. При этом, на один из электродов устройства (4) или на его выходную диафрагму (не показана на рисунке) подается запирающий потенциал, препятствующий выходу ионов из устройства. Например, на соседние электроды подается только ВЧ напряжение противоположных фаз. Для осуществления режима транспорта ионов, на электроды подаются ВЧ напряжения, образующие поле бегущей волны, направляющее ионы к выходу из устройства или иное направляющее поле, например, поле с постоянной составляющей, аналогичному классическому полю Ion Funnel. Чередование упомянутых режимов позволяет формировать ионные пакеты нужной длительности и, кроме этого, достигается практически 100% прохождение ионов выбранного диапазона подвижностей.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения описанное устройство для транспортировки и разделения ионов в режиме фильтрации ионов используется в тандемных масс-спектрометрических приборах качестве первой ступени фильтрации для выбора прекурсора.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения, описанное устройство для транспортировки и разделения ионов в режиме фильтрации ионов используется для выбора нужного иона реактанта в источниках ионов типа PTR.

Изобретение относится к области разделения ионов по их свойствам, в частности по их подвижности и/или отношению M/z. Технический результат - повышение эффективности транспортировки и разделения ионов, упрощение конструкции, обеспечение сепарации ионов по их совокупности свойств - подвижности, столкновительному сечению (CCS) и отношению M/z, обеспечение возможности гибкой настройки режимов работы. Устройство для транспортировки и разделения ионов содержит первую поверхность и вторую поверхность, расположенные параллельно на расстоянии друг от друга, внешние электроды, расположенные по бокам от первой и второй поверхностей, множество электродов, расположенных на первой и второй поверхностях, разделенных на группы, на которые прикладывается несколько питающих переменных напряжений, создающих поле, удерживающее ионы между поверхностями, и поле бегущей волны, транспортирующее ионы от входа к выходу устройства. Часть из множества электродов, расположенных на первой и второй поверхностх, выполнены с возможностью подачи на них периодических запирающих напряжений, пропускающих к выходу из устройства часть ионов, имеющих выбранную среднюю скорость движения ионов вдоль канала. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для транспортировки и разделения ионов, характеризующееся тем, что содержит первую поверхность и вторую поверхность, расположенные параллельно на расстоянии друг от друга, внешние электроды, расположенные по бокам от первой и второй поверхностей, множество электродов, расположенных на первой и второй поверхностях, разделенных на группы, на которые прикладывается несколько питающих переменных напряжений, создающих поле, удерживающее ионы между поверхностями и поле бегущей волны, транспортирующее ионы от входа к выходу устройства, при этом часть из множества электродов, расположенных на первой и второй поверхностях, выполнены с возможностью подачи на них периодических запирающих напряжений, пропускающих к выходу из устройства часть ионов, имеющих выбранную среднюю скорость движения ионов вдоль канала.

2. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что упомянутая часть из множества электродов расположены эквидистантно.

3. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что упомянутая часть из множества электродов расположены с нарастающим промежутком между ними, чтобы учесть диффузионное уширение ионных пакетов.

4. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью использования в тандемных масс-спектрометрических приборах в качестве первой ступени фильтрации для выбора прекурсора.

5. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью использования для выбора нужного иона реактанта в источниках ионов типа PTR.

6. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что поле бегущей волны образовано за счет ШИМ модуляция питающих ВЧ напряжений, при этом ШИМ модуляция ВЧ напряжения, приложенного к по меньшей мере одному электроду, сдвинуто по фазе относительно ШИМ модуляции ВЧ напряжения, приложенного к соседнему электроду.

7. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что дополнительно содержит боковые электроды, на которые подается постоянное напряжение.

8. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что первая и вторая поверхности, а также боковые электроды изогнуты.

9. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что первая и вторая поверхности с электродами, ограничивающие канал для транспорта ионов, изогнуты и уложены в виде спирали или восьмерки.

10. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что форма отдельных электродов представляет из себя последовательно расположенные друг за другом диафрагмы, которые имеют прямоугольную, овальную или другую апертуру.

11. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что множество электродов изготовлено с использованием технологии печатных плат.

12. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что питающее напряжение представляет собой синусоидальный сигнал, имеющий прямоугольную, треугольную форму или форму пилы.

13. Устройство для транспортировки и разделения ионов по п.1, характеризующееся тем, что на входе устройства осуществляется накопление ионов для уменьшения потерь ионов, возникающих за счет скважности.