СПОСОБ МАСС-СЕЛЕКЦИИ ИОНОВ В ТАНДЕМНЫХ ЛИНЕЙНЫХ КВАДРУПОЛЬНЫХ МАСС-СПЕКТРОМЕТРАХ Российский патент 2025 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к области тандемной квадрупольной масс-спектрометрии и может быть использовано для масс-анализа изотопов с большим значением массовых чисел.

Известен «Способ селекции ионов в квадрупольном масс-спектрометре, основанный на резонансном возбуждением ионов, а также устройство для его осуществления», описанные в патенте РФ 2634614, опубл. 02.11.2017. Способ масс-анализа заключается в воздействии на колебания ионов в квадрупольном ВЧ-поле однородным возбуждающим полем, направленным вдоль одной из асимптот квадрупольного поля. Способ реализуется в масс-анализаторе с планарными дискретными электродами, где создается суперпозиция квадрупольного ВЧ и однородного возбуждающего по одной оси поля. Использование планарных дискретных электродов позволяет повысить качество однородного поля и снизить амплитуды высших гармоник колебаний ионов вдоль оси возбуждения. Способ и устройство улучшают форму массовых пиков и в 2-3 раза повышают разрешающую способность линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением. Недостатком представленного решения является сложность в формировании пространственно-однородного распределения электрического потенциала. Возникающие неоднородности способствуют делинеаризации динамики в поперечном и продольных направлениях. В результате динамика ионов в радиальной плоскости будет определяться, помимо параметров питания, начальными условиями инжекции ионов в рабочую область КМС, что потребует дополнительного управления формой пучка ионов для поддержания приемлемой разрешающей способности.

Известен «Способ масс-анализа ионов в квадрупольных высокочастотных полях с дипольным возбуждением колебаний на границах стабильности» (патент РФ 2683018, опубл. 26.03.2019). Способ состоит в том, что частота возбуждающего поля выбирается равной частоте одной из гармоник колебаний ионов на границах диаграммы стабильности Матье, а развертка масс осуществляется изменением во времени постоянной составляющей квадрупольного поля при постоянстве параметров его высокочастотной составляющей. Способ позволяет повысить разрешающую способность и чувствительность, расширить диапазон анализируемых масс и увеличить скорость анализа квадрупольных масс-спектрометров с резонансным выводом ионов.

Наиболее близким к предлагаемому способу и выбранный за прототип является способ, описанный в патенте РФ 2670268, опубл. 22.10.2018. В данном способе селекция заключается в последовательном воздействии переменными высокочастотными квадрупольными полями в плоскостях ХОУ на движущиеся ортогонально этим плоскостям ионы с их предварительной фильтрацией при прохождении первого квадрупольного поля (префильтрацией) и их регистрацией по выходу из второго квадруполя. При этом переменное высокочастотное поле второго квадруполя реализовано совместно с постоянным. Селекция во втором квадруполе осуществляется с помощью одновременного изменения величины постоянного напряжения и амплитуды переменного напряжения (сканирования). Недостатком прототипа является малая разрешающая способность для анализа изотопов с большим значением массовых чисел, не превышающая , где m - масса измеряемого иона, ширина линии спектра масс при анализе ионов с массой (полоса пропускания). Кроме того, ширина полосы пропускания в описанном методе чувствительна к девиации параметров питания (постоянного напряжения и амплитуды переменного напряжения), что приводит к уменьшению абсолютной разрешающей способности при проведении масс-анализа.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении разрешающей способности в тандемных линейных квадрупольных масс-спектрометров при проведении анализа изотопов с большими значениями массовых чисел.

Поставленная задача решается за счёт достижения технического результата, заключающегося в ограничении ширины линии спектра масс ионов.

Данный технический результат достигается тем, что способ масс-селекции ионов в тандемных линейных квадрупольных масс-спектрометрах, заключающийся в последовательном воздействии переменными высокочастотными квадрупольными полями в плоскостях ХОУ на движущиеся ортогонально этим плоскостям ионы с их префильтрацией при прохождении первого квадруполя и их регистрацией по выходу из второго квадруполя, при этом переменное высокочастотное поле второго квадруполя реализовано совместно с постоянным, отличается тем, что переменное высокочастотное поле второго квадруполя генерируют с фазовой модуляцией типа , где коэффициент амплитуды фазовой модуляции, частота переменного напряжения, - частота модуляции с отклонением частоты модуляции, не превышающей 20% частоты воздействия на ионы, величина напряжения формирующего постоянное поле второго квадруполя лежит в диапазоне от 0,157 до 0,176 от амплитуды переменного напряжения.

Использование фазовой модуляции типа при отклонении частоты модуляции, не превышающей 20% от частоты воздействия на ионы, приводит к параметрическому резонансу и экспоненциальному росту амплитуды колебаний ионов, частота осцилляций которых кратна гармоникам, входящих в спектральный состав переменного напряжения второго квадруполя. Исключение составляет узкая линии спектра масс ионов с отношением m/z (z - заряд иона), частота осцилляций которых лежит вне резонанса. Такое ограничение ширины линии спектра масс ионов приводит к повышению точности селекции и, соответственно, значительному увеличению разрешающей способности до , что позволяет проводить эффективную селекцию изотопов с атомной массой более 1000 а.е.м. В сочетании с фазовой модуляцией соотношение значений постоянного напряжения и амплитуды переменного напряжения в диапазоне от 0,157 до 0,176 приводит к уменьшению влияния девиации параметров питания на процесс селекции масс, поскольку в заданном диапазоне соотношений параметров ширина полосы пропускания определяется только параметрами модуляции.

Сущность заявляемого способа поясняется фигурами, где на Фиг. 1 приведено схематичное изображение электродов тандемного линейного квадрупольного масс-спектрометра с фазовой модуляцией питания электродов, где 1 - первый квадруполь, на электроды которого подаётся переменное напряжение, 2 - второй квадруполь, на электроды которого подаётся постоянное напряжение и переменное напряжение с фазовой модуляцией, 3 - источник ионов, 4 - детектор ионов. На Фиг. 2 представлена диаграмма устойчивости ионов в квадруполе 2, где показано формирование узкой полосы вдоль границ зоны стабильности, соответствующей узкой ширине линии спектра масс для ионов, частота которых лежит между областями резонансов.

Предлагаемый принцип селекции ионов в тандемных линейных квадрупольных масс-спектрометрах основан на отсекании параметрически возбужденных ионов и детектировании только невозбужденных. В суперпозиции постоянного и переменного квадрупольных полей в зависимости от параметров питания квадруполя и отношения массы к заряду m/z реализуются два типичных режима колебаний ионов. В первом режиме ионы двигаются равномерно прямолинейно вдоль оси z и осциллируют в плоскостях XOY с амплитудами, не превышающими радиус квадруполя (Фиг. 1). При реализации данного динамического режима ионы пролетают вдоль всей длины квадруполя. Во втором режиме ионы двигаются равномерно прямолинейно вдоль оси z и осциллируют в плоскостях XOY с экспоненциально растущей амплитудой. Рост амплитуды колебаний ионов будет наблюдаться при выполнении условий параметрического резонанса - совпадения частоты осцилляций иона в плоскостях XOY с частотой переменного высокочастотного квадрупольного поля. В данном динамическом режиме в результате роста амплитуды колебаний в плоскостях ХOY ионы оседают на поверхности электродов квадруполя. В случае фазовой модуляции спектральный состав колебаний высокочастотного квадрупольного поля определяется параметрами модуляции и включает бесконечное число гармоник (частот), вследствие чего параметрический резонанс наблюдается на всех гармониках. Для фиксированных параметров модуляции параметрическое возбуждение амплитуды будет наблюдаться для ионов в широком диапазоне отношений массы к заряду m/z, за исключением очень узкой полосы пропускания для ионов с частотой осцилляций, лежащей между областями резонанса.

Предлагаемый способ масс-селекции ионов реализуется в два последовательных этапа. На первом этапе ионы из источника ионов (3 на Фиг. 1) проходят префильтрацию в квадруполе 1 (Фиг. 1), на электроды которого подаётся переменное напряжение в виде , где - амплитуда переменного напряжения, - частота переменного напряжения. Электроды квадруполя 1 подключены попарно в противофазе крест-накрест. На данном этапе параметрическое возбуждение амплитуды претерпевают лёгкие ионы, отношение массы к заряду которых удовлетворяет условию , где радиус первого квадруполя (Фиг. 1) [см. March R. E., Todd J. F. Quadrupole ion trap mass spectrometry. - John Wiley & Sons, 2005]. После прохождения квадруполя 1 тяжёлые ионы попадают во второй квадруполь 2.

На втором этапе в квадруполе 2 выполняется сканирование по массам и формирование масс-спектра анализируемого вещества. Для этого на электроды квадруполя 2 подают сумму постоянного напряжения и переменного напряжения с фазовой модуляцией вида , где - постоянное напряжение, амплитуда фаза-модулированного переменного напряжения, коэффициент амплитуды фазовой модуляции, - частота модуляции. При заданных фиксированных параметрах модуляции и , режим колебаний ионов в квадруполе 2 определяется значением безразмерных параметров, характеризующих взаимодействие ионов с постоянным и переменным квадрупольным полем, и соответственно. Уравнения движения ионов в плоскости XOY в квадруполе 2 примут вид

где приняты обозначения , . Ввиду линейности уравнений движения режим колебаний ионов инвариантен к условиям инжекции (начальным скоростям и координатам ионов в плоскости XOY). Таким образом, режим колебаний ионов характеризуется только значением параметров и для заданных параметров модуляции и . Зависимость режима колебаний ионов от значения параметров и отображается на диаграмме устойчивости, представленной на Фиг. 2. Области параметров и , при которых условия параметрического резонанса не наблюдаются, формируют зоны стабильности на диаграмме устойчивости. Поскольку уравнения движения не имеют аналитического решения, построение диаграммы устойчивости в пространстве параметров и осуществляется на основании численного решения задачи Коши для уравнений движения ионов в плоскости XOY при фиксированных параметрах модуляции и значений и в диапазонах и , характерных для тандемных линейных квадрупольных масс-спектрометров (см. March R. E., Todd J. F. Quadrupole ion trap mass spectrometry. - John Wiley & Sons, 2005).

Результаты численного моделирования показали, что при отклонении частоты модуляции, не превышающей 20% от частоты воздействия на ионы, на диаграмме устойчивости формируется узкая полоса вдоль границ зоны стабильности, соответствующая узкой полосе пропускания для ионов, частота которых лежит между областями резонансов. В качестве примера, диаграмма устойчивости для случая фазовой модуляции при значении частоты модуляции и амплитудного параметра показана на Фиг. 2. Отношение или соответствующее ему отношение величины напряжения формирующего постоянное поле второго квадруполя к амплитуде переменного напряжения при прочих фиксированных параметрах определяет линию сканирования - прямую в плоскости параметров диаграммы стабильности, исходящую из точки (0,0) с коэффициентом наклона пропорциональному (линии сканирования показаны на Фиг. 2, увеличенный фрагмент). Разрешающая способность характеризуется шириной диапазона параметров в пересечении с линией сканирования, при которых будут наблюдаться колебания ионов в плоскостях XY, ограниченные радиусом квадруполя , при заданном отношении . При , лежащем в диапазоне от 0,157 до 0,176, линия сканирования пересекает зону стабильности только в узком диапазоне, соответствующем параметру (₁ и ₂ на Фиг. 2) и пику чувствительности для иона с отношением массы к заряду . Сканирование по массам и формирование масс-спектра осуществляется варьированием частоты . Для осуществления линейной по массам развертки, частоту необходимо изменять по обратному квадратичному закону. Так, при значении В, В, мм, для сканирования диапазона от 10 до 1200 а.е.м., необходимо уменьшать частоту в диапазоне от 10,75 МГц до 0.982 МГц. При этом динамика ионов слабо чувствительна к девиациям параметров напряжения питания электродов (напряжения формирующего постоянное поле второго квадруполя и амплитуде переменного напряжения и соответственно, а также частоте переменного напряжения и частоте модуляции), поскольку ширина диапазона параметров и в пересечении с линией сканирования по порядку величины не будет зависеть от малых отклонений угла наклона линии сканирования. Ширина полосы пропускания достигает при прочих фиксированных параметрах, что обусловливает увеличение предельной теоретической разрешающей способности масс-спектрометра до .

Таким образом, предложенный способ позволяет достичь технического результата, заключающегося в ограничении ширины линии спектра масс ионов при использовании фазовой модуляции питания электродов. Увеличение предельной теоретической разрешающей способности масс-спектрометра при использовании фазовой модуляции питания электродов позволяет применять предложенный способ для масс-анализа изотопов с большим значением массовых чисел.

Изобретение относится к области тандемной квадрупольной масс-спектрометрии и может быть использовано для масс-анализа изотопов с большим значением массовых чисел. Технический результат – ограничение ширины полосы пропускания ионов. Способ масс-селекции ионов в тандемных линейных квадрупольных масс-спектрометрах заключается в последовательном воздействии переменными высокочастотными квадрупольными полями в плоскостях ХОУ на движущиеся ортогонально этим плоскостям ионы с их префильтрацией при прохождении первого квадруполя и их регистрацией по выходу из второго квадруполя. Переменное высокочастотное поле второго квадруполя генерируют с фазовой модуляцией типа , где – коэффициент амплитуды фазовой модуляции, – частота переменного напряжения, – частота модуляции, при отклонении частоты модуляции, не превышающей 20% частоты воздействия на ионы. Величина напряжения формирующего постоянное поле второго квадруполя лежит в диапазоне от 0,157 до 0,176 от амплитуды переменного напряжения. 2 ил.

Способ масс-селекции ионов в тандемных линейных квадрупольных масс-спектрометрах, заключающийся в последовательном воздействии переменными высокочастотными квадрупольными полями в плоскостях ХОУ на движущиеся ортогонально этим плоскостям ионы с их префильтрацией при прохождении первого квадруполя и их регистрацией по выходу из второго квадруполя, при этом переменное высокочастотное поле второго квадруполя реализовано совместно с постоянным, отличающийся тем, что переменное высокочастотное поле второго квадруполя генерируют с фазовой модуляцией типа , где – коэффициент амплитуды фазовой модуляции, – частота переменного напряжения, – частота модуляции, при отклонении частоты модуляции, не превышающей 20% частоты воздействия на ионы, величина напряжения формирующего постоянное поле второго квадруполя лежит в диапазоне от 0,157 до 0,176 от амплитуды переменного напряжения.