Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье



Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье
Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье
Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье
Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье
Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье
Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье
Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье
Способ и устройство разделения ионов по удельному заряду с преобразованием фурье

 


Владельцы патента RU 2557009:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области масс-анализа вещества высокого разрешения и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик масс-спектрометрических приборов с преобразованием Фурье. Способ состоит в создании периодических колебаний ионов по осям X и Y под действием комбинации линейного высокочастотного и однородного статического электрических полей в полупространстве x>0. В этом случае плоскость x=0 может быть по радиочастоте заземлена и на ней возможно измерение с высоким отношением сигнал/помеха наведенных от колебаний ионов токов. Такой режим колебаний ионов реализуется в устройстве, представляющем собой линейную ионную ловушку из заземленного по радиочастоте и с постоянным положительным потенциалом электрода 1 в плоскости x=0, электрода 2 в плоскости x=xа с дискретно-линейным распределением высокочастотного потенциала и в плоскостях z=0, z=za электродов 3, 4 с положительным в несколько вольт потенциалом. Ввод ионов в ловушку осуществляется через щель в электроде 1. Технический результат - упрощение конструкции и улучшение массогабаритных характеристик масс-спектрометров с преобразованием Фурье. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области масс-анализа вещества высокого разрешения и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик масс-спектрометрических приборов с преобразованием Фурье. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции, улучшении масс-габаритных и коммерческих параметров масс-спектрометров с преобразованием Фурье. Известными приборами такого типа являются масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса (FT-ICR) [1] и и электростатические ионные ловушки «Orbitrap» [2]. Масс-спектрометрия FT-ICR и Orbitrap благодаря высокому разрешению и точности определения масс является одним из наиболее быстро развивающихся методов анализа химических и биологических веществ. Однако из-за высокой стоимости приборов, а для FT-ICR также стоимости технического обслуживания, возможности широкого применения масс-спектрометров с преобразованием Фурье ограничены. Предлагаемые способ и устройство позволяют создать масс-спектрометры с преобразованием Фурье со всеми достоинствами, присущими данному классу приборов, доступные широкому потребителю.

Предлагаемый способ масс-разделения ионов по удельному заряду z=e/m, где e и m - заряд и масса ионов, состоит в вводе в анализатор с размерами электродной системы xa, 2ya, za по осям X, Y, Z и создании в его рабочей области 0≤x<xa, |y|≤0.25ya, xa≤z<za-xa под действием суперпозиции двух электрических полей - однородного статического и двухмерного линейного высокочастотного (ВЧ). , где и - единичные по осям X и Y вектора, Em, ω, φ - амплитуда, частота и начальная фаза ВЧ поля, режима колебаний ионов по осям X и Y, близким к гармоническим, причем по оси X смещенным на величину xc>xm

где xm<xa/2, ym<0.25ya, φx, φy - начальные фазы, зависящие от начальных параметров ионов и ВЧ поля, Ω - секулярная частота колебаний, пропорциональная удельному заряду ионов. Спектр масс ионов, соответствующий спектру частот Ω их колебаний по оси X, находится путем преобразования Фурье, наведенного на заземленной по ВЧ поверхности, расположенной в плоскости x=0.

Известно [3], что близкие к гармоническим по осям X и Y колебания ионов

могут совершаться в двухмерном линейном ВЧ поле квадрупольного анализатора. Но так как на всех электродах квадрупольного анализатора действуют ВЧ потенциалы высокого уровня, выделение наведенных на них от малого количества ионов токов с высоким отношением сигнал/помеха практически невозможно. В предлагаемом способе на двухмерное линейное ВЧ электрическое поле накладывается однородное статическое электрическое поле , которое смещает колебания ионов по оси X, происходящие под действием ВЧ поля, на величину

где Un - псевдопотенциал линейного ВЧ электрического поля [4], r0 - геометрический параметр квадрупольного анализатора.

Если с помощью статического однородного поля величину смещения установить больше амплитуды xc>xm, тогда колебания ионов под действием ВЧ поля будут происходить в полупространстве х>0 (Фиг.1).

Полю соответствует пространственное распределение ВЧ потенциала в плоскости XOY

Из (4) следует, что на границе x=0 полупространства x≥0 ВЧ потенциал φ(0, y)=0. С учетом этого для преобразования колебаний ионов по оси X в наведенные токи в плоскости x=0 установлен заземленный по ВЧ электрод 1 (Фиг.1). Так как ВЧ потенциал электрода 1 равен нулю, упрощается задача разделения наведенных колебаниями ионов с частотами Ω=βω/2 токов (параметр β<0.63) и помехи от ВЧ поля с частотой ω. Ввод ионов в рабочий объем анализатора происходит от внешнего источника, формирующего в плоскости x=0 импульсный, длительностью tn<π/2ω пакет ионов с координатами |y|<h/2, 0.2za<z<0.8za, начальными скоростями ν0 и углами влета |α|<90°.

Для вывода ионов на траектории, близкие к эллиптическим, с центром в точке (xc, 0) (Фиг.1), статическое поле, начиная с момента ввода ионов t=0, изменяется по экспоненциальному закону E(t)=E0(1-e-t/τ), где постоянную времени τ выбирают в зависимости от диапазона масс анализируемых ионов. Через время t>3τ после ввода устанавливается режим периодических по осям X и Y колебаний ионов, основными компонентами которых являются гармонические составляющие с частотами Ω, пропорциональными удельным зарядам ионов.

Образование суперпозиции статического однородного и ВЧ двухмерного линейного электрических полей и преобразование колебаний ионов в наведенные токи в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью электродной системы, изображенной на Фиг.2. Устройство с размерами xa, 2ya, za по осям X, Y, X и с рабочим объемом 0≤x<xa, |y|≤0.25ya, xa≤z<za-xa состоит из электродов 4 и 5 в плоскостях x=0 и x=xa прямоугольной формы с координатами вершин (ya, 0), (ya, za), (-ya, za), (-ya, 0), первый из которых сплошной, заземленный по высокой частоте, с щелью высотой h<<ya по оси Y и шириной zщ<za по оси Z, а второй дискретный, составленный из равномерно с шагом Δy<<ya распределенных по оси Y проводящих полосок шириной Δy-s, где s<<Δy - промежуток между соседними полосками, и двух сплошных электродов 6 и 7 в плоскостях z=0 и z=za прямоугольной формы с координатами вершин (0, ya), (xa, ya) (xa, -ya), (0, -ya). На проводящих полосках дискретного электрода 5 устанавливают пропорциональные их номеру i высокочастотные напряжения ui=i·ΔVcos(ωt), где i=-n, …, -1, 0, 1, …, n - номера полосок, 2n+1 - число полосок электрода 5, ΔV=V/n, ω - частота ВЧ напряжения. По постоянному току полоски заземлены. На электроде 4 после процесса ввода ионов устанавливается постоянное напряжения U0, образующее однородное электрическое поле, направленное параллельно оси X, с напряженностью E0=U0/xa. Под действием напряжений ui=i·ΔVcos(ωt), линейно распределенных на полосках дискретного электрода 5, в рабочем объеме образуется двухмерное линейное ВЧ электрическое поле с проекциями напряженности на осях X и Y

В образовавшейся в рабочем объеме суперпозиции электрических полей ионы совершают по осям X и Y периодические колебания, секулярные составляющие которых описываются выражениями (1). По оси Z в рабочей области поле отсутствует и ионы дрейфуют с тепловыми скоростями vTz. Для удержания ионов в рабочем объеме в плоскостях z=0 и z=za установлены электроды 6 и 7 с положительным запирающим потенциалом Uз.

Ввод ионов в рабочий объем анализатора осуществляется через щель 8 в электроде 4 (Фиг.2). Во время ввода ионов, начиная с момента t=0 начала цикла масс-анализа, подают на электрод 4 экспоненциально нарастающее напряжение U=U0(1-e-t/τ), где τ≥2π/ω, под действием которого ускоренные в источнике импульсным пакетом ионы переводятся на периодические, близкие к эллиптическим траекториям 3 (Фиг.1). При достижении однородным полем установившегося значения E0 колебания приобретают периодический характер с центром в точке (xc, 0) и периодом TΩ=2π/Ω, где , , .

Колебания ионов по оси X наводят на электроде 4 токи, основные компоненты которых являются гармоническими функциями с частотами Ω

где N - число ионов с массой m. По наведенным токам после их преобразования в напряжение и усиления вычисляют с помощью процедуры преобразования Фурье спектр масс анализируемых ионов.

Способ и устройство, основанные на образовании суперпозиции статического однородного и радиочастотного двухмерного линейных электрических полей и создании режима периодических колебаний ионов, позволяют существенно улучшить конструктивные, масс-габаритные и коммерческие характеристики масс-спектрометров с преобразованием Фурье.

Литература

1. A.G. Marshall, C.L. Hendrickson and G.S. Jackson, «Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer» // Mass spectrum. Rev. 17, 1998, p.1-35.

2. Makarov A.A. U.S. Patent 5.886.346 1999.

3. E.B. Мамонтов, Д.В. Кирюшин // ЖТФ, 2012, т 82, вып.9, с.63-68.

4. Р.Н Dawson. Quadrapole Mass Spectrometry and its Applications. American Institute of Physics, New York, 1995.

Фиг.1 - Траектории ионов с начальными координатами x0=0, |y0|<h/2, скоростями ν в суперпозиции постоянного однородного и ВЧ двухмерного линейного электрических полей. 1 - заземленная по ВЧ поверхность с щелью 2 для ввода ионов, 3 - траектория ионов.

Фиг.2 - Электродная система для образования суперпозиции постоянного однородного и ВЧ линейного по координатам x и y электрических полей.

1 - заземленный по ВЧ электрод, 2 - дискретный электрод из проводящих полосок, 3, 4 - запирающие электроды, 5 - щель для ввода ионов.

1. Способ разделения ионов по удельному заряду с преобразованием Фурье, заключающийся в создании режима периодических колебаний ионов, вводимых в рабочий объем анализатора с размерами электродной системы xa, ya, za по осям X, Y, Z, измерении наведенных на электродах анализатора токов и вычислении с помощью преобразования Фурье масс-спектров, отличающийся тем, что периодические колебания ионов по осям X и Y создают под воздействием суперпозиции образованных в рабочем объеме анализатора 0≤x<xa, |y|≤0.25ya, xa≤z<za-xa статического однородного по оси X и высокочастотного линейного по осям X и Y электрических полей, причем во время ввода ионов в рабочий объем анализатора напряженность однородного электрического поля увеличивается от 0 до установленного значения по экспоненциальному закону.

2. Устройство для разделения ионов по удельному заряду с преобразованием Фурье, содержащее электродную систему для ввода ионов в рабочий объем 0≤x<xa, |y|≤0.25ya, xa≤z<za-xa анализатора с размерами xa, 2ya, za по осям X, Y, Z и создания в нем режима периодических колебаний ионов, отличающееся тем, что используют электродную систему из электродов 1 и 2 в плоскостях x=0 и x=xa прямоугольной формы с координатами вершин (ya,0), (ya,za), (-ya,za), (-ya,0), первый из которых сплошной, заземленный по высокой частоте, с щелью высотой h<<ya по оси Y и шириной zщ<za по оси Z, а второй дискретный, составленный из равномерно с шагом Δy<<ya распределенных по оси Y проводящих полосок шириной Δy-s, где s<<Δy - промежуток между соседними полосками, и двух сплошных электродов 3 и 4 в плоскостях z=0 и z=za прямоугольной формы с координатами вершин (0,ya), (xa,ya), (xa,-ya), (0,-ya), причем на проводящие полоски электрода 2 подают высокочастотное напряжение ui=Vicosωt, где Vi=i·ΔV, i=-n, …, -1, 0, 1, …, n - номера полосок, 2n+1=2ya/Δy - число полосок электрода 2, ΔV - разность высокочастотных напряжений между соседними полосками, ω - частота высокочастотного напряжения, на электроды 3, 4 подают постоянные положительные напряжения величиной в несколько вольт, а на электрод 1, начиная с момента t=0 начала цикла масс-анализа, подают экспоненциально нарастающее напряжение U=U0(1-e-t/τ), где τ≥2π/ω, затем через щель в электроде 1 в течение интервала 0<t<π/ω в рабочий объем вводят ленточный поток анализируемых ионов шириной zщ и толщиной h и через время t>3τ измеряют наведенные на электроде 1 токи с частотами, обратно пропорциональными массам ионов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для расширения аналитических возможностей масс-анализаторов времяпролетного типа. Технический результат - повышение чувствительности и расширение динамического диапазона времяпролетных масс-спектрометров путем увеличения средних значений токов анализируемых ионов.

Изобретение относится к области анализа заряженных частиц. Масс-спектрометр содержит камеру, инжектор, способный инжектировать в камеру заряженные частицы, и генератор поля.

Изобретение относится к области масс-анализа заряженных частиц в линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения конструкторско-технологических и коммерческих характеристик радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров.

Изобретение относится к области спектрометрии, а точнее к статистическим масс-спектрометрам, и может быть использовано при создании портативных приборов для изучения химического и изотопного состава газообразных жидких и твердых веществ.

Изобретение относится к диагностике поверхности ионными пучками низких энергий (1 - 10 кэВ), в частности к энергомасс-спектрометрии вторичных ионов - интенсивно разрабатываемому в настоящее время методу элементного, фазового и химического анализа поверхности твердых тел.

Изобретение относится к физическому приборостроению, в частности к ;устройствам для анализа ионов и электронов и может быть использовано при анализе поверхностных слоев материала .

Изобретение относится к области пространственно-временной фокусировки и масс-анализа заряженных частиц по времени пролета в двумерных линейных высокочастотных электрических полях и может быть использовано для улучшения аналитических характеристик приборов микроанализа вещества, использующих ионно-оптические системы с планарными дискретными электродами. Технический результат - расширение пространства с линейным электрическим полем радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов в направлении дрейфа ионов без увеличения размеров планарных дискретных электродов. Указанный результат достигается путем замыкания граничной области ионно-оптической системы с помощью двух дополнительных планарных электродов с противофазными потенциалами. 3 ил.
Наверх