Способ масс-анализа ионов в квадрупольных высокочастотных полях с дипольным возбуждением колебаний на границах стабильности

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и коммерческих характеристик приборов микроанализа вещества, использующих свойства траекторий движения ионов в электрических полях. Технический результат - повышение разрешающей способности, усовершенствование систем ВЧ питания, возбуждения и развертки квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов. Способ масс-анализа с резонансным возбуждением колебаний ионов отличается тем, 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.

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и коммерческих характеристик приборов микроанализа вещества, использующих свойства траекторий движения ионов в высокочастотных [ВЧ] квадрупольных электрических полях при наложении на них близких к однородным возбуждающих полей. Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в усовершенствовании системы ВЧ питания, возбуждения и развертки квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов. Известными приборами такого типа являются квадрупольные линейные ионные ловушки с гиперболическими или цилиндрическими электродами с масс-селективным выводом ионов путем дипольного резонансного возбуждения колебаний ионов на секулярных частотах [1-3]. Разрешение и массовый диапазон приборов этого типа ограничен величиной 103. Предлагаемый способ позволяет существенно улучшить аналитические параметры, а также усовершенствовать систему ВЧ питания и развертки масс квадрупольных масс-спектрометров с резонансным выводом ионов.

Способ масс-анализа ионов в квадрупольных высокочастотных полях с дипольным возбуждением колебаний на границах стабильности, заключающийся в воздействии на образованные или введенные в рабочую область квадрупольного анализатора ⎪х⎪<r0, ⎪у⎪<r0, , где r0 - минимальное расстояние электродов от оси Z, L - длина анализатора по оси Z, ионы с начальными координатами х00<<r0, суперпозицией электрических полей: квадрупольного, высокочастотного, сформированного под действием питающих напряжений u1(t)=-u2(t)=Vcos(Ωt+ϕ), где V, Ω, ϕ - амплитуда, частота и начальная фаза высокочастотных напряжений, приложенных к парам, расположенным по осям X и Y, гиперболических (или цилиндрических) электродов, и, близкого к однородному, возбуждающего поля, сформированного под действием возбуждающего напряжения uв(t)=Vвcos(ωвt+ϕв), где , ωв, ϕв - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения, приложенного между парой электродов на оси Y, в процессе которого амплитуды колебаний ионов резонансно нарастают и они через щели в электродах вдоль оси Y выводятся из анализатора на регистрацию, отличающийся тем, что на высокочастотное квадрупольное поле путем добавления к питающим напряжениям u1(t) и u2(t) постоянных составляющих U и -U накладывается статическое квадрупольное поле, а частота возбуждающего поля выбирается из ряда ωв=rΩ+ωS, где r=0, ±1, ±2 …, - секулярная частота со значениями параметра стабильности β=0 или β=1, соответствующими границам a0(q) или b1(q) диаграммы стабильности Матье, причем развертка масс анализатора осуществляется изменением во времени постоянных составляющих U и -U питающих напряжений u1(t) и u2(t) при постоянстве амплитуды V их ВЧ составляющих.

В квадрупольных масс-анализаторах с распределением потенциала вида:

где U - постоянная составляющая питающего напряжения, движение ионов по осям X и Y описывается уравнениями Матье [4]:

где , - параметр Матье, m, e - масса и заряд ионов.

Решениями уравнений (2) являются суммы гармонических функций с частотами:

Частота секулярной составляющей колебаний ионов в зависимости от значения параметра стабильности 0≤β≤1, определяемого параметрами Матье a и q, лежит в пределах 0 - Ω/2. Значения β=0 и β=1 соответствуют границам a0(q) и b1(q) диаграммы стабильности Матье [4]. В известных прототипах квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов используется режим питания без постоянной составляющей (U=0, параметр Матье а=0), а развертка масс осуществляется изменением во времени амплитуды V питающего ВЧ напряжения.

Для резонансного вывода ионов на квадрупольное поле накладывается возбуждающее поле с распределением потенциала по оси Y, близким к линейному:

Процесс возбуждения колебаний наступает при равенстве частот возбуждающего поля и одной из гармоник колебаний ионов ωвr. При этом соотношение спектральных составляющих в возбужденном колебании не зависит от номера r возбуждаемой гармоники.

В решении уравнения (2) для координаты у наибольшую амплитуду имеет составляющая с секулярной частотой , поэтому в прототипах для резонансного вывода используют возбуждение секулярных колебаний ионов и частоту возбуждающего поля выбирают равной частоте секулярных колебаний анализируемых ионов ωвS. В этом случае разрешающая способность квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов возрастает пропорционально , поэтому частоту возбуждающего поля желательно увеличивать [1]. Но росту разрешения препятствует наложение на секулярную составляющую высших гармоник колебаний ионов, в первую очередь соседней гармоники с частотой Ω - ωS и амплитудой, пропорциональной ~ωS. Поэтому частоту возбуждающего поля ограничивают величиной .

В предлагаемом способе к ВЧ питающим напряжениям добавляются медленно изменяющиеся в процессе развертки масс напряжения U(t) и -U(t), под действием которых параметр β изменяется, и в момент резонансного возбуждения принимает значение 0 или 1, соответствующее одной из границ a0(q) или b1(q) диаграммы стабильности Матье. При этом частота возбуждающего поля оказывается кратной частоте квадрупольного ВЧ поля Ω или ее половине :

- на границе стабильности a0(q), где параметр стабильности и секулярная частота, соответственно, равны β=0, ωS=0, частота возбуждающего поля выбирается из ряда 0, Ω, 2Ω., …

- на границе стабильности b1(q), где β=1, , частота возбуждающего поля выбирается из ряда , , , …

Амплитуды гармонических составляющих колебаний ионов с ростом их номера r быстро убывают, поэтому эффективно для возбуждения могут использоваться только частоты ωв=0,Ω при β=0 и при β=1. Более перспективным для расширения аналитических возможностей и усовершенствования систем питания и развертки квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов является режим возбуждения колебаний ионов на границе стабильности а0(q) под действием постоянного однородного поля.

Развертка масс анализаторов с резонансным возбуждением колебаний ионов на границах диаграммы Матье осуществляется сканированием параметра стабильности от начального значения β0 до конечного значения β=0 под действием изменяющихся во времени постоянных составляющих U(t) и -U(t) питающих напряжений. При достижении параметром стабильности ионов анализируемой массы значения β=0 выполняется равенство частот ωвS и наступает резонанс, в процессе которого координата колебаний неограниченно нарастают и ионы через щели в электродах выводятся из анализатора на регистрацию.

Возбуждение колебаний ионов на границах стабильности по сравнению со случаем имеет ряд преимуществ:

- увеличивается скорость нарастания амплитуды вынужденных колебаний ионов, изменяющейся на границах стабильности пропорционально t2;

- снижается влияние на возбуждаемые колебания побочных гармоник, так как их частоты оказываются кратными частоте возбуждающего поля ωr=rωв;

- снижается влияние разброса начальных координат у0 и скоростей υ0y ионов на разрешающую способность масс-анализатора, так как на границах стабильности амплитуды колебаний, обусловленных параметрами у0 и υ, нарастают пропорционально t, а амплитуды возбуждаемых колебаний пропорционально t2;

- на границе стабильности a0(q) возбуждаемые колебания ионов имеют однополярный характер;

- развертка масс анализатора происходит медленным изменением постоянных составляющих при неизменных амплитудах и частотах ВЧ составляющих питающих напряжений.

Перечисленные свойства режима возбуждения колебаний ионов на границах диаграммы стабильности Матье позволяют повысить разрешающую способность, расширить массовый диапазон и усовершенствовать систему ВЧ питания и развертки масс квадрупольных масс-спектрометров с резонансным выводом ионов и могут быть использованы при создании более совершенных приборов микроанализа вещества различного применения

Литература

1. D.J. Douglas, N.V. Konenkov. Mass selectivity of dipolar resonant excitation in linear quadrupole ion trap // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2014. V. 28. P. 430-438

2. Collings B.A., Stott W.R., Londry F.A. Resonant excitation in low-pressure linear ion trap // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2003. Vol. 14. P. 522-534

3. S.M. Willams, K.W.M. Sin, F.A. Londry, V.I. Baranov Resonant excitation by linear ion trap simulations. J. Am. Soc. Mass spectrum. 2007 Vol. 18. P. 578

4. Мак-Лахлан H.B. Теория и приложения функций Матье. М.: Иностранная литература. 1953. 474.

Способ масс-анализа ионов в квадрупольных высокочастотных полях с дипольным возбуждением колебаний на границах стабильности, заключающийся в воздействии на образованные или введенные в рабочую область квадрупольного анализатора |х|<r0, |у|<r0, , где r0 - минимальное расстояние электродов от оси Z, L - длина анализатора по оси Z, ионы с начальными координатами х0, y0<<r0, суперпозицией электрических полей: квадрупольного, высокочастотного, сформированного под действием питающих напряжений u1(t)=-u2(t)=Vcos(Ωt+ϕ), где V, Ω, ϕ - амплитуда, частота и начальная фаза высокочастотных напряжений, приложенных к парам, расположенным по осям Х и Y, гиперболических (или цилиндрических) электродов и близкого к однородному возбуждающего поля, сформированного под действием возбуждающего напряжения uв(t)=Vвcos(ωвt+ϕв), где , ωв, ϕв - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения, приложенного между парой электродов на оси Y, в процессе которого амплитуды колебаний ионов резонансно нарастают и они через щели в электродах вдоль оси Y выводятся из анализатора на регистрацию, отличающийся тем, что на высокочастотное квадрупольное поле путем добавления к питающим напряжениям u1(t) и u2(t) постоянных составляющих U и -U накладывается статическое квадрупольное поле, а частота возбуждающего поля выбирается из ряда ωв=rΩ+ωS, где r=0, ±1, ±2…, - секулярная частота со значениями параметра стабильности β=0 или β=1, соответствующими границам a0(q) или b1(q) диаграммы стабильности Матье, причем развертка масс-анализатора осуществляется изменением во времени постоянных составляющих U и -U питающих напряжений u1(t) и u2(t) при постоянстве амплитуды V их ВЧ составляющих.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области масс-спектрометрического анализа вещества и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением ионов.

Изобретение относится к области масс-спектрометрического анализа вещества и может быть использовано для улучшения конструктивных и коммерческих параметров ионных ловушек с дипольным возбуждением ионов.

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.

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.

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 технике электродуговой сварки в установках с контролируемой атмосферой, содержащих защитный газ-аргон. Способ контроля содержания азота в установках электродуговой сварки изделий из титановых сплавов в контролируемой атмосфере аргона, отличающийся тем, что концентрация азота определяется по формуле: CN2=CO2×3, где CN2 - содержание азота в атмосфере аргона в установке, % об.; CO2 - содержание кислорода в атмосфере аргона в установке, % об.; 3 - нормирующий коэффициент.

Изобретение относится к оценке безопасности пищевой продукции, а именно к методу количественного определения содержания окадаиковой кислоты (диарейного токсина моллюсков) в морепродуктах методом ВЭЖХ-МС с использованием жидкостного хроматографа Agilent 1200 HPLC System и масс-спектрометра высокого разрешения Thermo Scientific Orbitrap Elite.

Изобретение относится к области спектрометрии и может быть использовано для анализа аэрозолей. Предложены портативное спектрометрическое устройство (1) подвижности ионов для обнаружения аэрозоля и способ использования устройства.

Изобретение относится к области спектрометрии и может быть использовано для анализа аэрозолей. Предложены портативное спектрометрическое устройство (1) подвижности ионов для обнаружения аэрозоля и способ использования устройства.

Группа изобретений относится в целом к радиочастотным (RF) генераторам, а более конкретно - к цепям радиочастотного генератора, в которых используется катушка индуктивности.

Изобретение относится к области спектрометрии. Описываются системы и способы для очистки коронирующего острия.

Изобретение относится к области спектрометрии. Парогенератор для устройства обнаружения содержит источник пара, присоединенный посредством проточного канала и предназначенный для подачи пара через средство блокировки к выпускному отверстию для подачи пара в устройство обнаружения.

Группа изобретений относится к пробоотборникам, используемым в спектрометрических системах. Устройство для создания потока текучей среды к порту приема пробы с использованием порта отбора, содержащее порт приема пробы, порт отбора, впускной узел для приема пробоотборника, шторный порт.

Использование: для сбора информации о присутствии или отсутствии интересующего материала в среде, и связывание присутствия или отсутствия интересующего материала с дополнительными данными, относящимися к упомянутой среде.

Изобретение относится к спектрометрии на основе анализа подвижности ионов и может быть использовано для распознавания веществ. Детектор проб устройства для спектрометрии подвижности ионов содержит корпус, имеющий впускное отверстие, предназначенное для введения текучей среды, например воздушного потока, из окружающей среды.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и коммерческих характеристик приборов микроанализа вещества, использующих свойства траекторий движения ионов в электрических полях. Технический результат - повышение разрешающей способности, усовершенствование систем ВЧ питания, возбуждения и развертки квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов. Способ масс-анализа с резонансным возбуждением колебаний ионов отличается тем, 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.

Наверх