Устройство масс-анализа ионов с квадрупольными полями с возбуждением колебаний на границе устойчивости

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для совершенствования аналитических, эксплуатационных и коммерческих характеристик приборов микроанализа вещества, использующих движение ионов в квадрупольных высокочастотных электрических полях. Технический результат - повышение разрешающей способности и чувствительности квадрупольных масс-анализаторов. Устройство содержит ионно-оптическую систему из планарных электродов с дискретно-линейными распределениями на них суперпозиций квадрупольных ВЧ и квазистатических и однородных статических потенциалов. В процессе развертки масс изменением постоянной составляющей квадрупольного поля под действием однородного статического поля происходит возбуждение на границе устойчивости однополярных колебаний ионов. При этом ионы поочередно, в порядке убывания их массы выводятся из анализатора на регистрацию. 1 ил.

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для совершенствования аналитических, эксплуатационных и коммерческих характеристик приборов микроанализа вещества, использующих движение ионов в квадрупольных высокочастотных ВЧ электрических полях. Техническая задача изобретения состоит в усовершенствовании конструкции ионно-оптической системы (ИОС) квадрупольных масс-анализаторов с возбуждением колебаний ионов и повышении их разрешающей способности и чувствительности. Известными приборами этого типа являются линейные ионные ловушки или с квадрупольными анализаторами [1], или с планарными дискретными электродами [2, 3] с дипольным возбуждением колебаний ионов. Их аналитические возможности ограничены сложной структурой функции возбуждения и низкой скоростью ее нарастания в процессе возбуждения колебаний [4].

Предлагаемое устройство, реализуемое с помощью ИОС с планарными дискретными электродами в полупространстве у≥0, позволяет усовершенствовать аналитические, конструктивные и эксплуатационные параметры масс-спектрометров этого класса.

В известных квадрупольных масс-анализаторах с резонансным возбуждением колебаний ионов ИОС состоят из 4-х гиперболических [1] или из 2-х планарных дискретных [2] электродов. Они образуют суперпозиции квадрупольных ВЧ и однородных гармонических электрических полей в двухполярной рабочей области -у_а≤у≤у_а в плоскости X0Y, где у_а - размер ИОС по оси возбуждения Y. Для возбуждения колебаний в этих случаях используется однородное гармоническое поле и ионы в процессе масс-анализа совершают в рабочей области анализатора двухполярные колебания [1, 2].

В предлагаемом устройстве резонансное возбуждение колебаний ионов в квадрупольных ВЧ полях происходит под действием суперпозиции квазистатических квадрупольных и статических однородных полей, при этом колебания по оси возбуждения Y оказываются однополярными y(t)>0 [5]. Поэтому рабочая область анализатора по оси Y также может быть монополярной.

Предлагаемое устройство масс-анализа ионов, содержащее ионно-оптическую систему для образования в плоскости X0Y суперпозиции квадрупольных и однородных электрических полей и возбуждения в них резонансных колебаний отличается тем, что его ИОС с размерами 2х_а, у_а и 2z_a по осям X, Y, Z монополярная, расположена в полупространстве у≥0 и состоит из 2-х в плоскостях х=±х_а, с размерами у_а>>х_а, 2z_a>>х_а по осям Y, Z, дискретных с шагом Δу_а<<у_а по оси Y электродов (I) и (II) с дискретно-линейным по оси Y распределениями ВЧ, квазистатических и статических потенциалов u_(I)i=ΔU_y(t)i+ΔV_yicosωt+ΔU_вi, u_(II)i=-ΔU_y(t)i-ΔV_yicosωt+ΔU_вi, где i=1, 2, 3, …, n - номер дискретных элементов электродов, n=y_a/Δy, ΔU_y(t)=U(t)/n, U(t)=Ut/T - квазистатический (медленно изменяющийся при развертке масс) потенциал, Т - длительность развертки масс, ΔU_в=U_в/n, U_в - потенциал однородного возбуждающего поля, одного в плоскости y=0, с размерами 2х_а, 2z_a по осям X, Y, заземленного электрода (IV), и одного в плоскости у=у_а с размерами 2х_а, 2z_a по осям X и Z, дискретного с шагом Δх<<х_а по оси X электрода (III) с суперпозицией дискретно-линейных распределений высокочастотного и квазистатического потенциалов и статического возбуждающего потенциала u_(III)j=ΔU_x(t)j+ΔV_xjcosωt+ΔU_в, где j=-m, …, - 2, - 1, 0, 1, 2, …, m - номер дискретного элемента электрода, m=х_а/Δх, ΔU_x(t)=U(t)/m, ΔV_x=V/m. Для вывода ионов из анализатора на регистрацию электрод (III) выполняется полупрозрачным.

Схема ИОС предлагаемого устройства приведена на Фиг. 1. Ионно-оптическая система в плоскости X0Y замкнутая, поэтому точность распределения суперпозиции электрических полей в ней зависит только от шага дискретности электродов I, II, III. При оптимизации режимов резонансного возбуждения ионов размеры рабочей области анализатора х_а и у_а, и их соотношения, могут выбираться в широких пределах.

Питание анализатора осуществляется ВЧ напряжением с постоянными параметрами V и ω, что обеспечивает их высокую точность установки и стабильность. Монополярная схема ИОС возбуждает колебания ионов в одном направлении оси Y, что в 2 раза увеличивает чувствительность анализатора.

Таким образом предлагаемое решение позволяет усовершенствовать конструкцию ИОС масс-анализаторов с резонансным возбуждением ионов, осуществлять оптимизацию ее параметров, повысить аналитические и эксплуатационные характеристики масс-спектрометров такого типа, а также повысить эффективность систем их ВЧ питания и развертки.

Литература

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

2. E.В. Мамонтов. Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RU 2634614, 11.02.2017. Заявка №2016149722 от 16.12.2016.

3. Е.В. Мамонтов. Способ образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля и устройство для его осуществления. Патент РФ №2497226, 2012 г.

4. Мамонтов Е.В., Судаков М.Ю., Дятлов Р.Н. Свободные и вынужденные колебания заряженных частиц в инерционно-нестационарных быстроосциллирующих квадрупольных электрических полях. Радиотехника и электроника. 2020, том 65, №2, с. 197-202.

5. Е.В. Мамонтов. Способ масс-анализа ионов в квадрупольных полях с возбуждением колебаний на границы устойчивости. Заявка на патент, 2020 г.

Устройство масс-анализа ионов, содержащее ионно-оптическую систему для образования в плоскости X0Y суперпозиций квадрупольных и однородных электрических полей и возбуждения в них резонансных колебаний, отличается тем, что его монополярная ионно-оптическая система с размерами 2х_а, у_а и z_a по осям X, Y и Z расположена в полупространстве у≥0 и состоит из двух в плоскостях х=±х_а, с размерами у_а>>х_а, 2z_a>>х_а по осям Y, Z, дискретных с шагом Δу_а<<у_а по оси Y, электродов (I) и (II) с дискретно-линейными по оси Y распределениями высокочастотных, квазистатических и статических потенциалов u_(I)i=ΔU_y(t)i+ΔV_yicosωt+ΔU_вi, u_(II)i=-ΔU_y(t)i-ΔV_yicosωt+ΔU_вi, где i=1, 2, 3, …, n - номер дискретного элемента электрода, n=у_а/Δу, ΔU_y(t)=U(t)/n, U(t)=Ut/T - квазистатический (медленно изменяющийся при развертке масс) потенциал, T - длительность развертки масс, ΔU_в=U_в/n, U_в - потенциал возбуждающего однородного поля, одного в плоскости у=0, с размерами 2х_а, 2z_a по осям X, Z, заземленного электрода (IV), и одного в плоскости у=у_а, с размерами 2х_а, 2z_a по осям X, Z, дискретного с шагом Δх<<х_а по оси X, электрода (III) с суперпозицией дискретно-линейных распределений высокочастотного и квазистатического потенциалов и статического возбуждающего потенциала u_(III)j=ΔU_x(t)j+ΔV_xjcosωt+ΔU_в, где j = -m, …, - 2, - 1, 0, 1, 2, …, m - номер дискретного элемента электрода, m=х_а/Δх, ΔU_x(t)=U(t)/m, ΔV_x=V/m, причем для вывода ионов из анализатора на регистрацию электрод (III) выполняется полупрозрачным.