Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2618212:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)
Изобретение относится к области масс-спектрометрии и направлено на совершенствование методов и устройств масс-разделения по времени пролета в линейных высокочастотных полях. Технический результат - повышение разрешающей способности и решение проблемы конструктивного совмещения устройств ввода и вывода радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов. Для достижения результата предлагается минимизировать начальные координаты ионов по оси X и вводить ионы в анализатор с начальными скоростями по оси Z, обратно пропорциональными массам ионов. Способ реализуется в электродной системе с планарными дискретными электродами и заземленным электродом, в котором вдоль оси Z, симметрично относительно его середины, прорезаны две узкие щели для ввода и вывода ионов. Начальные скорости выбирают так, чтобы за время возвратного дрейфа по оси Y ионы по оси Z проходили расстояние, равное расстоянию между центрами щелей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области масс-спектрометрии и направлено на совершенствование методов и устройств масс-разделения ионов по времени пролета в линейных высокочастотных (ВЧ) электрических полях. В известных прототипах с планарными электродами с дискретно-линейными распределениями по оси Y ВЧ потенциалов ввод и вывод ионов осуществляется через апертуры в заземленном электроде, расположенные симметрично относительно оси Z на одинаковом расстоянии хщ<xa/2 от нее [1, 2], и на ионы с начальными координатами x0, y0=0, z0 и начальными скоростями ν0x≈0, ν0y>0, ν0z воздействует полем с линейными распределениями по осям X и Y высокочастотного потенциала масс-анализатора с размерами 2xa, ya, 2za по осям X, Y, Z, под действием которого ионы за время tA, пропорциональное массе ионов m, совершают возвратный по оси Y дрейф до конечной координаты yk=0. При этом начальные x0 и конечные xк координаты ионов определяются расстоянием апертур от оси Z x0=-xк≈хщ. При ненулевых начальных координатах ионов в радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах возникает ряд проблем:
- из-за малых расстояний между входной и выходной апертурами конструктивно сложно совместить устройства ввода и вывода ионов;
- увеличиваются размеры анализатора по оси X;
- снижается разрешающая способность радиочастотного времяпролетного масс-анализатора из-за влияния на время дрейфа ВЧ составляющих колебаний ионов.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в улучшении аналитических параметров и усовершенствовании конструкции времяпролетных масс-анализаторов ионов с линейными ВЧ электрическими полями. За прототипы приняты времяпролетные масс-анализаторы ионов с планарными дискретными электродами [1, 2]. Предлагаемый способ состоит в том, что в пространство дрейфа масс-анализатора ионы вводятся по оси X с малыми координатами x0≈0, по оси Z с координатами -la-lb≤z0≤-lb, где la - размер по оси Z входной и выходной апертур, 2lb - расстояние между ними, и начальными скоростями ν0z, обратно пропорциональными массам ионов m, причем за время дрейфа tA конечные координаты ионов по осям X и Z принимают значения хк=-x0≈0, zк=-z0, совпадающие с координатами выходной апертуры анализатора.
Способ основан на независимости периода секулярных колебаний заряженных частиц в двумерных линейных электрических полях от начальных координат x0, z0 и скоростей ν0x, ν0z по осям X и Y [3].
где , 2xa, ya - размеры по осям X и Y масс-анализатора с планарными дискретными электродами, ω и V - частота и амплитуда ВЧ питающих напряжений U1=-U2=Vcosωt, e и m - заряд и масса ионов. В [3] показано, что расфокусировка времени возвратного дрейфа tA=T/2 из-за ВЧ составляющих колебаний ионов пропорциональна их начальным координатам x0:
где q=4eV/r02ω2m - параметр Матье.
Из (3) следует, что для увеличения разрешающей способности R=tA/Δt необходимо минимизировать начальные координаты x0 ионов. Это достигается при совмещении входной апертуры с осью Z. В этом случае начальные координаты будут лежать в диапазоне -d/2<x0<d/2, где d<<xa - ширина входной апертуры анализатора. Так как при возвратном дрейфе координаты ионов по оси X изменяют только знак хк=-x0, в случае x0≈0 выходная апертура как и входная должна лежать на оси Z.
Для полного пропускания ионов через анализатор необходимо выполнить условие zк=-z0, где zк - конечная координата ионов по оси Z при возвратном дрейфе. Из этого следует, что координата z ионов за время tA изменится на величину 2la=tAν0z. С учетом (1) условие выполняется для ионов с начальными скоростями:
Длина la входной и выходной апертур при заданных размерах анализатора xa и za ограничивается краевыми искажениями поля на границах z=±za электродной системы:
Устройство для времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле состоит из 2-х планарных в плоскостях x=±xa, с размерами ya, 2za по осям Y и Z, с дискретно-линейными, противофазными по оси Y, распределениями высокочастотных потенциалов, электродов и планарного в плоскости y=0 заземленного электрода с размерами 2ха, 2za по осям X и Z. Предлагаемое устройство отличается тем, что входная и выходная апертуры (щели) шириной d<<xa, длиной la<za-2xa, с расстоянием между щелями 2lb прорезаны в заземленном электроде вдоль оси Z симметрично относительно начала координат. Входная щель используется для ввода ионов от источника в анализатор, выходная для вывода ионов из анализатора на детектор. Размеры электродов xa, za и щелей la, lb, d выбираются с учетом параметров источников и детекторов ионов при выполнении условия (4).
Предлагаемый способ и устройство позволяют улучшить конструкцию и уменьшить размеры электродной системы времяпролетных масс-анализаторов ионов с радиочастотными линейными электрическими полями, повысить их разрешающую способность и чувствительность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мамонтов Е.В., Филиппов И.В. Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления. Патент РФ №2327245. 2006.
2. Мамонтов Е.В., Гуров B.C., Дягилев А.А. Способ масс-разделения ионов по времени пролета и устройство для его осуществления. Патент РФ №2398308. 2009.
3. Мамонтов Е.В., Гуров B.C. Радиочастотные времяпролетные масс-анализаторы ионов. Москва, Горячая линия - Телеком 2012. 98 с.
4. Мамонтов Е.В. Способ образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля и устройство для его осуществления. Патент РФ №2497226, 2012 г.
Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле и устройство для его осуществления
Фиг. 1. Схема радиочастотного времяпролетного масс-анализатора ионов с планарными дискретными электродами 1 - планарные дискретные электроды, 2 - планарный заземленный электрод, 3, 4 - входная и выходная апертуры, 5 - источник ионов, 6 - детектор, 7 - генератор высокой частоты, 8 - траектории ионов
1. Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном поле, заключающийся в воздействии на ионы с начальными координатами x0, y0=0, z0 и начальными скоростями ν0x≈0, ν0y>0, ν0z полем с линейными распределениями по осям X и Y высокочастотного потенциала масс-анализатора с размерами 2ха, уа, 2zа по осям X, Y, Z, под действием которого ионы за время tA, пропорциональное массе ионов m, совершают возвратный по оси Y дрейф до конечной координаты yk=0, отличающийся тем, что в пространство дрейфа масс-анализатора ионы вводятся по оси X с малыми координатами х0≈0, по оси Z с координатами -la-lb≤z0≤-lb, где la - размер по оси Z входной и выходной апертур, 2lb - расстояние между ними, и начальными скоростями ν0z, обратно пропорциональными массам ионов m, причем за время дрейфа tA конечные координаты ионов по осям X и Z принимают значения хк=-х0≈0, zк=-z0, совпадающие с координатами выходной апертуры анализатора.
2. Устройство для времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле, состоящее из планарных электродов, одного в плоскости у=0 с размерами 2ха, 2za по осям X и Z заземленного и двух в плоскостях х=±ха с размерами yа, 2za по осям Y, Z, с дискретно-линейными, противофазными по оси Y, распределениями высокочастотных потенциалов, отличающееся тем, что входную и выходную апертуры шириной d<<ха, длиной la<za-2ха, расстоянием между ними 2lb располагают в заземленном электроде на оси Z симметрично относительно начала координат, причем через входную апертуру ионы вводят в пространство дрейфа анализатора с линейным высокочастотным электрическим полем, а через выходную апертуру ионы выводятся на детектор.