Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле и устройство для его осуществления

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 х_щ<x_a/2 от нее [1, 2], и на ионы с начальными координатами x₀, y₀=0, z₀ и начальными скоростями ν_0x≈0, ν_0y>0, ν_0z воздействует полем с линейными распределениями по осям X и Y высокочастотного потенциала масс-анализатора с размерами 2x_a, y_a, 2z_a по осям X, Y, Z, под действием которого ионы за время t_A, пропорциональное массе ионов m, совершают возвратный по оси Y дрейф до конечной координаты y_k=0. При этом начальные x₀ и конечные x_к координаты ионов определяются расстоянием апертур от оси Z x₀=-x_к≈х_щ. 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 -l_a-l_b≤z₀≤-l_b, где l_a - размер по оси Z входной и выходной апертур, 2l_b - расстояние между ними, и начальными скоростями ν_0z, обратно пропорциональными массам ионов m, причем за время дрейфа t_A конечные координаты ионов по осям X и Z принимают значения х_к=-x₀≈0, z_к=-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 ν_0x, ν_0z по осям X и Y [3].

где , 2x_a, y_a - 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 t_A=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=t_A/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<<x_a - 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 z_к=-z₀, где z_к - конечная координата ионов по оси Z при возвратном дрейфе. Из этого следует, что координата z ионов за время t_A изменится на величину 2l_a=t_Aν_0z. С учетом (1) условие выполняется для ионов с начальными скоростями:

Длина l_a входной и выходной апертур при заданных размерах анализатора x_a и z_a ограничивается краевыми искажениями поля на границах z=±z_a электродной системы:

Устройство для времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле состоит из 2-х планарных в плоскостях x=±x_a, с размерами y_a, 2z_a 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 2х_а, 2z_a по осям X и Z. Предлагаемое устройство отличается тем, что входная и выходная апертуры (щели) шириной d<<x_a, длиной l_a<z_a-2x_a, с расстоянием между щелями 2l_b 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 x_a, z_a и щелей l_a, l_b, 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 ν_0x≈0, ν_0y>0, ν_0z полем с линейными распределениями по осям X и Y высокочастотного потенциала масс-анализатора с размерами 2х_а, у_а, 2z_а по осям X, Y, Z, под действием которого ионы за время t_A, пропорциональное массе ионов m, совершают возвратный по оси Y дрейф до конечной координаты y_k=0, отличающийся тем, что в пространство дрейфа масс-анализатора ионы вводятся по оси X с малыми координатами х₀≈0, по оси Z с координатами -l_a-l_b≤z₀≤-l_b, где l_a - размер по оси Z входной и выходной апертур, 2l_b - расстояние между ними, и начальными скоростями ν_0z, обратно пропорциональными массам ионов m, причем за время дрейфа t_A конечные координаты ионов по осям X и Z принимают значения х_к=-х₀≈0, z_к=-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 2х_а, 2z_a по осям X и Z заземленного и двух в плоскостях х=±х_а с размерами y_а, 2z_a по осям Y, Z, с дискретно-линейными, противофазными по оси Y, распределениями высокочастотных потенциалов, отличающееся тем, что входную и выходную апертуры шириной d<<х_а, длиной l_a<z_a-2х_а, расстоянием между ними 2l_b 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.