Спосіб і пристрій поділу іонів по питомій заряду з перетворенням фур'є

 

Винахід відноситься до галузі мас-аналізу речовини високого дозволу і може бути використано для поліпшення аналітичних та комерційних характеристик мас-спектрометричних приладів з перетворенням Фур'є. Технічне завдання пропонованого винаходу полягає в удосконаленні конструкції, поліпшення мас-габаритних і комерційних параметрів мас-спектрометрів з перетворенням Фур'є. Відомими приладами такого типу є мас-спектрометри іонно-циклотронного резонансу (FT-ICR) [1] та і електростатичні іонні пастки «Orbitrap» [2]. Мас-спектрометрія FT-ICR і Orbitrap завдяки високій роздільній здатності і точності визначення мас є одним з найбільш швидко розвиваються методів аналізу хімічних і біологічних речовин. Однак через високу вартість приладів, а для FT-ICR також вартості технічного обслуговування, можливості широкого застосування мас-спектрометрів з перетворенням Фур'є обмежені. Пропоновані спосіб і пристрій дозволяють створити мас-спектрометри з перетворенням Фур'є з усіма перевагами, притаманними даного класу приладів, доступні широкому споживачеві.

Пропонований спосіб мас-поділу іонів по питомій заряду z=e/m, де e иsub> по осях X, Y, Z і створення в його робочій області 0≤x<xa, |y|≤0.25 ya, xa≤z<za-xaпід дією суперпозиції двох електричних полів - однорідного статичногоі двомірного лінійного високочастотного (ВЧ)., де- одиничні по осях X і Y вектора, Em, ω, φ - амплітуда, частота і початкова фаза ВЧ поля, режиму коливань іонів по осях X і Y, близьким до гармонійним, причому по осі X зміщеним на величину xc>xm

де xm<xa/2, ym<0.25 ya, φx, φy- початкові фази, що залежать від початкових параметрів іонів і ВЧ поля, Ω - секулярна частота коливань, пропорційна питомій заряду іонів. Спектр мас іонів, що відповідає спектру частот Ω коливань по осі X, знаходиться шляхом перетворення Фур'є, наведеної на заземленою по ВЧ поверхні, розташованої в площині x=0.

Відомо [3], що близькі до гармонійним по осях X і Y коливання іонів

можуть вчинятися в двомірному лінійному ВЧ поле квадрупольного аналізатора. Але так як на всіх електродах кличества іонів струмів з високим відношенням сигнал/завада практично неможливо. У пропонованому способі на двомірне лінійне ВЧ електричне поленакладається однорідне статичне електричне поле, яка зміщує коливання іонів по осі X, що відбуваються під дією ВЧ поля, на величину

де Un- псевдопотенциал лінійного ВЧ електричного поля [4], r0- геометричний параметр квадрупольного аналізатора.

Якщо з допомогою статичного однорідного полявеличину зміщення встановити більше амплітуди xc>xm, тоді коливання іонів під дією ВЧ поля будуть відбуватися в півпросторі х>0 (Фіг.1).

Полявідповідає просторовий розподіл ВЧ потенціалу в площині XOY

З (4) випливає, що на кордоні x=0 півпростору x≥0 ВЧ потенціал φ(0, y)=0. З урахуванням цього для перетворення коливань іонів по осі X в наведені струми в площині x=0 встановлений заземлений по ВЧ електрод 1 (Фіг.1). Так як ВЧ потенціал електрода 1 дорівнює нулю, спрощується завдання поділу наведених коливаннями іонів з частотами Ω=βω/2 струмів (параметр β<0.63) і перешкоди від ВЧ поля з част�мпульсний, тривалістю tn<π/2ω пакет іонів з координатами y<h/2, 0.2 za<z<0.8 za, початковими швидкостями ν0і кутами вльоту |α|<90°.

Для виведення іонів на траєкторії, близькі до еліптичних, з центром в точці (xc, 0) (Фіг.1), статичне поле, починаючи з моменту введення іонів t=0, змінюється по експоненціальному закону E(t)=E0(1-e-t/τ), де постійну часу τ вибирають в залежності від діапазону мас аналізованих іонів. Через час t>3τ після введення встановлюється режим періодичних по осях X і Y коливань іонів, основними компонентами яких є гармонічні складові з частотами Ω, пропорційними питомою зарядам іонів.

Освіта суперпозиції статичного однорідного і ВЧ двомірного лінійного електричних полів і перетворення коливань іонів в наведені струми в пропонованому пристрої здійснюється з допомогою електродної системи, зображеної на Фіг.2. Пристрій з розмірами xa, 2yazaпо осях X, Y, X і з робочим об'ємом 0≤x<xa, |y|≤0.25 ya, xa≤z<za-xaскладається з електродів 4 і 5 у площинах x=0 і x=xaпрямокутної форми з координатами вершин (ya, 0), (yaza), (-yaz�про осі Y і шириною zщ<zaпо осі Z, а другий дискретний, складений з рівномірно з кроком Δy<<yaрозподілених по осі Y провідних смужок шириною Δy-s, де s<<Δy - проміжок між сусідніми смужками, і двох суцільних електродів 6 і 7 у площинах z=0 і z=zaпрямокутної форми з координатами вершин (0, ya), (xa, ya) (xa,-ya), (0, ya). На провідних смужках дискретного електрода 5 встановлюють пропорційні їхнім номером i високочастотні напруги ui=i·ΔVcos(ωt), де i=-n, ..., -1, 0, 1, ..., n - номери смужок, 2n+1 - число смужок електрода 5, ΔV=V/n, ω - частота ВЧ напруги. По постійному струму смужки заземлені. На електроді 4 після введення іонів встановлюється постійне напруги U0, утворює однорідне електричне поле, направлене паралельно осі X, з напруженістю E0=U0/xa. Під дією напруг ui=i·ΔVcos(ωt), лінійно розподілених на смужках дискретного електрода 5, у робочому об'ємі утворюється двомірне лінійне ВЧ електричне поле з проекціями напруженості на осях X і Y

У утворилася в робочому об'ємі суперпозиції електричних полів іони роблять по осях X і Усті поле відсутнє і іони дрейфують з тепловими швидкостями vTz. Для утримання іонів в робочому обсязі в площинах z=0 і z=zaвстановлені електроди 6 і 7 з позитивним замикаючим потенціалом Uз.

Введення іонів в робочий об'єм аналізатора здійснюється через щілину 8 в електроді 4 (Фіг.2). Під час введення іонів, починаючи з моменту t=0 початку циклу мас-аналізу, подають на електрод 4 експоненціально наростаюча напруга U=U0(1-e-t/τ), де τ≥2π/ω, під дією якого прискорені в джерелі імпульсним пакетом іони переводяться на періодичні, близькі до еліптичних траєкторіях 3 (Фіг.1). При досягненні однорідним полем встановленого значення E0коливання набувають періодичний характер з центром в точці (xc, 0) і періодом TΩ=2π/Ω, де.

Коливання іонів по осі X наводять на електроді 4 струми, основні компоненти яких є гармонійними функціями з частотами Ω

де N - число іонів з масою m. За наведеним струмів після їх перетворення в напругу і посилення обчислюють за допомогою перетворення Фур'є спектр мас аналізованих іонів.

Спосіб і пристрій, засновані на образ�створення режиму періодичних коливань іонів, дозволяють істотно поліпшити конструктивні, мас-габаритні та комерційні характеристики мас-спектрометрів з перетворенням Фур'є.

Література

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. Мамонтів, Д. В. Кирюшин // ЖТФ, 2012, т 82, вип.9, с. 63-68.

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

Фіг.1 - Траєкторії іонів з початковими координатами x0=0, y0|<h/2, швидкостями ν в суперпозиції постійного однорідногоі ВЧ двомірного лінійногоелектричних полів. 1 - заземлена по ВЧ поверхню з щілиною 2 для введення іонів, 3 - траєкторія іонів.

Фіг.2 - Електродна система для освіти суперпозиції постійного однорідного і ВЧ лінійного по координатах x і y електричних полів.

1 - заземлений по ВЧ електрод, 2 - дискретний електрод з провідних смужок, 3, 4 - замикаючі електроди, 5 - щілина для введення іонів.

1. Спосіб поділу іонів по питомій заряду з перетворенням Фур'є, що полягає у створенні режиму періодичних коливань іонів, які здійснюються в робочий об'єм аналізатора з розмірами електродної системи x�допомогою перетворення Фур'є мас-спектрів, відрізняється тим, що періодичні коливання іонів по осях X і Y створюють під впливом суперпозиції утворених в робочому об'ємі аналізатора 0≤x<xa, |y|≤0.25 ya, xa≤z<za-xaстатичного однорідного по осі X і високочастотного лінійного по осях X і Y електричних полів, причому під час введення іонів в робочий об'єм аналізатора напруженість однорідного електричного поля збільшується від 0 до встановленого значення за експоненціальним законом.

2. Пристрій для поділу іонів по питомій заряду з перетворенням Фур'є, що містить електродну систему для введення іонів в робочий об'єм 0≤x<xa, |y|≤0.25 ya, xa≤z<za-xaаналізатора з розмірами xa, 2yazaпо осях X, Y, Z і створення в ньому режиму періодичних коливань іонів, що відрізняється тим, що використовують електродну систему з електродів 1 і 2 у площинах x=0 і x=xaпрямокутної форми з координатами вершин (ya,0), (yaza), (-yaza), (-ya,0), перший з яких суцільний, заземлений по високій частоті, з щілиною висотою h<<yaпо осі Y і шириною zщ<zaпо осі Z, а другий дискретний, складений з рівномірно з ша�ними смужками, і двох суцільних електродів 3 і 4 у площинах z=0 і z=zaпрямокутної форми з координатами вершин (0,ya), (xa,ya), (xa,-ya), (0, ya), причому на провадять смужки електрода 2 подають високочастотне напруга ui=Vicosωt, де Vi=i·ΔV, i=-n, ..., -1, 0, 1, ..., n - номери смужок, 2n+1=2ya/Δy - число смужок електрода 2, ΔV - різниця високочастотних напруг між сусідніми смужками, ω - частота високочастотного напруги на електроди 3, 4 подають постійні позитивні напруги величиною в декілька вольт, а на електрод 1, починаючи з моменту t=0 початку циклу мас-аналізу, подають експоненціально наростаюча напруга U=U0(1-e-t/τ), де τ≥2π/ω, потім через щілину в електроді 1 протягом інтервалу 0<t<π/ω в робочий об'єм вводять стрічковий потік аналізованих іонів шириною zщі товщиною h і через час t>3τ вимірюють наведені на електроді 1 струми з частотами, обернено пропорційними масам іонів.



 

Схожі патенти:

Спосіб времяпролетного мас-аналізу та пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до галузі мас-спектрометрії і може бути використано для розширення аналітичних можливостей мас-аналізаторів времяпролетного типу. Технічний результат - підвищення чутливості та розширення динамічного діапазону часопролітної мас-спектрометрів шляхом збільшення середніх значень струмів аналізованих іонів. Пакети іонів на кожному циклі введення розподілені в часі за псевдовипадковим законом, який вибирається таким чином, щоб періодична автокореляційна функція послідовності мала нульові бічні пелюстки, а величина головного максимуму була дорівнює числу одиниць послідовності. При детектуванні сигнали, відповідні імпульсів вихідного іонного струму времяпролетного мас-аналізатора, обробляються в узгодженому фільтрі, який працює за принципом підсумовування вхідних і зсунутих послідовностей зі знаками плюс і мінус згідно з розподілом символів «1» і «0» у псевдовипадковій послідовності. Пристрій для времяпролетного мас-аналізу містить генератор псевдовипадкових послідовностей і узгоджений фільтр, які включаються відповідно до джерела і детектори іонів. 2 н

Мас-спектрометр і спосіб мас-спекрометрического аналізу

Винахід відноситься до галузі аналізу заряджених частинок. Мас-спектрометр містить камеру, інжектор, здатний інжектувати в камеру заряджені частки, і генератор поля. Генератор поля виконаний з можливістю формування щонайменше одного поля, що діє на заряджені частинки і має вловлює кутовий компонент, сконфігурований з можливістю утворення між віссю обертання і периферією камери щонайменше одного каналу, що задається енергетичними мінімумами уловлює кутового компонента. Генератор поля виконаний з можливістю обертання уловлює кутового компонента навколо осі обертання. Завдяки цьому при використанні мас-спектрометра переміщення заряджених часток обмежена допомогою уловлює кутового компонента рухом в кутовому напрямку всередині щонайменше одного каналу разом із зазначеним кутовим компонентом, в результаті чого на заряджені частинки діє відцентрова сила. Створене генератором поле додатково має врівноважує радіальний компонент, монотонно зростає по мірі збільшення радіального відстані від осі обертання щонайменше поблизу щонайменше одного каналу. В результат�стним впливом відцентрової сили і врівноважує радіального компонента з формуванням однієї чи більше орбіт у відповідності з відносинами зарядів частинок до їх масам. Мас-спектрометр містить також детектор, здатний детектувати щонайменше одну із зазначених орбіт. Запропоновані також способи мас-спектрометрії. Технічний результат - спрощення конструкції мас-спектрометра і розширення діапазону аналізованих часток. 7 н. і 26 з.п. ф-ли, 28 іл.

Спосіб времяпролетного поділу іонів по масах і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до галузі мас-аналізу заряджених частинок в лінійних електричних ВЧ полях і може бути використано для поліпшення конструкторсько-технологічних та комерційних характеристик радіочастотних часопролітної мас-спектрометрів

Магнітний мас-спектрометр з подвійною фокусуванням

Винахід відноситься до області спектрометрії, а точніше до статистичних мас-спектрометрів, і може бути використане при створенні портативних приладів для вивчення хімічного та ізотопного складу газоподібних, рідких і твердих речовин

Энергомасс-спектрометр вторинних іонів

Винахід відноситься до діагностики поверхні іонними пучками низьких енергій (1 - 10 кев), зокрема до энергомасс-спектрометрії вторинних іонів - інтенсивно розробляється в даний час методом елементного, фазового та хімічного аналізу поверхні твердих тіл

Енерго-массанализатор

Винахід відноситься до фізичного приладобудування, зокрема до ;пристроїв для аналізу іонів та електронів і може бути використане при аналізі поверхневих шарів матеріалу
Up!