Устройство бессеточного ионного затвора
DEVICE OF A GRID-FREE ION GATE

Настоящее предлагаемое изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно - к масс-спектрометрии, время-пролетной масс-спектрометрии, спектрометрии ионной подвижности, а так же к экспериментальной физике. Изобретение найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностики заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, токсикологии, проведении анализов в протеомике, метаболомике и криминалистике: исследовании белков, в том числе их триптических гидролизатов, следового анализа биохимических маркеров, наркотиков и их метаболитов в биологических тканях и жидкостях, а так же при исследованиях потоков заряженных частиц.
Устройство позволяет сформировать короткие импульсы ионов (ионные пакеты), что увеличивает разрешающую способность по массе, например, для приборных комплексов IMS-TOF MS за счет уменьшения длительности импульса по сравнению с другими методами ввода. Ионный затвор в спектрометре подвижности располагается между источников непрерывного потока заряженных частиц и входом в дрейфовую трубку и предназначен для формирования и ввода ионного пакете в область дрейфа. Форма ионного пакета и его амплитуда характеризуют разрешающую способность и чувствительность спектрометра подвижности.
1
2
3
1
2
3
Известно устройство формирования и инжекции пакета заряженных частиц в область дрейфа спектрометра подвижности [1] - затвор Бредбери-Нильсена, представляющее собой последовательность параллельных электропроводящих нитей, расположенных в одной плоскости, причем разность потенциалов между соседними нитями может меняться во времени. Затвор не пропускает ионный ток при определенной разности потенциалов между соседними нитями. Когда потенциалы нитей на некоторое время (на длительность управляющего импульса) выравниваются, то ионный ток проходит, т.е. затвор открывается. Конструктивно затвор, в случае его использования в спектрометрах подвижности, реализован во многих устройствах при следующих геометрических параметрах [2, 3] диаметр электропроводящих нитей 50 мкм, а расстояние между нитями с одной полярностью потенциала 800 мкм. Таким образом, геометрическая прозрачность плоскости, содержащей электропроводящие нити с потенциалом одной полярности составляет 90%. Учитывая, что в одной плоскости рассматриваемого затвора расположены электропроводящие нити, находящиеся под двумя полярностями потенциала, две сетки, получим, что геометрическая прозрачность плоскости затвора в общем случае составляет более 81%. Реально прозрачность плоскости затвора зависит от особенностей динамики ионов вблизи соседних нитей затвора [2]. В свою очередь динамика ионов зависит от параметров системы - расстояния между нитями, напряженности поля дрейфа, разности потенциалов между соседними нитями. На фигуре 1 показаны расчетные траектории временной последовательности ионов при их проходе через затвор при переключении потенциалов соседних нитей. Нити с низким начальным потенциалом - 1, 3, 5, нити с начальным потенциалом равным дрейфовому - 2, 4, 6. Стрелками показаны направления движения ионов. Ионы в непрерывном потоке перед затвором можно представить как ионы I - дрейфующие на нить с потенциалом, равным дрейфовому; I - дрейфующие прямо на притягивающую нить затвора; I - ионы с начальной поперечной координатой соответствующей серединному пространству между нитями. Через затвор проходят в основном ионы группы I и небольшая часть ионов группы I. Ионы соответствующие группе I не проходят через затвор даже в режиме открытия. Таким образом пропускание (прозрачность) затвора в итоге составляет порядка 50-60%. Кроме того, к недостаткам затвора такого типа можно отнести технологическую сложность изготовления его конструкции, обрыв нитей и замыкание соседних нитей с противоположными потенциалами, что приводит к его неработоспособности.
Устройство трехсеточного ионного затвора предложено в работе [4]. Затвор представляет собой последовательность трех плоских параллельных сеток. В режиме накопления ионов потенциал средней сетки ниже остальных и поэтому ионы дальше не проходят. При экстракции ионов потенциалы первой (входной) и второй (средней) сеток импульсно увеличиваются, при этом потенциал первой сетки обеспечивает выталкивание ионов из области накопления, а превышение потенциала второй сетки относительно третьей непосредственно открывает затвор. В результате формируется выходной ионный пакет. Значения потенциалов на сетках, расстояние между нитями сеток (0,4-0,5 мм), расстояние между сетками, их взаимное расположение, длительность открывающего импульса определяют параметры выходного ионного пакета. К недостаткам такого затвора можно отнести малую геометрическую прозрачность затвора связанную с использование трех сеток, что приводит к пропусканию затвора к величине порядка 50%, которая в некотором смысле компенсируется существованием области накопления между первой и второй сетками, в свою очередь это приводит к появлению поперечного движения ионов и как следствие к уменьшению прошедших через затвор ионов. Кроме того, при поперечном смещении третьей сетки на половину расстояния между нитями используемых сеток ионные потери возрастают в 1,5 раза, что говорит о важности взаимного расположения сеток, обеспечивающего пропускание затвора. К недостаткам затвора такого типа так же можно отнести технологическую сложность изготовления его конструкции, обрыв нитей и замыкание соседних нитей с противоположными потенциалами, что приводит к его неработоспособности.
Устройство ионного затвора Тиндаля-Пауэлла [5, 6] ближайшее из известных, выбранное в качестве прототипа. В этом устройстве, содержащем две параллельные сетки в виде параллельных проводящих нитей или ячеек разделены изолятором толщиной 0,5-1 мм, образуя область затвора, которая соединяет область ионизации с областью дрейфа в спектрометрах подвижности. Путем переключения потенциала на любой сетке затвора в области затвора создается замедляющее поле, противоположное направлению дрейфа ионов, чтобы препятствовать прохождению ионов. Затвор Тиндаля-Пауэда проще в изготовлении, чем Бредбери-Нильсенв. Однако из-за очевидной геометрической толщины в направлении дрейфа ионов затвор Тиндаля-Пауэла обычно считается плохим, т.к. имеющаяся проницаемость не позволяет создавать узкие ионные пакеты для достижения высокой разрешающей способности спектрометра подвижности. Конструктивно затвор состоит [6] из двух идентичных сеток толщиной 0,06 мм, разделенных кольцевым изолятором толщиной 0,5 мм. Сетки изготовлены из нитей из нержавеющей стали диаметром 0,06 мм и расстоянием между проводниками 0,6 мм от центра к центру. К недостаткам этого типа затвора можно отнести все выше описанные недостатки, присущие затвору Бредбери-Нильсена, и трехсеточному затвору, т.е. не высокую проницаемость (порядка 50-60%), которая зависит и от геометрии расположения сеток относительно друг друга при поперечном смещении второй сетки на половину расстояния между нитями используемых сеток ионные потери возрастают в 1,5 раза. Кроме того, остаются высокие технологические требования при изготовлении как сеток, так и самого затвора. Остается и поперечное рассеяние ионов относительно оси их движения, что приводит к уширению ионного пакета и уменьшению разрешающей способности спектрометра подвижности.
Целью предлагаемого устройства является преобразование непрерывного ионного потока в ионные пакеты используя бес сеточный ионный затвор, что позволяет увеличить пропускание ионного тока, упростить конструкцию и технологию изготовления. Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве изолированные проводящие электроды представляют собой плоские параллельные сплошные диафрагмы с соосными отверстиями в центре одинакового диаметра, при этом диаметр отверстий не менее 0,5 мм и не более 2 мм, толщина диафрагм 0.2 мм и расстояние между ними 0.2 мм, первая диафрагма под регулируемым постоянным напряжением от независимого источника питания, а вторая диафрагма электрически соединена с независимым импульсным источником питания с регулируемой длительностью и амплитудой напряжения.
1
2
Заявляемое устройство преобразования непрерывного ионного потока в ионные пакеты схематично представлено на фигуре 2. Предлагаемое устройство содержит плоскую проводящую диафрагму (1) толщиной 0,2 мм с отверстием в центре, за диафрагмой (1) вплотную соосно располагается диэлектрическая прокладка (2) с отверстием в центре диаметром в три раза большем диаметра отверстия в диафрагме (1). Далее к диэлектрической прокладке (2) вплотную располагается плоская проводящая диафрагма (3) толщиной 0,2 мм с отверстием в центре с диаметром равном диаметру отверстия в диафрагме (1). При этом все отверстия элементов (1-3) располагаются соосно. Первая тонкостенная диафрагма (1) соединена с источником независимого регулируемого высоковольтного высокостабильного напряжения U (4), второй полюс источника напряжения (4) находится под потенциалом «земля». Вторая тонкостенная диафрагма (2) соединена с импульсным источником независимого регулируемого высоковольтного напряжения прямоугольной формы U (5), второй полюс источника напряжения (5) находится под потенциалом «земля».
1
1
2
1
2
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Непрерывный ионный пучок, выходящий из источника ионов, поступает на вход диафрагмы (1) находящейся под независимым регулируемым высоковольтным высокостабильным напряжением U (4) относительно потенциала «земля». Величина напряжения U (4) выбирается таким образом, чтобы между источником ионов и диафрагмой (1) организовать тянущее электрическое поле, в котором движется непрерывный ионный поток. На диафрагму (2) поступает от независимое регулируемое высоковольтное напряжение прямоугольной формы U (5). Полярность напряжений U (4) и U (5) определяется знаком заряда частиц ионного пучка, подвергающегося воздействию затвора. На фигуре 3 схематично показан пример распределения потенциалов на элементах затвора и приведенных для простоты понимания источника ионов и коллектора. Рассматривается пример для ионного пучка положительного знака. От источника ионов, находящегося под потенциалом -500 В непрерывный ионный пучок движется к входной диафрагме (1), находящейся под потенциалом -1725 В. На диафрагме (2) создается потенциал либо -1625 В при котором затвор не пропускает ионный поток, либо потенциал - 1825 В, при котором ионный пучок проходит через отверстие в диафрагме (2). Время прохождения ионного потока через диафрагму (2) определяется временем создания на ней потенциала -1825 В. При импульсном изменении потенциала на диафрагме (2) до величины -1625 В прохождение ионного пучка через отверстие в диафрагме прекращается до следующего момента импульсного создания на диафрагме потенциала -1825 В. После прохождения диафрагмы (2) образовавшиеся таким образом пакеты ионов движутся к коллектору находящемуся под потенциалом -2745 В. Величины потенциалов создаваемых на диафрагмах зависят от геометрии, конструктивных особенностей устройства и условий, в которых применяется затвор. На фигуре 4 представлены виды профилей ионных пакетов полученных расчетным путем при использовании описываемого затвора. Расчет движения ионов на основе уравнения подвижности с учетом диффузии в плотном газе реализован в статистической диффузионной модели (statistical diffusion model, SDS), которая представлена в качестве пользовательской программы в пакете "SIMION 8.0" [7]. Полученные результаты качественно согласуются с данными представленными для профилей ионных пакетов полученных для затвора Бредбери-Нильсена [2, 8].
Источники информации
1. N.E. Bradbury, R.A. Nielssen. Absolute Values of the Electron Mobility in Hydrogen. // Phys.Rev.1036, V. 49, P. 388. doi.org/10.1103/phesRev. 49.388.
2. И.В. Курнин, В.А. Самокиш, H.B. Краснов. Оптимальный режим работы затвора Бредбери-Нильсена в ион-дрейфовом спектрометре // Научное приборостроение, 2011, Т. 21, №2, С. 34-39.
3. А.Н. Арсеньев, Д.Н. Алексеев, Г.В. Бельченко, М.А. Гаврик, Н.В. Краснов, П.С. Корякин, И.А. Краснов, И.В. Курнин, Ш.У. Мяльдзин, М.З. Мурадымов, А.Г. Монаков, В.Г. Павлов, А.В. Зверева, С.Н. Никитина, Е.П. Подольская, С.С. Присяч, С.Ю. Семенов, М.Н. Краснов, А.В. Самокиш. Спектроскопия пептидов, белков и олигонуклеотидов из растворов методом ионной подвижности.// Научное приборостроение, 2015, Т, 25, №1, С. 17-26.
4. М. Zuhlke, К. Zenichowski, D. Riebe, T.Beitz, H.G. Lohmannsroben. An alternative field switching ion gate for ESI-ion mobility spectrometry // Int.J.Ion Mobil. Spec. 2017, V.20, N 3-4, P.67-73.DOI: 10.1007/s 12127-017-0222-y.
5. Tyndall A.M. Yhe Mobility of Positive Ion in gAses // Cambridge University Press. Cambridge Physical Tracts, UK. 1938.
6. Chang Chen, Hong Chen, Haiyang Li. Pushing the Resolving Pjwer of Tyndall-Powell Ion Mobility Spectrometry over 100 with No Sensitivity Loss for Multiple Ion Species. // Anal Chem. 2017, V. 89, N 24, P. 13398-13404 DOI: 10.1021/acs.analchem.7b03629.
7. Manura D.J., Dahl D.A. SIMION™ 8.0. User Manual. Sci. Instrument Services Inc., Idaho, Nat. Lab., 2006.
8. И.В. Курнин, В.А. Самокиш, H.B. Краснов. Моделирование работы ион-дрейфового спектрометра с затвором Бредбери-Нильсена//Научное приборостроение, 2010, Т.20, №3, С. 14-21.