МОДИФИКАЦИЯ ИОНОВ
MODIFICATION OF IONS

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам, а более конкретно к спектрометрам и к способам спектрометрии.
Спектрометры подвижности ионов (Ion Mobility Spectrometer, IMS) могут идентифицировать материал из представляющего интерес образца путем ионизации материала (например, молекул, атомов и т.д.) и измерения времени, которое потребуется полученным в результате ионам для перемещения на известное расстояние под воздействием известного электрического поля. Время пролета каждого иона может быть измерено детектором, а затем это время пролета сопоставляют с подвижностью ионов. Подвижность иона зависит от его массы и геометрических размеров. Поэтому, измеряя время пролета иона в детекторе, можно идентифицировать ион. Эти времена пролета можно отобразить графически или численно в виде плазмаграммы. Другие типы спектрометров, такие как масс-спектрометры, также анализируют ионы по их подвижности, определяемой для них отношением массы к заряду.
Для улучшения способности спектрометра идентифицировать ионы в представляющем интерес образце предложено модифицировать (например, путем их фрагментации) некоторые из ионов с использованием радиочастотного (Radio Frequency, RF) электрического поля для получения дополнительной информации, которую можно использовать для идентификации ионов. Это дает дополнительные степени свободы при исследовании ионов, и поэтому может улучшить возможность выявления различий между ионами. В случае, когда измерения выполняются в присутствии загрязняющих веществ, или в трудных рабочих условиях, или если образец содержит ионы с похожей структурой, массами и т.д., способность спектрометра подвижности ионов обнаружить, идентифицировать и модифицировать ионы представляет собой один из способов решения этих проблем.
Кроме того, желательно увеличить долю ионов, которые модифицируются приложением радиочастотного электрического поля, и эффективность использования энергии в процессе модификации.
Ниже, лишь в качестве примеров, описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, где:
на фиг. 1 показана часть продольного сечения спектрометра;
на фиг. 2 схематично показан спектрометр, изображенный на фиг. 1, а на вставке показано расположение электродов для модификации ионов;
на фиг. 3 показан алгоритм, иллюстрирующий способ работы устройства, показанного на фиг. 1 и фиг. 2;
на фиг. 4 показан график, демонстрирующий отношение пиковых амплитуд между родительскими и дочерними ионами как функцию поданного напряжения модификации ионов при выборе различных частот напряжения модификации ионов;
на фиг. 5 показан график, демонстрирующий потери ионов как функцию поданного напряжения модификации ионов при выборе различных частот напряжения модификации ионов;
на фиг. 6 показан другой график, демонстрирующий отношение пиковых амплитуд между родительскими и дочерними ионами как функцию поданного напряжения модификации ионов при выборе различных частот напряжения модификации ионов; и
на фиг. 7 показан еще один график, демонстрирующий отношение пиковых амплитуд между родительскими и дочерними ионами как функцию поданного напряжения модификации ионов при выборе различных частот напряжения модификации ионов.
На чертежах одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы.
Аспекты настоящего описания относятся к применению высокочастотного переменного электрического поля для модификации ионов в образце, представляющем интерес. Несмотря на то, что в данной области техники господствует предубеждение, было обнаружено, что использование более высокочастотных электрических полей, таких как поля с частотой 2.5 МГц или выше, может качественным образом повысить эффективность модификации ионов.
Модификатор ионов может быть установлен между ионизатором и детектором на пути ионов, перемещающихся от ионизатора к детектору. Модификатор ионов может содержать два электрода, и ионы, перемещающиеся через область между этими двумя электродами, могут подвергаться воздействию переменного электрического поля. В рамках настоящего изобретения напряжением одного из электродов модификатора ионов можно управлять так, чтобы оно менялось меньше, чем напряжение на другом электроде.
В одном из аспектов настоящего изобретения первый электрод модификатора ионов может содержать проводники, установленные поперек направления перемещения ионов, с промежутками между проводниками, через которые могут перемещаться ионы. Второй электрод модификатора ионов может содержать проводники, установленные на пути ионов, перемещающихся через промежутки в первом электроде. Можно предположить, что увеличение количества препятствий на пути ионов, летящих вдоль детектора, увеличит количество потерянных ионов, однако было обнаружено, что эти варианты осуществления настоящего изобретения позволяют удивительным образом повысить степень модификации ионов (например, преобразование родительских ионов в дочерние ионы).
На фиг. 1 показана часть продольного сечения спектрометра 100 подвижности ионов (IMS). На фиг. 2 схематично показан этот же спектрометр. На вставке на фиг. 2 показано расположение электродов 126, 127, если смотреть по линии Α-A на фиг. 2.
Спектрометр, показанный на фиг. 1 и фиг. 2, содержит ионизатор 102, который отделен от дрейфовой камеры 104 затвором 106. Затвор 106 может управлять перемещением ионов от ионизатора 102 в дрейфовую камеру 104. Видно, что в спектрометре 100 подвижности ионов имеется впускной патрубок 108 для введения в ионизатор 102 материала из образца, представляющего интерес.
В примере, показанном на фиг. 1, дрейфовая камера 104 расположена между ионизатором 102 и детектором 118 так, чтобы ионы могли достигнуть детектора 118, пересекая дрейфовую камеру 104. Дрейфовая камера 104 может содержать ряд дрейфовых электродов 120а, 120b для подачи профиля напряжения вдоль дрейфовой камеры 104, заставляющего ионы перемещаться от ионизатора 102 вдоль дрейфовой камеры 104 к детектору 118.
Спектрометр 100 подвижности ионов может обеспечивать поток дрейфового газа в направлении, обычно противоположном направлению движения ионов к детектору 118. Например, дрейфовый газ может течь от места рядом с детектором 118 к затвору 106. Как показано на чертежах, для пропускания дрейфового газа через дрейфовую камеру может использоваться впускной патрубок 122 дрейфового газа и выпускной патрубок 124 дрейфового газа. Примеры дрейфовых газов включают, но не ограничены этим, азот, гелий, воздух, рециркулирующий воздух (например, воздух, который очищен и/или высушен) и т.д.
Детектор 118 может быть подключен к контроллеру 200. Электрический ток от детектора 118 может использоваться контроллером 200 для определения того, что ионы достигли детектора 118, а параметры ионов могут быть определены на основе времени, за которое ионы прошли от затвора 106 вдоль дрейфовой камеры 104 в детектор 118. Примеры детекторов 118 включают детекторы, выдающие сигнал, который указывает, что ионы достигли детектора 118. Например, детектор может содержать проводящий электрод (такой как пластина Фарадея), на которую может быть заряжен для захвата ионов.
Электроды 120а, 120b могут быть установлены так, чтобы направлять ионы к детектору 118, например дрейфовые электроды 120а, 120b могут содержать кольца, которые могут быть установлены вокруг дрейфовой камеры 104 для фокусировки ионов на детектор 118. Хотя в примере на фиг. 1 показаны только два дрейфовых электрода 120а, 120b, в некоторых примерах для подачи электрического поля, направляющего ионы к детектору 118, может использоваться множество электродов, или же может использоваться единственный электрод в комбинации с детектором 118.
Электроды 126, 127 модификатора ионов могут быть пространственно разнесены от электрода 106 затвора. Как показано на чертежах, электроды 126, 127 модификатора ионов установлены в дрейфовой камере между электродом затвора и детектором. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения электрод модификатора ионов может быть установлен в ионизационной камере, например между впускным патрубком 108 и затвором 106.
Каждый из электродов 126, 127 модификатора ионов может содержать массив проводников, установленных поперек в дрейфовой камере. Как показано на чертежах, между проводниками электродов 126, 127 модификатора ионов могут быть промежутки, чтобы ионы могли проходить через каждый электрод, пролетая через эти промежутки. В одном из примеров ионы проходят через промежутки между проводниками электрода 126 в область 129 между электродами 126, 127, а из этой области они выходят через промежутки между проводниками электрода 127. Пока ионы находятся в области между электродами 126, 127 они могут подвергаться воздействию радиочастотного электрического поля.
Как показано на фиг. 1, источник 202 напряжения подключен к контроллеру 200 и управляется им. Источник 202 напряжения также может быть подключен к ионизатору 102 и может подавать на него напряжение для ионизации материала. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения источник 202 напряжения подключен к электроду 106 затвора для управления прохождением ионов из ионизационной камеры в дрейфовую камеру 104. Источник 202 напряжения может быть подключен к дрейфовым электродам 120а, 120b для подачи профиля напряжения для перемещения ионов от ионизатора 102 к детектору 118. Как показано на фиг. 1, источник 202 напряжения подключен к электродам 126, 127 модификатора ионов для подачи на них переменного радиочастотного напряжения. Управляя напряжением одного из двух электродов 126, 127 модификатора ионов относительно другого, источник напряжения может обеспечить напряжение, изменяемое во времени, между первым электродом и вторым электродом. Напряжение, изменяемое во времени, имеет частоту по меньшей мере 2,5 МГц. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения эта частота составляет по меньшей мере 3 МГц или по меньшей мере 5 МГц, а в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения по меньшей мере 6 МГц. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения эта частота составляет величину меньше, чем 100 МГц, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, эта частота меньше, чем 50 МГц, в еще одних вариантах осуществления настоящего изобретения эта частота меньше, чем 20 МГц, в других вариантах осуществления настоящего изобретения - меньше, чем 15 МГц или меньше, чем 10 МГц. Например, эта частота может лежать между 3 МГц и 20 МГц, или между 6 МГц и 12 МГц. В некоторых примерах частота составляет приблизительно 8 МГц.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения источник напряжения управляет напряжением на первом электроде так, чтобы изменение напряжения на нем было меньше, чем напряжение на втором электроде. Например, амплитуда изменения напряжения на одном из электродов 126, 127 модификатора ионов может быть меньше, чем амплитуда изменения на другом электроде модификатора ионов. Например, источник 202 напряжения может управлять напряжением на одном из электродов модификатора ионов на основе эталонного напряжения постоянного тока (DC) так, чтобы напряжение на одном из электродов было постоянным, пока оно меняется на другом. В еще одном примере источник напряжения может управлять напряжением на электродах 126, 127 модификатора ионов так, чтобы изменение напряжения на каждом было синусоидальным, или прямоугольным, пилообразным, или представляло собой последовательность импульсов, при этом амплитуда изменения напряжения на одном электроде модификатора ионов может быть меньше, чем изменение напряжения на другом электроде модификатора ионов. Подача в вариантах осуществления настоящего изобретения асимметричного напряжения к электродам модификатора ионов может снизить нежелательную связь радиочастотных электрических полей с другими компонентами спектрометра, а это может снизить нежелательные утечки из спектрометра вследствие электромагнитной интерференции.
Источник 202 напряжения может управлять напряжениями на двух электродах модификатора ионов, чтобы они менялись с выбранным сдвигом фаз, например, контроллер напряжения может управлять напряжением на двух электродах 126, 127 модификатора ионов так, чтобы положительное изменение напряжения на одном электроде происходило во время отрицательного изменения напряжения на другом. Например, источник 202 напряжения может управлять напряжением на двух электродах 126, 127 модификатора ионов так, чтобы они менялись в противофазе. Изменения напряжения на этих двух электродах могут иметь одинаковую амплитуду.
В некоторых примерах источник напряжения может управлять напряжением на одном из электродов 126, 127 модификатора ионов так, чтобы оно менялось быстрее, чем напряжение на другом электроде 126, 127 модификатора ионов. Например, на один из электродов 126, 127 модификатора ионов можно подать эталонное напряжение, которое может быть напряжением постоянного тока, в то время как на другой электрод модификатора ионов можно подать переменное напряжение, например радиочастотное напряжение.
Как отмечено выше, дрейфовые электроды 120а, 120b могут создавать профиль напряжения, который перемещает ионы вдоль дрейфовой камеры так, чтобы ионы двигались от ионизатора к детектору. Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, первый электрод 126 модификатора ионов и второй электрод 127 модификатора ионов могут быть пространственно разнесены в направлении перемещения ионов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения источник напряжения управляет напряжением по меньшей мере на одном из электродов 126, 127 модификатора ионов на основе местоположения электродов 126, 127 модификатора ионов вдоль дрейфовой камеры 104 и на основе профиля напряжения, создаваемого дрейфовыми электродами 120а, 120b. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения среднее по времени напряжение на электродах модификатора ионов выбирают на основе этого профиля напряжения. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения источник 202 напряжения обеспечивает сдвиг напряжения постоянного тока между электродами модификатора ионов. Этот сдвиг напряжения постоянного тока может быть основан на расстоянии между электродами 126, 127 модификатора ионов и профиле напряжения.
Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, каждый электрод 126, 127 модификатора ионов содержит сетку проводников. Как показано на фиг. 2, электроды 126, 127 модификатора ионов могут располагаться параллельно друг другу. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения сетки установлены поперек направления перемещения ионов от ионизатора к детектору (например, поперечно, или перпендикулярно).
Ионы, летящие к детектору, могут пройти через промежутки между проводниками одного из электродов 126 модификатора ионов в область 129 между электродами 126, 127 модификатора ионов, где они могут быть подвергнуты воздействию радиочастотного электрического поля.
Электрод 127 модификатора ионов, который установлен ближе к детектору 118, может быть выполнен так, чтобы проводники этого электрода 127 модификатора ионов лежали на пути ионов, летящих через промежутки в другом электроде модификатора ионов. Как детально показано на вставке на фиг. 2, проводники 127 одного электрода могут по меньшей мере частично преграждать промежутки в другом электроде 126. Было обнаружено, что это может увеличить число родительских ионов, которые преобразуются модификатором ионов в дочерние ионы. Проводники электрода 126 показаны идущими параллельно проводникам электрода 127. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения электроды 126, 127 могут быть расположены в виде параллельных плоскостей, но проводники этих двух электродов 126, 127 могут быть расположены под углом друг к другу (например, разупорядоченно) так, чтобы проводники одного электрода модификатора ионов лежали на пути ионов, проходящих через промежутки в другом электроде модификатора ионов. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения электроды 126, 127 могут быть расположены в виде параллельных плоскостей, но проводники этих двух электродов 126, 127 могут быть смещены друг относительно друга в поперечном направления относительно направления перемещения ионов, так чтобы проводники одного электрода 126 модификатора ионов лежали на пути ионов, движущихся через промежутки в другом электроде 127 модификатора ионов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения эти функции объединены так, чтобы проводники двух электродов 126, 127 модификатора ионов были смещены и в поперечном направлении и по углу.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения спектрометр и источник напряжения могут находиться в общем корпусе.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения электроды 126, 127 модификатора ионов могут быть расположены в дрейфовой камере. Электрод модификатора ионов может быть пространственно смещен вдоль дрейфовой камеры относительно электрода затвора. Этот промежуток может составлять по меньшей мере 0,5 мм от электрода 106 затвора, например, по меньшей мере 2 мм, по меньшей мере 4 мм, по меньшей мере 6 мм или по меньшей мере 7 мм. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения этот промежуток может быть меньше, чем 150 мм или меньше, чем 100 мм, например, меньше, чем 50 мм.
Электроды 126, 127 могут содержать проволочную сетку. Эта сетка может представлять собой решетку из проводников, которые могут быть расположены в виде повторяющихся квадратов. Толщина проводников может составлять по меньшей мере 10 мкм, например, меньше, чем 30 мкм. Шаг ячейки может составлять по меньшей мере 200 мкм, например меньше, чем 500 мкм. Две сетки могут быть отделены друг от друга по меньшей мере на 0,1 мм, например по меньшей мере на 0,15 мм, меньше, чем 0,4 мм, или, например, меньше, чем 0,3 мм.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения ближайший электрод 126 установлен в области дрейфа в 7 мм от затвора 106. В этом варианте осуществления настоящего изобретения промежуток между электродами модификатора ионов составляет 0,2 мм, а электроды содержат сетку, состоящую из квадратов. В этом варианте осуществления настоящего изобретения проводники сетки имеют толщину 21 мкм и расположены с шагом 363 мкм. Проводники могут содержать проволоку.
Первый пример работы устройства, показанного на фиг. 1 и фиг. 2, иллюстрируется на фиг. 3.
Как показано на фиг. 3, способ модификации ионов включает получение 300 материала из образца, представляющего интерес, подачу его в ионизационную камеру спектрометра и ионизацию 302 материала. Электродом затвора можно управлять 304, обеспечивая перемещение 306 ионов из ионизационной камеры к детектору. На пути к детектору ионы могут проходить через область модификации ионов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения способ, показанный на фиг. 3, включает воздействие 308 на эту область электрического поля, изменяемого во времени, которое меняется с частотой, по меньшей мере 2,5 МГц. Затем ионы можно обнаружить 310 и проанализировать на основе их времен пролета от затвора к детектору.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения способ включает такое управление напряжением, чтобы напряжение на одной стороне области, изменялось меньше, чем напряжение на другой стороне области. Например, напряжение на одной стороне области можно менять быстрее, чем напряжение на соответствующей другой стороне этой области.
В спектрометрии подсчет ионов можно производить по пикам на плазмаграмме, а высота пика может быть индикатором количества ионов, достигающих детектора в определенное время. Ионы, создаваемые модификацией ионов, можно называть «дочерними ионами», а ионы, из которых получены дочерние ионы, «родительскими ионами».
На фиг. 4 показан график 400, демонстрирующий три кривых отношения высоты пика, связанного с модифицированными, дочерними, ионами, к высоте пика, связанного с родительскими ионами циклогексанола.
На графике 400, показанном на фиг. 4, по оси X, 402, отложена амплитуда радиочастотного напряжения, поданного на электроды модификатора ионов, такие как электроды 126, 127, показанные на фиг. 1 и фиг. 2.
По оси Y, 404, отложено отношение количества дочерних ионов к количеству родительских ионов.
Первая кривая 406 на графике показывает отношение в зависимости от амплитуды радиочастотного напряжения, при этом частота радиочастотного напряжения составляет 1,9 МГц. Вторая кривая 408 на графике показывает отношение в зависимости от амплитуды радиочастотного напряжения, при этом частота радиочастотного напряжения составляет 2,5 МГц. Третья кривая 410 на графике показывает отношение в зависимости от амплитуды радиочастотного напряжения, при этом частота радиочастотного напряжения составляет 2.8 МГц
На фиг. 4 видно, что при заданной амплитуде радиочастотного напряжения количество созданных дочерних ионов значительно возрастает с частотой; увеличение частоты до 2,5 МГц дает значительный эффект, а увеличение частоты до 2.8 МГц - еще больший эффект. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения использование более высокой частоты более чем в два раза увеличивает указанное отношение при заданном напряжении по сравнению с частотой 1,9 МГц. Как очевидно из контекста настоящего изобретения, это может обеспечить значительное повышение эффективности при снижении напряжения, необходимого для достижения заданной чувствительности.
На фиг. 4 видно, что при амплитуде радиочастотного напряжения 1500 В высота пика для дочерних ионов в 1,5 раза выше высоты пика для родительских ионов при частоте 1,9 МГц, тогда как, когда частоту увеличили до 2,8 МГц, высота пика фрагмента более чем в три раза превышает высоту пика для родительских ионов при 1500 В.
Мы не хотим быть связанными какой-либо теорией, но считается, что при частоте 1,9 МГц расстояние, которое ион пролетает за половину периода, сопоставимо с расстоянием между двумя электродами 126, 127 модификатора ионов. Поэтому ионы не испытывают так много циклов воздействия, как при более высокой частоте. Иными словами, если ион имеет скорость 1000 метров в секунду, тогда за половину периода при частоте 2 МГц, он пролетит 0,25 мм, если поданное напряжение будет прямоугольным импульсом, или 0,176 мм, если поданное напряжение - синусоидальное. Если расстояние между электродами модификатора ионов составляет 0,25 мм или, возможно, меньше, можно заметить, что после всего лишь нескольких циклов ион выйдет из модификатора ионов. Когда частота повышается, например до 6 МГц или 8 МГц, расстояние, пройденное за половину цикла, уменьшается (например, становится 0,044 мм при 8 МГц). Поэтому ион может испытать много циклов воздействия прежде, чем покинет модификатор ионов, и вероятность того, что он испытает воздействие достаточно высокой энергии для разрушения связи или для некоторого другого молекулярного преобразования, повышается.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения применение еще более высоких частот, например между 8 МГц и 10 МГц, может снизить ионные потери в модификаторе ионов; и вновь мы не хотим ссылаться на какую-либо теорию, но это может быть потому, что ионы имеют возможность ближе подлететь к проводникам электродов модификатора ионов прежде, чем они достигнут «точки невозврата» (где они притянутся проводниками). В результате чего меньше ионов попадут на проводники и большее их количество «выживет» после прохождения через модификатор ионов, что повышает чувствительность.
На фиг. 5 показан график 500, иллюстрирующий это увеличение чувствительности.
На графике 500 на фиг. 5 по оси X, 502, отложена амплитуда радиочастотного напряжения, поданного на электроды модификатора ионов, такие как электроды 126, 127, показанные на фиг. 1 и фиг. 2. В этом примере родительские ионы содержали отрицательные ионы реагента.
По оси Y, 504, отложено отношение нормализованной высоты пика, то есть сравнивается высота пика, когда электродами модификатора ионов не управляют (они отключены), и высота пика, когда электродами модификатора ионов управляют напряжением, отложенным по оси X, 502.
Первая кривая 506 графика показывает отношение как функцию амплитуды высокочастотного напряжения, при этом частота радиочастотного напряжения составляет 3 МГц. Вторая кривая 508 графика показывает отношение как функцию амплитуды высокочастотного напряжения, при этом частота радиочастотного напряжения составляет 10 МГц. Очевидно, что имеет место значительное уменьшение потерь ионов при использовании более высокой частоты, и это особенно справедливо при более высоких амплитудах напряжения.
Как и на фиг. 4, на фиг. 6 и фиг. 7 каждый график 600, 700 демонстрирует три кривые отношения высоты пика, связанного с модифицированными, дочерними, ионами, к высоте пика, связанного с родительскими ионами. На фиг. 4, фиг. 6 и фиг. 7 одинаковыми позициями обозначены одинаковые элементы.
В примере 600, показанном на фиг. 6 родительские ионы включают диизопропилметилфосфонат (DIMP).
В примере 700, показанном на фиг. 7, родительские ионы содержат ацетон.
Очевидно, что в контексте настоящего изобретения радиочастотные электрические поля включают любые переменные электрические поля, имеющие частотные характеристики, подходящие для подачи энергии для модификации ионов (например, передачи им энергии для поднятия их эффективной температуры).
Другие примеры и вариации будут очевидны специалистам в данной области техники в контексте настоящего изобретения.
Аспекты настоящего изобретения относятся к компьютерным программным продуктам и машиночитаемым носителям данных, таким как машиночитаемые носители, хранящие инструкции для программирования процессора для реализации одного или большего количества способов, описанных выше. Другие вариации и модификации устройства будут очевидны специалистам в данной области техники в контексте настоящего изобретения.