Способ масс-анализа ионов в квадрупольных полях с возбуждением колебаний на границы устойчивости
METHOD FOR MASS ANALYSIS OF IONS IN QUADRUPOLE FIELDS WITH EXCITATION OF OSCILLATIONS ON BOUNDARIES OF STABILITY

Изобретение относится к области масс-анализа вещества в квадрупольных высокочастотных (ВЧ) полях и направлено на совершенствование аналитических и коммерческих характеристик масс-спектрометров с резонансным возбуждением колебаний ионов. Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении разрешающей способности и чувствительности квадрупольных масс-анализаторов, усовершенствовании их устройств ВЧ питания и развертки масс. Известными приборами такого типа являются линейные ионные ловушки с гиперболическими [1] или планарными дискретными [2] электродами. Разрешающая способность масс-анализаторов этого типа ограничена сложной формой возбуждаемых колебаний ионов, содержащих множество высших гармоник, а скорость нарастания колебаний при возбуждении оказывается невысокой [3].
Предлагаемый способ позволяет улучшить форму и параметры функции возбуждения и тем самым повысить разрешающую способность квадрупольных масс-анализаторов этого типа, а также усовершенствовать систему его высокочастотного ВЧ питания и развертки масс.
В известных квадрупольных масс-анализаторах с резонансным возбуждением колебаний ионов на квадрупольное ВЧ поле накладывается однородное (или близкое к однородному) возбуждающе гармоническое поле. Уравнение движения ионов по оси возбуждении в этом случае имеет вид
0
в
в
c
c
c
m
m
0
c
где e и m - заряд и масса и ионов, r - геометрический параметр квадрупольного анализатора,  - параметр Матье, V и ω - ампли туда и частота ВЧ питающего напряжения, U и Ω - амплитуда и частота возбуждающего напряжения. Решение уравнения (1), описывающее колебания ионов, состоит из множества гармонических составляющих с частотами nω ± Ω, где n=0, 1, 2, …, Ω=βω/2 - секулярное частота, β - параметр устойчивости, зависящий от параметра Матье q. В процессе развертки масс при изменении амплитуды ВЧ напряжения по линейному закону V(t) = υt, υ - скорость развертки, секулярная частота колебаний ионов  также линейно нарастает. С приближением частоты Ω к частоте возбуждающего поле амплитуда x колебаний ионов но оси X возрастает. Процесс нарастания описывается функцией возбуждения [3]. Когда амплитуда x достигает размера r, ионы выводятся из анализатора на регистрацию. Метод ограничен большим временем нарастания функции возбуждения  где T - время разве ртки, ΔΩ - диапазон сканирования секулярной частоты, а также ее  сложным, колебательным характером. При этом шкала масс анализатора оказывается нерегулярной и многозначной, ч то снижает разрешающую способность.
0
0
а
а
Предлагаемый способ масс-анализа ионов заключается в воздействии на заряженные частицы, совершающие колебания в суперпозиции квадрупольного в плоскости Χ0Υ и задерживающего по оси Ζ полей анализатора с геометрическим параметром r, возбуждающим по оси Х полем, отличается тем, что на квадрупольное ВЧ поле накладывается возбуждающее поле, состоящее из суммы квадрупольного квазистатического и однородного статического полей, причем возбуждение колебаний, состоящее в неограниченном росте координаты х ионов, происходит в процессе медленного нарастания постоянной составляющей квадрупольного поля, когда параметр (m) ионов с массой m в момент времени t(m) достигает граничного значения (m) и ионы поочередно в порядке уменьшения массы, выводятся из анализатора на регистрацию.
a
0
При этом возбуждение колебаний ионов происходит на границе (q) диаграммы устойчивости Матье (фиг. 1) под действием суперпозиции квадрупольного квазистатического и однородного статического полей
0
в
где U(t) - медленно изменяющаяся при развертке масс постоянная составляющая напряжения питания квадрупольного анализатора, U - статическое напряжение возбуждения. Уравнение движения ионов по оси возбуждения x в этом случае в первом приближении с использованием распределения эффективного потенциала можно записать в виде
где  - эффективный потенциал квадрупольного поля.
Решение уравнения (3) в области устойчивости состоит из трех независимых составляющих
0
0
Первые две составляющие в (4) зависят от начальных координат х и скоростей υ ионов, а последняя от возбуждающего поля
В процессе развертки масс постоянная составляющая питающего напряжения изменяется линейно
ρ
0 max
0 max
где υ = U/T - скорость развертки, U - наибольшее значение постоянной составляющей, Τ - время развертки. Это вызовет изменение параметра Матье  и секулярной частоты
При этом амплитуда первых двух компонент в (4) будут изменяться по закону
а амплитуда третьей компоненты по закону
a
0
c
С приближением к границе устойчивости (q) секулярное частота Ω→0 и происходит возбуждение колебаний ионов. Компоненты колебаний, определяемые начальными параметрами, при возбуждении изменяются по линейному закону, а составляющая, вызванная возбуждающим полем по квадратичному закону
0
0
Траектория движения ионов в процессе развертки масс и возбуждения колебаний показана па фиг. 2. При этом результирующая координата х(t) будет определяться в большей степени возбуждающим полем, чем параметрами х и υ. В результате влияние разброса начальных координат и скоростей ионов на время вывода ионов t(m) снижается, а разрешающая способность анализатора возрастает.
Предлагаемый способ возбуждения колебаний ионов также упрощает систему питания и развертки масс-анализатора, так как при развертке масс его параметры, амплитуда и частота, остаются постоянными. Это способствует увеличению амплитуды и повышению стабильности параметров ВЧ напряжения. Упрощается схема развертки масс, так как развертка осуществляется изменением постоянной составляющей питающего напряжения.
Литература
1. D.J. Douglas, Ν.V. Konenkov. Mass selectivity of dipolar resonant excitation in a linear quadrupole ion trap // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2014, V. 28, p. 430-438.
2. E.В. Мамонтов. Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RU 2634614, 11.02.2017. Заявка №2016149722 от 16.12.2016.
3. Мамонтов В.В., Судаков М.Ю., Дятлов P.Н. Свободные и вынужденные колебания заряженных частиц в инерционно-нестационарных быстроосциллирующих квадрупольных электрических полях. Радиотехника и электроника. 2020, том 65, №2, с. 197-202.