МАСС-АНАЛИЗАТОР С ИОННОЙ ЛОВУШКОЙ
MASS ANALYSER WITH ION TRAP

Область техники, к которой относится изобретение
Это изобретение имеет отношение к масс-анализатору с ионной ловушкой и, в частности, к масс-анализатору с ионной ловушкой, построенному из печатных плат.
Уровень техники
Квадрупольные электрические поля могут быть сформированы посредством различных видов квадрупольной ионной оптики. Управляемая высокочастотным (радиочастотным) напряжением, эта квадрупольная ионная оптика используется в различных целях, например в ионопроводе для передачи ионов, в квадрупольном фильтре масс для анализа масс или выбора иона и в ионной ловушке для сохранения и анализа ионов. Из этих устройств квадрупольному фильтру масс обычно нужен глубокий вакуум для достижения своих эксплуатационных качеств, тогда как ионопровод и ионная ловушка могут работать при более низком вакууме. Масс-спектрометр с ионной ловушкой формируется посредством объединения ионопровода и ионной ловушки и присоединения их к источнику ионов. Тандемный масс-спектрометр, также известный как МС/МС (MS-MS), формируется посредством последовательного соединения двух масс-спектрометров с камерой соударений между ними. Тандемный масс-спектрометр обеспечивает возможность выяснить структуру сложных молекул и находит все больше применений в аналитической химии.
Традиционный масс-спектрометр с ионной ловушкой - это высокоточное механическое устройство, которое включает в себя гиперболические поверхности машинной обработки. Изготовление и сборка такого устройства являются очень дорогостоящими, что приводит к снижению продуктивности вследствие высокой точности, требуемой для гиперболических поверхностей. Хотя ионопровод высокого давления не требует такого же уровня точности, он не может использоваться как аналитическое устройство. С тех пор как в ионных ловушках были внедрены рабочие режимы испускания в зависимости от массы, стало понятно, что для достижения хороших аналитических результатов может использоваться структура электрода ионной ловушки с дефектами. Например, вытянутая ионная ловушка приводит к хорошей интенсивности сигнала и более высокому разрешению по массам. Кроме того, в качестве решения с более низкой стоимостью были рассмотрены более простые цилиндрические конфигурации конструкции ионной ловушки вместо более сложных гиперболических конфигураций вращения. Такая ионная ловушка с более низкой стоимостью может достигнуть разрешающей способности по массам более чем 1000 посредством надлежащего проектирования соотношений некоторых важных размеров, например внутреннего диаметра цилиндра и отверстий для ввода (инжекции) и вывода (эжекции) и расстояния между торцевыми пластинами.
6
Один из недостатков масс-спектрометра с трехмерной ионной ловушкой - ее маленькая зарядная емкость. Когда в ловушке сохранено большое количество ионов (>10), пространственный заряд в ловушке ликвидирует ее аналитические эксплуатационные характеристики. Недавно было выяснено, что линейная ионная ловушка может удерживать количество ионов, большее, по меньшей мере, на один порядок величины, чем трехмерная ионная ловушка, прежде чем будет достигнут предел пространственного заряда. Линейные конфигурации ионной ловушки, например раскрытые в заявке на патент США № 2003/0183759 A1, зарегистрированной Jae Schwartz и др. 3 февраля 2003 года, становятся все более популярными и уже промышленно внедрены. Структура традиционной линейной ионной ловушки, показанная на Фиг.1, является аналогичной квадрупольному масс-спектрометру с тремя сегментами, в котором на переднем сегменте и на заднем сегменте поддерживается более высокое напряжение постоянного тока, чем напряжение постоянного тока центрального сегмента. Ионы (в этом случае положительные ионы), которые удовлетворяют условию стабильности квадруполя, удерживаются постоянным полем вдоль продольной оси ловушки, а высокочастотным (радиочастотным) полем захвата - в направлении, перпендикулярном продольной оси. Таким образом, при таком условии захвата может иметь место анализ масс.
Однако линейную ионную ловушку сложно изготовить. Механическая обработка сегментных стержней и точная параллельность и симметрия при выравнивании всех стержней привели к высокой стоимости изготовления.
Патент Китая № 85102274 раскрывает структуру квадрупольной линзы, в которой граница с квадратной формой была сделана из резистивного материала для формирования непрерывного переменного электрического напряжения вдоль границы. Теоретически этот подход формирует идеальное квадрупольное поле в структуре линзы. Однако на практике сложно получить покрытие с высоким сопротивлением, имеющее высокую термостойкость. Когда высокочастотное (радиочастотное) высокое напряжение прикладывается к резистивному материалу, рассеяние мощности приводит к увеличению температуры, что, в свою очередь, изменяет полное сопротивление (импеданс) устройства. Это нарушает настройку резонанса высокочастотного (радиочастотного) генератора. Хотя, чтобы избежать вышеупомянутой проблемы, может использоваться схема переключения для управления квадрупольным полем, как раскрыто в заявке по договору PCT №PCT/GB00/03964, Ding и др., зарегистрированной 16 октября 2000 года, тем не менее неравномерное повышение температуры может изменить распределение поля в структуре ионной оптики, таким образом, аналитические эксплуатационные характеристики все же теряются.
Прилагались усилия для поиска новых материалов для изготовления масс-спектрометров. Патент США №6316768, выданный 13 ноября 2001 года Алану Роквуду (Alan Rockwood) и др., раскрывает времяпролетный (ToF) масс-спектрометр, созданный из материалов печатной платы (PCB). В раскрытии также упоминается создание высокочастотных (радиочастотных) мультипольных ионопроводов, использующих печатные платы (PCB), посредством чего дорожки на печатных платах (PCB) нанесены таким образом, что существует осевой градиент напряжения. Однако раскрытая структура печатной платы (PCB) не может быть использована как ионная ловушка, поскольку она не обеспечивает средство для предотвращения утечки ионов из структуры по ее оси и поскольку величина октупольного поля, индуцированного формой дорожек, препятствует формированию поля захвата, которое является подходящим для анализа масс.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение методики производства дешевых масс-анализаторов с ионной ловушкой с хорошей массовой разрешающей способностью. Другой задачей настоящего изобретения является объединение оптики для ввода иона и для анализа масс, с тем чтобы конструкция и сборка масс-спектрометра могли быть упрощены при сохранении точности. Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение масс-анализатора с ионной ловушкой с высокой чувствительностью, высокой производительностью посредством параллельного объединения ионных ловушек при сохранении низкой стоимости изготовления.
Раскрытие изобретения
В первом аспекте настоящего изобретения имеется масс-анализатор с ионной ловушкой, который содержит удлиненный туннель. Удлиненный туннель включает в себя стенку и имеет продольную ось и внутреннее пространство. Стенка содержит подложку и рисунки проводящих дорожек. Имеется также средство обеспечения изменяемого электрического напряжения для обеспечения электрических напряжений, которое соединено с рисунками проводящих дорожек. Рисунки проводящих дорожек и средство обеспечения изменяемого электрического напряжения обеспечивают изменяемое электрическое поле во внутреннем пространстве туннеля для передачи, сохранения и анализа ионов.
Во втором аспекте настоящего изобретения описанный выше масс-анализатор с ионной ловушкой включает в себя секцию передачи ионов и секцию захвата и анализа ионов, ионы вводятся в секцию захвата и анализа ионов из секции передачи ионов.
В третьем аспекте настоящего изобретения имеется масс-анализатор с ионной ловушкой, который содержит множество секций захвата и анализа ионов. Каждая из секций захвата и анализа ионов содержит удлиненный туннель. Удлиненный туннель включает в себя стенку и имеет продольную ось и внутреннее пространство. Стенка содержит подложку и рисунки проводящих дорожек. Каждая из секций захвата и анализа ионов является смежной с соответствующими секциями захвата и анализа ионов и проходит вдоль них. Имеется также средство обеспечения изменяемого электрического напряжения для обеспечения электрических напряжений, которое соединено с рисунками проводящих дорожек каждой из секций захвата и анализа ионов.
В четвертом аспекте настоящего изобретения имеется способ тандемного анализа масс с использованием масс-анализатора с ионной ловушкой, который имеет множество секций захвата и анализа ионов. Каждая секция захвата и анализа ионов содержит удлиненный туннель, который имеет стенку, продольную ось и внутреннее пространство. Стенка содержит подложку и рисунки проводящих дорожек. Каждая секция захвата и анализа ионов проходит рядом с соответствующими смежными секциями захвата и анализа ионов. Способ содержит этапы, на которых прикладывают высокочастотное напряжение к рисункам проводящих дорожек для создания квадрупольного электрического поля захвата в каждой секции захвата и анализа ионов, обеспечивают ионы в первой секции захвата и анализа ионов, охлаждают ионы в первой секции захвата и анализа ионов с использованием буферного газа, прикладывают напряжение возбуждения к рисункам проводящих дорожек в первой секции захвата и анализа ионов для вывода выбранных ионов-предшественников посредством резонансного вывода во вторую секцию захвата и анализа ионов, вторая секция захвата и анализа ионов является смежной с первой секцией захвата и анализа ионов, фрагментируют ионы-предшественники во второй секции захвата и анализа ионов и собирают и выводят фрагментированные ионы из второй секции захвата и анализа ионов.
В пятом аспекте настоящего изобретения имеется способ изготовления масс-анализатора с ионной ловушкой, который содержит этапы, на которых подготавливают многослойные печатные платы, которые имеют рисунки дорожек, формируют многоугольный туннель с использованием упомянутых печатных плат и скрепляют печатные платы с помощью металлических пластин внутри многоугольного туннеля. Рисунки дорожек на стороне печатных плат, обращенной к туннелю, разработаны для создания требуемого электрического поля в пределах многоугольного туннеля для передачи, сохранения и анализа ионов, когда к рисункам приложены соответствующие напряжения.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более понятно на основании последующего описания предпочтительных вариантов его воплощения, данных в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 - вид в перспективе традиционной линейной ионной ловушки;
Фиг.2 - вид в разрезе масс-анализатора с ионной ловушкой в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.3 - вид в поперечном разрезе вдоль по линии З-З масс-анализатора с ионной ловушкой, представленного на Фиг.2, без стенки между камерами;
Фиг.4 - вид сверху внутренней поверхности печатной платы масс-анализатора с ионной ловушкой, представленного на Фиг.2;
Фиг.5 - графическое представление напряжения постоянного тока по продольной оси печатной платы, представленной на Фиг.4;
Фиг.6 - схематический вид сети распределения напряжения для части ионной ловушки масс-анализатора с ионной ловушкой, представленного на Фиг.2;
Фиг.7 - схематический вид схемы резонансного возбуждения и вывода для масс-анализатора с ионной ловушкой, представленного Фиг.2;
Фиг.8 - моделируемый вид захваченных ионов, выводимых из ионной ловушки масс-анализатора с ионной ловушкой, представленного на Фиг.2, при резонансе с изменяемым во времени напряжением возбуждения;
Фиг.9 - вид сверху рисунков дорожек на печатных платах в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.10 - вид в разрезе печатных плат, показывающих покрытую щель и сетку для устранения проблем поверхностного заряда в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.11 - вид в разрезе масс-анализатора с ионной ловушкой, имеющего несколько ионных ловушек, в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения;
Фиг.12 - вид в поперечном разрезе масс-анализатора с ионной ловушкой в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На чертежах Фиг.2 и 3 масс-анализатор с ионной ловушкой, в большинстве случаев обозначаемый номером позиции 20, проходит через отверстие 22 в стенке 24. Стенка 24 разделяет вакуумные камеры 26 и 28, которые поддерживаются при различных давлениях среды. Масс-анализатор 20 с ионной ловушкой имеет удлиненную подобную трубе структуру 27 и детектор 31.
Удлиненная структура 27 имеет стенку 25, и стенка 25 имеет изоляционную подложку. В других вариантах воплощения стенка 25 может содержать другие типы подложек, например полупроводниковую подложку. В этом примере стенка 25 включает в себя четыре удлиненные печатные платы (PCB) 15, 17, 19 и 21, которые лучше всего показаны на Фиг.3. Печатные платы (PCB) 15, 17, 19 и 21 размещены бок о бок по своей продольной оси, и каждая из печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 существенно перпендикулярна соответствующей смежной печатной плате (PCB) 15, 17, 19 и 21. Поэтому удлиненная структура 27 имеет форму туннеля 29, имеющего продольную ось 63 и внутреннее пространство коробчатой формы.
Как показано на Фиг.2, первая, вторая и третья металлические пластины 32, 33 и 35 соответственно разделяют туннель 29 на секцию 34 ионопровода и секцию 36 захвата и анализа ионов и также выполняют функцию связывания печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 вместе. Каждая металлическая пластина 32, 33 и 35 имеет центральное отверстие 37. Секция 34 ионопровода принимает ионы из источника ионов (не показан), который обычно помещается под более высоким давлением среды, и проводит их к секции 36 захвата и анализа ионов. Для секции 36 захвата и анализа ионов обычно требуется более низкое давление среды и иногда другое газовое содержание, чем для секции 34 ионопровода. Тогда вторая металлическая пластина 33 между секциями 34 и 36 также выполняет функцию ограничения проникновения потока газа, вызванного различием давления среды или газового содержания между секциями 34 и 36.
-5
Каждая из камер 26 и 28 имеет свое собственное средство откачивания (не показано). Камера 28 предпочтительно поддерживает давление среды приблизительно 10 мбар вследствие требований детектора 31, который обычно включает в себя вторичный электронный умножитель. Давления среды в секции 34 ионопровода и в секции 36 захвата и анализа ионов зависят от скорости откачивания средств откачивания в соответствующих камерах 26 и 28, диаметров отверстий 37 в металлических пластинах 32, 33 и 35 и от отверстий, т.е. щелей или прорезей 38, которые вырезаны в печатных платах (PCB) 15, 17, 19 и 21, что объясняется более подробно ниже.
Масс-анализатор 20 с ионной ловушкой, показанный на Фиг.2, проходит только между двумя камерами 26 и 28 с отличающимся давлением среды. В других вариантах воплощения масс-анализатор 20 с ионной ловушкой может проходить через более чем две камеры, причем каждая камера будет иметь свое собственное давление, поддерживаемое средством откачивания. Когда давление среды в источнике ионов намного выше (например, вплоть до атмосферного давления), чем давление среды в секции 36 захвата и анализа ионов, между источником ионов и секцией 36 захвата и анализа ионов будет находиться несколько камер. В этих других вариантах воплощения камеры разделяются соответствующими стенками. Печатные платы (PCB) масс-анализатора с ионной ловушкой проходят через все камеры и стенки, и соответствующие металлические пластины делят масс-анализатор с ионной ловушкой на секции и приспосабливают давление между каждой из секций в соответствующих стенках.
На Фиг.3 каждая из печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 имеет внешнюю поверхность 40 и внутреннюю поверхность 42, как показано для печатной платы (PCB) 17. Внешняя поверхность 40 имеет внешний металлический слой, из которого сформированы внешние рисунки 44 электропроводящих дорожек. Внутренняя поверхность 42 имеет внутренний металлический слой, из которого сформированы внутренние рисунки 46 электропроводящих дорожек. Для формирования внешних и внутренних рисунков 44 и 46 дорожек могут использоваться стандартные процессы печати и травления производства печатных плат (PCB).
Внутренние рисунки 46 дорожек наносят для формирования необходимого электрического поля в туннеле 29, когда на них подают некоторое напряжение. Внешние рисунки 44 дорожек используются для распространения электрических сигналов и для соединения электрических компонентов, установленных на внешней поверхности 40. Эти электрические компоненты ответственны за разделение напряжения и сигнальное соединение источников напряжения и минимизируют количество контактов, требуемое между масс-анализатором с ионной ловушкой и источниками напряжения постоянного и переменного тока, являющимися внешними по отношению к вакуумным камерам 26 и 28, и описаны более подробно ниже. Внутренние рисунки 46 дорожек электрически связаны с внешними 44 рисунками дорожек через переходные отверстия, которые могут быть либо покрытыми переходными отверстиями, либо заполненными переходными отверстиями.
В других вариантах воплощения настоящего изобретения печатные платы (PCB) 15, 17, 19 и 21 могут быть многослойными печатными платами (PCB), имеющими несколько слоев металлизации и соответствующие несколько слоев рисунков дорожек.
Каждая из металлических пластин 32, 33 и 35 имеет восемь выступов 50, показанных на Фиг.3. Каждый из выступов 50 проходит от внутренней поверхности 42 к внешней поверхности 40 через соответствующие отверстия 52 в соответствующих печатных платах (PCB) 15, 17, 19 и 21. Также выступы 50 припаяны к выбранным внешним рисункам 44 дорожек в паяных соединениях 54. Выступы 50 используются для прикрепления металлических пластин 32, 33 и 35 к печатным платам (PCB) 15, 17, 19 и 21.
На Фиг.4 внутренние рисунки 46 дорожек на одной из печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 показаны более подробно. Специалистам в области техники понятно, что в других примерах могут использоваться другие рисунки дорожек. Каждая из печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 образует часть и секции 34 ионопровода, и секции 36 захвата и анализа ионов. Внутренние рисунки 46 дорожек имеют три полосы 56, каждая из которых имеет два отверстия 52 для приема выступа 50 металлических пластин 32, 33 и 35.
В секции 34 ионопровода внутренние рисунки 46 дорожек включают в себя три области 55, 57 и 59 полос, которые электрически изолированы друг от друга. Каждая из областей 55, 57 и 59 полос имеет три соответствующих ряда полос, включающих в себя средний ряд полос 58 и пару боковых рядов полос 61, которые также электрически изолированы друг от друга. Когда высокочастотное напряжение приложено к среднему ряду полос 58 и пара боковых рядов полос 61 замкнута на землю, формируется поле, близкое к квадрупольному, с примесью существенных по величине мультипольных полей более высокого порядка, таких как 12-польное поле. Это поле фокусирует ионы, перемещающиеся через секцию 34 ионопровода, в которой неизбежно столкновение с окружающим газом. К каждой области 55, 57 и 59 полос может быть приложено напряжение смещения постоянного тока, чтобы помочь ионам перемещаться через секцию 34 ионопровода и войти в секцию 36 захвата и анализа ионов. Напряжение смещения постоянного тока может также использоваться для накопления ионов перед вводом в секцию 36 захвата и анализа ионов или ускорения ионов в предопределенном направлении по продольной оси 63 туннеля 29, чтобы вызывать диссоциацию, обусловленную соударением. В других вариантах воплощения внутренние рисунки 46 дорожек в секции 34 ионопровода могут включать в себя более чем три области 55, 57 и 59 полос, где каждая область полос будет иметь то же самое распределение высокочастотного напряжения, но другое напряжение смещения постоянного тока.
В секции 36 захвата и анализа ионов внутренние рисунки 46 дорожек включают в себя область 60 ворот, область 62 захвата и область 64 остановки, которые электрически изолированы друг от друга. Каждая из областей 60, 62 и 64 имеет пять соответствующих рядов полос, включающих в себя средний ряд полос 66, пару внутренних рядов полос 68 и пару боковых рядов полос 70, которые также электрически изолированы друг от друга. Полосы в каждом ряду полос 66, 68 или 70 электрически соединены с одним и тем же высокочастотным напряжением. Средний ряд полос 66 смещен на самое высокое значение высокочастотного напряжения. Пара боковых рядов полос 70 смещена на самое низкое значение высокочастотного напряжения или даже нулевое высокочастотное напряжение.
В дополнение к высокочастотным напряжениям каждая из областей 60, 62 и 64 имеет соответствующее приложенное напряжение смещения постоянного тока, т.е. для каждой из областей 60, 62 или 64 ряды полос 66, 68 и 70 имеют одно и то же приложенное напряжение смещения постоянного тока. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к воротам и областям 60 и 64 остановки обычно выше, чем напряжение смещения постоянного тока, приложенное к области 62 захвата, тем самым создается потенциал постоянного тока, существенно параллельный продольной оси 63 и находящийся в пределах секции 36 захвата и анализа ионов. Напряжение смещения постоянного тока области 60 ворот может быть уменьшено, чтобы впустить ионы из секции 34 ионопровода (открытые ворота), и увеличено, чтобы предотвратить вход ионов из секции 34 или утечку ионов из секции 36 назад в секцию 34 (закрытые ворота). Фиг.5 показывает потенциал постоянного тока по продольной оси 63 туннеля 29, вызванный напряжением смещения постоянного тока, приложенного к областям полос 55, 57 и 59 в секции ионопровода и к областям 60, 62 и 64. Сплошная линия представляет конфигурацию закрытых ворот, а пунктирная линия показывает напряжение постоянного тока в области 60 ворот во время конфигурации открытых ворот.
G
T
S
На Фиг.6 показана сеть распределения напряжения на внешней поверхности 40 одной из печатных плат (PCB) 15, каждая из других печатных плат (PCB) 17, 19 и 21 имеет аналогичное расположение. Сеть распределения напряжения является резистивно-емкостной цепочкой (RC-цепочкой), обозначаемой номером позиции 72, которая выполняет функцию распределения высокочастотного напряжения и напряжения смещения постоянного тока на внешних и внутренних рисунках 44 и 46 дорожек в секции 36 захвата и анализа ионов. Резистивно-емкостная цепочка (RC-цепочка) включает в себя конденсаторы 74 и резисторы 76, собранные на внешней поверхности 40. Окружности на Фиг.6 представляют собой переходные отверстия 78, которые электрически соединяют сигналы от внешних рисунков 44 дорожек к внутренним рисункам 46 дорожек. Источник 80 высокочастотного переменного тока обеспечивает высокочастотное напряжение, и три источника 82a, 82b и 82c постоянного тока обеспечивают уровни напряжения V, V и V, представляющие собой смещение ворот, смещение захвата и смещение остановки соответственно для области 60 ворот, области 62 захвата и области 64 остановки. Источник 80 высокочастотного переменного тока, три источника 82a, 82b и 82c постоянного тока и сеть распределения напряжения, например резистивно-емкостная цепочка (RC-цепочка) 72, обеспечивают различные электрические напряжения для внутренних рисунков 46 дорожек.
Резистивно-емкостная цепочка (RC-цепочка) 72 соединена таким образом, что градиент высокочастотного напряжения формируется существенно вдоль по поперечной оси 65, см. Фиг.2, которая перпендикулярна продольной оси 63 туннеля 29, и что каждая из областей 60, 62 и 64 ворот, захвата и остановки имеет напряжение смещения постоянного тока. В секции 36 захвата и анализа ионов туннеля 29 имеется высокочастотное электрическое поле в направлении, существенно перпендикулярном продольной оси 63 туннеля 29, которое равномерно распределено по продольной оси 63. Высокочастотное электрическое поле в секции 36 захвата и анализа ионов туннеля 29 можно приближенно сделать двумерным квадрупольным полем посредством правильного выбора резисторов 76 деления напряжения. Приближенное двумерное поле квадруполя заключает ионы по радиальной линии от продольной оси 63 туннеля 29 (радиальное ограничение). В то же самое время также имеется электрическое поле постоянного тока, существенно параллельное продольной оси 63, которое предотвращает утечку ионов на противоположных концах секции 36 захвата и анализа ионов (осевое ограничение).
Цель формирования идеального квадрупольного поля в секции 36 захвата и анализа ионов не обязательно приводит к наилучшим эксплуатационным качествам. Настоящее изобретение не обеспечивает чистое квадрупольное поле и поэтому поле корректируется для преднамеренного добавления некоторых мультипольных полей старшего порядка, чтобы компенсировать ошибку поля. Чтобы выполнять корректировки поля, переменные резисторы 77 используются для регулировки коэффициентов разделения напряжения резисторов 76. Переменные резисторы расположены вне камеры 28, но не обязательно должны быть в других вариантах воплощения. Переменные резисторы 77 соединены последовательно или параллельно с резисторами 76 посредством контактов, проходящих между переменными резисторами 77, расположенными вне вакуумной камеры, и резисторами 76. Переменные резисторы 77 предусматривают оптимизацию эксплуатационных качеств секции 36 захвата и анализа ионов после ее изготовления и сборки. Поэтому точность, требуемая для изготовления и сборки печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 может быть ослаблена по сравнению с традиционными масс-анализаторами с ионной ловушкой. Понятно, что не всегда необходимо использовать переменные резисторы 77 для компенсации ошибки поля.
Секция 34 ионопровода также имеет сеть распределения напряжения (не показана), которая является аналогичной резистивно-емкостной цепочке (RC-цепочке) 72 и может также включать в себя переменные резисторы для модификации поля посредством привнесения некоторых мультипольных полей старшего порядка. Компоненты, т.е. резисторы 76 и конденсаторы 74 сетей распределения напряжения предпочтительно являются компонентами с монтажом на поверхность, и некоторые из этих компонентов могут быть установлены непосредственно на внешней поверхности 40 печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21.
Теперь более подробно описывается работа масс-анализатора 20 с ионной ловушкой, показанного на Фиг.2-7, посредством рассмотрения процедуры для анализа масс ионов. Ионы, сформированные источником ионов, который является внешним по отношению к масс-анализатору 20 с ионной ловушкой, притягиваются к секции 34 ионопровода анализатора 20 через отверстие 37 первой металлической пластины 32. Посредством управления амплитудой и частотой высокочастотного напряжения, приложенного к внутренним рисункам 46 дорожек в секции 34 ионопровода, ионы в пределах диапазона отношения массы к заряду перемещаются по траектории с устойчивыми колебаниями. Вследствие высокого давления среды в секции 34 ионопровода кинетическая энергия ионов постепенно теряется из-за соударений с молекулами окружающего газа и поэтому их амплитуды колебаний постепенно уменьшаются. Напряжение смещения постоянного тока, приложенное к областям полос 55, 57 и 59, создает градиент потенциала постоянного электрического поля по продольной оси 63 туннеля 29 вдоль секции 34 ионопровода, который поддерживает продольную скорость ионов, с тем чтобы они прошли вдоль оси к секции 36 захвата и анализа ионов.
В период ввода ионов напряжение смещения постоянного тока внутренних рисунков 46 дорожек в области 60 ворот секции 36 захвата и анализа ионов понижается, с тем чтобы уровень напряжения был аналогичен уровню в секции 34 ионопровода (см. Фиг.4 и пунктирную линию на Фиг.5). Тогда ионы проходят через отверстие 37 второй металлической пластины 33, напряжение которой является таким же, как у области ворот 60, через область ворот 60 секции 36 захвата и анализа ионов и продолжают перемещаться вперед, пока они не задерживаются напряжением, созданным напряжением смещения постоянного тока, приложенным к внутренним рисункам 46 дорожек в области 64 остановки секции 36 захвата и анализа ионов. Высокочастотное напряжение, приложенное к внутренним рисункам 46 дорожек в секции 36 захвата и анализа ионов, установлено для поддержки стабильности ионов в пределах диапазона отношения массы к заряду.
После периода ввода напряжение смещения постоянного тока, приложенное к внутренним рисункам 46 дорожек в области 60 ворот секции 36 захвата и анализа ионов, повышается, с тем чтобы создать в ней потенциальную яму между областью 60 ворот и областью 64 остановки по продольной оси 63 туннеля 29. Это препятствует входу дополнительных ионов и выходу ионов из секции 36 захвата и анализа ионов. Пока ионы находятся в секции 36 захвата и анализа ионов, они перемещаются вперед и назад в пределах потенциальной ямы между областью 60 ворот и областью 64 остановки и ограничены в радиальном направлении квадрупольным полем, созданным посредством высокочастотного напряжения, приложенного к резистивно-емкостной цепочке (RC-цепочке) 72. Ионы постепенно теряют свою энергию из-за соударений. Охлажденные ионы собираются вокруг центральной продольной оси 63 туннеля 29 в секции 36 захвата и анализа ионов и распределяются в продольном направлении по расстоянию, немного более короткому, чем внутренние рисунки 46 дорожек в секции 62 захвата.
Затем производится сканирование высокочастотного напряжения, также называемого напряжением захвата, посредством управления источником 80 высокочастотного переменного тока. Сканирование может быть амплитудным сканированием, при котором амплитуда источника 80 питания изменяется по времени, пока частота поддерживается постоянной, или сканирование может быть частотным сканированием, при котором частота изменяется по времени, пока амплитуда поддерживается постоянной. В любой ситуации ионы, которые были первоначально в устойчивом состоянии, становятся неустойчивыми и выводятся из секции 36 захвата и анализа ионов. Некоторые из выведенных ионов проходят через щель 38 в одной из печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 и регистрируются детектором 31, установленным на стороне секции 36 захвата и анализа ионов. Чтобы гарантировать, что ионы выводятся в направлении к щели 38 и детектору 31, приложенное квадрупольное поле может содержать малый компонент постоянного тока, который приводит к тому, что неустойчивость сначала достигается в направлении щели 38, заставляя ионы увеличивать амплитуду своих колебаний в направлении щели 38. Малый компонент постоянного тока может быть добавлен разными способами. Принцип управления неустойчивостью ионов хорошо изложен в таких книгах, как "Аспекты масс-спектрометрии с квадрупольной ионной ловушкой". На Фиг.7 показан один из множества способов добавления малого компонента постоянного тока с использованием двух управляемых источников 90 постоянного тока, каждый из которых последовательно соединен с одной фазой источников 80 высокочастотного переменного тока.
Другим способом, используемым для вывода ионов, является резонансный вывод. Общая топология схемы для достижения режима резонансного вывода в секции 36 захвата и анализа ионов иллюстрирована на Фиг.7. Для ясности на Фиг.7 показаны не все компоненты сети распределения напряжения, т.е. резистивно-емкостной цепочки (RC-цепочки) 72, как будет понятно специалистам в области техники. Источник 92 питания переменного тока используется для обеспечения дополнительного возбуждения квадрупольного поля. Напряжение возбуждения источника 92 питания переменного тока соединено дифференцированно с печатными платами (PCB) 17 и 21 правой и левой стороны соответственно посредством соединения напряжения возбуждения через трансформатор 94. При такой компоновке в секции 36 захвата и анализа ионов могут быть сформированы как квадрупольное поле захвата, так и дипольное поле возбуждения. Движения ионов в секции 36 захвата и анализа ионов могут быть возбуждены, когда выполняется условие резонанса. Теория резонансного возбуждения хорошо разработана и поэтому не будет описываться более подробно. Когда производится сканирование источников питания 80 и 92 высокочастотного тока, ионы могут быть выведены через щель 38 и могут быть зарегистрированы в порядке отношения массы к заряду, и, таким образом, получен спектр масс.
Эффект резонанса может также использоваться для выбора и диссоциации родительских ионов, с тем чтобы получить тандемный масс-спектрометр в секции 36 захвата и анализа ионов 36. Механизм изоляции родительских ионов (посредством вывода всех нежелательных ионов) и селективной по массе активации для прибора с инжекцией заряда (CID) может быть таким же, как для традиционного масс-спектрометра с ионной ловушкой.
Форма сигнала источника 80 питания высокочастотного тока не обязательно должна быть синусоидальной формой сигнала, которая обычно формируется высокочастотным (радиочастотным) резонатором. Масс-анализатор 20 с ионной ловушкой может приспособиться к импульсному источнику питания, т.е. к квадратной форме сигнала. В этом случае диэлектрические характеристики материала печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 имеют малое влияние на резистивно-емкостную цепочку (RC-цепочку) 72, т.е. сеть распределения напряжения, поскольку нет точно настроенного индуктивно-емкостного (LC) резонатора во время работы. Без проблемы настройки резистивно-емкостной цепочки (RC-цепочки) 72 упрощается выбор параметров и компонентов для сети распределения напряжения в секции 36 захвата и анализа ионов.
2
На Фиг.8 показана модель резонансного вывода. В этой модели секция 36 захвата и анализа ионов (см. Фиг.2) имеет объем захвата с поперечным сечением 10×10 мм, образованный печатными платами (PCB) 15, 17, 19 и 21. Каждая из печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 имеет пять рядов полос, в том числе средний ряд полос 66, пару внутренних рядов полос 68 и пару боковых рядов полос 70. Боковые ряды полос 70 смежных печатных плат (PCB) электрически соединены вместе и замкнуты на землю. Объем захвата секции 36 захвата и анализа ионов окружен двадцатью электродами, что фактически является шестнадцатью электродами, так как смежные боковые ряды полос 70 электрически соединены, и электроды частично формируют квадрупольное поле захвата, а также дипольное поле возбуждения. На средний ряд полос 66 на каждой из печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 подано напряжение с квадратной формой сигнала с амплитудой 500V. На восемь внутренних рядов полос 68 подано напряжение, составляющее 72-80% значения напряжения на средних рядах полос 66. Переменное отношение показательно для регулирования, связанного с переменными резисторами 77 в резистивно-емкостной цепочке (RC-цепочке) 72. Когда источник 80 питания высокочастотного тока имеет частоту 460 кГц для квадрупольного поля и дополнительный источник 92 питания (см. Фиг.7) имеет частоту 115 кГц для дипольного поля возбуждения, резонирующие ионы 120 увеличивают амплитуду своих колебаний и выходят через щель 38. Хотя геометрия из двадцати электродов не формирует совершенное квадрупольное поле, результаты моделирования указывают, что может быть достигнуто разрешение по массе более чем 2500 с использованием сканирования резонансного вывода со скоростью 800 атомных единиц массы (AMU) в секунду.
Материал подложки печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 предпочтительно является твердым и непористым, чтобы предотвратить возможные изменения в размерах и абсорбцию-десорбцию газа или пара во время использования устройства. Плата из стандартного материала FR-4, смеси стекловолокна и эпоксидной смолы (стеклотекстолита) может использоваться в качестве материала подложки печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 для масс-анализатора 20 с ионной ловушкой, и в этом случае анализатор 20 будет иметь срок службы от короткого до среднего и среднюю точность по сравнению с масс-анализаторами с ионной ловушкой, созданными из более экзотических материалов для печатных плат (PCB). В других вариантах воплощения материалом подложки печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 может быть, например, политетрафторэтилен (PTFE) или керамика, но возможны и другие материалы.
Чтобы избежать накопления поверхностного заряда на пустой части подложки печатной платы (PCB), промежуток между металлическими дорожками предпочтительно покрыт высокорезистивным материалом. Удельное сопротивление материала предпочтительно достаточно высоко, с тем чтобы имелось незначительное влияние на проектное распределение сигнала, но материал тем не менее способен к снятию осажденного поверхностного заряда. Также возможно модифицировать материал подложки, то есть, по меньшей мере, на внутренней поверхности 42 (см. Фиг.3), с помощью легирующих материалов для уменьшения удельного сопротивления.
На Фиг.10 для областей в масс-анализаторе 20 с ионной ловушкой, требующих электрического поля высокой точности, например в секции 36 захвата и анализа ионов, показанной на Фиг.2, предпочтительно использовать щель 100 с нанесенным покрытием вместо того, чтобы вытравливать промежутки между полосами внутренних рисунков 46 дорожек на внутренней поверхности 42. Металлический слой на внутренней поверхности 42 печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21 предпочтительно является медью с покрытием из золота толщиной >0,1 мм. Щель 38 вывода предпочтительно покрыта проводником. Может использоваться металлическая сетка 96 для покрытия существенно широких щелей 38, чтобы уменьшить искажение поля.
Описанный выше (см. Фиг.4) рисунок дорожек является только одним из возможных вариантов воплощения рисунка дорожек, которые могут использоваться для конструкции масс-анализатора 20 с ионной ловушкой настоящего изобретения. Фактически имеется много других способов, которыми могут быть спроектированы внутренние рисунки 46 дорожек печатных плат (PCB) 15, 17, 19 и 21, для формирования необходимого электрического поля для передачи ионов в секции 34 ионопровода и анализа ионов в секции 36 захвата и анализа ионов.
На Фиг.9 показан другой вариант воплощения внутренних рисунков 46.2 дорожек секции 36.2 захвата и анализа ионов, в котором части, аналогичные частям предыдущего варианта воплощения, имеют аналогичные номера позиции с дополнительным суффиксом ".2". В этом примере секция 36.2 захвата и анализа ионов имеет четыре печатные платы (PCB) 15.2, 17.2, 19.2 и 21.2. Эти четыре печатные платы (PCB) 15.2, 17.2, 19.2 и 21.2, показанные здесь в разобранном виде сверху, образуют квадратный туннель. Внутренние рисунки 46.2 дорожек на противоположных парах 15.2 и 19.2 имеют эллиптическую форму, и внутренние рисунки 46.2 дорожек на противоположных парах 17.2 и 21.2 имеют гиперболическую форму. Область 60.2 ворот, которая снабжена управляемым напряжением смещения постоянного тока, выполняет как функцию ввода ионов, так и блокирующую функцию, как описано в предыдущем варианте воплощения. В область 62.2 захвата ионы захватываются и затем анализируются. По меньшей мере, одна из печатных плат (PCB) 15.2, 17.2, 19.2 и 21.2 (в настоящем варианте воплощения печатная плата (PCB) 19.2) имеет удлиненное отверстие или щель 38.2 для вывода ионов. Если щель 38.2 является существенно большой, она может быть покрыта мелкой металлической сеткой 96.2 для минимизации искажения поля. Традиционные эллиптические ионные ловушки очень сложно формируются посредством механической обработки, но они имеют уникальные эксплуатационные характеристики по сравнению с другими традиционными трехмерными ионными ловушками. С использованием обычных технологий производства печатных плат (PCB) сложные эллиптические и гиперболические рисунки можно легко вытравить на печатных платах (PCB) 15.2, 17.2, 19.2 и 21.2, и поэтому сложная структура поля секции 36.2 захвата и анализа ионов может быть сформирована при значительно уменьшенной стоимости производства.
n
n
Приведенные выше описания масс-анализаторов 20 и 20.2 с ионной ловушкой были основаны на сборке печатных плат (PCB) с одним туннелем 29. Однако несколько туннелей могут быть объединены вместе в тандемном масс-анализаторе MS с несколькими стадиями для достижения более высокой производительности и более высокой чувствительности. Обычно традиционная одиночная ионная ловушка может выполнять функции MS в пределах своего объема с использованием последовательных по времени стадий. В каждой стадии все ионы, за исключением выбранного родительского иона, исключаются из ловушки. Если необходимо исследовать другой родительский ион, то ионы образца должны быть повторно введены в ионную ловушку. Это приводит к длительному периоду анализа и низкой эффективности образца.
На Фиг.11 показан другой вариант воплощения масс-анализатора 20 с ионной ловушкой, в котором части, аналогичные предыдущим вариантам воплощения, имеют аналогичные номера позиций с дополнительным суффиксом ".3". Масс-анализатор 20.3 с ионной ловушкой имеет секцию 34.3 ионопровода и параллельные секции 36.3a, 36.3b и 36.3c захвата и анализа ионов, каждая из которых сделана из печатных плат (PCB) 30. Для выбора родительского иона вместо вывода всех нежелательных ионов выбранный родительский ион в ионном облаке 110 выводится в секцию 36.3b захвата и анализа ионов посредством резонансного вывода. Способ резонансного вывода в настоящем варианте воплощения подобен рассмотренному выше способу для сканирования масс, но в этом примере секция 36.3b захвата и анализа ионов заменяет детектор 31. В секции 36.3b захвата и анализа ионов нормально применить ту же самую величину высокочастотного напряжения, какая используется в секции 36.3a захвата и анализа ионов. Можно настроить дипольное напряжение возбуждения для секции 36.3b захвата и анализа ионов так, чтобы оно имело комбинацию фазы и интенсивности либо для дальнейшего возбуждения и вывода ионов в следующий туннель, либо для удерживания их захваченными с большой амплитудой колебания, с тем чтобы они соударялись с окружающим газом для фрагментации либо для замедления движения ионов. В случае фрагментации дочернее ионное облако 112 формируется и захватывается в секции 36.3b захвата и анализа ионов.
3
На следующем шаге один из дочерних ионов из дочернего ионного облака 112 может быть далее выбран и выведен в секцию 36.3c захвата и анализа ионов, где дочерние ионы диссоциируются и приводят к внучатым ионам 114. Наконец, может быть получен MS посредством вывода внучатых ионов 114 к детектору 31.3 в процессе сканируемого вывода в секции 36.3c захвата и анализа ионов.
Обе стороны печатных плат (PCB) 30 между любыми двумя секциями 36.3a-c захвата и анализа ионов используются для формирования поля захвата. Поэтому сеть 72.3 распределения напряжения может быть установлена на протяженных краях печатных плат (PCB) 30.
n
Отличие этого способа MS по сравнению с традиционным способом заключается в том, что на каждом этапе выбора неотобранные разновидности ионов все еще сохраняются в исходной секции захвата 36.3a, 36.3b или 36.3c и анализа ионов. Один из сохраненных ионов может быть выбран снова и выведен вниз по течению к секции 36.3a, 36.3b или 36.3c захвата и анализа ионов для фрагментации. Поэтому все каналы фрагментации могут быть проанализированы без повторного наполнения первой секции 36.3a захвата и анализа ионов. Благодаря новой конфигурации печатных плат (PCB) большая вместимость захвата многоступенчатых секций 36.3a, 36.3b или 36.3c захвата и анализа ионов обеспечивает хорошую интенсивность сигнала и поэтому высокую эффективность. Кроме того, благодаря низким затратам на производство и сборку печатных плат (PCB) 30 у этого многоступенчатого масс-анализатора 20.3 с ионной ловушкой низкая цена и он доступен для использования.
Предшественник вывода во вторую секцию 36.3b захвата и анализа ионов может управляться путем медленного сканирования. Каждый ион, отсканированный во вторую секцию 36.3b захвата и анализа ионов, в которой применяется более высокое давление газа для соударений, будет быстро подвержен диссоциации, и будут быстро сформированы результирующие дочерние ионы 112. За каждым этапом сканирования первой секции 36.3a захвата и анализа ионов может следовать полное сканирование дочерних ионов 112. Когда медленное сканирование первой секции 36.3a захвата и анализа ионов завершено, может быть получен двумерный спектр масс.
На Фиг.12 показан другой вариант воплощения масс-анализатора с ионной ловушкой настоящего изобретения, на котором аналогичные части имеют аналогичные номера позиций с дополнительным суффиксом ".4". В этом варианте воплощения секция 36.4 захвата и анализа ионов имеет щель 38.4, сформированную между краями смежных печатных плат (PCB) 15.4 и 21.4. Ионы 120.4 в секции 36.4 захвата и анализа ионов могут быть выведены через отверстие 38.4 рассмотренными выше в предыдущих вариантах воплощения способами и зарегистрированы детектором 31.4. В этом примере на боковые ряды полос 70.4 подано высокочастотное напряжение с самым высоким значением, которое затем распределяется существенно линейно вдоль по каждой стороне по рядам полос 68.4 и 66.4 соответственно. Когда дипольное возбуждение приложено между левым и правым углами, ионы 120.4 выводятся через отверстие 38.4 на детектор 31.4. Отверстие 38.4 может иметь металлическую пластину с щелью или сеткой, приложенной к нему для минимизации любых искажений поля.
Как будет очевидно специалистам в области техники, для описанных выше вариантов воплощения могут быть сделаны различные модификации в рамках приложенной формулы изобретения. Например, поперечное сечение туннеля 29 не обязательно должно быть прямоугольным по форме и может иметь другие формы и может включать в себя более чем четыре печатных платы (PCB).
Все традиционные методики, используемые при изготовлении печатных плат (PCB), могут быть приняты для улучшения эксплуатационных характеристик масс-анализатора с ионной ловушкой настоящего изобретения. Например, скрытый слой заземления, обычно используемый для проектирования топологии высокочастотных печатных плат (PCB), может использоваться для экранирования высокочастотных помех и действовать как теплоотвод для рассеивания и распределения тепла, генерируемого сетью распределения напряжения, размещенной на внешней поверхности печатных плат (PCB), тем самым более равномерно распределяя температурный градиент печатных плат (PCB). Дополнительно могут использоваться глухие переходные отверстия для предотвращения проникновения в туннель внешних полей.
В качестве другого примера, благодаря низкой стоимости производства этого устройства оно также может использоваться в качестве расходуемой и модульной части сложного инструмента, такого как источник для времяпролетной (ToF) системы. Модульная расходуемая часть особенно желательна при анализе опасных материалов.