СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ИОНОВ В ТРЕХМЕРНОЙ ИОННОЙ ЛОВУШКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MASS-SPECTROMETRIC ANALYSIS OF IONS IN THREE-DIMENSIONAL ION TRAP AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для создания масс-спектрометров типа трехмерной ионной ловушки с высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Техническим результатом является повышение чувствительности и достоверности анализа масс-спектрометра.
Характер поведения заряженных частиц в высокочастотных квадрупольных полях, создаваемых электродами трехмерной ионной ловушки, описывается уравнениями Хилла [Э. Камке Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М.: Наука, 1971]:
а
r''+[-2qΨ(T)]r=0,
а
z''-[-2qΨ(T)]z=0
а
=
~
где r и z - радиальная и осевая координаты соответственно, Ψ(T) - периодическая функция времени Т,  и q - безразмерные параметры стабильности, которые в случае использования гармонического высокочастотного напряжения Ψ(T)=U+Ucos(2T) имеют вид:
,
,
=
~
o
где σ=e/m - удельный заряд иона, U - значение постоянной составляющей питающего напряжения, U - амплитуда переменной составляющей, ω - циклическая частота,  - величина, определяемая геометрией электродной системы, d - расстояние от центра системы до торцевого электрода, r - расстояние от центра системы до кольцевого электрода.
Для характеристики устойчивости/неустойчивости движения ионов используют диаграмму стабильности (фиг. 1), которую изображают в координатах a-q. При попадании рабочей точки иона в пределы зоны стабильности по соответствующей координате его колебания имеют ограниченную амплитуду (устойчивые колебания). В противном случае амплитуда колебаний иона неограниченно возрастает (неустойчивые колебания). Связь характера колебаний иона с его удельным зарядом и используется для масс-спектрометрического анализа веществ в ионной ловушке.
=
~
Известен способ анализа ионов по удельным зарядам в масс-анализаторе типа трехмерной ловушки, по которому после образования внутри датчика анализатора или ввода извне ионов исследуемого вещества путем выбора соотношения параметров питающего напряжения (постоянной составляющей U, переменной составляющей U, циклической частоты ω), а также заданной фиксированной геометрии электродной системы в процессе удержания в рабочем объеме датчика захватываются и остаются ионы достаточно узкого диапазона удельных зарядов σ (в идеале - только одного заданного), которые совершают колебания ограниченной амплитуды относительно центра системы (устойчивые ионы). Все ионы, удельные заряды которых не соответствуют указанному диапазону, неограниченно увеличивают амплитуду колебаний и тем самым попадают на полеобразующие электроды и нейтрализуются (неустойчивые ионы). Отсортированные в рабочем объеме датчика анализатора ионы выводятся через перфорированные области торцевых электродов в систему регистрации путем подачи на электроды выплескивающего импульса. Сканирование по массовому диапазону осуществляется при этом изменением одного или одновременно нескольких характеристик питающего напряжения (частоты и постоянной/переменной составляющих). Данный режим работы получил название «метод масс-селективного накопления» (МСН). [US Patent №3527939 А, 08.09.1970].
Для достижения высоких аналитических характеристик сепарирующее поле в объеме датчика анализатора должно характеризоваться высокой степенью линейности зависимости напряженности поля от смещения от центра системы, что определяет необходимость гиперболического профиля полезадающих электродов и строго заданного их взаимного расположения.
К недостатку данного способа анализа ионов можно отнести то, что для получения высокой разрешающей способности прибора рабочие точки удерживаемых (отсортированных) частиц по всем трем координатам (радиальным - X и Y и осевой - Z) находятся вблизи соответствующей границы стабильности, то есть в вершине совмещенной зоны (см. фиг. 1). В результате по всем трем координатам амплитуды отсортированных ионов велики, что приводит к неизбежной потере части из них и, соответственно, к снижению чувствительности. Кроме того, необходимость повторения этапа ионизации/ввода ионов при получении каждой точки на спектре масс приводит к снижению скорости его формирования.
Лучшим в этом отношении является метод «масс-селективной нестабильности» (МСНс) [US Patent №4540884, 10.09.1985]. Это связано в первую очередь с реализацией в нем принципа одномерной сортировки, когда по радиальным координатам (X и Y) ионы только удерживаются с относительно небольшими амплитудами колебаний, а сортировка осуществляется только по осевой координате Z (фиг. 1). При этом рабочие точки захваченных ионов на диаграмме стабильности находятся в глубине совмещенной зоны стабильности, далеко от границ зоны. Сущность данного метода заключается в том, что ионы, образованные внутри датчика анализатора или введенные извне, захватываются высокочастотным квадрупольным электрическим полем в широком диапазоне удельных зарядов. Далее электрические параметры высокочастотного поля (обычно постоянная и переменная составляющие) меняются таким образом, что рабочие точки ионов, находящихся в пределах захваченного диапазона, последовательно переводятся в нестабильную область по осевой Z координате. Амплитуда колебаний этих ионов в осевом направлении неограниченно возрастает, и они выходят из рабочего объема в систему регистрации через перфорированную часть торцевых электродов. При этом рабочие точки всех остальных удерживаемых ионов остаются внутри зоны стабильности, так что амплитуды их колебаний остаются ограниченными и в систему регистрации они не попадают. Типичный рабочий цикл метода представлен на фиг. 2. Он включает в себя следующие этапы:
-4
-3
- этап ионизации/накопления частиц исследуемого вещества, находящихся в объеме ловушки или ввода/накопления ионов исследуемого вещества в рабочий объем датчика масс-анализатора извне (0-А). При этом формируется рабочий диапазон захватываемых (стабильных) ионов, которые впоследствии будут избирательно детектироваться. Ионы с рабочими точками, не попадающими внутрь диаграммы стабильности (нестабильные ионы), увеличивают амплитуды колебания и выходят из объема удержания. На этом же этапе происходит демпфирование колебаний стабильных частиц с использованием легкого буферного газа, который напускается в систему до давления 10-10 Торр. На этом этапе система детектирования закрыта, выходящие ионы не регистрируются.
- этап сканирования по выбранному диапазону удельных зарядов (А-В), на котором путем изменения параметров питающего напряжения рабочие точки ионов, захваченных ловушкой на предыдущем этапе, по очереди переводятся в нестабильную область по Z-координате, увеличивают амплитуду колебаний в осевом направлении, выходят из ловушки через перфорированные части торцевых электродов и регистрируются в открытой к этому времени системе детектирования. Таким образом формируется масс-спектр/участок масс-спектра исследуемого вещества.
- далее этапы создания-ввода-накопления ионов и сканирования по удельным зарядам повторяются для того же или другого массового диапазона (В-А' и далее). «Сшивая» полученные участки или накладывая друг на друга, можно сформировать спектр масс в заданном диапазоне массовых чисел.
К особенностям реализации данного метода относится то, что помимо необходимости наличия в рабочем объеме демпфирующего легкого газа сепарирующее поле должно быть нелинейным, содержащим составляющие четного порядка с положительными весовыми коэффициентами [Franzen J. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Proc. 1993. Vol. 125. P. 165-170.]. Нелинейность поля создается преднамеренно либо за счет увеличения расстояния от торцевых электродов до центра ловушки [Louris J., Schwartz J., Sta_ord G. et al. // Proc. 40th ASMS Conf. on Mass Spectrometry and Allied Topics. Washington, DC, 1992. P. 1003.1013.], либо за счет уменьшения асимптотического угла образующей гиперболы торцевых электродов [Wang J. and Franzen J. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Proc. 1992. Vol. 112. P. 167-175.]. Ионные ловушки с подобного рода модификацией геометрии принято называть нелинейными ионными ловушками [Wang Y., Franzen J. // Int. J. Mass Spectrom. and Ion Proc. 1994. Vol. 132. P. 155-172.]. В обоих случаях отклонение параметров геометрии электродной системы от «идеального» линейного случая составляет порядка 10%, что приводит к возникновению в рабочем объеме датчика анализатора нелинейных искажений четного порядка.
К недостатку метода относится то, что улучшая условия выхода ионов при переводе рабочей точки в нестабильную область по осевой координате, нелинейные искажения неблагоприятно воздействуют на поведение ионов, удерживаемых в объеме ловушки. Наличие нелинейных искажений квадрупольного поля приводит к возникновению связанных резонансных колебаний ионов определенных удельных зарядов, рабочие точки которых на диаграмме стабильности попадают на т.н. резонансные линии [F. v. Busch, W. Paul  nichtlineare Resonanzen im elektrischen Massenfilter als Folge von Feldfehlern. Zeitschrift  Physik, 1961, Volume 164, Issue 5, pp 588-594]. Для этих изначально «стабильных» ионов с рабочими точками внутри зоны стабильности амплитуды колебаний по всем координатам с течением времени начинают увеличиваться (ионы становятся «нестабильными»). В результате они выходят из объема удержания, попадают на электроды, где нейтрализуются. Потеря этих ионов из-за резонансных эффектов приводит к тому, что регистрируемый на этапе сканирования сигнал не соответствует реальному количеству частиц в исследуемом веществе, что снижает достоверность масс-анализа. На фиг. 3 представлен набор линий резонансов различных порядков для части диаграммы стабильности трехмерной ионной ловушки, соответствующей рабочей области метода «масс-селективной нестабильности», а на фиг. 4 - относительное количество детектируемых ионов в зависимости от значения q при постоянном значении а=-0,0136, измеренное в работе [R. Alheit et al. / International Jounal Mass Spectrometry and Ion Processes 154 (1996) 155-169]. В этой же работе показано соответствие провалов в числе детектируемых ионов положению определенной линии резонанса.
Для увеличения амплитуды колебания необходимо время, таким образом, наиболее значительно количество детектируемых ионов уменьшается при длительном воздействии резонанса. Это в первую очередь происходит на этапе ионизации/ввода-накопления метода «масс-селективной нестабильности», когда параметры питающего напряжения достаточно продолжительный период времени (до 100 мсек, от нескольких сотен - до десятков тысяч периодов высокочастотного напряжения) остаются неизменными и рабочие точки части ионов длительное время соответствуют положению резонансных линий. На этапе сканирования изменение параметров высокочастотного поля приводит к изменению положения рабочей точки на диаграмме стабильности, к достаточно быстрому пересечению ею линии резонанса, так что увеличение амплитуды колебания происходит в значительно меньшей степени, нежели в предыдущем случае. В случае же идеального квадратичного распределения потенциала (линейного поля), используемого в методе масс-селективного накопления, резонансные эффекты отсутствуют.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что влияние нелинейных искажений высокочастотного поля, необходимых для получения высокой разрешающей способности в методе «масс-селективной нестабильности», приводит к уменьшению чувствительности метода и к возникновению дискриминации по массовому диапазону, причем наибольшее негативное влияние проявляется на этапе ионизации/накопления.
Целью предлагаемого изобретения является реализация метода масс-селективной нестабильности в трехмерной ионной ловушке с использованием на этапе ионизации/накопления линейного высокочастотного поля как в методе масс-селективного накопления, а на этапе сканирования - нелинейного высокочастотного поля. Техническая реализация способа достигается вводом между этапами ионизации/накопления и сканирования дополнительных этапов, на котором геометрия электродной системы датчика анализатора трехмерной ионной ловушки изменяется путем сдвига торцевых электродов из положения, соответствующего идеальному квадрупольному полю, в положение нелинейного поля и наоборот. Тем самым на этапе ионизации/накопления в рабочем объеме датчика масс-анализатора создается линейное поле, в котором колебания ионов по различным координатам не связаны друг с другом и нелинейные резонансы не возникают, а на этапе сканирования формируется поле, содержащее нелинейные составляющие, необходимые для эффективного последовательного вывода ионов из рабочего объема датчика анализатора. Величина сдвига электродов при этом не превышает 10% минимального расстояния от центра электродной системы до торцевых электродов.
Прецизионный сдвиг электродов может быть осуществлен либо электромагнитным, либо пьезоэлектрическим двигателями. Так, например, последние могут работать в условиях вакуума и обеспечивают рабочий ход 20 мм при скорости движения до 800 мм/сек с ускорением 20 g и точности позиционировании и стабильности положения порядка 50 нм. Усилие привода пьезодвигателя может достигать до 600 Н. [А. Самарин. Миниатюрные линейные пьезоэлектрические двигатели, Компоненты и технологии, №63, 2006, стр. 36-41]. Для уменьшения массы (инерционности) перемещаемых электродов они могут быть изготовлены тонкостенными с помощью метода электролитического формования. В этом случае их масса не превышает нескольких десятков грамм. Таким образом, при существующих расстояниях в ионных ловушках от центра системы до торцевых электродов 1-2 см, сдвиг в ту или иную сторону на 10% может быть осуществлен за 3-4 мсек, что незначительно увеличивает длительность всего цикла сортировки.
На фиг. 5 представлено схематичное изображение датчика масс-анализатора типа трехмерной ионной ловушки с радиальным вводом ионизирующего излучения и изменяемым положением торцевых электродов. При этом фиг. 5а представляет положение торцевых электродов, соответствующее идеальному квадрупольному полю (линейная трехмерная ловушка, расстояние от центра системы до торцевого электрода - d); фиг. 5б - положение торцевых электродов, соответствующее увеличенному расстоянию от центра системы до полеобразующей поверхности электрода (нелинейная трехмерная ловушка, расстояние от центра системы до торцевого электрода d+Δd). На фиг. 5 цифрой 1 обозначен кольцевой электрод, цифрами 2 и 3 - торцевые электроды, цифрой 4 - поток ионизирующего излучения, цифрой 5 - направляющая керамическая обойма, цифрой 6 - линейные двигатели, цифрой 7 - система перемещения торцевых электродов.
На фиг. 6 показана схема рабочего цикла масс-анализатора типа трехмерной ионной ловушки в режиме масс-селективной нестабильности с изменяемой геометрией электродной системы.
Работа масс-анализатора при этом состоит из следующих этапов:
- этап перевода торцевых электродов в положение, соответствующее формированию в рабочем объеме датчика анализатора линейного высокочастотного поля (0-0'). При этом минимальное расстояние между центром системы и поверхностью торцевого электрода - d. Это достигается подачей на двигатель (двигатели) торцевых электродов соответствующего управляющего импульса Uv.
i
ion
- этап ионизации/накопления частиц исследуемого вещества, находящихся в объеме ловушки, или ввода/накопления ионов исследуемого вещества в рабочий объем датчика масс-анализатора извне (0'-А'). Характеристики питающего напряжения (амплитуда, частота, скважность, форма огибающей переменной и величина постоянной составляющих) выбираются такими, что «стабильными» траекториями обладают ионы заданного диапазона удельных зарядов, а остальные оказываются нестабильными и выходят из объема удержания. При этом на систему ионизации/ввода подается открывающий импульс (U), а система детектирования закрыта, выходящие нестабильные ионы не регистрируются (I=0).
- этап сдвига торцевых электродов в положение нелинейного поля (А'-А). При этом минимальное расстояние между центром электродной системы и торцевыми электродами становится d+Δd.
- по окончании сдвига торцевых электродов начинается этап сканирования по захваченному диапазону удельных зарядов (А-В), который идентичен аналогичному этапу прототипа. Система ионизации/ввода при этом закрыта, а система регистрации открыта, последовательно выходящие в осевом направлении ионы различных удельных зарядов регистрируются, и формируется масс-спектр/участок масс-спектра исследуемого вещества.
- перед началом следующего этапа ионизации/накопления или ввода/накопления заряженных частиц торцевые электроды возвращаются в исходное состояние линейного поля путем подачи управляющего импульса на двигатели (В-В') и описанные выше этапы повторяются для того же или другого массового диапазона. «Сшивая» полученные участки или накладывая друг на друга, можно сформировать спектр масс в заданном диапазоне массовых чисел.
К особенностям предлагаемого рабочего цикла можно отнести то, что увеличение расстояния между торцевыми электродами от d до d+Δd можно производить асимметрично (не одновременно), с задержкой перемещения одного из электродов по отношению к другому. Такой асимметричный сдвиг приведет к возникновению во время перемещения электродов дополнительно к осевым искажениям поля четного порядка искажений нечетного порядка. Наличие асимметричных искажений вызовет создание в центре системы отличного от нуля продольного электрического поля, что приведет к «выносу» из нее ионов с малыми начальными скоростями, которые в симметричном поле практически не сортируются, то есть имеют большое время нарастания амплитуды колебаний. Это позволит уменьшить разброс времен осевого вывода ионов данного вида на этапе развертки спектра масс и тем самым увеличить разрешающую способность прибора и отношение сигнал/шум в предлагаемом способе работы масс-спектрометра.
Реализация рассматриваемого способа работы квадрупольного масс-спектрометра типа трехмерной ионной ловушки возможна в устройстве, представленном на фиг. 7. Конструкция масс-спектрометра включает в себя: источник ионизирующего излучения и/или источник ионов (1), блок управления ионизацией/вводом ионов (2), датчик масс-анализатора, состоящий из кольцевого (3) и двух торцевых электродов (4), детектор ионов (5), блок формирования питающего высокочастотного и постоянного напряжения, подаваемого между кольцевым и торцевыми электродами (6), блок управления рабочим циклом (7), двигатели перемещения торцевых электродов (8) с системой перемещения (9), блок приема и обработки информации (10), вакуумный насос (11).
Предлагаемый способ работы реализуется с помощью указанного устройства следующим образом.
После установления в вакуумной камере прибора, в которой находятся датчик анализатора, состоящий из кольцевого (3) и торцевых электродов (4), источник ионизирующего излучения и/или источник ионов (1), детектор ионов (5), двигатели перемещения торцевых электродов (8) с системой перемещения (9) необходимого вакуума, обеспечиваемого вакуумным насосом (11), на двигатели перемещения торцевых электродов подается от блока управления рабочим циклом (7) управляющий импульс. Двигатели переводят с помощью системы перемещения (9) торцевые электроды в положение, обеспечивающее создание в рабочем объеме датчика анализатора линейного высокочастотного поля. Детектор ионов (5) - закрыт.
После этого блок управления рабочим циклом подает сигналы на блок формирования питающего высокочастотного и постоянного напряжения (6) и блок управления ионизацией/вводом ионов (2), запуская их.
Блок (6) формирует высокочастотное питающее напряжение с постоянной составляющей, которое подается между кольцевым и торцевыми электродами датчика анализатора, создавая в объеме анализатора высокочастотное электрическое поле.
Блок (2) формирует напряжения, необходимые для работы источника ионизирующего излучения и/или источника ионов (1), которые при запуске осуществляют процесс ионизации/накопления частиц исследуемого вещества, находящихся в объеме ловушки или ввода/накопления ионов исследуемого вещества в рабочий объем датчика масс-анализатора извне.
При этом параметры питающего напряжения (амплитуда, частота, скважность, форма огибающей переменной и величина постоянной составляющих) выбираются такими, что «стабильными» траекториями обладают ионы заданного диапазона удельных зарядов (удерживаются в объеме анализатора), а остальные оказываются «нестабильными» и выходят из объема удержания.
После окончания этапа ионизации-ввода/накопления ионов блок (7) подает управляющий импульс на двигатели перемещения торцевых электродов (8), которые с помощью системы перемещения (9) переводят торцевые электроды в положение, соответствующее формированию в рабочем объеме анализатора нелинейного высокочастотного поля.
В момент окончания сдвига электродов импульсом от блока (7) открывается тракт детектора ионов (5) и начинается этап сканирования по захваченному диапазону удельных зарядов, на котором путем изменения параметров питающего напряжения рабочие точки ионов, захваченных ловушкой на предыдущем этапе, по очереди переводятся в нестабильную область по Z-координате, увеличивают амплитуду колебаний в осевом направлении, выходят из ловушки через перфорированные части торцевых электродов и регистрируются системой детектирования. Тем самым формируется масс-спектр/участок масс-спектра исследуемого вещества.
Перед началом следующего цикла получения масс-спектра исследуемого вещества блок управления рабочим циклом (7), подав управляющий импульс на двигатели (8), переводит торцевые электроды в начальное положение, перед началом этапа ионизации/накопления или ввода/накопления заряженных частиц торцевые электроды возвращаются в исходное состояние линейного поля путем подачи управляющего импульса на двигатели (В-В') и описанные выше этапы повторяются для того же или другого массового диапазона. «Сшивая» полученные участки или накладывая друг на друга, можно сформировать спектр масс в заданном диапазоне массовых чисел.