ES2559804T3 - Espectrómetro de masas y métodos asociados - Google Patents

Abstract

Un espectrómetro de masas que comprende: una cámara; un dispositivo de inyección adaptado para inyectar partículas cargadas en la cámara; un aparato generador de campos adaptado para establecer: al menos un campo que actúe sobre las partículas cargadas, de forma que el campo (al menos uno) tiene: una componente de atrapamiento angular configurada para conformar al menos un canal entre el eje de rotación y la periferia de la cámara, estando definido el canal (al menos uno) por los mínimos de energía de la componente de atrapamiento angular; estando el aparato generador de campos adaptado además para girar la componente de atrapamiento angular alrededor del eje de rotación, por medio de lo cual, cuando el espectrómetro está en funcionamiento, las partículas cargadas están obligadas angularmente a lo largo del canal (al menos uno) por la componente de atrapamiento angular a girar con ella, actuando en consecuencia una fuerza centrífuga sobre las partículas cargadas; y una componente de equilibrado radial que tiene una magnitud que crece monótonamente cuando aumenta el radio desde el eje de rotación, al menos en las cercanías del canal (al menos uno), por medio de lo cual, cuando el espectrómetro está en funcionamiento, las partículas se mueven a lo largo del canal (al menos uno) bajo la influencia combinada de la fuerza centrífuga y de la componente de equilibrado radial, para formar una o más órbitas de partículas según las relaciones de carga a masa de las partículas; y un detector configurado para detectar al menos una de las órbitas de partículas.

Description

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DESCRIPCION

Espectrometro de masas y metodos asociados

La presente invencion se refiere a espectrometros de masas y metodos de espectrometna de masas para detectar partmulas cargadas segun su relacion de carga a masa. Las tecnicas descritas tienen numerosas aplicaciones entre las que se incluyen la clasificacion de partmulas mezcladas, la identificacion de partmulas, la deteccion de sustancias y la purificacion de sustancias.

La espectrometna de masas es bien conocida e implica manipular partmulas cargadas mediante el uso de campos magneticos y/o electricos para obtener resultados derivados de las proporciones o relaciones de carga a masa de las partfculas (q/m). En un ejemplo, se aceleran moleculas ionizadas utilizando una placa cargada en una region intersectada por un campo magnetico perpendicular. Debido al movimiento de las partfculas, se produce una fuerza de Lorentz sobre cada partfcula, de tal forma que su trayectoria es curva. El grado de curvatura dependera de la masa y de la carga de la molecula: las partmulas mas pesadas y/o de menor carga son desviadas menos que las partfculas mas ligeras y/o de mayor carga. Se disponen uno o mas detectores para recoger las partfculas desviadas y la distribucion se puede usar para deducir informacion que incluye la masa de cada tipo de partmula y la proporcion relativa de las distintas partmulas. Esto se puede usar tambien para determinar informacion como la estructura de la molecula y para identificar la sustancia o sustancias que se estan probando. Se han desarrollado espectrometros de masas de formas especiales para aplicaciones espedficas.

De este modo, la espectrometna de masas se puede usar para muchos objetivos, entre los que se incluyen: identificar compuestos desconocidos, determinar composiciones isotopicas, investigar la estructura de las moleculas, clasificar muestras de partmulas mezcladas y cuantificar la cantidad de una sustancia en una mezcla, entre muchas otras. La espectrometna de masas se puede usar tambien para analizar virtualmente cualquier tipo de partfcula que se pueda cargar, incluyendo elementos y compuestos qmmicos, tales como productos farmaceuticos, biomoleculas incluyendo protemas y sus constituyentes peptfdicos, ADN, ARN, enzimas, etc. y muchos otros sistemas de partfculas incluyendo contaminantes como polvo, etc.

En un campo relacionado, se ha usado previamente un espectrometro centnfugo descrito en el documento WO-A- 03/051520 para separar una muestra de partmulas cargadas de acuerdo con su relacion de carga a masa bajo la influencia de un campo electrico conformado. Las partmulas a separar se colocan en una cavidad rellena con disolucion tampon, la cual se hace girar a alta velocidad. Se describen diversos medios de aplicar un campo electrico radial de forma apropiada y las partfculas se separan a lo largo de la cavidad bajo la influencia de las fuerzas electrica y centnfuga, permitiendo el aislamiento de tipos individuales de partfculas y hacer medidas relativas. Los documentos de las patentes US-A-5.565.105, WO-A-2008/132227, GB-A-1488244 y WO-A- 2004/086441 describen otros dispositivos de separacion de partfculas.

El documento de J.D. Clark: “Cyclotrons as mass spectrometers” (Ciclotrones como espectrometros de masas), de 29 de abril de 1984, en “Cyclotrons and their applications” (Ciclotrones y sus aplicaciones): 10a Conferencia Internacional, Michigan State University, East Lansing, Michigan, Estados Unidos de America, 29 de abril - 3 de mayo de 1984, New York,: Institute of Electrical and Electronics Engineers, US, paginas 534-539, describe un ciclotron para usarlo como espectrometro de masas. En cada uno de los ejemplos que se dan, el campo magnetico aplicado es uniforme.

Segun la presente invencion, se proporciona un espectrometro de masas que comprende una camara, un dispositivo de inyeccion adaptado para inyectar partfculas cargadas a la camara, un aparato de generacion de campos adaptado para establecer al menos un campo que actue sobre las partfculas cargadas, el cual tiene una

componente de atrapamiento angular configurada para formar al menos un canal entre el eje de rotacion y la

periferia de la camara, de tal modo que el canal (al menos uno) esta definido por los mmimos de energfa de la componente de atrapamiento angular; estando ademas adaptado el aparato de generacion de campos para girar el componente de atrapamiento angular alrededor del eje de rotacion, de tal forma que cuando se usa el aparato, las partmulas cargadas se ven forzadas angularmente a lo largo del canal (al menos uno) a girar con el por la componente de atrapamiento angular, actuando de esta forma una fuerza centnfuga sobre las partmulas cargadas; y una componente de equilibrado radial que tiene una magnitud que es monotonamente creciente cuando aumenta el radio desde el eje de rotacion, al menos en las proximidades del canal (al menos uno), de tal forma que, cuando funciona el aparato, las partmulas cargadas se mueven a lo largo del canal (al menos uno) bajo la influencia combinada de la fuerza centnfuga y de la componente de equilibrado radial para formar una o mas orbitas de partmulas, dependiendo de la relacion de carga a masa de las partmulas; y un detector configurado para detectar al menos una de las orbitas de partmulas.

La invencion proporciona tambien un metodo de espectrometna de masas que comprende: inyectar partmulas cargadas en una camara; establecer al menos un campo que actue sobre las partmulas cargadas, que tiene: una

componente de atrapamiento angular configurada para formar al menos un canal entre el eje de rotacion y la

periferia de la camara, estando definido el canal (al menos uno) por los mmimos de energfa de la componente de atrapamiento angular y una componente de equilibrado radial que tiene una magnitud que es monotonamente creciente cuando aumenta el radio desde el eje de rotacion, al menos en las proximidades del canal (al menos uno);

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hacer girar la componente de atrapamiento angular alrededor del eje de rotacion, de tal forma que las parffculas cargadas, constrenidas angularmente a lo largo de canal (al menos uno) por la componente de atrapamiento angular, giran con ello de tal forma que una fuerza centnfuga actua sobre las parffculas cargada, lo que hace que las parffculas cargadas se muevan a lo largo del canal (al menos uno) bajo la influencia combinada de la fuerza centnfuga y de la componente de equilibrado radial para formar una o mas orbitas de parffculas, dependiendo de la relacion de carga a masa de las parffculas; y detectar al menos una de las orbitas de las parffculas.

En lo descrito en el documento WO-A-03/051520, el requisito de una disolucion tampon significa que no es posible deducir ninguna informacion absoluta de la mezcla, por ejemplo, la masa de la parffcula, la composicion, etc. Sin embargo, utilizando mmimos de energfa angular para crear canales a lo largo de los cuales se atrapan las parffculas cargadas, como se establece en la reivindicacion 1, se pueden disponer las parffculas segun su relacion q/m a lo largo de los canales, sin necesidad de cavidades ffsicas o de una disolucion tampon. Esto no solamente permite determinar la masa absoluta de las parffculas (puesto que se eliminan los efectos de flotabilidad -empuje ascensional- de la disolucion tampon), sino que tambien simplifica mucho el aparato de espectrometna. Ademas, puesto que se pueden formar simultaneamente multiples orbitas, se pueden analizar diferentes tipos de parffculas al mismo tiempo y parffculas que tengan un intervalo dinamico q/m mucho mas amplio que el de los dispositivos convencionales. Ademas, puesto que no hay cavidades ffsicas, los parametros del dispositivo (como el numero, forma y longitud de los canales “virtuales”) se pueden cambiar segun se desee para cada aplicacion, simplemente ajustando el campo o campos aplicados. Esto se puede hacer incluso dinamicamente (es decir, durante un proceso de espectrometna), si se desea.

Debena notarse que la componente de atrapamiento angular actua sobre las parffculas de forma angular; es decir, las parffculas se mueven bajo su influencia alrededor del eje de rotacion a un radio constante (en ausencia de cualesquiera otras influencias). La componente de equilibrado radial actua sobre las parffculas a lo largo de una direccion radial (es decir, perpendicularmente a la componente angular). Aunque en muchos casos la direccion en la que actua el campo (es decir, la direccion de una fuerza provocada por el campo sobre una parffcula) sera paralela a la direccion del propio campo (tal como ocurre en el caso de un campo electrico), no es necesario que esta sea la situacion. Por ejemplo, un campo magnetico producira una fuerza sobre una parffcula cargada perpendicular a la direccion del campo. Lo que es importante es que las direcciones en las que actuen las componentes del campo sobre una parffcula (es decir, las direcciones de las fuerzas que se produzcan sobre la misma) sean angular y radial, respectivamente.

La componente de equilibrado radial contrarresta la fuerza centnfuga sobre las parffculas de tal modo que cada parffcula se mueve a lo largo de su canal “virtual” hacia una posicion de equilibrio radial en la cual la magnitud de las fuerzas centnfuga y electrica (radial) sean iguales. Puesto que las parffculas asf dispuestas estan girando, se crean orbitas de parffculas en cada radio de equilibrio y se pueden medir las posiciones de estas orbitas utilizando el detector para derivar de las mismas diversos resultados. Como se describira mas adelante con detalle, el equipo se puede utilizar para muchos objetivos, incluyendo la separacion de parffculas (clasificacion), la determinacion de masas, la identificacion de sustancias y la deteccion de sustancias, asf como la purificacion de las mismas.

Las magnitudes de las componentes radial y angular se pueden escoger dentro de un amplio intervalo segun el tipo de parffculas que se esten analizando y segun las condiciones en la camara. Hablando de manera general, las parffculas con valores mayores de q/m necesitaran una componente del campo radial de equilibrado mas debil que las parffculas con valores bajos de q/m. En realizaciones preferidas, la magnitud de la componente angular del campo maxima a cualquier radio es del mismo orden que la de la componente radial del campo a ese radio. Se ha encontrado que esto ayuda a la hora de instalar las parffculas a lo largo de cada canal, pero no es esencial.

En un primer ejemplo, la componente de atrapamiento angular es proporcionada mediante un campo de atrapamiento angular y la componente de equilibrado radial es proporcionada por un campo de equilibrado radial. De este modo, se aplican y se superponen entre sf dos campos por separado para proporcionar las componentes necesarias. Como se describira mas adelante, el campo de atrapamiento angular y el campo de equilibrado radial pueden ser ambos campos electricos o bien el campo de atrapamiento angular puede ser un campo electrico mientras que el campo de equilibrado radial es un campo magnetico. El uso de dos campos por separado permite que cada uno de ellos se pueda contralar de forma independiente del otro.

En un segundo ejemplo, la componente de atrapamiento angular es proporcionada por un campo de atrapamiento angular y la componente de equilibrado radial es una componente del campo de atrapamiento angular. Asf, ambas componentes, la de atrapamiento angular y la de equilibrado radial pueden ser proporcionadas por un unico campo. Esto disminuye la complejidad de los medios de generacion del campo y permite que las orbitas de la parffcula se controlen con un unico campo.

Los mmimos de energfa son puntos en los que la fuerza angular que actua sobre una parffcula debida al campo o campos tiene un valor mmimo. Preferiblemente, los mmimos de energfa corresponden a puntos de magnitud de campo angular sustancialmente igual a cero. Tfpicamente, los mmimos pueden no corresponder a los puntos “mas bajos” (es decir, a los mas negativos) del campo angular. Cuando se usa el aparato, las parffculas cargadas migraran hacia los mmimos de energfa bajo la influencia de la componente angular del campo y seran retenidos en las cercamas de los mmimos, dado que moverse lejos de los mmimos implicara un aumento en la energfa de las

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partmulas. Debena notarse que las partmulas pueden no establecerse exactamente en los mmimos, debido a efectos de amortiguacion, como se discutira mas adelante en el texto.'

Preferiblemente, los mmimos de ene^a corresponden a puntos de paso por cero en el campo de atrapamiento angular. Es decir, en un lado (angular) de cada mmimo el campo es positivo y en el otro lado es negativo. De esta forma, el campo angular vana de direccion en los mmimos de energfa. Esto crea una “trampa” de partmulas especialmente estable junto a los mmimos, ya que las partmulas seran dirigidas hacia los mmimos por el campo opuesto en cada lado. Sin embargo, no todos dichos puntos de paso por cero proporcionaran un equilibrio estable para todas las partmulas: puesto que las partmulas cargadas positivamente experimentaran una fuerza opuesta a la de las partmulas cargadas negativamente, los puntos de paso por cero en los cuales el campo cambia de positivo a negativo proporcionaran trampas estables para los iones positivos, mientras que aquellos en los cuales el campo vana de negativo a positivo proporcionaran trampas estables para los iones negativos.

Preferiblemente, los mmimos de energfa que definen el canal o cada uno de los canales son continuos a lo largo de cada canal. Es decir, cada punto a lo largo del canal es un mmimo angular. Los mmimos continuos permiten que las partmulas cargadas se situen a lo largo del canal segun su relacion de carga a masa. Se podna crear, si se desea, un unico canal como los descritos. Sin embargo, si todas las partmulas se atrapan en una misma area, los efectos de la auto-repulsion pueden ser altos. De este modo, preferiblemente, habra mas de uno de tales canales creados por el campo de atrapamiento angular, de tal modo que las partmulas cargadas puedan formar grupos de partmulas de relacion carga a masa similar en cada uno de los canales.

En los ejemplos preferidos, el canal (al menos uno) se extiende desde el eje de rotacion hasta la periferia de la camara. Se preve que la longitud del canal pueda ser cualquier longitud entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. Sin embargo, cuanto mayor es la longitud del canal (al menos uno), mayor es el numero de orbitas de partmulas que se pueden establecer dentro de cada canal. Por lo tanto, de forma ideal, la longitud del canal sera la distancia total entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, para asegurar el canal mas largo posible. En otros ejemplos, el canal unico o cada uno de los canales se podnan dividir en mas de un sub-canal insertando maximos de energfa en el campo o campos. Esto podna ser util para analizar mas de una ventana de relacion de masa a carga de forma simultanea.

Preferiblemente, el canal (al menos uno) es un canal radial. Es decir, sigue un camino rectilmeo entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. El canal (al menos uno) se extiende radialmente a lo largo de cualquier longitud finita entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. En otros ejemplos, el canal puede seguir un camino no lineal entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. Por ejemplo, en ciertas realizaciones ventajosas, el canal (al menos uno) sigue una trayectoria curvada entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. Por ejemplo, se puede proporcionar al menos un canal de forma espiral entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. El uso de un canal curvo (o con cualquier otra trayectoria no lineal) aumenta la longitud del canal y de este modo el numero de orbitas de partmulas que pueden contener los canales, lo que permite analizar un numero mayor de partmulas con diferentes relaciones de carga a masa. Los canales curvados pueden teselarse entre sf, para aumentar la capacidad de la camara de acomodar los canales. Los canales curvados estan formados por mmimos de energfa como se ha descrito previamente.

En los ejemplos preferidos, el campo de atrapamiento angular sigue en cada radio un perfil alterno alrededor del eje de rotacion. Es decir, el campo de atrapamiento angular alterna su signo alrededor del eje de rotacion, para proporcionar los mmimos de energfa que corresponden a los puntos de paso por cero en el campo, tal y como se ha descrito previamente en el texto. En realizaciones particularmente preferidas, la componente del campo de atrapamiento angular sigue un perfil sinusoidal, pero tambien podna tener cualquier otro perfil alterno tal como un perfil de onda cuadrado o triangular.

En muchas puestas en practica, la componente de atrapamiento angular se establecera alrededor de la circunferencia completa de la camara. Sin embargo, esto no es esencial, puesto que en algunas realizaciones preferidas, el aparato generador de campos se adapta para establecer la componente de atrapamiento angular solamente en una subseccion angular de la camara definida alrededor del eje de rotacion (subtendiendo un angulo menor de 360 grados). Esto puede ser conveniente ya que los componentes que se necesitan para aplicar el campo necesario (por ejemplo, electrodos) se pueden confinar en esa subseccion de la camara.

Preferiblemente, el campo de atrapamiento angular es un campo electrico. El campo electrico crea los canales tal y como se ha descrito previamente. De manera alternativa, el campo de atrapamiento angular puede ser un campo magnetico.

En ejemplos preferidos, el aparato generador de los campos comprende un montaje de electrodos del campo angular, el cual comprende a su vez numerosos electrodos de atrapamiento o elementos de electrodos de atrapamiento y una fuente de alimentacion de voltaje adaptada para aplicar un voltaje a al menos algunos de los electrodos de atrapamiento o de los elementos de electrodos de atrapamiento. Tfpicamente, los electrodos se pueden disponer en un plano perpendicular al eje de rotacion, por ejemplo sobre la superficie superior o inferior de la camara (o en ambas). La configuracion elegida de los electrodos dependera de las formas de campo deseadas y del grado de flexibilidad que se necesite para el dispositivo.

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Por ejemplo, en algunas realizaciones preferidas, el montaje de electrodos del campo angular comprende al menos dos electrodos de atrapamiento que se extienden entre el eje de rotacion y la periferia de la camara; preferiblemente, los electrodos de atrapamiento estan igualmente espaciados angularmente alrededor del eje de rotacion. En los casos en que se tiene que establecer el campo angular solamente en una subseccion angular de la camara, esta subseccion se puede definir entre los dos electrodos y si se proporcionan mas electrodos, entonces pueden estar dispuestos a espaciados iguales dentro de la subseccion. Dependiendo del nivel del voltaje aplicado a cada electrodo de atrapamiento, se creara un pico o un valle en el campo de voltaje siguiendo la forma del electrodo, que corresponded a los mmimos de energfa en el campo electrico resultante (puesto que el campo electrico esta relacionado con la derivada espacial de la distribucion de voltaje). Disponiendo los electrodos de forma que esten a intervalos iguales, se puede establecer facilmente un campo electrico simetrico rotacionalmente (si asf se desea).

De manera alternativa, el montaje de electrodos del campo angular podna comprender al menos dos formaciones o matrices de elementos de electrodos de atrapamiento, de modo que cada una de dichas formaciones se extienda a lo largo de su respectiva trayectoria entre el eje de rotacion y la periferia de la camara y estando las formaciones espaciadas angularmente a intervalos sustancialmente iguales alrededor del eje de rotacion (con las mismas consideraciones anteriormente indicadas para el caso de los montajes en los que solamente se crea una subseccion angular del campo). Asf, efectivamente, cada electrodo de atrapamiento comprende una formacion de elementos individuales de electrodo. Se puede aplicar un voltaje propio, diferente, a cada elemento de electrodo de la formacion de elementos de electrodo, lo cual permite un mayor control del campo, como se discutira mas adelante.

Preferiblemente, los (al menos dos) electrodos de atrapamiento o formaciones de los mismos se extienden cada uno de ellos radialmente entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. Es decir, cada electrodo de atrapamiento o cada formacion es rectilmea y se extiende entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. Tal disposicion establecera canales radiales en el campo angular, como se ha descrito previamente. Cada electrodo o formacion de atrapamiento no necesitara extenderse a lo largo de toda la distancia entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, sino que se puede extender entre cualquier punto entre el eje de rotacion y la periferia de la camara y cualquier otro punto dentro de este intervalo. Sin embargo, para maximizar la longitud de los canales, los electrodos o formaciones de los mismos se extienden preferiblemente entre el eje de rotacion y la periferia de la camara.

En otros ejemplos preferidos, cada uno de los (al menos dos) electrodos o formaciones de atrapamiento sigue una trayectoria curvada entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. La configuracion permite que se creen canales espirales, tal como se ha descrito previamente. La trayectoria curvada del electrodo o de la formacion de los mismos se puede extender hasta cualquier punto entre el eje de rotacion y la periferia de la camara y no tiene necesariamente que extenderse a toda la distancia entre el eje de rotacion y la periferia de la camara.

Si no se desea fijar la forma de los canales gracias a las trayectorias de los electrodos o las formaciones, en realizaciones preferidas concretas el conjunto de electrodos del campo angular comprende una matriz o formacion bidimensional de elementos de electrodo de atrapamiento dispuesta entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, estando dispuestos preferiblemente los elementos de electrodo de atrapamiento siguiendo un patron en forma de red ortogonal, un patron en forma de red hexagonal, un patron de empaquetamiento compacto o un patron de drculos concentricos. De este modo, se puede seleccionar segun se desee la forma de los canales aplicando voltajes apropiados a alguno de todos los elementos en la matriz bidimensional.

En algunos ejemplos, podna girarse la componente angular del campo girando el montaje de electrodos del campo angular respecto de la camara. Asf, el aparato generador de campos puede comprender ademas un mecanismo de rotacion adaptado para hacer girar el electrodo del campo angular o la camara, tal como un motor con el conjunto de electrodos del campo angular montado sobre el.

Sin embargo, en una puesta en practica preferida, la fuente de alimentacion de voltaje se adapta para variar secuencialmente el voltaje aplicado a cada uno de los electrodos de atrapamiento o de los elementos de los electrodos de atrapamiento de tal forma que el campo de atrapamiento angular gira alrededor del eje de rotacion. Variar el voltaje secuencialmente de cada uno de los electrodos de atrapamiento permite aplicar un voltaje de rotacion a los electrodos y tiene el mismo efecto que el mecanismo de giro descrito previamente.

Preferiblemente, el electrodo o el elemento de atrapamiento, o cada uno de ellos, tienen una resistencia finita (distinta de cero) de tal forma que el voltaje vana a lo largo de la longitud del electrodo de atrapamiento o de cada uno de ellos. De forma ventajosa, la magnitud del voltaje (con independencia del signo) en cada uno de los electrodos o matrices de atrapamiento es mas bajo en el extremo de cada uno de los electrodos o matrices de atrapamiento situado hacia el eje de rotacion que en el extremo de cada electrodo o matriz de atrapamiento situado hacia la periferia de la camara. Tfpicamente, se aplicara un voltaje de tierra en el extremo del electrodo de atrapamiento dirigido hacia el eje de rotacion y un voltaje de mayor amplitud en el extremo del electrodo dirigido hacia la periferia de la camara. El voltaje vana a lo largo del electrodo de atrapamiento ya que preferiblemente el electrodo de atrapamiento tiene una resistencia finita. Esto ayuda a conformar una forma de campo electrico que es continua a lo largo del eje de rotacion. En un ejemplo, el electrodo o elemento de atrapamiento, o cada uno de ellos, comprende un polfmero resistente o silicio. Se prefieren tales materiales puesto que tienen una resistencia intnnseca de valor conocido, mientras que los materiales de electrodo conductores convencionales (tfpicamente metalicos) tienen una resistencia muy baja, cercana a cero y no se puede ajustar.

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Como ya se ha descrito previamente, la componente de equilibrado radial tiene una magnitud que aumenta monotonamente a medida que aumenta el radio, al menos en la region (angular y/o radial) de cada canal. Una funcion que crece monotonamente es una funcion para la cual la derivada de la magnitud de la funcion es siempre positiva. Debena notarse que esto es asf con independencia del signo del campo: por lo tanto, en el caso de un campo negativo, el valor absoluto del campo disminuira (es decir, se hara mas negativo) a medida que el radio aumenta, pero, no obstante, la intensidad del campo aumentara siempre a medida que lo hace el radio. De este modo, la magnitud de la componente de equilibrado radial siempre aumenta cuando lo hace el radio. Esto es necesario con el fin de llegar a puntos de equilibrio estable entre la fuerza centnfuga que actua hacia fuera y la componente de equilibrado radial que actua hacia adentro. Se podna escoger cualquier funcion que crezca monotonamente. Sin embargo, preferiblemente, la componente de equilibrado radial tiene una magnitud que aumenta proporcionalmente a rn donde n es igual o mayor de 1 y r es la distancia radial desde el eje de rotacion. Por ejemplo, la componente del campo de equilibrado radial podna aumentar proporcionalmente (linealmente) con el radio, cuadraticamente o de otra forma.

En un ejemplo preferido, a cada radio la magnitud de la componente de equilibrado radial es constante alrededor del eje de rotacion, al menos en posiciones angulares que corresponden al canal o a cada uno de ellos. No es necesario que la magnitud de la componente de equilibrado radial sea constante alrededor del eje de rotacion. Sin embargo, haciendo que su valor sea constante al menos en cada uno de los canales, los puntos de equilibrio estaran en el mismo radio alrededor del eje de rotacion, lo que conducira a orbitas circulares (o casi circulares), de tal forma que se podran medir mas precisamente.

En ciertos ejemplos, a cada radio, la magnitud de la componente de equilibrado radial vana alrededor del eje de rotacion. Cuando la magnitud radial no es constante con la posicion angular, preferiblemente la componente de equilibrado radial gira sincronicamente con la componente de atrapamiento angular para asegurar que el campo radial apropiado se alinea con cada canal. Preferiblemente, el aparato generador de campos se adapta ademas de forma que haga girar la componente de equilibrado radial alrededor del eje de rotacion sincronicamente con la componente de atrapamiento angular.

En una realizacion especialmente ventajosa, la componente de equilibrado radial tiene una primera direccion en al menos un primer sector angular de la camara y una segunda direccion opuesta a la primera direccion en al menos un segundo sector angular; los sectores angulares primero y segundo corresponden a los canales primero y segundo de mmimos angulares. Es decir, en la cercama de los canales escogidos, la componente de equilibrado radial actuara hacia dentro sobre las partfculas positivas y hacia fuera sobre las partfculas negativas, mientras que en otros canales escogidos, sera justamente al contrario. Esto permite que se puedan analizar a la vez las partfculas positivas y negativas.

En una puesta en practica preferida, el campo de equilibrado radial es un campo magnetico. El campo magnetico establece una fuerza sobre las partfculas que equilibra la fuerza centnfuga de tal forma que las partfculas cargadas forman una o mas orbitas de partfculas, segun sea su relacion de carga a masa. Esto sucede debido a que las partfculas cargadas que se mueven crean una corriente sometida a la fuerza de Lorentz. En tales realizaciones, el aparato que genera el campo, comprende preferiblemente una estructura de imanes. La camara se coloca entre los polos opuestos de la estructura de imanes, de tal forma que el campo magnetico creado entre los polos opuestos del montaje de imanes atraviese la camara.

Preferiblemente, el montaje de imanes comprende un electroiman, puesto que esto permite la creacion de un campo magnetico intenso y se controla facilmente. Sin embargo, se puede considerar el uso de cualquier otro equipo o aparato generador de campos magneticos, tal como imanes permanentes.

De forma ventajosa, cada polo de la estructura de imanes tiene un perfil de superficie variable que se extiende mas hacia la camara en la periferia de la camara que hacia el eje de rotacion, conformado de tal manera que se establezca un campo radial monotonamente creciente; preferiblemente, el perfil de la superficie es concavo. De esta modo, la intensidad del campo magnetico creado es no homogenea a lo largo de la seccion transversal de la camara. El perfil de superficie variable disminuye la magnitud del campo magnetico hacia el eje de rotacion, puesto que aqrn la distancia entre las piezas de los dos polos alcanza su valor maximo. La forma de la superficie del polo proporciona el necesario crecimiento monotono de la intensidad del campo magnetico con el radio. De forma alternativa, podna crearse un campo magnetico no homogeneo similar utilizando al menos dos materiales magneticos diferentes dispuestos de manera concentrica, uno dentro de otro, para crear los polos del iman; cada uno de los materiales magneticos tiene una intensidad magnetica diferente y crean el campo magnetico disminuido deseado hacia el eje de rotacion.

En otras puestas en practica preferidas, el campo de equilibrado radial es un campo electrico. Aqrn, el equipo de generacion del campo comprende preferiblemente un conjunto de electrodos del campo radial que comprende al menos un electrodo de equilibrado dispuesto junto a la camara que tiene un perfil radial conformado de tal manera que se establezca un campo radial monotonamente creciente cuando se aplique al mismo un voltaje. De forma ventajosa, el electrodo de equilibrado tiene un centro alineado con el eje de rotacion, y una periferia sustancialmente circular a su alrededor, variando el espesor del electrodo de equilibrado entre el centro y la periferia del electrodo de

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equilibrado, para establecer un campo radial monotonamente creciente. Tambien se preve que se pueda usar, para crear el efecto deseado, una formacion o matriz de elementos de electrodo de equilibrado.

Preferiblemente, el electrodo de equilibrado es un cono, con lados rectos, concavos o convexos. La forma de los lados del electrodo puede variarse para crear el perfil que se desee de la componente de equilibrado radial. De manera ventajosa, el apice o punta del cono se extiende hacia la camara o lejos de ella.

Preferiblemente, el aparato o equipo generador de campos comprende ademas una fuente de alimentacion de voltaje dispuesta para aplicar un voltaje a al menos un electrodo de equilibrado. La fuente de alimentacion de voltaje puede, preferiblemente, tener una salida de voltaje ajustable.

De manera ventajosa, el electrodo de equilibrado o cada uno de ellos esta formado preferiblemente por un polfmero resistente solido o por silicio. Como se ha descrito previamente en relacion a los electrodos del campo angular, tales materiales se usan para asegurar que el electrodo tenga suficiente resistencia como para permitir que se genere el perfil deseado del campo electrico.

Preferiblemente, el montaje del electrodo de campo radial comprende ademas un segundo electrodo de equilibrado, estando dispuesta la camara entre el primer y el segundo electrodo de equilibrado. El uso de un segundo electrodo de equilibrado con la camara situada entre el primer y el segundo electrodo de equilibrado ayuda a evitar que se distorsione en la direccion axial la forma del campo. Preferiblemente, el segundo electrodo de equilibrado se forma de la misma manera y con el mismo material que el primer electrodo de equilibrado, con el fin de asegurar que el perfil del campo creado es simetrico.

Se pueden emplear tambien otros montajes de electrodos para poner en funcionamiento el campo radial. En un ejemplo preferido, el aparato generador de campos comprende un montaje de electrodos del campo radial que tiene numerosos electrodos anulares dispuestos de forma concentrica con el eje de rotacion y espaciados entre sf mediante material dielectrico y una fuente de alimentacion de voltaje adaptada para aplicar un voltaje a cada uno de los electrodos anulares.

En los ejemplos mencionados previamente, cada una de las componentes radial y angular se establece con campos separados y se superponen entre sf Sin embargo, en una realizacion alternativa, la componente de equilibrado radial se puede proporcionar mediante el campo de atrapamiento angular. De este modo, los medios que generan los campos usados para establecer el campo de atrapamiento angular se puede modificar de acuerdo con ello y no son necesarios componentes que generen un campo adicional. Por consiguiente, preferiblemente, el montaje de electrodos del campo angular se configura de tal forma que el voltaje en el electrodo de atrapamiento o en cada uno de ellos vane entre el extremo del electrodo de atrapamiento o de cada uno de ellos dirigido hacia el eje de rotacion y el extremo del electrodo de atrapamiento o de cada uno de ellos dirigido hacia la periferia de la camara, de forma que se establezca un campo radial monotonamente creciente. Esto puedo realizarse utilizando electrodos de un material resistente perfilado de manera adecuada o mediante el uso de elementos de electrodos dispuestos en una matriz o formacion a lo largo de cada canal, por ejemplo. Si se proporciona una formacion de electrodos, la forma de la componente radial se puede controlar de manera precisa y se puede variar segun se desee aplicando a cada elemento niveles adecuados de voltaje.

De manera alternativa, se podna proporcionar una rejilla bidimensional de tales elementos de electrodo, en al menos una parte de la camara, de tal modo que la forma de cada canal no venga fijada por la disposicion de los electrodos sino que mas bien se pueda escoger mediante la apropiada aplicacion de voltajes concretos a algunos de los elementos de los electrodos o a todos ellos.

Preferiblemente, la camara tiene una seccion transversal circular, sustancialmente perpendicular al eje de rotacion. Se prefiere una seccion transversal circular para la camara ya que las orbitas de las partfculas cargadas tenderan a ser circulares (o casi circulares) a menos que la componente de equilibrado radial se disene de forma que vane de magnitud alrededor del eje de rotacion. Por lo tanto, el uso de una camara de seccion transversal circular es la forma mas eficiente de emplear el espacio. Sin embargo, de ninguna manera esto es esencial, ya que podna usarse una camara de cualquier forma, incluyendo camaras cubicas o rectangulares. En ejemplos especialmente preferidos, la camara es un disco o un cilindro, con el eje de rotacion paralelo al eje de la camara e intersectando la camara. En otros ejemplos, la camara puede tener una seccion transversal anular sustancialmente perpendicular al eje de rotacion. De este modo, el eje de rotacion puede pasar a traves del “agujero” central en vez de intersectar la camara como tal. Las configuraciones de la camara con secciones transversales no circulares pueden incluir tambien un “agujero” central si se desea, ya sea circular o no.

Preferiblemente, la camara es una camara de vado, y el espectrometro de masas comprende ademas aparatos para controlar la atmosfera dentro de la camara, preferiblemente un dispositivo de evacuacion o una bomba. El empleo de una atmosfera controlada dentro de la camara permite mantener en mmimos el arrastre aerodinamico de las partfculas, que en caso contrario podna distorsionar los resultados y disminuye los falsos resultados debidos a otras sustancias que puedan existir dentro de la camara.

En realizaciones particularmente preferidas, el aparato para controlar la atmosfera dentro de la camara se adapta para mantener un vado imperfecto dentro de la camara (es decir, una presion de gas baja y controlada). La

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provision de una presion de gas baja dentro de la camara permite que las partfculas se muevan libremente proporcionando a la vez un efecto de amortiguacion que ayuda a retener las partfculas dentro de cada canal. Sin embargo, esto no es esencial, ya que en vez de ello se pueden conformar el campo o los campos para proporcionar una localizacion fuerte dentro de la cual es aceptable un cierto grado de oscilacion alrededor del mmimo de ene^a.

En otros casos, puede ser preferible hacer uso de una presion de gas mayor dentro de la camara, y, en consecuencia, la bomba debe prepararse para mantener una presion aumentada dentro de la camara. Esto puede ser adecuado, por ejemplo, en los casos en los que se desea analizar partfculas masivas, como celulas, a velocidades angulares relativamente bajas y con intensidades de campo aplicadas altas. En tales casos, una presion de gas demasiado baja podna conducir a la ruptura de la atmosfera controlada debido a los altos campos aplicados. La ley de Paschen muestra que el voltaje de ruptura aumenta con la presion a presiones mas altas y asf utilizar una presion de gas mas alta puede evitar que se produzca la ruptura.

Cuando se proporciona un efecto de amortiguacion (por ejemplo, gracias a una atmosfera de gas controlada dentro de la camara), es preferible que la componente de campo angular maxima a cualquier radio sea de suficiente magnitud para superar la fuerza de amortiguacion sobre las partfculas. Por ejemplo, cuando la amortiguacion se proporciona mediante un gas, la fuerza sobre la partfcula debida a la componente de campo angular maxima debena ser mayor que la fuerza de rozamiento sobre la partfcula debida a su contacto con el gas. Se ha encontrado que esto ayuda a retener las partfculas dentro de cada canal, pero no es esencial.

En ciertos ejemplos, el espectrometro de masas puede recibir partfculas pre-cargadas. Sin embargo, preferiblemente el espectrometro comprende ademas un dispositivo de ionizacion adaptado para ionizar las partfculas antes de que sean inyectadas en la camara. Los dispositivos adecuados de ionizacion son bien conocidos e incluyen: ionizacion por electrones, en la cual las partfculas se hacen pasar a traves de un haz de electrones e ionizacion qrnmica, en la cual el analito (componente de interes analttico en una muestra) se ioniza mediante reacciones qrnmicas molecula- ion durante colisiones. El dispositivo de ionizacion se puede separar del dispositivo de inyeccion o ambos pueden formar un unico componente. Tfpicamente, el dispositivo de inyeccion comprendera un electrodo de aceleracion el cual, cuando se aplica un voltaje, atraera las partfculas cargadas hacia el y hacia dentro de la camara. Si se van a analizar tanto partfculas positivas como negativas, se pueden proporcionar dos de tales dispositivos de inyeccion o bien se podna hacer variar el voltaje del electrodo entre positivo y negativo. El dispositivo de inyeccion se puede disponer en cualquier ubicacion de la camara, por ejemplo, de forma tangencial a la periferia de la camara, o bien en el interior de la camara (por ejemplo, en el “agujero” central de la camara si este existe), o bien en las superficies superior o inferior de la camara en cualquier posicion radial.

De manera ventajosa, el aparato generador de campos comprende ademas un controlador adaptado para controlar el aparato generador de camposs, a fin de permitir variar la magnitud y/o la forma de la componente de atrapamiento angular y/o de la componente de equilibrado radial. El controlador puede ser un ordenador o una fuente de alimentacion de voltaje programable. En realizaciones preferidas, la magnitud y/o la forma de la componente de equilibrado radial se vana durante el movimiento de las partfculas cargadas, de tal modo que se ajusten los radios de cada una de las orbitas de las partfculas. Tambien se puede variar la componente de atrapamiento angular, por ejemplo desde el punto de vista de su frecuencia rotacional (y, en consecuencia, la velocidad angular) y/o las formas de los canales.

Pueden ser adecuadas, como ya se ha mencionado, el espectrometro se puede usar en muchas aplicaciones diferentes y, por definicion, diversas tecnicas de deteccion diferentes. En ciertos ejemplos, el detector se ajusta para medir el radio de al menos una de las orbitas de las partfculas. Este es, en particular, el caso en el que se desea determinar la masa de una partfcula, o cuando se desconocen las composiciones de las partfculas. Midiendo el radio de la orbita, se puede deducir la masa de la partfcula o de las partfculas que forman la orbita, lo cual, a su vez, puede utilizarse para determinar su composicion.

Sin embargo, en muchas otras aplicaciones no es necesaria una medida del radio. Por ejemplo, cuando se conocen las masas de las partfculas que se estan investigando, se conoceran tambien los radios a los cuales se formaran las orbitas. Por lo tanto, en ciertos ejemplos, el detector se ajusta para detectar una orbita de partfculas en uno o mas radios predeterminados. En una configuracion de campo fija (conocida), la deteccion de partfculas de un radio predeterminado confirmara que esta presente una cierta sustancia. De manera alternativa, la magnitud de la componente de campo radial se podna ajustar “sobre la marcha” para hacer coincidir una orbita con una posicion radial conocida en el detector, usandose el ajuste de campo aplicado con el fin de hacer eso para determinar la masa de las partfculas.

En otros ejemplos, el detector se puede adaptar para detectar la densidad de las partfculas en la orbita de la partfcula o en cada una de ellas. La densidad de las partfculas producira una respuesta diferente del detector y la densidad variable de cada orbita de partfcula se puede medir, de acuerdo con ello. Esto se puede usar, por ejemplo, para determinar concentraciones isotopicas. En otras puestas en practica, el detector puede adaptarse simplemente para detectar el numero de orbitas en un area dada, por ejemplo para determinar el numero de tipos de partfculas diferentes en una muestra.

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El detector puede tener muchas formas. En un ejemplo preferido, el detector comprende al menos un elemento absorbente de radiacion adaptado para detectar la radiacion transmitida a traves de la camara. Generalmente la radiacion sera absorbida por las partfculas dentro de la camara, de tal forma que la reduccion de intensidad de la radiacion recibida por el elemento detector o por cada uno de ellos sera indicativa de las partfculas en la posicion de ese elemento detector. Pueden disponerse elementos detectores individuales en uno o mas radios predeterminados. Sin embargo, preferiblemente, el detector comprende una matriz de elementos que absorben radiacion dispuestos a lo largo de una trayectoria radial entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. Tal disposicion se puede usar para detectar orbitas a radios desconocidos y/o para medir los radios resultantes. En otros ejemplos, podna captarse la imagen de toda el area de la camara, lo cual tiene la ventaja de que el detector no necesita ser colocado de manera precisa respecto del eje de rotacion con el fin de determinar los radios con precision, puesto que se puede medir toda la orbita y se puede calcular su radio a partir de una medida del diametro de la orbita. En consecuencia, el detector podna comprender numerosos elementos de absorcion de la radiacion dispuestos sobre el area superficial de la camara, lo que permite recibir a la vez un gran numero de medidas.

Tales elementos absorbentes pueden detectar la radiacion ambiente. Sin embargo, preferiblemente, el detector comprende un emisor de radiacion y los elementos absorbentes estan dispuestos para detectar la radiacion emitida. De este modo, se pueden excluir del detector las fuentes de radiacion de interferencia. En ejemplos particularmente preferidos, se puede seleccionar radiacion ultravioleta, infrarroja o visible, pero podna emplearse radiacion de cualquier longitud de onda.

En otras puestas en practica, es conveniente extraer partfculas de la camara una vez que se han formado las orbitas. Por consiguiente, en otro ejemplo preferido, el detector comprende un dispositivo de recogida ajustado para recoger partfculas cargadas de una o mas orbitas de partfculas. De manera ventajosa, el dispositivo de recogida comprende al menos un punto de salida en la camara adaptado para permitir que las partfculas cargadas de las orbitas de partfculas de radios predeterminados salgan de la camara; al menos un electrodo de salida dispuesto fuera de la camara, junto al punto de salida y una fuente de alimentacion de voltaje para aplicar un voltaje al electrodo de salida (al menos uno), de tal modo que, cuando se aplica un voltaje al electrodo de salida (al menos uno), las partfculas cargadas de las orbitas de partfculas de radios predeterminados son aceleradas hacia el electrodo de salida (al menos uno). De este modo, cuando el aparato esta en funcionamiento, se aplica una diferencia de potencial al electrodo de salida de tal forma que las partfculas cargadas junto al punto de salida son atrafdas fuera de la camara pasando a traves del punto de salida. El voltaje aplicado sera de signo opuesto al de la carga de las partfculas a retirar de la camara. Si se tienen que extraer tanto partfculas positivas como negativas, se pueden proporcionar dos dispositivos de recogida como los descritos, o bien se puede cambiar el voltaje de un unico dispositivo como el descrito, segun se necesite. La provision de tal dispositivo de recogida permite usar el espectrometro para purificar una sustancia. Por ejemplo, el dispositivo de recogida se puede colocar de tal forma que solamente ciertas partfculas, con una relacion de carga a masa deseada, sean extrafdas de la camara. De forma alternativa, se podnan variar los campos “sobre la marcha” de tal forma que las partfculas se pueden recoger desde una serie de orbitas, una tras otra.

Se puede hacer funcionar el espectrometro de varias maneras diferentes. En un aspecto, la invencion proporciona un metodo para separar una muestra mezclada de partfculas cargadas, que comprende inyectar la muestra mezclada de partfculas cargadas en una camara y desarrollar el metodo descrito previamente de espectrometna de masas. Las partfculas separadas se pueden detectar usando cualquiera de las tecnicas de deteccion previamente mencionadas.

En otro aspecto, la invencion proporciona un metodo de medida de la masa de una partfcula cargada, que comprende inyectar una muestra de partfculas cargadas dentro de una camara, llevar a cabo el metodo previamente descrito de espectrometna de masas, medir el radio de al menos una orbita de partfculas y calcular la masa de la partfcula o partfculas tomando como base el radio medido (al menos uno).

Otro aspecto de la invencion proporciona un metodo para detectar una partfcula objetivo, que comprende inyectar una muestra de partfculas dentro de una camara, llevar a cabo el metodo previamente descrito de espectrometna de masas y detectar partfculas a uno o mas radios predeterminados, en el cual al menos uno de los radios predeterminados corresponde a la masa conocida de la partfcula objetivo; la deteccion de partfculas cargadas en el radio predeterminado (al menos uno) indica la presencia de la partfcula objetivo.

En otro aspecto de la invencion, se proporciona un metodo de extraccion de una partfcula objetivo de una muestra mezclada de partfculas; el metodo comprende inyectar la muestra mezclada de partfculas cargadas en una camara y desarrollar el metodo descrito previamente de espectrometna de masas, utilizando un dispositivo de recogida para extraer partfculas de una orbita de partfculas seleccionada que tiene un radio determinado, sobre la base de la masa de la partfcula objetivo. Preferiblemente, la muestra mezclada de partfculas se inyecta de manera continua en la camara y las partfculas se extraen continuamente de la orbita de partfculas seleccionada, actuando el aparato, por lo tanto, como un dispositivo de purificacion.

A continuacion se describiran ejemplos de espectrometros y de espectrometna, haciendo referencia a los dibujos que acompanan este texto, en los cuales:

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La figura 1 es un diagrama esquematico de bloques que muestra los componentes de un ejemplo de aparato espectrometro.

La figura 2 es una vista en planta de una camara y otros componentes que se pueden usar en el espectrometro de la figura 1.

La figura 3 ilustra las direcciones a las que se refiere el texto.

La figura 4 muestra un ejemplo de distribucion de voltaje segun una primera realizacion.

La figura 5 muestra graficos de la variacion del voltaje y del campo electrico con la distancia angular, para la primera realizacion.

La figura 6 ilustra componentes adecuados para establecer una componente de campo angular en la primera realizacion.

La figura 7 es un grafico del voltaje aplicado a dos electrodos de ejemplo, a lo largo del tiempo.

La figura 8 representa una distribucion de voltaje que se puede aplicar mediante los componentes mostrados en la figura 6.

La figura 9 muestra un ejemplo de las formas del campo y el voltaje de una componente de equilibrado radial.

La figura 10 ilustra los componentes adecuados para establecer una componente de campo radial en la primera realizacion.

La figura 10a es un grafico de vectores que ilustra el campo electrico aplicado utilizando los componentes de la figura 10.

Las figuras 10b y 10c son graficos que muestran la distribucion de voltaje radial y de campo electrico radial dentro de la camara mostrada en la figura 10a.

La figura 11 es un grafico que muestra las fuerzas radiales que actuan sobre una partfcula en la primera realizacion. La figura 12 ilustra las oscilaciones radiales de una partfcula en la primera realizacion.

La figura 13 ilustra las oscilaciones angulares de una partfcula en la primera realizacion.

La figura 14 ilustra las oscilaciones radiales y angulares de una partfcula en la primera realizacion.

La figura 15 muestra los componentes de un detector de la primera realizacion.

La figura 15a muestra un ejemplo de un espectro que se puede generar mediante un procesador, tomando como base las senales procedentes del detector de la figura 15.

La figura 16 representa esquematicamente los componentes de un espectrometro segun una segunda realizacion.

La figura 17 representa esquematicamente los componentes de un espectrometro segun una tercera realizacion.

La figura 18 es un grafico que muestra el perfil de voltaje en funcion de la distancia angular para la tercera realizacion.

La figuras 19 y 20 muestran dos aspectos diferentes de una distribucion de voltaje utilizada en una cuarta realizacion.

La figura 21 representa esquematicamente los componentes de un espectrometro segun una quinta realizacion.

La figura 22 muestra la distribucion de voltaje utilizada en la quinta realizacion.

Las figuras 23a, b y c muestran tres ejemplos de disposiciones de elementos de electrodos.

Las figuras 24a y 24b muestran dos ejemplos de componentes de una sexta realizacion.

Las figuras 25a y 25b muestran otros dos ejemplos de componentes de la sexta realizacion.

La figura 26 muestra componentes de una septima realizacion.

Las figuras 26a y 26b son graficos que muestran un ejemplo de distribucion de voltaje radial y campo radial aplicado utilizando la realizacion de la figura 26.

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Las figuras 27a y 27b son graficos que muestran un ejemplo de distribucion de voltaje radial y campo radial aplicado utilizando una variante de la septima realizacion.

Y la figura 28 representa de manera esquematica los componentes de un detector alternativo.

La figura 1 ilustra de manera esquematica alguno de los principales componentes de un ejemplo de un espectrometro, adecuado para poner en practica las realizaciones que se discuten a continuacion. El espectrometro de masas se indica de forma general, en su conjunto, mediante el numeral de referencia 1. Se proporciona el aparato de generacion de campos 3, para generar uno o mas campos, dentro de una camara 2. Como se detallara mas adelante, el campo o los campos generados son de tal tipo que actuaran sobre las partfculas cargadas dentro de la camara 2: por ejemplo, campos electrico y/o magnetico seran tipicamente adecuados y el aparato de generacion de campos 3 se configurara de acuerdo con ello. Se proporciona un dispositivo de inyeccion 7 para inyectar las partfculas cargadas en la camara 2. El dispositivo de inyeccion podna recibir las partfculas cargadas de una fuente externa al espectrometro o, de manera opcional, el espectrometro podna incluir un dispositivo de ionizacion 6. Aqm, el dispositivo de ionizacion 6 esta conectado con el dispositivo de inyeccion 7 de forma que se posibilita el paso de fluidos, para permitir que las partfculas que se han cargado en el dispositivo de ionizacion 6 entren en la camara 2. El dispositivo de ionizacion 6 y el dispositivo de inyeccion 7 podnan formar juntos un equipo unico o bien podnan ser proporcionados como dos componentes separados.

En puestas en practica preferidas, la camara 2 se mantiene a una baja presion de gas (un vacfo imperfecto) y de este modo se proporciona un dispositivo de evacuacion 9, tal como una bomba. Esto no es esencial, como se explicara mas adelante.

Se proporciona un detector 4 para obtener los resultados de la camara 2. Este puede presentar diversas formas que van desde sistemas de adquisicion de imagenes de las partfculas dentro de la camara 2 hasta sistemas de extraccion de las partfculas de la camara 2.

En la mayona de los casos, el aparato generador de campos 3 estara conectado a un sistema de control 5, tal como un ordenador u otro procesador. El controlador 5 se puede usar para controlar el tamano, la forma, la magnitud y la direccion de los campos creados por el aparato de generacion del campo 3. Sin embargo, se puede prescindir de el si las formas de los campos no son variables. El sistema de control 5 puede estar conectado tambien al detector 4 con el fin de seguir y procesar los resultados obtenidos.

Cada uno de los componentes mencionados previamente, asf como el funcionamiento del espectrometro en conjunto, se describiran con mas detalle en las realizaciones presentadas como ejemplo que siguen.

La figura 2 muestra una camara 2 de ejemplo que es adecuada para usar en el espectrometro, en una vista en planta. En este ejemplo, la camara 2 tiene forma de disco, con una seccion transversal circular y una proporcion de aspecto baja (relacion entre la altura y la anchura). Por ejemplo, el diametro de la camara puede ser del orden de 2 cm y su altura axial puede ser de alrededor de 0,5 cm. Se podna adoptar cualquier forma para la camara 2 aunque se prefiere una seccion transversal sustancialmente circular: por ejemplo, podnan emplearse camaras esfericas, cilmdricas o anulares. Se prefieren las secciones transversales circulares porque las partfculas seguiran tfpicamente orbitas circulares (o casi circulares, veanse las figuras 24 y 25) y tales camaras circulares son las mas eficientes desde el punto de vista espacial. Sin embargo las mismas orbitas se establecenan en camaras con cualquier forma, incluyendo camaras cubicas o rectangulares. En loscasos preferidos, la camara 2 es una camara de vacfo: es decir, la camara se puede cerrar hermeticamente de tal forma que su atmosfera interior se puede controlar de manera precisa con un medio de control adecuado tal como la bomba 9 previamente descrita. Preferiblemente, las paredes de la camara estan hechas de un material que no tiende a adsorber iones o, en lugar de ello, se puede tratar con un recubrimiento adecuado tal como un tensioactivo. En puestas en practica especialmente preferidas, se consigue una pequena repulsion local en las paredes de la camara, por ejemplo recubriendo las paredes con iones positivos para repeler las partfculas con carga positiva (o viceversa). Sin embargo, esto no es esencial.

En este ejemplo, el dispositivo de ionizacion 6 y el dispositivo de inyeccion 7 estan situados en un punto de entrada de la periferia 2a de la camara 2. De hecho, el punto de entrada podna proporcionarse en cualquier punto de la superficie de la camara 2, incluyendo el centro de la camara (por ejemplo en el eje de rotacion 8 o junto a el) o en cualquier posicion radial entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. El dispositivo de ionizacion 6 proporciona partfculas cargadas al dispositivo de inyeccion 7 para inyectarlas en la camara 2. Las velocidades y direcciones precisas de la inyeccion de las partfculas no son cnticas. De este modo, el funcionamiento de los dispositivos de inyeccion e ionizacion es completamente convencional.

Se puede usar cualquier tecnica adecuada de ionizacion. Por ejemplo, en particular se prefieren para ionizar biomoleculas la ionizacion por electro-pulverizacion (o ionizacion por electro-espray, ESI, por sus siglas en ingles) o la ionizacion mediante desorcion por laser asistida con matriz (o MALDI por sus siglas en ingles), dado que estas son tecnicas “suaves” bien conocidas que dan como resultado moleculas cargadas intactas. La tecnica ESI emplea un analito en fase lfquida (por ejemplo una disolucion que contiene la muestra) que se bombea a traves de un inyector de pulverizacion hacia un colector. Se aplica una alta diferencia de potencial entre el inyector y el colector. Las gotitas despedidas desde el inyector tienen una carga superficial de la misma polaridad que la del inyector.

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Cuando las gotitas viajan entre el inyector de pulverizacion y el colector, el disolvente se evapora. Esto conduce a que cada gota se contraiga hasta un punto en que la tension superficial ya no puede mantener la carga aplicada (denominado Kmite de Rayleigh), punto en el cual la gotita explota en muchas gotitas mas pequenas. Este proceso se repite hasta que quedan moleculas cargadas individuales. La ionizacion ESI es especialmente preferida (cuando se toman muestras de una fase lfquida) debido al pequeno tamano del dispositivo ESI. Por otro lado, la tecnica MALDI hace uso de la mezcla solida de la muestra con una matriz que se seca sobre una placa objetivo metalica. Se emplea un laser para vaporizar el material en estado solido. Los equipos ESI o MALDI estan disponibles facilmente. Sin embargo, son viables muchas otras tecnicas de ionizacion y pueden preferirse para aplicaciones especializadas. Por ejemplo, si el espectrometro es para tomar muestras de la atmosfera ambiente, se puede emplear una tecnica de ionizacion en aire. Tfpicamente, esto supone la provision de electrodos muy poco separados a los que se aplica un voltaje entre ellos que es inferior o igual al voltaje de ruptura del aire, lo cual conduce a ionizacion considerable sin ruptura.

Tfpicamente, el dispositivo de inyeccion emplea un acelerador lineal de partfculas, tal como una placa cargada que rodea una apertura de entrada o una serie de electrodos anulares espaciados a traves de los cuales se aceleran las partfculas.

El medio de generacion de campos 3 se dispone para establecer uno o mas campos dentro de la camara 2. Esto se puede conseguir de diferentes formas, pero en cada caso se generaran una componente de campo de atrapamiento angular y una componente de campo de equilibrado radial. Estas componentes se pueden generar de manera independiente entre sf (por ejemplo superponiendo dos o mas campos distintos) o bien se pueden proporcionar mediante un unico campo. La componente de atrapamiento angular actua angularmente sobre las partfculas cargadas dentro de la camara, de tal modo que, bajo su influencia, una partfcula experimental una fuerza que provoca que se mueva a lo largo de una trayectoria circular de radio constante, alrededor del eje de rotacion 8, como se representa mediante la flecha O en la figura 3. La figura 2 muestra el eje de rotacion 8 alineado con el punto central de la camara 2: esto se prefiere, pero no es esencial. La componente de equilibrado radial actua perpendicularmente a la componente angular, a lo largo de la direccion radial entre el eje de rotacion 8 y la periferia 2a de la camara, como se indica por la flecha r en la figura 3. En ambos casos se notara que la direccion (radial o angular) en la cual actua la respectiva componente del campo sobre una partfcula cargada puede no ser paralela a la direccion de la componente del campo como tal, como es el caso para un campo magnetico.

La componente de atrapamiento angular se configura para incluir mmimos de energfa dispuestos para formar uno o mas “canales” a lo largo de los cuales seran atrapadas las partfculas cargadas, entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara 2a. La manera en que se consigue esto se describira mas adelante con detalle. Los medios de generacion del campo se disponen para hacer girar la componente de atrapamiento angular alrededor del eje de rotacion 8 y las partfculas atrapadas giraran por lo tanto asimismo alrededor del eje, de tal forma que cada una de ellas experimenta una fuerza centnfuga.

La componente de equilibrado radial se dispone para contrarrestar la fuerza centnfuga. Por lo tanto, las partfculas atrapadas migraran a lo largo de los canales establecidos por el campo bajo la influencia de la fuerza centnfuga y del campo de equilibrado radial. El campo de equilibrado radial se conforma de tal modo que su magnitud crece monotonamente con la distancia radial al eje de rotacion 8. Esto permite la formacion de puntos de equilibrio estable a lo largo de los canales en los cuales se asentara una partfcula cargada de una relacion de carga a masa (q/m) dada. Puesto que el campo de atrapamiento angular continua girando, cada partfcula establecida orbitara alrededor del eje de rotacion y esto se representa para dos tipos diferentes de partfculas mediante las trazas (i) y (ii) en la figura 2. El radio de cada orbita esta determinado por la relacion de carga a masa de la partfcula cargada y, en consecuencia, las partfculas con similares relaciones de carga a masa se estableceran en orbitas similares dentro de los canales. En la figura 2, la orbita de partfculas exterior (i) con un radio ri esta formada por partfculas que tienen una relacion de carga a masa qi/mi mas baja que aquellas que forman la orbita de partfculas interior (ii) con un radio r2 menor. De este modo, las partfculas mas pesadas, de carga baja, orbitaran a un radio mayor que las partfculas de carga alta, mas ligeras. Las orbitas se pueden detectar de varias formas, como se discutira mas adelante en el texto; el radio de cada orbita proporciona informacion con respecto a la masa (y la carga) de las partfculas.

La intensidad de los campos radial y angular aplicados dependera de la aplicacion concreta y puede escogerse dentro de un amplio intervalo. Desde el punto de vista de la componente radial, las partfculas con valores altos de q/m necesitan una intensidad de campo mas baja que las partfculas con valores bajos de q/m (pesadas). por lo tanto, se podna aplicar cualquier intensidad de campo adecuada pero preferiblemente sin exceder el umbral de ruptura de la atmosfera dentro de la camara (si existe). Las intensidades de campo tfpicas estan en la region de 1 kV/cm a 10 kV/cm, pero podnan ser tan altas como alrededor de 40 kV/cm, que es aproximadamente el lfmite superior para el aire, antes de que se produzca la ruptura, de acuerdo con la curva de Paschen.

Si se desea, la componente de campo angular puede ser mas debil que la componente de campo radial, ya que su papel es acelerar las partfculas hasta una cierta velocidad angular y no es necesario equilibrar una fuerza opositora intensa. En casos preferidos, la componente de campo angular maxima a cualquier radio puede ser del mismo orden de magnitud que la componente de campo radial a ese radio, ya que se ha encontrado que esto ayuda a la hora de atrapar rapidamente las partfculas en cada canal. Sin embargo, esto no es esencial.

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Comparado con las tecnicas de espectrometna de masas convencionales, el presente dispositivo proporciona capacidad de analisis de alta resolucion para un intervalo muy amplio de relaciones de carga a masa, que se puede cambiar dinamicamente (sobre la marcha) ajustando los campos aplicados. Como resultado de ello, se pueden analizar en un dispositivo pequeno y compacto partmulas tanto grandes como pequenas. Los espectrometros de masas convencionales estan limitados por varios factores a analizar partmulas de masa relativamente baja, por ejemplo, de menos de 20 kDa (kiloDalton). En gran medida, esto se debe a la perdida de resolucion para las partmulas de masa grande. Por otra parte, el presente dispositivo puede funcionar bien mas alla de la region de los kDa y hasta el orden de los MDa, consiguiendo a la vez resoluciones muy altas en un volumen pequeno, debido a que, a diferencia de los espectrometros convencionales, las partmulas estan unidas a trayectorias cerradas que estan altamente enfocadas, como se ha descrito previamente. Esto permite analizar potencialmente moleculas de ADN grandes, protemas e incluso celulas. El dispositivo esta igualmente bien adaptado para analizar partmulas pequenas, tal como compuestos qmmicos inorganicos.

La figura 4 es un grafico esquematico que muestra una distribucion del voltaje aplicado a la camara en una primera realizacion de la presente invencion. En esta realizacion, se establecen por separado y se superponen un campo de atrapamiento angular electrico y un campo de equilibrado radial electrico, dando como resultado de la distribucion de voltaje que se ve en la figura 4. Se observara que, en este ejemplo, el voltaje sigue un perfil sinusoidal alrededor del eje de rotacion 8. Es decir, a cualquier distancia radial desde el eje de rotacion 8, el perfil angular de la distribucion de voltaje es sinusoidal, lo que da como resultado una serie de valles de voltaje 10 y picos de voltaje 11, a cualquier radio. Los picos de voltaje 11 y los valles de voltaje 10 representan puntos de energfa minima en el campo electrico resultante, como se demostrara ahora tomando como referencia la figura 5, la cual muestra la relacion entre el voltaje aplicado y el campo electrico resultante, en funcion de la direccion angular O. Debena notarse que no es necesario establecer la componente de atrapamiento angular en toda la camara completa: por ejemplo, en la sexta realizacion descrita mas adelante, la componente de atrapamiento se establece solamente en una subseccion angular de la camara.

Como ya se indicado, en este ejemplo, el voltaje V tiene un perfil sinusoidal y, puesto que el campo electrico es proporcional a la derivada espacial de la distribucion de voltaje (es decir, E = dV/dO), el campo electrico E tendra tambien una forma sinusoidal desfasada n/2 respecto del voltaje (es decir, sera una funcion coseno de O, ya que d/dO (sen O) = cos O). Por lo tanto, los puntos de mmimo valor del campo electrico (que en este caso es cero) se corresponden con los picos 11 y los valles 10 de la distribucion de voltaje. Como se muestra en la figura 4, los picos y valles de voltaje a cada radio son continuos y asf de hecho cada uno se dispone de tal forma que se alinea con aquellos de radio adyacente, formando los canales 13 y 14 entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara. Los canales 13 siguen los valles del perfil del voltaje mientras que los canales 14 siguen las “crestas”. En este ejemplo, cada canal 13, 14 se extienda a lo largo de la distancia total entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara, pero esto no es esencial.

Las partmulas cargadas dentro de la camara 2 migraran hacia los canales 13 y/o 14 de minima energfa bajo la influencia de la componente de atrapamiento angular. Por ejemplo, la figura 5 representa una partmula positiva 12 en las cercamas del mmimo de energfa “A”, que corresponde a un valle 10 en la distribucion de voltaje. En este ejemplo, el mmimo A es un punto de paso por cero en el campo angular: es decir, a un lado (angular) del mmimo, el campo es positivo y al otro lado, es negativo. En el sentido de la figura 5, una componente de campo positiva hara que una partmula positiva se mueva hacia la derecha de la figura mientras que una componente de campo negativo enviara la partmula positiva hacia la izquierda. En consecuencia, la partmula positiva 12 en la posicion X sera instada por el campo a moverse hacia la derecha, como indica la flecha. Esto seguira asf hasta que la partmula alcance el mmimo A en donde el campo electrico cambia su direccion de positiva a negativa. Si la partmula positiva 12 cruza el mmimo, experimental ahora una fuerza que la empuja hacia la izquierda como indica la flecha sobre la partmula en el campo electrico negativo en la posicion Y. De este modo, una partmula positiva sera eficazmente atrapada angularmente en las cercamas del mmimo A. En la practica, la partmula continuara oscilando de esta forma alrededor del mmimo de energfa a menos que se amortigue su movimiento, como se discutira mas adelante.

Se apreciara en el grafico de la figura 5 que existe otro mmimo de energfa B que corresponde a un pico 11 en la distribucion de voltaje. Para una partmula positiva como 12, esto representa una posicion de equilibrio inestable puesto que la direccion de la fuerza experimentada por la partmula si es desplazada desde el punto B sera tal que la impulse lejos del mmimo. Sin embargo, lo contrario es cierto para las partmulas cargadas negativamente, que encontraran posiciones de equilibrio estable sobre los picos de voltaje y posiciones de equilibrio inestable en los valles de voltaje.

Los puntos de paso por cero tales como los puntos A y B antes indicados existiran en cualquier campo alterno en el que el signo del campo cambia periodicamente alrededor del eje de rotacion. Se prefieren los campos angulares sinusoidales, pero podnan ser igualmente aplicables campos con una onda triangular o cuadrada. Se prefiere tener mmimos de energfa en forma de puntos de paso por cero del campo puesto que, como se ha demostrado previamente, el efecto de atrapamiento es particularmente estable. Sin embargo, esto no es esencial. Por ejemplo, los campos a cada lado de un mmimo podnan ser del mismo signo. Si bien esto representa una posicion de equilibrio inestable, se puede aun conseguir el necesario efecto de atrapamiento, siempre y cuando la componente de atrapamiento angular este rotando con suficiente velocidad angular (mas rapido que la velocidad a la que la

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partmula puede migrar desde los mmimos). De manera similar, si bien es ventajoso que la magnitud del campo sea cero en los mmimos, por las mismas razones no es imprescindible que as^ sea.

De este modo, las partmulas cargadas dentro de la camara 2 estan constrenidas dentro de los canales 13 y/o 14 (segun el signo de las partmulas) formados por los mmimos de energfa de la componente de atrapamiento angular y giran alrededor del eje de rotacion debido a la rotacion de la componente de atrapamiento angular.

La figura 6 ilustra un ejemplo de los componentes del aparato generador de campos 3 que se pueden usar para establecer un campo de atrapamiento angular del tipo descrito en relacion con las figuras 4 y 5. Se ilustra la camara 2 en una vista en perspectiva y se muestra el dispositivo de inyeccion 7 en la periferia 2a de la camara, como antes. El aparato generador de campos comprende un montaje de electrodos del campo angular en forma de numerosos electrodos 15 (denominados electrodos de “atrapamiento” puesto que llevan a cabo el atrapamiento angular de las partmulas) espaciados angularmente a distancias iguales junto a una superficie de la camara 2, preferiblemente una superficie perpendicular al eje de rotacion 8. Estos podnan disponerse dentro o fuera de camara 2. Se puede usar cualquier numero de electrodos 15, aunque se prefiere mas de uno. Como se describira mas adelante, en relacion con las figuras 24 y 25, no es necesario que los electrodos 15 esten distribuidos sobre toda la superficie de la camara, sino que podnan estar dispuestos de manera que cubran solamente una subseccion angular de la camara.

Cada electrodo 15 se extiende entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara 2. No es necesario que los electrodos 15 cubran la distancia completa entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara 2, sino solamente la zona en la que se desean establecer los canales previamente mencionados. Se proporciona una fuente de alimentacion de voltaje 15a y se aplica a cada uno de los electrodos 15 (o al menos a algunos de ellos). Por claridad, la figura 6 muestra solo las conexiones entre los dos electrodos 15* y 15** y la fuente de alimentacion, pero en la practica se proporcionaran tfpicamente tales conexiones para cada uno de los electrodos del montaje. En este ejemplo, se aplican 0 voltios al extremo de los electrodos 15 mas cercano al eje de rotacion 8. Se aplican voltajes V1, V2, etc. a los extremos de los electrodos 15 cercanos a la periferia 2a de la camara. Preferiblemente, se aplica a los electrodos un voltaje “flotante” (es decir, la fuente de alimentacion de voltaje proporciona una diferencia de voltaje entre electrodos vecinos, mejor que un voltaje absoluto, respecto a tierra), por razones que se discutiran mas adelante. Preferiblemente, la fuente de alimentacion de voltaje 15a esta bajo el control de un procesador 5 que determina el nivel de voltaje aplicado a cada electrodo para establecer, de este modo, la distribucion de voltaje deseada en la camara 2. Sin embargo, la fuente de alimentacion de voltaje podna desempenar por si misma esta funcion. El perfil angular del campo se determina mediante la seleccion cuidadosa del voltaje aplicado a cada electrodo y, para generar una componente de campo angular sinusoidal como la discutida previamente en el texto, el voltaje aplicado a cada electrodo seguira una distribucion sinusoidal alrededor del eje de rotacion. Se pueden aplicar otras formas de campo, como perfiles de onda triangulares o cuadrados, mediante la adecuada seleccion del voltaje aplicado a cada electrodo.

Para girar el campo angular respecto de la camara 2, el voltaje aplicado a cada electrodo 15 se vana preferiblemente con la fuente de alimentacion de voltaje 15a (o mediante el controlador 5) en funcion del tiempo, de tal forma que cada valor del voltaje aplicado avanza de manera secuencial alrededor de los electrodos. La velocidad de rotacion se controla mediante la fuente de alimentacion de voltaje o con el controlador. La figura 7 muestra el voltaje aplicado a los electrodos de ejemplo 15* (lmea continua) y 15** (lmea de trazos) y su variacion a lo largo del tiempo, en el presente ejemplo. Se vera que a tiempo igual a cero, el electrodo 15* esta a un nivel de voltaje V1 mientras que el electrodo 15** esta a su valor maximo de voltaje V2, que representa un pico en la distribucion de voltaje. El voltaje de cada electrodo vana sinusoidalmente (o triangularmente, o de otra manera) con una frecuencia directamente relacionada con la velocidad angular de la componente de campo angular. En la figura 7 se puede ver que cada electrodo experimenta un pico de voltaje unico y un valle de voltaje unico en un tiempo T. Puesto que en este ejemplo hay 8 picos y 8 valles en la distribucion completa de voltaje (vease la figura 4), este tiempo T representa 1/8 del tiempo necesario para que el campo complete un circuito completo. Por lo tanto, la frecuencia de giro, F, esta dada por 1/(8T) en este ejemplo. Tfpicamente, esta frecuencia es del orden de los kHz o los MHz. La velocidad angular w viene dada por 2nF.

Preferiblemente, los electrodos 15 estan hechos de un material que tiene una resistencia no nula, tal como un polfmero resistente o silicio, de tal forma que se mantiene una diferencia de potencial en la direccion radial entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara 2. Esto conduce a una reduccion del voltaje hacia el eje de rotacion que ayuda en la formacion de un campo electrico que es continuo a traves de la camara, pero esto no es esencial. Sin embargo, esto puede conducir a otras realizaciones ventajosas, como se discutira mas adelante. Una ventaja adicional de utilizar electrodos resistentes es que el flujo de corriente se minimiza (o incluso se detiene por completo), lo que implica una disminucion del consumo de potencia.

La figura 8 muestra de manera esquematica la forma de una distribucion de voltaje que se puede generar mediante el equipo representado en la figura 5 e ilustra en particular la amplitud creciente de la componente de atrapamiento angular con el radio, debido a la diferencia de potencial a lo largo de cada electrodo, segun se ha descrito previamente. A esta se le anade un campo de equilibrado radial con el fin de llegar a la distribucion de voltaje mostrada en la figura 4.

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La figura 9 muestra un ejemplo de distribucion de voltaje V para la componente de equilibrado radial y el campo electrico radial resultante, E. En este ejemplo, el voltaje aumenta proporcionalmente a r3 y no tiene dependencia de O (es decir, es constante a un radio dado para todos los valores de O). La componente de campo electrico radial resultante aumenta, por lo tanto, proporcionalmente a r2 En la practica, el valor de la componente del campo electrico puede venir dada por cualquier funcion monotonamente creciente de r en la zona o zonas correspondientes a los canales, uno o mas de uno, puesto que ello permitira posiciones de equilibrio radial estables, como se discutira con detalle mas adelante. Por ejemplo, la magnitud del campo radial puede variar proporcionalmente a rn donde n es mayor o igual de 1 (aunque cuando n = 1, el valor del campo electrico debena compensarse desde cero en el eje de rotacion o si no el unico punto de equilibrio coincidira con el eje de rotacion).

Se prefieren formas del campo radial en las cuales la magnitud del campo es constante a todos los angulos y a cualquier radio, pero esto no es esencial. Puesto que las partfculas estan confinadas a los canales del campo angular, es ah donde se producira la migracion radial. De por sf, la forma del campo radial lejos de los canales no es cntica y no es necesario que sea monotonamente creciente. Sin embargo, cuando el campo radial aplicado no es constante a cualquier radio, debena rotar de forma smcrona con el campo angular con el fin de que la forma del campo radial necesaria este siempre alineada con el canal o con cada uno de ellos.

La superposicion de una distribucion de voltaje radial como la mostrada en la figura 9 con la distribucion angular mostrada en la figura 8 dara como resultado una distribucion de voltaje de la forma mostrada en la figura 4, que tiene ambas componentes, radial y angular.

La figura 10 ilustra un ejemplo de los componentes del aparato 3 de generacion de campos para aplicar tal campo radial, en forma de un campo electrico. La camara 2 se muestra desde un lado y el montaje de los electrodos del campo angular que comprende los electrodos de atrapamiento 15 descritos previamente en relacion con la figura 6 se representa sobre la superficie superior de la camara 2. Se proporciona adicionalmente un montaje de electrodos de campo radial en forma de electrodos de equilibrado 17a y 17b, cada uno de ellos dispuesto a cada lado de la camara (aunque, si se prefiere, podna implementarse uno solo de tales electrodos). Cada uno de los electrodos de equilibrado 17a y 17b esta formado por un material resistente, tal como un polfmero o silicio, como en el caso de los electrodos de atrapamiento angular descritos previamente. Cada uno de los electrodos de equilibrado 17a y 17b tiene un perfil de espesor (en la direccion axial de la camara 2) que vana a lo largo de la direccion radial. De este modo, en este ejemplo, los electrodos de equilibrado tienen forma conica con lados rectos, pero los lados de los conos podnan tener, de forma alternativa, perfiles de superficie concavos o convexos. El eje central de cada uno de los electrodos de equilibrado 17a, 17b esta alineado, tfpicamente, con el eje de rotacion 8 del campo angular. La punta de cada electrodo puede estar dirigida hacia la camara 2 o en sentido contrario, pero se prefiere que los electrodos esten dispuestos como se muestra en la figura 10, con cada apice o punta dirigidos en sentido contrario al de la camara. Cada electrodo de equilibrado 17a y 17b se podna sustituir, si se prefiere, por una matriz o formacion de elementos de electrodo con forma de “cuna”, colocados radialmente.

Se aplica un voltaje de corriente continua entre el eje central del electrodo de equilibrado y su periferia circular. En este ejemplo, la punta de cada electrodo se pone a tierra mientras que se aplica un voltaje positivo +V a la periferia 18a, 18b de cada electrodo 17a, 17b. Esto se puede conseguir, por ejemplo, utilizando una pieza de contacto central 19a, 19b insertada en el apice de cada cono y una placa de contacto periferica anular 20a, 20b. Las piezas de contacto central 19a, 19b podnan ser reemplazadas, si se desea, por una unica pieza de contacto central que atraviesa la camara (o que pasa a traves de un hueco en la camara, cuando la camara es anular) a lo largo del eje de rotacion 8, que puede ayudar en la conformacion del campo. Puesto que los electrodos 17a, 17b estan hechos de material resistente, se crea una diferencia de potencial entre el eje de rotacion 8 y la periferia del electrodo 18, conformada por los electrodos 17a, 17b, lo que da como resultado una distribucion de voltaje radial dentro de la camara tal como la descrita en relacion con la figura 9.

La figura 10a es una grafica de vectores de un analisis de elementos finitos que muestra la direccion de un campo electrico producido utilizando el aparato recien descrito. Aqrn, los electrodos de equilibrado 17a, 17b y la camara 2 estan vistos desde un lado. Otros componentes no se ilustran por claridad. Las flechas representan la intensidad (longitud de la flecha) y la direccion del campo electrico en cada punto en las proximidades de los electrodos de equilibrado y, se vera que entre los electrodos, dentro de la camara 2, el campo es radial (es decir, perpendicular al eje de rotacion). En la figura 10b se muestra la distribucion de voltaje en funcion del radio para un ejemplo en el cual se aplica un voltaje de + 1000 V a la periferia de los electrodos y en el que la punta de los mismos se pone a tierra (0 V). La figura 10c muestra el correspondiente campo electrico radial; se vera que el campo aumenta en valor (negativamente) a medida que aumenta el radio de forma monotona, no lineal, como es conveniente.

Las componentes de campo radial y angular asf generadas se pueden sumar entre sf de diferentes maneras. Como ya se ha mencionado, la componente angular se puede generar mediante una fuente de alimentacion de voltaje dedicada, distinta de la fuente de alimentacion de voltaje de corriente continua utilizada para la componente radial. Si es asf, entonces los electrodos de atrapamiento debenan “flotar” sobre el voltaje radial aplicado, es decir, el voltaje aplicado a los electrodos de atrapamiento debena serlo preferiblemente en forma de una diferencia de potencial aplicada entre vecinos y no un voltaje absoluto, respecto de tierra, que distorsionana notablemente la distribucion de voltaje radial. Haciendo que los electrodos de atrapamiento “floten”, el voltaje de cada electrodo de atrapamiento sera la suma del voltaje radial y del voltaje angular. Otra forma de conseguir esto es polarizar los

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electrodos de atrapamiento mediante contacto electrico con los electrodos de equilibrado, mediante resistencias o material resistente adecuados. De manera alternativa, es posible usar una fuente de alimentacion de voltaje “no flotante” si se dispone para aplicar un voltaje absoluto V + dV donde V es el voltaje radial y dV el voltaje angular. Esto puede ser adecuado en realizaciones posteriores, que se discutiran mas adelante.

Una vez que los campos radial y angular se han superpuesto, la distribucion de voltaje resultante sera la suma de los dos voltajes en cualquier punto dentro de la camara, que se muestra en la figura 4. Como se ha mencionado previamente, el campo radial puede tener una magnitud significativamente mayor que la componente radial del campo y ello posibilita que la forma del campo radial domine de tal modo que la direccion del campo radial se impondra cuando sea necesario. Por ejemplo, se notara en la figura 8 que, en el campo angular solo, los valles se extienden a voltajes que son negativos respecto del existente en el eje de rotacion 8, mientras que los picos alcanzan voltajes positivos respecto del existente en el eje de rotacion. Asf habra una componente de campo radial inherente que actua hacia el eje de rotacion a lo largo de los picos, pero hacia la periferia en los valles. Anadiendo un campo radial fuerte de la manera descrita anteriormente, este se puede manipular de tal forma que las fuerzas radiales actuen en la misma direccion en todos los puntos del campo. Este es el caso de la figura 4, en la cual se notara que ambos canales formados tanto por los picos como por los valles alcanzan voltajes mas altos que el del eje de rotacion 8, de tal forma que el campo radial actua hacia adentro en todos los puntos. Otras configuraciones alternativas tambien tienen ventajas que seran discutidas mas adelante.

En el ejemplo representado en la figura 4, la distribucion de voltaje final es de la forma V = A(r/R)3 + B(r/R) sen(NO + wt), donde A y B son constantes, r es la coordenada radial, O es la coordenada angular, t es la coordenada del tiempo, R es el alcance radial deseado del campo (por ejemplo el radio de la camara), N es el numero de longitudes de onda de la componente angular contenidas en una vuelta completa alrededor del eje de rotacion y w es la velocidad angular a la cual gira la componente angular. En este ejemplo, N = 8, lo cual significa que en cada vuelta completa hay 8 valles de voltaje y 8 picos de voltaje, lo que corresponde a 16 canales, de los cuales la mitad proporcionaran “trampas” estables para cualquier partfcula dada. De este modo, N podna tomar cualquier valor y aunque se prefiere que haya un numero entero de longitudes de onda, esto no es esencial. Cuanto mayor es el valor de N, mayor es el numero de canales disponibles lo cual disminuye los problemas asociados con la auto-repulsion entre partfculas similares, ya que en cada canal son atrapadas menos partfculas.

Las partfculas atrapadas en cualquiera de los canales migran a lo largo del canal bajo las influencias combinadas de la componente de campo radial y de la fuerza centnfuga. Como se ha discutido previamente en este texto, la fuerza experimentada por una partfcula debida a la componente del campo radial se dispone de tal forma que actue hacia el interior de modo que contrarreste la fuerza centnfuga que actua hacia el exterior. Asf, cuando tienen que analizarse partfculas cargadas positivamente, son adecuadas las distribuciones de voltaje del tipo de la mostrada en la figura 4 (donde el voltaje es siempre mas negativo hacia el eje de rotacion que en la periferia). Cuando se tienen que analizar partfculas negativas, debena aplicarse lo contrario. La magnitud del campo radial variara todavfa monotonamente de la misma manera que la descrita previamente, independientemente de su direccion. En ciertas realizaciones, tanto las partfculas positivas como las negativas se pueden analizar de forma simultanea; mas adelante se volvera sobre esta opcion.

La figura 11 muestra las fuerzas radiales sobre una partfcula de ejemplo en un canal. La fuerza centnfuga Fc sobre la partfcula siempre actua hacia el exterior (hacia la derecha en la figura 11) y es proporcionar a mw2r, donde m es la masa de la partfcula, w es su velocidad angular y r es la posicion radial. La fuerza debida a la componente del campo radial actua hacia el interior y, en este ejemplo, es proporcional a qr2, donde q es la carga de la partfcula y r es la posicion radial. Como se muestra en la figura 11, para cada proporcion q/m habra una posicion radial r* en la cual las fuerzas Fc y Fr son iguales y opuestas. Haciendo que la magnitud del campo radial aumente monotonamente con r (por ejemplo, con r2, como se muestra en este caso), ello conducira a que el punto r* forme una posicion de equilibrio estable. Una partfcula que fluctue separandose de r* hacia el eje de rotacion (hacia la izquierda en la figura 11) entrara en una zona en la cual Fc > Fr, de tal forma que la fuerza neta esta dirigida hacia fuera, empujando a la partfcula de vuelta hacia r*. De manera similar, si la partfcula sobrepasa r* hacia la periferia de la camara (hacia la derecha en la figura 11), experimental una fuerza neta hacia el interior y una vez mas sera empujada hacia r*.

De este modo, las partfculas se instalaran en unos radios de equilibrio r*, segun sus relaciones de carga a masa (q/m). Las partfculas que tienen proporciones q/m similares se aglomeraran alrededor de r*. Las agrupaciones de partfculas similares orbitaran alrededor del eje de rotacion, segun gira la componente angular.

Como se ha mencionado anteriormente, las partfculas tenderan a oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio. Esto ocurre tanto angularmente (alrededor de los mmimos de energfa angular, es decir, en los canales “virtuales”) como radialmente (alrededor de los puntos de equilibrio r*). Esta oscilacion puede no ser problematica si los campos se disponen de tal forma que las partfculas esten localizadas dentro de un volumen suficientemente pequeno. Por ejemplo, si los valles de voltaje que forman los canales 13 tienen lados suficientemente inclinados, las partfculas positivas oscilaran efectivamente dentro de un pozo de potencial estrecho. De manera similar, la forma del campo radial aplicado se puede controlar tambien para minimizar las oscilaciones radiales. Sin embargo, para mejorar la resolucion del dispositivo, se prefiere amortiguar la oscilacion de las partfculas y, de forma ventajosa, esto se consigue manteniendo el interior de la camara a una presion de gas y a una temperatura controladas,

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preferentemente con un vado imperfecto. Esto proporciona un cierto grado de rozamiento que se opone al auto- movimiento de las partfculas sin inhibir de manera significativa su movimiento bajo la influencia de los campos aplicados, ademas de la ventaja anadida de que no se necesita una bomba capaz de producir un verdadero vado, las cuales son, tfpicamente, voluminosas y podnan disminuir la movilidad del dispositivo.

Para este objetivo se pueden seleccionar diferentes gases. Entre los factores que se debenan tomar en consideracion se incluyen:

- el voltaje de ruptura del gas; tipicamente, las intensidades de campo electrico aplicado seran altas (en la region de 10 a 50 kV/cm), con el fin de alcanzar una resolucion excelente. De por sf es preferible seleccionar un gas de los denominados dielectricos, tales como aire, nitrogeno, argon/oxfgeno, xenon, hidrogeno o hexafluoruro de azufre (mezclado posiblemente con un gas noble). Se conocen muchos otros gases dielectricos adecuados.

- el efecto de amortiguacion del gas. Gases diferentes tendran diferentes efectos sobre la movilidad de los iones.

- la inercia qrnmica del gas.

Se ha encontrado que el xenon proporciona una combinacion de propiedades adecuada, aunque podnan tambien usarse muchos otros gases (sustancias unicas o mezclas).

La presion de gas adecuada dependera tambien de diferentes factores, incluyendo la naturaleza de las partfculas que se esten ensayando y las intensidades del campo aplicado necesarias. Por ejemplo, en muchos casos una presion baja proporcionara el equilibrio necesario entre la amortiguacion de la auto-oscilacion y la no inhibicion de las trayectorias de las partfculas. Sin embargo, en otros casos, puede ser necesaria una presion mas alta para evitar la ruptura del gas debida a los campos aplicados. Este puede ser el caso, por ejemplo, cuando se tienen que analizar partfculas de gran masa, como celulas, a velocidades angulares relativamente bajas e intensidades de campo radial altas (necesarias, ya que, incluso a bajas velocidades, las partfculas de masa alta experimentaran una fuerza centnfuga correspondientemente alta). La curva de Paschen indica que el voltaje de ruptura del aire aumentara a medida que aumenta la presion.

El rozamiento proporcionado por el gas amortigua las oscilaciones de tal forma que las partfculas pierden energfa y se instalan en la cercama de los puntos de equilibrio del campo relevantes. El punto en el cual se instala eventualmente cada partfcula puede no coincidir de forma precisa con el punto de equilibrio, como se demostrara mas adelante. Sin embargo, cualquier desplazamiento de ese tipo es tfpicamente desdenable en comparacion con el radio de las orbitas y, en consecuencia, tiene poco efecto sobre los resultados obtenidos. Asimismo, el desplazamiento se puede factorizar en el procesado de los resultados, si se desea.

En el ejemplo que sigue, se han hecho varias simplificaciones con el fin de hacer lineales las ecuaciones y derivar una solucion analftica que cuantifique las caractensticas cinematicas delas partfculas cargadas alrededor de la condicion de equilibrio. Para la componente del campo electrico radial se asume una forma lineal (es decir, E a r). Igualmente, se supone que la componente de campo angular se aproxima a un campo lineal en las cercamas del punto de equilibrio (vease la figura 5).

Asf, la componente del campo angular tiene la forma:

E<p(0) = A(0-wt) + B (1)

donde A y B son constantes. la componente del campo radial toma la forma:

Er(r) = -Cr -D (2)

donde C y D son constantes. El signo negativo que precede a C significa que el campo sera negativo, es decir, que actuara hacia el interior sobre una partfcula positiva. La fuerza centnfuga sobre la partfcula viene dada por:

Fw(r) = m u>2 r (3)

En consecuencia, se pueden escribir las siguientes ecuaciones dinamicas. En la direccion radial:

m r''(t) + m w2 r(t) + q Er(r) + p r'(t) = 0 (4)

donde m es la masa de la partfcula, q es la carga de la partfcula y p es el coeficiente de rozamiento debido a la presion de gas controlada dentro de la camara. Para indicar las derivadas se utiliza la notacion habitual. En la direccion angular:

m 0''(t) - q E<p(0(t)) + p 0'(t) = 0 (5)

Sustituyendo las formas de los campos en las ecuaciones (4) y (5) y resolviendo las ecuaciones diferenciales para estados enlazados se obtienen las siguientes ecuaciones de movimiento. En la direccion radial:

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Dq PL ( Dq

r(t) = — —---------- + eim (rn +

Cq — mw2

( , D<1 \ (

I r0 + -----------r 1 cos I -

V u Cq — ma2J \

t^—p2 + 4m(Cq + maz)

2m

En la direccion angular:

—Bq + pwr PL l —Bq + pr^ \ I J—p2 + 4Amqt

<t>(t) =-----—-------+ ro>£ + 2e2m(0o —------------— ro>£'"""1 y

Aq V“u Cq — mw2

Asf, cuando t ^ ~, las partfculas tienden hacia puntos de equilibrio dados por:

Dq

^ cos

2m

r’ = —

Cq — mw2

y

—Bq+pwr

O* =----------------+ rat

Aq

Deberfa notarse que aquf O es una medida de la distancia en la direccion angular y no el angulo subtendido.

Las frecuencias de oscilacion alrededor de la posicion de equilibrio, fr y fo (que no deberfan confundirse con la frecuencia F de rotacion del campo angular) estan dadas por:

fr

^—p2 + 4 m(Cq + ma>2) 4 nm

u =

^—p2 + 4Amq

4 nm

A continuacion se ilustrara un ejemplo, haciendo referencia a las figuras 12, 13 y 14. Se suponen los parametros siguientes:

Frecuencia de rotacion, F (=w/2n) = 100 kHz Coeficiente de rozamiento, p = 1x10-19 Ns/m

Masa de la partfcula, m = 50 kDa (1 dalton = 1 unidad de masa atomica)

Carga de la partfcula, q = +1 Radio inicial, ro = 1 cm Posicion radial inicial, Oo = 0 radianes A = 2x106

y

B = 0

C = 2x107 D = 5x103

La figura 12 muestra la oscilacion alrededor del radio de equilibrio (representado por r = 0) durante un perfodo de tiempo de solo unos 0,0005 segundos. Se ve que las oscilaciones se amortiguan, de tal forma que cuando t = 0,0005 s la partfcula se ha instalado mas o menos en el radio de equilibrio. La figura 13 muestra la oscilacion angular en el mismo perfodo de tiempo, que alcanza hasta t = 0,001 s. En este caso, el punto de equilibrio se mueve constantemente debido a la rotacion de la componente del campo angular y esto conduce al desplazamiento de la partfcula desde la posicion “cero”, con el tiempo. No obstante, a t = 0,001 s la amplitud de las oscilaciones se ha reducido practicamente a cero. La figura 14 muestra las oscilaciones en dos dimensiones, combinando de manera efectiva las figuras 12 y 13, para el perfodo de tiempo hasta t = 0,001 s. El punto mas alto del grafico representa la partfcula instalada con su oscilacion amortiguada casi completamente.

En implementaciones que incluyen amortiguaciones como las descritas previamente, es preferible que el campo angular maximo a cada radio sea suficiente para superar el efecto de amortiguacion. En otras palabras, cuando se proporciona amortiguacion mediante un gas, la fuerza sobre una partfcula debida al campo angular (maximo)

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debena ser preferiblemente mayor que cualquier fuerza de rozamiento entre las partfculas y el gas a la velocidad angular u>. Se ha encontrado que esto ayuda a retener las partfculas dentro de cada canal, pero no es esencial.

Las orbitas establecidas por las partfculas se pueden detectar de varias maneras. En el presente ejemplo, el detector 4 comprende una matriz de elementos de deteccion de radiacion 16 que son visibles en la figura 6. Los elementos 16 se pueden disponer dentro de la camara 2 o bien la pared de la camara podna ser transparente a la radiacion al menos en la region de cada elemento 16. Se puede proporcionar cualquier numero de estos detectores. Cada elemento es un fotodetector, tal como un CCD (o dispositivo de carga acoplada, por sus siglas en ingles), que genera una senal cuando recibe radiacion. La salida de cada elemento se conecta a un procesador, como un controlador 5.

Las partfculas dentro de la camara 2 tenderan a absorber radiacion o, en caso contrario, obstruiran su paso a traves de la camara y por todo ello, la intensidad de la radiacion recibida se reducira en los elementos 16 contiguos a las orbitas de las partfculas. Se puede usar la radiacion ambiente para este objetivo, pero en los ejemplos preferidos, el detector 4 puede comprender adicionalmente un emisor de radiacion 16a (es decir, una fuente de luz), para emitir la radiacion que sera recibida por los elementos de deteccion 16. Se pueden reducir los efectos de interferencia de la radiacion ambiente proporcionando una fuente de radiacion dedicada y calibrando los elementos del detector de acuerdo con ello. Se puede escoger cualquier tipo de radiacion, visible o de cualquier otro tipo, pero se prefiere la radiacion ultravioleta.

La intensidad de la radiacion recibida en cada elemento detector 16 se puede usar para determinar la situacion de las orbitas de las partfculas y tambien la densidad de las partfculas en cada una de las orbitas de partfculas.

La figura 15 muestra el montaje del detector con mas detalle. En ella, una lmea de elementos detectores 16 se extiende a lo largo de una trayectoria radial entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara sobre la parte inferior de la camara 2. Se coloca un emisor de radiacion 16a en el lado opuesto de la camara, aunque este podna colocarse en otro lugar si las paredes de la camara son completamente transparentes. La radiacion emitida R pasa a traves del interior de la camara 2 y es parcialmente transmitida a los elementos de deteccion 16, dependiendo de la localizacion y de la densidad de las orbitas de partfculas P dentro de la camara 2. Las senales de intensidad se transmiten a un procesador el cual, en este ejemplo, genera un espectro como el que se ilustra en la figura 15a. Cada pico del espectro representa una orbita de partfculas diferente, cuyo radio se determina mediante la masa y la carga de las partfculas. Por lo tanto, se puede medir el radio de cada orbita y se puede usar para calcular la masa de las partfculas que forman la orbita. Las tecnicas de ionizacion preferidas, como MALDI, generan partfculas con cargas individuales o dobles (por ejemplo +1, -1, +2, -2) y asf generalmente se deducira la carga de cada partfcula de modo directo. Otras tecnicas como ESI pueden generar una multitud de estados de ionizacion mas altos, en cuyo caso para deducir las cargas y las masas a partir de las orbitas detectadas se pueden usar programas informaticos adecuados. En algunos casos, el dispositivo de ionizacion puede producir iones de la misma sustancia pero con cargas diferentes, en cuyo caso se formara mas de una orbita para la sustancia. Sin embargo, comunmente, una sustancia tendra inclinacion a un nivel de carga concreto y de este modo la mayona de las partfculas similares se instalaran sobre una unica orbita.

Mas adelante se discutiran otras tecnicas de deteccion.

La realizacion previa hace uso de dos campos electricos para manipular las partfculas. Sin embargo, tambien son viables otras estrategias. En una segunda realizacion, se proporciona la componente de equilibrado radial mediante un campo magnetico, mientras que la componente de atrapamiento angular es electrica y se produce de la misma manera que la descrita previamente. El uso de un campo magnetico puede ser ventajoso, ya que a menudo es mas directo implementarlo que el campo electrico radial descrito antes. Sin embargo, es diffcil generar campos magneticos muy intensos. No obstante, las puestas en practica con campos magneticos son utiles para analizar partfculas que tienen relaciones de carga a masa altas.

La figura 16 ilustra los componentes del aparato generador de campos, 3, que se puede usar para aplicar un campo magnetico radial. En este caso, la camara se dispone entre los dos polos 24 y 25 de una estructura de imanes 21. Por claridad, la camara 2 se muestra ampliada y se extiende por tanto mas alla de la cavidad existente entre los dos polos magneticos, pero en la practica esto no sera generalmente asf, con el fin de que el campo magnetico resultante B este orientado sustancialmente de forma paralela al eje de rotacion 8 a traves de toda la camara 2. Se puede usar cualquier iman adecuado, pero preferiblemente se emplea un electroiman, que tiene un nucleo con forma de “C” 22 y un bobinado 23 a traves del cual fluye una corriente para inducir el campo magnetico. Este se puede controlar mediante el procesador 5.

Con el fin de proporcionar la forma de campo monotonamente creciente deseada, cada polo 24, 25, tiene un perfil de superficie que se prolonga mas lejos en la direccion de la camara 2 en la periferia que en el eje de rotacion. Por ejemplo, en la presente realizacion, la superficie de cada polo, 24 y 25, es concava y esto se representa en la figura 16 mediante las lmeas discontinuas. Preferiblemente, los polos estan centrados alrededor del eje de rotacion 8, de tal forma que su punto de mayor profundidad coincide con el eje de rotacion 8. De este modo, en este caso, la intensidad del campo magnetico es minima entre los polos debido al mayor espaciado entre los polos. La intensidad del campo magnetico aumenta hacia la periferia de la camara, a medida que las superficies de los polos se

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aproximan entre sf El perfil de la intensidad del campo magnetico vendra determinado por la forma de las superficies de los polos, que se pueden configurar como se desee. En este caso, el resultado es un campo magnetico simetrico alineado con el eje de rotacion 8 dentro de la camara 2, que tiene una intensidad de campo que aumenta con la distancia radial desde el eje 8 de una forma similar a la del perfil de campo radial electrico descrito anteriormente en relacion con la figura 9. En este caso, la intensidad del campo magnetico es proporcional a rn donde n es mayor de 1, por ejemplo, r2 o r3. Tambien sena posible usar un campo magnetico cuya magnitud aumente linealmente con el radio pero esto requerina compensar el mmimo de campo magnetico desde el eje de rotacion ya que en caso contrario la fuerza radial magnetica y la fuerza centnfuga se equilibranan solamente a r = 0 (para todas las partfculas). Por lo tanto, se prefiere un campo magnetico no lineal monotonamente creciente. Como se ha discutido previamente, son posibles muchas otras formas del campo radial y no es necesario que el campo sea rotacionalmente simetrico, en cuyo caso preferiblemente gira de manera sincronizada con el campo angular.

El campo magnetico asf producido actua sobre las partfculas cargadas que se mueven dentro de la camara en virtud de que las mismas constituyen una corriente electrica. Puesto que el movimiento de las partfculas es angular (debido a la rotacion del campo de atrapamiento), la fuerza debida al campo magnetico es radial (Fb = q(v x B), la fuerza de Lorentz) y, en consecuencia, se puede disponer para contrarrestar la fuerza centnfuga sobre las partfculas en lugar del campo radial electrico usado en la primera realizacion. Mientras tanto, el campo de atrapamiento angular se produce justamente de la misma forma que en la primera realizacion y, en consecuencia, se proporciona un montaje de electrodos de campo angular 15 y una fuente de alimentacion, como se ha descrito previamente. Puesto que la aplicacion del campo magnetico no distorsionara el campo de atrapamiento angular electrico, la distribucion de voltaje dentro de la camara 2 continua siendo de la forma representada en la figura 8 (suponiendo que se escoge un perfil sinusoidal). De este modo, el campo magnetico aplicado debe ser de suficiente intensidad como para superar el campo electrico radial, que actuara hacia fuera en algunos sectores (es decir, la fuerza radial neta sobre una partfcula debena ser magnetica).

Por lo tanto, las partfculas se instalaran a lo largo de los canales formados por los mmimos angulares, como en el caso anterior, y migraran a lo largo de los canales bajo la influencia de las fuerzas centnfuga y del campo radial (magnetico y electrico) para formar orbitas de partfculas, al igual que antes. Preferiblemente se amortiguara la oscilacion de las partfculas utilizando una presion de gas controlada, como antes. Las orbitas se pueden detectar utilizando elementos de deteccion 16 de la misma manera que se ha descrito anteriormente en el texto.

Se pueden establecer campos magneticos configurados de forma similar en otros ejemplos, utilizando imanes concentricos de intensidad variable para formar cada polo 24 y 25, en lugar de dar forma a las superficies de los polos.

En las dos realizaciones anteriores, la componente de atrapamiento angular y la componente de equilibrado radial son cada una de ellas generada por separado y superpuestas entre sf Esto tiene la ventaja de que cada componente de campo se puede variar de manera independiente de la otra. Sin embargo, en una tercera realizacion ambas componentes de campo se generan juntas, utilizando un unico conjunto de electrodos. Esto simplifica la construccion del aparato que genera los campos, pero necesita un perfil de campo mas complejo.

Para formar un campo con ambas componentes, radial y angular, se podna usar el montaje de electrodos de campo angular previamente descrito en relacion con la figura 6. De hecho, este es ya el caso debido a la diferencia de potencial entre el extremo de cada electrodo contiguo al eje de rotacion 8 y el adyacente a la periferia de la camara. Sin embargo, esto depende solamente de la resistencia del material del electrodo y en la practica es deseable un control adicional de la forma del campo radial para conseguir una componente radial monotonamente creciente. La figura 17 ilustra una tercera realizacion de la invencion en la cual se dispone una matriz de elementos de electrodo sobre una superficie de la camara 2, que es en este caso de forma anular. Aqrn, los elementos de electrodo 30a, 30b, etc. estan dispuestos en lmeas radiales 30 que forman eficazmente un conjunto de electrodos lineales espaciados a intervalos angulares iguales, como antes. Conformando una matriz tal de elementos de electrodos, se puede controlar la distribucion de voltaje radialmente asf como angularmente, controlando el nivel de voltaje aplicado a cada elemento de forma individual. Asf, se proporciona una fuente de alimentacion de voltaje 35 y se adapta para aplicar voltajes a cada uno de los elementos de electrodo 35a, 35b, etc.. Al igual que antes, los voltajes aplicados se pueden controlar mediante la propia fuente de alimentacion de voltaje 35 o conectandola a un controlador 5 y cada voltaje aplicado se vana en funcion del tiempo, de tal forma que gire el campo. En este caso, el voltaje aplicado a cada elemento es V+dV, donde V es el voltaje radial y dV la componente angular.

En otros ejemplos, el control del campo radial se puede alcanzar proporcionando un perfil adecuado a los electrodos. Por ejemplo, se podna modificar una matriz tal como la ya mostrada en la figura 6 de tal forma que el espesor de cada electrodo 15 (paralelo al eje de rotacion 8) aumente hacia el eje de rotacion 8. El perfil de los electrodos determinara la forma del campo radial en una forma similar a la descrita en relacion con el montaje de electrodos de equilibrado de la figura 10.

Tambien se proporciona un detector 4 que comprende una matriz de elementos de deteccion 16 de una forma similar a las realizaciones previas, aunque en este caso los elementos de deteccion cubren la superficie de la camara siguiendo un patron muy similar al de la matriz de elementos de electrodo 30 representada. Esto tiene ventajas, puesto que el radio de cada orbita se puede medir en multiples puntos, lo que conduce a resultados mas

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precisos. Como una ampliacion de esto, se puede proporcionar una rejilla de elementos detectores sobre toda la superficie de la camara, de tal forma que de ese modo se podna obtener una imagen de toda la orbita. Esto tiene la ventaja de que no es necesario colocar de manera precisa el detector respecto del eje de rotacion, ya que el radio se puede determinar a partir de la medida del diametro de la orbita. Un resultado similar se puede obtener utilizando dos matrices lineales de elementos de deteccion que se crucen entre sf, preferiblemente en el eje de rotacion: de este modo, se detectara una orbita circular en cuatro puntos y sus dimensiones se determinaran sin referencia a la posicion del eje de rotacion.

Como ya se ha descrito previamente, una distribucion de voltaje de la forma mostrada en la figura 8 se puede conformar utilizando un montaje de electrodos individuales como el ahora descrito. Sin embargo, como se ha mencionado antes, en este caso el campo radial cambia de direccion alrededor del eje de rotacion: en la region de los valles, el campo radial sera positivo (es decir, orientado de + a - desde el eje de rotacion hacia la periferia), mientras que en la region de los picos el campo radial tendra la orientacion opuesta. Puesto que las partfculas positivas migraran angularmente hacia los valles y las partfculas negativas hacia los picos (vease la discusion relativa a la figura 5, previamente), esto produce el resultado de que sobre todas las partfculas atrapadas angularmente, la fuerza radial actuara hacia fuera y no podra contrarrestar la fuerza centnfuga. Una configuracion tal no sera capaz de producir las orbitas de partfculas buscadas.

Para resolver este problema, se puede usar una distribucion de voltaje de la forma mostrada esquematicamente en la figura 18. esta grafica muestra un trozo del perfil de voltaje a lo largo de una distancia angular O, a un radio constante desde el eje de rotacion 8. Cada pico de voltaje 40 se proporciona con un valle “secundario” 41 y, de forma similar, cada valle de voltaje 42 se proporciona con un pico “secundario” 43. Los picos secundarios 43 siguen la curvatura radial de los valles 42 en los que yacen y los valles secundarios 41, del mismo modo, siguen la curvatura radial de los picos primarios 40. Las partfculas positivas que encuentran los valles secundarios 41 seran confinadas en ellos practicamente de la misma forma que se ha descrito previamente y, de manera similar, las partfculas negativas seran atrapadas en de los picos secundarios 43. Asf, las partfculas (positivas) confinadas en los valles secundarios 41 y las partfculas (negativas) confinadas en los picos secundarios 43 experimentaran cada una de ellas una fuerza radial de signo correcto, actuando radialmente hacia adentro y contrarrestando de este modo la fuerza centnfuga, permitiendo que se formen las orbitas. De por sf, esta puesta en practica tiene la ventaja adicional de que las partfculas de ambos signos se pueden analizar de forma simultanea y ello resulta posible porque el campo radial tiene direcciones opuestas en sectores diferentes de la camara. No obstante, esta configuracion es propensa a la perdida de muestra ya que las partfculas que no estan inicialmente en las cercamas de un valle o pozo secundario migraran (angularmente) hacia una region en la cual el campo radial actuara sobre ellas empujandolas hacia afuera, haciendo que tales partfculas impacten sobre la periferia de la camara.

En las figuras 19 y 20 se representa una cuarta realizacion que hace uso de una puesta en practica alternativa para analizar simultaneamente partfculas positivas y negativas. El aparato usado para aplicar el campo electrico es practicamente el mismo que el discutido en relacion con la figura 17, con el voltaje aplicado a cada elemento de electrodo modulado como corresponde. Se vera que en una mitad del campo, el campo radial estara orientado hacia el eje de rotacion, mientras que en la otra mitad, la direccion del campo radial se invierte. Un campo de este tipo se puede describir mediante la ecuacion V(r,O) = A r3/R3 Sign(NO) + B r/R sen (NO)2, donde “Sign” significa + o -1, dependiendo del signo de NO. En este ejemplo, se considera que el angulo O vana de -n a +n.

Al igual que en las realizaciones previas, las partfculas positivas migraran hacia los valles de voltaje y las partfculas negativas hacia los picos de voltaje. Sin embargo, todas las partfculas positivas en la parte negativa del campo (la region a mano izquierda en la figura 20) experimentaran una fuerza radial hacia fuera y, por lo tanto, se perderan. Como resultado de ello, se puede esperar que aproximadamente la mitad de la muestra se perdera. Sin embargo, es probable que esto sea menos que en el caso de la realizacion de la figura 18.

Se apreciara que se pueden disenar muchas formas de campo diferentes que tienen sectores de signo de campo radial opuesto con el fin de analizar las partfculas positivas y negativas de esta manera.

Todas las realizaciones descritas hasta ahora han hecho uso de canales radiales, rectos, a lo largo de los cuales quedan retenidas las partfculas. Sin embargo, no necesariamente tiene que ser asf y verdaderamente en muchos casos es ventajoso hacer uso de formas de canales alternativas. Una quinta realizacion, cuya camara 2 y cuyo montaje de electrodos del campo angular se muestran en la figura 21, emplea canales curvados. Esto tiene la ventaja de aumentar la longitud de cada canal sin que sea necesario aumentar el radio de la camara 2. Por tanto, se podra formar un mayor numero de orbitas dentro de cada canal.

Los electrodos de atrapamiento 15' se configuran de una forma muy similar a como se describe en relacion con la figura 6, aunque en este caso cada electrodo 15' es curvado y sigue una trayectoria curva entre el eje de rotacion y la periferia. Se aplica voltaje a cada electrodo 15' con una fuente de alimentacion de voltaje 15a, como en los casos anteriores y se vana de manera secuencial para girar el campo.

En la figura 22 se muestra un ejemplo de distribucion de voltaje producida con esta disposicion en combinacion con una componente radial aplicada por ejemplo usando el aparato de la figura 10. La distribucion de voltaje se puede describir mediante la expresion V(r,O) = A r3/R3 + B r/R sen (ON + kr/R). Se apreciara que los picos y valles de la

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distribucion siguen cada uno de ellos trayectorias curvas determinadas por la forma de los electrodos 15' que teselan el espacio. Las partfculas estan confinadas en los picos o valles (dependiendo de su signo) justo de la misma manera que se ha descrito antes en el texto. Las partfculas se mueven a lo largo de los canales curvos bajo la influencia de la fuerza centnfuga y del campo radial basicamente de la misma forma que antes, aunque ahora su trayectoria esta influida ademas por la componente de campo angular. Por lo tanto, las partfculas siguen la trayectoria curva cuando van a establecerse en sus posiciones de equilibrio radial. Las orbitas resultantes se pueden detectar usando las mismas tecnicas descritas previamente.

Con el fin de que la forma de los canales no se limite a la de los electrodos 15 o 15', en una realizacion particularmente preferida, los electrodos estan formados por una rejilla bidimensional de elementos de electrodos 30 dispuestos sobre la superficie (o al menos sobre una parte de la superficie) de la camara 2. Se muestran ejemplos de tales rejillas en las figuras 23a, b y c, cada una de las cuales representa una camara 2 con forma de disco vista en planta y una parte de los elementos 30 dispuestos en cada una. En la figura 23a, los elementos 30 se disponen en un patron de rejilla ortogonal; en la figura 23b, los elementos 30 estan dispuestos alrededor de una serie de cfrculos concentricos y en la figura 23c, los elementos 30 se disponen en un empaquetamiento compacto con forma de red hexagonal. La forma de campo deseada se puede implementar aplicando voltajes apropiados a alguno de los elementos o a todos ellos. Para ilustrar esto, los elementos sombreados 30 en cada una de las figuras 23a, b y c, representan los elementos a los cuales se aplican voltajes de pico en un instante cualquiera en tres casos de ejemplo. En la figura 23a, se producen canales radiales rectos, mientras que en cada una de las figuras 23b y 23c se

desarrollan canales curvados. Por supuesto, se puede formar cualquier forma de canal usando cualquiera de las disposiciones mostradas.

Como se ha senalado previamente, se prefiere que los canales sean largos, ya que esto permite que muchas partfculas con relacion q/m encuentren posiciones de equilibrio dentro del dispositivo. De ese modo, preferiblemente, los canales se extenderan a lo largo de la distancia total entre el eje de rotacion y la periferia de la camara. Sin embargo, esto no es esencial y los canales podnan extenderse solamente a lo largo de una parte de esa distancia, si se desea, acabando antes de llegar al eje de rotacion y/o antes de llegar a la periferia de la camara.

Como se ha mencionado previamente, no es necesario que los electrodos de atrapamiento cubran toda la camara ni que la cubran de forma simetrica. En particular, el campo de atrapamiento angular se puede establecer utilizando electrodos dispuestos solo sobre una subseccion angular de la camara; a continuacion se describira una sexta realizacion del espectrometro en la cual se implementa esto. La figura 24a muestra los componentes relevantes de la sexta realizacion para aplicar el campo angular: no se muestran por claridad otros componentes, tales como aquellos necesarios para establecer el campo de equilibrado radial; se pueden implementar como se ha descrito en las realizaciones precedentes.

Limitando el area de la camara 2 que se proporciona con electrodos de atrapamiento, el numero de electrodos de atrapamiento necesarios se puede disminuir, lo que trae consigo una reduccion de costes asociada y un proceso de fabricacion simplificado. Ademas, tales puestas en practica pueden ser ventajosas cuando se desea colocar algun otro dispositivo sobre la misma superficie de la camara que los electrodos (por ejemplo, un detector, un dispositivo de inyeccion o un mecanismo de extraccion), lo cual puede necesitar un area libre de electrodos.

En el ejemplo de la figura 24a, solo se proporcionan dos electrodos de atrapamiento 15' y 15'', los cuales definen entre ellos una subseccion 35 de la camara 2 de extension angular AO. Si se desea, se pueden implantar mas electrodos 15 en la subseccion 35, pero dos es el mmimo necesario. Cada uno de los electrodos de atrapamiento 15 se extiende entre el eje de rotacion 8 y la periferia de la camara, como se ha descrito previamente (en particular en relacion con las figuras 6 y 21) y se puede implementar y controlar usando las mismas tecnicas.

La subseccion 35 de electrodos establece una subseccion del campo de atrapamiento angular dentro de la camara. Las caractensticas particulares del campo angular se pueden seleccionar como se desee, y pueden corresponder, por ejemplo, a cualquiera de las formas de campo discutidas previamente en esta memoria. La unica diferencia es que el campo se crea solamente dentro de la subseccion de la camara definida por los electrodos, en lugar de rodear completamente el eje de rotacion 8: esto es analogo a enmascarar una parte del campo angular en las realizaciones precedentes. Los voltajes de cada electrodo 15', 15'', se controlan de la misma manera que la descrita previamente, de tal forma que el campo angular dentro de la subseccion gira alrededor del eje de rotacion 8 de la misma forma que la descrita precedentemente.

Cuando los iones inyectados cruzan la subseccion 35, son empujados hacia el “canal” virtual establecido por el campo angular de la misma forma descrita en relacion con la figura 5 y de tal modo que son acelerados por la rotacion del campo, justamente como si el campo hubiera estado presente a traves de toda la camara. Sin embargo, una vez que los iones salen de la subseccion 35 (tras una distancia angular AO) experimentaran una ligera deceleracion debido a la ausencia del campo rotativo y a los efectos del rozamiento (aspecto discutido previamente en relacion con las figuras 12 a 14), Esto hace que las trayectorias de los iones se desvfen ligeramente, lo que da como resultado una orbita que no es circular de manera precisa, como se indica por la trayectoria P representada en la figura 24a. Cuando los iones alcanzan la subseccion 35 de nuevo, experimentan una aceleracion adicional gracias

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al campo angular y el ciclo se repite. Globalmente, el efecto neto es muy similar al que se obtiene en las realizaciones precedentes, excepto por el hecho de que las orbitas de las partfculas son ligeramente no circulares.

Debena notarse que, en esta realizacion, las partfculas estan confinadas en “canales” virtuales en el campo de atrapamiento de la misma forma que la descrita previamente, incluso aunque el propio campo no este presente en todos los puntos de la rotacion y solamente actue sobre las partfculas en una fraccion de cada orbita. Considerese en primer lugar un supuesto hipotetico en el que no hay rozamiento: en la subseccion 35, el campo angular gira con velocidad angular w. Una partfcula en esa subseccion migrara angularmente hacia la posicion de mmima ene^a (el “canal” virtual) y sera acelerada finalmente para alcanzar la velocidad angular w. Al mismo tiempo, la partfcula esta migrando radialmente bajo las influencias de la fuerza circunferencial y de la fuerza del campo de equilibrado radial aplicado, hacia un radio de equilibrio r*. Suponiendo que la partfcula haya alcanzado las condiciones de equilibrio, en el instante t sale de la subseccion 35; luego, en ausencia de cualquier rozamiento, la partfcula continuara desarrollando una orbita circular a velocidad wr*, y cuando complete la orbita, volvera a entrar en la subseccion 35 en sincroma con el campo angular.

En la practica, la partfcula experimental rozamiento, haciendo ello que se desacelere una vez que sale de la subseccion 35. Como resultado de ello, viajara en la orbita a una velocidad ligeramente reducida (wr* - dv) y volvera a entrar en la subseccion 35 a un radio ligeramente reducido (r* - dr). Puesto que en el punto de reentrada la partfcula se quedara ligeramente retrasada respecto de su posicion angular prevista, tambien ira ligeramente retrasada la fase del campo angular en la subseccion. Como resultado de ello, la partfcula experimental una fuerza angular mayor que la empujara hacia el “canal” virtual y, en consecuencia, una aceleracion angular mayor, que tendera a llevar de nuevo la partfcula a una velocidad angular, en sincroma con el campo que gira. Esencialmente, la subseccion del campo intentara devolver la partfcula a sus condiciones de equilibrio. En la practica, el resultado final es que la partfcula no esta instalada completamente en equilibrio, sino que desarrollara una trayectoria ligeramente no circular alrededor de la orbita circular ideal. El ciclo aceleracion-desaceleracion continuo mantiene la velocidad angular de la partfcula en promedio en w y finalmente las partfculas migraran para formar orbitas de partfculas similares que se pueden detectar y/o recoger utilizando las mismas tecnicas que se han descrito previamente.

Se pueden aplicar exactamente los mismos principios utilizando electrodos de atrapamiento en forma de elementos de electrodos y un ejemplo puesto en practica de esta forma se muestra en la figura 24b. En este caso, se define la misma subseccion 35 mediante dos formaciones de elementos de electrodos de atrapamiento 30' y 30''; cada una de ellas comprende varios elementos de electrodo 30'a, 30'b, etc. Para conseguir la forma de campo necesaria, al menos debenan proporcionarse dos elementos de electrodo en cada posicion radial (por ejemplo 30'b y 30''b). Si se desea, se pueden proporcionar mas elementos en cada posicion radial.

La subseccion 35 puede cubrir cualquier parte de la camara 2 y se puede proporcionar mas de una subseccion, si se desea. En general, las subsecciones de electrodos se deben configurar de tal forma que se asegure que hay una cobertura de campo angular adecuada alrededor de la camara, para mantener la trayectoria de las partfculas con suficiente precision, que dependera de las condiciones de funcionamiento concretas. Por ejemplo, la figura 25a muestra un ejemplo en el cual los elementos de electrodo 30 cubren la mayor parte de la camara, dejando solo un pequeno segmento en el cual no se establece el campo angular. La figura 25b muestra otro ejemplo en el cual se proporcionan cuatro subsecciones, habilitando que las partfculas sean aceleradas cuatro veces en cada orbita. En este caso, se muestra que cada subseccion tiene la misma extension, pero si se prefiere se pueden poner en practica realizaciones con diferentes valores de AO-i, AO2, AO3 y AO4.

Cuando se ponen en practica realizaciones tal como las mostradas en las figuras 24 y 25, es necesario especificar los parametros de inyeccion de la partfcula mas precisamente que en otras realizaciones. Esto es debido a que la discontinuidad en la aceleracion angular aumenta la sensibilidad del sistema a la velocidad de inyeccion. Por ejemplo, si las partfculas se inyectan con una velocidad que es muy distinta a la del campo que gira, se hace muy diffcil para las partfculas conseguir sincronizarse con la subseccion en la cual el campo esta presente y, en el peor de los casos, las partfculas podnan no alcanzar nunca las condiciones de equilibrio. En consecuencia es preferible en la sexta realizacion configurar el sistema para inyectar las partfculas con una velocidad cercana a wriny (donde riny es la posicion radial del dispositivo de inyeccion). Sin embargo, en general, el sistema de inyeccion debena asegurar que al menos parte de las partfculas puedan alcanzar las condiciones de equilibrio.

En la figura 26 se muestran los componentes de una septima realizacion del espectrometro. Esta realizacion emplea medios inductores para aplicar un campo de equilibrado radial, mejor que los desarrollos conductores discutidos previamente. Como se ha mencionado ya antes, es ventajoso usar electrodos fabricados con un material que tenga una resistencia finita para disminuir las corrientes y, en consecuencia, el consumo de energfa. Utilizando una disposicion inductora como en la presente realizacion el consumo de energfa se reduce todavfa mas.

En esta realizacion, el conjunto de electrodos de campo de equilibrado radial comprende una serie densa de electrodos en forma de anillo coaxiales 50, entre los cuales se senalan tres electrodos de anillo de ejemplo: 50a, 50b y 50c, en la figura 26. Los electrodos 50 estan aislados entre sf mediante un dielectrico adecuado (gas, lfquido o solido) en las regiones 51a, 51b, 51c, etc. En este caso, los electrodos estan hechos de un buen conductor, tal como un metal. Se disponen sobre cada lado de la camara 2 conjuntos simetricos de electrodos 50 en forma de anillo: en la figura 26, el conjunto de electrodos de la cara de la parte de debajo se indica de madera general mediante el

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mdice 50'. Se aplica una distribucion de voltaje de corriente continua adecuada utilizando una fuente de alimentacion de voltaje (no mostrada). En un ejemplo, cada electrodo conduce un voltaje entre 0 V (en el electrodo de anillo mas interior) y 1000 V (en el electrodo de anillo mas exterior), con un paso de voltaje entre cada uno que es proporcional a r3, (siendo r la distancia radial desde el eje de rotacion 8). Se puede aplicar la componente del campo angular utilizando cualquiera de las tecnicas descritas en las realizaciones previas: los componentes para hacerlo no se muestran en la figura 26, por claridad de la misma, pero incluinan tipicamente electrodos de atrapamiento dispuestos entre el conjunto de electrodos de equilibrado 50 y la camara 2. Cada electrodo de atrapamiento o cada elemento de electrodo de atrapamiento puede estar conectado electricamente a un electrodo de anillo adyacente 50 mediante una resistencia o material resistente adecuado para hacer que el voltaje sobre el electrodo de atrapamiento “flote” sobre el voltaje radial, tal como se ha descrito previamente.

La distribucion de voltaje radial resultante a partir de los electrodos de anillo 50 dentro de la camara 2 se muestra en la figura 26a; se ve que es una distribucion suave. Sin embargo, se encuentra que la correspondiente distribucion de campo electrico sobre la misma lmea radial muestra un comportamiento escalonado, como se representa en la figura 26b. Los picos agudos en el campo se pueden suavizar espaciando el montaje de electrodos de anillo 50 en la direccion z (paralela al eje de rotacion) desde la camara 2. El comportamiento escalonado que queda se puede mitigar aumentando el numero de electrodos y haciendo cada uno de ellos tan delgado como sea posible. Esto se puede conseguir puesto que los electrodos 50 se pueden depositar litograficamente tan densamente como se desee; de hecho, es posible realizar la construccion completa, incluyendo un detector, en una unica pastilla de silicio. Sin embargo, en la configuracion preferida, se concibe una camara 2 plastica con electrodos metalicos 50 depositados sobre cada lado, utilizando cualquier metodo adecuado, entre los que se incluyen litograffa, otros metodos de grabado, galvanizado, etc. El campo suavizado resultante proporciona el aumento monotono deseado para equilibrar la fuerza centnfuga sobre las partfculas.

El comportamiento escalonado observado se debe a la combinacion de una densidad lineal de voltaje que aumenta hacia el eje de rotacion (debida al siempre decreciente radio de los electrodos de anillo) y a una distribucion de voltaje aplicado opuesta. El aumento en la densidad lineal de voltaje conduce a un aumento de la intensidad de campo hacia el centro de la camara. La distribucion de voltaje se impone utilizando la formacion densa de electrodos 50 con el fin de invertir la direccion de este aumento de la intensidad de campo, de tal forma que se obtenga el crecimiento monotono necesario con el radio. Como resultado de ello, el campo electrico sigue los niveles de voltaje impuesto de electrodo en electrodo, en promedio, pero en el espacio entre los electrodos la influencia del aumento de la densidad lineal de voltaje en el centro de la camara se hace evidente y disminuye la intensidad del campo localmente, lo que provoca como resultado el efecto de escalonado visto.

El hecho de que existan los “pasos” o “escalones” tienen ventajas y desventajas. La ventaja es que pueden actuar como trampas para definir digitalmente puntos de equilibrio discretos a lo largo del radio y aumentar de este modo la precision del instrumento en algunas circunstancias. La desventaja es que solamente pueden resolverse tantas especies de partfculas como pasos o escalones hay, en cada momento dado. Sin embargo, aumentado el numero de electrodos 50 y usando un suavizado moderado (espaciando los electrodos a lejos de la camara), los escalones se pueden eliminar de forma efectiva. Por ejemplo, las figuras 27a y 27b muestran las curvas de voltaje y de campo electrico para una version modificada de la septima realizacion, en la cual el espesor de cada electrodo 50a, 50b, 50 c se reduce a 10 micrometros y el plano del electrodo se espacia de la camara 0,5 mm. Se observa que el campo electrico en el centro de la camara sigue una curva sustancialmente suave.

La principal ventaja de tal configuracion inductiva es que no fluye corriente electrica en los electrodos y que, en consecuencia, el consumo de energfa es mmimo. Esto es debido a que cada electrodo de anillo completo se mantiene a un unico potencial, de tal forma que no fluye corriente alrededor del anillo y debido a que no hay corriente electrica entre los electrodos anulares. Si los electrodos anulares estan conectados electricamente a los electrodos de atrapamiento (como se menciono anteriormente), la configuracion se convierte en un sistema hfbrido conductor / inductor puesto que habra una pequena corriente en las resistencias. Sin embargo, sera minima. La presente disposicion proporciona tambien ventajas adicionales, puesto que es ligera y puede ocupar menos volumen que otros ejemplos, mejorando la portabilidad del dispositivo.

En la realizacion anterior, el detector 4 se dispone de tal forma que permita realizar una medida del radio de una orbita. Esto es a menudo conveniente pero pueden preferirse enfoques alternativos, segun la aplicacion del dispositivo. Por ejemplo, en vez de proporcionar elementos de deteccion a lo largo de todo el radio, se puede proporcionar un unico elemento detector a un unico radio predeterminado. Este podna corresponder al radio al cual se espera que se instale una partfcula de relacion q/m conocida. Alternativamente, podna ser un radio arbitrario (pero conocido) y, durante el funcionamiento del aparato, la componente de campo radial se vana de forma tal que cambie la posicion de equilibrio radial r* de cada tipo de partfcula. De esta forma, se puede “desplazar” una orbita a la posicion del detector y el ajuste del campo necesario para lograr eso se puede usar para determinar la masa de las partfculas. De esta manera se puede escanear un intervalo de valores q/m grande. Tambien son posibles muchas otras configuraciones.

En otra puesta en practica, en vez de obtener imagenes de las partfculas dentro de la camara 2, el detector se puede configurar para extraer partfculas de una o mas orbitas. Esto no solo proporciona confirmacion en cuanto al radio de la orbita de una partfcula sino que permite recoger la propia partfcula. La figura 28 muestra de manera

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esquematica un ejemplo de tal detector, en forma de un dispositivo de recogida 60, que podna usarse. Se muestra la camara 2 en vista en planta aunque el dispositivo de recogida 60 podna igualmente situarse en su lado de abajo. Se proporcionan en la pared de la camara uno o mas puntos de salida 62, a distancias radiales predeterminadas desde el eje de rotacion 8. Fuera de la camara y contiguo a cada punto de salida 62 hay un electrodo de salida 61. Como antes, se pueden fijar los radios predeterminados para que correspondan a los puntos de equilibrio de partfculas conocidas P, o los radios orbitales se podnan ajustar por el controlador durante el funcionamiento de tal forma que las partfculas de un tipo deseado orbiten a unos radios predeterminados. Para extraer las partfculas de una orbita dada, se aplica un alto voltaje de signo apropiado al electrodo de salida 61 de tal modo que las partfculas cargadas 61 son aceleradas hacia el electrodo de salida 61. Las partfculas asf extrafdas pueden recogerse de este modo y, si se desea, desionizarse, por ejemplo mediante disolucion en un tampon adecuado.

Si se desea, un dispositivo individual como el descrito se puede proporcionar tanto para la extraccion descrita previamente como tambien para emplearlo como dispositivo de inyeccion 7.

La flexibilidad del espectrometro conduce a usarlo en un amplio numero de aplicaciones. Desde el punto de visto de toma de muestras, el espectrometro de masas se puede usar, por ejemplo, para capturar agentes suspendidos en el aire o podna estar unido a un dispositivo de fase lfquida en el cual se ionizan macromoleculas suspendidas utilizando tecnicas ESI o MALDI. Como ejemplo, en el campo del analisis biologico, se pueden extraer protemas (o ADN) de un sujeto sometido a ensayo, se pueden digerir (romper) e inyectar en el espectrometro para su analisis. Tambien se puede pensar en combinar el espectrometro de masas con un dispositivo microflmdico para realizar un ciclo completo de analisis (separacion, digestion, espectrometna de masas) en un dispositivo de mesa o portatil. Ademas, el dispositivo se puede usar para aplicaciones de campo: para detectar y analizar agentes en suspension en el aire en el campo de batalla, instalado en vehnculos militares o incluso como un elemento accesorio transportado por el personal. Se puede instalar en aeropuertos o en otros lugares publicos para detectar amenazas terroristas.

Considerando algunos ejemplos de aplicaciones con mas detalle, como se apreciara a partir de la discusion precedente, uno de los usos primarios del espectrometro es separar muestras de partfculas mezcladas. Las partfculas de diferentes relaciones q/m se separaran en orbitas de diferentes radios y, de este modo, se pueden distinguir. Informacion tal como la masa de cada tipo de partfcula se puede obtener a partir de los radios orbitales, como se ha descrito previamente. A su vez, esto permite analisis de la composicion de la partfcula. Tambien se pueden deducir las concentraciones relativas de cada tipo de partfcula en la muestra mezclada, comparando la densidad de las partfculas en cada orbita. Tecnicas de esta clase encuentran aplicacion, por ejemplo en el analisis de ADN, entre otros muchos usos.

Por supuesto, no es necesario usar el espectrometro con muestras de partfculas mezcladas sino que puede usarse para el analisis de laboratorio de tipos de partfculas individuales, por ejemplo para determinar su masa y composicion.

El espectrometro puede funcionar tambien como un detector de sustancias. Por ejemplo, el detector podna ajustarse para reconocer orbitas a un radio predeterminado que corresponden a una sustancia conocida concreta, por ejemplo programando el procesador 5 de acuerdo con ello. La presencia de una orbita a ese radio se puede usar para disparar una alarma. Asf, el dispositivo se puede adaptar para muestrear la atmosfera ambiente y para producir una alarma en respuesta a la presencia de contaminantes, tales como gases toxicos o contaminantes como polvo o partfculas de hollm. La naturaleza compacta del dispositivo hace que se preste a ser implementado en un dispositivo de control portatil, que puede ser incluso llevado por un usuario. Alternativamente, el espectrometro podna usarse para analizar muestras tomadas en ambientes particulares, como en el equipaje en aeropuertos o paquetes en instalaciones aduaneras. En tales casos, el espectrometro se puede configurar para responder a sustancias tales como drogas o explosivos conocidos.

En un ejemplo final, en el que el detector comprende un dispositivo de recogida, el espectrometro se puede usar para purificar sustancias o para extraer un material de un compuesto. Por ejemplo, cuando se inyecta una muestra de partfculas mezcladas, las partfculas que se establecen en una unica orbita se pueden extraer tal y como se ha descrito en relacion con la figura 26. Si se desea, este proceso podna llevarse a cabo de manera continua, inyectando de forma continua la muestra mezclada en la camara y realizando extracciones continuas a un radio predeterminado. Alternativamente, podna implementarse una secuencia de pulsos de inyeccion / extraccion. Ademas de la purificacion directa, que es vital en muchas industrias, esta tecnica encuentra uso en muchas aplicaciones como es a menudo el caso en el desarrollo de medicamentos y, de hecho, en cualquier aplicacion de investigacion en la que, despues de determinar la masa de una molecula, se necesitan analisis adicionales para determinar su reactividad qmmica u otras caractensticas. Las partfculas extrafdas de tipo o masa conocidos pueden de este modo transferirse directamente desde la camara y a otro dispositivo para realizar tales ensayos adicionales. A la vista de los ejemplos dados previamente, se apreciara que el espectrometro se puede emplear en una amplia variedad de maneras y se puede usar en muchas aplicaciones distintas.

Claims (18)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un espectrometro de masas que comprende: una camara;

   un dispositivo de inyeccion adaptado para inyectar partmulas cargadas en la camara;

   un aparato generador de campos adaptado para establecer:

   al menos un campo que actue sobre las partmulas cargadas, de forma que el campo (al menos uno) tiene:

   una componente de atrapamiento angular configurada para conformar al menos un canal entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, estando definido el canal (al menos uno) por los mmimos de energfa de la componente de atrapamiento angular; estando el aparato generador de campos adaptado ademas para girar la componente de atrapamiento angular alrededor del eje de rotacion, por medio de lo cual, cuando el espectrometro esta en funcionamiento, las partmulas cargadas estan obligadas angularmente a lo largo del canal (al menos uno) por la componente de atrapamiento angular a girar con ella, actuando en consecuencia una fuerza centnfuga sobre las partmulas cargadas;

   y una componente de equilibrado radial que tiene una magnitud que crece monotonamente cuando aumenta el radio desde el eje de rotacion, al menos en las cercamas del canal (al menos uno), por medio de lo cual, cuando el espectrometro esta en funcionamiento, las partmulas se mueven a lo largo del canal (al menos uno) bajo la influencia combinada de la fuerza centnfuga y de la componente de equilibrado radial, para formar una o mas orbitas de partmulas segun las relaciones de carga a masa de las partmulas; y

   un detector configurado para detectar al menos una de las orbitas de partmulas.
2. 2. Un espectrometro de masas segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la componente de atrapamiento angular se proporciona mediante un campo de atrapamiento angular y porque la componente de equilibrado radial se proporciona mediante un campo de equilibrado radial o bien porque la componente de equilibrado radial es una componente del campo de atrapamiento angular.
3. 3. Un espectrometro de masas segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los mmimos de energfa corresponden a puntos en los que la magnitud del campo angular es sustancialmente cero, preferiblemente puntos de paso por cero en los cuales la componente del campo angular tiene una primera direccion a un lado del punto de paso por cero y una segunda direccion opuesta a la primera al otro lado del punto de paso por cero.
4. 4. Un espectrometro de masas segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el aparato generador de campos se adapta para establecer la componente de atrapamiento angular solamente en una subseccion angular de la camara definida alrededor del eje de rotacion.
5. 5. Un espectrometro de masas segun al menos la reivindicacion 2, en el que el campo de atrapamiento angular es un campo electrico y porque el aparato generador de campos comprende un conjunto de electrodos del campo angular, que comprende numerosos electrodos de atrapamiento o elementos de electrodos de atrapamiento y una fuente de alimentacion de voltaje adaptada para aplicar un voltaje a al menos algunos de los electrodos de atrapamiento o elementos de electrodos de atrapamiento.
6. 6. Un espectrometro de masas segun la reivindicacion 5, caracterizado porque el conjunto de electrodos del campo angular comprende:

   al menos dos electrodos de atrapamiento dispuestos entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, estando preferiblemente los electrodos de atrapamiento espaciados angularmente a intervalos sustancialmente iguales alrededor del eje de rotacion; o al menos dos formaciones de elementos de electrodos de atrapamiento, cada uno de ellos dispuesto a lo largo de una trayectoria respectiva entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, estando las formaciones preferiblemente espaciadas angularmente a intervalos sustancialmente iguales alrededor del eje de rotacion; o

   una matriz bidimensional de elementos de electrodos de atrapamiento dispuesta entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, estando dispuestos los elementos de los electrodos de atrapamiento preferiblemente segun un patron de rejilla ortogonal, un patron de rejilla hexagonal, un patron de empaquetamiento compacto o un patron de drculos concentricos.

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7. 7. Un espectrometro de masas segun la reivindicacion 5 o la reivindicacion 6, caracterizado porque cada electrodo de atrapamiento o cada elemento de electrodo de atrapamiento comprende un polfmero resistente o silicio.
8. 8. Un espectrometro de masas segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la componente de equilibrado radial tiene una primera direccion en al menos un primer sector angular de la camara y una segunda direccion opuesta a la primera direccion en al menos un segundo sector angular, correspondiendo los sectores angulares primero y segundo a los canales de mmimos angulares primero y segundo.
9. 9. Un espectrometro de masas segun al menos la reivindicacion 2, caracterizado porque el campo de equilibrado radial es un campo magnetico y porque el aparato generador de campos comprende preferiblemente una estructura de imanes organizada de tal modo que la camara se dispone entre los polos magneticos opuestos del montaje de imanes.
10. 10. Un espectrometro de masas segun al menos la reivindicacion 2, caracterizado porque el campo de equilibrado radial es un campo electrico y porque el aparato generador de campos comprende preferiblemente un conjunto de electrodos del campo radial, que comprende:

    al menos un electrodo de equilibrado adyacente a la camara que tiene un perfil radial configurado de tal forma que se establece un campo radial monotonamente creciente cuando se aplica al mismo un voltaje; o

    numerosos electrodos anulares dispuestos concentricamente con el eje de rotacion y espaciados entre si por material dielectrico y una fuente de alimentacion de voltaje preparada para aplicar un voltaje a cada uno de los electrodos anulares.
11. 11. Un espectrometro de masas segun cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, donde la componente de equilibrado radial es una componente del campo de atrapamiento angular, caracterizado porque el conjunto de electrodos del campo angular se configura de tal forma que el voltaje en el electrodo de atrapamiento o en cada electrodo de atrapamiento vana entre el extremo del electrodo de atrapamiento o de cada uno de ellos que esta en direccion del eje de rotacion y el extremo del electrodo de atrapamiento o de cada uno de ellos que esta hacia la periferia de la camara, de forma que se establece un campo radial monotonamente creciente, caracterizado porque el electrodo de atrapamiento o cada electrodo de atrapamiento comprende preferiblemente una matriz de elementos de electrodo, aplicando la fuente de alimentacion de voltaje un voltaje a cada elemento de electrodo.
12. 12. Un espectrometro de masas segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el detector es:

    un detector adaptado para medir el radio de al menos una de las orbitas de las partmulas; o

    un detector adaptado para detectar una orbita de partmulas a uno o mas radios predeterminados; o

    un detector que comprende un dispositivo de recogida adaptado para recoger partmulas cargadas de una o mas orbitas de partmulas.
13. 13. Un metodo de espectrometna de masas que comprende: inyectar partmulas cargadas en una camara;

    establecer al menos un campo que actua sobre las partmulas cargadas; de modo que este campo (al menos uno) tiene:

    una componente de atrapamiento angular configurada para formar al menos un canal entre el eje de rotacion y la periferia de la camara, estando definido este canal (al menos uno) por los mmimos de energfa de la componente de atrapamiento angular y una componente de equilibrado radial que tiene una magnitud monotonamente creciente a medida que aumenta el radio desde el eje de rotacion, al menos en las cercamas del canal (al menos uno);

    girar la componente de atrapamiento angular alrededor del eje de rotacion, por medio de lo cual las partmulas cargadas, constrenidas angularmente a lo largo del canal (al menos uno) por la componente de atrapamiento angular, giran con ella, de tal modo que sobre las partmulas cargadas actua una fuerza centnfuga, desplazandose estas partmulas cargadas a lo largo del canal (al menos uno) bajo la influencia combinada de la fuerza centnfuga y de la componente de equilibrado radial, para formar una o mas orbitas de partmulas segun las relaciones de carga a masa de las partmulas; y

    detectar al menos una de las orbitas de las partmulas.
14. 14. Un metodo de espectrometna de masas segun la reivindicacion 13, que utiliza un espectrometro de masas segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

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    15 Un metodo para clasificar una muestra de partfculas cargadas mezcladas, que comprende inyectar la muestra de partfculas cargadas mezcladas en una camara y llevar a cabo el metodo de las reivindicaciones 13 o 14.
15. 16. Un metodo para medir la masa de una partfcula cargada, que comprende inyectar una muestra de partfculas cargadas en una camara, llevar a cabo el metodo de las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado porque la etapa de deteccion comprende medir el radio de al menos una de las orbitas de partfculas y calcular la masa de la parttcula o de las partfculas tomando como base el radio medido (al menos uno).
16. 17. Un metodo para medir la masa de una partfcula cargada, que comprende inyectar una muestra de partfculas cargadas en una camara, llevar a cabo el metodo de las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado porque la etapa de deteccion comprende detectar partfculas a uno o mas radios predeterminados y porque la magnitud y/o la forma de la componente de equilibrado radial se vana durante el movimiento de las partfculas cargadas, de tal forma que se ajusten los radios de la orbita de las partfculas o de cada una de ellas y calcular la masa de la partfcula o de las partfculas sobre la base de la variacion de la componente de equilibrado radial y del radio predeterminado.
17. 18. Un metodo para detectar una partfcula objetivo, que comprende inyectar una muestra de partfculas en una camara y llevar a cabo el metodo de las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado porque la etapa de deteccion comprende detectar partfculas a uno o mas radios predeterminados y porque al menos uno de los radios predeterminados corresponde a la masa conocida de la partfcula objetivo, indicando la deteccion de partfculas cargadas en al menos un radio predeterminado la presencia de la partfcula objetivo.
18. 19. Un metodo para extraer una partfcula objetivo en una muestra de una mezcla de partfculas, que comprende inyectar la muestra de una mezcla de partfculas en una camara y llevar a cabo el metodo de las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado porque la etapa de deteccion comprende recoger partfculas de una o mas de las orbitas de partfculas, extraer partfculas de una orbita de partfculas escogida que tiene un radio que se ha determinado sobre la base de la masa de la partfcula objetivo y caracterizado porque preferiblemente la mezcla de partfculas mezcladas se inyecta de manera continua a la camara y las partfculas se extraen de manera continua de la orbita de partfculas escogida.