RU2420826C1 - Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap - Google Patents
Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap Download PDFInfo
- Publication number
- RU2420826C1 RU2420826C1 RU2010120164/07A RU2010120164A RU2420826C1 RU 2420826 C1 RU2420826 C1 RU 2420826C1 RU 2010120164/07 A RU2010120164/07 A RU 2010120164/07A RU 2010120164 A RU2010120164 A RU 2010120164A RU 2420826 C1 RU2420826 C1 RU 2420826C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- ion
- quadrupole
- trap
- axis
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к методам и технике химического анализа органических и биоорганических соединений на базе сочетания разделения ионов этих соединений по отношениям массы к заряду, подвижности, зарядовым состояниям ионов и по степени устойчивости к фрагментации, индуцированной многократными столкновениями с атомами и молекулами буферного газа, с масс-спектрометрическим анализом таких частично разделенных ионов и ионов-продуктов их фрагментации. В частности, речь идет о предварительном разделении ионов при совместном действии электрических полей и газового потока в линейной радиочастотной ловушке по величинам масс, зарядов и сечений столкновений с атомами или молекулами газового потока и, в необходимых случаях, по степени устойчивости к процессам мономолекулярного распада. Индуцированная столкновениями фрагментация выбранных ионов также может осуществляться их ускорением вдоль газового потока, а анализ ионов-продуктов по отношениям массы к заряду производиться с помощью времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) либо на каком-либо другом масс-анализаторе, сопряженном с линейной радиочастотной ловушкой.The present invention relates to methods and techniques for the chemical analysis of organic and bioorganic compounds based on a combination of the separation of ions of these compounds according to the mass-to-charge ratios, mobility, charge states of ions and the degree of fragmentation resistance induced by repeated collisions with atoms and molecules of a buffer gas, from masses - spectrometric analysis of such partially separated ions and ion products of their fragmentation. In particular, we are talking about the preliminary separation of ions under the combined action of electric fields and a gas stream in a linear radio-frequency trap according to the values of masses, charges and collision cross-sections with atoms or molecules of the gas stream and, if necessary, according to the degree of resistance to monomolecular decay processes. The collision-induced fragmentation of selected ions can also be accelerated along the gas stream, and the analysis of product ions by mass-to-charge ratios can be performed using a time-of-flight mass spectrometer with orthogonal ion input (ortho-VMS) or on some other mass analyzer, paired with a linear RF trap.
Предлагающиеся подходы и методы полезны для качественного и/или количественного химического и биологического анализа.The proposed approaches and methods are useful for qualitative and / or quantitative chemical and biological analysis.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
После разработки и создания в нашем институте первых времяпролетных масс-спектрометров с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) [1, 2] приборы этого типа получили широкое распространение как при решении аналитических задач, так и при исследовании структуры биомолекул [3-5]. Удобство сочленения таких приборов с различными устройствами предварительного разделения ионов, производящими непрерывный или квазинепрерывный поток ионов, с импульсным времяпролетным масс-анализом, рекордным по быстродействию среди всех известных типов масс-анализаторов, обусловили высокую эффективность и привлекательность таких сочетаний для решения разнообразных аналитических и структурных задач. В то же время существуют важные структурно-аналитические проблемы, для которых разделительная способность и «информационная производительность» известных приборных комплексов, включающих в свой состав орто-ВПМС, оказывается недостаточной. Для преодоления этих ограничений естественным является стремление ввести в масс-спектрометрический эксперимент дополнительные размерности измерений, связанные, например, с совместным действием электрических полей и газового потока на исследуемые ионы, что является по существу специфическим вариантом разделения ионов по подвижности.After the development and creation at our institute of the first time-of-flight mass spectrometers with orthogonal ion injection (ortho-VPMS) [1, 2], devices of this type were widely used both in solving analytical problems and in studying the structure of biomolecules [3-5]. The convenience of combining such devices with various devices for preliminary separation of ions, producing a continuous or quasicontinuous ion flux, with pulsed time-of-flight mass analysis, which is record-breaking in speed among all known types of mass analyzers, has led to the high efficiency and attractiveness of such combinations for solving various analytical and structural problems . At the same time, there are important structural and analytical problems for which the separation ability and “information performance” of known instrumentation systems, including ortho-VPMS, are insufficient. To overcome these limitations, it is natural to strive to introduce additional measurement dimensions into the mass spectrometric experiment, associated, for example, with the combined action of electric fields and gas flow on the ions under study, which is essentially a specific variant of ion mobility separation.
Спектрометр ионной подвижности обычно включает в себя источник ионизации, ячейку дрейфа и детектор ионов. Детектором ионов может быть, например, цилиндр Фарадея, электронный умножитель или масс-спектрометр. Спектрометр ионной подвижности (СИП) разделяет ионы по их подвижности в дрейфовом или буферном газе на основании их различной равновесной скорости дрейфа. Когда газофазные ионы в присутствии буферного газа подвержены действию постоянного электрического поля, они ускоряются до момента столкновения с нейтральным атомом или молекулой буферного газа. Это ускорение и последующие столкновения повторяются многократно. Через какое-то время этот микроскопический сценарий усредняет мгновенные скорости ионов, что приводит к их постоянной дрейфовой скорости, зависящей от размера иона, его заряда, давления и температуры буферного газа. Отношение скорости дрейфа иона к величине напряженности электрического поля определяется как подвижность иона. Другими словами, скорость дрейфа иона (Vd) пропорциональна напряженности электрического поля (E), где подвижность иона κ=Vd/E - функция отношения объем/заряд иона. Таким образом, СИП - техника разделения, подобная масс-спектрометрии. СИП, как известно, имеет высокую чувствительность с умеренной разрешающей способностью. Эффективность разделения снижается из-за диффузионного расплывания “пакета” ионов, приводя к временному уширению кривых регистрируемого ионного тока.An ion mobility spectrometer typically includes an ionization source, a drift cell, and an ion detector. The ion detector may be, for example, a Faraday cup, an electron multiplier, or a mass spectrometer. The ion mobility spectrometer (IIS) separates ions by their mobility in a drift or buffer gas based on their different equilibrium drift velocities. When gas-phase ions in the presence of a buffer gas are exposed to a constant electric field, they are accelerated until they collide with a neutral atom or molecule of a buffer gas. This acceleration and subsequent collisions are repeated many times. After some time, this microscopic scenario averages the instantaneous velocities of the ions, which leads to their constant drift velocity, which depends on the size of the ion, its charge, pressure and temperature of the buffer gas. The ratio of the ion drift velocity to the electric field strength is defined as the mobility of the ion. In other words, the ion drift velocity (V d ) is proportional to the electric field strength (E), where the ion mobility κ = V d / E is a function of the ion volume / charge ratio. Thus, SIP is a separation technique similar to mass spectrometry. SIP is known to have high sensitivity with moderate resolution. The separation efficiency decreases due to diffusion spreading of the “packet” of ions, leading to a temporary broadening of the curves of the detected ion current.
Разрешающая способность измерения подвижности ионов для однородного или квазиоднородного электрического поля увеличивается в первом приближении как квадратный корень из напряжения, приложенного вдоль ячейки подвижности для данного заряда иона. Казалось бы, что нет большой свободы увеличить разрешение. Однако ситуация может быть улучшена, если организовать дрейф ионов в газовом потоке под действием электрического поля, направленного против потока. Ионы двигаются против газового потока, только если напряженность поля больше, чем некоторая величина, определяемая их подвижностью. Ионы с более низкой подвижностью могут быть неподвижны или двигаться вместе с газовым потоком. В этом случае возникает возможность управления скоростью выхода ионов на детектор в отличие от классического СИП. Это приводит, во-первых, к повышению ожидаемой разрешенности спектров, хотя бы из-за меньшей трансляционной температуры ионов. Во-вторых - не накладывает серьезных ограничений на быстродействие детектора.The resolution of measuring ion mobility for a uniform or quasihomogeneous electric field increases to a first approximation as the square root of the voltage applied along the mobility cell for a given ion charge. It would seem that there is not much freedom to increase resolution. However, the situation can be improved if the drift of ions in the gas stream is organized under the action of an electric field directed against the stream. Ions move against the gas flow only if the field strength is greater than a certain value determined by their mobility. Ions with lower mobility may be stationary or move with the gas stream. In this case, it becomes possible to control the rate of exit of ions to the detector, in contrast to the classical SIP. This leads, first, to an increase in the expected resolution of the spectra, if only because of a lower translational temperature of the ions. Secondly, it does not impose serious restrictions on the speed of the detector.
Комбинация спектрометра ионной подвижности (СИП) с масс-спектрометром (МС) широко известна. В 1961 году Barnes с сотрудниками [6] были среди первых, осуществивших объединение этих двух методов разделения. Такие приборы производят разделение и анализ ионов согласно их подвижности и по отношению массы к заряду, которое упоминается часто как двухмерное разделение или двухмерный анализ. Young с сотрудниками [7] впервые осознали, что времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС) является наиболее предпочтительным типом МС, который используется в такой комбинации из-за его способности зарегистрировать практически одновременно ионы всех масс, поступающих из спектрометра ионной подвижности. Комбинация спектрометра ионной подвижности с ВПМС может называться как Подвижность-ВПМС или СИП-ВПМС. Этот известный прибор включал средства для получения ионов, ячейку дрейфа, ВПМС и небольшое отверстие для передачи ионов из ячейки подвижности в ВПМС.The combination of an ion mobility spectrometer (IMS) with a mass spectrometer (MS) is widely known. In 1961, Barnes and co-workers [6] were among the first to combine these two separation methods. Such devices separate and analyze ions according to their mobility and the ratio of mass to charge, which is often referred to as two-dimensional separation or two-dimensional analysis. Young and coworkers [7] first realized that a time-of-flight mass spectrometer (HPMC) is the most preferred type of MS, which is used in such a combination because of its ability to detect ions of all masses coming from an ion mobility spectrometer almost simultaneously. The combination of an ion mobility spectrometer with VPMS can be referred to as Mobility-VPMS or SIP-VPMS. This well-known device included means for producing ions, a drift cell, IMSS and a small hole for transferring ions from a mobility cell to IMSS.
В 2003 году Лобода (Патент США №6630662) [8] описал метод для улучшения разделения ионов по подвижности на основе баланса дрейфа иона, обусловленного влиянием постоянного электрического поля и противопотока газа. Используя этот баланс, ионы сначала накапливаются в радиочастотном фокусирующем устройстве, в частности в квадруполе, и затем, изменяя электрическое поле или газовый поток, ионы постепенно выводятся из квадруполя и поступают в масс-спектрометр. Такой тип накопления ионов ограничен сбором относительно небольшого количества ионов из-за эффекта пространственного заряда. Имеется также некоторое ограничение по диапазону отношений массы к заряду иона (m/z), поскольку радиочастотная фокусировка для данного радиочастотного напряжения имеет меньшую эффективность для больших ионов, которая не может быть сильно улучшена увеличением этого напряжения из-за возможности создания условий зажигания разряда при относительно высоком газовом давлении. К сожалению, при более низком давлении влияние газового потока на ионы меньше и могут быть достигнуты только менее эффективные накопление и разделение больших ионов. Значительное увеличение давления или плотности газового потока, также уменьшающее возможность зажигания разряда, тоже невозможно, т.к. в этом случае исчезает фокусирующая способность радиочастотного напряжения. По крайней мере по этим причинам этот метод имеет существенные ограничения по разрешению.In 2003, Loboda (US Patent No. 6,630,662) [8] described a method for improving ion mobility separation based on the balance of ion drift due to the influence of a constant electric field and gas flow. Using this balance, the ions are first accumulated in the RF focusing device, in particular in the quadrupole, and then, changing the electric field or gas flow, the ions are gradually removed from the quadrupole and fed to the mass spectrometer. This type of ion accumulation is limited to collecting a relatively small amount of ions due to the space charge effect. There is also some restriction on the range of mass-to-ion charge ratios (m / z), since RF focusing for a given RF voltage has less efficiency for large ions, which cannot be greatly improved by increasing this voltage due to the possibility of creating ignition conditions for a discharge at high gas pressure. Unfortunately, at a lower pressure, the influence of the gas flow on ions is less and only less efficient accumulation and separation of large ions can be achieved. A significant increase in the pressure or density of the gas stream, which also reduces the possibility of ignition of the discharge, is also impossible, because in this case, the focusing ability of the radio frequency voltage disappears. At least for these reasons, this method has significant resolution restrictions.
Разделение ионов при воздействии на них электрических полей и сверхзвукового газового потока, как предложено в настоящем изобретении, свободно от этих недостатков. Рассматривая описанное устройство как прототип настоящего изобретения, можно отметить следующие основные отличительные моменты, связанные с наличием в нашем случае слабо расходящегося относительно плотного в приосевой области радиочастотного квадруполя газового потока и относительно малой остаточной плотности газа вне потока внутри квадруполя. Малая остаточная плотность газа вне потока позволяет с относительно высокой избирательностью включением резонансных вращающих полей уводить избыточные ионы на стержни квадруполя, значительно уменьшая нежелательные эффекты накопления объемного заряда. Отсутствуют ограничения на использование достаточно высоких радиочастотных напряжений для фокусировки больших ионов, так как относительно высокая газовая плотность сосредоточена в узкой приосевой области, где квадрупольное поле мало.The separation of ions when exposed to electric fields and a supersonic gas stream, as proposed in the present invention, is free from these disadvantages. Considering the described device as a prototype of the present invention, the following main distinguishing points can be noted associated with the presence in our case of a slightly diverging relatively dense gas stream in the axial region of the radio-frequency quadrupole and a relatively low residual gas density outside the stream inside the quadrupole. The low residual density of the gas outside the stream allows the inclusion of resonant rotating fields to remove excess ions to the rods of the quadrupole with relatively high selectivity, significantly reducing the undesirable effects of space charge accumulation. There are no restrictions on the use of sufficiently high radio frequency voltages for focusing large ions, since a relatively high gas density is concentrated in a narrow near-axis region, where the quadrupole field is small.
Относительно медленно убывающая плотность газового потока вдоль оси квадруполя позволяет заданием соответствующего постоянного квазиоднородного электрического поля, направленного против потока, «останавливать» анализируемые ионы в желаемом месте внутри квадруполя, так чтобы интенсивность потока этих ионов в орто-ВПМС или другом масс-анализаторе соответствовала динамическому диапазону измерительной системы. Используя расталкивание относительно больших аналитических ионов малыми ионами, сфокусированными около оси квадруполя, а также зависящее от m/z смещение ионов от оси нерезонансным вращающим полем, можно обеспечить разделение ионов по m/z за счет различных смещений ионов противополем вдоль оси (из-за уменьшения плотности потока при удалении ионов от оси) наряду с разделением по подвижности. Это же управляемое смещение анализируемых ионов от оси позволяет использовать близкие к оптимальному значения напряженности противополя для получения достаточно высокой разрешенности пакетов ионов по подвижности с минимизацией эффектов объемного заряда анализируемых ионов. Относительно высокая плотность газового потока вблизи оси квадруполя позволяет эффективно осуществлять фрагментацию, индуцированную преимущественно однократными столкновениями выбранных ионов с атомами или молекулами газового потока, без организации специальной камеры столкновений. Существенно меньшие требования к мощности откачки в нашем случае для создания плотности газового потока вблизи оси квадруполя, сравнимой с плотностью потока в квадруполе прототипа, являются еще одним преимуществом предлагаемой системы.The relatively slowly decreasing density of the gas flow along the axis of the quadrupole allows, by setting the corresponding constant quasihomogeneous electric field directed against the flow, to “stop” the analyzed ions in a desired place inside the quadrupole, so that the intensity of the flow of these ions in the ortho-VMS or other mass analyzer corresponds to the dynamic range measuring system. Using the repulsion of relatively large analytical ions by small ions focused near the axis of the quadrupole, as well as the m / z-dependent displacement of the ions from the axis by a nonresonant rotating field, it is possible to separate the ions along m / z due to different displacements of the ions by the opposite field along the axis (due to the decrease flux density with the removal of ions from the axis) along with separation by mobility. The same controlled displacement of the analyzed ions from the axis allows the use of near-optimal values of the opposite field strength to obtain a sufficiently high resolution of the ion packets in mobility with minimization of the effects of the space charge of the analyzed ions. The relatively high density of the gas stream near the axis of the quadrupole allows efficient fragmentation induced primarily by single collisions of the selected ions with atoms or molecules of the gas stream without organizing a special collision chamber. Significantly lower requirements for pumping power in our case to create a gas flow density near the axis of the quadrupole, comparable with the density of the flow in the quadrupole of the prototype, are another advantage of the proposed system.
Одной из важных предпосылок для настоящего изобретения является создание нами ранее методики резонансного возбуждения вращения выбранных ионов вокруг оси радиочастотного квадруполя и осуществление фрагментации этих ионов за счет столкновений с молекулами буферного газа [9-11]. Эта методика была новой, ранее никем не предлагавшейся. В отличие от настоящего изобретения, возбуждение вращения ионов в этом случае производилось во время их движения вдоль квадруполя без приостановки этого движения. Это обеспечивало ограниченные возможности для проведения кинетических измерений и определяло относительно невысокую способность отстройки от сигналов мешающих ионов. Кроме этого, такой способ осуществления резонансного вращения накладывал очень жесткие требования на качество изготовления квадруполя: небольшие отклонения в диаметре стержней или в расстояниях между ними приводили к существенным потерям в разрешающей способности, которая в нашем случае оказывалась не более 100 при проведении реальных измерений.One of the important prerequisites for the present invention is the creation by us of a technique of resonant excitation of the rotation of selected ions around the axis of the radio-frequency quadrupole and the fragmentation of these ions due to collisions with buffer gas molecules [9-11]. This technique was new, previously not proposed by anyone. In contrast to the present invention, the rotation of the ions in this case was excited during their movement along the quadrupole without stopping this movement. This provided limited opportunities for kinetic measurements and determined the relatively low ability to detun from signals of interfering ions. In addition, this method of resonant rotation imposed very strict requirements on the manufacturing quality of the quadrupole: small deviations in the diameter of the rods or in the distances between them led to significant losses in resolution, which in our case turned out to be no more than 100 when real measurements were taken.
В предлагаемом варианте облако ионов при резонансном возбуждении вращается в относительно узкой зоне по длине квадруполя (от нескольких мм до 1-2 см), при этом ионы совершают вдоль этой зоны квазихаотические колебания со средним временем прохождения этой зоны, сравнимым с периодом вращения и значительно меньшим характерного времени регистрации. Таким образом, неоднородности полей в значительной степени усредняются, и их влияние на ширину резонансных кривых ослабляется. В этом случае разрешающая способность резонансного возбуждения для заданных ионов и заданного буферного газа будет в основном определяться плотностью этого газа в области вращения. При разумном остаточном давлении в 0.1 мТорр для гелия ожидаемая массовая разрешающая способность на полувысоте пиков для органических ионов с массой около 1000 Да будет около или даже более 5000. Для других буферных газов разрешающая способность при заданном давлении газа изменяется обратно пропорционально корню квадратному из молекулярной массы.In the proposed embodiment, the ion cloud during resonant excitation rotates in a relatively narrow zone along the length of the quadrupole (from several mm to 1-2 cm), while ions perform quasi-chaotic oscillations along this zone with an average transit time of this zone comparable to the rotation period and much shorter characteristic time of registration. Thus, the field inhomogeneities are significantly averaged, and their influence on the width of the resonance curves is weakened. In this case, the resolution of the resonant excitation for given ions and a given buffer gas will be mainly determined by the density of this gas in the region of rotation. At a reasonable residual pressure of 0.1 mTorr for helium, the expected mass resolution at half maximum peaks for organic ions with a mass of about 1000 Da will be about or even more than 5000. For other buffer gases, the resolution at a given gas pressure varies inversely with the square root of the molecular weight.
Нами была разработана расчетная модель и проведены эксперименты по формированию сверхзвукового газового потока при относительно низких начальных давлениях буферного газа с переносом ионов этим потоком [12-14] и фокусировкой ионов внутрь потока, направленного вдоль оси радиочастотного квадруполя. Эти методы также являются новыми, не известными ранее в литературе.We developed a calculation model and conducted experiments on the formation of a supersonic gas stream at relatively low initial buffer gas pressures with ion transfer by this stream [12-14] and ion focusing into the stream directed along the axis of the radio-frequency quadrupole. These methods are also new, not previously known in the literature.
Создан газодинамический интерфейс для имеющегося в нашем распоряжении орто-ВПМС с формирователем газового потока и секционированным радиочастотным квадруполем. Такая конфигурация интерфейса является новой. В основных чертах она описана в нашем патенте США №7,547,878 от 16 июня 2009 года [15]. В отличие от настоящего изобретения, в этом квадруполе отсутствует «запирающая» диафрагма, и вместо квазиоднородного поля внутри квадруполя создается параболическое распределение потенциала с минимумом, расположенным недалеко от начала квадруполя. Предварительные эксперименты продемонстрировали работоспособность этого оборудования, однако эффективный захват ионов примесей в буферном газе гелии в такую ловушку осуществить не удалось. Возбуждением нерезонансного вращения или созданием относительно плотного потока малых ионов, дрейфующих вдоль оси квадруполя, как предлагается в настоящем изобретении, аналитические (относительно большие) ионы выводятся из области вблизи оси радиочастотной линейной ловушки, что лишит их возможности обратного выхода через входную диафрагму ловушки. Это должно гарантированно обеспечить эффективный захват ионов в ловушку, если предприняты меры (как это сделано в настоящем изобретении), предотвращающие гибель ионов на внутренней поверхности входной диафрагмы. Возможная замена буферного газа на более тяжелый и введение запирающей диафрагмы уменьшит время термализации ионов в ловушке.A gas-dynamic interface has been created for the ortho-VPMS at our disposal with a gas flow former and a sectioned radio-frequency quadrupole. This interface configuration is new. In general terms, it is described in our US patent No. 7,547,878 of June 16, 2009 [15]. Unlike the present invention, there is no “locking” diaphragm in this quadrupole, and instead of a quasihomogeneous field inside the quadrupole, a parabolic potential distribution is created with a minimum located near the beginning of the quadrupole. Preliminary experiments demonstrated the operability of this equipment, however, it was not possible to efficiently capture impurity ions in a helium buffer gas into such a trap. The excitation of non-resonant rotation or the creation of a relatively dense stream of small ions drifting along the axis of the quadrupole, as proposed in the present invention, analytical (relatively large) ions are removed from the area near the axis of the radio-frequency linear trap, which will deprive them of the possibility of return exit through the input diaphragm of the trap. This should be guaranteed to ensure effective capture of ions in the trap if measures are taken (as is done in the present invention) to prevent the death of ions on the inner surface of the inlet diaphragm. The possible replacement of the buffer gas with a heavier one and the introduction of a locking diaphragm will reduce the time of thermalization of ions in the trap.
Программное обеспечение для анализа экспериментальных данных должно включать пакеты программ, реализующие в основных чертах разработанные нами оригинальные методы, описанные ранее [16-20, 29]. Среди этих методов наиболее важными являются:The software for the analysis of experimental data should include software packages that basically implement the original methods developed by us that were described earlier [16–20, 29]. Among these methods, the most important are:
1. Метод коррекции эффектов насыщения и «мертвого» времени при использовании время-цифрового преобразования для регистрации данных ВПМС [18, 29].1. A correction method for the effects of saturation and “dead” time when using time-to-digital conversion for recording VPMS data [18, 29].
2. Метод выявления экспоненциальных вкладов в затухающий наведенный сигнал от распадающихся ионов [16, стр.192] с нахождением корней характеристического полинома с помощью процедуры, описанной в [20].2. A method for identifying exponential contributions to a decaying induced signal from decaying ions [16, p. 192] with finding the roots of the characteristic polynomial using the procedure described in [20].
3. Метод выявления экспоненциальных вкладов в совокупности кривых ионного тока, развитый ранее для анализа множества эффузиометрических кривых [19].3. A method for identifying exponential contributions to a set of ion current curves, developed earlier for the analysis of many effusiometric curves [19].
Существующие методы реализации столкновительной диссоциации ионов или тандемной масс-спектрометрии (МС/МС) предполагают обычно предварительную изоляцию одного типа ионов при потере всех остальных, тем самым требуя использования большого объема исходного образца и больших временных затрат на проведение экспериментов. Одно из исключений представляет собой «многоотражательный» орто-ВПМС А.Н.Веренчикова [21], где из-за значительного увеличения эффективной длины дрейфа ионов и, следовательно, их времени пролета появляется возможность произвести столкновительную диссоциацию не одного, а нескольких типов выбранных ионов, достаточно далеко разнесенных по времени выхода (на время, большее времени дрейфа ионов во вторичном времяпролетном масс-спектрометре). Этот гораздо более технически сложный, чем в нашем случае, подход производит выделение первичных ионов для диссоциации только по m/z.Existing methods for implementing collisional ion dissociation or tandem mass spectrometry (MS / MS) usually require preliminary isolation of one type of ions with the loss of all the others, thereby requiring the use of a large volume of the initial sample and a large time-consuming experiment. One of the exceptions is the “multi-reflection” ortho-VPMS by A.N. Verenchikov [21], where due to a significant increase in the effective length of the ion drift and, therefore, their flight time, it becomes possible to produce collisional dissociation of not one, but several types of selected ions sufficiently far apart in exit time (for a time longer than the ion drift time in the secondary time-of-flight mass spectrometer). This approach, which is much more technically complex than in our case, produces primary ions for dissociation only in m / z.
Определенные возможности для столкновительной диссоциации нескольких типов ионов в одном первичном пакете ионов обеспечивает сочетание СИП с ВПМС и особенно для ВПМС с ортогональным вводом ионов.Certain possibilities for collisional dissociation of several types of ions in one primary ion package are provided by the combination of SIP with HPMC and especially for HPMC with orthogonal ion input.
Shoff и Harden [22] были первыми в использовании СИП-МС в способе, подобном тандемной масс-спектрометрии (МС/МС) для исследования органических соединений. В этом способе спектрометр подвижности используется, чтобы изолировать исходный ион. Масс-спектрометр применяется для анализа ионов фрагментов, которые произведены фрагментацией, индуцированной столкновениями исходных ионов с атомами или молекулами буферного газа. Ниже эта специфическая техника функционирования СИП-МС упоминается как СИП/МС, или как СИП/ВПМС, если масс-спектрометр является времяпролетным масс-спектрометром. Другие предшествующие приборы и методы, использующие последовательный СИП/МС анализ, были описаны в работах [23-25], но ни один из них не объединяет инструментальные усовершенствования, предложенные в данном изобретении. Вместе с методами «мягкой» ионизации и повышением чувствительности, полученными с помощью газодинамического интерфейса, раскрытыми здесь, СИП/МС системы и соответствующие методы настоящего изобретения предлагают существенные аналитические преимущества перед предшествующей техникой, особенно для анализа высокомолекулярных соединений, таких как биомолекулы.Shoff and Harden [22] were the first to use SIP-MS in a method similar to tandem mass spectrometry (MS / MS) for the study of organic compounds. In this method, a mobility spectrometer is used to isolate the source ion. A mass spectrometer is used to analyze ion fragments that are produced by fragmentation induced by collisions of the initial ions with atoms or molecules of a buffer gas. Below this specific technique for the operation of SIP-MS is referred to as SIP / MS, or as SIP / VPMS if the mass spectrometer is a time-of-flight mass spectrometer. Other previous instruments and methods using sequential SIP / MS analysis were described in [23–25], but none of them combines the instrumental improvements proposed in this invention. Together with the soft ionization methods and sensitivity enhancement obtained using the gas-dynamic interface disclosed here, SIP / MS systems and the corresponding methods of the present invention offer significant analytical advantages over the prior art, especially for the analysis of high molecular weight compounds such as biomolecules.
Возможный подход, снижающий потери исходных ионов, описан в заявке А.В.Лободы №20070120053 на патент США [26]. В этой заявке предлагается после накопления ионов в квадруполе при давлении буферного газа около 0.1 Торр осуществлять дипольное возбуждение колебаний ионов с выбранным m/z, так чтобы эти ионы в плоскости дипольного возбуждения в среднем достаточно далеко отклонялись от оси квадруполя. Во время такого возбуждения или после его окончания создается линейно изменяющееся вдоль квадруполя постоянное во времени квадрупольное поле. Потенциалы этого поля выбираются такими, чтобы в плоскости возбуждения колебаний выбранных ионов создавать в среднем электрическое поле, двигающее ионы к выходу из квадруполя (на оси квадруполя такое поле равно нулю, а в перпендикулярной плоскости оно двигает ионы в противоположном направлении). В этом случае невозбужденные ионы, имеющие в среднем меньшее отклонение от оси квадруполя в этой плоскости, будут менее подвержены влиянию этого вытягивающего поля. Таким образом, интересующий пакет ионов может быть передвинут в камеру столкновений, а остальные ионы останутся в накопительном квадруполе. После завершения работы с первым пакетом аналогичным образом в камеру столкновений может быть доставлен следующий пакет. Такой подход достаточно интересен и, по-видимому, будет работать. Однако его разрешающая способность должна быть достаточно низкой (вряд ли она будет более 10) по нескольким причинам. Главная из них - это достаточно высокая плотность буферного газа, необходимая для захвата ионов в ловушку. Таким образом, передаваемые в камеру столкновений пакеты ионов будут содержать множество ионов в достаточно широком диапазоне масс, и для проведения столкновительной диссоциации «индивидуальных» ионов все остальные ионы из этого пакета должны быть удалены.A possible approach that reduces the loss of source ions is described in the application of AV Loboda No. 20070120053 for a US patent [26]. This application proposes, after the accumulation of ions in the quadrupole at a buffer gas pressure of about 0.1 Torr, to carry out dipole excitation of ion vibrations with the selected m / z, so that these ions in the plane of the dipole excitation deviate far enough from the quadrupole axis on average. During or after this excitation, a quadrupole field that is linearly changing along the quadrupole is created in time. The potentials of this field are chosen so that in the plane of excitation of the vibrations of the selected ions, an average electric field is created that moves the ions to the exit of the quadrupole (on the axis of the quadrupole this field is zero, and in the perpendicular plane it moves the ions in the opposite direction). In this case, unexcited ions, having on average a smaller deviation from the axis of the quadrupole in this plane, will be less susceptible to the influence of this pulling field. Thus, the packet of ions of interest can be moved into the collision chamber, and the remaining ions will remain in the storage quadrupole. After completing the first packet in the same way, the next packet can be delivered to the collision chamber. This approach is quite interesting and, apparently, will work. However, its resolution should be low enough (it is unlikely to be more than 10) for several reasons. The main one is the rather high density of the buffer gas needed to trap ions in the trap. Thus, ion packets transferred to the collision chamber will contain many ions in a fairly wide mass range, and for the collisional dissociation of “individual” ions, all other ions from this packet must be removed.
Относительно большая плотность газа в радиочастотном мультиполе при накоплении ионов в существующих системах приводит либо к невысокой избирательности ионов при их изоляции, либо требует дополнительного времени на скачивание “лишнего” газа. Другое возможное решение - это создание сложных многотамбурных систем, где функции накопления, изоляции и столкновительной диссоциации выполняются в разных частях системы с сильно различающимися плотностями буферного газа. Такая конструкция приводит к дополнительным потерям ионов и удорожанию приборного комплекса. Именно такое построение и предлагается в только что описанной заявке на патент США [26].The relatively high gas density in the radio frequency multipole during the accumulation of ions in existing systems either leads to low selectivity of the ions during their isolation, or requires additional time to download the "excess" gas. Another possible solution is to create complex multi-tambour systems, where the functions of accumulation, isolation, and collisional dissociation are performed in different parts of the system with very different buffer gas densities. Such a design leads to additional losses of ions and an increase in the cost of the instrument complex. It is such a construction that is proposed in the just described US patent application [26].
Динамические методы захвата ионов в квадрупольную ловушку, когда обратный выход ионов запирается включением соответствующего потенциала до момента возврата запущенного пакета ионов от точки разворота, позволяют использовать только небольшую часть исходного потока ионов, если последующие манипуляции с ионами требуют относительно большого времени. Исходный поток ионов должен быть заперт на это время, и соответствующие ионы обычно теряются.Dynamic methods of capturing ions in a quadrupole trap, when the reverse ion exit is blocked by switching on the corresponding potential until the launched ion packet returns from the pivot point, only a small part of the initial ion flux can be used if subsequent manipulations with the ions require a relatively long time. The initial ion flow should be locked at this time, and the corresponding ions are usually lost.
Использование резонансного вращательного движения ионов так же, как и их резонансных одномерных колебаний в радиочастотном квадруполе для устранения избыточных ионов, мешающих измерению менее интенсивных аналитических пиков или вызывающих явления насыщения в измерительной системе времяпролетного масс-спектрометра, описано в патентной заявке США №20080149825 Козловского В.И. и др. [27]. В нашем случае аналогичных целей можно добиться путем соответствующей резонансной раскрутки облаков анализируемых ионов, смещенных от оси квадруполя электростатическим полем ионов буферного газа, или включением нерезонансного вращающего поля в накопительной части радиочастотного квадруполя, что позволит повысить избирательность такого устранения при наличии существенного газового потока вдоль оси квадруполя. Резонансная раскрутка вокруг оси квадруполя при сравнительно небольшой напряженности вращающего поля будет уводить анализируемые ионы на стержни квадруполя. Таким образом, при отсутствии заметного влияния объемного заряда ионов возможно контролируемое уменьшение количества выбранных ионов вне газового потока, где давление буферного газа существенно меньше, чем внутри потока, при сохранении этих ионов внутри потока.The use of resonant rotational motion of ions as well as their resonant one-dimensional vibrations in a radio-frequency quadrupole to eliminate excess ions that interfere with the measurement of less intense analytical peaks or cause saturation phenomena in the measuring system of a time-of-flight mass spectrometer is described in US patent application No. 20080149825 Kozlovsky B. AND. et al. [27]. In our case, similar goals can be achieved by appropriate resonant unwinding of the clouds of analyzed ions displaced from the quadrupole axis by the electrostatic field of the buffer gas ions, or by switching on a non-resonant rotating field in the storage part of the radio frequency quadrupole, which will increase the selectivity of such elimination in the presence of a significant gas flow along the quadrupole axis . The resonant spin around the axis of the quadrupole with a relatively small intensity of the rotating field will lead the analyzed ions to the rods of the quadrupole. Thus, in the absence of a noticeable effect of the ion space charge, a controlled decrease in the number of selected ions outside the gas stream is possible, where the buffer gas pressure is significantly lower than inside the stream, while maintaining these ions inside the stream.
Серьезной проблемой сочетания разделения ионов по подвижности с времяпролетным анализатором является обеспечение высокой трансмиссии ионов через дрейфовую трубу в ВПМС. Одно из возможных решений было предложено нами в патенте США №6,992,284 [28], где приведен достаточно подробный обзор работ по разделению ионов по подвижности. В патенте №6,992,284 речь идет об использовании в дрейфовой трубе при давлении буферного газа в несколько Торр последовательности чередующихся участков сильного и слабого поля вместо однородного электрического поля. Это приводит к фокусировке ионов к оси квадруполя и позволяет несколько увеличить общее напряжение вдоль трубы, что благоприятно сказывается на разрешении пакетов ионов по подвижности и позволяет достичь близкой к 100% трансмиссии аналитических ионов вдоль трубы дрейфа. Все же во всех реализованных вариантах разделения ионов по подвижности достаточно высокого разрешения получить не удается. Даже для дрейфа ионов при атмосферном давлении не достигается разрешения более 100.A serious problem of combining the separation of mobility ions with a time-of-flight analyzer is the provision of high ion transmission through the drift tube in the VMS. One of the possible solutions was proposed by us in US patent No. 6,992,284 [28], which provides a fairly detailed overview of the work on the separation of ions by mobility. Patent No. 6,992,284 refers to the use of a sequence of alternating sections of a strong and a weak field instead of a uniform electric field in a drift tube at a pressure of several gas torr. This leads to the focusing of ions to the axis of the quadrupole and allows a slight increase in the total voltage along the tube, which favorably affects the resolution of the ion packets in mobility and allows achieving an almost 100% transmission of analytical ions along the drift tube. Nevertheless, in all realized variants of separation of ions by mobility, a sufficiently high resolution cannot be obtained. Even for ion drift at atmospheric pressure, a resolution of more than 100 is not achieved.
Расталкивание ионов, накопленных в линейной радиочастотной ловушке, и связанное с этим явление стратификации облаков ионов с различными m/z вокруг оси ловушки рассматривалось в ряде работ [31, 32]. Это явление связано с уменьшением фокусирующей способности эффективного потенциала радиочастотного квадрупольного поля при увеличении m/z ионов. Уравнивание сил электростатического отталкивания ионов с меньшими m/z, сфокусированными вокруг оси квадруполя, с направленным к оси квадруполя сжимающим влиянием квадрупольного радиочастотного поля приводит к образованию относительно узких круговых в поперечном сечении облаков ионов. Расстояние между этими облаками и осью квадруполя возрастает с увеличением m/z ионов, образующих эти облака. При наличии газового потока вдоль оси квадруполя достаточно большая плотность «малых» ионов вокруг оси квадруполя может вытолкнуть из зоны газового потока относительно «большие» анализируемые ионы, тем самым выполнить функцию их нерезонансного вращения, что было в основе нашей заявки на патент РФ №2009126684/20(037160), 14 июля, 2009 [33]. Если в случае вращения ионы сфокусированы в плоскости вращения в относительно небольшое пятно, вращающееся вокруг оси квадруполя, то электростатическое расталкивание приводит к более или менее равномерному распределению ионов вдоль некоторой окружности с центром на оси квадруполя. Это даст возможность эффективно работать с большим числом накопленных ионов, чем в случае нерезонансного вращения. Это может быть важным преимуществом при анализе многокомпонентных смесей.The repulsion of ions accumulated in a linear radio-frequency trap and the related phenomenon of stratification of ion clouds with different m / z around the axis of the trap were considered in a number of works [31, 32]. This phenomenon is associated with a decrease in the focusing ability of the effective potential of the radio-frequency quadrupole field with increasing m / z ions. The equalization of the forces of electrostatic repulsion of ions with smaller m / z focused around the axis of the quadrupole, with the compressive influence of the quadrupole radio frequency field directed to the axis of the quadrupole, leads to the formation of relatively narrow circular clouds of ions in the cross section. The distance between these clouds and the quadrupole axis increases with increasing m / z of the ions that form these clouds. In the presence of a gas stream along the axis of the quadrupole, a sufficiently high density of “small” ions around the axis of the quadrupole can push the relatively “large” analyzed ions out of the gas stream zone, thereby fulfilling the function of their non-resonant rotation, which was the basis of our patent application RF No. 2009126684 / 20 (037160), July 14, 2009 [33]. If in the case of rotation the ions are focused in the plane of rotation into a relatively small spot rotating around the axis of the quadrupole, then the electrostatic repulsion leads to a more or less uniform distribution of ions along a certain circle centered on the axis of the quadrupole. This will make it possible to work efficiently with a larger number of accumulated ions than in the case of nonresonant rotation. This can be an important advantage when analyzing multicomponent mixtures.
В 1991 году Amirav и Danon (Патент США №5055677) [41] описали метод и устройство для анализа образцов, включающего в себя: формирование и ввод в вакуумную камеру масс-спектрометра сверхзвукового молекулярного пучка газа-носителя в смеси с образцом материала для анализа; ионизацию материала в сверхзвуковом молекулярном пучке; разделение ионов согласно их отношению массы к заряду m/z; и регистрацию разделенных по m/z ионов анализируемого материала. Ионы в сверхзвуковом молекулярном пучке могут быть отфильтрованы от ионов тепловых фоновых молекул и ионов газа носителя после ионизации, но перед регистрацией. Описана система с источником электронной ионизацией и квадрупольным масс-спектрометром. Обсуждены преимущества использования сверхзвукового газового потока или молекулярного пучка для анализа химических веществ как нейтральных примесей к этому газовому потоку.In 1991, Amirav and Danon (US Patent No. 5055677) [41] described a method and apparatus for analyzing samples, including: forming and introducing into a vacuum chamber a mass spectrometer of a supersonic molecular beam of a carrier gas mixed with a sample of material for analysis; ionization of the material in a supersonic molecular beam; separation of ions according to their ratio of mass to charge m / z; and registration of m / z-separated ions of the analyzed material. Ions in a supersonic molecular beam can be filtered from ions of thermal background molecules and carrier gas ions after ionization, but before registration. A system with an electron ionization source and a quadrupole mass spectrometer is described. The advantages of using a supersonic gas stream or a molecular beam to analyze chemicals as neutral impurities to this gas stream are discussed.
Приведенные масс-спектры для одних и тех же соединений, зарегистрированные в обычных условиях и в условиях с охлаждением в сверхзвуковом газовом потоке, ясно демонстрируют значительно лучшее качество данных, полученных для последнего случая - достигается намного меньший уровень химического шума и существенное увеличение интенсивности молекулярных пиков (более чем в 100 раз). Хотя последнее авторы приписывают исключительно охлаждению ионов в сверхзвуковом газовом потоке, кажется очевидным, что, по крайней мере, частично увеличение интенсивности молекулярных пиков по сравнению с масс-спектрами электронной ионизации с энергией 70 эВ можно объяснить перезарядкой ионов гелия с энергией ионизации 24,587 эВ на молекулах анализируемых соединений в сверхзвуковом газовом потоке.The presented mass spectra for the same compounds, recorded under ordinary conditions and under conditions of cooling in a supersonic gas stream, clearly demonstrate a much better quality of the data obtained for the latter case - a much lower level of chemical noise and a significant increase in the intensity of molecular peaks are achieved ( more than 100 times). Although the authors attribute the latter solely to the cooling of ions in a supersonic gas stream, it seems obvious that at least a partial increase in the intensity of molecular peaks compared to electron-ionization mass spectra with an energy of 70 eV can be explained by the recharging of helium ions with an ionization energy of 24.587 eV on molecules analyzed compounds in a supersonic gas stream.
В дальнейшем практически та же методика со сверхзвуковым газовым потоком использовалась для решения специфических аналитических задач (Amirav и др., Патенты США №7345215 от 18 марта 2008 г. и №7518103 от 14 апреля 2009 г.) [42, 43]. Во всех этих системах использовалась классическая схема формирования сверхзвукового потока (сопло-скиммер) и нигде не предпринималось попыток предварительного разделения ионов или организации их диссоциации, индуцированной столкновениями. Поток ионов из источника электронной ионизации с фиксированной энергией электронов (70 эВ) направлялся непосредственно (если не считать их отражения в электростатическом зеркале) в квадрупольный масс-спектрометр.Subsequently, practically the same technique with a supersonic gas flow was used to solve specific analytical problems (Amirav et al., US Patents No. 7345215 dated March 18, 2008 and No. 7518103 dated April 14, 2009) [42, 43]. In all these systems, the classical scheme of supersonic flow formation (nozzle-skimmer) was used and no attempts were made anywhere to pre-separate ions or organize their dissociation induced by collisions. The ion flux from the electron ionization source with a fixed electron energy (70 eV) was sent directly (except for their reflection in the electrostatic mirror) to a quadrupole mass spectrometer.
Альтернативное формирование сверхзвукового газового потока с использованием длинного стеклянного капилляра с длиной 180 мм и внутренним диаметром 0,6 мм при сопряжении электроспрейного ионного источника с квадрупольным масс-спектрометром описано Дж. Феном (J. Fenn) в Патенте США №6297499 от 2 октября 2001 г. [44]. Здесь также никакого предварительного разделения или фрагментации ионов перед масс-анализатором не предусматривалось. В нашем случае мы при проведении экспериментальных измерений использовали для формирования сверхзвукового потока металлический капилляр примерно десятикратно меньших длины и площади поперечного сечения, и давление газа в камере на входе в капилляр было существенно ниже атмосферного (более чем в 20 раз).An alternative formation of a supersonic gas stream using a long glass capillary with a length of 180 mm and an inner diameter of 0.6 mm by coupling an electrospray ion source with a quadrupole mass spectrometer is described by J. Fenn in US Patent No. 6297499 of October 2, 2001 . [44]. There was also no preliminary separation or fragmentation of ions in front of the mass analyzer. In our case, when conducting experimental measurements, we used a metal capillary approximately ten times smaller in length and cross-sectional area to form a supersonic flow, and the gas pressure in the chamber at the inlet of the capillary was significantly lower than atmospheric (more than 20 times).
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Особенностями одной из возможных реализаций предлагаемых методов являются:Features of one of the possible implementations of the proposed methods are:
При давлении буферного газа (гелий, аргон, азот или другие газы или смесь газов) порядка нескольких Торр или десятков Торр на входе и менее мТорр на выходе из цилиндрического канала формируется узко направленный газовый поток. Относительно малая примесь анализируемой пробы в потоке буферного газа транспортируется в виде сфокусированного молекулярного пучка в ионный источник электронной ионизации.At a buffer gas pressure (helium, argon, nitrogen, or other gases or a mixture of gases) of the order of several Torr or tens of Torr at the inlet and less than mTorr, a narrowly directed gas flow forms at the outlet of the cylindrical channel. A relatively small admixture of the analyzed sample in the buffer gas stream is transported in the form of a focused molecular beam to the ion source of electron ionization.
Вторая возможность формирования потока исследуемых ионов - это транспортировка ионов, в том числе и многозарядных ионов биомолекул, из электроспрейного источника с их фокусировкой системой апертурных диафрагм на вход канала формирования газового потока. Для минимизации потерь ионов внутри канала производится его подогрев - это один из стандартных способов передачи ионов из электроспрейного источника в область относительно низкого давления на входе в масс-спектрометр. Вместо электроспрейного источника при таком вводе ионов может использоваться и любой другой источник ионов, работающий при относительно высоком давлении вплоть до атмосферного.The second possibility of forming the flow of the studied ions is the transportation of ions, including multiply charged ions of biomolecules, from an electrospray source with their focusing by a system of aperture diaphragms to the input of the gas flow formation channel. To minimize the loss of ions inside the channel, it is heated - this is one of the standard methods for transferring ions from an electrospray source to the region of relatively low pressure at the entrance to the mass spectrometer. Instead of an electrospray source, this ion injection can also use any other ion source operating at relatively high pressure up to atmospheric pressure.
Ионизация газов в молекулярном пучке производится в источнике электронной ионизации с изменяемой энергией ионизации, позволяя осуществлять ионизацию только целевых анализируемых соединений, которые, как правило, обладают более низкими величинами энергии ионизации, чем атомы или молекулы буферного газа. При наличии в потоке многозарядных ионов биомолекул, например, из электроспрейного источника возможен захват медленных электронов с последующими процессами диссоциации.Ionization of gases in a molecular beam is carried out in a source of electron ionization with a variable ionization energy, allowing ionization of only the target analyzed compounds, which, as a rule, have lower ionization energies than atoms or molecules of a buffer gas. In the presence of multiply charged ions of biomolecules, for example, from an electrospray source, capture of slow electrons with subsequent dissociation processes is possible.
Накопление, предварительное разделение, управляемая фрагментация и фокусировка ионов осуществляются в секционированном радиочастотном квадруполе, ось которого близка к оси газового потока. В начальной области квадруполя, ограниченной входной и «запирающей» диафрагмами, заданием соответствующих напряжений на секциях стержней квадруполя создается относительно слабое квазиоднородное электрическое поле, тормозящее ионы. Поле между входной диафрагмой и первой секцией квадруполя имеет противоположную направленность. Оно ускоряет ионы и имеет достаточную напряженность для обеспечения потенциального барьера, препятствующего нейтрализации ионов на внутренней поверхности входной диафрагмы. Обе диафрагмы являются многослойными с чередующимися проводящими и диэлектрическими слоями, позволяющими создавать достаточно сильное поле внутри отверстия диафрагмы, способное остановить ионы, движущиеся внутри газового потока, или вызвать столкновительно-индуцированную диссоциацию ионов. В то же время внешние проводящие слои диафрагм позволяют организовать желаемое распределение электрического потенциала вне диафрагм.The accumulation, preliminary separation, controlled fragmentation and focusing of ions is carried out in a sectioned radio-frequency quadrupole, the axis of which is close to the axis of the gas flow. In the initial region of the quadrupole, limited by the input and “locking” diaphragms, by setting the corresponding voltages on the sections of the rods of the quadrupole, a relatively weak quasihomogeneous electric field is created that slows down the ions. The field between the input diaphragm and the first section of the quadrupole has the opposite direction. It accelerates ions and has sufficient tension to provide a potential barrier that prevents the neutralization of ions on the inner surface of the input diaphragm. Both diaphragms are multilayer with alternating conductive and dielectric layers, which allow creating a sufficiently strong field inside the aperture of the diaphragm, capable of stopping ions moving inside the gas flow or causing collision-induced dissociation of ions. At the same time, the outer conducting layers of the diaphragms make it possible to organize the desired distribution of electric potential outside the diaphragms.
В режиме положительных ионов ионы буферного газа можно получить при повышенной энергии ионизирующих электронов в ионном источнике с электронной ионизацией. Для увеличения их плотности в начальной области квадруполя эти ионы затормаживаются постепенным увеличением продольного электрического поля, направленного против их движения между входной и запирающей диафрагмами. Если энергия ионизации анализируемых нейтральных примесей в газовом потоке меньше энергии ионизации буферного газа, то в плотном облаке ионов буферного газа в области между входной и запирающей диафрагмами нейтральные примеси будут ионизоваться за счет перезарядки, и это может существенно повысить чувствительность анализа. При достаточно плотном потоке ионов буферного газа и в области после запирающей диафрагмы часть аналитических ионов также может образоваться путем перезарядки. При необходимости от этих процессов можно избавиться, например, увеличением напряженности радиочастотного поля во второй половине квадруполя, так чтобы легкие ионы буферного газа потеряли устойчивость движения в квадруполе и погибли на его стержнях.In the positive ion mode, buffer gas ions can be obtained with increased energy of ionizing electrons in an ion source with electron ionization. To increase their density in the initial region of the quadrupole, these ions are inhibited by a gradual increase in the longitudinal electric field directed against their movement between the input and locking diaphragms. If the ionization energy of the analyzed neutral impurities in the gas stream is less than the ionization energy of the buffer gas, then in the dense cloud of buffer gas ions in the region between the inlet and the closing diaphragms, the neutral impurities will ionize due to recharging, and this can significantly increase the sensitivity of the analysis. With a fairly dense flow of buffer gas ions and in the region after the closing diaphragm, some of the analytical ions can also be formed by recharging. If necessary, these processes can be eliminated, for example, by increasing the intensity of the radio frequency field in the second half of the quadrupole, so that the light buffer gas ions lose their stability in the quadrupole and die on its rods.
При отсутствии продольного электрического поля в квадруполе, направленного против газового потока, который далее называется противополем, орто-ВПМС или другим масс-анализатором, сопряженным с квадруполем, регистрируется обзорный масс-спектр исследуемой смеси. Поскольку предлагаемый метод предполагает, по крайней мере, частичную остановку потока ионов противополем, то для предотвращения нежелательных эффектов накопления объемного заряда наиболее интенсивные потоки ионов, особенно те из них, которые не представляют интереса для исследования, должны быть по возможности уменьшены. Это может быть сделано включением резонансных вращающих полей для ионов с соответствующими m/z. Эти поля при надлежащем подборе их напряженности могут обеспечить желаемую скорость гибели выбранных групп ионов, если они оказались в зоне остаточной плотности буферного газа. Для контроля скорости их гибели и уровня их накопления (при невозможности регистрации этих ионов последующим масс-анализатором) желательно иметь дополнительный канал измерения ионных токов. Одним из возможных способов такого измерения может быть регистрация наведенного сигнала на специально введенных электродах между стержнями квадруполя, как было описано в нашей заявке на Патент РФ [33]. Ниже описание этого способа будет частично повторено и предложены новые подходы для анализа получаемых данных.In the absence of a longitudinal electric field in the quadrupole directed against the gas flow, which is hereinafter referred to as the counterfield, the ortho-VPMS or other mass analyzer coupled with the quadrupole, a survey mass spectrum of the test mixture is recorded. Since the proposed method involves at least a partial stop of the ion flow by the antipole, the most intense ion flows, especially those that are not of interest to the study, should be reduced as much as possible to prevent undesirable effects of space charge accumulation. This can be done by including resonant rotational fields for ions with corresponding m / z. These fields, with proper selection of their intensity, can provide the desired rate of death of selected groups of ions if they are in the zone of residual density of the buffer gas. To control the rate of their death and the level of their accumulation (if it is impossible to register these ions with a subsequent mass analyzer), it is desirable to have an additional channel for measuring ion currents. One of the possible methods for such a measurement can be registration of the induced signal on specially introduced electrodes between the rods of the quadrupole, as described in our patent application [33]. The description of this method will be partially repeated below and new approaches for the analysis of the obtained data are proposed.
Если процессами перезарядки после запирающей диафрагмы можно пренебречь или их вклад достаточно мал, то газовый поток при увеличивающейся напряженности противополя будет обеспечивать, в основном, транспорт ионов с существенно большими сечениями и m/z, чем ионы буферного газа, находящиеся вблизи оси квадруполя и газового потока. Это будет происходить до тех пор, пока под влиянием накапливаемого объемного заряда малых ионов буферного газа эти большие ионы не начнут сдвигаться от оси квадруполя и поток этих ионов в орто-ВПМС станет убывать. Движение ионов буферного газа будет обеспечиваться резонансной перезарядкой.If the recharging processes after the closing diaphragm can be neglected or their contribution is sufficiently small, then the gas flow with an increasing field strength will provide mainly the transport of ions with substantially larger cross sections and m / z than the buffer gas ions located near the quadrupole axis and the gas stream . This will happen until, under the influence of the accumulated space charge of small ions of the buffer gas, these large ions begin to shift from the axis of the quadrupole and the flow of these ions in the ortho-VMSS begins to decrease. The movement of buffer gas ions will be provided by resonant charge exchange.
При существенном уменьшении потока регистрируемых анализируемых ионов с наименьшим значением m/z начинается постепенное уменьшение протовополя в квадруполе до установления состояния регистрации этих пиков с минимально достаточной интенсивностью. В процессе и по завершении этой процедуры интересующие ионы будут накапливаться в ловушке и находиться в среднем на некотором удалении от оси квадруполя и от запирающей диафрагмы.With a significant decrease in the flux of registered analyzed ions with the smallest m / z value, a gradual decrease in the protofield in the quadrupole begins until the state of registration of these peaks with a minimum sufficient intensity is established. In the process and upon completion of this procedure, the ions of interest will accumulate in the trap and will be on average at some distance from the axis of the quadrupole and from the locking diaphragm.
Показателем накопления этих ионов будет нарастание регистрируемой интенсивности соответствующего пика ионного тока или суммы интенсивностей нескольких пиков, обусловленных изотопным распределением данных ионов. Это нарастание интенсивности для индивидуальных ионов в условиях стационарного воздействия объемного заряда всех ионов внутри ловушки будет носить экспоненциальный характер приближения к начальной интенсивности тока рассматриваемых ионов при отсутствии запирания потока этих ионов входной диафрагмой. Характеристическое время этой экспоненты будет определяться средним расстоянием ионов от запирающей диафрагмы, дисперсией их распределения вдоль оси квадруполя и массой соответствующих ионов. При заданной массе это характеристическое время будет зависеть от сечения ионов (или их подвижности) и их заряда. При наличии нескольких типов регистрируемых ионов с возрастающей интенсивностью это возрастание будет описываться несколькими экспонентами с характеристическими временами, специфичными в данных условиях для каждого типа ионов.An indicator of the accumulation of these ions will be an increase in the recorded intensity of the corresponding peak of the ion current or the sum of the intensities of several peaks due to the isotopic distribution of these ions. This increase in intensity for individual ions under the stationary influence of the space charge of all ions inside the trap will have an exponential nature of approaching the initial current intensity of the ions in question in the absence of blocking the flow of these ions by the input diaphragm. The characteristic time of this exponent will be determined by the average distance of the ions from the locking diaphragm, the dispersion of their distribution along the axis of the quadrupole, and the mass of the corresponding ions. For a given mass, this characteristic time will depend on the cross section of the ions (or their mobility) and their charge. In the presence of several types of registered ions with increasing intensity, this increase will be described by several exponentials with characteristic times specific in these conditions for each type of ion.
Выделение этих экспонент будет означать фактическое разделение этих ионов, дополнительное к их разделению по m/z во времяпролетном масс-спектрометре или другом последующем масс-анализаторе. Поскольку относительные различия в характеристических временах этих экспонент могут быть значительно большими, чем соответствующие различия в подвижностях ионов, то разделительная способность предлагаемого метода может быть существенно большей, чем в традиционных методах разделения ионов по подвижности, и она будет определяться в конечном счете временем регистрации. Кроме этого, ионы, обладающие разными зарядами, даже при совпадающих подвижностях также могут быть разделены, поскольку дисперсия распределения ионов вдоль оси квадруполя прямо пропорциональна эффективной трансляционной температуре ионов и обратно пропорциональна их заряду в однородном электрическом поле и в линейном приближении изменения плотности потока ионов вдоль оси квадруполя вблизи точки равновесия между влияниями потока и поля на рассматриваемые ионы.The selection of these exponentials will mean the actual separation of these ions, additional to their separation by m / z in a time-of-flight mass spectrometer or other subsequent mass analyzer. Since the relative differences in the characteristic times of these exponentials can be significantly larger than the corresponding differences in ion mobilities, the separation ability of the proposed method can be significantly larger than in traditional methods for separating ions by mobility, and it will ultimately be determined by the recording time. In addition, ions with different charges, even with the same mobility, can also be separated, since the dispersion of the distribution of ions along the axis of the quadrupole is directly proportional to the effective translational temperature of the ions and inversely proportional to their charge in a uniform electric field and in the linear approximation of changes in the density of the ion flux along the axis quadrupole near the equilibrium point between the effects of flow and field on the ions in question.
Есть еще одна возможность попытаться разделить ионы с совпадающими характеристическими временами нарастания сигнала от них. Включением резонансного вращающего напряжения, вызывающего радиальные колебания для стратифицированных ионов с данным m/z, можно изменить эти характеристические времена. Это изменение для разных ионов может быть различным за счет различного изменения подвижности ионов при увеличении средней скорости столкновения ионов с атомами газа и связанного с этим различного увеличения их эффективной трансляционной температуры [34]. Ситуация аналогична разделению ионов в известном методе приращения ионной подвижности или FAIMS [35, 36].There is one more possibility to try to separate ions with coincident characteristic rise times of the signal from them. By including a resonant rotational voltage causing radial vibrations for stratified ions with a given m / z, these characteristic times can be changed. This change for different ions can be different due to a different change in the mobility of ions with an increase in the average rate of collision of ions with gas atoms and a related different increase in their effective translational temperature [34]. The situation is similar to the separation of ions in the known method of increment of ionic mobility or FAIMS [35, 36].
При отсутствии значимого дополнительного разделения ионов при небольших амплитудах резонансного вращающего напряжения это напряжение может быть увеличено до значений, при которых начнет происходить гибель соответствующих ионов либо за счет диссоциации, либо из-за рекомбинации на стержнях квадруполя. Здесь нужно иметь в виду, что для высокоизбирательной по m/z гибели ионов может потребоваться наложение вращающего поля со сдвинутой частотой по сравнению с резонансной частотой малых колебаний или вращений ионов. При наличии расталкивания ионов объемным зарядом эта резонансная частота оказывается в раз выше, чем резонансная частота вращающего поля в квадруполе, когда влиянием объемного заряда можно пренебречь. При сдвиге ионов от оси квадруполя нерезонансным вращающим полем изменение частоты вращений при больших раскрутках может возникнуть из-за неидеальности квадрупольного поля. Если ионы различаются по степени устойчивости к диссоциации или вероятности рекомбинации при данной амплитуде вращающего поля, они в этом случае могут быть также разделены и проанализированы, аналогично тому, как это было описано в нашей заявке на Патент РФ [33].In the absence of significant additional separation of ions at small amplitudes of the resonant rotational voltage, this voltage can be increased to values at which the death of the corresponding ions begins either due to dissociation or due to recombination on the rods of the quadrupole. Here it must be borne in mind that for a highly selective for m / z ion loss, it may be necessary to apply a rotating field with a shifted frequency compared to the resonant frequency of small oscillations or ion rotations. In the presence of repulsion of ions by a space charge, this resonance frequency turns out to be times higher than the resonant frequency of the rotating field in the quadrupole, when the influence of the space charge can be neglected. When ions are shifted from the axis of the quadrupole by a non-resonant rotating field, a change in the rotation frequency for large spins can occur due to the non-ideal quadrupole field. If the ions differ in their degree of resistance to dissociation or in the probability of recombination at a given amplitude of the rotating field, they can then be separated and analyzed in the same way as described in our patent application [33].
Включение процессов гибели ионов на стержнях квадруполя при достижении некоторого предельного уровня регистрируемого потока ионов или при запределивании этого потока может обеспечить более благоприятные условия выделения сигнала от (основных) ионов, наиболее близко локализованных к запирающей диафрагме. Дело в том, что среди ионов с заданным значением m/z наиболее сильно сдвигаются потоком против данного электрического поля те ионы, которые обладают наименьшей подвижностью. В то же время более сильно раскручиваются резонансным вращающим полем ионы с большей подвижностью, и, следовательно, с большей вероятностью они будут гибнуть на стержнях квадруполя, и сигнал от них сравнительно с сигналом от основных ионов будет меньше, чем при отсутствии этой гибели. Периодическое включение и выключение такой гибели позволяет производить в течение любого желаемого времени измерения потоков ионов, проходящих через запирающую диафрагму и релаксирующих с меняющимися характеристическими временами. При периодическом изменении этих характеристических времен возможно накопление зарегистрированных сигналов и обеспечение желаемой эффективности разделения сигналов от разных ионов без усиления влияния объемного заряда, к чему приводило бы прямое накопление ионов.The inclusion of the processes of ion death on the rods of the quadrupole when a certain limit level of the recorded ion flux is reached or when this flux is blocked can provide more favorable conditions for the signal to be separated from the (main) ions that are most localized to the closing diaphragm. The fact is that among ions with a given value of m / z, those ions that have the least mobility are most strongly shifted by the flow against a given electric field. At the same time, ions with greater mobility are more unwound by the resonant rotating field, and, therefore, they are more likely to die on the rods of the quadrupole, and the signal from them will be less than the signal from the main ions than in the absence of this death. Periodic switching on and off of such a death makes it possible to carry out measurements of ion fluxes passing through the locking diaphragm and relaxing with changing characteristic times during any desired time. With a periodic change in these characteristic times, it is possible to accumulate recorded signals and provide the desired separation efficiency of signals from different ions without increasing the influence of space charge, which would lead to direct accumulation of ions.
При относительно малом уровне сигнала от анализируемых ионов путем создания небольшого противополя на входе в запирающую диафрагму можно организовать накопление этих ионов. Периодическое включение и выключение этого противополя также позволит накапливать зарегистрированные сигналы и обеспечить достаточную эффективность их разделения.With a relatively low signal level from the analyzed ions, by creating a small opposite field at the entrance to the locking diaphragm, it is possible to organize the accumulation of these ions. Periodic switching on and off of this counterfield will also allow to accumulate registered signals and ensure sufficient separation efficiency.
Анализируемые ионы, обладающие большими массами, чем ионы буферного газа, эффективно фокусируются квадруполем при больших радиочастотных напряжениях, при которых ионы буферного газа могут терять устойчивость движения в квадруполе и гибнуть на его стержнях. Большие ионы могут быть сдвинуты от оси квадруполя нерезонансным вращающим полем с частотой, много меньшей чем резонансная частота анализируемых ионов с минимальным m/z. Большие ионы могут быть накоплены на удалении от оси квадруполя и без наложения вращающего поля, а именно созданием достаточно плотного облака отталкивающих ионов относительно легких примесей, в частности, специально добавляемых в буферный газ.The analyzed ions, which have larger masses than the buffer gas ions, are efficiently focused by the quadrupole at high radio frequency voltages, at which the buffer gas ions can lose stability in the quadrupole and die on its rods. Large ions can be shifted from the quadrupole axis by a non-resonant rotating field with a frequency much lower than the resonant frequency of the analyzed ions with a minimum m / z. Large ions can be accumulated at a distance from the axis of the quadrupole and without applying a rotating field, namely by creating a sufficiently dense cloud of repulsive ions with respect to light impurities, in particular, specially added to the buffer gas.
Ступенчатым уменьшением напряженности продольного поля в начальной части квадруполя с временной длительностью ступенек, достаточной для определения характеристических времен экспонент, описывающих нарастание или спадание сигналов наблюдаемых ионов, производится анализ всех накапливаемых ионов. В необходимых случаях включением достаточно сильного ускоряющего поля внутри выходного отверстия запирающей диафрагмы производится столкновительно-индуцированная диссоциация выбранных ионов. При этом ионы-фрагменты соотносятся определенному исходному иону на основе совпадения характеристических времен соответствующих экспонент, и они могут быть разделены даже при совпадении m/z этих ионов-фрагментов. Для ограничения влияния объемного заряда накапливаемых ионов (даже тех, которые были не видны в обзорном масс-спектре, снятом в начале измерений) нежелательные ионы могут быть раскручены и уведены на стержни квадруполя включением соответствующих резонансных вращающих напряжений. Резонансные частоты и контроль допустимого числа ионов, накапливаемых в квадруполе, может быть осуществлен регистрацией наведенных сигналов от вращающихся ионов подобно тому, как это описано в нашей заявке [33].A stepwise decrease in the longitudinal field strength in the initial part of the quadrupole with a time duration of steps sufficient to determine the characteristic times of the exponentials describing the rise or fall of the signals of the observed ions, all the accumulated ions are analyzed. If necessary, the inclusion of a sufficiently strong accelerating field inside the outlet of the locking diaphragm produces collision-induced dissociation of the selected ions. In this case, the fragment ions correspond to a certain initial ion based on the coincidence of the characteristic times of the corresponding exponentials, and they can be separated even if the m / z coincidence of these fragment ions. To limit the influence of the space charge of the accumulated ions (even those that were not visible in the survey mass spectrum taken at the beginning of the measurements), unwanted ions can be unwound and removed to the quadrupole rods by switching on the corresponding resonant rotational voltages. Resonant frequencies and the control of the allowable number of ions accumulated in a quadrupole can be carried out by recording induced signals from rotating ions, similar to that described in our application [33].
При достижении критического количества исследуемых ионов поток поступающих ионов может быть уменьшен и включением соответствующего тормозящего поля на входной диафрагме. При использовании нерезонансного вращающего поля для смещения ионов от оси квадруполя возможно разделить процессы накопления и анализа ионов, полностью останавливая процесс поступления ионов через входную диафрагму включением достаточно сильного тормозящего поля в этой диафрагме. В этом случае удаление излишних ионов из квадруполя может не потребоваться, и организация измерений значительно упрощается, хотя возможности для анализа микропримесей сокращаются, т.к. накопление ионов в квадруполе будет ограничиваться влиянием объемного заряда ионов основных компонент.Upon reaching a critical amount of the studied ions, the flow of incoming ions can be reduced by switching on the corresponding inhibitory field at the input diaphragm. When using a non-resonant rotating field to shift ions from the axis of the quadrupole, it is possible to separate the processes of accumulation and analysis of ions, completely stopping the process of ion flow through the input diaphragm by switching on a sufficiently strong inhibitory field in this diaphragm. In this case, the removal of excess ions from the quadrupole may not be required, and the organization of measurements is greatly simplified, although the possibilities for analysis of trace elements are reduced, because The accumulation of ions in the quadrupole will be limited by the influence of the space charge of the ions of the main components.
Во второй половине квадруполя после запирающей диафрагмы создается слабое продольное тормозящее электрическое поле для обеспечения достаточного времени для фокусировки ускоренных ионов, а для предотвращения гибели этих ионов на обратной поверхности запирающей диафрагмы потенциал этой поверхности поднимается до достаточно высокого уровня. Для предотвращения попадания основной части газового потока внутрь времяпролетного масс-анализатора ось газового потока смещается так, чтобы ее продолжение попадало вне приемного отверстия орто-ВПМС. Для выведения ионов из газового потока в конце квадруполя создается сильное короткое электрическое поле между последней секцией квадруполя и выходной диафрагмой. После выходной диафрагмы создается тормозящее электрическое поле, фокусирующее ионы на центр входной диафрагмы масс-спектрометра и понижающее энергию ионов до уровня, оптимального для регистрации в орто-ВПМС.In the second half of the quadrupole, after the locking diaphragm, a weak longitudinal braking electric field is created to provide sufficient time for focusing the accelerated ions, and to prevent the death of these ions on the back surface of the locking diaphragm, the potential of this surface rises to a sufficiently high level. To prevent the main part of the gas stream from getting inside the time-of-flight mass analyzer, the axis of the gas stream is shifted so that its continuation falls outside the receiving hole of the ortho-VPMS. To remove ions from the gas stream at the end of the quadrupole, a strong short electric field is created between the last section of the quadrupole and the output diaphragm. After the output diaphragm, a decelerating electric field is created, focusing the ions on the center of the input diaphragm of the mass spectrometer and lowering the ion energy to the level optimal for registration in the ortho-VMS.
Теоретические основы метода разделения экспоненциальных вкладов применительно к анализу совокупностей эффузиометрических кривых нами были разработаны ранее [19]. Суть подхода основана на полной аналогии между системами дифференциальных и конечно-разностных линейных уравнений с постоянными коэффициентами. Эта аналогия для одного уравнения, например, была использована нами при разработке методов линейного прогноза для эффективной оценки массовых чисел ионов по их временам выхода для магнитного статического масс-спектрометра [16, 30]. Определив коэффициенты такого прогноза, в частности, являющегося точным для суммы экспоненциальных кривых, факторы затухания соответствующих экспонент могут быть определены нахождением корней характеристического полинома, как и для соответствующего дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами. В этом случае может быть использована вычислительная процедура, описанная нами в [20].The theoretical foundations of the method of separating exponential contributions as applied to the analysis of sets of effusiometric curves were developed by us earlier [19]. The essence of the approach is based on a complete analogy between systems of differential and finite-difference linear equations with constant coefficients. This analogy for a single equation, for example, was used by us in the development of linear prediction methods for the effective estimation of the mass numbers of ions from their exit times for a magnetic static mass spectrometer [16, 30]. Having determined the coefficients of such a forecast, in particular, which is accurate for the sum of the exponential curves, the damping factors of the corresponding exponentials can be determined by finding the roots of the characteristic polynomial, as well as for the corresponding differential equation with constant coefficients. In this case, the computational procedure described by us in [20] can be used.
Исходя из этой аналогии, в общем случае совокупный вектор интенсивностей ионов-продуктов или наведенных сигналов для последующих регистрации может быть выражен, без учета ошибок измерения, как произведение некоторой матрицы перехода на вектор таких интенсивностей для предыдущей регистрации, поскольку это справедливо для линейных комбинаций экспоненциально спадающих потоков ионов-продуктов или наведенных сигналов, зарегистрированных для различных пар введенных электродов и для разных частот. Матричные элементы этой матрицы перехода могут быть найдены минимизацией погрешности такой аппроксимации, что сводится к решению соответствующих систем линейных алгебраических уравнений для каждой строки этой матрицы. Собственные векторы этой матрицы описывают с точностью до нормировки вектор интенсивностей ионов-продуктов каждого типа ионов, присутствующих в анализируемой смеси. Соответствующие этим векторам собственные числа характеризуют факторы экспоненциального затухания интенсивности таких ионов. Коэффициенты, описывающие вклады собственных векторов матрицы перехода в наблюдаемые интенсивности ионов-продуктов или наведенные сигналы, находятся по методу наименьших квадратов для обеспечения в среднем минимальных погрешностей измеренных данных для всех регистраций. Качество аппроксимации по сравнению с ошибками измерений является критерием правильности проведенного анализа. Зная число типов исходных ионов и характерные времена их экспоненциального убывания, можно решением соответствующих систем линейных уравнений найти вклады каждой из этих экспонент во все отсчеты в зарегистрированных масс-спектрах. Тем самым будут получены масс-спектры ионов-продуктов каждого типа исходных ионов, как будто они были полностью разделены перед их регистрацией. Это важно, т.к. позволит определить «точные» массы всех ионов-продуктов, если соответствующие масс-спектры были зарегистрированы на масс-анализаторе с высокой разрешающей способностью.Based on this analogy, in the general case, the total intensity vector of product ions or induced signals for subsequent recordings can be expressed, without taking into account measurement errors, as the product of some transition matrix to a vector of such intensities for the previous registration, since this is true for linear combinations of exponentially decaying flows of product ions or induced signals recorded for different pairs of introduced electrodes and for different frequencies. The matrix elements of this transition matrix can be found by minimizing the error of such an approximation, which reduces to solving the corresponding systems of linear algebraic equations for each row of this matrix. The eigenvectors of this matrix describe, up to normalization, the intensity vector of product ions of each type of ion present in the mixture being analyzed. The eigenvalues corresponding to these vectors characterize the factors of exponential decay of the intensity of such ions. The coefficients describing the contributions of the eigenvectors of the transition matrix to the observed intensities of the product ions or induced signals are found by the least-squares method to ensure on average the minimum errors of the measured data for all registrations. The quality of approximation compared with measurement errors is a criterion for the accuracy of the analysis. Knowing the number of types of the initial ions and the characteristic times of their exponential decay, one can find the contributions of each of these exponents to all samples in the recorded mass spectra by solving the corresponding systems of linear equations. Thereby, mass spectra of product ions of each type of starting ion will be obtained, as if they were completely separated before their registration. This is important because will allow to determine the “exact” masses of all product ions, if the corresponding mass spectra were recorded on a high-resolution mass analyzer.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙBRIEF DESCRIPTION OF ILLUSTRATIONS
Для более полного понимания настоящего изобретения последующее описание соотнесено с соответствующими иллюстрациями, на которых:For a more complete understanding of the present invention, the following description is related to the corresponding illustrations, in which:
Фиг.1. Общая схема газодинамического интерфейса орто-ВПМС для предварительного разделения и регистрации ионов.Figure 1. The general scheme of the gas-dynamic interface of ortho-VPMS for preliminary separation and registration of ions.
Фиг.2. Иллюстрация к процессам транспортировки «остановленных» в квадруполе ионов перед «запирающей» диафрагмой.Figure 2. Illustration for the processes of transporting ions “stopped” in a quadrupole in front of a “locking” diaphragm.
Фиг.3. Схема поперечного сечения области накопления ионов в случае расталкивания больших ионов малыми ионами, сфокусированными вокруг оси квадруполя.Figure 3. The cross-sectional diagram of the region of ion accumulation in the case of repulsion of large ions by small ions focused around the axis of the quadrupole.
Фиг.4. Расчетные резонансные кривые для осциллирующих ионов для двух значений плотности газа.Figure 4. Calculated resonance curves for oscillating ions for two values of gas density.
Фиг.5. Схема поперечного сечения области накопления ионов в случае отклонения больших ионов от оси квадруполя нерезонансным вращающим полем.Figure 5. The cross-sectional diagram of the region of ion accumulation in the case of deviation of large ions from the axis of the quadrupole by a non-resonant rotating field.
Фиг.6. Иллюстрация для четырех возможных видов кривых регистрируемых данных.6. Illustration for four possible types of recorded data curves.
Фиг.7. Блок-схема процедуры вычисления экспоненциальных вкладов в кинетическую кривую распадающихся ионов.7. Flowchart of the procedure for calculating the exponential contributions to the kinetic curve of decaying ions.
Фиг.8. Иллюстрация к методу разделения экспоненциально спадающих наложенных пиков ионов-продуктов столкновительной фрагментации исходных изобарных ионов.Fig. 8. Illustration for the method of separation of exponentially decaying superimposed peaks of ion-products of collisional fragmentation of the initial isobaric ions.
Фиг.9. Зависимость интегральных распределений интенсивности ионного пучка Xe+, 36Ar+ и N2 + и смещения приемной щели шириной s=1 мм на выходе квадруполя с потоком Ar вдоль его оси: точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - аппроксимация пробными функциями.Fig.9. Dependence of the integrated intensity distributions of the ion beam Xe + , 36 Ar + and N 2 + and the displacement of the receiving slit with a width of s = 1 mm at the output of the quadrupole with the flow of Ar along its axis: the points are experimental data, the solid curve is the approximation by test functions.
Фиг.10. Зависимости разностей экспериментальных и вычисленных распределений интенсивностей ионных пучков Xe+, 36Ar+ и N2 + и отношений этих разностей для пар Xe+, N2 + и Xe+, 36Ar+ от смещения приемной щели на выходе квадруполя с потоком газа вдоль его оси.Figure 10. Dependences of the differences between the experimental and calculated intensity distributions of ion beams Xe + , 36 Ar + and N 2 + and the ratios of these differences for pairs Xe + , N 2 + and Xe + , 36 Ar + on the displacement of the receiving gap at the exit of the quadrupole with the gas flow along it axis.
Фиг.11. Иллюстрация, поясняющая возможный механизм образования распределений, показанных на Фиг.10.11. Illustration illustrating a possible mechanism for the formation of distributions shown in Fig.10.
Все эти иллюстрации носят поясняющий характер и не накладывают каких-либо ограничений на возможную реализацию предлагаемого изобретения.All these illustrations are explanatory in nature and do not impose any restrictions on the possible implementation of the invention.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Новый подход для транспортировки ионов из области повышенного давления на выходе из ячейки подвижности спектрометра ионной подвижности в вакуумную часть масс-спектрометра через формирование сверхзвукового газового потока описан в нашем патенте США №7,482,582 от 27 января 2009 года [13]. Он был развит далее для обеспечения дополнительных аналитических возможностей за счет резонансного возбуждения вращения ионов вокруг сверхзвукового потока в радиочастотном квадруполе на входе в орто-ВПМС в следующем нашем патенте США №7,547,878 от 16 июня 2009 года [15]. Специфическое развитие этих подходов для обеспечения эффективного количественного определения наличия примесей в газовых смесях и структурного анализа многозарядных ионов биомолекул описано в заявке №2009126684 от 14.07.2009 г. на выдачу патента РФ [33] и в настоящем изобретении, отличающемся от этой заявки разделением ионов на базе баланса между смещением ионов под действием сверхзвукового потока и их дрейфом под влиянием противоположно направленного электрического поля и намеренным использованием расталкивающего влияния более легких ионов, локализованных около оси квадруполя.A new approach for transporting ions from the high-pressure region at the exit of the mobility cell of the ion mobility spectrometer to the vacuum part of the mass spectrometer through the formation of a supersonic gas flow is described in our US patent No. 7,482,582 of January 27, 2009 [13]. It was further developed to provide additional analytical capabilities due to the resonant excitation of ion rotation around a supersonic flow in a radio frequency quadrupole at the entrance to the ortho-VPMS in our next US patent No. 7,547,878 of June 16, 2009 [15]. The specific development of these approaches to ensure effective quantitative determination of the presence of impurities in gas mixtures and structural analysis of multiply charged ions of biomolecules is described in application No. 2009126684 of July 14, 2009 for the grant of a patent of the Russian Federation [33] and in the present invention, which differs from this application by the separation of ions into the basis of the balance between the displacement of ions under the action of a supersonic flow and their drift under the influence of an oppositely directed electric field and the intentional use of the repulsive effect of lighter ions, localized around the axis of the quadrupole.
Особенностью предлагаемого метода в отличие от упомянутых патентов является не выделение ионов из потока гелия с ионами из ячейки подвижности, а так же как и в заявке №2009126684 [33] намеренное формирование газового потока, схематически показанное на Фиг.1, из буферного газа, предпочтительно более тяжелого, чем гелий (1), поступающего из камеры (3) внутрь цилиндрического канала (2). Поток атмосферного воздуха или другой газовой смеси, содержащих микропримеси и основные компоненты непосредственно или после обогащения, например, путем адсорбции-десорбции на подходящем носителе вводятся внутрь потока (1) или альтернативно ионы органических или биоорганических соединений из электроспрейного источника или других источников вводятся внутрь канала (2) вместе с потоком (1) системой фокусирующих электродов, не показанных на Фиг.1. С целью предотвращения адсорбции ионов биомолекул на внутренней стенке канала (2) осуществляется его подогрев током через обмотку (4). Откачка газов, поступающих с потоком (1), осуществляется в основном насосом (15). Ось потока смещена относительно оси квадруполя (38) на угол, соответствующий сдвигу (39) на плоскости приемной щели (21) масс-спектрометра, превышающей полуширину щели так, чтобы через напускную подвижную щель (21) лишь незначительная часть потока поступала в следующую ступень дифференциальной откачки орто-ВПМС или другого последующего масс-анализатора. Образование такой относительно плотной газовой струи подтверждается полученными нами экспериментальными данными, часть из которых приведена на Фиг.9 и Фиг.10. Этот вопрос достаточно подробно будет рассмотрен ниже.A feature of the proposed method, in contrast to the mentioned patents, is not the separation of ions from a helium stream with ions from a mobility cell, but like in application No. 2009126684 [33] the intentional formation of a gas stream, schematically shown in FIG. 1, from a buffer gas, preferably heavier than helium (1) coming from the chamber (3) into the cylindrical channel (2). A stream of atmospheric air or other gas mixture containing microimpurities and main components directly or after enrichment, for example, by adsorption-desorption on a suitable carrier, is introduced into the stream (1) or alternatively, ions of organic or bioorganic compounds from an electrospray source or other sources are introduced into the channel ( 2) together with the stream (1) a system of focusing electrodes, not shown in Fig.1. In order to prevent the adsorption of ions of biomolecules on the inner wall of the channel (2), it is heated by current through the winding (4). The pumping of gases entering the stream (1) is carried out mainly by a pump (15). The flow axis is offset relative to the axis of the quadrupole (38) by an angle corresponding to a shift (39) in the plane of the receiving slit (21) of the mass spectrometer exceeding the half-width of the slit so that only a small part of the flow enters the next differential stage through the inlet movable slot (21) pumping out the ortho-VPMS or other subsequent mass analyzer. The formation of such a relatively dense gas stream is confirmed by our experimental data, some of which are shown in Fig.9 and Fig.10. This issue will be considered in sufficient detail below.
Газовая струя (5), содержащая (при проведении аналитических измерений) небольшую примесь атмосферного воздуха или другой газовой смеси либо ионы органических или биоорганических соединений, поступает в источник ионов с электронной ионизацией (6) с изменяемой энергией ионизирующих электронов. Для уменьшения разброса по энергии электронов источник снабжен катодом (18), например, из LaB6 с косвенным подогревом (22). Путем выбора соответствующей энергии электронов и состава газовой смеси могут быть реализованы различные режимы ионизации, в результате которых происходит в конечном итоге либо образование положительных (или отрицательных) ионов анализируемых соединений, либо преобразование ионов, поступающих из других источников. Так, например, при энергии электронов, превышающих порог ионизации атомов или молекул буферного газа, основными первичными ионами будут ионы этого газа - основного компонента в струе (5). Поскольку потенциалы ионизации органических соединений обычно меньше, чем потенциал ионизации атомов или молекул буферного газа, таких как Ar или N2, то при столкновениях соответствующих молекул с ионами буферного газа будет происходить передача заряда на эти молекулы, и значительная доля этих молекул будет ионизована.A gas stream (5) containing (during analytical measurements) a small admixture of atmospheric air or another gas mixture or ions of organic or bioorganic compounds enters the ion source with electronic ionization (6) with a variable energy of ionizing electrons. To reduce the spread in electron energy, the source is equipped with a cathode (18), for example, of LaB 6 with indirect heating (22). By choosing the appropriate electron energy and the composition of the gas mixture, various ionization modes can be realized, as a result of which either the formation of positive (or negative) ions of the analyzed compounds or the conversion of ions coming from other sources occurs. So, for example, at an electron energy exceeding the ionization threshold of atoms or molecules of a buffer gas, the ions of this gas, the main component in the jet, will be the main primary ions (5). Since the ionization potentials of organic compounds are usually less than the ionization potential of atoms or molecules of a buffer gas, such as Ar or N 2 , then when the corresponding molecules collide with the ions of the buffer gas, charge transfer to these molecules will occur, and a significant fraction of these molecules will be ionized.
В отличие от упомянутой нашей заявки №2009126684 входная и запирающая диафрагмы являются многослойными, состоящими из проводящих (8), (19) и диэлектрических (9), (14) слоев соответственно. Минимальное число проводящих слоев, как показано на Фиг.1, равно четырем. Функционально эти диафрагмы предназначены для создания достаточно сильных полей внутри отверстий диафрагм, позволяющих не пропустить ионы через входную диафрагму (8)-(9), когда это необходимо, и произвести столкновительно-индуцированную диссоциацию ионов внутри запирающей диафрагмы (19)-(14). Внешние проводящие слои диафрагм используются для создания желаемых электрических полей вне этих диафрагм, в частности для фокусировки входящих ионов (28), (34) и для запрещения обратного выхода ионов после прохождения диафрагм (29), (30).In contrast to our application No. 2009126684, the input and closing diaphragms are multilayer, consisting of conductive (8), (19) and dielectric (9), (14) layers, respectively. The minimum number of conductive layers, as shown in FIG. 1, is four. Functionally, these diaphragms are designed to create sufficiently strong fields inside the holes of the diaphragms, allowing not to pass ions through the input diaphragm (8) - (9), when necessary, and to produce collision-induced dissociation of ions inside the locking diaphragm (19) - (14). The external conducting layers of the diaphragms are used to create the desired electric fields outside these diaphragms, in particular, to focus the incoming ions (28), (34) and to prohibit the return of ions after passage through the diaphragms (29), (30).
Секционирование стержней квадруполя (10) и справа от внешнего слоя запирающей диафрагмы (19)-(14) позволяет оптимальным образом создавать радиочастотное и продольные электрические поля (30) и (31) в этой части квадруполя для обеспечения эффективной фокусировки анализируемых ионов (20), прошедших через запирающую диафрагму (19)-(14), в том числе и ионов-продуктов столкновительно-индуцированной диссоциации под действием полей (34) и (36). Для эффективной регистрации в орто-ВПМС ионы выводятся из газовой струи (5) сильным электрическим полем (32) на выходе из квадруполя (10) и подвергаются действию тормозящего электрического поля (33), создаваемого электродами (23), (17) и (21). Распределение потенциалов ускоряющего (25) и тормозящего потенциалов (26) вдоль оси квадруполя (38) показано в правой нижней части рисунка. Распределение (26) аппроксимируется выпуклой вверх параболой. Поскольку потенциал электрического поля в вакууме удовлетворяет уравнению Лапласа, то при цилиндрической симметрии электродов (23) и (17) в ортогональной плоскости распределение потенциала по обоим координатам будет описываться параболами, выпуклыми вниз, с коэффициентами при квадратичном члене, равными половине такого коэффициента для параболы (26). Одна из таких парабол условно показана пунктиром (27). Такое распределение потенциала приведет к фокусировке ионов к оси ионно-оптической системы и по крайней мере не увеличит существенно ширину ионных пучков, проходящих через щель (21). Оставшаяся кинетическая энергия ионов (37) близка к оптимальной для регистрации на орто-ВПМС (для нашего прибора это ~14 эВ). Для ввода ионов в масс-анализаторы других типов может потребоваться другая организация фокусирующей системы на выходе радиочастотного квадруполя (10).Sectioning the quadrupole rods (10) and to the right of the outer layer of the locking diaphragm (19) - (14) allows optimal creation of radio-frequency and longitudinal electric fields (30) and (31) in this part of the quadrupole to ensure effective focusing of the analyzed ions (20), passing through the closing diaphragm (19) - (14), including product ions of collision-induced dissociation under the action of fields (34) and (36). For efficient registration in the ortho-VMSS, ions are removed from the gas stream (5) by a strong electric field (32) at the exit of the quadrupole (10) and are exposed to a braking electric field (33) created by electrodes (23), (17) and (21 ) The distribution of potentials of the accelerating (25) and braking potentials (26) along the axis of the quadrupole (38) is shown in the lower right part of the figure. Distribution (26) is approximated by a convex upward parabola. Since the potential of the electric field in vacuum satisfies the Laplace equation, with the cylindrical symmetry of the electrodes (23) and (17) in the orthogonal plane, the potential distribution along both coordinates will be described by parabolas convex downward with coefficients at the quadratic term equal to half of this coefficient for the parabola 26). One of these parabolas is conditionally shown by a dashed line (27). Such a potential distribution will lead to the focusing of ions to the axis of the ion-optical system and at least will not significantly increase the width of ion beams passing through the gap (21). The remaining kinetic energy of ions (37) is close to optimal for recording on the ortho-VPMS (for our device it is ~ 14 eV). To introduce ions into other types of mass analyzers, another organization of the focusing system at the output of the radio frequency quadrupole may be required (10).
Предварительная регистрация всех ионов, проходящих через запирающую диафрагму (19)-(14), при отсутствии дополнительных электрических полей внутри квадруполя кроме радиочастотного фокусирующего напряжения и фокусирующих полей входной и запирающей диафрагм даст информацию о возможном наличии интересующих ионов в анализируемой смеси и диапазонах m/z ионов, подлежащих детальному исследованию, а также о мешающих интенсивных пиках, удаление или ослабление которых было бы полезно при проведении анализа. При этом для эффективной регистрации ионов относительно больших m/z может потребоваться увеличение радиочастотного напряжения, при котором ионы буферного газа могут потерять устойчивость движения и будут рекомбинировать на стержнях квадруполя. Это же может произойти и с другими ионами с относительно малыми m/z.Preliminary registration of all ions passing through the locking diaphragm (19) - (14), in the absence of additional electric fields inside the quadrupole, in addition to the radio frequency focusing voltage and focusing fields of the input and locking diaphragms, will provide information on the possible presence of ions of interest in the analyzed mixture and m / z ranges ions that are subject to a detailed study, as well as interfering intense peaks, the removal or attenuation of which would be useful in the analysis. In this case, for the efficient registration of ions of relatively large m / z, an increase in the radio frequency voltage may be required at which the buffer gas ions can lose their stability of motion and recombine on the rods of the quadrupole. The same can happen with other ions with relatively small m / z.
При отсутствии значительного потока ионов с m/z, меньшими чем у анализируемых ионов, и умеренных интенсивностях всех других наблюдаемых пиков, исключающих значимое влияние объемного заряда на динамику анализируемых ионов при разумных временах накопления, возможен следующий упрощенный вариант предлагаемого способа разделения ионов. Постепенным увеличением напряженности продольного квазиоднородного поля (13), направленного против потока (1), максимальная интенсивность среди всех интересующих ионов уменьшается до минимально достаточного для измерений уровня. При достаточной плотности газовой струи (5) это будет означать «остановку» облака соответствующих ионов на некотором расстоянии слева от запирающей диафрагмы (19)-(14). В этом месте средняя сила, действующая на ионы со стороны потока (1), плотность атомов (7) в котором, несмотря на возможное образование кластеров (24), уменьшается по мере удаления от выходного отверстия капилляра (2), уравнивается с практически постоянным противодействием электрического поля (13). При таком воздействии потока (1) и поля (13) различные ионы (12) будут фактически находиться в потенциальных ямах, различающихся положением их минимума и крутизной, как показано в нижней части (201) Фиг.2.In the absence of a significant ion flux with m / z lower than that of the analyzed ions and moderate intensities of all other observed peaks, excluding the significant influence of the space charge on the dynamics of the analyzed ions at reasonable accumulation times, the following simplified version of the proposed ion separation method is possible. With a gradual increase in the intensity of the longitudinal quasihomogeneous field (13), directed against the flow (1), the maximum intensity among all the ions of interest decreases to the minimum level sufficient for measurements. With a sufficient density of the gas stream (5), this will mean a “stop” of the cloud of corresponding ions at a distance to the left of the locking diaphragm (19) - (14). At this point, the average force acting on the ions from the flow side (1), the atomic density (7) in which, despite the possible formation of clusters (24), decreases with distance from the outlet of the capillary (2), is equalized with an almost constant reaction electric field (13). With this effect of the flow (1) and field (13), various ions (12) will actually be in potential wells, differing in the position of their minimum and steepness, as shown in the lower part (201) of FIG. 2.
В идеале при однородном электрическом поле и линейном изменении подвижности ионов κi вдоль потока такие ямы будут описываться параболами с положениями вершин Zi, определяемыми усредненными по возможным положениям внутри потока подвижностями ионов, и коэффициентами аi при квадратичном члене, пропорциональными заряду ионов z.Ideally, for a uniform electric field and a linear change in the mobility of ions κ i along the flow, such wells will be described by parabolas with the positions of the vertices Z i determined by the ion mobilities averaged over possible positions inside the flow and the coefficients a i for the quadratic term proportional to the ion charge z.
Распределения ионов внутри этих потенциальных ям в соответствии с принципом Больцмана будет описываться гауссовыми кривыми (100) с максимумами, совпадающими с минимумами потенциальных ям и дисперсиями, пропорциональными коэффициентам при квадратичном члене соответствующих парабол и обратно пропорциональными эффективной температуре ионов.The ion distributions inside these potential wells in accordance with the Boltzmann principle will be described by Gaussian curves (100) with maxima coinciding with the minima of the potential wells and dispersions proportional to the coefficients of the quadratic term of the corresponding parabolas and inversely proportional to the effective temperature of the ions.
где k - постоянная Больцмана, эффективная температура при отсутствии влияния объемного заряда и других возбуждающих полей кроме радиочастотного квадрупольного поля практически равна температуре газа Tg, которую он приобрел в капилляре (2). Положение минимума или положение равновесия для соответствующих ионов определяется уравниванием передаваемого импульса «неподвижному» иону (что справедливо для ионов достаточно больших масс) в единицу времени от поля с напряженностью E и от потока со скоростью VF:where k is the Boltzmann constant, effective temperature in the absence of the influence of the space charge and other exciting fields, in addition to the radio-frequency quadrupole field, it is practically equal to the gas temperature T g , which it acquired in the capillary (2). Minimum position or the equilibrium position for the corresponding ions is determined by equalizing the transmitted momentum to a “fixed” ion (which is true for ions of sufficiently large masses) per unit time from the field with intensity E and from the stream with speed V F :
где e - величина элементарного заряда, n - плотность газового потока, усредненная по возможным положениям иона в плоскости, ортогональной потоку, σi - сечение столкновений иона с атомами или молекулами газа при относительной скорости VF, M - молекулярная масса газа. Скорость газового потока в адиабатическом приближении определяется температурой газа Tg и его молекулярной массой M:where e is the elementary charge, n is the density of the gas stream averaged over the possible positions of the ion in the plane orthogonal to the flow, σ i is the cross section of collisions of the ion with atoms or molecules of the gas at a relative velocity V F , M is the molecular mass of the gas. The gas flow velocity in the adiabatic approximation is determined by the gas temperature T g and its molecular mass M:
При малых отклонениях от положения равновесия вдоль оси Z передаваемый иону полный импульс будет:For small deviations from the equilibrium position along the Z axis, the total momentum transferred to the ion will be:
, ,
а увеличение потенциальной энергии ионов при их отклонении от положения ее минимума таково:and the increase in the potential energy of the ions when they deviate from the position of its minimum is as follows:
, ,
где в точке равновесия для данных ионов.Where at the equilibrium point for these ions.
Таким образом, коэффициент ai в распределении (100) будет:Thus, the coefficient a i in the distribution (100) will be:
и дисперсия этого распределения будет обратно пропорциональна заряду иона и напряженности поля, остановившего данные ионы в потоке. При напряженности поля 1 В/см, α=0,1 (что соответствует падению плотности газового потока вдвое на протяжении 5 см между входной и запирающей диафрагмами квадруполя), эффективной температуре однозарядных ионов величина стандартного отклонения распределения этих ионов будет:and the dispersion of this distribution will be inversely proportional to the charge of the ion and the field strength that stops these ions in the stream. At a field strength of 1 V / cm, α = 0.1 (which corresponds to a halving of the gas flow density over 5 cm between the inlet and closing diaphragms of the quadrupole), the effective temperature of singly charged ions the standard deviation of the distribution of these ions will be:
Показанные на Фиг.2 распределения вдоль оси квадруполя (38) потенциальных энергий, плотностей ионов и схематические изображения облаков этих ионов (203), (204) и (205) демонстрируют возможные взаимосвязи между ними. В данном случае не нужно обращать внимание на различное удаление облаков ионов от оси квадруполя (38), т.к. это может быть вызвано влиянием объемного заряда внутри и вблизи газовой струи (5) или действием вращающих полей, что будет рассмотрено ниже. Ионы (203) и (204) имеют совпадающие положения равновесия, но различаются зарядами, соответственно это однозарядные и четырехзарядные ионы. Это приводит к существенно различающимся плотностям распределений в области проникновения (208) ионов в область ускоряющего поля, создаваемого запирающей диафрагмой (19)-(14), что ведет к сильно различающимся характеристическим временам регистрируемых сигналов, позволяющим их полностью разделить даже в случае точно совпадающих значений m/z этих ионов. Потоки ионов через запирающую диафрагму (14) можно оценить аналогично величине молекулярного потока через отверстие:The distributions shown in FIG. 2 along the axis of the quadrupole (38) of potential energies, ion densities and schematic images of the clouds of these ions (203), (204) and (205) demonstrate possible interconnections between them. In this case, one does not need to pay attention to the different removal of ion clouds from the axis of the quadrupole (38), because this can be caused by the influence of the space charge inside and near the gas jet (5) or by the action of rotating fields, which will be considered below. Ions (203) and (204) have the same equilibrium positions, but differ in charges, respectively, these are singly charged and quadruply charged ions. This leads to significantly different distribution densities in the region of penetration (208) of ions into the region of the accelerating field created by the locking diaphragm (19) - (14), which leads to very different characteristic times of the recorded signals, allowing them to be completely separated even in the case of exactly the same values m / z of these ions. The ion fluxes through the closing diaphragm (14) can be estimated similarly to the molecular flux through the hole:
где ni - объемная и - линейная плотность ионов в области проникновения (208), Vi - средняя тепловая скорость ионов, S - эффективная площадь поперечного сечения облака ионов. Это означает, что поток ионов (105) во времени будет экспоненциально затухать, если поток исходных ионов заперт, поскольку и, соответственно, скорость расхода ионов пропорциональна общему числу накопленных ионов в соответствующем облаке (при отсутствии влияния объемного заряда данных ионов). Альтернативно этот поток будет возрастать, экспоненциально приближаясь к исходному потоку этих ионов. Выражение (105) означает, что для многозарядных ионов, например, показанных на Фиг.2 - (205), уменьшение их потока будет связано не только с очень сильным уменьшением , но и с двукратным в данном случае уменьшением средней тепловой скорости из-за вчетверо большей массы. Скорее всего, такие ионы на фоне хорошо регистрируемого потока ионов (203) в условиях, показанных на Фиг.2, в сравнимое время вообще регистрироваться не будут. Для их регистрации облако ионов и распределение (205) надо сдвинуть вправо уменьшением напряженности поля (13) до появления сигнала приемлемой интенсивности. В этом случае облако ионов (203) практически полностью исчезнет, и сигнал соответствующих ионов либо не будет регистрироваться более, если исходный поток ионов был заперт входной диафрагмой (8)-(9) или их поток станет постоянным, если поток исходных ионов не прерывался.where n i is volumetric and is the linear density of ions in the penetration region (208), V i is the average thermal velocity of ions, S is the effective cross-sectional area of the ion cloud. This means that the ion flux (105) will decay exponentially in time if the initial ion flux is blocked, since and, accordingly, the ion flow rate is proportional to the total number of accumulated ions in the corresponding cloud (in the absence of the influence of the space charge of these ions). Alternatively, this flux will increase, exponentially approaching the initial flux of these ions. Expression (105) means that for multiply charged ions, for example, shown in Figs. 2 - (205), a decrease in their flux will be associated not only with a very strong decrease , but also with a twofold reduction in this case of the average thermal velocity due to a fourfold larger mass. Most likely, such ions against the background of a well-recorded ion flux (203) under the conditions shown in FIG. 2 will not be recorded at all in comparable time. To register them, the ion cloud and distribution (205) must be shifted to the right by decreasing field strength (13) until a signal of acceptable intensity appears. In this case, the ion cloud (203) will almost completely disappear, and the signal of the corresponding ions will either not be detected more if the initial ion flux was blocked by the input diaphragm (8) - (9) or their flux becomes constant if the flux of the initial ions was not interrupted.
Исходя из выражения (105), можно оценить диапазон приемлемых чисел остановленных в квадруполе и регистрируемых ионов. В случае использования для регистрации ионов орто-ВПМС с время-цифровым преобразователем с временем накопления масс-спектров 1 секунда (для масс-спектров умеренного диапазона масс, до 1000 Да, это означает, например, для нашего масс-спектрометра накопление 10000 масс-спектров, а для ионов с массами до 4000 Да - 5000 масс-спектров) можно условно считать минимально регистрируемым потоком ионов 1 ион в секунду. Средняя тепловая скорость ионов, например, с массой mi=4000 Да при комнатной температуре будет около 40 м/сек. Это означает, что для обеспечения потока 1 ион в секунду нужна линейная плотность ионов в области проникновения (208) около 0,001 иона/см. Для меньших масс - еще меньше пропорционально корню квадратному из массы.Based on expression (105), we can estimate the range of acceptable numbers of ions stopped in the quadrupole and detected. If you use ortho-VPMS with a time-to-digital converter for recording ions with a mass spectral accumulation time of 1 second (for mass spectra of a moderate mass range, up to 1000 Yes, this means, for example, for our mass spectrometer, the accumulation of 10,000 mass spectra , and for ions with masses up to 4000 Da - 5000 mass spectra) can be arbitrarily considered the minimum detected ion flux of 1 ion per second. The average thermal velocity of ions, for example, with a mass m i = 4000 Da at room temperature will be about 40 m / s. This means that to ensure a flow of 1 ion per second, a linear ion density in the penetration region is needed (208) about 0.001 ion / cm. For smaller masses - even less in proportion to the square root of the mass.
Хорошо регистрируемой максимальной величиной потока ионов при накоплении 5000-10000 спектров при отсутствии явлений насыщения сигнала можно считать ~1000 ионов в секунду, что соответствует для mi=4000 Да ≈1 ион/см. Для обеспечения характеристического времени падения регистрируемого сигнала около 10 сек (при идеальной 100 процентной регистрации) нужно накопить ~10000 ионов. При стандартном отклонении распределения ионов σ≈4 мм, локальная плотность ионов в максимуме распределения будет также ~10000 ионов/см. Такая ширина распределения замечательна также тем, что она близка к вписанному радиусу квадруполя в нашем случае (3,7 мм), что приведет к существенной компенсации расталкивающего влияния объемного заряда ионов за счет притяжения ионов к зарядам-изображениям на стержнях квадруполя. Локальная плотность в 1 ион/см в этом случае достигается на удалении от максимума распределения в 4,29σ≈1,72 см. При уменьшении эффективности регистрации число накопленных ионов для получения тех же результатов должно быть увеличено. Так, например, при эффективности регистрации 0,01 должно быть накоплено около 1000000 ионов, и тогда влияние объемного заряда может стать заметным и привести к отклонениям от экспоненциального поведения регистрируемых кривых. Возможный выход - уменьшение плотности накопленных ионов за счет уменьшения напряженности противополя при некотором уменьшении радиочастотного фокусирующего напряжения для обеспечения большего удаления ионов от оси квадруполя (38) для того, чтобы сохранить прежним поток регистрируемых ионов.A well-recorded maximum value of the ion flux during the accumulation of 5000-10000 spectra in the absence of phenomena of signal saturation can be considered ~ 1000 ions per second, which corresponds to m i = 4000 Yes ≈1 ion / cm. To provide a characteristic time of the recorded signal falling about 10 seconds (with an ideal 100 percent registration), ~ 10,000 ions must be accumulated. With a standard deviation of the ion distribution σ≈4 mm, the local ion density at the distribution maximum will also be ~ 10,000 ions / cm. This distribution width is also remarkable in that it is close to the inscribed radius of the quadrupole in our case (3.7 mm), which will lead to a significant compensation for the repulsive effect of the space charge of ions due to the attraction of ions to image charges on the rods of the quadrupole. In this case, a local density of 1 ion / cm is achieved at a distance from the distribution maximum of 4.29σ≈1.72 cm. With a decrease in the detection efficiency, the number of accumulated ions must be increased to obtain the same results. So, for example, with a detection efficiency of 0.01, about 1,000,000 ions should be accumulated, and then the influence of the space charge can become noticeable and lead to deviations from the exponential behavior of the recorded curves. A possible way out is a decrease in the density of accumulated ions due to a decrease in the antifield strength with a certain decrease in the RF focusing voltage to ensure a greater removal of ions from the axis of the quadrupole (38) in order to keep the ion flux recorded.
Распределения (203) и (204) демонстрируют случай небольшого превышения сечения столкновения ионов (204) с атомами или молекулами газа по сравнению с (203) при единичном заряде ионов и совпадающих массах, что приводит к слабому сдвигу распределения (204) вправо по сравнению с (203) при одинаковых стандартных отклонениях. В данном случае этот сдвиг равен 1 мм, что составляет 25% от стандартного отклонения распределения σ=4 мм. Область проникновения ионов (208) в область ускоряющего поля удалена от центра распределения (203) более чем на четыре (4,29) стандартных отклонения. В этом случае отношение значения распределения (204) к значению распределения (203) в области (208) будет около 2,64. Это означает, что характеристическое время изменения сигнала от ионов (203) в ~2,64 раза больше, чем для ионов (204). Таким образом, практически неразрешимые сигналы (203) и (204) для регистрации при непрерывном уменьшении напряженности поля (13), аналог чего предлагается, например, в Патенте США Лободы [8], становятся полностью разделенными при регистрации сигналов от ионов для выбранных постоянных значений напряженности поля (13). По сравнению с разрешением на полувысоте пиков, как принято в разделении ионов по подвижности, это означает примерно десятикратное увеличение разрешающей способности. Этот выигрыш может быть еще увеличен в несколько раз, т.к. разделение экспоненциальных вкладов при сравнимых интенсивностях сигналов для характеристических времен, различающихся на 20% или даже на 10%, вполне реально.Distributions (203) and (204) demonstrate the case of a slight excess of the cross section for the collision of ions (204) with gas atoms or molecules compared with (203) for a single ion charge and coincident masses, which leads to a weak shift of the distribution (204) to the right compared to (203) with the same standard deviations. In this case, this shift is 1 mm, which is 25% of the standard deviation of the distribution σ = 4 mm. The region of penetration of ions (208) into the region of the accelerating field is removed from the distribution center (203) by more than four (4.29) standard deviations. In this case, the ratio of the distribution value (204) to the distribution value (203) in the region (208) will be about 2.64. This means that the characteristic time of a change in the signal from ions (203) is ~ 2.64 times longer than for ions (204). Thus, practically insoluble signals (203) and (204) for registration with a continuous decrease in field strength (13), an analogue of which is proposed, for example, in the US Patent Loboda [8], become completely separated when registering signals from ions for the chosen constant values field strength (13). Compared to the half-maximum resolution of the peaks, as is customary in the separation of ions by mobility, this means about a ten-fold increase in resolution. This gain can be increased several times, because separation of exponential contributions with comparable signal intensities for characteristic times differing by 20% or even 10% is quite realistic.
Заданием достаточно сильного поля (36) внутри отверстия запирающей диафрагмы (19)-(14) может быть осуществлена столкновительно-индуцированная диссоциация анализируемых ионов с получением ионов-продуктов (211), (212), поток которых будет изменяться по тем же экспонентам, что и соответствующие исходные ионы (209) и (210). Если, например, у всех типов исходных ионов есть уникальные фрагменты, отличающиеся по их значениям m/z, то по этим фрагментам при их достаточной интенсивности могут быть определены характеристические времена соответствующих индивидуальных экспонент. В общем случае разделение таких многомерных данных будет рассмотрено ниже. Можно ожидать выигрыша в разрешающей способности в несколько раз для многомерных данных по сравнению с анализом одномерных кривых.By setting a sufficiently strong field (36) inside the opening of the locking diaphragm (19) - (14), collision-induced dissociation of the analyzed ions can be carried out to produce product ions (211), (212), the flux of which will vary in the same exponents as and the corresponding starting ions (209) and (210). If, for example, all types of initial ions have unique fragments that differ in their m / z values, then these fractions, with their sufficient intensity, can be used to determine the characteristic times of the corresponding individual exponents. In general, the separation of such multidimensional data will be discussed below. We can expect a gain in resolution by several times for multidimensional data compared with the analysis of one-dimensional curves.
Уменьшение стандартного отклонения, которое при данной плотности потока будет иметь место для ионов с большим сечением столкновений, что следует из соотношений (100)-(104), может привести к увеличению влияния объемного заряда на качество регистрируемых данных. Выходом здесь может быть контролируемый вывод регистрируемых ионов из приосевой области газового потока за счет совместного действия объемного заряда меньших ионов и уменьшением фокусирующего действия радиочастотного поля, например, понижением радиочастотного напряжения, а также воздействием нерезонансного вращающего поля при отсутствии объемного заряда малых ионов. Это же смещение ионов приводит к их дополнительному разделению, так ионы больших m/z будут сильнее отклоняться от оси квадруполя (38) и газовой струи (5), где плотность газового потока меньше и поэтому они сильнее будут сдвигаться к началу квадруполя под действием поля (13).The decrease in the standard deviation, which at a given flux density will occur for ions with a large collision cross section, which follows from relations (100) - (104), can lead to an increase in the influence of the space charge on the quality of the recorded data. The way out here can be the controlled removal of recorded ions from the axial region of the gas stream due to the combined action of the space charge of smaller ions and a decrease in the focusing effect of the radio frequency field, for example, a decrease in the radio frequency voltage, as well as the effect of a non-resonant rotating field in the absence of the space charge of small ions. The same displacement of the ions leads to their additional separation, so ions of large m / z will deviate more strongly from the axis of the quadrupole (38) and the gas jet (5), where the density of the gas flow is less and therefore they will shift more toward the beginning of the quadrupole under the action of the field ( 13).
Таким образом, для исследуемых ионов возможны две ситуации. В первом случае имеется поток относительно малых ионов, существенно превышающий по интенсивности поток исследуемых ионов, так что возможно создание объемного заряда около оси квадруполя (38), достаточного для заметной стратификации ионов интересующего диапазона m/z, что позволяет получить их дополнительное разделение. Отсутствие достаточного потока малых ионов определяет второй вариант реализации нашего метода, основанный на возбуждении нерезонансного вращения ионов вокруг оси квадруполя (38).Thus, two situations are possible for the studied ions. In the first case, there is a flux of relatively small ions, significantly exceeding the flux of the studied ions in intensity, so that it is possible to create a space charge near the axis of the quadrupole (38), sufficient for a noticeable stratification of the ions of interest in the m / z range, which allows for their additional separation. The absence of a sufficient flow of small ions determines the second embodiment of our method, based on the excitation of nonresonant rotation of ions around the axis of the quadrupole (38).
В отсутствие достаточного потока малых ионов такой поток может быть создан добавлением подходящих примесей в буферный газ. Излишне интенсивный поток малых ионов может быть скомпенсирован увеличением амплитуды радиочастотного напряжения, что приведет к лучшей фокусировке исследуемых ионов и частичной гибели малых ионов, оказавшихся вне достаточно плотной газовой струи (5). Если эта интенсивность недостаточна, увеличением напряженности продольного поля (13), направленного против потока (1), скорость движения малых ионов в потоке (5) можно уменьшить, что приведет к увеличению плотности объемного заряда. Увеличение напряженности поля (13), однако, ограничено уменьшением стандартного отклонения распределения анализируемых ионов, что может привести к неприемлемому увеличению влияния объемного заряда этих ионов на регистрируемые данные. Поэтому по существу единственным способом управления средним удалением ионов от оси квадруполя (38) в этом случае будет изменение амплитуды радиочастотного напряжения. Нужно заметить, что поскольку плотность потока (5) уменьшается при увеличении расстояния Z от выхода из капилляра (2), скорость движения малых ионов в потоке из-за противодействия поля (13) будет уменьшаться и, соответственно, плотность этих ионов, чтобы сохранить их поток, - увеличиваться. Это приведет к возрастанию удаления аналитических ионов от оси квадруполя (38) с увеличением Z и к их все большему сдвигу полем (13) в сторону от запирающей диафрагмы (19). Это означает более резкое падение плотности ионов в их распределениях вблизи запирающей диафрагмы, что предсказывается гауссовым распределением (100). Таким образом, приведенные выше оценки, показывающие значительные отношения потоков регистрируемых ионов при относительно небольших сдвигах максимумов распределений, могут оказаться заниженными, что может обеспечить еще большую разрешающую способность предлагаемого метода.In the absence of a sufficient stream of small ions, such a stream can be created by adding suitable impurities to the buffer gas. An excessively intense stream of small ions can be compensated by an increase in the amplitude of the radio frequency voltage, which will lead to better focusing of the studied ions and partial death of small ions that are outside a sufficiently dense gas stream (5). If this intensity is insufficient, by increasing the longitudinal field strength (13) directed against the stream (1), the speed of small ions in the stream (5) can be reduced, which will lead to an increase in the density of the space charge. An increase in field strength (13), however, is limited by a decrease in the standard deviation of the distribution of the analyzed ions, which can lead to an unacceptable increase in the influence of the space charge of these ions on the recorded data. Therefore, essentially the only way to control the average distance of the ions from the axis of the quadrupole (38) in this case is to change the amplitude of the radio frequency voltage. It should be noted that since the flux density (5) decreases with increasing distance Z from the exit from the capillary (2), the speed of small ions in the flow due to the reaction of the field (13) will decrease and, accordingly, the density of these ions in order to preserve them flow - increase. This will lead to an increase in the distance of analytical ions from the axis of the quadrupole (38) with increasing Z and to their increasing shift by the field (13) away from the locking diaphragm (19). This means a sharper decrease in the density of ions in their distributions near the locking diaphragm, which is predicted by the Gaussian distribution (100). Thus, the above estimates, showing significant ratios of the recorded ion fluxes at relatively small shifts of the distribution maxima, may turn out to be underestimated, which can provide even greater resolution of the proposed method.
Средний радиус ri отклонения от оси квадруполя (38) относительно больших ионов при расталкивании облаком малых ионов определяется равенством величины фокусирующей силы квадрупольного радиочастотного поля и кулоновского отталкивания от облака малых ионов, сфокусированных в виде цилиндрического жгута вокруг оси квадруполя (38):The average radius r i of the deviation from the axis of the quadrupole (38) of relatively large ions when repelled by a cloud of small ions is determined by the equality of the focusing force quadrupole radio frequency field and Coulomb repulsion from a cloud of small ions focused in the form of a cylindrical bundle around the axis of the quadrupole (38):
где Q - линейная плотность облака малых ионов, Vrf и ω - амплитуда и угловая частота квадрупольного радиочастотного напряжения, r0 - вписанный радиус квадруполя (3.7 мм для нашего квадруполя), m - масса ионов. Таким образом, ионы с большими значениями m/z (206) будут сильнее удалены от газовой струи (5) и значительнее сдвинуты влево полем (13) в силу уменьшения воздействия потока (1), по сравнению с ионами с меньшими m/z (203), (204) и (205). Ионы (207) с той же массой и близким сечением столкновений, но с большим зарядом, чем ионы (205), хотя и будут смещены ближе к оси потока (1) и подвержены более сильному влиянию потока, показаны смещенными влево, т.к. в этом случае влияние поля, пропорциональное заряду, может быть более существенным.where Q is the linear density of the cloud of small ions, V rf and ω are the amplitude and angular frequency of the quadrupole radio frequency voltage, r 0 is the inscribed radius of the quadrupole (3.7 mm for our quadrupole), m is the mass of ions. Thus, ions with large values of m / z (206) will be more removed from the gas jet (5) and more significantly shifted to the left by field (13) due to a decrease in the effect of the flux (1), compared with ions with smaller m / z (203 ), (204) and (205). Ions (207) with the same mass and close collision cross section, but with a larger charge than ions (205), although they will be displaced closer to the flow axis (1) and are subject to a stronger influence of the flow, are shown shifted to the left, because in this case, the influence of the field, proportional to the charge, may be more significant.
Величина второй производной от полной «потенциальной» радиальной энергии больших ионов при равновесном расстоянии от оси квадруполя (38) будет:The value of the second derivative of the total "potential" radial energy of large ions at an equilibrium distance from the axis of the quadrupole (38) will be:
т.е. это удвоенная величина по сравнению со второй производной эффективного потенциала , и эта величина не зависит от линейной плотности заряда малых ионов. Это означает, что собственная частота ωr малых радиальных колебаний больших ионов не зависит от линейной плотности расталкивающих малых ионов и в раз больше, чем собственная частота колебаний или вращений этих же больших ионов при отсутствии их расталкивания объемным зарядом:those. this is doubled compared to the second derivative of the effective potential , and this value does not depend on the linear charge density of small ions. This means that the natural frequency ω r of small radial vibrations of large ions does not depend on the linear density of repulsing small ions and in times greater than the natural frequency of oscillations or rotations of these same large ions in the absence of their repulsion by the space charge:
. .
Для возбуждения таких радиальных колебаний больших ионов в квадруполе достаточно создать вращающее поле (11, Фиг.1) с такой частотой. Поскольку в каждой точке кольцевого распределения ионов вращающее поле может быть разложено на радиальную и сдвинутую по фазе на π/2 тангенциальную составляющие, будут возбуждаться именно радиальные колебания. В тангенциальном направлении, если и имеются какие-либо собственные частоты колебаний, то они сильно сдвинуты в сторону меньших частот по сравнению с ωr и полем такой частоты практически возбуждаться не будут. Радиальные колебания в каждой точке кольцевого распределения ионов будут иметь непрерывно меняющуюся фазу вдоль кольца, совпадающую с фазой вращающего поля в случае резонанса, так что это кольцо ионов будет в целом совершать вращение вокруг оси квадруполя (38) с частотой ωr.To excite such radial vibrations of large ions in a quadrupole, it is sufficient to create a rotating field (11, Figure 1) with such a frequency. Since at each point of the ring distribution of ions the rotational field can be decomposed into a radial and phase shifted by π / 2 tangential components, it is precisely the radial vibrations that will be excited. In the tangential direction, if there are any eigenfrequencies of oscillation, they are strongly shifted to lower frequencies in comparison with ω r and the field of such a frequency will practically not be excited. The radial vibrations at each point of the ring distribution of ions will have a continuously changing phase along the ring, coinciding with the phase of the rotating field in the case of resonance, so that this ring of ions will generally rotate around the axis of quadrupole (38) with a frequency ω r .
Схематически такое вращающееся кольцо показано на Фиг.3 (311) с центром, смещенным относительно центра жгута малых ионов (309), которые сфокусированы вокруг оси квадруполя (38). Газовая струя (310) также показана смещенной относительно оси квадруполя (38). Тонким пунктиром (306) показана условная граница, при выходе за которую ионы могут под действием относительно слабых резонансных вращающих полей терять усредненную стационарность движения и рекомбинировать на стержнях квадруполя (301). Один из таких ионов (304) на пути к рекомбинации показан вращающимся под действием поля (324), вызывающего резонансную раскрутку ионов с выбранным m/z при их диффузионном выходе за границу (306). Поле, раскручивающее кольцо (311), показано двумя параллельными стрелками (308). Электроды (313), (314), (312), (315), (323), (322) и (317), как и в нашей заявке на Патент РФ [33], предназначены для регистрации наведенных напряжений от движущихся ионов. Внутри изображений стержней квадруполя (301) показаны радиочастотные напряжения (302) и два вращающих напряжения (303) для создания полей (308) и (324).Schematically, such a rotating ring is shown in FIG. 3 (311) with a center offset from the center of the small ion tow (309), which are focused around the axis of the quadrupole (38). The gas jet (310) is also shown offset from the axis of the quadrupole (38). The dashed line (306) shows the conditional boundary at which the ions can lose the averaged stationary motion and recombine on the rods of the quadrupole (301) under the influence of relatively weak resonant rotating fields. One of these ions (304), on the way to recombination, is shown to rotate under the influence of a field (324), which causes resonant spinning of the ions with the chosen m / z when they diffuse beyond the boundary (306). The field untwisting the ring (311) is shown by two parallel arrows (308). The electrodes (313), (314), (312), (315), (323), (322) and (317), as in our application for the RF Patent [33], are designed to record induced voltages from moving ions. Inside the quadrupole rod images (301), radio frequency voltages (302) and two rotational voltages (303) are shown to create fields (308) and (324).
Вращение кольцевого распределения (311) может заметно увеличить среднюю кинетическую энергию анализируемых ионов по сравнению с тепловой. Это приведет к увеличению эффективной и внутренней температуры ионов [34]. Результатом этого может стать изменение сечения столкновений иона с атомами или молекулами газового потока. Такое изменение для различных ионов может существенно различаться и даже иметь разную направленность. Так, например, для многозарядных ионов в случае, когда некоторые заряды в ионе локализованы на достаточном удалении друг от друга, из-за отталкивания этих зарядов структура иона будет при относительно низкой температуре носить более или менее развернутый характер. Сечение столкновений для такого иона будет увеличенным по сравнению со структурой, где такое отталкивание до некоторой степени скомпенсировано хаотическими движениями фрагментов иона при повышенной температуре. Если же заряды иона расположены достаточно близко друг к другу, то при пониженной температуре структура иона будет более компактной из-за поляризационного притяжения нейтральных частей иона к заряженному центру. Поэтому повышение температуры будет приводить к размораживанию движений таких частей иона и к увеличению сечения столкновений. Таким образом, возбуждение радиальных колебаний ионов может привести к разделению ионов, которые при комнатной температуре имели совпадающие массы, заряды и сечения столкновений. Отсутствие новых компонент при таком возбуждении анализируемых ионов может быть использовано для подтверждения правильности проведенного анализа. Ионное облако (204), показанное на Фиг.2, можно интерпретировать как результат такой «раскрутки» облака ионов (203), в результате чего произошло увеличение среднего числа столкновений с атомами газа (7) в единицу времени на ~1%, приведшее к сдвигу распределения (204) вправо на 1 мм и к увеличению эффективной температуры ионов на ~10%, что привело также к уширению распределения (204). В этом случае отношение плотностей ионов на расстоянии 17 мм вправо от центра распределения (203) для распределений (204) и (203) оказалось равным ~5,8 в отличие от приведенного выше значения ~2,64 для одинаковых дисперсий распределений (203) и (204).The rotation of the ring distribution (311) can noticeably increase the average kinetic energy of the analyzed ions compared to the thermal one. This will lead to an increase in the effective and internal temperature of ions [34]. The result of this may be a change in the cross section for collisions of an ion with atoms or molecules of a gas stream. Such a change for different ions can vary significantly and even have a different orientation. So, for example, for multiply charged ions, in the case when some charges in the ion are localized at a sufficient distance from each other, due to the repulsion of these charges, the ion structure at a relatively low temperature will have a more or less developed character. The collision cross section for such an ion will be increased in comparison with the structure where such repulsion is compensated to some extent by the chaotic movements of the ion fragments at elevated temperature. If the ion charges are located close enough to each other, then at a lower temperature the ion structure will be more compact due to the polarization attraction of the neutral parts of the ion to the charged center. Therefore, an increase in temperature will lead to thawing of the motions of such parts of the ion and to an increase in the collision cross section. Thus, the excitation of radial ion vibrations can lead to the separation of ions, which at room temperature had the same masses, charges and collision cross sections. The absence of new components during such excitation of the analyzed ions can be used to confirm the accuracy of the analysis. The ion cloud (204), shown in Figure 2, can be interpreted as the result of such an “unwinding” of the ion cloud (203), resulting in an increase in the average number of collisions with gas atoms (7) per unit time by ~ 1%, leading to a shift of the distribution (204) to the right by 1 mm and an increase in the effective temperature of ions by ~ 10%, which also led to a broadening of the distribution (204). In this case, the ratio of ion densities at a distance of 17 mm to the right of the distribution center (203) for distributions (204) and (203) turned out to be ~ 5.8, in contrast to the above value of ~ 2.64 for the same dispersion of distributions (203) and (204).
Вращение кольцевых распределений выбранных ионов может быть использовано, особенно для ионов с большими m/z, для ограничения нарастания их количества, чтобы избежать нежелательных эффектов накопления объемного заряда. Если ионы расположены на достаточно большом удалении от оси квадруполя (38), то вращение их кольцевого облака может привести к гибели ионов, находящихся на внешней периферии кольца. Изменением амплитуды вращающего напряжения можно регулировать скорость такой гибели и привести эти ионы к желаемому стационарному количеству. Для ионов со средними m/z увеличение напряжения, вращающего их кольцевое распределение, может не привести к их избирательной гибели. В этом случае может быть достаточным возбуждение дополнительного резонансного вращающего поля, эффективного при отсутствии влияния объемного заряда, с частотой:Rotation of the ring distributions of selected ions can be used, especially for ions with large m / z, to limit the increase in their number in order to avoid undesirable effects of space charge accumulation. If ions are located at a sufficiently large distance from the axis of the quadrupole (38), then the rotation of their annular cloud can lead to the death of ions located on the outer periphery of the ring. By changing the amplitude of the rotational voltage, it is possible to adjust the rate of such death and bring these ions to the desired stationary amount. For ions with average m / z, an increase in the voltage rotating their ring distribution may not lead to their selective death. In this case, the excitation of an additional resonant rotating field, effective in the absence of the influence of the space charge, with a frequency of:
. .
В этом случае такое поле может уводить на стержни квадруполя соответствующие ионы, если они за счет диффузионных случайных блужданий оказались в зоне, где объемный заряд малых ионов, сфокусированных вокруг оси квадруполя (38), уже практически на них не действует.In this case, such a field can divert the corresponding ions to the rods of the quadrupole if, due to random diffusion walks, they are in the zone where the space charge of small ions focused around the axis of the quadrupole (38) already practically does not affect them.
В течение всего времени манипулирования с относительно интенсивными потоками ионов малоинтенсивные ионные популяции могут накапливаться и стать пригодными для проведения количественных измерений. По мере накопления таких популяций их дальнейший рост также необходимо ограничивать либо только что описанным способом, либо остановив поток ионов через входную диафрагму. В последнем случае поток малых ионов вдоль оси квадруполя (38) прекратится, стратификация облаков относительно больших ионов исчезнет, и останется только использовать вращающее поле для управления положением ионов в радиальных направлениях или использовать более сильные поля (13) для остановки исследуемых ионов в потоке (5).During the entire time of manipulation with relatively intense ion fluxes, low-intensity ionic populations can accumulate and become suitable for conducting quantitative measurements. As such populations accumulate, their further growth must also be limited either by the method just described, or by stopping the flow of ions through the input diaphragm. In the latter case, the flow of small ions along the axis of the quadrupole (38) ceases, the stratification of clouds of relatively large ions disappears, and it remains only to use a rotating field to control the position of ions in the radial directions or use stronger fields (13) to stop the studied ions in the flow (5 )
При отсутствии достаточной плотности малых ионов для смещения исследуемых ионов от оси квадруполя (38) на стержни квадруполя подается вращающее напряжение с частотой, значительно сдвинутой в сторону низких частот от резонансных частот исследуемых ионов ωres. Амплитуда этого напряжения достаточно велика, чтобы раскрутить желаемые ионы в области относительно большой плотности газа внутри потока, так чтобы эти ионы могли приблизиться или даже перейти границу струи (5). В то же время в области остаточной плотности газа влияние этого вращающего поля должно быть недостаточно, чтобы значительно раскрутить ионы и потерять их в распадах или на стержнях квадруполя.In the absence of a sufficient density of small ions to displace the studied ions from the axis of the quadrupole (38), rotational voltage is applied to the rods of the quadrupole with a frequency significantly shifted toward low frequencies from the resonance frequencies of the studied ions ω res . The amplitude of this voltage is large enough to unwind the desired ions in the region of relatively high gas density inside the stream, so that these ions can approach or even cross the jet boundary (5). At the same time, in the region of residual gas density, the influence of this rotating field should not be enough to significantly unwind the ions and lose them in decays or on the rods of the quadrupole.
То, как это можно сделать, проиллюстрировано на Фиг.4. Здесь показаны резонансные кривые для относительных средних радиусов раскрутки ионов, исходя из формулы (411), взятой из нашей работы [9]:How this can be done is illustrated in FIG. 4. Shown here are the resonance curves for the relative average ion spin radii, based on formula (411), taken from our work [9]:
Кривые вычислены для гипотетических ионов с m/z 400 и 401 для ожидаемой плотности потока в области раскрутки ионов и в 100 раз меньшей плотности остаточных газов. Ширины этих кривых на полувысоте, формула (412), отличаются также в 100 раз:The curves were calculated for hypothetical ions with m /
Характерное время релаксации скорости ионов τν было вычислено по формуле (413):The characteristic relaxation time of the ion velocity τ ν was calculated by the formula (413):
исходя из массы атомов буферного газа M=40 Да, средней тепловой скорости их движения V (скоростями движения ионов пренебрегли) при комнатной температуре и разумной величине сечения столкновения ионов с атомами газа σ=200 Å2. Плотность газа n вычислена из уравнения состояния идеального газа при давлениях 30 мТорр для верхних широких (407) и (408) и при и 0,3 мТорр для нижних узких кривых (409) и (410) соответственно. Видно, что при достаточно большом отклонении от точки «резонанса» вблизи струи (5) среднеквадратичный радиус вращения ионов несильно отклоняется от максимального значения. В то же время резонансные кривые при остаточном давлении вне зоны газовой струи спадают довольно резко, и радиус раскрутки при достаточном отклонении от резонанса даже при сравнительно больших вращающих напряжениях может быть вполне приемлемым. При больших отклонениях от резонанса радиус вращения (414):based on the mass of buffer gas atoms M = 40 Da, their average thermal velocity V (neglected ion velocities) at room temperature and a reasonable value for the collision of ions with gas atoms σ = 200 Å 2 . The gas density n was calculated from the equation of state of an ideal gas at pressures of 30 mTorr for the upper wide (407) and (408) and at and 0.3 mTorr for the lower narrow curves (409) and (410), respectively. It is seen that with a sufficiently large deviation from the “resonance” point near the jet (5), the mean square radius of rotation of the ions slightly deviates from the maximum value. At the same time, the resonance curves at a residual pressure outside the zone of the gas stream fall off quite sharply, and the spin radius with a sufficient deviation from the resonance even at relatively high rotational voltages can be quite acceptable. With large deviations from resonance, the radius of rotation (414):
практически не зависит от времени релаксации скорости ионов (413) или от плотности газа.practically does not depend on the relaxation time of the ion velocity (413) or on the gas density.
Для контроля общего числа накопленных вращающихся ионов может использоваться регистрация наведенных разностей напряжений на тонких электродах, например (313) и (314), показанных на Фиг.1, Фиг.3 и Фиг.5. При симметричном положении этих электродов относительно ближайших стержней (301) квадруполя наведенный сигнал от вращающего поля (303) будет в значительной степени скомпенсирован и при аккуратной юстировке сведен к величине, сравнимой с сигналом от вращающихся ионов. Этот сигнал на частоте вращающего поля при приемлемой стабильности генератора вращающего поля будет почти постоянным по амплитуде. Сигнал же от накапливаемых ионов будет нарастать вначале практически линейно со временем, а при достижении значительной плотности объемного заряда сигнал начнет насыщаться за счет гибели ионов, вызываемой их расталкиванием или другими причинами. Наличие такого насыщения и будет сигнализировать об окончании процесса накопления. Измерение фазового сдвига регистрируемого переменного сигнала от сигнала вращающего поля будет нести качественную информацию о составе накопленных ионов - формула (415):To control the total number of accumulated rotating ions, registration of induced voltage differences across thin electrodes, for example (313) and (314) shown in Fig. 1, Fig. 3 and Fig. 5, can be used. With the symmetrical position of these electrodes relative to the nearest rods (301) of the quadrupole, the induced signal from the rotating field (303) will be largely compensated and, with careful adjustment, reduced to a value comparable to the signal from rotating ions. This signal at the frequency of the rotating field with acceptable stability of the generator of the rotating field will be almost constant in amplitude. The signal from the accumulated ions will initially increase almost linearly with time, and when a significant space charge density is reached, the signal will begin to saturate due to the death of the ions caused by their repulsion or other reasons. The presence of such saturation will signal the end of the accumulation process. The measurement of the phase shift of the registered variable signal from the signal of the rotating field will carry qualitative information on the composition of the accumulated ions - formula (415):
Устранение излишнего количества тех или иных ионов может быть организовано формированием резонансных вращающих электрических полей, соответствующих выбранным m/z. Этим возбуждается дополнительное вращение ионов этих соединений вокруг их положения в пакете нерезонансно вращающихся ионов. На Фиг.5 схематично показано сечение квадруполя в области вращения накопленных ионов. Внутри изображения стержней (301) квадруполя даны выражения для напряжений, прикладываемых к ним. Это фокусирующее радиочастотное напряжение (302) с частотой ω и амплитудой Vrf и два вращающих напряжения (503) с частотами ω1, ω2 и амплитудами , , создающих два вращающих поля, нерезонансного (508) и резонансного (524). Условная граница зоны прохода ионов через диафрагму(19)-(14) показана пунктирной линией (504). Пунктирной линией с большим шагом (507) показана граница, после которой ионы начинают сталкиваться с поверхностями стержней квадруполя. Зона между двумя этими пунктирными линиями - это область возможного нерезонансного вращения ионов (505), (506), (509) без значительной вероятности их потери либо на поверхностях стержней, либо путем переноса в орто-ВПМС или в другой используемый масс-анализатор. Усредненная траектория резонансного вращения (511) выбранных ионов вокруг центра (510), вращающегося вокруг оси квадруполя (38), показана точками.Elimination of an excessive amount of certain ions can be organized by the formation of resonant rotating electric fields corresponding to the selected m / z. This excites an additional rotation of the ions of these compounds around their position in a packet of nonresonantly rotating ions. Figure 5 schematically shows a cross section of a quadrupole in the region of rotation of the accumulated ions. Inside the image of the rods (301) of the quadrupole, expressions are given for the stresses applied to them. This is a focusing radio frequency voltage (302) with a frequency ω and amplitude V rf and two rotational voltages (503) with frequencies ω 1 , ω 2 and amplitudes , creating two rotating fields, non-resonant (508) and resonant (524). The conditional boundary of the zone of passage of ions through the diaphragm (19) - (14) is shown by the dashed line (504). The dashed line with a large step (507) shows the boundary after which the ions begin to collide with the surfaces of the rods of the quadrupole. The area between these two dashed lines is the region of possible non-resonant rotation of ions (505), (506), (509) without a significant probability of their loss either on the surfaces of the rods, or by transfer to the ortho-VMS or to another mass analyzer used. The average trajectory of the resonant rotation (511) of the selected ions around the center (510), rotating around the axis of the quadrupole (38), is shown by dots.
Двигаясь вблизи поверхности введенных электродов (312), (313), (322), (323), ионы (506), (505) и (509) вызывают появление наведенного заряда противоположного знака на этих электродах. Положение и форма этих электродов должны быть такими, чтобы, с одной стороны, обеспечивать максимально возможный уровень наведенных сигналов, с другой стороны, искажения квадрупольного поля, неизбежные при их введении, не должны существенно искажать движение анализируемых ионов и приводить к значимым потерям в разрешающей способности и чувствительности. Проведенные расчеты наведенных сигналов и моделирование движения ионов с использованием пакета Simion [40] для расчета электрических полей показали, что приемлемые характеристики имеют цилиндрические электроды с диаметром 0.2 мм, расположенные симметрично относительно ближайших стержней квадруполя, с осями на расстоянии радиуса квадруполя r0 от оси квадруполя (38). Парные электроды (315), (314), (317), (316), расположенные симметрично относительно плоскостей, проходящих через оси соседних стержней (301) квадруполя, подвержены существенно меньшему влиянию поля ионов, в то время как наведенные напряжения от полей круглых стержней квадруполя будут почти одинаковы для электродов соответственных пар. Это позволяет аналогично спектрометрии ИЦР организовать регистрацию вращающихся ионов, измеряя сигнал между электродами соответственных пар. Причем в данном случае такая регистрация может быть осуществлена по четырем каналам - для каждой пары электродов (312)-(315), (313)-(314), (322)-(317) и (323)-(316). Простым суммированием амплитуд сигналов по всем четырем каналам отношение сигнал/шум может быть увеличено в два раза. Более сложная обработка сигналов от свободно вращающихся ионов, включающая быстрое преобразование Фурье, при учете фазовых сдвигов получающихся комплексных амплитуд может привести к четырехкратному повышению разрешения результирующего спектра. Подобная методика предложена Е.Н.Николаевым и Й.Франценом для спектров ИЦР при регистрации сигнала с помощью многоэлектродной ячейки [37]. Резонансные частоты сигналов от ионов будут существенно меньше, чем радиочастота ω фокусирующего ионы напряжения (302) и много больше, чем частота вынужденного вращения (508) вокруг газового потока. Использованием усилителей с соответствующей полосой пропускания, подключенных между электродами (312)-(315), (313)-(314), (322)-(317) и (323)-(316), высокочастотные и низкочастотные составляющие регистрируемого сигнала можно значительно ослабить.Moving near the surface of introduced electrodes (312), (313), (322), (323), ions (506), (505) and (509) cause the appearance of an induced charge of the opposite sign on these electrodes. The position and shape of these electrodes should be such as to ensure, on the one hand, the highest possible level of induced signals, and, on the other hand, distortions of the quadrupole field that are inevitable when introduced, should not significantly distort the movement of the analyzed ions and lead to significant losses in resolution and sensitivity. The calculations of the induced signals and the simulation of ion motion using the Simion package [40] for calculating electric fields showed that cylindrical electrodes with a diameter of 0.2 mm located symmetrically with respect to the nearest quadrupole rods with axes at a distance of the radius of the quadrupole r 0 from the axis of the quadrupole have acceptable characteristics (38). The paired electrodes (315), (314), (317), (316) located symmetrically with respect to the planes passing through the axes of the adjacent quadrupole rods (301) of the quadrupole are significantly less affected by the ion field, while the induced voltages from the fields of round rods quadrupoles will be almost the same for the electrodes of the corresponding pairs. This allows, similarly to ICR spectrometry, to organize registration of rotating ions by measuring the signal between the electrodes of the corresponding pairs. Moreover, in this case, such registration can be carried out through four channels - for each pair of electrodes (312) - (315), (313) - (314), (322) - (317) and (323) - (316). By simply summing the amplitudes of the signals over all four channels, the signal-to-noise ratio can be doubled. More complex processing of signals from freely rotating ions, including the fast Fourier transform, taking into account the phase shifts of the resulting complex amplitudes, can lead to a four-fold increase in the resolution of the resulting spectrum. A similar technique was proposed by E. N. Nikolayev and J. Franzen for ICR spectra during signal registration using a multi-electrode cell [37]. The resonant frequencies of the signals from the ions will be significantly less than the radio frequency ω of the ion-focusing voltage (302) and much larger than the frequency of the forced rotation (508) around the gas stream. Using amplifiers with an appropriate bandwidth connected between the electrodes (312) - (315), (313) - (314), (322) - (317) and (323) - (316), the high-frequency and low-frequency components of the recorded signal can be significantly let loose.
Вращательные движения кольцевых распределений ионов, возникающих, как описано выше, из-за электростатического отталкивания от приосевого жгута малых ионов, также могут быть зарегистрированы по наведенным сигналам на пары электродов (312)-(315), (313)-(314), (322)-(317) и (323)-(316). В этом случае, т.к. анализируемые ионы распределены по кольцу вокруг оси квадруполя (38), при возбуждении свободных вращений кратковременным включением пакета вращающих напряжений в заданном диапазоне частот существенно может быть ослаблено влияние объемного заряда вращающихся ионов, приводящее к явлению слияния или коалесценции ионных облаков с близкими m/z, хорошо известному для спектрометров ИЦР [38]. Это же явление наблюдалось нами при моделировании свободных вращений на фоне вынужденных вращений ионов в радиочастотном квадруполе [33]. Регистрация сигнала от свободных вращений ионов с получением масс-спектра на основе обратного Фурье-преобразования важна для получения обзорного масс-спектра накопленных ионов и определения их резонансных частот.Rotational movements of the ring ion distributions arising, as described above, due to electrostatic repulsion of small ions from the axial tow, can also be detected by induced signals on the pairs of electrodes (312) - (315), (313) - (314), ( 322) - (317) and (323) - (316). In this case, because the analyzed ions are distributed around the axis of the quadrupole (38), upon excitation of free rotations by a short-term inclusion of a package of rotational stresses in a given frequency range, the influence of the space charge of rotating ions can be weakened, leading to the fusion or coalescence of ion clouds with close m / z, well known for ICR spectrometers [38]. We observed the same phenomenon when simulating free rotations against the background of forced ion rotations in a radio-frequency quadrupole [33]. The registration of a signal from free ion rotations with obtaining a mass spectrum based on the inverse Fourier transform is important for obtaining a survey mass spectrum of the accumulated ions and determining their resonant frequencies.
Такую регистрацию в процессе накопления ионов целесообразно проводить периодически, тем самым контролируя число накопленных ионов с различными m/z и скорость их накопления. При превышении некоторыми ионами максимально допустимого количества или, если ожидаемое число этих ионов в предполагаемое время измерений превысит этот предел, включается соответствующее вращающее поле для увода излишних ионов на стержни квадруполя. Для кольцевых распределений на сравнительно небольших удалениях от оси квадруполя (38) для такого увода необходимо использование вращающих полей с двумя частотами, различающимися множителем, примерно равным . Большая из них возбуждает радиальные колебания ионов «внутри» кольца распределения, часть из которых имеет возможность диффузионно попасть в область остаточного давления буферного газа, где отталкивание объемного заряда существенно меньше, чем фокусирующее воздействие радиочастотного квадрупольного поля. Следует заметить, что отношение этих сил убывает как третья степень расстояния от оси, поскольку отталкивание убывает обратно пропорционально расстоянию, а фокусирующая сила квадратично растет с расстоянием ионов от оси квадруполя (38).It is advisable to carry out such registration during the accumulation of ions periodically, thereby controlling the number of accumulated ions with different m / z and the rate of their accumulation. If some ions exceed the maximum permissible amount or if the expected number of these ions exceeds the limit in the expected measurement time, the corresponding rotational field is turned on to remove excess ions to the quadrupole rods. For ring distributions at relatively small distances from the axis of the quadrupole (38), for such a removal, the use of rotating fields with two frequencies differing by a factor of approximately equal . Most of them excite radial vibrations of ions “inside” the distribution ring, some of which can diffusely fall into the region of the residual pressure of the buffer gas, where the repulsion of the space charge is much less than the focusing effect of the radio-frequency quadrupole field. It should be noted that the ratio of these forces decreases as the third power of the distance from the axis, since the repulsion decreases inversely with the distance, and the focusing force increases quadratically with the distance of the ions from the axis of the quadrupole (38).
Таким образом, при десятикратном увеличении расстояния ионов от оси по сравнению с равновесным расстоянием (например, с 0,1 мм до 1 мм) резонансная частота вращения ионов на этом расстоянии будет меньше резонансной частоты при отсутствии влияния объемного заряда на ~1/2000 долю. Это вполне сравнимо с ожидаемой разрешающей способностью возбуждения вращения при остаточном давлении такого буферного газа, как аргон на уровне 10-4 Торр. Поэтому использование резонансных вращающих полей без учета влияния объемного заряда при достаточной их напряженности вполне допустимо для эффективного увода ионов, оказавшихся в критической зоне остаточного давления буферного газа, на стержни квадруполя. При этом избирательность такой процедуры может быть достаточно высока. Вероятность выхода ионов в эту критическую зону может регулироваться амплитудой резонансного вращающего поля, возбуждающего радиальные колебания «внутри» соответствующего кольцевого распределения. Поскольку в этой зоне плотность буферного газа может быть много больше остаточной плотности, то избирательность такого возбуждения по m/z может быть существенно ниже. В то же время можно ожидать, что вероятность выхода ионов в критическую зону будет определяться также их подвижностью, т.к. их скорость будет пропорциональна подвижности, а добавка к эффективной температуре (от которой зависит диффузия) будет пропорциональна квадрату этой скорости.Thus, with a tenfold increase in the distance of the ions from the axis compared to the equilibrium distance (for example, from 0.1 mm to 1 mm), the resonant frequency of rotation of the ions at this distance will be less than the resonant frequency in the absence of the influence of the space charge by ~ 1/2000 fraction. This is quite comparable with the expected resolution of the excitation of rotation at a residual pressure of such a buffer gas as argon at the level of 10 -4 Torr. Therefore, the use of resonant rotating fields without taking into account the influence of the space charge with sufficient intensity is quite acceptable for the effective removal of ions that are in the critical zone of the residual pressure of the buffer gas on the rods of the quadrupole. Moreover, the selectivity of such a procedure can be quite high. The probability of ions entering this critical zone can be controlled by the amplitude of the resonant rotational field, exciting the radial vibrations "inside" the corresponding ring distribution. Since the density of the buffer gas in this zone can be much higher than the residual density, the selectivity of such excitation in m / z can be significantly lower. At the same time, it can be expected that the probability of ions entering the critical zone will also be determined by their mobility, since their speed will be proportional to mobility, and the addition to the effective temperature (which diffusion depends on) will be proportional to the square of this speed.
Следует ожидать, что избирательность управляемой гибели избыточных ионов в случае относительно небольшого отклонения их от оси квадруполя (38) нерезонансным вращающим полем при наложении дополнительного вращающего поля резонансной частоты будет ниже, по сравнению с аналогичным сдвигом ионов объемным зарядом. Это является следствием того, что в случае нерезонансного вращения имеется только одна резонансная частота возбуждений колебаний или вращений ионов, что приведет в условиях повышенной плотности газа к необходимости использования достаточно больших амплитуд вращающего напряжения, что может приводить к гибели ионы с большим, чем в предыдущем случае, разбросом по m/z при их выходе в критическую область остаточного давления буферного газа. Выходом здесь может быть использование двух дополнительных вращающих полей к основному нерезонансному вращающему полю. Одно - с повышенной амплитудой и с частотой, сдвинутой от резонанса на столько, что это не сильно повлияет на раскрутку рассматриваемых ионов в области относительно высокой плотности при их равновесном расстоянии от оси квадруполя (38), но не сможет их существенно раскрутить в области остаточной плотности буферного газа. Второе - относительно слабое резонансное вращающее поле, эффективно раскручивающее рассматриваемые ионы до радиуса большего или сравнимого с радиусом квадруполя и, тем самым, приводящее их к гибели в области остаточной плотности буферного газа. Такой подход, конечно, имеет смысл, если случайно первое вращающее поле не окажется вблизи резонанса других ионов, гибель которых нежелательна. Это же, конечно, относится и к полям, возбуждающим радиальные колебания ионов в кольцевых распределениях в случае стратификации ионных облаков при наличии существенного объемного заряда вдоль оси квадруполя (38).It should be expected that the selectivity of the controlled death of excess ions in the case of their relatively small deviation from the axis of the quadrupole (38) by a non-resonant rotational field when an additional rotational field of the resonant frequency is applied will be lower compared to a similar shift of the ions by the space charge. This is a consequence of the fact that in the case of non-resonant rotation there is only one resonant frequency of excitation of oscillations or ion rotations, which, under conditions of increased gas density, necessitates the use of sufficiently large amplitudes of the rotational voltage, which can lead to the death of ions with a greater than in the previous case , spread in m / z when they reach the critical region of the residual pressure of the buffer gas. The solution here may be to use two additional rotating fields to the main non-resonant rotating field. One thing is that the amplitude is increased and the frequency shifted from the resonance by so much that it does not greatly affect the spin of the ions in question in the region of relatively high density at their equilibrium distance from the axis of the quadrupole (38), but cannot significantly spin them in the region of residual density buffer gas. The second is a relatively weak resonant rotational field, effectively spinning the ions in question to a radius larger or comparable to the radius of the quadrupole and, thereby, leading to their death in the region of the residual density of the buffer gas. Such an approach, of course, makes sense if, by chance, the first rotating field is not near the resonance of other ions, the death of which is undesirable. The same, of course, applies to fields that excite radial ion vibrations in ring distributions in the case of stratification of ion clouds in the presence of a significant space charge along the axis of the quadrupole (38).
Таким образом, в обоих случаях можно добиться достаточно высокой избирательности гибели ионов методом сдвига анализируемых ионов от оси квадруполя (38) при использовании резонансных вращающих полей относительно небольшой напряженности. Поскольку равновесный радиус резонансного вращения пропорционален подвижности ионаThus, in both cases, one can achieve a sufficiently high selectivity of ion death by the method of shifting the analyzed ions from the axis of the quadrupole (38) using relatively low intensity resonant rotational fields. Since the equilibrium radius of resonant rotation is proportional to the mobility of the ion
что следует из определения подвижности и уравнения (411):which follows from the definition of mobility and equation (411):
то вероятность гибели иона при заданном резонансном вращающем напряжении Vres будет зависеть от его подвижности. Для обеспечения скорости гибели выбранных ионов, близкой к оптимальной, необходимо будет проводить пробные измерения наведенных сигналов для разных вращающих напряжений.then the probability of the death of an ion at a given resonant rotational voltage V res will depend on its mobility. To ensure the death rate of the selected ions, close to optimal, it will be necessary to conduct test measurements of the induced signals for different rotational voltages.
При таких измерениях возможны две ситуации. Если резонансное напряжение Vres достаточно велико, так что все ионы с данным m/z, попавшие в зону остаточной плотности буферного газа, быстро гибнут, то в этом случае сигнал на резонансной частоте может отсутствовать или быть крайне слабым. Скорость гибели ионов в этом случае будет определяться их скоростью выхода в эту зону и зависеть от напряжения полей раскрутки или радиальных осцилляций. Когда Vres определяет радиус вращения (417) заметно меньший, чем радиус квадруполя, гибель ионов может происходить диффузионно и достаточно медленно. В этом случае относительно большое число таких резонансно вращающихся ионов может обеспечить достаточный наведенный сигнал на резонансной частоте для его нормальной регистрации. В необходимых случаях подбором подходящей напряженности радиочастотного квадрупольного фокусирующего поля и других необходимых полей можно обеспечить больший или меньший вклад процессов фрагментации в общую гибель ионов. Тем самым может быть реализовано разделение ионов и по степени устойчивости к процессам мономолекулярного распада подобно тому, как это описано в нашей заявке на Патент РФ [33].With such measurements, two situations are possible. If the resonant voltage V res is sufficiently large, so that all ions with a given m / z that fall into the zone of the residual density of the buffer gas die quickly, then in this case the signal at the resonant frequency may be absent or extremely weak. The ion death rate in this case will be determined by their exit velocity into this zone and depend on the voltage of the spin fields or radial oscillations. When V res determines the radius of rotation (417) noticeably smaller than the radius of the quadrupole, the death of ions can occur diffusion and rather slowly. In this case, a relatively large number of such resonantly rotating ions can provide a sufficient induced signal at the resonant frequency for its normal registration. In necessary cases, the selection of the appropriate intensity of the radio-frequency quadrupole focusing field and other necessary fields can provide a greater or lesser contribution of fragmentation processes to the total loss of ions. Thus, the separation of ions can be realized according to the degree of resistance to the processes of monomolecular decay, similarly to how it is described in our patent application [33].
Этот второй случай, по-видимому, является предпочтительным, т.к. обеспечивает измерения на двух частотах для одних и тех же ионов, что повышает надежность получаемой информации. Сигналы, относящиеся к одному и тому же типу ионов, при отсутствии заметного влияния их объемного заряда должны включать экспоненты с одним и тем же характеристическим временем. Если резонансная частота для данных ионов точно известна, а частота вращения от нее несколько отличается, то, измеряя фазовый сдвиг наведенного сигнала по отношению к вращающему напряжению на этих двух частотах, можно оценить согласно выражению (415) два характеристических времени релаксации скорости ионов или их подвижности в двух областях - в области остаточной плотности буферного газа и в области вблизи оси квадруполя (38). Постоянство (с точностью до ошибок измерения) фазового сдвига вдоль полученных экспоненциальных кривых - дополнительный критерий корректности проведенных измерений. Если кривые значимо отклоняются от экспонент, а фазовые сдвиги на различных участках этих кривых статистически совпадают, то это может быть связано с влиянием объемного заряда или с другими нелинейными эффектами в процессе измерения, которые должны быть устранены.This second case seems to be preferred because provides measurements at two frequencies for the same ions, which increases the reliability of the information received. Signals related to the same type of ions, in the absence of a noticeable influence of their space charge, should include exponentials with the same characteristic time. If the resonant frequency for these ions is precisely known, and the rotation frequency is slightly different from it, then, by measuring the phase shift of the induced signal with respect to the rotational voltage at these two frequencies, we can estimate, according to expression (415), two characteristic relaxation times of the ion velocity or their mobility in two regions - in the region of the residual density of the buffer gas and in the region near the axis of the quadrupole (38). The constancy (up to measurement errors) of the phase shift along the obtained exponential curves is an additional criterion for the correctness of the measurements. If the curves significantly deviate from the exponentials, and the phase shifts in different parts of these curves statistically coincide, this may be due to the influence of the space charge or to other nonlinear effects in the measurement process that must be eliminated.
Иллюстрация одного из возможных способов ограничения влияния объемного заряда на регистрируемые данные с помощью орто-ВПМС на выходе радиочастотного квадруполя приведена на Фиг.6. Графики в левой верхней части демонстрируют случай регистрации относительно слабых потоков ионов, когда вначале переключением полярности фокусирующего поля (34) запирающей диафрагмы (19)-(14) производится накопление ионов. Через некоторое время фокусирующее поле (34) восстанавливается, и регистрируется спадающий по времени поток ионов, проходящих через запирающую диафрагму (19)-(14), что иллюстрируется кривой (601). Пунктирные кривые (602) и (603) показывают две экспоненты с характерными временами затухания 5 сек и 10 сек соответственно, которые в сумме дают кривую (601). При необходимости эти процедуры накопления и регистрации ионов могут быть повторены желаемое число раз. Сложение зарегистрированных кривых (601) приведет к увеличению отношения сигнал/шум при приемлемом влиянии объемного заряда, что позволит получить желаемую эффективность разделения суммарной кривой (601) на компоненты, подобные кривым (602) и (603).An illustration of one of the possible ways to limit the influence of space charge on the recorded data using ortho-VMS at the output of the radio frequency quadrupole is shown in Fig.6. The graphs in the upper left part demonstrate the case of registration of relatively weak ion flows, when at first switching the polarity of the focusing field (34) of the locking diaphragm (19) - (14) results in the accumulation of ions. After some time, the focusing field (34) is restored, and the time-decreasing stream of ions passing through the locking diaphragm (19) - (14) is recorded, which is illustrated by curve (601). The dashed curves (602) and (603) show two exponentials with characteristic attenuation times of 5 sec and 10 sec, respectively, which together give curve (601). If necessary, these ion accumulation and registration procedures can be repeated as many times as desired. The addition of recorded curves (601) will lead to an increase in the signal-to-noise ratio with an acceptable influence of the space charge, which will allow one to obtain the desired efficiency of dividing the total curve (601) into components similar to curves (602) and (603).
В случае относительно большого потока анализируемых ионов их накопление в процессе регистрации с включенным фокусирующим полем (34) приведет к регистрации возрастающей кривой (604), которая является в показанном случае суммой двух экспоненциальных кривых (605) и (606), приближающихся с увеличением времени регистрации к потокам соответствующих ионов, которые были бы зарегистрированы в отсутствие противополя (13). При отсутствии стратификации анализируемых ионов объемным зарядом малых ионов и в случае использования нерезонансного вращения ионов для их смещения от оси квадруполя (38) запиранием потока анализируемых ионов на входной диафрагме (8)-(9) в момент времени (613) возрастающий поток ионов (607) становится спадающим (608). Характеристические времена экспоненциальных составляющих (609), (610) и (611), 612) возрастающей ветви ионного тока (607) и спадающей (608) попарно совпадают. Таким образом, выделение экспоненциальных составляющих в кривых (607) и (608) может обеспечить критерий адекватности проведенного анализа на основе совпадения числа найденных экспонент, их характеристических времен и непрерывности перехода от кривых (609) и (611) к кривым (610) и (612).In the case of a relatively large flux of analyzed ions, their accumulation during registration with the focusing field turned on (34) will lead to the registration of an increasing curve (604), which in the shown case is the sum of two exponential curves (605) and (606), approaching with increasing registration time to the fluxes of the corresponding ions, which would be recorded in the absence of an antifield (13). In the absence of stratification of the analyzed ions by the space charge of small ions and in the case of using non-resonant rotation of ions to displace them from the axis of the quadrupole (38) by blocking the flow of analyzed ions at the input diaphragm (8) - (9) at an instant in time (613), an increasing ion flux (607) ) becomes falling (608). The characteristic times of the exponential components (609), (610) and (611), 612) of the increasing branch of the ion current (607) and the decreasing branch (608) coincide in pairs. Thus, the selection of exponential components in curves (607) and (608) can provide a criterion for the adequacy of the analysis based on the coincidence of the number of found exponentials, their characteristic times and the continuity of the transition from curves (609) and (611) to curves (610) and ( 612).
Вместо запирания входного потока анализируемых ионов включением в момент времени (620) гибели этих ионов на стержнях квадруполя (301) за счет резонансной раскрутки возрастающий регистрируемый сигнал (614) также может стать убывающим (615). При этом характеристические времена спадающих экспоненциально участков компонент (617) и (619) будут существенно меньше, чем характеристические времена соответственных возрастающих участков (616) и (618). Это может привести к заметному сокращению времени анализа при возможности дополнительного разделения регистрируемого сигнала (614)-(615) за счет различий упомянутых характеристических времен изменения сигналов до и после включения гибели ионов в момент времени (620). Периодическое повторение включения и выключения этой гибели также открывает возможность накопления регистрируемых данных и увеличения эффективности их разделения. Этот способ регистрации данных обеспечивает наибольшую эффективность накопления малых компонент исходного ионного потока, т.к. этот поток не прерывается в течение всего времени измерений.Instead of blocking the input stream of the analyzed ions by turning on at the time (620) the death of these ions on the rods of the quadrupole (301) due to the resonant spinning, the increasing recorded signal (614) can also become decreasing (615). In this case, the characteristic times of exponentially falling sections of the components (617) and (619) will be significantly less than the characteristic times of the corresponding increasing sections (616) and (618). This can lead to a noticeable reduction in the analysis time if it is possible to further separate the recorded signal (614) - (615) due to differences in the mentioned characteristic times of the change of signals before and after the inclusion of the death of ions at time (620). Periodic repetition of turning on and off this death also opens up the possibility of accumulating the recorded data and increasing the efficiency of their separation. This method of data recording provides the greatest efficiency of accumulation of small components of the initial ion flux, because this flow is not interrupted during the entire measurement time.
При аккуратном подборе амплитуды и частоты резонансного вращающего поля и также при необходимости амплитуды радиочастотного фокусирующего напряжения возможно образование ионов-продуктов фрагментации, индуцированной многократными столкновениями, и на этой основе дополнительное разделение анализируемых ионов или контроль адекватности полученных результатов разделения зарегистрированных кривых ионного тока. Кроме этого в данном случае возможно увеличение относительного содержания интересующих ионов, отличающихся от других «мешающих» ионов не только по m/z, но и по подвижностям. Ионы с совпадающими m/z, но с меньшей подвижностью сильнее сдвигаются потоком газа и могут относительно быстро уходить из квадруполя через запирающую диафрагму (19)-(14) в масс-анализатор. Ионы с большей подвижностью будут сильнее раскручиваться резонансным вращающим полем, будут ближе подходить к стержням квадруполя (301), будут иметь большую эффективную температуру и соответственно большую вероятность гибели на стержнях, чем ионы с меньшей подвижностью, как это проиллюстрировано на Фиг.2 для распределений (203) и (204) вдоль оси квадруполя, что может быть перенесено и на радиальные распределения соответствующих ионов.With careful selection of the amplitude and frequency of the resonant rotating field and also, if necessary, the amplitude of the radio frequency focusing voltage, it is possible to form ion-products of fragmentation induced by multiple collisions, and on this basis, additional separation of the analyzed ions or control of the adequacy of the results of separation of the recorded ion current curves. In addition, in this case, it is possible to increase the relative content of the ions of interest, which differ from other "interfering" ions not only in m / z, but also in mobility. Ions with matching m / z, but with less mobility, are more strongly displaced by the gas flow and can relatively quickly leave the quadrupole through the locking diaphragm (19) - (14) to the mass analyzer. Ions with greater mobility will be more unwound by a resonant rotating field, will come closer to the rods of the quadrupole (301), will have a higher effective temperature and, accordingly, a greater probability of death on the rods than ions with less mobility, as illustrated in Fig. 2 for distributions ( 203) and (204) along the axis of the quadrupole, which can be transferred to the radial distributions of the corresponding ions.
Как известно, сумма экспоненциальных кривых удовлетворяет конечно-разностному уравнению с постоянными коэффициентами или, другими словами, имеет место точный линейный прогноз последующих значений таких кривых по предыдущим, измеренным с некоторым (постоянным в данном случае) временным шагом. Определив коэффициенты такого прогноза, например, по методу наименьших квадратов, факторы затухания соответствующих экспонент могут быть определены нахождением корней характеристического полинома, как и для соответствующего дифференциального уравнения с постоянными коэффициентами. В этом случае может быть использована вычислительная процедура, описанная нами в [22], модифицированная блок-схема которой приведена на Фиг.7. Исходными данными для этой процедуры являются коэффициенты линейного прогноза и их число. Для определения этого числа в данном случае можно использовать естественное разделение наблюдаемых данных на частоте вращения исходных ионов. Это, во-первых, кривые, пропорциональные синусоидальному сигналу от самого вращающего напряжения, и кривые, сдвинутые по фазе от этого сигнала на π/2, которые обусловлены только вращающимися ионами. Во-вторых, это могут быть данные, снятые для различных пар соответственных электродов, например, (312)-(315) и (313)-(314). Вычислением Фурье-коэффициентов для этих двух синусоид (косинус- и синус-преобразования) для некоторой совокупности временных интервалов получаем массивы данных для прогноза. Последовательно увеличивая число коэффициентов такого прогноза, находим их по первому массиву, требуя минимума ошибки прогноза. Используя найденные коэффициенты, находим ошибку прогноза по второму массиву. Оставляем такое число коэффициентов прогноза N, которое обеспечивает минимум такой ошибки. Находим N уточненных коэффициентов по обоим совокупностям Фурье-коэффициентов {Ck}, требуя минимум средней ошибки прогноза по обоим массивам или по всем доступным данным, если реализуется многоканальная регистрация.As you know, the sum of the exponential curves satisfies the finite-difference equation with constant coefficients or, in other words, there is an exact linear forecast of the subsequent values of such curves from the previous ones measured with some (constant in this case) time step. Having determined the coefficients of such a forecast, for example, by the least squares method, the damping factors of the corresponding exponentials can be determined by finding the roots of the characteristic polynomial, as for the corresponding differential equation with constant coefficients. In this case, the computational procedure described by us in [22] can be used, the modified block diagram of which is shown in Fig. 7. The initial data for this procedure are the linear prediction coefficients and their number. To determine this number in this case, you can use the natural separation of the observed data at the frequency of rotation of the initial ions. Firstly, these are the curves proportional to the sinusoidal signal from the rotational voltage itself, and the curves shifted in phase from this signal by π / 2, which are caused only by rotating ions. Secondly, it can be data taken for various pairs of respective electrodes, for example, (312) - (315) and (313) - (314). By calculating the Fourier coefficients for these two sinusoids (cosine and sine transforms) for some set of time intervals, we obtain data sets for forecasting. Consistently increasing the number of coefficients of such a forecast, we find them in the first array, requiring a minimum of forecast errors. Using the found coefficients, we find the forecast error for the second array. We leave such a number of forecast coefficients N, which provides a minimum of such an error. We find N refined coefficients for both sets of Fourier coefficients {C k }, requiring a minimum of the average forecast error for both arrays or for all available data if multichannel registration is implemented.
Если записать условие точного прогноза для одной экспоненты exp(-t/τ) для равноотстоящих измерений с шагом Δt, то получится характеристическое уравнение, если ввести обозначение w=ехр(-Δt/τ):If we write down the condition for accurate prediction for one exponent exp (-t / τ) for equally spaced measurements with a step Δt, we obtain a characteristic equation if we introduce the notation w = exp (-Δt / τ):
Его корни (положительные числа, меньшие 1) равны факторам затухания всех экспонент, входящих в измеренные данные. Именно корни полинома с ограничениями находились с помощью процедуры, описанной нами в [22]. Процедура принимает во внимание погрешности измерения или вычисления коэффициентов полинома, сводя задачу к поиску минимума функций многих переменных, описывающую сумму квадратов расхождений этих коэффициентов с вычисленными их значениями через искомые корни. Для повышения точности нахождения такого минимума производится случайный выбор начальной точки спуска к минимуму, и полученные результаты поиска затем усредняются.Its roots (positive numbers less than 1) are equal to the damping factors of all the exponentials included in the measured data. It was the roots of the polynomial with constraints that were found using the procedure described by us in [22]. The procedure takes into account the errors of measurement or calculation of the coefficients of the polynomial, reducing the problem to finding the minimum of the functions of many variables, which describes the sum of the squares of the discrepancies of these coefficients with their calculated values through the desired roots. To increase the accuracy of finding such a minimum, a random choice of the initial descent point to a minimum is made, and the obtained search results are then averaged.
Можно, по-видимому, использовать стандартные процедуры нахождения корней полинома. Однако неточности в задании коэффициентов полинома могут привести к появлению корней, выходящих за допустимый диапазон, или даже комплексных. Как поступать в таких случаях, не совсем ясно. Лучше воспользоваться методом, где ограничения на искомые величины заложены с самого начала. При этом точность аппроксимации коэффициентов полинома через найденные корни при наличии оценок погрешности вычисления этих коэффициентов будет критерием адекватности полученных экспоненциальных факторов затухания.Apparently, standard procedures for finding the roots of a polynomial can be used. However, inaccuracies in setting the coefficients of the polynomial can lead to the appearance of roots that are outside the permissible range, or even complex. What to do in such cases is not entirely clear. It is better to use the method where the restrictions on the sought quantities are laid down from the very beginning. Moreover, the accuracy of the approximation of the coefficients of the polynomial through the found roots in the presence of estimates of the error in the calculation of these coefficients will be a criterion for the adequacy of the obtained exponential attenuation factors.
Зная эти факторы или характеристические времена затухания всех экспонент, входящих в сигнал, измеренный на частоте вращения ионов, близкой к резонансной, решением соответствующей системы нормальных уравнений можно найти вклады этих экспонент и найти сдвиги фаз по отношению к вращающему полю, сигнал от которого будет представлять незатухающую “экспоненту” с фактором «затухания», равным 1. Формула (415) позволяет по измеренному фазовому сдвигу φ (пересчитанному в сдвиг фаз между направлениями вращающего поля и средней линейной скорости ионов на данной частоте) определить характерное время релаксации скорости τν. Оно однозначно связывается с подвижностью ионов κ (416).Knowing these factors or the characteristic decay times of all the exponentials included in the signal measured at the ion rotation frequency close to the resonant one, by solving the corresponding system of normal equations, one can find the contributions of these exponentials and find phase shifts with respect to the rotating field, the signal from which will be undamped An “exponent” with a damping factor of 1. Formula (415) allows for the measured phase shift φ (converted to the phase shift between the directions of the rotating field and the average linear velocity and new at this frequency) to define the characteristic relaxation time τ ν speed. It is uniquely associated with the mobility of κ ions (416).
Если же резонансная частота ионов, гибнущих с некоторым найденным характерным временем, точно неизвестна, то можно проводить измерения одновременно для двух близких частот вращения. В этом случае, получив соответствующие сдвиги фаз, мы будем иметь два уравнения (415) с двумя неизвестными, из которых обе величины - резонансная частота и характерное время релаксации скорости данных ионов, могут быть найдены. Таким образом, если вращающиеся ионы значимо различаются по характерным временам их гибели, то их резонансные частоты и подвижности могут быть определены даже в случаях, когда соответствующие ионы не могут быть разрешены ни одним известным методом масс-анализа или разделения ионов по подвижности.If the resonant frequency of ions dying with some characteristic time found is not exactly known, then it is possible to carry out measurements simultaneously for two close rotation frequencies. In this case, having obtained the corresponding phase shifts, we will have two equations (415) with two unknowns, of which both the resonance frequency and the characteristic relaxation time of the velocity of these ions can be found. Thus, if rotating ions significantly differ in the characteristic times of their death, then their resonant frequencies and mobilities can be determined even in cases where the corresponding ions cannot be resolved by any known method of mass analysis or ion separation by mobility.
Еще одна возможность разделения сигналов от ионов с одним и тем же m/z, но различающихся по характеристическим временам их гибели или переноса из квадруполя в орто-ВПМС или в другой последующий масс-анализатор, получается на основе анализа всей совокупности многомерных данных, содержащих сигналы от этих ионов, в том числе масс-спектров ионов-продуктов, если они были при этом зарегистрированы. Регистрация наведенных сигналов на четырех парах введенных электродов (312)-(315), (313)-(314), (322)-(317) и (323)-(316) на двух частотах вращающих напряжений, используемых, как описано выше, для увода лишних ионов с данным m/z на стержни квадруполя после вычисления синус- и косинус-Фурье-преобразований дает шестнадцатимерную совокупность данных. Если число значимых типов ионов с данным m/z, описываемых различными экспонентами, не более 16, то в общем случае каждая из этих экспонент может быть получена как линейная комбинация этих данных, и на этом основан метод их выявления, который будет подробно описан ниже. При необходимости размерность данных может быть увеличена введением дополнительных вращающих полей. Их частоты должны быть сдвинуты относительно уже использованных частот. Измерение наведенных сигналов на каждой частоте увеличивает размерность данных на 8. При образовании ионов-продуктов столкновительно-индуцированной диссоциацией некоторые из этих дополнительных частот могут соответствовать и каким-то ионам-продуктам. Для нахождения этих частот может использоваться периодическое возбуждение свободных вращений ионов в заданном диапазоне частот и регистрация наведенных сигналов с их Фурье-преобразованием. При наличии ионов-продуктов сравнительно малых m/z эти ионы-продукты могут войти в область, близкую к газовой струе (5), и быть транспортированы в орто-ВПМС и зарегистрированы там. При совпадении периодичности этих измерений с измерениями наведенных сигналов и их Фурье-преобразованиями данные, полученные на орто-ВПМС, включаются в общую совокупность данных и могут быть проанализированы совместно.Another possibility of separating signals from ions with the same m / z, but differing in the characteristic times of their death or transfer from the quadrupole to the ortho-VPMS or to another subsequent mass analyzer, is obtained by analyzing the entire set of multidimensional data containing signals from these ions, including mass spectra of product ions, if they were recorded. Registration of induced signals on four pairs of introduced electrodes (312) - (315), (313) - (314), (322) - (317) and (323) - (316) at two frequencies of rotational voltages used as described above , to remove excess ions with a given m / z to the quadrupole rods after calculating the sine and cosine Fourier transforms, it gives a sixteen-dimensional data set. If the number of significant types of ions with a given m / z described by different exponents is not more than 16, then in the general case each of these exponents can be obtained as a linear combination of these data, and this is the basis for their detection, which will be described in detail below. If necessary, the data dimension can be increased by introducing additional rotating fields. Their frequencies should be shifted relative to the frequencies already used. Measurement of induced signals at each frequency increases the data dimension by 8. During the formation of product ions by collision-induced dissociation, some of these additional frequencies may correspond to some product ions. To find these frequencies, periodic excitation of free ion rotations in a given frequency range and registration of induced signals with their Fourier transform can be used. In the presence of product ions of relatively small m / z, these product ions can enter the region close to the gas stream (5) and be transported to the ortho-VMS and recorded there. If the frequency of these measurements coincides with the measurements of the induced signals and their Fourier transforms, the data obtained at the ortho-VPMS are included in the general data set and can be analyzed together.
Ионы с избранными значениями m/z и подвижности, начиная с меньших значений, могут быть придвинуты к выходной диафрагме (14) действием газового потока (5) путем уменьшения противополя (13) или увеличения фокусирующего радиочастотного поля Vrf. Внутри диафрагмы (14) может быть создано достаточно сильное поле, обеспечивающее образование ионов-фрагментов столкновительно-индуцированной диссоциации, которая в этом случае будет вызвана сильными в основном однократными столкновениями с атомами или молекулами газа. При вращении в квадруполе фрагментация ионов обусловлена разогревом ионов в результате многократных столкновений с атомами буферного газа, и эти оба фрагментарных масс-спектра могут нести взаимодополняющую информацию о структуре изучаемых соединений. Интенсивности ионов-фрагментов, последовательно зарегистрированные во втором случае в орто-ВПМС или в другом масс-анализаторе с некоторым шагом по времени, представляют собой многомерную совокупность данных, которая может быть также проанализирована рассматриваемым методом.Ions with selected values of m / z and mobility, starting from lower values, can be moved to the output diaphragm (14) by the action of a gas stream (5) by decreasing the counterfield (13) or increasing the focusing RF field V rf . A sufficiently strong field can be created inside the diaphragm (14), which ensures the formation of fragment ions of collision-induced dissociation, which in this case will be caused by strong, mostly single collisions with gas atoms or molecules. During rotation in a quadrupole, ion fragmentation is caused by ion heating as a result of repeated collisions with buffer gas atoms, and both of these fragmented mass spectra can carry complementary information on the structure of the compounds under study. The intensities of fragment ions, sequentially recorded in the second case in the ortho-VPMS or in another mass analyzer with a certain time step, are a multidimensional data set that can also be analyzed by the considered method.
Фиг.8 иллюстрирует идею такого анализа ионов. Здесь изображено изменение во времени t интенсивностей J трех гипотетических пиков масс-спектра накопленных ионов, входной поток которых остановлен. Один из этих пиков (800) с минимальным m/z, изображенный толстыми линиями, затухает относительно медленно по экспоненте (801) с характеристическим временем τ1. Другой - (803) с максимальным m/z, показанный тонкими линиями, экспоненциально исчезает значительно быстрее (804) с характеристическим временем τ2. Средний пик (805) является суммой двух первых пиков и составлен соответственно из двух линий - толстой и тонкой. Эти три пика соответствуют двум гипотетическим исходным ионам, исчезающим с характеристическими временами τ1, и τ2, дающим при фрагментации по два равновероятных иона-продукта, показанных толстыми и тонкими линиями соответственно. Эти три пика в последовательные равноотстоящие моменты времени с интервалом Δt (802) могут быть выражены друг через друга с помощью линейных выражений, которые в матричной форме выписаны в (806):Fig. 8 illustrates the idea of such an ion analysis. Here, the change in time t of the intensities J of three hypothetical peaks of the mass spectrum of the accumulated ions whose input stream is stopped is depicted. One of these peaks (800) with a minimum m / z, shown by thick lines, decays relatively slowly exponentially (801) with a characteristic time τ 1 . The other, (803) with a maximum m / z, shown by thin lines, exponentially disappears much faster (804) with a characteristic time τ 2 . The average peak (805) is the sum of the first two peaks and is composed respectively of two lines - thick and thin. These three peaks correspond to two hypothetical starting ions disappearing with characteristic times τ 1 and τ 2 , which, upon fragmentation, give two equally probable product ions, shown by thick and thin lines, respectively. These three peaks at consecutive equally spaced time instants with an interval Δt (802) can be expressed through each other using linear expressions, which are written in matrix form in (806):
В более общем случае следующие по времени интенсивности пиков масс-спектра записываются в виде произведения матрицы перехода Akl на вектор предыдущих интенсивностей - уравнение (807):In a more general case, the time-following intensities of the peaks of the mass spectrum are written as the product of the transition matrix A kl by the vector of previous intensities - equation (807):
Здесь l нумерует измеряемые масс-спектральные пики (полное число - n), k - задает номер исходных ионов (не больше n), распадающихся с различными характеристическими временами и дающих ионы-продукты, интенсивности которых образуют линейно независимую систему векторов. Матричные элементы матрицы перехода могут быть вычислены по методу наименьших квадратов из условия наилучшего в среднеквадратичном выполнения равенства (807) для всех моментов измерения. Для этого число зарегистрированных масс-спектров (моментов измерения) должно быть не меньше числа пиков масс-спектра (n). Решением проблемы собственных значений (808) для матрицы перехода находятся собственные векторы и собственные числа (809):Here l numbers the measured mass spectral peaks (the total number is n), k - sets the number of initial ions (no more than n), decaying with different characteristic times and producing product ions, the intensities of which form a linearly independent system of vectors. The matrix elements of the transition matrix can be calculated using the least squares method from the condition of the best in the mean-square fulfillment of equality (807) for all moments of measurement. For this, the number of recorded mass spectra (measurement times) should be no less than the number of peaks of the mass spectrum (n). By solving the eigenvalue problem (808) for the transition matrix, eigenvectors are found and eigenvalues (809):
Собственные векторы описывают распределения интенсивностей ионов-продуктов для каждого исходного иона, которому соответствует собственное число (809), являющееся экспоненциальным фактором затухания числа этих ионов. Так, например, для матрицы перехода в выражении (806) векторы с компонентами (1, 1, 0) и (0, 1, 1) являются собственными с собственными числами, равными первому exp(-Δt/τ1) и второму exp(-Δt/τ2) экспоненциальным факторам затухания. После того, как найдены число исходных ионов и экспоненциальные факторы затухания или релаксации соответствующих сигналов, могут быть вычислены вклады масс-спектров ионов-продуктов от этих исходных ионов во всех зарегистрированных отсчетах исходного масс-спектра в последовательные равноотстоящие моменты времени решением соответствующих систем линейных алгебраических уравнений, исходя из требования минимума среднеквадратичной ошибки приближения. Таким образом могут быть получены масс-спектры для каждого исходного иона, как в случае их полного разделения перед измерениями.The eigenvectors describe the intensity distributions of the product ions for each source ion, which corresponds to an eigenvalue (809), which is an exponential decay factor of the number of these ions. So, for example, for the transition matrix in expression (806), vectors with components (1, 1, 0) and (0, 1, 1) are eigenvalues with eigenvalues equal to the first exp (-Δt / τ 1 ) and the second exp ( −Δt / τ 2 ) exponential decay factors. After the number of initial ions and the exponential decay or relaxation factors of the corresponding signals are found, the contributions of the mass spectra of product ions from these initial ions in all recorded samples of the initial mass spectrum to successive equally spaced time instants can be calculated by solving the corresponding systems of linear algebraic equations based on the requirement of a minimum of the standard error of the approximation. In this way, mass spectra can be obtained for each source ion, as in the case of their complete separation before measurements.
Полученные нами экспериментальные данные, показанные на Фиг.9 и Фиг.10, подтверждают формирование плотной газовой струи аргона вблизи оси квадруполя (38) и фокусировку достаточно интенсивного потока ионов аргона вокруг этой оси, способного вызвать стратификацию ионов больших масс. Данные были получены для интерфейса, отличающегося от показанного на Фиг.1 отсутствием запирающей диафрагмы (19)-(14), конструкцией входной диафрагмы (8)-(9), однослойной в этом случае, с диаметром входного отверстия 3 мм, и обращенным расположением электродов (17), которые были использованы для формирования рассеивающего поля на выходе из квадруполя (10). Капилляр (2) имел диаметр 0,215 мм и длину 18 мм. Давление аргона в смеси с 2% ксенона в камере (3) составляло около 32 Торр. Остаточное давление газа в камере квадруполя ~1,1·10-4 Торр. Поток газа из капилляра (2) был равен ~ 12,6 см3Торр/сек. Данные были получены при отсутствии внутри квадруполя продольного электрического поля при движении подвижной щели (21) с шириной 1 мм. Шаг движения щели был 0,1 мм. Серии масс-спектров были зарегистрированы на орто-ВПМС, разработанном ранее нашей группой совместно с лабораторией Проф. Г.Вольника из Гиссенского университета, Германия.The experimental data we obtained, shown in Figs. 9 and 10, confirm the formation of a dense argon gas jet near the axis of the quadrupole (38) and the focusing of a sufficiently intense stream of argon ions around this axis, which can cause stratification of large mass ions. The data were obtained for an interface that differs from that shown in Fig. 1 by the absence of a locking diaphragm (19) - (14), the design of the input diaphragm (8) - (9), single-layer in this case, with an inlet diameter of 3 mm, and the inverse arrangement electrodes (17), which were used to form a scattering field at the exit of the quadrupole (10). The capillary (2) had a diameter of 0.215 mm and a length of 18 mm. The argon pressure in the mixture with 2% xenon in chamber (3) was about 32 Torr. The residual gas pressure in the quadrupole chamber is ~ 1.1 · 10 -4 Torr. The gas flow from the capillary (2) was equal to ~ 12.6 cm 3 Torr / s. The data were obtained in the absence of a longitudinal electric field inside the quadrupole during the movement of the movable gap (21) with a width of 1 mm. The pitch of the slit was 0.1 mm. A series of mass spectra were recorded on the ortho-VPMS, previously developed by our group together with the laboratory of Prof. G. Volnik from the University of Giessen, Germany.
На Фиг.9 квадратиками показаны зарегистрированные распределения ионных потоков для ксенона (901) (2% от аргона в потоке), изотопа аргона 36Ar (с долей ~0,3% от 40Ar) (903) и молекул азота N2 (902), основного «загрязнителя» используемого нами аргона. Непрерывные кривые - это результат частичной аппроксимации экспериментальных данных пробными функциями. Для легких ионов эти функции - результат свертки прямоугольной «аппаратной» функции щели и гауссовой кривой со стандартным отклонением 0,25 мм для 36Ar и 0,15 мм для N2. Ширина аппаратной функции щели при этом оказалась в два раза меньше реальной ширины щели - 0,5 мм. Распределение ионов ксенона (901) аппроксимировано более сложной функцией. Это результат свертки той же прямоугольной функции щели с шириной 0,5 мм с кольцевым гуссовским распределением с центром, сдвинутым относительно центра круглого отверстия диаметром 2 мм перед подвижной щелью. Радиус кольцевого распределения - 0,65 мм, стандартное отклонение - 0,1 мм, сдвиг по координате движения щели - 0,24 мм и в перпендикулярном направлении - 0,11 мм. Радиус обрезания ионов перед щелью вместо 1 мм оказался равным 0,85 мм.In Fig. 9, the squares show the registered ion flux distributions for xenon (901) (2% of the argon in the stream), the 36 Ar argon isotope (with a fraction of ~ 0.3% of 40 Ar) (903), and nitrogen molecules N 2 (902 ), the main “pollutant” of the argon we use. Continuous curves are the result of a partial approximation of experimental data by trial functions. For light ions, these functions are the result of the convolution of a rectangular “hardware” gap function and a Gaussian curve with a standard deviation of 0.25 mm for 36 Ar and 0.15 mm for N 2 . The width of the hardware function of the gap in this case turned out to be two times less than the actual width of the gap - 0.5 mm. The distribution of xenon ions (901) is approximated by a more complex function. This is the result of the convolution of the same rectangular function of a slit with a width of 0.5 mm with an annular Gussian distribution with the center shifted relative to the center of a circular hole with a diameter of 2 mm in front of the movable slit. The radius of the annular distribution is 0.65 mm, the standard deviation is 0.1 mm, the shift along the coordinate of movement of the slit is 0.24 mm and in the perpendicular direction is 0.11 mm. The ion cutting radius in front of the gap instead of 1 mm turned out to be 0.85 mm.
Двугорбовый вид распределения ионов ксенона, а также уменьшение эффективной ширины щели и радиуса коллимирующего отверстия перед щелью могут быть объяснены влиянием объемного заряда в основном ионов аргона, расталкивающего более тяжелые и слабее фокусирующиеся в квадруполе ионы ксенона и образующего отрицательные противозаряды на острых краях щели и коллимирующего отверстия. Проходя вблизи этих краев, положительные регистрируемые ионы испытывают достаточно большое отклонение от первоначальных траекторий и не попадают в дальнейшем в зону накопления времяпролетного масс-анализатора. Величина стандартного отклонения кольцевого распределения ионов ксенона (0,1 мм) приводит к оценке эффективной температуры ионов ксенона в 40К при использовании соотношений (107), (106) и (100). Эта оценка является подтверждением наличия достаточно плотного сверхзвукового потока газа вдоль оси квадруполя. Линейная плотность ионов аргона в конце квадруполя оказывается при этом около 100000 ионов/см, а радиус кольцевого распределения ионов ксенона в конце квадруполя - ~0,6 мм. Таким образом, увеличение радиуса этого распределения от 0,6 мм до 0,65 мм перед щелью (21) за счет влияния объемного заряда и дефокусирующего поля электродов после квадруполя оказалось менее 10%.The two-humped form of the distribution of xenon ions, as well as a decrease in the effective slit width and the radius of the collimating hole in front of the slit, can be explained by the influence of the space charge of mainly argon ions, which repels heavier and less focused xenon ions and forms negative countercharges at the sharp edges of the slit and collimating hole . Passing near these edges, the positive recorded ions experience a rather large deviation from the initial trajectories and do not subsequently fall into the accumulation zone of the time-of-flight mass analyzer. The standard deviation of the annular distribution of xenon ions (0.1 mm) leads to an estimate of the effective temperature of xenon ions at 40 K using relations (107), (106) and (100). This estimate confirms the presence of a sufficiently dense supersonic gas flow along the axis of the quadrupole. The linear density of argon ions at the end of the quadrupole turns out to be about 100,000 ions / cm, and the radius of the ring distribution of xenon ions at the end of the quadrupole is ~ 0.6 mm. Thus, an increase in the radius of this distribution from 0.6 mm to 0.65 mm in front of the gap (21) due to the influence of the space charge and the defocusing field of the electrodes after the quadrupole turned out to be less than 10%.
Наличие дополнительных пиков (904), справа от основных (901), (902) и (903), показанных отдельно на Фиг.10 (1001), по всей видимости, может быть приписано ионам внутри газовой струи (5), сдвинутой от оси квадруполя (38), как показано на Фиг.1 (39). Эти ионы, вероятно, получаются в результате перезарядки рассеивающихся ионов 40Ar+ после квадруполя на атомах ксенона Xe, 36Ar и молекулах азота N2 в струе (5). Эти три распределения не могут быть также приписаны ионам, образовавшимся до щели (21), т.к. даже если эффективная ширина этой щели около 0,5 мм (как в случае основных распределений этих же ионов (901), (902) и (903)), то наблюдаемые распределения (1001) должны быть заведомо шире, чем это есть на самом деле, поскольку стандартное отклонение аппаратной функции щели в этом случае будет около 0,15 мм, что весьма близко к стандартным отклонениям распределений (1001), но эти распределения достаточно далеки от прямоугольных функций, что было бы для очень узких распределений ионов перед щелью (21). Прохождение ионов, движущихся внутри струи газа, через щель (21) маловероятно также по причине наличия тормозящего электрического поля от электродов (17), которое ионы с кинетической энергией, близкой к тепловой, будет тормозить и с большой эффективностью не позволит им приблизиться к щели (21).The presence of additional peaks (904), to the right of the main (901), (902) and (903), shown separately in Fig. 10 (1001), most likely, can be attributed to ions inside the gas stream (5), shifted from the axis quadrupole (38), as shown in Figure 1 (39). These ions are likely to be obtained as a result of the charge exchange of scattering 40 Ar + ions after a quadrupole on Xe, 36 Ar xenon atoms and N 2 nitrogen molecules in a jet (5). These three distributions cannot also be attributed to ions formed before the gap (21), because even if the effective width of this gap is about 0.5 mm (as in the case of the main distributions of the same ions (901), (902) and (903)), then the observed distributions (1001) must be obviously wider than it actually is , since the standard deviation of the slot function in this case will be about 0.15 mm, which is very close to the standard deviations of the distributions (1001), but these distributions are quite far from rectangular functions, which would be for very narrow ion distributions in front of the gap (21) . The passage of ions moving inside the gas stream through the gap (21) is also unlikely due to the presence of a decelerating electric field from the electrodes (17), which will inhibit ions with kinetic energy close to thermal and will not allow them to approach the gap with high efficiency ( 21).
Возможный механизм образования и транспортировки ионов, образующих распределения (1001), проиллюстрирован на Фиг.11. Условно показаны исходные распределения ионов (1101) вне струи и распределения газа в струе (1102) перед подвижной щелью (21), острые кромки которой для сохранения нулевого потенциала щели при воздействии положительного объемного заряда ионов оказываются отрицательно заряженными. При движении в струе (5) атомы, например, ксенона (1103) вблизи верхней кромки щели (21) с исходным направлением, образующим небольшой отрицательный угол с направлением оси (1104) ионно-оптической системы, имеют шанс отклониться от своего начального направления (за счет поляризационного притяжения к заряженной кромке щели) так, чтобы двигаться вблизи оси (1104), получить заряд при перезарядке от иона аргона (1107) из распределения (1101), попасть внутрь приемной щели (1105) времяпролетного анализатора в виде иона (1108) и быть зарегистрированным там. Т.к. угол отклонения потока от оси (1104) около 0.0025 рад достаточно сообщить атому ксенона (с кинетической энергией ~0,12 эВ) энергию движения в ортогональном направлении около 1 µэВ, чтобы скомпенсировать этот угол. При существенном отклонении иона из струи от оси (1104) у него нет шансов попасть внутрь щели (1105) из-за относительно малой скорости такого иона (1106), совпадающей со скоростью газового потока. Его не пропустит электростатическая линза (1110)-(1111)-(1112) действием ее полей (1115), как это показано для иона ксенона (1109). В то же время ионы (1113) из распределения (1101), имеющие, как минимум, на порядок большую скорость (1114), чем скорость газового потока, могут быть сфокусированы линзой (1110)-(1111)-(1112) при значительных отклонениях от оси (1104), так что внутрь щели (1105) могут попасть все ионы из (1101), прошедшие через щель (21) без значительных отклонений от первоначального направления движения и сохранившие свой заряд в отличие от атома аргона (1116), получившегося из иона (1107), отдавшего свой заряд атому ксенона (1103).A possible mechanism for the formation and transport of ions forming a distribution (1001) is illustrated in FIG. 11. The initial distribution of ions (1101) outside the jet and the gas distribution in the jet (1102) in front of the movable gap (21), the sharp edges of which, to preserve the zero potential of the gap when exposed to a positive space charge of ions, are negatively charged, are conventionally shown. When moving in a jet (5), atoms, for example, xenon (1103) near the upper edge of the slit (21) with the initial direction forming a small negative angle with the direction of the axis (1104) of the ion-optical system, have a chance to deviate from their initial direction (beyond due to polarization attraction to the charged edge of the gap) so as to move near the axis (1104), get a charge when recharging from an argon ion (1107) from distribution (1101), get inside the receiving gap (1105) of a time-of-flight analyzer in the form of an ion (1108) and be registered there. Because the angle of deviation of the flow from the axis (1104) of about 0.0025 rad is enough to inform the xenon atom (with a kinetic energy of ~ 0.12 eV) the energy of motion in the orthogonal direction of about 1 µeV to compensate for this angle. With a significant deviation of the ion from the jet from the axis (1104), it has no chance of getting inside the gap (1105) due to the relatively low velocity of such an ion (1106), which coincides with the gas flow rate. He will not miss an electrostatic lens (1110) - (1111) - (1112) by the action of its fields (1115), as shown for the xenon ion (1109). At the same time, ions (1113) from the distribution (1101), which have at least an order of magnitude higher velocity (1114) than the velocity of the gas flow, can be focused by the lens (1110) - (1111) - (1112) with significant deviations from the axis (1104), so that inside the gap (1105) all ions from (1101) can pass through the gap (21) without significant deviations from the original direction of motion and retain their charge in contrast to the argon atom (1116) obtained from ion (1107), which gave its charge to the xenon atom (1103).
В принципе нижняя кромка щели (21) при достаточном смещении щели вверх от показанного на Фиг.11 положения может дать некоторый вклад в поток регистрируемых ионов из газового потока (5). Однако, поскольку это должен быть результат диффузного отражения ионов от поверхности этой нижней кромки, и отраженные ионы должны пройти значительную часть пути внутри потока (5), прошедшего выше рассматриваемой кромки, что может привести к их потере для регистрации, то величина потока таких регистрируемых ионов должна быть малой. По-видимому, наличием таких ионов можно объяснить небольшое превышение регистрируемым сигналом правых хвостов аппроксимационных кривых для распределений (902) и (903).In principle, the lower edge of the gap (21), if the gap is sufficiently displaced upward from the position shown in FIG. 11, can make some contribution to the stream of recorded ions from the gas stream (5). However, since this should be the result of diffuse reflection of ions from the surface of this lower edge, and the reflected ions must travel a significant part of the path inside the stream (5) that passed above the considered edge, which can lead to their loss for registration, the flux of such detected ions should be small. Apparently, the presence of such ions can explain the small excess of the approximation curves for the distributions (902) and (903) by the recorded signal of the right tails.
Наблюдаемые распределения ионов (1001), таким образом, могут быть представлены как произведения распределений соответствующих атомов или молекул в потоке (5) на распределения вероятностей образования соответствующих ионов из них с направлением их движения, приводящим к прохождению через щель (1105). Если считать второе распределение независящим от плотности соответствующих ионов или исходных атомов и молекул в потоке (5) и пропорциональным такому же распределению для других ионов, образующихся по аналогичному механизму, то отношение наблюдаемых распределений таких ионов будет характеризовать сам поток и не зависеть от условий образования и транспортировки ионов. Имея в виду такую возможность, отношения распределений ионов ксенона к распределениям ионов азота и ионов 36Ar+ были вычислены и представлены справа на Фиг.10 (1002). Так как ионы 36Ar+ в отличие от ионов ксенона имеют возможность потерять свой заряд в результате резонансной перезарядки на атомах аргона, то соответствующее отношение (1002), показанное пунктиром, по всей видимости, интереса не представляет. В то же время отношение распределений ионов ксенона и азота (сплошная линия) демонстрирует качественную близость к гауссовой кривой со стандартным отклонением около 0,15 мм. Т.к. распределение ионов азота должно убывать при отклонении от оси потока, то полученное стандартное отклонение отношения распределений должно быть оценкой сверху стандартного отклонения распределения ионов ксенона. Образование гауссова распределения в принципе может быть как результатом свободно молекулярного расширения газа в струе (5), так и результатом диффузионного процесса. В первом случае стандартное отклонение такого распределения будет пропорционально среднеквадратичной скорости газа в направлении, перпендикулярном оси потока, во втором - корню квадратному из коэффициента диффузии. Отношение относительно узкого гауссова распределения к более широкому будет также гауссовым распределением. Для свободно-молекулярного расширения отношение распределения для ксенона к распределению для азота будет соответствовать распределению частиц с массой около 100 единиц, равной разности молекулярных масс ксенона и азота. В этом случае уширение такого газа, как аргон будет больше, чем ксенона, пропорционально корню квадратному из отношения атомных масс. В диффузионном случае главная часть уширения будет пропорциональна корню квадратному из отношения коэффициентов диффузии. Во обоих случаях это увеличение будет менее чем двукратным (коэффициенты дифузии аргона и ксенона в аргоне отличаются не более чем на 30%). Таким образом, можно считать, что величина 0,3 мм является оценкой сверху стандартного отклонения распределения плотности газа в потоке (5) в этих двух возможных случаях.The observed distribution of ions (1001), therefore, can be represented as the product of the distributions of the corresponding atoms or molecules in the stream (5) by the probability distributions of the formation of the corresponding ions from them with the direction of their movement, leading to the passage through the gap (1105). If we assume that the second distribution is independent of the density of the corresponding ions or of the starting atoms and molecules in the flow (5) and is proportional to the same distribution for other ions formed by a similar mechanism, then the ratio of the observed distributions of such ions will characterize the flow itself and will not depend on the conditions of formation and ion transport. Bearing in mind this possibility, the ratios of the distributions of xenon ions to the distributions of nitrogen ions and 36 Ar + ions were calculated and presented on the right in FIG. 10 (1002). Since 36 Ar + ions, in contrast to xenon ions, are able to lose their charge as a result of resonant charge exchange on argon atoms, the corresponding ratio (1002) shown by the dashed line is apparently of no interest. At the same time, the ratio of the distributions of xenon and nitrogen ions (solid line) demonstrates a qualitative proximity to the Gaussian curve with a standard deviation of about 0.15 mm. Because Since the distribution of nitrogen ions should decrease with a deviation from the flow axis, the obtained standard deviation of the distribution ratio should be an estimate from above of the standard deviation of the distribution of xenon ions. The formation of a Gaussian distribution, in principle, can be either the result of free molecular expansion of the gas in the jet (5), or the result of a diffusion process. In the first case, the standard deviation of such a distribution will be proportional to the rms velocity of the gas in the direction perpendicular to the axis of the flow, in the second, the square root of the diffusion coefficient. The ratio of a relatively narrow Gaussian distribution to a wider one will also be a Gaussian distribution. For free-molecular expansion, the ratio of the distribution for xenon to the distribution for nitrogen will correspond to a distribution of particles with a mass of about 100 units equal to the difference in molecular weights of xenon and nitrogen. In this case, the broadening of a gas such as argon will be larger than xenon, proportional to the square root of the ratio of atomic masses. In the diffusion case, the main part of the broadening will be proportional to the square root of the ratio of the diffusion coefficients. In both cases, this increase will be less than twofold (the diffusion coefficients of argon and xenon in argon differ by no more than 30%). Thus, we can assume that the value of 0.3 mm is an upper estimate of the standard deviation of the distribution of gas density in the stream (5) in these two possible cases.
Claims (21)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010120164/07A RU2420826C1 (en) | 2010-05-20 | 2010-05-20 | Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010120164/07A RU2420826C1 (en) | 2010-05-20 | 2010-05-20 | Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2420826C1 true RU2420826C1 (en) | 2011-06-10 |
Family
ID=44736784
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010120164/07A RU2420826C1 (en) | 2010-05-20 | 2010-05-20 | Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2420826C1 (en) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474917C1 (en) * | 2011-07-12 | 2013-02-10 | Валерий Владиславович Разников | Method of separating ions of organic and bioorganic compounds in ion rotation-averaged electric field of sectioned cylindrical cell |
RU2502152C2 (en) * | 2012-02-08 | 2013-12-20 | Федеральное Государственное бюджетное учреждение науки Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики | Method of analysing mixtures of chemical compounds based on separation of ions of said compounds in linear radio frequency trap |
RU2504044C2 (en) * | 2012-04-19 | 2014-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Cyclic mass-spectrometer of gas particles |
RU2529009C2 (en) * | 2012-12-21 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики (ИНЭПХФ РАН) | Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation |
RU2542723C2 (en) * | 2013-07-22 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method for mass analysis with fourier transform |
RU2557009C2 (en) * | 2013-06-04 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform |
RU2576673C2 (en) * | 2014-08-06 | 2016-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук | Method for analysing admixtures in gas mixtures in their passing in form of extra-axial supersonic gas stream through source of electronic ionisation and radio-frequency quadrupole with following output of ions into mass-analyser |
RU2601294C2 (en) * | 2015-03-26 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе | Method of analyzing impurities in liquids in infiltration through track membrane with formation and transportation of analyzed ions through linear radio frequency trap into mass analyzer when exposed to supersonic gas stream with possible content of metastable atoms in it |
RU2795643C1 (en) * | 2022-04-04 | 2023-05-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Method for studying vortex flows of multicomponent gas mixtures and devices for its implementation |
-
2010
- 2010-05-20 RU RU2010120164/07A patent/RU2420826C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2474917C1 (en) * | 2011-07-12 | 2013-02-10 | Валерий Владиславович Разников | Method of separating ions of organic and bioorganic compounds in ion rotation-averaged electric field of sectioned cylindrical cell |
RU2502152C2 (en) * | 2012-02-08 | 2013-12-20 | Федеральное Государственное бюджетное учреждение науки Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики | Method of analysing mixtures of chemical compounds based on separation of ions of said compounds in linear radio frequency trap |
RU2504044C2 (en) * | 2012-04-19 | 2014-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) | Cyclic mass-spectrometer of gas particles |
RU2529009C2 (en) * | 2012-12-21 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики (ИНЭПХФ РАН) | Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation |
RU2557009C2 (en) * | 2013-06-04 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform |
RU2542723C2 (en) * | 2013-07-22 | 2015-02-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Method for mass analysis with fourier transform |
RU2576673C2 (en) * | 2014-08-06 | 2016-03-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук | Method for analysing admixtures in gas mixtures in their passing in form of extra-axial supersonic gas stream through source of electronic ionisation and radio-frequency quadrupole with following output of ions into mass-analyser |
RU2601294C2 (en) * | 2015-03-26 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе | Method of analyzing impurities in liquids in infiltration through track membrane with formation and transportation of analyzed ions through linear radio frequency trap into mass analyzer when exposed to supersonic gas stream with possible content of metastable atoms in it |
RU2795643C1 (en) * | 2022-04-04 | 2023-05-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" | Method for studying vortex flows of multicomponent gas mixtures and devices for its implementation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2420826C1 (en) | Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap | |
US7078679B2 (en) | Inductive detection for mass spectrometry | |
Plaß et al. | Multiple-reflection time-of-flight mass spectrometry | |
US8115167B2 (en) | Multi-beam ion mobility time-of-flight mass spectrometry with multi-channel data recording | |
AU2001271956B2 (en) | Ion separation instrument | |
JP3219434B2 (en) | Tandem mass spectrometry system | |
US6452168B1 (en) | Apparatus and methods for continuous beam fourier transform mass spectrometry | |
JP5303273B2 (en) | Method and apparatus for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry | |
US7087897B2 (en) | Mass spectrometer | |
US20080185513A1 (en) | Method of multiplexed analysis using ion mobility spectrometer | |
Schneider et al. | Laser-cooling-assisted mass spectrometry | |
Belov et al. | Electrospray ionization-Fourier transform ion cyclotron mass spectrometry using ion preselection and external accumulation for ultrahigh sensitivity | |
Wollnik | History of mass measurements in time-of-flight mass analyzers | |
Toyoda | Development of multi-turn time-of-flight mass spectrometers and their applications | |
RU2402099C1 (en) | Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds based on mass-spectrometric and kinetic separation of ions of said compounds | |
US6759651B1 (en) | Ion guides for mass spectrometry | |
Fuke et al. | Design and development of a novel nuclear magnetic resonance detection for the gas phase ions by magnetic resonance acceleration technique | |
RU2468464C1 (en) | Method of separating ions of organic and bioorganic compounds based on ion mobility increment and transportation of said ions inside supersonic gas stream | |
Calvete | The expanding universe of mass analyzer configurations for biological analysis | |
RU2601294C2 (en) | Method of analyzing impurities in liquids in infiltration through track membrane with formation and transportation of analyzed ions through linear radio frequency trap into mass analyzer when exposed to supersonic gas stream with possible content of metastable atoms in it | |
Wanczek et al. | FT‐ICR mass spectrometry: Superconducting magnet, external ion source, ion–molecule reactions, and ion–ion traps | |
RU2474917C1 (en) | Method of separating ions of organic and bioorganic compounds in ion rotation-averaged electric field of sectioned cylindrical cell | |
JP2005514737A (en) | Simultaneous acquisition of chemical information | |
EP3889595B1 (en) | Counterflow uniform-field ion mobility spectrometer | |
Berthias et al. | Measurement of the velocity of neutral fragments by the “correlated ion and neutral time of flight” method combined with “velocity-map imaging” |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190521 |