RU2557009C2 - Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform - Google Patents
Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform Download PDFInfo
- Publication number
- RU2557009C2 RU2557009C2 RU2013125912/07A RU2013125912A RU2557009C2 RU 2557009 C2 RU2557009 C2 RU 2557009C2 RU 2013125912/07 A RU2013125912/07 A RU 2013125912/07A RU 2013125912 A RU2013125912 A RU 2013125912A RU 2557009 C2 RU2557009 C2 RU 2557009C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- electrode
- along
- frequency
- fourier transform
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области масс-анализа вещества высокого разрешения и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик масс-спектрометрических приборов с преобразованием Фурье. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции, улучшении масс-габаритных и коммерческих параметров масс-спектрометров с преобразованием Фурье. Известными приборами такого типа являются масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса (FT-ICR) [1] и и электростатические ионные ловушки «Orbitrap» [2]. Масс-спектрометрия FT-ICR и Orbitrap благодаря высокому разрешению и точности определения масс является одним из наиболее быстро развивающихся методов анализа химических и биологических веществ. Однако из-за высокой стоимости приборов, а для FT-ICR также стоимости технического обслуживания, возможности широкого применения масс-спектрометров с преобразованием Фурье ограничены. Предлагаемые способ и устройство позволяют создать масс-спектрометры с преобразованием Фурье со всеми достоинствами, присущими данному классу приборов, доступные широкому потребителю.The invention relates to the field of mass analysis of high-resolution substances and can be used to improve the analytical and commercial characteristics of Fourier transform mass spectrometric devices. The technical task of the invention is to improve the design, improve the mass-dimensional and commercial parameters of mass spectrometers with Fourier transform. Known devices of this type are ion-cyclotron resonance mass spectrometers (FT-ICR) [1] and Orbitrap electrostatic ion traps [2]. FT-ICR and Orbitrap mass spectrometry is one of the fastest growing methods for the analysis of chemical and biological substances due to its high resolution and accuracy of mass determination. However, due to the high cost of the instruments, and for the FT-ICR also the cost of maintenance, the possibilities of widespread use of Fourier transform mass spectrometers are limited. The proposed method and device allows you to create mass spectrometers with Fourier transform with all the advantages inherent in this class of devices, accessible to a wide consumer.
Предлагаемый способ масс-разделения ионов по удельному заряду z=e/m, где e и m - заряд и масса ионов, состоит в вводе в анализатор с размерами электродной системы xa, 2ya, za по осям X, Y, Z и создании в его рабочей области 0≤x<xa, |y|≤0.25ya, xa≤z<za-xa под действием суперпозиции двух электрических полей - однородного статического и двухмерного линейного высокочастотного (ВЧ). , где и - единичные по осям X и Y вектора, Em, ω, φ - амплитуда, частота и начальная фаза ВЧ поля, режима колебаний ионов по осям X и Y, близким к гармоническим, причем по оси X смещенным на величину xc>xm The proposed method for mass separation of ions by specific charge z = e / m, where e and m are the charge and mass of ions, consists of entering into the analyzer with the dimensions of the electrode system x a , 2y a , z a along the axes X, Y, Z and creating in his work area 0≤x <x a , | y | ≤0.25y a , x a ≤z <z a -x a under the action of a superposition of two electric fields - a uniform static and two-dimensional linear high-frequency (HF). where and are the unit vectors along the X and Y axes, E m , ω, φ are the amplitude, frequency, and initial phase of the RF field, the mode of ion vibrations along the X and Y axes, which are close to harmonic, and along the X axis shifted by x c > x m
где xm<xa/2, ym<0.25ya, φx, φy - начальные фазы, зависящие от начальных параметров ионов и ВЧ поля, Ω - секулярная частота колебаний, пропорциональная удельному заряду ионов. Спектр масс ионов, соответствующий спектру частот Ω их колебаний по оси X, находится путем преобразования Фурье, наведенного на заземленной по ВЧ поверхности, расположенной в плоскости x=0.where x m <x a / 2, y m <0.25y a , φ x , φ y are the initial phases, which depend on the initial parameters of the ions and the rf field, Ω is the secular oscillation frequency proportional to the specific ion charge. The ion mass spectrum corresponding to the frequency spectrum Ω of their oscillations along the X axis is found by the Fourier transform induced on the ground plane along the HF surface located in the x = 0 plane.
Известно [3], что близкие к гармоническим по осям X и Y колебания ионовIt is known [3] that ion vibrations close to harmonic along the X and Y axes
могут совершаться в двухмерном линейном ВЧ поле квадрупольного анализатора. Но так как на всех электродах квадрупольного анализатора действуют ВЧ потенциалы высокого уровня, выделение наведенных на них от малого количества ионов токов с высоким отношением сигнал/помеха практически невозможно. В предлагаемом способе на двухмерное линейное ВЧ электрическое поле накладывается однородное статическое электрическое поле , которое смещает колебания ионов по оси X, происходящие под действием ВЧ поля, на величинуcan be performed in a two-dimensional linear RF field of a quadrupole analyzer. But since high-level RF potentials act on all the electrodes of the quadrupole analyzer, it is almost impossible to isolate the currents induced from them by a small number of current ions with a high signal / noise ratio. In the proposed method for a two-dimensional linear HF electric field a uniform static electric field is applied , which shifts the oscillations of ions along the X axis, occurring under the influence of an rf field, by
где Un - псевдопотенциал линейного ВЧ электрического поля [4], r0 - геометрический параметр квадрупольного анализатора.where U n is the pseudopotential of the linear HF electric field [4], r 0 is the geometric parameter of the quadrupole analyzer.
Если с помощью статического однородного поля величину смещения установить больше амплитуды xc>xm, тогда колебания ионов под действием ВЧ поля будут происходить в полупространстве х>0 (Фиг.1).If using a static uniform field the bias value is set to be greater than the amplitude x c > x m , then the oscillations of the ions under the influence of the RF field will occur in the half-space x> 0 (Figure 1).
Полю соответствует пространственное распределение ВЧ потенциала в плоскости XOYTo the field corresponds to the spatial distribution of the RF potential in the XOY plane
Из (4) следует, что на границе x=0 полупространства x≥0 ВЧ потенциал φ(0, y)=0. С учетом этого для преобразования колебаний ионов по оси X в наведенные токи в плоскости x=0 установлен заземленный по ВЧ электрод 1 (Фиг.1). Так как ВЧ потенциал электрода 1 равен нулю, упрощается задача разделения наведенных колебаниями ионов с частотами Ω=βω/2 токов (параметр β<0.63) и помехи от ВЧ поля с частотой ω. Ввод ионов в рабочий объем анализатора происходит от внешнего источника, формирующего в плоскости x=0 импульсный, длительностью tn<π/2ω пакет ионов с координатами |y|<h/2, 0.2za<z<0.8za, начальными скоростями ν0 и углами влета |α|<90°.From (4) it follows that on the boundary x = 0 of the half-space x≥0, the HF potential is φ (0, y) = 0. With this in mind, to convert ion vibrations along the X axis into induced currents in the x = 0 plane, a grounded
Для вывода ионов на траектории, близкие к эллиптическим, с центром в точке (xc, 0) (Фиг.1), статическое поле, начиная с момента ввода ионов t=0, изменяется по экспоненциальному закону E(t)=E0(1-e-t/τ), где постоянную времени τ выбирают в зависимости от диапазона масс анализируемых ионов. Через время t>3τ после ввода устанавливается режим периодических по осям X и Y колебаний ионов, основными компонентами которых являются гармонические составляющие с частотами Ω, пропорциональными удельным зарядам ионов.To bring ions to trajectories close to elliptical, centered at the point (x c , 0) (Figure 1), the static field, starting from the moment of input of ions t = 0, changes exponentially E (t) = E 0 ( 1-e -t / τ ), where the time constant τ is chosen depending on the mass range of the analyzed ions. After a time t> 3τ after input, the regime of ion oscillations periodic along the X and Y axes is established, the main components of which are harmonic components with frequencies Ω proportional to the specific charges of ions.
Образование суперпозиции статического однородного и ВЧ двухмерного линейного электрических полей и преобразование колебаний ионов в наведенные токи в предлагаемом устройстве осуществляется с помощью электродной системы, изображенной на Фиг.2. Устройство с размерами xa, 2ya, za по осям X, Y, X и с рабочим объемом 0≤x<xa, |y|≤0.25ya, xa≤z<za-xa состоит из электродов 4 и 5 в плоскостях x=0 и x=xa прямоугольной формы с координатами вершин (ya, 0), (ya, za), (-ya, za), (-ya, 0), первый из которых сплошной, заземленный по высокой частоте, с щелью высотой h<<ya по оси Y и шириной zщ<za по оси Z, а второй дискретный, составленный из равномерно с шагом Δy<<ya распределенных по оси Y проводящих полосок шириной Δy-s, где s<<Δy - промежуток между соседними полосками, и двух сплошных электродов 6 и 7 в плоскостях z=0 и z=za прямоугольной формы с координатами вершин (0, ya), (xa, ya) (xa, -ya), (0, -ya). На проводящих полосках дискретного электрода 5 устанавливают пропорциональные их номеру i высокочастотные напряжения ui=i·ΔVcos(ωt), где i=-n, …, -1, 0, 1, …, n - номера полосок, 2n+1 - число полосок электрода 5, ΔV=V/n, ω - частота ВЧ напряжения. По постоянному току полоски заземлены. На электроде 4 после процесса ввода ионов устанавливается постоянное напряжения U0, образующее однородное электрическое поле, направленное параллельно оси X, с напряженностью E0=U0/xa. Под действием напряжений ui=i·ΔVcos(ωt), линейно распределенных на полосках дискретного электрода 5, в рабочем объеме образуется двухмерное линейное ВЧ электрическое поле с проекциями напряженности на осях X и YThe formation of a superposition of static homogeneous and HF two-dimensional linear electric fields and the conversion of ion vibrations into induced currents in the proposed device is carried out using the electrode system shown in Fig.2. X devicea2yaza along the axes X, Y, X and with a working volume of 0≤x <xa, | y | ≤0.25ya, xa≤z <za-xa consists of electrodes 4 and 5 in the planes x = 0 and x = xa rectangular shape with vertex coordinates (ya, 0), (yaza), (-yaza), (-ya, 0), the first of which is solid, grounded at a high frequency, with a slot of height h << ya along the y axis and width zu<za along the Z axis, and the second discrete, composed of uniformly with a step Δy << ya Δy-s conductive strips distributed along the Y axis, where s << Δy is the gap between adjacent strips and two solid electrodes 6 and 7 in the planes z = 0 and z = za rectangular with vertex coordinates (0, ya), (xa, ya) (xa, -ya), (0, -ya) On the conductive strips of the discrete electrode 5 set high-frequency voltage u proportional to their number ii= i · ΔVcos (ωt), where i = -n, ..., -1, 0, 1, ..., n are the numbers of strips, 2n + 1 is the number of strips of electrode 5, ΔV = V / n, ω is the frequency of the RF voltage . By direct current, the strips are grounded. On the electrode 4, after the ion input process, a constant voltage U0forming a homogeneous electric field directed parallel to the X axis with intensity E0= U0/ xa. Under the action of stresses ui= i · ΔVcos (ωt) linearly distributed on the strips of the discrete electrode 5, a two-dimensional linear HF electric field is formed in the working volume with the projections of the strength on the X and Y axes
В образовавшейся в рабочем объеме суперпозиции электрических полей ионы совершают по осям X и Y периодические колебания, секулярные составляющие которых описываются выражениями (1). По оси Z в рабочей области поле отсутствует и ионы дрейфуют с тепловыми скоростями vTz. Для удержания ионов в рабочем объеме в плоскостях z=0 и z=za установлены электроды 6 и 7 с положительным запирающим потенциалом Uз.In the superposition of electric fields formed in the working volume, ions perform periodic oscillations along the X and Y axes, the secular components of which are described by expressions (1). There is no field along the Z axis in the working region and ions drift with thermal velocities v Tz . To hold ions in the working volume in the planes z = 0 and z = z a , electrodes 6 and 7 are installed with a positive locking potential U s .
Ввод ионов в рабочий объем анализатора осуществляется через щель 8 в электроде 4 (Фиг.2). Во время ввода ионов, начиная с момента t=0 начала цикла масс-анализа, подают на электрод 4 экспоненциально нарастающее напряжение U=U0(1-e-t/τ), где τ≥2π/ω, под действием которого ускоренные в источнике импульсным пакетом ионы переводятся на периодические, близкие к эллиптическим траекториям 3 (Фиг.1). При достижении однородным полем установившегося значения E0 колебания приобретают периодический характер с центром в точке (xc, 0) и периодом TΩ=2π/Ω, где , , .The input of ions into the working volume of the analyzer is carried out through a slot 8 in the electrode 4 (Figure 2). During ion input, starting from the moment t = 0 of the beginning of the mass analysis cycle, an exponentially increasing voltage U = U 0 (1-e -t / τ ), where τ≥2π / ω, under which accelerated the source of the pulse packet of the ions are transferred to periodic, close to elliptical trajectories 3 (Figure 1). When the uniform field reaches a steady-state value of E 0, the oscillations become periodic in nature with the center at the point (x c , 0) and the period T Ω = 2π / Ω, where , , .
Колебания ионов по оси X наводят на электроде 4 токи, основные компоненты которых являются гармоническими функциями с частотами ΩOscillations of ions along the X axis induce 4 currents on the electrode, the main components of which are harmonic functions with frequencies Ω
где N - число ионов с массой m. По наведенным токам после их преобразования в напряжение и усиления вычисляют с помощью процедуры преобразования Фурье спектр масс анализируемых ионов.where N is the number of ions with mass m. From the induced currents after their conversion to voltage and amplification, the mass spectrum of the analyzed ions is calculated using the Fourier transform procedure.
Способ и устройство, основанные на образовании суперпозиции статического однородного и радиочастотного двухмерного линейных электрических полей и создании режима периодических колебаний ионов, позволяют существенно улучшить конструктивные, масс-габаритные и коммерческие характеристики масс-спектрометров с преобразованием Фурье.The method and device based on the formation of a superposition of a static homogeneous and radio-frequency two-dimensional linear electric fields and the creation of a periodic ion oscillation regime can significantly improve the design, mass-dimensional and commercial characteristics of Fourier transform mass spectrometers.
ЛитератураLiterature
1. A.G. Marshall, C.L. Hendrickson and G.S. Jackson, «Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer» // Mass spectrum. Rev. 17, 1998, p.1-35.1. A.G. Marshall, C.L. Hendrickson and G.S. Jackson, “Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer” // Mass spectrum. Rev. 17, 1998, p. 1-35.
2. Makarov A.A. U.S. Patent 5.886.346 1999.2. Makarov A.A. U.S. Patent 5.886.346 1999.
3. E.B. Мамонтов, Д.В. Кирюшин // ЖТФ, 2012, т 82, вып.9, с.63-68.3. E.B. Mamontov, D.V. Kiryushin // ZhTF, 2012, t 82, issue 9, p. 63-68.
4. Р.Н Dawson. Quadrapole Mass Spectrometry and its Applications. American Institute of Physics, New York, 1995.4. R.H. Dawson. Quadrapole Mass Spectrometry and its Applications. American Institute of Physics, New York, 1995.
Фиг.1 - Траектории ионов с начальными координатами x0=0, |y0|<h/2, скоростями ν в суперпозиции постоянного однородного и ВЧ двухмерного линейного электрических полей. 1 - заземленная по ВЧ поверхность с щелью 2 для ввода ионов, 3 - траектория ионов.Figure 1 - Trajectories of ions with initial coordinates x 0 = 0, | y 0 | <h / 2, velocities ν in a superposition of constant uniform and treble two-dimensional linear electric fields. 1 - RF ground plane with a
Фиг.2 - Электродная система для образования суперпозиции постоянного однородного и ВЧ линейного по координатам x и y электрических полей.Figure 2 - The electrode system for the formation of a superposition of a constant homogeneous and HF linear in x and y coordinates of the electric fields.
1 - заземленный по ВЧ электрод, 2 - дискретный электрод из проводящих полосок, 3, 4 - запирающие электроды, 5 - щель для ввода ионов.1 - grounded by high-frequency electrode, 2 - discrete electrode of conductive strips, 3, 4 - locking electrodes, 5 - slot for inputting ions.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013125912/07A RU2557009C2 (en) | 2013-06-04 | 2013-06-04 | Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013125912/07A RU2557009C2 (en) | 2013-06-04 | 2013-06-04 | Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013125912A RU2013125912A (en) | 2014-12-10 |
RU2557009C2 true RU2557009C2 (en) | 2015-07-20 |
Family
ID=53381448
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013125912/07A RU2557009C2 (en) | 2013-06-04 | 2013-06-04 | Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2557009C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5886346A (en) * | 1995-03-31 | 1999-03-23 | Hd Technologies Limited | Mass spectrometer |
JP2010531038A (en) * | 2007-06-22 | 2010-09-16 | 株式会社島津製作所 | Multiple reflection ion optical device |
RU2420826C1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-06-10 | Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН Российской Федерации | 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 |
WO2012092457A1 (en) * | 2010-12-29 | 2012-07-05 | Leco Corporation | Electrostatic trap mass spectrometer with improved ion injection |
WO2012152949A1 (en) * | 2011-05-12 | 2012-11-15 | Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh | Ion detection |
-
2013
- 2013-06-04 RU RU2013125912/07A patent/RU2557009C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5886346A (en) * | 1995-03-31 | 1999-03-23 | Hd Technologies Limited | Mass spectrometer |
JP2010531038A (en) * | 2007-06-22 | 2010-09-16 | 株式会社島津製作所 | Multiple reflection ion optical device |
RU2420826C1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-06-10 | Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН Российской Федерации | 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 |
WO2012092457A1 (en) * | 2010-12-29 | 2012-07-05 | Leco Corporation | Electrostatic trap mass spectrometer with improved ion injection |
WO2012152949A1 (en) * | 2011-05-12 | 2012-11-15 | Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh | Ion detection |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Marshall A.G., Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: a primer, Mass spectrum. Rev. 17, 1998, c.1-35 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013125912A (en) | 2014-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Blaum et al. | Properties and performance of a quadrupole mass filter used for resonance ionization mass spectrometry | |
US9190254B1 (en) | Ion trap mass analyzer apparatus, methods, and systems utilizing one or more multiple potential ion guide (MPIG) electrodes | |
US6521887B1 (en) | Time-of-flight ion mass spectrograph | |
US9299546B2 (en) | Methods for acquiring and evaluating mass spectra in fourier transform mass spectrometers | |
Brustkern et al. | An electrically compensated trap designed to eighth order for FT-ICR mass spectrometry | |
Remes et al. | Insight into the resonance ejection process during mass analysis through simulations for improved linear quadrupole ion trap mass spectrometer performance | |
Makarov et al. | Fundamentals of Orbitrap analyzer | |
RU2634614C1 (en) | Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation | |
US10332736B2 (en) | Mass spectrometer with ion frequency selection | |
Nagornov et al. | Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry at the true cyclotron frequency | |
RU2683018C1 (en) | Method of mass analysis of ions in quadrupolar high-frequency fields with dipole excitation of oscillations on borders of stability | |
RU2327245C2 (en) | Mass selective device and analysis method for drift time of ions | |
RU2557009C2 (en) | Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform | |
Plass | Theory of dipolar dc excitation and dc tomography in the rf quadrupole ion trap | |
Agarwal et al. | A review on analyzers for mass spectrometry | |
US10685827B2 (en) | Quadrupole ion trap apparatus and quadrupole mass spectrometer | |
RU2293396C1 (en) | Method and device for separating charged particles by their specific charge | |
RU2398308C1 (en) | Method for mass-separation of ions based on time of flight and device for realising said method | |
US8304715B2 (en) | Ion cyclotron resonance mass spectrometer system and a method of operating the same | |
Medhe | Mass Spectrometry: Analysers an Important Tool | |
JP2012216527A (en) | Mass spectrometer | |
Remes et al. | Re-print of “insight into the resonance ejection process during mass analysis through simulations for improved linear quadrupole ion trap mass spectrometer performance” | |
RU2444083C2 (en) | Method for time-of-flight separation of ions according to mass and device for realising said method | |
Nikolaev et al. | Influences of non-neutral plasma effects on analytical characteristics of the top instruments in mass spectrometry for biological research | |
Mamontov et al. | A radio-frequency time-of-flight mass analyzer of ions with planar discrete electrodes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160605 |