RU2634614C1 - Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation - Google Patents

Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2634614C1
RU2634614C1 RU2016149722A RU2016149722A RU2634614C1 RU 2634614 C1 RU2634614 C1 RU 2634614C1 RU 2016149722 A RU2016149722 A RU 2016149722A RU 2016149722 A RU2016149722 A RU 2016149722A RU 2634614 C1 RU2634614 C1 RU 2634614C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
field
quadrupole
along
axis
ion
Prior art date
Application number
RU2016149722A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Васильевич Мамонтов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority to RU2016149722A priority Critical patent/RU2634614C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2634614C1 publication Critical patent/RU2634614C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/28Static spectrometers
    • H01J49/32Static spectrometers using double focusing

Landscapes

  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method of mass-analysis is the impact on the oscillations of ions in a quadrupole HF field by a homogeneous exciting field directed along one of the asymptotes of the quadrupole field. The method is realized in a mass analyzer with planar discrete electrodes, where a superposition of the quadrupole RF and a homogeneous excitation field along one axis is created. The use of the planar discrete electrodes allows to improve the quality of the homogeneous field and to decrease the amplitudes of the higher harmonics of ion oscillations along the excitation axis.
EFFECT: improving the quality of the field and the operating mode of quadrupole mass spectrometers with the resonant ion output, the method and device improve the shape of the mass peaks and 2-3 times increase the resolving power of linear ion traps with the resonant excitation.
2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области масс-спектрометрического анализа вещества и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением ионов. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции ионно-оптической системы (ИОС), улучшении качества возбуждающего поля и повышении разрешающей способности квадрупольных масс-анализаторов с резонансным выводом ионов. Известными приборами такого типа являются линейные ионные ловушки с гиперболическими или цилиндрическими электродами с дипольным возбуждением ионов [2]. Коммерческие приборы с анализаторами такого типа широко используются для рутинных анализов с разрешением до нескольких тысяч. Их аналитические возможности ограничены особенностями геометрии и конструкции ИОС квадрупольных анализаторов с гиперболическими или круглыми электродами [1]. Предлагаемый способ и устройство, реализуемые с помощью ИОС с планарными дискретными электродами [3], позволяют усовершенствовать конструктивные, аналитические и коммерческие параметры масс-спектрометров данного класса.The invention relates to the field of mass spectrometric analysis of a substance and can be used to improve the analytical and commercial characteristics of linear ion traps with resonant ion excitation. The technical task of the invention is to improve the design of the ion-optical system (IOS), improve the quality of the exciting field and increase the resolution of quadrupole mass analyzers with resonant ion output. Known devices of this type are linear ion traps with hyperbolic or cylindrical electrodes with dipole excitation of ions [2]. Commercial instruments with analyzers of this type are widely used for routine analyzes with a resolution of up to several thousand. Their analytical capabilities are limited by the geometry and design features of the IOS of quadrupole analyzers with hyperbolic or round electrodes [1]. The proposed method and device, implemented using IOS with planar discrete electrodes [3], can improve the design, analytical and commercial parameters of mass spectrometers of this class.

Новый способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов заключается в воздействии на заряженные частицы, совершающие колебания с ограниченными амплитудами по осям XYZ в суперпозиции квадрупольного в плоскости XOY высокочастотного и статического задерживающего по оси Z электрических полей в анализаторе с геометрическим параметром ro, возбуждающим по оси X переменным электрическим полем, отличающимся тем, что возбуждающее поле однородное и направлено вдоль одной из асимптот квадрупольного поля.A new method of mass analysis with resonant excitation of ions consists in acting on charged particles oscillating with limited amplitudes along the XYZ axes in a superposition of the high-frequency and static electric field-delaying X-axis quadrupole in the XOY plane in an analyzer with a geometric parameter r o that excites along the axis X by an alternating electric field, characterized in that the exciting field is uniform and directed along one of the asymptotes of the quadrupole field.

В известных квадрупольных анализаторах (Фиг. 1, а) распределение ВЧ-потенциала описывается выражениемIn known quadrupole analyzers (Fig. 1, a), the distribution of the RF potential is described by the expression

Figure 00000001
Figure 00000001

где UВЧ=V⋅cos(ωt), V и ω - амплитуда и частота ВЧ-питающего напряжения, r0 - геометрический параметр квадрупольного анализатора. Колебания ионов по осям X и Y в ВЧ поле (1) описываются дифференциальными уравнениями [3]where U RF = V⋅cos (ωt), V and ω are the amplitude and frequency of the RF supply voltage, r 0 is the geometric parameter of the quadrupole analyzer. Oscillations of ions along the X and Y axes in the RF field (1) are described by differential equations [3]

Figure 00000002
Figure 00000002

где q=2eV/(r0 2ω2m) - параметр Матье, m - масса ионов. При q<0,3 решение дифференциальных уравнений (2) описываются гармоническими функциямиwhere q = 2eV / (r 0 2 ω 2 m) is the Mathieu parameter, m is the mass of ions. For q <0.3, the solution of differential equations (2) are described by harmonic functions

Figure 00000003
Figure 00000003

где x0, y0, ν0x, ν0y - начальные координаты и скорости ионов по осям X и Y,

Figure 00000004
- секулярная частота колебания ионов.where x 0 , y 0 , ν 0x , ν 0y are the initial coordinates and ion velocities along the X and Y axes,
Figure 00000004
- secular frequency of ion vibrations.

При дипольном возбуждении в известных квадрупольных анализаторах на ВЧ-поле (1) накладывается возбуждающее переменное электрическое поле с частотой Ωв, которое лишь приближенно вблизи оси X можно считать однородным (Фиг. 1, б). При равенстве частот Ωв≈Ωс под действием возбуждающего поля амплитуда колебаний ионов по оси X нарастает и они через щели в электродах, расположенных на оси X, выводятся на устройство регистрации. Неоднородность возбуждающего поля и отклонения вблизи щелей квадрупольного ВЧ поля в существующих масс-анализаторах с резонансным выводом ионов ограничивают их разрешение и чувствительность. Кроме того, колебания ионов по оси X наряду с секулярными составляющими (3) содержат компоненты с частотами nω±Ω, где n=1, 2, 3…, амплитуды которых увеличиваются с возрастанием параметра q. Наличие этих компонент колебаний ионов большого уровня искажает шкалу масс и снижает разрешающую способность анализаторов.During dipole excitation in known quadrupole analyzers, an exciting alternating electric field with a frequency of Ω in is applied to the RF field (1), which can only be considered homogeneous near the X axis (Fig. 1, b). If the frequencies Ω are equal in ≈Ω s under the action of the exciting field, the amplitude of ion vibrations along the X axis increases and they are output through the slots in the electrodes located on the X axis to the recording device. Inhomogeneity of the exciting field and deviations near the gaps of the quadrupole rf field in existing mass analyzers with resonant ion extraction limit their resolution and sensitivity. In addition, the ion vibrations along the X axis along with the secular components (3) contain components with frequencies nω ± Ω, where n = 1, 2, 3 ..., whose amplitudes increase with increasing parameter q. The presence of these components of oscillations of large-level ions distorts the mass scale and reduces the resolution of the analyzers.

Предлагаемый способ предполагает резонансное возбуждение ионов в линейной ионной ловушке переменным однородным вдоль оси X электрическим полем, образованным парой планарных дискретных электродов с возбуждающими потенциалами U1=-U2 (Фиг. 1, г). Распределение ВЧ потенциала в ИОС на Фиг. 1, в в системе координат x',y' описываются выражениемThe proposed method involves the resonant excitation of ions in a linear ion trap by an alternating electric field uniform along the X axis, formed by a pair of planar discrete electrodes with exciting potentials U 1 = -U 2 (Fig. 1, d). The RF potential distribution in the IOS in FIG. 1, in the coordinate system x ', y' are described by the expression

Figure 00000005
Figure 00000005

где

Figure 00000006
, xа, yа - размеры ИОС с планарными дискретными электродами по осям X' и Y'. Электрические поля в квадрупольной ИОС Фиг. 1, а и в ИОС с планарными дискретными электродами Фиг. 1, в совпадают при повороте системы координат X'OY' относительно системы XOY на угол π/4.Where
Figure 00000006
, x a , y a - the sizes of the IOS with planar discrete electrodes along the axes X 'and Y'. Electric fields in quadrupole IOS FIG. 1a and in the IOS with planar discrete electrodes of FIG. 1c coincide when the X'OY 'coordinate system is rotated relative to the XOY system by an angle π / 4.

Поворот системы координат не влияет на секулярные колебания ионов, описываемые выражениями (3), но изменяет соотношение амплитуд высших гармоник с частотами nω±Ω - по одной оси амплитуды увеличиваются, а по другой уменьшаются. При резонансном выводе ионов высшие гармоники колебаний искажают форму массовых пиков и снижают разрешающую способность анализатора. Для достижения высокого разрешения уровень высших гармоник колебаний ионов необходимо снижать. Это реализуется в планарной ИОС (Фиг. 1, в, г), где уровень высших гармоник по оси X' оказывается на порядок меньше, чем по оси X в квадрупольной ИОС (Фиг. 1, а, б).The rotation of the coordinate system does not affect the secular ion vibrations described by expressions (3), but changes the ratio of the amplitudes of the higher harmonics to frequencies nω ± Ω - the amplitudes increase along one axis and decrease along the other. In the case of resonant ion extraction, higher harmonics distort the shape of the mass peaks and reduce the resolution of the analyzer. To achieve high resolution, the level of higher harmonics of ion vibrations must be reduced. This is realized in planar IOS (Fig. 1, c, d), where the level of higher harmonics along the X 'axis is an order of magnitude lower than along the X axis in the quadrupole IOS (Fig. 1, a, b).

Таким образом ИОС с планарными дискретными электродами решает две важные для линейных ионных ловушек с резонансным возбуждением проблемы:Thus, IOS with planar discrete electrodes solves two important problems for linear ion traps with resonant excitation:

- повышает однородность возбуждающего поля;- increases the uniformity of the exciting field;

- снижает уровень высших гармоник колебаний ионов по оси возбуждения.- reduces the level of higher harmonics of ion vibrations along the excitation axis.

Это позволяет в 2-3 раза повысить разрешающую способность масс-анализаторов ионов данного класса.This allows a 2-3-fold increase in the resolution of mass analyzers of ions of this class.

Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществленияMass analysis method with resonant excitation of ions and a device for its implementation

Фиг. 1 а, б - квадрупольная ионно-оптическая система; а - схема ВЧ-питания и распределение ВЧ-поля; б - схема питания и распределение возбуждающего поля; в, г - ионно-оптическая система с планарными дискретными электродами 1, 2; в - распределение ВЧ-поля, г - распределение возбуждающего поля.FIG. 1 a, b - quadrupole ion-optical system; a - circuit RF power and distribution of the RF field; b - power scheme and distribution of the exciting field; c, d - ion-optical system with planar discrete electrodes 1, 2; c is the distribution of the rf field, g is the distribution of the exciting field.

ЛитератураLiterature

1. D.J. Douglas, N.V. Konenkov. Mass selectivity of dipolar resonant excitation in linear quadrupole ion trap // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2014. V. 28. P. 430-438.1. D.J. Douglas, N.V. Konenkov. Mass selectivity of dipolar resonant excitation in linear quadrupole ion trap // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2014. V. 28. P. 430-438.

2. Collings B.A., Stott W.R., Londry F.A. Resonant excitation in low-pressure linear ion trap // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2003. Vol. 14. P. 522-534.2. Collings B.A., Stott W.R., Londry F.A. Resonant excitation in low-pressure linear ion trap // J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2003. Vol. 14. P. 522-534.

3. Мамонтов E.B. Способ образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля и устройство для его осуществления. Патент РФ №2497226. 2012 г.3. Mammoths E.B. A method of forming a two-dimensional linear high-frequency electric field and a device for its implementation. RF patent No. 2497226. 2012 year

Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществленияMass analysis method with resonant excitation of ions and a device for its implementation

Фиг. 1 а, б - квадрупольная ионно-оптическая система; а - схема ВЧ питания и распределение ВЧ поля; б - схема питания и распределение возбуждающего поля; в, г - ионно-оптическая система с планарными дискретными электродами 1, 2; в - распределение ВЧ поля, г - распределение возбуждающего поля.FIG. 1 a, b - quadrupole ion-optical system; a - circuit RF power and distribution of the RF field; b - power scheme and distribution of the exciting field; c, d - ion-optical system with planar discrete electrodes 1, 2; c is the distribution of the rf field, g is the distribution of the exciting field.

Claims (2)

1. Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов, заключающийся в воздействии на заряженные частицы, совершающие колебания с ограниченными амплитудами в суперпозиции квадрупольного в плоскости XOY высокочастотного и статического задерживающего по оси Z электрических полей анализатора с геометрическим параметром r0 возбуждающим по оси X переменным электрическим полем, отличающийся тем, что возбуждающее поле однородное и направлено вдоль одной из асимптот квадрупольного поля.1. The method of mass analysis with resonant excitation of ions, which consists in acting on charged particles oscillating with limited amplitudes in a superposition of a quadrupole in the XOY plane high-frequency and static analyzer-delaying electric fields along the Z axis with a geometric parameter r 0 of the alternating electric excitation along the X axis field, characterized in that the exciting field is uniform and directed along one of the asymptotes of the quadrupole field. 2. Устройство для масс-анализа с резонансным возбуждением ионов, содержащее ионно-оптическую систему для образования в плоскости XOY суперпозиции высокочастотного квадрупольного и переменного возбуждающего электрических полей, отличающееся тем, что ионно-оптическая система состоит из 2-х в плоскостях x=±xa, дискретных по оси Y с шагом Δy с размерами 2ya>>2xa, 2za>>2xa по осям X и Z, электродов с противофазными суперпозициями дискретно-линейных и дискретно-равномерных распределений на них высокочастотных и переменных возбуждающих потенциалов, образующих в рабочей области ионно-оптической системы |x|<(xa-Δy), |y|<(ya-xa), |z|<(za-xa) суперпозицию квадрупольного в плоскости ХОУ высокочастотного и однородного по оси X переменного возбуждающего электрических полей, причем в середине электродов, параллельно оси Z, прорезаны щели шириной Δx<Δy и длиной 2Δz>[2(za-xa)] для резонансного вывода ионов из анализатора на устройство регистрации.2. Device for mass analysis with resonant excitation of ions, containing an ion-optical system for forming in the XOY plane a superposition of high-frequency quadrupole and alternating exciting electric fields, characterized in that the ion-optical system consists of 2 in the planes x = ± x a , discrete along the Y axis with a step Δy with dimensions 2y a >> 2x a , 2z a >> 2x a along the X and Z axes, electrodes with antiphase superpositions of discrete-linear and discrete-uniform distributions of high-frequency and variable exciting potentials on them, about generating in the working region of the ion-optical system | x | <(x a -Δy), | y | <(y a -x a ), | z | <(z a -x a ) is a superposition of the high-frequency and homogeneous quadrupole in the CW plane along the X axis of the alternating exciting electric fields, and in the middle of the electrodes, parallel to the Z axis, slits are cut with a width of Δx <Δy and a length of 2Δz> [2 (z a -x a )] for resonant output of ions from the analyzer to the recording device.
RU2016149722A 2016-12-16 2016-12-16 Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation RU2634614C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149722A RU2634614C1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149722A RU2634614C1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2634614C1 true RU2634614C1 (en) 2017-11-02

Family

ID=60263670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016149722A RU2634614C1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2634614C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2683018C1 (en) * 2017-11-07 2019-03-26 Евгений Васильевич Мамонтов Method of mass analysis of ions in quadrupolar high-frequency fields with dipole excitation of oscillations on borders of stability
RU2740604C1 (en) * 2020-07-14 2021-01-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability
RU2749549C1 (en) * 2020-07-14 2021-06-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006075189A2 (en) * 2005-01-17 2006-07-20 Micromass Uk Limited Mass spectrometer
JP2009150794A (en) * 2007-12-21 2009-07-09 Hitachi High-Technologies Corp Mass spectrometer and control method therefor
RU2422939C1 (en) * 2009-11-25 2011-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет Method of generating two-dimensional linear electric field and device for realising said method
RU2497226C1 (en) * 2012-04-25 2013-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Formation method of two-dimensional linear high-frequency electric field, and device for its implementation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006075189A2 (en) * 2005-01-17 2006-07-20 Micromass Uk Limited Mass spectrometer
JP2009150794A (en) * 2007-12-21 2009-07-09 Hitachi High-Technologies Corp Mass spectrometer and control method therefor
RU2422939C1 (en) * 2009-11-25 2011-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет Method of generating two-dimensional linear electric field and device for realising said method
RU2497226C1 (en) * 2012-04-25 2013-10-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Formation method of two-dimensional linear high-frequency electric field, and device for its implementation

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2683018C1 (en) * 2017-11-07 2019-03-26 Евгений Васильевич Мамонтов Method of mass analysis of ions in quadrupolar high-frequency fields with dipole excitation of oscillations on borders of stability
RU2740604C1 (en) * 2020-07-14 2021-01-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability
RU2749549C1 (en) * 2020-07-14 2021-06-15 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9564304B2 (en) Ion trap mass analyzer apparatus, methods, and systems utilizing one or more multiple potential ion guide (MPIG) electrodes
JP5657812B2 (en) Mass spectrometer, ion detection method and computer program for mass spectrometer
EP2642508B1 (en) A method of processing image charge/current signals
RU2634614C1 (en) Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation
US8704173B2 (en) Ion cyclotron resonance measuring cells with harmonic trapping potential
US3334225A (en) Quadrupole mass filter with means to generate a noise spectrum exclusive of the resonant frequency of the desired ions to deflect stable ions
Konenkov et al. Quadrupole mass filter operation with auxiliary quadrupolar excitation: theory and experiment
US9299546B2 (en) Methods for acquiring and evaluating mass spectra in fourier transform mass spectrometers
Nagornov et al. Ion trap with narrow aperture detection electrodes for Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry
Makarov et al. Fundamentals of Orbitrap analyzer
JP6022383B2 (en) Mass spectrometry system and method
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
JP6593451B2 (en) Quadrupole mass filter and quadrupole mass spectrometer
US20160163529A1 (en) Frequency scan linear ion trap mass spectrometry
Jordan et al. Measurement of Relative Abundance with the Mass Spectrometer
RU2444083C2 (en) Method for time-of-flight separation of ions according to mass and device for realising said method
US20220230867A1 (en) Mass filter having reduced contamination
JP2015118887A (en) Time-of-flight mass spectrometer
RU2740604C1 (en) Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability
RU2557009C2 (en) Method and device for ions separation by specific charge with fourier transform
RU2693570C1 (en) Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes
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
RU2749549C1 (en) Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181217