RU2740604C1 - Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability - Google Patents

Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability Download PDF

Info

Publication number
RU2740604C1
RU2740604C1 RU2020124238A RU2020124238A RU2740604C1 RU 2740604 C1 RU2740604 C1 RU 2740604C1 RU 2020124238 A RU2020124238 A RU 2020124238A RU 2020124238 A RU2020124238 A RU 2020124238A RU 2740604 C1 RU2740604 C1 RU 2740604C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
quadrupole
ions
mass
field
fields
Prior art date
Application number
RU2020124238A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Васильевич Мамонтов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина"
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 имени В.Ф. Уткина" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина"
Priority to RU2020124238A priority Critical patent/RU2740604C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2740604C1 publication Critical patent/RU2740604C1/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

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to mass analysis of matter in quadrupole HF fields and is aimed at improving analytical and commercial characteristics of mass spectrometers with resonance output of ions. Method of analyzing ions in quadrupole fields with oscillation excitation at the stability boundary, involving action on charged particles oscillating in a superposition of a quadrupole in the X0Y plane and analyzer with geometrical parameters r0 exciting on axis Ζ fields exciting field by X axis. Exciting field consisting of sum of quadrupole quasistatic and homogeneous static fields is applied to quadrupole high-frequency field, wherein excitation of oscillations, consisting in unlimited growth of coordinate x of ions, occurs as a result of slow increase in constant component of quadrupole field, when the parameter a(m) of ions with mass m at time t(m) reaches the boundary value a0(m) and ions in turn in order of decreasing mass are output from the analyzer for registration.
EFFECT: high resolution and sensitivity of quadrupole mass analyzers, improved high-frequency power and sweep devices.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области масс-анализа вещества в квадрупольных высокочастотных (ВЧ) полях и направлено на совершенствование аналитических и коммерческих характеристик масс-спектрометров с резонансным возбуждением колебаний ионов. Техническая задача предлагаемого изобретения заключается в повышении разрешающей способности и чувствительности квадрупольных масс-анализаторов, усовершенствовании их устройств ВЧ питания и развертки масс. Известными приборами такого типа являются линейные ионные ловушки с гиперболическими [1] или планарными дискретными [2] электродами. Разрешающая способность масс-анализаторов этого типа ограничена сложной формой возбуждаемых колебаний ионов, содержащих множество высших гармоник, а скорость нарастания колебаний при возбуждении оказывается невысокой [3].The invention relates to the field of mass analysis of matter in quadrupole high-frequency (HF) fields and is aimed at improving the analytical and commercial characteristics of mass spectrometers with resonant excitation of ion oscillations. The technical problem of the present invention is to improve the resolution and sensitivity of quadrupole mass analyzers, improve their RF power supply and mass sweep devices. The known devices of this type are linear ion traps with hyperbolic [1] or planar discrete [2] electrodes. The resolving power of mass analyzers of this type is limited by the complex form of excited oscillations of ions containing many higher harmonics, and the rate of increase of oscillations during excitation is low [3].

Предлагаемый способ позволяет улучшить форму и параметры функции возбуждения и тем самым повысить разрешающую способность квадрупольных масс-анализаторов этого типа, а также усовершенствовать систему его высокочастотного ВЧ питания и развертки масс.The proposed method makes it possible to improve the shape and parameters of the excitation function and thereby increase the resolution of this type of quadrupole mass analyzers, as well as improve the system of its high-frequency RF power supply and mass sweep.

В известных квадрупольных масс-анализаторах с резонансным возбуждением колебаний ионов на квадрупольное ВЧ поле накладывается однородное (или близкое к однородному) возбуждающе гармоническое поле. Уравнение движения ионов по оси возбуждении в этом случае имеет видIn known quadrupole mass analyzers with resonant excitation of ion oscillations, a uniform (or nearly uniform) exciting harmonic field is superimposed on the quadrupole HF field. In this case, the equation of ion motion along the excitation axis has the form

Figure 00000001
Figure 00000001

где e и m - заряд и масса и ионов, r0 - геометрический параметр квадрупольного анализатора,

Figure 00000002
- параметр Матье, V и ω - ампли туда и частота ВЧ питающего напряжения, Uв и Ωв - амплитуда и частота возбуждающего напряжения. Решение уравнения (1), описывающее колебания ионов, состоит из множества гармонических составляющих с частотами nω ± Ωc, где n=0, 1, 2, …, Ωc=βω/2 - секулярное частота, β - параметр устойчивости, зависящий от параметра Матье q. В процессе развертки масс при изменении амплитуды ВЧ напряжения по линейному закону V(t) = υt, υ - скорость развертки, секулярная частота колебаний ионов
Figure 00000003
также линейно нарастает. С приближением частоты Ωc к частоте возбуждающего поле амплитуда xm колебаний ионов но оси X возрастает. Процесс нарастания описывается функцией возбуждения [3]. Когда амплитуда xm достигает размера r0, ионы выводятся из анализатора на регистрацию. Метод ограничен большим временем нарастания функции возбуждения
Figure 00000004
где T - время разве ртки, ΔΩc - диапазон сканирования секулярной частоты, а также ее сложным, колебательным характером. При этом шкала масс анализатора оказывается нерегулярной и многозначной, ч то снижает разрешающую способность.where e and m are the charge and mass of both ions, r 0 is the geometric parameter of the quadrupole analyzer,
Figure 00000002
is the Mathieu parameter, V and ω are the amplitude and frequency of the HF supply voltage, U in and Ω in are the amplitude and frequency of the exciting voltage. The solution of equation (1), which describes the oscillations of ions, consists of a set of harmonic components with frequencies nω ± Ω c , where n = 0, 1, 2, ..., Ω c = βω / 2 is the secular frequency, β is the stability parameter depending on the Mathieu parameter q. In the process of sweeping the masses with a change in the amplitude of the RF voltage according to the linear law V (t) = υt, υ is the sweep rate, the secular frequency of ion oscillations
Figure 00000003
also increases linearly. As the frequency Ω c approaches the frequency of the exciting field, the amplitude x m of ion oscillations along the X axis increases. The growth process is described by the excitation function [3]. When the amplitude x m reaches the size r 0 , the ions are removed from the analyzer for registration. The method is limited by a long rise time of the excitation function
Figure 00000004
where T is the sweep time, ΔΩ s is the scanning range of the secular frequency, as well as its complex, oscillatory nature. In this case, the mass scale of the analyzer turns out to be irregular and multi-valued, which reduces the resolution.

Предлагаемый способ масс-анализа ионов заключается в воздействии на заряженные частицы, совершающие колебания в суперпозиции квадрупольного в плоскости Χ0Υ и задерживающего по оси Ζ полей анализатора с геометрическим параметром r0, возбуждающим по оси Х полем, отличается тем, что на квадрупольное ВЧ поле накладывается возбуждающее поле, состоящее из суммы квадрупольного квазистатического и однородного статического полей, причем возбуждение колебаний, состоящее в неограниченном росте координаты х ионов, происходит в процессе медленного нарастания постоянной составляющей квадрупольного поля, когда параметр а(m) ионов с массой m в момент времени t(m) достигает граничного значения а 0(m) и ионы поочередно в порядке уменьшения массы, выводятся из анализатора на регистрацию.The proposed method of mass analysis of ions consists in the action on charged particles that oscillate in a superposition of a quadrupole in the plane 0Υ and blocking along the-axis of the analyzer fields with a geometric parameter r 0 , exciting the field along the X axis, differs in that an exciting field is superimposed on the quadrupole HF field. field consisting of the sum of quasi-static quadrupole and homogeneous static fields, and the excitation of oscillations, consisting in an unlimited increase in the x coordinate of ions, occurs during a slow increase in the constant component of the quadrupole field, when the parameter a (m) of ions with mass m at time t (m ) reaches the boundary value a 0 (m) and the ions alternately in the order of decreasing mass are taken out of the analyzer for registration.

При этом возбуждение колебаний ионов происходит на границе a 0(q) диаграммы устойчивости Матье (фиг. 1) под действием суперпозиции квадрупольного квазистатического и однородного статического полей

Figure 00000005
In this case, the excitation of ion oscillations occurs at the boundary a 0 (q) of the Mathieu stability diagram (Fig. 1) under the action of a superposition of quasi-static quadrupole and homogeneous static fields
Figure 00000005

где U0(t) - медленно изменяющаяся при развертке масс постоянная составляющая напряжения питания квадрупольного анализатора, Uв - статическое напряжение возбуждения. Уравнение движения ионов по оси возбуждения x в этом случае в первом приближении с использованием распределения эффективного потенциала можно записать в видеwhere U 0 (t) is the constant component of the supply voltage of the quadrupole analyzer slowly varying during the mass sweep, U in is the static excitation voltage. In this case, the equation of ion motion along the excitation axis x in this case in the first approximation using the effective potential distribution can be written in the form

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
- эффективный потенциал квадрупольного поля.Where
Figure 00000007
is the effective potential of the quadrupole field.

Решение уравнения (3) в области устойчивости состоит из трех независимых составляющихThe solution to equation (3) in the stability region consists of three independent components

Figure 00000008
Figure 00000008

Первые две составляющие в (4) зависят от начальных координат х0 и скоростей υ0 ионов, а последняя от возбуждающего поляThe first two components in (4) depend on the initial coordinates х 0 and velocities υ 0 of ions, and the last one on the exciting field

Figure 00000009
Figure 00000009

В процессе развертки масс постоянная составляющая питающего напряжения изменяется линейноDuring the mass sweep, the constant component of the supply voltage changes linearly

Figure 00000010
Figure 00000010

где υρ = U0 max/T - скорость развертки, U0 max - наибольшее значение постоянной составляющей, Τ - время развертки. Это вызовет изменение параметра Матье

Figure 00000011
и секулярной частотыwhere υ ρ = U 0 max / T is the sweep speed, U 0 max is the maximum value of the constant component, Τ is the sweep time. This will cause the Mathieu parameter to change
Figure 00000011
and secular frequency

Figure 00000012
Figure 00000012

При этом амплитуда первых двух компонент в (4) будут изменяться по закону

Figure 00000013
In this case, the amplitude of the first two components in (4) will vary according to the law
Figure 00000013

а амплитуда третьей компоненты по законуand the amplitude of the third component according to the law

Figure 00000014
Figure 00000014

С приближением к границе устойчивости a 0(q) секулярное частота Ωc→0 и происходит возбуждение колебаний ионов. Компоненты колебаний, определяемые начальными параметрами, при возбуждении изменяются по линейному закону, а составляющая, вызванная возбуждающим полем по квадратичному законуAs we approach the stability boundary a 0 (q), the secular frequency is Ω c → 0 and ion oscillations are excited. The vibration components determined by the initial parameters change linearly upon excitation, and the component caused by the exciting field according to the quadratic law

Figure 00000015
Figure 00000015

Траектория движения ионов в процессе развертки масс и возбуждения колебаний показана па фиг. 2. При этом результирующая координата х(t) будет определяться в большей степени возбуждающим полем, чем параметрами х0 и υ0. В результате влияние разброса начальных координат и скоростей ионов на время вывода ионов t(m) снижается, а разрешающая способность анализатора возрастает.The ion trajectory in the course of mass sweep and oscillation excitation is shown in Fig. 2. In this case, the resulting coordinate x (t) will be determined to a greater extent by the exciting field than by the parameters x 0 and υ 0 . As a result, the influence of the spread of the initial coordinates and ion velocities on the ion extraction time t (m) decreases, and the analyzer's resolution increases.

Предлагаемый способ возбуждения колебаний ионов также упрощает систему питания и развертки масс-анализатора, так как при развертке масс его параметры, амплитуда и частота, остаются постоянными. Это способствует увеличению амплитуды и повышению стабильности параметров ВЧ напряжения. Упрощается схема развертки масс, так как развертка осуществляется изменением постоянной составляющей питающего напряжения.The proposed method of excitation of ion oscillations also simplifies the power supply system and the sweep of the mass analyzer, since during the sweep of the masses, its parameters, amplitude and frequency, remain constant. This helps to increase the amplitude and increase the stability of the RF voltage parameters. The mass sweep scheme is simplified, since the sweep is carried out by changing the constant component of the supply voltage.

ЛитератураLiterature

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

2. E.В. Мамонтов. Способ масс-анализа с резонансным возбуждением ионов и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RU 2634614, 11.02.2017. Заявка №2016149722 от 16.12.2016.2. E.V. Mamontov. Method for mass analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation. Invention patent RU 2634614, 02/11/2017. Application No. 2016149722 dated 12.16.2016.

3. Мамонтов В.В., Судаков М.Ю., Дятлов P.Н. Свободные и вынужденные колебания заряженных частиц в инерционно-нестационарных быстроосциллирующих квадрупольных электрических полях. Радиотехника и электроника. 2020, том 65, №2, с. 197-202.3. Mamontov V.V., Sudakov M.Yu., Dyatlov R.N. Free and forced oscillations of charged particles in inertial-nonstationary rapidly oscillating quadrupole electric fields. Radio engineering and electronics. 2020, volume 65, no. 2, p. 197-202.

Claims (1)

Способ анализа ионов в квадрупольных полях с возбуждением колебаний на границе устойчивости, заключающийся в воздействии на заряженные частицы, совершающие колебания в суперпозиции квадрупольного в плоскости X0Y и задерживающего по оси Ζ полей анализатора с геометрическими параметрами r0, возбуждающим по оси X полем, отличающийся тем, что на квадрупольное высокочастотное поле накладывается возбуждающее поле, состоящее из суммы квадрупольного квазистатического и однородного статического полей, причём возбуждение колебаний, состоящее в неограниченном росте координаты x ионов, происходит в результате медленного нарастания постоянной составляющей квадрупольного поля, когда параметр а(m) ионов с массой m в момент времени t(m) достигает граничного значения a 0(m) и ионы поочерёдно, в порядке уменьшения массы, выводятся из анализатора на регистрацию.A method for analyzing ions in quadrupole fields with excitation of oscillations at the stability boundary, which consists in acting on charged particles oscillating in a superposition of a quadrupole in the X0Y plane and blocking the fields along the axis of an analyzer with geometric parameters r 0 , exciting a field along the X axis, which differs in that that on the quadrupole high-frequency field, an exciting field is superimposed, consisting of the sum of the quasi-static quadrupole and homogeneous static fields, and the excitation of oscillations, consisting in an unlimited increase in the x coordinate of ions, occurs as a result of a slow increase in the constant component of the quadrupole field when the parameter a (m) of ions with mass m at the moment of time t (m) reaches the boundary value a 0 (m) and the ions, in order of decreasing mass, are taken out of the analyzer for registration.
RU2020124238A 2020-07-14 2020-07-14 Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability RU2740604C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124238A RU2740604C1 (en) 2020-07-14 2020-07-14 Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124238A RU2740604C1 (en) 2020-07-14 2020-07-14 Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2740604C1 true RU2740604C1 (en) 2021-01-15

Family

ID=74184094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020124238A RU2740604C1 (en) 2020-07-14 2020-07-14 Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2740604C1 (en)

Citations (6)

* 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
RU2327245C2 (en) * 2006-05-03 2008-06-20 Евгений Васильевич Мамонтов Mass selective device and analysis method for drift time of ions
WO2015007165A1 (en) * 2013-07-18 2015-01-22 复旦大学 Method for tandem mass spectrometry analysis in ion trap mass analyzer
RU2634614C1 (en) * 2016-12-16 2017-11-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation
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
JP2020021602A (en) * 2018-07-31 2020-02-06 株式会社島津製作所 Mass spectrometer and mass spectrometry method

Patent Citations (6)

* 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
RU2327245C2 (en) * 2006-05-03 2008-06-20 Евгений Васильевич Мамонтов Mass selective device and analysis method for drift time of ions
WO2015007165A1 (en) * 2013-07-18 2015-01-22 复旦大学 Method for tandem mass spectrometry analysis in ion trap mass analyzer
RU2634614C1 (en) * 2016-12-16 2017-11-02 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation
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
JP2020021602A (en) * 2018-07-31 2020-02-06 株式会社島津製作所 Mass spectrometer and mass spectrometry method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7193207B1 (en) Methods and apparatus for driving a quadrupole ion trap device
EP0262928B1 (en) Quadrupole mass spectrometer and method of operation thereof
US6831275B2 (en) Nonlinear resonance ejection from linear ion traps
WO1997002591A1 (en) Mass spectrometer
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
JP4990163B2 (en) Phase correction for ion polarity in ion trap mass spectrometry
JP2020074262A (en) Quadruplex pole mass spectrograph and mass analysis method
Ding et al. Ion motion in the rectangular wave quadrupole field and digital operation mode of a quadrupole ion trap mass spectrometer
RU2634614C1 (en) Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation
US8507846B2 (en) Step-scan ion trap mass spectrometry for high speed proteomics
Gorshkov et al. Dyanmic ion trapping for Fourier‐transform ion cyclotron resonance mass spectrometry: Simultaneous positive‐and negative‐ion detection
RU2683018C1 (en) Method of mass analysis of ions in quadrupolar high-frequency fields with dipole excitation of oscillations on borders of stability
RU2740604C1 (en) Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations on boundaries of stability
March et al. THEORY OF QUADRUPOLE
RU2327245C2 (en) Mass selective device and analysis method for drift time of ions
JPH0654297B2 (en) Method for removing harmful charged particles from measuring cell of ICR spectrometer
CN109937465A (en) Mass spectral analysis
RU2444083C2 (en) Method for time-of-flight separation of ions according to mass and device for realising said method
RU2749549C1 (en) Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary
RU2717352C1 (en) Ion cooling method
RU2293396C1 (en) Method and device for separating charged particles by their specific charge
Du et al. Peak splitting with a quadrupole mass filter operated in the second stability region
Mamontov et al. The Modeling of Ion Oscillations in Rapidly Oscillating Quadrupole Fields when Crossing the Mathieu Diagram Stability Boundaries
RU2613347C2 (en) Method for scanning mass spectrum by linear ion trap with dipole excitation