RU2749549C1 - Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary - Google Patents

Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary Download PDF

Info

Publication number
RU2749549C1
RU2749549C1 RU2020124239A RU2020124239A RU2749549C1 RU 2749549 C1 RU2749549 C1 RU 2749549C1 RU 2020124239 A RU2020124239 A RU 2020124239A RU 2020124239 A RU2020124239 A RU 2020124239A RU 2749549 C1 RU2749549 C1 RU 2749549C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ions
discrete
static
along
quadrupole
Prior art date
Application number
RU2020124239A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Васильевич Мамонтов
Роман Николаевич Дятлов
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 RU2020124239A priority Critical patent/RU2749549C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2749549C1 publication Critical patent/RU2749549C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/28—Static spectrometers
    • H01J49/30—Static spectrometers using magnetic analysers, e.g. Dempster spectrometer

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 the field of mass spectrometry and can be used to improve the analytical, operational and commercial characteristics of devices for microanalysis of matter, using the movement of ions in quadrupole high-frequency electric fields. The device contains an ion-optical system of planar electrodes with discrete-linear distributions on them of superpositions of RF quadrupole and quasi-static and homogeneous static potentials. In the process of sweeping the masses, by a change in the constant component of the quadrupole field under the action of a uniform static field, excitation occurs at the stability boundary of unipolar oscillations of ions. In this case, the ions are taken from the analyzer for registration one by one, in decreasing order of their mass.EFFECT: increasing the resolution and sensitivity of quadrupole mass analyzers.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для совершенствования аналитических, эксплуатационных и коммерческих характеристик приборов микроанализа вещества, использующих движение ионов в квадрупольных высокочастотных ВЧ электрических полях. Техническая задача изобретения состоит в усовершенствовании конструкции ионно-оптической системы (ИОС) квадрупольных масс-анализаторов с возбуждением колебаний ионов и повышении их разрешающей способности и чувствительности. Известными приборами этого типа являются линейные ионные ловушки или с квадрупольными анализаторами [1], или с планарными дискретными электродами [2, 3] с дипольным возбуждением колебаний ионов. Их аналитические возможности ограничены сложной структурой функции возбуждения и низкой скоростью ее нарастания в процессе возбуждения колебаний [4].The invention relates to the field of mass spectrometry and can be used to improve the analytical, operational and commercial characteristics of devices for microanalysis of matter, using the movement of ions in quadrupole high-frequency high-frequency electric fields. The technical problem of the invention is to improve the design of the ion-optical system (IOS) of quadrupole mass analyzers with the excitation of ion oscillations and to increase their resolution and sensitivity. Known devices of this type are linear ion traps with either quadrupole analyzers [1], or with planar discrete electrodes [2, 3] with dipole excitation of ion oscillations. Their analytical capabilities are limited by the complex structure of the excitation function and the low rate of its increase in the process of excitation of oscillations [4].

Предлагаемое устройство, реализуемое с помощью ИОС с планарными дискретными электродами в полупространстве у≥0, позволяет усовершенствовать аналитические, конструктивные и эксплуатационные параметры масс-спектрометров этого класса.The proposed device, implemented using IOS with planar discrete electrodes in the half-space у≥0, allows you to improve the analytical, design and operational parameters of mass spectrometers of this class.

В известных квадрупольных масс-анализаторах с резонансным возбуждением колебаний ионов ИОС состоят из 4-х гиперболических [1] или из 2-х планарных дискретных [2] электродов. Они образуют суперпозиции квадрупольных ВЧ и однородных гармонических электрических полей в двухполярной рабочей области -уа≤у≤уа в плоскости X0Y, где уа - размер ИОС по оси возбуждения Y. Для возбуждения колебаний в этих случаях используется однородное гармоническое поле и ионы в процессе масс-анализа совершают в рабочей области анализатора двухполярные колебания [1, 2].In well-known quadrupole mass analyzers with resonant excitation of oscillations of ions, IOS consist of 4 hyperbolic [1] or 2 planar discrete [2] electrodes. They form a quadrupole RF superposition of harmonic and homogeneous electric fields in the bipolar working area and y and in plane ≤u≤u X0Y, and where - the amount of IER in the excitation axis Y. To excite oscillations in these cases, a homogeneous harmonic field and ions in the process of mass analysis, bipolar oscillations are performed in the working area of the analyzer [1, 2].

В предлагаемом устройстве резонансное возбуждение колебаний ионов в квадрупольных ВЧ полях происходит под действием суперпозиции квазистатических квадрупольных и статических однородных полей, при этом колебания по оси возбуждения Y оказываются однополярными y(t)>0 [5]. Поэтому рабочая область анализатора по оси Y также может быть монополярной.In the proposed device, resonant excitation of ion oscillations in quadrupole high-frequency fields occurs under the action of a superposition of quasi-static quadrupole and static homogeneous fields, while oscillations along the excitation axis Y are unipolar y (t)> 0 [5]. Therefore, the working area of the analyzer along the Y-axis can also be monopolar.

Предлагаемое устройство масс-анализа ионов, содержащее ионно-оптическую систему для образования в плоскости X0Y суперпозиции квадрупольных и однородных электрических полей и возбуждения в них резонансных колебаний отличается тем, что его ИОС с размерами 2ха, уа и 2za по осям X, Y, Z монополярная, расположена в полупространстве у≥0 и состоит из 2-х в плоскостях х=±ха, с размерами уа>>ха, 2za>>ха по осям Y, Z, дискретных с шагом Δуа<<уа по оси Y электродов (I) и (II) с дискретно-линейным по оси Y распределениями ВЧ, квазистатических и статических потенциалов u(I)i=ΔUy(t)i+ΔVyicosωt+ΔUвi, u(II)i=-ΔUy(t)i-ΔVyicosωt+ΔUвi, где i=1, 2, 3, …, n - номер дискретных элементов электродов, n=ya/Δy, ΔUy(t)=U(t)/n, U(t)=Ut/T - квазистатический (медленно изменяющийся при развертке масс) потенциал, Т - длительность развертки масс, ΔUв=Uв/n, Uв - потенциал однородного возбуждающего поля, одного в плоскости y=0, с размерами 2ха, 2za по осям X, Y, заземленного электрода (IV), и одного в плоскости у=уа с размерами 2ха, 2za по осям X и Z, дискретного с шагом Δх<<ха по оси X электрода (III) с суперпозицией дискретно-линейных распределений высокочастотного и квазистатического потенциалов и статического возбуждающего потенциала u(III)j=ΔUx(t)j+ΔVxjcosωt+ΔUв, где j=-m, …, - 2, - 1, 0, 1, 2, …, m - номер дискретного элемента электрода, m=ха/Δх, ΔUx(t)=U(t)/m, ΔVx=V/m. Для вывода ионов из анализатора на регистрацию электрод (III) выполняется полупрозрачным.The proposed device for mass analysis of ions, containing an ion-optical system for the formation in the X0Y plane of a superposition of quadrupole and uniform electric fields and excitation of resonant oscillations in them differs in that its IOS with dimensions 2x a , y a and 2z a along the X, Y axes , Z is monopolar, located in the half-space у≥0 and consists of 2 in the planes х = ± х а , with dimensions у а >> х а , 2z a >> х а along the axes Y, Z, discrete with a step Δу а << у а along the Y-axis of electrodes (I) and (II) with discrete-linear along the Y-axis distributions of HF, quasi-static and static potentials u (I) i = ΔU y (t) i + ΔV y icosωt + ΔU in i, u (II) i = -ΔU y (t) i-ΔV y icosωt + ΔU in i, where i = 1, 2, 3, ..., n is the number of discrete electrode elements, n = y a / Δy, ΔU y ( t) = U (t) / n, U (t) = Ut / T is the quasi-static (slowly changing during the sweep of the masses) potential, T is the duration of the sweep of the masses, ΔU in = U in / n, U in is the potential of the uniform exciting field , one in the plane y = 0, with dimensions 2x a , 2z a along the X, Y axes, grounded e electrode (IV), and one in the plane y = y a with dimensions 2x a , 2z a along the X and Z axes, discrete with a step Δx << x a along the X axis of the electrode (III) with a superposition of discrete linear distributions of high-frequency and quasi-static potentials and static exciting potential u (III) j = ΔU x (t) j + ΔV x jcosωt + ΔU в , where j = -m, ..., - 2, - 1, 0, 1, 2, ..., m is the number discrete electrode element, m = x a / Δx, ΔU x (t) = U (t) / m, ΔV x = V / m. To remove ions from the analyzer for registration, the electrode (III) is made semitransparent.

Схема ИОС предлагаемого устройства приведена на Фиг. 1. Ионно-оптическая система в плоскости X0Y замкнутая, поэтому точность распределения суперпозиции электрических полей в ней зависит только от шага дискретности электродов I, II, III. При оптимизации режимов резонансного возбуждения ионов размеры рабочей области анализатора ха и уа, и их соотношения, могут выбираться в широких пределах.The ITS diagram of the proposed device is shown in Fig. 1. The ion-optical system in the X0Y plane is closed, therefore, the accuracy of the distribution of the superposition of electric fields in it depends only on the discreteness step of the electrodes I, II, III. When optimizing the modes of resonant excitation of ions, the dimensions of the working area of the analyzer x a and y a , and their ratios, can be selected within wide limits.

Питание анализатора осуществляется ВЧ напряжением с постоянными параметрами V и ω, что обеспечивает их высокую точность установки и стабильность. Монополярная схема ИОС возбуждает колебания ионов в одном направлении оси Y, что в 2 раза увеличивает чувствительность анализатора.The analyzer is powered by an RF voltage with constant parameters V and ω, which ensures their high installation accuracy and stability. The monopolar IOS scheme excites ion oscillations in one direction of the Y axis, which doubles the analyzer sensitivity.

Таким образом предлагаемое решение позволяет усовершенствовать конструкцию ИОС масс-анализаторов с резонансным возбуждением ионов, осуществлять оптимизацию ее параметров, повысить аналитические и эксплуатационные характеристики масс-спектрометров такого типа, а также повысить эффективность систем их ВЧ питания и развертки.Thus, the proposed solution makes it possible to improve the design of the IOS of mass analyzers with resonant excitation of ions, to optimize its parameters, to increase the analytical and operational characteristics of mass spectrometers of this type, and also to increase the efficiency of their RF power supply and sweep systems.

ЛитератураLiterature

1. D.J. Douglas, N.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, N.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 a device for its implementation. Invention patent RU 2634614, 02/11/2017. Application No. 2016149722 dated 16.12.2016.

3. Е.В. Мамонтов. Способ образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля и устройство для его осуществления. Патент РФ №2497226, 2012 г.3. E.V. Mamontov. A method for generating a two-dimensional linear high-frequency electric field and a device for its implementation. RF patent No. 2497226, 2012

4. Мамонтов Е.В., Судаков М.Ю., Дятлов Р.Н. Свободные и вынужденные колебания заряженных частиц в инерционно-нестационарных быстроосциллирующих квадрупольных электрических полях. Радиотехника и электроника. 2020, том 65, №2, с. 197-202.4. Mamontov E.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.

5. Е.В. Мамонтов. Способ масс-анализа ионов в квадрупольных полях с возбуждением колебаний на границы устойчивости. Заявка на патент, 2020 г.5. E.V. Mamontov. Method for mass analysis of ions in quadrupole fields with excitation of oscillations to the stability boundaries. Patent Pending, 2020

Claims (1)

Устройство масс-анализа ионов, содержащее ионно-оптическую систему для образования в плоскости X0Y суперпозиций квадрупольных и однородных электрических полей и возбуждения в них резонансных колебаний, отличается тем, что его монополярная ионно-оптическая система с размерами 2ха, уа и za по осям X, Y и Z расположена в полупространстве у≥0 и состоит из двух в плоскостях х=±ха, с размерами уа>>ха, 2za>>ха по осям Y, Z, дискретных с шагом Δуа<<уа по оси Y, электродов (I) и (II) с дискретно-линейными по оси Y распределениями высокочастотных, квазистатических и статических потенциалов u(I)i=ΔUy(t)i+ΔVyicosωt+ΔUвi, u(II)i=-ΔUy(t)i-ΔVyicosωt+ΔUвi, где i=1, 2, 3, …, n - номер дискретного элемента электрода, n=уа/Δу, ΔUy(t)=U(t)/n, U(t)=Ut/T - квазистатический (медленно изменяющийся при развертке масс) потенциал, T - длительность развертки масс, ΔUв=Uв/n, Uв - потенциал возбуждающего однородного поля, одного в плоскости у=0, с размерами 2ха, 2za по осям X, Z, заземленного электрода (IV), и одного в плоскости у=уа, с размерами 2ха, 2za по осям X, Z, дискретного с шагом Δх<<ха по оси X, электрода (III) с суперпозицией дискретно-линейных распределений высокочастотного и квазистатического потенциалов и статического возбуждающего потенциала u(III)j=ΔUx(t)j+ΔVxjcosωt+ΔUв, где j = -m, …, - 2, - 1, 0, 1, 2, …, m - номер дискретного элемента электрода, m=ха/Δх, ΔUx(t)=U(t)/m, ΔVx=V/m, причем для вывода ионов из анализатора на регистрацию электрод (III) выполняется полупрозрачным.A device for ion mass analysis, containing an ion-optical system for the formation in the X0Y plane of superpositions of quadrupole and uniform electric fields and excitation of resonant oscillations in them, differs in that its monopolar ion-optical system with dimensions 2x a , y a and z a along the axes X, Y and Z is located in the half-space у≥0 and consists of two in the planes х = ± х а , with dimensions у а >> х а , 2z a >> х а along the axes Y, Z, discrete with a step Δу а << у а along the Y-axis, electrodes (I) and (II) with discrete-linear along the Y-axis distributions of high-frequency, quasi-static and static potentials u (I) i = ΔU y (t) i + ΔV y icosωt + ΔU in i , u (II) i = -ΔU y (t) i-ΔV y icosωt + ΔU in i, where i = 1, 2, 3, ..., n is the number of the discrete electrode element, n = у а / Δу, ΔU y (t) = U (t) / n, U (t) = Ut / T is the quasi-static (slowly changing during the sweep of the masses) potential, T is the duration of the sweep of the masses, ΔU in = U in / n, U in is the potential of the exciting homogeneous field, one in the plane y = 0, with dimensions 2x a , 2z a along the axis pits X, Z, a grounded electrode (IV), and one in the plane y = y a , with dimensions 2x a , 2z a along the X, Z axes, discrete with a step Δx << x a along the X axis, electrode (III) with superposition of discrete-linear distributions of high-frequency and quasi-static potentials and static exciting potential u (III) j = ΔU x (t) j + ΔV x jcosωt + ΔU в , where j = -m, ..., - 2, - 1, 0, 1 , 2, ..., m is the number of the discrete element of the electrode, m = х а / Δх, ΔU x (t) = U (t) / m, ΔV x = V / m, and for the withdrawal of ions from the analyzer for registration the electrode (III ) is translucent.
RU2020124239A 2020-07-14 2020-07-14 Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary RU2749549C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124239A RU2749549C1 (en) 2020-07-14 2020-07-14 Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020124239A RU2749549C1 (en) 2020-07-14 2020-07-14 Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2749549C1 true RU2749549C1 (en) 2021-06-15

Family

ID=76377430

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020124239A RU2749549C1 (en) 2020-07-14 2020-07-14 Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2749549C1 (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
JP5918821B2 (en) Electrostatic ion trap
Shaffer et al. Characterization of an improved electrodynamic ion funnel interface for electrospray ionization mass spectrometry
Ouyang et al. Rectilinear ion trap: concepts, calculations, and analytical performance of a new mass analyzer
CN101578684B (en) Electrostatic ion trap
Kim et al. Design and implementation of a new electrodynamic ion funnel
AU2003297655B2 (en) Processes for designing mass separators and ion traps, methods for producing mass separators and ion traps. mass spectrometers, ion traps, and methods for analysing samples
US9564304B2 (en) Ion trap mass analyzer apparatus, methods, and systems utilizing one or more multiple potential ion guide (MPIG) electrodes
US7772546B2 (en) Portable loeb-eiber mass spectrometer
US7495211B2 (en) Measuring methods for ion cyclotron resonance mass spectrometers
CN108597980B (en) Sample quantification using a miniature mass spectrometer
CN109643632B (en) Quadrupole device
Jiang et al. Improving the performances of a “brick mass spectrometer” by quadrupole enhanced dipolar resonance ejection from the linear ion trap
Zhang et al. Effects of higher-order multipoles on the performance of a two-plate quadrupole ion trap mass analyzer
US6884996B2 (en) Space charge adjustment of activation frequency
Reece et al. Digital mass analysis in a linear ion trap without auxiliary waveforms
RU2634614C1 (en) Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation
RU2749549C1 (en) Device for mass analysis of ions with quadrupole fields with excitation of oscillations at stability boundary
Zhang et al. Paul trap mass analyzer consisting of opposing microfabricated electrode plates
RU2683018C1 (en) Method of mass analysis of ions in quadrupolar high-frequency fields with dipole excitation of oscillations on borders of stability
US20160163529A1 (en) Frequency scan linear ion trap mass spectrometry
Lu et al. Frequency-scanning MALDI linear ion trap mass spectrometer for large biomolecular ion detection
Dziekonski et al. Voltage-induced frequency drift correction in fourier transform electrostatic linear ion trap mass spectrometry using mirror-switching
US3371205A (en) Multipole mass filter with a pulsed ionizing electron beam
RU2444083C2 (en) Method for time-of-flight separation of ions according to mass and device for realising said method
Yan et al. Ion transmission in an electrospray ionization‐mass spectrometry interface using an S‐lens