RU2800631C1 - Устройство и способ транспортировки и фокусировки ионов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиочастотным устройствам для транспортировки, фокусировки и удержания ионов, а именно к масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности ионов. Технический результат - повышение эффективности транспортировки и фокусировки ионов и стабильности характеристик всего масс-спектрометра при высокой нагрузке прибора и непрерывном проведении анализов. Устройство транспортировки и фокусировки ионов содержит источник ионов, поверхность, на которой расположен массив радиочастотных электродов, и по меньшей мере один электрод, расположенный напротив упомянутой поверхности и образующий совместно с ней канал переноса ионов. По меньшей мере один электрод выполнен с по меньшей мере одним DC потенциалом, а упомянутая поверхность с массивом радиочастотных электродов расположена вдоль канала переноса ионов. Описан также способ транспортировки и фокусировки ионов. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиочастотным устройствам для транспортировки, фокусировки и удержания ионов, а именно к масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности.

Уровень техники

Масс-спектрометр обычно состоит источника ионов, вакуумной камеры, масс анализатора и детектора ионов. Образовавшиеся ионы в источнике ионов поступают в масс-анализатор, где разделяется по отношению их массы к заряду (далее будем говорить к “массе”) и затем регистрируются детектором. Если источник ионов работает при повышенном давлении, необходима система, которая транспортирует ионы в вакуумную камеру с типичным давлением 1Е-5 - 1Е-6 Торр, где происходит разделение ионов по массам в масс-анализаторе. Такие устройства называются интерфейсами дифференциальной откачки, где перепад давления разбивается на несколько камер-областей. Каждая камера отделяется от соседней, диафрагмой, которая ограничивает поток газа в последующую камеру. При этом чтобы избежать потери чувствительности анализа, ионы необходимо фокусировать перед входом в последующую ступень.

Наряду с минимизацией потерь ионов, на интерфейсы дифференциальной откачки и прочие транспортные системы накладывается требование устойчивости работы в течение длительного времени, в том числе транспортная система должна быть устойчива к загрязнениям, поступающим в вакуумную камеру вместе с ионами. К загрязнениям относятся малолетучие вещества или соединения, которые могут образовывать устойчивые пленки на поверхности электродов. При стыковке масс-анализаторов с устройствами предварительного разделения ионов по какому либо параметру, например с высокоскоростной хроматографией или со спектрометром ионной подвижности (СИП), разделяющих компоненты пробы на высоких скоростях с характерными временами10-1000 мс, или при измерении быстропротекающих процессов, дополнительно накладывается требование на скорость работы фокусирующей и транспортной системы, чтобы не терялось достигнутое разрешение на предыдущей ступени разделения.

В настоящее время применяется ряд систем, позволяющих осуществлять фокусировку и транспортировку ионов в газе. Наиболее распространенными из них являются: ионная воронка, ВЧ мультиполи (квадруполи, гексополи, октуполи и т.д.) и устройства с полем “бегущей волны”.

ВЧ мультиполь являются самым распространенным устройством транспорта ионов. Принцип действия основан на том, что вдоль оси образуется канал, вдоль которого движутся ионы. В радиальном направлении движение ионов ограничивается псевдопотнециальной ямой, которая в случае вакуума в общем случае для m стержней выражается как

где m - количество стержней, Vrf - амплитуда ВЧ напряжения, R - радиус положения иона в мультиполе, ω - циклическая частота ВЧ питания, M - масса иона, r_o - вписанный радиус мультиполя. В присутствие газа, ионы, имеющие кинетическую энергию больше чем молекулы или атомы газа, теряют свою кинетическую энергию за счет столкновений с газом. При этом происходит фокусировка ионных пучков по мере их охлаждения. Этот факт позволил существенно улучшить эффективность транспорта ионов и был запатентован (Douglas D.J., French J.B. Patent US4963736B1, 1989 г.).

Ионная воронка, также является одним из классических способов реализации системы для транспортировки и фокусировки ионов, которая представляет собой массив электродов с коаксиально расположенными отверстиями, в котором у каждого последующего электрода, в направлении от выхода из МС в сторону анализатора, диаметр отверстия меньше предыдущего, так образуется пространство для движения ионов - «воронка» (US6107628A, 22.08.2000, US8299443B1, 30.10.2012). На электроды прикладывается высокочастотное (ВЧ) напряжение, при этом на соседние электроды подается напряжения с противоположными фазами. ВЧ поле выталкивает ионы в направлении оси устройства. Также на электроды подается постоянное DC напряжение, задающее градиент электрического поля вдоль оси, толкающее ионы к выходной диафрагме. При этом происходит пространственное сжатие пучка, ионы фокусируются и поступают в следующую ступень.

Так как ионы нужно транспортировать из области высокого в область более низкого давления, то для снижения нагрузки на вакуумные насосы предпочтительно уменьшать диаметр отверстия выходной диафрагмы. Но в данном случае наблюдается затруднение прохождения ионов из области перед диафрагмой из-за ловушки, создаваемой ВЧ полем. Так как характерная величина псевдопотенциала, отталкивающего ионы к центру ловушки, пропорциональна шагу электродов в соответствии с известной формулой для расчета псевдопотенциала кольцевых электродов [Mass Spectrometry Reviews, 2010, 29, 294- 312]:

где r и z - радиальная и осевая составляющие соответственно, δ = d/π, z = d⋅(i+1/2), i - номер электрода, d - расстояние между соседними электродами, ρ - радиус апертуры для первого электрода, I ₀ и I ₁ - модифицированные функции Бесселя 0-го и 1-го рода соответственно, V_rf - амплитуда ВЧ - поля.

Согласно формулам, в сужающейся части ионной ловушки, псевдопотенциал может “сомкнуться” у выхода из воронки, затрудняя вылет ионов. Этот эффект затрудняет транспортировку ионов сквозь диафрагмы с малым апертурой, а использование выходных диафрагм с большой апертурой увеличивает газовую нагрузку на насосы последующих ступеней откачки.

Другой распространенный вид устройств транспортировки и фокусировки ионов, это класс устройств, в которых реализуется движение ионов в поле «бегущей волны» (Travelling wave, TW). Обычно устройства транспорта ионов представляют собой массивы кольцевых электродов с постоянным диаметром отверстий (US7375344B2, 20.05.2008, US6693276B2, 17.02.2004, US6794641B2 2002 Micromass). В предложенных системах к электродам прикладывается медленно изменяющееся DC напряжение, смешанное вместе с более высокочастотной составляющей ВЧ. На попарно соседние электроды прикладывается ВЧ напряжение противоположных фаз, а на группы электродов по четыре и более штук подается переменное напряжение со сдвигом фаз на 360° / N, где N - количество электродов в группе. В результате, образуется поле “бегущей волны” напряжения, которая перемещает ионы над поверхностью радиочастотных электродов.

Еще один подвид транспортирующих, фокусирующих, и разделяющих ионы систем, - “Структуры для манипуляций с ионами без потерь” (Structures for Lossless Ion Manipulations, SLIM), представлен в патентах (US8969800B1, 03.03.2015, US9704701B2, 11.07.2017). (US9966244B2, 08.05.2018, Battelle Memorial Institute). Электродные структуры представляют собой массивы электродов на двух близко расположенных поверхностях. На часть электродов подаются ВЧ-напряжение для удержания ионов между поверхностями с электродами. Для этого на соседние электроды подаются ВЧ напряжение, которые на 180 градусов сдвинуты по фазе. На другую часть электродов подается медленно меняющееся постоянное напряжение для осуществления транспорта и/или разделения ионов по их подвижности.

Общий недостаток рассмотренных выше устройств - недостаточная устойчивость к загрязнениям, попадающим на полезадающие электроды. Поток газа, поступающий вместе с ионами от источника ионов, может содержать малолетучие нейтральные частицы веществ-загрязнителей. Даже в случае эффективного отражения ионов от поверхностей электродов и их транспорта, эти частицы оседают на поверхности и могут являться причиной искажения фокусирующего ионы поля и источником повышенного фона прибора. Ситуация усугубляется при анализе проб со сложной матрицей, например, плазма крови или пробы нефти, или когда анализы проводятся в непрерывном круглосуточном режиме.

Также предлагаемое устройство преодолевает недостаток устройств типа “ионная воронка”, который затрудняет использование выходных диафрагм с малой апертурой, о котором сообщалось выше. Раскрытое устройство позволяет фокусировать и транспортировать ионы через диафрагмы с малой апертурой.

Раскрытое здесь устройство транспортировки и фокусировки ионов обеспечивает уникальную комбинацию свойств, делающих его более подходящим для использования при транспортировке ионов в широком диапазоне давлений.

Раскрытие изобретения

Техническая задача заключается в создании устройства и способа транспортировки и фокусировки ионов с высокой эффективностью, т.е. с минимальными потерями, в предотвращении размытия ионных пакетов во времени при их транспорте во времени и с устойчивостью к загрязнениям, поступающих в устройство транспортировки и фокусировки вместе с ионами.

Технический результат заключается в повышении эффективности транспортировки и фокусировки ионов, предотвращении размытия ионных пакетов во времени при их транспорте через устройство и исключении потерь разрешения, а также в устойчивости заявленного устройства к загрязнениям, обеспечивающей стабильность работы устройства транспорта и стабильность характеристик всего масс-спектрометра или СИП при высокой нагрузке прибора и непрерывном проведении анализов.

Технический результат достигается за счет того, что устройство транспортировки и фокусировки ионов содержит источник ионов, поверхность, на которой расположен массив радиочастотных электродов, и по меньшей мере один электрод, расположенный напротив упомянутой поверхности и образующий совместно с ней канал переноса ионов, причем по меньшей мере один электрод выполнен с по меньшей мере одним DC потенциалом, а упомянутая поверхность с массивом радиочастотных электродов расположена вдоль канала переноса ионов.

Кроме того, массив радиочастотных электродов имеет повторяющийся узор и состоит из групп по N электродов, повторяющихся вдоль поверхности.

Кроме того, массив радиочастотных электродов и расположенный напротив него DC электрод выполнены сужающимися к выходу устройства, обеспечивая сжатие ионного пакета в двух направлениях - перпендикулярном поверхности (Y) и вдоль поперечного направления устройства (X).

Кроме того, масштаб узора и его рисунок может изменяться по длине поверхности.

Кроме того, устройство выполнено с возможностью подачи N изменяющихся во времени потенциалов на группы из N электродов массива радиочастотных электродов.

Кроме того, на группы из N электродов массива радиочастотных электродов выполнена подача N переменных напряжений, со сдвигом фаз, по меньшей мере, на 2π/N относительно соседнего электрода в группе.

Кроме того, устройство выполнено с возможностью подачи на соседние электроды из массива радиочастотных электродов ВЧ напряжения со сдвигом фаз на π.

Кроме того, по меньшей мере, часть электродов в массиве электродов имеет форму прямоугольника или форму изогнутой полоски в виде угла или форму изогнутой полоски в виде части овала или части кольца.

Кроме того, массив радиочастотных электродов имеет плоскую изолирующую подложку и может быть реализован с помощью технологии печатных плат.

Кроме того, дополнительно помимо массива радиочастотных электродов, упомянутая поверхность содержит по меньшей мере один или более электродов, расположенных по краям поверхности с приложенным DC потенциалами, для формирования постоянного или ВЧ электрического поля, направляющего ионы к центральной оси канала переноса ионов.

Кроме того, электрод с DC потенциалом, расположенный напротив массива радиочастотных электродов, выполнен в виде пластины или сетки, или иной проволочной структуры.

Кроме того, дополнительно выход устройства соединен с последующим устройством, состоящим из аналогичных массивов радиочастотных электродов, расположенных друг напротив друга, которые формируют аналогичное поле бегущей волны, удерживающее ионы в канале переноса ионов и транспортирующее их вдоль канала.

Кроме того, выход устройства используется вместе с источниками ионов в диапазоне давлений газа от 10^-9 до 1000 Торр.

Способ транспортировки и фокусировки ионов, осуществляемый с помощью устройства, содержащего источник ионов, поверхность, на которой выполнен массив радиочастотных электродов, расположенная вдоль канала переноса ионов, и по меньшей мере один электрод, выполненный с по меньшей мере одним DC потенциалом, расположенный напротив упомянутой поверхности и образующий совместно с ней канал переноса ионов, содержит этапы:

из источника ионов направляют поток ионов с газом в пространство между поверхностью с массивом радиочастотных электродов и электродом с DC потенциалом;

формируют электрическое поле, которое направляет ионы от по меньшей мере одного электрода с DC потенциалом к поверхности с массивом радиочастотных электродов;

формируют электрическое поле, которое отталкивает ионы от упомянутой поверхности и направляет их в канал переноса ионов, образованный между массивом электродов и по меньшей мере одним электродом с DC потенциалом, внутри которого удерживаются ионы и в котором ионы перемещаются в направлении к выходу из устройства.

Кроме того, движение ионов в направлении вдоль оси к выходу из устройства осуществляют за счет подачи питающего напряжения на массив электродов, образующего электрическое поле бегущей волны.

Кроме того, движение ионов в направлении к выходу из устройства осуществляют за счет направленного вдоль оси потока нейтрального газа из источника ионов.

Кроме того, движение ионов в направлении к выходу из устройства осуществляют за счет направленного вдоль оси поля бегущей волны, которое формируется множеством электродов.

Кроме того, поток ионов с газом направляют вдоль оси, которая наклонена относительно поверхности с массивом электродов, таким образом, чтобы основная часть нейтральной компоненты, включая загрязнители, не попадала на массив электродов и во входную часть последующего устройства.

Кроме того, для образования электрического поля бегущей волны на чередующиеся группы электродов подают изменяющееся во времени напряжение со сдвигом фазы относительно соседней группы электродов.

Кроме того, в каждой группе, начиная от первого до последнего электрода по ходу движения ионов, фазу напряжения на соседних электродах сдвигают таким образом, чтобы образовывались пики и впадины потенциала, перемещающиеся вдоль поверхности.

Кроме того, питание подают таким образом, что на соседние электроды подают противофазный сигнал с более высокой частотой, и на этот сигнал накладывается другой сигнал с другой частотой, меньшей в несколько раз относительно первой и со сдвигом фаз относительно соседних электродов в группе, которую распределяют по упомянутым группам электродов.

Кроме того, питающее напряжение представляет собой синусоидальный сигнал, имеет прямоугольную или треугольную форму, или форму пилы.

Кроме того, питающие напряжения меняют в зависимости от режима функционирования устройства, а именно режима накопления или режима транспорта ионов, чередование которых позволяет формировать ионные пакеты нужной длительности.

Кроме того, в режиме накопления питание на массив электродов подают таким образом, чтобы ионы не оседали на поверхности устройства, но не проходили в следующее за ним устройство.

Кроме того, в режиме транспорта ионов на массив электродов подают ВЧ напряжения, образующие поле бегущей волны, направляющее ионы к выходу из устройства или иное направляющее поле с постоянной составляющей.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Общий вид предпочтительного осуществления устройства транспортировки и фокусировки ионов;

Фиг. 2 - Предпочтительное осуществления устройства транспортировки и фокусировки ионов, вид сбоку;

Фиг. 3 - Предпочтительное осуществления устройства транспортировки и фокусировки ионов, вид в плоскости XY по сечению А-А;

Фиг. 4 - Предпочтительное осуществления устройства транспортировки и фокусировки ионов, вид сверху (XZ);

Фиг. 5 - Траектории ионов в устройстве транспортировки и фокусировки ионов.

Осуществление изобретения

Заявленное решение направлено на устройства и методы транспортировки, фокусировки и улавливания ионов в газах в широком диапазоне давлений с минимальными потерями ионов с использованием электрических полей.

Основная область применения раскрываемого устройства (ионнофокусирующего устройства) - это интерфейсы дифференциальной откачки, входная или выходная ступень устройств сепарации ионов по их свойствам - по их подвижности, отношению М/z.

На фигурах 1-5 представлен предпочтительный вариант осуществления устройства транспортировки и фокусировки ионов (10), содержащее источник ионов (1), из которого поступает поток ионов с газом (4) в пространство, образованное поверхностью (6) с множеством радиочастотных ВЧ полезадающих электродов (2) и DC электродом (3), которые образуют канал (5) для перемещения ионов. Электрод (3) создает электрическое поле, которое направляет ионы к множеству электродов (2). Поверхность (6) с множеством ВЧ полезадающих электродов (2), на которые подается смесь ВЧ и DC напряжений, служит для формирования поля, которое отталкивает ионы от этой поверхности и направляет их в пространство между электродами (2) и (3). В результате действия полей, сформированных множеством электродов (2) и электродом (3) формируется канал переноса ионов (5), внутри которого удерживаются ионы и в котором ионы перемещаются вдоль оси Z в направлении к выходу из ионнофокусирующего устройства (10). В предпочтительном варианте, движение ионов в направлении оси Z осуществляется за счет электрического поля бегущей волны, которое направляет ионы вдоль канала (5) переноса ионов от входного конца к выходному концу ионнофокусирующего устройства (10). Термин “радиочастотные ВЧ электроды“ не ограничивает режим питания электродов (2) только ВЧ напряжением.

Также, движение ионов в направлении оси Z может осуществляться за счет направленного вдоль оси Z потока нейтрального газа, который поступает из источника (1).

Также, движение ионов в направлении оси Z может осуществляться за счет направленного вдоль оси Z постоянной составляющей электрического поля, которое формируется множеством электродов (2) аналогичным образом тому, как формируется поле в классической Ion Funnel.

На выходе ионнофокусирующего устройства (10) может быть расположено последующее устройство (8), которое принимает ионы, поступающие с устройства (10) для дальнейшего их транспорта в последующие ступени интерфейса или устройства сепарации ионов.

Поток (4) ионов с газом может содержать нейтральные частицы (7), включая молекулы газа носителя, летучие и малолетучие частицы веществ-загрязнителей. Поток ионов с газом (4) в предпочтительном варианте направлен вдоль оси, которая наклонена относительно поверхности (6) с множеством электродов (2) таким образом, чтобы основная часть нейтральной компоненты (7), включая загрязнители, не попадала на электроды (2) и во входную часть последующего устройства (8), расположенного за ионнофокусирующим устройством (10). В отличии от приведенных выше аналогов, в процессе транспортировки частиц, струя газа направляется мимо электрода, который фокусирует и направляет ионы, благодаря этому устранено загрязнение электродов загрязняющими частицами, что обеспечивает постоянную эффективную транспортировку ионов на выход устройства.

Вместе с этим, поток (4) может быть направлен в устройство газовой откачки (9). За счет более эффективной откачки, которая осуществляется за счет направления потока газа в сторону насоса, снижается давление в камере, в которой расположено ионнофокусирующее устройство (10).

Источником ионов (1) может быть предыдущая ступень интерфейса дифференциальной откачки, устройство сепарации ионов по их свойствам или любой источник ионов, работающий при давлениях близком к атмосферному, форвакууме или высоком вакууме.

В предпочтительном варианте исполнения отдельные электроды из множества радиочастотных электродов (2) имеют прямоугольную форму и разделены изолятором, множество радиочастотных электродов (2) имеет периодически повторяющийся рисунок, состоящий из групп по 2, 3, 4, 5 и более электродов. Наибольшее распространение имеет вариант устройства, где массив множества радиочастотных электродов разделен на группы по 4 электрода, чтобы задавать поле бегущей волны.

Массив радиочастотных электродов (2), и расположенный напротив ее DC электрод (3) могут сужаться к выходу, тем самым обеспечивая сжатие ионного пакета в двух направлениях - перпендикулярном поверхности (Y) и вдоль поперечного направления устройства (X). Таким образом образуется поток ионов, двигающийся по каналу.

Согласно предпочтительному варианту осуществления повторяющийся узор полезадающих электродов (2) распространяется по большей части поверхности (6).

Размер электродов и расстояние между ними можно варьировать на основе требований к электрическому полю для различных условий транспортировки ионов. Расстояние между электродами обычно выбирают из условия снижения вероятности электрического пробоя. В типичных примерах, когда ионнофокусирующее устройство работает при давлениях от 10^-9 до 100 Торр, шаг между электродами составляет порядка 0.1 - 1 мм, в том числе более 1 мм, зазор между электродами составляет от 0.05 до 1 мм, в том числе более 1 мм. При повышении давления, вплоть до атмосферного, для сохранения отталкивающего воздействия поля псевдопотенциала над поверхностью на ионы, предпочтительно уменьшать шаг электродов в плоть до 5-10 мкм (Poteshin, S. et al. // EjMS, 2020, 26(4), pp. 274-280). С другой стороны, увеличенный шаг на уровне 1-5 мм между электродами в структуре при таких давлениях, позволяет достичь более эффективное поле бегущей волны, которое переносит ионы вдоль поверхности.

В одном из вариантов, форма отдельных электродов (2) кроме прямоугольной, может иметь форму сектора окружности с центром окружности на оси поверхности (2), угловую форму или другую изогнутую форму. Диаметр или характерный размер изогнутости электродов может меняться в направлении к выходу из устройства (10). В этом случае поле бегущей волны будет дополнительно направлять ионы из периферийной области к центральной оси устройства.

В одном из вариантов, масштаб повторяющегося узора может меняться по длине поверхности (6). Например, на входе ионнофокусирующего устройства масштаб узора может быть примерно в 1.2-5 и более раз больше масштаба узора на выходе ионнофокусирующего устройства. Изменение упомянутого масштаба узора позволяет варьировать величину эффективного воздействия поля бегучей волны на ионы, т.к. характерное расстояние воздействия поля бегущей волны над поверхностью электродов экспонциально спадает, где шаг между повторяющимися рисунками узора электродов стоит в показателе экспоненты. Таким образом с увеличением масштаба узора, увеличивается расстояние над поверхностью, на котором будет действовать поле бегущей волны и отталкивающее поле псевдопотенциала над поверхностью.

В одном из вариантов, источником ионов может является предыдущая ступень интерфейса дифференциальной откачки или устройство сепарации ионов по их свойствам или любой источник ионов, работающий при давлениях близком к атмосферному, форвакууме или высоком вакууме.

Способ транспортировки и фокусировки ионов осуществляется с помощью вышеуказанного устройства, содержащего источник ионов, поверхность, на которой выполнен массив радиочастотных электродов, расположенная вдоль канала переноса ионов, и по меньшей мере один электрод, выполненный с по меньшей мере одним DC потенциалом, расположенный напротив упомянутой поверхности и образующий совместно с ней канал переноса ионов, при этом способ содержит следующие этапы:

- из источника ионов направляют поток ионов с газом в пространство между поверхностью с массивом радиочастотных электродов и электродом с DC потенциалом;

- формируют электрическое поле, которое направляет ионы от по меньшей мере одного электрода с DC потенциалом к поверхности с массивом радиочастотных электродов;

- формируют электрическое поле, которое отталкивает ионы от упомянутой поверхности и направляет их в канал переноса ионов, образованный между массивом электродов и по меньшей мере одним электродом с DC потенциалом, внутри которого удерживаются ионы и в котором ионы перемещаются в направлении к выходу из устройства.

Питание электродов можно варьировать на основе требований к электрическому полю для различных условий транспортировки ионов. В предпочтительном варианте питание на электроды (2) подается таким образом, чтобы над поверхностью электродов создавалось поле бегущей волны, когда создается поле с чередующимися максимумами и минимумами потенциала, которые двигаются вдоль поверхности над электродами. Чтобы сформировать электрическое поле бегущей волны на чередующиеся группы электродов подают изменяющееся во времени напряжение со сдвигом фазы относительно соседней группы электродов. В каждой группе, начиная от первого до последнего электрода по ходу движения ионов, фаза напряжения на соседних электродах сдвинуто таким образом, чтобы образовывались “пики” и “впадины” потенциала, перемещающиеся вдоль поверхности. В классическом случае значение сдвига фаз выбирается как 360/n, где n - число электродов в группе. Так в одной группе первый электрод, удерживается при первом значении напряжения, второй электрод - на втором и так далее. При этом, в первый момент времени t1 первое напряжение подается на первые электроды всех групп, второе напряжение - на вторые электроды всех групп и так далее соответственно. Во второй момент времени t2 первое напряжение подается на вторые электроды в каждой группе, второе напряжение - на третьи электроды в каждой группе и так далее. Таким образом толкающее поле над электродами “шагает” в направлении движения ионов создавая бегущую волну. Ионнофокусирующее устройство может содержать от 2 и более групп, при этом каждая группа включает 4, 5, 6 и более электродов.

Перемещаясь, бегущая волна создает “пики” и “впадины” потенциала. Волна перемещается вдоль пластины в направлении, в котором необходимо перемещать ионы. В зависимости от отношения скорости иона к скорости “бегущей волны” возможны два типа движения ионов. Если ионы обладают очень высокой подвижностью, они перемещаются вместе с волной. В таком варианте скорость иона оказывается равной скорости “бегущей волны”. Если ион увлекается потенциальной волной, «проскальзывая» по «гребням», это приводит к тому, что скорость иона оказывается ниже скорости волны. В этом случае, ионы будут двигаться в поле волны с разными скоростями вдоль канала в зависимости от их подвижностей. Ионы с более высокой подвижностью будут двигаться вместе с волной значительную часть времени, в то время как ионы с более низкой подвижностью будут чаще “проскакивать” гребни волны. Чем больше ионы “проскакивают” пики, тем медленнее они перемещаются через устройство.

В одном из вариантов, питающие напряжения на группы электродов может представлять собой сумму напряжений, меняющихся с разной частотой и с разным набором фаз и амплитуд. В одном из предпочтительных вариантов питание подается следующим образом. На соседние электроды подается противофазный сигнал с более высокой частотой, например 0.5-10 Мгц, и на этот сигнал накладывается другой сигнал с другой частотой, предпочтительно в 2-10 раз меньшей относительно первой и со сдвигом фаз относительно соседних электродов в группе, которая распределяется по упомянутым группам электродов.

Питающее напряжение может представлять собой синусоидальный сигнал, иметь прямоугольную, треугольную форму, форму пилы и другие формы сигнала.

Питающие напряжения могут меняться в зависимости от режима функционирования ионофокусирующего устройства. Можно выделить два основных режима работы устройства - режим накопления и режим транспорта ионов. В режиме накопления питание на электроды (2) подается таким образом, чтобы ионы не оседали на поверхности устройства (10), но не проходили в следующее за ним устройство (8). В одном из вариантов, для осуществления этого режима, на электроды подается такое напряжение, которое формирует поле, которое только удерживает ионы над поверхностью, но не создает поле, которое продвигает ионы в направлении к выходу устройства. При этом на один из последних электродов устройства (10) или на его выходную диафрагму (не показана на рисунке) подается запирающий потенциал, препятствующий выходу ионов из устройства (10). Например, на соседние электроды подается только ВЧ напряжение противоположных фаз. Для осуществления режима транспорта ионов, на электроды подаются ВЧ напряжения, образующие поле бегущей волны, направляющее ионы к выходу из устройства (10) или иное направляющее поле, например, поле с постоянной составляющей, аналогичному классическому полю Ion Funnel. Чередование упомянутых режимов позволяет формировать ионные пакеты нужной длительности.

DC электрод (3) в устройстве (10) служит для формирования поля, которое направляет ионы к поверхности электродов (2). Характерное расстояние ослабления поля бегущей волны над поверхностью составляет шаг повторения групп электродов. Поэтому, эффективное движение ионов вдоль поверхности осуществляется только вблизи этой поверхности. Для продвижения ионов вдоль поверхности в направлении Z к выходу устройства (10) необходимо, чтобы ионы находились близко к поверхности множества радиочастотных электродов (2). Для этого, в предпочтительном варианте, над поверхностью с множеством радиочастотных электродов (2), расположен один или несколько электродов с постоянным напряжением, который формирует поле, направляющее ионы к поверхности с множества радиочастотных электродов (2). Электрод (3) может представлять собой проводящую пластину, сетку или рад проволок. В предпочтительном варианте электрод (3) для предотвращения загрязнения этого электрода, за счет осаждения нейтральной компоненты с малолетучими веществами, поступающих из источника (1), состоит из нескольких проволок. Форма электрода (3) выбирается таким образом, чтобы прижимающей поле создавалось, по крайней мере в выходной части поверхности электродов (2). Форма электрода (3) может иметь изгиб в направлении оси X, чтобы создать поле, которое направляет ионы в центральную часть канала (5) движения ионов, ближе к оси устройства. На проволоки подается потенциал, задающий прижимающее поле.

В одном из вариантов, поток ионов с газом (4) может поступать вдоль оси, которая направлена вдоль поверхности (6).

В одном из вариантов, поверхность (6) может отсутствовать, а множество электродов представлять из себя множество проволок, закрепленных своими концами на непроводящем или слабо проводящем материале.

Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления ионнофокусирующего устройства для фокусировки и транспорта ионов при давлении близком к атмосферному, например, когда оно работает совместно с источниками ионов, работающих при атмосферном давлении, такими как ESI, APCI и др., конфигурация ионнофокусирующего устройства адаптируется для минимизации вероятности электрического пробоя. Для осуществления эффективной фокусировки и транспорта ионов к выходу устройства при повышенном давлении, чтобы сформировать необходимое для этого поле бегущей волны, необходимо прикладывать большие амплитуды напряжений на множество электродов (2). В этом случае множество электродов (2) предпочтительнее выполнить в виде проволок. Проволоки крепятся на изоляторе устойчивом к электрическому пробою. Диаметр проволок и расстояние между ними можно варьировать на основе требований к электрическому полю. Например, диаметр проволок может иметь 0.02-2 мм и более. Расстояние между проволоками должно выбираться таким, чтобы снизить вероятность электрического пробоя между ними и может составлять 0.1-5 мм или 5-15 мм. В типичных примерах диаметр проволок составлял 0.5 мм, расстояние между ними 2 мм, амплитуда ВЧ напряжений на электродах Vpp~3 kV.

В одном из вариантов, поверхность (6) наряду с множеством ВЧ электродов может иметь электроды (11), расположенные на боковых частях, как это показано на фиг. 5.

Заявленные устройство и способ обеспечивают:

- достижение высокой эффективности транспорта ионов с минимальными потерями. Это обеспечивает высокую чувствительность прибора на коротких временах накопления данных, что при измерении быстропротекающих процессов или с малым количеством пробы;

- предотвращение размытия ионных пакетов при их транспорте через устройство. Это позволяет избежать потерю разрешения, достигнутую на предыдущих сепарирующих ступенях, например таких, как газовая хроматография (ГХ), жидкостная хроматография (ЖХ), СИП. Заявленное устройство и способ транспорта и фокусировки обеспечивает характерные времена размытия фронтов изменения концентраций компонент смеси на уровне 100-500 мкс;

- устойчивость заявленного устройства к загрязнениям, что обеспечивает стабильность работы устройства транспорта и стабильность характеристик всего масс-спектрометра или СИП при высокой нагрузке прибора и непрерывном проведении анализов.

Claims (30)

1. Устройство транспортировки и фокусировки ионов, характеризующееся тем, что содержит источник ионов, поверхность, на которой расположен массив радиочастотных электродов, и по меньшей мере один электрод, расположенный напротив упомянутой поверхности и образующий совместно с ней канал переноса ионов, причем по меньшей мере один электрод выполнен с по меньшей мере одним DC потенциалом, а упомянутая поверхность с массивом радиочастотных электродов расположена вдоль канала переноса ионов.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что массив радиочастотных электродов имеет повторяющийся узор и состоит из групп по N электродов, повторяющихся вдоль поверхности.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что массив радиочастотных электродов и расположенный напротив него DC электрод выполнены сужающимися к выходу устройства, обеспечивая сжатие ионного пакета в двух направлениях - перпендикулярном поверхности (Y) и вдоль поперечного направления устройства (X).

4. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что масштаб узора и его рисунок выполнены с возможностью их изменения по длине поверхности.

5. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью подачи N изменяющихся во времени потенциалов на группы из N электродов массива радиочастотных электродов.

6. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что на группы из N электродов массива радиочастотных электродов выполнена подача N переменных напряжений, со сдвигом фаз, по меньшей мере, на 2π/N относительно соседнего электрода в группе.

7. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью подачи на соседние электроды из массива радиочастотных электродов ВЧ напряжения со сдвигом фаз на π.

8. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что по меньшей мере часть электродов в массиве электродов имеет форму прямоугольника или форму изогнутой полоски в виде угла или форму изогнутой полоски в виде части овала или части кольца.

9. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что массив радиочастотных электродов имеет плоскую изолирующую подложку и может быть реализован с помощью технологии печатных плат.

10. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что дополнительно помимо массива радиочастотных электродов, упомянутая поверхность содержит по меньшей мере один или более электродов, расположенных по краям поверхности с приложенным DC потенциалами, для формирования постоянного или ВЧ электрического поля, направляющего ионы к центральной оси канала переноса ионов.

11. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что электрод с DC потенциалом, расположенный напротив массива радиочастотных электродов, выполнен в виде пластины или сетки, или иной проволочной структуры.

12. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что дополнительно выход устройства соединен с последующим устройством, состоящим из аналогичных массивов радиочастотных электродов, расположенных друг напротив друга, которые формируют аналогичное поле бегущей волны, удерживающее ионы в канале переноса ионов и транспортирующее их вдоль канала.

13. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что источником ионов является предыдущая ступень интерфейса дифференциальной откачки или устройство сепарации ионов по их свойствам или любой источник ионов, работающий при давлениях близким к атмосферному, форвакууме или высоком вакууме.

14. Способ транспортировки и фокусировки ионов, осуществляемый с помощью устройства, содержащего источник ионов, поверхность, на которой выполнен массив радиочастотных электродов, расположенная вдоль канала переноса ионов, и по меньшей мере один электрод, выполненный с по меньшей мере одним DC потенциалом, расположенный напротив упомянутой поверхности и образующий совместно с ней канал переноса ионов, характеризующийся тем, что содержит этапы:

из источника ионов направляют поток ионов с газом в пространство между поверхностью с массивом радиочастотных электродов и электродом с DC потенциалом;

формируют электрическое поле, которое направляет ионы от по меньшей мере одного электрода с DC потенциалом к поверхности с массивом радиочастотных электродов;

формируют электрическое поле, которое отталкивает ионы от упомянутой поверхности и направляет их в канал переноса ионов, образованный между массивом электродов и по меньшей мере одним электродом с DC потенциалом, внутри которого удерживаются ионы и в котором ионы перемещаются в направлении к выходу из устройства.

15. Способ по п.14, характеризующийся тем, что движение ионов в направлении вдоль оси к выходу из устройства осуществляют за счет подачи питающего напряжения на массив электродов, образующего электрическое поле бегущей волны.

16. Способ по п.14, характеризующийся тем, что движение ионов в направлении к выходу из устройства осуществляют за счет направленного вдоль оси потока нейтрального газа из источника ионов.

17. Способ по п.14, характеризующийся тем, что движение ионов в направлении к выходу из устройства осуществляют за счет направленного вдоль оси постоянной составляющей электрического поля, которое формируется множеством электродов.

18. Способ по п.14, характеризующийся тем, что поток ионов с газом направляют вдоль оси, которая наклонена относительно поверхности с массивом электродов, таким образом, чтобы основная часть нейтральной компоненты, включая загрязнители, не попадала на массив электродов и во входную часть последующего устройства.

19. Способ по п.15, характеризующийся тем, что для образования электрического поля бегущей волны на чередующиеся группы электродов подают изменяющееся во времени напряжение со сдвигом фазы относительно соседней группы электродов.

20. Способ по п.19, характеризующийся тем, что в каждой группе, начиная от первого до последнего электрода по ходу движения ионов, фазу напряжения на соседних электродах сдвигают таким образом, чтобы образовывались пики и впадины потенциала, перемещающиеся вдоль поверхности.

21. Способ по п.19, характеризующийся тем, что в первый момент времени t1 первое напряжение подают на первые электроды всех групп, второе напряжение - на вторые электроды всех групп и так далее соответственно.

22. Способ по п.19, характеризующийся тем, что во второй момент времени t2 первое напряжение подают на вторые электроды в каждой группе, второе напряжение - на третьи электроды в каждой группе и так далее.

23. Способ по п.15, характеризующийся тем, что питание подают таким образом, что на соседние электроды подают противофазный сигнал с более высокой частотой, и на этот сигнал накладывается другой сигнал с другой частотой, меньшей в несколько раз относительно первой и со сдвигом фаз относительно соседних электродов в группе, которую распределяют по упомянутым группам электродов.

24. Способ по п.15, характеризующийся тем, что питающее напряжение представляет собой синусоидальный сигнал, имеет прямоугольную или треугольную форму, или форму пилы.

25. Способ по п.15, характеризующийся тем, что питающие напряжения меняют в зависимости от режима функционирования устройства, а именно режима накопления или режима транспорта ионов, чередование которых позволяет формировать ионные пакеты нужной длительности.

26. Способ по п.25, характеризующийся тем, что в режиме накопления питание на массив электродов подают таким образом, чтобы ионы не оседали на поверхности устройства, но не проходили в следующее за ним устройство.

27. Способ по п.25, характеризующийся тем, что в режиме транспорта ионов на массив электродов подают ВЧ напряжения, образующие поле бегущей волны, направляющее ионы к выходу из устройства или иное направляющее поле.