Способ разделения ионов органических и биоорганических соединений в усредненном по вращениям ионов электрическом поле секционированной цилиндрической ячейки

Способ разделения ионов органических и биоорганических соединений в усредненном по вращениям ионов электрическом поле секционированной цилиндрической ячейки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к масс-спектрометрии. В частности, ниже описан метод разделения ионов, введенных из внешнего источника в цилиндрическую ячейку (называемую в дальнейшем динамической ловушкой), где вращающиеся вокруг оси ловушки ионы совершают свободные, в среднем близкие к гармоническим колебания вдоль этой оси. Регистрация наведенного сигнала от этих ионов и его частотный анализ, например, на основе быстрого Фурье-преобразования дает масс-спектр так же, как в известных масс-спектрометрах с орбитальной ионной ловушкой или приборах ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ). Основные отличия от «классической» орбитальной ловушки состоят в отсутствии центрального электрода сложной формы, в секционировании поверхности внешнего электрода в данном случае цилиндрической формы и в осевом, а не тангенциальном вводе анализируемых ионов в ловушку. Осевой ввод и возбуждение резонансного вращения ионов с выбранными значениями m/z позволяет организовать накопление желаемых ионов непосредственно внутри ловушки в режиме высокого разрешения, изоляцию и диссоциацию выбранных ионов или дополнительное разделение этих выбранных ионов по их энергии, подвижности и заряду. Предлагающиеся подходы и методы полезны для качественного и/или количественного химического и биологического анализа.

Уровень техники

В последние годы наибольшие успехи в разделении ионов по m/z и точности определения этой основной масс-спектрометрической характеристики ионов были достигнуты в масс-спектрометрии ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье [1, 2]. Измерительной ячейкой масс-спектрометра ИЦР ПФ является ионная ловушка Пеннинга. В такой ловушке ионы удерживаются сильным магнитным полем в радиальном направлении, а в направлении вдоль магнитного поля они удерживаются электрическим полем. При заданной индукции магнитного поля, в котором находится измерительная ячейка ИЦР, что в основном задает период циклотронного вращения данного иона, для увеличения разрешающей способности и точности измерения массы нужно увеличивать время детектирования наведенного тока. Для этого необходимо, чтобы ионное облако каждого типа тонов, совершающее циклотронное движение, двигалось синхронно как можно дольше.

Основными факторами, лимитирующими время, в течение которого детектируемый ток не затухает, является давление остаточных газов и ангармоничность электрического поля в ячейке. Столкновение иона с атомом или молекулой остаточных газов приводит к его гибели или к изменению фазы и радиуса вращения, отличия распределений электрических потенциалов вдоль и поперек магнитного поля от параболических приводит к размыванию вращающихся ионных пакетов. Благодаря прогрессу в вакуумной технике в последнее время, значение первого фактора снижается, и основным источником влияния на разрешающую способность ИЦР масс-спектрометров становится качество электрического поля. Идеальным полем ячейки ИЦР является гиперболическое поле (его эквипотенциальными поверхностями являются гиперболические поверхности). Известно достаточно большое число работ, где такое поле с той или иной степенью приближения пытаются создать.

Достигнуты определенные успехи в повышении аналитических возможностей масс-спектрометров ИЦР на этом пути, но они еще достаточно далеки от предельных значений, определяемых давлением остаточных газов [3, 4].

В работах [5, 6] была предложена и реализована другая идея решения этой задачи, состоящая в том, что для достижения предельно возможных качеств регистрируемых данных необязательно стремиться именно к созданию идеального гиперболического поля. Поскольку ионы совершают быстрое циклотронное вращение, а остальные движения являются значительно более медленными, то эти медленные движения можно рассматривать как совершающиеся в усредненном по циклотронным траекториям электрическом поле. Этот подход аналогичен известному методу квазистационарных концентраций Н.Н.Семенова при рассмотрении кинетики реакций с участием высокоактивных частиц. Если усредненное поле обладает параболическими распределениями потенциала вдоль магнитного поля и по радиусу в ортогональной плоскости, то необходимые свойства разделения движений ионов по осям, изохронность их усредненных траекторий сохранится, и регистрируемый сигнал будет обладать необходимыми ожидаемыми свойствами.

В случае измерительной ячейки ИЦР можно создать усредненный гиперболический потенциал , разрезая цилиндрическую часть на сегменты и подбирая форму этих сегментов. Тогда граничные условия для потенциала имеют вид:

,

где R - это радиус ячейки, а A и B - произвольные коэффициенты. Это условие удовлетворяется, если разрезать боковую поверхность измерительной ячейки, так как показано на рис.1. На более тонкие, вогнутые электроды подается запирающее напряжение, тогда как более широкие, выпуклые электроды заземляются. Разрезы имеют параболическую форму и определены уравнением:

где α - угловая координата точки разреза, N - количество электродов каждого типа, a α₀ - это коэффициент, определяющий расстояние между разрезами в середине ячейки, и a - полудлина ячейки.

Для того чтобы получить усредненное гиперболическое поле в измерительной ячейке конечной длины, нужно, чтобы граничные условия на торцевых электродах тоже соответствовали гиперболическому полю, т.е. эти электроды имели бы форму двухполостного гиперболоида вращения, и на них было подано упомянутое выше запирающее напряжение. В практической конструкции [5, 6] гиперболоиды были заменены соприкасающимися сферическими поверхностями с радиусом 148.7 мм с отклонением от гиперболоидов, не превышающим 0,02 мм при диаметре ячейки 56 мм и длине 150 мм. Число секций на цилиндрической поверхности ячейки (N) было равно 8. Величина α₀=π/8-π/60 была выбрана так, чтобы минимальная ширина вогнутого электрода была равна примерно 2 мм.

Для экспериментов по достижению максимальной разрешающей способности на одном изотопе в работах [5, 6] был использован резерпин (молекулярная масса 609 Да), а для экспериментов по разрешению изотопных мультиплетов сильно заряженных белков бычий альбумин (bovine serum albumin, BSA (бычий альбумин), молекулярная масса около 67 кДа). При измерении спектра одного изотопа резерпина длина сигнала доходила до 3 минут. Это дало разрешающую способность 24000000 на магните с индукцией 7 Тесла. Для 49-зарядного иона альбумина было получено разрешение около 1200000. Подобные результаты являются рекордными для магнитного поля с индукцией 7 Тесла.

Основным недостатком масс-спектрометров ИЦР является их высокая стоимость, относительно большие габариты и трудности в обслуживании. Все эти недостатки связаны с наличием сверхпроводящего магнита и поддержанием его функционирования, включая систему охлаждения с жидким гелием, многотамбурную систему откачки и т.д. Альтернативой приборам ИЦР являются масс-спектрометры с орбитальной ионной ловушкой. Впервые прибор такого типа был описан Александром Макаровым [11, 33]. В работе [12] приведен популярный обзор этой техники, так же как и масс-спектрометрии ИЦР.

Комбинация масс-спектрометра орбитальная ионная ловушка с внешним накопителем ионов, таким как линейная ионная ловушка, обеспечивает многоуровневую фрагментацию (MSⁿ) для выявления структуры аналита и позволяет сопряжение с непрерывными источниками ионов, такими как источники химической ионизации, работающие при атмосферном давлении, источники с электрораспылением. Аналитические возможности (точность определения массы и разрешающая способность) масс-спектрометров этого типа, совмещенная с легкостью использования и малыми требованиями по занимаемой площади, обеспечивают широту их применения, начиная от рутинной идентификации соединений и секвенирования биополимеров, кончая определением следовых количеств компонент в сложных смесях, будь это в протеомике, в метаболизме лекарств, допинговом контроле, определении загрязнений в пище и фураже [13-16].

Масс-спектрометр орбитальная ловушка состоит из подобного веретену центрального электрода (16), рис.2, удлиненного по оси, с приложенным высоким напряжением, и, когда ионы запускаются в ловушку, это напряжение еще возрастает для захвата этих ионов. Центральный электрод окружен внешним бочкообразным заземленным электродом (17). Внешний электрод разделен на две половины (19) и (20), чтобы реализовать регистрацию наведенных сигналов от ионов. Электроды изготовлены таким способом, что распределение потенциала является квадратично-логарифмическим с очень высокой точностью (поверхности этих электродов являются эквипотенциалами для потенциала (2)):

где k и R_m - параметры, определяемые приложенным напряжением к центральному электроду и размерами орбитальной ловушки.

Когда ионы (18) начинают их движение с подходящей энергией и радиусом вращения, образуются устойчивые траектории, которые комбинируют вращение вокруг центрального электрода с колебаниями по оси и имеют форму сложной спирали. Важно обратить внимание, что осевое движение ионов полностью независимо от вращательного движения. В электрическом поле (2) вдоль оси ионы совершают гармонические колебания, частота и фаза которых неизменны во времени. При этом частота колебаний в этом случае зависит только от отношения массы к заряду иона (m/z):

где e - величина элементарного заряда.

В масс-спектрометре ИЦР циклотронная частота вращения ионов в первом приближении обратно пропорциональна отношению массы иона к его заряду, поэтому орбитальная ловушка, обычно уступая ИЦР в разрешающей способности при относительно малых m/z, может иметь преимущество при анализе больших биомолекул. В отличие от ИЦР орбитальная ловушка не имеет возможности внутренней изоляции ионов и проведения их столкновительно-индуцированной диссоциации и диссоциации при захвате медленных электронов многозарядными ионами.

Обычно достигаемая разрешающая способность орбитальной ионной ловушки для массы ионов в 400 Да при времени регистрации около 1 с не превышает 100000. Для этого частота осцилляции ионов должна быть около 100 кГц. При размахе колебаний около 5 см средняя скорость ионов вдоль оси орбитальной ловушки будет примерно 10⁶ см/сек. При таких скоростях среднее число столкновений в единицу времени ионов с атомами или молекулами остаточных газов будет пропорционально скорости ионов. Ионы с массой 400 Да при такой скорости будут иметь энергию менее 250 эВ. Если потенциал центрального электрода около 5 кВ, то энергия ионов, вращающихся в середине промежутка между центральным и внешним электродом, будет около 2,5 кэВ. Таким образом, общая скорость движения ионов примерно в три раза больше, чем их скорость вдоль оси ловушки. Это означает, что при одинаковой частоте регистрируемого сигнала при совпадающем давлении остаточных газов затухание сигнала при идеальных полях для ИЦР будет примерно в три раза медленнее, чем для орбитальной ловушки, поскольку скорость циклотронного вращения ионов примерно на порядок больше, чем средняя их скорость движения вдоль магнитного поля. Таким образом, расплатой за отсутствие магнитного поля в случае орбитальной ионной ловушки является существенное уменьшение достижимой максимальной разрешающей способности по частоте для относительно небольших ионов. Массовая разрешающая способность в силу корневой зависимости резонансной частоты от массы иона для орбитальной ловушки вдвое меньше, чем частотная разрешающая способность, в то время, как для ИЦР величины обеих разрешающих способностей совпадают. Как уже отмечалось, для ионов больших масс орбитальная ионная ловушка может иметь большую разрешающую способность, чем масс-спектрометры ИЦР.

Еще одним преимуществом орбитальной ионной ловушки является существенно меньшее влияние объемного заряда ионов на качество получаемых данных. Это связано с тем, что вращательное движение ионов в такой ловушке в отличие от ИЦР не является изохронным. Ионы быстро перемешиваются вдоль круговых траекторий и занимают гораздо больший объем, чем в ячейке ИЦР. Свою роль играет относительная близость электродов в случае орбитальной ловушки - заряды-изображения ионов компенсируют в значительной степени взаимодействия этих ионов, и такое явление, как коалесценция ионных пакетов близких m/z, гораздо менее выражена в этом случае. Фазовая коррекция регистрируемого сигнала, приводящая примерно к удвоению получаемой разрешающей способности регистрируемых спектров, проще достигается в случае орбитальной ионной ловушки, т.к. начальная фаза колебаний ионов вдоль оси в этой ловушке является гораздо более определенной и практически независимой от m/z иона, чем при возбуждении вращений ионов в спектрометре ИЦР достаточно длительным волновым пакетом.

Одной из важных предпосылок для настоящего изобретения является создание нами методики резонансного возбуждения вращения выбранных ионов вокруг оси радиочастотного квадруполя и осуществление фрагментации этих ионов за счет столкновений с молекулами буферного газа [9, 20, 21]. Эта методика была новой, ранее никем не предлагавшейся. В отличие от настоящего изобретения, возбуждение вращения ионов для их столкновительно-индуцированной диссоциации в этом случае производится во время их движения вдоль квадруполя без предварительной изоляции. Это сужает возможности для проведения кинетических измерений и обеспечивает ограниченную способность отстройки от сигналов мешающих ионов. Кроме этого такой способ осуществления резонансного вращения накладывает очень жесткие ограничения на качество изготовления квадруполя. Небольшие отклонения в диаметре стержней или в расстояниях между ними приводит к существенным потерям в разрешающей способности метода, которая при проведении реальных измерений в нашем случае оказывалась не более 100.

В предлагаемом варианте во время накопления ионы вращаются в относительно узкой зоне (близко или немного более 1 см), при этом они совершают вдоль этой зоны квазихаотические колебания со средним временем прохождения этой зоны, сравнимым с периодом вращения. Таким образом, неоднородности полей в значительной степени усредняются, и их влияние на ширину резонансных кривых ослабляется. В этом случае разрешающая способность резонансного возбуждения для заданных ионов и заданного буферного газа будет в основном определяться плотностью этого газа в области вращения. При остаточном давлении в 10^-6 Торр для азота (M=28 Да) при комнатной температуре при сечении столкновений с ионом около 500 время между столкновениями τ, если можно не принимать во внимание скорость движения самого иона, около 0,01 сек. В работе [9] получена формула для оценки ширины на полувысоте для зависимости стационарного радиуса вращения от угловой частоты вращающего поля ω_rot:

Δω_rot=1/τ_V,

отсюда ,

где τ_V - характерное время релаксации скорости ионов с массой m:

(для принятых условий). Ожидаемая разрешающая способность по частоте стационарного вращения ионов (с частотой около 30 кГц≈188,4 кРадиан) на полувысоте пиков для органических ионов с массой m≈1000 Да (с относительно малой энергией при такой частоте вращения, недостаточной для диссоциации иона), должна быть около 70000. При меньших давлениях остаточных газов может быть обратно пропорциональна большая разрешающая способность, однако время установления стационарных радиусов вращения, пропорциональное τ_V, может стать неприемлемо большим.

Интересно сравнить такую оценку разрешенности процесса резонансного возбуждения вращения ионов с зависимостью величины разрешения масс-спектров ИЦР от времени регистрации, которое при частотах циклотронного вращения ν_c=ω_c/2π около 100 кГц не может быть существенно больше, чем время ожидания столкновения τ. При отсутствии затухания регистрируемого сигнала его преобразование Фурье в течение времени T дает [27]:

.

Если же сигнал экспоненциально затухает с характерным временем τ, то для преобразования Фурье на полубесконечном временном интервале имеет место [27]:

.

Для относительно больших ионов скорость циклотронного вращения будет достаточно мала, и столкновения ионов с молекулами или атомами остаточного газа уже не будут сразу приводить к выбыванию ионов из ансамбля вращающихся ионов. Столкновения проявятся в постепенной расфазировке вращения ионного пакета и уменьшении радиуса вращения. Если считать, что в этом случае сигнал экспоненциально затухает с характерным временем релаксации скорости τ_V, то разрешенность по частоте при резонансном возбуждении более чем в три раза превышает разрешенность в спектре частот после преобразования Фурье для одних и тех же ионов, для одинаковых давлений остаточных газов и частот вращения.

Поскольку для анализа ионов по массам в орбитальной ионной ловушке необходимо ввести компактный ионный пакет в ловушку, было предложено накапливать ионы в радиочастотной ловушке специального типа и затем инжектировать их в орбитальную ловушку тангенциально коротким высоковольтным импульсом [34]. Осевой ввод ионов в нашем случае не требует и не предполагает использование ловушек подобного типа. Накопление и стандартный ввод ионов из линейной радиочастотной ловушки вполне допустим.

Кроме того, авторами орбитальной ионной ловушки было предложено создавать специальный квадратично-логарифмический потенциал вида (2), используя ловушку цилиндрической формы [35]. В данной альтернативной конструкции ловушка имеет две системы электродов. Одна система электродов представляет центральный электрод, в виде цилиндра, разрезанного на поперечные сегменты; другая система электродов - внешний цилиндрический электрод, также разрезанный на поперечные сегменты. Благодаря подаче соответствующих напряжений на сегменты имитируется поле орбитальной ионной ловушки. Кроме того, появляется возможность дополнительной манипуляции ионами путем импульсного переключения напряжений на отдельных сегментах. В нашем случае центральный электрод отсутствует, а сегментирование внешнего цилиндрического электрода производится не поперек, а вдоль цилиндрической поверхности, которое, как можно предположить, должно обеспечить большую точность приближения к квадратичной зависимости усредненного по вращениям потенциала поля вдоль оси ячейки, чем для поперечного сегментирования.

Раскрытие изобретения

Особенностями одной из возможных реализаций предлагаемого метода являются:

Ионы из внешнего источника поступают внутрь цилиндрической ячейки, которую мы называем динамической ловушкой. Она отличается от описанной в предыдущей секции ячейки масс-спектрометра ИЦР с динамической гармонизацией электрического поля, кроме отсутствия магнитного поля, наличием дополнительных разрезов на выпуклых секциях цилиндрической поверхности. Кроме этого в данном случае входной торцевой электрод ячейки предполагается плоским с секционированной внутренней поверхностью. Противоположный торцевой электрод отсутствует, и цилиндрическая поверхность ячейки продолжена далее места его предполагаемой локализации с продолженным секционированием этой цилиндрической поверхности для обеспечения близкого к параболическому распределению вдоль оси усредненного по круговым траекториям электрического потенциала в этой области. Средняя ленточная часть вдоль каждой выпуклой симметричной секции на цилиндрической поверхности используется для задания одного из альтернированных напряжений, а оставшиеся менисковые части поддерживаются в среднем при 0-вом потенциале. Они разрезаны поперек на две половинки, с которых регистрируется наведенный сигнал от ионов, осциллирующих вдоль оси во время регистрации. Альтернированные напряжения при усреднении по круговой траектории вокруг оси ловушки не изменят величины среднего поля, однако создадут эффективный потенциал, отталкивающий вращающиеся ионы от поверхности, подобно тому, как это описано в работе Маршалла [7] для фокусировки ионов, движущихся вдоль оси разделенного на кольца цилиндра, когда к кольцам цилиндра приложены альтернированные напряжения. Тем самым, если на ионы, поступающие в ловушку, воздействовать вращающим электрическим полем, то эти ионы, достигнув некоторого предельного радиуса, будут совершать свое вращение вблизи цилиндрической поверхности, не подвергаясь опасности рекомбинировать или погибнуть при столкновении с этой поверхностью.

Если потенциалы, поданные на вогнутые секции цилиндрической поверхности и секции концевых электродов, положительные, то при подходящем распределении таких потенциалов между секциями концевых электродов в такой ловушке создается усредненное по вращениям параболическое распределение потенциала вдоль оси ловушки с минимумом в середине ловушки, а по радиусу ловушки - параболическое распределение усредненного потенциала, выталкивающее положительные ионы к цилиндрической поверхности. При достаточной напряженности альтернирующего поля вблизи цилиндрической поверхности здесь для вращающихся положительных ионов создается потенциальная яма, в которой эти ионы будут продолжать свое вращение во время регистрации без воздействия вращающего поля, совершая изохронные колебания вдоль оси ловушки, постепенно исчезая за счет столкновений с атомами или молекулами остаточного газа. Уменьшение сигнала за счет потери синфазности колебаний, из-за неидеальности усредненного поля, также будет иметь место, но при достаточно точном изготовлении разрезов на поверхности ловушки и приемлемой стабильности источников питания этот эффект будет относительно мал для рутинно доступных уровней давления остаточных газов.

Если потенциалы, поданные на вогнутые секции, отрицательные, то усредненное поле вдоль оси ловушки будет тормозить положительные ионы, поступающие в ловушку, и если их энергия на входе меньше разности потенциалов между началом ловушки и ее серединой, то эти ионы в какой-то момент остановятся и начнут обратное движение. Если в этом случае усредненное поле по радиусу ловушки будет близким к гармоническому, то возможно создание резонансных вращающих полей для ионов с известными m/z. Такие поля будут раскручивать соответствующие ионы, а остальные останутся вблизи оси и через некоторое время покинут ловушку, выйдя из нее в обратном направлении через входное отверстие ловушки. Если напряжения, поданные на соседние секции внутренней поверхности входного электрода, имеют достаточно большой вклад альтернированных напряжений, то резонансно раскручиваемые ионы будут отражаться от этой поверхности и накапливаться в начальной части ловушки. Если перед включением режима регистрации данных на некоторое время прекращается поступление новых ионов в ловушку, то все ионы, имеющие резонансные частоты, отличные от соответствующих частот вращающего поля, покинут ловушку. За это время резонансно вращающиеся ионы приблизятся к цилиндрической поверхности ячейки, и рост радиуса вращения прекратится. Для улучшения качества поля, усредненного по вращениям, имеет смысл увеличить частоту вращения ионов. Для этого частоты, входящие во вращающее поле, постепенно возрастают в течение некоторого времени при сохранении фазы каждого гармонического компонента вращающего поля.

Если вращающее поле имеет только одну резонансную частоту, то таким образом будут изолированы ионы с выбранным значением m/z. В этом случае после достижения ионами заданной максимальной частоты вращения, когда вращающее поле может быть выключено, могут быть образованы ионы-продукты при столкновении ионов с атомами или молекулами остаточных газов, если подождать некоторое время, сравнимое со средним временем ожидания столкновения. Например, для давления 10^-9 Торр при частоте вращения 300 кГц и радиусе вращения 1 см для ионов с сечением столкновений 200 Ų это время будет примерно 1 сек. Альтернативно коротким выключением альтернированного поля вблизи поверхности ловушки могут быть осуществлены столкновения вращающихся ионов с этой поверхностью, что может привести к образованию соответствующих ионов-продуктов. После этого включением режима регистрации масс-спектр ионов-продуктов может быть зарегистрирован. Для этого на вогнутые секции и концевые электроды подаются потенциалы противоположного знака (для положительных ионов - положительные) и выключаются альтернированные компоненты напряжений на секциях входного торцевого электрода. Такое выключение имеет смысл, поскольку отражение ионов от барьера эффективного потенциала будет приводить к изменению фазы их колебаний, в то время как торможение в усредненном квадратичном потенциале эти фазы сохранит. После такого переключения вращающиеся ионы начнут осциллировать вдоль оси ловушки и начнется процесс регистрации наведенных от них сигналов. Чтобы избавиться от оставшихся ионов в ловушке после окончания регистрации, выключение альтернированного поля вблизи поверхности ловушки производится на достаточно длительное время, чтобы успели рекомбинировать все ионы в ловушке.

Получение спектра частот зарегистрированных данных в широком интервале частот производится применением быстрого преобразования Фурье. Для достаточно узких интервалов частот осцилляции ионов, либо полученных в условиях изоляции соответствующих популяций ионов перед регистрацией, либо путем цифровой фильтрации широкополосных данных, может быть произведен поиск экспоненциально затухающих синусоидальных вкладов в такие узкополосные данные. В этом случае наряду с m/z ионов могут быть оценены характеристические времена затухания соответствующих сигналов, которые для идеальных полей будут определяться средним ожидаемым числом столкновений соответствующего иона с атомами или молекулами остаточного газа за единицу времени в течение процесса регистрации.

Дополнительные возможности разделения ионов в динамической ловушке возникают, если в режиме поступления ионов уменьшить величину тормозящего электрического поля, так чтобы часть ионов проходила через ловушку и регистрировалась на ее выходе, например, при помощи вторично-электронного умножителя. Регистрация ионного тока при изменении высоты потенциального барьера в середине динамической ловушки позволит после численного дифференцирования получить энергетический спектр входящих ионов. Для повышения устойчивости численного дифференцирования можно использовать аппроксимацию исходных данных сглаживающими сплайнами [17] или квазисплайновую аппроксимацию [18, 19].

На поток ионов, проходящих сквозь динамическую ловушку, могут также влиять частота и амплитуда вращающего напряжения. В этом случае давление остаточных газов в ловушке лучше иметь повышенным, иначе радиус вращения ионов будет зависеть только от расхождения их m/z с резонансным значением для частоты вращающего напряжения, амплитуды этого напряжения и от времени его воздействия на данный ион. При заметной частоте столкновений ионов с атомами или молекулами газа радиус вращения иона при заданной амплитуде вращающего напряжения при резонансной частоте вращения будет зависеть также от подвижности ионов. Еще два фактора, которые могут влиять на прохождение ионов через ловушку, - это амплитуды альтернированных напряжений на соответствующих секциях цилиндрической поверхности или на входном электроде ловушки. При их уменьшении ионы, подходящие к поверхностям, могут гибнуть и не давать вклада в регистрируемый ионный ток. Таким образом, возможна регистрация значений ионного тока в виде четырехмерного или даже пятимерного массива в зависимости от четырех или пяти перечисленных выше параметров: потенциала задержки, частоты, амплитуды вращающего поля и размаха одного или двух альтернированных напряжений. Анализ таких данных может быть организован аналогично тому, как описано в нашей заявке на патент РФ [31] и как кратко повторено в следующей секции.

Краткое описание иллюстраций

Для более полного понимания настоящего изобретения последующее описание соотнесено с соответствующими иллюстрациями, в которых:

Рис.1. Описанная схема динамически гармонизированной ячейки масс-спектрометра ИЦР.

Рис.2. Схематическое изображение орбитальной ионной ловушки.

Рис.3. Предлагаемая схема динамической ловушки.

Рис.4. Иллюстрация захвата ионов в динамическую ловушку.

Рис.5. Схема подачи питающих напряжений на секции динамической ловушки.

Все эти иллюстрации носят поясняющий характер и не накладывают каких-либо ограничений на возможную реализацию предлагаемого изобретения.

Осуществление изобретения

Новый подход для транспортировки ионов из области повышенного давления на выходе из ячейки подвижности спектрометра ионной подвижности в вакуумную часть масс-спектрометра через формирование сверхзвукового газового потока описан в нашем патенте США №7,482,582 от 27 января 2009 года [22]. Он был развит далее для обеспечения дополнительных аналитических возможностей за счет резонансного возбуждения вращения ионов вокруг сверхзвукового потока в радиочастотном квадруполе на входе времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом ионов (орто-ВПМС) в следующем нашем патенте США №7,547,878 от 16 июня 2009 года [23]. Специфическое развитие этих подходов для обеспечения эффективного количественного определения наличия примесей в газовых смесях и структурного анализа многозарядных ионов биомолекул без предварительного разделения ионов по подвижности описано в нашем патенте РФ №2402099 от 20.10.2010 г. [24] и в нашем патенте РФ [25] и заявке на патент РФ №2011119310 от 16.05.2011 [26]. Эффективный метод разделения и ввода ионов из внешнего ионного источника в сверхзвуковой газовый поток описан в нашей заявке на патент РФ №2011123281 от 09.06.2011 [31]. Реализация всех этих изобретений предполагала обычно использование на конечной стадии орто-ВПМС в качестве масс-анализатора. Этим анализатором, однако, вполне может выступать прибор на основе орбитальной ионной ловушки и, как представляется, особенно эффективно в этой роли может выступить тот вариант орбитальной ионной ловушки или динамической ловушки, который предлагается в настоящем изобретении. Имея ожидаемую разрешающую способность, в несколько раз превышающую ту, что рутинно достигается на орто-ВПМС классической конструкции, исходящей из той, что описана в нашем давнишнем изобретении [28], предлагаемая динамическая ионная ловушка будет в состоянии реализовать функции, недоступные, как такому варианту орто-ВПМС, так и широко применяемой в настоящее время орбитальной ионной ловушке.

Как уже указывалось, отправным пунктом настоящего изобретения является динамически гармонизированная ячейка масс-спектрометра ионно-циклотронного резонанса, которая схематически представлена на рис.1 с формой разрезов, описываемых формулой (1) для N=4 (для простоты изображения). На выпуклые секции (11) подается 0-вое напряжение, на вогнутые (12) в режиме регистрации - напряжение запирания, положительное для положительных ионов (15), поступивших в ячейку на предыдущем цикле. Это же напряжение подается на сферические торцевые электроды (13) и (14). Эти напряжения создают, как показывают соответствующие расчеты и подтверждают соответствующие экспериментальные данные (для варианта ячейки с 8-ю секциями каждого типа) [5, 6], электрическое поле внутри ячейки, обеспечивающее близкие к гармоническим колебания вращающихся ионов вдоль оси ячейки. При этом электрическое поле в плоскости, ортогональной оси ячейки, с квадратичным распределением потенциала по радиусу выталкивает вращающиеся ионы к внутренней цилиндрической поверхности, чему препятствует сила Лоренца магнитного поля. При отсутствии магнитного поля эти ионы должны были бы погибнуть на этой поверхности. Возможный способ не допустить такой гибели - это создать вблизи поверхности достаточно сильное, резко изменяющееся для ионов, вращающихся вблизи поверхности, электрическое поле. Возникнет ситуация, аналогичная описанной в работе [7], когда наблюдалась для ионов, движущихся в трубе, набранной из колец, фокусировка к оси трубы, когда к соседним кольцам прикладывались постоянные напряжения разных знаков.

Если выпуклые секции цилиндрической поверхности, показанной на рис.1, к которым были приложены 0-вые потенциалы, разрезать дополнительно, как показано на рис.3, и частям (31) и (32) приложить одинаковые по величине, но противоположные по знаку напряжения, то усредненные по круговым траекториям на поверхности потенциалы не изменятся. Для этого нужно, конечно, чтобы размеры частей (31) и (32) совпадали. В то же время для вращающихся ионов (в системе координат, связанной с ионом) вблизи поверхности будет создано переменное поле. Как известно [8], такое поле создает эффективный потенциал, выталкивающий ионы из области сильного поля. Для каждой гармонической составляющей такого поля с частотой ω величина этого эффективного потенциала в плоскости, ортогональной оси ячейки (в приближении, сохраняющем члены второго порядка малости), будет:

,

где m - масса иона, q - его заряд, - средние квадраты напряженности компонент электрических полей с частотой ω. Основная частота такого поля для секционирования, показанного на рис.2, будет равна удвоенной частоте вращения ионов. При экспериментальной реализации имеет, по-видимому, смысл удвоить число секций каждого типа, как это сделано в работах [5, 6]. Это улучшит качество усреднения полей и в то же время повысит точность приближения, которое приводит к формализму эффективного потенциала.

В краях каждой выпуклой секции на рис.3 оставлены части с нормально 0-вым потенциалом, как ранее вся эта секция. Эти части разрезаны на две половинки (23) и (21), которые для различных секций соответственно электрически соединены, как показано на рис.5. Разность потенциалов между этими половинками, возникающая от наведенных зарядов, колеблющихся вдоль оси ячейки ионов, через соответствующий усилитель подается на АЦП регистрирующей системы (50), рис.5.

Для обеспечения гармоничности усредненного поля внутри ячейки, нужно задать подходящие краевые условия на торцевых электродах ячейки. На рис.1 эти электроды имели сферическую форму, наиболее близкую к гиперболоидам вращения, являющимся эквипотенциальными поверхностями идеального гиперболического поля:

где Φ₀ - потенциал поля для z=r=0, a γ - его приращение вдоль оси ячейки для z=±1. На торцевые электроды подавался тот же потенциал, что и на вогнутые секции (12). В нашем случае, как будет видно из дальнейшего, для входного электрода предпочтительной является плоская форма с отверстием для ввода ионов (33). Для соединения с системой регистрации ионов, прошедших через ловушку (34), выходной конец динамической ловушки имеет смысл оставить открытым. Возможность регистрации таких ионов может обеспечить дополнительные возможности их разделения. Для создания необходимых усредненных краевых условий входной электрод (28) должен быть секционирован. Для обеспечения близости к усредненному по вращениям полю (4) в правом конце области осцилляций ионов цилиндрическая поверхность динамической ловушки продлевается на некоторую длину по сравнению с ячейкой на рис.1 и также секционируется. Чтобы обеспечить квадратичную зависимость усредненного по концентрическим окружностям (36) потенциала от их радиуса r, гран