Масс-спектрометр и способ масс-спекрометрического анализа

Масс-спектрометр и способ масс-спекрометрического анализа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к масс-спектрометрам и к способам масс-спектрометрического анализа (масс-спектрометрии) для детектирования заряженных частиц в соответствии с отношением их заряда к массе. Изобретение может найти многочисленные применения, включая сортировку смеси частиц, идентификацию частиц, детектирование различных веществ и их очистку.

Уровень техники

Масс-спектрометрия является хорошо известным методом, включающим воздействие на заряженные частицы электрическими и/или магнитными полями с целью получения информации по значениям отношений заряда частиц к массе (q/m). В одном варианте ионизированные молекулы ускоряются с использованием заряженной пластины, установленной в области, пересекаемой перпендикулярным магнитным полем. Поскольку частицы движутся, на каждую из них действует сила Лорентца, так что ее траектория искривляется. Кривизна траектории будет зависеть от массы и заряда молекулы: частицы, более тяжелые и/или имеющие меньший заряд, будут отклоняться меньше, чем более легкие и/или сильнее заряженные частицы. Для приема отклоненных частиц используются один или более детекторов, и распределение частиц по приемникам может быть использовано для получения полезной информации, в том числе о массе частиц каждого типа и об относительном содержании различных частиц. Эти данные можно использовать для получения информации о структуре молекулы и для идентификации исследуемого вещества (исследуемых веществ). Разработаны также специализированные масс-спектрометры для конкретных применений.

Таким образом, масс-спектрометрия может применяться для различных целей, включая: идентификацию неизвестных соединений, определение изотопных составов, исследование структуры молекул, сортировку образцов смесей частиц и количественное определение вещества, содержащегося в образце в числе многих других веществ. Масс-спектрометрия может использоваться также для анализа частиц практически любого типа, которые могут быть заряжены, в том числе химических элементов и соединений, таких как лекарственные вещества, биомолекулы (включая протеины и их пептидные составляющие, ДНК, РНК, энзимы и др.), и многих других твердых веществ, например пыли.

В смежной области техники известен центробежный спектрометр (описанный в WO 03/051520 А), который служит для разделения заряженных частиц по их отношению заряда к массе под влиянием профилированного электрического поля. Подлежащие разделению частицы помещают в полость, заполненную буферным раствором, который вращается с высокой скоростью. Описаны различные средства для приложения радиального электрического поля соответствующего профиля, причем частицы разделяются по длине полости под воздействием электрической и центробежной сил, что позволяет изолировать частицы конкретных типов и провести относительные измерения. Другие устройства для разделения частиц описаны в US 5565105 А, WO 2008/132227 A, GB 1488244 А и WO 2004/086441 A.

Раскрытие изобретения

В соответствии с изобретением создан масс-спектрометр, содержащий камеру, инжектор, выполненный с возможностью инжектировать в камеру заряженные частицы, и генератор поля, выполненный с возможностью формирования по меньшей мере одного поля, действующего на заряженные частицы и имеющего улавливающий угловой компонент, сконфигурированный с возможностью образования между осью вращения и периферией камеры по меньшей мере одного канала, задаваемого энергетическими минимумами улавливающего углового компонента. Генератор поля дополнительно обеспечивает возможность вращения улавливающего углового компонента вокруг оси вращения, так что при использовании масс-спектрометра перемещение заряженных частиц ограничено посредством улавливающего углового компонента движением в угловом направлении внутри по меньшей мере одного канала вместе с указанным угловым компонентом. В результате на заряженные частицы действует центробежная сила. Поле имеет также уравновешивающий радиальный компонент, монотонно возрастающий по мере увеличения радиального расстояния от оси вращения по меньшей мере вблизи по меньшей мере одного канала, так что при использовании масс-спектрометра заряженные частицы движутся по меньшей мере по одному каналу под совместным влиянием центробежной силы и уравновешивающего радиального компонента с формированием одной или более орбит в соответствии с отношениями зарядов частиц к их массам. В состав спектрометра входит детектор, способный детектировать по меньшей мере одну из указанных орбит.

Изобретение обеспечивает также создание способа масс-спектрометрии, который включает: инжекцию заряженных частиц в камеру и формирование по меньшей мере одного поля, действующего на заряженные частицы и имеющего улавливающий угловой компонент, сконфигурированный с возможностью образования между осью вращения и периферией камеры по меньшей мере одного канала, задаваемого энергетическими минимумами улавливающего углового компонента, и уравновешивающий радиальный компонент, монотонно возрастающий по мере увеличения радиального расстояния от оси вращения по меньшей мере вблизи по меньшей мере одного канала. Способ включает также вращение улавливающего углового компонента вокруг оси вращения, в результате чего перемещение заряженных частиц ограничено посредством улавливающего углового компонента движением в угловом направлении внутри по меньшей мере одного канала вместе с указанным угловым компонентом, так что на заряженные частицы действует центробежная сила, причем заряженные частицы движутся по меньшей мере по одному каналу под совместным влиянием центробежной силы и уравновешивающего радиального компонента с формированием одной или более орбит в соответствии с отношениями зарядов частиц к их массам, и детектирование по меньшей мере одной из указанных орбит.

Сформулированная в WO 03/051520 А необходимость буферного раствора означает невозможность извлечения из пробы (образца) какой-либо абсолютной информации, например данных о массе частицы, ее составе и т.д. Однако использование угловых энергетических минимумов для создания каналов, в которые улавливаются (захватываются) заряженные частицы (согласно признакам п.1), позволяет распределить частицы по каналам в соответствии с их отношением q/m без необходимости в применении физических полостей или буферного раствора. Это не только позволяет определять абсолютную массу частиц (поскольку устраняются эффекты плавучести, связанные с буферным раствором), но и значительно упрощает конструкцию спектрометра. Кроме того, поскольку возможно одновременное образование многих орбит, можно одновременно анализировать частицы различных типов в динамическом диапазоне отношений q/m, существенно более широком, чем в известных приборах. Далее, благодаря отсутствию физических полостей можно изменять параметры устройства (такие как количество, форма и длина "виртуальных" каналов) применительно к каждому приложению просто настройкой прикладываемого поля (прикладываемых полей). По желанию такое изменение можно проводить в динамическом режиме (т.е. в процессе спектрометрии).

Следует отметить, что улавливающий угловой компонент действует на частицы в угловом направлении, т.е. под его влиянием частицы движутся (в отсутствие любых других влияний) вокруг оси вращения при постоянном значении радиуса. Уравновешивающий радиальный компонент действует на частицы вдоль радиального направления (т.е. перпендикулярно угловому компоненту). Хотя во многих случаях (например, в случае электрического поля) направление, в котором действует поле (т.е. направление обусловленной полем силы, действующей на частицы), будет параллельно направлению самого поля, это условие не является обязательным. Так, магнитное поле будет приводить к возникновению силы, действующей на заряженные частицы перпендикулярно направлению поля. Важно лишь, чтобы компоненты поля (т.е. создаваемые ими силы) действовали на частицы в угловом и радиальном направлениях.

Уравновешивающий радиальный компонент противодействует центробежной силе, действующей на частицы, так что каждая частица движется по своему "виртуальному" каналу к положению радиального равновесия, в котором центробежная и радиальная электрическая силы равны. Поскольку распределенные таким образом частицы вращаются, на каждом равновесном радиусе образуется орбита, и положения этих орбит можно измерить с помощью детектора, чтобы получить из этих измерений различные данные. Как будет описано далее, спектрометр может найти много различных применений, включая сепарацию (сортировку) частиц, определение массы, идентификацию и детектирование вещества, а также очистку.

Величины углового и радиального компонентов могут выбираться в широком диапазоне с учетом типа анализируемых частиц и условий в камере. В общем случае для частиц с большими значениями q/m требуется более слабый уравновешивающий радиальный компонент поля, чем для частиц с низким отношением q/m. В предпочтительных вариантах максимальное значение углового компонента поля для любого конкретного значения радиуса имеет тот же порядок величины, что и для радиального компонента поля при том же значении радиуса. Было обнаружено, что это облегчает стабилизацию частиц в каждом канале; однако данный признак не является обязательным.

В первом примере улавливающий угловой компонент образуется улавливающим угловым полем, а уравновешивающий радиальный компонент образуется уравновешивающим радиальным полем. Таким образом, чтобы получить нужные компоненты, формируются два отдельных поля, накладывающиеся одно на другое. Как будет описано далее, и улавливающее угловое поле, и уравновешивающее радиальное поле могут быть электрическими полями. Альтернативно, улавливающее угловое поле может быть электрическим, а уравновешивающее радиальное поле - магнитным. Использование двух отдельных полей позволяет управлять каждым полем независимо от другого поля.

Во втором примере улавливающий угловой компонент образован улавливающим угловым полем, а уравновешивающий радиальный компонент является компонентом улавливающего углового поля. Таким образом, оба указанных компонента могут быть созданы единственным полем. Это позволяет упростить средства генерирования поля и управлять орбитами частиц посредством единственного поля. Точки, в которых действующая на частицы угловая сила, вызванная полем (полями), минимальна, являются энергетическими минимумами. Энергетические минимумы предпочтительно соответствуют точкам, в которых величина углового поля близка к нулевой. В типичном случае минимум может не соответствовать самым нижним (на графике) точкам, т.е. точкам, соответствующим максимальным отрицательным значениям углового поля. При использовании прибора заряженные частицы будут мигрировать к энергетическим минимумам под влиянием углового компонента поля и удерживаться вблизи минимума, поскольку смещение относительно минимума привело бы к увеличению энергии частицы. Следует отметить, что частицы могут стабилизироваться не точно на минимуме вследствие эффектов гашения, как это будет описано далее.

Предпочтительно, чтобы энергетические минимумы соответствовали точкам пересечения нулевых уровней улавливающего углового поля. В этом случае по одну сторону (в угловом направлении) от каждого минимума поле является положительным, а по другую сторону - отрицательным. Другими словами, в энергетическом минимуме угловое поле изменяет свое направление на противоположное. Тем самым у минимума создается особенно стабильная "ловушка" для частиц, поскольку противоположные по знаку поля по обе стороны минимума будут направлять частицы к этому минимуму. Однако не все такие точки пересечения нулевого уровня способны обеспечить стабильное положение для всех частиц. Действительно, поскольку на положительно заряженные частицы будут действовать силы, противоположные силам, действующим на отрицательно заряженные частицы, точки пересечения нулевого уровня, в которых поле переходит из положительного в отрицательное, образуют стабильные ловушки только для положительных ионов, тогда как точки, в которых поле переходит из отрицательного в положительное, образуют стабильные ловушки для отрицательных ионов.

Энергетические минимумы, формирующие единственный или каждый канал, предпочтительно расположены непрерывно вдоль него. Другими словами, каждая точка по длине канала является угловым минимумом. Непрерывность минимумов позволяет заряженным частицам позиционироваться по длине канала согласно их отношению заряда к массе. Если это представляется желательным, может быть образован только один такой канал. Однако, если все частицы окажутся захваченными в одной зоне, возможны сильные эффекты взаимного отталкивания. Поэтому желательно сформировать улавливающим угловым полем более одного канала, чтобы заряженные частицы могли образовать сгустки частиц со схожим отношением заряда к массе частиц в каждом канале.

В предпочтительных вариантах по меньшей мере один канал отходит от оси вращения к периферии камеры. Представляется, что длина канала, находящегося между осью вращения и периферией камеры, может быть любой. Однако, чем больше длина по меньшей мере одного канала, тем большее количество орбит может быть образовано внутри каждого канала. Поэтому в идеале канал перекрывает все расстояние между осью вращения и периферией камеры, что дает максимально длинный канал. В других примерах единственный или каждый канал может быть разбит на несколько частей путем создания энергетических максимумов внутри поля (полей). Такое решение может быть полезно при одновременном анализе частиц с различными отношениями массы к заряду.

По меньшей мере один канал предпочтительно является радиальным, т.е. проходит по прямой между осью вращения и периферией камеры. Такой радиальный канал может иметь любую конечную длину в пределах расстояния от оси вращения до периферии камеры. В других примерах канал, расположенный между осью вращения и периферией камеры, является криволинейным. Так, в некоторых предпочтительных вариантах по меньшей мере один канал имеет форму дуги, расположенной между осью вращения и периферией камеры. Например, по меньшей мере один канал, расположенный между осью вращения и периферией камеры, может иметь форму спирали. Использование дуговых (или иных нелинейных) каналов увеличивает длину канала и соответственно увеличивает количество орбит, которые могут быть заключены внутри канала, позволяя анализировать большее количество различных отношений заряда к массе частицы. Дуговые каналы могут быть расположены близко друг к другу, чтобы увеличить возможное количество каналов в камере. Дуговые каналы формируются в зоне энергетических минимумов, как это описано выше.

В предпочтительных примерах для каждого значения радиуса улавливающее угловое поле имеет знакопеременный профиль в направлении вокруг оси вращения. Другими словами, поле изменяет свой знак при обходе вокруг оси вращения, чтобы сформировать энергетические минимумы, соответствующие точкам пересечения нулевого уровня, как это описано выше. В особенно предпочтительных вариантах улавливающий угловой компонент поля имеет синусоидальный профиль, однако возможны и другие знакопеременные профили, например в форме квадратной или треугольной волны.

Во многих вариантах улавливающий угловой компонент будет присутствовать по всей окружности камеры. Однако данный признак не является обязательным, поскольку в некоторых предпочтительных вариантах генератор поля выполнен с возможностью формирования улавливающего углового компонента только в угловой секции камеры, образованной вокруг оси вращения (охватывающей угол менее 360°). Такое выполнение может быть желательным, т.к. компоненты, служащие для формирования поля (например, электроды), могут в этом случае находиться только в данной секции камеры.

Улавливающее угловое поле предпочтительно является электрическим полем. Электрическое поле образует каналы, как это было описано. Альтернативно, улавливающее угловое поле может быть магнитным полем.

В предпочтительных примерах генератор поля содержит электродный блок углового поля, содержащий множество улавливающих электродов или улавливающих электродных элементов и источник напряжения, выполненный с возможностью подавать напряжение по меньшей мере на некоторые улавливающие электроды или улавливающие электродные элементы. Электроды могут находиться в плоскости, перпендикулярной оси вращения, например на верхней и/или нижней поверхностях камеры. Выбираемая конфигурация электродов будет зависеть от желательных профилей поля и требований к функциональной гибкости устройства.

Так, в некоторых предпочтительных вариантах электродный блок углового поля содержит по меньшей мере два улавливающих электрода, расположенных между осью вращения и периферией камеры и предпочтительно равномерно распределенных в угловом направлении вокруг оси вращения. Если угловое поле должно быть образовано в угловой секции камеры, эта секция может находиться между двумя электродами, причем при наличии более двух электродов они будут равномерно распределены в угловом направлении внутри данной секции. В зависимости от уровня напряжения, подаваемого на каждый улавливающий электрод, в поле напряжения в соответствии с профилем электрода создается пик или впадина, который (которая) будет соответствовать энергетическому минимуму в результирующем электрическом поле (поскольку электрическое поле соответствует производной от распределения напряжения по координате). Размещая электроды на равных угловых расстояниях, можно легко сформировать (если это представляется желательным) электрическое поле, обладающее вращательной симметрией.

Альтернативно, электродный блок углового поля может содержать по меньшей мере два комплекта улавливающих электродных элементов. Электродные элементы каждого комплекта расположены вдоль соответствующих линий, проходящих между осью вращения и периферией камеры, и предпочтительно равномерно распределены в угловом направлении вокруг оси вращения (аналогичный вариант применим и в случаях, когда формируется только одна угловая секция поля). Таким образом, по существу, каждый улавливающий электрод содержит комплект электродных элементов, в котором напряжение на каждый электродный элемент может подаваться индивидуально, что обеспечит улучшенную управляемость поля, как это будет показано далее.

Предпочтительно по меньшей мере два улавливающих электрода или по меньшей мере два комплекта электродных элементов расположены радиально между осью вращения и периферией камеры. Другими словами, каждый улавливающий электрод или комплект является прямолинейным и вытянутым в направлении от оси вращения к периферии камеры. Такая схема описанным образом образует радиальные каналы в угловом поле. Каждый улавливающий электрод или комплект может не перекрывать все расстояние между осью вращения и периферией камеры, а занимать любой отрезок между двумя точками, заключенными в интервале от оси до периферии камеры. Однако с целью максимизации длины каналов электроды или указанные комплекты предпочтительно перекрывают весь этот интервал.

В других предпочтительных примерах по меньшей мере два улавливающих электрода или по меньшей мере два комплекта электродных элементов расположены вдоль дуговых линий между осью вращения и периферией камеры. Такая конфигурация позволяет формировать описанные выше спиральные каналы. Электрод или комплект дуговой формы может доходить до любой точки между осью вращения и периферией камеры и может не перекрывать все расстояние между этой осью и периферией камеры.

Если представляется нежелательным зафиксировать профиль каналов посредством электродов/комплектов конкретной формы, особенно предпочтительные варианты электродного блока углового поля будут содержать двумерный комплект улавливающих электродных элементов, расположенных между осью вращения и периферией камеры. Улавливающие электродные элементы в этом случае предпочтительно образуют паттерн ортогональной решетки или гексагональной решетки или плотноупакованный паттерн, или паттерн в виде концентричных окружностей. Это позволит выбирать желательную форму каналов путем подачи напряжений на некоторые элементы из их общего числа в составе комплекта.

В некоторых примерах угловой компонент поля может приводиться во вращение вращением электродного блока углового поля по отношению к камере, т.е. генератор поля может дополнительно содержать механизм вращения, выполненный с возможностью вращения электродов углового поля или камеры. Таким механизмом может быть двигатель, несущий электродный блок углового поля.

Однако в предпочтительном варианте источник напряжения выполнен с возможностью последовательно варьировать напряжение, подаваемое на единственный или каждый улавливающий электрод или улавливающий электродный элемент, таким образом, чтобы обеспечить вращение улавливающего углового поля вокруг оси вращения. Варьирование напряжения последовательно на каждом улавливающем электроде позволяет обеспечить вращение подаваемого на электроды напряжения, что эквивалентно использованию описанного механизма вращения.

Единственный или каждый улавливающий электрод или электродный элемент предпочтительно обладает конечным (ненулевым) сопротивлением, обеспечивающим изменение напряжения по длине единственного или каждого улавливающего электрода. Желательно, чтобы величина напряжения (независимо от его знака) на единственном или на каждом улавливающем электроде или комплекте была меньше на его конце, обращенном к оси вращения, чем на конце, обращенном к периферии камеры. В типичном варианте на конец улавливающего электрода, обращенный к оси вращения, будет подано напряжение земли, а на его конец, обращенный к периферии камеры, - более высокое напряжение. Соответственно, напряжение будет изменяться по длине улавливающего электрода, поскольку он предпочтительно имеет конечное сопротивление. Это облегчает формирование электрического поля, имеющего непрерывный профиль в направлении вокруг оси вращения. В одном примере единственный или каждый улавливающий электрод или элемент содержит резистивный полимер или кремний. Данные материалы являются предпочтительными, поскольку они обладают известным удельным сопротивлением, тогда как традиционные электропроводные материалы для электродов (как правило, металлы) имеют удельное сопротивление, которое близко к нулю и не может настраиваться.

Как это описано выше, величина уравновешивающего радиального компонента монотонно возрастает с ростом радиуса по меньшей мере в угловой и/или радиальной области каждого канала. Монотонно возрастающая функция - это функция, производная от которой всегда положительна. Следует отметить, что это справедливо независимо от знака поля: так, в случае отрицательного поля с ростом радиуса поле будет становиться более отрицательным, т.е. по абсолютной величине сила поля всегда будет возрастающей. Следовательно, и величина уравновешивающего радиального компонента всегда будет возрастать с ростом радиуса. Это условие является необходимым для создания точек стабильного равновесия между направленной наружу центробежной силой и направленным внутрь уравновешивающим радиальным компонентом. Может быть выбрана любая монотонно возрастающая функция. Однако желательно, чтобы величина радиального компонента возрастала пропорционально rⁿ, где n≥1, а r - радиальное расстояние от оси вращения. Например, уравновешивающий радиальный компонент поля может возрастать пропорционально радиусу (линейно), квадрату радиуса и т.д.

В предпочтительном примере для каждого значения радиуса величина уравновешивающего радиального компонента при обходе вокруг оси вращения является постоянной по меньшей мере для угловых положений, соответствующих единственному или каждому каналу. Эта величина необязательно должна оставаться постоянной на всем протяжении обхода вокруг оси вращения. Однако благодаря постоянству этой величины по меньшей мере в зоне каждого канала все точки равновесия будут находиться на одинаковом радиальном расстоянии, что даст круговые (или близкие к круговым) орбиты, которые можно измерить с большей точностью.

В некоторых примерах для каждого радиального расстояния величина уравновешивающего радиального компонента варьирует при обходе вокруг оси вращения. Если данная величина не является постоянной для всех угловых положений, уравновешивающий радиальный компонент предпочтительно вращается синхронно с улавливающим угловым компонентом, чтобы обеспечить пространственное согласование радиального поля с каждым каналом. Для этого генератор поля может быть выполнен с возможностью вращать уравновешивающий радиальный компонент вокруг оси вращения синхронно с улавливающим угловым компонентом.

В особенно предпочтительном варианте уравновешивающий радиальный компонент имеет первое направление по меньшей мере в одном первом угловом секторе камеры и второе, противоположное первому, направление по меньшей мере в одном втором угловом секторе. При этом первый и второй угловые сектора соответствуют первому и второму каналам в зонах угловых минимумов. Таким образом, вблизи выбранных каналов уравновешивающий радиальный компонент будет действовать на положительные частицы в направлении внутрь и на отрицательные частицы в направлении наружу, тогда как для других выбранных каналов будет справедливо обратное. Это позволит одновременно анализировать как положительно, так и отрицательно заряженные частицы.

В предпочтительном выполнении уравновешивающее радиальное поле является магнитным полем. Магнитное поле создает силу, которая действует на частицы, уравновешивая центробежную силу, так что заряженные частицы формируют одну или более орбит в соответствии с их отношением заряда к массе. Это происходит благодаря тому, что движущиеся заряженные частицы создают ток, на который действует сила Лорентца. В вариантах этого типа генератор поля предпочтительно содержит магнитную систему, а камера помещается между ее противолежащими полюсами, так что магнитное поле, созданное между полюсами магнитной системы, проходит через камеру.

Магнитная система предпочтительно содержит электромагнит, т.к. он позволяет создать сильное магнитное поле и им легко управлять. Однако можно использовать и иной генератор магнитного поля, такой как постоянные магниты.

Каждый полюс магнитной системы имеет профиль поверхности, при котором поверхность ближе подходит к камере у ее периферии, чем у оси вращения. Такой профиль обеспечивает формирование магнитного поля с величиной, монотонно возрастающей с ростом радиуса, и предпочтительно является вогнутым профилем. Сила, создаваемая в этом случае магнитным полем, является неоднородной по поперечному сечению камеры. Подобный профиль уменьшает величину магнитного поля при приближении к оси вращения, поскольку здесь расстояние между двумя полюсами максимально. Данный профиль поверхности обеспечивает требуемое монотонное возрастание силы, создаваемой магнитным полем, с ростом радиуса. Альтернативно, аналогичное неоднородное магнитное поле может быть создано при использовании при изготовлении полюсов по меньшей мере двух различных магнитных материалов, расположенных концентрично один в другом. Различие магнитных сил, создаваемых этими материалами, позволяет обеспечить ослабление магнитного поля в направлении оси вращения.

В других предпочтительных вариантах уравновешивающее радиальное поле является электрическим полем. В этих вариантах генератор поля предпочтительно содержит электродный блок радиального поля, содержащий по меньшей мере один уравновешивающий электрод, расположенный вблизи камеры и имеющий радиальный профиль, выбранный из условия обеспечения, при подаче на него напряжения, монотонно возрастающего радиального поля. Желательно, чтобы уравновешивающий электрод имел центр, находящийся на оси вращения, и, по существу, круглую периферию, окружающую указанную ось, а его толщина была выполнена изменяющейся между его центром и периферией для формирования монотонно возрастающего радиального поля. Для получения желательного эффекта может быть использован комплект уравновешивающих электродных элементов.

Уравновешивающий электрод предпочтительно является конусом с прямолинейной, вогнутой или выпуклой образующей. Форму образующей электрода можно варьировать, чтобы получить желательный профиль уравновешивающего радиального компонента. Желательно, чтобы вершина конуса была обращена к камере или от нее.

Генератор поля дополнительно содержит источник напряжения, выполненный с возможностью подачи напряжения по меньшей мере на один уравновешивающий электрод. Источник напряжения предпочтительно выполнен с возможностью варьировать выходное напряжение.

Единственный или каждый уравновешивающий электрод предпочтительно выполнен из твердого резистивного полимера или кремния. Как было описано применительно к электродам углового поля, такие материалы используются, чтобы придать электроду достаточное сопротивление и обеспечить, тем самым, возможность генерирования электрического поля с желательным профилем.

Электродный блок радиального поля может дополнительно содержать второй уравновешивающий электрод. При этом камера устанавливается между первым и вторым уравновешивающими электродами. Применение второго уравновешивающего электрода с установкой камеры между первым и вторым уравновешивающими электродами позволяет избежать искажения профиля поля в осевом направлении. Чтобы получить симметричный профиль поля, второй уравновешивающий электрод выполняется аналогичным первому уравновешивающему электроду и из того же материала.

Для создания радиального поля можно использовать и другие электродные блоки. В предпочтительном примере генератор поля содержит электродный блок радиального поля, содержащий множество кольцевых электродов, расположенных концентрично оси вращения и отделенных друг от друга диэлектрическим материалом. Источник напряжения при этом выполнен с возможностью подачи напряжения на каждый из кольцевых электродов.

В рассмотренных примерах радиальный и угловой компоненты формируются отдельными полями и накладываются друг на друга. Однако в альтернативном выполнении уравновешивающий радиальный компонент может формироваться улавливающим угловым полем. Для этого средства генерирования поля, формирующие улавливающее угловое поле, могут быть соответственно модифицированы. При этом отпадет необходимость в дополнительных генерирующих компонентах. Соответственно, электродный блок углового поля конфигурируется таким образом, что напряжение на единственном или на каждом улавливающем электроде изменяется от его конца, обращенного к оси вращения, к его концу, обращенному к периферии камеры, с формированием монотонно возрастающего радиального поля. Для этого можно использовать, например, электроды из соответственно профилированного резистивного материала или комплекты электродных элементов, расположенных вдоль каждого канала. Если используется комплект элементов, возможно точное управление радиальным компонентом и его желаемое варьирование приложением соответствующего напряжения к каждому элементу.

Альтернативно, по меньшей мере на части камеры может быть установлена двумерная решетка электродных элементов, так что профиль каждого канала не будет зафиксирован расположением электродов, а может задаваться подачей соответствующих напряжений на некоторые или на все электродные элементы.

Камера предпочтительно имеет круглое поперечное сечение, по существу, перпендикулярное оси вращения. Такая форма сечения камеры предпочтительна потому, что орбиты заряженных частиц будут стремиться принять круговую (или близкую к круговой) форму, если только уравновешивающий радиальный компонент не изменяется по величине при обходе вокруг оси вращения. Следовательно, использование пространства наиболее эффективно именно в камере с круглым поперечным сечением. Однако данный признак не является обязательным, поскольку могут использоваться камеры любой формы, включая камеры в форме куба или параллелепипеда. В особенно предпочтительных примерах камера является дисковидной или цилиндрической, причем ось вращения параллельна оси камеры и пересекает камеру. В других примерах камера может иметь кольцевое поперечное сечение, по существу, перпендикулярное оси вращения. При этом ось вращения может проходить через центральное отверстие, а не пересекать саму камеру. По желанию, камеры, имеющие некруглое поперечное сечение, также могут снабжаться центральным отверстием, круглым или некруглым.

Камера предпочтительно является вакуумной камерой, а масс-спектрометр дополнительно содержит аппарат для контроля атмосферы внутри камеры, предпочтительно откачное устройство или насос. Использование контролируемой атмосферы внутри камеры позволяет свести к минимуму аэродинамическое сопротивление для частиц (которое иначе могло бы искажать результаты) и уменьшить вероятность ложных результатов, вызванных присутствием внутри камеры посторонних веществ.

В особенно предпочтительных вариантах аппарат для контроля атмосферы внутри камеры выполнен с возможностью поддерживать внутри камеры неполный вакуум (т.е. низкое, контролируемое давление газа). Низкое давление газа внутри камеры позволяет частицам двигаться свободно, но создает эффект гашения (демпфирования), который способствует удерживанию частиц внутри каждого канала. Этот признак, однако, не является обязательным, т.к. вместо этого можно использовать поле (поля), сконфигурированное (сконфигурированные) с возможностью обеспечения жесткой локализации, в пределах которой осцилляция вокруг энергетического минимума является приемлемой.

В других случаях может оказаться желательным использовать внутри камеры более высокое давление газа, причем для поддержания увеличенного давления внутри камеры можно применить насос. Это может быть целесообразным, например, когда требуется анализировать массивные частицы, такие как клетки, при относительно низких угловых скоростях и при сильных полях. В таких случаях слишком низкое давление газа могло бы привести к пробою контролируемой атмосферы вследствие высокой интенсивности приложенных полей. Согласно закону Пашена напряжение пробоя при более высоких давлениях возрастает, поэтому повышение давления газа способно устранить возникновение пробоев.

При создании эффекта гашения (например, с помощью контролируемой газовой атмосферы внутри камеры) желательно, чтобы максимальный угловой компонент поля при любом значении радиуса имел величину, достаточную для преодоления действующей на частицы демпфирующей силы. Например, когда эффект гашения обеспечивается газом, сила, действующая на частицы со стороны максимального углового компонента поля, должна превышать действующую на эти частицы силу трения, возникающую при их контакте с газом. Было обнаружено, что это способствует удерживанию частиц внутри каждого канала. Однако данный признак не является обязательным.

В некоторых примерах масс-спектрометр может принимать заряженные частицы. Однако в предпочтительных вариантах спектрометр дополнительно содержит ионизатор, выполненный с возможностью ионизировать частицы перед их инжекцией в камеру. Подходящие ионизаторы хорошо известны. Они могут использовать электронную ионизацию (когда частицы проходят через электронный пучок) и химическую ионизацию (когда аналит ионизируется в результате ион-молекулярных реакций в процессе соударений). Ионизатор может быть выполнен отдельно от инжектора или оба они могут быть интегрированы в единый компонент. Типичный инжектор будет содержать ускоряющий электрод