RU2693570C1 - Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes - Google Patents
Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2693570C1 RU2693570C1 RU2018139306A RU2018139306A RU2693570C1 RU 2693570 C1 RU2693570 C1 RU 2693570C1 RU 2018139306 A RU2018139306 A RU 2018139306A RU 2018139306 A RU2018139306 A RU 2018139306A RU 2693570 C1 RU2693570 C1 RU 2693570C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- trap
- electrodes
- electrode
- ions
- ion
- Prior art date
Links
- 238000005040 ion trap Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 94
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 10
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 abstract description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 7
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 30
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 15
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
- H01J49/4205—Device types
- H01J49/4245—Electrostatic ion traps
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к конструкции модифицированной ионной ловушки Кингдона, включающей систему электродов, формирующую удерживающее ионы поле. Изобретение может найти применение во многих областях техники.The invention relates to the field of mass spectrometry, in particular to the design of a modified ion trap of Kingdon, including a system of electrodes, forming a field that retains ions. The invention can find application in many areas of technology.
Уровень техникиThe level of technology
Современная масс-спектрометрия — чувствительный, быстрый и информативный аналитический метод, имеющий широчайшие применения во многих областях техники. Использование масс-спектрометрии для идентификации биологических объектов требует высокого разрешения и точности измерения масс. Долгое время таким требованиям удовлетворяла масс-спектрометрия ионного циклотронного резонанса (ИЦР) с преобразованием Фурье, однако существенным недостатком этого метода является необходимость использования крио-магнитов с высокими (7 Тесла и выше) магнитными полями, что приводит к высоким эксплуатационным расходам и большому размеру, а также весу, самого прибора. Другим типом масс-спектрометров, приближающимся по разрешению и точности к приборам на основе ИЦР, являются приборы Орбитрэп (Orbitrap), использующие принцип орбитальной ионной ловушки – принцип удержания ионов внутри ионной ловушки при помощи электростатических полей, впервые предложенный Кингдоном (далее в настоящем описании - ловушка Кингдона; Kingdon, K.H.: A method for the neutralization of electron space charge by positive ionization at very low gas pressures. Phys. Rev. 21, 408–418 (1923)) и значительно усовершенствованный в работе Knight (Knight, R.D.: Storage of ions from laser produced plasmas. Appl. Phys. Lett. 38, 221–223 (1981)), который предложил конструкцию масс-спектрометра на основе такой ловушки, и впоследствии работами Макарова, который создал такой масс-спектрометр, названный им Орбитрэп (Eliuk, S., Makarov, A.: Evolution of Orbitrap mass spectrometry instrumentation. Annu. Rev. Anal. Chem. 8, 61–80 (2015)). Орбитальная ионная ловушка Орбитрэп использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы. Попадающие в поле ионы с достаточным для захвата импульсом, вводимые извне перпендикулярно оси ловушки не по центру ловушки, начинают двигаться по стабильным циклическим траекториям вокруг центрального электрода и одновременно осциллировать вдоль оси центрального электрода. Хотя радиальная и угловая частоты также зависят от m/z иона, гармоническая осцилляция ионов вдоль оси z не зависит от этих величин. Ионы детектируются по наведенному изображению тока на внешних электродах. Благодаря тому, что аксиальная осцилляция не зависит от энергии ионов и тому, что электрическое поле устанавливается с высокой точностью и стабильностью, может быть достигнуто высокое разрешение и масса может быть определена с высокой точностью по измеренной частоте аксиальных колебаний. Орбитальная ловушка также характеризуется большей емкостью ионов. Modern mass spectrometry is a sensitive, fast and informative analytical method that has the widest application in many areas of technology. The use of mass spectrometry to identify biological objects requires high resolution and accuracy of mass measurement. For a long time, these requirements were satisfied by mass spectrometry of ion cyclotron resonance (ICR) with Fourier transform, but a significant drawback of this method is the need to use cryo-magnets with high (7 Tesla and higher) magnetic fields, which leads to high operating costs and large size, as well as the weight of the device itself. Another type of mass spectrometers approaching in resolution and accuracy to ICR-based instruments are Orbitrap instruments using the orbital ion trap principle — the principle of ion retention inside an ion trap using electrostatic fields, first proposed by Kingdon (hereinafter referred to as Kingdon, KH: it has been greatly improved in the work of Knight (Knight, RD: Storage); ions from laser produced plasmas. Appl. Phys. Lett. 38, 221–223 (1981)), which he built a mass spectrometer based on such a trap, and subsequently the work of Makarov, who created such a mass spectrometer, named by Orbitrap (Eliuk, S., Makarov, A .: Evolution of Orbitrap mass spectrometry instrumentation. Annu. Rev. Anal. Chem 8, 61–80 (2015)). Orbital ion trap Orbitrap uses a symmetric static electric field between the external and internal electrodes of a special form. Ions entering the field with a pulse sufficient for trapping, introduced from the outside perpendicular to the trap's axis not in the center of the trap, begin to move along stable cyclic trajectories around the central electrode and simultaneously oscillate along the axis of the central electrode. Although the radial and angular frequencies also depend on the m / z ion, the harmonic oscillation of ions along the z axis does not depend on these quantities. Ions are detected by induced current on external electrodes. Due to the fact that axial oscillation does not depend on the ion energy and the fact that the electric field is established with high accuracy and stability, high resolution can be achieved and the mass can be determined with high accuracy by the measured frequency of axial oscillations. The orbital trap is also characterized by a higher ion capacity.
Имеющиеся на сегодняшний день на рынке приборы Орбитрэп используют единственный внутренний электрод, имеющий сложную гиперболическую поверхность, в комбинации с двумя внешними электродами для удержания ионов внутри ловушки и измерения наводимого ионами тока (Eliuk, S., Makarov, A. Annu. Rev. Anal. Chem. 8, 61–80 (2015)). Возможность существования конструкций орбитальных ионных ловушек с несколькими внутренними электродами была ранее предсказана в работах Голикова и (Golikov, Y.K., et al., Integrable electrostatic ion traps. Appl. Phys. (Russian). 5, 50–57 (2006)), однако конкретные варианты исполнения, дающие определенные практические преимущества, не были рассмотрены в этих работах. Работа Голикова показывает, что для создания ловушки возможно использование любого количества внутренних электродов, вытянутых параллельно оси внешнего электрода, не мешающих созданию квадратичного потенциала в пространстве между внутренними и внешними электродами. Несмотря на коммерческую успешность приборов Орбитрэп, они также не лишены недостатков. В частности, Орбитрэп не может захватывать созданные внутри ловушки ионы, поэтому ловушку Орбитрэп можно использовать только в сочетании с еще одной ловушкой (например, C-ловушкой в реализованных на основе Орбитрэп масс-спектрометрах фирмы Thermo Scientific). Использование дополнительной радиочастотной ловушки со сложной системой дефлекторов для ввода ионов в ловушку Орбитрэп значительно увеличивает потребление энергии устройством, а также значительно усложняет его внедрение в качестве переносного устройства или как устройства для космических приложений (размер играет ключевую роль в создании приборов для размещения на космических кораблях). Таким образом, на сегодняшний день на рынке сохраняется потребность в недорогих портативных масс-спектрометрах высокого разрешения, и данное изобретение обладает рядом свойств, необходимых для решения поставленной задачи.Orbitrap devices on the market today use a single internal electrode with a complex hyperbolic surface, in combination with two external electrodes for holding ions inside a trap and measuring current induced by ions (Eliuk, S., Makarov, A. Annu. Rev. Anal. Chem. 8, 61–80 (2015)). The possibility of the existence of orbital ion trap structures with several internal electrodes was previously predicted by Golikov and (Golikov, YK, et al., Integrable electrostatic ion traps. Appl. Phys. (Russian). 5, 50–57 (2006)), however specific versions that provide certain practical advantages were not considered in these works. The work of Golikov shows that to create a trap, it is possible to use any number of internal electrodes, elongated parallel to the axis of the external electrode, which do not prevent the creation of a quadratic potential in the space between the internal and external electrodes. Despite the commercial success of Orbitrap devices, they are also not without drawbacks. In particular, Orbitrap cannot capture the ions created inside the trap, therefore the Orbitrap trap can only be used in combination with another trap (for example, the C-trap in Thermo Scientific mass spectrometers based on Orbitrap). The use of an additional radio frequency trap with a complex system of deflectors for introducing ions into the Orbitrap trap significantly increases the device’s energy consumption and also makes it more difficult to implement as a portable device or as a device for space applications (size plays a key role in creating spacecraft instruments) . Thus, today there is still a need for inexpensive high-resolution portable mass spectrometers on the market, and this invention has a number of properties necessary to solve the problem.
Сущность изобретенияSummary of Invention
Задачей настоящего изобретения является создание модифицированной ионной ловушки Кингдона, лежащей в основе недорогого портативного масс-спектрометра высокого разрешения. Указанная задача решается путем использования определенной конфигурации внутренних электродов ионной ловушки, обеспечивающей возможность захвата и удержания созданных внутри ловушки ионов, а также обеспечивающей пониженную чувствительность к погрешностям в изготовлении электродов. Указанная задача решается путем создания ионной ловушки в составе масс спектрометра, используемой для аккумулирования и детекции ионов, содержащей: (а) по меньшей мере два внешних электрода, вытянутых вдоль продольной оси ловушки; (б) две пары внутренних электродов, вытянутых вдоль продольной оси ловушки и расположенных таким образом, что каждый электрод из одной пары соприкасается с электродом другой пары по крайней мере частью своей поверхности, при этом внутренняя поверхность внешних электродов и внешняя поверхность внутренних электродов соответствуют эквипотенциальным поверхностям электрического потенциала ц (x; y; z), существующего между внешними и внутренними электродами, и рассчитываемого по формуле (1): The present invention is the creation of a modified ion trap of Kingdon, which is the basis of an inexpensive high-resolution portable mass spectrometer. This problem is solved by using a specific configuration of the internal electrodes of the ion trap, which provides the ability to capture and hold the ions created inside the trap, as well as providing reduced sensitivity to errors in the manufacture of electrodes. This problem is solved by creating an ion trap in the mass spectrometer used for the accumulation and detection of ions, containing: (a) at least two external electrodes elongated along the longitudinal axis of the trap; (b) two pairs of internal electrodes elongated along the longitudinal axis of the trap and positioned in such a way that each electrode from one pair contacts the other electrode with at least a part of its surface, while the internal surface of the external electrodes and the external surface of the internal electrodes correspond to equipotential surfaces electric potential c (x; y; z), existing between external and internal electrodes, and calculated by the formula (1):
где x и y – направления осей, перпендикулярные друг другу и оси ловушки z; величины a, b, c и d являются константами, и величины -а, а, -b, b определяют координаты центров четырех внутренних электродов при z=0; и при этом линейные размеры электродов ограничены абсолютным значением приложенного к ним потенциала, не превосходящим 1.5 кВ. where x and y are the directions of the axes perpendicular to each other and the axes of the trap z; the values of a, b, c and d are constants, and the values –a, a, –b, b determine the coordinates of the centers of the four internal electrodes at z = 0; at the same time, the linear dimensions of the electrodes are limited by the absolute value of the potential applied to them, not exceeding 1.5 kV.
В предпочтительных вариантах изобретения данная ловушка характеризуется тем, что аккумулирует ионы, созданные внутри ловушки в пространстве между внешними и внутренними электродами.In preferred embodiments of the invention, this trap is characterized by the fact that it accumulates ions created inside the trap in the space between the external and internal electrodes.
При осуществлении изобретения достигается следующий технический результат: предложенная ионная ловушка обеспечивает повышение компактности реализованного на ее основе масс-спектрометра за счет возможности захвата и удержания созданных внутри ловушки ионов, что позволит отказаться от использования дополнительной радиочастотной ловушки, применяемой в традиционном Орбитрэпе для ввода ионов. Также, конфигурация внутренних электродов предложенной ионной ловушки обеспечивает пониженную чувствительность к погрешностям в изготовлении электродов.When implementing the invention, the following technical result is achieved: the proposed ion trap provides an increase in the compactness of the mass spectrometer implemented on its basis due to the possibility of trapping and holding the ions created inside the trap, which will prevent the use of an additional radio frequency trap used in the traditional Orbitrepe for ion injection. Also, the configuration of the internal electrodes of the proposed ion trap provides reduced sensitivity to errors in the manufacture of electrodes.
Краткое описание рисунковBrief description of drawings
Рис. 1. Пример гармонической ловушки Кингдона с четырьмя внутренними электродами. В этом примере используются значения a = 0,9, b = 0,9, c = 0,2, d = 0,5 для формулы (1), потенциал смещения внешних электродов равен U_high = 7, а потенциал смещения внутренних электродов равен U_low = 1.Fig. 1. An example of a harmonic Kingdon trap with four internal electrodes. In this example, the values a = 0.9, b = 0.9, c = 0.2, d = 0.5 for formula (1) are used, the bias potential of the external electrodes is U_high = 7, and the bias potential of the internal electrodes is U_low = 1.
Рис. 2. Пример ионного орбитального вращения вокруг всех внутренних электродов (справа) и вокруг двух внутренних электродов (слева) в четырехэлектродной орбитальной гармонизированной ловушке Кингдона; ионы также колеблются вдоль оси z из-за квадратичного потенциала по z. На рисунке показаны проекции ионных траекторий на поперечное сечение ловушки при z = 0. Когда ионы вводятся снаружи, необходимо мгновенно увеличить потенциал смещения на внутренних электродах импульсом, чтобы уменьшить кинетическую энергию ионов до требуемого значения для орбитального захвата - иначе ионы будут сталкиваться с внешними электродами. Ионы вводятся в ловушку не в центре (z = 0), а на некотором расстоянии от центра вдоль оси z, что инициирует колебания облака вдоль оси z. Место ввода ионов по оси z определяет амплитуду колебаний.Fig. 2. An example of ionic orbital rotation around all internal electrodes (right) and around two internal electrodes (left) in the four-electrode orbital harmonized trap of Kingdon; ions also oscillate along the z axis due to the quadratic potential in z. The figure shows the projections of ion trajectories onto the trap cross section at z = 0. When ions are introduced outside, it is necessary to instantaneously increase the bias potential on the internal electrodes with a pulse in order to reduce the kinetic energy of the ions to the required value for orbital capture — otherwise the ions will collide with the external electrodes. Ions are introduced into a trap not in the center (z = 0), but at some distance from the center along the z axis, which initiates oscillations of the cloud along the z axis. The point of entry of ions along the z axis determines the amplitude of oscillations.
Рис. 3. Трехмерное схематическое изображение четырехэлектродной ловушки с двумя слившимися внутренними электродами.Fig. 3. Three-dimensional schematic representation of a four-electrode trap with two coalesced internal electrodes.
Рис. 4. Разница между распределением фактического электрического потенциала вдоль оси z (для x = 0, y = 0) и его теоретическим значением для идеальной ловушки при разных вариантах ее усечения (см. подписи на графике). Потенциал смещения на внутренних электродах равно 4 кВ, а внешний электрод заземлен. «Удлинения» представляют собой дополнительные 3-миллиметровые 2D-секции, которые добавляются с обеих сторон ловушки на местах усечения. Форма электродов в этих 2D- секциях повторяет форму усеченных электродов.Fig. 4. The difference between the distribution of the actual electric potential along the z axis (for x = 0, y = 0) and its theoretical value for an ideal trap for different variants of its truncation (see the captions on the graph). The bias potential on the internal electrodes is 4 kV, and the external electrode is grounded. "Extension" are an additional 3-millimeter 2D-sections that are added on both sides of the trap at the truncation points. The shape of the electrodes in these 2D sections repeats the shape of the truncated electrodes.
Рис. 5. Секции x-y (a), x-z (d) и y-z (c) (не в масштабе) показывают разности электрических потенциалов идеальной ловушки и ловушки с электродами с неидеально гладкой поверхностью (смоделирована с использованием сетки с шагом 75 мкм). Внешний электрод заземлен, потенциал смещения на внутренних электродах составляет -4 кВ.Fig. 5. Sections x-y (a), x-z (d) and y-z (c) (not to scale) show the electric potential differences of an ideal trap and traps with electrodes with a non-ideally smooth surface (modeled using a grid of 75 μm). The external electrode is grounded, the potential bias on the internal electrodes is -4 kV.
Рис. 6. Начальные положения ионов в среднем поперечном сечении (z = 0) четырехэлектродной гармонизированной ловушки со слившимися электродами (слева), и их позиции после 5 мс полета (справа). Ионы имеют массы в диапазоне от 50 Да до 2000 Да.Fig. 6. The initial positions of the ions in the average cross section (z = 0) of a four-electrode harmonized trap with coalesced electrodes (left), and their positions after 5 ms of flight (right). Ions have masses ranging from 50 Da to 2000 Da.
Рис. 7. Зависимость амплитуды от времени для сигнала частотной развертки (сверху) и положение ионов в фазовой плоскости z-Ez в конце возбуждения частотной развертки (снизу). В качестве начальных условий для ионов использовались координаты и скорости, полученные из предыдущего моделирования процесса накопления ионов (см. рис. 6). Ионы колеблются с амплитудой 5-6 мм, образуя довольно компактные группы в зависимости от их отношения массы к заряду, что является предпосылкой для успешной регистрации индуцированных токов.Fig. 7. Amplitude versus time for the frequency sweep signal (top) and the position of ions in the z-Ez phase plane at the end of the frequency sweep excitation (bottom). The coordinates and velocities obtained from the previous modeling of the accumulation of ions were used as initial conditions for the ions (see Fig. 6). Ions oscillate with an amplitude of 5-6 mm, forming rather compact groups depending on their mass-to-charge ratio, which is a prerequisite for successful registration of induced currents.
Рис. 8. (А) Ток, индуцированный на половинах внешнего электрода как функция времени. (Б) Спектр масс захваченных ионов в диапазоне от 50 до 2000 Да после проведения преобразования Фурье. Для некоторых пиков указана разрешающая способность.Fig. 8. (A) Current induced on the halves of the external electrode as a function of time. (B) The mass spectrum of trapped ions in the range from 50 to 2000 Da after the Fourier transform. For some peaks, resolution is indicated.
Подробное раскрытие изобретенияDetailed disclosure of the invention
Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. В описании данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из». Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.For a better understanding of the present invention, here are some terms used in the present description of the invention. In the description of this invention, the terms "includes" and "including" are interpreted to mean "includes, among other things." These terms are not intended to be interpreted as “consists only of”. Unless otherwise defined, technical and scientific terms in this application have standard meanings commonly accepted in scientific and technical literature.
Традиционный масс – анализатор на основе ионной ловушки Кингдона - это высокоточное механическое устройство, которое включает в себя электроды с гиперболическими поверхностями в составе ионной ловушки. Изготовление гиперболических поверхностей электродов требует высокой точности, что приводит к удорожанию устройства или, потенциально, к снижению разрешающих характеристик при неидеальном изготовлении формы электродов. Также, традиционная орбитальная ионная ловушка Орбитрэп использует только один внутренний электрод для удержания ионов внутри ионной ловушки при помощи электростатических полей. Применение ионной ловушки с другой конфигурацией внутренних электродов позволит расширить функционал реализованного на ее основе масс-спектрометра, а именно, сделать его портативным за счёт отказа от дополнительной радиочастотной ловушки.The traditional mass analyzer based on the Kingdon ion trap is a high-precision mechanical device that includes electrodes with hyperbolic surfaces as part of an ion trap. The fabrication of the hyperbolic surfaces of the electrodes requires high accuracy, which leads to a rise in the cost of the device or, potentially, to a decrease in the resolution characteristics when imperfectly making the shape of the electrodes. Also, the Orbitrap traditional orbital ion trap uses only one internal electrode to trap ions inside the ion trap using electrostatic fields. The use of an ion trap with a different configuration of internal electrodes will allow the functionality of a mass spectrometer based on it to be expanded, namely, to make it portable by eliminating the additional radio frequency trap.
В настоящем изобретении авторы использовали моделирование и симуляционные эксперименты для исследования множества четырехэлектродных гармонических ловушек Кингдона (имеющих квадратичную зависимость потенциала от координаты вдоль оси ловушки) для определения их чувствительности к ошибкам изготовления и сборки электродов, а также к возникновению краевого эффекта, вызванного усечением ловушки. Отличие электростатического поля орбитальной ионной ловушки от идеального является причиной расфазировки ионов в ионных облаках, что ограничивает разрешающую способность масс-спектрометров, использующих ловушки такого типа. В многоэлектродных гармонических ловушках Кингдона, как и в Орбитрэпе, распределение поля квадратично в одном из направлений (обычно вдоль оси электродов, т. е. вдоль оси z). Движение ионов в этом направлении является гармоническим колебанием, в котором частота колебаний зависит исключительно на отношения массы к заряду ионов; следовательно, через измерение частоты колебаний можно определить массу ионов. Распределение электрического потенциала для четырехэлектродной гармонической ловушки Кингдона (Рис. 1), то есть φ (x, y, z), может быть получено из решения уравнения Лапласа, используя в качестве ограничения квадратичную зависимость потенциала от одной из координат; результатом является выражение (формула 1):In the present invention, the authors used simulation and simulation experiments to study a set of four-electrode harmonic Kingdon traps (with quadratic potential dependence on the coordinate along the axis of the trap) to determine their sensitivity to manufacturing errors and electrode assembly, as well as to the occurrence of the edge effect caused by the trap truncation. The difference between the electrostatic field of the orbital ion trap and the ideal one is the cause of the dephasing of ions in ion clouds, which limits the resolution of mass spectrometers using traps of this type. In Kingdon’s multielectrode harmonic traps, as in Orbitrap, the field distribution is quadratically in one of the directions (usually along the axis of the electrodes, i.e. along the z axis). The movement of ions in this direction is a harmonic oscillation, in which the oscillation frequency depends solely on the ratio of the mass to the charge of the ions; therefore, by measuring the frequency of oscillations, you can determine the mass of ions. The distribution of the electric potential for Kingdon’s four-electrode harmonic trap (Fig. 1), that is, φ (x, y, z), can be obtained from solving the Laplace equation, using the square dependence of the potential on one of the coordinates as a constraint; the result is an expression (formula 1):
(1) (one)
где x и y - направления, перпендикулярные друг другу и оси ловушки (z), и a, b, c и d являются константами (пары-а, а и -b, b являются координатами центров четырех внутренних электродов при z=0). В таких ионных ловушках, в дополнение к орбитальному вращению ионов вокруг внутренних электродов, также возможны орбитальные вращения вокруг подмножеств внутреннего внутренних электродов, как показано на Рис. 2 и колебаний с “восьмерко-образными” траекториями между электродами.where x and y are directions perpendicular to each other and trap axes (z), and a, b, c and d are constants (pairs-a, a and-b, b are coordinates of the centers of four internal electrodes at z = 0). In such ion traps, in addition to the orbital rotation of the ions around the internal electrodes, orbital rotations around subsets of the internal internal electrodes are also possible, as shown in Fig. 2 and oscillations with “eight-shaped” trajectories between the electrodes.
После вычисления потенциала и формы электродов (форма электродов должна следовать эквипотенциальным поверхностям), решение можно нормализовать, чтобы потенциал внешнего электрода был равен нулю, а потенциал смещения внутреннего электрода равно - 1. Выбор эквипотенциальных поверхностей для позиционирования внутреннего и внешнего электродов был произведен на основе двух требований: во-первых, ограничить электрическое поле на поверхности этих электродов для того, чтобы избежать автоэмиссии электронов, а во-вторых, создать пространство для захвата достаточного количества ионов, чтобы обеспечить ловушке высокий динамический диапазон. Следовательно, фактическое решение уравнения - это нормализованное решение, умноженное на требуемое напряжение внутренних стержней (электродов), что в этом примере было равно 4 кВ. На Рис. 2 траектории ионов оценивались с использованием программы SIMAX (www.mssoft.pro), которая использовала в качестве входных данных рассчитанные электрические потенциалы из программы SIMION (http://simion.com), и производила точное отслеживание частиц в этих полях. На Рис. 2, слева, ион массой 500 Да начинает двигаться от точки xo = 20 мм, yo = 20 мм и zo = 0 мм с энергией 2000 эВ вдоль оси y; аналогично, на Рис. 2, справа, тот же самый ион начинает двигаться от точки х0 = 13,5 мм, у = 13,5 мм и zo = 0 мм, с начальной энергией 500 эВ вдоль оси у и 500 эВ вдоль оси х. Заметим, что колебания вдоль оси z гармонические и строго изохронные, с частотой, которая зависит только от отношения массы к зарядам ионов.After calculating the potential and shape of the electrodes (the shape of the electrodes should follow the equipotential surfaces), the solution can be normalized so that the potential of the external electrode is zero and the bias potential of the internal electrode is -1. The choice of equipotential surfaces for positioning the internal and external electrodes was made on the basis of two requirements: firstly, to limit the electric field on the surface of these electrodes in order to avoid the autoemission of electrons, and secondly, to create space d To capture enough ions to trap for a high dynamic range. Consequently, the actual solution of the equation is a normalized solution multiplied by the required voltage of the internal rods (electrodes), which in this example was 4 kV. In Fig. Two ion trajectories were estimated using the SIMAX program (www.mssoft.pro), which used the calculated electrical potentials from the SIMION program (http://simion.com) as input data and accurately tracked particles in these fields. In Fig. 2, on the left, an ion with a mass of 500 Da begins to move from the point xo = 20 mm, yo = 20 mm and zo = 0 mm with an energy of 2000 eV along the y axis; similarly, in Fig. 2, on the right, the same ion begins to move from the point x0 = 13.5 mm, y = 13.5 mm and zo = 0 mm, with an initial energy of 500 eV along the y axis and 500 eV along the x axis. Note that the oscillations along the z axis are harmonic and strictly isochronous, with a frequency that depends only on the ratio of the mass to the ion charges.
Поля четырехэлектродных гармонических ловушек Кингдона также могут быть получены как суперпозиция полей двух двухэлектродных ловушек. Внутренние пары электродов четырехэлектродных ловушек могут находиться относительно друг друга под любым углом вокруг оси z. При небольших углах между плоскостями, в которых находятся пары электродов двухэлектродных ловушек, электроды из разных двухэлектродных ловушек сольются, в результате чего четырехэлектродная ловушка редуцируется до двухэлектродной, имеющей внутренние электроды более сложной формы, чем обычные электроды классических двухэлектродных ловушек. Далее было проведено исследование множества четырехэлектродных гармонических ловушек Кингдона для определения их чувствительности к ошибкам изготовления и сборки электродов, а также к возникновению краевого эффекта, вызванного усечением ловушки. Такие исследования имеют практическую ценность, поскольку неидеальность электрического поля (т. е. разность его значений от квадратичного члена и (x, y)-зависимость коэффициента, который умножает квадратичный член в полиномном уравнении, описывающем зависимость от z электрического потенциала в объеме, в котором происходит движение иона) приводит к быстрой дефазировке гармонических колебаний вдоль оси z, что приводит к потере разрешающей способности. Исследование влияния шероховатости электрода было сделано следующим образом. В программе SIMION равномерная сетка была использована для представления поверхности поля, и электроды представлены с одинаковым напряжением по всему электроду. С изогнутыми электродами точки сетки не попадают точно на границы электродов. Это можно рассматривать как электрод с неравномерной, искаженной формой. Авторы создали такие потенциальные массивы с шагом сетки 0,075 мм как для классической двухэлектродной ловушки с двумя стержнями, так и для конфигурации четырехэлектродной ловушки со слившимися электродами (редуцированной до двухэлектродной ловушки). Эти массивы использовали далее в симуляции с измерением тока индуцированных ионов. Согласно результатам симуляций, дефазировка ионных облаков из-за механической шероховатости электродов в 75 мкм происходит в течение 10 мс для классической двухэлектродной ловушки и в течение более 20 мс для более сложной геометрии со слившимися электродами (редуцированная четырехэлектродная ловушка). Ионная ловушка со слившимися электродами имеет дополнительную степень свободы для изменения формы стержней (угол между линиями, соединяющими пары электродов), чтобы сделать геометрию менее чувствительной к механическим искажения электродов. Данная конфигурация ловушки может быть далее дополнительно оптимизирована в случае необходимости. Результаты моделирования показывают, что ловушки с двумя внутренними слившимися электродами имеют самую низкую чувствительность к подобным искажениям в геометрии электродов. Параметры, используемые в оптимальном решении, равны a = 0,1, b = 0,73, c = 2 и d = 0; форма внешнего электрода (которая определяется формой эквипотенциальной поверхности для выбранного потенциала) была задана условием U_high = 2,0, а потенциал внутреннего электрода равен U_low = -2,8. Ловушка имеет линейный размер вдоль оси z 66 мм, при этом все электроды были удлинены на 3 мм с обоих концов при помощи цилиндров с диаметрами, которые совпадают с диаметрами электродов в точке усечения для коррекции искажения поля из-за краевых эффектов. Трехмерный вид такой ловушки приведен на Рис. 3. В этой конструкции авторы постарались минимизировать влияние проникновения внешних полей в ловушку, которое происходит после усечения электродов (конечные размеры вместо теоретически бесконечных).The fields of the four-electrode harmonic traps of Kingdon can also be obtained as a superposition of the fields of two two-electrode traps. Internal pairs of electrodes of four-electrode traps can be relative to each other at any angle around the z axis. At small angles between the planes in which there are pairs of electrodes of two-electrode traps, the electrodes from different two-electrode traps will merge, resulting in a four-electrode trap reduced to a two-electrode, having internal electrodes of a more complex shape than conventional electrodes of classical two-electrode traps. Further, a study was conducted of the many four-electrode harmonic traps of Kingdon to determine their sensitivity to the errors of manufacturing and assembly of electrodes, as well as to the occurrence of the edge effect caused by the truncation of the trap. Such studies have practical value, since the nonideality of the electric field (i.e., the difference of its values from the quadratic term and (x, y) is the dependence of the coefficient that multiplies the quadratic term in the polynomial equation describing the dependence on z of the electric potential in the volume in which the movement of the ion occurs) leads to a rapid dephasing of harmonic oscillations along the z axis, which leads to a loss of resolution. The study of the effect of electrode roughness was done as follows. In the SIMION program, a uniform grid was used to represent the field surface, and the electrodes are represented with the same voltage across the entire electrode. With curved electrodes, the grid points do not fall exactly on the edges of the electrodes. This can be considered as an electrode with an uneven, distorted shape. The authors created such potential arrays with a grid spacing of 0.075 mm for both the classical two-electrode trap with two rods, and for the configuration of the four-electrode trap with merged electrodes (reduced to a two-electrode trap). These arrays were used further in the simulation with current measurement of induced ions. According to the simulation results, the dephasing of ionic clouds due to the mechanical roughness of electrodes of 75 μm occurs within 10 ms for a classical two-electrode trap and for more than 20 ms for a more complex geometry with coalesced electrodes (reduced four-electrode trap). An ion trap with fused electrodes has an additional degree of freedom to change the shape of the rods (the angle between the lines connecting the electrode pairs) to make the geometry less sensitive to mechanical distortion of the electrodes. This trap configuration can be further further optimized if necessary. The simulation results show that traps with two internal confluent electrodes have the lowest sensitivity to similar distortions in the geometry of the electrodes. The parameters used in the optimal solution are a = 0.1, b = 0.73, c = 2 and d = 0; the shape of the external electrode (which is determined by the shape of the equipotential surface for the selected potential) was given by the condition U_high = 2.0, and the potential of the internal electrode is U_low = -2.8. The trap has a linear dimension along the z axis of 66 mm, while all the electrodes were extended by 3 mm at both ends using cylinders with diameters that coincide with the diameters of the electrodes at the truncation point to correct field distortion due to edge effects. The three-dimensional view of such a trap is shown in Fig. 3. In this construction, the authors tried to minimize the influence of the penetration of external fields into the trap, which occurs after the truncation of the electrodes (finite dimensions instead of theoretically infinite).
На Рис. 4 показана разница в распределении электрического потенциала вдоль оси z от идеального (т. е. рассчитанного аналитически с использованием формулы (1)) для разных значений координаты z, при которых произошло усечение электродов. Во всех случаях добавление цилиндрических наконечников уменьшает разницу; самый нижний из графиков на Рис. 4 (соответствующий усечению на 33 мм от центра ловушки с добавленными наконечниками в 3 мм) показывает почти полное подавление искажения поля вблизи центра ловушки. Хотя графики на Рис. 4 показывают поведение отклонения потенциала от идеального вдоль оси z, эти кривые не полностью информативны с точки зрения оценки нелинейных искажений. Отклонения, рассчитанные на Рис.4, содержат константу, которая вообще не влияет на движение ионов; квадратичный член, который лишь слегка изменяет квадратичный потенциал (и, следовательно, только абсолютное значение частоты колебаний); и члены более высокого порядка, которые содержат информацию о нелинейных отклонениях (зависимость частоты колебаний по амплитуды). Для вычисления последних авторы вычислили амплитуду квадрупольной компоненты для невозмущенного поля. Для этого потенциал вдоль оси z, то есть φ (z), был представлен в видеIn Fig. 4 shows the difference in the distribution of the electric potential along the z axis from the ideal (that is, calculated analytically using formula (1)) for different values of the z coordinate at which the electrodes were truncated. In all cases, adding cylindrical tips reduces the difference; the lowest of the graphs in Fig. 4 (corresponding to a truncation of 33 mm from the center of the trap with added tips of 3 mm) shows almost complete suppression of field distortion near the center of the trap. Although the graphics in Fig. 4 shows the behavior of the potential deviation from the ideal along the z axis; these curves are not fully informative from the point of view of estimating nonlinear distortions. The deviations calculated in Fig. 4 contain a constant that does not affect the movement of ions at all; the quadratic term, which only slightly changes the quadratic potential (and, therefore, only the absolute value of the oscillation frequency); and higher order terms that contain information about non-linear deviations (amplitude frequency dependence of oscillation frequency). To calculate the latter, the authors calculated the amplitude of the quadrupole component for the unperturbed field. For this, the potential along the z axis, that is, φ (z), was represented as
(2) (2)
где U_rods - потенциал смещения на внутренних электродах с заземленным внешним электродом, zo = 33 мм, т.е. расстояние от центра ловушки до концов (мест усечения) электродов, и A2 - амплитуда квадрупольного поля. Уравнение движения ионов с массой m и зарядом e в таком потенциале имеет вид where U_rods is the bias potential on the internal electrodes with a grounded external electrode, zo = 33 mm, i.e. the distance from the center of the trap to the ends (truncation points) of the electrodes, and A2 is the amplitude of the quadrupole field. The equation of motion of ions with mass m and charge e in such a potential has the form
(3) (3)
что описывает гармонические колебания с угловой частота Ω, равнойthat describes harmonic oscillations with an angular frequency Ω equal to
(4) (four)
Моделирование этой системы показало, что для однозарядных ионов массой 500 Да частота осевых колебаний f = 186,690 Гц. Из этого значения авторы вычислили амплитуду квадрупольного поля какThe simulation of this system showed that for singly charged ions with a mass of 500 Da, the frequency of axial oscillations is f = 186.690 Hz. From this value, the authors calculated the amplitude of the quadrupole field as
(5) (five)
значение А2 близко к единице, и это послужило основой для сравнение с амплитудами нелинейных искажений, которые были рассчитаны далее.the value of A2 is close to unity, and this served as the basis for comparison with the amplitudes of nonlinear distortions, which were calculated further.
Для расчета амплитуд нелинейных искажения удобно использовать полиномиальную регрессию. В этом случае необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, интерполяция должна быть рассчитана в области, в которых ионы движутся во время захвата (расчеты показали, что это область вблизи центра ловушки, ограниченная размерами - 6 мм <z <6 мм). Во-вторых, полиномы более высокого порядка не должны быть использованы для интерполяции, поскольку амплитуды многочленов более высоких порядков быстро возрастают. В этом исследовании авторы использовали полиномы вплоть до шестого порядка включительно. Таким образом, интерполяционный многочлен для распределения потенциала вдоль оси z имеет видTo calculate the amplitudes of nonlinear distortion, it is convenient to use polynomial regression. In this case it is necessary to take into account two circumstances. First, the interpolation must be calculated in the region in which the ions move during capture (calculations showed that this is an area near the center of the trap, limited by dimensions - 6 mm <z <6 mm). Secondly, higher-order polynomials should not be used for interpolation, since the amplitudes of higher-order polynomials increase rapidly. In this study, the authors used polynomials up to the sixth order inclusive. Thus, the interpolation polynomial for the potential distribution along the z axis has the form
(6) (6)
На линии, начинающейся в точке x = 0, y = 0, интерполяционный полином содержит только четные степени z из-за симметрии распределения по отношению к центру ловушки. Расчеты с использованием программы MathCad 13 (https://www.ptc.com/en/products/mathcad/) показали амплитуды, приведенные в таблице 1. Значение амплитуд невелико, но изменение амплитуд искажений высоких порядков показывает, что лучшей ловушкой из множества анализируемых является ловушка № 3. Приведенная здесь нумерация для геометрии ловушек в первом столбце таблицы соответствует нумерации на Рис. 4, а именно 1-я и 2-я строки таблицы - ловушки, усеченные на расстоянии 31 и 33 мм от центра ловушки и без добавления удлинений. Строки 3 и 4 таблицы – это те же ловушки, что и 1 и 2, но с добавлением дополнительных наконечников с обеих сторон усечения. Пятая строка соответствует ловушке, усеченной на расстоянии 33 мм от центра ловушки, и имеющей погрешность в изготовлении электродных поверхностей 0,075 мм.On a line starting at x = 0, y = 0, the interpolation polynomial contains only even powers of z due to the symmetry of the distribution with respect to the center of the trap. Calculations using the
Авторы также исследовали влияние неточностей при изготовлении электродов на поле внутри ловушки при помощи программы SIMION. Поверхность каждого электрода должна соответствовать эквипотенциальной поверхности; учитывая, что в SIMION электрод представлен на единой сетке, узлы которой не попадают на изогнутую поверхность каждого электрода, поэтому, это можно интерпретировать как неравномерность поверхности электрода. Рис. 5 показывает разницу между точным значением потенциала и значением, найденным программой SIMION с использованием наилучшего размера сетки для отображения электродов (интервал сетки 75 мкм); амплитуды нелинейных искажений для этого случая приведены в пятом ряду Таблицы 1 – этот результат не только отражает эффект неточности в производстве электродов, но также и краевые эффекты, обусловленные усечением электродов. Нелинейные амплитуды в этом случае довольно большие по сравнению с другими рассмотренными примерами; однако, учитывая, что электроды могут изготавливаться с высокой точностью (не хуже 5 мкм) с использованием прецизионной обработки, эти значения будут на порядок меньше и не должны существенно влияют на аналитические характеристики устройства.The authors also investigated the effect of inaccuracies in the manufacture of electrodes on the field inside the trap using the SIMION program. The surface of each electrode must correspond to an equipotential surface; Considering that in SIMION the electrode is represented on a single grid, the nodes of which do not fall on the curved surface of each electrode, therefore, this can be interpreted as the unevenness of the electrode surface. Fig. 5 shows the difference between the exact potential value and the value found by the SIMION program using the best grid size for displaying electrodes (grid spacing 75 μm); The amplitudes of nonlinear distortions for this case are given in the fifth row of Table 1 — this result not only reflects the effect of inaccuracy in the production of electrodes, but also the edge effects due to the truncation of the electrodes. In this case, the nonlinear amplitudes are rather large compared to the other examples considered; However, taking into account that electrodes can be manufactured with high accuracy (no worse than 5 microns) using precision machining, these values will be an order of magnitude smaller and should not significantly affect the analytical characteristics of the device.
Для окончательного определения всех параметров конструкции ловушки, показанной на Рис. 5, авторы провели более детальное исследование отклонения осевого распределения потенциала от идеального распределения из-за усечения концов электродов ловушки. В этом случае разность в распределении потенциалов по оси z было рассчитано для идеальной ловушки и для ловушки, усеченной вдоль линий с постоянными (x, y) значениями; эти функции затем подвергались полиномиальной интерполяции (т. е. формуле (6)). Исследование показало, что на расстояниях от оси ловушки в x-направлении более 20 мм, разница между распределениями в идеальной ловушке и усеченной ловушке пренебрежимо мала. Это объяснимо, поскольку краевые эффекты в этой области также незначительны. Для других линий результаты показаны в таблице 2.For the final determination of all the parameters of the trap design shown in Fig. 5, the authors conducted a more detailed study of the deviation of the axial potential distribution from the ideal distribution due to the truncation of the ends of the trap electrodes. In this case, the difference in the distribution of potentials along the z axis was calculated for an ideal trap and for a trap truncated along lines with constant (x, y) values; these functions were then subjected to polynomial interpolation (that is, formula (6)). The study showed that at distances from the trap axis in the x-direction more than 20 mm, the difference between the distributions in the ideal trap and the truncated trap is negligible. This is understandable, since edge effects in this area are also insignificant. For other lines, the results are shown in table 2.
Вычисления, приведенные в таблице 2, показывают довольно значительные изменения значений U2, что означает изменение частоты осевых колебаний ионов. Однако это верно при условии, когда движение ионов вдоль z-направления будет происходить при постоянном значении x и y; в действительности, как показывают расчеты, когда ион движется вдоль оси z, осцилляции вдоль x- и y-направлений также происходят. В этом случае значения U2 и значения других нелинейных амплитуд Un коррелируют между собой. В результате зависимость частоты колебаний ионов вдоль z-направления слабо зависит от исходного положения иона. Это было доказано при помощи вычисления частот колебаний ионов с массой 50 Дa, начинающих движение из положения z0 = 6 мм и разных положений (x, y) с нулевой начальной энергией, что приводит к гармонической осцилляции ионов вдоль z-направления в диапазоне от -6 мм до 6 мм. Частоты были рассчитаны с помощью Фурье-анализа сигнала, создаваемого этими колебаниями. Авторы не нашли какие-либо различия в частоте ионного колебания с учетом погрешности в 1 Гц.The calculations in Table 2 show quite significant changes in the U2 values, which means a change in the frequency of the axial oscillations of the ions. However, this is true under the condition that the movement of ions along the z-direction will occur at a constant value of x and y; in fact, as calculations show, when an ion moves along the z axis, oscillations along the x and y directions also occur. In this case, the values of U2 and the values of other non-linear amplitudes Un correlate with each other. As a result, the dependence of the frequency of oscillations of ions along the z-direction weakly depends on the initial position of the ion. This was proved by calculating the oscillation frequencies of ions with a mass of 50 Da, starting the movement from a position z0 = 6 mm and different positions (x, y) with zero initial energy, which leads to harmonic oscillation of ions along the z-direction in the range of -6 mm to 6 mm. Frequencies were calculated using Fourier analysis of the signal generated by these oscillations. The authors did not find any differences in the frequency of ion oscillations, taking into account the error of 1 Hz.
Нижеследующие примеры работы ловушки приведены в целях раскрытия характеристик настоящего изобретения и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения.The following examples of the work of the trap are given in order to disclose the characteristics of the present invention and should not be construed as in any way limiting the scope of the invention.
Исследование свойств четырехэлектродной гармонизированной орбитальной ионной ловушки со слившимися внутренними электродами.Investigation of the properties of a four-electrode harmonized orbital ion trap with merged internal electrodes.
Практическая многоэлектродная гармонизированная орбитальная ионная ловушка имеет электроды конечных размеров с поверхностями, которые совпадают, насколько это возможно, с эквипотенциальными поверхностями идеального электрического поля, полученными по формуле (1); очевидно, что форма и размер этих электродов определяется выбором значения потенциала, который приложен к электродам. При выборе геометрии электродов они должны быть расположены так, чтобы не мешать движению захваченных ионов, то есть они не должны находиться в областях стабильного ионного движения. В случае четырехэлектродной гармонизированной орбитальной ионной ловушки, когда эти условия соблюдены, электроды могут сливаться и, как уже упоминалось, вместо четырех внутренних электродов, образовывать два электрода с более сложной геометрической формой (Рис. 3). Преимущество этой конструкции заключается в том, что усеченные концы внешних электродов практически полностью покрывают внутреннюю область ловушки, и препятствуют проникновению полей из внешних источников, что приводит к минимальному искажению поля внутри ловушки. Также, внутренние электроды обладают достаточной толщиной для того, чтобы быть закрепленными внутри ловушки.A practical multielectrode harmonized orbital ion trap has finite-sized electrodes with surfaces that coincide, as far as possible, with the equipotential surfaces of an ideal electric field, obtained from formula (1); Obviously, the shape and size of these electrodes is determined by the choice of the potential value that is applied to the electrodes. When choosing the geometry of the electrodes, they should be located so as not to interfere with the movement of trapped ions, that is, they should not be in areas of stable ionic movement. In the case of a four-electrode harmonized orbital ion trap, when these conditions are met, the electrodes can merge and, as already mentioned, instead of four internal electrodes, form two electrodes with a more complex geometric shape (Fig. 3). The advantage of this design is that the truncated ends of the external electrodes almost completely cover the inner region of the trap, and prevent the penetration of fields from external sources, which leads to minimal distortion of the field inside the trap. Also, the internal electrodes are thick enough to be fixed inside the trap.
Очевидно, что подобная вырожденная четырехэлектродная ловушка может работать как орбитальная ионная ловушка. Однако, более важно, что подобная ловушка со слившимися внутренними электродами обладает необычным свойством: она может удерживать вблизи своего центра (z = 0) ионы, которые были созданы непосредственно внутри ловушки, а не введены извне; такие ионы способны аккумулироваться внутри ловушки на колебательных траекториях (Рис. 6). Эта особенность неочевидна и очень важна, поскольку устраняет необходимость применения сложной системы дефлекторов для ввода ионов из внешнего источника (дополнительной ловушки); вместо этого ионы могут быть созданы непосредственно внутри ловушки методом электронного удара или путем фотоионизации (как описано, например, в Mass Spectrometry Principles and Applications Third Edition, Edmond de Hoffmann Universit´e Catholique de Louvain, Vincent Stroobant Ludwig, John Wiley & Sons Ltd). После создания ионы начинают устойчивые колебания между внутренними электродами в направлении координаты, перпендикулярной оси z.It is obvious that such a degenerate four-electrode trap can work as an orbital ion trap. However, more importantly, such a trap with coalesced internal electrodes has an unusual property: it can hold ions near its center (z = 0) that were created directly inside the trap and not introduced from outside; such ions are able to accumulate inside the trap on oscillatory trajectories (Fig. 6). This feature is not obvious and very important, since it eliminates the need to use a complex system of baffles to introduce ions from an external source (additional trap); instead, ions can be created directly inside the trap by electron impact or by photoionization (as described, for example, in Mass Spectrometry Principles and Applications Third Edition, Edmond de Hoffmann Université Catholique de Louvain, John Wiley & Sons Ltd) . After creation, the ions begin sustained oscillations between the inner electrodes in the direction of the coordinate perpendicular to the z axis.
Чтобы измерить сигнал от ионов в ловушке изучаемого типа, необходимо возбудить колебания ионов вдоль оси z. Ионы не будут возбуждаться автоматически, как это происходит в ловушках Орбитрэп, в которых ионы вводятся извне через ось z с z ≠ 0, где величина потенциала не минимальна, и ионы начинают взаимодействовать с полем и колебаться вдоль оси z сразу после их введения. Подобный режим введения ионов также может быть использован в рассматриваемой четырехэлектродной ловушке со слившимися электродами. Однако, предпочтительном варианте осуществления, ионы образуются в центре ловушки с нулевой потенциальной энергией; следовательно, необходимо приложить резонансное радиочастотное поле для возбуждения их гармонических колебаний вдоль оси z. Измерение масс-спектров с использованием четырехэлектроднойIn order to measure the signal from ions in a trap of the type being studied, it is necessary to excite oscillations of ions along the z axis. Ions will not be excited automatically, as it happens in Orbitrap traps, in which ions are introduced from the outside through the z axis with z ≠ 0, where the potential is not minimal, and the ions begin to interact with the field and oscillate along the z axis immediately after their introduction. A similar mode of introducing ions can also be used in the four-electrode trap under consideration with coalesced electrodes. However, in a preferred embodiment, ions are formed in the center of the trap with zero potential energy; therefore, it is necessary to apply a resonant radio frequency field to excite their harmonic oscillations along the z axis. Measurement of mass spectra using four-electrode
ловушки с двумя слившимися электродами может работать следующим образом:traps with two merged electrodes can work as follows:
(i) Во-первых, ионы создаются электронным ударом или фотоионизацией в пространстве между электродами (z = 0) и начинают производить стабильные осцилляции в эффективной потенциальной яме в плоскости z = 0;(i) First, ions are created by electron impact or photoionization in the space between the electrodes (z = 0) and begin to produce stable oscillations in the effective potential well in the z = 0 plane;
(ii) Затем, когда накапливается достаточное количество ионов, их движение вдоль оси z возбуждается при помощи сигнала с частотной разверткой и с разверткой фазы (например, как описано в патенте US 4,761,545), охватывающего весь диапазон частот осевых колебаний захваченных ионов. Для генерации дипольного поля, каждый из внутренних электродов может быть разделен на две части.(ii) Then, when a sufficient amount of ions accumulate, their movement along the z axis is excited by a signal with a frequency scan and a phase scan (for example, as described in US Pat. No. 4,761,545) covering the entire frequency range of axial oscillations of trapped ions. To generate a dipole field, each of the internal electrodes can be divided into two parts.
(iii) Внешний электрод используется для измерения индуцированных токов, с последующим Фурье-преобразованием для получения масс-спектра. Он также может быть разделен на две части, изолированных по радиочастотным напряжениям, и имеющих такой же электростатический потенциал (0 В в этом примере). Одна пара (внешняя) будет использоваться для измерения наводимого ионами сигнала, а другая для возбуждения ионов.(iii) An external electrode is used to measure induced currents, followed by a Fourier transform to obtain a mass spectrum. It can also be divided into two parts, isolated by RF voltage, and having the same electrostatic potential (0 V in this example). One pair (external) will be used to measure the signal induced by ions, and the other for the excitation of ions.
Пример. Моделирование работы четырехэлектродной ловушки с двумя слившимися электродами в качестве масс-спектрометра.Example. Simulation of a four-electrode trap with two coalescent electrodes as a mass spectrometer.
При моделировании первого этапа работы (накопление ионов в ловушке) ионы, используемые в этом моделировании, имели отношение массы к заряду в диапазоне от 50 до 2000 Да с однородным случайным распределением начальных положений в диапазоне 0 мм <x <25 мм и 0 мм <у <2 мм; кроме того, ионы имели тепловое распределение начальных энергий со средним значением 0,025 эВ. В симуляциях прогнозируется, что около 13,5% ионов оказываются захваченными в ловушке и устойчиво колеблются в плоскости x-y. Моделирование второго этапа работы данной четырехэлектродной ловушки (возбуждение осевых колебаний ионов) показана на Рис. 7. Возбуждение было достигнуто с помощью широкополосного сигнала частотной развертки, который подавался к половинам внутренних стержней (внутренние электроды были разрезаны пополам). Сигнал частотной развертки - полигармоничный сигнал, содержащий частоты захваченных ионов. В этом симуляционном эксперименте сигнал частотной развертки был создан с помощью специального приложения, которое сначала вычисляет сигнал как гармонический сигнал с переменной частотой и амплитудой; приложение затем выполняет Фурье- преобразование сигнала и удаляет все компоненты спектра, которые не соответствуют ни одному из захваченных ионов. В симуляционном эксперименте остается только диапазон частот от 60 до 600 кГц. Далее, приложение выполняет обратное преобразование Фурье полученного сигнала и сохраняет его временную имплементацию как текстовый файл. Полученный таким образом сигнал частотной развертки не содержит ненужных гармоник. В этом симуляционном эксперименте результирующий сигнал частотной развертки имел продолжительность 13 мс и фактический максимум амплитуды в 20 В (Рис. 7а). Как видно из Рис. 7а, с увеличением частоты сигнала его амплитуда уменьшается; это необходимо для более однородного возбуждения ионов разных масс до одной и той же амплитуды колебаний вдоль оси z. Распределение ионов на основе их отношения массы к заряду показано на Рис. 7б.When simulating the first stage of work (accumulation of ions in the trap), the ions used in this simulation had a mass-to-charge ratio in the range from 50 to 2000 Da with a uniform random distribution of initial positions in the range of 0 mm <x <25 mm and 0 mm <y <2 mm; In addition, the ions had a thermal distribution of initial energies with an average value of 0.025 eV. In simulations, it is predicted that about 13.5% of the ions are trapped in the trap and fluctuate steadily in the x-y plane. The simulation of the second stage of operation of this four-electrode trap (excitation of axial oscillations of ions) is shown in Fig. 7. Excitation was achieved using a broadband frequency sweep signal, which was fed to half of the internal rods (the internal electrodes were cut in half). The frequency sweep signal is a polyharmonic signal containing the frequencies of trapped ions. In this simulation experiment, the frequency sweep signal was created using a special application that first calculates the signal as a harmonic signal with variable frequency and amplitude; the application then performs a Fourier transform of the signal and removes all components of the spectrum that do not correspond to any of the trapped ions. In the simulation experiment, only the frequency range from 60 to 600 kHz remains. Further, the application performs the inverse Fourier transform of the received signal and saves its temporary implementation as a text file. The frequency sweep signal thus obtained does not contain unnecessary harmonics. In this simulation experiment, the resulting frequency sweep signal had a duration of 13 ms and an actual maximum amplitude of 20 V (Fig. 7a). As can be seen from Fig. 7a, with an increase in the frequency of the signal, its amplitude decreases; This is necessary for more uniform excitation of ions of different masses to the same amplitude of oscillations along the z axis. The distribution of ions based on their mass-to-charge ratio is shown in Fig. 7b.
В конце сигнала частотной развертки ионы начинают совершать гармонические колебания вдоль оси z, вызывая сигнал на другой паре внешних электродов ловушки (третий этап работы четырехэлектродной ловушки с двумя слившимися электродами). На Рис. 8 показана зависимость этого сигнала от времени во время первой секунды. Видно, что сигнал индуцированного тока немного уменьшается со временем; это, вероятно, связано с ошибками в интегрировании уравнений движения ионов – ни столкновения с газом, ни искажения поля в этом моделировании не учитывались.At the end of the frequency sweep signal, the ions begin to perform harmonic oscillations along the z axis, causing a signal on another pair of external trap electrodes (the third stage of the four-electrode trap with two coalesced electrodes). In Fig. 8 shows the time dependence of this signal during the first second. It is seen that the signal of the induced current decreases slightly with time; this is probably due to errors in the integration of the equations of motion of ions — neither collisions with a gas, nor field distortions were taken into account in this simulation.
На Рис. 8 показан спектр масс захваченных ионов, полученных преобразованием Фурье индуцированного тока как функция времени. Для отношения массы к заряду 50 Да разрешающая способность составляет 609 000; это очень большая величина, которая была получена без какой-либо аподизации и других используемых специалистами методов обработки Фурье-спектра. Используя существующие методы обработки спектров, разрешающая способность может быть потенциально удвоена. Как уже упоминалось, в этом моделировании было использовано точное аналитическое поле ловушки, рассчитанное специальным приложением и хранимое в формате PA программных файлов SIMION. Таким образом, эффекты усечения электродов ловушки вдоль оси z, а также потенциальные неравномерность и неточность формы электродов при их производстве не были приняты во внимание. Учитывая эти факторы, разрешающая способность реальной ловушки будет не такой высокой, однако с развитием технологий точного производства эти ограничения могут стать несущественными.In Fig. 8 shows the mass spectrum of trapped ions obtained by the Fourier transform of the induced current as a function of time. For a mass-to-charge ratio of 50 Da, the resolution is 609,000; this is a very large value, which was obtained without any apodization and other methods of processing the Fourier spectrum used by specialists. Using existing spectral processing techniques, the resolution can potentially be doubled. As already mentioned, the exact analytical field of the trap calculated by a special application and stored in the PA format of SIMION program files was used in this simulation. Thus, the effects of truncation of the trap electrodes along the z axis, as well as the potential irregularity and inaccuracy of the shape of the electrodes, were not taken into account in their production. Given these factors, the resolution of a real trap will not be as high, but with the development of precision production technologies, these restrictions may become insignificant.
Таким образом, на основе анализа результатов исследования различных конструкций четырехэлектродных орбитальных гармонических ловушек, в настоящем изобретении предлагается использование нового типа ловушки с двумя слившимися внутренними электродами, который обладает способностью захватывать и накапливать сформированные внутри ловушки ионы. Было продемонстрировано, что масс-спектрометр, созданный на основе ловушки такого типа может обладать высокой разрешающей способностью. Также, подобная конфигурация внутренних электродов предложенной орбитальной ионной ловушки обеспечивает пониженную чувствительность к погрешностям в изготовлении точной формы электродов. Создание электродов такой формы представляет собой достаточно сложный процесс, однако это стало возможным с развитием технологии послойного синтеза (3D печати). Реализация синтеза электродов предлагаемой ловушки потребует производственных процессов высокой разрешающей способности с использованием материалов (металлов), обладающих высокой электропроводностью, устойчивостью к высоким температурам и ультравысокому вакууму.Thus, based on the analysis of the results of studies of various designs of four-electrode orbital harmonic traps, the present invention proposes the use of a new type of trap with two coalesced internal electrodes, which has the ability to capture and accumulate the ions formed inside the trap. It has been demonstrated that a mass spectrometer based on this type of trap can have high resolution. Also, a similar configuration of the internal electrodes of the proposed orbital ion trap provides reduced sensitivity to errors in the manufacture of the exact shape of the electrodes. The creation of electrodes of this form is a rather complicated process, however, this became possible with the development of layered synthesis technology (3D printing). The implementation of the synthesis of the electrodes of the proposed trap will require high resolution manufacturing processes using materials (metals) with high electrical conductivity, resistance to high temperatures and ultrahigh vacuum.
Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.Although the invention has been described with reference to the disclosed embodiments, it should be obvious to those skilled in the art that the specific experiments described in detail are given only for the purpose of illustrating the present invention and should not be construed as limiting the scope of the invention in any way. It should be clear that it is possible to implement various modifications without departing from the gist of the present invention.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018139306A RU2693570C1 (en) | 2018-11-08 | 2018-11-08 | Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018139306A RU2693570C1 (en) | 2018-11-08 | 2018-11-08 | Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2693570C1 true RU2693570C1 (en) | 2019-07-03 |
Family
ID=67252276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018139306A RU2693570C1 (en) | 2018-11-08 | 2018-11-08 | Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2693570C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2734290C1 (en) * | 2020-04-10 | 2020-10-14 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования Сколковский институт науки и технологий | Open dynamically harmonized ion trap for ion cyclotron resonance mass spectrometer |
RU2797722C1 (en) * | 2022-09-05 | 2023-06-08 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" (Сколковский институт науки и технологий) | Mass spectrometer with electronic impact ionization based on a multiple electrode harmonized kingdon trap |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2276426C1 (en) * | 2004-12-14 | 2006-05-10 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Method and device for sorting out charged particles by specific charge |
US8796619B1 (en) * | 2013-06-11 | 2014-08-05 | Science And Engineering Services, Llc | Electrostatic orbital trap mass spectrometer |
US20180061625A1 (en) * | 2016-08-30 | 2018-03-01 | Thermo Finnigan Llc | Methods for Operating Electrostatic Trap Mass Analyzers |
-
2018
- 2018-11-08 RU RU2018139306A patent/RU2693570C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2276426C1 (en) * | 2004-12-14 | 2006-05-10 | Рязанская государственная радиотехническая академия | Method and device for sorting out charged particles by specific charge |
US8796619B1 (en) * | 2013-06-11 | 2014-08-05 | Science And Engineering Services, Llc | Electrostatic orbital trap mass spectrometer |
US20180061625A1 (en) * | 2016-08-30 | 2018-03-01 | Thermo Finnigan Llc | Methods for Operating Electrostatic Trap Mass Analyzers |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Прикладная физика, 5, 2006, с.50-57. * |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2734290C1 (en) * | 2020-04-10 | 2020-10-14 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования Сколковский институт науки и технологий | Open dynamically harmonized ion trap for ion cyclotron resonance mass spectrometer |
RU2797722C1 (en) * | 2022-09-05 | 2023-06-08 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" (Сколковский институт науки и технологий) | Mass spectrometer with electronic impact ionization based on a multiple electrode harmonized kingdon trap |
RU2806730C1 (en) * | 2023-07-05 | 2023-11-03 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | Four-electrode kingdon trap with equispaced electrodes |
RU2818310C1 (en) * | 2023-08-23 | 2024-05-02 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | Multi-electrode harmonized kingdon trap with multi-port input of electrons and ions |
RU2831990C1 (en) * | 2024-02-28 | 2024-12-18 | Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" | Multi-electrode harmonized kingdon trap with multi-port input of ions through slot |
RU231761U1 (en) * | 2024-12-02 | 2025-02-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" | Device for heating and maintaining the temperature of units of a high-resolution mass spectrometric complex with a harmonized Kingdon trap |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Nikolaev et al. | Initial experimental characterization of a new ultra-high resolution FTICR cell with dynamic harmonization | |
Kostyukevich et al. | Dynamically harmonized FT-ICR cell with specially shaped electrodes for compensation of inhomogeneity of the magnetic field. Computer simulations of the electric field and ion motion dynamics | |
EP2642508B1 (en) | A method of processing image charge/current signals | |
Kharchenko et al. | Performance of Orbitrap mass analyzer at various space charge and non-ideal field conditions: simulation approach | |
Schuh et al. | Image charge shift in high-precision Penning traps | |
Sonalikar et al. | Numerical analysis of segmented-electrode Orbitraps | |
Maher et al. | Mapping the stability diagram of a quadrupole mass spectrometer with a static transverse magnetic field applied | |
Remes et al. | Insight into the resonance ejection process during mass analysis through simulations for improved linear quadrupole ion trap mass spectrometer performance | |
Sudakov et al. | Possibility of operating quadrupole mass filter at high resolution | |
RU2693570C1 (en) | Multi-electrode harmonized ion trap of kingdon with merged inner electrodes | |
Wu et al. | Simulations of electrode misalignment effects in two-plate linear ion traps | |
Jiang et al. | Extracting biomolecule collision cross sections from the high-resolution FT-ICR mass spectral linewidths | |
Nikolaev et al. | Evaluation of major historical ICR cell designs using electric field simulations | |
Nikolaev et al. | Multi-electrode harmonized Kingdon traps | |
EP2706557B1 (en) | Dynamically harmonized ft-icr cell with specially shaped electrodes for compensation of inhomogeneity of the magnetic field | |
US7777182B2 (en) | Method and apparatus for ion cyclotron spectrometry | |
US20130112863A1 (en) | Generation of harmonics in oscillation mass spectrometers | |
RU2634614C1 (en) | Method of mass-analysis with resonant excitation of ions and device for its implementation | |
Jackson et al. | Matrix-shimmed ion cyclotron resonance ion trap simultaneously optimized for excitation, detection, quadrupolar axialization, and trapping | |
JP6593451B2 (en) | Quadrupole mass filter and quadrupole mass spectrometer | |
RU2497226C1 (en) | Formation method of two-dimensional linear high-frequency electric field, and device for its implementation | |
Sudakov | Nonlinear equations of the ion vibration envelope in quadrupole mass filters with cylindrical rods | |
Remes et al. | Re-print of “insight into the resonance ejection process during mass analysis through simulations for improved linear quadrupole ion trap mass spectrometer performance” | |
RU2713910C1 (en) | Method of designing surface of external electrode of orbital ion trap | |
Nikolaev et al. | Influences of non-neutral plasma effects on analytical characteristics of the top instruments in mass spectrometry for biological research |