RU2368980C1

RU2368980C1 - Ion trap, multipolar electrode system and electrode for mass-spectrometric analysis

Info

Publication number: RU2368980C1
Application number: RU2008108835/28A
Authority: RU
Inventors: Сян ФАН (CN); Сян ФАН; Чуаньфань ДИН (CN); Чуаньфань ДИН
Original assignee: Сян ФАН
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2009-09-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to mass-spectrometric analysis, particularly to an ion trap, multipolar electrode system and an electrode terminal. The electrode terminal (1) is a rod and at least one side of its section has a stepped shape, which comprises two or more steps. This forms the structure of the electrode terminal.

EFFECT: mass-spectrometres with a multipolar electrode system, ion trap and which use electrode terminal (1) have an optimised shape of field and can be easily made at low cost.

43 cl, 27 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к области масс-спектрального анализа, в частности к ионной ловушке, мультипольной электродной системе и электроду для масс-спектрального анализа, которые предоставляют оптимизированную форму поля и легки в изготовлении.The present invention relates to the field of mass spectral analysis, in particular to an ion trap, multipole electrode system and electrode for mass spectral analysis, which provide an optimized field shape and are easy to manufacture.

Уровень техникиState of the art

Квадрупольная ионная ловушка представляет собой специальное устройство. Она может служить устройством для накопления ионов, заключающим ионы газов в пределах области квадрупольного поля ионной ловушки в течение определенного периода времени, и может также функционировать как массовый анализатор масс-спектрометра для проведения массового спектрального анализа. Кроме того, такая ионная ловушка отличается широким диапазоном масс и варьирующимся разрешением по массе. Квадрупольное электростатическое поле создается посредством подачи RF напряжения (радиочастотное напряжение), DC напряжения (постоянное напряжение) или комбинированного сигнала на раздельные электроды ионной ловушки. Традиционно ионные ловушки состоят из электродов двух типов, а именно - кольцевого электрода и торцевого покрывающего электрода. Типичная форма электрода - гиперболическая, чтобы получить значительное квадрупольное поле.The quadrupole ion trap is a special device. It can serve as a device for the accumulation of ions, enclosing gas ions within the quadrupole field of an ion trap for a certain period of time, and can also function as a mass analyzer for a mass spectrometer for conducting mass spectral analysis. In addition, such an ion trap has a wide mass range and a varying mass resolution. A quadrupole electrostatic field is created by applying RF voltage (radio frequency voltage), DC voltage (constant voltage), or a combined signal to separate electrodes of an ion trap. Traditionally, ion traps consist of two types of electrodes, namely, a ring electrode and an end covering electrode. The typical shape of the electrode is hyperbolic to obtain a significant quadrupole field.

Ранее ионные ловушки представляли собой трехмерные ионные ловушки, квадрупольное поле которых создавалось по r и Z направлениям (в полярной системе координат). В этом квадрупольном поле на ионы действуют линейные силы так, что ионы с отношением массы к заряду в определенных пределах захватываются и сохраняются в ионной ловушке. Наиболее типичная трехмерная ионная ловушка составлена из трех гиперболических электродов, например, кольцевого электрода и двух торцевых покрывающих электродов. Такое устройство обычно называется ионной ловушкой Пола или квадрупольной ионной ловушкой. Колоннообразная ионная ловушка является наиболее простой ионной ловушкой, которая составлена из кольцевого электрода с его внутренней колоннообразной поверхностью, и двух торцевых покрывающих электродов плоской пластинчатой конструкции.Earlier, ion traps were three-dimensional ion traps whose quadrupole field was created in the r and Z directions (in the polar coordinate system). In this quadrupole field, linear forces act on the ions in such a way that ions with a mass-to-charge ratio within certain limits are captured and stored in an ion trap. The most typical three-dimensional ion trap is composed of three hyperbolic electrodes, for example, a ring electrode and two end covering electrodes. Such a device is commonly referred to as a Paul ion trap or quadrupole ion trap. A column-shaped ion trap is the simplest ion trap, which is composed of a ring electrode with its inner column-shaped surface, and two end-plate electrodes of a flat plate design.

И ионная ловушка Пола, и колоннообразная ионная ловушка имеют недостаток, заключающийся в том, что только небольшое количество ионов захватывается в ловушке, и в том, что коэффициент захвата падающих ионов, ионизированных вне ловушки, очень мало. Для подавления влияния пространственного заряда, так чтобы получить более высокое разрешение, коммерческий масс-спектрометр в типичном эксперименте захватывает только 500 ионов или даже менее. Ионы, которые введены в ионную ловушку через впуск на торцевых покрытиях, подвергаются воздействию RF поля, и только те, что введены при надлежащей фазе RF, могут быть эффективно захвачены и сохранены в ловушке. Коэффициент захвата составляет менее чем 5% для непрерывно падающих ионов, и в большинстве случаев намного ниже 5%.Both Paul’s ion trap and columnar ion trap have the disadvantage that only a small number of ions are trapped in the trap, and that the capture coefficient of incident ions ionized outside the trap is very small. To suppress the effect of space charge, so as to obtain a higher resolution, a commercial mass spectrometer in a typical experiment captures only 500 ions or even less. Ions that are introduced into the ion trap through the inlet on the end coatings are exposed to the RF field, and only those introduced with the proper RF phase can be effectively captured and stored in the trap. The capture coefficient is less than 5% for continuously falling ions, and in most cases is much lower than 5%.

Для решения вышеупомянутой проблемы предложен другой тип ионной ловушки, а именно линейная ионная ловушка. Такая линейная ионная ловушка составлена из множества удлиненных электродов, расположенных параллельно друг другу. Электродная система определяет объем ионной ловушки. Двумерное квадрупольное поле может быть создано в плоскости, перпендикулярной к центральной оси ионной ловушки, посредством подачи на электроды RF напряжения и DC напряжения. Поскольку сильная фокусировка ионов реализуется именно в двумерной топологии, захваченные ионы могут быть распределены вокруг центральной оси, и количество захваченных ионов значительно увеличивается. Патент США 5420425 описывает двумерную линейную ионную ловушку, которая составлена из трех рядов квадрупольных электродов, причем квадрупольный ряд в середине является главным квадрупольным электродом. Одна пара этих главных квадрупольных электродов снабжена щелями, через которые ионы могут быть введены и выведены. Два ряда квадрупольных электродов на обоих торцах могут служить для осевого ограничения движений ионов, захваченных в ловушке, и также могут улучшить квадрупольное поле внутри главных квадрупольных электродов. Когда отдельные электроды являются гиперболическими электродами, может быть достигнуто почти идеальное квадрупольное поле.To solve the aforementioned problem, another type of ion trap is proposed, namely a linear ion trap. Such a linear ion trap is composed of many elongated electrodes arranged parallel to each other. The electrode system determines the volume of the ion trap. A two-dimensional quadrupole field can be created in a plane perpendicular to the central axis of the ion trap by applying voltage and DC voltage to the RF electrodes. Since strong ion focusing is realized precisely in the two-dimensional topology, trapped ions can be distributed around the central axis, and the number of trapped ions increases significantly. US Pat. No. 5,420,425 describes a two-dimensional linear ion trap, which is composed of three rows of quadrupole electrodes, the quadrupole row in the middle being the main quadrupole electrode. One pair of these main quadrupole electrodes is provided with slots through which ions can be introduced and removed. Two rows of quadrupole electrodes at both ends can serve to axially limit the movements of the ions trapped in the trap, and can also improve the quadrupole field inside the main quadrupole electrodes. When the individual electrodes are hyperbolic electrodes, an almost perfect quadrupole field can be achieved.

Все вышеупомянутые ионные ловушки, кроме колоннообразной ионной ловушки, требуют точной механической обработки, и при изготовлении, и при сборке и т.д. Такая высокоточная обработка очень сложна и поэтому становится главным фактором, затрудняющим применение малоразмерного портативного масс-спектрометра с ионной ловушкой.All of the aforementioned ion traps, except for a column-shaped ion trap, require precise machining, both in manufacturing and in assembly, etc. Such high-precision processing is very complex and therefore becomes the main factor that makes it difficult to use a small-sized portable ion-trap mass spectrometer.

В патенте США 6838666 B2 предлагается линейная прямоугольная ионная ловушка, в которой четыре прямоугольных плоских пластинчатых электрода расположены параллельно оси так, чтобы ионная ловушка была охвачена прямоугольным сечением. RF напряжение и DC напряжение подаются на отдельные плоские пластинчатые электроды для создания квадрупольного поля в ионной ловушке так, чтобы ионы фокусировались на двумерной плоскости. Осевое ограничение на движения ионов осуществляется введением торцевых электродов. Прямоугольная ионная ловушка решает проблему высокоточной механической обработки линейных ионных ловушек и в то же самое время привносит новую проблему, то есть существенную неопределенность в движениях иона вследствие появления полей высокого порядка, имеющихся в квадрупольном поле четырех плоских пластинчатых электродов, например, додекапольных полей и икосапольных полей. При этом ухудшается разрешение по массе ионной ловушки масс-спектрометра.US Pat. No. 6,838,666 B2 proposes a linear rectangular ion trap in which four rectangular flat plate electrodes are parallel to the axis so that the ion trap is enclosed in a rectangular cross section. RF voltage and DC voltage are applied to individual flat plate electrodes to create a quadrupole field in the ion trap so that the ions are focused on a two-dimensional plane. Axial restriction on the movement of ions is carried out by the introduction of end electrodes. A rectangular ion trap solves the problem of high-precision machining of linear ion traps and at the same time introduces a new problem, that is, a significant uncertainty in the movements of the ion due to the appearance of high-order fields in the quadrupole field of four flat plate electrodes, for example, dodecapole fields and icole-field fields . This deteriorates the mass resolution of the ion trap of the mass spectrometer.

Прошлые исследования формы поля показали, что введение полей более высокого порядка приводит к снижению разрешения по массе квадрупольного масс-спектрометра. Однако последние исследования показывают, что разрешение по массе квадрупольного масс-спектрометра может быть эффективно улучшено надлежащим введением компонент полей более высокого порядка. Например, в патенте США 6897438 B2, параметры квадрупольной электродной системы (например, отношения радиусов или полей двух пар электродов) изменяются для введения октупольного поля в квадрупольное поле так, что разрешение по массе улучшается. Этот патент раскрывает только способ для введения октупольного поля в квадрупольное поле, то есть, изменения радиусов электродов или радиусов полей, без упоминания какого-либо способа для введения других полей более высокого порядка.Past studies of the field shape have shown that the introduction of higher order fields leads to a decrease in the mass resolution of the quadrupole mass spectrometer. However, recent studies show that the mass resolution of a quadrupole mass spectrometer can be effectively improved by properly introducing higher order field components. For example, in US Pat. No. 6,897,438 B2, the parameters of a quadrupole electrode system (for example, the ratio of the radii or fields of two pairs of electrodes) are changed to introduce an octupole field into the quadrupole field so that the mass resolution is improved. This patent discloses only a method for introducing an octupole field into a quadrupole field, that is, changing the radii of the electrodes or the radii of the fields, without mentioning any method for introducing other fields of a higher order.

Таким образом, двумерная ионная ловушка является линейной ионной ловушкой, которая может реализовать большую емкость и решить проблему, если количество ионов, захваченных трехмерной ионной ловушкой мало и, таким образом, эффективность захвата низка. Однако существующая двумерная ионная ловушка либо требует высокоточной механической обработки, либо содержит поля существенно более высокого порядка. Эти недостатки могут мешать разработке небольших портативных масс-спектрометров с ионной ловушкой. С другой стороны, введение полей более высокого порядка должно быть принято во внимание при исследованиях оптимизации формы поля для квадрупольных масс-спектрометров. Однако предшествующие патенты рассматривают только введение октупольного поля и не предлагают никаких практических технических решений введения других полей более высокого порядка. Исследования ионной ловушки и соответствующего масс-спектрометра, имеющего гибкие легко изготавливаемые конструкции, и легко достигающего оптимизированной формы поля, будут значительно способствовать разработке небольших портативных масс-спектрометров с ионной ловушкой.Thus, a two-dimensional ion trap is a linear ion trap that can realize a large capacity and solve the problem if the number of ions trapped in the three-dimensional ion trap is small and, therefore, the capture efficiency is low. However, the existing two-dimensional ion trap either requires high-precision machining or contains fields of a substantially higher order. These shortcomings may interfere with the development of small portable ion trap mass spectrometers. On the other hand, the introduction of higher order fields should be taken into account in studies of field shape optimization for quadrupole mass spectrometers. However, previous patents only consider the introduction of an octupole field and do not offer any practical technical solutions for the introduction of other fields of a higher order. Studies of the ion trap and the corresponding mass spectrometer having flexible easily fabricated designs and easily achieving an optimized field shape will greatly contribute to the development of small portable ion trap mass spectrometers.

В масс-спектрографе часто используется мультипольная электродная система ионной оптической системы. В масс-спектрометрии мультипольная электродная система обычно используется как ионная оптическая система. Например, квадрупольные электроды, гексапольные электроды или октупольные электроды и т.д., используются как ионная линза для ионов или как система каналирования ионов. Форма поля в областях таких мультипольных электродов очень важна для переноса ионов и их фокусировки.A mass spectrograph often uses a multipole electrode system of an ionic optical system. In mass spectrometry, a multipole electrode system is commonly used as an ion optical system. For example, quadrupole electrodes, hexapole electrodes or octupole electrodes, etc., are used as an ion lens for ions or as an ion channeling system. The field shape in the regions of such multipole electrodes is very important for ion transport and focusing.

В технике предшествующего уровня электроды в мультипольной электродной системе чаще были цилиндрическими или гиперболическими. Известно, что гиперболические электроды трудны для высокоточного изготовления и сборки. Что касается цилиндрических электродов, даже при том, что они могут быть изготовлены с высокой точностью, они не могут быть собраны с высокой точностью. В этом смысле, изготовление и сборка ограничивают его рабочие характеристики.In prior art techniques, electrodes in a multipole electrode system were more often cylindrical or hyperbolic. Hyperbolic electrodes are known to be difficult for precision manufacturing and assembly. As for cylindrical electrodes, even though they can be manufactured with high precision, they cannot be assembled with high precision. In this sense, manufacturing and assembly limit its performance.

В патенте США 6441370 B1 предлагается прямоугольная линейная мультипольная электродная система, которая может использоваться для каналирования ионов и может быть использована в ионных ловушках. Эта мультипольная электродная система использует электрод с прямоугольным сечением. Поверхность прямоугольного электрода покрывается поверхностным слоем, который функционирует для улучшения формы поля. Изготовление и сборка существенно упрощаются при использовании прямоугольного электрода. Однако в этом патенте не раскрывается конкретное техническое решение, пригодное для улучшения формы поля. Поверхностный слой может только улучшить форму поля качественно, но не количественно.US Pat. No. 6,441,370 B1 proposes a rectangular linear multipole electrode system that can be used to channel ions and can be used in ion traps. This multipole electrode system uses an electrode with a rectangular cross section. The surface of the rectangular electrode is coated with a surface layer that functions to improve the shape of the field. Fabrication and assembly are greatly simplified by using a rectangular electrode. However, this patent does not disclose a specific technical solution suitable for improving the shape of the field. The surface layer can only improve the shape of the field qualitatively, but not quantitatively.

Если желаемая форма мультипольного поля не может быть реализована, механическая обработка (включая изготовление и сборку) мультипольной электродной системы не может быть выполнена с высокой точностью, то рабочие характеристики мультипольной электродной системы и, следовательно, ионной оптической системы в масс-спектрографе, будут значительно затронуты. Поэтому желательно разработать мультипольную электродную систему, которая давала бы оптимизированную форму поля и имела бы гибкую конструкцию, была бы легка в изготовлении при низкой стоимости, чтобы при этом конструкция ионной оптической системы имела бы стабильные рабочие характеристики и была бы пригодна для точного управления ионными траекториями.If the desired shape of the multipole field cannot be realized, the mechanical processing (including manufacturing and assembly) of the multipole electrode system cannot be performed with high accuracy, then the performance of the multipole electrode system and, therefore, the ion optical system in the mass spectrograph will be significantly affected . Therefore, it is desirable to develop a multipole electrode system that would provide an optimized field shape and have a flexible design, would be easy to manufacture at a low cost, while the design of the ionic optical system would have stable performance and be suitable for precise control of ion paths.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Решаемая изобретением техническая проблема заключается в том, чтобы предоставить электрод для масс-спектрального анализа, конструктивные усовершенствования которого обеспечивают оптимизированную форму поля, легкость в изготовлении и, таким образом, низкую стоимость изготовления для масс-спектрографа с мультипольной электродной системой и ионной ловушкой, в которых используется этот электрод.The technical problem to be solved by the invention is to provide an electrode for mass spectral analysis, the structural improvements of which provide an optimized field shape, ease of manufacture and thus low manufacturing cost for a mass spectrograph with a multipole electrode system and an ion trap in which This electrode is used.

Дополнительная техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы обеспечить мультипольную электродную систему для масс-спектрального анализа, конструктивные усовершенствования которой не только дают оптимизированную форму поля, но также предоставляют гибкую, легко изготовляемую конструкцию, приводя, таким образом, к низкой стоимости изготовления.An additional technical problem to be solved by the invention is to provide a multipole electrode system for mass spectral analysis, the design improvements of which not only provide an optimized field shape, but also provide a flexible, easily fabricated design, thus leading to a low manufacturing cost .

Дополнительная техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы предоставить ионную ловушку для масс-спектрального анализа, конструктивные усовершенствования которой не только дают оптимизированную форму поля, но также предоставляют гибкую, легко изготовляемую конструкцию, приводя, таким образом, к низкой стоимости изготовления.An additional technical problem to be solved by the invention is to provide an ion trap for mass spectral analysis, the design improvements of which not only provide an optimized field shape, but also provide a flexible, easily fabricated structure, thus leading to a low manufacturing cost.

Вышеупомянутые технические проблемы решаются следующим образом.The above technical problems are solved as follows.

Электрод для масс-спектрального анализа, с электродом колоннообразной формы, причем, по меньшей мере, одна сторона сечения колоннообразного электрода имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.An electrode for mass spectral analysis, with a column-shaped electrode, and at least one side of the cross section of the columnar electrode has a step shape with two or more steps.

Изобретение дополнительно предоставляет мультипольную электродную систему для масс-спектрального анализа, содержащую две или несколько пар колоннообразных электродов и источник электропитания, соединенный с электродами, причем упомянутые колоннообразные электроды имеют прямую колоннообразную форму с центральной осью Z, параллельной образующей электрода, характеризующуюся тем, что, по меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары электродов имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.The invention further provides a multipole electrode system for mass spectral analysis, comprising two or more pairs of columnar electrodes and a power supply connected to the electrodes, said columnar electrodes having a straight columnar shape with a central axis Z parallel to the electrode generatrix, characterized in that, at least one side of the cross sections of at least one pair of electrodes has a stepped shape with two or more steps.

Согласно изобретению, предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна сторона каждого сечения всех электродов мультипольной электродной системы имела бы ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.According to the invention, it is preferable that at least one side of each cross section of all the electrodes of the multipole electrode system has a step shape with two or more steps.

Как альтернативный вариант реализации, мультипольная электродная система имеет две пары электродов, чтобы сформировать квадрупольную электродную систему.As an alternative implementation, the multipole electrode system has two pairs of electrodes to form a quadrupole electrode system.

Как другой альтернативный вариант реализации, мультипольная электродная система имеет три пары электродов, чтобы сформировать гексапольную электродную систему.As another alternative implementation, a multipole electrode system has three pairs of electrodes to form a hexapole electrode system.

Как дополнительный альтернативный вариант реализации, мультипольная электродная система имеет четыре пары электродов, чтобы сформировать октупольную электродную систему.As an additional alternative implementation, the multipole electrode system has four pairs of electrodes to form an octupole electrode system.

В мультипольной электродной системе изобретения электроды зафиксированы на той же самой окружности с центром на оси Z, с секторными углами между ними, равными друг другу.In the multipole electrode system of the invention, the electrodes are fixed on the same circle centered on the Z axis, with sector angles between them equal to each other.

В мультипольной электродной системе изобретения источник электропитания обеспечивает DC сигнал или RF сигнал, или их комбинацию.In the multipole electrode system of the invention, the power supply provides a DC signal or an RF signal, or a combination thereof.

Согласно изобретению, смешанное поле, составленное из мультипольных полей с определенными составляющими компонентами, может быть получено посредством варьирования в мультипольной электродной системе числа ступеней сечений и параметров формы каждой ступени.According to the invention, a mixed field composed of multipole fields with specific constituent components can be obtained by varying in the multipole electrode system the number of section steps and the shape parameters of each step.

Изобретение также предоставляет ионную ловушку для масс-спектрального анализа, содержащую квадрупольную электродную систему с двумя парами колоннообразных электродов; торцевые электроды, расположенные на двух торцах квадрупольной электродной системы; RF сигнал, создающий захватывающее ион электрическое RF поле; и DC сигнал, создающий захватывающую ион осевую потенциальную яму; причем, по меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары колоннообразных электродов имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.The invention also provides an ion trap for mass spectral analysis, comprising a quadrupole electrode system with two pairs of columnar electrodes; end electrodes located at the two ends of the quadrupole electrode system; RF signal creating an ion-exciting electric RF field; and a DC signal creating an ion-trapping axial potential well; moreover, at least one side of the cross sections of at least one pair of columnar electrodes has a stepped shape with two or more steps.

В ионной ловушке по изобретению как альтернативный пример торцевые электроды могут быть плоскими пластинчатыми электродами.In an ion trap of the invention, as an alternative example, the end electrodes may be flat plate electrodes.

В ионной ловушке по изобретению как другой альтернативный пример торцевые электроды могут быть составлены квадрупольной электродной системой с двумя парами колоннообразных электродов, причем, по меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары электродов, имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.In an ion trap according to the invention, as another alternative example, end electrodes can be constituted by a quadrupole electrode system with two pairs of columnar electrodes, wherein at least one side of the cross sections of at least one pair of electrodes has a step shape with two or more steps.

В ионной ловушке по изобретению как дополнительный альтернативный пример торцевые электроды могут быть сформированы посредством объединения квадрупольной электродной системы с двумя парами колоннообразных электродов и плоских пластинчатых электродов, расположенных у торцов квадрупольной электродной системы, причем, по меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары электродов имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.In an ion trap according to the invention, as an additional alternative example, end electrodes can be formed by combining a quadrupole electrode system with two pairs of columnar electrodes and flat plate electrodes located at the ends of the quadrupole electrode system, with at least one side of the cross sections of at least one pair of electrodes has a stepped shape with two or more steps.

В ионной ловушке по изобретению, по меньшей мере, одна сторона каждого сечения двух пар электродов имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.In an ion trap according to the invention, at least one side of each section of two pairs of electrodes has a stepped shape with two or more steps.

В ионной ловушке по изобретению, по меньшей мере, один из электродов, или торцевых электродов, снабжен щелями, или небольшими отверстиями, для введения или выведения ионов.In an ion trap according to the invention, at least one of the electrodes, or end electrodes, is provided with slots, or small holes, for introducing or removing ions.

В ионной ловушке по изобретению, смешанное поле, составленное из мультипольных полей с определенными составляющими компонентами, может быть задано ионной ловушке посредством варьирования количества ступеней сечений электродов и параметров формы каждой ступени. Смешанное поле содержит квадрупольное поле и октупольное поле.In an ion trap according to the invention, a mixed field composed of multipole fields with specific constituent components can be set to an ion trap by varying the number of steps of the electrode cross sections and the shape parameters of each step. The mixed field contains a quadrupole field and an octupole field.

Множество ионных ловушек изобретения может быть последовательно установлено для составления многокаскадной системы обработки ионов для проведения аналитических экспериментов MSⁿ.Many of the ion traps of the invention can be sequentially installed to construct a multi-stage ion processing system for conducting analytical experiments MS ⁿ .

Согласно изобретению, обе стороны сечений упомянутого электрода имеют ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.According to the invention, both sides of the cross-sections of said electrode are stepped in shape with two or more steps.

Согласно изобретению, ширины ступеней упомянутого электрода со стороной ступенчатой формы уменьшаются пошагово от внешней стороны к внутренней стороне.According to the invention, the step widths of said electrode with a step-shaped side decrease stepwise from the outside to the inside.

Согласно изобретению, формы двух сторон сечений упомянутого электрода выполнены симметричными или асимметричными.According to the invention, the shapes of the two sides of the cross-sections of said electrode are symmetric or asymmetric.

Согласно изобретению, две стороны сечений электрода могут иметь то же самое количество ступеней.According to the invention, the two sides of the electrode cross-sections can have the same number of steps.

Согласно изобретению, ступенчатая стенка с двумя или несколькими ступенями упомянутого электрода изготовлена цельной, или упомянутый электрод сформирован объединением отдельных ступеней, которые были изготовлены раздельно.According to the invention, a stepped wall with two or more steps of said electrode is made whole, or said electrode is formed by a combination of separate steps, which were manufactured separately.

Согласно изобретению, сторона каждой ступени упомянутого электрода со ступенчатыми сечениями имеет форму поверхности ступени с прямыми углами, или цилиндрической поверхности, или гиперболической поверхности, или овальной поверхности.According to the invention, the side of each step of said step-shaped electrode has the shape of a step surface with right angles, or a cylindrical surface, or a hyperbolic surface, or an oval surface.

Как частный пример, каждая ступень сечений упомянутого электрода имеет прямоугольную форму.As a particular example, each step of the cross sections of said electrode has a rectangular shape.

Ионная ловушка, мультипольная электродная система и электрод для масс-спектрального анализа, которые используют вышеупомянутые конструкции согласно изобретению, могут эффективно реализовать оптимизацию формы поля в ионной ловушке и в мультипольной электродной системе, поскольку колоннообразные электроды используют конструкцию со стороной сечений, имеющей ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями. Форма границы RF электрода может быть сделана в соответствии с различными требованиями к форме поля, например, для получения формы квадрупольного поля, по возможности близкой к идеальной, или формы смешанного поля, составленного из отдельных составляющих компонент квадрупольного поля, или других полей более высокого порядка. Кроме того, поскольку RF электрод, образованный ступенчатым электродом, может использовать простую форму, которая может быть легко изготовленной и собранной (например, если поверхность ступенчатого электрода образована объединением плоскостей и цилиндрических поверхностей, и т.д.), изготовление и точность сборки могут быть значительно улучшены, и противоречие между идеальной формой поля в масс-спектрометре (например, с мультипольной электродной системой, ионной ловушкой), и изготовление и сборка электродов могут быть успешно реализованы.The ion trap, multipole electrode system and electrode for mass spectral analysis, which use the aforementioned structures according to the invention, can effectively implement field shape optimization in the ion trap and in the multipole electrode system, since columnar electrodes use a step-shaped design with a cross-sectional side with two or several steps. The shape of the boundary of the RF electrode can be made in accordance with various requirements for the shape of the field, for example, to obtain the shape of a quadrupole field as close as possible to ideal, or the shape of a mixed field composed of the individual components of the quadrupole field, or other fields of a higher order. In addition, since the RF electrode formed by the stepped electrode can use a simple shape that can be easily fabricated and assembled (for example, if the surface of the stepped electrode is formed by a combination of planes and cylindrical surfaces, etc.), manufacturing and assembly accuracy can be significantly improved, and the contradiction between the ideal field shape in the mass spectrometer (for example, with a multipole electrode system, an ion trap), and the manufacture and assembly of electrodes can be successfully implemented .

Таким образом, поскольку ступенчатый электрод в соответствии с изобретением может иметь поверхность ступени произвольной наружной формы, форма поля может быть оптимизирована подходящим изменением формы поверхности электрода, то есть изменением граничных условий электрического поля, что реализуется подбором количества ступеней электрода и подбором параметров каждой ступени. Мультипольная электродная система, оптимизирующая форму поля и ионные ловушки или подобные системы, использующие ступенчатые электроды с двумя или несколькими ступенями могут разрешить противоречие техники предшествующего уровня между идеальной формой поля в масс-спектрометре (например, с мультипольной электродной системой, ионной ловушкой) и процессом изготовления и сборки электродов. В то же время, при использовании результатов теории полей более высокого порядка, граничные условия для электродов, требуемых желаемой формой поля, могут быть надлежащим образом подобраны так, что эти теоретические результаты могут быть эффективно преобразованы в практическое устройство. Мультипольная электродная система, оптимизирующая форму поля, составленная из ступенчатых электродов с двумя или несколькими ступенями, обеспечивает для квадрупольного анализатора массы и других ионных оптических систем (например, системы каналирования ионов, и т.д.) в масс-спектрографе практическое решение, при котором может быть оптимизирована форма поля, причем изготовление оказывается легким и его стоимость низкой.Thus, since the stepped electrode in accordance with the invention can have a step surface of an arbitrary external shape, the field shape can be optimized by a suitable change in the shape of the electrode surface, i.e., by changing the boundary conditions of the electric field, which is realized by selecting the number of steps of the electrode and selecting the parameters of each step. A multipole electrode system that optimizes the shape of the field and ion traps or similar systems using step electrodes with two or more steps can resolve the prior art between the ideal field shape in the mass spectrometer (for example, with a multipole electrode system, ion trap) and the manufacturing process and electrode assemblies. At the same time, when using the results of higher order field theory, the boundary conditions for the electrodes required by the desired field shape can be appropriately selected so that these theoretical results can be effectively transformed into a practical device. A multipole electrode system optimizing the field shape, composed of step electrodes with two or more steps, provides a practical solution for a quadrupole mass analyzer and other ionic optical systems (for example, ion channeling systems, etc.) in which the shape of the field can be optimized, the manufacture being easy and its cost low.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 изображает схематический вид конструкции ступенчатого электрода согласно изобретению;Figure 1 depicts a schematic view of the construction of a stepped electrode according to the invention;

Фиг.2-9 - формы сечения ступенчатого электрода согласно изобретению;Figure 2-9 - sectional shape of a stepped electrode according to the invention;

Фиг.10 - схематический вид конструкции квадрупольной электродной системы согласно изобретению;Figure 10 is a schematic view of the structure of a quadrupole electrode system according to the invention;

Фиг.11-16 - формы сечения квадрупольной электродной системы согласно изобретению;11-16 are cross-sectional shapes of a quadrupole electrode system according to the invention;

Фиг.17 - схематический вид конструкции гексапольной электродной системы согласно изобретению;17 is a schematic view of the structure of a hexapole electrode system according to the invention;

Фиг.18 - схематический вид конструкции октупольной электродной системы согласно изобретению;Fig. 18 is a schematic view of the structure of an octupole electrode system according to the invention;

Фиг.19 - схематический вид конструкции ионной ловушки согласно изобретению;Fig. 19 is a schematic view of the structure of an ion trap according to the invention;

Фиг.20 - схематический вид конструкции другой ионной ловушки согласно изобретению;Fig. 20 is a schematic view of the structure of another ion trap according to the invention;

Фиг.21 - схематический вид конструкции дополнительной ионной ловушки согласно изобретению;Fig is a schematic view of the structure of an additional ion trap according to the invention;

Фиг.22 - схематический вид конструкции ионной ловушки со щелями на электродах;Fig is a schematic view of the structure of an ion trap with slots on the electrodes;

Фиг.23 - график устойчивости движения ионов в ионной ловушке согласно изобретению;Fig is a graph of the stability of the movement of ions in an ion trap according to the invention;

Фиг.24 - схематический вид ситуации, в которой три ионные ловушки изобретения установлены последовательно для проведения MSⁿ;24 is a schematic view of a situation in which three ion traps of the invention are installed in series for conducting MS ⁿ ;

Фиг.25 - масс-спектрограмма образца, полученного в масс-спектрометрических измерительных экспериментах с использованием массового анализатора с ионной ловушкой конструкции, показанной на Фиг.11;FIG. 25 is a mass spectrogram of a sample obtained in mass spectrometric measurement experiments using a mass analyzer with an ion trap of the structure shown in FIG. 11; FIG.

Фиг.26 - масс-спектрограмма другого образца, полученного в масс-спектрометрических измерительных экспериментах с использованием массового анализатора с ионной ловушкой конструкции, показанной на Фиг.11; иFig. 26 is a mass spectrogram of another sample obtained in mass spectrometric measurement experiments using a mass analyzer with an ion trap of the structure shown in Fig. 11; and

Фиг.27 - частично увеличенный вид Фиг.26.Fig.27 is a partially enlarged view of Fig.26.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Конструкция электрода для масс-спектрального анализа в соответствии с изобретением показана на Фиг.1-9. Электрод 1 имеет колоннообразную форму, по меньшей мере, с одной стороной его сечения, имеющей ступенчатую форму, содержащую две или несколько ступеней. На Фиг.1-9 показано несколько конструкций электродов 1 с тремя ступенями, и на Фиг.11-16 показано несколько конструкций электродов 1 с двумя ступенями. Вместе с тем, эти чертежи представляют собой только некоторые примеры. Электрод 1 в соответствии с изобретением может допускать больше ступеней, например, 4 ступени или 5 ступеней, и т.д.; и его форма по желанию может варьироваться. Подробные описания этого в данном случае не приводятся. Как показано на Фиг.1, колоннообразная поверхность электрода 1 представляет собой след, сформированный движением электродной образующей L, которая параллельна данной прямой линии, вдоль директрисы электрода f(X,Y)=0. Директриса электрода f(X,Y)=0 принимает форму пошаговой функции. Когда электрод 1 используется в масс-спектральном анализаторе, форма ступеней электрода 1 может быть определена в соответствии с желаемой формой поля. Кроме того, в соответствии с его формой может быть установлена расчетная модель. Смешанное поле, имеющее мультипольные поля с определенными составляющими компонентами, то есть необходимая оптимизированная форма поля, может быть получено посредством варьирования конфигураций, например числа ступеней и размерных параметров каждой ступени, чтобы определить граничные условия и оптимальную комбинацию электродов. Обычно используемая оптимизированная форма поля может быть квадрупольным полем, или смешанным полем, содержащим квадрупольное поле и октупольное поле, или смешанным полем, содержащим квадрупольное поле и другие мультипольные поля.The design of the electrode for mass spectral analysis in accordance with the invention is shown in Fig.1-9. The electrode 1 has a columnar shape with at least one side of its cross section having a stepped shape containing two or more steps. Figure 1-9 shows several designs of electrodes 1 with three steps, and Figure 11-16 shows several designs of electrodes 1 with two steps. However, these drawings are only some examples. The electrode 1 in accordance with the invention may allow more steps, for example, 4 steps or 5 steps, etc .; and its shape may vary as desired. Detailed descriptions of this are not given in this case. As shown in figure 1, the columnar surface of the electrode 1 is a trace formed by the movement of the electrode generatrix L, which is parallel to this straight line along the directrix of the electrode f (X, Y) = 0. The director of the electrode f (X, Y) = 0 takes the form of a step function. When the electrode 1 is used in a mass spectral analyzer, the shape of the steps of the electrode 1 can be determined in accordance with the desired field shape. In addition, in accordance with its form, a calculation model can be established. A mixed field having multipole fields with certain constituent components, i.e. the necessary optimized field shape, can be obtained by varying the configurations, for example, the number of steps and the dimensional parameters of each step, in order to determine the boundary conditions and the optimal combination of electrodes. The commonly used optimized field shape may be a quadrupole field, or a mixed field containing a quadrupole field and an octupole field, or a mixed field containing a quadrupole field and other multipole fields.

Согласно изобретению, как показано на Фиг.1-9, формы обеих сторон сечения электрода 1 могут быть в форме ступени, состоящей из двух или нескольких ступеней. Формы могут быть симметричными, как показано на Фиг.1-5, или асимметричными, как показано на Фиг.13, 15 и 16. Ширина каждой ступени электрода 1 с его сторонами ступени может уменьшаться пошагово.According to the invention, as shown in FIGS. 1-9, the shapes of both sides of the cross section of the electrode 1 can be in the form of a step consisting of two or more steps. The shapes may be symmetrical, as shown in FIGS. 1-5, or asymmetric, as shown in FIGS. 13, 15 and 16. The width of each step of the electrode 1 with its sides of the step may decrease stepwise.

Согласно изобретению, предпочтительно, чтобы количество ступеней на обеих сторонах сечения колоннообразного электрода 1 было бы одинаковым. Таким образом, электрод 1 может быть разложен на два или несколько тонкослойных блоков рядом параллельных плоскостей, которые проходят через соответствующие разделительные точки. Числа ступеней на обеих сторонах сечения колоннообразного электрода 1 могут быть при необходимости различными, например, имеются две ступени на одной стороне и три ступени на другой (на чертежах не показано).According to the invention, it is preferable that the number of steps on both sides of the cross section of the columnar electrode 1 be the same. Thus, the electrode 1 can be decomposed into two or more thin-layer blocks next to parallel planes that pass through the corresponding dividing points. The number of steps on both sides of the cross section of the columnar electrode 1 may be different if necessary, for example, there are two steps on one side and three steps on the other (not shown in the drawings).

В электроде 1 согласно изобретению боковые кривые отдельных ступеней могут быть произвольными, другими словами, сторона каждой ступени может содержать произвольно изогнутую поверхность, например плоскость, колоннообразную поверхность, гиперболическую поверхность, и эллиптическую поверхность, и т.д. Таким образом, колоннообразная форма электрода 1, составленная двумя или несколькими ступенями, может быть составлена таким образом, что каждая ступень сформирована теми же самыми изогнутыми поверхностями или плоскостями, или ступени формируются различающимися изогнутыми поверхностями. В любом случае, колоннообразная поверхность электрода 1 сформирована комбинацией множества изогнутых поверхностей. В качестве примера, электрод 1 может быть колоннообразным телом, сформированным комбинацией пары параллельных плоскостей и колоннообразной поверхности, гиперболической поверхности, эллиптической поверхности или других изогнутых поверхностей. Директриса электрода f(X,Y)=0 может создать различные формы колоннообразных поверхностей. Граничные условия электрического поля, требуемые для создания оптимизированной формы поля, могут быть реализованы комбинированным образом, посредством надлежащего выбора пошаговой функции, то есть посредством использования соответствующих форм ступеней. Каждая ступень электрода 1 может иметь произвольную форму поверхности. Однако для точного изготовления и сборки могут использоваться те формы, которые легки в изготовлении и сборке. Например, поверхность ступенчатого электрода 1 может быть сформирована из комбинации плоскостей и цилиндрических поверхностей. Кроме того, как частный пример, форма каждой ступени этого электрода 1 может быть формой прямоугольной плоской пластины, чтобы получить хорошую точность изготовления и сборки. Электрод 1, образующийся комбинацией множества форм ступени, может разрешить противоречие между идеальной формой поля в технике предшествующего уровня, используемой в масс-спектрометре, например мультипольной электродной системы, ионной ловушки, и изготовлением и сборкой электродов. Кроме того, при использовании результатов теории поля более высокого порядка, граничные условия для электродов, требуемых желаемой формой поля, могут быть надлежащим образом подобраны так, что эти теоретические результаты могут быть эффективно преобразованы в практическое устройство.In the electrode 1 according to the invention, the lateral curves of the individual steps may be arbitrary, in other words, the side of each step may comprise an arbitrarily curved surface, for example a plane, a columnar surface, a hyperbolic surface, and an elliptical surface, etc. Thus, the columnar shape of the electrode 1, composed of two or more steps, can be designed in such a way that each step is formed by the same curved surfaces or planes, or the steps are formed by different curved surfaces. In any case, the columnar surface of the electrode 1 is formed by a combination of a plurality of curved surfaces. By way of example, the electrode 1 may be a columnar body formed by a combination of a pair of parallel planes and a columnar surface, a hyperbolic surface, an elliptical surface, or other curved surfaces. The director of the electrode f (X, Y) = 0 can create various shapes of columnar surfaces. The boundary conditions of the electric field required to create an optimized field shape can be implemented in a combined way, by appropriate selection of the step-by-step function, that is, by using the appropriate step shapes. Each stage of the electrode 1 may have an arbitrary surface shape. However, for precise manufacturing and assembly, those shapes that are easy to manufacture and assemble can be used. For example, the surface of the stepped electrode 1 may be formed from a combination of planes and cylindrical surfaces. In addition, as a particular example, the shape of each stage of this electrode 1 may be the shape of a rectangular flat plate in order to obtain good manufacturing and assembly accuracy. An electrode 1 formed by a combination of a plurality of step shapes can resolve the contradiction between the ideal field shape in the prior art used in a mass spectrometer, for example a multipole electrode system, an ion trap, and the manufacture and assembly of electrodes. In addition, when using higher-order field theory results, the boundary conditions for the electrodes required by the desired field shape can be appropriately selected so that these theoretical results can be effectively transformed into a practical device.

На Фиг.2-6, Фиг.8 и Фиг.9 показано изготовление ступенчатого электрода 1 в соответствии с изобретением, в котором отдельные тонкослойные блоки изготовлены соответственно и затем объединены вместе. Многоступенчатый электрод 1 может также быть изготовлен цельным, как показано на Фиг.1 и 7.Figure 2-6, Figure 8 and Figure 9 show the manufacture of a stepped electrode 1 in accordance with the invention, in which the individual thin-layer blocks are made respectively and then combined together. The multi-stage electrode 1 can also be made integral, as shown in figures 1 and 7.

Уже существующая теория квадрупольного поля показывает, что когда идеальные гиперболические поверхности доступны для электрода 1, идеальное квадрупольное поле может быть создано в области действия RF сигнала, при котором могут быть получены хорошие результаты ионного анализа. Когда оптимизирующие форму поля квадрупольные электроды служат как массовый анализатор с ионной ловушкой или линейная ионная ловушка, ионная ловушка, составленная посредством ступенчатых электродов, содержит более существенную компоненту квадрупольного поля, чем линейная ионная ловушка, составленная плоскими пластинчатыми электродами, так что разделение и анализ могут быть более эффективно реализованы на ионах-мишенях. Поэтому их можно рассматривать как имеющие оптимизированную форму электрического поля.The already existing theory of the quadrupole field shows that when ideal hyperbolic surfaces are available for electrode 1, an ideal quadrupole field can be created in the field of action of the RF signal, in which good ion analysis results can be obtained. When quadrupole electrodes that optimize the shape of the field serve as a mass analyzer with an ion trap or a linear ion trap, an ion trap composed by step electrodes contains a more substantial quadrupole field component than a linear ion trap composed by flat plate electrodes, so that separation and analysis can be more efficiently implemented on target ions. Therefore, they can be considered as having an optimized shape of the electric field.

В реальных процессах изготовления имеются значительные трудности в получении идеальных гиперболических поверхностей, что существенно ограничивает аналитические рабочие характеристики массового анализатора. Согласно изобретению, желаемый ступенчатый электрод 1 получается объединением множества ступеней, чтобы составить RF электрод, и размерные параметры ступеней могут быть подобраны увеличением числа ступеней, чтобы оптимизировать форму поля. Теоретически, когда толщина каждой ступени стремится к бесконечно малому значению, RF электрод с идеальными гиперболическими поверхностями может быть получен как комбинация. В реальных процессах изготовления каждая ступень имеет определенную толщину. Задавая форму и параметры каждой ступени, численный модельный подход может быть использован для получения формы поля в масс-спектрографе (например, мультипольной электродной системы и ионной ловушки), составленном из ступенчатых электродов с двумя или большим количеством ступеней. С другой стороны, параметры электрода (например, число ступеней, размеры каждой ступени и т.п.), которые соответствуют оптимизированной форме поля, могут быть получены из численного модельного подхода. Поэтому может быть изготовлен RF электрод 1, который предоставит оптимизированную форму поля. Поскольку этот многоступенчатый электрод может иметь форму, простую и легкую для изготовления и сборки (например, поверхность электрода составлена комбинацией плоскостей, включая и ортогональные ступенчатые грани, и цилиндрические поверхности, и т.д.), точность изготовления и сборки может быть значительно улучшена, и стоимость изготовления масс-спектрометров может быть значительно снижена, например, с ионной ловушкой и системами мультипольных электродов.In real manufacturing processes, there are significant difficulties in obtaining ideal hyperbolic surfaces, which significantly limits the analytical performance of the mass analyzer. According to the invention, the desired stepped electrode 1 is obtained by combining a plurality of steps to form an RF electrode, and the dimensional parameters of the steps can be selected by increasing the number of steps to optimize the shape of the field. Theoretically, when the thickness of each step tends to an infinitesimal value, an RF electrode with ideal hyperbolic surfaces can be obtained as a combination. In real manufacturing processes, each step has a certain thickness. By setting the shape and parameters of each step, a numerical model approach can be used to obtain the field shape in a mass spectrograph (for example, a multipole electrode system and an ion trap) composed of step electrodes with two or more steps. On the other hand, the parameters of the electrode (for example, the number of steps, the dimensions of each step, etc.) that correspond to the optimized field shape can be obtained from a numerical model approach. Therefore, an RF electrode 1 can be made that provides an optimized field shape. Since this multi-stage electrode can be simple and easy to manufacture and assemble (for example, the electrode surface is composed of a combination of planes, including orthogonal stepped faces, and cylindrical surfaces, etc.), the accuracy of manufacture and assembly can be significantly improved. and the manufacturing cost of mass spectrometers can be significantly reduced, for example, with an ion trap and multipole electrode systems.

На Фиг.10-18 показана мультипольная электродная система для масс-спектрального анализа, в которой используются вышеупомянутые ступенчатые электроды. Мультипольная электродная система содержит две или несколько пар колоннообразных электродов 1 и источник электропитания, присоединенный к ним. Колоннообразные электроды 1 периферически расположены в виде прямого цилиндра с центральной осью Z, параллельной образующей L, причем, по меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары колоннообразных электродов 1 имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.Figure 10-18 shows a multipole electrode system for mass spectral analysis, which uses the aforementioned step electrodes. A multipole electrode system contains two or more pairs of columnar electrodes 1 and a power source connected to them. Columnar electrodes 1 are peripherally arranged in the form of a straight cylinder with a central axis Z parallel to the generatrix L, and at least one side of the cross sections of at least one pair of columnar electrodes 1 has a step shape with two or more steps.

Согласно изобретению предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одна сторона сечений всех колоннообразных электродов 1 в мультипольной электродной системе имела бы ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.According to the invention, it is preferable that at least one side of the cross-sections of all columnar electrodes 1 in the multipole electrode system have a step shape with two or more steps.

Мультипольная электродная система, относящаяся к изобретению, может использоваться в квадрупольных массовых анализаторах, например, квадрупольный электрод в массовом анализаторе с квадрупольным электродом, и может также использоваться в других ионных оптических системах в масс-спектрографе, например, квадрупольная, гексапольная или октупольная электродные системы, и т.д., в ионных линзах или ионных каналирующих системах. Когда оптимизирующие форму поля мультипольные электродные системы используются как оптические системы, например, в ионных фокусирующих или ионных каналирующих системах, DC напряжения, RF напряжения или переменные напряжения других форм могут быть приложены к электродам для осуществления фокусировки и переноса ионов.The multipole electrode system related to the invention can be used in quadrupole mass analyzers, for example, a quadrupole electrode in a mass analyzer with a quadrupole electrode, and can also be used in other ionic optical systems in a mass spectrograph, for example, quadrupole, hexapole or octupole electrode systems, etc., in ionic lenses or ionic channeling systems. When field-shape-optimizing multipole electrode systems are used as optical systems, for example, in ion focusing or ion channeling systems, DC voltages, RF voltages or alternating voltages of other shapes can be applied to the electrodes to focus and transfer ions.

Как альтернативный пример упомянутая мультипольная электродная система может иметь две пары электродов 1 для формирования квадрупольной электродной системы 10, как показано на Фиг.10-16.As an alternative example, said multipole electrode system may have two pairs of electrodes 1 to form a quadrupole electrode system 10, as shown in FIGS. 10-16.

Согласно изобретению, смешанное поле, составленное из мультипольных полей с определенными составляющими компонентами, может быть получено варьированием количества ступеней сечений электродов 1 и параметров формы каждой ступени в упомянутой мультипольной электродной системе. Ниже приводятся примеры применения квадрупольной электродной системы.According to the invention, a mixed field composed of multipole fields with specific constituent components can be obtained by varying the number of steps of the cross sections of the electrodes 1 and the shape parameters of each step in said multipole electrode system. The following are examples of the use of a quadrupole electrode system.

На Фиг.11-16 показаны сечения квадрупольных электродных систем, пригодных для создания различных смешанных полей, составленных посредством ступенчатых RF электродов 1. Эти электроды сформированы наложением двух прямоугольных тонкослойных блоков, каждый из которых имеет прямоугольное поперечное сечение. На Фиг.11 используются четыре полностью идентичных RF электрода 1, и две ступени каждого RF электрода имеют общую ось симметрии; на Фиг.12 два различных RF электрода 1 используются с двумя противоположными электродами, полностью идентичными друг другу, и две ступени каждого электрода имеют общую ось симметрии; на Фиг.13 и 15 два различных RF электрода 1 используются с двумя противоположными электродами, полностью идентичными друг другу, и две ступени одной пары электродов имеют общую ось симметрии, две ступени другой пары электродов имеют другие оси симметрии; на Фиг.14 и 16 три различных RF электрода 1 используются с парой электродов 1, полностью идентичных друг другу, и двумя электродами из другой пары различающихся электродов. Отличающееся смешанное поле может быть получено применением различных параметров электрода. Численные расчеты показывают, что конструкция на Фиг.11 может создать A2, A6, A8, A10 и т.д., конструкция на Фиг.12 может создать A2, A4, A6, A8, A10 и т.д., конструкция на Фиг.13 может создать A2, A3, A6, A8, A10 и т.д., конструкция на Фиг.14 может создать A2, A5, A6, A8, A10 и т.д., конструкция на Фиг.15 может создать A2, A3, A4, A6, A8, A10 и т.д., и конструкция на Фиг.16 может создать A2, A3, A4, A5, A6, A8, A10 и т.д., причем "An" отображает мультипольное поле с "n", указывающим число содержащихся электродов. Другими словами, "An" соответствует полю с 2n-полюсами, например, A2, A3, A4, A5, A6, соответственно, отображают квадрупольное, гексапольное, октупольное, додекапольное и икосапольное поле. В связи с вариациями вышеупомянутой квадрупольной электродной системы ясно, что желаемое смешанное поле может быть получено изменением параметров ступеней электродов. Хотя выше рассмотрена только квадрупольная электродная система, ясно, что возможны ее вариации, также применимые к другим мультипольным электродным системам. Поэтому соответствующие подробные описания не приводятся.11-16 are cross-sectional views of quadrupole electrode systems suitable for producing various mixed fields composed by step RF electrodes 1. These electrodes are formed by superimposing two rectangular thin-layer blocks, each of which has a rectangular cross section. 11, four completely identical RF electrodes 1 are used, and the two steps of each RF electrode have a common axis of symmetry; 12, two different RF electrodes 1 are used with two opposite electrodes, completely identical to each other, and the two steps of each electrode have a common axis of symmetry; 13 and 15, two different RF electrodes 1 are used with two opposite electrodes, completely identical to each other, and two steps of one pair of electrodes have a common axis of symmetry, two steps of another pair of electrodes have different axes of symmetry; 14 and 16, three different RF electrodes 1 are used with a pair of electrodes 1, completely identical to each other, and two electrodes from another pair of different electrodes. A different mixed field can be obtained by applying various electrode parameters. Numerical calculations show that the design in FIG. 11 can create A2, A6, A8, A10, etc., the design in FIG. 12 can create A2, A4, A6, A8, A10, etc., the design in FIG. .13 can create A2, A3, A6, A8, A10, etc., the design in Fig. 14 can create A2, A5, A6, A8, A10, etc., the design in Fig. 15 can create A2, A3, A4, A6, A8, A10, etc., and the construction of FIG. 16 can create A2, A3, A4, A5, A6, A8, A10, etc., wherein “An” displays a multipole field with "n" indicating the number of electrodes contained. In other words, “An” corresponds to a 2n-pole field, for example, A2, A3, A4, A5, A6, respectively, representing a quadrupole, hexapole, octupole, dodecapole and icosapole field. In connection with the variations of the aforementioned quadrupole electrode system, it is clear that the desired mixed field can be obtained by changing the parameters of the steps of the electrodes. Although only the quadrupole electrode system is considered above, it is clear that its variations are possible, also applicable to other multipole electrode systems. Therefore, corresponding detailed descriptions are not given.

Как другой альтернативный пример упомянутая мультипольная электродная система может иметь три пары электродов 1, чтобы сформировать гексапольную электродную систему 20, как показано на Фиг.17.As another alternative example, said multipole electrode system may have three pairs of electrodes 1 to form a hexapole electrode system 20, as shown in FIG.

Как дополнительный альтернативный пример упомянутая мультипольная электродная система может иметь четыре пары электродов 1, чтобы сформировать октупольную электродную систему 30, как показано на Фиг.18.As a further alternative example, said multipole electrode system may have four pairs of electrodes 1 to form an octupole electrode system 30, as shown in FIG.

Как показано на Фиг.10-18, в мультипольных электродных системах в соответствии с изобретением, упомянутые электроды 1 могут быть зафиксированы на той же самой окружности с центром на оси Z, с равными секторными углами между ними. Ясно, что эти электроды 1 могут также быть расположены вокруг оси Z, при необходимости асимметрично.As shown in FIGS. 10-18, in multipole electrode systems in accordance with the invention, said electrodes 1 can be fixed on the same circle centered on the Z axis, with equal sector angles between them. It is clear that these electrodes 1 can also be located around the Z axis, asymmetrically if necessary.

В мультипольных электродных системах в соответствии с изобретением упомянутый источник электропитания обеспечивает DC сигналы или RF сигналы, или их комбинацию, или переменные сигналы другой формы, или комбинацию различных сигналов, чтобы осуществить фокусировку и перенос ионов. Как показано на Фиг.19-22, изобретением дополнительно предлагается ионная ловушка 40 для масс-спектрального анализа, которая использует упомянутые ступенчатые электроды 1, содержащая квадрупольную электродную систему 10 с двумя парами колоннообразных электродов 1, торцевыми электродами 21, 22, расположенными на двух торцах квадрупольной электродной системы 10, RF сигнал, который создает захватывающее ион RF электрическое поле, и DC сигнал, который создает осевую захватывающую потенциальную яму, причем, по меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары колоннообразных электродов 1 имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.In multipole electrode systems in accordance with the invention, said power supply provides DC signals or RF signals, or a combination thereof, or alternating signals of a different shape, or a combination of various signals, to effect ion focusing and transfer. As shown in Figs. 19-22, the invention further provides an ion trap 40 for mass spectral analysis, which uses said step electrodes 1, comprising a quadrupole electrode system 10 with two pairs of columnar electrodes 1, end electrodes 21, 22 located at two ends quadrupole electrode system 10, an RF signal that generates an RF capturing ion electric field, and a DC signal that generates an axial exciting potential well, at least one side of the cross sections necks least one pair of columnar electrodes 1 has a stepped form with two or more steps.

Торцевые электроды 21, 22 главным образом служат для создания потенциальной ямы в направлении оси Z, чтобы ограничивать, в направлении оси Z, ионы в пределах области захвата ионной ловушкой. В ионной ловушке 40, в соответствии с изобретением как альтернативный пример упомянутые торцевые электроды 21, 22 могут быть плоскими пластинчатыми электродами, расположенными по X-Y плоскости, как показано на Фиг.19.The end electrodes 21, 22 mainly serve to create a potential well in the direction of the Z axis in order to limit, in the direction of the Z axis, ions within the capture region by the ion trap. In the ion trap 40, in accordance with the invention, as an alternative example, said end electrodes 21, 22 may be flat plate electrodes arranged along an X-Y plane, as shown in FIG. 19.

Как показано на Фиг.21, в ионной ловушке 40, в соответствии с изобретением как другой альтернативный пример упомянутые торцевые электроды 21, 22 могут быть составлены квадрупольной электродной системой 10, которая параллельна оси Z и имеет две пары колоннообразных электродов 1. По меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары электродов 1 имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.As shown in FIG. 21, in the ion trap 40, in accordance with the invention, as another alternative example, said end electrodes 21, 22 can be constituted by a quadrupole electrode system 10 that is parallel to the Z axis and has two pairs of columnar electrodes 1. At least one side of the cross sections of at least one pair of electrodes 1 has a stepped shape with two or more steps.

Как показано на Фиг.22, в ионной ловушке 40, в соответствии с изобретением как дополнительный альтернативный пример упомянутые торцевые электроды 21, 22 могут также быть составленными посредством квадрупольной электродной системы 10, которая имеет две пары колоннообразных электродов 1 и плоские пластинчатые электроды 211, которые расположены у торцов квадрупольной электродной системы 10. По меньшей мере, одна сторона сечений, по меньшей мере, одной пары электродов 1 имеет ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.As shown in FIG. 22, in the ion trap 40, according to the invention, as an additional alternative example, said end electrodes 21, 22 may also be constituted by a quadrupole electrode system 10, which has two pairs of columnar electrodes 1 and flat plate electrodes 211, which located at the ends of the quadrupole electrode system 10. At least one side of the cross sections of at least one pair of electrodes 1 has a step shape with two or more steps.

Как показано на Фиг.18-22, в ионной ловушке 40, в соответствии с изобретением, предпочтительно, чтобы одна сторона или обе стороны сечений двух пар электродов 1 имели бы ступенчатую форму с двумя или несколькими ступенями.As shown in FIGS. 18-22, in the ion trap 40, in accordance with the invention, it is preferable that one side or both sides of the cross sections of two pairs of electrodes 1 have a step shape with two or more steps.

В ионной ловушке 40, в соответствии с изобретением, смешанное поле, составленное из мультипольных полей с определенными составляющими компонентами, может быть задано ионной ловушке 40 посредством варьирования количества ступеней сечений электродов 1 и параметров формы каждой ступени. Смешанное поле содержит квадрупольное поле и октупольное поле.In the ion trap 40, in accordance with the invention, a mixed field composed of multipole fields with certain constituent components can be set to the ion trap 40 by varying the number of steps of the cross sections of the electrodes 1 and the shape parameters of each step. The mixed field contains a quadrupole field and an octupole field.

В оптимизирующей форму поля линейной ионной ловушке 40, соотношение между отношением массы к заряду захваченных ионов, геометрической формой ионной ловушки и поданными RF и DC напряжениями, может быть выражено следующим образом:In the field-shape-optimizing linear ion trap 40, the relationship between the mass-to-charge ratio of trapped ions, the geometrical shape of the ion trap and the applied RF and DC voltages can be expressed as follows:

причем A2 - коэффициент расширения для квадрупольной компоненты в выражении для расширения мультипольного электрического поля, V_RF и U_DC - величины RF компоненты и DC компоненты сигнала RF, поданного на RF электрод, соответственно, a и q - коэффициенты Матье, r₀ - расстояние по оси Z для RF электрода, и ω - частота RF сигнала.where A2 is the expansion coefficient for the quadrupole component in the expression for the expansion of the multipole electric field, V _RF and U _DC are the values of the RF component and DC components of the RF signal supplied to the RF electrode, respectively, a and q are the Mathieu coefficients, r ₀ is the distance over the Z axis for the RF electrode, and ω is the frequency of the RF signal.

Существующая теория ионной ловушки показывает что, когда электроды 1 имеют идеальные гиперболические поверхности, может быть создано идеальное квадрупольное поле в области захвата иона, с которым могут быть получены хорошие результаты ионного анализа. По сравнению с линейной прямоугольной ионной ловушкой, составленной плоскими пластинчатыми электродами, ионная ловушка, построенная ступенчатыми электродами 1 может создать более значительную квадрупольную компоненту так, что разделение и анализ могут быть более эффективно реализованы на ионах-мишенях. Поэтому можно считать, что она имеет оптимизированную форму электрического поля.The existing theory of the ion trap shows that when the electrodes 1 have perfect hyperbolic surfaces, an ideal quadrupole field can be created in the ion capture region with which good ion analysis results can be obtained. Compared to a linear rectangular ion trap made up of flat plate electrodes, an ion trap built with step electrodes 1 can create a larger quadrupole component so that separation and analysis can be more efficiently implemented on target ions. Therefore, we can assume that it has an optimized shape of the electric field.

В реальных процессах изготовления имеются значительные трудности в получении идеальных гиперболических поверхностей, что существенно ограничивает рабочие аналитические характеристики массового анализатора с ионной ловушкой. В ситуации использования ступенчатых электродов 1, форма поля может быть оптимизирована увеличением количества ступеней и подбором размерных параметров каждой ступени. Теоретически, когда толщина каждой ступени стремится к бесконечно малому значению, RF электрод с идеальными гиперболическими поверхностями может быть получен комбинированным образом. В реальных процессах изготовления каждая ступень имеет определенную толщину. Учитывая форму и параметры каждой ступени, может использоваться модельный численный подход для получения формы поля в квадрупольной электродной системе, сформированной электродами 1, который может быть разложен на множественные ступени. С другой стороны, электродные параметры, которые соответствуют оптимизированной форме поля, могут быть получены из численного модельного подхода, например, из числа ступеней, размеров каждой ступени и т.п. Поэтому может быть изготовлен такой RF электрод 1, который предоставит оптимизированную форму поля. Поскольку такие ступенчатые электроды 1 могут иметь форму простую и легкую для изготовления и сборки (например, если их поверхности составлены комбинацией плоскостей, цилиндрических плоскостей и т.д.), точность изготовления и сборки может быть значительно улучшена, и стоимость изготовления ионной ловушкой может быть значительно снижена.In real manufacturing processes, there are significant difficulties in obtaining ideal hyperbolic surfaces, which significantly limits the working analytical characteristics of a mass analyzer with an ion trap. In the situation of using step electrodes 1, the shape of the field can be optimized by increasing the number of steps and the selection of dimensional parameters of each step. Theoretically, when the thickness of each step tends to an infinitesimal value, an RF electrode with ideal hyperbolic surfaces can be obtained in a combined way. In real manufacturing processes, each step has a certain thickness. Given the shape and parameters of each stage, a model numerical approach can be used to obtain the field shape in a quadrupole electrode system formed by electrodes 1, which can be decomposed into multiple stages. On the other hand, electrode parameters that correspond to the optimized field shape can be obtained from a numerical model approach, for example, from the number of steps, the sizes of each step, etc. Therefore, such an RF electrode 1 can be made that provides an optimized field shape. Since such stepped electrodes 1 can be simple and easy to manufacture and assemble (for example, if their surfaces are composed of a combination of planes, cylindrical planes, etc.), the accuracy of manufacture and assembly can be significantly improved, and the cost of manufacturing an ion trap can be significantly reduced.

Основная частота движения ионов в квадрупольном поле может быть выражена какThe main frequency of ion motion in a quadrupole field can be expressed as

причемmoreover

На Фиг.23 показан график, иллюстрирующий устойчивость движения ионов в ионной ловушке.On Fig shows a graph illustrating the stability of the movement of ions in an ion trap.

Как указано в вышеупомянутом выражении, если r₀, ω, U, V заданы, то ион, при определенном отношении массы к заряду будет иметь определенные значения для a и q, и, таким образом, соответствовать определенной рабочей точке на этом графике устойчивости. Если точка расположена в пределах треугольника устойчивости, этот ион может быть захвачен ионной ловушкой. Захваченные ионы рассматриваются как устойчивые ионы. Если RF напряжения, подаваемые на RF электроды 1, постоянны, и отношение V_RF к U_DC фиксировано, отношение массы к заряду m/z устойчивого иона пропорционально V_RF и, таким образом, пропорционально U_DC в некоторый точке графика устойчивости, то есть соответствует фиксированным значениям a и q. Ионы, захваченные ловушкой, могут быть отделены, испущены, проанализированы и обнаружены с использованием устойчивости движения ионов в ловушке.As indicated in the above expression, if r ₀ , ω, U, V are given, then the ion, with a certain mass-to-charge ratio, will have certain values for a and q, and thus correspond to a specific operating point on this stability graph. If the point is located within the triangle of stability, this ion can be trapped by an ion trap. Trapped ions are considered as stable ions. If the RF voltages supplied to the RF electrodes 1 are constant, and the ratio of V _RF to U _{DC is} fixed, the ratio of mass to charge m / z of the stable ion is proportional to V _RF and, thus, proportional to U _DC at some point in the stability graph, i.e. fixed values of a and q. Ions trapped in the trap can be separated, emitted, analyzed and detected using the stability of the movement of ions in the trap.

Основной рабочий процесс оптимизации формы поля массового анализатора с линейной ионной ловушкой, построенного посредством ступенчатых RF электродов 1, сводится к следующему. В ловушке анализируемый образец газа ионизируется, создавая анализируемые ионы (альтернативно, анализируемый образец может быть ионизирован вне ловушки, и анализируемые ионы вводятся затем в ловушку). Ионы сталкиваются с буферным газом, и их кинетическая энергия ослабляется; затем ионы заключаются в пределы области захвата иона в ловушке посредством захватывающего электрического RF поля и захватывающего электрического DC поля. После того как ионы захвачены, AC сигнал (сигнал переменного тока) или переменный сигнал другого вида подается на электрод 1 или торцевые электроды 21 и 22. Таким образом, ионы могут быть разделены или возбуждены избирательно по массе. Когда AC напряжение подается на торцевые электроды 21 и 22, сканирование значения RF может привести к испусканию ионов в направлении оси Z так, что они проходят через небольшие отверстия или щели в торцевых электродах 21 и 22 и выходят из ионной ловушки. Когда AC напряжение подается на X или Y электродную пару, сканирование значения RF может вынудить ионы двигаться вдоль X или Y направления, чтобы пройти через щели в X или Y электроде и выйти из ионной ловушки.The main workflow of optimizing the field shape of a mass analyzer with a linear ion trap constructed using stepwise RF electrodes 1 is as follows. In the trap, the analyzed gas sample is ionized, creating the analyzed ions (alternatively, the analyzed sample can be ionized outside the trap, and the analyzed ions are then introduced into the trap). Ions collide with a buffer gas, and their kinetic energy is weakened; then, the ions are trapped within the trapping region of the ion in the trap by means of an exciting electric RF field and an exciting electric DC field. After the ions are captured, an AC signal (alternating current signal) or an alternating signal of a different kind is supplied to the electrode 1 or the end electrodes 21 and 22. Thus, the ions can be separated or excited selectively by mass. When AC voltage is applied to the end electrodes 21 and 22, scanning the RF value may cause ions to be emitted in the Z axis direction so that they pass through small holes or slots in the end electrodes 21 and 22 and exit the ion trap. When AC voltage is applied to the X or Y electrode pair, scanning the RF value may force the ions to move along the X or Y direction to pass through slots in the X or Y electrode and exit the ion trap.

Как показано на Фиг.20-22, в ионной ловушке 40, в соответствии с изобретением, по меньшей мере, один из электродов 1 или торцевых электродов 21 и 22 снабжены щелями 212 или небольшими отверстиями 213, через которые ионы вводятся в нее или выводятся из нее. Как показано на Фиг.20-22, в оптимизирующей форму поля линейной ионной ловушке, щель 212, которая параллельна оси Z, может быть на RF электроде 1, и AC сигнал может быть подан на X или Y пару электродов так, что ионы могут быть возбуждены или выведены из ионной ловушки вдоль X или Y оси. Альтернативно, электродные пластины торцевых электродов 21, 22 могут также быть снабженными небольшими отверстиями 213 или щелями так, что ионы могут быть возбуждены или выведены из ионной ловушки вдоль оси Z. Вышеупомянутые способы могут быть произвольно объединены так, что ионы могут быть возбуждены или выведены из ионной ловушки в различных направлениях.As shown in FIGS. 20-22, in the ion trap 40, in accordance with the invention, at least one of the electrodes 1 or end electrodes 21 and 22 is provided with slots 212 or small holes 213 through which ions are introduced into or removed from it her. As shown in FIGS. 20-22, in a field-optimizing linear ion trap, a gap 212 that is parallel to the Z axis can be on the RF electrode 1, and an AC signal can be applied to an X or Y pair of electrodes so that ions can be excited or removed from the ion trap along the X or Y axis. Alternatively, the electrode plates of the end electrodes 21, 22 may also be provided with small holes 213 or slots so that ions can be excited or removed from the ion trap along the Z axis. The above methods can be arbitrarily combined so that ions can be excited or removed from ion traps in various directions.

Множество оптимизирующих форму поля линейных ионных ловушек большой емкости могут составить многокаскадную систему обработки ионов, то есть, тандемную систему анализа массы с ионной ловушкой. Ионные ловушки в смежных каскадах в тандемной системе анализа массы с ионной ловушкой связаны так, что ионы могут последовательно пройти через различные каскады ионной ловушки, и аналитические эксперименты MSⁿ могут быть эффективно проведены. На Фиг.24 показана трехкаскадная система обработки ионов, которая составлена посредством трех оптимизирующих форму поля линейных ионных ловушек большой емкости, которая может использоваться для эффективного выполнения трехкаскадных MS-MS аналитических экспериментов.Many field-optimizing linear high-capacity linear ion traps can constitute a multi-stage ion processing system, that is, a tandem mass analysis system with an ion trap. Ion traps in adjacent cascades in a tandem mass analysis system with an ion trap are connected so that ions can sequentially pass through different stages of the ion trap, and analytical experiments MS ⁿ can be effectively carried out. On Fig shows a three-stage ion processing system, which is composed by three field-optimizing linear ion traps of large capacity, which can be used to effectively perform three-stage MS-MS analytical experiments.

Основываясь на вышеприведенных описаниях, конкретные режимы работы ионной ловушки и массового анализатора, предложенного согласно изобретению, рассматриваются на примере оптимизирующей форму поля линейной ионной ловушки большой емкости и соответствующего массового анализатора, которые составлены RF электродами 1, состоящими из прямоугольных плоских пластинчатых электродов и прямоугольных блочных ступеней.Based on the above descriptions, the specific operating modes of the ion trap and mass analyzer proposed according to the invention are considered as an example of a field-optimizing high-capacity linear ion trap and the corresponding mass analyzer, which are composed of RF electrodes 1, consisting of rectangular flat plate electrodes and rectangular block steps .

На Фиг.22 показана оптимизирующая форму поля линейная ионная ловушка большой емкости, которая составлена RF электродами 1, составленными из прямоугольных блочных ступеней. Эта ионная ловушка включает в себя RF электроды, составленные посредством X электродов 11, 12 и Y электродов 13, 14 параллельно оси Z. Каждый электрод сформирован объединением, по меньшей мере, трех ступеней. Электроды RF расположены в X-Y плоскости последовательно против часовой стрелки 11-13-12-14, с угловым интервалом между ними в 90 градусов, что определяет область захвата иона. Щели, параллельные оси Z, расположены в серединах X электродов 11 и 12. Источник электропитания RF, соединенный с X и Y электродными парами, обеспечивает RF напряжения на X электродной паре, и Y электродной паре, чтобы создать захватывающее ион RF поле в X-Y плоскости. Пара торцевых электродов 21, 22, расположенная на двух торцах области захвата иона, определенной X и Y электродными парами, включает в себя электродную пластину 211 и квадрупольную электродную систему 10, составленную из ступенчатых электродов 1. Небольшие отверстия 213 имеются в серединах электродных пластин торцевых электродов 21, 22. Источник DC электропитания, присоединенный к паре торцевого электрода, обеспечивает DC захватывающую потенциальную ловушку вдоль направления оси Z между двумя торцевыми электродами 21 и 22, так что ионы заключены в пределах областей захвата иона. Источник AC электропитания, соединенный с X электродными парами, обеспечивает AC напряжения на X электродах 1 и 2, чтобы возбудить или вывести ионы по направлению оси X. Источник AC электропитания может также быть соединен с электродными пластинами торцевого электрода 21 и 22 для обеспечения AC напряжений на торцевых электродах 21 и 22, чтобы возбудить или вывести ионы по направлению оси X.On Fig shows a field-optimizing linear high-capacity linear ion trap, which is composed of RF electrodes 1 composed of rectangular block steps. This ion trap includes RF electrodes composed by X electrodes 11, 12 and Y of electrodes 13, 14 parallel to the Z axis. Each electrode is formed by combining at least three steps. RF electrodes are located in the X-Y plane sequentially counterclockwise 11-13-12-14, with an angular interval between them of 90 degrees, which determines the ion capture region. Slots parallel to the Z axis are located in the midpoints of the X electrodes 11 and 12. An RF power supply connected to the X and Y electrode pairs provides RF voltages to the X electrode pair and Y electrode pair to create an RF ion trapping field in the X-Y plane. A pair of end electrodes 21, 22 located at the two ends of the ion capture region defined by X and Y by electrode pairs includes an electrode plate 211 and a quadrupole electrode system 10 composed of step electrodes 1. Small holes 213 are located in the middle of the electrode plates of the end electrodes 21, 22. A DC power source coupled to the pair of end electrodes provides a DC potential trap along the Z axis direction between the two end electrodes 21 and 22, so that the ions affairs of ion capture regions. An AC power supply connected to X electrode pairs provides AC voltages to X electrodes 1 and 2 to excite or output ions in the direction of the X axis. An AC power supply can also be connected to electrode plates of the end electrode 21 and 22 to provide AC voltages to end electrodes 21 and 22 to excite or remove ions in the direction of the X axis.

Подобно ионным ловушкам в технике предшествующего уровня, оптимизирующая форму поля линейная ионная ловушка большой емкости может выполнить хранение и разделение ионов. Если DC компонента, поданная на ионную ловушку, исчезает, ее рабочее состояние соответствует q оси на графике устойчивости, показанном на Фиг.23. Начальное значение RF определяет нижний предел устойчивых отношений массы к заряду ионов. Все ионы, которые имеют отношение массы к заряду, большее или равное нижнему пределу, захватываются ионной ловушкой и сохраняются в ней.Like ion traps in the prior art, a field-optimizing high-capacity linear ion trap can carry out storage and separation of ions. If the DC component supplied to the ion trap disappears, its operating state corresponds to the q axis in the stability graph shown in FIG. 23. The initial RF value determines the lower limit of the stable mass to ion charge ratios. All ions that have a mass to charge ratio greater than or equal to the lower limit are captured by the ion trap and stored in it.

Разделение ионов посредством использования ионной ловушки может быть проведено двояко, то есть RF/DC разделением и AC разделением. Как показано на Фиг.23, исходя из графика устойчивости движения иона вариант RF/DC разделения изменяет состояние движения ионов на краях графика устойчивости от устойчивого до неустойчивого, так что неустойчивые ионы выводятся из ионной ловушки. Рабочий процесс варианта RF/DC разделения заключается в выборе ионов, удерживающихся в ионной ловушке в соответствии с требованиями разделения, расчете параметров (ai, qi) состояния удерживаемых ионов, определении точек (ai, qi) состояния вблизи вершин треугольника устойчивости, подбора RF компонент на Y электродах в соответствии с результатами и введения DC компонент одновременно, так что точки состояния ионов-мишеней изменяются до (ai,qi); тогда другие ионы попадают в неустойчивую область и, таким образом, ионы-мишени отделяются от других ионов,The separation of ions through the use of an ion trap can be carried out in two ways, that is, RF / DC separation and AC separation. As shown in FIG. 23, based on the stability diagram of the ion motion, the RF / DC separation option changes the state of ion motion at the edges of the stability graph from stable to unstable, so that unstable ions are removed from the ion trap. The workflow of the RF / DC separation option is to select the ions held in the ion trap in accordance with the separation requirements, calculate the parameters (ai, qi) of the state of the retained ions, determine the points (ai, qi) of the state near the vertices of the stability triangle, select the RF components on Y electrodes in accordance with the results and the introduction of DC components simultaneously, so that the state points of the target ions change to (ai, qi); then other ions fall into the unstable region and, thus, the target ions are separated from other ions,

Вариант разделения AC сигналом основан на соотношении между основной частотой движений иона и состояниями иона. Ответная амплитуда колебаний в направлении оси Z после возбуждения пропорциональна Фурье преобразованию самого возбуждающего сигнала. Отклик ионов не соответствует частоте осевых колебаний или отношениям массы к заряду ионов. Возбуждение ионов, имеющих отношение массы к заряду m/z, определяется исключительно амплитудой возбуждения на частоте, соответствующей отношению массы к заряду. Вблизи основной частоты движений ионов, амплитуда осевого колебания ионов после возбуждения может быть определена без точного расчета траектории ионов. Таким образом, только если AC сигнал, соответствующий цели разделения, подан на соответствующие электроды, избирательное возбуждение и выведение на множественные ионы-мишени может быть реализовано одновременно.The AC signal separation option is based on the relationship between the fundamental frequency of the ion’s motions and the state of the ion. The response amplitude of the oscillations in the direction of the Z axis after excitation is proportional to the Fourier transform of the exciting signal itself. The ion response does not correspond to the frequency of axial vibrations or the ratios of mass to ion charge. The excitation of ions having a mass to charge ratio m / z is determined solely by the excitation amplitude at a frequency corresponding to the mass to charge ratio. Near the main frequency of ion motion, the amplitude of the axial vibration of the ions after excitation can be determined without an accurate calculation of the ion trajectory. Thus, only if the AC signal corresponding to the separation target is applied to the respective electrodes, selective excitation and removal to multiple target ions can be realized simultaneously.

Для оптимизирующей форму поля линейной ионной ловушки большой емкости часто необходимо резонансно возбуждать и выводить единственную ион-мишень избирательно, что называется AC резонансным возбуждением и выведением. По существу это частный случай AC разделения, то есть основная частота движений иона-мишени является значением частоты, а не полосой частот.For a field-optimizing large-capacity linear ion trap, it is often necessary to resonantly excite and remove a single target ion selectively, which is called AC resonant excitation and excitation. In essence, this is a special case of AC separation, that is, the main frequency of motions of the target ion is a frequency value, not a frequency band.

Для оптимизирующей форму поля линейной ионной ловушки большой емкости, как показано на Фиг.22, AC сигнал подается на два X электрода, причем невыводящая электродная пластина имеет положительный сигнал, и выводящая электродная пластина имеет отрицательный сигнал. Это гарантирует то, что положительные ионы будут выведены из ионной ловушки из выпускной электродной пластины. Если детектируемые ионы являются отрицательными ионами, то невыводящая электродная пластина будет иметь отрицательный сигнал, и выводящая электродная пластина будет иметь положительный сигнал.For a field-optimizing large-capacity linear ion trap, as shown in FIG. 22, an AC signal is supplied to two X electrodes, the non-output electrode plate having a positive signal and the output electrode plate having a negative signal. This ensures that positive ions are removed from the ion trap from the outlet electrode plate. If the detected ions are negative ions, then the non-output electrode plate will have a negative signal, and the output electrode plate will have a positive signal.

Посредством выбора ионов, массовый анализатор с оптимизирующей форму поля линейной ионной ловушкой большой емкости делает устойчивые ионы-мишени неустойчивыми, так что ионы выводятся из ионной ловушки, и детектирование может быть выполнено. Избирательное неустойчивое детектирование может быть проведено двояко, то есть граничное выведение и AC резонансное выведение.By selecting ions, a mass analyzer with a field-optimizing linear high-capacity linear ion trap makes stable target ions unstable so that ions are removed from the ion trap and detection can be performed. Selective unstable detection can be carried out in two ways, that is, boundary derivation and AC resonant derivation.

В варианте граничного выведения, устойчивые граничные точки на q оси графика устойчивости, показанного на Фиг.23, взяты как рабочие точки, и величина DC напряжения исчезает. Посредством сканирования величины RF напряжения (восходящее сканирование), ионы попадают в неустойчивое состояние, в очередности от более низкого отношения массы к заряду к более высокому. Неустойчивые ионы выводятся из ионной ловушки, чтобы достичь системы детектирования вне ионной ловушки. Соответствующая масс-спектрограмма может быть получена посредством приема и усиления соответствующих электрических сигналов.In the boundary derivation variant, the stable boundary points on the q axis of the stability graph shown in FIG. 23 are taken as operating points, and the DC voltage value disappears. By scanning the magnitude of the RF voltage (upward scan), the ions fall into an unstable state, in turn from a lower mass to charge ratio to a higher one. Unstable ions are removed from the ion trap in order to reach the detection system outside the ion trap. The corresponding mass spectrogram can be obtained by receiving and amplifying the corresponding electrical signals.

Вариант AC резонансного выведения использует соотношение между основной частотой движения иона и его состоянием. Основная частота движения иона изменяется посредством сканирования RF. Если основная частота иона равна частоте AC сигнала, амплитуда колебаний в направлении оси X значительно увеличивается. Ион выходит из ионной ловушки от щели в середине X пластины электрода и входит в наружную часть схемы детектирования. Тандемная многокаскадная система оптимизирующих форму поля линейных ионных ловушек большой емкости может быть использована для эффективного выполнения аналитических экспериментов MSⁿ.Variant AC resonant excretion uses the relationship between the fundamental frequency of the ion and its state. The fundamental frequency of the ion motion is changed by RF scanning. If the fundamental frequency of the ion is equal to the frequency of the AC signal, the amplitude of the oscillations in the direction of the X axis increases significantly. The ion exits the ion trap from the gap in the middle of the X-plate of the electrode and enters the outer part of the detection circuit. A multi-stage tandem system of field-optimizing linear high-capacity linear ion traps can be used to efficiently perform MS ⁿ analytical experiments.

На Фиг.24 показано, что трехкаскадная система обработки ионов может быть составлена тремя оптимизирующими форму поля линейными ионными ловушками большой емкости и, тем самым трехкаскадные MS-MS аналитические эксперименты могут быть проведены. В этой трехкаскадной тандемной системе массовые анализаторы с тремя оптимизирующими форму поля линейными ионными ловушками большой емкости установлены последовательно, чтобы сформировать ряды QqQ. Работает эта система следующим образом. Q1 и Q3 - нормальные массовые анализаторы. Только RF напряжения, то есть без DC напряжений, подаются на q2. Поле RF фокусирует все ионы и позволяет им проходить. Таким образом, ионы могут подвергнуться метастабильной фрагментации или вызванному столкновением разделению в q2. Q1 может выбрать требуемые ионы из ионного источника, так что они могут подвергнуться разделению в q2. Продукт разделения подается в Q3, так что обычный массовый спектральный анализ может быть выполнен для получения информации о составе молекул.24 shows that a three-stage ion processing system can be constituted by three high-capacity linear ion traps optimizing the shape of the field, and thus three-stage MS-MS analytical experiments can be carried out. In this three-stage tandem system, mass analyzers with three field-optimizing high-capacity linear ion traps are installed in series to form QqQ rows. This system works as follows. Q1 and Q3 are normal mass analyzers. Only RF voltages, i.e. without DC voltages, are applied to q2. The RF field focuses all the ions and allows them to pass. Thus, ions can undergo metastable fragmentation or collision-induced separation in q2. Q1 can select the desired ions from the ion source, so that they can undergo separation in q2. The separation product is fed to Q3, so that conventional mass spectral analysis can be performed to obtain information on the composition of the molecules.

Согласно изобретению предложена оптимизирующая форму поля ионная ловушка и массовый анализатор, использующий ступенчатые электроды 1. Процесс конструирования ступенчатых электродов 1 может быть следующим. В соответствии с желаемой формой поля, определяется тип ступени, и устанавливается расчетная модель исходя из определенного типа ступени. Смешанное поле составляется из мультипольных полей с определенными составляющими компонентами, то есть требуемая оптимизированная форма поля может быть получена посредством варьирования конфигурации, например, числа ступеней и размерных параметров каждой ступени, чтобы определить граничные условия и оптимальную комбинацию электродов. Общая оптимизированная форма поля может быть квадрупольным полем, или смешанным полем, состоящим из квадрупольного поля и октупольного поля, или смешанным полем, состоящим из квадрупольного поля и других мультипольных полей.According to the invention, a field-shape-optimizing ion trap and a mass analyzer using step electrodes 1 are proposed. The process of constructing step electrodes 1 can be as follows. In accordance with the desired shape of the field, the type of stage is determined, and a calculation model is established based on a certain type of stage. A mixed field is composed of multipole fields with specific constituent components, i.e. the desired optimized field shape can be obtained by varying the configuration, for example, the number of steps and the dimensional parameters of each step, to determine the boundary conditions and the optimal combination of electrodes. The general optimized field shape can be a quadrupole field, or a mixed field consisting of a quadrupole field and an octupole field, or a mixed field consisting of a quadrupole field and other multipole fields.

На Фиг.25-27 показаны результаты масс-спектрометрического эксперимента, полученные при использовании массового анализатора с ионной ловушкой конструкции, показанной на Фиг.11, в соответствии с изобретением. Причем на Фиг.25 показана масс-спектрограмма, в которой в качестве образца была взята калибровочная смесь Ultramark 1621 PCR Company (США), которая показывает, что массовый диапазон простирается до 2000Da при использовании ионной ловушки, в соответствии с изобретением, в качестве массового анализатора. На Фиг.26 и 27 показана масс-спектрограмма и частично увеличенный ее вид в случае, когда для полного сканирования как образец используется аргинин, показывающая, что лучшая форма пика и более высокое разрешение могут быть достигнуты посредством данной ионной ловушки.25-27 show the results of a mass spectrometric experiment obtained using a mass analyzer with an ion trap of the structure shown in FIG. 11 in accordance with the invention. Moreover, Fig. 25 shows a mass spectrogram in which the calibration mixture Ultramark 1621 PCR Company (USA) was taken as a sample, which shows that the mass range extends to 2000 Da using an ion trap, in accordance with the invention, as a mass analyzer . Figures 26 and 27 show a mass spectrogram and a partially enlarged view thereof when arginine is used as a sample for a full scan, showing that a better peak shape and higher resolution can be achieved with this ion trap.

Claims

1. The electrode for mass spectral analysis, and the electrode has a columnar shape, characterized in that at least one side of the cross section of the columnar electrode has a step shape with two or more steps.

2. The electrode for mass spectral analysis according to claim 1, characterized in that both sides of the cross-sections of the electrode are stepped in shape with two or more steps.

3. The electrode for mass spectral analysis according to claim 1 or 2, in which the widths of the steps of the electrode with the step-shaped side are reduced stepwise.

4. The electrode for mass spectral analysis according to claim 1, in which the shapes of the two sides of the cross sections of the electrode are symmetric or asymmetric.

5. The electrode for mass spectral analysis according to claim 1, in which the two sides of the cross sections of the electrode have the same number of steps.

6. The electrode for mass spectral analysis according to claim 1, in which the stepped wall with two or more steps of the electrode is made whole.

7. The electrode for mass spectral analysis according to claim 1, in which the electrode is formed by combining the individual steps, which were respectively manufactured.

8. The electrode for mass spectral analysis according to claim 1, in which the side of each step of the electrode with step sections has the form of a step surface with right angles, or a cylindrical surface, or a hyperbolic surface, or an oval surface.

9. The electrode for mass spectral analysis but according to claim 1, in which each step of the electrode cross sections has a rectangular shape.

10. A multipole electrode system for mass spectral analysis, containing one or more pairs of columnar electrodes and an electrical power source connected to the electrodes, said columnar electrodes being peripherally composed to each other, forming a straight columnar shape with a central axis Z parallel to the electrode generatrix, characterized in that at least one side of the cross sections of at least one pair of electrodes has a stepped shape with two or more steps.

11. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which at least one side of the cross-sections of all the electrodes of the multipole electrode system has a step shape with two or more steps.

12. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which both sides of the cross sections of the stepped electrodes are stepped in shape with two or more steps.

13. A multipole electrode system for mass spectral analysis according to claim 10, or 11, or 12, in which the step widths of said electrodes with a step-shaped side decrease stepwise from the outside to the inside.

14. The multipole electrode system for mass spectral analysis according to claim 10, in which the shapes of the two sides of the cross-sectional sections of columnar electrodes are made symmetric or asymmetric.

15. Multipole electrode system for mass spectral analysis according to item 12, in which the two sides of the cross sections of columnar electrodes have the same number of steps.

16. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which the stepped wall with two or more steps of the electrodes is made whole.

17. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which step electrodes are formed by combining individual steps, which were respectively manufactured.

18. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which the side of each step of the step electrodes has the form of a step surface with right angles, or a cylindrical surface, or a hyperbolic surface, or an oval surface.

19. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which each step of the cross sections of the stepped electrodes has a rectangular shape.

20. The multipole electrode system for mass spectral analysis according to claim 10, wherein the multipole electrode system has two pairs of electrodes to form a quadrupole electrode system.

21. The multipole electrode system for mass spectral analysis according to claim 10, wherein the multipole electrode system has three pairs of electrodes to form a hexapole electrode system.

22. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, wherein the multipole electrode system has four pairs of electrodes to form an octupole electrode system.

23. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which the electrodes are fixed on the same circle with a center on the Z axis, and the circular angles between them are equal to each other.

24. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which the power source provides a DC signal or RF signal, or a combination thereof.

25. The multipole electrode system for mass spectral analysis of claim 10, in which a mixed field composed of multipole fields with certain constituent components can be obtained by a multipole electrode system by varying for a multipole electrode system the number of steps of the electrode cross-sections and the shape parameters of each step .

26. A multipole electrode system for mass spectral analysis according A.25, in which the mixed field contains a quadrupole field and an octupole field.

27. An ion trap for mass spectral analysis, comprising a quadrupole electrode system with two pairs of columnar electrodes;
end electrodes located at the two ends of the quadrupole electrode system;
RF signal creating an ion-exciting electric RF field; and
DC signal creating an ion-trapping axial potential well,
characterized in that at least one side of the cross sections of at least one pair of columnar electrodes has a stepped shape with two or more steps.

28. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which the end electrodes are flat plate electrodes.

29. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which the end electrodes are made up of a quadrupole electrode system with two pairs of columnar electrodes, and at least one side of the cross sections of at least one pair of columnar electrodes has a step shape with two or more steps.

30. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which the end electrode is formed by combining a quadrupole electrode system with two pairs of columnar electrodes and a flat plate electrode located at the end of the quadrupole electrode system, at least one side of the sections at least one pair of columnar electrodes has a stepped shape with two or more steps.

31. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which at least one side of each section of two pairs of columnar electrodes has a step shape with two or more steps.

32. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which both sides of each section of columnar electrodes have a step shape with two or more steps.

33. The ion trap for mass spectral analysis according to any one of paragraphs.27-32, in which the widths of the steps of columnar electrodes with a step-shaped side are reduced stepwise from the outside to the inside.

34. The ion trap for mass spectral analysis according to claim 27, in which the shapes of the two sides of the cross-section of the stepped electrodes are symmetric or asymmetric.

35. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which the two sides of the cross sections of columnar electrodes have the same number of steps.

36. The ion trap for mass spectral analysis according to clause 27, in which the stepped wall with two or more steps of the electrodes is made whole.

37. The ion trap for mass spectral analysis according to claim 27, wherein the columnar electrodes are formed by combining individual steps that have been fabricated accordingly.

38. The ion trap for mass spectral analysis according to claim 27, wherein the side of each step of the columnar electrodes has the shape of a step surface with right angles, or a cylindrical surface, or a hyperbolic surface, or an oval surface.

39. The ion trap for mass spectral analysis according to clause 27, in which each step of the cross section of columnar electrodes has a rectangular shape.

40. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which at least one of the column-shaped electrodes or end electrodes is provided with slots or small holes for introducing or removing ions.

41. The ion trap for mass spectral analysis according to claim 27, in which a mixed field consisting of multipole fields with certain constituent components can be obtained by an ion trap by varying the number of steps of the cross section of columnar electrodes and the shape parameters of each step.

42. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, in which the mixed field contains a quadrupole field and an octupole field.

43. The ion trap for mass spectral analysis according to item 27, and for obtaining a multistage ion processing system for conducting analytical experiments MS ⁿ many of these ion traps are arranged in series.