Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние и проблемы масс спектрометрии с использованием ионных ловушек 12
І.І.ПОт электрона к Ловушкам Пауля 12
1.2. Особенности устройства и принцип работы ловушки Пауля 14
1.2.1. Режим “Селективного накопления" ионов 17
1.2.2. Режим “масс-селективной нестабильности" ионов 18
1.2.3. Масс-селективный резонансный вывод 21
1.2.4. Недостатки ловушки Пауля и дальнейшая эволюция 24
1.4. Линейные ловушки/ 25
1.5. Линейные ловушки с упрощенной геометрией электродов 27
1.6. Эффекты провисания поля вблизи выходных отверстий 29
1.7. Линейная ловушка Т-Тгар с треугольными электродами 33
1.8. Методология и план исследований 34
2. Анализ поля и оптимальная геометрии ловушки для питания прямоугольными импульсами 37
2.1. Вводные замечания 37
2.2. Свойства двумерного поля и метод анализа поля Т-Тгар 37
2.3. Расчет полей треугольной ловушки с помощью SIMION 39
2.4. Результаты анализа мультипольных компонент поля Ttrap 43
2.5. Краткая характеристика приложения AXSIM 46
2.6. Оптимизация геометрии электродов для режима резонансного сканирования ионов 48
2.7. Оперирование ловушки при высоком напряжении и меньшей скорости сканирования 52
2.8. Выводы по 2й главе 55
3. Исследование линейной ионной ловушки t-trap в режиме гармонического питания 57
3.1. План работы 57
3.2 Зависимость разрешающей способности от массы ионов Mi [Да] 58
3.3 Зависимость разрешающей способности от скорости сканирования [Th/s] 65
3.4 Зависимость разрешающей способности от давления буферного газа при различных скоростях сканирования в пределах от 300 до 6000 Th/s 68
3.4.1 Результаты значений разрешающей способности при различных давления буферного газа при скорости сканирования 6000Th/s 69
3.4.2 Результаты значений разрешающей способности при различных давления буферного газа при скорости сканирования 1200Th/s 70
3.4.3 Результаты значений разрешающей способности при различных давления буферного газа при скорости сканирования 300Th/s 71
3.4.4 Обсуждение результатов по давлению буферного газа 72
3.5 Исследование зависимости разрешающей способности спектра R от основных параметров геометрии ловушки – ширины щели d и угла сходимости электродов с последующей оптимизацией 73
3.5.1 Результаты моделирований 74
3.5.2 Анализ результатов проведенных моделирований 82
3.6 Исследование зависимости разрешающей способности спектра R от частоты возбуждения и оптимизация резонансного вывода ионов при других частотах возбуждения 86
3.6.1 Методика расчета напряжения ВЧ для резонансного вывода 88
3.6.2 Результаты исследования зависимости R, достигаемой в T-Trap
при других частотах возбуждения AC 90
3.7 Выводы по 3-ей Главе 95
4. Исследование краевых эффектов в t-trap и построение прототипа 97
4.1. Влияние переходных полей. Трехмерная ловушка T-Trap 97
4.2 Интерес со стороны китайских коллег 103
4.3 Устройство установки 104
4.3.1. Электроды 104
4.3.2. Устройство экспериментальной установки 106
4.3.3. Параметры сигнала 107
4.4. Экспериментально полученные результаты 108
4.5. Выводы по 4-ой Главе 110
Заключение 112
Список использованных источников
- Режим “Селективного накопления" ионов
- Свойства двумерного поля и метод анализа поля Т-Тгар
- Зависимость разрешающей способности от давления буферного газа при различных скоростях сканирования в пределах от 300 до 6000 Th/s
- Устройство экспериментальной установки
Режим “Селективного накопления" ионов
1-я Глава данной диссертационной работы содержит краткий экскурс в историю ионных ловушек с высокочастотным питанием, описание основных достижений технологии ловушек и ее наиболее существенных ограничений. Тем самым будут сформулированы проблемы, которые привели к необходимости разработки исследуемой в данной работе линейной ловушки с треугольными электродами Trap, а также будут намечены основные этапы работы и разработана методология исследования.
Масс-спектрометрия, как раздел физики исследования вещества, охватывает собой диапазон чуть более ста лет, за которые, на ноги поднялась новая дисциплина. Путь был долог и тернист, и, в определенной степени, все современные приборы, детектирующие заряженные частицы, используют прочный фундамент, заложенный сэром Дж.Томсоном (номинант Нобелевской премии 1906г.), который, на рубеже XIX-XX веков стоял у истока научно-технической революции, начавшейся с открытия им электрона в 1897 [10]. За прошедшие годы развилась новая технология, которая решает поистине фантастические задачи по точности определения массы частиц и по чувствительности и дает человечеству огромные возможности в исследовании, как неорганической природы, так и молекул биологического происхождения, позволяя проникать в секреты самой основы жизни на Земле.
Приборы масс спектрометрии разнообразны по принципу действия, по сложности устройства и по своим аналитическим характеристикам, но не будет ошибкой сказать большинство из них так или иначе используют в своем составе или основаны на устройствах использующих удержание заряженных частиц с помощью высокочастотных (ВЧ) полей. Это, прежде всего, ионные гиды (проводники) различных конструкций используемые для транспортировки ионного потока от внешних источников ионизации в область, где происходит анализ. Как правило, такие гиды работают при давлении газа в несколько единиц или десятков мили торр и позволяют значительно уменьшить первоначальный разброс энергий пучка, тем самым подготавливая его к последующему анализу.
Масс спектрометры, основанные полностью на ВЧ удержании и селекции заряженных частиц это квадруполь и ионные ловушки. Ключевым моментом в их открытии стало событие, что в середине 1950-ых годов немецкий физик Вольфганг Пауль разработал и представил научному обществу новый квадрупольный масс-анализатор [11], являющийся в те дни революционной разработкой, которая имеет возможность разделять ионы с помощью осциллирующего электрического поля ВЧ. В конечном итоге, по прошествии более 30 лет, за свою исследовательскую деятельность и вклад в науку, В. Пауль был заслуженно номинирован на Нобелевскую премию по физике в 1989г [12].
Если квадруполь практически сразу нашел массу коммерческих приложений (в свое время это привело к вытеснению таких дорогостоящих и массивных приборов как магнитные масс спектрометры), то ионная ловушка долгое время оставалась больше игрушкой для физических лабораторий. Долгое время ловушки использовались в режиме селективного накопления ионов. Данный режим не очень практичен при использовании в качестве масс спектрометра, так как для получения каждой точки спектра приходится повторять цикл накопления ионов, что значительно замедляет анализ и снижает чувствительность. Коммерческие приложения ловушки ведут свое начало с открытия Джоджем Стаффордом в начале 80-х метода масс селективной нестабильности [13].
Забегая на годы вперед, стоит сказать, что инновационная разработка Пауля подтолкнула дальнейший технический прогресс. Сегодня, более чем 60 лет спустя, принципы применения высокочастотных квадрупольных полей, квадруполи и ионные ловушки являются наиболее распространенными масс-анализаторами в мире. 1.2. Особенности устройства и принцип работы ловушки Пауля
Система электродов, предложенная в разработке В.Пауля, основана на полях с квадратичной зависимостью потенциала поля от местоположения (так называемые квадрупольные поля). Такие поля обладают тем замечательным свойством, что сила, воздействующая на заряженную частицу прямо пропорциональна смещению частицы от центра поля. В результате, уравнения движения частиц являются линейными и свойства устойчивости движения зависят от заряда и массы частиц, но не зависят от начального местоположения и энергии частиц. Для реализации трехмерной ионной ловушки В.Пауль предложил устройство, состоящее из одного кольцевого электрода и двух чашечных электродов, имеющих гиперболический внутренний профиль. При подаче питания на электроды ловушки в ее объеме образуется трехмерное квадрупольное поле, потенциал которого которое задается уравнением:
Свойства двумерного поля и метод анализа поля Т-Тгар
Также, стоит упомянуть и о другом применении резонансного воздействия, а именно - стимулирование фрагментации ионов. В том случае, когда для вывода ионов на детектор недостаточно амплитуды резонансного воздействия, ионы данной популяции будут совершать колебания со сравнительно большой амплитудой, но все равно будут оставаться в пределах ловушки. Из-за наличия буферного газа, эти ионы будут испытывать столкновения с нейтральными атомами, и в результате которых часть кинетической энергии перейдет во внутренние степени свободы этих ионов и в итоге это приведет к фрагментации ионов. Этот процесс носит название «столкновительно индуцированной фрагментации» (Collisionally Induced Dissociation, или CID) [21]. В результате подобных процессов, можно исследовать не только основной спектр первичных ионов вещества, но и получить спектр фрагментов этих ионов. То есть реализовать 2-стадийный масс анализ (MS/MS) [22].
Для реализации режима MS/MS, необходимо также организовать процесс, называемый «селекцией родительских ионов» (Precursor Ion Selection), который также реализуется с помощью резонансных воздействий. Суть этого процесса – в удалении из объема удержания перед фрагментацией всех первичных ионов других масс, оставив только родительские ионы, представляющие интерес. Этот процесс также реализуется с помощью резонансных воздействий, при этом создается сигнал сложной формы, имеющий спектр с почти одинаковой мощностью во всем частотам в исследуемом диапазоне, за исключением небольшого “окна” вблизи некоторой частоты. Такие сигналы носят название Stored Waveform Inverse Fourier Transform (SWIFT) [23], или Notched Waveforms.
При воздействии таким сигналом на захваченные ионы в объеме удержания в конечном итоге остаются только те ионы, секулярная частота которых попадает в “спектральное окно” сигнала, а все другие ионы, чья секулярная частота покрывается диапазоном сложного SWIFT-сигнала, оказываются выброшенными на электроды.
Таким образом, мы видим, что управление движением ионов захваченных в ВЧ ловушках базируется на использовании резонансных воздействий, что предполагает высокую степень гармоничности колебаний ионов возможную только в квадрупольных полях. В то же время все коммерческие ловушки, как уже указывалось, содержат намеренно внесенные отклонения формы электродов от теоретических гиперболоидов. Этот, на первый взгляд парадоксальный факт, будет пояснен позднее в этой работе.
Важнейшим недостатком трехмерных ловушек, с которым приходилось долгое время мириться, является их сравнительно низкая зарядовая емкость. Из-за эффектов объемного заряда качественный спектр масс в трехмерной ловушке можно получить, только в случае нахождения не более тысячи ионов в объеме удержания [2]. В противном случае становятся заметными сдвиги масс из-за объемного заряда ионов и потеря разрешающей способности.
Это, так называемый, «спектральный предел» объемного заряда ловушки. Существует, также, аналогичный предел для массовой точности изоляции родительских ионов («предел ОЗ по изоляции»), который в несколько раз выше «спектрального предела», так как требуемая точность селекции значительно ниже, чем при развертке спектра. Для фрагментации родительских ионов необходима лишь приблизительное попадание в резонанс, поэтому «предел ОЗ по фрагментации» как минимум еще на порядок выше. В конце концов, есть еще «предел ОЗ по удержанию», который показывает количество ионов которое может быть вообще накоплено в ловушке с учетом объемного заряда ионов. Последний составляет более 106 ионов, однако качественная работа ловушки возможна только в случае, если изначально в объеме ловушки захвачено не более 10000 ионов. При превышении этих величин нормальная работа ловушки нарушается так как объемный заряд ионов приводит к мало предсказуемым сдвигам собственной частоты ионов.
Для контроля количества напускаемых ионов подобного процесса был разработан метод “автоматического контроля наполнения” (Autmatic Gain Control, или AGC) [24]. В этом методе ловушка наполняется ионами в течение некоторого короткого промежутка времени, а затем производится высокоскоростное сканирование спектра. На данном этапе разрешение спектра не столь важно, так как полученный спектр используется исключительно для оценки интенсивности потока ионов поступающих в ловушку. Далее, на основе полученных результатов производится подстройка время наполнения ловушки таким образом, чтобы избежать переполнения ловушки и всех сопутствующих проблем объемного заряда.
Проблема объемного заряда для трехмерных ловушек оказалась столь существенна, что технологическим решением этого было не усовершенствование существующих устройств, в стимулирование фирмы на разработку новых видов ловушек.
Наиболее очевидным шагом в решении проблемы объемного заряда является увеличение доступного объема, в котором удерживается облако ионов путем удлинения облака вдоль одной из осей. Такую возможность представляет электродная система линейного квадруполя или Линейных Ионных Ловушек (Linear Ion Tap, или LIT). Конструкция этих ловушек основана на использовании стержней с гиперболическим профилем, подобным электродам квадруполя (см. Рисунок 1.3). Здесь ионы удерживаются в радиальном направлении переменными ВЧ полями, а захват и удержание облака в направлении оси стержней можно обеспечить постоянными полями, возникающими при приложении постоянных потенциалов к ограничивающим диафрагмам или к сегментам квадруполя. В результате ионы образуют сигарообразное облако вдоль оси ловушки. Изготовление таких ловушек намного сложнее, по сравнению с трехмерными. Однако, в противоположность трехмерным ловушкам, в которых облако ионов собирается в центре объема удержания в эллипсоид вращения размером около 1мм, в линейных ловушках облако ионов является растянутым вдоль оси ловушки и может быть куда более 20мм в длину. В результате этого, эффекты объемного заряда проявляются в 20 раз слабее, чем в трехмерных ловушках. В остальном, все технологии, разработанные для трехмерных ловушек, могут быть применены также и для линейных ловушек, хотя, разумеется, блоки питания линейных ловушек значительно сложнее.
Зависимость разрешающей способности от давления буферного газа при различных скоростях сканирования в пределах от 300 до 6000 Th/s
Аналогичная оптимизация амплитуды АС возбуждения была проделана для моделей ловушек с другими значениями угла электродов. Результаты измерения наивысшей разрешающей способности показаны на рисунке 6. Можно видеть, что зависимость максимальной разрешающей способности от угла электрода имеет пороговый характер со стороны больших углов. Для улов а Ы00 разрешение резко уменьшается. Со стороны меньших углов, зависимость пологая. Внизу рисунка 2.8 приведены значения амплитуд нелинейных искажений поля для некоторых из геометрий. Можно видеть, что разрешение ловушки в основном регулируется значением нелинейной компоненты A , которая для оптимальной геометрии составляет около 0.5%. Для меньших значений угла эта величина остается положительной и возрастает. Для этих углов разрешение хоть и меньше оптимального, но все же высокое. При больших углах A слишком мало или отрицательно. В этом случае высокое разрешение невозможно. Из этого следует, что для получения высокого разрешения необходимо наличие небольших положительных нелинейных Зависимость оптимального угла электродов Trap от ширины щелей для ловушки с вписанным радиусом 5мм. Область где разрешение остается в пределах 50% от максимальной показана пунктирной линией
Оптимальный угол электродов существенно зависит от ширины выводных щелей. Модели с разным углом электродов были подготовлены для различной ширины щелей начиная от 1.2мм до 0мм. Зависимость разрешающей способности от угла электродов в каждом случае имеет вид подобный рисунку 2.8, но с разной величиной оптимального угла и наивысшей разрешающей способностью. Результаты оптимизации геометрии ловушек с разной шириной щелей представлены на рисунке 2.9. Случай 0мм, когда щели отсутствуют тоже имеет практический смысл. В этом случае, хотя ионы и не выводятся за пределы ловушки на детектор, устройство может использоваться как накопитель ионов с возможностью высокоточной изоляции родительских ионов путем отбрасывания ненужных ионов на электроды. При увеличении ширины щелей оптимальный угол уменьшается, что свидетельствует о том, что для преодоления возрастающих искажений поля из-за щелей требуется все большая кривизна электродов. Оптимальные значения углов лежат в пределах от 1300 до 1500.
В результате этих исследований было обнаружено, что оптимальной геометрией ловушки с треугольными электродами, дающей наилучшее разрешение, является ловушка с шириной щелей 0.8мм, при угле электродов а = 1400. Заметим, что конкретные значения вписанного радиуса и ширины щелей не важны, так как форма поля и состав нелинейных искажений не меняется при пропорциональном изменении геометрии электродов. Так в исследованном случае ловушки с r =5mm оптимальная ширина щелей 0.8мм соответствует 16% от вписанного радиуса. То же соотношение будет справедливо для ловушек с другим значением вписанного радиуса. Оперирование ловушки при высоком напряжении и меньшей скорости сканирования. Интересным вопросом является зависимость параметров ловушки от амплитуды ВЧ поля. Для анализа этого вопроса в модели с той же самой оптимальной геометрией амплитуда импульсов ВЧ питания была увеличена с + 500F до +2000К. При современной технологии высоковольтных ключей, достижение столь высокой амплитуды прямоугольных импульсов весьма затруднительно. Однако исследование работы ловушки с более высокими напряжениями импульсного ВЧ питания позволяет оценить ее предельные возможности, а также пролить свет на возможные параметры ловушки при использовании вместо импульсного обычного гармонического питания, где такие напряжения легко достижимы.
При увеличении амплитуды импульсов ВЧ питания в 4 раза, для вывода ионов той же массы в точке вывода q . =2/3 требуется вдвое большая частота питания. Вместе с этим при сохранении параметров сканирования Т = 50ps и N = 20 скорость сканирования возрастает в 4 раза (см. уравнение 3). Моделирование показало, что оптимальное значение амплитуды АС импульсов в этом случае тоже примерно в 4 раза больше - 2.2В, а соответствующая разрешающая способность составляет І? = 5208, то есть почти такая же как в предыдущих моделированиях. Это объясняется двумя факторами. Во-первых, выход ионов из ловушки в процессе сканирования занимает некоторое практически фиксированное количество периодов ВЧ (обычно несколько десятков периодов). Следовательно, при вдвое большей частоте время выхода и ширина массового пика будет примерно вдвое короче. Во-вторых, облако ионов при более высоком ВЧ напряжении является более компактным [44] и, поэтому, выход ионов из ловушки занимает меньшее время. В результате действия этих двух факторов, разрешающая способность Т-Тгар с напряжением питания 2000В при скорости сканирования 600077?/s оказывается лишь немного меньше чем при скорости сканирования 1500Th/s и напряжении питания 500В.
Устройство экспериментальной установки
Сейчас в наших моделированиях мы используем рабочую частоту 400КГц, что составляет ровно треть частоты ВЧ. Это довольно специальная частота, которую мы выбрали, ориентируясь на фирму Bruker, которая ее использует в большинстве приборов аналогичной “весовой категории”. При такой частоте АС и ВЧ находятся в фазовом согласии. Продукция фирмы Thermo использует более высокие частоты АС, и фазового синхронизма между параметрами АС и ВЧ нет. Поэтому в нашей работе одной из целей будет исследование того, насколько такой синхронизм важен для получения высокого разрешения.
При достижении достаточно высокого напряжения ВЧ, движение ионов в пространстве ловушки становится весьма нестабильным. Это происходит именно в тот момент, когда безразмерный параметр q становится больше чем 0.9081.
Первые ловушки со сканированием именно так и работали, но позднее выяснилось, что резонансный вывод даёт значительно более высокое разрешение и более стабильные результаты. Резонансный выход происходит, когда частота колебаний ионов попадает в резонанс с АС-возбуждением.
При таких моделированиях, главное, не проскочить точку резонанса по мере приближения к границе зоны стабильности, где выходят ионы. При этом абсолютно неважно, какова частота АС, и мы все равно наблюдаем выход ионов примерно при одном и том же напряжении ВЧ (для ионов той массы, что мы используем в модели).
Во всех предыдущих исследованиях, частота возбуждения для моделируемых ионных ловушек у нас была 1/3 от ВЧ. Эта величина была выбрана относительно реально существующих аналогов коммерческой продукции аналогичного класса, поэтому определенный научный интерес представляет исследование других частот.
Во-первых, насколько известно, определенные результаты вполне можно получить на частотах 1/4 и 1/6 от ВЧ, что являются тоже некими “особыми” ситуациями, обусловливающими их использование в производстве приборов коммерческого использования от именитых фирм. Далее можно попробовать и совсем несоразмерные частоты возбуждений в этих промежутках. Тем самым мы покроем весь диапазон возможных частот от 0 до максимальной 1/2 от ВЧ пусть и всего по нескольким точкам.
Определенным успехом, в рамках данной работы, было бы обнаружить и понять, какие есть особенности в работе линейной ионной ловушки Trap с треугольными электродами при этих различных значениях частот возбуждения АС.
Процесс подготовки моделей ловушек начинается с математического расчёта напряжения ВЧ, при котором достигается граница стабильности 0.9081 (путем расчета параметра q для наших ионов и параметров модели), а также проверки, в какой момент времени при параметрах нашей модели “по умолчанию” это напряжение будет достигнуто.
Затем, необходимо рассчитать значение безразмерного параметра q, при котором наступит резонанс на одной из выше определенных частот, например, 1/4 от частоты ВЧ, и по нему определить соответствующее напряжение ВЧ. Далее, необходимо добиться, чтобы резонанс ионов наступал непосредственно при этом напряжении. Только после этого можно приступать к каким-либо оптимизациям АС напряжения.
Радиус ловушки 5мм и для ионов массой 1891Да граничное значение 0.9081 будет получаться при значении напряжения 6323В. Это значение напряжения соответствует границе стабильности, когда ионы уже не могут удерживаться ВЧ полем в ловушке. При меньших значениях напряжения ионы удерживаются и совершают сложные колебания, однако они будут иметь некую основную частоту колебаний.
Практический смысл резонансного вывода ионов и заключается в резонансном возбуждении этих колебаний подачей дополнительного сигнала АС. Поэтому необходимо узнать, при каком значении напряжения основная частота ионов становится равной частоте возбуждения для работы системы, как того требуется. Основная (секулярная) частота колебаний ионов зависит от параметра – параметра стабильности. (D = — (3.4) где Q - основная частота ВЧ, а со - секулярная частота колебания ионов. Из данного соотношения видно, что для резонанса на частоте 1/3 от ВЧ параметр /? должен быть равен 2/3. Этот параметр стабильности Д, в свою очередь, зависит от параметра q. Основное соотношение /? и q выражается уравнением:
После вычислений получаем, что значение fi=2/3 достигается при q=0.784. Для ионов массой 1891 Да по формуле (3.3) это наступает при напряжении RF=5461B.
Если посмотреть на нашу модель в AXSIM е для этого случая, то можно заметить, что напряжение RF там начинается со значения 5200В, и при сканировании со скоростью 20мВ/мкс нужное нам напряжение 5461В достигается спустя 13мс.
Однако в нашей модели состояние резонанса с последующим резонансным выходом ионов наступает несколько позже, а именно - спустя 20мс. Это вполне объяснимо и ожидаемо, так как эффективный радиус ловушки отличается от заявленного значения г0=5мм.
Касательно резонанса на определенной доле от ВЧ - для того же значения частоты возбуждения на 1/4 от опорной частоты, резонанс наступает при fi=l/2. Это будет при q=0.639 или при напряжении RF=4452B. Для того чтобы исследовать этот случай, при моделировании необходимо брать напряжение немного меньше значения в 4452В, например, около 4200В и пытаться увидеть резонанс при сканировании напряжения вверх.
Таким образом, были рассчитаны и созданы модели ловушек Т-Тгар, в которых проводились моделирования движения ионов с последующей оптимизацией параметров напряжения для достижения удовлетворительных результатов разрешающей способности для данной геометрии при вышеперечисленных частотах возбуждения.
Результаты исследования зависимости разрешающей способности, достигаемой в Trap при других частотах возбуждения AC
Как было сказано выше, для каждой модели ловушки мы рассчитали параметры Д, q и Урезонанса, что указано в соответствующих столбиках в таблице ниже. Стоит заметить, что система электродов с частотой возбуждения 1/2 от ВЧ оказалась непригодной для моделирования, так как для ее рабочей частоты 0,6МГц для параметра стабильности р=1 значение q=0,9487, что значительно превышает значение параметра q на границе стабильности. Поэтому было решено исключить данную модель из исследования.
Значения основных параметров расчета условий резонансного возбуждения ионов массой 1891Да в системе треугольных электродов Trap при различных значениях рабочей частоты в долях от основной амплитуды ВЧ
