Ионные ловушки в динамической масс-спектрометрии

Никитина, Дарья Владимировна

Ионные ловушки в динамической масс-спектрометрии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Никитина, Дарья Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Ионные ловушки в динамической масс-спектрометрии»

Автореферат диссертации на тему "Ионные ловушки в динамической масс-спектрометрии"

На правах рукописи

НИКИТИНА Дарья Владимировна

ИОННЫЕ ЛОВУШКИ В ДИНАМИЧЕСКОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ

Специальность: 01.04.04-ФИЗИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ - ПЕТЕРБУРГ 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Голиков Юрий Константинович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Санин Андрей Леонардович

кандидат физико-математических наук Флегонтова Екатерина Юрьевна

Ведущая организация: Институт Аналитического Приборостроения

РАН

Защита состоится «14» декабря 2006 года в 14 час. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212,229.01 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургекий государственный политехнический университет» по адресу 195251, С.Петербург, Политехническая ул., 29,2 учебный корпус, 470 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан « » ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.229.01, доктор технических наук

Короткое А.С.

Общая характеристика работы Актуальность темы. Нужды биоаналитической химии являются основной движущей силой новых разработок в масс-спеетрометрии в последнее время. Гекомика, протеомика, метаболомика, липидомика, разработка новых лекарственных средств, их клинические испытания и тому подобные работы требуют выполнения анализов чрезвычайно сложных многокомпонентных смесей, детектирования совершенно различных по структуре соединений, часто в предельно малых концентрациях. Эти задачи требуют применения приборов с лучшими характеристиками разрешения по массам, точности определения массы, динамического диапазона, возможностей тандемной масо-спектрометрии. Ввиду широты использования таких приборов они должны быть простыми в использовании, давать надежные и воспроизводимые результаты.

В июне 2005 года представлен серийный масс-спектрометр, использующий новый масс-анализатор - орбитальную ловушку ионов (orbitrap). Этот масс-анализатор разработан российским физиком Александром Макаровым, работающим в Thermo Electron в Бремене/Германия, на основе работ Голикова Ю.К.

Орбитальная ловушка ионов, или Orbitrap, не использует ни магнитных полей, как масс-спектрометр с двойной фокусировкой или ионно-циклотронного резонанса, ни радиочастот, как квадруполи или кеадрупольные ионные ловушки. Новый масс-анализатор базируется На электростатической аксиально-гармонической орбитальной ловушке ионов. Орбитальная ионная ловушка использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы. Попадающие в поле ионы начинают двигаться по стабильным циклическим траекториям вокруг центрального электрода и одновременно осциллировать вдоль оси центрального электрода (благодаря тому, что введенные перпендикулярно

центральной оси в ловушку ионы обладают потенциальной энергией вследствие отклонения точки ввода от точки симметрии ловушки). Хотя радиальная и угловая частоты также зависят от m/z иона, гармоническая осцилляция ионов вдоль оси г не зависит от этих частот. По аналогии с ионно-циклотронным резонансом ион детектируется по наведенному изображению тока на внешних электродах, частоты, соответствующие различным m/z, выделяются с помощью алгоритма Фурье-преобразования, а затем, конвертируются а масс-спектр.

Благодаря тому, что аксиальная осцилляция не зависит от энергии ионов и тому, что электрическое поле устанавливается с высокой точностью и стабильностью, может быть достигнуто высокое разрешение и масса может быть измерена с высокой точностью. Орбитальная ловушка также характеризуется большей емкостью ионов. Большая емкость пространственного заряда по сравнению с ионно-циклотронной и квадрулольной ловушками позволяет достигать большей точности измерения массы, более широкого динамического диапазона и диапазона отношений величин массы к заряду.

Не смотря на прорыв с помощью Фурье-анализатора, большей чувствительностью и большим диапазоном масс обладают анализаторы с времяпролетным принципом разделения, их развитию и посвящена данная работа.

Цель работы. Общей целью настоящей работы являются теоретические исследования и моделирование полей с аддитивной квадратичной составляющей с точки зрения создания ионной ловушки, как базы для многопериодных времялролетных масс-спектрометров. А так же исследуется современный тип источника - квадрупольная охлаждающая ловушка, которая может служить для реализации эффективных многопериодных времялролетных анализаторов.

Для этого необходимо решение следующих задач:

- математический анализ полевых структур;

- графическая визуализация эквипотенциальных портретов выбранных полей;

- моделирование процессов, происходящих в ловушке.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведены подробные исследования полей с квадратичной аддитивной составляющей, которые показали возможность реализации на практике с их помощью финитные устойчивые движения ионных пакетов, то есть возможность создание ионной ловушки, обладающей свойством идеальной пространственно-временной фокусировки.

2. Проведенное моделирование квадрупольной охлаждающей ловушки показало перспективность ее дальнейшего применения как источника для многопериодного масс-спектрометра.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Предложена принципиально новая ионно-опгтическая схема времяпролетного масс-спектрометра с идеальной пространственно-временной фокусировкой.

2. Построено многообразие полевых структур с разделением обобщенных переменных с квадратичной составляющей в потенциале.

3. Исследованы механизмы пространственного удержания ионных пакетов в полях с квадратичной составляющей в потенциале. Рассчитаны конкретные варианты полей с временной и пространственной фокусировкой.

4. Теоретически исследован механизм охлаждения ионов в буферном газе ионных ловушек, предложена новая конструкция с оптимальными параметрами.

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечена тем, что результаты получены в результате применения корректной математической в результате статистической обработки достаточно большого массива данных, а так же подтверждается согласием с результатами других работ, посвященных данной теме.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

7 Всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах», 20-21 июня 2003 года.

8 Всероссийский семинар по электронной и ионной оптике 25-27 мая 2005 года, «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 5 статей, 2 доклада и тезисов на конференциях.

1. Голиков Ю.К., Никитина Д.В., Уткин К.Г. Энергоанализатор "модифицированная арка" // материалы 7 Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах». - 20-21 июня 2003г. - С. 102-103.

2. Голиков Ю.К., Никитина Д.В., Соловьев К.В. Обратные задачи движения в теории электростатических ионных ловушек // материалы 7 Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах». - 20-21 июня 2003г. - С. 103-104.

3. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев К.В., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки // Прикладная физика. - 2006. - №5. - С. 50-57.

4. Веренчиков А.Н., Козлов Б.Н., Явор М.И., Труфанов А.С., Никитина Д.В. Газонаполненная линейная квадрупольная ловушка с аксиальным выбросом как источник для многоотражательного время пролетного масс-спектрометра // Научное приборостроение. — 2005. — т. 15. - № 2 -С. 95-111.

5. Явор М.И., Никитина Д.В., Веренчиков А.Н., Щербаков А.П., Козлов Б.Н. Расчет параметров ионного пучка, выходящего из газонаполненного радиочастотного квадруполя И Научное приборостроение - 2005. - т. 15 -ШЗ-С. 40-53.

6. Явор М.И., Никитина Д.В., Веренчиков АН., Козлов Б.Н. Ионно-оптические свойства импульсного источника ионов на основе линейной газонаполненной квадрупольной ловушки // Научное приборосторение -2005. - т. 15 - № 4 - С.

7. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев КВ., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки // тезисы 8 всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». - 25-27 мая 2005.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 165 страниц машинописного текста, в том числе 2х таблиц и 61 рисунка. Список литературы содержит 19 наименований.

Практическая значимость результатов.

Практическая значимость результатов состоит в следующем:

1. Проведенное исследование позволяет дальнейшее развитие теории создания многопериодных масс-спектрометров с идеальной пространственно-временной фокусировкой.

2. Полученные результаты дают возможность конструирования новых приборов, превосходящих своими параметрами существующие.

3. Предложен и исследован вариант источника для многоотражательного масс-спектрометра.

Основное содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность задачи, рассмотренной в диссертации, сформулированы цели работы и выдвинуты защищаемые положения.

В первой главе рассмотрены основные принципы времяпролетной масс-слектрометрии, развитие и совершенствование приборов вплоть до современного состояния. Отдельный параграф посвящен безразмерным параметрам, с помощью которых облегчается исследование и повышается наглядность результатов.

Приводится частный пример работающего прибора, который можно назвать предвестником нового поколения масс-спектрометрических приборов.

Ставятся цели и задачи исследования.

Вторая глава посвящена подробному рассмотрению формулы разрешающей способности, из которой в конечном итоге можно сделать выводы о том, какие цели мы должны преследовать при выборе потенциальной функции (р{х,у,г).

Так же развивается новая теоретическая концепция синтеза оптимальных электрических полевых структур для времяпролетного масс-анализа. Описывается эффект идеальной пространственно-временной фокусировки ионных пакетов в полях с аддитивной

квадратичной составляющей потенциала, зависящей от одной из декартовых координат (1).

<р=/(х,у)+аг2 (1)

Можно сказать, что квадратичная часть потенциальной энергии воплощает собой идею идеального масс-рефлектрона с полной компенсацией энергетического разброса в ионном пакете. Если бы реальный пакет имел вид таблетки толщиной б вдоль оси г и проекцию на плоскость ху в виде небольшого пятно, то с течением времени это пятно расплывется и займет кольцевую область достаточно больших размеров, если только силы электрического поля не помешают этой деформации пакета. Мы должны выработать правила выбора потенциала /(х,у), гарантирующие нужную структуру сип, при которой пакет удерживается в заданных нами размерах.

На базе гамильтоновых динамических систем строится наиболее общий класс лапласовых потенциалов таких попей, допускающих точное интегрирование уравнений движения в замкнутой аналитической форме. Анализируются свойства ансамблей траекторий в системах с разделяющимися переменными, полезные при синтезе новых конструкций аремяпролетных масс-спектрометров. Найденное многообразие лапласовых потенциалов редуцируется к каноническому виду с минимальным числом структурных параметров, управляющих геометрией полей и спецификой движения ионов в них, и строится атлас эквипотенциальных портретов. Обсуждаются перспективы применения данного класса полевых структур в масс-анализе и электронной спектроскопии.

Третья глава посвящена системам удержания с плоскостью симметрии. На базе метода Гамильтона-Якоби и метода раздел комплексного переменного удалось построить наиболее полный класс систем, допускающих полное и частичное интегрирование в квадратурах

и элементарных функциях уравнений движения заряженных и дилольных частиц.

«2,

аг> 2

Воспользовавшись формулой (2) предложен наиболее физичный эвристический метод поиска полей с идеальной фокусировкой.

Структуры, полученные таким образом, заслуживают дельнейшего более детального исследования, и поскольку все они содержат квадратичную аддитивную составляющую, могут быть базой для создания перспективных приборов масс-анализа.

В четвертой главе проводится исследование ионной ловушки, основанной на теории предложенной в предыдущих главах. Представлено как аналитическое описание попей на основе линейных зарядов и гиперболоидов:

<р = 1п1х2+(уЩ2\х2+(у-Ь)2}-с^^-г^) (3)

9 = 1п1(х+а)2+(у+Ь)21(х+а)2+(у-Ь)21+ +1п1(х-а)2+(у-Ь)21(х-а)2+(у+Ь)2)Ус(^^~1^ <5>

<р=1п|(х+я)2 +(у+Щ2 \(х+а)2 +(у-Ь)21+

так и графическая визуализация эквипотенциальных портретов (рис. 1-3).

рис. 1. Эквипотенциальный портрет

потенциала

^=1п|х2+(у+Ь)21х2+(у-Ь)2)\-2

Ь=1.0, с=0,5.

рис.2. Эквипотенциальный портрет

потенциала

<р=1п1(х+а)2+(У+Ь)21(х+а)2+(у-Ь)21+

+1п1(х-а)2+(у-Ь)2\(х-а)2+(у+Ь)21-2 . 2

при а=1.0, Ъ=1.0, с=1.0.

рис.3. Эквипотенциальный портрет

потенциала

<р=\п1(х+а)2+(уЩ21(х+а)2+(у-Ь)2)\+ + 1п1(х-а)2+Ь>-Ь)21(х-а)Ч(у+Ь)2)У

Л . „2

Ь=0.5, с=1.0.

при а=3.0,

Анализ показал, что в полях существуют искомые режимы удержания ионов, причем в некоторых случаях объем удержания достаточно мал {рис. 4-5).

а'

рис. 4. Область удержания для

потенциала

9>=1п|х2+(у+6)2р+0'-&)2|-

2 2

Ь=1.0, с=1.0, уу=0.7, (9-45°.

при

рис. 5. Область удержания для

потенциала

<р = 1п1х2+(у+Ь)21х2+(у-Ь)2)\-

2,2 ПрИ

Ь=1.0, с=1.5,1*=0.7, 5=45°.

рис. 6. Область удержания для

потенциала

р=14(х+а)2+(уЩ21(х+а)2+(у-Ь)2)\+ +\п1(х-а)Ч(у-Ь)2Х(х-а)2+(у+Ь)2\-_(сх2+ф2 _г2)

при а=3.0, Ь=0.5, с=0.5, <1=1.5, ад=0.7, ¿»=45°.

Так же были проведены исследования времяпролетных свойств, которые показали, что можно выбрать режим, когда пучок ионов будет удерживаться в конечной области пространства достаточно долгое время с незначительным расплыванием пучка по энергиям.

Пятая глава посвящена исследования квадруггальных охлаждающих ловушек. Рассмотрены различные модификации

известного транспортного квадруполя, позволяющие использовать их как источник для многоотражательных масс-анализаторов. Подробно рассматриваются процессы, происходящие в ловушке - охлаждение, столкновения, удержание ионов в потенциальной яме, экстракция. Все результаты получены путем численного моделирования с помощью программы 81МЮМ 7.0. Построена новая программа для расчета столкновений, сечение столкновений и углы рассеяния определяются по модели твердых сфер с поправкой на поляризационное взаимодействие. Подобная программа была предложена и использована впервые в данной сфере.

В итоге можно сказать, что в аксиальной ловушке теоретически достижимы параметры ионного импульсного пучка, требуемые для высокоразрешающего многоотражательного времяпролетного масс-анализатора. Были оптимизированы параметры этой ловушки.

В заключении приводятся основные результаты работы.

Основные результаты и выводы.

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Предложена принципиально новая ионно-оптическая схема времяпролетного масс-спектрометра с идеальной пространственно-временной фокусировкой.

2. Построено многообразие попевых структур с разделением обобщенных переменных с квадратичной составляющей в потенциале.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Голиков Ю.К., Никитина Д.В., Уткин К.Г. Энергоанализатор "модифицированная арка" // Материалы 7 Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах». - СПб., 20-21 июня 2003г. - С. 102-103.

2. Голиков (O.K., Никитина Д.В., Соловьев К.В. Обратные задачи движения в теории электростатических ионных ловушек // Материалы 7 Всероссийской конференции по пробпемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах». -СПб.. 20-21 июня 2003г. - С.103-104.

3. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев К.В., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки // Прикладная физика. - М„ 2006.-№5. - С. 50-57.

4. Веренчиков А.Н., Козлов Б.Н., Явор М.И., Труфанов A.C., Никитина Д.В. Газонаполненная линейная квадрупольиая ловушка с аксиальным выбросом как источник для многоотражательного времяпролетного масс-спектрометра // Научное приборостроение.-СПб., 2005-Т. 15.-№2.-С.85-111.

5. Явор М.И., Никитина Д.В., Веренчиков А.Н., Щербаков А.П.,Козлов Б.Н. Расчет параметров ионного пучка, выходящего из газонаполненного радиочастотного квадруполя У/ Научное приборостроение.-СПб., 2005-Т. 15.-№2.-С.40-53.

6. Явор М.И., Никитина Д.В., Веренчиков А.Н., Козлов Б.Н. Ионно-оптические свойства импупьсного источника ионов на основе линейной газонаполненной квадрупольной ловушки // Научное приборосторение-2005.-т. 15-№4-С.

7. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев К.В., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки // Тезисы 8 всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». - М„ 25-27 мая 2005.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 03.11.2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л, 1,0. Тираж 100. Заказ 948Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. (95251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14 Тел./факс: 297-57-76

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Никитина, Дарья Владимировна

Введение.

1 ГЛАВА 1. Обзор вопроса.

1.1. Обзор литературы

1.1.1. Достоинства времяпролетных масс-спектрометров.

1.1.2. Принцип работы ВПМС.

1.1.3. Применение ионных зеркал во ВПМС.

1.1.4. Масс-рефлектрон.

1.1.5. «Квазикон», Orbitrap.

1.2. Постановка задачи.

1.3. Безразмерные модели.

ГЛАВА 2. Принципы работы ионных ловушек с потенциалом (p-f(x,y) + z2.

2.1. Формула разрешающей способности.

2.2. Одномерная динамика частиц.

2.3. Обратные задачи динамики (формулы обращения).

2.4. Идеальная фокусировка в квадратичном поле.

2.5. Одномерные ловушки с заданным порядком временной фокусировки.

2.6. Идеальная фокусировка (по z2) и общая схема многопериодного масс-спектрометра.

2.7. Принципы удержания поперечных потоков (по х,у).

2.8. Системы с разделенными переменными.

2.9. Ловушка с осевой симметрией (образование эффективных ям).

2.10. Систематизация вариантов ям из 2.8.

ГЛАВА 3. Системы удержания с плоскостью симметрии.

3.1. Обратные задачи для поперечного движения.

3.1.1 Полное разделение переменных в уравнении Гамильтона-Якоби для двумерных полей.

3.1.2 Решение обратных задач движения заряженных частиц при помощи уравнения Гамильтона-Якоби.

3.2. Одновременная фокусировка по Z и по XY.

ГЛАВА 4. Ионные ловушки с аддитивной квадратичной составляющей потенциала.

4.1. Аналитическое описание полей.

I 4.2. Поля суперпозиции линейных зарядов и гиперболоидов.

4.3. Ионная ловушка на базе полей линейных зарядов и гиперболоидов.

4.4. Времяпролетные характеристики в плоскости симметрии.

ГЛАВА 5. Охлаждающие квадрупольные ловушки.

5.1. Геометрия исследуемой системы.

5.2. Метод моделирования.

5.3. Удержание ионного пучка в ловушке.

5.4. Охлаждение ионов.

5.5. Экстракция ионов.

5.5.1. Зависимость от геометрии и режима работы ловушки.

5.5.2. Зависимость от давления. 155 * 5.5.3. Зависимость от степени охлаждения ионов.

5.5.4. Зависимость от количества ионов в ловушке.

Введение диссертация по физике, на тему "Ионные ловушки в динамической масс-спектрометрии"

Нужды биоаналитической химии являются основной движущей силой новых разработок в масс-спектрометрии в последнее время. Геномика, протеомика, метаболомика, липидомика, разработка новых лекарственных средств, их клинические испытания и тому подобные работы требуют выполнения анализов чрезвычайно сложных многокомпонентных смесей, детектирования совершенно различных по структуре соединений, часто в предельно малых концентрациях. Эти задачи требуют применения приборов с лучшими характеристиками разрешения по массам, точности определения массы, динамического диапазона, возможностей тандемной масс-спектрометрии. Ввиду широты использования таких приборов они должны быть простыми в использовании, давать надежные и воспроизводимые результаты.

Высокое разрешение и точное определение массы может быть достигнуто на масс-спектрометрах с двойной фокусировкой, ионно-циклотронного резонанса, времяпролетных анализаторах (TOF). Первые являются относительно медленными во временной шкале высокоэффективного разделения с помощью жидкостной хроматографии. Масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса идеальны для такого анализа, но проблемой с ними является высокая стоимость эксплуатации (жидкий гелий и азот для сверхпроводящего магнита) и маленький динамический диапазон внутри масс-спектра. Классические времяпролетные масс-спектрометры позволяют достигать хорошей точности измерения массы, но ограничены в использовании режимов многомерной масс-спектрометрии, а источники ассистируемой матрицей ионизации лазерной десорбцией не дают полипротонированных ионов, позволяющих измерять большие массы в малых диапазонах m/z, а с ростом m/z их разрешение катастрофически падает.

Электростатическая ловушка ионов может быть рассмотрена как продолжение идеи классического ВПМС. Здесь механизм удержания связан исключительно с геометрией электростатического поля, порождающего своеобразную потенциальную яму для ионов, подобно тому, как она образуется, например, для кеплерова движения вблизи точечного тяготеющего (кулоновского) центра. Прототипом таких многопериодичных колебательных и колебательно-вращательных систем является «Квазикон», он же «Удав», предложенный в свое время Ю.К. Голиковым [1, 2] сначала в качестве светосильного высокоразрешающего энергоанализатора, а затем многопериодного времяпролетного масс-спектрометра. В дальнейшем эта новая схема была реализована и блестяще развита А. Макаровым в конце 90-ых годов прошлого столетия. На основе «Квазикона» он разработал совершенно новый масс-анализатор, базирующийся на электростатической аксиально-гармонической орбитальной ловушке ионов. Орбитальная ионная ловушка, или Orbitrap, использует симметричное статическое электрическое поле между внешним и внутренним электродами специальной формы. Попадающие в поле ионы начинают двигаться по стабильным циклическим траекториям вокруг центрального электрода и одновременно осциллировать вдоль оси центрального электрода (благодаря тому, что введенные перпендикулярно центральной оси в ловушку ионы обладают потенциальной энергией вследствие отклонения точки ввода от точки симметрии ловушки). Хотя радиальная и угловая частоты также зависят от m/z иона, гармоническая осцилляция ионов вдоль оси z не зависит от этих величин. По аналогии с ионно-циклотронным резонансом ион детектируется по наведенному изображению тока на внешних электродах, а затем, конвертируется в масс-спектр с помощью алгоритма Фурье-преобразования. Благодаря тому, что аксиальная осцилляция не зависит от энергии ионов и тому, что электрическое поле устанавливается с высокой точностью и стабильностью, может быть достигнуто высокое разрешение и масса может быть измерена с высокой точностью. Орбитальная ловушка также характеризуется большей емкостью ионов. Большая емкость пространственного заряда по сравнению с ионно-циклотронной и квадрупольной ловушками позволяет достигать большей точности измерения массы, более широкого динамического диапазона и диапазона отношений величин массы к заряду.

Но «Квазикон» является всего лишь одним из представителей очень широкого класса полевых структур, обеспечивающих удержание ионов в статическом режиме электрического питания и на базе которых можно строить как чисто времяпролетные системы с большим временем пребывания ионных пакетов в компактной области пространства, так и фарвитроны и новые динамические ловушки нетрадиционного типа с большим фазовым объемом удержания. Этот класс потенциальных структур описывается потенциалами, которые имеют в своем составе аддитивную квадратичную по одной координате (z) составляющую.

Времяпролетные методы основаны на независимости траекторий ионов в электростатических полях от их массы. То есть ионы равных масс проходят по одним и тем же траекториям со скоростями, зависящими от массы, и в разное время достигают приемника, на котором и разворачивается во времени массовый спектр. Как и в любых методах измерения, связанных с конкретными приборами, борьба идет за повышение дисперсии, чувствительности и разрешения. В большинство ВПМС в качестве дисперсионного элемента используется дрейфовый промежуток, поэтому увеличение дисперсии ограничивается геометрическими размерами прибора.

Следующим направлением совершенствования ВПМС является повышение чувствительности. В [3] для этого используется фокусирующая оптика, а в [4] - режим с накоплением ионов. С помощью специального источника Стьюдеру удалось увеличить чувствительность в 300 раз. Однако часть накапливаемых в источнике ионов выходит оттуда раньше времени по статистическим законам и служит источником шума.

Известно, что разрешающая способность ВПМС растет с увеличением времени пролета ионов, поскольку при этом уменьшается относительный вклад в разрешающую способность временного разброса ионов в пакете, формируемом в ионном источнике. Увеличить время пролета можно, наращивая длину пролета иона от источника до детектора. Сохранение разумных физических габаритов прибора требует при этом многократного отражения ионных пакетов в системе электростатических зеркал.

Простейшие воплощенные на практике многоотражательные ВПМС [5] основаны на использовании классических сеточных зеркал, предложенных в свое время Мамыриным [6]. Хотя указанные ВПМС продемонстрировали определенные преимущества (разрешающая способность, достигнутая в них составляла 60 ООО после 6 отражений), классические зеркала все же, очевидно, не подходят для многоотражательных ВПМС с большим числом отражений, поскольку многократное прохождение сеток резко снижает пропускание анализатора и вызывает рассеяние ионов на мелкомасштабных неоднородностях электростатического поля, приводя к потере разрешающей способности и чувствительности. Поэтому в многоотражательных ВПМС применяются бессеточные отражательные полевые структуры.

Основной задачей работы является исследование полевых структур с аддитивной квадратичной составляющей с точки зрения создания ионной ловушки, как источника для многопериодных времяпролетных масс-спектрометров. Так же исследуется другой тип «источника» - квадрупольная охлаждающая ловушка, которая вполне успешно проходит уже практические исследования.

На защиту выносится:

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В представленной работе выполнены следующие задачи:

По результатам диссертации опубликованы следующие работы:

3. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев К.В., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки И Прикладная физика. - 2006. - №5. - С. 50-57.

4. Веренчиков А.Н., Козлов Б.Н., Явор М.И., Труфанов А.С., Никитина Д.В. Газонаполненная линейная квадрупольная ловушка с аксиальным выбросом как источник для многоотражательного времяпролетного масс-спектрометра // Научное приборостроение. - 2005. - т. 15. - № 2 - С. 95-111.

5. Явор М.И., Никитина Д.В., Веренчиков А.Н., Щербаков А.П., Козлов Б.Н. Расчет параметров ионного пучка, выходящего из газонаполненного радиочастотного квадруполя // Научное приборостроение - 2005. - т. 15 - № 3 - С. 40-53.

6. Голиков Ю.К., Краснова Н.К., Соловьев К.В., Никитина Д.В. Интегрируемые электростатические ионные ловушки // тезисы 8 всероссийского семинара «Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики». - 25-27 мая 2005.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Никитина, Дарья Владимировна, Санкт-Петербург

1. Gall L.N., Golikov Y.K., Aleksandrov M.L. Pechalina Y.E., Holin N.A. USSR Inventor's Certificate 1247973. 1984.

2. Флегонтова Е.Ю. Разделение потоков ионов по массам и энергиям в квазистатических электрических полях. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физ-мат наук. С-Пб, 1997.

3. Павленко В.А., Озеров Л.Н., Рафальсон А.Э. Безмагнитные времяпролетные масс-спектрометры // ЖТФ. 1968 - 38(4) - С. 581-602.

4. Стьюдер Ионный источник непрерывного действия для масс-спектрометра по времени пролета // Приборы для научных исследований. 1963 - 34(12) - С. 64-67.

5. Park М. et. al. Extended abstract ASMS, 2001 (www.asms.org).

6. Каратаев В.И., Мамырин Б.А., Шмикк Д.В. Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетной масс-спектрометрии//ЖТФ. 1971 -t.41.-C. 1498-1501.

7. Mamyrin В.А. Time-of-flight mass-spectrometry (concepts, achievements and prospects) // International Journal of Mass-Spectrometry. 206(2001). - Pp. 251-266.

8. Шмикк Д.В. Разработка и исследование новых схем безмагнитных времяпролетных масс-спектрометров // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физ-мат наук. Ленинград, 1974.

9. Makarov А.А. Electrostatic Axially Harmonic Orbital Trapping: A High-Performance Technique of Mass Analysis // Analytical Chemistry. -72(2000)-Pp1156-1162.

10. Hardman M., Makarov A. Interfacing the Orbitrap Mass Analyzer to an Electrospray Ion Source // Analytical Chemistry.

11. Голиков Ю.К., Уткин К.Г., Чепарухин В.В. Расчет элементов электронно-оптических систем // Ленинград, 1984.

12. Голиков Ю.К. Определение электростатических полей по заданным характеристикам движения заряженных и дипольных частиц // Диссертация на соискание ученой степени доктора физмат наук. ЛПИ, 1985.

13. Явор М.И., Веренчиков А.Н. Планарный многоотражательный времяпролетный масс-анализатор, работающий без ограничения диапазона масс // Научное приборостроение. 2004 - т. 14. - № 2. - С. 38-45.

14. Dahl D.A. SIMION 3D, v.7.0: User's Manual // Idaho National Eng. Envir. Lab, 2000.

15. Сысоев A.A., Чупахин M.C. Введение в масс-спектрометрию. М., 1977.

16. Галль Л.Н., Голиков Ю.К. и др. Авторское свидетельство на изобретение «Времяпролетный масс-спектрометр».

17. Golikov Y.K., Krasnova N.K. Electrostatic mass spectrometer for concurrent mass-, energy- and angle-resolved measurements // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. v. 72. - 1995. - Pp. 323-326.

18. Голиков Ю.К., Печалина Е.Э. Определение траекторий заряженных частиц в двумерных электростатических полях с потенциалом, удовлетворяющим уравнению Пуассона /\ср = -2А // Препринт №38 АН СССР НТО Институт аналитического приборостроения. Л., 1990.

19. Damaschin loanovicin Ion-optical properties of time-of-flight mass-spectrometers // International Journal of Mass-Spectrometry. -206(2001). Pp. 211-229.