Резюме

Представяме нов масов спектрометър с линейни йонни уловители с две плочи, който преодолява както предишни проекти, свързани с ефективността, така и свързани с миниатюризацията. Подложките от боросиликатно стъкло са шарени с алуминиеви електроди от едната страна и свързани с тел към печатни платки. Йони са затворени в пространството между две такива плочи. Коничните прорези за изхвърляне във всяка стъклена плоча премахват проблемите с натрупването на заряд в прореза за изхвърляне и с блокиране на йони, които се изхвърлят под номиналните ъгли. Коничният процеп позволява миниатюризиране на характеристиките на капана (размер на електрода, ширина на процепа), необходими за по-нататъшно намаляване на размера на капана, като същевременно позволява използването на основи, които все още са достатъчно дебели, за да осигурят здравина по време на работа, сглобяване и полеви приложения. Разстоянието между плочите беше оптимизирано по време на работа, използвайки моторизиран етап на превод. Скорост на сканиране от 2300 Th/s с пробна смес от толуен и деутериран толуен (D8) и ксилоли (смес от o-, m-, p-) показа най-тясна ширина на пика от 0,33 Th (FWHM).

миниатюризиран

Въведение

Няколко проблема често възникват при разработването на миниатюризирани анализатори на маса. Например електрическият пробив е по-вероятно, тъй като повърхностите на електродите са по-близо една до друга и наляганията са по-високи [30]. Електронната стабилност (честота и честота) трябва да отговаря на по-строги абсолютни изисквания при използване на по-ниски напрежения и по-малки физически размери [31]. Абсолютните механични допустими отклонения трябва да бъдат по-строги в по-малките размери на по-малките анализатори [32], често разширявайки границите на конвенционалните техники на обработка. Ефектите от космически заряд предизвикват по-голяма загриженост при анализаторите с по-малки размери [31, 33], което често води до намалена чувствителност. При йонните капани тази намалена чувствителност се възстановява по два начина: или чрез използване на паралелни масиви от капани, или чрез използване на капани с присъщи по-големи обеми на съхранение поради удължено измерение на улавяне (например линейни, праволинейни или тороидални капани).

В сравнение с квадруполните йонни капани и цилиндрични йонни капани, тороидалните йонни капани имат компактна структура и по-голям капацитет на улавяне за една и съща характерна размерност на улавяне [25], което ги прави привлекателни за разработване на преносима MS [26, 34], въпреки че механично производство и монтажът може да ограничи миниатюризацията [35]. 2D линейният йонен уловител (LIT) също ефективно разширява капаниращия капацитет [36], въпреки че производителността може да бъде по-чувствителна към геометрични отклонения, включително неправилно подравняване на електродите [23]. Праволинейният йонен капан (RIT) замества плоските повърхности за хиперболичните електроди на LIT, опростявайки производството за дадено ниво на прецизност на обработката [24, 37]. Йонни уловители, базирани на цилиндрични [38,39,40], линейни/праволинейни [41, 42] и в 2-D [42,43,44,45] или в 3-D квадруполи [46, 47]. широко проучени и развити. Обща характеристика на масивите за улавяне е участието на техники за микрофабрикация за получаване на много малки капани [31].

Микрофабриката, включително фотолитография и микропатерниране, осигурява висока точност и точност в две измерения, но ограничени възможности в третото измерение (извън равнината). За да се възползваме от високата точност на характеристиките в равнината и да намалим или премахнем зависимостта от изработката извън равнината, преди това демонстрирахме подход за изработване на йонни капани с помощта на две плочи, с шарки по лицевите повърхности на всяка плоча, за да се получи необходимото улавяне потенциал [48,49,50]. Демонстрирани бяха няколко геометрии на улавяне, включително линеен йонен капан [51]. Този двупластов линеен йонен капан включва комплекти електроди с литографски шарки върху лицевите повърхности на две керамични плочи (Al2O3). Йони се изхвърлят през пробитите с лазер прорези в плочите. Капацитивните делители на напрежението създават различни честотни честоти за всеки електрод. Плочите бяха разположени на разстояние 4–6 mm една от друга при първоначалните експерименти [52] и 1,9 mm една от друга в по-късните експерименти [52], като и в двата случая беше демонстрирана разделителна способност на масата близо до единица. Последващите усилия за по-нататъшно миниатюризиране на този LIT с две плочи се натъкнаха на няколко проблема. Най-важните сред тях бяха трудностите при изхвърлянето на йони чрез все по-тесен изрез за изхвърляне.

Едно възможно решение на горния проблем е да се изхвърлят йони, успоредни на плочите, а не през процеп. Въпреки това, симулациите показват, че е по-трудно да се получат желани комбинации от членове от по-висок ред в полето за улавяне, когато йони се изхвърлят между и успоредно на плочите. Ранните резултати от капана на халогенните йони [49, 53] показват същите трудности. Прорезът позволява изхвърлянето на йони с потенциал в посоката на изхвърляне, който се контролира внимателно чак до точката на изхвърляне от капана.

Ние избрахме друго решение, което е да се заостри профилът на прореза за изхвърляне. Цепнатите стени се отварят, позволявайки на йоните да преминат дори с голяма ъглова дисперсия. По този начин се предотвратява натрупването на заряд върху процепните стени и изхвърлянето на йони може да продължи. Коничният профил на прорезите също така позволява стените на процепите да бъдат покрити с проводящ или полупроводников материал, което е непрактично при прави стени. Конични или отворени прорези се използват на други йонни уловители, направени с помощта на метални електроди, включително оригиналния финиганов квадруполен йонен капан, линейният йонен капан [23] и праволинейният йонен капан [24]. В тези случаи цепката не е за намаляване на натрупването на заряд, а просто за подобряване на ефективността на изхвърлянето на йони, възникващи с известна ъглова дисперсия.

Предишният дизайн на плочата също имаше няколко проблема при осъществяването на електрически връзки между предната и задната страна на плочите и при осъществяването на електрическа връзка с печатната платка зад керамичните плочи. Тези проблеми бяха разрешими в скалата на размерите на устройството в пълен размер, но беше трудно да се миниатюризират допълнително. И двата проблема се решават в настоящия дизайн чрез моделиране на връзките от страната на захващане на плочите и свързване на проводници от керамичната плоча към печатната платка.

Горните въпроси представиха значителни предизвикателства при миниатюризацията на йонни уловители, използвайки подхода с две плочи. Тази статия демонстрира, че конусният изхвърлящ процеп, комбиниран с едностранно моделиране и свързване, решава тези проблеми, позволявайки по-нататъшно миниатюризиране на този анализатор на маса. В допълнение, производителността е значително подобрена дори за устройството в пълен мащаб, по отношение на масовата разделителна способност, а също така и здравина и способност да работят дълго време без загуба на сигнал поради натрупване на заряд. Освен това, характеризирайки този нов дизайн, една от двете плочи е монтирана на моторизирана сцена за превод, така че разстоянието между плочите да може да бъде оптимизирано във вакуум по време на работа.

Експериментално

Дизайн и изработка

Докато предишните ни усилия всички използваха керамични основи, в настоящото изследване използвахме боросиликатно стъкло. Стъклото има подобни електрически и структурни свойства като глиноземната керамика, но е по-податливо на стесняващите се разрези, използвани за изрязване на процепа. Процесът на производство е показан на фигура 1. Плочите са фрезовани и нарязани на кубчета до 57 × 37 mm, с дебелина 0,50 mm. В стъклото беше обработен изхвърлящ процеп с дължина 2,5 мм и широчина 0,50 мм с ъгъл на конус на задната страна от 45 °. В плочите бяха фрезовани отвори за подравняване на плочите по време на сглобяването. Алуминиевите електроди и следи бяха нанесени върху плочите с помощта на фоторезист и фотомаски. След нанасяне на шарки, слой от 100 nm Ge се изпарява от двете страни на плочите, покривайки както захващащата страна, така и задната страна на всяка плоча.

(а) Работният поток на производствения процес; (б) симулационен модел в SIMION 8.1; (° С) изглед в напречно сечение на цялостен плоча с уловени йони

Схемата на електрода е показана на фигура 1b. На всяка плоча се използват пет двойки радиочестотни електроди, като позициите и размерите са идентични с тези на предишния дизайн на керамичната плоча, с малки изключения. Това беше направено, за да позволи сравнението между дизайните да бъде възможно най-близко. Аксиалното задържане на йони беше осъществено с помощта на шарнирни крайни пръти на всяка плоча. ПХБ и стъклената плоча са сглобени, както е показано на Фигура 2а, b.

(а) Снимка на пълна стъклена плоча с ПХБ; (б) сглобяването на стъклена плоча и печатни платки с държач на плоча; (° С) сглобка за йонни капани, има няколко pogo щифта на тънката платка, така че проводимостта се извършва чрез натискане от задната страна на дебелата платка

Спецификациите и оптимизираните честотни честоти за петте двойки радиочестотни електроди са показани в Таблица 1. Електродите # 0 са заобиколили изхвърлящите процепи и са били заземени на една плоча, но са плавали (номинално на земята) с приложена AC резонансна форма на вълната на другата, електродите # 1 винаги са били заземени, # 4 и # 5 винаги са били приложени с пълното честотно напрежение, а напреженията, приложени на електродите # 2 и # 3, са били мащабирани като 0,14 пъти от пълната амплитуда на движение, за да се коригира формата на поле за улавяне [54].

След моделиране, всяка стъклена плоча беше прикрепена към печатна платка (PCB), използвайки вакуумно епоксидна смола (Torr-Seal; Agilent Technologies, Lexington, MA, USA), както се вижда на Фигура 2а, b. След това свързващите накладки на плочата бяха свързани с тел към съответните накладки на печатната платка. Освен това към задната страна на монтажната платка беше прикрепена втора PCB с кондензатори за установяване на честотни честоти и провеждане на приложените вълнови форми към захващащите електроди. Макар и доста крехки сами по себе си, стъклените плочи, свързани към печатните платки и монтирани в модул за улавяне на йони, могат да издържат на рутинна работа в лабораторията без проблеми.

Монтаж и монтаж

Експерименти

Електронният контрол на времето на резониращите изхвърлящи йони беше подобен на предишния експеримент [51], но с по-кратък период (60 ms за целия експеримент). Времето на йонизация беше намалено до 0.5 ms; йони бяха уловени с rf при 200 V0-p и охладени за 1.825 ms. След това йони бяха разширени, като се измести честотното напрежение от 200 до 560 V0-p. По време на радиочестотната рампа беше приложена AC резонансна форма на вълната с оптимизирана честота 620 kHz и амплитуда 1 V0-p. A +5 V DC напрежение, приложено към двете крайни ленти, съдържа йоните аксиално вътре в капана.

Резултати и дискусия

Симулациите показаха оптимизирано разстояние между плочите от 4,4 mm с честота на задвижване при 1,6 MHz, докато най-добрата разделителна способност беше постигната на практика, когато разстоянието беше 5,00 mm при същия приложен RF. Въпреки че разтягането на крайната капачка може да подобри производителността в много йонни капани поради подобрение в условията на по-висок ред на полето за улавяне [55], тези условия от по-висок ред бяха взети предвид при симулациите. Може да се окаже, че полетата не са били точно по предназначение, или е налице някакъв друг фактор, който не е бил адекватно отчетен в симулациите на SIMION. Такива фактори могат да включват ефекта на наслоения германиев слой или производствените допуски на процепа. Наблюдавахме малки разлики между плочите, включително различна оптимална честота на променлив ток, когато бяха използвани различни плочи, което може да е резултат от отклонение в производството или непоследователно подравняване.

Спектрите за толуеновата смес и ксилолите са показани на Фигура 3. Скоростта на сканиране е 2300 Th/s. На фигура 3а пикът на молекулния йон на толуен при m/z 92 и пика на H-загубата при m/z 91 бяха напълно разрешени, както и съответните пикове при m/z 98 и 100 от D8-толуен. Връх при m/z 105, 106, 107, 112, 113 и 114 се очакват продукти от йонно-неутрални реакции (абстракция на метил) в капана, включително различните комбинации от деутерирани и недейтерирани видове [48]. На Фигура 3b, пикът на молекулния йон при m/z 106 от ксилола е добре разрешен от пика на H-загуба при m/z 105 и връх 13 С при m/z 107. Съотношението S/N в ксилоловия спектър е по-високо от това в спектъра на толуеновата смес, тъй като налягането на ксилола е много по-високо [56].

Представителни спектри на толуен и D8-толуен (а) и ксилени (б). Широчините на пиковете са изчислени с помощта на гауссова крива, монтирана на върховете в Matlab

Спектри на толуеновата смес с разстояния между плочите, вариращи от 4,8 mm до 5,5 mm