Továbbfejlesztett miniatürizált lineáris ioncsapda tömegspektrométer litográfiai mintázatú lemezek és kúpos kidobórés használatával

Absztrakt

Bemutatunk egy új képlemezes lineáris ioncsapda tömegspektrométert, amely előzetes tervezéssel leküzdi mind a teljesítmény-alapú, mind a miniatürizáláshoz kapcsolódó kérdéseket. A boroszilikát üvegszubsztrátumokat az egyik oldalon alumínium elektródákkal mintázzák, és huzalosan kötik a nyomtatott áramköri lapokra. Az ionok két ilyen lemez közötti térben vannak csapdában. Az egyes üveglemezek kúpos kidobó rései kiküszöbölik a kidobási résen belüli töltésképződéssel járó problémákat és a nem nominális szögben kilökődő ionok blokkolását. A kúpos rés lehetővé teszi a csapda jellemzőinek (elektródaméret, résszélesség) miniatürizálását, amely a csapda méretének további csökkentéséhez szükséges, miközben lehetővé teszi olyan alapanyagok használatát, amelyek még mindig elég vastagak ahhoz, hogy robusztusak legyenek a kezelés, az összeszerelés és a terepi alkalmazások során. A lemezek távolságát optimalizálták működés közben egy motorizált fordítási szakasz segítségével. 2300 Th/s szkennelési sebesség toluol, deuterált toluol (D8) és xilolok (keverék o-, m-, p-) legszűkebb csúcsszélessége 0,33 Th (FWHM) volt.

Bevezetés

A miniatürizált tömeganalizátorok fejlesztése során gyakran felmerül számos kérdés. Például az elektromos meghibásodás valószínűbb, mivel az elektródfelületek közelebb vannak egymáshoz, és a nyomás nagyobb [30]. Az elektronikus stabilitásnak (rf és amplitúdó) szigorúbb abszolút követelményeknek kell megfelelnie, ha alacsonyabb feszültségeket és kisebb fizikai méreteket használnak [31]. Az abszolút mechanikai tűréseknek szigorúbbaknak kell lenniük a kisebb analizátorok kisebb dimenziós skáláján [32], gyakran a hagyományos megmunkálási technikák határait feszegetve. Az űrbetöltési hatások nagyobb aggodalomra adnak okot a kisebb méretű analizátoroknál [31, 33], amelyek gyakran csökkent érzékenységet eredményeznek. Ioncsapdákkal ezt a csökkent érzékenységet kétféleképpen sikerült helyreállítani: vagy párhuzamos csapdák tömbjeivel, vagy a kiterjesztett csapdadimenzió miatt eredendően nagyobb tárolókapacitású csapdákkal (pl. Lineáris, egyenes vagy toroid csapdák).

A kvadrupól ioncsapdákkal és a hengeres ioncsapdákkal összehasonlítva a toroid ioncsapdák kompakt felépítésűek és nagyobb csapdakapacitással rendelkeznek ugyanarra a jellegzetes csapdázási dimenzióra [25], ami vonzóvá teszi őket egy hordozható MS kifejlesztéséhez [26, 34], bár mechanikus gyártás és az összeállítás korlátozhatja a miniatürizálást [35]. A 2D lineáris ioncsapda (LIT) szintén hatékonyan bővíti a csapdázási kapacitást [36], bár a teljesítmény érzékenyebb lehet a geometriai eltérésekre, beleértve az elektródák helytelen beállítását is [23]. Az egyenes vonalú ioncsapda (RIT) a sík felületeket helyettesíti az LIT hiperbolikus elektródáival, egyszerűsítve a gyártást a megmunkálási pontosság adott szintjén [24, 37]. A hengeres [38,39,40], a lineáris/egyenes vonalú [41, 42] és a 2-D [42,43,44,45] vagy a 3D-s kvadrupolokban [46, 47] alapuló ioncsapda tömböket széles körben feltárva és fejlesztve. A csapdatömbök közös jellemzője a mikragyártási technikák bevonása nagyon kicsi csapdák előállításához [31].

A mikrokészítés, ideértve a fotolitográfiát és a mikromintázást is, nagy pontosságot és pontosságot biztosít két dimenzióban, de korlátozott képességeket biztosít a harmadik (síkon kívüli) dimenzióban. A síkbeli jellemzők nagy pontosságának kihasználása és a síkon kívüli gyártástól való függőség csökkentése vagy kiküszöbölése érdekében korábban bemutattuk azt a megközelítést, hogy ioncsapdákat készítünk két lemez felhasználásával, az egyes lemezek felületein mintázattal a szükséges csapdázás érdekében potenciál [48,49,50]. Számos csapdázási geometriát mutattak be, köztük lineáris ioncsapdát [51]. Ez a képlemezes lineáris ioncsapda két kerámia (Al2O3) lemez egymással szemben felszínén litográfia alapján mintázott elektródkészleteket tartalmazott. Az ionokat a lemezekben lézerrel fúrt réseken keresztül dobták ki. A kapacitív feszültségosztók különböző rf amplitúdókat hoztak létre minden elektródhoz. A lemezeket a kezdeti kísérletekben 4–6 mm-re, a későbbi kísérletekben pedig 1,9 mm-re helyezzük el, és mindkét esetben csaknem egységnyi tömegfelbontást mutatunk be. Ennek a kétlemezes LIT további miniatürizálásának későbbi erőfeszítései azonban több kérdésbe ütköztek. Ezek közül elsősorban az egyre szűkebb kidobási résen keresztüli ionkibocsátás nehézségei voltak.

A fenti probléma egyik lehetséges megoldása az, hogy az ionokat a lemezekkel párhuzamosan, nem pedig résen keresztül juttatjuk ki. A szimulációk azonban azt mutatják, hogy nehezebb a magasabb rendű kifejezések kívánatos kombinációit elérni a csapdázó mezőben, amikor ionokat dobnak ki a lemezek között és párhuzamosan a lemezekkel. A halogénion-csapda [49, 53] korai eredményei ugyanezeket a nehézségeket mutatták. A rés lehetővé teszi az ionok kibocsátását a kilökési irányú potenciállal, amelyet gondosan vezérelnek egészen a csapda kilökési pontjáig.

Egy másik megoldás mellett döntöttünk, amely a kidobó résprofil kúposabbá tétele. A hasított falak kinyílnak, lehetővé téve az ionok áthaladását még nagy szög diszperzió esetén is. Ez megakadályozza a résfalakon a felhalmozódást, és folytatódhat az ionkibocsátás. A kúpos résprofil lehetővé teszi a résfalak vezető vagy félvezető anyaggal történő bevonását is, ami az egyenes falú réseknél nem praktikus. Kúpos vagy nyitott réseket használnak más fémelektródák felhasználásával készült ioncsapdákra, beleértve az eredeti Finnigan quadrupole ioncsapdát, a lineáris ioncsapdát [23] és a egyenes vonalú ioncsapdát [24]. Ezekben az esetekben a rés nem a töltés felhalmozódásának csökkentése, hanem egyszerűen a szög diszperzióval létrejövő ionok kilökésének hatékonyságának javítása.

A korábbi lemezkialakításnak számos kérdése volt a lemezek elülső és hátsó oldala közötti elektromos kapcsolatok létrehozásával, valamint a kerámialemezek mögötti nyomtatott áramköri kártyával való elektromos kapcsolat létrehozásával is. Ezek a kérdések megoldhatók voltak a teljes méretű készülék méretskáláján, de nehéz volt tovább miniatürizálni. Mindkét kérdést a jelen kiviteli alakban úgy oldjuk meg, hogy mintázzuk a csatlakozásokat a lemezek csapdázó oldalán, és huzalmegkötjük a csatlakozásokat a kerámialemezről a nyomtatott áramköri lapra.

A fenti kérdések jelentős kihívásokat jelentettek az ioncsapda miniatürizálásában a kétlemezes megközelítés alkalmazásával. Ez a cikk bemutatja, hogy egy kúpos kidobási rés, egyoldalas mintázattal és csatlakozással kombinálva megoldja ezeket a problémákat, lehetővé téve ennek a tömegelemzőnek a további miniatürizálását. Ezenkívül a teljesítmény még a teljes méretű készülék esetében is jelentősen javul, a tömegfelbontás, valamint az ellenálló képesség és a képesség, hogy hosszú ideig működhessen, anélkül, hogy a töltés felépülése miatt jelvesztés lenne. Továbbá, ennek az új kialakításnak a jellemzésére a két lemez egyikét egy motorizált fordítási szakaszra szerelték fel, hogy működés közben vákuumban optimalizálhassák a lemezek távolságát.

Kísérleti

Tervezés és gyártás

Míg korábbi erőfeszítéseink mind kerámia szubsztrátumokat használtak, a jelen tanulmányban boroszilikát üveget használtunk. Az üveg hasonló elektromos és szerkezeti tulajdonságokkal rendelkezik, mint az alumínium-oxid kerámia, de jobban megfelel a kidobó rés elkészítéséhez használt kúpos vágásoknak. A gyártási folyamatot az 1. ábra mutatja. A lemezeket ledaráltuk és kockákra vágtuk 57 × 37 mm méretűre, 0,50 mm vastagsággal. Az üvegben 2,5 mm hosszú, 0,50 mm széles kidobó rést megmunkáltak, a hátsó oldali kúpos szög 45 °. A lemezekbe lyukakat őröltek, hogy az összeszerelés során a lemezek igazodjanak egymáshoz. Alumínium elektródákat és nyomokat mintáztunk a lemezekre fotoreziszt és fotomaszk felhasználásával. Mintázás után egy 100 nm-es Ge réteget párologtattunk le a lemezek mindkét oldalán, amely lefedte az egyes lemezek csapdázó és hátsó oldalát.

(a) A gyártási folyamat munkafolyamata; (b) szimulációs modell a SIMION 8.1-ben; (c) egy befogott ionokkal ellátott teljes lemezszerkezet keresztmetszete

Az elektródamintát az 1b. Ábra mutatja. Minden lemezen öt pár rf elektródot használnak, néhány kivételtől eltekintve, az előző kerámialemez-kialakítással megegyező helyzetben és méretben. Ez azért történt, hogy a tervek összehasonlítása a lehető legközelebb legyen. Az ionok axiális bezárását az egyes lemezeken mintázott végsávok alkalmazásával hajtottuk végre. A PCB-t és az üveglapot a 2a, b ábra szerint állítottuk össze.

(a) Fotó egy teljes üveglapról PCB-vel; (b) az üveglemez és a PCB lemeztartóval; (c) ioncsapda szerelvény, a vékony NYÁK-n több pogo csap van, így a vastag NYÁK hátoldalának megnyomásával vezetés érhető el

Az öt pár rf elektróda specifikációit és optimalizált rf amplitúdóit az 1. táblázat mutatja be. A 0. számú elektródák körülvették a kilökődési réseket, és az egyik lemezre földelték, de a másik oldalon alkalmazott (névlegesen a talajon lévő) AC rezonancia hullámformával lebegtek., az # 1 elektródákat mindig földelték, a 4-et és az 5-öt mindig a teljes rf hajtási feszültséggel alkalmazták, és a # 2 és 3 elektródákra alkalmazott feszültségeket a teljes vezetési amplitúdó 0,14-szeresére skálázták, hogy beállítsák a csapdázó mező [54].

Mintázás után minden üveglapot nyomtatott áramköri lapra (PCB) csatoltunk vákuumminőségű epoxi (Torr-Seal; Agilent Technologies, Lexington, MA, USA) felhasználásával, amint az a 2a., B. Ábrán látható. Ezután a lemez csatlakozó párnáit huzalra rögzítették a NYÁK megfelelő párnáihoz. Ezenkívül egy második kondenzátorral ellátott NYÁK-t csatlakoztattak a rögzítő NYÁK hátoldalához, hogy megállapítsák az rf amplitúdókat és az alkalmazott hullámformákat a csapdázó elektródákra vezessék. Bár önmagukban meglehetősen törékenyek, a NYÁK-okhoz kötött és ioncsapdába szerelt üveglemezek problémamentesen ellenállnak a laboratóriumi rutinszerű kezelésnek.

Felszerelés és összeszerelés

Kísérletek

A rezonancia kilökő ionok elektronikus időzítésének szabályozása hasonló volt a korábbi kísérlethez [51], de rövidebb időtartammal (60 ms az egész kísérletnél). Az ionizációs idő 0,5 ms-ra csökkent; az ionokat rf-vel csapdába ejtettük 200 V0-p hőmérsékleten, és 1,825 ms-ig hűtöttük. Ezután az ionokat kiszorították az RF feszültség 200-ról 560 V0-p-ra söpörésével. Az rf rámpa alatt AC rezonancia hullámformát alkalmaztunk 620 kHz optimalizált frekvenciával és 1 V0-p amplitúdóval. A két végsávra alkalmazott +5 V DC feszültség tartalmazta az ionokat axiálisan a csapdában.

Eredmények és vita

A szimulációk 4,4 mm-es optimalizált lemeztávolságot mutattak 1,6 MHz-es menetfrekvenciával, míg a legjobb felbontást a gyakorlatban akkor értük el, amikor a távolság 5,00 mm volt ugyanazzal az alkalmazott rf-vel. Noha a végsapka nyújtása sok csapda teljesítményét javíthatja a csapdázási mező magasabb rendű feltételeinek javulása miatt [55], ezeket a magasabb rendű feltételeket figyelembe vették a szimulációkban. Előfordulhat, hogy a mezők nem pontosan a szándékoltak voltak, vagy más tényező van jelen, amelyet a SIMION szimulációk nem vettek kellőképpen figyelembe. Ilyen tényezők lehetnek a lerakódott germánium réteg hatása vagy a rés gyártási tűrései. Kis tányér-lemez különbségeket figyeltünk meg, beleértve az eltérő optimális AC frekvenciát, amikor különböző lemezeket használtunk, ami a gyártási variancia vagy az inkonzisztens igazítás eredménye lehet.

A toluol-keverék és a xilolok spektrumát a 3. ábra mutatja. A letapogatási sebesség 2300 Th/s volt. A 3a. Ábrán a toluol molekuláris ioncsúcsa a m/z 92 és a H-veszteség csúcsa m/z 91 teljesen feloldódott, ahogy a megfelelő csúcsok is m/z 98 és 100 D8-toluolból. Csúcsok itt m/z A 105., a 106., a 107., a 112, a 113. és a 114 az ion-semleges reakciók (metil-absztrakció) várható termékei a csapdában, beleértve a deuterált és nem deuterált fajok különböző kombinációit is [48]. A 3b. Ábrán a molekuláris ioncsúcs a m/z A xilolból származó 106 oldható jól a H-veszteség csúcsától a m/z 105 ° C-on és 13 ° C-os csúcsponton m/z 107. A xilol spektrumban az S/N arány magasabb volt, mint a toluol keverék spektrumban, mivel a xilol nyomás sokkal magasabb volt [56].

A toluol és a D8-toluol reprezentatív spektrumai (a) és xilolok (b). A csúcsszélességeket a Matlab-csúcsokra illesztett Gauss-görbe segítségével számoltuk ki

A toluol-keverék spektruma 4,8 és 5,5 mm közötti lemezközzel