Масс-спектрометрический способ анализа ионов и масс- спектрометр
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
Ж) 1228161
А1 (51) 4 Н 01 J 49/40
ОГ1ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 381 2783/24-21 (22) 10.11.84 (46) 30.04.86. Бюл, М 16 (71) Рязанский радиотехнический институт (72) Э.ПЛеретов, С.П.Овчинников, Б.И.Колотилин, С.А.Чердаков и и В.Ф.Самодуров (53) 621 384.(088.8) (56) Сысоев-Чупахин А.С. Введение в масс-спектрометрию. M., 1977 с.129-146.
Файт У.А. Пространственное разделение краевых полей в квадрупольнЪис фильтрах масс. — Приборы для научных исследований, 1976, Р 3, т.47, с.55-60. (54) МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ
АНАЛИЗА ИОНОВ И МАСС-СПЕКТРОМЕТР. (57) Изобретение может быть использовано при создании гиперболоидных масс-спектрометров. Цель изобретения — повышение разрешающей способности и чувствительности прибора.
Ионы накапливаются и при определенных величинах напряжения U сортируются в ловушке ° По истечении времени накопления начинается про" цесс вывода ионов из ловушки. При этом на стержневых электродах 7 пролетного анализатора (ПА) поддерживается постоянное напряжение (ВЧ потенциал снят), а по второй сетке 10 тракт открыт. Ионы в виде пакета ионов проходят сквозь сетки 10 и диафрагму 8 в переходную область ПА, где тормозятся и фокусируются,к оси
ПА. Затем включается ВЧ-поле и начинается сортировка ионного пакета в
12281 поперечном ВЧ-поле ПА. Стабильные ионы проходят на детектор 9 ионов, а нестабильные улавливаются на электродах 7. Одновременно с прохождением пакета ионов в IIA осуществляется накопление и сортировка следующей порции ионов.-За счет использования накопительно-сортировочного эффекта чувствительность масс-спектрометра повышается в 40-100 раз. Разрешающая
61 способность повышается в 4-5 pas за счет почти двукратного увеличения времени сортировки ионного потока.
В 1,5-2 раза уменьшается длина стержневой электродной системы ПА и в несколько раз увеличивается срок службы ПА за счет существенного уменьшения скорости роста диэлектрик ческих пленок на его электродах.
2 с. и 4 3 п. ф лы, 2 ил.
Изобретение относится к массспектрометрии и может быть использовано при создании гиперболоидных масс-спектрометров с высокой разрешающей способность и чувствительностью, Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности прибора эа счет устранения влияния переходной области анализатора на вводимый ионный поток.
Э5
Согласно предлагаемому способу анализируемые ионы предварительно накапливают в ограниченной области !5 ионного источника, например в высокочастотном с постоянной составляющей поле, затем их импульсно выводят и фокусируют ионный поток в переходную область. При этом на время фоку- 20 сировки пакета ионов в переходной области изменяют форму напряжения, подаваемой на электроды анализатора и на все электроды анализатора подают постоянные потенциалы одной и той же полярности; кроме того во время накопления ионов в ограниченной области пространства ионного источника осуществляют их предварительную сортировку по удельным зарядам, 30 при этом время накопления ионов в ионном источнике (t„ „,„„ ) выбирают иэ выражения накопд. (t
0D0h в где t — время пролета ионного
ПРО Л пакета через электродную систему анализатора, а сам процесс ввода ионов делают циклическим, при этом длительность цикла равна сумме времени сортировки ионов в анализаторе и времени их фокусировки в переходной области.
Использование предварительного накопления ионов в ионном источнике позволяет перевести работу всего масс-спектрометра в импульсный режим, который характеризуется тем, что, пока ранее накопленные ионы пролетают через анализатор и таким образом осуществляется их сортировка, в ионном источнике происходит накопление следующего пакета ионов и его предварительная сортировка. После того, как ранее накопленные ионы пройдут через анализатор и попадут на вход детектора ионов, следующий пакет ионов импульсно выводится иэ ионного источника и вводится в анализатор. Но при этом на время пролета ионов через переходную область изменяет форму наПряжение на электродах анализатора так, чтобы для ионов поле в переходной области было фокусирующим. Возможным вариантом этого является снятие с электродов анализатора ВЧ-напряжения и подача на все электроды постоянного напряжения одной и той же полярности. Например, можно таким образом создать в переходной области тормозящее и одновременно фокусирующее поле для ионов. При таком способе ввода ионов через переходную область не происходит увеличение их продольной и поперечной скоростей, время пролета через анализатор резко увеличивается и соответственно увеличивается разрешающая способность..
Фокусировка ионов к оси в переходной области позволяет при этом з 122 повысить чувствительность всего масс-спектрометра.
Предварительная сортировка ионов в ионном источнике в процессе их накопления позволяет резко повысить
5 сепарационные свойства всего устройства, его, разрешающую способность, а также (на два-три порядка) уменьшить пространственный заряд ионного пакета, вводимого в анализатор. При этом уменьшаются негативное влияние пространственного заряда на условие сортировки и скорость образования диэлектрических пленок на электродах анализатора под дей15 ствием ионного потока, и существенно повьппает аналитические характеристики прибора и, следовательно, срок службы анализатора.
На фиг.1 приведена схема предла20 гаемого устройства; на фиг. 2 — эпюры напряжений на электродах, иллюстрирующие реализацию предлагаемого способа.
Ионный источник с накоплением представляет собой гиперболоидный анализатор типа трехмерной ловушки, электродная система которого состоит из двух торцовых электродов I в одном иэ которых выполнены каналы 2
30 для вывода ионов, и одного кольцево" го электрода 3, в котором имеются каналы 4.для ввода и вывода электронного ионизирующего потока. Для формирования ионизирующего потока служат электронный источник 5, а для улавливания электронов — коллектор 6.
Анализатор пролетного типа состоит из четырех стержневых электродов 7, входной диафрагмы 8 и детектора 9 ионов. Между входной диафрагмой 8 и выходным торцовым электродом I расположены две управляющие сетки 10.
Рабочие напряжения на электроды устройства подаются с выходов ВЧ-генератора 11. С выхода 12 импульсное
45 напряжение U поступает на одну пару электродов стержневой системы, а с выхода 13 напряжение У3 подается на вторую пару. По временной форме напряжения У и U идентичны, но
50 сдвинуты во времени на некоторую величину.
Напряжение U и Б„представляют собой импульсные периодические сигналы с некоторой скважностью (например, 5), в которых периодически появляются временные участки -ЬыЬ8161 4 в пределах которых напряжение остается постоянным, Длительность этих участков соответствует нескольким периодам ВЧ-потенциала и подбирается исходя иэ особенностей конкретного режима работы всего устройства. На кольцевой электрод 3 от генератора
11 с выхода 14 подается напряжение
Ц, по форме идентичное напряжениям
U и U„, На торцовые электроды 1 от генератора 11 с выхода 15 подается постоянное напряжение UI. На одну из сеток 10 с выхода 16 генератора II подается постоянное напряжение, меньшее потенциала катода источника электронов, л с выхода 17 на другую сетку подается импульсное напряжение
U5 . Первая сетка служит для предотвращения попадания электронов из ионного источника в пролетный анализатор, а вторая — для предотвращения попадания ионов из ионного ис" точника в пролетный анализатор во время процесса накопления ионов нокащ ) (Способ реализуется с помощью указанного устройства следующим образом.
В течение времени t „,„„ (либо в течение части его) в ионйый источник вводят ионизирующий электронный поток.
В течение этого времени ионы накапливаются в ловушке и при правильном выборе параметров питающего напряжения
П и U„ сортируются. При этом ионная ловушка настроена на те же ионы, что и пролетный анализатор.Но ионы и электроны из ловушки во время t„п„п,щ., не поступают в пролетный анализатор, так как тракт закрыт для заряженных частиц напряжениями, подаваемыми на сетки 10, По истечении времени t наноел как видно из эпюр напряжений, форма
ВЧ-сигнала, подаваемого на кольцевой электрод, изменяется. Нри этом рабочие токи накопленных и отсортированных ионов на диаграмме стабильности импульсно переводятся в нестабильную область и начинается процесс вывода ионов из ловушки в сторону пролетного анализатора. На стержневых электродах анализатора поддерживается пос" тоянное напряжение (ВЧ-потенциал снят) а по второе сетке 10 тракт открыт для ионного потока. Накопленные в ловушке ионы в виде пакета ионов выводятся из ловушки, проходят сквозь сетки 10 и через диафрагму 8 в переходную область пролетного анализатора. Поскольку при полете ионного
1228161
15 пакета через переходную область на стержневых электродах поддерживаются постоянные положительные потенциалы, то ионы тормозятся в этой области и фокусируются к оси анализатора. Длительность промежутка вывода подбирается равной времени вывода ионного пакета (основной части ионного потока) иэ ловушки и пролета его через переходную об10 ласть. После того, как ионный пакет в основном прошел через переходную область, "включается" ВЧ-поле и начинается сортировка ионного пакета в поперечном ВЧ"поле в пролетном анализаторе. В этот промежуток времени "стабильные" ионы, на которые настроен анализатор, проходят на детектор 9 ионов, а "нестабильные" улавливаются на полеэадающих элект20 родах 7.
При этом поле пролета ионов чеI
t рез переходную область и их скорости {поперечная и продольная)
25 не возрастают, как в обычных анализаторах, а наоборот, уменьшаются из-за торможения и фокусировки статическим полем в переходной области. Одновременно с включением
ВЧ-поля закрывается тракт для ионов по второй сетке 10, подается ВЧ-по ле на кольцевой электрод 3 (см. эпюру напряжения П ) начинает вво-, диться электронный ионизирующий поток в ловушку. Таким образом, в то 55 время, пока пакет ионов пролетает вдоль пролетного анализатора и окончательно сортируется в ионной ловушке, осуществляется накопление и сортировка следующеи порции ионов.
° 40
После того, как основная доля ионного пакета долетела до детектора, процессы вывода ионов из ловушки и ввода их в пфолетный анализатор повто45 ряются.
Наиболее рациональным способом развертки спектра масс в данном устройстве является частотный. При этом при перестройке по массовому диапазону происходит автоматическая 50 перестройка ловушки и пролетного анализатора. Кроме того, если оставлять длительности всех промежутков времени, выраженных в периодах ВЧ-поля постоянными, то дискриминация по мас-55 сам для всего устройства отсутствует.
Предлагаемые способ и устройство . для его реализации позволяют повысить чувствительность масс-спектрометра в 40-100 раз за счет испольэования накопительно-сортировочного эффекта, фокусировки ионного потока в переходной области пролетного анализатора. Это достигается за счет того, что в 10-100 раз уменьшается вводимый в стержневую систему пространственный заряд ионов из-за использования предварительного сортировочного эффекта, кроме того, вследствие использования фокусировки во время ввода увеличивается эффективный диаметр вводимого в стержневую систему ионного потока.
Повышается разрешающая способность в 4-5 раз за счет почти двукратного увеличения времени сортировки ионного потока, торможения и фокусировки ионного потока в переходной области пролетного анализатора, уменьшения влияния диэлектрических пленок, образуемых на стержневой системе на точность поля.
Уменьшается в 1,5-2 раза длина стержневой электродной системы пролетного анализатора и, таким образом, снижаются затраты на его изго" товление за счет резкого (в 2-4 раза1 уменьшения реальной скорости пролета ионов через пролетный анализатор.
В несколько раз увеличивается срок службы анализатора пролетного типа за счет существенного уменьшения приблизительно в 10 раз) скорости
1 роста диэлектрических пленок на электэлектродах под действием ионного потока, поскольку предварительная сортировка позволяет в 10-100 раз уменьшить число вводимых в стержневую систему "нестабильных" ионов, которые в процессе сортировки при обычном способе анализа рассеиваются на стержни и образуют диэлектрические пленки.
Формула изобретения
1 Ласс-спектрометрический способ анализа ионов, содержащий операции ионизации вещества в ионном источнике, введение полученных ионов в рабочий объем гиперболоидного анализатора пролетного типа и детектирование определяемых ионов, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и
1228161
15! 1 I
1 l
Фиг.2
Составитель Н.Катинова
Редактор Н Л1выдкая Техред В. Кадар Корректор С. Черни
Заказ 2291/52 Тираж 643 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.- д.4/5
Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,l чувствительности, ионы предварительно накапливают в области ионного источника, затем их импульсно выводят и
1 создают в переходной области гипер5 болоидного анализатора фокусирующее ионы поле путем изменения напряжения на электродах анализатора, во время действия которого ионы вводят в анализатор.
2. Способ по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что; фокусирующее ионы поле создают путем подачи на все электроды анализатора постоянных потенциалов одной полярности. .3. Способ по пп.l и 2, о т л ич а ю шийся тем, что во время накопления ионов в области пространства ионного источника осуществляют их предварительное разделение по 20 удельным зарядам.
4. Способ по пп.l — 3, о т л и— ч а ю шийся тем, что время накопления ионов в области пространства ионного источника t вы- 25 накопи,g бирают из выражения
t NRKOAQ паол ( где t„, „ — время пролета ионного пакета через электродную систему анализатора с, 1 1 1 ч1 а сам процесс ввода ионов осуществляют циклическим, при этом длительность цикла равна сумме времени сортировки ионов в анализаторе,и времени их фокусировки в переходной области.
5. Масс- спектрометр, содержащий ионный источник, гиперболоидный анализатор пролетного типа, источник высокочастотного напряжения с постоянной составляющей и детектор, отличающийся тем„что, с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности, источ.с ник ионов выполнен в. виде анализатора гиперболоидного масс-спектро-. метра типа трехмерной ловушки, при этом полеэадающие электроды пролетного анализатора и полезадающие электроды ионного источника подключены к выходу одного и того же источника высокочастотного напряжения с постоянной составляющей.
6. Масс-пектрометр по п., 5, о т — . л и ч а ю шийся тем, что между выходом ионного источника и входом анализатора расположена система управляющих электродов, состоящая из двух сеток.
