Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения потребительских свойств и увеличения срока службы масс-спектрометров с гиперболоидными электродными системами. Масс - анализатор на ограниченной ионной ловушке состоит из гиперболоидных торцевого и ограниченного плоскостью кольцевого электродов, цилиндрических экранирующего и фокусирующего электродов и полупрозрачного плоского корректирующего электрода. Заряженные частицы образуются электронным ударом в пространстве между кольцевым и корректирующим электродами вне рабочего объема масс-анализатора. Ввод ионов в анализатор происходит под действием ускоряющего напряжения на корректирующем и фокусирующем электродах, период и фаза ускоряющего напряжения согласованы с периодом и фазой переменного поля и начальными координатами и скоростями заряженных частиц. Вывод отсортированных ионов осуществляется через отверстие в кольцевом электроде и полупрозрачный корректирующий электрод под действием положительного напряжения на торцевом электроде. Технический результат заключается в повышении эффективности внешнего ввода ионов и получении высоких параметров прибора при ограниченных амплитудах высокочастотного питающего напряжения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения потребительских свойств и увеличения срока службы масс-спектрометров с гиперболоидными электродными системами. В масс-спектрометрах с трехмерной ионной ловушкой сложно осуществить внешний ввод заряженных частиц, а для работы анализатора требуется тормозящий газ и питающее напряжение с амплитудой в десятки КВ. Разрешающая способность масс-спектрометра на монополярной ионной ловушке ограничена нелинейными искажениями поля в области отверстия в кольцевом электроде. За прототипы приняты трехмерная ионная ловушка [1, 2] и масс-анализатор на монополярной ионной ловушке [3]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании анализатора монополярной ионной ловушки, повышении эффективности внешнего ввода ионов, улучшении аналитических свойств гиперболоидных масс-спектрометров при ограниченных амплитудах питающего напряжения.

Предлагаемый способ масс-селективного разделения заряженных частиц основан на ограничении объема ионной ловушки плоскостью z=-z₀₂, z₀₂=(0,1-0,2)z₀₁ и создании в рабочей области анализатора 0≤z≤z₀₁ поля с квадратичным распределением потенциала. Под действием переменного электрического поля ионы анализируемой массы m_o совершают по оси z монополярные, близкие к периодическим, колебания, а по оси r двухполярные колебания с ограниченной амплитудой. Заряженные частицы других масс m≠m₀ в рабочей области предлагаемого анализатора являются нестабильными. В качестве устройства для разделения заряженных частиц по удельному заряду используется ограниченная плоскостью z=-z₀₂ трехмерная ионная ловушка с цилиндрическим экранирующим электродом, цилиндрическим фокусирующим и плоским полупрозрачным корректирующим электродом, расположенным за отверстием в кольцевом электроде.

Схема электродной системы масс-анализатора на ограниченной ионной ловушке представлена на Фиг.1. Анализатор состоит из двух гиперболоидных электродов: торцевого 1 и кольцевого 2, экранирующего цилиндрического электрода 3, цилиндрического фокусирующего электрода 4 и полупрозрачного плоского корректирующего электрода 5. Гиперболоидный кольцевой электрод 2 ограничен плоскостью z=-z₀₂ и составляет часть кольцевого электрода ионной ловушки. Параметры z₀₁, r₀₁ и z₀₂ берутся в соответствии r₀₁<0,2z₀₁, z₀₂≤0,2z₀₁. Область сортировки ионов анализатора 6 имеет форму цилиндра с радиусом r₀₁, основания цилиндра лежат в плоскостях z=z₀₁ и z=0.

Единичный цикл масс-анализа состоит из ионизации, ввода, сортировки и вывода ионов (Фиг.2). В течение всего цикла анализа потенциал кольцевого электрода U_k=0, а экранирующего электрода U_э=(0,2-0,4)U_T, где U_T - потенциал торцевого электрода. Образование ионов электронным ударом на интервале T_и проходит вне рабочей области анализатора в пространстве между кольцевым 2, фокусирующим 4 и корректирующим 5 электродами. Ионы образуются с начальными координатами z₀=-(0,1-0,2)z₀₁ и тепловыми начальными скоростями.

На интервале ввода Т_в под действием положительного потенциала U_в на фокусирующем и корректирующем электродах ионы ускоряются и вводятся в рабочую область анализатора. Во время ввода на торцевом электроде действует периодическое с периодом Т₁ напряжение, создающее в рабочей области анализатора переменное ВЧ поле. По завершению ввода ионы анализируемой массы m₀ приобретают координаты z₀₀=(0,8-0,9)z₀₁ и близкие к нулевым начальные скорости. Выполнение этих условий обеспечивает захват и удержание ВЧ полем ионов анализируемой массы m_o во время сортировки. При Т_В=(5-7)Т условия удержания выполняются для всех начальных фаз ВЧ поля. Сортировка заряженных частиц происходит на интервале Т_c под действием периодического с периодом Т ВЧ напряжения U_Т(t) на торцевом электроде. Переход от режима ввода к режиму сортировки осуществляется изменением периода ВЧ напряжения Т=(0,9-0,99)T₁. Во время сортировки ионов на корректирующем электроде устанавливается напряжение U_K. Величиной и знаком U_K можно изменять распределение потенциала ϕ(z, r) в рабочей области анализатора вблизи начала координат и тем самым устанавливать различные режимы масс-селективной сортировки и удержания ионов. Изменением U_K также возможно управление параметрами масс-анализатора - разрешением и чувствительностью. Траектории анализируемых ионов во время сортировки близки к периодическим. Количество удерживаемых ионов и форма массовых пиков анализатора зависит от разброса начальных координат z₀ ионов и амплитуды U_m ВЧ напряжения. В зависимости от U_m наблюдается пороговый эффект. При U_m<U_п чувствительность и разрешение анализатора в сильной мере зависит от U_m, а при U_m>U_п практически остаются постоянными. Величина порогового напряжения составляет U_п=100-200 В. Это позволяет достигать высоких аналитических параметров масс-спектрометров при ограниченных амплитудах ВЧ напряжения.

Отсортированные ионы массы m₀ на интервале T_р под действием положительного потенциала U_p на торцевом электроде выводятся из анализатора через отверстие в кольцевом электроде и поступают на систему регистрации. Развертка масс осуществляется изменением частоты ВЧ напряжения при неизменной амплитуде U_m.

Предлагаемый способ ввода и сортировки заряженных частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления позволяют исключить образование диэлектрических пленок на полеобразующих электродах анализатора, получить высокие аналитические свойства масс-спектрометров при ограниченных амплитудах ВЧ напряжения, улучшить технологические и эксплуатационные характеристики приборов.

Способ разделения ионов по удельному заряду и устройство для его осуществления поясняются чертежами:

Фиг.1 - электродная система анализатора,

Фиг.2 - временные диаграммы напряжений на электродах анализатора и траектория частиц по z-координате.

Источники информации

1. Э.П.Шеретов. Гиперболоидные масс-спектрометры. Измерение, контроль, автоматизация. 1980, N 11-12.

2. R.E.March, Int. J. Mass. Spectrom. Ion Processes 118/119, 71 (1992).

3. E.В.Мамонтов, Д.А.Ивлев. Способ разделения ионов по удельному заряду и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2159481, 2000.

1. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду, заключающийся в воздействии на заряженные частицы переменным электрическим полем трехмерного гиперболоидного анализатора с параметрами Z₀₁, r₀₁, где z₀₁ и r₀₁ - радиусы граничных эквипотенциалей по координатам z и г, отличающийся тем, что путем ограничения рабочего пространства анализатора по координате z значениями z ≥-Z₀₂, где z₀₂=(0,1-0,2)z₀₁, в части Z₀₁≥z≥0 рабочей области анализатора создают поле с квадратичным распределением потенциала, а в части 0≥z≥-z₀₂ с распределением потенциала, отличным от квадратичного, и на заряженные частицы с начальными координатами z₀=-0,2z₀₁, r<r₀₁ воздействует переменным электрическим полем с периодом T₁, а затем с периодом Т=(0,9-0,95)T₁.

2. Устройство для разделения заряженных частиц по удельному заряду, содержащее электродную систему из гиперболоидных торцевого и кольцевого электродов ионной ловушки, отличающееся тем, что в качестве электродной системы используют гиперболоидные торцевой и ограниченный плоскостью z=-z₀₂, где z₀₂=(0,1-0,2)z₀₁ кольцевой электроды трехмерной ионной ловушки с параметрами Z₀₁≤0,2r₀₁, где z₀₁ и r₀₁ - радиусы граничных эквипотенциалей по координатам z и r, причем по границам гиперболоидных электродов установлен экранирующий электрод в форме цилиндра, а за отверстием в кольцевом электроде расположены полупрозрачный плоский электрод диаметром d_k≥4r₀₁ и цилиндрический электрод диаметром d_r≥4r₀₁ и высотой h=r₀₁.