Квадрупольный масс-спектрометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1705917

А1 (51)5 Н 01 .1 49/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4732494/21 (22) 22.06. 89 (46) 15. 01. 92. Вюл. !". 2 (71) Специальное конструкторское бю— ро аналитического приборостроения

Научно-технического объединения

AH СССР (72) В. В. Горьковой и Л. P. Локшин (53) 621. 384 (088. 8) (56) Галль P.Í., Кузьмин A.Ф., Раков Ю.Н., Павленко В.A. Кинетическая масс-спектрометрия и ее аналитическое применение. М.: Наука, 1979. с. 62-71.

Патент СЫА М 3937954, кл. Н 01 J 49/42, 1976. (54) КВАДРУПОХЬ!ПЛЙ МАСС-СПЕКТРЛ"Т РР, (57) Изобретение может быть использовано в масс-спектрометрии. !1е ц ю

2 изобрет ния является увеличение чувствительности масс-спектрометра в области больших масс, обеспечение стабильности чувствительности и повыше ние точности интерпретации масс-спектров. Ионы, образующиеся в источнике

1, подвергаются разделению в анализаторе 3, Поле, создаваемое изменяющимся при развертке потенциалом ускоряющего электрода 2 в сочетании с фиксированным полем источника ионов, образует перестраиваемую линзу. Этой линзой можно смешать крос"..îâåî B пределах длины краевого поля анализатора, что обеспечивает возможность создания одинаковых условий Bxopа в ан;\ лнэатор для ионов разных масс. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1 705917

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к масс-спектрометрии, и позволяет повысить чувствительность квадрупольного масс-спект-> рометра в области больших массовых чисел, обеспечить стабильность этой характеристики и расширить диапазон регистрируемых массовых чисел, при проведении научных исследований в области физики, химии, биотехнологии и т.д.

Цель изобретения — повышение чувствительности в области больших массовых чисел, обеспечение стабильности этой характеристики и расширение диа- 15 пазона регистрируемых массовых чисел, На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого масс-спектрометра; на фиг. 2 — кривые относительной величины пропускания, характеризующие 2р зависимость чувствительности массспектрометра от массового числ," ðåгистрируемых ионов без ускоряющего поля на входе в масс-анализатор (кривая 1) и с изменяющимся при разверт- 25 ке полем ускоряющего электрода, установленногQ на входе в масс-анализатор в соответствии с предлагаемым решением (кривая 2). Кривые фиг. 2 были получены при записи масс-спектра пер- 3р фтортрибутиламина. Оценка чувствительности производилась по стандартной таблице относительной интенсивности пиков фтортрибутиламина; на фиг. 3 показана область входного краевого поля масс-анализатора, в которой действует поле ускоряющего электрода, изменяемое по найденному аналитически закону при развертке масс-спектра.

Масс-спект роме тр (фиг. 1 ) содержит источник ионов 1, ускоряющий эле трод

2, установленный на входе в масс-анализатор 3, детектор ионов 4. Высокочастотное напряжение, сложенное с по- 45 стоянным и подаваемое на электроды масс-анализатора 3, вырабатывается устройством питания 5. Напряжение на ускоряющий электрод 2 подается от блока питания с цифр. 3ым входом 6. Пита- о ние источника ионов 1 и детектора ионов 4 обеспечивается устройством питания 5. Управление устройством питания 6 и блоком питания с цифровым входом 6 при развертке масс-спектров осу- > ществляется от управляющей ЭВИ 7.

;.1асс-спектрометр работает следующим образом.

11оны, образу3ощиеся в источнике 1, формируют ионный пучок, который транспортируется в масс-анализатор 3. Разделенные по массам в поле масс-анализатора ионы регистрируются детектором ионов 4. Источник ионов 1 настраивается с помощью системы питания 5 таким образом, чтобы кроссовер пучка формировался на входе в масс-анализатор между плоскостью ускоряющего электрода 2 и плоскостью торцов полеобразующих электродов масс-анализатора 3.

Данному положению кроссовера будет со» ответствовать наибольшая величина регистрируемого ионного тока, при другой настройке величина ионного тока будет падать.

Поле, создаваемое изменяющимся при развертке потенциалом ускоряющего электрода 2 в сочетании с фиксированным полем источника ионов 1, образует перестраиваему3о линзу, перестройка которой при развертке масс-спектра вызывает смещение кроссовера в пределах длины краевого поля и не влияет на процесс разделения ионов по массе в течение их дрейфа на длине масс-анализатора. Име:ощийся в памяти ЭВ .1 закон изменения потенциала ускоряющего электрода 2, соединенного с блоком питания с цифровым входом 6, имеющим связь с управляющей ЭВ."1, обеспечивает для ионов с разными массовыми числами при настройке масс-спектрометра на эти массовые числа, одинаковые условия прохождения ооласти краевого поля, а именно — время движения на длинь краевого поля, соответствующее двум полным периодам высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды масс-анализатора, что обеспечивает оптимальную ве:нинину пропускания ионов во всем диапазоне массовых чисел масс-спектрометра.

Поле ускоряющего электрода 2 (фиг, 3), установленного между источником ионов 1 и электродами 4 массанализатора, окруженными экраном 3, воздействуют на ионы только в области краевого ноля и не изменяет скорос ти дрейфа ионов внутри масс-анализатора. Этим обеспечивается сохранение; разрешающей способности масс-спектрометра, которая зависит от количества периодов вь3сокочастотного поля, воздействующего на ионы в течение их, дрейфа на длине масс-анализатора

1! r! 5 и p„u

R (1)

О» h где К 1 — разренающая способность на

1 уровне 107 высоты пиков я=О г 1 масс-анализатора спадает дп нуля, справедливо. допущение, что д -.кремен ы затухания вдоль оси 7. поля ускоряющего электрода (Ю и затумасс-спектра;

n — количество периодов высокоВ,V частотного поля, претерпеваемых ионами на длине массанализатора; 0

h=-25 — определенный эмпирически параметр.

Чувствительность масс-спектрометра определяется пропусканием масс-анализатора, Оптимальное пропускание обес- 15 печивается в том случае, когда ионы проходят область краевого поля за время, соответствующее двум полным периодам »»ысокочастотного напряжения, подаваемого на электроды масс-анализато- 20 ра, время прохождения ионами области краевого поля r „ фиг. 3 определяется уравнением кр

1 d7.

r (2) ?S где е — заряд электрона;

m — масса иона;

L — длина краевого поля;

z — текущая координата на оси

30 масс-зна.-,изатора, гд« положение ускоряющ го электрода »иределяется точкой z=!J;

U(z) — потенциал на оси масс-авали:»атора в точке с координатой;

П вЂ” потенциал в точке зарохдзния ионов °

Если электроды масс-анализатора отстоят друг от друга на расстоянии г, то длина краевого поля Е может быть определена кзк длина поля, проникающего внутрь полого цилиндра с внутренним радиусо.1

Т,к =2,2г . (3)

Зависимость U(z) можно аппроксимировать линейно r функцией вида U(z)=

=az+h, квадратичной функцией вида

U(z)=az2+bz+c, либо экспон нциальной

-ocZ функцией вида а е +Ь (1-е ) . Экс50 периментально установлено, что наилучпим образом поле ускоряющего электрода на длине выражается с лов мощью экспоненциальной аппроксима.ции. учитывая, что апертура ускоряю5 щего электрода существенно меньв е величины г и проникновением в нее поля электродо» масс-анализатора можно пренебречь, c÷èòая, что в точке хания в противоположном направлении поля, создаваемого на оси масс-анализатора потенциалом его электродов ((3) — равны между собой

P 1 1 к (4) а кроме тог1», ослабление поля ускоряющего электрода в точке 7.=Е„,происходит в (t ). Расчетное выражение к длч определения времени прохождения ионами области краевого поля будет иметь вид

ЬкР (5) где Б — потенциал в точке зарождеб ния ионов;

IJ — потенциал ускоряющего элект 1 рода;

И вЂ” потенциал "оси" масс-анали2 затора, т.е. смещение отно сительно потенциала земли одновременно всех четырех электродов.

Гкорость дрейфа ионов внутри массанализатора определяется разностью пот«нниалов (1! -IJ ) .

Ввиду того, что непосредственно зависимость напряжения на у-коряющем электроде I! от величины мас.сового 1 числа ионов, на которое настроен масс-спектрометр, определить из полученно-о выражения (5) сложно, была рек»она обратная задача: получена зависимость значения массового числа

? ионов, д ья которых обеспечивается прохождение области краевого поля за два высокочастотных периода, от веди »ины потенциала ускоряющего электр дз .I=f (U) при фиксированных значениях потенциалах 11, и 11,, кЬторые при работе масс-сп ктрометра устанавливаются независимо друг от друга. После интегрироваьп я и упрощения уравнения (5) было получено выраже-. ние для расчета данной зависимости

1 и, -ь (6) где К вЂ” коэфсЬициент определяемый м,A параметрами масс-анализа1705917

Re ïða К =К вЂ” — -- — -= м,4 г1г, „+

1,ЗЯ37 (f (1"1Г»») гд (см) ) где е =1,602 10 Кул — единичный

-(9 заряд;

+ -и

m =1,672 10 кг — масса проГ тона;

f — рабочая частота высокочас- 1О тотного напряжения, подаваемого на электроды масс-анализатора, .1Гц; г — радиус поля масс-анализатора (радиус вписанной окружност»» 15 между электродами), см;

К вЂ” показатель экспоненциального затухания потенциала ускоряющ го электрода на оси масс-анализатора ня длине I.»4ð (при К=1 20 поле затухает в е раз).

По кривь»»», рассчитанным с помощью выражения (6), были построены зависимости потенциала ускоряющего электро25 дя U» от значения массового числа ионов, на которое настроен масс-спектроO метр, для различных значений потенциалов Uo и U<. Для получения кривых было подобрано аналитическое выражение

30 видя

7.(г 1"(, г + m-n(Uî U ) +pU> qUo+

К 4»,Д г о

+s, (8) где l,m,n,р,q,S — коэффициенты, опре- 35 деляемые эмпири" чески.

После экспериментальной проверки предлагаемого технического решения на масс-спектрометре типа 1(С7303 »» коррек0 тировкц был определен закон изменения потенциала ускоряющего электрода при развертке масс-спектра в рабочем диапазоне массовых чисел масс-спектромет

45 ра и найденная зависимость

-4 4

tI =-(2,715 10 f гд 70+(0,752. -5,480 10 (Uä-04)) 7 < ° 75-55РUU

+4,0U +43,650$. (В) (9) g0

1 введена в 3BIl уп; являющую массанализатором квядрупольного массспектрометря. Изменение потенциала ускоряющего электрода при развертке

/ масс-спектра осуществлялось с помощью блока питания (О-300)В с цифро вым входом, соединенного с управляю. щей ЭВИ.

Для компенсации действия краевогп поля, существующего на выходе масс-анализатора, целесообразно устанавливать ускоряющий электрод также ня выходе масс-анализатора, причем потенциал на обоих ускоряющих электродах может быть подан от одного блока питания с цифровым входом, управляемого при развертке массспектров от ЭВМ, в соответствии с полученным выражением (9).

Если учесть, что условия выхода ионов из 7всс-анализатора после их разделения по массам могут отличаться от условий их входа в масс-анализатор, то целесообразно на ускоряющцй электрод, расположенный ня выходе масс-анализатора, подавать потен1»»»ал по закону, отличающемуся от выражения (9), для чего подключают его к дополнительному источнику питания.

Отсутствие литературных данных об условиях прохождения ионами выходного краевого поля для достижения оптимального пропускания масс-анализатора делает невозможным теоретически полу" чить искомый закон изменения потенциала ускоряющего электрода на выходе ,масс-анализатора при развертке массспектра, однако, имеется возможность установить этот закон эмпирическим путем для конкретного масс-спектрометра.

Благодаря использованию предла» ае мого устройства повьш»ается чувствительность масс-спектрометря в области больших массовых чисел по сравне»»и»о с прототипом и получаемый масс-спектр более точно отражает относительное количество ионов, образующихся в камере ионизяпии, 0тсутств»»е деталей из непроводящего материала в системе электродов масс-спектрометра обеспечивает гарянт2»рованную стабильность чувствительности масс-спектрометря при длительной ряботе и позволяет расширить диапазон регистрируемых массовых чисел.

Ф о р м у л я и з обретения

1.К»»адрупольны»» масс-спектрометр, содержащ»»й» источник ионов, масс-анализатор, приемник ионов; управляемое от ЭВ!1 устройство злектр»»«ского пи1705о17 претации масс-спектров, масс-спектрометр снабжен ускоряющим электродом, 10 установленным на расстоянии 1=(0,2-0,25)r (м) от входа масс-анализато— ра и электрически связанным с выходом дополнительного блока питания, цифровой вход которого соединен с управляю-15 щей ЭВ«1, при этом величина потенциала ускоряющего электрода задана по зякону, обеспечивающему для ионов с разными массовыми числами одинаковое время прохождения краевого поля масс- 20 анализатора, а именно:

П, =- 2, 715 10 f r М2+ 0, 1 2-5,480х

-4 44, «10 О!д-Б )) f«««M-«,0 П««««,0 IJ<«

+43,650 где 11 — потенциал ускоряющего элект1 рода, В; а.е.м.

МО 4Ю 5Н 600

Ииеео5ое число )а.Е. м/ тания масс-анализатора, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения чувствительности масс-спектрометра в области больших масс, обеспечения стабильности чувствительности при расширении диапазона регистрируемых масс и повышения точности интер1

Ь1

Ъ

1Î

Ъ 1 10z б

Ь ф

fp33 Ъ

11 — потенциал в области обраэовас ионов, В;

11 — потенциал оси масс-анали. а2. тора, В; частота переменного напряжения подаваемого иа электро1 ды масс-анализатора, МГц;

r — радиус поля масс-анализатора о (радиус вписанной окружности между электродами), см;

lI — массовое число, на которое настроен масс-спектрометр, 2. Масс-спектрометр по и. 1, о т л и и а ю шийся тем, что на выхо,це масс-анализатора установлен второй ускоряющий электрод, причем оба ускоряющих электрода электрически связаны с выходом одного блока питания, цифровой вход которого соединен с управляющей ЭВ. 1 так, что при развертке масс-спектра закон изменения потенциала является общим для обоих ускоряющих электродов.

1705917

2=0

Составитель В.Кащеев

Техред А.Кравчук Корректор C.Шекмар, Редактор М. Товтин

Заказ 198 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101