Способ масс-спектрометрического анализа ионов в квадрупольном фильтре масс и устройство для его осуществления

 

Техническим результатом является повышение разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометра. Изобретение относится к масс-спектрометрии. Анализируемые ионы разделяют по отношению массы к заряду во время пролета в высокочастотном поле, причем по меньшей мере дважды за время пролета ионы проходят области полей, различающихся значениями постоянной составляющей, и/или высокочастотной составляющей, и/или частоты, и/или скважности, и/или формы импульса питающего напряжения, и/или геометрии полеобразующей электродной системы, так, что рабочая точка анализируемых ионов на диаграмме стабильности решений уравнения Хилла переходит по одной из координат от одной границы зоны стабильности к другой. Устройство для осуществления способа масс-спектрометрического анализа содержит систему параллельных стержней, образующих квадрупольный конденсатор, отличающееся тем, что по крайней мере один раз по длине расстояние между противоположными пластинами конденсатора скачкообразно изменяется. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано при создании масс-спектрометров с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

Известен способ анализа ионов в квадрупольном фильтре масс [W. Paul and H. Steinwedel, A New Mass Spectrometer without a Magnetic Field, Z. Naturforsch. , 8A, 448, (1953)], по которому ионы сортируются по удельным зарядам (σ = e/m) за время пролета в дрейфовом пространстве анализатора, представляющего систему из четырех параллельных гиперболических или круглых цилиндров. Он заключается в том, что на электродную систему фильтра масс подается питающее напряжение, содержащее высокочастотную составляющую амплитуды U_~ и циклической частоты ω, а также постоянную составляющую U₌, значения которых таковы, что пролететь в межэлектродном пространстве могут лишь ионы настолько узкого диапазона удельных зарядов Δ(е/m), что в идеале одновременно детектором будут регистрироваться ионы одного заданного значения е/m, а все остальные - нейтрализуются на полеобразующих электродах. Сканирование по массовому диапазону производится последовательным переводом рабочих точек ионов с заданными значениями удельных зарядов внутрь зоны стабильности и осуществляется обычно путем изменения U_~ и U₌ или изменением частоты ω переменной составляющей.

К недостаткам этого способа и устройства относится относительно невысокая чувствительность и разрешающая способность. Ограничения разрешающей способности в основном определяются тем, что для достижения высоких значений необходимо работать в одной из вершин зон стабильности, образуемых Х и Y границами диаграммы стабильности уравнения Хилла. При этом границы, образующие так называемый "треугольник стабильности", пересекаются во всех зонах под довольно большими углами, что обуславливает жесткие требования к стабильности параметров питающего напряжения. При стремлении получить высокое разрешение рабочая прямая должна проходить очень близко к вершине и любое незначительное изменение параметров сепарирующего поля, всегда имеющее место на практике во время процесса сортировки, приводит к изменению угла наклона рабочей прямой, тангенс которого определяется как λ = a/q. Следствием этого будет резкое изменение диапазона пропускания ФМ, что приводит к размыванию массового пика, к снижению разрешающей способности и предельной чувствительности.

Снижение чувствительности обусловлено тем, что размывание массового пика при заданном уровне потока "нужных" ионов на входе анализатора приводит к снижению соотношения "сигнал/шум". Кроме того, в данном случае двухмерность процесса сортировки (по координатам Х и Y) приводит к тому, что в процессе сепарации "стабильные" ионы занимают весь рабочий объем анализатора и попадают в периферийные области искаженного поля, наличие которых обусловлено неидеальностью геометрии и загрязнением поверхности реальных полеобразующих электродов, погрешностями юстировки системы и т.д. Искажения поля приводят к "размыванию" положения рабочей точки иона на диаграмме стабильности и к возникновению связанных резонансных колебаний в движении "стабильных" частиц и к выходу их из анализируемого потока, что еще больше снижает разрешение и чувствительность прибора.

Цель предлагаемого способа работы квадрупольного фильтра масс и устройства для его осуществления заключается в увеличении чувствительности и разрешающей способности.

Указанная цель достигается тем, что по меньшей мере один раз за время разделения ионов рабочую точку анализируемых ионов на диаграмме стабильности решений уравнения Хилла переводят по одной из координат от одной границы зоны стабильности к другой путем изменения постоянной составляющей, и/или высокочастотной составляющей, и/или частоты, и/или скважности, и/или формы импульса питающего напряжения, и/или геометрии полеобразующей электродной системы. Подобного рода переброс рабочей точки на диаграмме стабильности эквивалентен "сжатию" границ зоны стабильности и формированию новой динамической зоны стабильности. В результате этого данный режим получил название "режим сжатия границ" (СГ).

Устройство для реализации данного способа содержит систему параллельных стержней, образующих квадрупольный конденсатор, причем по крайней мере один раз по длине расстояние между противоположными пластинами конденсатора скачкообразно изменено.

Достижение необходимой разрешающей способности при этом осуществляется путем формирования диаграммы стабильности с очень малым углом в рабочей вершине эквивалентной зоны стабильности. Формирование такой диаграммы возможно при использовании одномерной сортировки ионов по одной из координат (X или Y). При этом параметры питающего напряжения выбираются таким образом, что рабочая прямая проходит в глубине выбранной зоны диаграммы стабильности по одной из координат (координата удержания). В этом случае ионы относительно широкого массового диапазона находятся по данной координате в области малых амплитуд колебаний, а таким образом практически не выходят за пределы области неискаженного поля, а сепарация по удельным зарядам происходит по другой координате (координата сортировки).

Осуществление такого режима работы возможно в обычной электродной системе квадрупольного фильтра масс при импульсном вводе анализируемых ионов в рабочий объем масс-анализатора и синхронизированном с моментом ввода импульсном изменении параметров сепарирующего поля.

Более предпочтительной является конструкция, представляющая собой совокупность последовательно расположенных электрически изолированных секций электродных систем фильтра масс, на каждую из которых подается питающее напряжение с параметрами, соответствующими нахождению рабочей точки иона на диаграмме стабильности вблизи одной из двух сепарирующих границ. В этом случае анализируемые ионы можно вводить в рабочий объем масс-анализатора непрерывным потоком. Во время пролета, при последовательном переходе заряженных частиц из одной ступени масс-анализатора в другую, рабочая точка "выбранных" ионов будет перебрасываться от одной сепарирующей границы к другой, в результате чего на выходе всей электродной системы останутся ионы в идеале одного удельного заряда.

Подобного рода ситуация также будет иметь место, если все последовательно расположенные секции электродной системы, различающиеся геометрическими параметрами, запитать от одного источника, формирующего высокочастотный сигнал, содержащий постоянную составляющую. Переброс рабочей точки в этом случае осуществлялся за счет изменения геометрии отдельных секций электродной системы.

На фиг.1 изображены: общая диаграмма стабильности квадрупольного фильтра масс, на которой штриховкой отмечены зоны стабильности решений уравнений Хилла (фиг. 1а) и наиболее часто используемая на практике зона стабильности 1-1 (фиг. 1б). В нумерации зон первый индекс соответствует порядку области стабильности по X-координате, второй - по Y-координате. На фиг.2 представлена в увеличенном виде зона 2-1 диаграммы стабильности для питания анализатора импульсным сигналом со скважностью S=2, на которой отмечены линии переброса рабочей точки иона путем изменения параметров сепарирующего поля. Штриховкой отмечена соответствующая предлагаемому режиму эквивалентная область стабильности. На фиг.3 представлены результаты сравнения расчетных зависимостей разрешающей способности (R) "традиционного" и предлагаемого режимов от девиации угла наклона рабочей прямой, определяемой изменением параметра λ(Δλ). При этом: кривая 1 соответствует режиму СГ с изменением параметра диаграммы стабильности Δq=0.1; кривая 2 - режиму СГ с Δq=0.08; кривая 3 - режиму СГ с Δq=0.06; кривые 4 и 5 - работе в "традиционном" режиме в вершинах М и S, соответственно, зоны 2-1 диаграммы стабильности. Фиг.4 показывает схему процесса сортировки и конструкции анализатора квадрупольного фильтра масс по заявляемому режиму. Схема, представленная на фиг.4а, соответствует конструкции электродной системы фильтра масс, представляющей собой последовательность электрически изолированных секций с одинаковым радиусом поля, на которые подается питающее напряжение, отличающееся амплитудой (U_~) и/или частотой (ω), и/или формой высокочастотного сигнала, и/или значением постоянной составляющей (U₌), где 6 - ионный источник, 7 - первая секция электродной системы фильтра масс; 8 - вторая секция электродной системы фильтра масс; 9 - изолирующий диэлектрический промежуток; 10 и 11 - источники, формирующие питающее напряжение для первой и второй секций, соответственно; 12 - детектор отсортированных ионов. Схема, представленная на фиг.4б, соответствует конструкции электродной системы фильтра масс, представляющей собой последовательность электрически соединенных секций с различным радиусом поля, на которые подается одинаковое питающее напряжение, где 6 - ионный источник, 13 - первая секция электродной системы фильтра масс с радиусом поля r₁; 14 - вторая секция электродной системы фильтра масс с радиусом поля r₂; 15 - источник, формирующий питающее напряжение для обеих секций; 12 - детектор отсортированных ионов.

Цикл сортировки при этом происходит минимум в два этапа. На первом этапе параметры сепарирующего поля (амплитуда U_~ и частота ω переменной составляющей, уровень постоянной составляющей U₌, скважность и форма сигнала, а также геометрия электродной системы) выбираются такими, что рабочая точка иона оказывается у одной из границ зоны стабильности (пусть это будет точка (a₁; q₁)), а на втором этапе рабочая точка "избранных" ионов быстро переводится к другой границе диаграммы стабильности (точка (а₂;q₂)), путем изменения одного или нескольких параметров сепарирующего поля (см. фиг.2). При этом на втором этапе рабочие точки всех остальных ("ненужных") ионов, которые на первом этапе сортировки являются "стабильными", попадают в нестабильную область. В результате этого все ионы с удельными зарядами, отличными от заданного, будут отфильтрованы либо на первом, либо на втором этапах и не попадут на детектор (см. фиг.4). Таким образом, имея на входе электродной системы ионный поток широкого диапазона масс, формируемый ионным источником, на выходе мы будем детектировать сигнал, соответствующий в идеале избранному сорту ионов. Сканируя аналогично "традиционному" способу по заданному массовому диапазону, получим спектр масс.

Предельное значение величины переброса рабочей точки Δq, которая характеризует изменение положения рабочей точки при перебросе Δq = |q₂-q₁|, определяется в каждом конкретном случае конфигурацией выбранной зоны стабильности, которая зависит от номера зоны (см. фиг.1.) и вида питающего напряжения. Так, для зон 1-2 и 2-1 при импульсном питании со скважностью S=2 значение Δq находится в пределах [0.0; 0.1193], в то время как использование гармонического сигнала для этих же зон дает диапазон значений Δq [0.0; 0.1083].

В отличие от прототипа каждый массовый пик в данном случае получается в два этапа, на каждом из которых формируется один из его фронтов. В принципе, подобных этапов сортировки можно сделать несколько, осуществляя многократный переброс рабочей точки на диаграмме стабильности (так называемое, многомерное "сжатие границ").

Каждый этап при этом осуществляется в отдельной секции электродной системы, которая представляет собой систему полеобразующих электродов "традиционного" фильтра масс: минимум четыре параллельных цилиндра гиперболического или круглого профиля. В общем виде конструкция электродной системы фильтра масс представляет собой совокупность расположенных последовательно отдельных секций, имеющих в месте соединения не равную нулю площадь пересечения входной и выходной аппертур. В случае питания от отдельных источников каждая секция электродной системы электрически изолирована от других диэлектрическим промежутком (фиг 4а). При использовании одного источника питания отдельные секции электрически связаны между собой (фиг.4б).

При использовании предлагаемого способа и устройства для масс-анализа при аналогичном с прототипом уровне нестабильности параметров сепарирующего поля значение предельно достижимой разрешающей способности сдвигается в область больших значений. Это происходит за счет того, что в данном случае эквивалентная диаграмма стабильности, получаемая в результате переброса рабочей точки, имеет вид достаточно протяженного треугольника стабильности, образованного "сепарирующими" границами зоны со значительно меньшим углом у вершины, чем это имеет место в вершинах обычно используемых на практике зон 1-1 и 2-1 (см. фиг.1 и 2). Вследствие такой конфигурации зоны разрешающая способность предлагаемого метода в гораздо меньшей степени зависит от нестабильности параметров сепарирующего поля, что подтверждается проведенными расчетами.

Расчет параметров сравниваемых режимов производился одним и тем же методом для одинаковых параметров как питающего напряжения, так и анализируемого ионного потока на входе анализатора для обоих режимов, реализованных в зоне 2-1 диаграммы стабильности. В обоих случаях использовалось импульсное напряжение скважности S= 2; частотная развертка спектра масс; равномерное распределение входного ионного потока по площади входной аппертуры при отсутствии поперечных скоростей и разброса по продольным скоростям.

Переброс рабочей точки на диаграмме стабильности осуществлялся "слева-направо", то есть от границы β_y = 0 к границе β_y = 1 (см. фиг.2). Результаты расчетов представлены на фиг.3. При этом для кривой 1 величина переброса составляет Δq=0.1, что соответствует изменению радиуса поля (r₂/r₁) в 1.02433 раза; для кривой 2 - Δq=0.08 и r₂/r₁=1.01951; для кривой 3 - Δq=0.06, r₂/r₁= 1.01467. Представленные зависимости разрешающей способности (R) обоих режимов от отклонения параметра λ = a/q = 2U₌/U_~ от значения, соответствующего прохождению рабочей прямой через вершину соответствующего треугольника стабильности, показывает, что в режиме "сжатия границ" по сравнению с обычным режимом для изменения разрешения на одно и то же значение требуется на порядок большее изменение тангенса угла наклона линии развертки спектра масс. Соответственно, при заданном уровне девиации параметров сепарирующего поля на порядок увеличивается предельно достижимая разрешающая способность, а то, что рабочая точка, соответствующая избранным ионам, при этом во время сортировки не выходит за пределы зоны стабильности, приводит к повышению чувствительности.

Формула изобретения

1. Способ масс-спектрометрического анализа в квадрупольном фильтре масс, по которому анализируемые ионы разделяют по отношению массы к заряду во время пролета в высокочастотном поле, отличающийся тем, что цикл разделения анализируемых ионов осуществляют минимум в два этапа, на которых параметры сепарирующих полей - постоянная составляющая, и/или высокочастотная составляющая, и/или частота, и/или скважность, и/или форма импульса, и/или геометрия полеобразующей электродной системы - различны.

2. Устройство для осуществления способа масс-спектрометрического анализа по п. 1, содержащее систему параллельных стержней, образующих квадрупольный конденсатор, источники, формирующие питающее напряжение для конденсатора, и детектор и отсортированных ионов, отличающееся тем, что, по крайней мере, один раз расстояние между противоположными пластинами конденсатора скачкообразно изменено.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4