Времяпролетный масс-спектрометр
Владельцы патента RU 2295797:
Институт аналитического приборостроения Российской академии наук (ИАнП РАН) (RU)
Изобретение относится к области масс-спектрометрии и найдет применение при решении задач органической биоорганической химии, иммунологии и медицины, биотехнологии и экологии, при определении состава и свойств веществ в промышленности и в научных исследованиях. Времяпролетный масс-спектрометр, состоящий из импульсного источника ионов, пространства дрейфа, в конце которого последовательно установлены два плоских сетчатых конденсатора с тормозящими электрическими полями, и детектора, содержит второе дрейфовое пространство, образованное разнесенными вдоль оси прибора общими электродами плоских сетчатых конденсаторов, при этом второе дрейфовое пространство имеет тормозящий по отношению к первому дрейфовому пространству потенциал. Предложенный времяпролетный масс-спектрометр решает задачу повышения разрешения прибора без увеличения его габаритов. 1 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии и медицины, биотехнологии и экологии, при ионизации веществ методом электронного удара, "электроспрей", МАЛДИ и др.
Разработанное новое устройство фокусирует времена пролета ионов до третьего порядка включительно, что создает основу для построения времяпролетного масс-спектрометра с высоким разрешением.
Известен времяпролетный масс-спектрометр, предложенный и разработанный Мамыриным Б.А. [1], состоящий из импульсного источника ионов с тремя электродами, пространства дрейфа, двух плоских сетчатых конденсаторов с тормозящими электрическими полями и детектора. Конденсаторы соединены последовательно, и электроды, имеющие равные потенциалы, пространственно совмещены. Время пролета в пространстве дрейфа и в зазоре первого конденсатора тем меньше, чем больше скорость иона. Время пролета в отражающем поле второго конденсатора, наоборот, увеличивается при увеличении энергии ионов. Таким образом, при определенном соотношении параметров системы можно скомпенсировать изменение времени пролета иона, которое возникает при изменении его энергии, на участке пространство дрейфа - первый конденсатор, изменением времени пролета в отражающем поле второго конденсатора.
Недостатком указанного времяпролетного масс-спектрометра является то, что в нем принципиально не получить более высокий - третий - порядок фокусировки времени пролета ионов по энергии, а следовательно, - заметно повысить разрешение масс-спектрометра без существенного увеличения его габаритов.
Известны также масс-спектрометры аналогичной конструкции с источником ионов типа "электроспрей" [2, 3], в которых ионизованное при атмосферном давлении исследуемое вещество через ионно-оптическую систему с дифференциальной откачкой транспортируется в область времяпролетного масс-анализатора с ортогональным вводом ионов, что позволяет исследовать вещества, которые не удается ионизовать методом электронного удара. Однако получить третий порядок фокусировки времени пролета ионов по энергии в этих приборах невозможно.
Ближайшим из известных является времяпролетный масс-спектрометр [4], состоящий из импульсного источника ионов, бесполевого дрейфового пространства, двух плоских сетчатых конденсаторов с тормозящими электрическими полями и детектора. Данный масс спектрометр осуществляет фокусировку второго порядка времени пролета ионов по энергии и в приближении бесконечно малого зазора первого конденсатора имеет теоретически максимальное разрешение.
Однако при всех положительных факторах в прототипе не удается достигнуть более высокого третьего порядка фокусировки времени пролета ионов по энергии и, таким образом, повысить разрешение прибора без увеличения его габаритов.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение разрешения времяпролетного масс-спектрометра без увеличения его габаритов.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном времяпролетном масс-спектрометре, включающем импульсный источник ионов, детектор, дрейфовое бесполевое пространство, два последовательных плоских конденсатора с тормозящими электростатическими полями, общие электроды конденсаторов разнесены вдоль оси масс-анализатора и образуют между собой второе бесполевое пространство с тормозящим по отношению к первому дрейфовому пространству потенциалом.
Изобретение поясняется математическими расчетами и чертежом, где а) схематично представлен масс-спектрометр с фокусировкой времени пролета ионов по энергии третьего порядка, б) представлен общий ход потенциала в таком масс-спектрометре.
Предлагаемое новое устройство состоит из импульсного источника ионов 1, первого бесполевого дрейфового пространства 2 протяженностью h, первого плоского конденсатора 3 с зазором S и с тормозящим потенциалом Ф1, второго бесполевого дрейфового пространства 4 протяженностью H-h-S, второго плоского конденсатора 5 с зазором L, расположенного на расстоянии Н от источника и имеющего отражающий потенциал Ф2, и детектора ионов 6.
Таким образом, времяпролетный масс-спектрометр имеет два дрейфовых промежутка - 2 и 4.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Ионный пакет стартует из источника 1, летит в бесполевом пространстве 2, притормозив в поле первого плоского конденсатора 3, меняет свою энергию, летит в бесполевом пространстве 4, отражается в поле второго плоского конденсатора 5, летит в бесполевом пространстве 4, ускорившись, меняет свою энергию в поле первого плоского конденсатора 3, летит в бесполевом пространстве 2 и попадает на детектор 6. Предполагается, что вектор скорости ионного пакета составляет небольшой угол с осью Z, как и в прототипе.
Докажем, что в предлагаемом устройстве имеется фокусировка времени пролета ионных пакетов по энергии третьего порядка. Рассмотрим полное время пролета t ионного пакета от источника до детектора. Его в такой системе можно записать в виде:
,
здесь
,
где
Условие фокусировки времени пролета по энергии третьего порядка имеет вид:
где E0 - средняя энергия ионов, которая соответствует средней скорости ионов по оси Z системы, 
.
Условие (5) эквивалентно следующему выражению:
Из системы (6) находим значения α, β и γ:
,
которые при учете физических условий (w0>1, α≥0)и требования максимальности разрешения 
приводят к следующим характеристикам масс-спектрометра:
,
где 
- относительный разброс начальной энергии ионов по отношению к средней энергии Е0.
Из выражения (8) видно, что в условиях фокусировки третьего порядка максимальным разрешением R обладает масс-спектрометр, в котором зазор S первого притормаживающего конденсатора выбран минимальным, регламентируемый, например, пробойным напряжением и рассеянием ионов на сетках. Кроме того, второе дрейфовое пространство (H-h-S) и толщина второго конденсатора L вместе составляют всего 7.2% от длины первого пролетного пространства h, что, по крайней мере, не увеличивает габариты прибора по сравнению с прототипом.
В таблице 1 приводятся данные по разрешению R предлагаемого масс-спектрометра в сравнении с масс-спектрометром - прототипом.
| Таблица 1. | ||
| Относительный разброс начальной энергии ионов. δ | Разрешение R масс-спектрометра - прототипа | Разрешение R предлагаемого масс-спектрометра |
| 0.01 | 4.6·106 | 51.2·106 |
| 0.02 | 6.1·105 | 3.2·106 |
| 0.03 | 1.9·105 | 6.3·105 |
| 0.05 | 4.0·104 | 8.2·104 |
Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что предлагаемый масс-спектрометр, обладающий фокусировкой времени пролета ионов по энергии третьего порядка, значительно превосходит по разрешению известные времяпролетные масс-спектрометры рефлектронного типа и не требует при этом увеличения габаритов прибора.
Источники информации
1. Б.А.Мамырин. Авторское свидетельство СССР №198034 (январь 1966).
2. Verentchikov, A.N.; Ens, W.; Standing, K.G. Reflecting time-of-flight mass-spectrometer with an electrospray ion source and orthogonal extraction. - Anal. Chem. 1994, 66, 126-133.
3. Времяпролетный масс-спектрометр MX 5303, проспект Института аналитического приборостроения РАН, 2003 г.
4. В.И.Каратаев, Б.А.Мамырин и Д.В.Шмик. Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетных масс-спектрометрах. ЖТФ, 1971, XLI, в.7, 1498-1501 (прототип).
Времяпролетный масс-спектрометр, состоящий из импульсного источника ионов, пространства дрейфа, в конце которого последовательно установлены два плоских сетчатых конденсатора с тормозящими электрическими полями, и детектора, отличающийся тем, что он содержит второе дрейфовое пространство, образованное разнесенными вдоль оси прибора общими электродами плоских сетчатых конденсаторов, при этом второе дрейфовое пространство имеет тормозящий по отношению к первому дрейфовому пространству потенциал.
