Устройство ортогонального ввода ионов во времяпролетный масс-спектрометр

Изобретение относится к области времяпролетной масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, токсикологии, криминалистики, иммунологии и медицины при ионизации молекул исследуемых веществ методами электронный удар, «электроспрей». Устройство ортогонального ввода ионов во времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС) включает канал транспортировки поступающего из источника непрерывного пучка ионов, сформированный двумя электродами, ориентированными параллельно направлению движения непрерывного ионного пучка и предназначенными для создания импульсного электрического поля, выталкивающего ионы в направлении, перпендикулярном непрерывному пучку, и электроды для электростатического ускорения ионов, расположенные вне указанного канала. В промежуток между электродами, формирующими канал транспортировки заряженных частиц, введены дополнительные электроды, ориентированные параллельно направлению движения непрерывного ионного пучка, а приложенные к этим электродам статические электрические потенциалы обеспечивают сжатие непрерывного ионного пучка в направлении импульсного выталкивания ионов из канала. Технический результат - увеличение чувствительности ВПМС. 3 ил.

 

Изобретение относится к области времяпролетной масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, токсикологии, криминалистики, иммунологии и медицины при ионизации молекул исследуемых веществ методами электронный удар, «электроспрей» и др.

Подавляющее большинство используемых в настоящее время в масс-спектрометрии источников создают непрерывные пучки ионов. Для согласования времяпролетных масс-спектрометров (ВПМС) с такими источниками непрерывный пучок ионов преобразуют в короткие импульсные ионные пакеты. Наиболее эффективным и широко используемым способом создания ионных пакетов короткой длительности является ускорение заряженных частиц в устройстве ортогонального ввода ионов в ВПМС периодически создаваемым импульсным электрическим полем в направлении, перпендикулярном направлению движения непрерывного ионного пучка.

Прототипом изобретения является устройство ортогонального ввода [1], схематически представленное на фиг.1,а. В приведенной схеме непрерывный пучок ионов 1 поступает из источника в канал транспортировки, сформированный двумя электродами 2 и 3, ориентированными в плоскости yz, параллельной направлению z движения непрерывного пучка. Электрод 3 имеет окно, затянутое проводящей сеткой. Вне канала транспортировки расположены электроды 4, также имеющие окна, часть из которых затянута проводящими сетками.

В промежутки времени между импульсным выталкиванием ионов из канала электроды 2 и 3 заземлены и электростатическое поле в канале транспортировки отсутствует. Через определенные промежутки времени на электрод 2 подается импульсное электрическое напряжение, и в канале транспортировки образуется однородное электрическое поле, выталкивающее поступившие в эти промежутки времени в канал ионы через окно в электроде 3 в направлении х, перпендикулярном направлению z движения непрерывного пучка. Вытолкнутые из канала ионы ускоряются до необходимой энергии в направлении х электрическим полем, создаваемым с помощью набора электродов 4.

Недостатком прототипа является обусловленное наличием углового разброса направлений движения свободное расширение непрерывного пучка ионов в канале транспортировки в направлении x в промежутки времени между импульсным выталкиванием, как показано на фиг.1,б. Ширина транспортирующего канала ограничена требованием достижения определенной величины напряженности выталкивающего поля при максимально достижимой амплитуде импульсного напряжения на электроде 2. При этом указанное свободное расширение ионного пучка приводит к частичному вылету ионов из канала транспортировки через окно в электроде 3 в область электрического поля, сформированного набором электродов 4. Такие ионы достигают детектора ВПМС в произвольное время и становятся источником шумового сигнала, уменьшающего чувствительность ВПМС.

Существуют аналоги описанного прототипа [2-4], в которых электрод 3 и электроды 4 являются бессеточными, однако и в этих аналогах присутствует указанный недостаток.

Задачей изобретения является пространственное сжатие поступающего из источника непрерывного ионного пучка в канале транспортировки устройства ортогонального ввода ионов в ВПМС в направлении х выталкивания ионов и, как следствие, увеличение чувствительности ВПМС.

Поставленная задача решается тем, что в канал транспортировки устройства ортогонального ввода ионов в ВПМС вводятся дополнительные электроды, ориентированные параллельно направлению движения непрерывного пучка ионов, к которым прикладываются статические электрические напряжения. При этом в отличие от прототипа в канале транспортировки ионов создается статическое неоднородное электрическое поле, воздействующее на ионы и препятствующее расширению непрерывного ионного пучка в направлении х.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.2 приведены схема изобретения с одним из примеров геометрии дополнительных электродов (фиг.2,а) и вид траекторий ионов в плоскостях xz (фиг.2,б) и yz (фиг.2,в), на фиг.3 представлены схема изобретения с другим примером геометрии дополнительных электродов (фиг 3,а) и вид траекторий ионов в плоскостях xz (фиг.3,б) и yz (фиг.3,в).

Предлагаемое устройство ортогонального ввода ионов в ВПМС (фиг.2,а) состоит из канала, образованного двумя электродами 2 и 3, в который поступает непрерывный пучок ионов 1, набора электродов для ускорения ионов 4 и дополнительных электродов 5, расположенных в канале транспортировки. В представленном на фиг.2,а варианте на дополнительные электроды 5 поданы одинаковые напряжения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Непрерывный пучок ионов 1 поступает в канал транспортировки, сформированный электродами 2 и 3, которые в режиме накопления заземлены. К дополнительным электродам 5 прикладывается статическое электрическое напряжение U₁, формирующее в канале электрическое поле, которое является близким к квадрупольному в области движения ионного пучка. Это поле оказывает фокусирующее действие на пучок ионов в плоскости xz (фиг.2, б) и, таким образом, приводит к сжатию пучка в направлении x и предотвращает возможность вылета ионов через окно в электроде 3 в промежутки времени между импульсами выталкивания. Действие рассматриваемого статического поля является дефокусирующим на пучок ионов в плоскости yz (фиг.2,в), однако некоторое увеличение размера пучка ионов в направлении у не влияет на свойства ВПМС. При подаче импульсного напряжения на электрод 2 для выталкивания ионов наличие напряжений на электродах 5 приводит лишь к незначительному и не влияющему на свойства ВПМС искажение структуры выталкивающего электрического поля, поскольку напряженность статического поля, требуемого для сжатия непрерывного пучка ионов, существенно меньше напряженности импульсного выталкивающего поля.

На фиг.3,а представлена схема изобретения с другим примером геометрии дополнительных электродов, введенных в канал транспортировки непрерывного пучка ионов. В представленном на фиг.3,а варианте в канал введены две пары дополнительных электродов 5 и 6, к которым прикладываются статические электрические потенциалы U₁ и U₂ противоположных знаков. При этом в канале транспортировки возможно реализовать пространственное сжатие непрерывного ионного пучка в канале транспортировки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях xz и yz. На фиг.3,б и 3,в показаны траектории ионов в указанных плоскостях в случае, когда к дополнительным электродам 5 прикладывается статический электрический потенциал U₁, обеспечивающий сжатие ионного пучка в направлении х.

Таким образом, ввод в канал транспортировки устройства ортогонального ввода ионов дополнительных электродов, ориентированных параллельно направлению движения непрерывного ионного пучка, к которым прикладываются статические электрические потенциалы, способствует выполнению поставленной задачи увеличения чувствительности ВПМС.

Источники информации

1. Додонов А.Ф., Чернушевич И.В., Додонова Т.Ф., Разников В.В., Тальрозе В.Л. Метод времяпролетного масс-спектрометрического анализа из непрерывных ионных пучков. // А.с. 1681340 A1. 1987.

2. Franzen J. Gridless time-of-flight mass spectrometer for orthogonal ion injection. // US Patent 0011703 A1. 2001.

3. Makarov A.A. A time of flight mass spectrometer including an orthogonal accelerator. // Patent WO 01/11660 A1. 2000.

4. Помозов T.B., Явор М.И. Бессеточный ортогональный ускоритель для многоотражательных времяпролетных масс-анализаторов. // Научное приборостроение. 2012. Т.22. Вып.1. С.113-120.

Устройство ортогонального ввода ионов во времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС), включающее канал транспортировки поступающего из источника непрерывного пучка ионов, сформированный двумя электродами, ориентированными параллельно направлению движения непрерывного ионного пучка и предназначенными для создания импульсного электрического поля, выталкивающего ионы в направлении, перпендикулярном непрерывному пучку, и электроды для электростатического ускорения ионов, расположенные вне указанного канала, отличающееся тем, что в пространство между электродами, формирующими канал транспортировки, введены дополнительные электроды, ориентированные параллельно направлению движения непрерывного ионного пучка, к которым прикладываются статические электрические потенциалы.