СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ПО УДЕЛЬНОМУ ЗАРЯДУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01J49/22 

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения технологических и аналитических свойств гиперболоидных масс-спектрометров.

Анализаторы квадрупольных масс-спектрометров состоят из трех или четырех электродов и сложны в изготовлении и сборке [1, 2]. Монопольный масс-спектрометр с двумя гиперболоидными электродами имеет низкую разрешающую способность. Чувствительность одномерного однополярного анализатора с двумя гиперболоидными электродами ограничена малым диаметром отверстия в нижнем электроде [3] . За прототип приняты трехмерная ионная ловушка [1] и одномерный масс-анализатор с двумя гиперболоидными электродами [3]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в упрощении конструкции анализатора, эффективном решении проблем ввода и вывода ионов и улучшении аналитических параметров гиперболоидных масс-спектрометров.

Предлагаемый способ разделения частиц по удельному заряду основан на ограничении объема ионной ловушки плоскостью z=0 и создании в части 0≤z≤2r₀₁ рабочей области анализатора поля с распределением потенциала, отличным от квадратичного. Под действием переменного электрического поля ионы анализируемой массы m₀ совершают по оси z однополярные, а по оси r двуполярные колебания с ограниченной амплитудой. Ионы других масс m≠m₀ в пространстве предлагаемого анализатора являются нестабильными. В качестве устройства для разделения ионов по удельному заряду используется ограниченная плоскость z=0 трехмерная ионная ловушка с экранирующем электродом в форме усеченного конуса и полупрозрачным электродом, расположенным за отверстием в кольцевом электроде.

Схема электродной системы гиперболоидного анализатора на ограниченной трехмерной ловушке представлена на фиг. 1. Анализатор состоит из двух гиперболоидных электродов - торцевого 1 и кольцевого 2, экранирующего электрода 3 в форме усеченного конуса и полупрозрачного электрода 4. Кольцевой электрод 2 ограничен плоскостью z=0 и составляет половину кольцевого электрода ионной ловушки. Минимальные расстояния z₀₁ и r₀₁ гиперболоидных электродов 1 и 2 от начала координат берут в соотношении r₀₁≤0.2z₀₁. Область сортировки анализатора имеет форму цилиндра с радиусом r_c=r₀₁. Ввод ионов в анализатор под действием ионизирующих электронов осуществляется двумя способами. В первом случае образование ионов с начальными координатами z₀ ≈ z₀₁ происходит в рабочем объеме анализатора при пропускании ионизирующих электронов между электродами 1,2 и 3 (Фиг. 1). Для свободного прохождения пучка электронов толщиною d_э диаметр кольцевого электрода ограничивается величиною B другом случае заряженные частицы образуются вне объема анализатора при пропускании пучка электронов между электродами 2 и 4, а после завершения ионизации под действием положительного потенциала на электроде 4 ионы вводятся в анализатор. В обоих случаях исключаются попадание ионизирующих электронов на рабочие поверхности гиперболоидных электродов и образование на них диэлектрических пленок. Вывод отсортированных ионов осуществляется через отверстие в кольцевом электроде 2. Электроды 3 и 4 используются для экранирования и коррекции поля в анализаторе. Во время сортировки между гиперболоидными электродами действует переменное напряжение U(t). Начальная фаза питающего напряжения U(t) согласована с начальными координатами z₀ и скоростями v₀ ионов. Напряжение U_э=(0.3-0.6)U(t) на экранирующем электроде создается с помощью делителя на межэлектродных емкостях. Напряжение на электроде 4 формируется прибавлением к напряжению U₂ на кольцевом электроде постоянного напряжения U_к.

Из-за ограничения кольцевого электрода плоскостью z=0 в рабочей области анализатора вблизи начала координат z≤2r₀ распределение потенциала заметно отличается от квадратичного. Величина и знак отклонения потенциала ΔU(z, r) от квадратичного распределения устанавливается напряжением U_к. Во время сортировки в область z<2r₀ попадают ионы легких масс m<m₀. Характер траекторий по координате z ионов с m<m₀ зависит от знака отклонения потенциала ΔU (Фиг. 2). Случай ΔU(z, r)=0 соответствует неограниченной трехмерной ловушке, в пространстве которой ионы легких масс по координате z являются стабильными. В ограниченной ловушке при ΔU(z, r)>0 из-за знакопеременного характера траекторий z(t) легкие ионы становятся нестабильными и сортировка ионов по удельному заряду осуществляется по одной координате z. По оси r легкие ионы находятся в глубине зоны стабильности. При ΔU(z, г)<0 колебания ионов с m<m₀ в пространстве 0<z<z₀₁ являются стабильными в силу их однополярности. Сортировка ионов в этом случае осуществляется как в неограниченной ионной ловушке по координатам z и r, рабочие точки анализируемых ионов располагают вблизи вершины диаграммы стабильности.

Цикл масс-анализа в ограниченной ионной ловушке состоит из ионизации, сортировки и регистрации (Фиг. 2, а). Во время ионизации на электродах анализатора действуют нулевые потенциалы и ионы образуются с малыми тепловыми начальными скоростями. Сортировка частиц по удельному заряду происходит под действием ВЧ напряжения U(t)=U₁(t)-U₂(t) импульсной формы, создаваемого двумя генераторами импульсов. При образовании ионов с начальными координатами z₀≈z₀₁ начальная фаза ϕ₀₁= 0 ВЧ напряжения устанавливается длительностью Т/2 и положительной полярностью первого импульса питающего напряжения (Фиг.2,а). При z₀=0.3z₀₁ ВЧ напряжение начинается с импульса отрицательной полярности, что соответствует фазе ввода ϕ₀₂= π/2. Режим сортировки при фазе ввода ϕ₀₂ характеризуется большей чувствительностью, так как в этом случае на траектории анализируемых ионов в меньшей мере влияют начальные скорости ионов, а амплитуда колебаний по координате r не превышает начальной координаты r₀ для всех рабочих точек в I зоне диаграммы стабильности. В процессе сортировки ионы анализируемой массы m₀ совершают по оси z периодические и близкие к периодическим однополярные колебания и значительная их часть удерживается в рабочей области анализатора. Тяжелые ионы с m>m₀ по координате z смещаются в сторону торцевого электрода. Легкие массы с m<m₀ при ΔU>0 выводятся из анализатоpa через отверстие в кольцевом электроде, а при ΔU<0 отсортировываются по координате r. Цикл сортировки завершается в фазе ϕ_в= π/4 ВЧ напряжения, когда скорость анализируемых ионов по оси z максимальная и направлена в сторону отверстия в кольцевом электроде. Малый разброс начальных координат и синхронный характер колебаний частиц одинаковой массы при фазовом вводе обеспечивают высокую скорость масс-анализа, а значительный размер r_А рабочей области и выходного отверстия анализатора - его высокую чувствительность.

Предлагаемый способ сортировки частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления улучшают технологические свойства анализатора, исключают образование диэлектрических пленок на рабочих поверхностях электродной системы, улучшают форму массовых пиков и повышают скорость и чувствительность масс-анализа.

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

2. Г.И. Слабоденюк. Квадрупольные масс-спектрометры. Атомиздат, 1974.

3. Е.В.Мамонтов. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления. Положительное решение 98100694/09, 1999.

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения технологических и аналитических свойств гиперболоидных масс-спектрометров. Технический результат заключается в упрощении анализатора, эффективном решении проблем ввода и вывода ионов и улучшении аналитических параметров гиперболоидных масс-спектрометров. Способ разделения частиц по удельному заряду основан на ограничении объема ионной ловушки плоскостью z= 0, где под действием переменного электрического поля ионы анализируемой массы m₀ совершают по оси z однополярные, а по оси r двуполярные колебания с ограниченной амплитудой. Рабочие точки анализируемых ионов по оси сортировки находятся на границе зоны стабильности, а по другим координатам в глубине зоны стабильности. Анализатор гиперболоидного масс-спектрометра на ограниченной ионной ловушке состоит из торцевого, кольцевого, ограниченного плоскостью z=0, гиперболоидных электродов, экранирующего электрода в форме усеченного конуса и полупрозрачного корректирующего электрода. Образование ионов происходит под действием ионизирующих электронов или в объеме анализатора, или вне объема анализатора. Размеры полеобразующих электродов определены с учетом свободного прохождения пучка электронов. Фаза переменного поля согласована с начальными координатами и скоростями частиц. Вывод отсортированных ионов осуществляется через отверстие в кольцевом электроде. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду заключается в воздействии на находящиеся в трехмерном гиперболоидном анализаторе с параметрами z₀₁, r₀₁, где z₀₁ и r₀₁ радиусы граничных эквипотенциалей по координатам z и r, ионы переменным электрическим полем, отличающийся тем, что путем ограничения рабочего пространства анализатора по координате z положительными значениями z ≥ 0 в части 0 ≤ r ≤ 2r₀₁ рабочей области анализатора создают поле с распределением потенциала, отличным от квадратичного и на заряженные частицы с параметрами z₀ ≈ z₀₁ или z₀ = 0,3 z₀₁, где z₀ - начальная координата ионов по оси z, воздействуют переменным электрическим полем с начальной фазой соответственно ϕ₀₁ = 0 или ϕ₀₂ = π.
2. Устройство для разделения заряженных частиц по удельному заряду, содержащее электродную систему из гиперболоидных торцевого и кольцевого электродов трехмерной ионной ловушки, отличающееся тем, что в качестве электродной системы анализатора используют гиперболоидные торцевой и ограниченный плоскостью z = 0 кольцевой электроды трехмерной ионной ловушки с параметрами z₀₁ ≤ 0,2r₀₁, где z₀₁ и r₀₁ радиусы граничных эквипотенциалей по координатам z и r, с диаметром кольцевого электрода где d_э - толщина пучка ионизирующих электронов, причем по границам гиперболоидных электродов установлен экранирующий электрод в форме усеченного конуса, а за отверстием в кольцевом электроде расположен плоский полупрозрачный электрод диаметром d_к ≥ 4r₀₁.