СПОСОБ АНАЛИЗА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ГИПЕРБОЛОИДНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ Российский патент 2003 года по МПК H01J49/42 

Способ анализа заряженных частиц в гиперболоидных масс-спектрометрах предназначен для масс-спектрометрии и может быть использован при создании гиперболоидных масс-спектрометров с высокими чувствительностью и разрешающей способностью.

Известен способ анализа заряженных частиц в гиперболоидных масс-спектрометрах [1]. По известному способу анализируемые заряженные частицы вводят в рабочий объем анализатора и сортируют по удельным зарядам. При этом в рабочем объеме удерживают заряженные частицы с избранным удельным зарядом, а частицы с отличным удельным зарядом выводят на полезадающие электроды анализатора. После сортировки оставшиеся в рабочем объеме заряженные частицы выводят в измерительное устройство. По известному способу рабочие точки заряженных частиц, оставшихся в рабочем объеме анализатора, расположены в стабильной области общей зоны стабильности, а рабочие точки заряженных частиц с отличными удельными зарядами располагаются в нестабильной области общей диаграммы стабильности. В гиперболоидном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки время удержания заряженных частиц с избранными удельными зарядами выбирается произвольно, тогда как в гиперболоидном масс-спектрометре типа фильтр-масс оно определяется временем пролета частиц вдоль оси симметрии квадрупольной электродной системы. Недостатком известного способа является то, что удерживаемые в рабочем объеме заряженные частицы во время сортировки занимают практически весь рабочий объем, что приводит к значительному влиянию нелинейных искажений поля, всегда существующих в анализаторе, и соответственно к ухудшению разрешающей способности и чувствительности прибора. Дополнительным недостатком известного способа является то, что в силу отмеченной выше особенности движения "стабильных" частиц оказывается необходимым выполнять выходное отверстие в торцевых электродах для вывода частиц в измерительное устройство большого диаметра. Это существенно увеличивает уровень шума на входе умножителя измерительного устройства.

Известен способ анализа в гиперболоидных масс-спектрометрах, по которому отмеченные недостатки частично устраняются [2]. В прототипе путем ввода в рабочий объем анализатора буферного газа (как правило, с малой массой его молекул, например гелия) во время удержания стабильных частиц за счет трения на буферном газе осуществляют дополнительное сжимание этих частиц к центру электродной системы (в анализаторе типа "ионная ловушка") либо к оси симметрии электродной системы в квадрупольном фильтре-масс. При этом уменьшается влияние нелинейных искажений поля, и появляется возможность уменьшения размера входного канала.

Однако прототип имеет существенный недостаток, связанный с тем, что эффективность сжимания ионов к центру электродной системы при использовании трения на буферном газе оказывается в сильной степени зависимой от рода сжимаемых частиц и положения их рабочих точек на диаграмме стабильности. Это является причиной появления дискриминации анализа.

Целью настоящего изобретения является создание способа анализа заряженных частиц в гиперболоидном масс-спектрометре, который был бы свободен от недостатков, свойственных прототипу, а именно, позволял бы существенно улучшить аналитические характеристики прибора: разрешающую способность и чувствительность.

Указанная цель достигается тем, что анализируемые заряженные частицы вводят в рабочий объем анализатора, удерживают в рабочем объеме частицы с избранным удельным зарядом, при этом сжимая их к центру электродной системы или к ее оси симметрии, а частицы с отличным от избранного удельным зарядом выводят из рабочего объема на полезадающие электроды анализатора, после чего оставшиеся в рабочем объеме анализатора заряженные частицы с избранным удельным зарядом выводят в измерительное устройство, причем, в отличие от прототипа, частицы с избранным удельным зарядом во время удержания заставляют совершать движение по базовым траекториям путем подбора фазы ввода частиц в электрическое поле и параметров поля.

Движение по базовым траекториям могут осуществлять только заряженные частицы, рабочие точки которых находятся в нестабильных областях диаграммы стабильности [3]. Таким образом, в отличие от аналога и прототипа, в которых в анализаторе удерживают частицы, рабочие точки которых находятся в стабильных областях диаграммы стабильности, по предлагаемому способу удерживают заряженные частицы, рабочие точки которых находятся в нестабильных областях диаграммы стабильности (в общем случае) уравнения Хилла. Замечательной особенностью базовых траекторий является то, что от периода к периоду и координата и скорость частицы уменьшаются и во времени стремятся к нулю. В идеальном случае, такие частицы стремятся в состояние равновесия, при котором их координата и скорость равны нулю. Для того чтобы заряженная частицы начала двигаться по базовой траектории (имеется в виду зависимость координаты от времени) необходимо подобрать определенное соотношение между фазой ввода частицы в ВЧ поле, параметрами поля и начальной координатой и скоростью частицы [3] . Известны два фундаментальных типа базовых траекторий. Базовая траектория первого рода и базовая траектория второго рода. Базовая траектория первого рода соответствует начальным условиям R₀=1 и (где R - начальная координата, - начальная скорость по избранной координатной оси). Базовая траектория второго рода соответствует начальным условиям R₀=0 и . Оказывается, что, вне зависимости от значения начальной координаты, базовой траектории первого рода на диаграмме стабильности для данной координатной оси соответствует определенная кривая, конфигурация которой определяется только фазой образования частицы. Для базовой траектории второго рода соответственно, вне зависимости от значения начальной скорости, соответствует кривая, положение которой на диаграмме стабильности также определяется только фазой образования (ввода) частицы в поле. Если построить общую диаграмму стабильности для анализатора гиперболоидного масс-спектрометра (которая получается путем наложения диаграмм стабильности, соответствующих различным координатным осям), то кривые, соответствующие базовым траекториям первого и второго рода различных координатных осей, будут пересекаться в точках, определяемых начальной фазой ввода. Совокупность таких точек будет определять на общей диаграмме стабильности линии абсолютной фокусировки. Если рабочая точка заряженной частицы, введенной в поле, например, без начальной скорости (или с очень малой начальной скоростью, например тепловой), лежит на такой линии (в данном случае линии, образованной точками пересечения линий базовых решений первого и второго рода по двум координатам), то такая заряженная частица, двигаясь по обеим координатам по соответствующим базовым траекториям, через некоторое время после начала движения сфокусируется в начало координат данного поля (т.е. либо в центр электродной системы, если это ионная ловушка, либо к продольной оси, если это квадрупольный фильтр-масс). Понятно, что, если использовать предлагаемый способ в квадрупольном фильтре-масс, выходное отверстие для вывода отсортированных ионов в измерительное устройство можно сделать с весьма малым диаметром, что существенно повышает отношение сигнала к шуму.

На чертеже приведена траектория заряженной частицы, рабочая точка которой расположена на линии абсолютной фокусировки для осесимметричного анализатора типа трехмерной ионной ловушки. Траектория приведена для начальных условий первого рода (начальная скорость равна нулю). Траектория построена для импульсного питания (меандр) а₁=3,741109 и а₂=-2,5368118 и при фазе ввода частицы в поле, равной 0,3 (в долях длительности периода ВЧ поля) во время действия фокусирующего поля по оси R.

Из чертежа хорошо видно, что, удерживаясь в рабочем поле анализатора (|Z_max|<1) и |R_max|<1), заряженная частица со временем стремится к центру электродной системы. Понятно, что после прохождения определенного времени, такие частицы можно обычным для такого класса масс-анализаторов способом вывести за пределы анализатора через весьма малое отверстие в торцевом электроде, если создать предельное электрическое поле в анализаторе.

Таким образом, предлагаемый способ анализа ионов в гиперболоидном масс-спектрометре позволяет, не прибегая к использованию буферного газа наряду с избирательным удержанием заряженных частиц в рабочем объеме анализатора, осуществлять их сжимание к центру электродной системы, что позволяет в 7-9 раз увеличить отношение сигнал/шум для данного прибора и существенно улучшить аналитические характеристики прибора.

Источники информации
1. Paul W. , Reinhard H. P. und U. Von Zahn, Zeitschift fur Physik, 152,143,1958.

2. Stafford G. C., Kelly P.E. Recent Improvement in an Analytical Applications of Advanced Ion Trap Technology Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, v.60, 1984, p. 85-98.

3. Шеретов Э. П. О некоторых особенностях "нестабильных" траекторий в гиперболоидных масс-спектрометрах (ГМС), "Научное приборостроение" - Межвузовский сборник научных трудов, Рязань, с. 31-37, 1994.

Изобретение относится к гиперболоидной масс-спектрометрии и может быть использован при создании приборов с высокой эффективностью удержания избранных заряженных частиц в рабочем объеме анализатора. Техническим результатом является повышение отношения сигнал/шум для данного прибора и существенное улучшение аналитических характеристик прибора. По предложенному способу анализа заряженных частиц в гиперболоидном масс-спектрометре заряженные частицы с избранным удельным зарядом сжимают к центру электронной системы или к ее оси симметрии путем подбора фазы ввода частиц в электрическое поле и параметров поля, при которых избранные частицы во время удержания совершают движения по базовым траекториям. 1 ил.

Способ анализа зараженных частиц в гиперболоидном масс-спектрометре, по которому анализируемые заряженные частицы вводят в рабочий объем анализатора, удерживают в рабочем объеме частицы с избранным удельным зарядом, при этом сжимая их к центру электродной системы или к ее оси симметрии, а частицы с отличным от избранного удельным зарядом выводят из рабочего объема на полезадающие электроды анализатора, после чего оставшиеся в объеме анализатора частицы с избранным удельным зарядом выводят в измерительное устройство, отличающийся тем, что частицы с избранным удельным зарядом во время удержания заставляют совершать движение по базовым траекториям путем подбора фазы ввода частиц в электрическое поле и параметров поля.