СПОСОБ АНАЛИЗА ИОНОВ ПО УДЕЛЬНЫМ ЗАРЯДАМ В ГИПЕРБОЛОИДНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ ТИПА "ТРЕХМЕРНАЯ ЛОВУШКА" С ВВОДОМ АНАЛИЗИРУЕМЫХ ИОНОВ ИЗВНЕ Российский патент 2006 года по МПК H01J49/34 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано при создании масс-спектрометров типа «ионная ловушка» с высокими разрешением и чувствительностью.

Известен способ анализа ионов по удельным зарядам в масс-спектрометре типа «трехмерная ловушка», при котором ионы вводят в рабочий объем анализатора путем ионизации газа, находящегося в рабочем объеме, вводимым в последний электронным потоком [1]. При этом электронный поток вводят в рабочий объем анализатора в течение ограниченного промежутка времени (t_ион). После этого ввод электронного потока прекращают и осуществляют сортировку ионов по удельным зарядам в течение времени сортировки (t_сорт) в ВЧ поле. После сортировки оставшиеся в рабочем объеме анализатора ионы выводят на вход электронного умножителя либо иного детектора ионов.

Основным недостатком известного способа является необходимость вводить в рабочий объем анализатора значительный электронный поток, который на поверхности электродов образует диэлектрические пленки. Диэлектрические пленки, заряжаясь, искажают распределение поля в анализаторе, что приводит к снижению разрешения, чувствительности и срока службы прибора.

Известен способ анализа ионов по удельным зарядам в трехмерном масс-спектрометре, при котором количество вводимых заряженных частиц в рабочий объем анализатора резко сокращено и, соответственно, скорость роста диэлектрических пленок на электродах анализатора радикально уменьшена (на 2-3 порядка) [2]. По этому способу в анализатор гиперболоидного масс-спектрометра типа «трехмерная ловушка» вводят ионный поток в течение времени ввода (t_ввода). При вводе ионов по известному способу к моменту начала сортировки в рабочем объеме анализатора захватывают ионы с всевозможными удельными зарядами, включая и анализируемые ионы. После окончания времени ввода прекращают ввод ионов, и осуществляется сортировка ионов, после которой отсортированные ионы выводят из рабочего объема анализатора на вход детектора ионов. По этому способу радикально возрастает срок службы прибора.

Однако недостатком известного способа является с одной стороны малый коэффициент захвата анализируемых ионов, с другой - большой пространственный заряд «нежелательных» ионов, который может существовать в рабочем объеме анализатора к началу сортировки. Этот пространственный заряд уменьшает аналитические возможности метода из-за искажений поля в анализаторе. Низкий коэффициент захвата анализируемых ионов связан с тем, что амплитуда колебаний ионов в ВЧ поле анализатора по любой оси всегда больше координаты ввода, а вводить ионы в трехмерный анализатор можно только сквозь поверхность электродов [3].

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности и разрешающей способности гиперболоидного масс-спектрометра типа «трехмерная ловушка» с вводом анализируемых ионов извне.

Указанная цель достигается тем, что ионы вводят в рабочий объем анализатора, сортируют по удельным зарядам и выводят на вход детектора ионов. При этом при вводе заряженных частиц осуществляется селективный захват ионов, введенных в анализатор, путем установления таких значений параметров питающего ВЧ напряжения (амплитуды и(или) формы, и(или) частоты), при которых рабочая точка анализируемых (выделяемых в процессе сортировки) ионов на диаграмме стабильности по крайней мере по одной из координат находится на изо-β₀ линии, соответствующей значению β₀=0, где β₀ - параметр стабильности.

На фиг.1 показана общая диаграмма стабильности для осесимметричного анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа «трехмерная ловушка», показана изо-β₀ линия по х-координате (а) (изо-β₀ линия - это кривая, соответствующая заданному значению параметра стабильности β₀), соответствующая значению β₀=0, и линия развертки спектра масс (b), пересекающая изо-β₀ линию в точке с координатами a₁=2.840109 и а₂=2.366757. Диаграмма построена для импульсного ВЧ сигнала типа «меандр».

На фиг.2 приведена зависимость амплитуды колебаний иона по х-координате (Xmax) от значения параметра стабильности по х-координате β_0х, при фазе ввода, равной 0.25, начальных координатах ввода x₀=1, y₀=0, z₀=0; энергии вводимых ионов, равной 10 эВ; амплитуде импульсного ВЧ напряжения 1000 В.

На фиг.3 приведена зависимость числа оставшихся в объеме анализатора ионов Nост. от β_0х из 5000 введенных, через 200 периодов ВЧ поля после ввода. Условия ввода соответствуют условиям для фиг.2 при давлении буферного газа гелия (атомная масса 4 а.е.м.) 0.1 и 0.2 мторр. Масса анализируемых ионов 100 а.е.м.

Как следует из фиг.2, зависимость амплитуды колебаний ионов от β₀ имеет пичковую структуру. В точках, соответствующих пересечению рабочей прямой с линиями квазистабильности (линиями параметрического резонанса) [3], наблюдается достаточно резкое снижение амплитуды колебаний ионов. Последнее обстоятельство способствует резкому увеличению эффективности захвата вводимых в анализатор ионов. Значения β₀, соответствующие линиям квазистабильности, определяются соотношением:

Cos(k₀)arcCos(β₀)=±1,

где k₀ - целое положительное число. Из этого соотношения и сказанного выше следует, что резкое снижение амплитуды колебаний ионов наблюдается при: β₀=0 и k₀=2; β₀=0,5 и k₀=3; β₀=-0.5 и k₀=3 и т.д. Это значит, что для избирательного захвата можно использовать разные значения β₀. Однако расчетная практика показывает, что наибольшее падение амплитуды (и, соответственно, увеличение эффективности захвата вводимых ионов) чаще всего наблюдается при β₀=0. Таким образом, если рабочая точка анализируемых ионов, как это заявлено в тексте настоящей заявки, находится на линии квазистабильности, то эффективность захвата анализируемых ионов будет наибольшей, что и соответствует условию селективного захвата ионов.

Как следует из фиг.3, селективность захвата ионов, вводимых в в соответствии с заявленным способом, достаточно велика. Она может характеризоваться разрешающей способностью в несколько сот по уровню 0.1. Это означает, что для ионов с удельным зарядом, отличающимся всего на сотые доли а.е.м., чувствительность анализатора повышается на порядки. Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является возможность резко увеличить энергию вводимых ионов, что, в свою очередь, повышает чувствительность масс-спектрометра за счет увеличения токоотбора из ионного источника.

Таким образом, предлагаемый способ анализа ионов по удельным зарядам в гиперболоидном масс-спектрометре типа «трехмерной ловушки» с вводом анализируемых ионов извне позволяет существенно повысить чувствительность масс-спектрометра (более чем на порядок) и разрешающую способность (в десятки раз).

ЛИТЕРАТУРА

1. Шеретов Э.П., Зенкин В.А., Болигатов О.И. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с накоплением /Приборы и техника эксперимента, 1971, №1, c.166-168.

2. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. Новый трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с непосредственным вводом ионов / Письма в ЖТФ, I, 1975. В.3, с.149-152.

3. Sheretov E.P. Opportunities for optimization of the rf signal applied to electrodes of quadrupole mass spectrometers. Part I. General theory /International Journal of Mass Spectrometry 198 (2000) p.83-96.

Способ анализа ионов по удельным зарядам в гиперболоидном масс-спектрометре типа "трехмерная ионная ловушка" с вводом анализируемых ионов извне относится к гиперболоидной масс-спектроскопии и может быть использован при создании приборов с высоким разрешением и чувствительностью. Способ заключается в том, что ионы вводят в рабочий объем анализатора, захватывают полем, сортируют по удельным зарядам, после чего выводят на вход детектора ионов, причем захват ионов осуществляют селективно путем установления таких значений амплитуды и(или) формы, и(или) частоты питающего ВЧ напряжения, при которых рабочая точка анализируемых ионов на диаграмме стабильности по крайней мере одной из координат находится на изо-β₀ линии, соответствующей значению β₀=0, где β₀ - параметр стабильности. 3 ил.

Способ анализа ионов по удельным зарядам в гиперболоидном масс-спектрометре типа «трехмерная ловушка» с вводом анализируемых ионов извне, по которому ионы вводят в рабочий объем анализатора, захватывают полем, сортируют по удельным зарядам, после чего выводят на вход детектора ионов, отличающийся тем, что захват ионов осуществляют селективно путем установления таких значений амплитуды, и(или) формы, и(или) частоты питающего ВЧ-напряжения, при которых рабочая точка анализируемых ионов на диаграмме стабильности по крайней мере по одной из координат находится на изо-β₀ линии, соответствующей значению β₀=0, где β₀ - параметр стабильности.