СПОСОБ АНАЛИЗА ИОНОВ ПО УДЕЛЬНЫМ ЗАРЯДАМ В ГИПЕРБОЛОИДНОМ МАСС- СПЕКТРОМЕТРЕ ТИПА "ТРЕХМЕРНАЯ ЛОВУШКА" С ВВОДОМ АНАЛИЗИРУЕМЫХ ИОНОВ ИЗВНЕ Российский патент 2006 года по МПК H01J49/42 

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). 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 малый коэффициент захвата вводимых в рабочий объем анализатора ионов. Вследствие этого существенно снижается чувствительность масс-спектрометра. Низкий коэффициент захвата вводимых извне в анализатор ионов связан с тем, что амплитуда колебаний ионов в ВЧ-поле 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 масс-спектрометра, сортируют по удельным зарядам и выводят на вход детектора ионов. При этом параметры (форму и (или) амплитуду и (или) частоту), прикладываемого к электродам анализатора ВЧ-напряжения, выбирают таким образом, чтобы по одной из координатных осей рабочая точка анализируемых ионов находилась в глубине зоны стабильности, а по другой оси располагалась вблизи точки пересечения линии развертки спектра масс с границей зоны стабильности, соответствующей значению β₀=+1, где β₀ - параметр стабильности.

На фиг.1 показана общая диаграмма стабильности для осесимметричного анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа «трехмерная ловушка», показана линия развертки спектра масс b и точка пересечения линии с границей зоны стабильности по z-координате, соответствующей значению β_0z=+1 (точка С). В соответствии с предлагаемым способом вблизи точки С располагают рабочую точку анализируемых ионов.

На фиг.2 приведена зависимость числа ионов (N_ion), оставшихся в рабочем объеме анализатора ионной ловушки от значения параметра на диаграмме стабильности а2 после того, как в рабочий объем было введено 10000 ионов в течение одного периода и прошло 300 периодов. Питание анализатора: импульсное ВЧ-напряжение типа «меандр». Начальная координата ионов: х0=1, у0=0, z0=0. Энергия влета в радиальной плоскости: 5 эВ. Угол ввода в этой плоскости, отсчитываемый от касательной к кольцевому электроду: 30 град. По z-координате ионы имеют скорость, соответствующую энергии 0.5 эВ. Размах колебаний напряжения на электродах 1000 В. (а1/а2)=1.22 - тангенс угла наклона линии развертки спектра масс.

Как видно из фиг.2, эффективность захвата вводимых ионов в случае, если, в соответствии с предлагаемым способом, рабочая точка иона по z-координате располагается вблизи точки С, возрастает почти на порядок (в 7 раз). Это позволяет наряду с увеличением чувствительности прибора существенно повысить разрешающую способность масс-спектрометра.

Выше было отмечено, что максимальное отклонение иона при его движении в анализаторе, по любой координатной оси всегда больше (в лучшем случае равно) координаты влета в поле. Поэтому, для эффективного захвата ионов, необходимо сместить ионы после их ввода в рабочий объем анализатора в область, где размер электрода по оси ввода имеет большее значение. Например, если ионы вводят вблизи радиальной плоскости через кольцевой электрод, то ясно, что размер кольцевого электрода в области ввода минимален, но с увеличением координаты z он увеличивается. Отсюда следует, что после ввода ионов в рабочий объем анализатора их следует сместить в область больших z. Наиболее подходящим здесь является смещение их вдоль оси z, если рабочая точка иона находится вблизи границы β_0z=+1. В этом случае ион находится в области больших значений z достаточно продолжительное время и эффективность захвата существенно возрастает.

Из фиг.2 видно, что при реализации предлагаемого способа анализа существенно (в 7 раз) возрастает чувствительность масс-спектрометра с вводом ионов.

Таким образом, предлагаемый способ анализа ионов по удельным зарядам в гиперболоидном масс-спектрометре типа «трехмерная ловушка» позволяет существенно повысить чувствительность масс-спектрометра (в 7 раза) и соответственно его разрешающую способность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шеретов Э.П., Зенкин В.А., Болигатов О.И. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с накоплением / Приборы и техника эксперимента, 1971, №1, с.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. Е.Р.Sheretov 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), р.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 вблизи радиальной его плоскости, сортируют по удельным зарядам и выводят на вход детектора ионов, причем параметры прикладываемого к электродам анализатора ВЧ-напряжения (форму, и(или) амплитуду и(или) частоту) выбирают таким образом, чтобы по одной из координатных осей рабочая точка анализируемых ионов находилась в глубине зоны стабильности, а по другой оси располагалась вблизи точки пересечения линии развертки спектра масс с границей зоны стабильности, соответствующей значению β₀=+1, где β₀ - параметр стабильности. 2 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 масс-спектрометра, сортируют по удельным зарядам и выводят на вход детектора ионов, отличающийся тем, что форму, и (или) амплитуду, и (или) частоту прикладываемого к электродам анализатора ВЧ-напряжения выбирают таким образом, чтобы по одной из координатных осей рабочая точка анализируемых ионов находилась в глубине зоны стабильности, а по другой оси располагалась вблизи точки пересечения линии развертки спектра масс с границей зоны стабильности, соответствующей значению β₀=+1, где β₀ - параметр стабильности.