ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2010 года по МПК H01J49/40 

Предлагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии с ортогональным вводом ионов и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии и медицины при ионизации исследуемых веществ методами электронного удара, "электроспрей" и других. У существующих времяпролетных масс-спектрометров с ортогональным вводом ионов имеется ряд факторов, ограничивающих разрешающую способность прибора, два из которых являются основными для времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом, первый обусловлен шириной ионного пучка в области накопления, другой - разбросом ионов по скоростям в момент старта. Иными словами, решающим фактором, ограничивающим разрешающую способность времяпролетных приборов, является наличие ненулевого фазового объема (φ=ΔvΔx) у ионного пучка в области накопления ортогонального ускорителя (палсера).

Ортогональный разброс скоростей ионов в области накопления палсера приводит к появлению времени разворота (turn around time), которое не может быть скомпенсировано никакими анализаторами, содержащими лишь однородные поля и бесполевые промежутки. Следовательно, время разворота является основным фактором, ограничивающим разрешающую способность времяпролетного прибора с ортогональным вводом ионного пучка.

Известен времяпролетный масс-спектрометр [1], состоящий из импульсного источника ионов, бесполевого дрейфового пространства, двухступенчатого электростатического зеркала и детектора, в котором достаточно хорошо (до второго порядка) компенсируется разброс начальных энергий однотипных ионов. Однако в нем невозможно получить более высокую степень фокусировки ионов по энергии, а следовательно, достичь существенного повышения разрешающей способности без значительного увеличения габаритов прибора.

Известен также времяпролетный масс-спектрометр [2], состоящий из импульсного источника ионов, бесполевого дрейфового пространства, двух плоских сетчатых конденсаторов с тормозящими полями, разделенных вторым бесполевым промежутком, и детектора ионов. В этом масс-спектрометре достигается фокусировка третьего порядка по энергии, однако и его разрешающая способность заметно ограничена нескомпенсированным эффектом времени разворота ионов при ортогональном способе ввода.

Ближайшим из известных приборов является времяпролетный масс-спектрометр MX 5303 [3] с ортогональным вводом ионного пучка, выбранный в качестве прототипа. Он состоит из источника ионов, в котором для получения ионов биоорганических веществ используется метод экстракции ионов из растворов при атмосферном давлении («электроспрей»); системы дифференциальной откачки с охлаждающим газонаполненным транспортирующим квадруполем и фокусирующей системы; ортогонального ускорителя (палсера) с однородным электростатическим полем, как в области накопления ионов (от пластины с U_Push до заземленной сетки), так и в области их ускорения (от заземленной сетки до электрода с U_Acc); пролетного бесполевого пространства, двухкаскадного зеркала и детектора. Недостатком прототипа является недостаточно высокая разрешающая способность (R₀ ~ 10000), которая органична большим временем разворота ионов при их ортогональном ускорении в палсере с однородным полем.

Задачей изобретения является уменьшение времени разворота и, соответственно, увеличение разрешающей способности времяпролетного масс-спектрометра.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном времяпролетном масс-спектрометре, состоящем из источника ионов типа «электроспрей», ортогонального ускорителя ионов (палсера), включающего области накопления и ускорения ионов, бесполевого пролетного пространства, двухкаскадного зеркала и детектора, область накопления палсера выполнена в виде монополя, ребро заземленного электрода которого совмещено (конструктивно объединено) с заземленной сеткой области ускорения.

Предлагаемый времяпролетный масс-спектрометр отличается от прототипа тем, что в области накопления палсера с помощью монополя создается неоднородное электростатическое поле, которое, во-первых, формирует временной фокус на границе поля для строго параллельного пучка и, во-вторых, значительно уменьшает время разворота ионов для слабо расходящегося пучка, что несмотря на незначительное увеличение энергетического разброса в ионном пакете дает эффект увеличения разрешающей способности примерно в два раза при неизменных геометрических и электрических параметрах прибора.

Изобретение поясняется математическими расчетами и чертежами, где на фиг.1 схематично представлен масс-спектрометр с палсером с неоднородным полем, на фиг.2а представлен монополь в схеме ортогонального ускорителя (палсера), на фиг.2б представлен ортогональный ускоритель (палсер), создающий однородное электростатическое поле - палсер прототипа.

Рассмотрим работу предлагаемого масс-спектрометра.

Предлагаемое новое устройство (фиг.1) состоит из источника ионов 1, создающего непрерывный ионный пучок, ортогонального ускорителя (палсера), включающего области накопления 2 и ускорения 3 ионов, бесполевого дрейфового пространства 4, первого зеркала 5 с тормозящим потенциалом, второго зеркала 6, имеющего отражающий потенциал, и детектора ионов 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Непрерывный ионный пучок, сформированный в источнике 1, попадает в область накопления палсера 2, где при подаче импульсного потенциала U_Push создается неоднородное электростатическое поле, которое вырезает из непрерывного пучка и ортогонально первоначальному направлению ускоряет ионный пакет, который, попадая в область ускорения с однородным электростатическим полем 3, ускоряется до энергии qU_Acc, летит в бесполевом пролетном пространстве 4; притормозив в поле первого зеркала 5, отражается в поле второго зеркала 6; ускоряется в поле первого зеркала 5, летит в бесполевом пространстве 4 и попадает на детектор 7. Предполагается, что вектор скорости ионного пакета составляет небольшой угол с осью X, как и в прототипе.

Докажем, что в предлагаемом устройстве имеется эффект уменьшения времени разворота, влекущий увеличение разрешающей способности прибора примерно в два раза.

В отсутствие электростатического поля непрерывный ионный пучок вводится вдоль оси Z в область накопления палсера максимально близко к стержню монополя строго параллельно ребру заземленного электрода монополя и перпендикулярно оси Х палсера. При подаче выталкивающего U_Push импульса к гиперболическому (или цилиндрическому) электроду монополя и вытягивающего импульса U_Pull на следующий после заземленной сетки электрод ионный пакет ускоряется сначала до потенциала земли в двумерном поле монополя, а затем до ускоряющего потенциала в однородном поле. Ортогонально ускоренные ионы попадают в масс-анализатор, параметры которого идентичны параметрам прототипа.

При подаче выталкивающего импульса U_Push на стержень монополя в области накопления палсера, то есть в пространстве между электродами монополя, создается двумерное поле, распределение потенциала которого определяется выражением (I):

где U_Push - выталкивающий потенциал на стержне монополя,

а - расстояние от стержня до ребра заземленного электрода монополя.

Напряженность электрического поля и ее составляющие определяются соотношениями:

В поле с потенциалом (1) легко могут быть проинтегрированы точные уравнения движения ионов:

где m, q - масса и заряд иона. Решениями уравнений (4) будут:

где x₀, y₀ и V_0x, V_0y - начальные координаты и составляющие начальной скорости иона по осям Х и Y соответственно,

Для строго параллельного пучка, то есть для пучка, в котором все ионы не имеют тангенциальной составляющей скорости (V_0x=0), система (5) примет вид:

Из системы (6) видно, что при любых начальных координатах (x₀, y₀) все ионы даже из ленточного пучка, а не только узкого цилиндрического, попадут в плоскость выходной щели области накопления (х=0) одновременно, затратив время, определяемое выражением (7):

Это говорит о наличии промежуточного временного фокуса на выходе из неоднородного поля у предлагаемого устройства.

Время разворота в неоднородном поле τ определяется из первого уравнения системы (5).

Раскладывая арктангенс в выражении (8) в ряд Тейлора, оставляя в нем только первый член и учитывая, что х₀≈а, получим выражение (9), связывающее время разворота для неоднородного τ и однородного τ₀ полей:

Таким образом, поскольку (ΔT, ΔT₀)<<τ, Т≈T₀, то разрешающая способность R предлагаемого масс-спектрометра с палсером-монополем с учетом времени разворота будет примерно в два раза больше, чем у прототипа R₀, то есть у масс-спектрометра с палсером с однородным полем:

и, т.о., выполнение области накопления палсера в виде монополя способствует достижению поставленной цели.

Литература

1. В.И.Каратаев, Б.А.Мамырин, Д.В.Шмикк. Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетных масс-спектрометрах. // ЖТФ - 1971 - т.41, в.7, с.1498-1501.

2. Ю.К.Голиков, Н.В.Краснов, Р.А.Бубляев. // Патент Российской Федерации №2295797. Заявка на изобретение №2005119734 с приоритетом от 16.06.2005 г., «Времяпролетный масс-спектрометр».

3. Времяпролетный масс-спектрометр с электрораспылением MX 5303. // Проспект Института аналитического приборостроения РАН. http://www.iai.rssi.ru

Предлагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии с ортогональным вводом ионов и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии и медицины при ионизации исследуемых веществ методом электронного удара, "электроспрей" и др. Времяпролетный масс-спектрометр состоит из источника ионов типа "электроспрей", ортогонального ускорителя ионов (палсера), включающего области накопления и ускорения ионов, бесполевого пролетного пространства, двухкаскадного зеркала и детектора. Область накопления палсера выполнена в виде монополя, ребро заземленного электрода которого совмещено с заземленной сеткой области ускорения, при этом в ребре заземленного электрода монополя имеется щель для выхода ионов. Технический результат - увеличение разрешающей способности времяпролетного масс-спектрометра. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Времяпролетный масс-спектрометр, состоящий из источника ионов типа «электроспрей», ортогонального ускорителя (палсера), пролетного бесполевого пространства, двухкаскадного зеркала и детектора, отличающийся тем, что область накопления палсера выполнена в виде монополя, создающего квадратичное электростатическое поле, причем ребро заземленного электрода монополя объединено с заземленной сеткой области ускорения палсера с однородным полем.

2. Времяпролетный масс-спектрометр по п.1, отличающийся тем, что в ребре заземленного электрода монополя имеется щель для выхода ионов.