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

Изобретение относится к способам разделения ионов, к способам разделения масс-спектрометрией, а именно к спектрометрам заряженных частиц, к спектрометрам, работающим по принципу измерения времени пролета ионов, в частности к определению состава жидких и газовых проб, и может применяться в медицине, фармацевтике, криминалистике, анализе объектов окружающей среды.

Известен масс-спектрометр, содержащий спектрометр ионной подвижности, ионно-оптические линзы, интерфейс дифференциальной откачки, времяпролетный анализатор типа масс-рефлектрон и детектор ионов. Патент США №7095014, МПК B01D 59/44, 2006.

Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, устройство фрагментации ионов, масс-рефлектрон, позиционно-чувствительный детектор, соединенный с времяпролетным масс-спектрометром, временной контроллер, систему обработки данных. Патент США №7084395, МПК H01J 49/40, 2006. Прототип.

И аналог, и прототип имеют общие недостатки, т.к. масс-рефлектрон вызывает ограничения по чувствительности из-за низкого токопрохождения и ограничения по скважности непрерывных ионных потоков.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и уменьшение габаритов устройства.

Технический результат достигается тем, что в масс-спектрометре, содержащем спектрометр ионной подвижности, ионно-оптические линзы, интерфейс дифференциальной откачки, времяпролетный анализатор и детектор ионов, спектрометр ионной подвижности, содержит камеру ионообразования, дрейфовую трубку с апертурным элементом, ионный затвор, область дрейфа, область газа завесы масс-спектрометра, ввод дрейфового газа, систему питания, источник ионов масс-спектрометра содержит корпус ионизатора аксиально-симметричной формы, на стенках корпуса ионизатора установлены радиально направленные устройства ввода и ионизации пробы анализируемого вещества с ионизаторами, точка пересечения осей устройств ввода расположена напротив вершины апертурного элемента, выполненного в виде стенки выпуклой формы с отверстием для ввода ионов на ее вершине, а времяпролетный анализатор выполнен в виде цилиндрического конденсатора, в котором установлен узел ортогонального ускорения с выталкивающим электродом и детектором ионов. В линейном ионопроводе установлен экран с возможностью изменения его потенциала. Устройства ввода и ионизации пробы анализируемого вещества содержит ионизаторы в виде электрораспылителя, и/или ионизатора коронным разрядом, и/или фотоионизатора, и/или лазерного ионизатора, и/или ввод распылителя жидкой пробы, и/или ввод газовых проб, и/или подложки для десорбции с поверхности.

Сущность изобретения поясняется на чертежах 1-3.

На фиг.1 схематично представлено устройство для анализа газовых проб, где 1 - электрораспылитель (в положении OFF), 2 - ионизатор на основе коронного разряда (в положении ON), 2.1 - игла ионизатора коронным разрядом, 3 - фотоионизатор (в положении ON), 4 - устройство ввода газовых проб (в положении ON), 5 - распылитель жидких проб (в положении OFF), 6 - корпус ионизатора, 7 - камера ионообразования, 8 - стенка выпуклой формы, 9 - отверстие на вершине выпуклости стенки, 10 - область десольватации, 11 - впускной ионный затвор или концентратор, 12 - область дрейфа, 13 - выпускной ионный затвор, 14 - нагреватель, 15 - канал откачки дрейфового газа и пробы, 16 - канал ввода охлажденного воздуха для работы при пониженной температуре или быстрой смены температурного режима, 17 - канал вывода охлажденного воздуха, 18 - корпус масс-спектрометра ионной подвижности, 19 - анализируемое вещество, 20 - область газа завесы масс-спектрометра, 20.1 - газ завесы масс-спектрометра, используемый как дрейфовый газ, 21 - первая ступень интерфейса дифференциальной откачки масс-спектрометра, 21.1 - отверстие первой ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22 - вторая ступень интерфейса дифференциальной откачки, 22.1 - скимер второй ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22.2 - отверстие второй ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22.3 - ионная оптика второй ступени интерфейса дифференциальной откачки масс-спектрометра, 22.4 отверстие в стенке между второй ступенью интерфейса дифференциальной откачки и камерой масс-анализатора, 22.5 - стенка между второй ступенью интерфейса дифференциальной откачки и камерой масс-анализатора, 23 - узел ортогонального ускорения, 24 - цилиндрический конденсатор (оборотный аксиально-симметричный масс-анализатор), 24.1 - входное окно оборотного аксиально-симметричного масс-анализатора, 24.2 внутренняя обкладка оборотного аксиально-симметричного масс-анализатора, 24.3 внешняя обкладка оборотного аксиально-симметричного масс-анализатора, 24.4 - центральная траектория ионов, 24.5 - выходное окно оборотного аксиально-симметричного масс-анализатора, 25 - линейный ионопровод, 25.1 - экран линейного ионопровода, 26 - детектор ионов, 27 - пластинчато-роторный насос, 28, 29 - турбомолекулярные насосы, 30 - высоковольтные модули, 31 - контроллер, 32 - контроллер впускного ионного затвора или накопителя ионов, 33 - контроллер нагревателя, 34 - контроллер выпускного ионного затвора, 35 - генератор ТТЛ импульсов, 36 - контроллер узла ортогонального ускорения, 37 - интегрирующее записывающее устройство.

На фиг.2 схематично представлено устройство для анализа жидких проб, где 1 - электрораспылитель (в положении ON), 1.1 - канал ввода капилляра подачи пробы, 1.2 - игла электрораспылителя, 1.3 - канал подачи газа распылителя, 1.4 - канал подвода высокого напряжения, 2 - ионизатор на основе коронного разряда (в положении OFF), 3 - фотоионизатор (в положении ON), 4 - устройство ввода газовых проб (в положении ON), 5 - распылитель жидких проб (в положении OFF), 6 - корпус ионизатора, 7 - камера ионообразования, 8 - стенка выпуклой формы, 9 - отверстие на вершине выпуклости стенки, 10 - область десольватации, 11 - впускной ионный затвор или концентратор, 12 - область дрейфа, 13 - выпускной ионный затвор, 14 - нагреватель, 15 - канал откачки дрейфового газа и пробы, 16 - канал ввода охлажденного воздуха для работы при пониженной температуре или быстрой смены температурного режима, 17 - канал вывода охлажденного воздуха, 18 - корпус масс-спектрометра ионной подвижности, 19 - анализируемое вещество, 20 - область газа завесы масс-спектрометра, 20.1 - газ завесы, используемый как дрейфовый газ, 21 - первая ступень интерфейса дифференциальной откачки масс-спектрометра, 21.1 - отверстие первой ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22 - вторая ступень интерфейса дифференциальной откачки, 22.1 - скимер второй ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22.2 - отверстие второй ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22.3 - ионная оптика второй ступени интерфейса дифференциальной откачки масс-спектрометра, 23 - узел ортогонального ускорения, 23.1 - выталкивающий электрод, 24 - цилиндрический конденсатор (оборотный аксиально-симметричный масс-анализатор), 24.1 - внутренняя обкладка цилиндрического конденсатора, 24.2 - внешняя обкладка цилиндрического конденсатора, 25 - линейный ионопровод, 25.1 - экран линейного ионопровода, 26 - детектор ионов, 27 - пластинчато-роторный насос, 28, 29 - турбомолекулярные насосы, 30 - высоковольтные модули, 31 - контроллер, 32 - контроллер впускного ионного затвора или накопителя ионов, 33 - контроллер нагревателя, 34 - контроллер выпускного ионного затвора, 35 - генератор ТТЛ импульсов, 36 - контроллер узла ортогонального ускорения, 37 - интегрирующее записывающее устройство.

На фиг.3 схематично представлено устройство с использованием десорбционной подложки, применяемой с ионизацией стимулированной матрицей лазерной десорбцией (MALDI), лазерной десорбции с пористой кварцевой поверхности (DIOS), стимулированной электрораспылением десорбции (DESI, показано на чертеже), где 1 - электрораспылитель (в положении ON), 1.1 - канал ввода капилляра подачи пробы, 1.2 - игла электрораспылителя, 1.3 - канал подачи газа распылителя, 1.4 - канал подвода высокого напряжения, 2 - ионизатор на основе коронного разряда (в положении OFF), 6 - корпус ионизатора, 7 - камера ионообразования, 8 - стенка выпуклой формы, 9 - отверстие на вершине выпуклости стенки, 10 - область десольватации, 11 - впускной ионный затвор или концентратор, 12 - область дрейфа, 13 - выпускной ионный затвор, 14 - нагреватель, 15 - канал откачки дрейфового газа и пробы, 16 - канал ввода охлажденного воздуха для работы при пониженной температуре или быстрой смене температурного режима, 17 - канал вывода охлажденного воздуха, 18 - корпус масс-спектрометра ионной подвижности, 19 - анализируемое вещество, 20 - область газа завесы масс-спектрометра, 20.1 - газ завесы, используемый как дрейфовый газ, 21 - первая ступень интерфейса дифференциальной откачки масс-спектрометра, 21.1 - отверстие первой ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22 - вторая ступень интерфейса дифференциальной откачки, 22.1 - скимер второй ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22.2 - отверстие второй ступени интерфейса дифференциальной откачки, 22.3 - ионная оптика второй ступени интерфейса дифференциальной откачки масс-спектрометра, 23 - ортогональный ускоритель, 23.1 - выталкивающий электрод узла ортогонального ускорения, 24 - оборотный аксиально-симметричный масс-анализатор (цилиндрический конденсатор), 24.1 - внутренняя обкладка цилиндрического конденсатора, 24.2 - внешняя обкладка цилиндрического конденсатора, 25 - линейный ионопровод, 25.1 - экран линейного ионопровода, 27 - пластинчато-роторный насос, 28, 29 - турбомолекулярные насосы, 30 - высоковольтные модули, 31 - контроллер, 32 - контроллер впускного ионного затвора или накопителя ионов, 33 - контроллер нагревателя, 34 - контроллер выпускного ионного затвора, 35 - генератор ТТЛ импульсов, 36 - контроллер узла ортогонального ускорения, 37 - интегрирующее записывающее устройство, 38 - десорбер, 38.1 - десорбционная подложка, 38.2 - канал подвода высокого напряжения.

Устройство работает следующим образом.

При работе с ионизатором на основе коронного разряда 2 или с фотоионизатором 3 электрораспылитель 1 отключен (Фиг.1). Анализируемое вещество 19 в газовой фазе подают через ввод газовых проб 4. Анализируемое вещество 19 в жидкой фазе вводят через ортогонально расположенный распылитель жидких проб 5.

В камере ионообразования 7 при атмосферном давлении коронным разрядом или фотоионизацией генерируют ионы, которые через отверстие 9 на вершине выпуклой стенки 8 подают в область десольватации 10. Ионы проходят через впускной ионный затвор или концентратор 11 и поступают в область дрейфа 12 при атмосферном давлении. В область дрейфа 12 постоянно подают дрейфовый газ (азот высокой чистоты или сухой очищенный атмосферный воздух с расходом 0.5-2 л/мин), который как газ завеса препятствует попаданию нейтральных частиц в масс-спектрометр.

Дрейфовая трубка содержит область десольватации 10 и область дрейфа 12, разделенные впускным затвором или концентратором фазы 11.

Области десольватации 10 и дрейфа 12 в радиальном направлении ограничены набором цилиндрических электродов, формирующих электрическое поле. Двигаясь под воздействием электрического поля, при атмосферном давлением ионы анализируемого вещества 19 сталкиваются с молекулами дрейфового газа. В области десольватации 10 происходит осушение и декластеризация ионов. Впускной затвор или концентратор фазы 11 формирует локализованную в пространстве группу, содержащую ионы анализируемого вещества 19. Эта группа, двигаясь под воздействием электрического поля в области дрейфа в противотоке дрейфового газа, разделяется на серию групп, содержащих компоненты с разной степенью удерживания на молекулах дрейфового газа. Каждая из этих групп достигает выпускного ионного затвора 13 за время дрейфа, связанное с подвижностью компонент, формирующих эту группу, и попадает в область газа завесы 20, где освобождается от нейтральных частиц и газодинамически концентрируется на отверстии 21.1 первой ступени интерфейса дифференциальной откачки 21.

Через отверстие 21.1 ионы анализируемого вещества 19 поступают в первую ступень интерфейса дифференциальной откачки 21, обеспечивающую промежуточное давление между давлением второй ступени и атмосферным давлением дрейфовой трубы, где концентрируются на отверстии 22.2 второй ступени интерфейса дифференциальной откачки 22 в скимере второй ступени интерфейса дифференциальной откачки 22.1.

Через отверстие 22.2 ионы пробы поступают во вторую ступень интерфейса дифференциальной откачки 22, обеспечивающую промежуточное давление между давлением первой ступени интерфейса дифференциальной откачки 21 и рабочим давлением масс-спектрометра. Во второй ступени интерфейса дифференциальной откачки 22 масс-спектрометра ионы фокусируют ионной оптикой 22.3 второй ступени интерфейса дифференциальной откачки 22 в плоскопараллельный пучок и концентрируют на отверстии 22.4 в стенке между второй ступенью интерфейса дифференциальной откачки 22 и камерой масс-анализатора 22.5.

Пройдя через отверстие 22.4, ионы в виде плоскопараллельного пучка в направлении оси Y попадают в узел ортогонального ускорения 23 цилиндрического конденсатора 24 параллельно оси симметрии масс-анализатора Z. Двигаясь параллельно оси симметрии анализатора Z, ионы заполняют узел ортогонального ускорения 23. На выталкивающий электрод узла ортогонального ускорения 23.1 контроллером узла ортогонального ускорения 37 подают выталкивающий импульс, заставляющий ионы двигаться перпендикулярно их первоначальному движению в направлении входного окна 24.1 оборотного аксиально-симметричного масс-анализатора 24 вдоль оси Y. Выталкивающий импульс на время приложения запирает пучок ионов из интерфейса и формирует короткий пакет ионов как сохраняющий составляющую скорости v_x в направлении оси X, так и приобретающий составляющую скорости v_y в направлении оси Y. Двигаясь в направлении оси Y, пучок через входное окно 24.1 попадает в оборотный аксиально-симметричный масс-анализатор 24. Под действием центростремительной силы, обусловленной аксиально-симметричным полем, формируемым обкладками 24.2 и 24.3, ионы приобретают ускорение, направленное к оси симметрии анализатора Z, и двигаются по спирали, смещаясь по окружности вблизи центральной траектории 24.4 и линейно вдоль оси Z. Ионы покидают аксиально-симметричный масс-анализатор 24 через выходное окно 24.5 и попадают в линейный ионопровод 25, защищенный экраном 25.1. Потенциал экрана линейного ионопровода 25.1 можно изменять относительно потенциала средней траектории, что позволяет изменить длину линейного участка, необходимого для компенсации аберраций времени пролета. Эффективность использования ионов анализируемого вещества регулируют узлом ортогонального ускорения 23.

Ионы, покидающие линейный ионопровод 25, детектируют вторично-электронным умножителем 26. Сигнал умножителя регистрируют интегрирующим записывающим устройством 37. Интегрирующее записывающее устройство 37 формирует сигнал, управляющий контроллером 36 узла ортогонального ускорения 23.

При работе с электрораспылителем 1 (фиг.2) ионизатор на основе коронного разряда 2, фотоионизатор 3, устройство ввода газовых проб 4 и распылитель жидких проб 5 отключают (переводят в положение OFF). Анализируемое вещество 19 в жидкой фазе подают через канал 1.1. Для распыления используют газ носитель, подаваемый через канал 1.3. Распыление производят в электрическом поле, создаваемым между острием иглы 1.2 и стенкой 8, имеющей выпуклую форму. Рожденные ионы через отверстие 9 на вершине выпуклой стенки 8 поступают в область десольватации 10, проходят через впускной ионный затвор или концентратор 11 и поступают в область дрейфа 12.

При работе с десорбером 38 (фиг.3) анализируемое вещество наносят на подложку 38.1, а десорбцию и ионизацию проводят лазером, установленным на место электрораспылителя 1 (методы MALDI и DIOS), или электрораспылением растворителя электрораспылителем 1 (метод DESI). Растворитель 39 в жидкой фазе подают через канал 1.1. Для распыления используют газ носитель, подаваемый через канал 1.3. Распыление производят в электрическом поле, создаваемом между острием иглы 1.2, подложкой 38.1 и стенкой 8, имеющей выпуклую форму. Между подложкой 38.1 и стенкой 8 прикладывают выталкивающий потенциал. Рожденные ионы через отверстие 9 на вершине выпуклой стенки 8 поступают в область десольватации 10, проходят через впускной ионный затвор или концентратор 11 и поступают в область дрейфа 12.

Запись аналитического сигнала ведут непрерывно. Заданное количество времяпролетных спектров складывают в соответствии с выбранным алгоритмом сжатия информации. Полученный одномерный массив данных трансформируют в двумерный массив.

Получаемый сигнал представляет собой двумерное распределение интенсивности по времени дрейфа и времени пролета. Для фиксированного значения времени пролета это распределение трансформируют в одномерное распределение времени дрейфа (селективную по массе хроматограмму пробы). Для фиксированного значения времени дрейфа это распределение трансформируют в одномерное распределение времени пролета (времяпролетный спектр масс компоненты пробы, соответствующей выбранному времени дрейфа).

Хроматограмму трансформируют в распределение приведенных подвижностей. Времяпролетные спектры трансформируют в спектры масс.

Компоненты идентифицируют по значению приведенной подвижности и массе, соответствующей максимуму пика, а по амплитуде или площади пика определяют их концентрации в исходной пробе анализируемого вещества 19. Поскольку характерное время записи спектра масс (десятки микросекунд) много меньше характерного времени записи спектра подвижностей (десятки миллисекунд), за время выхода одной компоненты из спектрометра ионной подвижности прибор успевает записать несколько спектров масс. Для каждой группы разделенных по подвижности ионов записывают спектр масс. Идентификацию компонент производят по 3-мерной информации (приведенная подвижность, масса, интенсивность).

Повышение чувствительности достигается за счет высокого токопрохождения благодаря фокусировке по трем параметрам. Спиралевидная траектория позволяет разнести узел ортогонального ускорения 23 и детектор ионов 26 в разные плоскости, что повышает эффективность использования анализируемого вещества 19.

Уменьшение габаритных размеров достигается за счет движения ионов по спирали в цилиндрическом анализаторе.

Изобретение относится к способам разделения ионов, а именно к спектрометрам, работающим по принципу измерения времени пролета ионов, в частности к определению состава жидких и газовых проб, и может применяться в медицине, фармацевтике, криминалистике. Масс-спектрометр содержит спектрометр ионной подвижности, ионно-оптические линзы, интерфейс дифференциальной откачки, времяпролетный анализатор и детектор ионов. При этом спектрометр ионной подвижности содержит камеру ценообразования, дрейфовую трубку с апертурным элементом, ионный затвор, область дрейфа, область газа завесы масс-спектрометра, ввод дрейфового газа, систему питания. Источник ионов масс-спектрометра содержит корпус ионизатора аксиально-симметричной формы, на стенках корпуса ионизатора установлены радиально направленные устройство ввода и ионизации пробы анализируемого вещества с ионизаторами, точка пересечения осей устройств ввода расположена напротив вершины апертурного элемента, выполненного в виде стенки выпуклой формы с отверстием для ввода ионов на ее вершине, а времяпролетный анализатор выполнен в виде цилиндрического конденсатора, в котором установлен узел ортогонального ускорения с выталкивающим электродом и детектор ионов. Технический результат - повышение чувствительности и уменьшение габаритов устройства. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Масс-спектрометр, содержащий спектрометр ионной подвижности, ионно-оптические линзы, интерфейс дифференциальной откачки, времяпролетный анализатор и детектор ионов, отличающийся тем, что спектрометр ионной подвижности содержит камеру ионообразования, дрейфовую трубку с апертурным элементом, ионный затвор, область дрейфа, область газа завесы масс-спектрометра, ввод дрейфового газа, систему питания, источник ионов масс-спектрометра содержит корпус ионизатора аксиально-симметричной формы, на стенках корпуса ионизатора установлены радиально направленные устройство ввода и ионизации пробы анализируемого вещества с ионизаторами, точка пересечения осей устройств ввода расположена напротив вершины апертурного элемента, выполненного в виде стенки выпуклой формы с отверстием для ввода ионов на ее вершине, а времяпролетный анализатор выполнен в виде цилиндрического конденсатора, в котором установлен узел ортогонального ускорения с выталкивающим электродом и детектор ионов.

2. Масс-спектрометр по п.1, отличающийся тем, что между цилиндрическим конденсатором и детектором ионов установлен линейный ионопровод.

3. Масс-спектрометр по п.1, отличающийся тем, что в линейном ионопроводе установлен экран с возможностью изменения его потенциала.

4. Масс-спектрометр по п.1, отличающийся тем, что устройства ввода и ионизации пробы анализируемого вещества содержат ионизаторы в виде электрораспылителя и/или ионизатора коронным разрядом, и/или фотоионизатора, и/или лазерного ионизатора, и/или ввод распылителя жидкой пробы, и/или ввод газовых проб, и/или подложки для десорбции с поверхности.