МАСС-СПЕКТРОМЕТР С ДВУКАМЕРНЫМ ИСТОЧНИКОМ ИОНОВ Российский патент 2015 года по МПК H01J49/26 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ с источниками ионов с напуском пробы с атмосферы. Изобретение может быть использовано для газовой хроматографии в аналитической химии, нефтехимии, фармакологии, молекулярной и атомной физике, в геологии и геохронологии, в медицине, экологии и других областях для анализа молекулярного состава веществ в жидкой и газовой фазах.

Для идентификации компонентов сложных газовых смесей и одновременно количественного определения состава таких смесей масс-спектрометры широко применяются в системах ГХ-МС, в которых газовые смеси предразделяются с помощью газового хроматографа, после чего каждый вышедший из хроматографа пик анализируется с помощью масс-спектрометра (Ф. Карасек, Р. Клемент «Введение в хромато-масс-спектрометрию». М.: Мир. 1993 г., с.94-103).

Известны системы, состоящие из газового хроматографа и системы слабоизбирательных детекторов (например, плазменных, ионизационных) (Гиошон Ж., Гийемен К. Количественная газовая хроматография для лабораторных анализов и промышленного контроля. Перевод с англ. М.: Мир, 1991 г.), позволяющих зарегистрировать наличие детектируемого вещества по изменению тока через детектор. Общим недостатком таких систем является их неуниверсальность и существенная зависимость эффективности детектирования от типа вещества. Это заставляет использовать сложные методики, основанные на системе стандартов («свидетелей») (Лабораторное руководство по хроматографическим и смежным методам. Часть 2. Под ред. О. Микеша, М.: Мир, 1982 г., с.620-621), которые, тем не менее, не гарантируют от ошибок даже при количественном определении известных веществ в составе сложных смесей и делают газовую хроматографию неэффективной, если в составе смеси присутствует хотя бы одно неизвестное вещество.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является система, состоящая из сопряженных газового хроматографа и масс-спектрометра в качестве детектирующего устройства, используемого для определения молекулярной массы веществ, выходящих из колонки, и их идентификации по форме масс-спектра. Такие системы находят широкое применение в аналитической химии и нефтехимии (Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003 г., с.15-20). В данном решении одиночное вещество или смесь небольшого числа индивидуальных веществ после разделения в колонке хроматографа вместе с газом-носителем поступает через термостатированную трубку интерфейса в ионизационную камеру масс-спектрометра, где подвергается воздействию пучка быстрых электронов, создаваемых катодом (обычно нагретым до температуры активной эмиссии электронов). Давление в камере может изменяться от близкого к атмосферному (режим хемоионизации (с.93-98 указанного издания)) до высокого вакуума (режим электронного удара (с.28-32 указанного издания)). Ионы, образующиеся при электронной бомбардировке и последующих ион-молекулярных реакциях, вытягиваются из ионизационной камеры через специальную щель, фокусируются системой ионных линз, ускоряются и поступают на вход масс-анализатора, где разделяются пространственно или во времени в зависимости от отношения массы к заряду, и регистрируются детектирующим устройством масс-спектрометра. Это устройство преобразует потоки ионов в электрические сигналы, которые усиливаются и обрабатываются аналоговыми или цифровыми электронными устройствами.

В указанной системе (Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003 г. с.28-32) источник ионов состоит из ионизационной камеры, в которую поступает газ, катода, испускающего внутрь камеры пучок электронов., и системы линз, вытягивающих образовавшиеся ионы и направляющих их в область масс-анализа. Недостатком известного решения является недостаточная точность количественного определения состава смеси. Концентрация любого компонента смеси пропорциональна площади, занимаемой пиком данного вещества, выходящим из хроматографа. При этом оконтуривание хроматографического пика происходит дискретно - каждой точке на хроматограмме соответствует один масс-спектр. Для получения приемлемой точности необходимо многократно снимать масс-спектр за время выхода хроматографического пика (1-3 сек), что технически трудно реализуемо. Обычно удается осуществить максимум десятикратное снятие масс-спектра, и количественные определения проводятся по грубой аппроксимации истинного хроматографического пика суммой масс-спекрометрических измерений.

Задачей изобретения является реализация детектирования хромато-масс-спектрограммы одновременно по двум каналам: при измерении тока ионов на коллектор, находящийся непосредственно в камере ионизации, и при стандартном измерении с с помощью масс-спектрометра. Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности определения площади хроматографического пика.

Поставленная задача решается конструкцией масс-спектрометра, содержащего камеру ионизации, систему ввода газа в камеру, систему ионно-оптических линз для вытягивания ионов, масс-анализатор и систему детектирования ионов, отличающегося тем, что камера ионизации разделена на две части металлической газопроницаемой перегородкой, в каждой части камеры ионизации имеется свой катод, подающий в нее пучок электронов, ионно-оптическая система вытягивает ионы из первой части камеры, энергия электронов Е, подаваемых с катода во вторую часть камеры, выбирается, исходя из соотношения E<I, где I - потенциал ионизации молекул или атомов газа-носителя, ионы, образующиеся во второй части камеры, поступают на коллектор, расположенный так, чтобы на него не попадали ионизирующие или вторичные электроны, и регистрируются на нем.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображены коллектор 1 для регистрации ионов, образовавшихся в камере, вторая камера 2, катоды первой и второй камер 3, газопроницаемая металлическая перегородка 4, первая камера 5, ионно-оптическая система 6, масс-анализатор 7.

При попадании пробы в ионизационную камеру она распределяется между ее обеими частями 2, 5 и ионизируется; при этом в первой части камеры 5 ионизируются все попадающие туда компоненты, включая газ-носитель. Образующиеся ионы вытягиваются ионно-оптической системой 6 и поступают на вход масс-анализатора 7.

Во второй части камеры ионизируются только примесные компоненты, при этом атомы или молекулы газа-носителя не ионизируются. Это происходит потому, что в качестве газа-носителя используются инертные или мало реакционные газы (гелий, аргон), обладающие высокими потенциалами ионизации. При этом соотношение E<I не позволяет ионизоваться газу-носителю, но обеспечивает ионизацию подавляющего большинства практически важных примесей. Регистрация ионов на коллектор 1 позволяет «оконтуривать» хроматографический пик с большой точностью, что повышает общую точность количественного анализа.

Таким образом, одновременно осуществляется сразу два измерения: за счет ионов из первой камеры происходит масс-анализ, позволяющий определить состав выходящей фракции, и одновременно за счет ионов, образующихся во второй камере, происходит непрерывная регистрация хроматографического пика в течение времени выхода вещества по сумме всех образовавшихся ионов примеси, содержащихся в данной фракции.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ с источниками ионов с напуском пробы с атмосферы. Технический результат - повышение точности определения площади хроматографического пика. В масс-спектрометре камера ионизации разделена на две части металлической газопроницаемой перегородкой, в каждой части камеры ионизации имеется свой катод, подающий в нее пучок электронов, ионно-оптическая система вытягивает ионы из первой части камеры, энергия электронов E, подаваемых с катода во вторую часть камеры, выбирается, исходя из соотношения E<I, где I - потенциал ионизации молекул или атомов газа-носителя. Ионы, образующиеся во второй части камеры, поступают на коллектор, расположенный так, чтобы на него не попадали ионизирующие или вторичные электроны, и регистрируются на нем. 1 ил.

Масс-спектрометр, содержащий камеру ионизации, систему ввода газа в камеру, систему ионно-оптических линз для вытягивания ионов, масс-анализатор и систему детектирования ионов, отличающийся тем, что камера ионизации разделена на две части металлической газопроницаемой перегородкой, в каждой части камеры ионизации имеется свой катод, подающий в нее пучок электронов, ионно-оптическая система вытягивает ионы из первой части камеры, энергия электронов Е, подаваемых с катода во вторую часть камеры, выбирается, исходя из соотношения E<I, где I - потенциал ионизации молекул или атомов газа-носителя, ионы, образующиеся во второй части камеры, поступают на коллектор, расположенный так, чтобы на него не попадали ионизирующие или вторичные электроны, и регистрируются на нем.