Способ масс-спектрометрического анализа по времени пролета непрерывного пучка ионов Советский патент 1991 года по МПК H01J49/26 

Изобретение относится к масс-спектро- метрическим методам определения качественного и количественного состава газовых смесей, содержащих нейтральную и заряженную компоненты, и может быть применено в аналитических целях при исследовании пламени, в плазмохимии, в кинетических исследованиях и для мониторинга окружающей среды.

Целью изобретения является повышение чувствительности и разрешающей способности.

На фиг.1 схематично представлено устройство для осуществления предлагаемого способа, общий вид; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - временная зависимость

напряжений, подаваемых на электроды; на фиг.4 - масс-спектр кластерных ионов воды, зарегистрированных в режимах ионизации при атмосферном давлении; на фиг,5 - масс- спектр антибиотика грамицидина, зарегистрированный при использовании внешнего .ионного источника с экстракцией ионов из раствора при атмосферном давлении (ЭРИ- АД); на фиг.6 - масс-спектр инсулина, полученный также с использованием метода ЭРИАД.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит корпус 1, приемник 2 ионов, двухсекционный отражатель 3 ионов, отклоняющие ионы пластины 4, пространство 5 дрейфа и электронную пушку 6.

Кроме того, устройство оснащено выталкивающим ионы электродом 7, сеткой 8, ограничивающей область импульсной подачи ионов, компенсирующей сеткой 9 и выходной сеткой 10. Электрод 7 и сетки 8-10 расположены параллельно одна другой и перпендикулярны продольной оси пространства 5 дрейфа, а плоскости выталкива- ющего ионы электрода 7 и сетки 8 расположены в плоскостях пластин 11 и 12 модулятора пучка ионов и соединены попарно электрически. За электродом 7 и сеткой 8 (по ходу пучка ионов) установлен коллектор 13 ионов.

Способ осуществляют следующим образом.

В начальный момент времени потенциалы на электроде 7, сетке 8 и пластинах 11 и 12 поддерживают одинаковыми. Ионы от внешнего источника (не показан), например ионного источника с ионизацией при атмосферном давлении, подают через зазор между пластинами 11 и 12 в пространство между электродом и сеткой 8 к коллектору 13 ионов. По величине тока ионов на коллектор 13 производится выбор оптимальных потенциалов, подаваемых на элементы ионной оптики внешнего источника ионов. Затем на сетку 8 и пластину 11 подают постоянный потенциал, равный ускоряющему ионы напряжению. Выходная.сетка 10 устройства импульсной подачи находится под нулевым потенциалом, равным потенциалу корпуса устройства. Временная зави- симость разности потенциалов, подаваемых на электрод 7, сетку 9 и пластину 12 дана на фиг.З (индекс у потенциала равен номеру соответствующего электрода).

В нулевой момент времени на электрод 7, сетку 9 и пластину 12 подают соответственно выталкивающий и запирающий ионы импульсы. Амплитуды вытягивающих и выталкивающих импульсов подобраны такими, чтобы в пространство между выталкивающим электродом 7 и выходной сеткой 10 во время выталкивания ионов было бы однородное поле, что исключает дефокусировку ионного пучка сетками 8 и 9, тем самым повышая чувствительность устройства. Величину запирающего ионы импульса ДУз Ui2 - U 11 (фиг.З) задают соотношением

,51019Wh2/l2,(1)

где h, I - соответственно зазор между пластинами 11 и 12 и их длина;

Л/ джоуль - кинетическая энергия ионов на входе в зазор между пластинами 11 и 12.

Ионы, находящиеся в момент выталкивания в зазоре между выталкивающим электродом 7 и сеткой 8 и частично в зазоре между пластинами 11 и 12, выталкиваются

однородным полем в пространство 5 дрейфа, где разделение ионов по массам осуще- ствляют во времени пролета. После прекращения действия выталкивающих, вытягивающих и запирающих импульсов ионы

от внешнего источника начинают поступать в область между электродом 7 и сеткой 8. Это происходит одновременно с разделением ионов по массам в пространстве 5 дрейфа, а энергию ионов подбирают такой,

чтобы за время пролета ионами самой тяжелой массы пространства 5 дрейфа эти ионы как раз успели бы заполнить область между выталкивающим электродом 7 и сеткой 8, т.е. эта энергия определяется соотношением

W-WycKCi/L)2, (2) где W - энергия ионов в области между электродом 7 и сеткой 8 в момент ее заполнения ионами;

т Wye - энергия ионов в пространстве 5 дрейфа;

И - суммарная длина области между электродом 7 и сеткой 8 и пластин 11 и 12; L - длина пути дрейфа ионов.

Для того, чтобы исключить попадание ионов в пространство 5 дрейфа, за время их время пролетного- накопления в области между электродом 7 и сеткой 8, на компенсирующий электрод, выполненный в виде

сетки 9 из параллельных проволок радиусом г и с шагом а, должна подаваться разность потенциалов AUi Ug - Ue в соответствии с соотношением

а

AUi 1018WycK - In

2лг

(3)

где d - расстояние между сетками 9 и 10.

После накопления ионов в области между электродом 7 и сеткой 8 ионы снова лопадают в пространство 5 дрейфа.

Пример 1. В качестве источника непрерывного пучка ионов, подаваемых на вход модулятора, использовали ионный источнике коронным разрядом при атмосферном давлении в воздухе -лабораторного помещения. Потоком газа через отверстие в ионном источнике диаметром 0,1-0,3 мм ионы подавали в промежуточную ступень форвакуумной откачки, поддерживаемую

при давлении 1-10 торр, откуда затем через отверстие диаметром 0,1-0,2 мм ионы подавали в модулятор пучка ионов. Параметры пучка ионов: энергия 20-30 эВ; разброс ионов по энергиям - 1-2 эВ; ионный ток 10 11-10 1иА. При дальнейшем понижении

энергии ионов в пучке величина тока ионов резко падала, поэтому в дальнейшем энергию ионов на входе в модулятор выбирали равной 20 эВ. Это приводило к некоторому понижению чувствительности по сравнению с оптимальным случаем.

На фиг.4 дан пример масс-спектра кластерных ионов воды, зарегистрированных при ускоряющем напряжении 2 кВ, полной длине прибора 1 м (длина дрейфаЗ м), длине зоны импульсного выталкивания 0,05 м, частоте повторения масс-спектров 10 кГц. При

этом диапазон массовых чисел равен 1

1000, а длительность пика по основанию для пиков с m/l - 19,33,55,73 составляет 25-30 не, что соответствует разрешению, превышающему 1000 на полувысоте пика. При этом выигрыш в чувствительности по сравнению с прототипом составляет 1000.

Пример2.В качестве источника непрерывного пучка ионов, подаваемых на вход модулятора, использовали ионный источник с электрораспылением жидкости в атмосфере. Аналогично примеру 1 осуществляли подачу ионов с атмосферного давления в вакуум. При этом параметры пучка ионов составляли: ионный ток - 10 12А; энергия ионов - 20-30 эВ; разброс ионов по энергиям - 1-2 эВ (при дальнейшем понижении энергии ионов ионный ток также резко падал).

На фйг.5 и 6 приведены соответственно масс-спектры грамидицина и инсулина, зарегистрированные с помощью измерительно-вычислительного комплекса ИВК АП-02, дополненного модуля строб-генератора и аналогового запоминающего устройства. Масс-спектр в обоих случаях представляет

собой набор многоразрядных молекулярных ионов соответствующих веществ, причем для инсулина ионы m/l 1926 и 2889 зарегистрированы впервые, что обусловлено обеспечением широкого диапазона масс времяпролетного масс-спектрометра.

Особенности способа расширяют возможности его использования для идентификации и исследования биологически

активных, термически нестойких веществ: полипептидов, антибиотиков, витаминов, так как диапазон масс регистрируемых ионов практически неограничен. Кроме того, способ может найти широкое пркменение при исследовании нейтральной и заряженной компонент плазмы в различных плазмохимических устройствах, при исследовании свойств кластеров и механизмов их образования, а также при исследовании состава атмосферных ионов.

Формула изобретения Способ масс-спектрометрического анализа по времени пролета непрерывного пучка ионов, включающий периодическую

импульсную подачу ионов в пространстве дрейфа с помощью модулятора пучка ионов и регистрацию пакета ионов разных масс, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности, ионы вводят в модулятор в направлении, перпендикулярном оси пространстве дрейфа, причем время ввода не меньше, чем время, необходимое для пролета всего модулятора наиболее тяжелыми

ионами, присутствующими ч исследуемом пучке, а выталкивание ионов в пространстве дрейфа осуществляют одним из электродов модулятора.

Изобретение относится к масс-спектро- метрическим методом определения качественного и количественного состава газовых смесей, содержащих нейтральную и заряженную компоненты, и может быть применено в аналитических целях при исследовании пламени, в плазмохимии, в кинетических исследованиях и для мониторинга окружающей среды. Целью изобретения является повышение чувствительности и разрешающей способности. Изобретение расширяет возможности использования способа для идентификации и исследования биологически активных, термических веществ: полипептидов, антибиотиков, витаминов, так как диапазон масс регистрируемых ионов практически неограничен.Кроме того, способ может найти широкое применение при исследовании нейтральной и заряженной компонент плазмы в различных плазмохими- ческих устройствах, при исследовании свойств кластеров и механизмов их образования, а также при исследовании состава атмосферных ионов.

/3

Ионы

5- 5

6

7 /

I

U9 U8

UT-UII и„-ик

ФигЛ

А-А

7 /

V

8

Фиг. 2

W(W)u

75т

Врепя пролета мкс

Грамицидин

М++

tW

м

+++

1№

Ms+ 1156

М+

Фиг. 5

Инсулин

М++ 2889