Квадрупольный масс-спектрометр Советский патент 1992 года по МПК H01J49/42 

ел

со

сригЛ

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к масс-спект- рометрии, и позволяет повысить чувствительность квадрупольного масс-спектрометра в области больших массовых чисел, обеспечить стабильность этой характеристики и расширить диапазон регистрируемых массовых чисел, при проведении научных исследований в облас- ти физики, химии, биотехнологии и т.д.

Цель изобретения - повышение чувствительности в области больших массо- .,: вых чисел, обеспечение стабильности этой характеристики и расширение диа- 1 пазона регистрируемых массовых чисел.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого масс-спектрометра; на фиг. 2 - кривые относительной величины пропускания, характеризующие 2 зависимость чувствительности масс- спектрометра от массового числг. регистрируемых ионов без ускоряющего поля на входе в масс-анализатор (кривая 1) и с изменяющимся при разверт- 2 ке полем ускоряющего электрода, установленного на входе в масс-анализатор в соответствии с предлагаемым решением (кривая 2). Кривые фиг. 2 были получены при записи масс-спектра пер- фтортрибутиламина. Оценка чувствительности производилась по стандартной таблице относительной интенсивности пиков фтортрибутиламина; на фиг. 3 - показана область входного краевого поля масс-анализатора, в которой действует поле ускоряющего электрода, изменяемое по найденному аналитически закону при развертке масс-спектра. I.

Масс-спектрометр (фиг. 1) содержит источник ионов 1, ускоряющий электрод 2, установленный на входе в масс-анализатор 3, детектор ионов 4. Высокочастотное напряжение, сложенное с по- стоянным и подаваемое на электроды масс-анализатора 3, вырабатывается устройством питания 5. Напряжение на ускоряющий электрод 2 подается от блока питания с цифровым входом 6. Пита- ние источника ионов 1 и детектора ионов 4 обеспечивается устройством питания 5. Управление устройством питания 6 и блоком питания с цифровым входом 6 при развертке масс-спектров осуществляется от управляющей ЭВМ 7.

Масс-спектрометр работает следующим образом.

Ионы, образующиеся в источнике 1, формируют ионный пучок, который транспортируется R масс-анализатор 3. Разделенные по массам в поле масс-анализатора ионы регистрируются детектором ионов 4. Источник ионов 1 настраивается с помощью системы питания 5 таким образом, чтобы кроссовер пучка формировался на входе в масс-анализатор между плоскостью ускоряющего электрода 2 и плоскостью торцов полеобразую- щих электродов масс-анализатора 3. , Данному положению кроссовера будет со ответствовать наибольшая величина регистрируемого ионного тока, при друго настройке величина ионного тока будет падать.

Поле, создаваемое изменяющимся при развертке потенциалом ускоряющего электрода 2 в сочетании с фиксированным полем источника ионов 1, образует перестраиваемую линзу, перестройка которой при развертке масс-спектра вызывает смещение кроссовера в пределах длины краевого поля и не влияет на процесс разделения ионов по массе в течение их дрейфа на длине масс-анализатора. Имеющийся в памяти ЭВМ закон изменения потенциала ускоряющего электрода 2, соединенного с блоком питания с цифровым входом 6, имеющим связь с управляющей ЭВМ, обеспечивает для ионов с разными массовыми числами при настройке масс-спектрометра на эти массовые числа, одинаковые ус- ;ловия прохождения области краевого поля, а именно - время движения на . длине краевого поля, соответствующее двум полным периодам высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды масс-аналитатора, что обеспечивает оптимальную величину пропускания ионов во всем диапазоне массовых чисел масс-спектрометра.

Поле ускоряющего электрода 2 (фиг. 3), установленного между источником ионов 1 и электродами 4 масс- анализатора, окруженными экраном 3, воздействуют на ионы только в облас- (ти краевого поля и не изменяет скорос 1 ти дрейфа ионов внутри масс-анализатора. Этим обеспечивается сохранение; разрешающей способности масс-спектрометра, которая зависит от количества периодов высокочастотного поля, воздействующего на ионы в течение их дрейфа на длине масс-анализатора

Ro,I.J

(1)

где R

0,1

8,4

разрешающая способность на уровне 10% высоты пиков масс-спектра;

количество периодов высокочастотного поля, претерпеваемых ионами на длине масс анализатора; - определенный эмпирически

параметр.

Чувствительность масс-спектрометра определяется пропусканием масс-анлли- затора. Оптимальное пропускание обес- печивается в том случае, когда ионы проходят область краевого поля за время, соответствующее двум полным периодам высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды масс-анализато- ра, время прохождения ионами области краевого поля t kp фиг. 3 определяется уравнением

КР

dz

1

Ькр

1 dz ко I-- I Т

Р f I I Х-иЫ

(2)

де

7

заряд электрона; масса иона; длина краевого поля; текущая координата на оси масс-чналиэатора, где положение ускоряющего электрода определяется точкой (z) - потенциал на оси масс-анализатора в точке с координатой; U0 - потенциал в точке зарождения

ионов .

Если электрод. масс-анализатора

отстоят друг от /шуга на расстоянии г0, то длина краевого поля LKQ может быть определена как длина поля, проникающего внутрь полого цилиндра с внутренним радиусом

,2r0. (3) Зависимость U(z) можно аппроксимировать линейной функцией вида U(z) az+b, квадратичной функцией вида U(z)az2+bz+c, либо экспоненциальной функцией вида а . е +Ъ (1 -е ) . Экспериментально установлено, что наилучшим образом поле ускоряющего электрода на длине выражается с помощью экспоненциальной аппроксима- ции. Учитывая, что апертура ускоряющего электрода существенно меньше величины го и проникновением в нее поля электродов масс-анализатора можно пренебречь, считая, что в точке

п.- it1 мягс-анализатора спадает до нуля, справедливо, допущение, что декременты затухания вдоль оси z поля ускоряющего электрода (0Ј) и затухания в противоположном направлении поля, создаваемого на оси масс-анализатора потенциалом его электродов ф) - равны между собой

od-|S K/LKp,(A) а кроме того, ослабление поля уско-

точке z TJKpnpoряющего электрода в

исходит в (е ). Расчетное выражение длч определения времени прохождения иона-ми области краевого поля будет

иметь вид

Ькр

dz

15

20

25

30

35

45

50

Т ил U2-U)e-M/L P+lJ0-U2 (5)

v

где U - потенциал в точке зарождения ионов;

потенциал ускоряющего электрода;

потенциал оси масс-анализатора, т.е. смещение отно-1 сительно потенциала земли одновременно всех четырех электродов.

Скорость дрейфа ионов внутри масс- анализатора определяется разностью потенциалов (П0-11) .

Ввиду того, что непосредственно зависимость напряжения на ускоряющем электроде II, от величины массового числа ионов, на которое настроен масс-спектрометр, определить из полученного выражения (5) сложно, была 40 решена обратная задача: получена

зависимость значения массового числа ионов, для которых обеспечивается прохождение области краевого поля за.два высокочастотных периода, от величины потенциала ускоряющего электрода (U) при фиксированных значениях потенциалах Uo и U2, которые при работе масс-спектрометра устанавливаются независимо друг от друга. После интегрирования и упрощения уравнения (5) было получено выражег- ние для расчета данной зависимости

;V.fK(u°

))i ; 1 Ji+- - (6 л

г ,

где КмД- коэффициент определяемый параметрами масс-анализятора .К2 -

8е

К2

1А5837

T-i

m:

(f(МГц) г.(см))2

.-«5

n

f f r 1 ,67240

-27

где e 1 ,602 Кул - единичный

заряд;

кг - масса протона;

рабочая частота высокочас- 1 тотного напряжения, подаваемого на электроды масс-анализа- тора, МГц;

радиус поля масс-анализатора (радиус вписанной окружности 1 между электродами), см; К - показатель экспоненциального затухания потенциала ускоряющего электрода на оси масс-анализатора на длине L«p (при 2 поле затухает в е раз). По кривым, рассчитанным с помощью выражения (6), были построены зависимости потенциала ускоряющего электрода U| от значения массового числа ионов, на которое настроен масс-спектрометр, для различных значений потенциалов U0 и U. Для получения кривых было подобрано аналитическое выражение вида 3

2

М2 Г 1 М 1-J---4- m-n(Ue-U2) ---l+pU1-qUc

КАМ I z J KM,A.

+s,

(Ю

где 1,m,n,p,q,S - коэффициенты, опре-

деляемые эмпирически.

После экспериментальной проверки предлагаемого технического решения на масс-спектрометре типа МС7303 и корретировки был определен закон изменения потенциала ускоряющего электрода при развертке масс-спектра в рабочем диапазоне массовых чисел масс-спектрометра и найденная зависимость

введена в ЭВМ, управляющую масс- акаличатором квадрупольного масс- спектрометра. Изменение потенциала (ускоряющего электрода при развертке масс-спектра осуществлялось с помощью блока питания (0-300)В с цифро- вым входом, соединенного с управляю-1 щей ЭВМ.

0

5 00

5

5

О

45

0

Для компенсации действия краевого поля, существующего на выходе масс-анализатора, целесообразно устанавливать ускоряющий электрод также на выходе масс-анализатора, причем потенциал на обоих ускоряющих электродах может быть подан от одного блока питания с цифровым входом, управляемого при развертке масс- спектров от ЭВМ, в соответствии с полученным выражением (9) .

Если учесть, что условия выхода ионов из масс-аналияатора после их разделения по массам могут отличаться от условий их входа в масс-анали- затор, то целесообразно на ускоряющий электрод, расположенный на выходе масс-анализатора, подавать потенциал по закону, отличающемуся от выражения (9), для чего подключают его к дополнительному источнику питания. Отсутствие литературных данных об условиях прохождения ионами выходного краевого поля для достижения оптимального пропускания масс-анализатора делает невозможным теоретически получить искомый закон изменения потенциала ускоряющего электрода на выходе bмасс-анализатора при развертке масс- спектра, однако, имеется возможность установить этот закон эмпирическим путем для конкретного масс-спектрометра.

Благодаря использованию предлагаемого устройства повышается чувствительность масс-спектрометра в области больших массовых чисел по сравнению с прототипом и получаемый масс-спектр более точно отражает относительное количество ионов, образующихся в камере ионизации. Отсутствие деталей из непроводящего материала н системе электродов масс-спектрометра обеспечивает гарантированную стабильность чувствительности масс-спектрометра при длительной работе и позволяет расширить диапазон регистрируемых массовых чисел.

Формула изобретения

тлния масс-анализатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности масс-спектрометра в области больших масс, обеспечения стабильности чувствительности при расширении диапазона регистрируемых масс и повышения точности интерпретации масс-спектров, масс-спектрометр снабжен ускоряющим электродом, установленным на расстоянии 1(0,2-0,25)г (м) от входа масс-анализлто- ра и электрически связанным с выходом дополнительного блока питания, цифровой вход которого соединен с управляю щей ЭВМ, при этом величина потенциала ускоряющего электрода задана по закону, обеспечивающему для ионов с разными массовыми числами одинаковое время прохождения краевого поля масс- анализатора, а именно:

и, ,71 5- 10 4 f4rJ I2 + o,U2-5,480

10(и0-иг) ;Јгго2М-5,0 U0+4,0 UЈ+

+43,650,

где и - потенциал ускоряющего электрода, В;

200 300

фиа. 2

10

5917

5 20

с f- г„ М 10

потенциал в области образования ионов, В;-:- потенциал о си масс-аналичд- трра, В;

частота переменного напряжения, подаваемого на электроды масс-аналнзатора, МГц; радиус поля масс-анялизатора (радиус вписанной окружности между электродами), см; массовое число, ил которое настроен масс-спектрометр, а.е.м.

2. Масс-спектрометр по п. 1, о т - л и ч а ю щ и и с я тем, что на выходе масс-анализатора установлен второй ускоряющий электрод, причем оба ускоряющих электрода электрически связаны с выходом одного блока питания, цифровой вход которого соединен с управляющей ЭВМ так, что при развертке масс-спектра закон изменения потенциала является общим для обоих ускоряющих электродов.

МО 500 600 Массовое число jet. В. /v/