Квадрупольный масс-спектрометр

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКРЕСПУБЛИК 7 801 7 51)5 Н 01,1 49/4 РИ ГКНТ СССРОПИСА Е ИЗОБРЕТЕНСВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСН ское бю остроенидинения Локши нетич А. А. К и ее1 аук ал 1979. ТРОЕ 1.-СПЕ бить трии споль 1 елью ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ(71) Специальное констрро аналитического прибоНаучно-технического объАН СССР(57) Изобретение можетзовано в масс-спектроме изобретения является увеличение чувствительности масс-спектрометра в области больших масс, обеспечение стабильности чувствительности и повышение точности интерпретации масс-спектров. Ионы, образующиеся в источнике1, подвергаются разделению в анализаторе 3, Поле, создаваемое изменяющимся при развертке потенциалом ускоряющего электрода 2 в сочетании с фиксированным полем источника ионов, образует перестраиваемую линзу. Этойлинзой можно смешать кроссовер в пределах длины краевого поля анализатора, что обеспечивает возможность содания одинаковых условий входа в анлиэатор для ионов разных масс, 1 з,ф-лы, 3 ил.Изобретение относится к измерительной технике, в частности к масс-спектрометрии, 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 области физики, химии, биотехнологии и т,д,Цель изобретения - повышение чувствительности в области больших массон вых чисел, обеспечение стабильности этой характеристики и расширение диа пазона регистрируемых массовых чисел,На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого масс-спектрометра; на фиг. 2 - кривые относительной величины пропускания, характеризующие 20 зависимость чувствительности массспектрометра от массового числ,", регистрируемых ионов без ускоряющего поля на входе в масс-анализатор (кривая 1) и с изменяющимся при разверт 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 О 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.140Масс-спектрометр (фиг. 1) содержит источник ионов 1, ускоряющий зле (трод 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 б, Пита О 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 осу ществляется от управляющей ЭВМ 7.Масс-спектрометр работает следующим образом. Ионы, образующиеся в источнике 1, Формируют ионный пучок, который транспортируется в 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 полеобразующих электродов масс-анализатора 3.Данному положению кроссовера будет со ответствовать наибольшая величина регистрируемого ионного тока, при другои 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 напроцесс разделения ионов по массе в течение их дрейфа на длине масс-анализатора. Име;ощийся в памяти ЭБ;1 законизменения потенциала ускоряющего электрода 2, соединенного с блоком питания с цифровым входом б, имеющим связь с управляющей ЭВ."1, обеспечивает для ионов с разными массовыми числами при настройке масс-спектрометра на эти массовые числа, одинаковые условия прохождения ооласти краевогополя, а именно - время движения на длине краевого поля, соответствующее двум полным периодам высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды масс-анализатора, что обеспечивает оптимальную величину пропускания ионов во всем диапазоне массовых чиселмасс-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 области краевого ноля и не изменяет скорости 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-анализатораи в,ч2К (1)а,ггде К 1 - разрещающая способность на1уровне 107 высоть пиковмасс-спектра;и - количество периодов высокоВ,Ччастотного поля, претерпеваемых ионами на длине массанализатора; 01 г 25 - определенный эмпирическипараметр.Чувствительность масс-спектрометра определяется пропусканием масс-анализатора, 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 с Фиг. 3 определяется уравнениемЬкр1г 1 г(2) 5 где е - заряд электрона;пг - масса иона;длина краевого поля;г - текущая координата на осцЗОмасс-анализатора, где цо:гожение ускоряющ го электрода 1 п -ределяется точкой г=О;13(г) - потенциал на оси масс-ана:гцзатора в точке с кэордцггатэй;11 - потенциал в точке зарожд нцяиоесовЕсли электроды масс-анализатора отстоят друг от друга на расстоянии г , то длина краевого поля 1, может быть оггредепена как длина поля, проникающего внутрь полого цилиндра свнутренним радиусом1, =2,2 г. (э) 45Зависимость П(г) можно аппроксимировать линейной функцией вида 11(г)= =аг+Ь, квадратичной функцией вида Ц(г)=аг 2+Ьг+с, либо экспоненццальной-о 2Функцией вида а е +Ь (1-е 2) . Экс 50 периментально установлено, что наилучщим образом поле ускоряющего электрода на длине выражается с помощью экспоненциальной аппроксима.ции. учитывая, что апертура ускоряю 5 щего электрода существенно меньге величины г и проникновением в нее поля электродо масс-анализатора можно пренебречь, считая, что в точкег=О и ц масс-анализатора спадает до нуля, справедливо, допущение, что декременгы затухания вдоль оси г поля ускоряющего электрода (Ю и зату- ханця в противоположном направлении поля, создаваемого на оси масс-анализатора потенциалом его электродов- равны между собойМ, =(5=К/1,(4) а кроме тог 1, ослабление поля ускоряющего электрода в точке г=1, происходит в (е ). Расчетное выражениек д.гч определения времени прохождения ионами области краевого поля будет иметь вцд ькР(5) где Б - потенциал в точке зарождебнця ионов; П - потенциал ускоряющего электрода; И - потенциал "оси" масс-анали затора, т,е, смещение отно сительно потенциала земли одновременно всех четырехэлектродов,Гкорость дрейфа ионов внутри масс- анализатора определяется разностью потенциалов (11 а,г) .Ввиду того, что непосредственно зависимость напряжения на у коряющем электроде 1 от величины мас.сового числа цоцов, ца которое настроен масс-спектрометр, определить из полученного выражения (5) сложно, была реггена обратная задача: получена зависимость значения массового числаионов, д гя которых обеспечивается прохождение области краевого поля за два высокочастотных периода, от ведцчцны потенциала ускоряющего электр дз 11=1 (11) прц Фиксированных значениях потенциалах 11, и 11 которые прц работе масс-спектрометра устанзвливаются независимо друг от друга. После интегрцровагп я и упрощения уравнения (5) было получено выраже-. ние для расчета данной зависимости1 и, -ь (6) где К - коэфгЬициент определяемый м,Апараметрами масс-анализа 1705917+ -и ш =1,67210 кг - масса про- Гтона; рабочая частота высокочас О тотного напряжения, подаваемого на электроды масс-анализатора, ИГц; г - радиус поля масс-анализатора (радиус вписанной окружност 15 между электродами), см; К - показатель экспоненциального затухания потенциала ускоряющего электрода на оси масс-анализатора ня длине 1,кр (при К=1 20 поле затухает в е раз), По кривьм, рассчитанным с помощью выражения (6), были построены зависимости потенциала ускоряющего электро 25 дя И от значения массового числа ионов, на которое настроен масс-спектрометр, для различных значений потенциалов Цд и Ц. Для получения кривых было подобрано аналитическое выражение30 видя12 К, 0 =- 1-; -(Ц -11 )+Р 1 -с 10 М.4К м,4.+я ,г, е ,щ,п,р,1,Б - коэффициенты, определяемые эмпири"чески.После экспериментальной проверки предлагаемого технического решения на масс-спектрометре типа ИС 7303 и коррек 0 тировкц был определен закон изменения потенциала ускоряющего электрода при развертке масс-спектра в рабочем диапазоне массовых чисел масс-спектромет45 ра и найденная зависимость-4 411 =-2,715 1 П Г го 1 Р+0,132- -5,480 10 (П -И )1 Г гМ,0 ц+4,00+43,650) . (В) (9) 50 1введена в ЭВ 11, упрявляющую масс- анализатором квядрупольного массспектрометря. Изменение потенциала ускоряющего электрода при развертке масс-спектра осуществлялось с помощью блока питания (О)В с цифровым входом, соединенного с управляю щей ЭВ 11. Для компенсации действия краевого поля, существующего на выходе масс-анализатора, целесообразно устанавливать ускоряющий электрод также ня 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 ласс-анализатора после их разделения по массам могут отличаться от условий их входа в масс-анализатор, то целесообразно на ускоряющцй электрод, рясположенньй ня выходе масс-анализатора, подавать потен 1 ал 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 полу" чить искомьй закон изменения потенциала ускоряющего электрода на выходе ,масс-анализатора при развертке масс- спектра, однако, имеется возможность установить этот закон эмпирическим путем для конкретного масс-спектрометра.Благодаря использованию предлагаемого устройства повышается чувствительность мясс-спектрометря в области больших массовых чисел по сравнению с прототипом и получаемый масс-спектр более точно отражает относительное количество ионов, образующихся в камере ионизяпии, Отсутстве деталей из непроводящего материала в системе электродов мясс-спектрометра обеспечивает гарянттрованную стабильность чувствительности масс-спектрометря при длительной ряботе и позволяет расширить диапазон регистрируемых массовых чисел.Формула изобретения1,Кядр,потьнь масс-спектрометр, содержащй источник ионов, мясс-анализатор, приемник ионов; управляемое от ЭВИ устройство злектрческого пи1705 о 17 а,е.м. фЦЯ тания масс-анализатора, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности масс-спектрометрав области больлих масс, обеспечения стабильности чувствительностипри расширении диапазона регистрируемых масс и повьппения точности интерпретации масс-спектров, масс-спектрометр снабжен ускоряющим электродом, 1 О установленным на расстоянии 1=(0,2- -0,25)г (м) от входа масс-анализато - ра и электрически связанным с выходом дополнительного блока питания, цифровой вход которого соединен с управляющей ЭВ 1, при этом величина потенциала ускоряющего электрода задана по зякону, обеспечивающему для ионов с разными массовыми числами одинаковое время прохождения краевого поля масс анализатора, а именно:П, =- 2,715 1 О Г г ".1+0,12-5,480 к4 4 4,1 О (Бд) ГМ,0 О+,00 +43,650где 11 - потенциал ускоряющего элект 1рода, В; 1Ъ1 ОгбЬфа 11 - п.тенциал в области обраэовасния ионов, В;11 - потенциал оси масс-анализатора, В;Г - частота переменного напряжения подаваемого иа электроды масс-анализатора, 1 Гц; г - радиус поля масс-анализатора о(радиус вписанной окружностимежду электродами), см; 1 - массовое число, на котороенастроен масс-спектрометр,2, Масс-спектрометр по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что на выхо,це масс-анализатора установлен второй ускоряющий электрод, причем оба ускоряющих электрода электрически связаны с выходом одного блока питания, цифровой вход которого соединен с управляющей ЭВ.1 так, что при развертке масс-спектра закон изменения потенциала является общим для обоих ускоряющих электродов,1705917 Составитель В.КащеевТехред А.Кравчук Корректор С.Шекмар,ктор И, Товт Зак ГКНТ СССР омбинат "Патент", г. Ужг ул. Гагарина, 1 атель роизводственно 98 Тираж Государственного комитета и 113035, Москва, Ж Подписноеизобретениям и открытиям Раушская наб., д. 4/5