Спосіб аналізу заряджених частинок (іонів) у гіперболоїдних мас-спектрометрах

 

Спосіб аналізу заряджених частинок (іонів) у гіперболоїдних мас-спектрометрах призначений для мас-спектрометрії і може бути використаний при створенні гіперболоїдних мас-спектрометрів з високою чутливістю і роздільною здатністю.

Відомий спосіб аналізу заряджених частинок в гіперболоїдних мас-спектрометрах [I]. За відомим способом аналізовані заряджені частинки вводять в робочий об'єм аналізатора мас-спектрометра, сортують за питомою зарядам, утримуючи іони з обраним питомим зарядом в робочому об'ємі аналізатора, і виводять їх у вимірювальний пристрій. За відомим способом робочі точки заряджених частинок з обраним питомим зарядом на загальній діаграмі стабільності розташовуються усередині зон стабільності поблизу їхніх кордонів. Це обумовлює наявність основних недоліків відомого способу: низька чутливість з-за великих амплітуд коливань іонів в аналізаторі і обмежена роздільна здатність, обумовлена тим, що робочі точки іонів на діаграмі стабільності знаходяться в області низької ефективності сортування.

Відомий спосіб аналізу заряджених частинок за питомою зарядам у гіперболоїдних мас-спектрометрах, за яким від�анія в робочому об'ємі аналізатора змушують здійснювати рух за "базовим траєкторіях" шляхом підбору фази введення частинок в електричному полі та параметрів поля. "Базові траєкторії" у високочастотних квадрупольних електричних полях можуть існувати тільки тоді, коли робоча точка частинки знаходиться в нестабільному області діаграми стабільності. При цьому різко зростає ефективність сортування і, відповідно, роздільна здатність приладу.

Однак чутливість прототипу виявилася зниженою із-за сильної залежності амплітуди коливання заряджених частинок в цьому режимі від фази введення іонів ВЧ полі. У прототипі, з-за сильної фазової залежності, тільки тисячні частки від запроваджених протягом ВЧ періоду в аналізатор іонів можуть утримуватися полем.

Метою справжнього винаходу є створення способу аналізу заряджених частинок в гіперболоїдних мас-спектрометрах, який був би вільний від недоліків, властивих прототипу, а саме дозволяв би суттєво покращити аналітичні характеристики гіперболоїдних мас-спектрометра: роздільну здатність (до сотень тисяч) та чутливість (до 40% від введеного в аналізатор кількості іонів, з обраним питомим зарядом).

За пропонованим способом аналізовані заряджені частинки вводять в аналізатор мас-спектрометра, сортують іони за питомою зарядам Џя іони з обраним питомим зарядом здійснювати рух за "базовим траєкторіях", а іони з відмінним від вибраного значення питомим зарядом виводять з робочого об'єму на полезадающие електроди аналізатора, після чого залишилися в обсязі аналізатора іони з обраним значенням питомого заряду направляють у вимірювальний пристрій. Для реалізації заявляється способу аналізу робочу точку іонів з обраним питомим зарядом на загальній діаграмі стабільності шляхом підбору параметрів електричного поля розміщують на прямій, перпендикулярній осі загальної діаграми стабільності, що проходить через точку перетину цієї осі з межею зони стабільності, що відповідає значенню параметра стабільності β0=-1, при цьому за іншою координатної осі робочу точку розташовують в одній із стабільних областей загальної діаграми стабільності.

У загальному випадку проекції траєкторії руху зарядженої частинки на координатні осі в гіперболоїдних мас-спектрометрах описуються рівнянням Хілла. Серед різноманітних спільних рішень цього рівняння випливає в нашому випадку виділити так звані "базові рішення". "Базовим рішень" відповідає умова:

де Ρ - постійна;

π - період змінної функції в рівняння Хілла;

y(t) - його про="12" width="135" />

де β0- відомий параметр стабільності рівняння Хілла.

З (1) і (2) отримуємо:

З (3) випливає, що Ρ дійсно, якщо β0дійсно і по модулю більше 1, що відповідає нестабільною області розв'язків рівняння Хілла. Характерне рішення (5) для базового рішення" записується у вигляді:

де

y0- початкова координата іона.

За визначенням характерне рішення рівняння Хілла збігається із загальним рішенням в моменти часу, які віддалені один від одного на період змінної функції в рівняння Хілла (в нашому випадку π). З (1) випливає: якщо в (1) замість координат поставити швидкості (похідні від y(t)), то для характерного рішення для швидкості отримаємо співвідношення подібне (4). Це означає, що якщо заряджену частинку змусити здійснювати рух "базової траєкторії" (при Ρ по модулю менше одиниці), то вона з часом втратить швидкість і координату і виявиться в початку координат фазовій площині. По суті, це ідеальні умови для пастки заряджених частинок. Змінні функції в рівняння Хілла можуть бути різноманітними. У гіперболоїдної мас-спектрометрії ча�ристовується в рівняння Матьє). Використання імпульсної функції в гіперболоїдної мас-спектрометрії має свої переваги. У цьому випадку на електроди аналізатора подають імпульсна напруга (прямокутні імпульси різної полярності, тривалості і амплітуди). Одним з переваг імпульсного живлення є простота необхідного математичного апарату, оскільки зменшується обсяг обчислень, необхідних для аналізу траєкторій іонів в аналізаторах. В теорії імпульсного живлення водять параметр:

і маємо:

де υ0- початкова швидкість іона;

ai- координати робочої точки іона на імпульсної діаграмі стабільності;

shiі Ψ - функції цих координат.

Функції shiі Ψ залежать від початкової фази введення зарядженої частинки в полі аналізатора, але якщо в (6) покласти а2уявним і його модуль дорівнює (маючи на увазі аналізатор типу осесиметричної іонної пастки)

то для Δ отримуємо:

що відповідає введенню іонів в пастку вздовж осі з енергією, рівною висоті потенційного бар'єру в центрі аналізатора, незалежно від фази введення під час дії тормозящеа електроди іонних пасток при імпульсному живленні подають напруги близько 300-400 Вольт, і енергія вводимих іонів складає одиниці эВольт. При патентується способі зі співвідношення (7) випливає, що вводити іони в аналізатор можна з енергією 200-260 эВольт, що дозволяє радикально покращувати якість вводяться в аналізатор іонних пучків з усіма витікаючими звідси наслідками (збільшення роздільної здатності та чутливості мас-спектрометрів). По осях імпульсної діаграми стабільності відкладаються значення параметрів ai. Для параметра стабільності β0маємо співвідношення:

Співвідношення (9) для випадку пастки відповідає координаті r. Для координати z (9) перед aiслід ставити2. Параметр aiвизначається так:

тут: е - заряд іона;

m - його маса;

Ui- амплітуда відповідного імпульсу у Вольтах;

Τi- відносна тривалість імпульсів;

raі dz- геометричні параметри аналізатора.

Якщо sh2в (6) і а1дорівнюють нулю і Δ в (8) дорівнює 1, то з (9)) випливає, що β0=-1. Це означає, що робочі точки іонів, відповідні заявляється способу аналізу, расположи стабільності, на якій β0=-1.

На фіг. 1 наведена загальна діаграма стабільності для осесиметричної іонної пастки при імпульсному живленні. Живить сигнал - меандр. Там же наведені схеми, що ілюструють два способи введення заряджених частинок в аналізатор пастки: радіальний і осьовий enter. На діаграмі по осі ординат відкладаються значення параметра a1, а по горизонтальній - параметра а2. Заштриховані області - зони стабільності. Зони, розташовані уздовж вертикальної осі, зони стабільності для проекцій траєкторії руху іонів на вісь z, а зони, розташовані уздовж горизонтальної осі, - для проекцій траєкторії руху іонів на вісь r. Області, де зони стабільності накладаються один на одного, називаються загальними зонами стабільності. А і В - робочі точки заряджених частинок з обраними зарядами при радіальному введенні (точка А), а В - при осьовому введенні. З фіг. 1 видно, що при осьовому введенні робоча точка іонів з обраним зарядом по осі z розташована в нестабільній зоні, а по осі r - стабільною. За пропонованим способом у цьому випадку точка може розташовуватися вздовж прямої, перпендикулярної горизонтальній осі діаграми стабільності і проходить через точку перетину кордону зопрямая). Зауважимо, що за пропонованим способом робоча точка обраних іонів може знаходиться у будь-якій області цієї прямої, наприклад в точці В1 (див. фіг. 1), що знаходиться в другій зоні стабільності по координаті r. Назвемо цю пряму "несучої прямий". У розглянутому випадку точки В і В1 знаходяться на "несучої прямий" для z координати. Для радіального введення "несуча пряма" показано на фіг. 1 штріхпунктіром.

На фіг. 2 наведено масові піки, побудовані для робочої точки А (режим радіального введення), що відповідають різним часам сортування іонів в робочому об'ємі аналізатора. По вертикальній осі на фіг. 2 відкладена частка залишилися в аналізаторі іонів до моменту закінчення часу сортування (%). Ця величина пропорційна чутливості мас-спектрометра. На фіг. 2 для кожного піку наведені таблиці, в яких вказані: N - час сортування в періодах ВЧ поля, I - чутливість, Ri- значення роздільної здатності з рівнем її визначення.

На фіг. 3 наведено масові піки, побудовані точки В (осьовий введення).

На фіг. 4 наведена форма масового піку для точки А (див. фіг. 1), побудованого в логарифмічному масштабі. Для розрахунку цього піку в аналізатор було введено" 108�правові піки, при реалізації запропонованого способу в гіперболоїдних мас-спектрометрах пролітного типу (квадрупольний фільтр мас, триполь і т. д.) Тут іонний потік слід вводити через гіперболічні електроди перпендикулярно (або під деяким кутом до осі системи. При цьому можна істотно збільшити енергію, що вводяться в аналізатор іонів (до кількох сотень електрон-вольт), зменшити довжину електродної системи та уникнути впливу перехідної області на траєкторії вводяться в аналізатор заряджених частинок. В цьому випадку час сортування іонів за питомою зарядам визначатиметься відношенням довжини електродної системи до швидкості їх введення в аналізатор, а відношенням відстані між точкою введення іонів в аналізатор і площиною виводу до поздовжньої швидкості вводяться іонів, яка визначається кутом введення іонного потоку. Як показано на фіг. 2, 3 і 4, для досягнення дуже високих дозволів за пропонованим способом необхідно час сортування не більше 5-10 періодів. Тоді як в сучасних квадрупольних мас-спектрометрах для досягнення дозволів сотні тисяч необхідно час сортування кілька тисяч періодів. Радикальне зменшення часу сортування (майже на три порядки) дозволяє на порядки ув�твительности мас-спектрометра, значне здешевлення приладу, можливості мініатюризації пристроїв і виходу на нові ринки з великим об'ємом реалізацій.

Таким чином, чисельним моделюванням показано, що запропонований спосіб аналізу заряджених частинок в гіперболоїдних мас-спектрометрах дозволяє:

- у сотні разів підвищити ефективність сортування заряджених частинок в гіперболоїдних мас-спектрометрах, що дозволяє радикально підвищити їх роздільну здатність;

- при роздільній здатності сотні тисяч підвищити чутливість приладів до декількох десятків відсотків;

- в сотні разів зменшити необхідний час сортування заряджених частинок, що дозволяє:

а) для приладів з іонною пасткою підвищити реальну чутливість мас-спектрометра,

б) для квадрупольного фільтра мас (трипілля) зменшити в кілька разів довжину електродної системи аналізатора,

в) в десятки разів підвищити допустимий робочий тиск в аналізаторі і, відповідно, зменшити потужність откачних систем,

г) миниатюризировать прилади з високою роздільною здатністю та чутливістю і створювати на їх основі необхідні мобільні пристрої.

Спосіб аналізу заряджених частинок (іонів) за питомою зарядам спектрометра, утримують в його робочому об'ємі іони з обраним значенням питомого заряду шляхом впливу на них імпульсним високочастотним з постійної складової електричним полем, змушуючи такі іони здійснювати рух за "базовим траєкторіях", а іони з відмінним від вибраного значення питомим зарядом виводять з робочого об'єму на полезадающие електроди аналізатора, після чого залишилися в обсязі аналізатора іони з обраним значенням питомого заряду направляють у вимірювальний пристрій, який відрізняється тим, що робочу точку іонів з обраним питомим зарядом на загальній діаграмі стабільності шляхом підбору параметрів електричного поля розміщують на прямій, перпендикулярній осі загальної діаграми стабільності, проходить через точку перетину цієї осі з межею зони стабільності, що відповідає значенню параметра стабільності β0=-1, при цьому за іншою координатної осі робочу точку розташовують в одній із стабільних областей загальної діаграми стабільності.



 

Схожі патенти:

Іонно-оптичний пристрій з багаторазовим відображенням

Винахід відноситься до іонно-оптичних пристроїв

Система електродів лінійної іонної пастки

Винахід відноситься до галузі мас-спектрометрії, а саме до конструкції лінійної іонної пастки, її системи електродів, яка утримує полі

Аналізатор пролітного квадрупольного мас-спектрометра (типу фільтр мас,

Винахід відноситься до галузі мас-спектрометрії і може бути використане при створенні квадрупольних мас-спектрометрів пролітного типу з високою роздільною здатністю та чутливістю

Спосіб аналізу іонів за питомою зарядам у квадрупольних мас-спектрометрах пролітного типу (монополь, триполь і фільтр мас)

Винахід відноситься до галузі мас-спектрометрії і може бути використане при створенні квадрупольних мас-спектрометрів пролітного типу з високою роздільною здатністю та чутливістю

Спосіб виготовлення монопольного мас-аналізатора

Винахід відноситься до області динамічної мас-спектрометрії і призначене для створення монопольних мас-спектрометрів

Мас-аналізатор з іонною пасткою

Винахід відноситься до мас-спектроскопії а більш конкретно до квадрупольним мас-аналізаторах

Лінійна іонна пастка і спосіб управління рухом іона з використанням асиметричної утримуючого поля

Винахід відноситься до мас-спектрометричним систем, а саме до іонним пасток мас-аналізаторів

Іонна пастка, мультипольная електродна система і електрод для мас-спектрометричного аналізу

Винахід відноситься до галузі мас-спектрометричного аналізу, зокрема до іонної пастці, мультипольной електродної системи та електродному полюса

Спосіб аналізу в гиперболоидном мас-спектрометрі типу

Винахід відноситься до гіперболоїдної мас-спектрометрії і може бути використане при створенні приладів з високою роздільною здатністю та чутливістю
Up!