ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР
TIME-OF-FLIGHT MASS SPECTROMETRE

Предлагаемое изобретение относится к области масс-спектрометрии с ортогональным вводом ионов и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии и медицины при ионизации исследуемых веществ методами электронного удара, "электроспрей" и других. У существующих времяпролетных масс-спектрометров с ортогональным вводом ионов имеется ряд факторов, ограничивающих разрешающую способность прибора, два из которых являются основными для времяпролетного масс-спектрометра с ортогональным вводом, первый обусловлен шириной ионного пучка в области накопления, другой - разбросом ионов по скоростям в момент старта. Иными словами, решающим фактором, ограничивающим разрешающую способность времяпролетных приборов, является наличие ненулевого фазового объема (φ=ΔvΔx) у ионного пучка в области накопления ортогонального ускорителя (палсера).
Ортогональный разброс скоростей ионов в области накопления палсера приводит к появлению времени разворота (turn around time), которое не может быть скомпенсировано никакими анализаторами, содержащими лишь однородные поля и бесполевые промежутки. Следовательно, время разворота является основным фактором, ограничивающим разрешающую способность времяпролетного прибора с ортогональным вводом ионного пучка.
Известен времяпролетный масс-спектрометр [1], состоящий из импульсного источника ионов, бесполевого дрейфового пространства, двухступенчатого электростатического зеркала и детектора, в котором достаточно хорошо (до второго порядка) компенсируется разброс начальных энергий однотипных ионов. Однако в нем невозможно получить более высокую степень фокусировки ионов по энергии, а следовательно, достичь существенного повышения разрешающей способности без значительного увеличения габаритов прибора.
Известен также времяпролетный масс-спектрометр [2], состоящий из импульсного источника ионов, бесполевого дрейфового пространства, двух плоских сетчатых конденсаторов с тормозящими полями, разделенных вторым бесполевым промежутком, и детектора ионов. В этом масс-спектрометре достигается фокусировка третьего порядка по энергии, однако и его разрешающая способность заметно ограничена нескомпенсированным эффектом времени разворота ионов при ортогональном способе ввода.
Push
Acc
0
Ближайшим из известных приборов является времяпролетный масс-спектрометр MX 5303 [3] с ортогональным вводом ионного пучка, выбранный в качестве прототипа. Он состоит из источника ионов, в котором для получения ионов биоорганических веществ используется метод экстракции ионов из растворов при атмосферном давлении («электроспрей»); системы дифференциальной откачки с охлаждающим газонаполненным транспортирующим квадруполем и фокусирующей системы; ортогонального ускорителя (палсера) с однородным электростатическим полем, как в области накопления ионов (от пластины с U до заземленной сетки), так и в области их ускорения (от заземленной сетки до электрода с U); пролетного бесполевого пространства, двухкаскадного зеркала и детектора. Недостатком прототипа является недостаточно высокая разрешающая способность (R ~ 10000), которая органична большим временем разворота ионов при их ортогональном ускорении в палсере с однородным полем.
Задачей изобретения является уменьшение времени разворота и, соответственно, увеличение разрешающей способности времяпролетного масс-спектрометра.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном времяпролетном масс-спектрометре, состоящем из источника ионов типа «электроспрей», ортогонального ускорителя ионов (палсера), включающего области накопления и ускорения ионов, бесполевого пролетного пространства, двухкаскадного зеркала и детектора, область накопления палсера выполнена в виде монополя, ребро заземленного электрода которого совмещено (конструктивно объединено) с заземленной сеткой области ускорения.
Предлагаемый времяпролетный масс-спектрометр отличается от прототипа тем, что в области накопления палсера с помощью монополя создается неоднородное электростатическое поле, которое, во-первых, формирует временной фокус на границе поля для строго параллельного пучка и, во-вторых, значительно уменьшает время разворота ионов для слабо расходящегося пучка, что несмотря на незначительное увеличение энергетического разброса в ионном пакете дает эффект увеличения разрешающей способности примерно в два раза при неизменных геометрических и электрических параметрах прибора.
Изобретение поясняется математическими расчетами и чертежами, где на фиг.1 схематично представлен масс-спектрометр с палсером с неоднородным полем, на фиг.2а представлен монополь в схеме ортогонального ускорителя (палсера), на фиг.2б представлен ортогональный ускоритель (палсер), создающий однородное электростатическое поле - палсер прототипа.
Рассмотрим работу предлагаемого масс-спектрометра.
Предлагаемое новое устройство (фиг.1) состоит из источника ионов 1, создающего непрерывный ионный пучок, ортогонального ускорителя (палсера), включающего области накопления 2 и ускорения 3 ионов, бесполевого дрейфового пространства 4, первого зеркала 5 с тормозящим потенциалом, второго зеркала 6, имеющего отражающий потенциал, и детектора ионов 7.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Push
Acc
Непрерывный ионный пучок, сформированный в источнике 1, попадает в область накопления палсера 2, где при подаче импульсного потенциала U создается неоднородное электростатическое поле, которое вырезает из непрерывного пучка и ортогонально первоначальному направлению ускоряет ионный пакет, который, попадая в область ускорения с однородным электростатическим полем 3, ускоряется до энергии qU, летит в бесполевом пролетном пространстве 4; притормозив в поле первого зеркала 5, отражается в поле второго зеркала 6; ускоряется в поле первого зеркала 5, летит в бесполевом пространстве 4 и попадает на детектор 7. Предполагается, что вектор скорости ионного пакета составляет небольшой угол с осью X, как и в прототипе.
Докажем, что в предлагаемом устройстве имеется эффект уменьшения времени разворота, влекущий увеличение разрешающей способности прибора примерно в два раза.
Push
Pull
В отсутствие электростатического поля непрерывный ионный пучок вводится вдоль оси Z в область накопления палсера максимально близко к стержню монополя строго параллельно ребру заземленного электрода монополя и перпендикулярно оси Х палсера. При подаче выталкивающего U импульса к гиперболическому (или цилиндрическому) электроду монополя и вытягивающего импульса U на следующий после заземленной сетки электрод ионный пакет ускоряется сначала до потенциала земли в двумерном поле монополя, а затем до ускоряющего потенциала в однородном поле. Ортогонально ускоренные ионы попадают в масс-анализатор, параметры которого идентичны параметрам прототипа.
Push
При подаче выталкивающего импульса U на стержень монополя в области накопления палсера, то есть в пространстве между электродами монополя, создается двумерное поле, распределение потенциала которого определяется выражением (I):
Push
где U - выталкивающий потенциал на стержне монополя,
а
- расстояние от стержня до ребра заземленного электрода монополя.
Напряженность электрического поля и ее составляющие определяются соотношениями:
В поле с потенциалом (1) легко могут быть проинтегрированы точные уравнения движения ионов:
где m, q - масса и заряд иона. Решениями уравнений (4) будут:
0
0
0x
0y
где x, y и V, V - начальные координаты и составляющие начальной скорости иона по осям Х и Y соответственно,
0x
Для строго параллельного пучка, то есть для пучка, в котором все ионы не имеют тангенциальной составляющей скорости (V=0), система (5) примет вид:
0
0
Из системы (6) видно, что при любых начальных координатах (x, y) все ионы даже из ленточного пучка, а не только узкого цилиндрического, попадут в плоскость выходной щели области накопления (х=0) одновременно, затратив время, определяемое выражением (7):
Это говорит о наличии промежуточного временного фокуса на выходе из неоднородного поля у предлагаемого устройства.
Время разворота в неоднородном поле τ определяется из первого уравнения системы (5).
0
0
а
Раскладывая арктангенс в выражении (8) в ряд Тейлора, оставляя в нем только первый член и учитывая, что х≈, получим выражение (9), связывающее время разворота для неоднородного τ и однородного τ полей:
0
0
0
Таким образом, поскольку (ΔT, ΔT)<<τ, Т≈T, то разрешающая способность R предлагаемого масс-спектрометра с палсером-монополем с учетом времени разворота будет примерно в два раза больше, чем у прототипа R, то есть у масс-спектрометра с палсером с однородным полем:
и, т.о., выполнение области накопления палсера в виде монополя способствует достижению поставленной цели.
Литература
1. В.И.Каратаев, Б.А.Мамырин, Д.В.Шмикк. Новый принцип фокусировки ионных пакетов во времяпролетных масс-спектрометрах. // ЖТФ - 1971 - т.41, в.7, с.1498-1501.
2. Ю.К.Голиков, Н.В.Краснов, Р.А.Бубляев. // Патент Российской Федерации №2295797. Заявка на изобретение №2005119734 с приоритетом от 16.06.2005 г., «Времяпролетный масс-спектрометр».
3. Времяпролетный масс-спектрометр с электрораспылением MX 5303. // Проспект Института аналитического приборостроения РАН. http://www.iai.rssi.ru