ИСТОЧНИК ИОНОВ ДЛЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА

Полезная модель относится к источникам ионов для масс-спектрометра, а именно к источнику с химической ионизацией при атмосферном давлении (ХИАД) в коронном разряде, предназначенному для использования в газоанализаторах для определения микропримесей паров в газе, преимущественно, в воздухе.
-3
На сегодняшний день технология масс-спектрометрического анализа с ХИАД является наиболее чувствительной и селективной, поэтому является перспективной для использования в специализированных газоанализаторах, предназначенных для обнаружения и идентификации опасных веществ в воздухе. В то же время, в этой области особо востребована аппаратура, пригодная для внелабораторного применения, т.е. малогабаритная, мобильная, надежная в эксплуатации. Принципиальной особенностью метода ХИАД является образование ионов в области с атмосферным давлением с последующей их транспортировкой в масс-анализатор, который находится в вакуумной области с давлением не более 10 торр. Наиболее распространенной является система электрогазодинамической транспортировки ионов с двухступенчатой вакуумной системой с использованием комбинации высоковакуумных и форвакуумных насосов. В составе масс-спектрометрической аппаратуры с ХИАД именно вакуумная система является определяющей размеры, вес и потребляемую мощность прибора в целом. Уменьшение потока газа из источника ионов в масс-спектрометр снижает требования к его вакуумной системе и позволяет миниатюризировать его. Исходя из этого для создания внелабораторной масс-спектрометрической аппаратуры с ХИАД сформировалась тенденция снижения газовой нагрузки - потока газа из источника ионов в вакуумную область масс-спектрометра. При этом величина газовой нагрузки снизилась с величин порядка 1÷10 л×атм/минуту до величин порядка 10 мл×атм/минуту.
Благодаря простоте реализации и высокой эффективности ионизации анализируемых веществ наиболее распространены источники ионов с ХИАД, использующие для образования первичных ионов коронный разряд.
Известны масс-спектрометрические источники ионов с ХИАД в коронном разряде, использованные в малогабаритных масс-спектрометрических газоанализаторах, приведенные, например, в статьях: Makas A.L., Troshkov M.L., Kudryavtsev A.S., Lunin V.M. Miniaturized mass-selective detector with atmospheric pressure chemical ionization // Journal of chromatography B. - 2004. - T. 800. - №1-2. - C. 63-67; и Kudryavtsev A.S., Makas A.L., Troshkov M.L., Grachev M.L., Podyachev S.P. The method for on-site determination of trace concentrations of methyl mercaptan and dimethyl sulfide in air using a mobile mass spectrometer with atmospheric pressure chemical ionization, combined with a fast enrichment/separation system // Talanta. - 2014. - T. 123. - C. 140-145. Эти источники имеют область ионизации с давлением, близким к атмосферному, сформированную острием иглы, на которой зажигается коронный разряд, и противоэлектродом в виде диафрагмы с отверстием, через которое ионы вместе с газом-носителем попадают в вакуумную область. Расстояние между электродами коронного разряда составляет около 1 мм.
Наиболее близким к заявленному устройству по технической сущности является источник ионов, описанный в статье Usmanov D.T., Chen L.C., Yu Z., Yamabe S., Sakaki S., Hiraoka K. Atmospheric pressure chemical ionization of explosives using alternating current corona discharge ion source // Journal of Mass Spectrometry. - 2015. - T.50. - C. 651-661., принятый за прототип. Общая схема известных источников ионов с ХИАД в коронном разряде приведена на Фиг. 1.
Устройство включает трубку 1, один конец которой закрыт металлической диафрагмой 2 с отверстием 3, соединяющим трубку 1 с вакуумной областью 4 масс-спектрометра, а другой конец, соединяющий трубку 1 с источником газа-носителя, открыт; электрод 5 для образования коронного разряда, выполненный в виде иглы, установленной в трубке 1, острие которого размещено возле диафрагмы 2; устройство 6 нагрева источника ионов; устройство 7 управления коронным разрядом.
3
2
n
вх
мс
вх
мс
вх
мс
вх
+
Коронный разряд образуется при наличии высокого потенциала на электроде 5 вблизи острия иглы. В результате ионо-молекулярных реакций в воздухе в области разряда образуются преимущественно кластеры иона гидроксония HO(HO), называемые ионами-реагентами. В результате взаимодействия ионов-реагентов с молекулами вещества микропримеси образуются протонированные молекулы. Далее образованные ионы поступают из источника ионов через отверстие 3 в диафрагме 2 в вакуумную область 4, где разделяются и регистрируются масс-спектрометром. При этом поток газа-носителя в область ионизации Q обуславливается исключительно потоком газа в вакуум Q через отверстие 3 в диафрагме 2, таким образом Q=Q. То есть, при уменьшении потока газа из источника ионов в вакуумную область масс-спектрометра за счет уменьшения газовой проводимости отверстия 3 в диафрагме 2, уменьшается поток через область ионизации и входной поток Q. Поток газа из источника ионов в вакуумную область масс-спектрометра в описываемых аналогах и прототипе находится в диапазоне Q=Q=20÷60 мл×атм/минуту.
вх
Недостатком такого устройства, связанным с уменьшением входного потока Q, является снижение быстродействия по полярным и труднолетучим веществам в результате их адсорбции на внутренних поверхностях аналитического тракта. Поскольку весь входной поток проходит через отверстие 3 в диафрагме 2, уменьшение его газовой проводимости увеличивает вероятность частичного или полного его засорения пылью и более крупными частицами, в том числе, с внутренней поверхности трубки 1 и электрода 5, приводящего к потере работоспособности устройства.
Для уменьшения сорбционных эффектов обычно повышают температуру аналитического тракта. Однако в ряде случаев из-за эксплуатационных ограничений не допускается значительное повышение температуры входной части тракта. Существует также ограничение на повышение температуры, связанное с деструкцией некоторых термолабильных анализируемых веществ.
Заявленная полезная модель решает задачу создания источника ионов с ХИАД для масс-спектрометрического газоанализатора, обладающего высоким быстродействием и надежностью его работы при снижении потока газа-носителя из источника ионов в масс-спектрометр.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение быстродействия и надежности источника ионов с ХИАД для масс-спектрометра при снижении потока газа-носителя из источника ионов в масс-спектрометр.
Заявленный технический результат достигается тем, что поток газа-носителя через область ионизации обеспечивается дополнительным средством откачки, подсоединенным к открытому концу трубки, а подача газа-носителя осуществляется через дополнительный патрубок в области диафрагмы.
Устройство поясняется чертежами, на которых показано:
На Фиг. 1 - Схема известного устройства источника ионов с ХИАД в коронном разряде.
На Фиг. 2 - Схема предлагаемого источника ионов с ХИАД в коронном разряде.
На Фиг. 3 - Определение быстродействия по трибутилфосфату для предлагаемого А) и известного Б) устройства источника ионов.
Схема устройства заявленной полезной модели приведена на Фиг. 2. Устройство включает трубку 1, один конец которой закрыт металлической диафрагмой 2 с отверстием 3, соединяющим трубку 1 с вакуумной областью 4 масс-спектрометра, а другой конец, соединяющий трубку 1 с источником газа-носителя, открыт; электрод 5 для образования коронного разряда, выполненный в виде иглы, установленной в трубке 1, острие которого размещено возле диафрагмы 2; устройство 6 нагрева источника ионов; устройство 7 управления коронным разрядом.
вых
С целью увеличения потока газа-носителя через источник ионов в заявленное устройство добавлено средство 8 откачки газа-носителя из трубки 1 с производительностью Q, которое подсоединено к открытому концу трубки 1, а подача газа-носителя в трубку 1 осуществляется через дополнительный патрубок 9, присоединенный к трубке 1 в области диафрагмы 2, ось симметрии которого расположена от диафрагмы на расстоянии не более 1 мм.
мс
вых
вх
Поток газа-носителя из источника ионов в вакуумную область масс-спектрометра Q остается неизменным, а величины потоков Q и Q задаются производительностью средства 8 откачки газа-носителя из трубки 1 в широком диапазоне.
вх
Увеличение потока Q газа-носителя через источник ионов обеспечивает увеличение линейной скорости газа-носителя через все элементы аналитического тракта, за счет чего снижает эффекты адсорбции полярных и труднолетучих веществ на внутренних поверхностях аналитического тракта источника ионов.
Поскольку большая часть потока в области ионизации направлена в сторону, противоположную диафрагме 2, исключается попадание частиц в отверстие 3, в том числе с внутренней поверхности трубки 1 и электрода 5.
Средство 8 откачки газа-носителя выполнено, например, в виде насоса, имеющего производительность в диапазоне 50÷1000 мл/минуту.
Устройство 7 управления коронным разрядом выполнено, например, в виде источника высокого напряжения с возможностью стабилизации тока разряда.
Устройство работает следующим образом.
вых
вх
мс
вх
мс
вых
На электрод 5 с помощью устройства управления 7 подается высокий потенциал, обеспечивающий формирование коронного разряда между электродом 5 и диафрагмой 2. Средство откачки 8 с производительностью Q обеспечивает подачу газа-носителя, содержащего микропримеси анализируемого вещества, в источник ионов через патрубок 9 с потоком Q. В результате взаимодействия ионов-реагентов с молекулами вещества микропримеси образуются протонированные молекулы. Далее образованные ионы поступают из источника ионов вместе с потоком газа-носителя Q через отверстие 3 в диафрагме 2 в вакуумную область 4, где разделяются и регистрируются масс-спектрометром. При этом Q=Q+Q.
Пример осуществления полезной модели.
мс
Для подтверждения технического результата осуществлена экспериментальная проверка быстродействия масс-спектрометрического газосигнализатора с использованием известного и предлагаемого устройства источника ионов с ХИАД. Проверка осуществлялась на экспериментальном образце малогабаритного масс-спектрометрического детектора, описанного ранее авторами в статье Kudryavtsev A.S., Makas A.L., Troshkov M.L., Grachev M.L., Podyachev S.P. The method for on-site determination of trace concentrations of methyl mercaptan and dimethyl sulfide in air using a mobile mass spectrometer with atmospheric pressure chemical ionization, combined with a fast enrichment/separation system // Talanta. - 2014. - T. 123. - C. 140-145. Расстояние между иглой электрода 5 и диафрагмой 2 - около 1 мм, ток коронного разряда стабилизировался на уровне 1 мкА. Внутренний диаметр трубки 1-2 мм. Поток газа-носителя из источника ионов в вакуумную область масс-спектрометра Q=20 мл×атм/минуту. Температура источника ионов - 140°С.
В экспериментах по оценке быстродействия на вход источника ионов периодически подавали воздух с парами трибутилфосфата - труднолетучего вещества, имеющего температуру кипения 289°С, и наблюдали зависимость отклика от времени, измеряя интенсивность ионного тока протонированных молекул трибутилфосфата с массой 267 дальтон. Фиксировали время установления выходного сигнала, за которое он достигал величины 90% от стационарного уровня.
вх
мс
вх
В первом случае использовалась схема известного устройства, при котором Q=Q=20 мл×атм/минуту (фиг. 3, Б). Во втором случае использовалась схема предлагаемого устройства с величиной потока Q=330 мл×атм/минуту (фиг. 3, А). Время установления выходного сигнала для известного устройства составило 55 секунд, а для нового устройства - 6 секунд.
Таким образом, благодаря тому, что поток газа-носителя через область ионизации обеспечивается дополнительным средством откачки, а подача газа-носителя осуществляется через дополнительный патрубок, в заявленном источнике ионов с ХИАД для малогабаритного масс-спектрометрического газоанализатора достигается повышение быстродействия и надежности работы устройства при снижении потока газа-носителя из источника ионов в масс-спектрометр.