способ разделения ионов по массам

Формула изобретения

Способ разделения ионов по массам, включающий воздействие на пучок ионов квадрупольным электрическим полем, отличающийся тем, что на квадрупольное электрическое поле дополнительно накладывают неоднородное магнитное поле, имеющее параллельную продольной оси квадрупольного электрического поля составляющую, причем градиент магнитного поля имеет компоненту, перпендикулярную продольной оси квадрупольного электрического поля и направленную от оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения параметров квадрупольных масс-анализаторов.

Известен способ разделения ионов по массам в квадрупольном электрическом поле [1. W. Paul, H.Steinwedel. Gen.Pat. 944900 (1960); U.S. Pat. 2939952 (1960)].

В масс-анализаторах, в которых используется этот способ, квадрупольное электрическое поле создается четырьмя параллельно расположенными стержнями круглого или гиперболического сечения, к которым приложены потенциалы, имеющие постоянную и переменную высокочастотную составляющие.

В квадрупольном электрическом поле масс-анализатора ионы движутся по циклическим траекториям, совершая осцилляции с частотой приложенного высокочастотного потенциала. При действии квадрупольного электрического поля на пучок ионов, введенный вдоль продольной оси квадрупольного поля (оси анализатора), только часть ионов с определенным значением отношения массы к заряду имеет стабильные траектории и проходит сквозь анализатор, остальные ионы теряются внутри анализатора. Значение отношения массы к заряду ионов, пропускаемых масс-анализатором, определяется значениями амплитуд постоянной и переменной составляющей электрических потенциалов, прикладываемых к стержням.

Квадрупольные масс-анализаторы, в которых реализован указанный способ, из-за нарушения квадрупольной структуры электрического поля на краях анализаторов имеют ограниченное пропускание и дискриминацию ионов по массам, особенно в области легких и тяжелых ионов.

Известен также способ разделения ионов по массам в квадрупольном электрическом поле, в котором с целью уменьшения негативных эффектов, связанных с несовершенством квадрупольной структуры электрического поля на краях анализатора, применяется "задержка" постоянного потенциала, прикладываемого к стержням анализатора (метод "delayed d.c. ramp") [2. P.H.Dawson. Quadrupole Mass Spectrometry and its Applications. Elsevior Scientific Publishing Company, 1976, p. 96, 144]. Способ [2] выбран в качестве наиболее близкого аналога.

В таких квадрупольных масс-анализаторах на входе и выходе анализатора устанавливаются дополнительные отрезки стержней, на которые подается только высокочастотная составляющая потенциалов, прикладываемых к стержням основного анализатора. Это позволяет увеличить пропускание и снизить масс-дискриминации анализатора.

Тем не менее, все известные квадрупольные масс-анализаторы имеют недостаточно высокую эффективность разделения ионов по массам - ограниченную разрешающую способность и изотопическую чувствительность, значительные масс-дискриминации, что существенно сужает области их применения.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности разделения ионов по массам за счет повышения разрешающей способности, изотопической чувствительности, пропускания и снижения масс-дискриминаций.

Решение этой задачи достигается за счет того, что на квадрупольное электрическое поле дополнительно накладывают неоднородное магнитное поле, имеющее параллельную продольной оси квадрупольного электрического поля составляющую, причем градиент магнитного поля имеет компоненту, перпендикулярную продольной оси квадрупольного электрического поля, и направленную от оси.

Сущность изобретения заключается в том, что при наложении магнитного поля с указанной структурой на электрическое поле квадрупольного анализатора ионы внутри анализатора сохраняют общий характер движения в квадрупольном электрическом поле, но при этом совершают дополнительные осцилляции под действием магнитного поля. Положительный эффект заключается в увеличении разрешающей способности, изотопической чувствительности, пропускании и снижении масс-дискриминаций во всем массовом диапазоне квадрупольного анализатора.

Магнитное поле с указанной структурой может быть создано как внешней по отношению к квадрупольному анализатору магнитной системой, включающей постоянные магниты или электромагниты, так и за счет намагничивания стержней квадрупольного анализатора.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1 и 2, на которых приведены некоторые результаты при конкретных экспериментальных вариантах реализации способа.

Примеры конкретной реализации.

1. Фиг. 1 иллюстрирует влияние неоднородного магнитного поля на параметры серийного квадрупольного масс-анализатора SX-300 фирмы "VG Elemental" с диаметром стержней 12 мм и длиной стержней 280 мм с пре- и постфильтрами.

Пучок ионов из источника ионов вводился в квадрупольный анализатор, настроенный на единичное разрешение (разрешающая способность R = М). Четыре фрагмента масс-спектра, записанные в стандартном режиме (без магнитного поля), показаны на фиг. 1, а).

Дополнительное магнитное поле создавалось с помощью четырех постоянных магнитов, намагниченных вдоль оси квадрупольного анализатора и расположенных снаружи корпуса анализатора симметрично по отношению к его оси. Длина магнитов составляла около трети длины анализатора. Направление намагниченности магнитов выбиралось так, чтобы напряженность магнитного поля была равна нулю на оси квадрупольного анализатора и увеличивалась по направлению к его стержням. Путем изменения чередования направления намагниченности отдельных магнитов такой системы обеспечивалось получение магнитного поля как с плоскостью симметрии, проходящей через ось анализатора, так и с осевой симметрией. Магнитная система позволяла получить трехмерное магнитное поле, одна из компонент которого направлена вдоль оси квадрупольного анализатора, с поперечным градиентом поля, направленным от оси к стержням, на участке порядка трети длины анализатора. Напряженность магнитного поля вблизи стержней составляла не более 100 Гс.

Запись масс-спектров с дополнительно наложенным магнитным полем осуществлялась без подстройки анализатора, т. е. при тех же параметрах квадрупольного анализатора, что и без магнитного поля.

На фиг. 1, б), показаны те же фрагменты масс-спектров, записанные при наложении магнитного поля на электрическое поле квадрупольного анализатора. При сравнении соответствующих фрагментов спектров, записанных в стандартном режиме без магнитного поля, фиг. 1, а), и в режиме с дополнительно наложенным магнитным полем, фиг. 1, б), видно, что разрешающая способность масс-анализатора при наложении магнитного поля увеличилась более чем в два раза. Причем увеличение разрешающей способности происходит без уменьшения пропускания во всем массовом диапазоне анализатора.

2. На фиг. 2 представлены результаты действия магнитного поля на параметры квадрупольного масс-анализатора "Triple" фирмы "VG Quadrupoles" с диаметром стержней 6,3 мм и длиной стержней 120 мм с пре- и постфильтрами.

Пучок ионов из источника с электронным ударом вводился в анализатор, настроенный на примерно единичное разрешение. На фиг. 2, а), показан фрагмент спектра стандартного анализатора (без магнитного поля), записанный при входном сопротивлении усилителя 10⁹ Ом.

Дополнительное магнитное поле создавалось постоянным С-образным магнитом с шириной зазора 40 мм, расположенным вдоль оси масс-анализатора снаружи вакуумной камеры анализатора.

Магнит обеспечивал получение трехмерного неоднородного магнитного поля, одна из компонент которого направлена вдоль оси анализатора, с поперечным градиентом поля, направленным к двум стержням анализатора, расположенным со стороны магнита. Напряженность поля вблизи этих стержней не превышала 150 Гс.

Наличие С-образного магнитопровода обеспечивало резкое падение напряженности поля при удалении от зазора магнита, так что в области анализатора от оси до противоположной пары стержней напряженность магнитного поля оказывалась пренебрежимо малой.

На фиг. 2, б), приведен тот же фрагмент масс-спектра, записанный при входном сопротивлении усилителя 10⁸ Ом без какой-либо подстройки параметров в случае наложения на квадрупольный анализатор дополнительного магнитного поля с указанной структурой. Из сравнения с фиг. 2, а), видно, что при наложении магнитного поля разрешающая способность анализатора увеличилась примерно в 1,5 раза и в то же время пропускание анализатора также улучшилось. Интенсивность пика атомарного азота I₁₄, например, выросла при наложении магнитного поля более чем в 8 раз.

На фиг. 2, в), приведены зависимости пропускания квадрупольного анализатора от давления газа в источнике ионов с электронным ударом для ионов с разными массами при наложении магнитного поля (верхний индекс "М") и без магнитного поля (без индекса). Линейность работы анализатора при изменении давления в источнике ионов в случае наложения магнитного поля сохраняется, но в то же время пропускание существенно увеличивается.

В колонке справа даны отношения интенсивностей пиков, показывающие увеличение пропускания (для тяжелых ионов более чем на порядок) при наложении магнитного поля.

В экспериментах отмечено, что увеличение протяженности участка масс-анализатора, на котором накладывается магнитное поле, и увеличение напряженности магнитного поля приводит к усилению положительного эффекта. При различных вариантах симметрии магнитного поля положительный эффект качественно сохраняется, но имеет различные количественные характеристики.