RU158343U1 - DEVICE FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETER WITH SOURCE OF IONS WITH IONIZATION AT ATMOSPHERIC PRESSURE FOR SEPARATION AND REGISTRATION OF IONS OF ANALYZED SUBSTANCES - Google Patents

DEVICE FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETER WITH SOURCE OF IONS WITH IONIZATION AT ATMOSPHERIC PRESSURE FOR SEPARATION AND REGISTRATION OF IONS OF ANALYZED SUBSTANCES Download PDF

Info

Publication number
RU158343U1
RU158343U1 RU2015134332/07U RU2015134332U RU158343U1 RU 158343 U1 RU158343 U1 RU 158343U1 RU 2015134332/07 U RU2015134332/07 U RU 2015134332/07U RU 2015134332 U RU2015134332 U RU 2015134332U RU 158343 U1 RU158343 U1 RU 158343U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
vacuum
time
behind
quadrupole
diaphragm
Prior art date
Application number
RU2015134332/07U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Васильевич Краснов
Александр Георгиевич Монаков
Марат Зарифович Мурадымов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Альфа" (ООО "Альфа")
Общество с ограниченной ответственностью "Биотехнологические аналитические приборы" (ООО "БиАП")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Альфа" (ООО "Альфа"), Общество с ограниченной ответственностью "Биотехнологические аналитические приборы" (ООО "БиАП") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Альфа" (ООО "Альфа")
Priority to RU2015134332/07U priority Critical patent/RU158343U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU158343U1 publication Critical patent/RU158343U1/en

Links

Images

Abstract

1. Устройство времяпролетного масс-спектрометра с источником ионов с ионизацией при атмосферном давлении для разделения и регистрации ионов анализируемых веществ в реальном масштабе времени, содержащее источник ионов электроспрей, вакуумную камеру транспортирующей системы с системой дифференциальной откачки с соплом и скиммером, радиочастотным транспортирующим квадруполем, системой диафрагм, а также высоковакуумную камеру времяпролетного масс-анализатора, включающую в себя линзовую систему, ортогональный ускоритель, ионное зеркало, пролетное пространство, детектор, отличающееся тем, что с одной стороны несущего фланца расположена вакуумная камера транспортирующей системы, в которой между соплом и первым радиочастотным транспортирующим квадруполем расположена трубка, а за ним вакуумно плотно диафрагма, за которой установлен второй радиочастотный транспортирующий квадруполь, за ним линзовая система расположенная перед отсекающим клапаном (шибер) отделяющим вакуумно плотно всю дальнейшую вакуумную часть времяпролетного масс-спектрометра от вакуумной камеры транспортирующей системы, за отсекающим клапаном на другой стороне несущего фланца расположены ортогональный импульсный ускоритель и коллиматор, у которого входная диафрагма находится за клапаном, а выходная диафрагма перед входом в ортогональный ускоритель, выход которого расположен по оси симметрии дрейфового промежутка и направлен в сторону бессеточного зеркала, несущий фланец присоединен вакуумно плотно к вакуумной камере времяпролетного масс-анализатора, выполненного в виде двух шестиэлектродных бессеточных зеркал, расположен�1. The device of a time-of-flight mass spectrometer with an ion source with atmospheric pressure ionization for separation and registration of analyte ions in real time, containing an electrospray ion source, a vacuum transport system chamber with a differential pumping system with a nozzle and a skimmer, a radio frequency transport quadrupole, a system the diaphragm, as well as the high-vacuum chamber of the time-of-flight mass analyzer, which includes a lens system, an orthogonal accelerator, and ion mirrors o, span, detector, characterized in that on one side of the carrier flange there is a vacuum chamber of the conveying system, in which a tube is located between the nozzle and the first radio-frequency transport quadrupole, followed by a vacuum tight diaphragm, behind which a second radio-frequency transport quadrupole is installed, behind The lens system is located in front of the shut-off valve (gate), which separates all the further vacuum part of the time-of-flight mass spectrometer from the vacuum chamber of the importing system, an orthogonal pulse accelerator and a collimator are located behind the shut-off valve on the other side of the bearing flange, with the input diaphragm behind the valve and the output diaphragm in front of the orthogonal accelerator, the output of which is located along the symmetry axis of the drift gap and is directed towards the meshless mirror, the supporting flange is connected vacuum tightly to the vacuum chamber of the time-of-flight mass analyzer, made in the form of two six-electrode gridless mirrors, located

Description

Настоящая полезная модель относится к приборам для качественного и количественного анализа веществ ионизуемых при атмосферном давлении, которая в совокупности с хроматографом реализует метод хромато-масс-спектрометрии в реальном времени, и широко используются в экологии, технологии, фармацевтике, токсикологии, медицинской практике, биотехнологии и в исследовательских целях. Для реализации метода хромато-масс-спектрометрии разработаны и применяются приборы, объединяющие в себе хроматограф и в качестве высокочувствительного детектора времяпролетный масс-спектрометр с источником ионов с ионизацией при атмосферном давлении, при помощи которого оценивается количество анализируемого вещества в хроматографическом пике.This utility model relates to instruments for the qualitative and quantitative analysis of substances ionizable at atmospheric pressure, which together with the chromatograph implements the real-time chromatography-mass spectrometry method and are widely used in ecology, technology, pharmaceuticals, toxicology, medical practice, biotechnology and for research purposes. To implement the method of chromatography-mass spectrometry, instruments have been developed and used that combine a chromatograph and, as a highly sensitive detector, a time-of-flight mass spectrometer with an ion source with ionization at atmospheric pressure, by which the amount of the analyte in the chromatographic peak is estimated.

Известен прибор Bruker Daltonics - maxis UHR - TOF Bruker Corporation, США (URL: www.bruker.com.). В качестве масс-спектрометра используется времяпролетный масс-анализатор рефлектронного типа, в котором ионное зеркало реализовано в виде двухстадийного (двухкаскадного) ионного зеркала состоящего из плоских сетчатых конденсаторов, разнесенных вдоль оси прибора и образующих второе дрейфовое пространство. Кроме того, с целью получения высокой разрешающей способности существенно увеличена длина первого дрейфового пространства, что привело к увеличению физических размеров прибора по высоте до 4 метров.Known device Bruker Daltonics - maxis UHR - TOF Bruker Corporation, USA (URL: www.bruker.com.). As a mass spectrometer, a time-of-flight reflectron-type mass analyzer is used, in which the ion mirror is implemented as a two-stage (two-stage) ion mirror consisting of flat mesh capacitors spaced along the axis of the instrument and forming a second drift space. In addition, in order to obtain high resolution, the length of the first drift space was significantly increased, which led to an increase in the physical dimensions of the device in height up to 4 meters.

Описанное устройство обладает следующим основным недостатком: большие размеры времяпролетного масс-анализатора приводят к существенной потери чувствительности прибора. В такой сложной и габаритной конструкции высоковакуумная откачка масс-анализатора производится только в области импульсного ортогонального преобразователя, что приводит к градиенту давления и его ухудшению в сторону ионного зеркала в пространстве анализатора, а это в свою очередь увеличивает рассеяние ионов и соответственно к уменьшению чувствительности. На уменьшение чувствительности также сказывается наличие сеточных электродов, как в ортогональном импульсном ускорителе, так и в двухкаскадном ионном зеркале. При прозрачности сеточных электродов порядка 0,9 и с учетом количества этих сеток в импульсном ускорителе и в ионном зеркале общая прозрачность масс-спектрометра составляет порядка 0,53, т.е. при всех прочих условиях пропускание масс-спектрометра уменьшается в два раза.The described device has the following main disadvantage: the large size of the time-of-flight mass analyzer leads to a significant loss of sensitivity of the device. In such a complex and dimensional design, high-vacuum pumping of the mass analyzer is carried out only in the region of a pulsed orthogonal transducer, which leads to a pressure gradient and its deterioration towards the ion mirror in the analyzer space, and this in turn increases ion scattering and, accordingly, to a decrease in sensitivity. The decrease in sensitivity is also affected by the presence of grid electrodes, both in an orthogonal pulsed accelerator and in a two-stage ion mirror. With a transparency of the grid electrodes of the order of 0.9 and taking into account the number of these grids in the pulse accelerator and in the ion mirror, the total transparency of the mass spectrometer is of the order of 0.53, i.e. under all other conditions, the transmission of the mass spectrometer is halved.

К недостаткам описанного устройства можно отнести искажение формы пиков в масс-спектрах, что связано с рассеянием на сеточных электродах зеркала и соответственно с уменьшением разрешающей способности. Необходимо отметить, что большие габариты камеры масс-анализатора при изменении температуры на несколько градусов приводят к существенным изменениям размеров ионно-оптического тракта, что влияет на аналитические характеристики прибора, в основном на разрешающую способность. Для устранения этого эффекта проведена термостабилизация вакуумного корпуса масс-анализатора, что существенно осложнило конструкцию и ужесточило требования по точности изготовления ионно-оптической системы. Как недостаток можно отметить и зависимость настроек масс-анализатора от настроек системы транспортировки ионного пучка из источника ионов до импульсного ортогонального ускорителя, что усложняет получение максимальных параметров прибора.The disadvantages of the described device include the distortion of the shape of the peaks in the mass spectra, which is associated with scattering on the grid electrodes of the mirror and, accordingly, with a decrease in resolution. It should be noted that the large dimensions of the mass analyzer chamber when the temperature changes by several degrees lead to significant changes in the size of the ion-optical path, which affects the analytical characteristics of the device, mainly the resolution. To eliminate this effect, the thermostabilization of the vacuum case of the mass analyzer was carried out, which significantly complicated the design and tightened the requirements for precision manufacturing of the ion-optical system. As a disadvantage, the dependence of the mass analyzer settings on the settings of the system for transporting the ion beam from the ion source to the pulsed orthogonal accelerator can be noted, which complicates obtaining the maximum parameters of the device.

Ближайшим из известных технических решений аналогичного назначения является устройство используемое в хромато-масс-спектрометрическом комплексе МХ5311, разработанное в Институте аналитического приборостроения РАН Россия (URL: www.http://Iairas.ru) [2], в котором из атмосферы через сопло в первую ступень дифференциальной откачки вместе с воздухом поступают ионы «вмороженные» в плотную струю газа, которая расширяясь уменьшает плотность ионного пучка и увеличивает угловое расхождение. Давление в первой ступени дифференциальной откачки составляет порядка нескольких Торр. Далее расположен скиммер, отделяющий вторую ступень дифференциальной откачки и вырезающий из общего потока расширившегося газа и ионов его центральную часть. Для транспортировки ионного пучка низкой энергии, несколько электрон-вольт, и его «охлаждения» для уменьшения энергетического разброса ионов в пучке, которое может достигать 50 эВ, а распределение ионов по углу 60° и определятся раствором внутреннего угла скиммера, используется радиочастотный квадруполь с фокусировкой ионного пучка при давлении порядка единиц мТорр во второй ступени дифференциальной откачки. Поток газа взаимодействует с торцами стержней радиочастотного квадруполя и образует скачки уплотнений. Эти факторы приводят к большим потерям ионного тока и его неуправляемому рассеянию вместе с газом носителем (воздухом). После радиочастотного квадруполя расположена система диафрагм, одна из которых установлена вакуумно плотно и отделяет вторую ступень дифференциальной откачки от высоковакуумной камеры времяпролетного масс-анализатора. Диафрагмы предназначены для формирования узкого пучка ионов на выходе из радиочастотного квадруполя. За диафрагмами расположена линзовая система, позволяющая формировать максимально параллельный и узкий ионный пучок, полученный из радиочастотного квадруполя и направлять его на входное отверстие ортогонального импульсного ускорителя, в котором непрерывный ионный пучок преобразуется в импульсный в ортогональном непрерывному пучку направлении. Используемое техническое решение расположения линзовой системы и ее настройки относительно ортогонального ускорителя не позволяют производить независимую настройку транспортирующей системы (первая и вторая системы дифференциальной откачки с входящими элементами ионной оптики) и времяпролетного масс-анализатора, в состав, которого входит ортогональный ускоритель. Настройка ионного пучка с помощью линзовой системы сказывается на угловом распределении пучка и параллельности его оси выталкивающему электроду ортогонального импульсного ускорителя, что влияет на настройку времяпролетного масс-анализатора и его аналитические параметры - разрешающую способность и чувствительность. Ионные импульсы попадают далее в пролетное пространство, доходят до двухстадийного (двухкаскадного) ионного зеркала, отражаются и пройдя вторую часть своего пути в пролетном пространстве поступают на детектор. Существенной сложностью в конструкции масс-анализатора является расположение на одном несущем фланце ортогонального импульсного ускорителя, дрейфового пространства, ионного зеркала и детектора. В такой конструкции проверка параллельности оси линзовой системы выталкивающему электроду ортогонального импульсного ускорителя не представляется возможной. Использование сеточных электродов в ортогональном импульсном ускорителе и ионном зеркале приводит к тому, что общая прозрачность масс-спектрометра составляет порядка 0,53, т.е. при всех прочих условиях пропускание масс-спектрометра уменьшается в два раза. Кроме того, вторая ступень дифференциальной откачки отделена от высоковакуумной части прибора только диафрагмой, отсутствие за ней перед вакуумной камерой времяпролетного масс-анализатора отсекающего высоковакуумного клапана, позволяющего без развакуумирования масс-анализатора проводить технологическое обслуживание сопла и скиммера, подверженных интенсивному загрязнению в процессе эксплуатации существенно увеличивает время выхода прибора на рабочий режим после его запуска.The closest known technical solution for a similar purpose is the device used in the MX5311 chromato-mass spectrometric complex, developed at the Institute for Analytical Instrumentation of the Russian Academy of Sciences (URL: www.http: //Iairas.ru) [2], in which The first stage of the differential pumping together with air enters the ions “frozen” into a dense stream of gas, which, expanding, reduces the density of the ion beam and increases the angular divergence. The pressure in the first stage of differential pumping is of the order of several Torr. Next is a skimmer that separates the second stage of differential pumping and cuts out its central part from the total flow of expanded gas and ions. To transport a low-energy ion beam, a few electron-volts, and to “cool” it to reduce the energy spread of ions in the beam, which can reach 50 eV, and the ion distribution over the angle of 60 ° is determined by the solution of the inner angle of the skimmer, a radio frequency quadrupole with focusing is used ion beam at a pressure of the order of units mTorr in the second stage of differential pumping. The gas flow interacts with the ends of the rods of the radio-frequency quadrupole and forms shock waves. These factors lead to large losses of ion current and its uncontrolled scattering together with the carrier gas (air). After the radio-frequency quadrupole, a diaphragm system is located, one of which is installed tightly and vacuum separates the second stage of differential pumping from the high-vacuum chamber of the time-of-flight mass analyzer. The diaphragms are designed to form a narrow ion beam at the exit of the radio frequency quadrupole. Behind the diaphragms is a lens system that allows you to form the most parallel and narrow ion beam obtained from the radio frequency quadrupole and direct it to the inlet of the orthogonal pulsed accelerator, in which the continuous ion beam is converted to pulsed in the direction orthogonal to the continuous beam. The technical solution used to position the lens system and its settings relative to the orthogonal accelerator does not allow independent adjustment of the transporting system (the first and second differential pumping systems with incoming elements of ion optics) and the time-of-flight mass analyzer, which includes an orthogonal accelerator. The adjustment of the ion beam using the lens system affects the angular distribution of the beam and the parallelism of its axis to the repelling electrode of the orthogonal pulse accelerator, which affects the tuning of the time-of-flight mass analyzer and its analytical parameters - resolution and sensitivity. The ion impulses fall further into the transit space, reach the two-stage (two-stage) ion mirror, are reflected and, having passed the second part of their path in the transit space, enter the detector. A significant complexity in the design of the mass analyzer is the location on one carrier flange of an orthogonal pulsed accelerator, drift space, ion mirror and detector. In such a design, checking the parallelism of the axis of the lens system to the buoyant electrode of the orthogonal pulsed accelerator is not possible. The use of grid electrodes in an orthogonal pulsed accelerator and ion mirror leads to the general transparency of the mass spectrometer being about 0.53, i.e. under all other conditions, the transmission of the mass spectrometer is halved. In addition, the second stage of differential pumping is separated from the high-vacuum part of the device only by a diaphragm, the absence of a shut-off high-vacuum valve behind it in front of the vacuum chamber, which allows without maintenance of the mass analyzer to carry out technological maintenance of the nozzle and skimmer subjected to intense pollution during operation, significantly increases the time the device goes to operating mode after it is started.

Предлагаемая полезная модель решает следующие задачи:The proposed utility model solves the following problems:

- уменьшение потерь ионного тока и его неуправляемого рассеяния вместе с газом;- reduction of ion current loss and its uncontrolled scattering along with gas;

- независимую настройку транспортирующей системы от настроек времяпролетного масс-анализатора, включая ортогональный импульсный ускоритель ионов;- independent adjustment of the transporting system from the settings of the time-of-flight mass analyzer, including the orthogonal pulse ion accelerator;

- существенное упрощение и сокращение во времени сборки и юстировки элементов масс-спектрометра (ортогональный импульсный ускоритель) и его технического обслуживания, замену элементов масс-анализатора, выработавших свой рабочий ресурс, приводящих к ухудшению технических и аналитических параметров, например, вторично-электронного умножителя;- a significant simplification and reduction in time of assembly and alignment of the elements of the mass spectrometer (orthogonal pulse accelerator) and its maintenance, replacement of elements of the mass analyzer that have exhausted their working life, leading to deterioration of technical and analytical parameters, for example, a secondary electron multiplier;

- возможность вакуумно плотного отделения вакуумной камеры системы транспортировки ионов от высоковакуумной камеры масс-анализатора;- the possibility of vacuum tight separation of the vacuum chamber of the ion transport system from the high-vacuum chamber of the mass analyzer;

- увеличение чувствительности и разрешающей способности.- increase in sensitivity and resolution.

Указанные задачи решаются за счет того, что известное устройство, содержащее источник ионов электроспрей, вакуумную камеру транспортирующей системы с системой дифференциальной откачки с соплом и скиммером, радиочастотным транспортирующим квадруполем, системой диафрагм, а также высоковакуумную камеру времяпролетного масс-анализатора, включающую в себя линзовую систему, ортогональный ускоритель, ионное зеркало, пролетное пространство, детектор, снабжено: несущим фланцем, с одной стороны которого расположена вакуумная камера транспортирующей системы, состоящей из сопла и первого радиочастотного транспортирующего квадруполя, между которыми расположена трубка, а за первым квадруполем находится вакуумно плотно диафрагма, за которой установлен второй радиочастотный транспортирующий квадруполь, за ним линзовая система, расположенная перед отсекающим клапаном (шибер), отделяющий вакуумно плотно всю дальнейшую вакуумную часть времяпролетного масс-спектрометра от вакуумной камеры транспортирующей системы, за отсекающим клапаном на другой стороне несущего фланца расположены ортогональный импульсный ускоритель и коллиматор, у которого входная диафрагма находится за клапаном, а выходная диафрагма перед входом в ортогональный импульсный ускоритель, выход которого расположен по оси симметрии дрейфового промежутка и направлен в сторону бессеточного зеркала, несущий фланец присоединен вакуумно плотно к вакуумной камере времяпролетного масс-анализатора, выполненного в виде двух шести-электродных бессеточных зеркал, расположенных друг против друга, протяженных вдоль направления дрейфа и симметрично оси дрейфового промежутка, в конце дрейфового промежутка расположен детектор на отдельном фланце, вход детектора находится на оси симметрии и ориентирован в противоположную сторону выхода ортогонального ускорителя.These problems are solved due to the fact that the known device containing an electrospray ion source, a vacuum chamber of a transport system with a differential pumping system with a nozzle and a skimmer, a radio frequency transport quadrupole, a diaphragm system, as well as a high-vacuum chamber of a time-of-flight mass analyzer, which includes a lens system , orthogonal accelerator, ion mirror, span, detector, equipped with: bearing flange, on one side of which there is a vacuum chamber conveyor a system consisting of a nozzle and a first radiofrequency transporting quadrupole, between which there is a tube, and behind the first quadrupole there is a vacuum tight diaphragm, behind which a second radiofrequency transporting quadrupole is installed, followed by a lens system located in front of the shut-off valve (gate), which separates the vacuum tightly the entire further vacuum part of the time-of-flight mass spectrometer from the vacuum chamber of the conveying system, behind the shut-off valve on the other side of the carrier flange is located an orthogonal impulse accelerator and a collimator with the inlet diaphragm behind the valve and the outlet diaphragm in front of the orthogonal impulse accelerator, the outlet of which is located on the axis of symmetry of the drift gap and directed toward the meshless mirror, are placed, the bearing flange is connected tightly to the vacuum chamber of the time-of-flight mass -analyzer made in the form of two six-electrode gridless mirrors located opposite each other, extended along the direction of drift and symmetrically and the drift gap, at the end of the drift gap there is a detector on a separate flange, the detector input is on the axis of symmetry and is oriented in the opposite direction of the output of the orthogonal accelerator.

Полезная модель поясняется фигурой 1, на которой представлена 2-D модель заявляемого устройства времяпролетного масс-спектрометра с источником ионов с ионизацией при атмосферном давлении для разделения и регистрации ионов анализируемых веществ. Предлагаемое устройство содержит высоковакуумную камеру масс-анализатора (1), к которой крепятся на отдельном двухстороннем несущем фланце транспортирующая система (2) и детектор (3) на отдельном фланце. Внутри высоковакуумной камеры симметрично оси дрейфового промежутка (4) расположены два бессеточных шестиэлектродных зеркала (5, 6). Транспортирующая система более подробно представлена на фигуре 2, где представлена ее 2-D модель. К двухстороннему несущему фланцу (1) вакуумно плотно крепится вакуумная камера транспортирующей системы (2). Другой торец вакуумной камеры транспортирующей система вакуумно плотно закрыт фланцем (3), на который со стороны атмосферы крепится источник ионов электроспрей (4), а по центру фланца установлено сопло (5), отделяющее область с атмосферным давлением от форвакуумной области первой ступени дифференциальной откачки, в которой расположен первый радиочастотный транспортирующий квадруполь (6), соединенный с выходом сопла трубкой (7). За первым транспортирующим квадруполем расположена вакуумно плотно установленная диафрагма (8), отделяющая вторую ступень дифференциальной откачки, в которой расположены второй радиочастотный транспортирующий квадруполь (9) и линзовая система (10). За линзовой системой расположен отсекающий клапан (шибер) (11), отделяющий вторую ступень дифференциальной откачки от высоковакуумной камеры масс-анализатора (фигура 1 позиция 1). За отсекающим клапаном установлены коллиматор (12) и ортогональный импульсный ускоритель (13), прикрепленный к несущему двухстороннему фланцу со стороны высоковакуумной камеры масс-анализатора. На несущем двухстороннем фланце расположены высоковольтные высоковакуумные электрические разъемы (13) для подачи напряжений на ортогональный импульсный ускоритель.The utility model is illustrated in figure 1, which presents a 2-D model of the inventive device of a time-of-flight mass spectrometer with an ion source with ionization at atmospheric pressure for separation and registration of ions of the analyzed substances. The proposed device contains a high-vacuum chamber of the mass analyzer (1), to which a conveying system (2) and a detector (3) are mounted on a separate bilateral carrier flange and on a separate flange. Inside the high-vacuum chamber, symmetrically to the axis of the drift gap (4), there are two gridless six-electrode mirrors (5, 6). The conveying system is presented in more detail in figure 2, which presents its 2-D model. The vacuum chamber of the conveying system (2) is tightly fastened to the double-sided bearing flange (1). The other end face of the vacuum chamber of the conveying system is vacuum tightly closed by a flange (3), on which an electrospray ion source is attached from the atmosphere side (4), and a nozzle (5) is installed in the center of the flange, which separates the atmospheric pressure region from the forevacuum region of the first differential pumping stage, in which the first radio-frequency transporting quadrupole (6) is located, connected to the nozzle exit by a tube (7). Behind the first transporting quadrupole, a vacuum tightly mounted diaphragm (8) is located, separating the second stage of differential pumping, in which the second radio-frequency transporting quadrupole (9) and the lens system (10) are located. Behind the lens system there is a shut-off valve (gate) (11) that separates the second stage of differential pumping from the high-vacuum chamber of the mass analyzer (figure 1, position 1). A collimator (12) and an orthogonal pulse accelerator (13) are mounted behind the shut-off valve, attached to the supporting double-sided flange from the side of the high-vacuum chamber of the mass analyzer. On the supporting double-sided flange are high-voltage high-vacuum electrical connectors (13) for supplying voltage to the orthogonal pulse accelerator.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Из источника ионов электроспрей (4, фиг. 2) ионы вместе с газом (воздухом) через сопло (5, фиг. 2) попадают в трубку (7, фиг. 2) и «вмороженные» в ламинарный поток газа ионы без возмущений попадают в область воздействия радиочастотного поля первого транспортного радиочастотного квадруполя (6, фиг. 2), при этом газ откачивается между стержнями квадруполя, а ионы подхватываются высокочастотным полем и при уменьшении плотности газа по ходу течения начинают удерживаться радиочастотным полем, при этом фоновое давление в первой ступени дифференциальной откачки составляет 1-5 Торр. Расстояние между торцами трубки и торца квадрупольной сборки составляет 1 мм, внутренний диаметр трубки 5,9 мм, а вписанный диаметр в квадрупольную сборку составляет 6 мм. Частота радиочастотного поля, подаваемого на квадрупольну сбоку составляет 1 Мгц, а амплитуда электрического поля порядка 300-310 В, что не сужает диапазон пропускаемых масс ионов. Максимальная амплитуда радиочастотного напряжения ограничена возможностью возникновения электрического пробоя, а частота позволяет реализовывать устойчивое движение ионов на промежуточных давлениях. На диафрагму (8, фиг. 2) подается регулируемое в диапазоне от - 50 до 100 В постоянное напряжение необходимое для управления энергией ионов. Диаметр отверстия в диафрагме составляет 2 мм, что позволяет получить во второй ступени дифференциальной откачки фоновое давление порядка 3-10 мТорр. и ограничить расхождение непрерывного ионного пучка при поступлении во второй транспортный радиочастотный квадруполь (9, фиг.2). На второй транспортный квадруполь подается высокочастотное напряжение с частотой 5 Мгц и амплитудой до 2 кВ., что обеспечивает пропускание ионов в широком массовом диапазоне. Применение второго радиочастотного транспортного квадруполя увеличивает транспортировку ионного пучка низких энергий. Радиочастотное удержание ионного пучка на оси второго транспортного квадруполя в сочетании со столкновением с нейтральными молекулами газа и передачей им части кинетической энергии приводит к охлаждению и радиальному сжатию, что в свою очередь существенно улучшает как трансмиссию пучка из источника, так и параметры ионного пучка на входе в ортогональный импульсный ускоритель. Диаметр сформированного ионного пучка на выходе из второго транспортирующего радиочастотного квадруполя удается уменьшить до 1 мм., энергетический разброс при этом составляет единицы электрон-вольт. Фазовый объем ионного пучка уменьшается с минимальными потерями ионов, что позволяет получить значительный выигрыш как в чувствительности прибора в целом (на один-два порядка), так и в его разрешающей способности. Линзовая система (10, фиг.2) позволяет проводить фокусировку ионного пучка и его отклонения, для компенсации неточностей изготовления и сборки ионной оптики транспортирующей системы в целом. Фокусировка ионного пучка производится на входное отверстие коллиматора (12, фиг. 2). Между коллиматором и линзовой системой устанавливается отсекающий высоковакуумный клапан (11, фиг. 2), который с одной стороны позволяет без остановки откачки высоковакуумной области масс-анализатора, производить регламентные работы, связанные с чисткой сопла и трубки при атмосферном давлении, а с другой стороны, является элементом ионно-оптической системы (заземленным электродом). Такая технология позволяет существенно, в разы уменьшить время выхода прибора на рабочий режим после обслуживания. Использование коллиматора, у которого диаметр входной апертуры 2,4 мм, а выходной апертуры, перед ортогональным импульсным ускорителем, составляет 1,2 мм, позволяет проводить независимые электрические и вакуумные настройки транспортирующей системы от настроек ортогонального импульсного ускорителя (13, фиг. 2), работающего в составе масс-анализатора. Параметры непрерывного пучка ионов, поступающих в ортогональный импульсный ускоритель составляют: диаметр 1,5 мм, полный угловой разброс 2° и энергию 16 эВ. Импульсный ортогональный ускоритель выполнен в бессеточном варианте управляющих электродов, а напряженность выталкивающего поля составляет порядка 300 В/мм. Амплитуда импульсного напряжения подаваемого на выталкивающий электрод ортогонального ускорителя составляет 1,5 кВ. Непрерывный ионный пучок, поступивший в ортогональный импульсный ускоритель под воздействием импульсного электрического поля ускоряется в направлении ортогональном оси входа непрерывного пучка в виде пакета ионов. Частота следования импульсов согласована со скоростью заполнения ускорителя непрерывным пучком, что позволяет почти 100% использование ионного пучка. Ионный пакет поступает в дрейфовый промежуток (4 фиг 1). Управляемое постоянное электрическое напряжение, подаваемое на электроды, входящие в состав ортогонального ускорителя, позволяет отклонять пакеты заряженных частиц в плоскости ионных зеркал. Параметры ионного пучка в ортогональном импульсном ускорителе определяются характеристиками вакуумной части транспортирующей системы и заданным режимом работы масс-анализатора. Для подачи напряжений на ортогональный импульсный ускоритель на несущем фланце (1 фиг. 2) расположены высоковакуумные высоковольтные разъемы, выдерживающие рабочие напряжения до 10 кВ. Энергия заряженных частиц в дрейфовом промежутке в направлении зеркал равна 7 кэВ. Пакеты заряженных частиц в плоскости ионных зеркал (5, 6 фиг. 1) совершают зигзагообразное движение, отражаясь в параллельных шестиэлектродных бессеточных зеркалах. Одновременно пакеты заряженных частиц движутся в ортогональном движению пакетов между зеркалами направлении, что задается отклоняющим напряжением на электродах ортогонального импульсного ускорителя. Величина отклоняющего напряжения должна обеспечивать целое число колебаний ионных пакетов между зеркалами в дрейфовом промежутке, так чтобы пакеты разделенных ионов попали на входную плоскость детектора (3 фиг. 1), ориентированную в противоположную сторону плоскости выхода ортогонального импульсного ускорителя. Плоскости выхода ортогонального ускорителя и входа детектора расположены на оси дрейфового промежутка между бессеточными ионными зеркалами. Бессеточные ионные зеркала обеспечивают фокусировку четвертого порядка времени пролета по энергии, пространственной изохронности во втором аберрационном порядке и эффективное удержание малой ширины ионного пучка при многократных отражениях заряженных частиц. Детектор (3 фиг. 1) представляет собой вторичный электронный умножитель с постоянной времени менее 2 наносекунд. Преобразованный и усиленный ионный ток поступает через высоковакуумный разъем на широкополосный усилитель для регистрации его с помощью высокоскоростного АЦП.The proposed device operates as follows. From the ion source of the electrospray (4, Fig. 2), the ions together with gas (air) through the nozzle (5, Fig. 2) fall into the tube (7, Fig. 2) and the ions “frozen” into the laminar gas flow enter the the area of influence of the radio-frequency field of the first transport radio-frequency quadrupole (6, Fig. 2), while the gas is pumped out between the rods of the quadrupole, and the ions are picked up by the high-frequency field and when the gas density decreases along the flow, they are held by the radio-frequency field, while the background pressure in the first stage of the differentialPumping out is 1-5 Torr. The distance between the ends of the tube and the end of the quadrupole assembly is 1 mm, the inner diameter of the tube is 5.9 mm, and the inscribed diameter in the quadrupole assembly is 6 mm. The frequency of the radio-frequency field supplied to the quadrupole side is 1 MHz, and the amplitude of the electric field is of the order of 300-310 V, which does not narrow the range of transmitted masses of ions. The maximum amplitude of the radio frequency voltage is limited by the possibility of electrical breakdown, and the frequency allows for the stable movement of ions at intermediate pressures. A constant voltage, adjustable in the range from - 50 to 100 V, is necessary for controlling the ion energy, is applied to the diaphragm (8, Fig. 2). The diameter of the hole in the diaphragm is 2 mm, which makes it possible to obtain a background pressure of the order of 3-10 mTorr in the second stage of differential pumping. and limit the divergence of the continuous ion beam upon admission to the second transport radio frequency quadrupole (9, figure 2). A high-frequency voltage with a frequency of 5 MHz and an amplitude of up to 2 kV is supplied to the second transport quadrupole, which ensures the transmission of ions in a wide mass range. The use of a second radio frequency transport quadrupole increases the transport of a low-energy ion beam. The radio-frequency confinement of the ion beam on the axis of the second transport quadrupole in combination with collision with neutral gas molecules and transferring part of the kinetic energy to them leads to cooling and radial compression, which in turn significantly improves both the transmission of the beam from the source and the parameters of the ion beam at the input to orthogonal pulse accelerator. The diameter of the formed ion beam at the exit of the second transporting radio-frequency quadrupole can be reduced to 1 mm., The energy spread in this case is units of electron-volts. The phase volume of the ion beam decreases with minimal ion loss, which allows a significant gain both in the sensitivity of the device as a whole (by one or two orders of magnitude) and in its resolution. The lens system (10, FIG. 2) allows focusing of the ion beam and its deflection to compensate for inaccuracies in the manufacture and assembly of ion optics of the transport system as a whole. The ion beam is focused on the inlet of the collimator (12, Fig. 2). A high-pressure shut-off valve is installed between the collimator and the lens system (11, Fig. 2), which, on the one hand, allows non-stop pumping of the high-vacuum region of the mass analyzer to carry out routine maintenance related to cleaning the nozzle and tube at atmospheric pressure, and, on the other hand, is an element of the ion-optical system (grounded electrode). This technology allows you to significantly, at times reduce the time the device goes to operating mode after maintenance. The use of a collimator, in which the diameter of the input aperture is 2.4 mm and the output aperture, in front of the orthogonal pulse accelerator, is 1.2 mm, allows independent electrical and vacuum settings of the conveying system from the settings of the orthogonal pulse accelerator (13, Fig. 2), working as part of a mass analyzer. The parameters of a continuous ion beam entering an orthogonal pulsed accelerator are: diameter 1.5 mm, total angular spread of 2 °, and energy 16 eV. The pulsed orthogonal accelerator is made in a gridless version of the control electrodes, and the buoyancy field strength is about 300 V / mm. The amplitude of the pulse voltage supplied to the ejection electrode of the orthogonal accelerator is 1.5 kV. A continuous ion beam entering an orthogonal pulsed accelerator under the influence of a pulsed electric field is accelerated in the direction orthogonal to the axis of entry of the continuous beam in the form of a packet of ions. The pulse repetition rate is consistent with the accelerator filling speed with a continuous beam, which allows almost 100% use of the ion beam. The ion packet enters the drift gap (4 FIG. 1). A controlled constant electric voltage supplied to the electrodes that make up the orthogonal accelerator allows deflecting packets of charged particles in the plane of ion mirrors. The parameters of the ion beam in an orthogonal pulsed accelerator are determined by the characteristics of the vacuum part of the conveying system and the specified mode of operation of the mass analyzer. To supply voltage to the orthogonal pulse accelerator on the carrier flange (1 of Fig. 2) are high-vacuum high-voltage connectors that can withstand operating voltages up to 10 kV. The energy of charged particles in the drift gap in the direction of the mirrors is 7 keV. Packets of charged particles in the plane of ion mirrors (5, 6 of Fig. 1) perform a zigzag motion, reflected in parallel six-electrode gridless mirrors. At the same time, packets of charged particles move in the direction orthogonal to the movement of the packets between the mirrors, which is determined by the deflecting voltage on the electrodes of the orthogonal pulse accelerator. The value of the deflection voltage should provide an integer number of oscillations of the ion packets between the mirrors in the drift gap, so that the packets of separated ions fall on the input plane of the detector (3 of Fig. 1), oriented in the opposite direction to the exit plane of the orthogonal pulse accelerator. The exit planes of the orthogonal accelerator and detector input are located on the axis of the drift gap between the meshless ion mirrors. Meshless ion mirrors provide fourth-order focusing of the time of flight in energy, spatial isochronism in the second aberration order, and effective retention of the small width of the ion beam during multiple reflections of charged particles. The detector (3 of Fig. 1) is a secondary electron multiplier with a time constant of less than 2 nanoseconds. The converted and amplified ion current flows through a high-vacuum connector to a broadband amplifier for recording it using a high-speed ADC.

Предложенные технические решения позволяют усовершенствовать конструкцию устройства с точки зрения упрощения его технологического обслуживания и использования, повысить чувствительность устройства при сверхвысокой разрешающей способности прибора и тем самым добиться уменьшения порога обнаружения и точности определения массы анализируемых ионов.The proposed technical solutions allow us to improve the design of the device from the point of view of simplifying its technological maintenance and use, increase the sensitivity of the device with ultra-high resolution of the device and thereby achieve a decrease in the detection threshold and the accuracy of determining the mass of the analyzed ions.

Источники информацииInformation sources

1. Прибор Bruker Daltonics - maxis UHR - TOF Bruker Corporation, США (URL: www.bruker.com.1. Bruker Daltonics - maxis UHR instrument - TOF Bruker Corporation, USA (URL: www.bruker.com.

2. Прибор MX5311 ИАП РАН Россия (URL: www.http://Iairas.ru), A.H. Арсеньев M.A. Гаврик, М.З. Мурадымов, A.A. Каюмов. Исследования и оптимизация системы транспортировки ионных потоков в электрогазодинамических полях из области с атмосферным давлением в область высокого вакуума масс-анализатора // Научное приборостроение, 2010, Т. 20, №4, С. 120-126 (прототип).2. Device MX5311 IAP RAS Russia (URL: www.http: //Iairas.ru), A.H. Arseniev M.A. Gavrik, M.Z. Muradymov, A.A. Kayumov. Research and optimization of the system for transporting ion fluxes in electro-gas-dynamic fields from a region with atmospheric pressure to a high-vacuum region of a mass analyzer // Scientific Instrument Making, 2010, V. 20, No. 4, P. 120-126 (prototype).

Патентообладатель:Patent holder:

Общество с ограниченной ответственностью «Альфа» (RU)Alpha Limited Liability Company (RU)

Авторы: Краснов Николай Васильевич (RU)Authors: Krasnov Nikolay Vasilievich (RU)

Общество с ограниченной ответственностью «БИАП» (RU)Limited Liability Company “BIAP” (RU)

Авторы: Монаков Александр Георгиевич (RU), Мурадымов Марат Зарифович (RU)Authors: Monakov Alexander Georgievich (RU), Muradymov Marat Zarifovich (RU)

Claims (3)

1. Устройство времяпролетного масс-спектрометра с источником ионов с ионизацией при атмосферном давлении для разделения и регистрации ионов анализируемых веществ в реальном масштабе времени, содержащее источник ионов электроспрей, вакуумную камеру транспортирующей системы с системой дифференциальной откачки с соплом и скиммером, радиочастотным транспортирующим квадруполем, системой диафрагм, а также высоковакуумную камеру времяпролетного масс-анализатора, включающую в себя линзовую систему, ортогональный ускоритель, ионное зеркало, пролетное пространство, детектор, отличающееся тем, что с одной стороны несущего фланца расположена вакуумная камера транспортирующей системы, в которой между соплом и первым радиочастотным транспортирующим квадруполем расположена трубка, а за ним вакуумно плотно диафрагма, за которой установлен второй радиочастотный транспортирующий квадруполь, за ним линзовая система расположенная перед отсекающим клапаном (шибер) отделяющим вакуумно плотно всю дальнейшую вакуумную часть времяпролетного масс-спектрометра от вакуумной камеры транспортирующей системы, за отсекающим клапаном на другой стороне несущего фланца расположены ортогональный импульсный ускоритель и коллиматор, у которого входная диафрагма находится за клапаном, а выходная диафрагма перед входом в ортогональный ускоритель, выход которого расположен по оси симметрии дрейфового промежутка и направлен в сторону бессеточного зеркала, несущий фланец присоединен вакуумно плотно к вакуумной камере времяпролетного масс-анализатора, выполненного в виде двух шестиэлектродных бессеточных зеркал, расположенных напротив друг друга, протяженных вдоль направления дрейфа и симметрично оси дрейфового промежутка, в конце дрейфового промежутка расположен детектор на отдельном фланце, вход детектора находится на оси симметрии и ориентирован в противоположную сторону выхода ортогонального ускорителя.1. The device of a time-of-flight mass spectrometer with an ion source with atmospheric pressure ionization for separation and registration of analyte ions in real time, containing an electrospray ion source, a vacuum transport system chamber with a differential pumping system with a nozzle and a skimmer, a radio frequency transport quadrupole, a system the diaphragm, as well as the high-vacuum chamber of the time-of-flight mass analyzer, which includes a lens system, an orthogonal accelerator, and ion mirrors o, span, detector, characterized in that on one side of the carrier flange there is a vacuum chamber of the conveying system, in which a tube is located between the nozzle and the first radio-frequency transport quadrupole, followed by a vacuum tight diaphragm, behind which a second radio-frequency transport quadrupole is installed, behind The lens system is located in front of the shut-off valve (gate), which separates all the further vacuum part of the time-of-flight mass spectrometer from the vacuum chamber of the importing system, an orthogonal pulse accelerator and a collimator are located behind the shut-off valve on the other side of the carrier flange, with the inlet diaphragm behind the valve and the outlet diaphragm in front of the orthogonal accelerator, the outlet of which is located along the symmetry axis of the drift gap and is directed towards the meshless mirror, the supporting flange is connected vacuum tightly to the vacuum chamber of the time-of-flight mass analyzer, made in the form of two six-electrode gridless mirrors, located s face each other, extended along the drift direction and symmetrically with the axis of the drift interval, the end of the drift gap detector located on a separate flange, the detector input is on the symmetry axis and is oriented in the opposite direction the output of the orthogonal accelerator. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источником ионов является источник с химической ионизацией при атмосферном давлении.2. The device according to p. 1, characterized in that the ion source is a source with chemical ionization at atmospheric pressure. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источником ионов является источник с фото ионизацией при атмосферном давлении, а в пролетном пространстве перед детектором расположен бланкер.
Figure 00000001
3. The device according to claim 1, characterized in that the ion source is a source with photo-ionization at atmospheric pressure, and a blanker is located in the span in front of the detector.
Figure 00000001
RU2015134332/07U 2015-08-14 2015-08-14 DEVICE FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETER WITH SOURCE OF IONS WITH IONIZATION AT ATMOSPHERIC PRESSURE FOR SEPARATION AND REGISTRATION OF IONS OF ANALYZED SUBSTANCES RU158343U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015134332/07U RU158343U1 (en) 2015-08-14 2015-08-14 DEVICE FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETER WITH SOURCE OF IONS WITH IONIZATION AT ATMOSPHERIC PRESSURE FOR SEPARATION AND REGISTRATION OF IONS OF ANALYZED SUBSTANCES

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015134332/07U RU158343U1 (en) 2015-08-14 2015-08-14 DEVICE FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETER WITH SOURCE OF IONS WITH IONIZATION AT ATMOSPHERIC PRESSURE FOR SEPARATION AND REGISTRATION OF IONS OF ANALYZED SUBSTANCES

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU158343U1 true RU158343U1 (en) 2015-12-27

Family

ID=55023699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015134332/07U RU158343U1 (en) 2015-08-14 2015-08-14 DEVICE FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETER WITH SOURCE OF IONS WITH IONIZATION AT ATMOSPHERIC PRESSURE FOR SEPARATION AND REGISTRATION OF IONS OF ANALYZED SUBSTANCES

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU158343U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018124861A3 (en) * 2016-12-30 2018-08-23 Алдан Асанович САПАРГАЛИЕВ Time-of-flight mass spectrometer and component parts thereof
CN113741375A (en) * 2021-09-18 2021-12-03 中国科学院近代物理研究所 Special production terminal control system for heavy ion microporous membrane

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018124861A3 (en) * 2016-12-30 2018-08-23 Алдан Асанович САПАРГАЛИЕВ Time-of-flight mass spectrometer and component parts thereof
CN113741375A (en) * 2021-09-18 2021-12-03 中国科学院近代物理研究所 Special production terminal control system for heavy ion microporous membrane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dickel et al. A high-performance multiple-reflection time-of-flight mass spectrometer and isobar separator for the research with exotic nuclei
JP6527170B2 (en) Multiple reflection time-of-flight mass spectrometer with axial pulse converter
US6974957B2 (en) Ionization device for aerosol mass spectrometer and method of ionization
US9570281B2 (en) Ion generation device and ion generation method
US20140034825A1 (en) Adjusting energy of ions ejected from ion trap
US8692188B2 (en) Mass spectrometers and methods of ion separation and detection
Yang et al. Review and prospect on portable mass spectrometer for recent applications
JP2016503226A (en) Mass spectrometer with optimized magnetic shunt
Sigaud et al. A novel double-focusing time-of-flight mass spectrometer for absolute recoil ion cross sections measurements
JPWO2016135810A1 (en) Ion guide and mass spectrometer using the same
RU158343U1 (en) DEVICE FOR TIME-SPAN MASS SPECTROMETER WITH SOURCE OF IONS WITH IONIZATION AT ATMOSPHERIC PRESSURE FOR SEPARATION AND REGISTRATION OF IONS OF ANALYZED SUBSTANCES
JP2009158106A (en) Tandem time-of-flight type mass spectrometry
US8809775B2 (en) Curtain gas filter for high-flux ion sources
WO2010049972A1 (en) Mass spectrometer
JP6792334B2 (en) Mass spectrometer with improved magnetic sectors
JP5885474B2 (en) Mass distribution analysis method and mass distribution analyzer
Chakraborty et al. A new time of flight mass spectrometer for absolute dissociative electron attachment cross-section measurements in gas phase
US20140138533A1 (en) Ion mass selector, ion irradiation device, surface analysis device, and ion mass selecting method
US7750312B2 (en) Method and apparatus for generating ions for mass analysis
CN105304457A (en) Linear time-of-flight mass spectrometer
JPWO2017081770A1 (en) Quadrupole mass filter and quadrupole mass spectrometer
US8759751B2 (en) Mass spectrometry detector system and method of detection
JP2015503826A (en) Method and apparatus for improved sensitivity in a mass spectrometer
US20080245962A1 (en) Ion trap time-of-flight mass spectrometer
CN107946167B (en) A kind of metal complex mass spectrometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20160228

NF1K Reinstatement of utility model

Effective date: 20170411

MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20180815