RU2337427C1 - Method of determination of effect of substance isotope composition "discrimination" in units of multiple-collector mass spectrometer - Google Patents
Method of determination of effect of substance isotope composition "discrimination" in units of multiple-collector mass spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2337427C1 RU2337427C1 RU2007128505/09A RU2007128505A RU2337427C1 RU 2337427 C1 RU2337427 C1 RU 2337427C1 RU 2007128505/09 A RU2007128505/09 A RU 2007128505/09A RU 2007128505 A RU2007128505 A RU 2007128505A RU 2337427 C1 RU2337427 C1 RU 2337427C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substance
- mass spectrometer
- discrimination
- isotope
- effect
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к аналитическому оборудованию, а именно к разработке изотопных многоколлекторных масс-спектрометров, используемых для определения изотопного состава различных газообразных веществ. Такие приборы находят широкое применение в различных областях химической промышленности и геологии.The invention relates to analytical equipment, namely to the development of isotopic multi-collector mass spectrometers used to determine the isotopic composition of various gaseous substances. Such devices are widely used in various fields of the chemical industry and geology.
Существует набор стандартных аналитических параметров масс-спектрометров, которые характеризуют масс-спектрометр и улучшению которых уделяют повышенное внимание. К таким параметрам изотопного масс-спектрометра относятся [А.А.Сысоев, В.Б.Артаев, В.В.Кащеев. Изотопная масс-спектрометрия. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 288 с.]: разрешение; изотопическая чувствительность (предел обнаружения); дисперсия по массам; величина эффекта "памяти"; стандартное отклонение результатов измерений и др. Известны общепринятые методы определения величины вышеперечисленных параметров, которые в большинстве своем определяются с помощью стандартных образцов изотопного состава анализируемых веществ (СО), вводимых в масс-спектрометр.There is a set of standard analytical parameters of mass spectrometers that characterize the mass spectrometer and the improvement of which they pay special attention to. These parameters of the isotope mass spectrometer include [A.A.Sysoev, VB Artaev, VV Kashcheev. Isotopic mass spectrometry. - M .: Energoatomizdat, 1993. - 288 p.]: Resolution; isotopic sensitivity (detection limit); mass dispersion; the magnitude of the "memory" effect; standard deviation of the measurement results, etc. There are generally accepted methods for determining the magnitude of the above parameters, which are mostly determined using standard samples of the isotopic composition of the analyzed substances (CO) introduced into the mass spectrometer.
Однако указанные параметры не позволяют как разработчикам, так и пользователям масс-спектрометров получать информацию об эффектах "дискриминации" (изменения изотопного состава вещества), происходящих в различных узлах масс-спектрометра по мере поступления вещества из баллона (отборника) до приемника ионов. Такие эффекты в той или иной степени существуют во всех современных масс-спектрометрах и часто являются ограничением их аналитических возможностей и следствием использования только относительных методов измерений, при которых вместе с анализируемой пробой в масс-спектрометр необходимо параллельно вводить СО.However, these parameters do not allow both developers and users of mass spectrometers to obtain information about the effects of "discrimination" (changes in the isotopic composition of the substance) that occur at different nodes of the mass spectrometer as the substance arrives from the balloon (sampler) to the ion receiver. Such effects to one degree or another exist in all modern mass spectrometers and are often a limitation of their analytical capabilities and the consequence of using only relative measurement methods, in which, together with the analyzed sample, it is necessary to simultaneously introduce CO into the mass spectrometer.
На фиг.1 приведена известная принципиальная схема прохождения вещества в масс-спектрометре, в которой при проведении масс-спектрометрических измерений проба (или СО), находящаяся в баллоне системы подготовки и ввода проб, последовательно проходит следующие узлы масс-спектрометра: дозирующий клапан, источник ионов с системой коллимирующих и корректирующих линз; диспергирующий магнит; приемник ионов.Figure 1 shows a well-known schematic diagram of the passage of a substance in a mass spectrometer, in which, when conducting mass spectrometric measurements, the sample (or CO) located in the cylinder of the sample preparation and injection system passes through the following nodes of the mass spectrometer in series: metering valve, source ions with a system of collimating and corrective lenses; dispersing magnet; ion receiver.
В каждом из этих узлов в результате различных физических процессов возможно изменение изотопного состава вещества, вследствие чего относительная величина зарегистрированных выходных сигналов не будет соответствовать начальному изотопному составу вещества, находящегося в баллоне.In each of these nodes, as a result of various physical processes, a change in the isotopic composition of the substance is possible, as a result of which the relative value of the recorded output signals will not correspond to the initial isotopic composition of the substance in the container.
Известно [А.А.Сысоев, В.Б.Артаев, В.В.Кащеев. Изотопная масс-спектрометрия. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 288 с.], что эффект "дискриминации" изотопного состава вещества в масс-спектрометре в целом можно определить осуществляя ввод стандартного образца (СО) изотопного состава вещества и определяя изотопный состав по формуле:It is known [A.A. Sysoev, V. B. Artaev, V. V. Kascheev. Isotopic mass spectrometry. - M .: Energoatomizdat, 1993. - 288 p.] That the effect of "discrimination" of the isotopic composition of a substance in a mass spectrometer as a whole can be determined by entering a standard sample (CO) of the isotopic composition of a substance and determining the isotopic composition by the formula:
где Ki - коэффициент относительной калибровки канала регистрации i-го изотопа;where K i is the coefficient of relative calibration of the registration channel of the i-th isotope;
Ui - величина выходного сигнала или ионного тока, при регистрации i-го изотопа, В (А).U i - the value of the output signal or ion current, when registering the i-th isotope, In (A).
Величина коэффициентов относительной калибровки Ki определяется предварительно перед измерениями изотопного состава вещества путем подачи на каждый коллектор постоянного ионного луча или опорного тока от постоянного источника.The value of the relative calibration coefficients K i is determined previously before measuring the isotopic composition of the substance by applying a constant ion beam or a reference current from a constant source to each collector.
Отличие полученного значения атомной доли i-го изотопа вещества от паспортного значения и будет характеризовать эффект "дискриминации" изотопного состава в масс-спектрометре в целом. Однако для устранения данного эффекта, снижающего аналитические возможности масс-спектрометрической аппаратуры, необходимо знать, величину "дискриминации" каждого узла масс-спектрометра.The difference in the obtained value of the atomic fraction of the ith isotope of a substance from the nameplate value will characterize the effect of "discrimination" of the isotopic composition in the mass spectrometer as a whole. However, to eliminate this effect, which reduces the analytical capabilities of mass spectrometric equipment, it is necessary to know the magnitude of the "discrimination" of each node of the mass spectrometer.
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать такой способ диагностики масс-спектрометра, который позволял бы определять наличие и величину эффекта "дискриминации" изотопного состава вещества в любом из узлов масс-спектрометра.The objective of the invention is to create a method for diagnosing a mass spectrometer, which would allow to determine the presence and magnitude of the effect of "discrimination" of the isotopic composition of a substance in any of the nodes of the mass spectrometer.
Поставленная задача достигается тем, что в известном методе определения наличия эффекта "дискриминации" изотопного состава вещества во всем масс-спектрометре, включающем определение коэффициентов калибровки каналов регистрации ионных токов, ввод вещества в масс-спектрометр с одновременной регистрацией ионных токов каждого изотопа вещества на отдельном коллекторе и расчет атомной доли i-го изотопа по формуле (1), в исследуемом узле изменяют условия прохождения вещества, сохраняя постоянными условия прохождения в других узлах масс-спектрометра, и по зафиксированному изменению величины атомной доли i-го изотопа (Сi) определяют величину эффекта "дискриминации" изотопов вещества в данном исследуемом узле масс-спектрометра.The problem is achieved by the fact that in the known method for determining the effect of "discrimination" of the isotopic composition of a substance in the entire mass spectrometer, which includes determining the calibration coefficients of the channels for detecting ion currents, introducing the substance into the mass spectrometer with simultaneous registration of the ion currents of each isotope of the substance in a separate collector and the calculation of the atomic fraction of the ith isotope according to the formula (1), in the node under study change the conditions for the passage of matter, keeping the conditions for passage in other nodes of the mass spec rometra, and at a fixed magnitude change the atomic fraction of i-th isotope (C i) determine the magnitude of the effect of "discrimination" isotopes substances in this mass spectrometer, the test node.
Значение атомной доли i-го изотопа (Сi), определенное по формуле (1), зависит как от точности относительных коэффициентов калибровки Ki, так и от целого ряда параметров, характеризующих прохождение вещества от баллона до приемника ионов, и влияющих на соответствие величины регистрируемого сигнала Ui начальному содержанию изотопа. В общем случае Сi можно представить как функцию, зависящую от следующих параметров:The value of the atomic fraction of the ith isotope (C i ), determined by formula (1), depends both on the accuracy of the relative calibration coefficients K i and on a number of parameters characterizing the passage of the substance from the balloon to the ion receiver and affecting the correspondence of the recorded signal U i the initial content of the isotope. In the general case, C i can be represented as a function depending on the following parameters:
где Ki, Ki - коэффициенты калибровки каналов регистрации i-го и j-го изотопов вещества;where K i , K i are the calibration coefficients of the registration channels of the i-th and j-th isotopes of the substance;
С0,i - начальное (в баллоне) содержание i-го изотопа вещества;С 0, i - initial (in the balloon) content of the i-th isotope of the substance;
Р - давление газа в системе ввода пробы масс-спектрометра;P is the gas pressure in the sample inlet system of the mass spectrometer;
t - время измерений;t is the measurement time;
γ1, γ2, γn - коэффициенты "дискриминации" i-го изотопа в 1-ом, 2-ом и n-ом узле масс-спектрометра.γ 1 , γ 2 , γ n are the “discrimination” coefficients of the i-th isotope in the 1st, 2nd, and nth nodes of the mass spectrometer.
n - количество узлов масс-спектрометра, в которых может происходить изменение изотопного состава вещества.n is the number of nodes of the mass spectrometer in which a change in the isotopic composition of a substance can occur.
В свою очередь величины γn зависят от параметров, характеризующих каждый узел масс-спектрометра. Так, например, коэффициент пропускания i-го изотопа вещества через дозирующий клапан (γ1) будет зависеть от режима течения вещества в дозирующем клапане, т.е. от величины давления вещества перед клапаном и характерного размера канала клапана.In turn, the values of γ n depend on the parameters characterizing each node of the mass spectrometer. For example, the transmittance of the ith isotope of a substance through a metering valve (γ 1 ) will depend on the flow regime of the substance in the metering valve, i.e. on the pressure of the substance in front of the valve and the characteristic size of the valve channel.
В таблице приведен перечень возможных варьируемых параметров для каждого из узлов изотопного многоколлекторного масс-спектрометра.The table provides a list of possible variable parameters for each of the nodes of the isotopic multicollector mass spectrometer.
- Изотопный состав анализируемого газа;- Gas pressure in front of the metering valve; - Characteristic dimensions of the metering valve channel;
- Isotopic composition of the analyzed gas;
- Напряженность фокусирующего магнитного поля;
- Величина потока и энергии электронного пучка;
- Величина ионного тока анализируемого вещества;
- Размер щели коллимирующей линзы;
- Величина потенциалов электродов источника ионов;- Gas pressure in the ionization region;
- The intensity of the focusing magnetic field;
- The magnitude of the flux and energy of the electron beam;
- The magnitude of the ion current of the analyte;
- The size of the slit of the collimating lens;
- The value of the potentials of the electrodes of the ion source;
- Величины потенциалов на линзах;
- Величина ионного тока анализируемого вещества;- The sizes of slits of corrective and collimating lenses;
- Values of potentials on lenses;
- The magnitude of the ion current of the analyte;
- Формы входной и выходной границ магнитного поля;
- Напряженность магнитного поля;
- Величина ионного тока анализируемого вещества;- The size of the analyzer gap in a dispersing magnetic field;
- Forms of the input and output boundaries of the magnetic field;
- magnetic field strength;
- The magnitude of the ion current of the analyte;
- Величина антидинатронного потенциала;
- Характерные размеры коллекторов;
- Величина ионного тока анализируемого вещества.- Sizes of input diaphragms;
- The value of antidinatron potential;
- The characteristic dimensions of the collectors;
- The magnitude of the ion current of the analyte.
Таким образом, задача определения величины эффекта "дискриминации" изотопного состава вещества в n-ом узле изотопного многоколлекторного масс-спектрометра решается выполнением следующих действий:Thus, the problem of determining the magnitude of the effect of "discrimination" of the isotopic composition of a substance in the nth node of an isotopic multicollector mass spectrometer is solved by performing the following steps:
1. Определяют коэффициенты относительной калибровки каналов регистрации ионных токов (Ki);1. Determine the coefficients of the relative calibration of the channels for detecting ion currents (K i );
2. Вводят анализируемое вещество в масс-спектрометр, регистрируя каждый изотоп вещества на отдельном коллекторе;2. Enter the analyte into the mass spectrometer, registering each isotope of the substance on a separate collector;
3. Выбирают в качестве индикатора i-ый изотоп вещества, содержание которого рассчитывают по формуле (1);3. Select as an indicator the i-th isotope of the substance, the content of which is calculated by the formula (1);
4. Изменяют условия прохождения вещества через n-ый узел масс-спектрометра, сохраняя постоянными условия прохождения в остальных узлах, и наблюдают за изменением величины Сi.4. Change the conditions for the passage of the substance through the n-th node of the mass spectrometer, keeping the conditions of passage in the remaining nodes constant, and observe the change in the value of C i .
Осуществление заявляемого способа можно продемонстрировать на примере диагностики масс-спектрометра МТИ-350Г (г. Новоуральск, Россия), предназначенного для определения изотопного состава гексафторида урана (ГФУ). Проводилось определение величины эффекта "дискриминации" изотопов урана на дозирующем клапане игольчатого типа, расположенном в системе подготовки и ввода проб. Данный клапан обеспечивает поступление анализируемого газа в источник ионов с требуемым расходом. Номинальный расход ГФУ составляет около 1 мг/час, давление ГФУ до и после клапана составляют ~100 и ~10-3 мм рт.ст. соответственно.The implementation of the proposed method can be demonstrated by the example of diagnostics of the MTI-350G mass spectrometer (Novouralsk, Russia), designed to determine the isotopic composition of uranium hexafluoride (HFC). The size of the effect of "discrimination" of uranium isotopes was determined on a needle-type metering valve located in the sample preparation and injection system. This valve ensures that the analyzed gas enters the ion source at the required flow rate. The nominal HFC flow rate is about 1 mg / h; the HFC pressure before and after the valve is ~ 100 and ~ 10 -3 mm Hg. respectively.
В качестве индикатора наблюдали за измеренным значением содержания урана-235 в стандартном образце изотопного состава урана, паспортное значение атомной доли данного изотопа урана в котором составляло (5,3797±0,0025)%. Условия прохождения ГФУ через дозирующий клапан изменяли путем уменьшения давления ГФУ перед клапаном и открытием клапана для восстановления прежней интенсивности аналитического сигнала с целью сохранения постоянными условия прохождения вещества в следующих узлах масс-спектрометра. Величина выходного сигнала иона 238UP5 + поддерживалась равной ~5·10-9 А.As an indicator, the measured value of the uranium-235 content in a standard sample of the uranium isotopic composition was observed, the passport value of the atomic fraction of this uranium isotope in which was (5.3797 ± 0.0025)%. The conditions for the passage of HFCs through the metering valve was changed by reducing the pressure of the HFCs in front of the valve and opening the valve to restore the previous intensity of the analytical signal in order to keep the conditions for the passage of the substance in the following nodes of the mass spectrometer constant. The value of the output signal of the 238 UP 5 + ion was maintained equal to ~ 5 · 10 -9 A.
Таким образом, выражение (2) в данном случае может быть представлено в виде:Thus, the expression (2) in this case can be represented as:
где Р - давление ГФУ перед дозирующим клапаном;where P is the pressure of the HFC in front of the metering valve;
d - характерный размер канала клапана.d is the characteristic size of the valve channel.
На фиг.2 представлена полученная зависимость содержания урана-235, определяемого по формуле (1), от давления ГФУ перед дозирующим клапаном, которая демонстрирует непрерывное увеличение измеренного значения содержания урана-235 при уменьшении давления ГФУ, что свидетельствует об увеличении величины эффекта "дискриминации" вследствие приближения длины свободного пробега молекул ГФУ к характерному размеру канала дозирующего клапана. При изменении давления на 100 мм рт.ст. максимальное изменение атомной доли урана-235 составило ~0,010%.Figure 2 presents the obtained dependence of the uranium-235 content, determined by the formula (1), on the pressure of HFCs in front of the metering valve, which shows a continuous increase in the measured value of the uranium-235 content with a decrease in pressure of HFCs, which indicates an increase in the effect of "discrimination" due to the approximation of the mean free path of HFC molecules to the characteristic channel size of the metering valve. With a change in pressure of 100 mm Hg the maximum change in the atomic fraction of uranium-235 was ~ 0.010%.
Максимально возможное разделения изотопов в случае реализации молекулярного режима течения составит:The maximum possible separation of isotopes in the case of the implementation of the molecular flow regime will be:
Таким образом, полученная зависимость, с одной стороны, доказывает наличие эффекта "дискриминации" в дозирующем клапане, с другой - свидетельствуют о реализации в клапане масс-спектрометра молекулярно-вязкостного режима течения газа, т.к. в случае молекулярного режима течения газа изменение содержания урана-235 составляло до 0,023%.Thus, the obtained dependence, on the one hand, proves the presence of the “discrimination” effect in the metering valve, and on the other hand, indicates the implementation of the molecular-viscosity regime of gas flow in the valve of the mass spectrometer, because in the case of a molecular gas flow regime, the change in the uranium-235 content amounted to 0.023%.
После доработки конструкции данного игольчатого клапана, направленной на создание более вязкого режима течения ГФУ, была повторно снята зависимость С235=f(P), представленная на фиг.3. Полученные результаты указывают на существенное уменьшение эффекта разделения изотопов. Максимально зафиксированная величина ΔС235 составила ~0,002%, что свидетельствует о реализации более вязкого режима течения ГФУ. При этом изменение величины давления перед иглой от 40 до 100 мм рт.ст. не приводит к какому-либо заметному изменению содержания урана-235.After finalizing the design of this needle valve, aimed at creating a more viscous flow regime of HFCs, the dependence C 235 = f (P) presented in FIG. 3 was re-taken. The results indicate a significant decrease in the effect of isotope separation. The maximum recorded value of ΔС 235 was ~ 0.002%, which indicates the implementation of a more viscous regime of HFC flow. In this case, the change in pressure before the needle is from 40 to 100 mm Hg. does not lead to any noticeable change in the content of uranium-235.
Таким образом, приведенный пример подтверждает возможность применения указанного способа диагностики масс-спектрометра и позволяет выявить наличие и величину эффекта "дискриминации" изотопного состава анализируемого вещества в дозирующем клапане масс-спектрометра, на этом основании оптимизировать его конструкцию и тем самым существенно уменьшить эффект разделения изотопов урана в данном узле масс-спектрометра.Thus, the above example confirms the possibility of using the indicated method for diagnosing a mass spectrometer and allows one to identify the presence and magnitude of the effect of “discrimination” of the isotopic composition of the analyte in the metering valve of the mass spectrometer, on this basis, to optimize its design and thereby significantly reduce the effect of separation of uranium isotopes in this node of the mass spectrometer.
Изобретение повышает эффективность и качество разрабатываемого масс-спектрометрического оборудования и способствует повышению уровня его конкурентоспособности.The invention improves the efficiency and quality of the developed mass spectrometric equipment and helps to increase its competitiveness.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007128505/09A RU2337427C1 (en) | 2007-07-24 | 2007-07-24 | Method of determination of effect of substance isotope composition "discrimination" in units of multiple-collector mass spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007128505/09A RU2337427C1 (en) | 2007-07-24 | 2007-07-24 | Method of determination of effect of substance isotope composition "discrimination" in units of multiple-collector mass spectrometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2337427C1 true RU2337427C1 (en) | 2008-10-27 |
Family
ID=40042176
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007128505/09A RU2337427C1 (en) | 2007-07-24 | 2007-07-24 | Method of determination of effect of substance isotope composition "discrimination" in units of multiple-collector mass spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2337427C1 (en) |
-
2007
- 2007-07-24 RU RU2007128505/09A patent/RU2337427C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US2341551A (en) | Mass spectrometer | |
Brand | Mass spectrometer hardware for analyzing stable isotope ratios | |
Gorman et al. | Analysis of Solids with Mass Spectrometer | |
US10748753B2 (en) | Accelerator mass spectrometry system and associated method | |
JP3486668B2 (en) | Simultaneous detection isotope ratio mass spectrometer | |
JPWO2012093622A1 (en) | Mass spectrometer, analytical method and calibration sample | |
CN108987242A (en) | A kind of isotope mass spectrometer | |
CN107085061A (en) | The absolute quantification analysis method of lysophosphatidyl choline based on HPLC MS/MS detection platforms | |
Dekker et al. | A new method to analyze matrix‐assisted laser desorption/ionization time‐of‐flight peptide profiling mass spectra | |
CN106468686A (en) | The dynamic range improvement of isotope ratio mass spectral analyses | |
JP3683749B2 (en) | Mass spectrometry method | |
JP2006208125A (en) | Isotope ratio analysis method using plasma ion source mass spectroscope | |
US11574802B2 (en) | Mass spectrometer compensating ion beams fluctuations | |
RU2337427C1 (en) | Method of determination of effect of substance isotope composition "discrimination" in units of multiple-collector mass spectrometer | |
CN115711934A (en) | Detailed analysis of isomers in a TIMS-Q-Q-TOF mass spectrometer | |
JP2004361367A (en) | Isotope-ratio analysis using plasma ion source mass analyzer | |
US20150141290A1 (en) | Method for quantification of proteome | |
CN109148256B (en) | Detector correction method for quadrupole mass spectrometer | |
CN112730495A (en) | Test method for improving characteristic X-ray intensity value | |
Martins et al. | Stable isotopes of oxygen and hydrogen in water: analytical method evaluation and the determination of δ18O and δ2H on a control sample | |
RU2337428C1 (en) | Method of determination of isotope composition of uranium hexafluoride with help of multiple-collector mass spectrometer | |
Taktode et al. | Bioanalytical Method Development and Validation for Estimation of Active Pharmaceutical Substance by LC-MS/MS: A General Review on Bioanalysis | |
Saprygin et al. | Mass spectrometry determination of the isotopic composition of uranium hexafluoride | |
GB2499868A (en) | Mass spectrometer including magnetic and electrostatic fields and a detector array | |
US11513098B2 (en) | Spectrometry system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner |