RU2399985C1 - Method of analysing ions from specific charge in quadrupole time-of-flight mass spectormetres (monopole, tripole and mass filter) - Google Patents
Method of analysing ions from specific charge in quadrupole time-of-flight mass spectormetres (monopole, tripole and mass filter) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399985C1 RU2399985C1 RU2009115103/28A RU2009115103A RU2399985C1 RU 2399985 C1 RU2399985 C1 RU 2399985C1 RU 2009115103/28 A RU2009115103/28 A RU 2009115103/28A RU 2009115103 A RU2009115103 A RU 2009115103A RU 2399985 C1 RU2399985 C1 RU 2399985C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ions
- mass
- input
- analyzer
- output
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
- H01J49/4205—Device types
- H01J49/421—Mass filters, i.e. deviating unwanted ions without trapping
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
- H01J49/426—Methods for controlling ions
- H01J49/427—Ejection and selection methods
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано при создании квадрупольных масс-спектрометров пролетного типа с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.The invention relates to the field of mass spectrometry and can be used to create quadrupole mass spectrometers of the span type with high resolution and sensitivity.
Известен способ анализа ионов по удельным зарядам в квадрупольных масс-спектрометрах пролетного типа (монополь, триполь и фильтр масс) [1], по которому анализируемые ионы вводят через входной канал в анализатор масс-спектрометра, селективно воздействуют на ионы высокочастотным квадрупольным полем, сортируя при этом ионы по удельным зарядам, и выводят отсортированные ионы через выходной канал в измерительное устройство. При этом разделение ионов по удельному заряду осуществляется путем расположения рабочей точки анализируемого иона на общей диаграмме стабильности вблизи границ зон стабильности по x и y координатным осям. Если рабочая точка иона расположена внутри общей зоны стабильности, то данный ион может удержаться в объеме анализатора и попасть в измерительное устройство. Если рабочая точка иона хотя бы по одной из координатных осей находится в нестабильной зоне, то по этой оси координата иона будет непрерывно расти со временем, и ион нейтрализуется на одном из электродов анализатора, не долетев до выходного канала.A known method for the analysis of ions by specific charges in quadrupole mass spectrometers of the span type (monopole, tripole and mass filter) [1], by which the analyzed ions are introduced through the input channel into the analyzer of the mass spectrometer, selectively affect the ions with a high-frequency quadrupole field, sorting at this ions in specific charges, and output sorted ions through the output channel to the measuring device. In this case, the separation of ions by specific charge is carried out by arranging the working point of the analyzed ion on the general stability diagram near the boundaries of the stability zones along the x and y coordinate axes. If the working point of the ion is located inside the general stability zone, then this ion can be held in the analyzer volume and get into the measuring device. If the working point of the ion in at least one of the coordinate axes is in the unstable zone, then the coordinate of the ion along this axis will continuously increase with time, and the ion will be neutralized at one of the analyzer electrodes without reaching the output channel.
Недостатком известного способа является тот факт, что для получения высокого разрешения масс-спектрометра приходится рабочую точку иона на общей диаграмме стабильности располагать очень близко к границам общей зоны стабильности, что приводит к резкому возрастанию амплитуд колебаний удерживаемых в объеме анализатора ионов и, как следствие, к соответствующему уменьшению чувствительности. К тому же, отмеченные обстоятельства приводят к повышению требований к точности изготовления электродов анализатора, требуемой стабильности питающего высокочастотного напряжения и отношения его амплитуды к постоянной составляющей.The disadvantage of this method is the fact that in order to obtain a high resolution mass spectrometer, it is necessary to position the ion operating point on the general stability diagram very close to the boundaries of the general stability zone, which leads to a sharp increase in the vibration amplitudes of the ions held in the analyzer volume and, as a result, corresponding decrease in sensitivity. In addition, the circumstances noted lead to an increase in the requirements for the accuracy of the manufacture of analyzer electrodes, the required stability of the supply high-frequency voltage, and the ratio of its amplitude to the constant component.
Известен способ анализа ионов по удельным зарядам в квадрупольных масс-спектрометрах [2, 3], по которому анализируемые ионы вводят через входной канал в анализатор масс-спектрометра, селективно воздействуют на них высокочастотным квадрупольным полем, сортируя при этом ионы по удельным зарядам, и выводят отсортированные ионы через выходной канал на измерительное устройство. В известном способе удается частично уменьшить требования к стабильности отношения амплитуды ВЧ напряжения к постоянной составляющей. По этому способу путем введения уголкового электрода оставляют в объеме анализатора только ионы с положительной координатой по одной из осей. Это позволило переместить рабочую точку иона на общей диаграмме стабильности по одной координатной оси вглубь стабильной зоны, что радикально уменьшило амплитуду колебаний ионов по этой координате и повысило чувствительность. При этом снизилась требуемая стабильность постоянства отношения амплитуды ВЧ поля к постоянной составляющей.A known method for the analysis of ions by specific charges in quadrupole mass spectrometers [2, 3], in which the analyzed ions are introduced through the input channel into the analyzer of the mass spectrometer, selectively affect them with a high-frequency quadrupole field, sorting the ions by specific charges, and output sorted ions through the output channel to the measuring device. In the known method, it is possible to partially reduce the stability requirements for the ratio of the amplitude of the RF voltage to the DC component. According to this method, by introducing a corner electrode, only ions with a positive coordinate along one of the axes are left in the analyzer volume. This made it possible to move the working point of the ion on the general stability diagram along one coordinate axis deep into the stable zone, which radically reduced the amplitude of ion vibrations along this coordinate and increased sensitivity. At the same time, the required stability of constancy of the ratio of the amplitude of the RF field to the constant component decreased.
Однако, хотя частично по известному способу удалось устранить недостатки аналога, при реализации известного способа появился новый недостаток. При попытке увеличить степень сортировки путем уменьшения числа нестабильных ионов за счет увеличения времени сортировки (времени пролета ионов в анализаторе) стала резко уменьшаться ширина полосы вблизи границы зоны стабильности, в которой могут находиться рабочие точки ионов, проходящих на выход анализатора. Это ухудшило форму массового пика, уменьшив относительную чувствительность прибора (резко возросли фронты массового пика).However, although partially using the known method, it was possible to eliminate the disadvantages of the analogue, when implementing the known method, a new disadvantage appeared. In an attempt to increase the degree of sorting by reducing the number of unstable ions by increasing the sorting time (the time of flight of the ions in the analyzer), the bandwidth near the boundary of the stability zone began to sharply decrease, in which the working points of the ions passing to the analyzer output could be located. This worsened the shape of the mass peak, decreasing the relative sensitivity of the device (the fronts of the mass peak sharply increased).
Целью предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности и чувствительности квадрупольных масс-спектрометров пролетного типа за счет устранения указанных выше недостатков.The aim of the invention is to increase the resolution and sensitivity of quadrupole mass spectrometers of the span type by eliminating the above disadvantages.
Указанная цель достигается тем, что анализируемые ионы вводят через входной канал в анализатор масс-спектрометра, селективно воздействуют на них высокочастотным квадрупольным полем, сортируя при этом ионы по удельным зарядам, и выводят отсортированные ионы через выходной канал на измерительное устройство. При этом сортировку ионов по удельным зарядам осуществляют за счет селективной фазовой и селективной двойной пространственной фокусировок избранных ионов на вход выходного канала. Селективную фазовую фокусировку избранных ионов осуществляют путем расположения рабочей точки анализируемых ионов внутри общей диаграммы стабильности анализатора на одной из линий квазистабильности (изо-β линии), для которой β (параметр стабильности) определяется соотношением:This goal is achieved by the fact that the analyzed ions are introduced through the input channel into the mass spectrometer analyzer, selectively act on them by a high-frequency quadrupole field, sorting the ions by specific charges, and the sorted ions are output through the output channel to the measuring device. In this case, the ions are sorted by specific charges due to selective phase and selective double spatial focusing of selected ions to the input of the output channel. Selective phase focusing of selected ions is carried out by positioning the working point of the analyzed ions inside the overall stability diagram of the analyzer on one of the quasistability lines (iso-β lines), for which β (stability parameter) is determined by the ratio:
где S- целые числа (S=2, 3,…), а энергию вводимых в анализатор ионов выбирают такой, чтобы время пролета избранных ионов между выходом входного канала и входом выходного канала было равно целому числу периодов высокочастотного поля, кратному S. Селективную двойную пространственную фокусировку избранных ионов на вход выходного канала осуществляют путем совмещения рабочей точки избранных ионов на общей диаграмме стабильности с точкой пересечения линии квазистабильности, соответствующих y и x координатным осям, при этом значения параметров этих линий Sy и Sx выбирают кратными друг другу и так, чтобы Sy было больше или равно Sx.where S is integers (S = 2, 3, ...), and the energy of the ions introduced into the analyzer is chosen such that the flight time of the selected ions between the output of the input channel and the input of the output channel is equal to an integer number of periods of the high-frequency field, a multiple of S. Selective double spatial focusing of the selected ions to the input of the output channel is carried out by combining the working point of the selected ions on the general stability diagram with the intersection point of the quasistability line corresponding to the y and x coordinate axes, while the values of the parameters their lines S y and S x are chosen to be multiples of each other and so that S y is greater than or equal to S x .
Такой способ анализа позволяет радикально увеличить чувствительность масс-спектрометра, доведя практически до 100% коэффициент сбора избранных ионов на вход выходного канала вне зависимости от фазы влета ионов в анализатор, и при этом существенно повысить разрешающую способность за счет использования двойной фокусировки (как по x-координате, так и по y-координате) избранных ионов на вход выходного канала. К тому же, разрешающая способность по предлагаемому способу анализа повышается и за счет времяпролетной сортировки. Дополнительным существенным преимуществом предлагаемого способа анализа является возможность увеличения угла ввода ионов в анализатор и значительного уменьшения времени пролета ионов на вход выходного канала. Последнее не только позволяет уменьшать длину анализатора, но и дает возможность увеличивать продольную скорость ионов, вводимых в анализатор, что является важным, поскольку позволяет уменьшать относительный разброс вводимых ионов по продольным скоростям и, соответственно, улучшать параметры приборов. В то же время, увеличение угла ввода ионов в анализатор увеличивает скорость ухода нестабильных ионов из потока, что позволяет получать высокую степень сортировки ионов.This analysis method allows you to drastically increase the sensitivity of the mass spectrometer, bringing up to almost 100% the collection rate of selected ions to the input of the output channel, regardless of the phase of entry of ions into the analyzer, while significantly increasing the resolution by using double focusing (as in x- coordinate, and y-coordinate) of selected ions to the input of the output channel. In addition, the resolution of the proposed method of analysis is increased due to time-of-flight sorting. An additional significant advantage of the proposed method of analysis is the ability to increase the angle of entry of ions into the analyzer and significantly reduce the time of flight of ions to the input of the output channel. The latter not only allows one to reduce the length of the analyzer, but also makes it possible to increase the longitudinal velocity of the ions introduced into the analyzer, which is important because it allows one to reduce the relative dispersion of the introduced ions along the longitudinal velocities and, accordingly, improve the parameters of the instruments. At the same time, an increase in the angle of entry of ions into the analyzer increases the rate of departure of unstable ions from the flow, which allows a high degree of sorting of ions.
На фиг.1 приведена общая диаграмма стабильности для квадрупольного фильтра масс при импульсном питании. Питающее ВЧ напряжение - «меандр» при равной длительности прямоугольных импульсов разной полярности. На общей диаграмме стабильности отмечены рабочие точки, для которых численным моделированием определялась форма массовых пиков, приведенная на последующих фигурах. Значения a1 и a2 (см. фиг.1) определяются соотношениями:Figure 1 shows a General stability diagram for a quadrupole mass filter with pulse power. The RF supply voltage is a “meander” with equal duration of rectangular pulses of different polarity. On the general stability diagram, operating points are noted for which the shape of the mass peaks shown in the following figures was determined by numerical simulation. The values of a 1 and a 2 (see figure 1) are determined by the relations:
U1 и U2 - амплитуды импульсов разной полярности (В);U 1 and U 2 are the amplitudes of pulses of different polarity (V);
T0 - период ВЧ напряжения (с);T 0 - the period of the RF voltage (s);
Y00 - радиус поля электродной системы (м);Y 00 is the radius of the field of the electrode system (m);
e и m - заряд (Кл) и масса (кг) иона;e and m are the charge (C) and the mass (kg) of the ion;
β - параметр стабильности решения соответствующего уравнения Хилла.β is the stability parameter of the solution of the corresponding Hill equation.
На фиг.2 и 3 приведены массовые пики, полученные численным моделированием работы квадрупольного фильтра масс по предлагаемому способу.Figure 2 and 3 shows the mass peaks obtained by numerical simulation of the operation of the quadrupole mass filter according to the proposed method.
Фиг.2 - квадрупольный фильтр масс. Питающий сигнал - меандр, радиус поля - 6 мм, протяженность электродной системы в радиусах поля - 22, размах питающего напряжения 200 В, ионы вводятся в течение всего периода ВЧ поля параллельным потоком, входное и выходное отверстия диаметром 0,5 мм, энергия ионов вдоль оси z 2,78 эВ, энергия ионов в плоскости x-y 0,1 эВ, угол ввода в плоскости y-z α=11°.Figure 2 - quadrupole mass filter. The supply signal is a meander, the radius of the field is 6 mm, the length of the electrode system in the radii of the field is 22, the amplitude of the supply voltage is 200 V, the ions are introduced throughout the entire RF field in a parallel flow, the inlet and outlet openings with a diameter of 0.5 mm, the ion energy along z axis 2.78 eV, ion energy in the xy plane 0.1 eV, input angle in the yz plane α = 11 °.
Фиг.3 - квадрупольный фильтр масс. Питающий сигнал - меандр без постоянной составляющей, радиус поля 6 мм, протяженность электродной системы в радиусах поля - 33, размах питающего напряжения 200 В, ионы вводятся в течение всего периода ВЧ поля параллельным потоком, входное и выходное отверстия диаметром 0,5 мм, энергия ионов вдоль оси z 15,6 эВ, энергия ионов в плоскости x-y 5 эВ, угол ввода в плоскости y-z α=30°.Figure 3 - quadrupole mass filter. The supply signal is a meander without a constant component, the field radius is 6 mm, the length of the electrode system in the field radii is 33, the amplitude of the supply voltage is 200 V, the ions are introduced throughout the entire RF field in a parallel flow, the input and output holes with a diameter of 0.5 mm, energy ions along the z axis 15.6 eV, ion energy in the xy plane 5 eV, input angle in the yz plane α = 30 °.
На фиг.2 и 3 помещены таблицы, иллюстрирующие особенности формы массовых пиков. Массовый пик определен как зависимость коэффициента трансмиссии (I) в процентах ионов через электродную систему ( - отношение выходного ионного тока к входному) от a2. Здесь Δ - уровень определения разрешающей способности.In Fig.2 and 3 placed tables illustrating the features of the shape of the mass peaks. The mass peak is defined as the dependence of the transmission coefficient (I) in percent of ions through the electrode system ( - the ratio of the output ion current to input) from a 2 . Here Δ is the level of determination of resolution.
На фиг.4 приведена форма массового пика (точка 3 на фиг.1), полученная численным моделированием работы монополярного квадрупольного масс-спектрометра по предлагаемому способу (при импульсном питании).Figure 4 shows the shape of the mass peak (
Фиг.4 - монополь. Питающий сигнал - меандр, тангенс угла наклона рабочей прямой λ=1,157725, радиус поля 6 мм, протяженность электродной системы в радиусах поля - 11, размах питающего напряжения 200 В, ионы вводятся в течение всего периода ВЧ поля параллельным потоком. Входное и выходное отверстия диаметром 0,14 мм, входное отверстие находится над уголковым электродом, энергия ионов вдоль оси z 4,14 эВ, энергия ионов в плоскости x-y 0,15 эВ, угол ввода в плоскости y-z α=10,8°.Figure 4 - monopole. The supply signal is a meander, the slope of the working line is λ = 1.157725, the field radius is 6 mm, the length of the electrode system in the field radius is 11, the voltage span is 200 V, the ions are introduced throughout the entire RF field in a parallel flow. The inlet and outlet are 0.14 mm in diameter, the inlet is above the corner electrode, the ion energy along the z axis is 4.14 eV, the ion energy in the x-y plane is 0.15 eV, and the input angle in the y-z plane is α = 10.8 °.
Там же приведена таблица, иллюстрирующая особенности формы массового пика и профиль электродной системы монополя.There is also a table illustrating the features of the shape of the mass peak and the profile of the monopole electrode system.
На фиг.5 приведены траектории ионов в плоскости x-y в квадрупольном пролетном масс-спектрометре типа «триполь», построенные для точки a1=1,906662 a2=2,048044 для 12 начальных фаз, равномерно распределенных по периоду ВЧ поля (точка 4 на фиг.1). Размах питающего напряжения 200 В, начальная фаза в долях периода ВЧ поля - 0,8, начальная координата иона по x и y равна 0, энергия иона вдоль оси x 8,9 эВ, энергия иона по оси y 0,575 эВ.Figure 5 shows the trajectories of ions in the xy plane in a tripole quadrupole span mass spectrometer constructed for the point a 1 = 1.906662 a 2 = 2.048044 for 12 initial phases uniformly distributed over the period of the rf field (
Преимущества предлагаемого способа можно проиллюстрировать по фиг.2. Рабочая точка избранных ионов обозначена на фиг.1 цифрой 1. На фиг.1 через эту точку проведена «рабочая прямая» с тангенсом угла наклона . Точки c0, и d0 на фиг.2 есть точки пересечения «рабочей прямой» с границами общей зоны стабильности: c0 - с y-границей (βy=+1), a d0 - с x-границей(βx=-1). Через относительную величину расстояния между точками c0 и d0 обычно оценивается максимальное разрешение фильтра масс: . В нашем случае ρm.0≅70. Внутри разрешаемого диапазона значений a2(ad0÷ac0) найдена обозначенная цифрой 1 на фиг.1 точка, соответствующая предлагаемому способу с Sx=Sy=20 (при этом периоды низкочастотных колебаний иона по осям x и y равны: nx=ny=40). Другими словами, эта точка является точкой пересечения двух линий квазистабильности с параметром S=20. Из фиг.2 видно, что при реализации предлагаемого способа разрешающая способность, определенная на полувысоте пика, достигает 2000, что почти в 30 раз выше максимальной разрешающей способности (ρm.0≅70) «фильтра масс», определенной выше. При этом выбранному значению 2 соответствовала 100% трансмиссия ионов, т.е. проведенное выше сравнение по разрешению проведено практически в режиме 100% трансмиссии.The advantages of the proposed method can be illustrated in figure 2. The working point of the selected ions is indicated in figure 1 by the
Можно провести сравнение и при близких значениях разрешения. Для этого следует увеличить λ, что приведет к увеличению разрешения фильтра масс в известном режиме. При этом произойдет смещение рабочей точки избранных ионов из точки пересечения линий квазистабильности с равным значением S=Sx=Sy, вследствие этого нарушится режим трехмерной сортировки и трансмиссия уменьшится.A comparison can also be made at close resolution values. To do this, increase λ, which will lead to an increase in the resolution of the mass filter in the known mode. In this case, the working point of the selected ions will shift from the point of intersection of the quasistability lines with an equal value S = S x = S y , as a result of which the three-dimensional sorting mode is violated and the transmission decreases.
Описанный смещенный режим иллюстрируется на фиг.2. При постоянстве остальных параметров было увеличено только значение λ до λ=1,243. В результате уменьшился разрешаемый диапазон d0-c0 до уровня d02-c02, (соответствует разрешению ~ 150) и уменьшилась чувствительность практически в 100 раз (см. фиг.2: правая масштабная ось относится к сдвинутому пику). Это означает, что при реализации предлагаемого режима трехмерной фокусировки при приблизительно равном разрешении можно увеличить трансмиссию ионного потока (соответственно чувствительность) в несколько сотен раз.The described offset mode is illustrated in FIG. With the remaining parameters remaining constant, only the value of λ was increased to λ = 1.243. As a result, the resolved range d 0 -c 0 decreased to the level d 02 -c 02 , (corresponds to a resolution of ~ 150) and the sensitivity decreased by almost 100 times (see Fig. 2: the right scale axis refers to the shifted peak). This means that when implementing the proposed three-dimensional focusing mode with approximately equal resolution, it is possible to increase the transmission of the ion flux (respectively, sensitivity) by several hundred times.
Работа квадрупольных масс-спектрометров пролетного типа в глубине общей зоны стабильности по предлагаемому способу иллюстрируется и на фиг.3. Здесь рабочая точка анализируемых ионов (точка 2 на фиг.1) находится на рабочей прямой с λ=1 (т.е. реализуется режим отсутствия «постоянной составляющей» в ВЧ сигнале). При этом рабочая точка ионов находится глубоко в общей стабильной зоне (вдали от границ зон стабильности) около центральной точки зоны с βx=βy=0. Избранная для расчета массового пика рабочая точка является точкой пересечения линий квазистабильности, соответствующих Sx=Sy=3 (βx=βy=-0,5). По предлагаемому способу в этой точке реализован режим 100% трансмиссия при весьма значительном угле ввода ионного потока - 30° (правда, в точке βx=βy=0 можно вводить ионный поток в анализатор при α≅45°.) Работа в глубине общей зоны стабильности, как показывает теория метода, позволяет пропускать через анализатор существенно большие потоки ионов, чем при работе по известному способу. Это объясняется тем, что для рабочих точек, расположенных в глубине зоны стабильности, амплитуда колебаний ионов в плоскости x-y наименьшая (например, в точке βx=βy=0 наибольшая координата в плоскости x-y, при которой ион, введенный вдоль оси z, удерживается полем, равна 0,288 относительных единиц (координата, отнесенная к радиусу поля), тогда как в точке 1 (см. фиг.2) эта величина равна 0,047). Последнее означает, что пропускаемый по заявляемому способу через анализатор поток может быть почти в 40 раз больше, чем по известному способу.The operation of the quadrupole mass spectrometers of the span type in the depth of the general stability zone according to the proposed method is illustrated in FIG. 3. Here, the working point of the analyzed ions (
Время пролета избранных ионов через анализатор для точки по фиг.3 составляет 24 T0, при этом низкочастотный период движения ионов составляет 6 T0. Можно увеличить энергию вводимых ионов в 4 раза (до величины 62,4 В). При этом ионы будут пролетать через анализатор за 12 T0. В таком случае разрешение по уровню 0,5 снизится до 400÷500, оставаясь достаточно высоким.The flight time of selected ions through the analyzer for the point in FIG. 3 is 24 T 0 , while the low-frequency period of the movement of ions is 6 T 0 . It is possible to increase the energy of introduced ions by 4 times (up to 62.4 V). In this case, the ions will fly through the analyzer for 12 T 0 . In this case, the resolution at the level of 0.5 will decrease to 400 ÷ 500, while remaining quite high.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет с помощью квадрупольного фильтра масс анализировать ионные потоки с большой продольной скоростью.Thus, the proposed method allows using a quadrupole mass filter to analyze ion flows with a high longitudinal velocity.
Геометрия электродной системы монополя и «триполя» накладывает особые условия на процесс прохождения анализируемого ионного потока вдоль оси анализатора. Наличие уголкового электрода ограничивает прохождение на выход анализатора ионов, для которых полупериод низкочастотных колебаний меньше времени пролета вдоль анализатора. При известном способе это приводит к тому, что рабочие точки анализируемых ионов на общей диаграмме стабильности располагаются в узкой полосе вблизи границы зоны стабильности по у координате. С одной стороны, эта полоса ограничивается y-границей зоны стабильности, а с другой - изо-β линией, для которой полупериод низкочастотных колебаний равен времени пролета ионов через анализатор. С увеличением времени пролета разрешение этих приборов возрастает. При этом ширина полосы стабильности уменьшается и уменьшается чувствительность масс-спектрометра, поскольку рабочая точка анализируемых ионов приближается к границе зоны стабильности; и амплитуда колебаний ионов растет. Это является недостатком известного способа.The geometry of the electrode system of the monopole and “tripole” imposes special conditions on the passage of the analyzed ion flux along the axis of the analyzer. The presence of a corner electrode limits the passage of ions to the output of the analyzer, for which the half-cycle of low-frequency oscillations is less than the transit time along the analyzer. With the known method, this leads to the fact that the working points of the analyzed ions in the overall stability diagram are located in a narrow strip near the boundary of the stability zone along the y coordinate. On the one hand, this band is limited by the y-boundary of the stability zone, and on the other, by the iso-β line, for which the half-period of low-frequency oscillations is equal to the time of flight of the ions through the analyzer. With increasing flight time, the resolution of these devices increases. In this case, the width of the stability band decreases and the sensitivity of the mass spectrometer decreases, since the working point of the analyzed ions approaches the boundary of the stability zone; and the amplitude of ion vibrations increases. This is a disadvantage of the known method.
По предлагаемому способу массовый пик монополя формируют вблизи рабочей точки, расположенной вдали от границы зоны стабильности на пересечении характерных для данного режима линий квазистабильности. На фиг.4 иллюстрируется форма массового пика высокого разрешения, сформированного вблизи точки пересечения линии квазистабильности по оси x, для которой характерный полупериод низкочастотных колебаний равен 2 периодам ВЧ поля (изо-β линия с βx=0) с линией квазистабильности по оси у, для которой полупериод низкочастотных колебаний равен 20 периодам (βx=0,987688). На фиг.4 пунктиром слева от пика показана координата а2, соответствующая (при данном значении λ) границе зоны стабильности. Это подтверждает возможность работы по предлагаемому способу в глубине общей зоны стабильности. Следует обратить внимание на то, что, как и в случае квадрупольного фильтра масс, для монополя высокая разрешающая способность реализуется при 100% трансмиссии ионного потока.According to the proposed method, the mass peak of the monopole is formed near the operating point located far from the boundary of the stability zone at the intersection of the lines of quasistability characteristic of this regime. Figure 4 illustrates the shape of a high-resolution mass peak formed near the intersection of the line of quasistability along the x axis, for which the characteristic half-period of low-frequency oscillations is equal to 2 periods of the RF field (iso-β line with β x = 0) with a line of quasistability along the y axis, for which the half-period of low-frequency oscillations is 20 periods (β x = 0.987688). In figure 4, the dotted line to the left of the peak shows the coordinate a 2 corresponding to (at a given value of λ) the boundary of the stability zone. This confirms the possibility of working on the proposed method in the depths of the General stability zone. It should be noted that, as in the case of a quadrupole mass filter, for a monopole, high resolution is realized at 100% transmission of the ion flux.
В монопольном анализаторе входной канал для ввода ионов и выходной канал можно располагать как выше, так и ниже оси z. Поскольку время пролета ионов в данном случае должно быть либо равным, либо меньше полупериода низкочастотных колебаний, в режиме полной фокусировки по предлагаемому способу необходимо, чтобы приемная площадка была зеркальным отображением входной. Для режима, иллюстрируемого на фиг.4, принято, что входное отверстие находится выше оси z, а выходное - ниже. В режиме «ввод через ось» можно считать с определенной степенью точности, что начальные координаты вводимого в поле иона равны нулю. В этом случае и вывод должен осуществляться «через ось», т.е. при yвых=хвых≅0 (yвых и xвых - координаты иона при вылете из поля).In a monopoly analyzer, the input channel for introducing ions and the output channel can be located both above and below the z axis. Since the ion flight time in this case should be either equal to or less than a half-period of low-frequency oscillations, in the full focus mode according to the proposed method, it is necessary that the receiving area be a mirror image of the input. For the mode illustrated in FIG. 4, it is assumed that the inlet is above the z axis and the outlet is below. In the "axis input" mode, it can be considered with a certain degree of accuracy that the initial coordinates of the ion introduced into the field are equal to zero. In this case, the conclusion should be carried out “through the axis”, i.e. when x = y O O ≅0 (y O x and O - ion coordinates at a start of field).
На фиг.5 с целью иллюстрации предлагаемого способа на одном чертеже приведены 12 траекторий ионов в плоскости x-y, влетевших в анализатор в разные фазы, равномерно распределенные по периоду ВЧ поля. Рабочая точка ионов находится на пересечении линий квазистабильности: по x координате, соответствующей βx=0,707107 (полупериод низкочастотных колебаний 4 периода ВЧ поля), и по у координате, соответствующей βy=0,980785 (полупериод низкочастотных колебаний 16 периодов) (точка 4 на фиг.1). Траектории построены для триполя с вводом ионов «через ось». Хорошо видна фазовая фокусировка ионного потока даже при весьма сложной траектории иона в сочетании с двойной фокусировкой по x и по y координате. Это и обуславливает высокие разрешение и чувствительность заявляемого способа.5, in order to illustrate the proposed method, in one drawing, 12 trajectories of ions in the xy plane are shown, flying into the analyzer in different phases, uniformly distributed over the period of the RF field. The ion working point is located at the intersection of the lines of quasistability: in the x coordinate corresponding to β x = 0.707107 (half-period of low-frequency oscillations of 4 periods of the RF field), and in the coordinate corresponding to β y = 0.980785 (half-period of low-frequency oscillations of 16 periods) (
Таким образом, численным моделированием показано, что предложенный способ анализа позволяет:Thus, numerical modeling shows that the proposed method of analysis allows you to:
- повысить разрешающую способность пролетных квадрупольных масс-спектрометров в десятки раз при 100% трансмиссии;- increase the resolution of span quadrupole mass spectrometers dozens of times at 100% transmission;
- при высокой разрешающей способности повысить в сотни раз чувствительность пролетных квадрупольных масс-спектрометров;- with high resolution, increase the sensitivity of span quadrupole mass spectrometers hundreds of times;
- уменьшить длину электродной системы таких масс-спектрометров;- reduce the length of the electrode system of such mass spectrometers;
- увеличить скорость вводимых в анализатор ионов.- increase the speed of ions introduced into the analyzer.
Источники информацииInformation sources
1. Paul W., Reinchard H.P., von Zahn U. Das elektrische Massenfilter als Massenspectrometer und Isotopentrener //Z. fur Physik. 1958. №152. S.143-182.1. Paul W., Reinchard H.P., von Zahn U. Das elektrische Massenfilter als Massenspectrometer und Isotopentrener // Z. fur Physik. 1958. No. 152. S.143-182.
2. Фон Цаан. Новый масс-спектрометр с электрическим полем // ПНИ. 1963. Т.34. №12. С.1-4.2. Von Caan. New mass spectrometer with an electric field // PNI. 1963.V. 34. No. 12. C.1-4.
3. Иванов В.В., Карнав Т.Б., Дубков М.В. Гиперболоидные масс-спектрометры пролетного типа для космических исследований // Перспективные проекты и технологии. 2006. B.1. C.53-57.3. Ivanov V.V., Karnav TB, Dubkov M.V. Span-type hyperboloid mass spectrometers for space research // Promising projects and technologies. 2006. B.1. C.53-57.
Claims (3)
где S - целое число (S=2, 3,…), а энергию вводимых в анализатор ионов выбирают такой, чтобы время пролета избранных ионов между выходом входного канала и входом выходного канала было равно целому числу периодов высокочастотного поля, кратному S.2. The method according to claim 1, characterized in that the selective phase focusing of the selected ions is carried out by placing the working point of the analyzed ions inside the overall stability diagram of the analyzer on one of the quasistability lines (iso-β-lines) for which β (stability parameter) is determined the ratio
where S is an integer (S = 2, 3, ...), and the energy of the ions introduced into the analyzer is chosen such that the flight time of the selected ions between the output of the input channel and the input of the output channel is an integer number of periods of the high-frequency field, a multiple of S.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009115103/28A RU2399985C1 (en) | 2009-04-20 | 2009-04-20 | Method of analysing ions from specific charge in quadrupole time-of-flight mass spectormetres (monopole, tripole and mass filter) |
DE201020003059 DE202010003059U1 (en) | 2009-04-20 | 2010-03-03 | Analyzer for ion analysis in continuous quadrupole mass spectrometers (monopole, tripole and mass filter) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009115103/28A RU2399985C1 (en) | 2009-04-20 | 2009-04-20 | Method of analysing ions from specific charge in quadrupole time-of-flight mass spectormetres (monopole, tripole and mass filter) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2399985C1 true RU2399985C1 (en) | 2010-09-20 |
Family
ID=42243921
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009115103/28A RU2399985C1 (en) | 2009-04-20 | 2009-04-20 | Method of analysing ions from specific charge in quadrupole time-of-flight mass spectormetres (monopole, tripole and mass filter) |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE202010003059U1 (en) |
RU (1) | RU2399985C1 (en) |
-
2009
- 2009-04-20 RU RU2009115103/28A patent/RU2399985C1/en not_active IP Right Cessation
-
2010
- 2010-03-03 DE DE201020003059 patent/DE202010003059U1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE202010003059U1 (en) | 2010-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2687963C2 (en) | Modification of ions | |
WO2016073850A1 (en) | A frequency and amplitude scanned quadrupole mass filter and methods | |
Ryazanov et al. | Improved sliced velocity map imaging apparatus optimized for H photofragments | |
KR20140056175A (en) | Ion mobility spectrometer device with embedded faims cells | |
JP6339188B2 (en) | Bipolar spark ion source | |
EP4100991A1 (en) | Time-domain analysis of signals for charge detection mass spectrometry | |
CN103954789B (en) | Ion velocity distribution transient measurement device and method | |
JP6022383B2 (en) | Mass spectrometry system and method | |
RU2399985C1 (en) | Method of analysing ions from specific charge in quadrupole time-of-flight mass spectormetres (monopole, tripole and mass filter) | |
Shor et al. | Fast beam chopper at SARAF accelerator via RF deflector before RFQ | |
Gibson et al. | Predicted behaviour of QMF systems with and without prefilters using accurate 3D fields | |
RU2327245C2 (en) | Mass selective device and analysis method for drift time of ions | |
JP6006322B2 (en) | Mass spectrometer and mass separator | |
EP2956955A1 (en) | Two rotating electric fields mass analyzer | |
Berdnikov et al. | Synthesis of fringing magnetic fields for static mass analyzers of the spectrographic type | |
JP2015118887A (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
RU2444083C2 (en) | Method for time-of-flight separation of ions according to mass and device for realising said method | |
RU2458428C2 (en) | Analyser for flight-type quadrupole mass-spectrometer with three-dimensional focusing | |
Mordvintsev et al. | Accounting for the Edge Effects of Electric and Magnetic Fields in the Spectroscopy of Ion Flows from Relativistic Laser Plasma | |
RU2557010C2 (en) | Method of analysing charged particles (ions) in hyperboloid mass spectrometers | |
EP2716141B1 (en) | Particle accelerator and method of reducing beam divergence in the particle accelerator | |
RU2618212C2 (en) | Method for time-of-flight mass-separating ions in linear radio-frequency electric field and device for its implementation | |
RU2447539C2 (en) | Time-of-flight quadrupole mass-spectrometre analyser (mass filter, monopole and tripole type) | |
Sheretov et al. | New possibilities and prospects for the development of quadrupole transit time mass spectrometers (monopole, tripole, mass filter) | |
Astrakhantsev et al. | Combined cylindrical mass analyzers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160421 |