Получение одинаковой разрешающей способности м в квадрупольном масс-спектрометре в широком диапазоне масс
Автор: Кузьмин А.Ф.
Журнал: Научное приборостроение @nauchnoe-priborostroenie
Рубрика: Масс-спектрометрия для биотехнологии. Приборы
Статья в выпуске: 4 т.18, 2008 года.
Бесплатный доступ
Рассмотрен способ получения одинаковой разрешающей способности ∆М = const в аналитическом квадрупольном масс-спектрометре в диапазоне масс 2-500 а.е.м. Это достигается заданием и сохранением строго определенного закона изменения соотношения прецизионных напряжений - постоянной составляющей U к амплитуде переменной составляющей V напряжения φ = ±(U + V cosωt), прикладываемого к электродам квадрупольного анализатора. Предложен способ точного измерения соотношения U /V с получением кривой, которая может быть воспроизведена с высокой точностью, что сохраняет выходные электронные параметры ВЧ-генератора строго постоянными и при качественном анализаторе сохраняет ∆М = const.
Короткий адрес: https://sciup.org/14264560
IDR: 14264560
Текст научной статьи Получение одинаковой разрешающей способности м в квадрупольном масс-спектрометре в широком диапазоне масс
ПОЛУЧЕНИЕ ОДИНАКОВОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ∆ М В КВАДРУПОЛЬНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ
В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ МАСС
Рассмотрен способ получения одинаковой разрешающей способности ∆ М = const в аналитическом квадрупольном масс-спектрометре в диапазоне масс 2–500 а.е.м. Это достигается заданием и сохранением строго определенного закона изменения соотношения прецизионных напряжений — постоянной составляющей U к амплитуде переменной составляющей V напряжения φ = ±( U + V cos ω t ), прикладываемого к электродам квадрупольного анализатора. Предложен способ точного измерения соотношения U / V с получением кривой, которая может быть воспроизведена с высокой точностью, что сохраняет выходные электронные параметры ВЧ-генератора строго постоянными и при качественном анализаторе сохраняет ∆ М = const.
ВВЕДЕНИЕ При детальном рассмотрении движения заря женных частиц в поле квадрупольного анализато-
В любом квадрупольном масс-спектрометре стремятся иметь на всей рабочей шкале масс одинаковую разрешающую способность ∆ М . Это условие обеспечивает оптимальную временнýю информативность и чувствительность при записи масс-спектров. В этом случае ионные пики на 10 %-м уровне своей интенсивности с массами 10 а.е.м. и 11 а.е.м. будут отделяться один от другого так же, как пики с массами 100 а.е.м. от 101 а.е.м. и как пики с массами 500 а.е.м. от 501 а.е.м., т. е. разрешающая способность ∆ М на всей шкале масс будет равна 1 а.е.м.
Величина разрешающей способности определяется соотношением [1]
λ = U / V , (1)
что в свою очередь определяется проекцией на ось q участка линии развертки, отсекаемого левой и правой границами треугольника устойчивости в координатах а и q функций Матье [1, 2], где
λ = a / 2 q . (2)
Параметры a и q связаны с радиусом поля анализатора r0, с приложенными к электродам анализатора напряжениями и частотой высокочастотного напряжения соотношениями а = 8еU / mr0²ω², (3)
q = 4 eV / mr 0 ² ω ², (4)
где m — масса иона, е — заряд иона, ω — круговая частота переменной составляющей высокочастотного напряжения, а r 0 — минимальное расстояние от оси квадрупольного анализатора до любого из полеобразующих электродов анализатора [1].
ра легко видеть, что частицы разных масс подвержены несколько различному воздействию разделяющих полей. Дело в том, что в большинстве квадрупольных масс-анализаторов полеобразующие электроды выполнены в виде прецизионных стержней кругового сечения — цилиндров, тогда как теория предполагает электроды в форме гиперболических цилиндров. Вследствие этого различные зоны поля анализатора имеют разную степень приближения поля к гиперболическому. Разные авторы называют несколько различающиеся соотношения r / r 0 (где r — радиус цилиндрического электрода, а r 0 — радиус поля анализатора), дающие наилучшее приближение поля к гиперболическому. Так, в работе Пауля [1] указано соотношение r / r 0 = 1.17, в монографии В.М. Кельмана и С.Я. Явора [3] дано соотношение r / r 0 = 1.15, нами было получено соотношение [4] r / r 0 = = 1.14537. В любом случае общим является условие r > r 0; максимальное искажение поля находится непосредственно вблизи поверхности электрода, поскольку здесь имеет место максимальное различие между круговым и гиперболическими электродами. При приближении к оси анализатора поле наиболее приближается к гиперболическому.
В связи с тем что точность поддержания параметра λ в процессе записи масс-спектра в аналитическом квадрупольном анализаторе должна лежать в пределах 10ˉ 5 –10ˉ 6 , влияние погрешности поля вблизи электродов не удается рассчитать цифровыми методами, дающими много меньшую точность расчета.
Вторым фактором, влияющим на величину параметра λ, является зона, в которой лежат траектории ионов, проходящие анализатор, по сравнению с ионами, отличающимися от проходящих на ±1 а.е.м. Чем тяжелее масса, тем ближе разрешаемые и неразрешаемые ионы к электродам, попадая в область искаженных полей, и тем хуже становятся условия их разделения. Поэтому ожидать строгого постоянства параметра λ во всем диапазоне масс нет оснований.
В связи с этим постоянство разрешающей способности ∆ М , если это необходимо, достигают экспериментальным путем, регулируя наклон линии развертки в координатах a и q и добавляя смещение ("поляризацию") линии развертки в зависимости от разворачиваемой массы [5].
Вследствие медленного временнόго дрейфа выходных параметров высокоточного генератора эти настройки несколько искажаются, а это приводит к изменению разрешающей способности и связанной с ней чувствительности вдоль шкалы масс. Если желательно иметь стабильную чувствительность, то для возврата к исходным ее значениям возникает необходимость экспериментальной подстройки разрешающей способности, что трудоемко и неоптимально при выполнении текущих измерений.
экспериментально разрешение так, чтобы ∆ М было одинаково по всему масс-спектру. Затем для каждой массы точно (до 5–6 знаков) измерить величины U и V. Однако это сделать невозможно, т. к. нет средств измерить с требуемой точностью амплитуду V.
Метод, использованный в данной работе при измерении зависимости λ = f ( М ) при ∆ М = const, основан на том, что при осуществлении развертки масс-спектра путем изменения амплитуды высокочастотного напряжения V и соответствующей стабильности остальных параметров электронных устройств выход на вершину пика некой конкретной массы М однозначно связан с величиной амплитуды высокочастотного напряжения V , т. к. [1]
M = 4 eV / r 02 ω 2 q 0 , (5)
где q 0 — точка, соответствующая вершине треугольника устойчивости в координатах а и q , равная q 0 = 0.70600. Если масса, радиус поля r 0 и частота ω строго известны, то из приведенного соотношения однозначно определяется V .
Измерения постоянных напряжений на x- и y-электродах осуществлялось с точностью до 6 зна-
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ X = f(М И ПРИМЕНЕННАЯ АППАРАТУРА
На первый взгляд получение зависимости параметра λ от массы М , при которой ∆ М = const, проста. Достаточно по масс-спектру выставить

Рис. 1. Схема измерений.
1 — высокоточные вольтметры для измерения постоянных напряжений; 2 — стойка электронная МС-7303; 3 — высоковольтный высокочастотный генератор; 4 — фланец масс-анализатора; 5 — высоковольтные вакуумные вводы
Результаты измерений средних значений постоянной составляющей напряжения* при настройке на вершины пиков перфтортрибутиламина
М , а.е.м. |
Ū , В |
k = Ū / М , В/а.е.м. |
502 |
674.82 |
1.344 262 |
464 |
623.45 |
1.343 642 |
414 |
556.18 |
1.343 430 |
376 |
505.09 |
1.343 324 |
326 |
437.62 |
1.342 392 |
314 |
421.47 |
1.342 261 |
264 |
354.10 |
1.341 288 |
219 |
293.43 |
1.339 863 |
181 |
242.33 |
1.338 840 |
131 |
174.94 |
1.335 420 |
69 |
91.502 |
1.326 116 |
28 |
36.626 |
1.308 071 |
2 |
2.1552 |
1.07 600 |
Примечание . *Раз л ичие м одулей напряжений ± U не пре в ышало 1–2 единиц в последней значащей цифре.
ка цифровыми вольтметрами фирмы Agilent (модель 34401-А). Эксперименты проводились с использованием масс-спектрометра МС-7303. Анализатор имел круговые электроды диаметром 15 мм, выполненные из материала МР-47 с точностью 1 мкм и установленные в шайбы из высокочастотной керамики с линейной точностью ± 1 мкм и угловой точностью ±5 ” . Диэлектрическая постоянная керамики составляла ε = 10, t gδ = 0.0006.
Первоначально осуществлялся длительный прогрев анализатора (1.5 ч) за счет включенного катода. Одновременно осуществлялся прогрев высокочастотного генератора. В качестве реперного вещества с известными осколочными массами использовался перфтортрибутиамин, дающий спектр до 502 а.е.м. Схема измерений представлена на рис. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения проводились после эмпирической настройки всего масс-спектра в интервале 2– 502 а.е.м. на разрешающую способность R0.02 = М, где R0.02 — разрешающая способность на уровне 2 % высоты ионного пика. При настройке на М = 502 а.е.м. и замере постоянных составляющих (с взаимной перестановкой цифровых вольтметров) и усреднения результатов измерений была вычислена амплитуда V и получено значение λ502 = 0.16772, которое было принято за λ0.
Поскольку предполагалось в процессе измерений, что любая масса, на вершину которой осуществляется настройка, линейно связана с величиной амплитуды V , то непропорциональность измеренного постоянного напряжения U на некоторой массе определяла величину изменения λ на этой массе. В таблице для каждой из масс указана величина постоянной составляющей напряжения на единицу массы, и она являлась мерой изменения λ M относительно λ 502 , для которой k = 1.34426, согласно измерению постоянных составляющих при настройке на вершину пика 502 а.е.м.
Если бы отношение U / V = λ оставалось на каждой массе одинаковым, то и коэффициент k для каждой массы был бы одинаков и равен 1.34426. Однако измерения, проведенные по изложенной выше методике, показали, что это не так и при сохранении величины ∆ М = const по всему масс-спектру λ является функцией массы и коэффициент k должен изменяться по закону, представленному в таблице и графиком рис. 2.
На рис. 2 представлена полученная зависимость k ( М ), из которой следует, что при возрастании массового числа разделяемых ионов величина λ = f ( М ) должна увеличиваться для сохранения ∆ М = const.

Рис. 2. Зависимость коэффициента k от массы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В итоге получены данные, которые позволяют, не проводя прямых высокоточных измерений амплитуды высоковольтного высокочастотного напряжения V, вернуть выходные параметры генератора к исходным величинам, для чего достаточно ввести реперное вещество, настроиться на вершину соответствующего пика и, используя данные таблицы, при необходимости подстроить постоянную составляющую U в данной точке на шкале масс. Такая подстройка не только возвращает разрешающую способность в исходное состояние, но главное обеспечивает сохранение чувствительности в данной точке шкалы масс (величина пика существенно зависит даже от очень небольших изменений разрешающей способности). Если работать с масс-анализатором высокого качества, сохраняющим прецизионность установки электродов, то основные параметры масс-спектрометра после указанной подстройки вернутся в исходное состояние, причем, как правило, достаточно осуществить подстройку "поляризации", не изменяя угла наклона линии развертки в координатах а и q. При этом сохраняется относительная чувствитель- ность вдоль шкалы масс, зависящая также от стабильности во времени коэффициента умножения умножителя и чувствительности источника ионов.