RU2529009C2 - Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation - Google Patents
Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2529009C2 RU2529009C2 RU2012155613/07A RU2012155613A RU2529009C2 RU 2529009 C2 RU2529009 C2 RU 2529009C2 RU 2012155613/07 A RU2012155613/07 A RU 2012155613/07A RU 2012155613 A RU2012155613 A RU 2012155613A RU 2529009 C2 RU2529009 C2 RU 2529009C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reactor
- gas
- ions
- gas sample
- glow discharge
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 72
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 abstract description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 abstract description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 abstract description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 77
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 55
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 26
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 7
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 7
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 7
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 150000001793 charged compounds Polymers 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 2
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000000559 atomic spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000003891 environmental analysis Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000001036 glow-discharge mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 238000002483 medication Methods 0.000 description 1
- 230000005405 multipole Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000825 pharmaceutical preparation Substances 0.000 description 1
- 229940127557 pharmaceutical product Drugs 0.000 description 1
- 229940065287 selenium compound Drugs 0.000 description 1
- 150000003343 selenium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000006276 transfer reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при анализе окружающей среды, идентификации и определении количества примесей различных химических веществ в окружающем воздухе, в технологических процессах, контроле выдыхаемого воздуха при диагностике и лечении различных заболеваний, контроле содержания медицинских препаратов в выдыхаемом воздухе при операциях, контроле фармацевтической продукции, пищевых продуктов, различных органических веществ и других объектов.The invention relates to analytical instrumentation and can be used in environmental analysis, identification and determination of the amount of impurities of various chemicals in the ambient air, in technological processes, control of exhaled air in the diagnosis and treatment of various diseases, control of the content of medications in exhaled air during operations, control of pharmaceutical products, food products, various organic substances and other objects.
Известны способ и устройство, в которых проба из колонки газового хроматографа вместе с потоком газа вводится в радиочастотный тлеющий разряд, возбуждаемый в Не при низком давлении - 0.7 Торр, где происходит диссоциация и ионизация определяемых летучих соединений непосредственно в разряде [М.М.Вауоп, C. B.Hymer, C.A.Ponce de Leon and J.A.Garuso. The use of radiofrequency glow discharge mass-spectrometry (rf-GD-MS) coupled to gas chromatography for the determination of selenoaminoacids in biological samples // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2001, V. 16, Р.492-497]. При оптимальной мощности разряда происходит практически полная диссоциация анализируемых соединений (в данном случае соединений селена). Использование в качестве балластного газа гелия, а не аргона, позволяет уйти от влияния полиатомных ионов (40 Ar40Ar+ и др.) на результаты анализа.A known method and device in which a sample from a column of a gas chromatograph together with a gas stream is introduced into a radio frequency glow discharge excited in He at low pressure - 0.7 Torr, where the determined volatile compounds are dissociated and ionized directly in the discharge [M.M. Wauop, CBHymer, CAPonce de Leon and JAGaruso. The use of radiofrequency glow discharge mass-spectrometry (rf-GD-MS) coupled to gas chromatography for the determination of selenoaminoacids in biological samples // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 2001, V. 16, P. 492-497]. At an optimal discharge power, almost complete dissociation of the analyzed compounds (in this case, selenium compounds) occurs. The use of helium rather than argon as ballast gas allows one to get away from the influence of polyatomic ions ( 40 Ar 40 Ar + and others) on the analysis results.
Недостатком известных технических решений является ограниченность получаемой информации - теряется информация о структуре органических соединений, поскольку в результате ионизации образуются только атомарные ионы, и остается информация лишь об элементном составе пробы.A disadvantage of the known technical solutions is the limited information received - information about the structure of organic compounds is lost, since only atomic ions are formed as a result of ionization, and information remains only on the elemental composition of the sample.
Известны принятые за прототип способ и устройство масс-спектрометрического анализа газовой пробы в тлеющем разряде, в которых способ содержит создание тлеющего разряда в потоке ионизирующего газа, транспорт ионизирующего газа через кондиционер к реактору, ввод предварительно подготовленной газовой пробы в ионизатор масс-спектрометра, ионизацию компонентов пробы, транспортировку ионов к масс-анализатору и масс-спектральную регистрацию ионов (А.Verentchikov, A.Zamyatin // Mass spectrometer with soft ionizing glow discharge and conditioner//International patent application WO 2012/024570, Priority date 19.08.2010, Published 23.02.2012).Known for the prototype method and device for mass spectrometric analysis of a gas sample in a glow discharge, in which the method comprises creating a glow discharge in a stream of ionizing gas, transporting the ionizing gas through an air conditioner to the reactor, introducing a previously prepared gas sample into the ionizer of the mass spectrometer, ionizing the components samples, transportation of ions to the mass analyzer, and mass spectral registration of ions (A.Verentchikov, A.Zamyatin // Mass spectrometer with soft ionizing glow discharge and conditioner // International patent application WO 2012/024570, Priority date 08.19.20 10, Published 02.23.2012).
Устройство для реализации этого способа включает в себя последовательно расположенные блок тлеющего разряда, канал для ионизирующего газа, размеры которого позволяет разделять быстрые электроны от атомов и ионов тлеющего разряда, ввод исследуемой газовой пробы, реактор, в котором поддерживают давление -30 миллибар, необходимое для реализации способа, блок транспорта ионов и масс-анализатор.A device for implementing this method includes a sequentially arranged glow discharge unit, a channel for an ionizing gas, the dimensions of which allow the separation of fast electrons from atoms and ions of a glow discharge, the introduction of a test gas sample, and a reactor in which the pressure of -30 mbar is required to realize method, ion transport unit and mass analyzer.
Однако предлагаемые технические решения требуют сложных технологических решений для обеспечения требуемого вакуума, при транспортировке ионов из реактора в масс-анализатор (откачки); необходимы мощные вакуумные насосы. Кроме того, потери ионов пробы при транспортировке их к масс-анализатору просто потоком газа снижают чувствительность метода, информативность получаемых масс-спектров и тем самым ограничивают аналитические возможности газовой масс-спектрометрии.However, the proposed technical solutions require complex technological solutions to provide the required vacuum when transporting ions from the reactor to the mass analyzer (pumping); powerful vacuum pumps are needed. In addition, the loss of sample ions when they are transported to the mass analyzer simply by a gas stream reduces the sensitivity of the method, the information content of the obtained mass spectra is informative, and thereby limit the analytical capabilities of gas mass spectrometry.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение аналитических возможностей газовой масс-спектрометрии с одновременным упрощением процесса.The task of the invention is to expand the analytical capabilities of gas mass spectrometry while simplifying the process.
Поставленная задача достигается тем, что способ масс-спектрометрического анализа газовой пробы в тлеющем разряде включает создание тлеющего разряда в потоке ионизирующего газа, подачу потока ионизирующего газа вместе с исследуемой газовой пробой в реактор, ионизацию компонентов газовой пробы в реакторе, транспортировку ионов к масс-анализатору и масс-спектральную регистрацию образующихся ионов. Новизна при этом заключается в том, что ионизацию компонентов газовой пробы осуществляют в присутствии фокусирующего радиочастотного электрического поля, при этом давление в реакторе поддерживают в диапазоне 0.03-3 миллибар, а поток газовой пробы вводят вдоль оси потока ионизирующего газа из тлеющего разряда.The problem is achieved in that the method of mass spectrometric analysis of a gas sample in a glow discharge includes creating a glow discharge in a stream of ionizing gas, supplying a stream of ionizing gas along with the gas sample to be studied into the reactor, ionizing the components of the gas sample in the reactor, transporting ions to the mass analyzer and mass spectral registration of the resulting ions. In this case, the novelty lies in the fact that the ionization of the components of the gas sample is carried out in the presence of a focusing radio-frequency electric field, while the pressure in the reactor is maintained in the range of 0.03-3 mbar, and the gas sample stream is introduced along the axis of the flow of ionizing gas from the glow discharge.
Наиболее простым техническим решением является создание фокусирующего радиочастотного электрического поля четырьмя параллельными симметрично расположенными электродами, при этом на обе пары противоположных электродов подают радиочастотное напряжение с противоположными знаками.The simplest technical solution is to create a focusing radio-frequency electric field with four parallel symmetrically arranged electrodes, while a radio-frequency voltage with opposite signs is applied to both pairs of opposite electrodes.
Наиболее просто создавать фокусирующее радиочастотное электрическое поле с помощью квадруполя.The easiest way is to create a focusing radio frequency electric field using a quadrupole.
При создании фокусирующего радиочастотного электрического поля с помощью квадруполя для удаления из реактора нежелательных ионов ионизацию компонентов газовой пробы проводят при наложении на фокусирующее радиочастотное поле дополнительного периодического переменного электрического поля:When creating a focusing radio-frequency electric field using a quadrupole to remove unwanted ions from the reactor, the ionization of the components of the gas sample is carried out by applying an additional periodic alternating electric field to the focusing radio-frequency field:
, ,
где t - время,where t is the time
- амплитуда напряженности дополнительного поля в области ионизации, - the amplitude of the additional field in the ionization region,
а частота осцилляции дополнительного поля Ω находится в соответствии с m/q исключаемого иона по формуле
где U0 - амплитуда, ω - частота основного синусоидального радиочастотного напряжения, подаваемого на стержни квадруполя,where U 0 is the amplitude, ω is the frequency of the main sinusoidal radio frequency voltage supplied to the rods of the quadrupole,
R0 - радиус вписанной в квадруполь окружности,R 0 is the radius of the circle inscribed in the quadrupole,
a m и q - масса и заряд удаляемых ионов соответственно.a m and q are the mass and charge of the removed ions, respectively.
6. Способ по п.3, отличающийся тем, что для удаления нескольких групп ионов с различными m/q ионизацию компонентов газовой пробы проводят при наложении на фокусирующее радиочастотное поле квадруполя дополнительного периодического переменного электрического поля:6. The method according to
, ,
где - амплитуда напряженности каждой компоненты,Where - the amplitude of the tension of each component,
t - время,t is the time
Ω1… - Ωn - резонансные частоты осцилляции выбранных для исключения ионов, определяемые по формуле
где U0 - амплитуда, ω - частота основного синусоидального радиочастотного напряжения, подаваемого на стержни квадруполя,where U 0 is the amplitude, ω is the frequency of the main sinusoidal radio frequency voltage supplied to the rods of the quadrupole,
R0 - радиус вписанной в квадруполь окружности,R 0 is the radius of the circle inscribed in the quadrupole,
a m и q - масса и заряд удаляемых ионов соответственно.a m and q are the mass and charge of the removed ions, respectively.
Тлеющий разряд в потоке ионизирующего газа желательно создавать без контакта с электродами.It is desirable to create a glow discharge in the flow of ionizing gas without contact with the electrodes.
Наиболее технологично направлять поток ионизирующего газа из тлеющего разряда вдоль продольной оси реактора.It is most technologically advanced to direct the flow of ionizing gas from a glow discharge along the longitudinal axis of the reactor.
Для увеличения эффективности экстракции ионов из реактора давление ионизирующего газа в реакторе желательно поддерживать в диапазоне 0.01-3 миллибар.To increase the efficiency of extraction of ions from the reactor, it is desirable to maintain the pressure of the ionizing gas in the reactor in the range of 0.01-3 mbar.
Для увеличения чувствительности анализа за счет уменьшения адсорбции молекул пробы в линии ввода перед подачей газовой пробы в реактор ее можно нагревать до температуры 200-250°C.To increase the sensitivity of the analysis by reducing the adsorption of sample molecules in the inlet line, it can be heated to a temperature of 200-250 ° C before the gas sample is fed into the reactor.
Для увеличения чувствительности анализа перед подачей газовой пробы в реактор ее желательно отделять от воздуха.To increase the sensitivity of the analysis, it is desirable to separate it from the air before supplying the gas sample to the reactor.
Еще одним аспектом изобретения является устройство для масс-спектрометрического анализа, описанного выше, состоящее из источника тлеющего разряда, канала для подачи ионизирующего газа, реактора для ионизации компонентов газовой пробы, блока транспорта ионов и масс-анализатора, новизна которого заключается в том, что оно дополнительно содержит фокусирующий радиочастотный ионно-оптический элемент, расположенный внутри реактора вдоль его продольной оси, при этом источник тлеющего разряда объединен с каналом для ионизирующего газа.Another aspect of the invention is the mass spectrometric analysis apparatus described above, consisting of a glow discharge source, an ionizing gas supply channel, a reactor for ionizing gas sample components, an ion transport unit and a mass analyzer, the novelty of which is that it additionally contains a focusing radio-frequency ion-optical element located inside the reactor along its longitudinal axis, while the source of the glow discharge is combined with the channel for ionizing gas.
В качестве фокусирующих радиочастотных ионно-оптических элементов может быть выбран любой элемент из ряда: квадруполь. секступоль, октуполь, набор соосных металлических диафрагм, ионная воронка.As focusing radio-frequency ion-optical elements, any element from the series can be selected: a quadrupole. sextupole, octupole, set of coaxial metal diaphragms, ion funnel.
Для улучшения фокусировки ионов реактор дополнительно содержит блок ионной оптики постоянного тока, расположенный между фокусирующим радиочастотным ионно-оптическим элементом и выходным отверстием реактора.To improve ion focusing, the reactor further comprises a direct current ion optic unit located between the focusing radio frequency ion-optical element and the outlet of the reactor.
Наиболее технологичным является выполнение блока транспорта ионов из последовательно расположенных элементов ионной оптики постоянного тока и элементов радиочастотной оптики.The most technologically advanced is the implementation of an ion transport block from sequentially arranged elements of direct current ion optics and radio frequency optics elements.
Использование фокусирующего радиочастотного поля в масс-спектрометрическом анализе газовой пробы известно. Однако эти элементы прежде использовались либо для повышения эффективности транспортировки ионов от реактора к масс-анализатору (для чего располагались между ними), либо в качестве масс-анализатора, для анализа по массам ионов от какого-либо внешнего ионного источника и получения масс-спектра.The use of a focusing radio frequency field in mass spectrometric analysis of a gas sample is known. However, these elements were previously used either to increase the efficiency of transporting ions from the reactor to the mass analyzer (for which they were located between them), or as a mass analyzer, for analyzing the masses of ions from any external ion source and obtaining a mass spectrum.
Нами впервые было предложено размещать фокусирующий радиочастотный ионно-оптический элемент в реакторе и проводить ионизацию компонентов газовой пробы в присутствии фокусирующего радиочастотного электрического поля при заявляемых условияхWe were the first to propose placing a focusing radio-frequency ion-optical element in a reactor and ionizing the components of a gas sample in the presence of a focusing radio-frequency electric field under the claimed conditions
Технический результат при этом будет заключаться в повышении чувствительности масс-спектрометрического анализа, увеличении информативности получаемых масс-спектров, и упрощении процесса за счет снижения мощности вакуумной откачки, требуемой для осуществления способа.The technical result in this case will be to increase the sensitivity of mass spectrometric analysis, increase the information content of the obtained mass spectra, and simplify the process by reducing the vacuum pumping power required to implement the method.
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение не известно из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".Analysis of the known technical solutions allows us to conclude that the invention is not known from the prior art, which indicates its compliance with the criterion of "novelty."
Сущность настоящего изобретения для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".The essence of the present invention for specialists does not follow explicitly from the prior art, which allows us to conclude that it meets the criterion of "inventive step".
Возможность проведения способа с достижением поставленной задачи свидетельствует о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".The possibility of carrying out the method with the achievement of the task indicates that the invention meets the criterion of "industrial applicability".
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства;Figure 1 presents a block diagram of the proposed device;
На фиг.2 приведены два масс-спектра газовой пробы при вводе газовой пробы на входе в реактор вдоль оси потока ионизирующего газа гелия из тлеющего разряда: (А) - масс-спектр газовой пробы из воздуха лабораторного помещения, (Б) - масс-спектр воздуха из лабораторного помещения, в который добавлено 5 миллионных долей гексана;Figure 2 shows two mass spectra of a gas sample when introducing a gas sample at the inlet of the reactor along the axis of the flow of ionizing helium gas from a glow discharge: (A) the mass spectrum of the gas sample from the air in the laboratory room, (B) the mass spectrum air from the laboratory room, which added 5 ppm of hexane;
На фиг.3 приведен масс-спектр газовой пробы воздуха лабораторного помещения с 5 миллионными долями гексана, полученный в отсутствие фокусирующего радиочастотного поля;Figure 3 shows the mass spectrum of a gas sample of air in a laboratory room with 5 millionths of hexane, obtained in the absence of a focusing radio frequency field;
На фиг.4 приведен масс-спектр газовой пробы воздуха лабораторного помещения с 5 миллионными долями гексана, полученный с фокусирующим радиочастотным полем при вводе газовой пробы в объем реактора перпендикулярно оси потока ионизирующего газа гелия из тлеющего разряда;Figure 4 shows the mass spectrum of a gas sample of air from a laboratory room with 5 ppm hexane obtained with a focusing radio frequency field when a gas sample was introduced into the reactor volume perpendicular to the axis of the flow of ionizing helium gas from a glow discharge;
На фиг.5 приведен масс-спектр газовой пробы воздуха из лабораторного помещения, при давлении газа в реакторе на уровне 0.03 миллибар при вводе газовой пробы на входе в реактор.Figure 5 shows the mass spectrum of a gas sample of air from a laboratory room, at a gas pressure in the reactor at a level of 0.03 mbar when introducing a gas sample at the inlet to the reactor.
Устройство для масс-спектрометрического анализа состоит из источника тлеющего разряда 1, объединенного с каналом для подачи ионизирующего газа 2, реактора для ионизации компонентов газовой пробы 3, перед входом в который расположен ввод 4 исследуемой газовой пробы, блока транспорта ионов 5 и масс-анализатора 6. Внутри реактора 3 вдоль его продольной оси расположен фокусирующий радиочастотный ионно-оптический элемент 7, в качестве которого может быть выбран любой элемент из ряда: квадруполь (фиг.1), секступоль, октуполь, набор соосных металлических диафрагм, ионная воронка. Фокусирующий радиочастотный ионно-оптический элемент 7 соединен с блоком радиочастотного напряжения 8.The device for mass spectrometric analysis consists of a source of
Для улучшения фокусировки ионов реактор дополнительно может содержать блок ионной оптики постоянного тока 9, на который подается постоянный потенциал, немного превышающий потенциал на выходном отверстии реактора, и расположенный между фокусирующим радиочастотным ионно-оптическим элементом 7 и выходным отверстием реактора 3.To improve ion focusing, the reactor may further comprise a direct current ion optic unit 9, to which a constant potential is applied, slightly higher than the potential at the outlet of the reactor, and located between the focusing radio-frequency ion-optical element 7 and the outlet of the
Блок транспорта ионов 5 состоит из последовательно расположенных элементов ионной оптики постоянного тока 10 и элементов радиочастотной ионной оптики 11. Элемент радиочастотной ионной оптики 11 предпочтительно содержит транспортный радиочастотный мультиполь (квадруполь, секступоль, октуполь), повышающий эффективность транспорта ионов и уменьшающий разброс ионов по энергии. Уменьшение разброса ионов по энергиям увеличивает разрешение при регистрации масс-спектра в масс-анализаторе. Полученный масс-спектр используется для идентификации химических соединений, содержащихся в исследуемой газовой пробе.The
Устройство работает следующим образом: ионизирующий газ (может быть гелий, аргон, азот, и др.) вводится в канал источника тлеющего разряда 1. Наиболее оптимальные результаты получают при создании тлеющего разряда в потоке ионизирующего газа без контакта с электродами, при этом канал 1 изготовливают из диэлектрического материала. Поток ионизирующего газа, пройдя зону тлеющего разряда, переносит по каналу 2 в реактор 3 активные частицы из тлеющего разряда, т.е. ионы ионизирующего газа, электроны и высоковозбужденные молекулы/атомы ионизирующего газа. При этом давление в реакторе 3 поддерживают в диапазоне 0.03-3 миллибар, а поток газовой пробы через ввод 4 вводят вдоль оси потока ионизирующего газа из тлеющего разряда. Желательно перед подачей газовой пробы в реактор 3 нагревать ввод 4 до температуры 200-250°C, что дает уменьшение адсорбции молекул пробы в линии ввода и соответственно увеличение чувствительности метода.The device operates as follows: an ionizing gas (may be helium, argon, nitrogen, etc.) is introduced into the channel of the source of
Для увеличения чувствительности анализа перед подачей газовой пробы в реактор 3 ее отделяют от воздуха, пропуская газообразную пробу через хроматограф (на фиг.1 не показан).To increase the sensitivity of the analysis, before the gas sample is fed into the
В реакторе 3 газовая проба в потоке ионизирующего газа попадает в радиочастотное поле расположенного здесь ионно-оптического элемента 7. С помощью блока радиочастотного напряжения 8 на обе пары противоположных электродов ионно-оптического элемента 7 подают синусоидальное радиочастотное напряжение. При расширении газовой пробы вдоль оси потока радиочастотное поле ионно-оптического элемента 7 не позволяет им разбежаться, а удерживает, собирает на оси реактора и обеспечивает эффективную экстракцию ионов в выходное отверстие реактора 3.In the
Свободные электроны слабо проникают в область внутри ионно-оптического элемента 7, создающего радиочастотное поле, и потому снижается передача энергии на образующиеся ионы пробы, и увеличивается интенсивность молекулярных ионов пробы (M-H)+ в масс-спектре. Таким образом, повышаются аналитические характеристики прибора, т.к. молекулярный ион, в отличие от осколочных ионов, является характерным для конкретного химического соединения. В результате при увеличения относительной интенсивности молекулярного иона уменьшается предел обнаружения химических соединений в пробе и повышается надежность идентификации химических соединений в пробе.Free electrons penetrate weakly into the region inside the ion-optical element 7, which creates a radio frequency field, and therefore the energy transfer to the formed sample ions decreases, and the intensity of the molecular ions of the sample (M-H) + in the mass spectrum increases. Thus, the analytical characteristics of the device are increased, because molecular ion, unlike fragmentation ions, is characteristic of a particular chemical compound. As a result, with an increase in the relative intensity of the molecular ion, the detection limit of chemical compounds in the sample decreases and the reliability of identification of chemical compounds in the sample increases.
Для более селективного удаления из реактора 3 нежелательных ионов ионизацию компонентов газовой пробы проводят при наложении на фокусирующее радиочастотное поле квадруполя 7 с помощью блока радиочастотного напряжения 8 дополнительного периодического переменного электрического поля:For a more selective removal of undesirable ions from the
, ,
где t - время,where t is the time
- амплитуда напряженности дополнительного поля в области ионизации, - the amplitude of the additional field in the ionization region,
а частота осцилляции дополнительного поля Ω находится в соответствии с m/q исключаемого иона по формуле
где U0 - амплитуда, ω - частота основного синусоидального радиочастотного напряжения, подаваемого на стержни квадруполя,where U 0 is the amplitude, ω is the frequency of the main sinusoidal radio frequency voltage supplied to the rods of the quadrupole,
R0 - радиус вписанной в квадруполь окружности,R 0 is the radius of the circle inscribed in the quadrupole,
a m и q - масса и заряд удаляемых ионов соответственно.a m and q are the mass and charge of the removed ions, respectively.
6. Способ по п.3., отличающийся тем, что для удаления нескольких групп ионов с различными m/q ионизацию компонентов газовой пробы проводят при наложении на фокусирующее радиочастотное поле квадруполя дополнительного периодического переменного электрического поля:6. The method according to claim 3., characterized in that to remove several groups of ions with different m / q, the ionization of the components of the gas sample is carried out by applying an additional periodic alternating electric field to the focusing radio frequency field of the quadrupole:
, ,
где - амплитуда напряженности каждой компоненты,Where - the amplitude of the tension of each component,
t - время,t is the time
Ω1… - Ωn - резонансные частоты осцилляции выбранных для исключения ионов, определяемые по формуле
где U0, - амплитуда, ω - частота основного синусоидального радиочастотного напряжения, подаваемого на стержни квадруполя,where U 0 , is the amplitude, ω is the frequency of the main sinusoidal radio frequency voltage supplied to the rods of the quadrupole,
R0 - радиус вписанной в квадруполь окружности,R 0 is the radius of the circle inscribed in the quadrupole,
a m и q - масса и заряд удаляемых ионов соответственно.a m and q are the mass and charge of the removed ions, respectively.
Создание дополнительного переменного поля с частотой резонансных колебаний одного исключаемого иона или суммы нескольких переменных полей с частотами, соответствующими резонансным частотам исключаемых ионов, позволяет селективно исключить ионы в окрестности одной или нескольких выбранных величин m/q. Таким образом, можно селективно исключать или ослаблять каналы реакций ионизации, в которых задействованы исключаемые ионы, и сохранить в масс-спектре легкие ионы с малыми m/q, несущие важную аналитическую информацию.The creation of an additional alternating field with the frequency of the resonant vibrations of one excluded ion or the sum of several alternating fields with frequencies corresponding to the resonant frequencies of the excluded ions makes it possible to selectively exclude ions in the vicinity of one or more selected m / q values. Thus, it is possible to selectively exclude or weaken the channels of ionization reactions in which excluded ions are involved, and to keep light ions with small m / q in the mass spectrum that carry important analytical information.
Таким образом, использование подачи дополнительного переменного напряжения на ионно-оптический элемент 7 в реакторе 3 позволяет дополнительно расширить функциональные возможности заявляемого устройства для масс-спектрометрического анализа. Например, в масс-спектре ослабляются или пропадают ионы, образующиеся в результате реакции переноса протона, увеличивается интенсивность ионов, образующихся в результате ионизации возбужденными частицами ионизирующего газа, и упрощается вид получаемого масс-спектра, что упрощает идентификацию соединений в составе газовой пробы.Thus, the use of the supply of additional alternating voltage to the ion-optical element 7 in the
Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемые технические решенияThe examples below confirm, but do not limit, the proposed technical solutions.
Пример 1. Подаем ионизирующий газ гелий по стеклянному каналу диаметром 4 мм, активируем (включаем) тлеющий разряд с помощью двух электродов, расположенных снаружи канала, подавая на них переменное напряжение с амплитудой около 500 В на частоте около 500 кГц (при этом тлеющий разряд в потоке ионизирующего газа создают без контакта ионизирующего газа с электродами). Ионизирующий газ поступает в реактор, в котором расположен квадруполь из 4-х стержней диаметром 5 мм, диаметр вписанной в квадруполь окружности 5 мм. На пары противоположных стержней квадруполя подают синусоидальное радиочастотное напряжение амплитудой 20 Вольт и частотой 1 МГц. Две пробы воздуха из лабораторного помещения без примеси
Пример 2. То же, что в примере 1, только процесс проводят в отсутствие синусоидального радиочастотного поля в зоне ионизации анализируемой пробы. Масс-спектр (фиг.3) газовой пробы воздуха с 5 миллионными долями гексана, полученный при выключенном поле квадруполя, показывает, что интенсивность как молекулярного (M-H)+, так и осколочных пиков гексана примерно в 50 раз меньше, чем для случая фокусировки ионов радиочастотным полем квадруполя (фиг.2).Example 2. The same as in example 1, only the process is carried out in the absence of a sinusoidal radio frequency field in the ionization zone of the analyzed sample. The mass spectrum (Fig. 3) of a gas sample of air with 5 ppm hexane obtained with the quadrupole off, shows that the intensity of both molecular (MH) + and fragment hexane peaks is approximately 50 times lower than for the case of ion focusing the radio frequency field of the quadrupole (figure 2).
Пример 3. То же, что в примере 1, только процесс проводят, осуществляя ввод газовой пробы перпендикулярно оси потока гелия из тлеющего разряда. Параметры напряжений, поданные на радиочастотный квадруполь, были те же, что и для масс-спектра на фиг.2. На масс-спектре газовой пробы воздуха с 5 миллионными долями гексана, приведенном на фиг.4, видно, что интенсивность полученного пика молекулярного иона гексана (M-H)+ в 10 раз меньше, чем для случая ввода газовой пробы вдоль оси потока ионизирующего газа из тлеющего разряда (фиг.2).Example 3. The same as in example 1, only the process is carried out by introducing a gas sample perpendicular to the axis of the helium flow from a glow discharge. The voltage parameters applied to the radio-frequency quadrupole were the same as for the mass spectrum in figure 2. In the mass spectrum of a gas sample of air with 5 ppm hexane, shown in Fig. 4, it is seen that the intensity of the obtained peak of the molecular ion hexane (MH) + is 10 times less than for the case of introducing a gas sample along the axis of the flow of ionizing gas from the smoldering discharge (figure 2).
Пример 4. То же, что в примере 1, только процесс проводят при изменении давления газа, поддерживаемого в реакторе с помощью регулировки подачи газовой пробы и вакуумной откачки объема реактора. При этом обнаружена зависимость набора реакций ионизации, определяющих состав ионов газовой пробы в масс-спектре. Если давление в реакторе составляет <0,03 миллибар, то состав ионов в масс-спектре определяет реакция прямой ионизации молекул пробы активными частицами возбужденного гелия из тлеющего разряда:Example 4. The same as in example 1, only the process is carried out when changing the pressure of the gas maintained in the reactor by adjusting the flow of the gas sample and vacuum pumping the volume of the reactor. In this case, the dependence of the set of ionization reactions that determine the composition of the ions of the gas sample in the mass spectrum was found. If the pressure in the reactor is <0.03 mbar, then the composition of the ions in the mass spectrum determines the reaction of direct ionization of the sample molecules by active particles of excited helium from a glow discharge:
He*+Π→He+Π+e-.He * + Π → He + Π + e - .
На масс-спектре, приведенном на фиг.5, полученном при напуске газовой пробы и поддержании давления в реакторе на уровне <0,03 миллибар, видны интенсивные ионы
и. т.дand. etc
При давлении в реакторе выше ~3 миллибар эффективность фокусировки ионов радиочастотным поле падает более чем в 10 раз.At a pressure in the reactor above ~ 3 mbar, the efficiency of ion focusing by the radio-frequency field decreases by more than 10 times.
Таким образом, предлагаемые изобретения позволяют повысить чувствительность анализа газовых проб более чем в 50 раз при использовании стандартного вакуумного оборудования для откачки, что свидетельствует об упрощении процесса за счет снижения мощности вакуумной откачки, требуемой для осуществления способа прототипа. Также используемый режим ионизации позволяет получать интенсивные молекулярные ионы органических соединений, дающие возможность более надежной идентификации исследуемой пробы и увеличение информативности получаемых масс-спектров.Thus, the proposed invention allows to increase the sensitivity of the analysis of gas samples by more than 50 times using standard vacuum equipment for pumping, which indicates the simplification of the process by reducing the power of vacuum pumping required to implement the prototype method. The ionization mode used also makes it possible to obtain intense molecular ions of organic compounds, which make it possible to more reliably identify the test sample and increase the information content of the obtained mass spectra.
Claims (13)
,
где t - время,
- амплитуда напряженности дополнительного поля в области ионизации,
а частота осцилляций дополнительного поля Ω находится в соответствии с m/q исключаемого иона по формуле
где U0 - амплитуда, ω - частота основного синусоидального радиочастотного напряжения, подаваемого на стержни квадруполя,
R0 - радиус вписанной в квадруполь окружности,
a m и q - масса и заряд удаляемых ионов соответственно.5. The method according to claim 4, characterized in that to remove unwanted ions from the reactor, the ionization of the components of the gas sample is carried out by applying an additional periodic alternating electric field to the quadrupole focusing radio frequency field:
,
where t is the time
- the amplitude of the additional field in the ionization region,
and the oscillation frequency of the additional field Ω is in accordance with m / q of the excluded ion by the formula
where U 0 is the amplitude, ω is the frequency of the main sinusoidal radio frequency voltage supplied to the rods of the quadrupole,
R 0 is the radius of the circle inscribed in the quadrupole,
am and q are the mass and charge of the removed ions, respectively.
,
где - амплитуда напряженности каждой компоненты,
t - время,
Ω1…… - Ωn - резонансные частоты осцилляций выбранных для исключения ионов, определяемые по формуле
где U0, - амплитуда, ω - частота основного синусоидального радиочастотного напряжения, подаваемого на стержни квадруполя,
R0 - радиус вписанной в квадруполь окружности,
a m и q - масса и заряд удаляемых ионов соответственно.6. The method according to claim 3, characterized in that to remove several groups of ions with different m / q, the ionization of the components of the gas sample is carried out by applying an additional periodic alternating electric field to the focusing radio frequency field of the quadrupole:
,
Where - the amplitude of the tension of each component,
t is the time
Ω 1 …… - Ω n are the resonance frequencies of the oscillations of the ions selected to exclude, determined by the formula
where U 0 , is the amplitude, ω is the frequency of the main sinusoidal radio frequency voltage supplied to the rods of the quadrupole,
R 0 is the radius of the circle inscribed in the quadrupole,
am and q are the mass and charge of the removed ions, respectively.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012155613/07A RU2529009C2 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012155613/07A RU2529009C2 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012155613A RU2012155613A (en) | 2014-06-27 |
| RU2529009C2 true RU2529009C2 (en) | 2014-09-27 |
Family
ID=51215952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012155613/07A RU2529009C2 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2529009C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584272C2 (en) * | 2014-07-24 | 2016-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Альфа" (ООО "Альфа") | Method of conveying ion fluxes in sources of ions with ionisation at atmospheric pressure for chromatography-mass-spectrometers gc-ms |
| RU2800631C1 (en) * | 2022-12-29 | 2023-07-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Ионоскоп" | Device and method for transporting and focusing ions |
| WO2024144416A1 (en) * | 2022-12-29 | 2024-07-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Ионоскоп" | Device and method for transporting and focusing ions |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114334603B (en) * | 2021-12-14 | 2024-05-03 | 中国计量科学研究院 | Glow discharge electron bombardment ionization source mass spectrum system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7351965B2 (en) * | 2006-01-30 | 2008-04-01 | Varian, Inc. | Rotating excitation field in linear ion processing apparatus |
| US7547878B2 (en) * | 2006-06-29 | 2009-06-16 | Ionwerks, Inc. | Neutral/Ion reactor in adiabatic supersonic gas flow for ion mobility time-of-flight mass spectrometry |
| RU2420826C1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-06-10 | Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН Российской Федерации | Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap |
-
2012
- 2012-12-21 RU RU2012155613/07A patent/RU2529009C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7351965B2 (en) * | 2006-01-30 | 2008-04-01 | Varian, Inc. | Rotating excitation field in linear ion processing apparatus |
| US7547878B2 (en) * | 2006-06-29 | 2009-06-16 | Ionwerks, Inc. | Neutral/Ion reactor in adiabatic supersonic gas flow for ion mobility time-of-flight mass spectrometry |
| RU2420826C1 (en) * | 2010-05-20 | 2011-06-10 | Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН Российской Федерации | Method for structural chemical analysis of organic and bioorganic compounds while separating ions of said compounds in supersonic gas stream directed along linear radio-frequency trap |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WO2012024570A2, H01J 49/14, 23.02.2012, формула, реферат, фиг.1. RU 2402099C1, H01J 49/26, 20.10.2010, c.5-10. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2584272C2 (en) * | 2014-07-24 | 2016-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Альфа" (ООО "Альфа") | Method of conveying ion fluxes in sources of ions with ionisation at atmospheric pressure for chromatography-mass-spectrometers gc-ms |
| RU2800631C1 (en) * | 2022-12-29 | 2023-07-25 | Общество с ограниченной ответственностью "Ионоскоп" | Device and method for transporting and focusing ions |
| WO2024144416A1 (en) * | 2022-12-29 | 2024-07-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Ионоскоп" | Device and method for transporting and focusing ions |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012155613A (en) | 2014-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11959846B2 (en) | In situ chemical transformation and ionization of inorganic perchlorates on surfaces | |
| US7005635B2 (en) | Nebulizer with plasma source | |
| US8003935B2 (en) | Chemical ionization reaction or proton transfer reaction mass spectrometry with a quadrupole mass spectrometer | |
| EP3577677B1 (en) | Fourier transform mass spectrometer | |
| US9952179B2 (en) | System and method for trace detection using dual ionization sources | |
| EP3048635A1 (en) | Excitation of reagent molecules within a rf confined ion guide or ion trap to perform ion molecule, ion radical or ion-ion interaction experiments | |
| US9831078B2 (en) | Ion source for mass spectrometers | |
| RU2426983C2 (en) | Method and device to produce positive- and/or negative-ionisation gases for gas analysis | |
| US20090095902A1 (en) | Chemical ionization reaction or proton transfer reaction mass spectrometry with a time-of-flight mass spectrometer | |
| KR102314968B1 (en) | Optimized Targeted Analysis | |
| US7935922B2 (en) | Ion guide chamber | |
| RU2529009C2 (en) | Method of mass spectrometric analysis of gas sample in glow discharge and device for its realisation | |
| US7375317B2 (en) | Ion drift-chemical ionization mass spectrometry | |
| US9905406B2 (en) | Charge-stripping of multiply-charged ions | |
| CN115803847A (en) | Reduced charge mass spectrometry for sequencing of oligonucleotide therapeutics | |
| Redeker et al. | Solution cathode glow discharge coupled to atmospheric pressure chemical ionization for elemental detection of S and P in organic compounds | |
| Patel et al. | Mass spectrometry-A review | |
| CN100454020C (en) | Gas phase molecular ion reactor device based on radio frequency quadrupole and its realization method and application | |
| Kadhim et al. | Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) Instrumentation, Analysis, Strengths, Limitations, Biomedical and Pharmaceutical Applications | |
| McPartlan et al. | Atmospheric sampling mass spectrometers activate and ionize neutral water microdroplets to MeV energies and up to 200,000+ charges: Implications for water stability and unusual chemistry in microdroplets | |
| GB2522739A (en) | Charge-stripping of multiply-charged ions | |
| Luo | Deep Ultraviolet Single-Photon lonization Mass | |
| SU834493A1 (en) | Method of mass-spectrometric analysis | |
| WO2007008191A1 (en) | Nebulizer with plasma source | |
| Sulimenkov et al. | Study of gaseous sample ionization by excited particles formed in glow discharge using high-resolution orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191222 |