Научное приборостроение, 2021, том 31, № 3

ISSN 0868–5886          
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3, c. 3–9

РАЗРАБОТКА  ПРИБОРОВ  И  СИСТЕМ

3

УДК 621.384.8

 Т. В. Помозов, Н. В. Краснов, 2021

ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ 

В СИСТЕМЕ ДИАФРАГМ НА ТРАНСПОРТИРОВКУ ПОТОКА 
ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Представлены результаты численного моделирования ионно-оптической схемы для транспортировки ионов 
при атмосферном давлении. Показана возможность эффективной транспортировки  ионов в рассматриваемой системе при увеличении локального искривления эквипотенциальных линий электростатического поля 
в окрестности сопла при помощи шейпинга (изменения формы) этого электрода. Шейпинг сопла позволяет 
увеличить величину Iсопло приблизительно в 1.6 раза. Учет газодинамического влияния на транспортировку 
ионного пучка через сопло позволяет в перспективе увеличить значения тока еще в 1.7 раза.

Кл. сл.: спектрометр ионной подвижности, транспортировка ионов при атмосферном давлении, 
электростатическое поле

ВВЕДЕНИЕ

В связи с растущим применением спектромет
ров ионной подвижности в сложных аналитических комплексах LC-ESI-IMS-MS в качестве одной из систем разделения сложных смесей, которые анализируются при исследованиях в биохимии, медицине, контроле лекарств, проводится 
много разработок новых спектрометров ионной 
подвижности с целью увеличения их разрешающей способности и чувствительности [1–4]. Использование таких аналитических комплексов 
увеличивает возможность идентификации анализируемых веществ в сложных смесях за счет учета 
времени удерживания t в LC, подвижности K
в IMS и отношения массы к заряду (m/z) в MS. 
В современных комплексах LC-ESI-IMS-MS используют спектрометр ионной подвижности, являющийся частью интерфейса источника ионов 
ESI, работающего при атмосферном давлении,
и MS, являющийся высоковакуумным прибором. 
Давление в  области дрейфа спектрометра ионной 
подвижности составляет несколько Торр, при этом 
для получения необходимой разрешающей способности спектрометра существенно увеличивается и область дрейфа, и общая длина спектрометра: 
в работах [1–6] размер спектрометра ионной подвижности достигает  порядка 2 м и более. Низкое  
давление
газа 
в 
области 
дрейфа 
приводит 

к использованию  напряженности электрического 
поля в несколько десятков вольт на сантиметр, что 
позволяет избежать электрического пробоя в приборе. Для ввода пучка заряженных частиц из области высокого давления сначала в дрейфовую 
область, а потом из дрейфовой области в следую
щую  ступень дифференциальной откачки массспектрометра предложено использовать электродинамические ионные воронки (ion funnel) [5, 6]. 
Эта идея применена в работах [2, 3]. Устройство 
электродинамической воронки представляет собой 
набор плоских электродов с переменным внутренним диаметром от 50 до 2 мм, толщина которых 
составляет 0.5 мм,  толщина разделяющих их диэлектрических прокладок из тефлона также составляет 0.5 мм. Количество электродов в зависимости от конструкции и места применения электродинамических воронок варьирует от  100 
до 80 штук. Внутренние диаметры электродов 
от электрода к электроду изменяются в зависимости от конструкции и выполняемой задачи. 
На электроды подается постоянное строго определенное для электродов напряжение от десятков 
до нескольких сотен вольт и переменная составляющая с частотой порядка 500 кГц и амплитудой 
от пика до пика порядка 100 В. Основная идея 
применения электродинамической воронки заключается в преобразовании сечения расходящегося пучка заряженных частиц, полученного в источнике ESI (API), в меньшее сечение без потери 
общего ионного тока, т.е. в увеличении плотности 
тока по оси спектрометра ионной подвижности, 
что в свою очередь сопровождается увеличением 
чувствительности прибора.   

Альтернативный подход к преобразованию се
чения расходящегося пучка заряженных частиц 
представлен в работах [7–9], в которых спектрометр ионной подвижности работает при атмосферном давлении. Это  позволяет использовать 
напряженность электрического поля до 1 кВ/см 
и электроды толщиной 0.1 мм, благодаря чему 

Т. В. ПОМОЗОВ, Н. В. КРАСНОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3

4

количество электродов, установленных после распылителя в источнике ионов с распылением в бескапельном режиме при нормальных условиях
(p = 760 Торр, Т = 300 К), сокращается до 3–4 [10–
12]. При этом величина входного диаметра системы транспортировки (первого электрода) должна 
составлять 4–6 мм, чтобы заряженные частицы 
с минимальными потерями прошли через систему 
электродов, последний из которых разделяет систему транспортировки и область дрейфа и имеет 
диаметр отверстия 1.2 мм (32% от тока коронного 
разряда). В дрейфовом пространстве пучок заряженных частиц имеет поперечное сечение 2 мм 
на всей длине 55 мм [9] входа в аналогичную выходную систему транспортировки перед коллектором, при этом последний электрод имеет отверстие диаметром 0.5 мм, что вполне подходит для 
сочленения интерфейса с высоковакуумной частью масс-спектрометра.

В процессе транспортировки ионов к выходной 

диафрагме (соплу), отделяющей область спектрометра ионной подвижности с атмосферным давлением от вакуумной системы масс-анализатора, 
пакеты разделенных ионов движутся  в неоднородном электрическом поле и в потоке  спутного
газа у сопла. Движение ионов осуществляется по 
силовым линиям  электрического поля, которые 
замыкаются на плоскости сопла и краях входного 
отверстия в сопло. В покоящемся газе ионы осаждаются на сопле и не проходят за него. При  организации потока газа через сопло в вакуумную 
часть прибора "вмороженные" в плотный газ ионы 
перераспределяются и частично с газом проникают за сопло. Учитывая высокую напряженность 

электрического поля у края входного отверстия 
в сопло, в вакуумную систему прибора попадает  
часть ионов, находящихся в окрестности входного 
отверстия. Увеличение отверстия в сопле для 
большего проникновения ионов в вакуумную область является нецелесообразным, т.к. ухудшающиеся вакуумные условия не позволяют эффективно проводить транспортировку  и фокусировку 
потока ионов в интерфейсе. Эти недостатки присущи практически всем источникам ионов с ионизацией при атмосферном давлении. Таким образом, транспортировка ионов в таких источниках 
основана на сочетании двух механизмов: движении ионов в постоянном электрическом поле 
и движении ионов и нейтральных частиц в потоке 
газа у входа в сопло.  

В настоящей работе при помощи методов чис
ленного моделирование проводится сравнение качества транспортировки ионов при атмосферном 
давлении в системе на основе плоских тонких 
диафрагм и в системе, в которой форма сопла имеет геометрическую особенность.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ 

В ГАЗЕ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Траектории положительно заряженных ионов, 

эквипотенциальные линии электростатического 
поля в исследуемой транспортирующей схеме 
на основе тонких диафрагм в плоскости, проходящей через оптическую ось, а также  геометрические и электрические параметры схемы  приведены на рис. 1, а.

Рис. 1. Траектории положительно заряженных ионов и эквипотенциальные линии 
электростатического поля в исследуемой 
транспортирующей системе в плоскости, 
проходящей через оптическую ось. 
Стрелками (на (б)) обозначены направления вектора напряженности поля. Геометрические параметры: L = 5 мм, L1 = 1 мм, 
d1 = 4 мм, d2 = 2.65 мм, d3 = 1.2 мм, d4 = 
= 0.5 мм, толщина диафрагм 1–4 составляет 
0.1 мм. Электрические параметры: Uигла =
= 7000 В, U1 = 3000 В, U2 = 2000 В, U3 = 
= 1000 В, U4 = 0 В, Uколл = –100 В

а

б

ВЛИЯНИЕ  ОСОБЕННОСТЕЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО  ПОЛЯ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3

5

На структуру поля влияют как геометрические, 

так и электрические параметры исследуемого устройства, т.е. при малых диаметрах отверстий   более эффективно электрическое поле отбирает 
ионы из коронного разряда в основном по оси исследуемого устройства, качественно это представлено на рис. 1, б. 

Численное моделирование электростатического 

поля и траекторий заряженных частиц в плотном 
газе (воздух) проводилось в программном пакете 
"SIMION 8.0"  с использованием статистической 
диффузионной модели (statistical diffusion simulation (SDS)), которая представлена в качестве пользовательской программы к пакету. В качестве модельного пучка использовались положительные 
ионы азота (m = 14 а.е.м.) со сферическим пространственным распределением (d = 1.5 мм). Моделирование проводилось при нормальных условиях (T = 300 К, p = 760 Торр) без учета влияния 
объемного заряда.

Толщина диафрагм системы транспортировки 

составляет 0.1 мм. Выбор в пользу как можно более тонких диафрагм обусловлен следующими 
моментами. Во-первых, силовые линии замыкаются на электродных поверхностях, поскольку все 
они являются эквипотенциальными поверхностями, поэтому чем тоньше электроды, тем меньше 
зон потенциальной потери ионов. Во-вторых, чем 
тоньше диафрагмы, тем более выраженными фокусирующими свойствами обладает система ввиду 
отсутствия локальных областей дефокусировки 
в канале электрода.  

Разность потенциалов между смежными диа
фрагмами 1–4 составляет 1000 В, поскольку при 
бо́ льших значениях при атмосферном давлении 

может наблюдаться пробой. Фокусирующие свойства ионно-оптической схемы легко объясняются 
картиной эквипотенциальных линий. Заметим, что 
в рассматриваемой геометрии в окрестности 
третьей диафрагмы напряженность поля практически постоянна, так что данная диафрагма может 
быть исключена из конструкции ионного источника. Четвертая диафрагма с диаметром отверстия 
d = 0.5 мм может рассматриваться как плоскость 
сопла.

Результаты численного моделирования показы
вают, что в рассматриваемой ионно-оптической 
схеме трансмиссия ионов  до коллектора составляет примерно 1.5% при используемом начальном 
распределении ионов. Такая низкая величина пропускания объясняется наличием дефокусирующего поля вблизи плоскости сопла, в результате чего 
большая часть ионов, движущихся с почти тепловыми скоростями, теряется в окрестности канала 
электрода. В реальном ионном источнике неизбежно присутствует поток спутного газа у входа 
в сопло, и величина трансмиссии ионов за плоскость сопла должна быть заметно выше. Поэтому 
в качестве оценки эффективности фокусировки 
рассматриваемой схемы может служить доля заряженных частиц, приходящих на сопло в область 
пространства, ограниченную |x| ≤ 0.25 мм и |y| ≤ 
≤ 0.25 мм, которая составляет примерно Iсопло ≈ 
≈ 8.3%.

Эффективность фокусировки ионов в рассмат
риваемой системе можно повысить локальным 
искривлением эквипотенциальных линий электростатического поля в окрестности сопла при помощи шейпинга (изменения формы) этого электрода.

а

б

Рис. 2. Траектории положительно заряженных 
ионов и эквипотенциальные линии электростатического поля в фокусирующей системе с выпуклым соплом в плоскости, проходящей через оптическую ось. 
Геометрические параметры: L1 = 5 мм, L2 = L5
= 

= 1 мм, L3 = 0.65 мм, L4 = 1.65 мм, d1 = 4 мм, d2 = 
= 2.65 мм, d3 = 0.5 мм, R = 1.5 мм, толщина диафрагм 1–3 составляет 0.1 мм. 
Электрические параметры: Uигла = 6000 В, U1 = 
= 2000 В, U2 = 1000 В, U3 = 0 В, Uколл = –100 В

Т. В. ПОМОЗОВ, Н. В. КРАСНОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3

6

На рис. 2, а, показана ионно-оптическая схема 

транспортирующей системы, в которой электрод, 
выполняющий функцию сопла, имеет выпуклую 
форму. Численное моделирование показывает, что 
шейпинг сопла позволяет увеличить величину 
Iсопло приблизительно в 1.6 раза. Учет газодинамического влияния на транспортировку ионного пучка через сопло позволяет в перспективе увеличить 
значения тока еще в 1.7 раза [12].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты численного моделирования показы
вают, что в ионно-оптической системе для транспортировки ионов при атмосферном давлении 
на основе тонких диафрагм шейпинг сопла позволяет заметно улучшить эффективность транспортировки ионов. Так, сопло выпуклой формы, рассматриваемое в наших численных экспериментах, 
позволяет увеличить величину тока, проходящего 
через сопло, приблизительно в 1.6 раза. Учет газодинамического влияния на транспортировку ионного пучка через сопло позволяет в перспективе 
увеличить значения прошедшего еще в 1.7 раза.

Работа выполнена в рамках НИР 0074-2019-0009 

(номер гос. регистрации АААА-А19-119053190069-2), 
входящей в состав Госзадания №075-00980-19-02 ИАП 
РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tang
K., Li
F., Shwartsburg
A., Stritmatter
E.F., 

Smith R.D.
Two-dimensional gas-phase separations 

coupled to mass spectrometry for analysis of complex 
mixtures // Anal. Chem. 2005. Vol. 77, no. 19. P. 6381–
6388. DOI: 10.1021/ac050871x

2. Tang K., Shwartsburg A., Lee H.N., Prior D.C., Busch
tbach
M.A., Li
F., Tolmachev
A., Anderson
G.A., 

Smith R.D.
High-sensitivity ion mobility spectrome
try/mass spectrometry using electrodynamic ion funnel interfaces // Anal. Chem. 2005. Vol. 77, no. 10. P. 3330–
3339. DOI: 10.1021/ac048315a

3. Ibrahim Y.M., Baker E.S., Danielson III W.F., Nor
hem R.V., Prior
D.C., Anderson
G.A., Belov
M.E., 

Smith R.D. Development of a new ion mobility (quadrupole) time-of-flight mass spectrometer // Int. J. Mass 
Spektrom. 2015. Vol. 377, no. 1. P. 655–662. DOI: 
10.1016/j.ijms.2014.07.034   

4. Cumeras R., Fiqueras E.,  Davis C.E., Baumbach J.L., 

Gracia I. Review on ionmobility spectrometry. Part 1: 
Current instrumentation // Analyst. 2015. Vol. 140, no. 5.
P. 1376–1390. DOI: 10.1039/c4an01100g

5. Kim T., Tolmachev A.V., Harkewicz R., Prior D.C., An
derson G., Udseth H.R., Smith R.D., Bailey T.H., Ra
kov S., Futrell J.H. Design and implementation of a new 
electrodynamic ion funnel // Anal. Chem. 2000. Vol. 72, 
no. 10. P. 2247–2255. DOI: 10.1021/ac991412x

6. Shaffer S.A., Prior D.C., Anderson G.A., Udseth H.R.,

Smith R.D. An ion funnel interface for improved ion focusing and sensitivity using electrospray ionization mass 
spectrometry // Anal. Chem. 1998. Vol. 70, no. 19.
P. 4111–4119. DOI: 10.1021/ac9802170

7. Кузьмин 
Д.А, 
Мурадымов 
М.З., 
Помозов 
Т.В., 

Арсеньев А.Н., Краснов Н.В. Транспортировка ионов 
в источниках с ионизацией при атмосферном давлении. I. Субстантивная  геометрия // Научное приборостроение. 2017. Т. 27, № 4. С. 8–16. DOI: 10.18358/np27-4-i816 

8. Арсеньев А.Н., Мурадымов М.З., Краснов М.Н., Кузь
мин Д.А., Помозов Т.В., Краснов Н.В. Транспортировка ионов в источниках с ионизацией при атмосферном 
давлении. II. Инверсная геометрия // Научное приборостроение. 2017.
Т.
27, № 4.
С.
17–23. DOI:

10.18358/np-27-4-i1723

9. Arseniev
A.N., 
KurninI.V., 
KrasnovN.V., 
Murady
mov M.Z., Yavor M.I., Pomozov T.V., Krasnov M.N. Optimization of ion transport from atmospheric pressure ion 
sources // International Journal for Ion Mobility Spectrometry.
2019.
Vol.
22, no.
1.
P.
31–38, DOI: 

10.1007/s12127-018-0242-2

10. Arseniev A.N.,  Muradymov M.Z.,  Krasnov N.V. Investi
gation of electrospray stability with dynamic liquid flow 
splitter // J. of Anal. Chem. 2014. Vol. 69, no. 14. P. 30–
32. DOI: 10.1134/ S1061934814140020

11. Mutin E.M., 
Muradymov M.Z., Krasnov N.V., Kras
nov M.N., Kurnin I.V. Spatial distribution of the dropless 
ESI charged particles at IMS entrance // International 
Journal for Ion Mobility Spectrometry. 2020. Vol. 23.
P. 91–96. DOI: 10.1007/s12127-020-00269-w

12. Куприй П.А., Мурадымов М.З., Краснов Н.В, Кур
нин И.В., Арсеньев А.Н. Влияние газодинамического 
течения на транспортировку ионов через сопло источника ионов с ионизацией при атмосферном давлении // Научное приборостроение. 2020. Т. 30, № 4.
С. 75–83. DOI: 10.18358/np-30-4-i7583 

Институт аналитического приборостроения РАН,  
Санкт-Петербург

Контакты: Краснов Николай Васильевич,
krasnov @alpha-ms.com

Материал поступил в редакцию 05.07.2021

ISSN 0868–5886                        
NAUCHNOE PRIBOROSTROENIE, 2021, Vol. 31, No. 3, pp. 3–9

7

INFLUENCE OF FEATURES OF THE ELECTRIC FIELD 

IN THE DIAPHRAGM SYSTEM ON THE TRANSPORTATION 

OF THE FLOW OF CHARGED PARTICLES 

AT ATMOSPHERIC PRESSURE

T. V. Pomozov, N. V. Krasnov

Institute for Analytical Instrumentation of RAS, Saint Petersburg, Russia

The results of numerical simulation of the ion-optical scheme of ion transport at atmospheric pressure are 

presented. The possibility of efficient transport of ions in the system under consideration with an increase in the 
local curvature of the equipotential lines of the electrostatic field in the vicinity of the nozzle by shaping (changing the shape) of this electrode is shown. Shaping the nozzle allows to increase the value of Iсопло by approximately 1.6  times. Taking into account the gas-dynamic effect on the transport of the ion beam through the nozzle makes it possible to obtain the values of the transmission by 70% higher.

Keywords: ion mobility spectrometer, ion transport at atmospheric pressure, electrostatic field

INTRODUCTION

The use of ion mobility spectrometers in complex 

analytical devices LC-ESI-IMS-MS is growing as one 
of the systems for separating complex mixtures that 
are analyzed in biochemistry, medicine, and drug control research. In this regard, many developments of 
new ion mobility spectrometers are being carried out 
in order to increase their resolution and sensitivity [1–
4].The use of such analytical devices increases the 
possibility of identifying analytes in complex mixtures 
by accounting for the retention time t in LC, mobility 
K in IMS and mass-to-charge ratio (m/z) in MS. Modern LC-ESI-IMS-MS complexes use an ion mobility 
spectrometer, which is part of the ESI ion source interface operating at atmospheric pressure, and MS, 
which is a high vacuum instrument. The pressure in 
the drift region of the ion mobility spectrometer is 
several Torr, while both the drift region and the total 
length of the spectrometer increase substantially to 
obtain the required resolution of the spectrometer: in 
[1–6] the size of the ion mobility spectrometer reaches about 2 m or more. Low gas pressure in the drift 
area results in the use of an electric field strength of 
several tens of volts per centimeter, which avoids 
electrical breakdown in the device.

Electrodynamic ion funnels have been proposed to 

introduce a beam of charged particles from the highpressure region first into the drift region, and then 
from the drift region to the next stage of differential 
pumping of the mass spectrometer [5, 6]. This idea 
was condidered in works [2, 3]. Electrodynamic funnel device is a set of flat electrodes with a variable 
inner diameter from 50 to 2 mm, the thickness of 
which is 0.5 mm; the thickness of the Teflon dielectric 
spacers separating them is 0.5 mm too. The number of 

electrodes, depending on the design and place of application of electrodynamic funnels, varies from 100 
to 80 pieces. The inner diameters of the electrodes 
vary from electrode to electrode depending on the design and the task being performed. A constant strictly 
defined voltage from tens to several hundred volts and 
an alternating component with a frequency of about 
500 kHz and an amplitude from peak to peak of about 
100 V are applied to the electrodes. The main idea of 
using an electrodynamic funnel is to convert the cross 
section of a diverging beam of charged particles obtained in an ESI (API) source into a smaller cross section without losing the total ion transmission, i.e. in an 
increase in the transmission density along the axis of 
the ion mobility spectrometer, which in turn is accompanied by an increase in the sensitivity of the device.

An alternative approach to transforming the cross 

section of a diverging beam of charged particles is 
presented in [7–9], in which the ion mobility spectrometer operates at atmospheric pressure. This allows 
the use of an electric field strength of up to 1 kV / cm 
and electrodes 0.1 mm thick, due to which the number 
of electrodes installed behind the nebulizer in the ion 
source with sputtering in a drip-free mode under normal conditions (p = 760 Torr, T = 300 K) is reduced to 
3–4 [10–12]. In this case, the size of the inlet diameter 
of the transportation system (the first electrode) is to 
be 4–6 mm so that the charged particles would pass 
through the system of electrodes with minimal losses, 
the last of electrodes separates the transportation system and the drift region and has a hole diameter 
of 1.2 mm (32% of the corona discharge current). In 
drift space, the beam of charged particles has a cross 
section of 2 mm along the entire length of 55 mm [9] 
of the entrance to a similar outlet transport system in 
front of the collector, while the last electrode has 

Т. В. ПОМОЗОВ, Н. В. КРАСНОВ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3

8

a hole 0.5 mm in diameter which is quite suitable for 
coupling the interface with the high-vacuum part of 
the mass spectrometer.

In the process of transporting ions to the outlet di
aphragm (nozzle), that separates the region of the ion 
mobility spectrometer with the atmospheric pressure 
from the vacuum system of the mass analyzer, separated ion packets move in an inhomogeneous electric 
field and in the flow of concurrent gas at the nozzle. 
The movement of ions is carried out along the lines of 
flux, which fall to the plane of the nozzle and the 
edges of the inlet to the nozzle. In a gas at rest, ions 
are deposited on the nozzle and do not pass behind it. 
When forming the gas flow through the nozzle into 
the vacuum part of the device, the ions "frozen" into 
the dense gas get redistributed and partially penetrate 
with the gas behind the nozzle. Given the high intensity of the electric field at the edge of the inlet into the 
nozzle, some of the ions located in the vicinity of the 
inlet enter the vacuum system of the device. Increasing the nozzle orifice for larger penetration of ions 
into the vacuum region is impractical, since deteriorating vacuum conditions do not allow efficient transportation and focusing of the ion flow at the interface. 
These disadvantages are inherent in almost all ion 
sources with ionization at atmospheric pressure. Thus, 
the transport of ions in such sources is based on 
a combination of two mechanisms: the movement of 
ions in a constant electric field and the movement of 
ions and neutral particles in gas flow at the inlet to the 
nozzle.

In this work, using numerical simulation methods, 

we compare the quality of ion transport at atmospheric 
pressure in a system based on flat thin diaphragms and 
in a system in which the nozzle shape has a geometric 
feature.

SIMULATION OF ION MOTION IN GAS, 

TAKING INTO ACCOUNT THE INFLUENCE 

OF THE FEATURES OF THE ELECTRIC FIELD

Trajectories of positively charged ions, equipoten
tial lines of the electrostatic field in the investigated 
transport scheme on the basis of thin diaphragms in 
the plane passing through the optical axis, as well as 
the geometric and electrical parameters of the circuit, 
are shown in Fig. 1, a.

The structure of the field is influenced by both 

geometric and electrical parameters of the investigated 
device, i.e. if diameters of the holes are small, the 
electric field more effectively selects ions out from the 
corona discharge, mainly along the axis of the device 
under study, nature of it is presented in Fig. 1, б.

Numerical modeling of the electrostatic field and 

trajectories of charged particles in a dense gas (air) 
was carried out in the SIMION 8.0 software package 
using a statistical diffusion simulation (SDS), which is 

presented as a user program for the package. Positive 
nitrogen ions (m = 14 a.m.u.) with a spherical spatial 
distribution (d = 1.5 mm) were used as a model beam. 
The simulation was carried out under normal conditions (T = 300 K, p = 760 Torr) without taking into 
account the effect of the space charge.

The thickness of the diaphragms of the transport 

system is 0.1 mm. The choice in favor of the thinnest 
possible diaphragms is due to the following points. 
First, the lines of force fall on the electrode surfaces, 
since they are all equipotential surfaces, therefore, the 
thinner the electrodes, the fewer the zones of potential 
ion loss. Second, the thinner the diaphragm, the more 
pronounced focusing properties the system possesses 
due to the absence of local defocusing regions in the 
electrode channel.

The potential difference between adjacent diaph
ragms 1–4 is 1000 V, since higher values can lead to 
a breakdown in terms of atmospheric pressure. The 
focusing properties of the ion-optical scheme are easily explained by the pattern of equipotential lines. Note 
that in the geometry under consideration, in the vicinity of the third diaphragm, the field strength is practically constant, so that this diaphragm can be excluded 
from the ion source design. Fourth diaphragm with 
hole diameter d = 0.5 mm can be considered as the 
plane of the nozzle.

The results of numerical simulations show that, in 

the considered ion-optical scheme, the transmission of 
ions to the collector is approximately 1.5% for the 
initially applied distribution of ions. Such a low 
transmission value is explained by the presence of 
a defocusing field near the nozzle plane, as a result 
most of the ions moving with almost thermal velocities are lost in the vicinity of the electrode channel. In 
a real ion source, there is inevitably a flow of catenary 
gas at the inlet into the nozzle, and the amount of ion 
transmission beyond the plane of the nozzle should be 
noticeably higher. Therefore, the fraction of charged 
particles arriving at the nozzle in the region of space 
bounded by | x | ≤ 0.25 mm and | y | ≤ 0.25 mm, which 
is approximately Iсопло ≈ 8.3%.

The efficiency of ion focusing in the system under 

consideration can be increased by local curvature of 

Fig. 1. Trajectories of positively charged ions and 
equipotential lines of the electrostatic field in the investigated transport system in the plane passing through 
the optical axis.
Arrows (on (б)) indicate the direction of the field 
strength vector. 
Geometric parameters: L = 5 mm, L1 = 1 mm, d1 = 4 mm,
d2 = 2.65 mm, d3 = 1.2 mm, d4 = 0.5 mm, the thickness 
of diaphragms 1–4 is 0.1 mm. 
Electrical parameters: Uигла = 7000 V, U1 = 3000 V, 
U2 = 2000 V, U3 = 1000 V, U4 = 0 V, Uколл = –100 V

ВЛИЯНИЕ  ОСОБЕННОСТЕЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО  ПОЛЯ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3

9

the equipotential lines of the electrostatic field in the 
vicinity of the nozzle by changing the shape of this 
electrode.

In Fig. 2, a, an ion-optical diagram of the transport

system is shown, in which the electrode, acting as 
a nozzle, has a convex shape. Numerical modeling 
shows that nozzle shaping allows increasing the value 
of Iсопло by approximately 1.6 times. Taking into account the gas-dynamic effect on the transport of the 
ion beam through the nozzle makes it possible to increase the transmission values by a factor of 1.7 [12] 
subsequently.

CONCLUSION

The results of numerical simulations show that in 

an ion-optical system for transporting ions based on 
thin diaphragms at atmospheric pressure nozzle shaping can significantly improve the efficiency of ion 
transport. Thus, a convex nozzle considered in our 
numerical experiments makes it possible to increase 
the value of the transmission passing through the nozzle by approximately 1.6 times. Taking into account 
the gas-dynamic effect on the transport of the ion 
beam through the nozzle makes it possible to increase 
the transmission value by a factor of 1.7 in the prospect yet.

The work was carried out within the framework of re
search work 0074-2019-0009 (state registration number 
AAAA-A19-119053190069-2, which is part of the State assignment No. 075-00980-19-02 of the IAP RAS.

REFERENСES

1. Tang K., Li F., Shwartsburg A., Stritmatter E.F., 

Smith R.D.
Two-dimensional gas-phase separations 

coupled to mass spectrometry for analysis of complex 
mixtures. Anal. Chem., 2005, vol. 77, no. 19, pp. 6381–
6388. DOI: 10.1021/ac050871x

2. Tang K., Shwartsburg A., Lee H.N., Prior D.C., Busch
tbach M.A., Li F., Tolmachev A., Anderson G.A., 

Smith R.D.
High-sensitivity ion mobility spectrome
try/mass spectrometry using electrodynamic ion funnel interfaces. Anal. Chem., 2005, vol. 77, no. 10, pp. 3330–
3339. DOI: 10.1021/ac048315a

3. Ibrahim Y.M., Baker E.S., Danielson III W.F., Nor
hem R.V., Prior D.C., Anderson G.A., Belov M.E., 
Smith R.D. Development of a new ion mobility (quadrupole) time-of-flight mass spectrometer. Int. J. Mass Spektrom.,
2015,
vol.
377, no. 1,
pp.
655–662. DOI: 

10.1016/j.ijms.2014.07.034

4. Cumeras R., Fiqueras E.,  Davis C.E., Baumbach J.L., 

Gracia I. Review on ionmobility spectrometry. Part 1: 
Current instrumentation. Analyst., 2015, vol. 140, no. 5,
pp. 1376–1390. DOI: 10.1039/c4an01100g

5. Kim T., Tolmachev A.V., Harkewicz R., Prior D.C., An
derson G., Udseth H.R., Smith R.D., Bailey T.H., Rakov S., Futrell J.H. Design and implementation of a new 
electrodynamic ion funnel. Anal. Chem., 2000, vol. 72, 
no. 10, pp. 2247–2255. DOI: 10.1021/ac991412x

6. Shaffer S.A., Prior D.C., Anderson G.A., Udseth H.R., 

Smith R.D. An ion funnel interface for improved ion focusing and sensitivity using electrospray ionization mass 
spectrometry. Anal. Chem., 1998, vol. 70, no. 19,
pp. 4111–4119. DOI: 10.1021/ac9802170

7. Kuzmin D.A., Muradymov M.Z., Krasnov N.V., Pomozov

N.V., Arseniev A.N. [Transport of ions in sources with 
ionization at atmospheric pressure. I. Substantive geometry]. 
Nauchnoe
Priborostroenie
[Scientific

Instrumentation], 2017, vol. 27, no. 4, pp. 8–16. DOI:
10.18358/np-27-4-i816  (In Russ.).

8. Kuzmin D.A., Muradymov M.Z., Krasnov N.V., Pomozov

N.V., Arseniev A.N., Krasnov M.N. [Transport of ions in 
sources with ionization at atmospheric pressure. II. Inverse geometry]. Nauchnoe Priborostroenie [Scientific 
Instrumentation], 2017, vol. 27, no. 4, pp. 17–23. DOI: 
10.18358/np-27-4-i1723 (In Russ.).

9. Arseniev A.N., Kurnin I.V., Krasnov N.V., Murady
mov M.Z., Yavor M.I., Pomozov T.V., Krasnov M.N. Optimization of ion transport from atmospheric pressure ion 
sources. International Journal for Ion Mobility Spectrometry,
2019,
vol.
22, no.
1,
pp.
31–38, DOI: 

10.1007/s12127-018-0242-2

10. Arseniev A.N.,  Muradymov M.Z.,  Krasnov N.V. Inves
tigation of electrospray stability with dynamic liquid flow 
splitter. J. of Anal. Chem., 2014, vol. 69, no. 14, pp. 30–
32. DOI: 10.1134/ S1061934814140020

11. Mutin E.M.,  Muradymov M.Z., Krasnov N.V., Kras
nov M.N., Kurnin I.V. Spatial distribution of the dropless 
ESI charged particles at IMS entrance. International 
Journal for Ion Mobility Spectrometry, 2020, vol. 23,
pp. 91–96. DOI: 10.1007/s12127-020-00269-w

12. Kupriy P.A., Muradymov M.Z., Krasnov N.V., Kur
nin I.V., Arseniev A.N. [Effect of gas-dynamic flow on 
ion transport through the nozzle of an ion source with ionization at atmospheric pressure]. Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 2020, vol. 30, no. 4,
pp. 75–83. DOI: 10.18358/np-30-4-i7583 (In Russ.).

Contacts: Krasnov Nikolay Vasil'evich,
krasnov @alpha-ms.com
Article received by the editorial office on 05.07.2021

Fig. 2. Trajectories of positively charged ions and 
equipotential lines of the electrostatic field in a focusing system with a convex nozzle in a plane passing 
through the optical axis.
Geometric parameters: L1 = 5 mm, L2 = L5 = 1 mm, 
L3 = 0.65 mm, L4 = 1.65 mm, d1 = 4 mm, d2 = 2.65 mm,
d3 = 0.5 mm, R = 1.5 mm, the thickness of diaphragms 
1–3 is 0.1 mm.
Electrical parameters: Uигла = 6000 V, U1 = 2000 V, 
U2 = 1000 V, U3 = 0 V, Uколл = –100 V

ISSN 0868–5886          
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3, c. 10–15

РАЗРАБОТКА  ПРИБОРОВ  И  СИСТЕМ

10

УДК 621.384.8

 Е. С. Павлова, Н. М. Блашенков, Л. Н. Галль, Н. Р. Галль, 2021

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВВОДА ПРОБЫ 

ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УРЕАЗНОГО ДЫХАТЕЛЬНОГО ТЕСТА

НА МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ HELICOMASS

Разработана специализированная одноканальная система ввода пробы для масс-спектрометра Helicomass, 
предназначенная для реализации уреазного дыхательного теста и проведения научных исследований. Система ввода пробы включает в себя пробозаборную иглу;
манифолд с системой его очистки 

и возможностью напуска как пробы, так и изотопного стандарта; высоковакуумный натекатель Мамырина 
для ввода пробы в источник ионов с электронной ионизацией и алгоритм очистки, включающий серию последовательных откачек и продувок системы сжатым азотом. Система обеспечивает ввод пробы 
до давления в аналитической камере масс-спектрометра 4·10–6 Торр; точность по 21 измерению составляла 
0.1%, что соответствует целевым требованиям прибора. Цикл измерения одной пробы занимает 15 мин, 
включая измерение эталона, очистку системы ввода пробы, измерение пробы и вторую очистку системы 
ввода пробы. Данная система ввода в сочетании с масс-спектрометром Helicomass позволяет проводить изотопный дыхательный тест на наличие и степень осеменения желудка бактерией Helicobacter pylori.

Кл. сл.: система ввода пробы, уреазный дыхательный тест, изотопная масс-спектрометрия, 13С/12С

ВВЕДЕНИЕ

Масс-спектрометрическое измерение изотоп
ных отношений в газовой фазе с использованием 
электронной ионизации предполагает необходимость подачи пробы в высокий вакуум аналитической камеры прибора. Обычно проба подается 
из области атмосферного давления, где она создается или генерируется тем или иным способом [1].
В зависимости от химического состава пробы, ее 
разнообразия и физико-химических свойств используется большое количество технических решений [2].

Несмотря на указанные различия, имеется ряд 

общих характеристик, присущих всем системам 
ввода пробы, применяемым для изотопного анализа. Во-первых, проба должна подаваться так, чтобы не перегрузить систему высоковакуумной откачки; во-вторых, она должна подаваться в количестве, достаточном для точностных измерений; втретьих, изотопные дискриминации при пробоподаче должны мыть минимизированы или, по крайней мере,
постоянны;
и в-четвертых, должна 

иметься возможность попеременной подачи пробы 
и изотопного стандарта желательно через один 
и тот же канал с минимальной памятью прибора. 
Концентрация углекислого газа в изотопном стандарте примерно равна концентрации углекислого 
газа в выдохе. В-пятых, система ввода пробы 
должна поддерживать в рабочем состоянии изотопный масс-спектрометр в нерабочее время.

Специфика реализации уреазного дыхательного 

теста состоит в том, что пробой является выдох 
человека, причем во многих случаях анализ желательно проводить непосредственно после выдоха. 
Выдох человека содержит от 2.5 до 4% углекислого газа (СО2), и его изотопное отношение варьирует от 14 0/00 до 25 0/00 в пределах одной популяции 
и зависит от диеты. Атмосферный воздух при Т =
= 298 К содержит СО2 в концентрации ~3.3·10–2%
от общего объема, а его изотопное отношение составляет 7–8 0/00. Целевой характеристикой уреазного дыхательного теста является измерение изотопного отношения углерода с точностью не хуже 
0.1%. Тест проводится путем сопоставления данных четырех последовательных измерений: изотопного отношения 13С/12С выдоха пациента (без 
препаратов и специальных диет в спокойном физиологическом состоянии) и изотопного отношения 13С/12С выдоха через 10, 20 и 30 мин после 
приема специализированного препарата 13С-карбомид, который представляет собой смесь 75 мг карбамида, обогащенного изотопом 13С до 28–30%, 
и 2 г лимонной кислоты; по степени роста изотопного отношения 13С/12С делается вывод о наличии 
и степени осеменения желудка бактерией Helicobacter pylori [3].

Именно наличие специализированной системы

ввода пробы превращает стандартный изотопный 
масс-спектрометр в прибор медицинского назначения, а корректность работы системы и алгорит

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ  СИСТЕМА  ВВОДА  ПРОБЫ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3

*

ма ее использования являются важнейшими характеристиками 
масс-спектрометра, 
обеспечи
вающими как саму возможность его медицинского 
использования, так и показатели назначения. 

Целью настоящей работы является описание 

специализированной системы ввода пробы, созданной нами для масс-спектрометра Helicomass
производства компании MS-Bio, и результатов 
тестирования ее работы. Сам масс-спектрометр 
описан в работах [4, 5].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Система напуска является самостоятельным уз
лом прибора, интегрированным в его конструкцию 
и располагающимся в непосредственной близости 
от его вакуумно-аналитической части и связанным 
с ней пробоподающей трубкой. Она обеспечивает 
следующие функции:

1. Забор пробы из специальной пробирки, куда 

помещается выдох пациента. Проведение пробы 
через сменный осушающий фильтр с силикагелем.

2. Подачу пробы в ионный источник через 

специальный коммутирующий клапан с учетом 
перепада давлений в 9 порядков и обеспечения ее 
подачи в течение времени измерения.

3. После завершения цикла измерения очистку 

всех коммутационных патрубков и клапанов 
от пробы и подачу в прибор дозированного 
количества газа-эталона из баллона для автокалибровки прибора.

4. После завершения цикла автокалибровки 

очистку всех коммутационных патрубков и клапанов от эталона и подготовку системы к забору 
новой пробы.

Все процессы транспортировки пробы и эта
лона должны проводиться в режимах, обеспечивающих минимально возможные изотопные 
дискриминации. Система ввода пробы должна 
работать в автоматическом режиме под управлением 
специального 
программно-аппаратного 

блока. Подача пробирки с пробой осуществляется 
в ручном режиме. В режиме настройки система 
должна иметь возможность ручного управления
всеми клапанами и устройствами узла напуска. 

Поскольку при реализации изотопного дыха
тельного теста работа идет с нетоксичными и неагрессивными газами — выдохом человека, в приборе используется открытая система ввода пробы 
с удалением остатков пробы и эталона в атмосферу. 

Дополнительные экономические требования 

состоят в необходимости использования по возможности ненастраиваемых узлов, которые не могут быть выведены из строя неквалифицированным пользовательским обслуживанием.

ОПИСАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ

Нами использован подход, основанный на пря
мом вводе получаемой пробы в вакуум без какоголибо обогащения и без использования специального газа-носителя. Это возможно, т.к. абсолютное 
количество углекислого газа в выдохе человека 
варьирует не более чем в 1.5–2 раза от пациента к 
пациенту.

Структурная схема системы ввода пробы пока
зана на рис. 1. Она представляет собой металлический манифолд (9) с шестью входами, соединенными каналами диаметром 1 мм. Шесть каналов 
закрыты электромагнитными клапанами с проходным диаметром 2 мм, управление которыми осуществляется с ЦАПов платы (National Instruments)
по специальному алгоритму. По каналу (F) подключен высоковакуумный натекатель, канал (B) 
заглушен и является резервным.

К каналу (A) подключена пробозаборная игла, 

с помощью которой забирается проба из пробирки 
10 мл, закрытой крышкой из мягкой резины. Также после иглы может располагаться сменный 
фильтр, наполненный силикагелем и позволяющий осушать пробу. В момент начала измерения, 
в манифолде создается вакуум, и проба втягивается в систему, поступая на вход высоковакуумного 
натекателя, а через него — в камеру ионизации 
источника ионов.

В качестве высоковакуумного натекателя ис
пользуется "натекатель Мамырина", работающий 
на принципе пережатия нержавеющего капилляра. 
Натекатель обладает очень высокой устойчивостью, обеспечивая работу без подстройки в течение десятков лет. С его помощью легко получается перепад давлений в 9 порядков между аналитической камерой масс-спектрометра и манифолдом. 
Натекатель обладает ручным управлением и настраивается однократно при юстировке прибора.

К третьему входу (канал С на рис. 1) манифол
да через электромагнитный клапан подключена 
магистраль для форвакуумной откачки, которая 
состоит из форвакуумного насоса, форвакуумного 
датчика и баллона. Откачка бака осуществляется 
мембранным насосом компании Pfeiffer MVP 003-2
до давления 2 Торр и позволяет поддерживать необходимое давление в системе ввода пробы при 
измерениях и в неработающем состоянии. По каналу E (на рис. 1) подсоединяется магистраль, поставляющая в систему изотопный стандарт, которым является смесь 4% CO2 с 96% азота. Массспектрометр был откалиброван по отношению 
к международному стандарту PDB путем измерений изотопного состава стандарта, используемого 
в наших экспериментах, на масс-спектрометре 
"DELTA+" компании Thermo Scientific. Изотопное

Е. С. ПАВЛОВА, Н. М. БЛАШЕНКОВ, Л. Н. ГАЛЛЬ, Н. Р. ГАЛЛЬ

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2021, том 31, № 3

*

Рис. 1. Вакуумная схема системы ввода пробы.
Пробоотборная игла со сменным осушающим фильтром из силикагеля — 1;
нормально закрытый электромагнитный клапан — 2; форвакуумный баллон 
5 л — 3; форвакуумный насос Pfeiffer MVP 003-2 — 4; форвакуумный датчик 
МТ-6 — 5; редуктор-лягушка — 6; баллон с азотом — 7; баллон с изотопным 
стандартом — 8; коммутационный корпус-манифолд — 9; натекатель Мамырина для подачи пробы в камеру ионизации — 10; масс-спектрометр Helicomass — 11; канал для подачи пробы — A; запасной канал (заглушен) — B;
канал форвакуумной откачки — C; канал подачи азота — D; канал для подачи эталона — E; канал к масс-спектрометру Helicomass — F

отношение используемого нами лабораторного 
стандарта 13С/12С составило 48.2 0/00, а точность 
калибровки составляла 0.1 0/00. Газ подается через 
редуктор-лягушку 
с 
избыточным 
давлением

1.1 атм. По каналу D (на рис. 1) тоже через электромагнитный клапан подсоединяется магистраль 
с чистым азотом для продувки системы. Газ также 
подается через редуктор-лягушку с избыточным 
давлением порядка 1.1 атм.

АЛГОРИТМ ПОДГОТОВКИ 

К ПОДАЧЕ ПРОБЫ ИЛИ ЭТАЛОНА

Для обеспечения отсутствия памяти прибора 

используется многоходовой алгоритм очистки 
системы ввода. Обычной откачки недостаточно, 
т.к. после нее в манифолде остается проба или 
эталон в концетрации примерно 1% от исходной, 
что может существенно исказить результаты измерений. Методика реализации теста предполагает 
последовательность измерений "проба – эталон"
или при точных измерениях "проба – проба – эталон", что необходимо для обеспечения точности 
с учетом возможных дрейфов аппаратуры.

Алгоритм очистки работает следующим обра
зом. После отсоединения пробозаборной пробирки 
манифолд продувается сжатым сухим азотом в течение 30 с, и продукты продувки выдуваются наружу через пробозаборную иглу. Затем проводится откачка до давления 10–2 Торр в течение 60 с, 
затем снова продувка и снова откачка, после чего 
система готова к следующему измерению. Время 
одного цикла "очистка − измерение" составляет 
7 мин. Тестирование показало, что после такой 
очистки "память" прибора не превышает 0.05% 
по изотопу 13С.

ТЕСТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ НАПУСКА

Тестирование системы ввода пробы проводи
лось с целью определения временнóго диапазона 
переходных процессов. В режиме измерения давление в аналитической камере масс-спектрометра 
составляет 3·10–6 Торр. Исходя из газовых проводимостей, можно оценить, что давление в подводящем капилляре с диаметром 1 мм составит примерно 10–2–10–3 Торр. Даже при давлении 10–2 Торр
длина свободного пробега для нейтрального газа