CN101872708B

CN101872708B - 一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置

Info

Publication number: CN101872708B
Application number: CN 201010108547
Authority: CN
Inventors: 何坚
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: CN101872708A

Abstract

一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，涉及一种质谱仪。提供一种无需采样锥，采样离子引出效率高，使用成本降低，并可有效提高质谱仪灵敏度的适合于固体样品直接电离的质谱仪的离子源引出装置。设有可拆式样品靶、射频多级杆、射频多级杆固定座和截取锥，可拆卸式样品靶、射频多级杆、射频多级杆固定座和截取锥同轴心线，可拆卸式样品靶正向面对射频多级杆，射频多级杆安装于射频多级杆固定座中，射频多级杆固定座与截取锥连接，截取锥安装在外部离子源腔体内，截取锥设有离子出射狭缝和至少1个径向背景气进气孔，离子出射狭缝位于截取锥中心。

Description

一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置

技术领域

本发明涉及一种质谱仪，尤其是涉及一种适合于固体样品直接电离的质谱仪的离子源引出装置。

背景技术

质谱仪是现代科学分析仪器领域中最重要的成员之一，是现代分析科学最先进的手段之一。它是先将样品离子化，样品离子再通过预先设定的电场或磁场后，实现质荷比分离，并检测其相应峰强，从而达到对样品的定性、定量分析的一种现代精密分析仪器。质谱法从最初的同位素分析，到现在已经逐渐成为化学、地质学、生物化学、药物学、医学、石油化工、能源、环保和食品加工等许多方面不可缺少的分析检测手段。

无论是哪种类型的质谱仪，其基本组成都是相同的。它都包括进样系统、离子源、质量分析器、离子检测系统、真空系统、电源及控制系统六大部分。离子源是质谱仪的首要环节，它是使样品的中性原子或分子电离成离子，并通过电磁学原理引出离子束的装置。离子源的种类繁多，其中适合于固体样品直接分析的离子源主要包括火花电离源、快粒子轰击源、场致电离源、场解析电离源、激光共振电离源、激光溅射电离源、激光溅射电感耦合离子源和辉光放电离子源。

电离源的离子束引出效率是衡量一个离子源好坏的主要指标之一。目前用于固体样品直接电离离子源的离子束引出装置均采用带有细小圆孔(通常直径小于1mm)的椎形板或平板，通常称之为采样锥。这种方式的缺陷是：一方面由于只能采集局部的样品离子，因此采样离子引出效率低；另一方面，由于采样椎距离固体的电离表面非常近(通常小于10mm)，采样椎表面很容易被污染，不仅造成离子引出效率下降，而且增加了样品的记忆效应污染。因此，为了保证仪器分析的重复性，经常需要定期清洗采样锥，并且作为仪器的易损零件也要求定期更换。这不可避免地增加了质谱仪器的使用成本。

公开号为CN101170042发明专利申请公开了一种激光溅射电离冷聚焦直交式飞行时间质谱仪，涉及一种质谱仪。提供一种使激光电离源与质谱分析器匹配，去除干扰峰，谱图清晰，对固体样品无标样分析的激光溅射电离冷聚焦直交式飞行时间质谱仪。设激光器、聚焦透镜组、进样探杆、二维移动平台、离子源腔体、主腔体、采样锥、射频多极杆、截取锥、离子透镜组和飞行时间质量分析器。激光器和聚焦透镜组设于离子源腔体外，进样探杆、二维移动平台和采样锥设于离子源腔体内；离子源腔体腔壁上设有石英窗口、真空抽口及阀门；主腔体腔壁上设真空抽口，截取锥、射频多级杆和离子透镜组设于主腔体内；进样探杆、二维移动平台和采样锥与截取锥、射频多级杆和离子透镜组同轴。

公开号为CN101465261发明专利申请公开了一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用，涉及一种质谱仪。提供一种高功率密度激光溅射电离飞行时间质谱仪及其应用。设有真空腔体、激光光源、激光聚焦透镜、采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器；激光光源和激光聚焦透镜设于真空腔体外部，采样锥、离子传输装置、截取锥和飞行时间质量分析器依次设于真空腔体中。真空腔体设有三级真空室，一级真空室设于采样锥之前，二级真空室设于采样锥与截取锥之间，三级真空室设于截取锥之后。通过与离子源内辅气分子(原子)的碰撞，样品离子的动能得到降低，有利采样和传输；多价离子得以降价而转换为单价离子，可去除多价离子的干扰峰，使谱图清晰易读，分辨能力强。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需采样锥，采样离子引出效率高，使用成本降低，并可有效提高质谱仪灵敏度的适合于固体样品直接电离的质谱仪的离子源引出装置。

本发明设有可拆式样品靶、射频多级杆、射频多级杆固定座和截取锥，可拆卸式样品靶、射频多级杆、射频多级杆固定座和截取锥同轴心线，可拆卸式样品靶正向面对射频多级杆，射频多级杆安装于射频多级杆固定座中，射频多级杆固定座与截取锥连接，截取锥安装在外部离子源腔体内，截取锥设有离子出射狭缝和至少1个径向背景气进气孔，离子出射狭缝位于截取锥中心。

所述可拆卸式样品靶由进样杆、样品固定座和样品靶压套构成，进样杆的前端嵌入样品固定座的后端，样品靶压套嵌入样品固定座的前端，进样杆、样品固定座和样品靶压套的相互之间可拆。使用时，样品置于进样杆与样品靶压套之间。进样杆为不锈钢等金属材料。样品固定座和样品靶压套可采用铝、铜等高纯金属制成，也可采用玻璃或陶瓷等耐高温非金属材料制成。

射频多级杆的杆数为2的整数倍，所述整数倍为至少2倍。射频多级杆的杆可由316L号不锈钢制成，杆直径为2～6mm，长度60～100mm。所述射频多级杆为四级杆时，单根杆的半径与射频多级杆构成的内切圆半径的比例最好是0.872；所述射频多级杆为六级杆时，单根杆的半径与射频多级杆构成的内切圆半径的比例最好是0.5375；所述射频多级杆为八级杆时，单根杆的半径与射频多级杆构成的内切圆半径的比例最好是0.355。所述射频多级杆的选用的供电电源频率为100kHz～5MHz，电压(峰值)为0～1000V。所述射频多级杆的轴心线也是激发粒子束聚焦点所在的轴线。

所述射频多级杆固定座可采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮或陶瓷等材料制作。

所述截取锥由304或316L号不锈钢制成，所述离子出射狭缝是一个圆形孔，直径为0.1～1mm。离子出射狭缝的直径可根据离子源腔体的真空度要求确定。所述径向背景气进气孔最好设有2个，2个径向背景气进气孔对称布置。所述背景气体可采用氦气、氢气、氮气或氩气。所述背景气体的气压可为10～10000帕斯卡，甚至是大气压压力。

所述进样杆由304或316L号不锈钢制成，进样杆前端带有压帽，便于固定样品。

本发明的原理是：将本发明安装在质谱仪的离子源腔体内，通过截取锥的径向背景气进气孔充入背景气，在设定的低气压背景气条件下，高能粒子束经过聚焦后，照射在固体样品表面上，将样品电离成离子，并形成离子云团。离子体云团的主轴线垂直于电离表面。由于离子具有一定的初始动能，它们就会直接进入多极杆的射频电场中；在低气压的背景气体和射频电场的共同作用下，离子不断地与背景气体分子发生碰撞，使发散的初始离子云聚焦在多极杆的轴线上；最后经过聚焦的离子束(束直径可小于1mm)通过出射狭缝孔，进入质谱仪。

由此可见，本发明摆脱了传统的采样锥方式，而直接使用低压下的射频多级杆冷却技术，电离出的离子直接进入多级杆进行聚焦收集，不仅既摆脱了用传统的采样锥易污染的问题，又大大提高了离子引出率和利用率，增强质谱仪的灵敏度，而且延长仪器使用寿命长，降低仪器的使用成本。本发明可以适用于快原子轰击源、激光共振电离源、激光溅射电离源和二次离子电离源。只要是利用高能粒子束作为电离源的激发源，都可以采用这种技术。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明设于质谱仪的离子源腔体(图1中未画出)内。设有可拆式样品靶(由进样杆1、样品固定座2和样品靶压套3构成)、射频多级杆5、射频多级杆固定座6和截取锥7。可拆式样品靶、射频多级杆5、射频多级杆固定座6和截取锥7为同轴心线。可拆式样品靶前端面对射频多级杆5一端，射频多级杆5安装于射频多级杆固定座6中，射频多级杆固定座6底端与截取锥7连接。截取锥7安装在外部离子源腔体内，截取锥7设有离子出射狭缝71和2个径向背景气进气孔72和73，离子出射狭缝71位于截取锥7中心。固体样品P1置于进样杆1与样品靶压套3之间。图1中的雾云表示离子云。

用于固体样品P1直接电离的激发源是具有一定能量的激光束P2(也可是电子束、离子束或原子束)，入射角度为0°～90°。

所述进样杆1的前端嵌入样品固定座2的后端，样品靶压套3嵌入样品固定座2的前端，进样杆1、样品固定座2和样品靶压套3的相互之间可拆。进样杆1为不锈钢进样杆，样品固定座2和样品靶压套3采用铝(也可为铜等高纯金属、玻璃或陶瓷等耐高温非金属材料)制成。进样杆1前端带有压帽，便于固定固体样品P1。

射频多级杆5为六级杆(也可为四级杆，八级杆等多级杆，但射频多级杆的杆数应为二的整数倍，所述整数倍至少为2倍)。射频多级杆5的单根杆的半径与射频多级杆5各杆构成的内切圆半径的比例是0.5375。射频多级杆5的杆由316L号不锈钢制成，杆直径为2～6mm，长度60～100mm。射频多级杆5选用的供电电源频率为100kHz～5MHz，电压(峰值)为0～1000V。所述射频多级杆5的轴心线也是激光束P2(激发粒子束)聚焦点所在的轴线。射频多级杆固定座6采用聚四氟乙烯(也可为聚醚醚酮或陶瓷等)制作。

截取锥7由304(或316L)号不锈钢制成，离子出射狭缝71是一个圆形孔，直径为0.1～1mm。离子出射狭缝71的直径可根据离子源腔体的真空度要求确定。2个径向背景气进气孔72与73对称布置。

背景气体采用氦气(也可为氢气、氮气或氩气等)，背景气体的气压为10～10000帕斯卡。

Claims

1.一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于设有可拆式样品靶、射频多级杆、射频多级杆固定座和截取锥；可拆卸式样品靶、射频多级杆和截取锥同轴心线；可拆卸式样品靶正向面对射频多级杆；射频多级杆安装于射频多级杆固定座中，射频多级杆固定座与截取锥连接；截取锥安装在外部离子源腔内，截取锥设有离子出射狭缝和至少1个径向背景气进气孔；离子出射狭缝位于截取锥中心，背景气体的气压为10～10000帕斯卡。

2.如权利要求1所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于所述可拆卸式样品靶由进样杆、样品固定座和样品靶压套构成，进样杆的前端嵌入样品固定座的后端，样品靶压套嵌入样品固定座的前端，进样杆、样品固定座和样品靶压套之间可相互拆卸。

3.如权利要求2所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于进样杆为不锈钢进样杆，样品固定座和样品靶压套采用铝、铜、玻璃或陶瓷制成。

4.如权利要求1所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于所述射频多级杆的杆数为二的整数倍，所述整数倍为至少2倍。

5.如权利要求1所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于射频多级杆的杆由不锈钢制成，杆直径为2～6mm，杆长度60～100mm。

6.如权利要求1所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于所述射频多级杆为四级杆时，单根杆的半径与射频多级杆构成的内切圆半径的比例是0.872；所述射频多级杆为六级杆时，单根杆的半径与射频多级杆构成的内切圆半径的比例是0.5375；所述射频多级杆为八级杆时，单根杆的半径与射频多级杆构成的内切圆半径的比例是0.355，所述射频多级杆的供电电源频率为100kHz～5MHz，电压为0～1000V。

7.如权利要求1所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于所述射频多级杆的轴心线是外部激发粒子束聚焦点所在的轴线。

8.如权利要求1所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于所述射频多级杆固定座采用聚四氟乙烯、聚醚醚酮或陶瓷制作。

9.如权利要求1所述的一种适合于固体样品直接电离的离子源引出装置，其特征在于所述截取锥由不锈钢制成，所述离子出射狭缝是一个圆形孔，直径为0.1～1mm，所述径向背景气进气孔设有2个，2个径向背景气进气孔对称布置。