CN102290315B - 一种适合于飞行时间质谱仪的离子源 - Google Patents

Abstract

一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，涉及一种质谱仪的离子源。设有进样增压泵、电磁阀、推斥电极、电离室、中间栅网、引出栅网、聚焦电极、出射极片和激发源发生器；进样增压泵的出口与电磁阀进口连通，电磁阀出口与推斥电极进口连通，推斥电极设于电离室进口端内，中间栅网设于电离室出口端，引出栅网设于中间栅网侧方，聚焦电极和出射极片依次设于引出栅网侧方，聚焦电极和出射极片均设有离子引出中心通孔，电离室、推斥电极、中间栅网、引出栅网、聚焦电极和出射极片同轴，灯丝设于电离室的上下两端外部，激发源发生器面对设于电离室上的能量束入射孔。可产生脉冲离子团，大幅增加离子引出效率，提高离子的利用率，提高质谱仪灵敏度。

Description

一种适合于飞行时间质谱仪的离子源

技术领域

本发明涉及一种质谱仪的离子源，尤其是涉及一种飞行时间质谱仪的离子源及引出装置。

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。质谱仪是先将样品离子化，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和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。

目前，常见的质谱仪种类主要有磁偏转式质谱仪、四级杆式质谱仪(Q-MS)、离子阱质谱仪(IT-MS)、飞行时间质谱仪(TOF-MS)和富里叶变换离子回旋共振质谱仪(FTICR-MS)等5种。其中飞行时间质谱仪(TOF-MS)以微秒级的快速检测速度、高离子传输率、高灵敏度和精度，以及理论上无上限质量检测范围等众多优点，成为当今最有发展前景的质谱仪之一。

飞行时间质谱仪的工作原理是：一组(质荷比)不同的离子先进入由推斥板(Repeller)和G₁的无场区，这时在推斥板上加正脉冲电压(对正离子而言)，离子朝X方向运动，进入G₁后再被G₁和G₂组成的静电加速场加速到一定动能K，然后凭惯性再进入一段长L的无场区自由飞行。由式1可以得出，离子的飞行速度与其m/z(质荷比)的平方根成反比。所以离子经过无场漂移区后，由于m/z大的离子飞行速度比m/z小的离子慢，因此飞到终点检测器(Detector)时间就出现先后之分，而最终得到的是离子飞行时间T_f(Time of flight)与其质荷比(m/z)之间的二维谱图(如式2)。这就是飞行时间质谱仪的基本工作原理。

$K=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2=\mathrm{zU}\⇒v=\sqrt{\frac{2U}{m/z}}---\left[1\right]$

$T_f=\frac{L}{v}=\frac{L}{\sqrt{2U}}\·\sqrt{m/z}---\left[2\right]$

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，主要包括电子轰击源(EI源)、化学电离源(CI)、电喷雾离子源(ESI)、激光电离源(LI)、辉光放电源(GD)光致电离源(PI)等。

上述各种类离子源按照它们的工作方式可以分为两大类：连续式电离源(如EI、CI、ESI、GD和PI源等)和脉冲式电离源(如LI源等)。

传统电子轰击源(EI源)采用的是样品不间断进样，连续电离的工作模式。季欧(季欧编.质谱分析法，上册，原子能出版社，1975年)介绍的电子轰击型离子源，就是采用这种工作模式。但是由于飞行时间质谱仪的推斥板(Repeller)加的是脉冲电压，因此它的工作方式也是脉冲式的。如果离子源输送过来的是连续离子流，那就会造成只有在有脉冲电压的时候，离子才能进入飞行时间质谱仪，因此离子的利用率很低(＜10％)，仪器的灵敏度也就受到很大制约。

发明内容

本发明的目的是提供一种可克服传统电子轰击源(EI源)的不足，可产生脉冲离子团，大幅增加离子引出效率，提高离子的利用率，提高质谱仪灵敏度的适合于飞行时间质谱仪的离子源。

本发明设有进样增压泵、电磁阀、推斥电极、电离室、中间栅网、引出栅网、聚焦电极、出射极片和激发源发生器；

进样增压泵的进口为样品入口，进样增压泵的出口与电磁阀进口连通，电磁阀出口与推斥电极进口连通，推斥电极设于电离室进口端内，中间栅网设于电离室出口端，引出栅网设于中间栅网侧方，聚焦电极和出射极片依次设于引出栅网侧方，聚焦电极和出射极片均设有离子引出中心通孔，电离室、推斥电极、中间栅网、引出栅网、聚焦电极和出射极片为同轴心线，灯丝设于电离室的上下两端外部，激发源发生器面对设于电离室上的能量束入射孔，能量束入射孔的入射方向与电离室轴心线垂直。

所述进样增压泵可采用蠕动泵、膜片泵或旋片式机械泵等。

所述推斥极片可为不锈钢推斥极片、铝推斥极片、铜推斥极片等金属推斥极片，推斥极片进口为推斥极片的中心通孔，中心通孔为样品引入导管。

所述电离室最好为不锈钢电离室，电离室的截面最好方形或圆形。

所述中间栅网和引出栅网最好为金属丝栅网，金属丝栅网的金属丝直径可为10～100μm，金属丝栅网目数可为500～3000。

所述聚焦电极最好为不锈钢聚焦电极，所述出射极片最好为不锈钢出射极片，聚焦电极的外形状可为圆筒状或片状。

所述激发源发生器可为电子束发生器或光子束发生器，所述电子束发生器可为钨丝、铼钨丝等灯丝，所述光子束发生器可为紫外线灯、激光器等。

本发明的原理是：样品先经过进样增压泵引入至电磁阀前部，在没有检测的时候，电离室内只有背景气体，推斥极和引出栅网都是处于零电位，背景气体的离子不会离开电离室；当需要检测工作的时候，电磁阀加上脉冲电压导通，样品进入电离室，灯丝或光子束发生器产生电子或光子，电子或光子进入电离室与样品分子发生碰撞，使中性的样品分子电离成带正电的离子；与此同时在推斥极上加正脉冲电压，引出栅网加负脉冲电压，这样电离室中的离子就会被突然加速而引出电离室，然后进入聚焦电极被聚焦后，最后经出射极片射出。电磁阀、推斥极和引出栅网上的脉冲电压始终保持同步。

与现有技术比较，本发明具有以下突出优点：改变了传统电子轰击离子源的工作模式，不仅可以产生脉冲离子团，能实现与飞行时间质谱仪的完美配合，而且采用栅网引出电极，大幅增加离子引出效率。能提高离子的利用率，从而有效提高飞行时间质谱仪的灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的工作时序图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明实施例设有进样增压泵1、电磁阀2、推斥电极3(片状)、电离室4(方形)、中间栅网6、引出栅网7、聚焦电极8(圆筒状)、出射极片9(片状)和灯丝5(钨丝)。

进样增压泵1的进口为样品入口，进样增压泵1的出口与电磁阀2进口连通，电磁阀2出口与推斥电极3进口连通，推斥电极3设于电离室4进口端内，中间栅网6设于电离室4出口端，引出栅网7设于中间栅网6侧方，聚焦电极8和出射极片9依次设于引出栅网7侧方，聚焦电极8和出射极片9均设有离子引出中心通孔，电离室4、推斥电极3、中间栅网6、引出栅网7、聚焦电极8和出射极片9为同轴心线，灯丝5设于电离室4的上下两端外部，灯丝5面对设于电离室4上的电子束入射孔41，电子束入射方向与离子出射方向(电离室4轴心线)垂直。图1中的左右2个箭头表示离子进出方向。

所述进样增压泵1采用蠕动泵(也可为膜片泵、旋片式机械泵等)。

所述推斥极片3为不锈钢推斥极片(也可为铝推斥极片、铜推斥极片等金属推斥极片)，推斥极片进口为推斥极片3的中心通孔，该中心通孔为样品引入导管。

所述电离室4为不锈钢电离室，电离室4的截面为方形(或圆形)。

所述中间栅网6和引出栅网7为金属丝栅网，金属丝栅网的金属丝直径为10～100微米，金属丝栅网目数为500～3000。

所述聚焦电极8为不锈钢聚焦电极，聚焦电极8的形状为圆筒状。所述出射极片9为不锈钢出射极片。

本发明实施例的工作过程如下：样品先经过进样增压泵1引入至电磁阀2前部，电磁阀2前部的样品压强会逐步增加(数倍于大气压)，有利于提高样品的浓度，特别是当样品稀少时，这种增压工作方式可以提高样品的检测灵敏度。需要检测时，在电磁阀2加上脉冲工作电压使其导通(参见图2)，样品进入电离室4，电离室4的气压控制在10^-3～10^-6托。灯丝5产生电子，进入电离室4与样品分子发生碰撞激发，使中性的样品分子电离成带正电的离子；与此同时在推斥电极3上加正脉冲电压，引出栅网7加负脉冲电压(时序图如图2所示，图2中由上至下依次为电磁阀4的时序、推斥电极3的时序及引出栅网7的时序，参见图1)。中间栅网6与电离室4保持同电位。电离室4中的离子就会被突然加速引出电离室4，然后进入聚焦电极8被聚焦，最后经出射极片9射出。传统的EI源采用的是用小孔极片引出离子，本发明采用的是栅网，大大提高了引出面积，因此引出效率大幅增加。

Claims (10)

1.一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于设有进样增压泵、电磁阀、推斥电极、电离室、中间栅网、引出栅网、聚焦电极、出射极片和激发源发生器；

进样增压泵的进口为样品入口，进样增压泵的出口与电磁阀进口连通，电磁阀出口与推斥电极进口连通，推斥电极设于电离室进口端内，中间栅网设于电离室出口端，引出栅网设于中间栅网侧方，聚焦电极和出射极片依次设于引出栅网侧方，聚焦电极和出射极片均设有离子引出中心通孔，电离室、推斥电极、中间栅网、引出栅网、聚焦电极和出射极片为同轴心线，灯丝设于电离室的上下两端外部，激发源发生器面对设于电离室上的能量束入射孔，能量束入射孔的入射方向与电离室轴心线垂直。

2.如权利要求1所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述进样增压泵采用蠕动泵、膜片泵或旋片式机械泵。

3.如权利要求1所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述推斥电极为不锈钢推斥电极、铝推斥电极或铜推斥电极，推斥电极进口为推斥电极的中心通孔。

4.如权利要求1所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述电离室为不锈钢电离室，电离室的截面为方形或圆形。

5.如权利要求1所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述中间栅网和引出栅网为金属丝栅网，金属丝栅网的金属丝直径为10～100μm，金属丝栅网目数为500～3000。

6.如权利要求1所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述出射极片为不锈钢出射极片。

7.如权利要求1所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述聚焦电极为不锈钢聚焦电极，聚焦电极的形状为圆筒状或片状。

8.如权利要求1所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述激发源发生器为电子束发生器或光子束发生器。

9.如权利要求8所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述电子束发生器为钨丝或铼钨丝。

10.如权利要求8所述的一种适合于飞行时间质谱仪的离子源，其特征在于所述光子束发生器为紫外线灯或激光器。

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