CN102290319A

CN102290319A - 一种双重离子阱质谱仪

Info

Publication number: CN102290319A
Application number: CN2011102169129A
Authority: CN
Inventors: 聂宗秀; 熊彩侨; 周晓煜; 王佳宁; 陈芮; 张硕
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: CN102290319B

Abstract

本发明公开了一种双重离子阱质谱仪。所述质谱仪包括两个共轴串联的离子阱、电荷检测器和光电倍增检测器；所述电荷检测器和光电倍增检测器分别设于所述离子阱的下部和上部；每个所述离子阱包括上端电极、环电极和下端电极；所述上端电极和所述下端电极的轴向上均设有通孔a；所述环电极的中心位置处设有通孔b；所述电荷检测器设于电磁屏蔽罩的腔体内的底部上，所述电磁屏蔽罩的顶部上与所述通孔a的位置相应处设有通孔c；激光诱导声波解吸电离源设于近所述电荷检测器的离子阱中的环电极上的通孔b处，所述激光诱导声波解吸电离源包括样品靶和激光器；激光解吸电离源设于近所述光电倍增检测器的离子阱中的环电极上的通孔b处。

Description

一种双重离子阱质谱仪

技术领域

本发明涉及一种质谱仪，具体涉及一种双重离子阱质谱仪。

背景技术

大气溶胶颗粒是地球大气环境的重要组成部分，它们中的每个颗粒都是复杂混合物，其尺寸通常在10nm到10μm之间。这些颗粒中包含着多种自然的或人为产生的无机及有机化合物，通过吸收和散射太阳光辐射的能量，参与多种有害化学反应，从而改变大气的化学成分，影响着区域性甚至全球性气候条件，并严重危害人类的健康。因此对这些颗粒物质的大小、质量及化学成分的表征具有重要的意义。

质谱技术是一种测量物质质量的灵敏、快速及准确的分析方法，可以实现实时、在线和原位分析，在近代科学研究中发挥着越来越重要的作用。在过去的20年中，人们发展了很多利用颗粒质谱仪进行大气溶胶中化学组分实时表征的新技术。这些质谱技术具有基本相同的设计及操作原理。首先，大气溶胶通过逐级压差系统进入仪器，利用激光照射来检测颗粒的进入，其散射光的强度可以用于测定颗粒的尺寸；然后，大气溶胶进入仪器的电离区域，通过采用激光解吸电离、两步激光解吸电离或者热解析与电子轰击电离或化学电离的联用对气溶胶化学成分进行解吸和电离。产生的离子被引入时间飞行管中进行质量分析。现有大气溶胶质谱分析系统虽然可以实现颗粒中化学成分、元素比以及颗粒粒径的分析，但其研究对象大多局限于亚微米级大气溶胶颗粒，不能得到颗粒的质量信息，并且整个实验系统复杂，体积庞大，不易实现小型化。近年来，利用离子阱质谱对微米级颗粒质量进行测定的技术的不断发展。通过采用激光诱导声波解吸的离子源、四极离子阱质量分析器以及电荷检测器，离子阱质谱技术已经能够实现微米级颗粒，例如聚苯乙烯球、红细胞质量及质量分布的快速测定。最近，利用离子阱颗粒质谱仪，人们对细胞所吞噬的纳米金的数量随时间变化的关系进行了测定，并对液相色谱柱中的填料颗粒进行了表征。同时，小型化的离子阱颗粒质谱仪已有了初步的雏形。因此在此基础上发展一种能够分析微米级大气溶胶颗粒质量、质量分布及化学组成的小型化质谱仪是很有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、体积小，并能够同时实现微米级大气溶胶颗粒质量、质量分布及化学成分快速分析的双重离子阱质谱仪。

本发明提供的双重离子阱质谱仪包括两个共轴串联的离子阱、电荷检测器和光电倍增检测器；所述电荷检测器和光电倍增检测器分别设于所述离子阱的下端和上端；

每个所述离子阱包括上端电极、环电极和下端电极，所述上端电极和所述下端电极分别设于所述环电极的两端；所述上端电极和所述下端电极的轴向上均设有通孔a；所述环电极的中心位置处设有通孔b；

所述电荷检测器设于电磁屏蔽罩的腔内的底部上，所述电磁屏蔽罩的顶部上与所述通孔a的位置相应处设有通孔c；

激光诱导声波解吸电离源设于近所述电荷检测器的离子阱中的环电极上的通孔b处，所述激光诱导声波解吸电离源包括样品靶和激光器；激光解吸电离源设于近所述光电倍增检测器的离子阱中的环电极上的通孔b处。

上述的双重离子阱质谱仪中，所述电荷检测器用于对待测颗粒进行质量分析，可分析的颗粒的质量范围为10¹⁰-10¹⁵道尔顿；所述光电倍增检测器用于对待测颗粒表面的化学成分进行分析，可分析的小分子的质量范围为1-10⁴道尔顿。

上述的双重离子阱质谱仪中，设于近所述光电倍增检测器的离子阱可以采取两种工作方式中的任意一种，既可以通过设定电极上的电压和频率，让颗粒自由飞过，仅对解吸得到的小分子离子进行囚禁；也可以先对颗粒进行囚禁，解吸电离的同时改变电极上所施加的电压和频率，对解吸得到的小分子离子进行囚禁和分析。

上述的双重离子阱质谱仪中，所述离子阱的阱半径可为5mm-15mm；所述上端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离可为5mm-15mm；所述下端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离可为5mm-15mm。

上述的双重离子阱质谱仪中，所述通孔c上可设有栅网，所述栅网可允许颗粒离子穿过，且也可以屏蔽射频电场对所述电荷检测器的干扰；所述栅网与所述下端电极之间的距离可为1mm-15mm；所述栅网与所述电荷检测器之间的距离为1mm-15mm。

上述的双重离子阱质谱仪中，所述光电倍增检测器与所述上端电极之间的距离可为5mm-15mm。

上述的双重离子阱质谱仪中，两个所述离子阱之间可设有绝缘材料，所述绝缘材料可为陶瓷；两个所述离子阱之间的距离可为1mm-100mm。

上述的双重离子阱质谱仪中，所述上端电极和下端电极与所述环电极之间均可设有绝缘材料，避免其相互接触而发生短路现象，所述绝缘材料可为陶瓷。

上述的双重离子阱质谱仪中，所述离子阱可为四极离子阱、圆柱离子阱、矩形离子阱、旋转离子阱、数字离子阱或线形离子阱等。

上述的双重离子阱质谱仪中，所述上端电极、下端电极和环电极的外围形状为长方形、圆形等，以便为了方便装配。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用包括一激光诱导声波解吸电离源、一个激光解吸电离源、两个共轴串联的离子阱、一电荷检测器、一用于屏蔽射频电场对所述电荷检测器干扰的电磁屏蔽罩以及一个光电倍增检测器的双重离子阱质谱仪，完整的颗粒及颗粒表面的化学成分分别在两个离子阱中进行质量分析，并分别被电荷检测器及光电倍增检测器所检测。离子阱具有较小的体积，能够有效地实现仪器的小型化。2、本发明由于采用在电磁屏蔽罩空腔的底部设置有电荷检测器，经离子阱抛出的被测样品颗粒离子由电荷检测器进行检测，能同时获得颗粒离子的质荷比和电荷数，因此，实现了对颗粒质量及质量分布的快速测定。3，本发明由于采用双重离子阱系统及激光解吸电离法，可对进入阱中的颗粒表面的化学物质进行解吸及电离，所产生的小的有机及无机的离子被电子倍增器所检测，从而在得到颗粒质量信息的同时还可以实现对颗粒表面化学成分的分析。4、本发明由于采用离子阱质量分析器，其对真空度的要求低，能够在更加粗略的真空条件下工作，所需的真空条件只需要机械泵就可以提供，为颗粒质谱仪的进一步简化提供了有利的条件。5、本发明可以采用结构简单的圆柱形离子阱、矩形离子阱、旋转离子阱、数字离子阱和线形离子阱等，因此本发明的几何构造可以得到很大的简化。6、本发明由于采用激光诱导声波解吸这种软电离方法，因此能进一步将本发明的双重离子阱质谱仪拓展到对细胞、细菌等多种生物颗粒的质量测定及成分分析中，并有利于生物颗粒快速鉴定等方法的建立。本发明可以广泛应用于对各种微米级颗粒质量测定及成分分析中。

附图说明

图1是本发明的双重离子阱质谱仪的结构示意图。

图2是本发明的双重离子阱质谱仪中的四极离子阱结构的剖面图。

图中各标记如下：1激光诱导声波解吸电离源、2，6四极离子阱、3电荷检测器、4电磁屏蔽罩、5激光解吸电离源、7光电倍增检测器、8通孔c、9，9’上端电极、10，10’环电极、11，11’下端电极、12，12’通孔a、13，13’通孔b、14陶瓷环、15样品靶、16激光器、17栅网。

具体实施方式

下述结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供的双重离子阱质谱仪包括共轴串联的两个四极离子阱2和6、电荷检测器3和光电倍增检测器7；电荷检测器3设于四极离子阱2的下端，两者之间的距离为10mm；光电倍增检测器7设于四极离子阱6的上端，两者之间的距离为10mm；两个四极离子阱2和6的阱半径均为10mm；两个四极离子阱2和6之间设有绝缘陶瓷(图中未示出)，两者之间的距离为2mm；四极离子阱2和6分别包括一个上端电极9和9’、一个环电极10和10’与一个下端电极11和11’，上端电极9和9’、环电极10和10’与下端电极11和11’均为双曲面形，且其外周围均为长方形(如图2所示)；四极离子阱2中，上端电极9与阱中心之间的距离为7.07mm，下端电极11与阱中心之间的距离也为7.07mm；四极离子阱6中，上端电极9’与阱中心之间的距离为7.07mm，下端电极11’与阱中心之间的距离也为7.07mm；四极离子阱2中，上端电极9和下端电极11与环电极10之间均设有绝缘陶瓷环14，避免其相互接触而发生短路现象；四极离子阱6中，上端电极9’和下端电极11’与环电极10’之间也均设有绝缘陶瓷环14，避免其相互接触而发生短路现象；两个四极离子阱2和6中，上端电极9和9’与下端电极11和11’的轴向上分别设有通孔a12和12’；两个四极离子阱2和6中，环电极10和10’的中心位置处设有通孔b13和13’，作为样品的入口；电荷检测器3设于电磁屏蔽罩4的腔内的底部上，该电磁屏蔽罩4的顶部上与通孔a12的位置相应处设有通孔c8，该通孔c8处设有栅网17，其可允许颗粒离子穿过，也可以屏蔽射频电场对电荷检测器3的干扰，其中，栅网17与下端电极11之间的距离为8mm，栅网17与电荷检测器3之间的距离为2mm；激光诱导声波解吸电离源1设于近通孔b13处，该激光诱导声波解吸电离源1包括样品靶15和激光器16；激光解吸电离源5设于通孔b13’处。

上述的双重离子阱质谱仪中，离子阱的阱半径可在5mm-15mm的范围内进行调节；上端电极9和9’与离子阱的阱中心之间的距离可在5mm-15mm的范围内进行调节；下端电极11和11’与离子阱的阱中心之间的距离可在5mm-15mm的范围内进行调节；栅网17与下端电极11之间的距离可在1mm-15mm的范围内进行调节；栅网17与电荷检测器3之间的距离可在1mm-15mm的范围内进行调节；光电倍增检测器7与上端电极9’之间的距离可在5mm-15mm的范围内进行调节；两个离子阱2和6之间的距离可在1mm-100mm的范围内进行调节；环电极10和10’、上端电极9和9’与下端电极11和11’的外围形状均还可以加工成圆形等不同的形状，以便为了方便装配；两个四极离子阱2和6还可以为圆柱离子阱、矩形离子阱、旋转离子阱、数字离子阱或线形离子阱等；绝缘材料还可为有机玻璃、塑料或聚四氟乙烯等。

使用上述双重离子阱质谱仪时，被测样品滴加在样品靶15上，通过激光器16发出的激光打在样品靶15的背面，进而将被测样品的颗粒离子解吸出来；颗粒离子通过圆孔13进入四极离子阱2中，通过现有技术中的频率扫描或电压扫描等方式将颗粒离子从四极离子阱2的上端电极9或下端电极11的通孔a12抛出；从上端电极9的通孔a12抛出的颗粒进入四极离子阱6中进行进一步分析；从下端极11的通孔a12抛出的颗粒通过电磁屏蔽罩4顶部的通孔c8撞击到电荷检测器3上，可以同时获得颗粒离子的质荷比和电荷数，进而实现对颗粒离子质量的快速测定，通过对多颗颗粒离子的测定，颗获得颗粒的平均质量及质量分布；激光解吸电离源5中的激光从四极离子阱6的圆孔13’射入，轰击到进入四极离子阱6的颗粒上，将颗粒表面的化学物质进行解吸电离，产生的有机及无机小分子离子被囚禁在四极离子阱6中，通过现有技术中的频率扫描或电压扫描等方式将离子从四极离子阱6的上端电极9’的通孔12’抛出，撞击到置于四极离子阱6上方的光电倍增检测器7进行检测，通过对所测得信号的分析，实现对颗粒表面化学成分的分析。

上述使用过程中，四极离子阱6可以采取两种工作方式中的任意一种，既可以通过设定电极上的电压和频率，让颗粒自由飞过，仅对解吸得到的小分子离子进行囚禁，也可以先对颗粒进行囚禁，解吸电离的同时改变电极上所施加的电压和频率，对解吸得到的小分子离子进行囚禁和分析。

上述各实施例仅用于说明本发明，电压的施加方式、各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种双重离子阱质谱仪，其特征在于：所述质谱仪包括两个共轴串联的离子阱、电荷检测器和光电倍增检测器；所述电荷检测器和光电倍增检测器分别设于所述离子阱的下端和上端；

每个所述离子阱均包括上端电极、环电极和下端电极；所述上端电极和所述下端电极分别设于所述环电极的两端；所述上端电极和所述下端电极的轴向上均设有通孔a；所述环电极的中心位置处设有通孔b；所述电荷检测器设于电磁屏蔽罩的腔内的底部上，所述电磁屏蔽罩的顶部上与所述通孔a的位置相应处设有通孔c；

2.根据权利要求1所述的质谱仪，其特征在于：所述离子阱的阱半径为5mm-15mm；所述上端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离为5mm-15mm；所述下端电极与所述离子阱的阱中心之间的距离为5mm-15mm。

3.根据权利要求1或2所述的质谱仪，其特征在于：所述通孔c上设有栅网；所述栅网与所述下端电极之间的距离为1mm-15mm；所述栅网与所述电荷检测器之间的距离为1mm-15mm。

4.根据权利要求1-3中任一所述的质谱仪，其特征在于：所述光电倍增检测器与所述上端电极之间的距离为5mm-15mm。

5.根据权利要求1-4中任一所述的质谱仪，其特征在于：两个所述离子阱之间设有绝缘材料；两个所述离子阱之间的距离为1mm-100mm。

6.根据权利要求1-5中任一所述的质谱仪，其特征在于：所述上端电极和下端电极与所述环电极之间均设有绝缘材料。

7.根据权利要求5或6所述的质谱仪，其特征在于：所述绝缘材料为陶瓷、有机玻璃或塑料。

8.根据权利要求1-7中任一所述的质谱仪，其特征在于：所述离子阱为四极离子阱、圆柱离子阱、矩形离子阱、旋转离子阱、数字离子阱或线形离子阱。

9.根据权利要求1-8中任一所述的质谱仪，其特征在于：所述上端电极、下端电极和环电极的外围形状为长方形或圆形。