CN102412109A - 质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种质谱仪，包括离子源，所述离子源包括依次安装在同一中轴线上的推斥电极、引入电极、聚焦电极和引出电极。所述引入电极、聚焦电极和引出电极中央分别具有供离子束穿过的中央通孔，所述推斥电极为具有一敞口的罩壳，且该敞口朝向所述引入电极。本发明中，推斥电极是一种敞口的罩壳，罩壳的这种特定的立体几何形状具有包围空间功能，其产生的电场可以很好地聚焦离子，也就是说这种特定立体几何形状的推斥电极有利于增强轴向电场，从而使得离子快速汇聚。这不但显著提高了质谱仪的离子化效率，而且能够防止离子逃逸，从而使进入质量分析器的离子数量大幅度增加，因此提高了质谱仪的灵敏度。

Description

质谱仪

技术领域

本发明涉及一种质谱仪。

背景技术

质谱仪主要用来通过测量微观粒子，特别是分子的质量，来分析检测被测样品的成分，特别是化学成分。比如食品中农药残余，可以通过质谱仪来跟踪该农药分子或分子碎片特有的分子量来监控其含量。但是，因为微观粒子的质量非常小，无法用一般重力方法来称其重量。因此我们为了测量这些微观粒子的质量，一般是利用带电粒子与电磁场的作用。为了达到这一目的，首先要使这些微观粒子带上电荷，这样就可以通过电磁场来控制它们的运动，从而实现粒子或者分子质量的测量。因此，质谱仪都必须有电离装置，把样品电离为离子——这个装置就叫做离子源。具有不同荷质比的离子在电场或磁场作用下运动状态会有所不同，所以可以采用特定的电场或磁场来构成质量分析器。四极杆质量分析器就是这样一种装置，它能够用加在四级杆上的交直流电压而仅让一定质荷比的离子通过，经过扫描最后经检测器检测后可以得到样品的质谱图。

如图1所示，传统的质谱仪，其基本结构是相同的，都包括离子源1’、质量分析器2’、检测器(图中未示出)和真空系统(图中未示出)。质量分析器2’有采用四极杆式质量分析器、飞行时间质量分析器，磁聚焦质量分析器，离子回旋傅立叶变换或者离子阱质量分析器。

使被分析的样品带上电荷的过程称为离子化过程。针对不同的样品有很多种不同的方法，其中一种叫做电子撞击方法，是应用比较广泛的离子源技术，它主要用于挥发性样品和比较简单分子量较小的有机分子的电离。样品以气体状态进入离子源。由灯丝发出的电子与样品气体分子发生碰撞使样品分子失去电子而带电，成为离子。

为了使电离以后的样品离子沿着所需的特定方向运动，在离子源内设置了离子透镜。传统的离子透镜一般包括安装在同一个中轴线上的4个电极：推斥电极11’、引入电极12’、聚焦电极13’和引出电极14’，引入电极12’、聚焦电极13’和引出电极14’的中央各自具有供离子束穿过的中央通孔。推斥电极11’为平面圆板形状，它的作用是为样品离子提供初始能量。施加在推斥电极11’上的电压可以在5～80V之间变化。聚焦电极13’为平面圆板形，聚焦电极13’用于使离子束聚焦。从推斥电极11’后面的离子化反应池出来的离子存在动量大小和方向上的分散性，经聚焦电极13’聚焦后，可以增加进入质量分析器2’的离子数量，并提高进入质量分析器2’的离子强度。聚焦电极13’可以工作在0～-150V。引出电极14’呈平面圆板形，引出电极14’用来改善离子源1’和质量分析器2’之间的离子传输效率，一般工作在0～100V之间。

从物理学电动力学的角度来看，离子源内各个电极所加的电压，会在空间产生电场，电场的势能函数是一个标量函数，该函数所满足的是拉普拉斯方程，这是一个二阶偏微分方程，而各个电极的形状以及电极上所加的电压构成了这个偏微分方程的边界条件。这个边界条件是质谱仪设计的关键所在，有了边界条件，我们就可以通过理论计算和电脑模拟来解出这个偏微分方程。

上述用于传统质谱仪的推斥电极11’是平面圆板状的，这种平板状的电极在空间中引起的电场分布使离子束呈发散状态，因此离子可能大量逃逸，这样引起的后果是能够进入质量分析器的离子数量减少，从而导致质谱仪的灵敏度差。

发明内容

本发明要解决现有的质谱仪灵敏度差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的质谱仪，包括离子源，所述离子源包括依次安装在同一中轴线上的推斥电极、引入电极、聚焦电极和引出电极，所述引入电极、聚焦电极和引出电极中央分别具有供离子束穿过的中央通孔，其特征在于，所述推斥电极为具有一敞口的罩壳，且该敞口朝向所述引入电极。

所述推斥电极包括圆形底部和由该圆形底部向外延伸的弧形部。

所述推斥电极为球面形罩壳、椭球面形罩壳、抛物面形罩壳、锥形罩壳或者锥台形罩壳。

所述引出电极为具有一敞口的罩壳，且该敞口朝向所述聚焦电极。

所述引出电极包括圆形底部和由该圆形底部向外延伸的弧形部。

所述引出电极是球面形罩壳、椭球面形罩壳、抛物面形罩壳、锥形罩壳或者锥台形罩壳。

所述推斥电极、引入电极和聚焦电极上分别施加49伏、-74伏、-7伏电压，所述引出电极的电压为0。

所述聚焦电极呈圆筒形，包括具有中央通孔的筒底和圆周壁。

所述推斥电极、引入电极和聚焦电极上分别施加50伏、-70伏、-7伏电压，所述引出电极的电压为0。

由上述技术方案可知，本发明的质谱仪的优点和积极效果在于：本发明的质谱仪中，离子源的推斥电极呈敞口的罩壳形状，并且开口朝向引入电极方向，推斥电极的这种特定的立体几何形状具有包围空间功能，其产生的电场可以很好地聚焦离子，也就是说这种特定立体几何形状的推斥电极有利于增强轴向电场，从而使得离子快速汇聚。这不但显著提高了质谱仪的离子化效率，而且能够防止离子逃逸，从而使进入质量分析器的离子数量大幅度增加，因此提高了质谱仪的灵敏度。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1表示传统的质谱仪的剖面结构示意图；

图2表示本发明的质谱仪第一实施例的立体结构示意图，其具有第一种推斥电极；

图3表示图2所示的本发明的质谱仪第一实施例的剖面结构示意图；

图4表示本发明的质谱仪第二实施例的立体结构示意图，其具有第二种推斥电极；

图5表示图4所示的本发明的质谱仪第二实施例的剖面结构示意图；

图6表示本发明的质谱仪第三实施例的立体结构示意图，其具有筒状聚焦电极；

图7表示图6所示的本发明的质谱仪第三实施例的剖面结构示意图；

图8表示用于本发明的质谱仪中的第三种推斥电极的立体结构示意图；

图9表示用于本发明的质谱仪中的第四种推斥电极的立体结构示意图；

图10表示用于本发明的质谱仪中的第五种推斥电极的立体结构示意图；

图11表示用于本发明的质谱仪中的第六种推斥电极的立体结构示意图；

图12表示用于本发明的质谱仪中的第七种推斥电极的立体结构示意图；

图13表示用于本发明的质谱仪中的第八种推斥电极的立体结构示意图；

图14表示使用本发明的质谱仪中的第一实施例模拟离子飞行示意图；

图15表示使用本发明的质谱仪中的第三实施例模拟离子飞行示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

如图2和图3所示，本发明的质谱仪的第一实施例，包括离子源1、质量分析器2、检测器(图中未示出)和真空系统(图中未示出)。

离子源1包括依次安装在同一中轴线上的推斥电极11、引入电极12、聚焦电极13和引出电极14。引入电极12、聚焦电极13和引出电极14的中央分别具有供离子束穿过的中央通孔。

推斥电极11呈球面形状(见图8)，并且开口朝向引入电极12方向。引入电极12呈平面圆板形状；聚焦电极13呈平面圆板形状；引出电极14包括圆形底部141和由圆形底部141向推斥电极11方向延伸的弧形部142。

进入离子源1的样品被离子化成离子状态，由于推斥电极11为球面形状，朝向引入电极12弯曲，有利于防止离子逃逸，所以大部分离子会朝向引入电极12运动，并依次穿过引入电极12、聚焦电极13和引出电极14的中央通孔而进入下游的质量分析器2。同时，由于引出电极14具有弧形部142，即圆周方向上向聚焦电极13弯曲，能够防止离子在行进过程中逃逸。引出电极14与推斥电极11的弯曲方向相反，二者遥相呼应，形成包覆结构，这最大程度地避免了离子由产生到进入质量分析器2过程中的逃逸现象，因此，本发明的质谱仪中，离子源1的设计能够大幅度增加进入质量分析器2内离子数量，从而提高质谱仪的测量精度。

如图14所示，使用本发明的质谱仪的第一实施例中，分别在推斥电极11、引入电极12和聚焦电极13上分别施加49伏电压、-74伏电压、-7伏电压，引出电极14的电压为0，再通过程序模拟出离子飞行情况，图14中的黑色部分是离子的飞行轨迹。从图14中可以看出：在球面形推斥电极11以及具有弧形部的引出电极14的共同聚焦作用下，离子在飞行过程中，会相互靠拢，集中于中轴线上，因此大部分离子都会穿过引入电极12、聚焦电极13和引出电极14的中央通孔而进入到质量分析器2中。实际使用中，施加于推斥电极11、引入电极12和聚焦电极13上的电压不限于上述具体的值，可以根据需要具体设定。

如图4和图5所示，本发明的质谱仪的第二实施例包括依次安装在同一中轴线上的推斥电极21、引入电极22、聚焦电极23和引出电极24，其与本发明的质谱仪的第一实施例的不同之处仅在于：推斥电极21为一个矩形底部以及两个相对的梯形侧面和两个相对的矩形侧面围成的棱锥台(见图9)。该种形状的推斥电极21与球面形推斥电极11同样具有防止离子逃逸的作用。该第二实施例的其余与第一实施例相同的部分，这里不再赘述。

如图6和图7所示，本发明的质谱仪的第三实施例包括依次安装在同一中轴线上的推斥电极31、引入电极32、聚焦电极33和引出电极34，推斥电极31与第一实施例的推斥电极11相同。本发明的质谱仪的第三实施例与第一实施例的不同之处仅在于：聚焦电极33呈圆筒形，包括具有中央通孔的筒底和圆周壁。这种筒状聚焦电极33可以进一步防止离子逃逸。该第二实施例的其余与第一实施例相同的部分，这里不再赘述。

如图15所示，本发明的质谱仪的第三实施例，分别在推斥电极31、引入电极32和聚焦电极33上分别施加50伏电压、-70伏电压、-7伏电压，引出电极34的电压为0，再通过程序模拟出离子飞行情况，图15中的黑色部分是离子的飞行轨迹。从图15中可以看出：在球面形推斥电极11以及圆筒形聚焦电极33的共同聚焦作用下，离子在飞行过程中，会相互靠拢，集中于中轴线上，因此大部分离子都会穿过引入电极32、聚焦电极33和引出电极34的中央通孔而进入到质量分析器2中。实际使用中，施加于推斥电极31、引入电极32和聚焦电极33上的电压不限于上述具体的值，可以根据需要具体设定。

如图10-图13所示，本发明的质谱仪中，推斥电极不限于上面所述的具体形状，其还可以是其他形状，例如：盆形推斥电极41(如图10所示)、抛物面形推斥电极51(如图11所示)、椭球面形推斥电极61(如图12所示)、由两个相对的矩形侧面和两个相对的三角形侧面组成的四棱锥形推斥电极71(如图13所示)，本发明中的推斥电极还可以是未图示的双曲面形、棱锥形、圆锥形，棱锥台形、圆锥台形等各种形状，甚至可以是其他的不规则形状，只要是罩壳形状，并且是敞口的，而非收口的，均可用于本发明。这种敞口罩壳形状的推斥电极就好像一个光学上的凹面镜能汇聚光束一样，能使电场向轴向方向汇聚，使得离子束汇聚至中轴线方向，从而使更多的离子从各个电极的位于中轴线位置的中央通孔通过到达质量分析器，从而显著提高了质谱仪中离子化效率及测量灵敏度。

另外，本发明中的引出电极的形状也可以与本发明中的推斥电极形状相同。并且，在某一特定的实施例中，不同形状的推斥电极与不同形状的引出电极可任意搭配使用，同时与不同结构的聚焦电极任意组合。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种质谱仪，包括离子源，所述离子源包括依次安装在同一中轴线上的推斥电极、引入电极、聚焦电极和引出电极，所述引入电极、聚焦电极和引出电极中央分别具有供离子束穿过的中央通孔，其特征在于，所述推斥电极为具有一敞口的罩壳，且该敞口朝向所述引入电极。

2.如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述推斥电极包括圆形底部和由该圆形底部向外延伸的弧形部。

3.如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述推斥电极为球面形罩壳、椭球面形罩壳、抛物面形罩壳、锥形罩壳或者锥台形罩壳。

4.如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述引出电极为具有一敞口的罩壳，且该敞口朝向所述聚焦电极。

5.如权利要求4所述的质谱仪，其特征在于，所述引出电极包括圆形底部和由该圆形底部向外延伸的弧形部。

6.如权利要求4所述的质谱仪，其特征在于，所述引出电极是球面形罩壳、椭球面形罩壳、抛物面形罩壳、锥形罩壳或者锥台形罩壳。

7.如权利要求1～6之任一所述的质谱仪，其特征在于，所述推斥电极、引入电极和聚焦电极上分别施加49伏、-74伏、-7伏电压，所述引出电极的电压为0。

8.如权利要求1～6之任一项所述的质谱仪，其特征在于，所述聚焦电极呈圆筒形，包括具有中央通孔的筒底和圆周壁。

9.如权利要求8所述的质谱仪，其特征在于，所述推斥电极、引入电极和聚焦电极上分别施加50伏、-70伏、-7伏电压，所述引出电极的电压为0。

Images