CN102496556A - 环柱形电场质量分析器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于质谱仪的质量分析器，在质谱分析检测方面有多种应用，属于仪器仪表技术领域。本发明物理结构为套在一起的两个圆柱面电极，其轴线重合，两个圆柱面电极之间加一定电压，形成环柱形电场。当带电粒子以一定角度射入环柱形电场时，将会在环柱形电场中做螺旋运动，运动数圈后引入检测器。根据带电粒子入射环柱形电场时的速度特征不同，可形成两种不同的质量分析器，一种是空间分离类型，一种是时间分离类型。两种质量分析器都具有结构简单、体积小巧、制做容易、分离高效的特点。

Description

环柱形电场质量分析器

技术领域

本发明涉及一种用于质谱仪的质量分析器，在质谱分析检测方面有多种应用，属于仪器仪表技术领域。

背景技术

质谱技术在同位素分析、化学分析、生命科学分析中有广泛的应用，其基本原理是：在真空中，将样品离子化变成带电粒子，通过质量分析器进行分离，检测出各种质量数离子的数量，从而得到样品的定性、定量信息。

在质谱技术中，质量分析器是最核心的部件，按其种类可将质谱分为以下五种：

(1)磁质谱。带电粒子被加速后进入磁场，不同质荷比的粒子偏转情况不同，使各种质荷比的粒子分离。

(2)四极杆质谱。带电粒子被引入四极杆滤质器，只有与四极杆上所加射频电场发生共振的特定质荷比的粒子可以通过，使各种质荷比的粒子分离。

(3)飞行时间质谱。带电粒子被加速后，不同质荷比的粒子速度不同，经过一段无场飞行，到达检测器的时间不同，使各种质荷比的粒子分离。

(4)离子阱质谱。带电粒子被引入离子阱，只有与阱上所加射频电场发生共振的特定质荷比的粒子可以在阱中稳定振荡飞行，使各种质荷比的粒子分离。

(5)傅立叶变换-回旋振荡质谱。带电粒子被引入电场和磁场共同作用区，在射频电场作用下回旋振荡，产生的象电流信号用傅立叶变换处理，得到各种质荷比的粒子信号。

图3是飞行时间质谱的原理图，在飞行时间质谱中，带电粒子被加速后进入无场区飞行，假设加速电压为U，带电粒子质量为m，电量为q，初速度为0，则带电粒子从加速电极飞出时，电场对带电粒子所做的功等于带电粒子的动能：

$\mathrm{Uq}=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$

带电粒子从加速电极射出时速度为：

$v=\sqrt{\frac{2\mathrm{Uq}}{m}}---\left(1\right)$

设飞行长度为L，则飞行时间

将上式代入，可得飞行时间质谱中带电粒子飞行时间：

$t=L\sqrt{\frac{m}{2\mathrm{Uq}}}---\left(2\right)$

为了降低带电粒子初始位置和初始速度引起的偏差，并减小飞行管的长度，目前的飞行时间质谱通常采用反射式结构，如图4所示，原理与直线飞行相同。

在磁质谱中，同样为了降低带电粒子初始位置和初始速度引起的偏差，普遍采用双聚焦模式，带电粒子要通过扇形电场能量聚焦，还要通过扇形磁场方向聚焦才能到达检测器。能量聚焦原理如图5所示，扇形电场内任意点的电场方向指向扇形的圆心，或者与此方向相反，带电粒子被加速后飞入扇形电场，受电场力作用作圆周运动。设圆周运动半径为R，扇形电场强度为E，则离心力等于带电粒子所受电场力：

$\frac{{\mathrm{mv}}^2}{R}=\mathrm{Eq}$

将上式与(1)式合并可得：

$R=\frac{2U}{E}---\left(3\right)$

上式说明，在能量聚焦中，带电粒子在电场中偏转半径与质荷比无关，各种质荷比的带电粒子以相同的半径通过扇形电场，只有那些初始位置和初始速度有偏差，加速后运动能量有偏差的带电粒子，因运动半径不同而被滤除。

发明内容

本发明是一种用于质谱的新型质量分析器，目的在于使带电粒子束中不同质荷比的粒子分离，得以分别检测，根据带电粒子束中粒子运动特征的不同，可对不同质荷比的粒子进行空间分离或时间分离。

本发明的物理结构为真空中两个共轴圆柱面电极，两个电极之间加一定电压，形成环柱形电场，如图1所示。必要时可在带电粒子飞入的地方增加辅助电极形成辅助电场，也可在环柱形两端增加辅助电极形成辅助电场。

本发明的实现方法是：带电粒子以一定角度飞入环柱形电场，在电场作用下做螺旋运动，旋转一定圈数后引出环柱形电场，进入检测器或进入下一级质量分析器。

本发明所述环柱形电场质量分析器，因入射带电粒子的运动特征不同，可产生两种结果：

第一种结果：如图2所示，带电粒子束中所有带电粒子被加速的时间相同，动能不同时，速度为

v＝at₀

其中t₀是带电粒子被加速的时间，为常数。又因为加速度

其中m是带电粒子的质量，f是带电粒子在加速电场中所受的电场力，得

$v=\frac{{\mathrm{ft}}_0}{m}$

电场力f＝Eq，其中E是加速电场强度，q是带电粒子所带电量，得

$v=\frac{{\mathrm{qEt}}_0}{m}$

加速场强

其中U是加速电压，d是两加速电极间的距离，得

$v=\frac{{\mathrm{Ut}}_{0}q}{\mathrm{dm}}---\left(4\right)$

上式表明，带电粒子被加速的时间相同时，速度与质荷比成反比。当符合上式的带电粒子以垂直于环柱体轴线的方向飞入环柱形电场时，带电粒子将做圆周运动。设圆周运动半径为R，环柱形电场强度为E，则离心力等于带电粒子所受电场力：

$\frac{{\mathrm{mv}}^2}{R}=\mathrm{Eq}---\left(5\right)$

合并(4)式和(5)式，可得环柱形电场质量分析器中带电粒子偏转半径：

$R=\frac{U^2{t}_0^{2}q}{{\mathrm{Ed}}^{2}m}---\left(6\right)$

从上式环柱形电场中带电粒子的偏转半径与质荷比的数学关系看，它们是反比关系，不同质荷比的带电粒子圆周运动的半径不同，只有半径为入射点到环柱形轴线距离的带电粒子可以连续地做圆周运动，其它带电粒子将落在两个圆柱面电极上。

当带电粒子飞入环柱形电场，入射方向与环柱形轴线不垂直，而是成一定角度时，带电粒子将从圆周运动变成螺旋运动，在适当的位置检测，也可以引出环柱形电场进行检测或者进入下一级质量分析器。这样就形成了只允许单一质荷比的带电粒子通过的质量过滤器，也叫质量分析器，此种质量分析器属于空间分离类型。

第二种结果：如图2所示，带电粒子束中所有带电粒子被加速的距离相同，动能相同时，运动速度符合(1)式，与质荷比的平方根成反比。

当符合(1)式的带电粒子以垂直于环柱体轴线的方向飞入环柱形电场时，带电粒子将做圆周运动。运动半径符合(3)式，带电粒子在电场中偏转半径与质荷比无关，所有质荷比的带电粒子以相同的半径做圆周运动。调节带电粒子的入射动能，或者环柱形电场的强度，可使带电粒子圆周运动的半径与入射点到环柱形轴线的距离相同，则带电粒子在环柱形电场中可以连续地做圆周运动。

当带电粒子飞入环柱形电场，入射方向与环柱形轴线不垂直，而是成一定角度时，带电粒子将从圆周运动变成螺旋运动，在适当的位置检测，也可以引出环柱形电场进行检测或者进入下一级质量分析器。设带电粒子螺旋运动和引入、引出电场总的运动距离为L，则其运动时间符合(2)式，各种质荷比的带电粒子按时间顺序依次到达，这样就形成螺旋形折叠路径的飞行时间质量分析器，比无场飞行和反射式无场飞行质量分析器大幅度地缩小体积，同时具有能量聚焦作用，减小了带电粒子初始状态的偏差，分辨率较高，此种质量分析器属于时间分离类型。

以上两种质量分析器中，带电粒子的圆周运动要形成螺旋运动，可以采用三种方式：1.带电粒子入射方向与环柱形电场的轴线不垂直，成一定角度。2.带电粒子入射方向与环柱形电场的轴线垂直，在环柱形电场的入射口前加两个电极，形成一个与环柱形轴线平行的电场，使带电粒子在轴线方向具有一定速度，所加电场可以是静电场或者变化的电场。3.带电粒子入射方向与环柱形电场的轴线垂直，在环柱形电场的两端加两个电极，叠加一个与环柱形轴线平行的电场，使带电粒子在轴线方向具有一定速度，所加电场可以是静电场或者变化的电场。

本发明所述的两种质量分析器结构简单、体积小巧、制做容易、分离高效。

附图说明

图1是本发明的示意图，1和2是圆柱面电极，为了方便说明2只画出了一半，实物是完整的圆柱面电极，3是带电粒子检测器或下一级质量分析器的接口，图中螺旋线是带电粒子的运动轨迹。

图2是本发明加入带电粒子加速装置的示意图，1和2是带电粒子的加速电极，电极2上有用于引出带电粒子的小孔或狭缝，3和4是圆柱面电极，为了方便说明4只画出了一半，实物是完整的圆柱面电极，5是带电粒子检测器或下一级质量分析器的接口，6是圆柱面电极3和4共同的轴线，图中螺旋线是带电粒子的运动轨迹。

图3是目前已有的飞行时间质谱原理图，1和2是带电粒子的加速电极，电极2上有用于引出带电粒子的小孔或狭缝，3是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

图4是目前已有的反射式飞行时间质谱原理图，1和2是带电粒子的加速电极，电极2上有用于引出带电粒子的小孔或狭缝，3是一组反射电极，4是一组后加速电极，5是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

图5是目前已有的双聚焦质谱能量聚焦部分原理图，1和2是带电粒子的加速电极，电极2上有用于引出带电粒子的小孔或狭缝，3和4是圆弧形电极，5是具有小孔或狭缝的挡板，6是检测器，虚线表示带电粒子的运动轨迹。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1和图2所示，装置整体置于真空中。

图1中1是较小的圆柱面电极，2是较大的圆柱面电极，2套在1外，两个半径不同的圆柱面电极轴线重合，在1和2两个电极上加一定电压，两个柱面之间就形成电场，电场的形状为环柱体。当有带电粒子以一定角度射入环柱形电场中时，带电粒子将会在环柱体内做螺旋运动，运动一定时间或距离后引出电场，进行检测，或者进入下一级质量分析器。

图2中1和2是电极，它们之间加一定电压，在1和2之间形成加速电场，带电粒子在加速成电场中被加速，从电极2上的小孔或狭缝中引出。3是较小的圆柱面电极，4是较大的圆柱面电极，4套在3外，两个半径不同的圆柱面电极轴线重合，在3和4两个电极上加一定电压，两个柱面之间就形成电场，电场的形状为环柱体。当电极1和2加速的带电粒子以一定角度射入环柱形电场中时，带电粒子将会在环柱体内做螺旋运动，运动一定时间或距离后引出电场，进行检测，或者进入下一级质量分析器。

控制图2中电极1和2上所加的电压，可以得到两种不同运动特征的带电粒子束。第一种是带电粒子被加速的时间相同，动能不同，则环柱形电场成为质量过滤器，只有一种质荷比的带电粒子可以做稳定的螺旋运动，到达检测器，控制电极3和4上所加的电压，可以改变环柱体电场的强度，过滤不同质荷比的带电粒子，进行质量扫描。第二种是带电粒子被加速的距离相同，动能相同，则环柱形电场成为螺旋折叠的粒子通道，所有质荷比的带电粒子可以做稳定的螺旋运动，到达检测器，但是到达检测器的时间按质荷比的顺序排列，环柱形电场以很小的空间实现了飞行时间质量分析器。

带电粒子以垂直于的轴线方向射入环柱电场时，将会做圆周运动，要使带电粒子做螺旋运动，还要使粒子在环柱形轴线方向具有一定速度。实现方法有三种：1.带电粒子入射方向与环柱形轴线不垂直，成一定角度。2.在环柱电场入射口之前加两个与轴线垂直的电极，形成与环柱形轴线平行的电场，对带电粒子轴向加速。3.在环柱电场两端加两个与轴线垂直的电极，形成与环柱形轴线平行的电场，叠加在环柱形电场上，对带电粒子轴向加速。

Claims (9)

1.一种用于质谱的质量分析器，其特征在于：两个圆柱面电极半径不同，小电极在大电极内，两电极之间形成环柱形空间，在两电极上加一定电压，则形成环柱形电场。当带电粒子束以合适的角度射入环柱形电场时，在环柱形电场中做螺旋运动，不同质荷比的带电粒子在螺旋运动中分离。

2.如权利要求1所述质量分析器，其特征在于：两个圆柱面电极可以是满足要求的任意材料、尺寸。

3.如权利要求1所述质量分析器，其特征在于：两个圆柱面电极的相对位置可变，两电极轴线重合形成对称环柱形电场，也可以轴线不重合形成不对称环柱形电场。带电粒子的入射方向与出射方向可以成任意角度。

4.如权利要求1所述质量分析器，其特征在于：两个圆柱面电极上所加的电压是满足要求的任意电压，可以是恒定电压，也可以是脉冲电压，可以是任意波形的电压。

5.如权利要求1所述质量分析器，其特征在于：当入射的带电粒子被加速的时间相同，动能不同时，其速度与质荷比成反比，不同质荷比的粒子在环柱形电场中螺旋运动半径不同，只有半径与入射点到环柱形轴线距离相同的带电粒子可以稳定地做螺旋运动，实现质量过滤。改变两个圆柱面电极之间的电压，使环柱形电场的强度改变，可实现质量扫描。

6.如权利要求1所述质量分析器，其特征在于：当入射的带电粒子被加速的距离相同，动能相同时，其速度与质荷比的平方根成反比，不同质荷比的粒子在环柱形电场中螺旋运动半径相同，运动轨迹相同，速度不同，不同质荷比的粒子到达运动终点的时间不同，实现时间分离。

7.如权利要求1所述质量分析器，其特征在于：在环柱形电场的带电粒子入射位置前加两个电极，与环柱形轴线垂直，形成与轴线平行的电场，使入射的带电粒子具有轴向速度，形成螺旋运动。两电极间所加电压为任意波形电压。

8.如权利要求1所述质量分析器，其特征在于：在环柱形电场的两端加两个电极，与环柱形轴线垂直，形成与轴线平行的电场，使入射的带电粒子具有轴向速度，形成螺旋运动。两电极间所加电压为任意波形电压

9.串联质量分析器，其特征在于：应用权利要求1、2、3、4、5、6、7、8所述的质量分析器，与各种质量分析器串联使用成为多级质量分析器。

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