CN102683153A - 质量分析器和具有该质量分析器的质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种质量分析器和一种质谱仪，包括四根电极杆、直流电源、交流电源和质量扫描模块。四根电极杆互相平行，并在同一圆周上均匀布置；直流电源与四根电极杆电连接，用于提供直流偏置电场；交流电源与四根电极杆电连接，用于提供高压电场。质量扫描模块包括：正弦波信号发生器，用于产生正弦波信号；控制器，与四根电极杆电连接，用于接收正弦波信号，并调节其中的射频频率来控制高压电场，以扫描样品分子中不同离子的质量。本发明中，质量扫描模块以正弦波模拟信号为输入信号，通过调节射频频率来控制高压电场，来扫描样品分子中不同离子的质量，因此检测分析精度高。本发明的质谱仪安装有本发明的质量分析器，检测分析精度高。

Description

质量分析器和具有该质量分析器的质谱仪

技术领域

本发明涉及一种质量分析器和质谱仪。

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，如食品中农药残余等。

如图1所示，质谱仪结构，包括离子源1、质量分析器2、离子探测器3和真空系统(图中未示出)。离子源1用于将样品分子电离为一系列离子，并且能使电离后的离子能进入质量分析器2。图1所示的为四极杆式质量分析器，其包括四根电极杆，该四根电极杆4、5、6、7互相平行，并在圆周方向均匀布置，每根电极杆上都加有交流和直流电压，在特定的交流和直流电压产生的电场作用下，特定质荷比的离子能通过四极杆式质量分析器，最后撞击到离子探测器3上，离子探测器根据所接收的离子的撞击信号以及这个瞬间加在四根电极杆上的交流、直流电压等信息即可计算出这些离子的质量，从而分析出样品的性质。

如图2所示，四极杆式质量分析器的原理是基于电场与特定质荷比的离子的特定对应关系，利用随时间而变化的电场对不同质荷比的离子进行选择，从而得出各个离子的质量。四根电极杆4、5、6、7中，在相对的一组电极杆4、6或5、7上施加极性相同的电压，而相邻的电极杆上的电压极性相反。当离子进入四极杆式质量分析器后，由于受到直流电场(DC)和交流电压产生的射频电场(RF)的作用会开始复杂的振荡运动。在某一时刻，DC和RF保持特定数值，这个时候只有特定质量的离子才可以通过四根电极杆，如果离子的质量太小，则这个离子会被推向正极电极杆方向，而无法到达质量分析器的出口；如果离子的质量太大，则这个离子会被推向负极电极杆方向，直到离子撞击到负极电极杆或从负极电极杆的边缘弹出去，也无法到达质量分析器的出口。因此，在DC和RF特定的情况下，只有特定质量的离子能够通过四极杆式质量分析器而到达离子探测器。也就是说离子的质量与电场(电压)有特定的对应关系。进入四极杆式质量分析器的离子在四根电极杆产生的电场引导下做振荡运动，其运动方程满足Mathieu方程：

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=-\frac{2e}{{r_0}^2}(U-V\cos \mathrm{\Ωt})x$

其中，m是离子的质量；e是电子的电量；U是加在四根电极杆上的直流电压幅度，其产生DC电场；V是加在四根电极杆上的交流电压幅度，其产生RF电场；Ω是交流电的频率。能够通过四极杆式质量分析器的离子，其振荡的幅度必然随着时间的推移越变越小，以确保其在飞行过程中就不会撞上电极杆或从电极杆的边缘飞出去。上述Mathieu运动方程有稳定解的条件可由下面数学公式(1)表达：

$m=\frac{8\mathrm{eU}}{a{\mathrm{\Ω}}^2{r_0}^2}---\left(1\right)$

其中a是一个大于0小于0.203的一个小数。从该数学公式可以看出：离子的质量与直流电压、交流电压的幅度成正比。

通常，一个待检测的样品分子在离子源1内被离子化以后，会产生多种质量不同的离子。为了分析样品分子，一般需要了解所有质量不同的离子的质量，而测量所有质量不同的离子质量的过程称为质量扫描。传统的质量扫描方法是：随着时间的变化不断改变加在四根电极杆上的直流电压U和交流电压幅度V，从而使不同质量的离子分别通过质量分析器到达离子探测器进行分析。即传统技术是通过电压扫描方式来扫描离子质量的。

上述的用电压扫描方式扫描离子质量有两个缺陷：其一，如图3所示，图中的m/z28、m/z69、m/z219分别表示质荷比为28、69、219的三种离子，图中的三个近似三角形分别表示这三种离子能通过质量分析器时的直流电压U和交流电压幅度V的比率范围，即稳定区域。在电压扫描过程中，需要同时改变直流电压U和交流电压幅度V，并确保直流电压U和交流电压幅度V之间的比率在扫描过程中维持不变，即保持图3中斜线的斜率不变，并使三角形稳定区域的顶点在斜线上，这样才能保证离子探测器所接收到的离子与电压有唯一的对应关系，以确保检测的精确性。如果在电压扫描过程中图3中斜线的斜率发生了变化，即直流电压U和交流电压幅度V之间的比率发生了变化，则各离子的质荷比也随之发生变化，进一步导致检测精度下降。然而，要严格保证直流电压和交流电压幅度之间的比率不随时间的变化而变化，这在技术上较难实现，因此，传统的质量分析器的检测精度低。其二，由于离子的质量与直流电压、交流电压的幅度成正比，所以要使大质量的离子通过，则必须增大直流电压和交流电压的幅度。而四极杆式质量分析器在高电压区工作时，电路容易放电，稳定性差，从而使检测精度受到极大影响。因此，该种以电压扫描方式扫描质量的四极杆式质量分析器检测分析大质量分子样品的精确度低，甚至无法进行检测分析。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中通过电压扫描方式扫描质量所导致的检测精度低的技术问题，而提供一种检测精度高的质量分析器及质谱仪。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明的质量分析器，包括四根电极杆、直流电源、交流电源和质量扫描模块，其中所述四根电极杆互相平行，并在同一圆周上均匀布置；所述直流电源与所述四根电极杆电连接，用于提供直流偏置电场；所述交流电源与所述四根电极杆电连接，用于提供高压电场；其中，所述质量扫描模块包括：正弦波信号发生器，用于产生正弦波信号；控制器，与所述四根电极杆电连接，用于接收所述正弦波信号，并调节其中的射频频率来控制高压电场，以扫描样品分子中不同离子的质量。

所述控制器包括：输入单元，用于输入所述正弦波信号；第一放大电路，用于放大输入的所述正弦波信号的正信号；第一镜像电路，用于复制经所述第一放大电路放大的正信号；偏置电路，用于接收经所述第一镜像电路复制的正信号；第一驱动电路，用于接收所述偏置电路输出的正信号，并调节其中的射频频率；第二放大电路，用于放大输入的所述正弦波信号的负信号；第二镜像电路，用于复制经所述第二放大电路放大的负信号；偏置电路，用于接收经所述第二镜像电路复制的负信号；第二驱动电路，用于接收所述偏置电路输出的负信号，并调节其中的射频频率；输出单元，用于接收所述第一驱动电路和第二驱动电路的信号并输出到所述四根电极杆；反馈电路，连接于所述输出单元和放大电路之间，用于比较输入信号和输出信号，控制输入信号和输出信号的误差。

本发明的质谱仪，包括将样品分子电离成离子的离子源、对所述离子进行质量扫描的质量分析器，以及离子探测器，其中所述质量分析器是本发明的质量分析器。

由上述技术方案可知，本发明的质量分析器的优点和积极效果在于：本发明的质量分析器中，由质量扫描模块控制通过调节射频频率来控制高压电场，来扫描样品分子中不同离子的质量，避免了传统的质量分析器中因质量扫描过程中直流电压与交流电压幅度不一致而产生的精度低的问题；同时，根据公式(1)，离子的质量与频率的平方(Ω²)成反比，于是我们知道，当Ω产生一个微小的变化，则Ω²便会将其放大成很大的变化，反映到离子质量，也会随之产生很大的变化。也就是说，本发明的以频率扫描方式来扫描离子质量的灵敏度远高于以扫描电压方式来扫描离子质量的灵敏度，因此，传统的电压扫描过程中能够即使做到直流电压与交流电压幅度保持一致，其灵敏度也远低于以频率扫描方式来扫描离子质量的灵敏度。因此，本发明的质量分析器的检测分析精度高、灵敏度高。特别是，本发明中的质量扫描模块是以正弦波模拟信号为输入信号，从傅里叶变换的角度来看，在扫描过程中的某一瞬间，正弦波只有单一的一个频率，这进一步提高了本发明的质量分析器的检测分析精度。本发明的质谱仪，由于设有本发明的质量分析器，因而检测分析精度高。

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立体结构示意图；

图2表示传统的质谱仪中的四极杆式质量分析器的结构示意图；

图3表示传统的质谱仪中的四极杆式质量分析器的质量扫描图；

图4表示本发明的质量分析器的结构示意图；

图5表示本发明的质量分析器中的质量扫描模块所输入的正弦波模拟信号示意图；

图6表示本发明的质量分析器的正弦波傅里叶频率谱图；

图7表示本发明的质量分析器中的控制器的方框原理图；

图8表示本发明的质量分析器中的控制器的电路图。

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4所示，本发明的质量分析器，包括四根电极杆4、5、6、7、直流电源、交流电源和质量扫描模块。其中四根电极杆4、5、6、7互相平行，并在圆周方向均匀布置。直流电源与四根电极杆电连接，用于提供直流偏置电场。交流电源与四根电极杆电连接，用于提供高压电场。

质量扫描模块包括：正弦波信号发生器和控制器。正弦波信号发生器用于产生正弦波信号；控制器与四根电极杆电连接，用于接收正弦波信号，并调节其中的射频频率来控制高压电场，以扫描样品分子中不同离子的质量。由此可知，本发明的质量分析器是以频率扫描方式来扫描离子质量的，因此，在质量扫描过程中，直接电压和交流电压幅度无需变化，即在扫描过程中无需考虑使直接电压和交流电压幅度的比率保持不变这一技术难题。因此，本发明提高了检测分析的精确度。需要特别说明的是，参见图5和图6所示，本发明的质量分析器中，利用的是输入为正弦波模拟信号的模拟电路来控制频率变化的。如图6所示，正弦波只有单一的一个频率，因此，在质量的频率扫描过程中，在某一时刻，只有唯一一个特定质荷比的离子能通过质量分析器，这显然大幅度提高了检测分析的精度。这也正是正弦波模拟信号优越于方波、锯齿波、梯形波等数字信号的所在。

如图7所示，本发明中的控制器包括：输入单元，用于输入正弦波信号；第一放大电路，用于放大输入的正弦波信号的正信号；第一镜像电路，用于复制经第一放大电路放大的正信号；偏置电路，用于接收经第一镜像电路复制的正信号；第一驱动电路，用于接收偏置电路输出的正信号，并调节其中的射频频率；第二放大电路，用于放大输入的正弦波信号的负信号；第二镜像电路，用于复制经第二放大电路放大的负信号；偏置电路，用于接收经第二镜像电路复制的负信号；第二驱动电路，用于接收偏置电路输出的负信号，并调节其中的射频频率；输出单元，用于接收第一驱动电路和第二驱动电路的信号并输出；反馈电路，连接于输出单元和放大电路之间，用于比较输入信号和输出信号，控制输入信号和输出信号的误差。

如图8所示，本发明中的控制器中：正弦波信号由晶体三极管Q6，晶体三极管Q7的基极输入，晶体三极管Q4，Q6和电阻R7组成了第一放大电路，主要是对输入的正信号进行放大，使信号增强。晶体三极管Q7，Q9和电阻R11组成第二放大电路，主要是对输入的负信号进行放大，使信号增强；电阻R2，R3和晶体三极管Q1，Q2组成了第一镜像电路，它的作用是复制信号以隔离电路的前、后部分。晶体三极管Q10，Q11和电阻R15，R16组成第二镜像电路，复制另外一路反相的信号以隔离电路的前、后部分；电阻R5，R10和晶体三极管Q5组成了偏置电路，它为后面的驱动电路提供合适的工作电压的初始值；电阻R4，R6和晶体三极管Q3组成了第一驱动电路，在此第一驱动电路中对频率进行适当的放大，可以增加对电路负载的驱动能力；电阻R9，R12和晶体三极管Q8是第二驱动电路，在此第二驱动电路中对频率进行放大，并且放大的倍数与第一驱动电路中频率放大倍数相同，其同样可以增加对电路负载的驱动能力。

本发明中的控制器不限于上述结构，能够实现射频频率调节的其他结构的控制器也是可行的。

本发明的质谱仪，包括将样品分子电离成离子的离子源、对电离的离子进行质量扫描的质量分析器，以及离子探测器。质量分析器采用本发明的结构，即其质量扫描模块中的控制器采用频率扫描的方式来扫描质量，所以，本发明的质谱仪检测分析精度高。

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 (3)

1.一种质量分析器，包括四根电极杆、直流电源、交流电源和质量扫描模块，其中所述四根电极杆互相平行，并在同一圆周均匀布置；所述直流电源与所述四根电极杆电连接，用于提供直流偏置电场；所述交流电源与所述四根电极杆电连接，用于提供高压电场；其特征在于：所述质量扫描模块包括：

正弦波信号发生器，用于产生正弦波信号；

控制器，与所述四根电极杆电连接，用于接收所述正弦波信号，并调节其中的射频频率来控制高压电场，以扫描样品分子中不同离子的质量。

2.如权利要求1所述的质量分析器，其特征在于：所述控制器包括：

输入单元，用于输入所述正弦波信号；

第一放大电路，用于放大输入的所述正弦波信号的正信号；

第一镜像电路，用于复制经所述第一放大电路放大的正信号；

偏置电路，用于接收经所述第一镜像电路复制的正信号；

第一驱动电路，用于接收所述偏置电路输出的正信号，并调节其中的射频频率；

第二放大电路，用于放大输入的所述正弦波信号的负信号；

第二镜像电路，用于复制经所述第二放大电路放大的负信号；

偏置电路，用于接收经所述第二镜像电路复制的负信号；

第二驱动电路，用于接收所述偏置电路输出的负信号，并调节其中的射频频率；

输出单元，用于接收所述第一驱动电路和第二驱动电路的信号并输出到所述四根电极杆；

反馈电路，连接于所述输出单元和放大电路之间，用于比较输入信号和输出信号，控制输入信号和输出信号的误差。

3.一种质谱仪，包括将样品分子电离成离子的离子源、对所述离子进行质量扫描的质量分析器，以及离子探测器，其特征在于：所述质量分析器是如权利要求1或2所述的质量分析器。

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