CN102820190A

CN102820190A - 一种四极杆质量分析器的装配方法

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Publication number: CN102820190A
Application number: CN2012103087934A
Authority: CN
Inventors: 徐福兴; 王亮; 汪源源; 丁传凡
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: CN102820190B

Abstract

本发明属于质量分析仪器技术领域，具体为一种四极杆质量分析器的装配方法，装配过程中主要使用电极杆、陶瓷环、精密圆球等部件。其步骤包括：将四根电极杆穿过陶瓷环，并与陶瓷环的内壁相切且均匀分布，然后通过调节精密圆球与四根电极杆的相切配合，确定四根电极杆的相对位移，再根据精密圆球材料的热胀冷缩系数，把整个装置放置于合适的环境中，取出精密圆球，完成整个装置的装配。本发明中采用了高精密圆球来定位四根电极杆的相对位移，并根据物理上圆圆相切和材料的热胀冷缩原理来完成整个装配过程，达到整个组装的高精度要求，其制作过程简单，加工难度系数降低，提高了整个四极质量分析器合格率。

Description

一种四极杆质量分析器的装配方法

技术领域

本发明属于质量分析仪器技术领域，具体涉及一种四极杆质量分析器的装配方法。

背景技术

质谱仪在物质分析及成分鉴定中具有很高的灵敏度和分辨率，其基本工作原理是：首先把被检测的物质电离成离子，通过电场或磁场将离子按质荷比（m/z）的大小进行分离，然后通过离子检测器检测这些被分离的离子，从而得到质谱图。通过对质谱图的分析，即可获得被检测物质的化学成分、结构以及含量等信息。在质谱仪中，将物质电离的部件被称为离子源，对离子进行质量分析的部件被称为质量分析器。离子源和离子质量分析器是组成质谱仪的两个关键部件。

由于质谱仪具有高灵敏度和高分辨率等特点，它已经成为当今世界上应用最广泛的分析器之一，在环境检测、食品安全、运动员违禁药物检测、制药、疾病诊治、蛋白质组学、基因组学等热点领域发挥着越来越重要的作用。不仅如此，质谱仪的发展对一些基础科学研究以及涉及国家安全的领域（如国防、航天、生物以及化学武器的检测与维护等）具有重要的意义。

目前，质谱技术的发展已相当成熟，各种新型的质谱仪器不断涌现。所有的质谱仪的基本原理或者说要实现的目标都是相同的，那就是实现中性物质的电离，然后把离子按其质荷比大小进行分离。然而，不同种类的质谱仪使用不同的质量分析器，这些质量分析器实现离子质荷比分离的方式也不相同。按照质量分析器的不同把质谱仪主要分为以下几种：磁质谱仪(使用磁质量分析器，magnetic sector)、飞行时间质谱仪(使用飞行时间质量分析器，TOF)、四极杆质谱仪(使用四极杆质量分析器，QMF)、离子阱质谱仪(使用离子阱质量分析器，Ion trap)、傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(使用傅里叶变换质量分析器，FT-ICR)、轨道离子阱质谱仪(使用轨道离子阱质量分析器，Orbitrap)等。不同种类的质谱仪具有不同的特点和应用领域。

四极杆质谱仪是目前最成熟、应用最广泛的小型质谱仪之一。在气相色谱-质谱（GC-MS）和液相色谱-质谱（LC/MS）联用仪中，四极杆是最常用的质量分析器之一。四极杆质谱仪属于动态质谱，由于仅利用纯电场工作，无需涉及磁场，重量较轻；仅要求离子入射能量小于某一上限，不要求入射离子实现能量聚焦，从而可引入结构简单、高灵敏度的离子源，并且适用于具有一定能量分散的离子，如二次离子；扫描速度快，可通过调节电参量实现仪器灵敏度和分辨本领的调整，同一台仪器可满足不同的分析要求。这些优点使得四极杆从诞生开始就备受关注，并得到了迅速发展。目前四极杆质谱技术已相当成熟，四级杆质谱仪作为一种结构紧凑、功能齐全、价格低廉的质谱仪器，在物理学、分析化学、医学、环境科学、生命科学等领域中获得了广泛应用。

四极杆质谱仪中使用的四极杆质量分析器由两对平行的圆柱形电极组成。离子束在与圆柱形电极平行的轴上聚焦，一个直流电压(DC)和一个射频电压(RF)作用在两对电极上，加载在两对电极上的电压信号幅度相同但相位相差180^o。对于给定的直流和射频电压，只有特定质荷比的离子才能在轴向方向稳定运动地通过，其他质荷比的离子则与电极碰撞湮灭。将DC和RF以固定的斜率扫描，可以实现质量扫描功能。四极杆质量分析器具有相对简单的结构，扫描速度较快，但是它的质量分辨率和质量范围不高，而且四极杆的电极对精度的要求很高，因此加工和装配难度大。

四极杆装置是四极杆质量分析器质谱仪所必备的核心部件，它的加工及组装精度决定了整个仪器的检测水平，而四极杆质量分析器的组装件的精度又是四极杆装置精度的关键所在。四极杆质量分析器组装件的精度直接决定了整个仪器的质量分辨以及仪器灵敏度等性能指标。

目前，四极杆质量分析器装置主要是通过四个具有精确定位的圆柱形定位面来定位四极杆的位置，然后用螺栓进行安装固定。整个装置装配调整的难度大，一次加工合格率低，对固定四极杆的绝缘材料的加工精度要求也非常高（需要达到1um以下）。

发明内容

本发明目的是提供一种简单、高精度的四极杆质量分析器的装配方法。

本发明提供的一种四极杆质量分析器的装配方法，所述四极杆质量分析器包括四根电极杆、陶瓷环、第一精密圆球和第二精密圆球，所述第二精密圆球位于陶瓷环内，且第二精密圆球与陶瓷环同轴布置，第二精密圆球与陶瓷环之间组成的圆环之间等间距分布有四根电极杆，电极杆通过定位销固定于陶瓷环上，相邻的电极杆之间设有第二精密圆球，第一精密圆球与相邻的电极杆均相切；具体步骤如下：

（1）在陶瓷环内沿外圆周方向均匀开四个通孔，在四根电极杆上端分别设置定位销，通孔和定位销的大小、形状相互匹配，使得定位销插入通孔时精密配合，呈过盈连接；

（2）将四根电极杆插入陶瓷环内，调整四根电极杆的位置，使其与陶瓷环内壁均相切且均匀分布，通过位于电极杆上端的定位销使四根电极杆初步定位于陶瓷环内；

（3）在相邻的电极杆之间放置第一精密圆球，同时在四根电极杆围成的内孔圆内放置第二精密圆球，调整位置使得第一精密圆球分别与相邻的电极杆均外切，第二精密圆球和四根电极杆均外切，同时四个第一精密圆球分别与相邻的电极杆和位于电极杆内的第二精密圆球相切配合，从而确定四根电极杆的相对位移，再将四根电极杆上端的定位销与陶瓷环紧密固定；

（4）根据第一精密圆球和第二精密圆球的热胀冷缩系数，把步骤(3)所得整个装置放入常压、与室温温差为45～50℃的环境内，取出第一精密圆球和第二精密圆球，完成整个装配过程。

本发明中，所述的电极杆为圆柱形金属杆或圆柱形非金属镀金杆。所述的陶瓷环为陶瓷材料加工的圆柱形结构，所述的陶瓷环为2或2个以上，位于四根电极杆的中部或两端。。

本发明中，所述的电极杆的定位销为金属或非金属表面镀导电材料，其形状为圆柱形，步骤（2）中定位销与电极杆的连接不受限制，可以是整体加工或通过螺孔连接或焊接等中的任意一种，其定位销具有电极杆导电引线的作用。

本发明中，步骤（3）中所述的电极杆定位销与陶瓷环固定采用强力固体胶固定或焊接的方式。

本发明中，所述精密圆球为非金属材质或金属材质，其直径大小是根据计算且与电极杆的直径有一定的比例关系而决定。

本发明中，所述第一精密圆球和第二精密圆球均为陶瓷材料。

本发明中，步骤（3）中所述的与四根电极杆均相外切的精密圆球半径跟电极杆的半径比例范围为（1.00~1.15）：1。

本发明中，取精密圆球时，先取出与四根电极杆均外切的第二精密圆球，再取出与相邻两根电极杆相切的第一精密圆球。

本发明采用高精密圆球，根据相切原理来装配整个四极杆装置，通过精密调整整个装置而实现四极杆的精确装配；其将陶瓷环定位四极杆的加工难度转移到精密圆球或圆杆表面上；在精密调整定位后，将四极杆上端的定位销焊接或强力固体胶固定在陶瓷环上，增加了防震能力，制作方便。同时利用定位销方便了电极的导电引线，确保了四极质量分析器的精密性能，解决了四极质量分析器在产业化生产中的关键技术难题。

附图说明

图1为本发明一种四极质量分析器装配方法的结构剖切面示意图；

图2为四极质量分析器装配完成后的示意图；

图3为四极杆的结构示意图；

图4为陶瓷环的结构剖切面示意图；

图中标号：101为电极杆；102为陶瓷环；103为第一精密圆球；104为第二精密圆球；202为定位销；302为通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本发明公开了一种四极质量分析器装置的新型装配方法。

如图1~4所示，装配过程中使用四根圆柱形电极杆101、陶瓷环102、第一精密圆球103、第二精密圆球104等主要部件。具体装配过程如下：

首先在陶瓷环102的环壁上沿环周等间距开设4组通孔302, 在四根电极杆101上端分别设置定位销202，定位销202为金属材料，定位销202为圆柱形，其尺寸大小与通孔302相匹配。

接着将四根电级杆101穿过陶瓷环102，将电极杆201上端的定位销202放入陶瓷环102外环壁上的通孔302内，调节四级杆101位置使得四根电极杆101均与陶瓷环102内壁相切，实现电极杆101与陶瓷环102的初步定位。

然后在相邻的电极杆101之间放入一个第一精密圆球103，调整相互间位置使得第一精密圆球103与相邻的电极杆101均相切，再将其余3个第一精密圆球103依次放入四根电极杆101之间，调节使第一精密圆球103与相邻的电极杆101均相切，之后再在4根电极杆101所围成的内孔圆中放入第二精密圆球104，通过精密调整每个第一精密圆球103与第二精密圆球104的位置，确保每个第一精密圆球103与相邻的电极杆101相切，确保第二精密圆球104与四根电极杆101均相切。待精密调整定位装配完成之后，将4根电极杆101的定位销202与陶瓷环102的外环壁上的4个通孔302的连接处用强力固体胶密封或焊接，使得电极杆101与陶瓷环102在保证装配精度的前提下有力的结合。等到强力固体胶完全密封或焊接好之后，整个四极质量分析器完成精密定位和固定。其中第二精密圆球104的尺寸是根据电极杆101直径按照一定的比例关系先确定，其比例关系r₁₀₁：r₁₀₄=(1~1.15)：1。第一精密圆球103尺寸的大小根据电极杆101的直径与第二精密圆球104的直径计算确定得到。

为了方便描述实施内容，举一具体实例。电极杆101半径记为r，第二精密圆球104半径记为r₀，第一精密圆球103半径记为r₁。取r 与r₀的比例为1.0计算。其中r= r₀为6.0mm，由于每个第一精密圆球103与相邻电极杆101相切，及第二精密圆球104与每个电极杆101相切，第二精密圆球104、电极杆101、第一精密圆球103间组成一个等腰直角三角形。根据等腰直角三角形边长公式可计算出2r₁ =4.97056mm，即第一精密圆球103的直径为4. 97056mm。在实际加工过程中，加工单一的圆球或圆杆，精度可以达到1um以下。这样根据上述的装配方法，四极质量分析器完全可以装配到很高的精度。

最后将整个四极质量分析器装置放入特定的环境内，此环境的温度和湿度及气压由第一精密圆球103、第二精密圆球104的材料的热胀冷缩的系数决定，根据第一精密圆球103、第二精密圆球104的热胀冷缩系数的大小，在合适的环境内，在不影响整个四极质量分析器装配精度的情况下，第一精密圆球103、第二精密圆球104会收缩，取出第一精密圆球103、第二精密圆球104，即完成整个四极质量分析器的精密组装。

根据陶瓷（氧化铝99.6%）的热胀冷缩系数为6.8×10^-6/℃、钢的热胀冷缩系数为14.4-16.0×10^-6/℃。在常压（自然大气压）下、温度为-25℃（常温为25℃），体积型变量=热胀冷缩系数×温度差×材料的体积。所以在此环境中陶瓷的体积型变量△V=6.8×10^-6/℃×50℃×V_陶瓷。拿出定位夹具后，再放入常温常压下，完成整个装配。

Claims

1.一种四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于所述的电极杆为圆柱形金属杆或圆柱形非金属镀金杆；所述的陶瓷环为陶瓷材料加工的圆柱形结构，所述的陶瓷环为2或2个以上，位于四根电极杆的中部或两端。。

3.根据权利要求1所述的四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于所述的电极杆的定位销为金属或非金属表面镀导电材料，其形状为圆柱形。

4.根据权利要求1所述的四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于步骤（3）中所述的电极杆定位销与陶瓷环固定采用强力固体胶固定或焊接的方式。

5.根据权利要求1所述的四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于所述精密圆球为非金属材质或金属材质，其直径大小是根据计算且与电极杆的直径有一定的比例关系而决定。

6.根据权利要求1所述的四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于所述第一精密圆球和第二精密圆球均为陶瓷材料。

7.根据权利要求1所述的四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于步骤（3）中所述的与四根电极杆均相外切的精密圆球半径跟电极杆的半径比例范围为（1.00~1.15）：1。

8.根据权利要求1所述的四极杆质量分析器的装配方法，其特征在于步骤(4)中取精密圆球时，先取出与四根电极杆均外切的第二精密圆球，再取出与相邻两根电极杆相切的第一精密圆球。