CN103227094B - 一种离子光学偏轴传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于质谱分析技术领域，具体为一种离子光学偏轴传输系统。其系统包括八极杆离子传输装置及为其提供射频电压和直流电压的电源装置。八极杆离子传输装置由两级以上的八极杆组成，八极杆呈阶梯形分布；本发明的系统结构简单，容易组装及拆洗，并且可以有效实现离子的偏转路径，降低质谱分析中的噪音干扰，提高离子的传输效率，提高仪器灵敏度。

Description

一种离子光学偏轴传输系统

技术领域

本发明属于质谱分析技术领域，具体涉及一种离子光学偏轴传输系统。

背景技术

电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS)是20世纪70年代迅速发展起来的一种新的分析测试技术，其原理是利用电感耦合等离子体将分析样品中所含的元素离子化为带电离子，通过离子传输系统将这些带电离子引入质量分析器中，按不同质荷比分开，经检测器将离子电流放大后，由测控系统处理给出分析结果。与其它分析技术相比，ICP-MS具有检出限低、线性范围宽、可快速同时检测各种元素等优点。随着应用范围的扩大，已发展成为一种常规的分析测试技术。

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）主要由ICP离子进样系统、接口系统、离子光学传输系统、质量分析检测系统组成。其中离子光学传输系统是ICP-MS技术的关键部分，决定离子从仪器的接口部分到质量分析器之间的传输，是电感耦合等离子体离子源与质量分析器间的重要桥梁，其性能也直接决定了ICP-MS的灵敏度和检测限等最关键的性能指标。

在ICP—MS仪器中，由炬管产生的ICP等离子体经过接口部分的采样锥、截取锥进入离子传输系统到达质量分析器。ICP等离子体离子是由电子、离子、光子和中性粒子组成，离子传输系统中的离子透镜的功能就是把离子流进行加速、聚焦成离子束。然后传输到达质量分析器，同时挡住光子和中性粒子。由于离子是带电粒子，电场能使其偏转，而光子和中性粒子不受电场作用以直线传播，所以一般采用光子挡板或使离子离轴偏转的方式，将离子与光子、中性粒子（非带电粒子）分离。

目前ICP—MS生产厂商生产的主流产品中使用的离子传输系统都有自己的设计，都具有各自的特色。基本上都能实现电场偏转，让带电粒子与光子和中性粒子的分离。离子光学传输系统整体可以分为三种类型：光子挡板型、离子轴类型、90度偏转类型。

光子挡板类型是指在截取锥和离子透镜同轴中间放置一个金属片，穿过截取锥的光子、中性粒子被金属挡板阻挡，ICP等离子体中的带电正离子受到离子透镜的导引，绕过光子挡板后再汇合，而电子、受离子透镜电场排斥而被阻挡，中性粒子在传输过程中遇到挡板而停止传输，带电的正离子在离子透镜电场的作用下，聚焦成散角尽量小的离子束绕过挡板而进入质量分析器。这种结构设计虽然避免了ICP等离子体中的光子和中性粒子直接进入检测器而引起信号响应，但同时也造成了将近80%的离子损失。从而造成离子传输的低效率和质量歧视。

离子轴偏转类型是离子流在截取锥后被提取透镜提取，经过透镜组聚焦及偏转透镜的电场作用，使离子束离开光轴穿过差分板上偏离光轴的小孔后进入质量分析器，利用了中性粒子和光子不受电场作用仍沿光轴前进的特性与离子分开，离子的传输效率有所提高，提高了灵敏度，但是在整个离子光学系统设计上极为复杂，使得离子透镜等部件的清洗维护变得极为困难，同时样品基体会直接打在带高压的离子透镜上形成电容效应，使仪器容易发生漂移。

90度偏转类型通过抛物线的电场将离子束转向90度，使得ICP离子源产生的光子和中子背景噪音被真空系统迅速抽掉，从而保证整个系统具有非常高的灵敏度。90度转角的焦点并不是非常的稳定，速度和重现性不高，整个仪器的离子光学系统结构过于复杂，使得整体的维护和拆卸增加了困难。

综上所述，ICP-MS的离子光学传输系统对仪器的分析性能有着重大的影响，各仪器厂商及各个分析研究领域在离子光学系统结构上的设计各不相同，都是为了增加离子传输效率、消除光子和中性粒子对仪器的影响；提高仪器的灵敏度。但是在目前在使用的离子传输系统中，其结构较复杂，清洗难度高，且离子传输效率偏低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型离子光学偏轴传输系统。其结构简单，容易组装及拆洗，并且可以有效实现离子的偏转路径，降低质谱分析中的噪音干扰，提高离子的传输效率，提高仪器灵敏度。

本发明提供的一种离子光学偏轴传输系统，包括八极杆离子传输装置及为其提供射频电压和直流电压的电源装置，所述八极杆离子传输装置由两级以上的八极杆组成，呈阶梯形分布，后一级八极杆与相邻前一级八极杆的Z轴中心在Y轴方向上的距离偏差即阶梯高度小于与八极杆内切的圆的直径；

所述电源装置在八极杆的一根，或相邻二根，或相邻三根，或相邻四根，或相邻五根，或相邻六根或相邻七根电极上加载直流电压，前后八极杆间直流电压值呈下降式阶梯分布，形成有效的电势阶梯；

所述电源装置在八极杆的相邻电极上施加射频电压，其幅度相同，相位相差180°。

本发明中，电源为八极杆离子传输装置提供所需的射频电压及直流电压，以，实现离子聚焦及偏轴传输。

上述的八极杆离子传输装置的电源，其电源也可为射频电压和直流电压与或其他波形信号，或多种信号的组合，以实现离子聚焦及传输等功能。

本发明中，八极杆呈阶梯形分布是指整个八极杆离子传输装置由两级以上的八极杆组成阶梯形，其第一级八极杆Z轴中心与第二级八极杆Z轴中心在Y轴方向上有距离偏差，其距离不太大；

第一级八极杆Z轴中心不能与第二级八极杆中的电极杆在同一水平线上，否则从第一级八极杆传输的离子全部撞击在第二级八极杆的电极杆表面上将失去离子初始动能，离子无法顺利的传输到第二级八极杆中；为了更有效的提高离子传输效率，其阶梯高度设置在适当的高度，以便离子更好的传输。其中第三级八极杆以及后面更多的八极杆均根据前面两个八极杆的阶梯高度及形状依次分布下去。

本发明中，八极杆由八根柱状电极组成，所述八根柱状电极相互平行，在XY平面内以Z轴为圆心，以各相隔45°圆心角固定在一圆的圆周上，所述与八极杆内切的圆即指该圆；相间的四根电极用导电材料连接在一起，形成两组连在一起的电极。

本发明中，八极杆由八根金属杆或八根绝缘材料镀金固定在陶瓷环上而得。其主要作用为离子传输，其在加工及组装精度要求比四极质量分析器精度低，这样更加便于加工和组装拆卸清洗。

本发明中，八极杆中的电极为金属或非金属镀金材料，其横截面为圆形、双曲面、直线形或椭圆形。

本发明中，，射频电压+RF和直流电压+V施加在八极杆的Y方向上一根电极杆上，在Y方向上另一根电极杆上施加射频电压+RF和直流电压-V。射频电压-RF施加在八极杆的X方向上两个对称电极杆上。

改变射频电压RF值和直流电压V值，离子进入八极杆Z方向前进时，离子在八极杆中的运动是X和Y方向振动的合运动，离子围绕Z轴方向做有限的振幅运动。改变RF和V，通过调节八极杆的内部八极场，可以有效的增加离子通过八极杆的传输效率。

本发明的有益效果在于：

1、本发明通过八极电场改变离子的传输路径，消除光子和中性离子的影响，能有效降低质谱分析中的噪音干扰，提高离子传输效率以及整个仪器的灵敏度；

2、作为一个离子光学传输系统，其结构简单，八极杆的精度要求低，易于加工和组装，便于拆洗；

3、适用于其他质谱仪器上的离子光学传输系统。

附图说明

图1为离子光学偏轴传输系统结构示意图。

图2为离子光学偏轴传输系统八极杆端面结构剖面示意图。

 图3为离子光学偏轴传输系统八极杆电压加载示意图。

图4为离子光学偏轴传输系统八极杆电压加载示意图。

图5为离子光学偏轴传输系统八极杆电压加载示意图。

图6为离子光学偏轴传输系统八极杆电压加载示意图。

图7为离子光学偏轴传输系统整体应用结构示意图。

图中标号：101、102、103-八极杆；201、202、202、203、204、205、206、207、208-电极。

具体实施方式

如图1所示为离子光学偏轴传输系统结构示意图。其结构主要由两级以上的八极杆呈阶梯分布组装而成，其八极杆102中心位置低于八极杆101中心位置，八极杆103中心位置低于八极杆102中心位置，后面的八极杆依次呈阶梯分布，阶梯高度小于小于与八极杆内切的圆的直径。离子传输系统八极杆截面示意图如图2所示，共有8根电极依次均匀分布，离子传输系统电压加载方式示意图如图3-图6所示，分别在电极201、202、205、206上施加射频电压+RF，在电极203、204、207、208上施加射频电压-RF，形成八极场束缚离子，离子在八极场的作用下被束缚在八极杆电极中心位置附近。同时只在电极201上加载直流电压+V或-V；或在电极201以及电极203和电极208上加载直流电压+V或-V；或在电极201以及电极203、电极208、电极205、电极206上加载直流电压+V或-V；或在电极201以及电极203、电极208、电极205、电极206、电极204、电极207上加载直流电压+V或-V。形成有效的直流电场，离子在直流电场的作用下，偏离八极杆中心轴，传输到下一组八极杆中，八极杆101、102、103上的直流电压呈阶梯分布。形成阶梯直流电场，方便离子传输。其中通过调节射频电压RF和直流电压V，在八极电场的作用下，离子从八极杆101传输到八极杆102，因离子中掺和着光子和中性粒子，光子和中性粒子不受电场的作用，它们做直线运动，未改变弯转的路径，全部撞在八极杆102的电极上而消失，而离子受到八极杆102的八极电场作用，改变了离子的传输路径，顺利弯转到八极杆102中做离子振幅运动，类似的原理，离子通过传输到八极杆103，最后到达质量分析器。

图7所示为离子光学偏轴传输系统整体应用结构示意图。

本实施例中，带电离子根据施加在八极杆上的RF射频电压和V直流电压改变其离子传输方向，而八极杆的阶梯形分布也有效的改变了带电离子的传输路径，而此时中性粒子和光子不受电场作用仍沿光轴前进。最终经过层层的阶梯分布，必然会充分的消除中性粒子和光子，只剩下带电的离子穿过离子传输系统，到达质量分析器。

Claims (3)

1.一种离子光学偏轴传输系统，包括八极杆离子传输装置及为其提供射频电压和直流电压

的电源装置，其特征在于：所述八极杆离子传输装置由两级以上的八极杆组成，所述八极杆呈阶梯形分布，后一级八极杆与相邻前一级八极杆的Z轴中心在Y方向上的距离偏差即阶梯高度小于与八极杆内切的圆球的直径；

所述电源装置在八极杆的一根，或相邻二根，或相邻三根，或相邻四根，或相邻五根，或相邻六根或相邻七根电极上加载直流电压，前后级八极杆间直流电压值呈下降式阶梯分布，形成有效的电势阶梯；

所述电源装置在八极杆的相邻电极上施加射频电压，其幅度相同，相位相差180°；其中：

所述八极杆由八根柱状电极组成，所述电极相互平行，在XY平面内以Z轴为圆心，以各相隔45°圆心角固定在同一圆周上；相间的四根电极用导电材料连接在一起，形成两组连在一起的电极。

2.根据权利要求1所述的离子光学偏轴传输系统，其特征在于：所述电极为金属或非金属镀金材料。

3.根据权利要求1或2所述的离子光学偏轴串系统，其特征在于：所述电极的横截面为圆形、双曲面、直线形或椭圆形。