CN103972021A - 一种基于动量分析器的飞行时间质谱计 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于动量分析器的飞行时间质谱计（MTOF-MS），使得离子质量数与其飞行时间呈线性关系，从而大大扩展仪器的质量数上限，明显提升仪器的分辨本领。本发明所依据的物理原理是，将传统的“等做功”离子加速方式改变为“等冲量”离子加速方式，也即，先把所有离子压缩到一个薄层内等待起飞，然后用高压窄脉冲加速离子，所有等电荷离子将获得同样的动量，再进入无场漂移区，最后按照离子质量数不同陆续到达探测器。也可以让离子通过无场漂移区后再进入离子反射器，折返后再次通过无场漂移区最后陆续到达探测器。按照到达离子的时间序列记录信号，即可识别离子种类。

Description

一种基于动量分析器的飞行时间质谱计

技术领域

本发明涉及一种分析仪器，主要涉及采用新的工作原理来解决传统飞行时间质谱计所固有的质量数与时间关系的非线性问题。采用新原理将大大扩展仪器的质量数上限，明显提升仪器的分辨本领。所发明的仪器可以用于气体成分分析、同位素分析、有机物识别、工业分压强测量、容器检漏，也可用于大气污染监测、食品安全监测、体育兴奋剂监测以及公众安全监测等领域。

背景技术

质谱分析技术是现代人类社会最重要的物质识别技术之一，无论在基础科学研究、航空航天等高科技领域，还是在与民生息息相关的食品安全、大气污染监测、公众安全监测等技术领域，都有十分广泛的用途。

与磁质谱、四极质谱和离子阱质谱等质谱分析技术相比，飞行时间质谱（time-of-flight mass spectrometry，TOF-MS）不需要质量扫描，具有即时响应的特点，特别适合对于瞬态独立事件和动态变化事件的探测；同时，TOF-MS原则上可以有很宽的质量数范围，可以探测小质量数物质（如¹H，²D）和大质量数的物质（如蛋白质，质量数成千上万）；此外，大型TOF-MS的分辨本领已经达到10⁴–10⁵,远远超过其它类型的质谱仪器。因此，目前高端TOF-MS仪器在生命科学的蛋白质组学研究领域发挥着不可替代的关键作用。从上世纪80年代开始，由于水星、火星等深空探测任务的需要，国际上开始研究小型化甚至微型化的TOF-MS仪器，其10²–10³的分辨本领足以识别基本物质和元素及其同位素，到目前已经成功应用于多种类型的空间飞行器。由此引领了另外一个重要的发展方向，也即开发小型化的便携式TOF-MS仪器，以便大量应用于中低端民生领域。

从世界上第一台TOF-MS仪器于1948年发明至今，无论是大型高端仪器，还是小型化便携式仪器，其物理基础一直是基于能量分析器原理的。也就是说，所有的离子被稳态电场加速获得相等的动能，通过同样的飞行区后，质量数不同的离子按照先后顺序陆续到达探测极板而被记录下来。其离子加速过程依据的是动能定理，即：

$q\stackrel{\‾}{E}\·\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{acc}}=\frac{1}{2}m{\mathrm{\υ}}^2---\left(1\right)$

式中q是离子所带电荷量，是两个加速电极之间的平均电场，ΔS_acc是加速距离。m和υ分别是离子质量和加速后的末速度。这里已经假设所有离子在抑制电场作用下初速度为0。设离子的质量数为N，也即m＝Nm₀，这里m₀＝1.67×10^-27Kg是原子质量单位，同时假设离子带电为单位电荷即q＝e＝1.6×10^-19C，离子自由漂移路径长度为L，则由(1)式可以推出离子飞行时间为：

$t=\frac{L}{\mathrm{\υ}}=\frac{L\sqrt{m_0}}{\sqrt{2e\stackrel{\‾}{E}\·\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{acc}}}}\·\sqrt{N}---\left(2\right)$

实际仪器中存在各种电路延迟时间，所以有的非线性关系成立，式中a和t₀都是与仪器参数有关的常数。根据该式可以推出TOF-MS的分辨本领R为：

$R=\frac{N}{\mathrm{\ΔN}}=\frac{t}{2\mathrm{\Δt}}---\left(3\right)$

式中ΔN和Δt是分别是质量数N的离子谱峰（对应飞行时间t）的质量数半高宽和时间轴半高宽。

从(2)式可以看出，离子飞行时间t随质量数N的变化不是线性的。随着离子质量数N越来越大，在时间轴上相邻谱峰的间隔将越来越小。这必然造成两个结果：一是分辨变差，甚至造成物质识别的困难；二是对于时间分辨的要求大大提高。技术上的困难使得TOF-MS实际上存在质量数上限。结合(3)式可以进一步看出，基于能量分析器的TOF-MS的分辨本领R理论上也是受限制的。原因是，离子飞行时间t随质量数N变化的非线性关系造成t随N增大的“慢增加”，同时分母上还要多除一个2。由于这些固有的原理性限制，实际中要实现大质量数物质的高分辨质谱分析（例如生物大分子的探测），仪器就必须做得很大（主要是离子自由漂移路径长度L要足够长）才行。

因此，传统的TOF-MS仪器从工作原理上来说，就存在故有的不可克服的问题。无论仪器所采用的具体技术如何高端复杂，都无法解决其工作原理自身的限制问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一个新原理的MTOF-MS，即基于动量分析器的飞行时间质谱计。简单而言，就是设法使得所有离子在加速区获得同样的动量，然后通过同样的飞行区后按照质量数差别陆续到达探测极板被记录下来。其离子加速过程依据的是动量定理，即：

$q\stackrel{\‾}{E}\·\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{acc}}=\mathrm{m\υ}---\left(4\right)$

式中Δt_acc是离子加速时间。其余参量的含义与(1)式相同。在上述假设不变的前提下离子飞行时间为：

$t=\frac{L}{\mathrm{\υ}}=\frac{{\mathrm{Lm}}_0}{e\stackrel{\‾}{E}\·\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{acc}}}\·N---\left(5\right)$

考虑实际电路的延迟时间，所以有t＝aN+t₀的线性关系成立，式中a和t₀也都是与仪器参数有关的常数。由该式也可以推出这种MTOF-MS的分辨本领R为：

$R=\frac{N}{\mathrm{\ΔN}}=\frac{t}{\mathrm{\Δt}}---\left(6\right)$

式中ΔN和Δt的含义与上面(3)式相同。

这样一来，所有质量数的离子谱峰在时间轴上都是线性变化的。也就是说，无论小质量数的物质，还是大质量数的物质，它们相差一个质量数所对应谱峰的时间间隔是相等的。而且，对于大质量数的物质，飞行时间t要比传统的TOF-MS大得多，再者（6）式分母中也不用除2，从而大大提高仪器的分辨本领。此外，与传统TOF-MS存在实际质量上限相比，基于动量分析器的MTOF-MS将大大拓展仪器的质量上限，该质量上限原则上仅受加速电场和可测量时间长短的影响。同时，这种TOF-MS还能减弱对于时间分辨测量的要求，从而大大降低仪器的成本。由于离子飞行时间t对于离子质量数N的变化更加敏感，原则上就不需要通过增大仪器主体长度来提高分辨本领，从而允许朝微型化仪器方向发展。

所以，实现基于动量分析器的MTOF-MS的关键有两点，一是高压短脉冲的实现，另外一个是设法将所有离子压缩在一个很薄的空间区域等待加速，以减小由于离子出发空间位置的差异造成的分辨本领变差。

基于动量分析器的TOF-MS的关键在于，将传统的“等距离”离子加速方式改变为“等时间”离子加速方式。传统的TOF-MS中采用恒定电场加速离子，而且所有离子的加速距离相等，这就使得所有离子都获得同样的动能。与此不同，新原理的MTOF-MS中采用短脉冲电场加速离子，使得所有离子的加速时间相等，这就使得所有离子都获得同样的动量后再同时起飞，在自由飞行区按照离子质量大小自然分开，最后陆续到达探测器。本发明使得离子质量数与其飞行时间呈线性关系，从而大大扩展仪器的质量数上限，明显提升了仪器的分辨本领。

附图说明

图1是直线式MTOF-MS仪器的总体结构示意图，

图2是反射式MTOF-MS仪器的总体结构示意图。

图中：1.真空室，2.灯丝，3.电离电压电路，4.电离盒，5.离子垂直引入与抑制电压电路，6.离子延迟引出与短脉冲加速电路，7.栅网电极，8.离子探测器，9.数据采集系统，10.微流量进样接口，11.抽真空接口，12.离子反射镜。

具体实施方式

实施例一

图1给出基于动量分析器的直线式飞行时间质谱计（简称直线式MTOF-MS仪器）的总体结构示意图。质谱计主要由三个分系统组成：主体结构分系统、电控分系统和真空分系统。

所述的主体结构分系统包括灯丝2、电离盒4、栅网电极7和离子探测器8。

所述的电控分系统包括电离电压电路3、离子垂直引入与抑制电压电路5和离子延迟引出与短脉冲加速电路6。电离电压电路3在灯丝2和电离盒4之间施加电离电压；离子垂直引入与抑制电压电路5在电离盒4与栅网电极7之间施加离子垂直引入与抑制电压；离子延迟引出与短脉冲加速电路6通过其中的隔直电容给电离盒4施加正高压窄脉冲。

所述的真空分系统主要是一个真空室1，在真空室1上有一个微流量进样接口10和一个抽真空接口11。所述的主体结构分系统均密封于真空室1之中。

当进行样品分析时，先从抽真空接口11对真空室1抽真空，真空室1的压力低于1×10^-2Pa即可。再从微流量进样接口10送入微量样品。给用于热电子发射的灯丝2通入3-5A的直流电流（电位对地悬浮），同时在灯丝2前方的带狭缝的阳极施加80-200V的正高压脉冲，将热发射电子引出。灯丝2由0.1-0.2mm直径的钨丝、钨铼丝或其它耐高温合金材料绕成螺旋状制成。在灯丝2和电离盒4之间由电离电压电路3施加60-120V的电离电压。在磁场（磁场方向沿着图中电子束方向）限制下使电子进入电离盒4，与气体分子发生碰撞，产生正离子。在电离盒4与带绝缘层的栅网电极7（接地）之间由离子垂直引入与抑制电压电路5施加10-100V的离子垂直引入与抑制电压，将正离子压缩到栅网电极7表面附近的一个薄层内（厚度小于1mm）。栅网电极7表面沉积一层10-100nm厚度的高K绝缘层（如氧化钇、氧化铪、氧化硅等），以避免离子电荷直接被接地电极中和。经过离子延迟引出与短脉冲加速电路6适当的延迟时间（相对于电子引出脉冲0-5μs，取决于所关注的离子种类），通过离子延迟引出与短脉冲加速电路6的隔直电容给电离盒4施加正高压窄脉冲（500-3000V，10ns-3μs脉宽，500Hz-10KHz），使得离子被瞬间加速，部分离子会穿过栅网电极7，进入无场漂移空间，最后陆续到达离子探测器8（即微通道板MCP）。离子探测器8的数据被数据采集系统9所记录。注意，在图1中，离子垂直引入与抑制电压电路5采用较大的电感（10mH-10H）来阻止正高压窄脉冲直接接地。

下面给出一种典型的设计参数。电离盒4与栅网电极7间距2mm，高压窄脉冲幅度1000V，脉宽1μs，离子漂移管长度0.6m，则可以得到前述公式(5)中的一些常数：Δt_acc＝1μs，L＝0.6m。同时将m₀＝1.67×10^-27Kg和e＝1.6×10^-19C一起代入公式(5)中，可以得到t≈1.25×10^-8N。当N＝1时t≈12.5ns（未计电路延迟），当N＝2000时t≈25μs，这些典型时间都在合理的可测量范围之内。

上面的设计中，关键是幅度1000V、脉宽1μs的正高压窄脉冲的实现。采用MOSFET开关管技术，实现幅度1000V、脉宽100ns以上的正脉冲没有任何困难。

实施例二

图2给出基于动量分析器的反射式飞行时间质谱计（简称反射式MTOF-MS仪器）的总体结构示意图。

与实施例一相同，质谱计主要也由三个分系统组成：主体结构分系统、电控分系统和真空分系统。

所述的主体结构分系统包括灯丝2、电离盒4、栅网电极7、离子反射镜和离子探测器8。

所述的电控分系统包括电离电压电路3、离子垂直引入与抑制电压电路5和离子延迟引出与短脉冲加速电路6。电离电压电路3在灯丝2和电离盒4之间施加电离电压；离子垂直引入与抑制电压电路5在电离盒4与栅网电极7之间施加离子垂直引入与抑制电压；离子延迟引出与短脉冲加速电路6通过其中的隔直电容给电离盒4施加正高压窄脉冲。

所述的真空分系统主要是一个真空室1，在真空室1上有一个微流量进样接口10和一个抽真空接口11。所述的主体结构分系统均密封于真空室1之中。

当进行样品分析时，先从抽真空接口11对真空室1抽真空，真空室1的压力低于1×10^-2Pa即可。再从微流量进样接口10送入微量样品。给用于热电子发射的灯丝2通入3-5A的直流电流（电位对地悬浮），同时在灯丝2前方的带狭缝的阳极施加80-200V的正高压脉冲，将热发射电子引出。灯丝2由0.1-0.2mm直径的钨丝、钨铼丝或其它耐高温合金材料绕成螺旋状制成。在灯丝2和电离盒4之间由电离电压电路3施加60-120V的电离电压。在磁场（磁场方向沿着图中电子束方向）限制下使电子进入电离盒4，与气体分子发生碰撞，产生正离子。在电离盒4与带绝缘层的栅网电极7（接地）之间由离子垂直引入与抑制电压电路5施加10-100V的离子垂直引入与抑制电压，将正离子压缩到栅网电极7表面附近的一个薄层内（厚度小于1mm）。栅网电极7表面沉积一层10-100nm厚度的高K绝缘层（如氧化钇、氧化铪、氧化硅等），以避免离子电荷直接被接地电极中和。经过离子延迟引出与短脉冲加速电路6适当的延迟时间（相对于电子引出脉冲0-5μs，取决于所关注的离子种类），通过离子延迟引出与短脉冲加速电路6的隔直电容给电离盒4施加正高压窄脉冲（500-3000V，10ns-3μs脉宽，500Hz-10KHz），使得离子被瞬间加速，部分离子会穿过栅网电极7，进入无场漂移空间。穿过无场漂移空间的离子，会进入离子反射镜12，被反射回来，再次进入无场漂移空间，最后陆续到达离子探测器8（即微通道板MCP）。离子探测器8的数据被数据采集系统9所记录。注意图2中，离子垂直引入与抑制电压电路5采用较大的电感（10mH-10H）来阻止正高压窄脉冲直接接地。这里的离子反射镜12由5-15个无网圆环电极平行组装构成，总的反射电压1000V-3000V被分压电阻线性或非线性分配在这些电极上。

下面给出一种典型的设计参数。离子探测器8中心圆孔直径10cm。电离盒4与栅网电极7间距2mm，高压窄脉冲幅度500V，脉宽100ns，无场漂移空间长度0.1m，则可以得到前述公式(5)中的一些常数：Δt_acc＝100ns，L＝2×0.1m＝0.2m。同时将m₀＝1.67×10^-27Kg和e＝1.6×10^-19C一起代入公式(5)中，可以得到t≈8.35×10^-8N。当N＝1时t≈83.5ns（未计离子在反射镜内时间和电路延迟），当N＝1000时t≈83.5μs，这些典型时间都在合理的可测量范围之内。

上面的设计中，幅度500V、脉宽100ns的正高压窄脉冲的实现，是采用MOSFET开关管技术，实现幅度500V、脉宽100ns以上的正脉冲没有任何困难。

Claims (10)

1.一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：使所有离子在加速区获得同样的动量，然后通过同样的飞行区后按照质量数差别陆续到达离子探测器被记录下来。

2.根据权利要求1所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于:该质谱计既可以做成直线式的，也可以做成反射式的。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：所述的直线式质谱计主要由三个分系统组成：主体结构分系统、电控分系统和真空分系统；

所述的主体结构分系统包括灯丝、电离盒、栅网电极和离子探测器；

所述的电控分系统包括电离电压电路、离子垂直引入与抑制电压电路、离子延迟引出与短脉冲加速电路和数据采集系统；

所述的真空分系统主要是一个真空室，在真空室上有一个微流量进样接口和一个抽真空接口；所述的主体结构分系统均密封于真空室之中。

4.根据权利要求3所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：电离电压电路在灯丝和电离盒之间施加电离电压；离子垂直引入与抑制电压电路在电离盒与栅网电极之间施加离子垂直引入与抑制电压；离子延迟引出与短脉冲加速电路通过其中的隔直电容给电离盒施加正高压窄脉冲；离子被瞬间加速，部分离子会穿过栅网电极，最后陆续到达离子探测器；离子探测器的数据被数据采集系统所记录。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：所述的反射式质谱计主要由三个分系统组成：主体结构分系统、电控分系统和真空分系统；

所述的主体结构分系统包括灯丝、电离盒、栅网电极、离子反射镜和离子探测器；

所述的电控分系统包括电离电压电路、离子垂直引入与抑制电压电路、离子延迟引出与短脉冲加速电路和数据采集系统；

所述的真空分系统主要是一个真空室，在真空室上有一个微流量进样接口和一个抽真空接口；所述的主体结构分系统均密封于真空室之中。

6.根据权利要求5所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：电离电压电路在灯丝和电离盒之间施加电离电压；离子垂直引入与抑制电压电路在电离盒与栅网电极之间施加离子垂直引入与抑制电压；离子延迟引出与短脉冲加速电路通过其中的隔直电容给电离盒施加正高压窄脉冲；离子被瞬间加速，部分离子会穿过栅网电极进入离子反射镜，被反射回来最后陆续到达离子探测器；离子探测器的数据被数据采集系统所记录。

7.根据权利要求4或6所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：采用高压窄脉冲来加速离子，脉冲幅度300-5000V，脉冲宽度10ns-3μs，脉冲频率500Hz-10KHz。

8.根据权利要求3或5所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于带绝缘层的栅网电极接地，电离盒与该栅网电极之间的距离为2-10mm；给电离盒施加10-100V的离子垂直引入与抑制电压，将正离子压缩到该栅网电极表面附近的一个薄层内；该栅网电极表面沉积一层10-100nm厚度的高K绝缘层，以避免离子电荷直接被接地电极中和。

9.根据权利要求1或2所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：离子的产生方式为电子碰撞电离或者光电离；其中电子碰撞电离所需的电子束，可以来源于热灯丝发射，也可以来源于场发射，采用磁场来聚焦电子束。

10.根据权利要求3或5所述的一种基于动量分析器的飞行时间质谱计，其特征在于：真空室的工作压力低于1×10^-2Pa。