CN104183454A - 一种质子转移反应质谱离子传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质子转移反应质谱离子传输装置，包括从左至右依次连接的多段多极杆结构、聚焦电极结构、栅网电极结构以及偏转电极结构，其中，多段多极杆结构的外端靠近离子和载气进入的锥形孔，偏转电极结构的外端靠近质量分析器，且多段多极杆结构连接有电压可调的射频电源，聚焦电极结构、栅网电极结构以及偏转电极结构均连接有电压可调的直流稳压电源。其可以调节离子束的运动速度，截面大小和运动方向，使得离子聚焦至质量分析器入口，提高质量分析器的灵敏度和分辨率。

Description

一种质子转移反应质谱离子传输装置

技术领域

本发明涉及离子传输技术领域，尤其涉及一种质子转移反应质谱离子传输装置。

背景技术

挥发性有机物(VOCs)普遍存在于室内外空气中，主要来源于石油化工生产、污水和垃圾处理厂、汽油发动机尾气以及生活排放等，包含含氧烃类、含卤烃类、氮烃类、硫烃类及低沸点多环芳烃类等复杂成分，其中许多物质具有致癌、致畸、致突变性。此外，空气中的VOCs还会参与光化学反应，从而导致气候的恶劣变化，严重污染大气并威胁人类健康。

国内外测量VOCs的手段包括气相色谱－质谱法、质子转移反应质谱、选择离子流动管、激光光谱、傅里叶变换红外光谱、气溶胶质谱等检测技术。大部分测定方法都需有样品预处理系统，如溶剂解吸、浓缩、固相微萃取等，不但费时费力，容易引起样品的二次污染，而且响应速度较慢，所得谱图分析难度大。随着工业生产的不断扩大，尤其是石化企业的不断涌现，致使VOCs的排放及监测也越来越受人们的重视。然而，VOCs的来源复杂、品种繁多，其检测技术，尤其是对于环境中衡量有害气体的实时在线监测，都面临一系列的挑战。

质子转移反应质谱(PTR-MS)是一种痕量挥发性有机物在线检测技术，产生于20世纪90年代初，是在选择离子流动管质谱(SIFT-MS)的研究基础上，由奥地利Innsbruke大学的W.Lindinger研究组首次提出的，其结合了化学电离思想和流动漂移管模型技术，通过质子转移的方式将待测VOCs离子化，经分子-离子反应实现定性与定量检测。

目前，大多数质谱仪器中的离子传输装置采用静电透镜、多级杆导引(美国专利5179278)、离子漏斗(美国专利6107628)、离子导向(美国专利6417511)或者它们的组合等装置，但仍然存在如离子传输效率不高、存在离子歧视效应、有害的场效应等等的问题，这些都不利于后续质量分析器灵敏度和分辨率的提高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种质子转移反应质谱离子传输装置，其可以调节离子束的运动速度，截面大小和运动方向，使得离子聚焦至质量分析器入口，提高质量分析器的灵敏度和分辨率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种质子转移反应质谱离子传输装置，包括从左至右依次连接的多段多极杆结构、聚焦电极结构、栅网电极结构以及偏转电极结构，其中，所述多段多极杆结构的外端靠近离子和载气进入的锥形孔，所述偏转电极结构的外端靠近质量分析器，且所述多段多极杆结构连接有电压可调的射频电源，所述聚焦电极结构、所述栅网电极结构以及所述偏转电极结构均连接有电压可调的直流稳压电源。

其中，所述多段多极杆包括固定装置，所述固定装置的内部设置有与所述锥形孔对应的第一过孔，所述第一过孔的内侧贯穿设置有多段多极杆，所述多段多极杆包括多段间隔依次排布的多极杆，多极杆包括环形均布的多个极杆，相邻的两段多极杆的极杆一一对应并同轴设置；多极杆连接射频电源。

其中，所述多极杆的段数为大于等于2，每个所述多极杆的极杆的数量为大于等于4的偶数，所述固定装置的所述第一过孔的两端向外延伸有第一凸台固定部，每段所述多极杆分别与对应侧的所述第一凸台固定部连接。

其中，所述聚焦电极结构包括多片间隔排布且同轴的聚焦电极极片，每个所述聚焦电极极片的内部开设有与所述第一过孔对应的第二过孔；所述聚焦电极极片连接所述直流稳压电源。

其中，所述栅网电极结构包括从外至内依次同轴设置的栅网电极固定套、稳定套以及栅网电极极片组，所述栅网电极极片组包括多个呈弧形状的栅网电极极片，多个所述栅网电极极片环形排布且围成与所述第二过孔对应的第三过孔；所述栅网电极极片连接所述直流稳压电源。

其中，所述固定装置设置有第一连接孔，所述聚焦电极极片设置有第二连接孔，所述栅网电极固定套的左端设置有第三连接孔，固定螺杆从左至右依次穿过所述第一连接孔、所述第二连接孔、所述第三连接孔，以实现所述固定装置、所述聚焦电极极片、以及所述栅网电极固定套的连接；其中，位于靠近所述固定装置的所述聚焦电极极片与所述固定装置之间的所述固定螺杆套设有绝缘套，位于相邻两个所述聚焦电极极片之间、以及位于靠近所述栅网电极固定套的所述聚焦电极极片与所述栅网电极固定套之间的所述固定螺杆套设有绝缘环。

其中，所述栅网电极极片为由两段呈弧形状的弧形边、以及两段直边围成的框架结构，且所述弧形边的外边缘设置有锯齿状凹槽。

其中，所述偏转电极结构包括偏转电极，所述偏转电极的内部开设有第四过孔，所述第四过孔的内侧环形均布有多个偏转电极极片，且所述偏转电极极片与靠近的所述第四过孔的内侧之间设置有绝缘隔层；所述偏转电极极片连接所述直流稳压电源。

其中，所述偏转电极的所述第四过孔的两端向外延伸有第二凸台固定部，所述偏转电极极片与所述第二凸台固定部连接；所述栅网电极固定套的右端设置有第四连接孔，所述偏转电极设置有第五连接孔，连接螺杆从右至左依次穿过所述第五连接孔与所述第四连接孔，以实现所述栅网电极固定套与所述偏转电极的连接，连接后，所述偏转电极极片的左端接近于所述栅网电极极片的右端。

其中，所述射频电源的电压幅值为-10KV～10KV，所述直流稳压电源的电压幅值为-1KV～1KV。

本发明的有益效果为：

本发明的质子转移反应质谱离子传输装置，包括从左至右依次连接的多段多极杆结构、聚焦电极结构、栅网电极结构以及偏转电极结构，其中，多段多极杆结构的外端靠近离子和载气进入的锥形孔，偏转电极结构的外端靠近质量分析器，且多段多极杆结构连接有电压可调的射频电源，聚焦电极结构、栅网电极结构以及偏转电极结构均连接有电压可调的直流稳压电源，其通过调控连接在多段多级杆结构的射频电源的电压的幅值，来控制离子束流经聚焦电极结构时的截面积大小，通过多段多级杆结构的内部的压降将离子束向着聚焦电极结构推进，并调节连接在聚焦电极结构和栅网电极结构的直流稳压电源的电压幅值，控制离子束前进的速度和方向，减小离子束的空间分散和能量分散，以实现最大程度的离子束传输，通过调控连接在偏转电极结构上的直流稳压电源的电压幅值，改变从偏转电极结构出来的离子束的截面大小和方向，形成与后续质量分析器的入口形状一致的离子束截面，减少因碰撞质量分析器外表面造成离子束的损失，提高了质量分析器的分辨率和灵敏度。

附图说明

图1是本发明的质子转移反应质谱离子传输装置的三维结构示意图。

图2是图1中的质子转移反应质谱离子传输装置的剖面结构示意图。

图3是图1中的多段多极杆结构的三维结构示意图。

图4是图3中的多段多极杆结构的右视结构示意图。

图5是图3中的多段多极杆结构的正视结构示意图。

图6是图3中的多段多极杆结构的剖视结构示意图。

图7是图1中的聚焦电极极片的结构示意图。

图8是图1中的栅网电极结构的三维结构示意图。

图9是图8中的栅网电极结构的分解结构示意图。

图10是图8中的栅网电极结构的正视结构示意图。

图11是图8中的栅网电极极片的三维结构示意图。

图12是图1中的偏转电极结构的结构示意图。

图13是图12中的偏转电极结构的正视结构示意图。

图中：100-多段多极杆结构；200-聚焦电极结构；300-栅网电极结构；400-偏转电极结构；

1-多段多极杆；2-固定螺杆；3-固定装置；4-绝缘套；5-聚焦电极极片；6-绝缘环；7-栅网电极固定套；8-稳定套；9-栅网电极极片；10-偏转电极；11-偏转电极极片；12-绝缘隔层；13-连接螺杆；

31-第一连接孔；32-第一凸台固定部；33-第一过孔；51-第二过孔；52-第二连接孔；71-第三连接孔；72-第四连接孔；91-第三过孔；92-直边；93-弧形边；101-第五连接孔；102-第四过孔；103-第二凸台固定部。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1至13所示，一种质子转移反应质谱离子传输装置，包括从左至右依次连接的多段多极杆结构100、聚焦电极结构200、栅网电极结构300以及偏转电极结构400，其中，多段多极杆结构100的外端靠近离子和载气进入的锥形孔，偏转电极结构400的外端靠近质量分析器，且多段多极杆结构100连接有电压可调的射频电源，聚焦电极结构200、栅网电极结构300以及偏转电极结构400均连接有电压可调的直流稳压电源。其通过调控连接在多段多级杆结构的射频电源的电压的幅值，来控制离子束流经聚焦电极结构时的截面积大小，通过多段多级杆结构的内部的压降将离子束向着聚焦电极结构推进，并调节连接在聚焦电极结构和栅网电极结构的直流稳压电源的电压幅值，控制离子束前进的速度和方向，减小离子束的空间分散和能量分散，以实现最大程度的离子束传输，通过调控连接在偏转电极结构上的直流稳压电源的电压幅值，改变从偏转电极结构出来的离子束的截面大小和方向，形成与后续质量分析器的入口形状一致的离子束截面，减少因碰撞质量分析器外表面造成离子束的损失，提高了质量分析器的分辨率和灵敏度。

具体地，多段多极杆100包括固定装置3，固定装置3的内部设置有与锥形孔对应的第一过孔33，第一过孔33的内侧设置有多段多极杆1，多段多极杆1包括多段间隔依次排布的多极杆，多极杆包括环形均布的多个极杆，相邻的两段多极杆的极杆一一对应并同轴设置；多极杆连接射频电源。这里需要说明的是，每一段的多极杆的电压不同，此时，调节加载在每段的多极杆上的射频电源的电压幅值，可以控制进入每段多极杆的离子束的截面大小，并由于射频电源频率的变化，相邻的两段多极杆之间存在电压压降，这个电压压降就能实现离子束的推进，提高传输速率。

多段多级杆1由金属材料或表面镀了金属的非金属材料制成，多段多极杆1为：多极杆的段数为大于等于2，每个所述多极杆的极杆的数量为大于等于4的偶数，具体数量因实际需要传输离子束进行选定。优选的，在本实施例中，多段多极杆1为二段四极杆，固定装置3的第一过孔33的两端向外延伸有第一凸台固定部32，每段多极杆分别与对应侧的第一凸台固定部32连接。利用第一凸台固定部32将极杆固定连接，保证连接稳定可靠，因而连接的形式并不仅限于此，能实现上述连接目的即可，此处不再赘述。

其中，四个多段极杆环形均布后围成一个近似圆孔，这个近似圆孔与第一过孔33为同轴，且与离子和载气进入的锥形孔相对应，以使得离子和载气进入经锥形孔后进入到多段多级杆结构100中，进而用于后续传输。

具体地，聚焦电极结构200包括多片间隔排布且同轴的聚焦电极极片5，每个聚焦电极极片5的内部开设有与第一过孔33对应的第二过孔51；聚焦电极极片5连接直流稳压电源。其中，聚焦电极极片5的数量可以根据实际需要任意选用，一般为大于等于2。优选的，在本实施例中，聚焦电极极片5的数量为4片并间隔排布。通过调控加载在聚焦电极极片5上的直流稳压电源的电源幅值，使得相邻的聚焦电极极片5之间存在一定的电压压降，带电离子束在压降的压力下向前运动，改变电压幅值就能改变离子束向前运动的速度大小。除此之外，加工不同直径的第二过孔51的聚焦电极极片5，在加载电压下，也能改变穿过聚焦电极结构200的离子束的截面的大小。也就是说，聚焦电极结构200的多个聚焦电极极片5的第二过孔51从左至右依次减小，使得离子束能够通过的路径截面变小，因而能够起到推进离子束前进的目的。

优选的，在本实施例中，聚焦电极极片5的形状为空心圆环或空心圆筒，也就是说，聚焦电极极片5的宽度(高度)因实际需要选用不同数值。

具体地，栅网电极结构300包括从外至内依次同轴设置的栅网电极固定套7、稳定套8以及栅网电极极片组，栅网电极极片组包括多个呈弧形状的栅网电极极片9，多个栅网电极极片9环形排布且围成与第二过孔51对应的第三过孔91；栅网电极极片9连接直流稳压电源。进一步地，栅网电极极片9为由两段呈弧形状的弧形边93、以及两段直边92围成的框架结构，且弧形边93的外边缘设置有锯齿状凹槽。装配时，一个栅网电极极片9的一个直边92与相邻的另一个栅网电极极片9的另一个直边92配合，多个栅网电极极片9环形排布且围成第三过孔91；并且该锯齿状凹槽用于金属细丝缠绕在栅网电极极片9上形成栅网，当调节加载在栅网电极极片9上的直流稳压电源的电压幅值时，栅网上承载的电压发生改变，使进入到栅网电极极片9之间的离子束的截面发生变化，中性气体通过栅网之间的间隙时，减少了残留在栅网电极极片9空间内中性气体的浓度，减少中性气体与目标离子发生碰撞，增大了后面质量分析器对目标离子的灵敏度。

具体地，偏转电极结构400包括偏转电极10，偏转电极10的内部开设有第四过孔102，第四过孔102的内侧环形均布有多个偏转电极极片11，且偏转电极极片11与靠近的第四过孔102的内侧之间设置有绝缘隔层12；偏转电极极片11连接直流稳压电源。利用绝缘隔层12可以避免加载电压下偏转电极极片11与偏转电极10之间形成电流回路，绝缘隔层12为不具有挥发性气体的纸张绝缘材料制成，有市售。调节连接在四个偏转电极极片11上的直流稳压电源的电压幅值，控制进入到偏转电极极片11之间的离子束截面大小，在与栅网电极结构300存在一定大小的电压压降的压力下，改变离子束进入到质量分析器入口处速度与方向，避免过多离子碰撞至质量分析器的表面，增强质量分析器的灵敏度与分辨率。

进一步地，偏转电极10内的第四过孔102可以为矩形孔，也可以为圆孔，在本实施例中，为了更好地布局偏转电极极片11，第四过孔102为矩形孔，这时，四个偏转电极极片11按照上下左右均匀排列在矩形孔内表面，其连接布局更加方便。

为了使得多段多级杆结构100、聚焦电极结构200、以及栅网电极结构300在离子传输过程中能够保持较好的同轴同心度，提高离子束传输稳定度以及传输速率，在本实施例中，固定装置3设置有第一连接孔31，聚焦电极极片5设置有第二连接孔52，栅网电极固定套7的左端设置有第三连接孔71，固定螺杆2从左至右依次穿过第一连接孔31、第二连接孔52、第三连接孔71，以实现固定装置3、聚焦电极极片5、以及栅网电极固定套7的连接；并且，以免相邻的部件之间窜动或者碰撞，增加限位部件，即位于靠近固定装置3的聚焦电极极片5与固定装置3之间的固定螺杆2套设有绝缘套4，位于相邻两个聚焦电极极片5之间、以及位于靠近栅网电极固定套7的聚焦电极极片5与栅网电极固定套7之间的固定螺杆2套设有绝缘环6；偏转电极10的第四过孔102的两端向外延伸有第二凸台固定部103，偏转电极极片11与第二凸台固定部103连接；栅网电极固定套7的右端设置有第四连接孔72，偏转电极10设置有第五连接孔101，连接螺杆13从右至左依次穿过第五连接孔101与第四连接孔72，以实现栅网电极固定套7与偏转电极10的连接，连接后，偏转电极极片11的左端接近于栅网电极极片9的右端。

进一步地，固定螺杆2、固定装置3、绝缘套4、绝缘环6、稳定套8以及连接螺杆13均为不能散发挥发性气体的绝缘材料制成的结构，以免影响离子束的传输和增加对所测目标离子峰的干扰。

在本实施例中，射频电源的电压幅值为-10KV～10KV，直流稳压电源的电压幅值为-1KV～1KV。

本发明的质子转移质谱离子传输装置主要是对质子转移质谱质量分析器中的离子传输的部分改进，可用于其它仪器离子传输领域，通过调节连接各电极电源上的电压幅值，改变通过电极中离子束的截面大小和速度方向，实现离子传输效率的最大化，提高质量分析器的灵敏度和分辨率。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，包括从左至右依次连接的多段多极杆结构(100)、聚焦电极结构(200)、栅网电极结构(300)以及偏转电极结构(400)，其中，所述多段多极杆结构(100)的外端靠近离子和载气进入的锥形孔，所述偏转电极结构(400)的外端靠近质量分析器，且所述多段多极杆结构(100)连接有电压可调的射频电源，所述聚焦电极结构(200)、所述栅网电极结构(300)以及所述偏转电极结构(400)均连接有电压可调的直流稳压电源。

2.根据权利要求1所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述多段多极杆(100)包括固定装置(3)，所述固定装置(3)的内部设置有与所述锥形孔对应的第一过孔(33)，所述第一过孔(33)的内侧设置有多段多极杆(1)，所述多段多极杆(1)包括多段间隔依次排布的多极杆，多极杆包括环形均布的多个极杆，相邻的两段多极杆的极杆一一对应并同轴设置；所述多极杆连接所述射频电源。

3.根据权利要求2所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述多极杆的段数为大于等于2，每个所述多极杆的极杆的数量为大于等于4的偶数，所述固定装置(3)的所述第一过孔(33)的两端向外延伸有第一凸台固定部(32)，每段所述多极杆分别与对应侧的所述第一凸台固定部(32)连接。

4.根据权利要求2所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述聚焦电极结构(200)包括多片间隔排布且同轴的聚焦电极极片(5)，每个所述聚焦电极极片(5)的内部开设有与所述第一过孔(33)对应的第二过孔(51)；所述聚焦电极极片(5)连接所述直流稳压电源。

5.根据权利要求4所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述栅网电极结构(300)包括从外至内依次同轴设置的栅网电极固定套(7)、稳定套(8)以及栅网电极极片组，所述栅网电极极片组包括多个呈弧形状的栅网电极极片(9)，多个所述栅网电极极片(9)环形排布且围成与所述第二过孔(51)对应的第三过孔(91)；所述栅网电极极片(9)连接所述直流稳压电源。

6.根据权利要求5所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述固定装置(3)设置有第一连接孔(31)，所述聚焦电极极片(5)设置有第二连接孔(52)，所述栅网电极固定套(7)的左端设置有第三连接孔(71)，固定螺杆(2)从左至右依次穿过所述第一连接孔(31)、所述第二连接孔(52)、所述第三连接孔(71)，以实现所述固定装置(3)、所述聚焦电极极片(5)、以及所述栅网电极固定套(7)的连接；其中，位于靠近所述固定装置(3)的所述聚焦电极极片(5)与所述固定装置(3)之间的所述固定螺杆(2)套设有绝缘套(4)，位于相邻两个所述聚焦电极极片(5)之间、以及位于靠近所述栅网电极固定套(7)的所述聚焦电极极片(5)与所述栅网电极固定套(7)之间的所述固定螺杆(2)套设有绝缘环(6)。

7.根据权利要求5所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述栅网电极极片(9)为由两段呈弧形状的弧形边(93)、以及两段直边(92)围成的框架结构，且所述弧形边(93)的外边缘设置有锯齿状凹槽。

8.根据权利要求5所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述偏转电极结构(400)包括偏转电极(10)，所述偏转电极(10)的内部开设有第四过孔(102)，所述第四过孔(102)的内侧环形均布有多个偏转电极极片(11)，且所述偏转电极极片(11)与靠近的所述第四过孔(102)的内侧之间设置有绝缘隔层(12)；所述偏转电极极片(11)连接所述直流稳压电源。

9.根据权利要求8所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述偏转电极(10)的所述第四过孔(102)的两端向外延伸有第二凸台固定部(103)，所述偏转电极极片(11)与所述第二凸台固定部(103)连接；所述栅网电极固定套(7)的右端设置有第四连接孔(72)，所述偏转电极(10)设置有第五连接孔(101)，连接螺杆(13)从右至左依次穿过所述第五连接孔(101)与所述第四连接孔(72)，以实现所述栅网电极固定套(7)与所述偏转电极(10)的连接，连接后，所述偏转电极极片(11)的左端接近于所述栅网电极极片(9)的右端。

10.根据权利要求1至9任一项所述的质子转移反应质谱离子传输装置，其特征在于，所述射频电源的电压幅值为-10KV～10KV，所述直流稳压电源的电压幅值为-1KV～1KV。