CN105931941B

CN105931941B - 一种离子漏斗和质谱分析系统

Info

Publication number: CN105931941B
Application number: CN201610395712.7A
Authority: CN
Inventors: 江游
Original assignee: National Institute of Metrology
Current assignee: National Institute of Metrology
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2017-08-25
Anticipated expiration: 2036-06-06
Also published as: CN105931941A

Abstract

本发明属于质谱分析领域，具体涉及一种离子漏斗和质谱分析系统。一种离子漏斗，用于质谱仪离子传输，包括直流电源、交流电源和N个外径相同且同心等间距叠放的环形电极，所述环形电极根据叠放顺序称为第一环形电极~第N环形电极，其特征在于，所述离子漏斗还包括中心杆和垫片，并通过中心杆和垫片实现各环形电极间的电连接,离子漏斗使得分散的离子云有效地进入离子漏斗并把离子云聚焦到一个内径范围内，使得离子可以有效地穿过取样出口处的限制孔。该离子漏斗使用一种连线设计方案就能满足相邻电极需要不同接线位置的需求，简化了设计和制造工序。所有器件均位于相邻层之间，减小了尺寸，能够设计得更小。

Description

一种离子漏斗和质谱分析系统

技术领域

本发明主要属于质谱分析领域，具体涉及一种离子漏斗和质谱分析系统。

背景技术

质谱分析在环境检测、临床分析、有机合成、药物研发、蛋白质和代谢组学等领域具有极其广泛的应用。质谱分析的原理是通过测定样品离子的质荷比信息来进行样品的质量分析和结构鉴定。质谱分析系统通常包括离子源、离子传输装置、质量分析器和检测器。样品分子首先在离子源被离子化，然后离子化的样品经离子传输装置被传输至质量分析器，经过质量分析后通过检测器进行信号检测。离子化的样品在离子传输装置中需要经过较长的传输路径，并且在此期间气压条件会从大气压环境变化到真空环境。

对于传统离子传输装置，高压下聚焦离子一直是个挑战。基于电动力学原理的离子漏斗使得在(0.1 -30Torr)气压下操纵和聚焦离子成为可能，并为更大的离子传输效率提供了基础。现有技术中，离子漏斗由一系列外径一致内径不同的环电极组成，在这些环电极上施加RF电场和DC电场来实现离子聚集。现有离子漏斗中，电极是用0.5mm厚的黄铜板做成，相邻电极间用0.5mm厚的不导电的聚四氟乙烯薄片分开。每一个黄铜电极板都有一个凸出部分，它通过零插拔力(ZIF)电板来实现电连接。然后在这个零插拔力电板上装上定制的带有电阻器的电路，这样它就可以提供DC梯度电势。在漏斗的另一端也有一个ZIF电板连接到电路上，它含有两个电容，以方便对电极提供RF 电压，相邻电极的RF电压相位相反。现有技术存在的问题为：（1）因相邻电极间需要接相反电位的RF电压，因此奇数电极和偶数电极连接方式不同，设计和制造工序复杂；（2）各电极两端均通过ZIF电板连接，且在ZIF上装上定制的带有电阻器的电路，导致整个离子漏斗体积较大，限制了使用设备如质谱仪的体积。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种离子漏斗，该离子漏斗实现了一种连线设计方案就能满足相邻电极需要不同接线位置的需求，简化了设计和制造工序。同时，使所有器件均位于相邻层之间，减小了尺寸，能够设计得更小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种离子漏斗，用于质谱仪离子传输，包括直流电源、交流电源和N个外径相同且同心等间距叠放的环形电极，所述环形电极根据叠放顺序称为第一环形电极~第N环形电极，所述N为大于1的自然数，其特征在于，所述离子漏斗还包括中心杆和垫片，并通过中心杆和垫片实现各环形电极间的电连接,离子漏斗使得分散的离子云有效地进入离子漏斗并把离子云聚焦到一个内径范围内，使得离子可以有效地穿过取样出口处的限制孔。

进一步地，每个所述环形电极上设置有孔，各孔相对于环形电极中心两两中心对称；

所述孔分为焊接点孔和扩展孔，所述焊接点孔的一侧设置有焊接点，所述焊接点通过导线分别和一个相邻焊接点孔及环形电极内边缘相连；

每个所述环形电极基板是绝缘材料；

所述扩展孔的个数为≧0；

所述中心杆个数和所述孔的个数相同；

所述焊接点上焊接有电容器或电阻器，每个焊接点焊接电阻器或电容器的个数为≧0；

孔的外边缘及环形电极的内边缘均金属化。

进一步地，所述直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，所述第一直流电源和所述第二直流电源分别连接至第一环形电极和第N环形电极；

所述交流电源包括第一交流电源和第二交流电源，所述第一交流电源和第二交流电源分别连接至各环形电极的两端。

进一步地，所述电连接是指根据选择中心杆和垫片的材料实现各环形电极间的直流串联、各第2n-1环形电极间的交流并联和各第2n环形电极间的交流并联，所述n=1,2，....N/2。

进一步地，各焊接点孔另一侧设置一个缺口，各缺口分别和一个焊接点相对于环形电极的中心对称。

进一步地，所述中心杆和垫片材料的选择具体为：

与所述电阻器相连的焊接点孔接触的所述垫片的材料为导电材料和绝缘材料逐层交替使用；中心杆的材料为至少外层绝缘材料；

与所述电容器相连的焊接点孔的垫片和中心杆材料均为导电材料。

进一步地，所述环形电极，第一环形电极~第M环形电极的内径相同，从第M+1个环形电极~第N个环形电极内径依次减小，所述M为1~N之间的一个自然数。

进一步地，所述孔的形状为圆形或方形，所述中心杆的横截面形状与所述孔的形状相同。

进一步地，所述离子漏斗还包括一个射频干扰器。

进一步地，一种质谱检测系统，包括离子源、质量分析器和检测器，其特征在于，还包括权利要求1-6中任意一项所述的离子漏斗；所述离子源连接所述离子漏斗的入口，所述质量分析器一端连接所述离子漏斗的出口，另一端连接所述检测器。

进一步地，所述离子漏斗中相邻环形电极相对旋转180⁰叠放。

进一步地，每个所述环形电极上焊接点孔的个数为4个，扩展孔的个数为2个，焊接的电阻器个数为2，电容器个数为1。

进一步地，所述N=110，M=58。

进一步地，各所述扩展孔串一个中心杆，所述中心杆和所述质谱检测系统中位于离子漏斗后的直流透镜相连，将离子漏斗整体固定到所述直流透镜上。

进一步地，外圆金属化孔内径2mm，外径3mm。

进一步地，电容为0.01uF~0.1uF电容，电阻为255K欧姆，封装是0603。

进一步地，环电极相邻间距0.5mm，环电极厚度0.5mm。

本发明的有益技术效果：

（1）本发明采用中心杆和垫片代替现有技术中的零插拔力(ZIF)电板来连接各环形电极，极大减小了离子漏斗体积；（2）本发明离子漏斗中的所有环形电极采用一种设计，相邻间环形电极相对旋转180叠放即可满足不同相邻电极需要不同接线位置的需求，简化了设计和制造工序；（3）本发明中的电阻器和电容器焊接在环形电极上，设置在相邻环形电容器间，和现有技术中带有电阻器和电容器的电路装在零插拔力(ZIF)电板上相比，本发明离子漏斗中所有器件均处于各层环形电极间，减小了离子漏斗尺寸，能够设计得更小；（4）本发明离子漏斗中各环形电极上与各焊接点中心对应位置设置有缺口，能够让焊接在焊接点的器件厚度超过的部分穿过相邻板而不会在装配时发生干涉，降低了器件装配时对器件厚度的要求；（5）本发明中相邻环形电极间在孔处用垫片相隔，取代了现有技术中用于相邻电极间的不导电的聚四氟乙烯薄片，空出了相邻环形电极间除垫片外的空间，使电容器和电阻器焊接在环形电极上成为可能，同时选用不同材料的垫片实现了离子漏斗的电连接；（6）本发明中一种质谱检测系统，采用离子漏斗，减小了尺寸；（7）本发明离子漏斗的环形电极还可包含拓展孔，中心杆穿过拓展孔并和质谱分析系统中位于离子漏斗之后的装置相连，起到固定作用。

附图说明

图1为离子漏斗剖面图；

图2为实施例1中第一为环形电极；

图3为实施例1中第p环形电极，p为M+1和N之间的一个自然数；

图4为实施例2中第一环形电极；

附图标记：1、1号孔，2、2号孔,3、3号孔，4、4号孔,5、5号孔,6、6号孔，7、7号孔，8、8号孔，9、焊接点,10、缺口.

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

一种离子漏斗，由110个环形电极堆叠而成，环形电极上有1、2、3、4、5、6、7、8共8个孔，8个孔均匀分布在环电极上。1号孔逆时针一侧设置一缺口，顺时针一侧设置有一个焊接点；7号孔逆时针一侧设置一缺口，顺时针一侧设置有一个焊接点；5号孔逆时针一侧设置一焊接点，顺时针一侧设置有一个缺口；3号孔逆时针一侧设置一焊接点，顺时针一侧设置有一个缺口。2、4、6、8号孔为扩展孔。

环形电极基板材料为树脂。孔外径3mm，内径2mm。电极厚0.5mm，相邻电极间距0.5mm。

每个环形电极1号孔相连焊接点上焊接0.01uF~0.1uF电容，每个环形电极3、7号孔相连焊接点上焊接255K欧姆电阻，两相邻电极相对旋转180⁰叠放，1、5孔中插有绝缘材料的中心杆，3、7插有导电材料的中心杆。第1环形电极~第58环形电极的内径相同，均为25.4mm，由第59环形电极开始内径逐步递减0.56mm，第110环形电极的内径逐渐减小到2mm。每个电极1号孔奇数片连接交流电压Vac_A，偶数片连接交流电压Vac_B；每个电极5号孔偶数片连接交流电压Vac_A，奇数片连接交流电压Vac_B；第一片3号孔连接直流电压Vdc_A；最后一片电极7号孔连接直流电压Vdc_B。Vac_A和Vac_B均为交流电压，频率几百KHz~几MHz，相位相差180度。孔1、5所使用的垫片，均为金属垫片，孔3、7则隔层交叉使用金属垫片和非金属垫片。

实施例2

一种离子漏斗，由110个环形电极堆叠而成，环形电极上有1、3、5、7共4个孔，4个孔均匀分布在环电极上。1号孔逆时针一侧设置一缺口，顺时针一侧设置有一个焊接点；7号孔逆时针一侧设置一缺口，顺时针一侧设置有一个焊接点；5号孔逆时针一侧设置一焊接点，顺时针一侧设置有一个缺口；3号孔逆时针一侧设置一焊接点，顺时针一侧设置有一个缺口。孔外径3mm，内径2mm。电极厚0.5mm，相邻电极间距0.5mm。环形电极基板材料为树脂。

每个环形电极1号孔相连焊接点上焊接0.01uF~0.1uF电容，每个环形电极3、7号孔相连焊接点上焊接255K欧姆电阻，两相邻电极相对旋转180⁰叠放，1、5孔中插有绝缘材料的中心杆，3、7插有导电材料的中心杆。第1环形电极~第58环形电极的内径相同，均为25.4mm，由第59环形电极开始内径逐步递减0.56mm，第110环形电极的内径减小到2mm。每个电极1号孔奇数片连接交流电压Vac_A，偶数片连接交流电压Vac_B；每个电极5号孔偶数片连接交流电压Vac_A，奇数片连接交流电压Vac_B；第一片3号孔连接直流电压Vdc_A；最后一片电极7号孔连接直流电压Vdc_B。Vac_A和Vac_B均为交流电压，频率几百KHz~几MHz，相位相差180度。孔1、5所使用的垫片，均为金属垫片，孔3、7则隔层交叉使用金属垫片和非金属垫片。

Claims

1.一种离子漏斗，用于质谱仪离子传输，包括直流电源、交流电源和N个外径相同且同心等间距叠放的环形电极，所述环形电极根据叠放顺序称为第一环形电极~第N环形电极，其特征在于，所述离子漏斗还包括中心杆和垫片，并通过中心杆和垫片实现各环形电极间的电连接,离子漏斗使得分散的离子云有效地进入离子漏斗并把离子云聚焦到一个内径范围内，使得离子可以有效地穿过取样出口处的限制孔；

每个所述环形电极上设置有孔，各孔相对于环形电极中心两两中心对称；

所述扩展孔的个数为≧0；

每个所述环形电极基板是绝缘材料；

孔的外边缘及环形电极的内边缘均金属化。

2.如权利要求1所述一种离子漏斗，其特征在于，

所述直流电源包括第一直流电源和第二直流电源，所述第一直流电源和所述第二直流电源分别连接至第一环形电极和第N环形电极；

3.如权利要求1所述一种离子漏斗，其特征在于，所述电连接是指根据选择中心杆和垫片的材料实现各环形电极间的直流串联、各第2n-1环形电极间的交流并联和各第2n环形电极间的交流并联，所述n=1,2，....N/2。

4.如权利要求1所述一种离子漏斗，其特征在于，各焊接点孔另一侧设置一个缺口，各缺口分别和一个焊接点相对于环形电极的中心对称。

5.如权利要求3所述一种离子漏斗，其特征在于，所述中心杆和垫片材料的选择具体为：

6.如权利要求1所述一种离子漏斗，其特征在于，所述离子漏斗中相邻环形电极相对旋转180⁰叠放。

7.如权利要求1-6任一所述一种离子漏斗，其特征在于，所述离子漏斗还包括一个射频干扰器。

8.一种质谱检测系统，包括离子源、质量分析器和检测器，其特征在于，所述质谱检测系统还包括权利要求1-7中任意一项所述的离子漏斗，所述离子源连接所述离子漏斗的入口，所述质量分析器一端连接所述离子漏斗的出口，所述质量分析器另一端连接所述检测器。

9.如权利要求8所述的一种质谱检测系统，其特征在于，所述离子漏斗的各环形电极上有至少一个扩展孔，由中心杆串连扩展孔串连各环形电极，所述中心杆和所述质谱检测系统中位于离子漏斗后的直流透镜相连，将离子漏斗整体固定到所述直流透镜上。