CN106981412A - 检测颗粒质量的质谱装置、用途及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于检测颗粒质量的质谱装置。该装置包括：电离源；离子阱；样品靶；激光器；紫外灯；分光镜；成像器；光电检测器以及计算单元。由此，可以在稳定的测量环境中，利用紫外灯实现多次改变单个带电颗粒的电荷数，进而确定该单个带电颗粒的质量，从而可以提高检测结果的可靠性。

Description

检测颗粒质量的质谱装置、用途及测量方法

技术领域

本发明涉及质谱分析领域，具体地，本发明涉及检测颗粒质量的质谱装置、用途及测量方法。

背景技术

常见的颗粒物质包括生物颗粒(细胞、病毒和微生物等)、大气溶胶颗粒、纳米材料颗粒等。颗粒物质，特别是纳米颗粒以其特有的物理(电学、光学、热动力学)、化学及生物学特性越来越受到人们的关注。对颗粒物质的质量、尺寸、化学特性进行定性定量的分析也将加深对颗粒物质特性的理解。

质谱装置已被广泛应用于食品、药品、材料、生命分析等各个领域。目前，质谱装置也可以用于测定颗粒物质的质量。利用质谱装置测量带电颗粒的质量需要测量带电颗粒的质荷比与电荷数，以此计算出颗粒的质量。

然而，目前用于测定颗粒质量的质谱装置以及采用质谱装置测定颗粒质量的方法仍有待改进。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

在采用质谱装置测定颗粒质量时，需要改变带电颗粒的电荷数。一般的质谱装置采用电子枪发射出具有一定能量的电子束轰击带电颗粒从而改变带电颗粒的电荷数。而在实际测定过程中，电子枪常常损坏，导致实验操作很难控制。发明人经过深入研究发现，这是由于在电离过程中，需要对电子枪的灯丝阴极进行通电加热，而通电加热导致的高温造成灯丝阴极寿命大幅缩短。此外，囚禁带电颗粒的过程中向质谱装置中通入的惰性气体也会对灯丝造成一定的冲击，进而缩短灯丝寿命，造成电子枪的损坏。而上述通电加热过程是为了保证电子枪发射出足够能量的电子束，到达带电颗粒所在位置并对其进行电离，从而需要提高灯丝阴极温度进而提高电子枪发射出的电子数；另一方面，充入氦气是为了保证质谱装置中带电颗粒的稳定性囚禁。因此，如何在保证能够有效改变带电颗粒的电荷数以及带电颗粒的稳定性囚禁的前提下，提高质谱装置各个部件的使用寿命，并提供稳定的测量环境，是利用质谱装置测量颗粒质量所亟需解决的问题。

有鉴于此，本发明提出了一种使用紫外灯照射带电颗粒改变其电荷数的质谱装置。该装置为稳定地改变带电颗粒电荷数提供了可能，进而可以实现对带有不同电荷数的同一颗粒质量的多次测量，从而可以提高测量的可靠性。

具体地，在本发明的第一方面，本发明提出了一种检测颗粒质量的质谱装置。根据本发明的实施例，该装置包括：电离源，所述电离源为激光诱导声波解吸电离源，适于将样品电离，以便获得带电颗粒；离子阱，所述离子阱适于囚禁所述带电颗粒；样品靶，所述样品靶设置在所述离子阱与所述电离源之间；激光器，所述激光器为连续激光器，适于发射激光，所述激光照射所述离子阱中的所述带电颗粒，以便获得散射光；紫外灯，通过所述紫外灯发出紫外光照射囚禁在所述离子阱中的所述带电颗粒，改变所述带电颗粒的电荷数；分光镜，所述分光镜被设置为用于接收所述散射光，并对所述散射光进行分光，以便获得第一散射光以及第二散射光；成像器，所述成像器适于接收所述第一散射光，并基于所述第一散射光对所述带电颗粒成像；光电检测器，所述光电检测器适于接收所述第二散射光；以及计算单元，所述计算单元与所述光电检测器电连接，适于确定所述带电颗粒的质量。激光器为连续激光器可以获得稳定的颗粒的散射光信号，采用紫外灯改变带电颗粒的电荷数，而在测试过程中向离子阱内充入的惰性气体不对紫外灯造成损伤，进而可以在稳定的测量环境中多次改变带电颗粒的电荷数，光电检测器与计算单元相连，从而将光信号转变为运动信号得到所述带电颗粒的运动频率，再由计算单元确定带电颗粒的电荷数与质量，从而可以提高检测结果的可靠性。

根据本发明的实施例，所述离子阱包括：上端电极和下端电极，所述上端电极和下端电极分别接地；环电极，所述环电极设置在所述上端电极和所述下端电极之间，并且在所述环电极上设置囚禁所述带电颗粒的射频电压和囚禁频率；第一绝缘陶瓷环，所述第一绝缘陶瓷环设置在所述上端电极以及所述环电极之间，

所述第一绝缘陶瓷环具有第一开口以及第二开口，所述带电颗粒由所述第一开口处进入所述离子阱内；以及第二绝缘陶瓷环，所述第二绝缘陶瓷环设置在所述环电极以及所述下端电极之间，所述第二绝缘陶瓷环具有第三开口以及第四开口，所述激光由所述第四开口处射入所述离子阱内并从所述第二开口处射出，所述紫外光由所述第三开口处射入所述离子阱内。由此，可以有效地囚禁带电颗粒获得带电颗粒的散射光和改变带电颗粒的电荷数。

根据本发明的实施例，所述环电极的半径为3～6mm；所述离子阱中心到所述上端电极的距离为4～6mm；所述离子阱中心到所述下端电极的距离为4～6mm。由此，可以有效在离子阱中形成电场，以便囚禁带电颗粒。

根据本发明的实施例，所述离子阱中心到所述上端电极的距离与所述离子阱中心到所述下端电极的距离相等。由此，可以形成均匀的电场。

根据本发明的实施例，该质谱装置进一步包括：控制单元，所述控制单元与所述离子阱连接，适于控制所述离子阱内的所述带电颗粒为单个。当离子阱中囚禁的带电颗粒为单个时，控制单元不对测试过程进行干涉；当离子阱中囚禁的带电颗粒不为单个时，控制单元通过不稳定抛出以及共振抛出，控制离子阱中的带电颗粒为单个。

根据本发明的实施例，所述电离源包括脉冲激光器，所述脉冲激光器的波长为400～600nm，能量为100～300mJ。由此，可以为该质谱装置提供具有足够能量的电离源，使样品电离以获得带电颗粒。

根据本发明的实施例，所述激光器为连续激光器。由此，可以获得稳定的颗粒的散射光信号。

根据本发明的实施例，所述成像器为光电耦合器件。由此，可以实时对囚禁在离子阱中的带电颗粒的运动状态进行检测。

根据本发明的实施例，所述光电检测器包括：光电倍增管，所述光电倍增管被设置为适于接收所述第二散射光，将所述第二散射光的光信号转化为电信号并输出；以及电流放大器，所述电流放大器分别与所述光电倍增管以及所述计算单元电连接，且适于接收所述电信号并对所述电信号进行放大。由此，可以敏感地收集第二散射光的信号，从而提高检测的灵敏程度。

在本发明的另一方面，本发明提出了前面所述的质谱装置在检测样品中的用途。由此，可以利用上述装置，采用紫外灯改变带电颗粒的电荷数，而在测试过程中向离子阱内充入的惰性气体不对紫外灯造成损伤，在稳定的测试环境中对样品进行检测，且检测结果具有较高的可信度。

在本发明的又一方面，本发明提出了一种利用前面所述的质谱装置检测颗粒质量的方法，包括：(1)利用所述电离源使所述样品靶上的待测纳米颗粒电离，以便获得带电颗粒，其中，所述待测颗粒为纳米颗粒或微米颗粒；(2)使所述带电颗粒进入所述离子阱中并利用所述离子阱囚禁所述带电颗粒；(3)采用所述激光器照射所述离子阱中的所述带电颗粒，以便获得散射光；(4)利用所述分光镜接收所述散射光并进行分光，以便获得第一散射光以及第二散射光；(5)利用所述成像器接收所述第一散射光以便对所述带电颗粒成像；(6)利用所述光电检测器接收所述第二散射光，由所述计算单元获得所述带电颗粒的运动频率；(7)利用所述紫外灯改变所述带电颗粒的电荷数，重复步骤(6)，以便获得改变电荷数后的所述带电颗粒的运动频率；(8)多次重复步骤(7)，以便获得所述带电颗粒的多个运动频率，利用所述计算单元，基于所述多个运动频率确定所述带电颗粒的电荷数与质量。由此，可以实现多次改变带电颗粒的电荷数，并确定颗粒的质量，从而可以提高检测结构的可靠性，且检测的环境稳定，容易操作。

根据本发明的实施例，在步骤(6)之前，进一步包括：

(5-1)利用控制单元，控制所述离子阱内的所述带电颗粒为单个。由此，可以在离子阱中囚禁的带电颗粒不为单个带单颗粒时对离子阱中的带电颗粒数量进行调节，以便实现对单个带电颗粒进行后续操作。

附图说明

图1显示了根据本发明一个实施例的质谱装置的结构示意图；

图2显示了根据本发明一个实施例的离子阱结构示意图；

图3显示了根据本发明一个实施例的第一绝缘陶瓷环的结构示意图；

图4显示了根据本发明又一个实施例的质谱装置的结构示意图；

图5显示了本发明实施例1的运动频率图；

图6显示了本发明实施例1的电荷数与标准差关系图；以及

图7显示了本发明实施例1的质量测量统计图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于检测颗粒质量的质谱装置。参考图1，该装置包括：电离源100、样品靶110、离子阱200、紫外灯300、激光器400、分光镜500、光电检测器600、成像器700以及计算单元800。

其中，样品靶110上添加有待测颗粒，样品靶位于电离源100以及离子阱200之间，电离源100为激光诱导声波解析电离源，用于将待测颗粒电离并获得带电颗粒，离子阱200对带电颗粒进行囚禁；激光器400用于发射连续激光，且发射的激光进入离子阱200中照射带电颗粒以便获得散射光；紫外灯300用于照射被囚禁在离子阱200中的带电颗粒，并改变该带电颗粒的电荷数；分光镜500用于接收上述散射光并进行分光，以便获得第一散射光以及第二散射光；成像器700用于接收第一散射光以便对带电颗粒成像；光电检测器800用于接收第二散射光。计算单元800分别与成像器700以及光电检测器600电连接，用于接收成像器700以及光电检测器600的信号，将光电检测器600接收的光信号转换为电信号，得到带电颗粒的运动频率，并基于同一带电颗粒在具有不同电荷数时的运动状态以及运动频率，计算得到该带颗粒的电荷数并确定其质量。

采用紫外灯改变带电颗粒的电荷数，而在测试过程中向离子阱内充入的惰性气体不对紫外灯造成损伤，从而可以实现利用上述质谱装置多次改变同一个带电颗粒的电荷数，并为检测过程提供稳定的检测环境，进而可以获得可靠的检测结果，且质谱装置中各个部件不会在测定过程中频繁损坏。下面对上述装置的各个部件进行具体描述。

下面参考离子阱200的纵截面图对离子阱200的具体结构进行说明。根据本发明的实施例，参考图2，离子阱200可以为圆柱形离子阱，该离子阱包括：上端电极210和下端电极250，例如，根据本发明的实施例，上端电极210与下端电极250的材料可以为氧化铟锡(ITO)玻璃，以便实现散射光的射出，且上端电极210和下端电极250分别接地；环电极230，环电极230设置在上端电极210和下端电极250之间，在环电极230上设置有能够囚禁带电颗粒的射频电压和囚禁频率。具体地，环电极230与一个电压放大器相连，电压放大器与电源相连，电源通过电压放大器在环电极230上施加囚禁带电颗粒的射频电压。上端电极210、下端电极250以及环电极230组成一个圆柱形的电场区域，从而实现将带电颗粒囚禁在离子阱200中。根据本发明的实施例，环电极230的半径可以为3～6mm，离子阱中心到上端电极210的距离可以为4～6mm，离子阱中心到下端电极250的距离为可以4～6mm。需要说明的是，在本发明中，“离子阱中心”指圆柱形离子阱的中心点，即穿过圆柱形离子阱上表面或者下表面圆心的圆柱体的高的中点处。由此，可以获得能够有效囚禁带电颗粒的电场；离子阱中心到上端电极210的距离与离子阱中心到下端电极250的距离相等，以便使上述电场更加均匀。本领域技术人员可以理解的是，上述离子阱200的相关参数与实际施加的射频电压、囚禁频率以及待测颗粒的质量、尺寸有关，只要能够实现形成均匀的电场，并有效实现带电颗粒的囚禁即可。本领域技术人员可以根据实际情况，对离子阱200的上述参数进行调整。

根据本发明的实施例，参考图2以及图3，在上端电极210以及环电极230之间设置有第一绝缘陶瓷环220，上端电极210粘在第一绝缘陶瓷环220的上部且第一绝缘陶瓷环220具有第一开口10以及第二开口20，样品靶上的样品在电离源100的作用下发生电离，产生的带电颗粒由第一开口10处进入所述离子阱200。在环电极230以及下端电极250之间设置有第二绝缘陶瓷环240，下端电极250粘在第二绝缘陶瓷环240的下部且第二绝缘陶瓷环240具有第三开口30以及第四开口40，激光器400发出的激光由第四开口40处入射至离子阱200内部并由第二开口20处出射，紫外灯300发出的紫外光均由第三开口30处射入离子阱内与带电颗粒发生作用。第一绝缘陶瓷环220以及第二绝缘陶瓷环240不仅可以为带电颗粒、激光、紫外光进入离子阱内部提供通道，并且可以防止上端电极210、下端电极250以及环电极230之间互相接触而发生短路。

根据本发明的实施例，激光器400为连续激光器。激光器400发射的激光由第四开口40处入射到离子阱200内，并从第二开口20处射出。此时，如果离子阱200内囚禁有带电颗粒，则可以通过调节激光的方向，使激光照射在带电颗粒上，发生散射进而获得带电颗粒的散射光。该散射光可以反应该带电颗粒的位置、运动状态以及运动频率。由此，可以通过对散射光的检测来获得带电颗粒的上述信息，从而避免了检测器直接与带电颗粒接触，对带电颗粒的影响小，从而可以提高检测精度。关于激光器400的具体类型以及参数，本领域技术人可以根据实际情况进行设计。例如，激光器400可以具有波长为532nm的光源，在对带电颗粒进行照射时，激光器的功率可以为70-100mW。

根据本发明的实施例，分光镜500可以对离子阱200上端射出的散射光(由上端电极210处射出)进行分光，以便获得第一散射光以及第二散射光。其中，第一散射光被成像器700接收。成像器700可以为光电耦合器件(CCD)，第一散射光经过成像器700成像处理后生成带电颗粒的运动状态，从而可以实现对带电颗粒的实时监测。第二散射光被光电检测器600接收，经过光电信号转换后，由计算单元通过计算获得带电颗粒的运动频率。由此，可以有效利用散射光中所包含的带电颗粒的信息。

根据本发明的实施例，为了方便操作、提高检测的准确性，可以在离子阱200中的带电颗粒数量为单个时，对该带电颗粒进行检测，以便实现多次改变同一带电颗粒的电荷数，并基于同一带电颗粒的运动频率以及电荷数获得该带电颗粒的质量。具体地，为了保证离子阱200中囚禁的带电颗粒为单个，参考图4，该质谱装置还可以进一步具有控制单元900。具体地，控制单元900与离子阱200相连。通过观察成像器700形成的带电颗粒运动状态，当离子阱200中囚禁的带电颗粒的数量为单个时，直接采用紫外灯300对该带电颗粒的电荷数进行改变；当离子阱200中囚禁的带电颗粒的数量不为单个时，首先利用控制单元900对离子阱200进行控制，通过不稳定抛出以及共振抛出，使囚禁在离子阱200中的带电颗粒为单个。由此，可以实现后续对该单个带电颗粒进行改变电荷数、收集运动状态等操作，从而确定该单个带电颗粒的质量。

需要说明的是，在本发明中，术语“单个带电颗粒”应做广义理解。即该颗粒为不与其他颗粒之间相互连接的最小颗粒单元，可以为单个颗粒材料单元，也可以为多个颗粒结构单元组合形成的、具有多个互相连接作用的颗粒单元的结合体。

根据本发明的实施例，光电检测器600可以包括光电倍增管以及电流放大器。其中，光电倍增管接收第二散射光，将第二散射光的光信号转化为电信号并输出。电流放大器与光电倍增管相连，接收光电倍增管输出的电信号，并将该电信号进行放大，再将经过放大的电信号输送到与电流放大器相连的计算单元800中，由计算单元800基于电流放大器输出的信号获得带电颗粒的运动频率。此外，本领域技术人员可以理解的是，为了提高检测效果，光电检测器600还可以对收到的第二散射光信号进行快速傅里叶变换，以获得带电颗粒的运动信号。

根据本发明的实施例，紫外灯300在工作时可以与一个电源相连，通过电源给紫外灯施加-850V～-1050V的工作电压。当需要对囚禁在离子阱200中的单个带电颗粒的电荷数进行改变时，可以打开紫外灯300，发射的紫外光通过第三开口30处照射带电颗粒，并使颗粒上的电荷数改变。此时，通过光电检测器600检测电荷数改变后的带电颗粒的运动频率。通过多次照射，可以获得同一带电颗粒带有不同电荷数时的运动频率，然后基于多个运动频率，求得同一颗粒在带有不同电荷数时的多个荷质比(荷质比的大小与环电极的半径、射频电压、囚禁频率和运动频率相关)，由射频电压、囚禁频率、运动频率求得带电颗粒的电荷数，通过荷质比与电荷数求得带电颗粒的质量。根据本发明的实施例，采用紫外灯300对带电颗粒进行照射的时间不受特别限制，本领域技术人员可以根据待测颗粒的实际情况对紫外灯300的相关参数进行调整。例如，根据本发明的一个实施例，每次紫外灯对带电颗粒的照射时间可以为10～12秒。本领域技术人员能够理解的是，在对待测颗粒进行电离以及囚禁之前，为了提高带电颗粒的稳定性并实现更好的囚禁带电颗粒，可以在该质谱装置内充入惰性气体，例如充入氦气。而充入的氦气以及充入氦气的过程不会对紫外灯300造成损伤，因此可以提高带电颗粒的稳定性，实现在稳定的测试环境下实现多次改变带电颗粒的电荷数。

综上所述，本发明提供的用于检测颗粒质量的质谱装置具有以下优点：

1、灵敏度高。光电检测器600中包含光电倍增管，微弱的光信号便可被检测到，提高了信号测定的灵敏度。

2、测量精度高。在该装置中，光电检测器600接收的是散射光，避免了检测器与颗粒的接触，对被测样品的干扰小，使颗粒质量的测量更准确。

3、颗粒的稳定性高。由于本发明采用的紫外灯的使用寿命不受惰性气体气流的影响，因此可以通过通入氦气作为缓冲气，使离子阱中的颗粒更稳定，有利于颗粒的多次测量。

4、检测环境稳定性高。在检测过程中，充入的氦气对紫外灯没有影响，因此可以实现快速、连续地改变带电颗粒的电荷数，使电荷数改变的效率有了极大的提高。

5、测量颗粒的尺寸范围大。本发明采用激光诱导声波解吸电离颗粒，使用光电检测器件接收散射光信号，使得测量颗粒的尺寸范围从纳米级扩大至微米级。

6、测量速度快。对于已经囚禁的单颗粒子只需通过紫外照射改变其电荷量进而获取颗粒的电荷量，因此可以实现对单个颗粒质量的快速检测。

7、测量方法简单。

在本发明的另一方面，本发明提出了上述质谱装置在样品检测中的用途。由于该检测是利用前面描述的质谱装置进行的，因此具有前面描述的利用上述质谱装置测定颗粒质量时的全部特征以及优点，在此不再赘述。即，采用紫外灯改变带电颗粒的电荷数，而在测试过程中向离子阱内充入的惰性气体不对紫外灯造成损伤，从而可以实现利用上述质谱装置多次改变同一个带电颗粒的电荷数，并为检测过程提供稳定的检测环境，进而可以获得可靠的检测结果，且质谱装置中各个部件不会在测定过程中频繁损坏。

在本发明的另一方面，本发明提出了利用前面描述的质谱装置检测颗粒质量的方法。其中，待检测的颗粒可以为纳米颗粒或者微米颗粒。根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)电离

根据本发明的实施例，在该步骤中，利用电离源使样品靶上的待测颗粒电离，以便获得带电颗粒。根据本发明的实施例，电离源为脉冲激光器，以便利用激光诱导声波解吸电离颗粒获得带电颗粒。

(2)囚禁带电颗粒

根据本发明的实施例，在该步骤中，使带电颗粒进入所述离子阱中并利用离子阱囚禁带电颗粒。具体地，在该步骤中，带电颗粒从离子阱上方的第一开口处进入离子阱内部，由于离子阱内具有能够囚禁带电颗粒的电场，因此将电离得到的带电颗粒固定在离子阱的区域内。由此，便于后续对该带电颗粒进行改变电荷、获得散射光等操作，进而可以有效地确定该带电颗粒的质量。关于离子阱的结构，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。

(3)获得散射光

根据本发明的实施例，在该步骤中，采用激光器照射离子阱中的带电颗粒，以便获得散射光。具体地，激光器可以为连续激光器。激光器发射的激光由离子阱下部的第四开口处入射，并从离子阱上部的第二开口处射出。此时，通过调节激光的方向，使激光照射在囚禁在离子阱中的带电颗粒上，发生散射进而获得带电颗粒的散射光。该散射光可以反应该带电颗粒的位置、运动状态以及运动频率。由此，可以通过对散射光的检测来获得带电颗粒的上述信息，从而避免了检测器直接与带电颗粒接触，对带电颗粒的影响小，从而可以提高检测精度。关于激光器的具体类型以及参数，前面已经进行了详尽的描述，在此不再赘述。

(4)分光

根据本发明的实施例，在该步骤中，利用分光镜接收散射光并进行分光，以便获得第一散射光以及第二散射光。具体地，分光镜设置在离子阱的上方，以便接收前面获得的散射光。散射光经过分光镜处理后，分为第一散射光以及第二散射光，以便后续利用散射光中的信息确定带电颗粒的运动状态、运动频率等信息。

(5)成像

根据本发明的实施例，在该步骤中，利用成像器接收第一散射光，以便基于第一散射光对带电颗粒成像，进而获得带电颗粒的运动状态。由此，可以获得囚禁在离子阱中的带电颗粒的运动状态，并对该带电颗粒进行实时监测。

为了方便操作、提高检测的准确性，可以在离子阱中囚禁的带电颗粒数量为单个时，对该带电颗粒进行检测，以便实现多次改变同一带电颗粒的电荷数，并基于同一带电颗粒的运动频率以及电荷数获得该带电颗粒的质量。本领域技术人员能够理解，通过对离子阱中的带电颗粒成像，可以利用成像器显示离子阱中带电颗粒的数量以及运动状态。此时，若离子阱中的带电颗粒为单个，则可进行后续步骤；若离子阱中的带电颗粒不为单个，为了提高检测的准确性，该方法可以进一步包括：

(5-1)利用控制单元，控制离子阱内的带电颗粒为单个。具体地，在该步骤中，利用控制单元对离子阱进行控制，通过进行不稳定抛出和共振抛出，使离子阱中的带电颗粒为单个带电颗粒。由此，可以使后续操作步骤均针对同一个带电颗粒，进而可以提高检测的可靠程度和检测精度。

(6)获得运动频率

根据本发明的实施例，在该步骤中，利用光电检测器接收单个带电颗粒的第二散射光信号并通过计算单元转化为运动频率。由此，可以获得该单个带电颗粒运动频率数据。关于光电检测器的具体组成，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。

(7)改变电荷数

根据本发明的实施例，在该步骤中，利用紫外灯改变该带电颗粒的电荷数，重复步骤(6)，以便获得改变电荷数后的带电颗粒的运动频率。具体地，在该步骤中，采用紫外灯改变记录该单个带电颗粒改变电荷数之后的运动频率。

本领域技术人员能够理解的是，在对待测颗粒进行电离以及囚禁之前，为了提高带电颗粒的稳定性并实现更好的囚禁带电颗粒，可以在该质谱装置内充入惰性气体，例如充入氦气。而充入的氦气以及充入氦气的过程不会对紫外灯造成损伤，因此可以提高带电颗粒的稳定性，实现在稳定的测试环境下实现多次改变带电颗粒的电荷数。

(8)计算获得质量

根据本发明的实施例，在该步骤中，多次重复步骤(7)，以便获得带电颗粒的多个运动频率，利用计算单元，基于多个运动频率确定带电颗粒的电荷数与质量。具体地，在该步骤中，利用紫外灯多次改变带电颗粒的电荷数，并分别记录该带电颗粒带有不同电荷数时的多个运动频率。利用计算单元，基于上述多个运动频率，计算获得该带电颗粒的质量，从而确定待测纳米颗粒或者微米颗粒的质量。

综上所述，本发明提供的方法具有以下优点：

1、灵敏度高。光电检测器中包含光电倍增管，微弱的光信号便可被检测到，提高了信号测定的灵敏度。

2、测量精度高。在该方法中，利用光电检测器接收散射光，避免了检测器与颗粒的接触，对被测样品的干扰小，使颗粒质量的测量更准确。

3、颗粒的稳定性高。由于本发明采用的紫外灯的使用寿命不受惰性气体气流的影响，因此可以通过通入氦气作为缓冲气，使离子阱中的颗粒更稳定，有利于颗粒的多次测量。

4、检测环境稳定性高。在检测过程中，充入的氦气对紫外灯没有影响，因此可以实现快速、连续地改变带电颗粒的电荷数，使电荷数改变的效率有了极大的提高。

5、测量颗粒的尺寸范围大。本发明采用激光诱导声波解吸电离颗粒，使用光电检测器件接收散射光信号，使得测量颗粒的尺寸范围从纳米级扩大至微米级。

6、测量速度快。对于已经囚禁的单颗粒子只需通过紫外照射改变其电荷量进而获取颗粒的电荷量，因此可以实现对单个颗粒质量的快速检测。

7、测量方法简单。

下面通过具体的实施例对本发明进行说明。本领域技术人员能够理解的是，下面的具体的实施例仅仅是为了说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围。另外，在下面的实施例中，除非特别说明，所用的电离源为532nm的Dawa-200固体激光器，激光器为532nm的固体连续激光器，紫外灯为HeraeusPKS106光离子化灯。所采用的材料和设备均是市售可得的。如果在后面的实施例中，未对具体的处理条件和处理方法进行明确描述，则可以采用本领域中公知的条件和方法进行处理。

实施例1

检测样品为100nm的标准聚苯乙烯球。重复测量了50组100nm的标准聚苯乙烯球颗粒。

1)取样，水与100nm的标准聚苯乙烯球以体积比为1:2的比例进行混合，采用硅片作为样品靶，取混合样品10μl滴在硅片上待其自然干燥，将干燥后的样品板放于质谱装置中。

2)使用机械泵与分子泵对质谱装置抽真空，待质谱装置的真空度为1×10^-5Torr，然后缓慢向质谱装置中充入氦气保持装置内压强为1×10^-3Torr。

3)对样品进行电离和囚禁，设置电离源的激光能量，将控制电离激光的电压设为600-630V，激光频率为1-2Hz，设置环电极的射频电压为1000V(O-P),囚禁频率为5000Hz。电离激光打在样品板背面，使样品分子脱离样品板并被电离，离子进入离子阱被囚禁。

4)获取单个带电颗粒，经由CCD在计算机上对带电颗粒成像，通过不稳定抛出和共振抛出使离子阱中的带电颗粒为单个带电颗粒。

5)质量的测量，关闭氦气的进气阀，调节连续激光的强弱，使CCD成像时仅显示带电颗粒的散射光，散射光被光电倍增管接收经转变为电信号，由计算单元通过快速的傅里叶变换转变将电信号转变为运动信号得到运动频率，使用紫外灯照射离子阱中的带电颗粒，改变粒子上的电荷数。对同一带电颗粒进行电荷数的改变，获得5个同一带电颗粒带有不同电荷数时的5个运动频率(参考图5)。质荷比的大小与环电极的半径、射频电压、囚禁频率和运动频率相关，因此可以计算得到5个运动频率对应的5个质荷比。荷质比可通过马修方程由运动频率求得，利用射频电压、囚禁频率、5个运动频率以及5个荷质比通过循环计算，得到在第一个运动频率下(未采用紫外灯改变带电颗粒电荷数时)的电荷数与标准差之间的关系图(参考图6)。选取图中标准差最小的点为第一个运动频率下的电荷数，通过计算单元由其对应的质荷比可以求得带电颗粒的质量。计算单元是使用Labview软件进行编程。经计算，运动频率为1297.4对应的电荷数为91，运动频率为1315.2对应的电荷数为92，运动频率为1332.7对应的电荷数为93，运动频率为1367.8对应的电荷数为95，运动频率为1458.9对应的电荷数为100。经过计算，该颗粒的质量为6.2735×10⁸Da(1.04174 fg)，表明该颗粒含有2个100nm的聚苯乙烯球。

6)重复该实验，测量50颗100nm的标准聚苯乙烯球质量。

图7为测量的50组颗粒质量进行统计图，由此求得单颗100nm的标准聚苯乙烯球颗粒的平均质量为3.319×10⁸Da，很好的符合100nm的标准聚苯乙烯球质量3.320×10⁸Da。说明可以很好的对颗粒质量进行精确的测量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种检测颗粒质量的质谱装置，其特征在于，包括：

电离源，所述电离源为激光诱导声波解吸电离源，适于将待测颗粒电离，以便获得带电颗粒；

离子阱，所述离子阱适于囚禁所述带电颗粒；

样品靶，所述样品靶设置在所述离子阱与所述电离源之间；

激光器，所述激光器为连续激光器，适于发射激光，所述激光照射所述离子阱中的所述带电颗粒，以便获得带电颗粒的散射光；

紫外灯，通过所述紫外灯发出紫外光照射囚禁在所述离子阱中的所述带电颗粒，改变所述带电颗粒的电荷数；

分光镜，所述分光镜被设置为用于接收所述散射光，并对所述散射光进行分光，以便获得第一散射光以及第二散射光；

成像器，所述成像器适于接收所述第一散射光，并基于所述第一散射光对所述带电颗粒成像；

光电检测器，所述光电检测器适于接收所述第二散射光；以及

计算单元，所述计算单元与所述光电检测器电连接，适于确定所述带电颗粒的质量。

2.根据权利要求1所述的质谱装置，其特征在于，所述离子阱包括：

上端电极和下端电极，所述上端电极和下端电极分别接地；

环电极，所述环电极设置在所述上端电极和所述下端电极之间，并且在所述环电极上设置囚禁所述带电颗粒的射频电压和囚禁频率；

第一绝缘陶瓷环，所述第一绝缘陶瓷环设置在所述上端电极以及所述环电极之间，所述第一绝缘陶瓷环具有第一开口以及第二开口，所述带电颗粒由所述第一开口处进入所述离子阱内；以及

第二绝缘陶瓷环，所述第二绝缘陶瓷环设置在所述环电极以及所述下端电极之间，所述第二绝缘陶瓷环具有第三开口以及第四开口，所述激光由所述第四开口处射入所述离子阱内并从所述第二开口处射出，所述紫外光由所述第三开口处射入所述离子阱内。

3.根据权利要求2所述的质谱装置，其特征在于，所述环电极的半径为3～6mm；

所述离子阱中心到所述上端电极的距离为4～6mm；

所述离子阱中心到所述下端电极的距离为4～6mm；

其中，所述离子阱中心到所述上端电极的距离与所述离子阱中心到所述下端电极的距离相等。

4.根据权利要求1所述的质谱装置，其特征在于，进一步包括：控制单元，所述控制单元与所述离子阱连接，适于控制所述离子阱内的所述带电颗粒为单个。

5.根据权利要求1所述的质谱装置，其特征在于，所述电离源包括脉冲激光器，所述脉冲激光器的波长为400～600nm，能量为100～300mJ。

6.根据权利要求1所述的质谱装置，其特征在于，所述成像器为光电耦合器件。

7.根据权利要求1所述的质谱装置，其特征在于，所述光电检测器包括：

光电倍增管，所述光电倍增管被设置为适于接收所述第二散射光，将所述第二散射光的光信号转化为电信号并输出；以及

电流放大器，所述电流放大器分别与所述光电倍增管以及所述计算单元电连接，且适于接收所述电信号并对所述电信号进行放大。

8.权利要求1～7任一项所述的质谱装置在检测样品中的用途。

9.一种利用权利要求1～7所述的质谱装置检测颗粒质量的方法，其特征在于，包括：

(1)利用所述电离源使所述样品靶上的待测颗粒电离，以便获得带电颗粒，其中，所述待测颗粒为纳米颗粒或微米颗粒；

(2)使所述带电颗粒进入所述离子阱中并利用所述离子阱囚禁所述带电颗粒；

(3)采用所述激光器照射所述离子阱中的所述带电颗粒，以便获得散射光；

(4)利用所述分光镜接收所述散射光并进行分光，以便获得第一散射光以及第二散射光；

(5)利用所述成像器接收所述第一散射光以便对所述带电颗粒成像；

(6)利用所述光电检测器接收所述第二散射光，由所述计算单元获得所述带电颗粒的运动频率；

(7)利用所述紫外灯改变所述带电颗粒的电荷数，重复步骤(6)，以便获得改变电荷数后的所述带电颗粒的运动频率；以及

(8)多次重复步骤(7)，以便获得所述带电颗粒的多个运动频率，利用所述计算单元，基于所述多个运动频率确定所述带电颗粒的电荷数与质量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤(6)之前，进一步包括：

(5-1)利用控制单元，控制所述离子阱内的所述带电颗粒为单个。