CN107221488A - 一种用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置 - Google Patents

一种用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置，包括同轴设置的环状传输聚焦电极、引入电极和引出电极，环状传输聚焦电极位于引入电极和引出电极之间，引入电极中心设置有离子引入口，引出电极中心设置有离子引出口；环状传输聚焦电极中心有漏斗型的离子聚焦传输通道，离子聚焦传输通道末端朝向离子引出口，离子引入口、离子传输通道、离子引出口相连通，离子传输通道内设置有射流阻挡电极。本发明可提高质子转移反应质谱离子源的离子利用效率，弥补现有离子传输方法传输效率不足的问题，最终提高质子转移反应质谱仪的灵敏度。

Description

一种用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置
技术领域
本发明及质子转移反应质谱领域，尤其涉及一种用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置。
背景技术
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是大气、水和土壤环境中的主要污染物，长时间摄入会有致癌、致畸、致突变的危险。此外，空气中挥发性有机物还会参加光化学反应从而导致气候的恶劣变化，如光化学烟雾、有机气溶胶、温室效应的出现。另外，食品中也含有大量的挥发性有机物，通过分析食品的挥发物，可以监控食品的成分和质量，保证食品安全。挥发性有机物还是人体呼出气体中的重要成分，它们常常和某些疾病有着密切的关系。因此通过分析呼出气体中的挥发性有机物，可以了解人体的新陈代谢过程，实现对疾病的早期诊断。目前，检测挥发性有机物的主要质谱手段是气相色谱质谱联用(Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS)方法。这种技术在测定痕量挥发性有机物方面一直发挥着重要作用。但是，GC-MS涉及到色谱分离技术以及样品的采集、浓缩提取，导致测量耗时又费力，且不适于现场、实时在线分析；此外，该联用技术所采用的电子轰击电离源是一种硬电离技术，不仅会形成多种离子碎片，使得质谱图复杂、分析难度大，而且还会将空气中的常规组分N2、O2、CO2和Ar等分子电离，干扰小分子量挥发性有机物的实时检测。
发明内容
出于对挥发性有机物快速实施监测手段的迫切需求，且目前并没有与之匹配的分析手段，本项目拟研制一种具有高灵敏度快速测量的质谱仪，用于挥发性有机物的快速实时检测分析。质子转移反应质谱(Proton Transfer Reaction Mass Spectrometry，PTR-MS)技术是一种基于质子转移反应的化学电离源质谱技术，其基本原理是先用各种电离手段将水蒸气分子离子化，产生反应试剂离子H3O+，反应试剂离子再与样品分子碰撞发生反应并使样品离子化，从而进行质谱检测。高浓度的H3O+与被分析物发生质子转移反应，有助于提高样品分子的离子化效率，从使得仪器具有较高的检测灵敏度。软电离技术使得PTR-MS直接检测挥发性有机物可不受空气背景干扰。PTR-MS具有的快速分析、绝对量测量的特点，使其具有气相色谱质谱联用不可比拟的优势。为了提高质子转移反应质谱系统的性能，目前出现了诸如辉光放电、空心阴极放电、微波等离子体、射频放电以及放射源等多种质子转移反应质谱离子源。要提高质子转移反应质谱仪的灵敏度，一个关键的问题就是提高各类质子转移反应质谱仪器离子源中的离子利用效率，亦即，提高离子传输系统的离子传输效率以及对各类离子源的兼容性，这也是本发明的初衷。
为解决上述技术问题，本发明目的在于为各种形式的质子转移反应质谱离子源与各类型质谱质量分析器之间提供一种高效的离子传输与聚焦装置，以提高质子转移反应质谱离子源的离子利用效率，弥补现有离子传输方法传输效率不足的问题，最终提高质子转移反应质谱仪的灵敏度。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置，包括同轴设置的环状传输聚焦电极、引入电极和引出电极，所述环状传输聚焦电极位于引入电极和引出电极之间，所述引入电极中心设置有离子引入口，引出电极中心设置有离子引出口；所述环状传输聚焦电极中心有漏斗型的离子聚焦传输通道，离子聚焦传输通道末端朝向离子引出口，所述离子引入口、离子传输通道、离子引出口相连通，所述离子传输通道内设置有射流阻挡电极。
进一步的，传输装置还包括真空腔体，所述环状传输聚焦电极、引入电极和引出电极设于真空腔体内部，所述引入电极设于真空腔体前端，引出电极设于真空腔体后端，真空腔体前、后端均设有贯通其内部的开口，所述开口与离子聚焦传输通道正对，真空腔体与环状传输聚焦电极、引入电极、射流阻挡电极以及引出电极之间绝缘电隔离，所述真空腔体侧壁设有真空抽气口。
优选的，所述环状传输聚焦电极采用多个极片环同轴间隔设置的结构，相邻两个极片环之间电绝缘，极片环的内径从离子引入口到离子引出口依次减小从而在环状传输聚焦电极中心形成漏斗型的离子聚焦传输通道。
进一步的，所述极片环的形状为圆形环状或方形环状
进一步的，极片环的内径为0.1mm～200mm，极片环厚度为0.1mm～10mm，相邻两个极片环之间的距离为0.1mm～20mm。
进一步的，相邻两个极片环上施加有相位差为170°～190°的正弦或余弦射频低电压，所述射频低电压的绝对值小于500V，频率100k Hz～10M Hz。
优选的，射流阻挡电极设于离子传输通道的轴线上。
进一步的，射流阻挡电极为圆板状，射流阻挡电极远离离子聚焦传输通道末端。
进一步的，所述射流阻挡电极安装在离子聚焦传输通道前端十分之三处。
进一步的，所述射流阻挡电极上施加有直流电压和/或射频低电压，所述直流电压、射频低电压的绝对值小于500V。
进一步的，相邻两个极片环之间设有绝缘隔垫，所述极片环和绝缘隔垫外沿贯穿有便于固定极片环和安装环状传输聚焦电极的固定螺杆。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.由于本发明所述的用于质子转移反应质谱离子源的离子传输装置经过特别的射频电压幅值、频率以及多片环状电极形状的相互匹配，可以高效率地在漂移管后端100Pa-0.1Pa的气压下，大面积捕获并聚焦传输质荷比500以下的小质量离子，最终有针对性地特别提高质子转移反应质谱仪的离子传输效率，进而提高系统的灵敏度。
2.本发明装置特别地在中心设置有射流阻挡电极，可以在基本不影响离子传输效率的情况下阻挡由离子源进入离子传输装置的中性分子气流，提高传输系统后级的真空度，最终达到减小后级质谱质量分析器的本底噪声，提高信噪比，进一步提高系统灵敏度。
3.本发明装置具有兼容各类型质子转移反应质谱离子源的特性，包括但不仅限于基于微波等离子体、介质阻挡放电、直流辉光放电、空心阴极放电、射频放电、放射源的质子转移反应质谱离子源。并且可以将这些离子源的离子高效传输到包括但不仅限于四级杆、飞行时间、离子阱等各类离子质量分析器。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图；
图3是实施例3的结构示意图；
图中：1-真空腔体、2-真空抽气口、3-环状传输聚焦电极、4-射频电源、5-引入电极、6-射流阻挡电极、7-引出电极、8-离子源接口、9-质量分析器接口、10-固定螺栓、11-绝缘帽、12-固定螺杆、13–绝缘隔垫。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置，包括同轴设置的环状传输聚焦电极3、引入电极5和引出电极7，环状传输聚焦电极3位于引入电极5和引出电极7之间，引入电极5中心设置有离子引入口，引出电极7中心设置有离子引出口；环状传输聚焦电极3中心有漏斗型的离子聚焦传输通道，离子聚焦传输通道末端朝向离子引出口，离子引入口、离子传输通道、离子引出口相连通，离子传输通道内设置有射流阻挡电极6。来自质子转移反应质谱离子源的离子通过离子引入口被引入离子聚焦传输通道进行离子束的传输与聚焦。聚焦以后的离子束通过传输装置尾端引出电极7上的离子引出口引出。由于气压差从离子源射入传输装置的中性气体分子射流通过射流阻挡电极6抑制，防止气体射流直接进入传输装置尾端的离子引出口。
优选的，环状传输聚焦电极3采用多个极片环同轴间隔设置的结构，相邻两个极片环之间由任何介电方式实现电绝缘，极片环的内径从离子引入口到离子引出口依次减小从而在环状传输聚焦电极3中心形成漏斗型的离子聚焦传输通道。极片环的内径从前往后依次减小安装的目的是使得离子能更好的被约束聚焦。进一步的，极片环的形状为圆形环状或方形环状，极片环可由任何导电或者表面导电材料制作，极片环的内径为0.1mm～200mm，极片环厚度为0.1mm～10mm，相邻两个极片环之间的距离为0.1mm～20mm。使用导电或者表面导电材料的目的是为极片环中心镂空部分提供有效地直流以及交变电场；使用圆形或者方形形状的目的是使极片环中心镂空内的电场分布对称均匀。限制安装间距的目的是为了配合直流以及交变电场为离子提供尽可能大的传输通道。
进一步的，相邻两个极片环上施加有相位差为180°±10°的正弦或余弦射频低电压4，所述射频低电压4的绝对值小于500V，频率100k Hz～10M Hz。在相邻极片环施加反相的正弦或余弦电压的目的在于为中心传输通道中的离子提供束缚电压，避免离子运行到电极上，并配合环状传输聚焦电极3将离子聚焦在离子聚焦传输通道中心。
优选的，射流阻挡电极6设于离子传输通道的轴线上,进一步，射流阻挡电极6的面积比离子引出口的面积大。射流阻挡电极6可以安装在轴线上的任意位置，射流阻挡电极6可以为板状也可以是任意形状，射流阻挡电极6可以设置一个或多个。射流阻挡电极6可以阻挡前级离子源的气体射流直接进入传输装置尾端的离子引出口，减少离子引出口输出的中性气体分子，提高后级真空度，减小系统噪声，提高质谱系统的信噪比。在射流阻挡电极6上施加有直流电压和/或射频低电压，使得射流阻挡电极6在阻挡中性气体分子的同时可以排斥离子碰撞电极，最大限度保证传输装置对离子的传输效率。直流电压和射频低电压的绝对值小于500V。
进一步的，传输装置的外壳为一个真空腔体1，环状传输聚焦电极3、引入电极5和引出电极7设于真空腔体1内部，引入电极5设于真空腔体1前端，引出电极7设于真空腔体1后端，真空腔体1前、后端均设有贯通其内部的开口，开口与离子聚焦传输通道正对，真空腔体1前端的开口应比离子引入口大；后端的开后应比离子引出口大，真空腔体1与环状传输聚焦电极3、引入电极5、射流阻挡电极6以及引出电极7之间绝缘电隔离，真空腔体1侧壁设有真空抽气口2。真空腔体1不锈钢或者铝合金制。真空腔体1为传输装置提供所需的密闭环境，通过连接在真空抽气口2上的机械泵或分子泵维持真空度；当然传输装置也可以在没有真空腔体1的情况下，在其它真空环境中工作。传输装置内部工作气压为绝对压力0.1Pa至100Pa之间。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：相邻两个极片环之间设置绝缘隔垫13来介电，绝缘隔垫13的材质优选四氟乙烯。优选的，极片环为圆形状，极片环的材质为不锈钢，极片环厚度为1mm。相位差180°的两组正弦射频低压电压被加在相邻的极片环上，极片环有3-1000片，极片环的内径为0.1mm～100mm，前端极片环的内径为0.1-100mm，后端极片环的内径为0.1-100mm，离子引入口的直径为100mm，离子引出口的直径为1mm。离子引入电极5由厚度2mm不锈钢片制作，引出电极7由厚度1mm的不锈钢片制作。
极片环和绝缘隔垫13外沿贯穿有便于固定极片环和安装环状传输聚焦电极3的固定螺杆12。通过螺帽固紧。螺帽与引入电极5通过绝缘帽11进行绝缘处理。螺杆绝缘或者螺杆比螺孔小来实现绝缘。
进一步的，射流阻挡电极6为圆板状，射流阻挡电极6远离离子聚焦传输通道末端。优选的，射流阻挡电极6安装在离子聚焦传输通道前端十分之三处，在本实施例中射流阻挡电极6安装在第30片极片环处，射流阻挡电极6为圆板状，射流阻挡电极6通过四根金属丝安装在离子聚焦传输通道轴线上，同时通过四根金属丝与外部电源相连，以在射流阻挡电极6上附加10V的直流电压。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例1或实施例2的区别在于：图3为包含真空腔体的传输装置四分之一剖面图，传输装置被铝合金制真空腔体1包裹，以提供封闭环境，传输装置内部通过真空抽气口2与真空获得装置相连，以获得真空腔体1内的真空状态，传输装置工作气压为1Pa；真空抽气口2同时为传输装置所需的直流、交流电压提供穿导位置。
固定螺杆12另一端固定于质量分析器接口9底座上，离子引出口与质量分析器接口9相连，并起到真空阻隔的作用。整个离子传输装置通过质量分析器接口9与四级杆质量分析器相连。整个传输装置通过前端的离子源接口8与质子转移反应质谱离子源对接。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于传输质子转移反应离子源中离子的传输装置，其特征在于：包括同轴设置的环状传输聚焦电极(3)、引入电极(5)和引出电极(7)，所述环状传输聚焦电极(3)位于引入电极(5)和引出电极(7)之间，所述引入电极(5)中心设置有离子引入口，引出电极(7)中心设置有离子引出口；所述环状传输聚焦电极(3)中心有漏斗型的离子聚焦传输通道，离子聚焦传输通道末端朝向离子引出口，所述离子引入口、离子传输通道、离子引出口相连通，所述离子传输通道内设置有射流阻挡电极(6)。
2.根据权利要求1所述的传输装置，其特征在于：还包括真空腔体(1)，所述环状传输聚焦电极(3)、引入电极(5)和引出电极(7)设于真空腔体(1)内部，所述引入电极(5)设于真空腔体(1)前端，引出电极(7)设于真空腔体(1)后端，真空腔体(1)前、后端均设有贯通其内部的开口，所述开口与离子聚焦传输通道正对，真空腔体(1)与环状传输聚焦电极(3)、引入电极(5)、射流阻挡电极(6)以及引出电极(7)之间绝缘电隔离，所述真空腔体(1)侧壁设有真空抽气口(2)。
3.根据权利要求1或2所述的传输装置，其特征在于：所述环状传输聚焦电极(3)采用多个极片环同轴间隔设置的结构，相邻两个极片环之间电绝缘，极片环的内径从离子引入口到离子引出口依次减小。
4.根据权利要求3所述的传输装置，其特征在于：所述极片环的形状为圆形环状或方形环状。
5.根据权利要求4所述的传输装置，其特征在于：所述极片环的内径为0.1mm～200mm，极片环厚度为0.1mm～10mm，相邻两个极片环之间的距离为0.1mm～20mm。
6.根据权利要求3所述的传输装置，其特征在于：相邻两个极片环上施加有相位差为170°～190°的正弦或余弦射频低电压(4)，所述射频低电压(4)的绝对值小于500V，频率100k Hz～10M Hz。
7.根据权利要求1所述的传输装置，其特征在于：所述射流阻挡电极(6)设于离子传输通道的轴线上。
8.根据权利要求1或7所述的传输装置，其特征在于：所述射流阻挡电极(6)为圆板状，射流阻挡电极(6)远离离子聚焦传输通道末端。
9.根据权利要求1或7所述的传输装置，其特征在于：所述射流阻挡电极(6)上施加有直流电压和/或射频低电压，所述直流电压、射频低电压的绝对值小于500V。
10.根据权利要求3所述的传输装置，其特征在于：相邻两个极片环之间设有绝缘隔垫(13)，所述极片环和绝缘隔垫(13)外沿贯穿有便于固定极片环和安装环状传输聚焦电极(3)的固定螺杆(12)。
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