CN107221489A - 碰撞反应池 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碰撞反应池，包括腔体以及离子漏斗；腔体具有第一端和第二端，第一端和第二端上分别开设有离子入口和离子出口，腔体上开设有气体入口，以向腔体内充入反应性气体；离子漏斗设于腔体内部，包括间隔平行设置的多片透镜，每片透镜上均开设有一开孔，多个开孔、离子入口和离子出口共线，以供离子通过，每片透镜的开孔的孔径，小于等于靠近离子入口一侧的相邻透镜的开孔的孔径；其中，每片透镜均施加有直流电压，每片透镜上施加的直流电压，小于靠近离子入口一侧的相邻透镜上施加的直流电压。本发明兼具较佳的质量区分效果与较强的离子传输效率。同时，通过多片透镜的设置，进一步使碰撞反应池具备对离子聚焦的功能。

Description

碰撞反应池

技术领域

本发明涉及元素分析技术领域，具体而言，涉及一种基于电感耦合等离子体四极杆质谱技术的碰撞反应池。

背景技术

在元素分析领域中，近年来ICP-MS(Inductively coupled plasma massspectrometry，电感耦合等离子体质谱)技术发展较为迅速，广泛应用于地质、高纯材料、核工业、生物、医药、冶金、石油、农业、食品、化学计量学等领域，是目前业内公认的最强有力的元素分析技术。

采用ICP-MS测定痕量元素或同位素比值时，进入质谱的多原子离子、中性分子和光子会影响分析结果的准确性。自从ICP-MS问世以来，一直有各种各样的研究致力于克服这个问题。除了常用的数学校正方法外，在样品引入等离子体之前采用流动注射、色谱、电热蒸发等技术分离干扰离子以及一些试图通过改变等离子体源部分的电离条件，比如冷等离子体、屏蔽炬技术、改变等离子气或改变等离子体工作参数等以达到减少多原子形成的目的。每种技术和方法都有一定的特效性，也有一定的局限性。目前比较常用的方法是在离子光路中加入碰撞池来消除多原子离子的干扰。目前碰撞反应池中常用的部件是用四极杆、六极杆、八极杆等多极杆。

采用ICP-MS技术测定元素时，多原子离子会影响分析结果的准确性。为消除这种干扰，目前常用的技术手段是引入碰撞池。碰撞池是设置在离子通路中的一种桶形装置，碰撞池内部充入一种惰性或反应性气体，维持碰撞池比周围真空腔压力稍高的增压状态。当离子束穿过碰撞池时，多原子干扰离子与气体发生碰撞或反应，动能降低或质量数发生变化，通过动能区分(KED)或质量区分(MD)与分析离子分开。

为束缚离子在碰撞室内的运动轨迹，碰撞室内需有一连接离子出入口的离子导引装置。对离子导引内的电场分布做多极展开，其中起质量分辨作用的是四极场，其余统称为高阶场。相应地，现有的离子导引装置通常为产生四极场的四极杆装置、产生高阶场的六极杆或八极杆装置。四极杆装置使用四根电极杆，质量区分效果优于六级杆或八级杆装置，但其离子传输效率弱于六极杆或八极杆装置。因此导致采用多级杆装置的碰撞室或碰撞池，无法兼具优质的质量区分效果与较强的离子传输效率，且这种碰撞室或碰撞池不具备对离子的聚焦功能，影响分析结果的准确性。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种兼具较佳的质量区分效果与较强的离子传输效率且具有聚焦功能的碰撞反应池。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种碰撞反应池，其中，包括腔体以及离子漏斗；所述腔体具有第一端和第二端，所述第一端和第二端上分别开设有离子入口和离子出口，所述腔体上开设有气体入口，以向所述腔体内充入反应性气体；所述离子漏斗设于所述腔体内部，包括间隔平行设置的多片透镜，每片所述透镜上均开设有一开孔，多个所述开孔、离子入口和离子出口共线，以供离子通过，每片所述透镜的开孔的孔径，小于等于靠近所述离子入口一侧的相邻透镜的开孔的孔径；其中，每片所述透镜均施加有直流电压，每片所述透镜上施加的直流电压，小于靠近所述离子入口一侧的相邻透镜上施加的直流电压。

根据本发明的其中一个实施方式，多个所述开孔、离子入口和离子出口均位于所述腔体的中轴线。

根据本发明的其中一个实施方式，每个所述开孔均位于其所在透镜的中心位置。

根据本发明的其中一个实施方式，所述多片透镜的形状及尺寸相同。

根据本发明的其中一个实施方式，所述透镜的形状为方形或者圆形。

根据本发明的其中一个实施方式，所述开孔为圆形。

根据本发明的其中一个实施方式，所述多片透镜的间隔相等。

根据本发明的其中一个实施方式，每片所述透镜均施加有射频电压，相邻两片所述透镜上施加的射频电压的相位相反。

根据本发明的其中一个实施方式，每片所述透镜上施加的射频电压的幅值均相等。

根据本发明的其中一个实施方式，所述碰撞反应池还包括至少一个固定件，每个所述固定件分别固定连接所述多片透镜，且所述固定件的两端部分别固定于所述腔体的第一端和第二端。

由上述技术方案可知，本发明提出的碰撞反应池的优点和积极效果在于：

本发明提出的碰撞反应池，利用多片透镜构成离子漏斗，并将离子漏斗设置于碰撞反应池的腔体内，代替现有的多级杆装置而实现了离子传输的功能。本发明提出的碰撞反应池基于上述结构设计，使其质量区分效果优于六级杆或八级杆装置，且其离子传输效率高于四极杆装置，使该碰撞反应池兼具较佳的质量区分效果与较强的离子传输效率。同时，通过多片透镜的设置，进一步使碰撞反应池具备对离子聚焦的功能。

附图说明

通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种碰撞反应池的离子漏斗的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1.透镜；2.开孔。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是作说明之用，而非用以限制本发明。

在对本发明的不同示例性实施方式的下面描述中，参照附图进行，所述附图形成本发明的一部分，并且其中以示例方式显示了可实现本发明的多个方面的不同示例性结构、系统和步骤。应理解，可以使用部件、结构、示例性装置、系统和步骤的其他特定方案，并且可在不偏离本发明范围的情况下进行结构和功能性修改。而且，虽然本说明书中可使用术语“上”、“端部”、“内部”等来描述本发明的不同示例性特征和元件，但是这些术语用于本文中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。本说明书中的任何内容都不应理解为需要结构的特定三维方向才落入本发明的范围内。

参阅图1，图1中代表性地示出了能够体现本发明的原理的一种碰撞反应池的离子漏斗的结构示意图，具体示出了该离子漏斗的多片透镜1的布置示意图。在该示例性实施方式中，本发明提出的碰撞反应池，是以ICP-MS技术为基础的元素测定设备为例进行说明的。本领域技术人员容易理解的是，为将本发明提出的碰撞反应池应用于其他各种ICP-MS元素测定设备中，而对下述的具体实施方式做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的碰撞反应池的原理的范围内。

在本实施方式中，该碰撞反应池主要包括腔体以及设置在该腔体内的离子漏斗。其中，腔体可以呈桶形，例如圆筒形或其他形状，且该腔体具有第一端和第二端。该第一端和第二端上分别开设有离子入口和离子出口，以下以腔体的第一端开设有离子入口，且第二端开设有离子出口为例进行说明，但并不以此为限。另外，该腔体上还开设有气体入口，以通过该气体入口向腔体内充入反应性气体或惰性气体，用以消除多原子离子的干扰。本领域技术人员容易理解的是，为使该腔体能够容纳离子漏斗，而对上述的腔体结构做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的碰撞反应池的原理的范围内。

如图1所示，在本实施方式中，离子漏斗设于腔体的内部，该离子漏斗主要包括等间距平行设置的多片透镜1，以提供聚焦的效果。其中，每片透镜1上均开设有一个孔形优选为圆形的开孔2，且每片透镜1上的开孔2均位于该透镜1的中心位置。多个开孔2、离子入口和离子出口共线，且离子入口开设于第一端的中心位置，离子出口开设于第二端的中心位置，即多个开孔2、离子入口和离子出口均位于腔体的中轴线。上述多个开口、离子入口和离子出口共同构成一个供离子通过的通道。需要说明的是，每片透镜1的开孔2的孔径可以表示为φ，则可将由离子入口一端向离子出口一端延伸的方向上，各片透镜1上的开孔2的孔径依次表示为φ₁，φ₂，φ₃，……，φ_n-1，φ_n，n即为透镜1的片数，即开孔2的数量。其中，φ₁为多片透镜1中最靠近离子入口的一片透镜1的开孔2孔径，φ_n为多片透镜1中最靠近离子出口的一片透镜1的开孔2孔径。优选地，在本实施方式中，φ₁≥φ₂≥φ₃≥……≥φ_n-1≥φ_n，且φ₁＞φ_n，其中n为大于等于2的正整数，即，每块透镜1的开孔2孔径，小于或等于其靠近离子入口一侧的相邻透镜1的开孔2孔径，且最靠近离子入口的一片透镜1的开孔2孔径，大于最靠近离子出口的一片透镜1的开孔2孔径。本领域技术人员容易理解的是，为使各开孔2相互对齐以与离子入口和离子出口共同形成供离子通过的通道，并对进入腔体的离子产生聚焦的效果，而对上述的离子漏斗的结构或布置方式，特别是多片透镜1的数量、布置方式或开孔2位置等做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的碰撞反应池的原理的范围内。例如多片透镜1的间隔亦可不等，仅需保证各片透镜1为间隔平行设置。又如，在领一实施方式中，最靠近离子入口的一片透镜的开孔孔径，等于最靠近离子出口的一片透镜的开孔孔径

在本实施方式中，透镜1为金属材质，且各片透镜1上均施加有直流电压。需要说明的是，每片透镜1上施加的直流电压可以表示为V，则可将由离子入口一端向离子出口一端延伸的方向上，各片透镜1上施加的直流电压依次表示为V₁，V₂，V₃，……，V_n-1，V_n，n即为透镜1的片数。其中，V₁为多片透镜1中最靠近离子入口的一片透镜1上施加的直流电压，V_n为多片透镜1中最靠近离子出口的一片透镜1上施加的直流电压。优选地，在本实施方式中，V₁＞V₂＞V₃＞……＞V_n-1＞V_n，其中n为大于等于2的正整数，即，每块透镜1上施加的直流电压，小于其靠近离子入口一侧的相邻透镜1上施加的直流电压。通过各片透镜1上施加的依次递减的直流电压，使得在各开孔2共同形成的供离子通过的通道中，产生前向(即由离子入口到离子出口的方向)的电场力，可以有效补偿金属离子因碰撞损失的动能。

另外，在本实施方式中，多片透镜1是通过多根固定杆固定于腔体内的。具体而言，每根固定杆均穿过各片透镜1，这些透镜1与固定杆相对固定以形成多片透镜1间隔平行的布置，且对于每一片透镜1，多根固定杆环绕穿设于其外周。对于最靠近第一端(即离子入口)的一片透镜1，与最靠近第二端(即离子出口)的一片透镜1，每根固定杆均具有分别穿过这两片透镜1，并分穿设于腔体的第一端和第二端的两个自由端，这两个自由端可以设置螺纹，并分别通过螺母固定于第一端和第二端上，以使具有多片透镜1的离子漏斗可拆卸地固定安装于腔体内，并使各开孔2构成的供离子通过的通道，与离子入口和离子出口对齐。本领域技术人员容易理解的是，为使该离子漏斗能够固定于腔体内，而对上述的例如固定杆结构做出多种改型、添加、替代、删除或其他变化，这些变化仍在本发明提出的碰撞反应池的原理的范围内。例如，在本发明的其他示例性实施方式中，为了将离子漏斗的多片透镜1设置于腔体内，可以至少设置一个固定件，且每个固定件分别固定连接多片透镜1，固定件的两端部分别固定于腔体的第一端和第二端，并不以此为限。

在此应注意，附图中示出而且在本说明书中描述的碰撞反应池仅仅是能够采用本发明原理的许多种碰撞反应池中的一个示例。应当清楚地理解，本发明的原理绝非仅限于附图中示出或本说明书中描述的碰撞反应池的任何细节或碰撞反应池的任何部件。

举例来说，并非为了符合本发明的原理，在本实施方式中，各片透镜1的形状及尺寸相同，且优选地可以为与圆筒形腔体对应的圆形。

然而，并非在本发明的每一个实施方式中，都必须将各片透镜1设计为相同的形状或尺寸，且透镜1的形状以不限于圆形。例如透镜1的形状还可以为方形等其他几何形状，并不以此为限。

又如，并非为了符合本发明的原理，在本实施方式中，每片透镜1上均施加有射频电压。需要说明的是，每片透镜1上施加的射频电压可以表示为E，则可将各片透镜1上施加的射频电压依序表示为E₁，E₂，E₃，……，E_n-1，E_n，n即为透镜1的片数。其中，E₁和E_n为多片透镜1中位于两端的透镜1上施加的射频电压。优选地，在本实施方式中，E₁＝-E₂＝E₃＝……＝-E_n-1＝E_n，其中n为大于等于3的奇数，或者，E₁＝-E₂＝E₃＝……＝E_n-1＝-E_n，其中n为大于等于2的偶数，即，相邻两片透镜1上施加的射频电压的相位相反，且每片透镜1上施加的射频电压的幅值均相等。上述相位交错的射频电压在径向(供离子通过的方向上)形成了一种赝势场(pseudo-potential)，该赝势场能够将发散的离子束缚在离子漏斗中，使进入离子漏斗的待测金属离子能够和反应性气体充分解离，提高离子信号的灵敏度。

通过上述对本发明提出的碰撞反应池，其中一各示例性实施方式的详细描述可知，本发明提出的碰撞反应池的优点和积极效果在于：

本发明提出的碰撞反应池，利用多片透镜1构成离子漏斗，并将离子漏斗设置于碰撞反应池的腔体内，代替现有的多级杆装置而实现了离子传输的功能。本发明提出的碰撞反应池基于上述结构设计，使其质量区分效果优于六级杆或八级杆装置，且其离子传输效率高于四极杆装置，使该碰撞反应池兼具较佳的质量区分效果与较强的离子传输效率。同时，通过多片透镜1的设置，进一步使碰撞反应池具备对离子聚焦的功能。将本发明提出的碰撞反应池应用于基于ICP-MS的元素分析时，进入其离子漏斗的离子在离子中和反应性气体分子发生碰撞，进而使待测金属元素与不同阴离子或者水分子组成的金属离子结合物发生解离，形成单一的金属离子，使最后得到的谱图较为简单，同时提高了金属离子信号的灵敏度。

以上详细地描述和/或图示了本发明提出的反映碰撞池的示例性实施方式。但本发明的实施方式不限于这里所描述的特定实施方式，相反，每个实施方式的组成部分和/或步骤可与这里所描述的其它组成部分和/或步骤独立和分开使用。一个实施方式的每个组成部分和/或每个步骤也可与其它实施方式的其它组成部分和/或步骤结合使用。在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一片”、“一”和“上述”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书及说明书中的术语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。

虽然已根据不同的特定实施例对本发明提出的反映碰撞池进行了描述，但本领域技术人员将会认识到可在权利要求的精神和范围内对本发明的实施进行改动。

Claims (10)

1.一种碰撞反应池，其特征在于，包括：

腔体，具有第一端和第二端，所述第一端和第二端上分别开设有离子入口和离子出口，所述腔体上开设有气体入口，以向所述腔体内充入反应性气体；以及

离子漏斗，设于所述腔体内部，包括间隔平行设置的多片透镜(1)，每片所述透镜(1)上均开设有一开孔(2)，多个所述开孔(2)、离子入口和离子出口共线，以供离子通过，每片所述透镜(1)的开孔(2)的孔径，小于等于靠近所述离子入口一侧的相邻透镜(1)的开孔(2)的孔径；

其中，每片所述透镜(1)均施加有直流电压，每片所述透镜(1)上施加的直流电压，小于靠近所述离子入口一侧的相邻透镜(1)上施加的直流电压。

2.根据权利要求1所述的碰撞反应池，其特征在于，多个所述开孔(2)、离子入口和离子出口均位于所述腔体的中轴线。

3.根据权利要求2所述的碰撞反应池，其特征在于，每个所述开孔(2)均位于其所在透镜(1)的中心位置。

4.根据权利要求3所述的碰撞反应池，其特征在于，所述多片透镜(1)的形状及尺寸相同。

5.根据权利要求4所述的碰撞反应池，其特征在于，所述透镜(1)的形状为方形或者圆形。

6.根据权利要求1所述的碰撞反应池，其特征在于，所述开孔(2)为圆形。

7.根据权利要求1所述的碰撞反应池，其特征在于，所述多片透镜(1)的间隔相等。

8.根据权利要求1所述的碰撞反应池，其特征在于，每片所述透镜(1)均施加有射频电压，相邻两片所述透镜(1)上施加的射频电压的相位相反。

9.根据权利要求8所述的碰撞反应池，其特征在于，每片所述透镜(1)上施加的射频电压的幅值均相等。

10.根据权利要求1所述的碰撞反应池，其特征在于，所述碰撞反应池还包括至少一个固定件，每个所述固定件分别固定连接所述多片透镜(1)，且所述固定件的两端部分别固定于所述腔体的第一端和第二端。