CN107240543B - 一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪 - Google Patents

一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及质谱分析技术领域，特别涉及到一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪，包括顺序布置在一真空腔体内的第一电场加速区、第二电场加速区以及自由飞行区，其中第一电场加速区的前端设有离子源，自由飞行区的后端设有离子探测器，第二电场加速区两侧的电极之间的间距为可调式设置。本发明的双场加速质谱仪既能实现极板间距和分压比可调，又能不损失分辨率和灵敏度的双场加速区设计方法。此外，本发明提供的这种设计相比于商用仪器中的离子阱‑飞行时间质谱设计，节约了一段加速场的距离，更有利于仪器的小型化和便携化。

Description

一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪
技术领域
本发明涉及质谱分析技术领域，特别涉及到一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪。
背景技术
作为分析测试科学仪器的突出代表，质谱仪具有灵敏度最高，适用性最强的优势，在科学研究和生产实践中都具有不可替代的重要作用，其应用遍及国计民生和安全信息的各个领域。
质谱分析中，待测物质分子经电离后依照不同质荷比(质量与电荷之比)在电磁场控制下按空间位置和时间先后加以区分和定量分析。飞行时间质谱是质谱技术中应用十分广泛的一种。飞行时间质谱分析器主要有直线式和反射式两大类。直线式飞行时间质谱,主要由加速区、自由飞行区和检测器组成。加速区的电场强度为Es，宽度为S0,离子在加速区中的位置为S,自由飞行区的长度为D。当离子处于加速区时,在加速区极板上施加脉冲电压,加速区内瞬间产生高压加速电场,离子沿着质谱方向加速,朝着探测器做加速运动。当飞过加速区时,离子获得一定的动能,进入自由飞行区后,依靠惯性继续飞，飞行速度恒定。由于离子经过加速后获得的动能相同,那么质量小的离子速度快一些,早一点到达探测器；质量大的离子速度慢一些,晚一点到达探测器。早期的飞行时间质谱主要使用一级加速场，但其对离子初始分散的聚焦能力有限,分辨率很低。解决的办法是将加速电场改成两级电场,一级作为引出电场,另外一级作为加速电场。由于增加一级电场,增加了一个电压参数和尺寸参数,飞行时间质谱能实现更高阶的聚焦。
现有技术中的双场加速飞行时间质谱原理如图1所示，正交加速区结构包括一个推斥板201、一个引入电极板202，以及引出电极板203。其中推斥板201与引入电极板202之间组成电场强度为Es的一级加速区；引入电极板202与引出电极板203之间组成电场强度为Ed的二级加速区；离子以垂直方向引入，在推斥板201脉冲高压的作用下进行二级加速，实现二阶空间聚焦。
如图1和图2所示，离子需要经历两级加速区后进入自由飞行区，这两级加速区的电场强度分别为Es和Ed，电场宽度分别为S0和d，离子所处的实际位置为S，自由飞行区长度为D，离子经过一级加速区、二级加速区和自由飞行区的时间ts、td和tD分别为：
Figure BDA0001360579980000021
Figure BDA0001360579980000022
Figure BDA0001360579980000023
总的飞行时间t为：
Figure BDA0001360579980000024
由
Figure BDA0001360579980000025
可以得到一阶聚焦条件：
Figure BDA0001360579980000026
其中/>
Figure BDA0001360579980000027
由
Figure BDA0001360579980000031
和/>
Figure BDA0001360579980000032
可以得到二阶聚焦条件：
Figure BDA0001360579980000033
Figure BDA0001360579980000034
其中，m为离子的质量，q为离子的电荷量，Ud为电压值。
在给定的D和d的条件下，即可以求得S和Ud；进而确定详细的设计参数。
在实际工作中，飞行时间质谱的双场加速区的几何参数和电压参数往往需要根据泰勒公式求解出理论值，或者使用模拟软件模拟出相应的参数，再根据理论值或者模拟值设计加工出相应的电极板，进而组装调试，但在实际调试过程中，由于加工误差和装配误差等因素的影响，实际效果会与理论值有较大的偏差，与此同时，加工和装配的参数无法随即做出改变，会给实验和样机调试带来诸多不便。
此外，为了追求较高的分辨率，离子在双场加速区之前，往往需要经过一个较小的狭缝，以便减小初始空间分散对分辨率的影响，但与此同时，离子的数量会有较大损失，不利于仪器的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是提供一种极板间距和分压比可调的带有双场加速区的飞行时间质谱仪。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪，包括顺序布置在一真空腔体内的第一电场加速区、第二电场加速区以及自由飞行区，其中第一电场加速区的前端设有离子源，自由飞行区的后端设有离子探测器，第二电场加速区的后端电极相对于前端电极沿平行于离子飞行路径的方向活动设置。
优选的，所述第一电场加速区由一个三维离子阱的内部电场构成，所述三维离子阱的后端盖一侧间隔设置有一平板电极，该平板电极与三维离子阱的后端盖之间构成第二电场加速区，所述离子源与三维离子阱的前端盖相对设置。
优选的，所述平板电极沿三维离子阱的轴线方向滑动设置；还包括用于驱动平板电极滑动并能够使平板电极停留在滑动路径任意位置的驱动单元。
优选的，所述平板电极通过滑块滑动设置在与三维离子阱轴线方向平行的轨道上，所述真空腔体的侧壁上具有一垂直于三维离子阱轴线的腔壁，所述驱动单元包括该腔壁上安装的一真空导入器，该真空导入器的轴线与三维离子阱的轴线平行，所述真空导入器的伸缩轴通过一连接杆与平板电极固接。
或者，平板电极安装在一电动位移平台上，所述驱动单元为伺服电机。
优选的，所述离子源与三维离子阱之间设有离子导引装置。
优选的，所述三维离子阱内部充有惰性气体。
优选的，所述惰性气体为氦气。
优选的，所述平板电极与三维离子阱后端盖之间的间距为5-20mm。
优选的，平板电极供离子穿过的通孔上粘有栅网。
本发明的技术效果在于：本发明的双场加速质谱仪既能实现极板间距和分压比可调，又能不损失分辨率和灵敏度的双场加速区设计方法。此外，本发明提供的这种设计相比于商用仪器中的离子阱-飞行时间质谱设计，节约了一段加速场的距离，更有利于仪器的小型化和便携化。
附图说明
图1是现有技术中的双场加速质谱仪正交加速区结构的原理图；
图2是现有技术中的双场加速质谱仪正交加速区结构的电势分布,图中横坐标为离子到电极201之间的距离；
图3是本发明的实施例1所提供的带有双场加速区的飞行时间质谱仪的原理图；
图4是本发明的实施例2所提供的带有双场加速区的飞行时间质谱仪的原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
如图3所示，一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪，包括顺序布置在一真空腔体10内的第一电场加速区11、第二电场加速区12以及自由飞行区13，其中第一电场加速区11的前端(在本发明的表述中，“前端”和“后端”是以离子飞行的方向为参照确定的，即离子飞行路径的上游为“前端”，离子飞行路径的下游为“后端”)设有离子源16，自由飞行区13的后端设有离子探测器17，第二电场加速区12的后端电极相对于前端电极沿平行于离子飞行路径的方向活动设置。
优选的，所述第一电场加速区11由一个三维离子阱14的内部电场构成，所述三维离子阱14的后端盖一侧间隔设置有一平板电极15，该平板电极15与三维离子阱14的后端盖142之间构成第二电场加速区12，所述离子源16与三维离子阱14的前端盖141相对设置。三维离子阱14由两个端盖电极141、142和一个位于两个端盖电极141、142之间的环电极143构成。做切面图为两对等轴的双曲面,在端盖电极141、142上施加直流电压或接地,环电极143施加射频电压(RF),即可在离子阱14内部产生能束缚离子的电场。根据RF电压的大小,离子阱14即可捕获某一质量范围的离子。离子阱14可以储存离子,待离子累积到一定数量后,再通过调节RF的电压幅度进行质量扫描,离子即按质荷比从小到大的的顺序依次被驱逐出离子阱14,而后被检测器检测到,从而获得质谱图。因此，离子阱能起到富集离子，提高信号强度的作用。
优选的，所述平板电极15沿三维离子阱14的轴线方向滑动设置；还包括用于驱动平板电极15滑动并能够使平板电极15停留在滑动路径任意位置的驱动单元。
优选的，所述平板电极15通过滑块滑动设置在与三维离子阱14轴线方向平行的轨道193上，所述真空腔体10的侧壁上具有一垂直于三维离子阱14轴线的腔壁，所述驱动单元包括该腔壁上安装的一真空导入器19，该真空导入器19的轴线与三维离子阱14的轴线平行，所述真空导入器19的伸缩轴通过一连接杆191与平板电极15固接。
优选的，所述离子源16与三维离子阱14之间设有离子导引装置18。
进一步的，所述三维离子阱14内部充有惰性气体，本实施例优选氦气。
优选的，所述平板电极15与三维离子阱14后端盖142之间的间距为5-20mm。
平板电极15供离子穿过的通孔上粘有栅网151，栅网151的作用是使得两侧的电场成为平行均匀电场，防止平板电极15两侧产生电场渗透，避免两侧电场叠加而影响到电场均匀性。
如图3所示，由离子源16产生的离子束本发明只讨论正离子，经过离子导引装置18后到达离子阱14前端，在前端飞行过程中获得一定动能的前提下，离子首先穿过离子阱的前端盖141电极，进入离子阱14，在离子阱14射频和氦气缓冲气的作用下，进入的离子不断的富集在离子阱14的环电极143的中心，当离子富集一定时间后，离子阱14的后端盖142电极上施加一负脉冲，将富集之后的离子引出离子阱14，进入离子阱14的后端盖142电极与平板电极15组成的第二级加速电场，随后，进入一段自由飞行区13，由于离子束在两级电场中获得的能量相同，即E＝1/2mv2，但由于不同的离子质荷比不同，根据
v＝L/t
Figure BDA0001360579980000071
L为自由飞行区13长度，t为离子的飞行时间，因此离子到达探测器的时间也不同，据此将不同的离子分离开来。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于：平板电极15安装在一电动位移平台20上，所述驱动单元为伺服电机。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪，包括顺序布置在一真空腔体(10)内的第一电场加速区(11)、第二电场加速区(12)以及自由飞行区(13)，其中第一电场加速区(11)的前端设有离子源(16)，自由飞行区(13)的后端设有离子探测器(17)，其特征在于：第二电场加速区(12)的后端电极相对于前端电极沿平行于离子飞行路径的方向活动设置；所述第一电场加速区(11)由一个三维离子阱(14)的内部电场构成。
2.根据权利要求1所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：三维离子阱(14)由前端盖(141)、后端盖(142)和一个位于前端盖(141)、后端盖(142)之间的环电极(143)构成，所述三维离子阱(14)的后端盖(142)一侧间隔设置有一平板电极(15)，该平板电极(15)与三维离子阱(14)的后端盖(142)之间构成第二电场加速区(12)，所述离子源(16)与三维离子阱(14)的前端盖(141)相对设置。
3.根据权利要求2所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述平板电极(15)沿三维离子阱(14)的轴线方向滑动设置；还包括用于驱动平板电极(15)滑动并能够使平板电极(15)停留在滑动路径任意位置的驱动单元。
4.根据权利要求3所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述平板电极(15)通过滑块滑动设置在与三维离子阱(14)轴线方向平行的轨道(193)上，所述真空腔体(10)的侧壁上具有一垂直于三维离子阱(14)轴线的腔壁，所述驱动单元包括该腔壁上安装的一真空导入器(19)，该真空导入器(19)的轴线与三维离子阱(14)的轴线平行，所述真空导入器(19)的伸缩轴通过一连接杆(191)与平板电极(15)固接。
5.根据权利要求3所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：平板电极(15)安装在一电动位移平台(20)上，所述驱动单元为伺服电机。
6.根据权利要求2所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述离子源(16)与三维离子阱(14)之间设有离子导引装置(18)。
7.根据权利要求2所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述三维离子阱(14)内部充有惰性气体。
8.根据权利要求7所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述惰性气体为氦气。
9.根据权利要求2所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：所述平板电极(15)与三维离子阱(14)后端盖(142)之间的间距为5-20mm。
10.根据权利要求2所述的带有双场加速区的飞行时间质谱仪，其特征在于：平板电极(15)供离子穿过的通孔上粘有栅网(151)。
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