CN109801832B - 一种离子引出装置及其引出方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子引出装置及其引出方法，其特征在于：其包括同轴心线排列的离子提取系统、离子加速系统、接地主基座和离子聚焦系统；所述离子提取系统用于对离子进行提取；所述离子加速系统设置在离子提取系统下游，并通过绝缘子与离子提取系统连接，离子加速系统和离子提取系统之间形成离子加速区；所述接地主基座设置在离子加速系统下游，其内设置有用于离子飞行的中心离子通孔、用于激光入射的激光入射孔、用于摄像观测的摄像观测孔；所述离子聚焦系统设置在接地主基座下游，用于对由接地主基座飞出的离子进行聚焦后将其引出至无场区，用于后续的离子定性和/或定量检测。本发明可广泛应用于离子检测领域。

Description

一种离子引出装置及其引出方法

技术领域

本发明涉及检测分析仪器领域，特别是涉及一种离子引出装置及其引出方法。

背景技术

由于质谱仪刚电解出来的带电粒子是一堆离散的离子，需要经过离子源的特殊电场处理才能成为检测器检测的离子，所以离子源是质谱仪的必要组成部分。离子源由多个接电极片以及绝缘模块组成，从而构建出所需要的电场，用于带电粒子的提取、加速以及聚焦，使得不同质量的带电粒子以同一速度方向但不同速率进入无场飞行区，使得同一质荷比的离子同一时间到达检测器，不同质荷比的离子不同时间到达检测器，以此作为质谱仪的分析依据。

然而，实际中一般只需检测同种极性的离子，但可检测不同极性的离子源的应用范围比只能检测同种离子的离子源广。例如蛋白质产生正离子，核酸产生负离子，而常规的离子源通常只能检测同种极性的离子。另外，现有的离子源技术教导的是激光尽可能垂直照射到样品上会让样品更好地电离，所以有些离子源或者仪器因为结构的问题，需要使用反射镜来对光路进行调整，使得离子源结构复杂，且操作不便。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种离子引出装置及其引出方法，其提高了离子检测的分辨度和灵敏度，且便于组装。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种离子引出装置，其包括同轴心线依次排列的离子提取系统、离子加速系统、接地主基座和离子聚焦系统；所述离子加速系统通过绝缘部分别与所述离子提取系统和接地主基座连接，且所述离子提取系统、离子加速系统、两绝缘柱内侧面和接地主基座的下端面之间形成离子加速区；所述接地主基座内设置有用于离子飞行的中心离子通孔、用于激光入射的激光入射孔、用于摄像观测的摄像观测孔，且所述中心离子通孔与所述离子加速区上部相连通并同轴对齐；所述离子聚焦系统设置在所述接地主基座下游，所述离子聚焦系统内设置有离子聚焦通道，所述离子聚焦通道的下端与所述中心离子孔上端同轴对齐；所述离子提取系统提取的带电离子经所述离子加速区加速后，由所述接地主基座飞出，再经所述离子聚焦系统进行聚焦后引出至无场区，用于后续的离子定性和/或定量检测。

进一步的，所述离子提取系统包括第一极板部分和导电部分；所述第一极板部分包括第一极板筛网、第一极板和第一极板筛网夹板，所述第一极板筛网紧固设置在所述第一极板与所述第一极板筛网夹板之间；所述导电部分包括导电端子，所述导电端子一端紧固连接在所述第一极板上表面，另一端与套设在所述导电端子外部的带导电内芯绝缘柱内部相连，所述带导电内芯绝缘柱的另一端由所述离子加速系统和接地主基座上预留的通孔延伸至所述离子引出装置外部，用于将高压引入所述第一极板筛网。

进一步的，所述第一极板筛网的目数为30-100目/100平方英寸。

进一步的，所述第一极板筛网夹板和第一极板为同轴的圆环片。

进一步的，所述离子加速系统包括第二极板部分；所述第二极板部分包括第二极板筛网和第二极板筛网夹板；所述第二极板筛网通过所述第二极板筛网夹板和接地主基座下端面固定，并与所述第一极板筛网、两绝缘柱的内侧面和所述接地主基座的下端面共同形成所述离子加速区。

进一步的，所述接地主基座为一体化圆柱结构；所述接地主基座上的所述中心离子通孔包括由所述接地主基座的上端面中心逐渐向下收缩的圆锥段和由所述圆锥段底部向下延伸至所述接地主基座下端面的圆孔段；所述激光入射孔和摄像观测孔分别设置在所述中心离子通孔的两侧，并由所述接地主基座上端面外侧向下端面内部倾斜；所述圆柱结构的上下两端侧壁上分别设置有上凸缘和下凸缘，且所述上凸缘外径大于所述下凸缘，所述上凸缘的下端面用于与两所述绝缘柱的上端固定连接，所述下凸缘外端面卡设在两所述绝缘柱之间，所述圆柱结构和下凸缘的下端面与所述离子加速系统中的第二筛网夹板相配合，对所述第二极板筛网进行紧固。

进一步的，所述离子聚焦系统包括高压部分、接地部分和绝缘部分；所述高压部分包括空心圆柱离子聚焦套筒以及与所述空心圆柱离子聚焦套筒用于引入聚焦高压的聚焦高压引入端子；所述接地部分包括空心圆柱接地套筒以及分别与所述空心圆柱接地套筒和接地主基座相连的接地连接件；所述绝缘部分包括绝缘固定套筒，所述绝缘固定套筒套设在所述空心圆柱离子聚焦套筒和空心圆柱接地套筒外部；所述空心圆柱离子聚焦套筒和空心圆柱接地套筒内部作为所述离子聚焦通道。

进一步的，所述空心圆柱离子聚焦套筒和空心圆柱接地套筒间隔设置在所述绝缘固定套筒内，间隔范围为2.5mm-6mm。

进一步的，所述聚焦高压引入端子固定设置在所述空心圆柱离子聚焦套筒上；所述空心圆柱接地套筒和接地连接件为一体结构。

一种采用所述离子引出装置的离子引出方法，其包括以下步骤：

1)将离子引出装置的各部件进行组装，并安装至质谱仪上；

2)外部摄像头通过接地主基座上的摄像观测孔对样品靶的状况进行观测，并发送到计算机上实时显示；

3)工作时外部激励激光通过接地主基座上的激光入射孔入射，照射在样品靶上，样品靶上的样品吸收激光能量从而激发出所需要检测的目标带电离子；

4)调节样品靶与离子提取系统中第一极板之间的电压，使得带电离子充分混合后在提取电压的作用下往上飞行；

5)带电离子通过第一极板筛网后，进入离子加速区，在离子加速区获得动能并继续沿着飞行路径往上飞行，进入离子聚焦系统；

6)通过聚焦高压引入端子将聚焦电压引入到空心圆柱离子聚焦套筒上，从而形成一个从圆周指向圆心的电场，使得带电离子经过该电场时聚集在圆筒的中心往上飞行，进入最后的无场飞行区然后进入检测器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于离子提取系统中第一极板筛网的目数为30-100目/100平方英寸，使得离子提取系统的电场分布更加均匀，同时在延迟阶段使离子控制在提取区，使其充分混匀，提高了检测分辨率。2、本发明由于离子聚焦系统中接地套筒与聚焦高压套筒距离优选为2.5mm-6mm，使得高压电部件与接地部件保持合适的距离，能够最大程度的消除放电现象。3、本发明从集成化角度设计考虑，在基座中设置有中心离子通孔、激光入射孔和摄像观察孔，使得整个离子引出装置允许摄像系统与激光系统直射入射，不需要常规设计中的反射镜，大大的简化了离子引出装置的结构复杂性。4、本发明可以用来对正离子和负离子进行引出，只需要改变外部供电即可，有效的扩大了使用范围。5、本发明各部件采用一体化连接，便于安装和调试。因此，本发明可以广泛应用于离子引出领域。

附图说明

图1是本发明离子引出装置的轴向界面图；

图2是本发明离子聚焦系统中空心圆柱离子聚焦套筒和空心圆柱接地套筒的结构示意图；

图3(a)是本发明具体实施的质谱检测结果；

图3(b)是图3(a)的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供的一种离子引出装置，其包括同轴心线排列的离子提取系统1、离子加速系统2、接地主基座3和离子聚焦系统4。其中，离子提取系统1用于对离子进行提取；离子加速系统2设置在离子提取系统1下游，其通过两绝缘柱5分别与离子提取系统1和接地主基座3连接，并在离子提取系统1、离子加速系统2、绝缘柱5和接地主基座3之间形成离子加速区，该离子加速区的电压差为20千伏以上；接地主基座3设置在离子加速系统2下游，其内设置有用于离子飞行的中心离子通孔31、用于激光入射的激光入射孔32、用于摄像观测的摄像观测孔33；离子聚焦系统4设置在接地主基座3下游，离子聚焦系统4内设置有离子聚焦通道，该离子聚焦通道下端与接地主基座3上中心离子通孔31上端同轴对齐；离子提取系统1提取的带电离子经离子加速区加速后，由接地主基座3上的中心离子通孔31飞出进入离子聚焦通道，经离子聚焦系统4进行聚焦后引出至无场区，用于后续的离子定性和/或定量检测。

离子提取系统1包括第一极板部分11和导电部分12。其中，第一极板部分11包括第一极板111、第一极板筛网112和第一极板筛网夹板113，第一极板筛网112夹设在第一极板111与第一极板筛网夹板113之间，并用螺丝锁紧，使得第一极板筛网111平整、紧密。导电部分12包括导电端子121和带导电内芯绝缘柱122，导电端子121一端焊接在第一极板111上表面，另一端与套设在导电端子121外部的带导电内芯绝缘柱122的内部相连，带导电内芯绝缘柱122的另一端由离子加速系统2和接地主基座3上预留的通孔延伸至离子引出装置外部，用于将高压引入第一极板筛网112。

离子加速系统2包括第二极板部分21，第二极板部分包括第二极板筛网211和第二极板筛网夹板212。第二极板筛网211通过第二极板筛网夹板212和接地主基座3的下端面固定，并与离子提取系统1中第一极板筛网112的上表面、两绝缘柱5的内侧面和接地主基座3的下端面共同形成离子加速区。

接地主基座3为一体化圆柱结构，接地主基座上的中心离子通孔31包括由接地主基座3的上端面中心逐渐向下收缩的圆锥段和由圆锥段底部向下延伸至接地主基座下端面的圆孔段；激光入射孔32和摄像观测孔33分别设置在中心离子通孔31的两侧，并由接地主基座3上端面外侧向下端面内部倾斜；圆柱结构的上下两端侧壁上分别设置有上凸缘34和下凸缘35，且上凸缘34外径大于下凸缘35，上凸缘34的下端面用于与两绝缘柱5的上端固定连接，下凸缘35外端面卡设在两绝缘柱5之间，圆柱结构和下凸缘35的下端面与离子加速系统2中的第二筛网夹板212相配合，对第二极板筛网211进行固定。

离子聚焦系统4包括高压部分41、接地部分42和绝缘部分43；高压部分41包括空心圆柱离子聚焦套筒411以及与空心圆柱离子聚焦套筒411相连用于引入聚焦高压(如4000V)的聚焦高压引入端子412；接地部分42设置在高压部分41上部，其包括空心圆柱接地套筒421以及分别与空心圆柱接地套筒421和接地主基座3相连的接地连接件422；绝缘部分43包括绝缘固定套筒431，该绝缘固定套筒431套设在空心圆柱离子聚焦套筒411和空心圆柱接地套筒421外侧，空心圆柱离子聚焦套筒411和空心圆柱接地套筒421内部作为离子聚焦通道，且该离子聚焦通道的孔径与接地主基座3上中心离子通孔31的上开口同轴对齐。其中，空心圆柱离子聚焦套筒411和空心圆柱接地套筒421的结构如图2所示。

作为一个优选的实施例，离子提取系统1中，第一极板部分11由不锈钢材料制作。

作为一个优选的实施例，离子提取系统1中，第一极板筛网112的目数为30-100目/100平方英寸，以使得带有第一极板筛网112的离子提取系统电场分布均匀，同时在延迟阶段使离子控制在提取区，使其充分混匀，提高了检测分辨率。

作为一个优选的实施例，离子提取系统1中，第一极板筛网夹板113和第一极板111为同轴的圆环片。

作为一个优选的实施例，离子加速系统2中，第二极板部分21由不锈钢材料制作。

作为一个优选的实施例，离子加速系统2中，第二极板筛网211的目数为30-100目/100平方英寸。

作为一个优选的实施例，接地主基座3上还设置有外部光源孔(图中未示出)，该外部光源孔由接地主基座3的上端面向下端面中部倾斜，用于照明光源通过，以照亮样品靶。

作为一个优选的实施例，空心圆柱离子聚焦套筒411和空心圆柱接地套筒421为不锈钢材质。

作为一个优选的实施例，空心圆柱离子聚焦套筒411和空心圆柱接地套筒421间隔设置在绝缘固定套筒431内，间隔范围为2.5mm-6mm。

作为一个优选的实施例，绝缘固定套筒431采用绝缘材料制作，起到绝缘、固定的作用。优选的，绝缘固定套筒431可以是一个整体，也可以是拼接而成。

作为一个优选的实施例，本发明离子引出装置中所有材料为在高真空环境下性能稳定的材料。

作为一个优选的实施例，本发明离子引出装置的各个部件采用一体化连接。一体化连接的方式包括焊接，优选的，如将导电端子121焊接于第一极板111的上表面；如将聚焦高压引入端子412固定在空心圆柱离子聚焦套筒411上；如空心圆柱接地套筒421和接地连接件422采用一体结构。采用一体化的结构使得该离子引出装置拥有更加合理均匀的电场分布，从而获得更高分辨率的信号，且组合化的设计便于仪器的组装以及后期的替换维护。

作为一个优选的实施例，本发明离子引出装置处理的离子采用激光解析离子化法获得，更优选的，为基质辅助激光解吸/离子化(MALDI)法。

作为一个优选的实施例，本发明后续的离子定性和/或定量检测的检测器可由现有技术中已知的任意数量的检测器组成，可以包括如飞行时间检测器、离子阱检测器、傅立叶转移离子回旋加速器以及光电倍增器或类似器件等。更优选的，上述系统、装置或方法的离子检测为飞行时间检测。

作为一个优选的实施例，本发明的离子提取系统可以与一个或多个可选的电离系统、离子加速系统、离子聚焦系统、离子通道系统、离子过滤系统或其他类型的系统一起使用，用于引导和/或选择离子，将其引出至无场区，用于后续的离子定性和/或定量检测。

基于上述例子引出装置，本发明还提出一种离子引出方法，包括以下步骤：

1)将离子引出装置的各部件组装，安装至质谱仪上。

2)外部摄像头通过接地主基座上的摄像观测孔33对样品靶6的状况进行观测，并在电脑上实时显示。当光线较暗时，可以采用照明系统通过接地主基座3上的外部光源孔将照明光投射到样品靶6上，用于照亮样品靶6。

3)工作时外部激励激光通过接地主基座3上的激光入射孔32的方向入射，照射在样品靶6上，样品靶6上的样品会吸收激光能量从而激发出所需要检测的目标带电离子。

4)初始样品靶6与第一极板111即第一极板筛网112带同样的电高压，此时带电离子处于无场状况，带电离子充分混合；经过一段时间后改变样品靶6及第一极板筛网112的电压，产生电压差，此电压差称为提取电压，带电粒子在提取电压的作用之下产生速度，沿着飞行路径(即离子加速区、中心离子通孔和离子聚焦通道的轴线)往上飞行。

5)带电离子通过第一极板筛网112后，进入由第一极板筛网112与第二极板筛网211组成的离子加速区，在离子加速区获得动能，并带着巨大的动能继续沿着飞行路径往上飞行，进入离子聚焦系统。

6)聚焦电压通过聚焦高压引入端子412引入到空心圆柱离子聚焦套筒411上，从而形成一个从圆周指向圆心的电场，使得带电离子经过电场时会聚集在圆筒的中心往上飞行，这样检测器会得到更好的灵敏度。

这样，带电离子沿着飞行路径离开离子源，进入最后的无场飞行区然后进入检测器。

如图3(a)和图3(b)所示，为采用本发明离子引出装置对离子进行检测的检测结果示意图，图中横坐标表示质荷比m/z，纵坐标表示信号的绝对强度。从图中可以看出，单峰法分辨率达到了862，信噪比为14，因此，采用本发明装置显示了较高的检测分辨率和灵敏度。

本发明不应被解释为仅限于上述离子化方法或检测分析方法。本发明还适用于未讨论或未提及的其他适用的离子化方法或质量分析方法。

本发明的系统、装置或方法用于质谱检测分析，可与常规的质谱仪的其他部分联合使用。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种离子引出装置，其特征在于，其包括同轴心线依次排列的离子提取系统、离子加速系统、接地主基座和离子聚焦系统；

所述离子加速系统通过绝缘部分别与所述离子提取系统和接地主基座连接，且所述离子提取系统、离子加速系统、两绝缘柱内侧面和接地主基座的下端面之间形成离子加速区，所述离子加速区的电压差为20千伏以上；

所述接地主基座内设置有用于离子飞行的中心离子通孔、用于激光入射的激光入射孔、用于摄像观测的摄像观测孔，且所述中心离子通孔与所述离子加速区上部相连通并同轴对齐；

所述离子聚焦系统设置在所述接地主基座下游，所述离子聚焦系统内设置有离子聚焦通道，所述离子聚焦通道的下端与所述中心离子孔上端同轴对齐；

所述离子提取系统提取的带电离子经所述离子加速区加速后，由所述接地主基座飞出，再经所述离子聚焦系统进行聚焦后引出至无场区，用于后续的离子定性和/或定量检测；

所述离子提取系统包括第一极板部分和导电部分；

所述第一极板部分包括第一极板筛网、第一极板和第一极板筛网夹板，所述第一极板筛网紧固设置在所述第一极板与所述第一极板筛网夹板之间；

所述导电部分包括导电端子，所述导电端子一端紧固连接在所述第一极板上表面，另一端与套设在所述导电端子外部的带导电内芯绝缘柱内部相连，所述带导电内芯绝缘柱的另一端由所述离子加速系统和接地主基座上预留的通孔延伸至所述离子引出装置外部，用于将高压引入所述第一极板筛网；所述第一极板筛网的目数为30-100目/100平方英寸；

所述离子加速系统包括第二极板部分；所述第二极板部分包括第二极板筛网和第二极板筛网夹板；所述第二极板筛网通过所述第二极板筛网夹板和接地主基座下端面固定，并与所述第一极板筛网、两绝缘柱的内侧面和所述接地主基座的下端面共同形成所述离子加速区；所述第二极板筛网的目数为30-100目/100平方英寸。

2.如权利要求1所述的一种离子引出装置，其特征在于：所述第一极板筛网夹板和第一极板为同轴的圆环片。

3.如权利要求1所述的一种离子引出装置，其特征在于：所述接地主基座为一体化圆柱结构；

所述接地主基座上的所述中心离子通孔包括由所述接地主基座的上端面中心逐渐向下收缩的圆锥段和由所述圆锥段底部向下延伸至所述接地主基座下端面的圆孔段；

所述激光入射孔和摄像观测孔分别设置在所述中心离子通孔的两侧，并由所述接地主基座上端面外侧向下端面内部倾斜；

所述圆柱结构的上下两端侧壁上分别设置有上凸缘和下凸缘，且所述上凸缘外径大于所述下凸缘，所述上凸缘的下端面用于与两所述绝缘柱的上端固定连接，所述下凸缘外端面卡设在两所述绝缘柱之间，所述圆柱结构和下凸缘的下端面与所述离子加速系统中的第二筛网夹板相配合，对所述第二极板筛网进行紧固。

4.如权利要求1或2所述的一种离子引出装置，其特征在于：所述离子聚焦系统包括高压部分、接地部分和绝缘部分；

所述高压部分包括空心圆柱离子聚焦套筒以及与所述空心圆柱离子聚焦套筒用于引入聚焦高压的聚焦高压引入端子；

所述接地部分包括空心圆柱接地套筒以及分别与所述空心圆柱接地套筒和接地主基座相连的接地连接件；

所述绝缘部分包括绝缘固定套筒，所述绝缘固定套筒套设在所述空心圆柱离子聚焦套筒和空心圆柱接地套筒外部；

所述空心圆柱离子聚焦套筒和空心圆柱接地套筒内部作为所述离子聚焦通道。

5.如权利要求4所述的一种离子引出装置，其特征在于：所述空心圆柱离子聚焦套筒和空心圆柱接地套筒间隔设置在所述绝缘固定套筒内，间隔范围为2.5mm-6mm。

6.如权利要求4所述的一种离子引出装置，其特征在于：所述聚焦高压引入端子固定设置在所述空心圆柱离子聚焦套筒上；所述空心圆柱接地套筒和接地连接件为一体结构。

7.一种采用如权利要求1～6任一项所述离子引出装置的离子引出方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将离子引出装置的各部件进行组装，并安装至质谱仪上；

2)外部摄像头通过接地主基座上的摄像观测孔对样品靶的状况进行观测，并发送到计算机上实时显示；

3)工作时外部激励激光通过接地主基座上的激光入射孔入射，照射在样品靶上，样品靶上的样品吸收激光能量从而激发出所需要检测的目标带电离子；

4)调节样品靶与离子提取系统中第一极板之间的电压，使得带电离子充分混合后在提取电压的作用下往上飞行；

5)带电离子通过第一极板筛网后，进入离子加速区，在离子加速区获得动能并继续沿着飞行路径往上飞行，进入离子聚焦系统；

6)通过聚焦高压引入端子将聚焦电压引入到空心圆柱离子聚焦套筒上，从而形成一个从圆周指向圆心的电场，使得带电离子经过该电场时聚集在圆筒的中心往上飞行，进入最后的无场飞行区然后进入检测器。

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