CN110085505B - 颗粒淌度质谱仪及颗粒的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种颗粒淌度质谱仪及颗粒的分析方法。该颗粒淌度质谱仪包括离子阱、电荷检测装置和漂移气输入系统，离子阱包括上端电极、下端电极和环电极，上端电极和下端电极与环电极之间均设有绝缘结构，环电极上设置有样品入口，上端电极和下端电极上分别设有漂移气入口和样品出口；电荷检测装置位于离子阱下方，且样品出口与电荷检测装置相对设置；漂移气输入系统位于离子阱上方，漂移气输入系统包括气体引入管路，气体引入管路的末端对准漂移气入口，且气体引入管路上设置有气体阀门。该颗粒淌度质谱仪可以同时测得大分子量颗粒的质量、粒径和密度，从而解决了现有技术中离子淌度质谱不能对具有大分子量的颗粒物质有效分析的技术问题。

Description

颗粒淌度质谱仪及颗粒的分析方法
技术领域
本发明涉及颗粒物质结构的分析技术领域，具体涉及一种颗粒淌度质谱仪及颗粒的分析方法。
背景技术
颗粒物质，如大气溶胶、细胞和功能材料在自然界发挥着重要的作用。这些颗粒的功能，如气溶胶的毒性、细胞的生长、分化和凋亡以及材料的光电性能等都是由其结构，如质量、粒径和密度决定的。为了实现对颗粒物质结构的分析，人们已经发展了一系列不同的方法。但是这些方法通常只能对颗粒特定结构参数进行测定，如库尔特氏计数器用于颗粒体积的测定，密度梯度离心用于颗粒密度的测定，相差显微镜及悬臂共振用于颗粒质量的测定。要实现颗粒结构的综合分析就需要多种方法和技术的同时使用，这使得整个实验过程变得繁琐和费时。因此发展一种能实现颗粒质量、粒径及密度同时测定的新方法对于简化颗粒物质的分析流程，提高分析效率是非常必要的。
由于质谱具有高特异性、高准确度及测定速度快等优势，越来越多地质谱技术，如飞行时间质谱、傅里叶变换质谱、离子阱质谱和电荷检测质谱被发展并用于颗粒的分析。其中的离子阱质谱是实现颗粒质量测定的一种有效方法。与电荷检测器相结合，人们已成功地实现了多种无机、有机和细胞等颗粒的质量测定。随着质谱技术，特别是离子淌度质谱的发展，质谱分析能同时获得物质的质量和淌度信息，这极大地增强了质谱对物质，如蛋白及其复合物的结构解析能力。然而，目前的离子淌度质谱还无法实现对具有很大分子量的颗粒物质的分析。
因此，为了实现大分子量颗粒物质结构的质谱解析，开发一种能同时实现颗粒质量、粒径和密度测定的颗粒淌度质谱仪是非常有必要的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种颗粒淌度质谱仪及颗粒的分析方法，该颗粒淌度质谱仪具有质谱和淌度谱两种工作模式，且两种工作模式可以轻松转换，经过质谱和淌度谱的联合测定，可以同时测得大分子量颗粒的质量、粒径和密度，以解决现有技术中离子淌度质谱不能对具有大分子量的颗粒物质有效分析的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种颗粒淌度质谱仪。
该颗粒淌度质谱仪包括离子阱、电荷检测装置和漂移气输入系统，其中，所述离子阱包括一个上端电极、一个下端电极和位于两者之间的一个环电极，所述上端电极和下端电极与所述环电极之间均设有绝缘结构，所述环电极上设置有至少一个样品入口，所述上端电极和所述下端电极的中心位置处分别设有一个漂移气入口和一个样品出口；所述电荷检测装置位于所述离子阱下方，且所述样品出口与所述电荷检测装置相对设置；所述漂移气输入系统位于所述离子阱上方，所述漂移气输入系统包括一个气体引入管路，所述气体引入管路的末端对准所述漂移气入口，且所述气体引入管路上设置有气体阀门。
进一步的，所述离子阱为四极离子阱、圆柱离子阱或线性离子阱；所述离子阱的阱半径为5-15mm；所述上端电极到所述离子阱中心的距离为5-15mm；所述下端电极到所述离子阱中心的距离为5-15mm。
进一步的，所述绝缘结构为陶瓷环。
进一步的，所述样品入口设置有四个，且四个所述样品入口呈中心对称分布。
进一步的，所述淌度质谱仪还包括电离源，所述电离源为激光诱导声波解吸电离源或基质辅助激光解吸电离源，且所述电离源设置在所述样品入口处。
进一步的，所述基质辅助激光解吸电离源包括样品靶和激光器，所述激光器用于解吸待测颗粒离子。
进一步的，所述电荷检测装置包括电磁屏蔽罩和电荷检测器，所述电磁屏蔽罩上设有检测入口，且所述检测入口、所述漂移气入口和所述样品出口位于同一轴线上。
进一步的，所述检测入口处设置有栅网；所述栅网与所述下端电极之间的距离为5-15mm。
进一步的，所述气体引入管路为不锈钢管，且所述不锈钢管与所述漂移气入口的距离为1-5mm。
进一步的，所述不锈钢管的外径在1-3mm之间，内径在0.7-2.6mm之间。
进一步的，所述环电极上设置囚禁带电颗粒的射频电压，所述上端电极和所述下端电极分别接地、接直流或接交流。
进一步的，所述环电极、上端电极和所述下端电极分别为方形或圆形。
为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种颗粒的分析方法。
该颗粒的分析方法，基于上述的颗粒淌度质谱仪，包括以下步骤：
(1)关闭气体引入管路上设置的气体阀门；
(2)利用电离源使设置在样品靶上的待测颗粒电离，得到带电颗粒；
(3)使所述带电颗粒通过样品入口进入离子阱内，并利用所述离子阱囚禁所述带电颗粒；
(4)从高频到低频扫描连接于环电极的射频电压的频率，使所述带电颗粒的马修参数qz达到稳定区的边界值0.908处抛出，抛出的带电颗粒通过检测入口被电荷检测装置检测，计算获得待测颗粒样品的质量m；
(5)开启气体引入管路上设置的气体阀门，通过漂移气入口将漂移气体输入所述离子阱内；
(6)从低频到高频扫描连接于环电极的射频电压的频率，使所述带电颗粒的马修参数qz减小到特定值qeject处被漂移气吹出离子阱外，抛出的带电颗粒通过检测入口被电荷检测装置检测，计算获得待测颗粒样品的粒径d和密度ρ。
在本发明中，上端电极、环电极、下端电极以及陶瓷环合围形成离子阱的电场区域，因此离子阱质谱仪能够实现待测颗粒样品离子的有效囚禁，而且通过对电场的调控，能够实现颗粒质量m的准确测定。由于漂移气输入系统的设置，除了电场外，离子阱内还存在气流场，为了综合运用离子阱中的电场和气流场，本发明利用离子阱构建了颗粒淌度质谱仪，用于颗粒质量m、粒径d及密度ρ的综合表征。
该颗粒淌度质谱仪具有质谱和淌度谱两种工作模式，质谱工作模式用于颗粒质量的测定，淌度谱工作模式用于颗粒淌度的测定，颗粒淌度采用参数qeject来表示。通过气体阀门的设置，质谱模式和淌度模式之间可以轻松转换，在质谱工作模式中，漂移气输入系统处于关闭状态，通过从高频到低频扫描施加在环电极上的射频电压的频率，使得颗粒离子达到稳定区的边界值qz＝0.908处抛出，抛出的颗粒离子被电荷检测装置所检测，由此获得颗粒质量m；在淌度工作模式中，漂移气输入系统开启，囚禁在离子阱内的颗粒离子受到向下的空气动力，通过从低频到高频扫描施加在环电极上的射频电压的频率，使得颗粒离子受到的电场力逐渐减小，当该电场力与空气动力达到平衡时，使得颗粒离子于qeject处抛出，抛出的颗粒离子被电荷检测装置所检测，抛出时的qeject值被用于表示颗粒离子的淌度特征，由此获得颗粒粒径d和密度ρ。因此经过颗粒淌度质谱仪的测定，可以同时测得颗粒的质量m、粒径d和密度ρ。
本发明具有以下优点：
(1)通过质谱及淌度谱两种工作模式结合，可实现颗粒质量、粒径及密度的同时测定；
(2)采用了电荷检测装置，能同时获得颗粒离子的质荷比、淌度电荷比及电荷数，能够实现颗粒质量及淌度的快速测定；
(3)采用了离子阱质量分析器，其具有较小的体积，易于实现仪器的小型化；
(4)采用四极离子阱，其能够在更加粗略的真空条件下工作，所需的真空条件只需要机械泵就可以提供，为颗粒淌度质谱仪的小型化提供了有利条件；
(5)采用圆柱形离子阱或线性离子阱，结构更加简单，可进一步简化结构；
(6)采用基质辅助激光解吸电离这种软电离方法，可以进一步将本发明的颗粒淌度质谱仪拓展应用到对肿瘤细胞、细菌等生物颗粒的测定，并有利于细胞快速鉴定；
(7)本发明可以广泛应用于对各种微米级颗粒质量的综合表征测定中。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明中颗粒淌度质谱仪的结构示意图；
图2a为本发明中颗粒淌度质谱仪在质谱模式下射频电压的频率扫描示意图；
图2b为本发明中颗粒淌度质谱仪在淌度谱模式下射频电压的频率扫描示意图；
图2c为本发明中被囚禁离子在质谱模式和淌度普模式下被抛出时的稳定区示意图；
图3a为本发明中对3μm聚苯乙烯球进行颗粒淌度质谱分析的质谱图；
图3b为本发明中对3μm聚苯乙烯球进行颗粒淌度质谱分析的淌度谱图；
图3c为本发明中对3μm聚苯乙烯球进行颗粒淌度质谱分析的质量统计图；
图3d为本发明中对3μm聚苯乙烯球进行颗粒淌度质谱分析的淌度统计图；
图4a为本发明中利用颗粒淌度质谱仪测得的一系列聚苯乙烯和二氧化硅标准颗粒的粒径和密度与其标注值之间的粒径相关性；
图4b为本发明中利用颗粒淌度质谱仪测得的一系列聚苯乙烯和二氧化硅标准颗粒的粒径和密度与其标注值之间的密度相关性。
图中：
1、离子阱；2、电荷检测装置；3、漂移气输入系统；4、电离源；5、上端电极；6、环电极；7、下端电极；8、绝缘结构；9、样品入口；10、漂移气入口；11、样品出口；12、气体引入管路；13、气体阀门；14、样品靶；15、激光器；16、电磁屏蔽罩；17、电荷检测器；18、检测入口；19、栅网。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明公开了一种颗粒淌度质谱仪，如图1所示，该颗粒淌度质谱仪包括离子阱1、电荷检测装置2和漂移气输入系统3，其中，离子阱1包括一个上端电极5、一个下端电极7和位于两者之间的一个环电极6，上端电极5和下端电极7与环电极6之间均设有绝缘结构8，环电极6上设置有至少一个样品入口9，上端电极5和下端电极7的中心位置处分别设有一个漂移气入口10和一个样品出口11；电荷检测装置2位于离子阱1下方，且样品出口11与电荷检测装置2相对设置；漂移气输入系统3位于离子阱1上方，漂移气输入系统3包括一个气体引入管路12，气体引入管路12的末端对准漂移气入口10，且气体引入管路12上设置有气体阀门13。
在上述实施例中，漂移气输入系统3位于离子阱1上方，电荷检测装置2位于离子阱1下方，离子阱1包括一个上端电极5、一个环电极6和一个下端电极7，环电极6设置在上端电极5和下端电极7之间，上端电极5与环电极6以及环电极6与下端电极7之间分别设置有一个绝缘结构8，其中，环电极6连接射频电压，即在环电极6上施加用于囚禁被测样品离子的射频高压，上端电极5和下端电极7接地、接直流或接交流，因此上端电极5、环电极6、下端电极7以及绝缘结构8合围形成离子阱1内部的电场区域，用于将被测颗粒离子囚禁于该电场区域，绝缘结构8的设置将环电极6与上端电极5以及下端电极7隔离开，避免因相互接触而发生短路现象。并且，环电极6沿其周向设有至少一个样品入口9，样品入口9用于待测颗粒离子进入离子阱1内部，通过对电场的调控，离子阱1内的待测颗粒离子按一定的质荷比顺序逐个抛出，上端电极5和下端电极7中心位置处分别设有漂移气入口10和样品出口11，且样品出口11与电荷检测装置2相对设置，待测颗粒离子被离子阱1抛出后进入电荷检测装置2进行检测，因而获得待测颗粒的质量m，漂移气输入系统3包括一个气体引入管路12，气体引入管路12上设置有气体阀门13，用于调节漂移气体的流量，气体引入管路12的末端对准漂移气入口10，漂移气通过漂移气入口10进入离子阱1内，通过对电场和气流场的调控，待测颗粒离子按一定的淌度电荷比顺序逐个抛出，抛出后的待测颗粒离子进入电荷检测装置2进行检测，进而获得待测颗粒的粒径d和密度ρ。
此外，至少一个样品入口9可以理解为，样品入口9的数量可以设置有一个、两个或三个等等。优选地，样品入口9设置有四个，且四个样品入口9呈中心对称分布，即分布在环电极6的四个方向位置处，因此被测颗粒样品可以从设置在不同方向的样品入口9进入离子阱2内，方便灵活。
作为一种可选实施方式，离子阱1为四极离子阱、圆柱离子阱或线性离子阱。离子阱1可以选择圆柱离子阱或线性离子阱，结构更加简单，可进一步简化结构；也可以选择四极离子阱，不作具体限定，可以根据实际需要进行选择。优选地，离子阱1为四极离子阱，如图1所示，组成离子阱1的上端电极5和下端电极7均为双曲面结构，由于四极离子阱能够在更加粗略的真空条件下工作，所需的真空条件只需要机械泵就可以提供，因此其为颗粒淌度质谱仪的小型化提供了有利条件。
进一步地，离子阱1的阱半径为5-15mm；上端电极5到离子阱1中心的距离为5-15mm；下端电极7到离子阱1中心的距离为5-15mm。离子阱2的阱半径可以在5-15mm范围内调节，上端电极5到离子阱中心的距离可以在5-15mm范围内调节，下端电极7到离子阱中心距离可以在5-15mm范围内调节，可以根据实际需要进行选择性调节。
进一步地，气体引入管路12为不锈钢管，且不锈钢管与漂移气入口10的距离为1-5mm，不锈钢管与漂移气入口10的距离可以根据实际需要在1-5mm范围内调节。
更进一步地，不锈钢管的外径在1-3mm之间，内径在0.7-2.6mm之间。
优选地，绝缘结构8为陶瓷环。
如图1所示，淌度质谱仪还包括电离源4，电离源4为激光诱导声波解吸电离源或基质辅助激光解吸电离源，且电离源4设置在样品入口9处。
进一步地，基质辅助激光解吸电离源包括样品靶14和激光器15，激光器15用于解吸待测颗粒离子。
在本发明实施例中，电离源4可以为激光诱导声波解吸电离源或基质辅助激光解吸电离源，优选地，电离源4为基质辅助激光解吸电离源，包括一个玻璃样品靶14和一个激光器15，将待测颗粒和基质滴加在玻璃样品靶14上，采用透射式构造，激光器15发出的激光打在玻璃样品靶14的背面，进而将待测颗粒离子解吸出来，被解吸出来的颗粒离子通过样品入口9打入离子阱2内。此外，采用基质辅助激光解吸电离这种软电离方法，可以进一步将本发明的颗粒淌度质谱仪拓展应用到对肿瘤细胞、细菌等生物颗粒的测定，并有利于细胞快速鉴定，实用性强。
如图1所示，电荷检测装置2包括电磁屏蔽罩16和电荷检测器17，电磁屏蔽罩16上设有检测入口18，且检测入口18、漂移气入口10和样品出口11位于同一轴线上。
进一步地，检测入口18处设置有栅网19。
更进一步地，栅网19与下端电极7之间的距离为5-15mm。
在本发明实施例中，电磁屏蔽罩16上设有的检测入口18用于待测颗粒离子抛入电荷检测装置2，且检测入口18与漂移气入口10和样品出口11位于同一轴线上，栅网19设置在检测入口18处，既可以允许待测颗粒离子穿过，也可以屏蔽射频电场对电荷检测器17的干扰，被离子阱2抛出的待测颗粒离子通过栅网19后，轰击到电荷检测器17上产生相应的信号。此外，栅网19与下端电极7之间的距离可以根据实际需要在5-15mm范围内调节。
可选地，环电极6的外围形状为方形或圆形，上端电极5和下端电极7为方形或圆形，不同的形状设计，以便于方便安装。
本发明基于上述的颗粒淌度质谱仪，提供了一种颗粒的分析方法。
结合图2a-2c所示，该颗粒的分析方法包括以下步骤：
(1)关闭气体引入管路上设置的气体阀门，颗粒淌度质谱仪处于质谱工作模式中；
(2)配制基质溶液和待测颗粒悬浮液，量取基质溶液并点到玻璃片上，待其干燥后，再滴加待测颗粒悬浮液，待其干燥后将玻璃片固定于样品靶上；
(3)采用基质辅助激光解吸电离源，其中激光器发出的激光打在玻璃样品靶的背面，使待测颗粒电离，将待测颗粒离子解吸出来得到带电颗粒；
(4)被解吸出来的带电颗粒离子通过样品入口打入四极离子阱内，并囚禁在四极离子阱内部；
(5)通过从高频到低频扫描施加在环电极上的射频电压的频率，使带电颗粒的淌度达到稳定区的边界值qz＝0.908处抛出，抛出的带电颗粒离子通过检测入口被电荷检测装置检测，根据带电颗粒离子抛出的频率Ω和电荷检测装置所测得的电荷量Z可计算获得待测颗粒的质量m；
(6)开启气体引入管路上设置的气体阀门，利用氦气作为漂移气，并对质谱真空度进行调节，通过漂移气入口将漂移气体输入四极离子阱内，使囚禁在四极离子阱中的待测颗粒离子受到一向下的空气动力；
(7)通过从低频到高频扫描施加在环电极上的射频电压的频率，使颗粒离子受到的电场力逐渐减小，当该电场力与空气动力达到平衡，带电颗粒离子的淌度达到稳定区的边界值qeject处抛出，抛出的带电颗粒离子通过检测入口被电荷检测装置检测，根据待测颗粒的质量m、抛出时射频电压的频率Ω以及电荷检测装置所测得的电荷量Z可计算获得qeject值，最后根据待测颗粒的m和qeject计算获得粒径d和密度ρ。具体计算公式如公式(1)-公式(4)所示。
Figure GDA0002345241750000131
Figure GDA0002345241750000141
Figure GDA0002345241750000142
Figure GDA0002345241750000143
其中，m：质量(kg)；d：粒径(m)；ρ：密度(kg/m3)；Z：电荷量；元电荷e：1.6021892×10-19；V：射频电压(V)；qeject：淌度谱模式下颗粒离子抛出时的马修参数，代表颗粒的淌度性质；qz：质谱模式下颗粒离子抛出时的马修参数，其值为0.908；r0：离子阱半径(m)；Ω2：质谱模式下离子抛出时的角频率；Ω4：淌度谱模式下离子抛出时的角频率；k：为一常数，在本实验条件下为3.86×10-5kg/m2。
结合具体实施例对采用本发明中的颗粒淌度质谱仪对待测颗粒样品的分析效果进行详细说明。
待测样品选择一系列市售聚苯乙烯(PS)(粒径为3μm、4μm和5μm)和二氧化硅(SiO2)(粒径为2μm、3μm和4μm)标准颗粒，对其进行质量m、粒径d和密度ρ的同时测定。
测定过程具体为：
首先，将标准颗粒用去离子水进行清洗，并配置1mg/mL的试卤灵基质(resorufin)溶液。量取10μL基质溶液点到玻璃片上，待其干燥后再滴加10μL颗粒悬浮液，待其干燥后将玻璃片固定于样品靶14上。之后依次开启现有技术中的真空泵，激光器15、函数发生器、射频放大器、电荷检测器电源及数据采集系统，并利用氦气作为漂移气并对质谱真空度进行调节，同时设置好相关仪器的参数。
然后，对于3μm、4μm、5μm聚苯乙烯颗粒和2μm、3μm和4μm二氧化硅颗粒的测定，设定的具体条件为：施加在环电极6上的射频高压为600V(0-p值)，上端电极5和下端电极7接地，激光器15(532nm，脉冲宽度为7ns)的能量为2mJ/脉冲。质谱模式，漂移气引入系统3关闭，四极离子阱1中的气压调节为3Pa，频率扫描范围为400-100Hz，线性扫描时间为5s；淌度谱模式，飘移气输入系统3打开，四极离子阱1中的气压调节在3Pa，频率扫描范围为400-1000Hz，线性扫描时间为5s。
最后，实验时用激光器15轰击玻璃片的背面，颗粒离子进入四极离子阱1中被捕获，进而通过质谱及淌度谱模式中不同的频率扫描方式将颗粒离子抛出四极离子阱1外，并被电荷检测装置2所检测。
如图3a和图3b所示，图3a和图3b分别为3μm聚苯乙烯球的质谱和淌度谱图。其中每个峰都代表一个聚苯乙烯颗粒，纵坐标为每个聚苯乙烯球表面所带的电荷数Z，质谱和淌度谱的横坐标分别为m/Z和qeject/Z。将质谱及淌度谱图中的每个峰对应的横纵坐标相乘，即可得到每个聚苯乙烯球的质量m和淌度qeject。
分别对几百个颗粒进行质谱及淌度谱的测定，可统计得到其质量和淌度统计图，如图3c和图3d所示，图3c和图3d分别给出了3μm聚苯乙烯球的质量和淌度统计图。
因此，采用同样的方法，可以获得4μm聚苯乙烯颗粒、5μm聚苯乙烯颗粒、2μm二氧化硅颗粒、3μm二氧化硅颗粒和4μm二氧化硅颗粒的质量和淌度统计图。然后根据该统计图可获得每种颗粒的平均质量m和淌度qeject，其值列于表1中。
根据测得的m和qeject值，代入具体计算公式(1)-公式(4)，进一步获得颗粒的粒径d和密度ρ，以d2和ρ2表示，其值也列于表1中。
另外，将市售标注的标准颗粒粒径d和密度ρ，以d1和ρ1表示，同样列于表1中。
表1颗粒的结构参数
Figure GDA0002345241750000161
结合表1和图4a、图4b可以看出，通过颗粒淌度质谱仪测得的粒径d和密度ρ均与市售标准颗粒的标注值基本一致，二者具有良好的相关性。
本发明实施例中的质谱模式和淌度模式之间可以轻松转换，经过质谱及淌度谱的测定，最终可以同时测得颗粒的质量、粒径和密度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种颗粒淌度质谱仪，其特征在于，包括离子阱(1)、电荷检测装置(2)和漂移气输入系统(3)，其中，所述离子阱(1)包括一个上端电极(5)、一个下端电极(7)和位于两者之间的一个环电极(6)，所述上端电极(5)和下端电极(7)与所述环电极(6)之间均设有绝缘结构(8)，所述环电极(6)上设置有至少一个样品入口(9)，所述上端电极(5)和所述下端电极(7)的中心位置处分别设有一个漂移气入口(10)和一个样品出口(11)；所述电荷检测装置(2)位于所述离子阱(1)下方，且所述样品出口(11)与所述电荷检测装置(2)相对设置；所述漂移气输入系统(3)位于所述离子阱(1)上方，所述漂移气输入系统(3)包括一个气体引入管路(12)，所述气体引入管路(12)的末端对准所述漂移气入口(10)，且所述气体引入管路(12)上设置有气体阀门(13)。
2.根据权利要求1所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述离子阱(1)为四极离子阱、圆柱离子阱或线性离子阱；所述离子阱(1)的阱半径为5-15mm；所述上端电极(5)到所述离子阱(1)中心的距离为5-15mm；所述下端电极(7)到所述离子阱(1)中心的距离为5-15mm。
3.根据权利要求1所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述绝缘结构(8)为陶瓷环。
4.根据权利要求1所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述样品入口(9)设置有四个，且四个所述样品入口(9)呈中心对称分布。
5.根据权利要求1所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述淌度质谱仪还包括电离源(4)，所述电离源(4)为激光诱导声波解吸电离源或基质辅助激光解吸电离源，且所述电离源(4)设置在所述样品入口(9)处。
6.根据权利要求5所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述基质辅助激光解吸电离源包括样品靶(14)和激光器(15)，所述激光器(15)用于解吸待测颗粒离子。
7.根据权利要求1所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述电荷检测装置(2)包括电磁屏蔽罩(16)和电荷检测器(17)，所述电磁屏蔽罩(16)上设有检测入口(18)，且所述检测入口(18)、所述漂移气入口(10)和所述样品出口(11)位于同一轴线上。
8.根据权利要求7所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述检测入口(18)处设置有栅网(19)；所述栅网(19)与所述下端电极(7)之间的距离为5-15mm。
9.根据权利要求1所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，所述气体引入管路(12)为不锈钢管，且所述不锈钢管与所述漂移气入口(10)的距离为1-5mm。
10.一种颗粒的分析方法，基于权利要求1-9任一项所述的颗粒淌度质谱仪，其特征在于，包括以下步骤：
(1)关闭气体引入管路上设置的气体阀门；
(2)利用电离源使设置在样品靶上的待测颗粒电离，得到带电颗粒；
(3)使所述带电颗粒通过样品入口进入离子阱内，并利用所述离子阱囚禁所述带电颗粒；
(4)从高频到低频扫描连接于环电极的射频电压的频率，使所述带电颗粒的马修参数qz达到稳定区的边界值0.908处抛出，抛出的带电颗粒通过检测入口被电荷检测装置检测，计算获得待测颗粒样品的质量m；
(5)开启气体引入管路上设置的气体阀门，通过漂移气入口将漂移气体输入所述离子阱内；
(6)从低频到高频扫描连接于环电极的射频电压的频率，使所述带电颗粒的马修参数qz减小到特定值qeject处被漂移气吹出离子阱外，抛出的带电颗粒通过检测入口被电荷检测装置检测，计算获得待测颗粒样品的粒径d和密度ρ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7560688B2 (en) * 2005-10-14 2009-07-14 Washington State University Mass analysis of mobility selected ion populations
CN102224562A (zh) * 2008-09-23 2011-10-19 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 用于冷却离子的离子阱
CN102324372A (zh) * 2011-06-24 2012-01-18 中国科学院化学研究所 一种利用三角波信号控制质量分析装置的方法
US8541737B2 (en) * 2009-11-30 2013-09-24 Battelle Memorial Institute System and method for collisional activation of charged particles
US9299553B2 (en) * 2005-04-04 2016-03-29 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Atmospheric pressure ion source for mass spectrometry
CN107271575A (zh) * 2016-04-08 2017-10-20 株式会社岛津制作所 离子迁移谱和质谱并行分析的方法及装置
CN107946165A (zh) * 2017-11-29 2018-04-20 中国科学院合肥物质科学研究院 一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱仪

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9299553B2 (en) * 2005-04-04 2016-03-29 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Atmospheric pressure ion source for mass spectrometry
US7560688B2 (en) * 2005-10-14 2009-07-14 Washington State University Mass analysis of mobility selected ion populations
CN102224562A (zh) * 2008-09-23 2011-10-19 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 用于冷却离子的离子阱
US8541737B2 (en) * 2009-11-30 2013-09-24 Battelle Memorial Institute System and method for collisional activation of charged particles
CN102324372A (zh) * 2011-06-24 2012-01-18 中国科学院化学研究所 一种利用三角波信号控制质量分析装置的方法
CN107271575A (zh) * 2016-04-08 2017-10-20 株式会社岛津制作所 离子迁移谱和质谱并行分析的方法及装置
CN107946165A (zh) * 2017-11-29 2018-04-20 中国科学院合肥物质科学研究院 一种测量纳米颗粒物化学组分的气溶胶质谱仪

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