CN110349831A - 一种用于质谱仪的离子聚焦装置 - Google Patents

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段忆翔
赵忠俊
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Abstract

本发明公开一种用于质谱仪的离子聚焦装置，属于质谱技术领域，包括：基板，环状电极组，离子引出孔；所述基板为绝缘材质；基板的一面设有环状电极组；所述环状电极组包括两个以上环状电极；环状电极由内向外依次排列，两个相邻的环状电极之间具有间距；所述基板上还设有离子引出孔，离子引出孔位于环状电极组的中心位置；每两个相邻的环状电极之间施加有周期性电压，且每两个相邻的环状电极上的周期电压的相位差为180°±10°；每个环状电极上施加有直流电压，直流电压的大小沿环状电极的排列方向依次递增或依次递减。本发明提供的技术方案，能够减小质谱仪中传输离子束的半径、提高离子利用率，从而进一步提高质谱仪的检测灵敏度。

Description

一种用于质谱仪的离子聚焦装置
技术领域
本发明涉及质谱技术领域，尤其涉及一种用于质谱仪的离子聚焦装置。
背景技术
质谱仪是一种精确测量离子质量的仪器。通过电离物质分子，测量其形成的离子质量，可以实现对物质的精确定性定量分析。质谱仪是现代检测技术中不可或缺的一种分析手段，其被广泛应用于食品安全、工业生产、科学研究、环境监测、国防安全等诸多重要领域。
质谱仪有多种类型，但大多由以下几部分组成：离子源、离子传输装置、质量分析器、分子离子反应器等。由离子源产生的目标离子在上述各部分之间真空传输时，由于受到气体膨胀、空间电荷效应以及离子本身动能的作用，离子束倾向于发散，使得最终获取的离子数目比产生的离子数目少。而质谱仪的检测灵敏度很大程度上取决于获取的离子数目。因此，需要发明一种装置来提高离子的利用率，以提高质谱仪的检测灵敏度。
发明内容
本发明旨在提供一种用于质谱仪的离子聚焦装置，能够减小质谱仪中传输离子束的半径、提高离子利用率，从而进一步提高质谱仪的检测灵敏度。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于质谱仪的离子聚焦装置，包括：基板，环状电极组，离子引出孔；所述基板为绝缘材质；所述基板的一面设有所述环状电极组；所述环状电极组包括两个以上环状电极；所述环状电极由内向外依次排列，两个相邻的环状电极之间具有间距；所述基板上还设有所述离子引出孔，所述离子引出孔位于所述环状电极组的中心位置；每两个相邻的所述环状电极(2)之间施加有周期性电压(3)，且每两个相邻的环状电极(2)上的周期电压(3)的相位差为180°±10°；每个所述环状电极上施加有直流电压，所述直流电压的大小沿所述环状电极的排列方向依次递增或依次递减。
进一步地，还包括：安装孔；所述安装孔设置于所述基板的边缘处。
优选地，所述基板为圆形；所述两个以上环状电极同圆心。
优选地，所述安装孔有一个以上，沿所述环状电极的圆心中心对称排列。
优选地，所述周期性电压为正弦射频电压。
优选地，所述基板采用聚四氟乙烯，或聚醚醚酮，或陶瓷制作。
优选地，所述环状电极采用金，或银，或铜，或钢，或碳制作。
本发明实施例提供的用于质谱仪的离子聚焦装置，通过在绝缘基板上设置环状电极组，环状电极组的中心位置处设置离子引出孔，使用时，在相邻的两个环状电极之间施加相位相反的周期性电压，并在每个环状电极上施加直流电压，且直流电压的大小由内向外依次递增或递减。上述环状电极组、周期性电压和直流电压之间相互配合，形成一个有效的电势垒，增大对离子的捕获面积，将分散的离子束向环状电极组的中心汇聚，并从离子引出孔引出，进入离子阱、四级杆、飞行时间等离子质量分析器，或离子传输装置，或分子离子反应装置中。可见，本发明提供的技术方案，能够减小质谱仪中传输离子束的半径、提高离子利用率，从而进一步提高质谱仪的检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的剖面图；
图3为本发明实施例的立体图；
图4为本发明实施例应用到质子转移反应质谱仪离子源上的结构示意图；
图5为本发明实施例应用到质子转移反应质谱仪离子源上时离子聚焦效果图；
图6为本发明实施例中环状电极上施加直流电压和周期性电压的电路连接图；
图中，1为基板，2为环状电极，3为周期性电压，4为离子引出孔，5为安装孔，6为质子转移反应质谱仪离子源绝缘垫，7为质子转移反应质谱仪离子源抽气口，8为质子转移反应质谱仪离子源不锈钢漂移电极，9为质子转移反应质谱仪离子源进样口，10为质子转移反应质谱仪离子源不锈钢阴极，11为质子转移反应质谱仪离子源不锈钢阳极，12为质子转移反应质谱仪离子源固定孔，13为水合离子引出口，14为装配定位座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
图1为本发明实施例的结构示意图，包括：基板1，环状电极组，离子引出孔4；所述基板1为绝缘材质；所述基板1的一面设有所述环状电极组；所述环状电极组包括两个以上环状电极2；所述环状电极2由内向外依次排列，两个相邻的环状电极2之间具有间距；所述基板1上还设有所述离子引出孔4，所述离子引出孔4位于所述环状电极组的中心位置；每两个相邻的所述环状电极(2)之间施加有周期性电压(3)，且每两个相邻的环状电极(2)上的周期电压(3)的相位差为180°±10°；所述周期性电压为正弦射频电压；每个所述环状电极2上施加有直流电压，所述直流电压的大小沿所述环状电极2的排列方向依次递增或依次递减，如图6所示。当质谱仪采用负离子模式时，直流电压的大小由外向内依次递增；当质谱仪采用正离子模式时，直流电压的大小由外向内依次递减。上述直流电压也可采用由外向内的扫描电压代替。本发明中的环状电极可以为任意首尾相连的封闭形状，例如矩形，三角形，多边形等，也可以为不规则形状，只要相邻的两个电极之间具有间距，且满足由内向外的排列方式即可。
为了便于安装固定，本发明还包括：安装孔5；所述安装孔5设置于所述基板1的边缘处。优选地，所述基板1为圆形；所述两个以上环状电极2同圆心。所述安装孔5有一个以上，沿所述环状电极2的圆心中心对称排列。当然，基板也可为其它任意形状，以满足质谱仪中不同部件对接口形状的要求。
本发明中，所述基板1采用PCB基板材料，或聚四氟乙烯，或聚醚醚酮，或陶瓷，或其它任意绝缘材料制作。所述环状电极2采用金，或银，或铜，或钢，或碳，或其它任意导电材料制作。
本发明可被应用于各种类型的质谱仪在不同气压下的离子聚焦，例如，可以被安装在质谱仪的离子源后部，或者两个离子传输装置之间，或者离子传输装置与质量分析器之间，或者分子离子反应器与离子传输装置之间。根据上述安装位置的不同，本发明装置可以被制成各种不同的尺寸，相应地，施加于环状电极的电压大小也可根据需要进行调节。具体来说，基板1的厚度范围为0.1mm～100mm；每个环状电极的宽度范围为0.01mm～100mm，两个相邻的环状电极之间的间距为0.01mm～100mm，每个环状电极在基板上的深度为1um～1mm，环状电极的直径为0.1mm～1000mm；周期性电压的频率为1Hz～100MHz，周期性电压的幅度为1V～5000V；离子引出孔的直径为0.01mm～10mm；安装孔的直径为1mm～20mm。本发明装置可以整体置于绝对压强105Pa至10-5Pa的气压环境中工作，可以满足各类质谱仪中各部分系统部件的离子聚焦需求。
图4为本发明实施例应用到质子转移反应质谱仪离子源上的结构示意图。整个装置通过离子源固定孔12进行固定，并且通过装配定位座14将整个装置与下一级传输装置进行定位匹配。离子源最右端的放电区由一块不锈钢阳极11以及一块不锈钢阴极10夹着一块绝缘垫6组成。通过两个电极对水蒸气进行放电，生成大量水合离子，水合离子通过水合离子引出口13引出放电区，进入漂移反应区。漂移反应区由数块不锈钢漂移电极8与绝缘垫6间隔而成。在该区域中，水合离子与从进样口9引入的样品气体中的挥发性有机物分子反应，生成质子化的挥发性有机物离子。这些离子在不锈钢漂移电极8形成的电场的作用下沿着图4所示的虚线方向、图5所示的箭头方向，发散地从离子源右端向左端的离子聚焦装置(也可称为离子毯或离子冲浪装置)运动。本发明装置整体置于质子转移反应质谱仪离子源内，在绝对压强10Pa至1000Pa的气压环境中工作。本发明装置安装于离子源的最左端，其绝缘基板使用圆形的PCB基板材料制作，厚度2mm；环状电极2使用铜箔制成，宽度为0.2mm，两个相邻的环状电极之间的间距为0.2mm，每个环状电极在基板上的深度为10um，最小环状电极的直径为0.1mm，最大环状电极的直径为1000mm；环状电极2采用同轴方式半径递减地排布，形状为圆形；相邻的环状电极之间加相位差180度±10°的周期性电压，相位差180度的周期性电压频率1MHz，幅值200V；环状电极由外到内施加递减的直流电压，或者由外到内的扫描电压；最内层环状电极的中心位置，在基板1上设置圆形的离子引出孔4，离子引出孔4的大小为1mm。环状电极、周期性电压以及直流电压相互配合，可以在本发明装置附近，形成有效电势垒，将分散在离子源内的离子，在本发明装置附近，向中心离子引出孔4汇聚，如图5箭头所示，传输到下一级离子传输装置中，以达到对离子源内离子束进行聚焦的目的。
综上所述，本发明提供的技术方案，能够减小质谱仪中传输离子束的半径、提高离子利用率，从而进一步提高质谱仪的检测灵敏度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于质谱仪的离子聚焦装置，其特征在于，包括：基板(1)，环状电极组，离子引出孔(4)；所述基板(1)为绝缘材质；所述基板(1)的一面设有所述环状电极组；所述环状电极组包括两个以上环状电极(2)；所述环状电极(2)由内向外依次排列，两个相邻的环状电极(2)之间具有间距；所述基板(1)上还设有所述离子引出孔(4)，所述离子引出孔(4)位于所述环状电极组的中心位置；每两个相邻的所述环状电极(2)之间施加有周期性电压(3)，且每两个相邻的环状电极(2)上的周期电压(3)的相位差为180°±10°；每个所述环状电极(2)上施加有直流电压，所述直流电压的大小沿所述环状电极(2)的排列方向依次递增或依次递减。
2.根据权利要求1所述的用于质谱仪的离子聚焦装置，其特征在于，还包括：安装孔(5)；所述安装孔(5)设置于所述基板(1)的边缘处。
3.根据权利要求2所述的用于质谱仪的离子聚焦装置，其特征在于，所述基板(1)为圆形；所述两个以上环状电极(2)同圆心。
4.根据权利要求3所述的用于质谱仪的离子聚焦装置，其特征在于，所述安装孔(5)有一个以上，沿所述环状电极(2)的圆心中心对称排列。
5.根据权利要求1所述的用于质谱仪的离子聚焦装置，其特征在于，所述周期性电压(3)为正弦射频电压。
6.根据权利要求1所述的用于质谱仪的离子聚焦装置，其特征在于，所述基板(1)采用聚四氟乙烯，或聚醚醚酮，或陶瓷制作。
7.根据权利要求1所述的用于质谱仪的离子聚焦装置，其特征在于，所述环状电极(2)采用金，或银，或铜，或钢，或碳制作。
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