CN111223752A - 一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱分析仪器，具体的说是一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，包括质量分析器，质量分析器包括真空腔体、位于真空腔体中的无场飞行区、栅网电极、微通道板和法拉第盘；于栅网电极的2块金属栅网之间的区域内设置有离子质量筛选电极；于离子质量筛选电极所有相邻的板式结构电极上分别施加极性相反、脉宽相同、时序同步的脉冲电压U1和U2。本发明的飞行时间质谱中离子质量筛选装置可对到达微通道板离子探测器的离子质量实现选择性的过滤，消除高强度离子背景离子及反应试剂离子对微通道板检测器的干扰，不仅可以有效增大仪器的动态范围、提高检测灵敏度，而且能够大大提高微通道板离子探测器的使用寿命。

Description

一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置

技术领域

本发明涉及质谱分析仪器，特别涉及飞行时间质量分析器，具体的说是一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置。

背景技术

飞行时间质谱(Time-of-Flight Mass Spectrometer，TOFMS)是一种常用的质谱分析技术，通过记录具有相同能量的不同质荷比离子在穿过相同飞行路径后到达检测器的飞行时间，来判定其质荷比，进而实现待测物的定性分析。TOFMS的结构简单、分辨率和灵敏度高、质量范围宽，而且具有微秒级的快速响应速度和全谱同时测量的能力，因此，在生态环境、生命健康、材料科学、生物医药、过程分析等领域获得了极为广泛的应用。在实际样品的检测过程中，当TOFMS采用化学电离(Chemical Ionization，CI)源、电子轰击电离(Electron Ionization，EI)源、电感耦合等离子体电离(Inductively Coupled Plasma，ICP)源等作为离子源时，通常会产生极高强度的待测物的背景离子信号，如氮气离子N₂ ⁺、氧气离子O₂ ⁺，以及反应试剂离子信号，如水合氢离子H₃O⁺、一氧化氮离子NO⁺等。然而，由于TOFMS不具有四极杆质谱和离子阱质谱的质量筛选的能力，所有离子都会由微通道板(Micro Channel Plate，MCP)离子探测器接收、放大和输出，这样就极易造成MCP离子探测器的饱和，不仅影响弱离子信号的检测，产生高的背景噪声，而且还会影响MCP离子探测器的使用寿命。

基于此，本发明通过在飞行时间质量分析器中MCP离子探测器前端的无场飞行区出口处增加离子质量筛选电极，并在其上施加脉冲电压的方法，对到达MCP离子探测器的离子质量进行筛选，以滤除极高强度的背景离子信号和反应试剂离子信号，从而改善飞行时间质谱仪的动态范围、检测灵敏度，并提高其使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，可用于对到达MCP离子探测器的离子质量进行选择性的过滤，滤除选定质荷比的离子，以增大仪器的动态范围，提高仪器的检测灵敏度和MCP离子探测器的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，包括质量分析器，质量分析器包括真空腔体、位于真空腔体中的无场飞行区、栅网电极、微通道板和法拉第盘；于质量分析器真空腔体侧壁上开设有真空接口；

无场飞行区、栅网电极、微通道板和法拉第盘从左至右依次顺序设置于质量分析器真空腔体的内部；无场飞行区是由金属材质围绕成二端开口的筒状结构；栅网电极紧贴于无场飞行区的一侧，栅网电极四周边缘与无场飞行区右侧开口端相连，且与无场飞行区等电位设置；

栅网电极为2块相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中心部位设置有离子通孔，于栅网电极的2块板式结构电极的离子通孔上均设置有金属栅网，金属栅网四周边缘与离子通孔四周边缘相连接，2块板式结构电极的离子通孔同轴；或栅网电极为2块相互间隔、平行设置的金属栅网；

栅网电极、微通道板和法拉第盘相互间隔、同轴、平行设置；由无场飞行区内部出射的离子束穿过栅网电极的2块板式结构电极上的金属栅网后到达微通道板；

于栅网电极的2块金属栅网之间的区域内设置有离子质量筛选电极；离子质量筛选电极为从上至下依次由2块或3块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，且与无场飞行区右侧开口端的离子出射方向相互平行；

于离子质量筛选电极所有相邻的板式结构电极上分别施加极性相反、脉宽相同、时序同步的脉冲电压U1和U2。

所述的法拉第盘与数据采集卡相连，法拉第盘收集经过微通道板放大后的质谱信号，并传输至数据采集卡检测。

所述的脉冲电压U1幅值为0-10000V，所述的脉冲电压U2幅值为0-10000V，且U1和U2的幅值不同时为0。

离子质量筛选电极上脉冲电压U1和U2的时序、脉宽与幅值，以及数据采集卡计时的同步，由计算机控制。

微通道板为二块相互间隔、同轴、平行设置带有通孔微通道的平板。

于离子质量筛选电极从上至下奇数板式结构电极施加的为相同的脉冲电压U1，偶数板式结构电极施加的为相同的脉冲电压U2。

本发明的工作原理如下：在飞行时间质量分析器中，获得相同能量的不同质荷比离子具有不同的飞行速度，因此，不同质荷比离子穿过无场飞行区到达MCP离子探测器的时间不同。于所需滤除质荷比的离子到达离子质量筛选电极的时刻，向平行于离子出射方向设置的离子质量筛选电极的不同板式结构电极上，分别施加脉冲电压U1和U2，在离子质量筛选电极的板式结构电极之间区域形成离子偏转电场，使所需滤除质荷比的离子飞行方向发生偏转，以远离MCP离子探测器或者直接撞击在离子质量筛选电极的板式结构电极上损失掉，进而实现离子质量筛选的功能。

本发明通过在飞行时间质量分析器的无场飞行区出口端设置栅网电极和离子质量筛选电极，并于离子质量筛选电极上施加时序、脉宽与幅值可控的脉冲电压，在飞行时间质谱中实现了离子质量筛选的功能，具有突出的优点和效果：

1)通过精确的控制施加在离子质量筛选电极上的脉冲电压，可对任意质荷比的离子进行操控，选择性的滤除特定质荷比的离子，可有效降低因高强度背景离子和反应试剂离子产生的背景噪声，提高对仪器的动态范围和对弱信号测量的准确性。

2)在飞行时间质量分析器中，为获得高的质谱分辨率，通常会利用电场使具有空间和能量发散的相同质荷比离子在到达MCP离子探测器前端产生轴向聚焦，形成一个平行于MCP离子探测器入射端面的离子薄片，进而得到窄的信号峰宽，提高质谱分辨率。本发明将离子筛选电极设置于无场飞行区出口端、MCP离子探测器之前，位于离子径向聚焦的焦平面处，可使得离子质量筛选更加精准，不会因离子在轴向的空间发散而影响相邻质荷比离子的飞行和检测。

3)本发明提供的离子质量筛选装置无需设置复杂的多极杆装置及射频电场调制，即可在飞行时间质谱中实现离子质量筛选的功能。

4)将离子质量筛选电极置于2块与无场飞行区电位相同栅网电极之间，可对施加在离子质量筛选电极上脉冲电压产生的脉冲电场进行有效屏蔽，避免脉冲电场对无场飞行区内部的离子飞行状态产生影响。

附图说明

图1为本发明的飞行时间质谱中离子质量筛选装置的结构及工作原理示意图。

图2为本发明的其中一种离子质量筛选电极包含3块板式结构电极、脉冲电压U1幅值为0V的离子质量筛选装置的结构及工作原理示意图。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的结构及工作原理示意图。本发明的飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，包括质量分析器，质量分析器包括真空腔体1、位于真空腔体1中的无场飞行区2、栅网电极3、微通道板5和法拉第盘6；于质量分析器真空腔体1侧壁上开设有真空接口；

无场飞行区2、栅网电极3、微通道板5和法拉第盘6从左至右依次顺序设置于质量分析器真空腔体1的内部；无场飞行区2是由金属材质围绕成二端开口的筒状结构；栅网电极3紧贴于无场飞行区2的一侧，栅网电极3四周边缘与无场飞行区2右侧开口端相连，且与无场飞行区2等电位设置；

栅网电极3为2块相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中心部位设置有离子通孔，于栅网电极3的2块板式结构电极的离子通孔上均设置有金属栅网，金属栅网四周边缘与离子通孔四周边缘相连接，2块板式结构电极的离子通孔同轴；或栅网电极3为2块相互间隔、平行设置的金属栅网；

栅网电极3、微通道板5和法拉第盘6相互间隔、同轴、平行设置；由无场飞行区2内部出射的离子束穿过栅网电极3的2块板式结构电极上的金属栅网后到达微通道板5；

于栅网电极3的2块金属栅网之间的区域内设置有离子质量筛选电极4；离子质量筛选电极4为从上至下依次由2块或3块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，且与无场飞行区2右侧开口端的离子出射方向相互平行；

于离子质量筛选电极4所有相邻的板式结构电极上分别施加极性相反、脉宽相同、时序同步的脉冲电压U1和U2。

所述的法拉第盘6与数据采集卡7相连，法拉第盘6收集经过微通道板5放大后的质谱信号，并传输至数据采集卡7检测。

离子质量筛选电极4上脉冲电压U1和U2的时序、脉宽与幅值，以及数据采集卡计时的同步，由计算机控制。

微通道板5为二块相互间隔、同轴、平行设置带有通孔微通道的平板。

应用时，不同质荷比的离子在飞行时间质量分析器中受电场加速获得相同的动能，在无场飞行区2中的飞行速度不同，到达微通道板5的时间不同。当所需检测质荷比的离子到达离子质量筛选电极4时，离子质量筛选电极4的所有板式结构电极处于与栅网电极3相同的电位，离子质量筛选电极4的板式结构电极之间电场强度为0，由无场飞行区2出射的离子可不受影响的穿过栅网电极3和离子质量筛选电极4到达微通道板5进行检测。当所需滤除质荷比的离子到达离子质量筛选电极4时，于离子质量筛选电极4从上至下奇数板式结构电极施加的为相同的脉冲电压U1，偶数板式结构电极施加的为相同的脉冲电压U2，在离子质量筛选电极4的板式结构电极之间形成离子偏转电场，使该质荷比离子的飞行方向发生偏转，以远离微通道板5或者直接撞击在离子质量筛选电极4的板式结构电极上损失掉，进而实现离子质量筛选的功能。所述的脉冲电压U1幅值为0-10000V，所述的脉冲电压U2幅值为0-10000V，且U1和U2的幅值不同时为0。

实施例1

见图2所示。本发明的其中一种离子质量筛选电极包含3块板式结构电极、脉冲电压U1幅值为0V的离子质量筛选装置。当所需滤除带有负电荷的离子R到达离子质量筛选电极4时，于离子质量筛选电极4中的第1和第3块板式结构电极上施加脉冲电压U1，第2块板式结构电极上施加脉冲电压U2。其中，U1的幅值为0V；U2为负脉冲，其幅值为2000V。那么，该质荷比的离子R在离子质量筛选电极4的板式结构电极之间离子偏转电场的作用下，飞行轨迹发生偏转，分别沿微通道板5上下两侧偏出。当所需检测质荷比的离子M到达离子质量筛选电极4时，使离子质量筛选电极4的3块板式结构电极上的电位与栅网电极3相同，离子质量筛选电极4内部的电场强度为0。那么，该质荷比的离子M即可沿原出射方向不受影响的穿过栅网电极3和离子质量筛选电极4，最终到达微通道板5进行检测，从而实现离子质量的筛选。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，凡依本发明专利申请范围所述的构思、构造及原理所做的变化或修饰，均包括在本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，包括质量分析器，质量分析器包括真空腔体(1)、位于真空腔体(1)中的无场飞行区(2)、栅网电极(3)、微通道板(5)和法拉第盘(6)；于质量分析器真空腔体(1)侧壁上开设有真空接口，其特征在于：

无场飞行区(2)、栅网电极(3)、微通道板(5)和法拉第盘(6)从左至右依次顺序设置于质量分析器真空腔体(1)的内部；无场飞行区(2)是由金属材质围绕成二端开口的筒状结构；栅网电极(3)紧贴于无场飞行区(2)的一侧，栅网电极(3)四周边缘与无场飞行区(2)右侧开口端相连，且与无场飞行区(2)等电位设置；

栅网电极(3)为2块相互间隔、平行设置的板式结构电极，其中心部位设置有离子通孔，于栅网电极(3)的2块板式结构电极的离子通孔上均设置有金属栅网，金属栅网四周边缘与离子通孔四周边缘相连接，2块板式结构电极的离子通孔同轴；或栅网电极(3)为2块相互间隔、平行设置的金属栅网；

栅网电极(3)、微通道板(5)和法拉第盘(6)相互间隔、同轴、平行设置；由无场飞行区(2)内部出射的离子束穿过栅网电极(3)的2块板式结构电极上的金属栅网后到达微通道板(5)；

于栅网电极(3)的2块金属栅网之间的区域内设置有离子质量筛选电极(4)；离子质量筛选电极(4)为从上至下依次由2块或3块以上相互间隔、平行设置的板式结构电极，且与无场飞行区(2)右侧开口端的离子出射方向相互平行；

于离子质量筛选电极(4)所有相邻的板式结构电极上分别施加极性相反、脉宽相同、时序同步的脉冲电压U1和U2。

2.根据权利要求1所述的一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，其特征在于：

所述的法拉第盘(6)与数据采集卡(7)相连，法拉第盘(6)收集经过微通道板(5)放大后的质谱信号，并传输至数据采集卡(7)检测。

3.根据权利要求1所述的一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，其特征在于：

所述的脉冲电压U1幅值为0-10000V，所述的脉冲电压U2幅值为0-10000V，且U1和U2的幅值不同时为0。

4.根据权利要求1所述的一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，其特征在于：

离子质量筛选电极(4)上脉冲电压U1和U2的时序、脉宽与幅值，以及数据采集卡计时的同步，由计算机控制。

5.根据权利要求1所述的一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，其特征在于：

微通道板(5)为二块相互间隔、同轴、平行设置带有通孔微通道的平板。

6.根据权利要求1或3所述的一种飞行时间质谱中的离子质量筛选装置，其特征在于：

于离子质量筛选电极(4)从上至下奇数板式结构电极施加的为相同的脉冲电压U1，偶数板式结构电极施加的为相同的脉冲电压U2。

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