CN111627793B - 一种传输出射离子的两级差分离子漏斗 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传输出射离子的两级差分离子漏斗，包括一级离子漏斗，第一提取束缚电极，二级离子漏斗，第二提取束缚电极；本发明采用数片电极片层叠放置，在矩形电极片内部设置圆环电极。一级离子漏斗中数片电极片的内孔依次构成圆柱、螺旋或圆锥的离子通道；二级离子漏斗中数片电极片的内孔依次构成一圆锥形的离子通道；一级离子漏斗后端有用于控制离子发散度的第一提取束缚电极，二级离子漏斗后端有用于控制离子发散度的第二提取束缚电极。离子漏斗电极施加直流和交流电压，提取束缚电极只施加直流电压。本发明涉及的两级离子漏斗电容小，能够在实现离子的高效传输的同时，限制出射离子发散度，调控出射离子的动能。

Description

一种传输出射离子的两级差分离子漏斗

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，尤其是一种传输出射离子的两级差分离子漏斗。

背景技术

质谱分析技术是分析纯物态组成、解析光解产物以及研究光化学反应动力学机理的重要实验技术之一。电喷雾电离技术(Electrospray ionization，ESI)是新发展起来的一种产生气相离子源的软电离技术，广泛用于质谱分析领域。使用电喷雾技术产生离子源，离子束流在传输到离子分析器的过程中，部分离子会因为同中性分子碰撞、电场畸变等原因损失掉，使得能够到达分析器的离子数量减少，降低了质谱仪器的离子富集效率，增加了实验难度。为了解决上述问题，提高气相质谱仪的离子富集效率，离子漏斗应运而生。离子漏斗是基于电动力学原理，能够在10-4000Pa的气压条件下有效地操纵和聚焦离子，实现不同质荷比离子的传输。在传统技术中，离子漏斗通常由外形相同内径逐渐变化的电极组成，电极之间使用环形绝缘垫片绝缘，通过电阻链和电容阵列，对离子漏斗电极施加直流交流电压，从而形成驱动离子行进的纵向直流驱动电场以及约束离子发散的横向约束交流电场，实现了离子的高效传输。

当使用电喷雾产生目标离子源时，会同步产生其他杂质离子。传统的离子漏斗结构对于大质量微滴、中性分子等粒子无法进行有效筛选，从而影响下一级真空腔室的洁净度，降低了后续实验的灵敏度和效率。为解决上述问题，Kim等人提出了带有射流挡板电极(jet disrupter)结构的离子漏斗，其将传统离子漏斗中等径电极部分一个电极替换为一个直径小于电极内径的金属圆形挡板电极，该挡板与离子漏斗电极同轴放置，从而实现对中性微粒的过滤，然而此结构会大幅降低质荷比较大的离子传输效率。Deng等人设计的V型离子漏斗是将离子漏斗中间部分等径圆环电极层叠放置构成“V”字型，以此实现对大质量中性微滴的过滤，由于该结构的电场在“V”型转角处有较大畸变，使得普通离子的轨迹也难以有效控制，降低了离子的传输效率。此外，传统型的离子漏斗对后端出射离子的发散角和动能不能有效控制，使得后续离子的传输、聚焦和质量分析具有较高的实验难度。同时，传统型离子漏斗电极片之间重叠面积较大，使得离子漏斗的总电容增大，给匹配高频射频电压带来困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种传输出射离子的两级差分离子漏斗，本发明通过设计特殊的漏斗形貌，在保证离子高效传输的同时，有效过滤了大质量微滴、中性粒子等杂质粒子，防止其影响下级腔室真空度。同时，离子漏斗的提取束缚电极结构，能够抑制出射离子在空间中的发散度，通过改变离子漏斗出射电极和提取束缚电极之间的直流梯度，能够调控出射离子的动能。相比于传统的离子漏斗结构，该两级差分离子漏斗利用螺旋结构、非等间距聚焦结构以及提取束缚电极结构，实现了中性气体分子与离子的分离，避免了传统离子漏斗中挡板对于离子传输效率的影响，强化了离子的聚焦效果，抑制了出射离子的发散度，调控了出射离子的动能，使得出射离子能够满足下级腔室对离子分布，发散度，动能的需要。本发明电极片的镂空设计及相邻两片电极片连接筋的错位设置极大地降低离子漏斗的电容，使得离子漏斗能够匹配更高频率的射频电压，两级的差分结构更能在保证离子传输效率的同时降低对系统真空泵抽气速率的要求。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种传输出射离子的两级差分离子漏斗，其特点包括一级离子漏斗、第一提取束缚电极、二级离子漏斗及第二提取束缚电极；

所述一级离子漏斗由数片电极片依次等间距层叠放置，每相邻两片电极片之间设有厚度相同的聚四氟乙烯垫片，每片电极片上均设有一个圆环电极，每片电极片上圆环电极的孔径等同或呈递减设置，连接数片电极片上圆环电极圆心的连线构成直线或螺旋线，数片电极片上圆环电极的内孔依次构成圆柱、螺旋、圆柱和圆锥形的离子通道；

所述第一提取束缚电极由3片电极片等间距层叠放置，其中，第1片及第2片电极片上设有等内径圆环电极，第3片为圆形差分电极片，其上设有喇叭口状的电极，喇叭口的锥角为150度，与喇叭口同轴设有离子管道；

所述二级离子漏斗由数片电极片依次递减间距层叠放置，每相邻两片电极片之间设有厚度递减的聚四氟乙烯垫片，每片电极片上均设有一个圆环电极，圆环电极的孔径呈递减设置，连接数片电极片上圆环电极的圆心构成一条直线，数片电极片上的圆环电极依次构成一圆锥形的离子通道；

所述第二提取束缚电极由3片电极片等间距层叠放置，其中，第1片及第2片电极片上设有等内径圆环电极，第3片为圆形差分电极片，其上设有喇叭口状的电极，喇叭口的锥角为120度。

所述一级离子漏斗、第一提取束缚电极、二级离子漏斗及第二提取束缚电极的电极片上均设有安装孔，套有陶瓷杆的螺杆穿过电极片上的安装孔连接为一体。

所述一级离子漏斗的电极片、第一提取束缚电极的第1和第2片电极片、二级离子漏斗的电极片及第二提取束缚电极的第1和第2片电极片上均设有矩形边框、圆环电极、连接筋及安装孔，连接筋为四条，呈辐射状设于矩形边框与圆环电极之间，安装孔设于矩形边框的四角上；所述电极片上矩形边框的两侧均设有电极焊脚。

所述第一提取束缚电极及第二提取束缚电极的第3片圆形差分电极片为圆盘状，圆盘上设有与电极片对应的安装孔；圆盘的圆周上设有一直线的切割边，切割边上设有电极焊脚，电极焊脚同矩形方框电极焊脚处于同一直线上。

所述相邻两片电极片上的连接筋错位设置，错位距离为连接筋的壁宽。

本发明通过设计特殊的漏斗形貌，在保证离子高效传输的同时，有效过滤了大质量微滴、中性粒子等杂质粒子，防止其影响下级腔室真空度。同时，离子漏斗的提取束缚电极结构，能够抑制出射离子在空间中的发散度，通过改变离子漏斗出射电极和提取束缚电极之间的直流梯度，能够调控出射离子的动能。相比于传统的离子漏斗结构，该两级差分离子漏斗利用螺旋结构、非等间距聚焦结构以及提取束缚电极结构，实现了中性气体分子与离子的分离，避免了传统离子漏斗中挡板对于离子传输效率的影响，强化了离子的聚焦效果，抑制了出射离子的发散度，调控了出射离子的动能，使得出射离子能够满足下级腔室对离子分布，发散度，动能的需要。本发明电极片的镂空设计及相邻两片电极片连接筋的错位设置极大地降低离子漏斗的电容，使得离子漏斗能够匹配更高频率的射频电压，两级的差分结构更能在保证离子传输效率的同时降低对系统真空泵抽气速率的要求。

本发明的有益效果：（1）、实现离子的高效率传输，相对分子质量范围50~300的离子的传输效率超过90%；（2）、在保证离子传输效率的同时，螺旋结构消除了电喷雾产生的微滴和中性粒子，解决了此类杂质影响下级真空腔压强的问题；（3）、离子漏斗后端特殊设计的提取束缚电极，能够从离子漏斗较深势阱中提取出离子，减小离子漏斗出射离子的径向分布与发散角，同时调控出射离子的动能；（4）、本发明电极片的镂空设计及相邻两片电极片连接筋的错位设置极大地降低离子漏斗的电容，减小电极片的相对面积，从而降低离子漏斗的总电容，使得离子漏斗能够匹配更高频率的射频电压；（5）、两级差分离子漏斗的结构，在保证离子传输效率、抑制离子发散的同时降低对系统真空泵抽气速率的要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明一级离子漏斗与电源连接的示意图；

图3为本发明第一提取束缚电极与电源连接的示意图；

图4为本发明二级离子漏斗与电源连接的示意图；

图5为本发明第二提取束缚与电源连接的示意图；

图6为本发明矩形边框的电极片的结构示意图；

图7为本发明矩形边框的电极片连接筋错位设置的结构示意图；

图8为本发明圆形差分电极片的结构示意图；

图9为垂直离子沿行进方向的统计分布图；

图10为出射离子方位角的分布直方图；

图11为出射离子仰角的分布直方图；

图12为出射离子动能的分布直方图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括一级离子漏斗1、第一提取束缚电极2、二级离子漏斗3及第二提取束缚电极4。

参阅图1、图2，所述一级离子漏斗1由数片电极片依次等间距层叠放置，每相邻两片电极片之间设有厚度相同的聚四氟乙烯垫片，每片电极片上均设有一个圆环电极，每片电极片上圆环电极的孔径等同或呈递减设置，连接数片电极片上圆环电极圆心的连线构成直线或螺旋线，数片电极片上圆环电极的内孔依次构成圆柱、螺旋或圆锥的离子通道。

参阅图1、图3，所述第一提取束缚电极2由3片电极片等间距层叠放置，其中，第1片及第2片电极片上设有等内径圆环电极，第3片为圆形差分电极片，其上设有喇叭口状的电极，喇叭口的锥角为150度，与喇叭口同轴设有离子管道。

参阅图1、图4，所述二级离子漏斗3由数片电极片依次递减间隙层叠放置，每相邻两片电极片之间设有厚度递减的聚四氟乙烯垫片，每片电极片上均设有一个圆环电极，圆环电极的孔径呈递减设置，连接数片电极片上圆环电极的圆心构成一条直线，数片电极片上的圆环电极依次构成一圆锥形的离子通道。

参阅图1、图5，所述第二提取束缚电极4由3片电极片等间距层叠放置，其中，第1片及第2片电极片上设有等内径圆环电极，第3片为圆形差分电极片，其上设有喇叭口状的电极，喇叭口的锥角为120度。

参阅图1，所述一级离子漏斗1、第一提取束缚电极2、二级离子漏斗3及第二提取束缚电极4的电极片上均设有安装孔，套有陶瓷杆的螺杆穿过电极片上的安装孔连接为一体。

参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6，所述一级离子漏斗1的电极片、第一提取束缚电极2的第1和第2片电极片、二级离子漏斗3的电极片及第二提取束缚电极4的第1和第2片电极片上均设有矩形边框、圆环电极、连接筋及安装孔，连接筋为四条，呈辐射状设于矩形边框与圆环电极之间，安装孔设于矩形边框的四角上；所述电极片上矩形边框的两侧均设有电极焊脚。

参阅图1、图3、图5、图8，所述第一提取束缚电极2及第二提取束缚电极4的第3片圆形差分电极片为圆盘状，圆盘上设有与电极片对应的安装孔；圆盘的圆周上设有一直线的切割边，切割边上设有电极焊脚，电极焊脚同矩形方框电极焊脚处于同一直线上。

参阅图6、图7，所述相邻两片电极片上的连接筋错位设置，错位距离为连接筋的壁宽。

本发明实施例1：

参阅图1，本发明一级离子漏斗1、第一提取束缚电极2、二级离子漏斗3及第二提取束缚电极4的组装。

参阅图1、图2、图6，所述一级离子漏斗1由102片电极片构成，电极片厚度为0.5mm，一级离子漏斗1的电极片为等间距层叠放置，相邻电极片之间使用厚度相同的聚四氟乙烯垫片隔开，聚四氟乙烯垫片厚度为1.5mm；

一级离子漏斗1的每片电极片上均设有一个圆环电极，数片电极片上圆环电极的内孔依次构成圆柱、螺旋或圆锥的离子通道；

按照电极片上圆环所构成的离子通道不同，将一级离子漏斗1分为四个部分：其中，第一部分1-1由第1片到第9片电极片构成，圆环电极内孔的直径均为25mm；圆环电极圆心的连线处于一直线上，圆环电极的内孔构成圆柱形通道；

第二部分1-2由第10片到第76片电极片构成，圆环电极内孔的直径均为25mm；圆环电极圆心的连线处于一螺旋线上，该螺旋线设于直径为25mm的圆柱体表面，该螺旋线在第二部分1-2全长内的导程为1，圆环电极的内孔构成螺旋形通道；

第三部分1-3由第77片到第79片电极片构成，圆环电极内孔的直径均为25mm；圆环电极圆心的连线处于一直线上，圆环电极的内孔构成圆柱形通道；

第四部分1-4由第80片到第102电极片构成，圆环电极内孔的直径由24.5mm递减至2.5mm；圆环电极圆心的连线处于一直线上，圆环电极的内孔构成圆锥形通道。

参阅图1、图3、图6、图8，所述第一提取束缚电极2由3片电极片等间距层叠放置，聚四氟乙烯垫片厚度为1.5mm；第1片及第2片电极片厚度为0.5mm，设有等内径圆环电极，圆环电极内孔的直径均为2mm；第3片圆形差分电极片厚度为3mm，设有喇叭口状的电极，喇叭口小端孔的直径为1mm，喇叭口的锥角为150度，与喇叭口同轴设有离子管道；离子管道长20mm，内径25mm，壁厚2.5mm。

参阅图1、图4、图6，所述二级离子漏斗3由57片电极片构成，电极片厚度为0.5mm，二级离子漏斗3的电极片为递减间距层叠放置，按照聚四氟乙烯垫片厚度不同分为六部分：其中，第一部分3-1由第1片到第20片电极片构成，聚四氟乙烯垫片厚度为4mm；第二部分3-2由第21片到第27片电极片构成，聚四氟乙烯垫片厚度为3mm；第三部分3-3由第28片到第35片电极片构成，聚四氟乙烯垫片厚度为2mm；第四部分3-4由第36片到第41片电极片构成，聚四氟乙烯垫片厚度为1.5mm；第五部分3-5由第42片到第49片电极片构成，聚四氟乙烯垫片厚度为1mm；第六部分3-6由第50片到第57片电极片构成，聚四氟乙烯垫片厚度为0.5mm；

所述二级离子漏斗3圆环电极内孔的直径由25mm递减至2.5mm；圆环电极圆心的连线处于一直线上，圆环电极的内孔构成圆锥形通道。

参阅图1、图5、图6、图8，所述第二提取束缚电极4由3片电极片等间距层叠放置，聚四氟乙烯垫片厚度为1mm；第1片及第2片电极片厚度为0.5mm，设有等内径圆环电极，圆环电极内孔的直径均为2mm；第3片圆形差分电极片厚度为3mm，设有喇叭口状的电极，喇叭口小端孔的直径为1mm，喇叭口的锥角为120度。

参阅图1，所述一级离子漏斗1、第一提取束缚电极2、二级离子漏斗3及第二提取束缚电极4经套有陶瓷杆的螺杆穿过电极片四角的安装孔连接为一体。

参阅图1、图6，本发明矩形电极片外形的长为83mm，宽为73mm；电极片的边框、连接筋、圆环电极及安装孔的壁宽度均为2.5mm。

参阅图1、图3、图5、图8，本发明第一提取束缚电极2及第二提取束缚电极4的第3片圆形差分电极片为圆盘状，圆盘直径为120mm，直线切割边的长度为80mm。

本发明的工作过程：

参阅图1，在本发明中，通过PCB板上的电阻链和电容阵列焊接在电极片矩形边框两侧的电极焊脚上，将射频电压和直流电源加载到本发明上。

参阅图1、图2，将PCB板上的交流电压通过电容阵列连接到一级离子漏斗1电极片一侧的电极焊脚上，将PCB板上的直流电压通过电阻链连接到一级离子漏斗1电极片另一侧的电极焊脚上。

参阅图1、图3，将PCB板上的直流电压通过电阻链分别连接到第一提取束缚电极2的第1、第2片电极片一侧的电极焊脚上及第3片圆形差分电极片的电极焊脚上。

参阅图1、图4，将PCB板上的交流电压通过电容阵列连接到二级离子漏斗3电极片一侧的电极焊脚上，将PCB板上的直流电压通过电阻链连接到二级离子漏斗3电极片另一侧的电极焊脚上。

参阅图1、图5，将PCB板上的直流电压通过电阻链分别连接到第二提取束缚电极4的第1、第2片电极片一侧的电极焊脚上及第3片圆形差分电极片的电极焊脚上。

本发明两级差分离子漏斗的工作参数范围如下：

工作压强范围：一级离子漏斗1为50Pa~200Pa；二级离子漏斗3为5Pa~20Pa。

射频电压频率范围：一级离子漏斗1为0.6MHz~1.2MHz，二级离子漏斗3为1.5MHz~5MHz。

射频电压范围：一级离子漏斗1，二级离子漏斗3射频峰峰值范围为10V~200V。

直流电压梯度范围：一级离子1漏斗为5V/cm~20V/cm，二级离子漏斗3为1V/cm~12V/cm。

提取束缚电极电压：第一提取束缚电极2的三个电极施加10V/电极递增的直流电压，第二提取束缚电极4的三个电极依次设置为直流﹣5V，﹣9V，﹣1V。其中，直流﹣5V表示直流电压为负五伏、其余类同。

本发明实施例2：

本发明两级差分离子漏斗在设定的工作参数下工作：

工作压强：一级离子漏斗1为100Pa；二级离子漏斗3为10Pa。

射频电压频率：一级离子漏斗1为0.8MHz，二级离子漏斗3为3MHz。

射频电压：一级离子漏斗1射频峰峰值为100V，二级离子漏斗3射频峰峰值为100V。

直流电压梯度：一级离子1漏斗为10V/cm，二级离子漏斗3为4V/cm。

提取束缚电极电压：第一提取束缚电极2设置为直流﹣100V，﹣90V，﹣80V，第二提取束缚电极4设置为直流﹣5V，﹣9V，﹣1V。

参阅图1、图2，将电喷雾产生的气相离子经由毛细管5进入一级离子漏斗1；经过一级离子漏斗1的第一部分1-1电极片的圆环电极构成的圆柱形通道、第二部分1-2电极片的圆环电极构成的螺旋形通道、第三部分1-3电极片的圆环电极构成的圆柱形通道及第四部分1-4电极片的圆环电极构成的圆锥形通道；离子经过第二部分1-2的螺旋形通道的筛选，中性分子和带电微滴会打在电极上被消除；离子传输通过第四部分1-4电极片的圆锥形通道，离子被富集聚焦。

参阅图1、图3，然后被第一提取束缚电极2束缚，沿着离子管道进入二级离子漏斗3。

参阅图1、图4，在二级离子漏斗3中，离子沿着圆环电极变间距、变内径的区域3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6富集聚焦，由于间距和内径的缓慢变化，使得离子束的轨迹较为平滑。

参阅图1、图5，然后离子被第二提取束缚电极4中只施加直流电压的第1片电极片提取。此时，通过改变提取束缚电极4第1电极片到二级离子漏斗3第57电极片之间的直流电压差，可以实现对出射离子动能的调控。最后，离子经过第二提取束缚电极4束缚后，以不超过20度的仰角和方位角通过第二提取束缚电极4的圆形差分电极上喇叭状小孔进入下级真空腔室。

参阅图1，经过一级离子漏斗1、第一提取束缚电极2、二级离子漏斗3及第二提取束缚电极4的富集聚焦，在保证高传输效率的同时，实现了对出射离子空间分布、仰角、方位角以及动能的调控。

参阅图9，当本方明中二级离子漏斗3选择特定参数：射频频率3MHz，射频峰峰值100V，直流电压梯度3V/cm，第二提取束缚电极4的第1片、第2片及第3片电极片的电压分别为﹣5V，﹣9V，﹣1V时，出射离子在垂直离子行进方向(YZ位置)的统计分布。

参阅图10，当本发明中二级离子漏斗3选择特定参数：射频频率3MHz，射频峰峰值100V，直流电压梯度3V/cm，第二提取束缚电极4的第1片、第2片以及第3片电极片的电压分别为﹣5V，﹣9V，﹣1V时，出射离子方位角(Azimuth Angle，Azm)的统计分布。

参阅图11，当本发明中二级离子漏斗3选择特定参数：射频频率3MHz，射频峰峰值100V，直流电压梯度3V/cm，第二提取束缚电极4的第1片、第2片以及第3片电极片的电压分别为﹣5V，﹣9V，﹣1V时，出射离子仰角(Elevation Angle，Elv)的统计分布。

参阅图12，当本发明中二级离子漏斗3选择特定参数：射频频率3MHz，射频峰峰值100V，直流电压梯度3V/cm，第二提取束缚电极4的第1片、第2片以及第3片电极片的电压分别为﹣5V，﹣9V，﹣1V时，出射离子动能(Kinetic Energy，KE)的统计分布。

以上是对本发明的两级差分离子漏斗的较佳实施进行了具体说明。考虑到以上公开，本实例并不代表发明创造仅限于此，熟悉此领域的技术人员可以在此权利要求范围内，做出种种调整，来确定它们的应用以及所需要的材料，组件，组合方式以及设备来实施这种新型结构。

Claims (2)

1.一种传输出射离子的两级差分离子漏斗，其特征在于，它包括一级离子漏斗（1）、第一提取束缚电极（2）、二级离子漏斗（3）及第二提取束缚电极（4）；

所述一级离子漏斗（1）由数片电极片依次等间距层叠放置，每相邻两片电极片之间设有厚度相同的聚四氟乙烯垫片，每片电极片上均设有一个圆环电极，每片电极片上圆环电极的孔径等同或呈递减设置，连接数片电极片上圆环电极圆心构成直线或螺旋线，数片电极片上圆环电极的内孔依次构成圆柱、螺旋、圆柱和圆锥形的离子通道；

所述第一提取束缚电极（2）由三片电极片等间距层叠放置，其中，第一电极片及第二电极片上设有等内径圆环电极，第三电极片为圆形差分电极片，其上设有喇叭口，喇叭口的锥角为150°，与喇叭口同轴设有离子管道；

所述二级离子漏斗（3）由数片电极片依次递减间隙层叠放置，每相邻两片电极片之间设有厚度递减的聚四氟乙烯垫片，每片电极片上均设有一个圆环电极，圆环电极的孔径呈递减设置，连接数片电极片上圆环电极的圆心构成一条直线，数片电极片上的圆环电极依次构成一圆锥形的离子通道；

所述第二提取束缚电极（4）由三片电极片等间距层叠放置，其中，第一电极片及第二电极片上设有等内径圆环电极，第三电极片为圆形差分电极片，其上设有喇叭口状的电极，喇叭口的锥角为120°；

所述一级离子漏斗（1）、第一提取束缚电极（2）、二级离子漏斗（3）及第二提取束缚电极（4）的电极片上均设有安装孔，通过套有陶瓷杆的螺杆穿过电极片上的安装孔连接为一体；其中：

所述一级离子漏斗（1）的数片电极片、第一提取束缚电极（2）的第一电极片和第二电极片、二级离子漏斗（3）的数片电极片及第二提取束缚电极（4）的第一电极片和第二电极片上均设有矩形边框、圆环电极、连接筋及安装孔，连接筋为四条，呈辐射状设于矩形边框与圆环电极之间，安装孔设于矩形边框的四角上；所述矩形边框的两侧均设有电极焊脚；

所述第一提取束缚电极（2）及第二提取束缚电极（4）的圆形差分电极片为圆盘状，圆盘上设有与其他电极片对应的安装孔；圆盘的圆周上设有一直线的切割边，切割边上设有电极焊脚，电极焊脚同矩形边框电极焊脚处于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的一种传输出射离子的两级差分离子漏斗，其特征在于，相邻两片电极片上的连接筋错位设置，错位距离为连接筋的壁宽。

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