CN112017941A - 一种飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体 - Google Patents
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Abstract
一种微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体，所述空间啁啾延时腔体内设有两个与地面垂直放置的离子反射器，所述离子反射器的反射面之间夹角为α，在每个所述离子反射器上设有共轭反射镜，离子在所述空间啁啾延时腔体的飞行轨迹为之字形，由于离子反射器之间为非平行，在每次反射后，入射角逐次递减，其入射角相对下一个离子反射器的入射角将减少一个所述的夹角α，小于零后，离子光束进行反向入射，离子光束入射角每次逆向逐次递增反射，入射角变化的步距为所述夹角α，在多重反射后，离子光束在两个离子反射器间飞行的时间和行程大大增加，提高离子质量数的分辨率，大大压缩飞行过程中的实际空间。
Description
技术领域
本发明属于质谱仪技术领域，具体涉及一种微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体。
背景技术
近年来在各类便携式、快速检测仪器中，微型质谱仪开始普及应用于未知化学成分的检测。其中检测的对象有危险品、爆炸物、毒品类别，由于质谱仪具备高质荷比的分辨率和高灵敏度，在含有参杂物干扰的日常安保检查中具明显优势。另外，在食品安全和环境污染检查中，由于不定点的各种抽查，对农残、水质、空气的分析检测，便携式质谱仪同样具备优势。市面上的质谱仪各式各样，其主要的工作原理是通过对各种电离化学物质生成离子，通过生成离子的质量电荷比(质荷比)进行分析，实现对化学样品分子定性分析。
质谱仪中对质荷比的分析的部分为质量分析器(分离和分类分子碎片的仪器组件)，其形式和手段也是多样化。在便携式质谱仪中，由于对其仪器质量和体积的要求，现市场上较为推广的微型化质量分析器为离子阱类。离子阱质量分析器是通过射频电场对电离生成的离子进行捕获和冷却后，再通过额外的时序频率变化的射频电场激发共振，在时轴上实现离子质量的区分。离子阱的加工工艺复杂，其射频电场的电路设计和质量分析过程繁琐，导致调试过程中的人力成本上升，最终让离子阱质谱仪价格偏高而难以被推广。而相比于离子阱类质谱仪，飞行时间质谱仪(time-of-flight mass spectrometer,TOF-MS) 的质量分析器则相对简单，但其分辨率需要足够的空间距离来实现，这是一个瓶颈。因此，飞行时间质谱仪较难实现便携化、微型化。在已有的微型飞行时间质谱仪中，其质量分析器同样需要通过电场的开关，让离子在质量分析器内多重反射飞行，来实现飞行距离最大化。电场的开关同样让分析过程复杂化，并产生离子质量轴的折叠和含糊，这也是现有技术的不足。
目前已经出现了微型化的质谱仪，相对于标准商用化的飞行时间质谱仪一米以上的无电场区域，经微型化后的飞行时间质谱仪，其性能和规格需在分辨率和体积上进行折中。其折中后的分辨率，相对离子阱类质谱仪较为逊色。目前，国内外的微型飞行时间质谱仪的分辨率一般为几百左右，除针对固定检测物品，在其他多种化学品的检测应用大大受到了限制，这也是一种缺陷。
发明内容
为了克服现有技术的不足，提出了一种微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体。所述延时腔体应用到微型化质谱仪的离子光学上，利用空间啁啾腔体的多重反射特性，倍增无电场区域的长度，以进一步提高对离子质量分析的分辨率，使飞行时间质谱仪在微型化的同时，能达到商用性能和规格；通过激光电离样品，以达到初始离子离散的最小化；经高压电场加速后，不同质量数的离子由于初速度的离散，在无电场区域(Field-FreeRegion，FFR)分离，再通过一次反射以达到双倍无电场区域的长度，以提高离子质量数的分辨率 (无电场区域的长度越长，分辨率越高)。
本发明的技术解决方案为：一种微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体，所述空间啁啾延时腔体内设有两个与地面垂直放置的离子反射器，所述离子反射器的反射面之间夹角为α，α大于0，在每个所述离子反射器上设有共轭反射镜，D为离子反射器的宽度，S为离子反射器之间的最短距离，离子在所述空间啁啾延时腔体的飞行轨迹为之字形，由于离子反射器之间为非平行，在每次反射后，入射角逐次递减，其入射角相对下一个离子反射器的入射角将减少一个所述的夹角α，在减少为小于零后，离子光束进行反向入射，离子光束入射角每次逆向逐次递增反射，入射角变化的步距为所述夹角α，在多重反射后，离子光束在两个离子反射器间飞行的时间和行程大大增加，提高离子质量数的分辨率，大大压缩飞行过程中的实际空间。
所述离子反射器为线性电势栅式，离子反射器内，电势随深度h线性增加，即
其对应的横向和纵向位移可以推导为
x＝vx·tdwell＝4LmU/Um cosθsinθ,
h＝vh·tdwell/4＝LmU/Um cos2θ,
其中离子在离子反射器中的停留时间为：
离子光束的有效飞行飞行时间为
本发明的有益效果：
1)相比传统的飞行时间，本发明利用空间啁啾腔体，大大缩减飞行时间质谱仪(主要为无电场区域的)体积，让其实现微型便携化。
2)相比早期多重反射飞行时间质谱仪，空间啁啾腔体的角入射不需要通过开关闭合电场，而实现直接多重反射，简化电路设计。
3)本设计的离子光学路径，可以通过阿基米德螺线模型的，直接计算离子飞行距离的总行程，推导离子质量数的分辨率，能直接节省工程优化过程中的离子光学模拟时间。
4)离子光学啁啾腔体生产结构简单，为两个传统离子光学反射镜。其生产成本远低于其他类型的微型便携质谱仪中的质量分析器，让飞行时间质谱仪的价格在微型质谱中更具优势。
5)相比于传统的单次反射飞行时间质谱仪，由于自由空间啁啾延时腔体的多重反射原理，在挺高离子质量数分辨率的同时，大大压缩飞行过程中的实际空间。
附图说明：
图1，空间啁啾延时腔体的架构示意图；
图2，离子反射器和离子反射轨迹示意图；
图3，阿基米德螺旋的共轭离子反射器示意图。
图4，SIMION模拟离子光学在腔体中的飞行轨迹图。
图5，SIMION模拟的iFACED飞行时间质谱仪的质谱图。
图中，1、离子反射器；2、入射离子束光路；3、出射离子束光路。
实施方式：
参见图1至图4，本发明设计出的自由空间啁啾延时腔体(FACED)，将此移植到离子光学中的飞行时间质谱仪中的质量分析器部分，以提高加速离子后，在无电场区域的飞行距离长度。相比于传统的单次反射飞行时间质谱仪，由于自由空间啁啾延时腔体的多重反射原理，在挺高离子质量数分辨率的同时，大大压缩飞行过程中的实际空间。以下将详细叙述自由空间啁啾延时腔体在飞行时间质谱仪中实现质量分析。以下记Lm为离子反射器长度，U为离子反射器内电势，Um为离子反射器内最高电势，x为离子横向位移，h为最大纵向位移，R0为最大螺旋外径，m为离子的质量数，q为质谱系数。
图1为简约离子自用空间啁啾延时腔体(ion FACED，以下简称iFACED) 的架构示意图。基于FACED腔体的多重反射特性，入射离子光束从FACED腔体一段入射，由于离子反射器之间为非平行，离子光束在没一次反射后，其入射角相对下一个离子反射器的入射角将减少一个倾斜角α。如此多次反射后，离子光束的入射角将逐次递减，最终将以反向入射。离子光束将逆向逐次递增反射，从原来的一段出射FACED腔体。这样，在多重反射后，离子光束在两个离子反射器间飞行的时间(或行程)将大大增加，从而提高离子质量数的分辨率。iFACED由两个非平行的离子反射器组成，如图1所示，D为离子反射器的宽度， S为发射器之间的最短距离，α为发射器之间的倾斜角。离子反射器可为理想弹性反射和非弹性反射，其中图1为理想弹性反射。离子在iFACED腔内的飞行轨迹为之字形，入射角在每次反射后逐次递减。在减少为小于零后，入射角每次反射逐次递增，步距为倾斜角α。
离子反射器：在选择离子反射器中，我们将选用最为简单的线性电势栅式，其结构示意图和离子在其中飞行轨迹如图2。离子反射器内，电势随深度h 线性增加，即Uh＝Um·h/Lm。其对应的横向和纵向位移可以直径推导为
x＝vx·tdwell＝4LmU/Um cosθsinθ, (1)
h＝vh·tdwell/4＝LmU/Um cos2θ, (2)
其中离子在离子反射器中的停留时间为
图2为离子反射器和离子反射轨迹示意图：Lm为离子反射器长度，Um为离子反射器内最高电势，x为离子横向位移，h为最大纵向位移。共轭反射镜模型：直接通过解析求取离子光束的有效飞行距离。
图3为共轭反射镜模型的扩展图，除C0和C1为原离子反射器外，其后Ck (k>1)为之前一个离子反射器的共轭离子反射器。这样，在原iFACED腔内的之字形多重反射飞行轨迹，可以等效于一个展开的阿基米德螺旋图，螺旋的外围和内围分别为离子反射器的外端和内端，其对应递进的外径和内径可表达为
rk＝Rk-D,1≤k≤kc, (5)
其中k为共轭离子反射器的顺序，k的最大值满足临界条件kc＝θmax/α离子光束反射的次数为初入射角的整数倍的倾斜角α。最大入射角θmax通过求取虚线箭头在共轭离子反射器中的距离求取,并满足以下关系
其中R0为最大螺旋外径，
最终离子的飞行时间ttotal为
图3，阿基米德螺旋的共轭离子反射器示意图。Ck为共轭离子反射器的顺序，θmax为初入射角。Rk,rk为螺旋外围半径和内围半径。虚线箭头为离子光束在共轭离子反射器内的飞行轨迹。为体现iFACED的多重反射如何实现飞行距离的微型化，通过SIMION模拟离子光束在iFACED的飞行离散，完成质量分析。 SIMION的电极建模如图4所示，离子通过离子源生成后，经二次高压电场加速，实现二阶空间聚焦于离子探测器上。其中，二阶空间聚焦距离，可通过公式(6) 直接求取。本模拟中，倾斜角α为2.3°。其等效自由飞行距离为2.7m，相比图中的不到20cm的iFACED尺寸，让质谱仪无电场区域压缩了一个量级。
图4，SIMION模拟离子光学在iFACED腔体中的飞行轨迹。离子经二次加速后，从两个非平行的相对的离子反射器下方进去腔体内的无电场区域，经多重反射原路逆向出射，由下方的离子探测器采集探测。在以上的SIMION离子模拟中，离子的质量数范围为m＝100～600amu，步进为100amu。通过飞行时间方法，区分离子质量生成的质谱如图5。其最大分辨率可达到50000以上。
图5：SIMION模拟的iFACED飞行时间质谱仪的质谱图。下图为放大区域 m＝500amu的质谱图，离子峰能明显区分。
本发明相对其他类型微型化质谱仪有如下优势：
·相比传统的飞行时间，本发明利用空间啁啾腔体，大大缩减飞行时间质谱仪(主要为无电场区域的)体积，让其实现微型便携化。
·相比早期多重反射飞行时间质谱仪，空间啁啾腔体的角入射不需要通过开关闭合电场，而实现直接多重反射，简化电路设计。
·本设计的离子光学路径，可以通过阿基米德螺线模型的，直接计算离子飞行距离的总行程，推导离子质量数的分辨率，能直接节省工程优化过程中的离子光学模拟时间。
·离子光学啁啾腔体生产结构简单，为两个传统离子光学反射镜。其生产成本远低于其他类型的微型便携质谱仪中的质量分析器，让飞行时间质谱仪的价格在微型质谱中更具优势。
Claims (4)
1.一种微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体，其特征是：所述空间啁啾延时腔体内设有两个与地面垂直放置的离子反射器，所述离子反射器的反射面之间夹角为α，α为大于零的实数，在每个所述离子反射器上设有共轭反射镜，D为离子反射器的宽度，S为离子反射器之间的最短距离，离子在所述空间啁啾延时腔体的飞行轨迹为之字形，由于离子反射器之间为非平行，在每次反射后，入射角逐次递减，其入射角相对下一个离子反射器的入射角将减少一个所述的夹角α，在减少为小于零后，离子光束进行反向入射，离子光束入射角每次逆向逐次递增反射，入射角变化的步距为所述夹角α，在多重反射后，离子光束在两个离子反射器间飞行的时间和行程大大增加，提高离子质量数的分辨率，大大压缩飞行过程中的实际空间。
2.根据权利要求1所述的微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体，其特征是：所述离子反射器为线性电势栅式，离子反射器内，电势随深度h线性增加，即
其对应的横向和纵向位移推导为
x＝vx·tdwell＝4LmU/Um cosθsinθ,
h＝vh·tdwell/4＝LmU/Um cos2θ,
离子光束中的离子在离子反射器中的停留时间为：
其中，Lm为离子反射器长度，U为离子反射器内电势，Um为离子反射器内最高电势，x为离子横向位移，h为最大纵向位移，R0为最大螺旋外径，m为离子的质量数，q为质谱系数。
3.根据权利要求1或2所述的微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体，其特征是：所述离子光束的有效飞行时间ttotal为
其中，θmax为初始入射角。
4.根据权利要求1或2或3所述的微型化飞行时间质谱仪的空间啁啾延时腔体，其特征是：所述夹角α的范围为：0<α≤2.3°。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030071208A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-04-17 | Hansen Stuart C. | Ion mirror for time-of-flight mass spectrometer |
| CN101523548A (zh) * | 2006-10-13 | 2009-09-02 | 株式会社岛津制作所 | 多反射飞行时间质量分析器和包括该质量分析器的飞行时间质谱议 |
| US20130056627A1 (en) * | 2010-03-02 | 2013-03-07 | Leco Corporation | Open Trap Mass Spectrometer |
| CN104067372A (zh) * | 2012-01-27 | 2014-09-24 | 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 | 多反射质谱仪 |
| US20180350576A1 (en) * | 2017-06-02 | 2018-12-06 | Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh | Hybrid mass spectrometer |
-
2020
- 2020-07-31 CN CN202010763647.5A patent/CN112017941A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030071208A1 (en) * | 2001-10-12 | 2003-04-17 | Hansen Stuart C. | Ion mirror for time-of-flight mass spectrometer |
| CN101523548A (zh) * | 2006-10-13 | 2009-09-02 | 株式会社岛津制作所 | 多反射飞行时间质量分析器和包括该质量分析器的飞行时间质谱议 |
| US20130056627A1 (en) * | 2010-03-02 | 2013-03-07 | Leco Corporation | Open Trap Mass Spectrometer |
| CN104067372A (zh) * | 2012-01-27 | 2014-09-24 | 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 | 多反射质谱仪 |
| US20180350576A1 (en) * | 2017-06-02 | 2018-12-06 | Thermo Fisher Scientific (Bremen) Gmbh | Hybrid mass spectrometer |
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