CN112185797B - 一种常压高温离子冷却聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种常压高温离子冷却聚焦装置，包括：垂直于离子传输方向上由一系列环金属构成的电极阵列，为电极阵列单元提供直流、交流电压的供电装置及连接装置，用于固定电极阵列的耐高温绝缘支架，用于固定电极阵列及供电装置的金属框架。与现有技术相比，本发明结合叠环离子聚焦以及离子冷却传输的优势，能够为大气压离子源质谱提供离子引入前的高效率离子传输聚焦，降低真空接口处的离子损失，同时还可以为诸如感应耦合等离子体离子源等高温离子源气流提供降温作用。

Description

一种常压高温离子冷却聚焦装置

技术领域

本发明涉及质谱仪技术领域，尤其是涉及一种常压高温离子冷却聚焦装置。

背景技术

质谱仪可以用于确定样品化合物的分子量，通过质谱分析样品通常包括三个主要步骤：由离子源从样品中形成气相离子，在质量分析器对离子进行质量分析，根据离子质量将离子彼此分离并最终由检测器检测。质谱领域中存在多种手法和方法来实现上述三种功能。根据不同的实际应用，可采用不同的离子源、质量分析器和检测器，给定质谱仪器中使用的方法确定仪器的特性。离子从离子源产生到最终由检测器检测会经历一系列的离子传输过程，期间会产生大量的离子损失造成检测灵敏度的下降，尤其当离子源、质量分析器和检测器工作所需的真空条件不同时，损失将更加明显。目前应用最为广泛的几种离子源包括激光解析电离源、电喷雾离子源、电感耦合等离子体离子源，其中除了激光解析电离源外均工作在大气压或较低真空情况下。而常用的质谱检测器包括微通道板及电子倍增管等一般需要工作在高真空环境下。由此产生的不同真空条件对离子在不同真空中的传输提出了较高要求。以复杂生物样品分析中常用的液相色谱质谱联用技术为例，所采用的离子源多为电喷雾离子源，产生的离子呈96°的锥型发散，离子源与质量分析器之间的传输过程将造成超过90％的离子损失。类似的，同位素组成分析中常用的离子源多为电感耦合等离子体离子源，其在常温下产生的高温离子流对离子的聚焦和冷却提出了更高的要求。

为了应对质谱仪离子传输过程中的大量损失以及中性离子所带来的干扰，多数质谱仪器都引入了离子聚焦与传输装置以提高检测灵敏度。近年来应用最为广泛的离子传输装置为多极杆离子传输导向系统以及“离子漏斗”系统，而商品化的多极杆离子传输系统以及“离子漏斗”系统是为在低真空条件下聚焦离子，提升离子从低真空到高真空界面的传输效率而设计，并不适用于大气压条件，且无法实现提高离子从大气压到低真空接口处的传输效率的同时对离子起到冷却聚焦作用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种常压高温离子冷却聚焦装置，该装置能够有效提高离子从常压离子源到低真空接口处的传输效率，协助质谱提高检测灵敏度和检测效率，因考虑到电感耦合等离子体离子源的高温工作环境，在提高离子从大气压到低真空接口处的传输效率的同时，能够对离子起到冷却聚焦的作用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种常压高温离子冷却聚焦装置，具体包括：

垂直于离子传输方向上两组串联的环金属电极阵列，其中，第一环金属电极阵列包括两片及以上内径相同的环金属电极，第二环金属电极阵列包括内径不断变化的两片及以上环金属电极；

供电装置，所述供电装置为第一环金属电极阵列和第二环金属电极阵列供电，沿离子传输方向每片环金属电极上施加依次递增或递减的直流电压提供离子水平动能控制，同时，每片环电极上还施加射频电压，相邻电极间射频电压相反；

连接装置，包括用于固定环金属电极阵列的耐高温绝缘支架以及用于固定环金属电极阵列及供电装置的金属框架。

所述环金属电极的外部垂直方向有带状突出结构，用于固定环金属电极，并为供电装置提供连接。

进一步地，所述供电装置包括使用电阻分压的直流供电组及采用电容隔绝直流的交流供电组。所述的直流供电组及交流供电组采用电阻焊方式熔接在环金属电极上。

进一步地，所述直流电压范围为：-800～+800V。所述交流电压范围为：-2000～+2000V。频率范围为：1KHz～10MHz。

进一步地，两组环金属电极阵列的电极材料为耐高温金属或合金：钨、钼、钛、高温不锈钢等。

进一步地，所述环金属电极的固定支架材料为耐高温绝缘：陶瓷、耐热聚合物等。

进一步地，所述环金属电极外部垂直方向有四个带状突出结构。

进一步地，所述环金属电极的内径尺寸范围为：0.2～10cm。

进一步地，所述环金属电极的厚度尺寸范围为：0.1～1cm。

进一步地，所述环金属电极的内外径之差尺寸范围为：0.1～1cm。

进一步地，所述环金属电极的极片间隔尺寸范围为：0.1～1cm。

进一步地，所述环金属电极仅通过耐高温绝缘支架固定，电极与电极之间根据密封需求添加耐热绝缘垫片。

进一步地，所述第二环金属电极阵列内径变化规律遵循线性、抛物线或双曲线规律。

在实际操作时，沿离子传输方向每块极片上根据离子源的不同施加不同梯度直流电压，起离子水平动能控制的作用，同时相邻两环金属电极间施加方向相反的射频电压，在直流和交流两组电压的协同作用下离子得到冷却及聚焦。

本发明提供的常压高温离子冷却聚焦装置，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)传统的“离子漏斗”系统是为在低真空条件下聚焦离子，提升离子从低真空到高真空界面的传输效率而设计，并不适用于大气压条件，且无法实现提高离子从大气压到低真空接口处的传输效率的同时对离子起到冷却聚焦作用，本发明装置考虑到电感耦合等离子体离子源的高温工作环境，通过沿离子传输方向为每片环金属电极上施加依次递增或递减的直流电压，为两组环金属电极阵列提供离子水平动能控制，同时为相邻环金属电极上施加相反的交流射频电压，使得离子在直流与交流射频电压的协同作用下快速达到冷却及聚焦，能够有效提高离子从常压离子源到低真空接口处的传输效率，协助质谱提高检测灵敏度和检测效率。

2)本发明使用的材料及安装方式均可满足其在常压高温条件下工作，具有更广泛的使用场景和产业上的利用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中常压高温离子冷却聚焦装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中环金属电极阵列的正视排列图；

图3为本发明实施例中常压高温离子冷却聚焦装置的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例中沿离子传输方向上环金属电极的结构示意图；

图5为本发明实施例中沿离子传输方向上沿离子传输方向上最后一片环金属电极的结构示意图；

图6为本发明实施例中常压高温离子冷却聚焦装置在环金属电极间全部采用耐高温绝缘垫片的结构示意图；

图7为本发明实施例中环金属电极供电连接方式示意图；

图中标号所示：

1、环金属电极阵列，11、环金属电极，111、环金属，112、金属带状突出结构，2、供电装置，3、连接装置，31、耐高温绝缘支架，32、金属框架，4、耐高温绝缘垫片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种常压高温离子冷却聚焦装置，该装置包括第一环金属电极阵列、第二环金属电极阵列、供电装置2和连接装置3。

第一环金属电极阵列与第二环金属电极阵列串联，二者垂直于离子传输方向上设置，其中，第一环金属电极阵列包括两片及以上内径相同的环金属电极，环金属电极内径尺寸范围为：0.2～10cm，各个环金属电极极片间隔尺寸范围为：0.1～1cm。第二环金属电极阵列包括内径不断变化的两片及以上环金属电极，环金属电极内径变化规律遵循线性、抛物线或双曲线规律，环金属电极内径尺寸范围为：0.2～10cm，各个环金属电极极片间隔尺寸范围为：0.1～1cm。

在本实施例中，作为优选方案，二组环金属电极阵列的材料可采用耐高温金属或合金，如钨、钼、钛、高温不锈钢等。两组环金属电极阵列的各个环金属电极之间根据密封需求添加有耐高温绝缘垫片。

供电装置2为第一环金属电极阵列和第二环金属电极阵列供电。供电装置包括使用电阻分压的直流供电组及采用电容隔绝直流的交流供电组。具体地，供电装置2沿离子传输方向为每片环金属电极上施加依次递增或递减的直流电压，以为两组环金属电极阵列提供离子水平动能控制。同时，供电装置2还为每片环金属电极上施加交流射频电压，且相邻环金属电极之间的交流射频电压相反。

在本实施例中，作为优选方案，供电装置2采用电阻焊方式熔接在各个环金属电极上。施加的直流电压范围为：-800～+800V。施加的交流射频电压范围为：-2000～+2000V，频率范围为：1KHz～10MHz。

连接装置3包括耐高温绝缘支架31和金属框架32。两个金属框架32设于两组环金属电极阵列及供电装置的两端。金属框架32为两组环金属电极阵列及供电装置提供框架支撑结构，以保证结构稳定性，使之可以固定在所需使用的质谱仪器之中。耐高温绝缘支架31设于两个金属框架32之间，其结构与环金属电极11上的金属带状突出结构112相匹配，通过配合达到固定环金属电极11的作用。作为优选方案，耐高温绝缘支架31设有与金属带状突出结构112的位置、结构相匹配的凹槽。耐高温绝缘支架31的材料可采用陶瓷、耐热聚合物等。

在本实施例中，如图1～图6所示，第一环金属电极阵列由18片内径不变的环金属电极11构成，第二组环金属电极阵列由22片内径线性递减的环金属电极构成。每片环金属电极11由环金属111和金属带状突出结构112组成，金属带状突出结构112从环金属111外端垂直突出，用于固定环金属电极11，并为供电装置2提供连接。在本实施例中，四个金属带状突出结构112分别在环金属111外端上、下、左、右垂直突出，四个金属带状突出结构112呈十字状，相对应地，耐高温绝缘支架31为四组，与环金属电极11上的四个金属带状突出结构112配合达到固定环金属电极11的作用。此处设计为带状突出的目的：因相邻的环金属电极11之间需要施加射频电压，则两个相距很近的平行金属板之间将形成平行金属板电容器增加负载电容，使得射频电压供电电源所需提供的功率上升。使用带状突出结构可有效减少环金属电极11之间的电容值，有利于后续供电。

如图3所示，在本实施例中，共计40片环金属电极构成环电极阵列，沿离子传输方向，前18片环金属电极组成内径不变的环电极阵列1，后22片环金属电极组成内径线性减小的环电极阵列2，所采用的环金属电极材料为高温不锈钢具体型号为06Cr25Ni20，此40片环金属电极的厚度为0.5mm，具体内径尺寸见表1。

表1 40片环金属电极内径尺寸

为确保本发明装置可使用在高温条件下，供电装置使用电阻焊方式熔接在环金属电极的金属带状突出结构上并采用不锈钢丝连接电源。本实施例中，交流射频电压幅值为800V，频率为700kHz。

本实施例中，根据仪器真空以及局部温度情况，可以适量添加耐高温绝缘垫片4以增加密封效果。具体增加方法请参阅图6。

采用本发明装置的具体工作方法为：

在离子沿离子传输方向，对每片环金属电极上施加稳定的直流电压，起到离子水平动能控制的作用；同时，每片电极上还施加交流射频电压，且相邻极片间射频相反；离子在直流与交流射频电压的协同作用下得到冷却，并达到聚焦的目的。

本发明的常压高温离子冷却聚焦装置，能够有效提高离子从常压离子源到低真空接口处的传输效率，协助质谱提高检测灵敏度和检测效率。特别的其在设计时考虑到电感耦合等离子体离子源的高温工作环境，所使用的材料及安装方式均可满足其在常压高温条件下工作。同时有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种常压高温离子冷却聚焦装置，其特征在于，包括垂直于离子传输方向上的两组串联的环金属电极阵列，用以为两组串联的环金属电极阵列供电的供电装置以及用以固定两组串联的环金属电极阵列及供电装置的连接装置，各组环金属电极阵列分别设有多个环金属电极，所述供电装置沿离子传输方向为每片环金属电极施加依次递增或递减的直流电压，同时，所述供电装置为相邻环金属电极施加相反的交流射频电压；两组串联的环金属电极阵列中，第一环金属电极阵列包括至少两片内径相同的环金属电极，第二环金属电极阵列包括至少两片内径不断变化的环金属电极；所述供电装置采用电阻焊方式熔接在各个环金属电极上；两组环金属电极阵列的各个环金属电极之间设有耐高温绝缘垫片；所述连接装置包括用以为两组环金属电极阵列及供电装置提供框架的金属框架，以及用以固定两组环金属电极阵列的环金属电极的耐高温绝缘支架；所述供电装置施加的直流电压范围为-800～+800V，施加的交流射频电压范围为-2000～+2000V，频率范围为1KHz～10MHz。

2.根据权利要求1所述的常压高温离子冷却聚焦装置，其特征在于，所述第二环金属电极阵列的环金属电极内径的变化规律遵循线性、抛物线或双曲线规律。

3.根据权利要求1所述的常压高温离子冷却聚焦装置，其特征在于，所述环金属电极包括环金属和用以将环金属连接至供电装置上的金属带状突出结构，所述耐高温绝缘支架上设有与金属带状突出结构的位置、结构相匹配的安装结构。

4.根据权利要求1所述的常压高温离子冷却聚焦装置，其特征在于，各组环金属电极阵列的环金属电极采用耐高温金属或合金材料。

5.根据权利要求1所述的常压高温离子冷却聚焦装置，其特征在于，各组环金属电极阵列的各个环金属电极的内径尺寸范围为0.2～10cm，内、外径之差尺寸范围为0.1～1cm，相邻环金属电极的间隔尺寸范围为0.1～1cm。

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