CN112366129B - 一种高分辨飞行时间的质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨飞行时间的质谱仪，包括真空腔体、加速电极、第一级聚焦棱镜、X‑Y偏转装置、离子飞行管、第二级聚焦棱镜、质量选择装置、动量减速器及探测器；本发明装置通过聚焦棱镜对带电粒子进行径向聚焦，减小扩散带来的粒子损失；通过质量选择装置对带电粒子进行高精度的质量选择，筛除杂质粒子以实现高精度的质谱成像；通过动量减速器对离子或带电荷团簇在轴向减速，减小动量所造成的多普勒展宽效应。通过本发明的聚焦、筛选和减速，可以极大地提高质谱仪的探测分辨率和效率。

Description

一种高分辨飞行时间的质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，尤其是一种高分辨飞行时间的质谱仪。

背景技术

飞行时间质谱是一种被广泛使用的质谱分析技术，由于其具有灵敏度高、分辨率高、成像范围广等优点，在大气环境科学、能源科学、生命健康科学、药物化学等领域有着非常广大的应用场景。通常，飞行时间质谱仪用于分析离子或离子团簇等带电粒子，粒子源由电喷雾电离（Electrospray Ionization, ESI）、激光溅射电离（Laser Ablation andIonization, LAI）、化学电离（Chemical Ionization, CI）等方式产生后，经过一段无场飞行区，而不同质荷比的粒子具有不同的飞行速度，进而通过相同飞行路径所需要的时间不同，探测器可根据捕获粒子的时间来判断该粒子的质荷比，进而可对粒子进行定性分析。但是，现有的飞行时间质谱仪大部分不具有粒子质量筛选和粒子聚焦功能，导致质谱背景噪声过大，湮没较弱的粒子信号。并且，现有的飞行时间质谱仪为了防止粒子发散造成的粒子损失，设计的无场飞行区较短，而无法达到较高的分辨率。

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高分辨飞行时间的质谱仪。本发明采用将加速电极、第一级聚焦棱镜、X-Y偏转装置、离子飞行管、第二级聚焦棱镜、质量选择装、动量减速器及探测器彼此绝缘且依次沿轴线经连接件连接设于真空腔体内构成；本发明为带电粒子的聚焦、导引、筛选以及对产物进行质谱分析的装置，相比于传统的电子动量成像谱仪装置，本发明可高效导引带电粒子通过，实现高精度质量选择，从而实现高分辨、高精度的质谱成像。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种高分辨飞行时间的质谱仪，其特点包括真空腔体、加速电极、第一级聚焦棱镜、X-Y偏转装置、离子飞行管、第二级聚焦棱镜、质量选择装置、动量减速器及探测器；

所述真空腔体为筒状，其筒体内设有连接件、筒体的轴心设有轴线；

所述加速电极、第一级聚焦棱镜、X-Y偏转装置、离子飞行管、第二级聚焦棱镜、质量选择装置、动量减速器及探测器彼此绝缘且依次沿轴线经连接件连接设于真空腔体内；

所述加速电极由管状的管道加速电极、圆片状的环片加速电极及数片圆环片状的接地电极彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；

所述第一级聚焦棱镜与第二级聚焦棱镜相同，均由四极杆离子偏转通道和离子聚焦棱镜电极组彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；所述四极杆离子偏转通道由圆环片状的入射电极、四根柱状电极及圆环片状的出射电极彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；所述离子聚焦棱镜电极组由数件筒状的金属电极彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；

所述X-Y偏转装置由第一陶瓷管、第一对矩形板电极、第二陶瓷管及第二对矩形板电极彼此绝缘且依次沿轴线设置构成，其中，第一对矩形板电极沿轴线的两侧边对称设置、第二对矩形板电极沿轴线的上方及下方对称设置；

所述离子飞行管为柱状圆管；

所述质量选择装置由两块矩形边框的栅极板构成；栅极板的几何中心与轴线重合、平面与轴线垂直且彼此绝缘依次设置；所述栅极板的两侧分设有第一栅极电极及第二栅极电极，矩形边框内平行设置的数条金属丝，且金属丝的一端与第一栅极电极连接、另一端与第二栅极电极连接；

所述动量减速器由数片圆环片状的动量电极彼此绝缘且依次沿轴线设置，每相邻两片动量电极之间均设有电阻器。

本发明采用将加速电极、第一级聚焦棱镜、X-Y偏转装置、离子飞行管、第二级聚焦棱镜、质量选择装置、动量减速器及探测器彼此绝缘且依次沿轴线设于真空腔体内，并经连接件连接；本发明为带电粒子的聚焦、导引、筛选以及对产物进行质谱分析的装置，相比于传统的电子动量成像谱仪装置，本发明可高效导引带电粒子通过，实现高精度质量选择，从而实现高分辨、高精度的质谱成像。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明加速电极的结构示意图；

图3为本发明第一级聚焦棱镜的结构示意图；

图4为图3的A—A截面结构示意图；

图5为本发明X-Y偏转装置的结构示意图；

图6为图5的B--B截面结构示意图；

图7为图5的C--C截面结构示意图；

图8为本发明质量选择装置的结构示意图；

图9为图8的D向结构示意图；

图10为本发明动量减速器的结构示意图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括真空腔体1、加速电极2、第一级聚焦棱镜3、X-Y偏转装置4、离子飞行管5、第二级聚焦棱镜6、质量选择装置7、动量减速器8及探测器9；

所述真空腔体1为筒状，其筒体内设有连接件、筒体的轴心设有轴线；

所述加速电极2、第一级聚焦棱镜3、X-Y偏转装置4、离子飞行管5、第二级聚焦棱镜6、质量选择装置7、动量减速器8及探测器9彼此绝缘且依次沿轴线经连接件连接设于真空腔体1内。

参阅图1、图2，所述加速电极2由管状的管道加速电极21、圆片状的环片加速电极22及数片圆环片状的接地电极23彼此绝缘且依次沿轴线设置构成。

参阅图1、图3、图4，所述第一级聚焦棱镜3与第二级聚焦棱镜6相同，均由四极杆离子偏转通道31和离子聚焦棱镜电极组32彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；所述四极杆离子偏转通道31由圆环片状的入射电极311、四根柱状电极312及圆环片状的出射电极313彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；所述离子聚焦棱镜电极组32由数件筒状的金属电极321彼此绝缘且依次沿轴线设置构成。

参阅图1、图5、图6、图7，所述X-Y偏转装置4由第一陶瓷管41、第一对矩形板电极42、第二陶瓷管43及第二对矩形板电极44彼此绝缘且依次沿轴线设置构成，其中，第一对矩形板电极42沿轴线的两侧边对称设置、第二对矩形板电极44沿轴线的上方及下方对称设置。

参阅图1，所述离子飞行管,5为柱状圆管。

参阅图1、图8、图9，所述质量选择装置7由两块矩形边框的栅极板71构成；栅极板71的几何中心与轴线重合、平面与轴线垂直且彼此绝缘依次设置；所述栅极板71的两侧分设有第一栅极电极73及第二栅极电极74，矩形边框内平行设置的数条金属丝72，且金属丝72的一端与第一栅极电极73连接、另一端与第二栅极电极74连接。

参阅图1、图10，所述动量减速器8由数片圆环片状的81彼此绝缘且依次沿轴线设置，每相邻两片动量电极81之间均设有电阻器82。

本发明的配置方案如下：

本发明在最前端配有粒子束源，可供选择的方案有：电喷雾电离源（ElectrosprayIonization, ESI）、激光溅射电离源（Laser Ablation and Ionization, LAI）、化学电离源（Chemical Ionization, CI）等。

参阅图1，真空腔体1上配置有多级真空泵系统，腔体内真空环境维持在<5×10^-10mBar的状态。

参阅图1、图2，加速电极2上配置有直流线性稳压源和多通道数字延时脉冲发生器，为其上各组件提供特定时序的千伏级脉冲电压。

参阅图1、图3、图4，第一级聚焦棱镜3和第二级聚焦棱镜6均配置有千伏级直流线性稳压源和百伏级直流线性稳压源，为其上各组件提供电压。

参阅图1、图5、图6、图7，X-Y偏转装置4配置有百伏级直流线性稳压源，为其上各组件提供百伏级电压。

参阅图1、图8、图9，质量选择装置7配置有百伏级直流线性稳压源和多通道数字延时脉冲发生器，为其上第一栅极电极73和第二栅极电极74提供特定时序的百伏级脉冲电压。

参阅图1、图10，动量减速器8配置有千伏级直流线性稳压源，为其上各级动量电极81提供电压。

实施例：

本实施例粒子束源选择电喷雾电离源；

参阅图1、图2，加速电极2由管状的管道加速电极21、圆片状的环片加速电极22及一片圆环片状的接地电极23组成，其管道孔径大小关系为：管道加速电极21入口孔径为6mm，出口孔径为10 mm，圆片状的环片加速电极22孔径为14 mm，圆环片状的接地电极23孔径为21 mm。

电压设置：管道加速电极21为-1000V，圆片状的环片加速电极22为-871V，圆环片状的接地电极23为0V。

参阅图1、图3、图4，第一级聚焦棱镜3和第二级聚焦棱镜6相同，均由四极杆离子偏转通道31和离子聚焦棱镜电极组32组成，其中离子聚焦电极组32由6件筒状的金属电极321组成。

聚焦棱镜组电压设置：四极杆离子偏转通道31中的圆环片状的入射电极311、出射电极313均为0V，四根柱状电极312均为10V，离子聚焦棱镜电极组中6件筒状的金属电极321分社为六级，其第一级电极为0V、第二级电极为1850V、第三级电极为0V、第四级电极为0V、第五级电极为1850V及第六级电极为0V。

参阅图1、图5、图6、图7，X-Y偏转电极4电压设置：第一对矩形板电极42为-10V，第二对矩形板电极44为-10V。

参阅图1、图8、图9，质量选择装置7的金属丝72选用20微米的钨丝，两片栅极板71上均固定有62条钨丝；

其中，第一片栅极板71电压设置：第一栅极电极73为-160V，第二栅极电极74为0V；

第二片栅极板71电压设置：第一栅极电极73为160V，第二栅极电极74为0V。

参阅图1、图10，动量减速器装置8由21片圆环片状动量电极81和20只电阻器82组成，圆环片状动量电极81电压设置：第一级圆环片状的动量电极为0V，最后一级圆环片状的动量电极为-1000V，相邻两片电极电势差为50V。

本发明工作过程如下：

a)、粒子束由电喷雾电离源产生，形成初始散射角较大的带电粒子团簇喷雾；

b)、生成的带电粒子中，前进方向在轴线附近的带电粒子束经由加速电极2加速，提升动量；加速电极2与电喷雾电离源产生带电粒子的速率相匹配，施加脉冲加速电场；

c)、被加速后的带电粒子束经由第一级聚焦棱镜3和X-Y偏转装置4，并被第一级聚焦棱镜3和X-Y偏转装置4的电场压缩发散角，汇聚在真空腔体1的轴线位置，形成准直性较好的带电粒子束；

d)、随后，带电粒子束进入离子飞行管5，此段为无场飞行区域，带电粒子束自由飞行演化。不同质荷比的带电粒子在加速时获得了不同的速度，则在轴线上分化成多个粒子波包，进而不同粒子波包到达离子飞行管5末端的时间不同，达到了区分不同质荷比粒子的目的；

e)、带电粒子波包经由第二级聚焦棱镜6，再一次被电场聚焦；

f)、带电粒子沿轴线飞行经过质量选择装置7，质量选择装置7施加脉冲电压，当满足质荷比需求的粒子到达时，电压为0，而不满足需求的粒子通过时，一片栅极板71上的第一栅极电极73、第二栅极电极74施加负电势，另一片栅极板71上的第一栅极电极73、第二栅极电极74施加正电势，使得两片栅极板71上金属丝72间形成正负电压势场，导致带电粒子发生偏移筛除掉。由此可以对带电粒子进行进一步更为精确的质量选择；

g)、经由质量选择装置7筛选后的带电粒子束在前部分加速电压的影响下具有非常高的动能，造成的多普勒展宽效应对质谱影响较大，需对其进行动量减速。带电粒子束随后经由动量减速器8，其上设置有与加速电极2相同的电势，可对将要通过的带电粒子进行减速；

h)、最终，带电粒子束击中探测器9，形成探测信号；探测器9选用滨松（HamamatsuPhotonics）的多层微通道板（Microchannel Plate，MCP）和光电探测器，对不同时刻到达多层微通道板的带电粒子依次采集成像；

i)、带电粒子束经过多级聚焦、导引、筛选、减速后被探测器9捕获，形成飞行时间信号。本发明装置的粒子通过率可达90%以上，尺寸选择可达1 amu，最终质谱分辨率可达到

700。

以上是对本发明的较佳实施方案进行了具体说明。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 (1)

1.一种高分辨飞行时间的质谱仪，其特征在于，它包括真空腔体（1）、加速电极（2）、第一级聚焦棱镜（3）、X-Y偏转装置（4）、离子飞行管（5）、第二级聚焦棱镜（6）、质量选择装置（7）、动量减速器（8）及探测器（9）；

所述真空腔体（1）为筒状，其筒体内设有连接件、筒体的轴心设有轴线；

所述加速电极（2）、第一级聚焦棱镜（3）、X-Y偏转装置（4）、离子飞行管（5）、第二级聚焦棱镜（6）、质量选择装置（7）、动量减速器（8）及探测器（9）彼此绝缘且依次沿轴线经连接件连接设于真空腔体（1）内；

所述加速电极（2）由管状的管道加速电极（21）、圆片状的环片加速电极（22）及数片圆环片状的接地电极（23）彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；

所述第一级聚焦棱镜（3）与第二级聚焦棱镜（6）相同，均由四极杆离子偏转通道（31）和离子聚焦棱镜电极组（32）彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；所述四极杆离子偏转通道（31）由圆环片状的入射电极（311）、四根柱状电极（312）及圆环片状的出射电极（313）彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；所述离子聚焦棱镜电极组（32）由数件筒状的金属电极（321）彼此绝缘且依次沿轴线设置构成；

所述X-Y偏转装置（4）由第一陶瓷管（41）、第一对矩形板电极（42）、第二陶瓷管（43）及第二对矩形板电极（44）彼此绝缘且依次沿轴线设置构成，其中，第一对矩形板电极（42）沿轴线的两侧边对称设置、第二对矩形板电极（44）沿轴线的上方及下方对称设置；

所述离子飞行管（5）为柱状圆管；

所述质量选择装置（7）由两块矩形边框的栅极板（71）构成；栅极板（71）的几何中心与轴线重合、平面与轴线垂直且彼此绝缘依次设置；所述栅极板（71）的两侧分设有第一栅极电极（73）及第二栅极电极（74），矩形边框内平行设置的数条金属丝（72），且金属丝（72）的一端与第一栅极电极（73）连接、另一端与第二栅极电极（74）连接；

所述动量减速器（8）由数片圆环片状的动量电极（81）彼此绝缘且依次沿轴线设置，每相邻两片动量电极（81）之间均设有电阻器（82）。

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