CN112420481B - 质谱仪器及其离子透镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质谱仪器及其离子透镜装置，该离子透镜装置具有离子入口端和离子出口端，包括：多个电极片，所述电极片的中部开设有通孔，多个所述电极片由所述离子入口端至离子出口端依次平行排布且由所述离子入口端至离子出口端依次为第一电极片、第二电极片……第N电极片，多个所述电极片的通孔相对，至少一个所述电极片的电压可改变；多个绝缘连接件，所述绝缘连接件的两端分别与相邻的两个所述电极片固定连接；第一过滤器，所述第一过滤器固定在所述离子入口端处，且所述第一过滤器的过滤孔与多个所述电极片的通孔相对。该离子透镜装置适用于不同初始平动能的离子的成像。

Description

质谱仪器及其离子透镜装置

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，更具体地说，涉及一种质谱仪器及其离子透镜装置。

背景技术

在当前的各种科学研究实验以及各检测机构的检测中，飞行时间质谱是一种非常普遍、可靠并且行之有效的技术手段。离子透镜作为质谱仪器的关键组件，其平行板原理及离子的时间分辨将直接影响到质谱仪器的分辨能力。

几十年来，飞行时间质谱技术的快速发展，特别是基于飞行时间质谱的离子速度成像也得到了极大的应用，为研究分子动力学提供了很好的技术手段。对于成像技术也有了新的要求，即不同的分子离子解离所释放的平动能大小区别很大，这就需要不同成像探测方式。三维与二维的成像模式的离子透镜装置由于为这两个方面提供了完美的解决方案，而越来越受到人们的关注和研究。

离子透镜装置的基本作用可以简述如下，在UV(Ultraviolet Rays，紫外线)或者VUV(Vacuum UV，真空紫外线)与气体分子束相互作用时，当光子能足够高时，分子会发生电离；在分子离子内能能够克服键能时，会发生解离反应。在电离区产生的解离碎片离子在离子透镜电场作用下，会加速向飞行管8末端飞行，具有相同初始平动能地离子会投影到同一空间位置，因此可以很好的探测解离产物的平动能。由于解离行为可分为平行解离和垂直解离，在解离的反应中与光场矢量成一定关系，通过对获得的途径进行后续处理可以获得各项异性参数。基于以上信息，我们可以用于研究分子离子解离动力学。

所以为了有效的利用具有不同初始平动能的离子，我们迫切的需要具有普适性的离子速度成像实验装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种离子透镜装置，该离子透镜装置适用于不同初始平动能的离子的成像，本发明的第二个目的是提供一种包括上述离子透镜装置的质谱仪器。

为了达到上述第一个目的，本发明提供如下技术方案：

一种离子透镜装置，该离子透镜装置具有离子入口端和离子出口端，包括：

多个电极片，所述电极片的中部开设有通孔，多个所述电极片由所述离子入口端至离子出口端依次平行排布且由所述离子入口端至离子出口端依次为第一电极片、第二电极片……第N电极片，多个所述电极片的通孔相对，至少一个所述电极片的电压可改变；

多个绝缘连接件，所述绝缘连接件的两端分别与相邻的两个所述电极片固定连接；

第一过滤器，所述第一过滤器固定在所述离子入口端处，且所述第一过滤器的过滤孔与多个所述电极片的通孔相对。

优选地，上述离子透镜装置中，还包括过滤器支架，所述过滤器支架、第一过滤器和所述第一电极片通过螺纹件固定连接。

优选地，上述离子透镜装置中，所述绝缘连接件为陶瓷屏蔽筒；

所述陶瓷屏蔽筒和所述电极片中的一个上设置有限位槽，且所述陶瓷屏蔽筒和所述电极片中的另一个上设置有与所述限位槽配合的限位凸起。

优选地，上述离子透镜装置中，还包括沿周向分布的多个丝杆，所述丝杆依次穿过多个所述绝缘连接件且与多个所述绝缘连接件螺纹连接。

优选地，上述离子透镜装置中，还包括第二过滤器，所述第二过滤器的过滤孔与多个所述电极片的通孔相对；

所述第二过滤器与所述第二电极片通过螺纹件固定连接。

优选地，上述离子透镜装置中，还包括设置于所述第二电极片和第二过滤器之间的压板。

优选地，上述离子透镜装置中，多个所述电极片包括多组电极片，多组电极片由所述离子入口端至离子出口端依次排布；

多组电极片的数量为五组，且五组电极片的通孔孔径依次为8-12mm、 18-22mm、23-27mm、28-32mm和33-37mm。

优选地，上述离子透镜装置中，电压可改变的多个电极片与电源之间连接有电阻分压箱。

优选地，上述离子透镜装置中，所述电极片的数量为27个，且除第二电极片、第三电极片、第四电极片、第九电极片、第十电极片和第二十七电极片外，其余的所述电极片与电源之间连接有电阻分压箱。

一种质谱仪器，包括如上述中任一项所述的离子透镜装置。

应用上述实施例提供的离子透镜装置时，由于至少一个电极片的电压可改变，如此可以通过改变电极片的电压，进而改变离子通过该电极片时的飞行速度。对于不同初始平动能的离子也可以聚焦在探测器上同一个位置，同时飞行时间的质谱也能实现很高的分辨。这样就同时实现了很好的时间和空间位置分辨。

为了达到上述第二个目的，本发明还提供了一种质谱仪器，该质谱仪器包括上述任一种离子透镜装置。由于上述的离子透镜装置具有上述技术效果，具有该离子透镜装置的质谱仪器也应具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的离子透镜装置的剖视图；

图2为本发明实施例提供的多个电极片电压的示意图；

图3为本发明实施例提供的过滤器支架的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电极片的主视图；

图5为本发明实施例提供的电极片剖视图；

图6为本发明实施例提供的第二电极片剖视图；

图7为本发明实施例提供的陶瓷屏蔽筒的结构示意图。

在图1-7中：

1-过滤器支架、1a-第一连接法兰、1b-第二连接法兰、2-第一过滤器、3- 电极片、3a-第一电极片、3b-第二电极片、3c-通孔、3d-第一丝杆孔、3e-屏蔽环、4-陶瓷屏蔽筒、4a-限位槽、4b-第二丝杆孔、5-第二过滤器、6-丝杆、7- 飞行管底座、8-飞行管。

具体实施方式

本发明的第一个目的在于提供一种离子透镜装置，该离子透镜装置适用于不同初始平动能的离子的成像，本发明的第二个目的是提供一种包括上述离子透镜装置的质谱仪器。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1-图6，本发明提供了一种离子透镜装置，其主要用于离子速度聚焦成像。该离子透镜装置具有离子入口端和离子出口端，离子从离子入口端进入该离子透镜装置，并从离子出口端离开。

上述离子透镜装置包括第一过滤器2、多个电极片3和多个绝缘连接件。其中，电极片3的中部开设有通孔3c，即多个电极片3的中部均开设有供离子穿过的通孔3c。上述通孔3c可以为圆孔、方孔等任意形状，优选为圆孔，在此不作限定。多个电极片3的通孔3c相对，以便于离子依次穿过多个电极片3的通孔3c。优选地，多个电极片3的通孔3c的中心线重合。

多个电极片3由离子入口端至离子出口端依次平行排布。即多个电极片3 相互平行设置，相邻的两个电极片3之间具有间隙。多个电极片3由离子入口端至离子出口端依排布。并且，多个电极片3由离子入口端至离子出口端依次为第一电极片3a、第二电极片3b……第N电极片。

至少一个电极片3的电压可改变。如此至少一个电极片3的电压值可以调节，根据实际需求可以调高也可以调低。

绝缘连接件的两端分别与相邻的两个电极片3固定连接。即绝缘连接件位于相邻的两个电极片3之间，绝缘连接件沿由离子入口端至离子出口端的方向的两端分别与相邻的两个电极片3固定连接，换言之，绝缘连接件靠近离子入口端的端部和远离离子入口端的端部分别与相邻的两个电极片3固定连接。如此多个电极片3之间通过绝缘连接件固定连接。

第一过滤器2固定在离子入口端处，且第一过滤器2的过滤孔与多个电极片3的通孔3c相对。第一过滤器2位于多个电极片3的上游。优选地，第一过滤器2的过滤孔的中心线与电极片3通孔3c的中心线重合设置。第一过滤器2的过滤孔可以为圆孔、方孔等任意形状，优选为圆孔。第一过滤器2 可以有效过滤偏向的离子。

应用上述实施例提供的离子透镜装置时，由于至少一个电极片3的电压可改变，如此可以通过改变电极片3的电压，进而改变离子通过该电极片3时的飞行速度。对于不同初始平动能的离子也可以聚焦在探测器上同一个位置，同时飞行时间的质谱也能实现很高的分辨。这样就同时实现了很好的时间和空间位置分辨。

应用上述离子透镜装置时，利用多光子电离的方法可以有效的产生碎片离子的速度映射图像，在电离区域内所产生的分子离子在具有足够内能的情况下可以发生解离反应，由解离产生的碎片离子在离子透镜聚焦场的作用下，具有初始平动能的离子可以聚焦在探测器上同一个位置，同时飞行时间的质谱也能实现很高的分辨，同时实现了很好的时间和空间位置分辨。

如图4和图5所示，电极片3的一侧固定设置有屏蔽环3e，屏蔽环3e也可以为不锈钢材质，利用屏蔽环3e可以有效的抑制电场对离子飞行路径的电场渗透所造成的电场畸变，从而很好地避免了对于离子运动的干扰。屏蔽环3e的外边缘可以焊接电阻和导线，用于对电极片3施加电场。

在一具体实施例中，该离子透镜装置还包括过滤器支架1，过滤器支架1、第一过滤器2和第一电极片3a通过螺纹件固定连接。即过滤器支架1、第一过滤器2和第一电极片3a上均开设有固定孔，螺纹件穿过过滤器支架1、第一过滤器2和第一电极片3a的固定孔以实现过滤器支架1、第一过滤器2和第一电极片3a的固定连接。螺纹件可以为螺钉或者螺栓，在此不作限定。需要说明的是，连接过滤器支架1、第一过滤器2和第一电极片3a的螺纹件的数量可以为三个、四个或更多个，优选为四个。

本发明提供的离子透镜装置的各个组件都直接或间接固定于支架法兰上，再通过支架法兰与质谱仪器腔体相连。该离子透镜装置整体位于质谱仪器腔体内。

具体地，过滤器支架1直接与支架法兰通过螺纹件固定连接，支架法兰上可以有多个螺孔，一方面用于固定，另一方面用于细微调节离子透镜装置的位置。即通过将螺纹件与不同的螺孔连接，以实现离子透镜装置的位置调节。

如图3所示，过滤器支架1包括第一连接法兰1a和第二连接法兰1b，其中第一连接法兰1a用于与支架法兰固定连接，第二连接法兰1b用于与第一过滤器2和第一电极片3a固定连接。过滤器支架1可以采用不锈钢材料制成，有一定的机械强度并可以将第一过滤器2与接地的离子透镜支架法兰连接。

另外，绝缘连接件为陶瓷屏蔽筒4，以保证相邻两个电极片3之间的绝缘。

为了防止电极片3错位，陶瓷屏蔽筒4和电极片3中的一个上设置有限位槽 4a，且陶瓷屏蔽筒4和电极片3中的另一个上设置有限位凸起，限位凸起与限位槽4a凹凸配合。优选地，陶瓷屏蔽筒4上设置限位槽4a，电极片3上设置限位凸起。

另一实施例中，该离子透镜装置还包括多个丝杆6，多个丝杆6沿周向分布。具体地，多个丝杆6沿电极片3的周向分布。丝杆6的长度方向沿着由离子入口端至离子出口端的方向延伸。丝杆6依次穿过多个绝缘连接件且与多个绝缘连接件螺纹连接，如此实现了利用丝杆6将多个绝缘连接件固定连接，同时将多个电极片3分别固定在多个绝缘连接件之间。或者，丝杆6依次穿过多个绝缘连接件和多个电极片3，以使多个绝缘连接件和多个电极片3相对固定。电极片3上开设有第一丝杆孔3d，绝缘连接件上开设有第二丝杆孔4b。

丝杆6可以以串联的方式连接外接导线通过接入稳压直流电源或直接伏地的方式来消除丝杆6对离子飞行轨迹的影响。

丝杆6的两端设置螺母，以紧固多个绝缘连接件和多个电极片3。

本实施例中，离子透镜装置还包括第二过滤器5，第二过滤器5的过滤孔与多个电极片3的通孔3c相对。第二过滤器5位于第一过滤器2和多个电极片3之间，离子依次穿过第一过滤器2、第二过滤器5和多个电极片3。优选地，第二过滤器5的过滤孔的中心线与电极片3通孔3c的中心线重合设置。第二过滤器5的过滤孔可以为圆孔、方孔等任意形状，优选为圆孔。

第二过滤器5可以与第二电极片3b通过螺纹件固定连接。即第二过滤器5 和第二电极片3b上均开设有固定孔，螺纹件穿过第二过滤器5可以与第二电极片3b的固定孔以实现第二过滤器5和第二电极片3b的固定连接。螺纹件可以为螺钉或者螺栓，在此不作限定。需要说明的是，连接第二过滤器5和第二电极片3b的螺纹件的数量可以为三个、四个或更多个，优选为四个。

进一步地，上述实施例中还包括设置于第二电极片3b和第二过滤器5之间的压板。第二电极片3b上设置有凹槽，压板上设置凸起，凸起与凹槽凹凸配合，实现压板与第二电极片3b的相对限位。该实施例中，螺纹件依次穿过第二电极片3b、压板和第二过滤器5，更便于第二过滤器5的固定。

第一过滤器2和第二过滤器5的过滤孔可以均为圆孔，且第一过滤器2 和第二过滤器5的过滤孔孔径为1mm，以实现对真空绝热膨胀条件下的气体起到很好的准直作用，有效的抑制了气体扩散过程中碰撞对分子冷却的影响。另外第一过滤器2和第二过滤器5在水平方向上呈一定距离d，最大化减少溢流束的影响。

该离子透镜装置的离子出口端固定连接有飞行管8，飞行管8可以通过飞行管底座7固定。飞行管底座7可以通过螺钉与最后一片电极片进行固定，飞行管底座7侧面有螺孔用于锁紧飞行管8，底面有插孔，用于丝杆6的固定。飞行管8可以为不锈钢材质，在此不作限定。飞行管8可以通过焊接的接线的方式连接高压直流电源。电极片3可以通过焊接的接线的方式连接高压直流电源或电阻分压箱。飞行管8通过螺钉与飞行管底座7导通，通过飞行管底座7的引出电极插头以接线的方式由外接电源加以合适的稳压直流电，可以抑制离子传输过程的发散，提高离子的传输效率。

第一过滤器2接地，第一过滤器2和第二过滤器5之间可以产生电位差。气体由束源腔经第一过滤器2注入后可以在强差分真空压差的作用下形成真空绝热膨胀，产生分子束，实现待测物的分子内能的冷却，在电离区发生解离反应，离子透镜的电场压差实现带电粒子的传输。第一过滤器2和第二过滤器5可以均为喇叭状，其直径较小的一端设置过滤孔。

如图2所示，多个电极片3包括多组电极片，多组电极片由离子入口端至离子出口端依次排布。同组电极片的通孔3c尺寸相同。多组电极片的数量为五组，且五组电极片的通孔3c孔径依次为8-12mm、18-22mm、23-27mm、 28-32mm和33-37mm。优选地，五组电极片的通孔3c孔径依次为10mm、 20mm、25mm、30mm和35mm。

五组电极片由离子入口端至离子出口端依次为第一组电极片、第二组电极片、第三组电极片、第四组电极片和第五组电极片。

具体地，电极片3的数量为27个。其中，第一电极片3a位于五组电极片的上游。第一电极片3a的通孔3c孔径为25mm。第一组电极片包括第二电极片3b 和第三电极片，且第一组电极片的通孔3c孔径为10mm。第二组电极片包括第四电极片、第五电极片和第六电极片，且第二组电极片的通孔3c孔径为20mm。第三组电极片包括第七电极片、第八电极片和第九电极片，且第三组电极片的通孔3c孔径为25mm。第四组电极片包括第十电极片、第十一电极片、第十二电极片、第十三电极片、第十四电极片和第十五电极片，且第三组电极片的通孔3c孔径为30mm。第五组电极片包括第十六电极片至第二十七电极片，且第五组电极片的通孔3c孔径为35mm。

上述实施例中，第三电极片与第四电极片之间的间隙为10-14mm。第四电极片至第二十七电极片之间，相邻的两个电极片之间的间隙为5-7mm。优选地，第三电极片与第四电极片之间的间隙为12mm。第四电极片至第二十七电极片之间，相邻的两个电极片之间的间隙为6mm。

当然，多个电极片的通孔孔径以及相邻两个电极片之间的间隙还可以根据实际情况自行设定，在此不作限定。

具体实施例中，电压可改变的多个电极片与电源之间连接有电阻分压箱。电阻分压箱内设置有精密电阻，通过调节电阻分压箱内的电阻值，进而实现改变多个电极片的电压。采用的外接电阻分压箱，结构简单，设计精巧。

当然，也可以通过直流电源进行调节并通过稳压电源电流输出进行监控，具有可操控性，以改变电极片电压，满足不同电场的需求。

进一步地，电极片的数量为27个，且除第二电极片3b、第三电极片、第四电极片、第九电极片、第十电极片和第二十七电极片外，其余的电极片与电源之间连接有电阻分压箱。如此通过改变总电源电压与电极片之间的精密电阻可以实现不同电极片间的电压配比，通电后离子在静电场的作用下，实现空间和时间聚焦，提高离子的收集效率，最终能够同时实现三维与二维成像任意切换。

当然，电极片的数量还可以为其它数目，与电阻分压箱连接的电极片也可以根据实际情况自行设定。

其中，第二电极片3b引出导线采用直接与直流稳压电源相连接的方式，第二十七电极片通过电阻后直接接地。

离子透镜装置处于三维成像工作模式时，27个电极片的分压及连接电阻可以如下表格1，其中第一电极片至第二十七电极片的编号为1-27。

表格1

电极片编号	电阻/Ω	分压/v
			1	0	0
2	180	1200
			3	351	1182.78
4	189	1149.19
			5	120	1131.1
6	260	1115.79
			7	220	1092.82
8	240	1073.68
			9	240	1050.72
10	240	1027.75
			11	360	1004.78
12	360	970.33
			13	360	935.88
14	420	901.43
			15	420	861.24
16	420	821.05
			17	600	780.86
18	600	723.44
			19	600	666.03
20	720	608.61
			21	720	539.71
22	720	470.81
			23	720	401.91
24	840	333.01
			25	840	252.63
26	840	172.25
			27	960	91.87

离子透镜装置处于二维成像工作模式时，27个电极片的分压及连接电阻可以如下表格2，其中第一电极片至第二十七电极片的编号为1-27。

表格2

电极片编号	电阻/Ω	分压/v
			1	0	0
2	180	1200
			3	300	1119.67
4	189	985.79
			5	120	901.45
6	260	847.90
			7	220	731.87
8	240	633.69
			9	1180	526.59
10	0	0
			11	0	0
12	0	0
			13	0	0
14	0	0
			15	0	0
16	0	0
			17	0	0
18	0	0
			19	0	0
20	0	0
			21	0	0
22	0	0
			23	0	0
24	0	0
			25	0	0
26	0	0
			27	0	0

基于上述实施例中提供的离子透镜装置，本发明还提供了一种质谱仪器，该质谱仪器包括上述实施例中任意一种离子透镜装置。由于该质谱仪器采用了上述实施例中的离子透镜装置，所以该质谱仪器的有益效果请参考上述实施例。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (9)

1.一种离子透镜装置，该离子透镜装置具有离子入口端和离子出口端，其特征在于，包括：

多个电极片(3)，所述电极片(3)的中部开设有通孔(3c)，多个所述电极片(3)由所述离子入口端至离子出口端依次平行排布且由所述离子入口端至离子出口端依次为第一电极片(3a)、第二电极片(3b)……第N电极片，N＞2，多个所述电极片(3)的通孔(3c)相对，至少一个所述电极片(3)的电压可改变；多个所述电极片(3)包括多组电极片，多组电极片由所述离子入口端至离子出口端依次排布；多组电极片的数量为五组，且五组电极片的通孔(3c)孔径依次为8-12mm、18-22mm、23-27mm、28-32mm和33-37mm；

多个绝缘连接件，所述绝缘连接件的两端分别与相邻的两个所述电极片(3)固定连接；

第一过滤器(2)，所述第一过滤器(2)固定在所述离子入口端处，且所述第一过滤器(2)的过滤孔与多个所述电极片(3)的通孔(3c)相对。

2.根据权利要求1所述的离子透镜装置，其特征在于，还包括过滤器支架(1)，所述过滤器支架(1)、第一过滤器(2)和所述第一电极片(3a)通过螺纹件固定连接。

3.根据权利要求1所述的离子透镜装置，其特征在于，所述绝缘连接件为陶瓷屏蔽筒(4)；

所述陶瓷屏蔽筒(4)和所述电极片(3)中的一个上设置有限位槽(4a)，且所述陶瓷屏蔽筒(4)和所述电极片(3)中的另一个上设置有与所述限位槽(4a)配合的限位凸起。

4.根据权利要求1所述的离子透镜装置，其特征在于，还包括沿周向分布的多个丝杆(6)，所述丝杆(6)依次穿过多个所述绝缘连接件且与多个所述绝缘连接件螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的离子透镜装置，其特征在于，还包括第二过滤器(5)，所述第二过滤器(5)的过滤孔与多个所述电极片(3)的通孔(3c)相对；

所述第二过滤器(5)与所述第二电极片(3b)通过螺纹件固定连接。

6.根据权利要求5所述的离子透镜装置，其特征在于，还包括设置于所述第二电极片(3b)和第二过滤器(5)之间的压板。

7.根据权利要求1中所述的离子透镜装置，其特征在于，电压可改变的多个电极片(3)与电源之间连接有电阻分压箱。

8.根据权利要求7中所述的离子透镜装置，其特征在于，所述电极片(3)的数量为27个，且除第二电极片(3b)、第三电极片、第四电极片、第九电极片、第十电极片和第二十七电极片外，其余的所述电极片与电源之间连接有电阻分压箱。

9.一种质谱仪器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的离子透镜装置。

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