CN113410119B - 一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口及工作模式 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口及工作模式，涉及离子光学装置，其包括：等离子体源，所述等离子体源通过气体电离方式来形成等离子体；若干聚焦偏转板，每个所述聚焦偏转板均具有圆形中心通道，所述圆形中心通道的边缘分布有偏转电极对，若干所述聚焦偏转板相对等离子运动轨迹呈一定角度分布在等离子体源与质谱进样接口之间。本发明在离子传输过程中同时实现光子、中性粒子的有效分离和离子聚焦。

Description

一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口及工作模式

技术领域

本发明涉及离子光学装置，具体涉及一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口及工作模式。

背景技术

等离子体质谱的进样接口指连接等离子体源与质谱检测仪，控制从基质中被激发电离后的目标物离子进入质谱检测器进样口的装置。离子进样接口处于激发样品的等离子体源与质量分析器的中间枢纽，其重要性是将等离子体源产生的样品离子高效的传输给质量分析器，对离子检测灵敏度和检出限性能有重要影响。在等离子体源对样品激发过程中，随着离子的产生，会同时伴随大量的光子、中性粒子生成，进样接口的一大功能就是让尽量多的带电离子进入质量分析器，而阻止或避免由于光子、中性粒子的进入对检测信号产生影响。因此，各仪器厂商为了增加离子传输效率、消除光子和中性粒子对检测器的影响，提高仪器的灵敏度，均采用了不同技术的离子传输接口。常用的离子传输接口有光子挡板型、离轴偏转型和90度偏转型等，光子挡板型存在离子损失大、传输效率低及质量歧视的问题；离轴偏转型传输接口中样品基底直接打在离子透镜表面，透镜部件清洗维护困难，且光子挡板型和离轴偏转型多采用水平放置的矩管，由于矩管及等离子体的热扩散效应导致上下端存在温度差，影响样品的离子化效率。垂直放置矩管可解决矩管温差问题，现有采用垂直放置方式的仪器在离子导入时多采用偏转电极加离子透镜或离子漏斗的方式，这种方式虽提高了离子的选择性，但由于离子飞行路径较长，目标物离子进入质谱的数量会减少，导致检测灵敏度的降低。此外采用两种方式结合的技术使得关键部件的体积增大，对于气溶胶中的痕量水分极其敏感，不能把样品金属元素充分原子化。当样品经过等离子体火焰进入质谱仪中时多以样品元素与不同阴离子或者水分子组成的金属离子结合物形式存在，在质谱图中体现为不同质量数的多个质谱峰，对质谱检测造成干扰，同时也降低了样品的灵敏度。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口及工作模式，在离子传输过程中同时实现光子、中性粒子的有效分离和离子聚焦。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，其包括：

等离子体源，所述等离子体源通过气体电离方式来形成等离子体；

若干聚焦偏转板，每个所述聚焦偏转板均具有圆形中心通道，所述圆形中心通道的边缘分布有偏转电极对，若干所述聚焦偏转板相对等离子运动轨迹呈一定角度分布在等离子体源与质谱进样接口之间。

如上所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，进一步地，所述圆形中心通道的直径从等离子体源端到质谱进样接口端依次递减，所述偏转电极对为正负电极的环形电极对，且所述环形电极对的周长比例和半径与圆形中心通道的直径相适配，其中，每一聚焦偏转板上的环形电极对均加载偏转电压，且所述偏转电压值根据其工作模式，从等离子体源源端至质谱进样接口端递减或递增；相邻两聚焦偏转板之间的正极和负极存在加速电压，所述加速电压从离子源端到质谱进样接口端逐级增大。

如上所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，进一步地，所述等离子体源包括等离子体矩管，所述等离子体矩管垂直放置且所述质谱进样接口水平放置。

如上所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，进一步地，所述等离子体源为微波等离子体源或电感耦合等离子体源。

如上所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，进一步地，所述质谱进样口为有机质谱进样口或无机质谱进样口。

一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样工作模式，利用如上所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口进行，其包括正离子偏转工作模式和负离子偏转模式，其中，

在所述正离子偏转工作模式下，偏转电极板中位于离子传输路径外侧的圆环电极加载正电压，其电势随离子进入质谱的方向逐级递减，相临两电极间电势差逐级增大；

在所述负离子偏转工作模式下，偏转电极板中位于离子传输路径外侧的圆环电极加载负电压，其电势随离子进入质谱的方向逐级递增，相临两电极间电势差逐级增大。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：本发明的离子聚焦偏转方案使离子偏转和聚焦同时完成，避免光子、中性粒子的进样干扰。本专利技术方法缩短了目标物离子进入质谱进样接口的离子运行轨迹，对目标物离子进行有效聚焦收集，实现高的离子传输效率，同时提高目标物的进样通量和后端检测灵敏度。

在目标离子从等离子体源进入质谱进样接口的过程中，初始阶段主要受偏转板内电极对产生的偏转电场作用，末端主要受偏转电极板间的加速电场作用，实现离子偏转和聚焦加速的均匀过渡，实现质谱进样接口端的小型化及紧凑设计。

目前等离子体中的目标物传输所采用光子挡板、离轴偏转和90度偏转技术存在下列问题：传统的光子挡板技术用于离子传输时，大约有50-80％的离子在传输中损失，从而造成离子传输的低效率和质量歧视；在采用离轴偏转的方式中，离子传输效率、检测灵敏度有所提高，但整个离子光学系统设计上极为复杂，使得离子透镜等部件的清洗维护变得极为困难，同时样品基体会直接打在带高压的离子透镜上形成电容效应，使仪器容易发生漂移。90度偏转方式使得等离子体源产生的光子和中子背景噪音被真空系统迅速抽掉，从而保证整个系统具有非常高的灵敏度。但目前90度偏转的离子传输技术中多采用的扇形和圆柱型电极对的焦点并不是非常的稳定，速度和重现性不高，且仅对离子起到偏转作用而无法实现目标离子的聚焦。本专利采用的聚焦偏转技术兼具90度偏转的优点，又兼有离子漏斗的优点，即等离子体源可垂直放置，避免矩管水平放置的上下受热不均问题，在进入质谱前对大量中性粒子和光子进行了分离避免其进入质谱造成检测干扰。同时尽可能多地收集了目标物离子，提高目标物离子进入质谱的通量，从而提高质谱检测灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本发明实施例的偏转聚焦等离子质谱进样接口的结构示意图；

图2为本发明实施例的聚焦偏转板示意图。

图1中：1、等离子体矩管；2、等离子体焰；3、离子传输路径；41、聚焦偏转板1；43、聚焦偏转板3；45、聚焦偏转板5；5、质谱进样接口；

图2中：41、聚焦偏转板1；42、聚焦偏转板2；43、聚焦偏转板3；44、聚焦偏转板4；45、聚焦偏转板5；11、环形电极11；12、环形电极12；21、环形电极21；22、环形电极22；31、环形电极31；32、环形电极32；42、环形电极42；52、环形电极52。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图2，图1为本发明实施例的偏转聚焦等离子质谱进样接口的结构示意图；图2为本发明实施例的聚焦偏转板示意图。

本发明的离子聚焦偏转方案使离子偏转和聚焦同时完成，避免光子、中性粒子的进样干扰。本专利技术方法缩短了目标物离子进入质谱进样接口的离子运行轨迹，对目标物离子进行有效聚焦收集，实现高的离子传输效率，同时提高目标物的进样通量和后端检测灵敏度。

在离子从等离子体源进入质谱进样接口的过程中，初始阶段主要受偏转板内电极对产生的偏转电场作用，末端主要受偏转电极板间的加速电场作用，实现离子偏转和聚焦加速的均匀过渡，实现质谱进样接口端的小型化及紧凑设计。

本发明的进样接口由等离子体矩管及等离子体焰组成的等离子体源、聚焦偏转板组和偏转电极对组成。所述等离子体源为微波等离子体源或电感耦合等离子体源。聚焦偏转板组为具有圆形中心通道的一系列偏转板组成，每个偏转板呈一定角度分布于等离子体源和质谱进样接口之间，其中心通道组成了带电离子从源进入质谱进样接口的通道。聚焦偏转板中心通道尺寸从离子源端到质谱进样接口端依次递减。在偏转板中心通道的边缘分布有偏转电极对，偏转电极对为正负电极的环形电极对，且环形电极对的长度比例从离子源端至质谱进样接口端逐渐变化。每一偏转板上的对电极均加载偏转电压，且电压值根据其工作模式，从离子源端至质谱进样接口端递减或递增。每个偏转板之间的正极和负极存在加速电压。在聚焦偏转板组中目标离子从等离子体焰端进入第一聚焦偏转板，并在偏转电极产生的电场作用下向质谱进样接口方向偏转，同时第一聚焦偏转板和第二聚焦偏转板间的环形电极对存在电势差并形成加速电场，使得带电离子被加速后进入后端聚焦偏转板。在第一偏转板和第二偏转板偏转加速过程中，环形电极对尺寸和半径逐级减小，导致偏转电场和加速电场强度发生逐级改变。在从等离子体焰进入聚焦偏转板的初始阶段，带电离子运动主要受偏转电场影响，而从聚焦偏转板进入质谱进样口阶段主要受加速电场影响。带电离子通过逐级的偏转电场和加速电场的共同作用使得大部分带电离子进入质谱进样接口，而中性粒子和光子则不能进入质谱进样接口，从而被有效分离。

相比现有技术本发明专利具有以下有益效果：

目前等离子体中的目标物传输所采用光子挡板、离轴偏转和90度偏转技术存在下列问题：传统的光子挡板技术用于离子传输时，大约有50-80％的离子在传输中损失，从而造成离子传输的低效率和质量歧视；在采用离轴偏转的方式中，离子传输效率、检测灵敏度有所提高，但整个离子光学系统设计上极为复杂，使得离子透镜等部件的清洗维护变得极为困难，同时样品基体会直接打在带高压的离子透镜上形成电容效应，使仪器容易发生漂移。90度偏转方式使得等离子体源产生的光子和中子背景噪音被真空系统迅速抽掉，从而保证整个系统具有非常高的灵敏度。但目前90度偏转的离子传输技术中多采用的扇形和圆柱型电极对的焦点并不是非常的稳定，速度和重现性不高，且仅对离子起到偏转作用而无法实现目标离子的聚焦。本专利采用的聚焦偏转技术兼具90度偏转的优点，又兼有离子漏斗的优点，即等离子体源可垂直放置，避免矩管水平放置的上下受热不均问题，在进入质谱前对大量中性粒子和光子进行了分离避免其进入质谱造成检测干扰。同时尽可能多地收集了目标物离子，提高目标物离子进入质谱的通量，从而提高质谱检测灵敏度。

实施方式1

在正离子偏转工作模式下，一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口由等离子体矩管1和等离子体焰2组成的等离子体源、若干个偏转板组成的聚焦偏转板组、质谱进样接口组成。所述等离子体源为高功率的微波等离子体或电感耦合等离子体。以聚焦偏转板组中依次排列的部分聚焦偏转板41～45为例，聚焦偏转板41～45为一系列具有圆形中心通道的偏转板，每个偏转板呈一定角度分布于等离子体焰2和质谱进样接口5之间，其中心通道组成了离子从源进入质谱进样接口的离子传输路径3。聚焦偏转板41～45的中心通道尺寸从等离子体焰2端到质谱进样接口5端依次递减。在聚焦偏转板41～45中心通道的边缘分布有偏转电极对11～31、12～52，偏转电极对为正负极的环形电极，且环形电极对的正极与负极长度比例从等离子体焰2端至质谱进样接口5端逐渐递减。

在正离子偏转工作模式下，以聚焦偏转板组中部分依次排列的聚焦偏转板41～45为例，其上的电极11、21和31加载电压为U₁₁、U₂₁和U₃₁，电极12～52上加载电压为U₁₂～U₅₂，其电压值从离子源端至质谱进样接口端递减，即U₁₁>U₂₁>U₃₁,U₁₂>U₂₂>U₃₂>U₄₂>U₅₂。每一偏转板的电极对之间存在电势差，且U₁₁-U₁₂>U₂₁-U₂₂>U₃₁-U₃₂。在偏转板组中目标离子从等离子体焰2进入聚焦偏转板41，并在偏转电极产生的电场(U₁₁-U₁₂)作用下向质谱进样接口5方向偏转，同时聚焦偏转板41和后端偏转板42间的环形电极对存在电压差(U₁₁-U_21，U₁₂-U₂₂)并形成加速电场，使得带电离子加速进入后端聚焦偏转板43～45，同时在聚焦偏转板41和聚焦偏转板42的偏转加速过程中，环形电极对11、12和21、22尺寸和半径逐级减小，导致偏转电场和加速电场强度发生逐级改变。在正离子从等离子体焰2进入聚焦偏转板41的初始阶段，离子运动主要受偏转电场(U₁₁-U₁₂)的影响，而从聚焦偏转板45进入质谱进样口阶段主要受加速电场(U₄₂-U₄₅)的影响。带正电离子通过逐级的偏转电场和加速电场共同作用使得大部分带电离子进入质谱进样接口5，而中性粒子和光子则不能进入质谱进样接口，从而被有效分离。

实施方式2

在负离子偏转工作模式下，一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口由等离子体矩管1和等离子体焰2组成的等离子体源、若干个偏转板组成的聚焦偏转板组、质谱进样接口组成。所述等离子体源为低功率的微波等离子体，所述聚焦偏转等离子体质谱进样接口的结构与实施例1相同。以聚焦偏转板组中部分依次排列的聚焦偏转板41～45为例，其上的电极11、21和31加载电压为U₁₁、U₂₁和U₃₁，电极12～52上加载电压为U₁₂～U₅₂，其电压值从离子源端至质谱进样接口端升高，即U₁₁<U₂₁<U₃₁,U₁₂<U₂₂<U₃₂<U₄₂<U₅₂。每一偏转板的电极对之间存在电势差，且U₁₁-U₁₂<U₂₁-U₂₂<U₃₁-U₃₂。在偏转板组中目标离子从等离子体焰2进入聚焦偏转板41，并在偏转电极产生的电场(U₁₁-U₁₂)作用下向质谱进样接口5方向偏转，同时聚焦偏转板41和后端偏转板42间的环形电极对存在电势差(U₁₁-U_21，U₁₂-U₂₂)并形成加速电场，使得带电离子加速进入后端聚焦偏转板43～45，同时在聚焦偏转板41和聚焦偏转板42的偏转加速过程中，环形电极对11、12和21、22尺寸和半径逐级减小，导致偏转电场和加速电场强度发生逐级改变。在负离子从等离子体焰2进入聚焦偏转板41的初始阶段，离子运动主要受偏转电场(U₁₁-U₁₂)的影响，而从聚焦偏转板45进入质谱进样口阶段主要受加速电场(U₄₂-U₄₅)的影响。带负电离子通过逐级的偏转电场和加速电场共同作用使得大部分带电离子进入质谱进样接口5，而中性粒子和光子则不能进入质谱进样接口，从而被有效分离。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，其特征在于，包括：

等离子体源，所述等离子体源通过气体电离方式来形成等离子体；

若干聚焦偏转板，每个所述聚焦偏转板均具有圆形中心通道，所述圆形中心通道的边缘分布有偏转电极对，若干所述聚焦偏转板相对等离子运动轨迹呈一定角度分布在等离子体源与质谱进样接口之间；

所述圆形中心通道的直径从等离子体源端到质谱进样接口端依次递减，所述偏转电极对为正负电极的环形电极对，且所述环形电极对的周长比例和半径与圆形中心通道的直径相适配，其中，每一聚焦偏转板上的环形电极对均加载偏转电压，且所述偏转电压值根据其工作模式，从等离子体源端至质谱进样接口端递减或递增；相邻两聚焦偏转板之间的正极和负极存在加速电压，所述加速电压从离子源端到质谱进样接口端逐级增大。

2.根据权利要求1所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，其特征在于，所述等离子体源包括等离子体矩管，所述等离子体矩管垂直放置且所述质谱进样接口水平放置。

3.根据权利要求1所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，其特征在于，所述等离子体源为微波等离子体源或电感耦合等离子体源。

4.根据权利要求1所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口，其特征在于，所述质谱进样接 口为有机质谱进样接 口或无机质谱进样接 口。

5.一种等离子体质谱离子聚焦偏转进样工作方法，利用如权利要求1-4任一所述的等离子体质谱离子聚焦偏转进样接口进行，其特征在于，包括正离子偏转工作模式和负离子偏转模式，其中，

在所述正离子偏转工作模式下，偏转电极板中位于离子传输路径外侧的圆环电极加载正电压，其电势随离子进入质谱的方向逐级递减，相临两电极间电势差逐级增大；

在所述负离子偏转工作模式下，偏转电极板中位于离子传输路径外侧的圆环电极加载负电压，其电势随离子进入质谱的方向逐级递增，相临两电极间电势差逐级增大。

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