CN113793797A - 一种可分离同分异构体碎片离子的质谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可分离同分异构体碎片离子的质谱仪，它包括：离子源、离子分离装置、质量分析器，所述的离子分离装置包括：激光光驻波和准直狭缝装置；准直狭缝装置包括：狭缝装置架、第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置；第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置装设在狭缝装置架中；第一准直狭缝装置中设有横切刀片设有两个，两个横切刀片可上下定距布置，并可垂直移动；第二准直狭缝装置中设有纵切刀片，两个纵切刀片通过第二准直狭缝装置中的第二准直狭缝驱动机构实现水平方向左右位置可调和两个纵切刀片间距可调。第一准直狭缝和第二准直狭缝限定混合离子束的厚度小于激光束的半宽和用于筛选不同散射角度的离子。
Description
技术领域
本发明属于质量分析仪技术领域，具体涉及一种可分离同分异构体碎片离子的质谱仪。
背景技术
质谱仪无疑是现代科学和高新技术领域中非常重要的分析手段；质谱仪是许多工厂和科研机构的重要分析仪器，它在许多领域中都起着不可取代的作用。虽然质谱仪在许多领域中都起着重要的作用，但它也有一定的局限性。质谱仪是利用离子在电场或者磁场中受到的库仑力或者洛伦兹力来确定分子离子和碎片离子的质量和丰度来确定分子的结构。不过由于质荷比相同的离子在电磁场中受到的库仑力或者洛伦兹力而发生的速度变化完全相同，导致传统的质谱仪不能分辨同分异构体，从而在涉及到同分异构体的情况不能判断化合物的结构。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题而提供了一种分离同分异构体碎片离子的质谱仪；
一种离子分离装置，包括：激光光驻波和准直狭缝装置；其特征在于：
所述的准直狭缝装置包括：狭缝装置架1、第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置；第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置装设在狭缝装置架1中；激光光驻波在第一准直狭缝装置和第二准直狭缝装置间；光驻波垂直或呈一定角度作用于离子束运动轨道上；
所述的第一准直狭缝装置包括：第一准直狭缝驱动机构、第一刀片架3、横切刀片4；横切刀片4设有两个，两个横切刀片4上、下装设在第一刀片架3上；第一刀片架3通过第一准直狭缝驱动机构垂直运动；
所述的第二准直狭缝装置包括：第二准直狭缝驱动机构、刀片滑动架6、第二刀片架8、纵切刀片9；纵切刀片9设有两个，两个纵切刀片分别装设在刀片滑动架6和第二刀片架8上；两个纵切刀片通过第二准直狭缝驱动机构实现水平方向左右位置可调和两个纵切刀片间距可调。
所述的第一准直狭缝驱动机构包括：第一丝杠驱动电机21、第一变速齿轮22、第一丝杠23、第一丝母24、第一滑动轴杆25、第一滑动轴套26；第一丝杠23通过轴承垂直轴接在狭缝装置架1上；第一滑动轴杆25垂直固定在狭缝装置架1；第一丝杠23与第一滑动轴杆25平行；第一丝母24、第一滑动轴套26分别装设在第一刀片架3两侧；第一丝母24套接在第一丝杠23上；第一滑动轴套26套接在第一滑动轴杆25上；第一丝杠驱动电机21通过第一变速齿轮22与第一丝杠23机械传动。
所述的横切刀片4，宽度为5.0mm，厚度为1.0mm，两块刀片的间距为5.0μm。
所述的第二准直狭缝驱动机构包括：第二丝杠驱动电机51、第二变速齿轮52、第二丝杠53、第二丝母54、第二滑动轴杆55、第二滑动轴套56、第三丝杠驱动电机71、第三丝杠72、第三丝母73、第三滑动轴套74；第二丝杠53通过轴承水平轴接在狭缝装置架1上；第二滑动轴杆55水平固定在狭缝装置架1；第二丝杠53与第二滑动轴杆55平行；第二丝母54、第二滑动轴套56装设在刀片滑动架6上；第二丝母54套接在第二丝杠53上；第二滑动轴套56套接在第二滑动轴杆55上；第二丝杠驱动电机51通过第二变速齿轮52与第二丝杠53机械传动；
所述的纵切刀片9包括，纵切刀片Ⅰ91、纵切刀片Ⅱ92，两块刀片宽度为5.0mm，厚度为1.0mm。
本发明提供了一种可分离同分异构体碎片离子的质谱仪，它包括：离子源、离子分离装置、质量分析器，所述的离子分离装置包括：激光光驻波和准直狭缝装置；准直狭缝装置包括：狭缝装置架、第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置；第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置装设在狭缝装置架中；第一准直狭缝装置设有第二准直狭缝装置间设有激光光驻波；光驻波垂直作用于离子束运动轨道上；第一准直狭缝装置中设有横切刀片设有两个，两个横切刀片可上下定距布置，并可垂直移动；第二准直狭缝装置中设有纵切刀片，两个纵切刀片通过第二准直狭缝装置中的第二准直狭缝驱动机构实现水平方向左右位置可调和两个纵切刀片间距可调。第一准直狭缝和第二准直狭缝限定混合离子束的厚度小于激光束的半宽和用于筛选不同散射角度的离子。
附图说明
图1为一种可分离同分异构体碎片离子的质谱仪的结构示意图；
图2为第一准直狭缝的机械运动简图；
图3为第二准直狭缝的机械运动简图；
图4为一种离为子分离装置的原理示意图；
图5为一种可分离同分异构体碎片离子的质谱仪的原理示意图；
图6为间硝基苯胺离子和对硝基苯胺离子示意图；
图7为 I 0 = 2.5ⅹ1014 W/m2 且倾斜角度 θ= 86°时的角度分布图；
图8为分离效率图。
具体实施方式
实施例1一种离子分离装置
参见图1所示，一种离子分离装置，包括：激光光驻波和准直狭缝装置，激光光驻波包括红外激光束IR1和红外激光束IR2；准直狭缝装置包括：狭缝装置架1、第一准直狭缝装置、和第二准直狭缝装置；第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置装设在狭缝装置架1中；
两个激光发射器分别通过凸透镜聚焦发射红外激光束IR1和红外激光束IR2，红外激光束IR1和红外激光束IR2相向干涉形成激光光驻波；光驻波垂直作用于离子束并且以一定的角度施加到离子束运动轨道上；
所述的高强度红外激光束IR1和红外激光束IR2反向传播相同激光强度的连续激光，红外激光束IR1和红外激光束IR2的，波长为1064 nm，由Nd:YAG形成；
所述的第一准直狭缝装置包括：第一准直狭缝驱动机构、第一刀片架3、横切刀片4；
所述的第一准直狭缝驱动机构包括：第一丝杠驱动电机21、第一变速齿轮22、第一丝杠23、第一丝母24、第一滑动轴杆25、第一滑动轴套26；
所述的第一丝杠23通过轴承垂直轴接在狭缝装置架1上；第一滑动轴杆25垂直固定在狭缝装置架1；第一丝杠23与第一滑动轴杆25平行；第一丝母24、第一滑动轴套26分别装设在第一刀片架3两侧；
所述的第一丝母24套接在第一丝杠23上；第一滑动轴套26套接在第一滑动轴杆25上；第一丝杠驱动电机21通过第一变速齿轮22驱动第一丝杠23；
所述的第一变速齿轮22为至少2个齿轮通过不同的齿轮比相啮合组成；
所述的横切刀片4设有两个，两个横切刀片4垂直上、下装设在第一刀片架3上；
所述的横切刀片4，宽度为5.0mm，厚度为1.0mm，两块刀片的间距为5.0μm，上下位置可调；
所述的第二准直狭缝装置包括：第二准直狭缝驱动机构、刀片滑动架6、第二刀片架8、纵切刀片9；
所述的第二准直狭缝驱动机构包括：第二丝杠驱动电机51、第二变速齿轮52、第二丝杠53、第二丝母54、第二滑动轴杆55、第二滑动轴套56、第三丝杠驱动电机71、第三丝杠72、第三丝母73、第三滑动轴套74；
所述的第二丝杠53通过轴承水平轴接在狭缝装置架1上；第二滑动轴杆55水平固定在狭缝装置架1；第二丝杠53与第二滑动轴杆55平行；第二丝母54、第二滑动轴套56装设在刀片滑动架6上；
所述的第二丝母54套接在第二丝杠53上；第二滑动轴套56套接在第二滑动轴杆55上；第二丝杠驱动电机51通过第二变速齿轮52驱动第二丝杠53；
所述的第二变速齿轮52为至少2个齿轮通过不同的齿轮比相啮合组成；
所述的第三丝杠72通过轴承水平轴接在刀片滑动架6上；第三丝杠72与第二滑动轴杆55平行；纵切刀片Ⅰ91固定在滑动架6上；
所述的第三丝母73、第三滑动轴套74装设在第二刀片架8上；第三丝母73套接在第三丝杠72上；第三滑动轴套74套接在第二滑动轴杆55上；第三丝杠驱动电机71通过驱动第三丝杠72使第二刀片架8水平方向移动；纵切刀片Ⅱ92固定在第二刀片架8上；通过纵切刀片Ⅰ91和纵切刀片Ⅱ92组成第二准直夹缝；
所述的第三丝杠驱动电机71驱动纵切刀片Ⅰ91和纵切刀片Ⅱ92直线相对运动；所述的纵切刀片9包括，纵切刀片Ⅰ91、纵切刀片Ⅱ92，两块刀片宽度为5.0mm，厚度为1.0mm，两块刀片间距可调，间距在9mm至10mm之间可调，左右位置可调；
第一准直狭缝装置与激光光驻波间的距离为1 .0cm，第二准直狭缝装置与激光光驻波间的距离为5.0cm；第二准直狭缝装置可调整间距是由离子的分离效率决定；
第一准直狭缝装置可以限定混合离子束的厚度小于激光束的半宽；激光光驻波与同分异构体离子A合B的混合离子束（深绿色部分）成一定的角度θ，同分异构体离子的极化率不同，在激光光驻波中受到的力也有差异，因此散射的角度也不同；极化率较小的离子束A（绿色较深）散射的角度较小，极化率较大的离子B（绿色较浅）散射角度较大，将达到分离的效果（分离效率跟角度有关，分离效率图参见图8）；第二准直夹缝是可以调节间距并且是可移动的，用于筛选不同散射角度的离子。
实施例2一种分离同分异构体碎片离子的质谱仪
参见图1至图5所示，一种分离同分异构体碎片离子的质谱仪，它包括：离子源、离子分离装置、质量分析器；
所述的离子源、离子分离装置、质量分析器，上述各部件沿同一离子束的轴线依次连接；
激光光驻波位于离子源和质量分析器间；激光光驻波轴线与离子束相交；
所述的离子源使待测定的目标分子电离，并从中引出离子束的装置；电子束对气体分子的碰撞使其电离的轰击电离源（EI）、电喷雾电离（ESI）基质辅助激光解析电离(MALDI)过程等等都能产生离子，并被引出成离子束；
所述的离子分离装置，包括：激光光驻波和准直狭缝，激光光驻波包括红外激光束IR1和红外激光束IR2；准直狭缝包括第一准直狭缝和第二准直狭缝；
红外激光束IR1和红外激光束IR2相向干涉形成激光光驻波；光驻波垂直作用于离子束并且以一定的角度施加到离子束运动轨道上；
所述的高强度红外激光束IR1和红外激光束IR2反向传播相同激光强度的脉冲，红外激光束IR1和红外激光束IR2的波长为1064 nm，由Nd:YAG形成；
所述的第一准直狭缝为2块不锈钢刀片，两块宽度为5.0mm，厚度为1.0mm，两块刀片的间距为5.0μm；
所述的第二准直狭缝为2块不锈钢刀片，两块宽度为5.0mm，厚度为1.0mm，准直狭缝B的两块刀片间距可调，间距在9.0mm至 1.0cm之间；
第一准直狭缝与激光光驻波间的距离为1 cm，第二准直狭缝与激光光驻波间的距离为5.0cm；第二准直狭缝的可调整间距是由离子的分离效率决定；
第一准直狭缝可以控制混合离子束的厚度；激光光驻波与同分异构体离子A合B的混合离子束成一定的角度θ，同分异构体离子的极化率不同，在激光光驻波中受到的力也有差异，因此散射的角度也不同；极化率较小的离子束A散射的角度较小，极化率较大的离子B散射角度较大，将达到完全分离的效果；第二准直夹缝是可以调节间距并且是可移动的，用于筛选不同散射角度的离子；
质量分析器可以分为：磁分析器、飞行时间、四极滤质器、离子阱、离子回旋共振等等；依据不同方式将离子散射装置中的离子按质荷比m/z的大小分开的仪器。
实施例3 同分异构体离子的分离
采用分离同分异构体碎片离子的新型质谱仪，选取间硝基苯胺离子为A，对硝基苯胺离子为B，进行实验，参见图6；
使用GaussView 6.0分别搭建了间硝基苯胺和对硝基苯胺的离子模型，先通过6-31++G**对两种同分异构体离子进行结构优化，并以B3LYP为泛函，aug-cc-pvtz为基组通过Gaussian 16分别计算出间硝基苯胺离子和对硝基苯胺离子的极化率：
离子在激光场中受到的力可以表示为
I为光驻波的激光强度，可表示为
式（1）和（2）中α和η分别为分子极化率和真空阻抗，λ是激光的波长,ω 0和τ各为光束腰半径和脉冲宽度。令式（1）和式（2）中真空阻抗η为376.7Ω，激光的波长λ为1064 nm，光束腰半径ω 0为5μm，用Monte Carlo法采样间硝基苯胺离子和对硝基苯胺离子的初始位置（x0，y0，z0）和初始速度（vx0，vy0，vz0）；限制x0的范围为-300μm至300μm，y0的范围为-1.5μm至1.5μm；vx0是FWHM为7.2 m/s的标准正态分布，vy0是FWHM为3.4m/s的标准正态分布，离子束速度为540 m/s，vz0是FWHM为54 m/s的高斯分布形式。每个离子在激光场中的轨迹我们利用Verlet算法来做数值计算，最终得出离子运动的轨迹和角度分布。
参见图7所示，经过对比观察，当光驻波的激光最大强度为2.5×1014 W/m2，混合离子束与光驻波夹角θ= 86°时，同分异构体离子的分离效果较好。
参见图8所示，为了更加直观的观察到间硝基苯胺离子和对硝基苯胺离子的分离效率，提取出当光驻波的激光最大强度为2.5×1014 W/m2，混合离子束与光驻波夹角θ= 86°时，两种离子的数据；
根据公式η= A/（A+B），绘制出同分异构体离子的分离效率图；在图8中，可以观察到在角度为-9.6°至-9.0°时，对硝基苯胺离子（黑色实线）实现了完全分离的效果。
Claims (4)
1.一种离子分离装置，包括：激光光驻波和准直狭缝装置；其特征在于：
所述的准直狭缝装置包括：狭缝装置架（1）、第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置；第一准直狭缝装置、第二准直狭缝装置装设在狭缝装置架（1）中；激光光驻波在第一准直狭缝装置和第二准直狭缝装置间；光驻波垂直或呈一定角度作用于离子束运动轨道上；
所述的第一准直狭缝装置包括：第一准直狭缝驱动机构、第一刀片架（3）、横切刀片（4）；横切刀片（4）设有两个，两个横切刀片（4）上、下装设在第一刀片架（3）上；第一刀片架（3）通过第一准直狭缝驱动机构垂直运动；
所述的第二准直狭缝装置包括：第二准直狭缝驱动机构、刀片滑动架（6）、第二刀片架（8）、纵切刀片（9）；纵切刀片（9）设有两个，两个纵切刀片分别装设在刀片滑动架（6）和第二刀片架（8）上；两个纵切刀片通过第二准直狭缝驱动机构实现水平方向左右位置可调和两个纵切刀片间距可调。
2.根据权利要求1所述的一种离子分离装置，其特征在于：所述的横切刀片（4），宽度为5.0mm，厚度为1.0mm，两块刀片的间距为5.0μm。
3.根据权利要求4所述的一种离子分离装置，其特征在于：所述的纵切刀片（9）包括，纵切刀片Ⅰ（91）、纵切刀片Ⅱ（92），两块刀片宽度为5.0mm，厚度为1.0mm。
4.一种可分离同分异构体碎片离子的质谱仪，其特征在于，它包括：离子源、离子分离装置、质量分析器，所述的离子分离装置为权利要求1所述的一种离子分离装置。
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