CN114256054A - 一种飞行时间质谱仪及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行时间质谱仪及检测系统，涉及仪器分析技术领域。飞行时间质谱仪包括：用于电离样品产生离子的离子源、用于对产生的离子进行检测的离子检测区和用于将产生的离子源传输至离子检测区的离子飞行区；离子源为多个，且每个离子源产生的离子进入离子飞行区的方向不同，离子检测区包括多个检测阳极板，每个离子源均对应一个检测阳极板，以对每个离子源产生的离子分别进行检测。在使用时，可以开启一个离子源工作，利用对应的检测阳极板进行检测；而后可以根据需要仅开启另外的离子源工作，利用另外的离子源对应的检测阳极板进行检测。可以满足多种类型样品共用一套飞行时间质谱仪进行检测的要求，提高样品的检测效率。

Description

一种飞行时间质谱仪及检测系统

技术领域

本发明涉及仪器分析技术领域，具体而言，涉及一种飞行时间质谱仪及检测系统。

背景技术

在所有用于化学成分分析的科学仪器中，质谱仪器得益于其高灵敏度与准确性，成为目前应用最广泛的分析技术之一。在众多的质谱仪器中，飞行时间质谱仪(time-of-flight mass spectrometer,TOFMS)具有质量范围大、质量分辨率高、高离子传输率、微秒级快速分析速度、检测灵敏度高、结构简单、易于使用和维护等特点，已被广泛应用在目前商品化质谱仪上。

飞行时间质谱仪的原理为：在真空环境下，物质分子在电离室被离子源电离成分子离子，不同的离子在加速区获得相同的加速能量，离子由加速区引出，凭惯性进入无场区自由飞行后，离子将根据不同质荷比大小分别进入离子检测器进行分离检测。根据质量分析器几何结构的差异，飞行时间质谱仪又分为直线式和反射式两种。直线式飞行时间质谱仪由于离子初始能量不同，具有相同质荷比的离子到达检测器的时间有一定的分布，使得其分辨能力不高。在反射式飞行时间质谱仪中，由于其应用了离子反射场来校正具有相同质荷比离子的动能差异，离子可以在返回路程的某个位置二次聚焦，从而提高了仪器的分辨能力。

无论是哪种类型的质谱仪，其基本组成都是相同的，都包括进样系统、离子源、质量分析器、离子检测系统、真空系统、电源及控制系统六大部分。随着市场及实验室应用需求的不断深入，需要通过飞行时间质谱仪检测的样品种类也越来越多，包括气体、液态和固态样品，不同种类的样品所使用的进样系统、离子源和检测器也不尽相同。传统的单台飞行时间质谱仪只能满足某一类样品的检测需求，在针对不同的应用场景，检测分析人员一般通过以下两种解决方案：

(1)开发并配置不同的质谱仪进行分析，这个方案的不足之处在于增加了一起建造的成本与实践操作上的不便；

(2)选用可更换进样系统、电离源或检测器的飞行时间质谱仪，这个方案的不足之处在于更换进样系统、离子源等部件时也需要停机破真空才能实现更换，无法满足秒级切换样品检测的需求，多次更换操作还会对仪器造成不可逆转的损耗，容易会将外部的污染物引入质谱仪内，降低仪器的性能。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞行时间质谱仪及检测系统，旨在满足多种类型样品共用一套飞行时间质谱仪进行检测的要求，提高样品的检测效率。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种飞行时间质谱仪，包括：用于电离样品产生离子的离子源、用于对产生的离子进行检测的离子检测区和用于将产生的离子源传输至离子检测区的离子飞行区；

离子源为多个，且每个离子源产生的离子进入离子飞行区的方向不同，离子检测区包括多个检测阳极板，每个离子源均对应一个检测阳极板，以对每个离子源产生的离子分别进行检测；

离子飞行区包括自上而下设置的加速区、无场飞行区和反射区，加速区上设置有推斥结构和位于推斥结构下方的加速结构，使离子进入推斥结构之后由脉冲电压推斥进入加速结构；离子检测区上还设置有用于对进入检测区的离子进行增益处理的增益组件，增益组件位于多个检测阳极板的下方；每个离子源与所对应的检测阳极板相对加速区的中心轴对称布置，增益组件对应多个检测阳极板。

在可选的实施方式中，增益组件包括多层环形微通道板，多层环形微通道板间隔设置。

在可选的实施方式中，整套质谱仪共用一套高压脉冲电源，并被配置成执行如下操作：第一个离子源产生离子被第一个脉冲周期推斥后检测，形成一个质谱图，第二个离子源产生的离子被下一个脉冲周期推斥后检测，又形成一个质谱图，以此类推每个离子源在不同的脉冲周期下形成对应的质谱图，以形成脉冲时序图。

在可选的实施方式中，每个离子源均独立地选自电子轰击源、化学电离源、单光子紫外灯电离源、大气压电喷雾源和激光电离源中的任意一种。

在可选的实施方式中，加速区具有与多个离子源的出口连通的多个进口，以使离子源产生的离子经过加速区加速之后通过无场飞行区进入反射区，通过反射区进行反向加速之后再次经过无场飞行区进入离子检测区。

在可选的实施方式中，加速结构包括自上而下设置的多个加速区极片，无场飞行区位于加速结构的下方。

在可选的实施方式中，无场飞行区和加速区均为圆柱形外壳围成的区域，无场飞行区的内径大于加速区的内径，且无场飞行区与加速区同轴分布，且无场飞行区与加速区均呈轴对称分布。

在可选的实施方式中，反射区上设置有反射区极片和位于反射区极片上方的反射区栅网极片；

反射区极片为间隔设置的多个，反射区栅网极片为间隔设置的两片。

在可选的实施方式中，还包括信号线，信号线的一端与检测阳极板电连接，另一端与外部ADC采集卡电连接，以将多个检测阳极板接收到的离子信号传输到外部ADC采集卡进行信号处理。

第二方面，本发明还提供一种检测系统，包括以上任意一种实施例方式中的飞行时间质谱仪。

本发明具有以下有益效果：通过多个离子源可以电离产生不同入射方向的离子进入离子飞行区，进而进入离子检测区中对应的检测阳极板进行检测。在使用时，可以开启一个离子源工作，利用对应的检测阳极板进行检测；而后可以根据需要仅开启另外的离子源工作，利用另外的离子源对应的检测阳极板进行检测。本发明可以在同一台仪器上实现不同离子源和多阳极检测器的功能和优势，具备以下优点：

(1)在不同场景下切换不同的工作模式，对操作人员要求简单，检测耗时短；

(2)无需变更结构，避免仪器与外界环境或人直接接触，降低仪器和样品受到的污染；

(3)精简装置的配置与结构，多个离子源共用离子飞行区，降低建造成本，极大地提高了飞行时间质谱仪的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的飞行时间质谱仪的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的飞行时间质谱仪的整体结构示意图；

图3为使用时的脉冲时序图。

图标：100-飞行时间质谱仪；001-离子源；002-离子源；003-离子源；004-离子源；110-离子源；120-离子飞行区；121-加速区；1211-推斥结构；1212-加速结构；122-无场飞行区；123-反射区；1231-反射区极片；1232-反射区栅网极片；130-离子检测区；131-检测阳极板；132-增益组件；140-信号线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

请参照图1和图2，本发明实施例提供一种飞行时间质谱仪100，包括离子源110、离子飞行区120和离子检测区130。

离子源110用于进行电离样品产生离子，个数为多个，且每个离子源110产生的离子进入离子飞行区120的方向不同，以根据不同离子源110的入射方向设置针对性的检测阳极板131进行检测。

具体地，离子源110的个数不限，可以为2个、3个、4个、5个、6个等。

具体地，离子源110的具体类型不限，每个离子源110均独立地选自电子轰击源、化学电离源、单光子紫外灯电离源、大气压电喷雾源和激光电离源中的任意一种，多个离子源可以是相同或是不同的离子源。

离子飞行区120用于将产生的离子源110飞行至离子检测区130，其可以采用现有的离子飞行区的结构，在此不做限定。

在一些实施例中，离子飞行区120包括自上而下设置的加速区121、无场飞行区122和反射区123，加速区121具有与多个离子源110的出口连通的多个进口，以使离子源110产生的离子经过加速区121加速之后通过无场飞行区122进入反射区123，通过反射区123进行反向加速之后再次经过无场飞行区122进入离子检测区130。

进一步地，加速区121上设置有推斥结构1211和位于推斥结构1211下方的加速结构1212，使离子进入推斥结构1211之后由脉冲电压推斥进入加速结构1212，加速结构1212包括自上而下设置的多个加速区极片，无场飞行区122位于加速结构1212的下方。

具体地，推斥结构1211对离子产生向下的作用力，使离子进入加速结构1212，利用自上而下设置的多个加速区极片进行加速，经过一段匀速运动之后进入下方的无场飞行区122。在无场飞行区122没有电场作用，离子沿图中的抛物线下行。

在一些实施例中，无场飞行区122和加速区121均为圆柱形外壳围成的区域，无场飞行区可以由圆柱型不锈钢钣金包围组成。无场飞行区122的内径大于加速区121的内径，且无场飞行区122与加速区121同轴分布，且无场飞行区122与加速区121均呈轴对称分布。

进一步地，反射区123上设置有反射区极片1231和位于反射区极片1231上方的反射区栅网极片1232；反射区极片1231为间隔设置的多个，反射区栅网极片1232为间隔设置的两片。离子从无场飞行区122进入反射区123后受到反射区电场作用减速后反向加速，重新进入无场区然后飞向离子检测区130。

离子检测区130用于对产生的离子进行检测，为多阳极离子检测器，离子检测区130包括多个检测阳极板131，每个离子源110均对应一个检测阳极板131，以对每个离子源110产生的离子分别进行检测。

具体地，每个离子源110与所对应的检测阳极板131相对加速区121的中心轴对称布置。也就是说，每个离子源110对应的检测阳极板131位于该离子源110相对于加速区121中心轴对称的位置。

在一些实施例中，离子检测区130上还设置有用于对进入检测区的离子进行增益处理的增益组件132，增益组件132位于多个检测阳极板131的下方，通过增益组件132处理之后起到信号增强的作用。具体地，任何一个处理单元或系统的输出与输入信噪比之间的比值称为处理增益。

在一些实施例中，增益组件132包括多层环形微通道板MCP，多层环形微通道板间隔设置，用于将进入检测区的离子进行增益处理。

具体地，微通道板MCP是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，并具备非常高的时间分辨率。主要用作高性能夜视像增强器，并广泛应用于各科研领域。微通道板以玻璃薄片为基地，在基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角形周期排布孔径比空间周期略小的微孔。一块MCP上约有上百万微通道，二次电子可以通道壁上碰撞倍增放大，工作原理与光电倍增管相似。

在一些实施例中，还包括信号线140，信号线140的一端与检测阳极板131电连接，另一端与外部ADC采集卡电连接，以将多个检测阳极板131接收到的离子信号传输到外部ADC采集卡进行信号处理。

需要说明的是，本发明实施例所提供的飞行时间质谱仪100的使用原理如下：飞行时间质谱仪100设置的多个离子源110均可电离样品产生离子，离子由不同方向进入加速区121。当需要检测离子源001产生的离子时，开启离子源001，然后离子源001产生的离子经加速区121加速后穿过无场飞行区122进入反射区123，经反射区123减速再反向加速后进入离子检测区130被对应的检测阳极板131检测；当需要检测离子源002产生的离子时，关闭离子源001，打开离子源002，然后离子源002产生的离子经加速区121加速后穿过无场飞行区122进入反射区123，经反射区123减速再反向加速后进入离子检测区130被对应的检测阳极板131检测，以此类推。

整套质谱仪共用一套高压脉冲电源，例如：其中一个离子源产生离子被第一个脉冲周期推斥后检测，形成一个质谱图，第二个离子源产生的离子被下一个脉冲周期推斥后检测，又形成一个质谱图，以此类推每个离子源在不同的脉冲周期下形成对应的质谱图，脉冲时序图见图3。

图1和图2中的离子源110为4个，离子源001、离子源002、离子源003和离子源004。图2中的离子源001、离子源002为单光子电离源，离子源003和离子源004为电子轰击源电离源。使用原理如下：

待检物质a和c经单光子电离源电离，待检物质b和d经电子轰击电离源电离。当需要检测待测物质a时，打开单光子电离源，待测物质a电离后经透镜部分调制聚焦，传输到飞行时间质量分析器内的离子推斥区(即推斥结构1211)，被推斥板脉冲电压引出，经加速区121加速后进入长度为L的无场飞行区122自由飞行，然后通过反射区123反射后到达离子检测区130的检测阳极板131得以检测；当需要检测待测物质b时，关闭单光子电离源，打开电子轰击电离源，待测物质b电离后经部分调制聚焦，传输到飞行时间质量分析器内的离子推斥区，被推斥板脉冲电压引出，经加速区121加速后进入长度为L的无场飞行区122自由飞行，然后通过反射区123反射后到达离子检测区130的另一块检测阳极板131得以检测。以此类推，待检物质c和d经同样过程被另外两块检测阳极板131检测。

本发明实施例还提供一种检测系统，包括上述飞行时间质谱仪100，还可以包括处理器、显示器等设备。

综上，本发明实施例提供一种飞行时间质谱仪及检测系统，其利用设置对称式无场飞行区与环形多阳极检测区布置，从而可以实现多个阳极对不同入射方向离子的分别检测，具备以下优点：

(1)可以设置多个方向的进样系统和离子源，由此产生的不同入射方向离子可经由同一个飞行时间质量分析器分离后分别被不同的检测器检测，可以在同一台仪器上实现不同离子源和多阳极检测器的功能和优势，在不同场景下切换不同的工作模式，对操作人员要求简单，检测耗时短。

(2)无需变更结构，避免仪器与外界环境或人直接接触，降低仪器和样品受到的污染；精简装置的配置与结构，多个离子源共用真空系统、推斥区和加速区，降低建造成本，极大地提高了飞行时间质谱仪的利用率。

(3)简化了传统飞行时间质谱仪因更换检测样品而必须进行进样系统、电离源或检测器更换的步骤，不同样品检测实现秒级切换，极大地提高了样品的检测效率。

(4)不同离子源共用真空系统、高压脉冲电源、质谱控制电源，达到节省制造成本的目的。

Claims (10)

1.一种飞行时间质谱仪，其特征在于，包括：用于电离样品产生离子的离子源、用于对产生的离子进行检测的离子检测区和用于将产生的离子源传输至所述离子检测区的离子飞行区；

所述离子源为多个，且每个所述离子源产生的离子进入所述离子飞行区的方向不同，所述离子检测区包括多个检测阳极板，每个所述离子源均对应一个检测阳极板，以对每个所述离子源产生的离子分别进行检测；

所述离子飞行区包括自上而下设置的加速区、无场飞行区和反射区，所述加速区上设置有推斥结构和位于所述推斥结构下方的加速结构，使离子进入推斥结构之后由脉冲电压推斥进入所述加速结构；所述离子检测区上还设置有用于对进入检测区的离子进行增益处理的增益组件，所述增益组件位于多个所述检测阳极板的下方；每个所述离子源与所对应的所述检测阳极板相对所述加速区的中心轴对称布置，所述增益组件对应多个检测阳极板。

2.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，所述增益组件包括多层环形微通道板，多层所述环形微通道板间隔设置。

3.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，整套质谱仪共用一套高压脉冲电源，并被配置成执行如下操作：第一个离子源产生离子被第一个脉冲周期推斥后检测，形成一个质谱图，第二个离子源产生的离子被下一个脉冲周期推斥后检测，又形成一个质谱图，以此类推每个离子源在不同的脉冲周期下形成对应的质谱图，以形成脉冲时序图。

4.根据权利要求3所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，每个所述离子源均独立地选自电子轰击源、化学电离源、单光子紫外灯电离源、大气压电喷雾源和激光电离源中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，所述加速区具有与多个所述离子源的出口连通的多个进口，以使所述离子源产生的离子经过加速区加速之后通过无场飞行区进入所述反射区，通过所述反射区进行反向加速之后再次经过所述无场飞行区进入所述离子检测区。

6.根据权利要求5所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，所述加速结构包括自上而下设置的多个加速区极片，所述无场飞行区位于所述加速结构的下方。

7.根据权利要求5所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，所述无场飞行区和所述加速区均为圆柱形外壳围成的区域，所述无场飞行区的内径大于所述加速区的内径，且所述无场飞行区与所述加速区同轴分布，且所述无场飞行区与所述加速区均呈轴对称分布。

8.根据权利要求5所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，所述反射区上设置有反射区极片和位于所述反射区极片上方的反射区栅网极片；

所述反射区极片为间隔设置的多个，所述反射区栅网极片为间隔设置的两片。

9.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪，其特征在于，还包括信号线，所述信号线的一端与所述检测阳极板电连接，另一端与外部ADC采集卡电连接，以将多个所述检测阳极板接收到的离子信号传输到所述外部ADC采集卡进行信号处理。

10.一种检测系统，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的飞行时间质谱仪。

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