CN114334598A - 质谱仪、样品电离平台及其离子源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质谱仪、样品电离平台及其离子源，质谱仪包括样品电离平台和分析设备。样品电离平台包括样品放置件和离子源。离子源包括第一电极、绝缘件和第二电极，第一电极上开设有第一电离孔，第一电离孔用于输入气体并产生初始反应离子；绝缘件设置在第一电极的一侧面上，绝缘件上开设有连通孔；第二电极设置在绝缘件背向第一电极的侧面上，第二电极和第一电极的极性相反，第二电极上开设有第二电离孔，第二电离孔通过连通孔和第一电离孔相连通，第二电离孔用于产生并输出初始反应离子，第一电离孔、连通孔和第二电离孔的直径一致，且直径范围均为0.01mm～1mm。离子通道直径小能够使离子流更加集中，增强了电离效率，减少产生非初始反应离子。

Description

质谱仪、样品电离平台及其离子源

技术领域

本发明涉及检测仪器技术领域，特别是涉及质谱仪、样品电离平台及其离子源。

背景技术

质谱仪中离子源主要作用在于将待测样品电离形成离子，离子在电场或磁场的作用下，聚焦传输进入质量分析器，不同质荷比的离子依次到达检测器被检测，从而获取待测样品的组成信息。而空心阴极放电是一种特殊的辉光放电，产生的离子浓度高，中心轴线的离子流密度最大。传统的空心阴极放电虽然比辉光放电产生的离子流更强，但对真空度要求较高，且离子源容易产生污染，清洗和拆装离子源需要破真空操作。且传统的空心阴极放电阴极内径较大，容易因气体扩散进入离子源中产生非初始反应离子，影响初始反应离子纯度。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种能够提高初始反应离子纯度的质谱仪、样品电离平台及其离子源。

一种离子源，包括第一电极、绝缘件和第二电极，所述第一电极上开设有第一电离孔，所述第一电离孔用于输入气体并产生初始反应离子；所述绝缘件设置在所述第一电极的一侧面上，所述绝缘件上开设有连通孔；所述第二电极设置在所述绝缘件背向所述第一电极的侧面上，所述第二电极和所述第一电极的极性相反，所述第二电极上开设有第二电离孔，所述第二电离孔通过所述连通孔和所述第一电离孔相连通，所述第二电离孔用于产生并输出所述初始反应离子，所述第一电离孔的直径、所述连通孔的直径和所述第二电离孔的直径一致，且直径范围均为0.01mm～1mm。

在其中一个实施例中，所述第一电极的数量为两个，所述绝缘件的数量为两个，两个所述绝缘件分别设置在所述第二电极相背的两侧面上，两个所述第一电极分别设置在两个所述绝缘件背向所述第二电极的一侧面上。

在其中一个实施例中，所述第一电离孔的数量为至少两个，至少两个所述第一电离孔呈阵列设置，相邻两个所述第一电离孔间隔设置，所述连通孔的数量和所述第二电离孔的数量均对应所述第一电离孔的数量设置，一所述第二电离孔能够通过一所述连通孔与一所述第一电离孔相连通。

在其中一个实施例中，所述第一电极为圆盘状结构，所述第二电极的形状和所述第一电极的形状一致，且所述第二电极的尺寸大小与所述第一电极的尺寸大小保持一致。

在其中一个实施例中，所述绝缘件的形状与所述第一电极的形状和所述第二电极的形状一致。

在其中一个实施例中，所述绝缘件的厚度范围为0.05mm～1mm。

具体地，所述连通孔的孔深范围为0.05mm～1mm。

在其中一个实施例中，所述离子源还包括壳体，所述壳体内形成有容纳腔，所述第一电极、所述绝缘件和所述第二电极均设置在所述容纳腔内，所述壳体上还开设有输入孔和输出孔，所述输入孔能够和所述第一电离孔相连通，所述输入孔用于输入所述气体，所述输出孔用于和所述第二电离孔相连通，所述输出孔用于输出所述初始反应离子。

在其中一个实施例中，所述离子源还包括引出电极，所述绝缘件的数量为两个，两个所述绝缘件分别设置在所述第二电极相背的两侧面上，所述第一电极设置在一所述绝缘件背向所述第二电极的一侧面上，所述引出电极设置在另一所述绝缘件背向所述第二电极的一侧面上，所述引出电极上开设有引出孔，所述引出孔能够通过所述连通孔和所述第二电离孔相连通，所述引出孔的另一侧能够和所述输出孔相连通，所述引出电极用于向所述初始反应离子施加朝向所述输出孔的力。

一种样品电离平台，包括样品放置件和如上所述的离子源，所述样品放置件用于放置样品；所述离子源用于对所述样品进行检测。

一种质谱仪，包括如上所述的样品电离平台和分析设备，所述分析设备和所述样品电离平台连接，所述分析设备用于分析所述初始反应离子。

上述质谱仪、样品电离平台及其离子源，由于第一电极和第二电极的极性相反，因此将绝缘件设置在第一电极和第二电极之间，避免第一电极和第二电极之间产生干扰。在第一电极和第二电极的电场作用下，气体被电离形成初始反应离子。而第二电离孔通过连通孔和第一电离孔相连通，形成了离子源通道。同时离子通道直径在微米级，且结构独立能够使产的离子流更加集中，增强了电离效率，减少因气体扩散产生的非初始反应离子。同时，离子源将尺寸设计为亚毫米级，进一步扩大了放电气压的范围，允许离子源在高气压(几千帕)甚至大气压下工作，便于后期进行清洗拆装，且不容易产生污染。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

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为一实施例中的离子源的结构示意图；

图2为图1实施例中的离子源的正视图；

图3为图1实施例中的离子源的侧视图；

图4为图1实施例中的离子源的剖视图。

图中各元件标记如下：

10、离子源；100、第一电极；110、第一电离孔；200、绝缘件；210、连通孔；300、第二电极；310、第二电离孔；400、引出电极；410、引出孔；500、输入孔。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

一实施例中的质谱仪，包括样品电离平台和分析设备，分析设备和样品电离平台连接，分析设备用于分析初始反应离子。样品电离平台包括样品放置件和离子源10，样品放置件用于放置样品；离子源10用于对样品进行检测。参阅图1和图4，离子源10包括第一电极100、绝缘件200和第二电极300，第一电极100上开设有第一电离孔110，第一电离孔110用于输入气体并产生初始反应离子；绝缘件200设置在第一电极100的一侧面上，绝缘件200上开设有连通孔210；第二电极300设置在绝缘件200背向第一电极100的侧面上，第二电极300和第一电极100的极性相反，第二电极300上开设有第二电离孔310，第二电离孔310通过连通孔210和第一电离孔110相连通，第二电离孔310用于产生并输出初始反应离子，第一电离孔110的直径、连通孔210的直径和第二电离孔310的直径一致，且直径范围均为0.01mm～1mm。可以选择的是第一电离孔110的直径范围为0.02mm～0.8mm、0.05mm～0.9mm或0.08mm～0.2mm、0.06mm～0.1mm等。第一电离孔110的直径可以为0.03mm、0.04mm、0.1mm或0.4mm。连通孔210的直径和第二电离孔310的直径应与第一电离孔110的直径保持一致。

由于第一电极100和第二电极300的极性相反，因此将绝缘件200设置在第一电极100和第二电极300之间，避免第一电极100和第二电极300之间产生干扰。需要说明的是，若第一电极100为阳极，则第二电极300为阴极；作为可选择的方案，第一电极100可以为阴极，则第二电极300为阳极。在第一电极100和第二电极300的电场作用下，气体被电离形成初始反应离子。而第二电离孔310通过连通孔210和第一电离孔110相连通，形成了离子源10通道。同时离子通道直径小，且结构独立能够使产的离子流更加集中，增强了电离效率，减少因气体扩散产生的非初始反应离子。

本实施例中的离子源10将尺寸设计为亚毫米级，进一步扩大了放电气压的范围，允许离子源10在高气压(几千帕)甚至大气压下工作，避免了破真空操作便于后期进行清洗拆装，且不容易产生污染。需要进一步说明的是，本实施例中的离子源10主要应用在质谱领域。不仅可以用于分子离子反应类的质谱检测气体样品，也可作为直接电离源在高气压甚至大气压下直接电离固态或液态样品。整体结构简单，操作简便，离子源10本身污染小，且无需样品前处理。

参阅图1和图2，在一个实施例中，第一电极100的数量为两个，绝缘件200的数量为两个，两个绝缘件200分别设置在第二电极300相背的两侧面上，两个第一电极100分别设置在两个绝缘件200背向第二电极300的一侧面上。第一电极100、绝缘件200和第二电极300层叠设置。在其他实施例中，第一电极100的数量可以为多个。并不限于为两个。可以根据实际情况对第一电极100的数量进行调节。如图2和图4所示，第一电极100、绝缘件200和第二电极300之间的层叠关系依次为第一电极100、绝缘件200、第二电极300、绝缘件200、第一电极100。第二电极300和绝缘件200的数量对应第一电极100的数量设置，数量关系应满足上述层叠关系的要求。

参阅图3和图4，在一个实施例中，第一电离孔110的数量为至少两个，至少两个第一电离孔110呈阵列设置，相邻两个第一电离孔110间隔设置，连通孔210的数量和第二电离孔310的数量均对应第一电离孔110的数量设置，一第二电离孔310能够通过一连通孔210与一第一电离孔110相连通。多个第一电离孔110和第二电离孔310阵列设置能够增强离子流的强度，提供多束高密度离子流，极大的增强了电离效率。多个第一电离孔110之间间隔设置相互独立使得产生的离子流更集中，减少因气体扩散产生的杂质离子。

参阅图1和图3，在一个实施例中，第一电极100为圆盘状结构，第二电极300的形状和第一电极100的形状一致，且第二电极300的尺寸大小与第一电极100的尺寸大小保持一致。绝缘件200的形状与第一电极100的形状和第二电极300的形状一致。第一电极100、绝缘件200和第二电极300的形状保持一致，能够保证离子源10结构的可靠性，在一定程度上也使得电离过程更加稳定可靠。

在其他实施例中，第一电极100还可以为矩形或者椭圆形。第一电极100的形状可以根据实际应用场景进行设计限定。第一电极100应当满足电离需求即可。

在一个实施例中，绝缘件200的厚度范围为0.05mm～1mm。具体地，连通孔210的孔深范围为0.05mm～1mm。绝缘件200应当满足第一电极100和第二电极300之间的绝缘要求。绝缘件200的厚度也可以为1.2mm、1.5mm或2mm。绝缘件200的材料可以为聚四氟乙烯、云母、陶瓷、聚醚醚酮中的一种或多种组合。

参阅图1、图2和图4，在一个实施例中，离子源10还包括引出电极400，绝缘件200的数量为两个，两个绝缘件200分别设置在第二电极300相背的两侧面上，第一电极100设置在一绝缘件200背向第二电极300的一侧面上，引出电极400设置在另一绝缘件200背向第二电极300的一侧面上，引出电极400上开设有引出孔410，引出孔410的一侧能够通过连通孔210和第二电离孔310相连通，引出孔410的另一侧能够和输出孔相连通，引出电极400用于向初始反应离子施加朝向输出孔的力。引出电极400能够有利于初始反应离子从输出孔离开，使得引出电极400具有汇聚离子的作用。设置引出电极400后，可以让离子源10更加适用于质谱仪的使用环境和需求。进一步提高电离效率，使离子流更集中。

具体地，引出电极400的形状和第一电极100的形状保持一致。引出电极400的极性可以根据实际电离情况需要进行调整，可以与第二电极300的极性保持一致，也可以与第二电极300的极性相反。

在一个实施例中，离子源10还包括壳体，壳体内形成有容纳腔，第一电极100、绝缘件200和第二电极300均设置在容纳腔内，壳体上还开设有输入孔500和输出孔，输入孔500能够和第一电离孔110相连通，输入孔500用于输入气体，输出孔用于和第二电离孔310相连通，输出孔用于输出初始反应离子。壳体将第一电极100、绝缘件200、第二电极300和引出电极400包裹在容纳腔内。为各个电极密闭环境。在其他实施例中，第一电极100、绝缘件200、第二电极300和引出电极400也可以独立密封组成密闭环境。

上述实施例中，若分析设备为质子转移反应质谱，离子源10用于质子转移反应质谱，离子源10依次真空密封连接漂移区、传输区和质量分析系统。离子源10产生的初始反应离子经过引出电极400后进入漂移区，待测气态样品在漂移区中与初始反应离子发生反应生产待测物离子，所产生的待测物离子到达传输区经聚焦传输进入质量分析系统被分析，不同质荷比离子到达检测器的时间不同，从而进行待测物的定性定量分析。漂移区为真空环境，真空度的范围为1Pa-500Pa，可以根据实际情况进行调节。传输区为真空环境，真空度的范围为10^-1Pa-10^-3Pa，可以根据实际情况进行调节。

在一个实施例中，漂移区由金属环层叠设置形成，相邻两个金属环之间设置有密封件。密封件包括但不限于为聚四氟乙烯，也可以为其他便于实现真空环境的密封材料。质量分析系统可以为飞行时间质量分析系统、四极杆质量分析系统或离子阱质量分析系统。质量分析系统为真空环境，真空度的范围为10^-3Pa-10^-5Pa。需要注意的是，离子源10与后一级离子漂移区形成更大的气压差，极大的避免了待测气体倒流至离子源10，提高了离子源10产生的离子的纯度，进一步提高了定量的准确性。

若离子源10作为新型化学电离源，样品放置件为进样管系统。离子源10与进样管系统呈一定夹角设置。进样管系统上开设有样品入口和样品出口。进样入口用于通入待测样品。样品可以为气态，也可以为液态。离子源10的输出孔和进样管系统的样品出口朝向反应室设置。反应室内开设有反应腔，离子源10电离产生的一次反应离子与进样管系统通入的待测样品在反应腔中发生分子离子交叉反应，形成新型化学电离源将待测样品电离，产生的离子通过真空差分接口进入质量分析系统进行分析。离子源10、进样管系统和反应式均设置在一真空腔内，并形成分子离子交叉反应系统。离子源10上的输入孔500可通入氩气、氦气、水蒸气、一氧化氮、氧气、苯系物、丙酮、烷烃类、醇类作为一次反应试剂，通过第一电极100和第二电极300放电产生对应的一次反应离子。真空腔内的真空度可以在大气压到0.1Pa的范围进行调节，不仅可以将未反应充分的中性分子去除，还可满足分子离子反应所需的真空环境。

在一个实施例中，离子源10和进样管系统均可设计辅助加热装置，以提高反应效率，或达去溶剂效果。

若离子源10作为表面解析电离源，样品放置件为样品台。离子源10与样品台呈角度布局，样品放置于样品台上。样品可以为液态样品，也可以为固态样品。离子源10和样品台均设置在一真空腔内。真空腔为电离提供密闭环境。真空腔能够和真空差分接口相连通。真空腔内的真空度可以在大气压到0.1Pa的范围进行调节，不仅可以将未反应充分的中性分子去除，还可满足分子离子反应所需的真空环境。当离子源10内通入气体时，产生的一次反应离子激发样品台上的样品，产生离子通过真空差分接口进入质量分析系统进行分析。

离子源10上的输入孔500可通入氩气、氦气、水蒸气、一氧化氮、氧气、苯系物、丙酮、烷烃类、醇类作为一次反应试剂，通过第一电极100和第二电极300放电产生对应的一次反应离子。在一个实施例中，样品台上设置有加热装置。加热装置可以去溶剂，提高反应效率。

上述实施例中的离子源10可独立于质谱接口之外进行组装和样品测试，不仅满足了气态样品的测试，也方便液体和固态样品的直接测定，可达到其它类型的大气压直接电离源或等离子体离子源10的作用，无需样品前处理。离子源10能够在更高气压下工作，能够接收更大流量的初始反应离子的气体(如水蒸气、氧气、一氧化氮等)。

在本发明的描述中，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。

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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接抵触，或第一和第二特征通过中间媒介间接抵触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种离子源，其特征在于，所述离子源包括：

第一电极，所述第一电极上开设有第一电离孔，所述第一电离孔用于输入气体并产生初始反应离子；

绝缘件，所述绝缘件设置在所述第一电极的一侧面上，所述绝缘件上开设有连通孔；及

第二电极，所述第二电极设置在所述绝缘件背向所述第一电极的侧面上，所述第二电极和所述第一电极的极性相反，所述第二电极上开设有第二电离孔，所述第二电离孔通过所述连通孔和所述第一电离孔相连通，所述第二电离孔用于产生并输出所述初始反应离子，所述第一电离孔的直径、所述连通孔的直径和所述第二电离孔的直径一致，且直径范围均为0.01mm～1mm。

2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述第一电极的数量为两个，所述绝缘件的数量为两个，两个所述绝缘件分别设置在所述第二电极相背的两侧面上，两个所述第一电极分别设置在两个所述绝缘件背向所述第二电极的一侧面上。

3.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述第一电离孔的数量为至少两个，至少两个所述第一电离孔呈阵列设置，相邻两个所述第一电离孔间隔设置，所述连通孔的数量和所述第二电离孔的数量均对应所述第一电离孔的数量设置，一所述第二电离孔能够通过一所述连通孔与一所述第一电离孔相连通。

4.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述第一电极为圆盘状结构，所述第二电极的形状和所述第一电极的形状一致，且所述第二电极的尺寸大小与所述第一电极的尺寸大小保持一致。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的离子源，其特征在于，所述绝缘件的形状与所述第一电极的形状和所述第二电极的形状一致。

6.根据权利要求5所述的离子源，其特征在于，所述绝缘件的厚度范围为0.05mm～1mm；和/或

所述连通孔的孔深范围为0.05mm～1mm。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的离子源，其特征在于，还包括壳体，所述壳体内形成有容纳腔，所述第一电极、所述绝缘件和所述第二电极均设置在所述容纳腔内，所述壳体上还开设有输入孔和输出孔，所述输入孔能够和所述第一电离孔相连通，所述输入孔用于输入所述气体，所述输出孔用于和所述第二电离孔相连通，所述输出孔用于输出所述初始反应离子。

8.根据权利要求7所述的离子源，其特征在于，还包括引出电极，所述绝缘件的数量为两个，两个所述绝缘件分别设置在所述第二电极相背的两侧面上，所述第一电极设置在一所述绝缘件背向所述第二电极的一侧面上，所述引出电极设置在另一所述绝缘件背向所述第二电极的一侧面上，所述引出电极上开设有引出孔，所述引出孔能够通过所述连通孔和所述第二电离孔相连通，所述引出孔的另一侧能够和所述输出孔相连通，所述引出电极用于向所述初始反应离子施加朝向所述输出孔的力。

9.一种样品电离平台，其特征在于，所述样品电离平台包括：

样品放置件，所述样品放置件用于放置样品；及

如权利要求1-8中任一项所述的离子源，所述离子源用于对所述样品进行检测。

10.一种质谱仪，其特征在于，所述质谱仪包括：

如权利要求9中所述的样品电离平台；及

分析设备，所述分析设备和所述样品电离平台连接，所述分析设备用于分析所述初始反应离子。

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