CN114334600A - 质谱仪、离子源及其离子传输结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质谱仪、离子源及其离子传输结构，离子源包括激光电离源和离子传输结构。离子传输结构包括第一电极组件和第二电极组件。第一电极组件和第二电极组件间隔设置形成传输通道。传输通道包括进入通道和输出通道。进入通道的中心轴线方向用于和样品靶保持垂直，进入通道的中心轴线方向和输出通道的中心轴线方向呈夹角设置。输出通道用于和其他设备相连通。第一电极组件和第二电极组件上的电压均沿进入通道至输出通道的方向逐渐减小。非目标离子的质量不会受到第一电极组件和第二电极组件的电场限制，在传输通道内运动时会在进入通道和输出通道的夹角处飞出传输装置，继而提高了输出通道内目标离子的纯度，使得仪器灵敏度提升。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测仪器技术领域，特别是涉及质谱仪、离子源及其离子传输结构。
背景技术
激光电离源(laser ionization,LI)是质谱仪离子源的一种，这种离子源是依靠高能量的激光使样品离子化，当高能量激光作用于样品表面时，样品迅速受热蒸发，如果能量够高的话，样品还将被电离产生离子，产生的离子进入质量分析器被检测。后续在LI基础上发展出电离非挥发性有机物的激光解吸电离源(Laser Desorption Ionization,LDI)以及能用于电离更高大质量的热不稳定性分子的基质辅助激光解析电离源(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization,MALDI)。一般电离源所需的激光能量都比较高，因此激光多是以脉冲的形式照射样品，故多与飞行时间质谱、傅里叶变换离子回旋共振质谱结合使用分析。但是激光电离源电离时能量高，会产生很多中性的气体分子和非目标离子，容易污染电极和影响分析器检测。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种灵敏度和精确度更高的质谱仪、离子源及其离子传输结构。
一种离子传输结构，包括第一电极组件和第二电极组件，所述第一电极组件和所述第二电极组件间隔设置形成传输通道，所述传输通道包括进入通道和输出通道，所述进入通道的中心轴线方向用于和样品靶保持垂直，所述进入通道的中心轴线方向和所述输出通道的中心轴线方向呈夹角设置，所述输出通道用于和其他设备相连通，所述第一电极组件和所述第二电极组件上的电压均沿所述进入通道至所述输出通道的方向逐渐减小。
进一步地，第一电极组件包括第一电极和第二电极，所述第一电极、所述第二电极和第二电极组件共同形成所述传输通道，所述第一电极上形成有第一电极间隙，所述第二电极设置在所述第一电极间隙内，所述第一电极的电压相位和所述第二电极的电压相位相反，所述第二电极上的电压沿所述进入通道至所述输出通道的方向逐渐减小。
具体地，第一电极包括两个第一电极片，两个所述第一电极片在垂直于所述样品靶所在平面的平面内间隔设置形成所述第一电极间隙，两个所述第一电极片上的电压相位相同。
在其中一个实施例中，所述第二电极包括多个第二电极片，多个所述第二电极片沿所述进入通道至所述输出通道的方向排列设置，相邻两个所述第二电极片中靠近所述样品靶的所述第二电极片的电压高于远离所述样品靶的所述第二电极片的电压。
在其中一个实施例中，所述第二电极组件包括第三电极和第四电极，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极共同形成所述传输通道，所述第三电极上形成有第二电极间隙，所述第四电极设置在所述第二电极间隙内，所述第三电极的电压相位和所述第四电极的电压相位相反，所述第四电极上的电压沿所述进入通道至所述输出通道的方向逐渐减小。
进一步地，第三电极包括两个第三电极片，两个所述第三电极片在垂直于所述样品靶所在平面的平面内间隔设置形成所述第二电极间隙，两个所述第三电极片上的电压相位相同，两个所述第三电极片所在平面和两个所述第一电极片所在平面平行，其中一所述第三电极片对应其中一所述第一电极片间隔设置，且电压相位相同。
具体地，所述第四电极包括多个第四电极片，多个所述第四电极片沿所述进入通道至所述输出通道的方向排列设置，相邻两个所述第四电极片中靠近所述样品靶的所述第四电极片的电压高于远离所述样品靶的所述第四电极片的电压，其中一所述第四电极片对应其中一所述第二电极片间隔设置，且电压相位相反。
在其中一个实施例中，所述第一电极组件形成所述进入通道的一端为第一进入端，所述第一电极组件形成所述输出通道的一端为第一输出端，所述第一进入端为弧形，所述第一进入端靠近所述样品靶的部分的切线垂直于所述样品靶所在平面，所述第一进入端的另一部分和所述第一输出端连接。
在其中一个实施例中，所述第二电极组件形成所述进入通道的一端为第二进入端，所述第二电极组件形成所述输出通道的一端为第二输出端，所述第二进入端为弧形，所述第二进入端靠近所述样品靶的部分的切线垂直于所述样品靶所在平面，所述第二进入端的另一部分和所述第二输出端连接。
一种离子源，包括激光电离源和如上所述的离子传输结构，所述激光能够穿过所述传输通道用于照射在样品靶上。
上述离子源及其离子传输结构，在第一电极组件和第二电极组件间隔设置形成传输通道后，激光能够穿过传输通道垂直照射在样品靶上，进而提高了样品的离子化效率，减小产生离子的初始分散。进入通道的中心轴线方向和样品靶保持垂直，更便于目标离子进入到传输通道内。同时，由于第一电极组件和第二电极组件上的电压逐渐减小，目标离子能够由进入通道通过输出通道达到分析仪器内。在电离产生目标离子并传输的过程中，由于能量大、背景气体碰撞等原因，还会产生很多中性粒子和非目标离子，但进入通道的中心轴线方向和输出通道的中心轴线方向呈夹角设置，非目标离子的质量不会受到第一电极组件和第二电极组件的电场限制，在传输通道内运动时会在进入通道和输出通道的夹角处飞出传输装置，继而提高了输出通道内目标离子的纯度，使得仪器灵敏度提升。
一种质谱仪，包括壳体和如上所述的离子源，所述壳体内形成有真空腔；所述第一电极组件和所述第二电极组件位于所述真空腔内。
上述质谱仪，真空腔内为真空环境，第一电极组件和第二电极组件位于真空腔内，独立于质量分析器。可以将壳体进行拆卸清洗，在清洗结束后也仅需对壳体恢复真空环境，缩短了质谱仪拆卸清洗的周期，进一步提高了质谱仪的使用便捷性。
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侧视图；
图3为图1实施例中的离子源的俯视图。
图中各元件标记如下：
10、离子源；100、第一电极组件；110、第一电极；111、第一电极片；120、第二电极；121、第二电极片；200、第二电极组件；300、传输通道；310、进入通道；320、输出通道；400、样品靶；500、激光电离源；600、其他设备。
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。
参阅图1至图3，一实施例中的质谱仪，包括壳体和离子源10。离子源10包括激光电离源500和离子传输结构。离子传输结构包括第一电极组件100和第二电极组件200。第一电极组件100和第二电极组件200间隔设置形成传输通道300。传输通道300包括进入通道310和输出通道320。进入通道310的中心轴线方向用于和样品靶400保持垂直，进入通道310的中心轴线方向和输出通道320的中心轴线方向呈夹角设置。输出通道320用于和其他设备600相连通。第一电极组件100和第二电极组件200上的电压均沿进入通道310至输出通道320的方向逐渐减小。壳体内形成有真空腔。第一电极组件100和第二电极组件200位于真空腔内。激光电离源500能够穿过传输通道300用于照射在样品靶400上。
在第一电极组件100和第二电极组件200间隔设置形成传输通道300后，激光500能够穿过传输通道300垂直照射在样品靶400上，进而提高了样品的离子化效率，减小产生离子的初始分散。进入通道310的中心轴线方向和样品靶400保持垂直，更便于目标离子进入到传输通道300内。同时，由于第一电极组件100和第二电极组件200上的电压逐渐减小，目标离子能够被电压推动由进入通道310通过输出通道320达到分析仪器内。在电离产生目标离子的过程中还会产生很多非目标离子，但进入通道310的中心轴线方向和输出通道320的中心轴线方向呈夹角设置，非目标离子的质量不会受到第一电极组件100和第二电极组件200的电场限制，在传输通道300内运动时会在进入通道310和输出通道320的夹角处飞出传输装置，继而提高了输出通道320内目标离子的纯度，使得仪器灵敏度提升。
真空腔内为真空环境，第一电极组件100和第二电极组件200位于真空腔内，独立于质量分析器。壳体进行拆卸清洗后也仅需对壳体恢复真空环境，真空腔内的真空度要求不高，缩短了质谱仪拆卸清洗的周期，进一步提高了质谱仪的使用便捷性。
常用的激光电离源500均由固体激光器提供激光，且激光照射样品的角度越小，样品离子化效率越好，固体激光器的位置在腔体内会受到传输装置、分析器的结构限制，激光难以完全垂直照射在样品上。激光总是成一定角度地照射在样品靶400上，即使通过透镜反射系统，也难以垂直且聚焦地照射在样品靶400上，继而导致样品离子化效率不高且产生离子分散大，影响仪器性能。而在本实施例中，通过将第一电极组件100和第二电极组件200间隔设置形成传输通道300，能够使激光器位于第一电极组件100和第二电极组件200之间，激光器发射的激光能够通过传输通道300垂直照射在样品上，电离产生的目标离子也能通过传输通道300至其他设备600内。大大提高了样品的电离效率、减小产生离子的初始分散。
激光电离时会产生很多中性粒子和杂质离子，影响仪器灵敏度。在本实施例中，进入通道310和输出通道320呈夹角设置，使得不能被第一电极组件100和第二电极组件200限制的中性粒子和非目标离子能够被筛除，在传输过程中一些大分子离子碰撞碎裂产生的碎片离子也能被选择、筛除，使得仪器灵敏度提升。
非电离材料会沉积在样品靶400附近的电极表面，形成绝缘层，该绝缘层可随时间被充电，导致电场扭曲影响仪器性能，因此需要定期清洗。因为传统激光电离源500与质量分析器同处一个腔室，拆除清洗需要破真空，导致从拆卸清洗到重新工作的周期较长。本实施例中的离子传输装置独立于质量分析器存在，且真空腔不一定是在高真空条件下，因此整个装置的拆卸清洗无需大幅度破坏腔内真空，重新工作时也无需花大量时间抽真空，使得整个离子传输装置的拆卸清洗周期缩短。
进一步地，如图2所示，第一电极组件100包括第一电极110和第二电极120。第一电极110、第二电极120和第二电极组件200共同形成传输通道300。第一电极110上形成有第一电极间隔。第二电极120设置在第一电极间隔内。第一电极110的电压相位和第二电极120的电压相位相反。第二电极120上的电压沿进入通道310至输出通道320的方向逐渐减小。
参阅图1至图3，在一个实施例中，第二电极组件200包括第三电极和第四电极。第一电极110、第二电极120、第三电极和第四电极共同形成传输通道300。第三电极上形成有第二电极间隔。第四电极设置在第二电极间隔内。第三电极的电压相位和第四电极的电压相位相反。第四电极上的电压沿进入通道310至输出通道320的方向逐渐减小。由第一电极110、第二电极120、第三电极和第四电极共同形成传输通道300，同时也形成了四极场对目标离子进行束缚，通过第二电极120和第四电极的电压沿进入通道310至输出通道320的方向逐渐减小，以此来传输目标离子。非目标离子不易受到四极场的约束，因此非目标离子会在运动过程中飞出传输通道300，进而保证了仪器的灵敏度。
具体地，如图2所示，第一电极110包括两个第一电极片111。两个第一电极片111在垂直于样品靶400所在平面的平面内间隔设置形成第一电极间隔，两个第一电极片111上的电压相位相同。第三电极包括两个第三电极片。两个第三电极片在垂直于样品靶400所在平面的平面内间隔设置形成第二电极间隙，两个第三电极片上的电压相位相同。两个第三电极片所在平面和两个第一电极片111所在平面平行。其中一第三电极片对应其中一第一电极片111间隔设置，且电压相位相同。通过两个第一电极片111和两个第三电极片共同形成传输通道300，便于调节仪器对目标离子的控制灵敏度。需要说明的是，本实施例中最优方案为对应的第一电极片111和第三电极片的电压相位相同。在其他方案中，第一电极片111和第三电极片的电压相位也可以不相同。在另一个实施例中，在对角方向上的其中一第一电极片111和其中一第三电极片的电压相位相同。
在一个实施例中，第二电极120包括多个第二电极片121。多个第二电极片121沿进入通道310至输出通道320的方向排列设置。相邻两个第二电极片121中靠近样品靶400的第二电极片121的电压高于远离样品靶400的第二电极片121的电压。第四电极包括多个第四电极片。多个第四电极片沿进入通道310至输出通道320的方向排列设置。相邻两个第四电极片中靠近样品靶400的第四电极片的电压高于远离样品靶400的第四电极片的电压。其中一第四电极片对应其中一第二电极片121间隔设置，且电压相位相反。通过在不同的第二电极片121或第四电极片上施加不同的电压，推动目标离子前进。具体地，多个第二电极片121和多个第四电极片呈阵列结构一一对应设置，而在阵列结构上可以通过射频和直流、仅射频或仅直流的加电方式，保证传输通道300的连续性和稳定性。需要说明的是从进入通道310开始朝向输出通道320的方向电压呈梯度递增。而电压梯度可以是分压电阻、多个电源、倾斜四极杆等方式产生，只要产生的电压梯度能够推动目标离子运动即可。
在一个实施例中，对目标离子运动方向上的最后一个第二电极片121和第四电极片施加高电压，以使第二电极片121和第四电极片形成的电场能够束缚目标离子，最终目标离子无法离开输出通道320，会在输出通道320内反复碰撞、充分冷却，聚焦成细长的离子束。然后将最后一个第二电极片121和第四电极片电压降低使目标离子抛出进入到其他仪器内。
在一个实施例中，如图1所示，第一电极组件100形成进入通道310的一端为第一进入端，第一电极组件100形成输出通道320的一端为第一输出端，第一进入端为弧形，第一进入端靠近样品靶400的部分的切线垂直于样品靶400所在平面，第一进入端的另一部分和第一输出端连接。相对的，第二电极组件200形成进入通道310的一端为第二进入端，第二电极组件200形成输出通道320的一端为第二输出端，第二进入端为弧形，第二进入端靠近样品靶400的部分的切线垂直于样品靶400所在平面，第二进入端的另一部分和第二输出端连接。需要说明的是，第一电极组件100和第二电极组件200的形状可以为片状、圆柱状或者其他形状。第一进入端和第二进入端还可以为其他非直线型形状，只要能够保证靠近样品靶400的部分的切线垂直于样品靶400所在平面，且形成的进入通道310和输出通道320存在夹角即可。即第一电极组件100和第二电极组件200形成的传输通道300要保证目标离子和非目标离子能够在传输通道300内做非同轴运动即可，这样就能将目标离子和非目标离子进行分离。
最后需要说明的是，第一电极110、第二电极120、第三电极和第四电极的加电方式可以为射频和直流、仅射频或仅直流的方式。电极上的加电方式并不做具体限制，只要能够实现离子传输即可。传输结构的电极种类和数量不应限于上述实施例，也可以包括更多电极。离子传输结构保证了离子的传输效率。整个装置放置在背景气体为N2，约10Pa气压的环境中，离子产生后直接进入离子传输结构并被较高效率冷却、传输。经仿真分析可知，质量范围在850-9500Th的离子传输效率均能达到50％以上，其中1000-5000Th的离子能达90％以上；质量范围在1000-8000Th的离子在该电场下都能得到较好的冷却聚焦效果，通过限流孔(D＝1mm)的效率均能达到50％以上，其中2000-5000Th的离子冷却聚焦效果相对更好些，限流孔通过率能达70％以上。
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)
1.一种离子传输结构，其特征在于，所述离子传输结构包括：
第一电极组件；及
第二电极组件，所述第一电极组件和所述第二电极组件间隔设置形成传输通道，所述传输通道包括进入通道和输出通道，所述进入通道的中心轴线方向用于和样品靶保持垂直，所述进入通道的中心轴线方向和所述输出通道的中心轴线方向呈夹角设置，所述输出通道用于和其他设备相连通，所述第一电极组件和所述第二电极组件上的电压均沿所述进入通道至所述输出通道的方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的离子传输结构，其特征在于，第一电极组件包括第一电极和第二电极，所述第一电极、所述第二电极和第二电极组件共同形成所述传输通道，所述第一电极上形成有第一电极间隙，所述第二电极设置在所述第一电极间隙内，所述第一电极的电压相位和所述第二电极的电压相位相反，所述第二电极上的电压沿所述进入通道至所述输出通道的方向逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的离子传输结构，其特征在于，第一电极包括两个第一电极片，两个所述第一电极片在垂直于所述样品靶所在平面的平面内间隔设置形成所述第一电极间隙，两个所述第一电极片上的电压相位相同。
4.根据权利要求3所述的离子传输结构，其特征在于，所述第二电极包括多个第二电极片，多个所述第二电极片沿所述进入通道至所述输出通道的方向排列设置，相邻两个所述第二电极片中靠近所述样品靶的所述第二电极片的电压高于远离所述样品靶的所述第二电极片的电压。
5.根据权利要求4所述的离子传输结构，其特征在于，所述第二电极组件包括第三电极和第四电极，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极共同形成所述传输通道，所述第三电极上形成有第二电极间隙，所述第四电极设置在所述第二电极间隙内，所述第三电极的电压相位和所述第四电极的电压相位相反，所述第四电极上的电压沿所述进入通道至所述输出通道的方向逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的离子传输结构，其特征在于，第三电极包括两个第三电极片，两个所述第三电极片在垂直于所述样品靶所在平面的平面内间隔设置形成所述第二电极间隙，两个所述第三电极片上的电压相位相同，两个所述第三电极片所在平面和两个所述第一电极片所在平面平行，其中一所述第三电极片对应其中一所述第一电极片间隔设置，且电压相位相同。
7.根据权利要求6所述的离子传输结构，其特征在于，所述第四电极包括多个第四电极片，多个所述第四电极片沿所述进入通道至所述输出通道的方向排列设置，相邻两个所述第四电极片中靠近所述样品靶的所述第四电极片的电压高于远离所述样品靶的所述第四电极片的电压，其中一所述第四电极片对应其中一所述第二电极片间隔设置，且电压相位相反。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的离子传输结构，其特征在于，所述第一电极组件形成所述进入通道的一端为第一进入端，所述第一电极组件形成所述输出通道的一端为第一输出端，所述第一进入端为弧形，所述第一进入端靠近所述样品靶的部分的切线垂直于所述样品靶所在平面，所述第一进入端的另一部分和所述第一输出端连接；和/或
所述第二电极组件形成所述进入通道的一端为第二进入端，所述第二电极组件形成所述输出通道的一端为第二输出端，所述第二进入端为弧形，所述第二进入端靠近所述样品靶的部分的切线垂直于所述样品靶所在平面，所述第二进入端的另一部分和所述第二输出端连接。
9.一种离子源，其特征在于，所述离子源包括：
激光电离源；
如权利要求1-8中任一项所述的离子传输结构，所述激光能够穿过所述传输通道用于照射在样品靶上。
10.一种质谱仪，其特征在于，所述质谱仪包括：
壳体，所述壳体内形成有真空腔；
如权利要求9所述的离子源，所述第一电极组件和所述第二电极组件位于所述真空腔内。
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