CN115201318A - 样品离子生成设备和质谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种样品离子生成设备和质谱检测系统。该离子生成设备，包括样品靶、气体放电装置和激光辅助装置，样品靶设置于气体放电装置和激光辅助装置之间。样品靶用于盛放样品；气体放电装置用于使气体电离产生亚稳态物质，激光辅助装置用于产生激光并作用于样品，使样品转变为样品气体分子；样品气体分子与亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。上述离子生成设备，可以根据样品的尺寸，确定样品靶、气体放电装置和激光辅助装置的相对位置，以匹配不同的样品需求，有利于扩展样品离子生成设备的应用场景。

Description

样品离子生成设备和质谱检测系统

技术领域

本申请涉及质谱仪技术领域，特别是涉及一种样品离子生成设备和质谱检测系统。

背景技术

质谱(又叫质谱法)是一种与光谱并列的谱学方法，具体是指通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的分析方法。在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度的方法。进行质谱检测之前，需要将样品等离子体化，产生样品离子导入质谱仪。

传统的样品离子生成设备，用棒状式电极-平板式电极组成的介质阻挡放电离子源装置，将置于电极与介质之间的固体样品直接离子化，产生样品离子。然而，统的样品离子生成设备，两电极分别在介质两侧，样品的尺寸受电极与介质间空间大小的限制。

因此，传统的样品离子生成设备，具有应用场景受限的缺点。

发明内容

基于此，有必要提供一种样品离子生成设备和质谱检测系统，克服传统的样品离子生成设备应用场景受限的缺点。

一种样品离子生成设备，包括样品靶、气体放电装置和激光辅助装置；所述样品靶设置于所述气体放电装置和所述激光辅助装置之间；

所述样品靶用于盛放样品；所述气体放电装置用于使气体电离产生亚稳态物质；所述激光辅助装置用于产生激光并作用于所述样品，使所述样品转变为样品气体分子；所述样品气体分子与所述亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。

在其中一个实施例中，所述气体放电装置包括第一电源、第一电极、第二电极、绝缘套和气体控制装置；所述第一电极和所述第二电极连接所述第一电源；所述气体控制装置用于控制气体进入所述绝缘套内；所述第一电极和所述第二电极分别固定于所述绝缘套的相对两端；所述第二电极为带导通孔的导电电极，且所述导通孔的出口与所述样品靶上的激光作用区域的距离小于预设间距。

在其中一个实施例中，所述第一电源为输出电压和输出电流均可调节的直流电源。

在其中一个实施例中，所述绝缘套为中空的圆柱体结构，所述第一电极和所述第二电极位于所述绝缘套的中轴上。

在其中一个实施例中，所述第一电极和所述第二电极之间的距离为0.5mm～50mm。

在其中一个实施例中，所述第二电极为管状电极或带孔平板电极。

在其中一个实施例中，所述绝缘套为石英、玻璃、陶瓷、聚醚醚酮或聚四氟乙烯材质的中空结构。

在其中一个实施例中，所述气体为氦气、氧气、氮气、空气中的一种或多种，所述气体的流速为0.00001L/min～20L/min。

在其中一个实施例中，所述激光辅助装置包括第二电源和激光光源；所述第二电源连接所述激光光源，用于驱动所述激光光源产生激光，所述激光光源用于产生激光并作用于所述样品。

一种质谱检测系统，包括质谱仪和上述的样品离子生成设备，所述样品离子生成设备位于所述质谱仪的离子入口处。

上述样品离子生成设备，由激光辅助装置产生激光并作用于样品，使样品转变为样品气体分子，与此同时，气体放电装置使气体电离产生亚稳态物质。样品气体分子与亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。工作过程中，可以根据样品的尺寸，确定样品靶、气体放电装置和激光辅助装置的相对位置，以匹配不同的样品需求，有利于扩展样品离子生成设备的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术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为一个实施例中样品离子生成设备的组成框图；

图2为一个实施例中样品离子生成设备的结构示意图；

图3为一个实施例中质谱检测系统的结构示意图；

图4为另一个实施例中质谱检测系统的结构示意图；

图5为再一个实施例中质谱检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种离子生成设备，包括气体放电装置100、激光辅助装置200和样品靶300，样品靶300设置于气体放电装置100和激光辅助装置200之间。样品靶300用于盛放样品，气体放电装置100用于使气体电离产生亚稳态物质，激光辅助装置200用于产生激光并作用于样品，使样品转变为样品气体分子。样品气体分子与亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。

其中，样品靶300包括用于盛放样品的平台和固定装置。该平台的形状，可以是方形或圆形。激光辅助装置200包括用于产生激光的激光光源。当激光作用于样品时，样品吸收部分激光能量转化为自身的热能，发生物理状态的转变，瞬间气化、解析，产生样品气体分子。气体放电装置100包括实现气体放电的驱动装置，具体的，驱动装置产生的电流通过气体，使气体成为电导体，发生气体放电。气体放电过程，通常伴随着气体的激发和电离。气体激发是指气体原子的外层电子由原来的能级跃迁到较高能级的现象。气体电离是指中性的气体分子或气体原子释放电子形成电子和正离子的过程。气体电离常见的形式有：碰撞电离、光电离、热电离以及电极表面发射电离。进一步的，根据气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种不同的表现形式，如辉光放电、暗放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。但无论是何种表现形式，都会使气体发生电离和激励，产生离子、活性基团等亚稳态物质，这些亚稳态物质具有良好的化学活性，可以使样品气体分子发生离子-分子反应而电离，转变为样品离子。以理解，本申请中的样样品，可以是联苯类、菊酯类等非极性或结构稳定的物质，也可以是其他类型的结构不稳定物质，据样品的性质，可以调整气体放电装置100和激光辅助装置200的工作参数，以匹配不同的样品需求。

具体的，激光辅助装置200产生激光并作用于样品，使样品受到激光作用温度升高并转变为样品气体分子。与此同时，反应气体在气体放电装置100的驱动下放电，产生离子、活性基团等亚稳态物质。由于样品靶300位于气体放电装置100和激光辅助装置200之间，气体放电产生的亚稳态物质将与样品靶300上的样品气体分子相遇，二者接触后，样品分子发生反应而电离，转变为样品离子。

上述样品离子生成设备，由激光辅助装置200产生激光并作用于样品，使样品转变为样品气体分子，气体放电装置100使气体电离产生亚稳态物质。样品气体分子与亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。工作过程中，可以根据样品的尺寸，确定气体放电装置100、激光辅助装置200和样品靶300的相对位置，并根据样品的性质，确定气体放电装置100和激光辅助装置200的工作参数，以匹配不同的样品需求，有利于扩展样品离子生成设备的应用场景。

在一个实施例中，请参考图2，气体放电装置100包括第一电源101、第一电极102、第二电极103、绝缘套104和气体控制装置105。第一电极102和第二电极103连接第一电源101；气体控制装置105用于控制气体进入绝缘套104内；第一电极102和第二电极103分别固定于绝缘套104的相对两端；第二电极103为带导通孔的导电电极，且导通孔的出口与样品靶300上的激光作用区域的距离小于预设间距。

其中，气体可以直接通过管道传输进入绝缘套104，也可以使用气瓶盛装气体，再通过管道将气体传输至绝缘套104。其中，用于发生气体放电反应的气体，可以为单一气体也可以为混合气体，可以为无机气体也可以为有机物饱和气体。气体控制装置105包括阀门、流量计等可以用于控制气体流速的配件。当气体为混合气体时，通过对每个组分的气体流速进行控制，可以控制混合气体中各气体的含量，以及混合气体的气流速度。在一个实施例中，用于发生气体放电反应的气体，为氦气、氧气、氮气、空气中的一种或多种，气体控制装置105控制气体进入绝缘套104的流速为0.00001L/min～20L/min。例如，该流速可以是0.00001L/min、0.0001L/min、0.001L/min、0.01L/min、0.1L/min、1L/min、10L/min或20L/min。

另外，第一电源101可以为直流电源，也可以是交流电源。第一电极102和第二电极103可以为不锈钢、铜或铝等材质的金属电极，或碳材质的非金属电极。第一电极102可以为平板电极或针状电极，第二电极103可以为管状电极或带孔平板电极。第一电源101与电极之间，还可以连接有电阻、电容等器件。如图2中所示，在第一电源101与第一电极102之间连接有电阻R1。绝缘套104相当于气体放电的反应室，构成一个相对密闭的腔体。例如，绝缘套104可以为石英、玻璃、陶瓷、PEEK(poly-ether-ether-ketone，聚醚醚酮)或聚四氟乙烯材质的中空结构。绝缘套104的形状并不唯一，例如可以是圆柱体、球体或长方体等规则的中空结构，也可以是其他不规则的中空结构。

进一步的，第一电极102和第二电极103分别固定于绝缘套104的相对两端，是指第一电极102和第二电极103并非位于绝缘套104的同一方位，两个电极在一条直线上相对设置或成一定的角度相对设置。在一个实施例中，绝缘套104为中空的圆柱体结构，第一电极102和第二电极103固定于绝缘套104的两端，位于绝缘套104的中轴上。需要说明的是，上述实施例中，对绝缘套104与样品靶300的相对位置关系并不作限定，只需位于绝缘套104上的第二电极103的导通孔的出口，与样品靶300上的激光作用区域的距离小于预设间距即可。例如，当绝缘套104为圆柱体结构时，绝缘套104的中轴与样品靶300之间的夹角，可以是0°～90°范围内的任意值。另外，当绝缘套104的中轴与样品靶300之间的夹角为0°以外的其他角度时，位于绝缘套104上的第二电极103的导通孔的出口，指向样品靶300上的激光作用区域，以进一步确保亚稳态物质和样品气体分子的充分接触。如图2中所示，绝缘套104的中轴与样品靶300之间的夹角为45°，第二电极103的导通孔的出口，指向样品靶300上的激光作用区域。

具体的，气体控制装置105控制气体进入绝缘套104内，使第一电极102和第二电极103之间充满气体。第一电极102和第二电极103连接第一电源101，第一电源101提供的电能传输至第一电极102和第二电极103，在第一电极102和第二电极103之间形成局部电场。其中，第一电极102和第二电极103之间间隔的区域，为气体放电的反应区域。在一个实施例中，第一电极102和第二电极103之间的距离为0.5mm～50mm。例如，该距离可以是0.5mm、5mm、10mm或50mm。在第一电源101的输出电能一定的情况下，第一电极102和第二电极103之间的距离越近，局部电场的电场强度越大，当电场强度超过气体的电离强度时，两个电极之间的气体发生放电反应，产生的亚稳态物质，通过第二电极103中的导通孔到达样品靶300上的激光作用区域。

进一步的，在一个实施例中，第一电源101为输出电压和输出电流均可调节的直流电源。

根据气体放电机理可知，第一电极102和第二电极103的极性，决定着放电时空间电荷的积累和分布情况，进而决定着气体放电后，经过第二电极103的导通孔到达样品靶300的亚稳态物质的具体类型。

具体的，在直流电压作用下，负极性电晕或正极性电晕均在电极尖端附近聚集空间电荷。当第二电极103为负极性时，电子引起碰撞电离后，被推向远离第二电极103尖端的空间形成负离子；在靠近第二电极103表面的位置集聚正离子。增大第一电源101的输出电压和输出电流，第一电极101和第二电极102之间的局部电场增强，正离子被吸进第二电极103的导通孔。当第二电极103为正极性时，电子引起碰撞电离后，正离子被推向远离第二电极103的空间形成正离子，在靠近第二电极103表面的位置集聚电子和负离子。增大第一电源101的输出电压和输出电流，第一电极101和第二电极102之间的局部电场增强，则电子和负离子被吸入第二电极103的导通孔。

以上两种情况，都可以在第一电源101的驱动下，形成脉冲式气体放电。随着驱动电压的升高，放电电流的脉冲频率增加、幅值增大。在较高的气体流速和较低的放电电流下，气体电离过程以质子转移为主；在较低的气体流速和较高的放电电流下，气体电离过程以电荷转移为主。通过控制放电电流及气体流速的大小可以实现放电模式的切换，从而实现对不同样品的电离，扩大离子源的电离物质的种类，扩展样品离子生成设备的应用场景。在一个实施例中，第一电源101输出电压的可调范围为-10000V～10000V，输出电流的可调范围为0～200mA。

上述实施例中，可以通过调节第一电源101和气体控制装置105的参数，改变气体流速和放电电流，实现放电模式的切换，实现不同材质的样品靶的电离，有利于扩大离子源的电离物质的种类，扩展样品离子生成设备的应用场景。

在一个实施例中请继续参考图2，激光辅助装置200包括第二电源201和激光光源202。第二电源201连接激光光源202，用于驱动激光光源202产生激光，激光光源202用于产生激光并作用于样品。

其中，第二电源201的输出电压，可以为直流电压，也可以为脉冲电压。激光光源202包括激光器和光束传递装置。该激光器，可以是气体激光器、固体激光器、半导体激光器或光纤激光器，用于产生激光。光束传递装置包括反射镜和透镜等光学组件，可以改变激光的传输方向，使激光作用于样品。具体的，第二光源201驱动激光光源202产生激光，激光作用于样品，使样品被加热，发生局部的瞬态气化、解析，转变为样品气体分子。进一步的，可以通过改变第二电源201的输出电能，调节激光光源202输出激光的能量，实现不同材质的样品的气化。

上述实施例中，激光辅助装置200包括第二电源201和激光光源202，可以通过调节激光的能量，实现不同材质的样品的气化，有利于扩大离子源的电离物质的种类，扩展样品离子生成设备的应用场景。

在一个实施例中，提供了一种质谱检测系统，包括质谱仪和上述的样品离子生成设备。样品离子生成设备位于质谱仪的离子入口处。

关于样品离子生成设备的具体限定可以参加上文，此处不再赘述。其中，质谱仪又称质谱计，是一种分离和检测不同同位素的仪器。其测量过程是根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成。具体的，样品离子生成设备生成的样品离子，通过质谱仪的离子入口引入质谱仪进行后续检测。需要说明的是，本实施例中，对样品离子生成设备的离子出口与质谱仪的离子入口的距离，以及各组成部件与质谱仪的相对位置关系均不作限定。例如，在一个实施例中，如图3所示，样品靶300竖直放置，激光光源202位于样品靶300的左侧，绝缘套104位于样品靶300的右下方，质谱仪20为与样品靶300的右侧，质谱仪20的离子入口指向样品靶300上的激光作用区域，第二电极103指向样品靶300上激光作用区域与质谱仪20的离子入口之间的区域。

为了便于理解，下面对两个具体实施例中，样品离子生成设备各组成部件与质谱仪的相对位置关系，以及样品离子的产生过程进行说明。

在其中一个实施例中，请参考图4，绝缘套104位于样品靶300的上方偏左侧位置，质谱仪20位于样品靶300的上方偏右侧位置，激光光源202位于样品靶300的下方。第一电极102为针状电极，第二电极103为不锈钢材质的管状电极，绝缘套104为石英材质的中空结构。绝缘套104的形状为两个同底的圆柱体和圆锥体叠合结构，其中，圆锥体的顶端固定管状的第二电极103，圆柱体远离圆锥体的底部圆心处固定针状的第一电极102。第二电极103与样品靶300之间的夹角约为45°，且第二电极103的导通孔出口指向样品靶300上的激光作用区域。质谱仪20的离子入口指向第二电极103的导通孔出口，且质谱仪20的离子通道与样品靶300平行设置。

第一电极102和第二电极103之间的距离为7.5mm。气体控制装置105控制氦气以0.3L/min的流速进入绝缘套104中，到达放电区域。激光光源202在第二电源201的驱动下产生激光并作用于样品上，使样品加热气化转变为样品气体分子。第一电源101的一端通过电阻R1连接第一电极102，另一端连接第二电极103。第一电源101的输出电压为直流800V，输出电流为15mA，在第一电极102和第二电极103之间形成局部电场，使第一电极102和第二电极103之间的氦气发生放电反应，产生离子等亚稳态物质。这些亚稳态物质随第二电极103中的导通孔到达样品靶300。样品靶300上的样品气化后产生的样品气体分子与亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。样品离子再通过质谱仪20的离子入口进入质谱仪20。

在另一个实施例中，请参考图5，绝缘套104位于样品靶300的正上方质谱仪20位于样品靶300的上方偏右侧位置，激光光源202位于样品靶300的下方。第一电极102为针状电极，第二电极103为不锈钢材质的带孔平板电极，绝缘套104为陶瓷材质的中空结构。绝缘套104的形状为中空的圆柱体结构，其中，圆柱体的中轴垂直于样品靶300，第一电极102和第二电极103位于圆柱体的中轴上，固定于绝缘套104的两个底面。其中，绝缘套104靠近样品靶300的一端固定第二电极103，绝缘套104远离样品靶300的一端固定第一电极102。质谱仪20的离子入口，指向第二电极103的导通孔出口与样品靶300上激光作用区域之间的位置，且质谱仪20的离子通道与样品靶300平行设置。

第一电极102和第二电极103之间的距离为7.5mm。气体控制装置105控制氦气、氧气和空气以一定的比例混合后，按照0.6L/min的流速进入绝缘套104中，到达放电区域。激光光源202在第二电源201的驱动下产生激光并作用于样品上，使样品加热气化转变为样品气体分子。第一电源101的一端通过电阻R1连接第一电极102，另一端连接第二电极103。第一电源101的输出电压为直流1000V，输出电流为0.5mA，在第一电极102和第二电极103之间形成局部电场，使第一电极102和第二电极103之间的氦气发生放电反应，产生离子等亚稳态物质。这些亚稳态物质随第二电极103中的导通孔到达样品靶300。样品靶300上的样品气化后产生的样品气体分子与亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。样品离子再通过质谱仪20的离子入口进入质谱仪20。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征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描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种样品离子生成设备，其特征在于，包括样品靶、气体放电装置和激光辅助装置；所述样品靶设置于所述气体放电装置和所述激光辅助装置之间；

所述样品靶用于盛放样品；所述气体放电装置用于使气体电离产生亚稳态物质；所述激光辅助装置用于产生激光并作用于所述样品，使所述样品转变为样品气体分子；所述样品气体分子与所述亚稳态物质接触后，发生反应转变为样品离子。

2.根据权利要求1所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述气体放电装置包括第一电源、第一电极、第二电极、绝缘套和气体控制装置；所述第一电极和所述第二电极连接所述第一电源；所述气体控制装置用于控制气体进入所述绝缘套内；所述第一电极和所述第二电极分别固定于所述绝缘套的相对两端；所述第二电极为带导通孔的导电电极，且所述导通孔的出口与所述样品靶上的激光作用区域的距离小于预设间距。

3.根据权利要求2所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述第一电源为输出电压和输出电流均可调节的直流电源。

4.根据权利要求2所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述绝缘套为中空的圆柱体结构，所述第一电极和所述第二电极位于所述绝缘套的中轴上。

5.根据权利要求2所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极之间的距离为0.5mm～50mm。

6.根据权利要求5所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述第二电极为管状电极或带孔平板电极。

7.根据权利要求2所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述绝缘套为石英、玻璃、陶瓷、聚醚醚酮或聚四氟乙烯材质的中空结构。

8.根据权利要求2所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述气体为氦气、氧气、氮气、空气中的一种或多种，所述气体的流速为0.00001L/min～20L/min。

9.根据权利要求1所述的样品离子生成设备，其特征在于，所述激光辅助装置包括第二电源和激光光源；所述第二电源连接所述激光光源，用于驱动所述激光光源产生激光，所述激光光源用于产生激光并作用于所述样品。

10.一种质谱检测系统，其特征在于，包括质谱仪和如权利要求1至9任意一项所述的样品离子生成设备，所述样品离子生成设备为于所述质谱仪的离子入口处。

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