CN117198857A - 一种质谱芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质谱芯片，包括两个相互平行的质谱芯片平面和电极组单元。质谱芯片平面为完整平面。电极组单元包括第一电极组和第二电极组至少两个电极组；第一电极组包括至少两个分离电极对；分离电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个分离电极组成；通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个质谱芯片平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；第二电极组用于检测离子，其包括至少一个检测电极对；检测电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个检测电极组成。本发明提高了离子光学系统的集成度，高度兼容MEMS工艺，易于实现高精度、批量化的平行制造，降低成本，推动质谱仪器整机的小型化。

Description

一种质谱芯片

技术领域

本发明涉及质谱仪器技术领域，具体涉及一种质谱芯片。

背景技术

小型质谱仪是近些年质谱仪器领域最热门的发展方向之一，广泛应用于违禁品筛查、法医取证、环境污染物检测，临床检验等领域。以质量分析器为代表的离子光路系统是质谱仪最核心的部分。过去二十多年，以质量分析器的小型化为主要驱动力，极大促进了质谱整机系统的小型化发展，彻底改变了质谱分析的应用方式，实现了从传统的实验室分析到如今的现场原位检测的转变。而基于传统机械加工技术的小型化质谱仪器逐渐进入了发展的瓶颈，因为传统机械加工技术很难实现亚毫米水平的高精密加工，而且在零部件的装配上也面临了巨大的挑战。以MEMS为代表的微加工技术为亚毫米的器件加工提供了一理想的选择，尤其是以叠层结构为主要特征的MEMS平面工艺，具有工艺路线简洁、成熟度高、便于平行制造、一致性好等优点。

中国专利CN101063672A公开了一种离子存储与分析装置，包含两排平行放置的条状电极阵列，其电极阵列相互平行，通过在其上施加不同相位的交流电压产生多个并列的直线离子束缚区，离子在这些区域被捕获和冷却以及进行质量鉴别。但是，该技术方案并未将质量分析器之外的其他离子光学器件进行集成，尤其是检测器，其他离子检测方案都是使用外置的检测器，而且要么需要在电极上设置开口以使离子可以由此出射，要么让离子横跨多个捕获区域然后再由外置的检测器进行检测。这些方案要么破坏了电极完整性影响质量分析性能，要么需要在离子出射效率和分辨率之间进行妥协。而且，检测器的外置使其难以实现一体制造和高集成度，仍需要很多专利文本中没有提及的起到支撑和定位作用的部件完成两者的装配。

中国专利CN106024575A公开了一种基于MEMS工艺的多层结构矩形离子阱，包括上层和下层玻璃、上电极金属层和下电极金属层，以及两层玻璃之间的硅层，矩形离子阱由电极层和硅层合围成区域组成。该技术涉及到了叠层结构，但是离子阱的各个电极并非是真正的平面电极，本质上仍是一个三维结构，尤其是硅层部分，承担电极功能的面和金属层的面是垂直关系，而非平行或共面关系。这样的结构对硅层的加工有很高的要求，尽管该技术方案基于MEMS工艺但是受限于MEMS工艺现有的硅刻蚀方法，其很难在垂直方向上加工出高质量的切面。因此，这种技术方案结构比较复杂，而且实际上难以实现高精度的稳定加工，对其分析性能和批次间的一致性有很大的影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的质谱离子光学系统的集成度低、加工精度难以保证，仍存在离子光路系统集成度低、整体加工成本高、工艺兼容性差和加工精度低等整体设计问题，本发明的目的在于提供一种质谱芯片。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种质谱芯片，该芯片包括两个相互平行的质谱芯片平面以及设置在所述质谱芯片平面上的电极组单元；所述质谱芯片平面为完整平面，其上没有离子可以通过的开口。

具体地说，所述电极组单元包括第一电极组和第二电极组至少两个电极组；所述第一电极组包括至少两个分离电极对；所述分离电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个分离电极组成；通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个质谱芯片平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；所述第二电极组用于检测离子，其包括至少一个检测电极对；所述检测电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个检测电极组成。

进一步的，所述第一电极组至少包括第一分离电极对、第二分离电极对和第三分离电极对，通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；

所述第一分离电极对、第二分离电极对和第三分离电极对均为带状电极或者同轴的圆环电极。

进一步的，所述电极组单元还包括第三电极组；

所述第三电极组，用于施加直流电压，以在至少一个维度上控制离子在四极场中的运动。

进一步的，所述第一电极组包括同轴放置的第一分离电极对和第二分离电极对；

所述第一分离电极对包括两个相互平行的圆环电极；

所述第二分离电极对包括两个相互平行的圆形电极。

进一步的，所述电极组单元还包括第四电极组；

所述第四电极组，用于施加特定的直流电压，以在离子注入过程中实现离子束在至少一个维度上的空间聚焦。

进一步的，所述第二电极组为法拉第检测器或镜像电荷检测器。

进一步的，所述第一电极组构建的四极场以离子阱的工作方式来分离离子；

或者，在所述第一电极组的至少一部分分离电极对上额外施加直流电压使其以四极杆的工作方式来分离离子。

进一步的，所述质谱芯片平面为玻璃材料。

进一步的，所述电极组由玻璃通孔技术或硅通孔技术的高掺杂硅组成。

进一步的，所述质谱芯片包括由多个所述电极组单元构成的阵列单元。

和现有技术相比，本发明的优点为：

(1)本发明提出的质谱芯片集成了主要的离子光学器件，而且离子光学器件的所有电极均采用平面电极，放置于两个平行的平面之上。本发明所述的质谱芯片整体结构简单，极大提高了离子光学系统的集成度，高度兼容MEMS工艺，易于实现高精度、批量化的平行制造，能极大地降低加工成本，推动质谱仪器整机的小型化。

(2)本发明提出的基于两层平板结构的质谱芯片，一方面简化了传统离子阱和四极杆等质量分析器的电极结构，降低了加工难度和成本，另一方面将质量分析器和检测器进行单片集成，既提高了装配精度，又缩短了两者的距离，提高了离子检测效率。另外，本发明中的离子出射方向为x方向，与所述质谱芯片平面平行，因而检测器也相应置于质量分析器的两侧，与离子出射方向的相同。传统技术方案通常使用外置的检测器，离子出射方向垂直于平面，因而需要设置离子出口。本发明则无需破坏平面的完整性，既能保证电极不被破坏，从而不影响分析性能，又降低了加工难度，完全不用考虑开口的机械加工问题。

附图说明

图1是本发明公开的质谱芯片在XY方向上的剖面结构示意图；

图2a是本发明公开的基于平板线型离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图；

图2b是本发明公开的基于平板线型离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图；

图3a是本发明公开的基于平板超环面离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图一；

图3b是本发明公开的基于平板超环面离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图二；

图4a是本发明公开的基于平板圆柱离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图一；

图4b是本发明公开的基于平板圆柱离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图二；

图5是本发明公开的包含离子聚焦透镜的基于平板线型离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图；

图6是本发明公开的包含离子聚焦透镜的基于平板超环面离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图；

图7是本发明公开的包含离子聚焦透镜的基于平板圆柱离子阱的质谱芯片在XZ方向上结构示意图；

图8是本发明公开的基于四极杆质量分析器的质谱芯片在XZ方向上结构示意图；

图9是本发明公开的包含前预杆和后预杆的基于四极杆质量分析器的质谱芯片在XZ方向上结构示意图；

图10是本发明公开的由4个平板线型离子阱单元组成的分析阵列A)在XZ方向上结构示意图和B)在XY方向上的剖面图

图11是本发明公开的由4个四极杆单元组成的分析阵列A)在XZ方向上结构示意图和B)在XY方向上的剖面图；

图12是本发明公开的基于玻璃通孔技术或硅通孔技术加工制造的质谱芯片在XY方向上的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明公开了一种质谱芯片，该质谱芯片基于两层电极结构，将离子光学器件的所有电极进行平面化设计，有效提高了离子光路系统的集成度，适用于以MEMS为代表的微加工工艺，便于实现高精度、批量化的平行加工，能极大降低加工成本，推动小型质谱仪的进一步。

实施例1

本实施例提供了一种质谱芯片，该芯片为基于离子阱质量分析器的质谱芯片，其基本结构如图1所示。如图1所示，该质谱芯片包括两个相互平行的质谱芯片平面以及设置在所述质谱芯片平面上的电极组单元。所述质谱芯片平面为机械完整的平面，其上没有离子可以通过的开口，这样设计可以不破坏电极完整性，从而不会影响分析性能，而且能够降低加工难度和成本。

所述电极组单元包括第一电极组和第二电极组两个电极组。所述第一电极组包括第一分离电极对110、第二分离电极对120和第三分离电极对130至少三个分离电极对；所述分离电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个分离电极组成；通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个质谱芯片平面之间的特定区域001内形成四极电场，用于束缚和分离离子。所述第二电极组用于检测离子，其包括至少一个检测电极对；所述检测电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个检测电极组成。在本实施例中，第二电极组包括两个检测电极对210和220，两个检测电极对分别放置在第一电极组的两侧，用于检测离子。采用上述电极结构构建的离子阱质量分析器，其电极结构简单，不仅极大地降低了加工难度，而且还易于与检测器的单片集成。同时，基于微加工技术的加工特点，上述电极结构能极大地提高各电极间的装配精度。由于离子出射方向与所述质谱芯片的平面平行，所以不需要再平面上设置用于离子出射的开口，这样的好处在于一方面可以不破坏电极完整性，从而不影响分析性能；另一方面，降低了加工难度和加工成本。

为了构建四极场，通常需要在第二分离电极对120上施加射频电压，而第一分离电极对110和第三分离电极对施加相位相反而幅值相等的射频电压。同时，在第一分离电极对110和第三分离电极对130上施加相位相反而幅度相等的交流电压。构建的四极场以离子阱的工作模型进行质量分析，其基本工作流程是：首先，施加比较低的射频电压使进入阱内的大部分离子受到四极场的束缚作用而捕获；然后，再调整射频电压使捕获的离子与中性气体分子进行碰撞，以降低离子的动能，并同时减小离子在四极场中的空间分布，即所谓的离子冷却。经过特定时间的离子冷却，开始扫描射频电压的幅值或频率，根据四极场理论可知，离子的稳定参数，尤其是运动频率也会随着改变，当特定质荷比离子的运动频率其与交流电压的频率一致时，该质荷比的离子就会受到所谓共振激发的作用，其运动幅度迅速增大，直至从阱内飞出。继而，出射的离子被第二电极组200接收。

在一些实施方式中，所述第一电极组的第一分离电极对110、第二分离电极对120和第三分离电极对130为彼此平行的带状电极，从而组成如图2a和图2b所示的平板线型离子阱。相应地，在图2a和图2b所示的质谱芯片中，还包括第三电极组310和320，其位于第一电极组的两端，通过在第三电极组310和320上施加合适的直流电压，以在至少一个维度上控制离子在四极场中的运动。第一电极组的各分离电极对通过使用带状电极，从本质上组成了线型离子阱，从而极大提高了离子容量，改善了灵敏度和动态范围。根据四极场的稳定图理论，通过额外施加所述直流电压可以改变离子的稳定参数a值，能够实现离子在单一维度(x方向)上的出射，从而提高离子的检测效率。

在一些实施方式中，所述第一分离电极对110、第二分离电极对120和第三分离电极对130为同轴的圆环电极，从而组成如图3a和图3b所示的平板超环面离子阱。该实施例能够在有限的空间内进一步提高了离子容量，同时使离子的入射方向更灵活。

在一些实施方式中，所述第一电极组仅包括同轴放置的第一分离电极对110和第二分离电极对120，第一分离电极对110为圆环电极，第二分离电极对120为圆形电极，从而组成如图4a和图4b所示的平板圆柱离子阱。该实施例结构更简单，电极数量更少，易于接线。

在一些实施方式中，所述电极组单元还包括第四电极组410、420和430，施加特定的直流电压以在离子注入过程中实现离子束在至少一个维度上的空间聚焦，组成如图5、图6和图7所示的离子聚焦透镜。该实施例使用离子聚焦电极，能够有效压缩离子束尺寸，提高了离子注入效率。

在一些实施方式中，所述第二电极组为法拉第检测器，离子和电极直接接触产生离子信号。法拉第检测器的检测结构简单，无离子歧视。

在一些实施方式中，所述第二电极组为镜像电荷检测器，离子不与电极直接接触，而是当离子靠近和远离电极表面时会在电极上产生相应的感应镜像电荷的流动，通过镜像电荷的检测才实现离子信号检测。镜像电荷检测器不仅可以实现离子的无损检测，还能够通过延长检测时间来极大地提高质量分辨率。

在一些实施方式中，所述质谱芯片基于玻璃通孔技术或硅通孔技术加工制造，所述平面为玻璃材料，所述电极组为高掺杂硅材料，其结构如图12所示。该实施例解决了电极的跨介质引线问题，增加了引线方式的灵活性，同时将电极和引线融为一体，一举两得。

实施例2

本实施例展示了一种如图8所示的基于四极杆质量分析器的质谱芯片，所述质谱芯片包括第一电极组、第二电极组210、第三电极组和第四电极组。所述第一电极组由第一分离电极对110、第二分离电极对120和第三分离电极对130组成，第三电极组由电极对310和320组成，第四电极组由电极对410、420和430组成。所述第一电极组的第二分离电极对120施加有射频电压和正的直流电压，而第一分离电极对110和第三分离电极对130施加相位相反而幅值相同的射频电压以及幅值相同的负的直流电压，并且射频电压和直流电压的幅值始终保持特定的比例关系进行电压扫描，也就是典型的四极杆的工作模型。离子经过第四电极组的聚焦和传输通过第三电极组的310进入第一电极组所在四极杆分析区域，受到内部四极场的筛选作用，特定的射频电压和直流的组合下只允许相应质荷比的离子稳定通过分析区域，并穿过第三电极组的电极对320到第二电极组210组成的检测器。该实施例实现了四极杆质量分析器的平面化设计，大大降低了加工难度。同时，基于微加工技术制作而成的质谱芯片，可以实现很大长宽比电极的加工和高精度装配，极大地提高了四极杆的机械精度，减轻了机械误差对性能的影响。另外，四极杆质量分析器的选择离子扫描功能具有很高的定量分析能力。

在一些实施方式中，如图9所示，所述第一电极组的前后两端还分别设置有第五电极组510、520和530，以及第六电极组610、620和630。520和620仅施加和所述电极对120相同的射频电压，510、530、610和630仅施加和电极对110和130相同的射频电压，第五电极组和第六电极组分别组成了前预杆和后预杆，用于消除四极杆的前后两端的边缘场效应，提高分辨率和灵敏度等分析性能。

实施例3

本实施例展示了一种如图10所示和如图11所示的包含若干阵列单元的质谱芯片。如图10所示的一种基于离子阱质量分析器的质谱芯片，包含4个分析单元。如图11所示的一种基于四极杆质量分析器的质谱芯片，包含4个分析单元。各相邻分析单元可以共用部分电极对。质谱芯片通过采用阵列结构，能够增大分析通量和灵敏度。另外，通过将不同分析单元工作设置在不同的工作模式或者工作参数下，可以实现更多的操作灵活性。比如，不通分析单元用于分析不同质量数或者质量段的离子，能极大提高分析速度。

综上所述，本发明提出的质谱芯片集成了主要的离子光学器件，而且离子光学器件的所有电极均采用平面电极，放置于两个平行的平面之上。本发明所述的质谱芯片整体结构简单，极大提高了离子光学系统的集成度，高度兼容MEMS工艺，易于实现高精度、批量化的平行制造，能极大地降低加工成本，推动质谱仪器整机的小型化。

以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种质谱芯片，其特征在于，该芯片包括两个相互平行的质谱芯片平面以及设置在所述质谱芯片平面上的电极组单元；所述质谱芯片平面为完整平面；

所述电极组单元包括第一电极组和第二电极组至少两个电极组；

所述第一电极组包括至少两个分离电极对；所述分离电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个分离电极组成；通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个质谱芯片平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；

所述第二电极组用于检测离子，其包括至少一个检测电极对；所述检测电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个检测电极组成。

2.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述第一电极组至少包括第一分离电极对、第二分离电极对和第三分离电极对，通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；

所述第一分离电极对、第二分离电极对和第三分离电极对均为带状电极或者同轴的圆环电极。

3.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述电极组单元还包括第三电极组；

所述第三电极组，用于施加直流电压，以在至少一个维度上控制离子在四极场中的运动。

4.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述第一电极组包括同轴放置的第一分离电极对和第二分离电极对；

所述第一分离电极对包括两个相互平行的圆环电极；

所述第二分离电极对包括两个相互平行的圆形电极。

5.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述电极组单元还包括第四电极组；

所述第四电极组，用于施加特定的直流电压，以在离子注入过程中实现离子束在至少一个维度上的空间聚焦。

6.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述第二电极组为法拉第检测器或镜像电荷检测器。

7.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述第一电极组构建的四极场以离子阱的工作方式来分离离子；

或者，在所述第一电极组的至少一部分分离电极对上额外施加直流电压使其以四极杆的工作方式来分离离子。

8.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述质谱芯片平面为玻璃材料。

9.根据权利要求8所述的质谱芯片，其特征在于，

所述电极组由玻璃通孔技术或硅通孔技术的高掺杂硅组成。

10.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

所述质谱芯片包括由多个所述电极组单元构成的阵列单元。