CN117457474A - 便携式质谱分析系统和方法 - Google Patents

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史旭
斯培剑
段炼
王再生
马乔
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Abstract

本发明提供了便携式质谱分析系统和方法，所述便携式质谱分析系统包括离子阱，所述离子阱包括第一端盖电极；基体具有允许离子穿过的通孔，弹性件设置在所述第一端盖电极和离子接收单元之间，且处于所述基体的一侧或两侧；离子接收单元包括第一导电体、绝缘体和第二导电体，离子依次穿过所述第一端盖电极和基体，被所述第一导电体接收；第三导电体连接所述第一端盖电极和所述第二导电体，所述第一端盖电极接地；所述第一导电体连接电学检测单元。本发明具有检测结果准确等优点。

Description

便携式质谱分析系统和方法
技术领域
本发明涉及质谱分析，特别涉及便携式质谱分析系统和方法。
背景技术
电子倍增器广泛应用于高真空环境的离子检测，法拉第杯检测器可在高压环境下工作，但它的灵敏度和采样带宽都低于电子倍增器。此外，鉴于质谱系统通常要在高真空下工作（小于5×10-3pa），法拉第杯检测器难以应用在质谱仪器中，而高真空环境往往需要较大的泵组提供，限制了质谱仪器的小型化。
法拉第杯检测器通常为，金属制成杯状，杯底部用于接受电子，测得的电流可以用来判定入射电子或离子的数量，杯的边缘用于屏蔽，前端用于离子导入，采用网状电极或中间挖孔金属板，杯外侧还需进行绝缘；传统法拉第杯检测器应用于质谱仪器灵敏度较低，且无法实现小型化。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种便携式质谱分析系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
便携式质谱分析系统，所述便携式质谱分析系统包括离子阱，所述离子阱包括第一端盖电极；所述便携式质谱分析系统还包括：
基体和弹性件，所述基体具有允许离子穿过的通孔，所述弹性件设置在所述第一端盖电极和离子接收单元之间，且处于所述基体的一侧或两侧；
离子接收单元，所述离子接收单元包括第一导电体、绝缘体和第二导电体，离子依次穿过所述第一端盖电极和基体，被所述第一导电体接收；
第三导电体，所述第三导电体连接所述第一端盖电极和所述第二导电体，所述第一端盖电极接地；
电学检测单元，所述第一导电体连接所述电学检测单元。
本发明的目的还在于提供了质谱分析方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
质谱分析方法，所述质谱分析方法为：
样品被离子化，离子依次穿过离子阱的第一端盖电极和基体，被离子接收单元的第一导电体接收，第一导电体的输出信号送电学检测单元；弹性件设置在所述第一端盖电极和离子接收单元之间，且处于所述基体的一侧或两侧；所述第一端盖电极和第二导电体间电连接，并接地，所述第二导电体和第一导电体之间绝缘；
所述电学检测单元输出与离子信息对应的电信号，经分析后获得所述样品信息。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.体积小，实现了便携；
采用基体、弹性件和离子接收单元的组合，与原检测器相比，离子检测的体积显著缩小，实现了质谱分析系统的便携；
2.分析灵敏度高；
离子阱的三个电极均采用满足条件的腰型通孔，且中心电极的腰型通孔大于第一端盖电极和第二端盖电极的腰型通孔，各个腰型通孔的长轴平行且共线，提高了分析灵敏度；
3.调节方便；
在不同场合应用下，第一端盖电机和离子接收单元的间距需要调节，而弹性件的设置降低了间距调节的难度。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的便携式质谱分析系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的离子接收单元的侧视结构示意图；
图3是根据本发明实施例的离子接收单元的剖视结构示意图；
图4是根据本发明实施例的离子阱的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的质谱分析方法的流程示意图。
具体实施方式
图1-图5和以下说明描述了本发明的可选具体实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些具体实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选具体实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1
本发明实施例的便携式质谱分析系统，如图1所示，所述便携式质谱分析系统包括：
离子阱，所述离子阱包括第一端盖电极11；
基体31和弹性件32，所述基体31具有允许离子穿过的通孔，所述弹性件32设置在所述第一端盖电极11和离子接收单元40之间，且处于所述基体31的一侧或两侧；
离子接收单元40，如图2所示，所述离子接收单元41包括第一导电体41、绝缘体42和第二导电体43，离子依次穿过所述第一端盖电极11和基体31，被所述第一导电体41接收；
第三导电体，所述第三导电体连接所述第一端盖电极11和所述第二导电体43，所述第一端盖电极11接地；
电学检测单元，所述第一导电体41连接所述电学检测单元。
为了调整第一端盖电极11和离子接收单元40间的距离以及缓冲外界振动，进一步地，所述弹性件32和第三导电体是金属弹片，分别处于所述基体31和第一端盖电极11之间，以及所述基体31和离子接收单元40之间。
为了降低结构复杂度、体积及提高离子检测性能，进一步地，如图2-3所示，所述离子接收单元40包括：
绝缘承载件，所述第一导电体41是镀在所述绝缘承载件表面的第一导电层，所述第二导电体43是镀在所述绝缘承载件表面的环绕所述第一导电层41且不接触的第二导电层；
固定件，所述固定件用于使所述绝缘承载件和第一端盖电极11的间距固定。
为了提高灵敏度，进一步地，所述离子阱还包括中心电极12和第二端盖电极13；
如图4所示，依次设置的所述第二端盖电极13、中心电极12和第一端盖电极11上分别设置允许离子穿过的腰型通孔14，第一端盖电极11和第二端盖电极13的腰型通孔在中心电极12的腰型通孔14上的投影完全落在中心电极12的腰型通孔14内；
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极12的腰型通孔14短轴长度，y是中心电极12的腰型通孔14长轴长度，z与第一端盖电极11和第二端盖电极13的间距之比是0.5。
为了提高灵敏度，进一步地，在长轴方向，所述腰型通孔14的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔14的位置相对的两个内壁平行，且与所述两端的内壁相切；所述长轴是所述两端的内壁的最大距离，所述短轴是所述两个内壁间的距离，所述第二端盖电极13、中心电极12和第一端盖电极11的腰型通孔14的长轴平行且共面，三个腰型通孔34的中心的连线垂直于各个长轴。
本发明实施例的质谱分析方法，如图5所示，所述质谱分析方法为：
样品被离子化，离子依次穿过离子阱的第一端盖电极11和基体31，被离子接收单元40的第一导电体41接收，第一导电体41的输出信号送电学检测单元；弹性件32设置在所述第一端盖电极11和离子接收单元40之间，且处于所述基体31的一侧或两侧；所述第一端盖电极11和第二导电体43间电连接，并接地，所述第二导电体43和第一导电体41之间绝缘；
所述电学检测单元输出与离子信息对应的电信号，经分析后获得所述样品信息。
为了低成本地生产离子接收单元40，进一步地，如图3所示，所述第一导电体41是镀在绝缘承载件45表面的第一导电层，所述第二导电体43是镀在所述绝缘承载件45表面的环绕所述第一导电层且不接触的第二导电层；固定件使所述绝缘承载件45和第一端盖电极22的间距固定。
为了提高灵敏度，进一步地，离子穿过所述离子阱的方式为：
离子依次穿过第二端盖电极13、中心电极12和第一端盖电极11上的腰型通孔14，第一端盖电极11和第二端盖电极13的腰型通孔14在中心电极12的腰型通孔14上的投影完全落在中心电极12的腰型通孔14内；
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极12的腰型通孔14短轴长度，y是中心电极12的腰型通孔14长轴长度，z与第一端盖电极11和第二端盖电极13的间距之比是0.5。
为了提高灵敏度，进一步地，在长轴方向，所述腰型通孔14的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔14的位置相对的两个内壁平行，且与所述两端的内壁相切；所述长轴是所述两端的内壁的最大距离，所述短轴是所述两个内壁间的距离。
实施例2
根据本发明实施例1的便携式质谱分析系统和方法的应用例。
在该应用例中，如图1所示，便携式质谱分析系统包括依次设置的离子源、离子阱、基体31、弹性件32和离子接收单元40；
所述离子阱中，依次设置第二端盖电极13、环状垫片21、中心电极12、环状垫片21和第一端盖电极11，垫片21采用石英、陶瓷、特氟龙或Peek等绝缘材料，如图4所示，第二端盖电极13、中心电极12和第一端盖电极11采用铍铜，分别设置允许离子穿过的腰型通孔14，第一端盖电极11和第二端盖电极13的腰型通孔14在中心电极12的腰型通孔14上的投影完全落在中心电极12的腰型通孔14内；在长轴方向，所述腰型通孔14的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔14的位置相对的两个内壁平行，且与所述两端的内壁相切；所述长轴是所述两端的内壁的最大距离，所述短轴是所述两个内壁间的距离，所述第二端盖电极13、中心电极12和第一端盖电极11的腰型通孔14的长轴平行，且共面，三个腰型通孔14的中心的连线垂直于各个长轴；长轴和短轴满足：
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极12的腰型通孔14短轴长度，本实施例为，y是中心电极12的腰型通孔14长轴长度，z与第一端盖电极11和第二端盖电极13的间距之比是0.5。第一端盖电极11和第二端盖电极13的腰型通孔14短轴为300μm，长轴为5.7mm，厚度250μm，中心电极12的腰型通孔14短轴x为500μm，长轴y为6mm，厚度为330μm，垫片21采用PI材质，厚度是145μm，z是310μm。
电源为中心电极12施加射频电压，为第二端盖电极13施加AC电压，第一端盖电极11接地，也即第二导电体43接地。
基体31为圆盘状，采用绝缘材料，如peek，厚度为1mm-10mm，基体31中心具有允许离子穿过的通孔，弹性件32采用金属弹片，分别设置基体31的两侧，第三导电体穿过基体31，实现了基体31两侧弹性件间的电连接，使得弹性件32设置在第一端盖电极11和基体31之间，以及基体31和第二导电体43之间，使得第一端盖电极11、弹性件32和第二导电体电43连接；
离子接收单元40中，如图2-3所示，绝缘承载件45采用陶瓷板，厚度为0.5mm-5mm，第一导电体41是镀在所述绝缘承载件45中心表面的第一导电层，所述第二导电体43是镀在所述绝缘承载件45表面的环绕所述第一导电层且不接触的第二导电层；固定件用于使所述绝缘承载件45和第一端盖电极11的间距固定。
电学检测单元包括信号放大电路等，所述第一导电体41连接所述电学检测单元。
本发明实施例的质谱分析方法，也即根据本实施例质谱分析系统的工作过程，如图5所示，所述质谱分析方法为：
样品在离子源内被离子化，离子依次穿过第二端盖电极13、中心电极12和第一端盖电极11的腰型通孔14，以及基体31的通孔，之后被离子接收单元40的第一导电体41接收，第一导电体41的输出信号送电学检测单元；
所述电学检测单元输出与离子信息对应的电信号，经分析后获得所述样品信息。
实施例3
根据本发明实施例1的便携式质谱分析系统和方法的应用例，与实施例2不同的是：
1.基体采用金属，和弹性件做成一体，第三导电体和基体共用；
2.离子接收单元中，不再设置绝缘承载件，第一导电体、绝缘体和第二导电体自内向外设置，且为同心圆。

Claims (10)

1.便携式质谱分析系统，所述便携式质谱分析系统包括离子阱，所述离子阱包括第一端盖电极；其特征在于，所述便携式质谱分析系统还包括：
基体和弹性件，所述基体具有允许离子穿过的通孔，所述弹性件设置在所述第一端盖电极和离子接收单元之间，且处于所述基体的一侧或两侧；
离子接收单元，所述离子接收单元包括第一导电体、绝缘体和第二导电体，离子依次穿过所述第一端盖电极和基体，被所述第一导电体接收；
第三导电体，所述第三导电体连接所述第一端盖电极和所述第二导电体，所述第一端盖电极接地；
电学检测单元，所述第一导电体连接所述电学检测单元。
2.根据权利要求1所述的便携式质谱分析系统，其特征在于，所述弹性件和第三导电体是金属弹片，分别处于所述基体和第一端盖电极之间，以及所述基体和离子接收单元之间。
3.根据权利要求1所述的便携式质谱分析系统，其特征在于，所述离子接收单元包括：
绝缘承载件，所述第一导电体是镀在所述绝缘承载件表面的第一导电层，所述第二导电体是镀在所述绝缘承载件表面的环绕所述第一导电层且不接触的第二导电层；
固定件，所述固定件用于使所述绝缘承载件和第一端盖电极的间距固定。
4.根据权利要求1所述的便携式质谱分析系统，其特征在于，所述离子阱还包括中心电极和第二端盖电极；
依次设置的所述第二端盖电极、中心电极和第一端盖电极上分别设置允许离子穿过的腰型通孔，第一端盖电极和第二端盖电极的腰型通孔在中心电极的腰型通孔上的投影完全落在中心电极的腰型通孔内；
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极的腰型通孔短轴长度，y是中心电极的腰型通孔长轴长度，z与第一端盖电极和第二端盖电极的间距之比是0.5。
5.根据权利要求4所述的便携式质谱分析系统，其特征在于，在长轴方向，所述腰型通孔的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔的位置相对的两个内壁平行，且与所述两端的内壁相切；所述长轴是所述两端的内壁的最大距离，所述短轴是所述两个内壁间的距离，所述第二端盖电极、中心电极和第一端盖电极的腰型通孔的长轴平行。
6.根据权利要求4所述的便携式质谱分析系统，其特征在于，所述中心电极的腰型通孔短轴x小于1mm。
7.质谱分析方法，所述质谱分析方法为：
样品被离子化，离子依次穿过离子阱的第一端盖电极和基体，被离子接收单元的第一导电体接收，第一导电体的输出信号送电学检测单元；弹性件设置在所述第一端盖电极和离子接收单元之间，且处于所述基体的一侧或两侧；所述第一端盖电极和第二导电体间电连接，并接地，所述第二导电体和第一导电体之间绝缘；
所述电学检测单元输出与离子信息对应的电信号，经分析后获得所述样品信息。
8.根据权利要求7所述的质谱分析方法，其特征在于，所述第一导电体是镀在绝缘承载件表面的第一导电层，所述第二导电体是镀在所述绝缘承载件表面的环绕所述第一导电层且不接触的第二导电层；固定件使所述绝缘承载件和第一端盖电极的间距固定。
9.根据权利要求7所述的质谱分析方法，其特征在于，离子穿过所述离子阱的方式为：
离子依次穿过第二端盖电极、中心电极和第一端盖电极上的腰型通孔，第一端盖电极和第二端盖电极的腰型通孔在中心电极的腰型通孔上的投影完全落在中心电极的腰型通孔内；
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极的腰型通孔短轴长度，y是中心电极的腰型通孔长轴长度，z与第一端盖电极和第二端盖电极的间距之比是0.5。
10.根据权利要求9所述的质谱分析方法，其特征在于，在长轴方向，所述腰型通孔的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔的位置相对的两个内壁平行，且与所述两端的内壁相切；所述长轴是所述两端的内壁的最大距离，所述短轴是所述两个内壁间的距离。
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