CN117524841A - 基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法 - Google Patents

基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法，所述便携式物质分析装置包括依次设置的离子源、离子阱和检测器，离子源包括第一腔体和设置在该腔体内的第一电极和第二电极，第一腔体具有样品进口和样品出口，电源连接所述第一电极；第三电极包括第一部分和第二部分，第一部分具有通孔，并固定在所述第一腔体的侧部，第二部分为两端开口的筒状结构；离子源出射的离子依次通过所述通孔和第二部分，沿着离子的传输方向，所述第二部分的内径变小，且在第二部分的包括第二部分中心轴线的截面上，第二部分内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；电源连接所述第三电极，使得离子在通过第三电极时发生碎裂。本发明具有分析效率高等优点。

Description

基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法
技术领域
本发明涉及质谱分析，特别涉及基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法。
背景技术
大气压化学电离主要适用于中等极性、小分子量的化合物，它和化学电离方法基本原理同样为离子/分子反应，属于软电离源，产生的碎片离子少，质谱图相对简单。
离子阱质量分析器的真空环境要求较低，最合适用于质谱仪的小型化，而且离子阱可在时间上实现串联质谱，在保持仪器体积小型化的同时，实现串联质谱分析的功能。
目前，市面上的便携式直接进样质谱产品常常将上述两种技术联用，应用于毒品、药品等样品的定性识别。使用的大气压化学电离源常常需要辅助气体或溶液传输结构、加热等模块，在离子导入上需要单独的离子传输结构，遇到结构相似的毒品样品时，主要依靠离子阱多级质谱功能进行定性识别，而离子阱的多级质谱需要通过多个时序片段实现，导致分析时间较长。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种基于离子化技术的便携式物质分析装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于离子化技术的便携式物质分析装置，所述基于离子化技术的便携式物质分析装置包括依次设置的离子源、离子阱和检测器，所述离子源包括第一腔体、第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极设置在所述第一腔体内，所述第一腔体具有样品进口和样品出口，电源连接所述第一电极；所述离子源还包括：
第三电极，所述第三电极包括第一部分和第二部分，第一部分具有通孔，并固定在所述第一腔体的侧部，第二部分为两端开口的筒状结构；所述离子源出射的离子依次通过所述通孔和第二部分，沿着离子的传输方向，所述第二部分的内径变小，且在第二部分的包括第二部分中心轴线的截面上，第二部分内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；
所述电源连接所述第三电极，使得离子在通过第三电极时发生碎裂。
本发明的目的还在于提供了基于离子化技术的物质分析方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
基于离子化技术的物质分析方法，所述基于离子化技术的物质分析方法为：
样品进入第一腔体内，在第一电极和第二电极之间被电离；
离子依次穿过第三电极第一部分的通孔和第二部分，离子发生碎裂；所述第一部分固定在所述第一腔体的侧部，第二部分为两端开口的筒状结构；沿着离子的传输方向，所述第二部分的内径变小，且在第二部分的包括第二部分中心轴线的截面上，第二部分内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；
从所述第三电极出射的离子穿过离子阱，之后被检测器接收；
分析所述检测器的输出信号，获得样品信息。
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；
第三电极的结构设计，使得在离子源内发生离子化以及离子碎裂，降低了分析装置的体积，实现了便携；
检测器采用基体、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.分析效率高；
离子化后的离子在离子源内发生碎裂，在更短时间内实现了离子的碎裂，显著地提高了分析效率；
3.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；
4.调节方便；
在不同场合应用下，第一端盖电极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基于离子化技术的便携式物质分析装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的第三电极的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的离子阱电极的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的基于离子化技术的物质分析方法的流程示意图；
图5是根据本发明实施例的检测器的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的离子接收单元的结构示意图。
具体实施方式
图1-图6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
本发明实施例的基于离子化技术的便携式物质分析装置，如图1所示，所述基于离子化技术的便携式物质分析装置包括：
离子源，所述离子源包括：
第一腔体11、第一电极21和第二电极22，所述第一电极21和第二电极22设置在所述第一腔体11内，所述第一腔体11具有样品进口和样品出口，电源连接所述第一电极21；
第三电极23，如图2所示，所述第三电极23包括第一部分231和第二部分232，第一部分231具有通孔，并固定在所述第一腔体11的侧部，第二部分232为两端开口的筒状结构；所述离子源出射的离子依次通过所述通孔和第二部分232，沿着离子的传输方向，所述第二部分232的内径变小，且在第二部分232的包括第二部分232中心轴线的截面上，第二部分232内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；电源连接所述第三电极23，使得离子在通过第三电极23时发生碎裂；
离子阱和检测器，所述离子阱和检测器设置在第二腔体12内。
为了提高分析灵敏度，进一步地，所述离子阱包括第一端盖电极31、中心电极32和第二端盖电极33；
如图3所示，所述第一端盖电极31、中心电极32和第二端盖电极33上分别设置允许第三电极23出射离子穿过的腰型通孔34，第一端盖电极31和第二端盖电极33的腰型通孔14在中心电极32的腰型通孔34上的投影完全落在中心电极32的腰型通孔34内；
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极32的腰型通孔34短轴长度，y是中心电极32的腰型通孔34长轴长度，z与第一端盖电极31和第二端盖电极33的间距之比是0.5。
为了降低离子阱电极的加工难度和提高分析灵敏度，进一步地，在长轴方向，所述腰型通孔34的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔34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33、中心电极32和第一端盖电极31的腰型通孔34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。
为了通过样品且用于离子传输，进一步地，所述离子源还包括：
筛网电极24，所述筛网电极24设置在所述样品进口处，筛网密度大于200目；所述电源连接所述筛网电极24。
本发明实施例的基于离子化技术的物质分析方法，如图4所示，所述基于离子化技术的物质分析方法为：
样品进入第一腔体11内，在第一电极21和第二电极22之间被电离；
离子依次穿过第三电极23第一部分231的通孔和第二部分232，离子发生碎裂；所述第一部分231固定在所述第一腔体11的侧部，第二部分232为两端开口的筒状结构；沿着离子的传输方向，所述第二部分232的内径变小，且在第二部分232的包括第二部分232中心轴线的截面上，第二部分232内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；
从所述第三电极23出射的离子穿过离子阱，之后被检测器接收；
分析所述检测器的输出信号，获得样品信息。
为了提高分析灵敏度，进一步地，离子穿过所述离子阱的方式为：
离子依次穿过第一端盖电极31、中心电极32和第二端盖电极33上的腰型通34孔，第一端盖电极31和第二端盖电极33的腰型通孔34在中心电极32的腰型通孔34上的投影完全落在中心电极32的腰型通孔34内；
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极32的腰型通孔34短轴长度，y是中心电极32的腰型通孔34长轴长度，z与第一端盖电极31和第二端盖电极33的间距之比是0.5。
为了降低离子阱电极的加工难度和提高分析灵敏度，进一步地，在长轴方向，所述腰型通孔34的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔34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的基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法的应用例。
在该应用例中，如图1所示，在离子源中，所述第一腔体11具有样品进口和样品出口，筛网电极24设置在所述样品进口处，筛网密度大于200目，出口处设置第三电极23；所述第一电极21和第二电极22的间距为1mm-10mm，并设置在所述第一腔体11内
如图2所示，所述第三电极23包括第一部分231和第二部分232，第一部分231具有通孔，并固定在所述第一腔体11的侧部，第二部分232为两端开口的筒状结构；所述离子源出射的离子依次通过所述通孔和第二部分232，沿着离子的传输方向，所述第二部分232的内径变小，且在第二部分232的包括第二部分232中心轴线的截面上，第二部分232内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；第二部分232的内径最小值小于50μm，本实施例为30μm；
离子阱包括依次设置在第二腔体12内的第一端盖电极31、垫片41、中心电极32、垫片41和第二端盖电极33，垫片41可采用石英、陶瓷、特氟龙或Peek等绝缘材料；如图3所示，所述第一端盖电极31、中心电极32和第二端盖电极33上分别设置允许第三电极23出射离子穿过的腰型通孔34，具体为：在长轴方向，所述腰型通孔34的两端的内壁呈半圆形，在短轴方向，所述腰型通孔34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33、中心电极32和第一端盖电极31的腰型通孔34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；
第一端盖电极31和第二端盖电极33的腰型通孔34在中心电极32的腰型通孔34上的投影完全落在中心电极32的腰型通孔34内，也即第一端盖电极31和第二端盖电极33的长轴和短轴的长度均小于中心电极32的长轴和短轴的长度；
1.1＜z/x＜1.3，x＜y，x是中心电极32的腰型通孔34短轴长度，小于2mm，y是中心电极32的腰型通孔34长轴长度，z与第一端盖电极31和第二端盖电极33的间距之比是0.5；第一端盖电极31和第二端盖电极33的腰型通孔34短轴为300μm，长轴为5.7mm，厚度250μm，中心电极32的腰型通孔34短轴x为500μm，长轴y为6mm，厚度为330μm，垫片41的厚度是145μm，z是310μm。
电源分别为筛网电极24、第一电极21、第三电极23、中心电极32和第二端盖电极33施加电压，所述第二电极22和第一端盖电极31分别接地，使得样品进入第一腔体11内后，在第一电极21和第二电极22间离子化，之后在筛网电极24和第三电极23间压差作用下，穿过第三电极23，之后依次穿过第一端盖电极31、中心电极32和第二端盖电极33。
本发明实施例的基于离子化技术的物质分析方法，也即本实施例物质分析装置的工作过程，如图4所示，所述基于离子化技术的物质分析方法为：
样品穿过筛网电极24进入第一腔体11内，在第一电极21和第二电极22之间被电离，离子源工作在大气压下；
离子依次穿过第三电极23第一部分231的通孔和第二部分232，离子发生一次或多次碎裂，且保持流量稳定；
从所述第三电极23出射的离子依次穿过离子阱中第一端盖电极31、中心电极32和第二端盖电极33上的腰型通孔34，之后被检测器接收；
分析所述检测器的输出信号，获得样品信息。
实施例3
根据本发明实施例1的基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法的应用例，与实施例2不同的是：
1. 如图5所示，检测器包括：
基体51采用绝缘材料，如peek，厚度为1mm-10mm，基体51中心具有允许离子穿过的通孔，弹性件52采用金属弹片，分别设置基体51的两侧，第三导电体穿过基体51，实现了基体51两侧弹性件间的电连接，使得弹性件52设置在第二端盖电极33和基体51之间，以及基体51和第二导电体63之间，使得第二端盖电极33、弹性件52和第二导电体电63连接；
离子接收单元60，第一导电,61、绝缘体62和第二导电体63自内向外设置，且为同心圆。
固定件用于使所述绝缘承载件65和第二端盖电极33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61连接所述电学检测单元。
2.电源为第一端盖电极31施加AC电压，为中心电极32施加射频电压，第二端盖电极33接地，也即第二导电体63接地。
3.本发明实施例的基于离子化技术的物质分析方法中，离子依次穿过第三电极23、离子阱的三个电极和基体61的通孔后，被第一导电体61接收。
实施例4
根据本发明实施例1的基于离子化技术的便携式物质分析装置和方法的应用例，与实施例3不同的是：
1.如图6所示，离子接收单元60还包括绝缘承载件65，采用陶瓷板，厚度为0.5mm-5mm，第一导电体61是镀在所述绝缘承载件65中心表面的第一导电层，所述第二导电体63是镀在所述绝缘承载件65表面的环绕所述第一导电层且不接触的第二导电层，第一导电体61和第二导电体63之间的绝缘承载件65作为绝缘体62；
2.基体51采用金属，和其两侧的弹性件52为一体（即第三导电体和基体共用），使得第二端盖电极33与第二导电体63电连接。

Claims (10)

1.基于离子化技术的便携式物质分析装置，所述基于离子化技术的便携式物质分析装置包括依次设置的离子源、离子阱和检测器，所述离子源包括第一腔体、第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极设置在所述第一腔体内，所述第一腔体具有样品进口和样品出口，电源连接所述第一电极；其特征在于，所述离子源还包括：
第三电极，所述第三电极包括第一部分和第二部分，第一部分具有通孔，并固定在所述第一腔体的侧部，第二部分为两端开口的筒状结构；所述离子源出射的离子依次通过所述通孔和第二部分，沿着离子的传输方向，所述第二部分的内径变小，且在第二部分的包括第二部分中心轴线的截面上，第二部分内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；
所述电源连接所述第三电极，使得离子在通过第三电极时发生碎裂。
2.根据权利要求1所述的基于离子化技术的便携式物质分析装置，其特征在于，所述离子阱包括依次设置的第一端盖电极、中心电极和第二端盖电极；
所述第一端盖电极、中心电极和第二端盖电极上分别设置允许第三电极出射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。
3.根据权利要求2所述的基于离子化技术的便携式物质分析装置，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。
4.根据权利要求2所述的基于离子化技术的便携式物质分析装置，其特征在于，所述第二部分的内径最小值小于50μm，所述中心电极的腰型通孔短轴x小于2mm。
5.根据权利要求1所述的基于离子化技术的便携式物质分析装置，其特征在于，所述离子源还包括：
筛网电极，所述筛网电极设置在所述样品进口处，筛网密度大于200目；所述电源连接所述筛网电极。
6.根据权利要求1所述的基于离子化技术的便携式物质分析装置，其特征在于，所述第二电极和第一端盖电极分别接地。
7.基于离子化技术的物质分析方法，所述基于离子化技术的物质分析方法为：
样品进入第一腔体内，在第一电极和第二电极之间被电离；
离子依次穿过第三电极第一部分的通孔和第二部分，离子发生碎裂；所述第一部分固定在所述第一腔体的侧部，第二部分为两端开口的筒状结构；沿着离子的传输方向，所述第二部分的内径变小，且在第二部分的包括第二部分中心轴线的截面上，第二部分内壁的切线与所述中心轴线间的夹角逐渐变大；
从所述第三电极出射的离子穿过离子阱，之后被检测器接收；
分析所述检测器的输出信号，获得样品信息。
8.根据权利要求7所述的基于离子化技术的物质分析方法，其特征在于，离子穿过所述离子阱的方式为：
离子依次穿过第一端盖电极、中心电极和第二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。
9.根据权利要求8所述的基于离子化技术的物质分析方法，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。
10.根据权利要求8所述的基于离子化技术的物质分析方法，其特征在于，所述第二部分的内径最小值小于50μm，所述中心电极的腰型通孔短轴x小于2mm。
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