CN117711909A - 一种非均匀场的离子化器和离子聚焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非均匀场的离子化器和离子聚焦方法，属于分析检测领域，包括离子源、离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极和高压直流电源；离子入口电极中心设有离子引入的第一孔，所述离子出口电极设有离子引出的第二孔；所述离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极之间采用绝缘密封垫片隔开，形成中空的离子化器腔；本发明的离子聚焦方法是通过配置相邻电极间电阻阻值从离子入口电极到离子出口电极方向逐渐增大，获得离子化器腔内从离子入口电极到离子出口电极方向的电场强度逐渐增大的非均匀场，此非均匀场可聚焦引导离子，不需额外引入射频电源，不需对传统圆环电极结构进行改进，在体积、功率、成本、技术实现难度等方面更具优势。
Description
技术领域
本发明属于分析检测领域，具体涉及一种非均匀场的离子化器和离子聚焦方法。
背景技术
质子转移反应质谱主要由离子源、离子化器和质量分析器构成，可通过质子转移反应将挥发性有机物离子化为质子化的产物离子。该技术具有直接进样、高灵敏、响应快、软电离、自定量测量等优点，近年来被广泛应用于挥发性有机物的监测分析领域。
经典的质子转移反应质谱离子化器是通过相同阻值的电阻分压获得均匀的电场分布，该电场条件可引导离子化器内离子向下游传输。但是均匀电场条件下，离子在载气碰撞作用下会向径向扩散，导致大部分离子无法通过离子化器末端真空差分小孔，限制了质子转移反应质谱的灵敏度提升。近年来，研究者一直在尝试发展新型离子化器结构和离子聚焦方法，比如离子漏斗（Anal. Chem.2012, 84: 5387–5391）、四极杆聚焦（Anal. Chem.2018, 90:12011–12018）等，这些技术都需要额外引入射频电源且对离子化器结构做了较复杂的改进，增加了仪器的功率、体积、成本和技术实现难度等；最新发展的静电场漏斗技术（Anal. Chem.2022, 94: 7174–7180），不需额外引入射频电源，但复杂的电极结构也增加了技术实现难度。因此，发展不需额外引入射频电源且不需对离子化器结构进行改进的离子聚焦方法，可降低技术实现难度，有很大的应用价值。
发明内容
针对现有用于质子转移反应质谱离子化器的聚焦传导技术，需对离子化器结构进行较复杂的改进，技术实现难度大等问题，本发明提供一种非均匀场的离子化器和离子聚焦方法。这种离子化器不需对经典离子化器的结构进行改进，也不需要额外引入射频电源，仅仅通过配置从离子入口电极到离子出口电极方向阻值逐渐增大的电阻，实现离子化器腔内从离子入口电极到离子出口电极方向的电场强度逐渐增大的非均匀场分布，该非均匀场对离子束有聚焦作用，从而实现离子的聚焦引导。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种非均匀场的离子化器，包括离子源、离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极和高压直流电源；所述离子源、离子入口电极、多片圆环电极和离子出口电极依次同轴心装配；
所述离子入口电极的中心设有用于离子引入的第一孔，所述离子出口电极的中心设有用于离子引出的第二孔；所述离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极之间采用绝缘密封垫片隔开，形成离子化器腔；
所述高压直流电源的两极分别接到离子入口电极和离子出口电极的两端；所述离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极之间依次用电阻相连。
进一步地，所述离子源是阴极放电离子源、电晕放电离子源、光电离源、电子轰击离子源或辐射性离子源。
进一步地，所述离子入口电极的中心的第一孔的直径为1 mm~20 mm；所述离子出口电极的中心的第二孔直径为0.1 mm~5 mm。
进一步地，所述电阻的阻值从离子入口电极到离子出口电极的方向依次为R1、R2、R3...Rm，共m个电阻，对应的多片圆环电极的数量为m-1个，多片圆环电极的数量由离子化器腔的长度决定，上述阻值满足下列方程：
，
式中k为系数，，m取正整数。
进一步地，系数k的取值在0.1~5之间。
进一步地，用于正离子引导时，高压直流电源的正极与离子入口电极相连，负极与离子出口电极相连；用于负离子引导时，高压直流电源的正极与离子出口电极相连，负极与离子入口电极相连。
进一步地，所述离子化器腔的内部气压为10Pa~1000Pa。
本发明还提供一种非均匀场的离子化器的离子聚焦方法，包括：高压直流电源在离子入口电极和离子出口电极上施加电压，从离子入口电极到离子出口电极依次相连的电阻将电压分压到多片圆环电极上，由于电阻的阻值从离子入口电极到离子出口电极逐渐增大，则在离子化器腔内形成从对应离子入口电极的位置到对应离子出口电极的位置的电场强度逐渐增大的非均匀场分布，该非均匀场对离子束有聚焦作用；如果离子源是阴极放电离子源或电晕放电离子源，母离子通过离子入口电极的中心的第一孔进入离子化器腔内，通过离子分子反应将待测物离子化，生成待测物特征离子；如果离子源是光电离源或电子轰击离子源，光子或电子通过离子入口电极的中心的第一孔进入离子化器腔内，通过光电离原理或电荷转移反应将待测物离子化，生成待测物特征离子；离子化器腔内的待测物的特征离子被多片圆环电极之间的非均匀场聚焦引导，离子束被逐渐压缩，最终被引出离子出口电极的中心的第二孔，从而实现离子的聚焦引导。
本发明与现有技术相比的区别和有益效果在于：
经典质子转移反应质谱中，离子化器由一系列内径相同的圆环电极构成，圆环电极间施加均匀电场引导离子，而离子的碰撞扩散导致大部分离子无法通过离子化器末端小孔，限制了质子转移反应质谱的灵敏度提升。现有针对离子化器的离子聚焦技术中，往往需要对离子化器结构进行较复杂的改进，甚至需要引入射频电源，增加了仪器的体积、功耗、成本等，且技术实现难度也较高。本发明提出一种非均匀场的离子化器和离子聚焦方法，仅通过配置不同阻值电阻的分布，实现离子化器内离子的聚焦引导，电阻阻值从离子入口电极到离子出口电极方向逐渐增大的连接方式与现有技术不同。与经典离子化器以及现有离子聚焦技术相比，本发明最大的优点在于不需额外引入射频电源、不需对离子化器结构进行改进，仅通过配置阻值从离子入口电极到离子出口电极方向逐渐增大的电阻分布，在离子化器腔内形成非均匀场，实现离子的聚焦引导，在体积、功率、成本、技术实现难度等方面更具优势。
附图说明
图1为本发明的一种非均匀场的离子化器的示意图；
图2为经典均匀场离子化器和本发明中非均匀场离子化器中模拟离子的轨迹分布图。
图1中，1-离子源、2-离子入口电极、3-多片圆环电极、4-离子出口电极、5-高压直流电源、6-离子化器腔。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种非均匀场的离子化器包括离子源1、离子入口电极2、多片圆环电极3、离子出口电极4和高压直流电源5；所述离子源1、离子入口电极2、多片圆环电极3和离子出口电极4依次同轴心装配；所述离子入口电极2的中心设有用于离子引入的第一孔，所述离子出口电极4的中心设有用于离子引出的第二孔；所述离子入口电极2、多片圆环电极3、离子出口电极4之间采用绝缘密封垫片隔开，形成离子化器腔6；所述高压直流电源5的两极分别接到离子入口电极2和离子出口电极4的两端；用于正离子引导时，高压直流电源5的正极与离子入口电极2相连，负极与离子出口电极4相连；或者，用于负离子引导时，高压直流电源5的正极与离子出口电极4相连，负极与离子入口电极2相连；所述离子入口电极2、多片圆环电极3、离子出口电极4之间依次用电阻相连；所述构成离子化器腔6的相邻电极间距在0.1mm~10mm，多片圆环电极3的数量根据离子化器长度的需要确定。
所述离子入口电极2、多片圆环电极3、离子出口电极4之间依次用电阻相连，具体为：电阻阻值从离子入口电极到离子出口电极方向依次被记为R1、R2、R3...Rm，共m个电阻，对应的多片圆环电极3的数量为m-1个，上述m个电阻的阻值是不同的，且满足下列方程：
，
式中k为系数。
本发明还提供一种非均匀场的离子化器的离子聚焦方法，具体步骤如下：
高压直流电源5在离子入口电极2和离子出口电极4上施加电压，从离子入口电极2到离子出口电极4方向依次相连的电阻将电压分压到多片圆环电极3上，由于电阻阻值从离子入口电极2到离子出口电极4方向逐渐增大，会在离子化器腔6内形成从离子入口电极2到离子出口电极4方向的电场强度逐渐增大的非均匀场分布，该非均匀场对离子束有聚焦作用；如果离子源1是阴极放电离子源或电晕放电离子源，母离子通过离子入口电极2的中心的第一孔进入离子化器腔6内，通过离子分子反应将待测物离子化，生成待测物特征离子；如果离子源1是光电离源或电子轰击离子源，光子或电子通过离子入口电极2的中心的第一孔进入离子化器腔6内，通过光电离或电荷转移反应将待测物离子化，生成待测物特征离子；离子化器腔6内的待测物特征离子被多片圆环电极3之间的非均匀场聚焦引导，离子束被逐渐压缩，最终被引出离子出口电极4的中心的第二孔，从而实现离子的聚焦引导。
为获得较好的离子聚焦效果，所述离子化器腔6的内部气压为10Pa~1000Pa；所述离子化器腔6内有效电场范围在10V/cm~700V/cm；所述系数k的取值在0.1~5之间。
根据不同的真空系统配置，所述离子入口电极2的中心的第一孔的直径为1 mm ~20 mm；所述离子出口电极4的中心的第二孔的直径为0.1 mm~5 mm。
所述离子源1是阴极放电离子源、电晕放电离子源、光电离源、电子轰击离子源或辐射性离子源等；根据离子检测需求，该离子化器可以与四极杆质谱、飞行时间质谱、离子阱质谱、傅里叶变换离子回旋共振质谱或磁质谱等质谱检测器相连，构成高灵敏质谱检测系统。
图2为经典均匀场离子化器和本发明中非均匀场离子化器中模拟离子的轨迹分布，图中竖实线为等势线，黑色网格状结构为电极，非均匀场中系数k=1，对比图中黑色离子轨迹线看出，本发明中非均匀场离子化器对离子有明显的聚焦效果。
本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种非均匀场的离子化器，其特征在于：包括离子源、离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极和高压直流电源；所述离子源、离子入口电极、多片圆环电极和离子出口电极依次同轴心装配；
所述离子入口电极的中心设有用于离子引入的第一孔，所述离子出口电极的中心设有用于离子引出的第二孔；所述离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极之间采用绝缘密封垫片隔开，形成离子化器腔；
所述高压直流电源的两极分别接到离子入口电极和离子出口电极的两端；所述离子入口电极、多片圆环电极、离子出口电极之间依次用电阻相连；
从离子入口电极到离子出口电极方向，电阻的阻值逐渐增大。
2.根据权利要求1所述一种非均匀场的离子化器，其特征在于：所述离子源是阴极放电离子源、电晕放电离子源、光电离源、电子轰击离子源或辐射性离子源。
3.根据权利要求1所述一种非均匀场的离子化器，其特征在于：所述离子入口电极的中心的第一孔的直径为1 mm~20 mm；所述离子出口电极的中心的第二孔的直径为0.1 mm~5mm。
4.根据权利要求1所述一种非均匀场的离子化器，其特征在于：所述电阻的阻值从离子入口电极到离子出口电极的方向依次为R1、R2、R3...Rm，共m个电阻，对应的多片圆环电极的数量为m-1个，多片圆环电极的数量由离子化器腔的长度决定，电阻的阻值满足下式：
，
式中k为系数，，m取正整数。
5.根据权利要求4所述一种非均匀场的离子化器，其特征在于：系数k的取值在0.1~5之间。
6.根据权利要求1所述一种非均匀场的离子化器，其特征在于：用于正离子引导时，高压直流电源的正极与离子入口电极相连，负极与离子出口电极相连；用于负离子引导时，高压直流电源的正极与离子出口电极相连，负极与离子入口电极相连。
7.根据权利要求1所述一种非均匀场的离子化器，其特征在于：所述离子化器腔的内部气压为10Pa~1000Pa。
8.使用如权利要求1-7任一项所述的一种非均匀场的离子化器的离子聚焦方法，其特征在于：高压直流电源在离子入口电极和离子出口电极上施加电压，从离子入口电极到离子出口电极依次相连的电阻将电压分压到多片圆环电极上，由于电阻的阻值从离子入口电极到离子出口电极逐渐增大，则在离子化器腔内形成从对应离子入口电极的位置到对应离子出口电极的位置的电场强度逐渐增大的非均匀场分布，该非均匀场对离子束有聚焦作用；如果离子源是阴极放电离子源或电晕放电离子源，母离子通过离子入口电极的中心的第一孔进入离子化器腔内，通过离子分子反应将待测物离子化，生成待测物特征离子；如果离子源是光电离源或电子轰击离子源，光子或电子通过离子入口电极的中心的第一孔进入离子化器腔内，通过光电离原理或电荷转移反应将待测物离子化，生成待测物特征离子；离子化器腔内的待测物特征离子被多片圆环电极之间的非均匀场聚焦引导，离子束被逐渐压缩，最终被引出离子出口电极的中心的第二孔，从而实现离子的聚焦引导。
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