CN201820739U - 质谱系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及自对准的浮动离子光学器件组件。一种质谱系统包括离子光学器件和用于该离子光学器件的壳体。面板相对于壳体可在打开位置和关闭位置之间移动。离子光学器件的第一部分在壳体内，而离子光学器件的第二部分被安装到面板上。当面板处于关闭位置时，离子光学器件被壳体和面板围绕。对准机构在关闭面板的情况下将离子光学器件的第一部分和第二部分对准成预定对准。

Description

质谱系统
技术领域
本实用新型涉及自对准的浮动离子光学器件组件。 
背景技术
质谱是一种可用来基于带电粒子的质量电荷比(m/z)来识别样品的化学组成的分析技术。样品包括带电粒子或者经受离子化以形成带电粒子。粒子的电荷质量比通常是通过使粒子通过质谱仪中的电磁场来确定的。 
质谱既具有定性用途又具有定量用途，例如识别未知的化合物、确定化合物中元素的同位素组成、通过观察化合物的碎裂来确定化合物的结构、对样品中化合物的量进行量化、研究气相离子化学(真空中离子和中性子的化学)的基本原理以及确定化合物的其他物理、化学或生物学性质。 
图1示出典型的三重四极质谱仪系统的离子光学器件100的示例。质谱仪的离子光学器件100一般具有三个主要模块：离子源101，其将样品中的分子变换成离子113；质量分析器103，其通过施加电磁场而用离子113的质量电荷比来分拣离子113；以及检测器105，其测量某一指标量的值，并从而提供用于计算所存在的每种离子的丰度(abundance)的数据。 
在三重四极质谱仪的情况下，质量分析器103具有一系列的三重四极。第一个四极107和第三个四极111用作质量过滤器。中间的四极109包括在碰撞单元中。该碰撞单元使用气体引起来自第一个四极107的所选前体离子的碎裂(碰撞引起的离解)。随后的碎片传播到第三个四极111，碎片在此可被充分过滤或者扫描。 
使用三个四极使得能够研究碎片(产生的离子)，这在结构说明方面非常有用的。例如，第一个四极107可被设定为已知质量的离子的“过滤 器”，该离子在中间的四极109中被进行碎裂。第三个四极111可被设定来扫描整个m/z范围，从而给出关于所产生的碎片的大小的信息。这样，可推出原始离子的结构。 
有时，离子光学器件100的组件可能变脏、误动作，或者可能需要不规则的周期性维护，因此必须被用户访问或者取下。然而，从现有技术的质谱仪上访问或者取下离子光学器件的组件是不便的。例如，某些质谱仪(例如美国专利6,069,355)具有分离的真空室和标准真空连接件，使得访问或者取下真空室内部的组件是非常困难且耗时的。另外，当重新装配在质谱仪中时，离子光学器件100的组件必须被精确地定位且彼此对准。 
在现有技术中，内部组件通常是利用诸如轨道之类的对准系统来对准的，所有内部组件被安装到对准系统上。其他对准系统使用精密加工的室，内部组件被插入到该室中。安捷伦科技有限公司的液相色谱法三重四极质谱仪装置(LC/QQQ)是使用这种对准技术的质谱仪的示例。然而，在这些现有技术的对准系统中，对准系统的一些部分可能与要对准的组件相比是远离的。这可能引起公差叠加和难以达到加工公差要求的问题，从而使得这种系统的制造更加复杂和昂贵。这里的公差叠加也称为公差堆叠或者公差堆积，是用于描述由于指定尺寸和公差的堆积而发生的变动的术语。 
希望提供对质谱仪组件的快速方便访问，而同时使得能够在精确定位和对准的情况下重新装配组件。 
实用新型内容
根据一个方面，提供了一种质谱系统，包括：离子光学器件；用于离子光学器件的壳体；相对于壳体可在打开位置和关闭位置之间移动的面板；离子光学器件的第一部分在壳体内；离子光学器件的第二部分被安装到面板上，其中，当面板处于关闭位置时，离子光学器件被壳体和面板围绕；对准机构，用于在关闭面板的情况下将离子光学器件的第一部分和第二部分对准成预定对准状态。 
其中，离子光学器件的第一部分可以被安装到壳体。 
该系统还可以包括附接到壳体的至少一个托架，离子光学器件的第一部分位于托架上以将离子光学器件的第一部分安装到壳体上。 
该系统还可以包括至少一个托架，所述托架附接到面板并且支撑离子光学器件的第二部分，以将离子光学器件的第二部分安装到壳体。 
其中，离子光学器件的第一部分和第二部分的预定对准状态的对准公差可以小于0.5毫米。 
其中，面板在打开位置和关闭位置之间移动时可以围绕铰链而旋转。 
其中，对准机构可以包括离子光学器件的第一部分的销和离子光学器件的第二部分的插口，这些销和这些插口用于在关闭面板的情况下移动成彼此啮合以使所述第一部分和第二部分对准成所述预定对准状态。 
该系统还可以包括：第一部分的凸缘，销沿垂直向外的方向从第一部分的凸缘延伸；第二部分的凸缘，插口被形成到第二部分的凸缘中。 
其中，销中的至少一个销可以包括垫块，该垫块用于在面板被移到关闭位置并且销和插口移动成彼此啮合时在离子光学器件的第一部分与第二部分之间设定预定距离。 
其中，面板当在打开位置和关闭位置之间移动时可以围绕铰链而旋转，并且，更靠近该铰链的插口可以具有大致圆形的横截面，而离该铰链较远的插口与更靠近该铰链的插口的横截面相比具有拉长的横截面。 
其中，销中的至少一个销可以具有圆形头部，并且在切向上围绕铰链旋转成与所述插口中的至少一个插口相啮合。 
其中，离子光学器件的第一部分可以包括碰撞单元。 
其中，离子光学器件的第二部分可以包括质量过滤器。 
根据另一方面，提供了一种用于对准质谱系统的离子光学器件的方法，包括以下步骤：在离子光学器件的第一部分被安装在壳体内的情况下，关闭离子光学器件的第二部分所附接到的面板，使得对准机构将离子光学器件的第二部分置于预定对准状态。 
其中，离子光学器件的第一部分可以被安装到壳体。 
其中，离子光学器件的第一部分和第二部分的预定对准状态的对准公差可以小于0.5毫米。 
其中，对准机构可以包括销和插口，关闭步骤还可以包括在关闭面板的情况下将这些销和这些插口移动成彼此啮合以使所述第一部分和第二部分对准成所述预定对准状态。 
其中，销中的至少一个销可以包括垫块，并且，关闭面板的步骤还可以包括当面板被移到关闭位置并且销和插口移动成彼此啮合时，将离子光学器件的第一部分和第二部分置于彼此处于由所述垫块设定的预定距离内。 
其中，在关闭面板的步骤之前，可以执行通过将离子光学器件的第一部分放置在至少一个托架上而将离子光学器件的第一部分安装到壳体上的步骤。 
其中，关闭步骤还可以包括围绕铰链而旋转面板。  
附图说明
现在将参考附图、仅作为示例来描述本发明的进一步的优选特征，在附图中： 
图1是示出现有技术的典型三重四极质谱仪系统的离子光学器件的示意图。 
图2示出当面板被相对于本发明的三重四极质谱仪系统的壳体关闭时离子光学器件和面板的位置。 
图3示出相对于壳体处于打开位置的面板。 
图4示出中间四极碰撞单元与圆柱护罩内的四极质量过滤器之间的对准机构的近视图。 
图5在四极质量过滤器和中间四极碰撞单元放置在一起的情况下示出对准机构。 
图6示出其中形成有插口的图5的对准机构的凸缘。 
图7示出图5的对准机构的对准销的详细视图。 
图8在四极质量过滤器和中间四极碰撞单元处于分离位置的情况下示出图5的对准机构。 
图9示出支撑中间四极碰撞单元的托架。 
图10示出用于装配和拆卸质谱系统的离子光学器件的步骤。 
具体实施方式
在本发明的实施例中，当面板303、305被相对于壳体301(图3)打开时，质谱系统201(图2)提供对离子光学器件203的快速方便访问。离子光学器件203的组件被安装到面板303、305以及壳体301，但是通过打开面板303、305，这些组件可被容易地彼此分离、与面板303、305分离以及与壳体301分离。本发明的对准机构401(图4、图5和图8)通过关闭面板303、305而使得当在壳体301内重新装配离子光学器件203时实现离子光学器件203的精确定位和对准是简单的事情。 
更详细地描述附图，在图2中，在面板303、305被相对于壳体301关闭的情况下示出离子光学器件203和面板303、305的位置。去除壳体301以更清楚地观看离子光学器件203。当质谱系统201要被使用时，面板303、305被相对于壳体301定位在关闭位置，以使得离子光学器件203被壳体301围绕或者在壳体301内。 
离子光学器件203被示出为包括离子源205、圆柱护罩209内的第一四极质量过滤器207、中间四极碰撞单元211、圆柱护罩215内的第三四极质量过滤器213、以及检测器217。第一四极质量过滤器207、中间四极碰撞单元211和第三四极质量过滤器213组合来形成质量分析器219。 
组件205-217的任意一个或它们的组合，或者离子在从离子源205向检测器217传播时所经过的任何其他组件(离子113所采用路径可被称为“离子束路径”或者“束路径”)，可被称为离子光学器件203。 
图3示出相对于壳体301处于打开位置的面板303、305。壳体在顶部被示出为切开以提供中间四极碰撞单元211的视图。第一面板303和第二面板305(在图2和图3中均示出)提供对壳体301内的离子光学器件203的访问。面板303、305分别通过铰链307、309(图2)与壳体301相连。面板303、305在相对于壳体301在打开和关闭位置之间移动时围绕铰链307、309旋转。 
虽然面板303、305被描述为通过围绕铰链307、309旋转而打开或关 闭，但是也可以通过将面板303、305滑动到打开或关闭位置或者按照本领域技术人员可以想到的其他方式来打开或关闭面板303、305。 
离子光学器件203的一些部分被直接或间接安装到面板303、305和壳体301的任意组合或者全部。在其他实施例中，包括电子显微镜、电子显微镜的样品处置器、表面科学设备或者晶片装载机在内的不同设备可被安装到面板303、305和/或壳体301。电子子配件(subassembly)也可被安装到面板303、305和/或壳体301。 
图2和图3还示出离子源205和圆柱护罩209内的第一四极质量过滤器207被利用托架221、223安装到面板305并相对于面板305而固定。更具体地，圆柱护罩209被刚性地固定到托架221、223，托架221、223被刚性地固定到面板305。 
类似地，圆柱护罩215内的第三四极质量过滤器213和检测器217被示出为利用托架229、231安装到面板303并相对于面板303而固定。 
如图2所示，中间四极碰撞单元211被利用托架225、227安装到壳体301。图9更详细地示出支撑中间四极碰撞单元211的托架227。中间四极碰撞单元211宽松地置于托架227上，而不是被托架227刚性地限制。中间四极碰撞单元211的相反一端以类似方式宽松地置于托架225上。下面更详细地描述了中间四极碰撞单元211和托架225、227的这种布置的使用。 
托架221、223被安装到面板305上的位置，托架225、227被安装到壳体301上的位置，并且托架229、231被安装到面板303上的位置，使得离子光学器件203在附接到托架221、223、225、227、229、231时并且当面板303、305相对于壳体301处于关闭位置时被装配成预定的对准状态(alignment)。 
一般而言，离子光学器件的组件可被直接地、间接地或者使用本领域技术人员可以想到的任何附接手段而被安装到面板303、305和壳体301。这种安装可以提供固定的、刚性的支撑，或者也可以提供宽松的支撑。这种安装可以在所有或一些运动方向上约束离子光学器件的组件。 
对形成离子光学器件203的组件具有紧密的定位和对准要求。因此， 本发明的离子光学器件203是由将高精度地彼此对准的组件制造的，以满足这些要求。离子光学器件203的组件(包括离子源205、第一四极质量过滤器207、中间四极碰撞单元211、第三四极质量过滤器213和检测器217)应当被径向(与束路径垂直)地对准且在轴向(在束路径的方向上)定位在设计规范的0.5毫米以内。在一些系统中，对准公差远小于设计规范的0.5毫米，从而要求本发明的组件实现更加精确的对准和定位。 
应当注意，在本说明书中，参考以下圆柱坐标系统来描述离子光学器件203的对准和定位：该圆柱坐标系统的轴向分量沿着束路径，其径向分量与束路径垂直，并且其切向分量环绕束路径。 
图4示出对准机构401的近视图，对准机构401在允许离子光学器件203的组件的方便装配和拆卸的同时提供精确对准和定位。对准机构401被示出为在中间四极碰撞单元211与圆柱护罩215内的第三四极质量过滤器213之间。图5和图8单独示出对准机构401的详细视图。 
对准机构401包括用于与第一插口407啮合的第一对准销403和用于与第二插口409啮合的第二对准销405。销403、405被示出为从凸缘411垂直向外延伸，凸缘411被附接到中间四极碰撞单元211。插口407、409形成在凸缘413内，凸缘413接着被附接到圆柱护罩215。 
在其他实施例中，销403、405可从凸缘413延伸，并且插口407、409可形成在凸缘411内。或者，凸缘411、413可各自包括销和插口的组合。也可以在凸缘上/凸缘内布置任意数目的相应销和插口。在其他实施例中，销403、405或者插口407、409可被直接附接到离子光学器件203的质量过滤器或碰撞单元部分或者直接形成在离子光学器件203的质量过滤器或碰撞单元部分内，而不使用凸缘411、413。 
另一对准机构位于中间四极碰撞单元211的相反一侧、中间四极碰撞单元211与第一四极质量过滤器207之间，并且可以与针对对准机构401所描述的实施例基本相同。 
当制造或者首次装配离子光学器件203时，对准机构401被设计或调整为精确控制离子光学器件203的组件彼此之间的对准和位置。销403、405从凸缘垂直向外延伸的距离可被调整，以实现第一四极质量过滤器 207与中间四极碰撞单元211中间的所需相对轴向位置。此外，销403、405的径向和切向定位可被调整，以实现所需的相对径向和切向对准。这样，使得离子光学器件的组件达成预定的轴向定位、径向对准和切向对准。 
图5示出当第三四极质量过滤器和中间四极碰撞单元211放置在一起时的对准机构401。图6示出形成有插口407、409的凸缘413。图7示出销403的详细视图(例如销405之类的其他销可与销403基本相同)。销403具有大体上圆球形的头部701，头部701具有平的顶部703。销403还包括垫块705。 
销403与第一插口407之间以及第二销405与第二插口409之间的配合被设计为具有小于0.5毫米的公差。因此，组件之间的径向对准(与束路径垂直)是非常精确的。此外，如图5所示，组件的相对轴向位置(在束路径的方向上)通过撑靠凸缘413的垫块705而被精确设定为设计规范的0.5毫米以内。与销403类似的其他销也用于设定离子光学器件203的组件的相对轴向位置。 
返回图9，可以看到，销403、405通过位于托架227中所形成的凹槽901、903来支撑中间四极碰撞单元211。另一对准机构位于中间四极碰撞单元211与第一四极质量过滤器207之间，并且具有类似的位于托架225上的销以支撑中间四极碰撞单元211的相反一端。 
现在参考图10来描述用于装配和拆卸质谱系统201的离子光学器件203的方法。在步骤1001，离子光学器件203的组件被放置到质谱系统201中。在面板303、305如图3所示处于打开位置的情况下，离子源205和圆柱护罩209内的第一四极质量过滤器207(或者更一般地称为离子光学器件的第一部分)被利用托架221、223安装到面板305或者被利用托架221、223相对于面板305而固定。此外，圆柱护罩215内的第三四极质量过滤器213和检测器217(或者更一般地称为离子光学器件的第三部分)被利用托架229、231安装到面板303并被利用托架229、231相对于面板303而固定。中间四极碰撞单元211(或者更一般地称为离子光学器件的第二部分)被利用托架225、227安装到壳体301。为此，中间四极碰 撞单元211被放在托架225、227之上，使得销403、405与托架227中形成的凹槽901、903相配合，并且还使得在中间四极碰撞单元211的相反一端的类似销与托架225中形成的类似凹槽相配合。如本领域技术人员所了解的，然后进行与离子光学器件203的组件的各种电连接。 
在步骤1003，面板303、305相对于质谱系统201的壳体301而关闭。面板303围绕铰链307进行旋转，以使得第三四极质量过滤器213与中间四极碰撞单元211之间的对准机构401置于一起并且使第三四极质量过滤器213和中间四极碰撞单元211对准(见图4和图8)。铰链307的旋转轴对应于圆柱坐标系统的轴向组件。当面板303围绕铰链307旋转时，对准机构401的销403、405沿着该圆柱坐标系统的切向路径前进，与对准机构401的插口407、409啮合。 
插口407可以具有大致圆形的横截面，因为它和销403离铰链307较远。另一方面，销405和插口409更靠近铰链307，并且为了适应销405的更极端的切向运动，插口409的横截面与插口407的横截面相比在切向上被拉长。另外，将插口407设计为具有大致圆形的横截面并且将插口409设计为具有与插口407相比被拉长的横截面帮助降低公差叠加。 
当面板303处于关闭位置时，销403、405紧密地与插口407、409配合，以提供中间四极碰撞单元211和第一四极质量过滤器207之间的密切径向对准。此外，当面板305处于关闭位置时，销403、405的垫块705撑靠凸缘413，以提供中间四极碰撞单元211和第一四极质量过滤器207之间的精确轴向定位。 
同样在步骤1003，以与关闭面板303类似的方式实现面板305的关闭，使得面板305围绕铰链309旋转，从而将第一四极质量过滤器207与中间四极碰撞单元211之间的对准机构置于一起，以使第一四极质量过滤器207和中间四极碰撞单元211对准。 
如上所述，参考图9，中间四极碰撞单元211宽松地位于托架225、227上。另外，随着面板303、305关闭，面板303、305的运动中存在一定游隙(play)。这样，安装到面板305的离子源205和第一四极质量过滤器207、安装到面板303的第三四极质量过滤器213和检测器、以及位 于托架225、227上的中间四极碰撞单元211彼此都是“浮动的”。 
对准机构的销403、405的头部的一般为圆球形的形状用于随着面板303、305的关闭而引导离子光学器件203的“浮动”组件以将对准机构置于一起。当面板303、305达到完全关闭的位置时，销403、405的垫块705撑靠凸缘并且销的头部“扣合”到它们的相应插口中，使得离子光学器件203的组件在径向和轴向上在小于大约0.5mm的公差内装配成预定的对准状态。 
另外，安装到面板305的离子源205和第一四极质量过滤器207、安装到面板303的第三四极质量过滤器213和检测器217、以及位于托架225、227上的中间四极碰撞单元211之间的游隙量不会大到使得销和相应的插口在关闭面板303、305之后无法彼此啮合。 
在步骤1005，质谱系统201的真空室被抽气，质谱系统201被启动并且然后可用于对样品执行测量。 
可以通过利用离子源205将样品中的分子变换成离子而使样品离子化来执行对样品的测量。诸如氦之类的气体也被泵入到源205中。离子光学器件203的质量分析器部分然后通过施加电磁场而用离子的质量来分拣离子。离子光学器件203的检测器217测量某一指标量的值，并从而提供用于计算所存在的每种离子的丰度的数据。 
当需要维护时，在步骤1007，释放壳体301中的真空并且关掉质谱系统201。 
在步骤1009，打开面板303、305。当该动作完成时，销和插口彼此脱离，并且离子源205、第一四极质量过滤器207和圆柱护罩209与中间四极碰撞单元211分离。同样，第三四极质量过滤器213、圆柱护罩215和检测器217与中间四极碰撞单元211分离。 
在步骤1011，用户手动取下壳体301内部的质谱仪组件(例如离子光学器件203)以执行清洁、维修或者常规的周期性维护就是简单的事情了。 
在前述说明书中，参考具体的示例性实施例描述了本发明。因此，说明书和附图将被认为是说明性的而非限制性的。 

Claims (10)

1.一种质谱系统，其特征在于包括：
离子光学器件(100)；
用于所述离子光学器件的壳体(301)；
相对于所述壳体可在打开位置和关闭位置之间移动的面板(303、305)；
所述离子光学器件的第一部分(211)在所述壳体内；
所述离子光学器件的第二部分(205、207、209)被安装到所述面板上，其中，当所述面板处于所述关闭位置时，所述离子光学器件被所述壳体和所述面板围绕；以及
对准机构(401)，用于在关闭所述面板的情况下将所述离子光学器件的第一部分和第二部分对准成预定对准状态。
2.如权利要求1所述的质谱系统，其中，所述离子光学器件(100)的第一部分(211)被安装到所述壳体(301)。
3.如权利要求1所述的质谱系统，还包括附接到所述壳体的至少一个托架(225、227)，所述离子光学器件的第一部分位于所述至少一个托架上以将所述离子光学器件的第一部分安装到所述壳体上。
4.如权利要求1所述的质谱系统，还包括至少一个托架(221、223、229、231)，所述托架附接到所述面板并且支撑所述离子光学器件的第二部分，以将所述离子光学器件的第二部分安装到所述壳体。  
5.如权利要求1所述的质谱系统，其中，所述离子光学器件的第一部分(211)和所述离子光学器件的第二部分(205、207、209)的预定对准状态的对准公差小于0.5毫米。
6.如权利要求1所述的质谱系统，其中，所述面板在所述打开位置和关闭位置之间移动时围绕铰链(307、309)而旋转。
7.如权利要求1所述的质谱系统，其中，所述对准机构包括所述离子光学器件的第一部分的销(403、405)和所述离子光学器件的第二部分的插口(407、409)，这些销和这些插口用于在关闭所述面板的情况下移动 成彼此啮合以使所述第一部分和第二部分对准成所述预定对准状态。
8.如权利要求7所述的质谱系统，还包括：
所述第一部分的凸缘(411)，所述销沿垂直向外的方向从所述第一部分的凸缘延伸；以及
所述第二部分的凸缘(413)，所述插口被形成到所述第二部分的凸缘中。
9.如权利要求7所述的质谱系统，其中，所述销中的至少一个销包括垫块(705)，该垫块用于在所述面板被移到所述关闭位置并且所述销和插口移动成彼此啮合时在所述离子光学器件的第一部分与所述离子光学器件的第二部分之间设定预定距离。
10.如权利要求7所述的质谱系统，其中，所述面板当在所述打开位置和关闭位置之间移动时围绕铰链(307、309)而旋转，并且，更靠近该铰链的插口(409)具有大致圆形的横截面，而离该铰链较远的插口(407)与所述更靠近该铰链的插口的横截面相比具有拉长的横截面。 
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