CN202259158U

CN202259158U - 小型便携式飞行时间质谱仪

Info

Publication number: CN202259158U
Application number: CN2011203574048U
Authority: CN
Inventors: 陈应; 程平; 董俊国; 黄正旭; 傅忠; 周振
Original assignee: KUNSHAN HEXIN ZHIPU TECHNOLOGY CO LTD; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: KUNSHAN HEXIN ZHIPU TECHNOLOGY CO LTD; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-09-22

Abstract

本实用新型涉及小型便携式飞行时间质谱仪，其包括真空腔，以及设在真空腔上的真空获取部件、真空读取部件、多路进样切换系统和进样恒温器；真空获取部件、真空读取部件、多路进样切换系统和进样恒温器依次相连接；所述真空腔内设有离子源和离子传输区，离子传输区与离子源连接。具有飞行时间质谱分辨率高、检测速度快、小型便携的优点。

Description

小型便携式飞行时间质谱仪

技术领域

本实用新型涉及一种小型便携式飞行时间质谱仪。

背景技术

质谱法是将样品分子离子化，并按质荷比(m/z)分离的分析技术；质谱仪是实现上述分离分析技术，从而测定物质的质量、含量及其结构的仪器。利用质谱仪可进行同位素分析、化合物分析、气体成分分析以及金属和非金属固体样品的超纯痕量分析等。有机混合物的分析研究证明了质谱分析法比化学分析法和光学分析法具有更加卓越的优越性，其中有机化合物质谱分析在质谱学中占最大的比重，全世界几乎3/4的质谱仪器都从事有机分析。现在的有机质谱法，不仅可以进行小分子的分析，而且还可以直接分析糖、核酸、蛋白质等生物大分子。目前在有机、生物、医学等科学领域的研究已经离不开质谱仪，同时质谱仪也在环境监测、食品安全、生产控制乃至国防安全等领域发挥了重要的作用。质谱仪由以下几部分组成：进样系统、离子源、质量分析器、检测接收器、数据系统、供电系统以及真空系统。

进样系统是指把分析样品导入离子源的装置，包括：直接进样，GC、LC及接口加热进样，参考物进样等。离子源是指使被分析样品的原子或分子离化为带电粒子(离子)的装置，并诱导离子运动使其进入质量分析器。

根据离子化方式的不同，常用的离子源有如下几种：

1、电子轰击电离EI法(EI，Electron Impact Ionization)：是最经典最常规的一种电离方式。其使用面广，峰重现性好，有标准图库可以比对。缺点：不适合极性大、热不稳定性化合物，且可测定分子量大小有限，一般分子量≤1000。

由于EI源使用的电子能量很高，谱图中碎片峰较多，分子离子峰强度很弱并且受到其他样品碎片峰的干扰，谱图复杂，对于混合未知物的解谱非常困难。为了解决上述这一问题，产生了一系列的软电离(soft ionization)方法；光电离(PI)技术是其中的一种。PI与EI源很类似，只是电子束被5～15eV真空紫外光子所代替，它可以使电离能小于光子能量的样品分子得到电离。光离子化的反应机理为：

M+hv→M⁺+e

光离子化既可以得到分子离子峰，又能得到少数碎片离子峰，对未知物的鉴定有重要意义。

2、化学电离CI法(CI，Chemical Ionization)：易形成较高丰度的[M+H]⁺或[M-H]^-等准分子离子，碎片少，谱图简单。与EI法同样，样品需要汽化，对难挥发性的化合物不太适合。化学电离CI法的化学反应如下：

R+e-→R^+·+2e-(电子电离)

R⁺·+R→RH⁺+(R-H)^·

RH⁺+M→R+(M+H)⁺(质子转移)

其中，R为反应气体分子，M为样品分子。

3、电喷雾电离ESI法(ESI，Electrospray Ionization)：是目前最常用的一种软电离方式。电离一般产生[M+H]⁺或[M-H]^-准分子离子。ESI源操作简单，灵敏度高，比较适合中高极性分子，分子量检测范围较宽，可从上百到数万，还可产生多电荷离子，比较适合分析较大分子。ESI一般与高压液相色谱，毛细管电泳联用，也可直接进样。

4、基质辅助激光解吸电离MALDI法(MALDI，Matrix Assisted Laser Desorption)：利用对使用的激光波长范围具有吸收并能提供质子的基质(一般常用小分子液体或结晶化合物)，将样品与其混合溶解并形成混合体，在真空下用激光照射该混合体，基体吸收激光能量，并传递给样品，从而使样品解吸电离。MALDI法的特点是准分子离子峰很强。通常将MALDI法用于飞行时间质谱和FT-MS，特别适合分析蛋白质和DNA等大分子。

质量分析器是质谱仪中将离子按质荷比分开的部分，离子通过分析器后，按不同质荷比(M/Z)分开，将相同的M/Z离子聚焦在一起，组成质谱。常见质量分析器有下列几种：双聚焦扇形磁场-电场串联质量分析器(sector)、四极质量分析器(Q)、离子阱质量分析器(TRAP)、飞行时间质量分析器(TOF)、傅里叶变换-离子回旋共振质量分析器(FT-ICRMS)和多级质量分析器(MSn)。

检测接收器是用于接收离子束流的装置，有以下几种：二次电子倍增器、光电倍增管和微通道板。

数据系统将接收来的电信号放大、处理并给出分析结果。包括外围部分，例如终端显示器、打印机等。现代计算机接口，还可反过来控制质谱仪各部分工作。

真空系统：由机械真空泵(前极低真空泵)，扩散泵或分子泵(高真空泵)组成真空机组，抽取离子源和分析器部分的真空。只有在足够高的真空下，离子才能从离子源到达接收器，真空度不够则灵敏度低。

供电系统：包括整个仪器各部分的电器控制部件，提供从几伏低压到几千伏高压的电源。

目前，质谱仪器正向更高效率、小型化方面发展，尤其是便携式质谱仪。一些仪器联用技术如GC-MS，HPLC-MS，GC-MS-MS，ICP-MS等正大行其道。无论是从事质谱技术研究人员，还是质谱仪生产厂商都已看到这个巨大的需求市场，都在积极进行研究和开发。涉及便携质谱仪制造的一些关键技术已经成熟，国际质谱仪市场正处于从大型质谱仪向小型便携质谱仪转型的时期。小型便携质谱仪通常采用四极杆和离子阱作为质量分析器，但是四极和离子阱杆分析器有其固有的缺点，例如质量歧视，分析速度慢，全谱分析难，大分子分析难等，为此飞行时间质量分析器也被选来作为小型便携式质谱的质量分析器。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有质谱仪分析速度慢、不便于携带的技术问题，在原有飞行时间质谱技术的基础上，提供了一种小型便携式飞行时间质谱仪，具有飞行时间质谱分辨率高、检测速度快、小型便携的优点。

本实用新型采用如下技术方案来解决上述技术问题：小型便携式飞行时间质谱仪，包括真空腔，以及设在真空腔上的真空获取部件、真空读取部件、多路进样切换系统和进样恒温器；真空获取部件、真空读取部件、多路进样切换系统和进样恒温器依次相连接；所述真空腔内设有离子源和离子传输区，离子传输区与离子源连接。

所述离子源上设有离子引出极。

所述离子传输区包括依次连接的预六极、射频六极杆、直流四极杆和单透镜系统。

本实用新型的工作原理是基于飞行时间质谱技术，PI离子源将多路进样中选择的样品分子进行电离，在离子源的聚焦电场以及诱导电场作用下对产生的离子束进行聚焦，并在传输区进行离子束调制。低真空度下，离子束在多极杆提供的射频电场作用下对离子束进行冷却聚焦，并通过引出电极控制离子能量以实现飞行时间分析器中互相垂直的两个方向之间的速度匹配。最后调制好的离子束在垂直引入反射式飞行时间质量分析器作用下把离子按到达检测器时间的差异而进行区分，检测器检测到的信号在数据采集卡以及上位机程序处理下得到分析样品的质谱图。

与现有技术相比，本实用新型的优点及有益效果为：能够将仪器的体积缩小至辞典大小，重量降低至10kg左右；能够实时在线对环境中的物质成分进行分析检测；设计的多路进样系统能够在实现多监测点之间的迅速切换的同时对样品与标样间的快速比对，实现定量检测；同时，仪器外观简洁，人机互动界面友好，能更好的满足实时、在线原位检测的需求。本实用新型通过对飞行时间质谱系统的重新设计，使其具备了便携式仪器的体积小、重量轻、携带和使用方便的特点，同时充分保留了飞行时间质谱仪的较高分辨、高质量检测范围以及快速检测的特性。该仪器将广泛应用于环境监测、食品安全、工业检测、乃至国防安全等诸多领域。

附图说明

图1是本实用新型小型便携式飞行时间质谱仪的外部结构图；

图2是本实用新型小型便携式飞行时间质谱仪的内部结构示意图；

图3是仪器部分的内部图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

图1是设计的便携式质谱仪的三维模型，外观时尚，体积小巧。此设计是基于了飞行时间质谱的完整系统进行的设计，内部的配置完全考虑了真实仪器的布置。质谱仪外壳4的顶端设有质谱仪把手1，触摸屏的人机互动界面2设置与外壳4上，人机互动界面2的下方设有仪器控制开关3，外壳内还包阔有可拆卸的前级泵5及可选配的电池6等质谱仪的内部构件，电池6还易于拆卸。本实用新型整体的外观尺寸，其大小与大本的辞典体积相当，真正实现质谱仪的小型便携，其参数如下：分辨率50-2000，重量5KG-70KG，功率50W-500W，进样路数1-50路，工作温度(-10)-50摄氏度。

如图2所示，本实用新型小型便携式飞行时间质谱仪包括：真空腔21，以及设在真空腔上的真空获取部件25、真空读取部件24、多路进样切换系统23和进样恒温器22；真空获取部件25、真空读取部件24、多路进样切换系统23和进样恒温器22依次相连接；所述真空腔内设有离子源和离子传输区。真空腔是质谱仪的重要部分，其设计要与真空获取部件等与真空相关的部件的尺寸相匹配。真空获取部件还包括相连接的前级泵和5涡轮分子泵，真空泵选用了一款10L/s的方形小泵，其体积小，抽速足够维持整体质谱系统的真空需求，前级泵选用与之配套的膜片泵。多路进样切换系3统实现了快速切换的多点同时检测与监控，并且能够与标样进行对比检测来矫正仪器调整参数。进样恒温器2是为了保证检测在相同的温度下进行，从而增加了仪器的稳定性。还配有采样泵接于恒温三通的中路，能够快速进行样品采样，减少残留的影响。上述部件的关系是前级泵为涡轮分子泵工作提供环境，实现质谱的高真空要求。进样系统的布置是多点进样探头经过多路切换系统进入进样恒温器，恒温器是三通，其中一路由毛细管探头进样，另一路接采样泵，实现实时快速采样，减少残留影响。

如图3所示，离子源是真空腔中放置的质谱仪的核心部件。离子源采用PI源211，PI源211上设有离子引出极212；离子传输区与离子源连接，且采用了依次连接的预六极213、射频六极杆214、直流四极杆215和单透镜系统216对离子束进行调节，不但实现了多级真空离子传输，而且减少了多余样品对于分析器的影响；分析器采用的是垂直引入，双场加速，V模式反射模式的分析器。

本实用新型优化了真空系统，选用适当的真空系统既提供满足飞行时间质谱正常运行所需的真空需求，也适合便携式质谱的小体积重量的要求；飞行时间质谱技术的小型化，既包括全套的质谱部件(如离子源、传输区等)，又具有针对便携式仪器设计的小型化尺寸结构；且电源的布置依据放置于仪器的位置而定，并充分考虑了不同电源模块的特点以及可能产生的互相影响。此外，本实用新型针对用于环境监测和过程质谱的特点设计了多路进样切换，以及进样恒温装置，已实现实时在线检测的需求。

上述实施例仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案。任何不脱离本实用新型精神和范围的技术方案均应涵盖在本实用新型的专利申请范围当中。

Claims

1.小型便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，包括真空腔，以及设在真空腔上的真空获取部件、真空读取部件、多路进样切换系统和进样恒温器；真空获取部件、真空读取部件、多路进样切换系统和进样恒温器依次相连接；所述真空腔内设有离子源和离子传输区，离子传输区与离子源连接。

2.根据权利要求1所述的小型便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述离子源上设有离子引出极。

3.根据权利要求1所述的小型便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述离子传输区包括依次连接的预六极、射频六极杆、直流四极杆和单透镜系统。