CN205404477U - 离子选择性光解离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种离子选择性光解离装置，其中该装置包括：电极组，包括第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极，第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极依次并行排列，其中每个电极中间均设有圆孔，且每个电极中圆孔的中心同轴，圆孔上设置栅网，栅网用于供离子通过；其中第一电极、第二电极组成质量门，质量门用于选择特定质量数的离子；第二电极、第三电极组成解离区域，用于将通过质量门选择的离子在解离激光的照射下发生解离以产生碎片离子；第二电极、第三电极以及第四电极组成两级加速电场，用于将碎片离子进行加速，以使碎片离子达到离子检测器微通道板。该装置实现了对离子源产生的离子进行高分辨率的选择和分析。

Description

离子选择性光解离装置

技术领域

本实用新型涉及质谱和光谱分析技术领域，尤其涉及一种离子选择性光解离装置。

背景技术

目前，作为分析测试科学仪器的突出代表，质谱仪具有灵敏度最高，适用性最强的优势，在科学研究和生产实践中都具有不可替代的重要作用，其应用遍及国计民生和安全信息的各个领域。质谱分析中，待测物质分子经电离后依照不同质荷比（质量与电荷之比）在电磁场控制下按空间位置和时间先后加以区分和定量分析。虽然质谱具有强大的质量分析功能，但该技术在结构测定方面具有很大的局限性，多数情况下无法直接给出被测物种的结构信息，对具有相同质量数但结构不同的同分异构体无法区分，极大地限制了质谱技术在食品安全、生物技术等方面的深入应用。

红外光谱是研究物质结构的最有效方法之一，每种分子都有由其组成和结构决定的特征红外光谱，据此可以对分子进行结构分析、物种鉴定以及定量测量。因此研制集红外光谱结构测定和质谱质量分析于一体的红外－质谱联用仪器将具有强大的分析测试功能，并有广泛的应用前景。然而由于传统的红外吸收光谱方法灵敏度低，不适于与质谱技术串联使用于物质结构分析。红外激光解离光谱是近年来发展的高灵敏度振动光谱方法。自从1985年诺贝尔化学奖获得者李远哲等人的红外激光解离谱实验发展到现在，红外激光解离光谱已经成为研究气相小分子及团簇化学的重要手段。红外激光解离谱（InfraredPhotodissociationSpectroscopy:IRPD）实验是通过检测母体离子的碎片强度随辐射红外激光波长变化的关系。对于母体离子AB+，当它吸收若干个红外光子，分子内部能量升高超过某些弱键的解离限，会发生解离，生成中性或者带电的碎片。对于结合能较大的团簇体系，则可以通过红外预解离（InfraredPredissociationSpectroscopy）谱探测其振动频率信息。红外预解离谱首先使研究体系AB+弱吸附n个惰性的信息原子或分子（例如Ar，He，H2等），再使体系与红外激光作用，信息Ar原子的依次解离会降低母体分子的内能，从而获得高分辨的振动谱。

将质谱仪和光解离光谱仪结合起来使用的一个最大优点在于，第一，它可以分析选择离子的分子结构。其原理和实验过程是，首先根据质谱学原理，将特定质荷比的离子选择出来，然后再用光源（通常为激光）辐照被选择的离子，获得此种离子的光谱信息。第二，由于质谱是工作在高真空条件下，它可以分析一些在常温常压下不稳定的自由基，离子以及各种由非共价相互作用结合起来的亚稳态分子，如分子团簇等。一些传统光谱学方法无法研究的亚稳态分子可以用质谱-光解离谱联用的方法开展研究。

由于质谱在质谱仪和光解离谱仪结合使用中的主要作用是分离选择出特定的分子离子，因此，质谱仪的质量分辨能力将决定此研究方法和仪器的性能，比如说，对于质荷比非常相近的两个离子，能否将它们完全分离开是决定研究结果是否具有可靠性的唯一保证。

因此，如何对离子源产生的离子进行高分辨率的选择和分析已经成为亟待解决的问题。

发明内容

本实用新型的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种离子选择性光解离装置。该装置通过一组由四片电极组成的电极组即可实现对离子源产生的离子进行高分辨质量选择和实现高分辨光解离产物质量分析，获得高质量的分子光解离光谱。

本实用新型的第二个目的在于提出一种通过离子选择性光解离装置进行离子选择性光解离的方法。

本实用新型的第三个目的在于提出一种仪器。

为达上述目的，本实用新型第一方面实施例的离子选择性光解离装置，包括：电极组，所述电极组设置于离子飞行时间质谱的无场飞行区，所述电极组包括第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极，所述第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极依次并行排列，其中，每个电极中间均设有圆孔，且所述每个电极中圆孔的中心同轴，所述圆孔上设置栅网，所述栅网用于供离子通过；其中，所述第一电极、第二电极组成质量门，所述质量门用于选择特定质量数的离子；所述第二电极、第三电极组成解离区域，所述解离区域用于将通过所述质量门选择的离子在解离激光的照射下发生解离以产生碎片离子；所述第二电极、第三电极以及第四电极组成两级加速电场，所述两级加速电场用于将所述碎片离子进行加速，以使所述碎片离子达到离子检测器微通道板。

根据本实用新型实施例的离子选择性光解离装置，由依次并行排列的4片电极组成的电极组构成，其中，每个电极中间均设有圆孔，且每个电极中圆孔的中心同轴，圆孔上设置栅网以供离子通过，通过第一电极、第二电极组成的质量门以选择特定质量数的离子，并通过第二电极、第三电极组成的解离区域以将通过质量门选择的离子在解离激光的照射下发生解离以产生碎片离子，以及通过第二电极、第三电极以及第四电极的组成两级加速电场以将碎片离子进行加速，以使碎片离子最终达到离子检测器微通道板。实现了通过一组由四片电极组成的电极组即可实现对离子源产生的离子进行高分辨质量选择和实现高分辨光解离产物质量分析，获得高质量的分子光解离光谱。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的离子选择性光解离装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的离子选择性光解离的方法的流程图；

图3是图1中第二电极120的脉冲序列的示例图；

图4是根据本实用新型一个实施例的仪器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面参考附图描述本实用新型实施例的离子选择性光解离装置、通过该装置进行离子选择性光解离的方法、以及具有该装置的仪器。

图1是根据本实用新型一个实施例的离子选择性光解离装置的结构示意图。需要说明的是，本实用新型实施例的离子选择性光解离装置可应用于质谱和光谱分析技术领域中，可通过本实用新型实施例的离子选择性光解离装置实现离子的质量选择和光解离后碎片离子的高分辨质量分析。

如图1所示，该离子选择性光解离装置可以包括：电极组100，该电极组100可以设置于离子飞行时间质谱的无场飞行区。需要说明的是，当本实用新型实施例的离子选择性光解离装置应用于质谱和光谱分析仪器中时，通过飞行时间质谱的不同来决定该装置中的电极组100与质谱和光谱分析仪器中的其他部件的位置关系。例如，对于反射式飞行时间质谱而言，电极组100可位于加速和偏转电极之后，反射电场之前；对于直线式飞行时间质谱而言，电极组100位于加速和偏转电极之后，检测器之前。

其中，如图1所示，电极组100可包括第一电极110、第二电极120、第三电极130以及第四电极140，第一电极110、第二电极120、第三电极130以及第四电极140依次并行排列，其中，每个电极中间均设有圆孔E，且每个电极中圆孔E的中心同轴，圆孔E上设置栅网，栅网用于供离子通过。此外，在本实用新型的实施例中，每个电极中的圆孔E的大小不做具体限定，例如，每个电极中的圆孔E的大小可以相同，也可以不同，取决于具体的样品离子的选择和解离情况。圆孔E上的栅网的尺寸本实用新型也不做具体限定，例如，栅网的尺寸大小略大于圆孔E的大小，又如，栅网的大小与圆孔E的大小相同。

需要说明的是，在本实用新型的实施例中，第一电极110、第二电极120、第三电极130以及第四电极140均为平板式电极。此外，第一电极110、第二电极120、第三电极130以及第四电极140的形状可为圆形、长方形或正方形等，可以理解，根据实际需求，电极的形状还可以是其他形状。此外，每个电极的厚度、尺寸大小本实用新型也不做具体限定，可根据实际需求来决定。

如图1所示，第一电极110、第二电极120可以组成质量门，质量门可用于选择特定质量数的离子。第二电极120、第三电极130组成解离区域，解离区域用于将通过质量门选择的离子在解离激光的照射下发生解离以产生碎片离子。

如图1所示，第二电极120、第三电极130以及第四电极140组成两级加速电场，两级加速电场用于将碎片离子进行再一次加速，继续飞行，以使碎片离子最终达到离子检测器微通道板（MicrochannelPlate，简称为MCP）。

需要说明的是，在本实用新型的实施例中，依次并行排列的电极间的距离的取值范围可为5毫米～15毫米，其中，第二电极120与第三电极130之间的距离大于第一电极110与第二电极120之间的距离，且第二电极120与第三电极130之间的距离大于第三电极130与第四电极140之间的距离。也就是说，电极间的距离在5毫米～15毫米之间，其中，用于光解离的两个电极间的距离可略大于其它电极间的距离。

举例而言，如图1所示，离子源产生的不同质荷比的一系列样品离子包，按质荷比从大到小依次为A、B、C，通过加速电极和偏转电极后进入无场飞行区。在经过一段时间的自由飞行后，样品离子按照质量数从小到大的顺序依次进入电极110、120、130、140四个电极组成的电极组100。第一电极110、第二电极120组成质量门，用于特定质量数的离子的选择。在第二电极120和第三电极130之间的区域，被选择的特定质量数的离子在解离激光F的照射下发生解离，产生碎片离子G。第二电极120、第三电极130、第四电极140这三个电极组成一个两级加速电场，用于将碎片离子再一次加速，继续飞行，最终到达离子检测器微通道板。最后，经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理输出，最终得到的被选择的样品离子光解离后的质谱图。

需要说明的是，在本实用新型的实施例中，在通过本实用新型实施例的离子选择性光解离装置进行离子选择性光解离的过程中，第一电极110以及第四电极140均为接地电极，第二电极120施加脉冲电压，第三电极130施加直流电压。其中，第二电极120施加的脉冲电压的幅值、方向本实用新型不做具体限定，可根据样品离子的极性和具体所选择的离子的质量数而具体设置。

综上，本实用新型实施例的离子选择性光解离装置，在离子选择性光解离的过程中，仅需在同一片电极上施加不同时序的电压来达到质量选择的目的，这种结构设计既能节约高光洁度电极片，降低了制造成本，同时也有利于仪器的微型化。而且，减少了电极片，即减少了电极片上所需要的栅网，从而缩短了离子传输的距离，使得离子传输效率有大幅提高。例如，以5片电极组成的电极组与本实用新型四片电极组成的电极组相比为例，实验表明，四片电极的数量仍然可以保证60%以上的传输率，而五片电极的传输率只有50%（其中，单片栅网的透过率约在90%）。

根据本实用新型实施例的离子选择性光解离装置，由依次并行排列的4片电极组成的电极组构成，其中，每个电极中间均设有圆孔，且每个电极中圆孔的中心同轴，圆孔上设置栅网以供离子通过，通过第一电极、第二电极组成的质量门以选择特定质量数的离子，并通过第二电极、第三电极组成的解离区域以将通过质量门选择的离子在解离激光的照射下发生解离以产生碎片离子，以及通过第二电极、第三电极以及第四电极的组成两级加速电场以将碎片离子进行加速，以使碎片离子最终达到离子检测器微通道板。实现了通过一组由四片电极组成的电极组即可实现对离子源产生的离子进行高分辨质量选择和实现高分辨光解离产物质量分析，获得高质量的分子光解离光谱。

为了实现上述实施例，本实用新型还提出了一种通过离子选择性光解离装置进行离子选择性光解离的方法，其中，该离子选择性光解离装置为上述任一项实施例所述的装置。

图2是根据本实用新型一个实施例的离子选择性光解离的方法的流程图。如图2所示，该方法可以包括：

S210，在样品选择和解离的过程中，当样品离子为正离子时，第二电极上施加负脉冲电压，控制脉冲的时序，使电压下降的时间段内，目标离子通过第一电极和第二电极，其它时间第二电极处于高的正电位，阻拦离子通过，其中，在被选择的离子通过第二电极的一瞬间，第二电极上电压为正高压。

S220，当选择通过的离子通过第二电极时，控制解离激光轰击选择通过的离子，使选择通过的离子产生解离，其中，解离激光为脉冲式，根据被选择离子的不同，控制解离激光的时序以使解离激光与离子通过第二电极的过程同步。

S230，控制第三电极上施加直流电压，以使第二电极和第四电极共同组成两级加速电场，以使被解离后的离子再次加速。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本实施例的方法，下面将结合图1以及图3对该方法进行进一步描述。

举例而言，首先，如图1所示，第一电极和第四电极140均为接地电极，也就是说始终是零电位。在样品选择和解离的过程中，假设样品离子为正离子，以此为例说明第二电极120和第三电极130上的电压分布情况。其中，第二电极120上施加脉冲电压，脉冲电压序列可如图3所示，当如图1中的B离子达到第一电极110以前，第二电极120上的电压为V1，保持V1电压值大于离子的动能，就可以阻挡质荷比小于B的离子，例如离子C。假设在T1时刻，离子B达到第一电极110，此时第二电极120上的电压从V1下降到V2，使V2的电压值比离子动能低一定的数值，即可以让离子B通过第一电极110，并在第一电极110和第二电极120组成的电场作用下实现减速，当离子B通过第二电极120以后，第二电极120的电压迅速上升到V3，阻挡质荷比大于B的离子A。同时用红外激光照射质量选择并减速的离子B，生成碎片离子，第三电极130的电压可以采用直流电压，第二电极120、第三电极130以及第四电极140共同组成两级加速电场，使碎片离子和母离子获得额外的动能，而实现分离。

可以看出，四片电极的组合即实现了离子的质量选择和光解离后碎片离子的高分辨质量分析。由于每一片电极上必须装载栅网以均匀电场，尽管栅网对离子的传输效率有一定影响，而四片电极的数量仍然可以保证60%以上的传输率。其中，第二电极和第三电极上的施加电压需根据具体的样品离子具体设置，其电压可以从200伏到4000伏不等，范围不受限制。

根据本实用新型实施例的方法，通过由四片电极组成的电极组即可实现对离子源产生的离子进行高分辨质量选择和实现高分辨光解离产物质量分析，获得高质量的分子光解离光谱。

为了实现上述实施例，本实用新型还提出了一种仪器。

图4是根据本实用新型一个实施例的仪器的结构示意图。如图4所示，该仪器可以包括：激光光源410、离子调制电极420、偏转电极430、离子选择性光解离装置440以及检测器450。需要说明的是，图4给出的是离子选择性光解离装置位于一个直线式的飞行时间质谱的无场飞行区的示例，而该示例仅是为了更好对本实用新型的理解而给出的一种示例，而并不能作为是对本实用新型的具体限定。

其中，激光光源410用于发射激光，以使样品在激光作用下电离成离子。离子调制电极420用于在施加脉冲电压下，将经过锥孔411垂直正交加速进入离子调制区的离子进入加速电场421。偏转电极430用于将经加速电场421的离子进行偏转以时离子进入无场飞行区。置于离子飞行时间质谱的无场飞行区的离子选择性光解离装置440，该离子选择性光解离装置440的具体功能描述可参照上述任一个实施例所述的装置的功能描述。检测器450用于将经过离子选择性光解离装置440进行光解离的离子进行处理，以得到被选择的样品离子光解离后的质谱图。

举例而言，如图4所示，样品L在激光光源410(或者高压脉冲放电等其他离子源)作用下电离成离子M，经过锥孔411后，正交加速进入到离子调制区，在离子调制电极420上施加的脉冲电压下，离子进入加速电场421中，经过加速，通过偏转电极430后，进入无场飞行区。在离子的飞行途径中，置有电极组，该电极组由第一电极110、第二电极120、第三电极130和第四电极140组成，用于选择离子并进行光解离，解离激光N以脉冲的形式进入第二电极120和第三电极130之间的区域，与被选择的指定的离子作用。解离后的离子离开第四电极140后，继续在无场区飞行，最终到达离子检测器微通道板（MCP）450，经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到的样品离子光解离后的质谱图，进而获得高质量的分子光解离光谱。

下面给出一个具体实施方式的描述。在该实施例中，四片电极组成的电极组的结构如下：电极组由4片直径为90毫米、厚度为0.5毫米的圆片电极组成。每片电极中心开有直径为15毫米的圆孔，第二电极120与第三电极130的间距为15毫米，其它电极间距为5.5毫米。圆孔上粘有栅网，栅网尺寸为0.32mm×0.32mm。电极组位于一个直线式的飞行时间质谱的无场飞行区中，电极组距离加速和偏转电极1.4米，距离检测器0.6米。

第一电极110、第二电极120、第三电极130和第四电极140组合的电压分布如下，以样品离子为正离子为例，第一电极110和第四电极140为接地电极，保持零电位，第二电极120上施加脉冲高压，例如，第二电极120在大多数时间内始终保持在2500V的直流电位上，直到需要选择的离子要通过时，电压迅速降低至1900V，待选择的离子通过第二电极120后，迅速升高至2500V。

第三电极130上施加直流电压，与第二电极120、第四电极140共同组成两级加速电场，使碎片离子和母离子获得额外的动能，而实现分离。

根据本实用新型实施例的仪器，通过离子选择性光解离装置中由四片电极组成的电极组即可实现对离子源产生的离子进行高分辨质量选择和实现高分辨光解离产物质量分析，获得高质量的分子光解离光谱，从而可以将质谱分析和光解离分析结合起来使用，这样既可以获得分子组成的信息，又可以得到分子结构的信息。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种离子选择性光解离装置，其特征在于，包括：

电极组，所述电极组设置于离子飞行时间质谱的无场飞行区，所述电极组包括第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极，所述第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极依次并行排列，其中，每个电极中间均设有圆孔，且所述每个电极中圆孔的中心同轴，所述圆孔上设置栅网，所述栅网用于供离子通过；

其中，所述第一电极、第二电极组成质量门，所述质量门用于选择特定质量数的离子；

所述第二电极、第三电极组成解离区域，所述解离区域用于将通过所述质量门选择的离子在解离激光的照射下发生解离以产生碎片离子；

所述第二电极、第三电极以及第四电极组成两级加速电场，所述两级加速电场用于将所述碎片离子进行加速，以使所述碎片离子达到离子检测器微通道板。

2.如权利要求1所述的离子选择性光解离装置，其特征在于，在通过所述离子选择性光解离装置进行离子选择性光解离的过程中，所述第一电极以及所述第四电极均为接地电极，所述第二电极施加脉冲电压，所述第三电极施加直流电压。

3.如权利要求1所述的离子选择性光解离装置，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极均为平板式电极。

4.如权利要求1所述的离子选择性光解离装置，其特征在于，所述第一电极、第二电极、第三电极以及第四电极的形状为圆形、长方形或正方形。

5.如权利要求1所述的离子选择性光解离装置，其特征在于，所述依次并行排列的电极间的距离的取值范围为5毫米～15毫米，其中，所述第二电极与所述第三电极之间的距离大于所述第一电极与所述第二电极之间的距离，且所述第二电极与所述第三电极之间的距离大于所述第三电极与所述第四电极之间的距离。