CN205723440U - 一种正交加速区装置、飞行时间质量分析器及质谱仪 - Google Patents

Abstract

一种正交加速区装置，包括推斥板、至少两块电极板及调压电路，调压电路包括可调电阻器和若干个电阻，可调电阻器的一端和若干个电阻串联后的一端通过高压脉冲开关接地，另一端均接地，推斥板通过所述高压脉冲开关接地，最后一个电极板接地，其余的电极板分别接到串联电阻之间的结点，可调电位器的可调端连接到串联的电阻的线路上，串联的电阻置于时间质谱分析仪的真空腔体内部，可调电阻器置于真空腔体外部。本实用新型还公开了使用正交加速区装置的飞行时间质量分析器以及质谱仪。本实用新型具有以下优点：能够直接通过在时间质谱分析仪的真空腔体外部调节可调电位器改变两级电场分压比，以获得较好的质谱信号强度，分辨率等参数，不需破坏真空。

Description

一种正交加速区装置、飞行时间质量分析器及质谱仪

技术领域

本实用新型涉及质谱领域，特别涉及到一种用于样品离子加速的装置。

背景技术

质谱分析法，是指将待测物质分子经电离后依照不同质荷比(质量与电荷之比)在电电场控制下按空间位置和时间先后加以区分和定量分析。一套质谱仪的主要结构一般包括：进样系统，离子源，离子传输系统，质量分析器，离子探测及数据处理系统。其中，离子源和质量分析器是其最核心的部分。质量分析器，顾名思义，即将离子按照不同的质荷比分离开来的装置。质量分析器的重要性不言而喻。

飞行时间质量分析器作为质谱仪器中应用最为广泛的一种质量分析器，可以与电子轰击离子源，化学电离源，电喷雾电离源等各种离子源，四极杆，六极杆，八极杆等离子导入装置联用，组建成用于各个领域的质谱仪器。飞行时间质谱在通常的应用中，离子通常由前级垂直引入，进而经过90度偏转进入飞行时间质量分析器。这是因为正交加速式飞行时间质谱(oa-TOF-MS)具有以下优势：第一,离子束沿质谱方向的能量分散大大降低；第二,更方便在离子进入质谱之前对其调制,改变离子的动能和分布等。因而其更容易获得较高的分辨率。

飞行时间质量分析器通常分为直线式和反射式两种，其基本结构包括：加速区、自由飞行区，探测器区。不管哪一种结构，都包括加速区。经过不断的发展，现今常用的加速区的基本结构均为Wiley-Mclarren式结构。通常设计一台飞行时间质谱，首先需要使用静电透镜模拟软件对所需要的电极板几何参数和电学参数进行模拟，根据模拟参数进行机械加工和电路设计，然后将加工完成的零件组装，调试。在实际调试中，由于加工精度，装配精度，电子元器件的精度不同，导致所使用的电压参数实际值会与模拟值有出入，如果正交加速区的分压比完全按照模拟值来设计，往往会导致在调试过程中陷入被动，无法达到较好的调试效果。此外，正交加速装置置于真空中，若正交加速区的分压比固定，当其分压比不合适的情况下，调节分压比还需打开真空腔，破坏原有的低真空。

若能将正交加速区的电路结构设计为腔体外分压比可调式，那么在后期的调试过程中，可以大大方便调试，不仅能够保持原有的真空度不被破坏，还能根据采集到的质谱图实时调试加速区分压比，以期获得较好的质谱峰型，分辨率，信号强度等参数。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供了一种可调分压比例的正交加速区电路，能快速有效的根据采集到的质谱图调节分压比，以获得较好的质谱信号强度，分辨率等参数。

本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种正交加速区装置，包括推斥板以及至少两块电极板，所述电极板与推斥板相距一定距离平行放置，电极板与电极板之间间隔一定距离，所述推斥板与所述电极板组成的双级电场，本实用新型的改进点在于，该正交加速区装置还包括调压电路，所述调压电路包括可调电阻器和若干个电阻，可调电阻器的一端通过高压脉冲开关接地，另一端接地，若干个电阻串联后的一端通过所述高压脉冲开关接地，另一端接地，推斥板通过所述高压脉冲开关接地，最后一个电极板接地，其余的电极板分别接到串联电阻之间的结点，可调电位器的可调端连接到串联的电阻的线路上，串联的电阻置于时间质谱分析仪的真空腔体内部，可调电阻器置于时间质谱分析仪的真空腔体外部。

进一步优化的，所述推斥板以及所述电极板为平板。

进一步优化的，所述推斥板以及所述电极板的形状为矩形或圆形的平板。

进一步优化的，所述推斥板中心开孔或者不开孔，所述电极板中心开孔。

进一步优化的，所述中心开孔为圆孔或者矩形孔。

进一步优化的，所述中心开孔上粘有至少一层栅网。

进一步优化的，所述推斥板和电极板的厚度一致，为0.3-2mm，所述推斥板和电极板的长和宽分别一致，均为50-100mm，所述推斥板和电极板的间距为10-30mm，所述电极板两两之间的距离为1-10mm。

本实用新型还公开了一种使用上述任一项技术方案所述的正交加速区装置的飞行时间质量分析器，包括加速区装置、自由飞行区装置和探测器区装置。

本实用新型还公开了一种使用上述任一项技术方案所述的正交加速区装置的质谱仪，包括离子源、进样系统、离子传输系统、飞行时间质量分析器，离子探测及数据处理系统，所述飞行时间质量分析器包括加速区装置、自由飞行区装置和探测器区装置，所述加速区装置包括推斥板以及至少两块电极板，所述电极板与推斥板相距一定距离平行放置，电极板与电极板之间间隔一定距离，所述推斥板与所述电极板组成的双级电场，所述加速区装置还包括调压电路，所述调压电路包括可调电阻器和若干个电阻，可调电阻器的一端通过高压脉冲开关接地，另一端接地，若干个电阻串联后的一端通过所述高压脉冲开关接地，另一端接地，推斥板通过所述高压脉冲开关接地，最后一个电极板接地，其余的电极板分别接到串联电阻之间的结点，可调电位器的可调端连接到串联的电阻的线路上。

进一步优化的，所述进样系统为锥型进样孔，所述离子传输系统包括导引杆和狭缝，所述导引杆为导引四极杆。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型提供分压比可调的正交加速区电路，能使得加速区的两级电场的分压比可调，能快速有效的根据采集到的质谱图调节分压比，以便获得较好的质谱信号强度，分辨率等参数，并且若采集到的质谱分辨率较差，则可以直接通过在时间质谱分析仪的真空腔体外部调节可调电位器改变两级电场分压比，不需破坏真空。

附图说明

图1为典型的Wiley-Mclarren正交加速区结构示意图；

图2是双电场加速结构示意图；

图3是双电场加速电势变化示意图；

图4一种具体结构尺寸下的分压比可调式正交加速区结构示意图；

图5本实用新型的实施例一的正交加速区装置的电路示意图；

图6为本实用新型实施例三的正交加速区装置作为整体的一个具体的应用实例图。

图中标号：101-推斥板；102-引入电极板；103-引出电极板；201-推斥板；202-208电极板；10-离子源；20-进样系统；30-导引杆；40-狭缝；50-飞行时间质量分析器；60-离子探测器。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

图1为典型的Wiley-Mclarren正交加速区结构示意图。典型的Wiley-Mclarren正交加速区结构包括一个推斥板101、一个引入电极板102，以及引出电极板103。其中推斥板101与引入电极板102之间组成电场强度为E1的一级加速场；引入电极板102与引出电极板103之间组成电场强度为E2的二级加速场；离子以垂直方向引入，在推斥板101脉冲高压的作用下进行二级加速，实现二阶空间聚焦，图1中虚实箭头方向表示离子运动方向。

本实用新型提供的加速区是根据Taylor公式二级展开，大致计算出所需的电极板几何参数和电压参数。

如图2和图3所示，离子需要经历两级加速电场后进入自由飞行区，这两级加速电场的电场强度分别为E_s和E_d，电厂宽度分别为S₀和d，离子所处的实际位置为S，自由飞行区长度为D，离子经过两级加速区和自由飞行区的时间分别为：

$t_s=\sqrt{\frac{2m}{q}}\sqrt{\frac{S}{E_s}}$

$t_d=\sqrt{\frac{2m}{q}}\frac{1}{E_d}(\sqrt{E_{s}S+E_{d}d}-\sqrt{E_{s}S})$

$t_D=D\sqrt{\frac{m}{2q(E_{s}S+E_{d}d)}}$

总的飞行时间为：

$r=\sqrt{\frac{2m}{q}}\sqrt{\frac{S}{E_s}}+\sqrt{\frac{2m}{q}}\frac{1}{E_d}(\sqrt{E_{s}S+E_{d}d}-\sqrt{E_{s}S})+D\sqrt{\frac{m}{2q(E_{s}S+E_{d}d)}}$

由可以得到一阶聚焦条件：

其中，

由和可以得到二阶聚焦条件：

$S=\frac{D-2d}{2(D+d)}\[D{\left(\frac{D-2d}{3d}\right)}^{\frac{3}{2}}+d\]$

$U_d=\frac{U(2D+2d)}{3D}$

根据计算出的电压参数，建立SIMION软件模拟模型(SIMION软件是一款静电透镜模拟软件，能够在设定的离子飞行条件下，模拟离子在透镜，四极杆中等的飞行轨迹；根据离子飞行轨迹，对电学参数和几何参数做出一定的优化)。通过在SIMION软件中改变引入离子的状态，加速区两级电场的分压比，确定较为理想的几何参数和电压参数；根据模拟得到的参数，设计加工相应的电极板等零件，然后将加工完成的零件组装进入腔体中，待质量分析器前端离子源、离子导入装置调试完成后开始质量分析器调试。

图4为一种具体结构尺寸下的直线式飞行时间质谱示意图。本分压比可调的正交加速区装置包括推斥板201和至少2块电极板，理论上来说电极板个数越多形成的电场越均匀。

本实施例中采用的方案是：

实用新型提供的分压比可调的正交加速区装置，包括推斥板201，其他电极板202-208。

所述推斥板201为中心开孔或不开孔平板，平板的形状为矩形或圆形等均可，中心开孔可为圆孔或者矩形孔，孔的形状具体依离子调制截面形状而定，可在孔上粘上一层或者多层栅网，从而均匀两端电场，以防加速区电压渗透到离子引入区，对离子引入形成干扰。

所述其他电极板202-208为中心开孔平板，平板的形状可为圆形或者矩形，中心开孔可为圆孔或矩形孔，孔的形状具体依离子调制截面形状而定，可在孔上粘有一层或者更多层栅网，从而均匀两端电场以防加速区电压渗透到离子引入区，对离子引入形成干扰。

所述其他电极板202-208与推斥板201相距一定距离平行放置，电极板与电极板之间间隔一定距离。其中，推斥板201和电极板202-208的厚度均为0.5mm，理论上越薄越好，考虑到实际加工情况，一般板厚在0.3-2mm之间。推斥板201和其他电极板202-208的长和宽均为100mm(50-100mm均可)，推斥板201和电极板202间距为15mm(10-30mm之间)，电极板202-208两两之间的距离均为5mm(1-10mm之间)，上述数值区间均包括两端值。

推斥板201与电极板202-206组成第一级加速匀强电场，电极板206-208组成第二级加速匀强电场，两级电场的电场强度和宽度满足离子的二阶聚焦条件。离子从推斥板201与电极板202中间，从90度方向垂直引入，当离子充满整个推斥区域时，推斥板201上施加一定脉宽和强度的脉冲电压，将离子引入电极板202-206组成的加速区，离子经历两级加速后，经由电极板208引出进入自由飞行区，不同质荷比的离子经历同样长度的自由飞行区所需时间不同，到达探测器也有先后之分，据此将不同离子分开。

所述推斥板201大部分时间电势为0，当离子充满整个推斥区域时，推斥板电压在很短时间内上升(正离子模式)为正电压或下降(负离子模式)为负电压(以下均以正离子为例，负离子反之)，开始将离子推过接地平板，进入二级加速区

进一步，推斥板201与其他电极板组成的双级电场间，可以添加更多平板，添加的平板中心开有相同的孔，以使其间的电场更加均匀。

本实用新型的分压比可调的正交加速区装置可以和电喷雾离子源结合使用，也可以和电子轰击离子源，大气压化学电离源，介质阻挡放电等各种离子源结合使用.

本实用新型的分压比可调的正交加速区装置可以和单透镜，四极杆，六极杆，八极杆等各种离子导入装置结合使用；也可以在直线式或者反射式飞行时间质谱中使用。

参阅图5所示，该实施例的分压比可调的正交加速区装置还包括调压电路，通过该调压电路实现正交加速区装置的分压比可调。该调压电路包括电阻301-309、可调电位器310，其中电阻301-309均为高精密阻值，电阻308、可调电位器310电阻309、串联后的一端通过高压脉冲开关接地，另一端直接接地。电阻301、电阻302、电阻303、电阻304、电阻305之间串联后与电阻308和可调电位器310触点左侧电阻的串联电路并联，电阻301与电阻308的左侧与高压脉冲开关相连(高压脉冲开关为电极板201提供脉冲高压)。电阻305、电阻306之间串联后与电阻309和可调电位器310触点右侧电阻的串联电路并联。电阻309与电阻307的右侧与地连接。推斥板201通过高压脉冲开关接地，最后一个电极板208接地，其余的电极板202-207分别接到串联电阻之间的结点，可调电位器310的可调端连接到串联的电阻的线路上。本实施例，可调电位器310的可调端连接到电阻305和电阻306之间的结点，当然，也可以连接到其他的位置。

图5通过调节可调电位器310的阻值，可以调节推斥板201和电极板202-206组成的一级加速场与电极板206-208组成的二级加速场的之间的分压比(分压比的调节范围一般可达E2/E1＝12:1)，从而使离子经过双场加速后，更好的满足实际的二阶聚焦条件。电阻301-307置于时间质谱分析仪的真空腔体内部，电阻308-310置于时间质谱分析仪的真空腔体外部，若采集到的质谱分辨率较差，则可以直接通过在时间质谱分析仪的真空腔体外部调节可调电位器310改变两级电场分压比，不需破坏真空。

实施例二

一种使用上述正交加速区装置的飞行时间质量分析器，包括加速区装置、自由飞行区装置，和探测器区装置，所述加速区装置采用实施例一的加速区装置。

实施例三

图6为分压比可调式正交加速区装置作为整体的一个具体的应用实例。一种使用上述正交加速区装置的质谱仪，包括离子源10、进样系统20、离子传输系统、实施例二的飞行时间质量分析器50，离子探测器60及数据处理系统(图未示)。

该实施例中，所述进样系统20为锥型进样孔，所述离子传输系统包括导引杆30和狭缝40，所述导引杆30为导引四极杆。

样品在离子源10部分发生电离，经过进样系统20，进入导引杆30，经过导引杆30的聚焦和导引作用，离子通过一定宽度的狭缝40，狭缝40可以截取一定宽度的离子进入正交加速区，待离子充满整个推斥区时，推斥板的电压突然从低电位升高为正电压，将离子往前推，离子经过正交加速区的双级电场实现二阶空间聚焦，经过自由飞行区，最后达到探测器被检测。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正交加速区装置，包括推斥板以及至少两块电极板，所述电极板与推斥板相距一定距离平行放置，电极板与电极板之间间隔一定距离，所述推斥板与所述电极板组成的双级电场，其特征在于，还包括调压电路，所述调压电路包括可调电阻器和若干个电阻，可调电阻器的一端通过高压脉冲开关接地，另一端接地，若干个电阻串联后的一端通过所述高压脉冲开关接地，另一端接地，推斥板通过所述高压脉冲开关接地，最后一个电极板接地，其余的电极板分别接到串联电阻之间的结点，可调电位器的可调端连接到串联的电阻的线路上，串联的电阻置于时间质谱分析仪的真空腔体内部，可调电阻器置于时间质谱分析仪的真空腔体外部。

2.根据权利要求1所述的正交加速区装置，其特征在于，所述推斥板以及所述电极板为平板。

3.根据权利要求2所述的正交加速区装置，其特征在于，所述推斥板以及所述电极板的形状为矩形或圆形的平板。

4.根据权利要求2或3所述的正交加速区装置，其特征在于，所述推斥板中心开孔或者不开孔，所述电极板中心开孔。

5.根据权利要求4所述的正交加速区装置，其特征在于，所述中心开孔为圆孔或者矩形孔。

6.根据权利要求4所述的正交加速区装置，其特征在于，所述中心开孔上粘有至少一层栅网。

7.根据权利要求1所述的正交加速区装置，其特征在于，所述推斥板和电极板的厚度一致，为0.3-2mm，所述推斥板和电极板的长和宽分别一致，均为50-100mm，所述推斥板和电极板的间距为10-30mm，所述电极板两两之间的距离为1-10mm。

8.一种使用权利要求1至7任一项所述的正交加速区装置的飞行时间质量分析器，其特征在于，包括加速区装置、自由飞行区装置和探测器区装置。

9.一种使用权利要求1至7任一项所述的正交加速区装置的质谱仪，包括离子源、进样系统、离子传输系统、飞行时间质量分析器，离子探测及数据处理系统，所述飞行时间质量分析器包括加速区装置、自由飞行区装置和探测器区装置，所述加速区装置包括推斥板以及至少两块电极板，所述电极板与推斥板相距一定距离平行放置，电极板与电极板之间间隔一定距离，所述推斥板与所述电极板组成的双级电场，其特征在于，所述加速区装置还包括调压电路，所述调压电路包括可调电阻器和若干个电阻，可调电阻器的一端通过高压脉冲开关接地，另一端接地，若干个电阻串联后的一端通过所述高压脉冲开关接地，另一端接地，推斥板通过所述高压脉冲开关接地，最后一个电极板接地，其余的电极板分别接到串联电阻之间的结点，可调电位器的可调端连接到串联的电阻的线路上。

10.根据权利要求9所述的质谱仪，其特征在于，所述进样系统为锥型进样孔，所述离子传输系统包括导引杆和狭缝，所述导引杆为导引四极杆。