CN207542195U - 一种纺锤形离子漏斗 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纺锤形离子漏斗。该纺锤形离子漏斗特征在于，2N个圆环形电极的环的宽度均相同且同轴等间距依次平行排列；圆形挡板电极位于第N个和第N+1个环形电极之间，圆形挡板电极直径小于第N个环形电极内径，圆形挡板电极左端的N个环形电极的内径从左至右按等差A递增，圆形挡板右端的N个环形电极的内径从左至右按等差A递减，离子漏斗整体上呈纺锤形结构；环形电极分别通过电容与射频电源并联，相邻环形电极之间通过电阻串联后与直流高压电源电连接；圆形挡板电极与直流高压电源电连接。相比于传统离子漏斗，该纺锤形离子漏斗有效的强化了电场对于离子的汇聚作用，从而减小离子损失，提高离子传输效率。

Description

一种纺锤形离子漏斗

技术领域

本实用新型属于质谱分析领域，具体涉及一种纺锤形离子漏斗。相比于传统离子漏斗，该纺锤形离子漏斗采用纺锤形结构，有效的强化了电场对于离子的汇聚作用，能够实现离子的有效聚焦，圆形挡板的使用又能够实现中性气体分子与离子的分离，从而减小离子损失，提高离子传输效率。

背景技术

质谱是一种广泛应用于各个学科领域中通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。它在在环境检测、国土安全、临床分析、有机合成、药物研发、蛋白质和代谢组学等领域具有极其广泛的应用。质谱分析系统通常包括电离源、离子传输装置、质量分析器和检测器。其中离子传输效率的高低直接决定了质谱的灵敏度和分辨率。对于传统离子传输装置，低真空度环境下聚焦离子一直是个挑战。样品离子在到达质量分析器前需要经过较长的传输路径，并且在此期间气压条件会从大气压环境变化到高真空环境，在这一过程中大量离子会由于与中性气体发生碰撞等原因而损失掉，最终到达质量分析器的离子量就很少。

离子漏斗是基于电动力学原理的离子传输和聚焦装置，现有的技术中，离子漏斗由一系列外径一致内径不同的环电极组成，在这些环电极上施加RF电场和DC电场来实现离子聚集。现有的离子漏斗虽然实现了离子的传输及聚焦的功能，但是它依然存在许多问题：首先，现有的离子漏斗大都采用外径一致内径不同的环电极，由物理学知识可知，两片电极相对面积越大，他们之间的感应容抗就越大，因此传统的离子漏斗整体容抗较大，对于射频电源的要求较高；其次，离子由大气压进入真空系统，会发生“射流膨胀”而呈现锥形发散，现有的离子漏斗大都采用倒锥形结构，即离子入口处对应的电极片的内径最大，沿着离子运动方向极片的内径依次减小，该结构会导致离子刚进入离子漏斗时收到的电场力作用较弱，为达到汇聚作用，只能增加后端极片个数，同样增加电源负担；最后，现有的离子漏斗并不能减少离子与中性气体的碰撞，因而离子传输效率并不高。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供了一种纺锤形离子漏斗。该离子漏斗采用纺锤形结构，并且在漏斗中心增加了一个圆形挡板电极，有效的强化了电场对于离子的汇聚作用，能够实现离子的有效聚焦，并且能够实现中性气体分子与离子的分离，从而减小离子损失，提高离子传输效率。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

该装置包括2N个平板状环形电极、一个圆形挡板电极、三个直流高压电源和一个射频电源，N为大于等于2的整数；2N个圆环形电极的环的宽度(环的外径与内径之差)均相同且同轴等间距依次平行排列；圆形挡板电极位于第N个和第N+1个环形电极之间，圆形挡板电极直径小于第N个环形电极内径，圆形挡板电极左端的N个环形电极的内径从左至右按等差A递增，圆形挡板右端的N个环形电极的内径从左至右按等差A递减，第N个和第N+1个环形电极内径相同，离子漏斗整体上呈纺锤形结构；环形电极分别通过电容与射频电源并联，相邻环形电极之间通过电阻串联后与直流高压电源电连接；圆形挡板电极与直流高压电源电连接；

环形电极的个数为偶数；

第1片和第2N片、第2片和第2N-1片、第3片和第2N-2片……第N片和第N+1片环形电极形状和尺寸完全相同；

环形电极的厚度为d，d≥0.1mm；

环形电极间的距离均为L，L≥0.5mm；

圆形挡板电极的厚度为d，d≥0.1mm；

圆形挡板电极与环形电极间的距离为(L-d)/2；

整个离子漏斗以圆形挡板电极几何中心处的径向截面呈镜面对称；

离子漏斗置于真空腔体内，所述直流电源包括第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源，第一直流电源和第二直流电源为隔离高压电源，第三直流电源为普通高压直流电源；

第一直流电源的正负极分别连接于第1片和第2N片环状电极；

第二直流电源的正负极分别连接于圆形挡板电极和第2N片环状电极；

第三直流电源的正负极分别连接于第2N片环状电极和真空腔体；

所述射频电源可提供两路幅值相同相位相反的射频电压；

所述射频电源的频率可调，幅值可调；

所述环形电极的每两片相邻环形电极间通过一个电阻实现直流串联，从左至右奇数环形电极分别通过电容与射频电源正极相连，偶数环形电极分别通过电容与射频电源负极相连，实现交流并联；

于环形电极和圆形挡板电极四周边缘分别向外延伸出相应的三个片状固定接脚，于片状固定接脚上开设有固定杆穿置通孔，三根圆柱绝缘固定杆分别依次穿过2N个环形电极和圆形挡板电极上的固定杆穿置通孔，相邻环形电极之间、环形电极与圆形挡板电极之间均设有绝缘垫片，于离子漏斗左右二端分别设有绝缘端盖；

所述两个绝缘端盖的中部开有通孔，位于离子漏斗左端的端盖通孔的孔径小于第1片环形电极的内径，位于离子漏斗右端的端盖通孔的孔径大于第2N片环形电极的内径；

绝缘固定杆的两端分别固定于两个绝缘端盖，整个离子漏斗可以通过端盖固定于真空腔体；

电阻和电容的焊接点位于每片电极的固定脚上，并不影响电极片主体的电场分布。

本发明的优点在于：

1.本实用新型采用2N个环径相同，内径不同的电极组成，整体呈纺锤形，该结构使得离子刚进入离子漏斗就能收到电场力的作用，有效的强化了电场对于离子的汇聚作用；

2.本实用新型在第N个和第N+1个环形电极之间增加了一个圆形挡板电极，能够实现中性气体分子与离子的分离，从而减小离子损失，提高离子传输效率；

3.本实用新型可根据具体的应用环境增加或减小极片的个数，并且离子漏斗自成一个整体，可以通过端盖固定于真空腔体，能够适用于各种质谱仪器。

附图说明

图1纺锤形离子漏斗的结构示意图；

图2纺锤形离子漏斗环形电极片和圆形挡板电极片结构示意图；

图3纺锤形离子漏斗使用效果仿真。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

如图1所示，一种纺锤形离子漏斗，由26个平板状环形电极、一个圆形挡板电极、三根圆柱绝缘固定杆、若干绝缘垫片、两个绝缘端盖、三个直流高压电源和一个射频电源组成。26个环形电极的环径均相同且同轴等间距排列；圆形挡板电极位于第13个和第14个环形电极之间，圆形挡板电极前的13个环形电极的内径等差递增，第1片电极内径为2.8mm，公差为0.8mm，圆形挡板后的13个环形电极的内径等差递减，第14片电极内径为12.4mm，公差为0.8mm，整体上呈纺锤形结构；环形电极和圆形挡板电极外围分别延伸出三个固定脚，环形电极之间、环形电极与圆形挡板电极之间均通过绝缘垫片和绝缘柱固定，并通过电容和电阻进行电连接；环形电极和圆形挡板电极的厚度均为0.5mm，环形电极间的距离均为0.5mm，圆形挡板电极与环形电极间的距离为0.25mm。绝缘垫片、固定杆、端盖的材质均为PEEK。该实例的使用效果仿真结果如图3所示，可以看出，离子在该纺锤形离子漏斗中能够实现高效传输和聚焦。

Claims (8)

1.一种纺锤形离子漏斗，用于质谱仪低真空度环境下离子传输，其特征在于：

该离子漏斗包括2N个平板状环形电极、一个圆形挡板电极、三个直流高压电源和一个射频电源，N为大于等于2的整数；2N个圆环形电极的环的宽度，所述宽度为环的外径与内径之差，宽度均相同且同轴等间距依次平行排列；圆形挡板电极位于第N个和第N+1个环形电极之间，圆形挡板电极直径小于第N个环形电极内径，圆形挡板电极左端的N个环形电极的内径从左至右按等差A递增，圆形挡板右端的N个环形电极的内径从左至右按等差A递减，第N个和第N+1个环形电极内径相同，离子漏斗整体上呈纺锤形结构；环形电极分别通过电容与射频电源并联，相邻环形电极之间通过电阻串联后与直流高压电源电连接；圆形挡板电极与直流高压电源电连接。

2.根据权利要求1所述的离子漏斗，其特征在于：

环形电极的个数为偶数；

第1片和第2N片、第2片和第2N-1片、第3片和第2N-2片……第N片和第N+1片环形电极形状和尺寸完全相同；

环形电极的厚度为d，d≥0.1mm；

环形电极间的距离均为L，L≥0.5mm。

3.根据权利要求1所述的离子漏斗，其特征在于：

圆形挡板电极的厚度为d，d≥0.1mm；

圆形挡板电极与环形电极间的距离为(L-d)/2；

整个离子漏斗以圆形挡板电极几何中心处的径向截面呈镜面对称。

4.根据权利要求1所述的离子漏斗，其特征在于：

离子漏斗置于真空腔体内，所述直流高压电源包括第一直流电源、第二直流电源和第三直流电源，第一直流电源和第二直流电源为隔离高压电源，第三直流电源为普通高压直流电源；

第一直流电源的正负极分别连接于第1片和第2N片环状电极；

第二直流电源的正负极分别连接于圆形挡板电极和第2N片环状电极；

第三直流电源的正负极分别连接于第2N片环状电极和真空腔体。

5.根据权利要求1所述的离子漏斗，其特征在于：

所述射频电源可提供两路幅值相同相位相反的射频电压；

所述射频电源的频率可调，幅值可调。

6.根据权利要求1所述的离子漏斗，其特征在于：

所述环形电极的每两片相邻环形电极间通过一个电阻实现直流串联，从左至右奇数环形电极分别通过电容与射频电源正极相连，偶数环形电极分别通过电容与射频电源负极相连，实现交流并联。

7.根据权利要求1或6所述的离子漏斗，其特征在于：

于环形电极和圆形挡板电极四周边缘分别向外延伸出相应的三个片状固定接脚，于片状固定接脚上开设有固定杆穿置通孔，三根圆柱绝缘固定杆分别依次穿过2N个环形电极和圆形挡板电极上的固定杆穿置通孔，相邻环形电极之间、环形电极与圆形挡板电极之间均设有绝缘垫片，于离子漏斗左右二端分别设有绝缘端盖；

所述两个绝缘端盖的中部开有通孔，位于离子漏斗左端的端盖通孔的孔径小于第1片环形电极的内径，位于离子漏斗右端的端盖通孔的孔径大于第2N片环形电极的内径；

绝缘固定杆的两端分别固定于两个绝缘端盖，整个离子漏斗可以通过端盖固定于真空腔体。

8.根据权利要求7所述的离子漏斗，其特征在于：

电阻和电容的焊接点位于每片电极的固定脚上，并不影响电极片主体的电场分布。