CN210182330U - 直线形质量分析器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种直线形质量分析器，包括多个分段式电极结构，多个分段式电极结构合围而成空间立体结构；其中一个或多个分段式电极结构上设有网状结构电极，离子通过导电网状结构电极进入和弹出质量分析器。本实用新型给出了一种直线形、分段式且带有网状电极结构的离子阱装置，分段式电极上施加的电压可以对离子阱内的电场分布进行实时优化，以达到显著提高其质量分辨能力的目的。此实用新型给出的具有新型离子阱质量分析器装置，可以实现离子束从任意的径向或者轴向上引入离子，解决离子引入效率的限制，同时，优化的电场保证了质量分析性能。该装置既可以单独作为质量分析器使用，也可以用于存储离子，还可以与其他装置，如其他类型的质谱仪器联合起来使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及物理领域，尤其涉及质谱分析技术，特别是一种直线形质量分析器。
背景技术
质谱仪是一种根据不同质量的带电粒子在电场或磁场中运动的轨迹不同，从而实现不同物质的原子、分子或分子碎片的分离和检测的分析仪器。质谱仪具有对未知化合物的定性、定量分析以及结构组成的确定等能力，具有极佳的灵敏度、选择性和广泛的适用性。目前已经广泛地应用于生命科学、地质勘测、环境检测、食品安全、石油化工、生物医学、国家安全、品质控制、临床诊断等技术领域。质谱仪的种类多种多样，根据所采用的质量分析器的不同，可以分为磁质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪、轨道阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪等。常见的质谱仪的主要组成部分有真空系统、离子源、离子传输系统（也称为离子光学系统）、质量分析器、检测器和测控系统这六大部分组成。质谱仪分析的目标物是气相离子，为了保证气相离子的平均自由程足够大，质谱仪必须工作在高真空条件下。受限于质谱仪的真空系统，市面上主流的质谱仪均具有非常大的体积和重量。体积和重量上的限制导致质谱仪必须在专业的实验室中运行。最近10年，以环境保护、食品安全以及社会公共安全等为主的理化分析领域对现场检测和在线检测的需求日益增加，对分析仪器的可携带性提出了明确的需求，紧凑型的质谱仪以及便携式、小型化和微型化的质谱仪逐渐成为一种主流趋势，在上述的众多种类的质量分析器中，离子阱质量分析器具有较高的耐受工作气压，并且高气压条件对离子的束缚具有良好的辅助效果，因而基于离子阱质量分析器的紧凑型、微型化质谱仪成为目前学术界和工业界的重要研究方向。
离子阱的发展历程是其几何结构不断优化的过程，如图1所示（参考文献Anal.Chem.2004,76,4595-4605），从最早期的Paul Trap的三维双曲面结构到目前主流的直线型的双曲面电极结构，再到进一步简化的直线型平板电极矩形离子阱结构。
专利号为US6797950B2的美国专利中描述了一种线形离子阱质量分析器，离子从轴向z方向注入阱中，经过共振激发，从径向x和y方向上通过电极上开的狭缝弹出，进入离子检测器。这种结构的线形离子阱能够有效的提高离子容量和离子存储效率，同时降低空间电荷效应的干扰，进一步提升了质量分辨。由于阱中的离子是通过电极上的狭缝弹出，离子的弹出数量和弹出效率均受到狭缝大小的限制，为了减少对阱中的四极电场的破坏，狭缝的尺寸具体为0.25毫米，物理上限制了离子弹出的数量，导致该装置的的离子强度受限，影响了质谱仪的检测灵敏度。专利号为WO9747025-A的专利和文章A new linear ion trapmass spectrometer (Rapid Commun. Mass Spectrom. 2002,16:512-526)中公开了一种直线形离子阱质谱仪，其结构与三重四极杆质量分析器类似，但是通过采用轴向弹出的技术实现离子阱质量分析器的功能。轴向上通过平面电极上施加的直流电位束缚离子；径向x和y方向上的圆杆电极施加射频电压束缚离子。离子从轴向z方向上引入阱中，运动至四极杆的尾部区域，四极杆上的射频电压以及其后方引出透镜上的直流电压的作用构建了边缘场，通过边缘场效应从轴向z方向上弹出，进入离子检测器。离子从轴向上弹出，避免了狭缝的物理限制，与离子的检测器能有更好的几何结构上的匹配，提高了离子弹出效率，检测效率的提升大幅改善了仪器的检测灵敏度。上述两种技术分别采用的双曲面电极和四极杆电极，均对电极的机械加工精度和整体组装精度均有非常高的要求，通常机械公差需要控制在10微米以下，某些情况下要精确到1微米以下。这些因素均导致此类质谱仪器的开发受到机械加工的严格限制，同时增加了仪器的成本和开发周期。
专利号为US6838666B2的美国专利中描述了一种由平板电极构建的长方体结构的离子阱质量分析器，其内部xy径向上的横截面为矩形，故称为矩形离子阱，是一种结构进一步简化的直线形离子阱。矩形离子阱在径向x和y方向上和轴向z方向上均采用平板电极构成，阱中的电极工作面均为平面。离子从轴向上z方向引入，并被轴向直流电位束缚，径向上x和y方向被射频电压束缚，经过共振激发，从径向x和y方向上弹出。离子弹出依然是从平面电极的狭缝弹出。由于矩形离子阱中的电场多极场成分更复杂，为了减少对阱中的四极电场的破坏，用于离子弹出的狭缝宽度有限，仅为1毫米，线形离子阱检测到的离子强度受限。因而，该技术虽然简化了结构，但质量分析器的检测灵敏度和分辨率均有不同程度的下降，限制了该技术的商用产品的开发和产业化发展。
本申请人在专利申请号为201210161473.0的中国专利中公开了一种装载有导电栅网电极的离子阱质量分析器，它具有高离子引出和收集效率、高灵敏度的优点。尽管栅网电极有利于提高离子弹出效率，但是平板电极的使用导致其内部电场分布的成分仍然非常复杂，严重限制了其质量分辨。此外，本申请人在专利申请号为201210496291.9的中国专利中公开了一种具有台阶形栅网电极结构的离子阱装置，旨在通过台阶形电极改善离子阱的电场分布，该技术对电极的特征结构例如对称性、台阶角度等参数具有非常高的加工和组装精度的需求，此外，该技术需要大量的几何结构的优化以确定最佳的台阶形状和位置，增加了产品开发成本和开发周期。
结构简化且性能可靠的离子阱质量分析器仍然是目前的市场上迫切需求的。不断简化的几何结构使得离子阱质量分析器的加工和组装工艺简化，成本降低，但是过于简单的结构也导致离子阱内电场成分的复杂化，其分析性能显著下降。
实用新型内容
针对上述技术缺陷，本实用新型的目的在于提供一种解决上述技术问题的直线形质量分析器。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种直线形质量分析器，多个分段式电极结构，多个分段式电极结构合围而成空间立体结构；其中
一个或多个分段式电极结构上设有网状结构电极，离子通过导电网状结构电极进入和弹出质量分析器；
任意一个所述的分段式电极结构在x方向和y方向上直线分布，x方向和y方向上的分段式电极结构所在的zx平面和zy平面在径向上合围而成空间立体结构，形成离子的束缚空间；其中
xyz为空间直角坐标系。
进一步的，分段式电极结构之间是相互绝缘、互不导通。
进一步的，分段式电极结构内的电极之间相互绝缘、互不导通。
进一步的，分段式电极结构为完整的电极，电极表面分布分段式电极。
进一步的，分段式电极结构包括基底电极以及设置在基底电极上的分段电极，分段电极与基底电极之间由绝缘材料分隔。
进一步的，网状结构电极的材料为金属导电材料或非金属材料表面有导电层覆盖。
进一步的，网状结构电极为x方向平行设置线或者y方向平行设置或者x和y方向交错分布设置。
进一步的，网状结构电极的导电线的横截面为圆形或者方形。
进一步的，所述的直线形质量分析器包括在x方向上的单侧设置分段式电极结构；其中，所述的直线形质量分析器中，分段式电极结构包括基底电极以及设置在基底电极上的分段电极，分段电极与基底电极之间由绝缘材料分隔。
进一步的，所述的直线形质量分析器包括x和y方向上的两对分段式电极结构；其中，分段式电极结构为完整的电极，电极表面分布分段式电极。
本实用新型给出了一种直线形、分段式且带有网状电极结构的离子阱装置，分段式电极上施加的电压可以对离子阱内的电场分布进行实时优化，以达到显著提高其质量分辨能力的目的。此实用新型给出的具有新型离子阱质量分析器装置，可以实现离子束从任意的径向或者轴向上引入离子，解决离子引入效率的限制，同时，优化的电场保证了质量分析性能。该装置既可以单独作为质量分析器使用，也可以用于存储离子，还可以与其他装置，如其他类型的质谱仪器联合起来使用。
附图说明
图1离子阱质量分析器的几何结构发展历程示意图；
图2 (a) 为本实用新型提出的新型离子阱质量分析器的xy-横截面的结构示意图；图2 (b) 为本实用新型提出的新型直线形离子阱的三维结构示意图；
图3为本实用新型提出的新型直线形离子阱的分段式电极上的网状电极结构示意图，图3（a）单一分段式电极的立体结构示意图；图3（b）网状电极中的水平方向分布网格线示意图；图3（c）网状电极中的垂直方向分布网格线示意图；图3（d）网状电极中的交叉分布的网格线示意图；
图4为实施例1提供的质谱仪的结构示意图；
图5为实施例2提供的质谱仪的结构示意图；
图6为实施例3提供的质谱仪的结构示意图；
图7为实施例4提供的质谱仪的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型直线形质量分析器作进一步详细说明。
本实用新型要解决的技术问题是：通过简化的电极结构设计，降低电极加工和组装精度的要求，同时具备对离子阱质量分析器内部的电场的实时优化功能，提高离子阱质量分析器的性能。
如图2（a）所示作为一个直线形质量分析器，电极的结构在x和y方向为直线型分布，x和y方向上的电极所在的zx平面和zy平面在径向上合围而成的离子的束缚空间，其电极上施加的电压对质量分析器中的离子实现径向上的束缚，束缚在质量分析器中的离子束在z方向上呈直线形状分布。
构成质量分析器的分段式电极，如图2（b）所示，对于x方向上和y方向上的两对分段式电极，电极之间是相互绝缘、互不导通的；
分段电极上的每一条带（201、202、203）以及条带（204、205、206），条带（207、208、209），条带（210、211、212）之间都是独立的，不同条带之间是相互绝缘、互不导通的。
质量分析器x或者y方向上的分段式电极，可以是一片完整的电极，电极表面制作有特定模式的分段式电极分布。
质量分析器x或者y方向的分段式电极，是由若干个电极组合而成的分段电极组，分段电极固定在基底电极上，分段电极与基底电极之间由绝缘材料分隔。
分段电极的条带（208、205、202、211）中的导电网状部分，可以是分段电极上的其中一段的一部分为导电网，或者是分段电极的整段全部为导电网。
分段电极的条带（208、205、202、211）中的导电网状部分的材料可以是金属导电材料，也可以是非金属材料表面有导电层覆盖。
分段电极的条带如图2中所示的条带（208、205、202、211）中的导电网状部分的结构可以是多种形式的，可以是单一方向分布的方向平行线网格如图3（b）和3（c）所示，或是两个方向交叉分布的网格如图3（d）所示。
分段电极的条带（208、205、202、211）中的导电网的结构和尺寸是多样性的，导电网中的每一根线的横截面是圆形、方形和梯形，不同形状的几何尺寸的是多样的。
实施例1
如图4所示为实施例1的结构示意图，图4（a）所示为质量分析器xy平面的横截面示意图，x和y方向上的两对分段式电极合围而成的离子束缚空间，每一个方向上的分段式电极均有多个条带电极固定在基底电极（401、408、415、422）上，电极（405、406、407、412、413、414、419、420、421、417、428）为工作电极，施加射频电压和交流电压，用于束缚离子和离子的操作包括引入、共振激发和弹出，工作电极固定在基底电极上，工作电极与基底电极之间有绝缘材料的电极条带（402、403、404、409、410、411、416、417、418、423）均为非金属、绝缘材质电极，用于隔离金属电极与基底电极。基底电极为金属电极，通常处于地电位，屏蔽外部电场对分析器内部电场的干扰。电极条带（406、413、420、427）的结构中带有导电网，用于离子的引入和弹出。
如图4（b）所示，以x方向的一个分段式电极为例说明电极的具体的结构和电压施加形式。基底电极401上开有3个通孔，电极导线（429、430、431）通过通孔分别插入绝缘电极（420、403、404）中，并且穿过绝缘电极与工作电极（405、406、407）连接，驱动离子阱质量分析器工作的电源的输出电压即通过电极导线（429、430、431）施加到工作电极上。施加在电极（405、406、407）上的电压是各自独立可调节电压。
质量分析器工作时，工作电极上电压作用于被束缚的离子上，将离子根据质荷比大小的顺序依次通过x-方向上导电网电极（406、413）上或者y-方向上的导电网电极（420、427）弹出，实现不同质荷比的离子的分离，弹出的离子经过检测器的收集和倍增，产生的电信号通过放大、数模转换等数据处理系统转化为质谱图信号。
实施例2
如图5所示为实施例2的结构示意图，采用仅在x方向上设有导电网的电极结构。质量分析器xy平面的横截面示意图，x和y方向上的两对分段式电极合围而成的离子束缚空间，每一个方向上的分段式电极均有多个条带电极固定在基底电极（501、508、515、522）上，电极（505、506、507、512、513、514、519、520、521、517、528）为工作电极，施加射频电压和交流电压，用于束缚离子和离子的操作包括引入、共振激发和弹出，工作电极固定在基底电极上，工作电极与基底电极之间有绝缘材料的电极条带（502、503、504、509、510、511、516、517、518、523）均为非金属、绝缘材质电极，用于隔离金属电极与基底电极。基底电极为金属电极，通常处于地电位，屏蔽外部电场对分析器内部电场的干扰,x方向上的一对分段电极上的电极条带（506、513）的结构中带有导电网，用于离子的引入和弹出。电极（520、527）上无导电网。质量分析器工作时，工作电极上电压作用于被束缚的离子上，将离子根据质荷比大小的顺序依次通过x-方向上导电网电极（506、513）弹出，实现不同质荷比的离子的分离，弹出的离子经过检测器的收集和倍增，产生的电信号通过放大、数模转换等数据处理系统转化为质谱图信号。
实施例3
如图6所示为实施例3的结构示意图，采用仅在x方向上的单侧设有导电网的电极结构。质量分析器xy平面的横截面示意图，x和y方向上的两对分段式电极合围而成的离子束缚空间，每一个方向上的分段式电极均有多个条带电极固定在基底电极（601、608、615、622）上，电极（605、606、607、612、613、614、619、620、621、617、628）为工作电极，施加射频电压和交流电压，用于束缚离子和离子的操作包括引入、共振激发和弹出，工作电极固定在基底电极上，工作电极与基底电极之间有绝缘材料的电极条带（602、603、604、609、610、611、616、617、618、623）均为非金属、绝缘材质电极，用于隔离金属电极与基底电极。基底电极为金属电极，通常处于地电位，屏蔽外部电场对分析器内部电场的干扰,x方向上的一侧分段电极上的电极条带606的结构中带有导电网，用于离子的引入和弹出。电极（613、620、627）电极上无导电网。质量分析器工作时，工作电极上电压作用于被束缚的离子上，将离子根据质荷比大小的顺序依次通过x-方向上导电网电极606弹出，实现不同质荷比的离子的分离，弹出的离子经过检测器的收集和倍增，产生的电信号通过放大、数模转换等数据处理系统转化为质谱图信号。
实施例4
如图7所示为实施例4的结构示意图，质量分析器xy平面的横截面示意图，x和y方向上的两对电极合围而成的离子束缚空间，每一个方向上的电极为（701、706、711、716）为非金属材料的单片完整电极，电极表面有导电金属薄膜覆盖，多个条带电极通过表面薄膜的形式构建，条带之间相互隔离，导电薄膜条带（702、703、704）设置在电极701上，导电网705固定在电极701上且与导电薄膜条带703导通；导电薄膜条带（707、708、709）设置在电极706上，导电网710固定在电极706上且与电极708导通；导电薄膜条带（712、713、714）设置在电极711上，导电网715固定在电极711上且与电极713导通；导电薄膜条带（717、718、719）设置在电极716上，导电网720固定在电极716上且与电极718导通。工作电极（702、703、704、707、708、709、712、713、714、717、718、719）施加射频电压和交流电压，用于束缚离子和离子的操作包括引入、共振激发和弹出。网状电极（705、710、715、720）用于离子的引入和弹出。质量分析器工作时，工作电极上电压作用于被束缚的离子上，将离子根据质荷比大小的顺序依次通过x-方向上导电网电极（705、710）上或者y-方向上的导电网电极（715、720）弹出，实现不同质荷比的离子的分离，弹出的离子经过检测器的收集和倍增，产生的电信号通过放大、数模转换等数据处理系统转化为质谱图信号。
本实用新型提供的新型离子阱质量分析器兼备了现有离子阱质量分析器的优势特征，直线形离子阱的结构具备了离子存储空间大、存储效率高的优势；同时克服了现有技术的不足，分段式电极可以对直线形离子阱内部的电场进行有效地、实时地调节，优化电场分布，弥补电极简单导致的电场缺陷，保证了质量分析器的高分辨率，还将机械加工和组装误差导致的性能影响可以得到有效弥补；除此之外，分段电极上的网状电极结构保证了高效率的离子引入和弹出，可以提升质谱仪的检测灵敏度。综合上述优点，本实用新型提供了一种结构简单、功能强大的新型离子阱质量分析器。
以上已对本实用新型创造的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。
Claims (10)
1.一种直线形质量分析器，其特征在于，包括多个分段式电极结构，多个分段式电极结构合围而成空间立体结构；其中
一个或多个分段式电极结构上设有网状结构电极，离子通过导电网状结构电极进入和弹出质量分析器；
任意一个所述分段式电极结构在x方向和y方向上直线分布，x方向和y方向上的分段式电极结构所在的zx平面和zy平面在径向上合围而成空间立体结构，形成离子的束缚空间；其中
xyz为空间直角坐标系。
2.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，分段式电极结构之间相互绝缘。
3.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，分段式电极结构内的电极相互绝缘。
4.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，分段式电极结构为完整的电极，电极表面分布分段式电极。
5.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，分段式电极结构包括基底电极以及设置在基底电极上的分段电极，分段电极与基底电极之间由绝缘材料分隔。
6.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，网状结构电极的材料为金属导电材料或非金属材料表面有导电层覆盖。
7.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，网状结构电极为x方向平行设置线或者y方向平行设置或者x和y方向交错分布设置。
8.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，网状结构电极的导电线的横截面为圆形或者方形。
9.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，包括在x方向上的单侧设置分段式电极结构；其中
分段式电极结构包括基底电极以及设置在基底电极上的分段电极，分段电极与基底电极之间由绝缘材料分隔。
10.根据权利要求1所述的直线形质量分析器，其特征在于，包括x和y方向上的两对分段式电极结构；其中
分段式电极结构为完整的电极，电极表面分布分段式电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201921293766.8U CN210182330U (zh) | 2019-08-12 | 2019-08-12 | 直线形质量分析器 |
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| CN210182330U true CN210182330U (zh) | 2020-03-24 |
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| CN (1) | CN210182330U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110323125A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-10-11 | 王亮 | 一种直线形质量分析器 |
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2019
- 2019-08-12 CN CN201921293766.8U patent/CN210182330U/zh active Active
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