CN211654766U - 小型化质谱仪 - Google Patents
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Abstract
一种小型化质谱仪，包括外壳，外壳的内腔设有泵系统、电控组件及由支架支撑的真空室，真空室内腔通过隔板分成第一真空室和第二真空室，所述隔板上设有锥形孔，所述泵系统由机械泵和分子泵连接组成，所述机械泵与第一真空室连接，所述分子泵与第二真空室连接，所述第一真空室与进样管连通，所述第一真空室后部设有离子传输组件，所述离子传输组件的前、后端分别对着进样管与锥形孔，所述第二真空室内由前向后设有离子导引装置、质量分析器及检测器，所述进样管、离子传输组件、锥形孔、离子导引装置及质量分析器的中心线重合。本实用新型小型化质谱仪结构紧凑小巧，既保证了仪器便携式要求，且有较大的进样量使仪器能实现低丰度样品的分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及质谱仪器技术领域，尤指一种小型化质谱仪。
背景技术
质谱技术具有检测速度快、特异性高、灵敏度强的优点，被广泛应用于生命科学、环境监测、食品安全、临床诊断等研究领域。
传统的质谱仪由于体积和功耗原因，使其只能限制在专业的实验室环境下运作，为了满足一些现场分析的需求，近年来，质谱仪的小型化和微型化成为了质谱领域的研究热点。
现有的小型化质谱仪由于泵系统的抽速限制，一部分采用电磁阀控制的非连续性进样系统，通过电磁阀的开闭来保证仪器工作的真空度需求，另一部分采用连续性进样的小型化仪器系统，为了保证后端质量分析器的工作气压，采用较细的进样管路。此两种方式都会导致仪器联用大气压敞开式离子源时被分析物离子的传输效率低，限流作用明显，导致样品离子的检测效率不高，小型化仪器的检测灵敏度低。同样阻碍了小型化质谱仪在一些实际低丰度样品检测环境下的应用。
因此，如何设计一种可解决上述技术问题的小型化质谱仪是本发明人潜心研究的课题。
实用新型内容
为了克服上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种小型化质谱仪，其结构紧凑小巧，既保证了仪器便携式要求，且有较大的进样量使仪器能够实现低丰度样品的分析。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种小型化质谱仪，其中包括外壳，所述外壳的内腔设有泵系统、电控组件及由支架支撑的真空室，所述真空室的内腔通过隔板分成第一真空室和第二真空室，所述隔板上设有锥形孔，所述泵系统由机械泵和分子泵连接组成，所述机械泵与第一真空室连接，所述分子泵与第二真空室连接，所述第一真空室与进样管连通，所述第一真空室的后部设有离子传输组件，所述第二真空室内由前向后设有离子导引装置、质量分析器及检测器，所述进样管、离子传输组件、锥形孔、离子导引装置及质量分析器的中心线重合。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述第一真空室内设有由温度控制组件控制的加热块，所述进样管与加热块接触。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述温度控制组件包括温度控制器和继电器，所述温度控制器和继电器通过导线连接，控制所述加热块的加热温度，所述温度控制器与继电器固定于所述真空室的侧壁上。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述机械泵通过波纹管与所述分子泵连接，所述机械泵设于所述第一真空室的下方，所述机械泵通过波纹管与所述第一真空室连接，所述分子泵固定于所述第二真空室后端。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述离子传输组件采用微型离子漏斗，所述离子漏斗由多个间隔设置的电极片组成，多个所述电极片的中心分别设有通孔，且各片所述电极片上的通孔大小不同，多个所述通孔形成锥形通道，相邻两个所述电极片上具有相等的直流电势差，相邻两个所述电极片上加有幅度相等、相位相反的交流高压。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述离子导引装置采用直流透镜或多极杆，所述质量分析器采用双曲面离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱或四极离子阱，所述检测器采用电子倍增器或法拉第杯。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述电控组件包括：
电荷信号放大模块：用于将所述检测器检测到的信号放大，并将信号转化为数字信号回传给数据处理及控制系统；
离子传输组件控制电路模块：用于控制所述离子传输组件各部分的电信号输出；
射频宽带高压放大模块：用于控制所述质量分析器各部分的电信号输出；
数据处理及控制系统：用于控制所述电荷信号放大模块、离子传输组件控制电路模块、射频宽带高压放大模块，并对所述电荷信号放大模块回传的信号进行整合，并将数据最终以质谱图形式呈现；
电源电路模块：负责给所述电荷信号放大模块、离子传输组件控制电路模块及射频宽带高压放大模块供电。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述数据处理及控制系统、漏斗控制电路模块、电源电路模块分别固定于所述支架的侧面，所述电荷信号放大模块固定于所述真空室的上面，所述射频宽带高压放大模块固定于所述第二真空室的侧壁。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述数据处理及控制系统与直流高压模块电连接，所述直流高压模块固定于所述真空室的上面。
本实用新型小型化质谱仪，其中所述支架上靠近所述机械泵和分子泵的部位安装有散热风扇，所述外壳上与所述散热风扇位置对应的部位设有风扇散热孔。
采用上述方案后，本实用新型小型化质谱仪通过由机械泵与分子泵组成的大抽速真空泵系统，提升了传统小型化质谱仪的进样量，并且通过将离子传输组件、离子导引装置、质量分析器及检测器配置于真空室内且四者与隔板上的锥形孔的中心线重合，并且由支架支撑真空室，将电控组件又安装于真空室上及支架上，使该小型化质谱仪在采用大抽速泵系统的同时维持仪器的小体积和便携化优点，有利于提高小型化质谱仪对低丰度样品的检测能力。
附图说明
图1为本实用新型小型化质谱仪去掉外壳的右视立体结构示意图；
图2为本实用新型小型化质谱仪去掉外壳的左视立体结构示意图；
图3为本实用新型小型化质谱仪的真空室内部结构示意图；
图4为本实用新型小型化质谱仪的右视外观立体示意图；
图5为本实用新型小型化质谱仪的左视外观立体示意图；
图6为本实用新型小型化质谱仪的电控组件的逻辑框图。
具体实施方式
下面参考附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。
下面结合附图对本实用新型小型化质谱仪做进一步描述。
如图4和图5所示，本实用新型小型化质谱仪包括外壳1，本实施例外壳1采用长方体结构。结合图1-图3所示，外壳1的内腔设有泵系统、电控组件及由支架2支撑的真空室3，本实施例支架2采用不锈钢材料制成，真空室3固定于支架2的上面。真空室3的内腔通过隔板4分成第一真空室5和第二真空室6，泵系统是由机械泵7和分子泵8通过波纹管连接组成，本实施例机械泵7采用微型干泵，分子泵8采用涡轮分子泵。机械泵7位于第一真空室5及支架2的正下方，机械泵7通过波纹管与第一真空室5连接，该波纹管穿过支架2。分子泵8水平置于第二真空室6的后端，并由手拧螺钉固定于第二真空室6上。
隔板4上设置有锥形孔9。
第一真空室5的前侧壁上设有锥形凸台11，进样管10穿过锥形凸台11的中心孔及第一真空室5的前侧壁进入第一真空室5的内腔，本实施例进样管10采用不锈钢材料制成，第一真空室5通过进样管10与大气环境连通。第一真空室5的前侧面内壁连接有由温度控制组件控制的加热块12，进样管10与加热块12接触，本实施例进样管10穿过加热块12，加热块12支撑着进样管10，其一方面保持进样管10水平避免弯折，另一方面可由温度控制组件加热温度，满足不同样品的分析温度需求。
温度控制组件包括温度控制器13和继电器14，温度控制器13和继电器14通过导线连接，用于控制加热块12的加热温度，本实施例温度控制器13与继电器14通过螺纹结构固定于真空室3的右侧壁上。
第一真空室5的内腔后部固定有离子传输组件，本实施例离子传输组件采用微型离子漏斗15，离子漏斗15是由多个间隔设置的电极片16组成，多个电极片16的中心分别设有通孔，且各片电极片16上的通孔大小不同，多个通孔形成锥形通道17。相邻两个电极片16上具有相等的直流电势差，相邻两个电极片16上加有幅度相等、相位相反的交流高压。离子漏斗15的前、后端分别对着进样管10的后端与锥形孔9。对于离子漏斗15固定于第一真空室5的方式可以采用多种，此处不做限制。例如采用支架固定支撑的方式。
第二真空室6的内腔由前向后依次固定有离子导引装置18、质量分析器19及检测器，对于固定于第二真空室6的方式可以采用多种，此处不做限定，例如采用支架固定支撑的方式，将离子导引装置18、质量分析器19及检测器固定于支架上。离子导引装置18可采用直流透镜或多极杆导引装置，本实施例采用四级杆导引装置。质量分析器19可采用双曲面离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱或四极离子阱，本实施例采用双曲面离子阱。检测器可采用电子倍增器或法拉第杯。
上述进样管10、离子漏斗15、锥形孔9、离子导引装置18及质量分析器19的中心线重合，其可以最大化的保证离子在第一真空室5和第二真空室6中的传输效率。
参考图6所示，电控组件包括：
电荷信号放大模块20：用于将检测器21检测到的信号放大，并将信号转化为数字信号回传给数据处理及控制系统22；
离子漏斗控制电路模块23：用于控制离子漏斗15各电极片16的电信号输出，电信号输出给各片电极片16，电信号包括直流信号和交流高压信号；
射频宽带高压放大模块24：用于控制质量分析器19电极上的射频高压信号；
数据处理及控制系统22：用于控制电荷信号放大模块20、离子漏斗控制电路模块23、射频宽带高压放大模块24，并对电荷信号放大模块20回传的信号进行整合，并将数据最终以质谱图形式呈现呈现在分析软件界面上；
电源电路模块25：负责给电荷信号放大模块20、离子漏斗控制电路模块23及射频宽带高压放大模块24供电。
上述数据处理及控制系统22、离子漏斗控制电路模块23、电源电路模块25分别固定于支架2的侧面，电荷信号放大模块20固定于真空室3的上面，射频宽带高压放大模块24固定于第二真空室6的侧壁上。
数据处理及控制系统22与直流高压模块26电连接，直流高压模块26固定于真空室3的上面。
本实用新型小型化质谱仪由两个直流开关电源27共同控制，两个直流开关电源27并列放置于分子泵8的后端，固定于支架2上。
支架2上靠近机械泵7和分子泵8的部位分别安装有散热风扇28，本实施例位于支架2的前侧面、右侧后部上、下端分别固定有散热风扇28，实现泵系统及电控组件的全面散热。
外壳1上与散热风扇28位置对应的前侧面部位和右侧面部位分别设有风扇散热孔29，外壳1的前侧面还设有温度显示孔30和数据传输口31，外壳1的左侧面设有电路散热孔32，外壳1的后侧面设有直流开关电源散热孔33、仪器总开关34及分级控制开关35。
当本实施例的进样管10采用内径0.38mm、长10cm时，该实施例正常工作时，第一真空室5的压力范围为400-700帕(Pa)，第二真空室6的压力范围为0.2-0.5帕(Pa)。当该质谱仪联用大气压敞开式离子源时(以纳升电喷雾离子源为例)，喷针应正对质谱仪的进样管10的进样口端放置，距离可设置为5-10mm(可调整)，离子源高压可以由直流高压模块26输出，电压值可调。样品经离子源离子化后，离子由进样管10的进样口端进入第一真空室5内，沿进样管10进入离子漏斗15，在离子漏斗15的电场作用下向第二真空室6的方向运动的同时，向中心轴线聚集。离子穿过离子漏斗15后，由隔板4上的锥形孔9进入第二真空室6，离子导引装置18引导离子进入质量分析器19，进行质量分析。在质量分析器19的电场作用下，相应离子从质量分析器19侧面狭缝中飞出进入检测器21，电荷信号放大模块20对检测器21收到的信号进行二次放大，信号传递给数据处理及控制系统22，完成数据转化，并在软件控制界面形成一张质谱谱图。
本实用新型小型化质谱仪可以联用多种大气压敞开式电离源或真空电离源，包括但不限于电喷雾电离源、纳升电喷雾电离源、大气压化学电离源、等离子体电离源、真空紫外灯电离源。
本实用新型小型化质谱仪采用了大抽速真空泵系统配置，提升了传统小型化质谱仪器的进样量，在采用大抽速泵系统的同时维持仪器的小体积和便携化优点，有利于提高小型化质谱仪对低丰度样品的检测能力。
虽然已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。
Claims (10)
1.一种小型化质谱仪，其特征在于，包括外壳，所述外壳的内腔设有泵系统、电控组件及由支架支撑的真空室，所述真空室的内腔通过隔板分成第一真空室和第二真空室，所述隔板上设有锥形孔，所述泵系统由机械泵和分子泵连接组成，所述机械泵与第一真空室连接，所述分子泵与第二真空室连接，所述第一真空室与进样管连通，所述第一真空室的后部设有离子传输组件，所述第二真空室内由前向后设有离子导引装置、质量分析器及检测器，所述进样管、离子传输组件、锥形孔、离子导引装置及质量分析器的中心线重合。
2.根据权利要求1所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述第一真空室内设有由温度控制组件控制的加热块，所述进样管与加热块接触。
3.根据权利要求2所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述温度控制组件包括温度控制器和继电器，所述温度控制器和继电器通过导线连接，控制所述加热块的加热温度，所述温度控制器与继电器固定于所述真空室的侧壁上。
4.根据权利要求1所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述机械泵通过波纹管与所述分子泵连接，所述机械泵设于所述第一真空室的下方，所述机械泵通过波纹管与所述第一真空室连接，所述分子泵固定于所述第二真空室后端。
5.根据权利要求1所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述离子传输组件采用微型离子漏斗，所述离子漏斗由多个间隔设置的电极片组成，多个所述电极片的中心分别设有通孔，且各片所述电极片上的通孔大小不同，多个所述通孔形成锥形通道，相邻两个所述电极片上具有相等的直流电势差，相邻两个所述电极片上加有幅度相等、相位相反的交流高压。
6.根据权利要求1所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述离子导引装置采用直流透镜或多极杆，所述质量分析器采用双曲面离子阱、矩形离子阱、圆柱型离子阱或四极离子阱，所述检测器采用电子倍增器或法拉第杯。
7.根据权利要求1所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述电控组件包括：
电荷信号放大模块：用于将所述检测器检测到的信号放大，并将信号转化为数字信号回传给数据处理及控制系统；
离子传输组件控制电路模块：用于控制所述离子传输组件各部分的电信号输出；
射频宽带高压放大模块：用于控制所述质量分析器各部分的电信号输出；
数据处理及控制系统：用于控制所述电荷信号放大模块、离子传输组件控制电路模块、射频宽带高压放大模块，并对所述电荷信号放大模块回传的信号进行整合，并将数据最终以质谱图形式呈现；
电源电路模块：负责给所述电荷信号放大模块、离子传输组件控制电路模块及射频宽带高压放大模块供电。
8.根据权利要求7所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述数据处理及控制系统、漏斗控制电路模块、电源电路模块分别固定于所述支架的侧面，所述电荷信号放大模块固定于所述真空室的上面，所述射频宽带高压放大模块固定于所述第二真空室的侧壁。
9.根据权利要求7所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述数据处理及控制系统与直流高压模块电连接，所述直流高压模块固定于所述真空室的上面。
10.根据权利要求1所述的小型化质谱仪，其特征在于，所述支架上靠近所述机械泵和分子泵的部位安装有散热风扇，所述外壳上与所述散热风扇位置对应的部位设有风扇散热孔。
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2020
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Cited By (2)
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| CN117690778B (zh) * | 2024-02-02 | 2024-04-23 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 一种质谱仪离子传输方法以及装置 |
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