CN217768291U - 便携式飞行时间质谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种便携式飞行时间质谱仪，包括质谱主体结构；质谱主体结构包括：离子源，用以供给采样离子；离子传输系统，用以输送采样离子；若干静电分析器，用以分离采样离子；静态分析器包括器壳体，器壳体为弧形，器壳体用以形成采样离子的运动路径；离子传输系统将采样离子送入静电分析器，以在采样离子的飞行过程中将不同质荷比的采样离子分开，以进行采样离子分析。通过设置弧形的粒子运动路径，有效减少整机尺寸，且能更好地实现能量聚焦。
Description
技术领域
本实用新型涉及检测技术领域，尤其涉及一种便携式飞行时间质谱仪。
背景技术
质谱仪是根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。在气体化学分析中，质谱系列仪器由于其灵敏度高，特异性强等诸多优势，在低浓度物质的检测方面扮演着越来越重要的角色，广泛应用在环境检测，食品/农产品检测，药物分析，生产过程分析等领域。随着，对于检测时效性不断提高的需求之下，便携式的气体分析质谱受到了广泛关注。目前，大部分国内厂家推出的便携式质谱主要使用的是离子阱质量分析器，其加工精度复杂，装配工艺需求高，且需要射频电源驱动，其技术难度及生产成本高，不利于市场的推广。飞行时间质谱区别于离子阱质谱具有检测速度快，定性能力强，维护成本低等特点，然而由于其原理的限制传统的线性飞行时间质谱其飞行管长度也约为1m左右，很难实现小型化。
尽管离子阱的加工工艺与射频工艺已经比较成熟，但是离子阱质谱的整体成本仍旧较高且技术复杂性较强。此外，飞行时间质谱原理简单，生产成本可控，但是其目前未有很多小型化设备，不利于现场/在线检测使用。
本申请旨在建立一种便携式飞行时间质谱仪以解决上述问题。
实用新型内容
为了实现根据本实用新型的上述目的和其他优点，本实用新型的第一个目的是提供一种便携式飞行时间质谱仪，包括质谱主体结构；所述质谱主体结构包括：
离子源，用以供给采样离子；
离子传输系统，用以输送采样离子；
若干静电分析器，用以分离所述采样离子；
静态分析器包括器壳体，所述器壳体为弧形，所述器壳体用以形成所述采样离子的运动路径；所述离子传输系统将所述采样离子送入所述静电分析器，以在所述采样离子的飞行过程中将不同质荷比的所述采样离子分开，以进行采样离子分析。
优选地，所述离子传输系统包括若干透镜，其中，至少一透镜为加速透镜，至少一透镜为聚焦透镜。
优选地，所述静电分析器包括与所述透镜衔接的推斥加速区、无场飞行区、与无场飞行区下部连接的反射区以及与无场飞行区上部连接的检测器。
优选地，包括三个静电分析器，两两所述静电分析器之间还包括一夹缝。
优选地，所述器壳体为一真空腔体，所述真空腔体由若干分腔体组成。
优选地，所述质谱仪包括三个静态分析器时，不同所述静态分析器的分腔体对应的中心半径各不相同。
优选地，若干所述分腔体根据其延伸情况首尾相连。
优选地，所述离子源处的电势为U1，所述加速透镜处的电势为U2，所述U1与所述U2之间的电势差为△U；所述△U满足公式：E/q＝R0·ΔU/2ΔR；其中，E为离子进入ESA前的能量；q为离子的带电荷数；R0为所述静态分析器两极板中间的中心半径；ΔR为所述静态分析器两极板的半径插值。
优选地，还包括外壳，所述外壳形成用于容纳质谱主体结构的壳体，所述外壳上还包括离子源入口。
优选地，所述外壳上还嵌入有触摸屏幕、操作键盘。
相比现有技术，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型提供了种便携式飞行时间质谱仪，包括质谱主体结构；质谱主体结构包括：离子源，用以供给采样离子；离子传输系统，用以输送采样离子；若干静电分析器，用以分离采样离子；静态分析器包括器壳体，器壳体为弧形，器壳体用以形成采样离子的运动路径；离子传输系统将采样离子送入静电分析器，以在采样离子的飞行过程中将不同质荷比的采样离子分开，以进行采样离子分析。通过设置弧形的粒子运动路径，有效减少整机尺寸，且能更好地实现能量聚焦。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为传统飞行时质谱的分析检测原理图；
图2为质谱主体结构的示意图；
图3为本实用新型在一实施例中便携式飞行时间质谱仪的结构示意图；
图4为本实用新型在一实施例中质谱主体结构组成示意图；
图5为本实用新型在一实施例中各位置电压配置示意图；
图6为本实用新型在一实施例中使用simion软件模拟图；
图7为本实用新型在一实施例中器壳体结构示意图；
图8为本实用新型在一实施例中外壳的结构示意图。
其中，10、质谱主体结构；11、离子源；12、离子传输系统；121、加速透镜；122、聚焦透镜；13、静电分析器；131、器壳体；132、检测器；133、一级静电分析器；134、二级静电分析器；135、三级静电分析器；136、一级夹缝；137、二级夹缝；138、离子源腔体；139、ESAI级腔体；140、ESAII级腔体；141、ESAIII级腔体；142、连接腔体；143、检测器腔体；
20、外壳；21、离子源入口；22、触摸屏幕；23、操作键盘。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，本实用新型的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。
接下来，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
传统飞行时质谱的分析检测原理如图1所示，带点离子经过相同的电场提供能量转化为动能，随后进入无场漂移区L,不同质量数离子在获得相同动能下，速度不同，故可以通过飞过。
无场漂移区L的时间T用来区分不同质荷比的离子，如公式1-1所示：
T为飞行时间，L为飞行管长度，n为离子电荷数，m为离子质量数，V为加速电场电场强度。
上式为理想情况，不考虑初始位置分散与初始动能分散，在真实情况下，需要进一步考虑能量分散与位置分散设计合理的电场结构实现聚焦，上述线性飞行时间结构简单，可以通过延迟提取与双场加速等多种手段实现整体聚焦，得到对应的分辨能力。为了达到理想的分辨能力，飞行距离L会以反射的模式进一步增加，导致仪器尺寸较大。除了距离导致的尺寸增加外，此种模式对于能量分散的聚焦效果略显不足，本实用新型使用静电分析器设计了一种便携式飞行时间质谱，在可以提高能量聚焦能力的同时，通过将运动路径L改为周长，在相同飞行距离下具有更小的尺寸。如图2-4所示，该便携式飞行时间质谱仪包括质谱主体结构10；该质谱主体结构10包括：
离子源11，用以供给采样离子；
离子传输系统12，用以输送采样离子；
若干静电分析器13，用以分离采样离子；
所述静态分析器13包括器壳体131，器壳体131为弧形，器壳体131用以形成采样离子的运动路径；离子传输系统12将采样离子依次送入静电分析器13，以在采样离子的飞行过程中将不同质荷比的采样离子分开，从而实现样本分析。传统飞行管距离保守需要1.2m，通过把原有的直线路径更改成弧线路径，弧线路径对应的结构的整机尺寸不超过400mm*400mm*500mm，有效的减少了尺寸；此外还有优势：(1)更好的实现能量聚焦；(2)在尺寸有限的情况下可以实现更高的分辨能力。
在一些实施例中，离子源11为EI离子源，即电子轰击源，该EI离子源相较于其他离子源，重现性好，常用做标准图谱；灵敏度高，碎片多，质谱图复杂，可获得有关分子结构的信息大。
离子源11和离子传输系统12通过气动阀相连接，离子传输系统12与静电分析器13相连接，由于静电分析器13的器壳体131形成的整体真空腔体较小；因此，无需配置大功率分子泵，进一步降低了质谱主体结构的尺寸与成本。
在一些实施例中，离子传输系统12包括若干透镜，若干透镜的入射口通过气动阀与离子源11连接，出射口连通静电分析器内的透镜；离子传输系统12中的至少一透镜为加速透镜121，至少一透镜为聚焦透镜122(如enzel透镜，enzel透镜为静电透镜)。
具体地，离子通过加速电场获得能量，经过聚焦透镜122聚焦后进入静电分析器13，在补偿能量分散的同时，通过飞行距离将不同荷质比的例子分开，从而实现样本分析。
在一些实施例中，静电分析器13包括与透镜衔接的推斥加速区、无场飞行区、与无场飞行区下部连接的反射区以及与无场飞行区上部连接的检测器132。在一些实施例中，检测器132为法拉第杯检测器，相较于其他检测器，法拉第杯检测器成本低，简单可靠；其根据离子进入法拉第杯后形成的电流，经过放大电路实现检测；对比其他检测器如微通道板与电子倍增器而言灵敏度较低。
应当理解，也可选择adaptas公司的ETP 148006系列电子倍增器或PHOTONIS’公司的MCP(微通道板)作为检测器。
各个位置电压配置情况如下图5-6所示，离子源11处的电势为U1，加速透镜121处的电势为U2，U2与U1主要为离子化的离子提供一个较大的动能，一定程度上消除初始能量的分散，U3-U5形成静电透镜将离子聚焦，ESA分析器离子两端电压的设置与离子能量匹配，符合公式1-2:
E/q＝R0·ΔU/2ΔR
U1与U2之间的电势差为△U；E为离子进入ESA前的能量；q为离子的带电荷数；R0为所述静态分析器两极板中间的中心半径；ΔR为所述静态分析器两极板的半径插值。
应当理解，包括多个静电分析器时，每一个静电分析器的基础原理均遵循上述公式。
上述提及静电分析器13中留有一定的无场飞行距离，通过特征矩阵运算，可以计算出整个质量分析器的传递矩阵：
[QT]＝[L1]*[ESA1]*[L2]*[ESA2]*[L3]*[ESA4]*[L4]；
令矩阵[QT]部分特征值为0时，可以计算出对应质量分析器及无场飞行距离的几何参数与电压参数，ESA传递矩阵如式1-3所示，无场飞行时间传递矩阵类似，不再赘述。
x|x＝α|α＝c
(x|α)k/r＝(α|x)r/k＝s
2(x|γ)＝(2-a)(1-c)r/k2
2(x|δ)＝(τ|α)＝a(1-c)r/k2
2(α|γ)＝(2-a)s/k
2(α|δ)＝(τ|x)＝as/k
(τ|γ)＝rφ0/2+(2-a)(φ0-s/k)r/2k2
(τ|δ)＝-rφ0/2+a2(φ0-s/k)r/2k2
s＝sin(kφ0)
c＝cos(kφ0)
a＝2
n＝(dEy/dx)(r/E0)-1
使用传递矩阵的目的式将同质量数的离子实现空间聚焦。
其中，矩阵里是为各项的泰勒展开式的一阶导数项；X为离子飞行路径的在x方向的位置；α为x方向与z方向的夹角；γ为离子质量数的分布参数；δ为离子能量的分布参数；τ为离子的飞行时间。上述式中r为ESA的中心半径，φ0为ESA的角度(弧度制)，n为静电场强度的径向梯度强度。
为了保证离子的聚焦、分析效果，可设置多个静电分析器13。在一些实施例中包括三个静电分析器13，如图4所示，具体分别为一级静电分析器133、二级静电分析器134以及三级静电分析器135，一级静电分析器133的出射口对应二级静电分析器134的入射口，二级静电分析器134的出射口对应三级静电分析器135的入射口；两两静电分析器13之间还包括一夹缝，该夹缝用于进行离子束整形以及消除边缘场效应；具体地，一级静电分析器133与二级静电分析器134之间包括一级夹缝136，二级静电分析器134与三级静电分析器135之间包括二级夹缝137，该一级夹缝136、二级夹缝137用于离子束的整形与消除边缘场效应。在一些实施例中，器壳体131为一真空腔体，真空腔体对应的内壁、外壁形成一个静态电势差，无需复杂电路控制，实现便捷。该真空腔体由若干分腔体组成。具体地，如图7所示，真空腔体由离子源腔体138，ESAI级腔体139，ESAII级腔体140，ESAIII级腔体141，连接腔体142，检测器腔体143组成。
当质谱仪包括三个静态分析器13时，不同所述静态分析器13的分腔体对应的中心半径各不相同。
在一些实施例中，若干分腔体根据其延伸情况首尾相连。
为了保护离子源、离子传输系统以及静电分析器，如图8所示，还包括外壳20，外壳20形成用于容纳质谱主体结构的壳体，外壳20上还包括离子源入口21，以便于外部接口将样本引入离子源。
为了方便操作，外壳20上还嵌入有触摸屏幕22、操作键盘23。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
Claims (10)
1.一种便携式飞行时间质谱仪，包括质谱主体结构；其特征在于，所述质谱主体结构包括：
离子源，用以供给采样离子；
离子传输系统，用以输送采样离子；
若干静电分析器，用以分离所述采样离子；
静态分析器包括器壳体，所述器壳体为弧形，所述器壳体用以形成所述采样离子的运动路径；所述离子传输系统将所述采样离子送入所述静电分析器，以在所述采样离子的飞行过程中将不同质荷比的所述采样离子分开，以进行采样离子分析。
2.如权利要求1所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述离子传输系统包括若干透镜，其中，至少一透镜为加速透镜，至少一透镜为聚焦透镜。
3.如权利要求2所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述静电分析器包括与所述透镜衔接的推斥加速区、无场飞行区、与无场飞行区下部连接的反射区以及与无场飞行区上部连接的检测器。
4.如权利要求1所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，包括三个静电分析器，两两所述静电分析器之间还包括一夹缝。
5.如权利要求1所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述器壳体为一真空腔体，所述真空腔体由若干分腔体组成。
6.如权利要求5所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述质谱仪包括三个静态分析器时，不同所述静态分析器的分腔体对应的中心半径各不相同。
7.如权利要求5或6所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，若干所述分腔体根据其延伸情况首尾相连。
8.如权利要求3所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述离子源处的电势为U1，所述加速透镜处的电势为U2，所述U1与所述U2之间的电势差为△U；所述△U满足公式：E/q＝R0·ΔU/2ΔR；其中，E为离子进入ESA前的能量；q为离子的带电荷数；R0为所述静态分析器两极板中间的中心半径；ΔR为所述静态分析器两极板的半径插值。
9.如权利要求1所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，还包括外壳，所述外壳形成用于容纳质谱主体结构的壳体，所述外壳上还包括离子源入口。
10.如权利要求9所述的便携式飞行时间质谱仪，其特征在于，所述外壳上还嵌入有触摸屏幕、操作键盘。
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