CN204596747U - 一种离子偏转传输装置及使用该装置的质谱仪器 - Google Patents

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Abstract

一种离子偏转传输装置，包括离子加速器、偏转器、离子减速器，偏转器包括离子静电透镜及设置在离子静电透镜内的一个或多个导引器，离子加速器和离子减速器分别设置在偏转器的前后，在离子进入静电透镜之前，先经过加速器，获得动能，当离子离开静电透镜后，再经过减速器，经减速恢复到初始动能，在静电透镜内的导引器的电场作用下，离子的受力方向为电场方向，且入射离子束与出射离子束平行，光子和中性粒子则不受电场力作用沿直线运动，无法穿过此偏转传输装置。本实用新型还公开了一种使用该离子偏转传输装置的质谱仪器。本实用新型具有以下优点：离子传输效率高、偏转正离子的同时有效阻挡光子与中性粒子进入下一通道内，且有利于仪器的小型化。

Description

一种离子偏转传输装置及使用该装置的质谱仪器
技术领域
本实用新型涉及质谱仪，尤其涉及质谱仪中的离子传输装置，能使正离子偏转通过而阻挡电子、光子和中性粒子。
背景技术
质谱仪是一种测量离子质荷比的仪器，由离子源产生的离子经过偏转传输装置到达质量分析器，选质后由探测器检测到信号，以获得质荷比的信息。离子偏转传输装置的作用有两个，一是在差分真空腔体传输离子，二是阻挡电子、中性粒子和光子以提高仪器最终的信噪比。
目前的质谱仪器内离子偏转传输装置的实现方式主要分为三种，一种是圆筒挡板式，一种是直角偏转式，还有一种是偏轴传输式。在圆筒挡板式的离子偏转传输装置中，筒状离子透镜中心放入圆形挡板。离子在通过透镜时，受到电场力的作用，先向外发散，以绕过挡板，再重新聚焦，飞出偏转传输装置。而对于光子与中性粒子，由于不受电场力的作用，则会直接撞击到挡板上并损失动能，无法通过离子偏转传输装置。此种方式结构设计简单，但是离子传输效率低。典型的圆筒挡板式离子偏转传输装置有Perkin-Elmer公司在其Elan系列ICP-MS上所使用的结构。
对于直角偏转方式，其主要的工作原理是，离子通过一个偏转电场区域，受到电场力的作用而偏离原来运动方向，并最终在出射时偏转90°，而光子与中性离子不受电场力作用，沿原路飞行。这种方式虽然结构简单，但是由于离子传输路径为直角，不利于仪器的小型化。典型的直角偏转式离子偏转传输装置有Extrel公司生产的四极离子偏转器以及Varian公司在其ICP-MS产品上所采用的偏转结构。
偏轴传输方式是指离子传输前后方向不变，但是传输路径会有所偏移。这种方式可以通过偏轴导引杆实现，使离子在射频电场的约束下顺着偏轴导引杆向前运动；或者采用特定形状和直流电压的静电透镜，离子在此电场下作偏轴运动。
另外，对于基本静电透镜，它对离子束有聚焦作用，与光学透镜对光束聚焦类似。而光学透镜能对离轴的光束进行偏转，类似的静电透镜对于离轴的光束也有偏转作用。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种传输效率高、且有利于仪器的小型化的离子偏转传输装置以及使用该离子偏转传输装置的质谱仪器。
本实用新型提出一种方式，可以实现离子的偏轴传输，其基本结构为离子静电透镜，经软件仿真表明，对于在离子静电透镜内进行偏转的离轴离子束，离子的初始动能对偏转效果有很大的影响，动能稍微低于理想动能的离子无法通过静电透镜，而动能稍高的离子运动轨迹会有较大的偏离。
本实用新型是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种离子偏转传输装置，包括离子加速器、偏转器、离子减速器，所述偏转器包括离子静电透镜以及设置在离子静电透镜内的一个或者多个导引器，离子加速器和离子减速器分别设置在偏转器的前后，在离子进入静电透镜之前，先经过加速器，获得动能，此动能大于离子初始动能数倍，当离子离开静电透镜后，再经过减速器，经减速恢复到初始动能，在静电透镜内的导引器的电场作用下，离子的受力方向为电场方向，且入射离子束与出射离子束平行，使得离子按照设定的轨迹运动，实现偏轴传输。当离子在静电透镜内运动时，其动能主要来自加速器而非初始动能，因此初始动能对其运动轨迹影响小。在电场作用下，导引器通过改变电场分布而改变离子运动轨迹，电子在加速区受到反向作用力被弹出，光子和中性粒子则不受电场力作用沿直线运动，无法穿过此偏转传输装置。
作为进一步具体的方案，所述离子加速器包括一个或者多个电极板，各电极板包括至少一个孔，使用中离子穿过该至少一个孔传输，所述偏转器包括一个或者多个静电透镜，使用中离子穿过各静电透镜，所述离子减速器包括一个或者多个电极板，各电极板包括至少一个孔，使用中离子穿过该至少一个孔传输，并在减速器内失去动能，各静电透镜内包括一个或者多个导引器，使用中离子穿过各静电透镜时沿着导引器所产生的电场方向进行传输。
优选的：
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部形状为大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、多边形、圆柱形或锥形，或者这些形状的组合；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部具有大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、或多边形的孔；和/或
所述静电透镜的部分或者全部形状大致为圆柱形、椭圆柱形、三角柱形、四边柱形、多边柱形或锥形，或者这些形状的组合；和/或
所述导引器的部分或者全部形状为大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、多边形或新月形，或者这些形状的组合；和/或
所述导引器的部分或者全部具有大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、或多边形的孔。
优选的：
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部外直径或尺度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部内直径或尺度选自由以下各项构成的组中的孔：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～5.0mm；和(iii)5.0mm～20.0mm；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部厚度为以下各项构成的组：(i)小于等于0.1mm；(ii)0.1mm～1.0mm；和(iii)1.0mm～10.0mm；和/或
所述静电透镜的部分或者全部外直径或尺度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述静电透镜的部分或者全部长度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述静电透镜的部分或者全部厚度为以下各项构成的组：(i)小于等于0.1mm；(ii)0.1mm～1.0mm；和(iii)1.0mm～10.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部外直径或尺度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部内直径或尺度为以下各项构成的组：(i)小于等于5.0mm；(ii)5.0mm～20.0mm；和(iii)20.0mm～50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部厚度为以下各项构成的组：(i)小于等于0.1mm；(ii)0.1mm～1.0mm；和(iii)1.0mm～10.0mm。
优选的：
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部板间距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板与偏转器的距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部板间距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部相对角度为以下各项构成的组：(i)0°～30°；(ii)30°～90°；和(iii)90°～180°；和/或
所述导引器位于静电透镜内，其距离静电透镜开口的距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm。
优选的：
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部电压为以下各项构成的组：(i)低于等于-100V；(ii)-100V～-50V；(iii)-50V～0V；(iv)0V～50V；和(v)50V～100V；和/或
所述静电透镜的部分或者全部电压为以下各项构成的组：(i)低于等于-100V；(ii)-100V～-50V；(iii)-50V～0V；(iv)0V～50V；和(v)50V～100V；和/或
所述导引器的部分或者全部电压为以下各项构成的组：(i)低于等于-100V；(ii)-100V～-50V；(iii)-50V～0V；(iv)0V～50V；和(v)50V～100V。
优选的：
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部材料为以下各项构成的组：(i)不锈钢；(ii)铜；(iii)铝；(iv)镍；(v)银；(vi)金；(vii)钼和(v)铂；和/或
所述静电透镜的部分或者全部材料为以下各项构成的组：(i)不锈钢；(ii)铜；(iii)铝；(iv)镍；(v)银；(vi)金；(vii)钼和(v)铂；和/或
所述导引器的部分或者全部材料为以下各项构成的组：(i)不锈钢；(ii)铜；(iii)铝；(iv)镍；(v)银；(vi)金；(vii)钼和(v)铂。
本实用新型还公开了一种使用所述离子偏转传输装置的质谱仪器，所述离子偏转传输装置适用于符合以下描述的质谱仪器：
仪器工作时的部分或者全部真空环境为以下各项构成的组：(i)低于等于10-5Pa；(ii)10-5～10-4Pa；(iii)10-4～10-3Pa；(iii)10-3～10-2Pa；(iv)10-2～10-1Pa；和(iv)10-1～1Pa；和/或
仪器的离子源类型选自由以下各项构成的组：(i)电喷雾电离("ESI")离子源；(ii)大气压光电离("APPI")离子源；(iii)大气压化学电离("APCI")离子源；(iv)基质辅助激光解吸电离("MALDI")离子源；(v)激光解吸电离("LDI")离子源；(vi)大气压电离("API")离子源；(vii)硅上解吸电离("DIOS")离子源；(viii)电子冲击("EI")离子源；(ix)化学电离("CI")离子源；(x)场电离("FI")离子源；(xi)场解吸("FD")离子源；(xii)电感耦合等离子体("ICP")离子源；(xiii)快电子轰击("FAB")离子源；(xiv)液体二次离子质谱("LSIMS")离子源；以及(xv)解吸电喷雾电离("DESI")离子源；和/或
(c)仪器的部分或者全部的质量分析器选自由以下各项构成的组：(i)四级杆质量分析器；(ii)2D或线性四极质量分析器；(iii)保罗或3D四极质量分析器；(iv)彭宁俘获器质量分析器；(v)离子俘获器质量分析器；(vi)磁式扇形质量分析器；(vii)离子回旋共振("ICR")质量分析器；(viii)傅立叶变换离子回旋共振("FTICR")质量分析器；(ix)静电或轨道阱质量分析器；以及(x)飞行时间质量分析器。
本实用新型相比现有技术具有以下优点：
1、使用本实用新型的离子偏转传输装置，离子传输效率高、且不受离子的初始动能影响，在偏转正离子的同时，有效阻挡光子与中性粒子进入下一通道内，提高质谱仪器的信噪比。
2、入射离子束与出射离子束平行，有利于仪器的小型化。
3、所有电极结构可由常见金属加工而成，形状上可以有多种形式，加工简单，成本低。
4、使用直流电压，电压大小要求低。
5、可用于各类质谱仪器以及相关的离子传输设备中，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的离子偏转传输装置的截面示意图。
图2是本实用新型实施例1的离子偏转传输装置的立体图。
图3是实施例1的离子运动轨迹仿真图。
图4是本实用新型实施例2的离子偏转传输装置的截面示意图。
图5是本实用新型实施例2的离子偏转传输装置的立体图。
图6是实施例2的离子运动轨迹仿真图。
图中标号：1,2，10,20-离子加速器电极板，3,30,50,60-偏转器，4,5,40,70-导引器，6,7,80,90-离子减速器电极板
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1：
在图1所示图中，由电极板1与2构成粒子加速器，其中电极板1的电压为-30V，电极板2的电压为-90V。离子穿过电极板1与2中间的小孔，进入偏转器。偏转器包含一个静电透镜3，里面含有导引器4和5。静电透镜3以及导引器4和5的电压均为-6V。经过偏转器偏转后，离子进入到减速器，由电极板6和7构成，其电压分别为-110V和-20V。
电极板1、2为锥形，其中电极板1的锥孔直径为5mm，高度19mm，底部外径为20mm，底部厚度2mm，厚度从底到顶逐渐较小，在锥孔处厚度为0；电极板2的的锥孔直径为5mm，高度19mm，底部外径为16mm，底部厚度1.88mm，厚度从底到顶逐渐较小，在锥孔处厚度为0。电极板6、7均为圆形带孔薄片，直径为24mm，厚度为1mm，中心孔的直径为10mm。静电透镜3为圆管形状，外径34mm，内径30mm，长40mm。导引器4和5均为新月形，其内外半径均为15mm，顶点宽度为4mm，厚度为5mm。加速/减速器电极板、静电透镜、导引器的轴线均在同一平面，且相互平行。电极板1、2底部，以及电极板6、7之间的距离为5mm，电极板2到静电透镜以及电极板6到静电透镜的距离也为5mm。导引器4、5的***紧贴着静电透镜3的内壁，两个导引器的相对角度为180°。导引器4距离静电透镜入口6mm，而导引器4、5的距离为11mm。电极板1、2与电极板6、7为对称分布，其轴线与静电透镜轴线距离均为5mm。
在图3所示图中，质量数为100，动能为8eV的带单位正电荷离子通过电极板1、2获得加速，进入静电透镜3中，进行偏转。偏转后的离子从电极板6和7中心的小孔穿出。离子离开偏转传输装置时的动能与初始动能一致。同时，仿真表明，对于同一个离子偏转传输装置，具有相同初始动能而质量数不同的离子，其运动轨迹一致。
实施例2：
在图4所示图中，由电极板10与20构成粒子加速器，其中电极板10的电压为0V，电极板20的电压为-50V。离子穿过电极板10与20中间的小孔，进入偏转器。偏转器包含3个静电透镜30、50、60，静电透镜30里面含有导引器40，静电透镜60里面含有导引器70。静电透镜30以及导引器40的电压为0.3V，静电透镜50的电压为-11V，静电透镜60以及导引器70的电压为1.1V。经过偏转器偏转后，离子进入到减速器，由电极板80和90构成，其电压分别为-20V和0V。
电极板10、20、80、90均为圆形带孔薄片，直径16mm，厚度为1mm，中心孔的直径为6mm。静电透镜30和60均为圆管形状，外径24mm，内径20mm，长30mm；静电透镜50也为圆管形状，外径12mm，内径10mm，长10mm。导引器40和70均为圆环形，其外径为20mm，内径为14mm，厚3mm。加速/减速器电极板、静电透镜、导引器的轴线均在同一平面，且相互平行。电极板10、20，以及电极板80、90之间的距离为4mm；电极板20到静电透镜30的距离、电极板80到静电透镜60的距离、静电透镜30到静电透镜50的距离、静电透镜50到静电透镜60的距离都是4mm。导引器40、70的***紧贴着静电透镜30、60的内壁。导引器40、70距离静电透镜30、60入口13.5mm。静电透镜30轴线比电极板10、20轴线高4mm，静电透镜50轴线比静电透镜30轴线高7.12mm，静电透镜60轴线比静电透镜50轴线高7.12mm，电极板80、90轴线比静电透镜6轴线高4mm。
在图6所示图中，质量数为100，动能为8eV的带单位正电荷离子通过电极板10、20获得加速，进入静电透镜30中，进行偏转，进入静电透镜50，再进入静电透镜60进行偏转，最终从电极板80和90中心的小孔穿出。离子离开偏转传输装置时的动能与初始动能一致。同时，仿真表明，对于同一个离子偏转传输装置，具有相同初始动能而质量数不同的离子，其运动轨迹一致。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种离子偏转传输装置，其特征在于：包括离子加速器、偏转器、离子减速器，所述偏转器包括离子静电透镜以及设置在离子静电透镜的一个或者多个导引器，离子加速器和离子减速器分别设置在偏转器的前后。
2.如权利要求1所述的一种离子偏转传输装置，其特征在于：所述离子加速器包括一个或者多个电极板，各电极板包括至少一个孔，使用中离子穿过该至少一个孔传输，所述偏转器包括一个或者多个静电透镜，使用中离子穿过各静电透镜，所述离子减速器包括一个或者多个电极板，各电极板包括至少一个孔，使用中离子穿过该至少一个孔传输，各静电透镜内包括一个或者多个导引器，使用中离子穿过各静电透镜时沿着导引器所产生的电场方向进行传输。
3.如权利要求2所述的一种离子偏转传输装置，其特征在于：所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部形状为大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、多边形、圆柱形或锥形，或者这些形状的组合；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部具有大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、或多边形的孔；和/或
所述静电透镜的部分或者全部形状大致为圆柱形、椭圆柱形、三角柱形、四边柱形、多边柱形或锥形，或者这些形状的组合；和/或
所述导引器的部分或者全部形状为大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、多边形或新月形，或者这些形状的组合；和/或
所述导引器的部分或者全部具有大致圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形、或多边形的孔。
4.如权利要求2所述的一种离子偏转传输装置，其特征在于：所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部外直径或尺度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部内直径或尺度选自由以下各项构成的组中的孔：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～5.0mm；和(iii)5.0mm～20.0mm；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部厚度为以下各项构成的组：(i)小于等于0.1mm；(ii)0.1mm～1.0mm；和(iii)1.0mm～10.0mm；和/或
所述静电透镜的部分或者全部外直径或尺度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述静电透镜的部分或者全部长度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述静电透镜的部分或者全部厚度为以下各项构成的组：(i)小于等于0.1mm；(ii)0.1mm～1.0mm；和(iii)1.0mm～10.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部外直径或尺度为以下各项构成的组：(i)5.0mm～10.0mm；(ii)10.0mm～50.0mm；和(iii)大于等于50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部内直径或尺度为以下各项构成的组：(i)小于等于5.0mm；(ii)5.0mm～20.0mm；和(iii)20.0mm～50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部厚度为以下各项构成的组：(i)小于等于0.1mm；(ii)0.1mm～1.0mm；和(iii)1.0mm～10.0mm。
5.如权利要求2所述的一种离子偏转传输装置，其特征在于：所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板的部分或者全部板间距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm；和/或
所述离子加速器电极板和/或所述离子减速器电极板与偏转器的距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部板间距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm；和/或
所述导引器的部分或者全部相对角度为以下各项构成的组：(i)0°～30°；(ii)30°～90°；和(iii)90°～180°；和/或
所述导引器位于静电透镜内，其距离静电透镜开口的距离为以下各项构成的组：(i)小于等于1.0mm；(ii)1.0mm～10.0mm；和(iii)10.0mm～50.0mm。
6.一种使用如权利要求1至5任一项所述离子偏转传输装置的质谱仪器。
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CN111739783A (zh) * 2020-05-28 2020-10-02 清华大学 用于小型质谱仪的大气压电弧离子源及其检测方法
CN111739783B (zh) * 2020-05-28 2021-10-29 清华大学 用于小型质谱仪的大气压电弧离子源及其检测方法

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