專利名稱：質譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種質譜儀。
背景技術：
質譜儀主要用來通過測量微觀粒子，特別是分子的質量，來分析檢測被測樣品的成分，特別是化學成分。比如食品中農藥殘余，可以通過質譜儀來跟蹤該農藥分子或分子碎片特有的分子量來監(jiān)控其含量。但是，因為微觀粒子的質量非常小，無法用一般重力方法來稱其重量。因此我們?yōu)榱藴y量這些微觀粒子的質量，一般是利用帶電粒子與電磁場的作用。 為了達到這一目的，首先要使這些微觀粒子帶上電荷，這樣就可以通過電磁場來控制它們的運動，從而實現(xiàn)粒子或者分子質量的測量。因此，質譜儀都必須有電離裝置，把樣品電離為離子——這個裝置就叫做離子源。具有不同荷質比的離子在電場或磁場作用下運動狀態(tài)會有所不同，所以可以采用特定的電場或磁場來構成質量分析器。四極桿質量分析器就是這樣一種裝置，它能夠用加在四級桿上的交直流電壓而僅讓一定質荷比的離子通過，經(jīng)過掃描最后經(jīng)檢測器檢測后可以得到樣品的質譜圖。如圖1所示，傳統(tǒng)的質譜儀，其基本結構是相同的，都包括離子源1’、質量分析器 2’、檢測器(圖中未示出)和真空系統(tǒng)(圖中未示出)。質量分析器2’有采用四極桿式質量分析器、飛行時間質量分析器，磁聚焦質量分析器，離子回旋傅立葉變換或者離子阱質量分析器。使被分析的樣品帶上電荷的過程稱為離子化過程。針對不同的樣品有很多種不同的方法，其中一種叫做電子撞擊方法，是應用比較廣泛的離子源技術，它主要用于揮發(fā)性樣品和比較簡單分子量較小的有機分子的電離。樣品以氣體狀態(tài)進入離子源。由燈絲發(fā)出的電子與樣品氣體分子發(fā)生碰撞使樣品分子失去電子而帶電，成為離子。為了使電離以后的樣品離子沿著所需的特定方向運動，在離子源內設置了離子透鏡。傳統(tǒng)的離子透鏡一般包括安裝在同一個中軸線上的4個電極推斥電極11’、引入電極 12’、聚焦電極13’和引出電極14’，引入電極12’、聚焦電極13’和引出電極14’的中央各自具有供離子束穿過的中央通孔。推斥電極11’為平面圓板形狀，它的作用是為樣品離子提供初始能量。施加在推斥電極11’上的電壓可以在5 80V之間變化。聚焦電極13’為平面圓板形，聚焦電極13’用于使離子束聚焦。從推斥電極11’后面的離子化反應池出來的離子存在動量大小和方向上的分散性，經(jīng)聚焦電極13’聚焦后，可以增加進入質量分析器2’ 的離子數(shù)量，并提高進入質量分析器2’的離子強度。聚焦電極13’可以工作在0 -150V。 引出電極14’呈平面圓板形，引出電極14’用來改善離子源1’和質量分析器2’之間的離子傳輸效率，一般工作在0 100V之間。從物理學電動力學的角度來看，離子源內各個電極所加的電壓，會在空間產(chǎn)生電場，電場的勢能函數(shù)是一個標量函數(shù)，該函數(shù)所滿足的是拉普拉斯方程，這是一個二階偏微分方程，而各個電極的形狀以及電極上所加的電壓構成了這個偏微分方程的邊界條件。這個邊界條件是質譜儀設計的關鍵所在，有了邊界條件，我們就可以通過理論計算和電腦模擬來解出這個偏微分方程。上述用于傳統(tǒng)質譜儀的推斥電極11’是平面圓板狀的，這種平板狀的電極在空間中引起的電場分布使離子束呈發(fā)散狀態(tài)，因此離子可能大量逃逸，這樣引起的后果是能夠進入質量分析器的離子數(shù)量減少，從而導致質譜儀的靈敏度差。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決現(xiàn)有的質譜儀靈敏度差的技術問題。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明的質譜儀，包括離子源，所述離子源包括依次安裝在同一中軸線上的推斥電極、引入電極、聚焦電極和引出電極，所述引入電極、聚焦電極和引出電極中央分別具有供離子束穿過的中央通孔，其特征在于，所述推斥電極為具有一敞口的罩殼，且該敞口朝向所述引入電極。所述推斥電極包括圓形底部和由該圓形底部向外延伸的弧形部。所述推斥電極為球面形罩殼、橢球面形罩殼、拋物面形罩殼、錐形罩殼或者錐臺形
eg卓冗。所述引出電極為具有一敞口的罩殼，且該敞口朝向所述聚焦電極。所述引出電極包括圓形底部和由該圓形底部向外延伸的弧形部。所述引出電極是球面形罩殼、橢球面形罩殼、拋物面形罩殼、錐形罩殼或者錐臺形罩殼。所述推斥電極、引入電極和聚焦電極上分別施加49伏、-74伏、-7伏電壓，所述弓丨出電極的電壓為0。所述聚焦電極呈圓筒形，包括具有中央通孔的筒底和圓周壁。所述推斥電極、引入電極和聚焦電極上分別施加50伏、-70伏、-7伏電壓，所述弓丨出電極的電壓為0。由上述技術方案可知，本發(fā)明的質譜儀的優(yōu)點和積極效果在于本發(fā)明的質譜儀中，離子源的推斥電極呈敞口的罩殼形狀，并且開口朝向引入電極方向，推斥電極的這種特定的立體幾何形狀具有包圍空間功能，其產(chǎn)生的電場可以很好地聚焦離子，也就是說這種特定立體幾何形狀的推斥電極有利于增強軸向電場，從而使得離子快速匯聚。這不但顯著提高了質譜儀的離子化效率，而且能夠防止離子逃逸，從而使進入質量分析器的離子數(shù)量大幅度增加，因此提高了質譜儀的靈敏度。通過以下參照附圖對優(yōu)選實施例的說明，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更加明顯。


圖1表示傳統(tǒng)的質譜儀的剖面結構示意圖；圖2表示本發(fā)明的質譜儀第一實施例的立體結構示意圖，其具有第一種推斥電極；圖3表示圖2所示的本發(fā)明的質譜儀第一實施例的剖面結構示意圖；圖4表示本發(fā)明的質譜儀第二實施例的立體結構示意圖，其具有第二種推斥電極；圖5表示圖4所示的本發(fā)明的質譜儀第二實施例的剖面結構示意圖；圖6表示本發(fā)明的質譜儀第三實施例的立體結構示意圖，其具有筒狀聚焦電極；圖7表示圖6所示的本發(fā)明的質譜儀第三實施例的剖面結構示意圖；圖8表示用于本發(fā)明的質譜儀中的第三種推斥電極的立體結構示意圖；圖9表示用于本發(fā)明的質譜儀中的第四種推斥電極的立體結構示意圖；圖10表示用于本發(fā)明的質譜儀中的第五種推斥電極的立體結構示意圖；圖11表示用于本發(fā)明的質譜儀中的第六種推斥電極的立體結構示意圖；圖12表示用于本發(fā)明的質譜儀中的第七種推斥電極的立體結構示意圖；圖13表示用于本發(fā)明的質譜儀中的第八種推斥電極的立體結構示意圖；圖14表示使用本發(fā)明的質譜儀中的第一實施例模擬離子飛行示意圖；圖15表示使用本發(fā)明的質譜儀中的第三實施例模擬離子飛行示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施例。應當注意，這里描述的實施例只用于舉例說明，并不用于限制本發(fā)明。如圖2和圖3所示，本發(fā)明的質譜儀的第一實施例，包括離子源1、質量分析器2、 檢測器(圖中未示出)和真空系統(tǒng)(圖中未示出)。離子源1包括依次安裝在同一中軸線上的推斥電極11、引入電極12、聚焦電極13 和引出電極14。引入電極12、聚焦電極13和引出電極14的中央分別具有供離子束穿過的中央通孔。推斥電極11呈球面形狀(見圖8)，并且開口朝向引入電極12方向。引入電極12 呈平面圓板形狀；聚焦電極13呈平面圓板形狀；引出電極14包括圓形底部141和由圓形底部141向推斥電極11方向延伸的弧形部142。進入離子源1的樣品被離子化成離子狀態(tài)，由于推斥電極11為球面形狀，朝向引入電極12彎曲，有利于防止離子逃逸，所以大部分離子會朝向引入電極12運動，并依次穿過引入電極12、聚焦電極13和引出電極14的中央通孔而進入下游的質量分析器2。同時， 由于引出電極14具有弧形部142，即圓周方向上向聚焦電極13彎曲，能夠防止離子在行進過程中逃逸。引出電極14與推斥電極11的彎曲方向相反，二者遙相呼應，形成包覆結構， 這最大程度地避免了離子由產(chǎn)生到進入質量分析器2過程中的逃逸現(xiàn)象，因此，本發(fā)明的質譜儀中，離子源1的設計能夠大幅度增加進入質量分析器2內離子數(shù)量，從而提高質譜儀的測量精度。如圖14所示，使用本發(fā)明的質譜儀的第一實施例中，分別在推斥電極11、引入電極12和聚焦電極13上分別施加49伏電壓、-74伏電壓、_7伏電壓，引出電極14的電壓為 0，再通過程序模擬出離子飛行情況，圖14中的黑色部分是離子的飛行軌跡。從圖14中可以看出在球面形推斥電極11以及具有弧形部的引出電極14的共同聚焦作用下，離子在飛行過程中，會相互靠攏，集中于中軸線上，因此大部分離子都會穿過引入電極12、聚焦電極 13和引出電極14的中央通孔而進入到質量分析器2中。實際使用中，施加于推斥電極11、 引入電極12和聚焦電極13上的電壓不限于上述具體的值，可以根據(jù)需要具體設定。
如圖4和圖5所示，本發(fā)明的質譜儀的第二實施例包括依次安裝在同一中軸線上的推斥電極21、引入電極22、聚焦電極23和引出電極M，其與本發(fā)明的質譜儀的第一實施例的不同之處僅在于推斥電極21為一個矩形底部以及兩個相對的梯形側面和兩個相對的矩形側面圍成的棱錐臺(見圖9)。該種形狀的推斥電極21與球面形推斥電極11同樣具有防止離子逃逸的作用。該第二實施例的其余與第一實施例相同的部分，這里不再贅述。如圖6和圖7所示，本發(fā)明的質譜儀的第三實施例包括依次安裝在同一中軸線上的推斥電極31、引入電極32、聚焦電極33和引出電極34，推斥電極31與第一實施例的推斥電極11相同。本發(fā)明的質譜儀的第三實施例與第一實施例的不同之處僅在于聚焦電極33 呈圓筒形，包括具有中央通孔的筒底和圓周壁。這種筒狀聚焦電極33可以進一步防止離子逃逸。該第二實施例的其余與第一實施例相同的部分，這里不再贅述。如圖15所示，本發(fā)明的質譜儀的第三實施例，分別在推斥電極31、引入電極32和聚焦電極33上分別施加50伏電壓、-70伏電壓、-7伏電壓，引出電極34的電壓為0，再通過程序模擬出離子飛行情況，圖15中的黑色部分是離子的飛行軌跡。從圖15中可以看出 在球面形推斥電極11以及圓筒形聚焦電極33的共同聚焦作用下，離子在飛行過程中，會相互靠攏，集中于中軸線上，因此大部分離子都會穿過引入電極32、聚焦電極33和引出電極 34的中央通孔而進入到質量分析器2中。實際使用中，施加于推斥電極31、引入電極32和聚焦電極33上的電壓不限于上述具體的值，可以根據(jù)需要具體設定。如圖10-圖13所示，本發(fā)明的質譜儀中，推斥電極不限于上面所述的具體形狀，其還可以是其他形狀，例如盆形推斥電極41(如圖10所示)、拋物面形推斥電極51 (如圖11 所示)、橢球面形推斥電極61 (如圖12所示)、由兩個相對的矩形側面和兩個相對的三角形側面組成的四棱錐形推斥電極71 (如圖13所示)，本發(fā)明中的推斥電極還可以是未圖示的雙曲面形、棱錐形、圓錐形，棱錐臺形、圓錐臺形等各種形狀，甚至可以是其他的不規(guī)則形狀，只要是罩殼形狀，并且是敞口的，而非收口的，均可用于本發(fā)明。這種敞口罩殼形狀的推斥電極就好像一個光學上的凹面鏡能匯聚光束一樣，能使電場向軸向方向匯聚，使得離子束匯聚至中軸線方向，從而使更多的離子從各個電極的位于中軸線位置的中央通孔通過到達質量分析器，從而顯著提高了質譜儀中離子化效率及測量靈敏度。另外，本發(fā)明中的引出電極的形狀也可以與本發(fā)明中的推斥電極形狀相同。并且， 在某一特定的實施例中，不同形狀的推斥電極與不同形狀的引出電極可任意搭配使用，同時與不同結構的聚焦電極任意組合。雖然已參照幾個典型實施例描述了本發(fā)明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實施而不脫離發(fā)明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限于任何前述的細節(jié)，而應在隨附權利要求所限定的精神和范圍內廣泛地解釋，因此落入權利要求或其等效范圍內的全部變化和改型都應為隨附權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種質譜儀，包括離子源，所述離子源包括依次安裝在同一中軸線上的推斥電極、引入電極、聚焦電極和引出電極，所述引入電極、聚焦電極和引出電極中央分別具有供離子束穿過的中央通孔，其特征在于，所述推斥電極為具有一敞口的罩殼，且該敞口朝向所述引入電極。
2.如權利要求1所述的質譜儀，其特征在于，所述推斥電極包括圓形底部和由該圓形底部向外延伸的弧形部。
3.如權利要求1所述的質譜儀，其特征在于，所述推斥電極為球面形罩殼、橢球面形罩殼、拋物面形罩殼、錐形罩殼或者錐臺形罩殼。
4.如權利要求1所述的質譜儀，其特征在于，所述弓I出電極為具有一敞口的罩殼，且該敞口朝向所述聚焦電極。
5.如權利要求4所述的質譜儀，其特征在于，所述引出電極包括圓形底部和由該圓形底部向外延伸的弧形部。
6.如權利要求4所述的質譜儀，其特征在于，所述引出電極是球面形罩殼、橢球面形罩殼、拋物面形罩殼、錐形罩殼或者錐臺形罩殼。
7.如權利要求1 6之任一所述的質譜儀，其特征在于，所述推斥電極、引入電極和聚焦電極上分別施加49伏、-74伏、-7伏電壓，所述引出電極的電壓為0。
8.如權利要求1 6之任一項所述的質譜儀，其特征在于，所述聚焦電極呈圓筒形，包括具有中央通孔的筒底和圓周壁。
9.如權利要求8所述的質譜儀，其特征在于，所述推斥電極、引入電極和聚焦電極上分別施加50伏、-70伏、-7伏電壓，所述引出電極的電壓為0。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種質譜儀，包括離子源，所述離子源包括依次安裝在同一中軸線上的推斥電極、引入電極、聚焦電極和引出電極。所述引入電極、聚焦電極和引出電極中央分別具有供離子束穿過的中央通孔，所述推斥電極為具有一敞口的罩殼，且該敞口朝向所述引入電極。本發(fā)明中，推斥電極是一種敞口的罩殼，罩殼的這種特定的立體幾何形狀具有包圍空間功能，其產(chǎn)生的電場可以很好地聚焦離子，也就是說這種特定立體幾何形狀的推斥電極有利于增強軸向電場，從而使得離子快速匯聚。這不但顯著提高了質譜儀的離子化效率，而且能夠防止離子逃逸，從而使進入質量分析器的離子數(shù)量大幅度增加，因此提高了質譜儀的靈敏度。
文檔編號H01J49/42GK102412109SQ201010289329
公開日2012年4月11日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者張華 , 張小華, 王傳博, 王后樂, 田禾 申請人:北京普析通用儀器有限責任公司