專利名稱：質(zhì)量分析器和具有該質(zhì)量分析器的質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)量分析器和質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜儀主要用來通過測量微觀粒子，特別是分子的質(zhì)量，來分析檢測被測樣品的成分，如食品中農(nóng)藥殘余等。如圖I所示，質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)，包括離子源I、質(zhì)量分析器2、離子探測器3和真空系統(tǒng)(圖中未示出)。離子源I用于將樣品分子電離為一系列離子，并且能使電離后的離子能進入質(zhì)量分析器2。圖I所示的為四極桿式質(zhì)量分析器，其包括四根電極桿，該四根電極桿4、5、6、7互相平行，并在圓周方向均勻布置，每根電極桿上都加有交流和直流電壓，在特定的 交流和直流電壓產(chǎn)生的電場作用下，特定質(zhì)荷比的離子能通過四極桿式質(zhì)量分析器，最后撞擊到離子探測器3上，離子探測器根據(jù)所接收的離子的撞擊信號以及這個瞬間加在四根電極桿上的交流、直流電壓等信息即可計算出這些離子的質(zhì)量，從而分析出樣品的性質(zhì)。如圖2所示，四極桿式質(zhì)量分析器的原理是基于電場與特定質(zhì)荷比的離子的特定對應(yīng)關(guān)系，利用隨時間而變化的電場對不同質(zhì)荷比的離子進行選擇，從而得出各個離子的質(zhì)量。四根電極桿4、5、6、7中，在相對的一組電極桿4、6或5、7上施加極性相同的電壓,而相鄰的電極桿上的電壓極性相反。當(dāng)離子進入四極桿式質(zhì)量分析器后，由于受到直流電場(DC)和交流電壓產(chǎn)生的射頻電場(RF)的作用會開始復(fù)雜的振蕩運動。在某一時刻，DC和RF保持特定數(shù)值，這個時候只有特定質(zhì)量的離子才可以通過四根電極桿，如果離子的質(zhì)量太小，則這個離子會被推向正極電極桿方向，而無法到達質(zhì)量分析器的出口 ；如果離子的質(zhì)量太大，則這個離子會被推向負極電極桿方向，直到離子撞擊到負極電極桿或從負極電極桿的邊緣彈出去，也無法到達質(zhì)量分析器的出口。因此，在DC和RF特定的情況下，只有特定質(zhì)量的離子能夠通過四極桿式質(zhì)量分析器而到達離子探測器。也就是說離子的質(zhì)量與電場(電壓)有特定的對應(yīng)關(guān)系。進入四極桿式質(zhì)量分析器的離子在四根電極桿產(chǎn)生的電場引導(dǎo)下做振蕩運動，其運動方程滿足Mathieu方程
d2x 2e .TT T, 。、m ~r =——T(U -V cos Qnx
dtro其中，m是離子的質(zhì)量；e是電子的電量；U是加在四根電極桿上的直流電壓幅度，其產(chǎn)生DC電場；V是加在四根電極桿上的交流電壓幅度，其產(chǎn)生RF電場；Q是交流電的頻率。能夠通過四極桿式質(zhì)量分析器的離子，其振蕩的幅度必然隨著時間的推移越變越小，以確保其在飛行過程中就不會撞上電極桿或從電極桿的邊緣飛出去。上述Mathieu運動方程有穩(wěn)定解的條件可由下面數(shù)學(xué)公式(I)表達
SeU,、m=⑴
all r0其中a是一個大于0小于0. 203的一個小數(shù)。從該數(shù)學(xué)公式可以看出離子的質(zhì)量與直流電壓、交流電壓的幅度成正比。
通常，一個待檢測的樣品分子在離子源I內(nèi)被離子化以后，會產(chǎn)生多種質(zhì)量不同的離子。為了分析樣品分子，一般需要了解所有質(zhì)量不同的離子的質(zhì)量，而測量所有質(zhì)量不同的離子質(zhì)量的過程稱為質(zhì)量掃描。傳統(tǒng)的質(zhì)量掃描方法是隨著時間的變化不斷改變加在四根電極桿上的直流電壓U和交流電壓幅度V，從而使不同質(zhì)量的離子分別通過質(zhì)量分析器到達離子探測器進行分析。即傳統(tǒng)技術(shù)是通過電壓掃描方式來掃描離子質(zhì)量的。上述的用電壓掃描方式掃描離子質(zhì)量有兩個缺陷其一，如圖3所示，圖中的m/z28、m/z69、m/z219分別表示質(zhì)荷比為28、69、219的三種離子，圖中的三個近似三角形分別表示這三種離子能通過質(zhì)量分析器時的直流電壓U和交流電壓幅度V的比率范圍，即穩(wěn)定區(qū)域。在電壓掃描過程中，需要同時改變直流電壓U和交流電壓幅度V，并確保直流電壓U和交流電壓幅度V之間的比率在掃描過程中維持不變，即保持圖3中斜線的斜率不變，并使三角形穩(wěn)定區(qū)域的頂點在斜線上，這樣才能保證離子探測器所接收到的離子與電壓有唯一 的對應(yīng)關(guān)系，以確保檢測的精確性。如果在電壓掃描過程中圖3中斜線的斜率發(fā)生了變化，即直流電壓U和交流電壓幅度V之間的比率發(fā)生了變化，則各離子的質(zhì)荷比也隨之發(fā)生變化，進一步導(dǎo)致檢測精度下降。然而，要嚴格保證直流電壓和交流電壓幅度之間的比率不隨時間的變化而變化，這在技術(shù)上較難實現(xiàn)，因此，傳統(tǒng)的質(zhì)量分析器的檢測精度低。其二，由于離子的質(zhì)量與直流電壓、交流電壓的幅度成正比，所以要使大質(zhì)量的離子通過，則必須增大直流電壓和交流電壓的幅度。而四極桿式質(zhì)量分析器在高電壓區(qū)工作時，電路容易放電，穩(wěn)定性差，從而使檢測精度受到極大影響。因此，該種以電壓掃描方式掃描質(zhì)量的四極桿式質(zhì)量分析器檢測分析大質(zhì)量分子樣品的精確度低，甚至無法進行檢測分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中通過電壓掃描方式掃描質(zhì)量所導(dǎo)致的檢測精度低的技術(shù)問題，而提供一種檢測精度高的質(zhì)量分析器及質(zhì)譜儀。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的質(zhì)量分析器，包括四根電極桿、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊，其中所述四根電極桿互相平行，并在同一圓周上均勻布置；所述直流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場；所述交流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供高壓電場；其中，所述質(zhì)量掃描模塊包括正弦波信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生正弦波信號；控制器，與所述四根電極桿電連接，用于接收所述正弦波信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來控制高壓電場，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。所述控制器包括輸入單元，用于輸入所述正弦波信號；第一放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號的正信號；第一鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第一放大電路放大的正信號；偏置電路，用于接收經(jīng)所述第一鏡像電路復(fù)制的正信號；第一驅(qū)動電路，用于接收所述偏置電路輸出的正信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；第二放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號的負信號；第二鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第二放大電路放大的負信號；偏置電路，用于接收經(jīng)所述第二鏡像電路復(fù)制的負信號；第二驅(qū)動電路，用于接收所述偏置電路輸出的負信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；輸出單元，用于接收所述第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路的信號并輸出到所述四根電極桿；反饋電路，連接于所述輸出單元和放大電路之間，用于比較輸入信號和輸出信號，控制輸入信號和輸出信號的誤差。
本發(fā)明的質(zhì)譜儀，包括將樣品分子電離成離子的離子源、對所述離子進行質(zhì)量掃描的質(zhì)量分析器，以及離子探測器，其中所述質(zhì)量分析器是本發(fā)明的質(zhì)量分析器。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的質(zhì)量分析器的優(yōu)點和積極效果在于本發(fā)明的質(zhì)量分析器中，由質(zhì)量掃描模塊控制通過調(diào)節(jié)射頻頻率來控制高壓電場，來掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量，避免了傳統(tǒng)的質(zhì)量分析器中因質(zhì)量掃描過程中直流電壓與交流電壓幅度不一致而產(chǎn)生的精度低的問題；同時，根據(jù)公式(1)，離子的質(zhì)量與頻率的平方(Q2)成反t匕，于是我們知道，當(dāng)Q產(chǎn)生一個微小的變化，則Q2便會將其放大成很大的變化，反映到離子質(zhì)量，也會隨之產(chǎn)生很大的變化。也就是說，本發(fā)明的以頻率掃描方式來掃描離子質(zhì)量的靈敏度遠高于以掃描電壓方式來掃描離子質(zhì)量的靈敏度，因此，傳統(tǒng)的電壓掃描過程中能夠即使做到直流電壓與交流電壓幅度保持一致，其靈敏度也遠低于以頻率掃描方式來掃描離子質(zhì)量的靈敏度。因此，本發(fā)明的質(zhì)量分析器的檢測分析精度高、靈敏度高。特別是，本發(fā)明中的質(zhì)量掃描模塊是以正弦波模擬信號為輸入信號，從傅里葉變換的角度來看，在掃描過程中的某一瞬間，正弦波只有單一的一個頻率，這進一步提高了本發(fā)明的質(zhì)量分析器的檢測分析精度。本發(fā)明的質(zhì)譜儀，由于設(shè)有本發(fā)明的質(zhì)量分析器，因而檢測分析精度高。
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I表示傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2表示傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀中的四極桿式質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3表示傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀中的四極桿式質(zhì)量分析器的質(zhì)量掃描圖；圖4表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器中的質(zhì)量掃描模塊所輸入的正弦波模擬信號示意圖；圖6表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器的正弦波傅里葉頻率譜圖；圖7表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器中的控制器的方框原理圖；圖8表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器中的控制器的電路圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的具體實施例。應(yīng)當(dāng)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4所示，本發(fā)明的質(zhì)量分析器，包括四根電極桿4、5、6、7、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊。其中四根電極桿4、5、6、7互相平行，并在圓周方向均勻布置。直流電源與四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場。交流電源與四根電極桿電連接，用于提供高壓電場。質(zhì)量掃描模塊包括正弦波信號發(fā)生器和控制器。正弦波信號發(fā)生器用于產(chǎn)生正弦波信號；控制器與四根電極桿電連接，用于接收正弦波信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來控制高壓電場，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。由此可知，本發(fā)明的質(zhì)量分析器是以頻率掃描方式來掃描離子質(zhì)量的，因此，在質(zhì)量掃描過程中，直接電壓和交流電壓幅度無需變化，即在掃描過程中無需考慮使直接電壓和交流電壓幅度的比率保持不變這一技術(shù)難題。因此，本發(fā)明提高了檢測分析的精確度。需要特別說明的是，參見圖5和圖6所示，本發(fā)明的質(zhì)量分析器中，利用的是輸入為正弦波模擬信號的模擬電路來控制頻率變化的。如圖6所示，正弦波只有單一的一個頻率，因此，在質(zhì)量的頻率掃描過程中，在某一時刻，只有唯一一個特定質(zhì)荷比的離子能通過質(zhì)量分析器，這顯然大幅度提高了檢測分析的精度。這也正是正弦波模擬信號優(yōu)越于方波、鋸齒波、梯形波等數(shù)字信號的所在。如圖7所示，本發(fā)明中的控制器包括輸入單元，用于輸入正弦波信號；第一放大電路，用于放大輸入的正弦波信號的正信號；第一鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)第一放大電路放大的正信號；偏置電路，用于接收經(jīng)第一鏡像電路復(fù)制的正信號；第一驅(qū)動電路，用于接收偏置電路輸出的正信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；第二放大電路，用于放大輸入的正弦波信號的負信號；第二鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)第二放大電路放大的負信號；偏置電路，用于接收經(jīng)第二鏡像電路復(fù)制的負信號；第二驅(qū)動電路，用于接收偏置電路輸出的負信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；輸出單元，用于接收第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路的信號并輸出；反饋電路，連接于輸出單兀和放大電路之間，用于比較輸入信號和輸出信號，控制輸入信號和輸出信號的誤差。 如圖8所示，本發(fā)明中的控制器中正弦波信號由晶體三極管Q6，晶體三極管Q7的基極輸入，晶體三極管Q4，Q6和電阻R7組成了第一放大電路，主要是對輸入的正信號進行放大，使信號增強。晶體三極管Q7，Q9和電阻Rll組成第二放大電路，主要是對輸入的負信號進行放大，使信號增強；電阻R2，R3和晶體三極管Ql，Q2組成了第一鏡像電路，它的作用是復(fù)制信號以隔離電路的前、后部分。晶體三極管Q10，Qll和電阻R15，R16組成第二鏡像電路，復(fù)制另外一路反相的信號以隔離電路的前、后部分；電阻R5，RlO和晶體三極管Q5組成了偏置電路，它為后面的驅(qū)動電路提供合適的工作電壓的初始值；電阻R4，R6和晶體三極管Q3組成了第一驅(qū)動電路，在此第一驅(qū)動電路中對頻率進行適當(dāng)?shù)姆糯?，可以增加對電路負載的驅(qū)動能力；電阻R9，R12和晶體三極管Q8是第二驅(qū)動電路，在此第二驅(qū)動電路中對頻率進行放大，并且放大的倍數(shù)與第一驅(qū)動電路中頻率放大倍數(shù)相同，其同樣可以增加對電路負載的驅(qū)動能力。本發(fā)明中的控制器不限于上述結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)射頻頻率調(diào)節(jié)的其他結(jié)構(gòu)的控制器也是可行的。本發(fā)明的質(zhì)譜儀，包括將樣品分子電離成離子的離子源、對電離的離子進行質(zhì)量掃描的質(zhì)量分析器，以及離子探測器。質(zhì)量分析器采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，即其質(zhì)量掃描模塊中的控制器采用頻率掃描的方式來掃描質(zhì)量，所以，本發(fā)明的質(zhì)譜儀檢測分析精度高。雖然已參照幾個典型實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語是說明和示例性、而非限制性的術(shù)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?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實施例不限于任何前述的細節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)量分析器，包括四根電極桿、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊，其中所述四根電極桿互相平行，并在同一圓周均勻布置；所述直流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場；所述交流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供高壓電場；其特征在于所述質(zhì)量掃描模塊包括 正弦波信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生正弦波信號； 控制器，與所述四根電極桿電連接，用于接收所述正弦波信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來控制高壓電場，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。
2.如權(quán)利要求I所述的質(zhì)量分析器，其特征在于所述控制器包括 輸入單元，用于輸入所述正弦波信號； 第一放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號的正信號； 第一鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第一放大電路放大的正信號； 偏置電路，用于接收經(jīng)所述第一鏡像電路復(fù)制的正信號； 第一驅(qū)動電路，用于接收所述偏置電路輸出的正信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率； 第二放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號的負信號； 第二鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第二放大電路放大的負信號； 偏置電路，用于接收經(jīng)所述第二鏡像電路復(fù)制的負信號； 第二驅(qū)動電路，用于接收所述偏置電路輸出的負信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率； 輸出單元，用于接收所述第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路的信號并輸出到所述四根電極桿； 反饋電路，連接于所述輸出單元和放大電路之間，用于比較輸入信號和輸出信號，控制輸入信號和輸出信號的誤差。
3.一種質(zhì)譜儀，包括將樣品分子電離成離子的離子源、對所述離子進行質(zhì)量掃描的質(zhì)量分析器，以及離子探測器，其特征在于所述質(zhì)量分析器是如權(quán)利要求I或2所述的質(zhì)量分析器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種質(zhì)量分析器和一種質(zhì)譜儀，包括四根電極桿、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊。四根電極桿互相平行，并在同一圓周上均勻布置；直流電源與四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場；交流電源與四根電極桿電連接，用于提供高壓電場。質(zhì)量掃描模塊包括正弦波信號發(fā)生器，用于產(chǎn)生正弦波信號；控制器，與四根電極桿電連接，用于接收正弦波信號，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來控制高壓電場，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。本發(fā)明中，質(zhì)量掃描模塊以正弦波模擬信號為輸入信號，通過調(diào)節(jié)射頻頻率來控制高壓電場，來掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量，因此檢測分析精度高。本發(fā)明的質(zhì)譜儀安裝有本發(fā)明的質(zhì)量分析器，檢測分析精度高。
文檔編號H01J49/42GK102683153SQ20111005375
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者張華 , 張小華 申請人:北京普析通用儀器有限責(zé)任公司