專利名稱：一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制方法，特別是一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜儀是一種測(cè)定物質(zhì)質(zhì)量的工具，它具有靈敏、快速及準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，在近代生命科學(xué)的研究中起到很重要的作用。質(zhì)譜儀的核心部分是質(zhì)量分析裝置，質(zhì)量分析裝置主要包括離子阱和四極桿。離子阱包括二維直線離子阱和三維旋轉(zhuǎn)離子阱。二維直線離子阱包括x、y和ζ三個(gè)方向的電極對(duì)，在對(duì)樣品離子檢測(cè)時(shí)，χ和y兩個(gè)方向的電極對(duì)連接相應(yīng)射頻交流電壓并且在ζ方向電極對(duì)上施加直流電壓，這樣可以將樣品離子囚禁在ζ軸上。三維旋轉(zhuǎn)離子阱利用射頻交流電壓可以在χ、y和ζ三個(gè)方向上囚禁樣品離子，而且也可以將樣品離子囚禁在離子阱中心。四極桿相比二維直線離子阱去掉了在ζ方向的電極對(duì)，因此樣品離子在ζ方向的運(yùn)動(dòng)是自由的。在對(duì)樣品離子檢測(cè)時(shí)，離子阱是通過(guò)掃描射頻電壓或頻率將樣品離子按照質(zhì)荷比的不同依次拋出離子阱外而被檢測(cè)器檢測(cè)到從而得到質(zhì)量分布圖。四極桿是通過(guò)讓一定質(zhì)荷比的樣品離子穩(wěn)定通過(guò)四極桿，被檢測(cè)器檢測(cè)到從而得到質(zhì)量分布圖。樣品離子在質(zhì)量分析裝置中的運(yùn)動(dòng)是由射頻信號(hào)控制的，樣品離子運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與其質(zhì)荷比以及射頻信號(hào)的電壓和頻率有密切聯(lián)系，樣品離子的運(yùn)動(dòng)頻率決定了質(zhì)量分析裝置的分辨率，而分辨率是反映質(zhì)譜分析裝置的重要依據(jù)。Dawson在“quadrupole mass spectrometry and its applications”一書(shū)中詳細(xì)地介紹了利用射頻交流信號(hào)控制離子阱的方法。射頻交流信號(hào)有不同的波形，最常用的是正弦信號(hào)，由于正弦信號(hào)受放電電壓的制約，導(dǎo)致樣品離子的運(yùn)動(dòng)頻率也受到正弦信號(hào)電壓的限制，從而影響質(zhì)量分析裝置的分辨率。不同于傳統(tǒng)正弦信號(hào)的控制方法也有人提出，例如丁力等人提出的數(shù)字離子阱，通過(guò)提供矩形波信號(hào)也可以實(shí)現(xiàn)類似正弦信號(hào)一樣的功能，但是矩形波信號(hào)突變較大，容易造成信號(hào)失真。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高質(zhì)量分析裝置分辨率的利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其包括如下步驟1)設(shè)置一包括激光器、真空腔、光學(xué)窗口、樣品靶、圓柱形離子阱、電荷檢測(cè)器、機(jī)械泵和三角波信號(hào)發(fā)生器的控制系統(tǒng)；2)將被測(cè)樣品滴加到一實(shí)驗(yàn)用硅片上，將實(shí)驗(yàn)用硅片固定在樣品靶的正面；3)對(duì)真空腔抽真空后，填充惰性緩沖氣體， 并且調(diào)節(jié)真空腔內(nèi)的氣壓；4)激光器發(fā)出激光通過(guò)光學(xué)窗口打在樣品靶的背面，利用激光誘導(dǎo)聲波解吸的方法產(chǎn)生樣品離子；5)樣品離子通過(guò)圓柱形離子阱的蓋電極與圓柱形 離子阱的環(huán)電極之間的間隙進(jìn)入圓柱形離子阱的環(huán)電極，三角波信號(hào)發(fā)生器選擇囚禁模式，調(diào)節(jié)囚禁電壓，將樣品離子囚禁在圓柱形離子阱中；6)選擇三角波信號(hào)發(fā)生器的掃描模式，將囚禁在圓柱形離子阱中質(zhì)荷比大于設(shè)定閾值的樣品離子通過(guò)圓柱形離子阱的蓋電極開(kāi)孔拋出圓柱形離子阱外，被電荷檢測(cè)器檢測(cè)到。所述步驟3)中對(duì)真空腔抽真空后的真空度為0. 1 10帕。所述步驟3)中填充完惰性緩沖氣體后達(dá)到的氣壓為2 10帕，填充的所述惰性緩沖氣體為氦氣或氮?dú)狻?所述三角波信號(hào)發(fā)生器發(fā)出兩種模式的三角波信號(hào)，包括囚禁模式和掃描模式， 其中掃描模式包括頻率掃描模式和電壓掃描模式；所述頻率掃描模式是三角波信號(hào)電壓不變，頻率不斷降低；所述電壓掃描模式是頻率不變，電壓不斷升高。所述步驟5)中的調(diào)節(jié)囚禁電壓，根據(jù)實(shí)際的操作選擇100 5000V。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用的三角波射頻信號(hào)相對(duì)正弦信號(hào)以及其它波形信號(hào)(如方波)具有放電電壓高的特性，能夠使得樣品離子有更高的運(yùn)動(dòng)頻率，從而可以提高質(zhì)量分析裝置的分辨率，得到高分辨的質(zhì)量分布圖。2、本發(fā)明由于采用激光誘導(dǎo)聲波解吸的電離方法，使得質(zhì)量分析裝置具有很大的測(cè)量范圍，比如可以測(cè)量像聚苯乙烯、細(xì)胞等微米級(jí)的顆粒。3、本發(fā)明由于采用惰性氣體作為緩沖氣體， 因此可以提高樣品離子的囚禁效率。4、本發(fā)明由于采用的真空腔體很小，并且可以在粗真空條件下進(jìn)行工作，為簡(jiǎn)化質(zhì)量分析裝置提供了方便，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于測(cè)定物質(zhì)質(zhì)量成分中。


圖1是本發(fā)明利用三角波信號(hào)控制離子阱質(zhì)量分析裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明三角波信號(hào)的波形示意圖，橫坐標(biāo)t是時(shí)間，縱坐標(biāo)Vkf是電壓零峰值；圖3是本發(fā)明對(duì)3微米聚苯乙烯球樣品進(jìn)行測(cè)量得到的質(zhì)量分布圖，其中橫坐標(biāo) (m/Z)是樣品離子的質(zhì)荷比，縱坐標(biāo)Z是樣品離子的電荷數(shù)。
具體實(shí)施例方式質(zhì)量分析裝置主要包括離子阱和四極桿。其中離子阱根據(jù)離子的囚禁空間不同分為二維直線離子阱和三維旋轉(zhuǎn)離子阱等。其中，二維直線離子阱和四極桿能夠在二維空間囚禁樣品離子，三維離子阱能夠在三維空間囚禁樣品離子。本發(fā)明以三維離子阱為實(shí)施例說(shuō)明利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，根據(jù)本發(fā)明的原理和方法也可以控制其它質(zhì)量分析裝置。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的控制系統(tǒng)包括一激光器 1、一真空腔2、一光學(xué)窗口 3、一樣品靶4、一圓柱形離子阱5(圖中虛框內(nèi))、一電荷檢測(cè)器 6、一機(jī)械泵7和一三角波信號(hào)發(fā)生器8。其中，圓柱形離子阱5包括兩蓋電極51、52、一環(huán)電極53和兩蓋電極開(kāi)孔54、55。激光器1設(shè)置在真空腔2的外面，在真空腔2上設(shè)置有一光學(xué)窗口 3，樣品靶4固定在真空腔2內(nèi)。在真空腔2內(nèi)的底面一側(cè)設(shè)置有兩個(gè)疊在一起的托盤(圖中未示出)，圓柱形離子阱5放置在上面的一個(gè)托盤上，電荷檢測(cè)器6放置在下面的另一個(gè)托盤上，且電荷檢測(cè)器6與圓柱形離子阱5同軸分布的。機(jī)械泵7連接到真空腔2上。圓柱形離子阱5的兩蓋電極51、52通過(guò)真空腔2的兩個(gè)電極對(duì)接地，環(huán)電極53通過(guò)真空腔2的另外一個(gè)電極對(duì)連接三角波發(fā)生器8，兩蓋電極51、52與一環(huán)電極53之間均設(shè)置有一定的間隙。上述實(shí) 施例中，樣品靶4是緊貼蓋電極51與環(huán)電極53之間的間隙位置放置的，目的是方便樣品離子進(jìn)入環(huán)電極53。根據(jù)上述利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的控制系統(tǒng)，利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法對(duì)樣品離子的質(zhì)量測(cè)定包括如下步驟1)將被測(cè)樣品滴加到一實(shí)驗(yàn)用硅片上，并將實(shí)驗(yàn)用硅片固定在樣品靶4的正面。2)開(kāi)啟機(jī)械泵7對(duì)真空腔2抽真空后，向真空腔2填充惰性緩沖氣體，調(diào)節(jié)真空腔 2內(nèi)的氣壓。3)激光器1發(fā)出的激光通過(guò)光學(xué)窗口 3打在樣品靶4的背面，這樣防止樣品被打碎，通過(guò)激光誘導(dǎo)聲波解吸(LIAD)的方法產(chǎn)生樣品離子。4)樣品離子通過(guò)蓋電極51與環(huán)電極53之間的間隙進(jìn)入環(huán)電極53，三角波信號(hào)發(fā)生器8選擇囚禁模式，調(diào)節(jié)囚禁電壓，把樣品離子囚禁在圓柱形離子阱5中。5)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，選擇三角波信號(hào)發(fā)生器8的掃描模式，此時(shí)將囚禁在圓柱形離子阱5中的質(zhì)荷比大于設(shè)定閾值的樣品離子通過(guò)蓋電極開(kāi)孔55拋出圓柱形離子阱5外，被電荷檢測(cè)器6所檢測(cè)到。上述一段時(shí)間大約為IOOms以上，根據(jù)不同的樣品，所需時(shí)間會(huì)有所不同。上述實(shí)施例中，本發(fā)明的真空腔2是粗真空，真空腔2內(nèi)抽完真空后的氣壓達(dá)到 0. 1 10帕，抽完真空后充有惰性緩沖氣體，一般使用氮?dú)饣蚝獾绕鸬嚼鋮s樣品離子的作用。調(diào)節(jié)真空腔2中的氣壓是使得真空腔2內(nèi)的氣壓達(dá)到2 10帕，目的是為了增加囚禁樣品離子的效率。上述實(shí)施例中，三角波信號(hào)發(fā)生器8可以發(fā)出兩種模式的三角波信號(hào)，包括囚禁模式和掃描模式，囚禁模式和掃描模式所需要的三角波信號(hào)的電壓根據(jù)實(shí)際操作采用 100 5000V。在囚禁模式下，三角波的電壓值和頻率值保持恒定，樣品離子能夠穩(wěn)定囚禁在圓柱形離子阱5中。掃描模式包括頻率掃描模式和電壓掃描模式，頻率掃描模式是三角波的電壓值保持恒定，頻率隨時(shí)間均勻降低，此時(shí)囚禁在圓柱形離子阱5中的樣品離子隨著三角波頻率的降低按照樣品離子的質(zhì)荷比不同被依次拋出圓柱形離子阱5外；電壓掃描模式是三角波的頻率值保持恒定，電壓隨時(shí)間均勻升高，此時(shí)囚禁在圓柱形離子阱5中的樣品離子隨著三角波電壓的升高按照樣品離子的質(zhì)荷比不同依次被拋出圓柱形離子阱5 外。上述實(shí)施例中，囚禁電壓的選擇主要依據(jù)質(zhì)量分析裝置的放電電壓來(lái)選擇，質(zhì)量分析裝置能施加的放電電壓越高，它的分辨率越好。質(zhì)量分析裝置的分辨率和樣品離子拋出時(shí)的運(yùn)動(dòng)頻率成正比，質(zhì)量分布裝置可以施加的囚禁電壓越高，根據(jù)樣品離子被拋出的閾值條件，樣品離子拋出圓柱形離子阱5時(shí)所需要三角波頻率也越大，那么樣品離子拋出圓柱形離子阱5時(shí)的運(yùn)動(dòng)頻率也越高。上述實(shí)施例中，標(biāo)準(zhǔn)樣品離子被拋出圓柱形離子阱5的設(shè)定閾值為樣品離子的質(zhì)荷比滿足Mathieu參數(shù)qz大于0. 908，但是其具體數(shù)值是由根據(jù)具體被測(cè)樣品離子質(zhì)荷比，質(zhì)量分析裝置的幾何尺寸以及三角波信號(hào)電壓和頻率共同決定的。質(zhì)量分析裝置的幾何尺寸在制作完成就已經(jīng)決定了。當(dāng)三角波信號(hào)電壓保持不變，樣品離子的質(zhì)荷比僅僅與三角波信號(hào)頻率有關(guān)；當(dāng)三角波信號(hào)頻率保持不變，樣品離子的質(zhì)荷比僅僅與三角波信號(hào)的電壓有關(guān)。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中受惰性緩沖氣體、樣品離子間電荷排斥和質(zhì)量分 析裝置加工精度等的影響，這個(gè)設(shè)定閾值需要用已知質(zhì)荷比的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行校正。如圖2、圖3所示，下面結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明對(duì)3微米聚苯乙烯球樣品的質(zhì)量進(jìn)行快速的測(cè)定，得到了 3微米聚苯乙烯球樣品的質(zhì)量分布圖，其過(guò)程如下1)將聚苯乙烯球樣品懸浮液用去離子水進(jìn)行清洗，將溶液中的疊氮化鈉離心去除，將所制得的懸浮液滴加在事先切割好的實(shí)驗(yàn)用硅片上，待水溶液蒸干后將實(shí)驗(yàn)用硅片固定于樣品靶4上。2)開(kāi)啟機(jī)械泵7對(duì)真空腔2抽真空使得氣壓達(dá)到0. 1帕，然后填充適當(dāng)?shù)牡獨(dú)?，調(diào)節(jié)真空腔內(nèi)的氣壓達(dá)到2帕。3)選用波長(zhǎng)532納米，脈沖寬度為7納秒并且能量為30毫焦/脈沖的激光器1發(fā)出激光轟擊樣品靶4的背面，將樣品離子解析出來(lái)，且解析出的樣品離子通過(guò)環(huán)形電極53 進(jìn)入圓柱形離子阱5中。4)三角波發(fā)生器8發(fā)出三角波信號(hào)，選擇囚禁模式，囚禁電壓零峰值選擇1000V， 將樣品離子囚禁在圓柱形離子阱5中。5)經(jīng)過(guò)大約IOOms 200ms的時(shí)間，三角波信號(hào)發(fā)生器8選擇頻率掃描方式，頻率掃描范圍為600赫茲 100赫茲，線性掃描時(shí)間為5秒，將質(zhì)荷比滿足Mathieu參數(shù)qz大于1. 2的樣品離子從蓋電極開(kāi)孔55拋出，被電荷檢測(cè)器6檢測(cè)到。6)利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到該樣品的質(zhì)量分布圖，完成聚苯乙烯球樣品的質(zhì)量測(cè)定。由于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不屬于本發(fā)明的內(nèi)容，故不再贅述。上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中三角波電壓的施加方式、儀器的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀和實(shí)施方法的步驟順序都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其包括如下步驟1)設(shè)置一包括激光器、真空腔、光學(xué)窗口、樣品靶、圓柱形離子阱、電荷檢測(cè)器、機(jī)械泵和三角波信號(hào)發(fā)生器的控制系統(tǒng)；2)將被測(cè)樣品滴加到一實(shí)驗(yàn)用硅片上，將實(shí)驗(yàn)用硅片固定在樣品靶的正面；3)對(duì)真空腔抽真空后，填充惰性緩沖氣體，并且調(diào)節(jié)真空腔內(nèi)的氣壓；4)激光器發(fā)出激光通過(guò)光學(xué)窗口打在樣品靶的背面，利用激光誘導(dǎo)聲波解吸的方法產(chǎn)生樣品離子；5)樣品離子通過(guò)圓柱形離子阱的蓋電極與圓柱形離子阱的環(huán)電極之間的間隙進(jìn)入圓柱形離子阱的環(huán)電極，三角波信號(hào)發(fā)生器選擇囚禁模式，調(diào)節(jié)囚禁電壓，將樣品離子囚禁在圓柱形離子阱中；6)選擇三角波信號(hào)發(fā)生器的掃描模式，將囚禁在圓柱形離子阱中質(zhì)荷比大于設(shè)定閾值的樣品離子通過(guò)圓柱形離子阱的蓋電極開(kāi)孔拋出圓柱形離子阱外，被電荷檢測(cè)器檢測(cè)到。
2.如權(quán)利要求1所述的一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其特征在于 所述步驟3)中對(duì)真空腔抽真空后的真空度為0. 1 10帕。
3.如權(quán)利要求1所述的一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其特征在于 所述步驟3)中填充完惰性緩沖氣體后達(dá)到的氣壓為2 10帕，填充的所述惰性緩沖氣體為氦氣或氮?dú)狻?br> 4.如權(quán)利要求2所述的一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其特征在于 所述步驟3)中填充完惰性緩沖氣體后達(dá)到的氣壓為2 10帕，填充的所述惰性緩沖氣體為氦氣或氮?dú)狻?br> 5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其特征在于所述三角波信號(hào)發(fā)生器發(fā)出兩種模式的三角波信號(hào)，包括囚禁模式和掃描模式， 其中掃描模式包括頻率掃描模式和電壓掃描模式；所述頻率掃描模式是三角波信號(hào)電壓不變，頻率不斷降低；所述電壓掃描模式是頻率不變，電壓不斷升高。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法， 其特征在于所述步驟5)中的調(diào)節(jié)囚禁電壓，根據(jù)實(shí)際的操作選擇100 5000V。
7.如權(quán)利要求5所述的一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其特征在于 所述步驟5)中的調(diào)節(jié)囚禁電壓，根據(jù)實(shí)際的操作選擇100 5000V。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用三角波信號(hào)控制質(zhì)量分析裝置的方法，其包括如下步驟1)設(shè)置一包括激光器、真空腔、光學(xué)窗口、樣品靶、圓柱形離子阱、電荷檢測(cè)器、機(jī)械泵和三角波信號(hào)發(fā)生器的控制系統(tǒng)；2)將樣品滴加到一硅片上，將硅片固定在樣品靶的正面；3)對(duì)真空腔抽真空后，填充惰性緩沖氣體，并且調(diào)節(jié)氣壓；4)激光器發(fā)出激光通過(guò)光學(xué)窗口打在樣品靶的背面，利用激光誘導(dǎo)聲波解吸的方法產(chǎn)生樣品離子；5)樣品離子通過(guò)蓋電極與環(huán)電極之間的間隙進(jìn)入環(huán)電極，三角波信號(hào)發(fā)生器選擇囚禁模式，調(diào)節(jié)囚禁電壓，將樣品離子囚禁在圓柱形離子阱中；6)選擇三角波信號(hào)發(fā)生器的掃描模式，將囚禁在圓柱形離子阱中質(zhì)荷比大于設(shè)定閾值的樣品離子通過(guò)蓋電極開(kāi)孔拋出圓柱形離子阱外，被電荷檢測(cè)器檢測(cè)到。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于測(cè)定物質(zhì)質(zhì)量成分中。
文檔編號(hào)H01J49/42GK102324372SQ20111017386
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者周曉煜, 熊彩僑, 王佳寧, 聶宗秀, 陳芮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所