用于質(zhì)譜分析的方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種小型的低成本質(zhì)譜儀，能夠單元分辨10至50AMU的質(zhì)量范圍。該質(zhì)譜儀包含相比于類似儀器增強設(shè)計性能的幾項特征。高效的離子源實現(xiàn)相對較低的功耗而不犧牲測量分辨率。可變幾何形狀機械過濾器允許可變的分辨率。板載離子泵消除對外部泵浦源的需要。磁體和磁軛產(chǎn)生具有不同通量密度的磁場區(qū)域，以運行離子泵和扇形磁性質(zhì)量分析器。真空室內(nèi)的板載數(shù)字控制器和功率轉(zhuǎn)換電路對質(zhì)譜儀操作允許較大程度靈活性，消除對高壓電饋通的需要。該小型的質(zhì)譜儀感應(yīng)進入氣體的一百分比中的一小部分并向計算機返回質(zhì)譜數(shù)據(jù)。
【專利說明】用于質(zhì)譜分析的方法、裝置及系統(tǒng)
[0001]相關(guān)專利申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年2月14日提交的標題為“質(zhì)譜儀(Mass Spectrometer)”的美國臨時專利申請N0.61/442，385的權(quán)益，該申請通過引用特此并入本文。
[0003]本申請還要求2011年12月I日提交的標題為“一種包含自對準離子光學器件的結(jié)構(gòu)堅固的小型質(zhì)譜儀(A Structurally Robust, Miniature Mass Spectrometerincorporating Self-Aligning 1n Optics)” 的美國臨時專利申請 N0.61/565，763 的權(quán)益，該申請通過引用特此并入本文。
【背景技術(shù)】
[0004]質(zhì)譜分析是領(lǐng)先的化學分析工具之一。通常與別的儀器(例如，氣相色譜分析)結(jié)合作為檢測器使用的質(zhì)譜儀也許能夠通過按原子質(zhì)量分離化學物種，確定在氣態(tài)樣品中存在的化學物種的相對豐度(relative abundance)。
[0005]質(zhì)譜分析廣泛用于眾多學科。質(zhì)譜儀已被送往無人航天器；兩個海盜號著陸器(Viking landers)都攜帶氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GCMS)包,并且掉入土衛(wèi)六大氣層的卡西尼惠更斯號(Cassin1-Huygens)探測器也攜帶GCMS。質(zhì)譜儀大量用于生物科學；它們是確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和序列的常用方法之一。
[0006]在藥代動力學的醫(yī)療領(lǐng)域，質(zhì)譜儀已用于跟蹤通過人體的極少量藥物。
[0007]質(zhì)譜儀已經(jīng)被設(shè)計用于化學和生物防御；第二組化學生物質(zhì)譜儀(CBMS)被設(shè)計為便攜式車載儀器，其能夠檢測該領(lǐng)域中的化學和生物威脅(例如，神經(jīng)毒劑、細菌)。最近，已將質(zhì)譜儀裝載在無人潛水器上，以輔助跟蹤2010年4月20日在墨西哥灣由馬康多(Macondo)油井故障所釋放的碳氫化合物。
[0008]許多其它領(lǐng)域也已使用質(zhì)譜儀。早在1976年，就將質(zhì)譜儀用于不斷地分析在重癥監(jiān)護下戴呼吸機的患者所呼吸的氣體，以防潛在危險的并發(fā)癥。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 申請人:已認識到，傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀是一種極多用途的儀器，但是其不是沒有一些缺陷。傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀通常是大、復(fù)雜且昂貴的儀器，其可能消耗相當大量的電功率。
[0010]鑒于上文，本文公開的本發(fā)明實施例部分涉及改進的質(zhì)譜儀，在各方面中，該改進的質(zhì)譜儀可以足夠小至被手持，能夠在遠程使用中以最小功率運行有用的一段時間，并且建造和組裝起來足夠廉價，使得其能夠廣泛地部署。說明性的儀器可以大量地被部署來覆蓋用于空氣質(zhì)量監(jiān)測或水質(zhì)量監(jiān)測的廣大區(qū)域，被安裝在工業(yè)排氣煙囪中來用于燃燒過程反饋控制，或附接至醫(yī)院的呼吸機，或被用作急診室中的首要響應(yīng)工具。
[0011]本發(fā)明的實施例包括質(zhì)譜儀以及對應(yīng)的質(zhì)譜分析方法。一個說明的質(zhì)譜儀包括真空外殼，所述真空外殼限定支持約10_5mm Hg或更小的真空的真空室以及布置在所述真空室中的電極和轉(zhuǎn)換電路。具有約36V或36V以下的介電強度的饋通提供所述轉(zhuǎn)換電路和所述真空室的外部的功率源之間的電連接。在一些示例中，所述饋通可以提供所述真空室的內(nèi)部和所述真空室的外部之間的唯一電連接。所述轉(zhuǎn)換電路經(jīng)由所述饋通接收來自所述功率源的輸入電壓(例如，處于大約IV至大約36V的第一值)，并且將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換為電極電位(例如，處于大約IOOV至大約5kV的第二值)，并且將所述電極充電至所述電極電位。一旦所述電極被充電至所述電極電位，所述電極就控制穿過所述真空室傳播的帶電微粒的加速。
[0012]在一個示例中，所述帶電微粒是電子。在這種示例中，所述質(zhì)譜儀可以進一步包括:電子源，所述電子源布置在所述真空室中，以提供所述電子；陰極，用于排斥所述電子；以及陽極，布置在所述控制電極的與所述電子源相對的一側(cè)，以朝向要分析的微粒加速所述電子。所述轉(zhuǎn)換電路可以被配置為提供:用于所述陽極的大約100V至大約5kV的陽極電位；用于所述陰極的在所述陽極電位以下大約70V的陰極電位；以及所述陽極電位以下大約OV至大約140V的所述電極電位。
[0013]這樣的質(zhì)譜儀還可以包括電子器件(例如，微處理器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器或數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)，所述電子器件布置在所述真空室中來控制或改變所述電極電位(例如，控制所述電子的加速)。所述電子器件還可以耦接至檢測器，所述檢測器根據(jù)所述帶電微粒的所述加速確定所述帶電微粒的質(zhì)量。
[0014]另一說明性的質(zhì)譜儀以及對應(yīng)的質(zhì)譜分析方法包括磁軛中的磁體，該磁軛中的磁體用于生成在第一區(qū)域中具有第一強度(例如，大約0.1T)以及在第二區(qū)域中具有第二強度(例如，大約0.7T)的磁場。其還包括真空外殼、離子泵和質(zhì)量分析器(例如，扇形磁性分析器)，所述真空外殼限定真空室，所述離子泵被布置在所述第一區(qū)域中來維持所述真空室的真空壓力，并且所述質(zhì)量分析器布置在所述第二區(qū)域中來確定穿過所述真空室傳播的微粒的質(zhì)量。布置在所述真空室中的控制電極控制使所述微粒電離的電子的加速，并且布置在所述真空室中的轉(zhuǎn)換電路向所述離子泵、所述電極和/或所述質(zhì)量分析器提供一個或多個電壓。
[0015]該說明性質(zhì)譜儀的另一示例可以包括控制電子器件，該控制電子器件布置在所述真空室中且與所述控制電極處于電通信中，以改變所述控制電極的電位。其還可以包括信號處理電子器件，布置在所述真空室中并由所述轉(zhuǎn)換電路供電，以處理由所述質(zhì)量分析器提供的信號。
[0016]這樣的質(zhì)譜儀還可以包括:電子源，該電子源布置在所述真空室中，以提供所述電子；陰極，將所述電子源與所述真空室屏蔽開；以及陽極，布置在所述控制電極的與所述電子源相對的一側(cè)，以朝向要分析的微粒加速所述電子。所述轉(zhuǎn)換電路可以配置為提供用于所述陽極的大約100V至大約5kV的陽極電位，用于所述陰極的在所述陽極電位以下大約70V的陰極電位，以及所述電極電位，所述電極電位可以在所述陽極電位以下大約OV和大約140V。此外，所述轉(zhuǎn)換電路可以配置為用大約IV至大約36V的第一值提升所述輸入電壓至處于大約100V至大約5kV的第二值的所述電極電位。
[0017]應(yīng)理解，上述概念和下面更詳細地討論的更多概念(所提供的這些概念不相互矛盾)的全部結(jié)合被認為是本文公開的本發(fā)明主題的一部分。特別地，在此公開結(jié)尾出現(xiàn)的所要求保護的主題的全部結(jié)合被認為是本文公開的本發(fā)明主題的一部分。還應(yīng)理解，還可以在通過引用包含的任何公開中出現(xiàn)的本文明確使用的術(shù)語應(yīng)該符合與本文公開的特定概念幾乎全部一致的意義?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0018]技術(shù)人員將理解，附圖主要用于說明性目的，而不打算限制本文描述的本發(fā)明主題的范圍。附圖不一定是按比例的；一些情況下，本文公開的本發(fā)明主題的各方面在附圖中可以放大或擴大顯示，以幫助理解不同特征。在附圖中，相同的附圖標記通常指相同的特征(例如，功能類似的和/或結(jié)構(gòu)類似的要素)。
[0019]圖1A是根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性質(zhì)譜儀的計算機輔助設(shè)計(CAD)模型。
[0020]圖1B是根據(jù)本發(fā)明實施例的適合對圖1A的質(zhì)譜儀使用的低介電強度饋通的圖。
[0021]圖1C示出根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1A的磁軛的CAD模型。
[0022]圖1D示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的與一對永磁體、離子泵及質(zhì)量分析器結(jié)合的磁軛的計算機輔助設(shè)計(CAD)模型。
[0023]圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于質(zhì)譜儀的離子源電勢與離子質(zhì)量關(guān)系的圖表。
[0024]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的適合在離子源中使用的光學器件的圖。
[0025]圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有離散倍增電極電子倍增器和靜電計檢測器的質(zhì)譜儀的示意圖。
[0026]圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的直通大氣的膜入口的剖視圖。
[0027]圖6A是根據(jù)本發(fā)明實施例的離子分析器的模擬。
[0028]圖6B是根據(jù)本發(fā)明實施例的穿過小型質(zhì)譜儀的二氧化碳分子的SMION模擬。
[0029]圖6C是根據(jù)本發(fā)明實施例的離子源和第一離子透鏡的視圖。
[0030]圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的質(zhì)譜儀離子源和分析器中勢能分布的等距視圖。綠色勢能表面的曲率表示靜電透鏡的影響。垂直維度是勢能，而兩個水平維度是質(zhì)譜儀的平面形狀。
[0031]圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的圓柱形皮爾斯二極管離子源的SIMION模擬的側(cè)剖視圖。電子從呈一條線的燈絲表面發(fā)射。陰極電位電極包圍燈絲以將其與真空室屏蔽開。在該模擬的右邊緣示出柵電極和陽電極。
[0032]圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有為抑制電子發(fā)射而被偏置的控制電極的圖8圓柱形皮爾斯二極管離子源的側(cè)剖視圖。
[0033]圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例的位于質(zhì)譜儀下面的印刷電路板基板的CAD布局。
[0034]圖11是根據(jù)本發(fā)明實施例的說明性質(zhì)譜儀的CAD布局。
[0035]圖12是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有在褶曲部上安裝的狹縫的示例性質(zhì)量分析器電極的CAD模型。
[0036]圖13是根據(jù)本發(fā)明實施例的可調(diào)的褶曲部的示意圖。
[0037]圖14包括根據(jù)本發(fā)明實施例的通過線EDM從不銹鋼板上切出的電極的照片(左)以及在硝酸中被腐蝕來去除氧化物層的電極的照片(左)。
[0038]圖15是根據(jù)本發(fā)明實施例的小型離子泵的陽極的CAD模型。
[0039]圖16是根據(jù)本發(fā)明實施例的移除頂蓋和磁軛的說明性質(zhì)譜儀的照片。
[0040]圖17是根據(jù)本發(fā)明實施例的說明將入口狹縫調(diào)整至圖16的說明性質(zhì)量分析器的照片。
[0041]圖18A是根據(jù)本發(fā)明實施例的附接至用于測試的康弗拉特(ConFlat)法蘭的經(jīng)組裝的質(zhì)譜儀的照片。
[0042]圖18B是根據(jù)本發(fā)明實施例的在質(zhì)譜儀的發(fā)展中使用的真空室的照片。離子規(guī)在左邊，渦輪泵在底部。
[0043]圖19是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于質(zhì)譜儀的數(shù)字控制器的框圖。
[0044]圖20是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有除氣加熱器的基板的立體圖。
[0045]圖21是用于根據(jù)本發(fā)明實施例的說明性質(zhì)譜儀的、具有加熱器轉(zhuǎn)變指示的、真空室壓力與時間的關(guān)系的圖表。
[0046]圖22示出根據(jù)本發(fā)明實施例的在加熱器激活后的0s、10s、20s、60s、300s以及600s時獲得的分析器板的熱圖像；熱范圍是30°C (黑)至60°C (白)。
[0047]圖23是用于根據(jù)本發(fā)明實施例的說明性質(zhì)譜儀的、微處理器命令電壓與每個透鏡驅(qū)動器的實際輸出的關(guān)系的圖表。
[0048]圖24是用于根據(jù)本發(fā)明實施例的說明性質(zhì)譜儀的系統(tǒng)壓力、離子泵電壓和離子泵電流與時間的關(guān)系的圖表。
[0049]圖25是在用于根據(jù)本發(fā)明實施例的說明性質(zhì)譜儀的真空系統(tǒng)分割后數(shù)分鐘內(nèi)的系統(tǒng)壓力、離子泵電壓以及離子泵電流的圖表。
[0050]圖26是根據(jù)本發(fā)明實施例的被拆卸的離子泵的板的照片；彩色沉積物可能是來自不銹鋼陽極的鉻。
[0051]圖27是由根據(jù)本發(fā)明實施例的說明性質(zhì)譜儀所捕獲的質(zhì)譜圖。
[0052]圖28是由根據(jù)本發(fā)明實施例的另一說明性質(zhì)譜儀所捕獲的空氣的質(zhì)譜圖。
[0053]圖29是表示利用具有活躍的靜電透鏡(上曲線)及禁用的靜電透鏡(下曲線)捕獲和使用由電子束生成的一大部分離子的值的質(zhì)譜圖。
[0054]圖30是根據(jù)本發(fā)明實施例的表示縮窄對離子束進行過濾的狹縫的效果的質(zhì)譜圖。諸如m/z27和26這樣的峰用較寬的狹縫是不可看見的(下曲線)，但用窄的狹縫是容易看見的(上曲線)。
[0055]圖31是示出用根據(jù)本發(fā)明實施例的說明性質(zhì)譜儀檢測新物種、一氧化二氮或N2O及其零碎組分NO的質(zhì)譜圖。
[0056]圖32是使用質(zhì)譜儀的電子源柵極(控制電極)生成能從信號中去掉以消除靜電計偏移及漂移痕跡所捕獲的質(zhì)譜圖。
【具體實施方式】
[0057]以下是與本發(fā)明的用于質(zhì)譜分析的系統(tǒng)、方法和裝置相關(guān)的各種概念和實施例的更詳細描述。應(yīng)理解，上面介紹的和下面更詳細討論的各種概念可以以多種方式中的任何方式實現(xiàn)，因為所公開的概念不局限于任何特定的實現(xiàn)方式。主要為了說明性目的提供特定實現(xiàn)及應(yīng)用的示例。
[0058]1.0質(zhì)譜分析綜述
[0059]存在質(zhì)譜儀的許多不同實現(xiàn)，并且配置一般取決于期望的應(yīng)用。然而，它們通常包括相同的基本功能塊:入口、離子源、質(zhì)量分析器、檢測器以及真空系統(tǒng)。進入入口的樣品被電離，通常利用電子束通過轟擊電離，然后用一個或多個電場和/或磁場按質(zhì)量分離，然后被分析以得到相對豐度。[0060]最后，質(zhì)譜儀的所有實現(xiàn)產(chǎn)生圖表，該圖表使被電離的樣品的組分的原子質(zhì)荷(m/z)比與每種組分的相對豐度相關(guān)。例如，對大氣樣品進行測量的質(zhì)譜儀將找出質(zhì)量為28、32,40和44的組分，并且有可能依賴于儀器的靈敏度而找出其它質(zhì)量的組分。這些質(zhì)量對應(yīng)于氮氣、氧氣、IS氣以及二氧化碳。質(zhì)譜儀輸出將對構(gòu)成大氣氣體70%的質(zhì)量為28的氮氣示出最高信號強度，然后對質(zhì)量為32的氧氣(大氣的22%)示出氮氣峰的信號強度的大約1/3，并且對氬氣和二氧化碳示出更低的信號強度。
[0061]依據(jù)應(yīng)用，通常將質(zhì)譜儀設(shè)計用于特定質(zhì)量范圍和分辨率。對為環(huán)境氣體監(jiān)測設(shè)計的儀器，質(zhì)量范圍可能是10至50AMU,或者對在蛋白質(zhì)分析中使用的儀器,質(zhì)量范圍可能是數(shù)萬AMU。質(zhì)譜儀經(jīng)常通過改變電場參數(shù)或磁場參數(shù)之一從頭至尾掃描此質(zhì)量范圍，以質(zhì)荷(m/z)比以及時間(不期望地)產(chǎn)生譜。該掃描將在質(zhì)量存在處產(chǎn)生信號強度的峰值。質(zhì)譜儀的分辨率由這些峰值有多窄來確定；一些質(zhì)譜儀僅可以分辨單位質(zhì)量，而一些質(zhì)譜儀可以分辨質(zhì)量的非常小的分數(shù)(例如，用于區(qū)分在同樣標稱單位質(zhì)量處出現(xiàn)的不同物種，如28.010處的一氧化碳以及28.0134處的氮氣)。峰通常由全寬半最大值(FWHM)測量表征；峰幅度一半處的峰寬度能夠幫助確定哪些質(zhì)量將是可見的。通常，產(chǎn)生較窄峰的質(zhì)譜儀具有比具有寬峰的那些質(zhì)譜儀更好的分辨能力。
[0062]圖1A示出示例性質(zhì)譜儀100的計算機輔助設(shè)計(CAD)模型的等距視圖，為說明目的該模型被示出為不具有真空外殼。除非特別注明，否則圖1A中所示的組件位于由真空外殼和真空法蘭170限定的真空室中。沿真空法蘭的表面延伸的真空外殼密封172防止泄露，這允許真空壓力達到le-5托(torr)或更小。入口 180延伸穿過真空法蘭170以允許引入用于分析的樣品。
[0063]質(zhì)譜儀100包括共享磁路110，共享磁路110由磁軛114內(nèi)的一個或多個磁體112構(gòu)成。磁軛140將磁通量來自磁體112耦合到兩個或更多個磁場區(qū)域Illa和Illb內(nèi)。第一區(qū)域Illa內(nèi)的離子泵(圖1A中顯示為集成的離子泵電極120)維持真空室內(nèi)的真空壓力，并且第二區(qū)域Illb中的扇形磁性質(zhì)量分析器130如本領(lǐng)域所了解那樣根據(jù)質(zhì)量分離被電離的樣品微粒。離子源104通過用來自電子源(未示出)的電子對通過入口 180進入的微粒進行電離，生成離子，離子被離子光學器件300準直。在磁性質(zhì)量分析器130—端的離子檢測器140生成隨由檢測器140收集的離子的數(shù)量變化的電流。
[0064]將質(zhì)量分析器130和離子檢測器140安裝在平面基板190上，平面基板190能夠由如下面描述的印刷電路板(PCB)材料制成，平面基板190還支撐轉(zhuǎn)換電路(高電壓電源)150?；?90經(jīng)由磁軛114安裝至真空法蘭170。具有本領(lǐng)域普通技術(shù)的人員將容易理解其它安裝配置也是可能的。
[0065]轉(zhuǎn)換電路150將來自外部電源的具有約1-36V (例如，12V)的輸入電壓轉(zhuǎn)換或增加至足夠高的電壓(例如，100V到5kV)，以對真空室內(nèi)包括電子源、離子源104、離子光學器件300以及離子檢測器140中的任意電極在內(nèi)的電極充電。轉(zhuǎn)換電路150可以經(jīng)由單個饋通(未示出)耦接至外部電源，該單個饋通具有相對低的介電強度(例如，等于或低于約36V或更小、等于或小于約24V、等于或小于約12V或等于或小于約9V的介電強度)。在至少一個實施例中，此低介電強度饋通是由真空法蘭170和真空外殼(未示出)限定的真空室的內(nèi)部和外部之間的唯一電連接。
[0066]圖1B示出適合于對圖1A的轉(zhuǎn)換電路150、真空外殼以及真空法蘭170使用的低介電強度饋通174。這樣的低介電強度饋通174能夠快速地且廉價地用環(huán)氧樹脂制成，且可以具有等于或小于約36V或更小的介電強度。為制造該饋通174，穿過真空外殼(例如，穿過真空法蘭170)鉆小孔，該孔朝真空側(cè)逐漸變細至直徑僅夠大至接受饋通線178，饋通線可以是裸露的或被涂有保形絕緣層(例如，磁體線)。線178被放置并用低排氣的環(huán)氧樹脂回填該孔，以形成環(huán)氧樹脂密封或栓塞176。在此配置中，環(huán)氧樹脂栓塞176遇到小的力；由于該孔主要地由線178填充且環(huán)氧樹脂176將線178保持就位，所以真空法蘭170或外殼仍承載符合。利用裸線或經(jīng)保形涂敷的線減少該線178和其絕緣層之間的真空泄露的變化，利用由單獨的護套隔絕的線可能發(fā)生該真空泄露。
[0067]由于甚至最有效的轉(zhuǎn)換電路150也以熱的形式耗散能量，所以將轉(zhuǎn)換電路150放置在真空室內(nèi)是有違直覺的。該熱提高該室中包括基板190在內(nèi)的其它組件的溫度。隨著其它組件升溫，它們可能釋放所吸收或吸附的氣體，這引起該室內(nèi)部的壓力上升，增加對離子泵120的負荷。
[0068]但是，將轉(zhuǎn)換電路150放置在真空室內(nèi)使得有可能消除通常是昂貴的和難于制造的高電壓電饋通。與低介電強度饋通不同，高電壓電饋通通常需要提供真空密封的電氣連接，該真空密封的電氣連接相對于真空外殼能夠承受數(shù)百或數(shù)千伏特且能夠在數(shù)百攝氏度下被烘烤。它們通常由可伐合金(Kovar)制造并被銅焊至陶瓷電介質(zhì)，陶瓷電介質(zhì)隨后被銅焊至不銹鋼外殼或配件(fitting)。
[0069]2.0質(zhì)譜儀的類型
[0070]存在許多不同類型的質(zhì)譜儀，通常由用于分離不同質(zhì)量的方法劃分不同類型的質(zhì)譜儀。這節(jié)簡略地覆蓋較簡單類型的質(zhì)譜儀中的一些類型，且盡管遠非接近全面，但是描述有被廉價地制造的可能的那些類型。
[0071]2.1質(zhì)量分析器的類型
[0072]扇形磁性質(zhì)譜儀(例如，圖1A中所示的質(zhì)量分析器130)產(chǎn)生質(zhì)量的空間分離。在此設(shè)計中，被電離的樣品在電場中加速并且被注入到具有垂直磁場的區(qū)域中。離子在磁場中的軌跡的曲率半徑正比于其質(zhì)量，反比于其電荷狀態(tài)。通過掃描電場并因此改變離子的動能或者通過掃描磁場并改變離子的軌跡，能夠分離并獨立地檢測各種質(zhì)量。存在此設(shè)計的許多變化，包括具有產(chǎn)生改進分辨率的分離的或結(jié)合的電場或磁場部分。
[0073]飛行時間質(zhì)譜儀是產(chǎn)生質(zhì)量的時間分離的另一設(shè)計。由固定電場將離子注入到漂移區(qū)域內(nèi)；最終離子速度中的分離且因此到達漂移區(qū)域遠端的時間正比于離子質(zhì)量。
[0074]四極質(zhì)譜儀使用與離子飛行路徑平行的兩對電極；通過使用一個電極對施加可變頻率RF場且在另一對電極上施加DC偏壓，并且為特定質(zhì)量調(diào)整RF場，在任何特定時間，僅一種質(zhì)量具有通過各場的穩(wěn)定軌跡。
[0075]—種類似的質(zhì)譜儀一 “離子阱質(zhì)譜儀” 一使用類似于四極質(zhì)譜儀的原理捕獲一定體積的離子云，并且選擇性地使特定質(zhì)量的軌道不穩(wěn)定。然后，從該離子體積中放出并測量不穩(wěn)定的質(zhì)量。
[0076]2.2離子源
[0077]質(zhì)量分析器通常依靠注入到質(zhì)譜分析儀中的被電離的樣品來正常工作。一旦樣品被電離，被電離的樣品分子(離子)就可以由電磁場操控和分離。
[0078]常見的離子源使用電子電離。在這類源中，將通常熱電子地生成的電子束瞄準氣體樣品內(nèi)。與樣品分子相互作用的電子從該樣品中去除電子，產(chǎn)生帶正電的樣品離子，但是，對于一些負電性的化學物種，負離子質(zhì)譜儀是實用的。
[0079]2.3檢測器
[0080]一旦樣品已經(jīng)被電離并按照質(zhì)量分離所生成的離子，就能夠用檢測器(例如，圖1A中的檢測器140)檢測離子。最簡單的檢測器是后面跟有高增益跨導(dǎo)放大器的法拉第杯。撞擊法拉第杯的離子產(chǎn)生微小但可測量的電流，然后放大并記錄該電流。然而，由于這些檢測器不提供本征增益，噪聲基底(noise floor)是放大器的噪聲基底。
[0081]3.0質(zhì)譜儀設(shè)計綜述
[0082]本文公開的小型質(zhì)譜儀的說明性的實施例可以具有簡單、強健的設(shè)計，其能夠不使用復(fù)雜的或勞動密集的制造技術(shù)制造。每種設(shè)計選擇可以涉及多個因素之間的權(quán)衡，在這些因素之中有性能、尺寸、重量、功耗、復(fù)雜性、制造容易度以及成本。這樣的設(shè)計可以是可使用自動化加工工具制造的。能夠通過創(chuàng)建依靠二維(2D)加工的平面設(shè)計進一步簡化制造；能夠通過堆疊多層經(jīng)2D加工的組件建立或近似第三維中的任何特征。去除二次加工操作能夠幫助去除額外的裝夾(fixturing)、時間以及浪費。因此，在至少一種情況下，該設(shè)計包含許多協(xié)同制備的特征。
[0083]在一個示例中，本發(fā)明的質(zhì)譜儀包括單個單元，該單個單元可以在具有用于進氣的端口、幾個低電壓電纜以及用于低真空泵的端口的簡單的圓柱形的真空室內(nèi)操作。這些端口可以用穿過真空室壁饋送的且嵌在環(huán)氧樹脂中的薄的導(dǎo)管或布線實現(xiàn)。
[0084]示例性質(zhì)譜儀能夠被設(shè)計具有想象中的多種潛在應(yīng)用，但多半具有常見的性能需求。例如，可能為具有足夠靈敏度的單位分辨率而設(shè)計和建造質(zhì)譜儀(即其能夠區(qū)分相距一個或多個整數(shù)質(zhì)量單位的離子)，以檢測在le-4帕(le-6托)的操作壓力下構(gòu)成分析氣體0.5%或以上的物種。質(zhì)譜儀還能夠在其上攜帶其自己的高真空泵；盡管比包括高真空泵和低真空泵的設(shè)計不那么通用，但是在成本、重量以及復(fù)雜性方面的大量節(jié)省可能是寶貴的。這種示例性質(zhì)譜儀也許能夠以低功耗和低維護費用長時間地獨立運行。
[0085]如果生產(chǎn)成本與現(xiàn)有商用儀器的生產(chǎn)成本相當(例如，數(shù)萬美元)，則提供此級別性能的儀器具有有限的效用。該質(zhì)譜儀能夠相當廉價(例如，1000美元的數(shù)量級)，使其適合于在新應(yīng)用中大規(guī)模部署。考慮到質(zhì)譜儀成本中的是制造的容易度和復(fù)雜性；困難的或需要技能的制造技術(shù)和/或大量的部件會使設(shè)計建造起來更昂貴。
[0086]使功耗最小化對特定應(yīng)用也是重要的。例如，符合上述規(guī)格的質(zhì)譜儀可能很適合于多種遠程應(yīng)用或便攜應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，質(zhì)譜儀能夠長時間段地耗掉電池、太陽能、風力或別的能源。
[0087]在一個實施例中，該小型質(zhì)譜儀是單聚焦、180度扇形磁性質(zhì)譜儀。扇形磁性質(zhì)譜儀能夠使用多層平面組件來構(gòu)造，這大大降低儀器的成本，因為大部分簡單的制造技術(shù)是二維的。所涉及的幾何形狀是簡單的且不需要高功率RF振蕩器或高速定時能力，四級質(zhì)譜儀或飛行時間質(zhì)譜儀的情況可能分別需要。其它質(zhì)譜儀類型(如離子阱型或傅里葉變換型)能夠在幾何形狀、功率或復(fù)雜性方面要求高。
[0088]一組永磁體和磁軛創(chuàng)建用于質(zhì)量分析器的磁場。利用釹鐵硼(NdFeB)磁體的現(xiàn)成可用性，這是顯而易見的選擇；對于小儀器而言，電磁體需要太多功率。此外，第二好處是可利用永磁體。通過為磁軛精心選擇極片(pole Piece)的尺寸，該設(shè)計能夠?qū)㈦x子泵加入封裝有分析器的相同磁路內(nèi)，因此節(jié)省復(fù)雜性、尺寸以及部件數(shù)量。扇形磁性分析器的長度可以是180°，通過將離子源和檢測器放置在儀器的同一側(cè)，使布局簡化并使設(shè)計尺寸最小化。在下面的章節(jié)中詳述該質(zhì)譜儀的每個子系統(tǒng)的設(shè)計。
[0089]在另一實施例中，上部和下部的質(zhì)量分析器包括扇形電場，將全部質(zhì)譜儀拓撲改變?yōu)槟釥?約翰遜型雙聚焦質(zhì)譜儀的拓撲，這可能不止使質(zhì)量分辨率加倍。
[0090]3.1真空系統(tǒng)設(shè)計
[0091]在操作期間，將離子飛行路徑的整個長度保持在高真空下，即在低于le-4帕(le-6托)的壓力下。在更高的壓力(更低的真空)下，離子的平均自由路徑變得太短而不足以使它們穿過飛行路徑的整個長度。此標準單獨需要使用具有非常緊公差的真空系統(tǒng)來降低泄漏率，以及使用能夠產(chǎn)生高真空的真空泵。
[0092]同時，質(zhì)譜儀的真空系統(tǒng)可能不得不應(yīng)對不斷涌入的氣體；從入口進入系統(tǒng)的氣體應(yīng)不斷被泵回或被捕獲，以免真空室壓力上升到不能接受的程度。因此，真空系統(tǒng)可能還包含能夠比入口泄漏率更快地泵浦的一個或多個真空泵。
[0093]在大多數(shù)質(zhì)譜儀中，真空系統(tǒng)是此設(shè)計的非常昂貴的部分。與典型儀器的成本相比較，真空系統(tǒng)可能不是全部成本的一大比例，但對于小型廉價設(shè)計而言，僅真空組件就可以輕易地主導(dǎo)預(yù)算。高真空組件，甚至標準配件，都是非常昂貴的。幾乎每個組件都是由加工的或成形的不銹鋼構(gòu)造，每個組件常常用焊接結(jié)制成。僅由于儀器的幾何形狀，質(zhì)譜儀通常使用定制的真空組件。例如，扇形磁性質(zhì)譜儀通常具有焊接至用于質(zhì)量分析器的高真空法蘭的、成型的、薄壁的、不銹鋼管焊接部。這通常是由于質(zhì)量分析器的飛行路徑應(yīng)嵌在磁體的磁極之間，并且間隙是異常標準尺寸。
[0094]此外，利用系統(tǒng)中用于每個電壓的一個饋通將電信號饋送到典型的質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)中或饋送出該質(zhì)譜儀真空系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀中，在真空系統(tǒng)內(nèi)的不同點，任何地方都可能存在五個到十個或更多個分離的電位。用于高電壓的饋通可能是特別昂貴的，因為它們由帶有陶瓷絕緣體和不銹鋼法蘭的銅焊可伐導(dǎo)體制成。由于使用多個饋通(包括高電壓饋通)的成本和復(fù)雜性，說明性質(zhì)譜儀可以被設(shè)計和建造為使用穿透真空室的少量(例如，一個或兩個)信號操作。
[0095]降低真空系統(tǒng)成本和復(fù)雜性的一個方式是減少所涉及的組件的數(shù)量。例如，小型質(zhì)譜儀能夠被設(shè)計為全部(包括磁體、功率及控制電子器件、高真空泵以及離子光學器件等等)安裝在具有IOOmm直徑和150mm長度的真空室中。示例性質(zhì)譜儀能夠安裝在單個真空法蘭上，全部電子信號以及進氣穿過該單個真空法蘭，因此為簡單起見，該真空室能夠包括IOOmm直徑的圓柱形管。實際上，能夠按照儀器的輪廓構(gòu)造簡單但更小的真空室，以減小尺寸和重量。
[0096]為了減少電氣饋通的數(shù)量，能夠數(shù)字化地處理數(shù)據(jù)，并且能夠在真空外殼內(nèi)由攜帶的控制系統(tǒng)生成控制信號。以此方式，該系統(tǒng)使用穿過真空室壁饋送的一個、兩個或三個低電壓電信號(例如，功率和一個或兩個數(shù)據(jù)線)。由于不需要高隔離，所以這些電氣線可以是嵌在低排氣環(huán)氧樹脂中的簡單長度的電纜。接地參考能夠是該室本身。
[0097]可替代地或此外，該系統(tǒng)可以能夠穿過真空室壁無線地傳輸數(shù)據(jù)(例如，經(jīng)由紅外信號或RF信道)，這使得僅用于功率的單獨電饋通是必要的。此外，該系統(tǒng)能夠感應(yīng)性供電(例如，經(jīng)由線圈環(huán)路天線)，這消除對連接真空室內(nèi)部和外部的饋通的任何需要。[0098]在另一示例中，該小型質(zhì)譜儀包含協(xié)同制備的離子泵，該離子泵被設(shè)計為使用與該質(zhì)量分析器使用的相同的永磁體和磁軛組件，以維持真空室內(nèi)的高真空。離子泵本身可能不足從大氣壓下將質(zhì)譜儀抽空，因此能夠設(shè)置裝有閥門的端口，以將該室粗泵吸至離子泵能夠啟動的點。該端口能夠與電饋通和入口安裝在相同的法蘭上。
[0099]3.2質(zhì)量分析器設(shè)計
[0100]質(zhì)譜儀的分辨率可能嚴重地取決于質(zhì)量分析器的設(shè)計。一般而言，磁場越強，曲率半徑越小。在一個示例中，質(zhì)譜儀中的質(zhì)量分析器是180°的扇形磁場，其具有23_的離子飛行中心線半徑。這部分地是實際考慮；可利用50mmX25mm的NdFeB磁體,而不需要定制制備，并且離子飛行半徑和磁體邊緣之間的一些空隙適應(yīng)由磁場的非線性導(dǎo)致的離子標稱圓形飛行中的任何缺陷。
[0101]選擇扇形長度為180°使得有可能提高相鄰質(zhì)量的離子束之間的空間分離，因為每個離子的飛行更多在該扇區(qū)中。其次，利用180°扇形，離子源和檢測器都位于質(zhì)量分析器的相同側(cè)，這導(dǎo)致更緊湊的設(shè)計和與設(shè)置磁軛相關(guān)的更少難題(如果有的話)。較大的儀器通常不享受此益處，因為較大的儀器具有用于離子源和檢測器的分離的真空隔室，并且因為這些儀器中的扇形長度通常受磁體的尺寸限制。
[0102]在場強和重量和成本之間存在權(quán)衡。在使用高級別(N52)釹鐵硼磁體時，使用永磁體的最大磁場強度在0.5T至IT的范圍內(nèi)。更高的場需要更多矯磁力、在平行于間隙的方向更多磁體厚度以及在磁體的返回路徑中更多的鐵。這能夠?qū)е赂睾透蟮脑O(shè)計。但是，更強的磁場，例如用鑰;坡曼德(vanadium permendur)磁軛或釹鐵硼磁體的海爾貝克陣列創(chuàng)造的磁場，提高低質(zhì)量處的分辨率，同時可實現(xiàn)的更高電壓保持上面的輕的質(zhì)量分辨率。
[0103]同樣，在分辨率和信號強度和成本之間存在權(quán)衡?？s窄過濾器狹縫引起更高的分辨率，但是更少的離子完成飛行，這造成檢測器增益和靈敏性變得更重要。此外，隨狹縫變得更窄，狹縫與離子束的軸線的對齊變得更關(guān)鍵，這引起更嚴格的公差和更高的成本。
[0104]一個說明性設(shè)計通過將狹縫與分析器的機架一起協(xié)同制備，消除對過濾器裝夾和對齊的需要。此外，狹縫本身安裝在對分析器的機架一體的褶曲部上，使得幾何形狀在裝配處是可變的；狹縫寬度可以改變，以改變在信號/分辨率曲線上的操作點。在一些情況下，促動器，如導(dǎo)螺桿、壓電組件或形狀記憶合金組件，主動地改變狹縫寬度，例如響應(yīng)于校準、操作或校準和操作期間的反饋改變狹縫寬度。
[0105]圖1C示出圖1A的磁軛114的計算機輔助設(shè)計(CAD)模型。其能夠由1008軟鋼制成且將一對50 X 50 X IOmm的N52釹鐵硼磁體112容納在扇形磁性質(zhì)量分析器130中。在一個實施例中，磁軛114的橫截面從每個磁體112的前緣增加至每個磁體112的尾緣處25 X 50mm。包括磁體112的磁軛質(zhì)量大致是1.4kg。磁軛114還包含用于安裝的特征；返回路徑中的一對孔允許將磁體(其本身是質(zhì)譜儀最重的部分)用螺栓連接至真空法蘭。
[0106]如圖1C中所示，磁軛114的橫截面在磁體外可以大致恒定。在磁體112的尾面和磁軛114之間留有IOmm的間隙，以避免使磁體112短接。極面之間的間隙是10mm，這大致是與磁體厚度相同的空氣間隙。此配置產(chǎn)生從極面的邊緣處大致0.6T到中心處約0.8T范圍的磁場。此磁場的不均勻性會引起離子束的軌跡誤差以及較低的分辨率。
[0107]圖1D示出適合于將一個或多個磁體212在質(zhì)量分析器130周圍保持就位的可替代磁軛214。磁軛214將由磁體212生成的磁通量引導(dǎo)到具有不同場強的兩個場區(qū)域211a和211b中。離子泵120置于第一場區(qū)域211a內(nèi)，第一場區(qū)域211a可以具有約0.1T的強度，并且質(zhì)量分析器130位于第二場區(qū)域211b內(nèi)，第二場區(qū)域211b可以具有約0.7T的強度。
[0108]若給定場強和離子飛行半徑，則計算離子能量的范圍并因此計算運行質(zhì)譜掃描所需的離子加速電位是簡單的事情。首先是力平衡:在質(zhì)量分析器中，將離子保持在圓形軌跡上所需的力等于離子的質(zhì)量乘以向心加速度，并且由于離子的電荷和所施加的磁場的原因，該力由洛倫茲力提供，qvBsin Θ = mv2/r
[0109]其中，B是磁場強度，單位為特斯拉；v是離子速度，單位是m/s ； Θ是離子束平面與磁場之間的角度，單位為弧度；m是離子質(zhì)量，單位是kg ^是元電荷，單位為C ;并且r是離子曲率半徑，單位為m。
[0110]速度給出加速離子所需的電壓范圍。最終離子速度，即離子在其離開離子源進入分析器中時的速度，正比于離子源中跨越電極的電壓E，
[0111]
【權(quán)利要求】
1.一種質(zhì)譜儀，包括: (A)真空外殼，限定支持約10_5mmHg或更小的真空的真空室； (B)電極，布置在所述真空室中且配置為被充電至電極電位，以控制穿過所述真空室傳播的帶電微粒的加速； (C)轉(zhuǎn)換電路，布置在所述真空室中，以轉(zhuǎn)換來自所述真空室的外部的功率源的輸入電壓，以便為所述電極提供所述電極電位； (D)饋通，具有小于或等于約36V的介電強度，以提供所述轉(zhuǎn)換電路和所述功率源之間的電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其中，所述帶電微粒是電子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)譜儀，進一步包括: (E)電子源，布置在所述真空室中，以提供所述電子； (F)陰極，用于排斥所述電子；以及 (G)陽極，來自所述電子源與所述電極相對布置，以朝向要分析的分析物微粒加速所述電子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的質(zhì)譜儀，其中，所述轉(zhuǎn)換電路進一步配置為提供: (i)用于所述陽極的大約IOOV至大約5kV的陽極電位；以及` (ii)用于所述陰極的在所述陽極電位以下大約70V的陰極電位， 其中，所述電極電位在所述陽極電位以下大約OV和大約140V之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)譜儀，進一步包括: (H)控制電子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述轉(zhuǎn)換電路，以改變所述電極電位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其中，所述轉(zhuǎn)換電路配置為將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換為所述電極電位，所述輸入電壓具有大約IV至大約36V的第一值，所述電極電位具有大約100V至大約5kV的第二值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其中，所述饋通是所述真空室的內(nèi)部和外部之間的唯一電連接。
8.一種質(zhì)譜分析方法，包括: (A)提供被抽空至約10_5mmHg或更小的壓力的真空室； (B)接收來自所述真空室外部的功率源的輸入電壓； (C)用布置在所述真空室內(nèi)的轉(zhuǎn)換電路將所述輸入電壓轉(zhuǎn)換為電極電位； (D)將所述真空室內(nèi)的電極充電至所述電極電位；以及 (E)用在(D)中充電的所述電極加速所述真空室中的帶電微粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述輸入電壓是大約3V至大約36V，所述電極電位是大約100V至大約5kV。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述帶電微粒是電子，并且其中(E)進一步包括: (El)改變所述電極電位以控制所述電子的加速。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，(El)包括: 用布置在所述真空室中的電子組件控制所述電極電位。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述帶電微粒是經(jīng)電離的分析物微粒，并且進一步包括: (F)根據(jù)所述帶電微粒的加速，確定所述經(jīng)電離的分析物微粒的質(zhì)量。
13.一種質(zhì)譜儀，包括: (A)真空外殼，限定真空室； (B)磁軛中的磁體，用于生成在第一區(qū)域中具有第一強度以及在第二區(qū)域中具有第二強度的磁場； (C)離子泵，被放置為在所述第一區(qū)域中，以維持所述真空室的真空壓力； (D)質(zhì)量分析器，被放置為在所述第二區(qū)域中，以確定穿過所述真空室傳播的經(jīng)電離的分析物微粒的質(zhì)量； (E)控制電極，布置在所述真空室中，以控制使所述分析物微粒電離的電子的加速；以及 (F)轉(zhuǎn)換電路，布置在所述真空室中，以向所述離子泵、所述控制電極和/或所述質(zhì)量分析器提供經(jīng)轉(zhuǎn)換的電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，其中，所述磁軛中的所述磁體被配置為使得在生成所述磁場時，所述第一強度是大約0.1特斯拉，所述第二強度是大約0.7特斯拉。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，其中，所述質(zhì)量分析器是扇形磁性分析器。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，進一步包括: (G)控制電子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述轉(zhuǎn)換電路，以改變所述控制電極的電位。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，進一步包括: (H)信號處理電子器件，布置在所述真空室中且配置為由所述轉(zhuǎn)換電路供電，以處理由所述質(zhì)量分析器提供的信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，進一步包括: (I)電子源，布置在所述真空室中，以提供所述電子； (J)陰極，排斥所述電子；以及 (K)陽極，來自所述電子源與所述電極相對布置，以朝向所述分析物微粒加速所述電子。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的質(zhì)譜儀，其中，所述轉(zhuǎn)換電路進一步配置為提供: (i)用于所述陽極的大約IOOV至大約5kV的陽極電位； (ii)用于所述陰極的在所述陽極電位以下大約70V的陰極電位；以及 (iii)用于所述控制電極的在所述陽極電位以下大約OV和大約140V的控制電位。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的質(zhì)譜儀，其中，所述轉(zhuǎn)換電路配置為根據(jù)輸入電壓提供所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的電壓，所述經(jīng)轉(zhuǎn)換的電壓具有大約100V至大約5kV的第一值，所述輸入電壓具有大約IV至大約36V的第二值。
【文檔編號】H01J49/00GK103608894SQ201280018473
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年2月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年2月14日
【發(fā)明者】伊恩·W·亨特, 布萊恩·D·埃蒙, 哈羅德·F·埃蒙 申請人:麻省理工學院