一種平面離子阱質(zhì)量分析器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種平面離子阱質(zhì)量分析器。所述質(zhì)量分析器包括相對(duì)設(shè)置的2組導(dǎo)電板，其中一側(cè)的導(dǎo)電板為直流電極板，另一側(cè)的導(dǎo)電板包括中央接地電極、2個(gè)射頻電極和若干個(gè)直流控制電極；所述中央接地電極、所述射頻電極和所述直流控制電極位于同一平面內(nèi)，且所述射頻電極位于所述中央接地電極的兩側(cè)，所述直流控制電極位于所述射頻電極的外側(cè)；所述中央接地電極與所述射頻電極之間、所述射頻電極與所述直流控制電極之間以及所述直流控制電極之間均設(shè)有絕緣空隙。本發(fā)明在制造時(shí)所采用的技術(shù)成熟可靠，成本低廉，尤其是在大批量制作時(shí)，其成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。本發(fā)明在樣品設(shè)計(jì)和模具制造時(shí)采用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，較傳統(tǒng)手工方式更加簡(jiǎn)便快捷，快速直觀。
【專利說(shuō)明】一種平面離子阱質(zhì)量分析器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種質(zhì)譜儀中的質(zhì)量分析裝置，具體涉及一種平面離子阱質(zhì)量分析器。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)譜儀是一種測(cè)定物質(zhì)質(zhì)荷比的工具，使用時(shí)具有靈敏、快速及準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，在科學(xué)研究、食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、公眾安全等眾多領(lǐng)域中起著非常重要的作用。質(zhì)譜儀的便攜化是其發(fā)展的一個(gè)重要方向，其小型化和快速在線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)未知物質(zhì)的能力將大大擴(kuò)展它的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。質(zhì)量分析裝置作為質(zhì)譜儀的核心部分在便攜化的發(fā)展中使用較多的主要有兩種:四極桿質(zhì)量分析器和離子阱質(zhì)量分析器。四極桿分析器定量能力好，預(yù)真空時(shí)間短，對(duì)工作真空度的要求較低，能夠在較高氣壓下工作，但是也存在定性能力不足的缺點(diǎn)。而離子阱分析器則可以做時(shí)間串級(jí)質(zhì)譜，即使在復(fù)雜混合物中也可識(shí)別特殊的化合物，具有較高的選擇性和靈敏度。四極桿質(zhì)量分析器和離子阱質(zhì)量分析器各自的特點(diǎn)相互補(bǔ)充，很好的滿足了質(zhì)譜儀便攜化對(duì)于質(zhì)量分析裝置的要求。平板型離子阱質(zhì)量分析器的提出兼顧了性能和加工成本等因素，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]復(fù)旦大學(xué)的丁傳凡申請(qǐng)的專利(CN 1585081)“用印刷電路板構(gòu)建的離子阱質(zhì)量分析儀”提出了一種用普通印刷線路板(Printed Circuit Boards, PCB)制造的離子講,該離子阱由兩個(gè)不銹鋼薄板電極和四個(gè)鍍金PCB平板電極組成。
[0004]上海華質(zhì)生物技術(shù)有限公司的潘鑫淵等人申請(qǐng)的專利(CN 101599410) “一種平板線型離子阱”提出了一種平板線型的離子阱結(jié)構(gòu)，這種離子阱結(jié)構(gòu)較PCB版更為簡(jiǎn)單，但是對(duì)裝配精度的要求較高，制造和裝配誤差對(duì)離子傳輸效率和離子損耗影響有著較大的影響。
[0005]因此針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種更為簡(jiǎn)化的平面離子阱質(zhì)量分析器，在保證性能的前提下，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，裝配容易等優(yōu)點(diǎn)，在便攜式質(zhì)譜儀中有很大的應(yīng)用潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種平面離子阱質(zhì)量分析器，本發(fā)明通過(guò)一種更為簡(jiǎn)化的平面離子阱解決了一般離子阱遇到的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，裝配精度要求高的問(wèn)題。
[0007]本發(fā)明提供的一種平面離子阱質(zhì)量分析器，它包括相對(duì)設(shè)置的2組導(dǎo)電板，其中一側(cè)的導(dǎo)電板為直流電極板，另一側(cè)的導(dǎo)電板包括中央接地電極、2個(gè)射頻電極和若干個(gè)直流控制電極；
[0008]所述中央接地電極、所述射頻電極和所述直流控制電極位于同一平面內(nèi)，且所述射頻電極位于所述中央接地電極的兩側(cè)，所述直流控制電極位于所述射頻電極的外側(cè)；所述中央接地電極與所述射頻電極之間、所述射頻電極與所述直流控制電極之間以及所述直流控制電極之間均設(shè)有絕緣空隙。[0009]上述的質(zhì)量分析器中，2組所述導(dǎo)電板的大小相等，且在豎直平面內(nèi)其邊緣對(duì)齊；
[0010]2個(gè)所述射頻電極的長(zhǎng)度和寬度均相等；
[0011]2個(gè)所述射頻電極與所述中央接地電極的距離相等；
[0012]所述射頻電極與所述直流控制電極的距離相等。
[0013]上述的質(zhì)量分析器中，2組所述導(dǎo)電板之間的距離可為0.1?10cm。
[0014]上述的質(zhì)量分析器中，所述直流控制電極的縱向與所述射頻電極的縱向在同一平面內(nèi)相互垂直。
[0015]上述的質(zhì)量分析器中，所述中央接地電極的縱向與所述射頻電極的縱向在同一平面內(nèi)相互垂直。
[0016]本發(fā)明還進(jìn)一步提供了上述平面離子阱質(zhì)量分析器的制造方法，包括如下步驟:
[0017](I)使用計(jì)算機(jī)軟件I模擬所述平面離子阱質(zhì)量分析器內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu)以確定所述平面離子阱的尺寸；
[0018](2)使用計(jì)算機(jī)軟件II輔助設(shè)計(jì)所述平面離子阱質(zhì)量分析器的各組成部件:所述直流電極板、所述中央接地電極、所述射頻電極和所述直流控制電極；并得到所述各部件的模擬圖和設(shè)計(jì)圖；
[0019](3)根據(jù)所述模擬圖和設(shè)計(jì)圖，制作所述各部件，并對(duì)所述各部件進(jìn)行二次加工；
[0020](4)根據(jù)所述設(shè)計(jì)圖，組裝所述各部件即得到所述平面離子阱質(zhì)量分析器。
[0021]上述的方法中，步驟(I)中，所述計(jì)算機(jī)軟件I可為SMION、ITS頂或ISIS ；
[0022]步驟(2)中，所述計(jì)算機(jī)軟件II可為 AutoCAD、Autodesk Inventor 或 Solidworks。
[0023]上述的方法中，步驟(3)中，采用CNC (Computer numerical control)數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)、快速成型技術(shù)、注塑成型技術(shù)、光刻蝕技術(shù)、真空鑄造技術(shù)、3D打印技術(shù)或MEMS微機(jī)電加工技術(shù)制作所述各部件。
[0024]所述方法還包括將所述各部件的實(shí)物樣品與所述各部件的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比，然后對(duì)所述各部件的實(shí)物樣品進(jìn)行修改的步驟。
[0025]上述的方法中，步驟(3)中，所述二次加工可為絲印、移印、燙印、水轉(zhuǎn)印、超聲波焊接、噴涂或電鍍。
[0026]上述的方法中，制作所述各部件的材質(zhì)可為銅、鋼材、塑料或橡膠，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂(PET)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS樹脂)等。
[0027]本發(fā)明還提供了一種平面離子阱質(zhì)量分析器陣列系統(tǒng)，由若干個(gè)所述平面離子阱質(zhì)量分析器組成，所述平面離子阱質(zhì)量分析器之間的距離和位置關(guān)系可根據(jù)具體使用要求進(jìn)行確定。
[0028]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0029]1、傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀不規(guī)則，加工困難，本發(fā)明因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配容易，在便攜式質(zhì)譜儀中有很好的應(yīng)用前景。
[0030]2、本發(fā)明在制造時(shí)所采用的技術(shù)成熟可靠，成本低廉，尤其是在大批量制作時(shí)，其成本優(yōu)勢(shì)非常明顯。
[0031]3、本發(fā)明在樣品設(shè)計(jì)和模具制造時(shí)采用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，較傳統(tǒng)手工方式更加簡(jiǎn)便快捷，快速直觀?！緦＠綀D】

【附圖說(shuō)明】[0032]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的平面離子阱質(zhì)量分析器的主視圖；[0033]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中兩段電極板之間的電場(chǎng)等勢(shì)線，其中黑色虛線中間部分為 離子囚禁區(qū)域?！揪唧w實(shí)施方式】[0034]下述實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)方法如無(wú)特殊說(shuō)明，均為常規(guī)方法。[0035]下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無(wú)特殊說(shuō)明，均可從商業(yè)途徑得到。[0036]下述實(shí)施例中所涉及到的絕緣空隙的絕緣能力和電磁參數(shù)，若無(wú)特殊說(shuō)明均性能—致。[0037]本發(fā)明以平面離子阱為例結(jié)合【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的具體實(shí)施步驟和方法，根據(jù)本發(fā) 明的原理和方法也可以用其他材料制造本發(fā)明的質(zhì)量分析器。[0038]圖1為平面離子阱結(jié)構(gòu)電腦設(shè)計(jì)圖。[0039]如圖1所示，本實(shí)施例提供的平面離子阱質(zhì)量分析器由上下兩部分組成:[0040]直流電極1、中央接地電極2、射頻電極3和4、兩組直流控制電極5和6、左側(cè)第一 直流控制電極7、左側(cè)第二直流控制電極8，左側(cè)第三直流控制電極9、右側(cè)第一直流控制電 極10、右側(cè)第二直流控制電極11和為右側(cè)第三直流控制電極12。[0041]另外，圖1中13表示囚禁粒子，a為中央接地電極的寬度，b為射頻電極的寬度，g 為兩組導(dǎo)電板之間的距離，X，Y, Z標(biāo)示箭頭為離子阱三維空間結(jié)構(gòu)坐標(biāo)軸。[0042]圖1中各電極間的位置關(guān)系如下:中央接地電極2與射頻電極3和4的尺寸大小 一致，材質(zhì)相同，縱方向在同一平面內(nèi)平行，射頻電極3和4與中央接地電極2的距離相等， 中間有絕緣空隙。直流控制電極7、8和9相互之間縱方向在同一平面內(nèi)平行并且相互之間 間隔距離相等，中間有絕緣空隙。直流控制電極7、8和9縱方向與射頻電極縱方向在同一 平面內(nèi)垂直并且橫方向與射頻電極3之間距離均相等，中間有絕緣空隙。同理，直流控制電 極10、11和12相互之間縱方向在同一平面內(nèi)平行并且相互之間間隔距離相等，中間有絕緣 空隙。直流控制電極10、11和12縱方向與射頻電極縱方向在同一平面內(nèi)垂直并且橫方向 與射頻電極4之間距離均相等，中間有絕緣空隙。以上直流控制電極7、8、9、10、11和12的 尺寸大小相等，材質(zhì)相同，制作時(shí)可采用為銅或鋼材，也可為塑料或橡膠，如聚甲基丙烯酸 甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇脂(PET)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS 樹脂)等。[0043]本發(fā)明所述平面離子阱工作時(shí)，中央接地電極2接地，兩邊射頻電極3和4接電 壓，頻率和位相都相同的射頻電壓。離子入射后，由射頻電壓形成的電場(chǎng)作用將其囚禁在離 子阱中，即圖2中黑色虛線所框的區(qū)域內(nèi)(X-Y平面)，直流控制電極7、8、9、10、11和12所 加電壓用來(lái)調(diào)整囚禁離子在Z方向的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)不同的使用需求，通過(guò)調(diào)整射 頻電極上的頻率，電壓或波形等參數(shù)可以使離子按相應(yīng)模式從離子阱中出射到檢測(cè)器中進(jìn) 行檢測(cè)。[0044]下面以注塑成型技術(shù)制作平面離子阱質(zhì)量分析器為例說(shuō)明本發(fā)明平面離子阱的 制作步驟:[0045](I)依據(jù)使用要求，使用計(jì)算機(jī)軟件Simon模擬平面離子阱質(zhì)量分析器內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu)以確定該平面離子阱各電極的尺寸和相對(duì)位置關(guān)系等參數(shù)。
[0046](2)依據(jù)電場(chǎng)模擬后確定的離子阱參數(shù)，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD分別設(shè)計(jì)各部分電極的3D模擬模型，并得到各部分的設(shè)計(jì)圖。
[0047](3)根據(jù)上述得到的各部分的設(shè)計(jì)圖，使用CAM軟件將AutoCAD設(shè)計(jì)圖文件轉(zhuǎn)換為控制數(shù)控機(jī)床使用的G代碼控制程序。
[0048](4)將G代碼控制程序輸入數(shù)控機(jī)床，使其制作離子阱各部分電極樣品的實(shí)物。
[0049](5)對(duì)比離子阱各部分的設(shè)計(jì)圖紙和上述制作的樣品實(shí)物，提出修改意見(jiàn)。
[0050](6)根據(jù)修改意見(jiàn)，使用數(shù)控機(jī)床對(duì)上述制作的樣品實(shí)物進(jìn)行修改最后得到該離子阱電極的最終實(shí)物樣品。
[0051](7)根據(jù)上述得到的各部分的最終實(shí)物樣品得到離子阱的設(shè)計(jì)圖，使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)離子阱的相應(yīng)模具，并給出模具設(shè)計(jì)圖紙。
[0052](8)根據(jù)模具設(shè)計(jì)圖紙，制作模具的具體步驟如下:1)通過(guò)電腦CNC (ComputerNumerical Control)加工銅料,再用電火花放電制作模前模具；2)把步驟I)中制作好的模前模具，放進(jìn)能注塑的模架上，即得到模具的上半部分，簡(jiǎn)稱前模；3)模具的另一半的加工步驟也類似，也是經(jīng)過(guò)電腦CNC加工銅料，經(jīng)過(guò)電火花放電后做出模具的另一部分模前模具；4)把步驟3)中制作好的模前模具，放進(jìn)能注塑的模架上，即得到模具的下半部分，簡(jiǎn)稱后模；5)將前模和后模合并組成一套能注塑的模具。
[0053](9)利用注塑成型，使用制作的模具生產(chǎn)離子阱質(zhì)量分析器的電極部件，材質(zhì)為ABS樹脂。
[0054](10)使用電鍍技術(shù)分別給上述得到的離子阱質(zhì)量分析器的四部分鍍金。
[0055](11)將電鍍完畢后的各部分電極零件組裝成為一個(gè)完整的離子阱質(zhì)量分析器即可。
[0056]本發(fā)明上述實(shí)施例主要是介紹了單通道平面離子阱的制作和工作情況，事實(shí)上使用多個(gè)本發(fā)明所述平面離子阱也可以組合在一起組成多通道的平面離子阱陣列系統(tǒng)，該陣列系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)單通道平面離子阱的所有功能，還可以在離子傳輸和質(zhì)量分析效率方面有較大的提高。另外，由于單通道平面離子阱的成本并不高，因此組成的陣列系統(tǒng)也可以較低廉的成本完成。
[0057]上述實(shí)施例僅用以說(shuō)明而非限制本發(fā)明的技術(shù)方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的專利申請(qǐng)范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種平面離子阱質(zhì)量分析器，其特征在于:所述質(zhì)量分析器包括相對(duì)設(shè)置的2組導(dǎo)電板，其中一側(cè)的導(dǎo)電板為直流電極板，另一 側(cè)的導(dǎo)電板包括中央接地電極、2個(gè)射頻電極和若干個(gè)直流控制電極；所述中央接地電極、所述射頻電極和所述直流控制電極位于同一平面內(nèi)，且所述射頻 電極位于所述中央接地電極的兩側(cè)，所述直流控制電極位于所述射頻電極的外側(cè)；所述中 央接地電極與所述射頻電極之間、所述射頻電極與所述直流控制電極之間以及所述直流控 制電極之間均設(shè)有絕緣空隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)量分析器，其特征在于:2組所述導(dǎo)電板的大小相等，且在 豎直平面內(nèi)其邊緣對(duì)齊；2個(gè)所述射頻電極的長(zhǎng)度和寬度均相等；2個(gè)所述射頻電極與所述中央接地電極的距離相等；所述射頻電極與所述直流控制電極的距離相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的質(zhì)量分析器，其特征在于:2組所述導(dǎo)電板之間的距離為0.1 ?10cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的質(zhì)量分析器，其特征在于:所述直流控制電極的 縱向與所述射頻電極的縱向在同一平面內(nèi)相互垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的質(zhì)量分析器，其特征在于:所述中央接地電極的 縱向與所述射頻電極的縱向在同一平面內(nèi)相互垂直。
6.權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述平面離子阱質(zhì)量分析器的制造方法，包括如下步驟:(1)使用計(jì)算機(jī)軟件I模擬所述平面離子阱質(zhì)量分析器內(nèi)部電場(chǎng)結(jié)構(gòu)以確定所述平面 離子阱的尺寸；(2)使用計(jì)算機(jī)軟件II輔助設(shè)計(jì)所述平面離子阱質(zhì)量分析器的各組成部件:所述直流 電極板、所述中央接地電極、所述射頻電極和所述直流控制電極；并得到所述各部件的模擬 圖和設(shè)計(jì)圖；(3)根據(jù)所述模擬圖和設(shè)計(jì)圖，制作所述各部件，并對(duì)所述各部件進(jìn)行二次加工；(4)根據(jù)所述設(shè)計(jì)圖，組裝所述各部件即得到所述平面離子阱質(zhì)量分析器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:步驟(I)中，所述計(jì)算機(jī)軟件I為 SIMION, ITS頂或 ISIS ；步驟(2)中，所述計(jì)算機(jī)軟件 II 為 AutoCAD、Autodesk Inventor 或 Solidworks。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于:步驟(3)中，采用數(shù)控機(jī)床制造技術(shù)、 快速成型技術(shù)、注塑成型技術(shù)、光刻蝕技術(shù)、真空鑄造技術(shù)、3D打印技術(shù)或MEMS微機(jī)電加工 技術(shù)制作所述各部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于:步驟(3)中，所述二次加工為 絲印、移印、燙印、水轉(zhuǎn)印、超聲波焊接、噴涂或電鍍。制作所述各部件的材質(zhì)為銅、鋼材、塑料或橡膠。
10.一種平面離子阱質(zhì)量分析器陣列系統(tǒng)，由若干個(gè)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述平面 離子阱質(zhì)量分析器組成。
【文檔編號(hào)】H01J9/00GK103606509SQ201310526923
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】聶宗秀, 張碩, 張寧, 熊彩僑, 占鈴鵬, 田晶 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所