用于質(zhì)譜儀的離子導(dǎo)引裝置及碰撞反應(yīng)池的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種用于質(zhì)譜儀的離子導(dǎo)引裝置及碰撞反應(yīng)池，離子導(dǎo)引裝置包括具有中央通孔的第一絕緣座、具有中央通孔的第二絕緣座以及連接于第一絕緣座和第二絕緣座之間的四根電極桿。四根電極桿圍成的空間為離子通道，電極桿形狀是彎曲的。本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置，可同時(shí)消除離子、中性分子和光子產(chǎn)生的干擾，并具有質(zhì)量區(qū)分效果好、離子碰撞效率高的特點(diǎn)。
【專利說明】用于質(zhì)譜儀的離子導(dǎo)引裝置及碰撞反應(yīng)池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于質(zhì)譜儀的離子導(dǎo)引裝置及碰撞反應(yīng)池。
【背景技術(shù)】
[0002]采用ICP-MS (電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)測定痕量元素或同位素比值時(shí)，多原子質(zhì)譜干擾影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為消除這種干擾，目前常用的技術(shù)手段是引入碰撞反應(yīng)池。碰撞反應(yīng)池是設(shè)置在離子透鏡和質(zhì)量分析器之間的一種桶形裝置，包括碰撞室，碰撞室內(nèi)部充入一種碰撞或反應(yīng)性氣體，維持在比周圍真空腔內(nèi)壓力稍高的增壓狀態(tài)。當(dāng)離子束穿過碰撞室時(shí)，多原子干擾離子與氣體發(fā)生碰撞或反應(yīng)，動能降低或質(zhì)量數(shù)發(fā)生變化，通過動能區(qū)分(KED)或質(zhì)量區(qū)分(MD)與分析離子分開。
[0003]為束縛尚子在碰撞室內(nèi)的運(yùn)動軌跡，碰撞室內(nèi)需有一連接尚子出入口的尚子導(dǎo)引裝置。對離子導(dǎo)引內(nèi)的電場分布做多極展開，其中起質(zhì)量分辨作用的是四極場，其余統(tǒng)稱為高階場。相應(yīng)地，傳統(tǒng)的離子導(dǎo)引裝置通常為產(chǎn)生四極場的四極桿裝置、產(chǎn)生高階場的六極桿或八極桿裝置。四極桿裝置使用四根電極桿，質(zhì)量區(qū)分效果最好，但離子傳輸效率弱于六極桿或八極桿裝置。傳統(tǒng)的離子導(dǎo)引裝置包括四根、六根或八根截面呈圓形的直桿狀的電極桿傳統(tǒng)的直桿式離子導(dǎo)引裝置因?yàn)殡x子入口正對著離子出口，在傳輸離子的同時(shí)，中性分子和光子也有可能穿過導(dǎo)引裝置，不能有效地消除由中性分子和光子造成的干擾。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的一個(gè)目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、具有質(zhì)量區(qū)分功能并能消除中性分子和光子干擾的四極桿式離子導(dǎo)引裝置；
[0005]本實(shí)用新型的另一個(gè)目的在于提供一種安裝有本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置的碰撞反應(yīng)池。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0007]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供一種用于質(zhì)譜儀的離子導(dǎo)引裝置，包括具有中央通孔的第一絕緣座、具有中央通孔的第二絕緣座以及連接于所述第一絕緣座和第二絕緣座之間的四根電極桿。所述四根電極桿圍成的空間為離子通道，所述電極桿的形狀是彎曲的。
[0008]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，所述電極桿具有弧形段。
[0009]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，所述電極桿的弧形段對應(yīng)的圓心角為30°?150。，優(yōu)選為90°。
[0010]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，所述電極桿的截面呈矩形或梯形或臺階形狀。
[0011]根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)方面，本實(shí)用新型提供一種碰撞反應(yīng)池，包括碰撞室和離子導(dǎo)引裝置，所述碰撞室具有兩個(gè)供離子進(jìn)出的離子出入口，所述離子導(dǎo)引裝置位于碰撞室內(nèi)，用于傳輸離子其特征在于，所述離子導(dǎo)引裝置是本實(shí)用新型所述的離子導(dǎo)引裝置。
[0012]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，所述碰撞室呈中空長方體形狀。[0013]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，所述碰撞室為橫截面呈扇形的中空扇形體形狀。
[0014]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，所述碰撞室具有一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口。
[0015]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式，在兩個(gè)所述離子進(jìn)出口分別設(shè)置有離子透鏡。
[0016]由上述技術(shù)方案可知，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于:
[0017]本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置由四根彎曲的電極桿組成，中性分子和光子不受電極桿電場的導(dǎo)引作用，不能通過彎曲的四極桿。因此彎曲四極桿不僅質(zhì)量區(qū)分效果好，結(jié)構(gòu)相對簡單，且可以消除由中性分子和光子造成的干擾。
[0018]進(jìn)一步地，電極桿的截面呈矩形、梯形或臺階狀等易于加工的形狀，通過理論研究可以知道，這些截面的電極桿產(chǎn)生的電場中不但含有四極場的成分，而且還含有六極場與八極場這些高階場的成分。含有高階場成分的電場能夠誘導(dǎo)離子產(chǎn)生非線性共振，從而提高離子的碰撞效率。因此，本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置質(zhì)量區(qū)分效果好，離子碰撞效率高，且能消除中性分子和光子干擾。
[0019]通過以下參照附圖對優(yōu)選實(shí)施方式的說明，本實(shí)用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】[0020]圖[0021]圖[0022]圖[0023] 圖[0024]圖[0025]圖[0026]圖[0027]圖[0028]圖[0029]圖1是本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
2是本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置從另一角度看的立體結(jié)構(gòu)示意圖；3是本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置的主視圖；
4是圖3的俯視圖；
5是圖3的左視圖；
6A是本實(shí)用新型碰撞反應(yīng)池第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
6B是圖6A中沿著B-B線取的剖視圖；
7是本實(shí)用新型碰撞反應(yīng)池中離子運(yùn)動模擬效果圖；
8A是本實(shí)用新型碰撞反應(yīng)池第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
8B是是圖8A中沿著C-C線取的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實(shí)施方式只用于舉例說明，并不用于限制本實(shí)用新型。
[0031]離子導(dǎo)引裝置
[0032]如圖1至圖5所示，本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置包括第一絕緣座1、第二絕緣座2以及四根電極桿3。
[0033]第一絕緣座I可以采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其具有中央通孔，以供離子通過。
[0034]第二絕緣座2可以采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其具有中央通孔，以供離子通過。
[0035]四根電極桿3的一端分別連接于第一絕緣座1，并彼此絕緣；四根電極桿3的另一端分別連接于第二絕緣座2，并彼此絕緣。四根電極桿3在第一絕緣座I和第二絕緣座2之間均勻分布，且四根電極桿3圍成的空間為離子通道。[0036]本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置中，電極桿3的截面呈矩形。矩形截面的電極桿產(chǎn)生的電場中不但含有四極場的成分，而且還含有六極場與八極場這些高階場的成分，含有高階場成分的電場能夠提高讓離子產(chǎn)生非線性共振，從而提高離子的碰撞效率。
[0037]如圖1、圖2和圖4所示，本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置中，電極桿3整體呈弧形，例如弧形電極桿3對應(yīng)的圓心角A為90°，該圓心角A在30°?150°范圍內(nèi)均是可行的。電極桿3上也可以只有部分呈弧形，從而形成弧形段，相應(yīng)地，圓心角A是該弧形段所對應(yīng)的圓心角。這種弧形電極桿3形成了弧形的離子通道，離子可以碰撞過程中改變飛行方向。因此，本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置不僅具有低質(zhì)量數(shù)剔除的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)離子90°偏轉(zhuǎn)，有效提聞/[目噪比。
[0038]碰撞反應(yīng)池實(shí)施方式I
[0039]如圖6A和圖6B所不,本實(shí)用新型碰撞反應(yīng)池第一種實(shí)施方式，包括碰撞室6和離子導(dǎo)引裝置。
[0040]碰撞室6可以采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)供離子進(jìn)出的離子出入口，并具有充氣口61，充氣口 61的數(shù)目可以為一個(gè)或多個(gè)。使用過程中，可由充氣口 61向碰撞室6內(nèi)充入氦氣等氣體作為碰撞氣體。該第一實(shí)施方式中，碰撞室6為中空長方體形狀。
[0041]離子導(dǎo)引裝置采用本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)，其安裝于碰撞室6內(nèi)。第一絕緣座1、第二絕緣座2的中央通孔分別與碰撞室6的兩個(gè)離子出入口對應(yīng)。離子導(dǎo)引裝置用于傳輸離子。
[0042]如圖7所示，通過離子光學(xué)模擬進(jìn)一步研究了本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置的傳輸性能模擬條件如下:不考慮碰撞，離子初始位置均勻分布在以本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置入口中心(第一絕緣座I的中心)為圓心，半徑為Imm的圓形區(qū)域內(nèi)，離子初始速度為2.5mm/ μ s,初始運(yùn)動方向平行于X軸，即垂直于離子導(dǎo)引裝置入口橫截面，射頻頻率為1.1E+6HZ。改變射頻電壓，不同質(zhì)量數(shù)離子運(yùn)動軌跡的變化規(guī)律如下:
[0043](I)在射頻電壓(VRF)與質(zhì)量數(shù)成比例變化，即保持不同離子的q值完全相同情況下，當(dāng)離子初始速度相同時(shí)，不同質(zhì)量數(shù)離子的運(yùn)動軌跡均相同。
[0044](2)增加離子運(yùn)動速度，VRF也需要相應(yīng)增加才能獲得相近的離子聚焦效果。即離子運(yùn)動速度增加一倍，VRF也需要增加一倍。這一趨勢基本上能夠一直保持到較高的q值范圍，例如對質(zhì)量數(shù)為10的離子，VRF可以從IOV —直增加到120V左右，離子運(yùn)動軌跡仍在相當(dāng)程度上保持相似。
[0045](3)當(dāng)離子運(yùn)動速度固定時(shí)，增加射頻電壓，離子的聚焦效果會有一定程度的改善。然后隨著q值的升高，離子振幅逐漸增加，最終脫離穩(wěn)定區(qū)。這一點(diǎn)有別于傳統(tǒng)的四極桿式離子導(dǎo)引裝置，傳統(tǒng)的四極桿式離子導(dǎo)引裝置沿其中心線方向(軸向)離子動能的大小不會影響離子的徑向運(yùn)動。而本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置的中心線方向(軸向方向)呈弧形，所以離子軸向速率的大小對于離子的運(yùn)動軌跡有重要影響。
[0046](4)因此，對某一特定質(zhì)量數(shù)的離子存在一個(gè)能夠通過本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置的最高軸向動能，而超過此動能值的離子將不能被傳輸。增加氦氣作為碰撞氣體后，高能離子通過碰撞冷卻降低了運(yùn)動速度，傳輸效率也因此得到改善，離子能夠通過的軸向動能的上限也相應(yīng)提聞。
[0047]由圖7可以看出，通過Simion軟件對加有氦氣碰撞氣體的離子導(dǎo)引裝置的模擬，結(jié)果顯示離子軌跡在電場的偏轉(zhuǎn)下沿著4根電極桿圍成的離子通道的中心線運(yùn)動，離子在偏轉(zhuǎn)過程中與碰撞氣體不斷發(fā)生碰撞，使得離子的軌跡看上去像一條不光滑的折線。在模擬中，碰撞室內(nèi)的氣壓是4mT0rr左右(根據(jù)這個(gè)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，以及腔內(nèi)的氣體溫度，我們可以推測氣體的平均自由程)。從模擬的結(jié)果看，本實(shí)用新型離子導(dǎo)引裝置具有很好的工作性倉泛。
[0048]碰撞反應(yīng)池實(shí)施方式2
[0049]如圖8A和圖8B所示，本實(shí)用新型碰撞反應(yīng)池第二種實(shí)施方式，其與第一實(shí)施方式不同之處僅在于:
[0050]碰撞室6為橫截面呈扇形的中空扇形體形狀。進(jìn)一步地，離子導(dǎo)引裝置的弧形電極桿3的彎曲弧度與所述碰撞室6的扇形面的彎曲弧度相同。
[0051 ] 該碰撞反應(yīng)池第二種實(shí)施方式的其它部分與第一實(shí)施方式基本相同，這里不再贅述。
[0052]碰撞反應(yīng)池實(shí)施方式3
[0053]參照圖6A、圖6B、圖8A和圖8B。本實(shí)用新型的碰撞反應(yīng)池第三實(shí)施方式在第一實(shí)施方式或第二實(shí)施方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步包含第一離子透鏡4和第二離子透鏡5。
[0054]第一離子透鏡4位于離子導(dǎo)引前端，靠近離子導(dǎo)引的離子入口，第一離子透鏡4可以采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，例如包括3個(gè)電極V1、V2、V3，(圖中示出3個(gè))，3個(gè)電極分別能加不同的電壓，電極數(shù)目不限于3個(gè)，可適當(dāng)增加或減少。
[0055]第二離子透鏡5位于離子導(dǎo)引后端，靠近離子導(dǎo)引出口。第二離子透鏡包括3個(gè)電極V4、V5、V6，(圖中示出3個(gè))，3個(gè)電極分別能加不同的電壓，電極數(shù)目不限于3個(gè)，可適當(dāng)增加或減少。
[0056]第一離子透鏡4對上游飛來的離子起到聚焦作用，使離子能以合適的位置角度飛入碰撞室6。第二離子透鏡5對從碰撞室6經(jīng)碰撞后飛出的離子起到聚焦作用，使離子能以合適的位置角度飛入下游的質(zhì)量分析器。另一方面，通過調(diào)整第一離子透鏡4、第二離子透鏡5和離子導(dǎo)引的偏置電壓,可以將離子束縛存儲在碰撞室6內(nèi)，增加與碰撞氣體的反應(yīng)時(shí)間并蓄積分析離子，待充分反應(yīng)后再改變電壓分布使得離子集中飛出碰撞室，可改善檢測靈敏度。
[0057]雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施方式描述了本實(shí)用新型，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。由于本實(shí)用新型能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離實(shí)用新型的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施方式不限于任何前述的細(xì)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】
1.一種用于質(zhì)譜儀的離子導(dǎo)引裝置，包括具有中央通孔的第一絕緣座(I)、具有中央通孔的第二絕緣座(2)以及連接于所述第一絕緣座(I)和第二絕緣座(2)之間的四根電極桿(3)，所述四根電極桿(3)圍成的空間為離子通道，其特征在于，所述電極桿(3)的形狀是彎曲的。
2.如權(quán)利要求1所述的離子導(dǎo)引裝置，其特征在于，所述電極桿(3)具有弧形段。
3.如權(quán)利要求2所述的離子導(dǎo)引裝置，其特征在于，所述電極桿(3)的弧形段對應(yīng)的圓心角為30°?150°。
4.如權(quán)利要求3所述的離子導(dǎo)引裝置，其特征在于，所述電極桿(3)的弧形段對應(yīng)的圓心角為90°。
5.如權(quán)利要求1所述的離子導(dǎo)引裝置，其特征在于，所述電極桿(3)的截面呈矩形或梯形或臺階形狀。
6.一種碰撞反應(yīng)池，包括碰撞室(6)和離子導(dǎo)引裝置，所述碰撞室具有兩個(gè)供離子進(jìn)出的離子出入口，所述離子導(dǎo)引裝置位于碰撞室(6)內(nèi)，用于傳輸離子，其特征在于，所述離子導(dǎo)引裝置是如權(quán)利要求1?5中任一項(xiàng)所述的離子導(dǎo)引裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的碰撞反應(yīng)池，其特征在于，所述碰撞室(6)呈中空長方體形狀。
8.如權(quán)利要求6所述的碰撞反應(yīng)池，其特征在于，所述碰撞室(6)為橫截面呈扇形的中空扇形體形狀。
9.如權(quán)利要求6所述的碰撞反應(yīng)池,其特征在于,所述碰撞室(6)具有一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣□。
10.如權(quán)利要求6所述的碰撞反應(yīng)池，其特征在于，在兩個(gè)所述離子進(jìn)出口分別設(shè)置有離子透鏡(4、5)。
【文檔編號】H01J49/42GK203406266SQ201320467758
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】張小華, 凌星, 張華 , 商穎健 申請人:北京普析通用儀器有限責(zé)任公司