一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)（MTOF-MS），使得離子質(zhì)量數(shù)與其飛行時(shí)間呈線性關(guān)系，從而大大擴(kuò)展儀器的質(zhì)量數(shù)上限，明顯提升儀器的分辨本領(lǐng)。本發(fā)明所依據(jù)的物理原理是，將傳統(tǒng)的“等做功”離子加速方式改變?yōu)椤暗葲_量”離子加速方式，也即，先把所有離子壓縮到一個(gè)薄層內(nèi)等待起飛，然后用高壓窄脈沖加速離子，所有等電荷離子將獲得同樣的動(dòng)量，再進(jìn)入無(wú)場(chǎng)漂移區(qū)，最后按照離子質(zhì)量數(shù)不同陸續(xù)到達(dá)探測(cè)器。也可以讓離子通過(guò)無(wú)場(chǎng)漂移區(qū)后再進(jìn)入離子反射器，折返后再次通過(guò)無(wú)場(chǎng)漂移區(qū)最后陸續(xù)到達(dá)探測(cè)器。按照到達(dá)離子的時(shí)間序列記錄信號(hào)，即可識(shí)別離子種類。
【專利說(shuō)明】一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分析儀器，主要涉及采用新的工作原理來(lái)解決傳統(tǒng)飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)所固有的質(zhì)量數(shù)與時(shí)間關(guān)系的非線性問(wèn)題。采用新原理將大大擴(kuò)展儀器的質(zhì)量數(shù)上限，明顯提升儀器的分辨本領(lǐng)。所發(fā)明的儀器可以用于氣體成分分析、同位素分析、有機(jī)物識(shí)另|J、工業(yè)分壓強(qiáng)測(cè)量、容器檢漏，也可用于大氣污染監(jiān)測(cè)、食品安全監(jiān)測(cè)、體育興奮劑監(jiān)測(cè)以及公眾安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)譜分析技術(shù)是現(xiàn)代人類社會(huì)最重要的物質(zhì)識(shí)別技術(shù)之一，無(wú)論在基礎(chǔ)科學(xué)研究、航空航天等高科技領(lǐng)域，還是在與民生息息相關(guān)的食品安全、大氣污染監(jiān)測(cè)、公眾安全監(jiān)測(cè)等【技術(shù)領(lǐng)域】，都有十分廣泛的用途。
[0003]與磁質(zhì)譜、四極質(zhì)譜和離子阱質(zhì)譜等質(zhì)譜分析技術(shù)相比，飛行時(shí)間質(zhì)譜(time-of-f light mass spectrometry, TOF-MS)不需要質(zhì)量掃描，具有即時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)，特別適合對(duì)于瞬態(tài)獨(dú)立事件和動(dòng)態(tài)變化事件的探測(cè)；同時(shí)，TOF-MS原則上可以有很寬的質(zhì)量數(shù)范圍，可以探測(cè)小質(zhì)量數(shù)物質(zhì)(如1Ii2D)和大質(zhì)量數(shù)的物質(zhì)(如蛋白質(zhì)，質(zhì)量數(shù)成千上萬(wàn))；此外，大型TOF-MS的分辨本領(lǐng)已經(jīng)達(dá)到IO4 -1O5,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它類型的質(zhì)譜儀器。因此，目前高端TOF-MS儀器在生命科學(xué)的蛋白質(zhì)組學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用。從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，由于水星、火星等深空探測(cè)任務(wù)的需要，國(guó)際上開(kāi)始研究小型化甚至微型化的TOF-MS儀器，其IO2 -1O3的分辨本領(lǐng)足以識(shí)別基本物質(zhì)和元素及其同位素，到目前已經(jīng)成功應(yīng)用于多種類型的空間飛行器。由此引領(lǐng)了另外一個(gè)重要的發(fā)展方向，也即開(kāi)發(fā)小型化的便攜式TOF-MS儀器，以便大量應(yīng)用于中低端民生領(lǐng)域。
[0004]從世界上第一臺(tái)TOF-MS儀器于1948年發(fā)明至今，無(wú)論是大型高端儀器，還是小型化便攜式儀器，其物理基礎(chǔ)一直是基于能量分析器原理的。也就是說(shuō)，所有的離子被穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)加速獲得相等的動(dòng)能，通過(guò)同樣的飛行區(qū)后，質(zhì)量數(shù)不同的離子按照先后順序陸續(xù)到達(dá)探測(cè)極板而被記錄下來(lái)。其離子加速過(guò)程依據(jù)的是動(dòng)能定理，即:
【權(quán)利要求】
1.一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:使所有離子在加速區(qū)獲得同樣的動(dòng)量，然后通過(guò)同樣的飛行區(qū)后按照質(zhì)量數(shù)差別陸續(xù)到達(dá)離子探測(cè)器被記錄下來(lái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:該質(zhì)譜計(jì)既可以做成直線式的，也可以做成反射式的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:所述的直線式質(zhì)譜計(jì)主要由三個(gè)分系統(tǒng)組成:主體結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、電控分系統(tǒng)和真空分系統(tǒng)； 所述的主體結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)包括燈絲、電離盒、柵網(wǎng)電極和離子探測(cè)器； 所述的電控分系統(tǒng)包括電離電壓電路、離子垂直引入與抑制電壓電路、離子延遲引出與短脈沖加速電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 所述的真空分系統(tǒng)主要是一個(gè)真空室，在真空室上有一個(gè)微流量進(jìn)樣接口和一個(gè)抽真空接口 ；所述的主體結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)均密封于真空室之中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:電離電壓電路在燈絲和電離盒之間施加電離電壓；離子垂直引入與抑制電壓電路在電離盒與柵網(wǎng)電極之間施加離子垂直引入與抑制電壓；離子延遲引出與短脈沖加速電路通過(guò)其中的隔直電容給電離盒施加正高壓窄脈沖；離子被瞬間加速，部分離子會(huì)穿過(guò)柵網(wǎng)電極，最后陸續(xù)到達(dá)離子探測(cè)器；離子探測(cè)器的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所記錄。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:所述的反射式質(zhì)譜計(jì)主要由三個(gè)分系統(tǒng)組成:主體結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、電控分系統(tǒng)和真空分系統(tǒng)； 所述的主體結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)包括燈絲、電離盒、柵網(wǎng)電極、離子反射鏡和離子探測(cè)器； 所述的電控分系統(tǒng)包括電離電壓電路、離子垂直引入與抑制電壓電路、離子延遲引出與短脈沖加速電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 所述的真空分系統(tǒng)主要是一個(gè)真空室，在真空室上有一個(gè)微流量進(jìn)樣接口和一個(gè)抽真空接口 ；所述的主體結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)均密封于真空室之中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:電離電壓電路在燈絲和電離盒之間施加電離電壓；離子垂直引入與抑制電壓電路在電離盒與柵網(wǎng)電極之間施加離子垂直引入與抑制電壓；離子延遲引出與短脈沖加速電路通過(guò)其中的隔直電容給電離盒施加正高壓窄脈沖；離子被瞬間加速，部分離子會(huì)穿過(guò)柵網(wǎng)電極進(jìn)入離子反射鏡，被反射回來(lái)最后陸續(xù)到達(dá)離子探測(cè)器；離子探測(cè)器的數(shù)據(jù)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所記錄。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:采用高壓窄脈沖來(lái)加速離子，脈沖幅度300-5000V，脈沖寬度10ns-3l.! S，脈沖頻率500Hz-10KHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于帶絕緣層的柵網(wǎng)電極接地，電離盒與該柵網(wǎng)電極之間的距離為2-10mm ;給電離盒施加10-100V的離子垂直引入與抑制電壓，將正離子壓縮到該柵網(wǎng)電極表面附近的一個(gè)薄層內(nèi)；該柵網(wǎng)電極表面沉積一層IO-1OOnm厚度的高K絕緣層，以避免離子電荷直接被接地電極中和。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:離子的產(chǎn)生方式為電子碰撞電離或者光電離；其中電子碰撞電離所需的電子束，可以來(lái)源于熱燈絲發(fā)射，也可以來(lái)源于場(chǎng)發(fā)射，采用磁場(chǎng)來(lái)聚焦電子束。
10.根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的一種基于動(dòng)量分析器的飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)，其特征在于:真空室的工作壓力 低于lX10_2Pa。
【文檔編號(hào)】H01J49/40GK103972021SQ201410126379
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】郭等柱, 張耿民, 薛增泉 申請(qǐng)人:北京大學(xué)