一種離子漏斗和質(zhì)譜檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種離子漏斗和質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，該離子漏斗包括M個外徑相同且同軸等間距排列的環(huán)形電極，內(nèi)徑從第1環(huán)形電極至第M環(huán)形電極依次減小，離子漏斗還包括：第一直流電源和第二直流電源，第一射頻電源至第N射頻電源；第一直流電源和第二直流電源分別連接至第一環(huán)形電極和第M環(huán)形電極，并通過分壓電阻將M個電極串聯(lián)起來；第一射頻電源并聯(lián)第1、第1+N、第1+2N……環(huán)形電極；第二射頻電源并聯(lián)第2、第2+N、第2+2N……環(huán)形電極；……；第N?1射頻電源并聯(lián)第N?1、第N?1+N、第N?1+2N……環(huán)形電極；第N射頻電源并聯(lián)第N、第N+N、第N+2N……環(huán)形電極。本實用新型提高了離子的傳輸效率，尤其是提高了小質(zhì)量數(shù)離子的傳輸效率。
【專利說明】
一種離子漏斗和質(zhì)譜檢測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及質(zhì)譜分析領(lǐng)域，具體地說，涉及一種離子漏斗和質(zhì)譜檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)譜分析在環(huán)境檢測、臨床分析、有機合成、藥物研發(fā)、蛋白質(zhì)和代謝組學等領(lǐng)域具有極其廣泛的應用。質(zhì)譜分析的原理是通過測定樣品離子的質(zhì)荷比信息來進行樣品的質(zhì)量分析和結(jié)構(gòu)鑒定。
[0003]質(zhì)譜分析系統(tǒng)通常包括離子源、質(zhì)量分析器和檢測器。樣品分子首先在離子源被離子化，然后離子化的樣品被傳輸至質(zhì)量分析器，經(jīng)過質(zhì)量分析后通過檢測器進行信號檢測。離子化的樣品在到達質(zhì)量分析器前需要經(jīng)過較長的傳輸路徑，并且在此期間氣壓條件會從大氣壓環(huán)境變化到真空環(huán)境。因此，在這一過程中大量離子會由于與中性氣體發(fā)生碰撞等原因而損失掉，最終到達質(zhì)量分析器的離子量就很少。
[0004]為了解決該問題，現(xiàn)有技術(shù)引入了離子漏斗。離子漏斗設置在離子源至質(zhì)量分析器的傳輸路徑上，由一系列外徑一致、內(nèi)徑逐漸縮小的環(huán)形電極等間距排列組成，在相鄰的環(huán)形電極上加反相的正弦射頻電壓，可形成一個有效的電場，并在徑向上將離子束縛，離子借由電勢梯度有效地聚焦并向下一級傳輸。使用離子漏斗能夠保持較高的離子傳輸效率，減少離子損失。
[0005]然而，目前離子漏斗相鄰兩電極之間所加的相位差為180度的正弦電壓信號，使得離子漏斗在接近出口逐漸聚焦離子的同時，漏斗中軸線上的電勢逐漸變小，但不會變?yōu)榱?，導致小質(zhì)量數(shù)的離子不能穩(wěn)定地通過離子漏斗并傳輸?shù)较乱患墸纬闪怂^的“低質(zhì)量歧視”效應。
[0006]在諸如元素質(zhì)譜分析等應用領(lǐng)域，分析的目標分子的質(zhì)量數(shù)通常很小(100以下)，在這種情況下使用傳統(tǒng)的離子漏斗勢必會對離子的傳輸效率造成損失，從而直接降低質(zhì)譜儀器的檢測靈敏度，使其對于低豐度物質(zhì)的分析造成極大的局限?；诖耍谶M一步提高離子漏斗傳輸效率的同時，如何減小“低質(zhì)量歧視”效應，實現(xiàn)小質(zhì)量數(shù)離子的高效傳輸成為離子漏斗發(fā)展的重要方向。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]為了克服上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種離子漏斗，提高了離子的傳輸效率，尤其是提高了小質(zhì)量數(shù)離子的傳輸效率。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種離子漏斗，包括M個外徑相同且同軸等間距排列的環(huán)形電極，內(nèi)徑從第I環(huán)形電極至第M環(huán)形電極依次減小，所述離子漏斗還包括:
[0009]第一直流電源和第二直流電源，第一射頻電源至第N射頻電源；
[0010]所述第一直流電源和所述第二直流電源分別連接至所述第一環(huán)形電極和所述第M環(huán)形電極，并通過分壓電阻將M個環(huán)形電極串聯(lián)起來；
[0011]第一射頻電源并聯(lián)第1、第1+N、第1+2N……環(huán)形電極；
[0012]第二射頻電源并聯(lián)第2、第2+N、第2+2N……環(huán)形電極；
[0013]……；
[0014]第N-丨射頻電源并聯(lián)第N-丨、第N-1+N、第N-1+2N……環(huán)形電極；
[0015]第N射頻電源并聯(lián)第N、第N+N、第N+2N……環(huán)形電極；
[0016]其中所述第一射頻電源至所述第N射頻電源具有相同周期，且任意相鄰的射頻電源的信號具有固定的相位差，1〈N〈M。
[0017]在一種可選的實施方式中，所述第N射頻電源的信號落后所述第N-1射頻電源的信號2 VN的相位差。
[0018]在一種可選的實施方式中，所述第一射頻電源至第N射頻電源通過電容并聯(lián)至相應的環(huán)形電極。
[0019]在一種可選的實施方式中，所述第一射頻電源至第N射頻電源的信號為方波、正弦波或三角波等。
[0020]在一種可選的實施方式中，M取值范圍為大于4。
[0021]在一種可選的實施方式中，環(huán)形電極的厚度范圍為0.1毫米至2毫米，相鄰環(huán)形電極的間距范圍為0.5毫米至4毫米。
[0022]在一種可選的實施方式中，所述第一直流電源的電壓值范圍為:0至500V，所述第二直流電源的電壓值范圍為O至500V。
[0023]在一種可選的實施方式中，所述環(huán)形電極采用但不限于PCB鋼網(wǎng)加工。
[0024]本實用新型還提供了一種質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，包括離子源、質(zhì)量分析器和檢測器，還包括如前所述的離子漏斗；
[0025]所述離子源連接所述離子漏斗的入口，所述質(zhì)量分析器一端連接所述離子漏斗的出口，另一端連接所述檢測器。
[0026]本實用新型實施例所述的離子漏斗和質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，該離子漏斗包括M個外徑相同且同軸等間距排列的環(huán)形電極，內(nèi)徑從第I環(huán)形電極至第M環(huán)形電極依次減小，所述離子漏斗還包括:第一直流電源和第二直流電源，第一射頻電源至第N射頻電源;所述第一直流電源和所述第二直流電源分別連接所述第一環(huán)形電極和所述第M環(huán)形電極，每兩個相鄰的環(huán)形電極間設置分壓電阻。其中第一射頻電源并聯(lián)第1、第1+N、第1+2N……環(huán)形電極，第二射頻電源并聯(lián)第2、第2+N、第2+2N……環(huán)形電極，……，第N-1射頻電源并聯(lián)第N-1、第N-1+N、第N-1+2N……環(huán)形電極，第N射頻電源并聯(lián)第N、第N+N、第N+2N……環(huán)形電極。該離子漏斗和使用該離子漏斗的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)不但提高了大質(zhì)量數(shù)物質(zhì)的傳輸效率，而且減小了離子漏斗的“低質(zhì)量歧視”效應，極大的降低了小質(zhì)量數(shù)物質(zhì)在傳輸過程的損失率。
【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型實施例提供的離子漏斗的結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖2為四個射頻電源的電壓周期變化圖；
[0029]圖3為質(zhì)荷比為800時的仿真比對圖，圖中左側(cè)為本實用新型實施例的新型離子漏斗的通過情況，右側(cè)為傳統(tǒng)離子漏斗的通過情況；
[0030]圖4為質(zhì)荷比為200時的仿真比對圖，圖中左側(cè)為本實用新型實施例的新型離子漏斗的通過情況，右側(cè)為傳統(tǒng)離子漏斗的通過情況；
[0031]圖5為質(zhì)荷比為50時的仿真比對圖，圖中左側(cè)為本實用新型實施例的新型離子漏斗的通過情況，右側(cè)為傳統(tǒng)離子漏斗的通過情況；
[0032]圖6為質(zhì)荷比為20時的仿真比對圖，圖中左側(cè)為本實用新型實施例的新型離子漏斗的通過情況，右側(cè)為傳統(tǒng)離子漏斗的通過情況；
[0033]圖7為傳輸效率比對圖；
[0034]圖8為本實用新型實施例提供的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)與使用傳統(tǒng)離子漏斗的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)的質(zhì)譜比較圖。
【具體實施方式】
[0035]下面參考附圖來說明本實用新型的實施例。在本實用新型的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其他附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應當注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本實用新型無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的部件或處理的表示和描述。
[0036]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步描述。
[0037]本實用新型實施例提供了一種離子漏斗，包括M個外徑相同且同軸等間距排列的環(huán)形電極，內(nèi)徑從第I環(huán)形電極至第M環(huán)形電極依次減小，該離子漏斗還包括:第一直流電源和第二直流電源，以及第一射頻電源至第N射頻電源。
[0038]其中，第一直流電源和第二直流電源分別連接第一環(huán)形電極和第M環(huán)形電極，每兩個相鄰環(huán)形電極間串聯(lián)阻值相同的分壓電阻。通過分壓電阻將M個環(huán)形電極串聯(lián)起來，使每個環(huán)形電極上加上相應的直流電壓，相鄰環(huán)形電極間形成梯度變化的電勢差，從而使進入其中的離子沿著電場方向向前傳輸。分壓電阻的阻值范圍可控制在0.1兆歐至1兆歐。
[0039]第一射頻電源并聯(lián)第1、第l+N、第1+2N……環(huán)形電極;第二射頻電源并聯(lián)第2、第2+N、第2+2N……環(huán)形電極;……第N-1射頻電源并聯(lián)第N-1、第N-1 +N、第N- 1+2N……環(huán)形電極;第N射頻電源并聯(lián)第N、第N+N、第N+2N……環(huán)形電極。
[0040]其中第一射頻電源至第N射頻電源具有相同周期，且任意相鄰的射頻電源的信號具有固定的相位差，該相位差可以為O至的任意值，N>1且N〈M，以1〈Ν〈Μ/3為佳。
[0041 ]第一射頻電源至第N射頻電源通過電容連接至相應的環(huán)形電極。
[0042]第一射頻電源至第N射頻電源的信號為方波、或者正弦波、方波等。
[0043]離子漏斗中的環(huán)形電極的數(shù)量M大于4;優(yōu)選100>M>4。
[0044]環(huán)形電極的厚度范圍在0.1毫米至2毫米，相鄰環(huán)形電極的間距范圍是0.5毫米至4毫米。
[0045]第一直流電源的電壓值范圍是O至500V，第二直流電源的電壓值范圍是O至500V。
[0046]在一種具體的實施方式中，如圖1所示，提供了一種離子漏斗，該離子漏斗有十二個環(huán)形電極。第一環(huán)形電極、第二環(huán)形電極、……第十二環(huán)形電極由左至右依次排列。
[0047]該離子漏斗的環(huán)形電極采用但不限于印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)鋼網(wǎng)工藝加工。該方式工藝簡單，降低成本，提升了加工效率。此外還可采用如機械切割等其他加工方式。
[0048]第一直流電源DCl和第二直流電源DC2分別連接至第一環(huán)形電極至第十二環(huán)形電極，且通過分壓電阻將M個電極串聯(lián)起來，分壓電阻的電阻值為I兆歐。[0049 ] 第一射頻電源RFl、第二射頻電源RF2、第三射頻電源RF3、第四射頻電源RF4通過電容并聯(lián)至環(huán)形電極。具體的，第一射頻電源RFl分別連接第一環(huán)形電極、第五環(huán)形電極、第九環(huán)形電極。第二射頻電源RF2分別連接第二環(huán)形電極、第六環(huán)形電極、第十環(huán)形電極。第三射頻電源RF3分別連接第三環(huán)形電極、第七環(huán)形電極、第十一環(huán)形電極。第四射頻電源RF4分別連接第四環(huán)形電極、第八環(huán)形電極、第十二環(huán)形電極。這樣十二個環(huán)形電極被分為三組，每組的環(huán)形電極與一個射頻電源連接。
[0050]RFl至RF4具有相同的周期。
[0051]其中，環(huán)形電極的厚度為t，相鄰兩個環(huán)形電極的間距為S，位于離子漏斗入口的第一環(huán)形電極的內(nèi)徑最大，其內(nèi)半徑記為rmax，位于離子漏斗出口的第十二環(huán)形電極的內(nèi)徑最小，其內(nèi)半徑記為rmin。第η個環(huán)形電極的內(nèi)半徑記為化，如η = 7時，表示第7個環(huán)形電極。
[0052]其中t的取值范圍是0.1毫米至2毫米，優(yōu)選為0.3毫米。S的取值范圍是0.5毫米至4毫米，優(yōu)選為1.2毫米。rmax的取值范圍是0.5毫米至50毫米，優(yōu)選為10.6毫米。rmin的取值范圍是0.5毫米至50毫米，優(yōu)選為5毫米。
[0053 ] RF I至RF4這四個射頻電源的電壓隨周期的變化情況如圖2所示。RF2比RF I延遲2 V4個相位，體現(xiàn)在周期上是延遲了 T/4個周期，T為射頻電源的周期。在tl時刻，RFl進入高電平;經(jīng)過T/4后在t2時刻，RF2進入高電平;再經(jīng)過T/4后，在t3時刻，RF3進入高電平;再經(jīng)過T/4后，在t4時刻，RF4進入高電平。
[0054]本實用新型實施例的離子漏斗，其電信號由兩部分組成。多個射頻電源的電壓信號形成的電勢場將離子化的樣品束縛在離子漏斗中，不易擴散丟失。直流電源的電壓信號形成梯度電場，使得離子化的樣品在特定方向上穩(wěn)定傳輸聚焦。
[0055]本實用新型實施例中的離子漏斗的射頻電路采用O到的任意相位差的信號驅(qū)動，不但提高了大質(zhì)量數(shù)物質(zhì)的傳輸效率，而且減小了離子漏斗的“低質(zhì)量歧視”效應，極大的降低了小質(zhì)量數(shù)物質(zhì)在傳輸過程的損失率。
[0056]本實用新型實施例的離子漏斗對真空氣壓和電壓幅度的依賴性降低，在高氣壓真空區(qū)域，較低的射頻電壓條件即可實現(xiàn)離子的高效率傳輸，易于滿足微型質(zhì)譜分析系統(tǒng)的離子傳輸需求，提高檢測靈敏度。
[0057]可以利用離子軌跡仿真軟件(比如sim1n軟件)對本實用新型實施例提供的離子漏斗的特性進行模擬分析。設置離子漏斗的環(huán)形電極數(shù)為23，電極厚度t為0.5毫米，相鄰環(huán)形電極之間的間距S為1.2毫米，離子漏斗入口的環(huán)形電極的內(nèi)直徑為10.4毫米，離子漏斗出口的環(huán)形電極的內(nèi)直徑為2毫米，射頻電壓幅度10-150V、頻率為500kHz、占空比75%，直流電壓梯度lOV/cm，模擬離子漏斗的氣壓環(huán)境為133Pa。其中射頻電源共有4路，直流電源共2路。在上述參數(shù)條件下，仿真研究了從大質(zhì)量數(shù)到小質(zhì)量數(shù)不同的離子化的樣品在傳統(tǒng)離子漏斗及本實用新型實施例所提供的新型離子漏斗分別作用下的傳輸效果，參見圖3、圖4、圖5和圖6。
[0058]圖3、圖4、圖5和圖6分別為質(zhì)荷比為800、200、50、20時的仿真比對圖，圖中左側(cè)為本實用新型實施例的新型離子漏斗的通過情況，右側(cè)為傳統(tǒng)離子漏斗的通過情況。
[0059]如圖3和圖4所示，較大質(zhì)量數(shù)的離子化的樣品(質(zhì)荷比分別為800，200)在傳統(tǒng)離子漏斗中的運動軌跡比較靠近電極邊沿，而在本實用新型實施例所提供的離子漏斗中則在進入后不久即聚焦為粒子束向前傳輸。
[0060]如圖5和圖6所示，小質(zhì)量數(shù)的離子化的樣品(質(zhì)荷比分別為50，20)在傳統(tǒng)離子漏斗傳輸過程中有很多會達到環(huán)形電極上而丟失，在本實用新型實施例所提供的離子漏斗中則無此現(xiàn)象。
[0061]該仿真實驗表明，本實用新型實施例的離子漏斗不僅比傳統(tǒng)的離子漏斗具有更好的離子聚焦效果和更高的離子傳輸效率，而且最有重大意義的是，對于小質(zhì)量離子具有極好的聚焦效果和很高的傳輸效率。
[0062]針對小質(zhì)量數(shù)的離子化的樣品，分別對比研究了本實用新型實施例所提供的離子漏斗與傳統(tǒng)離子漏斗在小質(zhì)量數(shù)離子傳輸效率方面的特性。如圖7所示，對于兩類離子漏斗，在一定的質(zhì)荷比范圍內(nèi)，離子的質(zhì)量數(shù)越小，漏斗的傳輸效率越低，即表現(xiàn)出“低質(zhì)量歧視”效應。但本實用新型實施例所提供的新型離子漏斗對所有離子，尤其是低質(zhì)量數(shù)離子的傳輸效率遠遠高于傳統(tǒng)離子漏斗。比如，對于質(zhì)荷比=5的離子，傳統(tǒng)離子漏斗的傳輸效率低于10%，而本實用新型實施例所提供的漏斗則仍有高達70%以上的傳輸率。
[0063]本實用新型實施例還提供了一種質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括離子源，質(zhì)量分析器，檢測器，離子漏斗和真空系統(tǒng)。其中真空系統(tǒng)由真空腔體和用于維持其真空環(huán)境的真空栗組組成。質(zhì)量分析器、檢測器和離子漏斗位于真空腔體內(nèi)，離子源根據(jù)選用類型的不同(真空離子源或大氣壓離子源)可將其放置于真空腔體內(nèi)或大氣壓條件下。離子源連接離子漏斗的入口，質(zhì)量分析器一端連接離子漏斗的出口，另一端連接檢測器。
[0064]質(zhì)量分析器具體可以是四級桿。
[0065]離子漏斗的結(jié)構(gòu)及功能如前所述，此處不再贅述。
[0066]樣品在離子源中被離子化，離子化的樣品經(jīng)過離子漏斗進入質(zhì)量分析器，經(jīng)過質(zhì)量分析器的分析后通過檢測器進行信號的檢測。
[0067]將本實用新型實施例提供的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)進行實際的實驗測試，該實驗測試中的離子漏斗的各項參數(shù)與前文仿真實驗的參數(shù)一致，并與使用傳統(tǒng)離子漏斗的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)進行性能比較。其中用于產(chǎn)生離子化的樣品的離子源為電噴霧離子源(ESI)，質(zhì)量分析器為四極桿，所用的樣品為聚醚多元醇(PPG)。
[0068]測試的結(jié)果如圖8所示，左側(cè)為本實用新型實施例提供的質(zhì)譜檢測系統(tǒng)得出的質(zhì)譜圖，右側(cè)為使用傳統(tǒng)離子漏斗的質(zhì)譜圖。橫軸為質(zhì)荷比(m/z)，縱軸為相對強度(relativeintensity)。由圖8可知，本實用新型實施例具有更明顯的相對強度。根據(jù)實際測算，本實用新型實施例的離子漏斗在傳統(tǒng)離子漏斗的基礎(chǔ)上能提高40%的傳輸效率，大大提高了質(zhì)譜儀器的分析靈敏度。
[0069]雖然已經(jīng)詳細說明了本實用新型及其優(yōu)點，但是應當理解在不超出由所附的權(quán)利要求所限定的本實用新型的精神和范圍的情況下可以進行各種改變、替代和變換。而且，本申請的范圍不僅限于說明書所描述的過程、設備、手段、方法和步驟的具體實施例。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員從本實用新型的公開內(nèi)容將容易理解，根據(jù)本實用新型可以使用執(zhí)行與在此所述的相應實施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結(jié)果的、現(xiàn)有和將來要被開發(fā)的過程、設備、手段、方法或者步驟。因此，所附的權(quán)利要求旨在在它們的范圍內(nèi)包括這樣的過程、設備、手段、方法或者步驟。
【主權(quán)項】
1.一種離子漏斗，包括M個外徑相同且同軸等間距排列的環(huán)形電極，內(nèi)徑從第I環(huán)形電極至第M環(huán)形電極依次減小，其特征在于，所述離子漏斗還包括: 第一直流電源和第二直流電源，第一射頻電源至第N射頻電源； 所述第一直流電源和所述第二直流電源分別連接至所述第一環(huán)形電極和所述第M環(huán)形電極，并通過分壓電阻將M個環(huán)形電極串聯(lián)起來； 第一射頻電源并聯(lián)第1、第1+N、第1+2N……環(huán)形電極； 第二射頻電源并聯(lián)第2、第2+N、第2+2N……環(huán)形電極； ， 第N-1射頻電源并聯(lián)第N-1、第N-1 +N、第N- 1+2N……環(huán)形電極； 第N射頻電源并聯(lián)第N、第N+N、第N+2N……環(huán)形電極； 其中所述第一射頻電源至所述第N射頻電源具有相同周期，且任意相鄰的射頻電源的信號具有固定的相位差，1〈N〈M。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子漏斗，其特征在于，所述第N射頻電源的信號落后所述第N-1射頻電源的信號2 VN的相位差。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子漏斗，其特征在于，所述第一射頻電源至第N射頻電源通過電容并聯(lián)至相應的環(huán)形電極。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子漏斗，其特征在于，所述第一射頻電源至第N射頻電源的信號為方波、正弦波或三角波。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子漏斗，其特征在于，M取值范圍為大于4。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子漏斗，其特征在于，環(huán)形電極的厚度范圍為0.1毫米至2毫米，相鄰環(huán)形電極的間距范圍為0.5毫米至4毫米。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子漏斗，其特征在于，所述第一直流電源的電壓值范圍為:0至500V，所述第二直流電源的電壓值范圍為O至500V。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子漏斗，其特征在于，所述環(huán)形電極采用PCB鋼網(wǎng)加工。9.一種質(zhì)譜檢測系統(tǒng)，包括離子源、質(zhì)量分析器和檢測器，其特征在于，還包括權(quán)利要求1-8中任意一項所述的離子漏斗； 所述離子源連接所述離子漏斗的入口，所述質(zhì)量分析器一端連接所述離子漏斗的出口，另一端連接所述檢測器。
【文檔編號】H01J49/26GK205542699SQ201620034817
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月14日
【發(fā)明人】許華磊, 翟雁冰, 徐偉
【申請人】蘇州倍優(yōu)精密儀器有限公司