离子选择方法及装置

摘要

本发明涉及一种离子选择方法及装置，其中离子选择方法，包括步骤：根据与飞行时间质谱仪脉冲同步的延时触发信号，输出触发指令；根据触发指令控制脉冲参数，输出预设脉冲；预设脉冲包括单脉冲或序列脉冲；脉冲参数包括脉冲宽度和延时时间；根据预设脉冲控制脉冲电源模块向微通道板输出高压脉冲；当不需要检测的离子到达所述微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于零电位；当需要检测的离子到达微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于正常工作电位，响应需要检测的离子。本发明离子选择针对性强，不需要对仪器结构进行改造，直接从检测器上就直接解决了因MCP长期处于饱和或过饱和状态二次电子发射能力下降的问题。

权利要求

1.一种离子选择方法，其特征在于，包括以下步骤：根据与飞行时间质谱仪脉冲同步的延时触发信号，输出触发指令；

根据所述触发指令控制脉冲参数，输出预设脉冲；所述预设脉冲包括单脉冲或序列脉冲；所述脉冲参数包括脉冲宽度和延时时间；

根据所述预设脉冲控制脉冲电源模块向微通道板输出高压脉冲；

当不需要检测的离子到达所述微通道板时，根据所述高压脉冲，控制所述微通道板的工作电压处于零电位；

当需要检测的离子到达所述微通道板时，根据所述高压脉冲，控制所述微通道板的工作电压处于正常工作电位，响应所述需要检测的离子。

2.根据权利要求1所述的离子选择方法，其特征在于，还包括步骤：根据所述预设脉冲的脉冲宽度和延时时间控制所述高压脉冲的时序和持续时间。

3.根据权利要求1所述的离子选择方法，其特征在于，还包括步骤：分别根据所述不需要检测的离子的飞行时间和所述需要检测的离子的飞行时间，输出相应的触发指令控制所述脉冲参数。

4.根据权利要求1所述的离子选择方法，其特征在于，所述脉冲电源模块为高压脉冲电源。

5.根据权利要求1所述的离子选择方法，其特征在于，所述延时触发信号为TTL电平信号。

6.一种离子选择装置，其特征在于，包括：

触发指令模块，用于根据与飞行时间质谱仪脉冲同步的延时触发信号，输出触发指令；

第一输出模块，用于根据所述触发指令控制脉冲参数，输出预设脉冲；所述预设脉冲包括单脉冲或序列脉冲；所述脉冲参数包括脉冲宽度和延时时间；

第二输出模块，用于根据所述预设脉冲控制脉冲电源模块向微通道板输出高压脉冲；

控制模块，用于当不需要检测的离子到达所述微通道板时，根据所述高压脉冲，控制所述微通道板的工作电压处于零电位；以及当需要检测的离子到达所述微通道板时，根据所述高压脉冲，控制所述微通道板的工作电压处于正常工作电位，响应所述需要检测的离子。

7.根据权利要求6所述的离子选择装置，其特征在于，还包括：时序控制模块，用于根据所述预设脉冲的脉冲宽度和延时时间控制所述高压脉冲的时序和持续时间。

8.根据权利要求7所述的离子选择装置，其特征在于，所述时序控制模块为FPGA芯片。

9.根据权利要求6所述的离子选择装置，其特征在于，还包括：参数控制模块，用于分别根据所述不需要检测的离子和所述需要检测的离子的离子信号，输出相应的触发指令控制所述脉冲参数。

说明书

离子选择方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及飞行时间质谱仪，特别是涉及一种用于飞行时间质谱仪的离子选择方法及装置。

背景技术

[0002] 微通道板离子检测器原理为在真空环境下，每片MCP(micro-channel plate：微通道板)在工作电压下，当离子、电子、光子等撞击到其表面，可增益出102～104的电子，可检测到极其微弱的电流信号，具有灵敏度高的特点。但是当MCP长期处于饱和或过饱状态时会导致MCP表层二次电子发射能力下降，其增益倍数便快速下降，其工作寿命会加速缩短。在现实应用中，经常会面临进样量大，载气与样品分子同时被电离而造成大量、持续的离子被MCP接收的现象。

[0003] 传统技术中，主要是在能够保证满足条件的真空条件下，减小微通道板的工作电压以及在离子传输或离子飞行通道上添加特殊设备或装置与仪器进行配合从而达到移除背景峰或不需要的碎片离子来减少MCP衰减的目的。通过在离子飞行轨道上添加偏转板，当背景峰离子或碎片离子到达偏转板的位置时施加一定频率及幅值的脉冲将其偏离原来轨迹打在偏转板上而导走，从而减少了微通道板接收的离子数，但是这种方法将会加大飞行腔的设计难度且只能移除某一段时间内的离子束，同时，偏转板放在无场飞行区，施加脉冲的同时改变了无场飞行区的电场状态，还需要设计效果较好的隔离装置。

[0004] 另一种，在离子传输区域的反射板上引入时序脉冲电压，当待测离子通过反射时，反射板电压处于正常水平允许离子通过到达检测区域被检测，当需筛除的离子到达反射区时，通过施加的时序脉冲改变传输区域的电压将其引入到反射板而导走，此方法改变了反射区的电场结构，当被筛除的离子被筛除后电场又要恢复到原电场结构，增加了不稳定因素，同时也存在只能筛除部分离子的缺点。

发明内容

[0005] 基于此，有必要针对传统技术只能筛除部分离子的问题，提供一种离子选择方法及装置。

[0006] 为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：

[0007] 一方面，提供了一种离子选择方法，包括以下步骤：

[0008] 根据与飞行时间质谱仪脉冲同步的延时触发信号，输出触发指令；

[0009] 根据触发指令控制脉冲参数，输出预设脉冲；预设脉冲包括单脉冲或序列脉冲；脉冲参数包括脉冲宽度和延时时间；

[0010] 根据预设脉冲控制脉冲电源模块向微通道板输出高压脉冲；

[0011] 当不需要检测的离子到达所述微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于零电位；

[0012] 当需要检测的离子到达微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于正常工作电位，响应需要检测的离子。

[0013] 另一方面，提供了一种离子选择装置，包括：

[0014] 触发指令模块，用于根据与飞行时间质谱仪脉冲同步的延时触发信号，输出触发指令；

[0015] 第一输出模块，用于根据触发指令控制脉冲参数，输出预设脉冲；预设脉冲包括单脉冲或序列脉冲；脉冲参数包括脉冲宽度和延时时间；

[0016] 第二输出模块，用于根据预设脉冲控制脉冲电源模块向微通道板输出高压脉冲；

[0017] 控制模块，用于当不需要检测的离子到达微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于零电位；以及当需要检测的离子到达微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于正常工作电位，响应需要检测的离子。

[0018] 上述技术方案具有如下有益效果：

[0019] 本发明离子选择方法及装置，在不改变分析器结构及添加其他特殊的结构的前提下，通过控制MCP的工作电压，并且通过对MCP施加特定的单脉冲及序列脉冲的形式实现了单个或多个离子的选择性检测。当不需要检测的离子到达MCP时，通过设置脉冲的延时和宽度，使MCP的工作电压处于零电位，则该离子无输出响应，而当需要检测的离子到达MCP时，通过设置脉冲的延时和宽度，使MCP的工作电压处于正常工作电位，则该离子有输出响应。在被选择的离子到达检测器时，检测器电压为0，备选离子打在MCP上无增益，谱图干净，但又不会影响目标峰的分析；序列脉冲包含多个各自独立的脉冲，各脉冲根据所需去除的离子来设置延时和脉宽。本发明离子选择针对性强，不需要对仪器结构进行改造，直接从检测器上就直接解决了因MCP长期处于饱和或过饱和状态二次电子发射能力下降的问题。通过这种选择性工作方式实现背景离子的无输出响应，减少微通道板MCP的衰减，延长了MCP的使用寿命。

附图说明

[0020] 通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

[0021] 图1为本发明离子选择方法实施例1的流程示意图；

[0022] 图2为本发明离子选择装置实施例1的结构示意图；

[0023] 图3为本发明离子选择方法及装置一具体实施例的结构示意图(a)；

[0024] 图4为本发明离子选择方法及装置一具体实施例的结构示意图(b)；

[0025] 图5为本发明离子选择方法及装置一具体实施例在正常工作方式下的直流负高压示意图；

[0026] 图6为本发明离子选择方法及装置一具体实施例在单脉冲工作方式下的直流负高压示意图；

[0027] 图7为本发明离子选择方法及装置一具体实施例在序列脉冲工作方式下的直流负高压示意图。

具体实施方式

[0028] 为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

[0029] 除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

[0030] 本发明离子选择方法实施例1：

[0031] 针对传统技术只能筛除部分离子，导致MCP长期处于饱和或过饱和状态二次电子发射能力下降的问题，本发明提供了一种离子选择方法实施例1；图1为本发明离子选择方法实施例1的流程示意图；如图1所示，可以包括以下步骤：

[0032] 步骤S110：根据与飞行时间质谱仪脉冲同步的延时触发信号，输出触发指令；

[0033] 步骤S120：根据触发指令控制脉冲参数，输出预设脉冲；预设脉冲包括单脉冲或序列脉冲；脉冲参数包括脉冲宽度和延时时间；

[0034] 步骤S130：根据预设脉冲控制脉冲电源模块向微通道板输出高压脉冲；当不需要检测的离子到达所述微通道板时，进入步骤S140；当需要检测的离子到达微通道板时，进入步骤S150；

[0035] 步骤S140：根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于零电位；

[0036] 步骤S150：根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于正常工作电位，响应需要检测的离子。

[0037] 在一个具体的实施例中，还可以包括步骤：

[0038] 根据预设脉冲的脉冲宽度和延时时间控制高压脉冲的时序和持续时间。

[0039] 在一个具体的实施例中，还可以包括步骤：

[0040] 分别根据不需要检测的离子的飞行时间和需要检测的离子的飞行时间，输出相应的触发指令控制脉冲参数。

[0041] 在一个具体的实施例中，脉冲电源模块可以为高压脉冲电源。高压脉冲电源在高压直流电源的基础上增加了开关电路，从而可以输出幅度可调、宽度可调、频率可调、输出个数可设定的脉冲。

[0042] 在一个具体的实施例中，延时触发信号可以为TTL电平信号，其中TTL是指晶体管-晶体管逻辑电平(Transistor-Transistor Logic)信号，属于标准电平信号。

[0043] 具体而言，本发明通过施加脉冲式的高压实现离子的选择性检测：通过控制MCP的工作电压，并且通过对MCP施加特定的单脉冲及序列脉冲的形式实现了单个或多个离子的选择性检测。当不需要检测的离子到达MCP时，通过设置脉冲的延时和宽度，使MCP的工作电压处于零电位，则该离子无输出响应，而当需要检测的离子到达MCP时，通过设置脉冲的延时和宽度，使MCP的工作电压处于正常工作电位，则该离子有输出响应。

[0044] 其中，根据实际应用情况来确定哪些是需要的目标离子，哪些是不需要的背景离子。实际应用中使用仪器者需要关心哪些目标物质，选取相应离子信号进行针对性检测。上述特定的脉冲幅值范围为0～-2000V可调；一般情况下，本发明MCP工作脉冲延时是传统技术中反射板脉冲的延时的2倍；本发明中根据飞行时间质量分析器整体结构设计的MCP离子检测器的工作脉冲可以是悬浮脉冲。

[0045] 本发明离子选择装置实施例1的结构示意图：

[0046] 针对传统技术只能筛除部分离子，导致MCP长期处于饱和或过饱和状态二次电子发射能力下降的问题，本发明提供了一种离子选择装置实施例1；图2为本发明离子选择装置实施例1的流程示意图；如图2所示，可以包括：

[0047] 触发指令模块210，用于根据与飞行时间质谱仪脉冲同步的延时触发信号，输出触发指令；

[0048] 第一输出模块220，用于根据触发指令控制脉冲参数，输出预设脉冲；预设脉冲包括单脉冲或序列脉冲；脉冲参数包括脉冲宽度和延时时间；

[0049] 第二输出模块230，用于根据预设脉冲控制脉冲电源模块向微通道板输出高压脉冲；

[0050] 控制模块240，用于当不需要检测的离子到达微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于零电位；以及当需要检测的离子到达微通道板时，根据高压脉冲，控制微通道板的工作电压处于正常工作电位，响应需要检测的离子。

[0051] 在一个具体的实施例中，还可以包括：

[0052] 时序控制模块250，用于根据预设脉冲的脉冲宽度和延时时间控制高压脉冲的时序和持续时间。

[0053] 在一个具体的实施例中，时序控制模块250可以为FPGA(Field－Programmable Gate Array)芯片，即现场可编程门阵列芯片。

[0054] 在一个具体的实施例中，还可以包括：

[0055] 参数控制模块260，用于分别根据不需要检测的离子和需要检测的离子的离子信号，输出相应的触发指令控制脉冲参数。

[0056] 具体而言，本发明离子选择装置的实现原理为：通过与飞行时间质谱仪延迟脉冲同步的延时TTL触发信号做为触发，通过脉冲电源模块，输出MCP检测器实际需要工作的脉冲高压，其产生脉冲的大小值、波形或脉宽可通过上位机程序调节，输出脉冲性能通过示波器来检测。通过时序控制模块FPGA控制时序，开关电路驱动高压电源输出脉冲，通过FPGA发送TTL(在一个具体的实施例中为5V，方波信号)触发指令控制延时、脉宽等参数，通过控制高压电源的幅值开获取不同幅值的脉冲；在一个具体的实施例中，每一个TTL可产生一个脉冲，连续的TTL就可以得到独立、连续的脉冲。

[0057] 本发明离子选择方法及装置一具体实施例：

[0058] 为了进一步说明本发明技术方案的思路，特以包括上位机和时序电路的飞行时间质谱仪为例说明本发明的技术方案。本发明离子选择方法及装置的技术实现流程可以是如下所述：

[0059] MCP是micro-channel plate的缩写，特指微通道板(一种电子增益的元器件)，通过一定的结构制作成离子检测器(图3或图4中的整个结构)，MCP是检测器的一个部件。

[0060] 图3为本发明离子选择方法及装置一具体实施例的结构示意图(a)；图4为本发明离子选择方法及装置一具体实施例的结构示意图(b)；其中：

[0061] 1、第一片栅网极片；2、陶瓷绝缘垫；3、第二栅网极片；4、聚四氟乙烯绝缘垫；5、第一片普通极片；6、聚四氟乙烯绝缘垫；7、第二片普通极片；8、阳极板；9、信号线；10、分压电阻；11、MCP；

[0062] 图5为本发明离子选择方法及装置一具体实施例在正常工作方式下的直流负高压示意图；选择性离子探测器在正常工作方式下，对MCP施加直流负高压12，则可实现全谱图检测；

[0063] 图6为本发明离子选择方法及装置一具体实施例在单脉冲工作方式下的直流负高压示意图；选择性离子探测器在单脉冲13工作方式下，可通过设置单脉冲的延时t1和脉宽△t1来控制MCP施加负高压的时序和持续时间，从而实现对应飞行时间下离子的选择性检测，其他离子均无信号输出，此外也可通过延长脉冲宽度，实现某一段飞行时间下多个离子的检测；

[0064] 图7为本发明离子选择方法及装置一具体实施例在序列脉冲工作方式下的直流负高压示意图；选择性离子探测器在序列脉冲14工作方式下，可通过设置序列脉冲中多个脉冲的延时t1、t2等和脉宽△t1、△t2等，来控制MCP施加负高压的时序和持续时间，从而实现多个离子的选择性检测，其他离子均无信号输出。

[0065] 其中，以EI-TOF(EI：电子轰击电离，Time-of-Flight：飞行时间)质谱仪为例进一步阐述本发明的技术方案：

[0066] EI-TOF(EI：电子轰击电离，Time-of-Flight：飞行时间)质谱仪应用于在钢铁生产过程中检测钢铁成分中的气体成分多少，包括H(氢)，N(氮)，O(氧)，CO2(二氧化碳)等来判断钢铁质量的好坏。进样过程中以He为载气将目标气体在电离区电离引入到质量分析器最终被检测器检测，此过程中也会有大量的He被电离到达检测器使检测器处于饱和工作状态，减少了微通道板的使用寿命。通过理论计算和实际调试过程，当He到达检测区时，检测器处于不工作状态，微通道板无增益；当目标离子到达检测器时，施加一定脉宽(在本实施例中为0～50ns可调)的脉冲使检测器处于正常工作状态使的目标离子得以检测。在这个过程中，可以设置不同的延时(延时时间是需要根据离子的飞行时间来确定的，涉及飞行时间质谱仪的整机原理，延时时间可以是离子飞到检测器的飞行时间；在本实施例中延时范围为0～100μs可调，延时调节精度为10ns；)通过施加脉冲的形式对多个目标离子进行选择。

[0067] 本发明离子选择方法及装置，在不改变分析器结构及添加其他特殊的结构的前提下，通过控制MCP的工作电压，并且通过对MCP施加特定的单脉冲及序列脉冲的形式实现了单个或多个离子的选择性检测。当不需要检测的离子到达MCP时，通过设置脉冲的延时和宽度，使MCP的工作电压处于零电位，则该离子无输出响应，而当需要检测的离子到达MCP时，通过设置脉冲的延时和宽度，使MCP的工作电压处于正常工作电位，则该离子有输出响应。在被选择的离子到达检测器时，检测器电压为0，备选离子打在MCP上无增益，谱图干净，但又不会影响目标峰的分析；序列脉冲包含多个各自独立的脉冲，各脉冲根据所需去除的离子来设置延时和脉宽。本发明离子选择针对性强，不需要对仪器结构进行改造，直接从检测器上就直接解决了因MCP长期处于饱和或过饱和状态二次电子发射能力下降的问题。通过这种选择性工作方式实现背景离子的无输出响应，减少微通道板MCP的衰减，延长了MCP的使用寿命。

[0068] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0069] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。