一种气流驱动的大气压质谱分析装置及方法转让专利
申请号 : CN202110453414.X
文献号 : CN113223920B
文献日 : 2021-11-23
发明人 : 霍新明 , 余泉 , 唐飞 , 王晓浩
申请人 : 清华大学深圳国际研究生院
摘要 :
权利要求 :
1.一种气流驱动的大气压质谱分析装置,其特征在于,包括气体发生装置、离子传输管、离子源模块以及离子检测器,所述气体发生装置用于产生大气条件下的层流驱动气体,所述离子传输管供气流驱动离子向前运动,所述离子源模块接入所述离子传输管内部以实现待分析样品的离子化,所述离子传输管内设置有沿360度圆周对称分布的四个射频电极,所述离子检测器设置在所述离子传输管的出口处,所述离子源模块产生的离子由所述层流驱动气体驱动在所述离子传输管内轴向传输,经过所述射频电极,利用高频高压射频四极场实现离子径向振动,利用低频低压辅助交流信号实现特定离子的共振,共振离子打到所述射频电极上而湮灭,非共振离子通过所述离子传输管,由所述离子检测器接收并产生离子流陷波,得到质谱图;其中,待分析样品由所述离子源模块进样,或由所述气体发生装置产生的气流带到所述离子源模块处;其中,所述的四个射频电极中第一对180度对立分布的电极分别施加相同相位的固定频率F和幅值V的高频高压射频交流信号来为所述离子传输管内的轴向传输的离子提供径向振动频率,同时第二对180度对立分布的电极施加固定幅值v,频率f由0~F/2进行扫描的低频低压辅助交流信号,所述幅值v小于V/10。
2.如权利要求1所述的大气压质谱分析装置,其特征在于,所述第二对180度对立分布的电极同时耦合施加与所述第一对射频电极相反相位但相同固定频率F和幅值V的高频高压射频交流信号。
3.如权利要求1至2任一项所述的大气压质谱分析装置,其特征在于,所述射频电极有不少于1/4的部分裸露于所述离子传输管内。
4.如权利要求1至2任一项所述的大气压质谱分析装置,其特征在于,所述离子传输管和所述射频电极嵌为一体且内表面的截面轮廓为完整的圆形,或者所述射频电极的一部分突出于所述离子传输管的内表面且和离子传输管之间密封不漏气。
5.如权利要求1至2任一项所述的大气压质谱分析装置,其特征在于,所述离子传输管和射频电极内表面光滑且密封,所述层流驱动气体在所述离子传输管内的流动满足雷诺数小于2300。
6.如权利要求1至2任一项所述的大气压质谱分析装置,其特征在于,所述层流驱动气体为氢气、氦气、氩气、氮气、空气中的一种或几种的混合。
7.如权利要求1至2任一项所述的大气压质谱分析装置,其特征在于,所述离子源模块为放电离子源、光离子源、喷雾离子源、等离子体离子源、超声离子源中的一种,所述离子检测器为带有屏蔽网的法拉第检测器。
8.如权利要求1至2任一项所述的大气压质谱分析装置,其特征在于,所述的离子传输管的材料为非导电材料,所述的射频电极为可导电材料。
说明书 :
一种气流驱动的大气压质谱分析装置及方法
技术领域
背景技术
被誉为现代化学分析检测领域的黄金标准,在诸多领域都有广泛的应用。最早关于质谱技
术的研究可以追述到十九世纪九十年代,经过几代科学家的不懈努力,质谱技术不断发展,
质谱仪器的性能也不断完善,截止目前在质谱领域已经诞生了十余位诺贝尔奖获得者,质
谱领域的发展大大推动了人类在科学研究与应用方面的进步。
的一个重要需求,这也使得质谱仪的小型化成为当今研究热点。解决质谱仪小型化过程中
的核心技术问题,有望将这一实验室专用的精密仪器推向原位检测应用当中,降低检测成
本,提升现场分析能力,为化学成分检测提供技术保障,在诸多领域都具有重要的应用意
义。
于提供真空环境的真空泵和外围测控系统几个部分。而其中限制质谱仪小型化的关键因素
即为真空。最早期的质谱无论离子的产生、传输、分析还是检测都需要在很高真空度的环境
下工作,传统的大型实验室质谱采用持续进样大气压接口,为了保证良好的质谱内真空气
压状态,往往需要多个前级机械泵配合高转速的涡轮分子泵,其重量,体积以及成本是小型
化质谱无法接受的,这极大限制仪器小型化的可能性。
1566‑1570.),离子的传输(CN102232238AUS2009/059514WO2010/045049),包括离子的分离
和检测(Zane Baird,Pu Weia and R.Graham Cooks,“Ion creation,ion focusing,ion/
molecule reactions,ion separation,and ion detection in the open air in a
small plastic device”,Analyst.,140(2015)696‑700)已经都可以实现非真空条件下的
工作。但是即使在最适合小型化的四极离子阱质量分析器,目前小质谱中的工作气压一般
仍要至少低于0.1Pa,最高的气压也需要100Pa左右的量级(Blakeman K H,Wolfe D,
Cavanaugh C,et al.High Pressure Mass Spectrometry:The Generation of Mass
Spectra at Operating Pressures Exceeding 1Torr in a Microscale Cylindrical
Ion Trap[J].Analytical Chemistry,2016:5378‑5384.),严重限制的仪器的体积、重量和
功耗。
分析方法,这些方法都需要在离子阱电极上施加适当的高压射频信号,这样不同质荷比离
子阱会按照马修方程所描述的规律囚禁在离子阱以不同的“世俗频率”运动。其中,最为常
用的是在质量分析时保持加载在离子阱电极上的正弦高压射频(RF)信号的频率不变,然后
扫描射频的幅值,则不同质荷比离子的马修方程稳定参数q值会依次增加,当q大于0.908
时,离子会脱离稳定状态离开离子阱到达检测器而完成分析,这种RF幅值扫描模式也被称
为质量选择不稳定模式或边界激发模式。为了提高分析性能,可以在此基础上引入一个固
定频率的正弦低压激励信号(AC),使得在RF幅值扫描过程中,离子还未达到不稳定边界(q<
0.908),就与低压激励信号发生共振,而被扫描出离子阱,这种RF幅值扫描模式被称为共振
激发模式。以上方式为离子的振动和操控提供了方法,但是在大气的环境下,空气阻力明
显,仅仅依靠电场无法实现离子的有效操控,使得已有的质谱分析方法失效。所以如何在大
气压环境下实现离子的质谱分析是目前质谱仪进一步小型化发展需要重点攻克的问题。
发明内容
端,为质谱仪的进一步小型化、方便现场检测提供可行方案。
输管供气流驱动离子向前运动,所述离子源模块接入所述离子传输管内部以实现待分析样
品的离子化,所述离子传输管内设置有沿360度圆周对称分布的四个射频电极,所述离子检
测器设置在所述离子传输管的出口处,所述离子源模块产生的离子由所述层流驱动气体驱
动在所述离子传输管内轴向传输,经过所述射频电极,利用高频高压射频四极场实现离子
径向振动,利用低频低压辅助交流信号实现特定离子的共振,共振离子打到所述射频电极
上而湮灭,非共振离子通过所述离子传输管,由所述离子检测器接收并产生离子流陷波,得
到质谱图。
振动频率,同时第二对180度对立分布的电极施加固定幅值v,频率f由0~F/2进行扫描的低
频低压辅助交流信号,所述幅值v小于V/10。
气。
发从全离子流中实现特定离子的激发去除,由于离子检测器接收的离子流中少了一些离
子,将形成倒峰,由于不同离子拥有不同振动频率,通过扫描共振激发频率即可实现不同离
子的质谱分析。本发明可以在非真空条件下实现离子质谱分析,摆脱质谱对两级真空泵的
需求,实现质谱仪进一步小型化,提高便携性。
附图说明
具体实施方式
以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外,连接既可以是用于固定
作用也可以是用于耦合或连通作用。
系,仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中,“多个”的含义是两个或两个
以上,除非另有明确具体的限定。
大气条件下的层流驱动气体,所述离子传输管2供气流驱动离子向前运动,所述离子源模块
3接入所述离子传输管2内部以实现待分析样品的离子化,所述离子传输管2内设置有沿360
度圆周对称分布的四个射频电极4,所述离子检测器5设置在所述离子传输管2的出口处,所
述离子源模块3产生的离子由所述层流驱动气体驱动在所述离子传输管2内轴向传输,经过
所述射频电极4,形成总离子流,利用高频高压射频四极场赋予所有离子径向振动频率,实
现离子径向振动,利用低频低压辅助交流信号实现特定离子的共振,共振离子打到所述射
频电极上而湮灭,非共振离子通过所述离子传输管2达到所述离子检测器5,在扫描低频低
压辅助交流信号的频率的时候,由于总离子流中会依次减少了一些离子,将形成倒峰,从而
得到质谱图。其中,层流驱动气体驱动的离子通过高频高压射频四极场和低频低压辅助交
流信号的共振激发,从全离子流中实现特定离子的激发去除,由于不同离子拥有不同振动
频率,通过扫描共振激发频率即可实现不同离子的质谱分析。
传输管2内的轴向传输的离子提供径向振动频率,同时第二对180度对立分布的电极42、44
施加固定幅值v,频率f由0到F/2进行扫描的低频低压辅助交流信号。当离子径向振动频率
与辅助交流信号频率f发生共振时,对应离子打在射频电极上而湮灭。
流信号,来强化所述离子传输管2内的轴向传输的离子提供径向振动频率。
述射频电极4嵌为一体,且表面的截面轮廓为完整的圆形,同样射频电极4和离子传输管2之
间密封不漏气。
极为金属材料或其他可导电材料,如金银铜铁。
离子传输管2;密封接于离子传输管2上的用于产生离子的离子源模块3;离子传输管2内嵌
有4个360度对称分布的射频电极4,且电极有不少于1/4的部分裸露于离子传输管2内;以及
配置在离子传输管尾部的离子检测器5。
满足雷诺数小于2300,即层流气体条件。。射频电极4也可以突出于离子传输管2的内表面,
但同样射频电极4和离子传输管2之间密封不漏气。离子传输管的材料为非导电材料,如塑
料、聚合物材料。射频电极为金属材料或其他可导电材料,如金银铜铁。驱动气体为氢气、氦
气、氩气、氮气、空气中的一种或几种混合。离子源模块3为放电离子源、光离子源、喷雾离子
源、等离子体离子源、超声离子源中的一种。离子检测器为带有屏蔽网的法拉第检测器。
频率,同时另一对180度对立分布的电极42和44之间施加固定幅值v,频率f由0到F/2进行扫
描的低频低压辅助交流信号;另一对180度对立分布的电极42和44还可同时耦合施加与电
极41和43相反相位但相同固定频率F和幅值V的高频高压射频交流信号,来强化离子传输管
2内的轴向传输的离子提供径向振动频率。
波,得到质谱图。
频率,同时另一对180度对立分布的电极42和44之间施加固定幅值v,频率f由0到F/2进行扫
描的低频低压辅助交流信号。
频率,另一对180度对立分布的电极42和44可同时耦合施加与电极41和43相反相位但相同
固定频率F和幅值V的高频高压射频交流信号,来强化离子传输管2内的轴向传输的离子提
供径向振动频率,同时另一对180度对立分布的电极42和44之间施加固定幅值v,频率f由0
到F/2进行扫描的低频低压辅助交流信号。
目的是使气瓶中流出的氦气可以形成稳定的层流状态;离子传输管2同样为特氟龙材质制
作的内部光滑的圆筒形状;气体发生装置1与离子传输管2之间采用电喷雾离子源构成离子
源模块3,整个装置只有离子源进样口和离子传输管2出口开孔,其他均密封;离子传输管2
内嵌有4个圆柱形金属四极杆电极,并按360度对称分布构成射频电极4,且四个电极分别各
自有一半潜入离子传输管中用于固定,一半裸露于离子传输管2内,用于接收共振激发的离
子而使其湮灭;配置在离子传输管尾部的离子检测器5采用法拉第检测器。
四个射频电极4采用碳掺杂材料打印,从而可以导电而用作射频电极,其余部分无掺杂,用
作绝缘支架,整个离子传输管一体化打印,保证内壁光滑与密封;气体发生装置1带动样品
到达放电离子源模块3处完成电离,整个装置只有离子传输管2出口开孔,其他均密封,保证
层流的流动;配置在离子传输管尾部的离子检测器5为带有屏蔽网的法拉第检测器。
在不脱离本发明构思的前提下,其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型,
而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中,参考术
语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描
述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一
个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施
例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例
中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述
的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了
本发明的实施例及其优点,但应当理解,在不脱离专利申请的保护范围的情况下,可以在本
文中进行各种改变、替换和变更。