一种便携式质子转移反应质谱仪的制作方法

1.本实用新型涉及质子转移反应质谱领域，尤其涉及一种便携式质子转移反应质谱仪。


背景技术：

2.质子转移反应质谱（ptr
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ms, proton transfer reaction
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mass spectrometry）仪是一款环境污染保护上对空气中挥发性有机物在线检测、医学上对一些呼吸疾病辅助检测的仪器。目前已经被广泛应用于生命科学、环境检测、食品安全及医学诊断等领域。现有的质子转移反应质谱仪一般由离子源、质子转移反应区（漂移管）、离子透镜聚焦接口、四极杆或飞行质量分析器等组成。
3.但是现在常规的质子转移反应质谱仪均为实验室使用的大型仪器，市场上缺少能够便捷携带的小型质子转移反应质谱仪。在按照大型仪器的设计来小型化和便携化的过程中主要存在以下问题：
4.1）便携式质子转移反应质谱仪因其携带的需要，最好达到只需1
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2人就能实现携带到现场并在无外部供电的情况下运行一段时间的目标。而现有的大型质子转移反应质谱仪使用的四级杆质量分析器和飞行时间质量分析器的体积大、重量重，且不易缩小，对应需要多级真空装置或是体积更大的高性能真空装置，因此决定了其无法成为便携式装置。现在市场上也存在一些名义上称为便携式的质子转移反应质谱仪，但其体积并没有大幅的缩小，只是在实验室的大型质子转移反应质谱仪的基础上在底部装上了滑轮，这样的结构虽然在一定程度上提高了移动性，但重量和体积仍不符合便携要求，同时由于各部件功耗依然较大，在供电上仍需要外接电源，在没有外部供电的情况下无法满足现场应急工作。此外，由于其体积依旧庞大，需要多人搬运及交通工具运输，使其应用受到限制。
5.2）大部分便携式质子转移反应质谱仪采用单四级杆或飞行时间质量分析器，在对一些相同质荷比的物质分析时会因为其无法进行二级质谱碎裂而产生混淆，从而影响精准定性。
6.3）市面上常规的质子转移反应质谱仪的离子源采用的是多级真空，先将反应气在离子源装置中被灯丝产生的电子电离生成带正电荷的反应离子，使反应离子与检测气体一起通过分子漂移管进入另外一级真空并发生质子转移，生成待测样品离子，之后通过质量分析器对待测样品离子进行质量分析。其所需要的二级或多级真空极大地影响了仪器的便携性。


技术实现要素：

7.为了解决上述现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种便携式质子转移反应质谱仪，其具有更小的体积，更优的便携性，分析定性更为准确。
8.本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种便携式质子转移反应质谱仪，包括由前至后依次沿中心轴设置在真空腔内的离子源、电子门、离子阱和检测器，所
述的离子源设置有反应气入口，用于将从所述的反应气入口进入的反应气体电离成带电的初始反应离子；所述的电子门连通所述的离子源和所述的离子阱，通过改变电压来控制通过所述的电子门的初始反应离子的数量；所述的离子阱设置有样品进样口，用于使从所述的样品进样口进入的检测气体与所述的初始反应离子碰撞产生质子转移形成新离子，并使新离子按照质荷比的大小顺序射出；所述的检测器用于检测从所述的离子阱中射出的新离子。
9.在一些实施方式中，所述的离子源还包括离子腔、电子产生单元、磁场产生单元和排斥电极，所述的电子产生单元设置在所述的离子腔的相对两侧用于产生电子，所述的离子腔的侧壁上相对应开设有供电子进入的通孔，所述的磁场产生单元设置在所述的电子产生单元的外侧，用于产生驱使电子经所述的通孔进入所述的离子腔的磁场，所述的反应气入口与所述的离子腔连通，所述的反应气入口方向、磁场方向、所述的中心轴两两垂直，反应气体由所述的反应气入口进入所述的离子腔内并与所述的电子产生单元产生的电子撞击形成带电的初始反应离子，所述的排斥电极设置在所述的离子腔的内部的前端，用于使所述的初始反应离子向着所述的电子门的方向运动。由此，反应气如h2o从反应气入口进入离子源腔室中，被电离源如热灯丝发射（ei源）释放的电子撞击形成带正电荷的h3o

离子，带电的反应离子经过推斥电极的作用向电子门方向飞行。
10.在一些实施方式中，所述的电子门为中空的金属筒体，所述的电子门连接外部电极，通过改变电压来控制通过所述的电子门的初始反应离子的数量。且电子门体型较小，使离子源、电子门、离子阱紧贴，减少了反应离子传输的损耗，减小体积。
11.在一些实施方式中，所述的离子阱由一个轴向设置的环电极、置于所述的环电极的前端的前端盖电极以及置于所述的环电极的后端的后端盖电极构成，所述的前端盖电极和所述的后端盖电极的中部均设有贯通的离子通道，所述的样品进样口位于所述的前端盖电极与所述的环电极之间。该离子阱的结构较为小巧，反应离子在进入离子阱后，通过特定的rf电压储存在离子阱内部，将离子阱与样品进样口相整合，当检测气体进入离子阱后，与反应离子碰撞产生质子转移形成新的离子，然后通过改变离子阱的rf电压使新离子安装质荷比的顺序从离子阱内射出。
12.在一些实施方式中，所述的电子产生单元为发热的灯丝，所述的灯丝的材质采用钨丝，所述的磁场产生单元包括两个永磁铁，两个所述的永磁铁分别对应于两个所述的灯丝设置，且两个所述的永磁铁的磁极相反。
13.在一些实施方式中，所述的电子门的长度为15
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20mm。
14.在一些实施方式中，所述的离子源采用ei离子源、辉光放电离子源、紫外电离源、apci离子源、电喷雾离子源或者介质阻挡放电离子源。
15.在一些实施方式中，所述的真空腔为一个，所述的真空腔的后端连接有用于控制所述的真空腔真空度的真空泵。由于大大减小了装置的体积，因此能够取消二级真空，将离子源与离子阱放置在一个真空腔中，同时真空泵的功率要求也得到降低。
16.在一些实施方式中，所述的反应气体为he、h2o、n2、ch4、xe、kr、nh3、hg中的任意一种。
17.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
18.（1）通过设置离子阱质量分析器来替代四级杆或飞行时间质量分析器，其具有更
小的体积，因此可以更好地缩小真空腔的体积，从而使真空泵的抽力要求降低，降低成本和功耗，便携性得到较大提高；
19.（2）本方案采用离子阱质量分析器，按照离子阱储存离子的特性可以将需要碎裂的离子储存在阱中再进行碎裂，从而实现二级质谱，能有效提高分析定性水平；
20.（3）通过设置电子门替代分子漂移管，可以控制通过电子门的初始反应离子的数量，从而有效控制进入离子阱参加反应离子的浓度，而且电子门体型较小，使离子源、电子门、离子阱紧贴，减少了反应离子传输的损耗；
21.（4）由于大大减小了装置的体积，因此能够取消二级真空，将离子源与离子阱放置在一个真空腔中，中间间隔一个电子门来控制参加ptr的反应离子是否进入离子阱与检测气体反应。
附图说明
22.图1为本实用新型一种便携式质子转移反应质谱仪一实施例的结构原理图。
23.其中，真空腔1，真空泵11，离子源2，反应气入口21，离子腔22，电子产生单元23，磁场产生单元24，排斥电极25，通孔26，电子门3，离子阱4，样品进样口41，环电极42，前端盖电极43，后端盖电极44，离子通道45，检测器5。
具体实施方式
24.以下结合附图和实施例对本实用新型一种便携式质子转移反应质谱仪作进一步详细说明，但不作为对本实用新型的限定。
25.实施例一
26.如图所示，一种便携式质子转移反应质谱仪，包括由前至后依次沿中心轴设置在真空腔1内的离子源2、电子门3、离子阱4和检测器5，离子源2设置有反应气入口21，用于将从反应气入口21进入的反应气体电离成带电的初始反应离子；电子门3连通离子源2和离子阱4，通过改变电压来控制通过电子门3的初始反应离子的数量；离子阱4设置有样品进样口41，用于使从样品进样口41进入的检测气体与初始反应离子碰撞产生质子转移形成新离子，并使新离子按照质荷比的大小顺序射出；检测器5用于检测从离子阱4中射出的新离子，本实施例中为分子倍增管。
27.实施例二
28.本实施例提出的一种便携式质子转移反应质谱仪，其在实施例一的基础上对离子源的具体结构进行了限定。本实施例中，离子源2还包括离子腔22、电子产生单元23、磁场产生单元24和排斥电极25，电子产生单元23设置在离子腔22的相对两侧用于产生电子，离子腔2的侧壁上相对应开设有供电子进入的通孔26，磁场产生单元24设置在电子产生单元23的外侧，用于产生驱使电子经通孔进入离子腔的磁场，反应气入口21与离子腔22连通，反应气入口方向、磁场方向、中心轴两两垂直，反应气体由反应气入口进入离子腔内并与电子产生单元产生的电子撞击形成带电的初始反应离子，排斥电极25设置在离子腔22的内部的前端，用于使初始反应离子向着电子门3的方向运动。
29.实施例三
30.本实施例提出的一种便携式质子转移反应质谱仪，其在实施例一的基础上对电子
门的具体结构进行了限定。本实施例中，电子门3为中空的金属筒体，电子门连接外部电极，通过改变电压来控制通过电子门的初始反应离子的数量。
31.实施例四
32.本实施例提出的一种便携式质子转移反应质谱仪，其在实施例一的基础上对离子阱的具体结构进行了限定。本实施例中，离子阱4由一个轴向设置的环电极42、置于环电极42的前端的前端盖电极43以及置于环电极42的后端的后端盖电极44构成，前端盖电极43和后端盖电极44的中部均设有贯通的离子通道45，样品进样口41位于前端盖电极43与环电极42之间。
33.实施例五
34.本实施例提出的一种便携式质子转移反应质谱仪，其在实施例二的基础上对离子源的具体结构进行了限定。本实施例中，电子产生单元23为发热的灯丝，灯丝的材质采用钨丝，磁场产生单元24包括两个永磁铁，两个永磁铁分别对应于两个灯丝设置，且两个永磁铁的磁极相反。
35.实施例六
36.本实施例提出的一种便携式质子转移反应质谱仪，其在上述实施例的基础上对质谱仪的其余结构进行了补充说明。本实施例中，电子门3的长度为15
‑
20mm。
37.本实施例中，离子源2可以采用ei离子源、辉光放电离子源、紫外电离源、apci离子源、电喷雾离子源或者介质阻挡放电离子源。
38.本实施例中，真空腔1为一个，真空腔1的后端连接有用于控制真空腔真空度的真空泵11。
39.本实施例中，反应气体可以为he、h2o、n2、ch4、xe、kr、nh3、hg中的任意一种，或者n2和h2o的混合气。
40.本实用新型一种便携式质子转移反应质谱仪的工作原理如下：
41.反应气离子化：反应气如h2o从反应气入口进入离子源腔室中，被电离源如热灯丝发射（ei源）释放的电子撞击形成带正电荷的h3o

离子，带电的反应离子经过推斥电极的作用向电子门方向飞行。
42.电子门开关：电子门通过改变电压控制通过电子门的反应离子数量来控制离子阱中的反应离子浓度来适应不同浓度的检测气体分析。
43.质子转移：反应离子在进入离子阱后，通过特定的rf电压将反应离子储存在离子阱内部，然后检测气体进入离子阱与反应离子碰撞产生质子转移形成新的离子，然后改变离子阱的rf电压使新离子安装质荷比的顺序从离子阱内射出。
44.检测：检测器为电子倍增器可以对带电离子的电信号进行放大并转化为电流信号。从离子阱射出的离子进入检测器如电子倍增器，转化为电流信号输出。
45.多级质谱：在对一些大分子或易混淆的离子进行分析的时候，利用离子阱的储存特性将特定质荷比的离子储存下来，通过谐振电场的激发和离子阱内的中性气体碰撞碎裂成特征子离子，再通过改变离子阱rf的电压使碎裂的离子从阱内射出进入检测器。
46.值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效结
构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖的范围内。