离子透镜装置和质谱仪的制作方法

1.本技术涉及质谱分析仪器技术领域，特别是涉及一种离子透镜装置和质谱仪。


背景技术：

2.质谱仪是研究物质基本组成、结构特征、物理和化学性质最基本的仪器之一，是生命科学、材料科学、食品安全、环境保护等领域的必备仪器，是现代分析仪器的核心。质谱仪的本质是利用电场和/或磁场在真空环境下将运动的离子按质荷比分离后实现化合物组成的检测。其中，离子透镜装置是质谱仪中的关键传输装置，需聚集并引导待分析离子从接口区域到达质谱分析装置，同时阻止中性粒子和光子等背景噪声通过，决定了仪器灵敏度、检出限与背景噪音水平。
3.目前，常用的离子透镜装置按离子偏转的方式可包括有光学挡板型与90度偏转型等。其中，光学挡板型虽然能很好的消除中性粒子与光子的干扰，但也会使得待测离子损失严重，导致仪器灵敏度降低。90度偏转型对于不同质量的元素来说，聚焦点并不能特别稳定，甚至传输过程中有的离子可能偏转到装置之外，同样也会造成灵敏度降低的问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对现有离子透镜装置会造成离子检测灵敏度降低的问题，提供一种离子透镜装置与质谱仪。
5.一种离子透镜装置，包括离子引出电极与偶数个的离子传输电极，各所述离子传输电极等间隔设置于所述离子引出电极，合围成开口的圆柱形离子传输通道，所述离子引出电极上设置有离子引出孔；
6.所述离子引出电极与各所述离子传输电极上均施加有电压，在所述圆柱形离子传输通道中形成加速偏转电场，将待测离子束从上一级环境引入所述圆柱形离子传输通道，并对所述待测离子束的运动方向进行偏转，使所述待测离子束从所述离子引出孔传输至下一级环境。
7.在其中一个实施例中，所述离子传输电极的数量为至少四个，包括一对相对设置的离子加速电极以及至少一对相对设置的离子偏转电极，各所述离子加速电极与所述离子引出孔的距离相同，且各所述离子加速电极所施加的电压大小相等，相对设置的两个所述离子偏转电极与所述离子引出孔的距离不相同，且距离所述离子引出孔近的离子偏转电极所施加的电压大于距离所述离子引出孔远的离子偏转电极所施加的电压。
8.在其中一个实施例中，各所述离子加速电极与各所述离子偏转电极所施加的电压极性一致。
9.在其中一个实施例中，各所述离子加速电极与各所述离子偏转电极均为不锈钢电极。
10.在其中一个实施例中，各所述离子加速电极与各所述离子偏转电极均为中间具有贯通孔的方框状电极。
11.在其中一个实施例中，各所述离子加速电极与各所述离子偏转电极均设置有金属丝。
12.在其中一个实施例中，所述离子传输电极的数量为两个，两个所述离子传输电极相对设置作为离子偏转电极，两个所述离子偏转电极与所述离子引出孔的距离不相同，且距离所述离子引出孔近的离子偏转电极所施加的电压大于距离所述离子引出孔远的离子偏转电极所施加的电压。
13.在其中一个实施例中，上述离子透镜装置还包括连接所述离子引出电极的旋转机构，所述旋转机构用于带动所述离子引出电极与各所述离子传输电极沿所述圆柱形离子传输通道的中心轴旋转，以使所述离子引出电极上的所述离子引出孔的位置调整。
14.在其中一个实施例中，提供一种质谱仪，包括离子产生装置、离子接口装置、碰撞反应装置、质量分析装置以及上述的离子透镜装置，所述离子产生装置用于生成待测离子束，所述待测离子束依次经过所述离子接口装置、所述离子透镜装置与所述碰撞反应装置后，进入所述质量分析装置完成质量分析。
15.在其中一个实施例中，所述离子接口装置与所述碰撞反应装置之间、以及所述碰撞反应装置与所述质量分析装置之间均设置有所述离子透镜装置。
16.上述离子透镜装置和质谱仪，离子引出电极与偶数个的离子传输电极合围成一端开口的圆柱形离子传输通道，通过对离子引出电极与各离子传输电极上施加电压，在圆柱形离子传输通道中形成加速偏转电场，将待测离子束从上一级环境引入圆柱形离子传输通道进行偏转后从离子引出孔传输至下一级环境，而不受电场偏转作用的中性粒子与光子得以去除，离轴式离子透镜的结构也能具有更高的离子传输效率，仪器灵敏度较高。
附图说明
17.图1为一实施例中离子透镜装置的后视示意图；
18.图2为一实施例中离子透镜装置的侧视示意图；
19.图3为一实施例中离子透镜装置的正视示意图；
20.图4为一实施例中离子传输电极为方框状电极的示意图；
21.图5为一实施例中离子传输电极为带金属丝的方框状电极的示意图；
22.图6为一实施例中待测离子束在离子透镜装置中运动轨迹的示意图；
23.图7为一实施例中待测离子束的离子质量对应为9amu、115amu与209amu的情况下的偏转轨迹图；
24.图8为一实施例中质谱仪的结构框图。
具体实施方式
25.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
26.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技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术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，不是旨在于限制本技术。
27.可以理解，本技术所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本技术的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
28.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
29.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
30.如背景技术所述，质谱仪是现代分析仪器的核心，本质是利用电场和/或磁场在真空环境下将运动的离子按质荷比分离后实现化合物组成的检测。其中，离子透镜装置是质谱仪中的关键传输装置，需聚集并引导待分析离子从接口区域到达质谱分析装置，同时阻止中性粒子和光子等背景噪声通过，决定了仪器灵敏度、检出限与背景噪音水平。目前，常用的离子透镜装置按离子偏转的方式可包括有光学挡板型与90度偏转型等。其中，光学挡板型虽然能很好的消除中性粒子与光子的干扰，但也会使得待测离子损失严重，导致仪器灵敏度降低。90度偏转型对于不同质量的元素来说，需要频繁调整电压，离子聚焦点并不能特别稳定，甚至传输过程中有的离子可能偏转到装置之外，同样也会造成灵敏度降低的问题。
31.基于此，本技术提供一种离子透镜装置应用于质谱仪，具体应用于需要聚集并引导待测离子束实现运动方向偏转，同时去除待测离子束中中性粒子和光子等背景噪声等场景。例如，可应用于离子接口装置与碰撞反应装置之间，去除待测离子束中中性分子和光子。还可应用于碰撞反应装置与质量分析装置之间，去除碰撞反应装置中因离子碰撞或反应过程中产生的中性分子。具体地，将离子引出电极与偶数个的离子传输电极合围成一端开口的圆柱形离子传输通道，通过对离子引出电极与各离子传输电极上施加电压，在圆柱形离子传输通道中形成加速偏转电场，将待测离子束从上一级环境引入圆柱形离子传输通道进行偏转后从离子引出孔传输至下一级环境，而不受电场偏转作用的中性粒子与光子得以去除，离轴式离子透镜的结构也能具有更高的离子传输效率，使得仪器对待测离子束检测的灵敏度较高。
32.在一个实施例中，如图1与图2所示，提供一种离子透镜装置，包括离子引出电极110与偶数个的离子传输电极120，各离子传输电极120等间隔设置于离子引出电极110，合围成开口的圆柱形离子传输通道，离子引出电极110上设置有离子引出孔130；离子引出电极110与各离子传输电极120上均施加有电压，在圆柱形离子传输通道中形成加速偏转电场，将待测离子束从上一级环境引入圆柱形离子传输通道，并对待测离子束的运动方向进行偏转，使待测离子束从离子引出孔130传输至下一级环境。
33.具体地，各离子传输电极120垂直于离子引出电极110设置，与离子引出电极110合围成开口的圆柱形离子传输通道。可以理解，圆柱形离子传输通道的中心轴方向与待测离子束的运动方向平行，以使待测离子束从开口处射入，经过圆柱形离子传输通道后从离子引出电极110上设置的离子引出孔130射出至下一级环境，保证离子的传输效率。
34.其中，离子传输电极120为成对设置的形式，且等间隔设置于离子引出电极110形成圆柱形离子传输通道，且成对的离子传输电极120为相对设置，可保证在施加电压形成加速偏转电场时，让待测离子束保持原有离子束形状不发散，提高离子传输效率。则对应地，为保持装置整体形状一致，离子引出电极110可以是与圆柱形离子传输通道横截面等径的圆形电极，且圆形电极与圆柱形离子传输通道同轴设置。进一步地，离子传输电极120的数量为偶数，可以是包括一对半圆形的离子传输电极120，也可以是包括圆弧形的两对以上的离子传输电极120。其中，离子引出电极110、离子传输电极120的尺寸以及形成的圆柱形离子传输通道的大小并不唯一，可根据质谱仪的尺寸设置。例如，在本实施例中，离子引出电极110的厚度为1mm，各离子传输电极120的厚度为4mm，合围成的圆柱形离子传输通道的半径为18.5mm，长度为26mm。
35.进一步地，为了去除待测离子束中的中性粒子与光子等背景噪声，离子引出电极110与各离子传输电极120上均施加有电压，在圆柱形离子传输通道中形成加速偏转电场。同时，离子引出孔130在离子引出电极110上设置的位置，偏离待测离子束在离子引出电极110上的束斑位置，使待测离子束在偏转电场的作用下实现运动方向的偏转，从离子引出孔130传输至下一级环境。可以理解，中性粒子与光子等背景噪声由于不受电场作用。若中性粒子与光子具有一定动能，将打在待测离子束沿入射方向在离子引出电极110上的束斑位置而去除，若动能较小，则会被真空设备抽出而去除。可以理解，离子引出电极110与各离子传输电极120之间通过绝缘材料固定，以保证不会互相影响，维持电场稳定。
36.其中，离子引出孔130偏离待测离子束沿入射方向在离子引出电极110上的束斑位置的距离不做限定，可根据实际离子质量与偏转电场情况设定。但需保证离子引出孔130与待测离子束在离子引出电极110上的束斑位置无重叠部分，以保证中性粒子与光子等背景噪声的去除效果。另外，离子引出孔130的尺寸并不唯一，可根据实际待测离子束的直径设置，例如，在本实施例中，离子引出孔130的半径可设置为2mm-4mm。在本技术实施例中，为了便于对离子束传输路径的控制，均将待测离子束沿圆柱形离子传输通道的中心轴射入，离子引出孔130偏心设置于离子引出电极110。其中，离子引出孔130的偏心距离可根据待测离子束的偏转角度需求设置。
37.在圆柱形离子传输通道中形成加速偏转电场时，可以是通过对离子引出电极110与各离子传输电极120上施加的不同极性或幅值的电压实现。例如，可以是在各离子传输电极120上施加极性一致的正电压或负电压，在离子引出电极110施加负极性电压实现，形成与待测离子束运动方向一致的加速电场，使待测离子束加速从圆柱形离子传输通道飞入下一级环境。同时，还可以通过将靠近离子引出孔130的离子传输电极120的电压设置为大于远离离子引出孔130的离子传输电极120的电压，形成往离子引出孔130偏转的偏转电场，来实现待测离子束运动方向的偏转，并从离子引出孔130飞出。
38.此外，离子透镜装置还包括用于给离子引出电极110与各离子传输电极120施加电压的供电单元。供电单元连接外部电源，通过对电源的供电电压进行升降压处理，得到符合离子引出电极110与各离子传输电极120极性与大小的直流电压，对应输出至离子引出电极110与各离子传输电极120。另外，离子透镜装置还包括控制器，控制器用于控制供电单元施加于离子引出电极110与各离子传输电极120的电压极性与大小，以实现调整待测离子束的偏转角度，得到最佳离子传输效率。可以理解，控制器与供电单元可以是共用质谱仪中已有
器件来实现，也可以是本级离子透镜装置单独增设的。
39.上述离子透镜装置，离子引出电极与偶数个的离子传输电极合围成一端开口的圆柱形离子传输通道，通过对离子引出电极与各离子传输电极上施加电压，在圆柱形离子传输通道中形成加速偏转电场，将待测离子束从上一级环境引入圆柱形离子传输通道进行偏转后从离子引出孔传输至下一级环境，而不受电场偏转作用的中性粒子与光子得以去除，离轴式离子透镜的结构也能具有更高的离子传输效率，仪器灵敏度较高。
40.在一个实施例中，如图2与图3所示，离子传输电极120的数量为至少四个，包括一对相对设置的离子加速电极122以及至少一对相对设置的离子偏转电极121，各离子加速电极122与离子引出孔130的距离相同，且各离子加速电极122所施加的电压大小相等，相对设置的两个离子偏转电极121与离子引出孔130的距离不相同，且距离离子引出孔130近的离子偏转电极121所施加的电压大于距离离子引出孔130远的离子偏转电极121所施加的电压。
41.具体地，相对设置的离子加速电极122至离子引出孔130的距离相同，用于控制待测离子束沿圆柱形离子传输通道的中心轴方向的动能，牵引待测离子束运动。且各离子加速电极122所施加的电压大小相等，对待测离子束无偏转作用。因此，在其他实施例中，控制器可以根据待测离子束的入射动能调节供电单元施加于离子加速电极122的电压大小，以实现根据需要调节待测离子束运动速度的目的。此外，还可减小待测离子束从上一级环境的入射动能，使得更多的中性粒子与光子在本级离子透镜装置中被真空抽出，减少对本级离子透镜装置中极片的污染，再通过增加各离子加速电极122所施加的电压大小，提高待测离子束的动能。
42.进一步地，离子偏转电极121的数量可以是只有一对，如图2与图3所示，也可以是两对或以上，不做限定。相对设置的两个离子偏转电极121与离子引出孔130的距离不相同，且距离离子引出孔130近的离子偏转电极121所施加的电压大于距离离子引出孔130远的离子偏转电极121所施加的电压，即可实现待测离子束向距离离子引出孔130近的离子偏转电极121方向偏转。再通过控制器调节供电单元施加于两边离子偏转电极121的电压的大小，以使待测离子束准确的从离子引出孔130飞出，中性粒子与光子等背景噪声由于不受电场作用而被去除。
43.其中，各离子偏转电极121与各离子加速电极122所施加的电压的大小可根据具体检测的离子束的质量、数量与入射动能决定。在本实施例中，各离子偏转电极121与各离子加速电极122所施加的电压可在-200～200v之间设定。可以是先选定两个离子加速电极122的电压，再根据离子加速电极122的电压增减预设电压差得到各离子偏转电极121的电压。距离离子引出孔130近的离子偏转电极121所施加的电压为离子加速电极122的电压增加预设电压差，距离离子引出孔130远的离子偏转电极121所施加的电压为离子加速电极122的电压减少预设电压差。其中，预设电压差也可根据实际需要选取，例如本实施例为15v。
44.在一个实施例中，各离子加速电极122与各离子偏转电极121所施加的电压极性一致。其中，各离子加速电极122与各离子偏转电极121所施加的电压极性，可以是同为正电压或负电压。离子引出电极130所施加的电压也可以是正极性电压或负极性电压。
45.在另外的实施例中，离子传输电极120的数量也可以是两个，两个离子传输电极相对设置作为离子偏转电极121，两个离子偏转电极121与离子引出孔130的距离不相同，且距
离离子引出孔130近的离子偏转电极121所施加的电压大于距离离子引出孔130远的离子偏转电极121所施加的电压。同样可以实现待测离子束向距离离子引出孔130近的离子偏转电极121方向偏转，再通过控制器调节供电单元施加于两边离子偏转电极121的电压的大小，以使待测离子束准确的从离子引出孔130飞出。进一步地，通过将两个离子偏转电极121的电压大小设置为小于离子引出电极130所施加的电压，也同样可以实现加速待测离子束的目的。
46.在一个实施例中，各离子加速电极与各离子偏转电极均为不锈钢电极。采用不锈钢材料制成各离子加速电极与各离子偏转电极，可以使各电极不易生锈、不易变形且不易被氧化，能保证更长的使用寿命。另外，不锈钢电极的导电性能较好，不影响电极电场分布，能较好的实现待测离子束的加速与偏转。
47.在一个实施例中，如图4所示，各离子加速电极与各离子偏转电极均为中间具有贯通孔的方框状电极。在本实施例中，通过在各离子加速电极与各离子偏转电极的中间挖贯通孔，变成方框状电极，使得中性粒子与光子在本级离子透镜装置中被真空抽出时，不会附着在各离子加速电极与各离子偏转电极上，减少对本级离子透镜装置中极片的污染。
48.进一步地，当本级离子透镜装置的前级设置有极片时，为维持开口的圆柱形离子传输通道的真空度，在一个实施例中，如图5所示，各离子加速电极与各离子偏转电极均设置有金属丝。其中，金属丝可采用缠绕或固定的方式设置于方框状电极，使其中间的贯通孔处呈现网状。在给各离子加速电极与各离子偏转电极施加电压时，金属丝也同步带电来维持开口的圆柱形离子传输通道的真空度。同时，网状的金属丝结构也同样能减少中性粒子与光子的附着，达到减少对本级离子透镜装置中极片的污染的目的。
49.在一个实施例中，上述离子透镜装置还包括连接离子引出电极的旋转机构，旋转机构用于带动离子引出电极与各离子传输电极沿圆柱形离子传输通道的中心轴旋转，以使离子引出电极上的离子引出孔的位置调整。可以理解，由于本技术的离子透镜装置呈现圆筒结构，离子引出电极上的离子引出孔的位置可绕离子传输通道的中心轴，在360度范围内任意调整。实现在离子引出电极与各离子传输电极在同一组电压的控制下，待测离子束可往多角度偏转飞出，可以很方便的适应下一装置的位置。
50.如图6所示为一实施例中，离子质量为115amu、离子数量100的待测离子束10通过本技术离子透镜装置的运动轨迹图。具体地，待测离子束10中的离子进入离子透镜装置后，通过控制器控制供电单元根据离子入射动能调节离子加速电极122的电压为100v，以使离子加速电极122控制离子横向动能，牵引待测离子束10在圆柱形离子通道内做轴向运动。再通过控制器控制供电单元控制相对设置的离子偏转电极121的电压为110v与95v，实现待测离子束10轨迹偏转，在离子引出电极130的牵引作用下顺利飞出离子透镜装置，进入下一级传输，此时可实现待测离子束10的偏转角度为约14
°
，传输效率最高。
51.如图7中(a)、(b)与(c)所示，是在选定了两块离子加速电极122的电压为100v，相对设置的离子偏转电极121的电压为110v与95v，离子引出电极130的电压为-10v时，待测离子束的离子质量对应为9amu、115amu与209amu的情况下的偏转轨迹图。通过对比分析可知，本技术的离子透镜装置对于不同质量数的离子均有较好的传输效率，当选定一组合适的电压后对全质量范围的离子均能顺利通过透镜进入下一级传输，不需要频繁地调节极片电压。
52.在一个实施例中，如图8所示，提供一种质谱仪，包括离子产生装置21、离子接口装置22、碰撞反应装置24、质量分析装置25以及上述的离子透镜装置23，离子产生装置21用于生成待测离子束，待测离子束依次经过离子接口装置22、离子透镜装置23与碰撞反应装置24后，进入质量分析装置25完成质量分析。
53.具体地，样品经离子产生装置21电离得到待测离子束，待测离子束经离子接口装置22进入质谱腔体26，中性粒子和光子进入质谱腔体26后，经离子透镜装置23去除。离子透镜装置23的离子引出电极可作为碰撞反应装置24的入口极片，待测离子束经碰撞反应装置24碰撞或者反应进一步去除多原子干扰和质谱干扰，随后进入质量分析装置25，完成样品定量或定性分析。
54.其中，离子接口装置22包括采样锥32、截取锥33和提取透镜34，属于质谱仪的接口部分，实现了真空环境的过渡和待测离子束的提取。接口部分的真空环境由机械泵31通过抽口35抽取得到，真空度要求为小于200pa。离子透镜装置23与碰撞反应装置24属于质谱仪的离子传输部分，离子传输部分的真空环境通过分子泵29连接抽口27抽取真空，真空度控制在10-2-10-3
pa。质量分析装置25通过分子泵30连接抽口28抽取真空，真空度控制在10-5-10-6
pa。
55.此外，本技术实施例中所提及应用于的质谱仪为电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma-mass spectrometry，icp-ms)。其离子产生装置21为将高频功率加到与等离子体炬管耦合的线圈上形成的等离子体的装置。质量分析装置25可以是采用四极杆质谱计、磁场质谱计或飞行时间质谱计等实现。
56.在一个实施例中，离子接口装置与碰撞反应装置之间、以及碰撞反应装置与质量分析装置之间均设置有离子透镜装置。
57.具体地，本技术的离子透镜装置可应用于离子接口装置与碰撞反应装置之间，去除待测离子束中中性分子和光子。还可应用于碰撞反应装置与质量分析装置之间，去除碰撞反应装置中因离子碰撞或反应过程中产生的中性分子。
58.其中，在应用于离子接口装置与碰撞反应装置之间时，是安装在离子提取透镜34后，传输孔较小，离子透镜装置内的真空度能较好的保证，其中的各离子加速电极与各离子偏转电极均可以采用中间具有贯通孔的方框状电极。而在应用于碰撞反应装置与质量分析装置之间时，由于前级碰撞反应装置为输出极片，无法较好的保证离子透镜装置内的真空度，各离子加速电极与各离子偏转电极的贯通孔均需设置有金属丝。
59.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。
60.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，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，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。