质谱仪制造技术

本发明专利技术提供了一种小型化质谱仪，其包含一个真空腔室，且在真空腔室的两端各包含一个由平面型离子光学装置和真空接口组成的一体化结构装置。本发明专利技术可在较短的轴向长度内，构造多级真空系统，并保证高效的离子传输和聚焦。本发明专利技术简化了质谱仪离子光学系统和真空系统的构造，有利于实现质谱仪器的小型化。

【技术实现步骤摘要】
质谱仪
本专利技术涉及小型化质谱仪，特别涉及小型化质谱仪的离子光学系统和真空接口。
技术介绍
小型化质谱仪(或称便携式质谱仪)相比其它便携式的分析仪器，具有通用性强、灵敏度高、定性或定量能力强等优点。质谱的小型化是一个系统优化的过程，需要在兼顾性能要求的同时综合考虑减小各部件体积的可能。由于样品和质量分析器所在区域的气压差别，即使在小型化质谱仪中，也需要多级真空系统。两级真空之间需有真空接口，两级真空接口之间通常使用沿轴向延伸的离子光学装置以保证较高的离子传输效率，在输送过程中保持对离子束的导引和聚焦。为了保证充足的作用距离，使得离子能够在真空膨胀后压缩至合适尺寸，上述离子光学装置沿轴向的长度通常较长，装置的复杂程度也较高，这对于质谱的小型化无疑是不利的。已经有利用平面型电极结构的在先技术试图将质谱仪中的离子光学系统进行简化，比如专利CN201410448494.X中的折线形状的平面型离子光学装置，专利US8013296和US8829463中的离子地毯装置(Ioncarpet)，专利US8969800中的无损离子操纵结构(structureforlosslessionmanipulation)，US8299443中的楔形排布的平面型离子光学装置，或者专利US2013/0120894中的平面型离子漏斗(planarionfunnel)。另外，还有专利US8859961中介绍了一种离子束压缩的装置，可在垂直于离子光轴方向上利用表面型电极进行离子压缩。然而，这些装置要么仍然是沿轴向有较长的延伸长度，要么无法解决上级气体进入真空后急速膨胀而造成离子损失的问题；另外，这些装置也并未提供一种用于小型质谱仪的离子光学系统和真空接口的解决方案。
技术实现思路
鉴于现有技术的上述问题，本专利技术提供了一种用于小型化质谱仪的离子光学装置，包括气压在0.1Pa～10000Pa之间的真空腔室，一侧与具有第一气压的第一区域连通，另一侧与具有第二气压的第二区域连通，所述第一气压高于所述第二气压；第一真空接口，设置在所述真空腔室的一侧，与所述第一区域连通作为离子入口，所述第一真空接口具有位于所述真空腔室内部的第一端；第二真空接口，设置在与所述第一真空接口相对置的所述真空腔室的另一侧，与所述第二区域连通作为离子出口，所述第二真空接口具有位于所述真空腔室内部的第二端，且离子入口到离子出口的距离不超过100毫米；第一电极阵列，环绕所述第一真空接口的所述第一端设置，第二电极阵列，环绕所述第二真空接口的所述第二端设置，其中，所述第一电极阵列和所述第二电极阵列沿垂直于从离子入口到离子出口的离子传输方向的平面分布。相比于现有技术，本专利技术提供的质谱仪利用表面电极工艺(比如印刷线路板工艺)，将用以离子传输和聚焦的电极阵列，与用以形成不同真空区域的真空界面及接口制作在同一基材上，避免了使用沿轴线延伸的单独的离子光学装置和单独的真空接口，简化了质谱仪系统的构造。而真空腔体前后两端同时使用表面电极来聚焦离子，可以保证高的离子俘获、传输和聚焦的效率。这样的结构安排十分利于减小离子光学器件的尺寸，实现仪器小型化。在本专利技术的较优技术方案中，第一电极阵列和第二电极阵列中的至少一个电极阵列为四极场电极阵列。四极场阵列能够获得靠近中心真空接口处最强，而轴向远离真空接口处降低的电场，提高离子的通过率。在本专利技术的较优技术方案中，四极场电极阵列为在第一真空接口或者第二真空接口周围沿径向排布的多层四极场阵列。在本专利技术的较优技术方案中，第一电极阵列和第二电极阵列中的至少一个电极阵列为同心环形电极阵列。在本专利技术的较优技术方案中，质谱仪还包括电源装置，与同心环形电极阵列耦合，且能够在至少一部分相邻的同心环形电极上施加幅值相同且相位不同的射频电压。在本专利技术的较优技术方案中，质谱仪还包括：第一基板，第一真空接口和第一电极阵列均形成于第一基板上；和/或第二基板，第二真空接口和第二电极阵列均形成于第二基板上。优选地，第一基板和/或第二基板沿垂直于离子入口—离子出口传输方向的平面设置。通过将真空接口与电极阵列均制作在同一基板上，可以避免沿轴线延伸的单独的离子光学装置，简化质谱仪的系统构造，同时有利于减少光学器件的尺寸，实现仪器的小型化。在本专利技术的较优技术方案中，第一基板和/或第二基板为印刷线路板，第一电极阵列和/或第二电极阵列为印刷线路板上的印刷线路。印刷线路板工艺为成熟工艺，利用印刷线路的方式，能够方便电极阵列的制作，同时使得电极阵列能够以直接贴附真空腔室内壁的形式安装，简化装置结构，方便安装。在本专利技术的较优技术方案中，印刷线路板还具有通孔，第一真空接口和/或第二真空接口的至少部分内置于通孔中。在本专利技术的较优技术方案中，第一基板和/或第二基板构成为真空腔室的腔壁局部。在本专利技术的较优技术方案中，还具有直流电场施加装置，在第一电极阵列和第二电极阵列之间施加直流偏置电场。该直流偏置电场可以是正向的直流偏置，以驱动离子传输；也可以是负向的直流偏置，以筛除部分噪音离子。在本专利技术的较优技术方案中，第一电极阵列和/或第二电极阵列，以第一真空接口和/或第二真空接口为中心，沿从内向外的方向，厚度逐渐增大。在本专利技术的较优技术方案中，第一真空接口和第二真空接口在真空腔室两侧的设置位置相互错开。通过设置第一真空接口与第二真空接口之间具有偏移，可以减小进入下级真空的气流量，进而减小中性噪音。在本专利技术的较优技术方案中，质谱仪还包括：真空设备，与真空腔室耦合，能够将真空腔室的内部气压调节至第一气压和第二气压之间。在本专利技术的较优技术方案中，第一真空接口和/或第二真空接口为毛细管、孔口(orifice)、锥孔或者喷嘴中的一种或几种的组合。在本专利技术的较优技术方案中，小型化质谱仪具有多个串联的由真空腔室、第一真空接口、第二真空接口、第一电极阵列和第二电极阵列组合形成的装置，用以组成多级真空系统。附图说明图1是本专利技术一个实施方式中的质谱仪结构示意图；图2是图1实施方式中，印刷电路板的结构示意图；图3是图1实施方式中的离子轨迹仿真图；图4是本专利技术另一实施方式中的质谱仪结构示意图；图5是图4实施方式的离子轨迹仿真图；图6是本专利技术实施方式二中的离子光学装置和真空接口的结构示意图；图7是本专利技术另一实施方式中的离子光学装置和真空接口的结构示意图；图8是本专利技术实施方式三中的离子光学装置的结构示意图；图9是本专利技术另一实施方式中离子光学装置的结构示意图；图10是本专利技术实施方式四中质谱仪的结构示意图；图11是本专利技术再一实施方式中真空接口的入口端面的结构示意图。附图标记：1-装置，10-真空腔室，102-入口端面，104-出口端面，106-真空抽口，12-第一真空接口，120-第一端，14-第二真空接口，140-第二端，16-第一电极阵列，18-第二电极阵列，2-前级，3-后级，4-离子轨迹，5-质量分析器，6-检测器，7-离子源。...

【技术保护点】
1.一种质谱仪，其特征在于，包括：/n气压在0.1Pa～10000Pa之间的真空腔室，一侧与具有第一气压的第一区域连通，另一侧与具有第二气压的第二区域连通，所述第一气压高于所述第二气压；/n第一真空接口，设置在所述真空腔室的一侧，与所述第一区域连通作为离子入口，所述第一真空接口具有位于所述真空腔室内部的第一端；/n第二真空接口，设置在与所述第一真空接口相对置的所述真空腔室的另一侧，与所述第二区域连通作为离子出口，所述第二真空接口具有位于所述真空腔室内部的第二端，且离子入口到离子出口的距离不超过100毫米；/n第一电极阵列，环绕所述第一真空接口的所述第一端设置，/n第二电极阵列，环绕所述第二真空接口的所述第二端设置，/n其中，所述第一电极阵列和所述第二电极阵列沿垂直于从离子入口到离子出口的离子传输方向的平面分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种质谱仪，其特征在于，包括：
气压在0.1Pa～10000Pa之间的真空腔室，一侧与具有第一气压的第一区域连通，另一侧与具有第二气压的第二区域连通，所述第一气压高于所述第二气压；
第一真空接口，设置在所述真空腔室的一侧，与所述第一区域连通作为离子入口，所述第一真空接口具有位于所述真空腔室内部的第一端；
第二真空接口，设置在与所述第一真空接口相对置的所述真空腔室的另一侧，与所述第二区域连通作为离子出口，所述第二真空接口具有位于所述真空腔室内部的第二端，且离子入口到离子出口的距离不超过100毫米；
第一电极阵列，环绕所述第一真空接口的所述第一端设置，
第二电极阵列，环绕所述第二真空接口的所述第二端设置，
其中，所述第一电极阵列和所述第二电极阵列沿垂直于从离子入口到离子出口的离子传输方向的平面分布。


2.如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述第一电极阵列和所述第二电极阵列中的至少一个电极阵列为四极场电极阵列。


3.如权利要求2所述的质谱仪，其特征在于，所述四极场电极阵列为在所述第一真空接口或者所述第二真空接口周围沿径向排布的多层四极场阵列。


4.如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述第一电极阵列和所述第二电极阵列中的至少一个电极阵列为同心环形电极阵列。


5.如权利要求4所述的质谱仪，其特征在于，还包括一个电源装置，以提供幅值相同且相位不同的射频电压到至少一部分相邻的同心环形电极上。


6.如权利要求1-5中任一项所述的质谱仪，其特征在于，还包括：
第一基板，所述第一真空接口和所述第一电极阵列均形成于所述第一基板上；和/或
第二基板，所述第二真空接口...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小强，孙文剑，
申请(专利权)人：岛津分析技术研发上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31