用于质谱分析的方法、装置及系统制造方法及图纸

一种小型的低成本质谱仪，能够单元分辨10至50AMU的质量范围。该质谱仪包含相比于类似仪器增强设计性能的几项特征。高效的离子源实现相对较低的功耗而不牺牲测量分辨率。可变几何形状机械过滤器允许可变的分辨率。板载离子泵消除对外部泵浦源的需要。磁体和磁轭产生具有不同通量密度的磁场区域，以运行离子泵和扇形磁性质量分析器。真空室内的板载数字控制器和功率转换电路对质谱仪操作允许较大程度灵活性，消除对高压电馈通的需要。该小型的质谱仪感应进入气体的一百分比中的一小部分并向计算机返回质谱数据。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于质谱分析的方法、装置及系统相关专利申请的交叉引用本申请要求2011年2月14日提交的标题为“质谱仪(Mass Spectrometer)”的美国临时专利申请N0.61/442，385的权益，该申请通过引用特此并入本文。本申请还要求2011年12月I日提交的标题为“一种包含自对准离子光学器件的结构坚固的小型质谱仪(A Structurally Robust, Miniature Mass Spectrometerincorporating Self-Aligning 1n Optics)” 的美国临时专利申请 N0.61/565，763 的权益，该申请通过引用特此并入本文。
技术介绍
质谱分析是领先的化学分析工具之一。通常与别的仪器(例如，气相色谱分析)结合作为检测器使用的质谱仪也许能够通过按原子质量分离化学物种，确定在气态样品中存在的化学物种的相对丰度(relative abundance)。质谱分析广泛用于众多学科。质谱仪已被送往无人航天器；两个海盗号着陆器(Viking landers)都携带气相色谱质谱联用仪(GCMS)包,并且掉入土卫六大气层的卡西尼惠更斯号(Cassin1-Huygens)探测器也携带GCMS。质谱仪大量用于生物科学；它们是确定蛋白质结构和序列的常用方法之一。在药代动力学的医疗领域，质谱仪已用于跟踪通过人体的极少量药物。质谱仪已经被设计用于化学和生物防御；第二组化学生物质谱仪(CBMS)被设计为便携式车载仪器，其能够检测该领域中的化学和生物威胁(例如，神经毒剂、细菌)。最近，已将质谱仪装载在无人潜水器上，以辅助跟踪2010年4月20日在墨西哥湾由马康多(Macondo)油井故障所释放的碳氢化合物。许多其它领域也已使用质谱仪。早在1976年，就将质谱仪用于不断地分析在重症监护下戴呼吸机的患者所呼吸的气体，以防潜在危险的并发症。
技术实现思路
申请人:已认识到，传统的质谱仪是一种极多用途的仪器，但是其不是没有一些缺陷。传统的质谱仪通常是大、复杂且昂贵的仪器，其可能消耗相当大量的电功率。鉴于上文，本文公开的本专利技术实施例部分涉及改进的质谱仪，在各方面中，该改进的质谱仪可以足够小至被手持，能够在远程使用中以最小功率运行有用的一段时间，并且建造和组装起来足够廉价，使得其能够广泛地部署。说明性的仪器可以大量地被部署来覆盖用于空气质量监测或水质量监测的广大区域，被安装在工业排气烟囱中来用于燃烧过程反馈控制，或附接至医院的呼吸机，或被用作急诊室中的首要响应工具。本专利技术的实施例包括质谱仪以及对应的质谱分析方法。一个说明的质谱仪包括真空外壳，所述真空外壳限定支持约10_5mm Hg或更小的真空的真空室以及布置在所述真空室中的电极和转换电路。具有约36V或36V以下的介电强度的馈通提供所述转换电路和所述真空室的外部的功率源之间的电连接。在一些示例中，所述馈通可以提供所述真空室的内部和所述真空室的外部之间的唯一电连接。所述转换电路经由所述馈通接收来自所述功率源的输入电压(例如，处于大约IV至大约36V的第一值)，并且将所述输入电压转换为电极电位(例如，处于大约IOOV至大约5kV的第二值)，并且将所述电极充电至所述电极电位。一旦所述电极被充电至所述电极电位，所述电极就控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速。在一个示例中，所述带电微粒是电子。在这种示例中，所述质谱仪可以进一步包括:电子源，所述电子源布置在所述真空室中，以提供所述电子；阴极，用于排斥所述电子；以及阳极，布置在所述控制电极的与所述电子源相对的一侧，以朝向要分析的微粒加速所述电子。所述转换电路可以被配置为提供:用于所述阳极的大约100V至大约5kV的阳极电位；用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位；以及所述阳极电位以下大约OV至大约140V的所述电极电位。这样的质谱仪还可以包括电子器件(例如，微处理器、模拟数字转换器或数字模拟转换器)，所述电子器件布置在所述真空室中来控制或改变所述电极电位(例如，控制所述电子的加速)。所述电子器件还可以耦接至检测器，所述检测器根据所述带电微粒的所述加速确定所述带电微粒的质量。另一说明性的质谱仪以及对应的质谱分析方法包括磁轭中的磁体，该磁轭中的磁体用于生成在第一区域中具有第一强度(例如，大约0.1T)以及在第二区域中具有第二强度(例如，大约0.7T)的磁场。其还包括真空外壳、离子泵和质量分析器(例如，扇形磁性分析器)，所述真空外壳限定真空室，所述离子泵被布置在所述第一区域中来维持所述真空室的真空压力，并且所述质量分析器布置在所述第二区域中来确定穿过所述真空室传播的微粒的质量。布置在所述真空室中的控制电极控制使所述微粒电离的电子的加速，并且布置在所述真空室中的转换电路向所述离子泵、所述电极和/或所述质量分析器提供一个或多个电压。该说明性质谱仪的另一示例可以包括控制电子器件，该控制电子器件布置在所述真空室中且与所述控制电极处于电通信中，以改变所述控制电极的电位。其还可以包括信号处理电子器件，布置在所述真空室中并由所述转换电路供电，以处理由所述质量分析器提供的信号。这样的质谱仪还可以包括:电子源，该电子源布置在所述真空室中，以提供所述电子；阴极，将所述电子源与所述真空室屏蔽开；以及阳极，布置在所述控制电极的与所述电子源相对的一侧，以朝向要分析的微粒加速所述电子。所述转换电路可以配置为提供用于所述阳极的大约100V至大约5kV的阳极电位，用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位，以及所述电极电位，所述电极电位可以在所述阳极电位以下大约OV和大约140V。此外，所述转换电路可以配置为用大约IV至大约36V的第一值提升所述输入电压至处于大约100V至大约5kV的第二值的所述电极电位。应理解，上述概念和下面更详细地讨论的更多概念(所提供的这些概念不相互矛盾)的全部结合被认为是本文公开的本专利技术主题的一部分。特别地，在此公开结尾出现的所要求保护的主题的全部结合被认为是本文公开的本专利技术主题的一部分。还应理解，还可以在通过引用包含的任何公开中出现的本文明确使用的术语应该符合与本文公开的特定概念几乎全部一致的意义。【附图说明】技术人员将理解，附图主要用于说明性目的，而不打算限制本文描述的本专利技术主题的范围。附图不一定是按比例的；一些情况下，本文公开的本专利技术主题的各方面在附图中可以放大或扩大显示，以帮助理解不同特征。在附图中，相同的附图标记通常指相同的特征(例如，功能类似的和/或结构类似的要素)。图1A是根据本专利技术实施例的示例性质谱仪的计算机辅助设计(CAD)模型。图1B是根据本专利技术实施例的适合对图1A的质谱仪使用的低介电强度馈通的图。图1C示出根据本专利技术实施例的图1A的磁轭的CAD模型。图1D示出根据本专利技术另一实施例的与一对永磁体、离子泵及质量分析器结合的磁轭的计算机辅助设计(CAD)模型。图2是根据本专利技术实施例的用于质谱仪的离子源电势与离子质量关系的图表。图3是根据本专利技术实施例的适合在离子源中使用的光学器件的图。图4是根据本专利技术实施例的具有离散倍增电极电子倍增器和静电计检测器的质谱仪的示意图。图5是根据本专利技术实施例的直通大气的膜入口的剖视图。图6A是根据本专利技术实施例的离子分析器的模拟。图6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种质谱仪，包括：（A）真空外壳，限定支持约10?5mm?Hg或更小的真空的真空室；（B）电极，布置在所述真空室中且配置为被充电至电极电位，以控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速；（C）转换电路，布置在所述真空室中，以转换来自所述真空室的外部的功率源的输入电压，以便为所述电极提供所述电极电位；（D）馈通，具有小于或等于约36V的介电强度，以提供所述转换电路和所述功率源之间的电连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.02.14 US 61/442,385;2011.12.01 US 61/565,7631.一种质谱仪，包括: (A)真空外壳，限定支持约10_5mmHg或更小的真空的真空室； (B)电极，布置在所述真空室中且配置为被充电至电极电位，以控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速； (C)转换电路，布置在所述真空室中，以转换来自所述真空室的外部的功率源的输入电压，以便为所述电极提供所述电极电位； (D)馈通，具有小于或等于约36V的介电强度，以提供所述转换电路和所述功率源之间的电连接。2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述带电微粒是电子。3.根据权利要求2所述的质谱仪，进一步包括: (E)电子源，布置在所述真空室中，以提供所述电子； (F)阴极，用于排斥所述电子；以及 (G)阳极，来自所述电子源与所述电极相对布置，以朝向要分析的分析物微粒加速所述电子。4.根据权利要求3所述的质谱仪，其中，所述转换电路进一步配置为提供: (i)用于所述阳极的大约IOOV至大约5kV的阳极电位；以及` (ii)用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位， 其中，所述电极电位在所述阳极电位以下大约OV和大约140V之间。5.根据权利要求2所述的质谱仪，进一步包括: (H)控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以改变所述电极电位。6.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述转换电路配置为将所述输入电压转换为所述电极电位，所述输入电压具有大约IV至大约36V的第一值，所述电极电位具有大约100V至大约5kV的第二值。7.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述馈通是所述真空室的内部和外部之间的唯一电连接。8.一种质谱分析方法，包括: (A)提供被抽空至约10_5mmHg或更小的压力的真空室； (B)接收来自所述真空室外部的功率源的输入电压； (C)用布置在所述真空室内的转换电路将所述输入电压转换为电极电位； (D)将所述真空室内的电极充电至所述电极电位；以及 (E)用在(D)中充电的所述电极加速所述真空室中的带电微粒。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述输入电压是大约3V至大约36V，所述电极电位是大约100V至大约5kV。10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述带电微粒是电子，并且其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊恩·W·亨特，布莱恩·D·埃蒙，哈罗德·F·埃蒙，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：
国别省市：