專利名稱：小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜法是將樣品分子離子化，并按質(zhì)荷比(m/z)分離的分析技術(shù)；質(zhì)譜儀是實現(xiàn)上述分離分析技術(shù)，從而測定物質(zhì)的質(zhì)量、含量及其結(jié)構(gòu)的儀器。利用質(zhì)譜儀可進行同位素分析、化合物分析、氣體成分分析以及金屬和非金屬固體樣品的超純痕量分析等。有機混合物的分析研究證明了質(zhì)譜分析法比化學(xué)分析法和光學(xué)分析法具有更加卓越的優(yōu)越性，其中有機化合物質(zhì)譜分析在質(zhì)譜學(xué)中占最大的比重，全世界幾乎3/4的質(zhì)譜儀器都從事有機分析?，F(xiàn)在的有機質(zhì)譜法，不僅可以進行小分子的分析，而且還可以直接分析糖、核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子。目前在有機、生物、醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)離不開質(zhì)譜儀，同時質(zhì)譜儀也在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生產(chǎn)控制乃至國防安全等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。質(zhì)譜儀由以下幾部分組成進樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、檢測接收器、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)。進樣系統(tǒng)是指把分析樣品導(dǎo)入離子源的裝置，包括直接進樣，GC、LC及接口加熱進樣，參考物進樣等。離子源是指使被分析樣品的原子或分子離化為帶電粒子(離子)的裝置，并誘導(dǎo)離子運動使其進入質(zhì)量分析器。根據(jù)離子化方式的不同，常用的離子源有如下幾種1、電子轟擊電離EI法(EI，Electron Impact Ionization)是最經(jīng)典最常規(guī)的一種電離方式。其使用面廣，峰重現(xiàn)性好，有標(biāo)準(zhǔn)圖庫可以比對。缺點不適合極性大、熱不穩(wěn)定性化合物，且可測定分子量大小有限，一般分子量< 1000。由于EI源使用的電子能量很高，譜圖中碎片峰較多，分子離子峰強度很弱并且受到其他樣品碎片峰的干擾，譜圖復(fù)雜，對于混合未知物的解譜非常困難。為了解決上述這一問題，產(chǎn)生了一系列的軟電離(soft ionization)方法；光電離(PI)技術(shù)是其中的一種。 PI與EI源很類似，只是電子束被5 15eV真空紫外光子所代替，它可以使電離能小于光子能量的樣品分子得到電離。光離子化的反應(yīng)機理為M+hv — M++e光離子化既可以得到分子離子峰，又能得到少數(shù)碎片離子峰，對未知物的鑒定有
重要意義。2、化學(xué)電離CI法(Cl，Chemical Ionization)易形成較高豐度的[M+H]+或 [Μ-ΗΓ等準(zhǔn)分子離子，碎片少，譜圖簡單。與EI法同樣，樣品需要汽化，對難揮發(fā)性的化合物不太適合?；瘜W(xué)電離CI法的化學(xué)反應(yīng)如下R+e-— R+'+加-(電子電離)R+·+R — RH++(R-H).RH++M — R+ (M+H) + (質(zhì)子轉(zhuǎn)移)其中，R為反應(yīng)氣體分子，M為樣品分子。[0014]3、電噴霧電離ESI法(ESI，Electrospray Ionization)是目前最常用的一種軟電離方式。電離一般產(chǎn)生[M+H]+或[Μ-ΗΓ準(zhǔn)分子離子。ESI源操作簡單，靈敏度高，比較適合中高極性分子，分子量檢測范圍較寬，可從上百到數(shù)萬，還可產(chǎn)生多電荷離子，比較適合分析較大分子。ESI —般與高壓液相色譜，毛細管電泳聯(lián)用，也可直接進樣。4、基質(zhì)輔助激光解吸電離 MALDI 法(MALDI, Matrix Assisted Laser Desorption)利用對使用的激光波長范圍具有吸收并能提供質(zhì)子的基質(zhì)(一般常用小分子液體或結(jié)晶化合物)，將樣品與其混合溶解并形成混合體，在真空下用激光照射該混合體，基體吸收激光能量，并傳遞給樣品，從而使樣品解吸電離。MALDI法的特點是準(zhǔn)分子離子峰很強。通常將MALDI法用于飛行時間質(zhì)譜和FT-MS，特別適合分析蛋白質(zhì)和DNA等大分子。質(zhì)量分析器是質(zhì)譜儀中將離子按質(zhì)荷比分開的部分，離子通過分析器后，按不同質(zhì)荷比(M/Z)分開，將相同的M/Z離子聚焦在一起，組成質(zhì)譜。常見質(zhì)量分析器有下列幾種 雙聚焦扇形磁場-電場串聯(lián)質(zhì)量分析器(sector)、四極質(zhì)量分析器(Q)、離子阱質(zhì)量分析器 (TRAP)、飛行時間質(zhì)量分析器(TOF)、傅里葉變換-離子回旋共振質(zhì)量分析器(FT-ICRMS)和多級質(zhì)量分析器(MSn)。檢測接收器是用于接收離子束流的裝置，有以下幾種二次電子倍增器、光電倍增管和微通道板。數(shù)據(jù)系統(tǒng)將接收來的電信號放大、處理并給出分析結(jié)果。包括外圍部分，例如終端顯示器、打印機等。現(xiàn)代計算機接口，還可反過來控制質(zhì)譜儀各部分工作。真空系統(tǒng)由機械真空泵(前極低真空泵)，擴散泵或分子泵(高真空泵)組成真空機組，抽取離子源和分析器部分的真空。只有在足夠高的真空下，離子才能從離子源到達接收器，真空度不夠則靈敏度低。供電系統(tǒng)包括整個儀器各部分的電器控制部件，提供從幾伏低壓到幾千伏高壓的電源。 目前，質(zhì)譜儀器正向更高效率、小型化方面發(fā)展，尤其是便攜式質(zhì)譜儀。一些儀器聯(lián)用技術(shù)如GC-MS，HPLC-MS, GC-MS-MS, ICP-MS等正大行其道。無論是從事質(zhì)譜技術(shù)研究人員，還是質(zhì)譜儀生產(chǎn)廠商都已看到這個巨大的需求市場，都在積極進行研究和開發(fā)。涉及便攜質(zhì)譜儀制造的一些關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟，國際質(zhì)譜儀市場正處于從大型質(zhì)譜儀向小型便攜質(zhì)譜儀轉(zhuǎn)型的時期。小型便攜質(zhì)譜儀通常采用四極桿和離子阱作為質(zhì)量分析器，但是四極和離子阱桿分析器有其固有的缺點，例如質(zhì)量歧視，分析速度慢，全譜分析難，大分子分析難等，為此飛行時間質(zhì)量分析器也被選來作為小型便攜式質(zhì)譜的質(zhì)量分析器。

實用新型內(nèi)容本實用新型為了解決現(xiàn)有質(zhì)譜儀分析速度慢、不便于攜帶的技術(shù)問題，在原有飛行時間質(zhì)譜技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供了一種小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀，具有飛行時間質(zhì)譜分辨率高、檢測速度快、小型便攜的優(yōu)點。本實用新型采用如下技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀，包括真空腔，以及設(shè)在真空腔上的真空獲取部件、真空讀取部件、多路進樣切換系統(tǒng)和進樣恒溫器；真空獲取部件、真空讀取部件、多路進樣切換系統(tǒng)和進樣恒溫器依次相連接；所述真空腔內(nèi)設(shè)有離子源和離子傳輸區(qū)，離子傳輸區(qū)與離子源連接。所述離子源上設(shè)有離子引出極。所述離子傳輸區(qū)包括依次連接的預(yù)六極、射頻六極桿、直流四極桿和單透鏡系統(tǒng)。本實用新型的工作原理是基于飛行時間質(zhì)譜技術(shù)，PI離子源將多路進樣中選擇的樣品分子進行電離，在離子源的聚焦電場以及誘導(dǎo)電場作用下對產(chǎn)生的離子束進行聚焦， 并在傳輸區(qū)進行離子束調(diào)制。低真空度下，離子束在多極桿提供的射頻電場作用下對離子束進行冷卻聚焦，并通過引出電極控制離子能量以實現(xiàn)飛行時間分析器中互相垂直的兩個方向之間的速度匹配。最后調(diào)制好的離子束在垂直引入反射式飛行時間質(zhì)量分析器作用下把離子按到達檢測器時間的差異而進行區(qū)分，檢測器檢測到的信號在數(shù)據(jù)采集卡以及上位機程序處理下得到分析樣品的質(zhì)譜圖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點及有益效果為能夠?qū)x器的體積縮小至辭典大小，重量降低至IOkg左右；能夠?qū)崟r在線對環(huán)境中的物質(zhì)成分進行分析檢測；設(shè)計的多路進樣系統(tǒng)能夠在實現(xiàn)多監(jiān)測點之間的迅速切換的同時對樣品與標(biāo)樣間的快速比對，實現(xiàn)定量檢測；同時，儀器外觀簡潔，人機互動界面友好，能更好的滿足實時、在線原位檢測的需求。本實用新型通過對飛行時間質(zhì)譜系統(tǒng)的重新設(shè)計，使其具備了便攜式儀器的體積小、 重量輕、攜帶和使用方便的特點，同時充分保留了飛行時間質(zhì)譜儀的較高分辨、高質(zhì)量檢測范圍以及快速檢測的特性。該儀器將廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、工業(yè)檢測、乃至國防安全等諸多領(lǐng)域。

圖1是本實用新型小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀的外部結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實用新型小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是儀器部分的內(nèi)部圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例圖1是設(shè)計的便攜式質(zhì)譜儀的三維模型，外觀時尚，體積小巧。此設(shè)計是基于了飛行時間質(zhì)譜的完整系統(tǒng)進行的設(shè)計，內(nèi)部的配置完全考慮了真實儀器的布置。質(zhì)譜儀外殼4 的頂端設(shè)有質(zhì)譜儀把手1，觸摸屏的人機互動界面2設(shè)置與外殼4上，人機互動界面2的下方設(shè)有儀器控制開關(guān)3，外殼內(nèi)還包闊有可拆卸的前級泵5及可選配的電池6等質(zhì)譜儀的內(nèi)部構(gòu)件，電池6還易于拆卸。本實用新型整體的外觀尺寸，其大小與大本的辭典體積相當(dāng)， 真正實現(xiàn)質(zhì)譜儀的小型便攜，其參數(shù)如下分辨率50-2000，重量5KG-70KG，功率50W-500W， 進樣路數(shù)1-50路，工作溫度(-10)-50攝氏度。如圖2所示，本實用新型小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀包括真空腔21，以及設(shè)在真空腔上的真空獲取部件25、真空讀取部件M、多路進樣切換系統(tǒng)23和進樣恒溫器22 ；真空獲取部件25、真空讀取部件24、多路進樣切換系統(tǒng)23和進樣恒溫器22依次相連接；所述真空腔內(nèi)設(shè)有離子源和離子傳輸區(qū)。真空腔是質(zhì)譜儀的重要部分，其設(shè)計要與真空獲取部件等與真空相關(guān)的部件的尺寸相匹配。真空獲取部件還包括相連接的前級泵和5渦輪分子泵，真空泵選用了一款lOL/s的方形小泵，其體積小，抽速足夠維持整體質(zhì)譜系統(tǒng)的真空需求，前級泵選用與之配套的膜片泵。多路進樣切換系3統(tǒng)實現(xiàn)了快速切換的多點同時檢測與監(jiān)控，并且能夠與標(biāo)樣進行對比檢測來矯正儀器調(diào)整參數(shù)。進樣恒溫器2是為了保證檢測在相同的溫度下進行，從而增加了儀器的穩(wěn)定性。還配有采樣泵接于恒溫三通的中路，能夠快速進行樣品采樣，減少殘留的影響。上述部件的關(guān)系是前級泵為渦輪分子泵工作提供環(huán)境，實現(xiàn)質(zhì)譜的高真空要求。進樣系統(tǒng)的布置是多點進樣探頭經(jīng)過多路切換系統(tǒng)進入進樣恒溫器，恒溫器是三通，其中一路由毛細管探頭進樣，另一路接采樣泵，實現(xiàn)實時快速采樣，減少殘留影響。如圖3所示，離子源是真空腔中放置的質(zhì)譜儀的核心部件。離子源采用PI源211， PI源211上設(shè)有離子引出極212 ；離子傳輸區(qū)與離子源連接，且采用了依次連接的預(yù)六極 213、射頻六極桿214、直流四極桿215和單透鏡系統(tǒng)216對離子束進行調(diào)節(jié)，不但實現(xiàn)了多級真空離子傳輸，而且減少了多余樣品對于分析器的影響；分析器采用的是垂直引入，雙場加速，V模式反射模式的分析器。本實用新型優(yōu)化了真空系統(tǒng)，選用適當(dāng)?shù)恼婵障到y(tǒng)既提供滿足飛行時間質(zhì)譜正常運行所需的真空需求，也適合便攜式質(zhì)譜的小體積重量的要求；飛行時間質(zhì)譜技術(shù)的小型化，既包括全套的質(zhì)譜部件(如離子源、傳輸區(qū)等)，又具有針對便攜式儀器設(shè)計的小型化尺寸結(jié)構(gòu)；且電源的布置依據(jù)放置于儀器的位置而定，并充分考慮了不同電源模塊的特點以及可能產(chǎn)生的互相影響。此外，本實用新型針對用于環(huán)境監(jiān)測和過程質(zhì)譜的特點設(shè)計了多路進樣切換，以及進樣恒溫裝置，已實現(xiàn)實時在線檢測的需求。上述實施例僅用以說明而非限制本實用新型的技術(shù)方案。任何不脫離本實用新型精神和范圍的技術(shù)方案均應(yīng)涵蓋在本實用新型的專利申請范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀，其特征在于，包括真空腔，以及設(shè)在真空腔上的真空獲取部件、真空讀取部件、多路進樣切換系統(tǒng)和進樣恒溫器；真空獲取部件、真空讀取部件、多路進樣切換系統(tǒng)和進樣恒溫器依次相連接；所述真空腔內(nèi)設(shè)有離子源和離子傳輸區(qū)，離子傳輸區(qū)與離子源連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀，其特征在于，所述離子源上設(shè)有離子引出極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀，其特征在于，所述離子傳輸區(qū)包括依次連接的預(yù)六極、射頻六極桿、直流四極桿和單透鏡系統(tǒng)。
專利摘要本實用新型涉及小型便攜式飛行時間質(zhì)譜儀，其包括真空腔，以及設(shè)在真空腔上的真空獲取部件、真空讀取部件、多路進樣切換系統(tǒng)和進樣恒溫器；真空獲取部件、真空讀取部件、多路進樣切換系統(tǒng)和進樣恒溫器依次相連接；所述真空腔內(nèi)設(shè)有離子源和離子傳輸區(qū)，離子傳輸區(qū)與離子源連接。具有飛行時間質(zhì)譜分辨率高、檢測速度快、小型便攜的優(yōu)點。
文檔編號H01J49/00GK202259158SQ20112035740
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者傅忠, 周振, 程平, 董俊國, 陳應(yīng), 黃正旭 申請人:上海大學(xué), 昆山禾信質(zhì)譜技術(shù)有限公司