离子抓取装置和质谱仪的制作方法

1.本技术涉及质谱仪技术领域，特别是涉及一种离子抓取装置和质谱仪。


背景技术：

2.质谱仪是利用电磁场分析样品离子质荷比(m/z)的工具。质谱仪的核心部件是质量分析器，主要包括四级杆分析器(quadrupole analysers)、离子阱分析器(ion trapanalysers)、轨道阱分析器(orbitrap analysers)、飞行时间分析器(tof analysers)、傅里叶变换离子回旋共振分析器(fticr analysers)等多种类型。其中，飞行时间分析器根据离子的飞行时间获取其质荷比，具有快速准确定性定量、以及多种离子同时分析的优点，尤其适合短时、瞬态产生的成分复杂的离子团或者离子束。飞行时间质谱的原理决定了离子进入飞行时间质谱之前必须处在同一时间起始点，因此，离子源的产生的高速离子束通常需要经过离子抓取装置后进入飞行时间分析器。
3.传统的离子抓取装置为尼尔森离子门结构，由多个环形电极以及位于环状电极圆心处的中间电极构成，然而，由于中间电极的阻挡效果，导致中间电极对应位置的离子无法被抓取，会致使离子抓取范围受限，不利于后续飞行质谱分析。
4.因此，传统的离子抓取装置，具有离子抓取范围受限的缺点。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种离子抓取装置和质谱仪，能克服离子抓取范围受限的问题。
6.一种离子抓取装置，包括控制器、第一移动机构、第一电极、第一电路、第二移动机构、第二电极和第二电路；所述控制器连接所述第一移动机构、所述第二移动机构、所述第一电路和所述第二电路；所述第一电路连接所述第一电极，所述第二电路连接所述第二电极；所述第一电极固定在所述第一移动机构上，所述第二电极固定在所述第二移动机构上。
7.在其中一个实施例中，所述第一电极和所述第二电极均为长条状电极。
8.在其中一个实施例中，所述第一电极和所述第二电极平行，且所述第一电极和所述第二电极之间的距离为1mm～6mm。
9.在其中一个实施例中，所述第一电路和所述第二电路均为可变极性的脉冲触发电路。
10.在其中一个实施例中，所述离子抓取装置处于非抓取状态时，所述第一电路和所述第二电路为输出脉冲极性相反的脉冲触发电路。
11.在其中一个实施例中，所述离子抓取装置处于非抓取状态时，所述第一电路和所述第二电路为输出脉冲幅值互为相反数的脉冲触发电路。
12.在其中一个实施例中，所述第一移动机构包括第一y轴移动装置和第一x轴移动装置；所述第一x轴移动装置安装于所述第一y轴移动装置，所述第一电极安装于所述第一x轴移动装置；所述控制器连接所述第一y轴移动装置和所述第一x轴移动装置；
13.所述第二移动机构包括第二y轴移动装置和第二x轴移动装置；所述第二x轴移动装置安装于所述第二y轴移动装置，所述第二电极安装于所述第二x轴移动装置；所述控制器连接所述第二y轴移动装置和所述第二x轴移动装置。
14.在其中一个实施例中，所述第一y轴移动装置包括第一y轴电机、第一y轴丝杆、第一y轴导轨和第一y轴固定盘；所述第一y轴电机连接所述控制器和所述第一y轴丝杆，所述第一y轴丝杆安装于所述第一y轴导轨，所述第一y轴固定盘安装于所述第一y轴丝杆，所述第一x轴移动装置安装于所述第一y轴固定盘；
15.所述第二y轴移动装置包括第二y轴电机、第二y轴丝杆、第二y轴导轨和第二y轴固定盘；所述第二y轴电机连接所述控制器和所述第二y轴丝杆，所述第二y轴丝杆安装于所述第二y轴导轨，所述第二y轴固定盘安装于所述第二y轴丝杆，所述第二x轴移动装置安装于所述第二y轴固定盘。
16.在其中一个实施例中，所述第一x轴移动装置包括第一x轴电机、第一x轴丝杆、第一x轴导轨和第一x轴固定盘；所述第一x轴电机连接所述控制器和所述第一x轴丝杆，所述第一x轴丝杆安装于所述第一x轴导轨，所述第一x轴固定盘安装于所述第一x轴丝杆，所述第一电极安装于所述第一x轴固定盘；
17.所述第二x轴移动装置包括第二x轴电机、第二x轴丝杆、第二x轴导轨和第二x轴固定盘；所述第二x轴电机连接所述控制器和所述第二x轴丝杆，所述第二x轴丝杆安装于所述第二x轴导轨，所述第二x轴固定盘安装于所述第二x轴丝杆，所述第二电极安装于所述第二x轴固定盘。
18.一种质谱仪，包括离子源、飞行时间分析器、离子检测器和上述的离子抓取装置，所述离子抓取装置位于所述离子源和所述飞行时间分析器之间。
19.上述离子抓取装置，第一电极和第二电极分别设置于第一移动机构和第二移动机构，控制器可以通过控制第一移动机构和第二移动机构运动，带动第一电极和第二电极运动，以抓取离子束中不同区域的离子，具有离子抓取范围不受限的优点。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为一个实施例中环形尼尔森离子门的电极结构示意图；
22.图2为一个实施例中环形尼尔森离子门的离子抓取过程示意图；
23.图3为一个实施例中离子抓取装置的结构框图；
24.图4为一个实施例中离子抓取装置的离子抓取过程示意图；
25.图5为图4对应的实施例中第一电路和第二电路的输出电压幅值示意图；
26.图6为另一个实施例中离子抓取装置的离子抓取过程示意图；
27.图7为图6对应的实施例中第一电路和第二电路的输出电压幅值示意图；
28.图8为另一个实施例中离子抓取装置的结构框图。
具体实施方式
29.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
30.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。
31.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。
32.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象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。
33.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。
34.正如背景技术中所述，飞行时间质谱是测量高速离子束的技术之一，具有快速准确定性定量、以及多种离子同时分析的优点，尤其适合短时、瞬态产生的成分复杂的离子团或者离子束。目前，对高速、高电流的离子束抓取主要采用尼尔森离子门结构。尼尔森离子门包括环形和方形两种结构，以环形尼尔森离子门结构为例，如图1所示，其电极部分多个环形电极以及位于环状电极圆心处的中间电极中心挡板构成，每个电极均连接对应的单极性脉冲电路。在使用过程中，根据需要抓取的离子类型，在不同环形电极之间，以及环状电极和中间电极之间施加不同极性的电平，使离子受到电场的影响而改变飞行轨迹实现偏转，并汇聚在同一位置而进入飞行时间分析器的离子通道。例如，当需要抓取正离子时，请参考图2，在电极1、3、5施加脉冲高电平，电极2、4、6为零电位，正离子受到电场的作用改变飞行轨迹汇聚于f点，进入飞行时间分析器的离子通道。当电极1、3、5恢复低电平时，离子沿原来的轨迹呈发散性飞行，离子便与电极或者其他离子飞行通道以外的部件撞击而损失，从而无法进入飞行时间分析器的离子通道。
35.上述尼尔森离子门结构，至少存在以下缺点：
36.(1)由于中间电极6的阻挡效果，导致中间电极6对应位置的离子无法被抓取，会致使离子抓取范围受限；
37.(2)其他电极也会阻挡部分离子造成损失，导致抓取效率下降；
38.(3)离子速度越快，偏转所需的电势差越大，相邻电极的绝缘的要求越高，如电极2与电极3、电极4与电极5之间的绝缘要求高，电极制作成本随之增加。
39.经申请人研究发现，出现这种问题的原因在于：尼尔森离子门的电极数量过多。然而，仅仅减少电极数量，会导致离子抓取范围的进一步受限。基于以上原因，本技术提供了一种可以扩大离子抓取范围，提高离子抓取效率，且电极制作成本低的离子抓取装置和质谱仪。
40.在一个实施例中，如图3所示，提供了一种离子抓取装置，包括控制器100、第一移
动机构200、第一电极300、第一电路400、第二移动机构500、第二电极600和第二电路700。控制器100连接第一移动机构200、第二移动机构500、第一电路400和第二电路700；第一电路400连接第一电极300，第二电路700连接第二电极600；第一电极300固定在第一移动机构200上，第二电极600固定在第二移动机构500上。
41.其中，第一电极300和第二电极600，可以为长条状电极，也可以为圆弧状电极；可以为不锈钢、铜或铝等材质的金属电极，也可以为碳材质的非金属电极。第一电极300和第二电极600可以平行，也可以成一定的角度。在一个实施例中，第一电极300和第二电极600为长条状电极，电极厚度为1mm，材质为不锈钢，表面光滑无毛刺。另外，第一电极300与第一移动机构200机械连接，第二电极600与第二移动机构500机械连接。第一移动机构200和第二移动机构500与对应电极之间，通过peek或聚四氟乙烯等绝缘材质固定。第一移动机构200与第二移动机构500可以是能实现一个方向上平动的一维移动机构，也可以能实现两个方向上二维移动机构，还可以是能同时实现平动和转动的多维度移动机构。第一电路400和第二电路700，可以是脉冲触发电路，也可以是包含控制开关的非脉冲触发电路。
42.具体的，第一电路400和第二电路700分别与控制器100电连接，第一电极300与第一电路400电连接，第二电极600与第二电路700电连接。由控制器100向第一电路400和第二电路700发出指令，控制第一电路400和第二电路700的输出电参数，改变第一电极300和第二电极600之间的电势差，决定进行离子抓取的时间。可以理解，在第一电路400和第二电路700的输出电参数一定的情况下，第一电极300和第二电极600之间的距离越近，两个电极之间的电势差越大。第一电极300和第二电极600之间间隔的区域，为离子抓取区域。若第一电极300和第二电极600之间的间隔过小，会导致离子抓取区域窄，影响离子抓取效率；若第一电极300和第二电极600之间的间隔过大，则可能会无法满足离子偏转所需的电势差，不利于后续质谱分析。在一个实施例中，第一电极300和第二电极600平行，且第一电极300和第二电极600之间的距离为1mm～6mm，在满足离子偏转所需电势差的同时，确保相对较高的离子抓取效率。例如，该距离可以是1mm、2mm、4mm或6mm。
43.第一移动机构200和第二移动机构500分别与控制器100电连接，控制器100可以通过控制第一移动机构200和第二移动机构500移动，带动第一电极300和第二电极600运动，以抓取离子束中不同位置的离子。进一步的，在一个实施例中，第一移动机构200和第二移动机构500在控制器100的控制下同步移动，以确保在移动过程中第一电极300和第二电极600的相对位置不变，减小移动过程中第一电极300和第二电极600之间的距离变化，降低电极移动对离子抓取效率的影响。
44.在一个实施例中，第一电路400和第二电路700均为可变极性的脉冲触发电路。
45.其中，脉冲触发电路是指可以稳定输出脉冲电压的电路，通常包括开关管、继电器等开关器件，还可以包括脉冲变压器等变换器件。第一电路400和第二电路700为可变极性的脉冲触发电路，是指第一电路400和第二电路700可以输出正极性的脉冲电压，可以输出负极性的脉冲电压，且第一电路400和第二电路700输出电压的极性，可以相同也可以不同。另外，离子偏转角度是指离子运动方向相对于离子抓取通道的角度。例如，当离子抓取通道成水平方向时，离子偏转角度是指离子运动方向相对于水平方向的偏转角度。
46.具体的，控制器100可以控制第一电路400和第二电路700同步输出脉冲电压，两个电路的输出延时相同，且均在0～100us范围内。第一电路400的输出电压决定第一电极300
的极性，第二电路700的输出电压决定第二电极600的极性，二者共同决定两个电极之间的电势差的大小和方向，进而决定两个电极之间的离子的偏转方向。进一步的，控制器100还可以获取离子运动方向，并根据该离子运动方向，调整第一电路400和第二电路700的输出脉冲极性，进而调整两个电极的极性，增大非抓取状态下的离子偏转角度，减小离子相对于原运动方向的偏转角度，以降低离子偏转所需的电动势。例如，当离子运动方向为斜向上时，可以在第一电极300和第二电极600之间施加电场，使离子向上偏转；当离子运动方向为斜向下时，可以改变第一电极300和第二电极600之间的电场方向，使离子向下偏转。
47.上述实施例中，第一电路400和第二电路700均为可变极性的脉冲触发电路，控制器100可以根据离子运动方向，实时调整第一电极300和第二电极600的极性，增大非抓取状态下的离子偏转角度，减小离子相对于原运动方向的偏转角度，可以降低第一电路400和第二电路700的输出电能，不仅可以降低电路的性能要求，节约电路成本，还有利于降低能耗。
48.在一个实施例中，离子抓取装置处于非抓取状态时，第一电路400和第二电路700为输出脉冲极性相反的脉冲触发电路，可以在输出脉冲幅值较低的前提下，使第一电极300和第二电极600之间具备较大的电势差，降低电路成本和开发难度。
49.进一步的，在一个实施例中，离子抓取装置处于非抓取状态时，第一电路400和第二电路700为输出脉冲幅值互为相反数的脉冲触发电路，仅需电势差一半的电压幅值就可以满足离子偏转要求，有利于进一步降低电路成本和开发难度。例如，输出脉冲幅值可调范围在
‑
5kv～5kv之间的第一电路400和第二电路700，最大可以使第一电极300和第二电极600之间具备10kv的电势差。
50.如图4所示，设离子束截面为xy轴所在平面，第一电极300和第二电极600在对应移动机构的带动下向上运动，两个电极之间的通道处于离子束截面中心的上方。此时，若两个电极均为零电位时，电极之间无电势差，离子可沿当前的飞行轨迹继续飞行并进入下一级离子通道，此状态即为离子被抓取的状态。被抓取的离子数量由脉冲触发电路输出的零电位的时间宽度，即脉宽决定。当离子不需要被抓取时，第二电路700对第二电极600施加正电压，第一电路400对第一电极300施加负电压，两个电极之间形成电势差，离子在经过电极间的通道时受到电场力而偏转，改变离子原来的飞行轨迹，与通道以外的其他部件碰撞而损失，从而无法进入下一级的离子通道。如图5所示，在离子偏转所需电压为2v0，电极间的通道处于离子束截面中心的上方时，在抓取状态下，第一电路400和第二电路700的输出电压分别为
‑
v0和v0；非抓取状态下，第一电路400和第二电路700输出宽度为t0、电压幅值为0v的同步脉冲电压。
51.如图6所示，为第一电极300和第二电极600之间的通道处于离子束截面的下方的情况。同样的，若两个电极均为零电位时，电极之间无电势差，离子可沿当前的飞行轨迹继续飞行并进入下一级离子通道，此状态即为离子被抓取的状态。当离子不需要被抓取时，第二电路700对第二电极600施加负电压，第一电路400对第一电极300施加正电压，两个电极之间形成电势差，离子在经过电极间的通道时受到电场力而偏转，改变离子原来的飞行轨迹，与通道以外的其他部件碰撞而损失，从而无法进入下一级的离子通道。如图7所示，在离子偏转所需电压为2v0，电极间的通道处于离子束截面中心的下方时，在抓取状态下，第一电路400和第二电路700的输出电压分别为v0和
‑
v0；非抓取状态下，第一电路400和第二电路700输出宽度为t0、电压幅值为0v的同步脉冲电压。
52.上述实施例中，由于下一级离子通道的飞行时间分析器中，离子数量是质量分辨率的重要影响因素之一。因此，控制器100通过调整第一电路400和第二电路700的输出电参数，可以改变输出脉冲电压的脉宽、延时以及幅值，改变被抓取的离子数量，进而改变飞行时间质谱中的质量分辨率，提升质量分析效果。
53.在一个实施例中，如图8所示，第一移动机构200包括第一y轴移动装置210和第一x轴移动装置220。第一x轴移动装置220安装于第一y轴移动装置210，第一电极300安装于第一x轴移动装置220；控制器100连接第一y轴移动装置210和第一x轴移动装置220。第二移动机构500包括第二y轴移动装置510和第二x轴移动装置520。第二x轴移动装置520安装于第二y轴移动装置510，第二电极600安装于第二x轴移动装置520；控制器100连接第二y轴移动装置510和第二x轴移动装置520。
54.其中，第一y轴移动装置210和第一x轴移动装置220均为平动式的移动装置，分别可以实现y轴和x轴方向上的平动。具体的，第一y轴移动装置210带动第一x轴移动装置220和第一电极300运动，实现y轴上的平动。第一x轴移动装置220带动第一电极300运动，实现x轴上的平动。由控制器100分别控制两个方向上的移动，可以实现xy平面上第一电极300的运动。在第一y轴移动装置210和第一x轴移动装置220的行程范围足够大的前提下，可以使第一电极300到达离子束的任意位置。在一个实施例中，第一y轴移动装置210和第一x轴移动装置220的行程范围均为0～50mm。
55.关于第二y轴移动装置510和第二x轴移动装置520的具体限定，请参考上文中的第一y轴移动装置210和第一x轴移动装置220，此处不再赘述。同样的，由控制器100分别控制两个方向上的移动，可以实现xy平面上第二电极600的运动。在第二y轴移动装置510和第二x轴移动装置520的行程范围足够大的前提下，可以使第二电极600到达离子束的任意位置。在一个实施例中，第二y轴移动装置510和第二x轴移动装置520的行程范围均为0～50mm。
56.进一步的，在一个实施例中，第一y轴移动装置210和第二y轴移动装置510，以及第一x轴移动装置220和第二x轴移动装置520分别在控制器100的控制下同步移动，以确保在移动过程中第一电极300和第二电极600的相对位置不变，减小移动过程中第一电极300和第二电极600之间的距离变化，降低电极移动对离子抓取效率的影响。
57.在一个实施例中，第一y轴移动装置210包括第一y轴电机、第一y轴丝杆、第一y轴导轨和第一y轴固定盘。第一y轴电机连接控制器100和第一y轴丝杆，第一y轴丝杆安装于第一y轴导轨，第一y轴固定盘安装于第一y轴丝杆，第一x轴移动装置220安装于第一y轴固定盘。第二y轴移动装置510包括第二y轴电机、第二y轴丝杆、第二y轴导轨和第二y轴固定盘。第二y轴电机连接控制器100和第二y轴丝杆，第二y轴丝杆安装于第二y轴导轨，第二y轴固定盘安装于第二y轴丝杆，第二x轴移动装置520安装于第二y轴固定盘。
58.其中，第一y轴电机可以为步进电机或伺服电机。第一y轴固定盘的形状可以是方形、圆形或半圆形。具体的，控制器100向第一y轴电机发送控制指令，使第一y轴电极控制第一y轴丝杆运动，第一y轴丝杆在第一y轴导轨的限定轨道内，带动第一y轴固定盘移动，使安装在第一y轴固定盘上的第一x轴移动装置220也发生y方向上的平动。
59.关于第二y轴移动装置510中各组成部件的具体限定和运动过程，可以参见上文中对第一y轴移动装置210的具体描述，此处不再赘述。
60.在一个实施例中，第一x轴移动装置220包括第一x轴电机、第一x轴丝杆、第一x轴
导轨和第一x轴固定盘。第一x轴电机连接控制器100和第一x轴丝杆，第一x轴丝杆安装于第一x轴导轨，第一x轴固定盘安装于第一x轴丝杆，第一电极300安装于第一x轴固定盘。第二x轴移动装置520包括第二x轴电机、第二x轴丝杆、第二x轴导轨和第二x轴固定盘。第二x轴电机连接控制器100和第二x轴丝杆，第二x轴丝杆安装于第二x轴导轨，第二x轴固定盘安装于第二x轴丝杆，第二电极600安装于第二x轴固定盘。
61.其中，第一x轴电机可以为步进电机或伺服电机。第一x轴固定盘的形状可以是方形、圆形或半圆形。具体的，控制器100向第一x轴电机发送控制指令，使第一x轴电极控制第一x轴丝杆运动，第一x轴丝杆在第一x轴导轨的限定轨道内，带动第一x轴固定盘移动，使安装在第一x轴固定盘上的第一电极300也发生x方向上的平动。
62.关于第二x轴移动装置520中各组成部件的具体限定和运动过程，可以参见上文中对第一x轴移动装置220的具体描述，此处不再赘述。
63.上述实施例中，提供了一种二维移动机构的实现方式，具有结构简单制作成本低的优点。且控制器100可以通过控制第一移动机构200和第二移动机构500在xy平面上运动，可以带动第一电极300和第二电极600运动，实现离子束所在的xy平面上任意位置的离子截取，具有离子抓取范围不受限的优点。
64.在一个实施例中，提供了一种质谱仪，包括离子源、飞行时间分析器、离子检测器和上述实施例中的离子抓取装置。离子抓取装置位于离子源和飞行时间分析器之间。
65.关于离子抓取装置的具体限定可以参加上文，此处不再赘述。其中，质谱仪又称质谱计，是一种分离和检测不同同位素的仪器。其测量过程是根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成。具体的，离子源中的离子，通过离子抓取装置后，一部分发生偏转后损失掉，一部分继续向前飞行进入飞行时间分析器，由飞行时间分析器和离子检测器共同完成质谱分析。通过离子抓取装置调整进入飞行时间分析器中的离子数量，可以调整质量分辨率，提升质谱分析效果。
66.在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
67.以上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。
68.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实用新型专利范围的限制。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。