一種具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀。包括離子阱質(zhì)量分析器、激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源和電荷檢測器；上端電極和下端電極的軸向上均設(shè)有通孔a；環(huán)電極的中心位置處設(shè)有通孔b；電荷檢測器設(shè)于離子阱質(zhì)量分析器的下部，且離子阱質(zhì)量分析器與電荷檢測器之間設(shè)有絕緣陶瓷環(huán)；電荷檢測器表面設(shè)有電磁屏蔽罩，電磁屏蔽罩與通孔a的位置相應(yīng)處設(shè)有通孔c；激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源包括樣品靶和激光器；它還包括液氮冷卻裝置，液氮冷卻裝置包括密閉腔體，密閉腔體與液氮流入管和液氮流出管相連通；密閉腔體設(shè)于電荷檢測器的下部，且為接觸配合。本發(fā)明由于采用了液氮流速控制裝置，可以對電荷檢測器的溫度進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電荷檢測器噪音水平的靈活控制。
【專利說明】一種具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種質(zhì)譜儀，具體涉及一種具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]顆粒物質(zhì)例如大氣溶膠、生物顆粒(病毒、細胞)等廣泛存在于自然界中。由于這些顆粒對于大氣環(huán)境和人體健康有著重要的影響，因此對其測定和表征是分析測試中的一個重要課題。眾所周知，分子的質(zhì)量是分子固有的性質(zhì)，同樣，顆粒的質(zhì)量也是表征顆粒物質(zhì)的一個重要參數(shù)。離子阱顆粒質(zhì)譜是最近發(fā)展起來的一種測定顆粒質(zhì)量的新方法。在實驗過程中，由激光誘導(dǎo)聲波解吸源解吸出的顆粒物質(zhì)進入離子阱質(zhì)量分析器，其質(zhì)荷比和帶電量分別由離子阱質(zhì)量分析器和電荷檢測器測得，從而實現(xiàn)了顆粒質(zhì)量的快速、準確測定。以顆粒離子阱質(zhì)譜為工具，人們已成功測定了聚苯乙烯球及多種細胞的質(zhì)量。但是，顆粒離子阱質(zhì)譜還有諸多不足，其中亟待解決的問題之一即為如何降低電荷檢測器的背景噪音，提高顆粒質(zhì)譜的分辨率。目前，電荷檢測器的平均噪音約為600e，根據(jù)顆粒的帶電量與顆粒尺寸存在的一定線性關(guān)系，只有I U m以上帶電量較高的顆粒才能被有效地檢測，這就極大地限制了顆粒離子阱質(zhì)譜儀對微米級以下較小顆粒的分析。
[0003]因此，需要提供一種能降低背景噪音的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，以提高質(zhì)譜儀的檢測性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，本發(fā)明通過對電荷檢測器的低溫冷卻實現(xiàn)其背景噪音的降低，從而為拓展顆粒離子阱質(zhì)譜的質(zhì)量范圍，實現(xiàn)單個病毒、細菌的質(zhì)量測定奠定基礎(chǔ)。
[0005]本發(fā)明所提供的一種具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，包括離子阱質(zhì)量分析器、激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源和電荷檢測器；所述離子阱質(zhì)量分析器包括上端電極、環(huán)電極和下端電極；所述上端電極和所述下端電極分別設(shè)于所述環(huán)電極的兩端，且所述環(huán)電極與所述上端電極和所述下端電極之間均設(shè)有絕緣陶瓷環(huán)；所述上端電極和所述下端電極的軸向上均設(shè)有通孔a ;所述環(huán)電極的中心位置處設(shè)有通孔b ;
[0006]所述電荷檢測器設(shè)于所述離子阱質(zhì)量分析器的下部，且所述離子阱質(zhì)量分析器與所述電荷檢測器之間設(shè)有絕緣陶瓷環(huán)；所述電荷檢測器表面設(shè)有一電磁屏蔽罩，所述電磁屏蔽罩與所述通孔a的位置相應(yīng)處設(shè)有通孔c ;所述激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源包括樣品靶和激光器，所述樣品靶設(shè)于近所述通孔b處；
[0007]所述顆粒離子阱質(zhì)譜儀還包括液氮冷卻裝置，所述液氮冷卻裝置包括一密閉腔體，所述密閉腔體與液氮流入管和液氮流出管相連通；所述密閉腔體設(shè)于所述電荷檢測器的下部，且為接觸配合。
[0008]所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀中，所述密閉腔體的形狀和尺寸分別與所述電荷檢測器的形狀和尺寸相一致，以保證所述液氮冷卻裝置與所述電荷檢測器能夠緊密接觸。
[0009]所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀中，所述液氮流入管與所述密閉腔體的底部相連通；
[0010]所述液氮流出管與所述密閉腔體的底部相連通，且延伸至所述密閉腔體的頂部處。
[0011]所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀中，所述密閉腔體的頂部設(shè)有一凹槽，所述液氮流出管延伸至所述凹槽內(nèi)，這樣設(shè)置后可使液氮流入后能充滿整個封閉腔體，當(dāng)液氮流速大的時候可以液氮的形式從所述液氮流出管流出，當(dāng)液氮流速小的時候可以氣化的氮氣形式從所述液氮流出管流出，從而實現(xiàn)對冷卻溫度的控制。
[0012]所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀中，所述密閉腔體的高度可為10?20mm;
[0013]所述凹槽的高度可為3?5mm，所述液氮流出管的液氮入口端與所述凹槽頂部之間的距離可為I?2_。
[0014]所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀中，所述顆粒離子阱質(zhì)譜儀還包括液氮流速控制裝置；所述液氮流速控制裝置包括液氮罐、流量計和微流閥；所述液氮流入管與所述液氮罐相連通，所述液氮罐還與一氮氣管路相連通，所述氮氣管路上依次設(shè)有所述流量計和所述微流閥，且所述流量計設(shè)于近所述液氮罐的一端；通過所述氮氣管路通入的氮氣可使所述液氮罐中的壓強增大，從而能將所述液氮罐中的液氮壓入到所述密閉腔體中，并可通過通入氮氣流速的大小控制液氮流入所述密閉腔體的速度，以實現(xiàn)對所述電荷檢測器的溫度控制，如需溫度恒定時，則可將氮氣流速控制為一恒定值；如需升溫時，則可提高氮氣流速；如需降溫時，則可停止通氮氣或者降低氮氣流速。
[0015]所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀中，所述電荷檢測器底部設(shè)有一溫度傳感器，以實時監(jiān)測所述電荷檢測器的溫度。
[0016]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:
[0017]1、本發(fā)明由于采用液氮對電荷檢測器進行降溫，最低可使檢測器的溫度達到-190°C，有效地降低了電荷檢測器的熱噪音，為將離子阱顆粒質(zhì)譜的應(yīng)用范圍拓展到細菌及病毒的質(zhì)量測定奠定了基礎(chǔ)。
[0018]2、本發(fā)明由于采用了液氮流速控制裝置，可以對電荷檢測器的溫度進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)電荷檢測器噪音水平的靈活控制。
[0019]3、本發(fā)明由于采用離子阱質(zhì)量分析器及電荷檢測器，能同時獲得顆粒離子的質(zhì)荷比和電荷數(shù)，因此，實現(xiàn)了對顆粒質(zhì)量及質(zhì)量分布的快速測定。
[0020]4、本發(fā)明由于采用離子阱質(zhì)量分析器，其對真空度的要求低，能夠在更加粗略的真空條件下工作，所需的真空條件只需要機械泵就可以提供，為顆粒質(zhì)譜儀的進一步簡化提供了有利的條件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀的剖視圖。
[0023]圖3是本發(fā)明顆粒質(zhì)譜儀中激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源的示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明顆粒質(zhì)譜儀中液氮流速控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5是本發(fā)明顆粒質(zhì)譜儀在不同溫度條件下電荷檢測器的噪音。[0026]圖中各標記如下:
[0027]I上端電極、2環(huán)電極、3下端電極、4電荷檢測器、5陶瓷環(huán)、6信號輸出端、7模擬信號輸入端、8液氮冷卻裝置、9密閉腔體、10液氮流入管、11液氮流出管、12凹槽、13激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源、14樣品靶、15激光、16流量計、17氮氣管路、18液氮罐、19微流閥。
【具體實施方式】
[0028]下述結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0029]如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀包括激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源13、離子阱質(zhì)量分析器、電荷檢測器4、液氮冷卻裝置8以及液氮流速控制裝置。該離子阱質(zhì)量分析器包括一個上端電極1、環(huán)電極2和下端電極3，上端電極
1、環(huán)電極2和下端電極3均為雙曲面形，且其外周圍均為長方形。環(huán)電極2的半徑為10mm，上端電極I和下端電極3與阱中心之間的距離均為7.07mm，上端電極I和下端電極3與環(huán)電極2之間均設(shè)有絕緣陶瓷環(huán)(圖中未示)，避免其相互接觸發(fā)生短路。上端電極I和下端電極3的軸向上均設(shè)有通孔a(圖中未示)，環(huán)電極2的中心位置處設(shè)有通孔b。電荷檢測器4設(shè)于離子阱質(zhì)量分析器的下部，兩者距離為10mm，且兩者之間以絕緣陶瓷環(huán)5隔開。為避免電磁干擾，電荷檢測器4表面附加一電磁屏蔽罩(圖中未不),且在該電磁屏蔽罩上與通孔a的位置相應(yīng)處設(shè)有通孔c (圖中未示)。電荷檢測器4上包括信號輸出端6和模擬信號輸入端7。信號輸出端6與外部信號采集裝置相連，用于采集電荷檢測器的信號。在模擬信號輸入端7輸入一個標準的模擬信號可實現(xiàn)對電荷檢測器響應(yīng)的校正。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明中激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源13包括樣品靶14和激光器(圖中未示)，樣品靶14設(shè)于近通孔b處，激光器發(fā)射的激光15對樣品進行解吸電離。
[0031]如圖1和圖2所示，液氮冷卻裝置8包括一密閉腔體9，該密閉腔體9與液氮流入管10和液氮流出管11相連通。密閉腔體9設(shè)于電荷檢測器4的下部，且為接觸配合。液氮流入管10與密閉腔體9的底部相連通；密閉腔體9的頂部設(shè)有一凹槽12，液氮流出管11與密閉腔體9的底部相連通，且延伸至凹槽12內(nèi)，這樣能使液氮流入后能充滿整個密閉腔體9，在液氮流速大的時候以液氮形式從液氮流出管11流出，液氮流速小的時候以氣化的氮氣形式從液氮流出管11流出，從而實現(xiàn)對冷卻溫度的控制。
[0032]本發(fā)明中的液氮流速是通過如圖4所示的液氮流速控制裝置控制的。該液氮流速控制裝置包括液氮罐18、流量計16和微流閥19 ;其中液氮流入管7與液氮罐18相連通，液氮罐18還與一氮氣管路17相連通，在氮氣管路17上依次設(shè)置流量計16和微流閥19，且流量計16設(shè)于近液氮罐18的一端。
[0033]使用上述液氮流速控制裝置控制液氮流速的過程如下:高純氮氣從氮氣管路17入口進入，其流速可由流量計16進行實時測量并由微流閥19進行調(diào)控。流入的氮氣使液氮罐18中的壓強增大，從而將液氮壓入到液氮冷卻裝置的密閉腔體9中。溫度穩(wěn)定時氮氣的流速可控制在0.4?0.6mL/min,需要降溫時流速可增加氮氣流速至0.8?1.0mL/min,需要升溫時則可停止氮氣流入或調(diào)低氮氣流速在0.3mL/min以下。
[0034]為了能夠?qū)崟r監(jiān)控電荷檢測器4的溫度，可在電荷檢測器4底部設(shè)置一溫度傳感器(圖中未不)。
[0035]本發(fā)明顆粒離子阱質(zhì)譜儀中，密閉腔體9的高度可為10?20mm，凹槽12的高度可為3?5mm，液氮流出管11的液氮入口端與凹槽12頂部之間的距離可為I?2mm。
[0036]使用本發(fā)明具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀時，利用激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源13使顆粒解吸并進入到離子阱質(zhì)量分析器中，通過改變離子阱的囚禁條件，即掃描囚禁電壓或頻率使離子變得不穩(wěn)定而拋出阱外被電荷檢測器所檢測。利用液氮冷卻裝置和液氮流速控制裝置可將電荷檢測器的溫度控制在特定的范圍。
[0037]當(dāng)溫度降低時，電荷檢測器的噪音明顯降低，如圖5所示，在常溫(20°C)時，檢測器的平均噪音為0.01V，如圖5a)所示；當(dāng)溫度降低為-64°C時，檢測器的平均噪音降低了一半，為0.005V，如圖5b)所示。
[0038]在上述檢測過程中，離子阱內(nèi)氣壓可控制在1.50?3.0OPa之間的一固定值，環(huán)電極所加RF電壓可為800?1000V之間一固定值，RF頻率掃描區(qū)間可為450?100Hz。
[0039]上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，電壓的施加方式、各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種具有低溫電荷檢測器的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，包括離子阱質(zhì)量分析器、激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源和電荷檢測器；所述離子阱質(zhì)量分析器包括上端電極、環(huán)電極和下端電極；所述上端電極和所述下端電極分別設(shè)于所述環(huán)電極的兩端，且所述環(huán)電極與所述上端電極和所述下端電極之間均設(shè)有絕緣陶瓷環(huán)；所述上端電極和所述下端電極的軸向上均設(shè)有通孔a ;所述環(huán)電極的中心位置處設(shè)有通孔b ； 所述電荷檢測器設(shè)于所述離子阱質(zhì)量分析器的下部，且所述離子阱質(zhì)量分析器與所述電荷檢測器之間設(shè)有絕緣陶瓷環(huán)；所述電荷檢測器表面設(shè)有一電磁屏蔽罩，所述電磁屏蔽罩與所述通孔a的位置相應(yīng)處設(shè)有通孔c ;所述激光誘導(dǎo)聲波解吸電離源包括樣品靶和激光器，所述樣品靶設(shè)于近所述通孔b處；其特征在于: 所述顆粒離子阱質(zhì)譜儀還包括液氮冷卻裝置，所述液氮冷卻裝置包括一密閉腔體，所述密閉腔體與液氮流入管和液氮流出管相連通；所述密閉腔體設(shè)于所述電荷檢測器的下部，且為接觸配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于:所述密閉腔體的形狀和尺寸分別與所述電荷檢測器的形狀和尺寸相一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于:所述液氮流入管與所述密閉腔體的底部相連通； 所述液氮流出管與所述密閉腔體的底部相連通，且延伸至所述密閉腔體的頂部處。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于:所述密閉腔體的頂部設(shè)有一凹槽，所述液氮流出管延伸至所述凹槽內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于:所述密閉腔體的高度為10 ?20mm ; 所述凹槽的高度為3?5mm，所述液氮流出管的液氮入口端與所述凹槽頂部之間的距離為I?2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于:所述顆粒離子阱質(zhì)譜儀還包括液氮流速控制裝置； 所述液氮流速控制裝置包括液氮罐、流量計和微流閥；所述液氮流入管與所述液氮罐相連通，所述液氮罐還與一氮氣管路相連通，所述氮氣管路上依次設(shè)有所述流量計和所述微流閥，且所述流量計設(shè)于近所述液氮罐的一端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的顆粒離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于:所述電荷檢測器底部設(shè)有一溫度傳感器。
【文檔編號】H01J49/26GK103745905SQ201410005139
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】聶宗秀, 占鈴鵬, 熊彩僑, 張寧, 劉保湘 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所