一种脉冲加压的离子富集方法.pdf

本发明公开了一种脉冲加压的离子富集方法。使用离子富集分离装置，采用在脉冲电极上施加脉冲电压的方法，使低电平时，离子在电离区富集；高电平时，富集的离子在电场的作用下向下运动，经过离子传输区和推斥区，最终到达质量分析器。通过控制电离区和推斥电极上的脉冲电压的延迟时间，提高离子进入质量分析器的效率。本发明有效的提高了采用垂直加速的飞行时间质谱的离子利用效率，提高了飞行时间质谱的检测灵敏度。

权利要求书1.  一种脉冲加压的离子富集装置，其特征在于，所述脉冲加压的离子富集分离装置由电离区(9)、离子传输区(10)、推斥区(11)和质量分析器(8)四个区域组成；1)离子富集分离装置各部件的结构：1.  1)所述电离区(9)内，从上至下依次设有光源入射孔(12)、脉冲电极(1)、聚焦电极(2)和skimmer电极(3)；所述光源入射孔(12)设在电离区脉冲电极(9)1正上方壁或侧壁上；所述的脉冲电极(9)1是由圆孔金属片构成，中心孔从顶端至底端逐渐增大，其功能是产生脉冲电压；所述的聚焦电极(2)，由圆环金属电极构成，其功能是将电离区产生的离子聚焦；所述的skimmer电极(3)，为中空的柱状或台状圆柱电极，中心孔从顶端到底端逐渐增大，其功能是将聚焦后的离子整形形成离子流，使其进入离子传输区；在电离区(9)周围设置有毛细管(13)，样品气体通过毛细管(13)进入到电离区(9)；使用的毛细管(13)为表面经过硅烷化处理的熔融石英毛细管，内径50μm，长度50cm；1.  2)所述离子传输区(10)内设有传输电极组(4)，它是由一组2～10个带孔的电极片构成，电极片之间以绝缘片间隔，用于离子流的传输；1.  3)所述推斥区(11)，内设有推斥电极(6)和引出电极(7)，上部设有狭缝(5)；所述狭缝(5)是一矩形孔，用于离子流的整形；所述的推斥电极(6)，是一金属平板电极，其功能是产生推斥电压；所述的引出电极(7)，是孔状金属电极，用于推斥区离子流的引出，使其进入质量分析器；1.  4)所述质量分析器(8)，是一种将不同质荷比的离子进行分离的装置；2)离子富集分离装置各部件的空间位置关系：所述的脉冲电极(1)，聚焦电极(2)，skimmer电极(3)、传输电极组(4)和狭缝(5)处于同轴设置；所述的推斥电极(6)和引出电极(7)处于同轴设置；所述的传输电极组(4)轴向方向与推斥电极(6)的轴向方向相垂直；3)离子富集分离装置各区域之间的连接关系电离区(9)与离子传输区(10)通过电离区(9)的skimmer电极(3)的中心孔连接、离子传输区(10)与推斥区(11)通过离子传输区(10)的狭缝(5)连接、推斥区(11)与质量分析器(8)通过推斥区的引出电极(7)连接。2.  一种脉冲加压的离子富集方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种脉冲加压的离子富集装置，应用在脉冲电极上施加脉冲电压的方法，在脉冲电极(1)上施加脉冲电压，低电平时，离子在脉冲电极(1)和skimmer电极(2)之间的区域富集；高电平时，富集的离子在电场的作用下向下运动，最终到达离子质量分析器；通过控制电离区(9)和推斥电极(6)上的脉冲电压的延迟时间，提高离子进入质量分析器(8)的效率，提高了垂直加速飞行时间质谱的离子利用效率；具体过程如下：1)光通过光源入射孔(12)进入电离区(9)，样品气体通过毛细管(13)到达电离区(9)，光在电离区(9)与样品气体相互作用，使样品气体分子发生电离，产生离子；2)当脉冲电极(1)上施加脉冲低电平时，脉冲电极(1)和skimmer电极(3)上的电压高于聚焦电极(2)上的电压，电离产生的离子由于电场的作用在电离区(9)发生振荡，并在电离区(9)中富集；3)当脉冲电极(1)上施加脉冲高电平时，在电场的作用下电离区(9)中的离子向下依次经过skimmer电极(3)、传输电极组(4)和狭缝(5)后到达推斥区(11)，此时推斥电极(6)施加脉冲高电平将离子推入到质量分析器(8)中进行分离。3.  根据权利要求2所述的一种脉冲加压的离子富集方法，其特征在于，脉冲电极(1)上施加有一脉冲电压，聚焦电极(2)和skimmer电极(3)上施加有直流电压，脉冲电极1的低电平与skimmer电极3的电压相等，聚焦电极(2)的电压低于skimmer电极(3)的电压。4.  根据权利要求2所述的一种脉冲加压的离子富集方法，其特征在于，脉冲电极(1)上施加脉冲电压，推斥电极(6)上同时也施加一脉冲电压，两者频率相同，但具有一定的延迟时间，延迟时间为离子从电离区(9)运动到推斥区(11)的时间。

说明书一种脉冲加压的离子富集方法
技术领域
本发明涉及质谱分析技术领域，具体是一种脉冲加压的离子富集方法。该方法通过控制电离区和推斥电极上的脉冲电压的延迟时间，以提高采用垂直加速的飞行时间质谱的离子利用效率和检测灵敏度。
背景技术
1886年，E.Goldstein在低压放电实验中观察到正电荷粒子，随后W.Wein发现正电荷粒子束在磁场中发生偏转，这些观察结果为质谱的诞生提供了准备。世界上第一台质谱仪于1912年由英国物理学家Joseph John Thomson(1906年诺贝尔物理学奖获得者、英国剑桥大学教授)研制成功；到20世纪20年代，质谱逐渐成为一种分析手段，被化学家采用；1948年Cameron和Eggers制成了第一台飞行时间质谱仪，这类质谱仪器不仅在仪器设计上获得了进步，同时广泛获得应用，尤其在与毛细管气相色谱的联用方面发挥了重要的作用。1955年Wiley和Mclanren提出了双场加速聚焦理论，并通过双场加速聚焦使直线式飞行时间质谱的分辨率超过了100，并且给出了相应的理论推导。1999年Chen等将垂直离子引入与反射式飞行时间质谱相结合获得了分辨率达到10000的质谱，仪器长度为1.3m。传统的飞行时间质谱是通过脉冲进样完成，没有进入质谱的离子占很大一部分。
垂直加速飞行时间质谱极大地提高了仪器的分辨率，但垂直加速飞行时间 质谱的离子利用效率并不高，通常只有5％左右，影响了仪器的检测灵敏度。只有一小部分离子经过脉冲电压推斥到质量分析器中，大部分离子没有进入质量分析器。
为了提高垂直加速飞行时间质谱的离子利用效率和检测灵敏度，本发明在脉冲电极上施加了脉冲电压。当脉冲电极施加低电压脉冲时，电离区产生的离子在电离区中振荡并富集；当脉冲电极施加高电压脉冲时，在电场的作用下，富集的离子向下运动，并最终进入质量分析器。脉冲电压的施加提高了离子的利用效率。
发明内容：
本发明的目的是提供一种脉冲加压的离子富集方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
1.一种脉冲加压的离子富集装置由电离区、离子传输区、推斥区和质量分析器四个区域组成。
1)离子富集分离装置各部件的结构：
1.1)所述电离区内，从上至下依次设有光源入射孔、脉冲电极、聚焦电极和skimmer电极；所述光源入射孔设在电离区脉冲电极正上方壁或侧壁上；所述的脉冲电极是由圆孔金属片构成，中心孔从顶端至底端逐渐增大，其功能是产生脉冲电压；所述的聚焦电极，由圆环金属电极构成，其功能是将电离区产生的离子聚焦；所述的skimmer电极，为中空的柱状或台状圆柱电极，中心孔从顶端到底端逐渐增大，其功能是将聚焦后的离子整形形成离子流，使其进入离子传输区。
在电离区周围设置有毛细管，样品气体通过毛细管进入到电离区；使用的 毛细管为表面经过硅烷化处理的熔融石英毛细管，内径50μm，长度50cm。
1.2)所述离子传输区内设有传输电极组，它是由一组2～10个带孔的电极片构成，电极片之间以绝缘片间隔，用于离子流的传输。
1.3)所述推斥区，内设有推斥电极和引出电极，上部设有狭缝。所述狭缝是一矩形孔，用于离子流的整形。所述的推斥电极，是一金属平板电极，其功能是产生推斥电压。所述的引出电极，是孔状金属电极，用于推斥区离子流的引出，使其进入质量分析器。
1.4)所述质量分析器是一种将不同质荷比的离子进行分离的装置。
2)离子富集分离装置各部件的空间位置关系：
所述的脉冲电极，聚焦电极，skimmer电极、传输电极组和狭缝处于同轴设置。所述的推斥电极和引出电极处于同轴设置；所述的传输电极组轴向方向与推斥电极的轴向方向相垂直。
3)离子富集分离装置各区域之间的连接关系：
电离区与离子传输区通过电离区的skimmer电极的中心孔连接、离子传输区与推斥区通过离子传输区的狭缝连接、推斥区与质量分析器通过推斥区的引出电极连接。
2.一种脉冲加压的离子富集方法，采用一种脉冲加压的离子富集装置，应用在脉冲电极上施加脉冲电压的方法，在脉冲电极上施加脉冲电压，低电平时，离子在脉冲电极和skimmer电极之间的区域富集；高电平时，富集的离子在电场的作用下向下运动，最终到达离子质量分析器。通过控制电离区和推斥电极上的脉冲电压的延迟时间，可以提高离子进入质量分析器的效率。该装置提高了垂直加速飞行时间质谱的离子利用效率。
具体过程如下：
1)光通过光源入射孔进入电离区，样品气体通过毛细管到达电离区，光在电离区与样品气体相互作用，使样品气体分子发生电离，产生离子。
2)当脉冲电极上施加脉冲低电平时，脉冲电极和skimmer电极上的电压高于聚焦电极上的电压，电离产生的离子由于电场的作用在电离区发生振荡，并在电离区中富集。
3)当脉冲电极上施加脉冲高电平时，在电场的作用下电离区中的离子向下依次经过skimmer电极、传输电极组和狭缝后到达推斥区，此时推斥电极施加脉冲高电平将离子推入到质量分析器中进行分离。
上述的脉冲电极上施加有一脉冲电压，聚焦电极和skimmer电极上施加有直流电压，脉冲电极的低电平与skimmer电极的电压相等，聚焦电极的电压低于skimmer电极的电压。
上述的脉冲电极上施加脉冲电压，推斥电极上同时也施加一脉冲电压，两者频率相同，但具有一定的延迟时间，延迟时间为离子从电离区运动到推斥区的时间。
附图说明
图1是本发明脉冲加压的离子富集装置结构示意图。
图中，脉冲电极1、聚焦电极2、skimmer电极3、传输电极组4、狭缝5、推斥电极6、引出电极7、和离子质量分析器8构成，分为电离区9、离子传输区10、推斥区11、光源入射口12、毛细管13。
图2是本发明离子富集过程模拟图。
图3是本发明所使用脉冲电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施对本发明作进一步描述。
1.本发明离子富集分离装置结构如图1所示，脉冲加压的离子富集装置由电离区9、离子传输区10、推斥区11和质量分析器8四个区域组成。
1)离子富集分离装置各部件的结构：
1.1)所述电离区9内，从上至下依次设有光源入射孔12、脉冲电极1、聚焦电极2和skimmer电极3；所述光源入射孔12设在电离区脉冲电极1正上方壁或侧壁上；所述的脉冲电极1是由圆孔金属片构成，中心孔从顶端至底端逐渐增大，其功能是产生脉冲电压；所述的聚焦电极2，由圆环金属电极构成，其功能是将电离区产生的离子聚焦；所述的skimmer电极3，为中空的柱状或台状圆柱电极，中心孔从顶端到底端逐渐增大，其功能是将聚焦后的离子整形形成离子流，使其进入离子传输区。
在电离区9周围设置有毛细管13，样品气体通过毛细管13进入到电离区9；使用的毛细管13为表面经过硅烷化处理的熔融石英毛细管，内径50μm，长度50cm。
1.2)所述离子传输区10内设有传输电极组4，它是由一组2～10个带孔的电极片构成，电极片之间以绝缘片间隔，用于离子流的传输。
1.3)所述推斥区11，内设有推斥电极6和引出电极7，上部设有狭缝5。所述狭缝5是一矩形孔，用于离子流的整形。所述的推斥电极6，是一金属平板电极，其功能是产生推斥电压。所述的引出电极7，是孔状金属电极，用于推斥区离子流的引出，使其进入质量分析器。
1.4)所述质量分析器8是一种将不同质荷比的离子进行分离的装置。
2)离子富集分离装置各部件的空间位置关系：
所述的脉冲电极1，聚焦电极2，skimmer电极3、传输电极组4和狭缝5处于同轴设置。所述的推斥电极6和引出电极7处于同轴设置；所述的传输电极组4轴向方向与推斥电极6的轴向方向相垂直。
3)离子富集分离装置各区域之间的连接关系：
电离区9与离子传输区10通过电离区9的skimmer电极3的中心孔连接、离子传输区10与推斥区11通过离子传输区10的狭缝5连接、推斥区11与质量分析器8通过推斥区的引出电极7连接；
2.一种脉冲加压的离子富集方法，采用脉冲加压的离子富集装置，应用在脉冲电极上施加脉冲电压的方法，在脉冲电极1上施加脉冲电压，低电平时，离子在脉冲电极1和skimmer电极2之间的区域富集；高电平时，富集的离子在电场的作用下向下运动，最终到达离子质量分析器。通过控制电离区9和推斥电极6上的脉冲电压的延迟时间，可以提高离子进入质量分析器8的效率。该装置提高了垂直加速飞行时间质谱的离子利用效率。
具体过程如下：
1)光通过光源入射孔12进入电离区9，样品气体通过毛细管13到达电离区9，光在电离区9与样品气体相互作用，使样品气体分子发生电离，产生离子。
2)当脉冲电极1上施加脉冲低电平时，脉冲电极1和skimmer电极3上的电压高于聚焦电极2上的电压，电离产生的离子由于电场的作用在电离区9发生振荡，并在电离区9中富集。
3)当脉冲电极1上施加脉冲高电平时，在电场的作用下电离区9中的离子向下依次经过skimmer电极3、传输电极组4和狭缝5后到达推斥区11，此时推斥电极6施加脉冲高电平将离子推入到质量分析器8中进行分离。
上述的脉冲电极1上施加有一脉冲电压，聚焦电极2和skimmer电极3上施加有直流电压，脉冲电极1的低电平与skimmer电极3的电压相等，聚焦电极2的电压低于skimmer电极3的电压。
上述的脉冲电极1上施加脉冲电压，推斥电极6上同时也施加一脉冲电压，两者频率相同，但具有一定的延迟时间，延迟时间为离子从电离区9运动到推斥区11的时间。
本发明实施时：
气体通过毛细管13进入电离区9，紫外光通过光源入射口12进入到电离区。在电离区9中气体样品分子与紫外光相互作用而发生电离。在脉冲电极1上施加频率为10K，占空比为3％，高电平和低电平分别为18V和14V的脉冲电压；聚焦电极2和skimmer电极3所加电压分别为8V和14V。光源为充有kr气体的放电灯，放电时产生的10.6eV的紫外光子通过光源入射孔12进入电离区照射在skimmer电极3上，skimmer电极3表面发生光电效应产生光电子。
如图2(a)所示，当脉冲电极1上施加脉冲低电平时，脉冲电极1和skimmer电极3上的电压高于聚焦电极2。电离产生的离子由于电场的作用在电离区9发生振荡，并在电离区9中富集；当脉冲电极1上施加脉冲高电平时，如图2(b)所示，在电场的作用下电离区中的离子向下依次经过skimmer电极3、传输电极组4和狭缝5后到达推斥区11，此时推斥电极6施加脉冲高电平将离子推入到质量分析器8中进行分离。
脉冲电极1和推斥电极6的频率相同，但具有一定的延迟时间。延迟时间为离子从电离区9运动到推斥区11的时间，如图3所示。