專利名稱：一種圓柱形離子阱質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)譜儀，特別是關(guān)于一種用于測量微米量級顆粒的圓柱形離子阱 質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
目前，微米及納米顆粒由于具有特殊的電學(xué)、光學(xué)、熱動力學(xué)、化學(xué)及生物學(xué)特性， 越來越受到物理、化學(xué)及生物等相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。常見的顆粒物質(zhì)，例如灰塵、大氣溶膠、病 毒、細胞等在大自然中都發(fā)揮著重要的作用，因此對這些顆粒物質(zhì)的大小、質(zhì)量及化學(xué)成分 的表征具有重要的意義。
質(zhì)譜是一種對物質(zhì)進行質(zhì)量測定及定性的分析方法，這種方法具有靈敏、快速及 準確等優(yōu)點，在近代生命科學(xué)研究中扮演著關(guān)鍵的角色。現(xiàn)代質(zhì)譜儀器能測量的物質(zhì)尺寸 在IOnm以下，約等于1百萬原子單位。而微米級顆粒遠遠超出現(xiàn)代質(zhì)譜儀的測量范圍，不 能用傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀對其進行質(zhì)量測定。同時由于微米級顆粒物質(zhì)廣泛存在于環(huán)境中，并且 其分布差異大，需要進行現(xiàn)場及實時的分析。因此，需要設(shè)計出具有新的電離及離子檢測手 段，并且小型、便攜的質(zhì)譜儀實現(xiàn)對顆粒物質(zhì)的分析。
近年來，微米級顆粒質(zhì)量的測定技術(shù)在不斷的發(fā)展。2001年菲爾斯特諾 (Fuerstenau)等人利用電噴霧-飛行時間-電荷感應(yīng)管質(zhì)譜系統(tǒng)首次成功地測定了一些 已知質(zhì)量的病毒(水稻黃斑病毒和煙草花蔫病毒)，這種方法快速便捷，上千顆病毒粒子質(zhì) 量的測定可以在半小時內(nèi)完成。但是，由于感應(yīng)電流的檢測及離子穿過感應(yīng)管時所需時間 的限制，其所測得的質(zhì)量誤差比較大，約15%左右；而且飛行時間質(zhì)譜的體積比較大，不利 于實現(xiàn)小型化。2002年和2003年蔡等分別采用電噴霧-四極離子阱-光散射檢測器以及 基質(zhì)輔助激光解吸-雙四極離子阱-熒光檢測器對0. 91 μ m和1. 10 μ m聚苯乙烯球的質(zhì)量 進行了測定，測得的質(zhì)荷比超過了 109，誤差小于1%。但是實驗過程中需要利用電子槍改 變囚禁離子的電荷量，相應(yīng)的操作和計算繁瑣費時，也限制了該方法的應(yīng)用。隨后，彭等在 2005年又發(fā)展了顆粒物質(zhì)的激光誘導(dǎo)聲波解析電離法，此方法只需要將顆粒物質(zhì)的溶液滴 在硅片上，讓溶劑揮干，然后用激光去照射硅片的背面，激光誘導(dǎo)的聲波使樣品解析，雖然 這種解析/離子化方法的效率比較低，但對于利用光學(xué)方法分析質(zhì)量時只需要單顆粒子而 言已經(jīng)足夠了。相比于基質(zhì)輔助激光解吸，激光誘導(dǎo)聲波解吸可以實現(xiàn)病毒、細胞等沒有堅 硬外殼的生物顆粒的電離，相比于電噴霧，激光誘導(dǎo)聲波解吸使得細菌、病毒等在水溶液中 具有傳染性的生物顆粒的分析更加安全。聶等利用激光誘導(dǎo)聲波解吸-圓柱離子阱-光散 射的方法實現(xiàn)了對人類腺病毒、彩虹病毒和牛痘病毒的分析。在2007年，彭等又發(fā)展了激 光誘導(dǎo)聲波解析-電荷檢測質(zhì)譜法用于細胞及微顆粒質(zhì)量的快速測定，通過頻率掃描可以 獲得顆粒物質(zhì)的質(zhì)荷比，通過電荷檢測器可以直接獲得其所帶的電荷量，這樣顆粒物質(zhì)的 質(zhì)量就能很方便地計算獲得。在此基礎(chǔ)上，聶等利用激光誘導(dǎo)聲波解吸-四極離子阱-電 荷檢測的方法測定了一系列動物以及正常人和貧血病人的紅細胞的質(zhì)量。這些研究均著重 于顆粒物質(zhì)新的電離及快速檢測方法的建立和改進，實現(xiàn)了顆粒質(zhì)量的快速測定。為了進一步適應(yīng)顆粒物質(zhì)的現(xiàn)場及原位分析的需要，發(fā)展一種能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒質(zhì)量快速測定的小型 化顆粒質(zhì)譜儀是非常必要的。發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速測定 顆粒質(zhì)量的圓柱形離子阱質(zhì)譜儀。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在 于它包括一離子源、一圓柱形離子阱、一電荷檢測器和一用于屏蔽射頻電場對所述電荷檢 測器干擾的電磁屏蔽罩，所述電荷檢測器設(shè)置在所述電磁屏蔽罩空腔內(nèi)底部，所述電磁屏 蔽罩頂部的中心位置處設(shè)置有一通孔；所述離子源將被測樣品經(jīng)過所述圓柱形離子阱的樣 品入口打入所述圓柱形離子阱內(nèi)，通過設(shè)置在所述圓柱形離子阱下方的所述電磁屏蔽罩的 通孔后，被拋入所述電荷檢測器上進行檢測。
所述圓柱形離子阱包括一上端電極、一環(huán)電極和一下端電極，所述上端電極、環(huán)電 極和下端電極圍成一圓柱體區(qū)域的電場；在所述環(huán)電極上施加用于囚禁被測樣品離子的射 頻電壓，所述上端電極和下端電極采用接地、接直流和反向交流其中之一的連接方式；所述 上端電極和下端電極中心位置處分別開設(shè)有一圓孔，在所述上端電極與所述環(huán)電極，以及 所述環(huán)電極與所述下端電極之間分別設(shè)置有一帶有開口的絕緣陶瓷環(huán)，所述開口為所述樣 品入口。
所述離子源采用激光誘導(dǎo)聲波解吸離子源，其包括一樣品靶和一激光器。
所述電磁屏蔽罩頂部的通孔處，固定設(shè)置有一允許顆粒離子穿過的柵網(wǎng)。
所述圓柱形離子阱的阱半徑&在Imm 5mm之間，所述上端電極到阱中心距離、、 及所述下端電極到阱中心距離、在Imm 5mm之間；所述柵網(wǎng)和所述下端電極之間的距離 在5mm 15mm之間。
所述環(huán)電極的外圍形狀采用方形和圓形其中之一的形狀，所述上端電極和下端電 極采用長方形和圓形其中之一的形狀。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采用包括離子源、 圓柱形離子阱、電荷檢測器和電磁屏蔽罩的質(zhì)譜儀，圓柱形離子阱由環(huán)電極和上端電極、下 端電極圍成一圓柱形電場區(qū)域，拋出的樣品離子撞擊到電荷檢測器上被檢測，而圓柱形離 子阱具有較小的體積且易于加工，因此簡化了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，降低了成本。2、本發(fā)明由于采 用在電磁屏蔽罩空腔的底部設(shè)置有電荷檢測器，經(jīng)圓柱形離子阱拋出的被測樣品顆粒離子 由電荷檢測器進行檢測，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 的快速測定。3、本發(fā)明由于采用的圓柱形離子阱具有較小的尺寸，因此使得在環(huán)電極上所 需施加的射頻電壓也比較小，從而降低了對真空度的要求，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)譜的進一步簡化提供了有利的 條件。4、本發(fā)明由于采用激光誘導(dǎo)聲波解吸這種軟電離方法，因此能進一步將本發(fā)明的圓 柱形離子阱質(zhì)譜儀拓展到對細胞、病毒等多種生物顆粒的測定，并有利于病毒的快速鑒定 等方法的建立。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于對各種微米級顆粒質(zhì)量的測定中。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的圓柱形離子阱結(jié)構(gòu)示意圖3是圖2的剖面圖4是本發(fā)明利用電荷檢測器對離子進行檢測時所獲得的質(zhì)譜圖5是本發(fā)明對3 μ m聚苯乙烯球進行測量得到的質(zhì)量分布柱狀圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
離子阱質(zhì)譜儀具有結(jié)構(gòu)相對簡單和對真空度要求低等特點，是制造小型化質(zhì)譜儀 的首選。而本發(fā)明采用其中結(jié)構(gòu)最簡單的圓柱形離子阱結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)四極離子阱的雙 曲面結(jié)構(gòu)，圓柱形離子阱的圓柱形結(jié)構(gòu)更容易加工和實現(xiàn)小型化及多元化，因此圓柱形離 子阱非常適合用于構(gòu)建現(xiàn)場便攜式分析儀器。盡管圓柱形離子阱最初只是作為離子的儲存 工具，但是具有恰當結(jié)構(gòu)和尺寸的圓柱形離子阱也可以用作質(zhì)量分析器，并且可以得到很 好的分辨率和靈敏度。由于圓柱形離子阱的簡單結(jié)構(gòu)，其還可以被加工成陣列結(jié)構(gòu)或者微 米級的離子阱芯片實現(xiàn)高通量的質(zhì)譜分析。另外，圓柱形離子阱更小的尺寸使得所需的射 頻電壓也比較小，從而降低了儀器本身對真空度的要求。
如圖1 圖3所示，本發(fā)明包括一離子源1、一圓柱形離子阱2、一電荷檢測器3和 一用于屏蔽射頻電場對電荷檢測器3干擾的電磁屏蔽罩4，電荷檢測器3設(shè)置在電磁屏蔽罩 4空腔內(nèi)的底部，并在電磁屏蔽罩4頂部的中心位置處設(shè)置有一通孔5。離子源1將被測樣 品經(jīng)過圓柱形離子阱2的樣品入口打入圓柱形離子阱2內(nèi)，并通過設(shè)置在圓柱形離子阱2 下方的電磁屏蔽罩4的通孔5后，被拋到電荷檢測器3上，實現(xiàn)對被測樣品的檢測。
如圖2、圖3所示，圓柱形離子阱2包括一上端電極6、一環(huán)電極7和一下端電極8， 上端電極6、環(huán)電極7和下端電極8圍成一圓柱體區(qū)域的電場。其中，在環(huán)電極7上施加用 于囚禁被測樣品離子的射頻電壓，上端電極6和下端電極8可以采用接地、接直流或反向交 流等連接方式。在圓柱形離子阱2的上端電極6和下端電極8中心位置處分別開設(shè)有一圓 孔9，被測樣品離子從圓孔9拋出圓柱形離子阱2外，并被電荷檢測器3所檢測。在上端電 極6與環(huán)電極7，以及環(huán)電極7與下端電極8之間分別設(shè)置有一帶有開口 10的絕緣陶瓷環(huán) 11，將環(huán)電極7與上端電極6、下端電極8隔離開，避免其相互接觸而發(fā)生短路現(xiàn)象。其中， 開口 10即為圓柱形離子阱2的樣品入口。
如圖1所示，離子源1采用激光誘導(dǎo)聲波解吸(LIAD)離子源，其包括一樣品靶12 和一激光器13，被測樣品滴加在樣品靶12上，通過激光器13發(fā)出的激光打在樣品靶12的 背面，進而將被測樣品的顆粒離子解析出來。顆粒離子通過絕緣陶瓷環(huán)11的開口 10進入 圓柱形離子阱2中，通過現(xiàn)有技術(shù)中的頻率掃描或電壓掃描等方式將顆粒離子從下端電極 8的圓孔9拋出阱外，并通過電磁屏蔽罩4頂部的通孔5撞擊到電荷檢測器3上，進而實現(xiàn) 對顆粒離子的檢測。
在電磁屏蔽罩4頂部的通孔5處，還固定設(shè)置有一允許顆粒離子穿過的柵網(wǎng)14，且 柵網(wǎng)14也可以屏蔽射頻電場對電荷檢測器3的干擾。
上述實施例中，環(huán)電極7的外圍形狀可以加工成方形、圓形等不同的形狀，上端電極6和下端電極8也可以采用長方形或圓形等，以便為了方便裝配。
上述各實施例中，如圖3所示，本發(fā)明的圓柱形離子阱2的阱半徑rQ在Imm 5mm 之間；上端電極6到阱中心距離、、及下端電極8到阱中心距離也在Imm 5mm之間。
上述各實施例中，柵網(wǎng)14和下端電極8之間的距離在5mm 15mm之間。
下面結(jié)合一個具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用效果進行說明。利用本發(fā)明對從美國國 家標準與技術(shù)協(xié)會(NIST)購買的標準顆粒3μπι聚苯乙烯球的質(zhì)量進行了快速的測定，得 到了 3μπι聚苯乙烯球的質(zhì)量分布柱狀圖。
首先，將買來的聚苯乙烯球標準品懸浮液用去離子水進行清洗，將溶液中疊氮化 鈉離心去除。然后將所制得的懸浮液滴加在事先切割好的硅片上。待水溶液蒸干后將硅片 固定于樣品靶12上。進而依次開啟現(xiàn)有技術(shù)中的真空泵、激光器、函數(shù)發(fā)生器、射頻放大 器、電荷檢測器電源及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，并利用氦氣對真空體系的壓力進行調(diào)節(jié)，同時設(shè)置好 相關(guān)儀器的參數(shù)。
對于3 μ m聚苯乙烯球質(zhì)量的測定而言，設(shè)定的具體條件為圓柱形離子阱2中的 氣壓為4Pa，施加在環(huán)電極7上的射頻電壓Vae (0 ρ值)為1000V，上端電極6和下端電極 8接地，頻率掃描范圍為900Hz 300Hz，線性掃描時間為5s，激光器13 (532nm,脈沖寬度為 7ns)的能量為30mJ/脈沖。
實驗時用激光器13發(fā)出的激光去轟擊硅片的背面，樣品進入圓柱形離子阱2后被 捕獲，進而通過頻率掃描方式將離子不穩(wěn)定拋出圓柱形離子阱2外，并利用電荷檢測器3對 離子進行檢測，進而獲得一質(zhì)譜圖(如圖4所示)，其中的每一個峰都代表一個聚苯乙烯球 顆粒，縱坐標是每個聚苯乙烯球表面所帶的電荷數(shù)z，橫坐標為每個聚苯乙烯球的m/z值， 兩者的乘積即為單顆聚苯乙烯球的質(zhì)量m。
對將近200顆聚苯乙烯球的m值進行統(tǒng)計后得到的質(zhì)量分布柱狀圖(如圖5所 示)，其平均質(zhì)量為8. 81 X IO12Da,質(zhì)量分布的標準偏差為18%。測得的偏差值略大于已報 道的由四極離子阱所測得的值16%，這主要是因為圓柱形離子阱具有更小的體積，相應(yīng)的 庫倫效應(yīng)比較大的原因。但實驗結(jié)果表明，四極離子阱和圓柱形離子阱的分辨率在對微米 級顆粒的測定中沒有顯著的差異，進而說明利用圓柱形離子阱能夠很好地實現(xiàn)對顆粒物質(zhì) 的質(zhì)量測定和分析。
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
1.一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于它包括一離子源、一圓柱形離子阱、一電荷 檢測器和一用于屏蔽射頻電場對所述電荷檢測器干擾的電磁屏蔽罩，所述電荷檢測器設(shè)置 在所述電磁屏蔽罩空腔內(nèi)底部，所述電磁屏蔽罩頂部的中心位置處設(shè)置有一通孔；所述離 子源將被測樣品經(jīng)過所述圓柱形離子阱的樣品入口打入所述圓柱形離子阱內(nèi)，通過設(shè)置在 所述圓柱形離子阱下方的所述電磁屏蔽罩的通孔后，被拋入所述電荷檢測器上進行檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述圓柱形離子阱包 括一上端電極、一環(huán)電極和一下端電極，所述上端電極、環(huán)電極和下端電極圍成一圓柱體區(qū) 域的電場；在所述環(huán)電極上施加用于囚禁被測樣品離子的射頻電壓，所述上端電極和下端 電極采用接地、接直流和反向交流其中之一的連接方式；所述上端電極和下端電極中心位 置處分別開設(shè)有一圓孔，在所述上端電極與所述環(huán)電極，以及所述環(huán)電極與所述下端電極 之間分別設(shè)置有一帶有開口的絕緣陶瓷環(huán)，所述開口為所述樣品入口。
3.如權(quán)利要求1所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述離子源采用激光 誘導(dǎo)聲波解吸離子源，其包括一樣品靶和一激光器。
4.如權(quán)利要求2所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述離子源采用激光 誘導(dǎo)聲波解吸離子源，其包括一樣品靶和一激光器。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述電 磁屏蔽罩頂部的通孔處，固定設(shè)置有一允許顆粒離子穿過的柵網(wǎng)。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述圓 柱形離子阱的阱半徑A在Imm 5mm之間，所述上端電極到阱中心距離、、及所述下端電 極到阱中心距離、在Imm 5mm之間；所述柵網(wǎng)和所述下端電極之間的距離在5mm 15mm 之間。
7.如權(quán)利要求5所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述圓柱形離子阱的 阱半徑rQ在Imm 5mm之間，所述上端電極到阱中心距離zQ、及所述下端電極到阱中心距 離、在Imm 5mm之間；所述柵網(wǎng)和所述下端電極之間的距離在5mm 15mm之間。
8.如權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所 述環(huán)電極的外圍形狀采用方形和圓形其中之一的形狀，所述上端電極和下端電極采用長方 形和圓形其中之一的形狀。
9.如權(quán)利要求5所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述環(huán)電極的外圍形 狀采用方形和圓形其中之一的形狀，所述上端電極和下端電極采用長方形和圓形其中之一 的形狀。
10.如權(quán)利要求6所述的一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于所述環(huán)電極的外圍形 狀采用方形和圓形其中之一的形狀，所述上端電極和下端電極采用長方形和圓形其中之一 的形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圓柱體離子阱質(zhì)譜儀，其特征在于它包括一離子源、一圓柱形離子阱、一電荷檢測器和一用于屏蔽射頻電場對電荷檢測器干擾的電磁屏蔽罩，電荷檢測器設(shè)置在電磁屏蔽罩空腔內(nèi)底部，電磁屏蔽罩頂部的中心位置處設(shè)置有一通孔；離子源將被測樣品經(jīng)過圓柱形離子阱的樣品入口打入圓柱形離子阱內(nèi)，通過設(shè)置在圓柱形離子阱下方的電磁屏蔽罩的通孔后，被拋入電荷檢測器上進行檢測。本發(fā)明由于采用包括離子源、圓柱形離子阱、電荷檢測器和電磁屏蔽罩的質(zhì)譜儀，圓柱形離子阱具有較小的體積且易于加工，因此簡化了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，降低了成本。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于對各種微米級顆粒質(zhì)量的測定中。
文檔編號G01N27/62GK102034668SQ20101050609
公開日2011年4月27日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者周曉煜, 朱志強, 熊彩僑, 聶宗秀, 陳芮 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所