[发明专利]一种宽动态范围的飞行时间质谱仪器及其实现方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及分析仪器检测技术，特别涉及一种宽动态范围的飞行时间 质谱仪器及其实现方法与应用。

背景技术

飞行时间质谱仪(time-of-flight mass spectrometer，TOFMS)根据不同 离子在真空中飞行时间的大小来判定其质荷比，分析速度快，且能进行单 个电荷的检测。飞行时间质谱仪测量浓度的动态范围是飞行时间质谱仪的 主要参数指标之一。在实际应用中，由于样品中的组分十分复杂，通常需 要同时测量一些含量差别超过6个数量级以上的组分，然而由于飞行时间 质谱仪采用离子计数的方法，例如用时间-数字转换器(time-to-digital converter，TDC)进行数据采集，而TDC由于死时间的存在，不能在同一个 检测周期中，同时测量到两个质荷比相同的离子，因此对于浓度大的组分， 当多个离子在很短的时间里(例如2ns)同时到达检测器时，检测器可能 认为只有一个离子，这就造成很大的测量的误差。如何在检测单个离子的 同时又能够获得多个离子的信息，是飞行时间质谱仪器急待解决的重要问 题。目前已有的几种提高离子检测效率动态范围的方法，都会增加仪器的 成本，增加仪器的复杂程度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、 实现方便，成本较低的具有宽动态范围的飞行时间质谱仪器。

本发明的另一目的在于提供上述宽动态范围的飞行时间质谱仪器的 实现方法。

本发明的再一目的在于提供上述宽动态范围的飞行时间质谱仪器的 应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种宽动态范围的飞行时间质 谱仪器，包括离子源、离子引出脉冲电极、离子引出透镜、垂直引入式飞 行时间质谱分析器、离子选择推斥电极、MCP(Microchannel Plate)离子 检测器、高速数据采集卡及相应的软件，所述离子源设置于离子引出脉冲 电极的前端，所述离子引出脉冲电极设置于离子引出透镜的前端，离子引 出透镜的后端与垂直引入式飞行时间质谱分析器相对设置，在垂直引入式 飞行时间质谱分析器中设置离子选择推斥电极及MCP离子检测器，高速 数据采集卡用于采集离子检测信号，设置于与垂直引入式飞行时间质谱分 析器中离子通道的出口相对的位置。

所述离子源可以是任何一种离子源，包括能连续产生离子的电子轰击 源、化学电离源、辉光放电离子源、大气压下的电喷雾源，或是脉冲式的 离子源，如激光电离源等。

所述离子引出脉冲电极，使离子源产生的离子在该对电极作用下获得 动能，该对电极所加电压幅值决定了离子的动能大小；所述离子引出脉冲 电极对不同的离子源形式可以不同。

所述离子引出透镜为常规的静电透镜。

所述垂直引入式飞行时间质谱分析器可为常规的垂直引入式飞行时 间质谱分析器；离子选择推斥电极及MCP离子检测器设置于其中。

所述MCP离子检测器为常规的双片MCP组成的离子检测器。

所述的高速数据采集卡为TDC或是高速模拟-数字转换器 (Analog-Digital Converter，ADC)。

利用上述宽动态范围的飞行时间质谱仪器实现的提高检测浓度动态 范围的方法包括下述步骤：

(1)在离子引出脉冲电极上施加脉冲幅值、占空比及频率可调的脉 冲电压，即离子引出脉冲。脉冲电压幅值的大小决定了离子水平动能，也 就决定了最后被MCP离子检测器检测的离子与离子源中产生离子的比例； 脉冲占空比决定两种不同引出动能模式所施加的时间比例，即不同浓度组 分离子的检测时间，用于调节仪器的动态范围宽度；脉冲频率从 0.1Hz～1KHz连续可调。

(2)在垂直引入式飞行时间质谱分析器中的离子选择推斥电极上施 加延迟、脉宽及幅值可调的脉冲电压，即离子选择推斥脉冲。该脉冲施加 时与分析器调制脉冲具有一定延迟，该脉冲的延迟多少及脉宽和幅值大小 取决于所需要推斥去除的离子的质荷比及飞行速度。

(3)步骤(1)所述的离子引出脉冲与步骤(2)所述的离子选择推 斥脉冲为异步施加。

所述步骤(3)具体可为：