[发明专利]一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪

说明书

本发明涉及质谱分析技术领域，特别涉及到一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪，包括顺序布置在一真空腔体内的第一电场加速区、第二电场加速区以及自由飞行区，其中第一电场加速区的前端设有离子源，自由飞行区的后端设有离子探测器，第二电场加速区两侧的电极之间的间距为可调式设置。本发明的双场加速质谱仪既能实现极板间距和分压比可调，又能不损失分辨率和灵敏度的双场加速区设计方法。此外，本发明提供的这种设计相比于商用仪器中的离子阱‑飞行时间质谱设计，节约了一段加速场的距离，更有利于仪器的小型化和便携化。

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，特别涉及到一种带有双场加速区的飞行时间质谱仪。

背景技术

作为分析测试科学仪器的突出代表，质谱仪具有灵敏度最高，适用性最强的优势，在科学研究和生产实践中都具有不可替代的重要作用，其应用遍及国计民生和安全信息的各个领域。

质谱分析中，待测物质分子经电离后依照不同质荷比(质量与电荷之比)在电磁场控制下按空间位置和时间先后加以区分和定量分析。飞行时间质谱是质谱技术中应用十分广泛的一种。飞行时间质谱分析器主要有直线式和反射式两大类。直线式飞行时间质谱,主要由加速区、自由飞行区和检测器组成。加速区的电场强度为E_s，宽度为S₀,离子在加速区中的位置为S,自由飞行区的长度为D。当离子处于加速区时,在加速区极板上施加脉冲电压,加速区内瞬间产生高压加速电场,离子沿着质谱方向加速,朝着探测器做加速运动。当飞过加速区时,离子获得一定的动能,进入自由飞行区后,依靠惯性继续飞，飞行速度恒定。由于离子经过加速后获得的动能相同,那么质量小的离子速度快一些,早一点到达探测器；质量大的离子速度慢一些,晚一点到达探测器。早期的飞行时间质谱主要使用一级加速场，但其对离子初始分散的聚焦能力有限,分辨率很低。解决的办法是将加速电场改成两级电场,一级作为引出电场,另外一级作为加速电场。由于增加一级电场,增加了一个电压参数和尺寸参数,飞行时间质谱能实现更高阶的聚焦。

现有技术中的双场加速飞行时间质谱原理如图1所示，正交加速区结构包括一个推斥板201、一个引入电极板202，以及引出电极板203。其中推斥板201与引入电极板202之间组成电场强度为E_s的一级加速区；引入电极板202与引出电极板203之间组成电场强度为E_d的二级加速区；离子以垂直方向引入，在推斥板201脉冲高压的作用下进行二级加速，实现二阶空间聚焦。

如图1和图2所示，离子需要经历两级加速区后进入自由飞行区，这两级加速区的电场强度分别为E_s和E_d，电场宽度分别为S₀和d，离子所处的实际位置为S，自由飞行区长度为D，离子经过一级加速区、二级加速区和自由飞行区的时间t_s、t_d和t_D分别为：

总的飞行时间t为：

由可以得到一阶聚焦条件：

其中

由和可以得到二阶聚焦条件：

其中，m为离子的质量，q为离子的电荷量，U_d为电压值。

在给定的D和d的条件下，即可以求得S和U_d；进而确定详细的设计参数。