CN103606509A - 一种平面离子阱质量分析器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面离子阱质量分析器。所述质量分析器包括相对设置的2组导电板，其中一侧的导电板为直流电极板，另一侧的导电板包括中央接地电极、2个射频电极和若干个直流控制电极；所述中央接地电极、所述射频电极和所述直流控制电极位于同一平面内，且所述射频电极位于所述中央接地电极的两侧，所述直流控制电极位于所述射频电极的外侧；所述中央接地电极与所述射频电极之间、所述射频电极与所述直流控制电极之间以及所述直流控制电极之间均设有绝缘空隙。本发明在制造时所采用的技术成熟可靠，成本低廉，尤其是在大批量制作时，其成本优势非常明显。本发明在样品设计和模具制造时采用的计算机辅助设计技术，较传统手工方式更加简便快捷，快速直观。
Description
技术领域
本发明涉及一种质谱仪中的质量分析装置，具体涉及一种平面离子阱质量分析器。
背景技术
质谱仪是一种测定物质质荷比的工具，使用时具有灵敏、快速及准确的优点，在科学研究、食品安全、环境监测、公众安全等众多领域中起着非常重要的作用。质谱仪的便携化是其发展的一个重要方向，其小型化和快速在线现场检测未知物质的能力将大大扩展它的应用领域和范围。质量分析装置作为质谱仪的核心部分在便携化的发展中使用较多的主要有两种：四极杆质量分析器和离子阱质量分析器。四极杆分析器定量能力好，预真空时间短，对工作真空度的要求较低，能够在较高气压下工作，但是也存在定性能力不足的缺点。而离子阱分析器则可以做时间串级质谱，即使在复杂混合物中也可识别特殊的化合物，具有较高的选择性和灵敏度。四极杆质量分析器和离子阱质量分析器各自的特点相互补充，很好的满足了质谱仪便携化对于质量分析装置的要求。平板型离子阱质量分析器的提出兼顾了性能和加工成本等因素，具有结构简单，成本低廉等优点。
复旦大学的丁传凡申请的专利（CN 1585081）“用印刷电路板构建的离子阱质量分析仪”提出了一种用普通印刷线路板（Printed Circuit Boards，PCB）制造的离子阱，该离子阱由两个不锈钢薄板电极和四个镀金PCB平板电极组成。
上海华质生物技术有限公司的潘鑫渊等人申请的专利（CN 101599410）“一种平板线型离子阱”提出了一种平板线型的离子阱结构，这种离子阱结构较PCB版更为简单，但是对装配精度的要求较高，制造和装配误差对离子传输效率和离子损耗影响有着较大的影响。
因此针对上述问题，提供一种更为简化的平面离子阱质量分析器，在保证性能的前提下，同时具有结构简单，成本低廉，装配容易等优点，在便携式质谱仪中有很大的应用潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种平面离子阱质量分析器，本发明通过一种更为简化的平面离子阱解决了一般离子阱遇到的结构复杂，成本较高，装配精度要求高的问题。
本发明提供的一种平面离子阱质量分析器，它包括相对设置的2组导电板，其中一侧的导电板为直流电极板，另一侧的导电板包括中央接地电极、2个射频电极和若干个直流控制电极；
所述中央接地电极、所述射频电极和所述直流控制电极位于同一平面内，且所述射频电极位于所述中央接地电极的两侧，所述直流控制电极位于所述射频电极的外侧；所述中央接地电极与所述射频电极之间、所述射频电极与所述直流控制电极之间以及所述直流控制电极之间均设有绝缘空隙。
上述的质量分析器中，2组所述导电板的大小相等，且在竖直平面内其边缘对齐；
2个所述射频电极的长度和宽度均相等；
2个所述射频电极与所述中央接地电极的距离相等；
所述射频电极与所述直流控制电极的距离相等。
上述的质量分析器中，2组所述导电板之间的距离可为0.1～10cm。
上述的质量分析器中，所述直流控制电极的纵向与所述射频电极的纵向在同一平面内相互垂直。
上述的质量分析器中，所述中央接地电极的纵向与所述射频电极的纵向在同一平面内相互垂直。
本发明还进一步提供了上述平面离子阱质量分析器的制作方法，包括如下步骤：
（1）使用计算机软件Ⅰ模拟所述平面离子阱质量分析器内部电场结构以确定所述平面离子阱的尺寸；
（2）使用计算机软件Ⅱ辅助设计所述平面离子阱质量分析器的各组成部件：所述直流电极板、所述中央接地电极、所述射频电极和所述直流控制电极；并得到所述各部件的模拟图和设计图；
（3）根据所述模拟图和设计图，制作所述各部件，并对所述各部件进行二次加工；
（4）根据所述设计图，组装所述各部件即得到所述平面离子阱质量分析器。
上述的方法中，步骤（1）中，所述计算机软件Ⅰ可为SIMION、ITSIM或ISIS；
步骤（2）中，所述计算机软件Ⅱ可为AutoCAD、Autodesk Inventor或Solidworks。
上述的方法中，步骤（3）中，采用CNC（Computer numerical control）数控机床制造技术、快速成型技术、注塑成型技术、光刻蚀技术、真空铸造技术、3D打印技术或MEMS微机电加工技术制作所述各部件。
所述方法还包括将所述各部件的实物样品与所述各部件的设计图进行对比，然后对所述各部件的实物样品进行修改的步骤。
上述的方法中，步骤（3）中，所述二次加工可为丝印、移印、烫印、水转印、超声波焊接、喷涂或电镀。
上述的方法中，制作所述各部件的材质可为铜、钢材、塑料或橡胶，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS树脂）等。
本发明还提供了一种平面离子阱质量分析器阵列系统，由若干个所述平面离子阱质量分析器组成，所述平面离子阱质量分析器之间的距离和位置关系可根据具体使用要求进行确定。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、传统的质谱仪质量分析器结构复杂，形状不规则，加工困难，本发明因其结构简单，装配容易，在便携式质谱仪中有很好的应用前景。
2、本发明在制造时所采用的技术成熟可靠，成本低廉，尤其是在大批量制作时，其成本优势非常明显。
3、本发明在样品设计和模具制造时采用的计算机辅助设计技术，较传统手工方式更加简便快捷，快速直观。
附图说明
图1为本发明实施例中计算机辅助设计的平面离子阱质量分析器的主视图；
图2为本发明实施例中两段电极板之间的电场等势线，其中黑色虚线中间部分为离子囚禁区域。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所涉及到的绝缘空隙的绝缘能力和电磁参数，若无特殊说明均性能一致。
本发明以平面离子阱为例结合附图说明本发明的具体实施步骤和方法，根据本发明的原理和方法也可以用其他材料制造本发明的质量分析器。
图1为平面离子阱结构电脑设计图。
如图1所示，本实施例提供的平面离子阱质量分析器由上下两部分组成：
直流电极1、中央接地电极2、射频电极3和4、两组直流控制电极5和6、左侧第一直流控制电极7、左侧第二直流控制电极8，左侧第三直流控制电极9、右侧第一直流控制电极10、右侧第二直流控制电极11和为右侧第三直流控制电极12。
另外，图1中13表示囚禁粒子，a为中央接地电极的宽度，b为射频电极的宽度，g为两组导电板之间的距离，X,Y,Z标示箭头为离子阱三维空间结构坐标轴。
图1中各电极间的位置关系如下：中央接地电极2与射频电极3和4的尺寸大小一致，材质相同，纵方向在同一平面内平行，射频电极3和4与中央接地电极2的距离相等，中间有绝缘空隙。直流控制电极7、8和9相互之间纵方向在同一平面内平行并且相互之间间隔距离相等，中间有绝缘空隙。直流控制电极7、8和9纵方向与射频电极纵方向在同一平面内垂直并且横方向与射频电极3之间距离均相等，中间有绝缘空隙。同理，直流控制电极10、11和12相互之间纵方向在同一平面内平行并且相互之间间隔距离相等，中间有绝缘空隙。直流控制电极10、11和12纵方向与射频电极纵方向在同一平面内垂直并且横方向与射频电极4之间距离均相等，中间有绝缘空隙。以上直流控制电极7、8、9、10、11和12的尺寸大小相等，材质相同，制作时可采用为铜或钢材，也可为塑料或橡胶，如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS树脂）等。
本发明所述平面离子阱工作时，中央接地电极2接地，两边射频电极3和4接电压，频率和位相都相同的射频电压。离子入射后，由射频电压形成的电场作用将其囚禁在离子阱中，即图2中黑色虚线所框的区域内（X-Y平面），直流控制电极7、8、9、10、11和12所加电压用来调整囚禁离子在Z方向的位置和运动状态。根据不同的使用需求，通过调整射频电极上的频率，电压或波形等参数可以使离子按相应模式从离子阱中出射到检测器中进行检测。
下面以注塑成型技术制作平面离子阱质量分析器为例说明本发明平面离子阱的制作步骤：
（1）依据使用要求，使用计算机软件Simon模拟平面离子阱质量分析器内部电场结构以确定该平面离子阱各电极的尺寸和相对位置关系等参数。
（2）依据电场模拟后确定的离子阱参数，使用计算机辅助设计软件AutoCAD分别设计各部分电极的3D模拟模型，并得到各部分的设计图。
（3）根据上述得到的各部分的设计图，使用CAM软件将AutoCAD设计图文件转换为控制数控机床使用的G代码控制程序。
（4）将G代码控制程序输入数控机床，使其制作离子阱各部分电极样品的实物。
（5）对比离子阱各部分的设计图纸和上述制作的样品实物，提出修改意见。
（6）根据修改意见，使用数控机床对上述制作的样品实物进行修改最后得到该离子阱电极的最终实物样品。
（7）根据上述得到的各部分的最终实物样品得到离子阱的设计图，使用计算机辅助设计软件设计离子阱的相应模具，并给出模具设计图纸。
（8）根据模具设计图纸，制作模具的具体步骤如下：1）通过电脑CNC（ComputerNumerical Control）加工铜料，再用电火花放电制作模前模具；2）把步骤1）中制作好的模前模具，放进能注塑的模架上，即得到模具的上半部分，简称前模；3）模具的另一半的加工步骤也类似，也是经过电脑CNC加工铜料，经过电火花放电后做出模具的另一部分模前模具；4）把步骤3）中制作好的模前模具，放进能注塑的模架上，即得到模具的下半部分，简称后模；5）将前模和后模合并组成一套能注塑的模具。
（9）利用注塑成型，使用制作的模具生产离子阱质量分析器的电极部件，材质为ABS树脂。
（10）使用电镀技术分别给上述得到的离子阱质量分析器的四部分镀金。
（11）将电镀完毕后的各部分电极零件组装成为一个完整的离子阱质量分析器即可。
本发明上述实施例主要是介绍了单通道平面离子阱的制作和工作情况，事实上使用多个本发明所述平面离子阱也可以组合在一起组成多通道的平面离子阱阵列系统，该阵列系统不仅可以实现单通道平面离子阱的所有功能，还可以在离子传输和质量分析效率方面有较大的提高。另外，由于单通道平面离子阱的成本并不高，因此组成的阵列系统也可以较低廉的成本完成。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (10)
1.一种平面离子阱质量分析器，其特征在于：
所述质量分析器包括相对设置的2组导电板，其中一侧的导电板为直流电极板，另一侧的导电板包括中央接地电极、2个射频电极和若干个直流控制电极；
所述中央接地电极、所述射频电极和所述直流控制电极位于同一平面内，且所述射频电极位于所述中央接地电极的两侧，所述直流控制电极位于所述射频电极的外侧；所述中央接地电极与所述射频电极之间、所述射频电极与所述直流控制电极之间以及所述直流控制电极之间均设有绝缘空隙。
2.根据权利要求1所述的质量分析器，其特征在于：2组所述导电板的大小相等，且在竖直平面内其边缘对齐；
2个所述射频电极的长度和宽度均相等；
2个所述射频电极与所述中央接地电极的距离相等；
所述射频电极与所述直流控制电极的距离相等。
3.根据权利要求1或2所述的质量分析器，其特征在于：2组所述导电板之间的距离为0.1～10cm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的质量分析器，其特征在于：所述直流控制电极的纵向与所述射频电极的纵向在同一平面内相互垂直。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的质量分析器，其特征在于：所述中央接地电极的纵向与所述射频电极的纵向在同一平面内相互垂直。
6.权利要求1-5中任一项所述平面离子阱质量分析器的制作方法，包括如下步骤：
（1）使用计算机软件Ⅰ模拟所述平面离子阱质量分析器内部电场结构以确定所述平面离子阱的尺寸；
（2）使用计算机软件Ⅱ辅助设计所述平面离子阱质量分析器的各组成部件：所述直流电极板、所述中央接地电极、所述射频电极和所述直流控制电极；并得到所述各部件的模拟图和设计图；
（3）根据所述模拟图和设计图，制作所述各部件，并对所述各部件进行二次加工；
（4）根据所述设计图，组装所述各部件即得到所述平面离子阱质量分析器。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述计算机软件Ⅰ为SIMION、ITSIM或ISIS；
步骤（2）中，所述计算机软件Ⅱ为AutoCAD、Autodesk Inventor或Solidworks。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，采用数控机床制造技术、快速成型技术、注塑成型技术、光刻蚀技术、真空铸造技术、3D打印技术或MEMS微机电加工技术制作所述各部件。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，所述二次加工为丝印、移印、烫印、水转印、超声波焊接、喷涂或电镀。
制作所述各部件的材质为铜、钢材、塑料或橡胶。
10.一种平面离子阱质量分析器阵列系统，由若干个权利要求1-5中任一项所述平面离子阱质量分析器组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140226 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |