一种具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪

摘要

本发明公开了一种具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪。包括离子阱质量分析器、激光诱导声波解吸电离源和电荷检测器；上端电极和下端电极的轴向上均设有通孔a；环电极的中心位置处设有通孔b；电荷检测器设于离子阱质量分析器的下部，且离子阱质量分析器与电荷检测器之间设有绝缘陶瓷环；电荷检测器表面设有电磁屏蔽罩，电磁屏蔽罩与通孔a的位置相应处设有通孔c；激光诱导声波解吸电离源包括样品靶和激光器；它还包括液氮冷却装置，液氮冷却装置包括密闭腔体，密闭腔体与液氮流入管和液氮流出管相连通；密闭腔体设于电荷检测器的下部，且为接触配合。本发明由于采用了液氮流速控制装置，可以对电荷检测器的温度进行调节，从而实现电荷检测器噪音水平的灵活控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种质谱仪，具体涉及一种具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱 仪。

背景技术

颗粒物质例如大气溶胶、生物颗粒（病毒、细胞）等广泛存在于自然界中。由于 这些颗粒对于大气环境和人体健康有着重要的影响，因此对其测定和表征是分析测试 中的一个重要课题。众所周知，分子的质量是分子固有的性质，同样，颗粒的质量也 是表征颗粒物质的一个重要参数。离子阱颗粒质谱是最近发展起来的一种测定颗粒质 量的新方法。在实验过程中，由激光诱导声波解吸源解吸出的颗粒物质进入离子阱质 量分析器，其质荷比和带电量分别由离子阱质量分析器和电荷检测器测得，从而实现 了颗粒质量的快速、准确测定。以颗粒离子阱质谱为工具，人们已成功测定了聚苯乙 烯球及多种细胞的质量。但是，颗粒离子阱质谱还有诸多不足，其中亟待解决的问题 之一即为如何降低电荷检测器的背景噪音，提高颗粒质谱的分辨率。目前，电荷检测 器的平均噪音约为600e，根据颗粒的带电量与颗粒尺寸存在的一定线性关系，只有1 μm以上带电量较高的颗粒才能被有效地检测，这就极大地限制了颗粒离子阱质谱仪对 微米级以下较小颗粒的分析。

因此，需要提供一种能降低背景噪音的颗粒离子阱质谱仪，以提高质谱仪的检测 性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪，本发明通过 对电荷检测器的低温冷却实现其背景噪音的降低，从而为拓展颗粒离子阱质谱的质量 范围，实现单个病毒、细菌的质量测定奠定基础。

本发明所提供的一种具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪，包括离子阱质量 分析器、激光诱导声波解吸电离源和电荷检测器；所述离子阱质量分析器包括上端电 极、环电极和下端电极；所述上端电极和所述下端电极分别设于所述环电极的两端, 且所述环电极与所述上端电极和所述下端电极之间均设有绝缘陶瓷环；所述上端电极 和所述下端电极的轴向上均设有通孔a；所述环电极的中心位置处设有通孔b；

所述电荷检测器设于所述离子阱质量分析器的下部，且所述离子阱质量分析器与 所述电荷检测器之间设有绝缘陶瓷环；所述电荷检测器表面设有一电磁屏蔽罩，所述 电磁屏蔽罩与所述通孔a的位置相应处设有通孔c；所述激光诱导声波解吸电离源包 括样品靶和激光器，所述样品靶设于近所述通孔b处；

所述颗粒离子阱质谱仪还包括液氮冷却装置，所述液氮冷却装置包括一密闭腔 体，所述密闭腔体与液氮流入管和液氮流出管相连通；所述密闭腔体设于所述电荷检 测器的下部，且为接触配合。

所述的颗粒离子阱质谱仪中，所述密闭腔体的形状和尺寸分别与所述电荷检测器 的形状和尺寸相一致，以保证所述液氮冷却装置与所述电荷检测器能够紧密接触。

所述的颗粒离子阱质谱仪中，所述液氮流入管与所述密闭腔体的底部相连通；

所述液氮流出管与所述密闭腔体的底部相连通，且延伸至所述密闭腔体的顶部 处。

所述的颗粒离子阱质谱仪中，所述密闭腔体的顶部设有一凹槽，所述液氮流出管 延伸至所述凹槽内，这样设置后可使液氮流入后能充满整个封闭腔体，当液氮流速大 的时候可以液氮的形式从所述液氮流出管流出，当液氮流速小的时候可以气化的氮气 形式从所述液氮流出管流出，从而实现对冷却温度的控制。

所述的颗粒离子阱质谱仪中，所述密闭腔体的高度可为10～20mm;

所述凹槽的高度可为3～5mm，所述液氮流出管的液氮入口端与所述凹槽顶部之间 的距离可为1～2mm。

所述的颗粒离子阱质谱仪中，所述颗粒离子阱质谱仪还包括液氮流速控制装置； 所述液氮流速控制装置包括液氮罐、流量计和微流阀；所述液氮流入管与所述液氮罐 相连通，所述液氮罐还与一氮气管路相连通，所述氮气管路上依次设有所述流量计和 所述微流阀，且所述流量计设于近所述液氮罐的一端；通过所述氮气管路通入的氮气 可使所述液氮罐中的压强增大，从而能将所述液氮罐中的液氮压入到所述密闭腔体中， 并可通过通入氮气流速的大小控制液氮流入所述密闭腔体的速度，以实现对所述电荷 检测器的温度控制，如需温度恒定时，则可将氮气流速控制为一恒定值；如需升温时， 则可提高氮气流速；如需降温时，则可停止通氮气或者降低氮气流速。

所述的颗粒离子阱质谱仪中，所述电荷检测器底部设有一温度传感器，以实时监 测所述电荷检测器的温度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明由于采用液氮对电荷检测器进行降温，最低可使检测器的温度达到 -190℃，有效地降低了电荷检测器的热噪音，为将离子阱颗粒质谱的应用范围拓展到 细菌及病毒的质量测定奠定了基础。

2、本发明由于采用了液氮流速控制装置，可以对电荷检测器的温度进行调节， 从而实现电荷检测器噪音水平的灵活控制。

3、本发明由于采用离子阱质量分析器及电荷检测器，能同时获得颗粒离子的质 荷比和电荷数，因此，实现了对颗粒质量及质量分布的快速测定。

4、本发明由于采用离子阱质量分析器，其对真空度的要求低，能够在更加粗略 的真空条件下工作，所需的真空条件只需要机械泵就可以提供，为颗粒质谱仪的进一 步简化提供了有利的条件。

附图说明

图1是本发明具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪的结构示意图。

图2是本发明具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪的剖视图。

图3是本发明颗粒质谱仪中激光诱导声波解吸电离源的示意图。

图4是本发明颗粒质谱仪中液氮流速控制装置的结构示意图。

图5是本发明颗粒质谱仪在不同温度条件下电荷检测器的噪音。

图中各标记如下：

1上端电极、2环电极、3下端电极、4电荷检测器、5陶瓷环、6信号输出端、 7模拟信号输入端、8液氮冷却装置、9密闭腔体、10液氮流入管、11液氮流出管、 12凹槽、13激光诱导声波解吸电离源、14样品靶、15激光、16流量计、17氮气 管路、18液氮罐、19微流阀。

具体实施方式

下述结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1和图2所示，本发明提供的具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪包括 激光诱导声波解吸电离源13、离子阱质量分析器、电荷检测器4、液氮冷却装置8以 及液氮流速控制装置。该离子阱质量分析器包括一个上端电极1、环电极2和下端电 极3，上端电极1、环电极2和下端电极3均为双曲面形，且其外周围均为长方形。环 电极2的半径为10mm，上端电极1和下端电极3与阱中心之间的距离均为7.07mm， 上端电极1和下端电极3与环电极2之间均设有绝缘陶瓷环（图中未示），避免其相互 接触发生短路。上端电极1和下端电极3的轴向上均设有通孔a（图中未示），环电极 2的中心位置处设有通孔b。电荷检测器4设于离子阱质量分析器的下部，两者距离为 10mm，且两者之间以绝缘陶瓷环5隔开。为避免电磁干扰，电荷检测器4表面附加 一电磁屏蔽罩（图中未示），且在该电磁屏蔽罩上与通孔a的位置相应处设有通孔c（图 中未示）。电荷检测器4上包括信号输出端6和模拟信号输入端7。信号输出端6与外 部信号采集装置相连，用于采集电荷检测器的信号。在模拟信号输入端7输入一个标 准的模拟信号可实现对电荷检测器响应的校正。

如图3所示，本发明中激光诱导声波解吸电离源13包括样品靶14和激光器（图 中未示），样品靶14设于近通孔b处，激光器发射的激光15对样品进行解吸电离。

如图1和图2所示，液氮冷却装置8包括一密闭腔体9，该密闭腔体9与液氮流 入管10和液氮流出管11相连通。密闭腔体9设于电荷检测器4的下部，且为接触配 合。液氮流入管10与密闭腔体9的底部相连通；密闭腔体9的顶部设有一凹槽12， 液氮流出管11与密闭腔体9的底部相连通，且延伸至凹槽12内，这样能使液氮流入 后能充满整个密闭腔体9，在液氮流速大的时候以液氮形式从液氮流出管11流出，液 氮流速小的时候以气化的氮气形式从液氮流出管11流出，从而实现对冷却温度的控 制。

本发明中的液氮流速是通过如图4所示的液氮流速控制装置控制的。该液氮流速 控制装置包括液氮罐18、流量计16和微流阀19；其中液氮流入管7与液氮罐18相连 通，液氮罐18还与一氮气管路17相连通，在氮气管路17上依次设置流量计16和微 流阀19，且流量计16设于近液氮罐18的一端。

使用上述液氮流速控制装置控制液氮流速的过程如下：高纯氮气从氮气管路17 入口进入，其流速可由流量计16进行实时测量并由微流阀19进行调控。流入的氮气 使液氮罐18中的压强增大，从而将液氮压入到液氮冷却装置的密闭腔体9中。温度稳 定时氮气的流速可控制在0.4～0.6mL/min，需要降温时流速可增加氮气流速至0.8～1.0 mL/min，需要升温时则可停止氮气流入或调低氮气流速在0.3mL/min以下。

为了能够实时监控电荷检测器4的温度，可在电荷检测器4底部设置一温度传感 器（图中未示）。

本发明颗粒离子阱质谱仪中，密闭腔体9的高度可为10～20mm，凹槽12的高度 可为3～5mm，液氮流出管11的液氮入口端与凹槽12顶部之间的距离可为1～2mm。

使用本发明具有低温电荷检测器的颗粒离子阱质谱仪时，利用激光诱导声波解吸 电离源13使颗粒解吸并进入到离子阱质量分析器中，通过改变离子阱的囚禁条件，即 扫描囚禁电压或频率使离子变得不稳定而抛出阱外被电荷检测器所检测。利用液氮冷 却装置和液氮流速控制装置可将电荷检测器的温度控制在特定的范围。

当温度降低时，电荷检测器的噪音明显降低，如图5所示，在常温（20℃）时， 检测器的平均噪音为0.01V，如图5a）所示；当温度降低为-64℃时，检测器的平均噪 音降低了一半，为0.005V，如图5b）所示。

在上述检测过程中，离子阱内气压可控制在1.50～3.00Pa之间的一固定值，环电极 所加RF电压可为800～1000V之间一固定值，RF频率扫描区间可为450～100Hz。

上述各实施例仅用于说明本发明，电压的施加方式、各部件的结构、尺寸、设置 位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对 个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。