电感耦合等离子体质谱离子传输系统

技术领域

本发明属于质谱分析技术领域，涉及电感耦合等离子体质谱离子传输系统，具体涉及一种电感耦合等离子体质谱的新型离子传输装置和方法。

背景技术

电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS)是20世纪70年代迅速发展起来的分析测试技术，其原理是利用电感耦合等离子体将分析样品中所含的元素离子化为带电离子，通过离子传输系统将带电离子引入质量分析器中，按不同质荷比分开，经检测器将离子电流放大后，由测控系统处理给出分析结果。与其它分析技术相比，所述的ICP-MS具有检出限低、线性范围宽、可快速同时检测各种元素等优点。随着应用范围的扩大，ICP-MS已发展成为本领域的一种常规的分析测试技术。

通常，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）主要由ICP离子进样系统、接口系统、离子光学传输系统、质量分析检测系统组成。其中离子光学传输系统是ICP-MS技术的关键部分，决定离子从仪器的接口部分到质量分析器之间的传输，是电感耦合等离子体离子源与质量分析器间的重要桥梁，其性能也直接决定了ICP-MS的灵敏度和检测限等最关键的性能指标。

在ICPMS仪器中，由炬管产生的ICP等离子体经过接口部分的采样锥、截取锥进入离子传输系统到达质量分析器。ICP等离子体离子是由电子、离子、光子和中性粒子组成，离子传输系统中的离子透镜的功能就是把离子流进行加速、聚焦成离子束，然后传输到达质量分析器，同时挡住光子和中性粒子。由于离子是带电粒子，电场能使其偏转，而光子和中性粒子不受电场作用以直线传播，所以一般采用光子挡板或使离子离轴偏转的方式，将离子与光子、中性粒子（非带电粒子）分离。

目前ICPMS生产厂商的主流产品中使用的离子传输系统都有其特定的设计，具有各自的特色，基本上能实现电场偏转，让带电粒子与光子和中性粒子的分离。离子光学传输系统整体可以分为三种类型：光子挡板型、离子轴类型、90度偏转类型。

所述的光子挡板类型是指在截取锥和离子透镜同轴中间放置一个金属片，穿过截取锥的光子、中性粒子被金属挡板阻挡，ICP等离子体中的带电正离子受到离子透镜的导引，绕过光子挡板后再汇合，而电子、受离子透镜电场排斥而被阻挡，中性粒子在传输过程中遇到挡板而停止传输，带电的正离子在离子透镜电场的作用下，聚焦成散角尽量小的离子束绕过挡板而进入质量分析器。这种结构设计虽然避免了ICP等离子体中的光子和中性粒子直接进入检测器而引起信号响应，但同时也造成了将近80%的离子损失，从而造成离子传输的低效率和质量歧视。

所述的离子轴偏转类型是离子流在截取锥后被提取透镜提取，经过透镜组聚焦及偏转透镜的电场作用，使离子束离开光轴穿过差分板上偏离光轴的小孔后进入质量分析器，利用了中性粒子和光子不受电场作用仍沿光轴前进的特性与离子分开，离子的传输效率有所提高，提高了灵敏度，但是在整个离子光学系统设计上极为复杂，使得离子透镜等部件的清洗维护变得极为困难，同时样品基体会直接打在带高压的离子透镜上形成电容效应，使仪器容易发生漂移。

所述的90度偏转类型通过抛物线的电场将离子束转向90度，使得ICP离子源产生的光子和中子背景噪音被真空系统迅速抽掉，从而保证整个系统具有非常高的灵敏度。90度转角的焦点并不是非常的稳定，速度和重现性不高，整个仪器的离子光学系统结构过于复杂，使得整体的维护和拆卸增加了困难。

综上所述，离子传输系统处于样品离子源与质量分析器的中间枢纽，其重要性是将离子源产生的样品离子高效的传输给质量分析器，其中ICP样品离子中有大量的中性粒子和光子，离子传输系统在传输的过程中有效的去除样品离子中的中性粒子和光子。鉴于ICP-MS的离子光学传输系统对仪器的分析性能的重大的影响，本领域各仪器厂商为了增加离子传输效率、消除光子和中性粒子对仪器的影响，提高仪器的灵敏度，拟提供各不相同的离子光学系统结构。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的缺陷，提供一种电感耦合等离子体质谱新型离子传输系统。该传输系统可以有效的实现离子的偏转路径，去除中性粒子和光子，同时将进入质量分析器的样品离子收集和聚焦，以合适的动能和角度进入质量分析器。本传输系统装置能提高离子的传输效率，有效提高离子灵敏度，其结构简单，且容易组装及拆洗。

具体而言，本发明提供了一种电感耦合等离子体质谱离子传输系统，其特征在于，其主要包括采样锥101、截取锥102、提取透镜103、离子偏转电极104、离子聚焦透镜组105～109；由ICP炬管内形成的样品离子分别通过采样锥101、截取锥102、提取透镜103、离子偏转电极104、离子聚焦透镜组105～109的作用传输到质谱检测系统（质量分析器）。更具体的，其中各个部件上分别施加不同工作电压，形成一个有效的电场分布，离子在此电场作用下发生偏转，聚焦、和传输；其中，光子和中性粒子不受电场作用而直线传输，遇到离子偏转电极被阻挡；带电离子受电场作用导引，绕过离子偏转电极在聚焦透镜组的电场作用下聚焦成离子束，传输到质量分析器。

本发明所述的系统装置中每个部件施加的直流电压呈梯形分布，方便离子传输，能有效提高离子传输效率。

本发明中，所述采样锥、截取锥、提取透镜、离子偏转电极、离子聚焦透镜组中心位于同轴水平线上。

本发明中，所述采样锥、截取锥、提取透镜、离子偏转电极、离子聚焦透镜组上分别施加不同工作电压，形成一个有效的电场分布；离子在此电场作用下发生偏转，聚焦、和传输，其中，所述离子偏转电极上施加的直流电压的电压值低于提取透镜直流电压值，与提取透镜电压形成一个电势差，便于离子的传输。

本发明中，所述离子偏转电极安置于离子提取透镜之后，介于离子聚焦透镜组前半部；其形状可以为锥形、椭圆形或菱形等结构。本发明所述的离子偏转电极为锥形、椭圆形状或菱形结构；

所述的锥的形状包括三角锥形、四角锥形、五角锥形和任意个角的锥形，以及圆锥形。

本发明中，所述的采样锥、截取锥使仪器由大气压过渡到真空系统，同时从ICP等离子体中提取样品离子进入质谱仪中，其采样锥的锥度比截取锥的锥度要大，采样锥的孔径在2mm以内，截取锥的孔径在1mm以内，形成一个有效的差分真空系统，便于离子的传输。

本发明所述的提取透镜紧贴在截取锥的后面，在提取透镜上施加相应的直流电压，形成一定的电场可提取样品离子，对通过截取锥后的样品离子起到散焦和聚焦的作用，形成有效的离子束到达后面的离子偏转电极。

本发明中，所述的离子聚焦透镜组其形状为平板形或圆筒形，由两个或两个以上透镜筒组成，各个透镜之间互不相连，以保持电绝缘，本发明的一个实施例中，离子聚焦透镜组中的各个透镜筒均以陶瓷隔离；

本发明中，在每个透镜筒上加载不同的直流电压值，与提取透镜及离子偏转电极直流电压值形成一个有效的阶梯电势，能达到提取、散焦和聚焦样品带电离子的目的。

本发明的离子传输系统可用于其他类型的质谱仪器中，或分析领域的任意离子光学传输系统装置中。

实际操作中，在采样锥、截取锥、提取透镜、离子偏转电极、离子聚焦透镜组上分别施加不同的直流电压值，形成一个有效的阶梯电势差；ICP炬管内形成的样品离子是由被分析物带电离子、中性粒子和光子；样品离子穿过采样锥、截取锥、提取透镜到达离子偏转电极，其中性粒子和光子不受电场的作用，做直线运动传输；离子偏转电极与采样锥、截取锥、提取透镜在同轴线上，中性粒子和光子被离子偏转电极阻挡，无法通过，而被分析物的带电离子受离子透镜电场的导引控制，绕过离子偏转电极后再汇合，离子偏转电极的结构更加有助于离子的传输，而电子受离子透镜电场排斥将不再存在，中性粒子则被真空泵排除，消除了ICP等离子体中的光子和中性粒子直接进入检测器而引起信号响应，所述离子聚焦透镜将一定向速度传输给离子，并将其聚焦成散角尽量小的离子束进入质量分析器，增加了离子传输效率、消除了光子和中性粒子影响，达到提高灵敏度的目的。

本发明的电感耦合等离子体质谱离子传输系统具有如下优点：

结构简单，使用方便，可以有效地去除光子和中性粒子进入检测器而产生的干扰信号；提高离子传输效率和质谱仪器的灵敏度。

为了便于理解，以下将通过具体的附图和实施例对本发明的电感耦合等离子体质谱离子传输系统进行详细地描述。需要特别指出的是，具体实例和附图仅是为了说明，显然本领域的普通技术人员可以根据本文说明，在本发明的范围内对本发明做出各种各样的修正和改变，这些修正和改变也纳入本发明的范围内。

附图说明

图1(a)为离子传输系统结构示意图；

图1(b)为离子传输系统离子偏转电极三角锥结构示意图；

图1(c)为离子传输系统离子偏转电极四角锥结构示意图；

图1(d)为离子传输系统离子偏转电极五角锥结构示意图。

图2为离子传输系统里理论模拟计算结果图。

图3为离子传输系统整体应用结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1～3所示，本发明的电感耦合等离子体质谱的新型离子传输系统装置（如图1所示），其结构由采样锥101、截取锥102、提取透镜103、离子偏转电极104、离子聚焦透镜组105～109组成，其离子偏转电极104形状为三角锥形如图1（b）、四角锥形如图1（c）或五角锥形如图1（d）结构；其101～109中心都在同轴水平线上，分别在101～109上施加直流电压值，形成一个有效的电势场，由ICP炬管内形成的样品离子分别通过采样锥101、截取锥102、提取透镜103、离子偏转电极104、离子聚焦透镜组105～109的作用传输到质谱检测系统，样品离子中的光子和中性粒子在传输过程中不受电场作用仍沿光轴传输而被离子偏转电极104阻挡；其光子和中性粒子无法穿过离子偏转电极104，从而避免光子和中性粒子直接进入检测器而引起的信号响应干扰，样品离子中的被分析物离子在受到离子电场的导引控制下传输，绕过离子偏转电极104后再汇合，在聚焦透镜组105～109的电场作用下，将被分析物离子聚焦成离子束进入质量分析器中；根据离子传输系统的设计方案，通过模拟计算软件建立理论计算模拟模型，其模拟计算结果如图2所示。在理论计算过程中的电压按照实施方案中描述的施加电压方法，为了更好的描述，本实施例列举其中一个实例参数描述整个模拟计算过程；理论模拟计算建模过程中，采样锥201锥孔直径为1.5mm、截取锥202锥孔孔径的大小为1.1mm、提取透镜203内孔直径为1mm、离子偏转电极204采用三角形形状、离子聚焦透镜组105～109采用圆筒形，内径为24mm、每个聚焦透镜筒的间隔为2mm，在采样锥201、截取锥202、提取透镜203、离子偏转电极204、离子聚焦透镜组205～209分别施加直流电压值+40V、+35V、+32V、+30V、+30V、+25V、+20V、+18V、+15V，带电的离子受电场的作用，沿着光轴传输，绕过离子偏转电极204再汇合到离子聚焦透镜组聚焦才成一束，传输到质量分析器中，最后到达检测器。通过理论模拟计算结果显示，此离子传输系统装置的离子通过率为95%以上，根据不同的离子质量数调节各个电极上的直流电压值，形成一个有效的电势场，便于离子传输，提高了离子的传输效率和稳定性。