專利名稱：質(zhì)量分析器和具有該質(zhì)量分析器的質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)量分析器和質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜儀主要用來(lái)通過(guò)測(cè)量微觀粒子，特別是分子的質(zhì)量，來(lái)分析檢測(cè)被測(cè)樣品的成分，如食品中農(nóng)藥殘余等。如圖I所示，質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)，包括離子源I、質(zhì)量分析器2、離子探測(cè)器3和真空系統(tǒng)(圖中未示出)。離子源I用于將樣品分子電離為一系列離子，并且能使電離后的離子能進(jìn)入質(zhì)量分析器2。圖I所示的為四極桿式質(zhì)量分析器，其包括四根電極桿，該四根電極桿4、5、6、7互相平行，并在圓周方向均勻布置，每根電極桿上都加有交流和直流電壓，在特定的 交流和直流電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，特定質(zhì)荷比的離子能通過(guò)四極桿式質(zhì)量分析器，最后撞擊到離子探測(cè)器3上，離子探測(cè)器根據(jù)所接收的離子的撞擊信號(hào)以及這個(gè)瞬間加在四根電極桿上的交流、直流電壓等信息即可計(jì)算出這些離子的質(zhì)量，從而分析出樣品的性質(zhì)。如圖2所示，四極桿式質(zhì)量分析器的原理是基于電場(chǎng)與特定質(zhì)荷比的離子的特定對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用隨時(shí)間而變化的電場(chǎng)對(duì)不同質(zhì)荷比的離子進(jìn)行選擇，從而得出各個(gè)離子的質(zhì)量。四根電極桿4、5、6、7中，在相對(duì)的一組電極桿4、6或5、7上施加極性相同的電壓,而相鄰的電極桿上的電壓極性相反。當(dāng)離子進(jìn)入四極桿式質(zhì)量分析器后，由于受到直流電場(chǎng)(DC)和交流電壓產(chǎn)生的射頻電場(chǎng)(RF)的作用會(huì)開(kāi)始復(fù)雜的振蕩運(yùn)動(dòng)。在某一時(shí)刻，DC和RF保持特定數(shù)值，這個(gè)時(shí)候只有特定質(zhì)量的離子才可以通過(guò)四根電極桿，如果離子的質(zhì)量太小，則這個(gè)離子會(huì)被推向正極電極桿方向，而無(wú)法到達(dá)質(zhì)量分析器的出口 ；如果離子的質(zhì)量太大，則這個(gè)離子會(huì)被推向負(fù)極電極桿方向，直到離子撞擊到負(fù)極電極桿或從負(fù)極電極桿的邊緣彈出去，也無(wú)法到達(dá)質(zhì)量分析器的出口。因此，在DC和RF特定的情況下，只有特定質(zhì)量的離子能夠通過(guò)四極桿式質(zhì)量分析器而到達(dá)離子探測(cè)器。也就是說(shuō)離子的質(zhì)量與電場(chǎng)(電壓)有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)入四極桿式質(zhì)量分析器的離子在四根電極桿產(chǎn)生的電場(chǎng)引導(dǎo)下做振蕩運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程滿足Mathieu方程
d2x 2e .TT T, 。、m ~r =——T(U -V cos Qnx
dtro其中，m是離子的質(zhì)量；e是電子的電量；U是加在四根電極桿上的直流電壓幅度，其產(chǎn)生DC電場(chǎng)；V是加在四根電極桿上的交流電壓幅度，其產(chǎn)生RF電場(chǎng)；Q是交流電的頻率。能夠通過(guò)四極桿式質(zhì)量分析器的離子，其振蕩的幅度必然隨著時(shí)間的推移越變?cè)叫?，以確保其在飛行過(guò)程中就不會(huì)撞上電極桿或從電極桿的邊緣飛出去。上述Mathieu運(yùn)動(dòng)方程有穩(wěn)定解的條件可由下面數(shù)學(xué)公式(I)表達(dá)
SeU,、m=⑴
all r0其中a是一個(gè)大于0小于0. 203的一個(gè)小數(shù)。從該數(shù)學(xué)公式可以看出離子的質(zhì)量與直流電壓、交流電壓的幅度成正比。
通常，一個(gè)待檢測(cè)的樣品分子在離子源I內(nèi)被離子化以后，會(huì)產(chǎn)生多種質(zhì)量不同的離子。為了分析樣品分子，一般需要了解所有質(zhì)量不同的離子的質(zhì)量，而測(cè)量所有質(zhì)量不同的離子質(zhì)量的過(guò)程稱為質(zhì)量掃描。傳統(tǒng)的質(zhì)量掃描方法是隨著時(shí)間的變化不斷改變加在四根電極桿上的直流電壓U和交流電壓幅度V，從而使不同質(zhì)量的離子分別通過(guò)質(zhì)量分析器到達(dá)離子探測(cè)器進(jìn)行分析。即傳統(tǒng)技術(shù)是通過(guò)電壓掃描方式來(lái)掃描離子質(zhì)量的。上述的用電壓掃描方式掃描離子質(zhì)量有兩個(gè)缺陷其一，如圖3所示，圖中的m/z28、m/z69、m/z219分別表示質(zhì)荷比為28、69、219的三種離子，圖中的三個(gè)近似三角形分別表示這三種離子能通過(guò)質(zhì)量分析器時(shí)的直流電壓U和交流電壓幅度V的比率范圍，即穩(wěn)定區(qū)域。在電壓掃描過(guò)程中，需要同時(shí)改變直流電壓U和交流電壓幅度V，并確保直流電壓U和交流電壓幅度V之間的比率在掃描過(guò)程中維持不變，即保持圖3中斜線的斜率不變，并使三角形穩(wěn)定區(qū)域的頂點(diǎn)在斜線上，這樣才能保證離子探測(cè)器所接收到的離子與電壓有唯一 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以確保檢測(cè)的精確性。如果在電壓掃描過(guò)程中圖3中斜線的斜率發(fā)生了變化，即直流電壓U和交流電壓幅度V之間的比率發(fā)生了變化，則各離子的質(zhì)荷比也隨之發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致檢測(cè)精度下降。然而，要嚴(yán)格保證直流電壓和交流電壓幅度之間的比率不隨時(shí)間的變化而變化，這在技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)，因此，傳統(tǒng)的質(zhì)量分析器的檢測(cè)精度低。其二，由于離子的質(zhì)量與直流電壓、交流電壓的幅度成正比，所以要使大質(zhì)量的離子通過(guò)，則必須增大直流電壓和交流電壓的幅度。而四極桿式質(zhì)量分析器在高電壓區(qū)工作時(shí)，電路容易放電，穩(wěn)定性差，從而使檢測(cè)精度受到極大影響。因此，該種以電壓掃描方式掃描質(zhì)量的四極桿式質(zhì)量分析器檢測(cè)分析大質(zhì)量分子樣品的精確度低，甚至無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)電壓掃描方式掃描質(zhì)量所導(dǎo)致的檢測(cè)精度低的技術(shù)問(wèn)題，而提供一種檢測(cè)精度高的質(zhì)量分析器及質(zhì)譜儀。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的質(zhì)量分析器，包括四根電極桿、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊，其中所述四根電極桿互相平行，并在同一圓周上均勻布置；所述直流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場(chǎng)；所述交流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供高壓電場(chǎng)；其中，所述質(zhì)量掃描模塊包括正弦波信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生正弦波信號(hào)；控制器，與所述四根電極桿電連接，用于接收所述正弦波信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來(lái)控制高壓電場(chǎng)，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。所述控制器包括輸入單元，用于輸入所述正弦波信號(hào)；第一放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號(hào)的正信號(hào)；第一鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第一放大電路放大的正信號(hào)；偏置電路，用于接收經(jīng)所述第一鏡像電路復(fù)制的正信號(hào)；第一驅(qū)動(dòng)電路，用于接收所述偏置電路輸出的正信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；第二放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號(hào)的負(fù)信號(hào)；第二鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第二放大電路放大的負(fù)信號(hào)；偏置電路，用于接收經(jīng)所述第二鏡像電路復(fù)制的負(fù)信號(hào)；第二驅(qū)動(dòng)電路，用于接收所述偏置電路輸出的負(fù)信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；輸出單元，用于接收所述第一驅(qū)動(dòng)電路和第二驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)并輸出到所述四根電極桿；反饋電路，連接于所述輸出單元和放大電路之間，用于比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，控制輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的誤差。
本發(fā)明的質(zhì)譜儀，包括將樣品分子電離成離子的離子源、對(duì)所述離子進(jìn)行質(zhì)量掃描的質(zhì)量分析器，以及離子探測(cè)器，其中所述質(zhì)量分析器是本發(fā)明的質(zhì)量分析器。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的質(zhì)量分析器的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于本發(fā)明的質(zhì)量分析器中，由質(zhì)量掃描模塊控制通過(guò)調(diào)節(jié)射頻頻率來(lái)控制高壓電場(chǎng)，來(lái)掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量，避免了傳統(tǒng)的質(zhì)量分析器中因質(zhì)量掃描過(guò)程中直流電壓與交流電壓幅度不一致而產(chǎn)生的精度低的問(wèn)題；同時(shí)，根據(jù)公式(1)，離子的質(zhì)量與頻率的平方(Q2)成反t匕，于是我們知道，當(dāng)Q產(chǎn)生一個(gè)微小的變化，則Q2便會(huì)將其放大成很大的變化，反映到離子質(zhì)量，也會(huì)隨之產(chǎn)生很大的變化。也就是說(shuō)，本發(fā)明的以頻率掃描方式來(lái)掃描離子質(zhì)量的靈敏度遠(yuǎn)高于以掃描電壓方式來(lái)掃描離子質(zhì)量的靈敏度，因此，傳統(tǒng)的電壓掃描過(guò)程中能夠即使做到直流電壓與交流電壓幅度保持一致，其靈敏度也遠(yuǎn)低于以頻率掃描方式來(lái)掃描離子質(zhì)量的靈敏度。因此，本發(fā)明的質(zhì)量分析器的檢測(cè)分析精度高、靈敏度高。特別是，本發(fā)明中的質(zhì)量掃描模塊是以正弦波模擬信號(hào)為輸入信號(hào)，從傅里葉變換的角度來(lái)看，在掃描過(guò)程中的某一瞬間，正弦波只有單一的一個(gè)頻率，這進(jìn)一步提高了本發(fā)明的質(zhì)量分析器的檢測(cè)分析精度。本發(fā)明的質(zhì)譜儀，由于設(shè)有本發(fā)明的質(zhì)量分析器，因而檢測(cè)分析精度高。
通過(guò)以下參照附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。


圖I表示傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2表示傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀中的四極桿式質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3表示傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀中的四極桿式質(zhì)量分析器的質(zhì)量掃描圖；圖4表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器中的質(zhì)量掃描模塊所輸入的正弦波模擬信號(hào)示意圖；圖6表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器的正弦波傅里葉頻率譜圖；圖7表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器中的控制器的方框原理圖；圖8表示本發(fā)明的質(zhì)量分析器中的控制器的電路圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)注意，這里描述的實(shí)施例只用于舉例說(shuō)明，并不用于限制本發(fā)明。如圖4所示，本發(fā)明的質(zhì)量分析器，包括四根電極桿4、5、6、7、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊。其中四根電極桿4、5、6、7互相平行，并在圓周方向均勻布置。直流電源與四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場(chǎng)。交流電源與四根電極桿電連接，用于提供高壓電場(chǎng)。質(zhì)量掃描模塊包括正弦波信號(hào)發(fā)生器和控制器。正弦波信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生正弦波信號(hào)；控制器與四根電極桿電連接，用于接收正弦波信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來(lái)控制高壓電場(chǎng)，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。由此可知，本發(fā)明的質(zhì)量分析器是以頻率掃描方式來(lái)掃描離子質(zhì)量的，因此，在質(zhì)量掃描過(guò)程中，直接電壓和交流電壓幅度無(wú)需變化，即在掃描過(guò)程中無(wú)需考慮使直接電壓和交流電壓幅度的比率保持不變這一技術(shù)難題。因此，本發(fā)明提高了檢測(cè)分析的精確度。需要特別說(shuō)明的是，參見(jiàn)圖5和圖6所示，本發(fā)明的質(zhì)量分析器中，利用的是輸入為正弦波模擬信號(hào)的模擬電路來(lái)控制頻率變化的。如圖6所示，正弦波只有單一的一個(gè)頻率，因此，在質(zhì)量的頻率掃描過(guò)程中，在某一時(shí)刻，只有唯一一個(gè)特定質(zhì)荷比的離子能通過(guò)質(zhì)量分析器，這顯然大幅度提高了檢測(cè)分析的精度。這也正是正弦波模擬信號(hào)優(yōu)越于方波、鋸齒波、梯形波等數(shù)字信號(hào)的所在。如圖7所示，本發(fā)明中的控制器包括輸入單元，用于輸入正弦波信號(hào)；第一放大電路，用于放大輸入的正弦波信號(hào)的正信號(hào)；第一鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)第一放大電路放大的正信號(hào)；偏置電路，用于接收經(jīng)第一鏡像電路復(fù)制的正信號(hào)；第一驅(qū)動(dòng)電路，用于接收偏置電路輸出的正信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；第二放大電路，用于放大輸入的正弦波信號(hào)的負(fù)信號(hào)；第二鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)第二放大電路放大的負(fù)信號(hào)；偏置電路，用于接收經(jīng)第二鏡像電路復(fù)制的負(fù)信號(hào)；第二驅(qū)動(dòng)電路，用于接收偏置電路輸出的負(fù)信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率；輸出單元，用于接收第一驅(qū)動(dòng)電路和第二驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)并輸出；反饋電路，連接于輸出單兀和放大電路之間，用于比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，控制輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的誤差。 如圖8所示，本發(fā)明中的控制器中正弦波信號(hào)由晶體三極管Q6，晶體三極管Q7的基極輸入，晶體三極管Q4，Q6和電阻R7組成了第一放大電路，主要是對(duì)輸入的正信號(hào)進(jìn)行放大，使信號(hào)增強(qiáng)。晶體三極管Q7，Q9和電阻Rll組成第二放大電路，主要是對(duì)輸入的負(fù)信號(hào)進(jìn)行放大，使信號(hào)增強(qiáng)；電阻R2，R3和晶體三極管Ql，Q2組成了第一鏡像電路，它的作用是復(fù)制信號(hào)以隔離電路的前、后部分。晶體三極管Q10，Qll和電阻R15，R16組成第二鏡像電路，復(fù)制另外一路反相的信號(hào)以隔離電路的前、后部分；電阻R5，RlO和晶體三極管Q5組成了偏置電路，它為后面的驅(qū)動(dòng)電路提供合適的工作電壓的初始值；電阻R4，R6和晶體三極管Q3組成了第一驅(qū)動(dòng)電路，在此第一驅(qū)動(dòng)電路中對(duì)頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，可以增加?duì)電路負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力；電阻R9，R12和晶體三極管Q8是第二驅(qū)動(dòng)電路，在此第二驅(qū)動(dòng)電路中對(duì)頻率進(jìn)行放大，并且放大的倍數(shù)與第一驅(qū)動(dòng)電路中頻率放大倍數(shù)相同，其同樣可以增加對(duì)電路負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力。本發(fā)明中的控制器不限于上述結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)射頻頻率調(diào)節(jié)的其他結(jié)構(gòu)的控制器也是可行的。本發(fā)明的質(zhì)譜儀，包括將樣品分子電離成離子的離子源、對(duì)電離的離子進(jìn)行質(zhì)量掃描的質(zhì)量分析器，以及離子探測(cè)器。質(zhì)量分析器采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，即其質(zhì)量掃描模塊中的控制器采用頻率掃描的方式來(lái)掃描質(zhì)量，所以，本發(fā)明的質(zhì)譜儀檢測(cè)分析精度高。雖然已參照幾個(gè)典型實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，所用的術(shù)語(yǔ)是說(shuō)明和示例性、而非限制性的術(shù)語(yǔ)。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)量分析器，包括四根電極桿、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊，其中所述四根電極桿互相平行，并在同一圓周均勻布置；所述直流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場(chǎng)；所述交流電源與所述四根電極桿電連接，用于提供高壓電場(chǎng)；其特征在于所述質(zhì)量掃描模塊包括 正弦波信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生正弦波信號(hào)； 控制器，與所述四根電極桿電連接，用于接收所述正弦波信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來(lái)控制高壓電場(chǎng)，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。
2.如權(quán)利要求I所述的質(zhì)量分析器，其特征在于所述控制器包括 輸入單元，用于輸入所述正弦波信號(hào)； 第一放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號(hào)的正信號(hào)； 第一鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第一放大電路放大的正信號(hào)； 偏置電路，用于接收經(jīng)所述第一鏡像電路復(fù)制的正信號(hào)； 第一驅(qū)動(dòng)電路，用于接收所述偏置電路輸出的正信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率； 第二放大電路，用于放大輸入的所述正弦波信號(hào)的負(fù)信號(hào)； 第二鏡像電路，用于復(fù)制經(jīng)所述第二放大電路放大的負(fù)信號(hào)； 偏置電路，用于接收經(jīng)所述第二鏡像電路復(fù)制的負(fù)信號(hào)； 第二驅(qū)動(dòng)電路，用于接收所述偏置電路輸出的負(fù)信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率； 輸出單元，用于接收所述第一驅(qū)動(dòng)電路和第二驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)并輸出到所述四根電極桿； 反饋電路，連接于所述輸出單元和放大電路之間，用于比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，控制輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的誤差。
3.一種質(zhì)譜儀，包括將樣品分子電離成離子的離子源、對(duì)所述離子進(jìn)行質(zhì)量掃描的質(zhì)量分析器，以及離子探測(cè)器，其特征在于所述質(zhì)量分析器是如權(quán)利要求I或2所述的質(zhì)量分析器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種質(zhì)量分析器和一種質(zhì)譜儀，包括四根電極桿、直流電源、交流電源和質(zhì)量掃描模塊。四根電極桿互相平行，并在同一圓周上均勻布置；直流電源與四根電極桿電連接，用于提供直流偏置電場(chǎng)；交流電源與四根電極桿電連接，用于提供高壓電場(chǎng)。質(zhì)量掃描模塊包括正弦波信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生正弦波信號(hào)；控制器，與四根電極桿電連接，用于接收正弦波信號(hào)，并調(diào)節(jié)其中的射頻頻率來(lái)控制高壓電場(chǎng)，以掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量。本發(fā)明中，質(zhì)量掃描模塊以正弦波模擬信號(hào)為輸入信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)射頻頻率來(lái)控制高壓電場(chǎng)，來(lái)掃描樣品分子中不同離子的質(zhì)量，因此檢測(cè)分析精度高。本發(fā)明的質(zhì)譜儀安裝有本發(fā)明的質(zhì)量分析器，檢測(cè)分析精度高。
文檔編號(hào)H01J49/42GK102683153SQ20111005375
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月7日
發(fā)明者張華 , 張小華 申請(qǐng)人:北京普析通用儀器有限責(zé)任公司