用于质谱分析的方法、装置及系统的制作方法
【专利摘要】一种小型的低成本质谱仪，能够单元分辨10至50AMU的质量范围。该质谱仪包含相比于类似仪器增强设计性能的几项特征。高效的离子源实现相对较低的功耗而不牺牲测量分辨率。可变几何形状机械过滤器允许可变的分辨率。板载离子泵消除对外部泵浦源的需要。磁体和磁轭产生具有不同通量密度的磁场区域，以运行离子泵和扇形磁性质量分析器。真空室内的板载数字控制器和功率转换电路对质谱仪操作允许较大程度灵活性，消除对高压电馈通的需要。该小型的质谱仪感应进入气体的一百分比中的一小部分并向计算机返回质谱数据。
【专利说明】用于质谱分析的方法、装置及系统
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年2月14日提交的标题为“质谱仪(Mass Spectrometer)”的美国临时专利申请N0.61/442，385的权益，该申请通过引用特此并入本文。
[0003]本申请还要求2011年12月I日提交的标题为“一种包含自对准离子光学器件的结构坚固的小型质谱仪(A Structurally Robust, Miniature Mass Spectrometerincorporating Self-Aligning 1n Optics)” 的美国临时专利申请 N0.61/565，763 的权益，该申请通过引用特此并入本文。
【背景技术】
[0004]质谱分析是领先的化学分析工具之一。通常与别的仪器(例如，气相色谱分析)结合作为检测器使用的质谱仪也许能够通过按原子质量分离化学物种，确定在气态样品中存在的化学物种的相对丰度(relative abundance)。
[0005]质谱分析广泛用于众多学科。质谱仪已被送往无人航天器；两个海盗号着陆器(Viking landers)都携带气相色谱质谱联用仪(GCMS)包,并且掉入土卫六大气层的卡西尼惠更斯号(Cassin1-Huygens)探测器也携带GCMS。质谱仪大量用于生物科学；它们是确定蛋白质结构和序列的常用方法之一。
[0006]在药代动力学的医疗领域，质谱仪已用于跟踪通过人体的极少量药物。
[0007]质谱仪已经被设计用于化学和生物防御；第二组化学生物质谱仪(CBMS)被设计为便携式车载仪器，其能够检测该领域中的化学和生物威胁(例如，神经毒剂、细菌)。最近，已将质谱仪装载在无人潜水器上，以辅助跟踪2010年4月20日在墨西哥湾由马康多(Macondo)油井故障所释放的碳氢化合物。
[0008]许多其它领域也已使用质谱仪。早在1976年，就将质谱仪用于不断地分析在重症监护下戴呼吸机的患者所呼吸的气体，以防潜在危险的并发症。
【发明内容】
[0009] 申请人:已认识到，传统的质谱仪是一种极多用途的仪器，但是其不是没有一些缺陷。传统的质谱仪通常是大、复杂且昂贵的仪器，其可能消耗相当大量的电功率。
[0010]鉴于上文，本文公开的本发明实施例部分涉及改进的质谱仪，在各方面中，该改进的质谱仪可以足够小至被手持，能够在远程使用中以最小功率运行有用的一段时间，并且建造和组装起来足够廉价，使得其能够广泛地部署。说明性的仪器可以大量地被部署来覆盖用于空气质量监测或水质量监测的广大区域，被安装在工业排气烟囱中来用于燃烧过程反馈控制，或附接至医院的呼吸机，或被用作急诊室中的首要响应工具。
[0011]本发明的实施例包括质谱仪以及对应的质谱分析方法。一个说明的质谱仪包括真空外壳，所述真空外壳限定支持约10_5mm Hg或更小的真空的真空室以及布置在所述真空室中的电极和转换电路。具有约36V或36V以下的介电强度的馈通提供所述转换电路和所述真空室的外部的功率源之间的电连接。在一些示例中，所述馈通可以提供所述真空室的内部和所述真空室的外部之间的唯一电连接。所述转换电路经由所述馈通接收来自所述功率源的输入电压(例如，处于大约IV至大约36V的第一值)，并且将所述输入电压转换为电极电位(例如，处于大约IOOV至大约5kV的第二值)，并且将所述电极充电至所述电极电位。一旦所述电极被充电至所述电极电位，所述电极就控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速。
[0012]在一个示例中，所述带电微粒是电子。在这种示例中，所述质谱仪可以进一步包括:电子源，所述电子源布置在所述真空室中，以提供所述电子；阴极，用于排斥所述电子；以及阳极，布置在所述控制电极的与所述电子源相对的一侧，以朝向要分析的微粒加速所述电子。所述转换电路可以被配置为提供:用于所述阳极的大约100V至大约5kV的阳极电位；用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位；以及所述阳极电位以下大约OV至大约140V的所述电极电位。
[0013]这样的质谱仪还可以包括电子器件(例如，微处理器、模拟数字转换器或数字模拟转换器)，所述电子器件布置在所述真空室中来控制或改变所述电极电位(例如，控制所述电子的加速)。所述电子器件还可以耦接至检测器，所述检测器根据所述带电微粒的所述加速确定所述带电微粒的质量。
[0014]另一说明性的质谱仪以及对应的质谱分析方法包括磁轭中的磁体，该磁轭中的磁体用于生成在第一区域中具有第一强度(例如，大约0.1T)以及在第二区域中具有第二强度(例如，大约0.7T)的磁场。其还包括真空外壳、离子泵和质量分析器(例如，扇形磁性分析器)，所述真空外壳限定真空室，所述离子泵被布置在所述第一区域中来维持所述真空室的真空压力，并且所述质量分析器布置在所述第二区域中来确定穿过所述真空室传播的微粒的质量。布置在所述真空室中的控制电极控制使所述微粒电离的电子的加速，并且布置在所述真空室中的转换电路向所述离子泵、所述电极和/或所述质量分析器提供一个或多个电压。
[0015]该说明性质谱仪的另一示例可以包括控制电子器件，该控制电子器件布置在所述真空室中且与所述控制电极处于电通信中，以改变所述控制电极的电位。其还可以包括信号处理电子器件，布置在所述真空室中并由所述转换电路供电，以处理由所述质量分析器提供的信号。
[0016]这样的质谱仪还可以包括:电子源，该电子源布置在所述真空室中，以提供所述电子；阴极，将所述电子源与所述真空室屏蔽开；以及阳极，布置在所述控制电极的与所述电子源相对的一侧，以朝向要分析的微粒加速所述电子。所述转换电路可以配置为提供用于所述阳极的大约100V至大约5kV的阳极电位，用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位，以及所述电极电位，所述电极电位可以在所述阳极电位以下大约OV和大约140V。此外，所述转换电路可以配置为用大约IV至大约36V的第一值提升所述输入电压至处于大约100V至大约5kV的第二值的所述电极电位。
[0017]应理解，上述概念和下面更详细地讨论的更多概念(所提供的这些概念不相互矛盾)的全部结合被认为是本文公开的本发明主题的一部分。特别地，在此公开结尾出现的所要求保护的主题的全部结合被认为是本文公开的本发明主题的一部分。还应理解，还可以在通过引用包含的任何公开中出现的本文明确使用的术语应该符合与本文公开的特定概念几乎全部一致的意义。【专利附图】
【附图说明】
[0018]技术人员将理解，附图主要用于说明性目的，而不打算限制本文描述的本发明主题的范围。附图不一定是按比例的；一些情况下，本文公开的本发明主题的各方面在附图中可以放大或扩大显示，以帮助理解不同特征。在附图中，相同的附图标记通常指相同的特征(例如，功能类似的和/或结构类似的要素)。
[0019]图1A是根据本发明实施例的示例性质谱仪的计算机辅助设计(CAD)模型。
[0020]图1B是根据本发明实施例的适合对图1A的质谱仪使用的低介电强度馈通的图。
[0021]图1C示出根据本发明实施例的图1A的磁轭的CAD模型。
[0022]图1D示出根据本发明另一实施例的与一对永磁体、离子泵及质量分析器结合的磁轭的计算机辅助设计(CAD)模型。
[0023]图2是根据本发明实施例的用于质谱仪的离子源电势与离子质量关系的图表。
[0024]图3是根据本发明实施例的适合在离子源中使用的光学器件的图。
[0025]图4是根据本发明实施例的具有离散倍增电极电子倍增器和静电计检测器的质谱仪的示意图。
[0026]图5是根据本发明实施例的直通大气的膜入口的剖视图。
[0027]图6A是根据本发明实施例的离子分析器的模拟。
[0028]图6B是根据本发明实施例的穿过小型质谱仪的二氧化碳分子的SMION模拟。
[0029]图6C是根据本发明实施例的离子源和第一离子透镜的视图。
[0030]图7是根据本发明实施例的质谱仪离子源和分析器中势能分布的等距视图。绿色势能表面的曲率表示静电透镜的影响。垂直维度是势能，而两个水平维度是质谱仪的平面形状。
[0031]图8是根据本发明实施例的圆柱形皮尔斯二极管离子源的SIMION模拟的侧剖视图。电子从呈一条线的灯丝表面发射。阴极电位电极包围灯丝以将其与真空室屏蔽开。在该模拟的右边缘示出栅电极和阳电极。
[0032]图9是根据本发明实施例的具有为抑制电子发射而被偏置的控制电极的图8圆柱形皮尔斯二极管离子源的侧剖视图。
[0033]图10是根据本发明实施例的位于质谱仪下面的印刷电路板基板的CAD布局。
[0034]图11是根据本发明实施例的说明性质谱仪的CAD布局。
[0035]图12是根据本发明实施例的具有在褶曲部上安装的狭缝的示例性质量分析器电极的CAD模型。
[0036]图13是根据本发明实施例的可调的褶曲部的示意图。
[0037]图14包括根据本发明实施例的通过线EDM从不锈钢板上切出的电极的照片(左)以及在硝酸中被腐蚀来去除氧化物层的电极的照片(左)。
[0038]图15是根据本发明实施例的小型离子泵的阳极的CAD模型。
[0039]图16是根据本发明实施例的移除顶盖和磁轭的说明性质谱仪的照片。
[0040]图17是根据本发明实施例的说明将入口狭缝调整至图16的说明性质量分析器的照片。
[0041]图18A是根据本发明实施例的附接至用于测试的康弗拉特(ConFlat)法兰的经组装的质谱仪的照片。
[0042]图18B是根据本发明实施例的在质谱仪的发展中使用的真空室的照片。离子规在左边，涡轮泵在底部。
[0043]图19是根据本发明实施例的用于质谱仪的数字控制器的框图。
[0044]图20是根据本发明实施例的具有除气加热器的基板的立体图。
[0045]图21是用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的、具有加热器转变指示的、真空室压力与时间的关系的图表。
[0046]图22示出根据本发明实施例的在加热器激活后的0s、10s、20s、60s、300s以及600s时获得的分析器板的热图像；热范围是30°C (黑)至60°C (白)。
[0047]图23是用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的、微处理器命令电压与每个透镜驱动器的实际输出的关系的图表。
[0048]图24是用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的系统压力、离子泵电压和离子泵电流与时间的关系的图表。
[0049]图25是在用于根据本发明实施例的说明性质谱仪的真空系统分割后数分钟内的系统压力、离子泵电压以及离子泵电流的图表。
[0050]图26是根据本发明实施例的被拆卸的离子泵的板的照片；彩色沉积物可能是来自不锈钢阳极的铬。
[0051]图27是由根据本发明实施例的说明性质谱仪所捕获的质谱图。
[0052]图28是由根据本发明实施例的另一说明性质谱仪所捕获的空气的质谱图。
[0053]图29是表示利用具有活跃的静电透镜(上曲线)及禁用的静电透镜(下曲线)捕获和使用由电子束生成的一大部分离子的值的质谱图。
[0054]图30是根据本发明实施例的表示缩窄对离子束进行过滤的狭缝的效果的质谱图。诸如m/z27和26这样的峰用较宽的狭缝是不可看见的(下曲线)，但用窄的狭缝是容易看见的(上曲线)。
[0055]图31是示出用根据本发明实施例的说明性质谱仪检测新物种、一氧化二氮或N2O及其零碎组分NO的质谱图。
[0056]图32是使用质谱仪的电子源栅极(控制电极)生成能从信号中去掉以消除静电计偏移及漂移痕迹所捕获的质谱图。
【具体实施方式】
[0057]以下是与本发明的用于质谱分析的系统、方法和装置相关的各种概念和实施例的更详细描述。应理解，上面介绍的和下面更详细讨论的各种概念可以以多种方式中的任何方式实现，因为所公开的概念不局限于任何特定的实现方式。主要为了说明性目的提供特定实现及应用的示例。
[0058]1.0质谱分析综述
[0059]存在质谱仪的许多不同实现，并且配置一般取决于期望的应用。然而，它们通常包括相同的基本功能块:入口、离子源、质量分析器、检测器以及真空系统。进入入口的样品被电离，通常利用电子束通过轰击电离，然后用一个或多个电场和/或磁场按质量分离，然后被分析以得到相对丰度。[0060]最后，质谱仪的所有实现产生图表，该图表使被电离的样品的组分的原子质荷(m/z)比与每种组分的相对丰度相关。例如，对大气样品进行测量的质谱仪将找出质量为28、32,40和44的组分，并且有可能依赖于仪器的灵敏度而找出其它质量的组分。这些质量对应于氮气、氧气、IS气以及二氧化碳。质谱仪输出将对构成大气气体70%的质量为28的氮气示出最高信号强度，然后对质量为32的氧气(大气的22%)示出氮气峰的信号强度的大约1/3，并且对氩气和二氧化碳示出更低的信号强度。
[0061]依据应用，通常将质谱仪设计用于特定质量范围和分辨率。对为环境气体监测设计的仪器，质量范围可能是10至50AMU,或者对在蛋白质分析中使用的仪器,质量范围可能是数万AMU。质谱仪经常通过改变电场参数或磁场参数之一从头至尾扫描此质量范围，以质荷(m/z)比以及时间(不期望地)产生谱。该扫描将在质量存在处产生信号强度的峰值。质谱仪的分辨率由这些峰值有多窄来确定；一些质谱仪仅可以分辨单位质量，而一些质谱仪可以分辨质量的非常小的分数(例如，用于区分在同样标称单位质量处出现的不同物种，如28.010处的一氧化碳以及28.0134处的氮气)。峰通常由全宽半最大值(FWHM)测量表征；峰幅度一半处的峰宽度能够帮助确定哪些质量将是可见的。通常，产生较窄峰的质谱仪具有比具有宽峰的那些质谱仪更好的分辨能力。
[0062]图1A示出示例性质谱仪100的计算机辅助设计(CAD)模型的等距视图，为说明目的该模型被示出为不具有真空外壳。除非特别注明，否则图1A中所示的组件位于由真空外壳和真空法兰170限定的真空室中。沿真空法兰的表面延伸的真空外壳密封172防止泄露，这允许真空压力达到le-5托(torr)或更小。入口 180延伸穿过真空法兰170以允许引入用于分析的样品。
[0063]质谱仪100包括共享磁路110，共享磁路110由磁轭114内的一个或多个磁体112构成。磁轭140将磁通量来自磁体112耦合到两个或更多个磁场区域Illa和Illb内。第一区域Illa内的离子泵(图1A中显示为集成的离子泵电极120)维持真空室内的真空压力，并且第二区域Illb中的扇形磁性质量分析器130如本领域所了解那样根据质量分离被电离的样品微粒。离子源104通过用来自电子源(未示出)的电子对通过入口 180进入的微粒进行电离，生成离子，离子被离子光学器件300准直。在磁性质量分析器130—端的离子检测器140生成随由检测器140收集的离子的数量变化的电流。
[0064]将质量分析器130和离子检测器140安装在平面基板190上，平面基板190能够由如下面描述的印刷电路板(PCB)材料制成，平面基板190还支撑转换电路(高电压电源)150。基板190经由磁轭114安装至真空法兰170。具有本领域普通技术的人员将容易理解其它安装配置也是可能的。
[0065]转换电路150将来自外部电源的具有约1-36V (例如，12V)的输入电压转换或增加至足够高的电压(例如，100V到5kV)，以对真空室内包括电子源、离子源104、离子光学器件300以及离子检测器140中的任意电极在内的电极充电。转换电路150可以经由单个馈通(未示出)耦接至外部电源，该单个馈通具有相对低的介电强度(例如，等于或低于约36V或更小、等于或小于约24V、等于或小于约12V或等于或小于约9V的介电强度)。在至少一个实施例中，此低介电强度馈通是由真空法兰170和真空外壳(未示出)限定的真空室的内部和外部之间的唯一电连接。
[0066]图1B示出适合于对图1A的转换电路150、真空外壳以及真空法兰170使用的低介电强度馈通174。这样的低介电强度馈通174能够快速地且廉价地用环氧树脂制成，且可以具有等于或小于约36V或更小的介电强度。为制造该馈通174，穿过真空外壳(例如，穿过真空法兰170)钻小孔，该孔朝真空侧逐渐变细至直径仅够大至接受馈通线178，馈通线可以是裸露的或被涂有保形绝缘层(例如，磁体线)。线178被放置并用低排气的环氧树脂回填该孔，以形成环氧树脂密封或栓塞176。在此配置中，环氧树脂栓塞176遇到小的力；由于该孔主要地由线178填充且环氧树脂176将线178保持就位，所以真空法兰170或外壳仍承载符合。利用裸线或经保形涂敷的线减少该线178和其绝缘层之间的真空泄露的变化，利用由单独的护套隔绝的线可能发生该真空泄露。
[0067]由于甚至最有效的转换电路150也以热的形式耗散能量，所以将转换电路150放置在真空室内是有违直觉的。该热提高该室中包括基板190在内的其它组件的温度。随着其它组件升温，它们可能释放所吸收或吸附的气体，这引起该室内部的压力上升，增加对离子泵120的负荷。
[0068]但是，将转换电路150放置在真空室内使得有可能消除通常是昂贵的和难于制造的高电压电馈通。与低介电强度馈通不同，高电压电馈通通常需要提供真空密封的电气连接，该真空密封的电气连接相对于真空外壳能够承受数百或数千伏特且能够在数百摄氏度下被烘烤。它们通常由可伐合金(Kovar)制造并被铜焊至陶瓷电介质，陶瓷电介质随后被铜焊至不锈钢外壳或配件(fitting)。
[0069]2.0质谱仪的类型
[0070]存在许多不同类型的质谱仪，通常由用于分离不同质量的方法划分不同类型的质谱仪。这节简略地覆盖较简单类型的质谱仪中的一些类型，且尽管远非接近全面，但是描述有被廉价地制造的可能的那些类型。
[0071]2.1质量分析器的类型
[0072]扇形磁性质谱仪(例如，图1A中所示的质量分析器130)产生质量的空间分离。在此设计中，被电离的样品在电场中加速并且被注入到具有垂直磁场的区域中。离子在磁场中的轨迹的曲率半径正比于其质量，反比于其电荷状态。通过扫描电场并因此改变离子的动能或者通过扫描磁场并改变离子的轨迹，能够分离并独立地检测各种质量。存在此设计的许多变化，包括具有产生改进分辨率的分离的或结合的电场或磁场部分。
[0073]飞行时间质谱仪是产生质量的时间分离的另一设计。由固定电场将离子注入到漂移区域内；最终离子速度中的分离且因此到达漂移区域远端的时间正比于离子质量。
[0074]四极质谱仪使用与离子飞行路径平行的两对电极；通过使用一个电极对施加可变频率RF场且在另一对电极上施加DC偏压，并且为特定质量调整RF场，在任何特定时间，仅一种质量具有通过各场的稳定轨迹。
[0075]—种类似的质谱仪一 “离子阱质谱仪” 一使用类似于四极质谱仪的原理捕获一定体积的离子云，并且选择性地使特定质量的轨道不稳定。然后，从该离子体积中放出并测量不稳定的质量。
[0076]2.2离子源
[0077]质量分析器通常依靠注入到质谱分析仪中的被电离的样品来正常工作。一旦样品被电离，被电离的样品分子(离子)就可以由电磁场操控和分离。
[0078]常见的离子源使用电子电离。在这类源中，将通常热电子地生成的电子束瞄准气体样品内。与样品分子相互作用的电子从该样品中去除电子，产生带正电的样品离子，但是，对于一些负电性的化学物种，负离子质谱仪是实用的。
[0079]2.3检测器
[0080]一旦样品已经被电离并按照质量分离所生成的离子，就能够用检测器(例如，图1A中的检测器140)检测离子。最简单的检测器是后面跟有高增益跨导放大器的法拉第杯。撞击法拉第杯的离子产生微小但可测量的电流，然后放大并记录该电流。然而，由于这些检测器不提供本征增益，噪声基底(noise floor)是放大器的噪声基底。
[0081]3.0质谱仪设计综述
[0082]本文公开的小型质谱仪的说明性的实施例可以具有简单、强健的设计，其能够不使用复杂的或劳动密集的制造技术制造。每种设计选择可以涉及多个因素之间的权衡，在这些因素之中有性能、尺寸、重量、功耗、复杂性、制造容易度以及成本。这样的设计可以是可使用自动化加工工具制造的。能够通过创建依靠二维(2D)加工的平面设计进一步简化制造；能够通过堆叠多层经2D加工的组件建立或近似第三维中的任何特征。去除二次加工操作能够帮助去除额外的装夹(fixturing)、时间以及浪费。因此，在至少一种情况下，该设计包含许多协同制备的特征。
[0083]在一个示例中，本发明的质谱仪包括单个单元，该单个单元可以在具有用于进气的端口、几个低电压电缆以及用于低真空泵的端口的简单的圆柱形的真空室内操作。这些端口可以用穿过真空室壁馈送的且嵌在环氧树脂中的薄的导管或布线实现。
[0084]示例性质谱仪能够被设计具有想象中的多种潜在应用，但多半具有常见的性能需求。例如，可能为具有足够灵敏度的单位分辨率而设计和建造质谱仪(即其能够区分相距一个或多个整数质量单位的离子)，以检测在le-4帕(le-6托)的操作压力下构成分析气体0.5%或以上的物种。质谱仪还能够在其上携带其自己的高真空泵；尽管比包括高真空泵和低真空泵的设计不那么通用，但是在成本、重量以及复杂性方面的大量节省可能是宝贵的。这种示例性质谱仪也许能够以低功耗和低维护费用长时间地独立运行。
[0085]如果生产成本与现有商用仪器的生产成本相当(例如，数万美元)，则提供此级别性能的仪器具有有限的效用。该质谱仪能够相当廉价(例如，1000美元的数量级)，使其适合于在新应用中大规模部署。考虑到质谱仪成本中的是制造的容易度和复杂性；困难的或需要技能的制造技术和/或大量的部件会使设计建造起来更昂贵。
[0086]使功耗最小化对特定应用也是重要的。例如，符合上述规格的质谱仪可能很适合于多种远程应用或便携应用，在这些应用中，质谱仪能够长时间段地耗掉电池、太阳能、风力或别的能源。
[0087]在一个实施例中，该小型质谱仪是单聚焦、180度扇形磁性质谱仪。扇形磁性质谱仪能够使用多层平面组件来构造，这大大降低仪器的成本，因为大部分简单的制造技术是二维的。所涉及的几何形状是简单的且不需要高功率RF振荡器或高速定时能力，四级质谱仪或飞行时间质谱仪的情况可能分别需要。其它质谱仪类型(如离子阱型或傅里叶变换型)能够在几何形状、功率或复杂性方面要求高。
[0088]一组永磁体和磁轭创建用于质量分析器的磁场。利用钕铁硼(NdFeB)磁体的现成可用性，这是显而易见的选择；对于小仪器而言，电磁体需要太多功率。此外，第二好处是可利用永磁体。通过为磁轭精心选择极片(pole Piece)的尺寸，该设计能够将离子泵加入封装有分析器的相同磁路内，因此节省复杂性、尺寸以及部件数量。扇形磁性分析器的长度可以是180°，通过将离子源和检测器放置在仪器的同一侧，使布局简化并使设计尺寸最小化。在下面的章节中详述该质谱仪的每个子系统的设计。
[0089]在另一实施例中，上部和下部的质量分析器包括扇形电场，将全部质谱仪拓扑改变为尼尔-约翰逊型双聚焦质谱仪的拓扑，这可能不止使质量分辨率加倍。
[0090]3.1真空系统设计
[0091]在操作期间，将离子飞行路径的整个长度保持在高真空下，即在低于le-4帕(le-6托)的压力下。在更高的压力(更低的真空)下，离子的平均自由路径变得太短而不足以使它们穿过飞行路径的整个长度。此标准单独需要使用具有非常紧公差的真空系统来降低泄漏率，以及使用能够产生高真空的真空泵。
[0092]同时，质谱仪的真空系统可能不得不应对不断涌入的气体；从入口进入系统的气体应不断被泵回或被捕获，以免真空室压力上升到不能接受的程度。因此，真空系统可能还包含能够比入口泄漏率更快地泵浦的一个或多个真空泵。
[0093]在大多数质谱仪中，真空系统是此设计的非常昂贵的部分。与典型仪器的成本相比较，真空系统可能不是全部成本的一大比例，但对于小型廉价设计而言，仅真空组件就可以轻易地主导预算。高真空组件，甚至标准配件，都是非常昂贵的。几乎每个组件都是由加工的或成形的不锈钢构造，每个组件常常用焊接结制成。仅由于仪器的几何形状，质谱仪通常使用定制的真空组件。例如，扇形磁性质谱仪通常具有焊接至用于质量分析器的高真空法兰的、成型的、薄壁的、不锈钢管焊接部。这通常是由于质量分析器的飞行路径应嵌在磁体的磁极之间，并且间隙是异常标准尺寸。
[0094]此外，利用系统中用于每个电压的一个馈通将电信号馈送到典型的质谱仪真空系统中或馈送出该质谱仪真空系统。在传统的质谱仪中，在真空系统内的不同点，任何地方都可能存在五个到十个或更多个分离的电位。用于高电压的馈通可能是特别昂贵的，因为它们由带有陶瓷绝缘体和不锈钢法兰的铜焊可伐导体制成。由于使用多个馈通(包括高电压馈通)的成本和复杂性，说明性质谱仪可以被设计和建造为使用穿透真空室的少量(例如，一个或两个)信号操作。
[0095]降低真空系统成本和复杂性的一个方式是减少所涉及的组件的数量。例如，小型质谱仪能够被设计为全部(包括磁体、功率及控制电子器件、高真空泵以及离子光学器件等等)安装在具有IOOmm直径和150mm长度的真空室中。示例性质谱仪能够安装在单个真空法兰上，全部电子信号以及进气穿过该单个真空法兰，因此为简单起见，该真空室能够包括IOOmm直径的圆柱形管。实际上，能够按照仪器的轮廓构造简单但更小的真空室，以减小尺寸和重量。
[0096]为了减少电气馈通的数量，能够数字化地处理数据，并且能够在真空外壳内由携带的控制系统生成控制信号。以此方式，该系统使用穿过真空室壁馈送的一个、两个或三个低电压电信号(例如，功率和一个或两个数据线)。由于不需要高隔离，所以这些电气线可以是嵌在低排气环氧树脂中的简单长度的电缆。接地参考能够是该室本身。
[0097]可替代地或此外，该系统可以能够穿过真空室壁无线地传输数据(例如，经由红外信号或RF信道)，这使得仅用于功率的单独电馈通是必要的。此外，该系统能够感应性供电(例如，经由线圈环路天线)，这消除对连接真空室内部和外部的馈通的任何需要。[0098]在另一示例中，该小型质谱仪包含协同制备的离子泵，该离子泵被设计为使用与该质量分析器使用的相同的永磁体和磁轭组件，以维持真空室内的高真空。离子泵本身可能不足从大气压下将质谱仪抽空，因此能够设置装有阀门的端口，以将该室粗泵吸至离子泵能够启动的点。该端口能够与电馈通和入口安装在相同的法兰上。
[0099]3.2质量分析器设计
[0100]质谱仪的分辨率可能严重地取决于质量分析器的设计。一般而言，磁场越强，曲率半径越小。在一个示例中，质谱仪中的质量分析器是180°的扇形磁场，其具有23_的离子飞行中心线半径。这部分地是实际考虑；可利用50mmX25mm的NdFeB磁体,而不需要定制制备，并且离子飞行半径和磁体边缘之间的一些空隙适应由磁场的非线性导致的离子标称圆形飞行中的任何缺陷。
[0101]选择扇形长度为180°使得有可能提高相邻质量的离子束之间的空间分离，因为每个离子的飞行更多在该扇区中。其次，利用180°扇形，离子源和检测器都位于质量分析器的相同侧，这导致更紧凑的设计和与设置磁轭相关的更少难题(如果有的话)。较大的仪器通常不享受此益处，因为较大的仪器具有用于离子源和检测器的分离的真空隔室，并且因为这些仪器中的扇形长度通常受磁体的尺寸限制。
[0102]在场强和重量和成本之间存在权衡。在使用高级别(N52)钕铁硼磁体时，使用永磁体的最大磁场强度在0.5T至IT的范围内。更高的场需要更多矫磁力、在平行于间隙的方向更多磁体厚度以及在磁体的返回路径中更多的铁。这能够导致更重和更大的设计。但是，更强的磁场，例如用钥;坡曼德(vanadium permendur)磁轭或钕铁硼磁体的海尔贝克阵列创造的磁场，提高低质量处的分辨率，同时可实现的更高电压保持上面的轻的质量分辨率。
[0103]同样，在分辨率和信号强度和成本之间存在权衡。缩窄过滤器狭缝引起更高的分辨率，但是更少的离子完成飞行，这造成检测器增益和灵敏性变得更重要。此外，随狭缝变得更窄，狭缝与离子束的轴线的对齐变得更关键，这引起更严格的公差和更高的成本。
[0104]一个说明性设计通过将狭缝与分析器的机架一起协同制备，消除对过滤器装夹和对齐的需要。此外，狭缝本身安装在对分析器的机架一体的褶曲部上，使得几何形状在装配处是可变的；狭缝宽度可以改变，以改变在信号/分辨率曲线上的操作点。在一些情况下，促动器，如导螺杆、压电组件或形状记忆合金组件，主动地改变狭缝宽度，例如响应于校准、操作或校准和操作期间的反馈改变狭缝宽度。
[0105]图1C示出图1A的磁轭114的计算机辅助设计(CAD)模型。其能够由1008软钢制成且将一对50 X 50 X IOmm的N52钕铁硼磁体112容纳在扇形磁性质量分析器130中。在一个实施例中，磁轭114的横截面从每个磁体112的前缘增加至每个磁体112的尾缘处25 X 50mm。包括磁体112的磁轭质量大致是1.4kg。磁轭114还包含用于安装的特征；返回路径中的一对孔允许将磁体(其本身是质谱仪最重的部分)用螺栓连接至真空法兰。
[0106]如图1C中所示，磁轭114的横截面在磁体外可以大致恒定。在磁体112的尾面和磁轭114之间留有IOmm的间隙，以避免使磁体112短接。极面之间的间隙是10mm，这大致是与磁体厚度相同的空气间隙。此配置产生从极面的边缘处大致0.6T到中心处约0.8T范围的磁场。此磁场的不均匀性会引起离子束的轨迹误差以及较低的分辨率。
[0107]图1D示出适合于将一个或多个磁体212在质量分析器130周围保持就位的可替代磁轭214。磁轭214将由磁体212生成的磁通量引导到具有不同场强的两个场区域211a和211b中。离子泵120置于第一场区域211a内，第一场区域211a可以具有约0.1T的强度，并且质量分析器130位于第二场区域211b内，第二场区域211b可以具有约0.7T的强度。
[0108]若给定场强和离子飞行半径，则计算离子能量的范围并因此计算运行质谱扫描所需的离子加速电位是简单的事情。首先是力平衡:在质量分析器中，将离子保持在圆形轨迹上所需的力等于离子的质量乘以向心加速度，并且由于离子的电荷和所施加的磁场的原因，该力由洛伦兹力提供，qvBsin Θ = mv2/r
[0109]其中，B是磁场强度，单位为特斯拉；v是离子速度，单位是m/s ； Θ是离子束平面与磁场之间的角度，单位为弧度；m是离子质量，单位是kg ^是元电荷，单位为C ;并且r是离子曲率半径，单位为m。
[0110]速度给出加速离子所需的电压范围。最终离子速度，即离子在其离开离子源进入分析器中时的速度，正比于离子源中跨越电极的电压E，
[0111]
【权利要求】
1.一种质谱仪，包括: (A)真空外壳，限定支持约10_5mmHg或更小的真空的真空室； (B)电极，布置在所述真空室中且配置为被充电至电极电位，以控制穿过所述真空室传播的带电微粒的加速； (C)转换电路，布置在所述真空室中，以转换来自所述真空室的外部的功率源的输入电压，以便为所述电极提供所述电极电位； (D)馈通，具有小于或等于约36V的介电强度，以提供所述转换电路和所述功率源之间的电连接。
2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述带电微粒是电子。
3.根据权利要求2所述的质谱仪，进一步包括: (E)电子源，布置在所述真空室中，以提供所述电子； (F)阴极，用于排斥所述电子；以及 (G)阳极，来自所述电子源与所述电极相对布置，以朝向要分析的分析物微粒加速所述电子。
4.根据权利要求3所述的质谱仪，其中，所述转换电路进一步配置为提供: (i)用于所述阳极的大约IOOV至大约5kV的阳极电位；以及` (ii)用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位， 其中，所述电极电位在所述阳极电位以下大约OV和大约140V之间。
5.根据权利要求2所述的质谱仪，进一步包括: (H)控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以改变所述电极电位。
6.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述转换电路配置为将所述输入电压转换为所述电极电位，所述输入电压具有大约IV至大约36V的第一值，所述电极电位具有大约100V至大约5kV的第二值。
7.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述馈通是所述真空室的内部和外部之间的唯一电连接。
8.一种质谱分析方法，包括: (A)提供被抽空至约10_5mmHg或更小的压力的真空室； (B)接收来自所述真空室外部的功率源的输入电压； (C)用布置在所述真空室内的转换电路将所述输入电压转换为电极电位； (D)将所述真空室内的电极充电至所述电极电位；以及 (E)用在(D)中充电的所述电极加速所述真空室中的带电微粒。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述输入电压是大约3V至大约36V，所述电极电位是大约100V至大约5kV。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述带电微粒是电子，并且其中(E)进一步包括: (El)改变所述电极电位以控制所述电子的加速。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，(El)包括: 用布置在所述真空室中的电子组件控制所述电极电位。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述带电微粒是经电离的分析物微粒，并且进一步包括: (F)根据所述带电微粒的加速，确定所述经电离的分析物微粒的质量。
13.一种质谱仪，包括: (A)真空外壳，限定真空室； (B)磁轭中的磁体，用于生成在第一区域中具有第一强度以及在第二区域中具有第二强度的磁场； (C)离子泵，被放置为在所述第一区域中，以维持所述真空室的真空压力； (D)质量分析器，被放置为在所述第二区域中，以确定穿过所述真空室传播的经电离的分析物微粒的质量； (E)控制电极，布置在所述真空室中，以控制使所述分析物微粒电离的电子的加速；以及 (F)转换电路，布置在所述真空室中，以向所述离子泵、所述控制电极和/或所述质量分析器提供经转换的电压。
14.根据权利要求13所述的质谱仪，其中，所述磁轭中的所述磁体被配置为使得在生成所述磁场时，所述第一强度是大约0.1特斯拉，所述第二强度是大约0.7特斯拉。
15.根据权利要求13所述的质谱仪，其中，所述质量分析器是扇形磁性分析器。
16.根据权利要求13所述的质谱仪，进一步包括: (G)控制电子器件，布置在所述真空室中且能操作地耦接至所述转换电路，以改变所述控制电极的电位。
17.根据权利要求13所述的质谱仪，进一步包括: (H)信号处理电子器件，布置在所述真空室中且配置为由所述转换电路供电，以处理由所述质量分析器提供的信号。
18.根据权利要求13所述的质谱仪，进一步包括: (I)电子源，布置在所述真空室中，以提供所述电子； (J)阴极，排斥所述电子；以及 (K)阳极，来自所述电子源与所述电极相对布置，以朝向所述分析物微粒加速所述电子。
19.根据权利要求18所述的质谱仪，其中，所述转换电路进一步配置为提供: (i)用于所述阳极的大约IOOV至大约5kV的阳极电位； (ii)用于所述阴极的在所述阳极电位以下大约70V的阴极电位；以及 (iii)用于所述控制电极的在所述阳极电位以下大约OV和大约140V的控制电位。
20.根据权利要求18所述的质谱仪，其中，所述转换电路配置为根据输入电压提供所述经转换的电压，所述经转换的电压具有大约100V至大约5kV的第一值，所述输入电压具有大约IV至大约36V的第二值。
【文档编号】H01J49/00GK103608894SQ201280018473
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年2月14日 优先权日:2011年2月14日
【发明者】伊恩·W·亨特, 布莱恩·D·埃蒙, 哈罗德·F·埃蒙 申请人:麻省理工学院