飞行时间质谱仪及其离子反射器的制作方法

1.本技术涉及质谱仪仪器领域，特别是涉及一种用于飞行时间质谱的离子反射器。


背景技术：

2.飞行时间质谱仪具有质量范围广、灵敏度高、分辨率高、分析速度快等优势，被广泛应用于众多领域中，但早期的飞行时间质谱仪由于其采用的离子连续引出技术存在的缺陷，使得分辨率较低。为了弥补这一缺陷，在飞行时间质谱仪中引入离子反射器。
3.反射器为能量校正装置，安装在飞行时间质谱仪的无场飞行区末端，由栅网及一系列电极组成，各个电极依次施加逐渐增大的反射电压。离子进入反射器后，受到反射电场施加的、与速度方向相反的作用力，导致飞行速度逐渐减小直至为零；随后离子改变飞行方向，再次进入无场飞行区。反射器的结构加长了离子的飞行距离，增大了离子的总飞行时间，更重要的是可以对相同质荷比的离子的初始能量分散进行一定程度上的补偿，使得不同动能的离子在同一时间到达检测器，从而提高仪器的分辨率。
4.传统的离子反射器通常采用对加工及安装精度的要求非常高平行堆叠的金属电极环组的结构，并且由于极片上的电压是通过各层间的电阻分压来实现的，所以对电阻的精度、功率、温度系数及耐压等都有很高的要求，这使得离子反射器很难实现反射区内的电场均匀。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能保证获得高精度均匀电场的新型离子反射器。
6.一种飞行时间质谱仪的离子反射器，包括：第一栅网电极、第一反射器、第二栅网电极、第二反射器和反射电极；所述第一栅网电极连接所述第一反射器，所述第一反射器连接所述第二栅网电极，所述第二栅网电极连接所述第二反射器，所述第二反射器连接所述反射电极；所述第一反射器和第二反射器的材料为阻值与长度成正比的导电复合材料。
7.在其中一个实施例中，所述导电复合材料为聚醚醚酮基导电复合材料。
8.在其中一个实施例中，所述聚醚醚酮基导电复合材料的导电填料为一种导电剂或多种导电剂混合。
9.在其中一个实施例中，所述导电填料的比例为0.5wt％至10wt％。
10.在其中一个实施例中，所述第一栅网电极、所述第一反射器、所述第二栅网电极、所述第二反射器和所述反射电极的加工精度均小于或等于0.02mm。
11.在其中一个实施例中，所述第一反射器和所述第二反射器的深度为30cm至150cm。
12.在其中一个实施例中，所述第一栅网电极、所述第二栅网电极和所述反射电极所加电压根据离子极性递增或递减。
13.在其中一个实施例中，所述第一栅网电极、所述第一反射器、所述第二栅网电极、所述第二反射器和所述反射电极依次沿中心轴对称放置。
14.在其中一个实施例中，所述第一栅网电极与所述第二栅网电极结构尺寸相同。
15.在其中一个实施例中，提供一种飞行时间质谱仪，包括离子发射与检测装置和上述离子反射器。
16.上述飞行时间质谱仪与离子反射器，通过使用材料为阻值与长度成正比的导电复合材料制作第一反射器和第二反射器，利用电阻大小跟材料的长度成正比的特性，使第一反射器和第二反射器随着长度的增加，电阻均匀增大，最终在离子反射器内形成均匀的电场。
附图说明
17.图1为一个实施例中离子反射器的平面结构示意图；
18.图2为一个实施例中离子反射器的立体结构示意图；
19.图3为一个实施例中离子反射器加电及等效示意图；
20.图4为一个实施例中飞行时间质谱仪的结构示意图。
具体实施方式
21.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
26.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另
一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
27.飞行时间质谱仪(time of flight mass spectrometer，tof-ms)原理是：将样品离子化后，利用静电场加速离子，根据离子飞行速度差来分析离子质荷比。与其他质谱仪相比，tof-ms具有质量范围广、灵敏度高、分辨率高、分析速度快等优势，被广泛应用于基因、蛋白质、生物化学、医药等领域中。早期的tof-ms由于其采用的离子连续引出技术存在的缺陷，分辨率较低，直到在飞行时间质谱中引入离子反射器才使tof-ms的性能得到了突破。
28.如背景技术所述，离子反射器可以对相同质荷比的离子的初始能量分散进行一定程度上的补偿，使得不同动能的离子在同一时间到达检测器，从而提高仪器的分辨率，但传统的离子反射器通常采用对加工及安装精度的要求非常高平行堆叠的金属电极环组的结构，并且由于极片上的电压是通过各层间的电阻分压来实现的，所以对电阻的精度、功率、温度系数及耐压等都有很高的要求，这使得离子反射器很难实现反射区内的电场均匀。基于此，本技术提供一种飞行时间质谱仪与离子反射器，通过使用材料为阻值与长度成正比的导电复合材料制作第一反射器和第二反射器，利用电阻大小跟材料的长度成正比的特性，使第一反射器和第二反射器随着长度的增加，最终在离子反射器内形成均匀的电场。
29.在一个实施例中，如图1所示，提供一种飞行时间质谱仪的离子反射器，包括：第一栅网电极1、第一反射器2、第二栅网电极3、第二反射器4和反射电极5；第一栅网电极1连接第一反射器2，第一反射器2连接第二栅网电极3，第二栅网电极3连接第二反射器4，第二反射器4连接反射电极5；第一反射器2和第二反射器4的材料为阻值与长度成正比的导电复合材料。
30.导电复合材料的具体结构并不唯一，具体可以是将导电填料填充到外包绝缘层内得到。其中，导电填料以及外包绝缘层的材料类型同样不是唯一的，可根据实际情况进行选择。在一个实施例中，导电复合材料为聚醚醚酮基导电复合材料。聚醚醚酮基导电复合材料的电阻值的计算方式为r＝ρl/s，其中，ρ为电阻率，l为材料的长度，s为材料的横截面积，聚醚醚酮基导电复合材料的电阻大小跟其长度成正比，从而使离子反射器第一反射器2和第二反射器4上的分压均匀，进而有利于形成均匀稳定的电场。具体地，采用聚醚醚酮材料制作形成外包绝缘层后，然后将导电填料填充到外包绝缘层中，得到聚醚醚酮基导电复合材料。再利用聚醚醚酮基导电复合材料进行加工设计，制作得到第一反射器2和第二反射器4。
31.聚醚醚酮基导电复合材料中的聚醚醚酮高分子材料(peek)具有机械强度高、耐高温、耐冲击、阻燃、耐酸碱、耐水解、耐磨、耐疲劳、耐辐照、易加工性、尺寸稳定性等优点，其中优越的尺寸稳定特性保证了聚醚醚酮高分子材料零件的尺寸在温度、湿度等环境条件的变化下影响不大，可以满足对尺寸精度要求比较高工况下的使用要求。这使得本技术中离子反射器的第一反射器2和第二反射器4能够实现一体化的结构设计，从而可以以较低的成本满足高精度的机械尺寸、均匀的电阻分布及简便的安装方式，有利于形成均匀的梯度电场。聚醚醚酮基导电复合材料中的导电填料可以是碳纤维、炭黑、碳纳米管等碳系导电填料，在一个实施例中，聚醚醚酮基导电复合材料的导电填料为一种导电剂或多种导电剂混合。其中，导电剂的种类并不唯一，本实施例中，导电剂为碳纳米管。碳系导电填料具有成本
低、质轻、结构高，无毒无害等优点，在导电填料领域有着十分广泛的应用。可以理解，在其他实施例中，导电复合材料也可以是采用其他材料制作形成，只需要满足阻值与长度成正比的特性即可。
32.在本技术中，离子反射器的第一反射器2和第二反射器4形状并不唯一，可以为圆筒形、方形等，只要确保所选形状能够使离子反射器形成封闭的结构即可。本实施例中，如图2所示，离子反射器的第一反射器2和第二反射器4形状选择圆筒形，便于材料的加工。进一步地，离子反射器中第一反射器2和第二反射器4采用一体化结构，可以实现高精度的机械尺寸、均匀的电阻分布和简便的安装方式，有利于形成均匀的电场。
33.进一步地，碳纳米管占聚醚醚酮基导电复合材料的比例为0.5wt％至10wt％，wt％为质量百分比，即碳纳米管的质量占聚醚醚酮基导电复合材料总质量的0.5％至10％，在该质量百分比范围的条件下，聚醚醚酮基导电复合材料能够满足制备第一反射器2和第二反射器4的要求，保证了第一反射器2和第二反射器4的电阻随着长度的增加均匀增加。在此基础上，当碳纳米管占聚醚醚酮基导电复合材料的比例为5wt％时，聚醚醚酮基导电复合材料导电性等综合性能处于最优状态，更有利于形成均匀稳定的电场。
34.在一个实施例中，如图2所示，第一栅网电极1、第一反射器2、第二栅网电极3、第二反射器4和反射电极5依次沿中心轴对称放置，各个结构放置具有对称性能够进一步提电场的均匀性。
35.在一个实施例中，第一栅网电极1与第二栅网电极3的结构尺寸相同。具体地，可将第一栅网电极1、第一反射器2、第二栅网电极3围成的区域称为第一反射电场区，将第二栅网电极3、第二反射器4、反射电极5围成的区域称为第二反射电场区。
36.其中，第一栅网电极1作为离子反射器的第一反射电场区的引入及引出口，在允许离子通过的同时，还能保证各部分电场的均匀性，第二栅网电极3作为离子反射器的第二反射电场区的引入及引出口。第一栅网电极1与第二栅网电极3相同的结构尺寸保证了射入离子反射器中的离子在通过第一栅网电极1与第二栅网电极3时能够顺利通过，同时保证了第一反射电场区和第二反射电场区内电场的均匀性。可以理解，第一栅网电极1与第二栅网电极3的结构并不唯一，可以为网格型栅网、条状栅网等结构，同时，第一栅网电极1与第二栅网电极3的形状也并不唯一，可以为圆形、方形等形状，只需要和离子反射器中的第一反射器2和第二反射器4的形状相对应即可。本实施例中，第一栅网电极1与第二栅网电极3的结构为网格型栅网，形状为圆形。
37.在一个实施例中，第一栅网电极1、第二栅网电极3和反射电极5所加电压根据离子极性递增或递减。可以理解，本技术中射入离子反射器的离子的极性可以为正离子也可以为负离子，当离子极性为正离子时，第一栅网电极1、第二栅网电极3和反射电极5所加电压依次递增；当离子极性为负离子时，第一栅网电极1、第二栅网电极3和反射电极5所加电压依次递减。如图3所示，本实施例中，以射入离子反射器中的离子极性为正离子为例，正离子从第一栅网电极1射入离子反射器，将第一栅网电极1的电压称为u1，第二栅网电极3的电压称为u2，反射电极5的电压称为u3，u1、u2和u3依次递增，即u1《u2《u3。在第一反射电场区和第二反射电场区内形成与正离子运动方向相反的电场，使正离子在离子反射器中经过减速再转向并射出离子反射器。在其他实施例中，射入离子反射器中的离子极性为负离子，负离子从第一栅网电极1射入离子反射器，第一栅网电极1的电压u1，第二栅网电极3的电压u2，
反射电极5的电压u3依次递减，即u1》u2》u3。在第一反射电场区和第二反射电场区内形成与负离子运动方向相反的电场，使负离子在离子反射器中经过减速再转向并射出离子反射器。
38.在一个实施例中，第一反射器2和第二反射器4的深度为30cm至150cm，其中，第一反射器2的深度可以大于、等于或小于第二反射器4的深度，本实施例中，第一反射器2的深度为150cm，第二反射器4的深度为30cm，通过设置两个一定深度的反射极，可以使具有相同质荷比但初始能量不同的离子在离子反射器内实现离子的二阶聚焦，提高装置的分辨率。在其他实施例中，第一反射器2的深度也可以设计成小于或等于第二反射器4的深度。
39.具体地，第一反射器2和第一栅网电极1相连的一端电势相等，均为u1；第一反射器2和第二栅网电极3相连的一端电势相等，均为u2，通过第一栅网电极1与第二栅网电极3上的电势差及第一反射器2上的电阻(等效于阻值相等的多个电阻串联)，可以在第一反射电场区内形成与离子运动方向相反的均匀反射电场，使离子在射入第一反射电场区后的飞行速度逐渐减小并通过第二栅网电极3进入第二反射电场区。第二反射器3和第二栅网电极4相连的一端电势相等，均为u2；第二反射器4和反射电极5相连的一端电势相等，均为u3，通过第二栅网电极4与反射电极5上的电势差及第二反射器4上的电阻(等效于阻值相等的多个电阻串联)，可以在第二反射电场区内形成与离子运动方向相反的均匀反射电场，使离子在进入第二反射电场区后的飞行速度进一步减小并在飞行速度减为0之后在电场的作用下再反向加速，进而依次通过第二栅网电极3和第一栅网电极1后射出离子反射器，实现离子的二阶聚焦，提高飞行时间质谱仪的分辨率。
40.在一个实施例中，第一栅网电极1、第一反射器2、第二栅网电极3、第二反射器4和反射电极5的加工精度均小于或等于0.02mm。即加工后第一栅网电极1、第一反射器2、第二栅网电极3、第二反射器4和反射电极5表面的实际尺寸、形状和位置三种几何参数与图纸要求的理想几何参数误差均小于或等于0.02mm。加工精度为0.02mm是加工离子反射器的最低要求，若不满足该要求，加工所得反射器在正常运行情况下，第一反射电场区和第二反射电场区中的电场强度会出现明显不均匀现象，导致离子在离子反射器中飞行时的抖动时间增加。在此基础上，加工精度越高，离子反射器内电场越均匀，离子受到的电场力越均匀，从而提高整体的分辨率。
41.在其中一个实施例中，提供一种飞行时间质谱仪，包括离子发射与检测装置和上述离子反射器。如图4所示，在离子发射与检测装置中，离子在经过调制区与加速区加速后从离子发射与检测装置射出，进入无场飞行区，之后在离子反射器中经过减速和反向加速后，再从离子反射器射入无场飞行区，并最终射入离子发射与检测装置中的检测区实现检测功能。
42.其中，离子反射器包括第一栅网电极1、第一反射器2、第二栅网电极3、第二反射器4和反射电极5；第一栅网电极1连接第一反射器2，第一反射器2连接第二栅网电极3，第二栅网电极3连接第二反射器4，第二反射器4连接反射电极5；第一反射器2和第二反射器4的材料为阻值与长度成正比的导电复合材料。进一步地，导电复合材料为聚醚醚酮基导电复合材料，聚醚醚酮基导电复合材料中导电填料可以是碳纤维、炭黑、碳纳米管等碳系导电填料，在一个实施例中，聚醚醚酮基导电复合材料的导电填料为一种导电剂或多种导电剂混合。本实施例中，导电剂为碳纳米管。碳纳米管占聚醚醚酮基导电复合材料的比例为5wt％，
且第一栅网电极1、第一反射器2、第二栅网电极3、第二反射器4和反射电极5的加工精度均小于或等于0.02mm。进一步地，第一反射器2和第二反射器4的深度为30cm至150cm，其中，第一反射器2的深度可以大于、等于或小于第二反射器4的深度，通过设置两个一定深度的反射极，可以使具有相同质荷比但初始能量不同的离子在离子反射器内实现离子的二阶聚焦。
43.离子反射器的第一栅网电极1靠近无场飞行区，在离子发射与检测装置中，离子在经过调制区与加速区加速后从离子发射与检测装置射出，进入无场飞行区，离子从无场飞行区通过第一栅网电极1射入第一反射电场区后，飞行速度逐渐减小并通过第二栅网电极3进入第二反射电场区，离子在进入第二反射电场后，飞行速度进一步减小并在飞行速度减为0之后在电场的作用下再反向加速，进而依次通过第二栅网电极3和第一栅网电极1后射出离子反射器，再次进入无场飞行区，最后射入离子发射与检测装置中的检测区，实现离子的二阶聚焦，提高飞行时间质谱仪的分辨率。
44.综上，本技术提供的飞行时间质谱仪与离子反射器，通过使用聚醚醚酮基导电复合材料，利用其电阻大小跟材料的长度成正比的特性，使其随着长度的增加，电阻均匀增大，实现高精度的机械尺寸、均匀的电阻分布和简便的安装方式，最终在离子反射器内形成均匀稳定的电场，使其在保证可以获得高精度均匀电场的前提下，结构简单、安装方便。
45.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
46.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。