[发明专利]一种基于动量分析器的飞行时间质谱计

说明书

技术领域

本发明涉及一种分析仪器，主要涉及采用新的工作原理来解决传统飞行时间质谱计所固有的质量数与时间关系的非线性问题。采用新原理将大大扩展仪器的质量数上限，明显提升仪器的分辨本领。所发明的仪器可以用于气体成分分析、同位素分析、有机物识别、工业分压强测量、容器检漏，也可用于大气污染监测、食品安全监测、体育兴奋剂监测以及公众安全监测等领域。

背景技术

质谱分析技术是现代人类社会最重要的物质识别技术之一，无论在基础科学研究、航空航天等高科技领域，还是在与民生息息相关的食品安全、大气污染监测、公众安全监测等技术领域，都有十分广泛的用途。

与磁质谱、四极质谱和离子阱质谱等质谱分析技术相比，飞行时间质谱（time-of-flight mass spectrometry，TOF-MS）不需要质量扫描，具有即时响应的特点，特别适合对于瞬态独立事件和动态变化事件的探测；同时，TOF-MS原则上可以有很宽的质量数范围，可以探测小质量数物质（如¹H，²D）和大质量数的物质（如蛋白质，质量数成千上万）；此外，大型TOF-MS的分辨本领已经达到10⁴–10⁵,远远超过其它类型的质谱仪器。因此，目前高端TOF-MS仪器在生命科学的蛋白质组学研究领域发挥着不可替代的关键作用。从上世纪80年代开始，由于水星、火星等深空探测任务的需要，国际上开始研究小型化甚至微型化的TOF-MS仪器，其10²–10³的分辨本领足以识别基本物质和元素及其同位素，到目前已经成功应用于多种类型的空间飞行器。由此引领了另外一个重要的发展方向，也即开发小型化的便携式TOF-MS仪器，以便大量应用于中低端民生领域。

从世界上第一台TOF-MS仪器于1948年发明至今，无论是大型高端仪器，还是小型化便携式仪器，其物理基础一直是基于能量分析器原理的。也就是说，所有的离子被稳态电场加速获得相等的动能，通过同样的飞行区后，质量数不同的离子按照先后顺序陆续到达探测极板而被记录下来。其离子加速过程依据的是动能定理，即：

qE‾·ΔSacc=12mυ2---(1)]]>

式中q是离子所带电荷量，是两个加速电极之间的平均电场，ΔS_acc是加速距离。m和υ分别是离子质量和加速后的末速度。这里已经假设所有离子在抑制电场作用下初速度为0。设离子的质量数为N，也即m＝Nm₀，这里m₀＝1.67×10^-27Kg是原子质量单位，同时假设离子带电为单位电荷即q＝e＝1.6×10^-19C，离子自由漂移路径长度为L，则由(1)式可以推出离子飞行时间为：