[发明专利]石墨烯电极用于质谱仪中离子信号的快速检测装置和方法

说明书

本发明涉及质谱分析仪器技术领域，特别涉及一种石墨烯电极用于质谱仪中离子信号的快速检测装置和方法。包括质谱仪质量分析器、石墨烯电极、石墨烯电极组、以及电流或电压测量装置；石墨烯电极安装在质谱仪质量分析器离子引出端一侧，石墨烯电极上设置供离子穿过的多个小孔，用于从质谱仪质量分析器中分离出的离子的通过；其中：当石墨烯电极组为2个电极时，电流和电压检测装置直接和这2个电极相连接；当石墨烯电极组为3个或者3个电极以上时，可以分别测量离子通过每一个石墨烯电极上的电流信号，也可以测量离子通过相邻二个电极时所产生的电流信号。本发明石墨烯材质具有优良的导电性，较高的强度，稳定性，减少电极材料的更换。

技术领域

本发明涉及质谱分析仪器技术领域，特别涉及一种石墨烯电极用于质谱仪中离子信号的快速检测装置和方法。

背景技术

质谱仪器是目前分析仪器中的高端科学仪器之一，它可以快速，准确，高灵敏地分析样品中各种化学成分，被广泛地用于科学研究，环境保护，医药卫生，食品安全等各个领域。质谱仪器分析化学成分时，它的基本工作原理是，将产生的样品离子，即各种分子离子置于电场或磁场中，然后根据离子在电场或磁场中的运动过程与离子的质荷比有关而将它们在空间，或时间上的不同而将它们进行分析。测量被空间或时间上被区分开的不同质荷比的离子信号即可获得质谱分析结果。根据质量分析器所依赖的原理的不同，如是利用哪种电场，或磁场来区分离子，质谱仪器被划分为几大类，如磁质谱，飞行时间质谱，四极质谱，四极离子阱质谱，轨道离子阱质谱，和离子回旋共振质谱等。虽然质谱仪器的原理和种类各有不同，但都会由下列几个主要部分所组成，即产生样品分子离子的离子源，区分离子质荷比的离子质量分析器，和离子信号探测装置等。质谱仪中的离子信号探测装置是质谱仪器的核心部件之一，它的作用是获得对应于离子和离子数量的质谱信号。通常用于探测离子的方法有几种，其中一种即离子探测器，或电子倍增器，包括通道电子倍增器和微通道板电子倍增器。它们被广泛用于目前几乎所有的磁质谱，四极质谱，离子阱质谱和飞行时间质谱仪器中。它的工作原理如图1所示，其基本工作过程是，当具有一定能量的离子撞击到离子探测器的表面时，将产生多于一个的二次电子，二次电子在离子探测器的工作电压作用下将继续撞击离子探测器表面，产生越来越多的电子，如此一直下去，直到最后从离子探测器尾端输出与入射离子相关的电子流，记录这个电子流信号，即获得对应于某种质荷比的质谱信号。

离子探测器属于质谱仪器中的消耗品，即目前所用的电子倍增器都存在一定的使用寿命，其原因主要为：(1)所有的电子倍增器都会由于其制造材料的老化而老化，其结果是它的电子倍增效率会越来越低，即对于相同的入射离子，所获得的质谱信号会越来越弱；因此，所有的电子倍增器都有一定的使用寿命；(2)不同电子倍增器制造厂家，不同批次所制作的电子倍增器都有可能会由于所用的材料或工艺的差异导致其最终的电子倍增效率不同，因此可能造成相等数量的入射离子所产生的质谱信号大小不相等；(3)理论上，由质量分析器所输出的N个离子在离子探测器中所产生的二次电子总量应该等于一个离子的N倍，但由于材料的二次电子发射能力都是有限的，如果在极短时间内有大量的离子或电子撞在电子倍增器的极小面积的表面上，往往所产生的二次电子数目往往会有一个上限，造成所谓的信号“饱和”现象，导致定量分析结果不准确。(4)实验表明，电子倍增器还往往存在质量歧视效应，即一个质荷比大，体积往往也大的离子与一个质荷比小，体积往往也小的离子所产生的二次电子数量不一样，最后导致相同数目的“大离子”和“小离子”所产生的质谱信号强度不一样，造成分析结果的不准确。作为消耗品的电子倍增器不仅价格较贵，更换也不方便。

鉴于离子探测器，即电子倍增器对于质谱仪器的重要性以及电子倍增器本身的缺陷，本发明给出了一种全新的用于质谱仪器的离子信号检测装置和方法。此装置和方法中，采用石墨烯电极和与石墨烯电极相连接的电流和电压测量装置。石墨烯电极上被加工有可以使离子通过的众多小孔。此种电极被安装在任何一种质量分析器的离子引出端；根据电磁学原理，当离子穿过石墨烯电极时，将产生电流信号。测量离子穿过石墨烯电极所产生的电流信号，即获得对于于这些离子的质谱信号。和传统的利用电子倍增器测量离子质谱信号的设备和方法。本发明具有装置结构简单，成本低，难以被损坏，不会发生饱和和质量歧视效应，能实现离子质谱信号的高灵敏度测试等。