[发明专利]双聚焦质谱仪

说明书

本发明论及的是质谱仪，特别是具有一个磁扇形体分析器的质谱仪。

在磁扇形体质谱仪中，离子束在磁场中偏转的大小，由这些离子的质量和电荷的比率（m/Z）来确定。在这种仪器中，从离子源发射出的离子束首先通过一个电位V被加速后，而具有一个能量

……〔1〕

式中的U是离子被加速后的速度。如果垂直于这些离子飞行的轨道平面设置一个磁场，则这些离子将受到一个向心力，式中r代表磁场中离子轨迹的曲率半径。如果该磁场的强度为B，则磁场对离子的作用力为BZU，而有：

……〔2〕

由〔1〕和〔2〕式得

……〔3〕

在实际应用上，在磁场中固定的位置上安装有二个狭缝，因而r是确定的，并且V也保持恒定，因此可以通过改变磁场B的大小来选择不同的m/Z比率的离子。由此可见，磁场的这个作用类似于把一束白光分解成它所包含的各种光谱分量的棱镜作用，和光学透镜对一束光线的作用类似，也可以利用一个磁场来使一束离子产生方向聚焦作用，这样就可以利用磁场把一束离子分裂成不同m/Z比率的分量同时形成离子源的象，即形成一系列的聚焦象，其中每个象对应不同m/Z比率的离子。为了实现方向聚焦的作用，当然必须象利用光学透镜产生光学象一样地精确地布置物和象的狭缝的位置，以及选择磁场的形状。关于这些方法的原理和技术都是已知的。

已知，在单聚焦质谱仪中，为获得尽可能清晰的象，从而达到较高的质量分辨率，利用了磁场的方向聚焦特性和磁场的色散特性。

不管多么仔细地设计一个单聚焦质谱仪，它的分辨率始终受着通过物狭缝进入磁场的具有相同m/Z比率的离子的速度分散性的限制。在实际中，普通离子源可产生几个电子伏特的能量分散度，对一个被加速的离子束来说，它的总的能量变化（典型值为3-10Kev）通常使分辨率限于约3，000以下（10%峰谷定义）。为了得到高分辨率，必须利用一个与磁扇形体分析器相结合的能量选择装置。采用最多的类型是由相互离开恒定距离的两柱面极板构成的扇形体，在该二极板之间保持有恒定的电位梯度（E）。如果二极板间的离子束的轨迹半径为r_e，则离子所受到的力由下式给出

……〔4〕

另一方面，在磁扇形体分析器情况下，离子所具有的能量由方程〔5〕给出

……〔5〕

把这些方程结合起来，得到下述方程

r_e＝2V/E……〔6〕

因此，一个这种类型的静电扇形体分析器将按照形成离子束时离子所具有的直线运动能量来使离子束发生色散。如果采用一些窄的狭缝使r_e确定下来，就可以用静电扇形体分析器从具有明显能量分散的离子束中选择出特定能量的离子。在一个磁扇形体分析器的情况下，只要正确放置物狭缝和象狭缝并选择合适的磁场形状，利用静电分析器也可以使离子束发生方向聚焦;这种聚焦作用显著地提高了分析器的分辨率。

因而，为了提高对离子束的质量和能量的过滤作用，一些高分辨率的质谱仪采用一个静电扇形体分析器和一个磁扇形体分析器相串联的工作方式。众所周知，在这种类型的由静电扇形体和磁扇形体分析器构成的特殊组合也能产生离子束的速度聚焦以及方向聚焦;换言之当具有某一m/Z比率的离子束进入第一分析器时，只要其入射角在一定范围内，且其所具有的飞行能量也在一定的范围内，则这个离子束将被精确地聚焦在第二分析器的出射焦面的同一点上，这类质谱仪被称为双聚焦质谱仪，它们的分辨率可超过100，000（10%峰谷定义）。关于双聚焦质谱仪的设计方法，在技术上已知是公知的了。这种已知的谱仪分为两种类型，一种是具有如图1所示的Nier-Johnson几何构型的谱仪，它的构型是这样的，由第一分析器形成一个方向聚焦的实象，而这个实象作为第二个分析器的物。这相当于当物体放置在一个凸透镜焦距之外时，由此凸透镜所形成的实象的情况，与此类似，由第二分析器在探测器处形成一个实象。

另一种是具有Mattauch-Herog几何构型的谱仪，如图2所示，它不形成一个中间的实象，代之的是把第一扇形体所形成的象安排到无穷远处，第二分析器的物距也安排到无穷远处，这样便在等于第二分析器的焦距的距离上形成了一个实象。这种构型的仪器通常比具有同样功能的Nier-Johnson构型的仪器尺寸小，它提供了一个扩展的焦面，适合于将照象底板和多道探测器安装在这个面上，这样可以同时记录整个谱。