一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞行时间质谱技术，具体为一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法。
【背景技术】
[0002]飞行时间质谱的基本原理是带电离子在加速电场作用下获得一定动能后，快速飞行到探测器从而被探测。通常为了获得可观察的电压信号，还会对信号进行电子倍增和电压放大的处理。由于带电离子的荷质比会影响离子到达探测器的时间，因此飞行时间质谱是目前质谱分析仪中的一项重要识别技术。飞行时间质谱具有时间响应快、空间分辨率强以及探测灵敏度高等特点，被广泛应用于各类基础科学研究、航空航天等高科技领域，在与民生息息相关的食品安全、生物医药、环境监测等技术领域，也都有十分广泛的用途。
[0003]飞行时间质谱上的离子信号呈脉冲型尖端形状。电压信号出现的时间取决于离子的荷质比、加速电压以及离子的飞行距离。离子信号的数目、能量以及空间分布均会影响离子信号的强度幅度和时间宽度。因此人们通常选择电压信号的面积，即电压强度对时间的积分，来表征离子信号的强度，用面积数值的相对大小表征离子信号的相对强弱。飞行时间质谱的超高灵敏度使得它可以探测少数离子，甚至可以探测单个离子。因此获得单个离子信号的具体强度数值对定量分析时间质谱至关重要。但是目前缺乏一种易于操作且能够精确获知单个离子信号强度的方法。
【发明内容】
[0004]本发明为解决目前飞行时间质谱技术中难以精确探测单个离子强度的技术问题，提供一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法，为定量分析时间质谱提供了一种易于操作，切实可行的通用技术。
[0005]本发明是采用以下技术方案实现的:一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法，包括如下步骤:
(a)控制待测离子源以脉冲形式发射离子；由待测离子源发射的离子在加速电场的作用下在真空环境中加速飞向离子探测器后被转换成相应的电流信号，再转换为相应的电压信号，并进行放大，最后输入数字示波器，得到呈现为信号峰的离子信号；
(b)调节数字示波器的触发电平，针对每个触发电平，利用洛伦兹拟合获得一个相应信号峰包围的面积值，也就是一个脉冲发射的离子信号的强度，进而得到不同触发电平下一个脉冲发射的离子信号的强度；
(C)根据上一步骤中得到的数据画出离子信号的强度与触发电平的关系曲线，并进行线性拟合，根据拟合结果反推出触发电平为零时离子信号的峰面积，即得到单个离子信号的强度值。
[0006]本发明通过常规技术手段使待测离子源以脉冲形式发射离子，进而通过离子探测器探测接收，最终在数字示波器上得到离子的信号峰；调节数字示波器的触发电平，在每个触发电平下均能得到离子源在一个脉冲中所发射离子的信号强度，也就是得到一个触发电平与一个脉冲发射的离子信号强度的关系；记录多个触发电平下的离子信号强度值，画出相应的图像，经过线性拟合就可以反推出单个离子的信号强度。
[0007]本发明所述方法可适用于不同的待测离子源，只需控制待测离子源以脉冲形式发射离子即可。所述的离子探测器、加速电场等均是本领域的常规技术。洛伦兹拟合能够提高对信号峰面积值的计算精度。
[0008]进一步的，步骤(b)中在每个触发电平下对离子源信号多次测量，即获得每个触发电平下的多个脉冲的离子信号，然后再取平均值，作为该触发电平下的一个脉冲发射的离子信号的强度。
[0009]取平均值可以使最终结果更加精确可靠。
[0010]进一步的，步骤(a)中控制离子源以纳秒脉冲发射离子。
[0011]纳秒脉冲能够保证每个脉冲发射的离子数量极少，并且可以保证时间质谱上离子信号的时间分辨，这样就可以进一步提高测量的精确度。
[0012]本发明采用洛伦兹拟合以及线性拟合，进而反推出单个离子的信号强度，所用方法结果精确可靠，操作十分简单，可以应用于对多种离子源的探测。
【附图说明】
[0013]图1测量飞行时间质谱中单个离子信号的装置示意图。
[0014]1-真空室；2_离子栗；3_待测离子源；4_加速栅网；5_微通道板；6_不锈钢电极；
7-加速栅网供电电源；8_微通道板供电电源；9_数字延迟脉冲发生器；10_离子源控制器；11-数字示波器；12_脉冲信号放大器；13_触发电平控制器。
[0015]图2飞行时间质谱。图中的触发电平是8mV，黑色实线是洛伦兹拟合，图中数据A是峰号的面积。
[0016]图3离子信号积分面积与触发电平的关系。图中线性拟合得到与y轴交点的面积值0.27V (4) *ns，即对应于单个铯原子离子信号强度。
【具体实施方式】
[0017]图1是本发明具体应用时所用装置的结构示意图。
[0018]标示I是一个真空室，压强达到10 3-10 4Pa即可。在本实验中，真空压强可以达到10 7Pa,由离子栗维持真空度。真空腔体内是飞行时间质谱的最基本结构:标示4是一个加速栅网，由加速栅网供电电源7提供恒定电压；标示3是待测离子源，本实验使用的是碱金属原子铯的离子源。标示5是两块微通道板，二者之间用薄不锈钢圆形环片隔开。为了减小探测信号的噪声，微通道板的通道方向反向放置。标示8是微通道板的供电电源。标示6是一块不锈钢电极(收集极)。标示9是一个数字延迟脉冲发生器，可产生纳秒量级甚至皮秒量级的脉冲控制信号。标示10是一个离子源控制器，用于控制离子源的产生。本实验中标示10具体采用一台脉冲染料激光器，可产生宽度为8ns的光脉冲。标示12是脉冲信号放大器，其功能是将不锈钢电极的电流信号转化为电压信号，并进行放大。标示11是一台数字示波器。用于记录和存储飞行时间质谱的信号。标示13是数字示波器的触发电平控制器。
[0019]具体探测时，数字延迟脉冲发生器9产生纳秒量级的控制信号输入到离子源控制器10，产生纳秒脉冲的光，进而得到纳秒脉冲的离子源(标示3)。或者通过使加速栅网供电电源7产生纳秒脉冲电压，同样可以得到纳秒脉冲的离子源。离子源在加速栅网4产生的加速电场的作用下加速飞向离子探测器(由标示5、6、8组成)，经过电子倍增效应得到的大量电子形成电流。通过脉冲信号放大器12将电流转换为电压信号，并进行放大，最后通入数字示波器11。
[0020]第一步:调节触发电平控制器13的触发电平，可以在数字示波器上记录不同触发电平下的离子信号，经数据处理得到电压对时间的积分面积。图2是触发电平设置为SmV时，数字示波器采集到的一幅典型的铯原子离子的飞行时间质谱信号。信号的凹陷越深、宽度越大代表电子倍增后的电子数越多。由于采集信号电路和放大电压电路中存在电容等电子元件，使得电压信号出现振荡。利用洛伦兹拟合可以获得峰信号的面积值，即可得到离子信号的强度。
[0021]第二步:测量一系列触发电平下的铯原子离子的飞行时间质谱。在相同触发电平下多次测量，取平均值，画出离子信号的积分面积(经过洛伦兹拟合后得到的面积值)与触发电平的关系，进行线性拟合得到表征单个离子信号的强度的面积数值。图3是测试的结果。可见随着触发电平的增加，离子信号的面积呈线性增加。进行线性拟合，反推到触发电平为零时的面积即是单个离子强度的定量表示。
[0022]说明:1.在使用本发明所述方法进行单离子强度测量时，应使得离子源的数目尽量少。2.在其他装置上利用本发明所述方法进行单离子强度测量时，部分装置的改变，例如离子源，离子探测器，放大器等改变时，获得的单离子面积也不同。但所述的装置，尤其是方法具有通用性。获得了单离子信号强度便可以进行定量分析。
【主权项】
1.一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法，其特征在于，包括如下步骤: Ca)控制待测离子源以脉冲形式发射离子；由待测离子源发射的离子在加速电场的作用下在真空环境中加速飞向离子探测器后被转换成相应的电流信号，再转换为相应的电压信号，并进行放大，最后输入数字示波器，得到呈现为信号峰的离子信号； (b)调节数字示波器的触发电平，针对每个触发电平，利用洛伦兹拟合获得一个相应信号峰包围的面积值，也就是一个脉冲发射的离子信号的强度，进而得到不同触发电平下一个脉冲发射的离子信号的强度； (C)根据上一步骤中得到的数据画出离子信号的强度与触发电平的关系曲线，并进行线性拟合，根据拟合结果反推出触发电平为零时离子信号的峰面积，即得到单个离子信号的强度值。2.如权利要求1所述的一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法，其特征在于，步骤(b)中在每个触发电平下对离子源信号多次测量，即获得每个触发电平下的多个脉冲的离子信号，然后再取平均值，作为该触发电平下的一个脉冲发射的离子信号的强度。3.如权利要求1或2所述的一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法，其特征在于，步骤(a)中控制离子源以纳秒脉冲发射离子。
【专利摘要】本发明涉及飞行时间质谱技术，具体为一种测量飞行时间质谱中单个离子信号的方法。解决了目前飞行时间质谱技术中难以精确探测单个离子强度的技术问题。本发明通过常规技术手段使待测离子源以脉冲形式发射离子，进而通过离子探测器探测接收，最终在数字示波器上得到离子的信号峰；调节数字示波器的触发电平，在每个触发电平下均能得到离子源在一个脉冲中所发射离子的信号强度，也就是得到一个触发电平与一个脉冲发射的离子信号强度的关系；记录多个触发电平下的离子信号强度值，画出相应的图像，经过线性拟合就可以反推出单个离子的信号强度。该方法操作简单，测量结果精确度高。
【IPC分类】G01R19/25
【公开号】CN105158551
【申请号】CN201510492655
【发明人】姬中华, 赵延霆, 肖连团, 贾锁堂
【申请人】山西大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月12日