离子光学装置及质谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及质谱分析技术领域，特别是涉及一种用于质谱仪的离子光学装置及质谱仪。
【背景技术】
[0002]离子光学装置，主要用于质谱仪中作为离子传输或导引装置，以便把从离子源产生的离子导入到质量分析器。而电极阵列形式的离子光学装置，如美国专利US6107628，US8581181，以及中国专利CN201210203634等，由于设计和功能上的灵活性，在业内得到了广泛使用。
[0003]目前电极阵列的制作方式主要是直接制作分立的纯金屈电极器件，然后通过工装夹具以定位、固定。纯金屈电极制作的好处，一是加工精度可以很高，容易满足离子光学器件的需求，二是器件本身没有绝缘部分，所以不容易有电荷积累。但由于电极阵列数目较多，用这种工艺往往非常复杂、耗时，成本较高；还有就是会带来很大的电容，所以需要很大功率的电源。为了降低制作成本并减少电容，一种较好的方式是利用层叠式的印刷线路板(PCB)，将印刷线路板的边缘镀上金屈镀层作为电极，未覆盖金屈镀层的印刷线路板作为绝缘层，然后将多片印刷线路板层叠起来组成电极阵列。尽管PCB工艺成熟，但多片叠加的方式需要工装用以定位，过程比较复杂。除去印刷线路板的边缘，线路板的表面也可以镀上电极以形成离子光学器件，如美国专利US6316768中，用PCB工艺制作飞行时间质谱仪的飞行腔、加速电极、反射镜电极等，又美国专利US7498569中利用PCB工艺制作平面型直线离子阱。
[0004]另外，近年来由于微纳加工技术，特别是微机电系统(MEMS)的迅速发展，很多人开始将其应用于离子光学器件，特别是离子阱的制作。尽管相比传统IC工艺中的PCB技术，微加工技术强调立体结构，但在目前的离子光学器件中，利用的主要还是绝缘层表面的平面金屈镀层作为电极使用，如美国专利US7217922，US7402799, US8213118和US8299443
坐寸ο
[0005]尽管成熟的PCB工艺和迅速发展的MEMS工艺已有众多应用于离子光学器件的例子，但是目前为止，电极阵列本身的单元电极仅仅是作为一个电位施加点或面来使用，因此单元电极的形状是点状、直线状或矩形等简单的几何构型，如果要得到某种复杂的电位分布，需要众多的单元电极以及与之配套的电源系统，或仅能采用结构复杂的三维电极才能形成需要的对应空间电场分布。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于质谱仪中的离子光学装置，以解决现有技术中电极阵列较难实现较复杂电位分布、或即使能实现也结构复杂加工困难等技术问题。
[0007]为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种离子光学装置，包括:至少一平面绝缘基板，覆盖金屈图案以构成电极阵列，其中，所述电极阵列包括多个单元电极，所述多个单元电极根据预定义离子导引方向而排列以构成所述电极阵列的几何图案分布，所述预定义离子导引方向定义为第一方向；其中，各个相邻的且相互绝缘的单元电极施加有相位相异的射频电压以束缚离子；电极阵列中至少部分单元电极间还施加有直流电压差，驱动入射离子沿所述第一方向运动，且通过所述电极阵列的几何图案分布所形成对应电场分布，该电场分布驱动所述入射离子沿基本正交于所述第一方向的第二方向运动，以实现离子偏转、聚焦或散焦。在实现上，可以利用PCB或MEMS工艺来印刷各种平面几何形状的单兀电极具有低成本、闻精度、闻灵活性等优点。
[0008]可选的，所述电极阵列的至少部分单元电极的几何形状为一条折线或曲线，以形成与所述电极阵列的几何图案分布相对应的电场线分布。
[0009]可选的，所述离子光学装置包括:至少一对所述平面绝缘基板，设置成各自的单元电极在第二方向上相对，以于所述一对平面绝缘基板间形成电场分布使所述入射离子沿第二方向产生所述偏转、聚焦或散焦。
[0010]可选的，所述离子光学装置包括:至少两片边相接形成共用边、或至少三片边角相接形成共用角的所述平面绝缘基板，在所述平面绝缘基板上以共用边上一点或共用角为中心而向其靠近的方向上分布尺寸趋小的环状单元电极，以使所述入射离子向所述共用边上该点或共用角处聚焦。
[0011]可选的，所述离子光学装置包括:至少四片所述平面绝缘基板，环绕相接围成离子导引腔，在所述离子导引腔内表面沿所述第一方向间隔形成环形金屈电极的阵列；其中，至少两片平面绝缘基板上的至少部分环形金屈电极被一斜向绝缘条隔离成两段以形成第一单元电极及第二单元电极，使所述第一单元电极和第二单元电极均呈现沿所述预定义离子导引方向而长度递变，且在第一单元电极和第二单元电极间施加直流电压差，以驱动入射离子沿第二方向偏转的同时被聚焦。
[0012]可选的，所述的离子光学装置包括:至少四片所述平面绝缘基板，环绕相接围成离子导引腔；在所述离子导引腔内各个面上沿所述第一方向及第二方向均间隔设置多个单元电极，并在至少部分单元电极间施加不同直流电压，以形成对应电场分布驱动入射离子沿第二方向产生偏转、聚焦或散焦。
[0013]可选的，所述直流驱动电场可由射频电场所取代，所述射频电场在第二方向上产生强度不等的赝势垒，以驱动离子偏转、聚焦或散焦。
[0014]可选的，决定所述电极阵列的几何图案分布的参数包括:电极阵列中单元电极的长度、半径、曲率、及与所述第一方向的夹角中的一种或多种组合。
[0015]可选的，所述参数是沿所述第一方向逐渐变化的，以形成对应的电场分布。
[0016]可选的，所述平面绝缘基板为矩形。
[0017]可选的，所述平面绝缘基板为印刷线路板的基底，所述金屈镀层为印刷线路。
[0018]可选的，以形成所述直流或射频电场的至少部分电子元件位于所述印刷线路板上、
[0019]可选的，所述平面绝缘基板上未覆盖金屈图案的部分设有切槽或者覆盖有高电阻值的镀层。
[0020]可选的，所述平面绝缘基板和金屈图案由微纳加工工艺获得。
[0021]为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种质谱仪，包括:所述离子光学装置，用于离子导引。
[0022]可选的，所述质谱仪，包括:与所述离子光学装置联用的质量分析器。
[0023]可选的，所述质谱仪，包括:与所述离子光学装置联用的离子迁移率分析器。
[0024]如上所述，本发明提供的离子光学装置及质谱仪，包括:至少一平面绝缘基板，覆盖金屈图案以构成包括多个单元电极的电极阵列，多个单元电极根据预定义离子导引方向即第一方向排列以构成电极阵列的几何图案分布；各个相邻的且相互绝缘的单元电极施加有相位相异的射频电压以束缚离子；电极阵列中至少部分单元电极间还施加有直流电压差，驱动入射所述电极阵列所生成电场的各离子沿电极阵列作第一方向运动；且通过所述几何图案分布形成对应电场分布，该电场分布来驱动所述各入射离子沿在基本正交于所述第一方向的第二方向运动，以实现离子偏转、聚焦或散焦。本发明通过平面电极的几何结构和分布形成各种所需要的空间电场分布。在一优选实施例中，仅使用两片PCB平板，可将离子在较宽气压范围内被有效聚焦；在另一优选实施例中，离子可被偏轴传输并聚焦以降低中性噪音。在实现上，利用PCB或MEMS工艺来印刷各种平面几何形状的单元电极具有低成本、高精度、高灵活性等优点。
【附图说明】
[0025]图1a显示为本发明的离子光学装置的一实施例的结构示意图。
[0026]图1b显示为根据图1实施例，用计算机模拟得到的离子轨迹图。
[0027]图1c显示为本发明的离子光学装置实现离子聚焦的一实施例的结构示意图。
[0028]图2a显示为本发明的离子光学装置实现离子聚焦的一实施例的结构示意图。
[0029]图2b显示为图2a的部分结构示意图。
[0030]图2c显示为图2a的截面结构示意图。
[0031]图3a显示为本发明的离子光学装置实现离子聚焦的一实施例的结构示意图。
[0032]图3b显示为本发明的离子光学装置实现离子聚焦的一实施例的截面结构示意图。
[0033]图3c显示为本发明的离子光学装置实现离子聚焦的一实施例的结构示意图。
[0034]图4a及4b显示为本发明的离子光学装置实现离子聚焦的实施例的结构示意图。
[0035]图4c显示为根据图4b实施例，用计算机模拟得到的离子轨迹图。
[0036]图5a显示为本发明的离子光学装置实现周期性聚焦散焦的一实施例的结构示意图。
[0037]图5b显示为本发明的离子光学装置实现周期性聚焦散焦的一实施例的结构示意图。
[0038]图6显示为本发明的离子光学装置实现离子包束缚的一实施例的结构示意图。
[0039]图7a显示为本发明的离子光学装置实现离子偏转的一实施例的结构示意图。
[0040]图7b显示为本发明的离子光学装置实现离子偏转的一实施例的结构示意图。
[0041]图8显示为图2b的实施例的一具体实现例的结构示意图。
[0042]图9a显示为本发明的离子光学装置的一实施例的结构示意图。
[0043]图9b显示为本发明的离子光学装置的一实施例的结构示意图。
[0044]图10显示为本发明的离子光学装置应用的质谱仪的一实施例的结构示意图。
[0045]图1la显示为本发明的离子光学装置整体结构的一实施例的结构示意图。
[0046]图1lb显示为本发明的离子光学装置整体结构的一实施例的结构示意图。
【具体实施方式