一种质谱仪的离子源极板清洗装置及方法与流程

1.本发明涉及质谱仪设备技术领域，特别是涉及一种质谱仪的离子源极板清洗装置、方法。


背景技术：

2.maldi-tof ms(基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪)，是一种新型的软电离生物质谱仪，其原理是用紫外激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从紫外激光中吸收能量传递给生物分子；生物分子得到能量后形成带电碎片离子，该带电碎片离子在加速电场中加速飞出，到达离子检测器并被离子检测器把离子信号放大后传输至采集卡，再经过计算机分析得出离子质荷比，进而实现对生物分子的图谱分析。
3.生物分子碎片离子的形成以及加速均是在质谱仪的真空腔室中完成的，在真空腔室的内部设置有一个承载样品的电极板，以及和该电极板之间存在电压差并形成加速电场的离子源极板。生物分子碎片离子在加速电场中加速后可以通过离子源极板上的通孔飞向离子检测器。
4.但在实际检测中，也存在部分带电离子未通过离子源极板上的通孔，而是直接飞向离子源极板表面并附着于离子源极板表面；随着生物分子碎片离子的堆积增多，显然会对离子源极板表面的电荷分布产生影响，导致加速电场扭曲，使得该加速电场无法正常为带电的生物分子碎片离子进行加速，进而影响质谱仪的正常工作。
5.为此，需要对质谱仪中的离子源极板进行定期清洗，最常规的清洗方式是将真空腔室内离子源极板拆卸出来，完成清洗后再重新组装。但这一过程中需要将真空腔室泄压又重新抽真空，因为质谱仪工作过程中对真空腔室的真空度要求较高，抽真空往往需要耗时5小时以上；并且离子源极板拆卸后重装也需要重新进行整机调试，操作过程也较为繁琐；由此可见，对质谱仪的离子源极板的清洗过程较为的耗时耗力。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种质谱仪的离子源极板清洗装置、方法，能够在一定程度上简化离子源极板的清洗难度，降低清洗成本，并保证清洗效果。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种质谱仪的离子源极板清洗装置，包括：
8.设置在质谱仪的真空腔室的外部的激光器；
9.位于所述激光器的输出光路上的激光扫描调节部件；
10.设置在所述真空腔室的侧壁上的透光通孔，以及覆盖所述透光通孔并和所述透光通孔边缘密封连接的透光玻璃；其中，所述透光玻璃位于所述激光器和所述激光扫描调节之间或位于所述激光扫描调节部件的输出光路上；
11.设置在所述真空腔室内部，位于所述激光扫描调节部件的输出光路上的反射元件；其中，所述质谱仪的离子源极板位于所述反射元件的反射光路上；
12.所述激光扫描调节部件用于对所述激光器输出的激光光束进行方向和/或位置的
调节，以使所述激光光束入射至所述反射元件上不同位置点并相应反射在所述离子源极板不同位置点上进行扫描照射。
13.在本技术的一种可选地实施例中，所述激光扫描调节部件为振镜元件。
14.在本技术的一种可选地实施例中，还包括设置在所述激光扫描调节部件的输出光路上的聚焦透镜，且所述离子源极板位于所述聚焦透镜的焦平面上。
15.在本技术的一种可选地实施例中，所述激光器为红外脉冲激光器。
16.在本技术的一种可选地实施例中，所述红外脉冲激光器为脉冲宽度可调激光器。
17.一种质谱仪的离子源极板清洗方法，应用于如上任一项所述的质谱仪的离子源极板清洗装置，包括：
18.当接收到对离子源极板清洗的指令时，控制所述质谱仪中离子源极板的清洗装置中激光器输出激光光束，以便所述激光光束依次通过激光扫描调节部件、反射元件入射至所述离子源极板；
19.控制所述激光扫描调节部件对所述激光器输出的激光光束进行方向和/或位置的调节，以使所述激光光束入射至所述反射元件上不同位置点并相应反射在所述离子源极板不同位置点上进行扫描照射。
20.在本技术的一种可选地实施例中，所述激光光束照射在所述离子源极板上的轨迹为螺旋线轨迹，且所述螺旋线轨迹在所述离子源极板上满足的螺旋线轨迹公式为：
21.x＝(r+k
·
t
·
n/2)
·
cos(t
·n·
π)；
22.y＝(r+k
·
t
·
n/2)
·
sin(t
·n·
π)；
23.其中，x、y分别为螺旋线轨迹在直角坐标标系中的横坐标和纵坐标；r为扫描起始圆半径，k为相邻圈螺旋线间距；n为扫描圈数，且n＝9/k；t为取值范围为0到2的变量。
24.在本技术的一种可选地实施例中，控制所述激光器输出激光光束，包括：
25.当所述激光光束形成的激光光斑扫描至所述离子源极板上不同位置时，控制所述激光器输出不同能量大小的激光光束；且所述激光光斑距离所述离子源极板上的通孔中心越近，所述激光光束的能量越大。
26.在本技术的一种可选地实施例中，所述激光器输出的激光光束能量大小满足能量公式：
[0027][0028]
其中，q
l
为所述激光光斑和所述离子源极板上的通孔中心的距离为l时，对应的激光光束能量，q
max
为激光光束能量上限，q
min
为激光光束能量下限；l为所述激光光斑和所述离子源极板上的通孔中心的最大距离，l0为所述激光光斑和所述离子源极板上的通孔中心的最小距离。
[0029]
本发明所提供的一种质谱仪的离子源极板清洗装置以及方法，该清洗装置包括设置在质谱仪的真空腔室的外部的激光器；位于激光器的输出光路上的激光扫描调节部件；设置在真空腔室的侧壁上的透光通孔，以及覆盖透光通孔并和透光通孔边缘密封连接的透光玻璃；其中，透光玻璃位于激光扫描调节部件的输出光路上；设置在真空腔室内部，位于激光扫描调节部件的输出光路上的反射元件；其中，质谱仪的离子源极板位于反射元件的反射光路上；激光扫描调节部件用于对激光器输出的激光光束进行方向和/或位置的调节，
以使激光光束入射至反射元件上不同位置点并相应反射在离子源极板不同位置点上进行扫描照射。
[0030]
本技术中在质谱仪的真空腔室的外侧壁上设置激光器，并且在真空腔室的侧壁上设置透光玻璃，使得激光器输出的激光光束可以通过该透光玻璃入射至真空腔室内部，并通过反射元件反射入射至离子源极板的表面，使得离子源极板表面堆积的带电离子在激光光斑的照射下被清除；此外，为了使得离子源极板上各个不同位置附着的带电离子均能够被更全面的清洗，本技术中还进一步地在激光器的输出光路上设置激光扫描调节部件，通过该激光扫描调节部件对激光器输出的激光光束的方向以及位置进行调节，使得该激光光束经过反射元件反射至离子源极板上的位置也相应的不同，最终实现对离子源极板上各个不同位置的扫描照射，进而实现离子源极板的全面清洗；无需对离子源极板进行拆卸，且激光器等部件在真空腔室之外工作，降低激光器等部件的工作要求，在简化离子源极板清洗难度的基础上，保证了离子源极板的清洗效果。
附图说明
[0031]
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]
图1为本技术实施例提供的质谱仪的离子源极板清洗装置的结构示意图；
[0033]
图2为本技术实施例提供的质谱仪的离子源极板清洗装置的剖面结构示意图。
具体实施方式
[0034]
对于质谱仪中离子源极板上附着的带电离子，在高能量密度的激光照射下被清除。为了实现在离子源极板不拆卸的情况下进行清洗，本技术中将真空腔室的外部设置激光器，并在真空腔室的侧壁上设置允许激光光束入射至真空腔室内的透光玻璃，进而在真空腔室保持封闭的状态下，也能够实现对离子源极板的照射，相对于将激光器置于真空腔室内部而言，激光器在常规大气环境下工作，对激光器的工作要求更低，且便于激光器的故障维修；在此基础上还对激光光束照射离子源极板上的位置进行调节变化，保证离子源极板的清洗效果。
[0035]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
如图1和图2所示，图1为本技术实施例提供的质谱仪的离子源极板清洗装置的结构示意图，图2为本技术实施例提供的质谱仪的离子源极板清洗装置的剖面结构示意图。该清洗装置可以包括：
[0037]
设置在质谱仪的真空腔室1的外部的激光器3；
[0038]
设置在真空腔室1的外侧壁上，且位于激光器3的输出光路上的激光扫描调节部件4；
[0039]
设置在真空腔室1的侧壁上的透光通孔，以及覆盖透光通孔并和透光通孔边缘密封连接的透光玻璃10；其中，透光玻璃10位于激光器3和激光扫描调节部件4之间或者位于激光扫描调节部件4的输出光路上；
[0040]
设置在真空腔室1内部，位于激光扫描调节部件4的输出光路上的反射元件5；其中，质谱仪的离子源极板2位于反射元件5的反射光路上；
[0041]
激光扫描调节部件4用于对激光器3输出的激光光束进行方向和/或位置的调节，以使激光光束入射至反射元件5上不同位置点并相应反射在离子源极板2不同位置点上进行扫描照射。
[0042]
参照图1和如图2，激光器3设置在真空腔室1的外侧壁，而离子源极板2是位于真空腔室1内，因此，本实施例中在真空腔室1的侧壁上设置透光通孔，再在该透光通孔上密封覆盖设置透光玻璃10，使得激光光束可以从该透光玻璃10入射至真空腔室1内部。
[0043]
可以理解的是，为了保证真空腔室1内的密封真空状态，该透光玻璃10和透光通孔的边缘位置之间可以采用密封圈连接，进而保证该透光通孔的气密性。
[0044]
当然为了保证较好的密封效果，在实际应用中，本实施例中的透光玻璃10还可以包括两层钢化玻璃，该两层钢化玻璃分别从透光通孔朝向真空腔室1内部一侧以及朝向真空腔室1外部一侧和透光通孔的边缘密封连接，并在两层钢化玻璃之间的空间内填充入较为稀薄的空气，从而使得两块钢化玻璃两侧的气压差不至于过大，从而保证透光玻璃10的和真空腔室1的侧壁之间连接的安全性和紧固性。
[0045]
进一步地，考虑到激光光束经过透光玻璃10之后，可能无法直接入射至离子源极板2的表面，为此，本实施例中进一步地在真空腔室1内设置反射元件5，使得激光光束经过该反射元件5反射之后即可反射至离子源极板2的表面。
[0046]
此外，激光器3输出的激光光束照射至离子源极板2表面可以形成一个激光光斑，那么激光光束显然也仅仅只能对该激光光斑所在位置点进行清洗。为了保证离子源极板2的清洗效果，本实施例中还进一步地设置有激光扫描调节部件4，该激光调节部件4可以设置在真空腔室1的内部也可以设置在真空腔室1的外部。当该激光调节部件4位于真空腔室1的内部时，真空腔室1的侧壁上的透光玻璃10也就位于激光器1和激光扫描调节部件4之间的光路上；而当该激光调节部件4位于真空腔室1的外部，真空腔室1的侧壁上的透光玻璃10也就位于激光扫描调节部件4的输出光路上。
[0047]
该激光扫描调节部件4可以对激光光束的方向和/或空间位置进行调节；可以理解的是，激光扫描调节部件4对激光光束的方向和空间位置进行调节的过程中，该激光光束应当保证始终能够入射至反射元件5的反射面。
[0048]
以激光扫描调节部件4调节激光光束的方向为例，当激光光束随着激光扫描调节部件4的调节作用其输出方向发生变化，只要其方向的变化幅度不至于过大，保证激光光束仍然能够照射至反射元件5的反射面上，且经过该反射元件5的反射仍然可以入射至离子源极板2的表面即可。显然，当激光光束的输出方向变化过程中，激光光束照射到离子源极板2表面的位置点也必然发生变化，由此即可通过控制激光光束的方向变化，实现激光光束在离子源极板2表面扫描照射。
[0049]
以激光扫描调节部件4调节激光光束的方向为例，当激光光束沿垂直于激光光束的方向平移，即激光光束的方向不变，仅仅空间位置发生移动，显然，其入射至反射元件5的
反射面位置以及经过反射元件5反射至离子源极板2的位置也相应的发生变化，由此即可实现激光光束对离子源极板2表面不同位置的扫描照射。可以理解的是，即便仅仅对激光光束的空间位置进行调节，也同样应当遵循激光光束始终可以入射至反射元件5的反射面上；在实际应用中，可以将反射元件5的反射面设置的足够大，保证激光光束能够通过反射元件5的反射面反射至离子源极板2所有需要清洗的位置点。
[0050]
对于激光扫描调节部件4可以采用多种不同的光学结构元件。例如，如果仅仅只对激光光束的方向进行调节，该激光扫描调节部件4可以是可旋转的反射镜，且该反射镜可以绕至少两个不相互平行的旋转轴旋转，进而实现该激光光束向不同方向的调节。
[0051]
当激光扫描调节部件4仅仅对激光光束进行空间位置上的调节时，可以利用多个反射镜，通过改变光程实现激光光束由透光玻璃10输出时的空间位置。
[0052]
在本技术的另一可选的实施例中，该激光扫描调节部件4还可以采用振镜元件。振镜元件本质上也包括x振镜和y振镜两个不同的反射镜，以及配套的其他透镜光学元件，其原理也是通过x振镜和y振镜的偏转角度的变化实现光路的调节。振镜元件是目前较为成熟的光学元件，本实施例中可以直接采用常规的振镜元件实现对激光器输出的激光光束的方向以及空间位置进行调节。结合常规振镜元件的基本工作原理可知，该振镜元件即可以实现对激光光束方向的调节，也可以实现对激光光束的空间位置的调节，对此，本实施例中对其原理不做详细赘述。
[0053]
当然，在实际应用中，可以考虑采用多个点阵分布的激光器3组成的面光源同时输出相互平行的激光光束，且各个激光器3构成的面光源形状和离子源极板2的形状相配合，各个激光器3输出的激光光束分别照射至离子源极板2上不同的位置点，从而在无需改变激光器3输出的激光光束的方向的基础上也能够实现离子源极板2的全面清洗。
[0054]
需要说明的是，在上述论述中，是以反射元件5的位置保持固定不变为例进行说明的，在实际应用中，也可以同时利用激光扫描调节部件4和反射元件5共同实现激光光束入射至离子源极板2位置的调节。
[0055]
此外，为了保证清洗效果，本实施例中的激光器3，可以考虑采用红外激光器。离子源极板2为不锈钢材质的极板，该离子源极板2表面附着堆积的物质一般均为有机物离子。红外激光器输出的红外激光照射离子源极板2表面，可使得离子源极板2表面附着的有机体产生放射、穿透、吸收、共振的效果，从而能达到很好的清洗效果，而不损伤离子源极板2的不锈钢表面。
[0056]
上述红外激光器还可以进一步地选用红外脉冲激光器，由于红外脉冲激光器在小的标称功率下也能获得具有较大瞬间峰值功率和能量的激光光束；该激光光束的大部分能量都作用在离子源极板2表面的附着物上，作用时间短、热量残留小，由于离子源极板2表面的热量残留小，导致脉冲激光作用在不锈钢的离子源极板2上产生的损伤也小。
[0057]
更进一步地，红外脉冲激光器可以为脉宽可调激光器，激光的脉冲宽度，是指激光功率维持在高峰值所持续的时长；由于不同材质对激光的适应能力不同，因此，在实际应用中，可以基于离子源极板2的具体材质不同，选择调整合适的脉冲宽度，使得红外脉冲激光器输出的激光光束能够尽可能的清除离子源极板表面的有机物离子的基础上，降低激光光束对离子源极板的损伤。
[0058]
另外需要说明的是，本技术为了进一步地提升激光器3输出的激光光束对离子源
极板2表面的离子的清洗效果，还可以进一步地在激光扫描调节部件4的输出光路上设置聚焦透镜，使得激光光束经过该聚焦透镜之后，激光光斑更小，进而使得激光光斑的能量密度更高，从而达到更好的清洗效果。
[0059]
在具体的实施例中，该聚焦透镜可以设置在反射元件5的反射光路上，也可以设置在反射元件5和透光玻璃10之间，只要离子源极板2位于聚焦透镜的焦平面或等效焦平面上即可。
[0060]
综上所述，本技术中在质谱仪的真空腔室的外侧壁上设置激光器，同时还在真空腔室的侧壁上设置透光通孔和透光玻璃，使得激光光束可以通过该透光玻璃入射到真空腔室内，对真空腔室内的离子源极板进行扫描照射，实现对离子源极板表面附着的带电离子的清除；在此基础上，还进一步地在真空腔室的外侧壁上，激光器的输出光路上设置激光扫描调节部件，该激光扫描调节部件可以对激光器输出的激光光束的方向和空间位置进行变化调节，使得该激光光束最终经过反射元件反射之后入射至离子源极板表面的位置也是可变化调节的，从而实现离子源极板表面的全面清洗。本实施例中将激光器和激光扫描调节部件均置于真空腔室的外侧壁，使得激光器和激光扫描调节部件均可以位于常规的大气环境工作，无需置于真空环境工作，在一定程度上降低激光器和激光扫描调节部件的工作要求，且有利于激光器和激光扫描调节部件的维护和维修。由此可见，本技术中在简化离子源极板的清洗难度的基础上，降低清洗装置的维护成本，并保证清洗效果。
[0061]
基于上述质谱仪中离子源极板的清洗装置的实施例，本技术还提供了一种质谱仪中离子源极板的清洗方法实施例，该清洗方法应用于上述质谱仪中离子源极板的清洗装置。该清洗方法包括：
[0062]
当接收到对离子源极板清洗的指令时，控制质谱仪中离子源极板的清洗装置中激光器输出激光光束，以便激光光束依次通过激光扫描调节部件、反射元件入射至离子源极板；
[0063]
控制激光扫描调节部件对激光器输出的激光光束进行方向和/或位置的调节，以使激光光束入射至反射元件上不同位置点并相应反射在离子源极板不同位置点上进行扫描照射。
[0064]
该激光扫描调节部件对激光器输出的激光光束进行方向和/或位置调节过程中，使得激光光束经过不同位置的反射元件反射后入射至离子源极板表面的位置也产生相应的变化。为了实现离子源极板表面更全面的扫描清洗，该激光光斑在离子源极板表面的扫描路径可以是弓形路径、点阵分布路径、多圈同心环路径以及螺旋线路径。
[0065]
以螺旋线路径为例，以离子源极板表面所在平面建立平面直角坐标系，激光光斑在该平面直角坐标系中的坐标轨迹公式为：
[0066]
x＝(r+k
·
t
·
n/2)
·
cos(t
·n·
π)；
[0067]
y＝(r+k
·
t
·
n/2)
·
sin(t
·n·
π)；
[0068]
其中，x、y分别为螺旋线轨迹在直角坐标标系中的横坐标和纵坐标；r为扫描起始圆半径，k为相邻圈螺旋线间距；n为扫描圈数，且n＝9/k；t为取值范围为0到2的变量。
[0069]
对于上述相邻圈螺旋间距k的设定，可以基于质谱仪的使用频次而设定，质谱仪的使用频次越高，该k值越小，反之，质谱仪的使用频次越低，该k值越大，而对于k值的具体取值大小，可以基于反复试验确定最佳取值。
[0070]
例如，在本技术的一种可选地实施例中，可以包括：
[0071]
当质谱仪使用频次小于一百万次，设定k＝1.5，n＝6，此时清洗设置清洗效果最佳，对极板影响最小；
[0072]
当质谱仪使用频次介于一百万次和一千万次之间时，设定k＝0.6，即n＝15时，此时清洗设置清洗效果最佳，对极板影响最小；
[0073]
当质谱仪使用频次大于一千万次时，设定k＝0.1，即n＝90时，此时清洗设置清洗效果最佳，对极板影响最小。
[0074]
需要说明的是，质谱仪的使用频次也即是紫外激光器输出紫外激光激发样品次数。
[0075]
可选地，对于离子源极板而言，其表面附着堆积的离子量并不是均匀分布的，一般而言，越靠近离子源极板上的通孔中心的位置，离子堆积量越大。因此，为了提升对离子源极板表面的清洗效果，在本技术的一种可选的实施例中，控制激光器输出的激光光束的过程可以包括：
[0076]
当激光光束形成的激光光斑扫描至离子源极板上不同位置时，控制激光器输出不同能量大小的激光光束；且激光光斑距离离子源极板上的通孔中心越近，激光光束的能量越大。
[0077]
在实际对离子源极板表面进行激光扫描过程中，可以控制激光光斑由离子源极板上的通孔边缘位置逐渐向远离离子源极板上的通孔的位置扫描，进而控制激光能量由最大逐渐减小。激光光斑也可以由距离离子源极板上的通孔最远的位置逐渐向靠近离子源极板上的通孔的位置扫描，激光能量由小逐渐增大。
[0078]
在对激光光束的能量进行调节过程中，可以直接控制激光光束的有效功率，或者也可以控制脉冲激光光束的脉冲宽度等。
[0079]
对于激光器输出的激光光束的能量变化和激光光斑扫描离子基板表面位置之间可以满足能量公式：
[0080][0081]
其中，q
l
为激光光斑和离子源极板上的通孔中心的距离为l时，对应的激光光束能量，q
max
为激光光束能量上限，q
min
为激光光束能量下限；l为激光光斑和离子源极板上的通孔中心的最大距离，l0为激光光斑和离子源极板上的通孔中心的最小距离。
[0082]
对于上述激光光束的能量上限和能量下限的大小，可以基于质谱仪的使用频次设定，质谱仪的使用频次越高，该能量上限和能量下限越大，反之，质谱仪的使用频次越低，该能量上限和能量下限越小。
[0083]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
[0084]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。