一种用于矫正飞行时间质谱仪加速电场畸变的装置的制作方法

本发明属于电磁技术领域，具体涉及一种用于矫正飞行时间质谱仪加速电场畸变的装置。

背景技术：

质谱成像在材料学、药学、生物学等领域具有广泛应用，它能同时提供物质中分子的成分分析与空间分布信息。特别是在对生物组织、细胞的分析研究中能提供其所需要的化学成分结构信息，具有重大意义。

激光解析/电离质谱是一种较为常用的质谱成像技术。一般是将样品放在一个金属表面上或涂有导电层的玻璃片上，解析激光以一定的角度(如45°)照射在样品表面上，当激光强度足够强时，有离子碎片从样品上飞出。通过质谱分析仪，如飞行时间质谱的方法,可以分析离子的质量分布和信号强度获得样品的化学成份分布等信息；另一方面，通过对样品的空间进行扫描，获得空间不同位置的质谱，得到所谓质谱成像。为了提高样品的离化率，常常在样品表面上涂以适当的基质，称为基质辅助电离质谱(maldi)。在这些实验中，承载样品的板表面均需导电。由于激光和样品表面不垂直，激光的光斑在样品表面会形成一个扩大的投影，在质谱成像中会降低成像的空间分辨率。

在激光解析/电离质谱中，另一种方法是，将样品板放到电场中，平行于电场方向，样品板采用玻璃片等绝缘材料，解析激光垂直于样品表面，如莫宇翔等人提出的一种飞行时间质谱仪中采用了该方法(wangj,liuf,moy,etal.anewinstrumentofvuvlaserdesorption/ionizationmassspectrometryimagingwithmicrometerspatialresolutionandlowlevelofmolecularfragmentation[j].reviewofscientificinstruments,2017,88(11):114102.)。这种方法的好处是：(1)样品板不充当电极功能，避免了整个靶板上电场分布不均，从而使点在样品板不同位置上的离子感应到的电场均匀，使得离子飞行时间的波动大幅减小；(2)由于样品板可采用透明材料，如石英玻璃等，可以非常方便的使用显微镜从背面观察细微样品(如细胞等)，或同时测量样品的荧光或拉曼光谱和成像；(3)由于激光垂直于样品表面，产生离子的对称性较好，且激光照射入射角度的对称性非常好，使得传统的基质辅助激光解析电离-飞行时间质量分析器(maldi-tof)的设计中造成质量偏倚性的许多因素被减弱甚至消除。该方法仅适用于多次加速、且第一加速电场相对很弱的情况，该情况下，样品板所在电场很弱，样品板极化导致的电场扭曲可忽略。而在高压的单加速电场情形下该方法并不适用，样品板的极化会导致垂直电场方向的速度过大，导致离子无法到达探测器。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种用于减少甚至抵消飞行时间质谱仪中加速电场畸变的装置。本发明的装置结构简单，可保证质谱仪加速电极形成的均匀加速电场几乎不受样品板的影响，从而离子的飞行轨迹不受畸变电场的影响，速度方向几乎与电场方向相同，提高了探测效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种用于矫正飞行时间质谱仪加速电场畸变的装置，其特征在于，该装置包括上、下两加速电极，位于两加速电极间且平行于加速电场放置的样品板，在该样品板上、下表面中的至少一个面上镀有金属膜，向所镀金属膜及上、下两加速电极提供不同的电压；当仅单面镀金属膜时，向该金属膜提供的电压为待检测样品出现最大质谱信号所对应的电压；当双面镀金属膜时，令上、下两加速电极间的净距为x，上、下加速电极的电压分别为u1，u2，则样品板上所镀金属膜的电压按照以下公式确定：

式中，d表示相应金属膜与下加速电极间的净距。

进一步地，所述金属膜的厚度在300nm～10μm之间。

本发明的特点及有益效果：

1、整套装置结构简单，仅在原有样品板基础上增加了一片或两片金属膜及其对应的电压源，金属膜可通过镀膜实现，成本较低。

2、若不需要对整个加速电场进行修正，则本装置可只镀一侧金属，进一步减小成本。

3、通过对电压的调节实现对电场的调节，进而可以控制飞出电场的离子的速度方向，从而不需要额外的偏转装置，更为方便，且在提高飞行时间质谱仪探测效率的同时也节省了相关的成本。

附图说明

图1是本发明实施例的一种用于矫正飞行时间质谱仪加速电场畸变的装置的结构示意图。

图2是本发明应用前后vuv飞行时间质谱仪测量的罗丹明b质谱图对比结果。

图3是本发明双面镀金属膜装置的仿真模型示意图。

图4是图3所示模型的纵切电势图。

图5是本发明对照组模型的纵切电势图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例的一种用于矫正飞行时间质谱仪加速电场畸变的装置，参见图1，该装置在飞行时间质谱仪中承担承载样品和加速离子的作用，是离子源的一部分。该装置具体包括上、下两加速电极1、2，位于两加速电极间且平行于加速电场放置的样品板3，在该样品板3上、下表面中的至少一个面上镀有金属膜(金属膜平行于加速电极方向设置，如图1中的4、5所示)，向所镀金属膜及上、下两加速电极提供不同的电压(其中一个加速电极可接地，本实施例中将上加速电极1接地；图中附图标记6、7分别表示用于连接下极板、上极板与外部电源的电线，类似地，附图标记8、9分别表示用于连接下金属膜、上金属膜与外部电源的电线)；当仅单面镀金属膜时，向该金属膜提供的电压为待检测样品出现最大质谱信号所对应的电压；当双面镀金属膜时，令上、下两加速电极1、2间的净距为x(该间距x的取值保证在放入样品板前两极板间的中间区域电场为均匀电场即可)，上、下加速电极1、2的电压分别为u1，u2，则样品板3上所镀金属膜的电压按照以下公式确定：

式中，d表示相应金属膜与下加速电极2间的净距。

进一步地，样品板3上、下表面所镀金属膜的厚度在300nm～10μm之间，材质可选金、银等与样品板材质结合较好的金属，镀膜工艺可采用真空镀膜等工艺，总体来说没有严格要求；样品板3用于承载待检测样品，对其厚度无特殊要求，一般选用0.5mm，材质为石英玻璃等透明绝缘材料制成。

本发明利用加电压的金属膜实现对飞行时间质谱仪工作过程中畸变电场的矫正。具体地，进行质谱分析时，首先将样品放置于样品板的受光面，然后将样品板固定于加速电极内，且保持样品板平行于加速电场方向设置；启动飞行时间质谱仪，进行质谱分析，此时调整镀膜电压可分为两种情况：

1、如果是单面镀膜，则只需要调整镀膜电压至待检测样品出现最大质谱信号所对应的电压。

2、如果是双面镀膜，需要利用上述公式(1)，即根据样品板所在位置计算上下两层金属膜分别需要施加的电压。

然后，利用附加上述装置的飞行时间质谱仪对待检测样品进行质谱分析。

本发明实施例的有效性验证：

单面镀膜实验实施例

在实施例采用上侧单面镀膜的方式，将该装置置入vuv激光解析/电离飞行时间质谱仪中对待测样品罗丹明b进行了质谱分析，该质谱仪使用vuv光作为解析激光，以飞行时间分析仪作为质谱分析仪，该质谱仪同时耦合了反射式电极以增加质谱的分辨率。本实施例中，上、下加速电极1、2的间距为10mm，上加速电极1的电压为0v，下加速电极2的电压为3500v，绝缘板3为15×3×0.5mm的上表面镀银膜的玻璃片，镀膜厚度约为300nm，金属膜所加电压为1620v，样品板上表面的金属膜与上加速电极1下表面距离为4.24mm，本实施例中所用的所有电压均为脉冲电压，相对于解析激光延时为200ns。参见图2，利用本装置得到了较为明显的特征峰信号(质荷比为443)，而未使用矫正装置时则无法得到相关信号，因此，本装置可有效矫正飞行时间质谱仪加速电场的畸变，提高飞行时间质谱仪的探测效率。

双面镀膜实施例：利用comsolmultiphysics软件进行的模拟仿真

仿真中各参数分别如下：上下极板用两片厚为0.5mm，半径10mm的圆柱替代，上圆柱电压设为0v，下圆柱电压设为3500v，二者间距10mm，而正中央为样品板，厚度0.5mm，长度10mm，高度3mm，具体位置如图3所示，而上金属膜电压为1225v，下金属膜电压为2275v，样品板的介电常数为4.2，利用以上数据可以得到如图4所示纵切电势图。在相同条件下，将未增设上、下金属膜的上述模型作为对照组，得到其纵切电势图如图5所示。由图4、5可知，增设上、下金属膜时，样品板端部的电势未见明显的扭曲，矫正效果显著。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。