一种质谱芯片

本发明涉及质谱仪器，具体涉及一种质谱芯片。

背景技术：

1、小型质谱仪是近些年质谱仪器领域最热门的发展方向之一，广泛应用于违禁品筛查、法医取证、环境污染物检测，临床检验等领域。以质量分析器为代表的离子光路系统是质谱仪最核心的部分。过去二十多年，以质量分析器的小型化为主要驱动力，极大促进了质谱整机系统的小型化发展，彻底改变了质谱分析的应用方式，实现了从传统的实验室分析到如今的现场原位检测的转变。而基于传统机械加工技术的小型化质谱仪器逐渐进入了发展的瓶颈，因为传统机械加工技术很难实现亚毫米水平的高精密加工，而且在零部件的装配上也面临了巨大的挑战。以mems为代表的微加工技术为亚毫米的器件加工提供了一理想的选择，尤其是以叠层结构为主要特征的mems平面工艺，具有工艺路线简洁、成熟度高、便于平行制造、一致性好等优点。

2、中国专利cn101063672a公开了一种离子存储与分析装置，包含两排平行放置的条状电极阵列，其电极阵列相互平行，通过在其上施加不同相位的交流电压产生多个并列的直线离子束缚区，离子在这些区域被捕获和冷却以及进行质量鉴别。但是，该技术方案并未将质量分析器之外的其他离子光学器件进行集成，尤其是检测器，其他离子检测方案都是使用外置的检测器，而且要么需要在电极上设置开口以使离子可以由此出射，要么让离子横跨多个捕获区域然后再由外置的检测器进行检测。这些方案要么破坏了电极完整性影响质量分析性能，要么需要在离子出射效率和分辨率之间进行妥协。而且，检测器的外置使其难以实现一体制造和高集成度，仍需要很多专利文本中没有提及的起到支撑和定位作用的部件完成两者的装配。

3、中国专利cn106024575a公开了一种基于mems工艺的多层结构矩形离子阱，包括上层和下层玻璃、上电极金属层和下电极金属层，以及两层玻璃之间的硅层，矩形离子阱由电极层和硅层合围成区域组成。该技术涉及到了叠层结构，但是离子阱的各个电极并非是真正的平面电极，本质上仍是一个三维结构，尤其是硅层部分，承担电极功能的面和金属层的面是垂直关系，而非平行或共面关系。这样的结构对硅层的加工有很高的要求，尽管该技术方案基于mems工艺但是受限于mems工艺现有的硅刻蚀方法，其很难在垂直方向上加工出高质量的切面。因此，这种技术方案结构比较复杂，而且实际上难以实现高精度的稳定加工，对其分析性能和批次间的一致性有很大的影响。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的质谱离子光学系统的集成度低、加工精度难以保证，仍存在离子光路系统集成度低、整体加工成本高、工艺兼容性差和加工精度低等整体设计问题，本发明的目的在于提供一种质谱芯片。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种质谱芯片，该芯片包括两个相互平行的质谱芯片平面以及设置在所述质谱芯片平面上的电极组单元；所述质谱芯片平面为完整平面，其上没有离子可以通过的开口。

4、具体地说，所述电极组单元包括第一电极组和第二电极组至少两个电极组；所述第一电极组包括至少两个分离电极对；所述分离电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个分离电极组成；通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个质谱芯片平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；所述第二电极组用于检测离子，其包括至少一个检测电极对；所述检测电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个检测电极组成。

5、进一步的，所述第一电极组至少包括第一分离电极对、第二分离电极对和第三分离电极对，通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；

6、所述第一分离电极对、第二分离电极对和第三分离电极对均为带状电极或者同轴的圆环电极。

7、进一步的，所述电极组单元还包括第三电极组；

8、所述第三电极组，用于施加直流电压，以在至少一个维度上控制离子在四极场中的运动。

9、进一步的，所述第一电极组包括同轴放置的第一分离电极对和第二分离电极对；

10、所述第一分离电极对包括两个相互平行的圆环电极；

11、所述第二分离电极对包括两个相互平行的圆形电极。

12、进一步的，所述电极组单元还包括第四电极组；

13、所述第四电极组，用于施加特定的直流电压，以在离子注入过程中实现离子束在至少一个维度上的空间聚焦。

14、进一步的，所述第二电极组为法拉第检测器或镜像电荷检测器。

15、进一步的，所述第一电极组构建的四极场以离子阱的工作方式来分离离子；

16、或者，在所述第一电极组的至少一部分分离电极对上额外施加直流电压使其以四极杆的工作方式来分离离子。

17、进一步的，所述质谱芯片平面为玻璃材料。

18、进一步的，所述电极组由玻璃通孔技术或硅通孔技术的高掺杂硅组成。

19、进一步的，所述质谱芯片包括由多个所述电极组单元构成的阵列单元。

20、和现有技术相比，本发明的优点为：

21、(1)本发明提出的质谱芯片集成了主要的离子光学器件，而且离子光学器件的所有电极均采用平面电极，放置于两个平行的平面之上。本发明所述的质谱芯片整体结构简单，极大提高了离子光学系统的集成度，高度兼容mems工艺，易于实现高精度、批量化的平行制造，能极大地降低加工成本，推动质谱仪器整机的小型化。

22、(2)本发明提出的基于两层平板结构的质谱芯片，一方面简化了传统离子阱和四极杆等质量分析器的电极结构，降低了加工难度和成本，另一方面将质量分析器和检测器进行单片集成，既提高了装配精度，又缩短了两者的距离，提高了离子检测效率。另外，本发明中的离子出射方向为x方向，与所述质谱芯片平面平行，因而检测器也相应置于质量分析器的两侧，与离子出射方向的相同。传统技术方案通常使用外置的检测器，离子出射方向垂直于平面，因而需要设置离子出口。本发明则无需破坏平面的完整性，既能保证电极不被破坏，从而不影响分析性能，又降低了加工难度，完全不用考虑开口的机械加工问题。

技术特征：

1.一种质谱芯片，其特征在于，该芯片包括两个相互平行的质谱芯片平面以及设置在所述质谱芯片平面上的电极组单元；所述质谱芯片平面为完整平面；

2.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的质谱芯片，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的质谱芯片，其特征在于，

技术总结
本发明涉及一种质谱芯片，包括两个相互平行的质谱芯片平面和电极组单元。质谱芯片平面为完整平面。电极组单元包括第一电极组和第二电极组至少两个电极组；第一电极组包括至少两个分离电极对；分离电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个分离电极组成；通过在至少一个分离电极对上施加射频电压后，在两个质谱芯片平面之间的特定区域内形成四极电场，用于束缚和分离离子；第二电极组用于检测离子，其包括至少一个检测电极对；检测电极对由分别设置在两个相互平行的质谱芯片平面上的两个检测电极组成。本发明提高了离子光学系统的集成度，高度兼容MEMS工艺，易于实现高精度、批量化的平行制造，降低成本，推动质谱仪器整机的小型化。

技术研发人员：陈池来,程玉鹏,刘友江,王晗,李山,张瑞,吴章旭,宋海蕴,王浩彬,徐椿景
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15