一种光电离质谱演示设备 |
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| 申请号 | CN202311842255.8 | 申请日 | 2023-12-29 | 公开(公告)号 | CN117576985A | 公开(公告)日 | 2024-02-20 |
| 申请人 | 东阳市上大产业发展研究院; | 发明人 | 朱辉; 郑颖; 谢春光; 程平; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种光电离质谱演示设备，包括演示设备主体，且演示设备主体上设置改进型腔体，所述改进型腔体上设置透明 外壳 ，且改进型腔体背面反向设置一系列LED面板，所述LED面板上设置离子源工作显示区、离子传输显示区、推斥显示区、无场飞行显示区、反射显示区与MCP 信号 采集显示区，所述LED面板上设置不同背景 颜色 表示 真空 度情况。本发明所述的一种光电离质谱演示设备，模拟显示离子在飞行时间腔体的运动，显示采集过程，显示离子产生、 准直 、推斥和飞行的过程，上位机缓慢显示谱图的绘制过程，揭示质谱测量和控制过程中的影响因素，通过 可视化 有助于学生的理解，克服仅虚拟仿真让学生缺乏真实感的缺点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种光电离质谱演示设备，包括演示设备主体，且演示设备主体上设置改进型腔体，其特征在于：所述改进型腔体上设置透明外壳，且改进型腔体背面反向设置一系列LED面板，所述LED面板上设置离子源工作显示区、离子传输显示区、推斥显示区、无场飞行显示区、反射显示区与MCP信号采集显示区，所述LED面板上设置不同背景颜色表示真空度情况，其中红色为常压状态，绿色为高真空状态，且LED面板显示离子产生、准直、推斥与飞行。 |
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| 说明书全文 | 一种光电离质谱演示设备技术领域[0001] 本发明涉及质谱教学领域，特别涉及一种光电离质谱演示设备。 背景技术[0002] 光电离质谱声光演示设备是一种进行光电离质谱教学的支撑设备，质谱法具有分析速度快、灵敏度高、特异性强等诸多优势，目前已成为化学、生物学、医学、环境、真空等诸多领域的必备分析手段。质谱法的原理是通过电场或磁场将运动的离子按质荷比分离进行检测，根据测出的离子质量即可得到化合物的组成。由于质谱自身的特点，价格较为高昂，在普通高校中很难实现对学生使用质谱的有效训练。 [0003] 即使拥有质谱的教学单位，因现有的光电离质谱声光仪在使用时存在精密仪器操作的种种限制，学习人员无法在使用过程中了解光电离质谱的工作原理，这将不利于下一步使用光电离质谱仪器开展相关的研究，为此，我们提出一种光电离质谱演示设备。 发明内容[0004] 解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供了一种光电离质谱演示设备，模拟显示离子在飞行时间腔体的运动，显示采集过程，显示离子产生、准直、推斥和飞行的过程，上位机缓慢显示谱图的绘制过程，揭示质谱测量和控制过程中的影响因素，通过可视化有助于学生的理解，克服仅虚拟仿真让学生缺乏真实感的缺点，可以有效解决背景技术中的问题。 [0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种光电离质谱演示设备，包括演示设备主体，且演示设备主体上设置改进型腔体，所述改进型腔体上设置透明外壳，且改进型腔体背面反向设置一系列LED面板，所述LED面板上设置离子源工作显示区、离子传输显示区、推斥显示区、无场飞行显示区、反射显示区与MCP信号采集显示区，所述LED面板上设置不同背景颜色表示真空度情况，其中红色为常压状态，绿色为高真空状态，且LED面板显示离子产生、准直、推斥与飞行。 [0006] 作为本申请一种优选的技术方案，所述LED面板之间设置1.5mm间隔，所述LED面板上设置显示球，且显示球的大小代表离子浓度，所述显示球的颜色代表不同的m/z。 [0007] 作为本申请一种优选的技术方案，包括光电离质谱结构模型，且光电离质谱结构模型包括真空紫外灯模型、一级离子源模型、二级真空传输模型与三级真空TOF模型，所述真空紫外灯模型连接一级离子源模型的位置，所述一级离子源模型连接二级真空传输模型的位置，所述二级真空传输模型连接三级真空TOF模型的位置，所述二级真空传输模型连接有第一分子泵模型与第一真空规模型，第一分子泵模型连接有前级泵模型与第二分子泵模型，所述第二分子泵模型连接三级真空TOF模型的位置，所述三级真空TOF模型连接有第二真空规模型。 [0008] 作为本申请一种优选的技术方案，所述光电离质谱结构模型与对应的光电离质谱结构1：1设置，且光电离质谱结构模型中各极片均采用透明材料。 [0009] 作为本申请一种优选的技术方案，所述演示设备主体内部结构全部采用透明的结构模型，并配合LED显示屏获得更直观的印象。 [0010] 作为本申请一种优选的技术方案，所述演示设备主体内部结构仅通过LED显示屏显示，并利用已有的谱图模拟出质谱工作的流程。 [0011] 有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种光电离质谱声光演示设备，具备以下有益效果：该一种光电离质谱声光演示设备，模拟显示离子在飞行时间腔体的运动，显示采集过程，利用上位机电路控制，显示离子产生、准直、推斥和飞行的变化过程，并根据已有的数据资料实时显示系统状态和缓慢显示谱图的绘制。 [0012] 利用LED屏的色彩反应气压的值，给学生直观的印象，优选的采用标准颜色图的PARULA显示气压，最大值为1.0*10^5Pa，最小为1.0*10^‑5Pa，优选的对气压采用对数运算后再进行显示； [0014] 离子源工作区，当上位机设置紫外灯电压高于标准工作电压时，增加离子数的显示数目，反之减少； [0015] 传输区，当离子透镜(lens)上极板电压按照基本的电场计算规律进行计算，若中线对应的场强由0增大向上，显示离子向上偏移，反之显示离子向下偏移。四级杆区域利用simion软件先期计算并预存直流和射频的组合结果，然后根据操作者的设置电压变化进行调用； [0016] 推斥区，离子数目根据前面的调整进行显示，正常电压显示n个离子，若偏离正常电压则减少显示离子数目。推斥区电压增大，推斥区和无场区的离子运动速度显示较快； [0017] 反射区，根据运动学的知识，当调整反射区电压时候，显示离子进入的深度变化； [0018] MCP信号采集区，根据实际产生的质谱信号，进行显示。(按照10S产生一张谱图)即在MCP对应的LED屏区域按照质谱谱图时间和强度的关系，采用PARULA显示强度的对数值； [0020] 图1为本发明一种光电离质谱演示设备的整体结构示意图。 [0021] 图2为本发明一种光电离质谱演示设备中光电离飞行时间质谱仪系统示意图。 [0022] 图3为本发明一种光电离质谱演示设备中LED面板的结构示意图。 [0023] 图4为本发明一种光电离质谱演示设备中采集软件总体流程示意图。 [0024] 图中：1、真空紫外灯模型；2、一级离子源模型；3、二级真空传输模型；4、电控系统；5、脉冲时序系统；6、三级真空TOF模型；7、第一分子泵模型；8、前级泵模型；9、第二分子泵模型；10、第一真空规模型；11、第二真空规模型。 具体实施方式[0025] 下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。 [0026] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。 [0027] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0028] 如图1‑4所示，一种光电离质谱演示设备，包括演示设备主体，且演示设备主体上设置改进型腔体，改进型腔体上设置透明外壳，且改进型腔体背面反向设置一系列LED面板，LED面板上设置离子源工作显示区、离子传输显示区、推斥显示区、无场飞行显示区、反射显示区与MCP信号采集显示区，LED面板上设置不同背景颜色表示真空度情况，其中红色为常压状态，绿色为高真空状态，且LED面板显示离子产生、准直、推斥与飞行，模拟显示离子在飞行时间腔体的运动，显示采集过程，显示离子产生、准直、推斥和飞行的过程，上位机缓慢显示谱图的绘制过程，揭示质谱测量和控制过程中的影响因素，通过可视化有助于学生的理解，克服仅虚拟仿真让学生缺乏真实感的缺点。 [0029] 进一步的，LED面板之间设置1.5mm间隔，LED面板上设置显示球，且显示球的大小代表离子浓度，显示球的颜色代表不同的m/z。 [0030] 进一步的，包括光电离质谱结构模型，且光电离质谱结构模型包括真空紫外灯模型1、一级离子源模型2、二级真空传输模型3与三级真空TOF模型6，真空紫外灯模型1连接一级离子源模型2的位置，一级离子源模型2连接二级真空传输模型3的位置，二级真空传输模型3连接三级真空TOF模型6的位置，二级真空传输模型3连接有第一分子泵模型7与第一真空规模型10，第一分子泵模型7连接有前级泵模型8与第二分子泵模型9，第二分子泵模型9连接三级真空TOF模型6的位置，三级真空TOF模型6连接有第二真空规模型11。 [0031] 进一步的，光电离质谱结构模型与对应的光电离质谱结构1：1设置，且光电离质谱结构模型中各极片均采用透明材料。 [0032] 进一步的，演示设备主体内部结构全部采用透明的结构模型，并配合LED显示屏获得更直观的印象。 [0033] 进一步的，演示设备主体内部结构仅通过LED显示屏显示，并利用已有的谱图模拟出质谱工作的流程。 [0034] 利用LED屏的色彩反应气压的值，给学生直观的印象，优选的采用标准颜色图的PARULA显示气压，最大值为1.0*10^5Pa，最小为1.0*10^‑5Pa，优选的对气压采用对数运算后再进行显示，质谱过程不易观察，可视化有助于学生的理解； [0035] 系统已记录相关最优工作的时候各点的工作电压。具体显示调整为： [0036] 离子源工作区，当上位机设置紫外灯电压高于标准工作电压时，增加离子数的显示数目，反之减少； [0037] 传输区，当离子透镜(lens)上极板电压按照基本的电场计算规律进行计算，若中线对应的场强由0增大向上，显示离子向上偏移，反之显示离子向下偏移。四级杆区域利用simion软件先期计算并预存直流和射频的组合结果，然后根据操作者的设置电压变化进行调用； [0038] 推斥区，离子数目根据前面的调整进行显示，正常电压显示n个离子，若偏离正常电压则减少显示离子数目。推斥区电压增大，推斥区和无场区的离子运动速度显示较快； [0039] 反射区，根据运动学的知识，当调整反射区电压时候，显示离子进入的深度变化； [0040] MCP信号采集区，根据实际产生的质谱信号，进行显示。(按照10S产生一张谱图)即在MCP对应的LED屏区域按照质谱谱图时间和强度的关系，采用PARULA显示强度的对数值； [0041] 通过仿真模拟加之实物的配合，利用可视化帮助学生的理解，整个光电离质谱演示设备既能直观显示质谱结构、离子运动和采集数据过程使用的效果相对于传统方式更好。 [0042] 工作原理：本发明包括真空紫外灯模型1、一级离子源模型2、二级真空传输模型3、电控系统4、脉冲时序系统5、三级真空TOF模型6、第一分子泵模型7、前级泵模型8、第二分子泵模型9、第一真空规模型10、第二真空规模型11，模拟显示离子在飞行时间腔体的运动，显示采集过程，显示离子产生、准直、推斥和飞行的过程，上位机缓慢显示谱图的绘制过程，揭示质谱测量和控制过程中的影响因素，通过可视化有助于学生的理解，克服仅虚拟仿真让学生缺乏真实感的缺点，光电离飞行时间质谱仪主要由进样系统、离子源、离子传输系统、质量分析器、数据采集处理系统以及脉冲时序与电控系统几大部分组成，其中光电离源、离子调制系统以及质量分析器要求工作在真空条件下，不同类别的质谱对真空系统的要求略有差异。飞行时间质谱仪进样系统有毛细管进样、膜在线富集进样等进样方式，毛细管进样有金属毛细管和石英毛细管两种进样方式。在仪器达到真空度要求时，进样系统的作用是抽取待测气体送入到电离源。电离源采用的是真空紫外灯模型电离源。真空系统中的前级泵模型是用来提供一个初步真空度，而分子泵是用来给离子传输系统和质量分析器提供一个高真空度。 [0043] 演示仪器通过模型对真实运行的光电离质谱仪进行复刻。即使用真实仪器的工作原理。真实仪器的进样系统有一个进样口，离子源部分是从真空紫外灯模型到Skimmer1孔电极1之间的区域，该区域内部还包括灯头推斥电极和离子引出电极。离子传输系统从射频四极杆到狭缝之间的区域，此系统主要结构有射频四极杆、直流四极杆、静电透镜、Skimmer孔电极。质量分析器主要包括推斥区、加速区、无场区、反射器和检测器。光电离飞行时间质谱仪的工作过程：进样系统通过毛细管从空气中抽取待测气体送入离子源，离子源中的光电离源采用真空紫外灯模型作为电离源，在电离室将分子电离产生离子，通过在灯头推斥电极、离子引出电极和Skimmer1孔电极1上施加直流电压，产生匀强电场，在该电场的作用下，离子从Skimmer1孔电极1离开之后进入离子传输系统。从电离室出来的离子在四极杆和静电透镜的作用下聚焦成为离子束，该离子束通过狭缝进入推斥区。推斥区的推斥极上施加了高压脉冲，高压脉冲会使得离子获得初始动能，从推斥区离开然后进入加速区，加速区施加了加速电压，形成加速电场，然后推动离子从加速区进入无场区，离子通过无场区到达反射器，通过反射电场的作用将离子从无场区反射到离子检测器，最终通过DAQ2100高速数字化仪将数据采集反馈到采集软件上。 [0044] 本设计中同样对电控软件的功能进行模型化，实现电控软件的功能。显示光电离质谱仪电控箱的控制和数据显示，电控箱包含脉冲时序控制和仪器电压控制两部分，电控箱中共有三块电路板，分别是主板、射频板和中低压板，PC端上位机通过串口线连接单片机。 [0045] 通过虚拟的方法，实现电控箱模型。即主板中的开关电路负责真空控制、气路控制、中低压板、射频板、分析器和加热腔开关状态变化。使用不同的颜色标示高压模块给质量分析器部分供电，分别是一级反射电压(‑100‑0V)，二级反射电压(0‑1000V)，加速场电压(‑2000‑0V)，检测器电压(‑3000‑0V)。射频部分主要输出RF‑源、RF‑频率、RF‑偏置、RF‑幅值这四个参数，其中幅值范围在0‑400V可调，频率在1MHz‑2MHz连续可调。高压脉冲部分的正脉冲加在质量分析器的推斥极，负脉冲加在质量分析器的栅网G1上，脉冲信号的电压值范围在0‑1000V可调，频率在1kHz‑40kHz范围内可调。这些参数都是依据光电离质谱仪器长期积累的数据提供给演示仪器的数据基础。 [0046] 最后演示仪器利用已有光电离质谱积累谱图数据，让学生观察到分析的结果。在上位机软件中，除了要显示完整的MASS图和TIC图，还需要考虑操作人员的数据观察信息需求： [0047] (1)基本图形显示功能：显示完整的坐标轴，随着采集数据的变化，X轴Y轴自动调节到合适的范围，曲线易于观察。图形显示区域曲线(包括X轴和Y轴)都可以跟随鼠标的滚轮滚动从而进行放大、缩小，在鼠标触碰到曲线时，图形区域显示当前坐标。 [0048] (2)质谱图分析要素：质谱图横轴是离子的质荷比(m/z)或者飞行时间，纵轴为离子谱峰强度，在分析谱图的过程中，通过观察整体的谱图寻找谱峰，还需对指定区域，例如谱峰，进行放大，来观察曲线细节，判断此时的峰是否是一个平滑的曲线，观察谱峰的具体参数，例如半峰宽、离子谱峰强度、离子谱峰的质荷比。在实验过程中，数据采集更新曲线速度较快，为了解决操作人员还未分析完、数据就已经被更新的问题，所以在对曲线进行缩放操作后，曲线就会停止更新。此时按下快捷键，曲线又会恢复原始状态。 [0049] (3)快捷键设置功能：用户提出需求，增加快捷键设置功能，在谱图采集的过程中可以通过R键回到曲线原始状态，S键可以一键停止曲线采集。 [0050] 3)操作习惯研究 [0051] 在人机交互过程中，对于操作者来说，界面需要美观舒适，功能需要完善，运行流畅不卡顿，响应速度快。通过观察使用已有的谱图采集软件，发现有明显不符合在人工操作习惯的界面设计，实验人员进行操作时会感觉到不适，以下介绍了已有谱图采集软件存在的问题。 [0052] (1)操作人员在采集过程中进行曲线缩放操作时，曲线缩放之后数据还在更新，不能停止，不利于操作人员观察曲线特点。 [0053] (2)软件中鼠标放大缩小操作，只能用左键点击在曲线的某个位置，这个位置附近区域将按比例进行放大。鼠标不能使用左键任意框选指定区域，并按比例放大。 [0054] (3)没有设置键盘快捷键操作，在人员操作过程中，只能依赖于鼠标进行放大缩小操作和控制采集的开始与停止。针对以上缺点，提出了一种基于人工操作习惯谱图观察方案的设计，让操作者在人机交互的过程中更容易对数据进行观察。该方案在采集软件中加入了鼠标框选事件，在使用鼠标时，在视图区域按住鼠标左键框选想要的区域然后进行等比例放大，放大之后框选区域不会跳动，会呈现一个停留的状态，按下R键之后又可以回到运行状态。加入了快捷键操作，比鼠标操作更为简单快捷。 [0055] 这些通过和真实光电离质谱仪器同样的控制和结果展示，可以更进一步的让使用者熟悉光电离质谱仪器的操作。 [0056] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二(一号、二号)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、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、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。 [0057] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。 |
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