质谱仪离子源和质谱仪质量分析器的生产制造工艺

质谱仪离子源和质谱仪质量分析器的生产制造工艺
刘传兴，张曼玉，杲立博，牛天渭
（青岛惠安康生物工程有限公司，山东青岛 266114）
【摘要】质谱仪离子源和质谱仪质量分析器能够将化学样品分析为其组成部分的离子，并根
据其质量-电荷比进行分离和检测，是许多关键领域不可或缺的分析工具。

剖析质谱仪离子
源和质谱仪质量分析器的生产制造工艺，通过解决当前面临的技术难题、改进工艺流程以及
推动新技术的创新发展，以有效提高质谱仪离子源和质谱仪质量分析器的制造质量和性能，
为相关领域的科学研究和应用提供更加可靠和先进的分析工具。

关键词：质谱仪离子源；质谱仪质量分析器；生产制造工艺
中图分类号：TH843 文献标识码：B
DOI：10.13596/ki.44-1542/th.2024.02.075
Production and Manufacturing Process of Mass Spectrometer Ion
Source and Mass Spectrometer Quality Analyzer
Liu Chuanxing，Zhang Manyu，Gao Libo，Niu Tianwei
（Qingdao Huiankang Bioengineering Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266114, CHN）
【Abstract】Mass spectrometer ion sources and mass spectrometer mass analyzers, capable of ana⁃
lyzing chemical samples as ions of their component parts and separating and detecting them based
on their mass-charge ratio, are indispensable analytical tools in many critical areas. The author
aims to analyse the manufacturing process of mass spectrometer ion source and mass spectrometer
mass analyzer, and to effectively improve the manufacturing quality and performance of mass spec⁃
trometer ion source and mass spectrometer mass analyzer by solving the current technical prob⁃
lems, improving the process flow and promoting the innovation and development of new technolo⁃
gies, so as to provide more reliable and advanced analytical tools for scientific research and appli⁃
cation in related fields.
Key words:mass spectrometer ion source；mass spectrometer mass analyzer；production and manu⁃
facturing processes
1引言
通过优化质谱仪离子源和质谱仪质量分析器的制造工艺，可以改进关键部件的制造工艺流程以及材料选择，致力于提升质谱仪离子源和质谱仪质量分析器的性能和精度。

这将有助于提高仪器的分析精度和稳定性，从而满足科学研究和工业应用对高精度分析的需求。

2质谱仪
2.1 质谱仪概述
质谱仪是一种科学仪器，用于将化学样品分析为其组成部分的离子，并根据离子的质量-电荷比进行分离、检测和定量。

其用于确定分子的分子量、结构以及分析样品中各种化合物的相对丰度和含量。

质谱仪通常由离子源、质量分析器和数据处理系统组成，其在许多领域中具有广泛的应用，包括化学、生物化学、药物研发、环境科学以及食品安全等领域。

在质谱分析过程中，样品首先被离子源产生离子，然后离子被送入质量分析器进行分离和检测，质量分析器会根据离子的质量-电荷比对其进行分离，并产生相应的质谱图。

最后，数据处理系统将质谱图转换为可读的结果，帮助科学家识别样品中的化合物成分并量化它们的含量。

质谱仪的类型和配置各不相同，不同类型的质谱仪适用于不同的应用
场景。

常见的质谱仪类型包括质谱质谱仪、气相色谱质谱仪、液相色谱质谱仪等，这些不同类型的质谱仪在分析灵敏度、分辨率和适用样品类型等方面各有优势，能够满足不同领域对样品分析的需求。

2.2 质谱仪的重要性
质谱仪通过分析样品中的离子质量，能够确定分子的分子量以及分子结构，这在化学合成、药物研发以及生物分子研究中扮演着重要角色，它能够帮助科学家确认新化合物的结构，验证已知分子的纯度，以及发现未知化合物的结构。

质谱仪可用于分析和检测各种复杂混合物中的成分，被应用于食品安全检测、环境污染监测以及药物检测等领域，它可以快速、高效地识别样品中的各种化学成分，有助于确保产品的质量和安全性。

质谱仪能够对离子进行精确的质量分析，从而提供高精度的质量信息。

这在同位素分析、有机化学、生物医学研究以及环境科学等方面非常重要。

通过测量离子的质量-电荷比，科学家可以识别样品中存在的各种化合物，并了解它们的相对丰度和含量。

总之，质谱仪不仅推动了科学研究的发展，还为各种工业和应用领域提供了关键的技术支持。

3离子源的设计和制造工艺优化
3.1 材料选择
离子源作为质谱仪中的核心组件，其材料选择至关重要，需要具备一定的特性以保证其性能和稳定性。

许多金属材料具有良好的导热性和机械强度，使其成为离子源制造的理想选择。

例如，不锈钢具有良好的耐腐蚀性和耐高温性能，常用于离子源的结构和外壳部分。

具有良好的耐高温性和耐腐蚀性的陶瓷材料常用于离子源的内部零部件，如离子源内部的电极和离子传输通道等。

高纯度陶瓷材料能够抵抗化学腐蚀和热膨胀，从而保证离子源的稳定性和耐用性。

某些特殊合金具有优异的耐腐蚀性和高温稳定性，能够满足质谱仪在复杂环境下的工作要求。

这些特殊合金通常用于制造离子源的关键部件，如离子源的电子发射器和离子传输管道等。

在选择材料时，需要考虑离子产生过程对材料的影响，避免材料本身对离子产生和传输过程产生干扰。

同时，要确保所选材料能够满足质谱仪工作环境下的高温、高真空以及化学腐蚀等复杂条件，保证离子源的长期稳定性和可靠性。

3.2 制造工艺
制造质谱仪离子源需要经过精密的加工工艺，确保离子源内部结构的精密度和稳定性，同时保证各个部件之间的良好连接和封装。

根据离子源的设计图纸，采用精密机械加工设备对离子源的各个部件进行加工，包括精密的钻孔、车削、铣削等工艺，以确保离子源的各个部件尺寸精准，形状符合设计要求[1]。

对于离子源的金属部件，可能需要进行焊接工艺，以将不同部件连接在一起，焊接需要严格控制温度和焊接过程中的气氛，以确保焊接部位的密封性和连接强度。

将离子源的各个电子元件进行组装，包括电极、加热器、控制器等部件的安装和连接，在组装过程中需要严格控制组装精度和连接质量，确保各个电子部件能够正常工作并稳定运行。

在完成基本组装后，对离子源进行精密装配和调试，包括对各个部件的位置调整、连接的紧固以及性能的测试和调整，确保离子源在运行过程中能够稳定产生和传输离子，并满足质谱分析的要求。

在整个制造过程中，需要严格控制工艺参数和质量标准，采用先进的制造设备和精密加工工艺，以确保离子源的制造质量和性能达到设计要求，并能够满足质谱仪分析的精度和稳定性要求。

3.3 调试和测试
在制造完成后，对离子源进行严格的调试和测试是确保其性能满足预期要求的关键步骤。

这些测试旨在评估离子源的性能、稳定性和适用范围，以确保其能够正常工作并满足质谱分析的要求。

对离子源进行离子产生效率的测试，验证其能够有效地将样品分子转化为离子，检测离子产生速率、离子种类的分布以及离子产生的稳定性，确保离子源能够稳定、高效地产生所需的离子种类。

通过长时间运行和稳定性测试，评估离子源在不同工作条件下的稳定性和可靠性，包括温度变化、工作压力变化以及样品性质变化等条件下的性能表现，确保离子源能够在复杂的工作环境下保持稳定的离子产生和传输。

测试离子源的灵敏度和检测限，评估其在不同样品浓度下的检测能力，这有助于确定离子源的检测范围和灵敏度限制，并优化其工作参数，提高分析的灵敏度和准确性。

针对不同类型的样品和复杂样品矩阵，对离子源的适用性进行测试，对不同样品类型、化学性质和浓度范围的样品进行测试，以验证离子源在不同样品条件下的适用性和分析效果。

3.4 性能优化
性能优化是确保离子源能够达到最佳工作状态的关键步骤，通过根据测试结果对离子源进行进一步调整和优化，提高其效率、稳定性和分析灵敏度。

根据测试结果对离子源的电离参数进行调整，包括电压、电流、加热温度等，通过优化电离参数可以提高离子产生的效率和稳定性，从而提高质谱分析的灵敏度和准确性。

对离子传输路径进行优化，包括优化传输管道的设计和材料选择，减少离子传输过程中的能量损失和离子散射，以提高离子传输的效率和准确性。

根据性能优化需求考虑采用具有更优异特性的材料，例如具有更好导电性能或更低的气体吸附性能的材料，以提高离子源的稳定性和效率。

将离子源与质谱仪系统的其他部件进行整合和优化，确保离子源与质谱仪的其他部件之间的协调工作，提高整个系统的分析性能和稳定性，为质谱分析提供更加准确、可靠的离子源支持。

4质谱仪质量分析器的设计和制造工艺优化4.1 设计优化
设计优化是确保质谱仪质量分析器能够提供高分辨率、高灵敏度和准确质谱图的关键步骤。

优化质量分析器的离子分离通道结构，包括优化离子进入分析器的入口结构、调整离子传输的轨道和路径，以最大限度地提高离子的分离效率和准确度，从而提高分析的分辨率和精确度。

根据不同离子种类和质量范围的分析要求，优化质量分析器的电磁场参数设置，包括磁场强度、电场电压以及离子飞行时间等参数的调整，以提高质谱仪的灵敏度和分析精度[2]。

优化质量分析器的探测器结构，包括优化探测器的灵敏区域布局、增加探测器的信号采集效率以及优化信号处理算法，以提高质谱仪的检测灵敏度和信噪比，同时提高质谱图的精确度和可靠性，使其能够满足不同领域对复杂样品分析的高要求，为科学研究和工业应用提供高精度、可靠的质谱分析服务。

4.2 系统集成优化
系统集成优化是确保质谱仪各个组成部件之间协调工作和稳定性的关键步骤，确保离子源和质量分析器之间的匹配度高，使离子能够顺利进入质量分析器并得到准确的分析，需要调整离子源的输出与质量分析器的输入之间的匹配关系，确保离子能够稳定、准确地进入质量分析器进行分析。

优化质谱仪的数据采集系统，确保数据采集的准确性和稳定性，优化数据采集的速率、采样精度以及数据处理算法，以提高质谱分析的精度和可靠性。

确保质谱仪的控制系统能够准确控制和调节各个部件的工作状态，包括离子源的工作参数、质量分析器的工作模式以及数据采集系统的运行状态，以实现整个质谱仪系统的稳定性和一致性。

建立完善的故障诊断和排除系统，通过有效的故障诊断算法和排除措施，确保质谱仪在出现故障时能够及时发现并解决问题，保证质谱仪系统的稳定性和持续运行性能。

4.3 制造工艺优化
采用精密机械加工设备对质量分析器的各个关键部件进行加工，确保其尺寸精确、表面光滑，并符合设计要求，包括精密钻孔、精密车削、磨削等工艺，确保质量分析器的内部结构精密度和稳定性。

在质量分析器的制造过程中，采用先进的电子组装技术确保各个电子元件的安装精度和连接可靠性，包括对电子元件的焊接、连接和布线等工艺进行优化，保证质量分析器内部电路的稳定性和可靠性[3]。

对质量分析器的各个部件进行精密装配，确保各个部件之间的精准配合和连接紧密，通过精密装配工艺的优化，确保质量分析器的各个部件能够协调工作并保持稳定的分析性能。

建立严格的质量控制体系，确保制造过程中的每个环节都符合质量要求和标准，对原材料的质量把控、加工过程的质量检测以及最终产品的全面检测和测试，确保质量分析器的最终性能符合设计要求。

5结束语
总之，通过全面探讨质谱仪离子源和质谱仪质量分析器的生产制造工艺，强调其在分析化学领域中的重要性和广泛应用。

通过着重改进质谱仪制造工艺和技术，提高了其生产效率和分析性能，并提出了性能评估和改进建议，为质谱仪的制造和应用提供了全面而系统的指导。

参考文献
[1]周邵.基于离子漏斗的高效离子传输研究[D].宁波大学，2021.
[2]于承新，王举铎，黄泽建等.便携式质谱仪的研究进展[J].分
析试验室，2021，40（12）：1480～1488
[3]王宁.四极质谱仪数据处理系统的开发与应用[D].吉林大
学，2020.
第一作者简介：刘传兴，男，1983年10月生，汉族，山东德州人，本科，副高级工程师，研发总监，研究方向：质谱技术。

（收稿日期：2023-10-30）。