质谱仪电子轰击源的应用禾信仪器获得发明专利授权：“电子轰击源及质谱仪”|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

禾信仪器获得发明专利授权：“电子轰击源及质谱仪”

证券之星消息，根据企查查数据显示禾信仪器（688622）新获得一项发明专利授权，专利名为“电子轰击源及质谱仪”，专利申请号为CN201610235191.9，授权日为2024年2月13日。

专利摘要：本发明涉及一种电子轰击源及含有该电子轰击源的质谱仪。该电子轰击源包括外壳、电离室、推斥电极、灯丝及离子透镜组。该电离室设在外壳内。电离室具有样品通孔、电子通孔及泄气孔。该电子轰击源及含有该电子轰击源的质谱仪通过在电离室上设置泄气孔，可以及时排出电离室内的载气，降低离子源的压力，提高样品的电离效率，从而有利于提高仪器的灵敏度。

今年以来禾信仪器新获得专利授权3个，较去年同期增加了200%。结合公司2023年中报财务数据，2023上半年公司在研发方面投入了3722.09万元，同比增19.23%。

数据来源：企查查

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质谱仪为何需要真空？简述质谱仪中真空设备的特点与应用

质谱仪，称量离子质荷比的高精尖仪器。因灵敏度高、分辨率高、分析范围广、分析速度快等特点，质谱仪如今已成为各国基础研究、科学突破和产业创新不可或缺的工具，被誉为 “科学仪器的皇冠”。

近年来，随着人类对食品、环境、生命科学、医药、新能源、新材料、地质学、环境监测、核反应研究等领域的关注，质谱仪的市场需求也稳步增长。根据 Transparency Market Research 的测算，2018-2026年全球质谱仪市场规模复合年增长率为7.7% ，预计到2025年全球质谱仪市场将超过百亿美元 ，在下游应用领域需求的拉动下，全球质谱仪市场将保持稳健增长的态势。

▲ 图1 质谱全球市场预测（单位：亿美元）来源：仪器信息网

就国内而言，质谱仪市场增速更加明显。据统计，2022年中国质谱仪行业市场规模达到137.75 亿元，同比增长12.64 %，增速快于全球。市场供需方面（如图2），2022年中国质谱仪产量和需求量分别为1.07、2.31万台，分别同比增长7.7%、6.8%。

▲ 图2 2014-2022年中国质谱仪行业市场规模及供需现状来源：智研咨询

虽然国内质谱仪市场增速明显，但目前国内质谱仪产量很大程度上来源于海外企业的国内工厂，整体市场的主要参与者仍是海外头部品牌。以2022年为例，数据显示（如图3）国内本土品牌 市场份额占比仅有15.0% ，进口品牌 市场份额占比超过85% 。

▲ 图3 2014-2022年中国质谱仪行业国产及进口品牌市场销售份额占比来源：智研咨询

随着科学技术的创新，质谱仪也在升级迭代，向着高特异性、高精准性、高通量的方向发展，成为关键领域科学研究的必备条件。质谱仪的应用场景涵盖了我国约60% 以上的国民经济领域，属国家战略性产业。我国质谱仪整体仍以进口为主，实现质谱仪国产替代和自主可控 ，已经成为我国仪器创新发展的重要内容之一。

本文介绍了质谱仪的原理与分类 ，以产品为例说明质谱仪中的真空系统的应用 ，让大家对这颗“仪器皇冠上的明珠”有更深的认识。

质谱仪的工作原理与分类

质谱仪器一般由进样系统 （Inlet System）、离子源 （Ion Source）、质量分析器 （Mass Analyzer）、检测器 （Ion Detector）、计算机系统 （Computer）五部分构成（如图4所示）。其中，离子源、质量分析器是整台仪器的核心部件。

▲ 图4 质谱仪的主要结构组成

质谱仪的工作原理可以分为以下几个关键步骤：

❶ 样品制备： 将待分析的样品制备成气态或液态，以便进行离子化。

❷ 离子化： 通过电离法或化学离子法在真空环境下将样品中的分子转化为带电荷的离子。

❸ 分离： 利用电场和磁场使不同质荷比m/e的离子在空间或时间上分离。

❹ 探测： 进入质量分析器按照质荷比依次到达离子检测器进行检测并转化为电信号，通过计算机处理绘制成质谱图，从而确定离子的质量、结构和相对含量。

质谱仪具有多种分类标准，包括应用角度、质量分析器类型和离子源类型等，图5为常用质谱仪的分类情况。

▲ 图5 质谱仪分类

质谱仪与真空技术

虽然质谱仪器发展至今已有十多种子类，但它们有一个共同特点：必须在良好的真空条件下才能正常工作 。为何质谱仪器离不开高真空环境呢？主要原因如下：

❶ 离子源电离试样分子需要在高真空条件下进行。

❷ 离子的平均自由程必须大于离子源到收集器的飞行路程。如果仪器内部不是真空环境，离子在运动过程中就会与气体分子频繁碰撞，导致离子飞行的路径改变或者发生碎裂，分析器无法分析和检测到离子。而如果真空度不足，离子同样会和真空室内的残留气体分子相撞，显著降低仪器的分析灵敏度，导致分析误差增大。

▲ 图6 FT-ICR质谱仪的离子传输过程示意动图所需真空度约为10-4 Pa

❸ 真空度不足时，会引起系统内电极之间相互放电或对地放电，使分析无法进行，严重时会损坏仪器的离子光学及电子学部件。

除此之外，仪器内氧气分压过高会影响电子轰击离子源中灯丝的寿命，电离盒内的高气压也会干扰轰击电子束的正常调节。一般来说，要求离子源的真空度在10-3～10-4 Pa ，质量分析器和检测器的真空度在10-4～10-5 Pa 。

真空环境不仅能够直接影响到质谱仪的灵敏度、分析精度和质谱图样，还会间接影响到仪器的使用寿命。所以，真空系统对于质谱仪至关重要。

质谱仪中的真空设备

质谱仪真空系统通常包括以下组件：真空室、真空泵、各种阀门和真空计 。

其中真空泵将真空室中的气体抽出，使压力逐渐下降；阀门可以控制气体的流动方向和速度，以实现对真空系统的控制；真空计可以实时监测真空室的压力变化，并将其转换为电信号，用于控制和报警。常用的真空计有热电偶、热阻和离子真空计等。

上述组件中，真空泵 作为真空获得设备，其作用不言而喻。质谱仪真空系统一般由两级真空组成，低真空和高真空。前级真空泵 一般为干式真空泵或油封泵，近年来已经出现更新换代的趋势，大量的油封泵被干式真空泵所替代；高真空泵 目前主要应用的是涡轮分子泵。设计质谱仪的真空系统，真空泵的选择是关键所在。

目前，先进分析仪器对于真空技术的需求非常复杂，主要体现在真空泵产品性能 及空间优化 两个方面。我们将以 EDWARDS 部分真空泵产品为例说明质谱仪器对于真空泵产品的要求。

1 产品性能

想要质谱仪器达到更高的灵敏度、分辨率及样品通量，真空泵不仅要确保系统真空度达标，还需快速抽空以应对大通量检测，同时满足特定真空度下的抽速要求。EDWARDS 适用于质谱仪的前级真空泵以 nXDS 干式涡旋泵、mXDS3紧凑型干式涡旋泵、nXRi 多级干式罗茨泵 及 XDD1 真空隔膜泵 为主。

其中 nXDS 系列产品在其他涡旋泵的基础上进行更新，具备出色的抽气能力，涡盘设计的优化使其极限压力更低；nXRi 多级干式罗茨泵有较好的极限真空和较高的可靠性，而新型 mXDS3 干式涡旋泵的峰值抽速更大，以上前级真空泵优良的产品性能保证了质谱仪分析结果的准确性。

▲ 图7 EDWARDS nXDS 干式涡旋泵（左） mXDS3 紧凑型干式涡旋泵（右）图片来源：EDWARDS

针对质谱仪器的高真空段， EDWARDS 研发了 nEXT SplitFlow 分流真空泵。 nEXT SplitFlow 拥有不同的转子盘及真空端口，每个端口都可以通过编程独立运行，如同将多个涡轮分子泵“融为一体”。正因为其独特的结构，nEXT SplitFlow 涵盖了高真空 (HV) 到超高真空 (UHV)，广泛适用于多种分析仪器的应用场合。产品的高压缩比是分流真空泵达到并保持所需真空度的关键指标。

▲ 图8 EDWARDS nEXT SplitFlow 分流真空泵内部结构：1.多个牵引级；2.泵内直接测温；3.轴承系统；4.可由客户自行更换的油盒；5.排气口；6.永磁轴承；7.手动排气阀；8.泵控制器图片来源：EDWARDS

2 空间优化

对于质谱仪器来说，在体积、重量、成本、功耗等诸多方面，真空泵都是“主力担当”。近年来，质谱仪器向着小型化、便携式 的方向发展，真空泵的设计更要迎合全球市场所需。

国外许多团队也致力于质谱仪器的微型真空泵研究。真空泵的紧凑设计，能够让质谱仪器更好地适应各种室内外应用场景，完成跨部门研究协作及不同工艺的研究测试等工作。

▲ 图9 从左到右分别为密歇根大学、麻省理工大学和霍尼韦尔公司开发的芯片级微型MEMS真空泵

如今，紧凑型真空泵也成为 EDWARDS 的主力产品，解决了仪器空间限制的问题。通过将多个离散的真空泵组合到单个分流真空泵中，nEXT SplitFlow 分流泵系列产品相比同等性能的独立式涡轮分子泵则更加紧凑，这使其更易于安装在空间受限的环境中。在节省空间的同时，还可以降低产品能耗。

▲ 图10 EDWARDS nEXT SplitFlow 分流真空泵图片来源：EDWARDS

分析仪器也可以轻松将紧凑型 nXRi 多级干式罗茨泵及总重不到8kg的 mXDS3 紧凑型干式涡旋泵集成到大多数真空系统中，更好地利用实验室环境，适用于质谱、电子显微镜和检漏等应用。

▲ 图11 EDWARDS nXRi 多级干式罗茨泵图片来源：EDWARDS

除了产品性能和空间优化之外，振动小、耐腐蚀性、清洁安静、成本低、维护服务好等因素也是用户选择 EDWARDS 真空泵的原因之一。比如 EDWARDS 专利轴承系统可降低振动，减小噪音，nXDS 干式涡旋泵最小噪声仅52dB(A)；改进型 nXDS-C 适用于耐腐蚀的环境，nXDS-R 版本则适用于稀有气体的在循环或者气体回收；nXRi 多级罗茨泵的新电机技术可节约能耗55%左右；nEXT 产品提供专业的保养维修服务，且拥有灵活的配置选项和定制服务， 以满足不同应用场景下的多样需求。

EDWARDS 拥有数十年与主流分析仪器制造商合作的经验，产品涉及前级泵（XDS 系列涡旋干泵、RV 和 EM 系列旋片泵、nXRi 多级罗茨真空泵）、nEXT SplitFlow 分流泵、离子泵、将离子泵和吸气剂泵结合的 Hytan 、真空计 （皮拉尼、阴冷极、热阴极和全量程复合规），为质谱仪器乃至分析仪器市场提供高效、可靠的真空解决方案。

结语

近年来，针对质谱类典型仪器技术发展及应用研究层出不穷。我国作为全球质谱市场增长速度最快的国家之一，未来将持续扩大在质谱技术方面的投入与应用，进一步促进该技术在医药和生物科技等领域的蓬勃发展。