一种直接质谱离子源空间位置参数的测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，具体涉及一种直接质谱离子源空间位置参数的测量装置及其方法。

背景技术

质谱分析技术具有灵敏度高、特异性好和适用范围广的优势，在食品安全、环境监测、医疗卫生等领域具有不可替代的作用。在直接质谱分析技术中，离子源在无需样品复杂预处理的情况下即可对目标物分子进行电离，其一般工作于大气压环境中，易受到周围环境的干扰，因而离子源与质谱仪之间的空间位置关系严重影响着离子的产生和传输效率，是调控与优化的关键因素之一。然而，由于离子源的实际工作空间狭小（一般在100 mm

例如，公告号为CN115662872 A的发明专利公开了一种电喷雾离子源和监控电喷雾的方法，采用摄像模块观察并得到离子源喷雾扩散角，但无法得到离子源与质谱进样口之间的空间位置参数。

又如，公告号为CN109187711 A的发明专利公开了一种封闭式电喷雾萃取电离源装置，虽然可以通过读取微分头刻度间接计算得到距离参数和角度参数，且可以通过摄像机实时观察，但是不能对离子源的空间位置参数进行直接测量，特别是当更换了离子源以后，新离子源的相对位置会发生改变，因而准确度不高，且实时性较差。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种直接质谱离子源空间位置参数的测量装置及其方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种直接质谱离子源空间位置参数的测量装置，包括第一离子源喷头、质谱进样口、第一摄像机、第二摄像机、计算机、接口、光源、支架以及连接套，质谱进样口水平放置，其轴线沿Z轴方向，第一摄像机竖直放置，其轴线与Y轴平行，第二摄像机水平放置，其轴线与X轴平行，第一摄像机和第二摄像机两者的轴线相互垂直；

第一离子源喷头放置在质谱进样口的前端，其轴线在水平面内，与XZ面平行，第一摄像机和第二摄像机独立设置；

接口安装在质谱进样口上，接口的侧面安装支架，第一摄像机和第二摄像机分别通过连接套安装在支架的两端，光源分别布置在第一摄像机和第二摄像机的前端，光源为第一摄像机和第二摄像机提供光强补偿。

进一步，第一摄像机、第二摄像机分别对第一离子源喷头和质谱进样口所处空间区域进行实时图像采集，并将图像输入到计算机中，然后通过算法程序对图像进行预处理，对其中的几何特征进行识别与提取，并计算几何特征尺寸，计算得到第一离子源喷头和质谱进样口之间的空间位置参数。

进一步，支架整体结构上呈“L”字形，其两端布置有第一通孔和第二通孔，分别用于安装第一摄像机和第二摄像机，其中间布置有侧臂通孔，用于安装在接口上。

进一步，连接套整体上为空心圆筒结构，侧面开直通口，中间段开半圆槽，内部布置的台阶用于第一摄像机或第二摄像机定位，其上端安装在支架的第一通孔或第二通孔中，并随其变形锁紧内部的摄像机，下端外围安装光源。

一种直接质谱离子源空间位置参数的测量方法，第一摄像机的测量方法包括如下步骤：

第一步：利用计算机控制第一摄像机采集图像，并通过算法程序进行图像预处理、几何特征识别与提取，得到几何特征的像素值；

第二步：对已知几何特征的某一实际尺寸p

第三步：提取第一离子源喷头和质谱进样口之间在水平面内的距离像素值n

第四步：在第一离子源喷头的两条边缘直线线段上各自提取两点的像素坐标值，计算两条边缘直线斜率的平均值k

第五步：计算第一离子源喷头和质谱进样口之间在水平面内的距离参数a

进一步，第二摄像机的测量方法包括如下步骤：

第一步：利用计算机，控制第二摄像机采集图像，并通过算法程序进行图像预处理、几何特征识别与提取，得到几何特征的像素值；

第二步：对已知几何特征的某一实际尺寸p

第三步：提取第一离子源喷头和质谱进样口之间在竖直方向上的距离像素值n

第四步：计算第一离子源喷头和质谱进样口之间在竖直方向上的距离参数d

进一步，该方法还可以同时分别用于两个离子源喷头的空间位置参数测量，此时的测量装置包括第一离子源喷头和第二离子源喷头。

进一步，同时用于两个离子源喷头的空间位置参数测量时，通过第一摄像机获取图像之后，可以计算得到第二离子源喷头和质谱进样口之间的在水平面内的距离参数a

进一步，同时用于两个离子源喷头的空间位置参数测量时，通过第二摄像机获取图像之后，可计算得到第二离子源喷头和质谱进样口之间的在竖直方向上的距离参数d

进一步，该方法还可以同时分别用于n个离子源喷头的空间位置参数测量，计算第n离子源喷头和质谱进样口之间在水平面内的距离、角度和竖直方向上的距离，也可以计算任意两个离子源喷头之间在水平面内的距离、角度和竖直方向上的距离。

本发明的有益效果为：1.本发明采用机器视觉光学测量方法，可以通过摄像机实时采集任一时刻离子源与质谱进样口所处空间位置的图像，同时结合数字图像处理技术，对离子源和质谱进样口之间的空间距离与角度参数进行计算求值，而这一过程一般在毫秒级时间内完成，实现了对该参数的直接获取、实时测量；

2.本发明采用非接触式光学影像测量方法，摄像机均布置在离子源的外围，对离子源工作微环境影响较小，特别地，离子源外围采用透明介质封闭时，该测量方法仍然具有一定的适用性，此时对离子源工作微环境影响更小；

3.本发明采用的摄像机、计算机等硬件以及处理算法软件具有通用性，随着技术的迭代，测量精度也会越来越高，非常有利于离子源空间位置参数的调控与优化；

4.本发明采用的两个摄像机为并联工作模式，分别布置在不同的空间位置，有效消除了两个摄像机之间的工作干扰，保证了测量过程的实时性与精准性，可以同时对单个、两个、多个离子源喷头的空间位置参数进行测量，应用在电喷雾离子源、电喷雾萃取离子源、多路离子源以及多路试剂化学反应等场景；

5.本发明采用“L”字形支架对两个摄像机进行定位与固定，摄像机位于离子源的外围，整体布局紧凑，在对不同的喷头进行空间位置参数进行测量时，装置基本不变，匹配相应的程序算法即可，具有较强的适用性。

附图说明

图1是本发明测量方法的原理图。

图2是本发明通过第一摄像机获取空间位置参数的示意图。

图3是本发明通过第二摄像机获取空间位置参数的示意图。

图4是本发明装置的立体结构示意图。

图5是本发明装置的立体结构分解示意图（不包含第一离子源喷头、第二离子源喷头、第n离子源喷头、质谱进样口、接口、计算机）。

图6是本发明装置中支架的结构示意图。

图7是本发明装置中连接套的结构示意图。

图8-1、图8-2、图8-3、图8-4、图8-5、图8-6是采用本发明测量方法，以双路离子源的空间位置参数测量为例，通过第一摄像机获取参数的过程示例图。

图9-1、图9-2、图9-3、图9-4、图9-5是采用本发明测量方法，对双路离子源的空间位置参数进行测量时，通过第二摄像机获取的参数示例图。

附图标记说明：1：第一离子源喷头，2：质谱进样口，3：第一摄像机，4：第二摄像机，5：计算机，6：接口，7：光源，8：支架，81：第一通孔，82：第二通孔，83：侧臂通孔，9：连接套，91：连接套上端，92：连接套下端，10：第二离子源喷头，11：手拧螺钉，12：紧定螺钉，13：六角螺栓，14：定位销。

实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明直接质谱离子源空间位置参数的测量方法与装置进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“横向”、“纵向”、“宽度”、“水平”、“竖直”、“X轴”、“Y轴”、“Z轴”、“XZ面”、“YZ面”等指示的方位或位置关系，是基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含的指明所指示技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“n”个的含义是至少三个，除非另有明确具体的限定。

图1是本发明测量方法的原理图，将第一摄像机3和第二摄像机4与计算机5通过数据线连接，调节摄像机的焦距使第一离子源喷头1和质谱进样口2在相机内成像最清晰，拍摄任一时刻的图像，通过计算机5中的算法程序对图像进行预处理，并进行几何特征识别与提取，然后计算出距离参数和角度参数，最后对计算结果输出显示。

图2和图3分别是本发明通过第一摄像机3和第二摄像机4获取空间位置参数的示意图。当本发明用于单个离子源喷头的空间位置参数测量时，通过第一摄像机3获取图像之后，可计算第一离子源喷头1相对于质谱进样口2在水平面内的横向距离a

当本发明用于两个离子源喷头的空间位置参数测量时，通过第一摄像机3获取图像之后，还可计算第二离子源喷头10相对于质谱进样口2在水平面内的横向距离a

当本发明用于多个离子源喷头的空间位置参数计算时，通过第一摄像机3获取图像之后，还可计算第n离子源喷头相对于质谱进样口2在水平面内的横向距离a

图4和图5分别是本发明装置的立体结构及其分解状态的示意图。图示给出了第一离子源喷头1（以及第二离子源喷头10和第n离子源喷头n）、质谱进样口2、第一摄像机3、第二摄像机4、接口6、光源7、支架8、连接套9各组成部分的安装关系。第一摄像机3和第二摄像机4分别通过电缆线与计算机5连接。接口6安装固定在质谱进样口2上。支架8与接口6通过两个六角螺栓13和两个定位销14连接安装。第一摄像机3镜头模组部分安装于连接套9内，连接套9安装于支架8的第一通孔81内。紧定螺钉12用于固定连接套9。手拧螺钉11用于锁紧固定第一摄像机3。光源7通过三个固定插销安装在连接套下端92上。同理，第二摄像机4采用与第一摄像机3类似的方式进行定位安装。

图6是本发明装置中支架8的结构示意图。图7是本发明装置中连接套9的结构示意图。支架8整体结构上呈“L”字形，其两端分别设有第一通孔81用于第一摄像机3的安装，第二通孔82用于第二摄像机4的安装。支架8的中间布置有侧臂通孔83，用于其安装在接口6上。连接套9整体上为空心圆筒结构，侧面开直通口，中间段切割出半圆槽，内部设置台阶用于第一摄像机3或第二摄像机4的定位，其上端91安装在支架8的第一通孔81或第二通孔82中，并随其变形锁紧内部的第一摄像机3或第二摄像机4，下端92外安装光源7。

下面以具有典型代表意义的两个离子源喷头空间位置参数测量应用为例，对本发明进行详细说明，具体如下：

首先将本发明装置按照前述连接关系完成调试安装，此时第一离子源喷头1和第二离子源喷头10耦合在质谱进样口2前端，然后启动并调试谱仪和两个离子源喷头直至正常工作，接着加电启动计算机5、第一摄像机3和第二摄像机4，并建立三者之间的通讯连接。

（1）第一摄像机3和计算机5的工作过程如下：

第一步：对两个离子源喷头所处的空间位置进行图像采集，得到原始图像，如图8-1所示。对原始图像通过算法程序进行预处理，得到预处理图像，如图8-2所示。

第二步：对预处理图像进行几何特征提取，得到第一离子源喷头1、第二离子源喷头10和质谱进样口2的边缘特征，如图8-3所示。

第三步：经过测量已知第一离子源喷头1的实际宽度尺寸为p

第四步：根据提取的几何边缘特征，计算出第一离子源喷头1和第二离子源喷头10的边缘直线斜率的平均值分别为k

第五步：计算出第一离子源喷头1、第二离子源喷头10和质谱进样口2之间的横向与纵向距离参数a

（2）第二摄像机4和计算机5的工作过程如下：

第一步：对两个离子源喷头所处的空间位置进行图像采集，得到原始图像，如图9-1所示，对原始图像通过算法程序进行预处理，得到预处理图像，如图9-2所示。

第二步：对预处理图像进行几何特征提取，得到第一离子源喷头1、第二离子源喷头10和质谱进样口2的边缘特征，如图9-3所示。

第三步：经过测量已知第一离子源喷头1的实际宽度尺寸为p

第四步：计算出第一离子源喷头1、第二离子源喷头10和质谱进样口2之间的竖直距离参数d

综上，本发明采用机器视觉光学测量方法，可以通过摄像机实时采集任一时刻离子源与质谱进样口所处空间位置的图像，同时结合数字图像处理技术，对离子源和质谱进样口之间的空间距离与角度参数进行计算求值，而这一过程一般在毫秒级时间内完成，实现了对该参数的直接获取、实时测量；

本发明采用非接触式光学影像测量方法，摄像机均布置在离子源的外围，对离子源工作微环境影响较小，特别地，离子源外围采用透明介质封闭时，该测量方法仍然具有一定的适用性，此时对离子源工作微环境影响更小；

本发明采用的摄像机、计算机等硬件以及处理算法软件具有通用性，随着技术的迭代，测量精度也会越来越高，非常有利于离子源空间位置参数的调控与优化；

本发明采用的两个摄像机为并联工作模式，分别布置在不同的空间位置，有效消除了两个摄像机之间的工作干扰，保证了测量过程的实时性与精准性，可以同时对单个、两个、多个离子源喷头的空间位置参数进行测量，应用在电喷雾离子源、电喷雾萃取离子源、多路离子源以及多路试剂化学反应等场景；

本发明采用“L”字形支架对两个摄像机进行定位与固定，摄像机位于离子源的外围，整体布局紧凑，在对不同的喷头进行空间位置参数进行测量时，装置基本不变，匹配相应的程序算法即可，具有较强的适用性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。