CN101005002A - 优化场形四极杆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有优化场形且易于加工的四极杆。该优化场形四极杆可作为杆形离子质量分析器、离子阱离子质量分析器、线性离子阱或离子导引使用。优化场形四极杆包括至少四个平行于质量分析器中心轴z轴的RF电极和生成RF离子捕获电场的射频电压，其中，RF电极为柱面体结构，其柱面是由平行于z轴并沿电极准线f(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹，具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点且平行平面可将x电极或y电极解析为至少两个薄层单元。此类可解析为多个薄层单元的电极易于加工与装配，通过调整薄层单元的参数可获得优化的四极场场形，从而改善四极质量分析器的分析性能。

Description

优化场形四极杆

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，具体来说涉及一种可作为杆形离子质量分析器、离子阱离子质量分析器、线性离子阱或离子导引使用的四极杆，特别是涉及一种具有优化场形且易于加工的四极杆。

背景技术

质谱仪器中常常涉及到离子光学系统中的多极杆。通常，四极杆可用作杆形离子质量分析器、离子阱离子质量分析器、线性离子阱或离子导引。

四极杆质量分析器是一种利用离子在射频电场按质荷比m/z大小依次处于稳定状态并可稳定穿过四极杆质量分析区域到达离子检测器，实现质谱测量的装置。

四极离子阱是一种特别的装置，它既可作为离子储存装置，在一定的时间周期内将气态离子限制在离子阱内的四极场区域中，又可作为质谱仪器的质量分析器开展质谱分析，并具有相当大的质量范围和可变的质量分辨率。

线性离子阱是近年来新出现的一种离子阱类型。线性离子阱由延长的且平行放置的多个极杆组成，该极杆系将确定离子阱的容积，通过在极杆上接入RF射频电压和DC直流电压，即可在垂直于离子阱中心轴的平面上产生二维的四极场，由于仅在二维实现离子的强聚焦，所捕获的离子可在中心轴附近分布，大大提高了离子捕获数。美国专利5420425描述了一种由三组四极杆组成的二维线性离子阱，中间的一组四极杆作为主四极杆，其中一对主极杆上设计了狭缝，离子可通过该狭缝实现注入与出射；两端的两组四极杆既可实现在轴向限制阱中捕获离子的运动，又可改善主四极杆内的四极场，当各极杆均采用双曲极杆，可获得近似理想的四极场。

上述离子阱需要准确的机械加工过程，如加工、装配等，而这样高精度机械加工是相当复杂的，也就成为了限制小型便携离子阱质量分析器的主要因素。美国专利6838666 B2提出了一种矩形线性离子阱，该离子阱中，四片矩形平板电极平行于轴线放置，围成具有矩形截面的离子阱，在各个平板电极上接入RF射频电压和DC直流电压，可在离子阱内产生四极场，实现离子的二维聚焦；通过引入端电极，实现在轴向限制离子运动。矩形离子阱解决了线性离子阱的高精度机械加工问题，但同时又带来了新的问题，即四个平板电极所产生的四极场中含有较为显著的高阶场，如十二极场，二十极场等，使得离子运动具有较大的不确定性，从而影响离子阱质量分析器的质量分辨率。

早期的场形研究结果认为高阶场的引入将会破坏四极质量分析器的质量分辨率，而最新的研究成果表明，恰当的引入高阶场分量，可有效改善四极质量分析器的分辨率。如，美国专利6897438 B2中通过改变四极杆系参数，如，两对极杆的杆半径或场半径之比，在四极场中引入八极场，改善了质量分辨率。该专利只给出了在四极场中引入八极场的一种方法，即改变极杆半径或场半径，并未给出适用于引入其他高阶场的实现方法。

在质谱技术领域中，四极杆还可作为离子透镜或离子导引系统，四极杆区域内的场形对于离子传输和聚焦等都具有重要意义。

综上所述，四极杆可用作杆形离子质量分析器、离子阱离子质量分析器、线性离子阱或离子导引。质谱仪器领域已有的四极杆或者需要高精度的机械加工，或者含有较为显著的高阶场，这些因素将会限制小型便携四极质量分析器的发展。同时，在四极质量分析器优化场形研究中将会涉及到引入高阶场的问题，而已有的专利成果仅涉及八极场的引入，并未对其他高阶场提供可行的解决方案。探索一种结构灵活、易于加工，且能够便利地实现所需的优化场形四极杆，将会有力推动小型便携四极质量分析器的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种易于加工，具有优化四极场场形的四极杆。

本方明要解决的技术问题之二是提供一种可灵活实现所需场形的四极杆

为解决上述技术问题，本发明提出了一种优化场形四极杆。

该优化场形四极杆包括：至少四个平行于质量分析器中心轴z轴的RF电极；生成RF离子捕获电场的射频电压，射频电压可包含RF射频分量和DC直流分量。

本发明与已有四极杆的最大区别在于四极杆的RF电极为柱面体结构，其柱面是由平行于z轴并沿定曲线f_x(x，y)＝0或f_y(x，y)＝0移动的直线段L所描绘出的轨迹，其中，定曲线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点且平行于yz平面或xz平面的平面可将x电极或y电极解析为至少两个薄层单元。此类电极称为“可解析为多个薄层单元的电极”。本申请中所提的“多”个均指至少两个。

本申请中，平行于中心轴z轴的RF电极可分为x电极对和y电极对，各电极按照x-y-x-y方式交替间隔90度放置，从而定义一个离子质量分析区域；RF射频电源连接到x和y电极对的，提供x电极对和y电极对之间的RF电压从而在xy平面内产生RF离子捕获电场；

利用一组相应的平行平面可将本发明中的RF电极解析为至少两个薄层单元。定曲线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0分别称为x电极准线和y电极准线，统称电极准线。直线段L称为电极母线。电极准线具有分段函数的形式，相邻两个分界点之间的曲线可以是任意函数，即沿分界点解析而成的薄层单元其柱面可包含任意曲面，如平面、圆柱面、双曲面、椭圆面，等等。因此，薄层单元可以是横截面为矩形或正方形的矩形平板、矩形块等规则形状体，也可以是柱面由一对平行平面与圆柱面、双曲面、椭圆面或其他曲面组合而成的柱面体。各薄层单元在叠合成电极时，可以具有相同的对称轴从而叠合成对称式电极，也可以具有不同的对称轴叠合成非对称式电极。电极准线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0可以构造出多种柱面形状，通过选择适当的分段函数，即采用适当的薄层单元，可组合得到生成优化电场场形所需的RF电场边界条件。可以采用完全相同的四个RF电极组成对称分布的四极杆，也可以采用部分相同或完全不相同的四个RF电极组合得到非对称分布的四极杆。可解析为多个薄层单元的电极可采用金属材料加工而成，如不锈钢材料等；也可以采用在非导体材料表面覆导体膜加工而成，如在陶瓷材料表面镀金等。电极的加工可采用分别加工各个薄层单元然后将个薄层组合起来的方式，也可以根据电极准线和电极母线所确定的电极参数采用整体加工的方式。

优化场形四极杆可作为杆形离子质量分析器，也可以作为离子阱离子质量分析器、线性离子阱或离子导引使用。

优化场形四极杆作为离子阱离子质量分析器或线性离子阱时还包括一对位于四极杆两端的端电极，该端电极可以是沿xy平面放置的极板，也可以是平行于z轴且按照x-y-x-y方式交替间隔90度放置的薄层叠合x电极对和y电极对，还可以是极板与可解析为多个薄层单元的电极的组合。DC直流电源连接到端电极上，提供两个端电极间沿z轴方向的DC捕获电势阱，从而将离子限制在离子捕获区域中。AC电压可连接到x电极对或y电极对实现沿x方向或y方向激发或逐出离子，也可连接到端电极上实现沿z方向激发或逐出离子。RF电极和端电极上可以包括用于沿x、y和z方向实现离子的注入与逐出的狭缝或小孔。

优化场形四极杆作为杆形离子质量分析器时，可以采用常规的四极杆质量分析器的质量分析方法，也可以采用共振轴向逐出的方法进行质量分析。

利用多个优化场形四极杆可组成多级离子处理系统，即串联离子阱质量分析系统，从而有效开展MSⁿ分析实验。串联四极质量分析系统包括多个优化场形四极杆，各四极杆前后耦合，使得离子可沿各级四极杆顺序流通。

本发明所提的优化场形四极杆采用了可解析为多个薄层单元的电极。可解析为多个薄层单元的电极的设计过程可以是：根据所需场形，确定薄层单元的类型并据此建立计算模型，通过改变薄层单元的尺寸参数、层数等条件获得可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场，即所需的优化场形，并由此确定电极的边界条件和最佳组合方案。常用的优化场形可以是四极场，或者是四极场和八极场的混合场，也可以是四极场和其他多极场的混合场。

薄层单元可具有任意表面形状，从获得好的加工与装配精密度方面考虑，可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成的电极，特别是各薄层横截面为矩形或正方形的矩形平板电极或矩形块状电极。采用薄层单元组合而成的电极，可解决已有多极杆系的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据多极场理论研究的成果，方便、灵活地实现所需场形的电极边界条件，将多极场理论成果有效地转化为实际装置。

与现有技术相比，本申请提出的优化场形四极杆的优点之一是采用可解析为多个薄层单元的RF电极可以有效地实现四极杆内场形的优化，RF电极边界形状可根据不同的场形需求加以设计，如，获得尽可能接近理想四极场的场形，或具有确定贡献量的四极场与其他高阶场的混合场形。优点之二是可解析为多个薄层单元的RF电极可以采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成电极，特别是各薄层横截面为矩形或正方形的矩形平板电极或矩形块状电极，从而大大提高加工与装配的精度。

总之，薄层单元可具有任意表面形状，通过改变电极的层数和各薄层的参数，可便利的改变电极的表面形状，即改变电场的边界条件，从而实现场形的优化。优化场形四极杆采用可解析为多个薄层单元的电极，可以解决已有四极杆的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据高阶场理论研究的成果，方便、灵活地构造所需场形的电极边界条件，将高阶场理论成果有效地转化为实际装置。可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形四极杆系也为四极质量分析器和质谱仪器中诸如离子导引等其他离子光学系统提供了一种可实现场形优化、易于加工、成本低廉的切实可行的实施方案。

附图说明

图1：利用RF可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形四极杆的示意图。

图2：可解析为多个薄层单元的RF电极示意图。

图3：薄层单元组合示例。

图4；采用由两个横截面为矩形的矩形平板薄层单元叠合而成RF电极组成的可产生多种混合场的四极杆截面示意图。

图5：具有极板端盖的优化场形线性离子阱的示意图。

图6：RF电极上开设狭缝的优化场形线性离子阱的示意图。

图7：由三部分RF电极组成的优化场形线性离子阱的示意图。

图8：由三部分RF电极组成且具有极板端盖的优化场形线性离子阱的示意图。

图9：四极杆RF电场区域内离子运动的稳定性图。

图10：由三个优化场形四极杆串联实现MSⁿ的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请提出了一种优化场形四极杆。

图1所示的是一个利用RF可解析为多个薄层单元的电极组成的优化场形四极杆，DC、AC和RF电压分别连接到各极杆，用于聚焦、捕获或分析离子。x电极1、2和y电极3、4平行于z轴放置，各电极均由至少两个(图中为三个)薄层单元组合而成，在xy平面内按照1-3-2-4逆时针方向间隔90度放置，x电极对和y电极对定义了优化场形四极杆的RF工作区域。RF射频电压分别连接到x和y电极对，在x电极对和y电极对所定义的离子捕获区域内生成xy平面内的RF离子捕获电场。

可解析为多个薄层单元的电极为柱面体结构，如图2所示，其柱面是由平行于定直线并沿电极准线f(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹。电极准线f(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过各分界点的平行平面可将电极解析为至少两个薄层单元。

电极准线具有分段函数的形式，相邻两个分界点之间的曲线可以是任意函数，即沿分界点解析而成的薄层单元其柱面可包含任意曲面，如平面、圆柱面、双曲面、椭圆面，等等。如图3所示，薄层单元可以是矩形平板、矩形块等规则形状体，也可以是柱面由一对平行平面与圆柱面、双曲面、椭圆面或其他曲面组合而成的柱面体。电极准线f(x，y)＝0可以构造出多种柱面形状，通过选择适当的分段函数，即采用适当的薄层单元，可组合得到生成优化电场场形所需的RF电场边界条件。可解析为多个薄层单元的电极可采用金属材料加工而成，如不锈钢材料等；也可以采用在非导体材料表面覆导体膜加工而成，如在陶瓷等材料的表面镀金等。电极的加工可采用分别加工各个薄层单元然后将个薄层组合起来的方式，也可以根据电极准线和电极母线所确定的电极参数采用整体加工的方式。

优化场形四极杆可作为杆形离子质量分析器，也可以作为离子阱离子质量分析器、线性离子阱或离子导引使用。

在优化场形四极杆中，离子的质荷比与离子阱的几何形状、所接入的RF和DC电压之间的关系可表示为：

$\frac{m}{e}=A_2\frac{4V_{\mathrm{RF}}}{{\mathrm{qr}}_0^2{\mathrm{\ω}}^2}$ $\frac{m}{e}=-A_2\frac{4U_{\mathrm{DC}}}{{\mathrm{qr}}_0^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

其中，A₂是电场多极展开表达式中四极分量的展开系数，V_RF和U_DC分别为RF极杆上所接入射频信号的RF分量和DC分量的幅度，a和q是Mathieu系数，r₀是z轴到RF极杆的距离，ω为RF信号的频率。

已有四极理论表明，当极杆具有理想双曲表面时可在RF工作区域生成理想的四极场，利用该四极场可得到好的离子分析结果。优化场形四极杆作为离子阱离子质量分析器或线性离子阱时，与平板电极组成的矩形线性离子阱相比较，采用可解析为多个薄层单元的电极构建的离子阱可含有更显著的四极场分量，能够更有效的实现目标离子的分离与分析，因而可认为其具有优化的电场场形。

在实际加工中，要获得理想的双曲表面是相当困难的，这就大大限制了四极质量分析器的分析性能。利用多个薄层单元可组合得到所需的RF电极。通过增加薄层单元的层数，调整各薄层单元的尺寸参数，可实现场形的优化。从理论上，当薄层单元的厚度趋于无限小时，可组合得到具有理想双曲截面的RF电极。在实际加工中，薄层单元将具有确定的厚度，当各薄层单元具有确定的形状和参数时，利用数值模拟的方法，可计算出可解析为多个薄层单元的电极组成的四极杆内的场形。反之，通过数值模拟的方法可获得最佳场形所对应的极杆参数，如层数、薄层尺寸等，由此可加工出具有优化场形的RF电极。RF可解析为多个薄层单元的电极可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成电极，从而显著提高加工与装配的精度，同时也可有效降低离子阱的生产成本。

离子在四极场中运动基频ω_u可表示为

${\mathrm{\ω}}_u=\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_u\mathrm{\ω}---\left(2\right)$

其中

$\mathrm{\β}={(a+\frac{q^2}{2})}^{1/2}q\≤0.4---\left(3\right)$

离子在四极场中的运动稳定性图如图9所示。

从式(1)可知，如果r₀，ω，U，V确定，则某一质荷比m/z的离子就有一个确定的a，q值。在稳定性图上，它将具有一个确定的工作点。如果该工作点在稳定性三角形内，则在四极杆质量分析器中，该离子可稳定通过四极场；在离子阱可将该离子捕获在阱中。此类离子称为稳定离子。当RF极杆上接入的RF电压频率固定，且V_RF和U_DC的比值固定，在稳定性图上的某一点，即对应于固定的a，q值，稳定离子的质荷比m/z与V_RF，从而与U_DC成正比。利用离子在离子阱中运动的稳定性，在四极杆质量分析器中可实现离子分析和质谱扫描，在离子阱中可实现对阱中捕获离子的分离、发射、分析和监测。

利用优化场形四极杆可构建优化场形线性离子阱，其结构实现方案如图5-图8所示。图5为具有极板端盖的优化场形线性离子阱的示意图。在图6中，优化场形线性离子阱的一个RF电极上开设了狭缝，用于实现离子的轴向逐出检测。

端电极5和6分别位于x和y电极对所定义的离子捕获区域的两端；端电极上接入DC直流电压，生成两个端电极间沿z轴方向的DC捕获电场，从而在z方向上将离子限制在离子捕获区域中。AC电压连接到x电极对或y电极对上，作为x电极对或y电极对之间的AC共振激发信号，从而沿x方向或y方向实现阱内激发离子。

利用可解析为多个薄层单元的RF电极构建的优化场形线性离子阱质量分析器的基本工作过程是待分析样品气体在阱内电离生成待分析离子，或待分析样品在阱外电离后待分析离子注入阱内，离子与缓冲气体发生碰撞动能衰减，并被RF捕获电场和DC捕获电场限制在阱内的离子捕获区域中，当离子被捕获后，AC或其他波形的信号接入到极杆或端电极上，即可实现离子的质量选择性分离或激发。当AC电压接到端盖极板上时，扫描RF幅度可实现离子沿z轴方向通过端盖极板上的小孔或狭缝发射出离子阱。当AC电压接到x或y电极对时，扫描RF幅度可实现离子沿x或y方向通过x电极或y电极上的狭缝发射出离子阱。

在优化场形线性离子阱中，端电极可以是沿xy平面放置的极板5和6，如图5和图6所示；也可以是平行于z轴的可解析为多个薄层单元的电极7、8、9和10组合而成的端四极杆系，如图7所示，在xy平面内各极杆按照7-9-8-10逆时针方向各间隔90度放置；还可以是极板与薄层组合端四极杆系的组合，如图8所示。极板上可接入DC电压，端四极杆系上可接入RF电压或DC电压或二者的组合。端电极的主要作用是产生沿z轴方向的电势阱，在z方向上将离子限制在离子阱的捕获区中。

如图6、7和8所示，优化场形线性离子阱中可在RF电极上开设平行于z轴的狭缝11，并在x或y电极对上接入AC信号，实现沿x或y方向激发离子或将离子逐出离子阱；也可在端电极的极板上开设小孔或狭缝，实现沿z方向激发离子或将离子逐出离子阱；还可将上述各方式任意组合，实现多方向激发离子或将离子逐出离子阱。

优化场形四极杆作为杆形离子质量分析器时，可以采用常规的四极杆质量分析器的质量分析方法。如图9的稳定性图所示，在四极杆质量分析器的常规质量分析方法中，利用通过稳定三角形顶点附近的扫描线进行质量分析，扫描线落入稳定三角形内的部分所对应的离子可具有稳定的运动轨迹，即可稳定通过四极杆内的四极场区域，到达检测器。通过扫描RF电压，待测离子将按照质荷比m/z的大小顺序进入稳定状态，从而实现质谱扫描。

利用多个优化场形四极杆可组成多级离子处理系统，即串联四极质量分析系统。串联四极质量分析系统的各级四极杆前后耦合，使得离子顺序流通，从而有效开展MSⁿ分析实验。图10所示为采用三个优化场形四极杆组成的三级离子处理系统，可有效开展三级MS-MS分析实验。

基于上述描述，下面将以由矩形平板电极和矩形块状薄层单元组合而成的RF电极为例说明本发明中采用优化场形四极杆构建离子阱及其质量分析器的具体工作模式。

图8所示的是采用矩形块状薄层单元组合而成的RF电极所构建的优化场形大容量线性离子阱。该离子阱包括平行于z轴的x电极1、2和y电极3、4组成的RF电极，各电极均由至少两个薄层单元组合而成，薄层单元可以是矩形平板电极或矩形块状薄层单元，RF电极在xy平面内按照1-3-2-4逆时针方向各间隔90度放置，从而定义一个离子捕获区域，其中，在x电极1和2的中央开设平行于z轴的狭缝；一个连接到x和y电极对的RF射频电源，提供x电极对和y电极对之间的RF电压从而在xy平面内产生RF离子捕获电场；一对位于x和y电极对所定义的离子捕获区域两端的端电极，端电极包括极板5、6和由可解析为多个薄层单元的电极7、8、9、10组成的端四极杆系，其中，在端电极的极板中央开设小孔；一个连接到端电极对的DC直流电源，提供两个端电极间沿z轴方向的DC捕获电势阱，从而将离子限制在离子捕获区域中；一个连接到x电极对的AC电源，提供x电极1和2之间的AC电压，从而实现沿x方向激发或逐出离子；AC电源也可连接到端电极的极板上，提供极板5和6之间的AC电压，从而实现沿x方向激发或逐出离子。

与已有的离子阱相同，本发明中的优化场形大容量线性离子阱可实现离子的储存和分离。当离子阱所接入的DC直流分量为零时，工作状态对应于稳定性图中的q轴。初始RF幅度将决定稳定离子质荷比的下限，所有质荷比大于或等于该下限的离子均可被离子阱捕获，储存在离子阱中。

利用离子阱实现离子分离有两种工作方式：RF/DC分离与AC波形分离。RF/DC分离以离子运动稳定性图为基础，通过使离子在稳定性图边界处运动状态由稳定变为不稳定，从而将不稳定离子发射出离子阱。RF/DC分离的工作过程是根据分离的需要选择要保留在离子阱中的离子，计算所保留离子的状态参数(a_i，q_i)，使其状态点(a_i，q_i)落在稳定三角形顶点附近，然后根据计算结果调整y极杆上的RF分量并同时接入DC分量，使目标离子状态点变为(a_i，q_i)，此时，其他的离子就落入非稳定区域，从而将目标离子与其他离子分离开来。

AC波形分离是以离子运动基频与离子状态之间的关系为基础，激发后z方向振幅响应正比于该激发波形本身的Fourier变换，离子响应与离子轴向振荡频率无关，也与离子的质荷比无关。质荷比为m/z的离子所受的激发仅由在质荷比所对应频率下的激发幅度大小所决定。以离子运动基频作为纽带，并不需要对离子轨迹进行精确的计算就可以确定受激后离子的轴向振幅，只要在相应的电极对上接入与分离目的相对应的AC波形，即可同时实现对多个目标离子的选择性激发与逐出。

优化场形大容量线性离子阱中常常需要对单个目标离子进行选择性共振激发与逐出，称为AC共振激发与逐出，其本质上是AC波形分离的一个特例，即目标离子运动基频为某一频率值，而非某一频带。

在如图6-图8所示的优化场形大容量线性离子阱质量分析器中，AC信号加在两个x极上，其中非出口极为正信号，出口极为负信号，这就可促使正离子从出口极被逐出离子阱。若待测离子为负离子，则非出口极应为负信号，出口极为正信号。

优化场形大容量线性离子阱质量分析器的质量分析是通过对离子进行选择，使目标离子由稳定变为不稳定，从而将其逐出离子阱，实现离子检测。选择性不稳定检测可分为边界逐出与AC共振逐出两种方式。

边界逐出，是以图9所示的稳定性图q轴上的稳定边界点作为工作点，DC电压幅度为零，通过扫描RF电压幅度(上升扫描)，使离子按照质荷比从小到大的顺序进入不稳定状态，不稳定离子将被逐出离子阱，到达阱外的离子检测系统，接收并放大相应的电信号，就可得到相应的质谱图。

AC共振逐出利用了离子运动基频与离子所处状态之间的关系，通过扫描RF，改变离子的运动基频，当离子的基频与AC信号的频率相等时，离子在x方向的振幅将迅速显著增大，从x极板中央的狭缝处离开离子阱，进入外部检测电路。

优化场形大容量线性离子阱多级串联系统可有效开展MSⁿ分析实验。图10所示为采用三个优化场形大容量线性离子阱可组成三级离子处理系统，可有效开展三级MS-MS分析实验。三级串联系统中将三个优化场形大容量线性离子阱质量分析器串联起来，组成QqQ序列，其工作方式可以为：Q₁和Q₃是正常的质量分析器，q₂上没有DC直流电压而只有RF射频电压，该射频场使所有离子聚焦并允许所有离子通过。因此，离子可在q₂中可发生亚稳碎裂或碰撞诱导解离。Q₁能够从离子源中选择所感兴趣的离子，使其在q₂中发生解离反应，最后将解离产物送至Q₃进行常规质谱分析，从而可推断分子的组成结构。

本发明所提的优化场形四极杆采用了可解析为多个薄层单元的电极。可解析为多个薄层单元的电极的设计过程可以是：根据所需场形，确定薄层单元的类型并据此建立计算模型，通过改变薄层单元的尺寸参数、层数等条件获得可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场，即所需的优化场形，并由此确定电极的边界条件和最佳组合方案。常用的优化场形可以是四极场，或者是四极场和八极场的混合场，也可以是四极场和其他多极场的混合场。

薄层单元可具有任意表面形状，从获得好的加工与装配精密度方面考虑，可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成的电极。采用薄层单元组合而成的电极，可解决已有多极杆系的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据多极场理论研究的成果，方便、灵活地实现所需场形的电极边界条件，将多极场理论成果有效地转化为实际装置。

图4为采用由两个横截面为矩形的矩形平板薄层单元叠合而成RF电极组成的可产生多种混合场的四极杆截面示意图。图中，(1)采用了四个完全相同的RF电极，其RF电极的两个薄层具有同一对称轴；(2)采用两种不同的RF电极，但相对的两个电极完全相同，电极的两个薄层具有同一对称轴；(3)和(5)采用两种不同的RF电极，但相对的两个电极完全相同，其中一对电极的两个薄层具有同一对称轴，另一对电极的两个薄层具有不同对称轴；(4)和(6)采用三种不同的RF电极，其中一对电极完全相同，另一对电极的两个电极不相同。采用不同的电极参数，可获得不同的混合场。数值计算表明，情形(1)可产生A2，A6，A8，A10等；情形(2)可产生A2，A4，A6，A8，A10等；情形(3)可产生A2，A3，A6，A8，A10等。情形(4)可产生A2，A5，A6，A8，A10等。情形(5)可产生A2，A3，A4，A6，A8，A10等。情形(6)可产生A2，A3，A4，A5，A6，A8，A10等。An代表多极场，n为所包含电极对的数目，即An对应于2n极场，如A2，A3，A4，A5和A6分别对应于四极场，六极场，八极场，十极场和十二极场。通过改变各电极的薄层单元参数，可实现所需的混合场。

从上述对具体实施方式的说明可知，优化场形四极杆采用薄层单元组合而成的RF电极，可实现场形的优化，并可实现好的加工与装配精度，有效降低了离子阱的生产成本，从而解决已有四极杆的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，有力推动小型质谱仪器的发展。可解析为多个薄层单元的电极组成的四极杆质量分析器和线性离子阱可方便、灵活地实现电极边界条件的优化，并由此优化四极杆内的电场场形，将多极场理论研究成果有效转化为实际装置，从而为四极质量分析器提供了一种可实现场形优化、易于加工、成本低廉的切实可行的实施方案。

Claims (13)

1.一种优化场形四极杆，包括：至少四个平行于质量分析器中心轴z轴的RF电极；生成RF离子捕获电场的射频电压；

其特征在于：所述RF电极为柱面体结构，其柱面为由平行于z轴并沿电极准线f_x(x，y)＝0或f_y(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹，电极准线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点的平行平面可将RF电极解析为至少两个薄层单元。

2.根据权利要求1所述的优化场形四极杆，其特征在于：所述电极准线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0在相邻两个分界点之间的曲线为初等函数，沿分界点解析而成的薄层单元其典型柱面包括平面、圆柱面、双曲面、椭圆面，等等。

3.根据权利要求2所述的优化场形四极杆，其特征在于：所述电极薄层单元的横截面为矩形或正方形，所述四个电极形状相同或不相同。

4.根据权利要求2或3所述的优化场形四极杆，其特征在于：所述各薄层单元按对称方式叠合，或按非对称方式叠合。

5.根据权利要求2或3所述的优化场形四极杆，其特征在于：通过改变薄层单元的参数可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场。

6.根据权利要求2或3所述的优化场形四极杆，其特征在于：所形成的混合场包括四极场和八极场。

7.根据权利要求1、2或3所述的优化场形四极杆，其特征在于：所述电极采用金属材料或表面覆导体膜的非导体材料加工而成。

8.根据权利要求7所述的优化场形四极杆，其特征在于：所述电极的加工方式为分别加工各个薄层单元然后将各薄层组合起来；或采用整体加工的方式加工薄层单元组合而成的电极表面。

9.根据权利要求1、2或3所述的优化场形四极杆，其特征在于：所述优化场形四极杆可作为杆形离子质量分析器，离子阱离子质量分析器，线性离子阱或离子导引使用。

10.根据权利要求9所述的优化场形四极杆，其特征在于：所述离子阱离子质量分析器或线性离子阱包括一对位于所述四极杆两端的端电极，该端电极为极板，或为平行于z轴的可解析为多个薄层单元的电极组，或为极板与可解析为多个薄层单元的电极的组合。

11.根据权利要求10所述的优化场形四极杆，其特征在于：极板端电极上或至少一个RF电极上包括实现离子的注入或逐出的狭缝或小孔。

12.根据权利要求11所述的优化场形四极杆，其特征在于：AC电压连接到x电极对或y电极对实现沿x方向或y方向激发或逐出离子，或连接到端电极实现沿z方向激发或逐出离子。

13.根据权利要求1所述的优化场形四极杆，其特征在于：利用多个优化场形四极杆串联组成多级离子处理系统，用于开展MSⁿ分析实验。

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