CN101075546B - 离子质量过滤器及过滤方法 - Google Patents

Abstract

一种离子质量过滤器及过滤方法，其包括呈四边形排列以形成供离子运动的空间的4根导电杆体，当在所述4根导电杆体中的组成所述四边形一组对边的2根导电杆体连接可提供直流偏置电场的第一电源，在形成另一组对边的2根导电杆体连接可提供极性相反的两种高压电场的第二电源，由控制模块控制所述两种高压电场的交替施加在相应2根导电杆体上的频率即可在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场，通过改变所述频率可实现离子质量扫描，由于离子质量数与扫描频率成反比，降低频率扫描即可改善四极式质谱仪对大质量数离子的分析能力。

Description

离子质量过滤器及过滤方法

技术领域

本发明涉及一种离子质量过滤器及过滤方法。

背景技术

四极式质谱仪的历史可追溯到20世纪50年代。1952年末，加速器物理研究领域中，Brookhawen国立实验室的Courant等人发现利用2个四极磁场交替压缩质子束的强聚焦，德国Bonn大学物理系教授Wolfgang Paul等人据此提出了利用射频四极电场过滤离子的原理，并用实验加以验证，从而诞生了四极式质谱仪。1953年，Paul等人申请了德国专利，并在五十年代完成了四极式质谱仪的大部分奠基工作。

20世纪六七十年代是四极式质谱仪发展的鼎盛时期，其中最引人注目的是Brubaker所进行的一系列创新研究和设计。60年代末，四极式质谱仪由基础研究阶段逐渐过渡到商业生产阶段，在产业化模式运作下，四极式质谱仪技术获得了迅速的发展和推广。1965年，联邦德国的Varian MAT公司生产了第一台商业四极式质谱仪AMP-3。美国的惠普公司，联邦德国的Varian MAT，日本的ULVAC等都是最早开始四极式质谱仪商业化生产的公司。

四极式质谱仪的原理是利用随时间变化的电场对不同质荷比的离子进行选择。常规四极式质谱仪所采用的驱动电压波形如图1所示，即x方向和y方向的电压相位相差180度，通常在相对的一组电极杆上施加同样的电压，而相邻的电极杆上的电压极性相反，如图2所示，x方向电极杆2和3的电压与y方向电极杆1和4的电压极性相反。

理想情况下，电极杆的形状是双曲面，请参见图3，但由于圆杆电极的加工较之双曲面来说要简单很多，因此在实际应用中更多的是用圆杆电极代替双曲面电极。当圆杆电极半径r_杆与场半径r₀满足式公式[1]关系时，圆杆电极间的电场与理想四极电场最为近似。请参见图4，其为圆杆电极半径r_杆与场半径r₀满足式公式1关系时，圆杆电极间电场与双曲面电极间电场吻合程度。从图中可以看出，在四根极杆间的空间内，两种电极所形成的电场等势线非常吻合，仅仅是在相邻极杆之间空间内的等势线相差很大。幸运的是，离子的运动仅仅是在四根极杆杆间的空间内。如此看来，圆杆电极间的电场完全可以替代双曲面电极所形成的理想四极场。

r＝1.1487·r₀                         [1]

离子在进入四极杆后，由于受到射频(RF)电场和直流(DC)电场的作用会开始复杂的振荡运动。假设某一时刻，DC和RF保持恒定，如果离子的质量太低，这个离子被推离轴向，到达正极杆，而不会到达四极杆的出口。如果离子质量太高，趋于负极杆的振荡增加，直到离子撞击到负极杆或从四极杆的边缘被弹出去。只有特定质量的离子在四极杆内的振荡才会稳定，才能从四极杆的末端出射并被电子倍增器检测。这是因为离子进入四极杆后受到电极杆所形成的四极电场的作用做复杂的周期性运动，其运动轨迹与离子的质荷比有关系。

离子的受力可由公式[2]表示：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·\·}{x}+\left(\frac{2e}{{\mathrm{mr}}_0^2}\right)(U+V\cos \mathrm{\ωt})x=0\\ \stackrel{\·\·}{y}-\left(\frac{2e}{{\mathrm{mr}}_0^2}\right)(U+V\cos \mathrm{\ωt})y=0\\ m\stackrel{\·\·}{z}=0\end{array}\right.---\left[2\right]$

令 $k=\frac{8e}{{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}$ (U+Vcosωt)，其中k(ξ+T)＝k(ξ)，则公式[2]变为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_x=-\mathrm{kx}\\ F_y=\mathrm{ky}\\ F_z=0\end{array}\right.---\left[3\right]$

从公式[3]可以看到，若k为正值时，离子在x方向上所受到的力就是回复力，即离子在x方向上的运动就可以看做是简谐振动，而在y方向上所受到的力却是随着位移的增加而增加，所以是振幅逐渐增加的振动。k为负值时，离子在x方向上的运动就是振幅逐渐增加的振动，而此时y方向上离子的运动则是简谐振动。由于φ₀是交流电势，因此k值交替正负，这样就将离子的轨迹束缚在“稳定”状态。

从上面的分析可知，通过不断的改变k值，而使得离子在x方向和y方向上不断的交替进行简谐振动，使得离子能够在xy平面内具有稳定的轨迹。常规正弦或余弦波周期电压信号驱动的四极式质谱仪是通过正弦或者余弦信号来改变k值。其对应的运动方程可由公式[4]表示：

$\frac{d^{2}u}{d{\mathrm{\ξ}}^2}+(a_u-2q_u\cos 2\mathrm{\ξ})u=0---\left[4\right]$

其中，a_u和q_u分别是：

$\left\{\begin{array}{c}{a}_u=a_x=-a_y=\frac{8\mathrm{eU}}{m{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}\\ q_u=q_x=-q_y=\frac{4\mathrm{eV}}{m{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}\end{array}\right.---\left[5\right]$

公式[4]被称为马绍方程(Mathieu)的余弦形式。它的通解形式如公式[6]所示：

$u=\mathrm{\α}\′e^{\mathrm{\μ\ξ}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{2n}{e}^{2\mathrm{in\ξ}}+\mathrm{\α}\′\′e^{-\mathrm{\μ\ξ}}\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{2n}{e}^{-2\mathrm{in\ξ}}---\left[6\right]$

式中，α＇和α＂式积分常数，它们决定于离子的初始条件，即初始位置

、初始速度ü和初始相位ξ₀。C_2n和μ则决定于α和q而不是决定于初始条件。所以离子运动的特性，尤其是离子运动的稳定性将取决于a值和q值而非初始条件。

根据离子运动的稳定条件，可画出常规四极式质谱仪的稳定曲线，如图3所示。常规四极式质谱仪的质量扫描方式是电压扫描，在保证直流分量U和交流分量V的比例不变的前提下，同时改变直流分量U和交流分量V，实现质量扫描。理想情况下，对应于每组U和V值，都有唯一质量数的离子具有稳定的轨迹通过四极场，然后被检测器所检测，其他质量数的离子在四极场内由于轨迹不稳定而被损失掉。

现有常规四极式质谱仪的驱动电路由变压器/LC振荡回路构成，工作频率固定。电容C由四极杆杆间电容和导线寄生电容决定，L由变压器电感决定，工作点范围600kHz～10MHz。由以下公式[7]可以看出，

$\left\{\begin{array}{c}U=\frac{m{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}{8e}\·a_x=-\frac{m{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}{8e}\·a_y\\ V=\frac{m{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}{4e}\·q_x=-\frac{m{\mathrm{\ω}}^2{r_0}^2}{4e}\·q_y\end{array}\right.---\left[7\right]$

在常规正弦或余弦波周期性电压信号驱动四极式质谱仪中，离子的质量数与直流分量和交流分量的电压值成正比，所以要使得具有更高质量数的离子能够被选择就必须增加扫描电压。由于扫描电压与质量数成正比关系制约了四极式质谱在大质量数物质分析中的使用，因此通常最大可检测的离子小于3000amu。而通过增加电压来实现选择离子存在有以下缺点：

1、过高的射频电压很难获得，而且过高地射频电压须配合有较高的真空度以防止放电，因而会导致技术难度的提高，再有过高的射频电压也会引起辐射而伤害到人体。

2、无法实现扫频过滤：因为四极式质谱仪高频电压是通过线圈LC谐振网络耦合到极杆上，受到谐振网络共振频率的限制，因此其工作频率只能是一个，这就使得想通过扫频来避免使用高压来实现大质量数离子过滤的功能变得难以现实。

由上所述可见，常规正弦或余弦波电压信号驱动的四极式质谱仪很难应用于大分子物质分析，例如生物样品的分析，因此如何解决现有技术存在的缺点实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子质量过滤器及过滤方法，以实现对大质量数离子的分析。

为了达到上述目的，本发明提供的离子质量过滤器包括：呈四边形排列以形成供离子运动的空间的4根导电杆体、与所述4根导电杆体中的组成所述四边形一组对边的2根导电杆体相连接，用于提供直流偏置电场的第一电源、用于提供极性相反的两种高压电场的第二电源、分别与所述第二电源及所述4根导电杆体中的组成所述四边形另一组对边的2根导电杆体相连接，用于产生周期性控制信号控制所述第二电源提供的两种高压电场以使所述高压电场周期性交替施加在相应2根导电杆体上，进而在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场的控制模块。

其中，所述离子质量过滤器还包括用于控制所述控制模块产生的控制信号的周期以间接控制被过滤的离子质量的质量调节控制模块，所述4根导电杆体可呈双曲面形、圆柱形或矩形，当所述4根导电杆体呈圆柱形时，每一导电杆体的半径是所述四极电场半径的1.1487倍，所述控制模块可包括：分别与所述第二电源及相应2根导电杆体相连接，用于控制所述第二电源提供至所述相应2根导电杆体的电场的极性的受控开关、及与所述受控开关相连接，用于产生控制所述受控开关开闭的周期性控制信号的周期性波形发生器，所述受控开关可为场效应管，所述周期性波形发生器产生的所述周期性控制信号为矩形波、锯齿波、梯形波和三角波中的一种。

此外，本发明的离子质量过滤方法主要包括步骤：1)第一电源提供的直流偏置电场施加在4根导电杆体的相对2根上；2)控制模块提供周期性控制信号控制第二电源，使所述第二电源提供的极性相反的高压电场周期性交替施加在所述4根导电杆体其它2根导电杆体上，进而在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场；3)不同质量的离子进入所述4根导电杆体形成的空间中，并受到所述四极电场的作用；4)调节所述控制模块产生的周期性控制信号的频率使预先设定的荷质比的离子被选择而其它荷质比的离子被过滤掉。

其中，所述周期性控制信号为矩形波、锯齿波、梯形波和三角波中的一种

综上所述，本发明的离子质量过滤器及过滤方法通过利用非常规正弦或余弦波周期性电压信号作为驱动电压，克服了常规正弦或余弦波周期性电压信号驱动四极式质谱仪不能实现扫频的问题，同时，通过采用频率扫描的方式实对超高质量数离子的过滤。因此，本发明离子质量过滤器及过滤方法能够使采用传统电压扫描方式难以实现的超高质量数离子的扫描变为可能，进而可使四极式质谱仪能够应用于大分子物质分析，例如生物样品分析领域等。

附图说明

图1为现有的四极式质谱仪所采用的驱动电压波形示意图。

图2为现有电极呈圆杆形状的四极式质谱仪结构示意图。

图3为现有电极为双曲面的四极式质谱仪结构示意图。

图4为现有圆杆电极电势线与双曲面电极电势线的对比图。

图5为本发明的离子质量过滤器的结构示意图。

图6为本发明的离子质量过滤器的周期性波形发生器提供的锯齿波控制信号示意图。

图7为本发明的离子质量过滤器的周期性波形发生器提供的矩形波控制信号示意图。

图8为本发明的离子质量过滤器的周期性波形发生器提供的梯形波控制信号示意图。

图9a~9e为离子在本发明的离子质量过滤器形成的四极电场中运动所得到的x方向上的稳定区域图，其中，图9a为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.2时的稳定区域图，图9b为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.4时的稳定区域图，图9c为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.5时的稳定区域图，图9d为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.6时的稳定区域图，图9e为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.8时的稳定区域图。

图10a~10e为离子在本发明的离子质量过滤器形成的四极电场中运动所得到的x方向和y方向上的稳定区域图，其中，图10a为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.2时的稳定区域图，图10b为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.4时的稳定区域图，图10c为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.5时的稳定区域图，图10d为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.6时的稳定区域图，图10e为本发明的离子质量过滤器提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.8时的稳定区域图。

图11a~11c为本发明的离子质量过滤器在模拟软件SIMION3D7.0中的离子轨迹模拟图，其中，图11a是离子在xy平面内的轨迹图、图11a’为图11a的局部放大图，图11b是离子在yz平面的轨迹图、图11c是离子在xz平面的轨迹图。

图12为本发明的离子质量过滤方法提供的周期性控制信号为占空比q＝0.5的矩形波时离子在x方向和y方向上的稳定区域图。

图13为图12中标记为A区域的局部放大图。

图14为采用本发明的离子质量过滤方法所获得的离子质量扫描图。

具体实施方式

请参阅图5，本发明的离子质量过滤器至少包括：4根导电杆体、第一电源9、第二电源、控制模块及质量调节控制模块2。

所述4根导电杆体呈四边形排列以形成供离子运动的空间，如图5所示，所述4根导电杆体形成电极10和11，通常，所述电极10和11既可以是双曲面形也可以是圆柱形，甚至是矩形，当所述电极10和11为圆柱形，各导电杆体的半径是所述4根导电杆体内部形成的四极电场半径的1.1487倍(请容后陈述)，可以保证其所形成的四极电场达到最佳效果。在本实施方式中，所述电极10和11采用的是圆柱形。

所述第一电源9与所述4根导电杆体中的组成所述四边形一组对边的2根导电杆体相连接，用于提供直流偏置电场，在本实施方式中，所述第一电源9与电极10相连接，通常第一电源9所提供的直流偏置值局限于一定范围之内，其可根据所分析物质质量数的不同以及所要求分辨率不同进行选择。在本实施方式中，所述第一电源9提供的直流电压偏置电压为100伏。

所述第二电源用于提供极性相反的两种高压电场，在本实施方式中，其包括正高压电源7和负高压电源8，两者的幅值可根据实际需要予以设定，在本实施方式中分别设定为±500伏，此外，所述第二电源的实施方式并非以此为限，其也可采用单一电源然后通过反相器改变其极性，此为本领域技术人员所熟悉之技术，在此不再赘述。

所述控制模块分别与所述第二电源及所述4根导电杆体中的组成所述四边形另一组对边的2根导电杆体相连接，用于产生周期性控制信号控制所述第二电源提供的两种高压电场以使所述高压电场周期性交替施加在相应2根导电杆体上，进而在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场，在本实施方式中，所述控制模块包括受控开关5及6和周期性波形发生器1，其中，所述受控开关5及6分别与所述正高压电源7和所述负高压电源8相连接，同时两者还都与相应2根导电杆体即电极11相连接，用于控制所述第二电源提供至所述电极11的电场的极性，所述受控开关可为场效应管，但并非以此为限，其也可为晶体三极管等，所述周期性波形发生器1与所述受控开关5及6相连接，用于产生控制所述受控开关5及6开闭的周期性控制信号，所述周期性控制信号可为锯齿波(请参见图6)，也可为矩形波(请参见图7)，还可为梯形波(请参见图8)及三角波等，其频率通常在100kHz和3MHz之间，以下将以矩形波为例进行详细说明。

当所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号处于高电平时，所述受控开关6闭合而受控开关5打开，因此负高压电源8被施加至电极11上，而当所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号由高电平变为低电平后，所述受控开关6打开而受控开关5闭合，因此正高压电源7被施加至电极11上，由于电极11上交替施加有正负高压电场，而电极10上施加有直流电场，如此可在4根导电杆体形成的空间中产生四极电场，请参见图9a~9e，其为离子在所述四极电场中运动所得到的x方向上的稳定区域图，其中，图9a为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.2时的稳定区域图，图9b为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.4时的稳定区域图，图9c为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.5时的稳定区域图，图9d为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.6时的稳定区域图，图9e为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.8时的稳定区域图，再请参见图10a~10e，其为离子在所述四极电场中运动所得到的x方向和y方向上的稳定区域图，其中，图10a为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.2时的稳定区域图，图10b为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.4时的稳定区域图，图10c为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.5时的稳定区域图，图10d为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.6时的稳定区域图，图10e为所述周期性波形发生器1提供的矩形波控制信号的占空比q＝0.8时的稳定区域图。

所述质量调节控制模块2用于控制所述控制模块产生的控制信号的周期以间接控制被过滤的离子质量，在本实施方式中，其通过控制所述周期性波形发生器1所产生的波形频率，即改变了所述周期性控制信号的占空比，进而使所述受控开关5和6的开关频率不同，从而正负高压电场7及8施加至电极11上的频率亦不同，相应可以稳定在电极10及11产生的四极场中的离子的荷质比也不同，一般所述质量扫描控制模块的频率可调范围为：100kHz-3MHz。请参见图11a～11c，其为本发明的离子质量过滤器在模拟软件SIMION3D7.0中的离子轨迹模拟图，其中，图11a是xy平面内的离子轨迹图、图11a’为图11a的局部轨迹放大图，图11b是yz平面的离子轨迹图、图11c是xz平面的离子轨迹图。

本发明的离子质量过滤方法主要包括以下步骤：

第一步：第一电源提供的直流偏置电场施加在4根导电杆体的相对2根上，即第一电源9施加100伏的直流偏置电压至电极10上。

第二步：控制模块提供周期性控制信号控制第二电源，使所述第二电源提供的极性相反的高压电场周期性交替施加在所述4根导电杆体其它2根导电杆体上，进而在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场，即周期性波形发生器1控制所述受控开关5及6，使正负高压电场7及8交替施加至电极11上，从而在所述电极10及电极11之间产生四极电场，其中，所述周期性控制信号为矩形波、锯齿波、梯形波和三角波中的一种，分别可参见图6~图8。

第三步：不同质量的离子进入所述4根导电杆体形成的空间中，并受到所述四极电场的作用，例如当周期性波形发生器1产生的周期性控制信号为不同占空比的矩形波(如图7所示)时离子在所述四极电场中运动时x方向上的稳定区域图，如图9a~9e所示，x方向和y方向上的稳定区域图如图10a~10e所示，再请一并参见图12，其为周期性控制信号为占空比q＝0.5的矩形波时离子在x方向和y方向上的稳定区域图，为进一步清楚显示，再请参见图13，其为图12中标记为A区域的放大图。

第四步：调节所述控制模块产生的周期性控制信号的频率使预先设定的荷质比的离子被选择而其它荷质比的离子被过滤掉，由于扫描频率与质量数成反比，当所述控制模块产生的周期性控制信号的频率被调节稳定，则对应于此时频率的具有稳定轨迹离子的质量数即可确定，也即是说，只有某一质量数范围内的离子具有稳定轨迹，且能够被后续的离子检测器检测，而且扫描频率越高，具有稳定轨迹离子的质量数则越低，相反地，扫描频率越低，具有稳定轨迹离子的质量数越高，请参见图14，其为质量扫描图。

综上所述，本发明的离子过滤器及过滤方法采用频率扫描方式进行质量扫描，使高压驱动电路的结构得以简化，减小了质谱仪的机械尺寸，有利于四极杆质谱的小型化。同时，也便于采用数字频率扫描代替传统的电压扫描，使得四极杆质谱的质量扫描只需改变一个物理量即频率，从而使得扫描变得更为简单和精确。而且，由于能够采用频率扫描，提高了常规正弦或余弦波周期性电压信号驱动的四极式质谱仪的分析质量上限。

Claims (7)

1.一种离子质量过滤器，其特征在于包括：

4根导电杆体，呈四边形排列以形成供离子运动的空间；

第一电源，与所述4根导电杆体中的组成所述四边形一组对边的2根导电杆体相连接，用于提供直流偏置电场；

第二电源，用于提供极性相反的两种高压电场；

控制模块，分别与所述第二电源及所述4根导电杆体中的组成所述四边形另一组对边的2根导电杆体相连接，用于产生周期性控制信号控制所述第二电源提供的两种高压电场以使所述高压电场周期性交替施加在相应2根导电杆体上，进而在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场；质量调节控制模块，用于控制所述控制模块产生的控制信号的周期以间接控制被过滤的离子质量；

受控开关，分别与所述第二电源及相应2根导电杆体相连接，用于控制所述第二电源提供至所述相应2根导电杆体的电场的极性；

周期性波形发生器，与所述受控开关相连接，用于产生控制所述受控开关开闭的周期性控制信号。

2.如权利要求1所述的离子质量过滤器，其特征在于：所述4根导电杆体呈双曲面形、圆柱形及矩形中的一种。

3.如权利要求1所述的离子质量过滤器，其特征在于：所述4根导电杆体呈圆柱形时，每一导电杆体的半径是所述四极电场半径的1.1487倍。

4.如权利要求3所述的离子质量过滤器，其特征在于：所述受控开关为场效应管。

5.如权利要求3所述的离子质量过滤器，其特征在于：所述周期性波形发生器产生的所述周期性控制信号为矩形波、锯齿波、梯形波和三角波中的一种。

6.一种离子质量过滤方法，其特征在于包括步骤：

1)第一电源提供的直流偏置电场施加在4根导电杆体的相对2根上；

2)控制模块提供周期性控制信号控制第二电源，使所述第二电源提供的极性相反的高压电场周期性交替施加在所述4根导电杆体其它2根导电杆体上，进而在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场；

3)不同质量的离子进入所述4根导电杆体形成的空间中，并受到所述四极电场的作用；

4)调节所述控制模块产生的周期性控制信号的频率使预先设定的荷质比的离子被选择而其它荷质比的离子被过滤掉。

7.如权利要求6所述的离子质量过滤方法，其特征在于包括：所述周期性控制信号为矩形波、锯齿波、梯形波和三角波中的一种。

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