CN101211742A - 四极场中引入十极场的方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统以及采用该四极杆系统的一些应用。其中所述的四极杆系统的第一对极杆的两个极杆横截面形状相同，第二对电极的两个极杆横截面形状不同，电源连接到各极杆，在四极杆系统内部生成至少包括四极场A₂分量和十极场A₅分量的多极场电势分布，并且A₅的含量不低于A₂的0.1％。该四极杆系统既是在四极场为主的电势分布中引入显著十极场A₅分量的全新方案，也可作为在四极场为主的电势分布中引入较为显著的六极场A₃的一种可选方案。

Description

四极场中引入十极场的方法与应用

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，具体地讲是一种用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统及采用了该四极杆系统的一些应用。

背景技术

四极质谱仪器按质量分析器可分为四极杆质谱仪和四极离子阱质谱仪。

传统的四极杆质量分析器通过在极杆截面为双曲面的四极杆上接入射频信号在四极杆内部区域产生四极场，离子在四极场中受到强聚焦作用而向分析器的中心轴聚焦。四极杆质量分析器中离子的运动在数学上可用二阶线性微分方程Mathieu方程的解来描述，根据离子在Mathieu方程解的稳定性中所具有的特性，具有稳定轨迹的离子可沿轴向顺利通过四极杆区域。通过扫描与离子质荷比m/z成线性关系的射频电压即可实现离子的质谱扫描。理想的双曲面四极杆系统可生成理论上的纯四极场，但双曲面极杆的高精度加工与装配相当困难，而理论计算表明用圆柱极杆代替双曲面极杆，当圆柱极杆的半径R＝1.148R0时可获得近乎完美的四极场分布。已有的四极杆商业质谱仪通常都采用四个相同的圆柱极杆组成四极杆系统，各极杆均匀分布于以中心轴为圆心的圆周上。

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。离子阱中的四极静电场通过在离子阱装置各极杆上接入RF射频电压、DC直流电压或二者的组合信号而产生。传统的离子阱由两部分电极组成，即环电极和端盖电极，为了产生显著的四极场，典型的电极形状为双曲型，称为Paul型离子阱。三维离子阱最大的缺陷是阱中捕获的离子数少，对于在阱外电离的入射离子其捕获效率较低。为了解决上述问题，出现了另一类离子阱--线性离子阱。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，可获得近乎理想的四极场。

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，而后来的理论研究成果表明，利用非线性共振激发与逐出原理，有目的地引入适当的高阶场分量，如六极场(A₃)、八极场(A₄)、十极场(A₅)等，通过激发相应的高阶非线性共振运动可有效改善四极质量分析器的分辨率。已有专利中已给出了在四极场中引入六极场A₃和八极场A₄的实现方法。美国专利6897438 B2中通过改变四极杆系统的参数，如，改变两对极杆的杆半径的之比(R_y/R_x)或场半径之比(R_0y/R_0x)，又或者改变各极杆在圆周上的间隔角度，即可在四极场中引入较为显著的八极场分量，实验表明这些方案可有效改善四极质量分析器的质量分辨率。而美国专利7141789 B2则通过改变四极杆系统其中一对极杆在圆周上的角度，即第一对极杆都沿靠近第二对极杆中的同一个极杆的方向旋转相同的角度，在四极场中引入较为显著的六极场分量。

在离子的非线性共振激发与逐出理论中，激发六极场A₃、八极场A₄或十极场A₅的非线性共振运动都是可以有效改善质量分析器分析性能的方法。目前还未检索到可简单、方便的在四极场中引入较为显著的十极场A₅分量的便捷方法及相应的四极杆系统结构装置。

质谱仪器中还常常涉及到作为离子光学部件的多极杆系统，如四极杆系统。在质谱技术领域中，四极杆系统是最常用的离子光学部件之一，可作为离子透镜或离子导引系统等，而四极杆区域内的场形对于离子的传输和聚焦都具有重要意义。

已有四极杆系统的极杆多为圆柱杆或双曲杆。双曲杆是公认的难以实现高精度的加工与装配的极杆。由于加工装配方面相对简单，圆柱极杆是长期以来更受青睐的极杆形状。

综上所述，四极杆系统可用作四极杆质量分析器或线性离子阱及质量分析器，也可作为离子光学系统的离子透镜或离子导引系统。理论研究表明通过激发十极场A₅也可有效改善四极质量分析器的性能，基于此，探索一种可有效地在四极场A₂中引入较为显著的十极场A₅分量的场形、易于加工、生产成本相对低廉的四极杆系统，对于组建性能稳定、可准确控制离子轨迹的四极质量分析器和离子光学部件都将具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，通过该四极杆系统的结构改变，可以采用该四极杆系统来建造四极杆质量分析器，线性四极离子阱，离子阱质量分析器，和四极离子导引等。本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种用于质谱分析的离子阱，通过对其电极系统的结构改进，使该离子阱不但具有引入了较为显著的十极场A₅分量的场形，而且结构灵活、易于加工、生产成本低。

本发明的上述技术问题可采用如下技术方案来解决：

一种用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其包括两对柱状极杆，以及连接于该极杆上的电源，这些柱状极杆以平行于极杆母线的中心轴z轴为轴心沿周向排列为直筒状，在中心轴上的每一点处，中心轴的垂直平面与第一对极杆相交于第一对横截面，并与第二对极杆相交于第二对横截面，各极杆横截面的边缘到中心轴的最小距离即场半径R₀相等。该四极杆系统区别于已有装置的特征在于，第一对极杆的两个极杆横截面形状相同，并且在中心轴的垂直平面上关于中心轴对称；第二对电极的两个极杆横截面形状不同；电源连接到各极杆，在四极杆系统内部生成至少包括四极场A₂分量和十极场A₅分量的多极场电势分布，并且A₅的含量不低于A₂的0.1％。

在本发明中，多极场电势分布中十极场A₅的含量可选择为不高于四极场A₂的10％。

在本发明中，多极场电势分布还可以包括六极场A₃分量，A₃的含量可选择为A₂的0.1％至10％这一范围之间。

在本发明中，作为一个可选实施例，该四极杆系统的所有极杆均采用圆柱极杆。

作为一个优选实施例，四极杆系统的所有极杆均采用圆柱极杆，其中第一对电极的半径R_y为场半径R₀的1.14倍，第二对电极的两个极杆的半径分别为R_x1和R_x2，通过选择R_x2与R_x1的比值使得十极场A₅的含量不低于A₂的0.1％。当R_x1的尺度范围为0.5R₀≤R_x1≤2.0R₀，比值R_x2/R_x1的取值范围为0.5≤R_x2/R_x1≤2.0时，将是本发明的优化实施例。

在本发明中，四极杆系统的各个极杆可以是固定在以Z轴为中心的同一圆周上，且各极杆中心所间隔的圆周角相同。

在本发明的四极杆系统中，电源可提供直流信号或射频信号，也可以是二者的组合。根据信号的类型，该四极杆系统可有不同用途。当电源仅提供直流信号或仅提供射频信号时，四极杆可作为离子光学部件，用于离子的传输与聚焦等。当电源提供的是直流信号与射频信号的组合时，四极杆系统可作为四极杆质量分析器，用于离子的质量分析。

本发明还提供了一种用于质谱分析的离子阱，其包括：

具有两对柱状极杆的四极杆系统，各柱状极杆以平行于极杆母线的中心轴z轴为轴心沿周向排列为直筒状，在中心轴上的每一点处，中线轴的垂直平面与第一对极杆相交于第一对横截面，并与第二对极杆相交于第二对横截面，各极杆横截面的边缘到中心轴的最小距离即场半径R₀相等；

设置于该四极杆系统两端的端电极；

连接到四极杆系统的生成射频离子捕获电场的射频信号；以及

连接到端电极的生成轴向离子捕获电势阱的直流信号；

该离子阱区别于已有装置的特征在于，其四极杆系统第一对极杆的两个极杆横截面形状相同，并且在中心轴的垂直平面上关于中心轴对称，第二对极杆的两个极杆横截面形状不同；电源连接到各极杆，在该离子阱内部生成至少包括四极场A₂分量和十极场A₅分量的多极场电势分布，并且A₅的含量不低于A₂的0.1％。

在本发明的离子阱中，作为一个可选的例子，端电极可以是平板电极。

在本发明的离子阱中，作为另外一个可选的例子，端电极可以由具有两对柱状极杆的四极杆系构成，端电极四极杆系统的横截面形状及位置与两个端电极之间的四极杆系统相同。

在本发明的离子阱中，作为一个优选的方案，多极场电势分布中十极场A₅的含量可选择为不高于四极场A₂的10％。

在本发明中，多极场电势分布还可以包括六极场A₃分量，A₃的含量可选择为A₂的0.1％至10％这一范围之间。

在本发明的离子阱中，作为一个优选实施例，离子阱的所有极杆均可采用圆柱极杆。其中第一对电极的半径R_y为场半径R₀的1.14倍，第二对电极的两个极杆的半径分别为R_x1和R_x2，通过选择R_x2与R_x1的比值使得十极场A₅的含量不低于A₂的0.1％。当R_x1的尺度范围为0.5R₀≤R_x1≤2.0R₀，比值R_x2/R_x1的取值范围为0.5≤R_x2/R_x1≤2.0时，这将是本发明的优化实施例。

在本发明的离子阱中，离子阱的各个极杆可以是固定在以Z轴为中心的同一圆周上，且各极杆中心所间隔的圆周角相同。

在本发明的离子阱中可以是至少一个极杆或端电极上具有实现离子注入或者逐出的狭缝或小孔。

在本发明中，四极杆系统可以在至少一个极杆上开设平行于中心轴的狭缝，AC电压连接到该开设了狭缝的极杆所属的电极对，实现离子激发或逐出，通过该狭缝离子被逐出狭缝到达检测区域。

在已检索到的文献中还未见到在四极场中引入相对显著的十极场分量的具体实现方法及相应的四极杆系统。而采用本发明上述结构的四极杆系统和离子阱，由于第二对柱状极杆采用了非对称的横截面形状，能够有效地实现在四极杆系统和离子阱内生成以四极场为主并引入相对显著的十极场分量的电势分布。计算结果表明本发明中的四极杆系统同时也能引入相对显著的六极场分量，也为六极场的引入提供了另一种切实可行的实现方案。本发明提出了采用圆柱极杆的优选方案，相对易于加工与装配，生产成本较低，对实际加工制造而言是切实可行的。

综上所述，本发明的四极杆系统可用作四极杆质量分析器或线性离子阱及质量分析器，也可作为离子光学系统的离子透镜或离子导引系统。理论研究表明通过激发十极场A₅也可有效改善四极质量分析器的性能，而本发明所提出的四极杆系统是一种可有效地在四极场A₂中引入较为显著的十极场A₅分量的四极杆系统，同时也为在四极场A₂中引入较为显著的六极场A₃分量提供了另一种可选的有效方案，这对于构建性能稳定、可准确控制离子轨迹的四极质量分析器和离子光学部件都将具有重要意义。一旦基理研究表明十极场A₅和/或六极场A₃分量对于质量分析、离子光学具有积极作用，本发明就可直接为其提供可选的实现方案。

附图说明

图1本发明的四极杆系统横截面结构示意图；

图2-图7本发明的四极杆系统的几种极杆参数下计算所得的A₀-A₇相对于A₂的含量的分布；

图8含多种高阶场成分时的第一稳定区图和纯四极场情况下的第一稳定区图的比较；

图9含多种高阶场成分时的质谱峰模拟结果；

图10-12本发明的线性离子阱结构示意图。

具体实施方式

本发明的用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统的结构如图1所示，其包括两对柱状极杆，第一对极杆为y方向上的极杆1和极杆2，第二对极杆为x方向上的极杆3和极杆4；以及连接于该极杆上的电源，其中第一对极杆上同时接入信号6，第二对极杆上同时接入信号7；该些柱状极杆以平行于极杆母线的中心轴z轴为轴心沿周向排列为直筒状，在中心轴上的每一点处，中心轴的垂直平面与第一对极杆相交于第一对横截面，并与第二对极杆相交于第二对横截面，各极杆与直筒内部的圆5相切，圆5的半径为R₀，定义各极杆横截面的边缘到中心轴的最小距离为该极杆所在方向的场半径，则各方向上的场半径均等于R₀。该四极杆系统区别于已有装置的特征在于，第一对极杆的两个极杆横截面1和2的形状相同，并且在中心轴的垂直平面上关于中心轴点O对称；第二对电极的两个极杆横截面3和4形状不同。电源6和7分别连接到两对极杆上，由于四极杆系统采用了上述的非对称极杆结构，则可在四极杆系统内部生成至少包括四极场A₂分量和十极场A₅分量的多极场电势分布，并且A₅的含量不低于A₂的0.1％。

在本发明中，作为一个可选实施例，该四极杆系统的极杆1，2，3和4均采用圆柱极杆，其中第一对电极1和2的半径相等，均为R_y；第二对电极的两个极杆3和4的半径分别为R_x1和R_x2。作为优选方案，极杆1和2的半径R_y可选择为场半径R₀的1.14倍。通过选择R_x2与R_x1的比值可使得十极场A₅的含量不低于A₂的0.1％。

采用图1所示的四极杆系统结构可有效地在以四极场为主的电势分布中引入十极场A₅分量，同时电势分布还将包括其他的高阶场分量。图2-图7分别给出了R_y＝1.14R₀，并选定R_x1/R₀＝k，在不同极杆参数R_x2条件下电势分量A₀-A₇相对于A₂的含量的分布情况，各图的横坐标为R_x2/R₀，纵坐标为各分量相对于A₂的含量，其中，在图2中k＝0.5；图3中k＝0.6；图4中k＝0.7；图5中k＝0.8；图6中k＝0.9；图7中k＝1.0。各图表明，在正分量中，A₅是最显著的高阶分量，其次是六极场A₃，并且A₅和A₃有相同的变化趋势，都随着R_x2的增大而升高。因此，本发明的四极杆系统也可作为引入较为显著的A₃分量的一个可选方案。在实际的应用中，可根据需要选择相应的极杆参数以获得所需的电势分布条件。

上述的极杆参数仅是本发明的部分实施例，而在本发明中，R_x1在范围0.5R₀≤R_x1≤2.0R₀之间，比值R_x2/R_x1在范围0.5≤R_x2/R_x1≤2.0之间时，都将是本发明的优化实施例。

在本发明中，多极场电势分布中十极场A₅的含量可选择为不高于四极场A₂的10％；多极场电势分布所包含的六极场A₃分量的含量可选择为A₂的0.1％至10％这一范围之间。

在本发明中，四极杆系统的各个极杆可以是固定在以Z轴为中心的同一圆周上，且各极杆中心所间隔的圆周角相同，如图1中，在z轴的垂直平面上各圆柱极杆横截面的圆心在逆时针方向上各间隔90度，分别放置在x轴和y轴上。

在本发明的四极杆系统中，电源可提供直流信号或射频信号，也可以是二者的组合。根据信号的类型，该四极杆系统可有不同用途。当电源仅提供直流信号或仅提供射频信号时，四极杆可作为离子光学部件，用于离子的传输与聚焦等。当电源提供的是直流信号与射频信号的组合时，四极杆系统可作为四极杆质量分析器，用于离子的质量分析。

图8为含多种高阶场成分时的第一稳定区图和纯四极场情况下的第一稳定区图的比较。实线所标示的曲线8为含多种高阶场成分时的第一稳定区图，虚线所标示的曲线9为纯四极场情况下的第一稳定区图，在所计算的实施例中，含多种高阶场成分时的第一稳定区8相对于纯四极场情况下的第一稳定区9沿q的正方向发生了轻微的偏移。

图9为含多种高阶场成分时的质谱峰模拟结果。当作为四极杆质量分析器时，在5％离子透过率的情况下，其质量分辨可超过3000，并且能够获得较好峰形。该计算结果表明，理论上，采用本发明所提出的四极杆系统作为四极杆质量分析器是能够改善质谱仪的分辨率的。

如图10-12所示，本发明还提供了一种采用上述四极杆系统的用于质谱分析的离子阱，其包括：具有两对柱状极杆的四极杆系统10；设置于该四极杆系统10两端的端电极11、12；生成射频离子捕获电场的射频信号；以及生成轴向离子捕获电势阱的直流信号。在该离子阱中采用了本发明前述的四极杆系统，该四极杆系统的横截面结构如图1所示，电源6和7分别连接到两对极杆上，由于四极杆系统第二对极杆3和4采用了非对称极杆结构，则可在四极杆系统内部生成至少包括四极场A₂分量和十极场A₅分量的多极场电势分布，并且A₅的含量不低于A₂的0.1％。

端电极11、22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。在本发明的离子阱中，作为一个可选的例子，如图10所示，所述端电极11、12可为沿xy平面放置平板电极。

在本发明的离子阱中，作为另外一个可选的例子，如图11所示，所述的端电极11、12可由平行于z轴的具有两对柱状极杆的四极杆系统构成，其中端电极四极杆系统采用本发明前述的极杆结构，其横截面结构如图1所示。

在本发明的离子阱中，作为再一个可选的例子，如图12所示，所述的端电极11、12还可由具有两对柱状极杆的四极杆系统111和121以及位于该四极杆系端部的平板电极110和120组合而成，其中端电极四极杆系统111和121采用本发明上述的极杆结构，其横截面结构如图1所示。

在本发明中，作为一个可选实施例，该四极杆系统的极杆1，2，3和4均采用圆柱极杆，其中第一对电极1和2的半径相等，均为R_y；第二对电极的两个极杆3和4的半径分别为R_x1和R_x2。作为优选方案，极杆1和2的半径R_y可选择为场半径R₀的1.14倍。通过选择R_x2与R_x1的比值可使得十极场A₅的含量不低于A₂的0.1％。

采用图1所示的四极杆系统结构可有效地在以四极场为主的电势分布中引入十极场A₅分量，同时电势分布还将包括其他的高阶场分量。图2-图7所给出了R_y＝1.14R₀，并选定R_x1/R₀＝k，在不同极杆参数R_x2条件下电势分量A₀-A₇相对于A₂的含量的分布情况也同样适用于本发明所提出的线性离子阱，各图的横坐标为R_x2/R₀，纵坐标为各分量相对于A₂的含量，其中，在图2中k＝0.5；图3中k＝0.6；图4中k＝0.7；图5中k＝0.8；图6中k＝0.9；图7中k＝1.0。

上述的极杆参数仅是本发明的部分实施例，而在本发明中，R_x1在范围0.5R₀≤R_x1≤2.0R₀之间，比值R_x2/R_x1在范围0.5≤R_x2/R_x1≤2.0之间时，都将是本发明的优化实施例。

在本发明中，多极场电势分布中十极场A₅的含量可选择为不高于四极场A₂的10％；多极场电势分布所包含的六极场A₃分量的含量可选择为A₂的0.1％至10％这一范围之间。

在本发明中，四极杆系统的各个极杆可以是固定在以Z轴为中心的同一圆周上，且各极杆中心所间隔的圆周角相同，如图1中，在z轴的垂直平面上各圆柱极杆横截面的圆心在逆时针方向上各间隔90度，分别放置在x轴和y轴上。

在线性离子阱中，被捕获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：

$\frac{m}{e}=A_2\frac{{4V}_{\mathrm{RF}}}{q{R}_0^2{\mathrm{\ω}}^2}$ $\frac{m}{e}={-A}_2\frac{{4U}_{\mathrm{DC}}}{q{R}_0^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

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分别为极杆上所接入射频信号的RF射频分量和DC直流分量的幅度，a和q是Mathieu系数，R₀是z轴到RF极杆的距离即场半径，ω为RF信号的频率。

已有的离子阱理论表明，当极杆具有理想双曲表面时可在离子捕获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。与双曲面电极组成的线性离子阱相比较，采用本发明所述四极杆系统构建的离子阱内部的电势分布以四极场为主，同时引入了较为显著的十极场A5分量、六极场A3以及其他分量，利用非线性共振原理，可有效实现目标离子的分离与分析。

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

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

离子在离子阱中的运动稳定性图如图8的实线8所示。

离子在第一稳定区发生非线性共振的条件是

n_xβ_x+n_yβ_y＝2v，0≤β_x，β_y≤1；n_x，n_y，v为整数(4)

从上述表达式可知，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，则离子阱可将该离子捕获在阱中，被捕获的离子称为稳定离子。当四极杆系统上接入的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成正比，从而也与U_DC成正比。利用离子在离子阱中运动的稳定性，可实现对阱中捕获离子的分离、发射、分析和检测。

线性离子阱质量分析器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。本发明的线性离子阱既可采用常规的线性共振离子阱质量扫描方式，也可以通过选择与十极场A₅的非线性共振线相对应的非线性共振q点，采用AC共振逐出方式，利用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。理论计算表明，非线性共振逐出方式可获得更优的质量分辨率。

利用本发明的四极杆系统构建的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将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四极杆系统或端电极11、12上，即可实现离子的质量选择性分离或激发。当AC电压接到端电极11、12上时，扫描RF幅度可实现离子沿z轴方向通过端电极11、12上的小孔或狭缝发射出离子阱。当AC电压接到x或y方向的一对电极时，扫描RF幅度可实现将离子沿x或y方向通过x电极或y电极上的狭缝逐出离子阱。

在本发明的离子阱中，如图10-12所示，至少一个极杆或端电极11、12上具有实现离子注入或者逐出的狭缝102或小孔112，122。如图10-12所示，线性离子阱中可在电极极杆上开设平行于z轴的狭缝102，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11、12的极板上开设小孔112，122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。

Claims (19)

1.一种用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其包括两对柱状极杆，以及连接于该极杆上的电源，这些柱状极杆以平行于极杆母线的中心轴z轴为轴心沿周向排列为直筒状，在中心轴上的每一点处，中心轴的垂直平面与第一对极杆相交于第一对横截面，并与第二对极杆相交于第二对横截面，各极杆横截面的边缘到中心轴的最小距离即场半径R₀相等；

其特征在于，

所述第一对极杆的两个极杆横截面形状相同，并且在中心轴的垂直平面上关于中心轴对称；

所述第二对电极的两个极杆横截面形状不同；

所述电源连接到各极杆，在所述四极杆系统内部生成至少包括四极场A₂分量和十极场A₅分量的多极场电势分布，并且A₅的含量不低于A₂的0.1％。

2.如权利要求1所述的用于用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其特征在于，所述多极场电势分布中十极场A₅的含量不高于四极场A₂的10％。

3.如权利要求1所述的用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其特征在于，所述多极场电势分布包括六极场A₃，且A₃的含量在A₂的0.1％至10％之间。

4.如权利要求1所述的用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其特征在于，所述四极杆系统的所有极杆为圆柱极杆，所述第一对极杆的半径为R_y，所述第二对电极的两个极杆的半径分别为R_x1和R_x2。

5.如权利要求4所述的用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其特征在于，所述第一对电极的半径R_y为场半径R₀的1.14倍，所述第二对电极的两个极杆的半径分别为R_x1和R_x2，通过选择R_x2与R_x1的比值使得十极场A₅的含量不低于A₂的0.1％。

6.如权利要求5所述的用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其特征在于，所述Rx1的尺度范围为0.5R₀≤R_x1≤2.0R₀，所述比值R_x2/R_x1的取值范围为0.5≤R_x2/R_x1≤2.0。

7.如权利要求1所述的用于产生以四极电场为主，并含有十极场等其他电场成份的电势分布的四极杆系统，其特征在于，所述的电极极杆固定在以Z轴为中心的同一圆周上，且各极杆中心所间隔的圆周角相同。

8.如权利要求1所述的用于质谱分析的四极杆系统，其特征在于，所述电源提供直流信号或射频信号，或者二者的组合。

9.一种用于质谱分析的离子阱，其包括：

具有两对柱状极杆的四极杆系统，各柱状极杆以平行于极杆母线的中心轴z轴为轴心沿周向排列为直筒状，在中心轴上的每一点处，中心轴的垂直平面与第一对极杆相交于第一对横截面，并与第二对极杆相交于第二对横截面，各极杆横截面的边缘到中心轴的最小距离即场半径R₀相等；

设置于该四极杆系统两端的端电极；

连接到四极杆系统的生成射频离子捕获电场的射频信号；以及

连接到端电极的生成轴向离子捕获电势阱的直流信号；

其特征在于，

所述四极杆系统第一对极杆的两个极杆横截面形状相同，并且在中心轴的垂直平面上关于中心轴对称；

所述四极杆系统第二对极杆的两个极杆横截面形状不同；

所述电源连接到各极杆，在所述离子阱内部生成至少包括四极场A₂分量和十极场A₅分量的多极场电势分布，并且A₅的含量不低于A₂的0.1％。

10.如权利要求9所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述端电极为平板电极。

11.如权利要求9所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述的端电极由具有两对柱状极杆的四极杆系构成，端电极四极杆系统的横截面形状及位置与两个端电极之间的四极杆系统相同。

12.如权利要求9所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述多极场电势分布中十极场A₅的含量不高于四极场A₂的10％。

13.如权利要求9所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述多极场电势分布包括六极场A₃，且A₃的含量在A₂的0.1％至10％之间。

14.如权利要求9所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述四极杆系统的所有极杆为圆柱极杆，所述第一对极杆的半径为R_y，所述第二对电极的两个极杆的半径分别为R_x1和R_x2。

15.如权利要求14所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述第一对电极的半径R_y为场半径R₀的1.14倍，通过选择R_x2与R_x1的比值使得十极场A₅的含量不低于A₂的0.1％。

16.如权利要求15所述的离子阱，其特征在于：所述R_x1的尺度范围为0.5R₀≤R_x1≤2.0R₀，所述比值R_x2/R_x1的取值范围为0.5≤R_x2/R_x1≤2.0。

17.如权利要求9所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述的电极极杆固定在以Z轴为中心的同一圆周上，且各极杆中心所间隔的圆周角相同。

18.如权利要求9所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，至少一个电极极杆或端电极上具有实现离子注入或者逐出的狭缝或小孔。

19.如权利要求18所述的用于质谱分析的离子阱，其特征在于，所述四极杆系统至少在一个极杆上开设有平行于中心轴的狭缝，AC电压连接到该开设了狭缝的极杆所属的电极对，实现离子激发或逐出，通过该狭缝离子被逐出狭缝到达检测区域。

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