CN101364519A - 圆环离子阱及圆环离子阱阵列 - Google Patents

Abstract

本发明圆环离子阱及圆环离子阱阵列，用于超大容量的离子存储装置以及按离子的质荷比等特性进行分离和探测的质量分析器。一种圆环离子阱，有离子引入孔和离子引出孔，由两块相互平行的平板空心圆环结构的圆环形电极，和两个外径不同且与平板圆环电极垂直的柱形圆环构成内、外边界电极，两块平板圆环电极上下平行放置且与二个边界电极同轴心，直径小的边界电极位于平板空心圆环电极的内侧，直径大的边界电极位于平板圆环电极的外侧，在边界电极与平板圆环电极之间存在一个缝隙或者绝缘材料以保证电极之间的电绝缘；在上下两块平板圆环电极上施加一个高频电压信号，边界电极接地或者施加一个直流电压，则构成离子存储区域。在外加电场作用下，离子被捕获、存储、冷却或选择性排出阱外。

Description

圆环离子阱及圆环离子阱阵列

技术领域

本发明圆环离子阱及圆环离子阱阵列与离子存储与质量分析技术有关，具体地说涉及一种超大容量的离子存储装置以及按离子的质荷比等特性进行分离和探测的质量分析器。

技术背景

质谱分析技术以其在检测中的高灵敏度而成为世界上应用最广泛的一门分析技术之一，它已经被广泛应用在化学、生物学、医学、制药业以及环境保护等诸多领域。目前有很多种类的质谱仪器都已经商业化并且被很多公司、研究机构以及高校所使用，这些质谱仪器包括磁质谱仪，飞行时间质谱仪，四级杆质谱仪，离子阱质谱仪，傅立叶回旋共振质谱仪，轨道离子阱质谱仪等。新的质谱仪器的研发和成功的产业化极大地推动了质谱技术的发展，也为其它科学领域作出了重大贡献。

在众多的质谱仪器中，离子阱质谱仪有其独特的优势。离子阱质谱仪不仅可以对离子进行质量分析，检测出离子的质荷比，而且它还可以把离子存储在离子阱中，以做进一步的分析和研究。离子阱还可以工作在比较高的气压下(10^-3torr)，是质谱仪小型化的最理想选择，因此，离子阱质谱仪的研究和应用越来越受到质谱学家们的关注。

按构成离子阱的电极几何结构的不同，它通常又被分为三维离子阱和直线形离子阱。传统的三维离子阱是由一个双曲面形的环形电极和两个双曲面形的端电极所组成，如图1所示。其中环形电极11上一般加载一交流高频电压，或称之为射频电压，两端电极12，13上加载直流电压。这样可以在上述电极所围成的区域内形成以四极场为主的电场分布，使得进入此区域的离子被束缚和存储下来。在三维离子阱中，被存储在离子阱中的离子云呈点状。因此，三维离子阱虽然具有很高的质量分辨能力，但是离子存储数量和离子存储效率不高一直是三维离子阱的一个缺陷。

传统的线形离子阱是由四个双曲面形，或圆柱形的电极21，22，23和24，如图2所示，加上两个端电极所组成。其中电极21和23连接在一起，形成一个电源接线端点25；电极22和24连接在一起，形成另一个电源接线端点26；25和26一般分别连接在一交流高频电压的两个极性相反的两个端点，两端电极分别加载直流电压，这样可以在上述电极之间围成一个离子存储区域。在线性离子阱中，被存储在离子阱中的离子云呈线状排列，因此，它的离子存储能力要大大高于传统的三维离子阱。理论上讲，线性离子阱的双曲面柱行电极的长度越长，那么储存在离子阱内的线状离子云的长度也越长，因此存储的离子也越多。但是，在实际应用中，如果电极加工得越长，那么造成的机械误差也越大，这会影响离子阱的整体性能。

在中国专利中，发明者提出了一种由两块平行板电极构成的离子阱阵列。在离子阱阵列中，离子沿着平行的多轴被存储，因此，它可以成倍地提高离子的储存量。

美国普渡大学的G.COOKS等人采用多个离子阱同时使用的方法来提高离子存储能力。总之，研究和开发出结构简单，离子存储量等性能更佳的离子阱质谱仪是科学家们不断追求的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种圆环形离子阱或圆环形离子阱阵列。

本发明的再一目的是提供一种针对上述离子阱的用途。用于离子的存储以及对离子的进一步分析。

本发明的又一目的是提供针对上述用途的分析装置，即具有大存储量的离子阱仪器。

本发明提出的一种圆环离子阱，有离子引入孔和离子引出孔，它主要是由两块平行放置的圆环形电极以及与之垂直的两块边界电极所构成，其中，圆环电极为平板空心圆环结构，两块边界电极为柱形圆环结构，用这些电极构成圆环离子阱时，两块平板圆环电极平行放置且二个边界电极同轴心，用这些电极构成圆环离子阱时，呈上下对称的结构，两块边界电极具有不同的直径，直径小的边界电极位于平板空心圆环电极的内侧，构成内边界电极；直径大的边界电极位于平板圆环电极的外侧，构成外边界电极。所有的电极，包括平板圆环电极和边界电极都是同轴设置的。在边界电极与平板圆环电极之间存在一个缝隙或者绝缘材料以保证电极之间的电绝缘。

在上下两块平板圆环电极上施加一个高频电压信号，边界电极接地或者施加一个直流电压，则在这些电极所围成的区域之间形成一个以四极场为主的圆环形电场区域，构成离子存储区域，在两个平板圆环电极空心部形成中央区域，进入圆环形电场的离子在电场的作用下被束缚直到被存储在离子存储区域中，被存储在圆环离子阱中的离子云呈线状排列，均匀分布在上下两块圆环电极和边界电极所围成的区域中央的圆周上且长度等于该圆周的长度，在外加电场作用下，离子被捕获、存储、冷却或选择性排出阱外。

本发明进一步提出一种圆环离子阱阵列，所述的平板圆环电极为二个或二个以上同心圆环电极构成的平板圆环电极阵列，这些圆环电极具有不同的半径且同心排列，各圆环电极之间设有缝隙或者绝缘材料以保证相邻电极之间的电绝缘，在两个相邻的平板圆环电极之间不设边界电极，边界电极安装在最大的圆环电极的外侧以及最小的圆环电极的内侧，平板圆环电极阵列与边界电极构成一圆环离子阱阵列；

在相邻的圆环电极上施加不同相位的高频电压信号，构成多个环形离子存储区域，每个离子存储区域导入的离子样品相同或者不相同，在每个离子存储区域中都具有以四极场为主的电场区域。

图3显示了圆环离子阱的结构，可以看出，其在径向方向上的任意一个横截面都可以看作两个空间区域，每个空间区域可看作由四个电极构成。在上下两块平板圆环电极上施加一个高频的交变电压信号，边界电极接地或者施加一个直流电压，则在这些电极所围成的区域之间形成一个以四极场为主的电场区域。进入此电场的离子将在电场的作用下被束缚直到被存储在此电场区域中。被存储在圆环离子阱中的离子云呈线状排列，且均匀分布在上下两块圆环电极和边界电极所围成的区域中央的圆周上。存储在阱内的线状离子云的长度等于圆周的长度，因此，这样的结构将大大提高阱内离子的存储数量，提高离子阱的存储性能以及分析灵敏度。

图4显示了圆环离子阱阵列的结构。在相邻的两组平板圆环电极上施加幅度相同，相位相差180°的高频电压信号，则在相邻两组平板圆环电极中间的一个平面上，两组电极所产生的电场正负抵消，形成一个“0电位面”。图4中的47，48，49都是这里所描述的“0电位面”。相邻的两组平板圆环电极之间的距离(415)为平板圆环电极与边界电极之间的距离(416)的两倍，这样，从圆环离子阱的径向截面图上可以看出，圆环离子阱阵列等效于多个圆环离子阱并列的结构，因此具有多个离子存储区域。在每个离子存储区域中都具有以四极场为主的电场区域，因此可以储存和分析离子。显然，圆环离子阱阵列具有更大的离子储存能力，其离子储存和分析能力将数倍于圆环离子阱。其提高离子阱的存储性能及分析灵敏度的程度将更大。

存储在圆环离子阱中的离子可以被做进一步的分析，如红外分析等。存储在圆环离子阱内的离子也可以在外加电场的作用下被排除阱外以做其它用途。例如，可以在内边界的中央加工一个缝隙，使离子通过缝隙排除阱外，进而进行飞行时间质谱的分析。同时，圆环离子阱自身也具有质量分析的功能，储存在阱内的离子可以在外加电场的作用下被选择性的弹出，从而达到质量分析的目的。要完成质量分析的功能，需要在平板圆环电极中央加工一个圆环形的狭缝，使得离子可以通过狭缝被弹出阱外从而被检测和接收。

同样，储存在圆环离子阱阵列中的离子也可以被做进一步分析。也可以利用其自身具有的质量分析功能对存储在各个离子存储区域的离子进行质量分析。要完成质量分析的功能，需要在圆环离子阱阵列中的每组平板圆环电极中央都加工一个狭缝，使得离子可以通过狭缝被弹出阱外从而被检测和接收。

本发明中，圆环离子阱可用两块印刷电路板制作，其中的圆环电极可采用镀金属膜进行制作。所有的电极表面都是平面状，每个电极中央可加工一个不封闭的圆环形的狭缝用以排出离子。两块印刷线路板可通过边界电极固定，在边界电极的某些部位设有开孔或狭缝用以注入或排出离子。

本发明中，圆环离子阱阵列也可用两块印刷线路板制作，其中的平板圆环电极阵列可采用镀金属膜的方法进行制作。所有的电极表面都是平面状，每个平板圆环电极中央可加工一个不封闭的圆环形狭缝用于排出离子。两块印刷线路板可通过边界电极固定，在边界电极的某些部位设有开孔或狭缝用以注入或排出离子。

也可以采用其它的机械加工方法来制作圆环离子阱和圆环离子阱阵列。

本发明进一步包括一个离子探测器，以探测从圆环离子阱中排出的离子。该离子探测器安放在与平板圆环电极平行的方向并且安放在平板圆环电极上的狭缝旁侧。

本发明进一步包括一个大面积的离子探测器，以检测从圆环离子阱的各个存储区域中排出的离子。该离子探测器安放在与平板圆环电极平行的方向，并且覆盖各个平板圆环电极上的狭缝以检测所有离子存储区域中排出的离子。

本发明还涉及一种离子存储和分析的方法。在相邻的平板圆环上施加幅度相同，相位相差180°的高频电压信号，则在相邻电极之间的平面上产生一个0电势面，相当于一个0电位的电极。这样，上下两个电极条以及由反向高频电压形成的0电位电极共同构成一个电场，该电场由四极场和其他高极场组合而成，但以四极场为主。在这个电场中，离子可以被存储，并根据它们的质荷比不同而被选择性地排出阱外。

在上述方案中，所述选择性排出离子的方法包括将一个共振激发信号耦合到高频电压信号上之后一起施加到圆环电极上，从而使离子受到共振激发排出阱外，这种方法可以提高对离子分析的分辨率。所述的共振激发信号是一个低电压的信号，其电压范围一般在0—100伏以内，其频率是高频电压信号的分频，通常取3分频、4分频、3/8分频，或者根据需要取其他分频。

上述方案中，还可进一步包括控制这个共振激发信号，将不需要的离子通过共振激发打在电极条上或者排出阱外，而使其他的离子留存在阱内。留存的离子可以做进一步的分析。

对留存离子的处理也包括通过在边界电极上施加电压使离子排出阱外。具体的方法是：提高外围边界电极的电压，使外围边界电极和内围边界电极形成电位差，离子可以沿着电位差的方向排出阱外，从而进入圆环离子阱的中央区域。

上述方法方案中，从圆环离子阱中注入到中央区域的离子也可以作飞行时间质谱分析。在中央区域放置冷却离子的装置，以及可施加电压的筛网，这样，将从圆环离子阱中排出的离子动能降低到0附近，然后使离子沿着平行于边界电极的方向飞行以做飞行时间质谱分析。

本发明给出的圆环离子阱，可以实现大容量的离子存储，其存储的离子可以在外加电场的作用下一次性地被排出阱外的一个集中的区域做进一步的分析；存储的离子也可以经过隔离后被排出到阱外的一个集中的区域做进一步的分析。

本发明给出的圆环离子阱阵列，实现了比圆环离子阱更为强大的离子存储和分析能力。圆环离子阱阵列具有数倍于圆环离子阱的离子存储和分析能力。它将极大的提高分析和检测的灵敏度，而分析和检测的灵敏度一直是科学家们追求的目标。

附图说明

图1.传统三维离子阱的结构示意图。11为双曲面的环形电极，12和13为二个双曲面的端盖电极。在应用中环形电极11一般接一个高频的电压信号，而端盖电极12和13一般接地或者接一个直流电压信号。

图2.传统线形离子阱的结构示意图。21，22，23和24分别为四根柱形双曲面电极。21和23连接在一起，形成一个电源接线端点25；22和24连接在一起，形成另一个电源接线端点26；27为离子逐出孔。在应用中，接线端25和26一般接幅度相同，相位相差180°的高频电压信号。

图3.给出了本发明提出的圆环离子阱的结构示意图。图3(a)是圆环离子阱的上视图，图3(b)是圆环离子阱的径向截面图。32是组成圆环离子阱的上平板圆环电极，35是组成下平板圆环电极。31是外边界电极，33是内边界电极，34是储存在圆环离子阱内的离子云，离子云呈线状排列，且分布在离子存储区域的圆周上。其中两个平板圆环电极32和35短接在一起，并施加高频电压信号。

图4.给出了本发明提出的圆环离子阱阵列的结构示意图。图4(a)是圆环离子阱阵列的上视图，图4(b)是圆环离子阱的径向截面图。41，42，43和44是平板圆环电极，45是外边界电极，46是内边界电极。上下对应的平板圆环电极加相同的高频电压信号，相邻的平板圆环电极之间加幅度相同，相位相差180°的高频电压信号。47，48，49为加在相邻圆环电极上的高频电压信号所形成的“0电位面”。411，412，413，414为存储在各个离子存储区域的离子云。315为相邻两个圆环电极之间的距离，316为平板圆环电极与边界电极之间的距离。315一般为316的2倍。

图5 给出了带离子弹出孔的圆环离子阱阵列的示意图。图5(a)为圆环离子阱阵列的上视图，图5(b)为圆环离子阱阵列的径向截面图。51，52，53是组成圆环离子阱的平板圆环电极，57是外边界电极，58是内边界电极。54，55，56是加工在平板圆环电极上的狭缝，以供离子存储区域的离子弹出。

图6 圆环离子阱和飞行时间质谱仪所组成的圆环离子阱—飞行时间质谱仪的结构示意图。602和614为组成圆环离子阱的平板圆环电极，601为外边界电极，603为内边界电极。604为存储在圆环离子阱中的离子云，605为从圆环离子阱中排出到中央区域的离子云。607是用于离子减速的减速电极。606，608，609和610是飞行时间质谱仪的加速电极，611是飞行时间质谱的飞行腔，612是离子探测器的前级，613是离子探测器。

图7 给出了利用圆环离子阱阵列进行质量分析的示意图。701，702，703，704为加工在平板圆环电极上的狭缝，用于弹出离子，705为一个大面积的离子探测器，用于检测弹出的离子。731，732，733和734是用于产生离子的离子源，也可以是产生电子的灯丝或者电子枪。711，712，713和714是加工在平板圆环电极上的狭缝，用于注入离子或者注入电子。

具体实施方式

实施例1

根据图6来进一步说明利用圆环离子阱和飞行时间食谱仪共同组成的圆环离子阱—飞行时间质谱仪的结构及其工作原理。

图6中，602和614是组成圆环离子阱的两块平板圆环电极。两块平板圆环电极602和614短接在一起并施加一个高频电压信号，而边界电极601和603分别施加一个直流电压信号，这样在平板圆环电极和边界电极围成的区域中便产生一个以四极场为主的电场区域，可以对进入其中的离子进行存储，我们可以称这个区域为离子存储区域。在实际应用中，我们可以使用外部电离或者内部电离的方式获得离子，然后将离子捕获在离子存储区域中。在离子捕获的过程中，可以使用缓冲气体，如氦气，对离子进行碰撞冷却，从而使离子的动能减小到0附近，增加捕获离子的效率和数量。另外，在离子捕获的过程中，除了在平板电极上施加高频的电压信号外，两个边界电极(601和603)上电压被调整成0V以形成合适的捕获电场。

内边界电极603的中央被加工有一个圆环形的狭缝用于将离子排出到圆环离子阱的中央区域。离子被电场捕获并存储在离子存储区域中之后，在很短的时间内升高外边界电极601的电压，即在601上加一个正向的脉冲电压，同时撤掉加在圆环电极602和614上的高频电压信号，这时离子就会沿着径向方向被排出到圆环型离子阱的中央区域。

在601上施加脉冲电压的同时，在飞行时间质谱仪器的加速电极606，608，609和610上施加一个合适的加速电压，则在606，607，609和610之间形成一个加速电场，处在加速电场中的离子被加速从而沿着电场的方向飞行。加速电压的大小根据实际情况进行调整。根据离子质荷比的不同，其在飞行时间管道里的飞行时间也不同，这样，不同质荷比的离子会在不同的时间到达离子探测器613，从而达到了质量分析的目的。613为安装在离子探测器前方的屏蔽电极，用于减少电干扰信号，取得更好的检测效果。

被排出的离子具有一定的动能，而且离子动能的都是基本指向圆心的，在加速电场和初动能的共同作用下，离子会沿着不同的方向散射出去，这不利于飞行时间质谱分析。因此在圆环离子阱的中央区域放置了一个柱形的减速电极607，在607上加一个合适的直流电压，可以把从圆环离子阱中排出的离子的动能降到0附近，这样就可以使得所有的离子沿着平行于边界电极的方向飞行。

对于存储在圆环离子阱内的离子，还可以进行进一步的分析，如串级质谱分析等。在边界电极601和603上施加一个共振激发信号，这个共振激发信号通常是一个低电压的交流信号，其频率应低于加在平板圆环电极上的高频电压信号。通过控制这个共振激发信号，可以对存储在圆环离子阱内的离子进行选择性的弹出。例如，可以把感兴趣的离子留存在离子阱中，而把其它的离子通过共振激发信号弹出阱外。对留存的离子可以做碰撞解离，即把留存在圆环离子阱内的离子打成碎片。然后把碎片离子排出到圆环离子阱的中央区域进行飞行时间质谱分析。这对分析样品离子的结构非常重要。

上述的情况中还可以在高频电信号上叠加一个可控的共振激发信号，再把叠加后的信号加载到平板圆环电极602和614上，这样可以通常形成共振激发电场，达到和上面相同的目的。

使用本发明中的圆环离子阱和飞行时间质谱仪联用，其显著的优点在于这种离子阱存储离子的容量更大，因而可以增强离子信号的强度，从而提高仪器质谱分析的灵敏度。

使用本发明中的圆环离子阱和飞行时间质谱联用的另一个优点在于，从圆环离子阱中排出的离子都朝着圆环离子阱的圆心飞行，这样离子在中场区域集中起来，便于飞行时间质谱分析。这使得存储在圆环离子阱中的离子得到了最有效的利用，无疑也达到了增加了仪器的质谱分析灵敏度的效果。

实施例2

本实施例描述了使用本发明中的圆环离子阱阵列来进行离子的存储和分析的原理和过程。使用圆环离子阱阵列可以大幅度提高离子存储的数量和质谱分析的灵敏度。

首先利用图4来说明圆环离子阱阵列如何施加合适的电压以产生离子束缚电场。图4中，41，42，43，44是组成圆环离子阱的平板圆环电极，，45和46是边界电极。圆环离子阱工作时，相邻的平板圆环电极施加幅度相同、相位相差180°的高频电压信号。在图4中表现为，31和33上施加的高频信号相位相同，32和34上施加的高频信号相位相同，而31和32上的高频信号相位相差180°。这样便在相邻两个平板圆环电极之间产生一个“0电位面”，即相邻两块电极上产生的电场在这个“0电位面”上互相抵消。47，48，49就是上面所说的“0电位面”。由于相邻平板圆环电极之间的距离(415)为平板圆环电极到边界电极的距离(416)的两倍，这样平板圆环电极、边界电极以及“0电位面”共同形成了多个相同的离子束缚区域。这些离子束缚区域的电场以四极场为主，并含有其它的高阶电场，进入电场的离子将被束缚在离子束缚区域内。

图7中的圆环离子阱阵列与图4中圆环电极阵列的差别在于，对于图7中的圆环电极阵列，其上的每个平板圆环电极中央都有一个狭缝，以供离子弹出或者注入。图7中701，702，703和704是供离子弹出的狭缝，而711，712，713和714是供离子注入的狭缝。在其它方面，图4和图7中的圆环离子阱阵列都是相同的。

图7中的731，732，733，734是产生离子的离子源，它可以把中性的样品电离成离子，然后把产生的离子同过狭缝711，712，713和714注入到圆环离子阱中，在四极电场和缓冲气体的共同作用下，这些注入的离子将被束缚和储存下来。

这些产生离子的离子源731，732，733和734可以是电子轰击源(EI)，也可以电喷雾电离源(ESI)，或者其它种类的离子源。

图7中的731，732，733和734也可以是产生电子的灯丝，在这种情况，将中性样品通入圆环离子阱的离子束缚区域内，然后灯丝发射的电子通过狭缝也同样被注入圆环离子阱的离子束缚区域内。这样，样品就会被这些具有一定动能的电子所电离，从而完成离子化。被电离的离子在四极电场的作用和缓冲气体的共同作用下被束缚在阱内。

通过控制加载在平板圆环电极上的高频电压信号，可以使被束缚的离子按照其质荷比被选择性的弹出，从而被大面积离子探测器705所接收到，形成离子谱峰。

上述控制高频电压信号的方法可以是对其幅度进行线性的扫描，也可以对其周期进行线性扫描。两种方法都可以得到所需的质谱峰。

在上述方案中，所述选择性排出离子的方法包括将一个共振激发信号耦合到高频电压信号上之后一起施加到圆环电极上，从而使离子受到共振激发排出阱外，这种方法可以提高对离子分析的分辨率。所述的共振激发信号是一个低电压的信号，其电压范围一般在0—100以内，其频率是高频电压信号的分频，通常取3分频、4分频、3/8分频，或者根据需要取其他分频。

上述方案中，还可进一步包括控制这个共振激发信号，将不需要的离子通过共振激发打在电极条上或者排出阱外，而使其他的离子留存在阱内。留存的离子可以做进一步的分析，如串级质谱分析等。

实例一中提到过，圆环离子阱本身就具有较强的离子储存能力，而一个圆环离子阱阵列含有多个离子束缚区域，其储存离子的能力将数倍与圆环离子阱的储存能力。因此，使用圆环离子阱阵列进行离子储存和质量分析，可极大地提高分析和检测的灵敏度。

Claims (17)

1、一种圆环离子阱，有离子引入孔和离子引出孔，由两块相互平行的圆环形电极，和二块及二块以上与这两块圆环形电极相互垂直的电极所组成，其特征在于：

所述的圆环形电极为平板空心圆环结构，两个外径不同且与平板圆环电极垂直的柱形圆环构成内、外边界电极，两块平板圆环电极上下平行放置且与二个边界电极同轴心，直径小的边界电极位于平板空心圆环电极的内侧，直径大的边界电极位于平板圆环电极的外侧，用这些电极构成圆环离子阱时，呈上下对称的结构，在边界电极与平板圆环电极之间存在一个缝隙或者绝缘材料以保证电极之间的电绝缘；

在上下两块平板圆环电极上施加一个高频电压信号，边界电极接地或者施加一个直流电压，则在这些电极所围成的区域之间形成一个以四极场为主的圆环形电场区域，构成离子存储区域，在两个平板圆环电极空心部形成中央区域，进入圆环形电场的离子在电场的作用下被束缚直到被存储在离子存储区域中，被存储在圆环离子阱中的离子云呈线状排列，均匀分布在上下两块圆环电极和边界电极所围成的区域中央的圆周上且长度等于该圆周的长度，在外加电场作用下，离子被捕获、存储、冷却或选择性排出阱外。

2、根据权利要求1所述圆环离子阱，其特征在于：所述的平板圆环电极为二个或二个以上同心圆环电极构成的平板圆环电极阵列，各圆环电极之间设有缝隙或者绝缘材料以保证相邻电极之间的电绝缘，在两个相邻的平板圆环电极之间不设边界电极，边界电极安装在最大的圆环电极的外侧以及最小的圆环电极的内侧，平板圆环电极阵列与边界电极构成一圆环离子阱阵列；

在相邻的圆环电极上施加不同相位的高频电压信号，构成多个环形离子存储区域，每个离子存储区域导入的离子样品相同或者不相同，在每个离子存储区域中都具有以四极场为主的电场区域。

3.根据权利要求1或2所述圆环离子阱，其特征在于：在内边界电极的中央加工一个缝隙，使离子通过缝隙排出阱外，进入中央区域。

4.根据权利要求2所述圆环离子阱，其特征在于，所述的圆环电极中央设有狭缝，使离子被引入，或弹出阱外从而被检测和接收。

5.根据权利要求2所述圆环离子阱，其特征在于，所述的平板圆环电极阵列采用印刷线路板制成，每个圆环电极表面都是平面状，每个圆环电极中央加工一个不封闭的圆环形狭缝，两块印刷线路板通过边界电极固定，在边界电极上设有开孔或狭缝用以注入或排出离子。

6.根据权利要求2所述圆环离子阱，其特征在于，所述的相邻圆环电极之间的距离为平板圆环电极与边界电极之间的距离的两倍。

7.针对根据权利要求1至6之一所述圆环离子阱的用途，与离子探测器配合，用于探测从圆环离子阱或圆环离子阱阵列中排出的离子，该离子探测器安放在与平板圆环电极平行的方向并且安放在平板圆环电极上的狭缝旁侧。

8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于，所述的离子探测器为一个大面积的离子探测器，以检测从圆环离子阱阵列的各个存储区域中排出的离子，该离子探测器安放在与平板圆环电极阵列平行的方向，并且覆盖各个平板圆环电极阵列上的狭缝以检测所有离子存储区域中排出的离子。

9.利用权利要求2至6之一所述圆环离子阱进行离子存储和分析的方法，在相邻的两组平板圆环电极上施加幅度相同，相位相差180°的高频电压信号，则在相邻圆环电极中间的一个平面上，两组电极所产生的电场正负抵消，形成一个“0电位面”，构成多个环形离子存储区域，在每个离子存储区域中都具有以四极场为主的电场区域，每个离子存储区域导入的离子样品相同或者不相同进行存储和分析，通过调节电极上电压离子被捕获、冷却，并根据它们的质荷比不同，离子被有选择性排出阱外。

10.根据权利要求9所述的离子存储和分析的方法，其特征在于：所述的离子被有选择性排出阱外的方法包括将一个共振激发信号耦合到高频电压信号上之后一起施加到圆环电极上，使离子受到共振激发有选择性排出阱外，其中，所述的共振激发信号是一个低电压的信号，其电压范围一般在0—100V以内。

11.根据权利要求10所述的离子存储和分析的方法，其特征在于：共振激发信号频率是高频电压信号的分频，取3分频、4分频或3/8分频，通过控制这个共振激发信号，将不需要的离子通过共振激发打在电极条上或者排出阱外，而使其他的离子作为留存离子留存在离子阱内。

12.根据权利要求10所述的离子存储和分析的方法，其特征在于：提高外边界电极的电压，使外边界电极和内边界电极形成电位差，使留存离子沿着电位差的方向排出阱外，进入圆环离子阱的中央区域。

13.根据权利要求12所述的离子存储和分析的方法，其特征在于：对从圆环离子阱中注入到中央区域的离子作飞行时间质谱分析，在中央区域放置一冷却离子的装置，以及可施加电压的筛网，使得从圆环离子阱中排出的离子动能降低到0附近，然后，通过在筛网上施加电压，使离子沿着平行于边界电极的方向飞行以做飞行时间质谱分析。

14.针对权利要求13所述的离子存储和分析的方法提供的分析装置，由圆环离子阱或圆环离子阱阵列与飞行时间质谱仪共同组成的圆环离子阱—飞行时间质谱仪，离子探测器安放在与平板圆环电极平行的方向上，正对圆环离子阱的中央区域，在圆环离子阱与离子探测器之间设置飞行时间质谱仪，在圆环离子阱的中央区域放置一个柱形的减速电极；其中，所述的飞行时间质谱仪包括与平板圆环电极平行设置的四个加速电极和一飞行腔，离子经加速电极加速后，经过飞行腔，进入离子探测器，在离子探测器前方安装一用于减少电干扰信号的屏蔽电极。

15.针对权利要求14所述的分析装置的操作方法，两块平板圆环电极短接在一起并施加一个高频电压信号，对内、外边界电极分别施加一个直流电压信号，这样在平板圆环电极和边界电极围成的区域中便产生一个以四极场为主的电场区域，构成离子存储区域，对进入其中的离子进行存储、冷却，使离子的动能减小到0附近，增加捕获离子的效率和数量，具体步骤为：

(1)离子捕获，除了在平板电极上施加高频的电压信号外，内、外边界电极上电压被调节成0V以形成合适的离子捕获电场；

(2)将离子排出到圆环离子阱的中央区域，离子被电场捕获并存储在离子存储区域中之后，在很短的时间内升高外边界电极的电压，即在外边界电极上加一个正向的脉冲电压，同时撤掉加在二块平板圆环电极上的高频电压信号，这时离子就会沿着径向方向被排出圆环型离子阱外至中央区域；

(3)在外边界电极上施加脉冲电压的同时，在飞行时间质谱仪器的加速电极上施加一个可调的加速电压，则在加速电极之间形成一个加速电场，处在加速电场中的离子被加速并沿着电场的方向飞行，根据离子质荷比的不同，其在飞行时间管道里的飞行时间也不同，最后以不同的时间到达离子探测器，完成质量分析。

16.根据权利要求15所述的操作方法，其特征在于：对于存储在圆环离子阱内的离子，作进一步的串级质谱分析，包括下述步骤，

先在内外边界电极上施加一个共振激发信号，该共振激发信号是一个低电压的交流信号，其频率低于加在平板圆环电极上的高频电压信号，通过调节该共振激发信号，形成共振激发电场，对存储在圆环离子阱内的离子进行选择性的排出，把需要的离子留存在离子阱中，而把其它的离子通过共振激发信号排出阱外；然后，对留存的离子做碰撞解离成碎片，把碎片离子排出到圆环离子阱的中央区域进行飞行时间质谱分析。

17.根据权利要求15或16所述的操作方法，其特征在于：在所述的高频电信号上叠加一个可控的共振激发信号，把叠加后的信号加载到平板圆环电极上，形成共振激发电场，对存储在圆环离子阱内的离子进行选择性的排出。

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