CN101515532B - 含有高阶场成份的四极杆电极系统及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明属于质量分析技术领域，具体涉及一种含有高阶场成份的四极杆电极系统及其用途，给出了一种用四根杆型电极构成的四极杆电极系统，它可以产生以四极电场为主，并含有部分负十二极场与负二十极场等高阶场成份。离子质量分析或离子存储仪器使用这种四极杆电极系统，既可作为高通量的离子导引系统使用，也可以对感兴趣的正离子或负离子进行质量分析，得到所需要的质谱图，还可实现在一定线性空间范围内存储正负离子，并应用质量选择激发、碰撞与串级质谱等质谱方法。本发明给出的引入负高极场的四极系统具有结构简单，成本低廉，性能独特等优点。

Description

含有高阶场成份的四极杆电极系统及其用途

技术领域

本发明给出了一种含有高阶场成份的四极杆电极系统及其用途，具体涉及含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极场系统，应用该系统制造的四极杆离子质量分析器、线性离子阱或离子导引及其工作分析方法，属于质量分析技术领域。

背景技术

用四个电极按一定方式组装起来，就可以在事先选定的电源作用下，在一定的空间区域内产生四极电场分布。可以产生四极电场的四个电极系统常常被用于各种质谱仪系统中来传输离子，存储离子和分析离子，即所谓的四极离子导引，四极离子阱和四极离子质量分析器。如在专利号为2,939,952的美国专利中，发明人给出了如何用四个电极来构建质量分析器的方法。根据此项发明，可以将四个杆形电极平行地围绕一个中心轴固定，然后将两两相对的电极连接在一起形成两个端点，供连接外加工作电源用。通常情况下，将输出电压为：V(t)＝+(U-VcosΩt)连接到一个端点；同时将输出电压为：V(t)＝-(U-VcosΩt)连接到另外一个端点。在这些电压表达式中，U代表直流电压值，V代表所谓的射频电压值(峰值相对于零的电压值)，Ω为射频电源的角频率。在此电源的作用下，四个杆形电极将在所围成的中心区域内产生以四极电场为主要成分的电场分布。

在四极离子质量分析器中，离子由四极杆的一端沿轴线方向进入四极电场中。在四极电场的作用下，这些离子具有复杂的运动轨迹。离子的轨迹大致可以分为稳定和非稳定轨迹两类。对于一个具有稳定运动轨迹的离子，其在同四极杆轴向正交的平面上的运动幅度恒小于从轴心到极杆表面的距离r₀。因此，具有稳定运动轨迹的离子将沿著四根杆形电极的轴向并穿过四极电场系统传输到下一个处理位置或一个检测器。而具有非稳定运动轨迹的离子将碰撞到四极电场系统的极杆表面而不能被传输。

理论上，用于建造四极质谱仪的四根电极应是截面为双曲面的杆型电极，它们应被平行地围绕着一中心对称轴固定，轴心与双曲面的原点重合。其四根电极的内侧表面的截面应满足下列方程：

(x²-y²)＝±r₀ ²            (1)

这里r₀为四根电极所围成的内接圆半径，即所谓的电场半径。对于轴心与双曲面的原点重合的理想双曲面杆型电极，上述电场半径也称理想电场半径，记为r_N。

如图1所示，其中11，12，13，14为平行地围绕一个中心轴固定的四根表面为双曲面的电极。电极11和14连接在一起形成一个端点101，电极12和13连接在一起形成另一个端点102，它们分别供连接外加工作电源用。

在此情况下，四极杆电极系统在具有下列形式的射频电源作用下，将产生理想的四极电场分布：

V(x，y)＝(U-V_rf cosΩt)        (2)

上式中，U为射频电源的直流电压值，V_rf为射频电源的交流电压值，Ω为射频电压的角频率，Ω＝2πf。

离子在四极电场中的运动可用Mathieu方程来求解。有关Mathieu方程的求解过程在许多文献中，如Dawson PH.Quadrupolemass spectrometry and its applications，Elservier：Amsterdam，1976。已有详细的介绍。这里不再赘述。

求解Mathieu方程将得到关于四极质谱工作原理的两个重要参数，a和q，它们的表示式分别为：

$a=\frac{8\mathrm{eU}}{m{r}_0^2{\mathrm{\Ω}}^2}---\left(3\right)$

$q=\frac{4e{V}_{\mathrm{rf}}}{m{r}_0^2{\mathrm{\Ω}}^2}---\left(4\right)$

在这里，e表示离子所带的电荷，m为离子质量，Ω＝2πf，f为射频频率，U为任一极杆对地的直流电位。V为任一极杆对地的射频电压的零位至峰顶值。

在x、y方向同时使离子运动稳定的a、q各组合通常由一幅稳定区图表示出来，即得到所谓的四极电场中的离子运动的稳定区图。如图2(a)所示。图2(a)中的I，II，III，IV，V和VI分别表示四极质谱的第一，第二，第三，第四，第五和第六稳定区。

四极质谱的工作原理可以简单地用四极质谱的稳定区图来描述。图2(b)为四极质谱的第一稳定区图。它所对应的a，q值范围为：a＝0～0.2371，q＝0～0.908.

由图2(b)可见，第一稳定图的顶部形状近似为一锐角，其顶点的坐标约为：a＝0.2371，q＝0.7057。

当线性四极杆作四极离子质量分析器时，其工作的直流和交流电压(U和V)将被调整到某一特定比值，使得某一特定质荷比的离子恰巧在稳定区的尖端内部。其详细工作原理我们将在后面讨论。

当线性四极杆作为线性离子阱使用时，其工作原理为，在离子阱中，离子在径向被二维的四极电场所约束，轴向则被加在离子阱两端电极上的直流电位所约束，离子被存储在离子阱中。然后通过改变另一加在离子阱上的交流电压的频率，使离子被共振射出离子阱。并在穿过四极杆间的一个或多个孔穴后到达外部检测器，产生质谱信号。

将四极离子质量分析器和离子源，离子探测器等结合起来即可组成一台四极离子质量分析仪，或称之为四极质谱仪。也可以将离子导引和离子质量分析器结合起来，组成一台较为复杂的四极离子质量分析仪。还可以将多个离子导引，四极离子质量分析器和离子阱等按一定的次序串联起来组成一个较为复杂的四极质谱仪系统，即所谓的串级质量分析仪。它是目前可以和多种离子源结合起来使用的一种主要串级质量分析仪。此外，还可以将四极离子导引，四极离子阱，四极离子质量分析器等和飞行时间质谱仪等其它类型的质谱仪连接起来形成更为复杂的串级质谱仪系统。这些具有串级质谱分析功能的仪器除了可以作常规的质谱分析外，还可以用于分析复杂分子体系的结构等。它们已被广泛用于生物和化学体系的成份和结构分析。

用四个表面为理想双曲面的四个杆状电极所组成的四极杆电极系统可以产生理想的四极电场分布。在实际应用中，出于机械加工和生产成本的考虑，常常用圆柱形的杆形电极代替表面为双曲面的电极来构建四极质谱系统等。如图3所示。图3中，31，32，33，34为平行地围绕一个中心轴固定的四根表面为圆柱面的电极。电极31和34连接在一起形成一个端点，301；电极32和33连接在一起形成另一个端点，302。它们分别供连接外加工作电源用。

在这些非理想双曲面的四极系统中，其内部电场U可表为：

U＝∑A_nRe(x+yi)ⁿ

其中Re(x+yi)ⁿ的图形绕原点出现正负交叠的2n个花瓣图形，称简谐2n极场函数，而参数A_n则为这些多极场的权重。在四极系统满足4次旋转反轴对称性，即旋转四分之一圆周取相反符号结构不变情况下，非理想四极系统所产生的电场分布除了主要为四极电场外，还含有少量的十二极场，即A₆；二十极场，即A₁₀；等高阶场成分。

研究发现，当用圆柱形的杆形电极代替表面为双曲面的电极来构建四极离子质量分析器时，常常会影响到四极滤质器的性能，包括使得四极质谱的质量分辨降低和离子传输效率下降。

由于完美的四极场仅当四根电极的表面都为双曲面的情况下产生，所以长期以来，人们一直都认为十二极场，二十极场和一些更高阶场是导致圆柱形杆状四极滤质器性能下降的原因。

理论上，四极离子质量分析器的四根圆形电极杆中央区域的电场分布完全取决于r/r₀的值，这里，r为四根圆柱形电极的圆柱半径，r₀为四根圆柱形电极所围成的内接圆半径，它通常被称为场半径。r/r₀的改变会使得不同成分的电场分布发生变化，继而改变四极离子质量分析器的性能。例如，在文献Dayton PH，et al.Rev.ScientificInstruments，1954，25：485中，作者首次提出最优化的r/r₀的值。他们指出当r/r₀＝1.148时，四极滤质器的性能最好。在随后的文献中，如Paul W，Reinhard HP.Von Zahn U.Z.Phys，1958，152：143中，作者则提出了r/r₀的另一个优化值，即r/r₀＝1.16。这个数值一直被许多作者及厂商所广泛引用。

在以后的研究中，人们还进一步认为，要使四极离子质量分析器的性能提高，就必须使得仅次于四极场后出现的高阶场-十二极场为零。根据Denison的计算结果，在r/r₀的值为1.1468时[Denison DR.J.Vac.Sci.Technol.1971；8：266]，十二极场为零。同时，他们的实验也证明在r/r₀＝1.1468的时候，四极质量分析器的灵敏度方面比r/r₀＝1.16时的灵敏度有了要高出许多。其他作者后来也做过很多类似的计算，并不断提出新的r/r₀值，如文献Dawson PH WhenttenNR International Journal of Mass Spectrometry and Ion Optics，1996，3：1；Lee-Whiting GE，Yamazaki，L.Nuclear InstrumentalMethods，1971，94：319；Reuben AJ，Smith GB，Moses P，Vagov AVet al，Journal of Mass Spectrometry and Ion Optics，1996，154：43等，都在对有高阶场存在的情况下四极滤质器的性能进行讨论，希望能得到圆形杆线性四极滤质器的最佳r/r₀，以提高四极离子质量分析器性能。

在文献Gibson JR and Taylor S.Numerical investigation ofthe effect of electrode size on the behavior ofquadrupole massfilters.Rapid Communication in Mass spectrometry，2001，15：1669-1673中，作者认为，虽然十二极场是影响四极质谱仪性能的最关键的因素，因为在很多r/r₀值下，十二极场是继四极场后，所占的比例为最大。然而，对于数值较小，但数量很多的更高阶场，它们的总效果也可能会比十二极场的效果更大，所以也必须加以考虑。经过他们多次对不同r/r₀值下质谱峰的高度、形状和峰尾部的研究后，得出在r/r₀的值在1.12到1.13之间时，四极质量分析器会有最好的性能。

最近，Douglas等又进一步研究了有关高阶场效应对四极离子质量分析器性能的影响，在Douglas DJ，Konenkov NV.Influence ofthe 6^th and 10^th spatial harmonics on the peak shape of aquadrupole mass filterwith round rods.Rapid Communication inMass spectrometry，2002，16：1425-1431中，Douglas和Konenkov的计算结果是，当r/r₀＝1.130时，四极滤质器的性能最好。其原因是，当r/r₀＝1.130时，A₆＝1.00×10^-3而A₁₀＝-2.44×10^-3，这两者数量级相同但符号相反，所以A₆和A₁₀两者的作用将相互抵消。

总之，由于理论上和实际应用中的重要意义，有关高极场效应对四极离子质量分析器性能的影响，是人们近五十多年来一直感兴趣的研究内容。在美国专利中，1，Geometry for generating atwo-dimensional substantially quadrupole field.United StatesPatent，Published date：Feb.5，2004；2，Axial ejection withimproved geometry for generating a two-dimensionalsubstantially quadrupole field.

United States Patent，Published date：June 10，2004；3，Methodand apparatus for providing two-dimensional substantiallyquadrupole fields having selected hexapole components.UnitedStates Patent，Filed date：Sept 25，2003。Douglas等通过改变四根圆柱型电极杆直径等方法，加入适当的八极电场或六极电场，以改进干四极离子质量分析器的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于提出一种含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极场系统，即：A₆＜0且A₁₀＜0。

本发明所要解决的再一技术问题在于提供上述的线性四极场系统的应用。

本发明所要解决的又一技术问题在于利用上述的线性四极场系统制造离子质量分析仪器，线性离子阱或离子导引。

本发明提出了一种含有高阶场成份的四极杆电极系统，用四个杆形电极沿中心轴向平行围合而成四极场系统，其特征在于所述的高阶场成份为含有负十二极场和负二十极场成份，即内部场强U的展开式∑A_nRe(x+yi)ⁿ中的系数A₆与A₁₀为负值，其中，展开式中负十二极场系数A₆的数值为-0.1％～-3.7％之间，负二十极场系数A₁₀的数值为-0.045％～-0.5％之间。在实际应用中，通过对负十二极场和负二十极场的合理调配，实现对离子的高分辨质量分析或达到改变线性离子阱性能的目的。

当所述的杆形电极为圆柱形电极时，四个杆形电极围合的内切圆半径r₀与圆柱形杆形电极半径r符合：r/r₀＝1.161～2.0。

在上述方案基础上，通过如图4所示的方法，改变四根圆柱形电极之间的距离，可使该线性四极场系统中负十二极场系数A₆的数值在-0.1％～-3.7％范围间调节，负二十极场系数A₁₀的数值在-0.25％～-0.045％范围间调节。

当所述的杆形电极为双曲面型电极时，可改变通过四个杆形电极围合的内切圆半径r₀的值，使得r₀小于通常四极质量分析器的理想电场半径r_N，也就是说，在装配由四根双曲面型电极组成的四极质量分析器时，将它们之间的距离装配得比传统值小，使四个杆形电极围合的内切圆半径r₀与理想电场半径r_N符合60％≤r₀/r_N≤99％。

在上述方案基础上，通过如图5所示的方法，改变四根双曲面型电极间的距离，可使该线性四极场系统中负十二极场系数A₆的数值的绝对值在最大至3％的范围内调节，使负二十极场系数A₁₀的数值的绝对值在最大至0.09％的范围内调节。

本发明可以通过直接在线性四极电场中加入所述含量的负十二极场和负二十极场，在实际应用中，通过对负十二极场和负二十极场的合理调配，实现对离子的高分辨质量分析或达到改变线性离子阱性能的目的。

在上述方案的基础上，利用产生含负十二极场和负二十极场的四极场装置制造一种利用交变电场的离子质量分析器，它由四根圆柱型电极合围而成，可以将四根圆柱型电极平行地围绕一个中心轴固定，然后将两两相对的电极连接在一起形成两个端点，供连接外加工作电源用。四根圆柱型电极在它们合围所形成的空间中产生以四极电场为主，并含有一定量的负十二极场和负二十极场的成分，以及更少量的更高极场成分。被分析的离子从四根圆柱型电极所合围所形成的空间中的一端进入，在其中所形成的电场作用下，离子按照其质荷比有选择性地从另一端射出。

在上述方案的基础上，利用产生含负十二极场和负二十极场的四极场装置制造一种利用交变电场的离子质量分析器，它由四根双曲面型电极合围而成，可以将四根双曲面型电极平行地围绕一个中心轴固定，然后将两两相对的电极连接在一起形成两个端点，供连接外加工作电源用。四根双曲面型在它们合围所形成的空间中产生以四极电场为主，并含有一定量的负十二极场与负二十极场的成分，以及更少量的更高极场成分。被分析的离子从四根双曲面型电极所合围所形成的空间中的一端进入，在其中所形成的电场作用下，离子按照其质荷比有选择性地从另一端射出。

本发明提出的含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极场系统，它既可以用于制造离子质量分析仪器，也可以用于制作线性离子阱，或者是用于制作离子导引。

本发明还提出了离子质量分析器的二种工作模式：其一，是往四极电场中加入适量的负十二极场和负二十极场。其二，是利用四根圆柱型电极或四根双曲面型电极末端的边缘场进行选择性离子排出。

本发明还提出了的线性离子阱，它既可以当作一个普通的线性离子阱使用，即用它来将离子存储在一定空间内，并对存储的离子进行选择，反应或进一步的解离等，也可以当作离子质量分析器使用，即所谓的离子阱质量分析器。

本发明的优越性在于：提出了一种含负十二极场成分，即-A₆，以及负二十极场成分，即-A₁₀，的线性四极场系统及该系统的工作方法和应用。使用这种方法制造的离子质量分析仪器，或线性离子阱，或离子导引，它们的性能将会和传统的离子质量分析仪器，或线性离子阱，或离子导引相比有自己的特色。

附图说明

图1.用四根双曲面型电极所构成的四极杆离子质量分析器的示意图。

图2(a).只含有纯粹四极场成分的四极质量分析器的稳定区图。

图2(b).只含有纯粹四极场成分的四极质量分析器的第一稳定区图。

图3.用四根圆柱型电极所构成的四极杆离子质量分析器的示意图。

图4.用四根圆柱型电极所构成的四极杆离子质量分析器的截面示意图。

图5.用四根双曲面型电极所构成的四极杆离子质量分析器的截面示意图。

图6(a)，图6(b).含有负十二极场成分的四极质量分析器的第一稳定区模拟图。

图7.含有负十二极场成分的四极质量分析器的质谱峰模拟图。

图8(a)，图8(b).含有负二十极场成分的四极质量分析器的第一稳定区模拟图。

图9.含有负二十极场成分的四极质量分析器的质谱峰模拟图。

图10.含有0.5％负十二极场成分和正二十极场成分的四极质量分析器的第一稳定区模拟图。

图11.含有1％负十二极场成分和正二十极场成分的四极质量分析器的第一稳定区模拟图。

图12.负十二极场成分，即-A₆，和负二十极场成分，即-A₁₀，与四根双曲面型电极所围成的场半径收缩幅度变化关系图。

图13.用四根圆柱型电极所形成含负十二极场和二十极场的四极质量分析器的构成方法。

图14.负十二极场成分，即-A₆，和负二十极场成分，即-A₁₀，与四根圆柱型电极所围成的场/柱相对半径变化关系图。

图15.含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极质量分析器系统的结构示意图。

图16.含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆/离子阱-飞行时间质谱仪的结构示意图。

附图中标号说明

11、12、13和14分别为4根双曲面杆电极；

101为电极12，14的共同电连接端点；

102为电极11，13的共同电连接端点。

21为纯粹四极场成分的四极杆质量分析器的第一稳定区；

22为该稳定区直流反相侧稳定边界；

23为该稳定区直流正相侧稳定边界；

24、25为不同四极直流-射频电压比下的四极杆工作扫描线。

31、32、33和34分别为4根圆杆电极；

301为电极31，33的共同电连接端点；

302为电极32，34的共同电连接端点。

41、42、43和44分别为4根圆杆电极的截面。

51、52、53和54分别为4根双曲面杆电极的截面；

55为传统形成理想四极场的情况下，由四根双曲面电极51，52，53，54所确立的四极场区域的内接圆。

61为加入0.2％负十二极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

62为加入0.5％负十二极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

63为加入1.0％负十二极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

64为加入2.0％负十二极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

65为加入-3.0％负十二极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

66为加入4.0％负十二极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

67为加入5.0％负十二极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果。

81为加入0.2％负二十极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

82为加入0.5％负二十极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

83为加入1.0％负二十极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

84为加入2.0％负二十极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

85为加入-3.0％负二十极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

86为加入4.0％负二十极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果；

87为加入5.0％负二十极场成分时的四极杆质量分析器第一稳定区图计算模拟结果。

121为双曲面四极杆系统中负十二极场成分即A₆随电极系统场实际-理想半径比r/r0的变化曲线；

122为双曲面四极杆系统中负二十极场成分即A₁₀随电极系统场实际-理想半径比r/r0的变化曲线；

123为双曲面四极杆系统中负二十八极场成分即A₁₄随电极系统场实际-理想半径比r/r0的变化曲线；

124为双曲面四极杆系统中负三十六极场成分即A₁₈随电极系统场实际-理想半径比r/r0的变化曲线。

131为传统圆柱面四极杆系统中杆-场半径比为1∶1.1468时的圆杆电极放置位置示意图；

132为引入负十二极场成分和二十极场成分后的圆杆电极放置位置示意图。

141为圆柱面四极杆系统中负十二极场成分随电极系统杆-场半径比r/r0的变化情况；

142为圆柱面四极杆系统中负二十极场成分随电极系统杆-场半径比r/r0的变化情况；

143为圆柱面四极杆系统中负二十八极场成分随电极系统杆-场半径比r/r0的变化情况；

144为圆柱面四极杆系统中负三十六极场成分随电极系统杆-场半径比r/r0的变化情况。

151为待测样品池；152为引入的样品；153为离子化源；

154为样品离子束；

155为离子质量分析室或线性离子阱的前端小孔板电极；

156为含负十二极场和负二十极场成分的线性四极质量分析器；

157为156或线性离子阱的后端小孔板电极；

158为离子检测器；

1501为离子化源真空腔；1502为质量分析器真空腔；

159，1510分别为抽取真空腔1501，1502的真空泵系统。

161为大气压强下的离子源；162为样品离子流；

163为大气压接口电极小孔；164为离子导引装置；

165为离子质量分析室或线性离子阱的前端小孔板电极；

166为含负十二极场和负二十极场成分的线性四极质量分析器；

167为线性离子阱的后端小孔板电极；

1601为离子导引真空腔；

1602为质量分析器真空腔；1603为飞行时间质量分析器；

169，168分别为抽取真空腔1601，1602的真空泵系统。

具体实施方式

图1所示的是由四根双曲面型电极11、12、13、14所构建而成的传统四极杆质量分析器。电极11和13连接在一起形成一个端点，即102，电极12和14连接在一起形成另一个端点，即101，它们分别供连接外加工作电源用。

图2(a)所示的是只含有纯粹四极场成分的四极质量分析器的稳定区图全貌。I，II，III，IV，V，和VI所标示的区域分别被称为第一稳定区，第二稳定区，第三稳定区，第四稳定区，第五稳定区，和第六稳定区。

图2(b)所示的是只含有纯粹四极场成分的四极质量分析器的第一稳定区图。

图3所示的是由四根圆柱型电极31、32、33、34所构建而成的传统四极杆质量分析器。电极31和33连接在一起形成一个端点，即301；电极32和34连接在一起形成另一个端点，即302。它们分别供连接外加工作电源用。

图4所示的是由四根圆柱型电极所构建而成的传统四极杆质量分析器的截面示意图。图中r为四极杆电极的半径，r₀为由四根圆柱型电极所围成的中心圆半径，通常被称为场半径。

图5所示的是用四根双曲面型电极所构成的四极杆离子质量分析器的截面示意图。r₀为当需产生理想四极场时，四根双曲面型电极所围成的中心圆半径，通常被称为场半径。R为实际情况下，四根双曲面型电极所围成的中心圆半径。它可以根据要求任意取值。

下面我们根据四极质谱的第一稳定区图，进一步讨论四极质谱的工作原理。在图2(b)所示的第一离子稳定区中，21为离子稳定区域；22和23为稳定区21的两条边界。在一定U，V所产生的四极电场作用下，若某离子所对应的参数a，q位于稳定区21内，则此离子可以通过四根电极所产生的四极电场并到达后置的离子探测器被探测到。反之，若在四极电场作用下，若某离子所对应的参数a，q位于稳定区21外，则此离子不能够通过四根电极所产生的四极电场，即离子将运动出四极杆的中心区域。

24和25分别为两种情况下的质谱扫描线。当四极质谱在工作时，也就是说，当四极质谱仪作质量扫描时，通常是线性地改变其工作电源的直流电压DC和交流电压AC值，并保持它们的比例不变。若将电压变化转换成a，q的变化曲线，则它们所对应的结果应如图2(b)中的24或25所示。从几何上看，24的斜率比25小，此表明24所对应的直流和交流电压比值比25为小。

扫描线24和稳定区二边界分别相交于q1和q2，它表明，在此工作情况下，只有那些离子所对应的q值满足q1＜q＜q2时，才可以通过四极杆电极并被检测到。换句话说，此时，所有满足q1＜q＜q2的离子都可以通过四极杆电极并被检测到。所以，在此工作条件下，四极质谱仪所得到的质量分辨为：

M/ΔM＝0.7057/Δq

这里0.7057为稳定区顶点所对应的q坐标值，Δq＝(q2-q1)

在实际应用中，一般都希望得到更好的质量分辨结果。其具体方法是，通过调节工作电源的直流电压DC和交流电压AC值，即通过改变扫描线的斜率，使得质谱扫描线尽可能接近第一稳定区图的顶点，即尽可能减小Δq的数值。例如，通过扫描线25所得到的质量分辨应该比通过扫描线24所得到的质量分辨应该更高，因为此时(q4-q3)＜(q2-q1)。

由上面的讨论可知，对于任何一个四极质谱仪来说，要想得到高的质量分辨结果，必须满足二个条件，第一，调节工作电源的直流电压DC和交流电压AC值，使得质谱扫描线尽可能接近第一稳定区图的顶点；第二，由此四极杆电极系统所产生各种电场成分所得到的第一稳定区，其顶点必须足够尖锐，使得当适当的扫描线通过其顶点时，其与稳定区二边界线相交所得到的Δq必须很小。

对于具有纯粹四极场分布的四极质谱仪，所对应的第一稳定区图的顶部区域近似为由两条直线组成的锐角，因此，从理论上讲，当扫描线非常接近于其顶点时，所得到的Δq可以很小，也就是说，一个由可以产生纯粹的理想四极场的四根电极所建造的四极质谱仪，其质量分辨可以很大。在实际应用中，由于所用电极形状不一定是理想的双曲面，如圆柱形电极，以及由于机械加工精度不够高所导致的电极形状误差等，其结果将导致除四极电场外其他高级场成分，如六极场，八极场，十极场，十二极场，十六极场，二十极场等的产生。这些高级场成分将导致四极质谱性能的改变，如质量分辨能力的下降，和离子传输效率的降低等。

从前面的论述可以看出，虽然人们对于高极场成分对四极质谱性能的影响有很多的实验结果和理论分析，但到目前为止，还很少有人从高极场成分对四极质谱所对应的第一稳定区图形状的影响来讨论高极场效应。

本发明中，我们首先从理论上给出了含有一定负十二极场，负二十极场成分的线性四极场的第一稳定区图的变化，和负十二极场，负二十极场成分对四极质谱仪质量分辨的影响。本发明还给出利用四根杆型电极产生少量负十二极场，负二十极场成分的方法，并进一步给出了利用含负十二极场，负二十极场成分的四极场系统来建造四极杆质量分析仪，四极线性离子阱等。

1.负十二极场，负二十极场成分对线性四极场的第一稳定区图和质谱分辨的影响

图6(a)、图6(b)为含有不同数量的负十二极场成分的四极质量分析器的第一稳定区模拟图，61为加入0.2％负十二极场成分时的第一稳定区图计算模拟结果，62为加入0.5％负十二极场成分时的第一稳定区图计算模拟结果，63为加入1.0％负十二极场成分时的第一稳定区图计算模拟结果，64为加入2.0％负十二极场成分时的第一稳定区图计算模拟结果，65为加入3.0％负十二极场成分时的第一稳定区图计算模拟结果，66为加入4.0％负十二极场成分时的第一稳定区图计算模拟结果，67为加入5.0％负十二极场成分时的第一稳定区图计算模拟结果。

从图中我们可以看到，当往四极场中加入一定量的负十二极场时，它的第一稳定区图将发生显著的变化。其主要特征为，第一，当加入少量的负十二极场成分时，如1.0％时，稳定图的顶部变化不大，即仍然保持为锐角的形状。但随着负十二极场成分的增加，如从61所示的0.2％逐渐增加到67所示的5.0％，其顶部将逐渐圆形化；第二，负十二极场成分将使得稳定图的区域变大，其对应于较高质量数的方向的边界将往外移动，且移动的幅度随着所加入的负十二极场成分的增加而增大。根据这些变化，我们可以作出下列推论：首先，当四极场中含有一定量的负十二极场时，如负十二极场的含量低于4％，它仍然可以获得较高质量分辨的质谱分析结果。其次，由于第一稳定图的边界将随著负十二极场的增加而逐渐向q值大的方向移动，这意味著，在作质谱分析时，具有相同质荷比的离子峰将随着负十二极场的含量的增加而向较高q值的方向移动。这一点在作仪器的质谱定标时需加以考虑。

图7为含有不同含量的负十二极场成分时的四极质量分析器的质谱峰模拟图。71为加入0.2％负十二极场成分时的质谱峰计算模拟结果，72为加入0.5％负十二极场成分时的质谱峰计算模拟结果，73为加入1.0％负十二极场成分时的质谱峰计算模拟结果74为加入2.0％负十二极场成分时的质谱峰计算模拟结果，75为加入3.0％负十二极场成分时的质谱峰计算模拟结果，76为加入4.0％负十二极场成分时的质谱峰计算模拟结果，77为加入5.0％负十二极场成分时的质谱峰计算模拟结果。从质谱峰模拟图的结果上可以看出，当负十二极场成分的含量较低时，如4％以下，仍可获得较好质量分辨结果的质谱图。但总体上讲，质量分辨能力会随着负十二极场成分的含量的增加而降低。因此，作为四极质量分析器来说，四极场中的负十二极场成分的含量不宜太大。

图8(a)、图8(b)为含有负二十极场成分的四极质量分析器的第一稳定区模拟图。81为加入0.2％负二十极场成分时的稳定图计算模拟结果，82为加入0.5％负二十极场成分时的稳定图计算模拟结果，83为加入1.0％负二十极场成分时的稳定图计算模拟结果，84为加入2.0％负二十极场成分时的稳定图计算模拟结果，85为加入3.0％负二十极场成分时的稳定图计算模拟结果，86为加入4.0％负二十极场成分时的稳定图计算模拟结果，87为加入5.0％负二十极场成分时的稳定图计算模拟结果。从图中我们可以看到，与二十极场成分时的稳定图计算模拟结果相似，当往四极场中加入一定量的负二十极场时，它的第一稳定图将发生显著的变化。其主要特征为，第一，当加入少量的负二十极场成分时，如1.0％时，稳定图的顶部变化不大，即仍然保持为锐角的形状。但随着负二十极场成分的增加，如从81所示的0.2％逐渐增加到87所示的5.0％，其顶部将逐渐圆形化；第二，负二十极场成分将使得稳定图的区域变大，其对应于高质量数的方向边界将往外移动，且移动的幅度随着所加入的负二十极场成分的增加而增大。根据这些变化，我们可以作出下列推论，即，当四极场中含有一定量的负二十极场时，如负二十极场的含量低于2％，它仍然可以获得较高质量分辨的质谱分析结果。其次，由于第一稳定图的边界将随著负二十极场的增加而逐渐向q值大的方向移动，这意味著，在作质谱分析时，具有相同质荷比的离子峰将随着负二十极场的含量的增加而向较高q值的方向移动。这一点在作仪器的质谱定标时需加以考虑。

图9为含有不同含量的负二十极场成分时的四极质量分析器的质谱峰模拟图。91为加入0.5％负二十极场成分时的质谱峰计算模拟结果，92为加入1.0％负二十极场成分时的质谱峰计算模拟结果，93为加入2.0％负二十极场成分时的质谱峰计算模拟结果，94为加入3.0％负二十极场成分时的质谱峰计算模拟结果，95为加入4.0％负二十极场成分时的质谱峰计算模拟结果，96为加入5.0％负二十极场成分时的质谱峰计算模拟结果。从质谱峰模拟图的结果上可以看出，当负二十极场成分的含量较低时，如2％以下，仍可获得较好质量分辨结果的质谱图。但总体上讲，质量分辨能力会随着负二十极场成分的含量的增加而降低。因此，作为四极质量分析器来说，四极场中的负二十极场成分的含量不宜太大。

十二极场和二十极场同属4次反轴对称所产生的多极场成分，在圆柱形四极电极系统中经常出现两者极性相反的状况，通常二十极场为负时，离子在出射至场边缘时频率会剧烈红移，若同时存在正十二极场时因其离子加速出射作用会破坏离子的共振出射条件，这里只分析同时含负十二极场和正二十极场的四极质量分析器。

图10、图11为含有负十二极场和正二十极场成分时的四极质量分析器的第一稳定图。其中图10为加入0.5％负十二极场成分及0.5％正二十极场时的第一稳定图计算结果，图11为加入1％负十二极场成分及1％正二十极场时的第一稳定图计算结果。从稳定图的结果上可以看出，含有少量正负抵消的负十二极场与正二十极场的成分时，四极质量分析器的稳定图基本相同，但负十二极场的成分更高时稳定图顶端会出现向低q值的扭转，可获得更好质量分辨结果的质谱图。但总体上讲，质量分辨能力会随着负十二极场成分的含量的进一步增加而降低。因此，圆柱形四极电极系统中四极场中的负十二极场成分的含量也不宜太大，如应控制在2％以下。

2.加入负十二极场成分和负二十极场成分到四极场中的方法

下面给出二种往四极电场中加入负十二极场成分和负二十极场成分的方法，如图5和图13所示。

如图5所示，对于用四根双曲面电极所构建的四极电极系统，可以通过改变四根电极之间的距离来达到加入负十二极场成分，即-A₆，和负二十极场成分，即-A₁₀，的目的。图5为由四根双曲面电极所构建的四极质量分析器系统。51，52，53和54为四根表面为双曲面的电极，55为传统情况下，由四根双曲面电极所确立的四极场区域的内接圆，其场半径为r₀。如果我们将四根电极杆同时均匀地向它们的中心对称轴方向移动相同的距离，它们将重新确定一个较小的四极场区域，假定此时所得到的场半径为r。根据理论计算，此时除了产生四极场为主的电场外，还将有一定量的负十二极场成分和负二十极场成分产生。图12给出了负十二极场成分和负二十极场成分含量随r/r₀的变化情况。在图12中，121为负十二极场成分，即A₆，随r/r₀的变化情况；122为负二十极场成分，即A₁₀，随r/r₀的变化情况；123为负二十八极场成分，即A₁₄，随r/r₀的变化情况；124为负三十六极场成分，即A₁₈，随r/r₀的变化情况；因此，通过改变四根电极之间的距离，可以往四极电场中加入-0.1％～-3％或更多的负十二极场，和约0.074％的负二十极场。对于用四根圆柱形电极所构建的四极电极系统，如图13所示，同样可以通过将圆形电极的位置由位置131移动到位置132，即减少四根电极之间的距离来达到加入负十二极场成分，即-A₆，和负二十极场成分，即-A₁₀，的目的。根据理论计算，如果我们改变r/r₀的值，就可以产生以四极场为主的电场，同时还将有一定量的负十二极场成分和负二十极场成分产生。图14分别给出了负十二极场成分和负二十极场成分等含量随r/r₀的变化情况。在图14中，141为负十二极场成分随r/r₀的变化情况；142为负二十极场成分随r/r₀的变化情况；143为负二十八极场成分随r/r₀的变化情况；144为负三十六极场成分随r/r₀的变化情况；因此，通过改变四根电极之间的距离，可以往四极电场中加入-0.1％～-3％或更多的负十二极场，和约-0.25％的负二十极场。

3.含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极质量分析器系统

用含负十二极场成分和负二十极场成分的四极杆电极系统可以构建四极质量分析器。图15显示的是用可以产生含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆质量分析器所建造的四极质谱仪系统的结构示意图。下面较详细地介绍一下此仪器装置的工作过程，

被分析的样品151经样品引入装置152进入真空室1501中。真空室1501的真空度由真空泵系统159获得。样品在引入真空室1501中后，被安置在那里的离子源153所电离，并产生样品离子。样品离子束154在特定的离子光学系统作用下，穿过小孔板电极155被引入到离子质量分析室1502中被质量分析。离子源可以是任何一种可产生样品离子的离子源，如，电子轰击电离源(EI)，也可以是基质辅助激光脱附电离源(MALDI)。

可以产生以四极场为主，并含少量负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆质量分析器156被安置在真空室1502中。真空室1502的真空度由真空泵系统1510获得。样品离子束154穿过小孔板电极155后，进入质量分析器156中被质量分析。质量分辨的离子流穿过安置在四极杆质量分析器后端的小孔板电极157，并到达离子探测器158被检测到。为了屏蔽电场对离子信号的可能干扰，通常在小孔板电极157上安置一高透过率的栅网。此栅网不仅可以有效地屏蔽电场的干扰，同时可以保证大多数离子可以穿过并被检测到。

离子探测器158所得到的离子信号经后续的信号放大，处理和记录，即得到所需分析样品的质谱图。

本发明提出的另一种离子质量分析系统是利用含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极质量分析器系统的电极末端的边缘场进行轴向选择性离子排出进行质谱分析。仍如图15所示，含少量负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆质量分析器156被安置在真空室1502中。真空室1502的真空度由真空泵系统1510获得。样品离子束154穿过小孔板电极155后，进入质量分析器156中。与普通四极杆质量分析器不同的是，此时小孔板157被设为相对线性四极杆质量分析器156更高的电位，这样普通的离子就不能通过小孔板157射出。然而，对于某些特定在稳定区图上落在例如稳定区边界(与q轴交点为0.908)或共振激发带(如三分频q＝0.78)附近的离子，由于含有高极场成分可以获得更大的能量而获得较大的径向振动幅度。由于四极杆质量分析器边缘的电场为四极射频场与直流电场的混合场，因此离子在这些位置上存在运动耦合现象，即径向运动幅度较大的离子其轴向也会产生较大的运动幅度，通常由于离子一旦远离四极线性分析器中心区段后其共振条件即由于感受四极射频场的减小而破坏，这些轴向运动幅度会受到限制而不能发生离子出射，但对于存在合适的负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆质量分析器，其共振条件变得较宽，使得离子在这些共振激发点始终满足共振激发条件而出射，这种出射具有质量选择，离子探测器158将所得到的离子信号经后续的信号放大，处理和记录，即得到所需分析样品的质谱图。由于离子质量选择主要并不依赖线性质量分析器的内部电场，线性四极质量分析器可以做得很短例如小于25mm。上述分析系统装置的加工难度，成本等实际要素都会相对传统四极杆质量分析器变得有利，功耗也由于电容下降而降低，同时利于航空航天、医学、监测等领域在仪器小型化上的需求。

4.含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极离子阱质量分析器系统

同样地，可以用含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆电极系统可以构建四极离子阱质量分析器。这里仍以图15为例描述含负十二极场成分和负二十极场成分的线性离子阱质量分析器系统的结构和工作方式。

质量分析器系统的离子源可以是任何一种可产生样品离子的离子源，如，电子轰击电离源(EI)，也可以是基质辅助激光脱附电离源(MALDI)。被分析的样品151经样品引入装置152进入真空室1501中。真空室1501的真空度由真空泵系统159获得。样品在引入真空室1501中后，被安置在那里的离子源153所电离，并产生样品离子。样品离子束154在特定的离子光学系统作用下，穿过小孔板电极155被引入到离子质量分析室1502中被质量分析。其中小孔板电极155，小孔板电极157，含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆质量分析器156构成线性四极离子阱质量分析器。

在线性四极离子阱质量分析器中，小孔板电极155除作为离子导入孔和聚焦光学系统外，还作为离子门束缚线性离子阱中离子的出射。以正离子模式为例，在离子注入阶段，小孔板电极155的电位下拉而低于线性四极杆质量分析器156的平均电位来引入离子。此时在高阶电场的作用下，从质量分析器156中通过的离子由于多次地与背景气体分子的碰撞传能运动，这些离子几乎丧失在轴线方向的群运动速度。同时，这些离子又由于射频工作电源产生的电场的作用下，其径向发散收到了限制。典型的在相对电极对间的射频电压峰-峰值为450V(除非在MS扫描工作时)，其频率为1MHz。线性四极杆质量分析器156上可以不加任何直流分量电场。如果在离子阱质量分析器区域内产生一个直流势垒，即在小孔板157上加的直流偏置电压比离子质量分析器156高，同时小孔板电极155上电位也回升至与小孔157相同。此时，在离子质量分析器156区域内的离子就可以被稳定地储存下来。

在离子储存阶段时，质量分析器156的真空度大约维持在小于10^-4托的范围内。储存在离子阱中的离子可以通过调节线性四极杆质量分析器156上的电压质量选择性地激发出射来产生质谱信号。激发离子的途径有多种形式。激发离子的一种途径就是离子被扫描到稳定区边界时就会自然地受到高频场的激发，所以扫描加在线性四极杆质量分析器156上的主要射频电源的电压幅度或频率，离子就会按质荷比次序依次从小孔157或从线性四极杆质量分析器156上的空隙排出分析器。激发离子的另一种途径是在二维四极场和一个偶极交变电场的迭加加作用下能够共振激发特定质荷比的离子，这是进一步利用电极阵列在分析管内作用的结果。当高频电压扫描时离子按质荷比的次序依次达到共振而受到激发，依次射出分析器而被检测。偶极交变电场通过辅助交流电源和耦合变压器叠加到线性四极杆质量分析器156中的一对相对放置的线性电极之间，与主射频电源及直流电源产生的四极场迭加在一起。在这种共振激发条件下，离子的q值只要在0.2～0.3之间就能发生射出，可扩大质量分析器的工作范围。

此外，还有其它种方法可以被用于将离子轴向射出。其方法过程可以参考下列文献：J.Hager，et al Rapid Communications in MassSpectrometry，2002，Vol.16，512)。其中之一是辅助交流电场将与直流场同时加在小孔板电极157上，它可以同时激发径向与轴向的离子运动。辅助交流场能有效地激发选择质量共振的离子以致它们可以越过在由于加载在小孔板电极157上的直流电压所产生的轴向势垒，并以接近轴向(以箭头表示)的方向上被逐出，也即所谓的轴向选择性离子排出。因此，离子出射的连续质量扫描方式可以通过扫描辅助交流场的低电压频率来完成。当辅助交流电场的频率与离子在临近小孔板电极157的区域中作径向运动时的固有周期频率相同时，接近0.908的q值的离子将吸收能量且将由于径向-轴向动量耦合可穿过位于出口小孔板电极157上的势垒。当离子从轴向离开时，它将被探测器158检测到。

还可以采用另一种方法来实现利用管道末端的边缘场进行轴向选择性离子排出。其实验方法是，固定小孔板电极157上的辅助交流电压频率为加在线性四极杆质量分析器156上射频信号的更低分频，扫描加在离子质量分析器158上的主要射频电源的电压幅度。在这种条件下，离子的q只要在0.2-0.3之间就能发生轴向射出，这与上面提到的在接近0.908的q值才能产生径向射出有很大的不同。

用含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆系统构建线性离子阱时，其径向边缘势阱的变化更为平缓，有利于减少长时间离子储存时的离子损失，并减少离子阱的空间电荷效应，储存更多的离子。此外在进行反向离子扫描时，离子在阱内的振动频率变化会同离子的固有频率变化保持一致，在高质量扫描速度下也能获得高分辨的质谱信号。

含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极离子阱的电极系统不仅可以构成质量分析器，还能构成高通量的离子导引装置。将离子源、离子导引装置、离子质量分析器和离子探测器连在一起即可组成一台四极离子质谱仪，也可与其他质量分析技术连用形成具有多级串级质谱功能的高分辨质谱仪。

应用实例

本发明中的四极系统可自由与其他质谱技术联用，作为本发明的一个实例，图16显示的是用可以产生含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆/离子阱-飞行时间质谱仪系统的结构示意图。下面较详细地介绍此仪器装置的工作过程，

161为一种安置在大气压下，可以产生被分析样品离子的任何一种离子源装置。如，电喷雾电离离子源(ESI)，化学电离离子源(CI)，也可以是基质辅助激光脱附电离源(MALDI)等。产生的样品离子流162经小孔163进入真空室1601中。真空室1601的真空度由真空泵系统169获得。样品离子在引入真空室1601中后，进入离子导引装置164中。离子导引装置164可以是传统的四极离子导引，六极离子导引，或八极离子导引等，也可以是本发明提出的含有负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆离子导引。离子导引在合适的电源作用下，产生以四极场，或六极场，或八极场等成份为主的电场分布。在此电场作用下，离子将被逐渐推向此离子导引的中心区域。同时，从离子源区161直到线性离子阱末端小孔板电极167，沿离子运行轨迹的中心区域有一将所分析离子往前推进的电场分布。具体说，就是当被分析的离子为正离子时，从离子源161到末端小孔板电极167，将有一个从高到低的电场分布；若被分析的离子为负离子时，从离子源到末端小孔板电极167，将有一个从低到高的电场分布。因此，在这两种同时存在的电场作用下，离子将沿中心区域运行。离子束162经离子导引164的聚焦后，穿过小孔板电极165进入线性四极杆区1602中。小孔板电极165的作用有三，第一，为离子进入下一个区域的通道；第二，可以起到隔断真空室1601和1602的作用，使得区域1601和1602可以被分别被通过真空系统169和168抽真空并保持在不同的真空状态下；第三，如下面将要描述的，它可以在试验过程中被附加上不同的工作电压，以实现所需要的目的。

下面再描述一下整个仪器的直流工作电压分配情况。假定被测定的是正离子，且正离子由电喷雾电离的方法产生。在此情况下，离子源161的工作电压约为在+4000V左右，小孔163处的工作电压约为+100V左右，离子导引装置164的偏压约为+50V左右，小孔板电极165的工作电压约为+10V左右，飞行时间质量分析器1603加速区的待机工作电压约为-10V左右。

166即为本发明所提出的可以在合适的电源作用下，产生以四极电场为主，并含少量负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极质量分析系统。四极电场和少量负十二极场，负二十极场成分的作用是将离子束缚在四极杆电极所围成的中心区域。在四极杆模式下，离子通过四极射频和直流场的共同作用发生质量选择。从传统四极杆模式或小孔板电极167电位控制的边缘场调制模式下逐出的离子及其碎裂离子被飞行时间质量分析器1603捕获并分析，得到串级质谱图。若无四极直流场参与，线性四极质量分析器166即成为线性离子导引，由于负高极场的引入，离子导引的离子通量高于普通四极离子导引，此时仪器相当于一台高灵敏度的飞行时间质谱仪。

在线性离子阱模式下，线性四极质量分析器166和小孔板电极165，小孔板电极167组成一个线性离子阱系统，系统工作时，离子质量分析器166的真空度大约维持在小于10^-4托的范围内。此线性离子阱系统的工作过程一般分三个阶段，即离子注入阶段，离子存储阶段和离子排出阶段；以存储的离子为正离子为例，注入阶段时小孔板电极165的电位下拉至略小于线性四极质量分析器166的平均电位，使离子注入；储存阶段时将小孔板电极165的电位恢复，略大于线性四极杆系统166的平均电位，与小孔板电极167的电位接近或相同；离子排出时，可一次性排出离子用飞行时间质量分析器取得质谱信号，也可用质量选择排出如偶极辅助共振激发、边缘场辅助共振激发等实施方法第4节中的方法选择排出某些离子，运用飞行时间质量分析器得到这些离子及其子离子的串级质谱信号。也可在线性离子阱质量分析器166中排出除选择离子外的全部离子，用较小的激发电压使留存的离子碎裂而不出射，再选择排除子离子中除某几个离子外的全部离子，重复这样的离子选择-激发过程可以得到多级串级质谱分析的子离子，并用飞行时间质量分析器1603获得高分辨的飞行时间-串级分析质谱图。

在四极杆和线性离子阱的典型工作条件如下：线性四极质量分析器166的射频频率为1MHz，射频峰-峰值为50V～10000V，在四极杆模式下，四极质量分析器166的四极直流电压为5～1750V，直流偏置为+5～-5V；在线性离子阱模式下，直流偏置为+5～-45V，小孔板电极165及小孔板电极167的开启电压为+2～-18V，关闭电压为+20～+100V，辅助交流电源的幅度为0.1～30V，频率为150～500KHz。

用含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆系统构建线性离子阱时，其径向边缘势阱的变化更为平缓，有利于减少长时间离子储存时的离子损失，并减少离子阱的空间电荷效应，储存更多的离子。此外在进行反向离子扫描时，离子在阱内的振动频率变化会同离子的固有频率变化保持一致，在高质量扫描速度下也能获得高分辨的质谱信号。

飞行时间质量分析器1603将所得到的离子分析得到质谱信号，即得到分析样品的串级质谱图。对于仪器的真空系统要求，线性离子阱区域也相当于第二级离子导引以确保离子进入飞行时间质谱质量分析器所需的真空度。通过在为了屏蔽四极电场对飞行时间质谱离子信号的可能干扰，通常在小孔板电极167上安置一高透过率的栅网。此栅网不仅可以有效地屏蔽射频电场对飞行时间质量分析器1603加速区电场的干扰，同时可以保证大多数离子可以穿过并被检测。

Claims (21)

1.一种含有高阶场成份的四极杆电极系统，用四个杆形电极沿中心轴向平行围合而成四极场系统，其特征在于：所述的高阶场成份为含有负十二极场和负二十极场成份，即内部场强U的展开式∑A_nRe(x+yi)ⁿ中的系数A₆与A₁₀为负值，其中，展开式中负十二极场系数A₆的数值为-0.1％～-3.7％之间，负二十极场系数A₁₀的数值为-0.045％～-0.5％之间，即-0.037＜A₆＜-0.001，且-0.005＜A₁₀＜-0.00045，其中，所述的杆形电极为圆柱形，四个杆形电极围合的内切圆半径r₀与圆柱形杆形电极半径r间符合：r/r₀＝1.161～2.0。

2.根据权利要求1所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统，其特征在于：通过改变四根电极之间的距离，使该线性四极场系统中负十二极场系数A₆的数值在-0.1％～-3.7％范围间调节，负二十极场系数A₁₀的数值在-0.25％～-0.045％范围间调节。

3.根据权利要求1所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统，其特征在于：所述的四个杆形电极为两对双曲面型电极组成四极场系统时，四个双曲面型电极杆放置的位置相对其自然共原点的理想位置向内收缩，使从轴心到极杆的内切圆半径r₀小于该组双曲面的理想场半径，即双曲面型电极曲面方程x²-y²＝±r_N ²所决定的双曲面至原点的最小距离r_N，并符合：60％≤r₀/r_N≤99％。

4.根据权利要求3所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统，其特征在于：通过改变四根电极之间的距离，使该线性四极场系统中负十二极场系数A₆的数值的绝对值在最大至3％的范围内调节，使负二十极场系数A₁₀的数值的绝对值在最大至0.09％的范围内调节。

5.根据权利要求1所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统，其特征在于：在线性四极电场中加入所述含量的负十二极场和负二十极场，实现对离子的高分辨质量分析或达到改变线性离子阱性能。

6.针对权利要求1至5之一所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统的用途，用于制造四极杆离子质量分析器、线性离子阱或离子导引。

7.针对权利要求1或2所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统制造的交变电场的离子质量分析器，它由四根圆柱型电极平行地围绕一个中心轴固定，然后将两两相对的电极连接在一起形成两个端点，供连接外加工作电源用，四根圆柱型电极在它们合围所形成的空间中产生以四极电场为主，并含有一定量的负十二极场和负二十极场的成分，以及更少量的更高极场成分，被分析的离子从四根圆柱型电极所合围形成的空间中的一端进入，在其中所形成的电场作用下，离子按照其质荷比有选择性地从另一端射出。

8.针对权利要求1或3或4所述的高阶场成份的四极杆电极系统制造的交变电场的离子质量分析器，它由四根双曲面型电极合围而成，将四根双曲面型电极平行地围绕一个中心轴且其凸面朝向轴心固定，然后将两两相对的电极连接在一起形成两个端点，供连接外加工作电源用，四根双曲面型电极在它们合围所形成的空间中产生以四极电场为主，并含有一定量的负十二极场与负二十极场的成分，以及更少量的更高极场成分，被分析的离子从四根双曲面型电极合围所形成的空间中的一端进入，在其中所形成的电场作用下，离子按照其质荷比有选择性地从另一端射出。

9.针对权利要求1至5之一所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统制造的四极质谱仪，包括离子源、离子存储、分离和检测装置，离子源用于产生样品离子，被分析样品经样品引入装置进入真空室后，被安置在第一真空室的离子源所电离，并产生样品离子，样品离子束在离子光学系统作用下，穿过小孔板电极的小孔被引入到真空离子质量分析室中被四极杆离子质量分析器质量分析，质量分辨的离子流穿过安置在四极杆离子质量分析器后端小孔板电极上的小孔到达离子探测器被检测，离子探测器所得到的离子信号经后续的信号放大，处理和记录，得到所需分析样品的质谱图，其中，所述的离子源为电喷雾电离离子源、化学电离离子源、基质辅助激光脱附电离源、电子轰击电离源中的一种；真空室的真空度由真空泵抽真空实现，在四极杆离子质量分析器后端的小孔板电极上安置一高透过率的栅网。

10.一种使用权利要求9所述的四极质谱仪的分析方法，利用电极末端的边缘场进行轴向选择性离子排出进行质谱分析，样品离子束穿过小孔板电极的小孔进入真空四极杆离子质量分析室中，此时，设置四极杆离子质量分析器后端的小孔板电极电位高于该分析器，使普通的离子不能通过小孔板电极的小孔射出，由于四极杆质量分析器边缘的电场为四极射频场与直流电场的混合场，对于落在稳定区边界q值为0.908或共振三分频激发带q值为0.78的离子，因共振激发条件而出射，离子探测器将所得到的离子信号经后续的信号放大，处理和记录，即得到所需分析样品的质谱图。

11.针对权利要求1至5之一所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统制造线性四极离子阱质量分析器，包括离子源、离子存储、分离和检测装置，离子源用于产生样品离子，其特征在于：被分析的样品经样品引入装置进入真空室后，被安置在那里的离子源所电离，并产生样品离子，样品离子束穿过小孔板电极的小孔被引入到真空离子质量分析室中被存储、分离和检测，其由作为离子导入孔的小孔板电极，分析器后端的小孔板电极与含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆系统构成线性四极离子阱质量分析器，其中，真空室通过采用真空泵抽真空。

12.一种使用权利要求11所述的线性四极离子阱质量分析器进行离子存储和质谱分析方法，利用电极末端的边缘场进行轴向选择性离子排出进行质谱分析，小孔板电极除作为离子导入孔和聚焦光学系统外，还作为离子门束缚线性离子阱中离子的出射，在离子注入阶段，小孔板电极的电位下拉而低于线性四极杆电极系统的平均电位来引入离子，此时在高阶电场的作用下，从线性四极杆电极系统中通过的离子由于几乎丧失在轴线方向的群运动速度及其径向发散受到了限制，当离子阱质量分析器区域内产生一个直流势垒，即在分析器后的小孔板电极上加的直流偏置电压比离子质量分析器高，同时作为离子导入孔的小孔板电极电位也回升至与分析器后的小孔板电极电位相同，此时，在离子质量分析器区域内的离子被稳定地储存下来，在离子储存阶段时，真空度维持在小于10^-4托的范围内，储存在离子阱中的离子通过调节线性四极电极系统上的电压质量选择性地激发出射离子来产生质谱信号、进行质谱分析。

13.根据权利要求12所述的线性四极离子阱质量分析器的离子存储和质谱分析方法，其特征在于：所述的激发出射离子方法是利用离子被扫描到稳定区边界时就会自然地受到高频场的激发，扫描加在线性四极杆电极系统上的主要射频电源的电压幅度或频率，离子会按质荷比次序依次从分析器后的小孔或从线性四极杆电极系统上的空隙排出分析器，当离子从轴向离开时，它将被探测器检测到。

14.根据权利要求12所述的线性四极离子阱质量分析器的离子存储和质谱分析方法，其特征在于：所述的激发出射离子方法是在二维四极场和一个偶极交变电场的迭加作用下共振激发特定质荷比的离子，当高频电压扫描时，离子按质荷比的次序依次达到共振而受到激发，依次射出分析器而被检测，其中，偶极交变电场通过辅助交流电源和耦合变压器叠加到线性四极杆电极系统中的一对相对放置的线性电极之间，与主射频电源及直流电源产生的四极场迭加在一起，在这种共振激发条件下，离子的q值在0.2～0.3之间射出。

15.根据权利要求14所述的线性四极离子阱质量分析器的离子存储和质谱分析方法，其特征在于：所述的辅助交流电源与一直流场同时加在分析器后的出口小孔板电极上，以同时激发径向与轴向的离子运动，进行轴向选择性离子排出，当辅助交流电场的频率与离子在临近小孔板的区域中作径向运动时的固有周期频率相同时，q值为0.908的离子将吸收能量且由于径向-轴向动量耦合穿过位于出口小孔上的势垒，使离子发生轴向射出。

16.根据权利要求15所述的线性四极离子阱质量分析器的离子存储和质谱分析方法，其特征在于：利用管道末端的边缘场进行轴向选择性离子排出，即固定分析器后端小孔板电极上的辅助交流电压频率为加在四极系统上射频信号的更低分频，扫描加在分析器上的主要射频电源的电压幅度，使q值在0.2～0.3之间的离子发生轴向射出。

17.针对权利要求1至5之一所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统与离子阱-飞行时间质谱仪系统相结合制造的分析装置，包括离子源、离子存储、分离、检测装置和飞行时间质谱仪，离子源用于产生样品离子，其特征在于：离子源安置在大气压下，产生的样品离子流经小孔进入第一真空室后，进入离子导引装置中，离子导引装置在电源作用下，产生以四极场，或六极场，或八极场成份为主的电场分布，在此电场作用下，离子被逐渐推向此离子导引的中心区域，形成样品离子束穿过小孔电极的小孔并被引入到真空离子质量分析室中被存储、分离和检测；

所述的离子存储、分离、检测装置由作为离子导入孔的小孔板电极、含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆电极系统及末端的小孔板电极构成线性四极离子阱，该离子阱在第二真空室内；

从离子源到线性离子阱末端小孔板电极，沿离子运行轨迹的中心区域形成将所分析离子往前推进的电场分布，离子束经离子导引装置的聚焦后，穿过一小孔板电极进入线性四极杆电极区中，该小孔板电极为离子进入下一个区域的通道，同时起到隔断二真空室的作用，使得二真空室区域保持在不同的真空状态下，其中，所述的离子导引装置为四极离子导引、六极离子导引、八极离子导引或含有负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极杆离子导引中的一种或其组合；

另外，该小孔板电极被附加上不同的工作电压，当被分析的离子为正离子时，从离子源到末端小孔板电极，有一个从高到低的电场分布，若被分析的离子为负离子时，从离子源到末端小孔板电极，有一个从低到高的电场分布；

为了屏蔽四极电场对飞行时间质谱离子信号干扰，在后端小孔板电极上安置一高透过率的栅网。

18.根据权利要求17所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统与离子阱-飞行时间质谱仪系统相结合制造的分析装置，其特征在于在无四极直流场参与时，线性四极质量分析系统即成为线性离子导引，成为高灵敏度的飞行时间质谱仪。

19.根据权利要求17所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统与离子阱-飞行时间质谱仪系统相结合制造的分析装置，其特征在于，在四极杆模式下，离子通过四极射频和直流场的共同作用发生质量选择，从传统四极杆模式或由线性四极系统后端小孔板电极的电位所控制的边缘场调制模式下逐出的离子及其碎裂离子被飞行时间质量分析器捕获并分析，得到串级质谱图；或者，

在线性离子阱模式下，线性四极杆系统与其前后的二个小孔板电极组成一个线性离子阱系统，系统工作时，离子质量分析室的真空度小于10^-4托，此线性离子阱完成离子注入、存储、排出，当存储的离子为正离子时，注入离子时小孔板电极的电位下拉至略小于线性四极杆系统的平均电位，储存离子时将该小孔板电极电位恢复，略大于线性四极杆系统的平均电位，与后端的小孔板电极的电位相同；离子排出按一次性排出离子用飞行时间质量分析器取得质谱信号，或者用质量选择排出离子，运用飞行时间质量分析器得到这些离子及其子离子的串级质谱信号，或者在线性离子阱质量分析区中排出除选择离子外的全部离子，用较小的激发电压使留存的离子碎裂而不出射，再选择排除子离子中除某几个离子外的全部离子，重复这样的离子选择-激发过程得到多级串级质谱分析的子离子，并用飞行时间质量分析器获得高分辨的飞行时间-串级分析质谱图。

20.根据权利要求17所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统与离子阱-飞行时间质谱仪系统相结合制造的分析装置，其特征在于：被测定的是正离子时，所述装置的直流工作电压分配为：离子源的工作电压为+4000V，前端小孔板电极的工作电压为+100V，离子导引装置的偏压为+50V，末端小孔板电极的工作电压为+10V，飞行时间质量分析器加速区的待机工作电压为-10V。

21.根据权利要求19所述的含有高阶场成份的四极杆电极系统与离子阱-飞行时间质谱仪系统相结合制造的分析装置，其特征在于：在四极杆和线性离子阱工作条件下：四极杆系统的射频频率为1MHz，射频峰-峰值为50V～10000V，在四极杆模式下，四极杆系统的四极直流电压为5～1750V，直流偏置为+5～-5V；在线性离子阱模式下，直流偏置为+5～-45V，二小孔板电极的开启电压为+2～-18V，关闭电压为+20～+100V，辅助交流电源的幅度为0.1～30V，频率为150～500KHz。

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