CN101794702A

CN101794702A - 混合型线性离子阱质量分析器

Info

Publication number: CN101794702A
Application number: CN201010116432A
Authority: CN
Inventors: 姜杰; 乔晓林; 周志权; 赵占锋; 陈焕文
Original assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Current assignee: Harbin Institute of Technology Weihai
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2010-08-04

Abstract

一种混合型线性离子阱质量分析器，涉及线性离子阱质量分析器，设有固定架，固定架上设有四极电极，四极电极两端分别设有端电极，电极之间设有绝缘层，四极电极由一组平行的平面电极和一组对称的曲面电极组成，曲面电极的曲面中心开有狭缝。由于平面电极的存在，装配难度低，装配精度高，制造成本低；中心开有狭缝的曲面电极的存在，使离子在辅助射频电压作用下在曲面电极方向上有聚焦作用，提高了离子扫描出离子阱的效率。适用于做质谱仪质量分析器。

Description

混合型线性离子阱质量分析器

技术领域

本发明涉及线性离子阱质量分析器，具体说是一种混合型线性离子阱质量分析器。

背景技术

质谱法是分析领域最重要的方法之一，随着科技的发展，质谱不仅在常规化学分析中占有重要地位，而且逐渐成为生命科学、国土安全、食品安全、临床医学检测和空间技术等热门领域的主要方法之一。随之而来，质谱仪器也得到了飞速的发展。

国外质谱仪器研发起步较早，早在1907年J.J.Thomson搭建了第一台质谱装置，随着科技的发展和近年来生命科学中的应用需求，新技术不断涌现，如电喷雾电离、基体辅助激光解析电离、矩形离子阱、离子轨道阱等。作为质谱核心技术的质量分析器，相关研究更多，尤其是性价比最高的离子阱质量分析器已经成为研究的热点。Paul Wolfgang提出了离子阱质量分析器，也因其在质谱仪器方面的巨大贡献获得了1989年诺贝尔物理学奖。1995年，Mark Bier等发明的双曲面线性离子阱，克服了Paul离子阱储存空间小、捕获离子效率低等缺点，迅速成为新一代商品化质谱仪的核心技术。随后著名质谱学家Cooks教授课题组发明了矩形离子阱，即采用平面电极的线性离子阱。由于离子阱质量分析器对真空系统的要求较低，可大幅度简化真空系统，从而减轻质谱仪重量和电源消耗，也大大降低了整个仪器的成本。

我们知道，现有的线性离子阱质量分析器有两种，分别为双曲面线性离子阱质量分析器和矩形离子阱质量分析器。双曲面的线性离子阱质量分析器是在固定架上设有四极电极，四极电极由四个曲面电极俩俩平行相对组成，其中一对曲面电极的曲面中心开有狭缝，四极电极两端分别设有端电极，电极之间设有绝缘层，这种双曲面的线性离子阱质量分析器，由于四极电极由四个曲面电极俩俩平行相对组成，装配难度高，装配精度低，制造成本高；而矩形离子阱质量分析器是在固定架上设有四极电极，四极电极由四个平面电极俩俩平行相对组成，其中一对平面电极中心开有狭缝，四极电极两端分别设有端电极，电极之间设有绝缘层，这种矩形离子阱质量分析器，由于四极电极由四个平面电极俩俩平行相对组成，离子扫描出离子阱的效率较低，导致灵敏度较低。

发明内容

本发明解决的技术问题是，解决双曲面的线性离子阱质量分析器装配难度高、装配精度低、制造成本高，矩形离子阱质量分析器离子扫描出离子阱的效率低、灵敏度低的问题。提供一种装配难度低，装配精度高，制造成本低，离子扫描出离子阱的效率高，灵敏度高的混合型线性离子阱质量分析器。

本发明的技术方案是，设有固定架，固定架上设有四极电极，四极电极两端分别设有端电极，电极之间设有绝缘层，主要结构特点是，四极电极由一组平行的平面电极和一组对称的曲面电极组成，曲面电极的曲面中心开有狭缝。

本发明狭缝的外侧为梯形槽。

本发明固定架上设有缓冲气体接口。

本发明固定架上设有内电离样品接口

本发明端电极上设有离子出入口。

本发明四极电极两端设有预四极电极，预四极电极外端分别设有端电极。

本发明四极电极由两段四极电极组成，两段四极电极之间设有端电极。

本发明四极电极由两段四极电极组成，两段四极电极之间以及两段四极电极与端电极之间分别设有预四极电极。

本发明四极电极由多段四极电极组成，相邻两段四极电极之间设有预四极电极。

本发明的有益效果是，由于四极电极由一组平行的平面电极和一组对称的曲面电极组成，曲面电极的曲面中心开有狭缝，装配难度低，装配精度高，制造成本低，离子扫描出离子阱的效率高，灵敏度高，本发明适用于离子质量分析。

附图说明

图1、图2、图3、图4是本发明的一种结构示意图，也是一种实施例的示意图；图1是主视图，图2是图1的左视图，图3是图1的俯视图，图4是图1的A-A剖视图。

图5是本发明实施例1的结构简图。

图6是本发明实施例2的结构简图。

图7是本发明实施例3的结构简图。

图8是本发明实施例4的结构简图。

图9是本发明实施例5的结构简图。

图10是本发明四极电极的接线图。

具体实施方式

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5所示的混合型线性离子阱质量分析器，设有固定架3，固定架3上设有四极电极，四极电极两端分别设有端电极7、13，电极之间设有绝缘层12，用以保证电极之间相互绝缘。四极电极由一组平行的平面电极4、9和一组对称的曲面电极2、5组成，曲面电极的曲面中心开有狭缝10，可以一个曲面电极的曲面中心开有狭缝，也可以两个曲面电极的曲面中心都开有狭缝，由于四极电极由一组平行的平面电极4、9和一组对称的曲面电极2、5组成，由于平面电极4、9的存在，装配难度低，装配精度高，制造成本低；由于中心开有狭缝的曲面电极2、5的存在，使离子在辅助射频电压作用下在曲面电极方向上有聚焦作用，提高了离子扫描出离子阱的效率。从图3、图4中可以看出狭缝10的外侧为梯形槽，缩短了离子在狭缝10中传输的距离，提高了离子到达检测器的效率。如果没有这个梯型槽，离子在狭缝10中传输的距离和曲面电极2、5的厚度相同，在狭缝10中近似于等势体，使运动方向和狭缝10有角度的离子大多会湮灭在电极上。在固定架3上设有两个可以将气体导入离子阱内的接口，一个为缓冲气体接口8，可以将缓冲气体接入质量分析器内，提高离子的捕获效率；另一个为内电离样品接口11，采用内电离源时，样品由此注入离子阱内，使离子阱内的样品浓度高于真空腔，提高了仪器的灵敏度，在采用外电离源时，将此接口封闭即可。端电极7、13上设有离子出入口6、14，在采用外电离源时，离子由此进入到离子阱内。从图1中可以看出，固定架3上设有接线柱1，施加到电极上的信号由此接入。

混合型线性离子阱质量分析器是在两对电极围成的空间形成四极电场，电场计算参见马修方程。如图10所示，四极电场的获取方法是在一对电极上施加射频电压信号，另一对电极施加直流信号，或是分别在两对电极上施加180度相位差的射频电压信号，进入离子阱四极场区的离子就会被其捕获。本发明中离子出口狭缝开在曲面电极上，带狭缝的曲面电极方向定义为x方向，电极为x电极，平面电极方向为y方向，电极为y电极。和其它四极电场的质量分析器一样，对混合型线性离子阱质量分析器中的离子控制也是根据马修方程算出的稳定区图，稳定区和非稳定区之间的界限控制离子排除离子阱或是保留在阱内。但是由于电学和加工装配带来的不稳定性和误差，使稳定区和非稳定区之间的界限变成一个区域，而不是一条线，也就是说离子在这个区域内可能被排出离子阱，也可能留在阱内，大大降低了离子阱的分辨率。所以对离子阱操作会在两个x电极上加一个辅助射频信号，使离子在到达稳定区边界前被共振弹出离子阱，加在两x电极的辅助射频信号具有180度相位差。本发明的优点之一就是x电极为曲面电极，辅助射频电压在x方向有聚焦作用，从而使发生共振的离子聚焦到狭缝出口，提高了离子的扫出效率，从而提高了仪器的灵敏度。离子在x、y平面被四极电场控制，在与x、y平面垂直的方向上，离子由端电极和xy电极上施加的直流电压形成直流势阱控制。

使用方法：

对四极电场的电压操作见图10，相位相反的射频(RF)信号分别加在x电极和y电极上，一般RF频率在1MHz左右根据阻抗匹配情况会略有变化。在捕获离子时一般RF的电压为几十伏到几百伏，不同的RF捕获电压对不同质荷比的离子效率会有不同，根据分析的样品对其优化设置；捕获离子后一般会把RF电压降低一点，即为冷却离子，通过被捕获的离子和缓冲气之间的碰撞，使离子消除原有的动能，更好的受RF电压的控制，从而提高分辨率，一般这一过程持续几毫秒到几十毫秒；最后线性的提高RF电压，离子会按照质荷比的从小到大被扫出离子阱，通过检测器、放大器和数据采集得到质谱图。

在施加RF的同时，x电极和y电极分别施加直流偏置电压DCx和DCy，一般操作条件下DCx和DCy采用基本相同的电压值，和端电极的电压形成直流势阱，四极电极和端电极之间电势差一般为几伏到几十伏，增加电势差可以将离子向离子阱中心压缩，减小空间分布，可以提高分辨率；但是如果离子数量较多，被压缩到中心会产生空间电荷效应，所以在分析时要根据实际样品选择合适的折中条件。

此外在两个x电极分别施加相位相反的辅助射频电压(AC)，使离子在到达稳定区边界前的共振点被弹出离子阱。本发明由于x电极为曲面电极，AC电压会在该方向聚焦离子，提高了离子从狭缝扫出的效率。一般AC的频率为几百千，振幅为几伏。AC可以采用连续频率的复合波形，一般频率从几十千赫兹到几百千赫兹，在此频率中间有几千赫兹的空白，空白的频率为预保留在离子阱内的离子的振动频率，从而实现多级质谱操作(MSⁿ)。

实施例2：

如图6所示的混合型线性离子阱质量分析器，四极电极两端设有预四极电极15、16，预四极电极15、16外端分别设有端电极。预四极电极和本发明四极电极的结构一致，只是长度短一些，曲面电极上没有狭缝。预四极电极结构可以提高离子的捕获效率和分辨率。两端安装端的预四极电极和四极电极形成直流势阱。对其操作和实施例1所述相似，中心的四极电极和预四极电极一般施加同样的射频电压，直流偏置一般不同，对于正离子来说中心的四极电极一般采用较低的直流偏置，以形成直流势阱。预四极电极的x电极可以施加与中心四极电极x电极相同的辅助射频电压，也可以不加。其它结构与实施例1相同，不再赘述。

实施例3：

如图7所示的混合型线性离子阱质量分析器，四极电极由两段四极电极组成，两段四极电极之间设有端电极，通过端电极将其隔成两个相对独立的离子阱质量分析器。在两个区域可以采用不同压力的缓冲气，高压的离子阱捕获离子，通过直流电压操作将捕获的离子传输到另一个低压的离子阱中，这样可以提高离子阱捕获离子的效率。这是由于在离子阱操作中会采用缓冲气(一般为氦气)，消除注入到阱内离子原有的动能，从而射频电场更容易将其捕获；而在离子扫出离子阱过程中，如果离子阱内缓冲气气压过高则会降低其扫出效率和分辨率。其它结构和使用方法与实施例1相同，不再赘述。

实施例4：

图8所示的混合型线性离子阱质量分析器，四极电极由两段四极电极和三段预四极电极组成，两端各加一个端电极，通过各电极段的直流电压将其分为两个离子捕获区域。通过电场操作可以将捕获的离子由一个区域传输到另一个区域，从而实现分子离子反应和复杂的离子分析，也可以实现MSⁿ功能。其它结构和使用方法与实施例1相同，不再赘述。

实施例5：

如图9所示的混合型线性离子阱质量分析器，四极电极由多段四极电极组成，相邻两段四极电极之间设有预四极电极。同样可以通过射频电压和直流电压操作实现离子的捕获、分离、各段之间离子传输和分子离子反应等功能。其它结构和使用方法与实施例1相同，不再赘述。

Claims

1.一种混合型线性离子阱质量分析器，设有固定架，固定架上设有四极电极，四极电极两端分别设有端电极，电极之间设有绝缘层，其特征是：四极电极由一组平行的平面电极和一组对称的曲面电极组成，曲面电极的曲面中心开有狭缝。

2.根据权利要求1所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的狭缝的外侧为梯形槽。

3.根据权利要求2所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的固定架上设有缓冲气体接口。

4.根据权利要求3所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的固定架上设有内电离样品接口。

5.根据权利要求4所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的端电极上设有离子出入口。

6.根据权利要求1所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的四极电极两端设有预四极电极，预四极电极外端分别设有端电极。

7.根据权利要求1所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的四极电极由两段四极电极组成，两段四极电极之间设有端电极。

8.根据权利要求1所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的四极电极由两段四极电极组成，两段四极电极之间以及两段四极电极与端电极之间分别设有预四极电极。

9.根据权利要求1所述的混合型线性离子阱质量分析器，其特征是：所说的四极电极由多段四极电极组成，相邻两段四极电极之间设有预四极电极。