CN102832097A - 一种有关调节四极场中离子分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及物理和离子质量分析仪器技术领域，具体是一种有关调节四极场中离子分布的方法，该方法通过直接在两个电极上加载直流电压产生直流电场，四极场由四极杆电极组成上下等距离平行的正方形的四极杆电极系统，四极杆电极为的四根圆柱形电极，在四极杆的中间位置设有场空间，在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极上分别加载射频工作电压，除保持四极杆上的射频工作电压不变外，将在其中的一对电极上再加载直流电压，电极上由直流电源加载电压值为V21的直流电压，电极上由直流电源加载电压值为V22的直流电压，如此在场空间中产生一定的直流电场，在此作用下，将使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子偏离中心区域，提升了质量检测准确性。
Description
[技术领域]
本发明涉及物理和离子质量分析仪器技术领域，具体是一种有关调节四极场中离子分布的方法。
[背景技术]
四极杆电极系统的功能繁多，如：一，四极质量分析器，或称之为四极滤质器；二，四极离子导引；三，线形离子阱。当四极电极系统实现上述功能时，都必须在一定的工作电压作用下，即射频电压，在四根杆状电极围成的中间区域内产生以四极电场为主的电场分布。通常情况下，当四极杆电极系统作为质量滤质器使用时，加载在四极滤质器上的射频电压工作电压U同时包含有直流电压DC和射频电压RF成份；当四极杆电极系统作为线形离子阱使用时，加载在四极滤质器上的射频电压工作电压只包含有射频电压RF成份；如图1所示，当四极杆电极系统作为四极离子导引使用时，加载在四极滤质器上的射频电压工作电压只包含有射频电压RF成份，不论是当哪一种功能使用，离子在四极杆电极和工作电压产生的电场作用下，离子都主要分布在四极杆电极的轴线附近。
根据库仑定律，极性相同的电荷之间存在相互推斥作用。且电荷之间相互作用力的大小与它们之间的距离的平方成反比，即电荷之间的距离越小，其相互作用力就越大。因此，当一定量的电荷分布在四极杆轴线附近时，它们之间的库仑相互作用往往会很强，即产生平常空间电荷效应。很显然，空间电荷效应与分布在四极杆中间区域的电荷数有关，电荷数愈多，则空间电荷效应越强。在质谱分析过程中，空间电荷效应会导致至少二个负面结果，一，会导致质量 分析时质谱峰位置的移动和质量分辨能力的下降；二，使得能够通过或储存在四极杆电极中的离子数有限，即影响质谱的灵敏度。
[发明内容]
本发明的目的就是为了解决现有技术中的不足和缺陷，提供一种或多种结构新颖、安全可靠，改变离子在四极场中运动状态以实现对质谱性能优化的一种有关调节四极场中离子分布的方法。
为实现上述目的，设计一种有关调节四极场中离子分布的方法，包括用于四极杆质量分析器的质谱仪、四极离子导引，其特征在于该方法通过直接在两个电极上加载直流电压产生直流电场，所述的四极场由四根杆状的电极21、22、23、24组成上下等距离平行的正方形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极,或截面为椭圆形的电极，在四极杆的中间位置设有场空间25，所述的场空间25为电极21、22、23、24围成的内切圆空间，在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极21、22、23、24上分别加载射频工作电压，在该方法中，除保持四极杆上的射频工作电压不变外，将在其中的一对电极上再加载直流电压，电极21上由直流电源211加载电压值为V21的直流电压， 电极23上由直流电源212加载电压值为V22的直流电压，如此在场空间25中产生一定的直流电场，在此直流电场的作用下，将使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子20偏离中心区域；将在其中一对电极上再加载直流电压的选择为由直流电压加载在电极22和24上或选择四个电极中的任意两个电极上。
为实现上述目的，设计还有一种有关调节四极场中离子分布的方法，包括 用于四极杆质量分析器的质谱仪、四极离子导引，其特征在于该方法通过直接在三个电极上加载直流电压产生直流电场，所述的四极场由四根杆电极31、32、33、34组成上下等距离平行的正方形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极,或截面为椭圆形的电极，在四极杆的中间位置设有场空间35，所述的场空间35为电极31、32、33、34围成的内切圆空间，在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极31、32、33、34上只分别加载所谓的射频工作电压，在该方法中，除保持四极杆上的射频工作电压不变外，将在其中的三个电极上再加载直流电压，电极31上由直流电源311加载电压值为V31的直流电压，电极32上由直流电源312加载电压值为V32的直流电压，电极33上由直流电源313加载电压值为V33的直流电压，由此在场空间35中产生一定的直流电场，在此直流电场的作用下，将使得分布在四极杆中心轴附近的离子30偏离中心区域；将在其中的三个电极上再加载直流电压的选择为在四个电极中的任意三个电极上。
为实现上述目的，设计还有一种有关调节四极场中离子分布的方法，包括用于四极质量分析的质谱仪，四极离子导引，其特征在于该方法通过直接在四个电极上分别加载直流电压产生直流电场，所述的四极场由四根电极41、42、43、44组成上下等距离平行的正方形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极,或截面为椭圆形的电极，在四极杆的中间位置设有场空间45，所述的场空间45为电极41、42、43、44围成的内切圆空间，在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极41、42、43、44上只分别加载所述的射频工作电压，该方法中，除保持四极杆上的射频工作电压不变外，将四个电极上的每一个电极上再加载直流电压V41、V42、V43和V44，电极41上由直流电源411加载电压值为V41 的直流电压；电极42上由直流电源412加载电压值为V42的直流电压；电极43上由直流电源413加载电压值为V43的直流电压；电极44上由直流电源414加载电压值为V44的直流电压；所述的四个电极上的四个电压值V41、V42、V43和V44的值都不相等，以此在场空间45中产生一定的直流电场，在此直流电场的作用下，将使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子40偏离中心区域；所述的四个电极上的四个电压值选为四个都不相同,两个电极电压值相同或选为三个电极电压值相同。
本发明解决了现有技术中空间电荷效应对质量分析结果及质谱灵敏度的影响，通过在四极杆电极系统中的二个相对电极杆之间加载直流电压或在四极杆电极系统中的任意三个电极杆上加载直流电压，也可以通过直接在四个电极上加载不完全相等的直流电压产生直流电场从而使得离子的分布偏离四极杆中心，实现了对质谱性能的优化。
[附图说明]
图1是现有技术中四极杆电极系统结构示意图；
图2是本发明在二个四极杆电极上加载可产生直流电场电压的四极杆电极系统结构示意图；
图3是本发明在三个四极杆电极上加载可产生直流电场电压的四极杆电极系统结构示意图；
图4是本发明 在四个四极杆电极上加载可产生直流电场电压的四极杆电极系统结构示意图；
图5（a）～图5（b）是本发明实施例的模拟结果示意图；
图6是本发明又一实施例装配场调节电极的四极质谱示意图；
如图1所示，图中：10. 样品离子 11～14.电极 15.场空间 16.导线 17.射频工作电压+U 19.射频工作电压 -U ；
如图2所示，图中：20. 样品离子 21～24.电极 25.场空间 26.导线 27.射频工作电压+U 29.射频工作电压 -U 211.直流电压V21 212.直流电压V22；
如图3所示，图中：30. 样品离子 31～34.电极 35.场空间 36.导线 37.射频工作电压+U 39.射频工作电压 -U 311.直流电压V31 312.直流电压V32 313.直流电压V33；
如图4所示，图中：40. 样品离子 41～44.电极 45.场空间 46.导线 47.射频工作电压+U 49.射频工作电压 -U 411.直流电压V41 412.直流电压V42 413.直流电压V43 414.直流电压V44；
如图5（a）和图5（b）所示，图中：51～54.电极 55.场空间；
如图6所示，图中：60.离子束 61.离子源 62.四极质量滤质器 63.离子探测器；
指定图2为本发明的摘要附图。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的 人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，11, 12, 13, 14为组成四极杆电极系统的四根电极。15为由电极11, 12, 13, 14围成的内切圆空间，即场空间。电极11和电极13由导线16连接在一起，17为加载在电极11和13上的射频工作电压+U。电极12和电极14由导线连接在一起，19为加载在电极12和14上的射频工作电压 -U。 在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极11, 12, 13, 14上只分别加载射频工作电压。10为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，主要分布于围绕中心轴的附近区域。
如图2所示，图2为在二个四极杆电极上加载可产生直流电场电压的四极杆电极系统结构示意图，其中21, 22, 23, 24为组成四极杆电极系统的四根电极。25为由电极21, 22, 23, 24围成的内切圆空间，即场空间。电极21和电极23由导线连26接在一起，27为加载在电极21和23上的射频工作电压+U。电极22和电极24由导线连接在一起，29为加载在电极22和24上的射频工作电压-U。在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极21, 22, 23, 24上只分别加载射频工作电压。211为加载在电极21上的直流电压V21; 212为加载在电极23上的直流电压V22; 20为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，由围绕中心轴的附近区域移动到远离电极21而接近电极23。离子相对于中心所移动的方向和距离与电极21和23上所加载的直流电压值等因素有关。
如图3所示，图3为在三个四极杆电极上加载可产生直流电场电压的四极杆电极系统结构示意图。31, 32, 33, 34为组成四极杆电极系统的四根电极。35为由电极31, 32, 33, 34围成的内切圆空间，即场空间。电极31和电极33由导 线连36接在一起，37为加载在电极31和33上的射频工作电压+U。电极32和电极34由导线连接在一起，39为加载在电极32和34上的射频工作电压-U。在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极31, 32, 33, 34上只分别加载射频工作电压。 311为加载在电极31上的直流电压V31; 312为加载在电极32上的直流电压V32; 313为加载在电极33上的直流电压V33; 30为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，由围绕中心轴的附近区域移动到远离中心的位置，其移动的方向和距离将与三个电极31， 32，和33上所加的电压有关。
图4所示，图4为在四个四极杆电极上加载可产生直流电场电压的四极杆电极系统结构示意图。41, 42, 43, 44为组成四极杆电极系统的四根电极，该四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极,或截面为椭圆形的电极。45为由电极41, 42, 43, 44围成的内切圆空间，即场空间。电极41和电极43由导线连46接在一起，47为加载在电极41和43上的射频工作电压+U。电极42和电极44由导线连接在一起，47为加载在电极42和44上的射频工作电压-U。在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极41, 42, 43, 44上只分别加载射频工作电压。 411为加载在电极41上的直流电压V41; 412为加载在电极42上的直流电压V42; 413为加载在电极43上的直流电压V43; 414为加载在电极44上的直流电压V44; 40为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，由围绕中心轴的附近区域移动到远离中心的位置，其移动的方向和距离将与四个电极41， 42，43和44上所加的电压有关。
如图5所示。图5为本发明的理论模拟结果之一。其具体模拟条件为： 51, 52, 53, 54为四根直径相等的圆柱形杆状电极，其直径为14毫米。 由电极51, 52, 53, 54围成的内切圆空间，即场空间的直径为12.227毫米。四极杆系统的射频工作电压为500伏特。杆51上加载+50伏特的直流电压，杆53上加载 0伏特的直流电压。在上述假想的实验条件下，其离子束50与不加任何额外直流电压相比，离子束50偏离原来的中心轴1.6毫米，如图5（a）所示。图5（b）为相同结果的径相示意图。
如图6所示，图6为装配有场调节电极的四极质谱。61为产生样品离子的离子源，60为离子源产生的离子束，62为装配有场调节电极的四极质量滤质器，63为离子探测器。60为由离子源61产生的离子。
Claims (6)
1.一种有关调节四极场中离子分布的方法，包括用于四极杆质量分析器的质谱仪、四极离子导引，其特征在于该方法通过直接在两个电极上加载直流电压产生直流电场，所述的四极场由四根杆状的电极（21）、（22）、（23）、（24）组成上下等距离平行的正方形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极,或截面为椭圆形的电极，在四极杆的中间位置设有场空间（25），所述的场空间（25）为电极（21）、（22）、（23）、（24）围成的内切圆空间，在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极（21）、（22）、（23）、（24）上分别加载射频工作电压，在该方法中，除保持四极杆上的射频工作电压不变外，将在其中的一对电极上再加载直流电压，电极21上由直流电源211加载电压值为V21的直流电压，电极23上由直流电源212加载电压值为V22的直流电压，如此在场空间25中产生一定的直流电场，在此直流电场的作用下，将使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子（20）偏离中心区域。
2.一种有关调节四极场中离子分布的方法，包括用于四极杆质量分析器的质谱仪、四极离子导引，其特征在于该方法通过直接在三个电极上加载直流电压产生直流电场，所述的四极场由四根杆电极（31）、（32）、（33）、（34）组成上下等距离平行的正方形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极,或截面为椭圆形的电极，在四极杆的中间位置设有场空间（35），所述的场空间（35）为电极（31）、（32）、（33）、（34）围成的内切圆空间，在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极（31）、（32）、（33）、（34）上只分别加载所谓的射频工作电压，在该方法中，除保持四极杆上的射频工作电压不变外，将在其中的三个电极上再加载直流电压，电极（31）上由直流电源311加载电压值为V31的直流电压，电极32上由直流电源312加载电压值为V32的直流电压，电极33上由直流电源313加载电压值为V33的直流电压，由此在场空间（35）中产生一定的直流电场，在此直流电场的作用下，将使得分布在四极杆中心轴附近的离子30偏离中心区域。
3.一种有关调节四极场中离子分布的方法，包括用于四极质量分析的质谱仪，四极离子导引，其特征在于该方法通过直接在四个电极上分别加载直流电压产生直流电场，所述的四极场由四根电极（41）、（42）、（43）、（44）组成上下等距离平行的正方形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极,或截面为椭圆形的电极，在四极杆的中间位置设有场空间（45），所述的场空间（45）为电极（41）、（42）、（43）、（44）围成的内切圆空间，在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极（41）、（42）、（43）、（44）上只分别加载所述的射频工作电压，该方法中，除保持四极杆上的射频工作电压不变外，将四个电极上的每一个电极上再加载直流电压V41、V42、V43和V44，电极（41）上由直流电源411加载电压值为V41的直流电压；电极（42）上由直流电源412加载电压值为V42的直流电压；电极（43）上由直流电源413加载电压值为V43的直流电压；电极（44）上由直流电源414加载电压值为V44的直流电压；所述的四个电极上的四个电压值V41、V42、V43和V44的值都不相等，以此在场空间（45）中产生一定的直流电场，在此直流电场的作用下，将使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子40偏离中心区域。
4.如权利要求1所述的一种有关调节四极场中离子分布的方法，其特征在于将在其中一对电极上再加载直流电压的选择为由直流电压加载在电极（22）和（24）上或选择四个电极中的任意两个电极上。
5.如权利要求2所述的一种有关调节四极场中离子分布的方法，其特征在于将在其中的三个电极上再加载直流电压的选择为在四个电极中的任意三个电极上。
6.如权利要求3所述的一种有关调节四极场中离子分布的方法，其特征在于所述的四个电极上的四个电压值选为四个都不相同,两个电极电压值相同或选为三个电极电压值相同。
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Denomination of invention: A method of adjusting ion distribution in quadrupole field Effective date of registration: 20220628 Granted publication date: 20160420 Pledgee: Shanghai Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Jiading sub branch Pledgor: CHANGZHOU PANNUO APPARATUS CO.,LTD. Registration number: Y2022310000098 |
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Date of cancellation: 20230706 Granted publication date: 20160420 Pledgee: Shanghai Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Jiading sub branch Pledgor: CHANGZHOU PANNUO APPARATUS CO.,LTD. Registration number: Y2022310000098 |