CN102832098B - 一种具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器 - Google Patents

Abstract

本发明属于分析仪器技术领域，具体为一种具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器。本发明的线形离子阱质量分析器是由至少一个装载有导电栅网（grid）的电极（栅网电极）和多个电极合围而成的空间立体结构。进入线形离子阱中的离子，在射频电压和直流电压的共同作用下被存储、激发，并进一步通过栅网电极上的导电栅网从离子阱中弹出，被安装在离子阱栅网电极外面的离子检测器检测。栅网电极的使用，不仅能够调节线形离子阱中的电场成分，同时显著增加了离子弹出的数量和效率，减少了离子由于与离子阱电极的碰撞而导致的损失,提高离子阱的检测灵敏度，改善离子阱质谱仪器的分析性能。

Description

一种具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器

技术领域

本发明属于分析仪器技术领域，具体涉及一种质谱仪中的离子阱质量分析器。

技术背景

质谱仪是一种根据不同质量的带电粒子在电场或磁场中运动的轨迹不同，从而实现不同物质的原子、分子或分子碎片的分离和检测的分析仪器。质谱仪具有对未知化合物的定性、定量分析、结构组成确定等能力，目前已经广泛的应用于生命科学、地质勘测、环境检测、食品安全、石油化工、生物医学、国家安全、品质控制、临床诊断等领域。质谱仪的结构主要由真空系统、离子源、离子光学系统、质量分析器、离子检测器、测控系统等组成，其中质量分析器是其核心部件。从1919年第一台质谱仪问世以来，质谱仪的种类已经发展到多种多样，根据所采用的质量分析器的不同，分别有磁质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪、轨道阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪等。

相比于其它质量分析器，离子阱质量分析器具有其独特的优势，诸如较高的工作气压、结构简单、体积小以及串级质谱能力等。纵观离子阱的发展历程，有几个重要阶段。离子阱质谱仪起步于20世纪50年代。1979年制造的世界上第一台离子阱，该离子阱由一个环电极和两个端盖电极组成,电极之间以绝缘体隔开，电极的工作面为双曲面。两个端盖极是等电位的，端盖极上有小孔，以便进入样品和排出离子。80年代中期以后离子阱作为有机质谱的质量分析器得到快速发展。由于发展离子阱并将其应用于原子物理,Paul、Dehmelt和Ramsey荣获了1989年的诺贝尔物理奖。这种早起的离子阱被称为Paul阱或者是三维阱，因为带电粒子在阱中收到的是三维方向的射频电场作用。三维阱的使用持续了相当长的时间，期间关于离子阱的相关技术日渐成熟，但阱的结构未有变化。三维离子阱最大的缺点是离子存储量小，存储效率低，当存储的离子数量较大时，多个离子之间的空间电荷效应会大大降低阱的质量分辨能力。直至2002年线形离子阱的出现是离子阱发展中一个重大突破。线形离子阱是一个二维的离子阱，只在径向上的电极上施加射频电压，轴向上采用直流电位束缚离子。它将束缚在阱中的离子的运动空间从一个点变成一条线，极大的提高了离子阱的离子存储效率，同时降低了空间电荷效应。目前，线形离子阱质谱仪已经商业化，逐渐的取代了三维离子阱质谱仪，并在实际使用中变的越来越广泛。

JaeC.Schwartz在专利号为US6797950B2的美国专利中。描述了一种线形离子阱质量分析器，它的工作原理与三维离子阱相同，但是电极结构和离子的引入和弹出则发生了改变。轴向上（一般规定为z方向）的电极采用平面电极，通过直流电位束缚离子；径向上（一般规定为x和y方向）的电极采用双曲面结构，上施加射频电压束缚离子。离子从轴向注入阱中，经过共振激发，从径向上通过电极上开的狭缝弹出，进入离子检测器。这种结构的线形离子阱能够有效的提高离子容量和离子存储效率，同时降低空间电荷效应的干扰。但是，由于阱中的离子是通过电极上的狭缝弹出，离子的弹出数量和弹出效率均受到狭缝大小的限制，为了减少对阱中的四极电场的破坏，狭缝的尺寸具体为0.25毫米，物理上限制了离子弹出的数量，导致该线形离子阱检测到的离子强度受限，同时双曲面电极的使用也对电极的机械加工精度和组装精度提出很高的要求。

JamesW.Hager在专利号为WO9747025-A的世界专利和文章Anewlineariontrapmassspectrometer(RapidCommun.MassSpectrom.2002,16:512-526)中公开了一种线形离子阱质谱仪。所描述的离子阱的结构实际上与三重四极杆质量分析器相同，通过采用轴向弹出的技术实现线形离子阱的功能。轴向上通过平面电极上施加的直流电位束缚离子；径向上的圆杆电极施加射频电压束缚离子。离子从轴向上引入阱中，运动至四极杆的尾部区域，四极杆上的射频电压以及其后方引出透镜上的直流电压的作用构建了边缘场，通过边缘场效应从轴向上弹出，进入离子检测器。离子从轴向上弹出，与检测器在几何结构上能很好的匹配，具有很高的检测效率。但是四极杆电极的使用则要求电极需要很高的机械加工精度和组装精度，同时边缘场的构建涉及到电极上较为复杂的电路设计，这些均给仪器的开发带来了困难，并增加了成本。

ZhengOuyang在专利号为US6838666B2的美国专利中描述了一种矩形离子阱质量分析器，它是一种结构更为简化的线形离子阱即矩形离子阱。矩形离子阱在径向上和轴向上均采用平板电极构成，阱中的电极工作面均为平面。离子从轴向上引入，并被轴向直流电位束缚，径向上被射频电压束缚，经过共振激发，从径向上弹出。离子弹出依然是从平面电极上狭缝弹出。由于矩形离子阱中的电场多极场成分更复杂，为了减少对阱中的四极电场的破坏，采用了宽度有限的狭缝用于离子弹出，具体值为1毫米。同样，宽度有限的狭缝在物理上限制了离子弹出的数量，线形离子阱检测到的离子强度受限。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有高离子引出和收集效率、高灵敏度的线形离子阱质量分析器及其制备方法，以进一步提高线形离子阱质谱仪的性能。

本发明提出的线形离子阱质量分析器，采用新的电极结构，是由至少一个装载有导电栅网（grid，以下简称“栅网”）的电极（以下简称“栅网电极”）和其它未装载栅网的电极合围而成的空间立体结构。离子阱中束缚的离子通过栅网电极从离子阱中弹出，被离子探测器接收和检测。该线形离子阱质量分析器可以在质量选择不稳定性扫描模式下实现质量分析，也可以在质量选择稳定性模式下正常工作。它可以实现离子的离子存储、质量分析、离子碎裂和分离等功能。该质量分析器具有很高的离子弹出效率，因而大大提高了质谱仪器的检测灵敏度。

本发明提出的线形离子阱质量分析器的结构，具体由x、y、z三个方向上的三对电极构成，并合围成空间立体结构。如规定离子弹出的方向为x方向，则x方向上的一对电极其中至少一个电极为栅网电极；规定离子引入的方向为z方向，z方向上的一对电极一般为平面电极。y方向上的一对电极形状不受限制，可以是平面电极，也可以是双曲面电极或圆杆电极等其它形状的电极。x、y、z三个方向的各个电极之间存在空隙或以电绝缘材料隔开，以保持相互之间的电绝缘状态。x和y方向上的两对电极所在的zx平面和zy平面在径向上围成了离子的束缚空间，其电极上施加的射频（RadioFrequency,RF）电压对阱中的离子实现径向上的束缚。z方向上一对电极上开有小孔，用于离子引入，其电极上施加直流电压，在轴向上将离子束缚在阱中。还有一个辅助的交流电场施加在x方向电极上，用于离子的共振激发弹出或边界激发弹出等其他方式引出离子。

本发明中，所述的线形离子阱，其装载有栅网的电极数量可以是一个，也可以是两个,也可以是三个，也可以是四个等。

本发明中，所述的线形离子阱，离子的引出电极采用栅网电极，导电栅网的大小和形状不受限制，可以是电极上某一部分为导电栅网，也可以是整个电极全部为导电栅网。

本发明中，所述的线形离子阱，其导电栅网在栅网电极上的位置不受限制，可以安装在电极的内表面，也可以安装在电极的外表面，或是内、外表面的中间区域。

本发明中，所述的线形离子阱，其导电栅网中的网格结构和尺寸不受限制，保证离子具有较高的通过率即可。

本发明中，所述的线形离子阱，其制备栅网电极的材料可以是导电金属如不锈钢、金、银、铜等材料，也可以采用绝缘材料诸如陶瓷、PCB、高分子材料等表面镀金属膜的方法。

本发明中，所述的线形离子阱，其制备栅网电极的方法不受限定，目前固定导电栅网的方法均可以采用。

本发明中，所述的线形离子阱，其未装载导电栅网的电极即除栅网电极以外的其它电极的形状和尺寸不受限制，可以是平面电极，也可以是双曲面电极或圆杆电极，或者其它形状的电极。

本发明中，所述的线形离子阱，其离子弹出的方法可以是共振激发弹出，也可以边界激发弹出。离子弹出方法不受限定。

本发明的线形离子阱，它可以作为离子阱质量分析器使用，也可以作为离子存储装置使用。并且它可以单独作为一个仪器使用，也可以与其他仪器装置，如四极杆质谱、飞行时间质谱、轨道离子阱质谱等结合起来组成一个较为复杂的仪器使用。

本发明中，栅网电极的存在可以弥补传统引出电极上由于缺失部分引起的电场丢失和畸变，同时不会对离子的通过率有影响。一般来说，普通栅网的离子通过率几乎均可以达到90%以上。

线形离子阱质量分析器工作时，通入中性气体作为冷却气，用于缓冲阱中离子的动能起到冷却离子的作用。通常采用质量数小于被分析物的中性气体作为冷却气。中性气体通过导气管进入线形离子阱中的位置没有限制，可以从任意方向通入，只要能实现离子的冷却均可以采用。

附图说明

图1—图3：本发明具体实施例1的线形离子阱质量分析器的结构示意图。其中图1是三维结构示意图；图2是xy面电极结构和分布的二维截面示意图；图3是栅网电极二维平面示意图。

图4—图6：本发明具体实施例1的线形离子阱质量分析器的电压分布示意图。其中，图4是直流电位分布图；图5是射频电压分布图。图6是将一对单相的射频电压施加在y方向电极对上，x方向电极对不施加射频电压，AC信号直接施加到该电极对上。

图7—图8：本发明具体实施例2的线形离子阱质量分析器的结构示意图。其中，图7是三维结构示意图；图8是xy面电极结构和分布的二维截面示意图。

图9—图10：本发明具体实施例3的线形离子阱质量分析器的结构示意图。其中，图9是三维结构示意图；图10是xy面电极结构和分布的二维截面示意图。

图11—图12：本发明具体实施例4的线形离子阱质量分析器的结构示意图。其中，图11是三维结构示意图；图12是xy面电极结构和分布的二维截面示意图。

图13—图14：本发明具体实施例5的线形离子阱质量分析器的结构示意图。其中，图13是三维结构示意图；图14是xy面电极结构和分布的二维截面示意图。

图15—图16：本发明具体实施例6的线形离子阱质量分析器的结构示意图。其中，图15是三维结构示意图；图16是xy面电极结构和分布的二维截面示意图。

图17—图18：不同结构的栅网电极的xy面二维截面示意图。其中，图17所示为将栅网装载于平板电极的外表面的结构，图18所示为将栅网装载于平板电极的内、外表面之间的中间层的位置，栅网面与内外表面保持平行关系。

图19：装载有本发明提出的新型线形离子阱质量分析器的质谱仪系统结构示意图。

图20：通过图19所示的质谱仪得到的化合物精氨酸的质谱图。

图21：通过图19所示的质谱仪得到的化合物1-(3-氯苯)哌嗪的质谱图。

图22：通过图19所示的质谱仪得到的化合物1-(4-氯二苯)哌嗪的质谱图。

具体实施方式

下文通过具体实施例并结合附图，进一步描述本发明，可以更好的理解本发明的优点。

具体实施例1参考图1—图3所示，其中图1为该方案的线形离子阱的三维立体结构图，由六块电极组成，分别是z方向上的一对电极102和103，其电极形状为平板电极。电极102上开有通孔（aperture），用于样品离子101的引入。x方向上的一对电极106和107，y方向上的一对电极104和105。定义x方向为离子弹出的方向。电极106和107为栅网电极。电极104和105为平板电极。图2为x、y方向电极对的二维截面示意图，两对电极对称分布，且相互之间存有空隙保持不导通，两对电极104和105、106和107之间的距离不受限制。离子检测器109的开口正对电极107上的栅网，阱中的离子通过栅网进入离子检测器109中。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到所需要的样品离子的质谱图。图3所示为栅网电极的平面示意图，栅网位于电极的中心区域，其几何尺寸可以根据具体实验要求设置，具体的参数值不受到限制。

图4—图6所示为具体实施例1中的线形离子阱上施加的电压分布图。图4为直流电压分布示意图，位于线形离子阱两端的z方向的一对电极即端盖电极上施加高直流电位，位于中间的x、y方向电极对施加低直流电位，最终在轴向上形成一个直流电位差即势阱，将离子轴向上束缚于阱中。图5和6是阱电极上的射频电压分布示意图。图5所示是将一对相位平衡的射频电压分别施加在x、y两对电极上。x和y电极对上的射频电压幅度相同，相位相差180度。同时一个交流电场电压（AC）施加在x方向电极对上，AC信号通过与RF信号耦合的方式施加。最终结合上述的直流电位，电极104和105上的电压成分为正相的RF以及DC2电压，电极106上的电压成分为负相的RF、DC2和正相的AC，电极107上的电压成分为负相的RF、DC2和负相的AC。图6是将一对单相的射频电压施加在y方向电极对上，x方向电极对不施加射频电压，AC信号直接施加到该电极对上。最终结合上述的直流电位，电极104和105上的电压成分为单相的RF以及DC2电压，电极106上的电压成分为DC2和正相的AC，电极107上的电压成分为DC2和负相的AC。需要说明的是，RF电压和AC电压的正、负相的施加并不指定电极，只需满足电极对之间的反相关系要求即可。

图7—图8所示为具体实施例2的线形离子阱结构示意图，其中图7为该方案的线形离子阱的三维立体结构图，由六块电极组成，分别是z方向上的一对电极302和303，其电极形状为平板电极。电极302上开有通孔（aperture），用于样品离子301的引入。x方向上的一对电极306和307，y方向上的一对电极304和305。定义x方向为离子弹出的方向。整个线形离子阱中仅电极307为栅网电极。电极304、305和306均为非栅网电极。图8为x、y方向电极对的二维截面示意图，两对电极对称分布，且相互之间存有空隙保持电绝缘。两对电极304和305、306和307之间的距离不受限制。离子检测器309的开口正对电极307上的栅网，阱中的离子通过栅网进入离子检测器309中。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到所需要的样品离子的质谱图。

图9—图10所示为具体实施例3的线形离子阱结构示意图，其中图9为该方案的线形离子阱的三维立体结构图，由六块电极组成，分别是z方向上的一对电极402和403，其电极形状为平板电极。电极402上开有通孔（aperture），用于样品离子401的引入。x方向上的一对电极406和407，y方向上的一对电极404和405。定义x方向为离子弹出的方向。整个线形离子阱中电极404、406、407均为栅网电极。电极405为非栅网电极。图10为x、y方向电极对的二维截面示意图，两对电极对称分布，且相互之间存有空隙保持电绝缘。两对电极404和405、406和407之间的距离不受限制。离子检测器409的开口正对电极407上的栅网，阱中的离子通过栅网进入离子检测器409中。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到所需要的样品离子的质谱图。

图11—图12所示为具体实施例4的线形离子阱结构示意图，其中图11为该方案的线形离子阱的三维立体结构图，由六块电极组成，分别是z方向上的一对电极502和503，其电极形状为平板电极。电极502上开有通孔（aperture），用于样品离子501的引入。x方向上的一对电极506和507，y方向上的一对电极504和505。定义x方向为离子弹出的方向。整个线形离子阱中电极504、505、506、507均为栅网电极。图12为x、y方向电极对的二维截面示意图，两对电极对称分布，且相互之间存有空隙保持电绝缘。两对电极504和505、506和507之间的距离不受限制。离子检测器509的开口正对电极507上的栅网，阱中的离子通过栅网进入离子检测器509中。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到所需要的样品离子的质谱图。

图13—图14所示为具体实施例5的线形离子阱结构示意图，其中图13为该方案的线形离子阱的三维立体结构图，由六块电极组成，分别是z方向上的一对电极602和603，其电极形状为平板电极。电极602上开有通孔（aperture），用于样品离子601的引入。x方向上的一对电极606和607，y方向上的一对电极604和605。定义x方向为离子弹出的方向。电极606和607为栅网电极，且该电极全部由栅网组成。电极604和605为平板电极。图14为x、y方向电极对的二维截面示意图，两对电极对称分布，且相互之间存有空隙保持电绝缘，两对电极604和605、606和607之间的距离不受限制。离子检测器609的开口正对栅网，阱中的离子通过栅网进入离子检测器609中。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到所需要的样品离子的质谱图。

图15—图16所示为具体实施例6的线形离子阱结构示意图，其中图15为该方案的线形离子阱的三维立体结构图，由六块电极组成，分别是z方向上的一对电极，为了显示效果前端盖电极并未画出，其电极形状为平板电极。x方向上的一对电极706和707，y方向上的一对电极704和705。定义x方向为离子弹出的方向。电极706和707为栅网电极。电极704和705的电极工作面为双曲面。图16为x、y方向电极对的二维截面示意图，两对电极对称分布，且相互之间存有空隙保持电绝缘，两对电极704和705、706和707之间的距离不受限制。离子检测器709的开口正对电极707上的栅网，阱中的离子通过栅网进入离子检测器709中。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到所需要的样品离子的质谱图。

本发明提出的线形离子阱中的栅网电极的制作可以采用不同的结构。图17—图18所示为两个不同结构的栅网电极的xy面二维截面示意图。栅网的平整性有很高的要求，当平板电极上装载有导电栅网时，鉴于平板电极自身的厚度，栅网固定在平板电极上的位置可以有多种选择。图1所示的实施例中采用的结构为将栅网装载于平板电极的内表面，栅网面与电极内表面齐平。图17所示为将栅网装载于平板电极的外表面的结构，栅网面与电极的外表面齐平。电极上的各个电压的施加方式不受影响。图18所示为将栅网装载于平板电极的内、外表面之间的中间层的位置，栅网面与内外表面保持平行关系，栅网面到平板电极内、外表面的距离可根据实际需求而改变，具体参数不受限制。

图19为采用本发明提出的新型线形离子阱质量分析器搭建的质谱仪系统结构的二维截面示意图。仪器采用三级差分真空系统。912为前级机械泵，913和914均为分子泵。电喷雾电离源901作为离子源，产生的离子进过取样通孔902进入质谱仪器真空腔体的第一级差分真空系统中，通过锥孔903进入第二级真空系统中，进入四极离子导引904，再经过一个通孔915进入第三级真空系统中，进入线形离子阱质量分析器中。902、903、904、915均施加直流电位，用于离子的引入。线形离子阱质量分析器中的电极905和906为前、后端盖电极，电极907和908为栅网电极，电极长55mm，宽9mm，厚2mm，导电栅网安装于电极正中间，距离电极内、外表面1mm。导电栅网中的网格尺寸为0.32mm×0.32mm，离子通过率可达99%。后端盖电极906上的小孔上有一导气管910通入冷却气911，用于缓冲进入阱中的离子的动能。离子在x、y、z电极对上施加的直流电压、射频电压、交流电压的作用下，通过共振激发的方式，穿过栅网电极907被电子倍增器909检测到。经过数据采集系统记录和放大后，再通过后续的仪器处理和输出，最终得到所需要的样品离子的质谱图。

图20、图21、图22分别为采用本发明提出的线形离子阱在图19所用的质谱仪器系统中得到的质谱图。实验条件为：RF采用Sciex公司生产的RF模块，型号：009701，射频电压的频率固定为768kHz。采用氦气作为冷却气体。采用共振激发的模式弹出离子，AC的频率为RF频率的三分之一即235kHz。采用的四极导引杆的长度为200mm。线形离子阱所在第三级真空腔内真空度可达到3×10^-3Pa。所用样品均从Aldrich公司购买，配置成1×10^-6M的溶液，溶剂采用甲醇∶水=50∶50，其中含有0.05%的醋酸。图10是样品为精氨酸的电喷雾质谱图，AC的共振激发电压为0.65V。图11是样品为1-(3-氯苯)哌嗪的电喷雾质谱图，AC的共振激发电压为0.62V。图12是样品为1-(4-氯二苯)哌嗪的电喷雾质谱图，AC的共振激发电压为3V。

Claims (5)

1.一种具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器，其特征在于其电极结构为由至少一个装载有导电栅网的电极和其它未装载栅网的电极合围而成的空间立体结构，其中：

所述的空间立体结构由x、y、z三个方向上的三对电极合围而成，规定离子弹出的方向为x方向，则x方向上的一对电极其中至少一个电极为栅网电极；规定离子引入的方向为z方向，z方向上的一对电极为平面电极；y方向上的一对电极形状不受限制；x、y、z三个方向的各个电极之间存在空隙或以电绝缘材料隔开，以保持相互之间的电绝缘状态；x和y方向上的两对电极所在的zx平面和zy平面在径向上围成离子的束缚空间，其电极上施加的射频电压对阱中的离子实现径向上的束缚；z方向上一对电极上开有小孔，用于离子引入，其电极上施加直流电压，在轴向上将离子束缚在阱中；还有一个辅助的交流电场施加在x方向电极上，用于离子的弹出。

2.根据权利要求1所述的具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器，其特征在于装载有栅网的电极数量为一个、两个、三个或四个。

3.根据权利要求1所述的具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器，其特征在于离子的引出电极采用栅网电极，其中，电极上某一部分为导电栅网，或者整个电极全部为导电栅网。

4.根据权利要求1或3所述的具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器，其特征在于导电栅网安装在电极的内表面，或安装在电极的外表面，或安装在电极内、外表面的中间区域。

5.根据权利要求1所述的具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器，其特征在于制备栅网电极的材料是导电金属，或者是表面镀金属膜的绝缘材料。