CN103413750A - 一种质谱分析仪及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱分析技术领域，具体是一种质谱分析仪及其分析方法，包括磁场产生装置用以在一个环形空间形成高强磁场，高强磁场的磁力线与环形空间中的轨道中轴线正交，环形轨道空间在工作时具有超高真空；离子加速装置能使被分析的离子加速后进入环形轨道空间，并在其中持续一段时间的回旋运动；环形空间内设有在离子运动轨道周围的一系列电极，至少其中一部分电极用于检测离子在上述回旋运动过程中的镜像电荷信号；信号转换装置用于将镜像电流信号转换为质谱。本发明有效地提高了镜像电流信号频率，提升了质谱仪的分辨率，且结构紧凑，成本较低。

Description

一种质谱分析仪及其分析方法

[技术领域]

本发明涉及分析仪器中的质量分析技术领域，具体是一种质谱分析仪及其分析方法。

[背景技术]

质谱仪又称质谱计，是用于分离和检测不同化学或生物成分的仪器，它根据带电粒子在电磁场中运动状态和结果的不同，按物质原子、分子或分子碎片的质量进行分离和检测物质的组成。磁质谱仪是质谱仪器的一种，它经历了漫长的发展历史。从传统的磁偏转质谱仪、磁回旋质谱计到近代的傅里叶变换磁回旋共振质谱仪，即FTICR，都是利用带电离子在磁场中的运动来分析它们的种类的。质量分辨率是指质谱仪分辨出不同种类分子的能力。近年来，质谱仪在生物和生命技术的运用中，人们对其分辨率的要求日益提高。最新报道的FTICR质谱仪的质量分辨率已经达到了上千万，是任何其它形式的质谱仪无法比拟的。

在FTICR质谱仪中，一般采用超导线圈来产生几到几十特斯拉的均匀磁场，线圈的中心孔径一般为50～100mm，被分析的离子由导引多级杆沿着磁场中心轴被引入ICR Cell，即回旋阱室，并由轴向的直流电势阱将其捕获。而在径向，离子受磁场的约束，从而被束缚在回旋阱室中。被捕获的离子先是聚积在回旋阱室的中心，随后在回旋阱室的电极上加激发高频电压，使各种离子依次被共振激发，运动轨道半径增加至一个较大半径。离子做大半径回旋运动时，在回旋阱室的检测电极上诱导出镜像电流，其频率对应于离子的回旋运动频率，它与离子质荷比成反比。检测、放大记录各种离子的镜像电流，并用傅里叶变换转换成频谱，即为反映离子按质荷比分布的质谱。

根据经典物理学理论，离子的回旋运动频率ωc=qB/m，而傅里叶变换质谱的质量分辨率可由下式得到：

$R\∝\frac{f}{2\mathrm{\Δf}}=\frac{f\·T_m}{2},$ 其中，f=ω/2π，T_m为镜像电流的测量时间。

为了得到高分辨率能力，就要提高离子回旋频率或者增加测量时间。通常质谱仪工作对效率和通量有很高要求，每秒希望能采到多幅质谱图，这时，只有通过增加磁场强度B进而实现提高回旋频率f来实现高分辨能力。所以使用超导磁体成为不可或缺的技术，而且为了避免离子激发过程中产生磁控管运动模式，在整个阱室范围内，磁场强度必须非常均匀，电场强度也必须精确的满足特定分布条件，所以FTICR质谱仪也是造价最昂贵的质谱仪。而且，用液氦冷却的超导线圈维护和使用成本也很高，不利于大量推广。

中国是稀土大国，近年来稀土永久磁铁研制已有很大发展，强度达1特斯拉的钕合金磁铁已经可以批量生产，且价格便宜。在L C Zeller等人的Characterization of a small FTICR mass spectrometer based on a permanentmagnet一文（Anal.Chem.,1993,65(15),pp2116–2118）中提出用永磁铁产生磁场提供给回旋共振式质谱仪，但在直径50mm以上的截面上产生均匀的强磁场绝非容易，不仅总磁通量超过一般磁铁能提供的量，而且也不容易在整个截面上分布均匀，所以永磁回旋共振式质谱仪未能得到快速发展。

[发明内容]

本发明的目的就是为了解决现有FTICR质谱仪超导磁体造价昂贵，而永久磁体磁场强度不足，镜像电流频率较低的问题。本发明提供一种结构紧凑、成本较低设计方案，解决离子运行轨道所在空间的磁场强度不足的问题，并进一步利用多个镜像电流拾取电极来解决信号频率低的问题。

为实现上述目的，提供一种质谱分析仪，其中包括：磁场产生装置、环形离子轨道空间、离子加速装置和信号转换装置；其特征在于，磁场产生装置在环形离子轨道空间形成高强磁场，且环形离子轨道空间中存在一条环形的中轴线，高强磁场的磁力线与该中轴线正交，且在此环形空间中形成超高真空；离子加速装置能使被分析的离子加速后进入环形离子轨道空间，持续一段时间的回旋运动；环形离子轨道空间内设有在离子运动轨道周围的一系列电极，至少其中一部分用于检测离子在上述回旋运动过程中诱导的镜像电荷信号；信号转换装置用于将镜像电荷信号转换为质谱。

上述磁场产生装置优选使用永久磁体，并以其产生的磁通为主，以便节能。在环形离子轨道空间形成的高强磁场强度不小于1000高斯，或优选在大于5000高斯。永久磁体优选使用稀土永久磁体；

作为优化方案，产生的磁通的主要永久磁体被环形离子轨道空间所环绕，并在环形离子轨道空间一周产生各处均匀的磁场。

作为优化方案，离子加速装置使不同质量的离子进入环形轨道前按每单位电荷加速到一定的动量，该动量与离子回旋运动轨道半径成正比。

作为优化方案，离子加速装置包含一个离子存储装置，离子存储装置可以是三维离子阱，直线形或弧线形离子阱。

作为优化方案，离子存储装置设有对捕获在其中的离子施加脉冲引出电场的电压装置，离子存储装置对捕获在其中的离子施加脉冲引出电场的持续时间小于最小质量的被分析离子从所述离子存储装置中被加速引出的时间。

作为优化方案，一系列电极上的电压形成对离子运动轨道的约束电场，约束离子的电场形式包括沿着环形中轴线的环形四极场，或是与环形离子轨道的旋转轴同轴的三维四极场。

作为优化方案，一系列电极在环形圆周上分割成多个扇区并加以不同的电压，使离子在沿环形轨道旋转运动时经历各扇区的电压起伏，从而形成在磁场方向上向环形中轴线聚焦的电场。

所述的质谱分析仪具体结构如下：中心磁铁柱1的左右两侧分别设有端帽磁体2，端帽磁体2直径大于中心磁铁柱1的直径，中心磁铁柱1外侧套设有磁场调节线圈装置5，所述的两个端帽磁体2之间设有一个联通的环形空间，所述的的环形空间内设有环形真空室4，在真空室4内，存在一个环形中心轴，在该环形中心轴的左右两侧设有第一电极81和第二电极82或若干个电极，在该中心轴的外侧和内侧设有第一电极阵列6和第二电极阵列7，所述的端帽磁体2以串联的方式与中心磁铁柱组合在一起，使两个端帽之间环形空间产生磁场，所述的中心磁铁柱为永久磁铁柱，它在上述环形空间构成高强磁场，高强磁场的磁力线与环形空间的中轴线正交，所述的离子加速装置25能使离子加速装置中的被分析离子加速并进入具有高强磁场的环形空间，所述环形中轴线周围的一系列电极上的电压，决定在环形空间的磁场方向约束离子的电场强弱。

本发明还包括一种质谱分析仪的分析方法，其包括以下方法：

采用包括永久磁铁在内的磁场产生方式，使在一环状离子轨道空间里产生基本均匀的高强磁场，且磁场的磁力线与环状空间里的一条环形中轴线正交；

将环状空间抽至超高真空；

产生被分析离子，使它们被加速并注入到该环形离子轨道空间内，并在环形中轴线附近的运动轨道，持续一定时间的回旋运动；

在环形磁场空间的离子环形运动轨道周围，设置一系列电极，在离子持续回旋运动过程中，检测出电极上被离子诱导的镜像电荷信号，并用傅立叶变换将镜像电荷信号转换为质谱。

本发明同现有技术相比，其有效地提高了镜像电流信号频率，解决了现有技术中在较低磁通量下的磁回旋质谱仪的设计问题。其设置的限制电极可防止离子扩散逃逸，使磁场强度分布均匀，有效提高质谱的分辨率。

[附图说明]

图1是本发明实施例中利用永久磁体产生环形高强磁场区域并在该区域建立环形离子轨道的装置示例图；

图2是本发明实施例中由贮存在离子阱的被分析离子加速进入环形轨道及镜像电流检测示意图；

图3是本发明实施例中环形真空室在R-Z平面的截面图；

图4是本发明实施例中环形真空室在R-Z平面的截面图；

图5（a）是本发明实施例中提供轴向限制离子发散和拾取镜像电荷的一种电极结构示意图；

图5（b）是本发明实施例中提供轴向限制离子发散和拾取镜像电荷的另一种电极结构示意图；

图5（c）是本发明实施例中提供轴向限制离子发散和拾取镜像电荷的又一种电极结构示意图；

图6是本发明实施例中产生在z方向对离子汇聚能力的电极设计的实施例图；

如图所示，图中包括：中心磁铁柱1，端帽磁体2，磁场调节片3，真空室4，磁场调节线圈5，第一电极阵列6，(包含电极a6.1，电极b6.2，电极c6.3，电极d6.4等)，第二电极阵列7，环形轨道中心轴9，镜像电荷放大电路21，注入前的离子云22，离子阱23，注入中的离子24，离子加速装置25，轴向约束力31，环形离子轨道41，第一电极筒42，第二电极筒43，第三电极筒44，第四电极筒45，第三电极52，第四电极53，第五电极54，第六电极55，镜像电荷拾取电极61，修正电极62、64，边缘场63，第一电极81，第二电极82，第三电极阵列601，第四电极阵列602。

指定图1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，以使这种装置和方法的结构及原理对本专业的人来说能够清楚地理解。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明人研究发现，如果用回旋共振方法激发离子轨道半径，就必须提供工作室的整个截面上的均匀高强磁场分布。而在离子被激发以后的镜像电流获取阶段，离子只在较大半径的轨道上运动，运动频率与半径较小的中心区域的磁场无关。本发明提出一种磁回旋质谱的构造方法，其中包括采用包括永久磁铁在内的磁场产生方式，使仅仅在一环状空间里产生均匀的强磁场，便可充分利用有限的总磁通量。磁场的磁力线与环状空间里的一条环形中轴线正交，这条环形中轴线也就是离子轨道所在，这个具有强磁场的环状空间也可称为环形离子轨道空间。将环形离子轨道空间抽至超高真空，产生被分析离子，使它们被加速并注入到该环形空间内，并在沿着环形中轴线方向的运动轨道，持续一定时间的回旋运动。虽然回旋运动的频率还是不如现今的FTICR的超导磁场中回旋运动的频率那么高，但在环形离子轨道空间的离子环形运动轨道周围，设置一系列电极，在离子持续回旋运动过程中，检测出电极上被离子诱导的镜像电荷的信号，这些信号的组合就能实现频率的倍增，并转换为高分辨的质谱信号。

图1给出一个设计实例。如图所示，质谱分析器包括一组旋转对称的永久磁体，它可以分为中心磁铁柱1和两对端帽磁体2，端帽磁体2的直径大于中心磁铁柱1的直径，三者根据磁场串联的方式组合在一起，即在中心磁铁柱1的左右两侧分别设有端帽磁体2，使在两个端帽极靴之间环形空间中产生一个高强度的基本均匀磁场B，在中心磁铁柱1外侧还套设有磁场调节线圈装置5，这个实例中主磁铁为中心永久磁体柱，它是磁体的主体部分，在空间上被上述环形空间所环绕。由于永久磁体的磁力线被导入宽度有限的环形空间，在环形空间一周产生各处均匀的磁场，同时这一磁场汇聚作用可以容易地获得5000高斯以上的强磁场，高强磁场的磁力线与环形空间的中轴线正交，在这个磁场中有一个环形真空室4，该环形真空室4是位于两个端帽磁体2之间的一个联通的环形空间内部，这个真空室4内存在一个环形轨道，沿该环形轨道左右两侧分布置有的一系列第一电极81、第二电极82或若干电极以及在环形轨道内外两侧环分布的电极阵列6、7，这一系列电极上的电压决定了环形空间的磁场方向约束离子的电场强弱。环形轨道可以就是环形空间的环形中心轴9，但也会根据离子初始动量的差别位于距环形中心轴一段距离的范围内。

从环形轨道空间以外沿切线方向入射的离子，受到磁场力的作用。因为磁场B的方向与环形空间的中心轴，即离子轨道方向正交，磁场力方向为环形轨道的半径方向，指向环形空间的旋转中心轴z，离子在环形磁场内做圆周运动。当圆周运动所需向心力完全由磁场力提供时，有：

$m=\frac{V^2}{R}=\mathrm{BqV}---\left(1\right),$

即回旋频率 ${\mathrm{\ω}}_c=\frac{\mathrm{Bq}}{m}---\left(2\right)$

它与离子的质荷比m/q成反比例。

为了调节环形轨道空间的磁场均匀性，在两个端帽极靴之间设有磁场调节片3。而通过附加磁场调节线圈5，可以稳定永久磁铁的磁场强度随时间和温度的变化；也可以在离子进入环形轨道空间后，一定程度上调节磁场强度，帮助离子进入理想的旋转轨道，提高质谱仪的分辨率。

由于磁场力对离子不做功，离子进入环形轨道前后的速度绝对值不变，根据（1）式，mv=BqR,即对应于一定轨道半径R和一定的磁场强度B，离子入射前需要具有一定的动量BqR。所以轨道半径一定，离子的电荷数越大，所需动量越大。

为了满足这一要求，本发明提出如下的离子注入装置，在该装置内离子被加速注入，所以它也称为离子加速装置，所述的离子加速装置25能使离子加速装置中的被分析离子加速并进入具有高强磁场的环形空间。

如图2所示，离子加速装置25包含离子阱23。离子由任何一种离子源产生，并存储在一个离子阱23中，该离子阱可以是一个三维四极离子阱，也可以是一个直线形或弧线形离子阱。以直线形离子阱为例，离子可从其轴向引入，经碰撞冷却以后，形成分布在中轴附近的线条状离子云22。现在其中一对，即x方向的电极之间加一个偶极短脉冲，这个脉冲的时长tp小于离子被引出的时间，如此所有的离子在脉冲作用下获得了一个x方向的动量Ftp。其中F=Eq,E为偶极电场强度，q为离子电荷，所以离子出射的动量为Eqtp，它与离子的电荷数成正比，但与质荷比无关。

离子24以一定的动量从离子阱23中出射后，进入环形真空室4内部的环形轨道，受磁场作用做圆周运动。弧线形离子阱在离子加速过程中有一定的汇聚作用，能更好地利用所有离子，但制造工艺比较复杂。

进入环形离子轨道后，为了防止离子沿z轴方向向两侧扩散逃逸，在真空室4中设置了限制电极，形成一定的电场，限制离子在z轴方向的速度分量造成的发散逃逸。形成限制离子在z方向发散电场形式有多种，现由以下3种举例说明。

方案一，如图3所示，在真空室4内，电极分为沿外筒分布的第一电极阵列6，和内筒分布的电极或第二电极阵列7，以及两侧环分布的电极或电极阵列81，82。同时参见图2，图3中的第一电极阵列6沿着旋转轨道方向分裂为电极a6.1、电极b6.2、电极c6.3……。对于正离子模式，第一电极81、第二电极82上的电位较第一电极阵列6、第二电极阵列7的电位偏正，形成一个在轴z方向会聚，在径向发散的环形四极场，当然这个四极场可能包含其它高阶多极场。该场的形成电极81与82可以分裂成多个环电极，以形成最优的场的形式。离子在这个环形轨道上运行时受电场力的方向由箭头标出，只要轨道在径向接近这个环形四极场的中心，也就是前述的环形空间的环形中心轴9，电场的径向分量就接近于零，磁场力起主导作用，离子的圆周运动频率不受电场的影响。而在轴向（z），一旦离子偏离环形四极场的中心，就会受到一个指向中心的约束力31，使离子回到轨道的中心。

方案二，与图3类似，使用电极阵列围成一个包围离子轨迹的环形通道，如图4所示，在真空室4内，分布在外筒上的第一电极阵列6，包括电极a6.1、电极b6.2、电极c6.3…,与分布在内筒上的第二电极阵列7，在R-Z截面上呈曲线分布。更佳地，电极阵列6、7的内表面，即向着离子的一面是做成具有共同旋转轴的双曲面，而电极81、82则仍由二组电极阵列组成，阵列中的各个环电极加有不同的电压，使在离子环形轨道空间形成以环形轨道绕旋转轴z轴的旋转三维四极场。当然如果电极阵列的半径范围比较宽时，既使没有电极阵列6、7，也能形成较好的旋转四极场。图4中，将该四极场对离子的作用力由箭头31标出。在轴向它使离子会聚到中心面，即z=0，在径向则推斥离子远离中轴（环形轨道的旋转轴），但由于这个电场作用力远小于磁场的径向作用力，离子仍然获得足够的向心力做圆周运动，只是圆周运动的频率比（2）式要小一些。

物理学上，可以表述为：

$\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2}+\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{2}\right)}^2-\frac{{\mathrm{\ω}}_t}{2}}$

其中ω_t为离子在轴向被来回约束的运动频率，它与四极电场强度有关，但与轨道半径无关，所以即使离子因初始条件不同，稍许偏离中心轨道半径，其旋转频率也不会随之变化，有助于提高分辨率。

方案三，图5a显示环形轨道空间的一个扇形弧段，沿着离子的环形轨道41，电极形成分段的通道42、43、44、45…这些通道上被周期性的置有+，-，+，-极性的偏置电压，如第一电极筒42加正，第二电极筒43加负…，离子在高速穿过这一系列通道时，在这些分段的通道内，以及通道与通道之间的电场会使离子会聚到环形中心圆周轨道，防止离子在磁场方向发散。当然这些通道并不一定由一个闭合管道做成，可以像图5b那样，+，-，+，-的周期电压只加在两个端面的电极52，53，54，55上，而位于内圆周电极46、47仍各为同一电位，甚至根本省去这些电极，如图5c所示。

为了检测离子旋转运动诱导的镜像电流，上述各种类型的轨道限制电极，都要沿圆周分隔成若干段，即把如图1所示的第一电极阵列6，分隔成图2中显示的电极6.1、6.2、6.3、6.4等。对于上述不同的z方向限制电场的形成方案，沿圆周的电极分割也有不同的方式，比如方案三中，图5a的电极筒42、43、44、45…已经自然的进行了分隔，这样这一系列电极筒42、43、44、45就自然成为镜像电流拾取电极。虽然其上要附加一定的电位，但只要设计合理的偶合电路，就不会影响镜像电荷的拾取，这一点在现有的FTICR阱的设计中已有先例，不予多述。

图6又给出这类电极设计的一个较为优化的方案。它基本采用图5c的方案，一对环形电极阵列601，602同轴平行放置，其上的16块扇形镜像电流拾取电极61同时担负轨道限制电极的作用。只是在离子入口处增加了轨道修正电极（组）62，64。每面16块扇形镜像电流拾取电极中单数为一组，双数为另一组，参考图二的连法，各自连好，并把信号送到差分放大器。与图2不同的是，单数组和双数组还要用高电阻或电感连到不同的直流电压上，使单数组与双数组之间保持一定的电压，用来产生轴向汇聚场，担负轨道在轴向的限制作用。当然信号送到差分放大器前还要用电容隔直，只让交变的镜像电流通过。

按图6的结构设计，离子旋转运动一周，镜像电流经差分放大后为8个脉动周期。做FTMS分析时，信号频率提高8倍，等效于磁场提高8倍。

值得一提的是离子从磁场外进入环形磁场区域的时候，需要经过一段磁场的边缘场，如图6中轨迹上的一点63。轨道修正电极62，64的作用是在离子入射的瞬间施加偏转电场，使离子能顺利进入环形轨道。离子进入轨道后，修正电极产生的偏转电场可以撤销，也可以改为产生必要的修正电场，对磁场提供的向心力进行修正。

对于方案一、二，既可以对图3、4的电极阵列6进行分割，形成多个镜像电流拾取电极6.1、6.2、6.3（见图2），也可以对电极阵列7进行分割形成多个镜像电流拾取电极，还可以用电极81、82的分段形成的多个镜像电流拾取电极，当然还可以将电极阵列分段，再通过电容连接在一起，贡献总镜像电流。关于电极上偏置直流电位同时采集镜像电流的方法，在现有的FTICR阱的设计中已有很多先例，不予多述。

信号转换装置包括信号记录设备和数据处理设备，数据处理设备一般包含傅立叶变换程序。通过傅立叶变换，组合镜像电荷信号转换成为频谱，通过质量定标，即可得到质谱图。

上述实例中采用的是设置在环形磁场区域中的一个环形真空室，这一点并非必需。也可以把永久磁体等磁场产生装置一起放入超高真空系统中。而且磁场产生装置单用电磁铁也是可能的。比如，将图1的线圈5直接产生磁场，而把图中的永久磁铁换成软磁极靴，也能产生几千高斯的磁场，但需耗费较多的电能。

从性能上来讲，本装置由于将磁场范围限定在较小的环形空间，磁通密度得以提高，用较小的永久磁铁也能产生很强的磁场强度，特别是采用稀土钕的磁体，比较容易地获得10000高斯（1特斯拉）的磁场强度。当然，由于材料磁饱和强度的限制，即便设计出优化的极靴，也很难在环形轨道空间获得5特斯拉以上的均匀磁场，也就是说单从磁场强度上比，仍无法与超导磁体相比。但是本发明同时提出的用多个沿环形轨道分布的镜像电荷拾取电极，能在离子旋转一周里，多次检测到镜像电荷信号，这些信号的组合，使镜像电荷信号的频率成倍上升。例如，按图6的结构设计出的分析器，镜像电荷信号频率提高8倍。如果环形轨道空间的磁场强度为2特斯拉，实际信号的效果将等效于16特斯拉，等同于目前最先进的超导FTICR质谱仪。

最后，系统的具体安排和在环形轨道周围设计磁场方向的限制电极以及拾取镜像电流的电极的方案有多种形式，在理解本发明基本思路的前提下，业内专业人士可以设计出更多的组合形式，但仍受本发明覆盖。

Claims (15)

1.一种质谱分析仪，包括：磁场产生装置、环形离子轨道空间、离子加速装置和信号转换装置；其特征在于所述的磁场产生装置在环形离子轨道空间形成高强磁场，且环形离子轨道空间中存在一条环形的中轴线，高强磁场的磁力线与该中轴线正交；环形轨道空间在工作时具有超高真空；离子加速装置能使被分析的离子加速后进入环形离子轨道空间，并在其中持续一段时间的回旋运动；环形离子轨道空间内设有在离子运动轨道周围的一系列电极，至少其中一部分电极用于检测离子在上述回旋运动过程中诱导的镜像电荷信号；信号转换装置用于将镜像电荷信号转换为质谱。 

2.如权利要求1所述的一种质谱分析仪，其特征在于在所述的环形离子轨道空间形成的高强磁场的强度不小于5000高斯，或至少不小于1000高斯。 

3.如权利要求1所述的一种质谱分析仪，其特征在于所述磁场产生装置包含稀土永久磁体，并以其产生的磁通为主。 

4.如权利要求3所述的一种质谱分析仪，其特征在于所述的稀土永久磁体的主体部分被环形离子轨道空间所环绕，并在环形离子轨道空间一周产生各处均匀的磁场。 

5.如权利要求1所述的一种质谱分析仪，其特征在于离子加速装置使不同质量的离子在进入环形轨道空间前按每单位电荷加速到一定的动量。 

6.如权利要求1所述的一种质谱分析仪，其特征在于其中离子加速装置包括一个离子存储装置。 

7.如权利要求6所述的一种质谱分析仪，其特征在于离子存储装置是一个三维离子阱，或者是直线形或弧线形离子阱。 

8.如权利要求1或6所述的一种质谱分析仪，其特征在于离子存储装置设有对捕获在其中的离子施加脉冲引出电场的电压装置。 

9.如权利要求8所述的一种质谱分析仪，其特征在于所述电压装置对捕获在离子存储装置的被分析离子施加脉冲引出电场的持续时间小于最小质量的被分析离子从所述离子存储装置中被加速引出的时间。 

10.如权利要求1所述的一种质谱分析仪，其特征在于，在离子运动轨道周围的一系列电极上的设定电压形成对离子运动轨道的约束电场。 

11.如权利要求9所述的一种质谱分析仪，其特征在于一系列电极上的设定电压形成的约束电场包括沿着所述环形中轴线的环形四极场。 

12.如权利要求9所述的一种质谱分析仪，其特征在于一系列电极上的设定电压形成的约束电场包括与环形中轴线的旋转轴同轴的三维四极场。 

13.如权利要求1所述的一种质谱分析仪，其特征在于一系列电极在环形圆周上分割成多个扇区并加以不同的电压，使离子在沿环形中轴线旋转运动时经历各扇区的电压起伏，从而形成在磁场方向上向环形中轴线聚焦的电场。 

14.如权利要求1所述的一种质谱分析仪，其特征在于所述的质谱分析仪具体结构如下：中心磁铁柱（1）的左右两侧分别设有端帽磁体（2），端帽磁体（2）直径大于中心磁铁柱（1）的直径，中心磁铁柱（1）外侧套设有磁场调节线圈装置（5），所述的两个端帽磁体（2）之间设有一个联通的环形空间，所述的环 形空间内设有环形真空室（4），在真空室（4）内，存在一个环形中心轴，在该环形中心轴的左右两侧设有第一电极（81）和第二电极（82）或若干个电极，在该中心轴的外侧和内侧设有第一电极阵列（6）和第二电极阵列（7），所述的端帽磁体（2）以串联的方式与中心磁铁柱组合在一起，使两个端帽之间环形空间产生磁场，所述的中心磁铁柱为永久磁铁柱，它在上述环形空间构成高强磁场，高强磁场的磁力线与环形空间的中轴线正交，所述的离子加速装置（25）能使离子加速装置中的被分析离子加速并进入具有高强磁场的环形空间，所述环形中轴线周围的一系列电极上的电压，决定在环形空间的磁场方向约束离子的电场强弱。 

15.一种质谱分析仪的分析方法，其特征在于包括以下方法： 

采用包括永久磁铁在内的磁场产生方式，使在一环状空间里产生基本均匀的高强磁场，且磁场的磁力线与环状空间里的一条环形中轴线正交； 

将环状空间抽至超高真空； 

产生被分析离子，使它们被加速并注入到该环形空间内，并在环形中轴线附近的运动轨道，持续一定时间的回旋运动； 

在环形磁场空间的离子环形运动轨道周围，设置一系列电极，在离子持续回旋运动过程中，检测出电极上被离子诱导的镜像电荷信号，并用傅立叶变换将镜像电荷信号转换为质谱。 

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