CN103594324A - 四极杆分析器与3d离子阱分析器串接的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，该装置包括依次设置的四极杆分析器、后预杆、门电极、3D离子阱分析器、保护电极、打拿极、以及检测器。本发明通过增加四极杆分析器后的后预杆，用于将离子冷却在中心轴线上一定时间，还可以延长四极杆分析器的“有效长度”降低边沿场的干扰；通过增加门电极以初步加速和聚焦离子通过，提高离子输出时的稳定性和方向性，使其更容易通过3D离子阱的端盖电极孔，或者阻碍离子通过以配合所述装置的正常运作。此外，通过增大所述端盖电极孔的尺寸，或在所述端盖电极孔上加不锈钢网，以提高离子进入3D离子阱的效率。

Description

四极杆分析器与3D离子阱分析器串接的装置

技术领域

本发明涉及不同类型的质量分析器的串联装置，特别是涉及一种四极杆分析器与3D离子阱分析器串接的装置。

背景技术

四极杆分析器（或称为四极杆、四极杆质量分析器、四极质谱、Quad、Q）是非常成熟的经典质量过滤器，即混合离子从其一端进入，通过直流（DC）、射频（RF）电场的运动筛选，仅让一种质荷比（m/z）的离子或者一段m/z的离子通过，其余离子通过撞击消灭在四极杆电极上。并且所有离子在通过四极杆时均具有0.01eV到几个eV的能量，并不在四极杆中停留超过50ms以上。四极杆前后可以安装前后预杆，工作在纯射频（RF only）电场下。

3D离子阱分析器（或称为3D ion trap、离子阱、三维离子阱、IT、Trap）同样是一类非常成熟的经典质量分析器，即通过注入离子，而后选择性的逐一激发产生离子m/z和丰度（强度）的二维信息。

通常四极杆和离子阱都是可以单独成为一台仪器工作。同时，四极杆也可以与TOF、四极杆等前后连接成为串联质谱（tandem MS，Q-TOF、QQQ、TQ、三重四极杆）仪；离子阱也可以和TOF串联（QIT-TOF）；四极杆也可以工作在线性离子阱模式，从而有QTRAP等技术。四极杆和3D离子阱的串联早在1990年代已有报道，但仅是简单连接，并未作为有独特功能的质谱仪存在。

四极杆串接3D离子阱的主要问题（Q+T的问题）为：四极杆输出离子束具有能量低、方向很差的特点，而传统的3D离子阱的端盖电极（end cap）具有进入小孔小的特点（一般小于直径2mm，较多采用1mm）。所以当四极杆与3D离子阱串联时离子在进入3D离子阱的时候效率很低。同时四极杆（Q）中离子难以稳定存在，特别是在四极杆的两端，由于DC、边缘电场的存在，离子很难长时间存在（超过50ms）。

鉴于此，如何提出一种简单而又实用的四极杆与3D离子阱串接的装置，用于解决离子从四极杆进入3D离子阱的时候效率很低的问题成为目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，用于解决现有技术中离子从四极杆进入3D离子阱的时候效率低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，所述装置至少包括：

四极杆分析器，其第一端作为离子入口，其第二端用作为离子出口，用以选择特定质荷比的离子输出；

后预杆，设置于该四极杆分析器的第二端，用于将所述四极杆分析器输出的离子冷却在中心轴线上一定时间；所述后预杆与所述四极杆分析器具有相同的电极结构；

门电极，设置于所述后预杆输出离子的一端，用于对该后预杆输出的离子进行加速和聚焦；

3D离子阱分析器，设置于所述门电极的一端，用于冷却并分析经过加速和聚焦后的离子。

可选地，所述四极杆分析器上施加的电压为直流电压和叠加的射频电压；所述后预杆上施加有与所述四极杆分析器相同的射频电压；所述3D离子阱分析器上施加的电压的为交流电压。

可选地，所述门电极包括依次设置的引出电极和聚焦电极，所述引出电极用于将射频电场转变为静电电场并初步加速离子；所述聚焦电极用于将加速后的离子聚焦；所述聚焦电极为平板小孔电极或管状电极；所述引出电极为环形状电极；所述引出电极上施加的电压为两个交替切换的极性相反且幅度相同的直流电压；所述聚焦电极上施加的电压为固定的直流电压；所述引出电极上施加的两个交替切换的电压的范围分别为10V～110V和-10V～-110V；所述聚焦电极上施加的电压为-50V～0。

可选地，所述3D离子阱分析器具有第一端盖电极和第二端盖电极，且所述的第一端盖电极和第二端盖电极上分别设有端盖电极孔，所述的第一端盖电极上的端盖电极孔和第二端盖电极上的端盖电极孔呈中心对称；在所述3D离子阱分析器的第二端盖电极一侧设置有一保护电极，在所述保护电极之后依次设有打拿极、以及位于打拿极下方的检测器；所述打拿极用于将从3D离子阱分析器中引出的离子转换为二次电子后进入检测器中检测；所述端盖电极孔的孔径为1.5mm～10mm；所述端盖电极孔上设有不锈钢金属网。

本发明的另一目的是提供一种如权利要求1～9中任一项所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置的工作方法，该工作方法至少包括以下步骤：

S1：关闭门电极，使所述3D离子阱分析器处于不工作状态；然后将外部离子源产生的离子引入四极杆分析器中；四极杆分析器通过变化四极杆上施加的直流电压和射频电压，选择特定质荷比的离子飞出四极杆分析器并进入后预杆中；后预杆冷却离子，并使其在一定时间内存在于中心轴线上进行积累出射；

S2：打开门电极，使所述四极杆分析器处于全阻态，此时门电极将后预杆出射的离子进行加速和聚焦，然后输出离子到3D离子阱分析器中冷却；

S3：关闭门电极，所述3D离子阱分析器开始分析引入的离子，即处于扫描状态，同时执行步骤S1，再次选择特定质荷比的离子飞出四极杆分析器；如此不断循环，实现对多种质荷比的离子进行扫描分析。

如上所述，本发明的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，具有以下有益效果：

本发明通过增加四极杆分析器后的后预杆，用于将离子冷却在中心轴线上一定时间，还可以延长四极杆分析器的“有效长度”降低边沿场的干扰；通过增加门电极以初步加速和聚焦离子通过，提高离子输出时的稳定性和方向性，使其更容易通过3D离子阱的端盖电极孔，或者阻碍离子通过以配合所述装置的正常运作。此外，通过增大所述端盖电极孔的尺寸，或在所述端盖电极孔上加不锈钢网，以提高离子进入3D离子阱的效率。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置的结构示意图。

图2显示为本发明实施例一种的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置的工序示意图，其中n为次数。

图3显示为本发明实施例二中的一种简易四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置的简化结构示意图。

元件标号说明

1     四极杆分析器

10    第一端

11    第二端

2     后预杆

3     门电极

30    引出电极

31    聚焦电极

4     3D离子阱分析器

40    第一端盖电极

41    第二端盖电极

42        环形电极

43        端盖电极孔

5         保护电极

6         打拿电极

7         检测器

S1～S3    工序步骤

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，该装置包括依次设置的四极杆分析器1、后预杆2、门电极3、3D离子阱分析器4、保护电极5、打拿极6、以及检测器7。

所述四极杆分析器1由四根带有直流电压（DC）和叠加的射频电压（RF）的准确平行杆构成。相对的两根平行杆组成一对电极，四根平行杆构成两对电极。每对电极是等电位的，且两对电极之间电位相反。两对电极可以是双曲面电极，也可以是圆柱型的电极。本实施例中暂以圆柱形电极为例进行说明，但并不限于此。所述四极杆分析器1具有两端，其第一端10作为离子入口，其第二端11用作为离子出口。当一组质荷比（m/z）不同的离子从所述四极杆分析器1的第一端10进入其内部由DC和RF组成的电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振荡通过四极杆分析器1安全到达其第二端11。

需要说明的是，本实施例中圆柱形的四极杆的直径为8mm，四极杆长度为125mm，但并不限于此，在其它实施例中，四极杆的长度和直径可以根据需要来确定。

所述四极杆的后预杆2设置于所述四极杆分析器1的第二端11，其截面形状与所述四极杆分析器1相同。所述后预杆2可以延长四极杆分析器1的“有效长度”降低边沿场的干扰，同时，用以冷却离子使其长时间存在于中心轴线上。本实施例中所述后预杆2的直径为8mm，长度为50mm，但并不限于此，在其它实施例中，后预杆2的长度和直径可以根据需要来确定，但是其直径与所述四极杆分析器1的四根电极的直径保持一致。

需要说明的是，此后预杆2的长度与离子储存量成正比，与射频负载（影响工作频率）负相关，因此可以根据所述串联装置中的3D离子阱分析器5的离子注入时间对该后预杆的长度进行优化。

所述门电极3还包括依次设置的引出电极30和聚焦电极31。所述引出电极30设置于所述后预杆2之后，将RF电场转变为静电电场，同时根据后预杆2与引出电极30之间的直流电势差，初步加速离子，提高离子输出时的稳定性和方向性。本实施例中，该引出电极3的形状为环形，但并不限于此，在其它实施例中亦可以为其它形状。

所述聚焦电极31设置于所述引出电极30之后，其形状为平板小孔电极，或管状电极。工作时对该聚焦电极施加直流电压，通过直流静电聚焦离子束，使离子更容易通过3D离子阱分析器4的端盖电极孔43。

所述3D离子阱分析器4由第一端盖电极40、第二端盖电极42和一个环电极41组成，可以由数控车床加工而成。所述第一端盖电极40、第二端盖电极42上分别具有对应的端盖电极孔43，本发明中对所述端盖电极孔43进行增大或者可以在所述端盖电极孔43上加一个不锈钢的网以达到提高离子进入3D离子阱分析器的效率之目的。需要说明的是，所述端盖电极孔43的孔径为1.5mm～10mm，本实施例中所述端盖电极孔43的孔径暂选为6mm，但并不限于此，在其它实施例中所述端盖电极孔43的孔径亦可以为其它值。此外，在端盖电极孔53上加一不锈钢金属网，以降低增大端盖电极孔43对所述3D离子阱分析器4内部电场的影响。本实施例中不锈钢网的目数为10，但并不限于此，在其它实施例中亦可以为其它目数。

此外，在所述3D离子阱分析器4的第二端盖电极42一侧设置有一保护电极5，在该保护电极5之后依次设有打拿极6、以及位于打拿极6下方的检测器7。所述打拿极6用于将从3D离子阱分析器4中引出的离子转换为二次电子后进入检测器7。

为了进一步阐述本实施例中的四极杆分析器1与3D离子阱分析器4串联的装置的功效，下面对该装置的工作过程进行说明，具体工序如下（如图2所示）：

S1：在所述四极杆分析器1上连接传统的直流电压DC和叠加的射频电压RF，同时，在所述后预杆2上同时施加叠加的射频电压RF，且该射频电压与所述四极杆分析器1上的相同，本实施例中的射频电压RF为余弦电压，但不限于此，在其它实施例中亦可为正弦电压等。然后关闭门电极（GATE）3，同时将外部离子引入四极杆分析器1中；所述四极杆分析器1选定单一的质荷比m/z的离子后，进入后预杆2中，在后预杆2中冷却离子使其长时间存在于中心轴线上，以达到积累离子的效果。此时，门电极（GATE）3处于阻碍状态，所述3D离子阱分析器4不工作，即该步骤处于离子积累状态。

S2：打开门电极（GATE）3，将离子引入3D离子阱分析器4中，也即在所述引出电极30上交替地施加极性相反的直流电压，同时在所述聚焦电极31上施加一定的直流电压。所述引出电极上施加的两个交替切换的电压的范围分别为10V～110V和-10V～-110V，所述聚焦电极31上施加的电压为-50V～0V，本实施例中在所述引出电极30上交替地施加极性相反的直流电压分别暂选为50V和-50V，在所述聚焦电极31上施加的直流电压暂选为-5V，但并不限于此，在其它实施例中根据需要亦可以选择其它的电压值，特此声明。

所述引出电极30将RF电场转变为静电电场，并根据后预杆2与引出电极30之间的直流电势差，初步加速离子，提高离子输出时的稳定性和方向性；所述聚焦电极31对从引出电极30中出来的离子进行聚焦，使离子更容易通过3D离子阱分析器4的端盖电极孔43。此时，离子被引入所述3D离子阱分析器4中冷却，而所述四极杆分析器1处于全阻态，即该步骤处于离子引入状态。

S3：关闭门电极（GATE）3，所述3D离子阱分析器4开始分析引入m/z离子，即处于扫描状态，同时重新进入工序S1，开始向所述四极杆分析器1中引入新的m/z离子；如此不断循环，可以对多种m/z的离子进行扫描分析，即该步骤处于离子扫描状态。

需要说明的是，本实施例中对所述各该电极施加的电压，以及各该结构的尺寸和形状都不限于此，根据不同的需要和所要选择的不同m/z的离子，可以调节各该电极的电压，以及一切不违反本发明所依据的原理并对该结构的尺寸和形状进行修改后组成的装置都属于本发明所涉及的范围。

实施例二

如图3所示，本实施例中提供一种简易的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，与实施例一不同之处在于：实施例一种采用的3D离子阱分析器1的第一端盖电极40与第二端盖电极42为平板端盖，端盖电极孔43的直径为8mm，且该端盖电极孔43上有10目的不锈钢网。其它部分的结构与实施例一种相同，在此不再赘述。

需要说明的是，本发明四极杆分析器与3D离子阱分析器串联装置中的3D离子阱分析器并不限于实施例一和实施例二中的类型，在其它实施例中亦可以为其它3D离子阱分析器，例如圆柱形离子阱分析器等。

综上所述，本发明提出一种四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，通过增加四极杆分析器后的后预杆，用于将离子冷却在中心轴线上一定时间，还可以延长四极杆分析器的“有效长度”降低边沿场的干扰；通过增加门电极以初步加速和聚焦离子通过，提高离子输出时的稳定性和方向性，使其更容易通过3D离子阱的端盖电极孔，或者阻碍离子通过以配合所述装置的正常运作。此外，通过增大所述端盖电极孔的尺寸，或在所述端盖电极孔上加不锈钢网，以提高离子进入3D离子阱的效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于，所述装置至少包括：

四极杆分析器，其第一端作为离子入口，其第二端用作为离子出口，用以选择特定质荷比的离子输出；

后预杆，设置于该四极杆分析器的第二端，用于将所述四极杆分析器输出的离子冷却在中心轴线上一定时间；所述后预杆与所述四极杆分析器具有相同的电极结构；门电极，设置于所述后预杆输出离子的一端，用于对该后预杆输出的离子进行加速和聚焦；

3D离子阱分析器，设置于所述门电极的一端，用于冷却并分析经过加速和聚焦后的离子。

2.根据权利要求1所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：所述四极杆分析器上施加的电压为直流电压和叠加的射频电压；所述后预杆上施加有与所述四极杆分析器相同的射频电压；所述3D离子阱分析器上施加的电压的为交流电压。

3.根据权利要求1所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：所述门电极包括依次设置的引出电极和聚焦电极，所述引出电极用于将射频电场转变为静电电场并初步加速离子；所述聚焦电极用于将加速后的离子聚焦。

4.根据权利要求3所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：所述聚焦电极为平板小孔电极或管状电极；所述引出电极为环形状电极。

5.根据权利要求3所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：所述引出电极上施加的电压为两个交替切换的极性相反且幅度相同的直流电压；所述聚焦电极上施加的电压为固定的直流电压。

6.根据权利要求5所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：所述引出电极上施加的两个交替切换的电压的范围分别为10V～110V和-10V～-110V；所述聚焦电极上施加的电压为-50V～0V。

7.根据权利要求1所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：所述3D离子阱分析器具有第一端盖电极和第二端盖电极，且所述的第一端盖电极和第二端盖电极上分别设有端盖电极孔，所述的第一端盖电极上的端盖电极孔和第二端盖电极上的端盖电极孔呈中心对称。

8.根据权利要求7所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：在所述3D离子阱分析器的第二端盖电极一侧设置有一保护电极，在所述保护电极之后依次设有打拿极、以及位于打拿极下方的检测器；所述打拿极用于将从3D离子阱分析器中引出的离子转换为二次电子后进入检测器中检测。

9.根据权利要求7所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置，其特征在于：所述端盖电极孔的孔径为1.5mm～10mm；所述端盖电极孔上设有不锈钢金属网。

10.一种如权利要求1～9中任一项所述的四极杆分析器与3D离子阱分析器串联的装置的工作方法，其特征在于，该工作方法至少包括以下步骤：

S1：关闭门电极，使所述3D离子阱分析器处于不工作状态；然后将外部离子源产生的离子引入四极杆分析器中；四极杆分析器通过变化四极杆上施加的直流电压和射频电压，选择特定质荷比的离子飞出四极杆分析器并进入后预杆中；后预杆冷却离子，并使其在一定时间内存在于中心轴线上进行积累出射；

S2：打开门电极，使所述四极杆分析器处于全阻态，此时门电极将后预杆出射的离子进行加速和聚焦，然后输出离子到3D离子阱分析器中冷却；

S3：关闭门电极，所述3D离子阱分析器开始分析引入的离子，即处于扫描状态，同时执行步骤S1，再次选择特定质荷比的离子飞出四极杆分析器；如此不断循环，实现对多种质荷比的离子进行扫描分析。

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