CN103681208B - 一种离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置。所述四极杆质量分析器包括2个离子偏转装置和一四极杆质量分析器；所述离子偏转装置设于所述四级杆质量分析器轴向的两端；且所述离子偏转装置设于与所述四极杆质量分析器的轴向相垂直的平面内；所述离子偏转装置的两端设有离子源真空接口。本发明提供了一种结构简单的四极杆质量分析装置，突破了现有四极杆单向传输的局限，为质谱仪的设计提供了新思路。本发明四极杆质量分析装置便于在真空条件下研究气相离子之间的相互作用，并能够对离子反应的产物进行分离分析。通过添加适当的离子接收部件，这种设计还可以实现单分子层或者多分子层的表面组装和修饰。

Description

一种离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置
技术领域
本发明涉及一种离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置。
背景技术
带电粒子在质谱仪中的飞行轨迹是仪器设计的基础。样品分子被离子源电离后，通过真空接口进入离子传输管，在质量分析器按照质荷比分离，最后分别到达检测器被检测。其中的每一个步骤都需要电磁场的精确控制。
四极杆质量分析器，简称四极杆，是质谱仪中最常见的离子传输和质量分析的装置。四极杆是一个顺序质量分析器，通过它可以实现对被提取的离子束进行质荷比分析。典型的四极杆由四根精密加工的电极杆以及分别施加于x、y方向两组高压高频射频组成的电极分析器。被分析的离子沿轴向进入四极杆装置的一端，分析器上施加的高频射频电压使所有离子进入一个振荡路径，为离子在分析器中运动提供了辅助能量，这一能量是选择性的—只有符合一定能量和动量的离子才能够不被无限制的加速，从而获得稳定的路径安全的通过四极杆分析器，从其另一端出射。其他离子被过分偏转，与极棒碰撞，并在极棒上被中和而丢失。
在通常的质谱仪器中，所用的四极杆只能允许离子单向飞行。这样的离子传输设计可以有效地分析一定质荷比范围的离子，满足质谱仪分析检测样品的需求。但是随着质谱仪应用的不断拓宽和制备型质谱概念的出现，质谱仪的设计要求多元化，单向的四极杆传输装置已经不能满足快速发展的应用研究的需求。例如，利用质谱仪研究气相条件下离子之间的相互作用，使用传统单向离子传输的设计会极大的限制了反应离子和类型的种类，这是因为由同一个电离源产生的离子有相互抑制的效应，分子的提前混合也会导致电离过程的复杂化。目前的质谱仪条件可以实现在四极杆中对单离子反应进行探索，却不利于不同种类离子间气相反应的研究，因而，设计双通道离子引入传输的四极杆具有广泛的理论和实用意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置，本发明可实现离子的双向传输控制和质谱分析，为引入相向飞行的多离子分析检测提供了平台，拓展了质谱中四极杆质量分析器的功能。
本发明所提供的一种离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置，它包括两个离子偏转装置和一个四极杆质量分析器；
所述离子偏转装置设于所述四极杆质量器轴向的两端；且所述离子偏转装置设于与所述四极杆质量分析器的轴向相垂直的平面内；
所述离子偏转装置的两端设有离子源真空接口。
上述的四极杆质量分析装置中，所述离子偏转装置包括4根电极，4根所述电极呈矩形排列，且沿对角线设置的2个所述电极与同一直流电源相连接，从而可控制处于每条对角线上的每对电极的电压电性相反。
上述的四极杆质量分析装置中，所述电极可与所述四极杆质量分析器的轴向垂直设置。
上述的四极杆质量分析装置中，所述离子源真空接口为设于一锥形体上的通孔，以阻止大量没有被电离的分子进入质量分析器中，减少了装置内部与外界的气体交换，同时保证离子能够进入真空环境；所述离子源真空接口的材质可以是不锈钢等导电材料，也可以是表面镀导电膜的绝缘体材料。在使用真空电离源的时候，接口无需改动也可以直接工作。
上述的四极杆质量分析装置中，所述离子源真空接口与所述离子偏转装置之间设有离子透镜，以实现离子聚焦；
所述离子偏转装置与所述四极杆质量器之间设有离子透镜，以实现离子聚焦。
上述的四极杆质量分析装置中，所述四极杆质量分析器的电极为双曲面电极或圆柱型电极，为了分析不同离子质荷比，对四极杆质量分析器进行的射频频率扫描，可以是正向的，也可以反向的，根据频率扫描方向的不同，四极杆质量分析器中的离子可以选择性地从一端飞出。
上述的四极杆质量分析装置中，所述离子偏转装置的出口端连接有检测器；
所述检测器可为光电倍增管、微通道板或法拉第杯。
上述的四极杆质量分析装置中，所述离子偏转装置的出口端可以连接离子接收装置；
所述离子接收装置设于三维移动平台上，通过移动所述三维移动平台，可使筛选出的目标离子落在不同的部位，得到所选离子的二维分布图型。
本发明四极杆质量分析装置中，离子偏转装置在不偏转时作为一个离子传输通道，可以不加电允许离子自由飞过，也可以在离子偏转装置的四根电极上施加与离子带电性相同的低直流电压，实现一定程度的离子聚焦。
本发明四极杆质量分析装置，可以在较低的真空环境（10-3torr～10-5torr）中进行质量筛选和离子偏转，由机械泵和分子泵为其提供必要的真空度。
本发明四极杆质量分析装置适于分析和分离的电离源可以是大气电离源，如电喷雾电离，实时直接分析质谱离子源等，也可以是非大气离子源，如化学电离源，基质辅助激光解吸电离源等。
本发明提供了一种结构简单的四极杆质量分析装置，突破了现有四极杆单向传输的局限，为质谱仪的设计提供了新思路。本发明四极杆质量分析装置便于在真空条件下研究气相离子之间的相互作用，并能够对离子反应的产物进行分离分析。通过添加适当的离子接收部件，这种设计还可以实现单分子层或者多分子层的表面组装和修饰。
附图说明
图1是本发明离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置的侧面示意图。
图2是本发明离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置的俯视示意图。
图中各标记如下：1，5离子源真空接口、2，4离子偏转装置、3四极杆质量分析器、6，7检测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1和图2所示，本发明提供的离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置包括2个离子偏转装置2和4、一四极杆质量分析器3。该离子偏转装置2和4均包括4根电极（图中未标），4根电极呈矩形排列，且沿对角线设置的2个电极分别与同一直流电源相连接，从而可控制处于每条对角线的每对电极的电压电性相反。且离子偏转装置2和4设于四极杆质量器3轴向的两端，并设于与四极杆质量器3的轴向相垂直的平面内，离子偏转装置2和4的电极与四极杆质量分析器3的轴向垂直设置。在离子偏转装置2和4的两端分别设有一离子源真空接口1和5，其为设于一锥形体上的通孔，以阻止大量没有被电离的分子进入质量分析器中，减少了装置内部与外界的气体交换，同时保证离子能够进入真空环境。
本发明的四极杆质量分析装置中，可在离子源真空接口与离子偏转装置之间以及离子偏转装置与四极杆质量分析器之间设置离子透镜，以实现离子聚焦。
本发明的四极杆质量分析装置中，四极杆质量分析器3的电极为双曲面电极或圆柱型电极，为了分析不同离子质荷比，对四极杆质量器进行的射频频率扫描，可以是正向的，也可以反向的，根据频率扫描方向的不同，四极杆质量器中的离子可以选择性从一端飞出。
本发明的四极杆质量分析装置中，可在离子偏转装置2和5的出口端连接有检测器6和7，如光电倍增管、微通道板或法拉第杯；或者连接离子接收装置，并把该离子接收装置设置于一三维移动平台上，通过移动三维移动平台，可使筛选出的目标离子落在不同的部位，得到所选离子的二维分布图型。
本发明四极杆质量分析装置中，离子偏转装置在不偏转时作为一个离子传输通道，可以不加电允许离子自由飞过，也可以在离子偏转装置的四根电极上施加与离子带电性相同的低直流电压，实现一定程度的离子聚焦。
使用本发明四极杆质量分析装置时，首先利用机械泵或者分子泵为装置运行提供一定的真空环境。然后，电喷雾、基质辅助激光解吸电离等电离技术产生的正离子经过电离源真空接口1从电离源进入该装中置，在离子偏转装置2的四个电极上加一个较小（0～30V）的直流电压，正离子在正电场的作用下聚焦。聚焦的正离子进入四极杆质量分析器3中，被四极杆质量分析器3分析筛选出的一定质荷比的正离子进入离子偏转装置4中，离子偏转装置4的左上和右下电极加正直流电，右上和左下电极加负直流电。离子在电场力的作用下直角偏转，最终被检测器7检测或接收。整个装置所需电压根据离子的质荷比而相应调整。若被引入的离子荷负电，离子偏转装置2的电极电压相应为负电压，离子偏转装置4的电压的正负电压互相交换。
上述过程可以逆向进行，即离子从电离源真空接口5经允许离子通过离子偏转装置4后进入四极杆质量分析器3中，并且在四极杆质量分析器3中依照质荷比的大小被分离，之后在离子偏转装置2的电场作用下90度偏转，即在正离子的情况下，离子偏转装置2的右上和左下电极加负直流电，左上和右下电极加正直流电，在负离子的情况下则各电压反向。偏转的离子最终打在检测器6上。
使用本发明的离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置对离子反应的产物进行分离分析时，可按照如下步骤进行：
在四极杆质量分析装置中进行离子反应时，初始离子经离子源真空接口1进入，然后在离子偏转装置2的聚焦作用下进入四极杆质量分析器3中；此时，从四极杆质量分析装置的另一端，即离子源真空接口5引入配体离子；配体离子被离子偏转装置4聚焦进入四极杆质量分析器3中，与已经在四极杆质量分析器3中被分离出的特定质荷比的初始离子相互作用。作用后的初始离子被轴向抛出四极杆质量分析器3，此时切换施加在离子偏转装置4上的直流电压为偏转模式，反应后的离子被偏转并落在检测器7上，即可进行离子反应的产物的检测。

Claims (6)

1.一种离子双向引入和传输的四极杆质量分析装置，其特征在于：
所述四极杆质量分析器包括2个离子偏转装置和一四极杆质量分析器；所述离子偏转装置包括4根电极，4根所述电极呈矩形排列，且沿对角线设置的2个所述电极分别与同一直流电源相连接；
所述离子偏转装置设于所述四极杆质量分析器轴向的两端，且所述离子偏转装置设于与所述四极杆质量分析器的轴向相垂直的平面内，两所述离子偏转装置的电极与所述四极杆质量分析器的轴向垂直设置；
所述离子偏转装置的两端设有离子源真空接口。
2.根据权利要求1所述的四极杆质量分析装置，其特征在于：所述离子源真空接口为设于一锥形体上的通孔。
3.根据权利要求1所述的四极杆质量分析装置，其特征在于：所述离子源真空接口与所述离子偏转装置之间设有离子透镜；
所述离子偏转装置与所述四极杆质量分析器之间设有离子透镜。
4.根据权利要求1所述的四极杆质量分析装置，其特征在于：所述四极杆质量器的电极为双曲面电极或圆柱型电极。
5.根据权利要求1所述的四极杆质量分析装置，其特征在于：所述离子偏转装置的出口端连接有检测器；
所述检测器为光电倍增管、微通道板或法拉第杯。
6.根据权利要求1所述的四极杆质量分析装置，其特征在于：所述离子偏转装置的出口端连接有离子接收装置；
所述离子接收装置设于三维移动平台上。
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