CN103779171B

CN103779171B - 一种复合电极型离子阱质量分析器

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Publication number: CN103779171B
Application number: CN201410026725.8A
Authority: CN
Inventors: 李晓旭; 朱勇勇; 李艺; 姚如娇; 何洋
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN103779171A

Abstract

本发明公开了一种复合电极型离子阱质量分析器，包括一对相互平行的X电极、一对相互平行的Y电极和一对端盖电极，所述X电极和Y电极垂直放置，所述端盖电极与X电极和Y电极的放置方向垂直，且分列与X电极和Y电极轴向的两侧，所述X电极和Y电极中至少有一对电极中央设有离子引出槽，所述一对X电极中至少有一个电极为平板离散电极，所述X电极和Y电极中的其它电极为多边形柱面电极，且所述一对Y电极为两个相同电极，所述端盖电极中央设有离子引入孔。本发明在实现离子阱内部电场根据分析需求调整的同时，减小离散电极的数量，降低电极间电气连接的难度，同时减少对射频分压电路数的需求。

Description

一种复合电极型离子阱质量分析器

技术领域

本发明涉及一种离子阱质量分析器，具体涉及一种能够实时调整离子阱内部电场的复合电极型离子阱质量分析器。

背景技术

现有技术中，质谱仪是现代分析仪器的代表，由于具有很强的物质定性分析能力和物质定量分析能力，且具有很高检测灵敏度和低检测限，质谱仪已成为众多领域不可或缺的分析工具。目前，质谱仪已被广泛地应用于环境监测、食品安全、医学检测、国土安全、航空航天和科研领域等。

按照质谱仪中所使用的质量分析器不同，质谱仪可分为磁质谱仪、傅里叶变换-离子回旋共振质谱仪、离子阱质谱仪、四极杆质谱仪、飞行时间质谱仪等。在众多种类的质谱仪中，离子阱质谱仪具备特有的多级质谱分析能力，从而具有更强的物质结构分析能力和定性能力，因此，离子阱质谱仪越来越广泛地被应用于蛋白组学、基因组学等对物质结构定性要求较高的领域。作为离子阱质谱仪的核心分析部件，离子阱质量分析器（以下简称为离子阱）具有体积小、结构简单和可工作在较高气压条件下等优点，因此，离子阱是制作小型质谱仪的首选。

目前，常用的离子阱为三维离子阱，它由两个双曲面端盖电极和一个旋转双曲面环电极构成，在质量分析过程中，离子被存储在三维离子阱中央的球形区域内。美国专利US6797950提出一种线性离子阱质量分析器，由对称放置的两对双曲柱面电极和两个端盖电极构成，在质量分析过程中，离子被存储在线性离子阱中央的圆柱形区域中。与三维离子阱相比，线性离子阱具有更大的离子存储空间，因此可存储更多的离子，在提高分析灵敏度的同时避免“空间电荷效应”的发生，保证质量分辨率达到分析需求。

但是，线性离子阱和三维离子阱都采用双曲面结构，因此机械加工难度大，造价昂贵，增加了离子阱质谱仪的制造成本，不利于离子阱质谱仪的进一步推广。近年来，简化结构的离子阱质量分析器成为质谱领域的热门研究方向。美国专利US 6838666中提出了使用平板电极构成的矩形离子阱，大大简化了双曲线性离子阱的结构降低了离子阱质量分析器的制造成本。但是，矩形离子阱由于电极形状的改变，内部的电场畸变较严重，因此降低了矩形离子阱的分析性能，如质量分辨率和灵敏度等。

三维离子阱质量、线性离子阱和矩形离子阱的内部电场均为固定电场，不能根据不同分析需求进行调整。为解决上述问题，中国发明专利CN 1585081A中提出了一种新型的由平板离散电极构成的离子阱质量分析器。与由四个平板电极构成的矩形离子阱不同，该离散电极离子阱质量分析器由四组电极构成，每组电极包括多个离散的平板电极在这些离散的平板电极上施加不同的电压，可以在离子阱的内部得到近似于双曲线性离子阱的四极场。该离散电极离子阱质量分析器的另一个特点是，通过改变施加在各个离散电极上的电压，可以改变离子阱内部的电场分布，优化离子阱的分析性能，进一步，这种优化可以在离子阱质谱仪的工作过程中实时进行，以满足不同的分析需求。

由于离散电极型离子阱由四组离散平板电极构成，每组离散平板电极都需要较多的电气连接，对离子阱的安装增加了难度。离散电极型离子阱在工作时，至少需要三路以上射频分压电路对其进行驱动，只有三路以上分压电路的精确度达到要求，同时三路以上分压电路的分压比必须满足既定关系，这在实际操作和仪器调试中难度很大，且批量生产仪器时其重复性很难满足要求。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种复合电极型离子阱质量分析器，能够实现离子阱内部电场实时调整，同时减小电场的不确定性，降低射频分压电路的复杂程度。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种复合电极型离子阱质量分析器，包括一对相互平行的X电极、一对相互平行的Y电极和一对端盖电极，所述X电极和Y电极垂直放置，所述端盖电极与X电极和Y电极的放置方向垂直，且分列与X电极和Y电极轴向的两侧，所述X电极和Y电极中至少有一对电极中央设有离子引出槽，所述一对X电极中至少有一个电极为平板离散电极，所述X电极和Y电极中的其它电极为多边形柱面电极，且所述一对Y电极为两个相同电极，所述端盖电极中央设有离子引入孔。

上述技术方案中，所述多边形柱面电极可以为双曲柱面电极、圆柱面电极、三角柱面电极或梯形柱面电极。

上述技术方案中，所述平板离散电极由至少3个相互绝缘的子电极构成，且子电极为奇数个。

上述技术方案中，所述三角柱面电极的横截面为等腰三角形，所述三角形的顶角大于等于90°小于180°。

上述技术方案中，所述离子引出槽的宽度为0.3～2mm。

本发明在质量分析过程中，离子将按照质荷比的顺序，依次通过上述离子引出槽被排出离子阱外，进而被离子探测器检测，最终实现质量分析。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的复合电极型离子阱质量分析器在实现离子阱内部电场根据分析需求调整的同时，减小离散电极的数量，降低电极间电气连接的难度，同时减少对射频分压电路数的需求。在质量分析过程中，该复合电极型离子阱的内部电场可根据分析需求优化和调整，例如，可调节电场成分提高离子阱的质量分辨率，可调节电场成分提高离子阱的多级质谱分析效率，可调节为非对称电场使离子单向出射。

附图说明

图1是实施例一中本发明的一种结构示意图。

图2是实施例一中本发明的工作电路示意图。

图3是实施例二中本发明的一种结构示意图。

图4是实施例二中本发明的工作电路示意图。

图5是实施例三中本发明的一种结构示意图。

图6是实施例三中本发明的工作电路示意图。

图7是实施例四中本发明的一种结构示意图。

其中：1、X电极；2、Y电极；3、端盖电极；4、离子引出槽；5、离子引入孔；6、射频电源；7、双向变压器；8、共振激发模块；9、可变电阻器；10、可变电容器；11、固定电阻；12、固定电容。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1所示，一种复合电极型离子阱质量分析器，包括一对X电极1、一对Y电极2和一对端盖电极3，所述X电极由两组平板离散电极构成，所述Y电极为一对圆柱面电极，其横截面为圆弧和直线围成的图形，每组平板离散电极包括五个相互绝缘的子电极，所述平板离散电极中央设有离子引出槽4，所述端盖电极中央设有离子引入孔5，离子通过离子引入孔进入离子阱内，在质量分析过程中，离子在四极电场的作用下，按照质荷比的顺序依次通过所述离子引出槽，从而实现质量分析。所述离子引出槽的宽度通常在0.3mm至2mm之间。

参见图2所示，6为射频电源，可输出两路幅度相同、相位相差180^o的射频信号，分别记为“RF+”和“RF-”，在工作过程中射频电源的幅度可扫描。7为双向变压器，可将共振激发模块（AC）8产生的正弦波信号耦合到射频信号上。所述双向变压器有两个输入端、两个输出端和一个中间抽头，工作时，输入端与共振激发模块相连接，中间抽头与射频电源的其中一路输出信号相连接，两个输出端接在离子阱相应的电极上。9为可变电阻器，10为可变电容器，11为固定电阻，12为固定电容，上述9～12共同构成射频分压电路，其分压比例可通过调节可变电阻器和可变电容器进行调节。

该复合电极型离子阱的电气连接方式如下：两个圆柱面电极相互短接后，再与射频电源的其中一路输出“RF-”相连接；两组平板离散电极中，位于边缘的子电极101、105、111和115均接地；子电极102、104、112和114相互短接，再与射频分压电路的分压输出端连接；子电极103和113分别与变压器的两个输出连接，实际上，在子电极5103和113上同时施加了射频电压信号和共振激发信号，在两个子电极上施加的射频电压信号幅度相同、相位相同，在两个子电极上施加的共振激发信号幅度相同、相位相差180^o。

该复合型离子阱在进行质量分析时，射频电压的幅度将进行先行扫描，存储在离子阱中的离子将在电场的作用下，按照质荷比的顺序依次通过子电极103和113上的离子引出槽被排出离子阱外，进而被位于离子引出槽附件的离子探测器检测，最终实现质量分析，得到相应的质谱图。

射频分压电路的分压比例将直接影响离子阱内部的电场成分，而电场成分直接决定离子阱的分析性能。在本实施例中，仅使用了一路射频分压电路，就实现了离子阱内部电场的调整。通过调节射频分压电路中可调电阻器和可调电容器，就可实现离子阱内部电场的调整。根据分析需要，可调节离子阱内部电场以提高其质量分辨率，或提高其离子碰撞诱导解离效率，从而提高多级质谱分析效率。

实施例二：参见图3所示，一种复合电极型离子阱质量分析器，包括一对X电极1、一对Y电极2和一对端盖电极3，所述X电极由两组平板离散电极构成，所述Y电极为一对圆柱面电极，其横截面为圆弧和直线围成的图形，每组平板离散电极包括五个相互绝缘的子电极，所述平板离散电极和圆柱面电极中央均设有离子引出槽4，所述端盖电极中央设有离子引入孔5，离子通过离子引入孔进入离子阱内，在质量分析过程中，离子在四极电场的作用下，按照质荷比的顺序依次通过所述离子引出槽，从而实现质量分析。所述离子引出槽的宽度通常在0.3mm至2mm之间。

参见图4所示，本实施例中所述射频分压电路对射频电源的正向输出端“RF+”进行分压。

该复合电极型离子阱的电气连接方式如下：两组平板离散电极中，子电极103和113短接，再与射频电源的正向输出端“RF+”连接，位于边缘的子电极101、105、111和115均接地；子电极102、104、112和114相互短接，再与射频分压电路的分压输出端连接；两个圆柱面电极分别与双向变压器的两个输出端连接，即在两个圆柱面电极上同时施加了射频电压信号和共振激发信号，所施加的射频电压信号幅度相同、相位相同，所施加的共振激发信号幅度相同、相位相差180^o。

该复合型离子阱在质量分析过程中时，射频电压的幅度将进行先行扫描，存储在离子阱中的离子将在电场的作用下，按照质荷比的顺序依次通过两个圆柱面电极上的离子引出槽被排出离子阱外，进而被位于离子引出槽附件的离子探测器检测，最终实现质量分析，得到相应的质谱图。

射频分压电路的分压比例将直接影响离子阱内部的电场成分，而电场成分直接决定离子阱的分析性能。在本实施例中，仅使用了一路射频分压电路，就实现了离子阱内部电场的调整。通过调节射频分压电路中可调电阻器644和可调电容器646，就可实现离子阱内部电场的调整。根据分析需要，可调节离子阱内部电场以提高其质量分辨率，或提高其离子碰撞诱导解离效率，从而提高多级质谱分析效率。

实施例三：参见图5所示，一种复合电极型离子阱质量分析器，包括一对X电极1、一对Y电极2和一对端盖电极3，所述X电极由一个圆柱面电极和一组平板离散电极构成，所述Y电极为一对圆柱面电极，其横截面为圆弧和直线围成的图形，每组平板离散电极包括五个相互绝缘的子电极，所述X电极的平板离散电极和圆柱面电极中央均设有离子引出槽4，所述端盖电极中央设有离子引入孔5，离子通过离子引入孔进入离子阱内，在质量分析过程中，离子在四极电场的作用下，按照质荷比的顺序依次通过所述离子引出槽，从而实现质量分析。所述离子引出槽的宽度通常在0.3mm至2mm之间。

参见图6所示，该复合电极型离子阱的电气连接方式如下：Y电极的两个圆柱面电极短接后再与射频电源的正向输出端“RF+”相连接。双向变压器的中间抽头与射频电源的反向输出端“RF-”连接，双向变压器的输入端与共振激发模块连接，双向变压器的其中一个输出端与X电极中圆柱面电极相连接，双向变压器的另外一个输出端与平板离散电极中央的子电极相连接，同时，双向变压器的该输出端接在射频分压电路上，射频分压电路的输出与平板离散电极的子电极和相连接。位于平板离散电极两边的子电极和短接后接地。

该复合型离子阱在质量分析过程中时，射频电压的幅度将进行先行扫描，存储在离子阱中的离子将在电场的作用下，按照质荷比的顺序依次通过圆柱面电极和平板离散电极上的子电极上的离子引出槽被排出离子阱外，进而被位于离子引出槽附件的离子探测器检测，最终实现质量分析，得到相应的质谱图。

本实施例的另一个优点是，只对其中一个电极上的电压进行了分压调整，因此，它可在离子阱内部产生所需要非对称电场，特别是六极场等，可实现离子在质量分析过程中发生单向出射，即离子只通过Y电极上的离子引出槽被排出离子阱外，或者离子只通过子电极113上的离子引出槽被排出离子阱外。上述功能对该复合型离子阱用于小型化质谱仪意义重大，在小型化质谱仪中由于功率和体积限制，通常指放置一个离子探测器，但常规的离子阱在质量分析过程中离子都是双向出射，因此离子检测效率理论最高只有50%，通常使用单离子探测器的情况下，使用该复合型离子阱的离子探测效率理论上可达到100%。

实施例四：参见图7所示，一种复合电极型离子阱质量分析器，包括一对X电极1、一对Y电极2和一对端盖电极3，所述X电极由两组平板离散电极构成，所述Y电极为一对三角柱面电极构成，其横截面为等腰三角形，其顶角角度范围为90^o至180^o之间（不包括180^o），每组平板离散电极包括五个相互绝缘的子电极，所述平板离散电极中央设有离子引出槽4，所述端盖电极中央设有离子引入孔5，离子通过离子引入孔进入离子阱内，在质量分析过程中，离子在四极电场的作用下，按照质荷比的顺序依次通过所述离子引出槽，从而实现质量分析。所述离子引出槽的宽度通常在0.3mm至2mm之间。

Claims

1.一种复合电极型离子阱质量分析器，包括一对相互平行的X电极、一对相互平行的Y电极和一对端盖电极，所述X电极和Y电极垂直放置，所述端盖电极与X电极和Y电极的放置方向垂直，且分列于X电极和Y电极轴向的两侧，其特征在于：所述X电极和Y电极中至少有一对电极中央设有离子引出槽，所述一对X电极中至少有一个电极为平板离散电极，所述X电极和Y电极中的其它电极为多边形柱面电极，且所述一对Y电极为两个相同电极，所述端盖电极中央设有离子引入孔。

2.根据权利要求1所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述多边形柱面电极为双曲柱面电极。

3.根据权利要求1所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述多边形柱面电极为圆柱面电极。

4.根据权利要求1所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述多边形柱面电极为三角柱面电极。

5.根据权利要求1所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述多边形柱面电极为梯形柱面电极。

6.根据权利要求1所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述平板离散电极由至少3个相互绝缘的子电极构成。

7.根据权利要求6所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述平板离散电极上的子电极数量为奇数个。

8.根据权利要求4所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述三角柱面电极的横截面为等腰三角形，所述三角形的顶角大于等于90°小于180°。

9. 根据权利要求1所述的一种复合电极型离子阱质量分析器，其特征在于：所述离子引出槽的宽度为0.3～2mm。