CN103903954B - 一种线性离子阱 - Google Patents

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Abstract

本发明属于质量分析仪器技术领域，具体为线性离子阱。该线性离子阱由横截面为梯形和圆弧组合形状的四个柱状电极两两对称地围绕一中心对称轴所构造而成，也称之梯形圆弧柱状电极离子阱；四根柱状电极合围成一空间，并且外切于一个半径为r0的圆；其中，每对柱状电极的横截面为梯形和圆弧组合形状，圆弧朝向中心对称轴；柱状电极的中心处开有凹槽，供离子弹出；所述梯形和圆弧组合形状中，梯形为等腰梯形，圆弧与梯形的两腰相切，切点为梯形的两个顶点，该顶点为梯形较短的底边与两腰的交点。该形状的电极较接近双曲面电极，通过优化，可获得较高的质量分析性能。且电极的制造较简单。

Description

一种线性离子阱
技术领域
本发明属于质量分析仪器技术领域，具体涉及一种用于离子存储和离子质量分析的线性离子阱。
背景技术
质谱仪是一种用于分析物质化学成分的科学仪器。它可以鉴定样品中未知化学成分，定量已知化合物以及阐明分子的结构和化学特征。
离子阱是一种可以存储气相离子的科学装置，它可以将离子在一定空间内束缚一段时间。可以对被束缚的离子进行各种操作，包括对离子进行质量分析，或者使离子解离。
传统的离子阱都是在离子阱电极施加一交变电压，如正弦波，这样在电极围成的空间内产生一个变化的四极电场。离子在四极电场中，作稳定的周期性运动而被束缚。当连续改变束缚电压的幅度或周期，采用边界弹出或共振激发弹出的技术，使离子按质荷比的增大或减小依次变得不稳定弹出离子阱而被检测，从而实现了质量分析。理论上，只有无限延伸的双曲面电极围成的离子阱才会产生理想的四级场。在实际过程中，由于电极不是无限延伸的，且加工误差和装配误差等的存在，离子阱不可避免地引入各种多极场分，如六极场、八极场、十二极场。这些多极场对离子质量分析性能产生重要影响。可能会使质量分辨能力下降，也可能提高质量分辨能力，如赛默飞公司的LCQ商用质谱仪中的三维离子阱就是通过z方向的拉伸引入一些有益的多极场而提高性能。
离子阱按结构不同可分为三维离子阱和线性离子阱二种。三维离子阱是由一个环电极和二个端盖电极所组成。二个端盖电极对称地分布在一个环电极两边。三个电极都是具有双曲面的表面结构。进入阱中的离子被束缚在阱中心的一个点。因此离子的存储容量比较小，且空间电荷效应的影响较大。线性离子阱是由四个柱状电极平行地围绕着一个中心对称轴而组成。四个柱状电极可以是四个完全相同的具有双曲面表面的电极，也可以是四个完全相同的具有圆柱面表面的电极。进入阱中的离子被束缚在中心轴这条线上，存储的离子数较多。且由于轴向上的四极电场分量很小，离子的质量歧视效应较小。
线性离子阱的电极形状，有很多种，如平板电极、双曲面柱状电极、圆杆电极、梯形柱状电极、阶梯电极。对于以上各种形状，一般双曲面电极的离子阱具有最佳的质量分析性能。其他电极由于形状偏离双曲面电极，组成的离子阱的多极场成分较多，质量分析性能都得到不同程度的降低。但是双曲面电极加工较困难，对加工技术要求较高，成本昂贵，且小型化较困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分析性能好、加工难度低的线性离子阱。
本发明提供的线性离子阱，是由横截面为梯形和圆弧组合形状的四个柱状电极两两对称地围绕一中心对称轴所构造而成，也称之梯形圆弧柱状电极离子阱。四根柱状电极平行环绕着一中心对称轴合围成一空间，并且外切于一个半径为r0的圆；其中，每对柱状电极的横截面为梯形和圆弧组合形状，圆弧朝向中心对称轴；柱状电极的中心处开有凹槽，供离子弹出。
本发明中，所述柱状电极的横截面为梯形和圆弧组合形状，可由以下特征描述：梯形为等腰梯形；圆弧与梯形的两腰相切，切点为梯形的两个顶点，该顶点为梯形较短的底边与两腰的交点；连接圆弧两端点的弦与梯形较短的底边重合，圆弧与梯形分别位于该弦的左右（上下）两侧。
本发明中，构成离子阱的四个柱状电极完全相同。
本发明中，所述柱状电极，其横截面的梯形的长底边的底角b等于圆弧圆心角a的一半，b的大小可以根据需要进行调节。一般b可在10°到80°内调节变化。
本发明中，所述柱状电极是由任何导电材料加工而成。
由于电极内的电场是有电极形状决定的，因此，本发明可通过调节梯形圆弧柱状电极的梯形和圆弧形状以及电极间的相对距离，来调节电场分布，以获得最佳的离子阱性能，从而获得更好的离子质量分析或离子储存性能。
本发明的离子阱优点在于，由于双曲面形状的电极的阱是最理想的四极离子阱，横截面为圆弧和梯形的组合形状的柱状电极比较接近双曲面形状，可通过优化获得较好的离子阱质量分析性能。但是相比双曲面电极，加工难度明显降低。此外，由于梯形圆弧柱状电极有不是完全的双曲面电极，且电极上开有离子引出槽，其储存空间在工作电压的作用下，将会产生少量的六极电场、八极电场，十二极电场等多极场。各种电场成分的比例可以通过调节柱状电极的几何参数和改变电极之间的相对距离实现，从而通过调节离子阱中的电场分布来优化离子阱的性能。
本发明给出的线性离子阱可以用于质量分析，或离子存储。
本发明给出的线性离子阱可以单独使用，也可以和其他实验系统，如其他类型的质谱仪，如四极质谱，飞行时间质谱等联合起来使用。
附图说明
图1：由四根相同的梯形圆弧柱状电极所组成的离子阱轴测图。
图2：由四根相同的梯形圆弧柱状电极所组成的离子阱的横截面结构示意图。
图3：电极形状完全相同，场半径不同（r0<r1）的两个梯形圆弧柱状离子阱的横截面结构示意图。
图4：如图2所示的离子阱，其参数改变时，电极形状变化的结构示意图。其中B为A中的电极的弧的半径和圆心角发生改变，同时梯形高也相应地改变，其它不变所得的电极横截面图；C为A中的电极的弧的半径不变，圆心角改变，其它不变所得的电极横截面图；D为A中梯形较长的底边改变，其它不变所得的电极横截面图；E为A中的电极的弧的圆心角不变，半径改变，弧的弦长和梯形的高也相应地改变，其它不变所得的电极横截面图。
图5：在梯形圆弧柱状离子阱中，离子激发方向上的离子振动强度作为时间t的函数，其中离子阱参数分别如下：d3=0.8mm，d4=0.5mm，r0=5.0mm，A：a=2b=50°，d1=0.9mm，d2=9.0mm；B：a=2b=60°，d1=2.4mm，d2=7.5mm；C：a=2b=70°，d1=5.4mm，d2=6.3mm；D：a=2b=70°，d1=2.9mm，d2=9.5mm。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为一个由四根完全相同的梯形圆弧柱状电极所组成的线性离子阱结构示意图。四根完全相同的具有梯形圆弧截面的柱状电极11、12、13、14，它们两两平行围绕着一中心对称轴分布，并被相对固定。电极11、12上分别开有一凹槽15、16，电极13,14上也有，图中未标出，其中凹槽可以为任何形状。它的作用是让离子从阱中逐出。
在实际应用中，可以四根电极上都加工有凹槽，也可以在相对的两个电极（如电极12,14）上加工有凹槽，其余则没有。
图2为一个具有完全相同的梯形圆弧柱状电极组成的线性离子阱横截面图。图2中的参数r0为电极之间内切圆的半径，a为圆弧的圆心角，d2为圆弧的弦长（也未梯形短底边长），d1为梯形的高，d3为凹槽的宽度，d4为相邻电极间的间距，b为梯形的底角，由于圆弧与梯形相切与其顶点，故a=2b。
图2中所示的离子阱的参数为a=2b=60°，d1=2.4mm，d2=7.5mm，d3=0.8mm，d4=0.5mm，r0=5.0mm时，离子阱中的多级场参数表1。改变上述参数，离子阱多极场参数会发生变化。相应的离子运动情况也发生变化。对这些参数进行优化可获得较好性能的阱。
表1
。
图3为电极形状不变，场半径改变所得离子阱的横截面结构示意图。场半径变化，离子阱中的多极场参数也会变化，离子运动情况也发生变化，离子阱性能也发生变化。
图4为电极形状的变化示意图，其中B、C、E中的电极的梯形的上下底边长度不变，而圆弧部分和梯形的腰发生改变的横截面结构示意图。主要变化参数为圆弧的半径和圆心角，部分参数随之相应改变。D中的电极圆弧部分不变仅梯形的较长底边的长度发生变化的结构示意图。上述参数改变，离子阱中的多极场参数皆会变化，离子运动情况也发生变化，离子阱性能也发生变化。
图5为图2所示的离子阱在不同从参数下，其中内切半径r0=5.0mm，凹槽的宽度d3=0.8mm，相邻电极间的间距d4=0.5mm，离子的弹出方向的振动幅度的时域。该图是对质量609Da的单个带电粒子进行建模的得到的。周期性的束缚电压是具有占空比为0.5和幅值500V的双极性矩形波信号。通过逐步地增加信号周期，实施频率扫描。在模拟中，方波周期在每完成20个循环后增加0.5ns。方波初始周期为1.26us，压强为1mtorr的氦气作为缓冲气体。离子群包含100个全同离子，离子初始位置是随机分布在。
其中，B显示的离子振动幅度的时域。大约在6.5ms后，离子与激发场共振，离子的振动幅度均匀增加，并且又一个1.5ms后，离子幅度超过阱的内切半径（5mm）。尽管由于初始条件和与缓冲气体的碰撞，离子会在不同时间到达检测器。B中的近似质量离子放入喷射时间跨度相对A、C、D三图较小，分辨率较其它要好。
以图5中给出的四组参数为例，参数改变对离子阱的性能影响较大。若想获得最优的分辨能力，可做进一步优化。

Claims (4)

1.一种线性离子阱，其特征在于，由横截面为梯形和圆弧组合形状的四个柱状电极两两对称地围绕一中心对称轴所构造而成，也称之梯形圆弧柱状电极离子阱；四根柱状电极平行环绕着一中心对称轴合围成一空间，并且外切于一个半径为r0的圆；其中，每对柱状电极的横截面为梯形和圆弧组合形状，圆弧朝向中心对称轴；柱状电极的中心处沿中心轴向开有凹槽，供离子弹出；
所述柱状电极的横截面为梯形和圆弧组合形状，由以下特征描述：梯形为等腰梯形；圆弧与梯形的两腰相切，切点为梯形的两个顶点，该顶点为梯形较短的底边与两腰的交点；连接圆弧两端点的弦与梯形较短的底边重合，圆弧与梯形分别位于该弦的左右两侧。
2.根据权利要求1所述的线性离子阱，其特征在于，所述构成离子阱的四个柱状电极完全相同。
3.根据权利要求1所述的线性离子阱，其特征在于，所述柱状电极，其横截面的梯形的长底边的底角b等于圆弧圆心角a的一半，底角b在10°到80°内变化。
4.根据权利要求1所述的线性离子阱，其特征在于所述柱状电极是由任何导电材料加工而成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101782551A (zh) * 2009-01-20 2010-07-21 复旦大学 一种环绕电极离子阱阵列
CN102754182A (zh) * 2010-02-11 2012-10-24 株式会社岛津制作所 线性离子阱的电极系统
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7180057B1 (en) * 2005-08-04 2007-02-20 Thermo Finnigan Llc Two-dimensional quadrupole ion trap

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101782551A (zh) * 2009-01-20 2010-07-21 复旦大学 一种环绕电极离子阱阵列
CN102754182A (zh) * 2010-02-11 2012-10-24 株式会社岛津制作所 线性离子阱的电极系统
CN203398088U (zh) * 2013-08-16 2014-01-15 中国人民解放军63975部队 一种线性离子阱质量分析器

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