CN103928288B - 一种用于离子储存与质量分析的三角形圆环离子阱 - Google Patents

Abstract

本发明属于质量分析器技术领域，具体为一种用于离子储存与质量分析的三角形圆环电极离子阱。本发明提出的离子阱由两个完全等同的、横截面为三角形的圆环电极，和两个高度相等、直径大小不等的圆筒形电极所组成；其中，两个圆筒形电极同轴心，两者围成一筒形空间，两个三角形圆环电极对称地设置于筒形空间的上、下端，四个电极合围成一个圆筒形的离子阱空间。在上下两圆环电极上施加一个高频电压信号，边界电极接地或者施加一个直流电压，则在圆筒形空间内形成一个以四级场分布为主的圆环形电场区域，即所谓的离子储存区域。本发明给出的三角形圆环离子阱，可以实现大容量的离子储存，并对其进行高质量分辨的选择性排出。

Description

一种用于离子储存与质量分析的三角形圆环离子阱

技术领域

本发明属于质量分析器技术领域，具体涉及一种用于离子储存与质量分析的离子阱。

背景技术

质谱仪是一种具有分析速度快、灵敏度高和具有分子特异性的科学分析仪器，广泛应用于化学、生物，环境检测，医疗卫生等众多领域。常用的质谱仪器包括磁质谱仪，四级杆质谱仪，离子阱质谱仪，飞行时间质谱仪，傅里叶回旋共振质谱仪，轨道离子阱质谱仪等。质谱仪技术的发展对于促进其他科学领域的进步起到了重大的贡献。

其中，离子阱质谱仪有其独特的优势，离子阱不仅能够对离子进行质量分析，检测出质荷比，还能将离子储存在离子阱中。由于离子阱具有结构简单，可在较高气压下工作等特点，是质谱小型化的最理想选择，因此离子阱质谱仪在近年来得到了广泛的重视和发展。

按照离子的几何结构，一般可以分为三维离子阱和直线型离子阱。传统的三维离子阱是由一个双曲面形的环形电极和两个双曲面形的端电极所组成的，如图1所示。其中环电极11上一般加载交流高频电压，两端电极12，13上加载直流电压。在上述条件下可在电极围成的区域中形成以四级场为主的电场分布，并可束缚、储存和分析进入此区域的离子。三维离子阱中存储的离子呈点状分布，因此其虽然具有很高的质量分辨，但是离子储存数量和离子存储效率不高。

Halo ion trap(Anal.Chem.,2007,79,2927-2932)是由上下两个中央开孔的圆盘电极组成的离子阱。其在圆盘上镀有多圈环电极，并在不同的环电极上施加不同的射频电压，使得圆盘之间形成以四级场为主的圆环形电场分布，可以束缚住通过EI源形成的离子，通过扫描射频电压和加在最里和最外两个环电极上的激发电压，离子会向圆盘中心出射，并被检测。该离子阱结构虽然具有较为简单的结构和较大的离子储存能力，但是其质量分辨不高，约几百左右。

在中国专利中，发明者提出了一种由平板圆环形电极形成的离子阱或离子阱阵列。具有良好的离子储存和质量分析功能。单由于圆环结构的特点，其形成的圆环形电场具有不对称性，影响其质量分辨性能。

随着离子阱质谱技术的发展，近年来一直有新型的离子阱结构被开发出来，总之，具有研究具有结构简单，离子存储和质量分辨等性能更优的离子阱是科学家不断追求的目标。

发明内容

针对以上现有技术的不足和缺陷，本发明提供一种离子存储容量大、质量分辨性能好的三角形圆环离子阱。

本发明提供三角形圆环离子阱，它是由两个完全等同的、横截面为三角形的圆环电极，和两个高度相等、直径大小不等的圆筒形电极所组成；其中，两个圆筒形电极同轴心，直径大的圆筒形电极套在直径小的圆筒形电极外，两者围成一筒形空间，两个三角形圆环电极对称地设置于两个圆筒形电极围成的筒形空间的上、下端，四个电极合围成一个圆筒形的离子阱空间。

所述的三角形圆环电极的横截面为三角形, 其整个电极为空心圆环结构, 空心圆环的内直径为2R1，外直径为为2R2，如图2（a）；所述的两个圆筒形电极，其内直径分别为2r1（如图2（b））和2r2（如图2（c）），且 r1 < r2；两个圆筒形电极的高度完全相等。

所述的三角形圆环电极，其横截面为等腰三角形，如图7（a）所示，其等腰三角形的顶角α范围在110度至160度之间。上下两块三角形圆环电极成对称分布，其顶角所对的面相互平行，如图2（a）。

当用上述四个电极组成离子阱时，两个圆筒形电极与两个三角形圆环电极相互垂直，两个圆筒形电极构成离子阱的内外边界，两个三角形圆环电极与两个边界电极同轴心，直径为2r1的边界电极位于三角形圆环电极的内侧，直径为2r2的边界电极位于三角形圆环电极的外侧。用这些电极构成三角形电极圆环离子阱时，呈上下对称的结构。两个边界电极与两个三角形圆环电极之间形成一个圆筒形空间，即离子阱的离子存储空间。各个电极之间存在一个缝隙或者绝缘材料，以保证电极之间的电绝缘。

图3显示了该三角形圆环离子阱的结构（已开狭缝），可以看出，其在径向上的任意截面都可以看成两个空间区域，每个空间区域由四个电极构成。在上下两个截面为三角形的圆环电极上施加高频交变电压信号，边界电极接地或者施加一个直流电压，则在这些电极所围成的区域之间形成一个以四级场为主的圆环形电场区域，构成离子储存区域。由于三角形圆环电极有别于传统的平板电极，其具有更多的可调节性，合适的三角形尺寸对于矫正圆环结构对于场形的影响具有极大的帮助。因此三角形圆环离子阱对于离子的质量分辨能力将有着极大的提升。

三角形圆环离子阱可对储存在其中的离子进行质量分析。要完成质量分析功能，需要在截面为三角形的圆环电极上加工一个狭缝，使得离子可以通过狭缝被弹出阱外，并被检测和接收。

在上下两块三角形圆环电极上施加一个高频电压信号，边界电极接地或者施加一个直流电压，则在这些电极所围成的圆筒形空间内形成一个以四级场分布为主的圆环形电场区域，即所谓的离子储存区域。进入圆环形电场区域的离子，在电场的作用下被束缚和被储存在离子储存区域中。被储存的离子云呈圆周状线形分布，在外加电场作用下，离子被捕获、储存、冷却, 解离或选择性排出阱外。

在上述质量分析的过程中，将离子选择性排出的方法，包括将一个共振激发信号耦合到高频电压信号上之后一起施加到圆环电极上，使离子受到共振激发有选择性的排出阱外，其中所述的共振激发信号是一个低压信号，其电压范围一般在0-100V以内，优选1-90V。其频率是高频信号的分配，通常取3分频、4分频、3/8分频等。

本发明给出的三角形圆环离子阱，可以实现大容量的离子储存，并对其进行高质量分辨的选择性排出。

附图说明

图1是传统三维离子阱的结构示意图。

图2为组成三角形圆环离子阱的各电极的结构示意图。其中，（a）是上下截面为三角形的圆环电极的结构示意图（已开狭缝），其空心圆环的内直径2R1，外直径为2R2。（b）为内侧的圆筒形电极的结构示意图，其内直径为2r1，（c）为外侧的圆筒形电极的结构示意图，其内直径为2r2。

图3为本发明的三角形圆环离子阱的结构示意图（上视图，已开狭缝）。

图4为本发明的三角形圆环离子阱的结构在图3中在AA’平面的截面图。

图5是对于上下三角形圆环电极间距离与内外界电极间距离比为5:9.5的三角形圆环离子阱对于质荷比为609、610和611的离子的计算仿真结果，图中横轴是质量数，纵轴为相对强度。

图6是对于上下三角形圆环电极间距离与内外界电极间距离比为5:9.5的三角形圆环离子阱对于质荷比为335、336和337的离子的仿真结果，图中横轴是质量数，纵轴为相对强度。

图7（a）是三角形圆环离子阱在图3的AA’’平面的截面图，其中，上下三角形电极的顶点间距离为a，三角形顶角的角度为α，其范围在110度至160度之间，内外界的圆筒电极间距离为b，图7（b）为调节a：b的值从5:8至5:10后，仿真得到的对质荷比为609的离子的质量分辨的变化情况，图中横轴是b的相对值，a值为5不变，纵轴为质量分辨率。

图中标号：11 为双曲面的环形电极，12和13为两个双曲面的端盖电极。在应用中，环形电极11一般加载交流高频电压信号，两端电极12，13上加载直流电压信号。31是组成三角形圆环离子阱的外边界电极，33是内边界电极，32是上三角形圆环电极，34是下三角形圆环电极，其中电极32和34上施加高频电压信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的范围并不限于这些实施例。

图3和图4显示了该三角形圆环离子阱的结构，现通过计算机对三角形圆环电极横截面三角形顶角为140度的三角形圆环离子阱进行仿真，验证其质量分辨性能。

图5为对于上下三角形圆环电极间距离与内外界电极间距离比为5:9.5的三角形圆环离子阱的仿真结果。仿真所用离子带+1电荷，质量为609、610和611，RF和AC均使用正弦波信号，RF频率为0.768MHz，从2650V，以每50ns提高0.5mV的速度扫描，相当于约2000Th/s，AC频率为0.256MHz，电压为1.5V。其中，对于609的峰，其质量分辨达到近1200。

图6为对于上下三角形圆环电极间距离与内外界电极间距离比为5:9.5的三角形圆环离子阱的另一仿真结果。仿真所用离子带+1电荷，质量为335、336和337，RF和AC均使用正弦波信号，RF频率为0.768MHz，从1440V，以每50ns提高0.5mV的速度扫描，相当于约2000Th/s，AC频率为0.256MHz，电压为1V。其中，对于335的峰，其质量分辨达到近1024。

图7（b）为调节a：b的值从5:8至5:10后，仿真得到的对质荷比为609的离子的质量分辨的变化情况，可以看到上述5:9.5的结构具有相对比较优秀的分辨率。

对不同三角形顶角的三角形圆环离子阱的仿真结果显示，对于130度、135度、145度、150度所对应的结构都没有获得良好的分辨率结果，再次显示出上述结构的相对优秀。

Claims (4)

1.一种三角形圆环离子阱，其特征在于由两个完全等同的、横截面为三角形的圆环电极，和两个高度相等、直径大小不等的圆筒形电极所组成；其中，两个圆筒形电极同轴心，直径大的圆筒形电极套在直径小的圆筒形电极外，两者围成一筒形空间，两个三角形圆环电极对称地设置于两个圆筒形电极围成的筒形空间的上、下端，四个电极合围成一个圆筒形的离子阱空间。

2.根据权利要求1所述的三角形圆环离子阱，其特征在于：所述的三角形的圆环电极的横截面为等腰三角形，其顶角α在110度至160度之间；上下两个三角形圆环电极成对称分布，其顶角所对的面相互平行。

3.根据权利要求1所述的三角形圆环离子阱，其特征在于：所述的三角形圆环电极上设有狭缝，使离子被引入，或弹出阱外，从而被检测和接收。

4.一种利用权利要求1至3之一所述的三角形圆环离子阱进行离子储存和分析的方法，其特征在于：离子被有选择性排出阱外的方法包括：将一个共振激发信号耦合到高频电压信号上之后一起施加到圆环电极上，使离子受到共振激发有选择性的排出阱外，其中所述的共振激发信号是一个低压信号，其电压范围在0-100V以内。