CN103972022B - 一种含高阶场成分的线性离子阱 - Google Patents

Abstract

本发明属于质量分析仪器的技术领域，具体为一种含高阶场成分的线性离子阱。本发明的线性离子阱由两对不同的横截面为梯形与圆弧组合图形的柱状电极围绕着一中心对称轴合围而成；相邻的两根电极形状不同，相对的电极形状完全相同；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。两对电极不同之处在于该圆弧的圆心角或半径不同，梯形的底角或高也相应不同，由于两对电极的不对称性而引入较多高阶场成分，如八极场、十二极场等。一定量高阶场成分的引入有利于提高质量分析的性能。本发明可以用于离子存储，也可以用于质量分析。本发明引入高阶场成分具有加工简单，成本低廉等优点。

Description

一种含高阶场成分的线 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含高阶场成分的线性离子阱。

背景技术

质谱仪是一种有效分析物质化学成分和结构的分析仪器。它具有高选择性和高灵敏度，被广泛用于生命科学、国土资源、环境监测、地质勘探药物分析等。它主要由离子源、离子传输系统、质量分析器、离子检测和数据采集控制系统等组成。其中离子质量分析器是质谱仪核心部件之一。

离子阱是一种重要的质谱质量分析器，其具有体积小、真空度较低和单一阱中即可实现串级质谱性能等特点，应用广泛。尤其是在近年来小型化质谱的发展过程中，离子阱质谱的这些优势，使其成为小型化的首选质量分析器。

离子阱一般有两类，三维离子阱和二维离子阱。这是按照离子在阱中被束缚的维度划分的，三维离子阱中的离子被束缚在阱内的近似一个点上，而二维离子阱的离子被束缚在阱内的近似一条线上。显然，二维离子阱束缚的离子数量更多，这提高了离子存储容量，进而提高仪器灵敏度并降低空间电荷效应的影响。二维阱又有两类，环形离子阱和线形离子阱。环形离子阱是阱中心轴为一圆环，而使离子束缚在该圆环上，而线形阱离子被束缚在一条直线上。由于线性离子阱离子入射方向与射频电场方向垂直，离子束缚效率较高，几乎无质量歧视现象，这是环形离子阱所不具备的。线性离子阱按电极形状不同，主要有双曲面电极离子阱、矩形离子阱以及四极杆为基础的离子阱等。其中双曲面电极由于电极形状与四极场的等势能面相同，具有最佳质量分析性能。

本申请的发明人在专利申请号为201410090932.X中给出了一种新型离子阱，其电极形状的横截面为梯形圆弧组合图形，该形状与双曲面的等势能面较接近，通过参数调节，可得到较优的质量分析性能。该离子阱的四根电极完全相同，由于这种对称性，高阶场成分较少。而一定量适合的高阶场成分有利于提高离子阱质量分辨能力。本发明给出了加入一定量的高阶场的弧面梯形阱的结构以达到改善分辨能力的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种质量分辨性能好的含有高阶场成分的线性离子阱。

本发明提供的含有高阶场成分的线性离子阱，是在弧面梯形离子阱中加入一定量的高阶场从而提高阱的质量分辨性能。

本发明提供的有高阶场成分的线性离子阱，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；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，可具有以下特征：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（或上下）两侧。

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，底角b在10°到80°内变化。

本发明中，构成离子阱的四个柱状电极两两不相同，即相邻的两根电极形状不同，相对的两根电极形状相同。

本发明中，所述柱状电极的形状不同，有以下两方面的不同：其一，其横截面的圆弧圆心角a的大小不同，圆弧半径相同，梯形也相应的不同；其二，其横截面的圆弧圆心角a的大小相同，圆弧半径不同，梯形也相应的不同；其三，其横截面的圆弧圆心角和半径皆不同，梯形也相应不同。

本发明中，所述四根柱状电极两两对称围绕以中心对称轴。可以外切某一半径的圆，也可以一对电极对称偏离该外切圆一定距离。

本发明中，所述柱状电极是由任何导电材料加工而成。

由于一定量适合的高阶场有利于质谱分辨率的提高，本发明通过改变电极形状，使离子阱两对电极的形状不同而引入较多的高阶场，调节寻找合适的高阶场比例而改善质谱的分析性能。

本发明的离子阱优点在于，通过使两对电极形状不同而加入一定量的高阶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：由两对不同的梯形圆弧柱状电极所组成的离子阱轴测图。

图2：圆弧圆心角相同半径不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：圆弧圆心角不同半径相同、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4: 圆弧圆心角不同半径不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5：离子阱电压施加方式图。

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为一个由两对不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。其中电极11与13完全相同，电极12与14完全相同，电极12（14）与电极11（13）电极形状不相同。电极13、14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、3、4为两对电极形状不同的梯形圆弧柱状电极构成的离子阱的三种截面结构示意图。

图2为圆弧半径相同，圆心角不同的梯形圆弧柱状电极的离子阱截面图。其中圆心角a1≠a2，圆弧半径R1=R2，相对电极距离的一半分别为x、y，x与y可以相等也可以不相等，相邻电极的间距d1与d2可以相等也可以不相等，等腰梯形的高h1与h2亦可以变化。其中x与y的比例为场半径比，是调节阱内电场分布的重要参量。

图3为圆弧半径不同，圆心角相同的梯形圆弧柱状电极的离子阱截面图。其中圆心角a1=a2，圆弧半径R1≠R2，相对电极距离的一半分别为x、y，x与y可以相等也可以不相等，相邻电极的间距d1与d2可以相等也可以不相等，等腰梯形的高h1与h2亦可以变化。其中x与y的比例为场半径比，是调节阱内电场分布的重要参量。

图4为圆弧半径不同，圆心角不同的梯形圆弧柱状电极的离子阱截面图。其中圆心角a1≠a2，圆弧半径R1≠R2，相对电极距离的一半分别为x、y，x与y可以相等也可以不相等，相邻电极的间距d1与d2可以相等也可以不相等，等腰梯形的高h1与h2亦可以变化。其中x与y的比例为场半径比，是调节阱内电场分布的重要参量。

图5为梯形圆弧柱状电极的离子阱的电压施加方式图。具体施加方式如下：在离子阱轴向上，有一对端盖电极，施加直流电压，形成轴向势阱，使离子在轴向上被束缚。离子阱另外两对电极，即为梯形圆弧柱状电极，分别施加相位相差180度的束缚射频电压，其中一对电极耦合一激发电压，使离子从该电极方向弹出而被检测。由于两对电极并不相同，任何一对电极均可作为离子弹出方向电极。

Claims (5)

1. 一种含高阶场的线性离子阱，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，也称之为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；每根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，其中，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；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。

3. 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中，相邻电极形状不同，相对电极形状相同。

4. 根据权利要求3所述的线性离子阱，其特征在于，所述柱状电极的形状不同，有如下情形：一，其横截面的圆弧圆心角a的大小不同，圆弧半径相同，梯形也相应的不同；二，其横截面的圆弧圆心角a的大小相同，圆弧半径不同，梯形也相应的不同；三，其横截面的圆弧圆心角和半径皆不同，梯形也相应不同。

5. 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由导电材料加工而成。