CN104347342A - 用于质谱仪的离子导引装置及碰撞反应池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于质谱仪的离子导引装置及碰撞反应池，离子导引装置包括具有中央通孔的第一绝缘座、具有中央通孔的第二绝缘座以及连接于第一绝缘座和第二绝缘座之间的四根电极杆。四根电极杆围成的空间为离子通道，电极杆形状是弯曲的。本发明离子导引装置，可同时消除离子、中性分子和光子产生的干扰，并具有质量区分效果好、离子碰撞效率高的特点。

Description

用于质谱仪的离子导引装置及碰撞反应池

技术领域

本发明涉及一种用于质谱仪的离子导引装置及碰撞反应池。

背景技术

采用ICP-MS（电感耦合等离子体质谱仪）测定痕量元素或同位素比值时，多原子质谱干扰影响分析结果的准确性。为消除这种干扰，目前常用的技术手段是引入碰撞反应池。碰撞反应池是设置在离子透镜和质量分析器之间的一种桶形装置，包括碰撞室，碰撞室内部充入一种碰撞或反应性气体，维持在比周围真空腔内压力稍高的增压状态。当离子束穿过碰撞室时，多原子干扰离子与气体发生碰撞或反应，动能降低或质量数发生变化，通过动能区分（KED）或质量区分（MD）与分析离子分开。

为束缚离子在碰撞室内的运动轨迹，碰撞室内需有一连接离子出入口的离子导引装置。对离子导引内的电场分布做多极展开，其中起质量分辨作用的是四极场，其余统称为高阶场。相应地，传统的离子导引装置通常为产生四极场的四极杆装置、产生高阶场的六极杆或八极杆装置。四极杆装置使用四根电极杆，质量区分效果最好，但离子传输效率弱于六极杆或八极杆装置。传统的离子导引装置包括四根、六根或八根截面呈圆形的直杆状的电极杆传统的直杆式离子导引装置因为离子入口正对着离子出口，在传输离子的同时，中性分子和光子也有可能穿过导引装置，不能有效地消除由中性分子和光子造成的干扰。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种结构简单、具有质量区分功能并能消除中性分子和光子干扰的四极杆式离子导引装置；

本发明的另一个目的在于提供一种安装有本发明离子导引装置的碰撞反应池。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种用于质谱仪的离子导引装置，包括具有中央通孔的第一绝缘座、具有中央通孔的第二绝缘座以及连接于所述第一绝缘座和第二绝缘座之间的四根电极杆。所述四根电极杆围成的空间为离子通道，所述电极杆的形状是弯曲的。

根据本发明的一个实施方式，所述电极杆具有弧形段。

根据本发明的一个实施方式，所述电极杆的弧形段对应的圆心角为30°～150°，优选为90°。

根据本发明的一个实施方式，所述电极杆的截面呈矩形或梯形或台阶形状。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种碰撞反应池，包括碰撞室和离子导引装置，所述碰撞室具有两个供离子进出的离子出入口，所述离子导引装置位于碰撞室内，用于传输离子其特征在于，所述离子导引装置是本发明所述的离子导引装置。

根据本发明的一个实施方式，所述碰撞室呈中空长方体形状。

根据本发明的一个实施方式，所述碰撞室为横截面呈扇形的中空扇形体形状。

根据本发明的一个实施方式，所述碰撞室具有一个或多个进气口。

根据本发明的一个实施方式，在两个所述离子进出口分别设置有离子透镜。

由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：

本发明离子导引装置由四根弯曲的电极杆组成，中性分子和光子不受电极杆电场的导引作用，不能通过弯曲的四极杆。因此弯曲四极杆不仅质量区分效果好，结构相对简单，且可以消除由中性分子和光子造成的干扰。

进一步地，电极杆的截面呈矩形、梯形或台阶状等易于加工的形状，通过理论研究可以知道，这些截面的电极杆产生的电场中不但含有四极场的成分，而且还含有六极场与八极场这些高阶场的成分。含有高阶场成分的电场能够诱导离子产生非线性共振，从而提高离子的碰撞效率。因此，本发明离子导引装置质量区分效果好，离子碰撞效率高，且能消除中性分子和光子干扰。

通过以下参照附图对优选实施方式的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1是本发明离子导引装置的立体结构示意图；

图2是本发明离子导引装置从另一角度看的立体结构示意图；

图3是本发明离子导引装置的主视图；

图4是图3的俯视图；

图5是图3的左视图；

图6A是本发明碰撞反应池第一实施方式的结构示意图；

图6B是图6A中沿着B-B线取的剖视图；

图7是本发明碰撞反应池中离子运动模拟效果图；

图8A是本发明碰撞反应池第二实施方式的结构示意图；

图8B是是图8A中沿着C-C线取的剖视图。

具体实施方式

下面将结合附图详细描述本发明的具体实施方式。应当注意，这里描述的实施方式只用于举例说明，并不用于限制本发明。

离子导引装置

如图1至图5所示，本发明离子导引装置包括第一绝缘座1、第二绝缘座2以及四根电极杆3。

第一绝缘座1可以采用传统结构，其具有中央通孔，以供离子通过。

第二绝缘座2可以采用传统结构，其具有中央通孔，以供离子通过。

四根电极杆3的一端分别连接于第一绝缘座1，并彼此绝缘；四根电极杆3的另一端分别连接于第二绝缘座2，并彼此绝缘。四根电极杆3在第一绝缘座1和第二绝缘座2之间均匀分布，且四根电极杆3围成的空间为离子通道。

本发明离子导引装置中，电极杆3的截面呈矩形。矩形截面的电极杆产生的电场中不但含有四极场的成分，而且还含有六极场与八极场这些高阶场的成分，含有高阶场成分的电场能够提高让离子产生非线性共振，从而提高离子的碰撞效率。

如图1、图2和图4所示，本发明离子导引装置中，电极杆3整体呈弧形，例如弧形电极杆3对应的圆心角A为90°，该圆心角A在30°～150°范围内均是可行的。电极杆3上也可以只有部分呈弧形，从而形成弧形段，相应地，圆心角A是该弧形段所对应的圆心角。这种弧形电极杆3形成了弧形的离子通道，离子可以碰撞过程中改变飞行方向。因此，本发明离子导引装置不仅具有低质量数剔除的优点，同时还可以实现离子90°偏转，有效提高信噪比。

碰撞反应池实施方式1

如图6A和图6B所示，本发明碰撞反应池第一种实施方式，包括碰撞室6和离子导引装置。

碰撞室6可以采用传统结构，具有两个供离子进出的离子出入口，并具有充气口61，充气口61的数目可以为一个或多个。使用过程中，可由充气口61向碰撞室6内充入氦气等气体作为碰撞气体。该第一实施方式中，碰撞室6为中空长方体形状。

离子导引装置采用本发明的结构，其安装于碰撞室6内。第一绝缘座1、第二绝缘座2的中央通孔分别与碰撞室6的两个离子出入口对应。离子导引装置用于传输离子。

如图7所示，通过离子光学模拟进一步研究了本发明离子导引装置的传输性能模拟条件如下：不考虑碰撞，离子初始位置均匀分布在以本发明离子导引装置入口中心（第一绝缘座1的中心）为圆心，半径为1mm的圆形区域内，离子初始速度为2.5mm/μs，初始运动方向平行于x轴，即垂直于离子导引装置入口横截面，射频频率为1.1E+6Hz。改变射频电压，不同质量数离子运动轨迹的变化规律如下：

（1）在射频电压（VRF）与质量数成比例变化，即保持不同离子的q值完全相同情况下，当离子初始速度相同时，不同质量数离子的运动轨迹均相同。

（2）增加离子运动速度，VRF也需要相应增加才能获得相近的离子聚焦效果。即离子运动速度增加一倍，VRF也需要增加一倍。这一趋势基本上能够一直保持到较高的q值范围，例如对质量数为10的离子，VRF可以从10V一直增加到120V左右，离子运动轨迹仍在相当程度上保持相似。

（3）当离子运动速度固定时，增加射频电压，离子的聚焦效果会有一定程度的改善。然后随着q值的升高，离子振幅逐渐增加，最终脱离稳定区。这一点有别于传统的四极杆式离子导引装置，传统的四极杆式离子导引装置沿其中心线方向（轴向）离子动能的大小不会影响离子的径向运动。而本发明离子导引装置的中心线方向（轴向方向）呈弧形，所以离子轴向速率的大小对于离子的运动轨迹有重要影响。

（4）因此，对某一特定质量数的离子存在一个能够通过本发明离子导引装置的最高轴向动能，而超过此动能值的离子将不能被传输。增加氦气作为碰撞气体后，高能离子通过碰撞冷却降低了运动速度，传输效率也因此得到改善，离子能够通过的轴向动能的上限也相应提高。

由图7可以看出，通过Simion软件对加有氦气碰撞气体的离子导引装置的模拟，结果显示离子轨迹在电场的偏转下沿着4根电极杆围成的离子通道的中心线运动，离子在偏转过程中与碰撞气体不断发生碰撞，使得离子的轨迹看上去像一条不光滑的折线。在模拟中，碰撞室内的气压是4mTorr左右（根据这个压强数据，以及腔内的气体温度，我们可以推测气体的平均自由程）。从模拟的结果看，本发明离子导引装置具有很好的工作性能。

碰撞反应池实施方式2

如图8A和图8B所示，本发明碰撞反应池第二种实施方式，其与第一实施方式不同之处仅在于：

碰撞室6为横截面呈扇形的中空扇形体形状。进一步地，离子导引装置的弧形电极杆3的弯曲弧度与所述碰撞室6的扇形面的弯曲弧度相同。

该碰撞反应池第二种实施方式的其它部分与第一实施方式基本相同，这里不再赘述。

碰撞反应池实施方式3

参照图6A、图6B、图8A和图8B。本发明的碰撞反应池第三实施方式在第一实施方式或第二实施方式的基础上进一步包含第一离子透镜4和第二离子透镜5。

第一离子透镜4位于离子导引前端，靠近离子导引的离子入口，第一离子透镜4可以采用传统结构，例如包括3个电极V1、V2、V3，（图中示出3个），3个电极分别能加不同的电压，电极数目不限于3个，可适当增加或减少。

第二离子透镜5位于离子导引后端，靠近离子导引出口。第二离子透镜包括3个电极V4、V5、V6，（图中示出3个），3个电极分别能加不同的电压，电极数目不限于3个，可适当增加或减少。

第一离子透镜4对上游飞来的离子起到聚焦作用，使离子能以合适的位置角度飞入碰撞室6。第二离子透镜5对从碰撞室6经碰撞后飞出的离子起到聚焦作用，使离子能以合适的位置角度飞入下游的质量分析器。另一方面，通过调整第一离子透镜4、第二离子透镜5和离子导引的偏置电压，可以将离子束缚存储在碰撞室6内，增加与碰撞气体的反应时间并蓄积分析离子，待充分反应后再改变电压分布使得离子集中飞出碰撞室，可改善检测灵敏度。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于质谱仪的离子导引装置，包括具有中央通孔的第一绝缘座（1）、具有中央通孔的第二绝缘座（2）以及连接于所述第一绝缘座（1）和第二绝缘座（2）之间的四根电极杆（3），所述四根电极杆（3）围成的空间为离子通道，其特征在于，所述电极杆（3）的形状是弯曲的。

2.如权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，所述电极杆（3）具有弧形段。

3.如权利要求2所述的离子导引装置，其特征在于，所述电极杆（3）的弧形段对应的圆心角为30°～150°。

4.如权利要求3所述的离子导引装置，其特征在于，所述电极杆（3）的弧形段对应的圆心角为90°。

5.如权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于，所述电极杆（3）的截面呈矩形或梯形或台阶形状。

6.一种碰撞反应池，包括碰撞室（6）和离子导引装置，所述碰撞室具有两个供离子进出的离子出入口，所述离子导引装置位于碰撞室（6）内，用于传输离子，其特征在于，所述离子导引装置是如权利要求1～5中任一项所述的离子导引装置。

7.如权利要求6所述的碰撞反应池，其特征在于，所述碰撞室（6）呈中空长方体形状。

8.如权利要求6所述的碰撞反应池，其特征在于，所述碰撞室（6）为横截面呈扇形的中空扇形体形状。

9.如权利要求6所述的碰撞反应池，其特征在于，所述碰撞室（6）具有一个或多个进气口。

10.如权利要求6所述的碰撞反应池，其特征在于，在两个所述离子进出口分别设置有离子透镜（4、5）。