CN106165060B - 一种新型矩形离子阱装置及存储与分离离子的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型矩形离子阱装置及存储与分离离子的方法，本发明涉及质谱仪器中的离子阱质量分析器。该装置包括前端盖(11)，该前端盖包括前端盖左电极(100)、前端盖中间层绝缘体(110)、前端盖右电极(120)，该前端盖左电极(100)和该前端盖右电极(120)分别位于该前端盖中间层绝缘体(110)的左右两侧，且该前端盖(11)的中心位置为贯通的；后端盖电极(170)，该后端盖电极(170)与该前端盖(11)的轴线相同，且该后端盖电极(170)的中心位置为贯通的；前电极(130)，后电极(140)，上电极(150)，下电极(160)，其中该前电极(130)与该后电极(140)、该上电极(150)与该下电极(160)分别沿该前端盖(11)的该轴线对称，且这些电极在该前端盖(11)与该后端盖电极(170)之间形成一围绕该轴线的空间区域，用于存储离子。本发明能显著增加单位时间内离子存储的数量。

Description

一种新型矩形离子阱装置及存储与分离离子的方法
技术领域
本发明涉及质谱仪器中的离子阱质量分析器，特别是有关于一种新型矩形离子阱装置及存储与分离离子的方法。
背景技术
质谱分析方法是将物质粒子(原子、分子)电离成离子，并通过适当的稳定或变化的电场或磁场将它们按空间位置、时间顺序等实现质核比分离，并检测其强度来作定性、定量分析的分析方法。由于质谱分析方法直接测量物质粒子，且质谱分析方法具有高灵敏、高分辨、高通量和高适用性的特性，使得质谱仪和质谱分析技术在现代科学技术中举足轻重。随着生命科学、环境科学、医药科学等学科的发展，以及食品安全、国家安全、国际反恐的需要，质谱仪的已成为需求量增长速度最快的分析仪器之一，尤其是色谱/质谱联用技术和相关仪器的出现，因其对复杂基体的高分离功能和检测的高灵敏度，更是在上述各领域倍受青睐，甚至不可或缺。
质量分析器是质谱仪器中将离子依照质核比分离出可以检测的部件，离子阱是重要的一种质量分析器，其原理是将众离子存储于阱内后，再分离检测，相对于其他不包含离子阱的质量分析器，包含离子阱的质量分析器可以存储离子，因此可以在包含离子阱的质量分析器内做MSn操作(质谱操作)。
离子阱的结构有多种，传统的3D离子阱、美国某公司的线形离子阱，以及美国某博士发明的矩形离子阱，其中矩形离子阱能够克服传统的3D离子阱储存离子少，线形离子阱难于加工等问题。
离子阱的运作模式分两个阶段：离子注入存储阶段、离子分离检测阶段。在离子注入存储阶段，要求在单位时间内存储的离子越多越好，这样有利于获得高强度离子检测信号。矩形离子阱在离子注入存储阶段的操作模式是，具有一定速度的离子(以带正电荷的离子为例)，通过前端盖的中心圆孔或狭缝(在此阶段，该前端盖带负电，吸引该带正电荷的离子，以便于该带正电荷的离子进入离子阱)，进入离子阱内的该带正电荷的离子在射频电场的作用下高速运动，当运动到后端盖附近时，后端盖(此阶段该后端盖带正电)推斥该带正电荷的离子向离子阱中心运动，当该带正电荷的离子从该离子阱中心向前端盖运动时，由于前端盖具有吸引作用，往往会将该带正电荷的离子吸出该离子阱外，再次进入该离子阱往往会撞击到电极片上，因此通常在该离子阱内充入缓冲气，让缓冲气与该带正电荷的离子进行碰撞从而减小该带正电荷的离子的动能，如此降低该带正电荷的离子进入离子阱后再被吸出的概率。尽管如此，当缓冲气少，不足以降低该带正电荷的离子的动能，从而出离子阱的该带正电荷的离子数量大大增加，但如果缓冲气多，虽然单位时间内的该带正电荷的离子存储多，但是会破坏检测系统对真空度的基本要求，不利于下一个阶段离子分离检测的运作，因此往往充入折中流量的缓冲气，兼顾离子注入和离子检测，但是，不论离子注入还是离子检测均难达到较高的性能。
实验和模拟结果均表明，当前的矩形离子阱在离子注入存储阶段存在着离子进入离子阱后再出离子阱的现象，降低了单位时间内离子存储的数量，影响检测效果，特别不利于低丰度离子的检测，复杂样品中特征物质往往是低丰度的离子。目前，检测复杂样品中特征物质的趋势是能够准确、精确的对低丰度的特征物质进行定性和定量。
专利号US6838666，作为质谱仪的一新型呈几何形离子阱和它的用途。为了大量存储、分析、破碎、分离离子，将这些离子阱按直线和平行的方式组合在一起组成系统。该离子阱具有高存储容量的直线几何形。它通过质量选择不稳定模式以及质量选择稳定模式提供质量分析。在分析离子的过程中，多个离子阱阵列允许多个气相组合的方法用于捕获离子能够获得高灵敏性、高选择性和或更高的吞吐量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种新型矩形离子阱装置及存储与分离离子的方法。
为实现上述目的，本发明提出了一种新型矩形离子阱装置，包括前端盖、中间部分、后端盖，其特征在于，该前端盖包括：前端盖左电极、前端盖中间层绝缘体、前端盖右电极，该前端盖左电极和该前端盖右电极分别位于该前端盖中间层绝缘体的左右两侧，且该前端盖的中心位置为贯通的，当该离子阱处于离子注入存储阶段时，该前端盖用于吸引所要存储的离子进入该离子阱，当该离子阱离子分离检测阶段时，该前端盖用于阻止与该离子阱内的离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱、阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；
该后端盖设置为一电极，其中该后端盖与该前端盖的轴线相同，且该后端盖电极的中心位置为贯通的，当该离子阱处于该离子注入存储阶段时，该后端盖用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱，当该离子阱处于该离子分离检测阶段时，该后端盖用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；
该中间部分包括：前电极，后电极，上电极，下电极，其中该前电极与该后电极、该上电极与该下电极分别沿该前端盖的该轴线对称，且这些电极在该前端盖与该后端盖电极之间形成一围绕该轴线的空间区域，用于存储或分离离子。
所述的新型矩形离子阱装置，该前端盖左电极、该前端盖右电极与该前端盖中间层绝缘体的距离小于等于0.5毫米。
所述的新型矩形离子阱装置，该前端盖到该空间区域的距离与该后端盖到该空间区域的距离相同。
所述的新型矩形离子阱装置，在该前电极与该后电极的中心位置分别设置贯通于该前电极与该后电极的缝隙。
本发明还提出一种利用以上所述离子阱进行存储与分离离子的方法，包括：
存储离子步骤，当该离子阱处于注入存储阶段时，该前端盖左电极施加与所要存储的离子电性相反的电压，用于吸引所要存储的该离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该前端盖逃出该离子阱；该后端盖施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱；
分离离子步骤，当该离子阱处于分离检测阶段时，该前端盖左电极施加与该离子阱内的离子电性相同的电压，用于阻止与该离子阱内的该离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；该后端盖施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压。
所述的存储与分离离子的方法，该存储离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，用于束缚所需存储的该离子在该离子阱内运动。
所述的新型矩形离子阱，该分离离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，并向该前电极与该后电极施加交流电压，以使该离子阱内的该离子从该缝隙飞出，进行检测。
本发明还提出了另外一种新型矩形离子阱装置，包括前端盖、中间部分、后端盖，其特征在于，该前端盖，包括前端盖左电极、前端盖中间层绝缘体、前端盖右电极，该前端盖左电极和该前端盖右电极分别位于该前端盖中间层绝缘体的左右两侧，且该前端盖的中心位置为贯通的，当该离子阱处于离子注入存储阶段时，该前端盖用于吸引所要存储的离子进入该离子阱，当该离子阱离子分离检测阶段时，该前端盖用于阻止与该离子阱内的离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱、阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；
该后端盖，包括后端盖左电极、后端盖中间层绝缘体、后端盖右电极，该后端盖左电极和该后端盖右电极分别位于该后端盖中间层绝缘体的左右两侧，且该后端盖电极与该前端盖的轴线相同，该后端盖的中心位置为贯通的，当该离子阱处于离子注入存储阶段时，该后端盖用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于减小所要存储的该离子的动能；
该中间部分包括，前电极，后电极，上电极，下电极，其中该前电极与该后电极、该上电极与该下电极分别沿该前端盖的该轴线对称，且这些电极在该前端盖与该后端盖电极之间形成一围绕该轴线的空间区域，用于存储或分离离子。
所述的新型矩形离子阱装置，该前端盖左电极、该前端盖右电极与该前端盖中间层绝缘体的距离小于等于0.5毫米；该后端盖左电极、该后端盖右电极与该后端盖中间层绝缘体的距离小于等于0.5毫米。
所述的新型矩形离子阱装置，该前端盖到该空间区域的距离与该后端盖到该空间区域的距离相同。
所述的新型矩形离子阱装置，在该前电极与该后电极的中心位置分别设置贯通于该前电极与该后电极的缝隙。
本发明根据第二种新型离子阱提出了一种存储与分离离子的方法，包括：
存储离子步骤，当该离子阱处于注入存储阶段时，该前端盖左电极施加与所要存储的离子电性相反的电压，用于吸引所要存储的该离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该前端盖逃出该离子阱；该后端盖左电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱；该后端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相反的电压，用于减小所要存储的该离子的动能；
分离离子步骤，当该离子阱处于分离检测阶段时，该前端盖左电极施加与该离子阱内的离子电性相同的电压，用于阻止与该离子阱内的该离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；该后端盖左电极与该后端盖右电极分别施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压。
所述的存储与分离离子的方法，该存储离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，用于束缚所需存储的该离子在该离子阱内运动。
所述的存储与分离离子的方法，该分离离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，并向该前电极与该后电极施加交流电压，以使该离子阱内的该离子从该缝隙飞出，进行检测。
本发明在离子注入存储阶段，能够有效地减少离子进入离子阱后再从前端盖出来的概率，从而显著增加单位时间内离子存储的数量；在离子分离检测阶段，通过调节前后端盖的电压，将离子往离子阱中心挤压，有利于离子云的集中且便于检测，从而提高离子检测的信号强度和分辨率。对于以此新型矩形离子阱为质量分析器的质谱仪具有更好的离子存储效率、更佳的分析性能，该离子阱延续了矩形离子阱加工简单的特点，克服了离子注入存储效率的不足，能够作为一款广泛应用的质量分析器。
本发明所提出的提出一种特殊前端盖的新型矩形离子阱质量分析器及其操作方法，相对出传统结构的矩形离子阱，具有如下优点和应用性：
1、能够显著提高离子存储效率(即提高单位时间存储离子的数量)，一方面是有效存储相同数量的离子所需时间更短，提高了分析的速度，单位时间内能够获得更多质谱信息；二是对于稀有离子(低丰度离子)的存储特别有意义，增加的离子存储效率能够有效提高稀有离子的存储量并提供其检出的可能性。
2、在离子检测阶段，特殊双端盖弥补端盖圆孔电场缺陷，能够有效挤压离子向中心运动，从而提高离子分离性能，即提高质量分辨率和信号强度。
应用于传统的质谱分析，该离子阱具有更快的速度、更好的质量分别率和信号检测强度；应用于复杂基质中稀有离子(低丰度离子)的质谱分析，具有更低的检测限和分析性能。
因此该离子阱延续了矩形离子阱加工简单的特点，克服了离子注入存储效率的不足，提高了分析性能，能够作为一款广泛应用的质谱质量分析器。
附图说明
图1为具有特殊前端盖的新型离子阱装置示意图；
图2a为具有特殊前端盖的新型离子阱装置仰视图；
图2b为具有特殊前端盖的新型离子阱装置的特殊前端盖的结构图；
图2c为具有特殊前端盖的新型离子阱的内视图；
图3为具有特殊前端盖的新型离子阱在离子注入存储阶段的操作示意图；
图4为具有特殊前端盖的新型离子阱在离子分离检测阶段的操作示意图；
图5为具有特殊前后端盖的新型离子阱装置示意图；
图6a为具有特殊前后端盖的新型离子阱装置仰视图；
图6b为具有特殊前后端盖的新型离子阱装置的特殊前端盖的结构图；
图6c为具有特殊前后端盖的新型离子阱装置的特殊后端盖的结构图；
图6d为具有特殊前后端盖的新型离子阱的内视图；
图7为具有特殊前后端盖的新型离子阱在离子注入存储阶段操作示意图；
图8为具有特殊前后端盖的新型离子阱在离子分离检测阶段操作示意图；
图9为两个具有特殊前端盖的新型离子阱连接在一起的示意图；
图10为两个具有特殊前后端盖的新型离子阱连接在一起的示意图。
其中，附图标记为：
11 为前端盖；
12 为中间部分；
13 为后端盖；
100 为前端盖左电极；
110 为前端盖中间层绝缘体；
120 为前端盖右电极；
101、111、121为100、110、120 上的圆孔；
130 为前电极；
140 为后电极；
150 为上电极；
160 为下电极；
131 为130、140上的狭缝；
以上附图标记为具有特殊前端盖的新型离子阱装置的附图标记；
以下附图标记为具有特殊前后端盖的新型离子阱装置的附图标记；
21 为前端盖；
22 为中间部分；
23 为后端盖；
401、411、421为100、110、120 上的圆孔；
430 为前电极；
440 为后电极；
450 为上电极；
460 为下电极；
431 为430、440上的狭缝；
470 为后端盖左电极；
480 为后端盖中间层绝缘体；
490 为后端盖右电极；
471、481、491为470、480、490 上的圆孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体说明。
如图1所示，本发明的新型矩形离子阱包括：前端盖11、中间部分12、后端盖13，该中间部分12位于该前端盖11和该后端盖13之间，且该中间部分12、该前端盖11、该后端盖13轴线相同，该中间部分12与该前端盖11、该后端盖13具有一定距离，该距离约为2mm左右。
如图2a、图2b和图2c所示，该前端盖11包括前端盖左电极100、前端盖中间层绝缘体110、前端盖右电极120，其中该前端盖11的中心位置为圆孔(以圆孔为例，也可以是椭圆或狭缝，本发明在此不做限定)，即该前端盖左电极100包含位于中心位置的圆孔101，该前端盖中间层绝缘体110包含位于中心位置的圆孔111，该后端盖右电极120包含位于中心位置的圆孔121，且这些圆孔位于同一轴线上；该中间部分12包括前电极130、后电极140、上电极150、下电极160；该后端盖13包括一中心位置为圆孔(以圆孔为例，也可以是椭圆或狭缝，本发明在此不做限定)的后端盖电极，除了前端盖中间层绝缘体110是绝缘体外，其他的部件都可以导电，前端盖左电极100与前端盖右电极120形状一致，紧贴在前端盖中间层绝缘体110的两侧，前端盖中间层绝缘体110要求非常薄，通常不超过0.5mm。前端盖右电极120与后端盖电极距离该中间部分12的距离一样，均较小，约2mm左右。
如图2a和图2c所示，前电极130、后电极140沿该中间部分12的轴线对称，上电极150、下电极160沿该中间部分12的轴线对称，且前电极130、后电极140、上电极150、下电极160围成一矩形，且该前电极130、后电极140包含一对很窄且对称的狭缝131，用于所分离的离子弹出并进行检测。
在前端盖左电极100上施加直流电压DC1，在前端盖右电极120上施加直流电压DC2，在前电极130和后电极140上施加直流电压DC3和交流电压AC1，同时施加射频电压RF2，在上电极150和下电极160上施加直流电压DC3和射频电压RF1(RF1与RF2电压幅度和频率相同，其相位相差180度)，在后端盖左电极上施加直流电压DC4。
前端盖中间层绝缘体110的作用：一是阻止前端盖右电极120及新型离子阱内的电场影响前端盖左电极100以左的空间的离子运动，二是阻止前端盖左电极100电场影响到新型离子阱内的空间的离子运动。
以下为通过本发明提供的新型离子阱来存储与分离离子的具体步骤：
存储离子步骤，当该离子阱处于注入存储阶段时，该前端盖左电极施加与所要存储的离子电性相反的电压，用于吸引所要存储的该离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该前端盖逃出该离子阱；该后端盖施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱；
分离离子步骤，当该离子阱处于分离检测阶段时，该前端盖左电极施加与该离子阱内的离子电性相同的电压，用于阻止与该离子阱内的该离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；该后端盖施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压。
该存储离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，用于束缚所需存储的该离子在该离子阱内运动。
该分离离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，并向该前电极与该后电极施加交流电压，以使该离子阱内的该离子从该缝隙逐出，进行检测。
如图3所示，以正离子为例举例说明，在离子注入存储阶段，在前端盖左电极100上施加直流电压DC1为负电压，用于促使正离子注入到新型离子阱内；前端盖右电极120上施加的直流电压DC2为正电压，对正离子的注入产生少量的阻力，通过少量增加该正离子注入时的初速度从而保证该正离子的顺利注入，合适的正电压DC2将有效阻止该正离子从新型离子阱内通过前端盖圆孔逃出，在上电极150、下电极160上施加射频电压RF1，与需要存储的离子的核质比(m/e)紧密相关，可参考如下公式：
Eq.1中，Vrf即为RF1，A2是四极场扩展系数，qx是马修方程参数(往往不超过0.8，通常在0.3左右)，xo是离子阱空间中心点到前或后的距离，w是RF1的频率。
在前电极130、后电极140上施加射频电压RF2，RF2与RF1反相位，同时在前电极130、后电极140、上电极150、下电极160上均施加直流电压DC3为负电压，用于束缚住正离子，使其尽可能在新型离子阱内运动，在后端盖电极上施加直流电压DC4为正电压，该正电压阻止具有一定动能的正离子通过后端盖圆孔逃出新型离子阱，但是DC4不宜过大，如果太大会增加离子从前端盖圆孔逃出的概率。在新型离子阱内的正离子的动能主要取决于正离子进入新型离子阱前的初始动能、DC1的电压值和DC3的电压值，而阻止正离子从后端盖电极逃出的主要电压是电压DC4、阻止离子从前端盖11逃出的主要电压是电压DC2。
如图4所示，以正离子为例举例说明，在离子分离检测阶段，前端盖左电极100上施加直流电压DC1为正电压，用于阻止离子从前端盖圆孔进入新型离子阱内；前端盖右电极120上施加的直流电压DC2为正电压，不仅用于阻止离子从前端盖圆孔逃出，而且还用于将正离子向新型离子阱中心挤压，在上电极150、下电极160上施加射频电压RF1，与需要存储的离子的核质比(m/e)紧密相关，可参考如下公式：
Eq.1中，Vrf即为RF1，A2是四极场扩展系数，qx是马修方程参数(往往不超过0.8，通常在0.3左右)，xo是离子阱空间中心点到前或后的距离，w是RF1的频率。
在前电极130、后电极140上施加射频电压RF2，RF2与RF1反相位，同时在前电极130、后电极140、上电极150、下电极160上均施加直流电压DC3为负电压，用于束缚住正离子尽可能在新型离子阱内运动，在后端盖电极上施加直流电压DC4为正电压，不仅用于阻止离子从后端盖电极的圆孔逃出，而且还用于将正离子向新型离子阱中心挤压，在离子分离检测阶段，DC2的电压值与DC4的电压值相同，在前电极130、后电极140上施加交流电压AC1，在上电极150、下电极160上施加射频电压RF1(在前电极130、后电极140上的电极施加射频电压RF2)与前电极130、后电极140上交流电压AC1配合将离子依照质荷比从小到大的顺序从狭缝131中逐出，到达检测器，通过检测器获得定性与定量信息。
以下为本发明的另一实施例：
如图5所示，本发明的新型矩形离子阱包括：前端盖21、中间部分22、后端盖23，该中间部分22位于该前端盖21和该后端盖23之间，且该中间部分22、该前端盖21、该后端盖23轴线相同，该中间部分22与该前端盖21、该后端盖23具有一定距离，该距离约为2mm左右。
如图6a、图6b、图6c和图6d所示，该前端盖21包括前端盖左电极100、前端盖中间层绝缘体110、前端盖右电极120，其中该前端盖21的中心位置为圆孔(以圆孔为例，也可以是椭圆或狭缝，本发明在此不做限定)，即该前端盖左电极100包含位于中心位置的圆孔401，该前端盖中间层绝缘体110包含位于中心位置的圆孔411，该后端盖右电极120包含位于中心位置的圆孔421，且这些圆孔位于同一轴线上；该中间部分22包括前电极430、后电极440、上电极450、下电极460；该后端盖23包括后端盖左电极470、后端盖中间层绝缘体480、后端盖右电极490，其中该后端盖23的中心位置为圆孔(以圆孔为例，也可以是椭圆或狭缝，本发明在此不做限定)，即该后端盖左电极470包含位于中心位置的圆孔471，该后端盖中间层绝缘体480包含位于中心位置的圆孔481，该后端盖右电极490包含位于中心位置的圆孔491，且这些圆孔位于同一轴线上，除了前端盖中间层绝缘体110和后端盖中间层绝缘体480形状一致且为绝缘体，除110和480之外的其他部件都可以导电，前端盖左电极100、前端盖右电极120、后端盖左电极470、后端盖右电极490形状一致，分别紧贴在前端盖中间层绝缘体110和后端盖中间层绝缘体480的两侧，前端盖中间层绝缘体110和后端盖中间层绝缘体480要求非常薄，通常不超过0.5mm，前端盖右电极120与后端盖左电极470距离该中间部分22的距离一样，均较小，约2mm左右。
如图6a和图6d所示，前电极430、后电极440沿该中间部分22的轴线对称，上电极450、下电极460沿该中间部分22的轴线对称，且前电极430、后电极440、上电极450、下电极460围成一矩形，且该前电极430、后电极440包含一对很窄且对称的狭缝431，用于所分离的离子弹出并进行检测。
在前端盖左电极100上施加直流电压DC1，在前端盖右电极120上施加直流电压DC2，在前电极430和后电极440上施加直流电压DC3和交流电压AC1，同时施加射频电压RF2，在上电极450和下电极460上施加直流电压DC3和射频电压RF1(RF1与RF2电压幅度和频率相同，其相位相差180度)，在后端盖左电极470上施加直流电压DC4，在后端盖右电极490上施加直流电压DC5。
前端盖中间层绝缘体110的作用：一是阻止前端盖右电极120及离子阱内的电场影响前端盖左电极100以左的空间，二是阻止前端盖左电极110电场的影响新型离子阱内的空间，后端盖中间层绝缘体480具有前端盖中间层绝缘体110相同的作用。
以下为通过本发明提供的新型离子阱来存储与分离离子的具体步骤：
存储离子步骤，当该离子阱处于注入存储阶段时，该前端盖左电极施加与所要存储的离子电性相反的电压，用于吸引所要存储的该离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该前端盖逃出该离子阱；该后端盖左电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱；该后端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相反的电压，用于减小所要存储的该离子的动能；
分离离子步骤，当该离子阱处于分离检测阶段时，该前端盖左电极施加与该离子阱内的离子电性相同的电压，用于阻止与该离子阱内的该离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；该后端盖左电极与该后端盖右电极分别施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压。
该存储离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，用于束缚所需存储的该离子在该离子阱内运动。
该分离离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，并向该前电极与该后电极施加交流电压，以使该离子阱内的该离子从该缝隙飞出，进行检测。
如图7所示，以正离子为例举例说明，在离子注入存储阶段，在前端盖左电极100上施加直流电压DC1为负电压，用于正离子注入到新型离子阱内；在前端盖右电极120上施加直流电压DC2为正电压，用于对正离子的注入有少量的阻力，通过少量增加正离子初速度从而保证正离子的顺利注入，合适的正电压DC2将有效阻止正离子从新型离子阱内通过前端盖圆孔逃出；在上电极450和下电极460上施加射频电压RF1，与需要存储的离子的核质比(m/e)紧密相关，可参考如下公式：
Eq.1中，Vrf即为RF1，A2是四极场扩展系数，qx是马修方程参数(往往不超过0.8，通常在0.3左右)，xo是离子阱空间中心点到前或后的距离，w是RF1的频率。
在前电极430、后电极440上施加射频电压RF2，射频电压RF2与射频电压RF1反相位，在前电极430、后电极440、上电极450和下电极460上均施加直流电压DC3为负电压，用于束缚住正离子使其尽可能在新型离子阱内运动；在后端盖左电极480上施加直流电压DC4为正电压，该正电压阻止具有一定动能的正离子通过后端盖圆孔逃出新型离子阱，然而DC4不宜过大，如果太大会增加正离子从前端盖圆孔逃出的概率，在后端盖右电极490上施加直流电压DC5为负电压，有利于降低正离子的动能，在新型离子阱内的正离子的动能主要取决于正离子进入新型离子阱前的初始动能、DC1的电压值和DC3的电压值，而阻止正离子从后端盖23逃出的主要电压DC4，阻止正离子从前端盖21逃出的主要电压是DC2。
如图8所示，以正离子为例举例说明，在离子分离检测阶段，前端盖左电极100上施加直流电压DC1为正电压，用于阻止正离子从前端盖圆孔进入新型离子阱内；前端盖右电极120上施加的直流电压DC2为正电压，不仅用于阻止正离子从前端盖圆孔逃出，而且还用于将正离子向新型离子阱中心挤压；在上电极450和下电极460上施加合适射频电压RF1，与需要存储的离子的核质比(m/e)紧密相关，可参考如下公式：
Eq.1中，Vrf即为RF1，A2是四极场扩展系数，qx是马修方程参数(往往不超过0.8，通常在0.3左右)，xo是离子阱空间中心点到前或后的距离，w是RF1的频率。
在前电极430、后电极440上施加射频电压RF2，RF2与RF1反相位，在前电极430、后电极440、上电极450、下电极460上均施加直流电压DC3为负电压，用于束缚住正离子使其尽可能在新型离子阱内运动；在后端盖左电极470上施加直流电压DC4为正电压，不仅用于阻止正离子从后端盖圆孔逃出，而且还用于将正离子向新型离子阱中心挤压，在离子分离检测阶段，DC2的电压值与DC4的电压值相同，同时在后端盖右电极490上施加直流电压DC5为正电压，在前电极430、后电极440上的电极施加交流电压AC1，在上电极450、下电极460上的电极射频电压RF1(在X轴方向上的电极施加射频电压RF2)与前电极430、后电极440上交流电压AC1配合将正离子依照质荷比从小到大的顺序从狭缝431逐出，到达检测器，从而获得定性与定量信息。同为正电压的DC1和DC5有利于修正前后端盖圆孔所产生的电场缺陷，更利于将正离子向新型离子阱中心挤压，使正离子更集中，有利于获得更高的信号强度和更好的质量分辨率。
图9是具有特殊前端盖的新型矩形离子阱串联系统示意图。如图所示，该系统是有特殊前端盖的新型矩形离子阱串联。两个离子阱间相距2mm到10mm。第一个离子阱的特殊前端盖用于提高第一个离子阱的注入存储效率，操作模式类似于图3。第二个离子阱的特殊前端盖用于提高离子从第一个离子阱传输到第二离子阱的的注入存储效率，特别是降低离子从第一个阱离子进入到第二离子阱后再返回第一个离子阱的概率，第二离子阱的操作模式类似于图3，第一个离子离子阱的DC2为正，DC3提高，为正或为零，而DC4为负引导离子进入第二个离子阱。在离子检测阶段，第二个离子阱的操作模式类似图4所示。
图10是具有特殊前后端盖的新型矩形离子阱串联系统示意图。如图所示，该系统是有特殊前后端盖的新型矩形离子阱串联。两个离子阱间相距2mm到10mm。第一个离子阱的特殊前端盖用于提高第一个离子阱的注入存储效率，操作模式类似于图7。第二个离子阱的特殊前端盖用于提高离子从第一个离子阱传输到第二离子阱的的注入存储效率，特别是降低离子从第一个阱离子进入到第二离子阱后再返回第一个离子阱的概率，第二离子阱的操作模式类似于图7，第一个离子离子阱的DC2为正，DC3提高，为正或为零，而DC4和DC5为负引导离子进入第二个离子阱。在离子检测阶段，第二个离子阱的操作模式类似图8所示。

Claims (14)

1.一种新型矩形离子阱装置，包括前端盖、中间部分、后端盖，其特征在于，该前端盖包括：前端盖左电极、前端盖中间层绝缘体、前端盖右电极，该前端盖左电极和该前端盖右电极分别位于该前端盖中间层绝缘体的左右两侧，且该前端盖的中心位置为贯通的，当该离子阱处于离子注入存储阶段时，该前端盖用于吸引所要存储的离子进入该离子阱，当该离子阱处于离子分离检测阶段时，该前端盖用于阻止与该离子阱内的离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱、阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；
该后端盖设置为一电极，其中该后端盖与该前端盖的轴线相同，且该后端盖电极的中心位置为贯通的，当该离子阱处于该离子注入存储阶段时，该后端盖用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱，当该离子阱处于该离子分离检测阶段时，该后端盖用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；
该中间部分包括：前电极，后电极，上电极，下电极，其中该前电极与该后电极、该上电极与该下电极分别沿该前端盖的该轴线对称，且这些电极在该前端盖与该后端盖电极之间形成一围绕该轴线的空间区域，用于存储或分离离子。
2.如权利要求1所述的新型矩形离子阱装置，其特征在于，该前端盖左电极、该前端盖右电极与该前端盖中间层绝缘体的距离小于等于0.5毫米。
3.如权利要求1所述的新型矩形离子阱装置，其特征在于，该前端盖到该空间区域的距离与该后端盖到该空间区域的距离相同。
4.如权利要求1所述的新型矩形离子阱装置，其特征在于，在该前电极与该后电极的中心位置分别设置贯通于该前电极与该后电极的缝隙。
5.一种利用如权利要求4所述新型矩形离子阱装置进行存储与分离离子的方法，其特征在于，包括：
存储离子步骤，当该离子阱处于注入存储阶段时，该前端盖左电极施加与所要存储的离子电性相反的电压，用于吸引所要存储的该离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该前端盖逃出该离子阱；该后端盖施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱；
分离离子步骤，当该离子阱处于分离检测阶段时，该前端盖左电极施加与该离子阱内的离子电性相同的电压，用于阻止与该离子阱内的该离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；该后端盖施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压。
6.如权利要求5所述的存储与分离离子的方法，其特征在于，该存储离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，用于束缚所需存储的该离子在该离子阱内运动。
7.如权利要求5所述的存储与分离离子的方法，其特征在于，该分离离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，并向该前电极与该后电极施加交流电压，以使该离子阱内的该离子从该缝隙飞出，进行检测。
8.一种新型矩形离子阱装置，包括前端盖、中间部分、后端盖，其特征在于，该前端盖，包括前端盖左电极、前端盖中间层绝缘体、前端盖右电极，该前端盖左电极和该前端盖右电极分别位于该前端盖中间层绝缘体的左右两侧，且该前端盖的中心位置为贯通的，当该离子阱处于离子注入存储阶段时，该前端盖用于吸引所要存储的离子进入该离子阱，当该离子阱处于离子分离检测阶段时，该前端盖用于阻止与该离子阱内的离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱、阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；
该后端盖，包括后端盖左电极、后端盖中间层绝缘体、后端盖右电极，该后端盖左电极和该后端盖右电极分别位于该后端盖中间层绝缘体的左右两侧，且该后端盖电极与该前端盖的轴线相同，该后端盖的中心位置为贯通的，当该离子阱处于离子注入存储阶段时，该后端盖用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于减小所要存储的该离子的动能；
该中间部分包括，前电极，后电极，上电极，下电极，其中该前电极与该后电极、该上电极与该下电极分别沿该前端盖的该轴线对称，且这些电极在该前端盖与该后端盖电极之间形成一围绕该轴线的空间区域，用于存储或分离离子。
9.如权利要求8所述的新型矩形离子阱装置，其特征在于，该前端盖左电极、该前端盖右电极与该前端盖中间层绝缘体的距离小于等于0.5毫米；该后端盖左电极、该后端盖右电极与该后端盖中间层绝缘体的距离小于等于0.5毫米。
10.如权利要求8所述的新型矩形离子阱装置，其特征在于，该前端盖到该空间区域的距离与该后端盖到该空间区域的距离相同。
11.如权利要求8所述的新型矩形离子阱装置，其特征在于，在该前电极与该后电极的中心位置分别设置贯通于该前电极与该后电极的缝隙。
12.一种利用如权利要求11所述新型矩形离子阱装置进行存储与分离离子的方法，其特征在于，包括：
存储离子步骤，当该离子阱处于注入存储阶段时，该前端盖左电极施加与所要存储的离子电性相反的电压，用于吸引所要存储的该离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该前端盖逃出该离子阱；该后端盖左电极施加与所要存储的该离子电性相同的电压，用于阻止所要存储的该离子从该后端盖逃出该离子阱；该后端盖右电极施加与所要存储的该离子电性相反的电压，用于减小所要存储的该离子的动能；
分离离子步骤，当该离子阱处于分离检测阶段时，该前端盖左电极施加与该离子阱内的离子电性相同的电压，用于阻止与该离子阱内的该离子电性相同的该离子阱外离子进入该离子阱；该前端盖右电极施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该前端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压；该后端盖左电极与该后端盖右电极分别施加与该离子阱内的该离子电性相同的电压，用于阻止该离子阱内的该离子从该后端盖逃出该离子阱，还用于将该离子阱内的该离子向该离子阱中心挤压。
13.如权利要求12所述的存储与分离离子的方法，其特征在于，该存储离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，用于束缚所需存储的该离子在该离子阱内运动。
14.如权利要求12所述的存储与分离离子的方法，其特征在于，该分离离子步骤还包括：该前电极与该后电极施加射频电压，该上电极与该下电极施加与该射频电压反相位的射频电压，同时该前电极、该后电极、该上电极、该下电极分别施加与所需存储的该离子电性相反的电压，并向该前电极与该后电极施加交流电压，以使该离子阱内的该离子从该缝隙飞出，进行检测。
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