CN106711009A - 高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪及其实现方法，其中，所述质谱仪包括：离子阱以及飞行时间分析器；所述离子阱包括：第一离子门、中间电极以及第二离子门，所述中间电极位于所述第一离子门和第二离子门之间，所述第一离子门形成离子入口，其上施加有直流偏置电压，所述第二离子门形成离子出口，其上施加有引出脉冲电压，所述飞行时间分析器设置于所述离子阱的下游，并接收自所述第二离子门中先后引出的离子段。本发明通过设置不同的推斥脉冲延时时间，可以扩大检测离子的质量范围。此外，由于不需要将离子重新填充离子阱及重复所有操作，可以有效的提高离子阱与飞行时间质量分析器耦合后的占空比。

Description

高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪及其实现方法

技术领域

本发明涉及离子传输技术领域，尤其涉及一种高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪及其实现方法。

背景技术

飞行时间(TOF)质量分析器根据离子在真空中的飞行时间的差异来区分不同质荷比的离子，具有高速、高分辨和较宽的质量范围。线性离子阱(LIT)由一组四极杆及前后端盖电极组成，通过施加在端盖电极上的阻挡电势，在离子阱轴向上形成一个势阱，从而将离子束缚住，其具有高容量、多级串级能力。由于采用垂直引入式TOF可以较好地与脉冲式离子束连接，因此在质谱仪的技术中已知，采用线性离子阱与垂直引入式TOF耦合串联，通过合适的传输接口及电控时序，可以实现具有线性离子阱功能的串联飞行时间质谱仪，并用于生物分析、蛋白质鉴定等高精尖领域。

采用LIT与TOF耦合时，离子引出方式分为轴向和径向。采用径向引出结构时，离子从四极电极开口处引出，直接进入正交的TOF飞行轨道。此种离子引出方式，由于残留RF减幅震荡及离子束的时间分散和空间分散，极大的降低了TOF的分辨率及质量精度。虽然，迈克尔·苏达科夫等人提出了一种将离子从阱射入TOF的方法，可以改善残留RF减幅震荡对TOF性能造成的影响，但径向离子束的时间分散和空间分散是一个不可逾越的问题。采用轴向引出结构，结合高分辨的垂直引入式TOF，通过合适的传输接口及电控时序，可以有效的避免及解决以上问题。

但是，采用轴向引出结构则受到位置及质量区别的影响。具体地，1)当离子门打开时，仅能引出一段位置的离子，即聚焦在阱前段靠近出口处的离子，而阱内后段的离子则由于漂移时间长，无法有效的引出；2)当施加推斥脉冲时，调制区仅包含特定质量范围的离子，即已经达到尚未消失的离子，因此一次仅可以将有限质量范围的离子引出到TOF。当分析较宽质量范围的离子时，则需要进行多个子范围的离子检测。由于每个子范围的分析需要利用离子重新填充离子阱并且重复所有操作，导致仪器的占空比偏低。

有鉴于此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪及其实现方法，以克服现有技术中存在的不足。

为实现上述发明目的，本发明提供一种高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其包括：离子阱以及飞行时间分析器；

所述离子阱包括：第一离子门、中间电极以及第二离子门，所述中间电极位于所述第一离子门和第二离子门之间，所述第一离子门形成离子入口，其上施加有直流偏置电压，所述第二离子门形成离子出口，其上施加有引出脉冲电压，所述飞行时间分析器设置于所述离子阱的下游，并接收自所述第二离子门中先后引出的离子段。

作为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的改进，所述中间电极为直杆四级杆结构或三段式四极杆结构。

作为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的改进，所述中间电极为直杆四级杆结构时，所述直杆四级杆上施加有射频电压，其中相邻的电极上施加幅值相同、方向相反的电压，相对的电极上施加幅值相位均一致的电压。

作为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的改进，所述中间电极为三段式四极杆结构时，三对四极杆上施加有射频电压，其中第一四极杆和第三四极杆上施加脉冲偏置电压，第二四极杆上施加直流偏置电压。

作为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的改进，所述质谱仪还包括调制区和推斥区，所述调制区和推斥区依次位于所述离子阱和飞行时间分析器之间，所述推斥区具有推斥脉冲电压，所述引出脉冲电压与所述推斥脉冲电压为联动施加，且所述引出脉冲电压与所述推斥脉冲电压之间具有延时时间，所述延时时间为引出的离子通过所述调制区的漂移时间。

作为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的改进，所述调制区包括直流静电四级杆和一维单透镜。

作为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的改进，所述推斥区包括负脉冲电极和推斥板，所述推斥脉冲电压施加于所述推斥板上。

作为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的改进，所述引出脉冲电压第一次由高电平变为低电平时，同步发送TTL信号至所述推斥板，经过所述延时时间，于所述推斥板上施加所述推斥脉冲电压。

为实现上述发明目的，本发明提供一种根据如上所述高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪实现离子分段引出的方法，其包括如下步骤：

S1、在第一离子门上施加直流偏置电压，在第二离子门上施加引出脉冲电压；

S2、通过时序控制调节所述直流偏置电压为低电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为高电平，实现离子阱中离子的导入；

S3、通过时序控制调节所述直流偏置电压为高电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为低电平，实现离子阱中第一段离子的引出；

S4、通过时序控制调节所述引出脉冲电压由低电平变为高电平，再由高电平变为低电平，实现离子阱中第二段离子的引出；

S5、重复步骤S4，实现离子阱中离子的分段引出。

为实现上述发明目的，本发明提供一种根据如上所述高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪实现离子分段引出的方法，其包括如下步骤：

S1’、在第一离子门上施加直流偏置电压，在第二离子门上施加引出脉冲电压；

S2’、通过时序控制调节所述直流偏置电压为低电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为高电平，实现离子阱中离子的导入；

S3’、通过时序控制调节所述直流偏置电压为高电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为低电平，实现离子阱中第一段离子的引出，同步发送TTL信号至推斥板，经过延时时间，于推斥板上施加推斥脉冲电压；

S4’、通过时序控制调节所述引出脉冲电压由低电平变为高电平，再由高电平变为低电平，实现离子阱中第二段离子的引出；

S5’、重复步骤S4，实现离子阱中离子的分段引出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪通过引出脉冲高、低电平的切换控制离子的囚禁与释放，可以实现阱内不同位置离子的分段引出。从而，本发明提高了离子引出效率和质量范围，同时，由于不需要将离子重新填充离子阱及重复所有操作，可以有效的提高离子阱与飞行时间耦合后的占空比，有利于提高离子阱与飞行时间耦合的整体性能。

附图说明

图1为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪一具体实施方式的平面示意图，其中，中间电极为直杆四级杆结构；

图2为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪一具体实施方式的平面示意图，其中，中间电极为三段式四极杆结构；

图3为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪离子阱内的离子分布图，其中，(1)为中间电极为直杆四级杆结构时的情形，(2)为中间电极为三段式四极杆结构时的情形；

图4为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的离子阱上直流电场的分布图；

图5为对第二离子门上施加直流偏置电压时，离子被引入调制区的飞行轨迹图；

图6为第二离子门上施加引出脉冲电压时，离子被引入调制区的飞行轨迹图；

图7为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的电控时序示意图，其中，中间电极为直杆四级杆结构；

图8为本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪的电控时序示意图，其中，中间电极为三段式四极杆结构。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪包括：离子阱以及飞行时间分析器。

所述离子阱包括：第一离子门1、中间电极2以及第二离子门3，所述中间电极2位于所述第一离子门1和第二离子门3之间。其中，所述第一离子门1作为离子入口，其上施加有直流偏置电压。所述第二离子门3作为离子出口，其上施加有引出脉冲电压。所述飞行时间分析器设置于所述离子阱的下游，并接收自所述第二离子门3中先后引出的离子段。

所述引出脉冲电压为幅值、占空比可调、频率为100Hz的脉冲电压。从而，当离子导入离子阱时，所述第一离子门1为低电平，所述第二离子门3为高电平，离子自所述离子入口进入离子阱中。当离子囚禁于离子阱中时，所述第一离子门1和第二离子门3均为高电平，此时，离子被囚禁于阱内，并与阱内的气体分子进行碰撞冷却，可根据需要进行相关操作，包括贮存离子、冷却聚焦、选择和激发母离子、CID生成产物离子等。其中，所述相关操作是借助施加在中间电极2上的射频电压而实现的。

当离子自所述离子出口分段引出时，所述第一离子门1为高电平，所述第二离子门3由高电平变为低电平，此时，离子门打开，聚焦在离子阱前端的离子，先自所述离子出口引出。随后，所述第二离子门3由低电平变为高电平，离子门关闭，未被引出的离子被继续囚禁在离子阱内。当第二离子门3再次由高电平变为低电平时，离子门打开，阱内离子再次被引出。如此，通过所述引出脉冲电压高、低电平的切换，可控制离子的囚禁与释放，并实现离子阱不同位置离子的分段引出。

所述中间电极2可以为直杆四级杆结构或三段式四极杆结构。所述中间电极2为直杆四级杆结构时，所述直杆四级杆上施加有射频电压，其中相邻的电极上施加幅值相同、方向相反的电压，相对的电极上施加幅值相位均一致的电压。

如图2所示，进一步地，所述中间电极2为三段式四极杆结构时，三对四极杆上施加有射频电压，其中第一四极杆21和第三四极杆23上施加脉冲偏置电压，第二四极杆22上施加直流偏置电压。如图3、4所示，具体地，由图3可知，当离子囚禁于离子阱中时，第一电极21和第三电极23电势升高，离子被聚焦在阱内中段。当离子门打开时，第一电极21电平继续升高，第三电极23相对为低电平，从而阱内轴向引出电势增加。由图4可知，在离子开门阶段的轴向电势明显升高，从而可以有效的提高阱内离子的轴向引出效率。

为了实现高、低质量数离子的分段引出，所述质谱仪还包括调制区和推斥区，其中，所述调制区和推斥区依次位于所述离子阱和飞行时间分析器之间，引出的离子依次经过所示调制区和推斥区进入到飞行时间分析器中。所述推斥区具有推斥脉冲电压，所述引出脉冲电压与所述推斥脉冲电压为联动施加，且所述引出脉冲电压与所述推斥脉冲电压之间具有延时时间，所述延时时间为引出的离子通过所述调制区的漂移时间。

具体地，所述调制区包括直流静电四级杆4和一维单透镜5，所述推斥区包括负脉冲电极6和推斥板7，所述推斥脉冲电压施加于所述推斥板7上。如此，所述引出脉冲电压第一次由高电平变为低电平时，同步发送TTL信号至所述推斥板7，经过所述延时时间，于所述推斥板7上施加所述推斥脉冲电压。当推斥脉冲信号进入高电平，此时离子束全部被推斥到飞行时间分析器中，由于高、低质量数离子的漂移时间不同，通过设置不同的延时时间可以实现阱内高、低质量数离子的分段引出。从而，实现了阱内高、低质量数离子的分段引出，提高了离子引出效率和质量范围。同时，由于不需要将离子重新填充离子阱及重复所有操作，可以有效的提高离子阱与飞行时间耦合后的占空比，有利于提高离子阱与飞行时间耦合的整体性能。

以所述第二离子门3上施加直流偏置电压为对比例，配合参照飞行轨迹图5、6所示，由图5可知，对第二离子门上施加直流偏置电压时，所示第二离子门3打开以后，离子束被引出，并进入调制区，当推斥脉冲电压变为高电平时，一部分离子被推斥进入飞行轨道，一部分离子穿过调制区随后消失，还有一部分离子即将进入调制区。由图6可知，对第二离子门上施加引出脉冲电压时，离子束被切割成几小段，每一段分别进入调制区，当推斥脉冲电压变为高电平时，大部分离子被推斥进入飞行轨道，只有一小部分离子穿过调制区。由于每一段的离子漂移时间都存在差异，从而可通过调节推斥脉冲延时，使每次下发推斥脉冲时，能推斥到最多的离子。

下面结合所述中间电极2为直杆四级杆结构或三段式四极杆结构时的电控时序示意图，对离子的分段引出进行进一步说明。

如图7所示，t1为离子引出脉冲低电平持续时间，即离子引出的持续时间，t2为推斥脉冲的脉宽，t3为推斥脉冲的周期，t4和t5为推斥脉冲相对第二离子门3由高电平变为低电平时的延时时间，即离子阱内不同质量数的离子漂移时间，t6为推斥脉冲的持续时间。从而，通过控制t1改变离子引出脉冲占空比，即可调节高、低质量数离子的引出比例及时间，从而适用于不同类型样品的检测。通过控制t2改变推斥脉宽，即可控制推斥脉冲的施加时间以提高离子的利用率，一般情况下，t2的控制范围为50us～1ms。

进一步地，经过直流静电四极杆4和一维单透镜5的调制，引出的离子按照质量数从小到大依次进入推斥区。通过调节t4和t5的大小，可以选择不同的目标离子进入飞行时间分析器。延时t4结束后，施加在推斥板7上的推斥脉冲信号进入高电平，施加在负脉冲电极6上的脉冲信号进入负的高电平。如此低质量数离子在推斥板7与负脉冲电极6形成的电场的作用下进入飞行时间分析器。延时t5结束后，施加在推斥板7上的推斥脉冲信号进入高电平，施加在负脉冲电极6上的脉冲信号进入负的高电平。如此高质量数离子在推斥板7与负脉冲电极6形成的电场的作用下进入飞行时间分析器，从而实现高、低质量数离子分段引出。

如图8所示，t1为离子引出脉冲低电平持续时间，即离子引出的持续时间，t2为推斥脉冲信号的脉宽，t3为推斥脉冲的周期，t4和t5为推斥脉冲相对第二离子门3由高电平变为低电平时的延时时间，即离子阱内不同质量数的离子漂移时间，t6为推斥脉冲的持续时间。从而，通过控制t1改变离子引出脉冲占空比，即可调节高、低质量数离子的引出比例及时间，从而适用于不同类型样品的检测。通过控制t2改变推斥脉宽，即可控制推斥脉冲的施加时间以提高离子的利用率，一般情况下，t2的控制范围为50us～1ms。

经过直流静电四极杆4和一维单透镜5的调制，引出的离子按照质量数从小到大依次进入推斥区，通过调节t4和t5的大小，可以选择不同的目标离子进入飞行时间分析器。延时t4结束后，施加在推斥板7上的推斥脉冲信号进入高电平，施加在负脉冲电极6上的脉冲信号进入负的高电平，如此低质量数离子在推斥板7与负脉冲电极6形成的电场的作用下进入飞行时间分析器。延时t5结束后，施加在推斥板7上的推斥脉冲信号进入高电平，施加在负脉冲电极6上的脉冲信号进入负的高电平。如此高质量数离子在推斥板7与负脉冲电极6形成的电场的作用下进入飞行时间分析器，从而实现高、低质量数离子分段引出。

基于如上所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，本发明还提供一种实现离子分段引出的方法，其具体包括如下步骤：

S1、在第一离子门上施加直流偏置电压，在第二离子门上施加引出脉冲电压；

S2、通过时序控制调节所述直流偏置电压为低电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为高电平，实现离子阱中离子的导入；

S3、通过时序控制调节所述直流偏置电压为高电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为低电平，实现离子阱中第一段离子的引出；

S4、通过时序控制调节所述引出脉冲电压由低电平变为高电平，再由高电平变为低电平，实现离子阱中第二段离子的引出；

S5、重复步骤S4，实现离子阱中离子的分段引出。

如此，通过如上所述的方法可实现阱内不同位置离子的分段引出。进一步地，当所述质谱仪还包括调制区和推斥区时，所述实现离子分段引出的方法包括如下步骤：

S1’、在第一离子门上施加直流偏置电压，在第二离子门上施加引出脉冲电压；

S2’、通过时序控制调节所述直流偏置电压为低电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为高电平，实现离子阱中离子的导入；

S3’、通过时序控制调节所述直流偏置电压为高电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为低电平，实现离子阱中第一段离子的引出，同步发送TTL信号至推斥板，经过延时时间，于推斥板上施加推斥脉冲电压；

S4’、通过时序控制调节所述引出脉冲电压由低电平变为高电平，再由高电平变为低电平，实现离子阱中第二段离子的引出；

S5’、重复步骤S4，实现离子阱中离子的分段引出。

如此，通过如上所述的方法可实现高、低质量数离子的分段引出，其提高了离子引出效率和质量范围。同时，由于不需要将离子重新填充离子阱及重复所有操作，可以有效的提高离子阱与飞行时间耦合后的占空比，有利于提高离子阱与飞行时间耦合的整体性能。

综上所述，本发明的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪通过引出脉冲高、低电平的切换控制离子的囚禁与释放，可以实现阱内不同位置离子的分段引出。从而，本发明提高了离子引出效率和质量范围，同时，由于不需要将离子重新填充离子阱及重复所有操作，可以有效的提高离子阱与飞行时间耦合后的占空比，有利于提高离子阱与飞行时间耦合的整体性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述质谱仪包括：离子阱以及飞行时间分析器；

所述离子阱包括：第一离子门、中间电极以及第二离子门，所述中间电极位于所述第一离子门和第二离子门之间，所述第一离子门形成离子入口，其上施加有直流偏置电压，所述第二离子门形成离子出口，其上施加有引出脉冲电压，所述飞行时间分析器设置于所述离子阱的下游，并接收自所述第二离子门中先后引出的离子段。

2.根据权利要求1所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述中间电极为直杆四级杆结构或三段式四极杆结构。

3.根据权利要求2所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述中间电极为直杆四级杆结构时，所述直杆四级杆上施加有射频电压，其中相邻的电极上施加幅值相同、方向相反的电压，相对的电极上施加幅值相位均一致的电压。

4.根据权利要求2所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述中间电极为三段式四极杆结构时，三对四极杆上施加有射频电压，其中第一四极杆和第三四极杆上施加脉冲偏置电压，第二四极杆上施加直流偏置电压。

5.根据权利要求1所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述质谱仪还包括调制区和推斥区，所述调制区和推斥区依次位于所述离子阱和飞行时间分析器之间，所述推斥区具有推斥脉冲电压，所述引出脉冲电压与所述推斥脉冲电压为联动施加，且所述引出脉冲电压与所述推斥脉冲电压之间具有延时时间，所述延时时间为引出的离子通过所述调制区的漂移时间。

6.根据权利要求5所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述调制区包括直流静电四级杆和一维单透镜。

7.根据权利要求5或6所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述推斥区包括负脉冲电极和推斥板，所述推斥脉冲电压施加于所述推斥板上。

8.根据权利要求7所述的高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪，其特征在于，所述引出脉冲电压第一次由高电平变为低电平时，同步发送TTL信号至所述推斥板，经过所述延时时间，于所述推斥板上施加所述推斥脉冲电压。

9.一种根据权利要求1所述高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪实现离子分段引出的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、在第一离子门上施加直流偏置电压，在第二离子门上施加引出脉冲电压；

S2、通过时序控制调节所述直流偏置电压为低电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为高电平，实现离子阱中离子的导入；

S3、通过时序控制调节所述直流偏置电压为高电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为低电平，实现离子阱中第一段离子的引出；

S4、通过时序控制调节所述引出脉冲电压由低电平变为高电平，再由高电平变为低电平，实现离子阱中第二段离子的引出；

S5、重复步骤S4，实现离子阱中离子的分段引出。

10.一种根据权利要求5所述高离子引出效率的离子阱飞行时间质谱仪实现离子分段引出的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1’、在第一离子门上施加直流偏置电压，在第二离子门上施加引出脉冲电压；

S2’、通过时序控制调节所述直流偏置电压为低电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为高电平，实现离子阱中离子的导入；

S3’、通过时序控制调节所述直流偏置电压为高电平，通过时序控制调节所述引出脉冲电压为低电平，实现离子阱中第一段离子的引出，同步发送TTL信号至推斥板，经过延时时间，于推斥板上施加推斥脉冲电压；

S4’、通过时序控制调节所述引出脉冲电压由低电平变为高电平，再由高电平变为低电平，实现离子阱中第二段离子的引出；

S5’、重复步骤S4，实现离子阱中离子的分段引出。