CN109256317A - 一种存储和传输正负离子的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种存储和传输正负离子的装置和方法，包括导电线电极，打孔绝缘板，支撑件，固定拉伸装置，端电极和离子富集电极。该方法和装置中利用施加在导电线电极的交流变化的电压限制离子在垂直于轴线方向上的运动，利用施加在富集电极上的脉冲直流电压产生轴向梯度电场，使正离子和负离子分离，储存。利用脉冲电压使离子传输至下一个腔体。

Description

一种存储和传输正负离子的装置和方法

技术领域

本发明设计一种同时储存正负离子的装置和方法，可以用于气相离子分析仪器。

背景技术

在质谱设计中，由于气压的不同，当离子从离子源向质量分析器转移过程中会造成离子损失。为减少离子损失，目前通用的设计是利用四极杆，六极杆或八极杆形成垂直于轴向的假势阱，使离子无法在垂直于轴向的方向上逃逸。在轴向上，通过两端电极电压的不同，形成电势差，从而使离子得到传输。由于两端电极距离往往比较长，在中心区域形成的电势差很弱，导致离子传输速度很慢，影响离子传输效率。此外，目前使用的四级杆，六极杆或八极杆大多使用圆形或矩形的电极剖面的实心电极结构，具有很大的表面积，导致电极上的电容很高，对射频电源的功率要求也比较高。

在离子传输过程中，正负离子均被轴向场限制，但两端电极电压会使离子向不同方向传输，因此离子传输时仅能传输正或负的离子，无法传输的离子会损失掉，降低了检测灵敏度。由于需要重新富集和传输另外一种离子，正负离子切换时间较长。

短时间内获得正负离子的信息对样品分析和鉴定有很大帮助，可以拓宽样品检测范围，也可以对某些样品提高灵敏度。多种质量分析器均可以分析分析正负离子，但由于正负离子传输切换时间的限制，导致很难在短时间内获得正负离子信号。

缩小离子引导电极的间距及直径有诸多好处：首先，缩小后的尺寸对于射频电压幅值要求降低，因此减小了对射频电源的要求。其次，离子可以被限制在更小的范围内，在向下一级传输时有较高的离子传输效率。此外，小内径的离子引导电极还可以工作在较高的气压下，可以使离子更快地冷却。但是目前使用的多极杆电极技术难以做到微型化，主要原因是常用多极杆为圆柱形，当内径减小后易发生变形，导致中心场偏离设计参数，使离子传输效率降低。

文献（Analytical Chemistry88(15): 7800-7806）报道了一种使用金属丝制作的离子阱质量分析器。由于质量分析器两端距离很长，造成中心场沿轴向上的电场梯度很小，不利于离子传输。屏蔽电极的使用也造成了光线仅能从沿轴向方向通过，限制了光源的使用。由于使用八个螺母向所有金属丝提供拉力，非常容易使金属丝所受拉力不均匀，导致不均匀的变形，影响内部电场的质量。此外，此装置工作在很低的气压下（0.0006 mbar），无法有效地快速冷却离子，造成离子捕获效率降低。因此此装置无法用于离子传输。

发明内容

为解决以上问题，本人发明了一种可以同时储存正负离子并将储存的正负离子传输的装置。本发明的目的是设计一种低电容且可以同时存储正负离子的装置，减少离子损失，并且减少离子正负切换时间。本发明的离子传输引导电极具有很好的微型化潜力。

根据上述目的，本发明提供了一种同时储存正负离子的装置，包括导电线电极，用于施加交流变化的电压和脉冲直流电压以形成叠加电场；打孔绝缘板，用于固定导电线的位置；支撑件，用于支撑导电线；固定拉伸装置，用于向导电线提供拉力；端电极，用于提供离子轴向的限制电场 。

所述的导电线电极，其特征在于：导电线电极穿过打孔绝缘板，并由固定拉伸装置提供拉力。

所述的固定拉伸装置，其特征在于：固定拉伸装置上设有紧固装置并向导电线电极施加拉力。

所述的导电线电极，其特征在于：导电线电极上施加的电压包括两组交流变化的电压和一组脉冲直流电压导电线电极。

所述的两组交流电压导电线电极，其特征在于：导电线电极上施加的交流变化的电压形成垂直于轴线的交流变化电场。

所述的一组脉冲直流电压导电线电极，其特征在于：脉冲直流电压导电线电极与中心轴线有0至90°的夹角。

所述的一组脉冲直流电压导电线电极，其特征在于：脉冲直流电压导电线电极位于交流电压导电线电势的绝对值小于最高电势20% 的区域。

本发明还提供了一种存储和传输正负离子的方法，包括：将交流电压和直流电压的叠加电压施加在第一组导电线电极上，同时将另一交流电压和直流电压的叠加电压施加在第二组导电线电极上，目的在于形成垂直于轴向的交流变化电场，限制离子在垂直于轴向方向的运动；将交流电压和脉冲直流电压的叠加电压施加在端电极上，目的在于将正负离子分离并防止离子在轴向上逃逸；将脉冲直流电压施加在第三组导电线电极上，目的在于形成和增强轴向电压梯度，使正负离子更易分离。

所述的交流电压和直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在同一组导电线电极内的每一根电极上的交流电压幅值变化范围为同一组内最高电压幅值的50%至100%。

所述的交流电压和直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在第一组导电线电极上的交流电压与施加在第二组导电线上的交流电压有0至180°相位差。

所述的交流电压和直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在第一组导电线电极上的交流电压与施加在第二组导电线上的交流电压幅值差距为第一组电极交流电压幅值的0至100%。

所述的施加在第三组导电线电极上的直流电压，其特征在于：直流电压导电线两端电压有电压差。

所述的施加在端电极上的交流电压和脉冲直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在两个端电极上的脉冲电压在端电极上形成的变化的电压差。

所述的施加在端电极上的交流电压和脉冲直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在一侧端电极上的交流电压幅值有降低过程。

发明内容

附图说明

为让本发明的目的，特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

图1. 是本发明一个较佳实施实例的装置图。

图2. 是本发明中另一个较佳实施实例的装置图。

图3. 是本发明中一种电极结构和电压施加方式。

图4. 是本发明中另一种电极结构和电压施加方式。

图5. 是本发明中另一种电极结构和电压施加方式。

图6. 是本发明中两种脉冲直流电压导电线电极结构。

图7. 是本发明中两组交流电压之间的相位差示意图。

图8. 是本发明中两组交流电压之间的幅值差示意图。

图9. 是本发明中交流电压和脉冲直流电压的叠加电压对正负离子的效果图。

图10. 是本发明中施加在端电极上脉冲直流电压和交流电压示意图。

图11是本发明中施加直流电压的导电线电极位置区域截面示意图。

具体实施方式

本发明的一个主要设计想法是通过导电线电极形成的垂直与轴线上的交流变化的电场实现对离子在垂直于轴向方向的运动进行限制，同时利用轴向上的电势将正负离子分别聚集到引导电极的两端，然后通过施加在端电极上交流变化的电压形成假势阱，阻止离子从两端逃逸。当需要进行离子传输时，降低交流变化电压的幅值，使正离子或负离子按照一定顺序离开离子引导电极。

困扰导电线电极使用的一个难题是如何保证导电线电极的准直。本发明提供了一种对所有导电线电极单独施加拉力的方案，保证所有导电线电极均受到一致的拉力，避免了导电线形变对电场的影响。

具体实施实例一

图1是本发明中的一个较佳实施实例装置图。装置包括导电线电极01，打孔绝缘板02，支撑件03，端电极04以及固定拉伸装置（拉伸螺丝05和固定板06）。导电线电极01从打孔绝缘板穿过，然后通过固定板05的通孔和拉伸螺丝05中心的通孔。导电线电极01通过打结或焊接的方式，使其一端无法通过拉伸螺丝05中心的通孔缩回。通过调节拉伸螺丝05的高度向导电线电极01提供拉力。由于每一根导电线电极01均受到拉伸螺丝05提供的拉力，因此避免了拉力不均匀造成的形变。

支撑件03目的在于向导电线电极01的提供支撑。可由金属或非金属组成。

打孔绝缘板上设置小孔，用于固定导电线电极01。

图3是本发明中的一种导电线电极的电压施加方式。根据施加电压的不同，导电线电极可以分为30和31。导电线电极30上施加一组交流电压和直流电压的叠加电压，在导电线电极31上施加另一组交流电压和直流电压的叠加电压，形成的电场限制离子在垂直于轴向方向的运动。其中，直流电压的范围为-100 V至100V，进一步优选为-20至20 V。

图4是本发明中的另一种导电线电极的连接及电压施加方式。根据施加电压的不同，导电线电极可以分为40，41和46。导电线电极40上施加一组交流电压和直流电压的叠加电压，导电线电极41上施加另一组交流电压和直流电压的叠加电压。其中，直流电压的范围为-100 V至100V，进一步优选为-20至20 V。导电线电极46上一端施加脉冲直流电压。由于导电线电极46上有电阻，导致两端电极电压不同，从而形成在轴向上的梯度电场。梯度电场可以将正负离子快速分离。

图5是本发明中的另一种导电线电极的连接及电压施加方式。根据施加电压的不同，导电线电极可以分为50，51和52。导电线电极50上施加一组交流电压和直流电压的叠加电压，导电线电极51上施加另一组交流电压和直流电压的叠加电压。其中，直流电压的范围为-100 V至100V，进一步优选为-20至20 V。导电线电极52上一端施加脉冲直流电压。由于导电线电极52上有电阻，导致两端电极电压不同，从而形成在轴向上的梯度电场。此外，本例中由于等效电阻53的存在，施加在电极51和52上的电压幅值不一致。通过优化幅值电压，可以获得最佳电场。

图6是本发明中施加脉冲直流电压导电线电极61的两种结构示意图。图中展示了脉冲直流电压导电线电极61与中心轴线的夹角情况。当夹角为0°时，脉冲直流电压导电线电极61平行于中心轴线，两侧的打孔绝缘板63有相同的孔位置。当夹角为90°时，脉冲直流电压导电线电极61垂直于中心轴线。垂直与中心轴线时，中心区域的电场梯度较弱，但两端电场梯度较强，可以更好地将正负离子限制在较小区间。

图7是本发明中两组交流电压71，72，73和74的相位差示意图。当交流电压的相位差为180°时，形成的电场对离子在垂直于轴向上的限制最强。当相位差为150°时，也可以形成对离子在垂直于轴向上的限制。

图8是本发明中两组交流电压81，82，83，84，85和86的幅值差示意图。本例中，交流电压相位差为180°，幅值差范围为0至100%。幅值差为100%时，其中一组交流电压86幅值为0。当幅值差为0%时，形成的电场对离子在垂直于轴向上的限制最强。

图9 是本发明中交流电压和脉冲直流电压的叠加电压对正负离子的效果图。施加在端电极上90，92的交流电压相当于形成一个假电势94，96，阻止正负离子逃逸。左端脉冲直流电压为高电势93时，负离子被吸引到端电极附近。由于假电势的影响，负离子无法逃逸。此时右端为低电势95，正离子被吸引到端电极附近。当左端买种直流电压为低电势97时，正负离子位置互换。

图10 是本发明中施加在端电极上脉冲直流电压和交流电压示意图。当脉冲电压在一端为高电势100时，另一端为低电势105。当进行离子传输时，一端射频电压106保持不变，另一端射频电压107降低为0，使相应离子传输至下一级装置。

图11是本发明中施加直流电压的导电线电极位置区域截面示意图。导电线电极110上施加一组交流变化的电压，导电线电极111上施加另一组交流变化的电压，导电线电极112上施加脉冲直流电压。当导电线电极110上施加的交流电压幅值在+100V且导电线电极111上施加的交流电压幅值在-100V时，等势线116为20V，等势线114为10V，等势线113为-20V，等势线115为-10V。导电线电极112的位置优选为等势线电压的绝对值小于20V的区域，进一步优选为等势线电压的绝对值小于10V的区域。

具体实施实例二

图2是本发明中另一个较佳实施实例的装置图。装置包括导电线电极21，打孔绝缘板22支撑件23，端电极24以及固定拉伸装置（拉伸螺丝25和固定板26）。导电线电极21从打孔绝缘板穿过，然后通过固定板25的通孔和拉伸螺丝25中心的通孔。导电线电极21通过打结或焊接的方式，使其一端无法通过拉伸螺丝25中心的通孔缩回。通过调节拉伸螺丝25的高度向导电线电极21提供拉力。由于每一根导电线电极21均受到拉伸螺丝25提供的拉力，因此避免了拉力不均匀造成的形变。

支撑件23目的在于向导电线电极01的提供支撑。可由金属或非金属组成。

打孔绝缘板上设置小孔，用于固定导电线电极01。

通过以上实施实例可以看出，其他基于本发明专利的内容，但对专业人士只需做细小改变，易于实现的变体，比如在本发明所述腔体基础上增加光电离源或者采用不同的导电线电极结构，只要形成本专利涵盖电场形式，均在本专利的覆盖范围之内。

Claims (14)

1.一种存储和传输正负离子的装置，包括：导电线电极，用于施加交流变化的电压和脉冲直流电压以形成叠加电场；打孔绝缘板，用于固定导电线的位置；支撑件，用于支撑导电线；固定拉伸装置，用于向导电线提供拉力；端电极，用于提供离子轴向的限制电场 。

2.根据权利要求1所述的导电线电极，其特征在于：导电线电极穿过打孔绝缘板，并由固定拉伸装置提供拉力。

3.根据权利要求2所述的固定拉伸装置，其特征在于：固定拉伸装置上设有紧固装置并向导电线电极施加拉力。

4.根据权利要求1所述的导电线电极，其特征在于：导电线电极上施加的电压包括两组交流变化的电压和一组脉冲直流电压导电线电极。

5.根据权利要求4所述的两组交流电压导电线电极，其特征在于：导电线电极上施加的交流变化的电压形成垂直于轴线的交流变化电场。

6.根据权利要求4所述的一组脉冲直流电压导电线电极，其特征在于：脉冲直流电压导电线电极与中心轴线有0至90°的夹角。

7.根据权利要求4所述的一组脉冲直流电压导电线电极，其特征在于：脉冲直流电压导电线电极位于交流电压导电线电势的绝对值小于最高电势20% 的区域。

8.一种存储和传输正负离子的方法，包括：

将交流电压和直流电压的叠加电压施加在第一组导电线电极上，同时将另一交流电压和直流电压的叠加电压施加在第二组导电线电极上，目的在于形成垂直于轴向的交流变化电场，限制离子在垂直于轴向方向的运动；将交流电压和脉冲直流电压的叠加电压施加在端电极上，目的在于将正负离子分离并防止离子在轴向上逃逸；将脉冲直流电压施加在第三组导电线电极上，目的在于形成和增强轴向电压梯度，使正负离子更易分离。

9.根据权利要求8所述的交流电压和直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在同一组导电线电极内的每一根电极上的交流电压幅值变化范围为同一组内最高电压幅值的50%至100%。

10.根据权利要求8所述的交流电压和直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在第一组导电线电极上的交流电压与施加在第二组导电线上的交流电压之间的相位差在150°至210°之间。

11.根据权利要求8所述的交流电压和直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在第一组导电线电极上的交流电压与施加在第二组导电线上的交流电压幅值差距为第一组电极交流电压幅值的0至100%。

12.根据权利要求8所述的施加在第三组导电线电极上的直流电压，其特征在于：直流电压导电线两端电压有电压差。

13.根据权利要求8所述的施加在端电极上的交流电压和脉冲直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在两个端电极上的脉冲电压在端电极上形成的变化的电压差。

14.根据权利要求8所述的施加在端电极上的交流电压和脉冲直流电压的叠加电压，其特征在于：施加在一侧端电极上的交流电压幅值有降低过程。