CN109686647A - 多段式离子导引装置及质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多段式离子导引装置及质谱仪，所述例子导引装置包括包括电极杆组，所述电极杆组平行放置，电极杆组的数量为N且N≥2；所述电极杆组包括四极杆组和/或八极杆组，所述四极杆组包括四个杆状电极，所述八极杆组包括八个杆状电极，所述杆状电极相互平行放置；相邻的电压杆组中对应的杆状电极共轴。相比于传统单级导引装置，本发明对离子聚焦能力更强，传输效率更高；相比于传统多级导引装置，本发明装配难度小，电压施加方式更加简单，只需一个射频电源即可实现，同时获得的最终离子传输效率更高。

Description

多段式离子导引装置及质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱技术领域，具体地，涉及一种多段式离子导引装置及质谱仪，尤其涉及一种可提升离子传输效率的多段式四极杆导引技术。

背景技术

质谱仪在物质分析及成分鉴定中具有很高的灵敏度和分辨率，其系统一般由离子源、离子导引、质量分析器、离子检测器和测控系统等部件组成。离子导引是质谱仪不可缺少的关键部件，其性能的优劣，极大地影响整个质谱系统的分析性能。

大气压电离源是目前使用较为广泛的一种电离源，可在大气压下对样品直接进行电离。然而，目前的大气压离子化技术，都存在离子收集效率低，难以精确定量分析等缺点，主要是因为大气压下环境气体较为复杂，产生的离子会与背景气体发生强烈的碰撞，难以对其进行有效聚焦，只有很少一部分离子能够进入到质谱仪中。进入到质谱仪中的离子，不仅复杂，而且较为分散，这也会给接下来的分析检测过程带来了较大的困难。

为了实现离子的低损失传输，除了必要的真空接口外，需要在不同气压区域之间设置离子导引装置用于传输离子。离子导引装置通常由一系列施加射频电压的电极组成，射频电压在装置的中心轴周围形成束缚离子的有效势垒，使得离子会聚。在差分抽气造成的气流流动作用下，或者沿轴附加的直流电场作用下，会聚的离子定向移动到下一级真空，然后通过质谱分析装置被分析。

离子导引的形式一般为离子漏斗、阵列导引杆、离子透镜或者阵列导引杆与离子透镜的复合形式或者多级导引杆的形式。

离子透镜通常放置于截取锥与质谱分离装置之间，由一个或多个静电控制的透镜元件组成。简单来说，实际上是一系列中心带孔的金属片，主要为提取透镜、聚焦透镜和偏转透镜。工作时加载不同的直流电压，对离子进行聚焦使之能到达预四极杆或者质量分析器区域。同时，它也能起到阻止颗粒、中性物质和光子进入质量分析器和检测器的作用。

四极杆由四根带有直流电压(DC)和叠加的射频电压(RF)的准确平行杆构成，如图1所示。相对的一对电极是等电位的，两对电极之间电位相反。当一组质荷比不同的离子进入由DC和RF组成的电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振荡通过四极杆，到达检测器而被检测。作为导引使用时，四极杆上的直流电压为0，起到传输离子的作用。为了追求更好的传输效果，通常与离子透镜联用。

然而，采用一级导引的情况下，离子传输效率通常仍旧维持在一个相对较低的水平。一般地，为了提高大气压电离条件下的离子传输效率，采用多级导引传输方式，二级传输通常为四极杆、六极杆联用或者六极杆、八极杆联用等，甚至还有三级、四级传输等。虽然级数越高，离子传输效率越高，但是随着导引级数的增加，配套设施的需求量增大，极易导致系统复杂，造价成本高等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多段式离子导引装置及质谱仪。

根据本发明提供的一种多段式离子导引装置，包括电极杆组，所述电极杆组平行放置，电极杆组的数量为N且N≥2；

所述电极杆组包括四极杆组和/或八极杆组，所述四极杆组包括四个杆状电极，所述八极杆组包括八个杆状电极，所述杆状电极相互平行放置；相邻的电压杆组中对应的杆状电极共轴；

其中，在相邻的电压杆组的杆状电极数量不同时，即在四极杆组与八极杆组相邻的情况下，所述对应的杆状电极共轴是指四极杆组中的四个杆状电极分别与八极杆组中设定的四个杆状电极共轴。

优选地，本发明提供的多段式离子导引装置还包括第一信号源；所述第一信号源能够提供射频电压RF+和射频电压RF-两种信号，且两种信号幅值相同，相位相反。

优选地，电极杆组间

-设置有第一部件；或者

-不设置连接部件；

所述第一部件为非导电材料的绝缘部件和/或离子透镜。

优选地，电极杆组长度和相邻电极杆组间距均大于零且满足设定的质谱仪技术要求参数。

优选地，对于每组电极杆组中相邻的2个杆状电极，第一信号源分别提供不同的信号；对于相邻的电压杆组中位置相对的2个杆状电极，第一信号源分别提供不同的信号；

其中，所述不同的信号是指幅值相等、相位相反的射频信号，所述相位相反是指相位差为180°。

根据本发明提供的一种质谱仪，包括上述的多段式离子导引装置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的多段式离子导引装置，具有结构简单可靠、可拓展性强的优点；

2、本发明提供的多段式离子导引装置，相比于传统单级导引装置，对离子聚焦能力更强，传输效率更高；

3、本发明提供的多段式离子导引装置，相比于传统多级导引装置，装配难度小，电压施加方式更加简单，只需一个射频电源即可实现，同时获得的最终离子传输效率更高；

4、本发明提供的多段式离子导引装置，当使用两个射频电源驱动时，等同于两个独立的四极杆导引。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有的四极杆导引的结构和电压施加方式示意图；

图2为本发明提供的多段式离子导引装置的实施例1的结构和电压施加方式示意图；

图3为本发明提供的多段式离子导引装置的实施例2的结构和电压施加方式示意图；

图4为本发明提供的多段式离子导引装置的实施例3的结构和电压施加方式示意图；

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

基础实施例

根据本发明提供的一种多段式离子导引装置，包括电极杆组，所述电极杆组平行放置，电极杆组的数量为N且N≥2；所述电极杆组包括四极杆组和/或八极杆组，所述四极杆组包括四个杆状电极，所述八极杆组包括八个杆状电极，所述杆状电极相互平行放置；相邻的电压杆组中对应的杆状电极共轴；其中，在相邻的电压杆组的杆状电极数量不同时，即在四极杆组与八极杆组相邻的情况下，所述对应的杆状电极共轴是指四极杆组中的四个杆状电极分别与八极杆组中设定的四个杆状电极共轴。

具体地，本发明提供的多段式离子导引装置还包括第一信号源(120)；所述第一信号源能够提供射频电压RF+和射频电压RF-两种信号，且两种信号幅值相同，相位相反。电极杆组间

-设置有第一部件；或者

-不设置连接部件；

所述第一部件为非导电材料的绝缘部件和/或离子透镜。

更具体地，电极杆组长度和相邻电极杆组间距均大于零且满足设定的质谱仪技术要求参数。对于每组电极杆组中相邻的2个杆状电极，第一信号源(120)分别提供不同的信号；对于相邻的电压杆组中位置相对的2个杆状电极，第一信号源(120)分别提供不同的信号；其中，所述不同的信号是指幅值相等、相位相反的射频信号，所述相位相反是指相位差为180°。

根据本发明提供的一种质谱仪，包括上述的多段式离子导引装置。

进一步地，本发明的基础实施例能够极大地提高离子传输效率，包括至少两段四极杆组，每段导引杆组由四根完全相同的杆状电极组成。所有杆组前后平行放置，所有杆组中相应位置的杆状电极是一一对齐的。每段杆组的长度>0可任意调整，相邻杆组之间的距离>0可任意调整。相邻杆组之间的连接部件可以为非导电材料的绝缘件，离子透镜等，也可以不设置连接部件。射频电压施加方式：以两段四极杆组为例，两段杆组受同一个射频信号源驱动。第一段杆组上下方向上的电极与第二段杆组的左右方向的电极上施加射频电压RF+，第一段杆组左右方向的电极和第二段杆组上下方向的电极上施加射频电压RF-。在任意时刻，第一段杆组上下方向的电极和第二段杆组上下方向的电极上的射频信号都是幅度相同，相位相反；第一段杆组左右方向的电极和第二段杆组左右方向的电极上的射频信号都是幅度相同，相位相反的。

更进一步地，本发明的基础实施例可以为三段式结构、四段式结构或更多段数结构。在三段式结构或更多段结构的情况下，相邻段组相同方向(上下、左右)的电极上的射频信号始终是幅度相同，相位相反的。本发明的基础实施例不仅限于四极杆，可以为四极杆组和八极杆组的组合。本发明基础实施例的技术特征中，重点在于“多段式”四极杆导引，一个导引杆组包括至少2段四极杆，四极杆之间可以设置连接部件，也可以不设置连接部件。本发明基础实施例中所提及的离子透镜，其作用为连接部件，仅起到聚焦传输的作用。本发明基础实施例的特征在于：共轴对齐的相邻两根四极杆上施加相位相反的射频信号RF。离子运动至第一个杆组出口时，其在径向的一个方向上较为聚拢，在另一个方向上较为发散，此外还会受到第一个杆组的边缘场效应的影响。离子进入第二个杆组时，由于两个四极杆组共轴的电极杆上施加的射频信号相位相反，刚好可以将发散的离子聚拢，同时弥补第一杆组末端边缘场效应对离子造成的不稳定发散的影响。这将有效地提升离子传输效率。综上，本发明的基础实施例可实现多级导引所能达到的传输效果，但是结构简单，实现方便且效果优于一级导引。

下面对基础实施例的各个优选例分别进行说明。

实施例1

如图2所示，第一导引装置001，包括第一杆组100和第二杆组110，第一杆组100由第一杆组第一电极101、第一杆组第二电极102、第一杆组第三电极103以及第一杆组第四电极104组成，第二杆组110由第二杆组第一电极105、第二杆组第二电极106、第二杆组第三电极107以及第二杆组第四电极108组成。第一杆组100和第二杆组110沿传输轴向平行放置，两者之间设置非导电材料加工的绝缘体109隔开。第一杆组第一电极101与第二杆组第一电极105、第一杆组第二电极102和第二杆组第二电极106、第一杆组第三电极103和第二杆组第三电极107、第一杆组第四电极104和第二杆组第四电极108分别位于同一水平线上。第一杆组100和第二杆组110的长度任意，视总体结构需求而定，非导电材料隔断109部分的长度根据实际需求设定。

第一杆组100和第二杆组110上施加的RF射频信号均来自第一信号源120，该信号源可输出两路等幅度、相位相反的射频信号，分别为RF+和RF-。具体实施方式为：第一杆组第一电极101、第一杆组第三电极103、第二杆组第二电极106以及第二杆组第四电极108上施加同一路射频信号RF+，第一杆组第二电极102、第一杆组第四电极104、第二杆组第一电极105以及第二杆组第三电极107上施加同一路射频信号RF-，RF+和RF-幅值相等，相位相差180°。因此在实际工作过程中，在任意时间点，第一杆组第一电极101和第二杆组第一电极105、第一杆组第二电极102和第二杆组第二电极106、第一杆组第三电极103和第二杆组第三电极107、第一杆组第四电极104和第二杆组第四电极108上施加的射频信号始终是幅值相同，相位相反的。

本实施例中利用电绝缘体109连接两段四极杆，安装简便。由于第一杆组100和第二杆组110上施加的射频信号是反向的，经过第一杆组100传输的离子，进入第二杆组110时，在离子较为发散的方向上会立即受到使其聚集的电场力，弥补第一杆组100末端边缘场效应对离子造成的不稳定发散的影响。

本实施例中两段式四极杆导引结构仅凭单个传输单元和单个射频信号源，即可实现类似于传统二级导引传输的功能，无论是结构还是电压施加需求都更加简单。

实施例2

如图3所示，第二导引装置002，包括第三杆组200和第四杆组210。第三杆组200由第三杆组第一电极201、第三杆组第二电极202、第三杆组第三电极203和第三杆组第四电极204组成，第四杆组210由第四杆组第一电极205、第四杆组第二电极206、第四杆组第三电极207和第四杆组第四电极208组成。第三杆组200和第四杆组210沿传输轴向方向平行放置，第三杆组第一电极201与第四杆组第一电极205、第三杆组第二电极202与第四杆组第二电极206、第三杆组第三电极203与第四杆组第三电极207、第三杆组第四电极204与第四杆组第四电极208分别位于同一水平线上。第三杆组200和第四杆组210的长度任意，视总体结构需求而定，两者之间的距离可根据实际需求设定。与实施例1不同之处在于，本实施例中，第三杆组200和第四杆组210之间设置一个离子透镜209进行连接。

第三杆组200和第四杆组210上施加的RF射频信号均来自第二信号源220，该信号源可输出两路等幅度、相位相反的射频信号，分别为RF+和RF-。具体实施方式为：第三杆组第一电极201、第三杆组第三电极203、第四杆组第二电极206以及第四杆组第四电极208上施加同一个射频信号RF+，第三杆组第二电极202、第三杆组第四电极204、第四杆组第一电极205以及第四杆组第三电极207上施加同一个射频信号RF-，RF+和RF-幅值相等，相位相差180°。因此在实际工作过程中，在任意时间点，第三杆组第一电极201和第四杆组第一电极205、第三杆组第二电极202和第四杆组第二电极206、第三杆组第三电极203和第四杆组第三电极207、第三杆组第四电极204和第四杆组第四电极208上施加的射频信号始终是幅值相同，相位相反的。

本实施例与实施例1相比，优势在于离子透镜替换绝缘部件将更有利于提高离子的传输效率。通过在离子透镜上施加适当的直流电压，可额外实现离子聚焦，减少离子在通过第三杆组200到第四杆组210之间的损失。

实施例3

如图4所示，第三导引装置003，包括第五杆组300、第六杆组320以及第七杆组330。第五杆组300由第五杆组第一电极301、第五杆组第二电极302、第五杆组第三电极303以及第五杆组第四电极304组成；第六杆组320由杆第六杆组第一电极305、第六杆组第二电极306、第六杆组第三电极307以及第六杆组第四电极308组成；第七杆组330由杆第七杆组第一电极309、第七杆组第二电极310、第七杆组第三电极311以及第七杆组第四电极312组成。第五杆组300、第六杆组320以及第七杆组330沿传输轴向方向平行放置，第五杆组第一电极301、第六杆组第一电极305以及第七杆组第一电极309相互对齐、第五杆组第二电极302、第六杆组第二电极306以及第七杆组第二电极310相互对齐、第五杆组第三电极303、第六杆组第三电极307以及第七杆组第三电极311相互对齐、第五杆组第四电极304、第六杆组第四电极308以及第七杆组第四电极312相互对齐。三段杆组之间的连接部件可以为不导电的绝缘件或者离子透镜，也可以不设置连接部件。第五杆组300、第六杆组320以及第七杆组330的长度任意，视总体结构需求而定，两者之间的距离可根据实际需求设定。

第五杆组300、第六杆组320和第七杆组330上施加的RF射频信号均来自第三信号源340，该信号源可输出两路等幅度、相位相反的射频信号，分别为RF+和RF-。具体实施方式为：第五杆组第一电极301、第五杆组第三电极303、第六杆组第二电极306、第六杆组第四电极308、第七杆组第一电极309以及第七杆组第三电极311上施加同一个射频信号RF+，第五杆组第二电极302、第五杆组第四电极304、第六杆组第一电极305、第六杆组第三电极307、第七杆组第二电极310以及第七杆组第四电极312上施加同一个射频信号RF-，RF+和RF-幅值相等，相位相差180°。因此在实际工作过程中，在任意时间点，第五杆组第一电极301和第六杆组第一电极305、第五杆组第二电极302和第六杆组第二电极306、第五杆组第三电极303和第六杆组第三电极307、第五杆组第四电极304和第六杆组第四电极308、第六杆组第一电极305和第七杆组第一电极309、第六杆组第二电极306和第七杆组第二电极310、第六杆组第三电极307和第七杆组第三电极311、第六杆组第四电极308和第七杆组第四电极312上施加的射频信号始终是幅值相同，相位相反的。

与实施例1和2的不同之处在于，本实施中采用3段四极杆导引技术，离子经过3段四极杆离子导引之后，离子流在各个方向上的运动都会更加稳定，从而提高离子的通过率。本实施例中的3段式四极杆导引结构虽然类似于三级导引，但是安装难度和射频电压施加方式要远远易于三级导引结构。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种多段式离子导引装置，其特征在于，包括电极杆组，所述电极杆组平行放置，电极杆组的数量为N且N≥2；

所述电极杆组包括四极杆组和/或八极杆组，所述四极杆组包括四个杆状电极，所述八极杆组包括八个杆状电极，所述杆状电极相互平行放置；相邻的电压杆组中对应的杆状电极共轴；

其中，在相邻的电压杆组的杆状电极数量不同时，即在四极杆组与八极杆组相邻的情况下，所述对应的杆状电极共轴是指四极杆组中的四个杆状电极分别与八极杆组中设定的四个杆状电极共轴。

2.根据权利要求1所述的多段式离子导引装置，其特征在于，还包括第一信号源(120)；所述第一信号源能够提供射频电压RF+和射频电压RF-两种信号，且两种信号幅值相同，相位相反。

3.根据权利要求1或2所述的多段式离子导引装置，其特征在于，电极杆组间

-设置有第一部件；或者

-不设置连接部件；

所述第一部件为非导电材料的绝缘部件和/或离子透镜。

4.根据权利要求1或2所述的多段式离子导引装置，其特征在于，电极杆组长度和相邻电极杆组间距均大于零且满足设定的质谱仪技术要求参数。

5.根据权利要求1或2所述的多段式离子导引装置，其特征在于，对于每组电极杆组中相邻的2个杆状电极，第一信号源(120)分别提供不同的信号；对于相邻的电压杆组中位置相对的2个杆状电极，第一信号源(120)分别提供不同的信号；

其中，所述不同的信号是指幅值相等、相位相反的射频信号，所述相位相反是指相位差为180°。

6.一种质谱仪，其特征在于，包括权利要求1至5中任一项所述的多段式离子导引装置。