CN110176384B - 可变极数的多极离子导引装置及射频信号施加方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可变极数的多极离子导引装置及射频信号施加方法，由4n根导引杆四面围成，当n为奇数时，每侧中间的1根或者m根(m≤n‑2)导引杆为主杆，其余为副杆；当n为偶数且n＞2时，每侧中间的2根或者m根(m≤n‑2)导引杆为主杆，其余为副杆；当n＝2时，每侧2根导引杆中1根为主杆，另一根为副杆。通过改变技术施加的射频信号改变导引的极数和优化内部电场分布，适用于多种分析系统的离子传输。本发明技术灵活可变，实现方式简单，不同极数之间的切换简单易行，可通用于对离子导引具有不同需求的场合。导引杆上电压独立设置，幅值灵活可调，有效地提升离子传输效率，降低离子导引的加工和组装精度。

Description

可变极数的多极离子导引装置及射频信号施加方法

技术领域

本发明属于质谱导引技术领域，具体地说，涉及一种可变极数的多极离子导引装置及射频信号施加方法。

背景技术

离子导引装置是质谱仪的核心部件之一，对整个质谱系统的性能具有关键影响，会极大地制约整台质谱仪在灵敏度、质量范围、扫描速度等诸多方面的性能。

目前，四极杆电极系统作为离子导引装置被广泛地应用于各种质谱仪器中，它的作用是将离子聚焦成离子束，使之朝一个方向运动，减小离子在传输过程中的损失，实现样品的高灵敏度分析。四极杆利用四极场来聚焦和束缚离子，高效地传输几乎所有的样品离子，尽可能使所有的离子运动都是稳定的，都能够穿过四极杆电极系统而达到下一个部分。由于四极杆离子导引的作用是传输离子，不需要考虑质量分辨的问题，因此不需要考虑高极场效应。实际上，高极场成分对离子有着更强的束缚能力，对提高离子导引能力是有益的。因此，以产生高阶场为主的多极杆系统，如六极杆电极系统，八极杆电极系统可以更好地传输离子。

四极杆作为离子导引装置，实现在不同气压区间的高效离子传输以及良好的离子束压缩效果，便于将离子高效地导入下一级离子光学器件。四极杆的质量区分效果最好，具有离子筛选功能，但是传输效率略逊于多极杆；而多极杆，如六极杆和八极杆等，虽然在离子传输方面的效率很高，但是其稳定区域很窄，不适合离子的筛选。

除了作为离子导引装置，四极杆和多极杆也经常被用作离子碰撞/反应池。离子碰撞/反应池主要是离子与分子进行碰撞解离或者其他离子反应的装置，并通过分析其产物离子，获得前提离子的机构信息或者是提高检测的选择性和灵敏度。一般来说在四极杆和多极杆的内部通入He和Xe时是碰撞池，通入H2、O2、NH3和CH4是反应池。四极杆作为碰撞反应池时，具有带宽设置，可进行粗的质量切割，离子聚焦效率高但通过效率相对高极杆低下，主要以反应为主，碰撞的效果差于多极杆。多极杆作为反应池时，通过效率相对要高，一般以碰撞为主，但质量稳定区域窄于四极杆，不具备“质量切割”功能。

因此，四极杆和多极杆不管是作为离子导引还是离子碰撞/反应池，都各有优点和局限性。采用单个四极杆或者多极杆作为导引或碰撞反应池用于不同的质量分析系统时难免会有局限性，需要根据实际需求，通过拆卸更换不同极数的导引装置来实现不同的分析目的。为了兼顾两者性能，通常采用多极导引系统，在四极杆后端串联多极杆，但这会不可避免地增大导引装置的体积，从而增加了仪器的复杂性和成本。

与本申请相关的现有技术是专利文献CN104347342A提供的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，以消除离子、中性分子和光子产生的干扰。

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可变极数的多极离子导引装置及射频信号施加方法。

根据本发明提供的一种可变极数的多极离子导引装置，由4n根导引杆围成中心区域，中心区域的每侧分布n根导引杆，其中n大于或者等于2；

当n为奇数时，每侧中间的1根或者m根(m≤n-2)导引杆为主杆，其余为副杆；

当n为偶数且n＞2时，每侧中间的2根或者m根(m≤n-2)导引杆为主杆，其余为副杆；

当n＝2时，每侧2根引导杆中一根为主杆，另一根为副杆。

优选地，所述导引杆是圆柱形电极、双曲面电极、三角形柱状电极、片状电极中的任一种或任多种。

优选地，所述引导杆在上下左右四个方向上平行设置，每个引导杆与所述中心区域的中心点之间距离相同。

优选地，所述导引杆两端的大小和形状采用相同或者不相同，或者相同与不相同的结合。

优选地，所述每侧导引杆之间的间隔相同或者不相同。

优选地，对每个导引杆独立施加电信号。

根据本发明提供的一种应用于所述的可变极数的多极离子导引装置的射频信号施加方法，施加4n路射频信号，其中第一路射频信号分别施加在位于中心区域上侧、上侧的主杆上，第二路射频信号分别施加在位于中心区域的左侧、右侧的主杆上，第三路射频信号分别施加在位于中心区域的上侧、上侧的副杆上，第四路射频信号分别施加在位于中心区域的左侧、右侧的副杆上。

优选地，所述第一路射频信号、第二路射频信号分别是两个耦合线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+RF和-RF；所述第三路射频信号、第四路射频信号是将第一路射频信号、第二路射频信号通过带中心抽头的可调线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+δRF和-δRF。

优选地，所述参数δ的值大小和正负能够调整，以改变所述离子导引极数。

优选地，所述副杆上施加的射频信号通过n个带中心抽头的可调线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2n路射频信号分别为+δRF和-δRF、+βRF和-βRF以及+γRF和-γRF共n路相位相反的射频信号，其中δ≠β≠γ，n≥2。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所述导引装置的技术灵活可变，实现方式简单，不同极数之间的切换简单易行，可通用于对离子导引具有不同需求的场合。

2、导引杆上电压独立设置，幅值灵活可调，优化内部场型，可更加有效地提升离子传输效率，降低离子导引的加工和组装精度。

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为实施例1中所述本发明的导引装置结构示意图；

图2为实施例1中所述本发明的导引装置的射频信号施加方式；

图3为实施例1中所述本发明的导引装置为四极导引时的示意图；

图4为实施例1中所述本发明的导引装置为十二极导引时的示意图；

图5为实施例1中所述本发明的导引装置内部电场成分与δ值的关系图；

图6为实施例2中所述本发明的导引装置示意图及部分侧视图；

图7为实施例2中所述本发明的导引装置中导引杆为片状电极结构示意图；

图8为实施例3中所述本发明的导引装置及射频信号施加方式。

图中示出：

图1、图3、图4中的标记01至12、图6中的标记21至32、图8中的标记41至52均为导引杆；

图8中的标记53是开关，1、2、3、4表示开关的四个触点。

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。

鉴于以上所述现有技术的局限，本发明提出一种可变极数的多极离子导引装置及方法，仅凭单个导引装置，可实现不同极数的切换，实现提高离子传输效率的目标，灵活满足各种分析系统对离子传输的要求。

为实现上述目标，本发明提出一种可变极数的多极离子导引装置，所述导引装置由4n根导引杆四面围成(n≥2)，每侧导引杆的数量为n。当n为奇数时，每侧中间的1根或者m根(m≤n-2)导引杆为主杆，其余为副杆；当n为偶数且n＞2时，每侧中间的2根或者m根(m≤n-2)导引杆为主杆，其余为副杆。特别地，当n＝2时，每侧2根导引杆中1根为主杆，另一根为副杆。

所述导引装置中的导引杆形状不限，可以为圆柱形电极、长方形电极、三角形柱状电极或者片状电极等其中的一种或者任意两种或两种以上的组合。所述导引装置中的导引杆可以为两两平行放置，也可以非平行放置。所述导引装置中的导引杆两端的大小和形状可以一致，也可以不一致。

具体地，当导引杆为圆柱形时，可以但不仅限于设置导引入口处圆柱半径大于出口处圆柱半径；当导引杆为片状结构时，可以但不仅限于设置导引入口处片状电极宽度大于导引出口处的宽度。

所述导引装置中的导引杆之间的间隔可以相同，也可以不同。所述导引装置中的导引杆之间互相独立，可施加独立的电信号。

本发明另一方面还提出一种导引射频信号的施加方法，应用于所述可变极数的多极离子导引装置，所述方法包括：

射频驱动模块共产生4路射频信号，分别是通过两个耦合线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+RF和-RF，再通过带中心抽头的可调线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+δRF和-δRF，共计4路。以n＝3为例进行说明，在上下方向的导引杆中，主杆上施加射频信号+RF，副杆上施加信号+δRF，在左右方向的导引杆中，主杆上施加射频信号-RF，副杆上施加射频信号-δRF。δ为副杆与主杆上所施加的射频电压的比例系数，取值范围为(0,1]。当δ为正值时，所述导引装置为四极导引，当δ为负值时，所述导引装置为十二极导引。通过调节δ值的正负和大小可优化离子传输效果。

具体地，所述每侧导引杆中的所有副杆上的射频信号不仅限于都为同一个信号±δRF，也可以分别施加不同的射频信号，如与±βRF,±γRF等其中一个或者多个的组合。所有副杆上施加的射频信号，其幅值不仅限于相同，也可以不同。可以通过n个带中心抽头的可调线圈(n≥2)产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2n路射频信号分别为+δRF和-δRF,+βRF和-βRF以及+γRF和-γRF等共n路相位相反的射频信号(δ≠β≠γ…)。β与γ分别为不同副杆与主杆上所施加的射频电压的比例系数，取值范围皆为(0,1]。

所述副杆上的射频信号相位切换不仅限于调整δ的正负值，还可以通过开关、继电器、可控硅或者MOSFET等部件实现整体的信号切换。

下面将通过具体实施例对本发明所述可变极数的多极离子导引装置及方法进行进一步的说明：

本发明提出一种可变极数的多极离子导引装置及方法，通过改变技术施加的射频信号可以改变导引的极数和优化内部电场分布，适用于多种分析系统的离子传输，达到提升离子传输效率的目标。

实施例1

如图1所示，一种可变极数的多极离子导引装置，导引杆为圆柱形电极，12个完全相同的圆柱形导引杆围成中心区域。导引杆(01)(02)(03)位于区域上侧，导引杆(04)(05)(06)位于区域右侧，导引杆(07)(08)(09)位于区域下侧，导引杆(10)(11)(12)位于区域左侧。导引杆围成内切圆的半径为r₀，导引杆的半径为r。本例中设置导引杆之间的间隔都相等，间隔宽度为d。

图2为本发明提出的一种射频电压施加方法，应用于可变极数的多极离子导引装置。导引杆(02)和(08)为上下方向上的主杆，施加射频信号+RF，导引杆(01)(03)(07)(09)为上下方向上的副杆，施加射频信号+δRF；导引杆(05)(11)为左右方向上的主杆，施加射频信号-RF，导引杆(04)(06)(10)(12)为左右方向上的副杆，施加射频信号-δRF。当δ为正值时，上下方向和左右方向上的导引杆上施加的射频信号相位相反，如图3所示，此时为本导引装置为四极导引，内部电场成分以四极场A₂为主。当δ为负值时，导引杆上射频信号施加的相位分布如图4所示，此时本导引装置为十二极导引。除了利用改变δ正负实现不同导引极数切换的同时，通过调整δ值的大小可以调节副杆上施加的射频信号的幅值，从而优化内部场型，达到提高离子传输效率的目的。

为了进一步地探究δ值的正负和大小对内部电场分布的影响，本实施例对不同δ值情况下的导引装置的内部电场成分进行分析。设导引杆半径为2mm，场半径为8mm，导引杆之间的间隔为1mm。δ的变化范围为[-150％,+150％]，每隔10％取一组数据，共31组。利用模拟软件SIMION对导引装置进行建模，生成对应的.pa电势文件，将电势文件导入电场分析软件Pan33中，计算各个模型的内部电场成分占比。

最终所得的δ值与内部电场分布的关系如图5所示，δ对内部电场成分的大小和分布的影响是显著的。本例中，所述导引装置内部存在的电场成分主要为四极场A₂，十二级场A₆以及二十级场A₁₀，其中A₁₀所占比例已经非常小且受δ值的变化影响不大，因此更高阶次的电场成分这里不再进行讨论。随着δ值的增加，四极场A₂呈线性增长趋势。在δ为正值时，导引内部电场以四极场A₂为主；当δ为负值时，随着|δ|的增加，即副杆上射频信号幅度逐渐增加，四极场A₂部分是逐渐减小的，而十二极场A₆则呈线性增长趋势。

实施例2

如图6所示，本发明所述的一种可变极数的多极离子导引装置。本例中导引杆采用印刷线路板(PCB)材料加工制作，价格低廉且适合大批量制造。同样以n＝3为例进行说明，PCB电极的数量为12个，本例与实施例1的区别之处除了电极材料与形状不一样，还在于12个PCB电极的形状并不是完全一样的，例如电极(22)的宽度小于电极(21)和电极(23)的宽度，电极(25)的宽度小于电极(24)和(26)的宽度等，具体各个电极的宽度可以根据实际需要和所要到达的效果进行计算和调整。同时，每个电极的形状也不是规则的长方形，由右侧电极的侧视图可知，电极(24)(25)(26)的形状为一端宽而另一端细的梯形结构，一般来说宽的部分为离子引入侧，细的部分为离子引出部分，可根据实际需求设定。同样地，其余电极形状也都为类似该结构。在本实施例的所述可变极数的多极离子导引装置中，在离子的传输路径上，随着离子的深入运动，导引通道宽度逐渐变窄，这将有利于聚焦离子，并且提高离子传输的稳定性。

本发明还可以为更加简单的结构，如图7所示，所述导引装置由简单的12个片状电极组成，通过在电极片上施加本发明所示的射频信号施加方法同样可以实现极数可变的多极离子导引功能，可取得优良的离子传输效果，结构简单易行，且成本较低。

实施例3

如图8所示，本发明所述的一种可变极数的多极离子导引装置。本实施中仍然讨论的是n＝3时情况，导引杆的数量为12个，上下左右各4根。与上述实施例1、2的不同之处在于，所有的导引杆不仅只有1种形状。本实施例中，导引杆(42)(45)(48)(51)为圆柱形电极，分别为四个方向上的主杆；导引杆(41)(43)(44)(46)(47)(49)(50)(52)为正方形柱状电极，分别为四个方向上的副杆。根据本发明所述的一种可变极数的多极离子导引装置的方法，射频RF驱动电源通过两个耦合线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+RF和-RF，再通过带中心抽头的可调线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+δRF和-δRF，共计4路。+RF信号直接施加于导引杆(42)(48)，-RF信号直接施加于导引杆(45)(51)。本实施例不通过改变δ的正负来实现极数的变化，而是通过一个单刀双掷开关(53)来直接改变副杆上施加的射频信号，从而实现极数可变。δ值默认为正值，其大小通过调节中心抽头的位置实现。当开关(53)置于触点1和触点3时，导引杆(41)(43)和(47)(49)上施加-δRF，导引杆(44)(47)和(50)(52)上施加+δRF信号，在δ值默认为正值的情况下，该导引装置为十二极导引；当开关(53)置于触点2和触点4时，导引杆(41)(43)和(47)(49)上施加+δRF，导引杆(44)(47)和(50)(52)上施加-δRF信号，在δ值默认为正值的情况，该导引装置为四极导引。

本实施例中通过简单的开关切换即可实现导引的极数变化，快捷方便。本发明所述的开关不仅限于简单的单刀双掷开关，还可以是固态继电器，可控硅或者MOSFET等。例如当采用可控硅代替本实施例中的单刀双掷开关时，须采用双向可控硅。

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 (4)

1.一种应用于可变极数的多极离子导引装置的射频信号施加方法，其特征在于，所述可变极数的多极离子导引装置，由4n根导引杆围成中心区域，中心区域的每侧分布n根导引杆，其中n大于或者等于2；

当n为奇数时，每侧中间的1根或者m根导引杆为主杆，其余为副杆，m≤n-2；

当n为偶数且n＞2时，每侧中间的2根或者m根导引杆为主杆，其余为副杆；

当n＝2时，每侧2根引导杆中一根为主杆，另一根为副杆；

导引杆作为电极的形状为一端宽而另一端细的梯形结构，宽的部分为离子引入侧，细的部分为离子引出部分；在离子的传输路径上，随着离子的深入运动，导引通道宽度逐渐变窄；

所述导引杆是圆柱形电极、双曲面电极、三角形柱状电极、片状电极中的任一种或任多种；

所述导引杆两端的大小和形状采用相同或者不相同，或者相同与不相同的结合；

施加4路射频信号，其中第一路射频信号分别施加在位于中心区域上侧、下侧的主杆上，第二路射频信号分别施加在位于中心区域的左侧、右侧的主杆上，第三路射频信号分别施加在位于中心区域的上侧、下侧的副杆上，第四路射频信号分别施加在位于中心区域的左侧、右侧的副杆上；

所述第一路射频信号、第二路射频信号分别是两个耦合线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+RF和-RF；所述第三路射频信号、第四路射频信号是将第一路射频信号、第二路射频信号通过带中心抽头的可调线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2路射频信号+δRF和-δRF，δ为副杆与主杆上所施加的射频电压的比例系数，取值范围为(0,1]；

所述副杆上施加的射频信号通过n个带中心抽头的可调线圈产生相同幅度、相同频率、相位相差180°的2n路射频信号分别为+δRF和-δRF、+βRF和-βRF以及+γRF和-γRF共n对相位相反的射频信号，其中δ≠β≠γ，n＝3，β与γ分别为不同副杆与主杆上所施加的射频电压的比例系数，取值范围皆为(0,1]。

2.根据权利要求1所述的可变极数的多极离子导引装置的射频信号施加方法，其特征在于，所述每侧导引杆之间的间隔相同或者不相同。

3.根据权利要求1所述的可变极数的多极离子导引装置的射频信号施加方法，其特征在于，对每个导引杆独立施加电信号。

4.根据权利要求1所述的可变极数的多极离子导引装置的射频信号施加方法，其特征在于，比例系数δ的值大小和正负能够调整，以改变离子导引极数。

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