CN110571128A - 一种多段式四极杆电极系统及其串联方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于二组或二组以上的四极杆电极系统的串联方法与装置，包括至少两组相邻放置的四极电极杆组：第一电极杆组和第二电极杆组，特点是：第一电极杆组由4根完全相同的电极所构成，第二电极杆组由4根完全相同的电极所构成。第一电极与相邻对应的第二电极之间同轴设置；第一电极与相对应的第二电极之间形成部分重叠的第一延伸部和第二延伸部，第一延伸部与第二延伸部之间设置有间隙。本发明的优点是：能够避免两组四极杆电极系统之间由于设置有平面电极而产生的边缘场效应，防止两个四极杆电极系统在传输过程中的离子流失，提高离子传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及质谱分析仪器技术领域，尤其涉及一种用于提高四极质谱中离子传输效率的多段式四极杆电极系统及其串联方法。
背景技术
质谱仪在物质分析及成分鉴定中具有广泛的应用，它具有快速，准确的优点，可以进行化学成分的高灵敏度分析。其基本工作原理是：首先把被检测的物质电离成离子，通过电场或磁场将不同离子按质荷比（m/z）的大小进行分离，然后通过离子检测器检测这些被分离的离子，从而得到质谱图。通过对质谱图的分析，即可获得被检测物质的化学成分、结构以及含量等信息。在质谱仪中，将物质电离的部件被称为离子源，对离子进行质量分析的部件被称为质量分析器。离子源和离子质量分析器是组成质谱仪的两个关键部件。
质谱仪由于具有快速，高灵敏度和高质量分辨等特点，已经成为当今世界上应用最广泛的分析仪器之一，在环境检测、食品安全、运动员违禁药物检测、制药、疾病诊治、蛋白质组学、基因组学，材料等热点领域发挥着越来越重要的作用。不仅如此，质谱仪的发展对一些基础科学研究以及涉及国家安全的领域（如国防、航天、生物以及化学武器的检测与维护等）具有重要的意义。
目前，质谱技术的发展已相当成熟，各种新型的质谱仪器不断涌现。所有的质谱仪要实现的共同目标是实现中性物质的电离，然后把离子按其质荷比大小进行分离。然而，不同种类的质谱仪使用不同的质量分析器，这些质量分析器实现离子质荷比分离的方式也不相同。按照质量分析器的不同可以把质谱仪主要分为以下几种：磁质谱仪(使用磁质量分析器，magnetic sector)、飞行时间质谱仪(使用飞行时间质量分析器，TOF)、四极杆质谱仪(使用四极杆质量分析器，QMF)、离子阱质谱仪(使用离子阱质量分析器，Ion trap)、傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(使用傅里叶变换质量分析器，FT-ICR)、轨道离子阱质谱仪(使用轨道离子阱质量分析器，Orbitrap)等。不同种类的质谱仪具有不同的特点和应用领域。
质谱分析不仅可以获得样品中分子种类和含量的信息，它的另外一个功能就是获得分子结构的信息，如蛋白质分子中的氨基酸序列，有机大分子中各个原子或基团之间的连接位置和连接方式等。这种分析分子结构的质谱分析方法被称为串级质谱分析。三重四极质谱仪是进行串级质谱分析的常用仪器之一。三重四极质谱是由三组四极杆电极系统所组成，三组四极杆系统先后串联在一起，如图1 所示。在实验过程中，第一组四极质量分析器从离子源的大量离子中选择母体(前体)离子。母体离子从第一个四极质量分析器进入第二个四极电极系统，即所谓的四极离子碰撞池，被加速的母体离子在离子碰撞池中通过与缓冲气体分子如氩气，氦气分子等发生碰撞而解离。解离得到的碎片离子从碰撞池中进入第三个四极杆质量系统，第三个四极杆质量系统是四极质量分析器，所有的碎片离子被第三个四极杆质量器进行质量分析获得碎片离子的信息，随后人们可以根据碎片离子的信息推断出母体离子的组成和分子结构。这种方法被称为串级质量分析。串级质量分析方法去识别母离子比单质量分析仪更加可靠。
如图1所示，在平常的三重四极质谱系统重，二个相邻的四极杆电极系统被一个平板薄电极所隔开，离子束从一个四极杆电极系统进入下一个电极系统中，需要从平板薄电极上的小孔中通过。平板电极的用处有二个，一是将二个四极电极系统隔开，二是在必要的情况下，可以在上面加载电压。但二个四极杆电极之间的平板电极也有二个弊端，一是平板电极上的小孔会限制离子束的传输，导致离子损失；二是平板电极的存在会导致四极杆上的电源所产生的四极电场分布的变化，产生所谓的“边缘场效应”，由于离子的运动完全取决于电场的分布，“边缘场”的分布将破坏四极电场对离子的束缚，使得离子在离开四极杆电极系统后的运动轨迹发散，导致大量离子的损失，最后影响质谱分析的灵敏度。
也就是说，在现有的几乎所有商用四极质谱仪器中，由于在四极杆上施加高频率交流电，平板电极上施加直流电，在四极杆末端的RF信号会与平板电极上的DC信号发生耦合，在四极杆和平板电极之间形成边缘电场。现有的串联质谱仪在离子传输时，由于边缘场效应的影响，部分离子会偏离轴向的行进轨道而造成损失，降低离子的传输效率。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种多段式四极杆电极系统及其串联方法，它能够避免边缘场效应，防止离子流失，提高离子传输效率。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于提高四极质谱中离子传输效率的多段式四极杆电极系统，包括至少两组相邻放置的四极杆电极系统：第一四极杆电极系统和第二四极杆电极系统，所述的第一四极杆电极系统由4根完全相同的第一电极构成，所述的第二四极杆电极系统由4根完全相同的第二电极构成，所述的第一四极杆电极系统的每个第一电极与相邻对应的所述的第二四极杆电极系统的每个第二电极呈先后同轴设置；每个所述的第一电极上与其对应的所述的第二电极相邻的一端，设置有第一延伸部，每个所述的第二电极上与其对应的所述的第一电极相邻的一端，设置有形状相匹配的第二延伸部，所述的第一延伸部与所述的第二延伸部部分重叠，所述的第一延伸部与所述的第二延伸部之间设置有间隙或被绝缘材料隔开。
在一些实施方式中，每个所述的第一电极的第一延伸部呈台阶型，每个所述的第二电极的第二延伸部呈倒台阶型；或者每个所述的第一电极的第一延伸部呈斜面型，每个所述的第二电极的第二延伸部呈斜面型。这样的延伸部结构无需设置带孔的平板电极，能够产生连续的四极电场分布，避免现有结构所导致的边缘场效应，较好地防止离子跑出引起离子损失。
在一些实施方式中，每个所述的第一延伸部与其对应的所述的第二延伸部之间的间隙大小范围为0.5毫米至3毫米。由此能够较好地防止离子跑出引起离子损失，同时不影响相邻电极系统的性能。
在一些实施方式中，所述的第一四极杆电极系统中的每个电极和所述的第二四极杆电极系统中的每个电极的横截面完全相同，横截面形状为双曲面形、圆形或矩形。
在一些实施方式中，所述的第一四极杆电极系统选自四极离子导引、四极质量分析器的其中一种；所述的第二四极杆电极系统选自四极离子导引、四极质量分析器或四极离子碰撞池的其中一种。
一种多段式四极杆电极系统的串联方法，包括以下步骤：
1）在两组及以上四极杆电极系统中任意选择前后相邻放置的两组作为第一四极电极杆组和第二四极电极杆组，在第一四极电极杆组上的每个电极的末端设置第一延伸部，在第二四极电极杆组上的每个电极的前端设置形状相匹配的第二延伸部；
2）串联该第一四极电极杆组和第二四极电极杆组，将每个第一延伸部与对应的第二延伸部部分重叠并保持位置对称，在第一延伸部与第二延伸部之间留有间隙或者在第一延伸部与第二延伸部之间填充绝缘材料。
在三组及以上四极杆电极系统中，在一个或多个相邻四极电极杆组之间设置延伸部结构，多个延伸部结构之间形状相同或不同。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在相邻两组电极杆之间设置特定的电极杆端部结构，能够产生连续的四极电场分布，避免现有结构所导致的边缘场效应，防止离子跑出引起离子损失，从而能够使离子在两级或多级质量分析时完全沿轴向通过，提高离子的传输效率。
附图说明
图1为现有的三重四极质谱的结构示意图；
图2为本发明一实施方式中多段式四极杆电极系统的局部结构示意图；
图3为图2中a部分的放大示意图；
图4为多段式四极杆电极系统的延伸部结构在A-A'平面的截面图；
图5为本发明另一实施方式中多段式四极杆电极系统的局部结构示意图；
图6为图5中b部分的放大示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明一种多段式四极杆电极系统及其串联方法作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例一
如图所示，本发明的一种用于提高四极质谱中离子传输效率的多段式四极杆电极系统，包括至少两组相邻放置的四极杆电极系统：第一四极杆电极系统1和第二四极杆电极系统2，第一四极杆电极系统1由4根完全相同的第一电极11构成，第二四极杆电极系统2由4根完全相同的第二电极21构成，第一四极杆电极系统1的每个第一电极11与相邻对应的第二四极杆电极系统2的每个第二电极21呈先后同轴设置。
每个第一电极11上与其对应的第二电极21相邻的一端，设置有第一延伸部12，每个第二电极21上与其对应的第一电极11相邻的一端，设置有形状与第一延伸部相匹配的第二延伸部22，第一延伸部12与第二延伸部22部分重叠，第一延伸部12与第二延伸部22之间设置有间隙3或被绝缘材料隔开。
本实施例中，如图2所示每个第一电极11的第一延伸部12与对应的第二电极21的第二延伸部22之间相互呈台阶和倒台阶型，之间留有一定间隙。每组四极电极杆组上的每个电极的端部形状相同，相邻四极电极杆组之间的电极端部形状相合。
每个第一延伸部12与其对应的第二延伸部22之间的间隙大小d的范围优选为0.5毫米至3毫米。
第一四极杆电极系统1中的每个电极和第二四极杆电极系统2中的每个电极的横截面完全相同，横截面形状可以为双曲面形、圆形或矩形。
第一四极杆电极系统1可以选自四极离子导引、四极质量分析器的其中一种；第二四极杆电极系统2可以选自四极离子导引、四极质量分析器或四极离子碰撞池的其中一种。
实施例二
一种用于提高四极质谱中离子传输效率的多段式四极杆电极系统，其余结构与实施例一相同，其不同之处在于：本实施例中，如图5所示每个第一延伸部12呈斜面型，每个第二延伸部22呈斜面型。第一延伸部12的端面与相邻的第二延伸部22的端面相平行，之间留有间隙d。
实施例三
一种多段式四极杆电极系统的串联方法，包括以下步骤：
1）在两组及以上四极杆电极系统中任意选择前后相邻放置的两组作为第一四极电极杆组和第二四极电极杆组，在第一四极电极杆组上的每个电极的末端设置第一延伸部，在第二四极电极杆组上的每个电极的前端设置形状相匹配的第二延伸部；
2）串联该第一四极电极杆组和第二四极电极杆组，将每个第一延伸部与对应的第二延伸部部分重叠并保持位置对称，在第一延伸部与第二延伸部之间留有间隙或者在第一延伸部与第二延伸部之间填充绝缘材料。
在三组及以上四极杆电极系统中，在一个或多个相邻四极电极杆组之间设置延伸部结构，多个延伸部结构之间形状相同或不同。比如在三组四极杆电极系统中，可以设置一个延伸部结构，也可设置两个延伸部结构，当设置两个延伸部结构时，它们之间的形状结构可以相同也可不相同。
本发明一种多段式四极杆电极系统及其串联方法，通过在相邻两组电极杆之间设置特定的电极杆端部结构，能够产生连续的四极电场分布，避免现有结构所导致的边缘场效应，防止离子跑出引起离子损失，从而能够使离子在两级或多级质量分析时完全沿轴向通过，提高离子的传输效率。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
Claims (8)
1.一种用于提高四极质谱中离子传输效率的多段式四极杆电极系统，包括至少两组相邻放置的四极杆电极系统：第一四极杆电极系统和第二四极杆电极系统，其特征在于所述的第一四极杆电极系统由4根完全相同的第一电极构成，所述的第二四极杆电极系统由4根完全相同的第二电极构成，所述的第一四极杆电极系统的每个第一电极与相邻对应的所述的第二四极杆电极系统的每个第二电极呈先后同轴设置；每个所述的第一电极上与其对应的所述的第二电极相邻的一端，设置有第一延伸部，每个所述的第二电极上与其对应的所述的第一电极相邻的一端，设置有形状相匹配的第二延伸部，所述的第一延伸部与所述的第二延伸部部分重叠，所述的第一延伸部与所述的第二延伸部之间设置有间隙或被绝缘材料隔开。
2.根据权利要求1所述的多段式四极杆电极系统，其特征在于每个所述的第一电极的第一延伸部呈台阶型，每个所述的第二电极的第二延伸部呈倒台阶型；或者每个所述的第一电极的第一延伸部呈斜面型，每个所述的第二电极的第二延伸部呈斜面型。
3.根据权利要求1或2所述的多段式四极杆电极系统，其特征在于每个所述的第一延伸部与其对应的所述的第二延伸部之间的间隙大小范围为0.5毫米至3毫米。
4.根据权利要求3所述的多段式四极杆电极系统，其特征在于所述的第一延伸部与所述的第二延伸部为斜面型时，斜面倾斜角范围为0～75°。
5.根据权利要求1或2所述的多段式四极杆电极系统，其特征在于所述的第一四极杆电极系统中的每个电极和所述的第二四极杆电极系统中的每个电极的横截面完全相同，横截面形状为双曲面形、圆形或矩形。
6.根据权利要求1或2所述的多段式四极杆电极系统，其特征在于所述的第一四极杆电极系统选自四极离子导引、四极质量分析器的其中一种；所述的第二四极杆电极系统选自四极离子导引、四极质量分析器或四极离子碰撞池的其中一种。
7.一种权利要求1所述的多段式四极杆电极系统的串联方法，其特征在于包括以下步骤：
1）在两组及以上四极杆电极系统中任意选择前后相邻放置的两组作为第一四极电极杆组和第二四极电极杆组，在第一四极电极杆组上的每个电极的末端设置第一延伸部，在第二四极电极杆组上的每个电极的前端设置形状相匹配的第二延伸部；
2）串联该第一四极电极杆组和第二四极电极杆组，将每个第一延伸部与对应的第二延伸部部分重叠并保持位置对称，在第一延伸部与第二延伸部之间留有间隙或者在第一延伸部与第二延伸部之间填充绝缘材料。
8.根据权利要求7所述的多段式四极杆电极系统的串联方法，其特征在于在三组及以上四极杆电极系统中，在一个或多个相邻四极电极杆组之间设置延伸部结构，多个延伸部结构之间形状相同或不同。
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