CN110729171B - 四极质量分析器及质量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的四极质量分析器对四极杆系统的稳定带形成方式进行了优化，便于离子通过和阻挡多余离子，从而在离子传输效率不降低的情况下提升质量分辨。本发明的方案中避免了前述现有技术中对离子两方向共振频率控制中需要的高频交流信号的叠加，可有效减少快速射频电路中带宽限制所导致的射频电压非线性畸变引起四极杆的工作性能降低风险。同时，由于降低了所需各种交流激发信号的极限带宽，四极质谱所需的离子控制电场的扫描速度也可以更快速的控制。有利于获得高速的四极扫描质谱性能。

Description

四极质量分析器及质量分析方法

技术领域

本发明涉及质量分析领域，尤其涉及四极质量分析器及质量分析方法。

背景技术

四极质量分析器是目前使用最广泛的质谱分析器系统，其原型产生于上世纪50年代，由诺贝尔奖获得者Paul等人发明的一项很成熟的技术和方法，例如，在原始美国专利U.S.Pat.No.2,939,952中，将四根双曲或圆杆电极平行于离子光学系统对称放置，将其中相对称的二个电极杆分别两两相连，将输出互为反相的四极直流和射频电压附加其上。其中一对电极附加为V(t)＝+(U+VCosΩt)的含时交变电压，而另外一对电极附加为-V(t)＝-(U+VCosΩt)的反相交变电压，此处U代表直流电压，V-为交流电压，Ω-为RF电源的角频率。当所配置的四极射频电压和四极直流电压比例合适时，特定质荷比Mz的离子能稳定通过此四极系统，低于此数值的离子倾向于在一对电极上丢失，而高于此数值的离子倾向于在另一对电极上丢失，此工作模式下，四极系统可视为能选择性滤过某一特定质量离子的过滤器，因此其又被称为四极滤质器。

对于通常质谱系统所分析的质量数为1～100,000的离子，采用工作频率为0.2～10MHz的射频电压作为上述的交流电压是比较合适的。通常注入四极滤质器的离子能量为几至几十电子伏特，离子在通过长度为数百毫米的四极杆时，会经历大约数十至数百的射频周期。在射频电压的作用下，离子在两对极杆各自的方向上做周期振荡运动，运动的稳定性决定了传输离子的质荷比范围。通常，四极杆及其所使用的工作电源应该使得四极杆中心区域所产生的电场尽量接近于纯的四极电场分布，如下式所示：

这里r₀为四极杆表面到中心对称轴的最小距离，也称之为四极杆电极系统的电场半径。离子在四极系统中受力的情况可由电场的微分式决定。对于纯四极场，x和y两方向的离子运动是互不相关的，通过求解离子的牛顿运动式-马修(Mathieu)式，可以得到二个重要的无量纲参数如下：

此处M和e分别表示离子额度质量和电荷。

四极质量分析器的工作过程包括以下步骤：

让离子源产生的离子由沿着四极杆的轴向进入四极杆质量分析系统；

加载具有交流V和直流U成分的射频RF电源至四极杆电极上；

保持直流U交流V的比值略低于λ₁＝a₁/2q₁＝0.167852；

逐渐升高U和V的值并保持其比值不变，测定通过四极杆电极系统的离子。

记录离子信号强度于对应的RF电压V的关系，根据下列公式(3)即可得到所需要的质谱图。

如图1所示，展示现有技术中四极杆电极系统的结构示意图及其电源连接方式示意图。

马修式描述了离子在四极场的复杂运动轨迹，离子的这些运动轨迹又可分为稳定和不稳定的二种。离子在四极杆系统中的稳定运动是指离子的运动范围半径小于四极杆电极系统的场半径(r₀)，即离子在整个四极电极系统中的运动都不会导致它们碰到四极杆上而消失。离子在四极场中的稳定或不稳定可以在以a，q为坐标的二维“稳定图”中表示出来。离子的稳定运动是指离子在X和Y方向上的运动都稳定。数学上，离子可以有很多个稳定区域，最常用的稳定区为第一稳定区，如图2所示。

在实际工作中，进入四极杆的不同质荷比的离子均分布在a，q空间中的同一条扫描线a＝2λq上，其中较小质量的离子具有较大的q值，而同时较大离子则位于扫描线靠近原点的一侧。斜率λ＝U/V与离子质量无关，但其大小决定了与稳定区交叠所形成的质量滤过窗口的宽度。理想四极场系统的第一稳定区的顶点坐标位于a₁＝0.236994和q₁＝0.705996处。

当四极杆质量分析器进行质量分析时，需要使得扫描线以略低于顶点的位置扫过(如图2所示)。在此情况下，只有一定质量范围内的离子，例如从M_low到M_high，它们所对应的q值对应于X和Y方向上都稳定的区域。四极质量分析器的质量分辨能力如(3)式所示：

R是指在某质量处的分辨力，M为质谱峰值质荷比，谱峰宽度ΔM是指对应峰在某一相对比值高处的宽度，如10％峰高，或50％峰高处的谱峰宽度，理论上，质量分辨能力可以根据公式(4)由q直接得到，即

R＝q₁/Δq (4)

此处Δq＝q_max-q_min表示扫描线与稳定区两个交点直接的距离，由此我们可以从稳定图边界曲线来推算实际四极杆滤质器系统的理论分辨能力。需要注意的是理论分辨能力只有当离子在四极杆电极系统中运行了足够长的时间才是正确的。

参见Dawson P.H.在其专著Quadrupole Mass Spectrometry and itsApplications.American Institute of Physics，Woodbury，New York，1995]中的结论，由于离子在四极杆电极系统中的运动时间总是有限的，假如用离子在四极杆电极系统中的周期运动的周期数n来表示，则获得的最大质量分辨能力同所述周期数呈平方关系，即Zahn定理：

此处，C为与在某一质谱峰高处计算质量分辨能力有关的常数，例如，当在10％峰高处测量质量分辨时，C≈20。

式(5)给出了四极杆正常运行情况下所能获得的质量分辨能力。例如，离子运行100RF周期情况下所能获得的最大质量分辨为500左右。这也是为何通常商业四极杆质谱仪通常工作在单位质量分辨的原因。

随着现代质谱技术的发展，在许多应用上更高分辨能力的需求被发掘出来。例如生物质谱中需要分辨大量高电荷态的同位素峰。在元素分析上，元素由于核内结合能的质荷比亏损也可以用于分辨同单位质量不同元素的同位素信息。这些要求都需要质量分析器能分辨质荷比差在0.2，0.1甚至是0.01的离子。现有四极质谱仪通常很难达成这样的分析需求。

目前，科技人员已尝试了多种方式来提升四极滤质器系统的分辨能力。首先是使用拉长的四极杆系统，如U.Von Zahn等曾制作长达5.8米的四极杆获得R＝16,000的分辨(见Z.Phys.168，129–142(1962))，但是这种方法在实际生产中却受到加工电极加工精度和组装精度的限制。目前以4mm-6mm为电场半径的四极杆长度一般为150mm-300mm，对于更大长度的四极系统，其平行关系及内接场半径都很难控制到微米级以下。即使不惜代价达成了上述精度，由于系统自重形成的悬臂梁垂降也会使系统的实际分辨远低于预设精度。此外，也可以控制减小注入四极系统的离子动能，然而受限于离子相空间刘维定理的特性，降低离子动能必然伴随着离子径向位置-动量面积的展宽，从而大幅下降离子的传输效能；同时，由于离子动能下降造成驻留时间的上升，会严重限制四极滤质器的扫描速度性能，这对要求每秒执行上百离子对强度分析的现代质谱系统是不能接受的。

为此，科学家们还提出了其他改善四极杆分辨的方法，例如M.H.Amad等人在美国分析化学杂志上曾尝试使用在四极杆前后施加反射透镜组提升四极杆的有效长度，获得了22000左右的质量分辨。但此方法会严重降低质量分析系统的有效工作占空比时间，质谱峰型也很不理想。

另外，科学家们也试图利用其他稳定区。如图3所示的，显示受到频率为0.95的单一交流激发电压而影响的稳定岛(灰色)。主要的稳定岛标记为A，B和C。粗实线标出了第一稳定区的边界，扫描线(细实线)斜率为λ＝0.168。

在q值为21左右的第四稳定区，其Zahn常数C值较通常使用的第一稳定区较低，DJDouglas等人曾获取到约13000左右的分辨。然而使用如此高q值的高阶稳定区形成分析窗口会大幅提高所需的射频电源电压，因此只能适用于低原子量的少量元素分析质谱应用。

降低Zahn系数C的大小能强烈提高四极质量分析器的性能，除了使用高阶稳定区外，另一种降低C常数的方法是使用所谓的交流激发方式，其原理是采用与主射频电压频率不同的交流电场，使其频率与离子在四极场内X向或Y向的久期震荡频率保持同频或整数比频率关系，从而使得离子的振动幅度激发被锐化，明晰临界状态离子的轨迹稳定性。AlanSchoen(见美国专利5089703)于1992年，Kozo Miseki(见美国专利5227629)于1993年都提出了类似的方案来提高四极质谱的分辨能力。其中Alan的方案是采用两个不同的交流空间极化激发电压，使离子在X和Y向的振动幅度在相位吻合或不同时发生周期性的变化，从而得到峰前沿和后沿波荡的谱峰，再利用数学算法去卷积获得高分辨，这一方法后来在2013年又被发展为使用一个高速空间分辨的面检测器测量出射离子在位相空间的特性，由于引入了更多维度(出射空间分布，相位时间分布)的信息，去卷积的效率被进一步提升，可以获得约50,000分辨的性能。但需要指出的是，利用离散离子流的位相信息并去卷积化的高分辨需要大量离子的统计化数据来进行之后的去卷积操作，单个离子是无法获得如此高的分辨能力的，因此其在高灵敏度四极质谱中的应用将受到一定限制。

Kozo Miseki等人的激发四极质量分析器原理基于另一条道路，除了正常的DC和RF电压外，四极杆上还施加了一个很小的交流电压V_exCosω_ext(交流激发电压)。与RF频率为Ω不同，交流激发电压频率为ω_ex，相应的在稳定区的顶点附近产生了不稳定带，并如图4所示将原有的第一稳定图顶端分裂成了许多稳定岛结构。利用稳定岛的结构，可以获得锐化的四极质谱稳定窗口，和Alan的方案不同，四极激发的瞬时电场还是和射频电压电场相同的四极场结构，从而避免了采用偶极极化电场引入的场不完美性，此时形成的稳定岛结构只有很小的相位和空间依赖，可以形成清晰的谱峰前后边界。例如岛津公司的气相质谱-色谱连用仪中，就使离子通过稳定岛A的位置，有效的优化了峰形，提高了质量分辨和测量的可靠性。但是需要指出的是，在实际应用中，由于四极激发电压同时产生离子在X和Y方向的激发，其幅度需要做一定的限定。而且由于实际四极系统的尺寸截断，X-Y方向的离子运动必然伴随一定耦合，尤其在第一稳定图顶端的A岛，X和Y向的离子运动幅度都很大，耦合项会造成严重的稳定图尖端钝化，因此实际此方法的质量分辨提升会被限制在0.1单位半高峰宽左右。

俄罗斯科学家曾系统性的研究过单四极激发电压的问题，例如Konenkov N.V，Cousins L.M.，Baranov V.I.，Sudakov M.Yu.等人在Int.J.Mass Spectrom.，2001，v.208，p.17-27发表的文章中显示，采用图4稍下方的B岛和C岛中，由于只有一个方向上的离子振动收到四极激发的影响(例如通过B岛时，离子在Y方向的稳定性出现一个窄窗，在X方向稳定，而在通过C岛时，正好相反，Y运动在稳定岛两侧保持稳定，X方向上出现稳定的通过窄窗)，相较之下，稳定岛C中可以获得最好的分离效果。但是使用单一交流激发电压的弊端在于，扫描线穿过稳定岛C时，也穿过了稳定岛B，或者相反，如此会产生鬼峰，而无法有效利用这一特征。

解决此类问题的一些方案往往基于使用四极杆系的组合，例如可以使用串联的两段短四极杆，在其中一段施加四极激发，而另一段不施加四极激发或改变施加的方式，例如直接叠加耦合，相位调制，幅度调制等来获取稳定岛位置的变化。如蒋公羽等人的博士论文《新型四极质量分析器的研制》一文中，使第一段杆B岛所在的q值区间落于第二段杆所形成的不稳定带内，从而消除通过C岛获取质量分辨时的鬼峰。该文展示的实验结果指出，仪器设计者可以在一段总长仅约40mm的分段四极圆杆上，获得502u处的单位质量分辨能力。考虑到圆杆本身稳定图尖顶的钝化，以及极短杆长本身前后的边沿场影响，考虑到普通情况下这一分辨需要100mm或以上的四极杆长度，这一实验结果本身已说明了采用C岛或类似位置获取质量分辨的优势，能够有效降低四极滤质器的Zahn系数C。然而这种方法对于获取高分辨时需要使用加倍的四极滤质器长度来消除B岛存在，实际加工制作中优势不大。

Sudakov M.Yu.等人与复旦大学的合作中国专利申请(201610381240.X)中，提出了使用两个交流激发电压来克服这个问题。含DC、RF和两个交流激发电压的式符合V(t)＝U+VCosΩt+V_ex1Cos(ω_ex1t+α₁)+V_ex2Cos(ω_ex2t+α₂)。这里Ω是RF频率，ω_ex1和ω_ex2是两个交流激发电压的频率，并且定义ω_ex1＜ω_ex2。V_ex1和V_ex2分别是第一交流激发电压和第二交流激发电压的幅值，α₁和α₂是RF的初始相位。考虑到无穷小时间变量ξ＝Ωt/2，离子横向运动式为

应用两个交流激发电压展示出了新的性能。选择合适的激发频率ω_ex1和ω_ex2，幅值V_ex1和V_ex2，在X或Y任意方向上的不稳定运动区域得到抵消，相应的稳定区的边界没有变化，而其他部分发生分裂。在稳定区上方也出现了长条状的稳定带。此稳定带的结构与所施加的两个射频电压的比例有关。例如；两个四极激发频率系数分别为ν₁＝0.05，ν₂＝0.95，即其频率分别为射频电压的1/20和19/20时，选择其幅度比率V_ex1/V_ex2＝1/2.94时，离子在Y方向的运动幅值激发会被抑制。图中可以看出，一条长窄的稳定带在原稳定区右侧出现，我们称之为“X运动稳定带”。

图4A和图4B展示当交流激发频率为0.05和0.95时顶点附近的稳定图，稳定运动区域用灰色表示，粗黑线表示初始稳定区的边界，扫描线穿过稳定区顶点：λ＝a₁/2q₁＝0.167852。A图表示激发电压同相。B图表示激发电压反相的情况。

此外，交流激发电压频率与图4A相同，但是相位相反(q_ex2为负值)。如图4B所示，此时X运动不受影响，结果一条长窄的稳定带在原稳定区左侧出现，我们称之为“Y运动稳定带”。当离子运动通过稳定带被选择时，可以避免扫描线同时通过原有主稳定区部分形成的鬼峰。

需要指出的是，现有的四极质谱系统在获得高分辨的工作模式下仍有诸多限制，例如需要多个离子事件进行统计算法处理来获得分辨能力，或者依赖于多个相位及频率锁定的精确射频电压来形成特殊的稳定图结构来获取分辨效果。由于等效采样原理的限制，使用多于一个交流电压激发离子时，其电压波形生成采样时间精度应至少达到各交流电压周期的最小公倍数，才能使得原始稳定图结构不被有效破坏，由于主射频电压的频率已经到达了MHz级，若要获得多个交流波形的有效特征，其电压精度也至少为18位或更高的分辨需求，而数字-模拟转换发生器的采样率也要高于20MHz以上，这对高分辨质谱系统的实际电路实现是相对不利的。因此，需要研发新的能产生高分辨能力的四极质量分析器方案。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供四极质量分析器及质量分析方法，解决现有技术的问题。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种四极质量分析器，包括：第一对杆电极，沿一轴线方向放置在第一平面内；第二对杆电极，沿所述轴线方向放置在第二平面内，所述第二平面与所述第一平面垂直，以令所述第一对杆电极与第二对杆电极组成四级杆；一直流电源，用于提供两对杆电极之间的直流电势差U；一射频电源，用于提供两对杆电极之间的RF电压，所述RF电压的幅值为V，频率为Ω；一第一交流频率源，用于驱动两对杆电极之间的第一交流激发电压，所述第一交流激发电压电压幅值比所述RF射频电压的幅值V要小，记为V_ex1，所述第一交流频率源的频率为不同于Ω的ω_ex1；一第二交流频率源，用于线性调制所述RF射频电压的幅值V，其调制频率为ω_ex2。

于本发明的一实施例中，ω_ex1等于ω_ex2。

于本发明的一实施例中，ω_ex1为ω_ex2的两倍。

于本发明的一实施例中，V_ex1/V在0.001～0.02之间。

于本发明的一实施例中，Ω/ω_ex1为大于等于5的整数。

于本发明的一实施例中，所述第二交流频率源对所述射频电源所提供的RF电压的调制深度在90％-110％之间。

于本发明的一实施例中，所述第二交流频率源对所述射频电源所提供的RF电压的调制深度与所述第一交流频率源所产生的激发电压幅值V_ex1保持线性关系。

于本发明的一实施例中，所述四极质量分析器包括：一第三交流频率源，用于驱动两对杆电极之间的第二交流激发电压，所述第二交流激发电压的幅值比RF射频电源的幅值V要小，记为V_ex3，频率为不同于Ω的ω_ex3。

于本发明的一实施例中，ω_ex3等于Aω_ex1+BΩ的正值，其中A为-3至3之间的非0整数，B为非负整数。

于本发明的一实施例中，U和V的比值在0.167-0.172之间。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种质量分析方法，应用于所述的四极质量分析器，所述方法包括：导引离子流沿所述轴线方向进入所述四极质量分析器；其中，在所述四极质量分析器中，所述射频电源施加幅值为V、频率为Ω的RF电压于两对杆电极之间，所述直流电源在两对杆电极之间施加直流电势差U；所述第一交流频率源在两对杆电极之间施加幅值为V_ex1、频率为ω_ex1的第一交流激发电压，并叠加于所述RF电压上；所述第二交流频率源产生调制频率为ω_ex2的调制信号，并以此信号调制所述RF射频电压的幅值V；令RF电压的幅值以及第一交流频率源电压和第二交流频率源调制幅度维持在特定的比例，使得各交流频率源之间相位相干；调节所述RF电压的幅值来收集离子。

如上所述，本发明的四极质量分析器对四极杆系统的稳定带形成方式进行了优化，便于离子通过和阻挡多余离子，从而在离子传输效率不降低的情况下提升质量分辨。本发明的方案中避免了前述现有技术中对离子两方向共振频率控制中需要的高频交流信号的叠加，可有效减少快速射频电路中带宽限制所导致的射频电压非线性畸变引起四极杆的工作性能降低风险。同时，由于降低了所需各种交流激发信号的极限带宽，四极质谱所需的离子控制电场的扫描速度也可以更快速的控制。有利于获得高速的四极扫描质谱性能。

附图说明

图1显示为背景技术中四极杆及其施加电源的结构示意图。

图2显示为背景技术中质量过滤器的常规图；其中第一个共同的稳定区域(灰色)，示出稳定线尖端下方的操作线的位置，稳定区域是由在图上标记的Y和X运动的稳定性边界形成的。

图3显示为背景技术中在主RF频率的频率0.95的单一交流激励的影响下的稳定岛即稳定区域(灰色)示意图；三个主要稳定区域被标记为A、B和C；原始稳定区域的边界由宽实线表示，斜线的操作线由细的实线表示。

图4A显示为背景技术中在主频率为0.05的两个四极激发的情况下，在第一稳定区尖端附近的质量滤波器的共同稳定性图。在图例中提供了激发强度。稳定运动区域用灰色表示，原始第一稳定区域的边界用粗黑线表示，操作线通过稳定性末端。激发处于同一阶段。激励是相反的。

图4B显示为背景技术中在主频率为0.05的两个四极激发的情况下，在第一稳定区尖端附近的质量滤波器的共同稳定性图。在图例中提供了激发强度。稳定运动区域用灰色表示，原始第一稳定区域的边界用粗黑线表示，操作线通过稳定性末端。激发处于同一阶段。激励是相反的。

图5显示为本发明实施例中通过射频幅度调制形成X-band稳定滤质带的电路原理框图。

图6显示为本发明实施例中提高四极激发电压来提升调制射频幅度辅助四极激发方法模式下的四极杆分辨所形成的质谱图。

图7显示为传统和本发明技术方案改进下，最大可能的分辨能力与驻留时间平方的依赖关系的示意图。

图8显示为本发明实施例中不同质谱分辨宽度下离子信号强度的影响。

图9A显示为本发明实施例中模拟了射频幅度辅助四极激发方法形成X带在单位分辨条件下的稳定性图结构。

图9B显示为本发明实施例中模拟了射频幅度辅助四极激发方法形成X带在高分辨条件下的稳定性图结构。

图9C显示为本发明实施例中模拟了射频幅度辅助四极激发方法形成X带在超高分辨条件下的稳定性图结构。

图10A显示为本发明实施例中采用自补偿法形成射频调制和四极激发波形对三聚氰胺作为分析物所形成的高分辨谱图。

图10B显示为本发明实施例中采用自补偿法形成射频调制和四极激发波形对周效磺胺作为分析物所形成的高分辨谱图。

图10C显示为本发明实施例中采用自补偿法形成射频调制和四极激发波形对维拉帕米作为分析物所形成的高分辨谱图。

图10D显示为本发明实施例中采用自补偿法形成射频调制和四极激发波形对利血平作为分析物所形成的高分辨谱图。

图11A显示为本发明实施例中用于产生X带的理想波形的波形及频域分析图。

图11B显示为本发明实施例中用于产生X带的实际波形的波形及频域分析图。

图12显示为本发明实施例中对形成X带的调制射频信号的阶次分析及所需的高阶频率成分强度的示意图。

图13显示为本发明实施例中解释非平衡射频幅度调制对四极杆稳定图的影响的原理示意图。

图14A显示为现有技术中不包含预杆结构的四级杆结构、边缘场及a-q稳定图变化的对照示意图；上部是不包含四极杆的结构示意图；中间是通过边缘场表现出沿轴线的变化和参数的示意；下部显示了相同的参数下通过箭头表示的a-q稳定图的变化；在四极杆具有预参数的情况下，始终保持稳定区域内的参数。

图14B显示为现有技术中对图14A改进的延迟直流斜坡技术的四级杆结构、边缘场及a-q稳定图变化的对照示意图；上部是包含预杆结构的四极杆的结构示意图；中间是通过边缘场表现出沿轴线的变化和参数的示意图；下部显示了相同的参数下通过箭头表示的a-q稳定图的变化；在四极杆具有预参数的情况下，始终保持稳定区域内的参数。

图15A显示为现有技术中1993年Miseki等人提出的含有预杆的四极杆的方案的四级杆结构、边缘场及a-q稳定图变化的对照示意图。上部是包含预杆的四极杆的结构示意图，中间是通过边缘场表现出沿轴线的变化和参数的示意图；下部显示了相同的参数下通过箭头表示的a-q稳定图的变化；图中假定含预杆的四极杆中参数保持一致。

图15B显示为本发明实施例中通过调制射频电压幅度改善预杆结构离子通过率的四级杆结构、边缘场及a-q稳定图变化的对照示意图。上部是包含预杆的四极杆的结构示意图，中间是通过边缘场表现出沿轴线的变化和参数的示意图；下部显示了相同的参数下通过箭头表示的a-q稳定图的变化；图中假定含预杆的四极杆中参数保持一致。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

背景技术中的现有技术方案中展示了使用多个交流激发电压会带来稳定图的变化。为方便理解本发明的原理，在进入实际应用之前，还需要进一步的讨论。例如现有技术中使用了两个交流激发电压，如图4A及4B所示，当激发电压的q_ex1和q_ex2处于特定频率比值时，在原有的稳定区外产生了对应X或Y向离子运动的稳定带，事实上，这是由于激发电压对应于这个两个频率的q参数，即q_ex2/q_ex1比值一定的时候，离子运动在X或Y方向的扩展Mathieu式的解，在这些频率上所产生的幅度正好相互抵消，因此产生了类似于光学衍射条纹的离子稳定性条带。

需要指出的是，不仅两个不同频率的激发电压所产生的离子运动项可以抵消，当采用不同方式施加四极激发时，由于各种不同模式的激发电压施加方式可以在X和Y方向产生各自不同的振动频率幅度强度，因此，运用不同模式的激发电压施加方式，并调节其激发电压的波形幅度及相位，也有可能获得较窄的稳定区外窄稳定带，用于提升四极质谱的质量分辨性能。

实施例1

在研究使用频率为ω_ex的四极激发信号对稳定图的影响的实施例中，该四极激发信号并不是以线性加法形式叠加在射频信号上，而是通过将此四极激发信号作为幅度调制信号，以乘法算子的形式对原有射频信号的幅度进行调制。

当ω_ex与源射频信号的频率Ω为非整数比时，对于不同初始相位引入四极质量分析器的离子，其相位条件会使处于稳定区边界的离子轨迹发生折返或激发，通常这会使得稳定图的边界发生与离子注入相位依赖的周期性变化，例如之前在Alan Schoen的专利中提到的那样，稳定图的边界振动会在不同q值上对离子运动的稳定性依次周期性的增强和减弱，使得所得到的质谱峰的边界出现振铃现象。

当ω_ex与源射频信号的频率Ω为整数比时，则会和之前Kozo Miseki的专利中类似，使四极质量分析器的稳定图变为一系列的稳定岛结构。在分割稳定岛的不稳定网带中，离子在X和Y方向上的运动频率依次为ω_ex，2ω_ex，…至Ω/2。其中，离子运动的Mathieu式可表示为：

其中，四极幅度调制频率系数为ν＝ω_ex/Ω，当ν＝0.05即四极幅度调制波形的频率为源射频频率的1/20时，最主要的两个条带分别为对应于1/20Ω和19/20Ω的离子共振频率。与传统的直接线性叠加四极激发电压的调制方法不同，离子在Y和X方向的主振动方式正好相反。即1/20Ω的调制频率可以在Y方向产生1/20Ω的离子共振频率。而在另一方面，1/20Ω的叠加四极激发电压也可以在Y方向产生1/20Ω的离子共振频率，但相位正好相反，因此，可以用上述两种信号叠加抵消离子在1/20Ω的Y向离子共振频率，形成不稳定带。

为分析不稳定带的具体结构，需要对同时施加射频幅度调制信号和叠加四极激发电压的情形进行解稳定性分析。此时，离子在X-Y空间中的离子运动满足Mathieu式

其中，第一个交流频率源，用于驱动叠加在例如图1所示的四级杆系统中的两对杆电极之间的第一交流激发电压，第一交流激发电压的幅值比RF射频电源的幅值V要小，记为V_ex1。频率也不一样，为ω_ex1；叠加的四极激发频率系数ν₁＝ω_ex1/Ω。

并且，第二个交流频率源，用于调制所述RF射频电源的幅值V，其调制频率为ω_ex2，调制频率系数ν₂＝ω_ex2/Ω。

一种较为简单的方式是使两个交流频率源的工作频率相等，此时两个交流频率源的激发电压的频率可以表示成单一频率如ν＝0.05。假定ν＝K/P，K和P是整数，式7中的周期函数共同周期为πP，式7即转化为希尔式(即含周期系数的二阶线性微分式)。这时就可以应用矩阵方法(例[Konenkov，N.V.；Sudakov，M.Y.；Douglas，D.J.Matrix Methods for theCalculation of Stability Diagrams in Quadrupole Mass Spectrometry.//J.Am.Soc.Mass Spectrom.2002，13，597–613]等数学方法来求解具有稳定轨迹的q参数分布，即稳定图。

由于通常调制幅度的变化较小，同时叠加四极激发交流信号的幅度也较小，上述式的求解可以用带参数的微扰法获得。由于当幅度参数q_ex1较小如低于0.015时，乘法调制和加法调制的高阶三角函数项乘积因子可以用一次函数描述，此时，当q_ex2/q_ex1的比值确定时，可以获得稳定的ω_ex与Ω/2-ω_ex频率的四极激发抵消，当Y向的ω_ex被抵消时，可以获得X向运动的窄带稳定区域，称为X-band，反之，当X向的ω_ex被抵消时，可以获得Y向运动的窄带稳定区域，称为Y-band。通常q_ex2/q_ex1需控制在1.5左右以扣除离子在非感兴趣方向的振动幅度，对于较大的ν值，需要考虑三角函数的非线性项，使用近似法可以得到相似的结果。还有一点，在q_ex2/q_ex1为较小的定值时，导致X或Y带产生的q_ex2/q_ex1的比值与ν无关，这是由于三角函数展开Taylor式的特性所决定的。

同样的，我们也可以通过选取其他的激发频率，使得Y方向的不稳定运动进行抵消，产生X-band。例如，在q_ex2/q_ex1＝1.63时，ν₁＝ν和ν₂＝1-ν也可以得到类似于现有技术中图4A的窄稳定带结果。事实上，当交流幅度调制频率系数，和叠加激发频率系数以Aω_ex+BΩ的形式设定时，当A为绝对值小于4的自然数设置时，离子运动频率项的展开式均能较好的叠加消除离子在Aω_ex频率处的定向激发，从而形成窄的不稳定带。

在四极质量分析器工作时，射频电压与四极直流幅度的设定值是穿过稳定区顶点的扫描线a＝2qλ。在常规模式下，四极杆的质量分辨由扫描线的斜率λ＝U/V决定。在稳定带扫描模式下，将扫描线斜率固定，此时在没有交流激发电压的情况下，离子不具备稳定的轨迹。此时四极杆的质量分辨由稳定带宽度决定，而稳定带宽度取决于交流幅度调制深度，和叠加激发电压幅度的比例q_ex2/q_ex1，或记为参数AM2ratio(Amplitude-Modulation2parameter ratio)。理论质量分辨率为R＝q_centre/Δq，这里Δq＝q₁-q₂，表示扫描线与稳定区两个交点之间的距离，这里q_centre是指中间值。

如表1所示，展示理论质量分辨相对于AM2ratio参数的关系，使用该方法产生X带的质量分辨，其中无量纲化频率，即交流激发电压与主射频电压的频率比为ν＝0.05。表中Q1，Q2分别为形成质量稳定条带大的两边沿q值，DeltaQ展示了质量稳定条带的宽度，aA，qA为稳定条带最上顶点的坐标，其比率决定了四极杆扫描线斜率的最大值kMax，aB，qB为下方稳定岛的顶点坐标，其比率决定了四极杆扫描线斜率的最小值kMin，低于该值时扫描线会截过下方稳定岛产生鬼峰。根据条带的q差值宽度，可以获得对应条件的极限质谱分辨率Theo.Res值。

从表中可以看出，当AM2ratio设为对应合理值时，越是高的激发电压与调制幅度的组合，可以获得更高的分辨。需要注意的是，当扫描线的斜率λ＝U/V过低时，扫描线会通过稳定区本部而产生鬼峰。按表内上述参数设定四极质量分析器的工作条件，可以获得最高至约66,000左右的质量分辨。其中，RF射频电源与第一交流频率源的频率比Ω/ω_ex1为大于等于5的整数。由于二-五-十分频器易于寻找到可用的廉价方案，通常采用20分频即ν＝0.05的条件。而用于形成射频幅度调制的第二交流频率源，其对所述射频电源输出电压的调制深度为90％-110％之间。通常，第二交流频率源对所述射频电源输出电压的调制深度与所述第一交流频率源所产生的激发电压幅值为V_ex1保持线性关系。

实施例2：

先见表2及表3：

表2，导致X-band带产生的交流幅度调制频率系数ν₂，和叠加激发频率系数ν₁组合及其频率比值，按照频率从小到大排列

表3，有X带的情况下，将四极杆在传统模式下进行模拟。所有的幅值都是零峰值。

	DC	RF	交流-1	交流-2	AMRF％
						Frequency，KHz	0	1200	60	1130	60
Conventional	141.69V	844.33V	0	0
						Xband-Prior Art	144.33V	857.25V	6.85V	20.16V
Xband-AMRF	144.19V	856.47V	6.85V	0	+/-2.48％

根据前述表1，使用幅度调制射频配合四极激发电压形成X-band带进行四极质量分析扫描，可以得到非常高的质量分辨。但是应该注意到这只是理论上在无限长四极杆中的数值模拟情况，在实际应用中，如前述，质量分辨首先受到离子在四极杆中的停留时间限制，在有限长的杆内会相应变差。例如，我们使用电场半径为r₀＝4mm，长度为200mm的四极杆进行模拟。先不考虑杆系两端场畸变带来的影响，设定沿四极杆电场为纯四极场(双曲面电极)，用以忽略在两端的高阶场效应。当四极杆在RF频率为1.2MHz的条件下工作，在传统模式下609Da的离子可以获得10000的质量分辨。相应的电源按照表3中“Conventional”的条件设置。在新的操作模式下，我们选取表2中的另一条件，对应交流激发电压的幅值在表3中“Xband-AMRF”表示，这样的条件下，对利血平609质量的离子质量分辨也为10000左右。为了类比Sudakov等人在先的技术，他们的条件抄录于“Xband-Prior Art”项中。

从上述表中可见，当使用幅度调制模式时，现有技术中的1.14MHz的第二激发电压可以被避免，这对进行高分辨率的四极质量分析器驱动电源的设计是很有帮助的，因为在这种情况下，若使用1.14MHz的第二激发电压，由于其频率和主射频频率非常相近，其幅值同样会通过采样反馈被控制电路采集，由于采样反馈中通常用到整流电路，所以其反馈深度通常会反映为瞬时高频射频信号的绝对值，但1.14MHz的第二激发电压幅值较高，会同原始射频信号的整流值形成拍频图案，这就使得反馈电路的反馈值在不同射频和交流的相位上发生波动，对形成稳定的射频信号非常不利。

但当我们使用本发明的调制方案时，由于避免了1.14MHz的交变电压，全系统中仅出现了60KHz的调制和叠加交流波形信号，此时，由于60KHz距离1.2MHz的频带较远，此时很简单的高通和低通滤波器就能完美实现四极杆上混频信号的叠加。同时，去除激发信号的影响也变得容易。更进一步的是，我们甚至可以通过主动产生反相的60KHz信号来抵消发生电路中的杂散噪声影响。

如图5所示，展示了一种能有效通过射频幅度调制形成X-band稳定滤质带的电路原理框图，图中，质量控制信号501通过加法器511和从第一交流源521的信号进行混合，叠加的交流信号源的强度收到第一激发电压信号源503通过乘法器512调制，形成的混合控制信号分别通过正向和反相叠加器513和514叠加上用于控制四极直流强度的分辨控制直流电压源502的信号，通过加法放大电路分辨施加到四极电极对500A和500B上。当四极杆对的偏置电压需要修正时，可通过偏置直流电压源504通过加法放大电路515和516对上述输出直流电压发生偏置。

同时，为了有效控制四极射频信号的调制幅度，第二交流源505形成幅度调制信号，可以通过选频放大器517来放大其中的某一激发电压，如图例中为60KHz，此波形同上述质量控制信号在1.2MHz的选频放大器519的输出在乘法电路520上形成调制的幅度信号，以此信号可通过谐振变压器初级线圈531将射频能量转移到次级放大线圈532和533之上，如此产生约束离子的交流和射频信号的组合。

需要进一步指出的是，在对射频幅度调制信号和叠加四极激发电压信号的合成中，各种乘法器的通频带宽是有限的。可以采用一些方案来克服这些问题，例如引入第二选频放大器518来引入其他的信号频率。505，517和518的组合在一些情况下也可以用其他的方式来实现，例如多重混频器网络或芯片，或直接波形合成上述频率的组合。

相似质量数离子构成的离子束在四极杆中运动时，在横向运动上会有0.1mm左右的随机分布。由于所有离子沿四极杆方向飞行的能量一致，它们飞行的时间也一样。离子进入四极杆中的时间从0～20us将其均匀分布，所以离子进入四极杆中的时候不仅仅位于所有可能的RF相位，而且也位于交流激发电压的所有相位。最终离子会达到正态分布，其中横向能量标准偏差为0.025eV，相当于离子在320K下的热运动能量。每一次模拟中，我们设定10000个相同质量数和相同能量的离子，对于其他条件我们进行随机分布，当他们撞到四极杆上或消失或传输到四极杆的另一端时模拟停止。然后我们记录下传输完成的离子数目，再设定另一个质量数的离子进行模拟，直到图中所示形成不同峰形。在实际中，四极杆是用另一种方式工作，即扫描RF和DC电压，可以从RF电压中获得离子的标称质量。因此，与真实实验相比，在本文的模拟中，低质量数和高质量数的峰都会出现。

可以看出，即便是在最低的质量分辨率情况下，还是有许多的离子(约一半)损失掉了。这是因为离子速度和位置的初始分布导致的。调节增大四极激发电压和主射频强度的比例，可以使得质量分析器的分辨能力快速上升，如图6所示，其为提高四极激发电压来提升调制射频幅度辅助四极激发方法模式下的四极杆分辨所形成的质谱图，分辨能力逐次提升。

在传统模式(即没有交流激发电压)下模拟时，在离子最大通过效率下理论质量分辨也是10000，但是质量分辨受离子飞行时间的影响越来越大。由于这种模式下的峰形已经众所周知，在高质量数一侧有非常严重的拖尾。从式(5)可以得到最大质量分辨。

如图7所示，展示两种四极激发形成X带模式下(701，本发明的调制射频幅度辅助四极激发方法，以及702，在先发明中通过两个额外的辅助四极激发电压形成X带)的质量分辨与周期运动周期数n2的关系，为对比方法的改进，曲线703标注了传统无任何四极激发时四极杆的质量分辨关系。

图7中表示了模拟的结果，其中质量分辨与周期运动周期数平方成正比。传统模式下，当在100个RF周期时质量分辨只有500。与之相比，使用X带进行扫描可以得到9000的质量分辨。

这里作一下解释。显然，相比于传统模式，在稳定区边界X带附近的不稳定运动离子的不稳定运动速率更高，撞到四极杆上消失地更快。在频率ν较低时，两个频率为ν₁＝ν和ν₂＝1-ν的交流激发电压对离子轨迹有调制作用，这会导致X-band外X方向上运动的不稳定。式(7)中也使用了RF频率Ω和参数q_ex1与q作比较。如果使用较小的频率ν替代Ω，q_ex1会变得很大，对实际电压实现造成困难。上述模拟中ν＝0.05，但因为q_ex1的有效值会由于和射频的调制包络共振，实际20周期就能扩大400倍。即当q_ex1＝0.0068，此时实际q的有效值为2.72，这也对应了马修式中q值高的区域，因此离子不稳定运动程度更为剧烈，只需要很少的RF周期即可将离子分离，对于更高的分离周期数，离子分离的有效q值会进一步上升，此时实际离子分离效果类似于[Wei Chen，B.A.Collings，and D.J.Douglas，High-Resolution Mass Spectrometry with a Quadrupole Operated in the FourthStability Region，//Anal.Chem.2000，72，540-545]中使用q＝27.2的第四稳定区的情况。在我们的模拟中，仅仅100RF周期即可将质量数相差0.08的不稳定离子撞到四极杆上消失，获得更高的分辨。

因此，X带(X-band)即类似频率ν较低时q值高的区域。不同质谱分辨宽度下采用本方法对609质量数的离子所造成的分辨影响已在图8中展示。

在图8中，801所展示的运用调制射频幅度叠加四极激发电压的方式相对802所展示的传统四极质量分析器的方式，以及曲线804所展示的Sudakov的双四极激发叠加法的结果，在各个分辨率情况下都能获得信号的提升，尤其如803所展示的新方法相对传统方法的改进倍率曲线所示，运用这种方式，四极质量分析器对离子的分辨效能确实可以明显提高，并获得更高的离子传输效率，尤其是在高分辨率的情况下。

当四极杆施加交流激发电压时产生的场畸变要小很多。纯四极电场是由理想对称和平行的双曲面杆子在无限长度上形成的。但是在实际中这是不可能的，四极杆也常常被加工成圆柱杆子。在传统模式下，杆子的半径R与电场半径r₀的比值一般为1.12-1.13，来抵消场畸变带来的影响，同时有较好的性能。尽管非线性场畸变的影响很小但是还是会严重影响四极杆性能，会带来峰形畸变、拖尾和离子传输的损失。当四极杆在高分辨情况下工作时，这些问题就变得更加严重。其他的畸变比如杆子错位、杆子弯曲、杆形状畸变、表面不平整或者是表面污染等等会带来更多难以预测的影响。当施加了额外的交流激发电压时，这中间的很多影响就减弱很多甚至是消失了。有关这方面的实验[X.Zhao，Z.Xiao andD.J.Douglas，“Overcoming field imperfections of quadrupole mass filters withmass analysis in islands of stability”，Anal.Chem.81，5806，(2009)]证实。由于本方法中的四极质量分析器方案也是基于四极交流激发所形成，该方法同样能享受对分析器器件小的机械结构，尺寸以及脏污的抵抗。

实施例3：

在本实施例中，我们将一台商用四极杆质谱仪器(岛津制作所，型号LCMS2020)进行改造，仪器中四极杆主杆长度为200毫米，拥有4毫米的内切圆半径。通过使用几种不同的电压设置可绘制离子在X带下的传输区稳定图，如图9A～9C所示。

图9A～9C分别模拟了射频幅度辅助四极激发方法形成X带在单位分辨、高分辨、及超高分辨条件下的稳定性图结构。

从图9A～9C中可见，在图A中，当VAC/VRF＝0.0042时，质量数为609的利血平离子，分辨率可达1431，此时四极质量分析器的传输率为33％；如图9B所示，如果增加此值到2倍左右，此离子的分辨率可达7780，约提高5.5倍，而传输效率可达15％，仅下降一半；如图9C所示，当VAC/VRF达到0.012时，可以获得及其良好的分辨结果，在模拟结果中可以获得以2.8％为通过效率的22000以上的分辨率。

实验中，通过同时对上述参数对修改后的四极杆质量分析器系统的射频电压进行调制和施加激发电压进行补偿，初步结果证明了调制射频幅度辅助四极激发方法形成X通带方法的优越性。

下表4给出了传统U-V扫描方法和调制射频幅度辅助四极激发方法之间的在比较结果。具体的，是展示常规QMS分辨率与具有相似或更好FHWM分辨率的AM X波段信号的比较结果。

从中可见，基本上，在分辨率为0.1～0.4单位质量的条件下观察到了调制射频幅度辅助四极激发方法所带来的的约2-3倍的信号增强。例如，未改造的四极杆分析器在扫描到利血平的峰型时，若获得单位质量分辨，在1.2MHz的射频条件下，仪器所能获得的相对信号强度为0.91，但若希望分辨提升到0.3的半高峰宽时，离子的信号强度就下降到0.085左右了，此时会使得仪器整体的信号灵敏度下降一个数量级。若使用带有两个四极杆的串级质谱仪时，仪器的信号灵敏度就将下降两个数量级。然而若在原有的设备上附加60KHz，142毫伏的调制信号于四极杆的质量控制输入电压端子时，并同时附加5.0伏的60KHz的四极激发信号于两对四极杆间，此时获取到类似半高峰宽的信号强度可到达0.279.相对原始条件仅下降通过率半个数量级。而若用此方法，在原有的设备上附加60KHz，152毫伏的调制信号于四极杆的质量控制输入电压端子时，并同时附加5.5伏的60KHz的四极激发信号于两对四极杆间时，此时能获取到0.098的信号强度。相对于原始未改造仪器的高分辨模式的0.085的信号强度还提升了15％，但离子的质量分辨宽反而能改进0.23单位质量左右。

上述的方法证明了调制射频幅度方法具有较高分辨率的潜在可能性。一种更简单的改造方案是仅采用60KHz的射频调制信号调制了射频信号，由于此波形可被视为一个载波信号，在四极杆电源反馈的误差放大器上，该信号会被反馈整流出低频的部分，因此也产生60kHz波形的信号，通常这一信号是通过电阻分压器控制到四极杆电源的高压直流发生器电路的输出，因此这种调制可以相应地作为四极交流激发波形。通过调节电阻分压器的比值，在适当的射频调制电压下，所形成的射频调制包络波形和四极交流激发波形可以完全相位对齐。使用这种方法，只需要较大的射频调制电压电压就可以产生良好的X带质量滤波结构。图10D表明，当相位延迟在利血平的609质量数对应电压下得到很好的补偿时，利血平主峰的分辨率可以上升到仅0.05单位质量的宽度，而相对于常规模式下只有1/5的单位质量分辨条件的信号衰减。这一结果甚至比用更大场半径如6mm的高分辨高精度四极质量分析器更好。对于其它质荷比的离子，也可以得到类似的结果，但在由于这一调制解调方案所带来的非线性关系，会在离子Y方向上的运动形成不完全的四极激发抵消，并引起轻微的分辨率衰减，这也显示在质谱峰图案的前拖尾特征中。

如图10A～10D所示，展示采用自补偿法形成射频调制和四极激发波形对时，对不同质量数的分析物所形成的高分辨谱图的效果。

在上述装置中，最好的X带质量峰宽度被限制在0.08左右。限制更高分辨率的原因是由于较高的射频调制电压，如高于0.25V时，会在目前的电路中产生不对称的包络波形，虽然这一现象在示波器所展现的信号中很难被看出，但可以通过傅里叶变换揭示这一结果。在这种情况下，射频信号和额外的四极交流波形是不同的，并且不能完全补偿。在下一实施例中我们将展示如何克服此问题。

实施例4：

在本发明的此实施例中，我们进一步改进系统来克服存在的由于电子学限制所产生的四极激发波形的不对称性影响。

图11A和图11B展示用于产生X带的理想波形121和实际波形122的波形及频域分析比较图。

图11A中，波形121展示一个从理论上推断形成完美X带的波形，通过傅里叶变换可以发现，叠加有幅度调制并伴随合理的反相四极激发信号的波形，其主要频率蕴含了产生离子不稳定性的四极直流，激发的具有1/n分频比的四极激发和由于幅度调制所产生的1-1/n分频比的高频四极交流成分。若仔细观测，也可看到有极少的2/n分频的信号，这是由于三角函数积化和差所产生的高次项，但从幅度来看，2阶以上的高次成分其功率只有1阶的0.01倍或更少。而在实际波形中，会看到2/n分频的信号成分明显增加，此时由于此信号在离子振动上就会产生各方向离子运动久期频率的2倍频，而此信号在高频段并没有对应看到1-2/n的频率成分。因此，离子在Y向的2倍频运动是不被有效抵消的，此时无法获得理想的Y方向不稳定带抑制。

为解决此问题，一个理想的方案是引入一个额外的2/n分频比的幅度调制信号，通过对射频包络带的分析可见。若对纯的射频叠加1-1/n分频的信号做最小二乘拟合。如图12可见，其中左图展示了基于20分频激发信号形成X带的调制射频信号的波形数据图，对其进行包络线的的阶次分析，首先可以得到的中图所示的1/n分频，即对应于1/20f_RF的幅度调制信号主波形，而从这一波形中扣除了1/n分频的幅度调制信号成分后，在右图可见还包含了2/n分频，即对应于1/10f_RF的幅度调制信号。

与此相反，若在幅度调制信号中引入2/n分频项，其在离子运动的频谱中也可以形成1-2/n分频的运动频率成分，该成分可以用于和原有的电子学不完美所形成的2/n分频成分相消。

类似的，这一额外的频率成分ω_ex3还可以指定为等于Aω_ex1+BΩ的正值，其中A为-3至3之间的非0整数，B为非负整数，这些频率分别对应主射频电压及四极交流激发电压频率的基频与高次谐波所引起的离子运动频率特性。其中A、B绝对值为1的情况对应于基频叠合。而在四极杆场型含有高阶场，如由于X-Y方向对称破缺所产生的八级场，或单一极杆位置偏移所产生的六极场则分别对应于A、B绝对值为2和3的情况。对应这些条件引入频率成分ω_ex3的激发电压可以进一步修正所形成稳定带边界的清晰性，以及上述波形非理想所形成的额外的离子运动频率成分，可进一步提高四极质谱的分辨性能。

另一种改善四极杆峰型的方法是故意引入比表2中平衡四极激发电压条件更大或更小的射频幅度调制比率，如图13所示，用于说明非平衡射频幅度调制对四极杆稳定图的影响。

其中，1301，1302，1303分别为射频幅度调制比率偏低、正常、和过高时的X稳定带形状，其射频幅度调制比率AM2ratio分别为1.50，1.5356和1.58。可以看到，当四极杆上施加的射频幅度调制比率偏离理想补偿值时，X稳定带会发生分裂，这是由于在分裂处，由于射频调制所影响的离子轨迹振动和四极激发条件不完全抵消所导致的，由于幅度调制所形成的Mathieu式7.a/7.b中的三角函数积项展开会产生出2次和其他高阶次的加和项，这些项会产生出更尖的分裂处下沿。当扫描线1304通过这些下沿时，实际所形成的X稳定带有效宽度会变得更窄。例如当射频幅度调制比率为1.50，扫描线斜率为0.1694时，通过切割分裂的X稳定带1301的下沿可对利血平609质量的离子获得18272的质量分辨。而当采用同一扫描线通过完全补偿的稳定带1302时，其质量分辨仅为13880。可见，通过合理配置射频调制比率和有效的四极激发电压的高次频率项时，本发明的方法相对于其他在先基于四极激发所形成的稳定带或岛结构的方法，获取到的质量分辨率会更高。

实施例5：

现有技术中，当使用q值高的高阶稳定区时，虽然实验报道中可以获得14000的质量分辨，然而由于灵敏度太低，在实际应用中难以商用化。在传统模式下，由于在四极杆引入端的存在边缘场，这种方法离子的损失太多。在四极杆的引入端，DC和RF的含量比四极杆内部要少，离子运动变得更不稳定。但是由于横向运动的存在，离子跨越边缘场需要经历很大的离子溅射。在四极杆内部，边缘场沿四极杆指数降低，在一段距离内保持2r₀(四极杆电场半径)。对于电场半径为5mm，长度为200mm的四极杆来说，边缘场占整个长度的5％。对于运动时间为100RF周期的离子来说，会在边缘场中经历5个周期，因此会带来离子的损失。在传统模式下，相同运动时间时的分辨只有500。想要更高的质量分辨，就要增加离子的运动时间，而此时在边缘场中的时间也会相应增加，就会导致灵敏度的降低。此时若使用X带，即便是在100RF周期的运动时间下，也会获得高质量分辨。由于只是在稳定区顶点处做了改变，与传统模式相比，离子传输效率也会降低。

特别是当要求高分辨时，边缘场带来了一个很大的问题。为了克服这个问题，人们发明了DC延迟技术[W.M.Brubaker，D.Burnham，and G.Perkins，J.VAC.Sci.Technol，8(1971)，273-274]。

如图14A～14B所示，在图14A或14B中，上部图是进入四极杆的结构示意图，中间图是对应的沿四极杆z轴经过边缘场a和q的变化；底部图是在相同参数下，通过箭头表示的稳定图变化。图中假定含预杆的四极杆中参数保持一致。

在这种技术中，需要在四极杆前端额外放置一小段杆子(称为“预杆”)。主四极杆RF和DC都有，但是预杆只有RF电压。因此离子束进入预杆的时候是没有DC成分的。预杆RF电场的边缘场逐渐从0增大，只有进入主四极杆中时，离子经历含DC成分的电场。因此参数a和q在第一段区域会保持平稳，将边缘场中的离子溅射减到最小。这种技术在图8中表示,图中可见，当离子由预四极杆区域进入主四极杆分析时，离子在a,q参数空间首先由于边缘射频四极场逐渐增强增大q值进入稳定区深处，然后在预杆与主杆的间隙由于边缘直流四极场的的增强而增大a值最终到达稳定区顶端产生质量分辨，离子状态全程都在稳定图内部移动避免了离子损失。但在使用在先的X带进行离子质量分离过程中情况下，X带方法与传统方法使用此改良方法的效果差异是，当离子运动在非常靠近顶点的X带前的时候，离子会经过一段窄的不稳定带。此时在离子处在边缘场的末端，即预杆和主杆分离的位置，若经历的时间较长，则会产生产生严重的离子束散射导致离子丢失。

如图15A及15B所示，用于比较说明本发明的对射频电压幅度调制从而对预杆结构离子通过率的改善。

在图15A或15B中，上部图是进入四极杆的结构示意图，中间图是沿四极杆z轴经过边缘场a和q的变化。底部图是在相同参数下，通过箭头表示的稳定图变化。图中假定含预杆的四极杆中参数保持一致

在先前的X带分离专利方案中，由于四极杆上施加了射频，以及分频关系为射频的1/n与1-1/n的两个激发电压信号，当通过电容网络附加主杆的交流信号到预杆时，由于1-1/n的高频交流激发电压信号(AC2)和原始射频信号非常相近，因此很难避免其耦合到预杆之上。

此时，离子在预杆中所得的稳定图结构还原到之前1993年Miseki等人提出的，如图15A下部图所示的稳定岛结构。离子通过岛间的不稳定带时便会散射损失部分通过率。

而在本方案中，由于射频幅度调制信号和四极激发信号的频率均只有主射频频率的几分之一，此时，可以通过一个简单的带通滤波器(如RC网络)即可实现预杆上交流激发信号的隔离，此时，当离子通过预杆时，所形成的稳定区结构如图15B下部图所示，避免了稳定岛间不稳定带的离子束发散。

使用调制方法形成X带进行离子分离的另一个显著优势是，离子只在X方向上变化其振动幅度。如前所述，在X带附近，沿扫描线离子的Y方向运动保持稳定。在传统模式下，扫描线扫过稳定区的顶点，低质量数一侧q值高，在X方向上会产生不稳定运动。同时高质量数一侧在Y方向上会产生不稳定运动。考虑到一台质谱仪的灵敏度，是由离子的初始位置、初始能量分布以及传输到检测器的时间决定，对于能稳定通过此四极杆质量分析器的离子要求是，任意时刻，在X或Y任意方向上离子的运动都要小于r₀Ω²。图3中可以看出，这也与稳定岛A的离子分离有关。但是由于X和Y方向上离子的不稳定运动，导致离子传输损失太多，所以传统模式在实际中引用受到限制。相比之下，使用X带的限制仅仅在X一个方向上，而Y方向运动保持稳定。在现有技术如Alan Schoen的方案中，需要采用两个偶极激发电场来形成通带，这样会破坏电场的对称性。而Sudakov等人的方案需要高频的交流激发信号，其产生比较困难并难以与主射频信号脱耦，因此会导致信号发生畸变来影响离子传输。

上文已经阐述过，随着交流激发电压和射频幅度调制信号的施加，稳定带得以出现，也可以实现快速的离子质量分离。当使用低频的交流激发电压，只需要几个周期即可将不稳定的离子撞到四极杆上消失。传统模式下，需要超过100RF周期，而且还有非线性场畸变带来的影响。采用稳定岛就不会产生这样的影响。本文也阐述了根据本发明施加两个交流激发电压形成稳定带的特性。

总结一下，根据本发明使用稳定带扫描，可以使得四极杆的质量分辨明显提高，而且没有显著地离子传输损失，原因如下：

1)更快的离子质量分离，使用低频的交流激发电压，只需要几个周期即可将不稳定的离子撞到四极杆上消失。而且可以得到超过10000的质量分辨。

2)离子质量分离只发生在一个方向上，提高了灵敏度。

3)用于离子质量分离的不稳定带只出现在第一稳定区顶点附近，因此可以使用DC延迟技术提高灵敏度。

4)射频幅度调制信号和交流激发电压均可是频率为主射频信号几至几十分之一的低频信号，因此其产生和调节容易与原始射频控制电路脱耦，利于系统的稳定性实现。

5)无需施加额外的高频交流激发电压，可以不受其所造成的分析杆边缘的非线性场畸变带来的影响。

本发明中上述实施例和计算结果都在频率ν＝0.05情况下进行，在比较符合实际，即100RF周期中含有5个低频激发周期。实验上此过程也相对容易实现，因为商用可以购置到低相位噪音的2～5～10分频器，使用此器件形成质量滤过带相对低成本。事实上，其他分频参数也可以获得类似的幅度调制质量过滤带。

表1中也显示，当频率值都在0-0.2的范围内，而且激发电压幅值的比值相等情况下，得到的结果是相似的。上文也阐述过，四极杆可以使用表2中交流激发电压和调制幅度的值，在实际引用中，当然也可以引入其他手段，施加不止两个交流激发电压，例如增加第3个交流激发电压，其，或者是对RF电源做出改进，与交流激发电压进行组合。诸如这类的改进均应认为是从本发明中产生的技术方案，在此进行声明。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种四极质量分析器，其特征在于，包括：

第一对杆电极，沿一轴线方向放置在第一平面内；

第二对杆电极，沿所述轴线方向放置在第二平面内，所述第二平面与所述第一平面垂直，以令所述第一对杆电极与第二对杆电极组成四级杆；

一直流电源，用于提供两对杆电极之间的直流电势差U；

一射频电源，用于提供两对杆电极之间的RF电压，所述RF电压的幅值为V，频率为Ω；

一第一交流频率源，用于驱动两对杆电极之间的第一交流激发电压，所述第一交流激发电压的电压幅值比所述RF电压的幅值V要小，记为V_ex1，所述第一交流频率源的频率为不同于Ω的ω_ex1；

一第二交流频率源，用于线性调制所述RF电压的幅值V，其调制频率为ω_ex2，

其中，所述线性调制是通过将所述第二交流频率源的激发信号作为幅度调制信号，以乘法算子的形式对所述RF电压的幅值进行调制；所述第二交流频率源对所述射频电源提供的所述RF电压的调制深度与所述第一交流频率源所产生的第一交流激发电压的幅值V_ex1保持线性关系。

2.根据权利要求1所述的四极质量分析器，其特征在于，ω_ex1等于ω_ex2。

3.根据权利要求1所述的四极质量分析器，其特征在于，ω_ex1为ω_ex2的两倍。

4.根据权利要求1所述的四极质量分析器，其特征在于，V_ex1/V在0.001～0.02之间。

5.根据权利要求1所述的四极质量分析器，其特征在于，Ω/ω_ex1为大于等于5的整数。

6.根据权利要求1所述的四极质量分析器，其特征在于，所述第二交流频率源对所述射频电源所提供的RF电压的调制深度在90％-110％之间。

7.根据权利要求1所述的四极质量分析器，其特征在于，包括：一第三交流频率源，用于驱动两对杆电极之间的第二交流激发电压，所述第二交流激发电压的幅值比RF电压的幅值V要小，记为V_ex3，频率为不同于Ω的ω_ex3。

8.根据权利要求7所述的四极质量分析器，其特征在于，ω_ex3等于Aω_ex1+BΩ的正值，其中A为-3至3之间的非0整数，B为非负整数。

9.根据权利要求1所述的四极质量分析器，其特征在于，U和V的比值在0.167-0.172之间。

10.一种质量分析方法，其特征在于，应用于如权利要求1至9中任一项所述的四极质量分析器，所述方法包括：

导引离子流沿所述轴线方向进入所述四极质量分析器；

其中，在所述四极质量分析器中，所述射频电源施加幅值为V、频率为Ω的RF电压于两对杆电极之间，所述直流电源在两对杆电极之间施加直流电势差U；所述第一交流频率源在两对杆电极之间施加幅值为V_ex1、频率为ω_ex1的第一交流激发电压，并叠加于所述RF电压上；所述第二交流频率源产生调制频率为ω_ex2的调制信号，并以此信号调制所述RF电压的幅值V；其中，将所述第二交流频率源的激发信号作为幅度调制信号，以乘法算子的形式对所述RF电压的幅值进行调制；

令RF电压的幅值以及第一交流频率源电压和第二交流频率源调制幅度维持在特定的比例，使得各交流频率源之间相位相干；

调节所述RF电压的幅值来收集离子。

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