CN112185798A - 一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，包括构成同心圆筒状的偏转外轨和偏转内轨，所述偏转外轨的电势高于所述偏转内轨的电势，所述偏转外轨和所述偏转内轨组成离子高势储存偏转腔O‑trap，所述高势储存偏转腔O‑trap的外端设有用以切向引入离子束的离子引入轨道，所述偏转内轨的中心处设有静电离子阱内电极，所述偏转内轨与所述静电离子阱内电极构成静电离子阱分析腔，所述偏转内轨上设有供离子引入静电离子阱分析腔中的离子变轨引入通道。与现有技术相比，本发明具有减少离子损失，提高信号强度，控制简单等优点。

Description

一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置
技术领域
本发明涉及质谱分析技术领域，尤其是涉及一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置。
背景技术
静电离子阱质谱仪(Orbitrap)的发展是近年来质谱技术的一项重要进展。Orbitrap质谱仪以其极高的分辨率和灵敏度，在蛋白质组学、临床分析检测等过程中均发挥着重要作用。然而，由于外国公司对此类质谱仪器关键技术C形状-离子阱(C-Trap)的技术垄断，导致其价格高昂，限制了该仪器技术在我国各科研机构和临床医院的普及使用。
而目前的C-trap引入装置存在着一个明显缺点，即离子在射入Orbitrap的过程中离子损失严重，造成很多低丰度信号难以被检测。此外，入射到Orbitrap的离子需要经历短暂的停摆时刻，以便中心轴电压调整到合适值，这个停摆时刻的控制是离子入射到Orbitrap的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，用于将连续离子流切向引入高势储存偏转腔O-trap中并被储存，之后通过多次降轨的方式将离子引入静电离子阱中，本发明装置可避免离子远距离传输，减少离子损失，从而提高静电离子阱的分析灵敏度。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，与Orbitrap离子阱配合使用，装置包括构成同心圆筒状的偏转外轨和偏转内轨，所述偏转外轨的电势高于所述偏转内轨的电势，所述偏转外轨和所述偏转内轨组成离子高势储存偏转腔O-trap，所述高势储存偏转腔O-trap的外端设有用以切向引入离子束的离子引入轨道，所述偏转内轨的中心处设有静电离子阱内电极，所述偏转内轨与所述静电离子阱内电极构成静电离子阱分析腔，所述偏转内轨上设有供离子引入静电离子阱分析腔中的离子变轨引入通道。
该装置还包括用以为所述偏转外轨提供直流电压的第一直流电源，用以为所述偏转内轨提供直流电压的第二直流电源，用以为所述偏转外轨提供脉冲偏转电压的第一脉冲电源，以及用以为所述静电离子阱内电极提供二次降轨脉冲电压的第二脉冲电源。
所述离子引入通道设于所述高势储存偏转腔O-trap外端，所述离子引入通道与所述偏转外轨、所述偏转内轨呈切向关系，离子切向引入所述高势储存偏转腔O-trap中。
离子束经所述离子引入通道切向地进入所述高势储存偏转腔O-trap中，并在所述第一直流电源和所述第二直流电源提供的电压作用下，储存于所述高势储存偏转腔O-trap中，所述第一脉冲电源为所述偏转外轨提供脉冲偏转电压，使离子经离子变轨引入通道，在高势储存偏转腔O-trap和静电离子阱分析腔之间做椭圆运动；所述第二脉冲电源为所述静电离子阱内电极提供二次降轨脉冲电压，实现离子再次变轨，并进入静电离子阱分析腔中做圆周运动。
所述离子做椭圆轨道运动时，其椭圆轨道的一个焦点与所述Orbitrap离子阱的轨道的圆心重合。
进一步地，所述离子变轨引入通道为所述偏转内轨上的一条开口狭缝。
进一步地，所述离子变轨引入通道的弧度为[π–2π]。
进一步地，所述偏转内轨与所述静电离子阱外电极共享同一电极。
进一步地，所述第一脉冲电源所提供的脉冲偏转电压的幅值和周期根据离子偏转降轨需求进行手动或自动调节。所述第二脉冲电源所提供的二次脉冲降轨电压的幅值和周期可根据离子偏转降轨需求进行手动或自动调节。
本发明提供的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，相较于现有技术至少包括如下有益效果：
1)本发明设计了构成同心圆筒的偏转外轨和偏转内轨，偏转内轨同时作为静电离子阱的外电极，静电离子阱内电极设于偏转内轨的同心圆的中心处，偏转外轨和偏转内轨组成离子高势储存偏转腔O-trap，使得所有离子进入Orbitrap轨道离子阱的距离相等，且本装置通过离子引入通道能够保证将连续离子流切向引入高势储存偏转腔O-trap中并被储存，并通过多次降轨的方式将离子引入静电离子阱中，避免了离子损失现象；
2)离子通过变轨引入通道从O-trap进入Orbitrap中，变轨引入通道具有大窗口离子引入的特点，这一特点能够保证O-trap中的所有离子都有机会进入Orbitrap轨道离子阱，这相较于目前C-trap引入技术，能够减少引入过程中导致的离子损失，从而能够提高信号强度；
3)本发明设计与控制都简单方便，易于与Orbitrap分析器的前级仪器装置配合。
附图说明
图1为实施例中静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置的三维结构示意图；
图2为实施例中多个离子切向引入静电离子阱的截面示意图；
图3为实施例中新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置的加电示意图；
图4为实施例中静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置中切向引入离子的运动轨迹示意图；
图中标号所示：
1、偏转外轨，2、偏转内轨，3、静电离子阱内电极，4、离子变轨引入通道，5、离子束，6、椭圆运动轨迹，6-1、离子束第一变轨轨迹，6-2、离子束第二变轨轨迹，6-3、离子束第三变轨轨迹，6-4、离子束第四变轨轨迹，7、圆周运动轨迹，8、离子引入通道，9、离子高势储存偏转腔O-trap，10、静电离子阱分析腔，11、第一直流电源，12、第一脉冲电源，13、第二直流电源，14、第二脉冲电源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明涉及一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，与Orbitrap离子阱配合使用，该装置能够使离子源产生的离子连续的切向进入该装置中被储存，并通过控制电压，使更多的离子进入到Orbitrap中被分析，减少离子损失，进而增加仪器的灵敏度。
如图1～3所示，该装置具体包括：偏转外轨1，偏转内轨2，静电离子阱内电极3、离子变轨引入通道4、离子引入通道8，第一直流电源11，第一脉冲电源12和第二脉冲电源14。
第一直流电源11与偏转外轨1连接，用于为偏转外轨1提供直流电压。第二直流电源13与偏转内轨2连接，用于为偏转内轨2提供直流电压。第一脉冲电源12与偏转外轨1连接，为偏转外轨1提供脉冲偏转电压。偏转外轨1和偏转内轨2是由良导体构成的同心圆筒，偏转外轨1的内径大于偏转内轨2的外径。偏转内轨2与静电离子阱外电极共享同一电极，即偏转内轨2同时也作为静电离子阱的外电极；静电离子阱内电极3为图1中3所示，其设于偏转内轨2的同心圆的中心处。第二脉冲电源14与静电离子阱内电极3连接，为静电离子阱内电极3提供二次降轨脉冲电压。
偏转外轨1和偏转内轨2组成离子高势储存偏转腔O-trap 9。偏转外轨1的电势高于偏转内轨2的电势，以便离子储存于高势储存偏转腔O-trap9中做圆周运动。第一直流电源11和第二直流电源13分别施加于偏转外轨1和偏转内轨2，提供用于将离子储存于高势储存偏转腔O-trap 9中的电势能。偏转内轨2，即静电离子阱外电极与静电离子阱内电极3构成了静电离子阱分析腔10；偏转内轨2上留有可供离子进入静电离子阱分析腔10中的离子变轨引入通道4。第一脉冲电源12为偏转外轨1提供脉冲偏转电压，使得离子经离子变轨引入通道4，在高势储存偏转腔O-trap 9和静电离子阱分析腔10中做椭圆运动；第二脉冲电源14为静电离子阱内电极3提供二次降轨脉冲电压，实现离子再次变轨进入静电离子阱分析腔10中，做圆周运动。
优选地，离子变轨引入通道4为偏转内轨2上的一条开口狭缝，其弧度为[π–2π]，使得离子变轨引入通道4具有大窗口离子引入的特点，这一特点能够保证O-trap中的所有离子都有机会进入Orbitrap轨道离子阱，有利于减少引入过程中导致的离子损失，从而提高信号强度。
优选地，第一脉冲电源12所提供的脉冲偏转电压的幅值和周期可根据离子偏转降轨需求进行手动或自动调节。第二脉冲电源14所提供的二次脉冲降轨电压的幅值和周期可根据离子偏转降轨需求进行手动或自动调节。
离子引入通道8设于高势储存偏转腔O-trap 9外端，离子引入通道8与偏转外轨1和偏转内轨2呈切向关系，离子切向引入高势储存偏转腔O-trap9中。具体地：离子束5经离子引入通道8切向地进入高势储存偏转腔O-trap 9中，并在第一直流电源11和第二直流电源13提供的电压作用下，被储存于高势储存偏转腔O-trap 9中做圆周运动。这使得从离子源产生的离子，能够连续不断的进入高势储存偏转腔O-trap 9中被储存，减少离子损失。之后，通过第一脉冲电源11对偏转外轨1施加脉冲电压，多个离子在脉冲电压的作用下，同时切向射入Orbitrap中的示意变轨轨迹，如图2中6-1、6-2、6-3、6-4所示。
优选地，离子从高势能的圆轨道切向运动到椭圆轨道，再下滑到低势能的静电离子阱轨道，这一过程中存在多种可能的椭圆运动。本实施方式中关注的椭圆变轨轨迹为椭圆圆周尽可能小的椭圆运动(即轨道势能最低)，此时满足的条件为：椭圆轨道的一个焦点应该和Orbitrap离子阱轨道圆心重合。
优选地，如图4所示，离子束5经离子引入通道8由A点出发，离子束5运动到C点时，对其施加一个减速外力，即对偏转外轨1施加脉冲电压，从而使离子束5受到指向圆心的径向力，在圆周运动势能和脉冲电势能的合力作用下做变轨运动，由高势能的圆周运动转为做低势能的椭圆运动。当离子束5沿椭圆轨道(图中椭圆运动轨迹6)运动至F点时，第二脉冲电源14对静电离子阱内电极3施加脉冲电压，为离子束5提供减速外力，使其在椭圆运动势能和脉冲电势能的合力作用下再次做减速变轨运动，由椭圆运动轨迹6下滑为更低势能轨道的Orbitrap圆轨道(图中圆周运动轨迹7)，最终离子束5在Orbitrap轨道离子阱(静电离子阱分析腔10)中做圆周运动。
优选地，在本实施方式中，离子运动满足，椭圆轨道(图4中椭圆运动轨迹6)的焦点和Orbitrap轨道(图4中圆周运动轨迹7)圆心重合，根据能量守恒定律、角动量守恒定律以及椭圆运动方程和圆周运动方程，可得到变轨脉冲势能ΔEP公式：
Figure BDA0002705160980000051
式中，q为离子所带电荷，k为弹性系数，Rm为临界半径，a为椭圆运动轨迹的半长轴，c为焦点与中心的距离，ΔU为O-trap偏转外轨和偏转内轨的电压差。
本发明设计了由良导体构成的同心圆筒的偏转外轨和偏转内轨，偏转内轨同时作为静电离子阱的外电极，静电离子阱内电极设于偏转内轨的同心圆的中心处。偏转外轨和偏转内轨组成离子高势储存偏转腔O-trap，使得所有离子进入Orbitrap轨道离子阱的距离相等；离子进入Orbitrap窗口大，O-trap中的所有离子都有机会进入Orbitrap轨道离子阱，从而减少离子损失，提高信号强度；此外，本发明设计与控制都简单方便，易于与Orbitrap分析器的前级仪器装置配合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，与Orbitrap离子阱配合使用，其特征在于，该装置包括构成同心圆筒状的偏转外轨和偏转内轨，所述偏转外轨的电势高于所述偏转内轨的电势，所述偏转外轨和所述偏转内轨组成离子高势储存偏转腔O-trap，所述高势储存偏转腔O-trap的外端设有用以切向引入离子束的离子引入轨道，所述偏转内轨的中心处设有静电离子阱内电极，所述偏转内轨与所述静电离子阱内电极构成静电离子阱分析腔，所述偏转内轨上设有供离子引入静电离子阱分析腔中的离子变轨引入通道。
2.根据权利要求1所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，该装置还包括用以为所述偏转外轨提供直流电压的第一直流电源，用以为所述偏转内轨提供直流电压的第二直流电源，用以为所述偏转外轨提供脉冲偏转电压的第一脉冲电源，以及用以为所述静电离子阱内电极提供二次降轨脉冲电压的第二脉冲电源。
3.根据权利要求1所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，所述离子引入通道设于所述高势储存偏转腔O-trap外端，所述离子引入通道与所述偏转外轨、所述偏转内轨呈切向关系，离子切向引入所述高势储存偏转腔O-trap中。
4.根据权利要求2所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，离子束经所述离子引入通道切向地进入所述高势储存偏转腔O-trap中，并在所述第一直流电源和所述第二直流电源提供的电压作用下，储存于所述高势储存偏转腔O-trap中，所述第一脉冲电源为所述偏转外轨提供脉冲偏转电压，使离子经离子变轨引入通道，在高势储存偏转腔O-trap和静电离子阱分析腔之间做椭圆运动；所述第二脉冲电源为所述静电离子阱内电极提供二次降轨脉冲电压，实现离子再次变轨，并进入静电离子阱分析腔中做圆周运动。
5.根据权利要求1所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，所述离子变轨引入通道为所述偏转内轨上的一条开口狭缝。
6.根据权利要求5所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，所述离子变轨引入通道的弧度为[π–2π]。
7.根据权利要求1所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，所述偏转内轨与所述静电离子阱外电极共享同一电极。
8.根据权利要求4所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，所述第一脉冲电源所提供的脉冲偏转电压的幅值和周期根据离子偏转降轨需求进行手动或自动调节。
9.根据权利要求4所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，所述第二脉冲电源所提供的二次脉冲降轨电压的幅值和周期可根据离子偏转降轨需求进行手动或自动调节。
10.根据权利要求4所述的新型静电离子阱离子切向引入轨道偏转装置，其特征在于，所述离子做椭圆运动时，其椭圆轨道的一个焦点与所述Orbitrap离子阱的轨道的圆心重合。
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