CN112382554A - 实时调整线性离子阱内高阶场的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实时调整线性离子阱内高阶场的装置和方法，包括：精密步进电机、连接杆和精密传动装置；所述连接杆连接线性离子阱离子引出方向电极，所述精密传动装置传动连接在所述精密步进电机和所述连接杆之间；所述精密步进电机通过所述精密传动装置驱动所述连接杆，将所述线性离子阱离子引出方向电极向远离或靠近线性离子阱的中心引动。本发明对实时获得质谱峰的质量分辨和峰响应实现实时调节，避免了多次制作、修改线性离子阱的繁琐步骤；对任意具有旋转对称电极形貌的线性离子阱均有效；降低了对线性离子阱加工精度及装配精度的要求。

Description

实时调整线性离子阱内高阶场的装置和方法

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，具体地，涉及一种实时调整线性离子阱内高阶场的装置和方法。

背景技术

质量分析器是质谱仪中的核心组件之一，它的性能直接决定了，诸如，质量精度、质量分辨率、谱峰响应等。质量分析器的种类也决定了质谱仪的种类，比如，扇形磁质谱、四极杆质谱、四极离子阱质谱、直线离子阱质谱、飞行时间质谱、轨道阱质谱等。其中，四极杆质谱、四极离子阱质谱和直线离子阱质谱与其它类质谱仪器不同之处在于，其使用通过改变离子分析空间范围内射频四极场对不同质荷比的离子实现分离，因此，射频四极场场形的完美性对离子的分析性能起到决定性的作用。

由于四极场具有双曲面的数学表达形式，因此现实中，人们往往利用双曲面电极来获得四极场，但尽管如此，所获得的四极场内仍然存在着多阶场。这些多阶场存在的原因，包括但不限于：

1、有限的电极尺寸与理论上无限的电极尺寸之间的误差；

2、采用非双曲面电极拟合双曲面场；

3、用于离子引入或逐出而不得不开的槽或孔，造成电极表面形貌的不完美；

4、有限的机加工精度；

5、有限的组装精度；

文献(Int.J.Mass Spectrom.Ion Processes,106(1991)63-78)阐述了这些高阶场的存在，引发的四极场场形的畸变，对基于四极场质量分析器造成的不利影响，包括：

1、离子丢失严重导致的灵敏度下降甚至信号丢失；

2、离子质量分辨降低；

值得说明的是，只有在讨论质量分析时，才会考虑高阶场的影响；对于离子传输器件来说，只要不施加直流(a＝0)，高阶场不会造成离子损失。如，岛津公司在其LCMS2020质谱仪中使用八极场离子传输器件；安捷伦公司使用基于六极场的离子传输器件；AB SCIEX公司在其最新的7500系统中采用基于十二极场的离子传输器件(D-Jet)。

由于高阶场的存在，人们在设计基于四极场的离子分析器时(如三维离子阱、四级杆、线性离子阱)，对四极场内的高阶场均作了优化，一方面利用分析器的对称性，降低高阶场的成分；另一方面，经过研究，发现适当引入一些高阶场，对离子的质量分辨会带来正面作用。例如，文献(Int.J.Mass Spectrom.Ion Processes,132(1994)155-172)以三维离子阱为例，叙述了不同的截断半径引发的阱内高阶场的变化，得出结论，暴露的双曲面电极的面积越大，场形越接近理想四极场；文献(Int.J.Mass Spectrom.Ion Processes,124(1993)125-144)从数学角度叙述了在三维离子阱内引入八极场和六极场的方法；美国专利(US5028777)阐述的方法是，在三维离子阱内，通过调节角度θ(θ的定义为

r₀为阱中心到环电极的距离，z₀为阱中心到端盖一侧的距离)，发现在阱内引入1.5％的正八阶场，对质量分辨有明显的改善作用。在四级杆质量分析器方面，文献(Rapid Commun.MassSpectrom.2003,17:2495-2502)使用方法是，将Y方向的一对圆杆的直径大于X方向的一对圆杆直径，结论是，引入约2.6％的正八阶场，对分辨有较大改善，在609Th质量位置处得到5890的质量分辨。在线性离子阱方面，文献(Journal of the American Society for MassSpectrometry,2002,13,659-669)通过将离子出射方向的一对电极同时向远离阱中心方向拉伸的方法，引入适量的正八阶场，获得在全质量段的最优分辨。

从上述方法可以得出结论，即，在四极场质量分析器内，通过引入适当强度的正八阶场，会提高质量分析器质量分辨的性能，但质量分析器的结构一旦确定，如电极形貌、电极尺寸、电极间的相对位置，那么引入的正八阶场的强度就是确定的。另一方面，由于机加工和装配也会引入不确定的误差，实际引入的正八阶场与期望值必定存在差别，也会导致实际的质量分析器的性能不能达到预期。

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种实时调整线性离子阱质量分析器内正八阶场(及其它高阶场)的比例，达到对质谱峰质量分辨实时调整的目的。

专利文献CN105181781A(申请号：CN201510495958.7)公开了一种用于进行微分离子迁移率分析和质量分析的离子分析仪器。在实施方式中，仪器包括在质谱仪的真空罩中的、位于质量分析仪之前的微分离子迁移率装置，其中仪器的抽吸系统被配置成向微分离子迁移率装置提供0.005kPa到40kPa的操作压力，并且其中该仪器包括提供50kHz到25MHz频率的波形的数字不对称波形发生器。

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实时调整线性离子阱内高阶场的装置和方法。

根据本发明提供的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，包括：精密步进电机、连接杆和精密传动装置；

所述连接杆连接线性离子阱离子引出方向电极，所述精密传动装置传动连接在所述精密步进电机和所述连接杆之间；

所述精密步进电机通过所述精密传动装置驱动所述连接杆，将所述线性离子阱离子引出方向电极向远离或靠近线性离子阱的中心引动。

优选的，所述精密步进电机最小的步进距离为0.05mm。

优选的，所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆为直线型连接杆。

优选的，所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆的数量为2；

所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆是相互独立控制的。

优选的，所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆与所述电极之间具有绝缘材料实现电绝缘。

优选的，所述精密传动装置为精密机械齿轮结构；

所述精密机械齿轮结构中的精密齿轮，其齿间距离最小为0.01mm。

优选的，控制所述精密步进电机的控制系统为FPGA或ARM架构。

优选的，用于控制所述控制系统的操控软件与所述控制系统的通讯协议为RS485。

根据本发明提供的实时调整线性离子阱内高阶场的方法，包括：

步骤1：通过操控软件输入期望移动距离；

步骤2：通过控制系统控制精密步进电机动作；

步骤3：通过精密传动装置操控连接杆；

步骤4：将线性离子阱离子引出方向电极向远离或靠近阱中心引动期望距离，通过获得的质谱图实时获知位移距离是否合适。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明对实时获得质谱峰的质量分辨和峰响应实现实时调节，避免了多次制作、修改线性离子阱的繁琐步骤；

2、本发明对任意具有旋转对称电极形貌的线性离子阱均有效；

3、本发明降低了对线性离子阱加工精度及装配精度的要求；

4、本发明响应速度快，从下发参数到获得改善的质量分辨的质谱图，历时5s内。

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基于精密步进电机的机械系统；

图2基于精密步进电机的机械系统与线性离子阱系统；

图3操控软件控制示意图。

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。

实施例：

本发明提供了一种实时调节线性离子阱内高阶场的基于精密步进电机的机械系统，如图1所示。其中，1为精密步进电机，通过精密传动装置2与连接杆3相连，5为控制精密步进电机1的控制系统。

通过绝缘体4与线性离子阱离子出射方向的电极9相连，如图3所示。带电粒子沿线性离子阱对称轴10经过前端盖电极7进入线性离子阱，并在前端盖电极7和后端盖电极8的作用下被囚禁于线性离子阱内。在质量分析阶段，带电粒子按照其质荷比顺序被逐出线性离子阱，被检测器6捕获形成质谱图。结束后随机开始下一轮的带电粒子的引入，周而复始。

当所获得的质谱图不尽如人意时，如图2所示，通过运行在电脑11上的操控软件设置需要位移的参数，执行后，参数通过RS485总线12与位于真空腔15内的串行总线分配器16相连，串行总线分配器16的作用是，将串行总线按控制字地址一分为二，从而实现两路单独控制。真空系统13通过真空管路14使真空腔15内的气压达到预定值。串行总线分配器与位于精密步进电机1上的控制系统5相连。控制系统5的作用是，解析命令字，并将参数转化为精密步进电机1实际的运行距离，并通过传动装置2与连接杆3，将精密步进电机的运行距离转换为对离子出射方向电极9实际的移动距离。

由于带电粒子的引入和逐出是周而复始的过程，在此过程中，调节不同电极不同的位移距离，可以通过所获得的质谱图实时获知所位移的距离是否合适。

本发明提出了一种实时调节线性离子阱内高阶场的基于精密步进电机的系统，包括所述精密步进电机、连接到所述线性离子阱离子引出方向电极的连接杆、位于所述精密步进电机与所述连接杆之间的精密传动装置；一个控制所述精密步进电机的控制系统和一个用于控制所述控制系统的操控软件。

本发明提出了一种采用如上所述机械系统、所述控制系统和所述操控软件的方法，通过在所述操控软件界面上输入期望移动的距离，通过所述控制系统，控制所述精密步进电机动作，通过所述精密传动装置，操控所述连接杆，将所述线性离子阱离子引出方向电极(对)向远离或靠近阱中心引动所述期望的距离。该方法可以通过所获得的质谱图，对目标峰质量分辨和峰强度实现实时在线的调节。

所述精密步进电机最小步进长度为0.05mm。

所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆是直线型连接杆。

所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆数量为2。

所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆是相互独立控制的。

所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆与所述电极之间具有绝缘材料实现电绝缘。

位于所述精密步进电机与所述连接杆之间的所述精密传动装置是基于精密机械齿轮结构。

所述精密机械齿轮结构中的精密齿轮，其齿间距离最小为0.01mm。

控制所述精密步进电机的控制系统是基于FPGA或ARM架构的控制系统。

用于控制所述控制系统的操控软件与所述控制系统的通讯协议为RS485。

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。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

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 (9)

1.一种实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，包括：精密步进电机、连接杆和精密传动装置；

所述连接杆连接线性离子阱离子引出方向电极，所述精密传动装置传动连接在所述精密步进电机和所述连接杆之间；

所述精密步进电机通过所述精密传动装置驱动所述连接杆，将所述线性离子阱离子引出方向电极向远离或靠近线性离子阱的中心引动。

2.根据权利要求1所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，所述精密步进电机最小的步进距离为0.05mm。

3.根据权利要求1所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆为直线型连接杆。

4.根据权利要求1所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆的数量为2；

所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆是相互独立控制的。

5.根据权利要求1所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，所述连接到线性离子阱离子出射方向电极的连接杆与所述电极之间具有绝缘材料实现电绝缘。

6.根据权利要求1所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，所述精密传动装置为精密机械齿轮结构；

所述精密机械齿轮结构中的精密齿轮，其齿间距离最小为0.01mm。

7.根据权利要求1所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，控制所述精密步进电机的控制系统为FPGA或ARM架构。

8.根据权利要求1所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，其特征在于，用于控制所述控制系统的操控软件与所述控制系统的通讯协议为RS485。

9.一种实时调整线性离子阱内高阶场的方法，其特征在于，采用权利要求1-8中任一种或任多种所述的实时调整线性离子阱内高阶场的装置，包括：

步骤1：通过操控软件输入期望移动距离；

步骤2：通过控制系统控制精密步进电机动作；

步骤3：通过精密传动装置操控连接杆；

步骤4：将线性离子阱离子引出方向电极向远离或靠近阱中心引动期望距离，通过获得的质谱图实时获知位移距离是否合适。

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