CN112951702B - 一种用于质谱仪的离子操控及传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及质谱分析仪器，具体说是一种用于质谱仪的离子操控及传输装置，其主要结构包括离子操控及传输腔体，离子引入口，离子引入电极，离子操控区和离子引出电极等。本发明提出一种新的离子操控及传输结构，将传统中空平板电极分为四等份，在其上施加射频电压和脉冲电压，可在较高气压下获得离子高效传输和离子富集的目的，在其上施加直流电压亦可在较低气压下获得高效静电传输目的。将该结构与质谱电离源及质量分析器相结合不仅可有效提升离子传输效率，而且增加了离子的可操控性，有助于进一步提升质谱仪性能。

Description

一种用于质谱仪的离子操控及传输装置

技术领域

本发明涉及质谱分析仪器，具体说是一种用于质谱仪的离子操控及传输装置。该装置利用四等分扇形电极组的结构，通过射频电场和静电场改变，实现对装置内离子的富集以及高效传输，适用于高气压和低气压离子传输，从而进一步提升仪器性能。

背景技术

离子传输系统是质谱仪器的核心部分之一，其主要作用是将电离源引入的离子高效率的传输到质量分析器中，同时减小离子的空间发散和速度发散，其不仅影响到质谱的灵敏度，而且与质谱分辨率密切相关。

离子传输一般分为静电传输和射频传输。静电传输一般采用静电圆环的结构，静电圆环的优势是具有旋转对称的结构，容易将离子束整形成圆形离子束，适用于绝大部分离子传输(一遍离子传输都是孔和孔之间)。另外其具有离子传输速度快、容易进行多透镜组合等静电传输的优势。静电圆环透镜的不足之处在于，其不适用于高气压，高气压下中性分子带来的碰撞较多，仅依靠静电场很难得到理想的离子调控效果，传输效率较低。射频传输是适用于高气压的离子传输手段，一般采用四极杆、六极杆、八极杆等结构，其原理是通过射频电场使得离子与中性分子反复碰撞从而逐渐会聚到中性线，实现高效离子传输。其不足之处在于，难以用于低气压下离子传输，低气压下中性分子少，射频传输无法获得足够碰撞，另外射频传输耗时长，对于一些需要时效性的离子传输，其无法适用。因此能否有一种结构可以同时适用于高气压和低气压。

通过在专利和论文的检索，检索到的涉及电离源加热的相关专利为：广州禾信分析仪器有限公司申请的大气压离子源飞行时间质谱仪的离子富集引入装置与方法，2017-01-25获得授权；美国西北太平洋国家实验室，2014年在Anal.Chem.2014,86,9162-9168发表的“Characterization of Ion Dynamics in Structures for Lossless IonManipulations”一种无损离子传输装置。前者技术特点为采用射频四极杆及脉冲高压相结合，进行离子传输及富集，用作大气压离子源引入装置；后者采用两块刻蚀的电路板，利用特殊的结构并结合射频和直流电场，从而实现离子在其中的无损传输。该两种方法均是采用射频和直流相结合的方式，均是通过碰撞约束离子，一般适用于高气压下离子传输，还无法同时适用于静电场和射频场。

发明内容

本发明目的在于提出一种新的离子操控及传输结构，可同时适用于高气压和低气压离子传输，具有较高的离子传输效率，增加了离子的可操控性，有助于进一步提升质谱仪性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

用于质谱仪的离子操控及传输装置，包括离子引入口，离子操控腔体，离子引入电极，离子操控区和离子引出电极；其特征在于：

以向上的方向为Y方向、向右的方向为X方向；

离子操控腔体为一中空密闭腔室，于其内部平行设有中部带通孔的板状离子引入电极和中部带通孔的板状离子引出电极，引入电极和离子引出电极中部通孔同轴，离子引出电极的四周边缘或右侧表面通过密封圈与离子操控腔体侧壁面或右端壁面密封，于离子操控腔体右端壁面上与离子引入电极中部通孔对应处设有离子出口；

一空心圆管状离子引入口于离子操控腔体左侧外部穿过离子操控腔体左端壁面进入离子操控腔体内部，离子引入口和引入电极中部通孔同轴且离子引入口右侧出口伸入至引入电极中部通孔内部，离子引入口外侧壁面通过密封圈与离子操控腔体左端壁面密封；

于离子操控腔体内设有离子操控区，离子操控区设置于引入电极和离子引出电极之间；离子操控区由3组及以上传输电极组成；每组传输电极由4个完全相同的扇形平板电极组成，扇形平板电极由中部带通孔的圆形板状电极或圆环状电极从圆心以90度圆心角进行四等分切割而成；每组传输电极中的4个扇形平板电极按照切割之前对应的位置(沿径向外移后)沿圆周方向依次间隔分布，共处于同一平面上，成中心对称；各组传输电极几何中心同轴，等间距平行间隔放置，且每组传输电极中各扇形平板电极在YZ平面的投影与第一组传输电极中的各扇形平板电极在YZ平面的投影重合；

于引入电极、各组传输电极、离子引出电极之间连接阻值为R的等阻值电阻，离子引出电极通过电阻R连接到地电位；各扇形平板电极各自与容值为C的等容值电容相连；将扇形平板电极与其在YZ平面的投影重合的其他扇形平板电极的组合称为电极列，离子操控区共有4个电极列，每个电极列中的扇形平板电极连接的电容的另外一端连成一处，并与射频电源相连；相邻的电极列施加幅值相同相位相差180°的射频电压，相对的电极列施加相同的射频电压；在沿X方向倒数第二个传输电极4个扇形平板电极上施加脉冲电压Vtrap，以实现离子富集和引出的目的；于引入电极和离子引出电极上分别施加直流电压V1和V2。

离子引入口内径大小为1～5mm；引入电极中部通孔直径大小为2～10mm且大于离子引入口外径；引出电极中部通孔直径大小为0.5～5mm；离子引入电极与离子操控区之间的距离为1～5mm；离子操控区与离子引出电极之间的距离为1～5mm。

对于正离子，直流电压V1大于V2；对于负离子，直流电压V1小于V2；电压完成后将在轴线方向形成大小为1～50V/cm的离子传输电场；正离子时，Vtarp脉冲电压的低电平小于V1和V2，高电平大于V2，负离子时，Vtarp脉冲电压低电平大于V1和V2，高电平时小于V2。

射频电压峰峰值为10～1000V，射频频率为0.1～5MHz，射频相位各自相差180°。

引出电极与质量分析器相连，所述的质量分析器为飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器或离子阱质量分析器。

该离子操控及传输装置可以通过离子引入口单纯引入电离源电离过后的离子，也可将电离源与该装置相结合；适用于该装置的电离源有光电离源、化学电离源或常压电离源等中的一种或二种以上。

本发明提出一种新的离子操控及传输结构，将传统中空平板电极分为四等份，在其上施加射频电压和脉冲电压，可在较高气压下获得离子高效传输和离子富集的目的，在其上施加直流电压亦可在较低气压下获得高效静电传输目的。整套结构小巧、紧凑，与不同质谱电离源及质量分析器相结合不仅可有效提升离子传输效率，而且增加了离子的可操控性，有助于进一步提升质谱仪性能。

附图说明

图1为本发明的一种离子操控及传输装置。

图2为本发明富集模式下所施加的脉冲电压。

图3为本发明的一个SIMION仿真实例。

图4为本发明SIMION仿真离子传输效果。

具体实施方式

请参阅图1，为本发明的用于质谱仪器的一种离子操控及传输装置，包括离子引入口10，离子操控腔体8，离子引入电极9，离子操控区7和离子引出电极3；其特征在于：

以向上的方向为Y方向、向右的方向为X方向；

离子操控腔体8为一中空密闭腔室，于其内部平行设有中部带通孔的板状离子引入电极9和中部带通孔的板状离子引出电极3，引入电极9和离子引出电极3中部通孔同轴，离子引出电极3的四周边缘或右侧表面通过密封圈202与离子操控腔体8侧壁面或右端壁面密封，于离子操控腔体8右端壁面上与离子引入电极9中部通孔对应处设有离子出口；

一空心圆管状离子引入口10于离子操控腔体8左侧外部穿过离子操控腔体8左端壁面进入离子操控腔体8内部，离子引入口10和引入电极9中部通孔同轴且离子引入口10右侧出口伸入至引入电极9中部通孔内部，离子引入口10外侧壁面通过密封圈201与离子操控腔体8左端壁面密封；

于离子操控腔体8内设有离子操控区7，离子操控区7设置于引入电极9和离子引出电极3之间；离子操控区由3组及以上传输电极5组成；每组传输电极5由4个完全相同的扇形平板电极4组成，扇形平板电极4由中部带通孔的圆形板状电极或圆环状电极从圆心以90度圆心角进行四等分切割而成；每组传输电极5中的4个扇形平板电极4按照切割之前的位置沿圆周方向依次间隔分布，共处于同一平面上，成中心对称；各组传输电极5几何中心同轴，等间距平行间隔放置，且每组传输电极5中各扇形平板电极4在YZ平面的投影与第一组传输电极5中的各扇形平板电极4在YZ平面的投影重合；

于引入电极9、各组传输电极5、离子引出电极3之间连接阻值为R的等阻值电阻，离子引出电极3通过电阻R连接到地电位；各扇形平板电极4各自与容值为C的等容值电容相连；将扇形平板电极4与其在YZ平面的投影重合的其他扇形平板电极4的组合称为电极列，离子操控区7共有4个电极列，每个电极列中的扇形平板电极4连接的电容的另外一端连成一处，并与射频电源相连；相邻的电极列施加幅值相同相位相差180°的射频电压，相对的电极列施加相同的射频电压；在沿X方向倒数第二个传输电极4个扇形平板电极4上施加脉冲电压Vtrap，以实现离子富集和引出的目的；于引入电极9和离子引出电极3上分别施加直流电压V1和V2。

离子引入口(10)内径大小为1～5mm；引入电极(9)中部通孔直径大小为2～10mm且大于离子引入口外径；引出电极(14)中部通孔直径大小为0.5～5mm；离子引入电极(9)与离子操控区(7)之间的距离为1～5mm；离子操控区(7)与离子引出电极(3)之间的距离为1～5mm。

对于正离子，直流电压V1大于V2；对于负离子，直流电压V1小于V2；电压完成后将在轴线方向形成大小为1～50V/cm的离子传输电场；正离子时，Vtarp脉冲电压的低电平小于V1和V2，高电平大于V2，负离子时，Vtarp脉冲电压低电平大于V1和V2，高电平时小于V2。

射频电压峰峰值为10～1000V，射频频率为0.1～5MHz，射频相位各自相差180°。

引出电极14与质量分析器15相连，所述的质量分析器为飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器或离子阱质量分析器。

该离子操控及传输装置可以通过离子引入口10单纯引入电离源电离过后的离子，也可将电离源与该装置相结合；适用于该装置的电离源有光电离源、化学电离源或常压电离源等中的一种或二种以上。

具体实施时，离子1由离子引入口10进入离子操控腔体8，在引入电极9上施加以直流电压V1，在引出电极3施加直流电压V2，使得离子获得X方向动能；在离子操控区7的扇形平板电极4上施加对应的射频电，离子1在离子操控区7内部射频电场的作用下与中性分子反复碰撞逐渐汇聚到离子操控区7中心。此时离子操控区7具有两种工作模式：离子传输模式和离子富集模式。离子传输模式下，不施加Vtarp电压，在射频电场约束下汇聚到中心的离子可以高效率的通过引入电极9的中心小孔。离子富集模式下，施加如图2所示的一定时序的脉冲电压，当Vtrap处于低电平时，离子1传输到Vtrap电压所施加的电极处时，由于该处电位较低，离子会在此处反复碰撞停留，离子越聚越多，当Vtrap切换至高电平时，离子1在脉冲电压的推动下将富集的离子一下全部推出，从而在单个脉冲下获得更多的离子数，起到离子富集的目的。另外，在离子操控区7关闭射频电压时，该结构可以用作低气压静电传输，由于结构基本和圆环类似，具有圆环静电电极高效率传输的特点，在低气压下同样具有较高的传输效率。

实施例1：请参阅说明书图例3为本发明的离子操控及传输装置的SIMION仿真实例离子传输和富集。扇形圆环内径8mm，切割后同一平面各扇形环间隔2mm，扇形圆环厚度2mm，各组扇形圆环之间间距2mm，整个离子操控区长度40cm，共有8组扇形圆环电极，在第7组电极上脉冲电压。由于多个离子富集效果仿真不明显，因此采用单个离子进行富集效果仿真。仿真结果如图3所示，具有一定能量发散且偏离中心很远的离子在本发明的离子操控及传输装置的作用下逐渐汇聚到中心，并且在第7组电极处停留了一段时间，最后被成功引出。该仿真实例结果表明本发明的离子操控及传输装置对离子具有很高的会聚效果，具有较高的离子传输效率，并且还具有离子富集的功能。

实施例2：请参阅说明书图例4为本发明的离子操控及传输装置的SIMION仿真实例离子传输。扇形圆环内径8mm，切割后同一平面各扇形环间隔2mm，扇形圆环厚度2mm，各组扇形圆环之间间距2mm，整个离子操控区长度40mm，共有8组扇形圆环电极，不施加脉冲电压。初始离子定义为100个分布在半径r＝3mm长度1mm的圆柱中，图4展示了离子初始状态和会聚状态的截面图。由图4的SIMION仿真结果可知，初始半径r＝3mm的较宽的离子束经过本发明的离子操控及传输装置的有效会聚，最终会聚成半径r＝0.5mm的细束，由于离子束的半径大大减小，其通过下一级小孔的传输效率必然会得到极大的提升。

Claims (6)

1.用于质谱仪的离子操控及传输装置，包括离子引入口（10），离子操控腔体（8），离子引入电极（9），离子操控区（7）和离子引出电极（3）；其特征在于：

以向上的方向为Y方向、向右的方向为X方向；

离子操控腔体（8）为一中空密闭腔室，于其内部平行设有中部带通孔的板状离子引入电极（9）和中部带通孔的板状离子引出电极（3），离子引入电极（9）和离子引出电极（3）中部通孔同轴，离子引出电极（3）的四周边缘或右侧表面通过第一密封圈（202）与离子操控腔体（8）侧壁面或右端壁面密封，于离子操控腔体（8）右端壁面上与离子引入电极（9）中部通孔对应处设有离子出口；

一空心圆管状离子引入口（10）于离子操控腔体（8）左侧外部穿过离子操控腔体（8）左端壁面进入离子操控腔体（8）内部，离子引入口（10）和离子引入电极（9）中部通孔同轴且离子引入口（10）右侧出口伸入至离子引入电极（9）中部通孔内部，离子引入口（10）外侧壁面通过第二密封圈（201）与离子操控腔体（8）左端壁面密封；

于离子操控腔体（8）内设有离子操控区（7），离子操控区（7）设置于离子引入电极（9）和离子引出电极（3）之间；离子操控区由3组及以上传输电极（5）组成；每组传输电极（5）由4个完全相同的扇形平板电极（4）组成，扇形平板电极（4）由中部带通孔的圆形板状电极或圆环状电极从圆心以90度圆心角进行四等分切割而成；每组传输电极（5）中的4个扇形平板电极（4）按照切割之前的位置沿圆周方向依次间隔分布，共处于同一平面上，成中心对称；各组传输电极（5）几何中心同轴，等间距平行间隔放置，且每组传输电极（5）中各扇形平板电极（4）在YZ平面的投影与第一组传输电极（5）中的各扇形平板电极（4）在YZ平面的投影重合；

于离子引入电极（9）、各组传输电极（5）、离子引出电极（3）之间连接阻值为R的等阻值电阻，离子引出电极（3）通过电阻R连接到地电位；各扇形平板电极（4）各自与容值为C的等容值电容相连；将扇形平板电极（4）与其在YZ平面的投影重合的其他扇形平板电极（4）的组合称为电极列，离子操控区（7）共有4个电极列，每个电极列中的扇形平板电极（4）连接的电容的另外一端连成一处，并与射频电源相连；相邻的电极列施加幅值相同相位相差180°的射频电压，相对的电极列施加相同的射频电压；在沿X方向倒数第二个传输电极（5）4个扇形平板电极（4）上施加脉冲电压Vtrap，以实现离子富集和引出的目的；于离子引入电极（9）和离子引出电极（3）上分别施加直流电压V1和V2。

2.根据权利要求1所述的离子操控及传输装置，其特征在于：

离子引入口（10）内径大小为1~5mm；离子引入电极（9）中部通孔直径大小为2~10mm且大于离子引入口外径；离子引出电极（3）中部通孔直径大小为0.5~5mm；离子引入电极（9）与离子操控区（7）之间的距离为1~5mm；离子操控区（7）与离子引出电极（3）之间的距离为1~5mm。

3.根据权利要求1所述的离子操控及传输装置，其特征在于：

对于正离子，直流电压V1大于V2；对于负离子，直流电压V1小于V2；电压完成后将在轴线方向形成大小为1~50 V/cm的离子传输电场；正离子时，Vtarp脉冲电压的低电平小于V1和V2，高电平大于V2，负离子时，Vtarp脉冲电压低电平大于V1和V2，高电平时小于V2。

4.根据权利要求1所述的离子操控及传输装置，其特征在于：

射频电压峰峰值为10~1000V，射频频率为0.1~5MHz，射频相位各自相差180°。

5.根据权利要求1所述的离子操控及传输装置，其特征在于：

离子引出电极（3）与质量分析器（15）相连，所述的质量分析器为飞行时间质量分析器、四极杆质量分析器或离子阱质量分析器。

6.根据权利要求1所述的离子操控及传输装置，其特征在于：

该离子操控及传输装置可以通过离子引入口（10）单纯引入电离源电离过后的离子，也可将电离源与该装置相结合；适用于该装置的电离源有光电离源、化学电离源或常压电离源中的一种或二种以上。

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