CN114388341A - 离子传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了离子传输系统和方法，所述离子传输系统包括电源和真空提供装置，所述真空提供装置包括第一真空腔和抽气泵；所述离子传输系统还包括设置在第一真空腔内的第一传输装置，所述第一传输装置包括：多组电极，每组电极包括呈轴对称的多个电极，多个电极围出圆形区域，沿着多组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向依次排列；所述电源用于为各组电极中的多个电极施加电压，使得离子在各组电极围出区域内加速、聚焦前进。本发明具有离子聚焦效果好、消除加工和装配误差带来的电场偏差等优点。

Description

离子传输系统和方法

技术领域

本发明涉及离子，特别涉及离子传输系统和方法。

背景技术

质量分析器与电子倍增器因其特殊的工作原理需要在高真空条件下(10-6Torr)使用，质谱仪包含多个差分真空腔体来维持真空度，每个真空腔的气压逐渐降低，彼此通过小孔或者狭缝连接供离子通过。离子传输系统负责将离子由前端离子接口传输至后端质量分析器，使得离子从大气压的环境中过渡至高真空状态，如何将离子通过真空过渡且保持较高的离子传输效率与聚焦效果，是离子传输技术持续发展的目标。在质谱仪产品的更新换代中，离子传输系统一直是关键点之一。

在大气环境下产生的等离子体在进入质谱仪第一真空腔体后由于环境真空度由一个标准大气压(约为760Torr)急剧下降到1Torr左右，因此会发生射流膨胀(JetExpansion)现象，离子束半径变大。此外空间电荷效应使离子束半径会继续变大。为了尽可能减小离子传输过程的损失，需要对离子束进行径向聚焦，使其直径达到甚至小于透镜的孔径。然而在初级真空腔内由于真空环境相对较差，离子飞行过程中会与中性气体分子发生大量碰撞，因此传统静电透镜难以对其有效聚焦。

现有技术解决方法：

在20世纪90年代初期，仅加载射频电压的多极杆传输系统成功地解决了离子在10mTorr左右的低真空传输问题。在1Torr甚至更高气压环境下、在更大的空间内传输离子仍然非常困难，尤其是质谱仪的第一真空区特有的动态气流效应，使得传统的直流透镜组以及射频多极杆等离子光学器件无法发挥作用，传输效率非常有限，这种情况一直持续到离子漏斗装置的出现才得以改变。1997年，Simith实验室第一次将离子漏斗取代了采样锥应用在ESI-MS第一真空腔体中，成为新型的离子传输系统，请参见Shaffer S.A.，Tang K.，Anderson G.A.，et al.A novel ion funnel for focusing ions at elevated pressureusing electrospray ionization mass spectrometry[J].Rapid Communications inMass Spectrometry，1997，11(16)：1813-1817。此后离子漏斗被证明在低真空区内具有巨大的应用潜力，从而被广泛应用于多种质谱仪内。

传统的离子传输系统包括静电透镜、四极杆离子传输系统、六极杆离子传输系统、八极杆离子传输系统、十二极杆离子传输系统等多极杆离子传输系统、离子漏斗传输系统等，这些离子传输部件在质谱仪内部不同环境下分工不同，彼此配合完成整个离子传输工作。在设计仪器时应根据不同真空环境选用不同的离子传输部件。

当前的解决方案对灵敏度有了很大的提高，但仍存在一些不足，如

1.多极杆离子传输系统在粗真空下的离子传输效果不佳。

2.离子漏斗传输系统在高真空下的离子传输效果不佳。

3.部分商品化的仪器通常为离子漏斗与多极离子传输结构的组合方式，对技术以及加工的控制点较复杂。

4.对机械加工精度要求较高，机械加工的误差会严重影响传输性能。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种离子传输系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

离子传输系统，所述离子传输系统包括电源和真空提供装置，所述真空提供装置包括第一真空腔和抽气泵；所述离子传输系统还包括设置在第一真空腔内的第一传输装置，所述第一传输装置包括：

多组电极，每组电极包括呈轴对称的多个电极，多个电极围出圆形区域，沿着多组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向依次排列；

所述电源用于为各组电极中的多个电极施加电压，使得离子在各组电极围出区域内加速、聚焦前进。

本发明的目的还在于提供了离子传输方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

根据本发明离子传输系统的离子传输方法，所述离子传输方法为：

离子进入第一真空腔内，并依次通过各组电极围出的圆形区域，且在离子行进方向上，各个圆形区域的直径逐渐变小，离子在传输中被加速和聚焦。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

在不同真空度下均可以保证良好的离子传输效果与离子聚焦效果；

消除由加工精度以及加工误差导致的聚焦效果差的情况，可以在径向调节离子轨迹，优化聚焦效果。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例离子传输系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例各组电极的结构示意图；

图3是根据本发明实施例第一离子传输装置的离子传输效果图；

图4是根据本发明实施例第二离子传输装置的离子传输效果图。

具体实施方式

图1-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

本发明实施例1的离子传输系统，所述离子传输系统包括：

真空提供装置，所述真空提供装置包括第一真空腔和抽气泵；

第一传输装置，所述第一传输装置设置在所述第一真空腔内，如图1-2所示，所述第一传输装置包括：

多组电极，每组电极包括呈轴对称的多个电极，多个电极围出圆形区域，沿着多组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向依次排列；

电源，所述电源用于为各组电极中的多个电极施加电压，使得离子在各组电极围出区域内加速、聚焦前进。

为了提高离子传输效率，进一步地，所述真空提供装置还包括第二真空腔，所述离子传输系统还包括设置在第二真空腔内的第二传输装置，所述所述第二传输装置包括：

多组电极，每组电极包括呈轴对称的多个电极，多个电极围出圆形区域，沿着多组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向依次排列；

所述电源用于为第二传输装置中各组电极中的多个电极施加电压，使得离子在各组电极围出区域内加速、聚焦前进。

为了实现离子在各个传输装置中加速和聚焦，进一步地，所述第二真空腔内压力小于所述第一真空腔内压力，如第一真空腔内压力不小于1Torr，所述第二真空腔内压力不高于1Torr；

在第一传输装置内，所述电源为轴向的相邻电极施加相同的直流电压以及幅值相同、相位相反的射频电压，为每组电极中的相邻电极施加相同的射频电压；

在第二传输装置内，所述电源为轴向的相邻电极施加相同的直流电压以及幅值相同、相位相同的射频电压，为每组电极中的相邻电极施加幅值相同、相位相反的射频电压。

为了修正由于电极的加工和装配误差导致的径向电场偏差，进一步地，在第一传输装置和/或第二传输装置中，所述电源为每组电极中呈轴对称的一对电极施加直流修正电压。

本发明实施例的离子传输方法，也即本实施例的离子传输系统的工作方法，所述离子传输方法为：

离子进入第一真空腔内，并依次通过各组电极围出的圆形区域，且在离子行进方向上，各个圆形区域的直径逐渐变小，离子在传输中被加速和聚焦。

实施例2：

根据本发明实施例1的离子传输系统和方法在质谱分析中的应用例。

在本应用例中，在离子源中对样品成分进行离子化，所生成的离子被第一离子传输装置和第二离子传输装置中，然后离子被导入至后端质量分析器，经质量筛选后到达检测器；离子源工作在大气压条件下，为ESI电喷雾离子源或APCI大气压化学电离源；质量分析器与检测器工作在1×10^-6Torr以下的真空度范围内；

第一离子传输装置处于第一真空腔内，腔内压力在1～2Torr的真空度范围内，第一离子传输装置包括依次排列的16组电极，每组电极包括6对呈轴对称的电极，6对电极围出圆形区域，沿着16组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向(平行于各组电极的中心轴线方向，各组电极的中心轴线共线)依次排列；电源为轴向的相邻电极施加相同的直流电压以及幅值相同、相位相反的射频电压，为每组电极中的相邻电极施加相同的射频电压，为每组电极中呈轴对称的一对电极施加直流修正电压，为了修正由于电极的加工和装配误差导致的径向电场偏差；

第二离子传输装置处于第二真空腔内，腔内压力在0.001～0.01Torr的真空度范围内，第二离子传输装置包括依次排列的12组电极，每组电极包括2对呈轴对称的电极，2对电极围出圆形区域，沿着12组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向(平行于各组电极的中心轴线方向，各组电极的中心轴线共线)依次排列；电源为轴向的相邻电极施加相同的直流电压以及幅值相同、相位相同的射频电压，为每组电极中的相邻电极施加幅值相同、相位相反的射频电压，为每组电极中呈轴对称的一对电极施加直流修正电压，为了修正由于电极的加工和装配误差导致的径向电场偏差。

离子在第一离子传输装置中传输效果请见图3；离子在第二离子传输装置中传输效果请见图3，结果表明，离子在第一和第二离子传输装置中具有非常好的传输效果。

Claims (7)

1.离子传输系统，所述离子传输系统包括电源和真空提供装置，所述真空提供装置包括第一真空腔和抽气泵；其特征在于，所述离子传输系统还包括设置在第一真空腔内的第一传输装置，所述第一传输装置包括：

多组电极，每组电极包括呈轴对称的多个电极，多个电极围出圆形区域，沿着多组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向依次排列；

所述电源用于为各组电极中的多个电极施加电压，使得离子在各组电极围出区域内加速、聚焦前进。

2.根据权利要求1所述的离子传输系统，其特征在于，所述真空提供装置还包括第二真空腔，所述离子传输系统还包括设置在第二真空腔内的第二传输装置，所述第二传输装置包括：

多组电极，每组电极包括呈轴对称的多个电极，多个电极围出圆形区域，沿着多组电极的排列方向，各组电极围出圆形区域的直径逐渐变小，各组电极中的电极沿着轴向依次排列；

所述电源用于为第二传输装置中各组电极中的多个电极施加电压，使得离子在各组电极围出区域内加速、聚焦前进。

3.根据权利要求2所述的离子传输系统，其特征在于，所述第二真空腔内压力小于所述第一真空腔内压力；

在第一传输装置内，所述电源为轴向的相邻电极施加相同的直流电压以及幅值相同、相位相反的射频电压，为每组电极中的相邻电极施加相同的射频电压。

4.根据权利要求3所述的离子传输系统，其特征在于，在第二传输装置内，所述电源为轴向的相邻电极施加相同的直流电压以及幅值相同、相位相同的射频电压，为每组电极中的相邻电极施加幅值相同、相位相反的射频电压。

5.根据权利要求2所述的离子传输系统，其特征在于，在第一传输装置和/或第二传输装置中，所述电源为每组电极中呈轴对称的一对电极施加直流修正电压，用于修正电极的加工和装配误差导致的径向电场偏差。

6.根据权利要求2所述的离子传输系统，其特征在于，第一真空腔内压力不小于1Torr，所述第二真空腔内压力不高于1Torr。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的离子传输系统的离子传输方法，所述离子传输方法为：

离子进入第一真空腔内，并依次通过各组电极围出的圆形区域，且在离子行进方向上，各个圆形区域的直径逐渐变小，离子在传输中被加速和聚焦。

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