CN115565846A - 方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法 - Google Patents

方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115565846A
CN115565846A CN202110742107.3A CN202110742107A CN115565846A CN 115565846 A CN115565846 A CN 115565846A CN 202110742107 A CN202110742107 A CN 202110742107A CN 115565846 A CN115565846 A CN 115565846A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
ion
radio frequency
square wave
voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110742107.3A
Other languages
English (en)
Inventor
陈平
曹艺雪
李海洋
文宇轩
陈懿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN202110742107.3A priority Critical patent/CN115565846A/zh
Publication of CN115565846A publication Critical patent/CN115565846A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0027—Methods for using particle spectrometers
    • H01J49/0031—Step by step routines describing the use of the apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/022—Circuit arrangements, e.g. for generating deviation currents or voltages ; Components associated with high voltage supply
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/063—Multipole ion guides, e.g. quadrupoles, hexapoles

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

本发明涉及方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法，包括以下步骤：对离子阱的入口电极和出口电极分别施加直流电压DC1和直流电压DC2；射频电极施加任意频率和幅值的方波射频电压；带有能量的离子束穿过入口电极进入射频电极的区域，实现离子的注入；随后在入口电极和出口电极形成的直流势阱和方波射频形成的四极势阱作用下，实现离子在离子阱中的存储和冷却；充分冷却后，在入口电极和出口电极施加双脉冲电压，将阱中离子沿轴向提取至飞行时间质谱检测器。本发明将数字方波取代正弦波应用至离子存储‑多次反射飞行时间质谱。有望改善IS‑MRTOFMS的性能，更深的势阱会进一步提升IS‑MRTOFMS的分辨率，提高存储阱的存储容量，进而提升仪器的灵敏度。

Description

方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法
技术领域
本发明属于质谱分析仪器，具体涉及一种方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法。
背景技术
离子存储阱-多次反射飞行时间联用装置(IS-MRTOFMS)一方面采用多次反射飞行时间质谱作为质量分析器，增加离子飞行路径取得较高的质量分辨率，另一方面结合离子阱存储功能能够有效提高连续离子源的离子利用效率。所以IS-MRTOFMS的性能与离子存储阱息息相关。总所周知，TOF的飞行路径越长，分辨率越高，灵敏度越低，通过离子存储阱实现离子富集功能，可以提高离子利用率，进而提升IS-MRTOFMS的灵敏度。离子阱将四极杆区域的离子束缚在四极杆电极和直流电势阱的离子存储区域中。离子存储容量大小取决于离子阱势阱深度。所以提高势阱深度，一方面会提升离子容量，进而提高灵敏度，另一方面会降低离子云相空间发散，改善分辨率。现有设备采用数字电压驱动离子阱，离子从径向上通过开口弹出，进入飞行时间分析器。径向引出时，离子云径向上的空间分布和动能发散随射频周期性，间接导致回头时间的发散随射频周期性变化，基于稳定的轴向直流势阱，离子云轴向空间和动能发散较小。目前轴向离子引出的方波驱动离子阱-多次反射飞行时间质谱联用装置还未见报道。
发明内容
本发明公开了一种方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法(IS-MRTOFMS)。在具有离子存储阱前级存储装置的飞行时间质谱中，将离子阱驱动射频由正弦波改为方波，可以提升IS-MRTOFMS的存储容量，并改善IS-MRTOFMS的分辨率。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱方法，对离子阱的射频电极施加方波射频电压，通过时序控制，在离子阱中实现离子的注入、冷却和提取，包括以下步骤：
对离子阱的入口电极和出口电极分别施加直流电压DC1和直流电压DC2；射频电极施加任意频率和幅值的方波射频电压；
带有能量的离子束穿过入口电极进入射频电极的区域，实现离子的注入；
随后在入口电极和出口电极形成的直流势阱和方波射频形成的四极势阱作用下，实现离子在离子阱中的存储和冷却；
充分冷却后，在入口电极和出口电极施加双脉冲电压，将阱中离子沿轴向提取至飞行时间质谱检测器。
在离子注入期间内，通过直流电场实现离子注入，将入口电极电压DC1降至-5V，与入口电极前端电压形成势能梯度，实现离子到离子阱的注入，同时将入口电极电压DC1升至+3V，防止离子流出，射频电极施加射频电压用以捕获注入离子。
离子在离子阱中的存储和冷却期间，将入口电极直流电压DC1和出口电极直流电压DC2同时调制到+10V，实现对离子轴向上的约束，方波射频场在径向上束缚离子，经过一定时间的冷却后，形成的离子云在空间上汇聚到四极杆的中心轴线上。
在离子提取期间内，采用双脉冲提取，分别在入口电极直流电压DC1和出口电极直流电压DC2分别施加+300V和-300V的脉冲高压，提取时间为10μs，将阱中离子提取至后端的飞行时间质谱检测器。
所述离子阱存储时间在0--1000ms范围内。
一种方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统，包括：离子阱，由入口电极、出口电极和射频电极构成；
飞行时间质谱，设于离子阱后端，用于提取离子阱中的离子；
方波射频电源，与射频电极连接，用于施加任意频率和幅值的方波射频电压。
所述方波射频电源通过电容与射频电极连接。
所述离子阱包括2D离子阱或3D离子阱。
所述离子阱中背景气体为氦气、氩气、氪气、氮气、氧气或者干燥空气中的至少一种。
所述离子阱引出方式为轴向引出。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明将数字方波取代正弦波应用至离子存储-多次反射飞行时间质谱。有望改善IS-MRTOFMS的性能，更深的势阱会进一步提升IS-MRTOFMS的分辨率，提高存储阱的存储容量，进而提升仪器的灵敏度。
2.本发明通过双极脉冲提取技术使离子阱轴向引出，进而稳定的轴向直流势阱，能够减小离子云的回头时间发散。
附图说明
图1方波射频驱动的二维离子阱-多次反射飞行时间质谱结构示意图；
1、入口电极，2、出口电极，3、射频电极，4、方波电源，5、飞行时间质谱检测器；
图2正弦波驱动模式和方波驱动模式下的分辨率对比图；
图3正弦波驱动模式和方波驱动模式下的存储容量对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱，包括由入口电极、出口电极和射频电极组成的离子阱，多次反射飞行时间质谱和方波射频电源。
入口电极和出口电极分别施加DC1和DC2的直流电压；射频电极通过电容耦合施加任意频率和幅值的方波射频电压；通过时序控制以上电极的电压参数，可以在离子阱中实现离子的注入、冷却和提取。一定能量的离子束穿过入口电极进入射频电极的区域；随后在入口电极和出口电极形成的直流势阱和方波射频形成的四极势阱作用下实现在离子阱中的存储和冷却；充分冷却后，在入口电极和出口电极施加双脉冲电压将阱中离子沿轴向提取至后端的飞行时间质谱检测器。
线性离子包括离子阱包括2D和3D离子阱。
根据测定需要方波电压和频率可以随意调节。
离子阱存储时间可以在0--1000ms范围内调节。
离子阱中背景气体为氦气、氩气、氪气、氮气、氧气或者干燥空气中的一种或二种以上。
离子阱中气压可以在0.1～几千Pa范围内调控。
线性离子源包括阱内源和阱外离子源，阱外离子源包含常压和负压各类离子源。
实施例1
一种方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱。包括由入口电极、出口电极和射频电极组成的离子阱，多次反射飞行时间质谱，方波射频电源。
入口电极和出口电极分别施加DC1和DC2的直流电压；射频电极通过电容耦合施加任意频率和幅值的方波射频电压；通过时序控制以上电极的电压参数，可以在离子阱中实现离子的注入、冷却和提取。一定能量的离子束穿过入口电极进入射频电极的区域；随后在入口电极和出口电极形成的直流势阱和方波射频形成的四极势阱作用下实现在离子阱中的存储和冷却；充分冷却后，在入口电极和出口电极施加双脉冲电压将阱中离子沿轴向提取至后端的飞行时间质谱检测器。
在本实例中，离子存储阱采用2D分段四极杆结构，由入口电极、射频电极和出口电极组成。其中射频电极分别由平行的四组电极阵列构成；每组电极阵列均由一个及一个以上同心的圆柱电极均匀间隔组成，圆柱直径为9.04mm；四组电极阵列的中心均匀设置在半径8.52mm的圆周上；圆柱电极的厚度4mm，间隔0.5mm。引入电极孔和出口电极都是内径1.5mm，外径28mm，厚度1mm的圆环电极。入口电极和出口电极分别施加直流电压；射频电极的四组电极阵列的任何一组上的同心圆柱电极之间都由分压电阻均匀分压，射频电极各自与等值电容相连，每组射频电极阵列上的圆柱电极都施加同样射频电压，且相间射频电极阵列组施加相同射频电压，相邻圆柱电极组施加极性相反的且绝对值相同的射频电压。通过时序控制以上电极的电压参数，可以在离子阱中实现离子的注入、冷却和提取。质谱分析周期由主触发频率控制，通过控制主触发频率，实现对离子阱存储时间的调控。每一个触发周期由离子注入、离子冷却和离子提取三段组成。在离子注入期内，通过直流电场实现离子注入，将入口电极电压降至-5V，与入口电极前端电压形成势能梯度，实现离子到离子阱的注入，同时将入口电极升至+3V，防止离子流出，打开射频电源用以捕获注入离子；最后为冷却区，将入口电极和出口电极同时调制+10V，实现对离子轴向上的约束，方波射频场在径向上束缚离子，经过一定时间的冷却后，离子云在空间上逐渐会聚到四极杆的中心轴线上。在离子提取期内，采用双脉冲提取，分别在入口电极和出口电极施加+300V和-300V的脉冲高压，同时关闭数字波射频电源，提取时间设置为10μs，将阱中离子提取至后端的飞行时间质谱检测器。
电离源为阱外低气压光电离源，10ppbv甲苯作为样品标气，MRTOF飞行为2圈条件下，于不同存储时间条件下，得到甲苯质谱图。并对比分析正弦波驱动和方波驱动下IS-MRTOFMS在不同存储时间下的分辨率和存储容量，实验结果分别如图2a、图2b、图3a、图3b所示。如图2a、图2b所示，对于正弦波和方波两种驱动模式下，当存储时间小于1ms时，m/z 92半峰宽随存储时间迅速降低；1～5ms区间，半峰宽呈平缓趋势；当存储时间大于5ms，半峰宽开始缓慢增加；在稳定区间1～5ms内，方波驱动模式下的分辨率是正弦驱动下的1.83倍。如图3a、图3b所示，当存储时间小于20ms时，对比两种模式下离子阱的存储容量。结果显示，当存储时间小于20ms时，方波的存储容量大于正弦波，是正弦条件下的2.33倍。

Claims (10)

1.方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱方法，其特征在于，对离子阱的射频电极施加方波射频电压，通过时序控制，在离子阱中实现离子的注入、冷却和提取，包括以下步骤：
对离子阱的入口电极和出口电极分别施加直流电压DC1和直流电压DC2；射频电极施加任意频率和幅值的方波射频电压；
带有能量的离子束穿过入口电极进入射频电极的区域，实现离子的注入；
随后在入口电极和出口电极形成的直流势阱和方波射频形成的四极势阱作用下，实现离子在离子阱中的存储和冷却；
充分冷却后，在入口电极和出口电极施加双脉冲电压，将阱中离子沿轴向提取至飞行时间质谱检测器。
2.根据权利要求1所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱方法，其特征在于，在离子注入期间内，通过直流电场实现离子注入，将入口电极电压DC1降至-5V，与入口电极前端电压形成势能梯度，实现离子到离子阱的注入，同时将入口电极电压DC1升至+3V，防止离子流出，射频电极施加射频电压用以捕获注入离子。
3.根据权利要求1所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱方法，其特征在于，离子在离子阱中的存储和冷却期间，将入口电极直流电压DC1和出口电极直流电压DC2同时调制到+10V，实现对离子轴向上的约束，方波射频场在径向上束缚离子，经过一定时间的冷却后，形成的离子云在空间上汇聚到四极杆的中心轴线上。
4.根据权利要求1所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱方法，其特征在于，在离子提取期间内，采用双脉冲提取，分别在入口电极直流电压DC1和出口电极直流电压DC2分别施加+300V和-300V的脉冲高压，提取时间为10μs，将阱中离子提取至后端的飞行时间质谱检测器。
5.根据权利要求1所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱方法，其特征在于：所述离子阱存储时间在0--1000ms范围内。
6.方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统，其特征在于，包括：离子阱，由入口电极(1)、出口电极(2)和射频电极(3)构成；
飞行时间质谱(4)，设于离子阱后端，用于提取离子阱中的离子；
方波射频电源(5)，与射频电极(3)连接，用于施加任意频率和幅值的方波射频电压。
7.根据权利要求6所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统，其特征在于，所述方波射频电源(5)通过电容与射频电极连接。
8.根据权利要求6所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统，其特征在于，所述离子阱包括2D离子阱或3D离子阱。
9.根据权利要求6所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统，其特征在于，所述离子阱中背景气体为氦气、氩气、氪气、氮气、氧气或者干燥空气中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统，其特征在于，所述离子阱引出方式为轴向引出。
CN202110742107.3A 2021-07-01 2021-07-01 方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法 Pending CN115565846A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110742107.3A CN115565846A (zh) 2021-07-01 2021-07-01 方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110742107.3A CN115565846A (zh) 2021-07-01 2021-07-01 方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115565846A true CN115565846A (zh) 2023-01-03

Family

ID=84736961

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110742107.3A Pending CN115565846A (zh) 2021-07-01 2021-07-01 方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115565846A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116525405A (zh) * 2023-04-30 2023-08-01 天津大学 一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱
CN116680426A (zh) * 2023-05-31 2023-09-01 广东省麦思科学仪器创新研究院 Mr-tof质谱数据存储方法、装置、系统及存储介质

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116525405A (zh) * 2023-04-30 2023-08-01 天津大学 一种精确控温，有效囚禁和高效引出的射频离子阱
CN116680426A (zh) * 2023-05-31 2023-09-01 广东省麦思科学仪器创新研究院 Mr-tof质谱数据存储方法、装置、系统及存储介质
CN116680426B (zh) * 2023-05-31 2024-06-11 广东省麦思科学仪器创新研究院 Mr-tof质谱数据存储方法、装置、系统及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6794642B2 (en) Mass spectrometer
US6875980B2 (en) Mass spectrometer
US7102126B2 (en) Mass spectrometer
US7893401B2 (en) Mass spectrometer using a dynamic pressure ion source
US4650999A (en) Method of mass analyzing a sample over a wide mass range by use of a quadrupole ion trap
US5572035A (en) Method and device for the reflection of charged particles on surfaces
US11114292B2 (en) Segmented linear ion trap for enhanced ion activation and storage
US7501620B2 (en) Laser irradiation mass spectrometer
US7060987B2 (en) Electron ionization source for othogonal acceleration time-of-flight mass spectrometry
US10014168B2 (en) Ion guiding device and ion guiding method
US7049583B2 (en) Mass spectrometer
CN115565846A (zh) 方波驱动的离子存储—多次反射飞行时间质谱系统及方法
JP4219406B2 (ja) イオントラップにイオンを捕らえるための方法およびそのためのイオントラップ質量分光計システム
JPH095298A (ja) 四重極イオントラップ内の選択イオン種を検出する方法
CA2436887C (en) Mass spectrometer
CN112951702B (zh) 一种用于质谱仪的离子操控及传输装置
CN115565847A (zh) 数字波相位调制改善线性离子阱—飞行时间质谱性能的方法
WO2015017401A1 (en) Continuous operation high speed ion trap mass spectrometer
CN118658771A (zh) 方波相位调制线形离子阱-飞行时间质谱质量窗口的方法
GB2400230A (en) A mass spectrometer comprising a linear array of ion traps

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination