CN1925102A - 优化场形线性离子阱及其质量分析器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有优化场形且易于加工的大容量线性离子阱及其质量分析器。该优化场形线性离子阱及其质量分析器包括离子捕获室、RF射频信号和DC直流信号，其中，RF电极为柱面体结构，其柱面是由平行于z轴并沿电极准线f(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹，具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点且平行平面可将x电极或y电极解析为至少三个薄层单元。此类可解析为多个薄层单元的电极易于加工与装配，通过调整薄层单元的参数可获得优化的四极场场形，从而改善大容量线性离子阱及其质量分析器的分析性能。

Description

优化场形线性离子阱及其质量分析器

技术领域

本发明涉及质谱分析技术领域，具体来说涉及一种大容量线性离子阱及其质量分析器，特别是涉及一种具有优化场形且易于加工的大容量线性离子阱及其质量分析器。

背景技术

四极离子阱是一种特别的装置，它既可作为离子储存装置，在一定的时间周期内将气态离子限制在离子阱内的四极场区域中，又可作为质谱仪器的质量分析器开展质谱分析，并具有相当大的质量范围和可变的质量分辨率。离子阱中的四极静电场通过在离子阱装置各极杆上接入RF射频电压、DC直流电压或二者的组合信号而产生。传统的离子阱由两部分电极组成，即环电极和端盖电极，为了产生显著的四极场，典型的电极形状为双曲型。

早期的离子阱为三维离子阱，其四极场在r和z(极坐标系中)方向产生，离子在该四极场中受到线性力的作用，从而可将一定质荷比m/z范围内的离子捕获并储存在该离子阱中。最典型的三维离子阱由三个双曲电极组成，即一个环电极和两个端盖电极，此类装置通常称为Paul型离子阱或四极离子阱。圆柱形离子阱是一种更简单的三维离子阱，由一个内表面为圆柱面的环电极和两个平板结构的端盖电极组成。

Paul型离子阱和圆柱形离子阱最大的缺陷是阱中捕获的离子数少，对于在阱外电离的入射离子其捕获效率较低。为减少空间电荷效应以获得高分辨率，商用质谱仪器的典型实验中通常只捕获500个，甚至更少的离子。通过端盖上的入口注入离子阱的离子将受到RF场的作用，只有在恰当的RF相位上入射的离子才能有效捕获并储存在阱中，连续入射的离子流其总的捕获效率低于5％，多数情况下甚至远小于5％。

为了解决上述问题，出现了另一类离子阱——线性离子阱。线性离子阱由延长的且平行放置的多个极杆组成，该极杆系将确定离子阱的容积，通过在极杆上接入RF射频电压和DC直流电压，即可在垂直于离子阱中心轴的平面上产生二维的四极场，由于仅在二维实现离子的强聚焦，所捕获的离子可在中心轴附近分布，大大提高了离子捕获数。美国专利5420425描述了一种由三组四极杆组成的二维线性离子阱，中间的一组四极杆作为主四极杆，其中一对主极杆上设计了狭缝，离子可通过该狭缝实现注入与出射；两端的两组四极杆既可实现在轴向限制阱中捕获离子的运动，又可改善主四极杆内的四极场，当各极杆均采用双曲极杆，可获得近乎理想的四极场。

上述各离子阱中，除圆柱形离子阱外，均需要准确的机械加工过程，如加工、装配等，而这样高精度机械加工是相当复杂的，也就成为了限制小型便携离子阱质量分析器的主要因素。美国专利6838666B2提出了一种矩形线性离子阱，该离子阱中，四片矩形平板电极平行于轴线放置，围成具有矩形截面的离子阱，在各个平板电极上接入RF射频电压和DC直流电压，可在离子阱内产生四极场，实现离子的二维聚焦；通过引入端电极，实现在轴向限制离子运动。矩形离子阱解决了线性离子阱的高精度机械加工问题，但同时又带来了新的问题，即四个平板电极所产生的四极场中含有较为显著的高阶场，如十二极场，二十极场等，使得离子运动具有较大的不确定性，从而影响离子阱质量分析器的质量分辨率。

早期的场形研究结果认为高阶场的引入将会破坏四极质量分析器的质量分辨率，而最新的研究成果表明，恰当的引入高阶场分量，可有效改善四极质量分析器的分辨率。如，美国专利6897438 B2中通过改变四极杆系参数，如，两对极杆的杆半径或场半径之比，在四极场中引入八极场，改善了质量分辨率。该专利只给出了在四极场中引入八极场的一种方法，即改变极杆半径或场半径，并未给出适用于引入其他高阶场的实现方法。

综上所述，二维离子阱是一种可实现大容量的线性离子阱，它解决了三维离子阱离子捕获数少和离子捕获效率低的问题，而已有的二维离子阱或者需要高精度的机械加工，或者含有较为显著的高阶场，这些因素将会限制小型便携离子阱质量分析器的发展。同时，在四极质量分析器优化场形研究中将会涉及到引入高阶场的问题，而已有的专利成果仅涉及八极场的引入，并未对其他高阶场提供可行的解决方案。探索一种结构灵活、易于加工，且能够便利地实现所需的优化场形的离子阱及其质量分析器，将会有力推动小型便携离子阱质量分析器的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种易于加工，具有优化四极场场形的大容量线性离子阱及其质量分析器。

本方明要解决的技术问题之二是提供一种可灵活实现所需场形的大容量线性离子阱及其质量分析器。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种优化场形线性离子阱及其质量分析器。

该优化场形线性离子阱及其质量分析器包括：由至少四个平行于离子阱中心轴z轴的RF电极和一对端电极所确定的离子捕获室；生成RF离子捕获电场的RF射频信号；生成轴向离子捕获电势阱的DC直流信号；

本发明与已有线性离子阱的最大区别在于离子阱的RF电极为柱面体结构，其柱面是由平行于z轴并沿定曲线f_x(x，y)＝0或f_y(x，y)＝0移动的直线段L所描绘出的轨迹，其中，定曲线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点的平行平面可将x电极或y电极解析为至少三个薄层单元。此类电极称为“可解析为多个薄层单元的电极”。本申请中所提的“多个薄层单元”均指至少三个薄层单元。

本申请中，平行于中心轴z轴的RF电极可分为x电极对和y电极对，各电极按照x-y-x-y方式交替间隔90度放置，从而定义一个离子捕获区域；RF射频电源连接到x和y电极对，提供x电极对和y电极对之间的RF电压从而在xy平面内产生RF离子捕获电场；端电极位于x和y电极对所定义的离子捕获区域两端的；DC直流电源连接到端电极对，提供两个端电极间沿z轴方向的DC捕获电势阱，从而将离子限制在离子捕获区域中。

利用一组相应的平行平面可将本发明中的RF电极解析为至少三个薄层单元。定曲线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0分别称为x电极准线和y电极准线，统称电极准线。直线段L称为电极母线。电极准线具有分段函数的形式，相邻两个分界点之间的曲线可以是任意函数，即沿分界点解析而成的薄层单元其柱面可包含任意曲面，如平面、圆柱面、双曲面、椭圆面，等等。因此，薄层单元可以是矩形平板、矩形块等规则形状体，也可以是柱面由一对平行平面与圆柱面、双曲面、椭圆面或其他曲面组合而成的柱面体。电极准线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0可以构造出多种柱面形状，通过选择适当的分段函数，即采用适当的薄层单元，可组合得到生成优化电场场形所需的电场边界条件。可解析为多个薄层单元的电极的加工可采用分别加工各个薄层单元然后将各薄层组合起来的方式，也可以根据电极准线和电极母线所确定的电极参数采用整体加工的方式。

优化场形线性离子阱及其质量分析器的端电极可以是沿xy平面放置的极板，也可以是平行于z轴且按照x-y-x-y方式交替间隔90度放置的薄层组合x电极对和y电极对，还可以是极板与可解析为多个薄层单元的电极的组合。

AC电压可连接到x电极对或y电极对实现沿x方向或y方向激发或逐出离子，也可连接到端电极上实现沿z方向激发或逐出离子。RF电极和端电极上可以包括用于沿x、y和z方向实现离子的注入与逐出的狭缝或小孔。

利用多个优化场形大容量线性离子阱可组成多级离子处理系统，即串联离子阱质量分析系统，从而有效开展MSⁿ分析实验。串联离子阱质量分析系统包括多个优化场形大容量线性离子阱，各离子阱前后耦合，使得离子可沿各级离子阱顺序流通。

本发明所提的优化场形离子阱及质量分析器采用了可解析为多个薄层单元的电极。可解析为多个薄层单元的电极的设计过程可以是：根据所需场形，确定薄层单元的类型并据此建立计算模型，通过改变薄层单元的尺寸参数、层数等条件可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场，即所需的优化场形，并由此确定电极的边界条件和最佳组合方案。常用的优化场形可以是四极场，或者是四极场和八极场的混合场，也可以是四极场和其他多极场的混合场。

薄层单元可具有任意表面形状，从获得好的加工与装配精密度方面考虑，可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成的电极。采用薄层单元组合而成的电极，可解决已有多极杆系的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据多极场理论研究的成果，方便、灵活地实现所需场形的电极边界条件，将多极场理论成果有效地转化为实际装置。

与现有技术相比，本申请提出的优化场形线性离子阱及其质量分析器的优点之一是采用可解析为多个薄层单元的RF电极可以有效地实现离子阱内场形的优化，RF电极边界形状可根据不同的场形需求加以设计，如，获得尽可能接近理想四极场的场形，或具有确定贡献量的四极场与其他高阶场的混合场形。优点之二是可解析为多个薄层单元的RF电极可以采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成电极，从而大大提高加工与装配的精度。

总之，薄层单元可具有任意表面形状，通过改变电极的层数和各薄层的参数，可便利的改变电极的表面形状，即改变电场的边界条件，从而实现场形的优化。优化场形线性离子阱及其质量分析器采用可解析为多个薄层单元的电极，可以解决已有大容量线性离子阱的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据高阶场理论研究的成果，方便、灵活地构造所需场形的电极边界条件，将高阶场理论成果有效地转化为实际装置。本方明采用可解析为多个薄层单元的电极，提供了一种可实现场形优化、易于加工、成本低廉的大容量线性离子阱及其质量分析器的可行实施方案。

附图说明

图1：利用可解析为多个薄层单元的RF电极构建的优化场形线性离子阱的示意图。

图2：可解析为多个薄层单元的RF电极示意图。

图3：典型薄层单元组合电极的横截面示意图。

图4：离子阱中离子运动的稳定性图。

图5：具有极板端盖的优化场形线性离子阱的示意图

图6：由三部分RF电极组成的优化场形线性离子阱的示意图。

图7：由三部分RF电极组成且具有极板端盖的优化场形线性离子阱的示意图。

图8：由三个优化场形线性离子阱串联实现MSⁿ的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请提出了一种优化场形线性离子阱及其质量分析器。

图1所示的是一个利用可解析为多个薄层单元的RF电极构建的优化场形大容量线性离子阱，DC、AC和RF电压分别连接到极杆和端电极上，用以捕获和分析离子。x电极1、2和y电极3、4平行于z轴放置，各电极均由至少三个薄层单元组合而成，在xy平面内按照1-3-2-4逆时针方向间隔90度放置，x电极对和y电极对定义了优化场形线性离子阱的离子捕获区域。RF射频电压分别连接到x和y电极对，在x电极对和y电极对所定义的离子捕获区域内生成xy平面内的RF离子捕获电场。端电极5和6分别位于x和y电极对所定义的离子捕获区域的两端；端电极上接入DC直流电压，生成两个端电极间沿z轴方向的DC捕获电场，从而在z方向上将离子限制在离子捕获区域中。AC电压连接到x电极对或y电极对上，作为x电极对或y电极对之间的AC共振激发信号，从而沿x方向或y方向实现阱内激发离子。

可解析为多个薄层单元的电极为柱面体结构，如图2所示，其柱面是由平行于定直线并沿电极准线f(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹。电极母线f(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过各分界点的平行平面可将电极解析为至少三个薄层单元。

电极准线具有分段函数的形式，相邻两个分界点之间的曲线可以是任意函数，即沿分界点解析而成的薄层单元其柱面可包含任意曲面，如平面、圆柱面、双曲面、椭圆面，等等。如图3所示，薄层单元可以是矩形平板、矩形块等规则形状体，也可以是柱面由一对平行平面与圆柱面、双曲面、椭圆面或其他曲面组合而成的柱面体。电极准线f(x，y)＝0可以构造出多种柱面形状，通过选择适当的分段函数，即采用适当的薄层单元，可组合得到生成优化电场场形所需的电场边界条件。可解析为多个薄层单元的电极的加工可采用分别加工各个薄层单元然后将各薄层组合起来的方式，也可以根据电极准线和电极母线所确定的电极参数采用整体加工的方式。

在优化场形线性离子阱中，被捕获离子的质荷比与离子阱的几何形状、所接入的RF和DC电压之间的关系可表示为：

$\frac{m}{e}=A_2\frac{{4V}_{\mathrm{RF}}}{q{r}_0^2{\mathrm{\ω}}^2},\frac{m}{e}=-A_2\frac{{4U}_{\mathrm{DC}}}{{\mathrm{qr}}_0^2{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

其中，A₂是电场多极展开表达式中四极分量的展开系数，V_RF和U_DC分别为RF极杆上所接入射频信号的RF分量和DC分量的幅度，a和q是Mathieu系数，r₀是z轴到RF极杆的距离，ω为RF信号的频率。

已有的离子阱理论表明，当极杆具有理想双曲表面时可在离子捕获区域生成理想的四极场，利用该四极场可得到好的离子分析结果。与平板电极组成的矩形线性离子阱相比较，采用可解析为多个薄层单元的电极构建的离子阱可实现具有更显著的四极场分量，能够更有效的实现目标离子的分离与分析，因而可认为其具有优化的电场场形。

在实际加工中，要获得理想的双曲表面是相当困难的，这就大大限制了离子阱质量分析器的分析性能。利用多个薄层单元可组合得到所需的RF电极。通过增加薄层单元的层数，调整各薄层单元的尺寸参数，可实现场形的优化。从理论上，当薄层单元的厚度趋于无限小时，可组合得到具有理想双曲截面的RF电极。在实际加工中，薄层单元将具有确定的厚度，当各薄层单元具有确定的形状和参数时，利用数值模拟的方法，可计算出可解析为多个薄层单元的电极组成的四极杆内的场形。反之，通过数值模拟的方法可获得最佳场形所对应的极杆参数，如层数、薄层尺寸等，由此可加工出具有优化场形的RF电极。可解析为多个薄层单元的电极可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成电极，从而大大提高加工与装配的精度，同时也可大大降低离子阱的生产成本。

离子在四极场中运动基频ω_u可表示为

${\mathrm{\ω}}_u=\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_u\mathrm{\ω}---\left(2\right)$

其中

$\mathrm{\β}={(a+\frac{q^2}{2})}^{1/2}q\≤0.4---\left(3\right)$

离子在离子阱中的运动稳定性图如图7所示。

从上述表达式可知，如果r₀，ω，U，V确定，则某一质荷比m/z的离子就有一个确定的a，q值。在稳定性图上，它将具有一个确定的工作点。如果该工作点在稳定性三角形内，则离子阱可将该离子捕获在阱中，被捕获的离子称为稳定离子。当RF极杆上接入的RF电压频率固定，且V_RF和U_DC的比值固定，在稳定性图上的某一点，即对应于固定的a，q值，稳定离子的质荷比m/z与V_RF成正比，从而也与U_DC成正比。利用离子在离子阱中运动的稳定性，可实现对阱中捕获离子的分离、发射、分析和检测。

利用可解析为多个薄层单元的RF电极构建的优化场形线性离子阱质量分析器的基本工作过程是待分析样品气体在阱内电离生成待分析离子，或待分析样品在阱外电离后将待分析离子注入阱内，离子与缓冲气体发生碰撞动能衰减，并被RF捕获电场和DC捕获电场限制在阱内的离子捕获区域中，当离子被捕获后，AC或其他波形的信号接入到极杆或端电极上，即可实现离子的质量选择性分离或激发。当AC电压接到端盖极板上时，扫描RF幅度可实现离子沿z轴方向通过端盖极板上的小孔或狭缝发射出离子阱。当AC电压接到x或y电极对时，扫描RF幅度可实现离子沿x或y方向通过x电极或y电极上的狭缝发射出离子阱。

在优化场形线性离子阱中，端电极可以是沿xy平面放置的极板5和6，如图1和图4所示；也可以是平行于z轴的可解析为多个薄层单元的电极7、8、9和10组合而成的端四极杆系，如图5所示，在xy平面内各极杆按照7-9-8-10逆时针方向各间隔90度放置；还可以是极板与薄层组合端四极杆系的组合，如图6所示。极板上可接入DC电压，端四极杆系上可接入RF电压或DC电压或二者的组合。端电极的主要作用是产生沿z轴方向的电势阱，在z方向上将离子限制在离子阱的捕获区中。

如图4、5和6所示，优化场形线性离子阱中可在RF电极上开设平行于z轴的狭缝11，并在x或y电极对上接入AC信号，实现沿x或y方向激发离子或将离子逐出离子阱；也可在端电极的极板上开设小孔或狭缝，实现沿z方向激发离子或将离子逐出离子阱；还可将上述各方式任意组合，实现多方向激发离子或将离子逐出离子阱。

利用多个优化场形大容量线性离子阱可组成多级离子处理系统，即串联离子阱质量分析系统.。串联离子阱质量分析系统的各级离子阱前后耦合，使得离子可沿各级离子阱顺序流通，从而有效开展MSⁿ分析实验。图8所示为采用三个优化场形大容量线性离子阱可组成三级离子处理系统，可有效开展三级MS-MS分析实验。

基于上述描述，下面将以由矩形平板电极和矩形块状薄层单元组合而成的RF电极所构建的优化场形大容量线性离子阱及其质量分析器为例说明本发明所提出的离子阱及其质量分析器的具体工作模式。

图6所示的是采用矩形块状薄层单元组合而成的RF电极所构建的优化场形大容量线性离子阱。该离子阱包括平行于z轴的x电极1、2和y电极3、4组成的RF电极，各电极均由至少三个薄层单元组合而成，薄层单元可以是矩形平板电极或矩形块状薄层单元，RF电极在xy平面内按照1-3-2-4逆时针方向各间隔90度放置，从而定义一个离子捕获区域，其中，在x电极1和2的中央开设平行于z轴的狭缝；一个连接到x和y电极对的RF射频电源，提供x电极对和y电极对之间的RF电压从而在xy平面内产生RF离子捕获电场；一对位于x和y电极对所定义的离子捕获区域两端的端电极，端电极包括极板5、6和由可解析为多个薄层单元的电极7、8、9、10组成的端四极杆系，其中，在端电极的极板中央开设小孔；一个连接到端电极对的DC直流电源，提供两个端电极间沿z轴方向的DC捕获电势阱，从而将离子限制在离子捕获区域中；一个连接到x电极对的AC电源，提供x电极1和2之间的AC电压，从而实现沿x方向激发或逐出离子；AC电源也可连接到端电极的极板上，提供极板5和6之间的AC电压，从而实现沿x方向激发或逐出离子。

与已有的离子阱相同，优化场形大容量线性离子阱可实现离子的储存和分离。当离子阱所接入的DC直流分量为零时，工作状态对应于稳定性图中的q轴。初始RF幅度将决定稳定离子质荷比的下限，所有质荷比大于或等于该下限的离子均可被离子阱捕获，储存在离子阱中。

利用离子阱实现离子分离有两种工作方式：RF/DC分离与AC波形分离。RF/DC分离以离子运动稳定性图为基础，通过使离子在稳定性图边界处运动状态由稳定变为不稳定，从而将不稳定离子发射出离子阱。RF/DC分离的工作过程是根据分离的需要选择要保留在离子阱中的离子，计算所保留离子的状态参数(a_i，q_i)，使其状态点(a_i，q_i)落在稳定三角形顶点附近，然后根据计算结果调整y极杆上的RF分量并同时接入DC分量，使目标离子状态点变为(a_i，q_i)，此时，其他的离子就落入非稳定区域，从而将目标离子与其他离子分离开来。

AC波形分离是以离子运动基频与离子状态之间的关系为基础，激发后z方向振幅响应正比于该激发波形本身的Fourier变换，离子响应与离子轴向振荡频率无关，也与离子的质荷比无关。质荷比为m/z的离子所受的激发仅由在质荷比所对应频率下的激发幅度大小所决定。以离子运动基频作为纽带，并不需要对离子轨迹进行精确的计算就可以确定受激后离子的轴向振幅，只要在相应的电极对上接入与分离目的相对应的AC波形，即可同时实现对多个目标离子的选择性激发与逐出。

优化场形大容量线性离子阱中常常需要对单个目标离子进行选择性共振激发与逐出，称为AC共振激发与逐出，其本质上是AC波形分离的一个特例，即目标离子运动基频为某一频率值，而非某一频带。

在如图6所示的优化场形大容量线性离子阱质量分析器中，AC信号加在两个x极上，其中非出射极板为正信号，出射极板为负信号，这就保证了正离子将从出口极板发射出离子阱。若待测离子为负离子，则非出射极板应为负信号，出射极板为正信号。

优化场形大容量线性离子阱质量分析器通过对离子进行选择，使目标离子由稳定变为不稳定，从而将其逐出离子阱，实现离子检测。选择性不稳定检测可分为边界发射与AC共振逐出两种方式。

边界发射，是以图7所示的稳定性图q轴上的稳定边界点作为工作点，DC电压幅度为零，通过扫描RF电压幅度(上升扫描)，使离子按照质荷比从小到大的顺序进入不稳定状态，不稳定离子将被逐出离子阱，到达阱外的离子检测系统，接收并放大相应的电信号，就可得到相应的质谱图。

AC共振逐出利用了离子运动基频与离子所处状态之间的关系，通过扫描RF，改变离子的运动基频，当离子的基频与AC信号的频率相等时，离子在x方向的振幅将迅速显著增大，从x极板中央的狭缝处离开离子阱，进入外部检测电路。理论计算表明，当q_x＜0.4时，离子运动基频w_x与q_x成正比，由式(1)可知，对于质荷比相同的离子，其运动基频与RF幅度成正比，线性扫描RF，即相当于线性改变离子运动基频，从而可很方便地得到质谱图。在采用AC共振发射方式检测离子时，通常可选择工作点为(a_x＝0，q_x＜0.4)。

优化场形大容量线性离子阱多级串联系统可有效开展MSⁿ分析实验。图8所示为采用三个优化场形大容量线性离子阱可组成三级离子处理系统，可有效开展三级MS-MS分析实验。三级串联系统中将三个优化场形大容量线性离子阱质量分析器串联起来，组成QqQ序列，其工作方式可以为：Q₁和Q₃是正常的质量分析器，q₂上没有DC直流电压而只有RF射频电压，该射频场使所有离子聚焦并允许所有离子通过。因此，离子可在q₂中可发生亚稳碎裂或碰撞诱导解离。Q₁能够从离子源中选择所感兴趣的离子，使其在q₂中发生解离反应，最后将解离产物送至Q₃进行常规质谱分析，从而可推断分子的组成结构。

本发明所提的优化场形离子阱及质量分析器采用了可解析为多个薄层单元的电极。可解析为多个薄层单元的电极的设计过程可以是：根据所需场形，确定薄层单元的类型并据此建立计算模型，通过改变薄层单元的尺寸参数、层数等条件获得可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场，即所需的优化场形，并由此确定电极的边界条件和最佳组合方案。常用的优化场形可以是四极场，或者是四极场和八极场的混合场，也可以是四极场和其他多极场的混合场。

薄层单元可具有任意表面形状，从获得好的加工与装配精密度方面考虑，可采用形状简单、易于加工装配的薄层单元，如表面由平面、圆柱面等组合而成的电极。采用薄层单元组合而成的电极，可解决已有多极杆系的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，同时，还可根据多极场理论研究的成果，方便、灵活地实现所需场形的电极边界条件，将多极场理论成果有效地转化为实际装置。

从上述对具体实施方式的说明可知，优化场形线性离子阱及其质量分析器采用薄层单元组合而成的RF电极，可实现场形的优化，可实现好的加工与装配精度，并大大降低了离子阱的生产成本，从而解决已有大容量线性离子阱的理想场形与极杆加工装配之间的矛盾，有力推动小型质谱仪器的发展。可解析为多个薄层单元的电极组成的离子阱可方便、灵活地实现电极边界条件的优化，并由此优化离子阱内的电场场形，将多极场理论研究成果有效转化为实际装置，从而为四极质量分析器提供了一种可实现场形优化、易于加工、成本低廉的切实可行的实施方案。

Claims (9)

1.一种优化场形线性离子阱及其质量分析器，包括：由至少四个平行于离子阱中心轴z轴的RF电极和一对端电极所确定的离子捕获室；生成RF离子捕获电场的RF射频信号；生成轴向离子捕获电势阱的DC直流信号；

其特征在于：所述RF电极为柱面体结构，其柱面为由平行于z轴并沿电极准线f_x(x，y)＝0或f_y(x，y)＝0移动的电极母线L所描绘出的轨迹，电极准线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0具有分段函数的形式，利用一组通过分段函数各分界点的平行平面可将RF电极解析为至少三个薄层单元。

2.根据权利要求1所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：所述电极准线f_x(x，y)＝0和f_y(x，y)＝0在相邻两个分界点之间的曲线为初等函数，沿分界点解析而成的薄层单元其典型柱面包括平面、圆柱面、双曲面、椭圆面，等等。

3.根据权利要求2所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：通过改变薄层单元的参数可获得具有确定贡献分量的多极场的混合场。

4.根据权利要求3所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：所述混合场包括四极场和八极场。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：可解析为多个薄层单元的电极的加工方式为分别加工各个薄层单元然后将各薄层组合起来；或采用整体加工的方式加工薄层单元组合而成的电极表面。

6.根据权利要求1所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：端电极为极板，或为平行于z轴的可解析为多个薄层单元的电极组，或为极板与可解析为多个薄层单元的电极的组合。

7.根据权利要求1所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：AC电压连接到x电极对或y电极对实现沿x方向或y方向激发或逐出离子，或连接到端电极实现沿z方向激发或逐出离子。

8.根据权利要求1所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：至少一个RF电极或端电极上包括实现离子的注入或逐出的狭缝或小孔。

9.根据权利要求1所述的优化场形线性离子阱及其质量分析器，其特征在于：利用多个优化场形大容量线性离子阱串联组成多级离子处理系统，用于开展MSⁿ分析实验。

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