CN209675238U - 一种离子漏斗装置和质谱检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种离子漏斗装置和质谱检测系统，该离子漏斗装置包括矩形离子漏斗和平板四级杆的组合；所述矩形离子漏斗的末端对接所述平板四级杆的起始端；矩形离子漏斗包括相对设置的两个第一印刷电路板PCB电极；平板四级杆包括相对平行设置的两个第二PCB电极；在第一PCB电极上的相邻矩形电极上分别施加幅度相同极性相反的第一射频电压，在第二PCB电极上的侧边矩形电极和中央矩形电极上分别施加幅度相同极性相反的第二射频电压；并且在矩形离子漏斗的两端分别施加两个直流电压，在平板四级杆的两端分别施加两个直流电压。本实用新型对离子的选择性过滤传输及富集具有良好效果。

Description

一种离子漏斗装置和质谱检测系统

技术领域

本实用新型涉及质谱分析领域，具体地说，涉及一种离子漏斗装置和质谱检测系统。

背景技术

质谱仪主要是由离子源、离子传输系统、质量分析器、检测器和真空系统等几个部分组成。样品分子首先在离子源被离子化，随后在离子传输系统的导引下到达质量分析器，被分析后通过检测器实现信号的检测和采集。样品离子从离子源处产生到在进入质量分析器之前会经过一段较长的传输路径以及气压条件的变化(从大气压条件到真空环境)，在这一过程中大量的离子会由于与中性气体发生碰撞等原因而损失掉，最终到达质量分析器的离子量极其少，从而降低了整个仪器的灵敏度。在离子传输系统中，离子传输装置可以在传输离子的同时，将离子聚焦于一个较小的范围内，从而减少了离子传输过程中的损失。因此，离子传输装置在提高离子传输效率，提高质谱仪器的灵敏度方面的作用至关重要。

为了解决该问题，现有技术引入了离子漏斗。其由一系列中心孔径一致、内径逐渐缩小的环形电极等间距排列组成，在相邻的极板间加反相射频电压(相位差180度)时，可形成一个有效的电场，并在径向上将离子束缚在导入器中，离子借由电势梯度有效地聚焦、传输。

然而目前离子漏斗相邻两电极之间所加相位差180度电压信号的工作模式，使得离子漏斗在接近出口逐渐聚焦离子的同时，漏斗中轴线上的电势会随质量数的减小而逐渐变大，从而使得小质量数的离子不能稳定地通过漏斗而被传输到下一级腔体，形成传统离子漏斗所谓的“低质量歧视”效应。另一方面，目前的离子漏斗的功能还比较单一，只有离子聚焦和传输功能，没有离子富集、过滤等操控能力，从而一定程度上局限了质谱仪(特别是小型化质谱仪)系统对于复杂样品的分析能力。因此，开发离子传输性能更高，离子操控能力更强的离子传输装置成为本领域研究的热点。

实用新型内容

为了克服上述技术问题，本实用新型提供了一种离子漏斗装置，实现了离子的选择性过滤传输及富集。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种离子漏斗装置，所述离子漏斗装置包括矩形离子漏斗和平板四级杆；所述矩形离子漏斗的末端对接所述平板四级杆的起始端；

所述矩形离子漏斗包括：相对于X轴和Z轴构成平面对称设置的两个第一PCB电极；所述矩形离子漏斗起始端的内径大于所述矩形离子漏斗末端的内径；每个第一PCB电极上平行等距离的设置N个矩形电极；其中N个矩形电极的长边沿X方向；N个矩形电极中的前N1个矩形电极的长边长度均为L1，后N-N1个矩形电极的长边长度依次减少至L2；

并且，一侧的所述第一PCB电极中的每个矩形电极的长边两端分别通过一金属线型电极电连接至另一侧的所述PCB电极中相对的矩形电极；其中金属线型电极沿Y轴设置；N个金属线型电极的长度从H1依次减少至H2；

所述平板四极杆包括：相对于X轴和Z轴构成平面对称设置且互相平行的两个第二PCB电极，且一侧的所述第二PCB电极的起始端对接同侧的所述第一PCB电极的末端，两个所述第二PCB电极的距离为N个金属线型电极中最后一个的长度H2；每个所述第二PCB电极由3列*K行个矩形电极构成电极阵列，其中中间列为K个中央矩形电极，左右两列分别为K个侧边矩形电极；

在一侧的所述第一PCB电极中，相邻矩形电极上通过电容耦合方式施加幅度相同、极性相反的第一射频电压RF1；在所述矩形离子漏斗的两端分别施加两个直流电压DC₀和DC₁，通过电阻分压方式进行分压；另一侧的所述第一PCB电极的电压施加方式相同；

在一侧的所述第二PCB电极中，在Z轴上处于同一位置的两个侧边矩形电极电连接并通过电容耦合方式施加第二射频电压RF2，中间的中央矩形电极上通过电容耦合方式施加反向的RF2；在所述平板四级杆的两端分别施加两个直流电压DC₂和DC₃，通过电阻分压方式进行分压；另一侧的所述第二PCB电极的电压施加方式相同；

其中X轴为所述矩形电极的长边所在方向，Y轴为所述金属线型电极的延伸方向，Z轴为离子流在所述离子漏斗装置的传输方向，X轴、Y轴、Z轴两两正交。

在一种可选的实施方式中，每个所述PCB电极上的矩形电极的数量为N，N>10。

在一种可选的实施方式中，N1＝N/2或N/2的取整值。

在一种可选的实施方式中，H1的范围是8mm-30mm，H2的范围是2mm-6mm，L1的范围是8mm-30mm，L2的范围是2mm-6mm。

在一种可选的实施方式中，所述矩形离子漏斗中的矩形电极与所述平板四极杆中的矩形电极具有相同的宽度We，We的范围是0.5mm-2mm。

在一种可选的实施方式中，相邻的两个所述矩形电极的在Z轴上具有相同的距离S1，S1的范围是0.5mm-2mm。

在一种可选的实施方式中，所述3列*K行个矩形电极中，相邻两列具有相同的距离S2，S2的范围是0.5mm-2mm。

在一种可选的实施方式中，K>5。

本实用新型还提供了一种质谱检测系统，包括离子源、质量分析器和检测器，还包括如前所述的离子漏斗装置；

所述离子源连接所述离子漏斗装置的起始端，所述质量分析器一端连接所述离子漏斗装置的末端，另一端连接所述检测器。

本实用新型实施例所述的离子漏斗装置和质谱检测系统，该离子漏斗装置采用了矩形离子漏斗和平板四级杆的组合，矩形离子漏斗包括相对设置的两个第一PCB电极；平板四级杆包括相对平行设置的两个第二PCB电极；在第一PCB电极上的相邻矩形电极上分别施加幅度相同极性相反的第一射频电压，在第二PCB电极上的侧边矩形电极和中央矩形电极上分别施加幅度相同极性相反的第二射频电压；并且在矩形离子漏斗的两端分别施加两个直流电压，在平板四级杆的两端分别施加两个直流电压。本实用新型的技术方案能够利用偶极电场捕获快速膨胀离子，具有良好的离子聚焦能力。并且，平板四极杆通过径向四极射频电场和轴向直流电场实现了离子的选择性过滤传输及富集。同时，矩形离子漏斗的出口尺寸较大且平板四级杆的四极聚焦电场没有质量歧视效应，因而也可降低低质量歧视效应。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的离子漏斗装置的立体结构图；

图2为本实用新型实施例提供的离子漏斗装置的沿Y轴的结构图；

图3为本实用新型实施例提供的离子漏斗装置的沿Z轴的结构图；

图4为矩形离子漏斗的电信号施加原理图；

图5a为平板四级杆的电信号施加原理图；

图5b为平板四级杆在X轴和Y轴构成的任意平面上的第i列的电压施加情况示意图；

图6a为矩形离子漏斗的射频电压对于质谱测得离子强度的影响曲线图；

图6b为平板四极杆上的射频电压对于质谱测得离子强度的影响曲线图；

图6c为DC₃电压对于三种带电相同、不同质荷比离子的传输效率的作用曲线图；

图6d为DC₃电压对于两种带电不同、相同质荷比离子的传输效率的作用曲线图；

图7a为不同DC₃电压下的cytochrome c的质谱图；

图7b为不同DC₃电压下的复杂基质(PEG300)中Reserpine目标离子(m/z609)的质谱图；

图8a为系统的检测限校正曲线图；

图8b为最低检出限浓度(1ng/mL)的利血平样品的二级质谱图。

具体实施方式

下面参考附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

本实用新型实施例提供了一种离子漏斗装置，如图1至图3所示，该离子漏斗装置包括矩形离子漏斗1和平板四级杆2。离子流先后通过矩形离子漏斗1和平板四级杆2。矩形离子漏斗1的末端对接平板四级杆2的起始端。

在图1至图3中，X轴、Y轴、Z轴两两正交。Z轴为离子流在离子漏斗装置中的传输方向。

矩形离子漏斗1包括：相对于X轴和Z轴构成平面对称设置的两个第一印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)电极11。如图1所示，矩形离子漏斗起始端的内径大于其末端的内径，即两个第一PCB电极11相对倾斜设置，使得这两个第一PCB电极分别所在的平面相交。具体的，平面相交的交线平行于X轴。且进一步的，两个第一PCB电极在X轴和Z轴构成的平面上的投影重合。

第一PCB电极11上平行等距离的设置N个矩形电极。其中矩形电极的长边沿X方向设置。N个矩形电极中的前N1个矩形电极的长边长度均为L1，后N-N1个矩形电极的长边长度依次减少至L2。

并且，如图1所示，一侧的第一PCB电极11中的每个矩形电极的长边两端分别通过一金属线型电极电连接至另一侧的PCB电极11中的相对的矩形电极，从而构成一矩形电极框。由此形成平行于X轴和Y轴构成平面且在Z轴上等距的N个矩形电极框。其中金属线型电极沿Y轴设置；N个金属线型电极的长度从H1依次减少至H2。

可选的，L1＝H1,L2＝H2。

平板四极杆2包括：相对于X轴和Z轴构成平面对称设置且互相平行的两个第二PCB电极21，且一侧的第二PCB电极21的起始端贴近同侧的第一PCB电极11的末端，两个第二PCB电极的距离为N个金属线型电极中最后一个的长度。每个第二PCB电极21由3列*K行个矩形电极构成电极阵列，其中中间列为K个中央矩形电极，左右两列分别为K个侧边矩形电极。

3列*K行个矩形电极中的每个矩形电极的沿X轴的长度可以为L2。

如图4所示，在一侧的第一PCB电极中，相邻矩形电极上通过电容耦合方式施加幅度相同、极性相反的第一射频电压RF1，RF1的范围是0-300V_0p。在矩形离子漏斗的两端分别施加两个直流电压DC₀和DC₁，通过电阻分压方式进行分压。另一侧的第一PCB电极的电压施加方式相同。通过电阻分压方式在所有电极上施加依次递减的直流电压。矩形离子漏斗的两端即起始端和末端，离子从起始端进入矩形离子漏斗，并从末端离开矩形离子漏斗。

如图5a所示，在一侧的第二PCB电极中，在Z轴上处于同一位置(即3列*K行个矩形电极中同一行)的两个侧边矩形电极电连接并通过电容耦合方式施加第二射频电压RF2，中间的中央矩形电极上通过电容耦合方式施加反向的RF2。RF2的范围是0-300V_0p。在平板四级杆的两端分别施加两个直流电压DC₂和DC₃，通过电阻分压方式进行分压。另一侧的第二PCB电极的电压施加方式相同。通过电阻分压方式将依次递减的直流电压施加于各个矩形电极。沿着Z轴方向，同一行的矩形电极的直流电压依次递减，但具有Z轴上同一坐标的各矩形电极的直流电压相同。平板四级杆的两端即平板四级杆的起始端和末端，离子离开矩形离子漏斗后从起始端进入平板四级杆，并从末端离开平板四级杆。如图5b所示，得到第二PCB电极在X轴和Y轴构成的任意平面上的第i列矩形电极的电压施加情况。左右两个侧边矩形电极上施加的电信号为V_RF+U_DC(i)。中间矩形电极上施加的电信号为-V_RF+U_DC(i)。其中V_RF为射频电压，U_DC(i)为第i列各矩形电极上的直流电压。

可选的，每个PCB电极上的矩形电极的数量为N，N>10。

可选的，N个矩形电极中的前N1个中，N1＝N/2或N/2的取整值，如向上取整值或向下取整值。

可选的，H1的范围是8mm-30mm，H2的范围是2mm-6mm，L1的范围是8mm-30mm，L2的范围是2mm-6mm。

如图2所示，矩形离子漏斗中的矩形电极与平板四极杆中的矩形电极具有相同的宽度We，We的范围是0.5mm-2mm。相邻的两个矩形电极的在Z轴上具有相同的距离S1，S1的范围是0.5mm-2mm。在3列*K行个矩形电极中，相邻两列具有相同的距离S2，S2的范围是0.5mm-2mm。

可选的，3列*K行个矩形电极中，K>5。

可选的，第一PCB电极中的每个矩形电极通过其长边两端的圆孔焊盘与金属线型电极连接。

图3示出了离子漏斗装置的沿Z轴方向观察的视图。在图3中省略了连接上下两个第一PCB电极的金属线型电极。

在一种具体的实施方式中，N＝20，N1＝10，K＝10，L1＝H1＝10mm，L2＝H2＝4mm。WE＝1mm，S1＝1mm，S2＝0.5mm。

在操作过程中，离子沿z方向首先进入离子漏斗装置，先后经过矩形离子漏斗和平板四极杆的聚焦和传输，最终进入下级真空或离子传输部件。发散的离子进入矩形离子漏斗后，在射频电压形成的径向(XY方向)束缚电场和直流电压形成的轴向(Z方向)梯度电场作用下，被逐渐聚焦为较小的离子束，并随后进入平板四极杆，在四极电场的作用下被聚焦到更小的离子束。同时，平板四极杆可通过直流梯度电场实现离子的全通过传输和选择性过滤传输。具体地，当直流电压DC₂>DC₃时，离子无选择性地全通过平板四极杆区域；当DC₂<DC₃，且通过调节电场强度，可实现不同离子的选择性过滤及目标离子富集，即选择性地将目标离子进行富集并传输，而将其它离子过滤掉，使其无法通过离子漏斗。

相比于传统的离子漏斗相关现有技术，本实用新型实施例所提供的离子漏斗装置具有以下优点：

1)不同于传统离子漏斗利用偶极电场聚焦离子的方式，本实用新型实施例离子漏斗结合偶极电场和四极电场，并利用四极电场实现离子的最终聚焦，消除了传统离子漏斗出口处偶极场对低质量离子的歧视效应，从而提高了对于全质量范围离子的聚焦和高效传输。

2)在具有高效离子传输与聚焦特性的基础上，本实用新型实施例的离子漏斗装置可通过直流电场实现离子的选择性过滤和目标物富集，将大幅提升质谱仪对于复杂样品中目标物检测的灵敏度和选择性。

3)本实用新型实施例的离子漏斗装置采用PCB加工技术，结构更为简单紧凑、成本低，易于实现与小型化质谱仪系统的集成应用。

本实用新型实施例还提供了一种质谱检测系统，包括离子源、质量分析器和检测器，以及如前任意种的离子漏斗装置。其中离子源连接离子漏斗装置的起始端，质量分析器一端连接离子漏斗装置的末端，另一端连接到检测器。

如图6所示，示出了射频电压与直流电压与离子传输效率的关系表征。其中图6、图7和图8对应的离子漏斗装置的规格为：N＝20，N1＝10，K＝10，L1＝H1＝10mm，L2＝H2＝4mm。We＝1mm，S1＝1mm，S2＝0.5mm。

将本实用新型实施例提供的离子漏斗装置集成于微型质谱仪的一级真空腔体内(气压约5Torr)，分别测定并优化了射频电压及直流电压对于离子传输效率的影响。图6a和b分别为矩形离子漏斗及平板四极杆上的射频电压对于质谱测得离子强度的影响曲线图，图中f_RIF和f_Q分别为实验条件下RF1和RF2的频率。由图6所示结果可以看出随着射频电压的增大，离子的传输效率随之增大，并最终趋于饱和。同时可以看出，本实用新型实施例的离子漏斗没有出现明显的高射频电压引起的离子传输效率降低。图6c为当直流电压DC₂＝0且直流电压DC₃不同条件下，不同离子的传输效率曲线，其中三种样品离子带电量相同，质荷比不同。实验结果表明，一方面随着DC₃的增大，离子的传输效率先增大至最大值后骤降趋近零；另一方面，不同质荷比的离子达到最大传输效率的最优DC₃电压不同，质荷比越小，最优电压也越小，反之亦然。图6d描绘了不同DC₃电压对质荷比相同，带电量不同的两种样品离子(带一个电荷的MRFA离子和带两电荷的Angiotensin II离子)的传输作用曲线。不同于图6c所示结果，尽管[MRFA+H]+和[Angiotensin II+2H]2+两种离子具有相同的质荷比，但其最优传输效率电压DC₃却不同。结合图6c和图6d的结果，通过理论分析可以得到每种离子最佳传输效率时的DC₃电压与该离子的迁移率相关，其中离子迁移率取决于离子质量、电荷及碰撞截面积等参数。利用该特性，通过调节DC₃电压，即可实现不同离子的过滤分离。同时，利用离子在气流场和反相电场中的平衡关系，通过调节DC₃电压也可实现特定目标离子的捕获和富集过程。

图7所示进一步验证了本实用新型实施例的离子漏斗装置的离子过滤特性。实验中首先选用了一种蛋白样品(细胞色素c，cytochrome c)用于测试，探究了不同DC₃电压下其多电荷离子的传输特性。如图7a所示，当DC₃电压从60V逐渐增大至85V的过程中，较多带电量的离子被依次过滤掉。图7b表征了一种复杂基质中目标物(reserpine样品离子)的检测。可以看出，当DC₃较小，离子漏斗工作在离子全通过模式下，复杂基质中的所有离子均可通过离子漏斗而被检测到，此时由于基质离子的严重干扰，目标物离子检测困难。随后，随着DC₃电压的升高，不同质荷比的基质离子不断被过滤掉，最后得到较为干净的目标物离子质谱图。

如图8所示表征了本实用新型实施例的离子漏斗装置对于质谱仪灵敏度提升的效果。本实用新型实施例的离子漏斗集成于一微型质谱仪，经过个参数优化后，测定了系统的检测灵敏度。图8a为该系统的检测限校正曲线，可以看出检测限低至1ng/mL，图8b为检测限浓度样品的二级质谱图，进一步验证了检测限测定的准确性。

虽然已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (9)

1.一种离子漏斗装置，其特征在于，所述离子漏斗装置包括矩形离子漏斗和平板四级杆；所述矩形离子漏斗的末端对接所述平板四级杆的起始端；

所述矩形离子漏斗包括：相对于X轴和Z轴构成平面对称设置的两个第一印刷电路板PCB电极；所述矩形离子漏斗起始端的内径大于所述矩形离子漏斗末端的内径；每个第一PCB电极上平行等距离的设置N个矩形电极；其中N个矩形电极的长边沿X方向；N个矩形电极中的前N1个矩形电极的长边长度均为L1，后N-N1个矩形电极的长边长度依次减少至L2；

并且，一侧的所述第一PCB电极中的每个矩形电极的长边两端分别通过一金属线型电极电连接至另一侧的所述PCB电极中相对的矩形电极；其中金属线型电极沿Y轴设置；N个金属线型电极的长度从H1依次减少至H2；

所述平板四极杆包括：相对于X轴和Z轴构成平面对称设置且互相平行的两个第二PCB电极，且一侧的所述第二PCB电极的起始端对接同侧的所述第一PCB电极的末端，两个所述第二PCB电极的距离为N个金属线型电极中最后一个的长度H2；每个所述第二PCB电极由3列*K行个矩形电极构成电极阵列，其中中间列为K个中央矩形电极，左右两列分别为K个侧边矩形电极；

在一侧的所述第一PCB电极中，相邻矩形电极上通过电容耦合方式施加幅度相同、极性相反的第一射频电压RF1；在所述矩形离子漏斗的两端分别施加两个直流电压DC₀和DC₁，通过电阻分压方式进行分压；另一侧的所述第一PCB电极的电压施加方式相同；

在一侧的所述第二PCB电极中，在Z轴上处于同一位置的两个侧边矩形电极电连接并通过电容耦合方式施加第二射频电压RF2，中间的中央矩形电极上通过电容耦合方式施加反向的RF2；在所述平板四级杆的两端分别施加两个直流电压DC₂和DC₃，通过电阻分压方式进行分压；另一侧的所述第二PCB电极的电压施加方式相同；

其中X轴为所述矩形电极的长边所在方向，Y轴为所述金属线型电极的延伸方向，Z轴为离子流在所述离子漏斗装置的传输方向，X轴、Y轴、Z轴两两正交。

2.根据权利要求1所述的离子漏斗装置，其特征在于，每个所述PCB电极上的矩形电极的数量为N，N>10。

3.根据权利要求1或2所述的离子漏斗装置，其特征在于，N1＝N/2或N/2的取整值。

4.根据权利要求3所述的离子漏斗装置，其特征在于，H1的范围是8mm-30mm，H2的范围是2mm-6mm，L1的范围是8mm-30mm，L2的范围是2mm-6mm。

5.根据权利要求4所述的离子漏斗装置，其特征在于，所述矩形离子漏斗中的矩形电极与所述平板四极杆中的矩形电极具有相同的宽度We，We的范围是0.5mm-2mm。

6.根据权利要求5所述的离子漏斗装置，其特征在于，相邻的两个所述矩形电极的在Z轴上具有相同的距离S1，S1的范围是0.5mm-2mm。

7.根据权利要求6所述的离子漏斗装置，其特征在于，所述3列*K行个矩形电极中，相邻两列具有相同的距离S2，S2的范围是0.5mm-2mm。

8.根据权利要求7所述的离子漏斗装置，其特征在于，K>5。

9.一种质谱检测系统，包括离子源、质量分析器和检测器，其特征在于，还包括权利要求1-8中任意一项所述的离子漏斗装置；

所述离子源连接所述离子漏斗装置的起始端，所述质量分析器一端连接所述离子漏斗装置的末端，另一端连接所述检测器。