CN213366528U - 棱柱线性离子阱质量分析器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种棱柱线性离子阱质量分析器，其由四组工作柱状电极结构和两个端盖电极围成：其中每两组柱状电极为一对，两两对向放置；每组工作柱状电极结构由三块电极组成，主体电极和两个边电极,其中主电极上只施加射频电压，边电极上施加辅助激发电压。本实用新型对传统线性离子阱的整体电极结构进行了修改，添加了用于施加辅助激发的边电极结构，该结构不仅能够实现离子的轴向弹出，同时离子出射方向上空间逐渐增大的结构，能够在注入较多离子时有效的降低离子空间电荷效应，提高质量分析器整体分辨能力。

Description

棱柱线性离子阱质量分析器

技术领域

本实用新型涉及一种质量分析器，具体地，涉及一种棱柱线性离子阱质量分析器。

背景技术

质谱仪是现代高端分析仪器的代表，其具有定性能力强和灵敏度高等优点，是对低含量物质进行痕量检测的有效工具。目前，质谱仪已被广泛地应用于基础科学、环境保护、航天工程和能源分析等重要领域。为了适应社会高速发展的需求，未来质谱仪的发展趋势主要分为三个方向：无磁化，主要针对传统磁质谱仪庞大的重量和体积、强磁场的难获得性以及较高的磁场维护成本等问题，研发高性能的无磁化质谱仪；小型化，将质谱仪带出实验室，使其能满足应急检测与现场原位分析的需求；简单化，将质谱仪中的质量分析器等核心部件的结构进行优化以简化其加工工艺，降低整体成本，同时提高其对恶劣环境的适应能力。

质量分析器是质谱仪的核心部件，决定质谱仪的分析性能。不同种类的质谱仪使用不同的质量分析器，这些质量分析器实现离子质荷比分离的方式也不相同。目前，常用的质量分析器有扇形磁质量分析器(magnetic sector)、飞行时间质量分析器(TOF)、四极杆质量分析器(QMF)、离子阱质量分析器(Ion Trap)、傅里叶变换质量分析器(FT-ICR)和轨道离子阱质量分析器(Orbitrap)等。在众多质量分析器中，离子阱质量分析器具有结构简单、对真空度要求低、能进行多级串联质谱分析等优点，展现出独特的发展优势，具有很强的小型化潜力。传统的质量分析器分为三维离子阱和线性离子阱两种，线形离子阱质量分析器具有更高的离子存储容量，因此具有更高的检测灵敏度和动态分析范围。研究和实验表明，在不导致离子空间电荷效应的同等前提下，相同几何尺寸的线形离子阱的离子存储容量是传统三维离子阱的20倍以上，这意味着采用线形离子阱的质谱仪的动态范围至少比传统三维离子阱质谱仪高一个数量级。进一步，线形离子阱具备的多级质谱分析功能可在单质谱分析模式下极大地提升物质定性能力，特别是在实际工作环境中的复杂基质干扰的情况下，可有效去除化学背景干扰，快速定位目标离子并提供目标离子的化学结构信息。小型化质谱仪具有质量轻、体积小、功耗低等特点，在便携性、时效性、简易性和成本方面有巨大的优势和潜力。因此，质谱仪的小型化已经成为分析仪器发展的一个重要趋势。鉴于目前质谱仪器研发的方向以及对于小型化、便携化、高通量分析方法和自主知识产权的需求，线性离子阱成为研究领域的热点。

传统线性离子阱由六个电极组成，包括两个平面端盖电极和四个双曲面柱状电极。双曲面结构要求的机械加工精度和装配精度极高，一般要求机械误差在几个微米以内，同时成本较高，这就造成了目前离子阱质谱仪的价格昂贵，难以推广和普及。近年来，研制小型化、价格低廉化的小型离子阱质谱仪成为质谱领域的热点，也因此产生了较多简化电极结构的线性离子阱。Cooks等提出的矩形离子阱(RIT)结合了圆柱形离子阱(CIT)的简单结构与线性离子阱(LIT)储存能力强的优点，仅由六个平面电极围成，取代了传统的双曲面结构，其加工和装配都较为简便。矩形离子阱的简单结构和较优的分析性能使其成为小型化质谱仪中质量分析器的首选，已经被成功应用于制作小型台式质谱仪和便携式质谱仪。后续又有包括印刷电路板矩形离子阱质量分析器(PCB ion trap)、PCB阵列离子阱、三角阱电极结构线性离子阱等各类质量分析器的出现，均具有不错的离子存储和质量分析能力,但都是基于共振激发的离子出射方式完成的，而该方法均为在线性离子阱的电极上开设离子引出槽供离子出射。离子径向出射方式虽然出射效率较高，但是要求离子阱结构中的四极场较为完美，因此对电极加工和装配的精度要求较高。同时，线性离子阱径向弹射离子的过程中存在一定的缺点：离子阱电极上必须开设离子引出槽供离子出射，这会造成离子阱内部电场场型发生畸变，导致其他质荷比的离子也同时出射，这将对最终的离子质量分辨率造成严重的影响，削弱离子阱的质量分析能力。其次，径向出射方式不适用于多个设备进行串联质谱，因为径向出射的离子不易被下一级的质量分析器捕获并进行下一步的分析。此外，径向出射方式时，离子分别从两个电极上的离子出射槽中出射，检测出射离子则需在质量分析器两边各安装一个离子检测器，这不仅增加了质谱仪器结构的复杂性，同时也增加了离子质量分析的成本。而线性离子阱轴向出射方式可以有效的解决该问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种棱柱线性离子阱质量分析器。

本实用新型提供了一种棱柱线性离子阱质量分析器，其特征在于，所述棱柱线性离子阱质量分析器的材料为导电的金属材料或为镀有导电涂层的绝缘材料，由四组工作柱状电极结构和两个端盖电极围成：四组柱状电极的外形结构完全相同，其中每两组柱状电极为一对，两两对向放置,端盖电极的中央设有至少一个通孔，两个端盖电极分别列于柱状电极的两端。所有电极围绕z方向的中心轴完全对称分布，在空间结构上四组电极围成的中心区域也形成一个正棱柱空间。其中每组工作柱状电极结构由三块电极组成，主体电极和两个边电极，其中主电极上施加射频电压，边电极施加辅助激发电压，边电极上施加辅助激发电压的方式可以为对向放置的两组工作柱状电极结构上的边电极施加辅助激发电压或所有边电极上均施加辅助激发电压。

优选地，所述棱柱线性离子阱质量分析器的离子引入方向固定为四组电极围成的中心区域也形成一个正棱柱空间的窄口端，在该位置的端盖电极为离子引入电极。

优选地，可以通过改变四组柱状电极的长、宽、高和四组柱状电极围成的中心正棱柱的尺寸实现内部电场分布优化。

优选地，所述四组柱状电极的主体电极上可以开小孔或狭缝用于离子引出检测，也可以不开小孔或狭缝。当有主体电极上开小孔或狭缝时，可以通过独立调节该组电极的位置，提升离子在狭缝方向弹出时的效率。

优选地，所述端盖电极上施加直流信号形成z方向的轴向束缚场，柱状电极上施加射频电压形成x、y方向的径向束缚场。

优选地，所述端盖电极的数量为两个以上时，其中一个位于线性离子阱离子进样的一端，其余依次排列于线性离子阱的另一端。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：一，对传统线性离子阱的整体电极结构进行了修改，添加了用于施加辅助激发的边电极结构，在离子运动的轴向上逐渐增大的带辅助激发电压的电极能够引导离子有序的向出口位置聚集，进而实现离子的轴向弹出。二，离子出射方向上空间逐渐增大的结构，能够在注入较多离子时有效的降低离子空间电荷效应，提高质量分析器整体分辨能力。三，四组电极完全相同，整体结构围绕中心轴呈现旋转对称的状态，降低了加工组装难度，同时也方便实现内部空间的调节，达到优化阱内电场分布的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例一的结构示意图。

图2为实施例一中棱柱线性离子阱质量分析器电极电压施加方式示意图。

图3为实施例一中棱柱线性离子阱质量分析器沿z方向正方向视图示意图。

图4为实施例一中棱柱线性离子阱质量分析器沿z方向反方向视图示意图。

图5为实施例一中棱柱线性离子阱质量分析器的一组电极片截面示意图。

图6为实施例一中射频电压和辅助激发电压施加的时序图。

图7为本实用新型实施例二的结构示意图。

图8为实施例二中的单个电极开槽拉伸后的z方向正方向视图示意图。

图9为实施例二中的对向两个电极开槽拉伸后的z方向正方向视图示意图。

图10为本实用新型实施例二的第二种结构示意图。

图11为实施例二中棱柱线性离子阱质量分析器的一组开槽电极片截面示意图。

图12为本实用新型具体应用于质谱仪中的示意图。

图13为本实用新型具体应用于质谱仪中的第二种示意图。

图14为本实用新型具体应用于质谱仪中的第三种示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型棱柱线性离子阱质量分析器由四组工作柱状电极结构和两个端盖电极围成：其电极材料为导电的金属材料或为镀有导电涂层的绝缘材料，每两组柱状电极为一对，两两对向放置,端盖电极的中央设有至少一个通孔，两个端盖电极分别列于柱状电极的两端。所有电极围绕z方向的中心轴完全对称分布，在空间结构上四组电极围成的中心区域也形成一个正棱柱空间。其中每组工作柱状电极结构由三块电极组成，主体电极和两个边电极，其中主电极上只施加射频电压，边电极上施加射频电压+辅助激发电压或只施加辅助激发电压，在四个主体电极可以开小孔或狭缝用于离子引出检测，也可以不开小孔或狭缝。

其中，四组柱状电极的外形结构完全相同，且电极的长、宽、高可调，即通过改变四组柱状电极的长、宽、高和四组柱状电极之间的相对位置和电压施加方式可以调整四组柱状电极围成的空间内的电场分布，以获得良好的离子存储和质量分析性能。

四组柱状电极的主体电极上可以开小孔或狭缝用于离子引出检测，也可以不开小孔或狭缝，当有主体电极上开小孔或狭缝时，可以通过独立调节该组电极的位置，提升离子在狭缝方向弹出时的效率。

端盖电极上施加直流信号形成轴向束缚场，柱状电极上施加射频电压RF形成径向束缚场，x和y方向相对的两组柱状电极上施加的射频(RF)信号是一样，x和y方向上相邻的两对电极上施加的射频(RF)信号幅值相等、方向相反。

实施例一

本实用新型棱柱线性离子阱质量分析器的结构如图1所示。其中第一组电极由中央101和两个边电极105和106组成，同样的另外三组电极分别为102、107、108电极组，103、109、110电极组，104、111、112电极组，整个线性离子阱的工作区域由所述四组电极组成。其射频电压(RF)和辅助激发电压(AC)施加方式同如图2所示，射频电压施加方式具体为：第一组电极主体电极101和第三组电极主体电极103上施加大小相等方向相同射频电压(RF+)、第二组电极主体电极102和第四组电极主体电极104上施加大小相等方向相同射频电压(RF-)，两组射频电压为幅值相同相位相差180°。同时第一组电极边电极105、106和第三组电极边电极107、108相连通，施加辅助激发电压(AC1)，第二组电极边电极109、110和第四组电极边电极111、112相连通，施加辅助激发电压(AC2)，其中AC1和AC2中至少有一个不为0，AC1和AC2均为独立电压值和相位可调。图3给出四个棱柱电极的宽面位置分布，其中宽面的正方形尺寸小于该端内部电场直径，即L1＜2r1；图4给出四个棱柱电极的窄面位置分布，其中窄面的正方形尺寸小于该端内部电场直径，即L2＜2r2。图5给出了电极的截面示意图，其中301为主体电极，302和303为边电极，302和303结构参数完全相同。在本实施例中，离子沿z轴方向引入，窄口进，宽口出，也即图中中央虚线箭头所指方向，如图6所示，和传统线性离子阱分析过程相同，在离子化和冷却阶段，施加幅值恒定的RF值，在质量分析阶段开始扫描射频电压(RF)的幅值；辅助激发信号(AC)的施加时间仅为质量分析阶段。通过扫描射频电压(RF)和辅助激发信号(AC)的共同作用，可以将储存的离子有序的沿z轴方向的宽口端逐出线性离子阱而被检出。

实施例二

图7为本实用新型棱柱线性离子阱质量分析器的另一种结构。与实施例一相比，在402和404两个相对的主体电极上开有用于离子出射槽413和414，由于离子引出小孔的出现必然会带来高阶场成分的引入，影响离子的出射效率，需要通过电极位置调整的方式提高离子出射的效率。如图8所示，当在404主体电极上开设离子出射小孔时，可以通过增大该电极距中心轴的位置实现离子出射效率的提升，也即r3＞r2，拉伸过程中，由404、411、412组成的电极组的旋转对称轴需要与中心区域的对称轴及其他三组电极的旋转对称轴保证严格平行；如图9所示，当在402和404两个主体电极上开设离子出射小孔时，同样的可以通过增大该电极距中心轴的位置实现离子出射效率的提升，也即r3＞r2、r4＞r2，拉伸过程中，由402、407、408组成的电极组及404、411、412组成的电极组的两个旋转对称轴需要与中心区域的对称轴及其他两组电极的旋转对称轴保证严格平行，其中r3和r4的大小关系不定，一般离子引出位置为较大半径，也即如果需要从403槽引出，则r3＞r4；如果为双向离子出射槽均安装离子检测器，则r3可以和r4相同。图10为四个电极均开槽时的结构示意图，图11给出了开槽电极片的界面示意图。

实施例三

图12、图13、图14给出了棱柱线性离子阱质量分析器具体应用于质谱仪中的方法。图12中501为离子源，用于产生待分析的离子；502为大气压接口，用于样品从外部的引入；503为真空腔体，用于质谱分析的真空环境保证；504为离子导引，用于离子的聚焦、冷却、引导和传输到下一级；505为棱柱线性离子阱质量分析器工作电极主体，506和507分别为前后端盖电极，共同组成了质量分析器，用于完成不同的质量分析；508为离子检测器，用于质量分析器分离出离子的收集，并供给下一步的信号处理和分析；509为真空泵负责真空腔体内部的真空维持。质量分析过程为离子源将待分析的样品转化为气相离子，经过大气压接口进入真空腔室内部，通过离子导引的聚焦、冷却、引导，传输到下一级，经过前端盖进入棱柱线性离子阱质量分析器内部，被施加在在主体电极上的射频电压(RF)所捕获，经过碰撞冷却离子被存储在棱柱线性离子阱内部，在质量分析阶段，离子在主体电极射频电压(RF)和边电极辅助激发信号(AC)的综合作用下沿着中央区域被分离并沿后端盖有序弹出，并被离子检测器捕获，图12中的棱柱线性离子阱质量分析器结构可以为实施例一和实施例二的任意一种结构。图13给出了径向出射时的使用方法，与图12不同的是，离子检测器608的安装位置正对离子引出槽，在该方法中，棱柱线性离子阱质量分析器结构必须为实施例二的主体电极开槽结构。图14给出了同时具备轴向出射和径向出射时的使用方法，同样的，在该方法中，棱柱线性离子阱质量分析器结构必须为实施例二的主体电极开槽结构。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。

Claims (7)

1.一种棱柱线性离子阱质量分析器，其特征在于，所述棱柱线性离子阱质量分析器的材料为导电的金属材料或为镀有导电涂层的绝缘材料，由四组工作柱状电极结构和两个端盖电极围成：四组柱状电极的外形结构完全相同，其中每两组柱状电极为一对，两两对向放置,端盖电极的中央设有至少一个通孔，两个端盖电极分别列于柱状电极的两端，每组工作柱状电极结构由三块电极组成，主体电极和两个边电极，三块电极共同构成了一个正棱柱的结构。

2.根据权利要求1所述的棱柱线性离子阱质量分析器,其特征在于，所有电极围绕z方向的中心轴完全对称分布，在空间结构上四组电极围成的中心区域也形成一个正棱柱空间。

3.根据权利要求1所述的棱柱线性离子阱质量分析器，其特征在于，离子引入方向固定为四组电极围成的中心区域也形成一个正棱柱空间的窄口端，在该位置的端盖电极为离子引入电极。

4.根据权利要求1所述的棱柱线性离子阱质量分析器,其特征在于，每组工作柱状电极结构上的电压施加方式为：主电极上施加射频电压，边电极上施加辅助激发电压。

5.根据权利要求1所述的棱柱线性离子阱质量分析器,其特征在于，所述的四个主体电极可以开小孔或狭缝用于离子引出检测，也可以不开小孔或狭缝。

6.根据权利要求2所述的棱柱线性离子阱质量分析器,其特征在于，边电极上施加辅助激发电压的方式可以为对向放置的两组工作柱状电极结构上的边电极施加辅助激发电压或所有边电极上均施加辅助激发电压。

7.根据权利要求5所述的棱柱线性离子阱质量分析器,其特征在于，当有主体电极上开小孔或狭缝时，可以通过独立调节该组电极的位置，提升离子在狭缝方向弹出时的效率。

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