CN213958904U - 一种阶梯形三维离子阱质量分析器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种阶梯形三维离子阱质量分析器，它包括包括两个端电极和一个环电极。三个电极合围成一个立方体空间区域，三个电极的横截面中至少有一个电极的横截面为阶梯形。端电极和环电极接相应的射频电压信号。通过改变阶梯电极的层数量、横截面的高度和宽度，得到需要的高阶场比例。

Description

一种阶梯形三维离子阱质量分析器

技术领域

本实用新型涉及一种阶梯形三维离子阱质量分析器，属于质谱分析仪器领域，用于对各种气体、液体和固体物质的定性定量检测。

背景技术

质谱仪是一种可以用于准确分析气体、液体和固体样品中各种化学成分和含量的科学仪器，被广泛地应用于科学和技术研究、航空航天、地质探测、医药卫生、食品安全和环境保护等各个领域。在常用的各种质谱仪器中，离子阱质谱仪是最前应用最为广泛的质谱仪器之一。它具有结构简单，体积较小，操作方便，价格较为低廉等特点，特别适合微小型质谱分析仪器。

最初的离子阱质量分析器称为三维离子阱，是由一个双曲面环电极和两个双曲面端盖电极组成，内部电场为理想四极场，这种离子阱的电极加工难度大、离子存储能力差。之后有人在此基础上改进形成了的圆柱形离子阱，环电极为圆柱形，端盖电极为平板形，简化了电极形状，降低了加工难度，一定程度上增加了离子存储空间，但是平板电极形状和双曲面差距较大，导致其内部除了四极场外，还有很多不可忽视的高阶场，比如八极场、十极场、十二极场、二十极场等，这会导致离子阱运动的不确定性，影响离子阱的质量分辨。

早期的场理论研究认为高阶场的引入会破坏四极质量分析器的分辨率，但根据最新的研究成果表明，适当的引入一些高级场的成分，让其互相抵消或者比例平衡，可以有效改善四极质量分析器的分辨率。美国专利6897438B2中通过改变四极杆电极参数，如两对极杆的半径或者场半径的比值，在四极场中引入八极场，改善质量分辨率。该专利之给出了四极场中引入八极场的一种方法，即改变杆半径或场半径，并为给出适用于引入其他高阶场的实现方法。中国发明专利ZL 201310355808.7，利用不对称结构引入了奇数多极场提高了单侧逐出效率。

综上所述，三维离子阱离子储存个数少、电极加工难度大的问题，现有的线性离子阱存在电极加工精度要求高或者高阶场比例不合适等问题，圆柱形离子阱虽然解决了三维离子阱离子储存个数少、电极加工难度大的问题，但场型调节能力差，这些都会限制微小型离子阱质量分析器的进一步发展。已有的专利成果未在电极形状和多极场引入方面做更多的权衡。因此，探索一种可有效地在四极场中引入适当比例的多极场、易于加工、易于实验测试、成本较低的离子阱质量分析器，将有力推动微小型离子阱质量分析器的发展。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种易于加工、具有调节优化四极场场型能力的大容量阶梯形三维离子阱质量分析器。

本实用新型此采用的技术方案是：分析器包括端电极a 1、端电极c 3和环电极b2，端电极a 1、端电极c 3和环电极b 2中有一个或一个以上的电极横截面为阶梯形，端电极a 1 和端电极c 3的外形轮廓为圆型、矩形或多边形，环电极b 2外形轮廓为圆柱形，端电极a 1 和端电极c 3平行分列在环电极b 2的两端，三个电极合围成一个圆柱体空间区域，环电极 b 2内表面和端电极a 1、端电极c 3的一面朝向合围成的圆柱体空间区域中心。

本实用新型所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，端电极a 1横截面为阶梯形或矩形，当端电极a 1横截面为阶梯形时，阶梯的层数为三层或三层以上。

本实用新型所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，环电极b 2横截面为阶梯形或矩形，当环电极b 2横截面为阶梯形时，阶梯的层数为三层或三层以上。

本实用新型所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，端电极c 3横截面为阶梯形或矩形，当端电极c 3横截面为阶梯形时，阶梯的层数为三层或三层以上。

本实用新型所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，端电极a 1、端电极c 3和环电极b 2 中设有一个或一个以上供离子进出的孔。

当此质量分析器进行工作时，在射频信号输入端h7上加载主射频电压，在射频信号输入端g6加载辅助射频电压。在射频电压的作用下，所述阶梯电极三维离子阱质量分析器内部区域形成了四极电场为主、多极场为辅的电场分布。当离子进入此电场区域时，将被电极所产生的四极场和多极场的作用下束缚在离子阱中。

传统的三维离子阱采用了双曲面结构，但双曲面难于加工，所以本实用新型采用了更易于加工的阶梯形。可以根据需要设置阶梯的层数量、横截面的高度和宽度，获得需要的多极场比例。

通过阶梯形电极引入适当的多极场使离子非线性共振，提高离子逐出速度和效率。在其中的一个电极上设有一供离子注入或逐出的孔4，被束缚在离子阱中的离子可以通过共振激发的方式孔4中被逐出，并被安置在狭缝外的离子检测器所检测到。改变离子共振激发电压，即可实现所谓的离子选择性逐出。即在某一共振逐出条件下，只有一种质荷比的离子被逐出。改变离子共振逐出条件，即可对离子阱内的离子实现质量分析。

本实用新型给出一种阶梯形三维离子阱质量分析器，产生的有益效果：易于加工，可以明显的降低质量分析器的制造难度，降低仪器的生产和使用成本；具有优化四极场场型，可根据需要调节阶梯电极层数层高来调节场型参数；存储空间大，降低了空间电荷效应的影响；特别适合用于微小型质谱仪。

附图说明

图1端电极和环电极截面均为阶梯形的阶梯形三维离子阱质量分析器的横截面结构示意图

图2环电极截面为阶梯形、端电极截面为矩形的阶梯形三维离子阱质量分析器横截面结构示意图

图3环电极截面为矩形、端电极截面为阶梯形的阶梯形三维离子阱质量分析器横截面结构示意图

图4阶梯形三维离子阱质量分析器的外形结构示意图

图5阶梯形三维离子阱质量分析器的接线原理示意图

图6阶梯形三维离子阱质量分析器的内部电场分布

图中：1.端电极a 1，2.环电极b，3.端电极c，4.端电极a上供离子进出的孔d，5.端电极c上供离子进出的孔e，6.射频信号输入端g，7.射频信号输入端h，8.等势线。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型作出更详细地描述：

离子进入本实用新型所述离子阱质量分析器中的进行质量分析。在本实用新型所述离子阱质量分析器中，在射频信号输出端g 6和h 7上分别加载具有以下形式的射频电压：

Φ₁(t)＝+(U+V cos ωt)

Φ₂(t)＝-(U+V cos ωt)

离子由于受到四极场为主的电场作用，根据质荷比的不同而依次进入分析器，通过改变电场，使得不同离子按照质荷比的大小依次从离子阱中弹出，被离子探测器检测到。离子探测器输出的离子电信号经过记录处理后就得到了所需的质谱图。

实例1

图6是本实用新型的一个应用实例。本应用实例中所述离子阱质量分析器阶端电极a 1、环电极b 2和端电极c 3截面均为阶梯状，阶梯的层数均为三层。单位长度为1时，端电极阶梯半径比例为2∶5∶8，每层台阶高度比例为3∶3∶2，端电极和环电极场半径比例为4∶5，此时离子阱中电场为偶数多极场，A2∶A4∶A6∶A8＝100％∶-1.14％∶0.14％∶-0.01％。

实例2

本应用实例中所述离子阱质量分析器阶端电极a 1、端电极c 3均为阶梯状，阶梯的层数均为四层，环电极b 2截面为矩形。单位长度为1时，端电极阶梯半径比例为1.25∶2.5∶3.75∶5，每层台阶高度比例为1∶1∶1∶1，端电极和环电极场半径比例为5∶5，此时离子阱中电场为偶数多极场，A2∶A4∶A6∶A8＝100％∶-2.88％∶0.01％∶0.00％。

实例3

本应用实例中所述离子阱质量分析器阶端电极a 1、端电极c 3均为阶梯状，阶梯的层数均为五层，环电极b 2截面为矩形。单位长度为1时，端电极阶梯半径比例为1∶2∶3∶4∶5，每层台阶高度比例为0.3∶0.3∶0.3∶0.3∶0.3，端电极和环电极场半径比例为5∶5，此时离子阱中电场为偶数多极场，A2∶A4∶A6∶A8＝100％∶-1.83％∶-0.11％∶0.00％。

实例4

本应用实例中所述离子阱质量分析器阶端电极a 1、端电极c 3均为阶梯状，阶梯的层数均为五层，环电极b 2截面为矩形。单位长度为1时，端电极阶梯半径比例为1∶2∶3∶4∶5，每层台阶高度比例为0.2∶0.2∶0.2∶0.2∶0.2，端电极和环电极场半径比例为4∶5，此时离子阱中电场为偶数多极场，A2∶A4∶A6∶A8＝100％∶0.27％∶-0.26％∶0.00％。

从上述具体实施方式的说明可知，阶梯形电极三维离子阱可以通过调节端电极和环电极的台阶层数和厚度来实现任意场型比例，并且加工和装配简便，有效降低了离子阱的生产成本，有助于微小型质谱仪的发展。

Claims (5)

1.一种阶梯形三维离子阱质量分析器，其特征是：该分析器包括端电极a(1)、端电极c(3)和环电极b(2)，端电极a(1)、端电极c(3)和环电极b(2)中有一个或一个以上的电极横截面为阶梯形，端电极a(1)和端电极c(3)的外形轮廓为圆型、矩形或多边形，环电极b(2)外形轮廓为圆柱形，端电极a(1)和端电极c(3)平行分列在环电极b(2)的两端，三个电极合围成一个圆柱体空间区域，环电极b(2)内表面和端电极a(1)、端电极c(3)的一面朝向合围成的圆柱体空间区域中心。

2.根据权利要求1所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，其特征是：端电极a(1)横截面为阶梯形或矩形，当端电极a(1)横截面为阶梯形时，阶梯的层数为三层或三层以上。

3.根据权利要求1所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，其特征是：环电极b(2)横截面为阶梯形或矩形，当环电极b(2)横截面为阶梯形时，阶梯的层数为三层或三层以上。

4.根据权利要求1所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，其特征是：端电极c(3)横截面为阶梯形或矩形，当端电极c(3)横截面为阶梯形时，阶梯的层数为三层或三层以上。

5.根据权利要求1所述的阶梯形三维离子阱质量分析器，其特征是：端电极a(1)、端电极c(3)和环电极b(2)中设有一个或一个以上供离子进出的孔。

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