專利名稱：混合型線性離子阱質(zhì)量分析器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線性離子阱質(zhì)量分析器，具體說是一種混合型線性離子阱質(zhì)量分析 器。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜法是分析領(lǐng)域最重要的方法之一，隨著科技的發(fā)展，質(zhì)譜不僅在常規(guī)化學(xué)分 析中占有重要地位，而且逐漸成為生命科學(xué)、國土安全、食品安全、臨床醫(yī)學(xué)檢測和空間技 術(shù)等熱門領(lǐng)域的主要方法之一。隨之而來，質(zhì)譜儀器也得到了飛速的發(fā)展。
國外質(zhì)譜儀器研發(fā)起步較早，早在1907年J. J. Thomson搭建了第一臺質(zhì)譜裝置， 隨著科技的發(fā)展和近年來生命科學(xué)中的應(yīng)用需求，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如電噴霧電離、基體輔 助激光解析電離、矩形離子阱、離子軌道阱等。作為質(zhì)譜核心技術(shù)的質(zhì)量分析器，相關(guān)研究 更多，尤其是性價(jià)比最高的離子阱質(zhì)量分析器已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。Paul Wolfgang提出 了離子阱質(zhì)量分析器，也因其在質(zhì)譜儀器方面的巨大貢獻(xiàn)獲得了 1989年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1995年，Mark Bier等發(fā)明的雙曲面線性離子阱，克服了 Paul離子阱儲存空間小、捕獲離子 效率低等缺點(diǎn)，迅速成為新一代商品化質(zhì)譜儀的核心技術(shù)。隨后著名質(zhì)譜學(xué)家Cooks教授 課題組發(fā)明了矩形離子阱，即采用平面電極的線性離子阱。由于離子阱質(zhì)量分析器對真空 系統(tǒng)的要求較低，可大幅度簡化真空系統(tǒng)，從而減輕質(zhì)譜儀重量和電源消耗，也大大降低了 整個(gè)儀器的成本。 我們知道，現(xiàn)有的線性離子阱質(zhì)量分析器有兩種，分別為雙曲面線性離子阱質(zhì)量 分析器和矩形離子阱質(zhì)量分析器。雙曲面的線性離子阱質(zhì)量分析器是在固定架上設(shè)有四極 電極，四極電極由四個(gè)曲面電極倆倆平行相對組成，其中一對曲面電極的曲面中心開有狹 縫，四極電極兩端分別設(shè)有端電極，電極之間設(shè)有絕緣層，這種雙曲面的線性離子阱質(zhì)量分 析器，由于四極電極由四個(gè)曲面電極倆倆平行相對組成，裝配難度高，裝配精度低，制造成 本高；而矩形離子阱質(zhì)量分析器是在固定架上設(shè)有四極電極，四極電極由四個(gè)平面電極倆 倆平行相對組成，其中一對平面電極中心開有狹縫，四極電極兩端分別設(shè)有端電極，電極之 間設(shè)有絕緣層，這種矩形離子阱質(zhì)量分析器，由于四極電極由四個(gè)平面電極倆倆平行相對 組成，離子掃描出離子阱的效率較低，導(dǎo)致靈敏度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是，解決雙曲面的線性離子阱質(zhì)量分析器裝配難度高、裝 配精度低、制造成本高，矩形離子阱質(zhì)量分析器離子掃描出離子阱的效率低、靈敏度低的問 題。提供一種裝配難度低，裝配精度高，制造成本低，離子掃描出離子阱的效率高，靈敏度高 的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器。 本發(fā)明的技術(shù)方案是，設(shè)有固定架，固定架上設(shè)有四極電極，四極電極兩端分別設(shè) 有端電極，電極之間設(shè)有絕緣層，主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，四極電極由一組平行的平面電極和一組 對稱的曲面電極組成，曲面電極的曲面中心開有狹縫。
3
本發(fā)明狹縫的外側(cè)為梯形槽。
本發(fā)明固定架上設(shè)有緩沖氣體接口 。
本發(fā)明固定架上設(shè)有內(nèi)電離樣品接口
本發(fā)明端電極上設(shè)有離子出入口 。 本發(fā)明四極電極兩端設(shè)有預(yù)四極電極，預(yù)四極電極外端分別設(shè)有端電極。 本發(fā)明四極電極由兩段四極電極組成，兩段四極電極之間設(shè)有端電極。 本發(fā)明四極電極由兩段四極電極組成，兩段四極電極之間以及兩段四極電極與端
電極之間分別設(shè)有預(yù)四極電極。 本發(fā)明四極電極由多段四極電極組成，相鄰兩段四極電極之間設(shè)有預(yù)四極電極。
本發(fā)明的有益效果是，由于四極電極由一組平行的平面電極和一組對稱的曲面電 極組成，曲面電極的曲面中心開有狹縫，裝配難度低，裝配精度高，制造成本低，離子掃描出 離子阱的效率高，靈敏度高，本發(fā)明適用于離子質(zhì)量分析。


圖1、圖2、圖3、圖4是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖，也是一種實(shí)施例的示意圖；圖1 是主視圖，圖2是圖1的左視圖，圖3是圖1的俯視圖，圖4是圖1的A-A剖視圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖8是本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖10是本發(fā)明四極電極的接線圖。
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 : 如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，設(shè)有固定架3， 固定架3上設(shè)有四極電極，四極電極兩端分別設(shè)有端電極7、13，電極之間設(shè)有絕緣層12，用 以保證電極之間相互絕緣。四極電極由一組平行的平面電極4、9和一組對稱的曲面電極2、 5組成，曲面電極的曲面中心開有狹縫10，可以一個(gè)曲面電極的曲面中心開有狹縫，也可以 兩個(gè)曲面電極的曲面中心都開有狹縫，由于四極電極由一組平行的平面電極4、9和一組對 稱的曲面電極2、5組成，由于平面電極4、9的存在，裝配難度低，裝配精度高，制造成本低； 由于中心開有狹縫的曲面電極2、5的存在，使離子在輔助射頻電壓作用下在曲面電極方向 上有聚焦作用，提高了離子掃描出離子阱的效率。從圖3、圖4中可以看出狹縫10的外側(cè) 為梯形槽，縮短了離子在狹縫10中傳輸?shù)木嚯x，提高了離子到達(dá)檢測器的效率。如果沒有 這個(gè)梯型槽，離子在狹縫10中傳輸?shù)木嚯x和曲面電極2、5的厚度相同，在狹縫10中近似于 等勢體，使運(yùn)動(dòng)方向和狹縫10有角度的離子大多會湮滅在電極上。在固定架3上設(shè)有兩個(gè) 可以將氣體導(dǎo)入離子阱內(nèi)的接口 ， 一個(gè)為緩沖氣體接口 8，可以將緩沖氣體接入質(zhì)量分析器 內(nèi)，提高離子的捕獲效率；另一個(gè)為內(nèi)電離樣品接口 ll，采用內(nèi)電離源時(shí)，樣品由此注入離 子阱內(nèi)，使離子阱內(nèi)的樣品濃度高于真空腔，提高了儀器的靈敏度，在采用外電離源時(shí)，將此接口封閉即可。端電極7、13上設(shè)有離子出入口 6、14，在采用外電離源時(shí)，離子由此進(jìn)入 到離子阱內(nèi)。從圖1中可以看出，固定架3上設(shè)有接線柱1，施加到電極上的信號由此接入。
混合型線性離子阱質(zhì)量分析器是在兩對電極圍成的空間形成四極電場，電場計(jì)算
參見馬修方程。如圖io所示，四極電場的獲取方法是在一對電極上施加射頻電壓信號，另
一對電極施加直流信號，或是分別在兩對電極上施加180度相位差的射頻電壓信號，進(jìn)入 離子阱四極場區(qū)的離子就會被其捕獲。本發(fā)明中離子出口狹縫開在曲面電極上，帶狹縫的 曲面電極方向定義為x方向，電極為x電極，平面電極方向?yàn)閥方向，電極為y電極。和其 它四極電場的質(zhì)量分析器一樣，對混合型線性離子阱質(zhì)量分析器中的離子控制也是根據(jù)馬 修方程算出的穩(wěn)定區(qū)圖，穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)之間的界限控制離子排除離子阱或是保留在阱 內(nèi)。但是由于電學(xué)和加工裝配帶來的不穩(wěn)定性和誤差，使穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)之間的界限變 成一個(gè)區(qū)域，而不是一條線，也就是說離子在這個(gè)區(qū)域內(nèi)可能被排出離子阱，也可能留在阱 內(nèi)，大大降低了離子阱的分辨率。所以對離子阱操作會在兩個(gè)x電極上加一個(gè)輔助射頻信 號，使離子在到達(dá)穩(wěn)定區(qū)邊界前被共振彈出離子阱，加在兩x電極的輔助射頻信號具有180 度相位差。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一就是x電極為曲面電極，輔助射頻電壓在x方向有聚焦作用， 從而使發(fā)生共振的離子聚焦到狹縫出口，提高了離子的掃出效率，從而提高了儀器的靈敏 度。離子在x、y平面被四極電場控制，在與x、y平面垂直的方向上，離子由端電極和xy電 極上施加的直流電壓形成直流勢阱控制。
使用方法 對四極電場的電壓操作見圖IO，相位相反的射頻(RF)信號分別加在x電極和y電 極上，一般RF頻率在lMHz左右根據(jù)阻抗匹配情況會略有變化。在捕獲離子時(shí)一般RF的電 壓為幾十伏到幾百伏，不同的RF捕獲電壓對不同質(zhì)荷比的離子效率會有不同，根據(jù)分析的 樣品對其優(yōu)化設(shè)置；捕獲離子后一般會把RF電壓降低一點(diǎn)，即為冷卻離子，通過被捕獲的 離子和緩沖氣之間的碰撞，使離子消除原有的動(dòng)能，更好的受RF電壓的控制，從而提高分 辨率，一般這一過程持續(xù)幾毫秒到幾十毫秒；最后線性的提高RF電壓，離子會按照質(zhì)荷比 的從小到大被掃出離子阱，通過檢測器、放大器和數(shù)據(jù)采集得到質(zhì)譜圖。
在施加RF的同時(shí)，x電極和y電極分別施加直流偏置電壓DCx和DCy， 一般操作條 件下DCx和DCy采用基本相同的電壓值，和端電極的電壓形成直流勢阱，四極電極和端電極 之間電勢差一般為幾伏到幾十伏，增加電勢差可以將離子向離子阱中心壓縮，減小空間分 布，可以提高分辨率；但是如果離子數(shù)量較多，被壓縮到中心會產(chǎn)生空間電荷效應(yīng)，所以在 分析時(shí)要根據(jù)實(shí)際樣品選擇合適的折中條件。 此外在兩個(gè)x電極分別施加相位相反的輔助射頻電壓(AC)，使離子在到達(dá)穩(wěn)定區(qū) 邊界前的共振點(diǎn)被彈出離子阱。本發(fā)明由于x電極為曲面電極，AC電壓會在該方向聚焦離 子，提高了離子從狹縫掃出的效率。 一般AC的頻率為幾百千，振幅為幾伏。AC可以采用連 續(xù)頻率的復(fù)合波形，一般頻率從幾十千赫茲到幾百千赫茲，在此頻率中間有幾千赫茲的空 白，空白的頻率為預(yù)保留在離子阱內(nèi)的離子的振動(dòng)頻率，從而實(shí)現(xiàn)多級質(zhì)譜操作(MSn)。
實(shí)施例2 : 如圖6所示的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，四極電極兩端設(shè)有預(yù)四極電極15、 16，預(yù)四極電極15、16外端分別設(shè)有端電極。預(yù)四極電極和本發(fā)明四極電極的結(jié)構(gòu)一致，只 是長度短一些，曲面電極上沒有狹縫。預(yù)四極電極結(jié)構(gòu)可以提高離子的捕獲效率和分辨率。
5兩端安裝端的預(yù)四極電極和四極電極形成直流勢阱。對其操作和實(shí)施例l所述相似，中心 的四極電極和預(yù)四極電極一般施加同樣的射頻電壓，直流偏置一般不同，對于正離子來說 中心的四極電極一般采用較低的直流偏置，以形成直流勢阱。預(yù)四極電極的x電極可以施 加與中心四極電極x電極相同的輔助射頻電壓，也可以不加。其它結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l相同，不 再贅述。
實(shí)施例3 : 如圖7所示的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，四極電極由兩段四極電極組成，兩 段四極電極之間設(shè)有端電極，通過端電極將其隔成兩個(gè)相對獨(dú)立的離子阱質(zhì)量分析器。在 兩個(gè)區(qū)域可以采用不同壓力的緩沖氣，高壓的離子阱捕獲離子，通過直流電壓操作將捕獲 的離子傳輸?shù)搅硪粋€(gè)低壓的離子阱中，這樣可以提高離子阱捕獲離子的效率。這是由于在 離子阱操作中會采用緩沖氣(一般為氦氣)，消除注入到阱內(nèi)離子原有的動(dòng)能，從而射頻電 場更容易將其捕獲；而在離子掃出離子阱過程中，如果離子阱內(nèi)緩沖氣氣壓過高則會降低 其掃出效率和分辨率。其它結(jié)構(gòu)和使用方法與實(shí)施例1相同，不再贅述。
實(shí)施例4 : 圖8所示的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，四極電極由兩段四極電極和三段預(yù)四 極電極組成，兩端各加一個(gè)端電極，通過各電極段的直流電壓將其分為兩個(gè)離子捕獲區(qū)域。 通過電場操作可以將捕獲的離子由一個(gè)區(qū)域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)分子離子反應(yīng)和 復(fù)雜的離子分析，也可以實(shí)現(xiàn)MSn功能。其它結(jié)構(gòu)和使用方法與實(shí)施例1相同，不再贅述。
實(shí)施例5 : 如圖9所示的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，四極電極由多段四極電極組成，相 鄰兩段四極電極之間設(shè)有預(yù)四極電極。同樣可以通過射頻電壓和直流電壓操作實(shí)現(xiàn)離子的 捕獲、分離、各段之間離子傳輸和分子離子反應(yīng)等功能。其它結(jié)構(gòu)和使用方法與實(shí)施例l相 同，不再贅述。
權(quán)利要求
一種混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，設(shè)有固定架，固定架上設(shè)有四極電極，四極電極兩端分別設(shè)有端電極，電極之間設(shè)有絕緣層，其特征是四極電極由一組平行的平面電極和一組對稱的曲面電極組成，曲面電極的曲面中心開有狹縫。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的狹縫的外 側(cè)為梯形槽。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的固定架上 設(shè)有緩沖氣體接口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的固定架上 設(shè)有內(nèi)電離樣品接口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的端電極上 設(shè)有離子出入口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的四極電極 兩端設(shè)有預(yù)四極電極，預(yù)四極電極外端分別設(shè)有端電極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的四極電極 由兩段四極電極組成，兩段四極電極之間設(shè)有端電極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的四極電極 由兩段四極電極組成，兩段四極電極之間以及兩段四極電極與端電極之間分別設(shè)有預(yù)四極 電極。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是所說的四極電極 由多段四極電極組成，相鄰兩段四極電極之間設(shè)有預(yù)四極電極。
全文摘要
一種混合型線性離子阱質(zhì)量分析器，涉及線性離子阱質(zhì)量分析器，設(shè)有固定架，固定架上設(shè)有四極電極，四極電極兩端分別設(shè)有端電極，電極之間設(shè)有絕緣層，四極電極由一組平行的平面電極和一組對稱的曲面電極組成，曲面電極的曲面中心開有狹縫。由于平面電極的存在，裝配難度低，裝配精度高，制造成本低；中心開有狹縫的曲面電極的存在，使離子在輔助射頻電壓作用下在曲面電極方向上有聚焦作用，提高了離子掃描出離子阱的效率。適用于做質(zhì)譜儀質(zhì)量分析器。
文檔編號H01J49/26GK101794702SQ20101011643
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者喬曉林, 周志權(quán), 姜杰, 趙占鋒, 陳煥文 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)