一種線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，它包括四個(gè)不完全相同的圓弧橫截面型電極和兩個(gè)端蓋電極。四個(gè)圓弧橫截面型電極兩個(gè)一組，每組電極平行放置，接相同的射頻電壓信號(hào)；不同組電極垂直放置，接入大小相等，相位相反的射頻電壓信號(hào)。通過(guò)改變圓弧電極的圓弧半徑、圓弧對(duì)于弦的長(zhǎng)度和電極之間的距離，來(lái)引入需要的高階場(chǎng)。在四個(gè)圓弧電極中最小的一個(gè)電極上開(kāi)有離子引出槽，離子從引出槽彈出而被檢測(cè)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，主要用于質(zhì)譜儀器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種氣體、液體和固體物質(zhì)的定性定量檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)譜儀是一種可以用于準(zhǔn)確分析氣體、液體和固體樣品中各種化學(xué)成分和含量的科學(xué)儀器，被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)和技術(shù)研究、航空航天、地質(zhì)探測(cè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品安全和環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。在常用的各種質(zhì)譜儀器中，離子阱質(zhì)譜儀是最前應(yīng)用最為廣泛的質(zhì)譜儀器之一。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，操作方便，價(jià)格較為低廉等特點(diǎn)。
[0003]早期的離子阱為三維離子阱，是由一個(gè)雙曲面環(huán)電極和兩個(gè)雙曲面端蓋電極組成，這種離子阱的電極加工難度大、離子存儲(chǔ)能力差。之后有人在此基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的圓柱形離子阱雖然解決了三維離子阱電極加工難度的問(wèn)題，但在離子存儲(chǔ)能力上沒(méi)有改善。使用這種離子阱的典型商業(yè)儀器通常只能存儲(chǔ)500個(gè)以下的離子，而捕獲效率更是低于5%。
[0004]線(xiàn)性離子阱的出現(xiàn)很好的解決了上述問(wèn)題，它由多個(gè)平行的電極組成，通過(guò)加載射頻和直流電壓在圍成的幾何區(qū)域內(nèi)形成了二維四極場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子的質(zhì)量分析，而其離子儲(chǔ)存空間在其軸線(xiàn)上，大大提高了存儲(chǔ)離子數(shù)目和捕獲效率。美國(guó)專(zhuān)利5420425描述了一種由三組四極桿組成的線(xiàn)性離子阱，包括前級(jí)、分析級(jí)和后級(jí)；作為分析級(jí)的一組四極桿其中的一對(duì)電極上設(shè)計(jì)了狹縫，實(shí)現(xiàn)離子的注入和引出；而前級(jí)和后級(jí)既可實(shí)現(xiàn)在軸向限制離子阱捕獲離子的運(yùn)動(dòng)，又可以改善分析級(jí)的四極場(chǎng)型；當(dāng)各桿均采用雙曲面形狀時(shí)，可以獲得近乎理想的四極場(chǎng)。
[0005]而線(xiàn)性離子阱需要的雙曲面電極加工難度大，后續(xù)的裝配精度要求也高，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。美國(guó)專(zhuān)利6838666B2提出了一種矩形線(xiàn)性離子阱，在該離子阱中，由四塊平板電極組成空間截面為矩形的結(jié)構(gòu)，通過(guò)在對(duì)側(cè)平板電極上接入相同的射頻和直流電壓，在離子阱內(nèi)產(chǎn)生了四極場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子質(zhì)量的分析。矩形離子阱解決了線(xiàn)性離子阱電極加工難度高的問(wèn)題，但是由于矩形離子阱的平板電極形狀和雙曲面差距較大，導(dǎo)致其內(nèi)部除了四極場(chǎng)外，還有很多不可忽視的高階場(chǎng)，比如八極場(chǎng)、十極場(chǎng)、十二極場(chǎng)、二十極場(chǎng)等，這會(huì)導(dǎo)致離子阱運(yùn)動(dòng)的不確定性，影響離子阱的質(zhì)量分辨。
[0006]早期的場(chǎng)理論研究認(rèn)為高階場(chǎng)的引入會(huì)破壞四極質(zhì)量分析器的分辨率，但根據(jù)最新的研究成果表明，適當(dāng)?shù)囊胍恍└呒?jí)場(chǎng)的成分，讓其互相抵消或者比例平衡，可以有效改善四極質(zhì)量分析器的分辨率。美國(guó)專(zhuān)利6897438B2中通過(guò)改變四極桿電極參數(shù)，如兩對(duì)極桿的半徑或者場(chǎng)半徑的比值，在四極場(chǎng)中引入八極場(chǎng)，改善質(zhì)量分辨率。該專(zhuān)利之給出了四極場(chǎng)中引入八極場(chǎng)的一種方法，即改變桿半徑或場(chǎng)半徑，并為給出適用于引入其他高階場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)方法。而且，現(xiàn)有的線(xiàn)性離子阱都是關(guān)于其x、y方向軸對(duì)稱(chēng)的，所以在離子逐出的兩個(gè)方向上逐出離子的概率是相等的，即理論上單側(cè)逐出效率最大為50%，而實(shí)際使用中由于其他因素的影響，實(shí)際上能達(dá)到的單側(cè)逐出效率最大為30%?40%。
[0007]綜上所述，線(xiàn)性離子阱解決了三維離子阱離子儲(chǔ)存?zhèn)€數(shù)少、捕獲效率低的問(wèn)題，但是現(xiàn)有的線(xiàn)性離子阱存在電極加工精度要求高或者高階場(chǎng)比例不合適等問(wèn)題，這些會(huì)限制小型便攜離子阱質(zhì)量分析器的進(jìn)一步發(fā)展。已有的專(zhuān)利成果僅針對(duì)八極場(chǎng)引入，并為對(duì)其他高階場(chǎng)提供可行的解決方案，而且已有的均為對(duì)稱(chēng)的線(xiàn)性離子阱，離子在逐出方向上理論的單側(cè)逐出概率最大為50%。因此，探索一種可有效地在四極場(chǎng)中引入適當(dāng)比例的多極場(chǎng)、理論單側(cè)捕獲效率大于50%、實(shí)際單側(cè)捕獲效率大于40%、易于加工、成本較低的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，將有力推動(dòng)小型便攜離子阱質(zhì)量分析器的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型的目的在于提供一種易于加工、具有優(yōu)化四極場(chǎng)場(chǎng)型、理論單側(cè)逐出效率大于50%、實(shí)際單側(cè)逐出效率大于40%的大容量線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器。
[0009]本實(shí)用新型此采用的技術(shù)方案是:該分析器包括四個(gè)圓弧橫截面型電極和兩個(gè)端電極，四個(gè)圓弧橫截面型電極分別是圓弧橫截面型電極al、圓弧橫截面型電極b2、圓弧橫截面型電極c3、圓弧橫截面型電極d4,兩個(gè)端電極分別是電極e7和電極f9 ;四個(gè)圓弧橫截面型電極半徑分別是rl、r2、r3和r4，圓弧橫截面所對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)分別是dl、d2、d3、和d4，四個(gè)圓弧橫截面型電極的截面半徑為rl > r2 = r4 > r3,當(dāng)rl = r2 = r3 = r4時(shí),弦長(zhǎng)為dl > d2 = d4 > d3 ;四個(gè)圓弧橫截面型電極合圍成一個(gè)長(zhǎng)方體空間區(qū)域,每個(gè)電極的圓弧形面朝向合圍成的長(zhǎng)方體空間區(qū)域中心；圓弧橫截面型電極al和圓弧橫截面型電極c3連接形成射頻信號(hào)輸入端g5，圓弧橫截面型電極b2和圓弧橫截面型電極d4連接形成射頻信號(hào)輸入端h6 ;端電極形狀為矩形平板，并在中心有開(kāi)口，端電極e7和端電極f9分別在四個(gè)圓弧橫截面型電極的兩端，并與四個(gè)圓弧橫截面型電極的橫截面平行；端電極e7連接直流信號(hào)輸入端i8，端電極f9連接直流信號(hào)輸入端jlO，四個(gè)圓弧橫截面型電極和兩個(gè)端電極彼此絕緣，都固定在絕緣材料上，絕緣材料為聚乙烯、聚四氟乙烯或聚醚醚酮。當(dāng)此質(zhì)量分析器進(jìn)行工作時(shí)，在射頻信號(hào)輸入端g5和射頻信號(hào)輸入端h6上分別加載幅度相同、相位相反的射頻電壓。在此射頻電壓的作用下，所述線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器內(nèi)部區(qū)域形成了四極電場(chǎng)為主的電場(chǎng)分布直流信號(hào)輸入端i8和直流信號(hào)輸入端jlO分別加載合適的直流電壓將離子引入所述線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器。當(dāng)離子進(jìn)入此電場(chǎng)區(qū)域時(shí)，將被四個(gè)圓弧形電極所產(chǎn)生的四極電場(chǎng)為主的電場(chǎng)和兩個(gè)端蓋電極所產(chǎn)生的直流電場(chǎng)的作用下被束縛在離子阱中。傳統(tǒng)的線(xiàn)性離子阱在X和y方向都是對(duì)稱(chēng)的，離子逐出的兩個(gè)方向上的概率是相等的，而本實(shí)用新型采用了大小不等的電極，使電極產(chǎn)生的射頻電場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)，讓離子逐出的概率偏向一個(gè)電極方向，從而提高單側(cè)離子逐出效率，理論上離子逐出被捕捉到的概率可以大于50%。
[0010]本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是:所述圓弧橫截面型電極橫截面至少有一面為圓弧面、橢圓面或拋物面。傳統(tǒng)的線(xiàn)性離子阱采用了雙曲面結(jié)構(gòu)，而雙曲面難于加工，所以本實(shí)用新型采用了更易于加工的圓弧面。為了更加接近理想的四極場(chǎng)，也可以采用橢圓面或拋物面，也可以是四個(gè)圓弧橫截面型電極采用不同橫截面形狀的組合。
[0011]本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子講質(zhì)量分析器,其特征是:當(dāng)rl > r2 = r4 > r3時(shí)，在圓弧橫截面型電極c3圓弧橫截面型電極上設(shè)有一供離子進(jìn)出的狹縫11 ;當(dāng)rl = r2 =r3 = r4,弦長(zhǎng)為dl > d2 = d4 > d3時(shí),在電極c3上設(shè)有一供離子進(jìn)出的狹縫11。通過(guò)半徑或弦長(zhǎng)的不同來(lái)形成不對(duì)稱(chēng)的線(xiàn)性離子阱，使離子非線(xiàn)性共振，提高離子單側(cè)逐出效率。在其中的一個(gè)圓弧橫截面型電極上設(shè)有一供離子注入或逐出的狹縫11，被束縛在離子阱中的離子可以通過(guò)共振激發(fā)的方式從較小電極上的狹縫11中被逐出，并被安置在狹縫外的離子檢測(cè)器17所檢測(cè)到。改變離子共振激發(fā)電壓，即可實(shí)現(xiàn)所謂的離子選擇性逐出。即在某一共振逐出條件下，只有一種質(zhì)荷比的離子被逐出。改變離子共振逐出條件，即可對(duì)離子阱內(nèi)的離子實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析。由于電極的不對(duì)稱(chēng)性，離子從較小電極上彈出的概率增加，理論上離子逐出被捕捉到的概率可以大于50%。
[0012]本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是:所述的端電極e7和端電極f9的形狀為矩形平板、圓型平板、橢圓形平板或多邊形平板。先在端電極e7和端電極f9上輸入不等的直流信號(hào)，形成電勢(shì)差將離子引入到離子阱中，然后輸入相等的直流信號(hào)，將離子儲(chǔ)存在離子阱內(nèi)，限制離子在z方向的運(yùn)動(dòng)。
[0013]本實(shí)用新型給出一種用四個(gè)不完全相同的圓弧型電極組成線(xiàn)性離子阱的方法，它可以明顯的降低質(zhì)譜儀器的制造難度，降低生產(chǎn)和使用成本，提高單側(cè)離子逐出效率使得線(xiàn)性離子阱獲得更為廣泛的應(yīng)用。
[0014]本實(shí)用新型的目的在于提供一種易于加工、具有優(yōu)化四極場(chǎng)場(chǎng)型、理論單側(cè)逐出效率大于50%、實(shí)際單側(cè)逐出效率大于40%的大容量線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器及接線(xiàn)原理示意圖；
[0016]圖2當(dāng)rl > r2 = r4 > r3時(shí)，本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3當(dāng)rl = r2 = r3 = r4,弦長(zhǎng)為dl > d2 = d4 > d3時(shí)本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4是本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器組成的檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。
[0019]圖5是使用本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器生成的質(zhì)譜圖。
[0020]圖中:1.圓弧橫截面型電極a，2.圓弧橫截面型電極b，3.圓弧橫截面型電極C，
4.圓弧橫截面型電極d, 5.射頻信號(hào)輸入端g，6.射頻信號(hào)輸入端h, 7.端電極e,8.直流信號(hào)輸入端g，9.是端電極f，10是直流信號(hào)輸入端h，ll.圓弧橫截面型電極上的狹縫，12.離子源，13.離子，14.離子透鏡電極，15.離子光學(xué)系統(tǒng)，16.離子透鏡電極，17.離子檢測(cè)器，18.本實(shí)用新型所述線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器。
具體實(shí)施方案
[0021]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本實(shí)用新型做出更詳細(xì)地描述:
[0022]圖4是本實(shí)用新型的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。它是由離子源12、離子光學(xué)系統(tǒng)15、本實(shí)用新型所述線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器18和離子檢測(cè)器17等部分組成。由離子源12產(chǎn)生的離子流13經(jīng)過(guò)離子透鏡電極14進(jìn)入到離子光學(xué)系統(tǒng)15中。離子光學(xué)系統(tǒng)的作用是對(duì)離子的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)離子束進(jìn)行聚焦，提高離子流傳輸效率，為本實(shí)用新型所述線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器18提供合適運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的離子流。進(jìn)過(guò)離子光學(xué)系統(tǒng)的作用后，離子通過(guò)離子透鏡電極16和端電極e9后進(jìn)入本實(shí)用新型所述線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器18中的進(jìn)行質(zhì)量分析。在本實(shí)用新型所述線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器18中，在射頻信號(hào)輸出端g5和h6上分別加載具有以下形式的射頻電壓:
[0023]O j (t) = + (U+Vcos co t)
[0024]O2 (t) = - (U+Vcos co t)
[0025]離子由于受到四極場(chǎng)為主的電場(chǎng)作用，根據(jù)質(zhì)荷比的不同而依次進(jìn)入分析器，通過(guò)改變電場(chǎng)，使得不同離子按照質(zhì)荷比的大小依次從電極的離子引出槽11中彈出，被離子探測(cè)器17檢測(cè)到。離子探測(cè)器輸出的離子電信號(hào)經(jīng)過(guò)記錄處理后就得到了所需的質(zhì)譜圖。一般情況下，離子光學(xué)系統(tǒng)、離子阱質(zhì)量分析器的離子探測(cè)器必須工作在真空環(huán)境下。離子源根據(jù)種類(lèi)不同所需的真空環(huán)境也不相同。比如電子轟擊源就需要真空環(huán)境，而電噴霧電離源需要大氣壓環(huán)境下。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)，本實(shí)用新型所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器18的單側(cè)離子逐出效率達(dá)到了 52%，分辨率(FWHM)達(dá)到了 1500。
【權(quán)利要求】
1.一種線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是:該分析器包括四個(gè)圓弧橫截面型電極和兩個(gè)端電極，四個(gè)圓弧橫截面型電極分別是圓弧橫截面型電極a(l)、圓弧橫截面型電極b (2)、圓弧橫截面型電極c (3)、圓弧橫截面型電極d (4)，兩個(gè)端電極分別是電極e (7)和電極f (9);四個(gè)圓弧橫截面型電極半徑分別是rl、r2、r3和r4，圓弧橫截面所對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)分別是dl、d2、d3、和d4,四個(gè)圓弧橫截面型電極的截面半徑為rl > r2 = r4 > r3,當(dāng)rl =r2 = r3 = r4時(shí),弦長(zhǎng)為dl > d2 = d4 > d3 ;四個(gè)圓弧橫截面型電極合圍成一個(gè)長(zhǎng)方體空間區(qū)域，每個(gè)電極的圓弧形面朝向合圍成的長(zhǎng)方體空間區(qū)域中心；圓弧橫截面型電極a(l)和圓弧橫截面型電極c(3)連接形成射頻信號(hào)輸入端g (5)，圓弧橫截面型電極b (2)和圓弧橫截面型電極d(4)連接形成射頻信號(hào)輸入端h (6);端電極形狀為矩形平板，并在中心有開(kāi)口，端電極e(7)和端電極f(9)分別在四個(gè)圓弧橫截面型電極的兩端，并與四個(gè)圓弧橫截面型電極的橫截面平行；端電極e(7)連接直流信號(hào)輸入端i (8)，端電極f (9)連接直流信號(hào)輸入端j (10)，四個(gè)圓弧橫截面型電極和兩個(gè)端電極彼此絕緣，都固定在絕緣材料上，絕緣材料為聚乙烯、聚四氟乙烯或聚醚醚酮。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是:所述圓弧橫截面型電極橫截面至少有一面為圓弧面、橢圓面或拋物面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是:當(dāng)rl> r2 = r4 >r3時(shí),在圓弧橫截面型電極c (3)上設(shè)有一供離子進(jìn)出的狹縫(11);當(dāng)rl = r2 = r3 = r4,弦長(zhǎng)為dl > d2 = d4 > d3時(shí)，在圓弧橫截面型電極c (3)上設(shè)有一供離子進(jìn)出的狹縫(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線(xiàn)性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是:所述的端電極e(7)和端電極f (9)的形狀為矩形平板、圓型平板、橢圓形平板或多邊形平板。
【文檔編號(hào)】H01J49/04GK203398088SQ201320498994
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年8月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月16日
【發(fā)明者】張眾垚, 李翠萍, 黃啟斌, 夏恒新, 丁傳凡, 徐福興, 李寶強(qiáng), 黃根益 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍63975部隊(duì)