一種線性離子阱質(zhì)量分析器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種線性離子阱質(zhì)量分析器，它包括四個不完全相同的圓弧橫截面型電極和兩個端蓋電極。四個圓弧橫截面型電極兩個一組，每組電極平行放置，接相同的射頻電壓信號；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。通過改變圓弧電極的圓弧半徑、圓弧對于弦的長度和電極之間的距離，來引入需要的高階場。在四個圓弧電極中最小的一個電極上開有離子引出槽，離子從引出槽彈出而被檢測實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析。
【專利說明】一種線性離子阱質(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)對各種氣體、液體和固體物質(zhì)的定性定量檢測。
【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、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品安全和環(huán)境保護(hù)等各個領(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，是由一個雙曲面環(huán)電極和兩個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題，但在離子存儲能力上沒有改善。使用這種離子阱的典型商業(yè)儀器通常只能存儲500個以下的離子，而捕獲效率更是低于5%。
[0004]線性離子阱的出現(xiàn)很好的解決了上述問題，它由多個平行的電極組成，通過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，實(shí)現(xiàn)了對離子的質(zhì)量分析，而其離子儲存空間在其軸線上，大大提高了存儲離子數(shù)目和捕獲效率。美國專利5420425描述了一種由三組四極桿組成的線性離子阱，包括前級、分析級和后級；作為分析級的一組四極桿其中的一對電極上設(shè)計(jì)了狹縫，實(shí)現(xiàn)離子的注入和引出；而前級和后級既可實(shí)現(xiàn)在軸向限制離子阱捕獲離子的運(yùn)動，又可以改善分析級的四極場型；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。
[0005]而線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。美國專利6838666B2提出了一種矩形線性離子阱，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)，通過在對側(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，實(shí)現(xiàn)對離子質(zhì)量的分析。矩形離子阱解決了線性離子阱電極加工難度高的問題，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)部除了四極場外，還有很多不可忽視的高階場，比如八極場、十極場、十二極場、二十極場等，這會導(dǎo)致離子阱運(yùn)動的不確定性，影響離子阱的質(zhì)量分辨。
[0006]早期的場理論研究認(rèn)為高階場的引入會破壞四極質(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└呒増龅某煞?，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。美國專利6897438B2中通過改變四極桿電極參數(shù)，如兩對極桿的半徑或者場半徑的比值，在四極場中引入八極場，改善質(zhì)量分辨率。該專利之給出了四極場中引入八極場的一種方法，即改變桿半徑或場半徑，并為給出適用于引入其他高階場的實(shí)現(xiàn)方法。而且，現(xiàn)有的線性離子阱都是關(guān)于其x、y方向軸對稱的，所以在離子逐出的兩個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，線性離子阱解決了三維離子阱離子儲存?zhèn)€數(shù)少、捕獲效率低的問題，但是現(xiàn)有的線性離子阱存在電極加工精度要求高或者高階場比例不合適等問題，這些會限制小型便攜離子阱質(zhì)量分析器的進(jìn)一步發(fā)展。已有的專利成果僅針對八極場引入，并為對其他高階場提供可行的解決方案，而且已有的均為對稱的線性離子阱，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中引入適當(dāng)比例的多極場、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、成本較低的線性離子阱質(zhì)量分析器，將有力推動小型便攜離子阱質(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)化四極場場型、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:該分析器包括四個圓弧橫截面型電極和兩個端電極，四個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d4,兩個端電極分別是電極e7和電極f9 ;四個圓弧橫截面型電極半徑分別是rl、r2、r3和r4，圓弧橫截面所對應(yīng)的弦長分別是dl、d2、d3、和d4，四個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),弦長為dl > d2 = d4 > d3 ;四個圓弧橫截面型電極合圍成一個長方體空間區(qū)域,每個電極的圓弧形面朝向合圍成的長方體空間區(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連接形成射頻信號輸入端h6 ;端電極形狀為矩形平板，并在中心有開口，端電極e7和端電極f9分別在四個圓弧橫截面型電極的兩端，并與四個圓弧橫截面型電極的橫截面平行；端電極e7連接直流信號輸入端i8，端電極f9連接直流信號輸入端jlO，四個圓弧橫截面型電極和兩個端電極彼此絕緣，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)，在射頻信號輸入端g5和射頻信號輸入端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，所述線性離子阱質(zhì)量分析器內(nèi)部區(qū)域形成了四極電場為主的電場分布直流信號輸入端i8和直流信號輸入端jlO分別加載合適的直流電壓將離子引入所述線性離子阱質(zhì)量分析器。當(dāng)離子進(jìn)入此電場區(qū)域時(shí)，將被四個圓弧形電極所產(chǎn)生的四極電場為主的電場和兩個端蓋電極所產(chǎn)生的直流電場的作用下被束縛在離子阱中。傳統(tǒng)的線性離子阱在X和y方向都是對稱的，離子逐出的兩個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)生的射頻電場不對稱，讓離子逐出的概率偏向一個電極方向，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，也可以采用橢圓面或拋物面，也可以是四個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。通過半徑或弦長的不同來形成不對稱的線性離子阱，使離子非線性共振，提高離子單側(cè)逐出效率。在其中的一個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器17所檢測到。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，即可對離子阱內(nèi)的離子實(shí)現(xiàn)質(zhì)量分析。由于電極的不對稱性，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，形成電勢差將離子引入到離子阱中，然后輸入相等的直流信號，將離子儲存在離子阱內(nèi)，限制離子在z方向的運(yùn)動。
[0013]本實(shí)用新型給出一種用四個不完全相同的圓弧型電極組成線性離子阱的方法，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)化四極場場型、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%的大容量線性離子阱質(zhì)量分析器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型所述的線性離子阱質(zhì)量分析器及接線原理示意圖；
[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,弦長為dl > d2 = d4 > d3時(shí)本實(shí)用新型所述的線性離子阱質(zhì)量分析器橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖4是本實(shí)用新型所述的線性離子阱質(zhì)量分析器組成的檢測系統(tǒng)示意圖。
[0019]圖5是使用本實(shí)用新型所述的線性離子阱質(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.射頻信號輸入端g，6.射頻信號輸入端h, 7.端電極e,8.直流信號輸入端g，9.是端電極f，10是直流信號輸入端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.離子檢測器，18.本實(shí)用新型所述線性離子阱質(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)用新型所述線性離子阱質(zhì)量分析器18和離子檢測器17等部分組成。由離子源12產(chǎn)生的離子流13經(jīng)過離子透鏡電極14進(jìn)入到離子光學(xué)系統(tǒng)15中。離子光學(xué)系統(tǒng)的作用是對離子的運(yùn)動方向、運(yùn)動能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，對離子束進(jìn)行聚焦，提高離子流傳輸效率，為本實(shí)用新型所述線性離子阱質(zhì)量分析器18提供合適運(yùn)動狀態(tài)的離子流。進(jìn)過離子光學(xué)系統(tǒng)的作用后，離子通過離子透鏡電極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)用新型所述線性離子阱質(zhì)量分析器18中，在射頻信號輸出端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為主的電場作用，根據(jù)質(zhì)荷比的不同而依次進(jìn)入分析器，通過改變電場，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，被離子探測器17檢測到。離子探測器輸出的離子電信號經(jīng)過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器必須工作在真空環(huán)境下。離子源根據(jù)種類不同所需的真空環(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。通過檢測數(shù)據(jù)，本實(shí)用新型所述的線性離子阱質(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】
1.一種線性離子阱質(zhì)量分析器，其特征是:該分析器包括四個圓弧橫截面型電極和兩個端電極，四個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)，兩個端電極分別是電極e (7)和電極f (9);四個圓弧橫截面型電極半徑分別是rl、r2、r3和r4，圓弧橫截面所對應(yīng)的弦長分別是dl、d2、d3、和d4,四個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),弦長為dl > d2 = d4 > d3 ;四個圓弧橫截面型電極合圍成一個長方體空間區(qū)域，每個電極的圓弧形面朝向合圍成的長方體空間區(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)連接形成射頻信號輸入端h (6);端電極形狀為矩形平板，并在中心有開口，端電極e(7)和端電極f(9)分別在四個圓弧橫截面型電極的兩端，并與四個圓弧橫截面型電極的橫截面平行；端電極e(7)連接直流信號輸入端i (8)，端電極f (9)連接直流信號輸入端j (10)，四個圓弧橫截面型電極和兩個端電極彼此絕緣，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】H01J49/04GK203398088SQ201320498994
【公開日】2014年1月15日 申請日期: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 申請人:中國人民解放軍63975部隊(duì)