一种标准四极场线形离子阱质量分析器

技术领域

本发明涉及一种标准四极场线形离子阱质量分析器，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，适合微小型质谱分析仪器。

离子阱质量分析器属于四极质量分析器的一种，四极质量分析器基于四极电场原理依照离子质荷比不同进行分离检测，主要包括四极杆和离子阱两大类。

按照四极场理论，需要理想的双曲面形状的电极在射频电压的驱动下可以形成标准的四极场，而且标准四极场中离子所受电场力与离子到离子阱中心距离是线性关系，便于离子的操作和数据的处理。但是实际使用中，由于电极截断、加工装配误差、表面粗糙度、离子引出槽和空间电荷效应等因素造成离子阱内电场除了线性的四极场外，还有许多非线性的高阶场，比如八极场、十极场、十二极场、二十极场等，这些电场会引起离子的非线性共振。高阶场所引起的非线性共振，容易导致离子丢失、质量偏移等问题。目前，对于高阶场的影响，现有技术多为比例优化处理，如美国专利6897438 B2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2.6％的八极场，改善质量分辨率；中国发明专利z1201310355808.7，利用不对称结构引入了奇数多极场提高了单侧逐出效率。

最初的离子阱质量分析器称为三维离子阱，为了提供标准四极场，电极设计为由一个双曲面环电极和两个双曲面端盖电极组成，但由于离子出射孔及电极截断等因素影响，内部电场主成分为四极场外，还夹杂了少量多极场。

三维离子阱(QIT)的离子稳定空间理论上只是一个点，实际中离子是在距离该点约1mm以内的区域内积聚。单个离子的电荷很小，对场型的影响可以忽略不计，但是当离子阱存储的离子增多之后，积聚而成的空间电荷对场型的影响就变得十分明显，而且离子彼此之间的相互作用也将变得活跃起来，这就导致了三维离子阱的质量分辨率下降、质量数下降等问题，极大地限制了可以储存的离子数目，影响仪器的整体性能。

而后发展起来的线性离子阱(LIT)很好的解决了空间电荷效应的影响，线性离子阱由四根双曲面的电极组成，理论上是标准的四极场分布，将点状的离子有效存储空间扩展为线状空间，提高了离子阱的有效存储空间，降低了离子的空间电荷效应影响。而线性离子阱的双曲面电极上也开有离子出射槽，会对标准四极场造成一定的破坏。

又由于双曲面的离子阱的电极加工难度大，之后有研究者在此基础上改进形成了圆柱形离子阱(CIT)和矩形离子阱(RIT)。圆柱形离子阱是在三维离子阱基础上改进的，环电极为圆柱形，端盖电极为平板形，矩形离子阱是在线性离子阱基础上改进的，四块电极均为平板状。二者均是通过简化电极形状，降低了加工难度，在一定程度上增加了离子存储空间；但是由于电极形状和双曲面差距较大，导致其内部除四极场外，有较高比例的多极场，影响离子阱的质量分辨等性能。

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，圆柱形和矩形离子阱虽然解决了电极加工难度大等问题，但场型杂驳，性能影响较大，这些都会限制微小型离子阱质量分析器的进一步发展。已有的专利成果未综合考虑电极截断、离子引出槽等综合因素对场型的影响。因此，探索一种可产生标准四极场、易于加工测试、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

本发明的目的在于提供一种易于加工、能提供标准四极场的离子阱质量分析器。

本发明采用的技术方案：标准四极场线形离子阱质量分析器分析器包括圆弧横截面型电极a 1、圆弧横截面型电极b 2、圆弧横截面型电极c 3、圆弧横截面型电极d 4、端电极e 5、端电极f 6；圆弧横截面型电极a 1、圆弧横截面型电极b 2、圆弧横截面型电极c 3、圆弧横截面型电极d 4上分别设有供离子进出的狭缝，狭缝宽度为D，圆弧横截面型电极半径为R1，厚度为H；圆弧横截面型电极a 1、圆弧横截面型电极b 2、圆弧横截面型电极c 3、圆弧横截面型电极d 4内切于同一个半径为R0的圆；端电极e 5、端电极f6互相平行，并与圆弧横截面型电极a 1、圆弧横截面型电极b 2、圆弧横截面型电极c 3、圆弧横截面型电极d 4垂直；圆弧横截面型电极a 1、圆弧横截面型电极b 2、圆弧横截面型电极c 3、圆弧横截面型电极d 4与端电极e 5、端电极f 6彼此绝缘；

所述D等于0.25mm，H等于0.5倍R1；R0等于5mm时，R1为1.122倍R0。

所述D等于0.5mm，H等于0.5倍R1；R0等于5mm时，R1为1.072倍R0。

所述D等于0.8mm，H等于0.5倍R1；R0等于5mm时，R1为0.992倍R0。

所述D等于1.0mm，H等于0.5倍R1；R0等于5mm时，R1为0.930倍R0。

当此质量分析器进行工作时，在射频信号输入端k 11和112上加载射频电压。在射频电压的作用下，所述标准四极场线形离子阱质量分析器内部区域形成了四极电场电场分布。当离子进入此电场区域时，将被电极所产生的四极场的作用下束缚在离子阱中。被束缚在离子阱中的离子可以通过共振激发的方式从圆弧截面型电极的狭缝中被逐出，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。

一般的线性离子阱采用了双曲面结构，但双曲面难于加工；所以，本发明采用了更易于加工的圆弧形电极，通过综合考虑场半径R0、电极半径R1、离子出射槽宽度D和电极截取高度H等因素，对离子阱实际的内部场型进行了优化，得到了一种多极场成分为零的标准四极场线形离子阱质量分析器。

本发明的有益效果：该离子阱质量分析器易于加工，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，避免了多极场引起的不良效果；存储空间大，降低了空间电荷效应的影响。

附图说明

图1标准四极场线形离子阱质量分析器结构示意图

图2标准四极场线形离子阱质量分析器接线原理示意图

图3标准四极场线形离子阱质量分析器实施例

图中：1.圆弧横截面型电极a，2.圆弧横截面型电极b，3.圆弧横截面型电极c，4.圆弧横截面型电极d，5.端电极e，6.端电极f，7.圆弧横截面型电极a上供离子进出的孔g，8.圆弧横截面型电极b上供离子进出的孔h，9.圆弧横截面型电极c上供离子进出的孔i，10.圆弧横截面型电极d上供离子进出的孔j，11.射频信号输入端k，12.射频信号输入端l，13.直流信号输入端m，14.直流信号输入端n。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明所述离子阱质量分析器中，在直流信号输入端m 13和直流信号输入端n 14上加载直流电压，在射频信号输出端k 11和l 12上分别加载具有以下形式的射频电压：

Φ

Φ

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。图3是本发明一个应用实例。

实例1

本应用实例中所述的标准四极场线形离子阱质量分析器，四个圆弧横截面型电极上均设有供离子进出的狭缝，狭缝宽度为D，圆弧横截面型电极半径为R1，厚度为H，四个圆弧横截面型电极内切于同一个半径为R0的圆。当满足以下条件时，所述的标准四极场线形离子阱质量分析器内中多极场参数均为零，场型为标准四极场：狭缝宽度D等于0.25mm，四个圆弧横截面型电极内切圆半径R0等于5mm，圆弧横截面型电极半径R1为1.122倍R0，圆弧横截面型电极厚度H等于0.5倍R1。

实例2

本应用实例中所述的标准四极场线形离子阱质量分析器，四个圆弧横截面型电极上均设有供离子进出的狭缝，狭缝宽度为D，圆弧横截面型电极半径为R1，厚度为H，四个圆弧横截面型电极内切于同一个半径为R0的圆。当满足以下条件时，所述的标准四极场线形离子阱质量分析器内中多极场参数均为零，场型为标准四极场：狭缝宽度D等于0.50mm，四个圆弧横截面型电极内切圆半径R0等于5mm，圆弧横截面型电极半径R1为1.072倍R0，圆弧横截面型电极厚度H等于0.5倍R1。

实例3

本应用实例中所述的标准四极场线形离子阱质量分析器，四个圆弧横截面型电极上均设有供离子进出的狭缝，狭缝宽度为D，圆弧横截面型电极半径为R1，厚度为H，四个圆弧横截面型电极内切于同一个半径为R0的圆。当满足以下条件时，所述的标准四极场线形离子阱质量分析器内中多极场参数均为零，场型为标准四极场：狭缝宽度D等于0.8mm，四个圆弧横截面型电极内切圆半径R0等于5mm，圆弧横截面型电极半径R1为0.992倍R0，圆弧横截面型电极厚度H等于0.5倍R1。

实例4

本应用实例中所述的标准四极场线形离子阱质量分析器，四个圆弧横截面型电极上均设有供离子进出的狭缝，狭缝宽度为D，圆弧横截面型电极半径为R1，厚度为H，四个圆弧横截面型电极内切于同一个半径为R0的圆。当满足以下条件时，所述的标准四极场线形离子阱质量分析器内中多极场参数均为零，场型为标准四极场：狭缝宽度D等于1.0mm，四个圆弧横截面型电极内切圆半径R0等于5mm，圆弧横截面型电极半径R1为0.930倍R0，圆弧横截面型电极厚度H等于0.5倍R1。

从上述具体实施方式可知，标准四极场线形离子阱质量分析器可以提供标准的四极场场型，避免了掺杂多极场对离子运动不规律的影响，并且加工和装配简便，有效降低了离子阱的生产成本，提升了离子阱的操作性能，有助于微小型质谱仪的发展。