[发明专利]二维四极离子阱

说明书

技术领域

所公开的本发明实施例总体涉及二维离子阱。

背景技术

四极离子阱是一种设备，其中通过向杆施加射频(RF)电压、直流(DC)电压或者其组合而产生的实质四极静电压，将离子引入或形成并容纳在由多个电极或者杆结构形成的阱体内。为形成实质四极电压，该杆形状通常为双曲线。

两维或者线性离子阱通常包括两对电极或者杆，其通过利用二维RF四极阱电压同时在第三维采用非-四极DC俘获场来容纳离子。位于四极结构末端的简单平透镜可提供DC俘获场。

当在线性离子阱中采用质量选择不稳定扫描时，离子最有效地从阱中以径向发射。一些研究者在四极杆的两极之间发射了离子。但是，由于高的场梯度，离子损失巨大。为提高效率，通过在杆中引入孔而经过杆发射离子。对于线性离子阱，一种可引入孔的方式为沿着杆的长度。当孔(或者多个孔)被切削为一个或多个线性离子阱电极以允许离子从设备发射时，电压从理论四极电压降低，并且因此该孔的存在能够影响几个重要的性能因子。因此，该孔的特征是很重要的。

向线性离子阱中引入孔不仅可降低理论四极电压，而且可有助于降低杆本身的结构整体性，从而导致轴方向上的机械偏差并最终影响性能特征，例如影响通过该离子阱质谱仪可获得的分辨率。

该两维离子阱的性能和三维离子阱相比更易受到机械误差的影响。在三维离子阱中，所有的离子在离子阱的中心占据球体或者椭圆体空间，通常为直径大约1mm的离子云。但是两维离子阱中的离子在轴向上沿着离子阱整个长度的实际部分展开，其可以为几厘米或更长。因此，几何缺陷、杆的不对准、或者杆的误修整可实质上影响两维离子阱的性能。例如，如果该四极杆沿着杆的实际长度是不平行的，那么在离子阱中不同轴向位置的离子具有稍微不同的场强。所经历的该场强偏差反过来将使得质量分析期间的离子发射时间依赖于轴向位置。将相同质核比(m/z)离子云的最终结果在整个峰宽度和降低的分辨率上进行增强。

除了造成轴向场不均匀性的机械误差以外，电极端部以及切削为杆的槽端部形成的边缘场还可引起设备长度方向上径向四极场强度的大偏差。理想地为保持电场均匀，发射孔将沿杆的整个长度延伸，但是这一点会提出多个结构困难。为避免这一点，通常仅仅沿全部离子阱长度中心区域的一部分(例如60％)设置发射槽。但是除了杆端部的影响以外，其还将引起槽端部附近径向四极电压的变化。位于该区域上的离子将以和更加靠近设备中心的离子不同的时间发射，因此将造成质量分辨率的下降。

图1中示出了一种产生均匀电场的方法，其描述了具有双曲线杆105、110、115和120的两维四极结构100，每个杆105、110、115和120被切削为三个轴向部分，前部(a)、中部(b)和后部(c)。每个都具有离散(discreet)DC电平的该三个部分允许沿离子阱中部(b)的轴来容纳离子。在美国专利5,420,425中可找到该结构的更多细节。采用其中将杆进行分段的线性离子阱提供了一种方法，其中将朝向杆端部的电场的轴向变化最小化，并因此尽量减小其对性能的影响。该结构产生了一种径向俘获电压，该电压将离子容纳在阱中心区域中，在区域上来说是非常均匀的。

在5,420,425专利所讨论的二维线性离子阱结构中，施加于前部和支部的12V产生能够将离子限定在四极结构100中心25mm(距离中心±12.5mm)的轴向俘获电压(如果轴向能量保持低于1eV)。孔125的长度大约为29mm，因此允许有效的离子发射，同时在包括整个离子云的区域中维持径向四极电压较高水平的轴向均匀性。在图2中可以看出，轨迹205示出轴向电压为轴向位置的函数。

需要操作该二维、三维四极结构100的电压等于施加于十二个电极的九个不同电压的组合(包括施加于每个杆的不同部分以产生轴向俘获场的DC电压，施加于杆对以产生径向俘获场的RF电压，以及施加在一对杆上以隔离、激发、和发射离子的AC电压)。这一点要求构造非常精细的RF/AC/DC系统。

如图3所示，线性离子阱更简单的设计采用具有轴向俘获的单杆部分305，该轴向俘获仅通过施加于端部透镜310的DC电压来提供。这将离散电压数从九个减少到三个，大大降低了电子系统的复杂性。该设计的显著缺点在于轴向俘获场不会充分渗入离子阱的内部，允许离子从阱中心行进得更远。在图2中可以看出，轨迹210描述了当对端透镜施加200V的电压时，轴向能量为1eV的离子扩大至覆盖大约40mm(距离中心±20mm)。由于在杆端部的边缘场和发射孔的有限长度，这一点使得离子具有更多的轴向场不均匀性。

发明概述