[发明专利]离子质量过滤器及过滤方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子质量过滤器及过滤方法。

背景技术

四极式质谱仪的历史可追溯到20世纪50年代。1952年末，加速器物理研究领域中，Brookhawen国立实验室的Courant等人发现利用2个四极磁场交替压缩质子束的强聚焦，德国Bonn大学物理系教授Wolfgang Paul等人据此提出了利用射频四极电场过滤离子的原理，并用实验加以验证，从而诞生了四极式质谱仪。1953年，Paul等人申请了德国专利，并在五十年代完成了四极式质谱仪的大部分奠基工作。

20世纪六七十年代是四极式质谱仪发展的鼎盛时期，其中最引人注目的是Brubaker所进行的一系列创新研究和设计。60年代末，四极式质谱仪由基础研究阶段逐渐过渡到商业生产阶段，在产业化模式运作下，四极式质谱仪技术获得了迅速的发展和推广。1965年，联邦德国的Varian MAT公司生产了第一台商业四极式质谱仪AMP-3。美国的惠普公司，联邦德国的Varian MAT，日本的ULVAC等都是最早开始四极式质谱仪商业化生产的公司。

四极式质谱仪的原理是利用随时间变化的电场对不同质荷比的离子进行选择。常规四极式质谱仪所采用的驱动电压波形如图1所示，即x方向和y方向的电压相位相差180度，通常在相对的一组电极杆上施加同样的电压，而相邻的电极杆上的电压极性相反，如图2所示，x方向电极杆2和3的电压与y方向电极杆1和4的电压极性相反。

理想情况下，电极杆的形状是双曲面，请参见图3，但由于圆杆电极的加工较之双曲面来说要简单很多，因此在实际应用中更多的是用圆杆电极代替双曲面电极。当圆杆电极半径r_杆与场半径r₀满足式公式[1]关系时，圆杆电极间的电场与理想四极电场最为近似。请参见图4，其为圆杆电极半径r_杆与场半径r₀满足式公式1关系时，圆杆电极间电场与双曲面电极间电场吻合程度。从图中可以看出，在四根极杆间的空间内，两种电极所形成的电场等势线非常吻合，仅仅是在相邻极杆之间空间内的等势线相差很大。幸运的是，离子的运动仅仅是在四根极杆杆间的空间内。如此看来，圆杆电极间的电场完全可以替代双曲面电极所形成的理想四极场。

r＝1.1487·r₀                         [1]

离子在进入四极杆后，由于受到射频(RF)电场和直流(DC)电场的作用会开始复杂的振荡运动。假设某一时刻，DC和RF保持恒定，如果离子的质量太低，这个离子被推离轴向，到达正极杆，而不会到达四极杆的出口。如果离子质量太高，趋于负极杆的振荡增加，直到离子撞击到负极杆或从四极杆的边缘被弹出去。只有特定质量的离子在四极杆内的振荡才会稳定，才能从四极杆的末端出射并被电子倍增器检测。这是因为离子进入四极杆后受到电极杆所形成的四极电场的作用做复杂的周期性运动，其运动轨迹与离子的质荷比有关系。

离子的受力可由公式[2]表示：