[发明专利]含有高阶场成份的四极杆电极系统及其用途

说明书

技术领域

本发明给出了一种含有高阶场成份的四极杆电极系统及其用途，具体涉及含负十二极场成分和负二十极场成分的线性四极场系统，应用该系统制造的四极杆离子质量分析器、线性离子阱或离子导引及其工作分析方法，属于质量分析技术领域。

背景技术

用四个电极按一定方式组装起来，就可以在事先选定的电源作用下，在一定的空间区域内产生四极电场分布。可以产生四极电场的四个电极系统常常被用于各种质谱仪系统中来传输离子，存储离子和分析离子，即所谓的四极离子导引，四极离子阱和四极离子质量分析器。如在专利号为2,939,952的美国专利中，发明人给出了如何用四个电极来构建质量分析器的方法。根据此项发明，可以将四个杆形电极平行地围绕一个中心轴固定，然后将两两相对的电极连接在一起形成两个端点，供连接外加工作电源用。通常情况下，将输出电压为：V(t)＝+(U-VcosΩt)连接到一个端点；同时将输出电压为：V(t)＝-(U-VcosΩt)连接到另外一个端点。在这些电压表达式中，U代表直流电压值，V代表所谓的射频电压值(峰值相对于零的电压值)，Ω为射频电源的角频率。在此电源的作用下，四个杆形电极将在所围成的中心区域内产生以四极电场为主要成分的电场分布。

在四极离子质量分析器中，离子由四极杆的一端沿轴线方向进入四极电场中。在四极电场的作用下，这些离子具有复杂的运动轨迹。离子的轨迹大致可以分为稳定和非稳定轨迹两类。对于一个具有稳定运动轨迹的离子，其在同四极杆轴向正交的平面上的运动幅度恒小于从轴心到极杆表面的距离r₀。因此，具有稳定运动轨迹的离子将沿著四根杆形电极的轴向并穿过四极电场系统传输到下一个处理位置或一个检测器。而具有非稳定运动轨迹的离子将碰撞到四极电场系统的极杆表面而不能被传输。

理论上，用于建造四极质谱仪的四根电极应是截面为双曲面的杆型电极，它们应被平行地围绕着一中心对称轴固定，轴心与双曲面的原点重合。其四根电极的内侧表面的截面应满足下列方程：

(x²-y²)＝±r₀²            (1)

这里r₀为四根电极所围成的内接圆半径，即所谓的电场半径。对于轴心与双曲面的原点重合的理想双曲面杆型电极，上述电场半径也称理想电场半径，记为r_N。

如图1所示，其中11，12，13，14为平行地围绕一个中心轴固定的四根表面为双曲面的电极。电极11和14连接在一起形成一个端点101，电极12和13连接在一起形成另一个端点102，它们分别供连接外加工作电源用。

在此情况下，四极杆电极系统在具有下列形式的射频电源作用下，将产生理想的四极电场分布：

V(x，y)＝(U-V_rf cosΩt)        (2)

上式中，U为射频电源的直流电压值，V_rf为射频电源的交流电压值，Ω为射频电压的角频率，Ω＝2πf。

离子在四极电场中的运动可用Mathieu方程来求解。有关Mathieu方程的求解过程在许多文献中，如Dawson PH.Quadrupolemass spectrometry and its applications，Elservier：Amsterdam，1976。已有详细的介绍。这里不再赘述。

求解Mathieu方程将得到关于四极质谱工作原理的两个重要参数，a和q，它们的表示式分别为：

a=8eUmr02Ω2---(3)]]>