[发明专利]一种线性离子阱质量分析器

说明书

技术领域

本发明涉及一种线性离子阱质量分析器，主要用于质谱仪器，可实现对各种气体、液体和固体物质的定性定量检测。

背景技术

质谱仪是一种可以用于准确分析气体、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。

早期的离子阱为三维离子阱，是由一个双曲面环电极和两个双曲面端盖电极组成，这种离子阱的电极加工难度大、离子存储能力差。之后有人在此基础上改进而成的圆柱形离子阱虽然解决了三维离子阱电极加工难度的问题，但在离子存储能力上没有改善。使用这种离子阱的典型商业仪器通常只能存储500个以下的离子，而捕获效率更是低于5％。

线性离子阱的出现很好的解决了上述问题，它由多个平行的电极组成，通过加载射频和直流电压在围成的几何区域内形成了二维四极场，实现了对离子的质量分析，而其离子储存空间在其轴线上，大大提高了存储离子数目和捕获效率。美国专利5420425描述了一种由三组四极杆组成的线性离子阱，包括前级、分析级和后级；作为分析级的一组四极杆其中的一对电极上设计了狭缝，实现离子的注入和引出；而前级和后级既可实现在轴向限制离子阱捕获离子的运动，又可以改善分析级的四极场型；当各杆均采用双曲面形状时，可以获得近乎理想的四极场。

而线性离子阱需要的双曲面电极加工难度大，后续的装配精度要求也高，限制了其进一步的发展和应用。美国专利6838666B2提出了一种矩形线性离子阱，在该离子阱中，由四块平板电极组成空间截面为矩形的结构，通过在对侧平板电极上接入相同的射频和直流电压，在离子阱内产生了四极场，实现对离子质量的分析。矩形离子阱解决了线性离子阱电极加工难度高的问题，但是由于矩形离子阱的平板电极形状和双曲面差距较大，导致其内部除了四极场外，还有很多不可忽视的高阶场，比如八极场、十极场、十二极场、二十极场等，这会导致离子阱运动的不确定性，影响离子阱的质量分辨。

早期的场理论研究认为高阶场的引入会破坏四极质量分析器的分辨率，但根据最新的研究成果表明，适当的引入一些高级场的成分，让其互相抵消或者比例平衡，可以有效改善四极质量分析器的分辨率。美国专利6897438B2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，在四极场中引入八极场，改善质量分辨率。该专利之给出了四极场中引入八极场的一种方法，即改变杆半径或场半径，并为给出适用于引入其他高阶场的实现方法。而且，现有的线性离子阱都是关于其x、y方向轴对称的，所以在离子逐出的两个方向上逐出离子的概率是相等的，即理论上单侧逐出效率最大为50％，而实际使用中由于其他因素的影响，实际上能达到的单侧逐出效率最大为30％～40％。

综上所述，线性离子阱解决了三维离子阱离子储存个数少、捕获效率低的问题，但是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，这些会限制小型便携离子阱质量分析器的进一步发展。已有的专利成果仅针对八极场引入，并为对其他高阶场提供可行的解决方案，而且已有的均为对称的线性离子阱，离子在逐出方向上理论的单侧逐出概率最大为50％。因此，探索一种可有效地在四极场中引入适当比例的多极场、理论单侧捕获效率大于50％、实际单侧捕获效率大于40％、易于加工、成本较低的线性离子阱质量分析器，将有力推动小型便携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、具有优化四极场场型、理论单侧逐出效率大于50％、实际单侧逐出效率大于40％的大容量线性离子阱质量分析器。