[发明专利]一种折线形杆状电极线形离子阱

说明书

技术领域

本发明属于质谱仪器和分析技术领域，具体涉及一种用于离子存储和离子质量分析的实验系统。

背景技术

质谱分析是一种测量离子质荷比（质量-电荷比）的分析方法，其基本原理是使待测样品中的各组分在离子源中发生电离，生成不同质荷比带电荷的离子，经加速电场或者离子导引的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，利用电场或磁场完成质量分析过程，得到质谱图，从而确定其质量数。质谱分析所使用的质谱仪是一种用于分析物质样品中各种化学成分，含量和分子结构的科学仪器，其具有很高的灵敏度和在分析物鉴定上的特异性，因此被广泛地应用于科学研究、医学卫生、环境科学、食品安全、生物医学等各个领域。质谱仪的结构一般包括有真空系统、进样装置和分离装置、离子源、离子光学系统、质谱分析组件、离子检测和数据处理系统。目前常用质谱仪包括很多种，根据所采用的质量分析器的不同，主要有磁质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪、飞行时间质谱仪、轨道离子阱质谱仪等。在这些仪器中，离子阱质量分析器拥有其独特的优势：体积小、结构简单、可以在较高的气压下工作以及一个分析器完成碰撞诱导解离和串级质谱的能力。

最早的离子阱是上世纪50年代德国波恩大学的Paul等人提出的，也被称为Paul阱。这个装置是由3个电极组成，包括2个端盖电极和1个环电极，电极的工作面都是双曲面，由于其结构上存在z 轴的旋转对称性，所以也被称为三维离子阱。在一个三维离子阱中，离子通过端盖电极的进样小孔引入离子阱，在离子穿过小孔进入离子阱的这个过程中需要通过一个震荡的四极电场，这个四极电场的存在也导致了离子引入效率的降低。三维离子阱中离子的存储模式是集中在中心的一个点位置，在四极电场的作用下所有进入三维离子阱的离子都会向着中心点靠拢，导致离子在中心聚集，造成离子之间的巨大的库仑力相互作用，而且在三维离子阱工作过程中，如果想要得到一张高分辨率的谱图，必须要保证在进行质量扫描之前在离子阱内的总电子数目少于数百个，这些因素都导致了三维离子阱的低离子电荷容量以及低离子存储效率。为了解决三维离子阱的这些问题，人们提出了线性离子阱的概念。线性离子阱是一种二维离子阱，其电压的施加方式为在径向电极上施加射频电压，实现二维径向的射频束缚，轴向上施加直流电压，形成直流束缚势阱。这种二维的射频施加方式在径向上束缚了粒子运动，显著的提高了电子云的储存体积，使得离子在阱内从中心的点排列变成了轴向的线排列，显著的提高了离子存储量和存储效率，极大的减小了空间电荷效应。对于线性离子阱来说，在电极的两侧它具有一个开放式的进样入口，而通常来说这个进样入口位于阱电极两端的中心位置，这个位置是离子阱内部四极电场强度最弱的位置，这就使得离子在进入阱的过程中完全不受到影响，离子从外部进入阱的效率可以接近100%。

现代离子阱理论是在理想纯四极电场的基础上建立的，而理想四极电场的实现是需要在无限延伸的一对双曲面电极的中心工作区间内产生的，但任何实际应用过程的离子阱（包括双曲面三维离子阱和双曲面电极的线性离子阱）和四极滤质器中都不可能完成纯四极电场分布，因为存在离子引入的端盖小孔，或者是由于电极本身长度的问题，在边缘位置必然会产生场形的扭曲，因而除了四极场之外，其中必然含有少量成分的高阶场，为了解决这些高阶场成分对质量分析带来的影响，调整离子阱以及四极滤质器的几何结构和尺寸成为了一个可行的办法，例如Thermo Finnigan推出的三维离子阱中就存在拉伸结构来弥补端盖小孔带来的场畸变。目前通过研究优化离子阱以及四极滤质器的几何结构和尺寸来提高分析性能是目前四极质谱领域的一个热点。

目前商用的双曲面三维离子阱和双曲面电极线性离子阱由于其双曲面电极结构的加工和组装精度要求较高，所以开发电极结构简单、便于组装的离子阱是很多研究的重点。离子阱质量分析器的分析性能是由离子阱内部的电场所决定的，而离子阱内部的电场分布则直接由离子阱的几何结构和尺寸决定，电极结构的简化必然会带来大量高阶场成分的引入。普渡大学的Cooks教授开发了一种用平板电极代替了双曲面电极的矩形线性离子阱（RIT）。相比较而言，这种RIT的平板电极是由6个平板电极组成，结构简单，易于加工组装。实验也证明了RIT可以有效的继承线性离子阱的高电荷容量以及高存储效率的优点，但是由于平板电极的使用，阱内引入了大量的高阶场成分，这也导致了RIT的分辨率比较低。这些简化的电极结构都会带来内部电场结构的扭曲，随之带来了高阶场成分的引入，这些都会导致离子阱的质量分析性能的下降。