[发明专利]离子导引装置、方法及质谱仪

说明书

本发明提供的离子导引装置、方法及质谱仪，将围成离子传输通道的不同方位的各个电极组件中平行设置的一对设计为沿某一方向分布的多个分段电极，从而能分别施加直流电压以形成直流电势梯度分布，不仅可以提供轴向的驱动电场分量，还可以提供垂直于轴向的电场分量，来控制离子在离子传输通道内的运动，解决了现有四级杆装置中存在的分析速度低、离子入射能量限制以及装置结构简化和性能优化难以兼顾等问题。

技术领域

本发明涉及离子导引技术领域，特别是涉及离子导引装置、方法及质谱仪。

背景技术

众所周知，四极杆是当前各种商业质谱仪器使用最为广泛的一种离子光学装置。其电极结构极其简单，通常仅有两对平行的杆状电极间隔放置形成离子传输通道，通过在两对杆状电极上施加极性相反的射频电压Vrf以及直流电压Udc可在其内部产生四极场用于传输和筛选离子。在实际的应用中，调节射频电压Vrf和直流电压Udc的幅度、频率等，四极杆可用作质量分析、离子导引装置以及离子碰撞反应装置等各种离子光学装置。质量分析器是四极杆最早开始也是最为重要的应用。自1953年德国波恩大学的Wolfgang Paul教授等人提出了使用基于电场的四极杆用于分离不同质荷比的离子，相关装置和方法可参考美国专利US2939952。自此，四极杆逐渐成为质谱分析中使用最普遍的离子分离手段。时至今日，主流质谱仪器包括单四极杆、三重四极杆以及四极杆飞行时间等质谱仪器中，四极杆作为核心器件依然占有极其重要的地位，并拥有极大的应用市场。

如上所述，除了用作质量分析器之外，四极杆还广泛用作质谱仪器的离子导引装置，用于实现在不同气压区间的高效离子传输以及极其良好的离子束压缩效果。通常来说，当四极杆用作离子导引装置时，仅在两对杆状电极上施加极性相反的射频电压用于在径向上束缚离子，同时为了便于离子延轴向进入和离开四极杆，往往还在所有电极上施加相同的偏置电压Ubias，在入口和出口处建立轴向电势梯度。通常情况下，离子主要靠进入四极杆时获得的初始动能穿过四极杆。在气压比较低时，离子与中性气体分子发生碰撞的次数较少，离子动能损失也很小，因此可以较快速地通过四极杆。可是当气体上升时，由于频繁的离子分子碰撞造成的动能损失非常严重，所以仅靠离子的初始动能，离子需要很长时间甚至根本无法通过四极杆。这不仅会降低仪器的灵敏度，还会极大地影响分析速度。比如，在质谱仪进行正负极性交替切换的工作模式下，需要周期性地清空和填充离子，离子的飞行时间限制了仪器得到稳定输出的时间。

除了质量分析器和离子导引装置，离子碰撞/反应池也是四极杆非常重要的一个应用。离子碰撞/反应池主要是离子与分子进行碰撞解离或者与其他粒子反应的装置，并通过分析其产物离子，获得前体离子的结构信息或者是提高检测的选择性和灵敏度。

以离子碰撞解离为例，通常是将经过电场加速的离子送入充有碰撞气(氩气、氮气或氦气)并维持一定气压(1～2Pa)的离子碰撞池内，随后离子与气体分子碰撞使其部分动能转化为内能，引起某些化学键断裂，继而产生多个碎片离子。四极杆因其良好的离子聚焦能力经常被用作离子碰撞池。与普通的离子导引装置类似，为了加快离子通过离子碰撞池，提高分析速度，需要建立轴向电场驱动离子传输。在美国专利US7675031中，MichaelKnoicek等人提出了一种在四极杆相邻电极之间插入多个辅助电极的结构，并在辅助电极上施加轴向直流电势梯度，以此产生轴向电场驱动离子传输。同时，该专利中还公开了基于上述技术的弯曲结构。众所周知，弯曲的离子导引装置，包括弯曲的离子碰撞池，不仅有利于降低中性噪音的干扰，还便于仪器的整体设计，有效减小仪器的占地面积，因此很多商业仪器都使用了各式各样的弯曲的离子导引装置。

然而，为了提高离子的解离效率，离子的入射动能都很高，通常为几十到上百电子伏特。若离子碰撞池为弯曲的结构，入射进来的高速离子往往来不及被射频电压偏转而直接撞在电极上造成离子损失。而如果提高射频电压，又会缩窄可以通过的离子质量范围，使得产生的碎片离子难以通过。