[发明专利]四极质量分析器及质量分析方法

说明书

本发明的四极质量分析器对四极杆系统的稳定带形成方式进行了优化，便于离子通过和阻挡多余离子，从而在离子传输效率不降低的情况下提升质量分辨。本发明的方案中避免了前述现有技术中对离子两方向共振频率控制中需要的高频交流信号的叠加，可有效减少快速射频电路中带宽限制所导致的射频电压非线性畸变引起四极杆的工作性能降低风险。同时，由于降低了所需各种交流激发信号的极限带宽，四极质谱所需的离子控制电场的扫描速度也可以更快速的控制。有利于获得高速的四极扫描质谱性能。

技术领域

本发明涉及质量分析领域，尤其涉及四极质量分析器及质量分析方法。

背景技术

四极质量分析器是目前使用最广泛的质谱分析器系统，其原型产生于上世纪50年代，由诺贝尔奖获得者Paul等人发明的一项很成熟的技术和方法，例如，在原始美国专利U.S.Pat.No.2,939,952中，将四根双曲或圆杆电极平行于离子光学系统对称放置，将其中相对称的二个电极杆分别两两相连，将输出互为反相的四极直流和射频电压附加其上。其中一对电极附加为V(t)＝+(U+VCosΩt)的含时交变电压，而另外一对电极附加为-V(t)＝-(U+VCosΩt)的反相交变电压，此处U代表直流电压，V-为交流电压，Ω-为RF电源的角频率。当所配置的四极射频电压和四极直流电压比例合适时，特定质荷比Mz的离子能稳定通过此四极系统，低于此数值的离子倾向于在一对电极上丢失，而高于此数值的离子倾向于在另一对电极上丢失，此工作模式下，四极系统可视为能选择性滤过某一特定质量离子的过滤器，因此其又被称为四极滤质器。

对于通常质谱系统所分析的质量数为1～100,000的离子，采用工作频率为0.2～10MHz的射频电压作为上述的交流电压是比较合适的。通常注入四极滤质器的离子能量为几至几十电子伏特，离子在通过长度为数百毫米的四极杆时，会经历大约数十至数百的射频周期。在射频电压的作用下，离子在两对极杆各自的方向上做周期振荡运动，运动的稳定性决定了传输离子的质荷比范围。通常，四极杆及其所使用的工作电源应该使得四极杆中心区域所产生的电场尽量接近于纯的四极电场分布，如下式所示：

这里r₀为四极杆表面到中心对称轴的最小距离，也称之为四极杆电极系统的电场半径。离子在四极系统中受力的情况可由电场的微分式决定。对于纯四极场，x和y两方向的离子运动是互不相关的，通过求解离子的牛顿运动式-马修(Mathieu)式，可以得到二个重要的无量纲参数如下：

此处M和e分别表示离子额度质量和电荷。

四极质量分析器的工作过程包括以下步骤：

让离子源产生的离子由沿着四极杆的轴向进入四极杆质量分析系统；

加载具有交流V和直流U成分的射频RF电源至四极杆电极上；

保持直流U交流V的比值略低于λ₁＝a₁/2q₁＝0.167852；

逐渐升高U和V的值并保持其比值不变，测定通过四极杆电极系统的离子。

记录离子信号强度于对应的RF电压V的关系，根据下列公式(3)即可得到所需要的质谱图。

如图1所示，展示现有技术中四极杆电极系统的结构示意图及其电源连接方式示意图。

马修式描述了离子在四极场的复杂运动轨迹，离子的这些运动轨迹又可分为稳定和不稳定的二种。离子在四极杆系统中的稳定运动是指离子的运动范围半径小于四极杆电极系统的场半径(r₀)，即离子在整个四极电极系统中的运动都不会导致它们碰到四极杆上而消失。离子在四极场中的稳定或不稳定可以在以a，q为坐标的二维“稳定图”中表示出来。离子的稳定运动是指离子在X和Y方向上的运动都稳定。数学上，离子可以有很多个稳定区域，最常用的稳定区为第一稳定区，如图2所示。