[发明专利]一种离子控制和质量分析装置

说明书

本发明公开了一种离子控制和质量分析装置，是用于离子产生、传输和质量分析的装置。本发明可以直接在离子阱中产生离子，并利用在空间布置的导线电极来捕获并囚禁产生的离子，在把这些离子以极低的损耗直接传输到质量分析器。通过导线电极上的不同电压所产生的电场来激发并出射出不同质量的离子，从而获得不同质量离子的质谱。本发明结构小巧，方便移动和携带，检测效率高，灵敏度高，所需样品数量少，适用范围广。

技术领域

本发明涉及一种离子控制装置。特别涉及一种将不同质量的离子进行储存，传输和分析的装置。

背景技术

由于其快速，优异的识别能力，高灵敏度和高分辨率，质谱仪在现代分析化学中发挥着重要作用。然而，质谱仪的体积相对较大，其重量大、功耗高、制造和维护复杂等缺点妨碍了质谱仪得到更为广泛的应用。在公共安全，环境保护，生化分析和工业过程监测等应用领域，人们需要性能良好的小型便携式质谱分析仪。微型质谱仪是满足这些应用的最佳解决方案之一，因为它具有能够在现场部署的优势和卓越的识别未知化合物的能力。然而，目前的微型质谱技术尚不能满足上述这些应用中对探测灵敏度的要求。例如，目前用微型质谱仪检测爆炸性化合物的灵敏度为ppb级，而机场安全检查的要求需要达到ppt水平或更好。离子阱是实现小型化质谱仪的最佳方案之一，因为离子阱的尺寸紧凑，工作压力相对较高，并且具有实现多级串联质量分析(MSn)的独特能力。

按照结构来分，离子阱包括三维离子阱和二维线性离子阱。三维离子阱由一对环形电极(ring electrode)和两个呈双曲面形的端盖电极(end cap electrode)组成。三维离子阱最初是由Paul和Steinwedel在美国专利号2,939,952中披露的。在环形电极上加射频电压RF或再加直流电压DC，上下两个端盖电极接地。逐渐增大射频电压的最高值，离子进入不稳定区，由端盖极上的小孔排出。因此，当射频电压的最高值逐渐增高时，质荷比从小到大的离子逐次弹射到离子检测器并被记录而获得质谱图。在三维离子阱中，由于使用的空间有限，空间电荷效应明显，离子的存储容量受到限制，从而限制了质谱仪的分辨率和离子检测的线性范围，从而影响样品分析性能。

为了解决这些问题，美国专利No.6,797,950提出了二维离子阱，也称为线性离子阱，它非常类似于四极杆质谱仪，由两组双曲杆和两端的两个平板组成。在一组对角的双曲杆上施加交替的RF电压，而具有180度相位差的交流RF电压则施加到另一组对角的双曲杆电极上。同时，通过在一组对角的双曲杆电极上叠加另一个具有180°相位差的弱交变电压，就可以可以实现偶极共振辅助激励模式。该模式极大地提高了离子阱的离子出射效率和质量分辨率。

线性离子阱形成的电场中，在离子激发或逐出方向X上，离子所受到的该方向束缚电位分量函数V(x)＝Ax2，即在该方向为二次场，或称简谐势阱函数，离子在该方向上运动的震荡频率与共振幅度无关。

理想的二次电场通过双曲面电极系统来实现，但双曲面电极的精度加工与装配相当困难。此外，在实际制作过程中，由于双曲面电极上引出小孔或狭缝的存在导致电极无法产生完美的二次场。另外，双曲杆上的孔径不够大，因而会阻挡一部分离子的出射，限制了灵敏度的进一步增加。为克服电场的缺陷，多种离子阱设计方案被提出。较为直接方法是修改离子阱约束电极的边界结构，这些方法使逐出方向的约束电极在离子出口处相对突出，例如River Rat在美国6087658号专利中所提出的方案，以及使逐出方向的约束电极间距相对其理想四极场边界条件向外间距拉伸的方法。

为了克服上述缺点，人们做出许多的努力，用简化的电极来替代双曲杆电极，并追求可以令人接受的探测性能。美国专利6,838,666描述了线性离子阱质量分析器的系统和方法，离子阱由简单的长方形电极形成。