含有高階場成分的離子阱質譜系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于質量分析技術領域，具體涉及一種離子阱質譜系統。
【背景技術】
[0002]質譜儀是目前分析測試領域中最重要的分析科學儀器之一，廣泛應用于現代科學研究和生產活動中，在生命科學、食品安全、環境污染檢測、國防安全、航空航天、醫學等各種微量或痕量物質檢測領域中發揮著不可或缺的作用，已成為現代科技發展和日常生活中不可缺少的分析工具。
[0003]離子阱質譜儀是眾多質譜儀中的一種，它具有結構簡單、體積小、易加工等優點。離子阱質譜儀的核心關鍵部件是離子阱質量分析器，離子阱質量分析器是目前可以在單一的質量分析器中同時實現離子存儲和串級質譜分析功能，可以同時獲得更多被測樣品成分組成和分子結構的多重信息。此外，離子阱質量分析器由于同時具有離子存儲和串級質譜分析功能等優勢，常常與飛行時間質譜，四極桿質譜，軌道離子阱質譜等其他類型的質譜組合成為功能更為強大的復雜質譜儀器系統，獲得更多的樣品信息。
[0004]四極離子阱質量分析器和四極桿質量分析器雖然都工作在完全相同的四極場理論基礎上。理想的純四極電場通過雙曲面電極系統來實現，比如三維離子阱和雙曲面四極桿，但雙曲面電極的精度加工與裝配相當困難。在文獻Dayton, P.H.; et.al.Rev.Scientific Instruments，1954，25:485中提出在四極桿質量分析器系統中，通過理論計算表明用圓柱電極桿代替雙曲面電極桿，當圓柱電極桿的半徑r是場半徑rQ的1.148時，可獲得近乎完美的四極場分布，四極桿質量分析器性能最好，這個數值已被商業公司廣泛采用。
[0005]用圓柱形代替傳統的雙曲面形電極，由于電極形狀的改變以及電極加工精度及組裝誤差，在四極桿系統中高階場產生是不可避免的。而在離子質量分析器中，專利號為WO9747025-A 的專利和文章 James ff.Hager, A new I inear 1n trap massspectrometer (Rapid Commun.Mass Spectrom.2002,16:512-526)中公開的一種線形離子阱質譜儀和專利號US6838666B2中提到的矩形離子阱質量分析器，采用的是圓柱電極和矩形電極取代雙曲面電極，在這些電極改進的過程中，降低了加工難度，但同時不可避免的同樣引入了高階場成分。而這些高階場成分的多少是直接影響四極質量分析器的質量分辨能力。
[0006]在早期的電場研究結構認為高階場的引入會影響質量分辨率，在近些年的研究結果表明，引入適當的高階場分量，如六極場(A3)、八極場(A4)、十極場(A5)、十二極場(A6)等，通過激發相應的高階場非線性共振運動可有效改善四極質量分析器的質量分辨率，在美國專利US6897438B2和文獻Sudakov，M.; Douglas，D.J.; Rapid Commun.MassSpectrom.2003, 17，2290-2294.和文獻Ding，C.F.;Kononkov,N.V.; Douglas ,D.J.Rapid Commun.Mass spectrom.2003, 17，2495-2502都講述了通過改變四極桿系統中兩對電極桿的桿半徑的比例(Ry/Rx)或場半徑Ro與電極桿的比例關系，即可在四極場中引入一定量的八極場分量，通過實驗表明這些方案引入的八極場可有效的改善四極桿的質量分辨。另外在美國專利US7141789B2中是通過改變四極桿系統中一對極桿的圓周上的角度，從而引入較為顯著的六極場分量。
[0007]在四極離子阱質量分析器中，采用非雙曲面電極取代雙曲面電極結構的離子阱質量分析器，內部電場以四極電場為主，同時還含有其他高階場成分，而這些高階場成分是無序的引入，會直接影響到離子阱質量分析器的分析性能，通過理論研究表明，在離子阱質量分析器中，引入特定的高階場成分，可以有效的提高離子阱質量分析器分析性能，在四極質量分析中，高階場成分是無法避免的，將高階場成分的引入，變成提高四極質量分析器分析性能的關鍵因素，是具有重要的科學價值。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提出一種離子阱質量分辨、離子引出效率高，加工方便，生產成本低的含有高階場成分的離子阱質譜系統。
[0009]本發明提供的含有高階場成分的離子阱質譜系統，是用于產生以四極場為主，同時含有八極場、十二極場、十六極場等其他高階場電場成份的離子阱質譜系統。其主要通過改變離子阱系統的X方向和Y方向的圓弧電極比例及與場半徑的比例，實現離子阱系統內部電場成分的變化，從而優化離子阱電極結構，提高離子阱質量分辨、離子引出效率，及低質量數截止值(Low mass cut off, LMCO)的優化，而且結構易加工，生產成本低。
[0010]本發明提出的含有高階場成分的離子阱質譜系統，具體由X、Y、Z三個方向上的三對電極構成，并合圍成近似于長方體的空間立體結構。設離子引入的方向為Z方向，Z方向上的一對電極為平面電極，X方向和Y方向的電極結構為圓弧形桿狀電極，在4根桿狀電極中至少一根桿狀電極的橫截面上加工有小孔，用于離子引出。Χ、Υ、Ζ三個方向的各個電極之間存在空隙或以電絕緣材料隔開，以保持相互之間的電絕緣狀態。X和Y方向上的兩對電極所在的ZX平面和ZY平面在徑向上圍成離子的束縛空間，其電極上施加的射頻(Rad1Frequency, RF)電壓，對講中的離子實現徑向上的束縛。Z方向上一對電極上開有小孔，用于離子引入，在該電極上施加直流電壓，在軸向上將離子束縛在阱中。
[0011]X方向和Y方向的圓弧電極的表面到中心軸的最小距離即場半徑Ro相等。
[0012]本發明中，構成離子阱的X方向和Y方向的電極結構為圓弧形桿狀結構，即它們的截面為一個圓的一部分。所述的X方向一對圓弧電極，其圓弧半徑完全相等，記為Rx，所述的Y方向的一對圓弧電極，其圓弧半徑完全相等，記為Ry，且Ry>RX。
[0013]本發明中，離子阱系統場半徑就是離子阱系統各個電極的邊緣到中心軸的最小距離即Ro相等。所述的X方向上的圓弧形，其圓弧電極的半徑Rx與四根X方向和Y方向上的電極所合圍而成的電場場半Ro關系為:Rx=Ro。
[0014]本發明利用在加載在X或Y方向電極上的一個偶極電壓對離子進行共振逐出，實現離子的質量分析。通過調節X方向和Y方向圓弧電極的圓弧半徑的大小比例關系，實現高階場成分的引入，使整個離子阱系統內部電場中包括四極場A2、八極場A4、十二極場A6、十六極場As、二十極場Aiq等多極場分布，達到離子阱系統的分析性能優化。
[0015]本發明中，所述的高階場成分分布中，八極場A4的含量在四極場A2的-5%~ 5%之間。
[0016]本發明中，所述的高階場成分分布中，十二極場A6的含量在四極場A2的-1.5%?1.5%之間。
[0017]本發明中，所述的高階場成分分布中，十六極場As的含量在四極場A2的-0.1% ~0.1%之間。
[0018]本發明中，所述的高階場成分，在X方向電極加載偶極激發電壓，使得離子被激發從X方向電極的小孔中被逐出離子阱并被設置在電極外的離子檢測器檢測到。在這種情況下，所述的離子阱內部電場中的八極場為正八極場。
[0019]本發明中，所述的高階場成分，在Y方向電極加載偶極激發電壓，使得離子被激發從Y方向電極的小孔中被逐出離子阱并被設置在電極外的離子檢測器檢測到。在這種情況下，所述的離子阱內部電場八極場為負八極場。
[0020]本發明中，所述的高階場離子阱，其離子彈出的方法可以是共振激發彈出，也可以邊界激發彈出或Z方向軸向彈出，其離子彈出方法不受限定。
[0021]本發明中，所述的離子阱電極可以是金屬材料，也可以是非金屬材料鍍金屬膜制作加工。
[0022]本發明中，所述的驅動離子阱的射頻工作電源，為正弦波電壓、數字方波電壓、或三角波形電壓。
[0023]本發明中，所述的高階場離子阱，它可以作為離子阱質量分析器使用，也可以作為離子存儲裝置使用。并且它可以單獨作為一個儀器使用，也可以與其他儀器裝置，如四極桿質譜、飛行時間質譜、軌道離子阱質譜等結合起來組成一個較為復雜的儀器使用。
[0024]在目前已檢索的專利文獻中，主要報道了四極桿中高階場成分的影響，還未見到在離子阱質量分析器中引入相對顯著的八極場、十二極場分量的具體實現方法及相應的離子阱質量分析器系統。而采用本發明所述的離子阱結構，離子從離子阱的徑向彈出，通過調節X方向和Y方向圓弧電極的大小比例關系，能夠有效地在離子阱內產生以四極電場為主并引入相對顯著的八極場和十二極場分量電勢分布。理論研究和實驗結果表明，通過本發明中的離子阱結構，引入的一定量的八極場和十二極場是有助于提高離子阱的分析性能，同時該結構易加工與裝配，更容易實現。
【附圖說明】
[0025]圖1為可調節高階場成分的離子阱結構示意圖。
[0026]圖2為不同電極比例下的從X電極方向彈射離子時高階場成分含量分布圖。
[0027]圖3為不同電極比例下的從Y電極方向彈射離子時高階場成分含量分布圖。
[0028]圖4為離子阱儀器實驗工作平臺示意圖。
[0029]圖5為離子從X方向彈出時的數字方波電壓加載方式驅動示意圖。
[0030]圖6為離子阱高階場成分對質量分辨率實驗結果，樣品采用利血平(m/z=609)。
[0031]圖7為離子阱高階