离子质量过滤器及过滤方法技术

一种离子质量过滤器及过滤方法，其包括呈四边形排列以形成供离子运动的空间的４根导电杆体，当在所述４根导电杆体中的组成所述四边形一组对边的２根导电杆体连接可提供直流偏置电场的第一电源，在形成另一组对边的２根导电杆体连接可提供极性相反的两种高压电场的第二电源，由控制模块控制所述两种高压电场的交替施加在相应２根导电杆体上的频率即可在所述４根导电杆体形成的空间中产生四极电场，通过改变所述频率可实现离子质量扫描，由于离子质量数与扫描频率成反比，降低频率扫描即可改善四极式质谱仪对大质量数离子的分析能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
四极式质谱仪的历史可追溯到20世纪50年代。1952年末，加速器物理研究领域中，Brookhawen国立实验室的Courant等人发现利用2个四极磁场交替压缩质子束的强聚焦，德国Bonn大学物理系教授Wolfgang Paul等人据此提出了利用射频四极电场过滤离子的原理，并用实验加以验证，从而诞生了四极式质谱仪。1953年，Paul等人申请了德国专利，并在五十年代完成了四极式质谱仪的大部分奠基工作。20世纪六七十年代是四极式质谱仪发展的鼎盛时期，其中最引人注目的是Brubaker所进行的一系列创新研究和设计。60年代末，四极式质谱仪由基础研究阶段逐渐过渡到商业生产阶段，在产业化模式运作下，四极式质谱仪技术获得了迅速的发展和推广。1965年，联邦德国的Varian MAT公司生产了第一台商业四极式质谱仪AMP-3。美国的惠普公司，联邦德国的Varian MAT，日本的ULVAC等都是最早开始四极式质谱仪商业化生产的公司。四极式质谱仪的原理是利用随时间变化的电场对不同质荷比的离子进行选择。常规四极式质谱仪所采用的驱动电压波形如图1所示，即x方向和y方向的电压相位相差180度，通常在相对的一组电极杆上施加同样的电压，而相邻的电极杆上的电压极性相反，如图2所示，x方向电极杆2和3的电压与y方向电极杆1和4的电压极性相反。理想情况下，电极杆的形状是双曲面，请参见图3，但由于圆杆电极的加工较之双曲面来说要简单很多，因此在实际应用中更多的是用圆杆电极代替双曲面电极。当圆杆电极半径r杆与场半径r0满足式公式[1]关系时，圆杆电极间的电场与理想四极电场最为近似。请参见图4，其为圆杆电极半径r杆与场半径r0满足式公式1关系时，圆杆电极间电场与双曲面电极间电场吻合程度。从图中可以看出，在四根极杆间的空间内，两种电极所形成的电场等势线非常吻合，仅仅是在相邻极杆之间空间内的等势线相差很大。幸运的是，离子的运动仅仅是在四根极杆杆间的空间内。如此看来，圆杆电极间的电场完全可以替代双曲面电极所形成的理想四极场。r＝1.1487·r0[1]离子在进入四极杆后，由于受到射频(RF) 电场和直流(DC)电场的作用会开始复杂的振荡运动。假设某一时刻，DC和RF保持恒定，如果离子的质量太低，这个离子被推离轴向，到达正极杆，而不会到达四极杆的出口。如果离子质量太高，趋于负极杆的振荡增加，直到离子撞击到负极杆或从四极杆的边缘被弹出去。只有特定质量的离子在四极杆内的振荡才会稳定，才能从四极杆的末端出射并被电子倍增器检测。这是因为离子进入四极杆后受到电极杆所形成的四极电场的作用做复杂的周期性运动，其运动轨迹与离子的质荷比有关系。离子的受力可由公式[2]表示x··+(2emr02)(U+Vcosωt)x=0y··-(2emr02)(U+Vcosωt)y=0mz··=0---[2]]]>令k=8eω2r02(U+Vcosωt),]]>其中k(ξ+T)＝k(ξ)，则公式[2]变为Fx=-kxFy=kyFz=0---[3]]]>从公式[3]可以看到，若k为正值时，离子在x方向上所受到的力就是回复力，即离子在x方向上的运动就可以看做是简谐振动，而在y方向上所受到的力却是随着位移的增加而增加，所以是振幅逐渐增加的振动。k为负值时，离子在x方向上的运动就是振幅逐渐增加的振动，而此时y方向上离子的运动则是简谐振动。由于φ0是交流电势，因此k值交替正负，这样就将离子的轨迹束缚在“稳定”状态。从上面的分析可知，通过不断的改变k值，而使得离子在x方向和y方向上不断的交替进行简谐振动，使得离子能够在xy平面内具有稳定的轨迹。常规正弦或余弦波周期电压信号驱动的四极式质谱仪是通过正弦或者余弦信号来改变k值。其对应的运动方程可由公式[4]表示d2udξ2+(au-2qucos2ξ)u=0---[4]]]>其中，au和qu分别是 au=ax=-ay=8eUmω2r02qu=qx=-qy=4eVmω2r02---[5]]]>公式[4]被称为马绍方程(Mathieu)的余弦形式。它的通解形式如公式[6]所示u=α′eμξΣn=-∞∞C2ne2inξ+α′′e-μξΣn=-∞∞C2ne-2inξ---[6]]]>式中，α′和α″式积分常数，它们决定于离子的初始条件，即初始位置 、初始速度ü和初始相位ξ0。C2n和μ则决定于a和q而不是决定于初始条件。所以离子运动的特性，尤其是离子运动的稳定性将取决于a值和q值而非初始条件。根据离子运动的稳定条件，可画出常规四极式质谱仪的稳定曲线，如图3所示。常规四极式质谱仪的质量扫描方式是电压扫描，在保证直流分量U和交流分量V的比例不变的前提下，同时改变直流分量U和交流分量V，实现质量扫描。理想情况下，对应于每组U和V值，都有唯一质量数的离子具有稳定的轨迹通过四极场，然后被检测器所检测，其他质量数的离子在四极场内由于轨迹不稳定而被损失掉。现有常规四极式质谱仪的驱动电路由变压器/LC振荡回路构成，工作频率固定。电容C由四极杆杆间电容和导线寄生电容决定，L由变压器电感决定，工作点范围600kHz～10MHz。由以下公式[7]可以看出，U=mω2r028e·ax=-mω2r028e·qyV=mω2r024e·qx=-mω2r024e·qy---[7]]]>在常规正弦或余弦波周期性电压信号驱动四极式质谱仪中，离子的质量数与直流分量和交流分量的电压值成正比，所以要使得具有更高质量数的离子能够被选择就必须增加扫描电压。由于扫描电压与质量数成正比关系制约了四极式质谱在大质量数物质分析中的使用，因此通常最大可检测的离子小于3000amu。而通过增加电压来实现选择离子存在有以下缺点1、过高的射频电压很难获得，而且过高地射频电压须配合有较高的真空度以防止放电，因而会导致技术难度的提高，再有过高的射频电压也会引起辐射而伤害到人体。2、无法实现扫频过滤因为四极式质谱仪高频电压是通过线圈LC谐振网络耦合到极杆上，受到谐振网络共振频率的限制，因此其工作频率只能是一个，这就使得想通过扫频来避免使用高压来实现大质量数离子过滤的功能变得难以现实。由上所述可见，常规正弦或余弦波电压信号驱动的四极式质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子质量过滤器，其特征在于包括：４根导电杆体，呈四边形排列以形成供离子运动的空间；第一电源，与所述４根导电杆体中的组成所述四边形一组对边的２根导电杆体相连接，用于提供直流偏置电场；第二电源，用于提供极性相反的两种高压电场；控制模块，分别与所述第二电源及所述４根导电杆体中的组成所述四边形另一组对边的２根导电杆体相连接，用于产生周期性控制信号控制所述第二电源提供的两种高压电场以使所述高压电场周期性交替施加在相应２根导电杆体上，进而在所述４根导电杆体形成的空间中产生四极电场。

【技术特征摘要】
1.一种离子质量过滤器，其特征在于包括4根导电杆体，呈四边形排列以形成供离子运动的空间；第一电源，与所述4根导电杆体中的组成所述四边形一组对边的2根导电杆体相连接，用于提供直流偏置电场；第二电源，用于提供极性相反的两种高压电场；控制模块，分别与所述第二电源及所述4根导电杆体中的组成所述四边形另一组对边的2根导电杆体相连接，用于产生周期性控制信号控制所述第二电源提供的两种高压电场以使所述高压电场周期性交替施加在相应2根导电杆体上，进而在所述4根导电杆体形成的空间中产生四极电场。2.如权利要求1所述的离子质量过滤器，其特征在于还包括质量调节控制模块，用于控制所述控制模块产生的控制信号的周期以间接控制被过滤的离子质量。3.如权利要求1所述的离子质量过滤器，其特征在于所述4根导电杆体呈双曲面形、圆柱形及矩形中的一种。4.如权利要求1所述的离子质量过滤器，其特征在于所述4根导电杆体呈圆柱形时，每一导电杆体的半径是所述四极电场半径的1.1487倍。5.如权利要求1所述的离子质量过滤器，其特征在于所述控制模块包括受控开关，分别与所述第二电源及相应2根...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐国宾，黄超，
申请(专利权)人：上海华质生物技术有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]