离子阱分析器以及离子阱质谱分析方法技术

本发明专利技术涉及一种离子阱分析器以及离子阱质谱分析方法，包括由多个电极围成的离子囚禁空间，至少一部分电极上施加有高频电压，用以在该囚禁空间中产生以二次场为主的囚禁电场。该装置在至少一个远离阱中央的方向上设有离子引出口，并在离子引出口一侧最靠近引出口的电极部分上叠加用于共振激发离子运动幅度的交变电压信号，而在其余至少一部分位于此方向的电极部分上并不附加与此交变电压幅度与相位相同的电压信号。通过该方法，或进一步在所述该方向其余电极部分附加与此交变电压反相的电压信号，可限制该激发交变电压信号引发的交变电场的取向性，从而提升离子阱的共振逐出效率，并减少离子运动中在逐出方向与非逐出方向上的运动耦合性，提高离子阱作为质量分析器的选择性。

【技术实现步骤摘要】
离子阱分析器以及离子阱质谱分析方法
本专利技术涉及到用离子阱来对离子进行质谱分析的技术，尤其涉及一种经辅助激发电场优化的离子阱分析器。
技术介绍
作为现代质谱技术的重要组成部分，自Paul在1953年专利技术三维四极离子阱技术以来，离子阱及相关质谱技术以其能长时间束缚大批待测离子，并在短时间内逐出产生浓集效应的特性，被广泛运用于痕量物质定性定量检测，基于碎片解离谱的物质结构信息检测，以及作为其他高分辨率脉冲式离子质量分析器的离子流调制装置等。而对于离子阱装置自身的发展史，作为其中最重要的一项专利技术，偶极共振辅助激发模式的引入对于离子阱质量分析器的质量分辨性能提高具有着决定性的作用。该方法通过在原有离子阱束缚电场中叠加偶极电场组分提高了离子出射时的取向性，并通过离子固有运动频率中的整体运动频率即久期运动频率与激发电场频率的共振，使得目标离子在质量不稳定扫描过程中短时间内运动幅度迅速上升，减少了出射延时及随之带来的与中性分子的随机性碰撞，相对于此前的仅利用射频束缚电场内离子稳定性条件的边界逐出模式，同时大大提升了离子的逐出效率与质量分辨能力。该方法已成为目前离子阱类商用分析仪器必备的基础技术。偶极共振激发模式被正式引入商业化仪器应用开始于1980年代末，如图1a所示，1988年Finnigan公司的Syka等人在美国专利中提出对于包含一个环电极101和一对端盖电极102,103的三维旋转离子阱，可在环电极101上施加射频电压V104以产生四极场在径向R和轴向Z两个维度禁锢离子，并在两个端盖之间施加一个偶极交变电压V105以激发离子，并有选择地排出离子，达到质量扫描的目的。该电压也可以作为使离子在该交变电压的施加方向，即Z方向上激发其运动幅度的手段，使得其与离子阱内的中性其他分子碰撞而产生碎裂而得到其碎片离子。而在此之前，偶极激发模式已被提出用于扩展离子阱的分析质荷比范围。由于在偶极激发模式下，离子出射时的所要求的beta值，即其久期运动频率的两倍与束缚射频电压频率之比可小于1，因此相同质荷比的离子在该模式下逐出离子阱时的所谓q参数也较小。在电压扫描模式下，较小的q参数所对应的离子束缚电压也较小，因此在同样的射频幅度扫描参数下，可以获得更大的质荷比扫描范围。作为对三维离子阱储存容量的改进，人们还提出了二维线形离子阱，这种离子阱结构仍用射频电压作为束缚电压，如图1b所示，其具有X与Y方向(两对主电极11，12，其上通过射频电源14施加互为反相的驱动高频电压14.1,14.2，形成径向囚禁电场。离子通常沿Z轴从一端引入，并被该电场囚禁在X与Y轴两对电极之间的线型区域。离子在轴向的束缚可以靠施加较高电位的端电极结构，或将该主电极沿轴向分割为多个区段，在区段间附加直流束缚偏置电压来实现。二维线型离子阱的偶极共振激发模式，通常是通过在离子阱的X方向再叠加一个偶极激发电压来实现的，该电压一般其发生电源15通过耦合变压器13被叠加到整个X向的一侧主电极11.1上，而在另一侧的主电极11.2上叠加与主电极11.1上反相的偶极激发电压，这样就可以使离子按其质量有选择地被共振激发，进而从X方向的电极中的狭缝13中出射，被安装在X方向的电极一侧的离子探测器检测到，实现质量扫描。共振偶极激发模式不但适用于四极射频离子阱，也适合于采用静电场束缚离子的四极离子阱，例如采用四极静电场与静磁场共同束缚离子的潘宁离子阱，以及最近被商业化，运用四极对数场束缚离子的轨道离子阱上。这些不同离子阱的共同特点是，在离子激发或逐出方向X上，离子所受到的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久期频率与共振幅度无关。因此，在该方向上附加频率与特定离子阱久期频率一致的激发交变电场，即可使离子发生运动幅度的共振激发过程。对于各种四极离子阱的离子逐出过程，引出小孔附近的边缘场对离子出射的时间同一性都会造成负面影响。通常这种影响可以用负高阶场表示。即当阱内空间赝势的谐函数级数展开ΣAnRe(x+yi)n来表示时，n值较高时(如n>5)的An项为负值，其中x为离子逐出方向，y为该逐出方向正交方向。在该展开式中A2项为四极场成分，An项为2n极场成分。对于理想四极离子阱，在逐出方向上的谐函数展开只包括A2项，因此该方向离子束缚电位场V(x)本质为二次电场V(x)＝A2x2。由于引出口的存在可视为离子引出方向上射频束缚电极的一种结构缺失，在离子逐出方向上离子将受到负高阶场对离子运动的影响，造成同种质荷比的离子的出射同时性发生破坏。这种破坏的最主要原因是，离子在其振动幅度变大时，负高阶场存在使得离子感受到的回复力较简谐势阱为低，使其共振频率会发生红移，并使离子运动发生共振失谐。多年来，人们主要通过不断完善束缚电场的场形来改进离子阱的工作性能。这种对束缚电场的场型改变的最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，例如河藤在美国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。束缚电场的改进也可以通过将原有约束电极用多个分立电极部分，并在这些电极部分上附加不同幅度的束缚电压来实现。对于三维离子阱，在美国5468958号专利中专利技术人设计了一种多个环电极结构，如图2a所示，多个环电极上施加不同比例的射频束缚电压，通过分压电容网络调节射频电压的比例，可以在实验过程中，根据需要来优化场形。类似的，对于线形离子阱，中国专利CN1585081中，丁传凡设计了一种用印刷电路板围成的线形离子阱，该结构，如图2b所示，包括多个分立可调的电极条带图案，采用分压电容-电阻网络调节这些电极图案间的束缚射频电压和束缚直流电压。用类似的方法，如李刚强等人美国专利US7755040中指出的那样，也可用于构建如图2c所示的轴向二次场静电离子阱。此外，也可以通过附加修正电极来实现对束缚电场的调节，例如美国7279681号专利中提出将一个修正电极镶嵌在端盖电极上，通过调节修正电极的上的电压幅度在逐出孔附近的小范围里优化场形。类似的在美国6608303号专利中提出了改变附加在引出口处修正电极的射频电压相位，来优化引出孔附近的电场缺陷。但是以上所有电场修正技术中，都要依赖电压能够被精确控制的束缚高压电源的调节。这种高压电源可以是一般所指的射频(RF)谐振电源，也可以是数字离子阱所采用的高频开关电源，或者，对于静电离子阱还可以是直流电源。无论如何，附加的高压电源增加了仪器的复杂性。尤其是当这些高压电源被希望分立调节时，其电路都更为复杂。
技术实现思路
与上述在先技术不同，本专利技术的目的是通过对激发电压所形成的激发电场做场型修正，其主要方法是通过限制交变激发电压的附加范围，使其主要附加在引出口方向的约束电极的引出口附近部分。而对于该方向的其他电极部分，并不附加与该交变激发电压同相的共振激发电压信号，因此，此激发电压的幅度在离子引出口附近迅速增强，使得离子运动幅度已足够大的离子在接近离子阱引出口时直接加速共振出射，而并不由于引出口附近的负高阶场共振失谐而发生运动幅度缩减发生随机的出射延时，因此提高了运用本专利技术技术的离子阱质量分析器的质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子阱分析器，其特征在于，包括多个约束电极，所述多个约束电极围成作为离子阱的离子囚禁空间，其中，对所述多个约束电极中的至少一个约束电极施加束缚电压，以在所述离子阱中产生囚禁电场，在所述离子囚禁空间的边界上设置有至少一个离子引出口，所述离子引出口决定离子引出方向，与所述离子引出口同侧的约束电极在与所述离子引出方向垂直的方向上被分为多个电极部分，在产生所述囚禁电场期间的至少一部分时间段内，对所述多个电极部分叠加相位相同的交变束缚电压，或者对所述多个电极部分叠加直流束缚电压，用以在所述离子引出方向上形成呈基本二次性的束缚电场；其中，对所述多个电极部分中的最靠近所述离子引出口的第一电极部分叠加其幅度小于等于所述束缚电压的绝对值的最大值的交变电压信号，以共振激发选择离子的运动幅度；对所述多个电极部分中的所述第一电极部分以外的第二电极部分不施加与所述交变电压信号相位相同的电压信号。

【技术特征摘要】
1.一种离子阱分析器，其特征在于，包括多个约束电极，所述多个约束电极围成作为离子阱的离子囚禁空间，其中，对所述多个约束电极中的至少一个约束电极施加束缚电压，以在所述离子阱中产生囚禁电场，在所述离子囚禁空间的边界上设置有至少一个离子引出口，所述离子引出口决定离子引出方向，与所述离子引出口同侧的约束电极在与所述离子引出方向垂直的方向上被分为多个电极部分，在产生所述囚禁电场期间的至少一部分时间段内，对所述多个电极部分叠加相位相同的交变束缚电压，或者对所述多个电极部分叠加直流束缚电压，用以在所述离子引出方向上形成呈基本二次性的束缚电场；其中，对所述多个电极部分中的最靠近所述离子引出口的第一电极部分叠加其幅度小于等于所述束缚电压的绝对值的最大值的交变电压信号，以共振激发选择离子的运动幅度；对所述多个电极部分中的所述第一电极部分以外的第二电极部分不施加与所述交变电压信号相位相同的电压信号，对所述第二电极部分中的至少一个电极叠加与所述交变电压信号反相的交变电压信号。2.如权利要求1所述的离子阱分析器，其特征在于，对所述第一电极部分叠加所述交变束缚电压，对所述第二电极部分叠加与所述交变束缚电压相位相同的束缚电压。3.如权利要求1所述的离子阱分析器，其特征在于，其进一步具有电源，所述电源对在所述第一电极部分的基本相对方向上、且位于所述离子引出口异侧的另一约束电极施加与所述交变电压信号反相的交变电压信号，以在所述离子引出口的正方向和反方向上产生偶极交变激发电场。4.如权利要求1所述的离子阱分析器，其特征在于，其进一步具有电源，所述电源对在所述第一电极部分的基本相对方向上、且位于所述离子引出口异侧的另一约束电极施加与所述交变电压信号同相的交变电压信号，以在所述离子引出口的正方向和反方向上产生四极交变激发电场。5.如权利要求1-4的任一项所述的离子阱分析器，其特征在于，所述的离子阱分析器是所述束缚电场为二维四极束缚电场的线型离子阱。6.如权利要求5所述的离子阱分析器，其特征在于，所述离子引出口包含在垂直于所述二维四极束缚电场的轴线方向上的引出槽。7.如权利要求5所述的离子阱分析器，其特征在于，所述离子引出口包含在所述二维四极束缚电场的轴线方向的至少一方上的离子引出口。8.如权利要求1-4中任一项所述的离子阱分析器，其特征在于，所述离子阱分析器是所述束缚电场为一维二次束缚电场的静电离子阱。9.如权利要求1-4中任一项所述的离子阱分析器，其特征在于，所述离子阱分析器是所述束缚电场为旋转四极电场的三维离子阱。10.如权利要求1-4中任一项所述的离子阱分析器，其特征在于，进一步包括公共电源单元，所述公共电源单元对在所述离子引出口方向上的所述第一电极部分和所述第二电极部分施加公共电压信号。11.如权利要求10所述的离子阱分...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋公羽，孙文剑，
申请(专利权)人：株式会社岛津制作所，
类型：发明
国别省市：