专利名称：一种可调节四极场中离子分布的装置和方法
—种可调节四极场中离子分布的装置和方法本发明涉及物理和离子质量分析仪器技术领域，具体是一种可调节四极场中离子分布的装置和方法。由四根杆状电极组成的四极杆电极系统具有多重功能，如四极质量分析器，或称四极滤质器，可给出离子的质荷比；四极离子导引，主要用于离子的定向传输和聚焦；线形离子阱，主要用于离子的存储和质量分析；离子碰撞解离池，主要用于离子的碰撞解离，以进行所述的串级质谱分析。当四极杆电极系统实现上述功能时，都必须在电极杆上施加一定的工作电压，SP射频电压，工作电压使得四根电极杆围成的中间区域即四极场区内产生以四极电场为主的 电场分布。通常施加在电极杆上的工作电压可以按照执行的功能变化，例如当它作为质量分析器使用时，加载在四极杆电极系统上的工作电压U同时包含有直流电压DC和射频电压RF成份；而当四极杆电极系统作为四极离子导引使用时，加载在四极滤质器上的工作电压只包含有射频电压RF成份；当四极杆电极系统作为线形离子阱使用时，加载在四极滤质器上的工作电压工作电压包含有射频电压RF成份，和其他交流电压成分，但不论使用哪一种功能，离子在四极杆电极和工作电压产生的电场作用下，主要分布在四极杆电极系统的中心轴线附近。根据库仑定律，极性相同的电荷之间存在相互推斥作用，且电荷之间相互作用力的大小与它们之间的距离的平方成反比，即电荷之间的距离越小，其相互作用力就越大，因此当一定量的电荷分布在四极杆系统的中心轴线附近时，它们之间的库仑相互作用往往会很强，并产生平常所述的空间电荷效应，很显然，空间电荷效应与分布在四极杆中间区域的电荷数有关，电荷数愈多，则空间电荷效应越强，而所述的空间电荷效应使得在质谱分析过程中至少会导致二个负面结果，其一，导致质量分析时质谱峰位置的移动和质量分辨能力的下降；其二，使得能够通过或储存在四极杆电极中的离子数有限，影响质谱分析的灵敏度。其次在四极杆电极的加工和组装过程中，可能产生一定的几何误差，如四极杆电极的准直性，杆直径的不一致性，组成四极杆电极系统四根电极之间的距离变化和平行度等，这些几何误差将会导致由四极杆电极所产生的电场中除四极场外，还分布如六极场，八极场，十极场，十二极场等高阶电场成分，这些高阶电场往往会导致四极杆电极系统的性能下降，如当四极杆电极系统作为离子质量分析器使用时，高阶电场成分往往会导致其质量分辨能力的下降等，如此便造成了测量结果的偏差，不够安全可靠。不论是空间电荷效应，还是高阶场效应引起的负面效应，都有可能通过调节四极杆电极系统中的电场分布，即通过调节电场分布对电场中的离子运动状态进行调节，以达到改善质谱性能的目的。[发明内容]本发明的目的就是为了解决现有技术中四极杆电极系统的空间电荷效应、高阶场效应引起的缺陷，提供一种或多种通过改变四极场内离子运动状态以实现优化质谱性能的装置和方法。为实现上述目的，设计一种可调节四极场中离子分布的装置，包括质谱仪、四极离子导引，其特征在于所述的四极场由四极杆电极21、22、23、24上下等间距平行组成上下左右四边形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极，或截面为椭圆形的电极，在四极杆电极中，设有场空间25，场空间25为电极21、22、23、24围成的内切圆空间，在四极杆电极系统中电极21和电极22之间设有一根电极，即场调节电极211，并在场调节电极上加载直流或交流电压，如此在四极场区产生额外的直流或交流电场，改变离子在四极场中的离子运动状态。在四极杆电极系统中电极21和电极22之间设有一根电极选择为在四极杆电极系 统的任意两个相邻电极杆之间安置一根电极。通过在场调节电极211上加载直流或交流电压V21，如此在场空间25中产生与在场调节电极211与电压V21相关的电场分布，在此电场的作用下，离子的运动状态将发生变化，当V21为直流电压时，产生的直流电场将使得使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子20偏离中心区域，分布在远离电极211的较大空间区域内。为实现上述目的，设计还有一种可调节四极场中离子分布的装置，包括质谱仪、四极离子导引，其特征在于所述的四极场由四极杆电极31、32、33、34上下等间距平行组成上下左右四边形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极，或截面为椭圆形的电极，在四极杆电极中，设有场空间35，场空间35为电极31、32、33、34围成的内切圆空间，在四极杆电极系统中电极31和电极32之间、电极33和电极34之间各设有一根电极，即场调节电极311和312，并在场调节电极上加载直流或交流电压，如此在四极场区产生额外的直流或交流电场，改变离子在四极场中的离子运动状态。在四极杆电极系统中电极31和电极32之间，电极33和电极34之间各设有一根电极选择为在四极杆之间的任意二根电极之间安置一根电极，并总共安置两根电极。在场调节电极311和场调节电极312上加载直流或交流电压V31和V32，如此在场空间35中产生对应于场调节电极311和场调节电极312和电压V31，V32的电场分布，在此电场的作用下，将使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子30运动状态发生改变；当场调节电极311和场调节电极312上分别加载高低不同的直流电压时，将在场空间35中产生直流电场分布，此直流电场将使得本来分布在场中心轴附近的离子偏离中心区域，并远离场调节电极311和靠近和场调节电极312的区域内。为实现上述目的，设计还有一种可调节四极场中离子分布的装置，包括质谱仪、四极离子导引，其特征在于所述的四极场由四极杆电极41、42、43、44上下等间距平行组成上下左右四边形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极，或截面为椭圆形的电极，在四极杆电极中，设有场空间45，场空间45为电极41、42、43、44围成的内切圆空间，在四极杆电极系统中电极41和电极42之间、电极42和43之间，电极43和电极44之间各设有一根电极，即三根场调节电极411、412、413，并在场调节电极上加载直流或交流电压，如此在四极场区产生额外的直流或交流电场，改变离子在四极场中的离子运动状态。在四极杆系统中电极41和42之间，电极42和43之间，电极43和44之间各设有一根电极选择为三根电极中的每一根电极安置在四极杆电极系统中的任意二根电极之间。场调节形状为矩形或圆柱形或椭圆形或任意的几何形状。一种可调节四极场中离子分布的装置的方法，其特征在于该方法为在场调节电极411和场调节电极412和场调节电极413上加载直流或交流电压V41，V42和V43，如此在场空间45中产生对应于在场调节电极411，412，413和电压V41，V42，V43的电场分布，在四极杆中心轴附近的离子40运动状态发生改变，使得本来分布在场中心轴附近的离子偏离中心区域。本发明提出了一种在四极场中施加直流电场等电场成分的装置和方法，这些根据 本发明技术所施加的电场成分可以调节四极场中的离子运动状态，达到改进四极杆系统性能的目的，安全可靠，结果精准，市场前景好。图I是现有技术中四极杆电极系统结构示意图；图2为本发明实施例中配置有一根场调节电极的四极杆电极系统结构示意图；图3 (a) 图3 (b)为本发明实施例中配置有二根场调节电极的四极杆电极系统结构示意图；图4为本发明实施例中配置有三根场调节电极的四极杆电极系统结构示意图；图5为本发明实施例中装配有场调节电极的四极质谱仪结构示意图；图6为本发明实施例中装配有电场调节电极的三重四极质谱示意图；如图I所示，图中有样品离子10，电极11，电极12，电极13，电极14，场空间15，导线16，射频工作电压+U 17，射频工作电压-U 19 ；如图2所示，图中有:样品离子20，电，21，电极22，电极23，电极24，场空间25，导线26，射频工作电压+U 27，射频工作电压-U 29，加载直流电压V21的场调节电极211，离子相对于中心移动的距离d;如图3 Ca)和图3 (b)所示，图中有样品离子30，电，31，电极32，电极33，电极34，场空间35，导线36，射频工作电压+U 37，射频工作电压-U 39，加载直流电压V31的场调节电极311，加载直流电压V32的场调节电极312，加载直流电压V33的场调节电极313，加载直流电压V34的场调节电极314 ；如图4所示，图中有样品离子40，电极41，电极42，电极43，电极44，场空间45，导线46，射频工作电压+U 47，射频工作电压-U 49，加载直流电压V41的场调节电极411，加载直流电压V42的场调节电极412，加载直流电压V43的场调节电极413 ；如图5所不，图中有尚子源50,尚子束51,四极杆尚子导引52,四极质量滤质器53，具有特定质荷比的离子54，离子探测器55 ；如图6所示，图中有离子源61，离子源产生的离子束600，四极离子导引杆系统62，经四极离子导引杆聚焦和导引的离子束601，第一级装配有场调节电极的四极质量滤质器63,离子束602,离子碰撞反应池64,电极系统65,第二级四极质量滤质器66,离子碎片产物603，经第二级四极质量滤质器分析和偏转的离子604，离子探测器67 ；指定图2为本发明的摘要附图
。下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的实施例仅用于理解本发明，并不用于限定本发明。本发明提出了一种在四极场中施加直流电场等电场成分的装置和方法，通过本发明技术施加的电场成分可以调节四极场中离子分布，达到改进四极杆电极系统性能的目的。本发明内容通过下列几种方法实现，第一，在四极杆电极系统中的任意二个相邻电极杆 之间安置一根平行于四极杆电极的杆状电极，即场调节电极，并在场调节电极上加载直流或交流电压，这样可以在四极场区产生与这个电压对应的直流或交流电场分布，如图2所示；第二，在四极杆电极系统中的安置二根平行于四极杆电极的杆状电极，即场调节电极，并且每一根场调节电极都安置于任意二根四极杆电极之间，在每一根安置的场调节电极上加载直流或交流电压，这样便可以在四极场区产生与这二个场调节电极上所加电压相对应的电场分布，如图3 (a)和图3 (b)所示；第三，在四极杆电极系统中的安置三根平行于四极杆电极的杆状电极，即场调节电极，并且每一根场调节电极都安置于任意二根四极杆电极之间，在每一根安置的场调节电极上加载直流或交流电压，这样便可以在四极场区产生与这三个场调节电极上所加电压相对应的电场分布，如图4所示；上述任何一种方法产生的电场分布可以使得离子的分布状态发生改变，如偏离四极杆中心等。本发明给出的装置和方法，可以改变离子在四极场中的离子运动状态，以实现对四极杆电极系统性能的优化。不论是空间电荷效应，还是高阶场效应引起的负面效应，都有可能通过调节四极杆电极系统中的电场分布，即通过调节电场分布对电场中的离子运动状态进行调节，以达到对质谱性能加以改善的目的。如图I所示，11，12，13，14为组成四极杆电极系统的四根电极；15为由电极11，12，13，14围成的内切圆空间，即所述的场空间；电极11和电极13由导线16连接在一起，17为加载在电极11和13上的射频工作电压+U ;电极12和电极14由导线连接在一起，19为加载在电极12和14上的射频工作电压-U ;在传统的四极质量分析器的工作状态下，电极11，12，13，14上只分别加载所述的射频工作电压；10为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，主要分布于围绕中心轴的附近区域。如图2所示，21，22，23，24为组成四极杆电极系统的四根电极；25为由电极21，22，23，24围成的内切圆空间，即所述的场空间；电极21和电极23由导线26连接在一起，+U为加载在电极21和23上的射频工作电压；电极22和电极24由导线连接在一起，-U为加载在电极22和24上的射频工作电压；电极211为设置在电极21和电极22之间的场调节电极，V21为加载在电极211上的直流电压；20为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，由围绕中心轴的附近区域移动到远离电极211的区间内；d为离子相对于中心移动的距离，它与电极211和211上所加载的电压值V21等因素有关。如图3所示，31，32，33，34为组成四极杆电极系统的四根电极；35为由电极31，32，33，34围成的内切圆空间，即所述的场空间；电极31和电极33由导线36连接在一起，+U为加载在电极31和33上的射频工作电压；电极32和电极34由导线连接在一起，-U为加载在电极32和34上的射频工作电压；图3 (a)中，场调节电极311设置在电极31和电极32之间，V31为加载在电极311上的直流电压；场调节电极312为设置在电极33和电极34之间的电极，V32为加载在电极312上的直流电压；301为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，由围绕中心轴的附近区域移动到远离电极311而接近电极312。图3 (b)中，场调节电极313设置在电极31和电极32之间，V33为加载在电极313上的直流电压；场调节电极314为设置在电极32和电极33之间的电极，V34为加载在电极314上的直流电压。302为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，由围绕中心轴的附近区域移动到远离中心而接近电极34。离子相对于中心移动的方向和距离与电极311，312，313和314的位置，形状以及它们所加载的电压值等因素有关。如图4所示，41，42，43，44为组成四极杆电极系统的四根电极；45为由电极41，42，43，44围成的内切圆空间，即所述的场空间；电极41和电极43由导线46连接 在一起，+U为加载在电极41和43上的射频工作电压；电极42和电极44由导线连接在一起，-U为加载在电极42和44上的射频工作电压；场调节电极411设置在电极41和电极42之间，V41为加载在电极411上的直流电压；场调节电极412为设置在电极42和电极43之间的电极，V42为加载在电极412上的直流电压；场调节电极413为设置在电极43和电极44之间的电极，V43为加载在电极413上的直流电压；40为分布于四极杆电极系统场空间中的样品离子，他们在场空间中的电场作用下，由围绕中心轴的附近区域移动到远离场中心而接近电极41 ;离子相对于中心移动的方向和距离与场调节电极411，412，和413的位置，形状以及它们所加载的电压值等因素有关。如图5所示，50为产生样品离子的离子源，51为离子源产生的离子束，52为四极杆离子导引；53装配有场调节电极的四极质量滤质器，54为经四极质量滤质器53选择出的具有特定质荷比的离子，它们在离子调节电极产生的电场作用下，其运动轨迹发生了改变。55为离子探测器。如图6所示，装配有电场调节电极的三重四极质谱。61为产生样品离子的离子源，600为离子源产生的离子束，62为四极离子导引杆系统，601为经四极离子导引杆聚焦和导引的离子束；63为第一级装配有场调节电极的四极质量滤质器，离子经过此质量滤质器后，不仅被质量选择，其运动状态还发生了改变，602为离子束；64为离子碰撞反应池，它是由四极杆电极系统65所组成。同样地，四极杆电极系统65中也装配有场调节电极，所以离子运动状态也发生了改变，603为经过65的离子束。它经过65后被偏转。66为第二级四极质量滤质器，它的作用是分析由四极杆碰撞反应池内64产生的离子碎片产物603。经66分析和偏转的离子604进入离子探测器67被检测并得到质谱信号。应用实例I :如图5所示。图5为装配有场调节电极的四极质谱的工作方式之一。50为产生样品离子的离子源，51为离子源产生的离子束，52为传统的四极杆离子导引，离子束经52后，被聚焦和引导并进入到装配有场调节电极的四极质量滤质器53中，54为经四极质量滤质器53选择出的具有特定质荷比的离子，它们在离子调节电极产生的电场作用下，其运动轨迹发生了改变，如偏离中心轴而离某一电极更近，54离开53后被离子探测器55检测到，处理和记录系统记录下由55得到的离子电信号而成为质谱图，可以看出，当离子束50经离子导引52作用后进入装配有场调节电极的四极质量滤质器53中时，由于受其中的额外电场作用，离子将沿偏离于轴中心的轨道运动，并到达离子探测器被检测到。应用实例2:如图6所示，图6为装配有场调节电极的三重四极质谱的工作方式之一。61为产生样品离子的离子源，600为离子源产生的离子束，62为传统的四极离子导引杆系统，601为经四极离子导引杆聚焦和导引的离子束；63为第一级装配有场调节电极的四极质量滤质器，离子经过此质量滤质器后，不仅被质量选择，其运动状态还发生了改变，602为经质量选择和场偏转后的离子束，它们在电场作用下进入到离子碰撞反应池64中，离子碰撞反应池64中装置有四极杆电极系统65，同样地，四极杆电极系统65中也装配有场调节电极，所以尚子运动状态也发生了改变，602为进入65后，与其中的碰撞气体发生碰撞而解尚成碎 片离子束603，603经过65后，还发生偏转，66为第二级四极质量滤质器，它的作用是分析由四极杆碰撞反应池内64产生的离子碎片产物603,经66质量分析和偏转的离子604进入离子探测器67被检测并得到质谱信号。在四极场中施加直流电场等电场成分的目的是通过调节离子运动状态，优化四极电场性能，如四极质量分析器的质量分辨能力，提高离子通过率和质谱仪器检测灵敏度，提高离子碰撞效率和串级质谱分析效率等，即本发明给出的装置和方法，将可以改变离子在四极场中的离子运动状态，以实现对四极杆电极系统性能的优化。
权利要求
1.一种可调节四极场中离子分布的装置，包括质谱仪、四极离子导引，其特征在于所述的四极场由四极杆电极(21)、(22)、(23)、(24)上下等间距平行组成上下左右四边形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极，或截面为椭圆形的电极，在四极杆电极中，设有场空间(25),场空间(25)为电极(21)、(22)、(23)、(24)围成的内切圆空间，在四极杆电极系统中电极(21)和电极(22)之间设有一根电极，即场调节电极(211)，并在场调节电极上加载直流或交流电压，如此在四极场区产生额外的直流或交流电场，改变离子在四极场中的离子运动状态。
2.一种可调节四极场中离子分布的装置，包括质谱仪、四极离子导引，其特征在于所述的四极场由四极杆电极(31)、(32)、(33)、(34)上下等间距平行组成上下左右四边形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极，或截面为椭圆形的电极，在四极杆电极中，设有场空间(35),场空间(35)为电极(31)、(32)、(33)、(34)围成的内切圆空间，在四极杆电极系统中电极(31)和电极(32 )之间、电极(33 )和电极(34 )之间各设有一根电极，即场调节电极(311)和(312)，并在场调节电极上加载直流或交流电压，如此在四极场区产生额外的直流或交流电场，改变离子在四极场中的离子运动状态。
3.一种可调节四极场中离子分布的装置，包括质谱仪、四极离子导引，其特征在于所述的四极场由四极杆电极(41)、(42)、(43)、(44)上下等间距平行组成上下左右四边形的四极杆电极系统并在一定的工作电压作用下所产生，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，或四根表面为双曲面的电极，或截面为椭圆形的电极，在四极杆电极中，设有场空间(45 ),场空间(45)为电极(41)、(42)、(43)、(44)围成的内切圆空间，在四极杆电极系统中电极(41)和电极(42)之间、电极(42)和(43)之间，电极(43)和电极(44)之间各设有一根电极，即三根场调节电极(411)、(412)、(413)，并在场调节电极上加载直流或交流电压，如此在四极场区产生额外的直流或交流电场，改变离子在四极场中的离子运动状态。
4.如权利要求I所述的一种可调节四极场中离子分布的装置，其特征在于在四极杆电极系统中电极(21)和电极(22)之间设有一根电极选择为在四极杆电极系统的任意两个相邻电极杆之间安置一根电极。
5.如权利要求2所述的一种可调节四极场中离子分布的装置，其特征在于在四极杆电极系统中电极(31)和电极(32 )之间，电极(33 )和电极(34)之间各设有一根电极选择为在四极杆之间的任意二根电极之间安置一根电极，并总共安置两根电极。
6.如权利要求3所述的一种可调节四极场中离子分布的装置，其特征在于在四极杆系统中电极(41)和(42 )之间，电极(42 )和(43 )之间，电极(43 )和(44 )之间各设有一根电极选择为三根电极中的每一根电极安置在四极杆电极系统中的任意二根电极之间。
7.如权利权利要求I或2或3所述的一种可调节四极场中离子分布的装置，其特征在于场调节电极的截面形状为矩形或圆柱形或椭圆形或任意的几何形状。
8.如权利要求I所述的一种可调节四极场中离子分布的装置的方法，其特征在于该方法为通过在场调节电极(211)上加载直流或交流电压V21，如此在场空间(25)中产生与在场调节电极(211)与电压V21相关的电场分布，在此电场的作用下，离子的运动状态将发生变化，当V21为直流电压时，产生的直流电场将使得使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子(20)偏离中心区域，分布在远离电极211的较大空间区域内。
9.如权利要求2所述的一种可调节四极场中离子分布的装置的方法，其特征在于该方法为在场调节电极(311)和场调节电极(312)上加载直流或交流电压V31和V32，如此在场空间(35)中产生对应于场调节电极(311)和场调节电极(312)和电压V31，V32的电场分布，在此电场的作用下，将使得本来分布在四极杆中心轴附近的离子(30 )运动状态发生改变；当场调节电极(311)和场调节电极(312)上分别加载高低不同的直流电压时，将在场空间(35)中产生直流电场分布，此直流电场将使得本来分布在场中心轴附近的离子偏离中心区域，并远离场调节电极(311)和靠近和场调节电极(312)的区域内。
10.如权利要求3所述的一种可调节四极场中离子分布的装置的方法，其特征在于该方法为在场调节电极(411)和场调节电极(412)和场调节电极(413)上加载直流或交流电压V41，V42和V43，如此在场空间(45)中产生对应于在场调节电极(411，412,413)和电压V41, V42，V43的电场分布，在四极杆中心轴附近的离子(40)运动状态发生改变，使得本来分布在场中心轴附近的离子偏离中心区域。
全文摘要
本发明涉及物理和离子质量分析仪器技术领域，具体是一种可调节四极场中离子分布的装置和方法，包括质谱仪、四极离子导引，其特征在于所述的四极场由四极杆电极21、22、23、24上下等间距平行组成上下左右四边形的四极杆电极系统，所述的四极杆电极为四根圆柱形电极，在四极杆电极中，设有场空间25，场空间25为电极21、22、23、24围成的内切圆空间，在四极杆电极系统中电极21和电极22之间设有一根电极，即场调节电极211，并在场调节电极上加载直流或交流电压，如此在四极场区产生额外的直流式交流电场，改变离子在四极场中的离子运动状态，从而达到改进四极杆系统性能的目的，安全可靠。
文档编号H01J49/26GK102820202SQ20121030636
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者胡佩生 申请人:上海斯善质谱仪器有限公司