专利名称：一种阵列离子阱质谱系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于分析仪器技术领域，具体涉及一种可以进行多种样品同步分析的阵列离子阱质谱系统。
背景技术：
质谱分析是一种测量离子荷质比(电荷-质量比)的分析方法，其基本原理是使待测样品中的各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场或者离子导引的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，利用电场或磁场完成质量分析过程，得到质谱图，从而确定其质量。质谱分析目前是被广泛应用于现代分析方法的一种方法。质谱分析所使用的质谱仪是一种用于分析物质样品中各种化学成分，含量和分子结构的科学仪器，其具有很高的灵敏度和在分析物鉴定上的特异性，因此被广泛地应用于科学研究、医学卫生、环境科学、食品安全、生物医学等各个领域。质谱仪的结构一般包括有真空系统、进样装置和分离装置、离子源、离子光学系统、质谱分析组件、离子检测和数据处理系统。目前常用质谱仪包括很多种，根据所采用的质量分析器的不同，主要有磁质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪、飞行时间质谱仪、轨道阱质谱仪。在这些仪器中，离子阱质量分析器拥有其独特的优势:体积小、结构简单、可以再较高的气压下工作以及一个分析器完成碰撞诱导解离和串级质谱的能力。在现代的质谱分析和质谱仪器的发展过程中，质谱仪器的小型化和高通量的质谱分析方法都受到了广泛的研究。最早的离子阱质谱仪被称为Paul三维阱，是在20世纪50年代Paul等人在德国波恩大学发明。这个装置是由3个电极组成，包括2个端盖电极和I个环电极，电极的工作面都是双曲面。这种三维离子阱的束缚方式为三维方向上的射频电场的作用，使离子被束缚在阱中的成为约Imm的离子团簇，这些离子间的相互作用会导致很大的空间电荷效应存在，这随之带来的缺点是离子存储量小，存储效率低，空间电荷效应也会导致质量分辨的下降；而且三维阱的3个电极都是双曲面，在机械加工以及组装精度上均存在难度，所以小型化也存在难度。随后美国的普渡大学的R.Graham Cooks工作组提出了一种新的三维讲称为圆筒讲(Cylindrical 1n Trap),使用了圆筒代替了双曲环电极，双曲端盖电极也被平板电极取代。这种圆筒阱的离子存储量和存储效率均有提高，并且随后圆筒阱的小型化和高通量分析的研究均获得了良好的发展，但是依然存在三维阱的空间电荷效应的问题，离子存储量和存储效率提高有限。随后线性离子阱也获得了良好的发展和研究，线性离子阱是一种二维离子阱，阱的径向电极上施加射频电压，实现二维径向的射频束缚，轴向上施加直流电压，形成直流束缚势阱，这种轴向线性束缚的方式，使得离子在阱内从中心的点排列变成了轴向的线排列，显著的提高了离子存储量和存储效率，极大的减小了空间电荷效应。在2004年时，R.Graham Cooks工作组又提出了一种二维线性离子阱矩形离子阱(Rectilinear 1n Trap)，这种阱是由6块矩形平板电极围成，结构简单，加工方便，非常适合小型化和高通量分析，很快矩形离子阱就被应用于小型化质谱仪的研究，制成手提式质谱仪Mini 10和Mini 11，并成功应用到多通道阵列矩形离子阱高通量质谱分析中。
发明内容本实用新型的目的在于提出一种高通量质谱分析系统，其能够实现一套质谱分析系统实现多种样品同步分析，以此大大提高质谱分析的效率。本实用新型提供的一种阵列离子阱质谱系统，包括阵列离子源、阵列离子导引系统、阵列离子阱质量分析器、离子检测器、真空腔以及真空泵；所述阵列离子源产生的离子通过真空腔上设置的离子进样接口进入真空腔内的阵列离子导引系统，再依次进入阵列离子阱质量分析器和离子检测器，所述真空腔上设置出口，其出口处和真空泵相连接；所述阵列离子源是由多个相同或不同种类的离子源组成；所述阵列离子导引系统有多个离子导引通道，离子导引的形式可以为阵列导引杆，也可以为离子透镜，也可以为两种的复合形式或多级导引杆的形式；所述阵列离子阱质量分析器为由多个平行的质量分析通道组成，其侧面设置两个端盖电极，所述端盖电极上面设置多个进样孔，所述质量分析通道的数目和所述进样孔的数目相同，每个质量分析通道上分别设置上下两个电极，每个电极上设置一个离子引出槽，位于离子质量分析器两侧的质量分析通道的两端还各平行设置一个地电极。本实用新型中提出的高通量质谱分析系统采用了阵列离子源，用来产生待质量分析的多种样品的离子信号；阵列离子导引系统是用来聚焦和导引离子源产生的离子信号；经过导引聚焦之后的信号离子进入阵列离子阱中，被离子阱存储并进一步完成质量分析后从阱内弹出，被离子检测器接收和检测。整套高通量质谱分析系统需要真空腔体作为载体安置，并需要为真空腔体提供维持真空条件的真空泵。本实用新型中所述的阵列离子源中的离子源的数量可以是两个，也可以是三个，也可以是四个，甚至可以是更多；阵列离子导引系统的离子导引通道数量可以是二个，也可以是三个，也可以是四个，甚至可以是更多；同样阵列离子阱的通道数量也可以是两个、三个、四个，甚至可以是更多。本实用新型中所述的阵列离子源不受离子源种类的影响，可以是各种类型的离子源，如电喷雾电离源，电子轰击电离源，化学电离源，基质解吸附电离源等，也可以根据需要同时使用多种离子源。本实用新型中所述的阵列离子导引系统可以为导引杆阵列的形式，也可以为离子透镜，或两者的复合形式，或者多级导引杆的形式。在导引杆阵列中，不受导引杆的形状的限制，可以为双曲面杆、圆柱杆，方型杆或者其他形状，只要能保证完成离子的导引，也不受尺寸长短和材料种类的限制。本实用新型中，所述真空腔为立方体、圆柱体等各种形状。本实用新型中，所述阵列离子质量分析器的端盖电极上的进样孔为圆形，所述的阵列离子阱的电极不受形状、尺寸和制造材料种类的限制，只要能保证离子的质量存储和质量分析；所述质量分析通道设置的上下电极为平板电极，双曲面电极或圆柱面电极等。制造材料可以是各种导电金属，半导体，以及印刷线路板、陶瓷、高分子材料等表面可镀金属膜的材料。[0014]本实用新型的有益效果在于:能够实现一套质谱分析系统实现多种样品同步分析，从而大大提高质谱分析的效率。
[0015]图1为本实用新型的阵列离子阱质谱系统的结构示意图。图2为本实用新型中的圆柱形电极阵列离子导引系统的三维结构示意图。图3为本实用新型中的双曲面电极阵列离子导引系统的三维结构示意图。图4为本实用新型中的方形电极阵列离子导引系统的三维结构示意图。图5为本实用新型中阵列离子阱质量分析器的三维结构示意图。图6为本实用新型中的阵列离子阱质量分析器独立加工的单电极及装配而成的整个电极结构示意图。图7为本实用新型中的阵列离子阱质量分析器中整体加工的电极结构示意图。图8为本实用新型的阵列离子阱质谱系统中阵列离子阱质量分析器可用电极的截面示意图。图9为本实用新型的阵列离子阱质量分析器的直流电压分布示意图。图10为本实用新型的阵列离子阱质量分析器的射频电压分布示意图。图11为通过阵列离子阱质谱系统实验所得的两个通道分析不同的样品质谱图，其中a图为亮氨酸、谷氨酰胺和组氨酸混合样品，b图为缬氨酸、天冬酰胺和甲硫氨酸混合样品。图中标号:101-阵列离子源；102-离子进样接口 ；103_阵列离子导引系统；104-阵列离子阱质量分析器；105_离子检测器；106_真空腔；107_真空泵；201、202、203、204、205、206、207、208、209、210_圆杆；301-进样孔；302_质量分析通道;303_离子引出槽;304、305-端电极；306-地电极。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。图1表示的是整套阵列离子阱质谱系统的示意图。其包括阵列离子源101、阵列离子导引系统103、阵列离子阱质量分析器104、离子检测器105、真空腔106以及真空泵107。本实用新型中，经过阵列离子源101产生需要分析的样品离子，经离子进样接口 102进入到阵列离子导引系统103，这些离子在阵列离子导引系统103的束缚以及导引作用下，变成运动较规律的离子束进入到阵列离子阱质量分析器104中，经过阵列离子阱质量分析器104的离子存储以及质量分析之后从离子引出槽弹出，被离子检测器105检测得到信号。图2所示为圆柱形电极阵列离子导引系统结构示意图，也即图1中的103。在该系统中，包括多个杆组成，图示为圆杆其中旁边的四个圆杆201、205、206、210只属于最旁边的两个通道，而其他的所有圆杆202、203、204、207、208、209均被相邻的两个通道共用。如图2中所示的，其中奇数位置的圆杆201、203、205、207、209连在一起并引出连接射频信号O1U) 211，偶数位置的圆杆202、204、206、208、210连在一起引出连接射频信号Φ2( )212，Φ1(t)和Φ2α)极性相反，如下式所示:Φ l (t) =+ (U+Vcos ω t)[0031]Φ 2 (t) =- (U+Vcos ω t)式中，U代表直流电压，V代表交流电压，ω=2 3 代表射频电源的角频率，f为射频电源的频率。图3所示为双曲面电极阵列离子导引系统结构示意图。图4为方形电极阵列离子导引系统结构示意图。图5所示为阵列离子阱质量分析器结构示意图，也即图1中的104。该质量分析器中包括有多个用以离子存储和质量分析通道。阵列离子阱质量分析器104为长方形，其侧面设置两个端盖电极304、305，作为离子进样的离子门，结构相同，用来施加直流电压形成束缚离子的直流势阱。阵列离子阱质量分析器104里面设置多个平行的质量分析通道302，质量分析通道302，结构相同且有多个，主要负责离子存储和质量分析；端盖电极304上面设置多个圆形进样孔301，每个质量分析通道302上分别设置上下两个电极，每个电极旁边设置一个离子引出槽303，用以使完成质量分析的离子弹出阱外并被电子检测器接收，位于阵列离子阱质量分析器104两侧的质量分析通道302的两端还各平行设置一个地电极306。进样孔301和质量分析通道302数目一致有多个，图中所示为6个。图6、图7所示为阵列离子阱质量分析器的电极部分的结构示意图。其中，图6为独立加工电极装配而成的整体电极图以及单个电极的示意图，图中所示为6个单电极组合成一个整体电极，单个电极需要经过表面处理镀膜，形成导电层用以施加电压。导电层内外表面镀层相同且导通，多个电极经过装配形成整体电极。图7为一个整体加工的电极结构，整个电极为一个整体结构，表面处理镀膜形成互相不导通的独立工作区域，每个区域内外膜相互导通。图8所示为其他可用的阵列离子阱质量分析器的电极部分的截面示意图。该阵列离子阱质量分析器的电极可以为各种形状，图中给出的为双曲面电极结构。图9、图10所示为阵列离子阱质量分析器上施加的电压分布示意图。其中，图9为直流电压分布示意图，在阵列离子阱的两个端盖电极304、305上施加较高直流电势，在上下两个电极上加上较低的直流电位，这样可以在轴向形成一个直流的电位差用以对于阱内离子的直流束缚，也就是轴向直流势阱。图10是射频电压(RF)分布示意图，对于每个通道的上下两个电极施加上大小极性均相同的射频电压，而在相邻的两个通道的电极上施加的则是大小相同，极性相反的射频电压。同时一个交流电场电压(AC)通过与射频电压(RF)信号率禹合的方式施加到讲电极上。射频电压(RF)和交流电场电压(AC)信号输出的两个信号要求大小相同，极性相反，其正负向的施加并不要求指定电极，只要满足上述条件。图11为使用本实用新型提出的阵列离子阱质谱系统实验所得的两个通道分析不同的样品质谱图。其中的两组样品分别为亮氨酸、谷氨酰胺和组氨酸混合样品以及缬氨酸、天冬酰胺和甲硫氨酸混合样品。样品溶液使用甲醇:水的体积比=50:50的溶剂配制，并加入了质量百分比浓度0.05%的醋酸，样品浓度为每种物质2X 10_5M。实验中使用的是Sciex公式生产的RF电源，型号009701，频率为768KHz。使用的为一个2通道的阵列ESI源，分别产生亮氨酸、谷氨酰胺和组氨酸混合样品信 号和缬氨酸、天冬酰胺和甲硫氨酸混合样品；阵列导引系统为4通道结构，杆长200_ ;阵列离子阱质量分析器为6通道结构，使用的质量分析通道为中间的两个通道即第三和第四通道。a图为亮氨酸、谷氨酰胺和组氨酸混合样品信号质谱图，b图为缬氨酸、天冬酰胺和甲硫氨酸混合样品信号质谱图。
权利要求1.一种阵列离子阱质谱系统，其特征在于:包括阵列离子源、阵列离子导引系统、阵列离子阱质量分析器、离子检测器、真空腔以及真空泵；所述阵列离子源产生的离子通过真空腔上设置的离子进样接口进入真空腔内的阵列离子导引系统，再依次进入阵列离子阱质量分析器和离子检测器，所述真空腔上设置出口，其出口处和真空泵相连接； 所述阵列离子导引系统有多个离子导引通道，离子导引的形式为阵列导引杆、离子透镜或者两种的复合形式或者多级导引杆的形式；所述阵列离子阱质量分析器由多个平行的质量分析通道组成，其侧面设置两个端盖电极，所述端盖电极上面设置多个进样孔，所述质量分析通道的数目和所述进样孔的数目相同，所述质量分析通道上分别设置上下两个电极，每个电极上设置一个离子引出槽，位于所述阵列离子阱质量分析器两侧的质量分析通道的两端还各平行设置一个地电极。
2.根据权利要求1所述的阵列离子阱质谱系统，其特征在于:所述阵列离子源选自电喷雾电离源，电子轰击电离源，化学电离源，基质解吸附电离源中的一种或几种；所述阵列离子源中的离子源数目为两个或两个以上。
3.根据权利要求1所述的阵列离子阱质谱系统，其特征在于:所述真空腔为立方体或者圆柱体。
4.根据权利要求1所述的阵列离子阱质谱系统，其特征在于:所述离子导引通道为两个以上。
5.根据权利要求1所述的阵列离子阱质谱系统，其特征在于:所述端盖电极上的进样孔为圆形。
6.根据权利要求1所述的阵列离子阱质谱系统，其特征在于:所述质量分析通道为两个以上；所述质量分析通道设置的上下电极为平板电极，双曲面电极或圆柱面电极。
专利摘要本实用新型属于分析仪器技术领域，具体为一种阵列离子阱质谱系统。本实用新型的阵列离子阱质谱系统包括阵列离子源、阵列离子导引系统、阵列离子阱质量分析器、离子检测器、真空腔以及真空泵。所述阵列离子源产生的离子通过真空腔上设置的离子进样接口进入真空腔内的阵列离子导引系统，再依次进入阵列离子阱质量分析器和离子检测器，所述真空腔上设置出口，其出口处和真空泵相连接。此系统能实现多种样品的高通量质谱分析。
文档编号H01J49/26GK203055856SQ20132001020
公开日2013年7月10日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者肖育, 丁正知, 陈琛, 丁传凡 申请人:复旦大学