本发明涉及离子阱质谱仪领域，具体涉及一种能够控制离子出射方向的离子阱，以及使用该种离子阱的质谱仪。
背景技术：
离子阱是离子阱质谱仪的核心部件之一。传统的离子阱结构如线性离子阱或者矩形离子阱，其横截面都是由四个电极组成的对称图形。上、下两个电极对称，左、右两个电极对称。对称的极板在离子阱中心小的区域内形成一个接近完美的线性四级场，该线性四级场内稳定的离子团在阱内受到激发后，沿着离子出射狭缝向两端出射的概率是相同的，即，离子激发时，离子从相对两端的狭缝出射效率相同。大型的质谱仪中会在离子出射的两端分别设有离子检测器，而小型化、集成化的离子阱为了满足其体积或者质量的要求，一般只在一端设置检测器，从而降低了质谱仪的检测灵敏度。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提出一种非对称结构的离子阱，通过修改电极的形状或者位置，来构造阱内区域的非对称电场，使得离子从不同方向出射的概率不同，从而控制离子的出射方向，最高可以将质谱仪的灵敏度提高一倍，以解决现有的小型对称离子阱的离子向不同方向均匀出射但只在某一侧设置检测器而导致的离子检测灵敏度低的问题。
本发明为解决其技术问题提出了以下技术方案：
一种离子出射方向可控的离子阱，包括共同围成离子捕获区域的四个电极，所述四个电极为第一至第四电极，其中：第一和第三电极处于相对位置，构成第一电极对；第二和第四电极处于相对位置，构成第二电极对；至少其中一个电极对的两个电极形状或者位置不对称，使得所述离子捕获区域内可形成非对称电场，所述非对称电场限定出一主出射狭缝：所述主出射狭缝为施加共振激发电压的电极对中位于非对称电场的等势线较稀疏一侧的电极上的狭缝；并且，所述非对称电场可诱导阱内离子在共振激发电压的作用下从所述主出射狭缝出射。
传统的对称型离子阱，从横截面来看，阱内的离子稳定区域(电场为0的区域，也可以称电场中心)处于离子捕获区域的几何中心，当向位置相对的两个电极施加大小相同、方向相反的共振激发电压时，位于离子稳定区域的离子向两个施加共振激发电压的电极的狭缝出射的概率是相同的，而小型的离子阱质谱仪通常只在某一侧设置一个离子检测器，这使得另一侧狭缝出射的离子无法被检测到，降低了质谱仪离子检测的灵敏度。而本发明提供的非对称结构的离子阱，其离子捕获区域是不对称的，这样一来，阱内可形成非对称电场，具体是指，阱内的电场区域中，等势线分布的疏密程度不均匀，在结构或者位置不对称的电极对的方向上，一侧较为稀疏，另一侧较为紧密。从而在此方向上，阱内的离子在共振激发电压的作用下，更容易被激发从等势线较为稀疏的一侧电极狭缝出射，这样就达到了通过结构的非对称性修改来控制离子出射方向的目的。基于这样的结构设计，对于只有一个离子检测器的小型质谱仪，只需要保证检测器位于设定的离子出射方向上，就能保证离子阱射出的离子尽量多的打在检测器上，通过修改离子阱的结构，最高可以将单侧出射效率增加一倍，改善小型质谱仪的检测效率和检测灵敏度。
本发明另还提供了一种质谱仪，包括前述的离子阱和设于该离子阱外侧的离子检测器。优选地，所述离子检测器设于所述离子阱的所述主出射狭缝的直线延伸方向上。在这样的小型质谱仪中，离子阱内的离子可大部分从主出射狭缝射出，从而保证尽量多的离子打在离子检测器上，具有较高的离子检测灵敏度。
附图说明
图1是一种传统的对称型矩形离子阱的横截面示意图；
图2是图1所示的离子阱在第二电极对施加了大小相等、方向相同的高频幅值扫描电压而第一电极对接地时的电势分布图；
图3-1是本发明一实施例的非对称型离子阱的示意图；
图3-2是图3-1所示的离子阱的横截面示意图；
图4是一种非对称型离子阱在第二电极对施加了大小相等、方向相同的高频幅值扫描电压而第一电极对接地时的电势分布图；
图5-1是本发明另一实施例的非对称型离子阱的示意图；
图5-2是图5-1所示的离子阱的横截面示意图；
图6-1是本发明另一实施例的非对称型离子阱的示意图；
图6-2是图6-1所示的离子阱的横截面示意图；
图7-1是本发明另一实施例的非对称型离子阱的示意图；
图7-2是图7-1所示的离子阱的横截面示意图；
图8-1是本发明另一实施例的非对称型离子阱的示意图；
图8-2是图8-1所示的离子阱的横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。
传统的对称型离子阱的横截面如图1所示，当给上下两个电极施加大小相等、方向相同的高频幅值扫描电压，而左右两个电极接地时，如图2所示，四个电极围成的离子捕获区域内的电势分布在x和y两个方向(即从离子阱横截面上看的水平方向和垂直方向)均是对称的，使得离子捕获区域内形成了对称电场，此种情况下，若继续将左右两个电极接上大小相等、方向相反的共振激发电压，则阱内的离子朝左右两个方向狭缝出射的概率是相同的，呈现为均匀地从左右电极的狭缝射出。
本发明的具体实施方式提供一种离子出射方向可控的离子阱，可根据预设的离子出射方向来设计相应的非对称型离子阱结构。这种非对称型离子阱为离子阱工作时形成非对称电场提供结构基础，而非对称电场为后续控制离子出射方向提供了基础。
本发明的所述离子出射方向可控的离子阱，包括共同围成离子捕获区域的四个电极，即第一至第四电极，可参考图3-1和图3-2，处于相对位置的第一电极10和第三电极30构成第一电极对，另外也处于相对位置的第二电极20和第四电极40构成第二电极对。本发明的非对称型离子阱中，至少一个电极对内的两个电极是不对称的，这使得所述离子捕获区域内可形成非对称电场，所述非对称电场限定出一主出射狭缝；所述主出射狭缝为施加共振激发电压的电极对中位于非对称电场等势线较稀疏一侧的电极上的狭缝；并且，所述非对称电场可诱导阱内离子在共振激发电压的作用下从所述主出射狭缝出射。具体而言，当其中一个电极对施加大小相等、方向相同的高频幅值扫描电压，而另一电极对接地时，离子捕获区域内可形成非对称电场，该非对称电场从等势线的分布上表现为，在接地的电极对的狭缝方向上，一侧的等势线较为稀疏，另一侧的相对紧密，当将接地的电极对改为施加大小相等、方向相反的共振激发电压时，离子更容易从等势线较为稀疏的一侧狭缝激发出去，这一侧的狭缝即为所述主出射狭缝。
例如，图4所示的非对称型离子阱(与图3-2属同种不对称类型)，其中第一电极对的两个电极不对称，使得所述离子捕获区域关于电场中心轴呈不对称状，所述电场中心轴定义为垂直于离子出射方向且经过电场中心的线；所述主出射狭缝为第一电极和第三电极中一者的狭缝；当该离子阱工作过程中，为第二电极对(上下两个电极构成)的两个电极分别施加大小相等、方向相同的高频幅值扫描电压，而第一电极对接地时，所形成的电势分布如图4所示，图中的疏密不等的曲线即为电势线。从图4可以看出，相对于图2而言，电势分布呈现出不对称，此时离子捕获区域内形成了非对称电场，并且电场中心相对于图2所示的离子阱而言，向左偏移，即向第一电极一侧偏移；另一方面，电场中心左侧的电势线较为稀疏，而右侧的电势线较为紧密，这使得电场中心的离子在共振激发电压的作用下更容易被激发从左侧的狭缝出射。从而达到控制离子出射方向的目的。
在一优选的实施例中，第一电极对的两个电极的不对称表现在电极形状的不对称，如图3-1和图3-2、图4、图6-1和图6-2、图7-1和图7-2以及图8-1和图8-2，这五种非对称离子阱都属于第一电极对的两个电极的形状不对称，这种形状的不对称使得离子捕获区域关于第二电极对的垂直中线y轴呈不对称状，并且，这五种情况中的所述主出射狭缝都是第一电极的狭缝，即：当上下两个电极分别施加大小相等、方向相同的高频幅值扫描电压，而左右两个电极分别施加大小相等、方向相反的共振激发电压时，电场中心的离子在共振激发电压的作用下，产生谐振而被激发出去的离子，主要是从左边的狭缝出射，右边出射的较少。而如果非对称的表现刚好与这五种情况相反，则主出射狭缝就为右边电极的狭缝。
第一电极和第三电极的形状不对称至少表现在两电极内侧面的形状不对称。如图3-2所示，第一电极10的内侧面11与第三电极30的内侧面31不对称，而外侧面的形状可以不受限制。
在另一种具体的实施例中，第一电极对的两个电极的不对称表现在两个电极的位置关于第二电极对的垂直中线(如图3-2中所示的y轴)不对称，而两个电极的形状是相同的。此种情况的非对称型离子阱如图5-1和图5-2所示。此种情况下，当第二电极对的两个电极分别施加大小相等、反向相同的高频幅值扫描电压，而第一电极对接地时，阱内离子捕获区域也形成了非对称电场，同样地，电场中心相对于图2所示的离子阱，也是向左偏移，同样地，在第一电极对施加大小相等、方向相反的共振激发电压时，阱内离子更容易从左边的电极狭缝被激发出去，使得离子出射方向可控。
在另一些实施例中，也可以是第一电极对和第二电极对各自的两个电极都不对称。根据预设的出射方向，来设计具体的不对称类型。
本发明不限于附图中所示的矩形离子阱，也可以用于其它多边形阱或环形阱、椭圆形阱等；对离子阱的类型也不加限制，可以是线性离子阱或环形离子阱等；对离子阱电极的形状不加限制，可以是双曲线电极、平板电极，圆柱形电极、弧形电极或三角形电极等；对电极狭缝位置、长度、宽度、形状不作限制，一般而言，随着电极的变化，其狭缝的位置会随着电场中心点的偏移有所偏移。不论是何种形状的电极，只要是在其中一电极对施加大小相等、反向相同的高频幅值扫描电压，而另一电极对接地时，阱内能够形成非对称电场的非对称结构的离子阱，都在本发明的保护范围内。
本发明的具体实施方式还提供一种小型化的离子阱质谱仪，包含本发明前述提供的非对称型离子阱和设于离子阱外侧的离子检测器，优选地，离子检测器设置在所述离子阱的所述主出射狭缝的直线延伸方向上。这样一来，离子阱内的大部分甚至全部离子都可以在出射后直接打在离子检测器上，提高了质谱仪的检测灵敏度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。