一种阶梯电极离子阱质量分析器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于分析仪器技术领域，具体涉及质谱仪器中一种用于质量分析的离子阱。
技术背景
[0002]质谱作为一种定性定量的分析仪器，不仅是目前化学领域最主要的分析仪器之一，同时也被广泛应用于生命科学、环境监测、食品安全等领域。
[0003]质谱仪器由进样系统、离子源、离子传输装置、质量分析器、检测器、数据系统以及真空系统组成。根据所采用的质量分析器种类的不同，质谱仪可分为四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪、飞行时间质谱仪、轨道阱质谱仪等。
[0004]为了推进质谱仪器向小型化、便携化发展，众多科学家围绕质谱关键部件质量分析器进行研究。在众多种类的质量分析器中，离子阱质量分析器体积较小、结构简单、真空要求低以及具有串级质谱分析功能，这些离子阱独有的优势对于实现质谱仪器的小型化以及高通量分析有着重要的意义。
[0005]离子阱质量分析器的性能主要取决于离子束缚区域的电场分布，电场分布又很大程度上取决于电极的形状。离子阱分为三维离子阱和线型离子阱，最早的离子阱被称为Paul三维离子阱，三维以及传统的线型离子阱都是由双曲面形电极构成的，由于其加工难度和组装难度大，限制了离子阱质谱的广泛应用。
[0006]改变离子阱内部电场分布主要还是通过改变离子阱几何结构来实现的，研究者结合圆柱形离子阱的简单结构和线性离子阱二维工作模式这两个特点，推出矩形离子阱，矩形离子阱是将双曲面电极简化为一块平板电极结构，结构简单，加工方便，非常适合小型化和高通量分析。
[0007]在矩形离子阱的基础上又发展了不对称弧面电极离子阱、半圆电极离子阱、三角形电极离子阱。其中三角形电极是一种相比于矩形离子阱更接近于双曲面的电极结构，在电极简化的同时尽可能的减少了高阶场成分的引入，以减少高阶场成分的引入可能带来的降低离子阱本身的质量分析性能。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种可以简单改变阶梯电极结构的高度、宽度来优化内部电场分布的阶梯电极离子阱质量分析器。
[0009]本发明提出的阶梯电极离子阱质量分析器，是由阶梯形状电极组成，可以形成多级阶梯电极离子阱，X与y方向上的阶梯电极相当于在原来的矩形离子阱的平面电极上添加了凸起的电极，阶梯电极中的阶梯数可以为一个或多个。
[0010]具体来说，本发明提出的阶梯电极离子阱质量分析器，空间结构是由两对阶梯电极与一对端盖电极合围而成的一个类似长方体的空间；χ与y方向上是阶梯电极，且同一方向上的阶梯电极结构相同，z方向为平面结构的端盖电极。电极之间使用绝缘材料隔开以保持电极之间的绝缘性。其中，在X方向、y方向上的电极上施加射频电压，对阱中的离子实现径向上的束缚；Z方向上的一对端盖电极上施加直流电压，通过形成一个轴向的束缚势阱用以实现离子的轴向束缚。如果规定离子出射方向为X方向，还需要在X方向电极施加一个辅助的交流电场，用于离子的弹出。Z方向上的一端盖电极上开有小孔，用于离子引入。
[0011]如图1所示，是阶梯电极中的阶梯数为一的电极离子阱质量分析器结构图示，其阶梯电极分为上下二层，a、b分别为上下二层阶梯电极的宽度，ax=ay。h。h2分别为上下二层阶梯电极的高度，每个电极上都有一个离子引出狭缝。实施例中，ax=ay=10mm，离子引出狭缝为0.8mm。
[0012]如图4所示，可以在阶梯电极基础上形成多级阶梯电极离子阱质量分析器。
[0013]本发明中，记阶梯电极离子阱在X和y方向上的阶梯电极场半径(即空间结构的中心点到阶梯电极的距离)X。、I，两者比例可以改变，例如可以固定\，改变\的大小来实现场半径比的改变，反之亦然。例如实施例中，固定YQ=5mm，X。范围为5_llmm，X Q/Y。比范围为1-2.2。首先利用Sim1n模拟软件获得不同几何参数的阶梯电极离子阱内的电场分布情况，在此基础上利用Axsim模拟软件考察阶梯电极离子阱质量分辨能力与几何参数的关系Ο
[0014]本发明中，所述离子阱在X和y方向上的阶梯电极可以相同也可以不同。
[0015]本发明中，所述离子阱既可以采用余弦波也可以用数字方波驱动离子阱。
[0016]本发明中，所述离子阱的离子弹出的方法可以是共振激发弹出，也可以边界激发弹出。
[0017]本发明提出的阶梯电极离子阱，在几何结构设计上更接近于双曲面电极结构，但相比双曲面电极更容易加工。因此，阶梯电极离子阱比传统平板电极矩形离子阱具有更优的电场分布，更好的质谱性能。通过理论模拟构建不同几何参数的阶梯电极离子阱，然后通过调整阶梯电极的宽度、高度、场半径比例，获得了阶梯电极离子阱的优化结构(XcXYc =9mmX5 mm, aXb=10mmX4mm, hiXh^l.5mmXl.5mm)，分辨率为 2743，降低扫速模拟分辨率可以达到10150，同时初步的实验也说明了阶梯电极离子阱具有较好的串级质谱分析性能。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的阶梯电极离子阱几何示意图。
[0019]图2是本发明的阶梯电极离子阱组装示意图。
[0020]图3是本发明的一级阶梯电极离子阱的模拟示意图。
[0021]图4是本发明的多级阶梯电极离子阱的模拟示意图。
[0022]图5是本发明的阶梯电极离子阱的阶梯电极高度、宽度与质量分辨的关系。
[0023]图6是利用本发明的阶梯电极离子讲对三肽Gly-Phe — Leu分析的质谱图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，可以更好的理解本发明的优点。
[0025]图1是本发明的阶梯电极结构几何示意图，a、b分别为阶梯电极离子阱平板电极与阶梯电极的宽度，hn匕分别为阶梯电极和平板电极的高度，ax=ay=10mm，狭缝为0.8mm，所以可以调整的几何参数包括了场半径阶梯电极高度匕和宽度b。
[0026]图2是本发明的阶梯电极离子阱组装示意图，本发明中实验所使用的阶梯电极结构离子阱质量分析器是由表面镀有金属膜的陶瓷(99.9%氧化锆)片组装而成，阶梯电极结构离子阱由3对电极构成，分别为X方向电极对、y方向电极对和端盖电极对，其中X和y方向电极对均为阶梯电极，端盖电极对采用无氧铜材料，按X。= 6mm,Y0= 5mm(X0 /Y0=l.2)设计加工，其中 bx=9mm.by=11mm，h1x=h1y=l.5mm0
[0027]图5是本发明的阶梯电极离子阱的阶梯电极高度、宽度与质量分辨的关系，可以在固定比例下，先考察了阶梯电极高度以及宽度对质量分辨的影响。可以看到阶梯电极离子阱模拟分辨率与阶梯电极高度(0.5、1、1.5,2mm)的变化关系，通过调整阶梯电极的宽度b及高度卜，可以获得一个初步优化结构的阶梯电极离子讲(XQXY。= 6mmX5 mm,aXb=10mmX4mm, h1Xh2=l.5mmX 1.5mm)，该结构阶梯电极离子讲的模拟分辨率1880，质量分辨能力相比平板电极的矩形阱有明显的提升。
[0028]图6是本发明的初步实验结果，本研究是在自行设计和加工的电喷雾电离源一阶梯电极离子阱仪器系统(ES1-LeLIT-MS)上进行实验性能测试的，采用数字方波驱动离子阱技术，对阶梯电极离子阱做了初步的实验性能测试，在实验过程中，数字方波的电压为200V。P，在质量分析阶段施加共振激发信号，共振激发电压为1.0V0 P，扫描速度为2385Th/s，通过扫描方波的频率实现质量分析。，三肽G1 y -P h e — L e u质谱峰半峰宽(FWHM )约为
0.55，其质量分辨高于600。
【主权项】
1.一种阶梯电极离子阱质量分析器，其特征在于，空间结构由两对阶梯电极与一对端盖电极合围而成的一个类似长方体的空间；X与y方向都是阶梯结构的电极，Z方向为平面结构的端盖电极；电极之间使用绝缘材料隔开以保持电极之间的绝缘性；其中在X方向、y方向上的电极上施加射频电压，对离子阱中的离子实现径向上的束缚方向上的一对端盖电极上施加直流电压，通过形成一个轴向的束缚势阱用以实现离子的轴向束缚。2.根据权利要求1所述的阶梯电极离子阱质量分析器，其特征在于，当规定离子出射方向为X方向，还在X方向电极施加一个辅助的交流电场，用于离子的弹出。3.根据权利要求1所述的阶梯电极离子阱质量分析器，其特征在于，z方向上的一端盖电极上开有小孔，用于离子引入。4.根据权利要求1、2或3所述的阶梯电极离子阱质量分析器，其特征在于，阶梯电极分为上下二层，a、b分别为上下二层阶梯电极的宽度，ax=ay;每个电极上都有一个离子引出狭缝。5.根据权利要求1、2或3所述的阶梯电极离子阱质量分析器，其特征在于，在X和y方向上的阶梯电极相同，或者不同。6.根据权利要求1、2或3所述的的阶梯电极离子阱质量分析器，其特征在于，通过改变X和1方向上的阶梯电极场半径比例，实现场半径比的改变。7.根据权利要求1所述的阶梯电极离子阱质量分析器，其特征在于，所述阶梯电极的阶梯级数为一级，或为多级。
【专利摘要】本发明属于分析仪器技术领域，具体为一种新型结构的阶梯电极离子阱质量分析器。本发明提出的离子阱是由2对阶梯电极与1对端盖电极组成。阶梯电极离子阱比传统平板电极矩形离子阱具有可调节电场分布的优点，且其阶梯电极离子阱在几何结构设计上更接近于双曲面电极结构，但比双曲面电极更容易加工。运用理论模拟结合实验方法来研究阶梯电极离子阱，阶梯电极的几何结构参数可以任意调节，使离子阱内部的电场分布优化，以实现最佳的质谱分析性能。优化的阶梯电极离子阱质量分析器，可以在225Da/s扫速下获得10150的质量分辨率，同时实验结果也说明阶梯电极离子阱具有较好的串级质谱分析性能。
【IPC分类】H01J49/42, H01J49/02
【公开号】CN105428201
【申请号】CN201510985225
【发明人】谢小东, 徐福兴, 杨海洋, 丁传凡
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月25日