含有高阶场成分的离子阱质谱系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于质量分析技术领域，具体涉及一种离子阱质谱系统。
【背景技术】
[0002]质谱仪是目前分析测试领域中最重要的分析科学仪器之一，广泛应用于现代科学研究和生产活动中，在生命科学、食品安全、环境污染检测、国防安全、航空航天、医学等各种微量或痕量物质检测领域中发挥着不可或缺的作用，已成为现代科技发展和日常生活中不可缺少的分析工具。
[0003]离子阱质谱仪是众多质谱仪中的一种，它具有结构简单、体积小、易加工等优点。离子阱质谱仪的核心关键部件是离子阱质量分析器，离子阱质量分析器是目前可以在单一的质量分析器中同时实现离子存储和串级质谱分析功能，可以同时获得更多被测样品成分组成和分子结构的多重信息。此外，离子阱质量分析器由于同时具有离子存储和串级质谱分析功能等优势，常常与飞行时间质谱，四极杆质谱，轨道离子阱质谱等其他类型的质谱组合成为功能更为强大的复杂质谱仪器系统，获得更多的样品信息。
[0004]四极离子阱质量分析器和四极杆质量分析器虽然都工作在完全相同的四极场理论基础上。理想的纯四极电场通过双曲面电极系统来实现，比如三维离子阱和双曲面四极杆，但双曲面电极的精度加工与装配相当困难。在文献Dayton, P.H.; et.al.Rev.Scientific Instruments，1954，25:485中提出在四极杆质量分析器系统中，通过理论计算表明用圆柱电极杆代替双曲面电极杆，当圆柱电极杆的半径r是场半径rQ的1.148时，可获得近乎完美的四极场分布，四极杆质量分析器性能最好，这个数值已被商业公司广泛采用。
[0005]用圆柱形代替传统的双曲面形电极，由于电极形状的改变以及电极加工精度及组装误差，在四极杆系统中高阶场产生是不可避免的。而在离子质量分析器中，专利号为WO9747025-A 的专利和文章 James ff.Hager, A new I inear 1n trap massspectrometer (Rapid Commun.Mass Spectrom.2002,16:512-526)中公开的一种线形离子阱质谱仪和专利号US6838666B2中提到的矩形离子阱质量分析器，采用的是圆柱电极和矩形电极取代双曲面电极，在这些电极改进的过程中，降低了加工难度，但同时不可避免的同样引入了高阶场成分。而这些高阶场成分的多少是直接影响四极质量分析器的质量分辨能力。
[0006]在早期的电场研究结构认为高阶场的引入会影响质量分辨率，在近些年的研究结果表明，引入适当的高阶场分量，如六极场(A3)、八极场(A4)、十极场(A5)、十二极场(A6)等，通过激发相应的高阶场非线性共振运动可有效改善四极质量分析器的质量分辨率，在美国专利US6897438B2和文献Sudakov，M.; Douglas，D.J.; Rapid Commun.MassSpectrom.2003, 17，2290-2294.和文献Ding，C.F.;Kononkov,N.V.; Douglas ,D.J.Rapid Commun.Mass spectrom.2003, 17，2495-2502都讲述了通过改变四极杆系统中两对电极杆的杆半径的比例(Ry/Rx)或场半径Ro与电极杆的比例关系，即可在四极场中引入一定量的八极场分量，通过实验表明这些方案引入的八极场可有效的改善四极杆的质量分辨。另外在美国专利US7141789B2中是通过改变四极杆系统中一对极杆的圆周上的角度，从而引入较为显著的六极场分量。
[0007]在四极离子阱质量分析器中，采用非双曲面电极取代双曲面电极结构的离子阱质量分析器，内部电场以四极电场为主，同时还含有其他高阶场成分，而这些高阶场成分是无序的引入，会直接影响到离子阱质量分析器的分析性能，通过理论研究表明，在离子阱质量分析器中，引入特定的高阶场成分，可以有效的提高离子阱质量分析器分析性能，在四极质量分析中，高阶场成分是无法避免的，将高阶场成分的引入，变成提高四极质量分析器分析性能的关键因素，是具有重要的科学价值。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提出一种离子阱质量分辨、离子引出效率高，加工方便，生产成本低的含有高阶场成分的离子阱质谱系统。
[0009]本发明提供的含有高阶场成分的离子阱质谱系统，是用于产生以四极场为主，同时含有八极场、十二极场、十六极场等其他高阶场电场成份的离子阱质谱系统。其主要通过改变离子阱系统的X方向和Y方向的圆弧电极比例及与场半径的比例，实现离子阱系统内部电场成分的变化，从而优化离子阱电极结构，提高离子阱质量分辨、离子引出效率，及低质量数截止值(Low mass cut off, LMCO)的优化，而且结构易加工，生产成本低。
[0010]本发明提出的含有高阶场成分的离子阱质谱系统，具体由X、Y、Z三个方向上的三对电极构成，并合围成近似于长方体的空间立体结构。设离子引入的方向为Z方向，Z方向上的一对电极为平面电极，X方向和Y方向的电极结构为圆弧形杆状电极，在4根杆状电极中至少一根杆状电极的横截面上加工有小孔，用于离子引出。Χ、Υ、Ζ三个方向的各个电极之间存在空隙或以电绝缘材料隔开，以保持相互之间的电绝缘状态。X和Y方向上的两对电极所在的ZX平面和ZY平面在径向上围成离子的束缚空间，其电极上施加的射频(Rad1Frequency, RF)电压，对讲中的离子实现径向上的束缚。Z方向上一对电极上开有小孔，用于离子引入，在该电极上施加直流电压，在轴向上将离子束缚在阱中。
[0011]X方向和Y方向的圆弧电极的表面到中心轴的最小距离即场半径Ro相等。
[0012]本发明中，构成离子阱的X方向和Y方向的电极结构为圆弧形杆状结构，即它们的截面为一个圆的一部分。所述的X方向一对圆弧电极，其圆弧半径完全相等，记为Rx，所述的Y方向的一对圆弧电极，其圆弧半径完全相等，记为Ry，且Ry>RX。
[0013]本发明中，离子阱系统场半径就是离子阱系统各个电极的边缘到中心轴的最小距离即Ro相等。所述的X方向上的圆弧形，其圆弧电极的半径Rx与四根X方向和Y方向上的电极所合围而成的电场场半Ro关系为:Rx=Ro。
[0014]本发明利用在加载在X或Y方向电极上的一个偶极电压对离子进行共振逐出，实现离子的质量分析。通过调节X方向和Y方向圆弧电极的圆弧半径的大小比例关系，实现高阶场成分的引入，使整个离子阱系统内部电场中包括四极场A2、八极场A4、十二极场A6、十六极场As、二十极场Aiq等多极场分布，达到离子阱系统的分析性能优化。
[0015]本发明中，所述的高阶场成分分布中，八极场A4的含量在四极场A2的-5%~ 5%之间。
[0016]本发明中，所述的高阶场成分分布中，十二极场A6的含量在四极场A2的-1.5%?1.5%之间。
[0017]本发明中，所述的高阶场成分分布中，十六极场As的含量在四极场A2的-0.1% ~0.1%之间。
[0018]本发明中，所述的高阶场成分，在X方向电极加载偶极激发电压，使得离子被激发从X方向电极的小孔中被逐出离子阱并被设置在电极外的离子检测器检测到。在这种情况下，所述的离子阱内部电场中的八极场为正八极场。
[0019]本发明中，所述的高阶场成分，在Y方向电极加载偶极激发电压，使得离子被激发从Y方向电极的小孔中被逐出离子阱并被设置在电极外的离子检测器检测到。在这种情况下，所述的离子阱内部电场八极场为负八极场。
[0020]本发明中，所述的高阶场离子阱，其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或Z方向轴向弹出，其离子弹出方法不受限定。
[0021]本发明中，所述的离子阱电极可以是金属材料，也可以是非金属材料镀金属膜制作加工。
[0022]本发明中，所述的驱动离子阱的射频工作电源，为正弦波电压、数字方波电压、或三角波形电压。
[0023]本发明中，所述的高阶场离子阱，它可以作为离子阱质量分析器使用，也可以作为离子存储装置使用。并且它可以单独作为一个仪器使用，也可以与其他仪器装置，如四极杆质谱、飞行时间质谱、轨道离子阱质谱等结合起来组成一个较为复杂的仪器使用。
[0024]在目前已检索的专利文献中，主要报道了四极杆中高阶场成分的影响，还未见到在离子阱质量分析器中引入相对显著的八极场、十二极场分量的具体实现方法及相应的离子阱质量分析器系统。而采用本发明所述的离子阱结构，离子从离子阱的径向弹出，通过调节X方向和Y方向圆弧电极的大小比例关系，能够有效地在离子阱内产生以四极电场为主并引入相对显著的八极场和十二极场分量电势分布。理论研究和实验结果表明，通过本发明中的离子阱结构，引入的一定量的八极场和十二极场是有助于提高离子阱的分析性能，同时该结构易加工与装配，更容易实现。
【附图说明】
[0025]图1为可调节高阶场成分的离子阱结构示意图。
[0026]图2为不同电极比例下的从X电极方向弹射离子时高阶场成分含量分布图。
[0027]图3为不同电极比例下的从Y电极方向弹射离子时高阶场成分含量分布图。
[0028]图4为离子阱仪器实验工作平台示意图。
[0029]图5为离子从X方向弹出时的数字方波电压加载方式驱动示意图。
[0030]图6为离子阱高阶场成分对质量分辨率实验结果，样品采用利血平(m/z=609)。
[0031]图7为离子阱高阶