专利名称：一种具有栅网电极结构的阵列离子阱质量分析器的制作方法
技术领域：
本发明属于分析仪器技术领域，具体涉及一种质谱仪器中的离子阱质量分析器。
背景技术：
质谱分析是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，然后在磁场中按质荷比(m/z)大小进行收集和记录，及得到质谱图。根据质谱峰的位置进行物质的定性和结构分析，根据峰的强度进行定量分析。试样从进样器进入离子源，在离子源中产生正离子。正离子加速进入质量分析器，质量分析器将离子按质荷比大小不同进行分离。分离后的离子先后进入检测器，检测器得到离子信号，放大器将信号放大并记录在读出装置上。质谱仪器通常由六个部分组成:真空系统，进样系统，离子源，质量分析器，离子检测器，记录显示和数据处理系统。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。在现在的质谱分析和质谱仪器的发展中，质谱仪器的小型化、高通量和高灵敏度的质谱分析方法都受到了广泛的研究。一些诸如公共场所的安检、环境监测等现场的实地分析需要方便携带的小型化质谱仪器；在另外一些领域诸如蛋白质组学、新药研发以及蛋白质组学等领域，需要分析和检测的样品的数目很大，这对质谱仪的分析效率以及灵敏度都提出了很高的要求。在众多种类的质量分析器中，离子阱质量分析器具有其独有的优势。首先离子阱质量分析器的结构相对简单，易于加工和装配，因此，就离子阱质量分析器本身，可以完成体积的缩小以及结构的简化。其次离子阱质量分析器可以在较高的工作气压下(高于I(T1Pa),因此其真空系统的体积也可以大幅度的减小；再者，离子阱质量分析器可以实现对离子的存储和积累，这对于提高质谱仪器的灵敏度有着重要的作用。最早的离子阱被称为Paul三维离子阱，这种三维离子阱在20世纪50年代被Paul等人在德国波恩大学发明出来，然而Paul三维离子阱是由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称为约1_的离子团簇，因此存在很大的空间电荷效应，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阱称为圆筒阱(Cylindrical 1n Trap)，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。线性离子阱的出现很好的解决了三维离子阱的这些问题，它对于外部离子源产生的离子的束缚效率理论上可以达到100%，使得它的离子存储的数量大大的提高。这种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工作组又提出了新的二维线性离子讲矩形离子讲(Rectilinear 1n Trap),这种讲结构简单，加工方便，非常适合小型化和高通量分析。随后矩形离子阱被应用于小型化质谱仪的研究，制成手提式质谱仪MinilO和Minill，并成功应用到多通道阵列矩形离子阱高通量质谱分析中。这些对于离子阱的小型化、高通量和高灵敏度的质谱分析方法都做出了巨大的贡献。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有高离子引出效率、高灵敏度，同时能够完成高通量分析的线性离子阱质量分析器，实现一个离子阱实现多种样品同步分析，以此大大提高离子阱的性能及分析效率。本发明提出的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，采用了一种新的离子阱结构。该离子阱具有多个能够完成离子存储和质量分析的通道，且至少有一个电极具有导电栅网结构。离子阱中的束缚存储离子可以通过栅网电极从离子阱中弹出，从而被离子检测器接收并检测。该离子阱质量分析的每个通道均可以当做一个独立的离子阱使用，可以实现同时存储多种离子并完成它们的同步分析；另外以栅网电极作为离子引出的结构可以大大减少离子引出时于电极碰撞的损耗，从而大大提高质谱仪器的检测灵敏度。本发明提出的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器的结构，具体来说是由x、y、z三个方向上的三对电极或电极组构成。若规定离子的引出方向为X方向，则在X方向上的一对电极为两组电极，或者是由被分割成不同的区域的两个电极结构组成。若为两组电极，则相邻的两个电极上施加的为幅值相同、相位相反的射频电压；在上下相对的两个电极上则施加的为幅值和相位均相同的射频电压。若为被分割成不同的区域的两个电极结构组成，则电极上相邻的两个区域施加的为幅值相同、相位相反的射频电压；在上下相对的两个区域上则施加的为幅值和相位均相同的射频电压，且在X方向的电极上还施加一个辅助交流电场，用以辅助完成离子的共振激发弹出。X方向两组电极，或是被分割成不同的区域的两块电极中至少含有一个栅网电极结构；y方向的电极为平面地电极；z方向为端盖电极，该端盖电极为具有进样孔的平板电极结构。X、1、z电极之间存在着间隙或者使用绝缘材料隔开，用以保持电极之间的绝缘。其中X方向的电极上施加有射频电压，用以形成在x、y方向上对于离子的径向四极束缚场；y方向上的两个平板电极接地；z方向上的一对电极上施加直流电压，用以形成一个轴向的束缚势阱用以完成离子的轴向束缚。本发明中，所述的栅网电极阵列离子阱，其含有的质量分析的通道的数目为2个以上，例如为2-5个，具体可为2个，3个，4个，或者更多。本发明中，所述的栅网电极阵列离子阱，在X电极上采用的具有栅网电极结构的电极，其数目不是固定的，可以为I个，或者为多个，例如为2个，3个，或者更多。本发明中，所述的栅网电极阵列离子阱，栅网电极作为离子引出之用，其大小、形状以及栅网本身的网格形状及尺寸都不受限制；可以是电极上的某部分为栅网，也可以为整个电极区域或者整个电极均为栅网。本发明中，所述的栅网电极阵列离子阱，栅网电极在电极上的安装方式及位置不受限制，可以在内表面，也可以在外表面，或者是内外表面的中间区域。本发明中，所述的栅网电极阵列离子阱，其制备导电栅网电极的材料可以各种导电材料，半导体材料，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。本发明中，所述的栅网电极阵列离子阱，其未装载导电栅网电极的其他电极或者其他区域的电极形状和尺寸，可以是平板电极，也可以是双曲面电极或圆杆电极，或者其他形状的电极。本发明提供的这种离子阱质量分析器具有同时分析多种样品的能力，栅网电极的引入能够有效的补偿传统线形离子阱中离子引出端对于内部电场形状的破坏，改善阱内的电场成分；同时可以减少离子弹出过程中于离子阱本身碰撞的损失，增加离子弹出的数量，提高离子阱的检测灵敏度，对于离子阱性能的提升具有重要的意义。
图1-图3:本发明具体实施的栅网电极阵列离子阱质量分析器的结构示意图。其中，图1是三维结构示意图；图2是xy面电极结构的二维截面示意图；图3是栅网电极二维平面示意图。图4-5:本发明具体实施的栅网电极阵列离子阱质量分析器的电压分布示意图。其中，图4是射频电压分布图，图5是直流电位分布图。图6:本发明具体实施例2的栅网电极阵列离子阱质量分析器的电极结构示意图。图7-8:本发明具体实施的栅网电极阵列离子阱质量分析器的其他栅网安装形式的截面示意图。其中，图7为栅网电极安装在内侧，图8为栅网电极安装在外侧。
具体实施例方式下面结合附图和实施例并结合附图对本发明进一步说明。具体实施例1参考图1-图3所示，其中图1为该方案的阵列离子阱的三维立体结构图，由六块电极组成，如果定义离子引出的方向为X方向，其中Z方向上的一对电极为104和105，其电极形状为平板电极，电极104上开有进样孔101，用于样品的引入。y方向上的一对电极106为地电极。电极102为栅网电极，其中103为栅网结构。图2为x、y方向电极对的二维截面示意图，两对电极对称分布相邻的两个电极之间有空隙保持不导通，电极之间的距离以及栅网103的大小不受限制。阱中的离子从栅网103进入离子检测器被检测，经过数据采集、放大以及处理后得到所需的质谱图信息。图3为栅网电极组的平面示意图，栅网位于电极的中心区域，其几何尺寸以及形状等均不受限制，可根据具体的实验要求设定。图4和图5所示为栅网阵列离子阱上施加的电压分布图。图4为直流分布示意图，位于线形离子阱两端的z方向的一对电极即端盖电极上施加较高的直流电位，位于中间方向的X方向电极施加较低的直流电位，最终可以在轴向形成一个直流电位差，作为阱内离子的束缚势阱。图5为阱电极上的射频电压的分布示意图，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)信号耦合的方式施加到阱电极上。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6所示为例2的栅网电极阵列离子阱质量分析器的电极结构示意图。该电极结构为整体电极分区域镀导电层的形式。该电极为一个整体结构，其中202为导电镀层，对应的就是不同的质量分析通道的电极；203为栅网结构，也就是离子引出的结构；204为不同的导电镀层区域的间隔空隙，以保证各个区域的独立工作。其中，导电镀层的形状不受限制，栅网电极的区域大小、形状以及栅网本身的大小和形状等均不受限制。图7和图8所示为其他栅网安装形式的截面示意图。其中图7的栅网电极结构中栅网的位置位于电极的内侧；图8的栅网电极结构中栅网的位置位于电极的外侧。
权利要求
1.一种具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其特征在于离子阱质量分析器是由多个质量分析通道组成，在这些组成通道的电极中至少有一个含有导电栅网电极结构。
2.根据权利要求1所述的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其特征在于由空间x、y、z三个方向上的三对电极或电极组构成；其中: 若规定离子的引出方向为X方向，则在X方向上的一对电极为两组电极，或者是由被分割成不同的区域的两个电极结构组成，且电极中至少含有一个栅网电极结构；y方向的电极为平面地电极方向为端盖电极，该端盖电极为具有进样孔的平板电极结构；χ、1、z电极之间存在着间隙或者使用绝缘材料隔开，用以保持电极之间的绝缘；其中，X方向的电极上施加有射频电压，用以形成在x、y方向上对于离子的径向四极束缚场；y方向上的两个平板电极接地；z方向上的一对电极上施加直流电压，用以形成一个轴向的束缚势阱用以完成离子的轴向束缚。
3.根据权利要求2所述的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其电极特征在于，若X方向上的电极为上下两组电极，则相邻的两个电极上施加的为幅值相同、相位相反的射频电压；在上下相对的两个电极上则施加的为幅值和相位均相同的射频电压；若X方向上的电极为被分割成不同的区域的两个电极结构组成，则电极上相邻的两个区域施加的为幅值相同、相位相反的射频电压；在上下相对的两个区域上则施加的为幅值和相位均相同的射频电压；且在X方向的电极上还施加一个辅助交流电场，用以辅助完成离子的共振激发弹出。
4.根据权利要求1或2所述的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其特征在于质量分析通道的数目为2个以上。
5.根据权利要求1或2所述的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其特征在于采用的具有栅网电极结构的电极，其数目为I个，或者为多个。
6.根据权利要求1或2所述的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其特征在于所述的栅网电极，是电极上的某部分为栅网，或者是整个电极区域或者整个电极均为栅网。
7.根据权利要求1或2所述的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其特征在于所述栅网电极的栅网在电极上的安装位置为，在内表面，或者在外表面，或者在内外表面的中间区域，或者在组成通道的整个电极区域。
8.根据权利要求1或2所述的具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器，其特征在于制备栅网电极的材料为导电材料，或者为半导体材料。
全文摘要
本发明属于分析仪器技术领域，具体为一种具有栅网电极结构的多通道线形离子阱质量分析器。本发明的离子阱质量分析器，包含多个离子存储和质量分析通道，其中组成通道的电极中至少有一个含有导电栅网结构。这种离子阱质量分析器具有同时分析多种样品的能力，栅网电极的引入能够有效的补偿传统线形离子阱中离子引出端对于内部电场形状的破坏，改善阱内的电场成分；同时可以减少离子弹出过程中于离子阱本身碰撞的损失，增加离子弹出的数量，提高离子阱的检测灵敏度，对于离子阱性能的提升具有重要的意义。
文档编号H01J49/06GK103177929SQ20131008054
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月13日 优先权日2013年3月13日
发明者肖育, 丁正知, 丁传凡 申请人:复旦大学