离子光学装置的制作方法

本发明涉及质谱分析技术领域，特别是涉及一种离子光学装置。

背景技术：

对于工作在扫描(如四极杆)或脉冲工作模式下(如飞行时间，静电离子阱等)的质量分析器，对于分析含较宽质荷比范围的离子流时，会由于质量分析器瞬时可分析的离子质荷比范围与该离子流质荷比范围的不一致，出现对除特定质荷比范围外的离子的强度歧视或无法利用，这在很大程度上影响了利用这些质量分析器的质谱仪，如三重四极杆，四极杆串联飞行时间，或静电轨道阱质谱仪的灵敏度与质量歧视特性。为解决此问题，传统的方式包括：

a.使用离子储存装置储存离子，再按后级质量分析器需要同步放出，

b.在离子导引末端施加有质量选择的赝势垒或边缘场结构，也可配合质量选择共振对离子逐出进行调制。

c.使用额外的离子导引或储存结构将前级离子暂存在飞行时间等分析器的结构内，配合其工作时序放出并分析。

d.使用额外的加减速透镜使得离子按受控的时间依次同步于后级质量分析器时序。

但以上方法均存在一定限制：

对于a，以us7208728，us7323683的线形离子阱和us9184039的所谓scanwave方式为代表，在这种模式下，离子直接受到轴向排列的多个电极所形成的直流电位或射频赝势位所约束，在这种模式下，离子的轴向传输控制和离子的质量选择逐出受在轴向所形成的同一势垒控制，且离子逐出与质量分离发生在同一方向，由于任何离子储存装置具有一定的离子储存上限，当离子流强高于此上限时，此势垒对质量选择的响应非线性，同时储存装置本身由于气压或束缚射频存在会对放出的离子造成拖尾，后加热等问题，外加上对于高分辨的质量分析器所需的超高真空限制，使得分析器与离子储存装置间一般有一渡越距离，即使放出的离子与后级质量分析器时序同步，经过渡越距离由于不同质荷比离子的速度不同，又出现新的质量歧视。

b.以us8227151，us8487248等通过多分立电极结构在离子光学装置长度方向建立二次四极dc势阱，或us8299443，us9177776引入轴向周期电极结构，利用多个不同波长的空间射频势波形形成质量分离特性赝势垒为代表，这些方法中，其质量分离势垒位于离子传输轴向，其边缘场结构本身会破坏离子在场轴的冷却和质量特性，为快速逐出离子，所引入的轴向共振激发手段更是会使离子在逐出方向上获得一个较大的能量分布，这对具有较高分辨的四极杆，飞行时间和静电离子阱分析器来说，都会由于初始相空间分布劣化破坏分辨特性。

c.以美国专利us7582864为代表，其采用两相幅度不对称的射频实现轴上的射频电位，与末端dc引出电极的多极场组合实现离子轴向的质荷比由大至小逐出，然而这样的导引或储存结构因其在轴向具有非零的射频电位，本身容易破坏分析器的场完美性，增加后续离子聚焦所需条件的复杂度，此外导引或储存结构需要的非对称射频波形会使离子放出时的能量和空间分布劣化。

d.以美国专利us8754367为代表，利用时变电场先分离不同质荷比离子，然后利用其空间位置构建非线性电场加速，使得离子最后能于同一时间进入飞行时间加速区，然而虽然通过这样的手段，在轴向离子是能很好地聚焦了，然而根据电场分布的拉普拉斯方程，轴向的非线性电场必然在径向上伴随巨大的非线性发散电场，这样的方法根据刘维定理压缩了离子的时间分布，但必然要牺牲径向的空间和能量聚焦特性，这对高分辨的四极杆，飞行时间和静电离子阱分析器来说都是极其不利的。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的是发展一种轴向传输(即第一方向)离子光学装置，通过操纵径向(即第二方向)势垒位置，高度或其梯度方向，将离子引入并传输到该势垒一侧的第一区域，通过改变势垒位置，高度或其梯度方向方向，又可将传输或储存在第一区域中的离子根据其质荷比或迁移率转移到第二区域储存或传输，由此最终达到调制从该离子光学装置沿轴向逐出离子的质谱或离子迁移谱时序模式，从而提高位于其下游的其他同步工作的装置的离子利用效能，尤其是工作于脉冲模式的飞行时间或静电阱检测器。对于四极杆质量分析器，由于经调制后的离子供给时间与四极杆的质量分析通道也可同步，因此对此种质量分析器在扫描模式下工作时，总体的灵敏度分析效能也可提升。

为实现上述目标及其他相关目标，本发明提供一种离子光学装置，包括：一或多对约束电极单元，在一空间内的第一方向的两侧相对设置且随所述第一方向延伸；位于第一方向上游的离子引入口，用于沿第一方向引入离子，电源装置，用于在成对的约束电极单元分别施加相反的射频电压且在约束电极单元上形成按基本正交于所述第一方向的一个第二方向上分布的多个直流电位，以在所述第一方向的至少一部分长度上形成在所述第二方向上的势垒；至少一个第一区域及第二区域，位于所述空间中且在第二方向上分别位于所述势垒两侧；控制装置，连接所述电源装置，用于控制所述电源装置的输出以变化所述势垒，以操纵在所述第一区域中传输或储存的离子按其质荷比或迁移率的不同而以不同方式通过所述势垒转移到所述第二区域。由于离子的控制传输发生在第一方向，而区别分离发生在第二方向，两者所需要的电场控制做到了正交化，因此避免了背景讨论中所述的轴向冷却传输与轴向质量分离的矛盾问题。

于本发明的一实施例中，所述控制装置用于操纵所述电源装置的输出幅度，或频率来调整所述势垒的位置、高度或方向。

于本发明的一实施例中，所述第二区域中的离子供沿所述第一方向逐出所述离子光学装置。

于本发明的一实施例中，所述的离子光学装置，包括：引出电极单元，设于所述第二区域下游，并连接所述离子光学装置的出口，用于将所述第二区域中的离子沿所述第一方向逐出所述离子光学装置。

于本发明的一实施例中，所述引出电极单元施加有用于实现所述逐出离子动作的周期性脉冲电压。

于本发明的一实施例中，所述离子光学装置后级设有质量分析器，所述控制装置连接所述质量分析器；所述控制装置用于控制所述电源装置及质量分析器，使所述转移至第二区域以供逐出的离子的质荷比或迁移率同该控制装置为所述质量分析器所设置的需分析的离子质量相匹配。

于本发明的一实施例中，每个约束电极单元包括沿一第二方向设置的多个电极，相邻的电极施加有相反相位的射频电压且分别施加有直流电压；并且成对的两个约束电极单元的电极间一一成对，成对的两个电极分别施加有相反相位的射频电压。

于本发明的一实施例中，每个约束电极单元中的各所述电极平行间隔设置。

于本发明的一实施例中，每个所述约束电极单元包括3个以上的电极。

于本发明的一实施例中，所述空间中具有碰撞气体。

于本发明的一实施例中，所述碰撞气体的气压范围为0.1～10pa。

于本发明的一实施例中，成对的约束电极单元之间具有一个大于0度且小于50度的张角，用以在所述第一方向引入直流渗入场并向所述第一方向下游压缩并传输离子。

于本发明的一实施例中，成对的约束电极单元之间具有一个大于0度且小于或等于20度的张角。

于本发明的一实施例中，成对的约束电极单元间在所述第一方向的两端开口距离比例为1至2.8。

于本发明的一实施例中，成对的约束电极单元间在所述第一方向的两端开口距离比例为1.9至2.4。

如上所述，本发明的离子光学装置，包括：一或多对约束电极单元，在一空间内的第一方向的两侧相对设置且随所述第一方向延伸；电源装置，用于在成对的约束电极单元分别施加相反的射频电压且在约束电极单元上形成按基本正交于所述第一方向的一个第二方向分布的多个直流电位，以在所述第一方向的至少一部分长度上形成在所述第二方向上的势垒；至少一个第一区域及第二区域，位于所述空间中且在第二方向上分别位于所述势垒两侧；控制装置，连接所述电源装置，用于控制所述电源装置的输出以变化所述势垒，以操纵在所述第一区域中传输或储存的离子按其质荷比或迁移率的不同而以不同方式通过所述势垒转移到所述第二区域，提升位于其下游的其他同步工作装置的离子利用效能。

附图说明

图1a及1b显示为本发明一实施例中离子光学装置的结构示意图，图1c显示为此离子光学装置与四极杆串联的三维结构图。

图2a至图2f显示为本发明一实施例中离子光学装置应用的原理示意图。

图3显示为图2a至图2f实施例的时序图。

图4显示为在图3时序条件下离子光学仿真所得到的每个不同质荷比离子的溢出曲线叠合图。

图5a至5c显示为图2a～2f实施例中势垒电位dc1的变化速率由14v/ms变化至1.5v/ms对离子分离的影响的实验效果图。

图6a至图6g显示为本发明离子光学装置在约束电极单元间开口角度为0～50度情况下的质量数为300和450th的离子逐出所述离子操纵装置的逐出时间分布图。

图7显示为图6a至6g变化开口角度的情况下，300和450th离子在长期储存情况下的轴向分布长度。

图8显示为本发明的离子光学装置出口极轴间距为2毫米时，变化不同入口极轴间距对300和450th离子的逐出时间分布。

图9a及9b显示为在对引出电极施加不同电压的情况下使逐出离子压缩成多个短簇的实验效果图、以及每一簇内离子的质荷比范围控制在所需范围内的实验效果图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1a及图1b显示为本发明离子光学装置的一种实施例中的方案，如图1所示，在该离子光学装置中具有内部空间，该内部空间具有第一方向(例如图示的a线所示)，所述第一方向例如接该离子光学装置的离子入口和离子出口，而用作为离子传输的方向，后文简称为轴向；所述轴向两侧分别设有成对的约束电极单元11，12，图中显示的是上下方向设置，该对约束电极单元11，12上具有相反的射频电压，且可施加有沿正交于所述第一方向的一个第二方向(后文简称径向)设置的多个直流电位，所述第二方向例如为图1a中沿垂直纸面的方向，当然，要形成该多个直流电位，可例如通过相分离且各自施加直流电压的多个电极的结构来实现，当然，并非以此为限。

具体的，如图1b所示，每个所述约束电极单元包括多个电极(101～106)，该些电极(101～106)可以是平行间隔设置，所述电极(101～106)呈直线条带形且随所述轴向而延伸，即从邻近离子光学装置的离子入口端向邻近离子出口端延伸，本实施例中，每个约束电极单元11或12中相邻分布的电极间附加相反相位的射频电压，而两个约束电极单元11，12间的电极也是一一成对的，例如图中所示的约束电极单元11具有6根电极，则与其成对的约束电极单元12亦具有6根电极，每对电极间附加的射频电压相位也相反，令轴向上通过离子入口100被引入的离子被此射频电压所束缚从而约束于上述约束电极单元11，12间的空间之中；当然，需说明的是，图示中的电极数量仅为优选例示，并非以此为限，经试验，每个约束电极单元的电极数量在3个以上较佳；离子光学装置的离子出口设有引出电极110，用于将离子引出装置。该离子光学装置的下游可串联质量分析器，如图1c所示，四极杆质量分析器200(简称四极杆)可以直接串联在本发明的离子光学装置后，对所逐出的离子进行进一步的质量分析或选择操作。

当运用本发明的离子光学装置对连续或准连续地引入的离子流进行操纵过程时，可参考图2a至2f所示，例如，首先如图2a所示，将电极102，105的直流电位dc2下降至比两侧电位dc1与dc3都低，从而在轴向两侧实现了一个径向延伸的类似w形状的空间势垒，此处定义径向上位于势垒两侧的第一区域(例如包含104和105之间的空间、或102和103之间的空间的区域)及第二区域(例如包含103和104之间的空间的区域)，从离子入口引入该离子光学装置的离子，将会在所示势垒外的第一区域活动，当引入合适的碰撞气压(如0.1～10pa)时，引入的离子流会在与碰撞气体碰撞过程中逐步冷却，从而束缚在w型径向势垒约束的两侧第一区域内。由于该离子光学装置在轴向方向上有着较长的空间，离子可以分散到长度方向的多个位置，降低了空间电荷密度，从而该离子光学装置对引入的离子具有很高的储存上限，并形成如图2a所示的包含多种不同质量离子的线状离子云。

当需要分离不同质荷比的离子时，可以提高处于最外侧的电极101，106的直流电位dc1，并逐步步进下降中间电极103，104的直流电位dc3，此时储存于两侧第一区域内的离子会通过上述w型势垒开始进入中间的近轴向的第二区域，如图2b所示，当dc3电压下降至0.5v时，质荷比5000th的离子可以进入第二区域，如图2c所示当dc3电压下降至0.3v时，质荷比1000至2000th的离子可以进入第二区域，如图2d所示当dc3电压下降至0.1v时，质荷比500th及以上的离子可以进入第二区域。类似的，提升dc2电压也可以达成消弭径向势垒的效果，例如在图2e中，当dc2电压提升至1v时，质荷比100th及以上的离子都能被逐出第一区域而进入第二区域。在第二区域中，由于其线形束缚结构及射频场作用，离子依旧被压缩成一个良好的线形束而最后引出所述装置。当dc2与dc1电压相同时，由于径向方向不再存有区分第一第二区域的势垒，全部离子都进入该装置中轴区；图2f显示上述各种质荷比离子转移过程的总体行程由此，形成了一个u形的迁移路径，逐出离子的时序受dc1，dc2，dc3的变化所约束。

在这个过程中，不同质荷比的离子由于在射频电压所形成的赝势垒的高度不同，在不同的势垒强度下先后通过w型势垒进入第二区域。而进入第二区域的离子，会继续受到电极103，104的射频电压所形成的四极场束缚，进一步向前传输。最终形成的整体效果是离子按质荷比大至小的顺序依次通过引出电极110离开所述离子光学装置。

这种装置的一个优点是可以将从上游引入的不同质量的离子在送到下游质量分析过滤装置前按下游质量分析过滤装置的预设定通过质量数形成富集效果，以配合四极质量分析器的组合装置图1c为例，控制器300用于同时同步输出所述离子光学装置的势垒电压dc1-dc3，以及四极杆200的质量扫描控制电压，在现代仪器中，控制器300可以是电脑或集成于电脑的控制卡，也可以是嵌入式系统如单片机，数字信号处理器(dsp)或可编程门阵列(pld/fpga)等，配合合适的数字-模拟转换电路及调理电路来形成。以农药残留分析常见的15-715th扫描窗口为例，若不附加本离子光学装置，假定农药及背景杂质离子均匀分散于此700th的质量窗口中，由于四极杆质量分析器200在标准模式下可分析的质量窗口为1th，扫描模式下瞬时只有1/700的离子能通过四极杆而得到检测器响应，而附加本离子光学装置后，通过调节dc1-dc3的电压，可以将在此质量窗口中的每一种离子同步于四极杆扫描时序逐出，此时100％的离子都能得到利用，信号增益为700。即使考虑到实际样品具有不同的质荷比丰度，在宽扫描模式下，采用本装置作为四极杆的前级调制装置也至少可以获得2-5倍的信号增益。此外，当所述离子光学装置内有压强较高的碰撞气压时(如大于5pa)，该离子光学装置的质荷比控制则改变为受迁移电场和碰撞气体控制的离子迁移率控制，此时后级四极杆质量分析器200的设定控制电压应与该迁移率待测离子的质荷比相匹配。

而通过改变影响所述势垒高度相关的电压，尤其是调节其变化的速度，可以达到将某些离子聚合在相近的时间区段，而将质量范围数倍于这一范围的离子在下一时间区段引出，这种特征对扩展飞行时间质谱分析器的质荷比动态范围非常重要；图3展示了一个典型的改变势垒的工作时序。在预备工作阶段，引出电极110施加有一个较高的电位，此时没有离子可以通过该离子光学装置，在250微秒附近，该电压下降并伴随dc1～dc3的电位修改，5000th～1500th范围的离子会在随后250微秒左右逐出，在1000微秒及2000微秒处dc1～3的扫描斜率亦发生改变，从而使得1500-400th及400-100th的离子分段逐出，由于在每段区域内，被操纵引出的离子具有一个仅约3倍左右的质量低-高窗口。这使得每批逐出的离子能大致同时落在一次脉冲引出的脉冲推斥区长度范围，使得所有离子均能得到检测利用，因此避免了在正交式飞行时间质谱中出现的由于推斥区有限长度导致的质量范围限制问题。图4显示了在图3时序条件下离子光学仿真所得到的每个不同质荷比离子的溢出曲线叠合图，可以看到不同质荷比窗口的离子确实很好的分布在了对应的约250微秒宽的时间窗口中。

当本装置中所形成的势垒或势阱高度的变化速度改变时，上述质荷比分离的效果还能进一步改善，图5a至5c展示了外侧势垒电位dc1的变化速率由14v/ms变化至1.5v/ms的情况，在原先的条件(14v/ms)下，质量数225和450的离子底端不能分离，随着扫描速度下降，该两种质荷比的离子开始并于扫速1.5v/ms时实现完全分离，对于追求灵敏度的小型飞行时间质谱，由于结构尺寸限制，3倍左右的质量低-高窗口已不能实现离子同时落于飞行时间推斥区，但随着扫速下降，可以实现1.5倍左右的质量低-高窗口分离，从而使得这样的小型仪器也能获得较好的全质量灵敏度性能。

值得指出的是，由于该离子光学装置依赖于离子在正交于轴向第一方向的第二方向的势垒使离子得到区分，因此，将该势垒在离子可能发生的渡越区域内保持必要的恒一性，对提高该离子光学装置对不同质量数离子的区分性能非常重要。由于末端引出电极110等在轴向的场渗入，对于不同轴向位置的区分势垒，其在正交的第二方向的势垒高度会在不同轴向位置发生变化，从而影响到这些不同离子的分离效率。

为解决此问题，如图1a所示，成对的约束电极单元之间可形成有角度的开口，请参阅图6a至6g，分别对应该开口角度为0度、2.5度、5度、10度、20度、35度、及50度情况下，对该离子光学装置的离子分离效果进行了计算机轨迹分析，其对质量数300th与450th离子的分辨效果如上述图示所示，从中可以发现，只要离子光学装置存在大于0度的入口开口角，其分离离子的能力便会有所改善，通过分析离子在长期引入该离子光学装置后(如100ms以上)的离子轴向分布长度，如图7所示可见，开口角的存在使得离子光学装置内沿轴向亦形成赝势场和由于设定径向势垒的电压所伴随的直流渗入场，使得离子在轴向的分布距离112变短，从而进一步使得不同离子在渡越该用于分离离子的势垒时，由于可能发生渡越的轴向位置变得较为单一，不同轴向位置引发的势垒变化得到一定的抑制，从而改善了分辨效果，此外，直流渗入场可以帮助离子在轴向的顺利传输，减少离子在本器件内的驻留时间，减少不必要的分子-离子反应及减少空间电荷分布所产生的负面效果。

需要指出的是，开口角度的存在并不是越大越好，当开口张角大于35度时，迅速下降的极轴间距，亦称场半径的迅速下降，会使得离子在轴向末端感受到过强的射频势垒，虽然离子能被几乎压缩到一个毫米以下的点空间，但并不能以聚焦离子束的形式通过末端引出电极110，而是由于伴生的强四极直流偏转场在条带形的束缚电极上损失殆尽。当开口角小于35度时，离子虽然能够通过引出电极110离开所述离子光学装置，但是轴向不同位置的势垒高度变化也非常剧烈，因此对离子的分辨破坏也很严重。为此，如图1b所示，有必要控制极轴间距113(即该实施例中成对的约束电极单元11，12的间距)在整个轴向长度上的变化比例，使得势垒高度沿轴变化的幅度得到控制。对于轴向末端(邻近离子出口)的约束电极间距为2毫米的情况，在邻近离子入口100的成对约束电极单元11，12间距对300th，450th离子的时间分辨效果如图8所示，两种离子的逐出时间分布宽度同其平均逐出时间的差异比例可最高控制到0.95附近，这对应着两种离子的底峰宽处几乎完全分离，此时对应的入口处的极轴间距113为4到4.8毫米(对应图8中的c，表示较好的分辨率条件)，对应的成对的约束电极单元11，12间沿第一方向的两端开口比例为2至2.4；当入口的极轴间距113在5.6毫米(对应图8中的b，表示基本具备质量分辨条件的上限)以下时，两种离子的半高峰宽与平均逐出时间差的比例均可控制在1以下，这意味着该离子光学装置对这两种离子存在着实际的质量区分效果，对应的所述两端开口比例范围1至2.8。

还需要指出的是，对于现代高脉冲重复率的飞行时间系统，还可以通过控制器300在引出电极110上附加脉冲电压实现对逐出离子的进一步调整。例如在上述装置中，对引出电极(skimmer)的电位施加-30v/-10v的30％占空比且频率为50khz方波时，可进一步将入口极间距较差条件，例如入口电极间距原有220微秒的离子簇宽压缩到每个宽度约20微秒的多个短脉冲簇，由于对于每个特定的引出时间，所逐出离子的质荷比范围能够高度确认，因此我们可以通过引出离子的预计平均质量动态变化飞行时间质量分析器推斥脉冲的延迟时间，从而对未来高速至50khz重复脉冲率的飞行时间仪器还能达成各质荷比离子的全利用。而对于现有10khz的飞行时间系统，这样的调制能将1.5倍质荷比范围的离子做到底部分离调整成约30微秒宽的脉冲，也可实现很好的质量区分-同步质量分析检测的效果。

具体的，如图9a及9b所示，图9a显示对离子操纵装置的引出电极110附加-30v/-10v的30％占空比且频率为50khz的电压时，使逐出离子压缩成多个短簇的效果图，以225th，300th及450th为例；图9b显示为在所述引出电极施加-25v/8v的占空比为30％且频率为10khz的电压，以在相邻的该些短簇间，由于同一中间质荷比的离子分至相邻两簇，每一簇内离子的质荷比范围控制在1.5倍范围内的效果图。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于阻挡本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。