一种基于镜像电荷信号检测的质谱分析器

1.本发明涉及静电轨道离子阱质谱仪设备领域，尤其是涉及一种静电离子阱的镜像电荷拾取电路。


背景技术：

2.在以静电或磁场离子阱为分析器的傅里叶变换质谱ftms中，离子在磁场或电场的束缚下振荡运动，并使拾取电极感应出镜像电流，随着离子在电场或磁场中的连续振荡，被感应的镜像电流信号被低噪声放大器放大后，经傅里叶变换转换为频谱，由此转换成为离子的质谱。
3.现有的质谱分析器中，由于静电离子阱内电极之间电位的不同，质谱分析器中只选用其中一个电极作为镜像电荷拾取电极，并将其与一个镜像电荷放大器连接来拾取镜像电荷信号；或选用一对电极作为反相位的镜像电荷拾取电极与一个差分电荷放大器的两个输入端连接，而其它电极因为需要施加不同的直流电位或者电极之间的方位距离不便连接在同一个放大器上，造成镜像电荷信号的丢失和浪费。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低镜像电荷信号拾取丢失和浪费的基于镜像电荷信号检测的质谱分析器。
5.本发明所采用的技术方案是，一种基于镜像电荷信号检测的质谱分析器，包括静电离子阱和镜像电荷放大器，所述静电离子阱包括用于定义边界电位生成静电场的电极组，所述电极组包括若干个电极，所述电极组中的部分电极作为镜像电荷拾取电极与镜像电荷放大器配合拾取镜像电荷信号，所述电极组包括至少一组拾取电极组件，所述拾取电极组件包括至少两个拾取镜像电荷信号相位相近的镜像电荷拾取电极；所述拾取电极组件内的每个镜像电荷拾取电极通过电阻器件电连接有用以保证离子阱内电场满足阱内离子进行质谱分析条件的直流电压，且每组拾取电极组件内不同电位的镜像电荷拾取电极之间通过电容电连接，同时，所述拾取电极组件内的其中一个镜像电荷拾取电极与镜像电荷放大器的输入端电连接。
6.本发明的有益效果是：本发明通过将相位相近的镜像电荷拾取电极通过电容接在同一个电荷放大器的输入端，并通过电阻器件和直流电压给镜像电荷拾取电极加电以满足离子在离子阱内进行质谱分析的条件，达到离子阱内多个电极拾取镜像电荷信号，获得更强的镜像电荷信号，减少镜像电荷信号的丢失和浪费。
7.作为优选的，所述镜像电荷放大器为差分放大器，所述电极组的若干个电极分别为两个对称设置且拾取镜像电荷信号相位相反的外壳电极以及对称设置在两个外壳电极内的内电极，所述外壳电极以及外壳电极内至少一个内电极作为镜像电荷拾取电极组成所述拾取电极组件，所述两个外壳电极作为镜像电荷拾取电极分别接在差分放大器的正、负输入端，同一组拾取电极组件内作为镜像电荷拾取电极的内电极与外壳电极之间通过电容
电连接，如此，内电极与外壳电极拾取的镜像电荷信号汇集在一起输入差分放大器，增强了镜像电荷信号的信号强度。
8.作为优选，所述镜像电荷放大器为低噪声放大器，所述电极组为若干个电极组成的两组同轴设置的环形电极阵列，所述每组环形电极阵列为多个电极组成的同轴圆环结构，若干个所述电极均可作为镜像电荷拾取电极与镜像电荷放大器配合拾取镜像电荷信号，其中一个镜像电荷拾取电极作为中央镜像电荷拾取电极设在两组环形电极阵列的中轴处，且中央镜像电荷拾取电极穿设两组环形电极阵列；同一拾取电极组件内的镜像电荷拾取电极通过电容与中央镜像电荷拾取电极电连接，通过中央镜像电荷拾取电极将两组环形电极阵列中的镜像电荷拾取电极通过电容耦合连接到一个镜像电荷放大器中，并且，中央镜像电荷拾取电极的设置还能够增加拾取的镜像电荷的电荷量，降低离子之间的电荷相互作用力，提高镜像电荷信号检测的灵敏度。
9.作为优选的，在所述电极组内，通过电容电连接的镜像电荷拾取电极之间相邻近。
10.作为优选的，所述直流电压包括通过电阻器件与中央镜像电荷拾取电极电连接的第一直流电压，第二直流电压和第三直流电压，其中，所述第二直流电压通过电阻器件与连接镜电荷放大器的镜像电荷拾取电极电连接，所述第三直流电压通过电阻器件与同一拾取电极组件内其他的镜像电荷拾取电极连接。
11.作为优选，所述保证离子阱内的电场满足阱内离子进行质谱分析条件包括：
12.①
分析正离子时，第一直流电压高于第二直流电压形成电位差；
13.②
分析负离子时，第一直流电压低于第二直流电压形成电位差。
14.通过形成的正电位差或负电位差能够使离子阱内部空间形成的电场有助于离子的时间和空间的聚焦。
15.作为优选，所述中央镜像电荷拾取电极为直径小于1.5mm的圆柱形电极。
16.作为优选，所述相位相近的镜像电荷拾取电极为所拾取的镜像电荷拾取信号的基频相位差小于30
°
的镜像电荷拾取电极。
17.作为优选，所述电阻器件为电阻、电感、电阻与电感串联。
附图说明
18.图1为本发明具体实施例1的结构示意图；
19.图2为本发明具体实施例2的结构示意图示意图；
20.图3为本发明具体实施例2的中央镜像电荷拾取电极直流电位高于毗邻的镜像电荷拾取电极直流电位时的电位分布图；
21.图4为本发明具体实施例2的中央镜像电荷拾取电极直流电位与毗邻的镜像电荷拾取电极直流电位相等时的电位分布图；
22.图5为本发明具体实施例2中环形电极阵列的结构示意图。
23.如图所示：1、电极组；1-1、电极；1-1-1、外壳电极；1-1-2、内电极；2、镜像电荷拾取电极；3、拾取电极组件；4、电容；5、镜像电荷放大器；6、电阻器件；7、直流电压；7-1、第一直流电压；7-2、第二直流电压；8、中央镜像电荷拾取电极。
具体实施方式
24.以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
25.本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
26.具体实施例1
27.如图1所示，一种基于镜像电荷信号检测的质谱分析器，包括静电离子阱和用于拾取静电离子阱内镜像电荷信号的镜像电荷放大器5，所述静电离子阱包括用于定义边界电位生成静电场的电极组1，所述电极组1包括若干电极1-1，若干个电极1-1均可作为镜像电荷拾取电极2与镜像电荷放大器5配合拾取镜像电荷信号，所述电极组1包括至少一组拾取电极组件3，所述拾取电极组件3包括至少两个用于拾取相位相近镜像电荷信号的镜像电荷拾取电极2，每组拾取电极组件3内的每个镜像电荷拾取电极2均通过电阻器件6电连接有用以保证离子阱内电场满足阱内离子进行质谱分析条件的直流电压7，且每组拾取电极组件3内不同电位的镜像电荷拾取电极2之间通过电容4电连接，同时，拾取电极组件3内的其中一个镜像电荷拾取电极2与镜像电荷放大器5的输入端连接。
28.本具体实施例的离子阱为cassinian静电阱，所述电极组1的若干个电极1-1为两个对称设置且拾取镜像电荷信号相位相反的外壳电极1-1和对称设置在两个外壳电极1-1-1内的内电极1-1-2，所述外壳电极1-1-1与其内部至少一个内电极1-1-2作为镜像电荷拾取电极2组成拾取电极组件3，且两个拾取镜像电荷信号相位相反的外壳电极1-1-1分别电连接在差分放大器的正、负输入端，同时，同一组拾取电极组件3内作为镜像电荷拾取电极2的内电极1-1-2与外壳电极1-1-1之间通过电容4电连接。如此，内电极1-1-2与外壳电极1-1-1拾取的镜像电荷信号汇集在一起输入差分放大器，增强了镜像电荷信号的信号强度。
29.具体实施例2
30.如图2所示，本具体实施例与具体实施例1的区别在于，所述镜像电荷放大器5为低噪声放大器，如图5所示，本具体实施例的电极组1为若干个电极1-1组成的两组同轴设置的环形电极阵列，且两组环形电极阵列对称，所述每组环形电极阵列为多个电极组成的同轴圆环结构，若干个所述电极1-1均可作为镜像电荷拾取电极2与镜像电荷放大器5配合拾取镜像电荷信号，其中一个镜像电荷拾取电极作为中央镜像电荷拾取电极设在两组环形电极阵列的中轴处，且中央镜像电荷拾取电极穿设两组环形电极阵列，同时，中央镜像电荷拾取电极8与穿过的环形电极阵列之间绝缘；本具体实施例的中央镜像电荷拾取电极8采用金属丝制成的圆柱结构，并且，所述中央镜像电荷拾取电极8的直径小于1.5mm，此处，本具体实施例采用的中央镜像电荷拾取电极8的直径为0.6mm；其中一组环形电极阵列中的镜像电荷拾取电极由内往外依次为21a、22a、23a....,另一组对称的环形电极阵列的镜像电荷拾取电极由内往外依次为21b、22b、23b...；至少两个拾取镜像电荷信号相位相近的镜像电荷拾取电极组成一组拾取电极组件，同一拾取电极组件3内的镜像电荷拾取电极2通过电容与中央镜像电荷拾取电极8电连接，且同一拾取电极组件3内每个所述镜像电荷拾取电极2通过
电阻器件6电连接有用以保证离子阱内的电场满足阱内离子进行质谱分析条件的直流电压7，所述直流电压7包括通过电阻器件与中央镜像电荷拾取电极8电连接的第一直流电压7-1，第二直流电压7-2和第三直流电压7-3，给中央镜像电荷拾取电极8的第一直流电压7-1为65v，同一组拾取电极组3内，与镜像电荷放大器连接的镜像电荷拾取电极通过电阻器件6与第二直流电压电连接，第二直流电压为0v，同组其余的镜像电荷拾取电极2通过电阻器件6与第三直流电压电连接，第三直流电压为515v。通过大阻抗电阻器件6给中央镜像电荷拾取电极8以及镜像电荷拾取电极2叠加直流电压，从而形成满足静电离子阱内离子进行质谱分析的电场。
31.本具体实施例中，21a、22a、21b、22b作为一组拾取电极组，镜像电荷拾取电极21b与低噪声放大器电连接，同时，镜像电荷拾取电极21b以及对称的镜像电荷拾取电极21a均通过通过电阻器件6与第二直流电源电连接，而镜像电荷拾取电极22a、22b则通过电阻器件6与第三直流电源电连接。
32.由此，通过中央镜像电荷拾取电极8将两组环形电极阵列中的镜像电荷拾取电极2通过电容4耦合连接到一个低噪声放大器中，低噪声放大器进行放大、检出，然后通过电脑对信号的转换获得质谱；考虑到离子运动到中心时的轨道距离两组环形电极阵列的中轴距离很近，中央镜像电荷拾取电极8的设置具有一定的屏蔽作用，在增加离子电荷量的同时，降低空间内离子之间的电荷相互作用力，所以在提高镜像电荷信号检测灵敏度的同时，增加了分析器的分析动态范围，关于镜像电荷放大器5放大信号后如何进行检出质谱为现有技术，此处不做赘述。
33.此外，本具体实施例中，第二直流电压7-2给镜像电荷拾取电极供500v电压，当镜像电荷拾取电极2的电压电位为0v时，第二直流电压7-2为接地线。
34.其中，满足静电离子阱内离子进行质谱分析的电场的条件为：
35.①
分析正离子时，如图3所示，第一直流电压高于第二直流电压形成电位差；这个正电位差能够使中央镜像电荷拾取电极8的周围以及静电场的中央平面上的电位随半径的分布具有连续为正的二阶导数，这种连续为正的二阶导数能够使具有不同初始切向动能的正离子实现等时聚焦；
36.否则，如图4所示，在中央镜像电荷拾取电极8的直流电位为0v时，毗邻的镜像电荷拾取电极也为0v，则离子阱内的径向电位梯度随离子阱的半径r的增长下降，如此就无法满足轨道周期时间对初始切向速度聚焦的条件。
37.②
分析负离子时，第一直流电压低于第二直流电压形成电位差。这个负电位差能够使中央镜像电荷拾取电极8的周围以及静电场的中央平面上的电位随半径的分布具有连续为负的二阶导数，这种连续为负的二阶导数能够使具有不同初始切向动能的负离子实现等时聚焦；
38.通过形成的正电位差或负电位差能够使离子阱内部空间形成的电场有助于离子的时间和空间的聚焦。
39.此外，关于中央镜像电荷拾取电极8从两电极环形阵列的中轴处穿设的结构，本具体实施例中组成环形电极阵列的电极1-1为直径不等的环形电极结构，且中央镜像电荷拾取电极8的直径小于1.5mm，为此中央镜像电荷拾取电极8能够轻易的从量环形电极阵列的中轴处穿设，以此缩短两环形电极阵列中电极1-1之间的方位距离，便于组成拾取电极组件3。