[发明专利]高丰度灵敏度的磁场-四极杆级联质谱装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于质谱分析仪器技术，可应用于质谱仪器开发和应用领域，涉及质谱仪器的内部结构及设计，具体涉及磁质量分析器、静电偏转场、四极杆质量分析器以及级联质谱(又称串列质谱)仪器的工作原理。

背景技术

质谱学是当代科学技术的一个重要分支。它所研究的主要内容是带电原子或分子在电磁场中按质荷比的不同，发生分离的物理现象。按照一定的参数改变电磁场，可以得到不同质荷比的带电原子、分子的质荷比谱图，该谱图称为质谱图。在质谱学中，质荷比通常称为质量数，带电原子和分子分别被称为离子和离子团簇，在不引起混淆的情况下，离子和离子团簇有时被统称为离子。

质谱图中强离子峰在相邻质量数处的拖尾高度与主峰高度之比在质谱学中称为丰度灵敏度。丰度灵敏度是衡量质谱仪器可分析测量动态范围的重要参数，也是准确测量高丰度比样品时遇到的最严重限制。

可以得到样品质谱图的仪器称为质谱仪器，或简称为质谱仪。质谱仪中将质量数不同的离子进行区分的部件称为质量分析器。

本发明涉及的两种质量分析器的工作原理如下：

四极质谱仪的质量分析器主要部件为四个双曲面柱状电极(受双曲面加工难度限制，实际仪器中常用圆柱状电极代替)，在四个电极上施加±(U+V cosωt)的射频电压。其工作原理是将离子加速到一定能量(通常为100eV以内)，经聚焦、准直后的离子束进入四极杆，离子在该射频场中的运动轨迹可以由Mathieu方程求解，当U、V在特定值时，只有特定质量的离子才能通过四极杆而到达后端的探测器。

扇形磁质谱的质量分析器为扇形均匀磁铁。其工作原理是将离子加速到一定能量(通常为数千电子伏)，经聚焦、准直后的离子束进入扇形偏转磁场，只有特定偏转半径的离子可以到达特定位置的离子探测器。

均匀扇形静电场以及阻滞透镜是常见的磁质谱仪器中提高丰度灵敏度的方法。均匀静电场的核心为扇形偏转电场，只有特定能量的离子在通过该电场后处于正确的接收位置。在双聚焦质谱仪器中，合适的静电场可以使通过磁质量分析器后因能量不同而分散的离子重新聚焦，提高离子束的聚焦质量，从而提高质谱仪器的丰度灵敏度。

阻滞透镜的核心是对离子进行能量和飞行方向选择，使与主离子群在能量和飞行方向存在差异的杂散离子被过滤，杂散离子的减少就意味着丰度灵敏度的提高。

通常磁质谱的丰度灵敏度约为2×10^-6，增加静电场、阻滞透镜等技术后其丰度灵敏度可以提高至约2×10^-8，该值代表了目前磁质谱常见商业仪器的最高指标。

上述的静电场、阻滞透镜两种技术的缺点是没有质量选择能力，因而这两种技术只能针对离子的能量和飞行方向进行筛选，而磁质谱仪器的丰度灵敏度还受到粒子散射、狭缝等其它条件影响，因此上述两种技术对丰度灵敏度提高的极限预计在1×10^-8附近。而采用四极杆级联方式时，由于四极杆具有较强的质量选择能力，因而可以将仪器的丰度灵敏度大幅度提高。

发明内容

本发明目的是提供一种高丰度灵敏度的磁场-四极杆级联质谱装置及方法，其特点在于可以将仪器的丰度灵敏度大幅度提高。

本发明的技术解决方案是：

第一种：高丰度灵敏度的磁场-四极杆级联质谱装置，其特殊之处是：包括磁质谱仪，以及依次设置在磁质谱仪尾端的离子减速透镜42、四极杆质量分析器1、第二离子加速透镜43以及终端离子探测器33；所述四极杆质量分析器的悬浮电压比磁质谱仪的离子源的悬浮电压低1V～100V。

上述离子减速透镜42包括z向聚焦电极8、弱聚焦电极9；所述的z向聚焦电极为平板结构电极，其中心孔81为非轴对称结构，形状和大小与离子束截面匹配；所述的弱聚焦电极9为平板电极或桶状结构电极，其中心孔91为圆孔，大小与四极杆入口截面匹配；所述的第二离子加速透镜43包括离子拉出电极10和聚焦电极11，离子拉出电极10为平板电极或桶状结构电极，其中心孔为圆孔，大小与四极杆出口截面匹配；聚焦电极11为直筒状、入口小于出口的台阶筒状或入口小于出口的空心圆锥状结构。

上述质谱装置还可包括真空室，真空室内压强小于1×10^-4Pa。