[发明专利]一种具有栅网电极结构的线形离子阱质量分析器

说明书

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中的离子阱质量分析器。

技术背景

质谱仪是一种根据不同质量的带电粒子在电场或磁场中运动的轨迹不同，从而实现不同物质的原子、分子或分子碎片的分离和检测的分析仪器。质谱仪具有对未知化合物的定性、定量分析、结构组成确定等能力，目前已经广泛的应用于生命科学、地质勘测、环境检测、食品安全、石油化工、生物医学、国家安全、品质控制、临床诊断等领域。质谱仪的结构主要由真空系统、离子源、离子光学系统、质量分析器、离子检测器、测控系统等组成，其中质量分析器是其核心部件。从1919年第一台质谱仪问世以来，质谱仪的种类已经发展到多种多样，根据所采用的质量分析器的不同，分别有磁质谱仪、四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪、轨道阱质谱仪、离子回旋共振质谱仪等。

相比于其它质量分析器，离子阱质量分析器具有其独特的优势，诸如较高的工作气压、结构简单、体积小以及串级质谱能力等。纵观离子阱的发展历程，有几个重要阶段。离子阱质谱仪起步于 20 世纪 50 年代。1979 年制造的世界上第一台离子阱，该离子阱由一个环电极和两个端盖电极组成,电极之间以绝缘体隔开，电极的工作面为双曲面。两个端盖极是等电位的，端盖极上有小孔，以便进入样品和排出离子。80 年代中期以后离子阱作为有机质谱的质量分析器得到快速发展。由于发展离子阱并将其应用于原子物理, Paul、Dehmelt 和 Ramsey 荣获了 1989 年的诺贝尔物理奖。这种早起的离子阱被称为 Paul 阱或者是三维阱，因为带电粒子在阱中收到的是三维方向的射频电场作用。三维阱的使用持续了相当长的时间，期间关于离子阱的相关技术日渐成熟，但阱的结构未有变化。三维离子阱最大的缺点是离子存储量小，存储效率低，当存储的离子数量较大时，多个离子之间的空间电荷效应会大大降低阱的质量分辨能力。直至2002年线形离子阱的出现是离子阱发展中一个重大突破。线形离子阱是一个二维的离子阱，只在径向上的电极上施加射频电压，轴向上采用直流电位束缚离子。它将束缚在阱中的离子的运动空间从一个点变成一条线，极大的提高了离子阱的离子存储效率，同时降低了空间电荷效应。目前，线形离子阱质谱仪已经商业化，逐渐的取代了三维离子阱质谱仪，并在实际使用中变的越来越广泛。

Jae C. Schwartz在专利号为US 6797950B2 的美国专利中。描述了一种线形离子阱质量分析器，它的工作原理与三维离子阱相同，但是电极结构和离子的引入和弹出则发生了改变。轴向上（一般规定为z 方向）的电极采用平面电极，通过直流电位束缚离子；径向上（一般规定为x 和y 方向）的电极采用双曲面结构，上施加射频电压束缚离子。离子从轴向注入阱中，经过共振激发，从径向上通过电极上开的狭缝弹出，进入离子检测器。这种结构的线形离子阱能够有效的提高离子容量和离子存储效率，同时降低空间电荷效应的干扰。但是，由于阱中的离子是通过电极上的狭缝弹出，离子的弹出数量和弹出效率均受到狭缝大小的限制，为了减少对阱中的四极电场的破坏，狭缝的尺寸具体为0.25 毫米，物理上限制了离子弹出的数量，导致该线形离子阱检测到的离子强度受限，同时双曲面电极的使用也对电极的机械加工精度和组装精度提出很高的要求。

James W. Hager在专利号为WO 9747025-A 的世界专利和文章 A new linear ion trap mass spectrometer (Rapid Commun. Mass Spectrom. 2002,16:512-526)中公开了一种线形离子阱质谱仪。所描述的离子阱的结构实际上与三重四极杆质量分析器相同，通过采用轴向弹出的技术实现线形离子阱的功能。轴向上通过平面电极上施加的直流电位束缚离子；径向上的圆杆电极施加射频电压束缚离子。离子从轴向上引入阱中，运动至四极杆的尾部区域，四极杆上的射频电压以及其后方引出透镜上的直流电压的作用构建了边缘场，通过边缘场效应从轴向上弹出，进入离子检测器。离子从轴向上弹出，与检测器在几何结构上能很好的匹配，具有很高的检测效率。但是四极杆电极的使用则要求电极需要很高的机械加工精度和组装精度，同时边缘场的构建涉及到电极上较为复杂的电路设计，这些均给仪器的开发带来了困难，并增加了成本。