线型离子束缚装置及其阵列结构制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种线型离子束缚装置及其阵列结构。该线型离子束缚装置包含沿该线型离子束缚装置的中轴线两侧相对设置的一对沿轴向伸展的主射频电极，每一个主射频电极在垂直于该中轴线的各截平面上的截面图形，都对通过该中轴线的一主对称平面保持对称，其中该对主射频电极上附加的射频电压相位相同。在至少一个主射频电极上设有离子引出槽。并且在该对主射频电极两侧设置至少一对辅助电极，这些辅助电极对偶于该主对称平面放置。其中至少一个辅助电极具有有限个对称平面，且各对称平面与该对主射频电极的对称平面之间存在一大于0度并小于90度的最小夹角。通过这种方式，离子束缚装置内的离子束缚射频电场的四极场成分可以得到加强。

【技术实现步骤摘要】
线型离子束缚装置及其阵列结构
本专利技术涉及一种可作为质量分析器的离子储存装置，尤其涉及一种可作为线型离子阱质量分析器的线型离子束缚装置及其阵列结构。
技术介绍
质谱分析方法是目前主流的化学及生命科学领域的重要分析方法中的一种。作为质谱分析方法的主要分析装置，质谱仪近年来已出现从台式仪器向便携式车载仪器，甚至是手提式仪器发展的趋势。这些新的移动设备的发展对质谱仪的各主要部件，尤其是作为质谱仪工作核心的质量分析器的小型化提出了新的需求。最主要的目标就是如何在结构小型化、简单化的同时，保证质量分析器的基本分析性能。同时，诸如真空腔体及获取系统等外周部件也对便携式质谱分析方法的发展造成了诸多限制。在各种质量分析器种类之中，离子阱质量分析器具有结构简单，体积小巧的特点。同时，这类质量分析器对工作真空度的要求是目前各种质量分析器中最低的。因此，在便携式质谱仪的应用中，以离子阱质量分析器为核心部件的仪器占据了主要角色。离子阱质量分析器与作为主流质谱仪器的四极杆质量分析器对待测离子的分析都是基于不同离子在四极射频束缚电场中的轨迹稳定性来进行的。按四极束缚电场的空间结构特点，可以分为轴旋转对称的三维四极束缚电场和轴平移对称的二维四极束缚电场。对于离子阱质量分析器，这两种内部电场结构对应于三维离子阱和线型离子阱两种基本种类。最初出现的离子阱结构是三维离子阱，由于电场结构特性，使得该类型离子阱的结构主要均由旋转体构成，这使得它的加工工艺可以采用车床加工。由于在车加工中，三维结构的实现仅需车刀在通过z旋转轴的二维r-z平面上位移确定，即使理想三维离子阱的表面为旋转双曲面，也可以方便地通过数控车床加工来实现，其加工精度可容易地到达1微米左右，符合国内目前精密加工工艺的基本水平。目前国内已出现了以三维离子阱为质量分析器的便携式质谱仪器。然而在三维离子阱中，离子在被分析之前以类点状分布聚集在其结构中心处。由于离子-离子之间库伦排斥力造成的空间电荷效应，使得三维离子阱能够存储的离子数量相对有限。同时，在作离子分析时，大量离子在空间中的聚集使得阱内束缚电场发生变化，尤其是离子在阱中心部分中的大量聚集对该部分的电位分布将造成更大的影响。通常三维离子阱中离子储存的上限不超过106～107个。同时当储存离子超过5x104个，或包含的同质荷比离子超过5x103个时，三维离子阱的质量分辨能力就会发生严重下降，这很大程度上影响了离子阱作为定量分析工具时的动态范围。并且，不同质荷比离子在三维离子阱中的引入效率与其引入射频相位存在明显关系，这也导致了使用外离子源结构时，其灵敏度明显下降，同时，利用碎裂离子丰度谱作定性标准时，其分析结构也因上述的质量歧视过程发生而较不可靠。90年代中期，美国Finnigan公司的JohnEPSyka等人针对上述问题提出了二维直线型离子阱结构。在直线型离子阱中，离子被准二维四极射频电场聚集在一个中心轴附近，因此，在同样空间电荷密度下，它能够容纳的离子数量大大增加，二维直线形离子阱可以存储比三维离子阱多至少一个量级的离子，并可以避免明显的空间电荷效应影响。近年来的文献报道指出，直线离子阱在存储上百万个离子时，仍能使其质谱分辨能力不受影响。在最初专利文件US5420425中，Syka等人指出该结构最少需要两个在轴向延长的电极来实现。然而，由于构建理想二维四极场的需要，通常的直线型离子阱具有如图1所示的“四极杆”对称性结构。相互反相的一组射频电源101、102的输出电压分别附加到电极对12、14和电极对11、13上，提供径向束缚的射频四极电场，被捕获离子的轴向运动被一组端电极15，16所束缚。与四极杆质量分析器类似，该离子阱需要一对相位相反的射频电压源101、102驱动。与四极杆不同的是，为束缚离子沿轴向的运动，需要在阱的中轴前、后端设置端电极结构15、16，通过其上电压限制离子的运动。在加工特点上，直线型离子阱的电极体加工时需要使用高精度的曲面磨床，加工难度较三维离子阱远高。同时，电极体11、12、13、14间的装配也不能采用三维离子阱的旋转绝缘体结构，而是要在支持绝缘体的内柱面上加工异型配合槽、键结构来实现，这使其整体工艺更为复杂，超出了目前国内一般精密加工水平。四极束缚电场的一个重要特征是其空间电位随距场中心的距离分布为二次函数，因此离子在电场中振动时所受的回复力满足胡克定律，即呈现出简谐振动特质。通常直线离子阱的分析过程的最后一步是离子按其质量电荷比依次与辅助激发电压发生共振，从而在直线离子阱电极上加工出的槽状狭缝离开离子阱而被离子探测装置检测而形成质谱。但由于槽状狭缝的存在，狭缝附近的空间电位势相对完整双曲面电极的结构形成的空间电位势将发生缺失，即在引出槽附近的场强发生下降。这种空间电场的变化可以用阱内空间赝势的谐函数级数展开∑AnRe(x+yi)n来表示，其中x为离子逐出方向，y为与离子阱轴及该逐出方向正交的另一方向，A2项为四极场成分，An项为2n极场成分。在加入引出槽结构17后，在离子逐出方向上离子将受到由槽附近射频电场的损失所产生的负射频高阶场的作用。负高阶场对离子运动的直接影响是，离子在其振动幅度变大时，其共振频率会发生红移。由于通常质量扫描是从低质荷比向高质荷比方向进行的，离子运动频率将随扫描过程发生蓝移。上述红移过程就会使离子运动共振失谐而使逐出过程变得缓慢，造成质量分辨率的损失。为克服上述问题，直线型离子阱的专利技术者采用了所谓的拉伸结构，即将位于离子逐出方向x上的对电极间距相对理想四极场的边界位置向外对称拉伸，这一操作会在离子逐出方向上产生正An值的高阶电场。由于在正常的质量扫描过程中，任一特定质荷比的离子运动频率持续发生蓝移过程，即运动频率向高频方向移动，引入正高阶场可以对离子阱的质量分析过程产生如下优势：首先，离子在阱中心建立共振时，会由于共振建立时的振幅加大产生共振频率的蓝移；随后，这一蓝移效应会在合适的扫描速度下，同质量扫描过程中离子运动频率了的自然蓝移过程发生同步作用，使得离子在逐出运动频移过程中始终有效共振而加速其出射，最终提高直线型离子阱作为质量分析器时的质量分辨力。通常，为达到这一目的，这一电极结构拉伸比率设定在3％～10％原始双曲四极场半径左右，其中场半径指准四极电场的鞍点，又称电场中心到边界电极的距离。值得指出的是，最终商业化的JaeSchwartz等人设计的直线离子阱方案具有x-y平面对称性的结构，其离子逐出过程在x方向的发生几率是一致的，因此在他们的商用仪器中，设计了同时使用一对安置于直线型离子阱两侧的检测器组来获取质谱，以达到最大的离子检测效率。Sciex公司的J.Hager在稍后提出了另一种轴向逐出的线型离子阱技术，这种技术中，离子是从类四极杆结构的轴端方向质量选择性地离开直线离子阱。由于离子不需从径向离开，也不必在杆型电极上开槽，因此回避了负高阶场等不利因素对场型和器件性能的影响。这种技术利用类四极杆结构一端射频边缘场和四极杆结构末端直流电极15造成阻抑电场对离子逐出和阻挡的过程中，其组合作用随离子径向坐标变大而发生的从阻挡到逐出的变化特性，完成离子在轴端的逐出的质量选择过程。该技术的优点是该离子阱没有引出槽造成的边界电场缺陷，因此还可以做普通的四极质量滤质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线型离子束缚装置，包括：沿该线型离子束缚装置的中轴线两侧相对设置的一对沿轴向伸展的主射频电极，其中该对主射频电极中的每一个主射频电极在垂直于该中轴线的各截平面上的截面图形，都对通过该中轴线的一主对称平面保持对称，其中该对主射频电极上附加的射频电压相位相同；设于至少一个主射频电极上的离子引出槽；以及分别位于该对主射频电极两侧且对偶于该主对称平面放置的至少一对辅助电极对，其中至少一个辅助电极具有有限个对称平面，且各对称平面与该对主射频电极的对称平面之间的各个夹角中存在一大于0度并小于90度的最小夹角。

【技术特征摘要】
1.一种线型离子束缚装置，包括：沿该线型离子束缚装置的中轴线两侧相对设置的一对沿轴向伸展的主射频电极，其中该对主射频电极中的每一个主射频电极在垂直于该中轴线的各截平面上的截面图形，都对通过该中轴线的一主对称平面保持对称，其中该对主射频电极上附加的射频电压相位相同；设于至少一个主射频电极上的离子引出槽；以及分别位于该对主射频电极两侧且对偶于该主对称平面放置的至少一对辅助电极对，其中至少一个辅助电极具有有限个对称平面，且各对称平面与该对主射频电极的对称平面之间的各个夹角中存在一大于0度并小于等于30度的最小夹角。2.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，包括两对对偶于该主对称平面放置的辅助电极对。3.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该中轴线为位于该对主射频电极的主对称平面内的曲线。4.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该离子引出槽是由关于该主对称平面对称的一对主射频电极组成部分间的间隙构成。5.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该线型离子束缚装置相对于经过该中轴线且垂直于该主对称平面的平面对称。6.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该线型离子束缚装置在垂直于该主对称平面的方向上不存在其他对称面。7.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该线型离子束缚装置在垂直于该中轴线的截面上的瞬时静态电势分布，在以电场鞍点为中心的谐函数级数展开项中具有以六极场为主的不对称成分，其中六极场与四极场的成分系数比的绝对值在0.5％～10％之间。8.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该线型离子束缚装置的电场鞍点中心相对该对主射频电极正中位置向一侧偏移，其中该偏移占该离子束缚装置场半径的0.5％～20％。9.如权利要求8所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该偏移占该离子束缚装置场半径的0.5％～10％。10.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，还包括用于反射离子的两个端电极结构，设在该线型离子束缚装置的沿该中轴线的两端。11.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，至少一个该主射频电极或该辅助电极为平面电极结构，或是附着在绝缘体平面上的薄层电极结构。12.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，该偶数对辅助电极中，各辅助电极的结构与其位于中轴线同侧的主射频电极相同。13.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，还包括：工作电源；以及调整装置，用于调整附加在该对主射频电极与该辅助电极间的射频电压或偏置直流的幅度比例，并依此改变质量扫描过程中的优势出射方向。14.如权利要求1所述的线型离子束缚装置，其特征在于，还包括：场调节电极，该场调节电极位于该离子束缚装置沿该中轴线的一端，并关于该主对称平面对称；以及电源，用于向该场调节电极施加纯直流偏置电压，或在邻近该场调节电极的一主射频电极上所施加的射频束缚电压的基础上附加直流偏置电压并施加到该场调节电极，用以调节质量扫描过程中的优势出射方向或提高质量分辨率。15.一种质谱分析方法，包括以下步骤：使用至少一个如权利要求1所述的线型离子束缚装置来束缚目标离子；使用以下手...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋公羽，孙文剑，
申请(专利权)人：岛津分析技术研发上海有限公司，
类型：发明
国别省市：