[發明專利]小型環形射頻離子阱質量分析器

有效

• 申請號: 200680047044.3
• 申請日: 2006-12-13
• 公開（公告）號: CN101330965A
• 公開（公告）日: 2008-12-24
• 發明（設計）人: S·A·拉莫特;S·E·托利;E·D·李;J·L·瓊斯;R·W·維特;M·李
• 申請（專利權）人: 楊百翰大學
• 主分類號: B01D59/44
• 分類號: B01D59/44;H01J49/04
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 杜娟

相關申請交叉參考

本申請要求2005年12月13提出、序號為60/750,277、卷號為 05-62的美國臨時專利申請的優先權，并通過引用包含其中的所有主 題。

本發明得到美國國防部國防威脅減滅機構在合同號DTRA 01-03-C-0047PZ00001下和Dugway試驗場在合同號DABJ 19-03-C-0005下的政府支持。

技術領域

本發明一般涉及按照帶電粒子的質荷比和源自原子、分子、粒子、 亞原子粒子和離子的帶電粒子的離子存儲、分離和分析。更具體地說， 本發明是將小型環形配置用于質量分析器進行質譜分析的相對小和 便攜式設備。

背景技術

質譜分析持續作為對多種多樣樣本中的化學元素和化合物進行 識別和定量的重要方法。質譜分析的高靈敏度和選擇性尤其可用在威 脅檢測系統(例如，化學和生物試劑、爆炸物)、法庭調查、環境現 場監視、和非法藥物檢測/識別應用等中。因此，對可以在現場工作的 可靠質量分析器的需求使便攜式設備變得更加合適。開發便攜式質譜 儀的一些關鍵因素是縮小尺寸、減輕重量和降低功耗，以及降低支持 要求和成本。

離子阱(IT)質量分析器因其簡單性而被發明者們選為小型化的 候選者。例如，IT分析器天生就小，即使在商業上實現它。IT分析 器只含有相對應其它類型的質量分析器不需要高精確對準的幾個離 子光學元件。另外，因為它們是俘獲設備，所以可以在單個質量分析 器中進行多種狀態的質譜分析(MS)。離子阱的工作壓強高于其它 形式的質譜分析，使較不嚴格的泵送要求成為可能。而且，因為射頻 (RF)俘獲電壓與分析器徑向尺度的平方成正比，所以適中縮小分析 器尺寸會導致工作電壓顯著降低。這又導致功率要求降低。縮小分析 器尺寸的另外潛在好處是可以更進一步放寬真空要求的較短離子路 徑長度。實際上，由于MS小型化的一些最受限制方面不是在離子光 學部件方面，而是在真空和其它支持組件方面，所以較短的離子路徑 長度尤其重要。

將離子阱質譜儀小型化的能力依賴于幾個問題，包括空間電荷和 加工容限。目前已有利用傳統離子阱幾何形狀(即，雙曲面)的小型 離子阱。為了理解本發明的相關尺寸與現有設備的狀態的差異，應該 知道，對于本申請而言，在傳統或全尺寸環形3D質量分析器中，也 稱為r₀的環形俘獲體積的直徑的標稱值被認為近似等于1cm(厘米)。

此外，重要的是，隨著這些設備越來越小，加工容限在俘獲場缺 陷方面起越來越重要的作用。因此，將幾何形狀簡化成更容易加工的 圖案具有超過現有技術的優點。

因為柱形的簡單直線比雙曲面容易加工得多，尤其在小尺度上， 所以人們已經將柱形離子阱質量分析器小型化。當像針對柱形離子阱 的情況那樣，分析器電極的幾何形狀嚴重偏離理論幾何形狀時，需要 進行校正將俘獲場電勢恢復成它們的理論值。建模和模擬程序已經廣 泛應用在這種任務中。

不利的是，在現有質量分析器的狀態下，縮小分析器尺寸得到的 好處(例如，由重量減輕和尺寸減小帶來的便攜性增強、RF發生器 功率降低、和真空要求放寬)可理解地被離子存儲容量的減小抵消掉。 伴隨著這種容量減小的是根據離子-離子排斥，導致質量分辨率下降 和質量峰漂移的空間電荷條件的提前出現。解決離子質譜儀中的這種 制約的努力導致幾種不同途徑。例如，排列幾個體積縮小柱形離子阱 是恢復損失離子存儲容量的一種途徑。更近一些，人們還開發了徑向 或軸向噴出的線性離子阱。離子存儲容量的增大是由可貫穿二維四極 棒陣列的整個長度獲得的體積引起的。這些設備現在可容易地以商品 形式獲得。

由于與將柱形離子阱幾何形狀用于近似3D四極離子俘獲場的那 些相似的原因，已有人報告使用長方形棒組件取代較傳統的雙曲四極 棒表面的直線離子阱。所有這些線性設備都通過在四極子陣列的每一 端上將離子門應用于傳統2D四極子來擴大離子存儲容量。人們還報 告了線性四極子的陣列。

發明內容