[發(fā)明專利]離子導(dǎo)引裝置、方法及質(zhì)譜儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710256210.0
• 申請(qǐng)日: 2017-04-19
• 公開（公告）號(hào): CN108735572B
• 公開（公告）日: 2020-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程玉鵬;張小強(qiáng);孫文劍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社島津制作所
• 主分類號(hào): H01J49/06
• 分類號(hào): H01J49/06;H01J49/42
• 代理公司: 上海光華專利事務(wù)所(普通合伙) 31219
• 代理人: 高彥

本發(fā)明提供的離子導(dǎo)引裝置、方法及質(zhì)譜儀，將圍成離子傳輸通道的不同方位的各個(gè)電極組件中平行設(shè)置的一對(duì)設(shè)計(jì)為沿某一方向分布的多個(gè)分段電極，從而能分別施加直流電壓以形成直流電勢(shì)梯度分布，不僅可以提供軸向的驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)分量，還可以提供垂直于軸向的電場(chǎng)分量，來控制離子在離子傳輸通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，解決了現(xiàn)有四級(jí)桿裝置中存在的分析速度低、離子入射能量限制以及裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和性能優(yōu)化難以兼顧等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及離子導(dǎo)引技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及離子導(dǎo)引裝置、方法及質(zhì)譜儀。

背景技術(shù)

眾所周知，四極桿是當(dāng)前各種商業(yè)質(zhì)譜儀器使用最為廣泛的一種離子光學(xué)裝置。其電極結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，通常僅有兩對(duì)平行的桿狀電極間隔放置形成離子傳輸通道，通過在兩對(duì)桿狀電極上施加極性相反的射頻電壓Vrf以及直流電壓Udc可在其內(nèi)部產(chǎn)生四極場(chǎng)用于傳輸和篩選離子。在實(shí)際的應(yīng)用中，調(diào)節(jié)射頻電壓Vrf和直流電壓Udc的幅度、頻率等，四極桿可用作質(zhì)量分析、離子導(dǎo)引裝置以及離子碰撞反應(yīng)裝置等各種離子光學(xué)裝置。質(zhì)量分析器是四極桿最早開始也是最為重要的應(yīng)用。自1953年德國(guó)波恩大學(xué)的Wolfgang Paul教授等人提出了使用基于電場(chǎng)的四極桿用于分離不同質(zhì)荷比的離子，相關(guān)裝置和方法可參考美國(guó)專利US2939952。自此，四極桿逐漸成為質(zhì)譜分析中使用最普遍的離子分離手段。時(shí)至今日，主流質(zhì)譜儀器包括單四極桿、三重四極桿以及四極桿飛行時(shí)間等質(zhì)譜儀器中，四極桿作為核心器件依然占有極其重要的地位，并擁有極大的應(yīng)用市場(chǎng)。

如上所述，除了用作質(zhì)量分析器之外，四極桿還廣泛用作質(zhì)譜儀器的離子導(dǎo)引裝置，用于實(shí)現(xiàn)在不同氣壓區(qū)間的高效離子傳輸以及極其良好的離子束壓縮效果。通常來說，當(dāng)四極桿用作離子導(dǎo)引裝置時(shí)，僅在兩對(duì)桿狀電極上施加極性相反的射頻電壓用于在徑向上束縛離子，同時(shí)為了便于離子延軸向進(jìn)入和離開四極桿，往往還在所有電極上施加相同的偏置電壓Ubias，在入口和出口處建立軸向電勢(shì)梯度。通常情況下，離子主要靠進(jìn)入四極桿時(shí)獲得的初始動(dòng)能穿過四極桿。在氣壓比較低時(shí)，離子與中性氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)較少，離子動(dòng)能損失也很小，因此可以較快速地通過四極桿。可是當(dāng)氣體上升時(shí)，由于頻繁的離子分子碰撞造成的動(dòng)能損失非常嚴(yán)重，所以僅靠離子的初始動(dòng)能，離子需要很長(zhǎng)時(shí)間甚至根本無法通過四極桿。這不僅會(huì)降低儀器的靈敏度，還會(huì)極大地影響分析速度。比如，在質(zhì)譜儀進(jìn)行正負(fù)極性交替切換的工作模式下，需要周期性地清空和填充離子，離子的飛行時(shí)間限制了儀器得到穩(wěn)定輸出的時(shí)間。

除了質(zhì)量分析器和離子導(dǎo)引裝置，離子碰撞/反應(yīng)池也是四極桿非常重要的一個(gè)應(yīng)用。離子碰撞/反應(yīng)池主要是離子與分子進(jìn)行碰撞解離或者與其他粒子反應(yīng)的裝置，并通過分析其產(chǎn)物離子，獲得前體離子的結(jié)構(gòu)信息或者是提高檢測(cè)的選擇性和靈敏度。

以離子碰撞解離為例，通常是將經(jīng)過電場(chǎng)加速的離子送入充有碰撞氣(氬氣、氮?dú)饣蚝?并維持一定氣壓(1～2Pa)的離子碰撞池內(nèi)，隨后離子與氣體分子碰撞使其部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，引起某些化學(xué)鍵斷裂，繼而產(chǎn)生多個(gè)碎片離子。四極桿因其良好的離子聚焦能力經(jīng)常被用作離子碰撞池。與普通的離子導(dǎo)引裝置類似，為了加快離子通過離子碰撞池，提高分析速度，需要建立軸向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子傳輸。在美國(guó)專利US7675031中，MichaelKnoicek等人提出了一種在四極桿相鄰電極之間插入多個(gè)輔助電極的結(jié)構(gòu)，并在輔助電極上施加軸向直流電勢(shì)梯度，以此產(chǎn)生軸向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)離子傳輸。同時(shí)，該專利中還公開了基于上述技術(shù)的彎曲結(jié)構(gòu)。眾所周知，彎曲的離子導(dǎo)引裝置，包括彎曲的離子碰撞池，不僅有利于降低中性噪音的干擾，還便于儀器的整體設(shè)計(jì)，有效減小儀器的占地面積，因此很多商業(yè)儀器都使用了各式各樣的彎曲的離子導(dǎo)引裝置。

然而，為了提高離子的解離效率，離子的入射動(dòng)能都很高，通常為幾十到上百電子伏特。若離子碰撞池為彎曲的結(jié)構(gòu)，入射進(jìn)來的高速離子往往來不及被射頻電壓偏轉(zhuǎn)而直接撞在電極上造成離子損失。而如果提高射頻電壓，又會(huì)縮窄可以通過的離子質(zhì)量范圍，使得產(chǎn)生的碎片離子難以通過。