[發(fā)明專利]離子光學(xué)裝置、質(zhì)譜儀以及離子操作方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010003155.6
• 申請日: 2020-01-02
• 公開（公告）號: CN113066713A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫文劍;張小強
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社島津制作所
• 主分類號: H01J49/06
• 分類號: H01J49/06;H01J49/26
• 代理公司: 上海立群專利代理事務(wù)所(普通合伙) 31291
• 代理人: 劉振綺;毛立群

本發(fā)明提供一種離子光學(xué)裝置以及質(zhì)譜儀，離子光學(xué)裝置包括：電源裝置；離子操作部，由與電源裝置電性連接的多個電極構(gòu)成，電源裝置在多個電極上施加電壓以形成射頻電場和直流電場，離子操作部能夠?qū)﹄x子執(zhí)行周期性的操作，其中，每個操作周期包括第一時間段和第二時間段，離子操作部進(jìn)一步包括：第一離子存儲單元，用于在第一時間段內(nèi)，利用射頻電場與直流電場之間的電勢平衡，來存儲離子，并在第二時間段內(nèi)，通過調(diào)整該電勢平衡，按照特定的質(zhì)荷比順序釋放離子；第二離子存儲單元，用于在第二時間段內(nèi)接收來自第一離子存儲單元的離子，并在第二時間段內(nèi)，將接收到的離子分為多個脈沖向目標(biāo)區(qū)域釋放。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及質(zhì)量分析技術(shù)領(lǐng)域，更加具體地涉及一種離子光學(xué)裝置、質(zhì)譜儀及其離子操作方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)有的一些質(zhì)譜儀，例如四極桿—正交飛行時間質(zhì)譜儀，其典型工作模式是：由離子源產(chǎn)生的離子，經(jīng)過一系列真空接口和離子導(dǎo)引裝置，進(jìn)入四極桿進(jìn)行質(zhì)量選擇，選出的母離子進(jìn)入碰撞腔進(jìn)行解離，產(chǎn)生眾多子離子，子離子進(jìn)入飛行腔前的離子提取區(qū)，以正交方式被加速，由于離子的飛行時間不同，而產(chǎn)生高分辨、高精度的質(zhì)譜。其中，四極桿通常以掃描的方式連續(xù)工作，而飛行時間質(zhì)譜儀以脈沖方式工作。如果不對飛行時間質(zhì)譜儀前的離子做任何調(diào)制，則對于飛行腔前的加速區(qū)的脈沖電壓，需要等待最高m/z的離子到達(dá)檢測器，才能開始產(chǎn)生下次脈沖。而離子是連續(xù)進(jìn)入加速區(qū)的，所以離子被飛行時間質(zhì)譜儀的利用效率，或稱“占空比(duty cycle)”較低，從而產(chǎn)生離子損失。如果加速區(qū)的電極與檢測器的距離為D，在加速區(qū)的有效寬度為Δl(有效寬度可看作在加速區(qū)前被加速而最終在檢測器上形成質(zhì)譜的離子束寬度，通常小于加速電極的實際寬度)，則儀器的最高的占空比與離子質(zhì)荷比m/z有關(guān)：

這里，(m/z)_max指的是質(zhì)量范圍上限。在大多數(shù)正交飛行時間儀器中，占空比大約為5％到30％之間。而如果采用離子門或者離子阱，雖然離子可以脈沖式地進(jìn)入飛行時間質(zhì)譜儀前的離子提取區(qū)，但由于離子在進(jìn)入離子提取區(qū)前也是一次飛行過程，因此不同m/z的離子將被展寬，只有一定m/z范圍的離子基本同時到達(dá)離子提取區(qū)，所以質(zhì)量范圍將大大受限。

有眾多的在先技術(shù)試圖解決這個問題。US6770872或者US7208728中，將一個三維離子阱置于飛行時間加速區(qū)前，使離子阱與飛行時間質(zhì)譜儀配合工作；或者在專利US7714279中，用一個射頻導(dǎo)引裝置來儲存和釋放離子，質(zhì)荷比小的離子先被放出，通過調(diào)整后級的參數(shù)，使得脈沖加速電壓和放出的離子同步。

在專利US6504148、US7208728以及US7329862中，使用線性離子阱將離子進(jìn)行軸向共振激發(fā)，以選擇特定m/z的離子逐出，與后級的飛行時間質(zhì)譜進(jìn)行某種方式的同步，以提高占空比。但這種方案的問題在于，離子以被激發(fā)的方式逐出時，往往具有很高的動能分散。US7208728的特殊電極裝置可部分降低能散，但仍難完全滿足正交飛行時間質(zhì)譜的要求，而且這種方式的速度較低，難以做到快速的串級分析。

在專利WO2007/125354中，在沿軸向排布的環(huán)狀電極陣列中形成射頻勢壘，改變沿軸向的行波電壓或者直流電壓與射頻勢壘之間的平衡，可實現(xiàn)離子按m/z依次釋放；或者如專利US7456388中描述的Zeno trap，通過改變裝置軸向末端的射頻勢壘與直流勢壘的平衡，而使得離子按照m/z從大到小的順序依次放出，離子被釋放后沿軸向被加速到較低的能量(20～50eV)，m/z大的離子具有較小的速度，從而被m/z小的離子逐漸追及。調(diào)整釋放離子的速度，可使得不同m/z的離子基本同時到達(dá)在飛行腔的加速區(qū)前，如此可得到接近100％的占空比。但以上方案有兩個問題，一是離子容量較低，二是采用單個離子存儲單元的方式會限制其速度。比如Zeno trap，業(yè)內(nèi)人士應(yīng)熟知，離子沿軸向勢壘被釋放后，需要較長時間重新進(jìn)行徑向的冷卻，否則難以取得較高的飛行時間質(zhì)譜分辨率，因此Zeno trap的掃描頻率通常為1kHz左右，比通常的加速脈沖頻率(5kHz～10kHz)慢得多。