專利名稱：多用途大容量線性離子阱及其一體化電極加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種大容量線性離子阱及其一體化電極加工方法，特別是涉及一種可用于多種分析目的的大容量線性離子阱和一種易于實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度高精密度加工與裝配的一體化電極加工方法。
背景技術(shù)：
四極離子阱是一種特別的裝置，它既可作為離子儲(chǔ)存裝置，在一定的時(shí)間周期內(nèi)將氣態(tài)離子限制在離子阱內(nèi)的四極場(chǎng)區(qū)域中，又可作為質(zhì)譜儀器的質(zhì)量分析器開展質(zhì)譜分析，并具有相當(dāng)大的質(zhì)量范圍和可變的質(zhì)量分辨率。離子阱中的四極靜電場(chǎng)通過在離子阱裝置各極桿上接入RF射頻電壓、DC直流電壓或二者的組合信號(hào)而產(chǎn)生。傳統(tǒng)的離子阱由兩部分電極組成，即環(huán)電極和端蓋電極，為了產(chǎn)生顯著的四極場(chǎng)，典型的電極形狀為雙曲型。
早期的離子阱為三維離子阱，其四極場(chǎng)在r和z(極坐標(biāo)系中)方向產(chǎn)生，離子在該四極場(chǎng)中受到線性力的作用，從而可將一定質(zhì)荷比m/z范圍內(nèi)的離子捕獲并儲(chǔ)存在該離子阱中。最典型的三維離子阱由三個(gè)雙曲電極組成，即一個(gè)環(huán)電極和兩個(gè)端蓋電極，此類裝置通常稱為Paul型離子阱或四極離子阱。圓柱形離子阱是一種更簡(jiǎn)單的三維離子阱，由一個(gè)內(nèi)表面為圓柱面的環(huán)電極和兩個(gè)平板結(jié)構(gòu)的端蓋電極組成。Paul型離子阱和圓柱形離子阱最大的缺陷是阱中捕獲的離子數(shù)少，對(duì)于在阱外電離的入射離子其捕獲效率較低。
近年來出現(xiàn)了另一類離子阱——線性離子阱。線性離子阱由延長(zhǎng)的且平行放置的多個(gè)極桿組成，該極桿系將確定離子阱的容積，通過在極桿上接入RF射頻電壓和DC直流電壓，即可在垂直于離子阱中心軸的平面上產(chǎn)生二維的四極場(chǎng)，由于僅在二維實(shí)現(xiàn)離子的強(qiáng)聚焦，所捕獲的離子可在中心軸附近分布，大大提高了離子捕獲數(shù)。美國(guó)專利5420425描述了一種由三組四極桿組成的二維線性離子阱，中間的一組四極桿作為主四極桿，其中一對(duì)主極桿上設(shè)計(jì)了狹縫，離子可通過該狹縫實(shí)現(xiàn)注入與出射；兩端的兩組四極桿既可實(shí)現(xiàn)在軸向限制阱中捕獲離子的運(yùn)動(dòng)，又可改善主四極桿內(nèi)的四極場(chǎng)，當(dāng)各極桿均采用雙曲極桿，可獲得近乎理想的四極場(chǎng)。
上述各離子阱中，除圓柱形離子阱外，均需要準(zhǔn)確的機(jī)械加工過程，如加工、裝配等，而這樣高精度機(jī)械加工是相當(dāng)復(fù)雜的。尤其是采用雙曲面電極的離子阱，在保證加工精度的前提下，裝配技術(shù)就成為最終影響儀器分析性能的一大瓶頸，也因此成為限制小型離子阱質(zhì)量分析器發(fā)展的主要因素之一。
離子阱兼具選擇性儲(chǔ)存、分離和分析的功能，使得離子阱質(zhì)量分析器在開展質(zhì)譜-質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)(MSn)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。盡管利用單個(gè)離子阱就可開展MSn實(shí)驗(yàn)，但隨著電噴霧電離(ESI)和基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI)等電離方式的發(fā)展，質(zhì)譜分析已廣泛深入到大分子復(fù)雜樣品的分析中，這就對(duì)離子阱質(zhì)量分析器提出了新的需求，利用多個(gè)離子阱實(shí)現(xiàn)組合離子阱的技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。美國(guó)專利6483109 B2提出了一種多級(jí)質(zhì)譜儀器，在該儀器中，將多個(gè)離子阱按照空間串聯(lián)，即首尾相連的方式組成多級(jí)離子阱空間，各級(jí)之間采用端電極進(jìn)行分隔，離子在各級(jí)之間順序流通，分別實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、分離、解離或分析的功能。美國(guó)專利6838666 B2提出了一種利用四片矩形平板電極圍成的矩形線性離子阱(RIT)，并提出了利用三個(gè)以上RIT組成的RIT組合離子阱，每個(gè)RIT單元都包含四片平板電極和一對(duì)端蓋，離子在該組合離子阱中順序流通開展MSn實(shí)驗(yàn)。組合式的離子阱為研究復(fù)雜樣品，尤其是離子化學(xué)、生物大分子和制藥等領(lǐng)域中利用MSn實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)的定性研究提供了一種新的功能強(qiáng)大的質(zhì)譜分析工具。但是，已有的組合式離子阱結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)加工時(shí)涉及到多級(jí)電極、端蓋之間的高精密裝配問題，離子通過平板端蓋的小孔向下一級(jí)傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生離子損失，從而影響離子阱質(zhì)量分析器的分辨率和靈敏度。
綜上所述，已有的線性離子阱質(zhì)量分析器，無論是單離子阱或組合式離子阱，均需要高精度的機(jī)械加工與裝配。單離子阱的MSn功能相對(duì)單一，在開展復(fù)雜樣品、多樣品的離子/離子反應(yīng)等應(yīng)用時(shí)操作復(fù)雜甚至無法完成分析任務(wù)。組合式離子阱利用不同的組合方式可用于開展復(fù)雜樣品、多樣品的多級(jí)串聯(lián)分析，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，離子流通率亦受影響，加工裝配相對(duì)復(fù)雜。隨著生物、制藥、離子化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，已有離子阱質(zhì)量分析器都或多或少都暴露出其局限性。因此，探索一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化、同時(shí)兼具多種分析功能的線性離子阱及一種易于電極裝配的電極加工方法，將會(huì)有力推動(dòng)小型離子阱質(zhì)量分析器的發(fā)展，從而推動(dòng)生物、制藥、離子化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題之一是提供一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)化，可用于多種分析目的的大容量線性離子阱。
本方明要解決的技術(shù)問題之二是提供一種易于實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度高精密度加工與裝配的一體化電極加工方法。
為解決上述的第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種多用途大容量線性離子阱。
該多用途大容量線性離子阱包括由至少四個(gè)平行于離子阱中心軸z軸的RF電極和一對(duì)端電極所確定的離子捕獲室；RF射頻信號(hào)和DC直流信號(hào)。
本發(fā)明與已有線性離子阱的最大區(qū)別在于離子阱的RF電極組沿z方向至少可分成兩個(gè)部分，單個(gè)部分的電極單元稱為子RF電極組，每個(gè)子RF電極組中至少有一個(gè)子RF電極上開設(shè)狹縫，狹縫可用于沿徑向?qū)悠坊螂x導(dǎo)入阱內(nèi)，也可用于樣品或離子沿徑向離開離子阱。
本申請(qǐng)中，平行于中心軸z軸的RF電極可分為x電極對(duì)和y電極對(duì)，各電極按照x-y-x-y方式交替間隔90度放置，從而定義一個(gè)離子捕獲區(qū)域；RF射頻電源連接到x和/或y電極對(duì)，從而在xy平面內(nèi)產(chǎn)生RF離子捕獲電場(chǎng)；端電極位于x和y電極對(duì)所定義的離子捕獲區(qū)域兩端的；DC直流電源連接到端電極對(duì)，提供兩個(gè)端電極間沿z軸方向的DC捕獲電勢(shì)阱。RF電極組至少分成兩部分，離子捕獲區(qū)域也就相應(yīng)分成多個(gè)子區(qū)域，RF電極組的每個(gè)部分都連接有RF射頻信號(hào)和/或DC直流信號(hào)。AC電壓可連接到子RF電極組的x電極對(duì)或y電極對(duì)，用于沿x方向或y方向激發(fā)或逐出離子；也可連接到端電極上實(shí)現(xiàn)沿z方向激發(fā)或逐出離子。可根據(jù)分析需要通過設(shè)置各子RF電極的電參數(shù)(如RF/DC/AC參數(shù))提供相應(yīng)的分析功能，如作為選擇性儲(chǔ)存、分離、離子反應(yīng)或分析區(qū)域，同時(shí)還可兼具其中的多項(xiàng)功能。
多用途大容量線性離子阱的端電極可以是沿xy平面放置的平板電極，也可以是平行于z軸的多極桿，還可以是極板與多極桿的組合。在端電極為平板電極的情況中，可以在其中一個(gè)平板端電極上開設(shè)小孔或狹縫，也可以在兩個(gè)平板端電極上都開設(shè)小孔或狹縫，所開的小孔或狹縫可用于樣品或離子的導(dǎo)入，也可以用于樣品或離子離開離子阱。
RF電極上的狹縫有多種開設(shè)方案，可以在每個(gè)子RF電極組的x電極對(duì)上均開設(shè)狹縫，也可以在每個(gè)子RF電極組的y電極對(duì)上均開設(shè)狹縫，還可以在保證每個(gè)子RF電極組至少開一條狹縫的前提下，各子電極組之間采用組合式狹縫，或者開在x電極，或者開在y電極，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要任意組合。RF電極上的狹縫和端電極上的小孔或狹縫都可作為樣品或離子的入口或出口，通過組合可以實(shí)現(xiàn)沿x、y或z方向的多入口或多出口分析模式。
多用途大容量線性離子阱可以使用外離子源電離方式，也可以使用內(nèi)離子源電離方式，還可以使用內(nèi)外離子源相結(jié)合的電離方式。離子阱的多入口模式使得可以與兩個(gè)或兩個(gè)以上的離子源相連。在多個(gè)外離子源的情況下，離子源的離子傳輸系統(tǒng)可通過端蓋上的小孔/狹縫將離子導(dǎo)入阱內(nèi)，也可以通過RF電極上的狹縫將離子導(dǎo)入阱內(nèi)。離子阱進(jìn)行質(zhì)量分析時(shí)，可以采用多個(gè)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)離子檢測(cè)。
為解決前述的第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種一體化電極加工方法。
一體化電極加工方法的基本步驟包括首先采用非金屬材料為基體，加工成所需的RF電極形狀，然后在非金屬電極基體的表面覆上一層金屬導(dǎo)體膜，最后在需要絕緣的部位磨掉或車掉金屬膜。在這一加工方法中，非金屬材料可以是陶瓷材料，金屬膜可以采用以金為主要成分的導(dǎo)體材料。
一體化電極加工方法尤其適用于需要將電極分為多個(gè)部分的情況，本申請(qǐng)所提出的多用途大容量線性離子阱的RF電極就可采用該方法加工而成。已有的加工方法中，通常采用金屬材料直接加工出各個(gè)部分的電極，然后采用絕緣材料將各部分組合裝配起來，這就要求必須具備精密的裝配技術(shù)，而這一技術(shù)已成為目前離子阱加工制造的一大瓶頸。采用一體化的加工方式，可以保證同一電極上各個(gè)部分的均勻性，從而降低裝配技術(shù)的難度。
本申請(qǐng)所提出的多用途大容量線性離子阱通過將RF電極組沿z方向分成多個(gè)部分，就可實(shí)現(xiàn)離子阱分析功能的擴(kuò)展，根據(jù)分析目的的需要，設(shè)置分析方法就可開展所需的分析實(shí)驗(yàn)。該離子阱具有廣泛的適應(yīng)性，當(dāng)只利用其中一個(gè)子區(qū)域作為分析區(qū)域時(shí)，就等效于已有的單離子阱質(zhì)量分析器；當(dāng)利用多個(gè)子區(qū)域協(xié)同工作時(shí)，通過定義各個(gè)子區(qū)域的功能，如選擇性儲(chǔ)存、分離、離子反應(yīng)或分析區(qū)域，或其組合，就可提供多種工作模式，包括已有的空間順序流通MSn分析實(shí)驗(yàn)，空間串聯(lián)與時(shí)間串聯(lián)相組合MSn陣列式分析實(shí)驗(yàn)。組合式的工作模式不僅實(shí)現(xiàn)已有的MSn分析技術(shù)，更為探索中的MSn分析方法提供一個(gè)強(qiáng)有力的工具，幫助科學(xué)家們開展物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。
與已有的多個(gè)離子阱直接串聯(lián)組成的組合式離子阱相比，本申請(qǐng)?zhí)岢龅亩嘤猛敬笕萘烤€性離子阱的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化，只從結(jié)構(gòu)方面來比較，似乎只是省略了端電極而直接將多個(gè)RF電極組串聯(lián)起來，然而這樣的省略卻能為離子阱的控制、調(diào)試與制造帶來卓越的變革。在控制電路方面，可以省去相鄰阱之間的端電極上的DC或AC信號(hào)，在RF電極只分為兩部分時(shí)，可省去一個(gè)端蓋電極的信號(hào)，其優(yōu)越性似乎不夠明顯，但隨著RF電極分成的部分?jǐn)?shù)增多，這一優(yōu)勢(shì)就尤為顯著。儀器調(diào)試方面，少一個(gè)端電極，離子的阱內(nèi)損失就會(huì)相應(yīng)減少，從而減少一個(gè)對(duì)儀器性能的影響因素。在制造方面，沒有端蓋的分隔，就可采用一體化電極的加工方式，降低裝配方面的難度。
總之，本申請(qǐng)所提出的多用途大容量線性離子阱能夠?qū)⒁延械膯坞x子阱和組合式離子阱的功能集于一身，具有廣泛的適用性，為生物、制藥、離子化學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種強(qiáng)有力的研究工具，同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)譜儀器控制和調(diào)試的工作復(fù)雜性，并可采用一體化加工方法，從而降低離子阱的裝配難度。該線性離子阱為離子阱質(zhì)量分析器和質(zhì)譜儀器的發(fā)展提供了一種適應(yīng)性強(qiáng)、功能多樣、易于加工裝配、成本相對(duì)低廉的切實(shí)可行的實(shí)施方案，也將會(huì)大力推動(dòng)生物、制藥、離子化學(xué)等領(lǐng)域的分析技術(shù)的發(fā)展。


圖1RF電極包含兩個(gè)部分的多用途大容量線性離子阱的示意圖。
圖2RF電極包含三個(gè)部分的多用途大容量線性離子阱的示意圖。
圖3典型的RF電極橫截面示意圖。
圖4以四極桿為端電極的多用途大容量線性離子阱的示意圖。
圖5以平板電極和四極桿為端電極的多用途大容量線性離子阱的示意圖。
圖6雙離子源雙檢測(cè)器離子阱質(zhì)量分析系統(tǒng)示意圖。
圖7多離子源多檢測(cè)器離子阱質(zhì)量分析系統(tǒng)示意圖。
圖8采用一體化加工方式的多用途大用量線性離子阱的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N多用途大容量線性離子阱。
圖1所示的是一個(gè)其RF電極組包含兩個(gè)部分的多用途大容量線性離子阱，DC、AC和RF電壓分別連接到極桿和端電極上，用于捕獲和分析離子。x電極1、2和y電極3、4平行于z軸放置，RF電極組沿z方向分成兩個(gè)部分，在xy平面內(nèi)按照1-3-2-4順時(shí)針方向各間隔90度放置，x電極對(duì)和y電極對(duì)定義了該線性離子阱的離子捕獲區(qū)域，子RF電極組I和子RF電極組II分別對(duì)應(yīng)于離子捕獲子區(qū)域I和子區(qū)域II。兩個(gè)子RF電極組的x電極對(duì)上都開設(shè)了狹縫7和8，狹縫可用于沿徑向?qū)悠坊螂x子導(dǎo)入阱內(nèi)，也可用于樣品或離子沿徑向離開離子阱。RF射頻電壓分別連接到y(tǒng)電極對(duì)，也可以同時(shí)連接到x和y電極對(duì)，在子RF電極組所對(duì)應(yīng)的離子捕獲子區(qū)域內(nèi)生成xy平面內(nèi)的RF離子捕獲電場(chǎng)。兩個(gè)子RF電極組上都接有DC直流信號(hào)。端電極5和6分別位于x和y電極對(duì)所定義的離子捕獲區(qū)域的兩端；端電極上接入DC直流電壓。調(diào)整端電極和子RF電極組上的DC直流電壓值，可獲得兩個(gè)端電極之間的區(qū)域沿z軸方向的DC捕獲電場(chǎng)，兩個(gè)子RF電極組的DC電位可以相同，也可以不相同，由此產(chǎn)生差級(jí)捕獲子區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)子區(qū)域同時(shí)分別捕獲不同極性的離子或來自兩個(gè)樣品的離子。AC電壓連接到x電極對(duì)或y電極對(duì)上，作為x電極對(duì)或y電極對(duì)之間的AC共振激發(fā)信號(hào)，從而沿x方向或y方向?qū)崿F(xiàn)阱內(nèi)激發(fā)離子?？筛鶕?jù)分析需要通過設(shè)置各子RF電極的電參數(shù)(如RF/DC/AC參數(shù))提供相應(yīng)的分析功能，如作為選擇性儲(chǔ)存、分離、離子反應(yīng)或分析區(qū)域，或者一個(gè)子區(qū)域同時(shí)兼具其中的多項(xiàng)功能。
利用多用途大容量線性離子阱的單個(gè)捕獲子區(qū)域進(jìn)行質(zhì)量分析的基本工作過程是待分析樣品氣體在阱內(nèi)電離生成待分析離子，或待分析樣品在阱外電離后將待分析離子注入阱內(nèi)，離子與緩沖氣體發(fā)生碰撞動(dòng)能衰減，并被RF捕獲電場(chǎng)和DC捕獲電場(chǎng)限制在阱內(nèi)的離子捕獲區(qū)域中，當(dāng)離子被捕獲后，AC或其他波形的信號(hào)接入到極桿或端電極上，即可實(shí)現(xiàn)離子的質(zhì)量選擇性分離或激發(fā)。利用AC激發(fā)可選擇性激發(fā)目標(biāo)離子，使其動(dòng)能增加，目標(biāo)離子獲得動(dòng)能后于緩沖氣發(fā)生碰撞可實(shí)現(xiàn)離子的碰撞誘導(dǎo)解離(CID)，利用CID可開展MSn實(shí)驗(yàn)。當(dāng)AC電壓接到端蓋極板上時(shí)，掃描RF幅度可實(shí)現(xiàn)離子沿z軸方向通過端蓋極板上的小孔或狹縫逐出離子阱。當(dāng)AC電壓接到子x或y電極對(duì)時(shí)，掃描RF幅度可實(shí)現(xiàn)離子沿x或y方向通過子x電極或子y電極上的狹縫逐出離子阱。阱外的離子檢測(cè)器檢測(cè)被逐出的離子就可得到相應(yīng)的質(zhì)譜圖。
多用途大容量線性離子阱的單個(gè)捕獲子區(qū)域的基本工作原理與已有的線性離子阱理論相同。當(dāng)子RF電極組所接入的DC直流分量為零時(shí)，工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)于穩(wěn)定性圖中的q軸。初始RF幅度將決定穩(wěn)定離子質(zhì)荷比的下限，所有質(zhì)荷比大于或等于該下限的離子均可被離子阱捕獲，儲(chǔ)存在離子阱中。通過設(shè)置子RF電極組上的初始RF幅度即可調(diào)整該子區(qū)域所儲(chǔ)存離子的質(zhì)量下限。
實(shí)現(xiàn)離子分離有兩種工作方式RF/DC分離與AC波形分離。RF/DC分離以離子運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性圖為基礎(chǔ)，通過使離子在穩(wěn)定性圖邊界處運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定，從而將不穩(wěn)定離子發(fā)射出離子阱。RF/DC分離的工作過程是根據(jù)分離的需要選擇要保留在離子阱中的離子，計(jì)算所保留離子的狀態(tài)參數(shù)(ai，qi)，使其狀態(tài)點(diǎn)(ai，qi)落在穩(wěn)定三角形頂點(diǎn)附近，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整y極桿上的RF分量并同時(shí)接入DC分量，使目標(biāo)離子狀態(tài)點(diǎn)變?yōu)?ai，qi)，此時(shí)，其他的離子就落入非穩(wěn)定區(qū)域，從而將目標(biāo)離子與其他離子分離開來。
AC波形分離是以離子運(yùn)動(dòng)基頻與離子狀態(tài)之間的關(guān)系為基礎(chǔ)，激發(fā)后z方向振幅響應(yīng)正比于該激發(fā)波形本身的Fourier變換，離子響應(yīng)與離子軸向振蕩頻率無關(guān)，也與離子的質(zhì)荷比無關(guān)。質(zhì)荷比為m/z的離子所受的激發(fā)僅由在質(zhì)荷比所對(duì)應(yīng)頻率下的激發(fā)幅度大小所決定。以離子運(yùn)動(dòng)基頻作為紐帶，并不需要對(duì)離子軌跡進(jìn)行精確的計(jì)算就可以確定受激后離子的軸向振幅，只要在相應(yīng)的電極對(duì)上接入與分離目的相對(duì)應(yīng)的AC波形，即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)離子的選擇性激發(fā)與逐出。
在多用途大容量線性離子阱中常常需要對(duì)單個(gè)目標(biāo)離子進(jìn)行選擇性共振激發(fā)與逐出，即AC共振激發(fā)與逐出，其本質(zhì)上是AC波形分離的一個(gè)特例，即目標(biāo)離子運(yùn)動(dòng)基頻為某一頻率值，而非某一頻帶。在如圖6所示的線性離子阱中，AC信號(hào)加在兩個(gè)x極上，可實(shí)現(xiàn)離子沿x方向的共振激發(fā)與逐出。
多用途大容量線性離子阱的質(zhì)量分析是通過對(duì)離子進(jìn)行選擇，使目標(biāo)離子由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定，從而將其逐出離子阱，實(shí)現(xiàn)離子檢測(cè)。選擇性不穩(wěn)定檢測(cè)可分為邊界發(fā)射與AC共振逐出兩種方式。邊界發(fā)射，是以穩(wěn)定性圖q軸上的穩(wěn)定邊界點(diǎn)作為工作點(diǎn)，DC電壓幅度為零，通過掃描RF電壓幅度(上升掃描)，使離子按照質(zhì)荷比從小到大的順序進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，不穩(wěn)定離子將被逐出離子阱，到達(dá)阱外的離子檢測(cè)系統(tǒng)，接收并放大相應(yīng)的電信號(hào)，就可得到相應(yīng)的質(zhì)譜圖。AC共振逐出利用了離子運(yùn)動(dòng)基頻與離子所處狀態(tài)之間的關(guān)系，通過掃描RF，改變離子的運(yùn)動(dòng)基頻，當(dāng)離子的基頻與AC信號(hào)的頻率相等時(shí)，離子在x方向的振幅將迅速顯著增大，從x極板中央的狹縫處離開離子阱，進(jìn)入外部檢測(cè)電路。
在進(jìn)行質(zhì)譜分析時(shí)常需要對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定，MSn實(shí)驗(yàn)就是該項(xiàng)分析的基礎(chǔ)。在MSn實(shí)驗(yàn)中，需要使目標(biāo)離子裂解為碎片離子，通過對(duì)碎片離子進(jìn)行質(zhì)譜掃描確定碎片離子的種類，從而確定目標(biāo)離子的組成結(jié)構(gòu)。目標(biāo)離子的裂解有多種實(shí)現(xiàn)方式，常用的有利用離子與緩沖氣發(fā)生碰撞產(chǎn)生的CID，利用離子離子反應(yīng)發(fā)生的電子俘獲裂解(ECD)和電子轉(zhuǎn)移裂解(ETD)等。在多用途大容量線性離子阱中，每個(gè)捕獲子區(qū)域都可作為一個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)室，多個(gè)子區(qū)域的設(shè)計(jì)就為MSn提供了充分的基礎(chǔ)條件，通過分配各個(gè)區(qū)域的功能，可開展多種過程的MSn實(shí)驗(yàn)。
多用途大容量線性離子阱的每一個(gè)捕獲子區(qū)域都具備獨(dú)立實(shí)現(xiàn)選擇性離子存儲(chǔ)、分離、反應(yīng)/裂解、分析的功能，當(dāng)多個(gè)捕獲子區(qū)域協(xié)同工作時(shí)，就可組合出多種分析過程/方法，這也使得該線性離子阱具有廣泛的適應(yīng)性，并具備多樣化的功能。
圖2所示的是RF電極分成三個(gè)部分的多用途大容量線性離子阱，其結(jié)構(gòu)和電壓信號(hào)連接方式與圖1的類似，只是比圖1增加了一個(gè)子RF電極組III，相應(yīng)增加了一個(gè)離子捕獲子區(qū)域III和一組連接到子RF電極組III的電壓信號(hào)。由于增加了一個(gè)離子捕獲區(qū)域子區(qū)域III，該多用途大容量線性離子阱的工作方式就更具多樣化。
多用途大容量線性離子阱的RF電極可以采用各種可產(chǎn)生四極場(chǎng)的電極形狀，如圖3的a-d所示的雙曲型電極，圓柱電極，可解析為多個(gè)薄層單元的優(yōu)化場(chǎng)型電極，矩形平板電極等。
在多用途大容量線性離子阱中，端電極可以是沿xy平面放置的平板電極5和6，如圖1和圖2所示；也可以是平行于z軸的四個(gè)電極組成的多極桿，如圖4的端電極I和端電極II采用四極桿，各電極在xy平面內(nèi)按照各間隔90度放置；還可以是平板電極與多極桿的組合，如圖5所示。平板端電極上可接入DC電壓，多極桿端電極上可接入RF電壓或DC電壓或二者的組合。端電極的主要作用是產(chǎn)生沿z軸方向的電勢(shì)阱，在z方向上將離子限制在離子阱的捕獲區(qū)中。
如圖1、2、4和5所示，線性離子阱中可在子RF電極上開設(shè)平行于z軸的狹縫(7和8)，并在子x或y電極對(duì)上接入AC信號(hào)，實(shí)現(xiàn)沿x或y方向激發(fā)離子或?qū)㈦x子逐出離子阱；也可在平板端電極上開設(shè)小孔或狹縫，實(shí)現(xiàn)沿z方向激發(fā)離子或?qū)㈦x子逐出離子阱；還可將上述各方式任意組合，實(shí)現(xiàn)多方向激發(fā)離子或?qū)㈦x子逐出離子阱。
RF電極上的狹縫有多種開設(shè)方案，可以在每個(gè)子RF電極組的x電極對(duì)上均開設(shè)狹縫，也可以在每個(gè)子RF電極組的y電極對(duì)上均開設(shè)狹縫，還可以在保證每個(gè)子RF電極組至少開一條狹縫的前提下，各子電極組之間采用組合式狹縫，或者開在x電極，或者開在y電極，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要任意組合。電極上的狹縫和端電極上的小孔或狹縫都可作為樣品或離子的入口或出口，通過組合可以實(shí)現(xiàn)沿x、y或z方向的多入口或多出口分析模式。
多用途大容量線性離子阱可以使用外離子源電離方式，也可以使用內(nèi)離子源電離方式，還可以使用內(nèi)外離子源相結(jié)合的電離方式。離子阱的多入口模式使得可以與兩個(gè)或兩個(gè)以上的離子源相連。在多個(gè)外離子源的情況下，離子源的離子傳輸系統(tǒng)可通過端蓋上的小孔/狹縫將離子導(dǎo)入阱內(nèi)，也可以通過RF電極上得狹縫將離子導(dǎo)入阱內(nèi)。圖6所示的是一個(gè)雙離子源雙檢測(cè)器多用途大容量線性離子阱，兩個(gè)離子源產(chǎn)生的離子分別從兩個(gè)平板端電極上的小孔進(jìn)入阱內(nèi)，對(duì)離子開展質(zhì)量分析時(shí)采用徑向離子逐出，在兩個(gè)狹縫外設(shè)置了檢測(cè)器，分別檢測(cè)從兩個(gè)子區(qū)域中逐出的離子。圖7所示的是一個(gè)多離子源多檢測(cè)器多用途大容量線性離子阱的組合示意圖，可根據(jù)具體需要在各離子源或檢測(cè)器位置連接相應(yīng)的裝置，在空間三維實(shí)現(xiàn)組合式的多離子源多檢測(cè)質(zhì)譜分析方案。
在上述結(jié)構(gòu)的多用途大容量線性離子阱，通過將RF電極組沿z方向分成多個(gè)部分，就可實(shí)現(xiàn)離子阱分析功能的擴(kuò)展，根據(jù)分析目的的需要，設(shè)置分析方法就可開展所需的分析實(shí)驗(yàn)。該離子阱具有廣泛的適應(yīng)性，當(dāng)只利用其中一個(gè)子區(qū)域作為分析區(qū)域時(shí)，就等效于已有的單離子阱質(zhì)量分析器；當(dāng)利用多個(gè)子區(qū)域協(xié)同工作時(shí)，通過定義各個(gè)子區(qū)域的功能，如選擇性儲(chǔ)存、分離、離子反應(yīng)或分析區(qū)域，或其組合，就可提供多種工作模式，包括已有的空間順序流通MSn分析實(shí)驗(yàn)，空間串聯(lián)與時(shí)間串聯(lián)相組合MSn陣列式分析實(shí)驗(yàn)。組合式的工作模式不僅實(shí)現(xiàn)已有的MSn分析技術(shù)，更為探索中的MSn分析方法提供一個(gè)強(qiáng)有力的工具，幫助科學(xué)家們驗(yàn)證或?qū)崿F(xiàn)更多的物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的可能技術(shù)路線。
本發(fā)明還提出了一種一體化電極加工方法。
一體化電極加工方法的基本步驟包括首先采用非金屬材料為基體，加工成所需的RF電極形狀，如雙曲電極、圓柱電極、矩形平板電極、可解析為多個(gè)薄層單元的優(yōu)化場(chǎng)型電極，然后在該非金屬電極基體的表面覆上一層金屬導(dǎo)體膜，最后在需要絕緣的部位磨掉或車掉金屬膜。在這一加工方法中，非金屬材料可以選用陶瓷材料，金屬膜可以選用以金為主要成分的導(dǎo)體材料，如高純度的金。
圖8所示的是RF電極采用一體化方法加工而成的多用途大容量線性離子阱，電極的形狀為雙曲形，RF電極分為三個(gè)部分，深色的表面表示覆有金膜，白色表面表示去掉金膜的陶瓷基體表面，各個(gè)部分的x電極上都開設(shè)了狹縫，同一個(gè)x電極上的三條狹縫是連成一體的，即在陶瓷基體電極的加工過程中開設(shè)了一條長(zhǎng)狹縫，在后續(xù)步驟中把電極分成三個(gè)部分的同時(shí)也把狹縫分成了三個(gè)部分。這樣的一次開縫加工方法大大簡(jiǎn)化了加工程序，并保證了各部分狹縫均勻且在同一直線上。
一體化電極加工方法尤其適用于需要將電極分為多個(gè)部分的情況，本申請(qǐng)所提出的多用途大容量線性離子阱的RF電極就可采用該方法加工而成。已有的加工方法中，通常采用金屬材料直接加工出各個(gè)部分的電極，然后采用絕緣材料將各部分組合裝配起來，這就要求必須具備精密的裝配技術(shù)，而這一技術(shù)已成為目前離子阱加工制造的一大瓶頸。采用一體化的加工方式，可以保證同一電極上各個(gè)部分的均勻性，從而降低裝配技術(shù)的難度。
本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)，其中，可根據(jù)需要調(diào)整RF電極所分的端部分?jǐn)?shù)及各部分尺寸、比例，離子源和檢測(cè)器的連接位置等，凡是基于本發(fā)明的同一思路，均屬本發(fā)明的范圍。
與已有的多個(gè)離子阱直接串聯(lián)組成的組合式離子阱相比，本申請(qǐng)?zhí)岢龅亩嘤猛敬笕萘烤€性離子阱的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化，只從結(jié)構(gòu)方面來比較，似乎只是省略了端電極而直接將多個(gè)RF電極組串聯(lián)起來，然而這樣的省略卻能為離子阱的控制、調(diào)試與制造帶來卓越的變革。在控制電路方面，可以省去相鄰阱之間的端電極上的DC或AC信號(hào)，在RF電極之分為兩部分時(shí)，可省去一個(gè)端蓋電極的信號(hào)，其優(yōu)越性似乎不夠明顯，但隨著RF電極分成的部分?jǐn)?shù)量增多，這一優(yōu)勢(shì)就尤為顯著。儀器調(diào)試方面，少一個(gè)端電極，離子的阱內(nèi)損失就會(huì)相應(yīng)減少，從而減少一個(gè)對(duì)儀器性能的影響因素。在制造方面，沒有端蓋的分隔，就可采用一體化電極的加工方式，降低裝配方面的難度。
總之，本申請(qǐng)所提出的多用途大容量線性離子阱能夠?qū)⒁延械膯坞x子阱和組合式離子阱的功能集于一身，具有廣泛的適用性，為生物、制藥、離子化學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展提供了一種強(qiáng)有力的研究工具，同時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，減輕了控制和調(diào)試的工作復(fù)雜性，并可采用一體化加工方法，從而降低離子阱的裝配難度。該線性離子阱為離子阱質(zhì)量分析器和質(zhì)譜儀器的發(fā)展提供了一種適應(yīng)性強(qiáng)、功能多樣、易于加工裝配、成本相對(duì)低廉的切實(shí)可行的實(shí)施方案，也將會(huì)大力推動(dòng)生物、制藥、離子化學(xué)等領(lǐng)域的分析技術(shù)的發(fā)展。
權(quán)利要求
1.一種多用途大容量線性離子阱，包括由至少四個(gè)平行于離子阱中心軸z軸的RF電極和一對(duì)端電極所確定的離子捕獲室；RF射頻信號(hào)和DC直流信號(hào)；其特征在于所述RF電極組沿z方向至少包括兩個(gè)部分，每個(gè)部分至少有一個(gè)子RF電極包含一條狹縫，狹縫用于樣品或離子沿徑向注入或出射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途大容量線性離子阱，其特征在于所述端電極為沿xy平面放置的平板電極，或?yàn)槠叫杏趜軸的多極桿，或?yàn)槠桨咫姌O與多極桿的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多用途大容量線性離子阱，其特征在于至少一個(gè)所述平板端電極包含小孔或狹縫，用于樣品或離子的注入或出射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途大容量線性離子阱，其特征在于每個(gè)子RF電極組的x電極對(duì)或y電極對(duì)上開設(shè)狹縫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途大容量線性離子阱，其特征在于所述RF電極組的每個(gè)部分都連接有RF射頻信號(hào)或DC直流信號(hào)，或二者的組合信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途大容量線性離子阱，其特征在于AC電壓連接到子RF電極組的x電極對(duì)或y電極對(duì)，實(shí)現(xiàn)沿x方向或y方向激發(fā)或逐出離子；或連接到端電極實(shí)現(xiàn)沿z方向激發(fā)或逐出離子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途大容量線性離子阱，其特征在于所使用的離子源為外離子源或內(nèi)離子源，或二者的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多用途大容量線性離子阱，其特征在于至少使用兩個(gè)離子源。
9.一種一體化電極加工方法，步驟包括以非金屬材料為基體加工成所需的電極形狀；電極基體表面覆金屬膜；在需要絕緣的部位去掉金屬膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一體化電極加工方法，其特征在于所述非金屬材料為陶瓷，所述金屬膜采用以金為主要成分的導(dǎo)體材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用于多種分析目的的大容量線性離子阱和一種易于實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度高精密度加工與裝配的一體化電極加工方法。該線性離子阱包括離子捕獲室、RF射頻信號(hào)和DC直流信號(hào)，其中，RF電極可包括多個(gè)部分，由此可將離子捕獲室分成多個(gè)子區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)多種質(zhì)譜分析程序。該離子阱的RF電極可以采用先加工非金屬基體，然后表面覆上金屬膜，最后根據(jù)子電極的需要去除絕緣區(qū)域的金屬膜這樣的一體化加工方法。多用途大容量線性離子阱為離子阱質(zhì)量分析器和質(zhì)譜儀器的發(fā)展提供了一種適用性強(qiáng)、功能多樣、易于加工裝配、成本相對(duì)低廉的實(shí)施方案。
文檔編號(hào)H01J49/10GK101038852SQ20061006491
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月17日
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