静电离子阱质量分析器的接口装置及其使用方法

专利名称：静电离子阱质量分析器的接口装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及离子阱质谱分析领域，尤其涉及一种傅立叶变换静电离子阱质量 分析器的接口装置及其使用方法。
背景技术：
早在1923年，Kindon就提出了利用静电场实现离子的束绰。它的结构类似 于带有端电极的圓柱型电容器，这种模型也被称为Kingdon trap。 1981年，Knight 对Kingdon trap的电极形状进行了改进，使其不再需要两端的端电极就能实现 离子的束缚。这种利用静电实现离子束缚的阱很快就在质谱分析上得到了应用。 它利用离子绕内电极旋转的频率与质荷比相关来实现样品离子的质量分析。但 是，由于离子的这种绕内电极旋转运动的频率在很大程度上受到离子的速度和初 始位置影响，因此该质量分析方法的分辨率4艮4氐。1995年，Alexander Makarov 等人提出了静电傅立叶离子回旋共振质谱。它也是利用静电场使离子在质量分析 器内做周期性运动，从而实现对离子的束缚。与磁式傅里叶变换离子阱相比较， 这种装置既能提供高分辨率和质量精度的质量分析，同时又能够降低制造成本， 减轻重量，得以广泛的应用。
与利用射频电场实现离子束缚的质量分析器，例如离子阱以及四极杆滤质器 不同的是，傅里叶变换静电场离子阱是利用静电场实现离子的束缚，4吏得它作为 质量分析器时的结构变得简单。同时，如果利用离子在傅里叶变换静电场离子阱 内的轴向振动频率作为检测对象，就可以获得足够高质量分辨率。傅里叶变换静 电场离子阱的这些优点为它实现小型化创造了条件。
但是，静电离子阱也存在着应用上的困难。由于静电离子阱是一种封闭型的 质量分析器，存在着离子源接口问题。如何才能使得静电离子阱获得足够的分析 灵敏度是静电离子阱应用设计的关键所在。
鉴于此，为了解决以上问题，现提出一种新的静电离子阱质量分析器的接口 装置及方法以解决上述技术问题。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种静电离子阱质量分析器的接口装置， 以实现静电离子阱与外部离子源的更高效连接，从而提高静电离子阱的分析灵敏 度。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案静电离子阱质量分析器的接 口装置，其包括
该接口装置包括位于同 一平面内的同心圓弧状外部导电体和内部导电体，所
述外部导电体和内部导电体形成离子运动空间；
第一电源，与所述外部导电体相连接，用于提供直流电压；
第二电源，与所述内部导电体相连接，用于提供直流电压；第二电源提供的
直流电压低于第 一 电源提供的直流电压；
第三电源，与所述外部导电体相连接，用于提供周期性正电压脉冲； 所述内部导电体上设有用于离子通过的通道。
作为本发明的优选方式之一，所述圓弧角度为区间[0, 2;r)内的任意角度。
作为本发明的优选方式之一，所述内部导电体上设有的通道为一条狭缝，所 述狭缝周长与内部导电体周长相等。
本发明还提供一种静电离子阱质量分析器的接口装置的使用方法，其包括步
骤
1) 第一电源提供的直流电压施加在所述外部导电体上；
2) 第二电源提供的直流电压施加在所述内部导电体上，第二电源提供的直流 电压低于第一电源提供的直流电压；
3) 第三电源提供的周期性正电压脉冲施加在所述外部导电体上，通过调节第 三电源所提供的周期性正电压脉冲的幅度和周期，改变外部导电体上的电 势，从而改变在所述两个导电体形成的对数式静电场内运动的离子的运动 轨迹，将离子从所述通道引入静电离子阱。
作为本发明的优选方式之一，当所述第一电源提供直流正电压施加在外部导 电体上时，所述第二电源提供直流负电压施加在内部导电体上。作为本发明的优选方式之一，当所述第一电源4是供直流正电压施加在外部导 电体上时，所述内部导电体电势维持为零。
作为本发明的优选方式之一，当所述第一电源提供直流正电压施加在外部导 电体上时，所述第二电源提供直流正电压施加在内部导电体上，第二电源提供的 直流正电压小于第 一电源提供的直流正电压。
作为本发明的优选方式之一，当所述外部导电体电势维持为零时，所述第二 电源3是供直流负电压施加在内部导电体上。
作为本发明的优选方式之一，当所述第一电源提供直流负电压施加在外部导 电体上时，所述第二电源提供直流负电压施加在内部导电体上，第二电源提供的 直流负电压小于第一电源^是供的直流负电压。
综上所述，本发明静电离子阱质量分析器的接口装置及其使用方法，通过利 用环形的静电场对离子进行束缚，这样使得在离子进入静电离子阱之前，所述静 电离子阱接口装置内充满环形排布的待分析离子。之后，利用施加于所述两个导 电体中位于外部导电体上所述周期性的正电压脉冲，将充满所述静电离子阱接口 装置的离子通过所述两个导电体中位于内部导电体上的狭缝引入静电离子阱。本 发明的静电离子阱接口装置及方法能够实现静电离子阱与外部离子源的高效连 接，改善离子的利用率，进而提高静电离子阱的分析灵每文度。


图1为本发明的静电离子阱接口装置在未施加所述周期性正电压脉冲时的结 构示意图。
图2为本发明的静电离子阱接口装置在施加所述周期性正电压脉冲时的结构 示意图。
图3为圆弧角度取2;r的所述具有同心几何关系两个导电体的两维结构示意图。
图4为圓弧角度取2;r的所述具有同心几何关系两个导电体的三维结构示意
2图。图5为圓弧角度取;r的所述具有同心几何关系两个导电体的两维结构示意图。
图6为两个导电体之间所形成的所述对数形式静电场的等势线示意图。 图7为所述周期性正电压^^冲的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤
请参阅图l和图2,本发明的静电离子阱质量分析器的接口装置至少包括 位于同 一平面内的同心圆弧状外部导电体3 (也称为电极3 )和内部导电体4 (也 称为电极4)、所述外部导电体3和内部导电体4形成离子运动空间1; 第一电源8，与所述外部导电体3相连接，用于提供直流电压； 第二电源IO,与所述内部导电体4相连接，用于提供直流电压；第二电源IO 提供的直流电压低于第一电源8提供的直流电压；
第三电源9，与所述外部导电体3相连接，用于提供周期性正电压脉冲； 所述内部导电体4上设有用于离子通过的通道12。所述圓弧状外部导电体3 和内部导电体4的圓弧角度为区间[O, 2;r)内的任意角度。 所述内部导电体4上设有的通道12为一条狭缝，所述狭缝的周长与内部导 电体4的周长相等。
具体的，在本实施方式中，所述电极3和4采用的是圆弧角度为;r的具有同 心关系的圓弧形导电体(如图5所示)。
所述第 一电源8与所述呈圆弧状具有同心几何关系的两个导电体中位于外部 导电体3相连接，用于提供直流电压，所述第一电源8与电极3相连接，所述第 一电源8所提供的直流正电压的大小为1000伏。
所述第二电源10与所述呈圓弧状具有同心几何关系的两个导电体中位于内 部导电体4相连接，用于提供直流电压，所述第二电源10与电极4相连接，所 述第二电源IO所纟是供的直流正电压的大小为-IOOO伏。
所述第三电源9与所述呈圆弧状具有同心几何关系的两个导电体中位于外部导电体3相连接，用于提供周期性正电压脉冲(请参见图7),其幅度由所述呈
圓弧状具有同心几何关系的两个导电体之间的电势差决定，其周期由所述呈圓弧 状具有同心几何关系的两个导电体间电势差以及机械尺寸和静电离子阱电极间
电势差以及机械尺寸决定，所述第三电源9与电极3相连接，所述第三电源9 所提供的周期性正电压脉冲的幅值为250伏，频率为lHz。
本发明还提供一种静电离子阱质量分析器的接口装置的使用方法，其包括步
骤
1) 第一电源8提供的直流电压施加在所述外部导电体3上；
2) 第二电源10提供的直流电压施加在所述内部导电体4上，第二电源10提 供的直流电压低于第一电源8提供的直流电压；
3) 第三电源9提供的周期性正电压脉冲施加在所述外部导电体3上，通过调 节第三电源9所提供的周期性正电压脉沖的幅度和周期，改变外部导电体 上的电势，从而改变在所述两个导电体形成的对数式静电场内运动的离子 的运动轨迹，将离子从所述通道12引入静电离子阱。
第二电源IO提供的直流电压低于第一电源8提供的直流电压包括以下情况； 当所述第一电源提供直流正电压施加在外部导电体上时，所迷第二电源提供
直流负电压施加在内部导电体上；
当所述第一电源提供直流正电压施加在外部导电体上时，所述内部导电体电
势维持为零；
当所述第一电源^是供直流正电压施加在外部导电体上时，所述第二电源4C供 直流正电压施加在内部导电体上，第二电源提供的直流正电压小于第一电源提供 的直流正电压；
当所述外部导电体电势维持为零时，所述第二电源提供直流负电压施加在内 部导电体上；
当所述第一电源提供直流负电压施加在外部导电体上时，所述第二电源提供 直流负电压施加在内部导电体上，第二电源提供的直流负电压小于第一电源提供 的直流负电压；使用时，第一电源8提供的直流正电压施加在两个导电体中位于外部导电体 3上，第二电源10的直流负电压施加在两个导电体中位于内部导电体4上,此
时，电极3和电极4之间形成了对数形式的静电场1。与电极3相连接的第三电 源9未输出周期性正电压脉冲时，离子通过入射透镜2进入由电极3和电极4 形成的对数式静电场内l做圆周运动，此时离子未被引入静电离子阱，而是从出 射透镜5离开由电极3和电极4形成的对数式静电场(参见图1 )。图1中的11 为离子轨迹，6是静电离子阱的外部电极，7是静电离子阱的内部电极。
第三电源9提供周期性正电压脉冲施加在电极3上，当所述周期性正电压脉 冲处于低电压状态时，进入由所述电极3和所述电极4形成的对数式静电场内的 离子做圆周运动，此时离子未被引入静电离子阱；当所述周期性正电压脉冲处于 高电压状态且电压值足够大时，在所述电极3和所述电极4之间运动的离子的轨 迹会发生变化，只要周期性正电压脉冲的电压幅度足够大，离子将从所述电极4 上的所述狭缝进入静电离子阱，于是充满所述电极3及电极4之间的离子均被引 入静电离子P井。
所述第三电源9提供周期性正电压脉冲施加在所述两个导电体中位于外部 导电体上，改变所述两个导电体中位于外部导电体上的电势，从而改变在在所述 两个导电体之间运动的离子轨迹发生改变；第三电源没有脉冲的时候，提供离子 圆周运动的向心力；脉冲时提供过度的向心力，离子向中心运动。调节所述第三 电源所提供的周期性正电压脉冲的幅度和周期，将所述两个导电体之间运动的离 子引入静电离子阱。
综上所述，本发明在离子进入静电离子阱之前利用静电场对离子进行束缚， 随后利用所述周期性正电压脉冲将充满所述静电离子阱接口装置的离子周期性 地引入静电离子阱，增加了每一次进入静电离子阱的离子数量。因此，本发明的 静电离子阱质量分析器的接口装置及方法能够实现静电离子阱与外部离子源的 高效连接，改善离子的利用率，进而提高静电离子阱的分析灵敏度。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神 和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1、静电离子阱质量分析器的接口装置，其特征在于包括该接口装置包括位于同一平面内的同心圆弧状外部导电体(3)和内部导电体(4)，所述外部导电体(3)和内部导电体(4)形成离子运动空间(1)；第一电源(8)，与所述外部导电体相连接，用于提供直流电压；第二电源(10)，与所述内部导电体相连接，用于提供直流电压；第二电源提供的直流电压低于第一电源提供的直流电压；第三电源(9)，与所述外部导电体相连接，用于提供周期性正电压脉冲；所述内部导电体(4)上设有用于离子通过的通道(12)。
2、 如权利要求1所述的静电离子阱质量分析器的接口装置，其特征在于所 述外部导电体(3)和内部导电体(4)的圆弧角度为区间[0， 2;r)内的任意角 度。
3、 如权利要求2所述的静电离子阱质量分析器的接口装置，其特征在于所 述内部导电体上设有的通道(12)为一条狭缝，所述狭缝周长与内部导电体(4)周长相等。
4、 一种如权利要求1至3任意一项所述的静电离子阱质量分析器的接口装置 的使用方法，其特征在于包括步骤1) 第一电源(8)提供的直流电压施加在所述外部导电体(3)上；2) 第二电源(10)提供的直流电压施加在所述内部导电体(4)上，第二电 源提供的直流电压#<于第一电源提供的直流电压；3) 第三电源(9)提供的周期性正电压脉冲施加在所述外部导电体(3)上， 通过调节第三电源所提供的周期性正电压脉冲的幅度和周期，改变外部导 电体上的电势，从而改变在所述两个导电体形成的对数式静电场内运动的 离子的运动轨迹，将离子从所述通道(12)引入静电离子阱。
5、 如权利要求4所述的静电离子阱质量分析器的接口装置的使用方法，其特 征在于当所述第一电源^是供直流正电压施加在外部导电体上时，所述第二 电源4是供直流负电压施加在内部导电体上。
6、 如权利要求4所述的静电离子阱质量分析器的接口装置的使用方法，其特 征在于当所述第一电源提供直流正电压施加在外部导电体上时，所述内部导电体电势维持为零。
7、 如权利要求4所述的静电离子阱质量分析器的接口装置的使用方法，其特 征在于当所述第一电源提供直流正电压施加在外部导电体上时，所述第二 电源提供直流正电压施加在内部导电体上，第二电源提供的直流正电压小于 第 一 电源提供的直流正电压。
8、 如权利要求4所述的静电离子阱质量分析器的接口装置的使用方法，其特 征在于当所述外部导电体电势维持为零时，所述第二电源提供直流负电压 施加在内部导电体上。
9、 如权利要求4所述的静电离子阱质量分析器的接口装置的使用方法，其特 征在于当所述第一电源提供直流负电压施加在外部导电体上时，所述第二 电源提供直流负电压施加在内部导电体上，第二电源提供的直流负电压小于 第一电源提供的直流负电压。
全文摘要
本发明涉及静电离子阱质量分析器的接口装置及方法。包括呈圆弧状具有同心几何关系的外部导电体和内部导电体，所述外部导电体连接可提供直流电压的第一电源，所述内部导电体连接可提供直流电压的第二电源，第二电源提供的直流电压低于第一电源提供的直流电压，外部导电体连接可提供周期性正电压脉冲的第三电源，用于将在所述两个导电体之间做圆周运动的离子引入静电离子阱，可改善离子的利用率并提高静电离子阱的分析灵敏度。
文档编号H01J49/02GK101593660SQ20091005422
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者徐国宾, 杨芃原, 超 黄 申请人:上海华质生物技术有限公司