非完善四极场质量分析器装置和工作方法

摘要

本发明给出了一种制造非完善四极场质量分析器装置和工作方法，属于质量分析技术领域，具体涉及一种用一组电极阵列板围合而成的具有矩形截面的长形管道状离子质量分析器。本发明一种产生非完善四极场装置，是由一组电极阵列板围绕中心轴构成，用于制造质量分析装置。本发明提出了一种制造方法简单和低成本的方法和装置，使用这种方法和装置，可以产生并不十分完善的四极电场，通过对其中较高阶电场和边缘场的合理调配，实现对离子的高分辨率质量分析；另外，本发明提供了集成的低成本的离子光学和质量分析系统，它可以使目前一些商用的质谱仪系统得以简化和变得更廉价。

说明书

技术领域

本发明給出了一种制造非完善四极场质量分析器装置和工作方法，属于质量分析技术领域，具体涉及一种用一组电极阵列板围合而成的具有矩形截面的长形管道状离子质量分析器。

技术背景

使用四个电极可以在一定的空间区域内产生四极电场分布，因此可以用它们来构建质量分析器，即所谓的四极质量分析器。如在专利号为2,939,952的美国专利中，发明人给出了如何用四个电极来构建质量分析器的方法。根据此项发明，可以将四个杆形电极平行地围绕一个中心轴固定，然后将两两相对的电极连接在一起形成两个端点，供连接外加工作电源用，如图1所示。通常情况下，将输出电压为：

V(t)＝+(U-VcosΩt)连接到一个端点；同时将输出电压为：

V(t)＝-(U-VcosΩt)连接到另外一个端点。在这些电压表达式中，U代表直流电压值，V代表所谓的射频电压值(值相对于零的电压值)，Ω为射频电源的角频率。在此电源的作用下，四个杆形电极将在所围成的中心区域内产生以四极电场为主要成分的电场分布。

用四个表面为理想双曲面的四个杆状电极所组成的四极杆电极系统可以产生理想的四极电场分布。在实际应用中，出于机械加工和生产成本的考虑，常常用圆柱形的杆形电极代替表面为双曲面的电极来构建四极质谱系统等。在此情况下，所产生的电场分布除了主要为四极电场外，还含有少量的十二极场，二十极场等高阶场成分。

除了四个杆状电极所组成的四极杆电极系统外，还有其他多种离子光学方法可以产生高频多极电场。而这些不同的离子光学系统又可以有不同的用处。比如说，用作传输离子用的离子导引装置；用作质量分析或质量选择用的四极离子滤质器；以及用作储存和分析离子用的离子阱等。

将四极离子滤质器和离子源，离子探测器等结合起来即可组成一台四极离子质量分析仪，或称之为四极质谱仪。也可以将离子导引和离子质量分析器结合起来，组成一台较为复杂的四极离子质量分析仪。但它们的用途可以各不相同。此外，还可以将多个四极质量分析器和离子阱等按一定的次序串联起来组成一个较为复杂的四极质谱仪系统，即所谓的串级质量分析仪。它是目前可以和多种离子源结合起来使用的一种主要串级质量分析仪。这种具有串级质谱分析功能的仪器还可以用于分析复杂分子体系的结构，已被广泛用于生物和化学体系的成份和结构分析。四极离子滤质器不仅可以构建精密质谱分析仪器，还可用来对复杂试样进行分离，挑选，以获得有用的样品。Graham Cooks等科学家发明的离子“软着陆”技术已经证明了生物分子通过滤质器后仍然能保留其生物活性，因此四极离子滤质器甚至有可能成为制备生物芯片的有效工具。

通常，四极离子光学系统需要有很高的机械加工精度。部分零件有时还需要被加工成双曲面。这种要求高精度的机械加工和组装工艺，使得生产出的产品很昂贵，因此产量和用途都受到限制。特别是四极离子滤质器用作样品筛选处理工具时，流量大、负荷重，极易受到污染和损害，维护成本也很高。所以更寄希望于出现一种廉价、可替换的装置，以降低成本。

近年来，人们一直在继续寻找构成质谱仪新方法和新材料的研究工作，在美国专利4704,532中，华中一发明了所谓连续边界完善四极场的产生方法，理论上，这种装置可以在电极内部产生理想的四极电场。但实际上真正完美边界的制作工艺却不简单，由于很难得到具有高热稳定性的电阻涂料，所以当高压射频电场加在此电阻材料上时，功率的损耗将导致温度的上升，进而导致装置匹配的失调，最终导致射频电源的失调。

M.Margulies在美国专利4,985,626中，用直线导体阵列产生四极电场来构成离子滤质器，其目标也是追求产生理想的四极电场。同样，实际上的导体阵列有一定的宽度和误差，无法实现完美电场。

发明内容

本发明的目的之一是为了提出一种产生非完善四极场的方法和装置，用于制造质量分析仪器。使用这种方法和装置，可以产生并不十分完善的四极电场，通过对其中较高阶电场和边缘场的合理调配，实现对离子的高分辨率质量分析。

本发明目的之二是提供集成的低成本的离子光学和质量分析系统，它可以使目前一些商用的质谱仪系统得以简化和变得更廉价。

本发明提出由一组电极阵列板围绕中心轴构成产生非完善四极场装置，用于制造质量分析装置。

在上述方案基础上，利用产生非完善四极场装置制造一种利用交变电场的离子质量分析器，它是由一组电极阵列板围合而成的具有矩形截面的长形管道；此管道具有一条轴，四边的电极阵列板平行于这条中心轴；电极阵列在此管道中形成特定的不完善的四极场；被分析的离子从此管道的一端进入，在电极阵列形成的电场作用下，离子按照其质荷比有选择性地从另一端射出。

在上述方案基础上，本发明进一步提出运用印刷电路板作电极阵列板的离子质量分析器，包括在多层板面上将导电纹路加工成特别设计的形状，以便可以在分析器管道中形成特定的电场分布。

本发明还提出两种离子质量分析器的工作模式。其一是加入适量的六极，八极，十六极等高阶场成分；其二是利用管道末端的边缘场进行选择性离子排出。

本发明的优越性在于：提出了一种制造方法简单和低成本的方法和装置，使用这种方法和装置，可以产生并不十分完善的四极电场，通过对其中较高阶电场和边缘场的合理调配，实现对离子的高分辨率质量分析；另外，本发明提供了集成的低成本的离子光学和质量分析系统，它可以使目前一些商用的质谱仪系统得以简化和变得更廉价。

附图说明

图1、用四根圆柱型电极构建的传统四极杆质量分析器

图2、采用多电极阵列构造的质量分析器

图3、用印刷线路板制成的多电极阵列质量分析器

图4、采用多电极阵列质量分析器和离子导引器的质谱分析仪

图5、用印刷线路板制成的离子导引/质量分析器二合一质谱分析仪

图6、质量分析器中的离子运动稳定图

图7、多电极阵列产生四极场并迭加六极，八极，十六极场的方法

图8、质量分辨率的模拟计算结果

图9、离子按质荷比的次序选择性出射示意图，其中，A：电极结构；B：轴向电位分布。

图10、加共振激发电场的方法

具体实施方式

本发明一种非完善四极场，是由一组电极阵列板围绕中心对称轴构成非完善四极场，用于制造分析装置。如图1所示，用四根圆柱型电极11、12、13、14构建的传统四极杆质量分析器1。

分析管道如图2采用多电极阵列构造的质量分析器所示，由Y阵列21，X、Y阵列22构成，有时还要在管道末端安置一个有小孔的金属片23。图3是用印刷线路板方法制成的多电极阵列。印刷电路板包含绝缘体或半导体的基底31，其内侧面上有与中心轴相平行的直条导电纹路32，构成了所谓电极阵列，在管腔内产生所需电场；印刷线路板的外侧面上的导电纹路33用于联接引线或安装电压分配元件。它们和内侧面上的导电纹路32由过孔34相连。四块印刷线路板构成的电极阵列组装成分析管道。图中显示了一种X、Y阵列尺寸完全相同的正方形管道截面。每边的电极阵列均有5条，其间有较小的间隙。当X边上5条电极，所加电压的比例为0∶CV(t)∶V(t)∶CV(t)∶0，Y边上5条电极所加电压的比例为0∶-CV(t)∶-V(t)∶-CV(t)∶0时，分析管道内形成的基本上是四极场以及少量4(2k+1)极场(是整数)。如果系数C和电极宽度比例选取合理，高阶多极场中十二、二十极场成分都能消去。比如5条电极宽度比例为1∶1∶2∶1∶1，系数C＝0.78，分析管道中部形成的电场就非常接近理想四极场。但是，在远离中心轴的边缘处，电场分布中高阶多极场非常强，影响了分辨率。

在离中心轴不远的空间，电场分布可以非常接近理想四极场。这时候离子运动的稳定性可由图6质量分析器中的离子运动稳定图来表示。其中OA₁是Y方向稳定边界β_y＝0，A₂B是Y方向稳定边界β_y＝1，A₁B是X方向稳定边界β_x＝1，OA₂是X方向稳定边界β_x＝0.如果离子扫描线接近顶点A₁，即X方向加正分析直流(假定被分析离子为正离子)，只有很小范围D到C中的离子才是稳定的，可以通过分析器；其他离子本来是不该能够通过的。但靠近稳定边界时离子运动振幅加大，离子进入了靠近电极的边缘地带，电场分布中存在很多高次多极场成分，原来稳定的离子有可能变得不稳定，原来稳定的离子有可能变得不稳定，原来不稳定的离子有可能变得稳定了。所以即使扫描线斜率很高，接近稳定区顶点，也不能达到高分辨率。所以瞄准理想四极场不是个好办法。

现在，我们人为地用多电极阵列在分析管道中加入8N极场，并且高阶多极场成分被控制为在四极场的X轴方向上使场强梯度随X坐标上升而上升(即八极，十六极等分量的系数与四极的同号)并且使X方向上的那对电极阵列的分析直流分量与被分析的离子同极性，比如同为正；在四极场的Y轴上使场强梯度随坐标上升而下降(即八极，十六极等分量的系数与四极的异号)，并且在这个方向上四极场的分析直流分量与被分析的离子极性相异。这时候，在X方向振幅加大意味着等效a，q值的增加。在Y方向振幅加大意味着等效a，q值的减小。所以用正斜率扫描线OC₁扫描，稳定三角形中，趋于是X方向稳定边界A₁B的上C₁点的离子振幅一旦开始加大，就会越过稳定边界，变得不稳定，加速打上X电极。趋于是Y方向稳定边界OA₁上D₁点的离子振幅一旦开始加大，则会向左越过稳定边界，变得不稳定，加速打上Y电极。这种靠近稳定边界--振幅加大--靠近边缘--变成不稳定--加速打上电极的正反馈发散过程虽然使稳定区有所变窄，但是位于场轴附近地区的稳定离子仍然可以顺利通过中，享受完美四极场的效果。外围地区的离子因遭受正反馈发散过程而不能通过分析管道。所以这个实施方法能够实现高分辨率。相比之下，如果用负斜率扫描线OC₂扫描，稳定三角形中，趋于稳定边界的上C₂.，D₂点的离子振幅加大到场边缘地带，a，q值就会退回稳定区内，振幅就要缩小，一旦振幅缩小，又开始趋于稳定边界，振幅再次加大。这种来回在场边缘摇摆的特性，使许多稳定区边界处的离子在分析管道中的边缘场里运行，其通过率受X-Y方向的运动偶合影响而很不确定，所以无法实现高分辨率。

用多电极阵列在分析管道中加入少量8N极场的方法很简单，既可以将X，Y多电极阵列的电极宽度做得不同，也可以用完全一样的X，Y电极阵列而施加的电压比例不同。

图7中用分压元件71、72来分配各电极上的电压，分压元件可以是电阻或电容的组合。如把X方向电极阵列的电压比例系数C_x定为0.76，Y方向电极阵列的电压比例系数C_y定为0.80，高阶多极场中就产生了8极和8k极场成分。它们与四极场迭加后，能使场强梯度随X坐标上升而上升，而随Y坐标上升而下降，满足以上所说的获得高分辨率的要求。

图8是用计算机对多电极阵列分析器做质量过滤的模拟结果。从模拟结果看，将X、Y电极阵列的电压比例系数选为0.764和0.796时，通过率7％时，分辨率可超过1200。在通过率约为80％时，分辨率可达到500。

如果在X或Y电极阵列上加以不对称的电压分配，即电压比为0∶CV(t)∶V(t)∶DV(t)∶0，C≠D，我们还能在多电极阵列分析管道中加入六极、十极等非四方对称多极场。当然，也可以用不对称的电极宽度比例来实现迭加六极，十极等非四方对称多极场。前者的好处是高阶多极场成分灵活可调，不受制成的电极硬件限制。实践证明，加六极，十极等非四方对称多极场也能提高质量分析器的分析性能。

本发明提出的另一种离子质量分析方法是利用管道末端的边缘场进行轴向选择性离子排出。以下是其中的一个例子。

图9为一可以实施轴向选择性离子排出过程的仪器装置。图中的900是用于产生被分析样品离子的离子源。这里所说的离子源可以是电喷雾电离离子源，电子轰击离子源，化学电离离子源或其它任何可以产生离子的离子源。由离子源产生的离子流901经过小孔板902上的小孔903进入离子导引部904中。在实际应用中，小孔板902可以被加载适当的电压。离子导引部904的真空度由真空泵906获得。一般来说，离子导引部904的真空度大约维持在几毫托的范围内。905是用来传输和聚焦离子流用的离子导引装置。如上所述，离子导引装置905是由一组电极阵列板围合而成的具有矩形截面的长形管道。这些电极阵列板在合适的电源作用下，产生以四极场为主的，并叠加有少量高极场，如六极场，八极场或十二极场成份的电场分布。在此电场作用下，离子将被逐渐推向此长形管道的中心区域。由于从离子源区900直到离子探测器914，沿长形管道的中心区域有一将所分析离子往前推进的电场分布。更详细一点说，当被分析的离子为正离子时，从离子源到离子探测器，将有一个从高到低的电场分布。(若被分析的离子为负离子时，从离子源到离子探测器，将有一个从低到高的电场分布)。因此，在这两种同时存在的电场作用下，离子将沿长形管道的中心区域穿过小孔板907上的小孔908进入离子质量分析区909。离子质量分析区909的真空度由真空泵911获得。一般来说，离子质量分析区909的真空度大约维持在小于10^-4托的范围内。离子质量分析器910也是由一组电极阵列板围合而成的具有矩形截面的长形管道装置。同样地，这些电极阵列板在合适的电源作用下，产生以四极场为主的，并叠加有少量高极场，如六极场，八极场或十二极场成分的电场分布。在此电场作用下，离子将被逐渐推向此长形管道的中心位置区域并被束缚在中心轴附近。这里需要指出的是，虽然离子导引装置905和离子质量分析器910可以是由一组电极阵列板围合而成，并且它们可能具有完全相同的几何形状。但如果加载在它们上的电源分布可能不同在各自的中心区域可以产生各不相同的电场分布。在实际应用中，将根据需要决定工作电压的安排。在距离离子质量分析器910适当位置，如几毫米处，安置有离子引出小孔板912。在此小孔板912上加工有一离子引出小孔913。此小孔的中心应尽可能位于矩形离子质量分析器的中心线上。这样可以保证最大的离子通过率。在离子引出小孔913的后方安置有离子探测器914。

下面再描述一下整个仪器的直流工作电压分配情况。假定被测定的是正离子，且正离子由电喷雾电离的方法产生。在此情况下，离子源900的工作电压约为在+4000V左右，小孔板902的工作电压约为+100V左右，离子导引装置的偏压约为+50V左右，小孔板907的工作电压约为+10V左右，离子质量分析器910直流工作电压约为0V左右。当然，离子导引装置905和离子质量分析器910还分别加载有射频工作电源。在上述设置好的电源作用下，由离子源900产生的离子流经过小孔903进入离子导引部904中。离子流经离子导引装置的作用后并穿过后面的小孔908进入离子质量分析器910中。由离子质量分析器910上所产生的高阶电场的作用，使得从中通过的离子将与背景气体分子发生多次碰撞并失去其动能。进入离子质量分析区909并到达小孔板912的离子由于多次地与背景气体分子的碰撞传能运动，几乎丧失在轴线方向的运动速度。同时，这些离子又在射频工作电源产生的电场的作用下，限制了其向径向发散。典型的在相对电极对间的射频电压峰-峰值为450V(除非在MS扫描工作时)，其频率为1MHz。如前所述，离子质量分析器电极910上可以不加任何直流分量电场。当在小孔板912上加上一个比离子质量分析器910上较高的直流偏置电压时，也就是说，在离子质量分析器910区域内产生一个直流势垒时，位于离子质量分析器910区域内的离子可以被稳定地存储下来。然而，在接近小孔板912的离子质量分析器区域910中的离子将由于射频工作电场到直流场过渡区域的边界特性而导致电场的显著变化。这种情形下的电场分布，通常被称作边缘电场，也就是通常所说的管道末端的边缘场，将导致在其中运动的粒子轨迹在径向和轴向方向上相互耦合。但当某个质量的离子在分析管道内被激发到一定动能，由于边缘电场能将被分析离子的径向与轴向运动相互耦合，离子就能越过在小孔板912上形成的势垒，进而射出分析器而被检测。激发离子的途径有多种形式。离子被扫描到稳定区边界时就会自然地受到高频场的激发，所以扫描加在离子质量分析器910上的主要射频电源的电压幅度或频率，离子就会按质荷比次序依次从小孔913排出分析器。激发离子的另一种途径是进一步利用电极阵列在分析管内的二维四极场上迭加一个偶极交变电场，用以共振激发特定质荷比的离子，当高频电压扫描时离子按质荷比的次序依次达到共振而受到激发，进而射出分析器而被检测。图10给出一种迭加一个偶极交变电场的方法，其中辅助交流电源101通过变压器102将偶极交变电场加到两组X电极阵列之间，与主要射频电源103、分析直流电源104产生的四极场迭加在一起。在这种共振激发条件下，离子的q只要在0.2-0.3之间就能发生轴向射出。

此外，还有其它种方法可以被用于将离子轴向射出。其方法过程可以参考下列文献：J.Hager，et al Rapid Communications in MassSpectrometry，2002，Vol.16，512)。其中之一是辅助交流电场将与直流场同时加在小孔板912上，它可以同时激发径向与轴向的离子运动。辅助交流场能有效地激发离子以致它们可以越过在由于加载在小孔板912上的直流电压所产生的轴向势垒，并以接近轴向(以箭头表示)的方向上被逐出，也即所谓的轴向选择性离子排出。因此，离子喷射的连续质量扫描方式可以通过扫描辅助交流场的低电压频率来完成。当辅助交流电场的频率与离子在临近小孔板912的区域时在径向运动的周期频率相同，离子将吸收能量且将由于径向-轴向动量耦合可穿过位于出口透镜上的势垒。当离子从轴方向离开，它将被探测器914检测到。如前所述，在由传统的四极杆电极构成的四极场质量分析器中，当采用非稳定质量选择扫描模式时，加在四极杆上的射频场电压将以一定斜率扫描上升，因而离子将按从质量数由小到大的顺序被逐出。也即当对一个离子来说，它的q值达到0.907时，会沿四极杆电极的长度方向射出。

还可以采用另一种方法来实现利用管道末端的边缘场进行轴向选择性离子排出。其实验方法是，固定小孔板912上的辅助交流电压，扫描加在离子质量分析器910上的主要射频电源的电压幅度。在这种条件下，离子的q只要在0.2-0.3之间就能发生轴向射出，这与上面提到的在接近0.907的q值才能产生径向射出有很大的不同。

此外，还有其它种方法可以被用于将离子轴向射出。其详细方法过程可以参考下列文献：J.Hager，et al Rapid Communications in MassSpectrometry，2002，Vol.16，512)。

用多电极阵列不仅可以构成质量分析管，还能构成离子导引装置。将离子源、离子导引装置、离子质量分析器和离子探测器连在一起即可组成一台四极离子质谱仪如图4所示。如用印刷线路板制成的离子引入/质量分析二合一的管道，如图5所示，便能进一步简化质谱分析仪的结构。只要在管道内加入分隔用小孔金属片53就能实现差分抽气的作用，满足不同区域不同真空度的要求。