双离子源矩形离子阱质谱仪

摘要

本发明的双离子源矩形离子阱质谱仪属于科学仪器技术领域。矩形离子阱的电场是由x电极(1)、y电极(2)和z电极(3)三对电极围成的长方体区域，长方体两侧面的x电极(1)上开有矩形孔(4)，两端盖的z电极(3)的中央开有圆孔(5)，在矩形离子阱质量分析器的两端盖外各安装一个离子源(8)，从端盖的圆孔(5)注入离子；或当采用内电离的电子轰击离子源(9)时，内电离灯丝的电子从侧面的矩形孔(4)注入，另一离子源(8)从端盖的圆孔(5)注入离子。本发明不仅拓展了单台质谱仪的应用领域，最大化了其硬件设备的利用率，提高了性价比；而且还可以利用其独有的硬件结构对分子离子反应机理进行深入的研究。

权利要求

1、一种双离子源矩形离子阱质谱仪，采用矩形离子阱质量分析器，矩形离 子阱的电场是由x电极(1)、y电极(2)和z电极(3)三对电极围成的长方 体区域，长方体两侧面的x电极(1)上开有矩形孔(4)，两端盖的z电极(3) 的中央开有圆孔(5)，其特征在于，在矩形离子阱质量分析器的两端盖外各安 装一个离子源(8)，从端盖的圆孔(5)注入离子；或当其中一个离子源(8) 采用内电离的电子轰击离子源(9)时，内电离灯丝的电子从侧面的矩形孔(4) 注入，另一离子源(8)从端盖的圆孔(5)注入离子；通过操作模式选择两离子 源(8)同时工作模式下，在一个离子源(8)的离子被离子阱捕获后，由另一个 离子源(8)注入反应的离子，使其在离子阱内反应。

2、按照权利要求1所述的双离子源矩形离子阱质谱仪，其特征在于，所说 的离子源是电喷雾离子源、电子轰击离子源、基体辅助激光解析离子源、光谱离 子源、化学电离源、常压化学电离源、实时直接进样离子源、光离子化源、解析 电喷雾离子源中的一种或两种。

3、一种权利要求1的双离子源矩形离子阱质谱仪的用途，其特征在于，在 一个离子源的离子被离子阱捕获后，由另一个离子源注入反应的离子，使其在离 子阱内反应以实现对反应机理的研究。

说明书

技术领域

本发明属于科学仪器技术领域，涉及到质谱仪器和应用方法。

技术背景

质谱法是分析领域最重要的方法之一，随着时代的发展，质谱不仅在常规的 化学分析中占有重要的地位，而且逐渐成为生命科学、国土安全、食品安全、临 床医学检测、空间技术等热门领域的主要方法之一。随之而来，质谱仪器也得到 了飞速的发展，各种新型的质谱仪器、新技术也不断的涌现。在四极杆、飞行时 间、Paul离子阱等常用质谱仪器不断的改进的同时，采用新型质量分析器的矩形 离子阱、圆柱型离子阱、Orbitrap的质谱仪也取得了巨大的进展。

与本发明相近的现有技术是矩形离子阱(RIT)质谱仪。

矩形离子阱是新发展起来的性能优越的质量分析器，不仅有传统离子阱 (Paul离子阱)可以做级联质谱(MSn)和真空要求低的优点，还具有捕获离子 效率高、容纳离子数量多、空间电荷效应弱和加工装配相对容易等优点。RIT属 于四极离子阱，可以通过马修(Mathieu)方程计算其电场，根据四极质谱的稳 定区域图对其操作。矩形离子阱(RIT)的结构由三对平板电极构成，见图1～3。

图1～3中，1为x电极，在其相对的一面还有一块x电极，2为y电极，在 其相对的下底面还有一块y电极，3为z电极，在其相对的右面还有一块z电极； 在x电极1正中央开有矩形孔4，z电极3中央开有小圆孔5。矩形离子阱的电 场是由x电极、y电极和z电极三对电极围成的长方体区域，该长方体的两侧面 是x电极1，并开有矩形孔4，上下底面是y电极2，z轴方向的端盖是z电极 3，且中央开有小圆孔5。x、y电极极板间的距离按照一定的比例设计，现在比 较常用的比例是5∶4，z电极极板间的距离一般为x电极极板间距离的几倍，任 一极板间都有一定的绝缘距离，视RIT的大小而定。离子阱的电极由无磁不锈 钢精细加工而成，采用PEEK(聚醚醚酮工程塑料)作为固定支架材料。x电极 正中央开有矩形孔4，用于离子被扫描出来到达检测器；若采用内电离模式，此 矩形孔也是内电离灯丝发射的电子入口。z轴方向的端盖中央开有小圆孔5，离 子由此进入离子阱。

RIT的一般操作方法：x和y电极分别加反相的射频(RF)电压，一般为1MHz 左右的正弦波，由波形发生器产生的正弦波经过功率放大后输出，经RF变压器 升压后加到离子阱的x和y电极上。另外还在x的两电极间加一个交流电压 (AC)，和RF扫描电压共同作用，用以提高仪器的分辨率和灵敏度，交流电 压一般为几百KHz的正弦波，电压为几伏。除了RF和AC外，在x和y电极上 还要加直流电压，用于和RIT两端盖的电压(z电极电压)在z轴方向形成直流 势阱，理想情况下加在x和y电极上的直流电压是相等的，但是由于离子阱的加 工和装配必定有一定的误差，就要通过调整x和y电极直流电压的差值来加以弥 补。

多电离源质谱仪，即多个电离源共用质量分析器和其它控制设备的质谱仪。 现有的多离子源质谱仪同时只有一个离子源工作，使用不同的离子源时，要将安 装调试好的离子源换掉，一般采用手动或机械切换的方式实现离子源的更换，这 样既麻烦又不可能实现两个离子源同时工作，进行分子离子反应机理的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，设计双离子源质谱仪，不仅能每个离子源单独 工作，作为常规质谱仪使用，还可以实现两个离子源同时工作，对分子离子反应 机理的研究。
RIT和其他质谱的质量分析器不同：z轴方向两端盖上的小孔都可以进离子 (或是内电离源的电子从x轴的一个狭缝进入RIT，另一个狭缝作为离子出口)， 而检测器安装在x轴的狭缝出口，特有的结构为同时安装两个离子源提供了条 件。
一种双离子源矩形离子阱质谱仪，采用矩形离子阱质量分析器，矩形离子阱 的电场是由x电极、y电极(2)和z电极(3)三对电极围成的长方体区域，长 方体两侧面的x电极(1)上开有矩形孔(4)，两端盖的z电极(3)的中央开 有圆孔(5)，其特征在于，在矩形离子阱质量分析器的两端盖外各安装一个离 子源(8)，从端盖的圆孔(5)注入离子；或当采用内电离的电子轰击离子源(9) 时，内电离灯丝的电子从侧面的矩形孔(4)注入，另一离子源(8)从端盖的圆 孔(5)注入离子。
离子源可以是电喷雾离子源(ESI)、电子轰击离子源(EI)、基体辅助激 光解析离子源(MALDI)、光谱离子源(ICP等)、化学电离源(CI)、常压化 学电离源(APCI)、实时直接进样离子源(DART)、光离子化源、解析电喷雾 离子源(DESI)等中的一种(两个离子源可以是相同的)或两种(两个离子源 可以是不同的)。也包括上述离子源的拓展形式，比如与液相色谱联用的电喷雾 源、与气相色谱联用的电子轰击源等。该仪器通过操作模式选择其中任一离子源 或两离子源同时工作。
发明利用一阱双源”的独特硬件基础对分子离子反应机理进行了研究，在一 个离子源的离子被离子阱捕获后，由另一个离子源注入反应的分子或离子，使其 在离子阱内反应以实现对反应机理的深入研究。
本发明的质谱仪是在电学、真空和检测系统等硬件基础上实现的。电学系统 包括信号发生及功率放大系统、直流控制电压及切换系统、RF变压器及调节装 置和小信号放大器。真空系统由真空腔、分子涡轮泵和旋片机械泵、真空检测装 置构成，泵系统工作1小时后，真空可以达到10-6mbar，达到仪器的工作条件， 泵系统长时间工作的情况下，真空可以达到10-7mbar。检测系统由电子倍增管、 法拉第盘、小信号放大器和数据采集卡构成，电子倍增管是质谱仪器常用的检测 器，法拉第盘作为电子倍增管产生大量电子的接收极，在真空腔内经过一段短的 屏蔽线到达小信号放大器接口，再经小信号放大器把弱电流放大，转换成0-5V 的电压信号，最后到达数据采集卡。
双离子源矩形离子阱质谱仪不仅拓展了单台质谱仪的应用领域，最大化了其 硬件设备的利用率，提高了性价比；而且还可以利用其独有的硬件结构对分子离 子反应机理进行深入的研究。

附图说明

图1是背景技术矩形离子阱结构示意图。
图2是图1的矩形离子阱yz面剖面图。
图3是图1的矩形离子阱xy面剖面图。
图4是本发明的z轴方向双源矩形离子阱示意图。
图5是本发明的内电离源矩形离子阱示意图。
具体实施方法
实施例1采用外加双离子源的矩形离子阱质谱仪
双源的矩形离子阱示意图如图4所示。
矩形离子阱的电场是由三对电极围成的长方体区域，即x电极1、y电极2 和z电极3。x电极1和y电极2间的距离按照一定的比例设计，现在比较常用 的比例是5∶4，两个z电极3间的距离一般为两个x电极间距离的几倍。任一电 极极板间都有一定的绝缘距离，视RIT的大小而定。离子阱的电极由无磁不锈 钢精细加工而成，采用PEEK作为固定支架材料。x电极1正中央开有矩形孔4， 离子由此被扫描出来到达检测器。
本实施例采用电场为10×8×43mm3(x0，y0，z0)长方体区域的离子阱，x和y 电极极板的距离为1mm，和端盖之间的绝缘距离为1.5mm；x电极1正中央开 有1×16mm2的矩形孔4，z轴方向的端盖中央开有直径为1mm的圆孔5。
两电离源8为前面所述的电喷雾离子源(ESI)、电子轰击离子源(EI)、 基体辅助激光解析离子源(MALDI)、光谱离子源(ICP等)、化学电离源(CI)、 常压化学电离源(APCI)、实时直接进样离子源(DART)、光离子化源或解析 电喷雾离子源(DESI)等中的任意两个离子源，两个离子源8可以是相同的， 也可以是不同的。两离子源8产生的离子由端盖，即z电极3中央开有小圆孔5 进入离子阱，通过z轴方向的直流势阱和x、y轴方向的射频电压捕获离子，再 通过扫描射频电压使捕获的离子按照质荷比被分离检测。
通过模式选择其中任一离子源或两离子源同时工作。在双源同时工作模式 下，某一个源的离子被离子阱捕获后，由另一个源注入反应离子，使其在离子阱 内发生碰撞，以实现对离子分子反应机理的深入研究。
实施例2采用内电离模式的双离子源矩形离子阱质谱仪
图5为其中一个离子源为内电离的电子轰击离子源(EI)的示意图，另一离 子源为实施例1中所述离子源的一种，图5中未体现。图5中，6为检测器，9 为内电子轰击离子源的灯丝。
若采用内电离模式，内电离的EI源结构跟现有技术相同，x电极1上的矩 形孔4用于内电离灯丝9发射的电子入口；而另一个离子源8产生的离子由端盖 中央开有小圆孔5进入离子阱。
本实施例采用电场为10×8×43mm3(x0，y0，z0)长方体区域的离子阱，x、y 和z电极极板之间的绝缘距离同实施例1；x电极1正中央开有的矩形孔4和z 轴方向的端盖中央开有的圆孔5，其大小也与实施例1相同。
与实施例1一样，通过模式选择其中任一离子源或两离子源同时工作。在双 源同时工作模式下，某一个源的离子被离子阱捕获后，由另一个源注入反应离子， 使其在离子阱内发生碰撞可以实现对离子分子反应机理的深入研究。