一种存储和传输正负离子的装置和方法

摘要

一种存储和传输正负离子的装置和方法，包括导电线电极，打孔绝缘板，支撑件，固定拉伸装置，端电极和离子富集电极。

权利要求

1.一种存储和传输正负离子的装置，包括导电线电极，用于施加交流变化的电压和脉冲直流电压以形成叠加电场；其特征在于：还包括打孔绝缘板，用于固定导电线的位置；支撑件，用于支撑导电线；固定拉伸装置，用于向导电线提供拉力；端电极，用于提供离子轴向的限制电场；离子富集电极，用于将正负离子分离和富集；

导电线电极穿过离子富集电极和打孔绝缘板；

离子富集电极位于端电极之间，支撑件之内。

2.根据权利要求1所述的存储和传输正负离子的装置，其特征在于：导电线电极与中心轴线呈0至60°夹角。

3.根据权利要求1所述的存储和传输正负离子的装置，其特征在于：导电线电极之间具有0至60°的夹角。

4.根据权利要求1所述的存储和传输正负离子的装置，其特征在于：支撑件由永久磁铁构成。

5.根据权利要求1所述的存储和传输正负离子的装置，其特征在于：离子富集电极上施加脉冲直流电压。

6.根据权利要求1所述的存储和传输正负离子的装置，其特征在于：离子富集电极上设有向导电线电极之间插入的导电结构。

7.根据权利要求5所述的存储和传输正负离子的装置，其特征在于：导电结构插入的位置位于导电线电极形成的电势的绝对值小于最高电势的绝对值的20％的区域。

8.一种存储和传输正负离子的方法，包括存储和传输正负离子的装置：导电线电极，用于施加交流变化的电压和脉冲直流电压以形成叠加电场；打孔绝缘板，用于固定导电线的位置；支撑件，用于支撑导电线；固定拉伸装置，用于向导电线提供拉力；端电极，用于提供离子轴向的限制电场；离子富集电极，用于将正负离子分离和富集；

将交流电压和直流电压的叠加电压施加在第一组导电线电极上，同时将另一交流电压和直流电压的叠加电压施加在第二组导电线电极上，目的在于形成垂直于轴向的交流变化电场，限制离子在垂直于轴向方向的运动；将脉冲直流电压施加在端电极上，目的在于提供一定的轴向电场；将脉冲直流电压施加在离子分离富集电极，目的在于形成和增强轴向电压梯度，使正负离子更易分离。

说明书

一种存储和传输正负离子的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明设计一种同时储存正负离子的装置和方法，可以用于气相离子分析仪器。

背景技术

[0002] 在质谱设计中，由于气压的不同，当离子从离子源向质量分析器转移过程中会造成离子损失。为减少离子损失，目前通用的设计是利用四极杆，六极杆或八极杆形成垂直于轴向的假势阱，使离子无法在垂直于轴向的方向上逃逸。在轴向上，通过两端电极电压的不同，形成电势差，从而使离子得到传输。由于两端电极距离往往比较长，在中心区域形成的电势差很弱，导致离子传输速度很慢，影响离子传输效率。此外，目前使用的四级杆，六极杆或八极杆大多使用圆形或矩形的电极剖面的实心电极结构，具有很大的表面积，导致电极上的电容很高，对射频电源的功率要求也比较高。

[0003] 在离子传输过程中，正负离子均被轴向场限制，但两端电极电压会使离子向不同方向传输，因此离子传输时仅能传输正或负的离子，无法传输的离子会损失掉，降低了检测灵敏度。由于需要重新富集和传输另外一种离子，正负离子切换时间较长。

[0004] 短时间内获得正负离子的信息对样品分析和鉴定有很大帮助，可以拓宽样品检测范围，也可以对某些样品提高灵敏度。多种质量分析器均可以分析分析正负离子，但由于正负离子传输切换时间的限制，导致很难在短时间内获得正负离子信号。

[0005] 文献(Analytical Chemistry 88(15):7800-7806)报道了一种使用金属丝制作的离子阱质量分析器。由于质量分析器两端距离很长，造成中心场沿轴向上的电场梯度很小，不利于离子传输。屏蔽电极的使用也造成了光线仅能从沿轴向方向通过，限制了光源的使用。由于使用八个螺母向所有金属丝提供拉力，很难使金属丝所受到均匀的拉力，导致不均匀的变形，影响内部电场的质量。此外，此装置工作在很低的气压下(0.0006mbar)，无法有效地快速冷却离子，造成离子捕获效率降低。因此此装置无法用于离子传输。

发明内容

[0006] 本发明所解决的技术问题是停供一种存储和传输正负离子的装置和方法，实现对离子在垂直于轴向方向的运动进行限制，同时利用离子富集电极在轴向上产生的电势引导正负离子分离和富集。当需要进行离子传输时，改变离子富集电极和端电极上的电压，使正离子或负离子从引导电极离子传输腔中离开。

[0007] 本发明采用的技术方案是，一种存储和传输正负离子的装置，包括：导电线电极，用于施加交流变化的电压和脉冲直流电压以形成叠加电场；打孔绝缘板，用于固定导电线的位置；支撑件，用于支撑导电线；固定拉伸装置，用于向导电线提供拉力；端电极，用于提供离子轴向的限制电场；离子富集电极，用于将正负离子分离和富集；

[0008] 导电线电极穿过离子富集电极和打孔绝缘板；

[0009] 离子富集电极位于端电极之间，支撑件之内；

[0010] 导电线电极与中心轴线呈0至60°夹角。

[0011] 导电线电极之间具有0至60°的夹角。

[0012] 支撑件由永久磁铁构成。

[0013] 离子富集电极上施加脉冲直流电压。

[0014] 离子富集电极上设有向导电线电极之间插入的导电结构。

[0015] 导电结构插入的位置位于导电线电极形成的电势的绝对值小于最高电势的绝对值的20％的区域。

[0016] 一种存储和传输正负离子的方法，包括存储和传输正负离子的装置：导电线电极，用于施加交流变化的电压和脉冲直流电压以形成叠加电场；打孔绝缘板，用于固定导电线的位置；支撑件，用于支撑导电线；固定拉伸装置，用于向导电线提供拉力；端电极，用于提供离子轴向的限制电场；离子富集电极，用于将正负离子分离和富集；

[0017] 将交流电压和直流电压的叠加电压施加在第一组导电线电极上，同时将另一交流电压和直流电压的叠加电压施加在第二组导电线电极上，目的在于形成垂直于轴向的交流变化电场，限制离子在垂直于轴向方向的运动；将脉冲直流电压施加在端电极上，目的在于提供一定的轴向电场；将脉冲直流电压施加在离子分离富集电极，目的在于形成和增强轴向电压梯度，使正负离子更易分离。

[0018] 本发明的有益效果是，可以同时储存正负离子，可以提高电子电离效率，并通过改变离子富集电极和端电极上的电压，使正离子或负离子从引导电极离子传输腔中离开。

附图说明

[0019] 为让本发明的目的，特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明，其中，

[0020] 图1.是本发明一个较佳实施实例的装置图。

[0021] 图2.是本发明中另一个较佳实施实例的装置图。

[0022] 图3.是本发明中另一个较佳实施实例的装置图。

[0023] 图4.是本发明中离子富集电极结构图。

[0024] 图5.是本发明中另一种离子富集电极结构图。

[0025] 图6.是本发明中另一种离子富集电极结构图及电势图。

[0026] 图7.是本发明中离子富集电极轴向电场分布图。

[0027] 图8.是本发明中有夹角的导电线电极装置图及离子分离效果示意图。

具体实施方式

[0028] 本发明的一个主要设计想法是通过导电线电极形成的垂直于轴线上的交流变化的电场实现对离子在垂直于轴向方向的运动进行限制，同时利用离子富集电极在轴向上产生的电势引导正负离子分离和富集。当需要进行离子传输时，改变离子富集电极和端电极上的电压，使正离子或负离子从引导电极离子传输腔中离开。

[0029] 富集电极为结构为金属电其他导电材料构成，可以固定在导电线电极之外和支撑电极之内。图4，图5和图6分别展示了不同的富集电极结构。图4中，富集电极41固定在导电线电极42和支撑电极40之间。导电线电极42形成了六极场。

[0030] 图5中展示了富集电极向场内插入的内插结构52。内插结构52可以降低施加在富集电极上的电压，同时不影响中心区域的交流变化的电场。

[0031] 图6中展示了四极电场中低压电极的插入位置。由图中可以看出，在四极场中插入弱静电场电极结构后，周围电势变化很小。当导电线电极60上施加的交流电压幅值在+100V且导电线电极61上施加的交流电压幅值在-100V时，等势线66为20V，等势线64为10V，等势线63为-20V，等势线65为-10V。离子富集电极的内插结构62的位置优选为等势线电压的绝对值小于20V的区域，进一步优选为等势线电压的绝对值小于10V的区域。

[0032] 图7中展示了离子富集电极70和77在轴心处形成的电势差。其中，支撑电极71和导电线电极72施加电压为0。当左侧的富集电极70施加正电压右侧的富集电极77施加负电压时，离子富集电极在导电线电极内部形成轴向电势。等势线74上的电压为+4.8V，等势线75上的电压为+1.6V，等势线76上的电压为-1.6V，等势线73上的电压为-4.8V。正离子会富集在离子富集电极77形成的轴线电势阱中。负离子会富集在离子富集电极70。当传输正离子时，将离子富集电极77上的电压升高，其形成的电势阱减弱，正离子在电场的作用下向右运动并被弹出。对于负离子传输，首先需要将离子富集电极70和77上施加电压互换，从而对调正负离子位置。然后降低离子富集电极77上的电压，负离子即可被轴心电势弹出。

[0033] 图8展示了有夹角的导电线电极装置图及离子分离效果示意图。图中的导电线电极83展示了部分电极结构。导电线电极83穿过内打孔绝缘板81和外打孔绝缘板80。在内打孔绝缘板81和外打孔绝缘板80之间部分的导电线电极83分别与轴心88有0.01至89°的夹角。外打孔绝缘板80上的孔位置与内打孔绝缘板81上的孔位置相似。这样形成的电场对于不同质量数的离子大小不同，因此可以将离子按照质量的不同实现空间分离。轴向梯度电场可以由端电极提供，也可以由离子富集电极提供。在此条件下，离子富集电极不与导电线电极相交。

[0034] 具体实施实例一

[0035] 图1是本发明中的一个较佳实施实例装置图。为直观显示装置内部结构，将支撑筒剖开显示。装置包括导电线电极15，打孔绝缘板11，支撑件12，端电极13。导电线电极15从离子富集电极14和打孔绝缘板11穿过。导电线电极15与中心轴线的夹角为0°。导电线电极每两根形成一组电极，共六组电极，相邻组电极施加相位差为180°的交流变化电压。

[0036] 离子富集电极14内设有插入导电线电极15形成的电场中的内插结构。离子富集电极14的作用在于形成轴向电场梯度，分离并富集正负离子。

[0037] 支撑件12可以对导电金属线15提供拉力。由于支撑件12由永久磁铁构成，可以在内部形成磁场。磁场对电子的影响比对离子的作用大，因此可以增加电子的平均自由程和在腔体内滞留时间，提高电子电离效率，也可以用于提高电子与分子的作用时间。

[0038] 具体实施实例二

[0039] 图2是本发明中另一个较佳实施实例的装置图。与装置一不同的是，导电线电极25每四根组成一组电极，共四组电极，每组电极施加相位差为180°的交流变化电压。打孔绝缘板21、端电极23、支撑件22、环形电极24均与实施例一种结构一致。

[0040] 具体实施实例三

[0041] 图3是本发明中另一个较佳实施实例的装置图。与装置一不同的是，导电线电极35由每两根组成一组电极构成，共八组电极，每组电极施加相位差为180°的交流变化电压。打孔绝缘板31、端电极33、支撑件32、环形电极34均与实施例一结构一致。

[0042] 通过以上实施实例可以看出，其他基于本发明专利的内容，但对专业人士只需做细小改变，易于实现的变体，比如使用离子漏斗电极替换中间导电线电极等，只要形成本专利涵盖电场形式，均在本专利的覆盖范围之内。