一种内部气压分布不均匀的离子阱及其工作方法

摘要

本发明公开了一种内部气压分布不均匀的离子阱及其工作方法，包括：在其中一个电极上开设有进气口(1、2、3、4、5、6、7、8、9)，用于往离子阱内部空间通入背景气体，且背景气体的进气方向不与离子阱的电场中心区域交叉，以构造与离子冷却时运动区域(100)至少部分重叠的气压带(10、20、30)，使得离子在冷却过程中碰撞所述气压带(10、20、30)而降低动能。在离子阱的整个工作过程中，或者，在离子入射及冷却阶段，通过所述进气口往离子阱内通入背景气体。

权利要求

1.一种内部气压分布不均匀的离子阱，包括围成离子阱内部空间的若干金属电极，其特征在于：在其中一个电极上开设有进气口(1、2、3、4、5、6、7、8、9)，用于往离子阱内部空间通入背景气体，且背景气体的进气方向不与离子阱的电场中心区域交叉，以构造与离子冷却时运动区域(100)至少部分重叠的气压带(10、20、30)，使得离子在冷却过程中碰撞所述气压带(10、20、30)而降低动能。

2.如权利要求1所述的内部气压分布不均匀的离子阱，其特征在于，所述电场中心区域与离子阱的类型有关：当所述离子阱的类型为圆柱离子阱时，所述电场中心区域为一个点(O)；

当所述离子阱的类型为线性离子阱或矩形离子阱时，所述电场中心区域为一条线；

当所述离子阱的类型为环形离子阱时，所述电场中心区域为一个圆形。

3.如权利要求1或2所述的内部气压分布不均匀的离子阱，其特征在于：当所述离子阱为圆柱离子阱时，所述若干金属电极包括一侧壁电极和两端的端盖电极；当所述离子阱为环形离子阱时，所述若干金属电极包括两个圆环电极和两端的端盖电极；当所述离子阱为矩形离子阱或线性离子阱时，所述若干金属电极包括四个侧壁电极和两端的端盖电极。

4.如权利要求3所述的内部气压分布不均匀的离子阱，其特征在于：

当所述离子阱为圆柱离子阱时，所述端盖电极和所述侧壁电极其中至少一者与电场中心对应的位置上开设离子出射狭缝，所述进气口开设于其中一端盖电极上或所述侧壁电极上，且背景气体的进气方向偏离于所述电场中心区域以及离子出射方向；

当所述离子阱为环形离子阱时，所述端盖电极和所述圆环电极其中至少一者与电场中心对应的位置上开设离子出射狭缝，所述进气口设于其中一端盖电极或者一圆环电极上，且背景气体的进气方向偏离于所述电场中心区域以及离子出射方向；

当所述离子阱为矩形离子阱或线性离子阱时，所述四个侧壁电极的其中至少一者与电场中心对应的位置上开设离子出射狭缝，所述进气口开设于其中一端盖电极上或其中一所述侧壁电极上，且背景气体的进气方向偏离于所述电场中心区域以及离子出射方向。

5.如权利要求4所述的内部气压分布不均匀的离子阱，其特征在于：背景气体的进气方向偏离所述电场中心区域的偏移距离为一预设值d，d值与离子阱的径向尺寸正相关。

6.如权利要求1所述的内部气压分布不均匀的离子阱，其特征在于：所述进气口为孔状、弧形狭缝状或圆环状。

7.如权利要求6所述的内部气压分布不均匀的离子阱，其特征在于：孔状进气口的数量为一个或多个。

8.如权利要求1至7任一项所述的内部气压分布不均匀的离子阱的工作方法，其特征在于，包括：在离子阱的整个工作过程中，或者，在离子入射及冷却阶段，通过所述进气口往离子阱内通入背景气体。

说明书

一种内部气压分布不均匀的离子阱及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及离子阱质谱仪领域，尤其是涉及一种内部气压分布不均匀的离子阱。

背景技术

[0002] 离子阱分析器是离子阱质谱仪的核心部件之一，其工作过程可以分为离子入射、离子冷却(离子束缚)、离子分析(出射)、离子清除四个阶段。若离子冷却时候能够束缚住更多的离子，则在离子分析时可以得到更好的信号强度，从而使得质谱仪有更好的性能。对于使用极少或无样品预处理直接分析复杂样品，或者离子阱分析器，质谱仪的小型化，这都非常重要。

[0003] 以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

[0004] 本发明的主要目的在于提出一种内部气压分布不均匀的离子阱及其工作方法，以提高小型化、集成化的离子阱质谱仪的灵敏度，对于使用极少或无样品预处理直接分析复杂样品非常重要，对于提高小型质谱仪的性能也非常重要。

[0005] 本发明为达上述目的提出以下技术方案：

[0006] 一种内部气压分布不均匀的离子阱，包括围成离子阱内部空间的若干金属电极，在其中一个电极上开设有进气口，用于往离子阱内部空间通入背景气体，且背景气体的进气方向不与离子阱的电场中心区域交叉，以构造与离子冷却时运动区域至少部分重叠的气压带，使得离子在冷却过程中碰撞所述气压带而降低动能。

[0007] 更进一步地：

[0008] 所述电场中心区域与离子阱的类型有关：当所述离子阱的类型为圆柱离子阱时，所述电场中心区域为一个点；当所述离子阱的类型为线性离子阱或矩形离子阱时，所述电场中心区域为一条线；当所述离子阱的类型为环形离子阱时，所述电场中心区域为一个圆形。

[0009] 当所述离子阱为圆柱离子阱时，所述若干金属电极包括侧壁电极和两端的端盖电极；当所述离子阱为环形离子阱时，所述若干金属电极包括两个圆环电极和两端的端盖电极；当所述离子阱为矩形离子阱或线性离子阱时，所述若干金属电极包括四个侧壁电极和两端的端盖电极。

[0010] 当所述离子阱为圆柱离子阱时，所述端盖电极和所述侧壁电极其中至少一者与电场中心对应的位置上开设离子出射狭缝，所述进气口开设于其中一端盖电极上或所述侧壁电极上，且背景气体的进气方向偏离于所述电场中心区域以及离子出射方向；当所述离子阱为环形离子阱时，所述端盖电极和所述圆环电极其中至少一者与电场中心对应的位置上开设离子出射狭缝，所述进气口设于其中一端盖电极或者一圆环电极上，且背景气体的进气方向偏离于所述电场中心区域以及离子出射方向；当所述离子阱为矩形离子阱或线性离子阱时，所述四个侧壁电极的其中至少一者与电场中心对应的位置上开设离子出射狭缝，所述进气口开设于其中一端盖电极上或其中一所述侧壁电极上，且背景气体的进气方向偏离于所述电场中心区域以及离子出射方向。

[0011] 背景气体的进气方向偏离所述电场中心区域的偏移距离为一预设值d，d值与离子阱的径向尺寸正相关。

[0012] 所述进气口为孔状、弧形狭缝状或圆环状。孔状进气口的数量为一个或多个。

[0013] 本发明另还提出前述内部气压分布不均匀的离子阱的工作方法，包括：在离子阱的整个工作过程中，或者，在离子入射及冷却阶段，通过所述进气口往离子阱内通入背景气体。

[0014] 本发明提出的前述技术方案，在现有的离子阱的结构基础上进行巧妙的结构修改，即在合适的位置开设背景气体进气口，并往离子阱内通入背景气体，即可在离子阱内构造出高气压带，这样一来，离子冷却过程中，不断运动的离子在碰撞高气压带的气体时可以降低动能，从而有利于更多的离子被束缚到电场中心，进而可以提高在离子分析时的信号强度。另一方面，离子出射是从电场中心往离子出射狭缝运动，本发明背景气体进气方向不与离子阱电场中心区域交叉且偏离离子出射方向，这使得在整个工作过程都通入背景气体的工作方式下，可以尽量避免气压带影响离子的出射。总之，本发明有利于提高小型化、集成化的离子阱质谱仪的灵敏度。

附图说明

[0015] 图1是一种示例性的在端盖电极上开设1个进气口的圆柱形离子阱的立体结构示意图；

[0016] 图2是图1所示离子阱的左视图；

[0017] 图3是图2中A-A线的剖视图；

[0018] 图4是图1所示的离子阱在图3所示的视角下内部形成高气压带的原理示意图；

[0019] 图5是在侧壁电极上开设两个进气口的圆柱形离子阱的主视图；

[0020] 图6是图5中B-B线的剖视图；

[0021] 图7是一种示例性的在端盖电极上开设2个进气口的圆柱形离子阱的立体结构示意图；

[0022] 图8是图7所示离子阱的左视图；

[0023] 图9是图8中A-A线的剖视图；

[0024] 图10是图7所示的离子阱在图9所示的视角下内部形成高气压带的原理示意图；

[0025] 图11是一种示例性的在端盖电极上开设1个圆环形进气狭缝的圆柱形离子阱的立体结构示意图；

[0026] 图12是一种示例性的在侧壁电极上开设进气狭缝的矩形离子阱的立体结构示意图；

[0027] 图13是一种示例性的在端盖电极上开设进气孔的矩形离子阱的立体结构示意图；

[0028] 图14是一种示例性的在端盖电极上开设进气孔的矩形离子阱的立体结构示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

[0030] 离子阱分析器的工作过程包含离子冷却和离子分析，离子冷却时，需要的气压较高；离子分析时，需要的气压较低，而目前的离子阱，无法让气压在这两个阶段突变。对此，本发明提出了一种内部气压分布不均匀的离子阱，通过在特定的位置区域设置进气口通入背景气体构造高气压带，使该高气压带靠近电场中心区域(也是离子束缚的中心)，但同时与离子出射方向错开。这样，在进行离子冷却时，运动中的样品离子在碰到高气压带时与背景气体碰撞可以损失动能，从而可以让更多的离子被高效束缚于电场中心，从而提高离子分析阶段的信号强度，同时由于高气压带避开了离子的出射方向，因此在整个离子阱工作过程中通入背景气体也不影响离子的分析扫描过程。

[0031] 为此，本发明提出的具体技术方案是：在离子阱的其中一个电极上开设一个或两个以上的进气口，该进气口所开设的位置依据不同的离子阱类型及其电极的形状来定，只要背景气体的进气方向不与离子阱的电场中心区域交叉即可，为了避免在整个工作过程中通入背景气体也不影响离子的分析扫描(出射)功能，背景气体的进气口位置还需要保证进气方向偏离离子出射方向以使气压带尽量与离子出射的方向避开。这样一来，就构造了与离子冷却时所处的运动区域至少部分重叠的气压带，使得离子在冷却过程中碰撞所述气压带而降低动能。

[0032] 本发明所述的离子阱，通常包括侧壁电极和两端的端盖电极，它们共同围成离子阱。本发明不对离子阱的类型和电极形状作出具体的限制，离子阱的类型例如可以是圆柱形离子阱、线性离子阱、矩形离子阱或环形离子阱等，而电极的形状不限于平板电极、双曲线电极、圆柱形电极、弧形电极或多边形电极甚至其它不规则结构的电极。

[0033] 另外，所述电场中心区域与离子阱的类型有关：

[0034] 当离子阱的类型为圆柱离子阱时，所述电场中心区域为一个点，若该圆柱形离子阱为对称的，则该电场中心则为离子阱的几何中心，若不对称，则需要具体进行计算来确定电场中心点，具体的确定方式为现有技术，在此不再赘述；

[0035] 当离子阱的类型为线性离子阱或矩形离子阱时，所述电场中心区域为一条线；若该线性离子阱或矩形离子阱为对称的，则该电场中心线则为经过离子阱几何中心的对称轴，若不对称，则需要具体进行计算来确定电场中心线，具体的确定方式为现有技术，在此不再赘述；

[0036] 当离子阱的类型为环形离子阱时，所述电场中心区域为一个圆形；若该环形离子阱为对称的，则作为电场中心的圆形的圆心为离子阱几何中心点，与环形离子阱中部的圆形共面；若不对称，则需要具体进行计算来确定电场中心区域，具体的确定方式为现有技术，在此不再赘述。

[0037] 总之，我们可以根据不同类型的离子阱及其电极形状，在不同位置区域开设背景气体入口。尺寸越大，则气体入口偏离电场中心区域的尺寸越大。下面通过几个具体的示例来对本发明的技术方案和原理进行详细的说明。

[0038] 如图1所示，为一个圆柱形离子阱，由侧壁电极40和两个端盖电极51、52围成。如图1至图4所示的示例中，在其中一端盖电极51上开设一进气口1，在另一端盖电极52上与电场中心对应的位置处开设离子出射狭缝60，或者在侧壁电极40上与电场中心对应的位置处开设离子出射狭缝(图中未示)。由于该离子阱为对称结构，电场中心点O即为离子阱的几何中心，为了在离子阱内构造一高气压带且不影响离子的出射，进气口1在径向上偏离电场中心，这样一来，通入背景气体时在离子冷却时运动区域100内形成高气压带10，且高气压带
10与离子出射方向错开，也偏离电场中心区域。偏离的距离根据离子阱的具体形状、尺寸事先设定，离子阱的径向尺寸越大则偏离值可以越大。所开设的进气孔的数量可以不只一个，如图7至图10所示，则开设有两个进气孔4和5，对应地在离子阱内形成两个与区域100有重叠的高气压带20和30，同样地，只要保证离子阱内形成的气压带与离子出射方向尽量不产生交叉即可。在该实施例中，进气口也可以开设在侧壁电极上，如图5和图6所示，在侧壁电极40上开设了两个进气孔2和3，同样地，只要保证离子阱内形成的气压带与离子出射方向尽量不产生交叉即可。

[0039] 进气口除了可以是孔状，也可以是细长的弧形狭缝，或者圆环状。比如图11所示的实施例中，在端盖电极上开设了一环形的狭缝6，从该狭缝6通入背景气体时，进气方向偏离电场中心，根据预先设计好的偏离值开设的狭缝，所形成的气压带不与离子出射方向交叉，不影响离子的出射。

[0040] 与前述的圆柱离子阱类似，环形离子阱包含两个圆环电极和两端的端盖电极，其中，端盖电极和圆环电极其中至少一者与电场中心对应的位置上开设离子出射狭缝，而进气口设于其中一端盖电极或者一圆环电极上，且背景气体的进气方向偏离于所述电场中心区域以及离子出射方向。

[0041] 本发明除了适用于前述圆柱离子阱和环形离子阱，还适用于矩形离子阱和线性离子阱，矩形离子阱和线性离子阱两者的结构类似，都是由四个侧壁电极和两个端盖电极围成，仅是电极形状有区别，因此出射狭缝和进气口的位置设计原理一样，在此以矩形离子阱为例进行说明。图12至图14展示了矩形离子阱的情况，矩形离子阱包括四个侧壁电极(图中较长的四个)和两个端盖电极61、62。如图12所示，矩形离子阱的离子出射狭缝60’开设于一侧壁电极上与电场中心对应的位置处，同时该侧壁电极上于出射狭缝60’的附近(偏离出射狭缝的偏离值同样预先设定)开设一条比出射狭缝更加细的背景气体进入狭缝7。同样地，预先根据离子阱的形状和尺寸计算好狭缝的位置区域，以保证背景气体形成气压带偏离电场中心线以及离子出射方向。图13中，与图12不同的是，背景气体入口改为在一端盖电极61上，即进气孔8。图14中，与图12不同的是，背景气体入口改为在另一侧壁电极上，即进气狭缝9，与离子出射狭缝60’不在同一个侧壁电极上。

[0042] 本发明前述提供的内部气压分布不均匀的离子阱，在离子阱的整个工作过程中，或者，在离子入射及冷却阶段，通过所述进气口往离子阱内通入背景气体，从而构造出离子阱内的不均匀气压空间，冷却时离子运动可以碰撞到气体而损失动能，提高离子束缚效率；而离子出射时，又能避开高气压带。

[0043] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。