专利汇可以提供圆环离子阱及圆环离子阱阵列专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 圆环 离子阱 及圆环离子阱阵列,用于超大容量的离子存储装置以及按离子的质荷比等特性进行分离和探测的 质量 分析器。一种圆环离子阱,有离子引入孔和离子引出孔,由两 块 相互平行的平板空心圆环结构的圆环形 电极 ,和两个外径不同且与平板圆环电极垂直的柱形圆环构成内、外边界电极,两块平板圆环电极上下平行放置且与二个边界电极同轴心,直径小的边界电极位于平板空心圆环电极的内侧,直径大的边界电极位于平板圆环电极的外侧,在边界电极与平板圆环电极之间存在一个缝隙或者绝缘材料以保证电极之间的电绝缘;在上下两块平板圆环电极上施加一个高频 电压 信号 ,边界电极接地或者施加一个直流电压,则构成离子存储区域。在外加 电场 作用下,离子被捕获、存储、冷却或选择性排出阱外。,下面是圆环离子阱及圆环离子阱阵列专利的具体信息内容。
1、一种圆环离子阱,有离子引入孔和离子引出孔,由两块相互平行的圆 环形电极,和二块及二块以上与这两块圆环形电极相互垂直的电极所组成, 其特征在于:
所述的圆环形电极为平板空心圆环结构,两个外径不同且与平板圆环电极 垂直的柱形圆环构成内、外边界电极,两块平板圆环电极上下平行放置且与 二个边界电极同轴心,直径小的边界电极位于平板空心圆环电极的内侧,直 径大的边界电极位于平板圆环电极的外侧,用这些电极构成圆环离子阱时, 呈上下对称的结构,在边界电极与平板圆环电极之间存在一个缝隙或者绝缘 材料以保证电极之间的电绝缘;
在上下两块平板圆环电极上施加一个高频电压信号,边界电极接地或者施 加一个直流电压,则在这些电极所围成的区域之间形成一个以四极场为主的 圆环形电场区域,构成离子存储区域,在两个平板圆环电极空心部形成中央 区域,进入圆环形电场的离子在电场的作用下被束缚直到被存储在离子存储 区域中,被存储在圆环离子阱中的离子云呈线状排列,均匀分布在上下两块 圆环电极和边界电极所围成的区域中央的圆周上且长度等于该圆周的长度, 在外加电场作用下,离子被捕获、存储、冷却或选择性排出阱外。
2、根据权利要求1所述圆环离子阱,其特征在于:所述的平板圆环电极 为二个或二个以上同心圆环电极构成的平板圆环电极阵列,各圆环电极之间 设有缝隙或者绝缘材料以保证相邻电极之间的电绝缘,在两个相邻的平板圆 环电极之间不设边界电极,边界电极安装在最大的圆环电极的外侧以及最小 的圆环电极的内侧,平板圆环电极阵列与边界电极构成一圆环离子阱阵列;
在相邻的圆环电极上施加不同相位的高频电压信号,构成多个环形离子存 储区域,每个离子存储区域导入的离子样品相同或者不相同,在每个离子存 储区域中都具有以四极场为主的电场区域。
3.根据权利要求1或2所述圆环离子阱,其特征在于:在内边界电极的 中央加工一个缝隙,使离子通过缝隙排出阱外,进入中央区域。
4.根据权利要求2所述圆环离子阱,其特征在于,所述的圆环电极中央 设有狭缝,使离子被引入,或弹出阱外从而被检测和接收。
5.根据权利要求2所述圆环离子阱,其特征在于,所述的平板圆环电极 阵列采用印刷线路板制成,每个圆环电极表面都是平面状,每个圆环电极中 央加工一个不封闭的圆环形狭缝,两块印刷线路板通过边界电极固定,在边 界电极上设有开孔或狭缝用以注入或排出离子。
6.根据权利要求2所述圆环离子阱,其特征在于,所述的相邻圆环电极 之间的距离为平板圆环电极与边界电极之间的距离的两倍。
7.针对根据权利要求1至6之一所述圆环离子阱的用途,与离子探测器 配合,用于探测从圆环离子阱或圆环离子阱阵列中排出的离子,该离子探测 器安放在与平板圆环电极平行的方向并且安放在平板圆环电极上的狭缝旁 侧。
8.根据权利要求7所述的用途,其特征在于,所述的离子探测器为一个 大面积的离子探测器,以检测从圆环离子阱阵列的各个存储区域中排出的离 子,该离子探测器安放在与平板圆环电极阵列平行的方向,并且覆盖各个平 板圆环电极阵列上的狭缝以检测所有离子存储区域中排出的离子。
9.利用权利要求2至6之一所述圆环离子阱进行离子存储和分析的方法, 在相邻的两组平板圆环电极上施加幅度相同,相位相差180°的高频电压信 号,则在相邻圆环电极中间的一个平面上,两组电极所产生的电场正负抵消, 形成一个“0电位面”,构成多个环形离子存储区域,在每个离子存储区域中 都具有以四极场为主的电场区域,每个离子存储区域导入的离子样品相同或 者不相同进行存储和分析,通过调节电极上电压离子被捕获、冷却,并根据 它们的质荷比不同,离子被有选择性排出阱外。
10.根据权利要求9所述的离子存储和分析的方法,其特征在于:所述的 离子被有选择性排出阱外的方法包括将一个共振激发信号耦合到高频电压信 号上之后一起施加到圆环电极上,使离子受到共振激发有选择性排出阱外, 其中,所述的共振激发信号是一个低电压的信号,其电压范围一般在0—100V 以内。
11.根据权利要求10所述的离子存储和分析的方法,其特征在于:共振 激发信号频率是高频电压信号的分频,取3分频、4分频或3/8分频,通过控 制这个共振激发信号,将不需要的离子通过共振激发打在电极条上或者排出 阱外,而使其他的离子作为留存离子留存在离子阱内。
12.根据权利要求10所述的离子存储和分析的方法,其特征在于:提高 外边界电极的电压,使外边界电极和内边界电极形成电位差,使留存离子沿 着电位差的方向排出阱外,进入圆环离子阱的中央区域。
13.根据权利要求12所述的离子存储和分析的方法,其特征在于:对从 圆环离子阱中注入到中央区域的离子作飞行时间质谱分析,在中央区域放置 一冷却离子的装置,以及可施加电压的筛网,使得从圆环离子阱中排出的离 子动能降低到0附近,然后,通过在筛网上施加电压,使离子沿着平行于边 界电极的方向飞行以做飞行时间质谱分析。
14.针对权利要求13所述的离子存储和分析的方法提供的分析装置,由 圆环离子阱或圆环离子阱阵列与飞行时间质谱仪共同组成的圆环离子阱—飞 行时间质谱仪,离子探测器安放在与平板圆环电极平行的方向上,正对圆环 离子阱的中央区域,在圆环离子阱与离子探测器之间设置飞行时间质谱仪, 在圆环离子阱的中央区域放置一个柱形的减速电极;其中,所述的飞行时间 质谱仪包括与平板圆环电极平行设置的四个加速电极和一飞行腔,离子经加 速电极加速后,经过飞行腔,进入离子探测器,在离子探测器前方安装一用 于减少电干扰信号的屏蔽电极。
15.针对权利要求14所述的分析装置的操作方法,两块平板圆环电极短 接在一起并施加一个高频电压信号,对内、外边界电极分别施加一个直流电 压信号,这样在平板圆环电极和边界电极围成的区域中便产生一个以四极场 为主的电场区域,构成离子存储区域,对进入其中的离子进行存储、冷却, 使离子的动能减小到0附近,增加捕获离子的效率和数量,具体步骤为:
(1)离子捕获,除了在平板电极上施加高频的电压信号外,内、外边界 电极上电压被调节成0V以形成合适的离子捕获电场;
(2)将离子排出到圆环离子阱的中央区域,离子被电场捕获并存储在离 子存储区域中之后,在很短的时间内升高外边界电极的电压,即在外边界电 极上加一个正向的脉冲电压,同时撤掉加在二块平板圆环电极上的高频电压 信号,这时离子就会沿着径向方向被排出圆环型离子阱外至中央区域;
(3)在外边界电极上施加脉冲电压的同时,在飞行时间质谱仪器的加速 电极上施加一个可调的加速电压,则在加速电极之间形成一个加速电场,处 在加速电场中的离子被加速并沿着电场的方向飞行,根据离子质荷比的不同, 其在飞行时间管道里的飞行时间也不同,最后以不同的时间到达离子探测器, 完成质量分析。
16.根据权利要求15所述的操作方法,其特征在于:对于存储在圆环离 子阱内的离子,作进一步的串级质谱分析,包括下述步骤,
先在内外边界电极上施加一个共振激发信号,该共振激发信号是一个低电 压的交流信号,其频率低于加在平板圆环电极上的高频电压信号,通过调节 该共振激发信号,形成共振激发电场,对存储在圆环离子阱内的离子进行选 择性的排出,把需要的离子留存在离子阱中,而把其它的离子通过共振激发 信号排出阱外;然后,对留存的离子做碰撞解离成碎片,把碎片离子排出到 圆环离子阱的中央区域进行飞行时间质谱分析。
17.根据权利要求15或16所述的操作方法,其特征在于:在所述的高频 电信号上叠加一个可控的共振激发信号,把叠加后的信号加载到平板圆环电 极上,形成共振激发电场,对存储在圆环离子阱内的离子进行选择性的排出。
本发明圆环离子阱及圆环离子阱阵列与离子存储与质量分析技术有关, 具体地说涉及一种超大容量的离子存储装置以及按离子的质荷比等特性进行 分离和探测的质量分析器。
技术背景
质谱分析技术以其在检测中的高灵敏度而成为世界上应用最广泛的一门 分析技术之一,它已经被广泛应用在化学、生物学、医学、制药业以及环境 保护等诸多领域。目前有很多种类的质谱仪器都已经商业化并且被很多公司、 研究机构以及高校所使用,这些质谱仪器包括磁质谱仪,飞行时间质谱仪, 四级杆质谱仪,离子阱质谱仪,傅立叶回旋共振质谱仪,轨道离子阱质谱仪 等。新的质谱仪器的研发和成功的产业化极大地推动了质谱技术的发展,也 为其它科学领域作出了重大贡献。
在众多的质谱仪器中,离子阱质谱仪有其独特的优势。离子阱质谱仪不仅 可以对离子进行质量分析,检测出离子的质荷比,而且它还可以把离子存储 在离子阱中,以做进一步的分析和研究。离子阱还可以工作在比较高的气压 下(10-3torr),是质谱仪小型化的最理想选择,因此,离子阱质谱仪的研究 和应用越来越受到质谱学家们的关注。
按构成离子阱的电极几何结构的不同,它通常又被分为三维离子阱和直 线形离子阱。传统的三维离子阱是由一个双曲面形的环形电极和两个双曲面 形的端电极所组成,如图1所示。其中环形电极11上一般加载一交流高频电 压,或称之为射频电压,两端电极12,13上加载直流电压。这样可以在上述电 极所围成的区域内形成以四极场为主的电场分布,使得进入此区域的离子被 束缚和存储下来。在三维离子阱中,被存储在离子阱中的离子云呈点状。因 此,三维离子阱虽然具有很高的质量分辨能力,但是离子存储数量和离子存 储效率不高一直是三维离子阱的一个缺陷。
传统的线形离子阱是由四个双曲面形,或圆柱形的电极21,22,23和24, 如图2所示,加上两个端电极所组成。其中电极21和23连接在一起,形成 一个电源接线端点25;电极22和24连接在一起,形成另一个电源接线端点 26;25和26一般分别连接在一交流高频电压的两个极性相反的两个端点,两 端电极分别加载直流电压,这样可以在上述电极之间围成一个离子存储区域。 在线性离子阱中,被存储在离子阱中的离子云呈线状排列,因此,它的离子 存储能力要大大高于传统的三维离子阱。理论上讲,线性离子阱的双曲面柱 行电极的长度越长,那么储存在离子阱内的线状离子云的长度也越长,因此 存储的离子也越多。但是,在实际应用中,如果电极加工得越长,那么造成 的机械误差也越大,这会影响离子阱的整体性能。
在中国专利中,发明者提出了一种由两块平行板电极构成的离子阱阵列。 在离子阱阵列中,离子沿着平行的多轴被存储,因此,它可以成倍地提高离 子的储存量。
美国普渡大学的G.COOKS等人采用多个离子阱同时使用的方法来提高 离子存储能力。总之,研究和开发出结构简单,离子存储量等性能更佳的离 子阱质谱仪是科学家们不断追求的目标。
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