一种渐变多极杆离子导引装置及其质谱分析系统的制作方法

1.本发明涉及质谱分析技术领域，具体地说，涉及一种渐变多极杆离子导引装置及其质谱分析系统。


背景技术：

2.质谱仪以灵敏度高、分析速度快、特异性强等优势在环境检测、临床分析、有机合成、药物研发、法医学等领域得到了极其广泛的应用。质谱仪主要是由离子源、离子传输系统、质量分析器、检测器和真空系统等几个部分组成。
3.目前大气压电离方式已广泛应用于质谱领域。但由于离子在大气环境传输至真空环境的过程中会产生“超音速膨胀”以及与中性气体发生碰撞等原因造成离子采样效率大幅降低，最终到达质量分析器的离子数量极其少，很大程度上削减了质谱仪器的灵敏度。因此，对于高效离子聚焦导引装置来说，如何提高采样效率是提高仪器灵敏度的关键。此外，作为离子传输过程普遍存在的另一种现象，“质量歧视效应”是指不同质量数离子的差异性传输(即不同大小离子的传输效率不同)，造成低质量数离子的传输效率低，也影响了不同分子质量混合样品的高灵敏、高准确分析。
4.静电透镜、离子漏斗和多极杆导引装置等为目前常见的离子聚焦传输装置，其中静电透镜离子导向方式对传输离子无质量歧视，可保持离子动能，适合与其他离子导向装置配合使用，但存在传输效率不高，传输距离有限的不足。离子漏斗聚焦效果好，适用于高气压条件下的离子传输，但又存在“低质量歧视效应”，小质量数离子的传输效率低、灵敏度差的问题。多极杆离子导引装置以场半径恒定的六极杆和八极最为常见，利用形成的高阶电场(如六级场、八极场)实现离子的高效捕获和传输，具有工作气压范围广、低质量歧视效应低得优势。尽管如此，由于多极杆离子传输装置在径向的电场分布更宽、更平坦，其存在无法将离子最终聚焦到更小的离子束，离子的聚焦能力欠佳，因此，造成离子通过锥孔进入下一级真空的传输效率大幅下降的缺陷。
5.因此，当下开发传输效率高、聚焦效果好、低质量歧视效应低的离子传输技术及装置已成为高性能质谱仪器开发需要解决的关键问题之一。


技术实现要素：

6.为解决现有质谱分析系统存在的离子传输效率低、聚焦效果差、低质量歧视效应的问题，提供一种渐变多极杆离子导引装置。
7.本发明的另一目的，在于提供一种包含所述渐变多极杆离子导引装置的质谱分析系统。
8.为了实现上述技术目的，本发明所述的渐变多极杆离子导引装置，具有沿离子进出口方向孔径由大变小的通孔，所述通孔分为多极电场区和四极电场区，所述多极电场区呈圆台状，所述四极电场区呈圆柱状；所述多极电场区由均匀分布的若干个电极杆围成，所述电极杆包括4根电极杆一以及4n根电极杆二，n为大于等于1小于等于3，所述电极杆一沿
圆周呈对称分布，所述电极杆二均匀分布在两个电极杆一之间；所述四极电场区由4根所述电极杆一围成。
9.进一步地，所述多电场区的通孔最小直径与所述四级电场区的直径相同。
10.进一步地，在所述多极电场区所述电极杆一和所述电极杆二的截面宽度均沿离子进出口方向从宽到窄渐变，所述截面宽度是朝向导引装置装配体内接圆圆心方向的电极面宽度。
11.进一步地，所述电极杆一和所述电极杆二起始截面宽度保持一致。
12.进一步地，所述电极杆一的截面宽度递减率小于等于所述电极杆二的宽度递减率。
13.进一步地，所述电极杆二为8根。
14.进一步地，所述每相邻两个电极杆上分别施加幅度相同、相位相反的正弦波射频信号，其幅度可调范围为0～500v
0p
，频率可调范围为400khz～2mhz。同时，在所有电极杆上施加了相同的直流电压，其可调范围为-100v～100v。
15.进一步地，所述渐变多极杆离子导引装置还包括将所述电极杆置于壳内的外壳。所述外壳固定于绝缘支架上。
16.为了实现本发明另一发明目的，本发明提供一种包含所述渐变多极杆离子导引装置的质谱分析系统。
17.本发明的质谱分析系统主要结构由大气压离子接口、渐变多极杆离子导引装置、质量分析器以及检测器组成。所述渐变多极杆离子导引装置集成于小型质谱仪一级腔体内，位于进样毛细管出口与锥孔透镜之间。二级真空腔内设有一个离子阱作为质量分析器和一个电子倍增器作为检测器。在真空泵组的维持下，两级真空腔体的气压分别为5torr和4mtorr。
18.本发明所述的渐变多极杆离子导引装置及质谱分析系统具有以下优点：
19.1)本发明装置采用了有别于传统多极杆离子导引的电极结构，通过渐变的电极结构和空间排布，将不同的多极电场有机结合，形成从多极场到四极场的梯度渐变电场。利用多极场捕获膨胀离子束进入离子导引杆并传输离子，并利用四极场的聚焦特性最终实现离子束的高效聚焦和传输。
20.2)本发明不同于离子漏斗等离子传输装置，利用多极和四极电场实现离子的聚焦和传输，不会在离子的传输路径形成阻碍离子运动的电势能垒，而该电势能垒对小质量数离子的阻碍作用尤为显著。因此，本发明装置可有效降低离子传输过程中的低质量歧视效应，提高小质量数离子的传输效率。
21.3)本发明通过采用机械结构与高阶场梯度渐变相结合的方式，实现了质谱仪亚真空区离子的高效捕获、聚焦和传输。特别地，本发明装置提高了低质量数离子的传输效率，为质谱仪实现不同分子质量大小样品的高效检测奠定了基础，提高了宽质量范围混合样的分析的准确度，适用于各类传统质谱仪及小型质谱仪系统。
附图说明
22.图1为本发明所述的渐变多极杆离子导引装置的结构剖视示意图；
23.图2为本发明所述电极杆的结构示意图；
24.图3a、图3b分别为本发明所述离子入口端及出口端的电极杆组成及电信号施加原理图；
25.图4为本发明所述渐变多极杆离子导引装置小型质谱仪系统原理示意图；
26.图5a为本发明所述渐变多极杆离子导引装置在不同射频电压条件下的离子传输特性；
27.图5b为本发明所述渐变多极杆离子导引装置在不同直流电压条件下的离子传输特性；
28.图6a为本发明所述渐变多极杆离子导引装置在射频电压为170v
pp
时不同质量数混合样品分析质谱图；
29.图6b为本发明所述渐变多极杆离子导引装置在射频电压为210v
pp
时不同质量数混合样品分析质谱图；
30.图7a为传统离子漏斗装置在射频电压为60v
pp
时不同质量数混合样品分析质谱图；
31.图7b为传统离子漏斗装置在射频电压为150v
pp
时不同质量数混合样品分析质谱图；
32.图8a、图8b分别为本发明所述渐变多极杆离子导引装置小型质谱仪针对不同物质的检测限曲线。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图描述本发明的示例性实施例的技术方案。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其他附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件或处理的表示和描述。
34.下面结合附图对本发明做进一步描述。
35.如图1-图3所示，本实施例的渐变多极杆离子导引装置，具有沿离子进出口方向孔径由大变小的通孔，通孔分为多极电场区和四极电场区。多极电场区呈圆台状，四极电场区呈圆柱状。
36.多极电场区由均匀分布的若干个电极杆围成，电极杆包括4根电极杆一1以及8根电极杆二2。
37.4根电极杆一1沿圆周呈对称分布，电极杆二2均匀分布在两个电极杆一1之间；在四极电场区由4根电极杆一1围成。
38.4根电极杆一1的截面宽度在l1长度区间先逐渐缩小，后在l2长度保持不变；电极杆二2共有8根，截面宽度则在l1长度区间逐渐缩小为很细。最终，装配形成内接圆半径先由rin逐渐缩小至rout(长度为l1)，后保持rout不变(长度l2)的“漏斗”状电极组结构。
39.本实施例所采用的电极杆一1的长度为85mm、截面宽度由2.2mm-1mm逐渐递减至1.2mm-0.5mm，电极杆二2的长度为65mm、截面宽度由2.2mm-1mm逐渐递减至0-0.1mm，具体规格可以根据实际需要进行调整。
40.优选的是，电极杆一1和电极杆二2的起始宽度比例保持一致。电极杆一1的截面宽度递减率小于等于电极杆二2的宽度递减率。
41.本实施例的装置的内接圆区域半径在前段65mm长度区间由6mm逐渐递减至2mm，在后段20mm长度区间内保持2mm不变，该内接圆区域半径也可以根据需要调整。
42.本装置的电极杆二的数量可以根据需要调整，比如4、12等，电极杆一和电极杆二的直径大小以及直径变化，也可以根据需要调整，只要沿离子进出口方向从粗到细渐变即可。
43.本装置采用多极到四极的方式可以更有效地捕获膨胀的离子束并聚焦，高阶电场的自由电场区域更大，对离子的捕获能力强，而且空间电荷效应小，没有低质量离子歧视效应。四极场的离子聚焦特性更强，可以将离子聚焦为更细的离子束，提高离子通过锥孔进入下一级真空的传输效率。
44.本实施例的渐变多极杆离子导引装置将电极杆置于外壳3的壳内。外壳3固定于绝缘支架上。绝缘支架包括前端支架4和后端支架9，这样便于装置的稳定性。
45.为了形成渐变聚焦的多极电场，本发明装置的电极上同时施加有交流射频电压信号和直流电压信号。图3a、图3b分别为本发明所述离子入口端及出口端的电极组成及电信号施加原理图；如图3所示，每相邻两个电极上分别依次施加幅度频率相同、相位相反的正弦波射频信号，其幅度和频率可调；同时，在所有电极上施加了相同的可调直流电压。其中，射频信号的作用是在x-y平面形成多极电场，实现离子的捕获和束缚，直流电压的作用是实现离子在z方向的传输。
46.每相邻两个电极杆上分别施加幅度相同、相位相反的正弦波射频信号，其幅度可调范围为0～500v
0p
，频率可调范围为400khz～2mhz。同时，在所有电极杆上施加了相同的直流电压，其可调范围为-100v～100v。
47.12根电极的每相邻两个电极上分别施加幅度相同、相位相反的正弦波射频信号，其幅度可调范围为0-500v
0p
，频率可调范围为400khz～2mhz。同时，在所有电极上施加了相同的直流电压，其可调范围为-100v～100v。
48.本发明装置可产生两段多极电场连续渐变的离子导引区，即多极场区和四极场区。在多极场区，受如前所示电极组机械和排布结构的变化，多极场成分逐渐减少，四极场成分逐渐增多，实现由多极场向四极场的渐变，有利于将膨胀离子束捕获进入多极场区；在四极场区，4个电极的结构及排布不再发生变化，因此在该区域形成稳定的四极场，可实现离子的进一步聚焦，并传输进入下一级真空。
49.本实施例还提供一种包含所述渐变多极杆离子导引装置的质谱分析系统。
50.图4为本发明所述渐变多极杆离子导引装置小型质谱仪系统原理示意图。如图4所示，该质谱分析系统主要结构由大气压离子接口、渐变多极杆离子导引装置、质量分析器以及检测器组成。包括但不限于两级的真空腔体，其中一级真空腔体通过大气压进样接口与大气压相连，并通过锥孔透镜与二级真空腔体相连。两级真空由一组机械泵和分子泵进行维持。
51.本发明前述的离子导引装置集成于一级真空腔体内，位于大气压进样接口毛细管与锥孔透镜之间，三者的相对位置可自由调节。二级腔体内放置有一个离子阱作为质量分析器和一个电子倍增器作为检测器，用于离子的质量分析和信号检测。本发明还包括集成电路及测控软件等，为系统的各部分提供所需的电信号，并进行通讯控制和结果采集与分析。
52.本实施例的质谱分析系统，在真空泵组的维持下，两级真空腔体的气压分别为5torr和4mtorr。在分析过程中，离子经大气压进样接口的进样毛细管进入一级真空腔体内，并通过渐变多极杆离子导引装置的捕获、传输和聚焦，最终经由锥孔透镜进入离子阱内完成质量分析，最终进入检测器完成信号的检测。
53.以下是对于渐变多极杆离子导引装置的离子传输性能的研究。
54.实验例1
55.将本实施例的渐变多极杆离子导引装置安装在微型质谱仪一级真空腔体中，气压约为～5torr，仪器采用连续进样方式。使用浓度为10ug/ml的精氨酸(m/z174)、罗丹明(m/z443)、利血平(m/z609)和“n
”‑
nnqqny
‑“
c”(m/z 780)为待测样品，将射频电压由0v
0p
增加至500v
0p
检测各种射频电压情况下不同离子的相对丰度并记录。将射频电压保持不变，改变直流电压由0v增加至50v检测各种直流电压情况下不同离子的相对丰度并记录，如图5所示。
56.图5a显示本发明渐变多极杆离子导引装置在不同射频电压条件下的离子传输特性；随着射频电压的增大，离子的信号强度随着增大，并最终趋于恒定。同时可以看出，本发明渐变多极杆离子导引装置对于不同质量数离子具有相似的传输特性，没有表现出明显的低质量歧视效应。图5b显示出本发明所述渐变多极杆离子导引装置在不同直流电压条件下的离子传输特性。表明离子的传输效率随着直流电压的增大先逐渐增大后逐渐下降。
57.实验例2
58.本实验例在于验证了本发明离子导引装置对于不同大小分子质量样品的传输特性。
59.本实验例选用了含有两种不同质荷比离子的溶液：精氨酸(m/z＝175，arginine)和利血平(m/z＝609，reserpine)，探究了不同射频电压下不同大小质荷比离子的传输特性。具体是使用精氨酸与利血平混合溶液，对渐变多极杆离子导引装置施加15v恒定直流电压，将射频电压幅度由100vpp增加至210vpp，在达到精氨酸最优电压(～170vpp)和利血平最优电压(～210vpp)时分别记录谱图，如图6所示。图6a为射频电压为170v时两种具有相同带电量，不同质量数离子的质谱图。图6b为射频电压为210v时两种具有相同带电量，不同质量数离子的质谱图。
60.由图6可见，在射频电压幅度由100vpp增加至210vpp过程中，较小质量数的精氨酸离子的绝对信号强度降低不足20％。由此说明，本发明的渐变多极杆离子导引装置的“低质量歧视效应”较小，在应对复杂混合样品，尤其样品中含有质荷比相差较大的离子时具有很好的表现。
61.对比例1
62.同实施例2，同样选用含有两种不同质荷比离子的溶液：精氨酸(m/z＝175，arginine)和利血平(m/z＝609，reserpine)，不同是采用现有传统离子漏斗装置用于离子导引，分别在精氨酸和利血平样品离子通过率最高时记录谱峰，图7a为传统离子漏斗装置在射频电压为60v
pp
时不同质量数混合样品分析质谱图；图7b为传统离子漏斗装置在射频电压为150v
pp
时不同质量数混合样品分析质谱图。
63.由图7a、图7b可见，在调整射频幅度至60v
pp
时，传统离子漏斗装置的精氨酸达到峰值，但利血平的信号则很弱，在调整射频幅度至150v
pp
时，传统离子漏斗装置的利血平通过率达到峰值，但未检测到精氨酸信号。
64.由对比例1可见，传统离子漏斗装置的质量歧视较大，不利于复杂混合样品中低质量样品的检测需求。
65.实验例3
66.本实验例在于验证本发明渐变多极杆离子导引装置及质谱分析系统的灵敏度。本发明渐变四极杆离子导引装置集成于小型质谱仪系统，经过个参数优化后，测定了小型质谱仪系统的对于不同大小质量数离子的检测灵敏度。
67.本实验例先制备各种浓度精氨酸和利血平样品，由0.1ng/ml开始10倍递增，逐渐增大浓度，在获得信噪比为3的信号时，认为测得待测样品信号并进行串联质谱获得样品子离子，用于进一步确认样品。而后对各个浓度进行逐步测量，获得浓度与相对丰度的线性关系。
68.图8a、图8b分别为本发明所述渐变多极杆离子导引装置小型质谱仪针对不同物质的检测限曲线。图8a为该系统测量精氨酸的检测限校正曲线，及最低检出限浓度1ng/ml条件下精氨酸样品的二级质谱图。图8b为该系统测量利血平的检测限校正曲线，及最低检出限浓度1ng/ml条件下利血平样品的二级质谱图。
69.本发明装置采用渐变的电极结构和空间排布，利用十二极场捕获膨胀离子束进入离子导引杆并传输离子，并利用四极场的聚焦特性最终实现离子束的高效聚焦和传输，有效降低低质量歧视效应，提高小质量数离子的传输效率。为质谱仪实现不同分子质量大小样品的高效检测奠定了基础，适用于各类传统质谱仪及小型质谱仪系统。
70.虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本技术的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

技术特征：
1.一种渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，具有沿离子进出口方向孔径由大变小的通孔，所述通孔分为多极电场区和四极电场区，所述多极电场区呈圆台状，所述四级电场区呈圆柱状；所述多极电场区由均匀分布的若干个电极杆围成，所述电极杆包括4根电极杆一以及4n根电极杆二，n为大于等于1小于等于3，所述电极杆一沿圆周呈对称分布，所述电极杆二均匀分布在两个电极杆一之间；所述四级电场区由4根所述电极杆一围成。2.根据权利要求1所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，所述多极电场区的通孔最小直径与所述四级电场区的直径相同。3.根据权利要求1或2所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，在所述多极电场区所述电极杆一和所述电极杆二的截面宽度均沿离子进出口方向从宽到窄渐变。4.根据权利要求3所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，所述电极杆一的截面宽度递减率小于等于所述电极杆二的截面宽度递减率。5.根据权利要求1所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，所述电极杆二为8根。6.根据权利要求1所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，所述每相邻两个电极杆上分别施加幅度相同、相位相反的正弦波射频信号，其幅度可调范围为0～500v
0p
，频率可调范围为400khzv～2mhz。7.根据权利要求1所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，在所有电极杆上施加了相同的直流电压，其可调范围为-100v～100v。8.根据权利要求1-7任意一项所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，还包括将所述电极杆置于壳内的外壳。9.根据权利要求8所述的渐变多极杆离子导引装置，其特征在于，所述外壳固定于绝缘支架上。10.一种包含权利要求1-9任意一项所述的渐变多极杆离子导引装置的质谱分析系统。

技术总结
本发明提供一种渐变多极杆离子导引装置及质谱分析系统。该装置具有沿离子进出口方向孔径由大变小的通孔，所述通孔分为多极电场区和四极电场区，所述多极电场区呈圆台状，所述四极电场区呈圆柱状；所述多极电场区由均匀分布的若干个电极杆围成，所述电极杆包括4根电极杆一以及4n根电极杆二，n为大于等于1小于等于3，所述电极杆一沿圆周呈对称分布，所述电极杆二均匀分布在两个电极杆一之间；所述四级电场区由4根所述电极杆一围成。本发明的装置显著提升了低质量离子的传输效率，降低了离子传输过程中的“低质量歧视效应”，进一步提高了宽质量范围混合样的分析的准确度。质量范围混合样的分析的准确度。质量范围混合样的分析的准确度。


技术研发人员：翟雁冰 徐伟 杜世宇
受保护的技术使用者：昆山聂尔精密仪器有限公司
技术研发日：2022.11.04
技术公布日：2023/8/16