专利名称：新型的串级四极质量分析器的制作方法
技术领域：
本发明提出 一种新型的串级四极质量分析器及其工作方法。该串 级四极质量分析器由两组四极杆电极系统所组成。本发明还包括了这 两组四极杆电极系统，即前级四极滤质器和后级滤质器上的电压加载 方式，以及前后级四极滤质器之间的关系。
背景技术：
四极质量分析器，或称之为四极滤质器，是由四根柱形电极所组 成。通常情况下，加载在四极滤质器上的工作电压同时包含有直流电
压(DC)和射频电压(RF)成份。当使用四极滤质器作质量分析时， 调节它的工作电压，使得在它的最大振幅DC/RF恒定的情况下，所 产生的扫描线a-2Xq通过第一稳定区的顶点附近，从而让质荷比符合 稳定条件的小部分离子通过，即达到滤质的效果。
然而，实验过程中为了达到高质量分辨的目的，需要保持直流和 交流电压的比值，即DC/RF恒定。由于目前电源制造技术上的问题， 实际应用过程中难以实现质量分析的快速扫描。但如果所使用的工作 电源只输出交流，即RF，也就是说，只有RF加载于四极滤质器上， 则快速扫描就能得以实现。例如在专利US 2004238734中提到的轴向
4弹出四极滤质器。然而，当大量高质荷比的离子都通过只有射频RF 的四极滤质器时，往往会产生较高的背景噪声信号，干扰质谱的分析 测量结果。这是目前该类四极滤质器存在的主要问题。
本发明所给出的新型四极质量分析器及其工作方法，不仅可以解 决传统四极滤质器的质量快速扫描问题，还可以消除背景噪声信号对 质谱的分析测量结果的干扰。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型的串级四极质量分析器。 本发明的又一目的在于提供所述新型的串级四极质量分析器的离 子分析方法。
本发明提供一种新型的串级四极质量分析器，由二对双曲面形电 极，或者，四根柱杆形电极或者四根圆杆组成四极杆电极系统，在电
极杆系统上加载工作电压包含直流电压和射频电压，特点是由两组
四极杆电极系统分别构成前级四极滤质器Ql和后级四极滤质器Q2，
在滤质器上加载的射频电压为正弦、余弦波、方波或者有周期性变化 的波中的一种。
在上述方案基础上，所述的前级四极滤质器Q1和后级四极滤质 器Q2在垂直于轴向的截面上电极结构完全相同，呈串级结构。
本发明还提供了上述新型的串级四极质量分析器的工作方法， 在前级四极滤质器Q1和后级四极滤质器Q2上的电压加载方式不同， 具有不同的效果和作用。第一种工作方法，见图l， Ql是前级四极滤质器，V,cosQt是加 载在Ql上的主射频电压，Vrcoscot是加在Ql上的次级射频电压， 设Vr/V, =q'， a)/Q=v，则可以得到在四极场中，离子的通过率对 Mathieu方程参数q的变化，如图3所示。
从图3可见，在v^/10， q'增至0.02时，在9=0~0.2之间形成了 一条不稳定带，这样质荷比落在其中的离子，也就是大量的重离子， 都会由于不稳定而被排除出四极杆中心区而无法穿过Q1到达下一个 区域。以这样的方式，前级四极滤质器Q1去除了大量高质荷比的离 子，降低了背景噪音。
图1中，Q2是后级四极滤质器，V2CosQt是后级四极滤质器的 主射频电压，V2'cOScot是后级四极滤质器的从射频电压。设V27V2 =q，， co/Q=v，则可以得到在完美四极场中，离子的通过率对Mathieu 方程参数q的变化如图5。
由图5可见，在v-l/10， q，-0.06时，在q-0.87 0.88之间产生了 一个狭窄的稳定区。利用该稳定区可分离不同质荷比的离子。
第二种工作方法，如图2所示，前级四极滤质器Q1的电压加载 方式也可以为对主射频电压进行调幅，设主射频ViCosQt，调幅信号 频率为①，调幅参数为m，则可以得到在四极场中，离子的通过率对 Mathieu方程参数q的变化，如图4所示。
从图4可见，在丫=9/10， m=0.1时，在q=0.1~0.2之间形成了一 条不稳定带。利用这条不稳定带，同样可以排除高质荷比离子。
第三种方法，如图8所示，后级四极滤质器Q2的电压加载方式也可以为对主射频电压进行调幅，设主射频V2COsQt，调幅信号频率
为co，调幅参数为m,则可以得到在完美四极场中，离子的通过率对 Mathieu方程参数q的变化如图6。
从图6中可得，在v-9/10, m=0.10 0.20时，在q=0.88~0.93之间 形成相对应的不同稳定带。利用这些稳定带，同样可以可分离不同质 荷比的离子。
前级四极滤质器Ql和后级四极滤质器Q2同时扫描的关系如下 例。设所选前级四极滤质器的不稳定带右边界q值为ql (如图3所 示，q，=0.02， ql=0.19)，而所选后级四极滤质器的稳定带左边界q值 为q2 (如图5所示，q，=0.02， q2=0.865),那么在扫描过程中，V2= q1/ q2。在上述例子中Vi/ V2=0.19/0.865=0.220。 Ql和Q2的从射频 电压幅度由对应的q'计算得到。
上述前后级四极滤质器可为双曲面形电极四极滤质器，也可以是 圆杆形电极四极滤质器，以及其它各种主要利用四极场性质对离子进 行分离的滤质器。上述射频电压可为正弦或余弦波，方波，以及一切 周期性变化的波。Ql， Q2在垂直于轴向的截面上电极结构完全相同。
图1: RF-only串级四极滤质器的工作方式之一。1为产生样品离子的 离子源，4为前级四极滤质器，其上加射频电压IO，包括主射频电压 VjCosQt和从射频电压Vi，cosQt。 6为后级四极滤质器，其上加射频 电压ll，包括主射频电压V2CosQt和从射频电压V2'cosQt。 8为离子偏转板，9为离子检测器。3， 5为离子聚焦狭缝，7为离子聚焦栅网， 2为样品离子。
图2: RF-only串级四极滤质器的工作方式之二。 1为产生样品离子的
离子源，4为前级四极滤质器，其上加射频电压IO，包括主射频电压
V^osQt和调幅信号(l+mcoscot)。 Q2为后级四极滤质器，其上加主
射频电压ll， V2cosQt。 8为离子偏转板，9为离子检测器。3， 5为
离子聚焦狭缝，7为能量选择栅网组，2为样品离子。
图3: Ql的从射频电压对离子通过率的影响。横坐标为Mathieu方程
的q值，纵坐标为离子的通过率。v为从射频电压和主射频电压频率
之比，q，为从射频电压和主射频电压幅度之比。
图4: Ql的调幅电压对离子通过率的影响。横坐标为Mathieu方程的
q值，纵坐标为离子的通过率。v为调幅信号和主射频电压频率之比，
m为调幅参数。
图5: Q2的从射频电压对离子通过率的影响。横坐标为Mathieu方程 的q值，纵坐标为离子的通过率。v为从射频电压和主射频电压频率 之比，q，为从射频电压和主射频电压幅度之比。 图6: Q2的调幅电压对离子通过率的影响。横坐标为Mathieu方程的 q值，纵坐标为离子的通过率。v为调幅信号和主射频电压频率之比， m为调幅参数
图7: RF-only串级四极滤质器的工作方式之三。1为产生样品离子的 离子源，4为前级四极滤质器，其上加射频电压IO，包括主射频电压 VtCosQt和从射频电压VrcosQt。 6为后级四极滤质器，其上加主射频电压ll, V2cosQt。 8为离子偏转板，9为离子检测器。3， 5为离 子聚焦狭缝，7为能量选择栅网组，2为样品离子。 图8: RF-only串级四极滤质器的工作方式之四。1为产生样品离子的 离子源，4为前级四极滤质器，其上加射频电压IO，包括主射频电压 VjCos^t和从射频电压VfcosQt。 6为后级四极滤质器，其上加射频 电压ll，包括主射频电压V2CosQt和调幅信号(l+mcoscot)。 8为离 子偏转板，9为离子检测器。3， 5为离子聚焦狭缝，7为离子聚焦栅 网，2为样品离子。
具体实施例方式
一种新型的串级四极质量分析器，由二对双曲面形电极，或者， 四根柱杆形电极或者四根圆杆组成四极杆电极系统，在电极杆系统上 加载工作电压包含直流电压和射频电压，由两组四极杆电极系统分别 构成前级四极滤质器Ql和后级四极滤质器Q2。其中，射频电压为 正弦、余弦波、方波或者有周期性变化的波中的一种。
本实施例中，前级四极滤质器Ql和后级四极滤质器Q2在垂直 于轴向的截面上电极结构完全相同。以下通过四种使用方法详述本发 明。
实施例1:
图1为RF-only串级四极滤质器的工作方式之一。样品离子4经 离子源IS电离，经离子聚焦狭缝1进入前级四极滤质器Ql。 Ql在 主射频电压V,cosQt和从射频电压VrcosQt的共同作用下去除样品离子中的高质荷比的离子。去除了高质荷比离子的样品离子经聚焦狭缝
2进入后级四极滤质器Q2。 Q2在主射频电压V2cosQt和次级射频电 压V cosQt的共同作用下，使样品离子质量选择地通过。质量选择 通过的离子经聚焦栅网3，再经离子偏转板D偏转，被离子检测器 Det检测。检测到的离子信号经纪录处理后形成质谱测量结果。 实施例2:
图2为RF-only串级四极滤质器的工作方式之二。样品离子4经 离子源IS电离，经离子聚焦狭缝1进入前级四极滤质器Ql。 Ql在 主射频电压V!cosQt和调幅信号(l+mcoscDt)的共同作用下去除样品 离子中的高质荷比离子。去除了高质荷比离子的样品离子经聚焦狭缝 2进入后级四极滤质器Q2。 Q2在主射频电压V2cosQt作用通过轴向 弹出工作模式，使样品离子根据其质荷比不同，以相应的动能出射。 轴向出射的离子经过能量选择栅网组3被质量选择地分离。再经离子 偏转板D偏转，被离子检测器Det检测。检测到的离子信号经纪录 处理后形成质谱测量结果。 实施例3:
图7为RF-only串级四极滤质器的工作方式之三。样品离子4经 离子源IS电离，经离子聚焦狭缝1进入前级四极滤质器Ql。 Ql在 主射频电压ViCosQt和从射频电压VrcosQt的共同作用下去除样品离 子中的高质荷比离子。去除了高质荷比离子的样品离子经聚焦狭缝2 进入后级四极滤质器Q2。 Q2在主射频电压V2cosQt作用通过轴向弹 出工作模式，使样品离子根据其质荷比不同，以相应的动能出射。轴向出射的离子经过能量选择栅网组3被质量选择地分离。再经离子偏 转板D偏转，被离子检测器Det检测。检测到的离子信号经纪录处 理后形成质谱测量结果。 实施例4:
图8为RF-only串级四极滤质器的工作方式之四。样品离子4经 离子源IS电离，经离子聚焦狭缝1进入前级四极滤质器Ql。 Ql在 主射频电压V^osQt和从射频电压VrcosQt的共同作用下去除样品离 子中的高质荷比离子。去除了高质荷比离子的样品离子经聚焦狭缝2 进入后级四极滤质器Q2。 Q2在主射频电压V2cosQt和调幅信号 (l+mcoscot)的共同作用下使样品离子质量选择地通过。质量选择通 过的离子经聚焦栅网3，在经离子偏转板D偏转，被离子检测器Det 检测。检测到的离子信号经纪录处理后形成质谱测量结果。
权利要求
1.一种新型的串级四极质量分析器，由二对双曲面形电极，或者，四根柱杆形电极或者四根圆杆组成四极杆电极系统，在电极杆系统上加载工作电压包含直流电压和射频电压，其特征在于由两组四极杆电极系统分别构成前级四极滤质器Q1和后级四极滤质器Q2。其中，射频电压为正弦、余弦波、方波或者有周期性变化的波中的一种。
2. 根据权利要求1所述的一种新型的串级四极质量分析器，其特征 在于所述的前级四极滤质器Ql和后级四极滤质器Q2呈串级结构， 在垂直于轴向的截面上电极结构完全相同。
3. 针对权利要求1或2所述的一种新型的串级四极质量分析器的工 作方法，其特征在于加载在Ql上的主射频电压为VlC0SQt，加载 在Q1上的次级射频电压是Vrcoscot，设V!Wi =q，， co/Q= v 。在主 从射频电压的共同作用下，高质荷比离子，都会由于不稳定而被排除 出四极杆而无法穿过Q1到达下一个区域。
4. 根据权利要求3的一种新型的串级四极质量分析器的工作方法， 其特征在于前级四极滤质器Q1的电压加载方式为对主射频电压进 行调幅，设主射频V^osQt，调幅信号频率为co，调幅参数为m。在 调幅电压的作用下，高质荷比离子都会由于不稳定而被排除出四极杆 而无法穿过Q1到达下一个区域。
5. 根据权利要求3或4的一种新型的串级四极质量分析器的工作方 法，其特征在于Q2是后级四极滤质器，V2COsQt是后级四极滤质器的主射频电压，V2'COS(Ot是后级四极滤质器的从射频电压，设V2'/V2=q，， o)/Q=V。则在主从射频电压的共同作用下，可以对不同质荷比的离子进行质量分析。
6. 根据权利要求3或4的一种新型的串级四极质量分析器的工作方 法，其特征在于后级四极滤质器Q2的电压加载方式为对主射频电 压进行调幅，设主射频V2CosQt，调幅信号频率为①，调幅参数为m。 则在调幅电压的作用下，可以分离不同质荷比的离子。
7. 根据权利要求5或6之一所述的一种新型的串级四极质量分析器 的工作方法，其特征在于前级四极滤质器Ql和后级四极滤质器 Q2同时扫描。
全文摘要
本发明提出一种新型的串级四极质量分析器及其工作方法。一种新型的串级四极质量分析器，由二对双曲面形电极，或者，四根柱杆形电极或者四根圆杆组成四极杆电极系统，在电极杆系统上加载工作电压包含直流电压和射频电压，其中，由两组四极杆电极系统分别构成前级四极滤质器Q1和后级四极滤质器Q2，所述的射频电压为正弦、余弦波、方波或者有周期性变化的波中的一种。本发明还提供了上述串级四极质量分析器的工作方法，在前级四极滤质器Q1和后级四极滤质器Q2上的电压加载方式不同，具有不同的效果和作用。
文档编号H01J49/42GK101527246SQ20091004763
公开日2009年9月9日 申请日期2009年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者丁传凡, 尼古拉·科伦考夫, 婵 罗, 蒋公羽 申请人:复旦大学