一种静电离子阱及其制作方法与质谱仪与流程

本发明涉及质谱仪器，具体而言，涉及一种静电离子阱及其制作方法与质谱仪。

背景技术：

1、分辨率作为质谱仪器最重要的性能之一，分辨率越高一定程度上仪器性能越好。目前提升分辨率的方法一是延长离子飞行路径，二是增加采集时间，对应现有超高分辨率质谱分别为mr-tof(multi-reflection time-of-flight)与ftms(fourier transformmass spectrometer)。mr-tof检测时间快，但是折叠离子飞行路径势必会造成质量范围缩窄，若不折叠，超长的飞行路径会让仪器体积非常庞大，目前该问题尚未得到完全解决，仪器适用范围比较受限。

2、主流ftms分ft-icr(fourier transform ion cyclotron resonance)与orbitrap两类，其中ft-icr是分辨率最高的质谱，但由于其体积庞大，使用维护费用昂贵，没有得到广泛应用。另一种orbitrap分辨率高、体积小、价格适中，是近十年来最成功的超高分辨质谱，但其超高(亚微米级)的加工精度和赛默飞的专利保护使得其余团队无法轻易实现同类型仪器研制。

3、近年来有许多团队在探索新型超高分辨率质谱的可能，例如沿用mr-tof结构，引入镜像电荷检测方法，利用傅里叶变换解析质谱图，成功研制出超十万的分辨率的新型离子阱质谱，但该离子阱仍存在空间电荷效应大的问题。

4、目前有部分方案对离子阱内电极的结构进行优化，以降低电极电压，减小离子阱内的放电风险。但离子在该类离子阱中被囚禁进行稳定地周期振荡，振荡过程中在感应电极上产生周期性的镜像电流信号，该信号被采集转换形成质谱图。首先根据该类离子阱的工作方式，需要有多个电极起到阱内电场可调、离子阱工作时序可控、离子轨迹色差像差聚焦等作用。其次，电极的加工误差和组装误差都会使得阱内电场畸变，需要将电极的机械误差控制在十几个微米左右。最后，为了减弱空间电荷效应的影响采用了圆盘式的结构，一圈圈的同心圆环电极各自需要支撑，而后两半需要面对面支撑配合成一个完整的离子阱。

5、也即，上述的圆盘型离子阱会面临电极数量多、公差要求高、组装支撑复杂等问题。上述问题导致用常规的紧固件将金属电极安装在绝缘体底座的方法很难保证组装精度。虽然可以在组装之后再通过精加工来实现各个环电极的圆度、对称度和同轴度，但这种方法工序繁杂，而且后续加工产生的油污染和碎屑会残留在也不易清除，会影响真空度和器件耐压，导致工作时放电，若要完全清除这些残留，需要拆卸开才能完全清理干净，但这样拆卸再组装又会破坏原本通过精加工已经做到的精度。

6、此外，现有技术中还有部分方法是先将绝缘基底(如陶瓷材料)接合表面镀金属膜，再将金属电极焊接在其表面；也有采用由环氧树脂等真空使用的粘合剂粘合的方法。

7、但前者方案中焊接结合的工艺热稳定性比较差，绝大部分金属和陶瓷的材料热膨胀系数会存在差异，这会导致后续烘烤抽真空时金属和陶瓷之间产生应力使陶瓷碎裂；后者方案在超高真空(10-8pa)环境下，真空胶会存在放气现象，用胶粘的方法影响真空度。

8、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种静电离子阱，其适用于超高真空和高电压等环境，热稳定性高，分辨率高，检测结果准确度高。

2、本发明的目的之二在于提供一种上述静电离子阱的制作方法，该方法工艺简单，具有较高的精度，并能降低加工残留物，提高产品的稳定性和质谱仪。

3、本发明的目的之三在于提供一种包括上述静电离子阱的质谱仪。

4、本技术可这样实现：

5、第一方面，本技术提供一种静电离子阱，包括对称装配的第一静电离子阱层和第二静电离子阱层；

6、第一静电离子阱层和第二静电离子阱层均包括绝缘材质圆盘、多个电极以及引线；

7、绝缘材质圆盘具有多个同心槽，相邻两个同心槽之间形成同心环状突起，每个同心环状突起表面均设有金属膜以形成单个电极，引线设置于绝缘材质圆盘的表面或内部以用于对电极施加电压。

8、在可选的实施方式中，多个电极包括沿绝缘材质圆盘的径向方向由外至内设置的用于形成离子进入通道的第一电极组、用于控制离子进入离子阱状态的门电极以及用于形成离子阱的第二电极组。

9、在可选的实施方式中，第一电极组包括至少3个同心圆环电极；和/或，门电极为同心圆环电极；和/或，第二电极组包括至少4个同心圆环电极。

10、在可选的实施方式中，第一电极组包括沿绝缘材质圆盘的径向方向由外至内设置的第一同心圆环电极、第二同心圆环电极和第三同心圆环电极；第一同心圆环电极与第二同心圆环电极之间以及第二同心圆环电极与第三同心圆环电极之间共同形成用于离子进入通道；

11、门电极为第四同心圆环电极；

12、第二电极组包括沿绝缘材质圆盘的径向方向由外至内设置的第五同心圆环电极、第六同心圆环电极、第七同心圆环电极、第八同心圆环电极、第九同心圆环电极、第十同心圆环电极以及第十一同心圆环电极，第五同心圆环电极至第十一同心圆环电极之间的区域共同用于形成离子阱。

13、在可选的实施方式中，绝缘材质圆盘由绝缘且不放气的材料制备而得；

14、和/或，金属膜中的金属包括钼锰和镍中的至少一种；

15、和/或，引线由低电阻材料制备而得。

16、在可选的实施方式中，制备绝缘材质圆盘的材料包括陶瓷、玻璃或石英；更优地，陶瓷包括氧化铝或氧化锆。

17、在可选的实施方式中，静电离子阱用于超高真空环境下。

18、在可选的实施方式中，超高真空对应的真空度小于10-8pa。

19、第二方面，本技术提供如前述实施方式任一项的静电离子阱的制作方法，包括以下步骤：按预设结构制作静电离子阱。

20、在可选的实施方式中，按以下方式制备第一静电离子阱层和第二静电离子阱层：制作具有同心槽和同心环状突起的绝缘材质圆盘毛坯，对绝缘材质圆盘毛坯进行加工以形成所需的电极形状，按预设位置设置引线和金属膜；将静电上第一静电离子阱层和第二静电离子阱层进行装配。

21、在可选的实施方式中，绝缘材质圆盘通过开模烧制而成；

22、和/或，绝缘材质圆盘上的同心环状突起通过开槽或粘结方式形成；

23、和/或，对绝缘材质圆盘毛坯的加工采用精加工方式进行。

24、在可选的实施方式中，开槽通过磨床或雕刻机进行加工。

25、在可选的实施方式中，精加工的加工精度不差于0.01mm。

26、在可选的实施方式中，设置引线包括以下方式：打孔埋线、贯穿螺钉、开侧槽压线或打孔焊接。

27、在可选的实施方式中，打孔的方式包括沿竖向对同心环状突起贯穿打孔或在同心环状突起的侧面贯穿打孔。

28、在可选的实施方式中，设置引线通过将导线直接焊接于预设位置，或先在预设位置压设金属焊片再从焊片引出导线的方式进行。

29、在可选的实施方式中，引线的设计方式包括以下方式中的任意一种：

30、方式一：对各个同心环状突起的突出面进行打孔，于打孔后的孔中设置引线；

31、方式二：于各个同心环状突起的侧面设置凹槽，于凹槽内设置引线；

32、方式三：于各个同心环状突起的侧面设置凹槽，对凹槽的槽壁设置金属层，随后再于凹槽内设置引线；

33、方式四：对各个同心环状突起的突出面进行打孔，对打孔后的孔壁设置金属层，随后再于打孔后的孔中设置引线。

34、在可选的实施方式中，金属膜的设置方式包括：采用先在无需设置金属膜的区域制作掩膜，随后至少对需要设置金属膜的区域制备金属膜，最后去除掩膜的方式；

35、或者，采用先整体制备金属膜，随后去除无需设置金属膜的区域对应的金属膜的方式。

36、在可选的实施方式中，掩膜由可剥落材料形成；更优地，可剥落材料为固化胶。

37、在可选的实施方式中，金属膜的制备方式包括磁控溅射、真空蒸发、化学气相沉积或厚膜方式。

38、在可选的实施方式中，去除掩膜的方式包括：撕除由可剥落材料形成的掩膜。

39、在可选的实施方式中，去除多余的金属膜采用磨床加工、铣床加工或车床加工的方式进行。

40、第三方面，本技术提供一种质谱仪，包括前述实施方式任一项的静电离子阱。

41、在可选的实施方式中，当进入离子进入通道的离子需要进入离子阱时，门电极的电压低于离子的动能；当离子进入离子阱后，门电极的电压上升至高于离子的动能。

42、本技术的有益效果包括：

43、本技术提供的具有特定结构的静电离子阱适用于超高真空和高电压等环境，热稳定性高，分辨率高，检测结果准确度高。其制作方法简单，具有较高的精度，并能降低加工残留物，提高产品的稳定性。具有上述静电离子阱的质谱仪具有较佳的应用前景。