[发明专利]离子导引装置和离子导引方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子导引装置，特别是一种在较高气压(或较低真空度)下导引离子偏轴传输、聚焦并进入后级进行质谱分析的装置。

背景技术

在质谱仪中，从较高气压的离子源区(1～10⁵Pa)到较低气压的离子分析器区域(<1Pa)之间，除了必要的真空接口外，为了实现离子的低损失传输，通常需要离子导引装置。离子导引装置一般由一系列施加射频电压的电极组成。射频电压在装置的中心轴周围形成束缚离子的有效势垒，使得离子会聚。同时在由于差分抽气造成的气流流动作用，或者沿轴附加的直流电场作用下，会聚的离子定向移动到下一级真空，然后通过质谱分析装置被分析。较早的射频导引装置比如D.J.Douglas发明的的多极导引杆系(美国专利5179278)，以及J.Franzen提出的表面反射型多极场导引装置(美国专利5572035),可以在0.1torr下聚焦离子，后来N.Inatsugu和H.Waki发明的Q-阵列导引器，以及Bateman等提出的(美国专利7095013)行波导引装置等，可以在5torr以下的气压下对离子进行较好的导引和聚焦。为了可以在更高的气压下聚焦离子，R.D.Smith提出了离子漏斗装置(美国专利6107628)，可以在接近30torr的气压下有效地传输和聚焦离子，极大地提高了装置的灵敏度。

但是，把离子漏斗应用于质谱仪时，一般它的前级是一段连通到大气压的毛细管结构或者带小孔的取样锥结构，后级是具有比离子漏斗内部更低气压的腔体，由于其漏斗状结构，在漏斗的整个轴线上会存在很强的气流，即使在漏斗的入口附近加上一个金属挡板(jet-disrupter)以减小气流，也会在出口处有不小的气流存在。这个气流不仅会加大真空泵的负担，而且这些中性的气体分子会对最后的离子检测带来噪音；特别地，当搭配电喷雾离子源时，气流会携带尚未完全脱溶剂的带电液滴进入下一级真空，从而带来更多的噪音，影响了仪器的灵敏度。换言之，离子漏斗中离子的传输方向与中性成分(气体中性分子或者带电液滴，由于带电液滴的质荷比太大，因此可以近似认为是中性的)的传输方向是同轴的，所以带来了噪音干扰，而且也需要抽速更大、更昂贵的真空泵。离子漏斗还有一个问题，就是由于它的缩径结构，当环电极的半径很小时，施加在上面的射频电压会产生一个明显的轴向场，使得离子被囚禁在这个区域而不能引出，因此降低了传输效率。所以现在离子漏斗最后一级的直径一般不会小于1.5mm，这样也对真空系统造成了较大负担。

K.Giles在美国专利US2011/0049357中设计了一种偏轴传输装置。该装置由一大一小的类似离子漏斗的桶状电极阵列耦合而成，两个阵列之间有一定的势垒，离子从大桶电极阵列的一侧进入，然后在直流电场推动下克服阵列之间的势垒，进入小桶电极阵列传输并引出，而中性的分子沿大桶电极阵列的轴线被抽出，以此实现离子偏轴传输。这个装置有两个不足，一是不能实现非常有效的聚焦。离子束最后的聚焦半径是由小桶电极阵列的半径决定的，但小桶电极的半径太小时，在与大桶电极相接的边缘处的射频阻挡势垒会变强，使得离子很难进入。二是装置结构较复杂，因此制作难度较大。

发明内容

本发明的目的是设计一种离子导引装置和方法。该装置和方法可以在较高气压下导引、偏转和会聚离子。而且可以实现离子偏轴传输。还有，该装置需要结构简单，制作难度低。

基于此目的，本发明的离子导引装置包括：多个环形组件，所述多个环形组件沿同一中心轴线并排分布，其中每个环形组件由多个分立的分段电极围成；电源装置，其将相位相异的射频电压提供至所述每个环形组件的相邻的分段电极上，将相位相异的射频电压提供至沿所述中心轴线的相邻的分段电极上，且将直流电位提供至所述每个环形组件的分段电极上，其中，所述直流电位的分布使离子在沿所述中心轴线方向运动时发生朝向所述离子导引装置径向的偏转。

本发明的离子导引方法包括：设置环形组件的步骤，设置沿同一中心轴线并排分布的多个环形组件，其中每个环形组件由多个分立的分段电极围成；提供电压的步骤，将相位相异的射频电压提供至所述每个环形组件的相邻的分段电极上，将相位相异的射频电压提供至沿所述中心轴线的相邻的分段电极上，且将直流电位提供至所述每个环形组件的分段电极上，其中，所述直流电位的分布使离子在沿所述中心轴线方向运动时发生朝向所述离子导引装置径向的偏转；离子的引入和引出步骤，将离子沿与所述中心轴线平行的轴向的一侧引入离子导引装置，将所述离子在所述离子导引装置中经导引、偏转或聚焦后从与所述中心轴线平行的轴向的另一侧引出。