離子質量過濾器及過濾方法
2023-05-30 09:01:41
專利名稱：離子質量過濾器及過濾方法
技術領域：
本發明涉及一種離子質量過濾器及過濾方法。
背景技術：
四極式質譜儀的歷史可追溯到20世紀50年代。1952年末，加速器物理研究領域中，Brookhawen國立實驗室的Courant等人發現利用2個四極磁場交替壓縮質子束的強聚焦，德國Bonn大學物理系教授Wolfgang Paul等人據此提出了利用射頻四極電場過濾離子的原理，並用實驗加以驗證，從而誕生了四極式質譜儀。1953年，Paul等人申請了德國專利，並在五十年代完成了四極式質譜儀的大部分奠基工作。
20世紀六七十年代是四極式質譜儀發展的鼎盛時期，其中最引人注目的是Brubaker所進行的一系列創新研究和設計。60年代末，四極式質譜儀由基礎研究階段逐漸過渡到商業生產階段，在產業化模式運作下，四極式質譜儀技術獲得了迅速的發展和推廣。1965年，聯邦德國的Varian MAT公司生產了第一臺商業四極式質譜儀AMP-3。美國的惠普公司，聯邦德國的Varian MAT，日本的ULVAC等都是最早開始四極式質譜儀商業化生產的公司。
四極式質譜儀的原理是利用隨時間變化的電場對不同質荷比的離子進行選擇。常規四極式質譜儀所採用的驅動電壓波形如圖1所示，即x方向和y方向的電壓相位相差180度，通常在相對的一組電極杆上施加同樣的電壓，而相鄰的電極杆上的電壓極性相反，如圖2所示，x方向電極杆2和3的電壓與y方向電極杆1和4的電壓極性相反。
理想情況下，電極杆的形狀是雙曲面，請參見圖3，但由於圓杆電極的加工較之雙曲面來說要簡單很多，因此在實際應用中更多的是用圓杆電極代替雙曲面電極。當圓杆電極半徑r杆與場半徑r0滿足式公式[1]關係時，圓杆電極間的電場與理想四極電場最為近似。請參見圖4，其為圓杆電極半徑r杆與場半徑r0滿足式公式1關係時，圓杆電極間電場與雙曲面電極間電場吻合程度。從圖中可以看出，在四根極杆間的空間內，兩種電極所形成的電場等勢線非常吻合，僅僅是在相鄰極杆之間空間內的等勢線相差很大。幸運的是，離子的運動僅僅是在四根極杆杆間的空間內。如此看來，圓杆電極間的電場完全可以替代雙曲面電極所形成的理想四極場。
r＝1.1487·r0[1]離子在進入四極杆後，由於受到射頻(RF) 電場和直流(DC)電場的作用會開始複雜的振蕩運動。假設某一時刻，DC和RF保持恆定，如果離子的質量太低，這個離子被推離軸向，到達正極杆，而不會到達四極杆的出口。如果離子質量太高，趨於負極杆的振蕩增加，直到離子撞擊到負極杆或從四極杆的邊緣被彈出去。只有特定質量的離子在四極杆內的振蕩才會穩定，才能從四極杆的末端出射並被電子倍增器檢測。這是因為離子進入四極杆後受到電極杆所形成的四極電場的作用做複雜的周期性運動，其運動軌跡與離子的質荷比有關係。
離子的受力可由公式[2]表示x+(2emr02)(U+Vcost)x=0y-(2emr02)(U+Vcost)y=0mz=0---[2]]]>令k=8e2r02(U+Vcost),]]>其中k(ξ+T)＝k(ξ)，則公式[2]變為Fx=-kxFy=kyFz=0---[3]]]>從公式[3]可以看到，若k為正值時，離子在x方向上所受到的力就是回復力，即離子在x方向上的運動就可以看做是簡諧振動，而在y方向上所受到的力卻是隨著位移的增加而增加，所以是振幅逐漸增加的振動。k為負值時，離子在x方向上的運動就是振幅逐漸增加的振動，而此時y方向上離子的運動則是簡諧振動。由於φ0是交流電勢，因此k值交替正負，這樣就將離子的軌跡束縛在「穩定」狀態。
從上面的分析可知，通過不斷的改變k值，而使得離子在x方向和y方向上不斷的交替進行簡諧振動，使得離子能夠在xy平面內具有穩定的軌跡。常規正弦或餘弦波周期電壓信號驅動的四極式質譜儀是通過正弦或者餘弦信號來改變k值。其對應的運動方程可由公式[4]表示d2ud2+(au-2qucos2)u=0---[4]]]>其中，au和qu分別是
au=ax=-ay=8eUm2r02qu=qx=-qy=4eVm2r02---[5]]]>公式[4]被稱為馬紹方程(Mathieu)的餘弦形式。它的通解形式如公式[6]所示u=en=-C2ne2in+e-n=-C2ne-2in---[6]]]>式中，α′和α″式積分常數，它們決定於離子的初始條件，即初始位置 、初始速度ü和初始相位ξ0。C2n和μ則決定於a和q而不是決定於初始條件。所以離子運動的特性，尤其是離子運動的穩定性將取決於a值和q值而非初始條件。
根據離子運動的穩定條件，可畫出常規四極式質譜儀的穩定曲線，如圖3所示。常規四極式質譜儀的質量掃描方式是電壓掃描，在保證直流分量U和交流分量V的比例不變的前提下，同時改變直流分量U和交流分量V，實現質量掃描。理想情況下，對應於每組U和V值，都有唯一質量數的離子具有穩定的軌跡通過四極場，然後被檢測器所檢測，其他質量數的離子在四極場內由於軌跡不穩定而被損失掉。
現有常規四極式質譜儀的驅動電路由變壓器/LC振蕩迴路構成，工作頻率固定。電容C由四極杆杆間電容和導線寄生電容決定，L由變壓器電感決定，工作點範圍600kHz～10MHz。由以下公式[7]可以看出，U=m2r028eax=-m2r028eqyV=m2r024eqx=-m2r024eqy---[7]]]>在常規正弦或餘弦波周期性電壓信號驅動四極式質譜儀中，離子的質量數與直流分量和交流分量的電壓值成正比，所以要使得具有更高質量數的離子能夠被選擇就必須增加掃描電壓。由於掃描電壓與質量數成正比關係制約了四極式質譜在大質量數物質分析中的使用，因此通常最大可檢測的離子小於3000amu。而通過增加電壓來實現選擇離子存在有以下缺點1、過高的射頻電壓很難獲得，而且過高地射頻電壓須配合有較高的真空度以防止放電，因而會導致技術難度的提高，再有過高的射頻電壓也會引起輻射而傷害到人體。
2、無法實現掃頻過濾因為四極式質譜儀高頻電壓是通過線圈LC諧振網絡耦合到極杆上，受到諧振網絡共振頻率的限制，因此其工作頻率只能是一個，這就使得想通過掃頻來避免使用高壓來實現大質量數離子過濾的功能變得難以現實。
由上所述可見，常規正弦或餘弦波電壓信號驅動的四極式質譜儀很難應用於大分子物質分析，例如生物樣品的分析，因此如何解決現有技術存在的缺點實已成為本領域技術人員亟待解決的技術課題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種離子質量過濾器及過濾方法，以實現對大質量數離子的分析。
為了達到上述目的，本發明提供的離子質量過濾器包括呈四邊形排列以形成供離子運動的空間的4根導電桿體、與所述4根導電桿體中的組成所述四邊形一組對邊的2根導電桿體相連接，用於提供直流偏置電場的第一電源、用於提供極性相反的兩種高壓電場的第二電源、分別與所述第二電源及所述4根導電桿體中的組成所述四邊形另一組對邊的2根導電桿體相連接，用於產生周期性控制信號控制所述第二電源提供的兩種高壓電場以使所述高壓電場周期性交替施加在相應2根導電桿體上，進而在所述4根導電桿體形成的空間中產生四極電場的控制模塊。
其中，所述離子質量過濾器還包括用於控制所述控制模塊產生的控制信號的周期以間接控制被過濾的離子質量的質量調節控制模塊，所述4根導電桿體可呈雙曲面形、圓柱形或矩形，當所述4根導電桿體呈圓柱形時，每一導電桿體的半徑是所述四極電場半徑的1.1487倍，所述控制模塊可包括分別與所述第二電源及相應2根導電桿體相連接，用於控制所述第二電源提供至所述相應2根導電桿體的電場的極性的受控開關、及與所述受控開關相連接，用於產生控制所述受控開關開閉的周期性控制信號的周期性波形發生器，所述受控開關可為場效應管，所述周期性波形發生器產生的所述周期性控制信號為矩形波、鋸齒波、梯形波和三角波中的一種。
此外，本發明的離子質量過濾方法主要包括步驟1)第一電源提供的直流偏置電場施加在4根導電桿體的相對2根上；2)控制模塊提供周期性控制信號控制第二電源，使所述第二電源提供的極性相反的高壓電場周期性交替施加在所述4根導電桿體其它2根導電桿體上，進而在所述4根導電桿體形成的空間中產生四極電場；3)不同質量的離子進入所述4根導電桿體形成的空間中，並受到所述四極電場的作用；4)調節所述控制模塊產生的周期性控制信號的頻率使預先設定的荷質比的離子被選擇而其它荷質比的離子被過濾掉。
其中，所述周期性控制信號為矩形波、鋸齒波、梯形波和三角波中的一種綜上所述，本發明的離子質量過濾器及過濾方法通過利用非常規正弦或餘弦波周期性電壓信號作為驅動電壓，克服了常規正弦或餘弦波周期性電壓信號驅動四極式質譜儀不能實現掃頻的問題，同時，通過採用頻率掃描的方式實對超高質量數離子的過濾。因此，本發明離子質量過濾器及過濾方法能夠使採用傳統電壓掃描方式難以實現的超高質量數離子的掃描變為可能，進而可使四極式質譜儀能夠應用於大分子物質分析，例如生物樣品分析領域等。
圖1為現有的四極式質譜儀所採用的驅動電壓波形示意圖。
圖2為現有電極呈圓杆形狀的四極式質譜儀結構示意圖。
圖3為現有電極為雙曲面的四極式質譜儀結構示意圖。
圖4為現有圓杆電極電勢線與雙曲面電極電勢線的對比圖。
圖5為本發明的離子質量過濾器的結構示意圖。
圖6為本發明的離子質量過濾器的周期性波形發生器提供的鋸齒波控制信號示意圖。
圖7為本發明的離子質量過濾器的周期性波形發生器提供的矩形波控制信號示意圖。
圖8為本發明的離子質量過濾器的周期性波形發生器提供的梯形波控制信號示意圖。
圖9a~9e為離子在本發明的離子質量過濾器形成的四極電場中運動所得到的x方向上的穩定區域圖，其中，圖9a為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.2時的穩定區域圖，圖9b為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.4時的穩定區域圖，圖9c為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.5時的穩定區域圖，圖9d為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.6時的穩定區域圖，圖9e為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.8時的穩定區域圖。
圖10a~10e為離子在本發明的離子質量過濾器形成的四極電場中運動所得到的x方向和y方向上的穩定區域圖，其中，圖10a為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.2時的穩定區域圖，圖10b為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.4時的穩定區域圖，圖10c為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.5時的穩定區域圖，圖10d為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.6時的穩定區域圖，圖10e為本發明的離子質量過濾器提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.8時的穩定區域圖。
圖11a~11c為本發明的離子質量過濾器在模擬軟體SIMION 3D 7.0中的離子軌跡模擬圖，其中，圖11a是離子在xy平面內的軌跡圖、圖11a』為圖11a的局部放大圖，圖11b是離子在yz平面的軌跡圖、圖11c是離子在xz平面的軌跡圖。
圖12為本發明的離子質量過濾方法提供的周期性控制信號為佔空比q＝0.5的矩形波時離子在x方向和y方向上的穩定區域圖。
圖13為圖12中標記為A區域的局部放大圖。
圖14為採用本發明的離子質量過濾方法所獲得的離子質量掃描圖。
具體實施例方式
請參閱圖5，本發明的離子質量過濾器至少包括4根導電桿體、第一電源9、第二電源、控制模塊及質量調節控制模塊2。
所述4根導電桿體呈四邊形排列以形成供離子運動的空間，如圖5所示，所述4根導電桿體形成電極10和11，通常，所述電極10和11既可以是雙曲面形也可以是圓柱形，甚至是矩形，當所述電極10和11為圓柱形，各導電桿體的半徑是所述4根導電桿體內部形成的四極電場半徑的1.1487倍(請容後陳述)，可以保證其所形成的四極電場達到最佳效果。在本實施方式中，所述電極10和11採用的是圓柱形。
所述第一電源9與所述4根導電桿體中的組成所述四邊形一組對邊的2根導電桿體相連接，用於提供直流偏置電場，在本實施方式中，所述第一電源9與電極10相連接，通常第一電源9所提供的直流偏置值局限於一定範圍之內，其可根據所分析物質質量數的不同以及所要求解析度不同進行選擇。在本實施方式中，所述第一電源9提供的直流電壓偏置電壓為100伏。
所述第二電源用於提供極性相反的兩種高壓電場，在本實施方式中，其包括正高壓電源7和負高壓電源8，兩者的幅值可根據實際需要予以設定，在本實施方式中分別設定為±500伏，此外，所述第二電源的實施方式並非以此為限，其也可採用單一電源然後通過反相器改變其極性，此為本領域技術人員所熟悉之技術，在此不再贅述。
所述控制模塊分別與所述第二電源及所述4根導電桿體中的組成所述四邊形另一組對邊的2根導電桿體相連接，用於產生周期性控制信號控制所述第二電源提供的兩種高壓電場以使所述高壓電場周期性交替施加在相應2根導電桿體上，進而在所述4根導電桿體形成的空間中產生四極電場，在本實施方式中，所述控制模塊包括受控開關5及6和周期性波形發生器1，其中，所述受控開關5及6分別與所述正高壓電源7和所述負高壓電源8相連接，同時兩者還都與相應2根導電桿體即電極11相連接，用於控制所述第二電源提供至所述電極11的電場的極性，所述受控開關可為場效應管，但並非以此為限，其也可為晶體三極體等，所述周期性波形發生器1與所述受控開關5及6相連接，用於產生控制所述受控開關5及6開閉的周期性控制信號，所述周期性控制信號可為鋸齒波(請參見圖6)，也可為矩形波(請參見圖7)，還可為梯形波(請參見圖8)及三角波等，其頻率通常在100kHz和3MHz之間，以下將以矩形波為例進行詳細說明。
當所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號處於高電平時，所述受控開關6閉合而受控開關5打開，因此負高壓電源8被施加至電極11上，而當所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號由高電平變為低電平後，所述受控開關6打開而受控開關5閉合，因此正高壓電源7被施加至電極11上，由於電極11上交替施加有正負高壓電場，而電極10上施加有直流電場，如此可在4根導電桿體形成的空間中產生四極電場，請參見圖9a~9e，其為離子在所述四極電場中運動所得到的x方向上的穩定區域圖，其中，圖9a為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.2時的穩定區域圖，圖9b為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.4時的穩定區域圖，圖9c為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.5時的穩定區域圖，圖9d為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.6時的穩定區域圖，圖9e為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.8時的穩定區域圖，再請參見圖10a~10e，其為離子在所述四極電場中運動所得到的x方向和y方向上的穩定區域圖，其中，圖10a為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.2時的穩定區域圖，圖10b為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.4時的穩定區域圖，圖10c為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.5時的穩定區域圖，圖10d為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.6時的穩定區域圖，圖10e為所述周期性波形發生器1提供的矩形波控制信號的佔空比q＝0.8時的穩定區域圖。
所述質量調節控制模塊2用於控制所述控制模塊產生的控制信號的周期以間接控制被過濾的離子質量，在本實施方式中，其通過控制所述周期性波形發生器1所產生的波形頻率，即改變了所述周期性控制信號的佔空比，進而使所述受控開關5和6的開關頻率不同，從而正負高壓電場7及8施加至電極11上的頻率亦不同，相應可以穩定在電極10及11產生的四極場中的離子的荷質比也不同，一般所述質量掃描控制模塊的頻率可調範圍為100kHz-3MHz。請參見圖11a～11c，其為本發明的離子質量過濾器在模擬軟體SIMION 3D 7.0中的離子軌跡模擬圖，其中，圖11a是xy平面內的離子軌跡圖、圖11a』為圖11a的局部軌跡放大圖，圖11b是yz平面的離子軌跡圖、圖11c是xz平面的離子軌跡圖。
本發明的離子質量過濾方法主要包括以下步驟第一步第一電源提供的直流偏置電場施加在4根導電桿體的相對2根上，即第一電源9施加100伏的直流偏置電壓至電極10上。
第二步控制模塊提供周期性控制信號控制第二電源，使所述第二電源提供的極性相反的高壓電場周期性交替施加在所述4根導電桿體其它2根導電桿體上，進而在所述4根導電桿體形成的空間中產生四極電場，即周期性波形發生器1控制所述受控開關5及6，使正負高壓電場7及8交替施加至電極11上，從而在所述電極10及電極11之間產生四極電場，其中，所述周期性控制信號為矩形波、鋸齒波、梯形波和三角波中的一種，分別可參見圖6~圖8。
第三步不同質量的離子進入所述4根導電桿體形成的空間中，並受到所述四極電場的作用，例如當周期性波形發生器1產生的周期性控制信號為不同佔空比的矩形波(如圖7所示)時離子在所述四極電場中運動時x方向上的穩定區域圖，如圖9a~9e所示，x方向和y方向上的穩定區域圖如圖10a~10e所示，再請一併參見圖12，其為周期性控制信號為佔空比q＝0.5的矩形波時離子在x方向和y方向上的穩定區域圖，為進一步清楚顯示，再請參見圖13，其為圖12中標記為A區域的放大圖。
第四步調節所述控制模塊產生的周期性控制信號的頻率使預先設定的荷質比的離子被選擇而其它荷質比的離子被過濾掉，由於掃描頻率與質量數成反比，當所述控制模塊產生的周期性控制信號的頻率被調節穩定，則對應於此時頻率的具有穩定軌跡離子的質量數即可確定，也即是說，只有某一質量數範圍內的離子具有穩定軌跡，且能夠被後續的離子檢測器檢測，而且掃描頻率越高，具有穩定軌跡離子的質量數則越低，相反地，掃描頻率越低，具有穩定軌跡離子的質量數越高，請參見圖14，其為質量掃描圖。
綜上所述，本發明的離子過濾器及過濾方法採用頻率掃描方式進行質量掃描，使高壓驅動電路的結構得以簡化，減小了質譜儀的機械尺寸，有利於四極杆質譜的小型化。同時，也便於採用數字頻率掃描代替傳統的電壓掃描，使得四極杆質譜的質量掃描只需改變一個物理量即頻率，從而使得掃描變得更為簡單和精確。而且，由於能夠採用頻率掃描，提高了常規正弦或餘弦波周期性電壓信號驅動的四極式質譜儀的分析質量上限。
權利要求
1.一種離子質量過濾器，其特徵在於包括
4根導電桿體，呈四邊形排列以形成供離子運動的空間；第一電源，與所述4根導電桿體中的組成所述四邊形一組對邊的2根導電桿體相連接，用於提供直流偏置電場；第二電源，用於提供極性相反的兩種高壓電場；控制模塊，分別與所述第二電源及所述4根導電桿體中的組成所述四邊形另一組對邊的2根導電桿體相連接，用於產生周期性控制信號控制所述第二電源提供的兩種高壓電場以使所述高壓電場周期性交替施加在相應2根導電桿體上，進而在所述4根導電桿體形成的空間中產生四極電場。
2.如權利要求1所述的離子質量過濾器，其特徵在於還包括質量調節控制模塊，用於控制所述控制模塊產生的控制信號的周期以間接控制被過濾的離子質量。
3.如權利要求1所述的離子質量過濾器，其特徵在於所述4根導電桿體呈雙曲面形、圓柱形及矩形中的一種。
4.如權利要求1所述的離子質量過濾器，其特徵在於所述4根導電桿體呈圓柱形時，每一導電桿體的半徑是所述四極電場半徑的1.1487倍。
5.如權利要求1所述的離子質量過濾器，其特徵在於所述控制模塊包括受控開關，分別與所述第二電源及相應2根導電桿體相連接，用於控制所述第二電源提供至所述相應2根導電桿體的電場的極性；周期性波形發生器，與所述受控開關相連接，用於產生控制所述受控開關開閉的周期性控制信號。
6.如權利要求5所述的離子質量過濾器，其特徵在於所述受控開關為場效應管。
7.如權利要求5所述的離子質量過濾器，其特徵在於所述周期性波形發生器產生的所述周期性控制信號為矩形波、鋸齒波、梯形波和三角波中的一種。
8.一種離子質量過濾方法，其特徵在於包括步驟1)第一電源提供的直流偏置電場施加在4根導電桿體的相對2根上；2)控制模塊提供周期性控制信號控制第二電源，使所述第二電源提供的極性相反的高壓電場周期性交替施加在所述4根導電桿體其它2根導電桿體上，進而在所述4根導電桿體形成的空間中產生四極電場；3)不同質量的離子進入所述4根導電桿體形成的空間中，並受到所述四極電場的作用；4)調節所述控制模塊產生的周期性控制信號的頻率使預先設定的荷質比的離子被選擇而其它荷質比的離子被過濾掉。
9.如權利要求8所述的離子質量過濾方法，其特徵在於包括所述周期性控制信號為矩形波、鋸齒波、梯形波和三角波中的一種。
全文摘要
一種離子質量過濾器及過濾方法，其包括呈四邊形排列以形成供離子運動的空間的4根導電桿體，當在所述4根導電桿體中的組成所述四邊形一組對邊的2根導電桿體連接可提供直流偏置電場的第一電源，在形成另一組對邊的2根導電桿體連接可提供極性相反的兩種高壓電場的第二電源，由控制模塊控制所述兩種高壓電場的交替施加在相應2根導電桿體上的頻率即可在所述4根導電桿體形成的空間中產生四極電場，通過改變所述頻率可實現離子質量掃描，由於離子質量數與掃描頻率成反比，降低頻率掃描即可改善四極式質譜儀對大質量數離子的分析能力。
文檔編號H01J49/42GK101075546SQ20071004079
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月17日 優先權日2007年5月17日
發明者徐國賓, 黃超 申請人:上海華質生物技術有限公司