摆线质谱仪及其分辨率调节方法与流程

　　1、摆线质量分析器(cycloidal mass analyzer)或者由其构成的摆线质谱仪是磁质谱的一种，其基本原理在1938年就已经被bleakney和hipple提出。摆线质谱仪内部分布均匀且相互正交的磁场和电场(e×b)，待分析离子进入该正交场后，其运动轨迹为摆线(cycloid)；而摆线的螺距(pitch)由离子的质荷比m/z决定，因此可以用于离子质量分析。摆线质谱仪最显著的特性是摆线平面上的所谓“完美聚焦”特性，即：离子轨迹的螺距(或者聚焦点位置)与入射离子束的速度大小和方向的发散均无关；即使入射离子束的速度大小和方向有大范围的展宽，每经过一个螺距之后，离子束会重新聚焦至与初始离子束几乎完全相同的尺寸。这也是它相比于其它双聚焦磁质谱的一个重要优点，后者往往只能对很小范围的速度发散进行聚焦。

　　2、然而，过去的80多年里，摆线质谱仪从未得到重视。主要原因是摆线质谱仪需要均匀性非常好的磁场和电场来保证分辨率；而获得均匀的磁场相当不容易，往往需要巨大而笨重的磁体。另外一个原因是摆线质谱仪只在摆线平面上聚焦离子，而在与摆线平面垂直的方向上对离子没有束缚，由此导致的离子束发散使得能够到达检测器的离子比例相当低，仪器的灵敏度被极大限制。相比于使用其它种类质量分析器的质谱仪，比如离子阱、四级杆、飞行时间质谱仪等，同样的体积和重量下，摆线质谱仪的性能往往过低而不具备竞争力。

　　1、针对以上问题，本发明提供了一种摆线质谱仪及其分辨率调节方法，能够兼顾解决摆线质谱仪的小型化、分辨率和灵敏度问题。

　　2、本发明提供一种摆线质谱仪，包括：一组磁体，以提供磁场；两组电极阵列平行对置，每组电极阵列包含多个相互平行的条状电极；至少一个直流电源，提供直流电压至每组电极阵列以形成直流的电场，电场的方向垂直于磁场的方向，并且电场与磁场相互叠加形成电场-磁场交叉场；离子入射单元，入射离子至电场-磁场交叉场内，并在电场-磁场交叉场内沿离子摆线轨迹运动，在至少部分离子摆线轨迹的区域内，磁场强度与电场强度同时降低。

　　3、根据该技术方案，由于磁场的不均匀性，磁场中心区域的场强较强且较均匀，而靠近边缘部分的磁场强度降低，因此，通过使电场强度在至少部分离子摆线轨迹的区域内降低来补偿磁场的不均匀性带来的离子束展宽，从而可以使用较小的磁体，得到与均匀磁场情况下相同、甚至更佳的分辨率。另外，径向的磁场强度降低将带来轴向的束缚力场，所以离子可以在轴向方向上被聚焦，这样可以显著提高离子的传输效率和最终检测的灵敏度。

　　4、本发明的可选技术方案中，在从摆线轨迹的中心区域到边缘区域的方向上，电场强度降低形成电场相对不均匀度高于磁场强度降低形成的磁场相对不均匀度。

　　5、根据该技术方案，相比于磁场的构建，电场的构建相对容易，比如可调整电极形状、并调节电极上施加的电压来构建所需电场，因此可以根据磁场相对不均匀度灵活调节电场相对不均匀度，以获得较佳的补偿效以及较佳的分辨率。

　　6、本发明的可选技术方案中，电场相对不均匀度为磁场相对不均匀度的两倍。在该情况下，质谱仪的分辨率不受电场-磁场交叉场的不均匀度的制约，质谱仪具有较高的分辨率。

　　7、本发明的可选技术方案中，磁体为一对永磁体的磁极，每块磁极的长度不超过150mm，宽度不超过150mm，厚度不超过20mm。

　　9、本发明的可选技术方案中，每块磁极的长度不超过60mm，宽度不超过60mm，厚度不超过15mm。

　　11、本发明的可选技术方案中，电场在离子摆线轨迹的周边区域的强度低于其在离子摆线轨迹的中心区域的强度。

　　12、根据该技术方案，径向的磁场强度的降低可以带来轴向的束缚力场，所以离子可以在轴向方向上被聚焦，因而可以显著提高离子的传输效率和最终检测的灵敏度。

　　13、本发明的可选技术方案中，每组电极阵列在沿条状电极延伸的方向上分段，并通过在每段电极阵列上施加不同的直流电压造成沿电场方向的电场强度变化。

　　14、根据该技术方案，通过调整电极上施加的电压来构建所需电场，方式简单，可以灵活调整电场强度使之与磁场强度相适应，从而获得较佳的补偿效果。

　　15、本发明的可选技术方案中，离子摆线轨迹为多个周期的摆线、根据该技术方案，离子每运动经过一个周期，质谱仪的分辨率提升，经过多个周期的摆线轨迹，有利于显著提高质谱仪的分辨率。

　　18、根据该技术方案，多个狭缝可以方便同时进行多个离子的检测，可以根据需要灵活调整检测离子的种类数。

　　19、本发明的可选技术方案中，包括位于离子入射单元上游的离子源、以及位于离子摆线轨迹下游的检测器。

　　20、本发明的可选技术方案中，包括动态调节质谱谱图分辨率的控制单元，检测器检测得到的离子信号传到上位机得到质谱谱图，控制单元根据质谱谱图的分辨率调整施加到电极阵列上的直流电压值，直至摆线质谱仪的分辨率达到预定值。

　　21、根据该技术方案，通过改变施加到电极阵列上的直流电压，以进一步调节谱图分辨率，直至分辨率达到预定的较理想的值。

　　24、待分析离子进入电场-磁场交叉场，并在电场-磁场交叉场内沿离子摆线轨迹运动，到达检测器产生离子信号；

　　25、检测器产生的离子信号被传输到上位机，上位机进行数据处理得到质谱谱图；

　　26、控制单元根据质谱谱图的分辨率动态调整施加到每组电极阵列上各个条状电极的直流电压值；

　　2.根据权利要求1的摆线质谱仪，其特征在于，在从摆线轨迹的中心区域到边缘区域的方向上，所述电场强度降低形成的电场相对不均匀度高于所述磁场强度降低形成的磁场相对不均匀度。

　　3.根据权利要求2的摆线质谱仪，其特征在于，所述电场相对不均匀度为所述磁场相对不均匀度的两倍。

　　4.根据权利要求1的摆线质谱仪，其特征在于，所述磁体为一对永磁体的磁极，每块所述磁极的长度不超过150mm，宽度不超过150mm，厚度不超过20mm。

　　5.根据权利要求4的摆线质谱仪，其特征在于，每块所述磁极的长度不超过60mm，宽度不超过60mm，厚度不超过15mm。

　　6.根据权利要求1的摆线质谱仪，其特征在于，所述电场在所述离子摆线轨迹的周边区域的强度低于其在所述离子摆线轨迹的中心区域的强度。

　　7.根据权利要求6的摆线质谱仪，其特征在于，每组所述电极阵列在沿条状电极延伸的方向上分段，并通过在每段所述电极阵列上施加不同的直流电压造成沿电场方向的电场强度变化。

　　8.根据权利要求1的摆线质谱仪，其特征在于，所述离子摆线轨迹为多个周期的摆线的摆线质谱仪，其特征在于，包括安排在所述离子摆线轨迹上的多个狭缝。

　　10.根据权利要求1的摆线质谱仪，其特征在于，包括位于所述离子入射单元上游的离子源、以及位于所述离子摆线轨迹下游的检测器。

　　11.根据权利要求10所述的摆线质谱仪，其特征在于，包括动态调节质谱谱图分辨率的控制单元，所述检测器检测得到的离子信号传到上位机得到质谱谱图，所述控制单元根据所述质谱谱图的分辨率调整施加到所述电极阵列上的直流电压值，直至所述摆线质谱仪的分辨率达到预定值。

　　12.一种如权利要求11所述的摆线质谱仪的分辨率调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

　　本发明提供一种摆线质谱仪及其分辨率调节方法，摆线质谱仪包括：一组磁体，以提供磁场；两组电极阵列平行对置，每组电极阵列包含多个相互平行的条状电极；至少一个直流电源，提供直流电压至每组电极阵列以形成直流的电场，电场的方向垂直于磁场的方向，并且电场与磁场相互叠加形成电场‑磁场交叉场；离子入射单元，入射离子至电场‑磁场交叉场内，并在电场‑磁场交叉场内沿离子摆线轨迹运动，在至少部分离子摆线轨迹的区域内，磁场强度与电场强度同时降低。本发明通过使电场强度在至少部分离子摆线轨迹的区域内降低来补偿磁场的不均匀性带来的离子束展宽，从而可以使用较小的磁体，得到与均匀磁场情况下相同、甚至更佳的分辨率。