CN101330965B - 小型环形射频离子阱质量分析器 - Google Patents
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Abstract
一种尽管尺度缩小了，但保持与传统3D四极离子阱大致相同的离子俘获体积、利用1kVp-p数量级的RF俘获电压工作、缩小形式的环形射频(RF)离子阱质量分析器，其中，弯曲的几何形状使构成紧凑的质量分析器成为可能和使与传统电子倍增管的接口连接变得容易。
Description
相关申请交叉参考
本申请要求2005年12月13提出、序号为60/750,277、卷号为05-62的美国临时专利申请的优先权，并通过引用包含其中的所有主题。
本发明得到美国国防部国防威胁减灭机构在合同号DTRA01-03-C-0047PZ00001下和Dugway试验场在合同号DABJ19-03-C-0005下的政府支持。
技术领域
本发明一般涉及按照带电粒子的质荷比和源自原子、分子、粒子、亚原子粒子和离子的带电粒子的离子存储、分离和分析。更具体地说，本发明是将小型环形配置用于质量分析器进行质谱分析的相对小和便携式设备。
背景技术
质谱分析持续作为对多种多样样本中的化学元素和化合物进行识别和定量的重要方法。质谱分析的高灵敏度和选择性尤其可用在威胁检测系统(例如，化学和生物试剂、爆炸物)、法庭调查、环境现场监视、和非法药物检测/识别应用等中。因此，对可以在现场工作的可靠质量分析器的需求使便携式设备变得更加合适。开发便携式质谱仪的一些关键因素是缩小尺寸、减轻重量和降低功耗，以及降低支持要求和成本。
离子阱(IT)质量分析器因其简单性而被发明者们选为小型化的候选者。例如，IT分析器天生就小，即使在商业上实现它。IT分析器只含有相对应其它类型的质量分析器不需要高精确对准的几个离子光学元件。另外，因为它们是俘获设备，所以可以在单个质量分析器中进行多种状态的质谱分析(MS)。离子阱的工作压强高于其它形式的质谱分析，使较不严格的泵送要求成为可能。而且，因为射频(RF)俘获电压与分析器径向尺度的平方成正比，所以适中缩小分析器尺寸会导致工作电压显著降低。这又导致功率要求降低。缩小分析器尺寸的另外潜在好处是可以更进一步放宽真空要求的较短离子路径长度。实际上，由于MS小型化的一些最受限制方面不是在离子光学部件方面，而是在真空和其它支持组件方面，所以较短的离子路径长度尤其重要。
将离子阱质谱仪小型化的能力依赖于几个问题，包括空间电荷和加工容限。目前已有利用传统离子阱几何形状(即，双曲面)的小型离子阱。为了理解本发明的相关尺寸与现有设备的状态的差异，应该知道，对于本申请而言，在传统或全尺寸环形3D质量分析器中，也称为r0的环形俘获体积的直径的标称值被认为近似等于1cm(厘米)。
此外，重要的是，随着这些设备越来越小，加工容限在俘获场缺陷方面起越来越重要的作用。因此，将几何形状简化成更容易加工的图案具有超过现有技术的优点。
因为柱形的简单直线比双曲面容易加工得多，尤其在小尺度上，所以人们已经将柱形离子阱质量分析器小型化。当像针对柱形离子阱的情况那样，分析器电极的几何形状严重偏离理论几何形状时，需要进行校正将俘获场电势恢复成它们的理论值。建模和模拟程序已经广泛应用在这种任务中。
不利的是，在现有质量分析器的状态下，缩小分析器尺寸得到的好处(例如，由重量减轻和尺寸减小带来的便携性增强、RF发生器功率降低、和真空要求放宽)可理解地被离子存储容量的减小抵消掉。伴随着这种容量减小的是根据离子-离子排斥，导致质量分辨率下降和质量峰漂移的空间电荷条件的提前出现。解决离子质谱仪中的这种制约的努力导致几种不同途径。例如，排列几个体积缩小柱形离子阱是恢复损失离子存储容量的一种途径。更近一些，人们还开发了径向或轴向喷出的线性离子阱。离子存储容量的增大是由可贯穿二维四极棒阵列的整个长度获得的体积引起的。这些设备现在可容易地以商品形式获得。
由于与将柱形离子阱几何形状用于近似3D四极离子俘获场的那些相似的原因，已有人报告使用长方形棒组件取代较传统的双曲四极棒表面的直线离子阱。所有这些线性设备都通过在四极子阵列的每一端上将离子门应用于传统2D四极子来扩大离子存储容量。人们还报告了线性四极子的阵列。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种利用小型环形射频(RF)离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；在灯丝端盖和检测器端盖中部署多个狭缝和桥，其中，所述多个桥凹入到低于灯丝端盖和检测器端盖的表面的位置，以将四极俘获场的不连续性最小化；提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；以及提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源。
根据本发明的另一个方面，提供一种利用小型环形射频(RF)离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；在检测器端盖与检测装置之间部署检测器门，其中，检测器门控制离子从俘获体积到检测装置的流动，从而延长寿命，降低潜在噪声，并提高检测装置的占空比；提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；以及提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源。
根据本发明的另一个方面，提供一种利用小型环形射频离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；为俘获体积的半径选择能增强与检测装置的入口锥的离子光学耦合的尺寸；以及提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源。
根据本发明的另一个方面，提供一种利用小型环形射频离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的系统，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述系统包含：包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源；和灯丝端盖和检测器端盖中的多个狭缝和桥，其中，多个桥凹入到低于灯丝端盖和检测器端盖的表面的位置。
根据本发明的另一个方面，提供一种利用小型环形射频离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的系统，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述系统包含：包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源；和检测器端盖与检测装置之间的检测器门。
根据本发明的另一个方面，提供一种利用小型环形射频(RF)离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源；并且其中，所述质量分析器适用于要求将质量分析器用于桌面环境之外的便携式应用。
在第一实施例中，本发明是尽管尺度缩小了，但保持与传统3D四极离子阱大致相同的离子俘获体积、利用小于大约1kVp-p的RF俘获电压工作、近似1/5比例形式的环形射频(RF)离子阱质量分析器，其中，弯曲的几何形状使构成紧凑的质量分析器成为可能，并使与传统电子倍增管的接口连接变得容易。
通过结合附图进行如下详细描述，本发明的这些和其它目的、特征、优点和可替代方面将变得清楚。
附图说明
图1是将灯丝端盖移去使离子存储区域暴露出来的小型环形RF离子阱分析器；
图2是示出主要部件的小型环形RF离子阱分析器的剖面示意图；
图3是小型环形RF离子阱分析器的透明示意图；
图4是小型环形RF离子阱分析器的照片；
图5是利用七种化合物的质量校准；
图6是针对n-丁(基)苯获得的光谱；m/z91峰的FWHM质量分辨率是0.4da；
图7是示出所有氙同位素的分辨率的针对氙获得的光谱；
图8是在低样本压强和短电离时间下针对萘获得的光谱；
图9是含有三个狭缝且没有凹进桥的端盖(灯丝或检测器)的透视图；
图10是图9的端盖的剖面图；
图11是含有三个狭缝和三个凹进桥的端盖(灯丝或检测器)的透视图；
图12是图11的端盖的剖面图；
图13是用检测器门保护检测器的检测器端盖的透视图；和
图14是图13的端盖的剖面图。
具体实施方式
现在参照对本发明的各种各样元件指定标号和对本发明加以讨论以便使本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明的附图。应该明白，如下的描述只是对本发明原理的示范，而不应该看作限制所附权利要求书的范围。
提供超过其它设计的扩大离子存储容量和适合小型化的一种分析器配置是环形RF离子阱。环形RF离子阱可看作是在空中绕边缘旋转的传统3D离子阱剖面，或弯曲的和端端相连的线性四极子。在每一种情况下，存储区的弯曲引起的四极俘获场的畸变使设备的性能变差，有必要对电极的形状进行校正，以便生成必要俘获场。场校正的结果是有意加入轻微非线性(主要是八极)场分布的一阶二维四极俘获场，以便改善离子喷出特性。
由于其几何形状，环形RF离子阱通过使离子分布在圆形存储环内将它们存储在相应大的体积内。基于以前报告的环形RF离子阱几何形状的小型离子阱质量分析器已经制造出来，并且已经获得了初步的数据。
小型分析器应用与它的较大先前分析器相同的优化几何形状(非对称形状电极)。由于环形RF离子阱的径向尺度(r0)缩短了，因为设备的半径与RF工作电压之间的反比关系，可以看到，它在低很多的RF电压(V)下工作。
尽管径向尺度缩短了，但小型环形RF离子阱具有与1cm径向尺度的全尺寸商用离子阱质谱仪近似相同的离子存储体积。但是，取代像在商用离子阱的情况中那样，在大约15kVp-p的RF电压下工作，这种设备在1kV的数量级下工作。
环形RF离子阱几何形状与小型质量分析器一样，提供了一些独特优点。作为离子阱，它保留了前面讨论过的所有优点(即，尺寸、电极的简单性、压强容限、MSn等)。所有离子都包含在单个俘获场内，因此，与阵列不同，不需要关心使各自阵列匹配或使离子源或检测器接口连接，以保证相等的照度或从阵列的每个单元中的取样。事实上，圆形提供了可以容易地与离子发生器和电子倍增管检测器接口连接的紧凑几何形状。
最后，与传统线性四极离子阱相反，俘获场在整个俘获体积内都是均匀的(即，由于俘获体积是环状的，不存在末端效应)，并且同时喷出给定质荷比(m/z)的所有离子。
如图1-4所示，小型环形RF离子阱10由三个部分组成：离子发生器组件12、俘获区14和检测器组件16。
离子发生器组件12是质量分析器的离子源。因此，离子源包括本领域的普通技术人员所知、在外部产生离子和在俘获体积内生成它们的所有手段。
如在图1的照片和图2的剖面图中看到的那样，俘获区14由四个分立电极(灯丝端盖18、检测器端盖20、内环电极22和外环电极24)形成。四个电极18、20、22、和24的名称从它们的3D陷阱源头沿袭下来，指示它们在组件中的地点(即，灯丝端盖18是与离子发生器最接近的电极；检测器端盖20是与检测器最接近的电极等)。虽然只要考虑剖面俘获几何形状，3D离子阱特性仍然使传统‘轴向’和‘径向’尺度术语有效，但线性四极模型似乎更合适。
为了符合惯例，这里将x维定义成非喷出维(朝着内外环22，24)，将y维定义成喷出维(朝着灯丝端盖18和检测器端盖20)，z维与环形俘获场垂直。电极18、20、22、和24通过精密加工316不锈钢而成，加工容限规定为0.0005inch(英寸)。环形组件10的尺度缩小到原来(全尺寸)形式的尺寸的1/5，但保持为原来形式确定的针对俘获场的相同形状校正。小型设备的半径(r0)是0.2cm。垫片通过加工氧化铝或VespelTM而成，提供允许气体导入和导出俘获区的狭缝。利用投入放电加工(EDM)技术将尺度为0.28mm(毫米)的进入和退出狭缝加工成两个端盖18，20，使电离电子进入俘获区中和使喷出离子退出到检测器组件16中的检测器中。
认为小型环形RF离子阱质量分析器甚至可以缩小到更小的尺寸，也许小到传统3D配置的尺寸的1/50。
小型电子枪30被设计成通过三元件Einzel透镜32，然后通过环状端盖狭缝的一小部分聚焦由加热灯丝的发射形成的源电子。电子聚焦组件的中间透镜(L2)也起启动或停止电离的门的作用。设计定制电路以使L2电压在-50V(停止电离)和+125V(允许电离)之间变化。电流控制电源(Lambda，型号LPT-7202-FM)提供20eV(电子伏特)标称电子能量和1.5A(安培)标称灯丝电流。
由于分析器的尺寸较小，所以使用更坚固的连续倍增极电子倍增管检测器(CDEM)34取代以前用在原来形式中的微通道板检测器。定制CDEM(检测器技术)已开发出来，对于达到10-1mbar(毫巴)的压强，在大约1kV上提供＞105的增益。定制电路对检测器端盖与电子倍增管之间的透镜元件提供门控电压。这个电路在检测器关门配置与检测器开门配置之间切换。高压电源(Bertan/Spellman，型号230)提供检测器偏压。
RF俘获场利用标称频率为1.9MHz(兆赫)的定制C类自共振储能电路建立。将RF信号施加于内环22和外环24。RF俘获电压的幅度在扫描的电离和离子冷却部分期间通常是大约100-200Vp-p。在质量分析期间，视所需的质量范围而定，RF幅度接着在200ms(毫秒)的过程中被扫描到大约700-1200Vp-p。在每次扫描结束时，RF幅度在短(5ms)的时间间隔内下降到零，使所有剩余离子在下一次扫描之前离开陷阱。任意波形发生器(Agilent，型号33250A)都可以用于在RF扫描期间提供产生光谱的共振喷出频率(900kHz，8Vp-p)。这个信号通过定制Balun放大器施加于端盖18和20两者，定制Balun放大器也包含DC补偿电路，以允许改变Mathieu‘a’参数。
如图3所示的整个质谱仪分析器10的直径只有5cm和长度只有10cm，包括离子发生器组件12和当前构成长度的主要部分的检测器组件16。质谱仪封装在通过230L/s(升每秒)涡轮泵(BOC Edwards，型号EXT255)承送的定制真空室中，230L/s涡轮泵由20m3/h(立方米每小时)机械泵(BOC Edwards，型号E2M18)支持。利用全范围冷阴极真空计和控制器(Pfeiffer，型号FJKR 251/261)监视压强。所有压强读数作为未校正值报告。
通过精密针形阀(Nupro/Swagelok)或可变漏泄阀(Granville-Phillips)将纯净的样本直接引入真空室中。所有样本都具有如制造者供应的试剂级别。
将简单四段扫描功能用于获取数据。接在电离间隔(10-100ms)后面的是离子冷却间隔(大约10-30ms)。扫描功能的第三段使RF斜升，以进行质量分析，后面接着关闭RF和从俘获体积14中消除所有离子，为下一次扫描作好准备的时间间隔(大约5ms)。扫描功能各段的定时由PIC-16C770(微芯片技术，Microchip Technology)数字微控制器控制。PIC可通过I2C接口编程。基于Windows控制程序Aardvark I2C控制中心(Control Center)(全相，Total Phase)用于设置PIC中的定时值，然后，来自PIC的数字I/O输出用于控制信号获取积分器的初始化、RF斜升的开始、任意波形发生器的控制、离子发生器和检测器的门控、和RF启动/停止状态。
与多端口连接器面板(National Instruments，型号BNC 2110)耦合的多功能数据获取(DAO)板(National Instruments，型号6115，Austin，TX)用于将可变调制电压提供给RF发生器，以便控制RF斜升。利用定制前置放大器积分来自检测器的信号，并且将它发送到数字示波器(Aglient，Model 64522A)或通过多功能DAO的模拟-数字信道之一进行数字化的DAO板。
同步脉冲使信号积分器和RF斜升同步开始。信号积分器以30kHz工作，每33.3μs(微秒)提供一次数字化信号强度。典型RF扫描在200ms内将覆盖近似300dalton(道尔顿)，允许近似于0.67毫秒每道尔顿。因此，在30kHz下，在每个标称质量上获得近似20个样本。输出中的信号积分的数量与时间存在线性关系，因此，信号积分器计数用于校准获取数据的质量刻度。
在用Labview 7.1(National Instruments)编程的定制仪器控制屏幕上控制和显示操作者输入和数据输出。为了显示的数据操纵包括求谱平均(通常，4-8次扫描)、Hanning(汉宁)滤波、和散粒噪声消除。显示在后面图中的所有数据都是来自如显示在用户界面上的获取信号的直接屏幕转储。
由于环形RF离子阱10是二维俘获设备，如果应用于补偿分析器弯曲引起的畸变的场校正是足够的，剖面俘获场应该看起来非常像线性四极子。这暗示着，与传统3D离子阱不同，x和y维的q值(因此，β值)应该相同。因此，这要求x和y维的离子长期频率即使不相同，也是相似的。因为预计存在高阶场的重要贡献(有意或无意引入的)，所以预计存在沿着x和y维的离子运动的耦合。在共振喷出期间与离子y维运动耦合的能量随后可以与x维运动耦合，在质量分析期间引起离子云扩散。已经发现，将小量直流(dc)电压加在端盖18和20或环电极22和24上可以改善获取数据的质量分辨率。dc成分改变稳定性等式中的Mathieu‘a’参数。因为在2D四极子设备中，只有对于零的a值才βx＝βy，所以任何a值变化都将分开βx和βy参数(相应于，分开x和y长期频率)。通常，在工作期间通过Balux盒将负电压(大约-1伏)施加在端盖18和20两者上以达到这个目的。
这里针对七个不同样本(苯、n-丁(基)苯、甲苯、氯苯、萘、氙和甲基萘)获得了质谱数据，将它们用于创建如图5所示的质量校准图。由于RF幅度被线性扫描，并且样本积分器在RF斜升开始时启动，所以在积分器样本数量与RF幅度之间存在直线关系。校准表示出了质量与RF幅度之间的预期线性关系。
针对n-丁(基)苯(样本压强1×10-5mbar，未校正)获得的光谱显示在图6中，插图示出了可清楚分辨的在m/z＝91，92上的双峰。对在m/z＝91上的峰的质量分辨率测量得出0.4道尔顿·半峰高全宽(FWHM)。该光谱是在200ms内将RF幅度从190Vp-p扫描到1200Vp-p获得的。RF频率是1.9MHz，900kHZ(对应于近似0.95的βeject值)的共振喷出频率用于在RF幅度扫描期间喷出离子。在RF扫描期间将-890mV(毫伏)的DC偏置施加于端盖18和20(即，a≠0)。
图7示出了针对氙获得的光谱。观察到预期同位素谱图和每个同位素都可清楚分辨。尽管处在早期发展阶段，但为压强低到2×106mbar和电离时间短到20ms的样本获得了高信噪比的光谱。在这些条件下针对萘的光谱显示在图8中。萘光谱中在m/z＝102上的小峰仍然可清楚观察到。
环形RF离子阱质量分析器的进一步小型化很大程度上受加工容限限制。如上所述，加工期间的电极尺度规定为处在或接近当前加工能力极限的0.0005英寸容限。在开发期间，当利用传统氧化铝抛光方法不恰当地清洁原型分析器时，这种设备的容限的重要性尤其突出。外环电极24的形状在清洁期间改变如通过坐标测量仪测量的近似0.005英寸，当重新组装和测试系统时，这导致离子信号完全丢失。只有替换外环电极24才能恢复正常系统性能。
继续努力优化包括RF驱动频率βeject值和Mathieu a值(来自将DC偏置施加于端盖)的工作参数，可以进一步提高质量分辨率。另外，RF放大器的进一步改善(更高的频率、提高的频率和幅度稳定性)也将使质量分辨率得到提高，这可以使当前慢扫描速度得到提高而不牺牲单位质量分辨率。作为原型系统，电缆敷设和屏蔽不是最佳的，这导致高于所需的系统电子噪声水平。
最后，可以利用像“FemlabTM”或“POISSONTM”(Los AlamosNational Labora-tory)那样的电场分析程序进行附加俘获场模拟，以便进一步改进环形俘获场的质量。以前致力于对全尺寸形式的几何形状优化只关注俘获场的一维，即，喷出(y)维。已经知道，非喷出维(x)仍然具有重要非线性特征。
应该记住，如上所述的环形RF离子阱质量分析器的维仅仅用于例示。不应该认为本发明受特定的维或给定的其它工作参数限制，而应该仅仅当作一个例子。正如本领域的普通技术人员所理解的那样，可以修改许多维和工作参数，而质量分析器仍然像所需的那样工作。
考虑到以前在现有技术中已经讲述了小型环形RF离子阱分析器的事实，讨论在它的设计中使分析器能够以最佳方式工作的改进是适当的。
在本发明的第一实施例中，必须设置让离子进出由端盖18和20以及内环22和外环24限定的俘获区14的装置。离子进入和喷出是通过灯丝端盖18和检测器端盖20中的狭缝和凹进桥完成的。
随着离子阱质量分析器的分析器尺度越来越小，加工和其它场缺陷越来越重要，对离子阱的俘获和质量分析能力造成有害影响。俘获场的不连续性本身表现为对所需基本四极俘获场的干扰。均匀的俘获场要求电极表面在整个俘获体积内是相同的。但是，为了让电子或离子在电离期间进入俘获体积中和在扫出期间喷到检测器中，必须在灯丝端盖18和检测器端盖20中切出狭缝。为了保持灯丝和检测器端盖18和20的内部分42和外部分44之间的连接，不能将圆柱整圈都切成狭缝。因此，在内部分42和外部分44之间必须用桥连着。
图9是作为端盖的透视图提供的，其中，灯丝端盖18和检测器端盖20必须都让离子从它们中间通过。于是，所示的端盖(下文指灯丝端盖18或检测器端盖20)含有基本上形成内部分42和外部分44的三个狭缝40。注意，在这个图形中，三座桥46未凹入到低于端盖的表面的位置，而是与内部42和外部44的表面齐平。认识到如有需要可以修改穿过端盖的狭缝的数量是重要的，在这个实施例中示出的三个数量不是限制本实施例的因素。
图10是作为如图10所示的端盖的剖面图提供的。狭缝40将内部42和外部44完全分开。桥46被显示成与内部42和外部44的表面齐平。这些桥46(当在俘获场或端盖电极的表面上时)造成俘获场不连续，因此最好使它们的影响达到最小。
图11是作为仍然含有三个狭缝40的端盖的透视图提供的。但是，三个桥48现在凹入到低于端盖的表面的位置。凹桥48在如图12所示的端盖的剖面图中可看得更清楚。因此，本发明的第一实施例包括只有部分穿过端盖电极的整个厚度的360°整圆的狭缝。使用时，机械桥48在狭缝40内凹进去。在俘获区14中的离子存储期间，离子在俘获场的附近看到均匀的狭缝40，这样，使桥48对俘获场的影响达到最小。
在第二实施例中，本发明的另一个方面是优化小型环形RF离子阱分析器的尺寸。传统全尺寸商用3D离子阱质量分析器具有1cm数量级的俘获室半径。这样，对于650da(道尔顿)的最大质量范围和1.1MHz的工作频率(Ω)，施加于环电极的最大RF电压近似等于15kVp-p。相对照，径向尺寸相同和环面的半径(R)与剖面俘获场的半径(r0)之比为近似3∶1的环形离子阱几何形状具有大约400倍于传统3D分析器的存储体积。这个较大的离子存储容量可以折抵分析器尺寸。换句话说，存储体积与传统设计的离子阱近似相同的环形RF离子阱可以小得多。由于上述原因，所得较小离子阱工作参数由如下线性四极Mathieu稳定性等式决定：
由于离子阱的体积随俘获场的半径(r0)缩短而减小，保持相同俘获条件所需的RF电压(V)随r0变化的平方而降低。尺寸缩小量的考虑包括1)与检测器的入口锥(entrance cone)的离子光学耦合；和2)质量范围和RF最大工作电压。r0的缩短不仅导致质量分析器较小，而且导致RF工作电压较低。r0的值可以这样选择，使缩小环形RF离子阱分析器的近似离子存储容量与半径为1cm的传统3D商用离子阱相似。
质量分析器的尺寸的优化也应该理解为能力的提高。较小的质量分析器使离子更易于移入俘获体积中和更易于移出到检测器中。
在本发明的第三实施例中，本发明的另一个方面是最好在电离期间防止俘获体积内外的离子进入检测器中。这些离子有几种来源。例如，在发生电离事件期间，大离子流通过离子阱分析器间接(通过散射)到达检测器组件16中的检测器，或由于稳定性参数在稳定性边界之外的形成，这样，直接从陷阱喷出进入检测器中的离子。这种过度的非质量分析电流造成缩短检测器寿命的有害影响。最好在电离期间防止检测器信号，从而延长检测器的寿命。
解决这个问题的一种途径是在电离期间关闭检测器，然后重新打开用于随后的质量分析扫描。但是，施加和去掉检测器电压在典型检测器的工作电压(＞1kV)下是缓慢的，从而降低了系统的占空比。
传输网格足以阻止离子到达检测器，但它们也存在在分析扫描的质量分析部分期间使信号衰减的有害影响。因此，在本发明的实施例中，包括当被偏置时防止离子束进入检测器组件16的环状检测器门(gate)是有利的。
图13是作为环状检测器门50的透视图提供的。图14是作为剖面图提供的。在电离期间将双极电压(+/-)施加于门50的内部52和外部54，使喷出离子偏离狭缝。当门50的两个部分52和54上的电压被切换成相同极性(通常是地或稍负电压)时，门可以起帮助束流聚焦到检测器上的透镜的作用。但是，门也可以不聚焦离子，而仅仅使它们传输到检测器。
另外，检测器门缝56被安排成不存在从灯丝到检测器区的视线，因为检测器门中的桥有效地阻断了那种路径。由于门的使用使检测器电压在整个扫描期间都保持在施加状态，这种‘桥’对准也有助于在电离期间减小检测器信号量。
除了延长检测器寿命之外，检测器门还提供了其它好处。例如，使用检测器门可以使检测器总是保持接通。通过使检测器保持接通，从质量分析器的占空比中消除了要不然需要接通和断开供应给检测器的高压电源的有限时间量。结果是提高了分析扫描的占空比。
检测器门的另一个好处是如本领域的普通技术人员所知，降低了系统的潜在噪声。
应该明白，上述的布置只是为了例示本发明原理的应用。本领域的普通技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下设想出许多修改和替代布置。所附权利要求书旨在涵盖所有这样的修改和布置。
Claims (26)
1.一种利用小型环形射频(RF)离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：
提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；
在灯丝端盖和检测器端盖中部署多个狭缝和桥，其中，所述多个桥凹入到低于灯丝端盖和检测器端盖的表面的位置，以将四极俘获场的不连续性最小化；
提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；以及
提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：以等于全尺寸环形射频离子阱质量分析器的1/2到1/50的比例制造小型环形射频离子阱质量分析器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：以近似1/5比例制造小型环形射频离子阱质量分析器，其中，环形俘获体积近似等于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的俘获体积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：由于其尺寸的缩小，降低小型环形射频离子阱质量分析器的功率要求。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：制造总是适合用在便携式应用中的小型环形射频离子阱质量分析器。
6.一种利用小型环形射频(RF)离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：
提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；
在检测器端盖与检测装置之间部署检测器门，其中，检测器门控制离子从俘获体积到检测装置的流动，从而延长寿命，降低潜在噪声，并提高检测装置的占空比；
提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；以及
提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：提供由内部分和外部分组成的环状检测器门。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：
利用不同电位偏置检测器门的内部分和外部分，使离子偏离检测装置；和
利用相似电位偏置检测器门的内部分和外部分，将离子传输到检测装置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：以等于全尺寸环形射频离子阱质量分析器的1/2到1/50的比例制造小型环形射频离子阱质量分析器。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：以近似1/5比例制造小型环形射频离子阱质量分析器，其中，环形俘获体积近似等于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的俘获体积。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：由于其尺寸的缩小，降低小型环形射频离子阱质量分析器的功率要求。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：制造总是适合用在便携式应用中的小型环形射频离子阱质量分析器。
13.一种利用小型环形射频离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：
提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；
提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；
为俘获体积的半径选择能增强与检测装置的入口锥的离子光学耦合的尺寸；以及
提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：提供由内部分和外部分组成的环状检测器门。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：为俘获体积的半径选择考虑到离子的质量范围和射频最大工作电压的影响的尺寸。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：对准检测器门中的多个狭缝，以使不存在从离子和电子源到检测装置的视线，从而在将离子引入俘获体积期间减小检测器信号。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：以等于全尺寸环形射频离子阱质量分析器的1/2到1/50的比例制造小型环形射频离子阱质量分析器。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：以近似1/5比例制造小型环形射频离子阱质量分析器，其中，环形俘获体积近似等于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的俘获体积。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：由于其尺寸的缩小，降低小型环形射频离子阱质量分析器的功率要求。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：制造总是适合用在便携式应用中的小型环形射频离子阱质量分析器。
21.一种利用小型环形射频离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的系统，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述系统包含：
包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；
检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；
通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源；和
灯丝端盖和检测器端盖中的多个狭缝和桥，其中，多个桥凹入到低于灯丝端盖和检测器端盖的表面的位置。
22.一种利用小型环形射频离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的系统，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述系统包含：
包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；
检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；
通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源；和
检测器端盖与检测装置之间的检测器门。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，检测器门进一步由环状检测器门组成，环状检测器门由内部分和外部分组成。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，该系统进一步包括偏置装置，偏置装置用于以不同或相似的方式偏置检测器门的内部分和外部分，从而使离子偏离检测器门或通过检测器门。
25.一种利用小型环形射频(RF)离子阱质量分析器、按照源自原子、分子、亚原子粒子和离子的带电粒子的质荷比分离离子的方法，其中所述小型环形射频离子阱质量分析器具有相对于全尺寸3D射频离子阱质量分析器的缩小的尺寸，所述方法包含如下步骤：
提供包括灯丝端盖、检测器端盖、内环和外环的俘获体积，从而生成用于存储离子的四极俘获场；
提供用于检测通过检测器端盖从俘获体积喷出的离子的检测装置；
提供用于产生离子和通过灯丝端盖将离子引入俘获体积中的离子源；并且
其中，所述质量分析器适用于要求将质量分析器用于桌面环境之外的便携式应用。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，该方法进一步包含如下步骤：将质量分析器配置成只适用于手持操作。
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