CN101523547A

CN101523547A - 双极质谱仪

Info

Publication number: CN101523547A
Application number: CNA2007800369160A
Authority: CN
Inventors: 王亦生; 陈仲瑄; 蔡尚庭; 陈邱文
Original assignee: Academia Sinica
Current assignee: Academia Sinica
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-09-02
Also published as: WO2008042949A2; EP2084731A2; US20080078928A1; TWI362051B; TW200818235A; WO2008042949A3; JP2010506361A; US7649170B2

Abstract

一种双极质谱仪，其包括一离子源电极、一第一质量分析器及一第二质量分析器，其系同步量测一样品物质的负离子及正离子之质谱。其中，离子源电极具有一样品表面(sample surface)，样品表面上系设置有样品物质，当以一激光束或一高能粒子束激发样品物质时，样品物质系产生正离子及负离子；一第一汲取电极之电压系高于样品表面之电压以便自样品表面吸引负离子，且一第二汲取电极之电压系低于样品表面之电压以便自样品表面吸引正离子；第一质量分析器及第二质量分析器系分别用以分析负离子及正离子。

Description

双极质谱仪

技术领域

本发明系关于一种双极性质谱仪。

背景技术

质谱仪通常可以用来鉴定构成固态、气态或液态样品之化学成分及含量。一般而言，质谱仪可以利用离子的荷质比来分离及分析离子。例如，一种习知的飞行时间质谱仪包含一具有电极之加速区域，电极系产生一电场以加速正离子(阳离子)或负离子(阴离子)、并将离子导向飞行管之一端。此时，较重的离子以较低的速度行进，而较小的离子则以较高的速度行进。在飞行管的另一端设有一侦测器以侦测离子，因此此种质谱仪可以根据各离子行经飞行管长度所花的时间来计算出荷质比。

一般来说，带正电及带负电之粒子皆可经由离子化的步骤自样品转化出来。然而，在同一时间内，习知的单极质谱仪仅可以单独测量正离子或负离子，但不能同时侦测两种离子。这样的侦测方式将无法捕捉所有样品的信息，甚至可能遗漏离子的一些型态及含量等信息。不同于上述之单极质谱仪，习知的双极质谱仪(例如气溶胶飞行时间质谱仪)可以同时侦测正离子及负离子；如上所述，气溶胶飞行时间质谱仪可以利用藉由引导气流通过喷嘴以产生一路径集中的粒子束，进而确认悬浮微粒的大小及其化学成分。粒子在到达离子化区之前是保持电中性的状态，并在离子化区受到雷射激化，进而离子化为带正电或带负电的碎片分子；此时，带电的分子即可藉由双极飞行质谱仪分析，而双极飞行质谱仪通常具有二飞行管，其系分别分析带正电及带负电的粒子。

发明内容

本发明之一实施态样系揭露一种双极质谱仪，其系同步鉴定由一静态样品物质所产生之负离子与正离子的质谱。在本发明中，样品物质系制备于一离子源电极之一表面上，而非气溶胶飞行时间质谱仪只能适用于悬浮微粒。离子源电极与数个汲取电极分别产生电场，此电场使得样品物质所产生之负离子与正离子能够被汲取脱离样品表面，并分别导入二个加速区段，由一负离子质谱仪与一正离子质谱仪分析。

承上所述，依本发明之双极质谱仪能够用来分析下列物质，如盐类、合金、半导体物质、半导体晶粒、粒子、化学物质、生物分子、生理液、生物组织、皮肤、金属及电浆。样品物质在离子化前为静态，且样品物质之尺寸系约为数公厘或者更大。双极质谱仪可以只汲取样品物质之表层所产生之负离子及正离子，藉以分析样品物质之表面特性，亦可以分析样品物质之表层下的深层特性。

本发明之另一实施态样系揭露一种设备，其包括一离子源电极、一第一汲取电极与一第二汲取电极。在本发明中，离子源电极具有一样品表面(samplesurface)，其中样品表面上系设置有一样品物质，且当以至少一激光束或一高能粒子束激发样品物质时，样品物质至少提供数个正离子及数个负离子。第一汲取电极之电压系高于样品表面之电压，以便自样品表面吸引负离子；第二汲取电极之电压系低于样品表面之电压，以便自样品表面吸引正离子。其中第一汲取电极具有可供负离子通过之一开口，第二汲取电极具有可供正离子通过之一开口，且第一汲取电极与第二汲取电极系设置于离子源电极之相对两侧。

承上所述，离子源电极可以具有一第一屏壁及一第二屏壁。第一屏壁具有可供负离子通过之一第一开口，第二屏壁具有可供正离子通过之一第二开口，且第一屏壁系位于样品表面及第一汲取电极之间，第二屏壁系位于样品表面及第二汲取电极之间。样品表面、第一屏壁及第二屏壁可以具有相同电压；另外，本发明设备可以包括一第一质量分析器及一第二质量分析器，其中第一质量分析器系分析通过该第一开口之负离子，第二质量分析器系分析通过该第二开口之正离子。第一质量分析器可以至少包括一飞行管，一四极柱质量分析器，一离子阱，一扇形磁场质量分析器，一傅立叶转换离子回旋共振质谱仪或一动量分析器；当然，第一质量分析器亦可包括一第一侦测器，其系具有一闪烁离子侦测器，一微通道板侦测器，一电子倍增器或一电流侦测器。第二质量分析器可以至少包括一飞行管，一四极柱质量分析器，一离子阱，一扇形磁场质量分析器，一傅立叶转换离子回旋共振质谱仪或一动量分析器；当然，第二质量分析器亦可包括一第二侦测器，其系具有一闪烁离子侦测器，一微通道板侦测器，一电子倍增器或一电流侦测器。第一屏壁及第二屏壁系以一通过样品物质之平面对称设置。第一汲取电极及第二汲取电极亦可以一通过样品物质之平面对称设置。第一屏壁之第三开口及第二屏壁之第四开口系分别为一狭长形开口或长方形开口。离子源电极可具有一介质辅助雷射脱附离子化(MALDI)离子源，一表面强化雷射脱附电离(SELDI)离子源或一雷射剥蚀离子源。此外，本发明之设备可以更包括一第三质量分析器，其系分析样品物质射出之中性粒子。

本发明之另一实施态样系揭露一种设备，其包括用以改变数个正离子及数个负离子之行进方向、并加速正离子及负离子的数个电极。其中该等电极系具有连接至数个电压之数个表面，该等表面系产生电场藉以形成一第一轨迹调整与加速区段，一第一轨迹微调与引导区段，一第二轨迹调整与加速区段及一第二轨迹微调与引导区段。第一轨迹调整与加速区段之电场系改变负离子的行进方向，使其朝向第一轨迹微调与引导区段方向前进，接着第一轨迹微调与引导区段之电场引导负离子进入第一质量分析器；另外，第二轨迹调整与加速区段之电场系改变正离子的行进方向，使其朝向第二轨迹微调与引导区段方向前进，接着第二轨迹微调与引导区段之电场引导正离子进入第二质量分析器。

承上所述，本发明之设备可以更包括一离子源，其系产生正离子及负离子。其中离子源系包括一介质辅助雷射脱附离子化(MALDI)离子源，一表面强化雷射脱附电离(SELDI)离子源，一电喷洒游离化(ESI)离子源，一电子撞击式(EI)离子源，一二次离子源或一化学游离化(CI)离子源。离子最终获得之总加速能量至少为离子于轨迹调整区段中的平均加速能量的10倍。

本发明之另一实施态样系揭露一种双极飞行时间质谱仪，其包括一双极离子产生器、一第一飞行管、一第一离子侦测器、一第二飞行管、及一第二离子侦测器。其中，双极离子产生器用以产生正离子及负离子，第一飞行管及第二飞行管分别接收负离子束及正离子束。第一离子侦测器侦测在第一飞行管中行进的负离子，第二离子侦测器侦测在第二飞行管中行进的正离子。承上所述，双极离子产生器包含一离子产生器及数个电极，离子产生器系用以自样品表面产生正离子或负离子，电极系产生电场，以便将负离子集中并形成负离子束；另外，电场亦可用以将正离子集中并形成正离子束。

本发明之另一实施态样系揭露一种方法，其包含下列步骤：首先，自样品表面产生正离子及负离子，接着利用电场之一第一区域将负离子导引至一第一质量分析器，以及利用电场之一第二区域将正离子导引至一第二质量分析器，最后，利用第一质量分析器分析负离子以及利用第二量分析器分析正离子。

承上所述，在本发明中，将负离子导向第一质量分析器之步骤可能包含将负离子穿过一第一屏壁定义的一第三开口，而将正离子导向第二质量分析器之步骤可能包含将正离子穿过一第二屏壁定义的一第四开口。此外，本发明之方法可能更包含例如连接样品表面、第一屏壁及第二屏壁至相同电压，以及分析自样品物质射出之中性粒子等步骤。再者，将负离子导向第一质量分析器之步骤可以利用电压高于样品表面之一第一汲取电极来加速负离子导向第一质量分析器，而将正离子导向第二质量分析器之步骤可以利用电压低于样品表面之一第二汲取电极来加速正离子导向第一质量分析器。另外，本发明之方法可能更包含将第一汲取电极及第二汲取电极对称设置于一通过样品物质之平面。

本发明之另一实施态样系揭露一种方法，其系包括下列步骤：首先，自样品表面提供正离子及负离子；其次，产生一第一电场，其中第一电场系形成一第一轨迹调整与加速区段，其系用来改变自样品表面射出之该等负离子之行进方向；然后，产生一第二电场，其中第二电场系形成一第一轨迹微调与引导区段，其系用来引导该等负离子；接着，产生一第三电场，其中第三电场系形成一第二轨迹调整与加速区段，其系用来改变自样品表面射出之该等正离子之行进方向；之后，产生一第四电场，其中第四电场系形成一第二轨迹微调与引导区段，其系用来引导该等正离子。

承上所述，在本发明中，样品表面可能设置在第一电场及第三电场影响所及之位置；另外，离子最终获得之总加速能量至少为离子于轨迹调整区段之平均加速能量的10倍。

综上所述，本发明揭露之设备及方法系具有下列优点：由于不因切换极性导致观测时间延迟，自样品物质产生之正离子及负离子皆在同时进行分析，因此质谱仪可以准确并实时地侦测正离子及负离子；在本发明中，质谱仪可用以侦测复杂的混合样品，而且质谱仪可用以观察样品物质中分子的离子化特性，亦可以观察介质辅助雷射脱附离子化(MALDI)离子源的离子化反应。另外，藉由比较正离子及负离子的质谱特性可以得到样品的质量及结构信息。再者，依本发明之设备及方法可以用来分析在样品表面之凝态样品，例如：生物组织样本可以设置在样品表面，且样品产生之中性粒子、负离子与正离子亦可同时被分析。此外，依本发明之设备及方法可用来分析样品表面之组成份，例如：生物组织的组成份或半导体芯片上选定之一点的杂质皆可藉由监测正离子及负离子来分析。

附图说明

图1及图2是本发明实施例之一双极质谱仪的示意图；

图3是本发明实施例之一双极离子产生器的示意图；

图4是本发明实施例之一双极质谱仪的剖面图；

图5是一电位场之示意图；

图6是本发明实施例之一双极离子产生器的剖面图；

图7是本发明实施例之一直流高压隔离器的电路图；

图8A及图8B是质谱仪之图谱；

图9是另一质谱仪之图谱；以及

图10是本发明实施例之一质谱仪的示意图，其系能够分析阳离子、阴离子及中性粒子。

实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例之双极质谱仪。

系统概论

如图1所示，依本发明实施例之一双极飞行时间(DTOF)质谱仪(MS)100可以同时测定负离子106及正离子110之质谱图谱。在本实施例中，负离子及正离子可由样品物质146产生，样品物质146系以例如混合介质分子与样品分子方式设置于一双极离子产生器102之一离子源电极的样品表面150上。当正负离子由雷射激发产生时，负离子及正离子会同时被汲取，并分别导向一负离子质量分析器104及一正离子质量分析器108。

承上所述，负离子质量分析器104包含一飞行管116及一负离子侦测器120，负离子侦测器120系侦测负离子106在通过飞行管116后之到达时间；另外，正离子质量分析器108包含一飞行管118及一正离子侦测器122，正离子侦测器122系侦测正离子110在通过飞行管118后之到达时间。在本实施例中，负离子质量分析器104及正离子质量分析器108系设置于离子产生器102之相对两侧，其特别是能够以对称之方式设置于离子产生器102之相对两侧。而侦测器120及122之输出信号290及292可以分别输入资料收集器192(例如一数字储存示波器或一计算机)中，以便纪录正离子及负离子的质谱图谱。

图2为依本发明实施例之一双极飞行时间质谱仪100的示意图，其中，双极飞行时间质谱仪100利用一介质辅助雷射脱附离子化(MALDI)离子源112产生负离子106及正离子110；在本实施例中，MALDI离子源112包含一包埋在介质中的样品物质146。另外，一雷射光源114系用以产生一激光束124，藉以激化样品146产生正离子110及负离子106。

在本实施例中，样品物质146可以是盐类、合金、半导体物质、半导体晶粒、粒子、化学物质、生物分子、生理液、生物组织、皮肤、金属及电浆，其中电浆可含有一由带电粒子组成之气体粒子束。在本实施例中，质谱仪100可藉由配置激光束124来激化样品表层而产生正负离子，如此即可用来分析样品物质146的表面特性；除此之外，质谱仪100亦可藉由使用激光束124层层剥除样品物质以露出样品物质之内部部位，并自样品物质之内部部位产生正负离子，进而分析样品物质表面以下之深层部位。

若使用习知的气溶胶飞行时间质谱仪(Aerosol TOF MS)进行分析，则微米大小以上之中性粒子样品物质必须沿着一路径加速。此飞行粒子在到达离子化位置时才会受激光束激化而产生离子；因此若样品物质为块状且未经切分成小片段，则气溶胶飞行时间质谱仪便无法分析样品物质的表面特性。相较之下，本发明实施例之质谱仪100在分析样品物质时，并不需要在离子化步骤之前先自样品物质产生微小的中性粒子。更甚者，本发明实施例之质谱仪100所用之样品物质尺寸可以为数毫米大，或者为更大的尺寸，只要样品物质可以设置于上述之离子源电极中即可。因此，利用本发明实施例之质谱仪100来测定物质之表面特性较容易，例如测定半导体芯片或一生物组织切片的表面成分。

离子产生器102系包含一离子源电极130及汲取电极126a、126b、128a及128b。在本实施例中，离子源电极130包含一样品表面150(如图3及图4所示)，样品物质146系放置在样品表面150上。其中，离子源电极130及汲取电极126a、126b、128a及128b皆安装用来产生电场，而这些电场系散布在数个区域，藉以加速及引导负离子及正离子朝向相反方向行进，进而将负离子及正离子分别导向飞行管116及118。

承上所述，这些电场将负离子106及正离子110分别导向负离子质量分析器104及正离子质量分析器108，如此一来具有相似荷质比的粒子大致上会以相同的速度进入相对应之质谱仪。

在本实施例中，汲取电极126a及126b系设置在离子源电极130之相对两侧，特别是以对称的方式设置于离子源电极130之相对两侧。同样地，汲取电极128a及128b系设置在离子源电极130之相对两侧，特别是以对称的方式设置于离子源电极130之相对两侧。

在本实施例中，总共有五个电场，其系分别由离子源电极130及汲取电极126a、126b、128a及128b所产生，如图3。其中，第一电场位于一开口区域300内部，开口区域300之三边系分别设有样品表面150、屏壁160之内表面及屏壁162之内表面；第二电场位于离子源电极130及汲取电极126a之间；第三电场位于离子源电极130及汲取电极126b之间；第四电场位于汲取电极126a及128a之间；第五电场位于汲取电极126b及128b之间。如图3所示，第二电场及第三电场系以对称之方式位于离子源电极130之相对两侧，且第二电场及第三电场之极性系相反；相同地，第四电场及第五电场系以对称之方式位于离子源电极130之相对两侧，且第四电场及第五电场之极性系相反

如图4所示，以下将利用具有x轴、y轴、及z轴之一笛卡儿坐标，来描述质谱仪100中的各成分的方位，而坐标轴原点位于样品表面150的中心点，该位置即样品物质146之设置位置。其中z轴系垂直于样品表面150，飞行管116及118的轴均平行于x轴，负离子106及正离子110分别沿着飞行管116及118朝向-x及+x方向行进。

在本实施例中，汲取电极126a之电压系高于离子源电极130之电压以便产生一电场，其系形成一第一离子轨迹调整与加速区段166a，藉以将负离子106朝向-x方向加速。另外，汲取电极128a之电压系略低于汲取电极126a之电压以便产生一电场，其系集中并调整负离子106的轨迹，因此负离子106可以沿着平行于飞行管116的轴向方向的路径前进。

汲取电极126b之电压系低于离子源电极130之电压以便产生一电场以形成一第二离子轨迹调整与加速区段166b，藉以将正离子110朝向+x方向加速；另外，汲取电极128b之电压系略高于汲取电极126b之电压以便产生一电场，其系集中并调整正离子110的轨迹，因此正离子110可以沿着平行于飞行管118的轴向方向的路径前进。

承上所述，汲取电极126a及128a所使用之电压与汲取电极126b及128b所使用之电压系与离子源电极130的电压呈对称，且它们具有与离子源电极130之电压相对的极性。举例而言，若汲取电极126a之电压以一定电压差高于离子源电极130的电压，则汲取电极126b之电压以相同电压差低于离子源电极130的电压。

负离子侦测器120与正离子侦测器122皆可以是一微通道板侦测器。在本实施例中，负离子质量分析器104及正离子质量分析器108设置在离子产生器102的相对两侧，特别是负离子质量分析器104及正离子质量分析器108以对称之方式设置在离子产生器102的相对两侧。另外，离子产生器102系设置于一离子源室中(图未示)，此离子源室可以是具有一可供连结飞行管116及118之开口的一六向立体室。

正离子侦测器122的输出信号292可藉由数据收集器192之一第一通道测定，而负离子侦测器120的输出信号290可以由一电路194处理，并可藉由数据收集器192之一第二通道测定。在本实施例中，电路194包括一电压绝缘电路以防止负离子侦测器120所使用之高电压造成数据收集器192之破坏，其详细内容将叙述如下。

如图3所示，离子源电极130系包含一由样品表面150及屏壁160与162定义之开口区域300。激光束124通过开口区域300，激化设置于样品表面150上的样品物质146。屏壁160具有一长方形缝隙(开口)154a(在图3中被遮住)，负离子106系通过长方形缝隙(开口)154a，并向汲取电极126a行进。屏壁162亦具有一长方形缝隙(开口)154b，正离子110系通过长方形缝隙(开口)154b并向汲取电极126b行进。在本实施例中，样品表面150、屏壁160及屏壁162系相互电性连接且具有相同电位。

离子源电极130及汲取电极126a及128a形成两个负离子的轨迹调整区段166a及168a，而离子源电极130及汲取电极126b及128b形成两个正离子的轨迹调整区段166b及168b。在本实施例中，离子源电极130及汲取电极126a、128a、126b及128b可以是不锈钢通电板且以等距离相互平行排列。

图4为一离子产生器102与飞行管116及118的剖面图。如图4所示，飞行管116及118的内部区域大部分为无电场漂流区域。汲取电极产生电位以引导离子沿着平行于飞行管116及118的轴向方向的轨迹行进，这样才得以确认离子系行经飞行管的长度始到达离子侦测器120及122。

在本实施例中，离子产生器102之特征在于所释出之离子系自样品表面150向上方(+z)发射；此时，离子受离子源电极130及汲取电极126a、128a、126b及128b所产生之电场引导，因此可以将负离子集中并导引朝向一平行于飞行管116的轴向方向行进，而将正离子集中并被导引朝向一平行于飞行管118的轴向方向行进。

另外，离子产生器102之另一特征在于其系具有靠近样品表面150的长方形缝隙154a及154b。在本实施例中，长方形缝隙154a及154b系分别由离子源电极130之屏壁160及162的内表面所定义。一般而言，长方形开口系较优于圆形开口或广口构造(亦即没有位于屏壁160及162上侧之表面)，此乃因为长方形开口可以减少电场在y轴方向的歪斜。换言之，离子源电极130及汲取电极126a及126b所产生之电场可以具有较佳之场形，以便能够将自样品物质146产生之正离子及负离子分别导向沿着飞行管118及116行进的路径。

当离子由样品物质146释放出来时，大部分的离子最初沿着+z方向行进，接着渐渐转向x轴(负离子朝向-x方向，正离子朝向+x方向)。以正离子110为例，当正离子110自样品表面150射出，正离子110开始向+z方向行进，然后藉由电场梯度稍稍拉回向-z方向。而且，在正离子110通过长方形缝隙154b后，正离子110会依序行经第二离子轨迹调整与加速区段166b及第二离子轨迹微调与引导区段168b并进入无电场之飞行管118。

在本实施例中，长方形缝隙154b及圆形开口156b及158b的设置能够提供适当的离子传输效率，意即大部分的正离子110不会碰撞到离子源电极130以及汲取电极126b及128b而可以直接到达飞行管118。另外，第二汲取电极128b的电压相对高于飞行管118及第一汲取电极126b的电压，这样的配置使得在开口158b的附近产生离子集中的效果，而且可以增加正离子110的传输效率至大约2倍。

汲取电极126a及128a以及开口156a及158a系相对于离子源电极130分别与汲取电极126b及128b以及开口156b及158b镜像对称设置。

图5显示离子源电极130内部及附近的立体电位示意图。在本实施例中，由于屏壁160及162具有相同电位，样品表面150上方区域174具有一相对稳定之电位，而汲取电极126a之电压系高于离子源电极130之电压；此外，由于汲取电极126a的影响，长方形缝隙154a附近之电位系高于区域174。

离子源电极130及汲取电极126a及126b产生一电场，其系位于一特定区域，用以调整负离子与正离子自样品表面150射出后之轨迹。如上所述，此电场形成一初始轨迹调整区段作用于所有负离子106及正离子110。详言之，当负离子106及正离子110自样品表面150射出后，其最初通常沿着+z方向行进，而电场分布会调整负离子106的轨迹并引导负离子106自+z方向转而朝向一面对长方形缝隙154a之-x方向。同理，电场分布亦会调整正离子110的轨迹并引导正离子110自+z方向转而朝向一面对长方形缝隙154b之+x方向。

接着，当负离子106及正离子110自样品表面150分别行进至长方形缝隙154a及154b时，负离子106及正离子110之加速度通常小于负离子106及正离子110在离子轨迹调整与加速区段166a及166b之加速度。例如，负离子106在第一离子轨迹调整与加速区段166a之平均加速能量可以是负离子106在初始轨迹调整区段(亦即当负离子106自样品表面150行进至长方形缝隙154a之区段)之平均加速能量的10倍、100倍甚至超过1000倍。

围绕在样品表面150及屏壁160与162附近区域的电场将负离子106自+z方向改变至-x方向行进。因此，荷质比相近之负离子106会以大约相同之速度通过长方形缝隙154a，且在第一离子轨迹调整与加速度区段166a及第一离子轨迹微调与引导区段168a亦具有大约相同之加速度，所以在进入飞行管116时，这些负离子106亦具有大约相同之速度。同理，荷质比相近之正离子110在进入飞行管118时亦具有大约相同之速度。

如图6所示，离子源电极130可以包含数个分离的组成组件，例如一中央平板170及与中央平板170相邻之二平板172a及172b。在本实施例中，中央平板170具有一样品表面150，在样品表面150上设置一样品物质146。而平板172a及172b分别具有长方形缝隙154a及154b，与图4所示相似。其中，中央平板170及相邻之平板172a及172b系相互电性连接，具有相同电位；当然，其亦可相互绝缘，并具有不同电位。

实验器材设置与实验测量结果

第一实验例

以下参照相关图式说明利用本发明实施例之双极飞行时间质谱仪100进行之实验。在本实验中，离子源电极130及汲取电极126a、126b、128a及128b各为40毫米宽、100毫米长，且彼此相距6毫米，离子源电极130厚6毫米，汲取电极126a、126b、128a及128b各为3毫米厚；另外，长方形缝隙154a及154b各为26毫米长、3毫米宽，而且与样品板前端131(如图3)相距18毫米；圆形开口156a、156b、158a及158b之直径为5毫米；开口156a及156b的中心皆在+z方向距离x轴1.5毫米，而开口158a及158b的中心皆在+z方向距离x轴2.5毫米。

承上所述，飞行管116及118各具有32毫米之内径及1123毫米的长度，且分别与汲取电极128b及128a绝缘。在进行测量时，离子源室的压力维持在3×10^-7毫巴以下。飞行管116及118之中心轴皆平行于x轴，且在+z方向距离x轴2.5毫米处，而且飞行管116及118系分别减压至5 x 10^-7毫巴以下。微通道板侦测器120及122分别与飞行管116及118相距25毫米，且不需要再经过分段抽气阶段。

接着，将电压持续地供给离子源电极130及汲取电极126a、126b、128a及128b。本实验系提供参考电压+5.9kV至离子源电极130，而输入至汲取电极及离子侦测器之电压相对于参考电压呈对称但具有相反之极性，即输入至汲取电极及离子侦测器之电压的平均值等于参考电压(+5.9kV)。例如，输入至第一组汲取电极126a及126b之电压分别为+2.5kV及+9.3kV，而输入至第二组汲取电极128a及128b之电压分别为+3.8kV及+8kV。另外，输入至飞行管118及116之电压分别为0V及+11.8kV。

在本实施例中，虽然侦测器120及122皆可以是微通道板侦测器，但其电路设计系不相同；此乃因为正离子侦测器122系在一较低电压范围操作，而负离子侦测器120系在一较高之电压范围操作。其中，正离子侦测器122具有一入口侧140、一出口侧142及一阳极144，其系分别连接至电压-2200V、-200V及0V。负离子侦测器120具有一入口侧134、一出口侧136及一阳极138，其系分别连接至电压+14kV、+16kV及+16.2kV。

由于负离子侦测器120使用高偏压电压，微信道板组件系以一8时之绝缘压克力法兰接头设置在与(飞行管的)真空室分离且相距67毫米处。另外，提供+14kV之偏压至侦测器之法兰，藉以降低电极周围之电压差，因此可以避免在操作时因高电压造成负离子侦测器120之损坏。

数据收集器192系为一500MHz之数字储存示波器。在本实验中，因为数据收集器192系只能接收数伏特的信号，所以需要利用一直流高压隔离电路将数据收集器192与负离子侦测器120之高偏压隔绝。

请参照图7所示，电路194系用来处理来自负离子侦测器120之信号。在本实验中，电路194系包含一直流高压隔离电路180，其系用以将负离子侦测器120与资料收集器192隔离。其中，直流高压隔离电路180具有一节点182、一节点184及一节点186；节点182系接收来自微通道板侦测器120之信号，节点184连接至数据收集器192，节点186连接至+16.2kV电压。于此，直流高压隔离电路180能够将数据收集器192与负离子侦测器120之+16.2kV偏压信号隔绝。

直流高压隔离电路180包含两个高电压电容器188及190。在本实施例中，电容器188及190系陶瓷高电压电容器，其分别具有2nF及10nF之电容，且可个别具有40kV之额定电压。另外，直流高压隔离电路180系密闭于一玻璃外罩，并与室内环境绝缘，而且在电容器高压侧的导线系包裹硅树脂、并具有100kV之额定电压。

负离子侦测器120所发出之信号290通过直流高压隔离电路180，并接有一突波保护电路310，而且信号290可以利用数据收集器192的第一通道进行测定。同理，正离子侦测器122所发出之信号292可以利用数据收集器192的第二通道进行测定。

本实验利用一Nd:YAG三倍频脉冲雷射(355nm)作为雷射光源114，其系垂直对准样品表面150。此时，激光束124的能量依样品物质146之不同约为2至10微焦耳，其系通过一离子源室之一熔融石英玻璃窗，然后激化样品物质146。

下列叙述系根据上述实施例之质谱仪100所进行之实验结果，且下列实验系使用数种生物样品，包括：胰岛素B链(分子量3495.9Da)、马骨骼肌肌红蛋白(分子量16951.5Da)，以及包含血管紧缩素I(分子量1296.7Da)、促肾上腺皮质激素(ACTH)clip 1-17(分子量2093.1Da)、促肾上腺皮质激素(ACTH)clip 18-39(分子量2065.2Da)、肾上腺皮质激素(ACTH)clip 7-38(分子量3657.9Da)及胰岛素(分子量5730.6Da)的蛋白质混合液。

以下实验系测定蛋白质及不同分子量之混合蛋白质，其实验结果如下列图示所示。图8A系一图谱200，其显示以THAP为基质之50微微摩尔胰岛素B链之阳离子/阴离子图谱，其中图8A所示之图谱系由平均约200次雷射测定所得。

另外，图8B系一图谱210，其系显示以CHCA为基质之肌红蛋白之阳离子/阴离子图谱。

图9系一图谱240，其系显示一自标准蛋白质质量校正混合物所得之正离子及负离子质谱图谱。该混合物系以20微微摩尔的血管紧缩素、20微微摩尔的肾上腺皮质素激素clip 1-17、15微微摩尔的促肾上腺皮质激素clip 18-39、30微微摩尔的肾上腺皮质素激素clip 7-38以及35微微摩尔的胰岛素。如图9所示，所有的蛋白质，无论带正电荷或负电荷均可在图谱240中明确鉴定。

图10系一质谱仪270的横切面示意图，其中，质谱仪270可同时分析正离子、负离子以及中性粒子。在本实验中，质谱仪270可用于研究由混合介质分子与样品分子产生的不同形式的正离子、负离子以及中性粒子，也可以用来观察蛋白质的能量以及在一电中性系统中蛋白质在蛋白质复合体中的交互作用。

如图10所示，质谱仪270具有一用来分析负离子的负离子质量分析器104，一用来分析正离子的正离子质量分析器108，以及一用来分析中性粒子的第三质量分析器272。其中，第三质量分析器272具有一离子化区域280，其系由设置在离子源电极130前方(+z方向)之电极274及276所定义。当中性粒子自样品物质射出到达一位置(图10中标记为X处)，一激光束282或一电子束会将中性粒子离子化；另外，电极274及276以及一附加的电极278具有一电压，用以产生一电场梯度，藉由此电场梯度可加速离子化粒子飞向第三质量分析器272的一飞行管271。

第二实验例

除了利用飞行时间质量分析器之外，各质量分析器104、108及272皆可改用一四极柱质量分析器，一离子阱，一扇形磁场质量分析器，一傅立叶转换离子回旋共振质谱仪或一动量分析器。当然，质谱仪100并不局限于利用上述之组成组件，且雷射光源114也可以异于以上所述；而各侦测器120及122也可以不采用微通道板侦测器，而改用一闪烁离子侦测器、一电子倍增器或是一电流侦测器。

请参照图2所示，样品物质并不一定要与一基质混合才能分析。举例而言，一雷射剥蚀离子源(样品分子未与基质混合直接受雷射光激化)也可藉以产生正离子及负离子。此外，除了可以利用激光束124激化样品物质146外，样品物质146亦可以藉由诸如电子束、离子束、或快速原子束(包括激发态的带电粒子等)给予能量。于此，带电粒子可藉由电流或雷射产生并且以一电场集中。

同样的，图2所示之离子源除了可以使用介质辅助雷射脱附离子化(MALDI)离子源，当然亦可使用其它例如表面强化雷射脱附电离(SELDI)离子源、电喷洒游离化(ESI)离子源、电子撞击式(EI)离子源、二次离子源或化学游离化(CI)离子源来替代。需注意者，当使用电喷洒游离化(ESI)离子源、电子撞击式(EI)离子源及化学游离化(CI)离子源时，离子源电极130的结构可以修改为一中空管或者可净空通道。这些离子源(ESI离子源、EI离子源及CI离子源)的离子皆自离子源电极130的外侧射入，且该等离子皆被引导沿着离子源电极130的中空管(或通道)行进。接着，当离子由中空管(或通道)末端穿出，这些离子皆会被导向长方形缝隙154a及154b，且分别朝向飞行管118及116加速。

离子源电极130及汲取电极126a、126b、128a及128b使用之电压也可以与上述实验例不同。请参照图4所示，汲取电极128b使用之电压不必然高于汲取电极126b使用之电压；同理，汲取电极128a使用之电压不必然低于汲取电极126a使用之电压。

此外，不同构造的离子源电极130可以应用在不同型式的离子源。详言之，不论使用何种离子源，离子源电极130的形状尺寸及离子源电极130使用的电压都会被调整以产生一电场区域，其通常会在正离子110及负离子106进入加速区域之前，将正离子110及负离子106分别导向+x及-x方向；而且，正离子110及负离子106在进入加速区域时，不需以平行于x轴之方向行进，而可以与x轴偏离些微角度。

需注意者，离子源电极130及汲取电极126a、126b、128a及128b的形态可与上述相异。请参照图6所示，只要电场区域可以集中并引导正离子110及负离子106分别穿过长方形缝隙154a及154b即可，而离子源电极130的不同组成组件并不需要具有相同电位。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于本申请专利范围中。

Claims

1.一双极飞行时间质谱仪，系包括：

一双极离子产生器，其包含一离子源及复数个电极，该离子源系由一样品表面产生复数个正离子及复数个负离子，该等电极系产生复数个电场使该负离子聚集并形成一负离子束，使该正离子聚集并形成一正离子束；

一第一飞行管，系接收该负离子束；

一第一离子侦测器，系侦测经过该第一飞行管之该负离子束；

一第二飞行管，系接收该正离子束；以及

一第二离子侦测器，系侦测经过该第二飞行管之该正离子束。

2.一种方法，系包括下列步骤：

位于在一电场中之一样品表面之一样品物质上产生复数个正离子及复数个负离子；

利用该电场之一第一区域将该负离子导向一第一质量分析器；

利用该电场之一第二区域将该正离子导向一第二质量分析器；

以该第一质量分析器分析该负离子；及

以该第二质量分析器分析该正离子。

3.根据权利要求2所述的方法，其中将该等负离子导向该第一质量分析器之步骤包括使该负离子通过一位于一第一屏壁的第一开口，将该等正离子导向该第二质量分析器之步骤包括使该等正离子通过一位于一第二屏壁的第二开口。

4.根据权利要求2所述的方法，其中该方法更包括一将该样品表面、该第一屏壁及该第二屏壁连接至相同电压之步骤。

5.根据权利要求2所述的方法，其中该方法更包括分析由样品物质激发并经由至少一第二激光束和高能粒子束离子化的中性粒子。

6.根据权利要求2所述的方法，其中将该等负离子导向该第一质量分析器之步骤系利用一第一汲取电极以一高于样品表面电压之电压促使该负离子朝向该第一质量分析器移动，将该等正离子导向该第二质量分析器之步骤系利用一第二汲取电极以一低于样品表面电压之电压促使加速该等正离子朝向该第二质量分析器移动。

7.根据权利要求6所述的方法，其中更包括将该第一汲取电极及该第二汲取电极对称设置于一使样品物质通过的平面。

8.一种方法，系包括下列步骤：

由一样品表面提供复数个正离子及复数个负离子；

产生一第一电场，该第一电场系形成一第一轨迹调整区段以改变自该样品表面射出之该负离子行进方向；

产生一第二电场，该第二电场系形成一第一加速区段以加速该负离子；

产生一第三电场，该该三电场系形成一第二轨迹调整区段以改变自该样品表面射出之该正离子之行进方向；及

产生一第四电场，该第四电场系形成一第二加速区段以加速该正离子。

9.根据权利要求8所述的方法，其中该样品表面系设置于该第一电场及该第三电场影响所及之一位置。

10.根据权利要求8所述的方法，其中该第一加速区段中的负离子平均加速能量大于该第一轨迹调整区段中负离子的平均加速能量。

11.一种设备，系包括：

一离子源电极，系具有一样品表面(sample surface)，该样品表面上系设置有一样品物质，该样品物质受到至少一激光束或一高能粒子束激发时会产生至少一正离子和至少一负离子；

一第一汲取电极，该第一汲取电极之电压系高于该样品表面之电压以便自该样品表面吸引该负离子，该第一汲取电极具有可供该负离子通过之一开口；及

一第二汲取电极，该第二汲取电极之电压系低于该样品表面之电压以便自该样品表面吸引该正离子，其中该第二汲取电极具有可供该正离子通过之一，该第一汲取电极与该第二汲取电极系设置于该离子源电极相对应之两侧。

12.根据权利要求11所述的设备，其中该离子源电极包括一第一屏壁及一第二屏壁，该第一屏壁系设置于该样品表面及该第一汲取电极之间，并具有一可供该负离子通过之第一开口，该第二屏壁系设置于该样品表面及该第二汲取电极之间，并具有一可供该正离子通过之第二开口。

13.根据权利要求12所述的设备，其中该样品表面、该第一屏壁及该第二屏壁系具有相同电压。

14.根据权利要求11所述的设备，该设备更包括：

一第一质量分析器，系分析通过该第一汲取电极之开口的负离子；及

一第二质量分析器，其系分析通过该第二汲取电极之开口的正离子。

15.根据权利要求14所述的设备，其中该第一质量分析器至少包括一飞行管、一四极柱质量分析器、一离子阱、一扇形磁场质量分析器、一傅立叶转换离子回旋共振质谱仪或一动量分析器。

16.根据权利要求14所述的设备，其中该第一质量分析器包括一第一侦测器，该第一侦测器至少包括一闪烁离子侦测器、一微通道板侦测器、一电子倍增器或一电流侦测器。

17.根据权利要求11所述的设备，其中该第一屏壁及该第二屏壁对称设置于一可通过该样品物质的平面。

18.根据权利要求11所述的设备，其中该第一汲取电极及该第二汲取电极系对称设置于一可通过该样品物质的平面。

19.根据权利要求11所述的设备，其中该第一屏壁之开口及该第二屏壁之开口系一狭长形开口。

20.根据权利要求19所述的设备，其中该第一屏壁之开口及该第二屏壁之开口系一长方形开口。

21.根据权利要求11所述的设备，其中该离子源电极至少包括一介质辅助雷射脱附离子化(MALDI)离子源、一表面强化雷射脱附电离(SELDI)离子源或一雷射剥蚀离子源。

22.根据权利要求11所述的设备，该设备更包括一第三质量分析器以分析由样品物质激发并经由至少一第二激光束和高能粒子束离子化的中性粒子。

23.一种设备，系包括：

复数个改变复数个正离子及复数个负离子行进方向并加速该正离子及该负离子的电极，该电极具有连接至复数个电压之复数个表面，该表面系产生电场以形成一第一轨迹调整区段、一第一加速区段、一第二轨迹调整区段及一第二加速区段；

其中该第一轨迹调整区段之电场系改变该负离子的行进方向且使得该等负离子朝向该第一加速区段移动，该第一加速区段之电场系引导该负离子；该第二轨迹调整区段之电场系改变该等正离子的行进方向且使得该等正离子朝向该第二加速区段移动，该第二加速区段之电场系引导该等正离子。

24.根据权利要求23所述的设备，其中该设备更包括一离子源，系产生该正离子及该负离子，该离子源至少包括一介质辅助雷射脱附离子化(MALDI)离子源、一表面强化雷射脱附电离(SELDI)离子源、一电喷洒游离化(ESI)离子源、一电子撞击式(EI)离子源、一二次离子源或一化学游离化(CI)离子源。

25.根据权利要求23所述的设备，其中该第一加速区段中的负离子平均加速能量大于该第一轨迹调整区中的负离子平均加速能量。。

26.根据权利要求23所述的设备，其中该第二加速区段中的正离子平均加速能量大于该第二轨迹调整区段中的正离子平均加速能量。