CN101523548A - 多反射飞行时间质量分析器和包括该质量分析器的飞行时间质谱议 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多反射TOF质量分析器，具有两个平行无栅的离子反射镜，每个离子反射镜具有在漂移方向(Z)上伸长的结构。所述离子反射镜提供了由在与漂移方向(Z)正交的飞行方向(X)上离子的多次反射而形成的折叠的离子路径。所述分析器还具有另外的无栅离子反射镜，用于在所述漂移方向(Z)上反射离子。在操作中，由于离子沿所述折叠的离子路径具有不同的飞行时间而根据质荷比将离子在空间上分离，并且，相对于飞行方向和漂移方向，对具有实质上相同质荷比的离子进行能量聚焦。

Description

多反射飞行时间质量分析器和包括该质量分析器的飞行时间质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱测量领域，尤其是飞行时间质谱测量。具体地，本发明涉及一种TOF质量分析器，具有由于多次反射而增大的飞行路径。

背景技术

质谱测量中的飞行时间(TOF)方法基于对离子从离子源沿相同路径飞行至检测器所花费时间的测量。离子源同时产生具有不同质荷比(mass-to-charge ratio)但具有相同平均能量的离子脉冲。因此，由于静电场中的运动定律，具有不同质荷比(m/e)的离子的飞行时间与m/e的平方根成反比。到达检测器的离子产生电流脉冲，控制系统对该电流脉冲进行测量并将其呈现为频谱形式。对于所研究的离子，可以通过将所研究的离子的波峰(peak)位置与已知离子的波峰位置进行比较(相对校准)，或通过直接测量到达时间(绝对校准)，来导出所研究的离子的质荷比。在供电电压和系统尺寸稳定的情况下，质量相似的离子的波峰越窄，质量测量的精度越高。对于各种质谱仪，使用分辨能力来表征相对峰宽，其中分辨能力为表观质量与峰宽(以质量单位表示)之比：R_m＝m/Δm。在TOF质谱仪的情况下，质量分辨能力等于总飞行时间与峰宽(以时间单位表示)之比的一半：R_m＝0.5t/Δt。因此，为了实现更高的精度，必需尽可能减小峰宽，或增大飞行时间。

对于减小TOF质谱仪中的峰宽存在特定限制。即使对于具有相同质荷比的离子，离子源产生相似的、但具有略微不同的能量的粒子。这是由于在射出离子之前在离子源中离子的初始空间扩散导致的。将TOF质谱仪中的静电场优化为使具有相同质荷比但具有不同能量的离子同时到达检测器是非常重要的。因此，TOF质谱仪中的离子光路沿飞行路径方向是“能量等时(energy isochronous)”的。通过合适的优化，可以实现高度等时性，使得离子到达检测器的时刻对其在离子源内的初始位置仅有非常小的依赖性。离子的初速度扩散进一步限制了峰宽的减小。该速度扩散产生了所谓的“转向时间”，该转向时间是具有沿飞行路径方向的初速度vT的离子的到达时间与具有沿飞行路径相反方向的初速度-vT的离子的到达时间之间的差值。该差值与从离子源抽取离子的时刻的电场强度成反比：t_turn＝2v_T/(eE/m)。减小转向时间的一种方式是减小初速度v_T(例如通过对源内的离子进行冷却)，另一种方式是增大场强。这两种方式具有特定的实现限制，在现代TOF质谱仪中几乎不再使用。

提高质量分辨能力的另一种方式是使用更长的飞行路径来增大飞行时间。尽管可以简单地通过增大仪器的尺寸来增大飞行路径，但是由于现代TOF系统已经具有1m的典型尺寸，因此这种方法并不现实。增大飞行路径的一种较好方式是使用静电反射镜处的多次反射。一些已知的多反射系统试图同时满足多个条件；即，多折叠离子束轨迹(multiply-folded beam trajectory)，具有相同质荷比但具有不同能量的离子沿该轨迹的飞行时间实质上独立于离子源所产生的能量范围内的能量(纵向等时性(longitudinal isochronicity))；横向(transverse)上的稳定离子运动，使得离子束可以承受多次反射；以及飞行时间，实质上独立于侧向(lateral)上的离子束的角度和空间扩散(最小侧向偏差(minimum lateral aberration))。已经证明，这些条件难以同时满足，已经知道，确实满足这些条件的系统往往难以制造和/或缺乏灵活性。

可以使用脉冲电源(H.Wollnik，Int.J.of Mass Spectrom.And IonProc.，227，(2003)，217)来实现具有多次反射的多折叠轨迹。在具有两个轴向对称的同轴反射镜的系统中(图1)，通过在短时间内减小入口反射镜I上的电压来将离子注入系统。在离子进入系统之后，反射镜I上的电压恢复，使离子在两个反射镜之间振荡充分长的时间。最终，通过减小出口反射镜II上的电压来从系统中释放离子以在检测器处进行检测。不幸的是，这种方法受到质量范围的限制，这是由于在单次实验中，仅有较小质量范围内的离子能够从系统中射出。质量较小的离子行进较快，从而比较重的离子进行了更多次折返(turn)。在特定次数(N次)的折返之后，不可能在已进行N次折返的较重离子与已进行N+1次折返的较轻离子之间进行区分。因此，在单次尝试中，从系统中射出的离子的质量范围(质量子范围不重叠)与折返次数成反比。对于离子在多次行程中沿相同轨迹并由脉冲电压将离子从系统中释放的所有系统而言，都存在这种不足(M.Toyoda et.all，Journal ofMass Spectrometry，2003，v.38，pp.1125-1142)。

H.Wollnik在英国专利GB2080021中提出了具有多次反射的多种静电系统。H.Wollnik描述的系统需要复杂的制造和细致的优化。Nazarenko等人的苏联专利SU1725289中描述了一种更简单的系统(图2)。该系统具有两个平行的无栅离子反射镜来实现多次反射。将反射镜电极11、12、13和21、22、23上的电压优化为使得在具有上反射镜和下反射镜处的反射的完整单次循环的周期实质上独立于X(飞行)方向上的离子能量。由于这一点，在每次完整循环之后，将离子包压缩(能量聚焦)在反射镜之间的某个点。以相对于X轴的较小角度将离子束注入系统。由此，离子束在Z(漂移)方向上行进相对较慢，而在两个平行反射镜处被重复性反射，从而创建了具有增大的飞行时间的多折叠Z形轨迹。该系统的优点在于，可以通过改变注入角度来调整离子到达检测器之前发生的反射次数。同时，该系统缺少用于防止离子束在漂移方向上发散的任何装置。由于初始角度扩散，离子束宽度可能超过检测器的宽度，从而由于灵敏度损失而使得无法增大离子飞行时间。

A.Verentchikov和M.Yavor在WO001878A2中提出了对基于两个平行平面离子反射镜的多反射系统的重大改进。通过位于反射镜之间的无场区中的一组透镜来补偿Z方向上的离子束角度发散(angularbeam divergence)(图3)。与Nazarenko的系统中一样，以相对于X轴的较小角度将离子束注入反射镜之间的空间，但是将该角度选择为使离子束通过该组透镜L1，L2，...，LD2。由此，在每次反射之后，离子束重新聚焦而不会在漂移方向上发散。该系统中的最后的透镜LD2还充当偏转器，以将离子束漂移的方向反转向系统的出口。在这种操作模式下，该系统为整个质量范围的操作提供了延长的飞行路径。偏转器LD2也可以用于约束系统端部(end section)的离子束，以允许在端部进行多次反射。在这种操作模式下，通过对偏转器施加脉冲电压来将离子束从该端部释放。在这种情况下，该系统受到与H.Wollnik的系统相同形式的质量范围限制。如实验所示，在这种操作模式下，可以以小于50％的传输损耗实现200,000的分辨能力。平面反射镜的最优设计得到了高分辨能力，这不仅提供了三阶能量聚焦，而且具有高达二阶的最小侧向偏差。相对于Nazarenko的原系统，WO001878A2中提出的设计具有许多优点，但是这些优点是通过牺牲原系统的非常有用的特性来实现的；即，通过减小注入角度来增加反射次数的可能性。在Verentchikov和Yavor的系统中，注入角度是固定的，并由系统的几何特性(即反射镜之间的距离以及透镜的位置和间隔)来确定；即，两个反射镜之间的距离以及透镜的位置和间距。总反射次数设置为透镜数目的两倍而且无法改变(除非使用脉冲操作模式)，但是，这导致质量范围减小。这是该系统的缺点，也是本发明的实施例要解决的问题。

发明内容

根据本发明，提供了一种多反射TOF质量分析器，包括：静电场产生装置，被配置为限定两个平行无栅的离子反射镜，每个离子反射镜具有在漂移方向上伸长的结构，所述离子反射镜提供由在与漂移方向正交的飞行方向上离子的多次反射以及漂移方向上离子的位移而形成的折叠的离子路径，所述静电场产生装置还被配置为限定另外的无栅离子反射镜，用于在所述漂移方向上反射离子，从而在操作中，由于离子沿所述折叠的离子路径具有不同的飞行时间而根据质荷比将离子在空间上分离，并且，相对于所述飞行方向和所述漂移方向，对具有实质上相同质荷比的离子进行能量聚焦。

在本发明的实施例中，TOF质量分析器可以用作延迟线，可以在事实上任何现有TOF质谱仪的飞行路径中使用该延迟线，以利用该延迟线所创建的延长的飞行时间来提高总体质量分辨率。使用本发明的折叠路径配置，对于分析器可以容纳的质荷比范围没有任何限制，也不必使用脉冲电压来操纵离子轨迹。此外，横向上的离子运动相对稳定。与无栅离子反射镜的使用相结合，这有助于减小来自分析器的离子损失。延长的飞行时间提高了质量分析的分辨能力，在优选实施例中，可以使用静电可控的偏转器装置来调整反射次数，该偏转器装置控制相对于飞行方向的角度，以该角度将离子引导至折叠的离子路径上。使用已知的具有透镜的系统不可能进行这种调整。

本发明在TOF系统的设计中引入了全新的特征——即，在与飞行方向正交的漂移方向上的能量聚焦。在此之前，将TOF系统构造为使得：通过将离子束加速至高能量来减小总体角度扩散，或通过使用透镜来重新聚焦离子束，以最小化漂移方向上的离子束扩散。除了提供飞行方向上的离子反射镜之外，本发明提出在漂移方向(与飞行方向正交)上使用离子反射镜，并且，本发明可以用于相对于飞行方向和漂移方向在检测器的最终位置上同时产生的能量聚焦。由于系统的等时特性，在飞行期间在漂移方向上的离子束宽度无关紧要，但是优选地，在检测离子束时，离子束不应比检测器更宽。这具有的另外优点在于，由于多数时间离子包的行程在漂移方向上伸长，因此减小了空间电荷的影响。

附图说明

现参照附图，仅以示例方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1是H.Wollnik描述的一种已知的轴向对称多次折返TOF质谱仪的示意图；

图2是Nazarenko描述的一种已知的平面多反射TOF质谱仪的示意图；

图3是Verentchikov和Yavor描述的一种已知的平面多反射TOF质谱仪的示意图；

图4示出了本发明的优选实施例的多反射2D等时TOF质谱仪的3D视图；

图5是本发明的优选实施例的多反射2D等时TOF质谱仪的示意图；

图6示出了图5所示的多反射系统中沿飞行轴的电位分布；

图7a至7d示意了在具有能量等时特性的TOF系统中飞行时间对离子能量的依赖性；

图8示出了3D离子阱源的截面视图；

图9示出了具有正交抽取(orthogonal extraction)的线性离子阱源的横截面；

图10示出了具有轴向抽取(axial extraction)以及附加加速级(acceleration stage)的线性离子阱源的截面视图，也示出了沿两级源(two-stage source)的轴的电位分布；

图11a至11c示出了用于将离子引入本发明的2D等时TOF系统的飞行路径中的不同布置；

图12是2DTOF分析器的示意图，该2DTOF分析器具有漂移方向上的两个离子反射镜，以及使用脉冲偏转器的多折叠环状离子束轨迹；

图13是2DTOF分析器的示意图，该2DTOF分析器具有漂移方向上的两个离子反射镜，以及不使用脉冲的多折叠的离子束；

图14是2DTOF分析器的示意图，该2DTOF分析器用作A)传统TOF质谱仪中的延迟线以及B)先驱离子(precursor ion)的质量选择器。

具体实施方式

图4示出了根据本发明的实施例的新型多反射2D等时TOF质量分析器的3D视图。该2DTOF分析器由位于与Y轴正交的两个平行平面上的一组金属板电极组成。上平面和下平面中的电极对称，并具有相同的施加电压。沿着与Z轴平行的线X₁，X₂，...，X_n和X_-1，X_-2，..，X_-n来布置将这些板电极(plate electrode)。这些电极形成了两个无栅静电离子反射镜，用于在飞行方向X上反射离子。将每个X线电极再分为多个段，以创建与X轴平行延伸的电极线Z₁，Z₂，...，Z_k。这些电极线用于形成漂移方向Z上的离子反射镜。图5以3个正交视图示出了2DTOF系统的示意图，其中典型离子轨迹(T)通过该系统。2DTOF分析器3包括离子源S和离子接收器D。平行平面上的两组板X0，X1，X2，...，Xn和X-1，X-2，X-n形成了用于在X方向上进行多次反射的离子反射镜(上和下)，并形成了列方式排列的一组板Z1，Z2，...，Zk，这组板创建了用于在漂移方向Z上进行反射的离子反射镜(右)。这种离子反射镜布置使离子通过在上和下反射镜之间的多次反射和右反射镜处的单次反射可以具有多折叠的轨迹。离子的轨迹从离子源开始，在离子接收器结束。

在多反射TOF MS中使用用于在漂移方向上进行反射的离子反射镜是全新的特征，这可以避免离子束在漂移方向上的扩散而无需使用透镜和偏转器。这种2DTOF分析器的设计使得可以以电子方式来调整反射次数，这在具有固定透镜的现有配置中是不可能的。实现这些特性的要求如下：

1)到达检测器表面时，质量相似但能量不同的离子包在飞行方向上被压缩(聚焦)(X聚焦)

2)到达检测器表面时，质量相似但能量不同的离子包在漂移方向上被压缩(聚焦)(Z聚焦)。

3)Y反向上的离子运动被约束在ZX平面附近充分小的范围内

4)TOF实质上独立于在与ZX平面正交的方向上离子束的角度和位置扩散。

以下详细讨论实现这些特性的手段。

一般而言，将2DTOF质量分析器的离子光学方案设计为使反射镜内的场是两个场的合成：

Φ(x，y，z)＝φ₁(x，y)+φ₂(z，y)。           (1)

函数φ₁(x，y)和φ₂(z，y)都满足静电场电位的拉普拉斯方程。x和z方向上的离子运动由以下方程来描述：

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}=-e\frac{\∂}{\∂x}{\mathrm{\φ}}_1(x,y),---\left(2\right)$

$m\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}=-e\frac{\∂}{\∂z}{\mathrm{\φ}}_2(z,y).---\left(3\right)$

通常，y方向上的位移充分小于系统的特征尺寸，这允许在上述方程中将y设置为零。在这种情况下，飞行方向X和漂移方向Z上的运动互相独立，可以分别对其进行考虑。

首先考虑X运动，由函数φ₁(x，0)来描述X方向上的电位分布，该函数具有势阱(potential well)的形式，该势阱可能具有如图6所示的复杂形状。X方向上的动能Ko低于图6所示的势阱的顶部，迫使离子在折返点x₁和x₂之间经历多次反射。根据方程(2)，折返点x₁和x₂之间的一次完整振荡的周期推导如下：

$T\left(K_0\right)=2\underset{x1}{\overset{x_2}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{\sqrt{2[K_0-e{\mathrm{\φ}}_1(x,0)]/m}}---\left(4\right)$

如图7所示，对于许多TOF应用，将电位函数φ₁(x，0)的形状选择为使得离子振荡的周期(4)独立于Ko附近的某个能量范围ΔK内的离子能量。以不同的精度水平来满足该条件的可能性(函数φ₁(x，0))的数目是无限的。根据拉普拉斯方程，沿轴的电位分布φ₁(x，0)也限定了轴附近的场φ₁(x，y)。为了实现反射镜之间的多次反射，场分布也应满足以下要求：y运动稳定性，以及飞行时间独立于离子在y方向上的初始位移(侧向偏差)。通过在所选类型的电位函数上优化离子的飞行时间对动能和侧向位置的依赖性，可以得到这种分布。实际上，由电极组X₁，X₂，..X_n和X_-1，X_-2，..X_-n来实现这种场分布。将电极的总数及其尺寸和施加电压Vx1，Vx2，..，Vxn选择为使得尽可能接近地再现沿X轴的期望电位分布。优化的TOF系统具有飞行方向上的等时特性，这意味着，在飞行方向上同时从两个离子反射镜之间的中间平面开始运动的、质荷比相同但能量不同的离子将在这些反射镜上经过一次(或若干次)反射之后同时到达相同平面。这也意味着，如果离子在不同时刻穿过中间平面，则它们在离子反射镜之间的若干次反射之后将具有相同的时间差。因此，如果具有不同能量的离子在不同时刻进入系统，则它们将以相同的时间差离开系统。换言之，在飞行方向上的若干次反射之后，该2DTOF系统在飞行方向上保持了在质荷比相同但能量不同的离子之间的时间延时。

为了创建本发明的2DTOF系统，有必要建立Z方向上的另一个场，该场将提供漂移方向上的等时特性。按照与上述针对X反射镜相同的方式来优化2D系统，以确定电位分布φ₂(z，y)。特别地，相同的场分布φ₁(x，y)可以用于Z方向上的场，但具有较小的电压，以考虑漂移方向上较小的飞行能量。在这种情况下，Z方向上的电压分布可以简单地表示为：

${\mathrm{\φ}}_2(z,y)=\frac{\mathrm{Kz}}{\mathrm{Ko}}{\mathrm{\φ}}_1(z,y).---\left(5\right)$

对于与X方向上的反射镜相同的相对能量扩散ΔKz/Kz内的能量Kz，方程(5)的场分布将提供Z方向上的等时运动。如以下将要描述的，离子束在飞行方向上和漂移方向上具有相似的相对能量扩散。因此，方程(5)的场将提供具有充足能量范围的离子反射镜。这种设计的缺点在于，Z反射镜的长度将是X反向上长度的一半，如果需要更差的飞行路径，则该长度可能不足。当需要漂移方向上更长的飞行距离时，可以使用在Z方向上具有更长聚焦距离的反射镜。

可以使用与飞行轴X平行并与漂移轴Z正交排列的一组板电极来形成Z方向上的2D反射镜。根据沿Z轴的场分布特性来确定电极的总数k、其尺寸、位置和施加电压Vz1，Vz2，..，Vzk。为了创建这种板，除了用于X反射镜的板之外，将X反射镜的每个电极再分为K+2段，每段具有在每个Z列中相同的宽度。由此，如图5所示，由布置为2N+3行和K+2列的、平行的平面段集合创建了2DTOF系统的上下电极板。X行中的电极承载创建X方向上的离子反射镜所需的电压：Vx1，Vx2，...，Vxn。在这些电压之上叠加附加电压，以创建Z方向上的场Vz1，Vz2，..，Vzk。例如，为了创建ZY平面上的场φ₂(z，y)，将相同的电压Vz1加至列Z1中的所有板，将相同的电压Vz2加至列Z2中的所有板，以此类推。或者，换言之，施加至行i和列j中的板电极的电压应当为Vxi+Vzj。由于叠加原理，这种电极和供电电压的布置将在它们之间的空间中创建方程(1)的场分布。

针对X和Z方向上无限长的边界板，可以创建一种使方程(1)正好有效的系统。然而，事实上，电极是有限长的，这意味着系统的拐角和后平面附近的场将出现畸变，使方程(1)不适用。尽管在(1)不适用时可以优化系统，但是优选的是，对X和Z方向上的运动分离时的情况进行处理。已经知道，在由两个平行板组成的系统中，场畸变以exp(-3.42·x/R)成指数衰减，其中x是与畸变的距离，R是板之间的间隙。在距离R处，畸变将衰减为3％，在2R处，畸变将衰减为小于原始值的0.1％。因此，总是可以创建一种系统，在该系统中，通过使离子反射镜的后板充分宽来使边缘场的影响可忽略。优选地，如图5所示，确保离子轨迹(T)与后平面之间的距离不小于形成离子反射镜的平行板电极之间的间隙。通过使每个反射镜的后平面宽度大于平面间的间隙，或通过由若干电极来形成后部电极，可以确保上述条件。

尽管可以创建飞行方向与漂移方向上的两个独立场的叠加，但是，侧向运动受这两个场的影响。Y方向上的运动由以下方程来描述：

$m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=-e\frac{\∂}{\∂y}{\mathrm{\φ}}_1(x,y)-e\frac{\∂}{\∂y}{\mathrm{\φ}}_2(z,y),---\left(6\right)$

显然，Y方向的运动依赖于这两个场。同时，这些场的影响不同。其原因在于X和Z方向上离子能量的巨大差异。典型地，离子漂移能量是飞行能量的百分之一，相应地，施加至Z反射镜板的最大电压可以是施加至X板的电压的百分之一。由此，由Z方向离子反射镜创建的场将比由X轴离子反射镜创建的场小至少两个数量级。这是方程(6)中的第二项比第一项小至少两个数量级的原因。Z场的小影响的另一原因在于，多数离子反射发生在Z反射镜的无场区(其中场φ₂(z，y)等于零)中。仅当离子进入Z反射镜时，Z场对Y方向运动的影响才有效，并可以通过使场φ₂(z，y)几乎独立于y来进一步减小这种影响。对于在Z方向上具有线性相关性(linear dependence)的场而言，这种情况成立。具有线性场的无栅反射镜在线性场的起始处仍具有Y方向上的依赖性，但是这种依赖性是局部化的，而且幅度远小于其他反射镜。具有线性场的反射镜不提供高阶聚焦，但是对于漂移方向上的运动而言由于较少的折返次数使得不需要高阶聚焦。由于这些原因，在该系统中，与X场先比，Z场对Y运动的影响是可忽略的或者是微小的，并且可以仅针对X运动来执行Y方向上离子运动的优化，至少优化至第一近似(first approximation)。

以上描述了使用平行板电极来创建所需场分布的方法。可以使用产生所需的静电场的其他方法。一种传统方法是使用金属电极来替换场的等电位面(equipotential surface)，并向这些电极施加相应电压。在这种方法中，电位分布由电极形状确立，并且不能以电子方式更改。在两个板之间的空间中获得所需场的另一种方法是在板表面上创建具有可变深度的电阻性涂层；根据表面上所需的电位分布来计算电阻性涂层的深度。当施加供电电压时，由于电阻性涂层，在板电极的表面上建立了非均匀电压分布，从而在板之间产生所需场分布。这种方法无法提供以电子方式调整场的可能性，因而不是优选的。

由于离子经历多次反射，因此对X方向上的能量聚焦的要求非常严格。优选地，在X方向上使用的离子反射镜具有高阶聚焦以及在尽可能宽的能量范围内、在尽可能大的纵向距离(Z方向)上、以及在尽可能大的角度扩散(Y方向)上的最小偏差。针对整个能量范围具有理想聚焦特性的唯一离子反射镜是具有抛物线电位分布φ₁(x，y)＝-c(x²-y²)的反射镜。不幸的是，对于这种反射镜，侧向运动(Y方向)不稳定。具有其他类型电位分布的反射镜可以提供Y反向上的稳定运动，但它们仅针对有限能量范围具有能量聚焦特性。离子束的能量扩散越小，所实现的能量聚焦就越好。用于获得具有窄能量扩散的离子束的方法是现有技术中已知的。通过从两个板(脉冲器)之间的区域或从离子阱以脉冲方式产生离子来创建这种离子束。在从脉冲器注入的情况下，直到先前脉冲的离子到达检测器之前，新的离子脉冲无法注入。因此，只能对离子束的一小部分进行分析，从而减小的占空比。对于根据本发明的2DTOF，优选的是从离子阱注入。图8示出了US 6,380,666B1中描述的3D离子阱源的截面视图，该离子阱源由环形电极101和一对端盖(end cap)102和103组成。在抽取之前，通过对RF电位进行振荡来将离子约束在阱内。由于与中性粒子(典型地，使用氦气)的碰撞，离子被收集在阱中心附近的小离子云中。某时，对端部封盖施加高电位差，通过出口端盖103中的孔104将离子抽取入TOF。可以使用不同种类的离子阱作为TOF的源。图9示出了如WO2005083742中描述的具有正交抽取的线性离子阱源的截面视图。该离子阱源的操作与3D离子阱的操作类似。该阱包括4个伸长的杆(elongated rod)201、202、203、204。在抽取之前，通过对杆上的RF电位进行振荡将离子径向地(radially)约束在阱内，并利用施加至相邻电极(未示出)的推斥(repulsive)DC电位将离子约束为沿阱轴。离子被收集在阱中心附近沿阱轴伸长的离子云中。在抽取期间，将较高的电位差施加在杆203和204之间，并可选地施加至杆201、202。通过这些杆之一中的窄缝205将离子从阱中射出。

在抽取之前，离子具有与缓冲气体几乎相同的能量，该能量明显小于飞行能量。由于静电场中的离子运动的特性，该离子能量等于起始点与终止点之间的电位差。因此，在抽取之后，离子之间的能量差等于跨过离子云的抽取电位的差值。另一方面，平均飞行能量等于离子云中心与射出电极之间的电位差。假定抽取场几乎是均匀的，则可以将离子束的能量扩散估计为离子云宽度与离子云中心至抽取电极的距离的比值。当离子云的直径为0.5mm，抽取距离为5mm时，该比值为0.1，对应的能量扩散小于10％。

可以通过使用图10的两级加速源来实现能量扩散的进一步减小。该两级加速源基于具有分段的杆302的线性离子阱。离子阱的下游是一组隔膜(diaphragm)电极303，隔膜电极303创建了提供第二次加速的场。离子被捕获并收集在离子云301中，离子云301沿离子阱的Z轴伸长。为了进行抽取，通过分压器304将电位差施加至阱的所有段。将附加加速电压U2通过分压器305施加至第二加速级的电极。建立了沿系统Z轴的电位分布307以进行抽取。离子通过抽取电极306中的孔离开离子阱，这些离子的平均能量等于该孔与离子云中心的原始位置之间的电位差。离子云的能量扩散由离子云的相对尺寸(相对于与该孔的距离)确定，并可以小于10％。在通过第二次加速距离303之后，所有离子的动能增量等于抽取电极与加速级的最后一个电极308之间的电位差。由于离子之间的能量差未改变，而总能量增大，因此减小了离子束的相对能量扩散。例如，通过将100eV的离子束加速至1kV，将原先10％的能量扩散减小至1％。

除了对杆进行分段以外可以使用其他方法来创建线性离子阱内部的抽取场。例如，可以对离子阱表面进行电阻性涂覆，或者可以将附加的倾斜(inclined)电极放置在阱的主捕获电极之间，以创建沿阱的Z轴的线性电位分布。按照类似方式，可以不使用一组隔膜303，而使用具有电阻性涂层的管来创建用于第二加速级的场。第一和第二加速场可以是非均匀的，以将离子束聚焦在径向上。这可以通过合适地选择分压器304和305中的电阻器链或通过设置电阻性涂层的合适深度来实现。

以上章节描述了用于将离子从离子阱源中射出而同时保持期望的小能量扩散的不同方法。

可以使用不同方法将离子注入所提出的2DTOF系统。在最简单的情况下，以相对于X轴的小角度θ将离子束从源(S)直接注入系统中(图11A)。在2DTOF 401内，离子束在X方向上经历多次反射，在Z方向上经历单次反射，并最终到达检测器D。在这种注入方法中，飞行方向(X轴方向)上的注入能量以及漂移方向(Z轴方向)上的注入能量由以下注入角度来确定：K_x＝K₀cos²(θ)，K_z＝K₀sin²(θ)，其中Ko是离子束的总能量。在进入系统之后，离子束经历了漂移方向上的单次反射和X方向上的偶数次反射。为了实现这种轨迹，在X和Z方向上的反射周期必须满足以下条件：T_z(K_z)/T_x(K_x)＝2n，n＝1，2，...，通过合适地选择施加至Z和X离子反射镜的电压，总是可以实现上述条件。重要的是，X和Z中每个方向上的相对能量扩散与注入的离子束相同。因此，如果能量扩散在飞行方向(X)上为1％，则在漂移方向(Z)上也是1％，即使漂移能量远小于飞行能量(例如1eV)。X方向和Z方向上的离子反射镜应为其提供充分能量聚焦的相对能量扩散是相同的，而其绝对能量不同。根据注入角度值，X和Z方向上的能量可以相差两个数量级(例如在注入角度tg(θ)＝0.1的情况下)。在现代TOF质谱仪中，针对几keV的相对高的飞行能量和百分之几的相对能量扩散来对离子反射镜进行优化。由于静电场中离子运动的特性，相同的反射镜将提供相同阶数的能量聚焦，并且，如果所有供电电压按比例减小，则在较低的飞行能量处具有相同的相对能量扩散。这表明，可以针对较小能量的离子束来适当设计漂移方向Z上的离子反射镜。

图11B示出了另一种向2DTOF系统注入的方法。在这种情况下，使用两个偏转器402和403。离子束从源(S)中射出，并以飞行能量K_x平行于X轴运动。在通过偏转器402之后，离子获得了Z方向上的附加能量K_z，并且该离子束偏转过小角度： $\mathrm{tg}\left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{K_z/K_x}.$ 离子在Z方向上接收的能量的量取决于其通过偏转器的飞行时间，从而取决于其X方向上的能量。如果原始离子束在X方向上具有较小的能量扩散，则在通过偏转器之后，该离子束将在漂移方向Z上具有相似的相对能量扩散。与先前的情况一样，在两个方向上的相对能量扩散相同。对反射镜X和Z进行优化，以在相似的相对能量扩散之内相应地将能量聚焦在能量K_x和K_z处。图11B的注入方法的优点在于，可以以电子方式来修改注入角度θ。使用较小的注入角度，可以增加反射次数，从而增大飞行时间和质量分析的分辨能力。与现有技术相比，这个特征为系统提供了相当大的优势。在Verenchikov和Yavor的系统中(图2)，注入角度是固定的，由透镜位置限定。该注入角度不可修改。增加反射次数的唯一方法是在透镜LD1和LD2中使用脉冲偏转，这导致了离子轨迹形成环状并引起质量范围限制。但是图11B的系统没有这种缺陷，尽管使用不同注入角度需要对施加至离子反射镜X和Z的电压进行重新调整。针对不同能量来重新调整反射镜仅需要按比例改变供电电压。例如，如果X方向上的能量增大了10％而Z方向上的能量减小了50％，则应当将所有供电电压Vx1，Vx2，...，Vxn增大10％，而将供电电压Vz1，Vz2，...，Vzk减小50％并叠加在每列中的Vxn电压上。因此，可以在所提出的2DTOF中实现不同角度的注入。

如图11C所示，也可以使用位于无场区的附加偏转器404将离子束引导入环状轨迹。当将离子束注入系统时，该偏转器关闭并不对离子束起作用。在Z反射镜处发生第一次反射之后，该离子束返回出口并第二次通过偏转器404。此时，该偏转器开启，并将离子束引导返回Z反射镜。按照这种方式，只要该偏转器开启，离子束将在偏转器404和Z反射镜之间反射。在充分次数的反射之后，该偏转器关闭，离子束被传输至检测器D或下游处理级。在如图12所示闭合的2DTOF系统501(具有Z方向上的两个反射镜)中，可以进行相似类型的操作。在这种情况下，附加偏转器504位于反射镜的无场区中，并可以同时在Y和Z方向上偏转离子束。利用两个偏转器502和504将来自源S的离子束引导至飞行路径上。在注入之后，偏转器504立即关闭，离子束在X和Z反射镜之间反射充分多的反射次数。最终，偏转器504开启，通过偏转器503将离子束引导向检测器D。

在环状轨迹上提供多次折返的系统中，可以在单次实验中射出的质量范围有限，并且与Z方向的反射次数成反比地减小。在优选实施例中，可以使Z方向的折返次数很小，这是由于Z方向上即使单次反射也能提供实质上较长的飞行路径。如图13所示，如果单次折返的飞行路径不够长，则可以使用具有两个Z反射镜的闭合系统来提供更长的飞行路径。在这种情况下，使用保持开启的两个偏转器502和504将离子束引导入系统。偏转器504是双向偏转器，它通过在Y方向上偏转离子束来将2DTOF分析器的平面中的离子束对齐，还通过在Z方向上偏转离子束来提供漂移速度。将2D TOF系统内的离子束轨迹布置为使得在Z方向上的第一次反射之后，离子束在偏转器504与505之间交换(pass between)，并在通过一对偏转器505和503离开系统之前经历Z方向上的另一次反射。只要离子束不与偏转器504和504相交，就可以通过合适地选择注入角度来调整X方向上的反射次数。只要偏转器充分小并且离子束轨迹不与偏转器交叉，就可以使漂移方向Z上的反射次数更大。

可以认识到，作为对使用偏转器的替代，可以使用静电扇形场(sector field)来将离子引入2DTOF分析器的飞行路径或将离子从该飞行路径上引导出。

上述考虑表明，可以在实际中建立一种系统并描述了其操作方法。现在考虑如何使用这种系统来构造改进的TOF系统或提高现有TOF系统的性能。

如图11、12和13所示，根据本发明的2DTOF系统的实施例可以用作具有高质量分辨能力的独立质谱仪。为了获得高分辨能力，应当在检测器(D)表面压缩具有相似质量的离子包(能量聚焦)，即应当在与检测器表面正交的方向(飞行方式X)上对离子包进行压缩。可以使用不同方法来实现这一点。当使用具有单个加速级的简单离子源(图8、9)时，具有相同质荷比但具有能量扩散的离子将聚焦在与离子源间隔约为两倍加速级长度的距离处的等时点处。然后，在通过该等时点之后，较高能量的离子领先于较低能量的离子移动。典型地，加速级较短(例如1至10mm)，因此实际上该等时点可能位于2DTOF系统的外部和上游。在这种情况下，离子在进入2DTOF系统之前将经历较长距离的无场飞行，这使离子根据其不同速度而分离。由于离子能量与离子速度之间的非线性关系，因此这种分离对离子能量具有非线性依赖性。

参照方程4和图7描述的独立于能量的周期T(K)基于优化的等时系统，如之前所述，该系统将保持在不同时刻进入系统的、质荷相同比但能量不同的离子之间的时间差。因此，之前描述的该优化的等时系统不能用于校正上述由于离子在2DTOF系统外的无场飞行而导致的离子分离，因此不能在检测器D处提供离子束的能量聚焦。

在根据本发明的2DTOF的实施例中克服了这一问题。在该实施例中，将2DTOF修改为使得在系统内对由于系统外的无场飞行而导致的离子之间的时间差进行校正。为此，将飞行方向(X轴)离子反射镜优化为使得飞行方向上的单次反射周期T(K)不再独立于能量(如图7所示)，而是具有较小的线性(更高阶)偏差。当在若干次反射中进行累加之后，可以将这种偏差布置为：对具有相同质荷比但具有不同能量的离子之间由于这些离子在系统外的无场飞行造成的分离而导致的时间差加以补偿，从而可以在检测器处实现更高阶聚焦。按照这种方式，在较低能量的离子之前进入2DTOF的、具有较高能量的离子可以被布置为在较低能量离子之后离开2DTOF，使得所有离子同时到达检测器而与它们的能量无关。类似地，可以使用依赖于能量的反射周期T(K)来致使与较低能量离子同时进入2DTOF的、具有较高能量的离子在较低能量离子之后离开2DTOF，同样使得所有离子同时到达检测器而与它们能量无关。

在检测器处实现能量聚焦的第二种方法需要离子源的不同设计。在这种情况下，紧接着第一加速级之后，在第一次聚焦之前引入附加加速级。这种设计可以与图8的3D离子阱源和图9的LIT源一起使用，但是这里将与图10的轴向射出源相结合来进行描述。如之前所描述的，附加的加速对于减小离子束的相对能量扩散而言是有用的。附加的加速还改变了第一次聚焦的位置。当应用抽取脉冲时，位于与第一加速级的出口较近的离子首先射出，并由于较短的加速距离而具有较小的能量。在两级加速源中，离子还将被第二加速场加速。因此，具有较低和较高能量的离子之间沿飞行路径的分离增大，因此在离子离开第二加速级之后，较高能量离子需要花费较多时间来追上较低能量离子。由此，第一次聚焦的位置进一步偏移。第一次聚焦的实际位置取决于每一级的场强和长度，并且可以而对该位置进行优化以在所需距离处进行能量聚焦。仿真表明，在第一和第二加速隙(acceleration gap)分别为10mm和50mm，并且场强分别为96V/mm和130V/mm的情况下，第一次聚焦发生在400mm距离处，并且可以被布置为与检测器相一致。源与检测器之间这样距离足以使离子束能够在到达检测器之前转入2DTOF系统(如图11B所示)。在这种情况下，将离子束转入2DTOF系统不应改变聚焦位置，并且，如果X方向上的飞行时间独立于离子纵向能量，则可以满足这一要求。这是由于，如上所述，在优化的等时系统中，系统将使质荷比相同但能量不同的离子之间的时间差保持不变；即，当离子离开系统时，该时间差将与离子进入系统时的完全相同相同，因此仍将以如同省略了2DTOF系统一样的方式，在检测器处聚焦。当然，由于系统内延长的飞行路径，具有不同质荷比的离子的分离将增大，从而提供了改进的质量分辨率(mass resolution)。如上所述，对于本发明的其他实施例，可以以多种方式来实现飞行方向上的等时特性。可以对系统进行优化，使得X方向上单次反射的飞行时间独立于离子能量。在这种情况下，系统所具有的等时点数目与X方向上的反射次数一样多，并且可以在空间中对离子束进行多次压缩。也可以对X方向上的离子反射镜进行优化，使得等时点出现在若干次反射之后，或甚至出现在整个轨迹的结尾处。从空间-电荷畸变(space-charge distortion)的角度看，这种优化是优选的，这是由于在空间-电荷畸变的情况下，多数时间内离子包在未压缩的状态下运动。在漂移方向上，应当从偏转器402的出口点至偏转器403的入口点对Z离子束进行重新聚焦。在这两点之间，离子在漂移方向上的飞行时间应实质上独立于漂移能量。实际上，尽管不需要在漂移方向上的高阶聚焦。只要离子束比检测器D的宽度更窄，就不会发生传输损耗，离子束宽度不会影响质量分析的分辨能力。

由于2DTOF系统的等时特性，在任何传统TOF系统中，可以将该2DTOF系统用作延迟线，以改进质量分析的分辨能力。图14A示出了这种系统的示例。传统的TOF系统包括源(S)和离子反射镜601，将离子反射镜601构造为使得具有相似质量的离子包正好在检测器(D)的表面之前聚焦(空间压缩)。这种情况的发生是由于在任何给定时刻，对具有相似质量的离子的相对位置和纵向能量之间进行特定校正。可以将根据本发明的2DTOF系统优化为使得在两个方向(X和Z)上的飞行时间独立于某个范围内的离子能量。由于这种特性，可以将该2DTOF系统放置在离子束的无场飞行路径上的任何位置，并将其用作离子包的延迟线。在图14A中，将本发明的2DTOF系统放置在离子源与离子反射镜601之间的离子束无场飞行路径上。偏转器402将该离子束引导入2DTOF，偏转器403用于将该离子束引导回朝向离子反射镜601的飞行路径。当离子通过偏转器403离开2DTOF时，具有相同质荷比但具有不同能量的离子的空间分离与完全省略2DTOF的情况下相同，这是因为离子的飞行时间增大了相同的量而与它们的能量无关。相应地，系统的其余部分将采用与在没有2DTOF的情况下相同的方式在检测器的表面处聚焦离子包，但是由于2DTOF中延长的飞行时间，具有不同质荷比的离子在时间上的分离将增大，从而导致了质量分辨能力的相当大的提高。

图14B示出了2DTOF系统的另一应用。在这种情况下，将该系统用作用于选择离子的分离设备。由于2DTOF系统中相当大的飞行时间差，具有不同质量的离子在离开2DTOF之后在空间上分离。偏转器403以脉冲模式工作，仅在短时间内传输离子。通过这种方式，以高分辨能力来选择质量范围或子范围。在2DTOF的下游有碰撞单元603，针对碰撞单元603，可以使用具有碰撞气体的腔室(chamber)。具有高分子质量的气体(如氩、氪或氙)是优选的。通过与缓冲气体分子的碰撞以及碎裂(fragment)来激活所选的离子。碎片(fragment)继续传向(continue their way towards)离子反射镜602(在这种情况下是反射器(reflectron))，并在检测器处聚焦，从而产生了针对2DTOF中所选离子种类(ion species)的碎片质谱。由于守恒定律，碎片具有与原始的母体离子几乎相同的速度，并因此具有较小的能量。在这种情况下，反射镜602需要能够对具有很不相同能量的离子进行聚焦，因此，具有沿飞行轴几乎抛物线电位分布的反射镜是优选的。

以示例方式呈现了所述实施例；本领域技术人员可以认识到，在所附权利要求的范围之内可以做出多种改变。

Claims (25)

1.一种多反射TOF质量分析器，包括：静电场产生装置，被配置为限定两个平行无栅的离子反射镜，每个离子反射镜具有在漂移方向上伸长的结构，所述离子反射镜提供由在与漂移方向正交的飞行方向上离子的多次反射以及漂移方向上离子的位移而形成的折叠的离子路径，所述静电场产生装置还被配置为限定另外的无栅离子反射镜，所述另外的无栅离子反射镜用于在所述漂移方向上反射离子，从而在操作中，由于离子沿所述折叠的离子路径具有不同的飞行时间而根据质荷比将离子在空间上分离，并且，相对于所述飞行方向和所述漂移方向，对具有实质上相同质荷比的离子进行能量聚焦。

2.如权利要求1所述的TOF质量分析器，其中，所述两个平行无栅的离子反射镜中的每一个包括平行于所述漂移方向延伸的相应的一组电极，并且，所述另外的离子反射镜包括与所述漂移方向正交地延伸的另一组电极，每组所述电极关于所述折叠的离子路径的平面而对称。

3.如权利要求1或2所述的TOF质量分析器，包括用于将离子引导至所述折叠的离子路径上的引导装置。

4.如权利要求3所述的TOF质量分析器，包括用于将离子从所述折叠的离子路径上引导出的引导装置。

5.如权利要求3或4所述的TOF质量分析器，其中，所述引导装置包括偏转器装置。

6.如权利要求5所述的TOF质量分析器，其中，所述偏转器装置是静电可控的，用于控制相对于所述飞行方向的角度，离子是以所述角度被引导至所述折叠的离子路径上的。

7.如权利要求3或4所述的TOF质量分析器，其中，所述引导装置包括静电扇形场装置。

8.如权利要求1至7中任一项所述的TOF质量分析器，包括位于所述折叠的离子路径上的静电可控的偏转器装置，用于选择性地将离子反射回所述另外的离子反射镜，从而使所述折叠的离子路径具有环状配置。

9.如权利要求8所述的TOF质量分析器，其中，将所述位于所述折叠的离子路径上的静电可控的偏转器装置选择性地布置为：使得重复将离子反射回所述另外的离子反射镜。

10.如权利要求1至7中任一项所述的TOF质量分析器，在所述伸长的结构的每一端包括所述另外的离子反射镜。

11.如权利要求10所述的TOF质量分析器，包括位于所述另外的离子反射镜之间的偏转器装置，所述偏转器装置被选择性地布置为将离子引导至所述折叠的离子路径上，或将离子从所述折叠的离子路径上引导出。

12.如权利要求11所述的TOF质量分析器，其中，所述位于所述另外的离子反射镜之间的偏转器装置包括：第一偏转器，用于将离子引导至所述折叠的离子路径上，以在所述另外的离子反射镜处对离子进行反射；以及第二偏转器，用于在所述另外的反射镜处进行反射之后，将离子从所述折叠的离子路径上引导出。

13.如权利要求1至12中任一项所述的TOF质量分析器，其中，所述能量聚焦使得飞行方向上每次反射的周期依赖于离子能量。

14.一种TOF质谱仪，包括：离子源，用于提供离子；根据权利要求1至12中任一项所述的TOF质量分析器，用于分析由离子源提供的离子；以及检测器，用于在TOF质量分析器将具有相同质荷比但具有不同能量的离子根据其质荷比分离之后，实质上同时接收所述离子。

15.如权利要求14所述的TOF质谱仪，其中，所述TOF质量分析器中的能量聚焦使得飞行方向上每次反射的周期依赖于离子能量，并且，所述周期实质上有效补偿了具有相同质荷比但具有不同能量的离子之间由于所述离子在TOF质量分析器外的无场飞行而导致的时间差，从而使得离子能够在实质上相同的时刻到达检测器。

16.如权利要求15所述的TOF质谱仪，其中，所述补偿使得以连续递减的能量进入TOF质量分析器的离子以连续递增的能量离开TOF质量分析器。

17.如权利要求14所述的TOF质谱仪，其中，在所述TOF质量分析器中的所述能量聚焦使得飞行方向上每次反射的周期独立于离子能量，并且，所述离子源被布置为：为离子源提供的具有相同质荷比但具有不同能量的离子创建在检测器处的等时点。

18.如权利要求17所述的TOF质谱仪，其中，所述离子源包括：离子存储设备；用于将离子从离子存储设备中射出的装置；以及用于对射出的离子进行加速以增大离子能量从而减小射出的离子的相对能量扩散并创建在检测器处的所述等时点的装置。

19.如权利要求14所述的TOF质谱仪，包括位于所述TOF质量分析器与所述检测器之间的飞行路径上的另外的质量分析器，其中在所述TOF质量分析器中的所述能量聚焦使得飞行方向上每次反射的周期独立于离子能量，并且，所述TOF质量分析器将具有相同质荷比但具有不同能量的离子有效地延迟相同的量。

20.如权利要求19所述的TOF质谱仪，包括碎裂装置，用于在所述TOF质量分析器将离子延迟之后对离子进行碎裂，其中，所述TOF质量分析器包括被布置为将具有所选范围质荷比的离子从所述折叠的离子路径引导至所述碎裂装置的偏转器装置。

21.如权利要求20所述的TOF质谱仪，其中，所述碎裂装置是碰撞单元。

22.如权利要求19至21中任一项所述的TOF质谱仪，其中，所述另外的质量分析器包括反射器。

23.一种离子源，包括：离子存储设备；用于将离子从离子存储设备中射出的装置；以及用于对射出的离子进行加速以增大所述离子的能量从而减小射出的离子的相对能量扩散的装置。

24.如权利要求1所述的多反射TOF质量分析器，实质上与这里参照附图所描述的相同。

25.如权利要求14所述的TOF质谱仪，实质上与这里参照附图所描述的相同。

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