CN101675496B - 带电粒子凝聚装置 - Google Patents
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Abstract
离子和带电液滴从喷嘴(6)朝向带电粒子传送装置或去溶剂管(7)的孔(22)移动。这种粒子的运动受沿粒子轨迹的赝势分布的控制。射频电压施加到电极阵列(24)的相邻电极(241-246)引起带电粒子基本上在电极阵列(24)上盘旋。在离子刚好到达电极阵列(24)以前它们经历垂直于电极阵列(24)表面的排斥力“F”。该力“F”正好在电极阵列(24)之前产生有效势垒(B)，并因此产生赝势阱(A)，在赝势阱(A)中带电粒子停止它们平行于卷流轴线(D)的运动。因此，它们聚集在该阱(A)的中心线(C)周围。由于除了射频电势之外，还将直流电势施加到电极阵列(24)中的相邻电极上，则可以在阱区域(23)中形成小的直流电场。这些外加的直流电场驱动带电粒子朝向对称轴线(C)并且朝向带电粒子传送装置或去溶剂管(7)的孔(22)。因此，许多通常会碰撞在围绕孔(22)的壁(21)上的带电粒子现在也可以被分析了。
Description
技术领域
本发明涉及一种质谱仪，且更具体地涉及这种质谱仪的形成离子或其它带电粒子云的离子源，所述离子或其它带电粒子云必须通过一个小孔(orifice)被析取到质谱仪或迁移谱仪(mobility spectrometer)中，其中离子或其它带电粒子在大约一个或几个大气压的气体中形成，比如使用电喷雾离子源(ESI)、大气压化学离子源(APCI)、高频电感耦合等离子体离子源(ICP)来完成，或者可选地在降压气体中形成，比如使用电子轰击离子源(EI)、化学离子源(CI)、激光离子源(LI)或等离子体离子源(PI)来完成。
背景技术
为了电离用于在质谱仪或迁移谱仪中分析的分子或原子，采用了不同的电离技术。这些技术中的多数提供离子云中的离子，在离子云中仅仅通过某个狭窄孔进入迁移谱仪或质谱仪的那些离子能够被分析。在一些情况中需要双离子分析，并且离子必须通过一个小孔在接近大气压下引入到迁移谱仪中，然后通过另一个小孔从该迁移谱仪的出口进入到抽空的(evacuated)质谱仪。引导离子通过一个或几个小孔总是难以实现，所以通常这些形成的离子的很大一部分将撞击在所述孔的侧壁而无法用于分析。
当离子以高于迁移谱仪或质谱仪中的压力的压力在气体中形成时，进入该离子分析器中的气流的影响也必须被考虑到。因此，孔往往形成为一个分离器(skimmer)，其具有尖缘，主要因为这样降低了气体湍流的影响。
典型的大气压电离在“大气压电喷雾电离”(ESI)或“大气压化学电离”(APCI)中实现了。在ESI方法中，将数千伏的电压施加到含有液体样品的毛细管的喷嘴。在喷嘴处形成带电小液滴，从这里溶剂很快地蒸发，在最初溶解的分子上留下部分液滴电荷。在APCI方法中，一个针对准该喷嘴，引起电晕放电，电离载气的原子或分子，在很短的时间后电离的原子或分子将它们的电荷传递给所关注的分子(molecules ofinterest)。在这两种方法中通常是喷嘴和/或载气被加热，从而提高液滴的蒸发率，因为静止的完整液滴不利于迁移谱仪或质谱仪的运行。
一旦离子被引入抽空的质谱仪，气体流量应当降低很多，以便具有足够的泵送能力。例如使用直线或曲线毛细管可以做到这一点(见专利文献1)，直线或曲线毛细管也可以被加热以帮助剩余液滴的蒸发。然而，在大多数情况下形成的离子中仅有部分进入毛细管，甚至它们中的多数将与毛细管壁作用，从而损失掉。当将毛细管用分离器或采样锥(sampling cone)取代(见专利文献2)时，可以获得对这种方法的一些改进。但是在这两种方法中，只有一部分形成的离子可以被利用。
为了增加传输到抽空的质谱仪的离子数目，也有一些配置被使用(专利文献3、4和5)，其中不使用单一孔(aperture)，而使用了几个孔。
[专利引用1]日本未审专利申请公开号H7-68517[专利引用2]日本未审专利申请公开号H8-304342[专利引用3]美国专利号6818889[专利引用4]美国专利号6949740[专利引用5]美国专利申请公开号2004/0245458
发明内容
要解决的技术问题
在本发明中，描述了一种离子凝聚装置，其通过提高引导离子穿过小孔的效率从而改善迁移谱仪或质谱仪的灵敏度。这是通过在初始离子云区域提供特定的射频和直流电场实现的，籍此该射频场用于防止离子和其它带电粒子到达这一区域的壁，且叠加的直流场将它们推向所述孔。
技术方案
本发明中所描述的使离子凝聚为小离子云的装置包括多个以很窄的间距排列在大致围绕圆形或细长孔的表面上的电极。该表面上的孔可以为在电离室中形成离子通过它进入迁移谱仪或质谱仪的孔。代替使用单一表面上的电极阵列的凝聚作用，可以使用两个或多个表面上的电极阵列的联合作用，其中所述两个或多个表面被设置为，它们的孔大致对准且离子能够通过所有的孔。然而，对准方式可能不是严格的同心，并且孔的形状可能不是严格的圆形。
施加射频电压到至少一个阵列上的相邻电极，射频场将推动离子在相邻电极之间来回运动，随着电场快速改变它的方向，使得离子不能到达相邻电极中的任意一个，从而在位于如图1所示的某一有效赝势(pseudopotential)阱中的电极阵列上盘旋。另外施加这些射频电压的同时也向相邻电极的施加直流电压，对应的直流电场将离子推向离子必须经过其进入所述质谱仪或迁移谱仪的所述孔。使用数值计算，两个离子的整个离子运动的如图19所示。
在一些离子源中，不仅形成离子，也形成不希望看到的大液滴或离子簇。当离子朝向所述孔加速时，他们形成某一相对宽的卷流(plume)，如图1所示，而液滴和离子簇通常集中在卷流的中间。因此，可能会有利的是引导这些粒子中的至少一些远离所述孔。图2和图3示出了在实践中如何可以做到这一点。
在本发明所述的离子凝聚装置的第一实施例中，所述电极配置为大致同心的环形电极，如图4、5、12、14、15和16所示。将叠加的射频和直流电势施加到这些电极，可以形成场，所述在电极阵列前面的空间中捕获离子并且推动它们径向地朝向所述孔。在所有情况下，电极宽度以及它们的间隔可以在一个电极阵列内改变(参见图4)，或者在采用几个电极阵列的情况中，可以从一个阵列到下一个阵列改变电极宽度以及它们的间隔(见图5)。
在本发明所述的离子凝聚装置的第二实施例中，所述电极配置为基本为直线且基本平行的，如图6、7、13和17所示。将叠加的射频和直流电势施加到这些电极，在电极阵列前面的捕获区中形成场，其垂直于电极，从而使离子向细长的孔移动。通过加速这些已经通过该孔朝向具有基本为直线且基本平行的电极(它们相对于第一电极阵列以某个角度定向，例如90度)的第二个这样的电极阵列的离子，细长的离子云能够凝聚为小体积的离子云。
由于射频场的振幅始终限制为仅仅使得那些速度“V”保持在某一数值之下的离子被从电极阵列的表面推回。实际上只有垂直于电极阵列表面的速度分量，即v⊥＝vcos(α)必须保持为低于此值，其中α为所述阵列表面的法线与离子轨迹之间的角度。因此，如图3和图7所示，提高角度“α”是有用的。
在大多数情况下，从离子源析取的离子的整个数量依赖于外加电场。在采用电喷雾离子源的情况下，这是如图1所示的喷嘴区域中的电场。但是，这个电场也影响电离室中的各处电场，并且因此经常提高接近电极阵列和所述孔的离子的速度“v”。因此，使用如图10和图11所示的网格或光圈以及在它们上施加直流电势以降低离子接近电极阵列时的速度是有利的。
在许多大气压离子源中，也有一些气流，朝向所述孔并由此也朝向所述电极阵列推动离子。这种离子速度“V”的增加不受电场影响。但是，一方面可以形成所述光圈的至少一个，使得它去除部分气体，并且一方面可以进一步成形所述光圈的至少一个，使得它重新定向部分气流，可以借助在关键位置(strategically)配置排气口的措施。
有益效果
根据本发明，电离室中所产生的离子与其它的带电粒子一起被射频和直流电场引导朝向它们必须通过其进入质谱仪或迁移谱仪的孔。这包括很多离子，这些离子在其它方式中可能已经丢失，因为它们可能撞击到表面上了。因此形成的离子的利用效率显著增加，并且在最后记录的迁移谱或质谱中的离子强度得到改善，因此改善所进行的测量的灵敏度。
在具有适当振幅的射频和直流电势被施加到多个基本为环形和基本同心的电极上的实施例中，我们发现离子连同其它带电粒子被捕获在电极阵列上方的宽的区域中并且被导向位于该电极阵列中心的所述孔。
在具有适当振幅的射频和直流电势被施加到多个基本平行电极上的实施例中，我们发现离子连同其它带电离子被捕获在电极阵列上方的宽的区域中。但是该电极阵列将仅仅在垂直于所述电极方向的方向上引导它们。通过使它们通过细长孔，并且使它们加速朝向第二个这样的具有垂直于第一阵列的基本平行的电极的阵列，离子被凝聚为狭窄的电子云，这样能够被高效地析取通过所述孔。
当离子到达所述基本上环形或基本上平行的电极配置上方的捕获区域时，这些离子或其它带电粒子的速度“v”能够高到由射频电场引起的有效推斥力“F”太小以至于不能捕获它们。使用中间网和光圈以及对它们施加减速电势，它们的速度“V”可以被有效地降低。
射频电场的捕获效率随着考虑的离子的质量和射频电场的振幅而升高。因此，有利的是选择射频电场的振幅，使得需要的离子或其它带电粒子可以被捕获，同时不需要的较轻的离子或其它带电粒子不被捕获并且由此撞击到电极阵列上。因此，至少不需要的粒子中的一些没有被传递到质谱仪或迁移谱仪，从而提高离子分析的选择性。
附图说明
图1(a)是从喷嘴出来的带电和不带电分子的卷流的示意图。所示的也是根据本发明的一个电极阵列，其将离子推向卷流的轴线D。图1(b)和1(c)是沿着赝势阱的底部C以及沿着投射到轴线D上的粒子轨迹的电势分布图。图2是图1的变化例，其示出了在这个实施例中所述卷流的所述轴线D相对于所谓的去溶剂管(6)或一些其它带电粒子传送装置的轴线E偏移放置。图3是图2的变化例，其示出了在这个实施例中所述卷流的所述轴线D相对于所谓的去溶剂管(6)或一些其它带电粒子传送装置的轴线E为倾斜的。图4示出了所述电极阵列的一个可能实施例，所述电极阵列具有放置在一个平面上的同心环形电极。处于射频电势的不同相位的电极以明暗的灰色阴影示出。图5示出了所述电极阵列的一个可能实施例，所述电极阵列具有放置在两个基本平行的平面上的同心环形电极，在所述两个基本平行的平面中的上面的平面上的所述电极阵列作为预凝聚器。此外，在这种情况下，处于射频电势的不同相位的电极以明暗的灰色阴影显示。图6示出了所述电极阵列的一个可能实施例，所述电极阵列具有放置在两个基本平行的平面上的平行电极，其中，电极阵列配置为具有一定的角度，使得离子或其它带电粒子按照基本上垂直的方向被凝聚。此外，在这种情况下，处于射频电势的不同相位的电极以明暗的灰色阴影显示。图7是图6的变化例，其示出了在这个实施例中所述电极阵列放置在略微倾斜的平面上。此外，在这种情况下，处于射频电势的不同相位的电极以明暗的灰色阴影显示。图8示出了大气压离子质谱仪的完整配置，其包括用于差分抽气的两个室。图9示出了大气压离子迁移谱仪的完整配置，从大气压离子迁移谱仪中选择的迁移离子通过两个中间室传递给质谱仪。图10是图1的变化例，其示出了在这个实施例中，离子或其它带电粒子在它们到达所述电极阵列以前必须通过至少一个网格。图11是图1的变化例，其示出了在这个实施例中，离子或其它带电粒子在它们到达所述电极阵列以前必须通过至少一个光圈。图12示出了图4或5的印刷电路板形式的环形电极阵列的一个实施例，其中电势通过通孔施加给不同的电极，这些通孔的直径必须分别小于“d1”或“d2”，因而需要最小的重复长度(repetition length)。图13示出了图6或7的印刷电路板形式的平行电极阵列的一个实施例，其中电势通过通孔施加给不同的电极，这些通孔的直径分别小于“2d1”、“2d2”，也就是两倍的重复长度。然而在这个实施例中，在电极阵列的平面内到电势源的直接连接也是可行的。图14示出了以印刷电路板形式构造的部分环形电极的阵列的实施例。在这个实施例中，电势通过通孔施加给不同的电极，这些通孔的直径必须分别小于“2d1”、“2d2”，也就是两倍的重复长度。然而，在这样的排列中，到电势源的直接连接也是可行的。图15示出了接近于螺旋形的基本同心的电极的实施例。这个电极阵列仅仅要求两个用于射频电势的连接。但是，为了建立径向直流电场，两个电极必须使用电阻材料构造，并且不同的直流电势必须施加到每个电极的末端。图16示出了非常相似于图15所示的螺旋状电极的基本上同心的电极的实施例。在这个实施例中，预知有三个电极，并且相位相差120°的射频电压被施加到这三个电极上。在这种情况下，可以形成不需要单独的直流电压就可以将离子或其它带电粒子带向中心的行波。图17示出了连接成弯曲状结构的基本上平行的电极的实施例。在这个实施例中，预知有三个电极，并且相位相差120°的射频电压被施加到这三个电极上。在这种情况下，也可以形成不需要单独的直流电压就可以将离子或其它带电粒子带向中心的行波。图18示出了能够产生图1、2、3、4、5、6、7、10、11、12、13和14所示的电路所要求的射频和直流电压的电子电路。图19示出了在图1所示的本发明的实施例中从数值轨迹计算获得的离子或其它带电粒子的运动。
附图标记说明
1...图8和9的电离室2...图9的迁移谱仪室3...图8和9的第一中间真空室4...图8和9的第二中间真空室5...图8和9的质谱仪室6...图1、2、3、10和11的喷嘴7...图1、2、3、10和11的去溶剂管或带电粒子传送装置8...图8和9的电离室的排气口9...室2中的用于将离子聚焦进入图9中的迁移谱仪的透镜10...图9中的迁移谱仪11...图9的迁移谱仪的探测器12...图9的迁移谱仪室的抽气泵13...室3中的用于将离子聚焦进入图8和9的分离器的透镜14...图8和9的分离器15...图8和9的室3的抽气泵16...室4中的用于将离子聚焦进入图8和9的质谱仪的孔中的透镜17...图8和9的室4的抽气泵18...图8和9的四极质谱仪19...图8和9的质谱仪的离子探测器20...图8和9的质谱仪室5的抽气泵21...图1、2、3、10和11的电极阵列后面的墙22...图1、2、3、10和11的去溶剂管或其它器件的孔23...图1、2、3、10和11的离子捕获区域24...图1、2、3、10和11的电极阵列241-248...图1、2、3、4、5、6、7、10和11的表面1上的电极251-256...图5、6和7的表面2上的电极26...图10的屏蔽网格271，272，273...图11的屏蔽光圈281，282，283...图15和16的螺旋状电极291，292，293...图17的蜿蜒状电极
具体实施方式
本发明的目的是通过提供电场改善大气压离子源到质谱仪或迁移谱仪的耦合效率，所述电场在带电粒子进入所述谱仪之前作为带电粒子的凝聚装置。这样一个完整的系统以及它的基本部件在图8和9中示出。
具有大气压离子源的质谱仪在图8中示出。这里有一个电离室1，其具有喷嘴6，溶解在液体样品中或液相色谱仪(未示出)的流出液中的需要的分子被引入到电离室中。带电液滴从这个喷嘴产生，电离的分子同中性分子一起从带电液滴中蒸发，中性分子要么保持不变，要么必须通过放电或激光相互作用被电离。当这些液滴通入通常被加热的所谓去溶剂管7时，液滴的这种蒸发被增强。中性分子以及雾化气体(未示出)填充电离室1到约大气压或者以上，同时这些气体中的一些通过排气口8离开，并且一些通过带电粒子传送装置或去溶剂管道7离开。这里还有被抽气(20)到约10-4Pa或更多的室5。该室显示为容纳四极质谱仪18以及相应的离子探测器19。在室1和4之间，放置有另外两个抽空室，给出了一种提供有效的差分抽气配置的好方法。带电粒子被从电离室1引导通过小直径的带电粒子传送装置或去溶剂管7进入被抽气(15)至约100Pa的室3中。带电粒子在到达室5之前从室3移动通过狭窄的分离器14进入被抽气(17)至约10-2Pa或更少的室4中。
生成的离子和带电液滴主要由室1和室3的气体压力差推动经过带电粒子传送装置或去溶剂管进入室3内，在室3中多个基本上同心的电极13将离子聚向分离器14。在室4中离子被加速并且聚向连接室4和5的小孔。聚焦透镜在图8中显示为杆状的电极16的配置。在室5中具有特定质量电荷比(m/z)的离子通过四极质谱仪18被选择，使得仅有这些离子被记录在离子探测器19中。室5还可以包含飞行时间质谱仪、傅里叶变换质谱仪或任何其它设备。任何此类质谱仪的轴线可配置为同轴于如图8所示的输入束，但另一角度，比如90°，也是可行的。
如图9所示，本发明也可用于耦合至迁移谱仪的大气压离子源。这种迁移谱仪10可以作为一个独立的迁移率分析器或者作为稍后将被质谱仪分析的离子的迁移预滤器。图9的系统主要是图8所示的系统，附加有室2，其配置在室1和3之间。室2通过通道12部分地抽空至一个压力，该压力在大多数情况下只是稍微低于室1的压力。室2容纳迁移谱仪10及其离子检测器11，以及多个电极9，所述多个电极将离子聚焦至迁移谱仪的入孔处。虽然离子检测器11将记录所要考虑的离子的完整迁移谱，迁移率选定离子的最大部分将被发送到如图9的室5中所示的质谱仪一样的质谱仪。
本发明的主要特征在图1(a)中示出，图1(a)示出了离子和带电液滴如何从喷嘴朝向带电粒子传送装置或去溶剂管7的孔22移动。这种粒子运动受沿着图1(b)图示的粒子轨迹的赝势分布的控制，坐标沿着该轨迹的正离子被投影到粒子卷流的对称轴线D上。该赝势分布由喷嘴6和环绕带电粒子传送装置或去溶剂管7的表面21的直流电势引起赝势分布。但是也有高频或射频电压被施加到电极阵列24的相邻电极241-246，这些电压在给定瞬间时间在图1中由“+”和“-”符号表示。这些射频电压引起带电粒子基本上在电极阵列24上盘旋，因为倘若一个电极足够快地改变它们的符号，则带电粒子朝向该电极的运动在它们到达该电极以前被停止。刚好在离子达到电极阵列24以前它们因此遇到垂直于电极阵列表面的排斥力“F”，根据“射频离子导向装置的捕获气体单元中的空间电荷效应”、“科学仪器评论76(2005)103503”，排斥力“F”的有效值与(mVRF 2)/(p2d3)成比例。这里，‘m’是粒子质量，‘VRF’是射频电压振幅，‘p’是剩余气体压力以及‘d’是电极阵列中重复长度，即两个电极之间的距离加上它们之一的宽度，如图4、5、6、7、12、13和14中所示的两个重复长度“d1”和“d2”，以及如图15、16和17中所示的重复长度“d”。该力“F”刚好在电极阵列24之前产生有效势垒B并且因此产生其中带电粒子停止它们平行于卷流轴线D的运动的赝势阱A。因此它们聚集在该阱A的中心线C的周围。在该阱中的带电粒子云的附近区域23如图1(a)中所示。除了施加射频电势之外，还施加直流电势到电极阵列内的相邻电极，因此小的直流电场可以形成在阱区域23中，如图1(c)所示。这些附加的直流电场驱动带电粒子朝向对称轴线C并且因此朝向带电粒子传送装置或去溶剂管7。因此，通常将撞击在环绕孔22的壁21上的带电粒子中的大多数现在都可以被分析。
尽管图1所示的两个电势都假定是带正电荷的粒子，值得注意的是，对于带负电荷的粒子来说，排斥力“F”具有相同的幅度。因此，只要颠倒直流电势的符号，对带负电荷的粒子和带正电荷的粒子来说，将观察到相同的轨迹。
有利的是，图1的实施例能够改变为图2或图3的实施例。在这两种情况下，离子卷流的轴线D不会在电极阵列的中间碰到电极阵列。因此倾向于沿着轴线D移动的较大液滴将不会直接进入带电粒子传送装置或去溶剂管7，同时带电粒子到达仍然可以到达该带电粒子传送装置或去溶剂管7。在图2的实施例中这可以通过相对于带电粒子传送装置或去溶剂管的轴线E偏移设置轴线D来实现，并且在图3中的实施例通过倾斜粒子卷流的轴线D来实现。
电极阵列24详细的实施例显示在图4、5、6和7中。在所有情况下，亮暗电极表示在任何给定时刻射频电压使一组具有与其它组相比相反的电压。
在图4中电极阵列显示为由基本上同心排列且位于一个平面上的基本为环形的电极(241-248)组成。这种电极阵列，可以形成为印刷电路板上的金属条，虽然外形明显的矩形、圆形或椭圆形截面的电极也是可能的。该电极阵列的轴线E可以假设大致穿过图1中所示的带电粒子传送装置或去溶剂管7入口的孔22的中心。环绕带电粒子传送装置或去溶剂管的表面21通常但不必然平行于电极阵列表面。在这种配置下，离子会在电极阵列上盘旋，并且被径向推向电极阵列的轴线，使得它们能够由附加的直流电场和气流产生的力吸入到带电粒子传送装置或去溶剂管7的孔22中。
在图5中，示出了两个电极阵列的组合，这两个电极阵列都包括相对于带电粒子传送装置或去溶剂管7的孔22被同心地配置的环形电极241-246和251-256。这两个电极阵列中的第一个使离子向着某个较大的孔预凝聚。通过这个孔后的带电粒子由小电势差推向第二电极阵列。这个阵列接着使这些离子朝向通常较小的孔凝聚。
在图6中，示出了两个电极阵列的另一个组合，这两个电极阵列都包括平行电极241-246和251-256。这两个电极阵列中的第一个垂直于电极将离子推向裂缝状的孔，但是不在平行于电极的方向上施加力。通过这个孔后的带电粒子被小电势差推向第二电极阵列。第二电极阵列垂直于电极推动粒子。通过将第二阵列上的电极配置为基本正交于第一阵列上的电极，则带电粒子最后被凝聚到非常小的区域。在图6中，由这两个电极配置推动带电粒子所沿的方向选择为90°，但也可能有不同的角度。当然人们还可以结合基本上平行的电极阵列与基本上同心且基本上为环形的电极阵列的作用。
在图7中，示出了双电极阵列，每个电极阵列都具有与图6中一样的平行电极241-246以及251-256。但在，电极被配置在不平行、而是彼此相对倾斜的平面上。因为所述的有效力F∝(mVRF 2)/(p2d3)垂直于电极阵列的表面，因此必须补偿离子速度的平行于“F”的分量。如果电极阵列表面的法线与入射的带电粒子的速度矢量形成一个角度，则它们的速度的平行于“F”的分量为小于它们的全速度的一个因子cos(α)。
在图10和图11中，本发明的实施例显示为当带电粒子接近电极阵列时可以降低带电粒子的速度。在图10中，这些粒子仅仅在它们通过至少一个网格26以后可以到达电极阵列24，该网格与电极阵列的直流电势没有太大差别的电势。在图11中，带电粒子仅仅当它们通过光圈271、272、273后能够达到电极阵列，光圈271、272、273可以处于直流电势，使得带电粒子的动能降低到它们能够被电极阵列24的射频电势捕获的水平。一个或几个光圈也可以影响和部分地重定向来源于移向电极阵列的中性气体原子的气流。如果一个或几个排气口8被配置，使得该气流的一部分被重定向为基本平行于电极阵列的表面并且远离带电粒子传送装置或去溶剂管7的轴线，这是特别有利的。
通过减少考虑中的电极阵列的重复长度“d”，即通过减少单个电极的宽度和间隔，力F∝(mVRF 2)/(p2d3)本身可以明显地增加。然而，减少这种长度“d”，最终引起制造上的问题。使用印刷电路板技术，可以生产相对小的结构，但它并不容易将引线连接到它们上面。
对于基本同心且基本上为环形的电极阵列，可以仅沿垂直于电极阵列的方向提供适当的电势。例如这也可以通过外在引线来完成，或者如图12中所示通过通孔被完成。但是，要注意的，该孔的直径必须小于图12中所示的两个重度长度“d1”和“d2”。
对于平行电极阵列，可以沿电极阵列的平面提供适当的电势，这可以采用相对狭窄的导线来完成。即使由于某种原因，必须使用通孔，其直径必须只小于图13中所示的两个重度长度“2d1”和“2d2”。
一种在电极阵列的平面中向基本为环形的且基本同心的电极提供合适电势的方法如图14所示，然而其要求电极不形成完整的360°的环，而仅仅是这种环的一部分。在所示出的图14中，这些部分延伸为略大于180°。即使由于某种原因，必须使用通孔，其直径必须只小于图13中所示的两个重度长度“2d1”和“2d2”。在这种情况下最好将离子卷流的轴线不直接对准孔自身，而是对准偏移位置，使得所有的离子达到阵列表面上的电极放置的位置。
这也可以将基本为环形且基本同心的电极阵列成形为螺旋状结构，如图15中所示的两个这样的“螺旋”。对于这样的结构射频电势必须仅施加到每个“螺旋”的一端。但是直流电势必须被施加到每个“螺旋”的两端，使得电流可以流过“螺旋”并且沿着它们的长度建立电势降。在本发明的这个实施例中，有利的是，该“螺旋”使用高电阻率材料构成，使得功率损耗不超出限制。
这也有可能不使用图15中所示的2个缠绕在一起的“螺旋状”结构，而是使用3、4、5个、……缠绕在一起的“螺旋状”结构，图16中所示的是“三个交叠螺旋”。这种系统能够以与图15的“两个交叠螺旋”相同的方式使用，通过将直流电势施加到每个螺旋的两端并且将射频电势施加到一端。但是，这些结构也可以在没有直流电场的情况下使用，只要恰当地选择施加的射频电势的频率和相位。对于一个“n个交叠螺旋”，这里的电势差将是360°/n，因此图16中所示的结构的相位差应当被选择为120°。但是，对于n＞3的情况，这些电压也可以选择为电势下降朝向“螺旋”的中心径向向内移动。
应当指出的是，接近如图15以及图16所示的“螺旋状”结构的中心的电场的精度相对于环形电极结构略有妥协。但是，这些妥协是可以容忍的，因为正如上面所说的--接近孔，存在由于离子加速进入孔和由于气流进入该孔的外加的相对强的力，如可以从图19看出的。
行波技术还可以施加到由狭长的基本平行的电极组成的电极阵列。在这种情况下，必须连接电极，使得电极的形状变成蜿蜒状。在图17中显示了“3个交叠弯曲”，但是任何“n个交叠弯曲”可以以同样的方式构造。
必须施加到如图1、2、3、4、5、6、7、10、11、12、13、14和15所示的阵列的不同电极上的射频和直流电压能够在像图18所示那样的电子电路中产生。这样的系统都必须具有至少一个高频(RF)和至少一个可以从中导出用于该阵列的电极的不同直流电压的直流电源。这些直流电压可从如图18所示的电阻分压器获得，但也可以从多个单独的由某些电脑数字驱动的数模转换器(DAC)获得。
Claims (37)
1.一种带电粒子凝聚装置，其运行在约一个大气压的气体中，带电粒子已经在该气体中形成并且被朝向包含至少一个孔的表面加速，通过所述孔带电粒子能够移动至抽空的质谱仪或充气的迁移谱仪，其特征在于：该带电粒子凝聚装置包含由多个紧密地隔开的电极或者导电表面条阵列，阵列放置在所述表面上或位于所述表面上方一短距离，使得留下用于使带电粒子移入所述至少一个孔的开口，其中施加在相邻的所述电极或导电条之间的射频电压产生了保持带电粒子在所述电极或导电条上方盘旋的射频电场，使得带电粒子能够被由施加到所述电极或导电条之间的附加直流电势引起的电场推向所述孔。
2.根据权利要求1所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，所述电极或导电条为同心的环，同心的环放置在平的表面上，所述直流电势将带电粒子径向地推向所述同心的环的中心，该中心对准于带电粒子能够通过的圆形的孔。
3.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，所述带电粒子凝聚装置具有第一表面和第二表面，所述第二表面位于所述第一表面与所述抽空的质谱仪或所述充气的迁移谱仪之间，在这两个表面上放置均是同心的环形电极或导电条，这样施加到第一表面的所述电极或导电条上的直流电势将带电粒子径向地推向同心的环形电极或导电条的中心，该中心上设有第一孔，通过这个孔带电粒子被朝向第二表面加速，施加到第二表面的所述电极或导电条上的直流电势将带电粒子向着同心的环形电极或导电条的中心推向第二孔，所述第二孔小于第一个孔，以及所述第二孔设置在所述第二表面的所述同心的电极或导电条中心。
4.根据权利要求1所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，所述电极或导电条是直的并且是平行的，并且被放置在两个平的表面S1a和S1b上，这两个表面彼此相对倾斜某一角度ΔΦ1，这样它们的交线平行于电极或导电条，这样，不同电极或导电条的直流电势垂直于这些电极或导电条的延长部分将带电粒子推向所述的两个表面S1a和S1b的交线，在交线处，它们形成狭窄但是细长的带电粒子云，带电粒子云能够被加速通过设置在该交线上的细长孔。
5.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，除了所述的一组平的彼此相对倾斜角度ΔΦ1的表面S1a和S1b，还增加有分离的彼此相对倾斜角度为ΔΦ2的第二组平的表面S2a和S2b，其中，带电粒子已经被第一组表面S1a和S1b上的不同电极和导电条上的直流电势推向它们的放置有细长孔的交线，形成的细长的带电粒子云的带电粒子能够通过所述细长孔被朝向第二组表面S2a和S2b加速，在第二组表面S2a和S2b上，带电粒子被第二组表面S2a和S2b上的电极和导电表面上的直流电势推向它们的交线，使得在两条交线彼此间形成接近90°的角度的条件下，细长的带电粒子云被压缩到一个总体小的截面。
6.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，除了所述的一组平的彼此相对倾斜角度ΔΦ1的表面S1a和S1b，还增加有分离的表面，在所述分离的表面上放置环形并同心的电极或导电条，在此情况下，带电粒子已经被第一组表面S1a和S1b上的电极和导电表面上的直流电势推向它们的放置有细长孔的交线，带电粒子能够通过所述细长孔被朝向上面放置有环形并同心的电极或导电条的表面加速，在上面放置有环形并同心的电极或导电条的表面上，带电粒子被环形电极或导电条上的直流电势径向地推动，使得初始的细长的带电粒子云被压缩到一个总体小的截面。
7.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，角度ΔΦ1为零。
8.根据权利要求5所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，角度ΔΦ1与ΔΦ2中的至少一个为零。
9.根据权利要求5所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，所述表面S1a被分成至少两个平的二级表面S1a1和S1a2，所述表面S1b被分成至少两个平的二级表面S1b1和S1b2，所述二级表面S1a1和S1a2彼此相互倾斜使得它们的交线平行于电极或导电条，所述二级表面S1b1和S1b2彼此相互倾斜使得它们的交线平行于电极或导电条，和/或所述表面S2a被分成至少两个平的二级表面S2a1和S2a2，所述表面S2b被分成至少两个平的二级表面S2b1和S2b2，和所述二级表面S2a1和S2a2彼此相互倾斜使得它们的交线平行于电极或导电条，所述二级表面S2b1和S2b2彼此相互倾斜使得它们的交线平行于电极或导电条。
10.根据权利要求5所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，所述表面S1a和S1b和/或所述表面S2a和S2b中的至少一个是平面。
11.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，并且射频电势和直流电势通过通孔被施加到电极上，通孔的直径必须小于重复长度，也就是小于一个电极或导电条的宽度加上与下一个电极之间的距离所得的和数。
12.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，并且射频电势和直流电势通过通孔被施加到电极上，通孔的直径必须比重复长度的两倍小，也就是比一个电极或导电条的宽度加上与下一个电极之间的距离所得和数的两倍小。
13.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，所述的电极或导电条不是满环而是部分环，使得射频电势和直流电势可以通过来自电源电路的导线直接施加到它们的平面中的所述电极或导电条上。
14.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，所述的电极或导电条不是满环而是部分环，在此情况下，射频电势和直流电势能够通过通孔直接被施加，通孔的直径必须小于重复长度的两倍，也就是小于一个电极或导电条的宽度加上与下一个电极或下一个导电条之间的距离所得和数的两倍。
15.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，环形并同心的电极或导电条的环形结构为两个缠绕的螺旋，射频电压被施加到螺旋之间，以及通过在每个螺旋的两端施加适当的直流电势使得直流电势沿着每个螺旋形成，并且使用高电阻率材料构成电极或导电条。
16.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，环形并同心的电极或导电条的环形结构形成为形成在薄印刷电路板的正面和背面的两个缠绕的螺旋，印刷电路板背面上的螺旋包括良好的导电材料且印刷电路板正面上的螺旋包括高电阻率材料，这样沿着螺旋的直流电势通过施加适当的直流电势到每一个正面上的螺旋的两端而形成，同时射频电势被施加到两个背面上的螺旋，这样射频电势电容耦合至正面上的螺旋。
17.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，环形并同心的电极或导电条的环形结构形成为“N＝3、4、……”个缠绕的螺旋，射频电压以360°/N的相位差被施加到相邻螺旋，以及通过在每个螺旋的两端上施加适当的直流电势形成沿着每个螺旋的直流电势，并且使用高电阻率材料构成电极或导电条。
18.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，环形并同心的电极或导电条的环形结构形成为“N＝3、4、……”个缠绕的螺旋，这些螺旋形成在薄印刷电路板的正面和背面上，印刷电路板背面上的螺旋包括良好的导电材料且印刷电路板正面上的螺旋包括高电阻率材料，这样沿着每个正面上的螺旋的直流电势通过施加适当的直流电势到每个正面上的螺旋的两端而形成，同时射频电压以360°/N的相位差被从一个螺旋到下一个螺旋施加到相邻的背面上的螺旋，这样射频电势电容耦合至正面上的高电阻率螺旋。
19.根据权利要求17所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，直流电势为零，并且射频电势被调整为使得带电粒子经历将它们运送到环形并同心的电极或导电条的中心的电场。
20.根据权利要求19所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，射频电压被选择为以便形成从螺旋1到螺旋2到螺旋3到……到螺旋N的电势下降，并且这种电势下降将带电粒子沿着径向方向推向环形电极的中心。
21.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，平行配置的电极或导电条使用印刷电路板技术形成，射频电势和直流电势通过来自电源电路的导线直接施加在电极或导电条平面中。
22.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，平行配置的电极或导电条被连接以形成两个缠绕的弯曲，射频电压施加到两个弯曲之间，并且沿着每个弯曲的直流电势通过在每个弯曲的两端上施加适当的直流电势而形成，并且使用高电阻率材料构成电极或导电条。
23.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，平行配置的电极或导电条被连接以形成在薄印刷电路板的正面和背面上形成的两个缠绕的弯曲，印刷电路板的背面上的弯曲包括良好的导电材料且印刷电路板的正面上的弯曲包括高电阻率材料，这样，沿着每个弯曲的直流电势通过在每个正面弯曲的两端上施加适当的直流电势而形成，同时射频电压被施加到两个背面上的弯曲之间，这样射频电势电容耦合至在正面上的高电阻率弯曲。
24.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，平行配置的电极或导电条被连接以形成N＝3、4、……个缠绕的弯曲，射频电压以360°/N的相位差被施加到相邻的弯曲，并且沿着每个弯曲的直流电势通过施加适当的直流电势到每个弯曲的两端而形成，并且使用高电阻率材料构成电极或导电条。
25.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极或导电条使用印刷电路板技术形成，平行配置的电极或导电条被连接以在薄印刷电路板的正面和背面形成N＝3、4、……个缠绕的弯曲，印刷电路板的背面上的弯曲包括良好的导电材料且印刷电路板的正面上的弯曲包括高电阻率材料构成，这样，通过在每个前面弯曲的两端上施加适当的直流电势形成沿着每个弯曲的直流电势，同时射频电压以360°/N的相位差被从一个弯曲到下一个弯曲施加到相邻的在背面上的弯曲，这样射频电势电容耦合至正面上的高电阻率弯曲。
26.根据权利要求24所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，直流电势为零，并且频率适应于粒子运动的速度。
27.根据权利要求25所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，直流电势为零，并且频率适应于粒子运动的速度。
28.根据权利要求26所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，射频电压被选择为以便形成从弯曲1到弯曲2到弯曲3到……到弯曲N的电势下降，并且所述电势下降将带电粒子沿着与细长电极垂直的方向推动，因而形成一个狭窄而细长的带电粒子云。
29.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，不同表面上的以及这些表面的其中一个中的电极或导电条具有不同的宽度和/或间隔。
30.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，初始带电粒子卷流的轴线被导向为不与环形并同心的电极或导电条的中心接合，该轴线的移位是通过横向位移初始带电粒子云或者通过倾斜初始带电粒子云的主运动方向来实现的。
31.根据权利要求2所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，初始离子和带电粒子卷流的轴线被导向为不与载有电极或导电表面条的表面的交线接合，其中电极或导电表面条平行于交线，轴线的位移是通过横向位移初始带电粒子云或者通过倾斜初始带电粒子云的主运动方向来实现的。
32.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，初始带电粒子卷流的轴线被导向为不与载有电极或导电表面条的表面的交线接合，其中电极或导电表面条平行于交线，轴线的位移是通过横向位移初始带电粒子云或者通过倾斜初始带电粒子云的主运动方向来实现的。
33.根据权利要求1所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，初始带电粒子云与上面放置有电极或导电条的第一表面之间放置至少一个网格，所述网格的电势将带电粒子接近所述表面时的速度减小到一个水平，使得电极或导电条阵列的射频排斥力足够从所述表面排斥带电粒子。
34.根据权利要求1所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，初始带电粒子云与上面放置有电极或导电条的第一表面之间放置至少一个光圈，所述光圈的电势将带电粒子接近所述表面时的速度减小到一个水平，使得电极或导电条阵列的射频排斥力足够从所述表面排斥带电粒子。
35.根据权利要求1所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，射频电压的频率降低到某一经验确定的值，使得仅重于某一限定质量的带电粒子在电极或导电条上盘旋。
36.根据权利要求4所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，电极形成为隔离但导电的延伸引线，所述引线的表面是裸露的导电表面或者由薄的介质层覆盖的导电表面。
37.根据权利要求1所述的带电粒子凝聚装置，其特征在于，所述电极形成为采用印刷电路板技术形成的导电条，这些导电条具有裸露的导电表面或者由薄的介质层覆盖的导电表面。
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