CN102150219B - 在射频场中使用网的离子操纵的方法和设备 - Google Patents

Abstract

离子操纵系统包括通过穿透网的RF场的离子排斥。另一种包括在网周围的对称的RF场中俘获离子。该系统使用宏观部件、或者可容易获得的精细网，或者通过MEMS或柔性PCB方法制作的小型化装置。一种应用是从气体离子源传输离子，其中，在中间和高气压下进行聚焦。另一种应用是在阱阵列内形成用于TOF MS的脉冲离子包。这种俘获优选地伴随有RF场的脉冲切换、气体脉冲，优选地，通过脉冲蒸气解吸附而形成的气体脉冲。公开了离子导向器、离子流操作、俘获、准备脉冲离子包，在分裂期间约束离子或者将离子暴露于粒子反应和质量分离。离子色谱术利用气流内的离子通道，该离子通道通过具有质量相关阱深度的一组多个阱。

Description

在射频场中使用网的离子操纵的方法和设备

技术领域

本发明涉及离子光学和质谱学的领域，更具体地涉及用于质量分析的离子包的离子传输、存储和准备的射频(RF)装置和方法。

背景技术

质谱学利用用于离子操纵的各种射频(RF)装置。第一不同的组包括RF质量分析仪。

自从二十世纪六十年代以来已经熟知射频(RF)四极离子滤波器和保罗(Paul)离子阱质谱仪(ITMS)。在美国专利No.2,939,952中提出了两种质量分析仪。一个例子的详细描述可以在下述文献中找到：P.H.Dawson and N.R.Whetten，in：Advances inelectronics and electron physics，V.27，Academic Press.NY，1969，pp.59-185。更近来，出现了具有径向(参见美国专利No.5,420,425)和轴向(参见美国专利No.6,177,668)离子喷射的线性离子阱。所有的离子阱质谱仪利用近似理想的二次电位(quadratic potential)(用双曲表面实现)，并且在中间气压被氦填充。例如，在使RF场的振幅斜线上升的同时，离子被RF场捕获，在气体碰撞中被衰减，从而被喷射。离子阱利用许多精细的战略去执行离子隔离和分裂，从而(与共振喷射结合)允许所谓的串列式质谱仪(MS-MS)分析。

在二十世纪九十年代后期中，出现了通过微机械加工(micromachining)的方法使3-D离子阱和四极质谱仪小型化以形成平行批(parallel batches)的趋势(参见美国专利No.6,870,158；Badman et.al.，A Parallel Miniature Cylindrical Ion Trap Array，Anal.Chem.V.72(2000)3291；以及Taylor et.al，Silicon BasedQuadrupole Mass Spectrometry using micromechanical systems，J.Vac.Sci.Technology，B，V19，#2(2001)p.557)。

第二不同组的质谱RF装置包括离子导向器(ion guide)。大部分这些装置是基于2-D四极或多极的，沿着一个维度延伸，并且通常被称为线性的。线性离子导向器主要用于从气体离子源到如四极一样的质谱仪的离子传输。气体碰撞削弱离子动能并允许将离子空间约束到导向器(参见美国专利No.4,963,736)。气体线性多极也用于将离子约束在如三重四极和Q-TOF一样的串列式MS的分裂单元(fragmentation cell)中(参见美国专利No.6,093,929)。例如通过外部辅助电极形成的轴向DC场用来使导向器内(参见美国专利No.5,847,386)或分裂单元内(参见美国专利No.6,111,250)的离子传输加速。

线性离子导向器可以被轴向DC场塞住(plug)，以形成线性离子阱。多极线性离子阱直接(参见Franzen的美国专利No.5,763,878)或通过正交加速器(参见Dresch等人的美国专利No.6,020,586；Sciex的美国专利No.6,507,019；以及Micromass的英国专利GB2388248)广泛地用于离子累积和脉冲离子注入3-D ITMS(参见美国专利No.5,179,278)、FT ICR(参见S.Senko et.al.，JASMS，v.8(1997)pp.970-976)、轨道阱(orbitrap)(参见Thermo的WO02078046A2)和飞行时间质谱仪(TOF MS)(参见Franzen的美国专利No.5,763,878)中。离子导向器和离子阱还用于将离子暴露于与中性离子的离子分子反应(参见Analytica的美国专利No.6,011,259和美国专利No.6,140,638)，与电子(参见英国专利GB2372877、GB2403845和GB2403590)、相反极性的离子(参见S.A.McLuckey，G.E.Reid，and J.M.Wells，Ion Parking duringIon/Ion Reactions in Electrodynamic Ion Traps，Anal.Chem.v.74(2002)336-346和Afeyan等人的U.S.6,627,875)和光子(参见Dehmelt H.G.，Radio frequency Spectroscopy of Stored Ions，Adv.MoI.Phys.V.3(1967)53)的离子分子反应。

大多数的质谱离子导向器和线性存储离子阱装置使用四极和多极RF场的拓扑结构。参照图1A至1D，这种多极由具有交替的RF相位的杆构成。四极离子导向器(图1A)由两对平行杆形成，其中，在各组之间施加有RF电压。为了区别起见，一个相位被表示为+RF，而RF信号的反相位被表示为-RF。类似地，八极(图1B)和更高阶多极(图1C)由两个交错的杆组形成。多极杆被排列在圆柱形表面上。为了消除轴上的净场(表示为RF＝0)，通常，这些组被供给反相的两个相等的RF信号。在非常高阶的多极的极端情况下，内切圆的曲率变成可以忽略的，并且，这种多极的一部分看起来更像由具有交替的RF信号的杆形成的平面(图1D)。

在更通常的意义上考虑多极，可以将杆结构视为偶极组(图1D)，每一个偶极由成对的相邻杆形成。在多极的情况下，这些RF偶极被排列在圆形表面内。每一个偶极具有非常短的穿透距离(penetration range)，与各个杆相比具有更加短的穿透距离。甚至在偶极之间具有适中的间距的情况下，它们的场也变成独立的并允许灵活地布置偶极。

参照图2A至2D，封闭的RF表面已经用于离子俘获和离子引导。在E.Teloy and D.Gerlich，″Integral Cross Sections for IonMolecular Reactions.1The Guided Beam Technique″，ChemicalPhysics，V.4(1974)417-427中，使用具有交替的RF信号的马蹄电极来形成离子源(图2A)。RF偶极从壁排斥离子。顶侧和底侧由DC盖(DC cap)塞住。源的中央芯几乎是无场的，这便于电子的离子化和气体碰撞中的离子松弛。参照图2B，所谓的RF通道在由具有交替的RF信号的平行电线形成的线性RF偶极的两个平面之间形成(参见Park的欧洲专利No.EP1267387)。在该通道的各侧上使用DC插头。

环形离子导向器(参见图2C)(参见Gerlich D.and Kaefer G.，Ap.J.v.347，(1989)849和授予给Franzen的美国专利No.5,572,035)是封闭的RF表面的另一例子，该RF表面在壁的附近具有短距离离子排斥，并且具有无场芯。对于离子推进，通过施加具有分布式相移的几种RF信号来形成行波(参见Weiss等人的US6,693,276和美国专利No.5,818,055)，或者，将DC信号的波叠加在交替的RF信号之上(参见2002年Micromass的欧洲专利No.EP1271608和EP1271611)。

各种离子导向器的操作是基于由不均匀的RF场引起的离子排斥行为。LD.Landau和EM.Lifshitz在Theoretical Physics，Vol.1，Pergamon，Oxford，(1960)p.93中分析了该效应，并且，H.G.Dehmelt在″Advances in Atomic and Molecular Physics″，ed.D.R.Bates，Vol.3，Academic Press，New York，(1967)pp.53-72中也分析了该效应。离子运动由RF场内的快速振荡和RF场的时间平均力(mean，time-averaged force)中的慢运动构成。当存在充分的频率时，离子振荡与RF场均匀性的几何尺度相比变成次要的。在RF场的周期之上求平均的这种RF振荡的平均效应等同于被朝着具有较小振幅的RF场的区域引导的净力。这种力被视为所谓的动态电位的梯度。于是，可以将慢(平均)离子运动近似为在总(有效)电位V^＊内的离子运动，该总(有效)电位V^＊是动态电位D和静电电位Φ之和：

V*(r)＝D(r)+Φ(r)＝zeE(r)²/4mω²+Φ(r)    (1)。

其中，ze和m是离子的电荷和质量，ω是RF场的圆频率，E(r)是局部RF场的强度。公式的第一项将动态电位D与RF场E的局部强度联系在一起：D～E²，即，D在尖锐的边缘附近增加，并且在对称的RF装置的轴上变为零。换句话说，RF场将离子从具有强RF场的区域排斥到具有较小场的区域，这通常发生在对称装置的轴上。

上述引用的论文(Teloy等人，1974)描述了形成离子导向器和阱的通用配方：“......在两个或三个空间维度上示出V^＊(公式1中的总有效电位)的绝对最小值并因此能够引导或俘获离子。例如，可以构建离子阱，其中，近似无场的体积被有效电位的陡峭的排斥壁包围。这种壁可以由等距平行杆的布置形成，或者可以类似地由金属板或电线形成，其中，所述等距平行杆交替地与反相的RF电压有关。

授予给Franzen的美国专利No.5,572,035认识到，RF偶极表面可以充当用于排斥两种极性的离子的独立的结构单元(参见图3A至3D)。具体的RF表面由电极的两个交错的平面阵列(例如，两个阵列中的电线顶端(wire tip))形成(参见图3B和3C)，或者由与穿透顶端的阵列结合的蜂窝网形成(参见图3A)。这种表面由RF偶极构成，并且，它们的特征在于强但非常短距离的离子排斥。Franzen提出了在偶极RF表面之上或者在两个偶极RF表面之间引导离子。还提出了具有由一对交错的螺旋线形成的不同的拓扑RF表面的离子导向器(参见图3D)。

授予给Whitehouse等人的美国专利No.6,872,941提出了在RF偶极表面与用于引导离子、俘获离子和用于将离子脉冲地输送到TOF MS中的DC场之间的离子约束。Whitehouse等人允许形成窄带的离子，减少离子束的相空间，并且容纳大量的离子，而没有空间电荷效应。为了将离子喷射TOF MS中，RF信号被切换为电压脉冲(参见图4A)。或者，离子在注TOF MS中之前被射入用于表面诱导解离的RF表面上。

WO2004021385提出了使用平面RF偶极表面，该平面RF偶极表面用于在该表面附近的各个开口阱之间的离子操纵。通过将吸引DC电压和短距离排斥RF电压施加到点或细线电极来俘获离子(图4B)。假设周围板被接地，即，RF点或线被接地平面或条带交替。场结构由交替电极所形成的RF和DC偶极形成。该装置被配置为产生用于按照质量的离子俘获、传送、聚焦和分离的操纵单元的阵列。该方法与PCB技术、微机械加工和离子操纵装置的小几何尺度很好地兼容。不幸地，相对的RF和DC偶极基本上限制俘获的离子的质量范围。

概括地说，RF装置广泛地用于质量分析以及离子引导和俘获的质谱术中。大部分的装置具有3-D阱或多极杆的形状。近来提出的装置利用平面RF表面。所有的装置被认为是由排列在表面(平面或圆柱形表面)上以形成偶极链的交替电极形成。这需要构建交替电极的结构，从而使RF装置的制造复杂，并且阻碍了小型化和大量阵列的制造。

发明内容

本发明人发现了制作离子排斥RF表面的更好的技术方法。射频(RF)表面可以通过RF场内的单个网状电极或对RF场划界来形成。将RF场集中在整个网状表面(即，在两侧上)使离子从这些表面排斥。与现有技术相反，本发明不需要形成交替电极的系统及其在单个表面内的排列。网状电极可以由编织网、平行电线或具有多个孔的片(穿孔电极)形成。这种电极可以被弯曲或卷绕，在结构上便于构建各种离子导向器和离子阱，并且可以容易地以更小的尺度构建。

RF场可以通过在网和至少一个周围电极之间施加RF信号来形成(参见图5)。该系统容忍电压不对称的RF馈给，其中，RF信号仅仅被施加到一个电极。由于网排斥离子，所以吸引DC电位可以被施加到网。

本发明人还发现了在网的周围存在两个不同的几何拓扑结构的RF场。在基本上不对称的拓扑结构的第一种情况中，当在电极和网之间施加RF信号时，RF场主要集中在网的一侧上。RF场将会把离子从具有强RF场的电极内区域排斥出并将离子推到网之外。虽然RF场穿过网开口，并且大部分的电场线在网的“阴影”侧封闭，但是电场的强度足以保护所有的表面以免离子沉积。网的外部区域中的弥散RF场似乎为离子排斥表面，并且，当封闭成回路或者与其它力(DC或RF)结合时，它可以用于引导或俘获离子，尤其适合于离子传输接口。

在对称的拓扑结构的第二种情况中，RF场在网表面的两侧上都基本上是对称的。作为一个例子，RF信号被施加到位于两个板之间的网。然后，在网的单元内形成局部RF阱(2-D或3-D，取决于网结构)。由于网表面排斥离子，所以吸引电压可以被施加到网，并且网单元内的阱变成全局的。这种离子阱阵列尤其适合于飞行时间质谱术(time-of-flight mass spectrometry)中的离子包准备。

这两种不同的RF场由于其对离子的作用而不同。强烈不对称的RF场(最终为弥散场)内的网形成排斥网的一侧之上的离子的壁。基本上对称的场内的网在网的封闭单元内形成离子阱。如果使用平行电线，则形成有离子导向器阵列。通过改变场的对称性，可以操纵离子，俘获它们，或者使它们在单元之间移动。

本发明人还发现了，新型的隔离网容易与射频装置的小型化兼容。存在可容易获得的具有10微米至30微米的电线直径的电解或编织网，该直径与传统的离子导向器中的杆直径相比小至少两个数量级。更甚至的是，可容易获得的微机械加工(MEMS)的技术可以用来制造具有微米尺度的电线尺寸的更精细的网。如光蚀刻、激光切割和MEMS的技术可以用来构造平行穿孔电极的系统，同时将电极尺寸从毫米缩小到微米，即，提供至多为1000的比例因子S。

小型化自身有助于形成致密的离子源，从而形成具有极小的相空间的离子云。较小的RF阱提供更加紧的离子束约束，从而提供离子束的较小的相空间。例如，这种阱可以用来形成用于飞行时间质谱仪的短离子包。

小型化必定与RF频率的比例升高有关，即，微米尺度(与离子导向器中的常规杆的mm尺度相比)将需要GHz频率范围(与离子导向器中的MHz频率相比)。较高的频率会将可操作的气压范围扩展S倍，即，从毫巴的几分之一扩展到大气压的几分之一，并且最终达到大气压。因此RF聚焦可以用于质谱术和光谱术的各种大气和气体离子源中。RF聚焦可以用来使中间气压经过气体供应源的区域中(例如，在喷嘴区域中，或者在喷嘴和撇乳器(skimmer)之间的区域中)的离子聚焦。困难在于形成机械稳定且可清洗的RF系统。

本发明人还发现了通过下述方式来制作RF排斥表面的技术方法：用绝缘或部分绝缘的材料形成夹层结构。一个例子包括通过下述方式形成的夹层结构：将网布置在被吸引到金属基板的绝缘(或半绝缘)表面上。把RF信号施加在网和金属基板之间，在网周围形成RF场。这种表面排斥离子，并且不可能是带电的。此外，在约束的m/z范围之外的非常高能的粒子或离子可以击中绝缘体。然而，足够高的场可以帮助表面放电或者朝着该网的电荷迁移。提出了另一种可选择的方法：用埋入网电线之下或在两个网电线之间的绝缘桥来制作夹层结构，例如，其是通过在可容易获得的夹层结构中切割窗口而制作的。

小型化阱具有足够的空间电荷容量。各个单元通过RF电极的壁相互隔离。乍看，每平方厘米的单元的数目与比例因子的平方S²成比例，而每个单元的离子体积与特征单元尺寸R的立方成比例，R³～S^-3，离子的总数为～1/S。另一方面，一旦每个单元有一个离子，则空间电荷效应消失。以10μm尺度，每平方厘米有10⁶个单元，即，大约百万个离子可以被存储，而彼此之间不会诱导空间电荷效应，因为它们被网状电线分离。即，小型化允许达到当每个单元存储小于1的离子时的水平，所述单元被屏蔽电极包围，从而消除了空间电荷效应。

小型化允许形成大量的离子阱的阵列。本发明提出一种质量分离的新方法，在本申请中，该方法被定义为离子色谱法。气流用来使离子经过顺序地操作的多个离子阱之间。阱之间的RF势垒取决于离子质荷比。结果，与传统的色谱术中的保留时间类似，离子集合将通过离子经过离子色谱仪的时间分离。按照质量的离子分化可以通过DC场、DC移动场或离子久期运动的AC激励来给予帮助。制作各个小单元的相对不精确性导致每个单元的非常适中的质量分辨能力。以10μm尺寸和0.3μm精度，每个单元的分辨能力被期望为低于10。然而，顺序地经过多个单元被期望提高与单元数的平方根成比例的分辨能力。10cm芯片保持10000个阱(过滤器)将提供1000分辨能力，例如，该分辨能力足以用于环境应用。类似于其中梯度通过改变温度而形成的气体色谱术，在离子色谱术中，可以通过改变RF和DC电压、AC信号、温度或气流的参数来形成“梯度”。

上述新特征的各种组合在制作用于飞行时间质谱仪的有效脉冲离子转换器中尤其有用。优选地，板之间的电线网将形成小型RF离子导向器的平面阵列。离子将通过气体衰减被约束在网的线性单元内。导向器通过几个阶段的差分泵浦而突出。由于气流和单元空间电荷而导致离子在真空条件下朝着提取区域移动。

为了在脉冲转换器的真空侧提取离子，RF信号被切断，并且，施加提取电脉冲。优选地，RF信号被施加到中央网，而脉冲被施加到周围电极，其中，一个电极具有出口孔或者出口孔阵列或者出口网。优选地，RF发生器与RF信号的相位同步地被切断。优选地，RF场在施加提取场之前被关断一段时间。例如，通过破坏次级线圈的中心的接点，RF发生器将在RF的几个周期内被切断。显然的是，非常类似于离子自由膨胀，在衰变RF场中的离子膨胀导致离子绝热冷却。这种衰变增加了空间扩展，但是导致空间位置和离子速度之间的关联，从而还可以用于飞行时间聚焦。

阵列离子导向器的小尺寸将会允许提高导向器中的气压，而没有喷射的离子的附加气体散射。较高的气压允许更快的离子衰减，并且允许脉冲离子转换器中的高重复速率。较高的脉冲速率减少了对TOF的动态范围的要求。网的小型化帮助离子的紧的空间约束，其中，云尺寸与单元尺寸成比例。大量的单元防止空间电荷效应并消除离子云的空间电荷加热和胀大。离子的小尺寸相体积(作为时间和空间扩展的乘积)将会被传输为离子包的时间和能量的小扩展，这又被期望提高TOF MS的分辨率。

通过参考下面的说明书、权利要求书和附图，本领域的技术人员将会进一步理解和认识本发明的这些和其它特征、优点和目的。

附图说明

图1A是示出现有技术中的四极杆集的示意图；

图1B是示出现有技术中的八极杆集的示意图；

图1C是示出现有技术中的高阶多极杆集的一部分的示意图；

图1D是示出将无限阶多极转换为RF偶极链的极端情况的示意图；

图2A是示出现有技术中的具有用于离子源的DC盖的RF通道的示意图；

图2B是示出现有技术中的具有用于离子导向器的DC盖的RF通道的示意图；

图2C是示出现有技术中的具有交替的RF耦接的环形离子导向器的示意图；

图2D是示出现有技术中的具有行波RF(DC)的环形离子导向器的示意图；

图3A是示出现有技术中的通过交替的网和顶端形成的偶极RF表面的示意图；

图3B是示出现有技术中的由电线顶端形成的偶极RF表面的示意图；

图3C是示出现有技术中的由平行电线形成的偶极RF表面的示意图；

图3D是示出现有技术中的由交错的螺旋线对形成的离子导向器的示意图；

图4A是示出现有技术中的由RF表面和DC网形成的用于TOFMS的离子源的示意图；

图4B是示出现有技术中的在由RF和DC偶极形成的表面附近的离子操纵器的示意图；

图5A示出由穿透网的RF场形成的本发明的离子排斥表面的优选实施例；

图5B示出具有接地网的电压不对称的RF馈电的例子；

图5C是示出在接地网附近的瞬时RF场的等电位线的场图；

图5D是示出在补偿RF馈电从而消除远离网以外的RF场的例子中的等电位线的场图；

图6A是穿透网的RF场的标准化强度(normalized strength)E/[V_RF/L]与(Y/L)的关系的示图；

图6B是示出RF电场的局部强度的二维等值线(equiline)的示图；

图7是关于四极(虚线)、偶极RF表面(带正方形的虚线)和新型RF表面(实线)的动态电位的标准化高度与标准化离子质荷比的双对数图；

图8A是示出由两个新型RF表面形成的离子通道的示意图；

图8B是示出通过将新型RF表面卷成任意圆柱体而形成的离子通道的示意图；

图8C是示出通过新型RF表面和外部排斥DC电极而形成的通道的示意图；

图8D是示出通过将新型RF表面卷成任意箱体而形成的离子阱的示意图；

图9A是示出具有由通过一个电极的电流而形成的轴向DC场的离子导向器的示意图；

图9B是示出具有电场的轴向传播行波的离子导向器的示意图；

图10A至10L是描绘使用新型离子导向器的管道方案(plumbing scheme)的示意图；

图11A是示出使用宏观网形成的离子导向器的一个例子的示意图；

图11B是示出使用穿孔圆柱体形成的离子导向器的一个例子的示意图；

图11C是示出使用同轴环或螺旋线形成的离子导向器的一个例子的示意图；

图11D至11E是示出安装至框架电极的网状电极的示意图；

图11F至11G是示出与圆形框架耦接的网状电极的示意图；

图12A是示出具有(半)绝缘层的RF夹层结构的示意图；

图12B是示出具有(半)绝缘桥的RF夹层结构的示意图；

图12C是示出具有对准的网(按三层夹层结构切割)的RF夹层结构的示意图；

图13A是示出利用在高气压的附RF聚焦的离子传输接口的示意图；

图13B是示出离子传输接口和离子导向器的示意图，其中，通过阵列喷嘴的气流增加了，并且，离子导向器通过多个差分泵浦阶段突出；

图14A是示出在网周围具有对称的RF场的RF电极的示意图；

图14B是图14A的对称RF系统中的等电位线的示图；

图14C是示出关于图14A的对称RF系统的电场E的相等强度的线(E-等值线)的示图；

图15A是对称RF系统中的电位分布的曲线图；

图15B是示出对称RF系统中的电场强度的轮廓的曲线图；

图15C是示出对于RF因子g＝.05的对称RF系统中的总电位的轮廓的曲线图；

图15D是示出对于RF因子g＝1的对称RF系统中的总电位的轮廓的曲线图；

图16A至16C是示出在因子g从0.035变到0.015的对称RF系统中的总电位的轮廓的曲线图；

图17是示出作为对称RF系统的离子质量的函数的标准化总电位的曲线图；

图18A是用于TOF MS的脉冲离子转换器的示意侧视图；

图18B是用于TOF MS的脉冲离子转换器的示意端视图；

图19A是具有对称网装置的TOF MS的离子转换器的框示意图；

图19B是示出具有动态电位的等值线的脉冲离子转换器的横截面的示图；

图19C是示出在离子喷射阶段的脉冲离子转换器的示图；

图19D是脉冲离子转换器的示意图；

图20A是具有两组网状导向器的脉冲离子转换器的示意侧视图，并且，示出TOF MS的主要元件；

图20B是具有两组网状导向器的脉冲离子转换器的示意顶视图，并且，示出TOF MS的主要元件；

图20C是具有两组网状导向器的脉冲离子转换器的透视图；

图21A是示出具有由排斥表面构成的离子存储间隙的脉冲离子转换器的示意侧视图；以及

图21B是示出具有由排斥表面构成的离子存储间隙的脉冲离子转换器的示意顶视图。

具体实施方式

RF排斥表面

参照图5A，使用不对称的RF场的本发明的离子排斥系统1包括网2、板3、以及连接在该网和该板之间的RF信号发生器4。该系统在电极2和3之间形成内部区域5，在网的后面形成外部区域6。接地的外部电极7(代表真空室)在外部区域中与网2分隔开，并且，电极2和弯曲的电极7之间的距离远超过网2的单元尺寸。RF电位可以不对称地被施加到网2或板3(图5B和5C)。或者，反相的RF信号(表示为+RF和-RF)可以被施加到两个电极(图5D)，并且，其振幅可以被调整为使外部区域6中的RF场最小。

参照图5C，对于(即，由平行电线形成的)二维网的具体例子，示出网周围的RF场，其中，电线直径d为电线间距L的1/5，电线平面和电极平面之间的距离H等于电线直径d：d＝0.2L且H＝0.2L(在2-D情况中用来使RF排斥最大化的几何结构)。外部接地电极7被假设在远大于L的距离处，这通过将场对称性条件设置在位于距离S＝3L的平面处来建模。振幅V_RF的RF场被施加到后板3，而网2被接地。通过示出在板的电位达到最大值U＝V_RF的时刻的等位线来使RF场直观化。由等位线可以看出，场穿透网开口。具有U＝0.5V_RF的等位线在网的大约上表面处穿入网开口。接地的网状电线在空间上与弥散场(fringing field)交替。为了检查外部空间中的RF场，穿透等位线可以用具有相同电位的电极替代。除了不需要构建具有交替电位的精确对准的电极阵列以外，具有U＝0.5V_RF的穿透线等同于具有交替电位的穿透电极。换句话说，弥散RF场(即，穿透网)通过更加简单的手段产生相似的偶极场结构。穿透场在远距离处导致净电位，在该具体情况中，净电位等于0.3V_RF，即，电压的仅有70％用来形成偶极。

参照图5D，可以通过将RF信号分布在网和电极之间来补偿或平衡外部空间6中的网上方的净RF场。在补偿外部RF场的此几何例子中，不得不将反相的两个RF信号施加到网2和板3，并且，将施加到网2的振幅调整为0.3V_RF，并且，将施加到板3的振幅调整为0.7V_RF。为了强调附图中的相差，网电压被示出为-0.3V_RF。请注意，通过调整电极形状(例如，d＝0.12L且H＝0.2L)，可以在RF信号的相等振幅处实现外部场的平衡。即使外部RF场没有被完全得以补偿，外部区域中的RF场也弱，并且，比网附近的RF场更加均匀。结果，动态电位的梯度与网附近的相比是可以忽略的，并且，RF诱导的力应该被视为仅仅在网附近。

离子排斥的特征在于：在同一电极系统中模拟局部电场强度E的分布(V_RF电位被施加到板3，而具有间距L的网2和外部电极7被接地)。图6A示出对于与电线中心(X＝0，虚线)和电线之间的中间处(X/L＝0.5，实线)对应的平面的作为(Y/L)的函数的标准化分布E/[V_RF/L]。立即看出，外部区域中的场E与内部区域相比更弱。上述公式(1)将局部电场的强度E与动态电位的高度D联系在一起：D～E²。因此，在外部区域中的动态电位较低，动态电位的梯度被指向朝外，从而导致网平面上方的离子排斥。

参照图6B，对于同一电极系统，示出局部电场(E等值线)的二维等值线。这些线对应于以给定离子能量穿入RF场的离子的“潮汐线(tidal line)”。弥散RF场产生使离子减速的动态电位的壁。请注意，几何结构(d＝0.2L且H＝0.2L)在两个最弱点中(在网表面附近和在后板附近)提供最强的标准化场E/[V_RF/L]＝2。

与传统的RF排斥系统进行比较，该RF排斥系统具有带交替电位+V_RF和-V_RF的平行电线。当电场强度在电线顶部和电线之间的中间处相等时，后者在d＝0.44L处最优化。场强度然后达到E＝1.53V_RF/L，其中，V_RF是电线之间的信号的振幅(即，峰间电压)。请注意，在具有弥散RF场的本发明的系统中，电场强度较高，并且达到E＝2V_RF/L，这可以通过“有效”中间电极的外观和形成两次密集的偶极结构来解释。

为了比较离子排斥的效率，每一个系统必须在单独最优化的RF频率处被检查。最佳频率应该足够低以使动态势垒的高度最大化，而仍然为最低的m/z离子提供稳定的微运动。然而，如果选择非最佳的频率，则仅仅在不同的m/z处实现最大的势垒。如果将离子m/z标准化为截止质量或某一其它特征质量，则可以排除频率因子。

图7是作为离子m/z的函数的动态电位的标准化高度D/V_RF的双对数图。为了对准曲线，离子质量被标准化为与各个曲线最大值m^＊相对应的质量。点曲线对应于四极，带白色正方形的虚线对应于具有交替电线的偶极平面，实线对应于本发明的系统，即，具有弥散场的2-D网。动态电位的高度D在离子光学模拟中被定义为每个电荷的最大离子能量ε：D＝max(ε)，在该最大离子能量处，所有的离子仍都被排斥，而不管击中位置、角度或RF相位如何。粒子从无场区开始并射入到具有强RF场的区域上。电位D被标准化到峰间RF电压-V_RF上。为了很好地比较，将反相的相同振幅的RF信号供给具有弥散场的新型系统的网和后板二者。对于计算D/V_RF，不需要这种标准化，但是需要这种标准化来寻找几何结构对质量m^＊的影响。

参照图7，仅有四极的特征在于由于离子不稳定性所引起的低质量的清晰的截止，其已知为以q～0.909发生。势垒在q＝0.3处达到最大值D/V_RF～0.025(对应于在1000V_p-p的25V势垒)，其已知为对应于绝热运动的最大值q。四极中的可比较的势垒高度期望从公式1得到：

D＝(V_RF/8)*q*(r/R)²    (2)

其中，q＝4ezV_RF/(mR²ω²)    (3)

确切地说，如果假设在r＝0.8R处达到慢久期运动的外部边界，并且对于RF运动需要一定空间，则在q＝0.3处，D＝0.025V_RF。在任何更高的q(q＞0.3)处，粒子入射太快，并且经历非常少的RF周期，从而公式1不能描述势垒。正如从公式2期望的那样，在较高的质量(较低的q)，势垒似乎与q成比例，这在图7中得以确认-在双对数图中D(m/z)变成斜率＝-1的直线。

其它系统远不是谐波的，并且公式2和3在这里不适用。然而，它们在绝热区域(即，在m＞m^＊，以及在最大值的附近m～m^＊)中表现出非常相似的行为。在低质量区域(即，m＜m^＊)中出现差异。具有高度不均匀的场的系统在低质量处没有表现出清晰的截止。仅仅存在较弱的离子排斥，即，系统可以保持更宽的质量范围的低能量离子。为了估计充气的离子导向器中的质量范围，可以假设势垒D＝1V对于离子保留足够，即，在1000Vp-p处D/V_RF～0.001。于是，四极提供二十个传输质量范围(图7)，而偶极和单极RF表面二者已经提供三十个质量范围，这通过细电线附近的RF场的不均匀结构来解释。例如，对于产生宽质量范围(比方说，从100amu至100,000amu)的离子的MALDI源，这种离子导向器将会是合适的。

在图7中还看出，对于具有弥散场的RF表面的最大值D与四极相比是大约一半，比偶极表面的D低大约1.4倍。由于新型系统中的穿透等位线对应于V_RF的70％(图5C)，所以可以理解这个事实。一旦网占此30％场屏蔽，弥散RF场就提供与偶极RF表面相同的离子排斥。尽管在最大点处存在稍微更低的D，但是，该系统仍然允许捕获和传输宽质量范围(被估计为三十个)中的离子。

为了说明质量范围中的差异，几何尺度G特征与每个电极系统相关联。为了参考起见，内切半径R作为四极集中的特征尺度：为了求解其它系统的G，假设在相同的绝热参数q＝0.3处实现D/V_RF曲线的最大值。基于上述模拟，特征几何尺度是相等的：

·对于四极，G＝R(即，杆中心之间的间距的～1/4)

·对于具有单元尺寸L、电线直径d＝0.2L和离板的间距H＝0.2L的RF网，G＝0.3L；

·对于具有间距L和电线直径d＝0.4L的偶极RF电线，G＝0.55L；

类似于四极系统，现在，最佳频率F可以使用尺度λ替代R从公式3得到，请注意，在m＝m^＊且q＝0.3处实现最大势垒D：

F²＝αzeV_RF/(m*G²)    (4)

其中，α＝4/[0.3*(2π)²]～2.12。

公式(4)预测，最佳频率必须与所有的RF装置的几何尺度成反比地被调整。

使用RF表面的装置

参照图8，RF排斥表面可以用于离子俘获和离子引导。RF排斥表面可以与另一RF表面结合或者与DC场结合。作为一个例子，由网10和周围电极14形成的一对RF排斥表面将会产生离子通道12(图8A)。从而，将单个RF表面卷成圆柱体会产生圆柱形离子导向器(图8B)。吸引DC电位将会被施加到网10或背电极14或者二者，以产生具有最小的总电位的通道，该通道可以用来引导离子(图8C)。这些图示出相对电极16上的等效排斥DC电位。默认地假设，可以借助于DC电极16(图8A和8C)、或者借助于RF排斥表面10和14、或者借助于RF电极18(图8B)，通过轴向地塞住离子来将任何类型的离子导向器转换为线性离子阱。由图8D可知，将RF排斥表面卷成任意形状的箱体14(例如，球体或平行六面体)也形成离子阱。

由于RF和DC供应可以被分离，例如，RF供应仅仅连接至一个电极18，所以另一个电极可以具有有限的导电性并可以用来产生DC梯度。参照图9A，给出离子导向器的例子，其中，RF供应仅仅连接至外部电极18，并且，通过使电流经过内部网20来设置轴向DC梯度。这种电流可以是连续的或脉冲的，以在优选的方向(通常在轴向方向)上驱动离子。显而易见的是，RF和DC电压的施加可以被反向。然后，RF被施加到中央网23，同时在外部设置DC梯度，并且其部分地穿透网。外部DC场可以被转换为行波DC场(以相位1、2、3、4施加)，该行波DC场穿透网进入离子导向器的芯，如图9B可知。已知行波用来精确地控制离子传输时间，或者，如果被调整为更高的速度，行波能够在与气体分子的能量碰撞中诱导离子分裂。

离子导向器可以用来使离子在真空中行进。只要离子能量低于有效的动态电位，离子就会被约束。然而，在多种情况下，添加气体是有益的。离子运动的衰减将会减少离子动能，并且通过降低内部能量(可能在离子形成或离子输送时被激发)来使离子稳定。对于下面讨论的应用中的大部分应用，离子导向器被假设在1毫托和10托之间的中间气压操作。

由网制成的离子导向器的特征在于：在中间处的非常低(实践中可忽略的)的场，在壁附近的陡峭的场。在某一种意义上，导向器更像管一样操作。参照图10A至10L的图表，可以实施多种管道方案，所述多种管道方案包括：使离子流弯曲(A)和使离子流形成回路(B)，为顺流(co-flow)和逆流(counter-flow)设置平行通道(C)；将离子流约束在平滑的或梯状的漏斗(funnel)(D)，合并离子流(E)和分离离子流(F)；进行自由排出(G)，对离子流加盖(H)或对离子流进行阀切换(I)，构建离子池(ionreservoir)(J)、脉冲阻尼器(K)和泵(L)。可以将这些基本的管装置集成到更多的专用设备中。稍后在本文中描述一些具体应用。

在RF通道中间的RF场几乎是可以忽略的，尤其是在封闭的RF通道的芯中。在真空条件下，离子由于其初始能量而会移动。然而，与RF排斥表面的离子接触可能会使该离子散射。注入的离子束的运动将类似于气体通过通道的扩散。在气体的情况下，离子运动将被衰减，并且离子将再次扩散。为了控制通道内的离子净运动(此外，振荡，或者俘获)，需要额外的驱动力，尤其是存在阻尼气体时。提出了多种方法，包括这样的上述方法：DC电位梯度(类似于管压)、在外部电极内的气流、通过网的行波静电场(类似于蠕动泵(peristaltic pump))、行波DC场、穿透网、穿透网并进入开口通道的RF场的故意实现的梯度或转子(rotor)(例如，通过制作不规则网状结构来形成，或者通过施加不同频率的RF信号以分开内部网的部分来形成)。由于电场在通道中间处是可以忽略的，所以静态横向磁场充当插头。该插头可以被打开和关闭，以及时调制离子流。类似地，移动磁前(moving magnetic front)将会诱导离子流。

所有上述驱动方法可以用来控制通过导向器的轴向运动、出于离子存储的目的而塞住管的一端、通过塞住和释放来聚集离子流、诱导加热气体碰撞中的离子或者促进离子反应的离子振荡、将离子激发到受控分裂的级别，并最终用于诱导放电和蒸气的离子化。

RF离子导向器相等地作用于两种极性的粒子上，因此可以同时保持或引导它们，例如，用于离子-离子或离子-电子反应。不管RF场穿透网，对称(例如同轴)导向器也将具有无场芯。这样的内部芯可以用来使慢电子通过，否则，该慢电子在RF场中将是不稳定的。这些电子可以用来通过电子碰撞来进行离子化、用来电荷重组或者电子捕获解离。

由具有穿透(弥散)RF场的网限定的上述离子导向器可以广泛应用于在气体条件和真空中操作的各种质谱装置。列表包括：

·具有内部离子化的离子源(如PI、EI、CI、APCI一样)，其中，RF表面用于俘获反应带电粒子(例如，电子和用于离子化的试剂离子)并用来约束和冷却产品离子；

·具有外部离子化的离子源和用于准备脉冲离子包的存储装置，该脉冲离子包用于轴向地或者通过正交加速器引入到例如TOF MS的质谱仪中；

·用于离子传输、约束、聚焦、存储和离子激发的离子导向器；

·离子流的合并器和分离器，例如，用于将多个源合并在一个质谱仪上；

·用于离子累积和操纵的离子阱；

·分裂单元，包括气体碰撞诱导(CID)和表面诱导(SID)解离，用于电子捕获解离(ECD)和离子捕获解离(ICD)的单元；

·离子反应器，用于减少多带电离子的电荷的单元；以及

·混合装置，结合多个上述装置；一个例子是用于慢离子传输和周期性地将离子脉冲地输送到下述的TOF MS中的离子导向器。

宏观RF表面

网状RF排斥表面的应用由于下述原因而得到了推广：制造简单且鲁棒，并且与由厘米和毫米尺度的杆制成的传统的宏观离子导向器相比，还容易得到更小的几何尺度(亚毫米)。

参照图11，考虑宏观RF表面的机械设计。宏观网可以由多个电极制成，所述多个电极例如为一组连接环22(图11A)、穿孔薄壁管24(图11B)、以及由焊接条(welded bar)28支撑的螺旋电线26(图11C)。这些装置可以用亚毫米电线制造，从而减小了几何尺度。

使用电解或编织网可以制作更加精细的单元结构。存在可以得到的具有各种单元形状(例如，正方形、长矩形、六边形)的电解网。具有50-100LPI(0.25-0.5mm单元尺寸)和从10μm到30μm的电线厚度的精细网对于机械组装而言是易于管理的。最直接的将网与背电极对准的方法是在平面框架上拉伸网。有多种附接网的方法可用，例如，使用同轴凸缘(coaxial rim)、点焊、焊接或将网粘合拉伸到框架电极。这样的技术将主要与如图11D和图11E所示的平面几何结构兼容。为了终止RF表面之间的边缘，可以使用DC排斥电极。

另一个拉伸网的例子是如图11F所示的点焊到圆形框架30的一组电线。这样的松鼠桶(squirrel barrel)制作圆柱形网。该网置于同轴外部电极32的内部，并且在其间施RF信号。该系统不排斥框架附近的离子(应当在离子光学设计中考虑这一点)，或者引入远离安装框架的离子或者通过边缘附近的DC插头排斥离子。图11G呈示具有弯曲网34的设计。为了提高几何结构的精度，这样的网可以通过电解方法来构成。该网在一侧被附接到DC插头36，以从技术边缘排斥离子。网相对于背电极的定位是小型化RF表面中的限制因子。更小尺度的装置还需要不同的方法。

微观RF表面

参照图12A1至图12A2，针对离子排斥表面，示出了RF夹层结构组件，其包含网38、片电极(sheet electrode)40、以及其间的绝缘或半绝缘薄膜42。RF信号被施加到网和片之间。这样的夹层结构为网提供机械支撑并且控制导电电极之间的间距。结果，该夹层结构允许具有接近微米尺度的特征的离子排斥表面的更加精细的小型化。

有多种方法来制作这样的系统。在一个具体实施例中，网位于(或者附接到)绝缘片42(或者半绝缘片)上。RF场穿透绝缘体并且允许形成离子排斥表面。在某些有利条件下，RF场可以帮助电荷从表面去除。半绝缘体的有限的导电性也会防止表面遭受静电带电。最重要的是，绝缘体为网提供机械支撑。固体绝缘体防止电极之间的电击穿。这样的设计可以在不破坏网和阻塞网单元的情况下经受住清洁。

参照图12B1至图12B2，通过可替换的方法制作微观RF夹层结构，其中，绝缘体岛(island)被隐藏在网电线的后面。例如，对网表面的一侧的化学改性可以使这一侧绝缘。或者，将容易得到的两个粘结膜(一个导电，一个绝缘)的夹层结构穿孔(例如，通过激光)，然后将其置于基底电极上。绝缘体可以用于电极之间的间隔，并且在理想情况下，用于将网粘结到基底电极。再或者，在顶部具有容易附接的绝缘体层和金属层的金属基底经过划刻、蚀刻等，以切割直到金属基底的凹槽。

参照图12C1至图12C2，使用一对其间具有绝缘岛的对准的网制作微观RF夹层结构。作为一个例子，对容易得到的由3个片层形成的夹层结构进行穿孔，以形成一个夹层结构网。或者，对容易得到的半绝缘网进行表面改性以成为不导电的，或者在两侧沉积金属涂层(例如，通过以滑动角的金属溅射)。

上述结构和制造方法以中间几何尺度也可适用于平面PCB和柔性膜PCB。

微机械加工(MEMS)的方法可以用来产生精细结构，其主要是平面的。弯曲的夹层结构网可以通过微粒的凝聚(condensation)并结合MEMS方法使用电解方法来形成。

小尺度的RF网与形成平行装置的阵列兼容。例如，多个平行离子导向器将减少空间电荷的影响并且允许存储大量的离子。然而，在提出的大部分装置中，只有单元尺寸和离背板的距离是微观的。不禁止设置宏观开口通道或者具有mm和cm尺度的内径尺寸(boresize)的阱。

扩展气压范围

上述制造离子导向器的方法可能产生真正的具有微米尺度的微观夹层结构网。根据公式4，频率应该与几何尺度成反比例。为了保持100amu到10000amu的质量范围中的离子，RF信号的频率应当被升高在F＝100MHz至1GHz的范围。由于发生器的功率随着频率升高W～CV_RF ²F/Q，所以很难保持相同的电压，其中C是电极电容，Q是共振电路的品质因子。把电压放松10倍(比如说100V)将会减少功率并且还会降低频率F。小型化应当通过使电容(通常与几何尺度直接成比例)最小化来完成。通过消除连接线缆并且保持RF共振电路与电极紧密相邻，可以使总电容低于10pF。如果共振电路品质是大约Q～100，那么在1GHz频率处的消耗功率仅是10¹¹＊10⁴＊10⁹/10²＝1W。1KV的信号是不现实的，因为它将在小体积内导致100W的耗散。请注意，在更低的尺寸或者更高的压力下，通过放电，RF电压也被限制为低于200V。

更高的频率将允许扩展RF聚焦的气压范围，这种情况发生在当离子运动具有惯性特征时，也就是，当碰撞松弛时间τ大于RF场的周期时，其可以表达为：

ωτ＞1    (5)

为了将RF频率F＝ω/2π与可操作气压P的限制联系起来，应当考虑，将松弛时间计算为离子对气体碰撞之间的平均时间乘以动量交换效率：τ＝(λ/a)·(m/m_g)。考虑到λ＝1/nσ并且P＝nkT，得到：

$P<P_{\max }=F[2\mathrm{\&pi;kTm}/m_g\mathrm{a\&sigma;}]---\left(6\right)$

其中，mg是气体分子的质量，λ、a、n和T是分子平均自由程、声速、气体的比浓度和温度，σ是离子横截面，k是玻尔兹曼常量。

该结果暗示了，可操作气压P_max的范围与RF频率ω成比例地扩大，其伴随着RF表面的空间尺度的减小。公式(6)还示出了，对于较大的粒子，压力范围随其m/σ成比例地扩大。通过将频率从MHz升高到GHz范围，压力范围从亚托(sub torr)范围扩大到亚大气压(sub atmospheric)范围。这样的装置可以用于离子RF聚焦并且约束在大气离子源和质谱仪之间的离子传输接口中，并最终在大气压条件下辅助大离子和粒子(如带电的微滴(micro-droplet)一样)的RF聚焦。

在下面的表1中呈示对公式6的分析。在m^＊＝1000附近选择对应于最大离子透过率(ion transmission)的质量，以便确保从100amu到10000amu的质量范围的捕获。根据图7，势垒保持高于0.002V_RF，即在V_RF＞200V时高于0.4V。在假定品质因子Q＝100的情况下计算功率。离子的横截面被假设为σ＝10^-18m²。

表1.最佳频率F和上限气压P_max与几何尺度的关系。

气体离子接口

参照图13A，气体离子接口50的优选实施例包括多个差分泵浦阶段，将气体离子源52连接到质谱仪。在图13A中的具体例子示出了：在大气区域52中的ESI离子源、在喷嘴后面的区域54和撇乳器(skimmer)后面的区域56。各阶段被孔阑(aperture)分开并进行差分泵浦，其中，泵由箭头示出。该优选实施例还包括在不同阶段的离子导向器，所述离子导向器包括：大气离子导向器53、在喷嘴后面的中间离子导向器55和在撇乳器后面的离子导向器57。

本实施例的每一个离子导向器均包含具有RF排斥表面的通道。RF表面包含内部网、周围电极和RF供应源(supply)，如前文在图8B、图9A-9B和图11A-11G中示出的，该RF供应源连接在所述网和电极之间。可选择地，如图12中所示，在所述网和电极之间插入绝缘体或半绝缘体。优选地，该通道为圆柱形或基本上为平面，并且使用上述的微机械加工(MEMS)、在平面导向器中的PCB技术、在圆柱形导向器中的柔性PCB中的任何方法制成。

图13A的优选实施例实际上暗示了，在传统离子传输接口内使用额外的RF离子导向器。在典型的ESI源中，样品溶液被雾化为带电的气雾剂，并且在气雾剂蒸发的后阶段形成离子。总喷雾流在100nA至500nA的范围内。主要是由于空间电荷效应，ESI气雾剂在源中扩散，并且离子从大约1cm大小的区域内的蒸气滴中提取。离子通过喷嘴被采样，基本上被冻结在稠密气流中(即，离子流跟随气流并作为气流扩大)。采样电流与通过喷嘴的气体流量成比例。喷嘴后面的典型气压是大约1托，其将通过喷嘴的气体流量(质量流)限制在10托＊L/s(在低于10L/s的合理的前真空泵的泵浦速度)。低气体流量将喷嘴直径限制为低于0.5mm，并且将通过喷嘴的离子采样效率减小为低于总喷雾流的1％。气体射流在喷嘴后面扩大，并且通过下一个孔阑-撇乳器，对小于10％的流量进行采样。通常地，离子采样效率稍微优于气分流比(gas split ratio)，并且喷嘴和撇乳器之间的离子损失因子从3变化到5。为了消除进一步的离子损失，在撇乳器后面通常使用多极RF离子导向器。在该导向器中的气压是大约10毫托。在这样的压力下，在使用大约100到1000V振幅且1到5MHz频率的RF信号的同时，具有mm尺寸的杆的传统多极离子导向器能够进行离子聚焦。

本发明提出了将离子导向器中的RF电极小型化到微米尺度的现实的方法，这又允许在100MHz-1GHz范围的异常高频处进行操作，结果，允许在亚大气压范围内的异常高气压处进行操作。对于重离子和带电的气雾剂，由导向器53进行的RF聚焦应当在大气压力下可以得到。微观离子导向器55被提出用于在中间气压下的额外的离子聚焦。在较低气压下的离子导向器57可以是微观的也可以是宏观的。

大气离子导向器53被提出用来防止气雾剂的扩散(通常通过空间电荷自身来诱导)。优选地，导向器53由如图12A-12C中示出的PCB膜的MEMS方法制成。由于寿命问题，这些夹层结构导向器特别适合于源区域。在沉积了带电滴后，应当可以清洁离子导向器的表面。该导向器可以是约束气雾剂的通道的形式。或者，该导向器可以形成阱，其使离子通过，而保留带电气雾剂以便完全蒸发。气雾剂流应当由气流辅助。这样的具有微观特征的RF表面被用来形成具有几mm内径的通道或阱，以便在不影响溅射的情况下约束气雾剂。相同的微观RF表面也可以用于覆盖喷嘴壁，以便提高透过率并避免阻塞。

在喷嘴后面的中间离子导向器55消除通常由于气体射流扩散而导致的离子损失。优选地，为了改善进入撇乳器的后续离子采样，该导向器为圆柱形，以便将离子流约束在几毫米的内径内。在传统接口中，该导向器应当在几托的气压范围内操作。在这样的压力下，RF电压通过气体放电被限制为大约200V。为了维持RF聚焦，期望RF频率在30-100MHz的范围内，并且尺度网特征低于0.1mm。如图11A-11G所示，这样的离子导向器优选地由精细网制成。

在撇乳器后面的离子导向器57是传统离子导向器的可选替代，其在1-100毫托气压范围操作。它可以由宏观尺度(毫米)的RF表面制成，并在MHz范围的RF频率内操作。然而，为了简便和更高的灵敏度，导向器57也可以被制作为导向器55的扩展。

参照图13B，另一个实施例的离子接口60包含额外的泵浦阶段、多通道喷嘴62，以及通过壁突出的一个离子导向器64。通过将通过喷嘴的气体流量升高10到100倍来提高接口60的透过率。在图13B中，与图13A共用的元件采用相同的附图标记并共用其描述。即使在大气压下不进行RF聚焦的情况下，这也将显著地改善通过喷嘴的离子采样(请注意，图13A的大气离子导向器53被去除)。优选地，平行喷嘴62的阵列被用来避免在更高的总气体流时射流中的凝聚。每个单独喷嘴的孔径保持在从0.3到1mm的安全范围内。在流路中引入流弯曲或障碍物以便如碰撞分离器中一样将大粒子和滴分割也是优选的。然后将多个流合并到一个通道中。更高的气流导致大约10-100托的喷嘴后面的更高的气压。机械泵可以在这一气压范围内维持其泵浦速度。尽管高气压，但是新型微观RF聚焦装置60将离子流正好约束在喷嘴后面，并将其传送到质谱仪。离子导向器60的通道为几mm宽，以容纳整个离子流。导向器壁使用包括具有背RF电极的微观网的本发明的RF表面构成。该导向器通过差分泵浦系统的壁突出。在每一个阶段，导向器的外壁具有被精细网覆盖的用于泵浦的窗。

泵浦阶段的数量基于可用的泵浦部件进行优化。当前的涡轮泵工作在低于10-20毫托的气压，在更高的气压，应当使用诸如机械泵、涡旋泵和拖曳泵(drag pump)作为替换泵。优选地，在使用涡轮泵之前，在1到10托之间的气压时使用至少一个以上的机械泵浦阶段。可以基于泵浦系统的透过率和经济性优化机械泵浦阶段的数量。

一旦流变为中转和自由分子(低于10毫托)，差分泵浦将变得非常高效。导向器在各阶段之间形成长而窄的通道。在低于0.1托的气压并且通道宽度低于几mm时，这样的通道被认为将气体导电性抑制L/W倍，其中L和W是通道的长度和宽度。这将允许在离子导向器中保持适当大小的开口。

通过导向器的气流诱导轴向离子速度。接口壁变成与离子完全隔离。离子导向器可以一直延伸到诸如四极和磁区的任何质谱仪的真空室。本发明对诸如ITMS、TOF MS、FTMS或轨道阱的周期性操作的质谱仪特别有用。如果使用将离子引入到正交加速器的传统方案，那么可以使用慢离子速度来提高TOF MS的占空比。离子导向器也可以用于存储并将喷射离子脉冲地输送入TOF MS的正交加速器中。导向器的真空部分也可以用作MS中的脉冲加速器。当离子被俘获在加速器部分并然后被释放到质谱仪中时，这样的加速器可以用慢通过束进行操作，也可以用周期性调制的慢通过束进行操作或者在存储喷射模式下操作。

如在上述的图10A-10L中所描述的，上述新型离子导向器与多种离子操纵方法兼容。应当注意，在导向器内部有几乎没有场的区，这允许对离子导向器形状进行多种修改。作为一个例子，可以形成离子漏斗以接受大尺寸的离子流，并将其压缩入具有较小宽度/厚度的通道。在中间气压下，多个(至少两个)离子导向器可以合并以接收来自诸如ESI和MALDI的不同的离子源的离子流。使用上述储存(aresenal)方法(轴向静电场-直接或弥散、行波、磁场、气流)，通过不同插头，可以对这样合并的离子导向器进行时间调制。导向器可以用来存储和将脉冲喷射入诸如ITMS、具有正交注射的TOFMS、FTMS或轨道阱的各种MS。在中间气压的离子导向器的一部分可以用来激发离子，用于去聚类(de-clustering)或用于分裂。导向器可以用来暴露离子以便与气体、快速原子或带电粒子反应，由于导向器保持两种极性的带电粒子并且具有极其宽的俘获离子的质量范围，因此这是特别方便。诸如在图9B中公开的行波电场可以用来控制离子导向器的时间响应。

对称RF场中的网

参照图14A，在网70和对称定位的板72之间形成空间对称的RF和DC场。类似于上述的网状系统，电源可以连接在对称或非对称方式的电压。例如，图中示出网70被连接到RF供应源和板72，以排斥DC供应源。多种可替换的方案允许保持网或者板接地，或者分开不同电极之间的RF和DC，或者平衡供电以在电极间布置接地等位线，同时仍然产生对称的RF和DC场。该图示出由直径d和间距L＝10d的平行电线形成的2-D网的具体例子。离板的距离被选择为H＝L。电极平行于X方向且正交于Y方向。

参照图14B的图表，示出DC场的等位线(U等值线)。等位线在电线附近变成圆形的，在周围板附近变成平坦的。在电线之间的中间处的点73的特征在于鞍状电位，其中，局部最小值在Y方向达到，最大值在X方向达到。在原点73的附近，场主要是四极的。如在任何静电场中一样，在电极处达到电位的全局最小值。在真空条件下，轨道俘获是可能的。一旦离子与气体碰撞，它们释放能量并将坠落到网表面(具有最低的DC电位)。

瞬时RF场的结构与DC场中的相同。然而，RF场的动态电位不同于静态电位，并且由局部电场的强度限定(公式1)。显然，场在尖锐的电线附近较高，在平壁附近较低。在电线之间的中间处的点73(‘中间点’)的特征在于：由于在鞍状点中的对称性而导致的零电场强度。这就是为什么在整个系统中该点具有最小的动态电位。

参照图14C的图表，呈示了电场的相等强度的线(E等值线)。这些线对应于从E％＝0到2以步长ΔE％＝0.25绘出的标准化场强度E％＝E/[V_RF/L]。E％在电线附近达到最大值(E％＝5)，在壁附近获得适中的值(E％～1)，并在电线之间的中间点73上为零(E％＝0)。在中间点73周围的圆形线指示由动态电位形成的局部阱。阱73类似于在四极中形成的一个阱，其中旋转的鞍状场产生了动态阱。总体上，RF场将离子从电线排斥，将其俘获在电线之间，并允许离子沿着电线通过。

RF和DC场的适当的组合可以形成一组全局阱，其中电线间的局部阱被连接，并且离子可以在局部阱之间交换。RF场将离子从电线和DC场排斥——从壁排斥，因此在真空和中间气压提供了稳定的离子保留。注视总电位的轮廓就会理解这种组合行为，总电位包括由RF场形成的静电位(DC分量)和动态电位。

参照图15A-15D，在两个平面示出静态、动态和全部电位的轮廓。两个平面均正交于网，一个穿过电线(X＝0)，另一个位于电线之间的中点(X＝0.5L)。针对标准化Y/L坐标绘出轮廓。图15A示出标准化静态电位U％＝U/U_DC的轮廓，其从壁下降到中心，并在电线上达到最小绝对值。图15B示出电场E％＝E/[V_RF/LJ)的标准化局部强度的轮廓，其在电线上达到最大值并在电线之间的中间处变为零。根据公式1，对于q＜0.3，有效电位按照如下D跟随E：

D＝ze·E²/mω²＝D₀·D％＝D₀·(E％)²，    (7)

其中，D₀＝ze*V_RF ²/mL²ω²。

于是，总电位可以通过标准化U％和E％表达为：

V^*＝U_DC·U％+D₀·(E％)²＝U_DC·[U％+g·(E％)²]    (8)

其中，g＝D₀/U_DC＝D₀＝ze*V_RF ²/[U_DC·mL²ω²]～q·V_RF/U_DC

RF场对DC场的相对影响由无量纲因子g限定。该因子由RF和DC电压、RF频率和离子质量限定，并且与RF和DC电压之比乘以因子q成比例。通过改变因子g，可以通过将无量纲总电位表达为V*％＝U％+g·(E％)²来检查在RF和DC场的不同的相对影响下的总电位的轮廓。

在图15C和图15D中示出g＝0.05和g＝l的这样的轮廓。可以看出，对于两种具体例子，存在具有最低总电位(在Y＝0.3和Y＝0.5之间)的通道，该通道连接电线间(X＝0.5Y＝0)的点中的更深的阱。一旦DC吸引克服了网电线的RF排斥，拓扑结构就发生改变，这发生在g＜0.02后。在另一个几乎纯RF场(比如说g＞100)的极端情况中，在电线处RF排斥克服DC吸引。RF场的动态电位依赖于离子质量。然而，连接到通道的全局阱的拓扑结构保持在某一质量范围内。

参照图16A-16C，在低于0.04的g，局部离子阱73连接到电线上方的空间，并且离子从阱73释放到通道中。释放的离子可以自由地离开阱并移动。为了驱动离子，可以使用诸如气流、静电行波、移动磁场等之类的因子。质量选择性俘获和释放的效果可以用于质量分离。可以通过久期运动的AC激励来辅助释放，以便提高质量选择的分辨率。

参照图17，对于在图14A-14C的网周围的对称RF阱，检查可操作质量范围。总势垒被确定为最大离子能量，在该能量处，离子仍然停留在网70的电线之间的各个离子阱73内。质量被标准化为低截止质量。明显地观测到的低质量截止通过在中央点附近的四极场中的离子共振来解释。让我们假定，与四极场类似，截止发生在q＝0.91处。然后，阱的几何尺度G为G＝0.85L。在具体的模拟例子中，在几何尺寸L＝1mm(G＝0.85mm)，截止质量等于125amu，单相RF电压振幅V_RF＝1kV(p-p)并且RF频率为10MHz。

图17的示图呈示3条曲线，对应于标准化到RF电压的振幅的DC电位的不同值。特别地，模拟DC变为0V、10V和30V的情况。在DC＝0的情况下(作为主导的RF场)，势垒在q～0.3(m＝3＊m_cutoff)处限制为V_RF的0.007(在1000V_p-p，7eV)，然后在较低q(更高的质量)处按比例下降。通过将RF振幅设置到1000V并假定离子的阈值能量级别保持在1eV，只有在阱中的RF的质量范围看起来窄——约20倍。提高质量范围的一个方法是使壁更靠近，如下所述，这将使离子引入阱的过程复杂。另一种方法是添加大约10V的最佳DC电压(在图17中的虚线)。DC场(在平电极和网之间施加)提高了势垒高度，并明显地将质量范围扩大至少2倍。与其中杆间的DC场缩小质量范围的传统四极相比，结果是不寻常的。在这一具体情况下，网状阱非常不对称，并且势垒在阱和平电极之间更加低。添DC场会提高在朝向平电极的Y方向的弱势垒，而削弱在朝向网状电线的X方向的强势垒。

离子色谱术

参照图18A-18B，针对质量分离的一种新型方法，提出了上述的围绕电线网的对称RF场，在本申请中定义为‘离子色谱术’。离子色谱仪80的优选实施例包含矩形的长通道82，该通道82由具有用于离子保留的侧壁的平行板84形成。电线81正交于长通道放置。RF信号被施加到电线，两个分开的DC信号(DC₁、DC₂)被施加到板84。来自任何已知的诸如ESI、APPI和MALDI的气体离子源的离子被引入通过被精细网覆盖的侧窗89。在通道的出口侧的泵浦被用来通过通道抽出气流。优选地，使用MEMS技术将该装置小型化为电线和壁之间的大约10μm的尺寸，而通道的长度在1-10cm的范围内。RF频率优选地在0.1-1GHz的范围内。气压优选地在0.01和1大气压之间选择。

在操作中，从离子源88引入离子通过侧窗89并进入通道82。选择RF和DC电压的结合，以在电线间形成的多个阱(well)内俘获宽质量范围的离子。调整DC电压，以便产生弱不平衡。结果，离子的平衡位置从电线间的中央向一个板偏移。在填充阶段后，源被关闭，并且RF电压缓慢下降和/或DC非对称性提高。结果，势垒变浅。对于更重的离子，势垒的高度更小。结果，最重的离子首先被释放并在层气流的驱动下沿着通道向装置出口85移动。作为与多个阱相互作用的结果，将按照时间分离初始俘获的离子的集合。通过该装置的检测器90上的时间相关信号被转换为质量谱，该质量谱被示出为92。

由于热能而导致离子从浅阱‘蒸发’。这一过程类似于色谱术中的离子与表面的相互作用。在表面上花费的平均时间依赖于结合能。多个蒸发事件(作为理想板计算)使保留时间的分布变窄。色谱术的分辨率随着理想板的数目的平方根升高。在离子色谱术的情况下，电线间的每一个微阱均充当色谱术中的板。离子进入浅阱并在退出前花费一定时间。‘停留’时间以指数方式依赖于阱深度，阱深度又是离子的m/z的函数。

为了制造大量的连续离子阱阵列，提出了装置的小型化。制作各个小单元的相对不精确性导致每个单元的非常适中的质量分辨能力。以10um尺寸和0.3um精度，每个单元的分辨能力被期望为低于10。然而，顺序地经过多个单元被期望提高与单元数的平方根成比例的分辨能力。10cm芯片保持10000个阱(过滤器)将提供1000分辨能力，例如，该分辨能力足以用于环境应用。类似于其中梯度通过改变温度而形成的气体色谱术，在离子色谱术中，可以通过改变RF和DC电压、AC信号、温度或气流的参数来形成“梯度”。

用于TOF MS的脉冲离子转换器

参照图19A，用于TOF MS的脉冲离子转换器的优选实施例包括离子操纵器和RF发生器95，该离子操纵器由网状电极94形成，网状电极94被平面电极96对称地围绕，并且RF发生器95连接在网和电极之间。网由沿着通道定向的平行电线形成。优选地，网连接到切换式RF发生器，并且侧电极连接到一个或多个脉冲发生器98。操纵器形成平行离子导向器的阵列，称为“阵列导向器”。如果离子在导向器的边缘被排斥，则导向器还可以被认为是线性离子阱。脉冲离子转换器还包含外部离子源，其优选地具有中间离子存储装置(例如，在中间气压的离子导向器)。转换器还包含泵浦部件，以减少出口侧的气压。或者，使用内部离子源。源可以采用通过离子(SIMS)、光子(PI或MALDI)、电子(EI)的固体或气体样品轰击，或将样品暴露到离子分子反应以便离子化(CI)。

阵列导向器的多个离子导向器可以通过将离子沿着网(源1-平行注射)或者通过窗口93正交于(源3)网(正交注射)注入侧电极之间的空间来填充。在平行注射的情况下，离子在侧电极之间停留足够长的时间，以确保离子对气体碰撞和板之间的离子俘获。在正交注射的情况下，优选的是，在存储导向器和阱阵列之间布置多次离子通过。在多次通过后，最终，离子与气体碰撞并被俘获到侧电极之间。不论注射方案如何，一旦离子被俘获到侧电极之间，它们开始在由RF和DC场形成的约束阱中振荡，并在网的各个线性单元间跳跃。最终，在碰撞衰减之后，离子被约束在各个RF线性单元内，其中衰减时间T依赖于气压P。在大约50毫托的气压(与在离子导向器中相同)，衰减花费0.1ms的时间。由于阱间的无序离子运动，即使在多个单元间，也期望衰减离子按统计分布。或者，离子被注射入离子阱的区域(源3)，该区域具有高得多的气压，足够在一次通过中俘获离子。优选地，导向器在多个差分泵浦阶段之间延伸，并且气流在低得多的气压下将离子沿着一维阱移动到不同段。无论离子引入方法如何，如图19B所示，离子在气体碰撞中衰减并被约束到离子导向器的轴。在低气压，离子沿着离子导向器向出口侧移动。在转换器的真空侧，离子被脉冲地喷射到TOF MS中。

为了喷射离子，RF信号应当被关闭。作为例子，通过从主线圈去除驱动信号并通过破坏次级线圈的两个半部之间的接触，来完成RF切换。或者，次级线圈被FTMOS晶体管箝位。为了减少晶体管电容的影响，晶体管通过具有小电容的二极管连接。电路停止共振，并且RF振荡在一个或两个循环内迅速衰减。一旦振荡停止，脉冲被施加到周围板(图19C)，并且通过在一个板96上的窗97，离子被电场提取。依赖于网的形状，这样的窗可以看起来像被精细网覆盖的一组孔、一组凹槽，或者一个窗。请注意，由于网单元内的离子中心位置，所以电线附近的提取场的畸变具有最小的影响。

有两种不同的用于TOF MS的离子转换器的选择。一种(图19C)采用缓慢传输离子并将离子从导向器脉冲地输送出的离子导向器。另一种(图19D)采用平面离子阱。本说明书已经公开了适用于两种类型的脉冲离子源的离子操纵器的多个实施例。操纵器(包括离子导向器和离子阱二者)可以包含与下述之一结合的RF排斥网：卷成圆柱体或任意形状的箱体的相同排斥RF网；或者另一个排斥RF网，或者DC排斥电极，或者形成静电场的行波的电极。操纵器还可以包含平行通道(由平行电线制成的网)形式或各个单元的形状的俘获RF网。操纵器还可以结合多个离子操纵器。例如，离子导向器可以连接到一个离子阱或者多个离子阱，并且这样的连接可以通过合并和分离离子通道或者使操纵器相交来同轴地(in-line)或正交地进行。下面描述几个实施例。

小型化用于TOF MS的离子转换器

在图19A中示出的具体实施例示出了小型化的能力。对称RF场内的网94充当沿着网片扩展的离子阱阵列。在当网由平行电线形成时的情况下，各个阱是二维，并且，在正方形(六边形)网单元的情况下，阱是三维的。除了当在质量范围边界附近的离子开始在单元之间移动时的上述情况以外，阱互相很好地隔离并被网电线屏蔽。

转换器按如下操作。离子从外部离子源注射，优选地，正交地注射(类似于图19A中的源3)。由于与气体的衰减碰撞，离子被俘获在单元内。选择RF和DC电压以便将离子释放到电极和网之间的空间中，这样使离子在阱单元之间交换。最终，一部分离子被约束在出口侧附近的单元内。接着，施加提取脉冲以将离子喷射入TOF MS。

存在容易得到的具有小单元尺寸的网，其允许制造大的微观阱阵列。也就是说，当具有10μm单元尺寸时，250LPI的网(每英寸250条线)是合理稳定的。首先，其允许每平方厘米安置大量的阱，结果，从而保持大空间电荷。在保持每个单元一个离子的同时，每平方厘米可以存储差不多一百万个离子。如果使用更小的单元或更低的离子密度，比如说每平方厘米100,000个离子，那么平均密度降低到每个单元0.1个离子，并且该单元具有两个离子的概率变成0.01。因此，在空间电荷对离子特性上不产生任何影响的情况下，微观网阱可以保持大空间电荷。然而，即使假定离子云有非常紧密的尺寸(1μm)，空间电荷激发也只在离子数量超过10时才出现。假定有1cm²的阱阵列，该阱可以保持至多10⁷个离子并且可以以至多1⁰¹⁰个离子/s(说明对应于1nA的电流的1KHz的重复率)喷射入TOFMS。该电流限制适合于大部分质谱仪离子源。

小尺寸的阱潜在地可以导致另一个优点，即高重复率。由于网和侧电极之间的相对较小的距离(0.01mm)，气体散射碰撞的数目较小。在50毫托气压和0.01mm离子路径的情况下，散射碰撞的概率低于5％，而碰撞衰减的发生快于0.1ms。

尽管10μm单元尺寸是容易得到的，将网放置在离平壁或另一个网10μm的距离处在技术上仍然是困难的。类似于上面结合图12A-12C描述的那些，通过使用MEMS和PCB技术可以解决这个问题。例如，类似于图12B，可以通过使用绝缘体覆盖网的外侧并然后将网夹持在板之间来制作封闭通道的对称系统。类似于图12C，可以将5层夹层结构穿孔来形成开口单元。

微观网使离子局域在非常窄的片内。片厚度可以被估计为h＝L＊sqrt(kT/D)，并且对于L＝10μm的单元，V_RF＝300V，势垒D从0.2变到2eV，并且离子云可以压缩到h＜L/3＝3μm＝0.003mm。离子集合体(ensemble)的相空间被计算为空间和时间扩展的乘积ΔX＊ΔV。m/z＝1000amu的典型离子具有大约60m/s的热速度，使得ΔX＊ΔV＝0.2mm＊m/s。

例如，与TOF MS的正交加速器的离子束的相空间相比，离子云的相空间显著地低于任何已知离子源中的相空间。该离子束至少1mm宽并且在10eV轴向能处具有至少1度角度扩展，对于1000amu离子，这转变为10K离子温度和10m/s速度扩展。于是，离子束的相空间被估计为10mm＊m/s。根据上述计算，具有10μm单元的阱提供小50倍的相空间。如果使用其它网尺寸，用于TOF MS的网离子源优于传统正交加速器，直到单元尺寸低于0.5mm并且离子云低于0.15mm。

更小的相空间可以转换为喷射入飞行时间质谱仪中的离子包的更小的时间和能量扩展。如果离子云被突然切换的电场强度E加速，那么离子云的时间扩展主要由所谓的回转时间ΔT＝ΔV＊m/Eze来限定。更高的场强度E减小回转时间，但是诱导按比例的能量扩展Δε＝ΔX＊Eze。两者的乘积等于ΔT＊Δε＝ΔV＊ΔX＊m，即，与加速之前的离子云的初始相空间直接相关。为了利用新型网状阱中的更小的相空间的优点，使用与o-TOF MS相比的更高的加速场强度E。确切地说，与至多为由气体放电限定的30kV/mm或者由绝缘体表面上的泄漏限定的1kV/mm的最大可达场相比，通常在o-TOF MS中使用的大约100V/mm的场强度要低得多。在微观尺寸，期望气体和表面放电二者在低于几百伏特范围内的某一绝对电位处不出现。对于U＝100V和L＝10μm，E值达到10000V/mm，这比在o-TOF MS中的高100倍。

或者，采用时间滞后聚焦方法。约束RF场被关闭或者基本上放松(relax)以冷却离子内部能量。在预定延迟后施加加速场，其足够小以至于仍然将离子保持在单元中。在自由膨胀期间，离子束的相空间恒定不变，尽管空间扩展提高了，但是速度和位置变得高度相关，尽管在TOF MS中调谐条件稍微不同，这也改善了在TOF MS中的飞行时间聚焦。

脉冲转换器的具体实施例

参照图19D，用于TOF MS的脉冲离子转换器的优选实施例包含置于两个平行周围电极102之间的中央网100，该中央网100包含允许离子移入系统和从系统移出的精细网窗104。RF信号被施加到中央网，这样在粗中央网的电线之间形成线性导向器(或者槽)阵列。在传输阶段在中央网和侧网之间施加轻微的DC偏压，以提高俘获离子的质量范围，如上所述。中央网由电线制成并沿着离子传输的方向放置。平行网的系统形成所谓的网状离子导向器。网状离子导向器在各差分泵浦阶段之间突出。网穿过孔(槽，通道)分离区域，该区域由(a)介质气压区域(每个RF场碰撞周期具有每个离子至多一个碰撞)和(b)高真空区域(具有可以忽略的与周围气体的碰撞数)构成。在图19D的具体情况中，离子网状导向器在两个差分泵浦阶段之间扩展。优选的是，保持电极102均匀并通过通道的侧边缘布置差分泵浦。

在操作中，离子从外部离子源引入并同轴或正交地注入到网状导向器中。作为一个例子，喷嘴、撇乳器或精细尺寸离子导向器可以靠近网状离子导向器放置。或者，网状离子导向器与气体射流或者离子接口的传输离子导向器相交。选择足够高的介质气压(0.01和1托之间)以便在一个离子通过内将离子捕获到网状离子导向器中。网状电极系统(包含中央网和侧网)以保持线性阱沿着传输方向不受干扰的方式均匀地布置。各阶段间的传送不会诱导任何额外的动能，因此离子保持冷却且被约束。由于气压梯度并且由于累积的空间电荷的梯度，离子漂移到真空中。支持传输的额外的弱的电场和磁场也可以通过已知手段施加。优选地，离子导向器通过静电插头在远端终止，从而在网状离子导向器的真空部分中形成离子阱。不过，如果离子以足够慢的大约10-100m/s的速度漂移，并且真空部分在与TOF MS脉冲周期可比较的时间内填充，那么插头可能似乎是不必要的。漂移进真空部分的离子保持不受干扰并且被约束在线性阱的轴线附近。在真空区域中，网和周围电极形成TOF MS的脉冲加速区域的一部分。离子内容(content)通过网状离子导向器的精细网104被周期性地喷射。优选地将RF电压关闭，并且对周围电极施加推拉脉冲电压。

脉冲转换器的可替换的实施例包含一个采用气体脉冲的阶段网状离子阱，气体脉冲由下面之一生成：脉冲气阀、通过脉冲粒子束(诸如离子束、电子、快速中性粒子、在气体放电中生成的粒子、光子或小滴)从冷却表面产生的蒸气解吸附。

连续将离子束输入脉冲包的脉冲转换器的另一个优选实施例在图20A中示出侧视图，在图20B中示出顶视图。该优选实施例包括两个分开并对准的网状导向器110、112，置于分开的泵浦阶段内。两个导向器都由夹在板或精细格栅14之间的平行电线制成。第一网状导向器被气体填充，而第二网状导向器基本上在真空的条件。各阶段由如图20C所示的具有一组孔118的电极116分开或者由作为周围板的一部分制成的栅电极分开。

在一个具体情况中，相同的一组电线被用于两个阶段。RF信号被施加到电线。如前所述，轻微的排斥电位被施加到周围板，以便改善电线之间的离子保留。周围板的DC电位在各阶段之间是不同的，这使得在电线间的中心线的电势保持差异。真空网状导向器由静态或RF离子排斥器(repleller)120可选择性地结束。

该导向器充当用于飞行时间质谱仪的脉冲转换器。在导向器上方，放置有DC加速器(未示出)和离子反射镜。如图20B中的顶视图所示，TOF MS检测器122被优选地放置在网状导向器的侧面。

在操作中，连续离子束进入第一网状导向器。如前所述的侧面离子注射入第一网状导向器的方法是最便利的注射方法。第一网状导向器被气体填充并且作为离子存储线性阱的阵列操作。在出口侧(即，右侧)的门或一组孔锁定离子，例如，通过轻微排斥DC电位。

离子被周期性地释放到第二真空网状导向器中。在填充时间阶段，真空网状导向器被离子填充。周围板间的电位差控制离子传播的轴向能。释放脉冲的持续时间可以从10μs变到100μs。优选地，离子传播能量选择在大约1eV。优选地，将导向器的真空部分延伸至少5cm，以增加连续离子束的脉冲转换的占空比。脉冲束以从对于2000amu离子的0.3mm/μs到对于50amu离子的2mm/μs变化的速度传播进入导向器的第二部分。这样，最快的离子将在25μs内通过导向器，而最慢的离子在相同的25μs周期内只会填充导向器的初始部分。通过允许最快的离子从真空网状导向器的后端排斥，可以延长离子填充时间。最重要地，在填充阶段结束时，整个质量范围的所有离子将位于真空离子导向器内。

在导向器操作的下一个阶段，真空网状导向器的周围板和网被脉冲到高电压，以便产生均匀的提取场。优选地，中央电线上的RF信号被箝位，以便避免提取场的畸变。离子从真空网状导向器喷射出，在DC加速器中被加速，飞过漂移空间，被离子反射镜反射，并入射在宽离子检测器122。离子的侧面位移通过转向板设置，或者通过加速器的侧面倾斜或者通过反射镜的侧面倾斜设置。由于在水平方向上的低(IeV)离子能量，即使在真空网状导向器的背面使用排斥器，离子束在这个方向上也只有较小的扩展。当前存在的10cm长的检测器能够进行全部离子收集。

当最重的离子成分在检测器上时，真空网状导向器被再次填充。喷射脉冲之间的周期根据TOF MS中的飞行时间进行调整，并且可以从在短TOF MS的情况中的30μs改变到在多反射TOF MS的情况中的若干毫秒。

本实施例提供100％的将离子转换为离子包的占空比，并且如果在利用如前所述的大提取场的同时使用小型化的网状导向器，则允许形成非常尖的离子脉冲。此外，由于导向器对空间电荷排斥耐受-离子被俘获在真空网状导向器内，因此本发明允许处理在nA范围内的大离子流。

再次参照图20C，网状导向器的一个具体实施例采用两组分开的电线110、112。为了对准和拉伸这两组电线，由绝缘体绳支撑精细金属毛细管。或者，电线由涂有金属的石英绳制成。再或者，分开的电线组由MEMS方法制成。

上述实施例的一种可能的优点是对空间电荷的适中的容量。在整个申请中描述的离子操纵的方法允许制造具有更宽的存储间隙以及用来自转换器壁的更强的离子排斥的脉冲转换器。

参照图21，用于TOF MS的脉冲转换器的另一个优选实施例包含：气体离子导向器、用于传输离子的离子光学系统(IOS)、离子存储间隙、以及在间隙末端的可选排斥器。离子存储间隙被两个离子排斥表面130、132围绕。至少一个离子排斥表面132(图中的底表面)包含具有如前所述的弥散RF场的离子排斥表面。该表面包含精细网131或者一组平行电线和位于其下方的板133。网和板之间的距离与网周期可比较。在网和板之间施RF场。离子存储间隙还充当用于TOF MS的离子加速间隙。图中示出TOF MS的主要部件-无场间隙、离子反射镜和离子检测器122，优选地置于离子存储间隙的侧面附近(图21B)。

离子存储间隙的顶排斥表面130可以是以下之一：另一个具有弥散RF场的离子排斥表面，尽管在这种情况中该表面由如图F21A所示的两个网形成；具有弱DC排斥电位的一个网；或者，具有在空间上交替的RF电位的一组平行电线。

在操作中，离子源(未示出)形成在某个m/z范围内的离子。例如，ESI源通常形成m/z在30到2000amu之间的离子。离子进入气体离子导向器中。该导向器使离子衰减，使其通过并进入传输离子光学系统。优选地，气体离子导向器在与TOF MS的脉冲同步的脉冲模式下操作。离子光学系统形成适合离子存储间隙的宽度的离子束，同时最小化该离子束的角发散(angular divergence)。优选地，离子束以从1到10eV的相对较低的能量进入离子存储间隙。该间隙至少扩展5cm长。离子以这样的方式从离子排斥表面反射：使得离子保留在离子存储间隙内。可选择地，更轻的离子从末端排斥器排斥。在这种条件，存储间隙被在20到50us内的整个质量范围的离子填充。

在下一操作阶段，离子存储间隙被转换为离子加速器。RF场被箝位，并且，脉冲被施加到离子排斥表面，以产生均匀的提取场。离子从离子存储间隙被提取，在DC加速器(未示出)中被加速，并且在离子反射镜中被反射并到达离子检测器。在检测器的侧面位置的具体情况中，离子包通过经过DC加速器的偏转器，或者通过侧面倾斜离子存储间隙，或者通过离子反射镜的侧面倾斜，被枯萎转向(steered wither)。

多个电布置可用于切换排斥表面的元件上的电位。使用经由低电容二极管连接的高电压开关或者使用高频线性放大器，RF信号和高电压脉冲之间的直接切换尽管是可能的，但是在技术上困难的。在DC排斥网的情况中，DC排斥和拉脉冲(pull pulse)之间的切换可以由标准脉冲发生器形成。在具有弥散RF场的排斥表面的情况中，被施加到底板的RF场被箝位，并且，高电压脉冲被施加到该板上方的网。

对离子脉冲转换器(也称为脉冲离子源)的多个优选实施例进行总结，本发明的离子操纵的新方法用来产生保留电线之间的离子或者从具有RF弥散场的表面排斥离子的RF通道。离子被缓慢地注入到几何结构上长的离子转换器。导向元件被电切换为形成基本上均匀的提取场，从而形成离子包，所述离子包被注入到具有大几何接受度的飞行时间质谱仪。转换器完全接受来自气体离子导向器的离子束。转换器具有单一占空比和宽质量范围的接受离子。使用微装置，转换器形成非常短的离子包，从而提高TOF MS的分辨率。

权利要求书中使用的术语的术语表：

“离子”-是指带电粒子，包括双极性的离子、电子、带电滴和固体粒子。在使用强场的情况中，公开的装置也可适用于电极化的粒子。

“离子色谱术”是指质量分离的方法。

“离子操纵器”包括多种装置，例如，用于离子通过的离子通道，用于衰减和准备阱约束的冷离子束的离子导向器，具有用于离子的快速通过的轴向场的离子导向器，分裂单元，用于存储离子的离子阱，用来准备用于注入到质谱仪的离子的离子源，以及用于准备用于飞行时间质谱仪的离子的脉冲包的离子源。

术语“离子阱”对于下述任何一个在一般的含义上被使用：来自连续的离子束的离子累积，离子存储，质量选择的离子采样，质量选择或总离子分裂，质量过滤，质量选择的离子采样，以及最终的离子质量分析。

“网”是指具有孔的电极，意味着包括编织的或电解网、平行电线组或穿孔片的各种实施例。网片的形状可以是平面的、任意圆柱形的或球形的。在方法权利要求中，“网”表示周期性电极结构，从而允许形成周期性的静电(RF或DC)场。

“排斥RF网”代表包括网状电极、(相对应离子操作区)位于网状电极后面的第二电极和连接在所述电极之间的射频(RF)电压源的装置。

“陷阱RF网”代表包括网状电极、两个周围的互连电极、以及连接在所述网和电极之间的射频(RF)电压源的装置，从而RF场在网周围是基本上对称的。

“气体供应源”是用于形成净流的气流，以提供碰撞衰减、帮助分裂和产生离子分子反应。

“网状电极周围的射频场”是指通过在网状电极和任何周围电极之间施加射频电压源而产生的场。这种场不同于产生偶极射频场的传统的广泛使用的方法，其中，射频供应的两极与交替的电极连接。

“粒子”是指双极性的离子、电子、小滴、灰尘颗粒、核粒子、宽波长范围的光子、快速原子、包括周围气体的核分子、蒸气、杂质气体、侵占性蒸气和气体杂质。

“击穿电压限制”是指这样的最小电压：在低于该电压时，在任何气压下不会发生放电。击穿限制取决于周围气体的性质，并且通常在200V的范围中。

以上描述仅仅被认为是优选实施例的描述。对于本领域的技术人员和制造或使用本发明的人员来说，将会想到本发明的变型例。因此，应该理解，附图中示出且以上描述的实施例仅仅是出于示例性的目的，并且不应当限制本发明的范围，如根据专利法的原理(包括等同原则)所解释的，本发明的范围由下述权利要求限制。

Claims (47)

1.一种用于质谱仪中的离子导向器，包括：

网状电极，具有从10μm到1mm的范围内的尺寸的单元；

位于所述网状电极的上方的空间，用于将离子从外部离子源传输到质谱仪；

位于所述网状电极后面的与所述网状电极的单元尺寸可比较的距离处的第二电极；

耦接在所述网状电极和所述第二电极之间的射频电压源，以在网状电极的上方提供用于排斥离子的射频场；以及

用于通过所述网状电极供应气流以便离子的碰撞衰减的气体供应源，所述气体供应源包括连续气体供应源、脉冲气阀和暴露于脉冲粒子束的冷表面之一。

2.根据权利要求1所述的离子导向器，还包括位于所述网状电极的上方的第三电极，以在所述网状电极的周围形成基本上对称的RF场。

3.根据权利要求1所述的离子导向器，还包括与所述网状电极和所述第二电极中的至少一个耦接的至少一个DC电压源。

4.根据权利要求1所述的离子导向器，其中，所述网限定网单元，并且其中，离子的平均密度被调整为低于一个离子/网单元。

5.根据权利要求1所述的离子导向器，其中，所述射频电压源包括次级线圈，并且通过下述方式被切断：断开所述次级线圈的两个部分；或者，通过利用FTMOS晶体管对所述次级线圈的输出进行箝位，所述晶体管通过下述之一耦接：(i)低电容二极管；以及(ii)线性RF放大器。

6.根据权利要求1所述的离子导向器，其中，所述网限定网单元，并且所述网单元的几何尺度以及所述网和所述第二电极之间的距离低于3mm，并且其中，RF频率被调整在从100KHz直到1GHz的范围中，并且与所述网单元的几何尺度成反比。

7.根据权利要求1所述的离子导向器，其中，所述网限定网单元，并且所述网单元的几何尺度以及所述网和所述第二电极之间的距离为低于1mm；低于0.33mm；低于0.1mm；低于30μm；低于10μm；低于3μm；低于1μm之一，并且，RF频率被调整在从2MHz直到1GHz的范围中，并且与所述网单元的几何尺度成反比。

8.根据权利要求1所述的离子导向器，其中，所述气体供应源提供与所述射频电压源的频率成比例地扩大的气压范围，所述气压范围在从大约1托到大约环境大气压的范围中。

9.根据权利要求1所述的离子导向器，其中，所述网状电极使用电介质材料被支撑和对准，并且其中，所述电介质材料是具有下述之一的形状的层：网和电极之间的片；位于网状电线的下方的桥；位于网状电线的下方的岛；以及在两个网状电线之间的桥。

10.根据权利要求9所述的离子导向器，其中，所述网和电介质层形成夹层结构，并且使用下述技术之一制成：在刚性或柔性片上的PCB技术；MEMS技术；受控的粒子沉积；以及所述网的氧化，以形成绝缘层。

11.根据权利要求10所述的离子导向器，其中，所述网状电极是排斥RF网状电极，其中离子通道通过具有穿透RF场的所述排斥RF网状电极和下述之一形成：被卷成圆柱体或任意形状的箱体的相同排斥RF网；另一排斥RF网；DC排斥电极；形成静电场的行波的电极组；以及RF俘获网。

12.根据权利要求11所述的离子导向器，其中，所述离子通道被形成为下述之一：弯曲通道；回路通道；顺流和逆流的平行通道；平滑或梯状的漏斗；合并通道；分离通道；具有自由排出的通道；带盖的通道；具有阀开关的通道；离子池；脉冲阻尼器；和离子泵。

13.根据权利要求11所述的离子导向器，其中，在所述离子通道内的离子流通过下述之一诱导：气流；轴向静电场；静电场的行波；以及移动磁场。

14.根据权利要求1所述的离子导向器，其中，离子导向器用作下述装置之一：离子束导向器；具有碰撞衰减的离子导向器；平行离子导向器的阵列；离子阱的阵列；离子分裂单元；具有粒子的离子存储反应器；用于离子光谱学的单元；用于连续注入到质谱仪的离子源；用于脉冲注入到质谱仪的离子源；用于注入到飞行时间质谱仪的离子包脉冲源；质量过滤器；和质量分析器。

15.一种用于将离子从气体离子源传输到质谱仪的接口，至少包括权利要求1的离子导向器。

16.根据权利要求15所述的接口，其中，所述离子导向器在从1毫托直到1大气压的气压的宽质量范围中操作，并且，为了确保RF约束，网尺度L和RF频率F被调整为：L(mm)＜1/P(托)且F(MHz)＞1＊P(托)。

17.根据权利要求15所述的接口，包括用来对来自所述气体离子源的更高气流进行采样的多个喷嘴。

18.根据权利要求15所述的接口，其中，所述离子导向器延伸通过多个差分泵浦阶段。

19.根据权利要求15所述的接口，其中，为了下述之一而使用所述离子导向器来合并来自多个离子源的离子流：(i)包括ESI、APCI、APPI、CI或EI之一的各个离子源的交替操作；(ii)主离子源和具有质量校准化合物的离子源之间的周期性切换；以及(iii)为了离子流的反应、为了质量校准或灵敏度校准而混合离子流的同时操作。

20.根据权利要求15所述的接口，其中，为了下述目的而使用所述离子导向器来激发离子：(i)破坏离子簇；(ii)离子分裂；以及(iii)诱导或禁止离子对粒子的反应。

21.根据权利要求15所述的接口，其中，所述离子导向器通过下述之一被用于将离子引导到质谱仪：(i)直接且连续地引导到连续地操作的质谱仪(MS)，包括四极、磁体扇区MS或者具有正交加速器的TOF MS之一；(ii)脉冲轴向地引导到周期性操作的MS，包括ITMS、FTMS、轨道阱或具有同步正交加速器的TOF MS之一；以及(iii)正交脉冲加速到周期性操作的MS。

22.一种脉冲离子转换器，包括权利要求1的离子导向器，其中，质谱仪是飞行时间质谱仪，其中离子从外部离子源注入到转换器，并且，离子包通过电场脉冲从所述离子导向器直接喷射出并进入飞行时间质谱仪TOF MS。

23.根据权利要求22的脉冲离子转换器，其中，所述网状电极是排斥RF网状电极，其中离子通道通过具有穿透RF场的所述排斥RF网状电极和下述之一形成：被卷成圆柱体或任意形状的箱体的相同排斥RF网；另一排斥RF网；DC排斥电极；形成静电场的行波的电极组；以及RF俘获网。

24.根据权利要求22所述的脉冲离子转换器，其中，所述离子导向器包括离子导向器阵列。

25.根据权利要求22所述的脉冲离子转换器，其中，气压和RF频率二者与网单元尺寸成反比地被调整。

26.根据权利要求22所述的脉冲离子转换器，其中，所述射频电压源包括次级线圈，并且通过下述方式被切断：断开所述次级线圈的两个部分；或者，通过利用FTMOS晶体管对所述次级线圈的输出进行箝位，所述晶体管通过下述之一耦接：(i)低电容二极管；以及(ii)线性RF放大器，其中电脉冲的施加和RF信号切换之间的延迟被调整以改善所述飞行时间质谱仪中的时间聚焦。

27.根据权利要求22所述的脉冲离子转换器，其中，所述电场脉冲的强度与减小了的网几何尺度成反比地被调整。

28.根据权利要求22所述的脉冲离子转换器，其中，所述离子导向器通过多个差分泵浦阶段突出，其中气压基本上沿着所述离子导向器而改变，并且其中在与离子喷射区域相比的基本上更高的气压，发生将离子注入到离子导向器中。

29.一种质量选择存储装置，包括权利要求1的离子导向器。

30.一种质量选择存储装置，包括权利要求15的用于将离子从气体离子源传输到质谱仪的接口。

31.一种离子色谱仪，包括权利要求2的离子导向器，其中，离子通过气流在各个阱之间被驱动，并且其中，在单元内的离子俘获通过调整RF和DC信号而随着时间改变。

32.一种根据权利要求31所述的包括离子导向器的离子色谱仪，其中，分辨能力通过下述之一而提高：(i)使用久期离子运动的共振激发；(ii)调整RF和DC场的四极和更高阶分量的比率；以及(iii)在顺序显微质量分离单元的大阵列中多次重复质量分离步骤。

33.一种具有内部离子化的离子源，包括用于下述之一的权利要求1的RF排斥表面：(i)离子保留；(ii)引导；(iii)激发；(iv)碰撞衰减；(v)气体碰撞中的内部能量的冷却；(vi)将脉冲离子流量转换为连续的或准连续的离子流量；(vii)表面保护以免带电和材料沉积；(viii)保留相反极性的带电粒子；(ix)保留宽质量范围中的离子；以及(x)按照质荷比的粗过滤离子。

34.根据权利要求33的离子源，其中，通过下述之一进行内部离子化：(i)蒸气样品的电子；(ii)蒸气样品的光子；(iii)蒸气样品的反应离子；(iv)来自表面的快速粒子；(v)来自表面的光子；以及(vi)来自固体或液体基体的光子。

35.一种分裂单元，包括权利要求1的离子导向器，其中，通过射频场保留离子，通过下述之一来诱导离子分裂：(i)以充分高的动能将离子注入到操作器；(ii)离子操纵器的离子入射表面；(iii)快速原子的离子轰击；(iv)光子的离子照射；(v)离子暴露于快速电子；(vi)离子暴露于用于电子捕获解离的慢电子；(vii)离子与相反极性的粒子的反应；以及(viii)离子与侵占性蒸气的反应。

36.一种用于质谱仪中的离子操纵的方法，该方法包括：

提供网状电极，该网状电极具有从10μm到1mm的范围内的尺寸的单元；

提供位于所述网状电极的上方的空间，用于将离子从外部离子源传输到质谱仪；

提供位于所述网状电极后面的与所述网状电极的单元尺寸可比较的距离处的第二电极；以及

施加穿透所述网状电极的RF场，以排斥离子。

37.一种用于质谱仪中的离子操纵的方法，该方法包括：

提供网状电极，该网状电极具有从10μm到1mm的范围内的尺寸的单元；

提供位于所述网状电极的上方的空间，用于将离子从外部离子源传输到质谱仪；

提供位于所述网状电极后面的与所述网状电极的单元尺寸可比较的距离处的第二电极；以及

施加在所述网状电极的周围基本上对称的射频场，以便俘获电子。

38.根据权利要求36所述的方法，还包括通过下述之一的离子碰撞衰减的步骤：提供连续的气流；从脉冲喷嘴提供脉冲气体射流；或者从由脉冲粒子束诱导的冷表面提供解除吸附的蒸气的脉冲流量。

39.根据权利要求36所述的方法，还包括通过对所述网状电极施加DC场以吸引到所述网状电极的步骤。

40.根据权利要求36所述的方法，其中，为了释放离子而切断RF场。

41.根据权利要求36所述的方法，还包括将所述RF场的几何尺度选择为低于1mm；低于0.3mm；低于0.1mm；低于30μm；低于10μm；低于3μm；低于1μm之一的步骤，并且其中RF频率与该几何尺度成反比地被调整为至多几GHz。

42.根据权利要求36所述的方法，还供应气流，并且其中，气压范围与RF频率成比例，并且从1毫托变到大气压。

43.根据权利要求36所述的方法，还包括作为将网支撑和对准到相对电极的方法而将电介质插入到所述RF场的步骤。

44.根据权利要求36所述的方法，还包括形成离子通道，并且其中，所述离子流在所述离子通道内被引导，所述离子通道是通过排斥RF场和下述之一而形成的：被卷成圆柱体或任意形状的箱体的相同排斥RF场；另一排斥RF场；DC排斥场；静电场的行波；以及RF俘获场。

45.根据权利要求44所述的方法，其中，在所述离子通道内引导离子流被用于通过下述方法之一来变换所述离子流：弯曲；形成回路；布置用于顺流和逆流的平行通道；将离子流约束在平滑或梯状的漏斗中；合并；分离；自由排出；加盖；阀切换；存储在离子池中；脉冲衰减；调制离子流的速度；以及泵浦。

46.根据权利要求44所述的方法，其中，离子流通过下述方法之一来诱导：气流；轴向静电场；静电场的行波；以及移动磁场。

47.根据权利要求36所述的方法，其中，所述离子操纵用于下述组之一：离子束传输；离子束约束；离子俘获；离子分裂；持续预定时间将离子暴露于离子对粒子的反应；将离子连续地注入到质谱仪；将离子脉冲地注入到质谱仪；以及将离子包注入到飞行时间质谱仪。