CN102265377B - 耦合至堆积环离子导向器的电动或静电透镜 - Google Patents

Abstract

一种用于在质谱仪的低真空或大气压力区域中改进离子的传输和聚焦的装置，该质谱仪通过耦合到被施加振荡(例如射频)电压的堆积环离子导向器(SRIG)的第一个电极的一个或多个电动或静电聚焦透镜构建。本文公开的这种配置通过通常将离子迁移装置的出口端设置到电动或静电聚焦透镜内的所需的位置以将运用了该堆积环离子导向器的所需的离子迁移装置中有害的场效应和/或重新定位问题最小化。

Description

耦合至堆积环离子导向器的电动或静电透镜

技术领域

本发明通常涉及用于质谱仪的离子光学器件，更具体的涉及用于在低真空区域限制并聚焦离子同时使有害的场效应最小化的装置。

发明背景

质谱仪的设计者面对的一个基本挑战是离子从离子源到质量分析器，特别是通过大气压力或低真空区域的有效的传输，在这些区域中离子的运动基本受背景气体分子的相互作用的影响。如果例如通过离子迁移管引入离子后，在首个真空区域使用堆积电极结构并且离子迁移管太短，即，离子迁移管终止于堆积电极结构中的第一个电极的厚度之前，那么在入口处的离子就会遇到强电场，这种强电场对一个或多个多电荷离子的传输通常是有害的。可以理解的是甚至在离子迁移管的长度中小于约0.002英寸的制造公差也可能导致多电荷离子的较大的传输损耗。当离子迁移管由于清洗被临时移除后将产生另一个问题，那就是在与第一个电极之间相距很近位置处的重新定位，这将导致多电荷离子的较大的偏差。

在Mylchreest等人的于1992年10月20日授权的题为“Methodand Apparatus for Focusing Ions in Viscous Flow Jet Expansion Region ofan Electrospray Apparatus(用于电喷射装置的粘滞流喷射膨胀区域中的离子聚焦的方法和装置)”的第5,157,260号美国专利中描述了用于聚焦离子设计的透镜方面的背景资料，其中包括以下内容：“总之，管状透镜的功能是在这个区域中形成电场迫使离子沿着喷射中心线向下，因此增加被质谱仪捕获的离子分数。通过透镜的聚焦作用不仅可以使离子束得到增强；还有另一有益的效果就是通过取样锥的离子束的发散角小于自由喷射膨胀中期望得到的。可以相信的是使这种发散角减少的原因是由于在取样锥的上游侧的强电场梯度的驱使使离子以比气流速度快好几倍的速度通过孔口。这意味着离子在孔口的下游的轨迹相比受到来自取样锥中的气体的膨胀而言，更受到这些梯度的影响。我们已经发现使用管状透镜可以将进入分析器的离子的传输至少增加两倍。”

作为离子漏斗以操控离子而配置的堆积电极结构的背景资料可以在Smith等的美国专利第6,107,628号中找到。在其中通常描述的装置包括大批纵向隔开的间距紧密的环电极，环电极的孔径的尺寸从装置的入口向其出口减少。电极彼此之间电绝缘，并且将射频(RF)电压施加到已规定相位关系的电极上以将离子径向地限制在装置的内部。在装置入口处的相当大的孔径尺寸提供了较大的离子接收范围，并且逐渐减小的孔径尺寸产生具有自由场区的“逐渐减小的”RF场，该RF场减少了沿着离子运动的方向的尺寸，由此将离子聚焦成狭窄的离子束以使其可以穿过取样锥的孔或其它静电透镜而不会招致较大程度的离子损失。对于这种装置的改进和变化在(例如)Smith等的第6,583,408号美国专利、Franzen的第7,064,321号美国专利、BrukerDaltonics和Julia的第1,465,234号欧洲专利申请、以及“Ion Funnels forthe Masses：Experiments and Simulations with a Simplified Ion Funnel(用于质谱仪的离子漏斗：关于简化的离子漏斗的实验和模拟)”，J.Amer.Soc.Mass Spec，vol.16，pp.1708-1712(2005)中进行了描述。

堆积环电极结构的附加的背景资料能够在Russ，IV等于2002年7月9日提交的第6,417,511B1号题为“Ring Pole ion Guide Apparatus，Systems and Method(环形极离子导引装置、系统与方法)”的美国专利中找到，其中包括以下内容：“本发明提供了一种可以在质谱仪中使用的新颖的离子传输装置和方法。该离子传输装置和方法包括在多极内延伸的环形堆。该装置和方法在传统的RF多极的聚焦和限制方面占有优势并且在传统的堆积环形导引器或者离子漏斗方面占有优势......。”

与运用堆积电极结构类似但是配置不同的进一步的背景资料还可以在Senko等于2008年5月21日提交的序号为12/125,013的题为“IonTransport Device And Modes Of Operation Thereof(离子传输装置及其工作模式)”的美国专利共同申请中找到，该申请的全部内容通过引用并入本文。这种装置包括以下说明：“所提供的离子传输装置由多个沿着装置的纵向轴线隔开的有孔的电极构成。电极的孔限定了在装置的入口和出口之间传输离子的离子通道。与电极耦合的振荡的(例如RF)电压源在相对电极的适当的相位上提供振荡电压以径向地限制离子。为了提供离子向靠近装置出口的离子通道的中心线的聚焦，邻近电极之间的间隔可以在离子行进的方向增加。靠近电极出口的相对更大的电极间隔提供了成比例增长的振荡电场的穿透，由此产生了逐渐较小的电场将离子向纵向的中心线集中。为了优化某些离子种类的传输或者减少质量歧视效应，振荡电压的量级可以以扫描式或阶梯的方式短暂地变化。有助于推动离子沿着离子通道运动的纵向DC电场可以通过向电极施加一组DC电压来得到。”

虽然在以上提及的背景技术中揭示的结构具有益处，但是如本领域技术人员已知和理解的，当这种堆积环结构耦合到离子迁移管(例如小口径毛细管)时，仍然需要使这种堆积环结构产生的定位和有害的场效应最小化。本发明可以解决这种需求。

发明概述

本发明针对用于在质谱仪的低真空或大气压力区域中的改进的离子传输和聚焦的装置、方法和系统，质谱仪包括一个或多个电动或一个或多个静电聚焦透镜与被施加了振荡(例如射频)电压的堆积环离子导向器(SRIG)的第一个电极之间的新颖的耦合。具体地并依照本发明的一个方面，公开了一种离子传输装置，其包括与堆积的电极结构耦合的电动或静电聚焦透镜，其共同地限定出离子通道，沿着该离子通道离子可被定向。这种设置还有益地耦合到离子迁移装置，例如毛细管，离子迁移装置具有出口端，所述出口端被配制成能够被放置在与所公开的一个或多个电动或静电聚焦透镜的第一个透镜的前表面齐平的位置和所需的公开的一个或多个电动或者静电聚焦透镜的后表面前之间的位置，或者可移动地定位在一个或多个被配置的静电聚焦透镜的第一个透镜的前表面之前。

在一个具体的配置中，连同本文所公开的其它有益的设置一起，对一个或多个电动透镜的至少一部分和多个电极施加振荡电压，以使所公开的本发明的离子迁移仪器的有害场效应和/重新定位问题最小化，以便引导各种电荷的离子沿着期望的离子通道路径传输并且聚焦。如另一具体的配置中那样，通过向本发明的一个或多个透镜施加DC电压产生静电配置，以形成各种电荷的离子沿着期望的离子通道路径的方向/传输和聚焦。

根据本发明的另一方面，所公开的质谱仪系统包括一个或多个电动或者静电聚焦透镜与被施加振荡(例如射频)电压的堆积环离子导向器(SRIG)的第一个电极之间的新颖的耦合。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于在质谱仪的低真空或大气压力区域中传输和聚焦离子的方法，其包括：提供一个或多个电动聚焦透镜，所述透镜电耦合到第一电极，所述第一电极包括多个纵向隔开的电极，所述多个纵向隔开的电极与所述一个或多个电动聚焦透镜结合而限定出离子通道，使得离子可沿着所述通道被定向；将离子迁移装置的出口端安置在与所述一个或多个电动聚焦透镜的第一个电极的前表面齐平的位置和期望的所述一个或多个电动聚焦透镜的后表面前之间；向所述一个或多个电动聚焦透镜和所述多个纵向隔开的电极施加振荡电压以产生将离子径向地限制在所述离子通道内的电场；以及增加在离子移动方向上的径向电场穿透。

作为本发明的最后一个方面，公开了一种用于在质谱仪的低真空或大气压力区域中传输和聚焦离子的方法，包括：提供一个或多个静电聚焦透镜，所述透镜电耦合到第一电极，所述第一电极包括多个纵向隔开的电极，所述多个纵向隔开的电极与所述一个或多个静电聚焦透镜结合而限定出离子通道，使得离子可以沿着所述通道被定向；将离子迁移装置的出口端安置在与所述一个或多个静电聚焦透镜的第一个透镜的前表面齐平的位置和期望的所述一个或多个静电聚焦透镜的后表面前之间；向多个纵向隔开的电极施加RF振荡电压；向一个或多个静电聚焦透镜施加DC电压，所述一个或多个静电聚焦透镜具有的固定的DC电压与施加到多个纵向隔开的电极上的峰值RF幅度有关，并因此产生了可以径向地将离子限制在离子通道内的电场；以及增加在离子移动方向上的径向电场穿透。

在任何设置中，本发明所公开的离子迁移仪器的有害场效应和/或重新定位问题都可以通过本发明的耦合方法/装置和系统得到最小化。此外，流向质谱仪的下游的低压区域的分子簇(clusters)、中性分子和未去溶剂化的液滴流，还可以通过例如将离子迁移装置相对于离子传输装置的入口横向地和/或有角度地偏移并且将电极孔相对于邻近电极的孔横向地偏移以阻挡视线路径来减少。

附图简述

图1是并入了根据本发明的示例实施方式构建的离子迁移管/离子传输装置的质谱仪的示意图；

图2A示出了离子迁移管/堆积的环离子导向器(SRIG)设置的示例性横截面图，其中离子迁移管端部的出口端在SRIG的第一个电极的第一表面之前；

图2B示出了本发明的新颖的离子迁移管/离子传输装置设置的示例性横截面图，其中离子迁移管的出口端现位于SRIG的较厚的第一个电极的前表面和后表面之间；

图3A示出了在离子迁移管的出口端终止于SRIG的第一个电极的第一表面之前的情况下得到的六胜肽ALELFR的示例性质谱图；

图3B示出了利用本发明的离子迁移管/电动或静电聚焦透镜/SRIG配置获得的相同的六胜肽ALELFR的质谱图。

实施方式详述

在本文中对发明的描述中，应该理解的是，以单数形式出现的词语包含其对应的复数，而以复数形式出现的词语包含其对应的单数，另有含蓄地或者明确地理解或说明的除外。而且，应该理解的是，对于任何本文所描述的给定部件或实施方式，针对这些部件所列出的任何可候选或替换一般可单独使用或者相互结合使用，另有含蓄地或者明确地理解或说明的除外。此外，应该理解的是，这些候选或替换的任何列表只是示例性的而不是限制性的，另有含蓄地或者明确地理解或说明的除外。

而且，除非另有说明，在说明书和权利要求中表示成分的量、要素、反应条件等等的数字应该理解为由术语“大约”所修饰。因此，除非有相反说明，在说明书和所附权利要求中阐述的数字参数是近似值，其根据所需性质发生变化，所述性质可通过本文提出的主题来获得。至少，不试图对与权利要求范围等同的本申请进行限制，每个数字参数应至少按照报告的有效数字应用常规舍入法(roundingtechniques)解释。尽管说明本文所给主题的宽泛范围的数字范围和参数是近似值，但是在特定实施例中阐述的数值已尽可能精确地报告。然而任何数值固有地包含某些由于各自测试方式中的标准偏差所必然导致的误差。

一般说明

本发明通过一般地将离子迁移装置(例如小口径毛细管)的出口端安置成至少与本发明的电动或静电聚焦透镜或者透镜组的前表面齐平并且位于其后表面之前，以解决采用了堆积环离子导向器的期望仪器的有害场效应和/或重新定位问题。可以理解与在序号为12/125,013且标题为“Ion Transport Device And Modes Of Operation Thereof(离子传输装置及其工作模式)”的共同未决的美国申请中所见的类似的配置的全部内容在由本申请所公开内容控制实施方式中的任何冲突的情况下通过引用并入本文。

作为有益的配置，本文公开的静电但更具体地是电动射频(RF)聚焦透镜(例如电动管状透镜)，通常被配置成以类似于SRIG的第一个电极的方式来工作。这种透镜具有类似的约25mm×约25mm的横向尺寸以及类似的孔径范围(即，具有从约7.0mm到约15mm的环形孔)，但是厚度不同于在从约0.6mm到约8.0mm的厚度范围内的电极堆的其余电极，这使得离子迁移装置(管)的出口端能够确信地位于作为本发明的SRIG的第一个电极工作的电动聚焦透镜的前表面平面和后表平面之间。因此，当耦合到离子迁移管时，物理厚度本身可以提供更大的离子聚焦透镜公差。

作为本发明的另一有益的设置，还可以利用两个或多个电极组成的组，其中每个电极都具有约25mm×约25mm的横向尺寸，共同长度长达约8.0mm并且所有的电极都配置成具有规则的厚度，例如在约0.5mm到约1.0mm之间，使得离子迁移装置(管)的出口端可以被放置在预定的表面之间，还有益于获得更大的离子聚焦透镜公差，由此将本文所讨论的定位问题和有害的场效应问题最小化。

关于单个的电动或静电聚焦透镜的实施方式，可以对各种新颖的配置下的这些透镜施加RF。例如，施加的RF可以在幅度上相等或者不等，在频率上相等或者不等(例如双倍频率)并且关于SRIG的第一个电极同相或者异相(即，依赖于遇到的首个电极被预先确定为与本发明的透镜同相还是异相)。作为另一有益的配置，可以对聚焦透镜(即，静电透镜)施加固定的DC电压，该DC电压与施加到沿着SRIG纵轴线方向首次遇到的透镜上的峰值RF幅度(可以随着例如质量倾斜)有关(包括相反)。

关于一些透镜组的实施方式，透镜本身都处于一种设置下，并且对透镜组施加的RF幅度相等、施加的频率相同以及RF的相位相同(通过物理耦合)，但是关于SRIG的第一个电极异相(例如180度)或者同相，与沿着纵向方向遇到的SRIG的第一个电极的幅度可以相等或者不等，频率可以相同或者不同(例如两倍频率)。作为另一示例性设置，透镜组本身都具有共同作为电动聚焦透镜工作的规则的厚度，电动聚焦透镜稍微与施加到透镜组的RF接触(例如通过电容耦合)，施加到该透镜组的RF具有相同幅度和频率并且均具有相同的相位，但是透镜组关于SRIG的第一个电极异相或者同相并且与沿着纵轴线方向遇到的SRIG的第一个电极具有相同或不同的幅度以及相同或不同的频率(例如两倍频率)。此外，与单个透镜实施方式类似，可以对透镜组施加与沿着SRIG的纵轴线方向遇到的第一个透镜上施加的峰值RF幅度(可以随着例如质量倾斜)有关(包括相反)的固定的DC电压(通过固定耦合)。因此，这种设置还可以提供与电动透镜组的实施方式所取得的相类似的离子的导引。

具体说明

图1示出了质谱仪100的示意的示例配置，质谱仪100并入了根据本发明的实施方式构建的新颖的电动或静电聚焦透镜128/离子传输装置105的耦合。如本领域的技术人员已知的，分析物离子可以通过经由电喷射探针110将样品溶液电喷射入电离室107中形成。对运用电喷射技术的离子源来说，电离室107通常被维持在大气压力或者接近大气压力。分析物离子与背景气体和部分去溶剂化的液滴一起流入例如传统的离子迁移管115(小口径的毛细管)的入口端并且在压力梯度的影响下穿过管的长度。为了增加离子电离室107的离子吞吐量，可以用多个毛细管(或者具有多通道的离子迁移管)来替代本文所述的具有单个通道的离子迁移管。分析物离子迁移管115优选地与块120有较好的热接触，块120通过筒形加热器125加热。正如本领域还已知的，对穿过离子迁移管115的离子流/气流加热有助于残留溶剂的蒸发并且增加了用于测量的分析物离子的数量。如在低真空室130内所配置的那样，分析物离子(未示出)经由出口端115′从离子迁移管115出来，出口端115′采取新颖的方式设置成在单个或者多个电动聚焦透镜128的预定区域之间打开，电动聚焦透镜128可以具有施加的直流电，但是优选与组成本发明的离子传输装置105的第一电极RF耦合。

具体地并且如以上公开的，关于单个电动聚焦透镜的实施方式，可以施加具有与沿着纵轴线方向遇到的SRIG的第一个电极相等或者不等的幅度以及相同或者不同的频率(例如双倍频率)的RF。还可以理解的是，单个电动聚焦透镜实施方式能够另外被配置成关于沿着纵轴线方向遇到的上述的第一个电极同相或者异相，例如180度。作为另一个有益的配置，可以向聚焦透镜(即，静电透镜)施加固定的DC电压，该DC电压与施加到沿着SRIG的纵轴线方向遇到的第一个透镜的峰值RF幅度(可以随着例如质量倾斜)有关(包括相反)。

同样如以上所讨论的，关于透镜组的实施方式，多个透镜本身处于一种设置下，即，所有的透镜都具有规则的厚度，并且施加到透镜组的RF幅度相等、频率相同以及相同的RF的相位(通过物理耦合)，但是关于SRIG的第一个电极而言幅度相等或者不等、施加的频率相同或者不同(例如双倍频率)并且具有同相或者异相的相位关系。作为另一个实施例，透镜组本身可以被配置成略微与施加到透镜组的相同幅度和相同频率的RF接触(例如通过电容耦合)，并且具有相同的RF相位，但是关于沿着纵向方向遇到的SRIG的第一个电极，透镜组被配置成具有施加的相同或者不同的幅度、相同或者不同的频率(例如两倍频率)以及关于SRIG的第一个电极同相或者异相。此外，与单个透镜的实施方式类似，可以对透镜组施加与沿着SRIG的纵向方向遇到的第一个透镜所施加的峰值RF幅度(可以随着例如质量倾斜)有关(包括相反)的固定的DC电压(通过固定耦合)。

为了在室130中获得低真空，如附有的方向箭头所示，可以将机械泵或者其等同物耦合到室130，使得能够获得范围在约1托到约10托(大是1-10毫巴)内的压力，并且具有在低真空和约0.1毫巴到约1巴之间的大气压力的宽广范围内也可以成功运行的能力。

还可以理解的是，本文所描绘并描述的电喷射电离源是通过图解说明的示例方式来说明的，并且包括本发明的电动或者静电聚焦透镜128的离子传输装置105不应被解释为局限于与电喷射或者其它具体类型的电离源一起使用。也可以用其它电离技术来替代(或者除此之外所使用的)电喷射源，如本文所示的，包括但不完全局限于化学电离、光化电离和激光解吸或者介质辅助激光解吸/离子化(MALDI)。

分析物离子作为自由喷射膨胀流从离子迁移管115的出口端离开并且流经离子通道132，离子通道132被限定在电动或静电聚焦透镜128/离子传输装置105的内部。如将在下面进一步详细讨论的，在离子通道132内的离子的径向限制和聚焦可以通过将与在有孔电极135上施加的峰值RF幅度(可以随着例如质量倾斜)有关的(包括相反)DC电压或者振荡电压施加到离子传输装置105的电动聚焦透镜128和有孔电极135来实现。如以下进一步所讨论的，可以通过产生纵向的DC电场和/或裁剪携带了离子的背景气体流来促进将离子沿着离子通道132传输到装置出口137。离子作为狭窄聚焦束离开离子传输装置105并且被定向穿过提取透镜145的光圈140进入室150。然后经定向的离子穿过离子导引器155和160被传递到质量分析器165，例如多极装置，如大致在图1中所描绘的，质量分析器165可以采取位于室170内的传统的二维四极离子阱的形式。如附有的箭头所示，室150和170可以借助连接到涡轮泵的端口被抽空到相当低的气压。

图2A示出了与所讨论的通过引用并入的序号为12/125,013的美国专利申请类似的离子迁移装置115/离子传输装置105(例如堆积的环离子导向器(SRIG))的设置的示例性横截面图。该配置包括离子迁移管115的出口端115′，其终止于由第一个电极202的第一表面126(由点划线指示)所限定的平面之前，第一个电极202可以包含在离子传输装置105，例如堆积环离子导向器(SRIG)中。为了清楚起见，在图2A中仅示出了堆积环离子导向器(SRIG)105最前面的三个电极202、204和206。由粗虚线示出的场梯度具有由参考标记224(注意两个单独的类似椭圆形的场梯度)表示的0.5V/mm，由参考标记226表示的1.0V/mm和由参考标记228表示的1.5V/mm。向该示例中如此配置的电极通常施加交错的电势，给SRIG 105的第一个电极202和第三个电极206施加+10V的电势并且给第二个电极204施加-10V的电势，而将离子迁移管115维持为接地电势。可以通过这种配置来模拟离子轨迹，如图2A所示，其中对于具有大约748道尔顿质量的单个的带电离子模拟了约30条离子轨迹(如在图2A中从左到右指向的细虚线所示)，以及对于具有相同质量的双倍带电离子模拟了约30条离子轨迹(如在图2A中从左到右指向的实线所示)。产生这样的轨迹的所有离子都有约0.25电子伏特的较小能量并且具有关于水平轴线约-22度与22度之间等步距的成梯级的初速度矢量。

图2B示出了运用了电动透镜的本发明的新颖的离子迁移装置115/离子传输装置105设置的示例性横截面图。具体地说，离子迁移装置115的出口端115′现在安置在例如SRIG的前表面126和后表面126′之间，SRIG具有较厚的第一个电极，例如电动聚焦透镜(电极)128，第一个电极的厚度从约0.6mm到约8.0mm。还是为了清楚起见，在图2B中仅示出了堆积环离子导向器(SRIG)105的具有约+10V的施加电场的电动聚焦透镜128、两个附加的示例性电极204和206，其中电极204具有约-10V的施加电场而电极206具有约+10V的施加电场。还是如前所述，由粗虚线所示的场梯度具有由参考标记224表示的0.5V/mm，由参考标记226表示的1.0V/mm和由参考标记228表示的1.5V/mm。

比较图2A和图2B，清楚地示出了电场低于0.5V/mm(在由参考标号224指示的梯度等高线内)的区域在图2B中更大，这表明在这个配置中边缘电场减少了。因为离子的电场力与其电荷成比例，在图2A中证明了多重带电离子由于场效应而比在图2B中经受跟大的电场力，因此在离子被限制朝向SRIG的中心轴线之前，这种多重带电离子比传统配置中的单个带电离子更容易损失。因此可以在图2B的模拟轨迹中看出本发明的益处，单个离子的轨迹(实黑线)和双倍离子的轨迹(细虚线)基本相似，而在图2A中两组轨迹之间有清楚的差异。

还可以理解的是，虽然如图2B所示的配置是有益的实施方式，但是图2B的较厚的电极128(例如本发明的电动聚焦透镜)也能够被配置成两个或者更多个电动透镜129和129′(如在图2B的示例性透镜128内由虚线所示)组成的组。这种示例实施方式还能够得到更大的电动聚焦透镜公差，当透镜组耦合到离子迁移装置115时将使定位问题以及因此产生的有害的场效应最小化。具体来说，这个由两个或更多个透镜组成的组可以被配置成具有常规厚度，例如厚度从约0.5mm直到约1mm，使得离子迁移装置115的出口端115′能够适当地定位，同时还可以提供如图2B所示的减少的边缘电场。

图3A示出了利用图2A的离子迁移管/SRIG配置所得到的六胜肽ALELFR的示例性质谱图，即，没有使用本发明的电动聚焦透镜配置。相反地，图3B示出了现在利用本发明的离子迁移管/电动聚焦透镜/SRIG配置(基本如图2B所示)所得到的相同的六胜肽ALELFR的示例性质谱图。通过比较图3A和3B，可以看出RF-电动聚焦透镜的使用减少了ALELFR(m/z 374.87)的双倍带电离子的损失。当施加到SRIG的RF幅度增大时，双倍带电离子的损失更显著。在这个说明本文的原理的实验性示例中，施加到SRIG的第一个电极的RF幅度与施加到电动聚焦透镜的相同，在680kHz处为148V(p-p)，在RF电动聚焦透镜和沿着纵轴线方向遇到的SRIG的第一个电极之间具有180度的相位差(即，异相的示例性配置)。虽然在图3B的示例中，与施加到SRIG的第一个电极的RF具有相同幅度和频率但异相的RF可以被应用到单个电动聚焦透镜实施方式上，但是还将再次强调，如以上所述，本发明不应被解释为局限于这种单个透镜、相同的频率、相等的幅度或者甚至RF设置。此外，本发明还包括可以共同作为电动聚焦透镜工作的透镜组的实施方式，其中多个透镜通常具有常规厚度，并且透镜组可以具有与沿着SRIG的纵轴线方向遇到的第一个透镜被施加的峰值RF幅度(可以随着例如质量倾斜)有关的(包括相反)固定的DC电压(通过物理耦合)。

但是，更通常地，施加到透镜组的RF通常在幅度、频率和相位上(通过物理耦合)都相同但是关于沿着SRIG的纵轴线方向遇到的第一个电极具有同相或者异相的RF关系，例如180度。此外并作为另一示例性设置，透镜组实施方式可以稍微地接触(例如通过电容耦合)以使得施加的RF具有相等的幅度、相位和相同的频率，但是其中该透镜组包括与沿着SRIG的纵轴线方向遇到的第一个电极同相或者异相关系，相同或者不同的频率以及相等或者不等的幅度。

如在共同未决的且通过引用并入的序号为12/125,013的题为“IonTransport Device And Modes Of Operation Thereof(离子传输装置及其工作模式)”的美国专利申请中类似讨论的，如一般地在图2A和图2B中所示的那样，离子输送装置105由以纵向隔开关系(有规律的或者无规律的间隔)布置的多个大致平面的电极形成，并且通常在质谱仪领域中被称为“堆积环”离子导向器。如图2A所示，每个电极，例如电极204，都具有适于离子穿过的孔。这些孔共同地限定出离子通道，依赖于孔的横向对齐离子通道可以是笔直的或者弯曲的。所有的电极都可以具有相同大小的孔和/或独特大小的孔。经常运用振荡(例如射频)电压源来给这些电极施加振荡电压以便产生可以将离子限制在指定的离子通道内的径向的电场。组成SRIG的电极可以被分成其中预定的多个电极和多个其它配置的电极交错的配置，使得各个电极接收的振荡电压与施加给相邻电极的振荡电压在相位上相反。在有益的设置中，施加的振荡电压的频率从约0.5MHz直到约1MHz，幅度从约50Vp-p直到约400Vp-p(峰间值)，所需要的幅度较强地依赖于频率。此外，与通过引用并入的序号为12/125,013的美国专利申请类似，本发明可以被配置成在靠近SRIG装置出口处增加电极间的间隔，并且因此相对于本领域已知的和所描述的传统的离子漏斗装置可以运用更少的电极。重要的是，以上所描述的结构产生了逐渐变小的电场，电场将离子集中成最接近SRIG装置出口的窄离子束。作为附加的配置，电极的间隔可以沿着离子传输装置105的整个长度在离子移动的方向上逐渐地并且连续地增大，一般如图2A所示。在其它的实施中，电极的间隔可以沿着离子传输装置的长度的一个或多个段(例如最接近装置的入口)是有规则的，然后沿着另一段(例如最接近装置的出口)增大。此外，某些实施可以运用电极的间隔以阶梯式地增大而不是逐渐增大的方式的设计。

电动或静电聚焦透镜或者透镜组的电极包括方形板，部分或者全部方形板由导电材料例如不锈钢或黄铜制成。在可选的配置中，电极结构可以通过在绝缘基底(例如印刷电路板所使用的)的中心区(即，径向地与孔相邻的区域)上沉积导电材料(达到适当的厚度和适当的区域上)来形成。一组导电迹线还可以被沉积在方形板的中心区和边缘之间以建立与振荡和/或DC电压源之间的电连接。

为了阻止来自失速离子的伪电势势垒，如通过引用并入的序号为12/125,013的美国专利申请中所讨论的，可以通过耦合的DC电压源产生纵向的DC电场来向电极，例如如图2B所示的电极204、206施加一组DC电压。施加的电压依赖于所传输的离子的极性在离子移动的方向上增加或者减少。该纵向的DC电场有助于推进离子朝向期望的方向移动并且确保不会发生不期望的捕获。在通常的工作状态下，1-2V/mm的纵向DC电场梯度足以消除本发明的离子迁移装置中的离子失速。在可选实施方式中，纵向的DC电场可以通过向辅助电极(未示出)施加适当的DC电压来得到，可以向置于环状电极之外的一组电阻性涂覆的电极棒而不是向例如如图2B所示的电极204、206的环状电极施加DC电压。

为了产生逐渐变小的径向电场以提升在组成离子传输装置(例如105，如图2B所示)的电极结构的出口处的高离子接收率，将施加到预定电极的振荡电压的幅度在离子移动的方向上增加，使得每个电极，例如如图2B所示的电极204、206，可以接收相对于上游方向的电极有更大幅度的振荡电压。所需的振荡电压可以通过与振荡电压源(未示出)耦合的一组衰减电路(未示出)来传输。作为示例性的配置，振荡电压具有约0.5MHz到约1MHz的频率并且在装置入口处，例如在如图2B所示的电动聚焦透镜128的入口处，具有从约50Vp-p到约100Vp-p变化的幅度，以及在如图1所示的装置出口137处具有400-600V(p-p)的幅度。施加的振荡电压的期望的最大幅度依赖于电极间的间隔，并且可以通过运用更宽的间隔而得以减小(例如中心间隔4mm可以将最大的施加电压减少到100Vp-p)。

还可以认识到通过SRIG具体体现的产生逐渐减小的径向电场的技术可以包括一个或者全部纵向增加的电极间隔或者纵向增加的振荡电压的幅度来产生逐渐减小的电场。

此外，通常如图2B所示，离子传输装置105经常可以配置有径直的离子通道。但是限定成弯曲的离子通道对设置电极也有益处，例如但不限于，与通过引用并入的序号为12/125,013的美国专利申请所讨论的类似的S形离子通道或者拱形离子通道。该设置减少了流入质谱仪的更低压力区域的中性气体分子、簇和未去溶剂化的液滴，由此增加了信噪比并降低了泵取要求。

还与通过引用并入的序号为12/125,013的美国专利申请所讨论的类似，可以通过离子迁移管115引入离子，如图1所示，离子迁移管115的配置为其出口端115′关于电动或静电聚焦透镜128横向和/或有角度地(通常达到约5°)偏移，如本文公开的，但是被安置成至少与电动或静电聚焦透镜或者本发明的透镜集合的前表面齐平且在其后表面之前，也可以减少流入质谱仪的更低压力区域的中性气体分子、簇和未去溶剂化的液滴。但是可以理解，如以上在描述图2B的方面时所讨论的，针对通过将定向的离子限制到离子通道的中心以阻止不稳定的分析物分子的未预期的碎片接近电极并由此暴露到RF场强相对高的区域中这样的布置，本发明提供了有益的方面。

可以理解虽然已经连同其详细说明来描述了本发明，但是上述描述的意图是说明性的并不限制本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求来限定。其它的方面、特点和修改都在以下的权利要求的范围之内。

Claims (45)

1.一种离子传输装置，包括：

一个或多个电动或静电聚焦透镜，所述透镜电耦合到第一电极，所述第一电极包括多个纵向隔开的电极，所述多个纵向隔开的电极与所述一个或多个电动或静电聚焦透镜结合而限定出离子通道，离子可沿着所述离子通道被定向；

离子迁移装置，具有出口端，所述出口端被配置成可移动地安置于与所述一个或多个电动或静电聚焦透镜中的第一个透镜的前表面齐平的位置和期望的所述一个或多个电动或静电聚焦透镜的后表面前之间；以及

振荡电压源或者DC电压源，所述振荡电压源被配置成向所述一个或多个电动透镜和所述多个电极的至少一部分施加振荡电压，所述DC电压源被配置成向所述一个或多个静电透镜的至少一部分施加DC电压，所述一个或多个静电透镜与被施加了振荡电压的所述多个电极耦合；

其中至少(i)相邻电极之间的间隔，和(ii)所述多个电极的被施加的振荡电压的幅度之一在离子移动的方向上增大。

2.如权利要求1所述的离子传输装置，其中施加到所述多个电动聚焦透镜的RF的幅度和频率相等，但是关于所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极异相。

3.如权利要求1所述的离子传输装置，其中施加到所述多个电动聚焦透镜的RF的幅度和频率相等，但是关于所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极同相。

4.如权利要求1所述的离子传输装置，其中施加到所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极的频率与施加到所述一个或多个电动聚焦透镜的频率不同。

5.如权利要求4所述的离子传输装置，其中施加到所述一个或多个电动聚焦透镜的频率是施加到所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极的频率的两倍。

6.如权利要求1所述的离子传输装置，其中施加到所述一个或多个静电透镜上的直流电具有固定的DC电压，所述固定的DC电压与施加到沿着纵向方向遇到的所述多个纵向隔开的电极的第一个透镜的峰值RF幅度相同或相反。

7.如权利要求6所述的离子传输装置，其中所述离子迁移装置的所述出口端被可移动地安置在所述一个或多个静电聚焦透镜的第一个透镜的前表面之前。

8.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述多个电动聚焦透镜包括多个具有相同相位关系的电动聚焦透镜。

9.如权利要求8所述的离子传输装置，其中所述相同的相位关系通过物理耦合来提供。

10.如权利要求8所述的离子传输装置，其中所述相同的相位关系通过电容耦合来提供。

11.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述一个或多个电动聚焦透镜或者所述一个或多个静电透镜包括具有从0.6mm到8.0mm的厚度的单个的电动或静电聚集透镜。

12.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述一个或多个电动或静电聚焦透镜中的每一个具有从0.5mm到1.0mm的厚度，并且所述一个或多个电动透镜或者一个或多个静电透镜具有长达8mm的整体长度。

13.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述离子迁移装置包括关于所述一个或多个电动或静电聚焦透镜的中心横向和/或有角度的偏移。

14.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述振荡电压源是射频(RF)电压源。

15.如权利要求1所述的离子传输装置，其中施加到所述多个纵向隔开的电极的振荡电压的幅度在离子移动的方向上增大。

16.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述多个纵向隔开的电极包括第一电极组和与所述第一电极组交错设置的多个第二电极组，其中施加到所述第一电极组的振荡电压与施加到所述第二电极组的振荡电压相位相反。

17.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述一个或多个电动或静电聚焦透镜的光圈和所述多个纵向隔开的电极限定了选自大致笔直的离子通道、S形离子通道和拱形离子通道中的至少一个离子通道。

18.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述多个纵向隔开的电极的相邻电极之间的间隔在离子移动方向上增大。

19.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述离子迁移装置包括至少一个用于承载来自所述离子源的离子的狭长的毛细管。

20.如权利要求1所述的离子传输装置，其中所述离子迁移装置包括至少一个用于承载来自所述离子源的离子的狭长的毛细管，所述毛细管具有适于安置在所述一个或多个静电透镜前的出口端。

21.如权利要求19所述的离子传输装置，其中所述至少一个狭长的毛细管包括多条离子流动通道。

22.如权利要求19所述的离子传输装置，其中所述至少一个狭长的毛细管在出口端限定了流动轴线，所述流动轴线与所述离子传输装置的中心纵向轴线成角度和/或关于所述离子传输装置的中心纵向轴线横向地偏移。

23.一种质谱仪，包括：

离子源；

质量分析器；和

位于所述离子源和所述质量分析器之间的离子路径中间的离子传输装置，所述离子传输装置包括：

一个或多个电动或静电聚焦透镜，所述透镜电耦合到第一电极，所述第一电极包括多个纵向隔开的电极，所述多个纵向隔开的电极与所述一个或多个电动或静电聚焦透镜结合而限定出离子通道，离子可沿着所述离子通道被定向；

离子迁移装置，具有出口端，所述出口端被配置成可移动地定位于与所述一个或多个电动或静电聚焦透镜中的第一个透镜的前表面齐平的位置和期望的所述一个或多个电动或静电聚焦透镜的后表面前之间；以及

振荡电压源或者DC电压源，所述振荡电压源被配置成向所述一个或多个电动透镜和所述多个电极的至少一部分施加振荡电压，所述DC电压源被配置成向所述一个或多个静电透镜的至少一部分施加DC电压，所述一个或多个静电透镜与被施加了振荡电压的所述多个电极耦合；

其中至少(i)相邻电极之间的间隔，和(ii)所述多个电极的被施加的振荡电压的幅度之一在离子移动的方向上增大。

24.如权利要求23所述的质谱仪，其中施加到所述多个电动聚焦透镜的RF的幅度和频率相等，但是关于所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极异相。

25.如权利要求23所述的质谱仪，其中施加到所述多个电动聚焦透镜的RF的幅度和频率相等，但是关于所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极同相。

26.如权利要求23所述的质谱仪，其中施加到所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极的频率与施加到所述一个或多个电动聚焦透镜的频率不同。

27.如权利要求26所述的质谱仪，其中施加到所述一个或多个电动聚焦透镜的频率是施加到所述多个纵向隔开的电极中的第一个电极的频率的两倍。

28.如权利要求23所述的质谱仪，其中施加到所述一个或多个静电透镜上的直流电具有固定的DC电压，所述固定的DC电压与施加到沿着纵向方向遇到的所述多个纵向隔开的电极的第一个透镜的峰值RF幅度相同或相反。

29.如权利要求28所述的质谱仪，其中所述离子迁移装置的所述出口端被可移动地安置在所述一个或多个静电聚焦透镜的第一个透镜的前表面之前。

30.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述多个电动聚焦透镜包括多个具有相同相位关系的电动聚焦透镜。

31.如权利要求30所述的质谱仪，其中所述相同的相位关系通过物理耦合来提供。

32.如权利要求30所述的质谱仪，其中所述相同的相位关系通过电容耦合来提供。

33.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述一个或多个电动或静电聚焦透镜包括具有从0.6mm到8.0mm的厚度的单个离子光学聚焦透镜。

34.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述一个或多个电动或静电聚焦透镜中的每一个具有从0.5mm到1.0mm的厚度，并且所述一个或多个电动透镜具有长达8mm的整体长度。

35.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述离子迁移装置包括关于所述一个或多个电动或静电聚焦透镜的中心横向和/或有角度的偏移。

36.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述振荡电压源是射频(RF)电压源。

37.如权利要求23所述的质谱仪，其中施加到所述多个纵向隔开的电极的振荡电压的幅度在离子移动的方向上增大。

38.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述多个纵向隔开的电极包括第一电极组和与所述第一电极组交错设置的多个第二电极组，其中施加到所述第一电极组的振荡电压与施加到所述第二电极组的振荡电压相位相反。

39.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述一个或多个电动或静电聚焦透镜的光圈和所述多个纵向隔开的电极限定了选自大致笔直的离子通道、S形离子通道和拱形离子通道中的至少一个离子通道。

40.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述多个纵向隔开的电极的相邻电极之间的间隔在离子移动方向上增大。

41.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述离子迁移装置包括至少一个用于承载来自所述离子源的离子的狭长的毛细管，所述毛细管适于安置在所述一个或多个电动透镜内。

42.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述离子迁移装置包括至少一个用于承载来自所述离子源的离子的狭长的毛细管，所述离子源具有适于安置在所述一个或多个静电透镜前的出口端。

43.如权利要求41所述的质谱仪，其中所述至少一个狭长的毛细管包括多条离子流动通道。

44.如权利要求41所述的质谱仪，其中所述至少一个狭长的毛细管在所述出口端限定了流动轴线，所述流动轴线与所述离子传输装置的中心纵向轴线成角度和/或关于所述离子传输装置的中心纵向轴线横向地偏移。

45.一种在质谱仪的低真空或大气压力区域传输和聚焦离子的方法，包括：

提供一个或多个电动聚焦透镜，所述透镜电耦合到第一电极，所述第一电极包括与所述一个或多个电动聚焦透镜结合的多个纵向隔开的电极，所述多个纵向隔开的电极限定出离子通道，离子可沿着所述离子通道被定向；

将离子迁移装置的出口端安置在与所述一个或多个电动聚焦透镜的第一个透镜的前表面齐平的位置和期望的所述一个或多个电动聚焦透镜的后表面前之间；

向所述一个或多个电动聚焦透镜和所述多个纵向隔开的电极施加振荡电压以产生将离子径向地限制在所述离子通道内的电场；以及

增大在离子移动方向上的径向电场穿透。