CN102339719B - 离子导引装置 - Google Patents

Abstract

提出一种离子导引装置，由绷直的且在空间上交织的多层细丝电极构成，这些细丝电极沿着一定义离子导引方向的导引轴分布。每层细丝电极包含至少两根距导引轴一定距离的、拉直的细丝，每层细丝电极相对于相邻层细丝电极绕导引轴旋转一定的角度。由此使多层细丝电极围绕导引轴形成通透的笼状离子导引通道，固定细丝的框架在导引通道外围，因而减少了装置对气流的干扰。一电源装置向各层细丝电极提供电压，以至少构造使离子向导引轴会聚的电场。

Description

离子导引装置

技术领域

本发明涉及一种离子导引装置，尤其是在较高气压(或较低真空度)环境将离子引入较低气压环境进行质谱分析的离子导引装置。

背景技术

在质谱仪中，为了在较高的气压下(1～10⁴Pa)将离子从离子源引向分析器，通常采用高频(或射频)导引装置，装置中的电极上所加高频电压形成的有效势垒，致使离子向中心轴加速，从而起到一种会聚作用。由于与中性气体的碰撞，离子的动能损失，离子就被聚集在中轴附近，顺利通过差分抽气小孔，进入较低气压环境中的质谱分析装置。这种射频会聚型导引装置从最初D.J.Douglas发明的的多极导引杆系(美国专利5179278)到RDSmith提出的离子漏斗(美国专利6107628)，到美国专利6462338B1，N.Inatsugu，H.Waki发明的Q-阵列导引器；以及Bateman等提出的(美国专利7095013)行波导引装置，经历了多种变形。然而作为离子源后的第一级导引透镜，伴随着离子进入低压强区的强气流对离子运动起到了关键的作用，甚至气流对离子的作用有时要大于电场对离子的作用。导引装置的电极，或其固定支架的位置往往不可避免地干扰气体流动，加之管路的方位对抽气的影响，有可能在离子路径上造成湍流、涡流或气流抖动，势必影响离子的传输。

在美国专利5572035中，发明人Franzen曾提出用丝网电极构成离子反射面来规矩离子的行程，这种反射面理论上可具有良好的气流通透性。但一般丝网质地较软，发明人没有给出一个如何将其牢固地安装于空间特定位置，而不受气流吹动的方案。如果用附加支架的办法安装，附加支架同样也会影响气流的方向。

并且，以往的各种离子导引装置中，施加不同相位高频电压的相邻电极不是相互平行(线之间或面之间)，就是呈同心圆弧状，极间电容较大。例如美国专利6107628提出的离子漏斗使用了加相反极性的薄片电极，由于多组层叠，电极结构的总电容较大，使得为其提供高频电压的电源功耗上升。

加之有很多这样的电极排列在一起，对高频电源来说呈并联，很大的总电容使高频电源功耗加大。

发明内容

本发明的目的之一是设计一种能在较高气压和气流的低真空条件下有效地导引离子的装置，该装置应尽可能减少离子导引器的电极结构对气流的不良影响，对中性气体流有很小的阻挡作用，还应尽量降低极间电容。

为了减少电极结构对气流的影响，提出了使用细丝电极产生所需的离子导引电场。然而细丝的刚性较差，难以精准地在空间的特定位置固定下来，因此需要将这种细丝电极在空间形成适当几何构型并有效地固定下来。另外，所提出的细丝电极在空间形成的几何构型，不但要满足产生有效导引电场的条件，还要满足尽量小的极间电容的条件。

本发明的一个方面所提出的一种离子导引装置，包含沿着一定义离子导引方向的导引轴分布的多层细丝电极，每层细丝电极包含至少两根距所述导引轴一定距离的、拉直的细丝，每层细丝电极相对于相邻层细丝电极绕所述导引轴旋转一定的角度，使多层细丝电极围绕所述导引轴形成通透的笼状离子导引通道。该离子导引装置还包含电源装置，向各层细丝电极提供电压，以至少构造使离子向所述导引轴会聚的电场。

作为本发明的优选实施例，每层细丝电极所在的平面与所述导引轴基本正交，其夹角范围为85°至95°。在本发明的其他实施例中，允许每层细丝电极所在的平面与所述导引轴的夹角扩大至介于70°至110°之间。

作为一种实施方案，还提出了细丝电极的每一层都含有一对与导引轴线等距离的、相互平行的拉直的细丝。每层细丝的方向相对于下一层细丝的方向，绕导引轴旋转90度；每层细丝所施加的高频电压相位相对于下一层细丝的高频电压相位相反。

作为本发明的优选实施例，还提出了每层细丝与导引轴距离逐渐缩小的漏斗型导引结构，以利于离子的会聚和气流的散开。

在本发明的实施例中，每层细丝电极的方向相对于上一层细丝电极的方向，绕导引轴旋转的角度可由多种变化，例如为2π/N，其中N＝4，5，6，7，8，9，10，11或12。由此，可构造四极场、六极场、八极场等。在一些实施例中，每层细丝电极的形状可为三角形、五边形等多边形。

在本发明的实施例中，构造使离子向所述导引轴会聚的电场的方式有许多种。例如，向相邻层细丝电极提供相位不同的高频电压，如互为反相的高频电压，以高频相位差为2π/M(M为大于1的自然数)逐渐变化的高频电压等。高频电压的幅值也可变化。又如，向各层细丝电极提供直流电压，在离子导引通道内的产生沿导引轴变化的直流电场强度，其分量包含使离子向导引轴会聚的电场。

在本发明的实施例中，高频电压源包括多个高频高压开关，以产生矩形波高频电压。

在本发明的实施例中，还可以让至少一部分层细丝电极上叠加不同的直流电位，以形成沿导引轴方向的电位梯度。

在本发明的实施例中，导引轴并不限定为直线，而是可为曲线形导引轴。在该实施例或其他实施例中，可进一步包括直流电压提供装置，使至少其中一部分层细丝电极的细丝之间叠加一个直流电压，以帮助离子沿着导引轴偏转。

在本发明的实施例中，离子导引装置的至少一部分存在流动的气体，且导引轴方向的电位梯度所引起的离子迁移运动方向与轴向气流方向相反，使仅有特定离子迁移率的一部分离子得到有效传输。

在本发明的一实施例中，至少一部分层细丝电极中细丝的间距设置以及高频电压设置使得进入离子导引装置的离子在此部分细丝所在空间的附近实现具有质量选择性的通过，阻挡或消灭。

在本发明的另一实施例中，高频电压的设置以及导引轴方向的电位梯度设置使得进入离子导引装置的离子与中性气体分子发生有效碰撞，并使碰撞反应后生成的产物离子、碎片离子、或去溶剂化的离子得到有效地传输。

在本发明的实施例中，离子导引装置的至少一部分存在流动的气体，所述流动气体的气压范围在10至10000帕斯卡之间。在气流环境中，细丝的直径小于0.5mm以减小对气流的影响。作为一种实施方案，为了使细丝有效的固定，又不让固定装置干扰气流，将各层细丝固定在细丝形成的笼状导引通道外围的方案，即在外围设置固定支架或固定边框，将细丝缠绕、焊接或夹紧在固定支架或固定边框上。在使用较封闭的固定边框的实施例中，可在边框外壁设置排气孔以减少对气流的阻碍。

本发明的实施例还提出一种离子导引装置组合结构，包括多个前述的离子导引装置的组合，其中至少部分离子导引装置在一第一方向上并联以实现导引轴的汇聚和/或发散。

进一步地，在一些实施例中，至少部分离子导引装置在一第二方向上串联以实现导引轴的衔接。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出根据本发明实施例的直丝型离子导引器原理性示意图。

图2示出本发明一实施例的直丝型离子导引器结构。

图3示出本发明一实施例的离子导引器形成的高频电场分布图。其中图3(a)是在通过导引轴的剖面上等位线分布，图3(b)是在垂直于导引轴的剖面上等位线分布。

图4示出本发明一实施例的离子导引器形成的轴向电位分布图。

图5示出本发明一实施例的离子运动轨迹的仿真。

图6示出细丝电极用圆筒形支架固定的实例。

图7示出细丝电极用立柱形支架固定的实例。

图8示出一个产生径向6极场分量的实施例。

图9示出一个产生径向8极场分量的实施例。

图10示出一个产生旋转多极场的实施例。

图11示出用弹片将细丝绷紧的固定方式。

图12示出用弹片将细丝焊牢并绷紧的固定方式。

图13示出本发明一实施例的弧线形导引轴的细丝离子导引装置。

图14示出本发明一实施例的混合正负离子流及引入碰撞气体反应的细丝离子导引装置。

图15示出本发明一实施例的用空间周期性直流电位形成聚焦能力的离子导引装置，其中四层为一周期。

图16示出本发明一实施例的用空间周期性直流电位形成聚焦能力的离子导引装置，其中六层为一周期。

具体实施方式

在强气流下，用交变电场会聚和导引带电粒子通常会遇到符合所需电场的电极结构，与在该电极结构影响下的气流对带电粒子运动的干扰之间的矛盾。避免这一矛盾的方法是采用对气流影响很小的细丝来做电极，然而很细的丝很难在空间摆布成所需的形状。

为此，本发明的实施例提出的离子导引器使用多层拉直的细丝交织，围成一种类似上海世博会的“东方之冠”建筑的空间结构。这种结构具有良好的通气性，不阻挡气流。在结构中央，形成一个笼状通道，并且在结构的外围，将构成通道的“丝”绷紧固定起来，以解决丝的位置稳定性和丝之间的绝缘问题。在每两层细丝之间，“丝”的轴向基本上为正交，因此其间电容可显著降低。

现在以图1的原理性示意图为例，说明这种直丝离子导引器的结构。可以理解，下面参照图1描述的离子导引器仅是为了说明目的，这些描述不应作为对本发明的离子导引器结构的限制。

沿着虚拟的导引轴z，细丝电极共有16层，各层之间的形状大致上是相同的。每一层都含有一对与一导引轴z等距离的、相互平行的拉直的细丝n.1，n.2(n代表层数，本例中为1至16)。第二层的细丝2.1，2.2方向与第一层细丝1.1，1.2的方向垂直。也可以说是，第二层的细丝相对第一层细丝绕导引轴旋转了90度。各层细丝构成一个沿着导引轴z的笼状导引通道21。所有细丝绷直并固定在支架16上。所有的偶数层细丝(即n.1，n.2中n为偶数的细丝)通过电容17连接到高频电源20输出的一相Y，所有的奇数层细丝(即n.1，n.2中n为奇数的细丝)通过电容连接到高频电源的另一相X(图中省略)，X，Y两相电压相位相反。支架16可以用印刷电路板制成，也可以用其他材料作出框架，再附上印刷电路板。细丝电极可以穿过印刷电路板上的小孔，焊接在印刷电路板的焊盘上。

如图1所示，各层细丝电极基本上使用大致上相同的结构，即两根平行的细丝。但是，本发明的替换实施例允许各层细丝电极的结构仅仅是相似，例如本例中，各层中两根细丝的间距可以变化。

从图1可见，因为采用了细丝电极，且相邻层间的细丝方向不平行而是旋转了一个角度，因此大大地降低了层间电容，有利于减少高频电源的功耗。同时考虑到可能存在的射频放电及低真空中气体分子的扩散效应，细丝距导引轴的距离通常需不小于1mm。

本实施例的离子导引装置特别适用于装置的至少一部分或者周围存在流动的气体的环境中。流动气体的气压范围在典型地10至10000帕斯卡之间。

在一个实施例中，为减少导引器结构对气流的影响，细丝的直径小于0.5mm。

可以作为细丝电极的材料典型地为金属，例如铜丝、镍丝、不锈钢丝等。为了提高电极的导电性，可以在细丝的表面镀金。

为了在导引通道21内形成轴向电场，可以通过多个分压电阻18在各层细丝电极上加上直流电位。每层细丝电极之间连接一个分压电阻18。直流电压源19和分压电阻18一起，在导引通道21内形成直流的轴向电位梯度，以利于离子沿轴向传输。

虽然在图1的设计中，各层细丝到导引轴z的距离都相等，但这个距离是可以根据需要来改变的。图2给出一种细丝离导引轴距离逐渐缩小的变化结构，这种结构具有较大的入口，有利于接受较为分散的入射离子，而随着离子向前传输，又能获得越来越强的会聚作用，起到了一个漏斗的作用。

图3给出了图2所示离子导引装置内部电场分布。图3(a)是在第一层与第二层之间的平面上的等电位线分布。从图中可以看出，导引通道内的电场分布大致为一个四极场。这与以往的“离子漏斗”中的电场有本质上的不同。高频四极场在整个场区对离子都具有会聚作用。而“离子漏斗”中的旋转对称高阶场只有在离子靠近漏斗壁时才起到一个“反弹作用”。

同时这个斗形离子导引装置内的电场分布与传统的四极杆形成的电场也有所不同，如图3(b)所示的纵向剖面等位线可见，在导引轴附近，径向电位分布与四极杆形成的电位分布差别不大，但在细丝附近(电位线31呈同心圆)电位梯度陡然上升，离子在这些地方将受到很大的反弹力，防止它们逃出笼状导引通道。

图4显示了当采用分压电阻均匀分配直流电源电压时沿导引轴的直流分量电位线分布。这个电位梯度能帮助离子沿导引轴方向运动，避免离子在通道内长期滞留。直到从引出口40中引出，进入下一个低气压环境。

图5是由电脑仿真获得的离子运动轨迹图。在仿真中，细丝上的高频电压分别为±150V(0-峰值)，频率为1MHz，气压为20torr(2660Pa)。细丝与导引轴间距在入口处为5.25mm，并逐步减少到1.25mm，细丝直径为0.2mm，两层细丝之间间距1mm，仿真结果显示质量数为100至上万的单价离子，绝大多数可以通过导引装置进入出口小孔51。

在以上的仿真试验中，细丝电极上加的高频电压为一个正弦波的射频电压。其实，高频电压源也可以采用多个高频高压开关，这时在细丝电极上产生的高频电压信号为一个矩形波高频电压。

在本发明的实施例中，用以固定细丝的支架，不仅可以做成图1所示的矩形，也可以是圆筒形。如图6所示，采用诸如陶瓷等硬质绝缘材料的筒壁61上可以事先做好印刷线路63和穿孔64，细丝可以嵌焊在筒壁61上，筒壁上还开有许多排气孔62，便于中性气体排出。

除了图1、6所示的框架形支架外，也可以采用图7所示的立柱形支架。立柱71，72，73，74可固定在锥孔板75上，而细丝1，2，3…则绕在立柱上一对立柱71，73和72，74上。这种结构的细丝走线位置不是靠孔来限定，而是由立柱不同高度处的直径来确定。

在本发明的实施例中，用细丝制作的离子导引装置不仅可以制成以产生四极场为主的会聚高频场的形式，也可以制成以6极、8极场等其他多极场为主的形式。如图8所示，可以将每层的细丝紧拉成一个三角形，三角形的中心位于导引轴上。下一层三角形细丝的方向相对于上一层的方向旋转60度。同样所有的偶数层细丝通过电容连接到高频电源的一相，所有的奇数层细丝通过电容连接到高频电源的另一相，两相电压相位相反。这样沿轴看过去细丝构成大卫6芒星的形状。离子导引通道内的电场除细丝附近以外，将以6极场为主。

又如图9所示，如果每层都有四根细丝(如911，912，913，914…)拉成正方形形状(在四角处横竖边相互接触)，下一层的正方形(由丝921，922，923，924构成)相对于上一层绕导引轴旋转45度角，这样就形成以产生8极场为主的离子导引装置。6、8极场和4极场相比，在中心部分的会聚作用较弱，但在外围会聚作用较强。依照本发明实施例构建的离子导引器的一个优点体现在可以合理的选用、调配中心或外围的会聚性能，并与细丝附近的离子反弹性能相结合，以适应不同特性的离子源和气流特性下的导引要求。

除了上述角度之外，旋转角度还可为2π/N，N＝5，7，9，10，11或12。

虽然在以上描述的实施例中，每层细丝之间绕导引轴旋转的角度保持恒定，例如90°，60°，45°等，但是在其他实施例中，每层细丝之间绕导引轴旋转的角度并不一定是固定的。例如图10所示的离子导引器方案里，从第二层细丝起，每层较上一层旋转的角度分别为：90，105，90，105......度；即层(12.1，12.2)较层(11.1，11.2)转90度，层(13.1，13.2)较层(12.1，12.2)转105度。在此，如果还是将所有的偶数层细丝通过电容连接到高频电源的一相，所有的奇数层细丝通过电容连接到高频电源的另一相，且这两相的电压相位相反，那么，这些细丝会形成一个沿着导引轴逐步旋转的四极场导引通道。这种离子导引器在传输离子过程中，离子云形状也会发生旋转，使传输通道在各向更为均等，也可能更加适合存在回转气流的情况。

作为更为奇异的实施例，各层细丝之间的高频电压的相位差可以不是180度。如果层间的高频电压的相位相差120度(或90度)，这样每隔3层(或四层)，高频电压的相位绕过了1周。这一实施例可推广到令邻近相邻层的高频相位差为2π/M，顺序提供同频M相高频电压给1到M层细丝电极，并使M层以后继续这个相位序列，其中M为大于1的自然数。利用层间周期性的多相高频电场，可以产生轴向行波，以利于离子向导引方向传输。有利的是，在这种情况下，就不必要施加轴向直流电位梯度来推动离子。

以上给出了高频电压的相位沿着各细丝电极层呈周期性变化的例子。在其他实施例中，可向相邻层细丝电极提供仅仅是相位不同的高频电压来构造电场，这一电场包含使离子向导引轴会聚的分量。

当然，当存在与离子导引方向一致的强定向气流的情况下，即使没有轴向直流电位梯度的帮助(沿导引轴方向的电位梯度为负时，对正离子起正向帮助)仅依靠高频电场一定的会聚作用离子也能得到有效地传输。当该定向气流的速度足够大时，可以让导引轴方向的电位梯度阻止离子的正向传输，这时电场引起离子迁移运动的方向与轴向气流方向相反，如果离子迁移率较大，则不能被有效地传输，而迁移率较小的一部分离子得到有效的传输。

从安装工艺来看，应力图使各条细丝拉直绷紧。导引通道外部的细丝安装支架应当加工得牢固且准确。为了使细丝绷紧，图11给出立柱式设计中采用弹性较好的钢片卡簧111来提供张力，并用槽112限制细丝1，来固定其轴向位置的方法。对于框架式支架和用印刷电路板来安装细丝的设计，图12给出用弹性焊片绷紧细丝的方案。图中，细丝1，3等穿过印刷电路板上的小孔122，焊接在弹性焊片120上的焊孔121中，而弹性焊片则焊在印刷电路板的导电电路123上。同时示出的还有焊在同一块印刷电路板上的部分阻容器件124，表示该电路板可以同时用以安装这些器件以及引线、连接器等等，方便地实现高频电压耦合、直流分压等功能。

在本发明的较佳实施例中，各层细丝电极所在平面与导引轴基本上垂直。例如，各层细丝电极所在平面与导引轴的夹角设置在85°至95°之间。当然，细丝的走向与导引轴不完全垂直也不会对离子的汇聚能力产生严重影响。典型地，可以定义细丝所在平面与导引轴的夹角范围是90+/-20度，即70°-110°。而本发明的实施例所定义的导引轴并不一定是直线，它可以包含一段曲线。图13展示了这种弧线形直丝电极离子导引装置。图中导引轴132为一条圆弧，离子和中性气体流131沿导引轴入口一端的切线方向进入导引通道。离子受到汇聚电场的作用聚集到导引轴附近，并顺着导引轴的弧线被引向出口133。而中性气体流则沿着原来方向冲向排气口135。除了和直导引管一样的叠加轴向电位梯度以外，本例中，每个奇数层的两根竖直细丝，如细丝134.1，134.2之间还可以再叠加一个直流电位差，以使得离子进一步获得偏转力，防止离子被强气流冲出导引通道。

以上各实施方案目的只是为了说明多层细丝离子导引装置的可行的构造方法，和一部分技术细节，以显示该导引装置的可实施性。然而，本发明并不局限于以上给出的几种走丝形式和电场结构。例如，每层细丝还可以搭成相似的五边形，五角星形或长方形，甚至六、七边及以上形状。可以理解，在这些实施例中，较佳地仍是使各层细丝电极保持大致上相同的结构。但是允许各层细丝电极的多边形是有尺寸差别的相似，或者允许各层细丝电极的多边形之间出现略微变形。

并且，附加在细丝上的各电压信号也可以是方波、锯齿波，脉冲序列，而且还可以是正弦波、方波与脉冲序列的组合。产生径向束缚电场的交流电压信号，并不一定要等幅值地分布在各层细丝上，而是可以同导引装置中至少一部分层细丝电极中细丝的间距设置相结合来选择离子。以图3a中所描述的具有四极射频电场分布的导引装置为例，该四极电场对不同质荷比的离子轨迹的稳定性的影响可用q参数描述，其数值大致与细丝间距的平方及通过离子的质荷比成反比，与附加在细丝上的射频电压幅度成正比。可以在具体设计中根据通过离子的质荷比、结合结构中细丝的间距，通过如图1中的阻容网络17与18的取值，来静态或动态地改变射频电压，控制某一选定质荷比范围的离子具有对应稳定离子轨迹的q参数。从而实现对通过离子的质量选择下的通过或排除。同时，当细丝层间的射频电压幅度出现变化时，与上所述的径向选择类似，也可在导引装置的轴向产生等效势垒，该势垒也是随离子质荷比大小变化的，可以用来实现对某些离子的暂时阻截。利用这些特点与本装置也可作为离子去溶剂化器使用，实现随通过去溶剂化过程中离子质荷比动态变化的质荷比通过窗口，达到最好的离子传输效果。

进一步，产生轴向电场的直流电位，也并不一定要等差地分布在各层细丝上。作为替代，可以根据需要通过更改电阻18网络取值来设定其分布，并根据需要来改变其分布。例如，可以在某几层上暂时加较负直流电压，使离子在这段时间在这几层的区域被捕获。然后，改变为正常的梯度分布，将捕获的离子释放。另一个例子是，利用轴向电场加速离子，甚至用交变的轴向或横向电场诱导离子在空间中高速振动的方法，增加离子与中性分子的碰撞几率及强度，以实现离子在高气压条件下与中性气体碰撞反应，并进而把反应产物离子、离子碎片或去溶剂化的产物有效地导引出来进行分析。

限于篇幅，在此并不一一例举组合上述各种变化的实施例，将上述的各种变化的一部分组合来构成实际可用的实例，是本领域普通技术人员的基本能力。

例如本导引装置中的一部分或全部直丝电极可用电阻发热材料制成，通过在电阻丝两端间附加加热电流源装置，可以在本装置内附加加热功能，并辐射出红外线，以产生对导引装置内的目标离子的热辅助去溶剂化，热解离，红外辐射解离等效果。此外，作为电阻丝的一个变体，在本装置使用高频交流电源工作时，可用磁导率较高的材料制作直丝电极，利用类似电磁炉的磁感涡流加热金属丝来达到相同目的，此时可省去额外的加热电流源装置。

又例如通过复用多个本导引装置结构(如图14中141.1与141.2)共用一部分细丝(如图14中143.1与143.2)或形成的导引装置组合还可以进一步提升本装置的离子导通能力。如图14进一步所示，通过串联多个细丝离子导引结构，如图中141，142，143所示，可实现该阵列中多个虚拟导引轴轴的分散或汇聚、重合，使安置在离子导引结构上下游的多个离子源及下级离子分析装置间还可以实现一对多，多对一、多对多的离子源-分析器配合，即离子流分流器，复用器及交换器的作用。

图14所示的导引装置组合也可以让不同极性的正离子流144、负离子流145以及中性分子流146等进行汇聚、混合及分离，以引发分子离子反应与电荷转移反应使目标离子碎裂，并获得分离的产物离子流，用于后级的串级质谱分析。例如在所示的系统中，通过外周电路系统可在导引系统的各层细丝间附加由左向右依次递减的直流电位偏置，使正离子流144受到沿流动方向逐级下降的导引轴向电位分布147的作用，同时使逆向的负离子流145收到沿流动方向逐级上升的导引轴向电位分布148的作用，流入导引结构中段142互相混合。正负离子流两者在串联导引结构中段142中由于内部交流四极场作用，向导引结构142的中轴汇聚，并发生反应，可得到所谓电荷转移解离(ETD)方法的离子碎裂效果。反应后得到的新正负离子流，可通过在导引结构中段的两侧细丝组142.1与142.2之间进一步叠加直流偏转电位，使其向各自的出口通道偏转而分离。更进一步，还可利用细丝离子导引结构的通透性，可向中段导引结构142中引入合适的碰撞气体146如氩气，异丁烷等以增加正离子流144与负离子流145的停留时间，并可通过碰撞气体146做催化剂增加电荷转移效率以增加解离效果。

最后还要指出，离子在通过本发明的离子导引器时所受到的会聚作用也可以通过在各细丝上仅仅施加特殊的直流电压得以实现。当各细丝电极上施加不同的直流电压时，在离子导引通道内的产生沿导引轴变化的直流电场强度。配置这些直流电压，使得直流电场强度的分量包含使离子向导引轴会聚的电场。现在以图15为例说明其工作原理。这里每一层都含有一对相互平行的拉直的细丝n.1，n.2(n代表层数，且n为自然数)。第二层的细丝2.1，2.2方向与第一层细丝1.1，1,2的方向垂直，第三层的细丝方向与第二层细丝的方向垂直，第三层的细丝方向与第一层细丝的方向平行，并以此类推。各层细丝上的电位见图中标出，其变化关系也用图线U表现出来。可以看出，每层细丝的电压除了一个逐步递减的直流量外，还要在各偶数层上相间地叠加+/-ΔV。比如，ΔV＝10V时，各层电位即为130V，110V(120-10)，110V，110V(100+10)，90V，70V(80-10)，70V，70V(60+10)，50V，30V(40-10)，30V，30V(20+10)，10V。由此产生的直流电场强度沿导引轴呈4层一组的周期性变化。这一特征接近于一串电位来回反转的直流四极透镜，会使离子沿导引轴向运动时产生周期性的聚焦和散焦。离子在气流和直流电场梯度的共同作用下在离子导引器轴向可以达到几十至几百米每秒的速度，以这样的速度在以几毫米为一个重复聚焦、散焦单元的距离内运动，就等同于离子在同一位置经历一个几千至几十万赫兹交变电压所产生四极场的作用，从而达到离子沿径向方向的聚焦。又以图16为例，相邻三对(层)细丝上施加相等的直流电压，三层为一小组，组间电压递减，这时产生的直流电场也会使离子沿引导器轴向运动时产生周期性的(6层一周期)聚焦和散焦现象，聚焦散焦与离子碰撞冷却相结合，达到离子沿径向方向的会聚。

以上示例性的描述了本发明的较佳实施例和各种变化例，本领域普通技术人员可在以上的较佳实施例和变化例的基础上进行各种组合和替换，得到各种变化结构，但是这些变化结构都涵盖在本发明由权利要求书所定义的保护范围内。

Claims (34)

1.一种离子导引装置，包含：

沿着一定义离子导引方向的导引轴分布的多层细丝电极，每层细丝电极包含至少两根距所述导引轴一定距离的、拉直的细丝，每层细丝电极相对于相邻层细丝电极绕所述导引轴旋转一定的角度，使多层细丝电极围绕所述导引轴形成通透的笼状离子导引通道；以及

电源装置，向各层细丝电极提供电压，以至少构造使离子向所述导引轴会聚的电场。

2.根据权利要求1的离子导引装置，其特征在于，还包括位于所述多层细丝电极形成的离子导引通道之外的悬拉支架，所述多层细丝电极的细丝固定于所述悬拉支架。

3.根据权利要求1的离子导引装置，其特征在于，每层细丝电极所在的平面与所述导引轴的夹角介于70°至110°之间。

4.根据权利要求1的离子导引装置，其特征在于，每层细丝电极所在的平面与所述导引轴的夹角范围为85°至95°。

5.根据权利要求1的离子导引装置，其特征在于，每层细丝电极的每根细丝与所述导引轴的距离相等。

6.根据权利要求5的离子导引装置，其特征在于，每层细丝电极中至少有两根细丝相互平行。

7.根据权利要求1的离子导引装置，其特征在于，每层细丝电极的方向相对于上一层细丝电极的方向，绕导引轴旋转的角度为2π/N，其中N＝4，5，6，7，8，9，10，11或12。

8.根据权利要求1、3或4的离子导引装置，其特征在于，每层细丝电极包含一对细丝，且该对细丝与导引轴距离基本相等且相互基本平行。

9.根据权利要求8的离子导引装置，其特征在于，每层细丝电极的方向相对于上一层细丝电极的方向，绕导引轴旋转的角度为π/2。

10.根据权利要求1或9的离子导引装置，其特征在于，所述电源装置包含高频电压源，向各层细丝电极提供高频电压以至少构造使离子向所述导引轴会聚的电场。

11.根据权利要求10的离子导引装置，其特征在于，所述高频电压源向各层细丝电极提供高频电压的方式包括，向相邻层细丝电极提供相位不同的高频电压。

12.根据权利要求10的离子导引装置，其特征在于，所述高频电压源向各层细丝电极提供高频电压的方式包括，提供互为反相的高频电压给相邻层细丝电极。

13.根据权利要求11或12的离子导引装置，其特征在于，各层细丝电极中至少加同相高频电压的一组细丝电极与导引轴的距离沿导引轴逐渐缩小。

14.根据权利要求10的离子导引装置，其特征在于，所述电源装置包含直流电压源，让至少一部分层细丝电极上叠加不同的直流电位，以形成沿所述导引轴方向的电位梯度。

15.根据权利要求11的离子导引装置，其特征在于，所述高频电压源向各层细丝电极提供高频电压的方式包括，顺序提供同频M相高频电压给1到M层细丝电极，相邻层的高频相位差为2π/M，并使M层以后继续这个相位序列，M为大于1的自然数。

16.根据权利要求10的离子导引装置，所述高频电压源向各层细丝电极提供高频电压的方式包括，向各层细丝电极提供不同的高频电压幅值。

17.根据权利要求1或2的离子导引装置，其特征在于，所述电源装置包括直流电压源，以向各层细丝电极提供直流电压，在所述离子导引通道内的产生沿导引轴变化的直流电场强度，其分量包含使离子向所述导引轴会聚的电场。

18.根据权利要求17的离子导引装置，其特征在于，所述离子导引通道内的电场强度沿导引轴呈周期性变化。

19.根据权利要求2的离子导引装置，其特征在于，各细丝以焊接、缠绕或夹紧的方式固定在所述悬拉支架上。

20.根据权利要求2的离子导引装置，其特征在于，所述悬拉支架上具有穿线孔和印刷电路。

21.根据权利要求2的离子导引装置，其特征在于进一步包括安装于所述悬拉支架上的弹性材料做成的绷紧机构。

22.根据权利要求2的离子导引装置，其特征在于，至少部分细丝的悬拉支架构成离子导引装置的外壁。

23.根据权利要求22的离子导引装置，其特征在于，所述离子导引装置的外壁上有排气孔。

24.根据权利要求1的离子导引装置，其特征在于，所述导引轴为曲线形导引轴。

25.根据权利要求24的离子导引装置，其特征在于，进一步包括直流电压提供装置，使至少其中一部分层细丝电极的细丝之间叠加一个直流电压，以帮助离子沿着曲线形导引轴偏转。

26.根据权利要求10的离子导引装置，其特征在于，所述的高频电压源包括多个高频高压开关，以产生矩形波高频电压。

27.根据权利要求14的离子导引装置，其特征在于，所述导引轴方向的电位梯度所引起的离子迁移运动方向与轴向气流方向相反，使仅有特定离子迁移率的一部分离子得到有效传输。

28.根据权利要求10的离子导引装置，其特征在于，至少一部分层细丝电极中细丝的间距设置以及高频电压设置使进入离子导引装置的离子在此部分细丝所在空间的附近实现具有质量选择性的通过，阻挡或消灭。

29.根据权利要求14的离子导引装置，其特征在于，所述高频电压的设置以及所述导引轴方向的电位梯度设置使进入离子导引装置的离子与中性气体分子发生有效碰撞，并使碰撞反应后生成的产物离子、碎片离子、或去溶剂化的离子得到有效地传输。

30.根据权利要求1或2的离子导引装置，其特征在于，所述离子导引装置的至少一部分存在流动的气体，所述流动气体的气压范围在10至10000帕斯卡之间。

31.根据权利要求1或2的离子导引装置，其特征在于，所述细丝的直径小于0.5mm。

32.根据权利要求1的离子导引装置，其特征在于，所述离子导引装置的至少一部分细丝电极还作为加热器。

33.一种离子导引装置组合结构，包括多个如权利要求1所述的离子导引装置的组合，其中所述多个离子导引装置共用至少一部分细丝。

34.一种离子导引装置组合结构，包括多个如权利要求1所述的离子导引装置的组合，其中所述组合结构中存在离子导引装置的导引轴的汇聚、发散或重合。