CN104011832A - 质量分析仪、质谱仪和相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在质谱仪中使用的质量分析仪。质量分析仪具有包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极的电极集合，该电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，电极集合沿着局部垂直于参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，电极集合提供3D静电场区域。质量分析仪被配置为在使用中由电极集合提供的3D静电场区域沿着绕参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。

Description

质量分析仪、质谱仪和相关方法
技术领域
本发明涉及在质谱仪中使用的质量分析仪、包括这种质量分析仪的质谱仪和相关方法。
背景技术
由于高灵敏度、质量分辨率和质量精度，飞行时间质谱仪(TOF MS)广泛用于现代质谱仪。在离子电荷生产率＞每秒109个离子和无限质量范围的情况下实现100,000或更高的质量分辨率是现代TOF MS仪器的典型要求。由于离子的初始空间和速度跨距引起的短飞行时间和大时间跨距，早期TOF MS仪器的质量分辨率通常只是几百的量级。TOF质谱仪在过去50多年来令人印象深刻的进步至少部分地由于能够利用小的横向发射产生非常短的离子束的脉冲离子源的研发、采用伸长的离子轨道(在离子反射镜之间折叠或者在扇区场中的多匝)从而允许更高的飞行时间并因此允许可接受的仪器尺寸下的质量分辨率，并且创造了改进的电极几何结构从而提供具有将由光学象差引起的时间跨距最小化的改进等时性质的静电场。同时，电极机械设计的精度方面(特别是在稳定的高电压电源的研发)的进展已经用于实现百万分之一级别或以下的TOFMS的质量精度。
静电TOF MS仪器通常可以分为两组。第一组(最常使用的)通常采用离子反射镜来提供由多次反射(MR)或单次反射引起的折叠离子轨迹。这些通常分别称作MR-TOF MS或者反射(reflectron)。第二组(通常明显小于第一组)通常使用静电扇区场来提供离子的单匝或多匝(MT)等时运动。在后一种情况下，这些质谱仪可以称作MT-TOF MS。可以通过与扇区场相比更加简单的机械设计和由光学象差引起的小时间跨距来解释离子反射镜的普及。除了纯反射镜或者纯扇区场TOF MS之外，一些作者还提出了包括反射镜和扇区场的混合仪器。与纯扇区场TOFMS相比，通常可以更有效地最小化光学象差。
Alikhanov[Alikhanov，S.G.Sov.Phys.JETP，1956，4，452-453]首次提出了使用同轴离子反射镜来补偿飞行时间的能量依赖性。他还提出了使用多次反射来延长离子的总飞行路径。所提出的反射镜随后被Mamyrin在反射OTF MS中实现[Mamyrin，B.A.等人，Sov.Phys.JETP，1973，37，45]。近来已经使用具有同轴离子反射镜和闭合参考轨迹[Wollnik，H.和Casares，A.Int.J.Mass Spectrom，227(2)]实现了多次反射方案的实际实现[Casares，A等人Int.J.Mass Spectrum.206(3)，267-273]。随后将形成在反射镜子之间折叠的竖线锯轨迹的思想[Wollnik，H.英国专利GB2080021，1981]应用于具有采用网格的平面反射镜的TOF MS系统[Shing-Shen，Su.Int，J.Mass Spectrom，Ion Porcesses88，21-28，1989]或者应用于没有采用网格的平面反射镜的TOF MS系统[Nazarenko，L.M.等人的USSR专利SU1725289，1992]。所提出的平面系统不在沿漂移方向上提供聚焦。通过在反射镜之间的漂移空间中添加一组聚焦透镜[Verentchikov，A.N.等人的专利WO2005001878]，或者替代地通过在平面反射镜内部沿漂移方向提供周期性的场变化[Verentchikov，A.N.和Yaovor，M.I.的专利WO2010/008386]，来解决漂移聚焦问题。
Moorman和Parmater[专利US3576992，1971]提出了使用静电扇区而不是离子反射镜的能量等时TOF质谱仪。Poschenrieder考虑了使用静电扇区场的几种能量等时TOF MS系统。他还提出了在由静电扇区场构成的MT-TOF MS中将离子轨迹闭合为回路[Poschenrieder，W.P.Int.J.Mass Spectrom.Ion Phys.9，357-373，1972]。Matsuda研究了包括二阶象差在内的扇区场和四极[Matsuda，H.等人Int.J.Mass Spectrom.Ion Phys.，42，157-168，1982]。Sacurai还提出了几种拥有对称性的TOF MS系统的几何形状[Sacurai，T.等人Int.J.Mass Spectrom.Ion Phys.，63，273-287，1985]以及构建有四个圆柱形扇区的TOF质谱仪[Sacurai，T.等人Int.J.Mass Spectrom.Ion Phys.，66，283-290，1985]。随后，Sakurai等人设计和建立了较大的MT-TOF MS“OVAL”，其由形成7.4m的椭圆闭合轨道的六个静电扇区构成[Sacurai，T.等人Nucl.Instrum.&Meth.A，427，182-186，1999]。几乎同时，研发了由四个圆柱形静电扇区和16个静电四极透镜构成的紧凑MT-TOF MS“MULTUM线性叠加”[Toyoda，M.等人的J.MassSpectrom.，35，163-167，2000]。数字8形的闭合离子轨道具有每一匝1.308m的飞行路径长度。针对m/z＝28个离子的501.5个匝已经报告了350,000的高质量分辨率。在称作“MULTUM II”的下一代质谱仪中[Okumura，D.等人的J.Mass.Spectrom.Soc.Jpn.，51，349-353，2003]，通过用具有Matsuda板的环形扇区代替圆柱形静电扇区简化了结构[Matsuda，H.Rev.Sci.Instrum.32，850-852，1961]，并且消除了四极透镜。两个“MULTUM”的设计基于“完全空间和能量聚焦”[Ishihara，M等人的Int.J.MassSpectrom.，197，179-180，2000；Toyoda，M.等人的J.Mass Spectrom.38，1125-1142，2003]。M.Ishihara[专利US6300625，2001]、Sh.Yamaguchi等人[专利US7928372，2011]和V.Kovtoun等人[专利US7932487，2011]提出了几种其他的具有闭合轨道的MT-TOF MS仪器。
所有具有闭合轨道的MT-TOF具有共同的缺点。在一定的匝数之后，具有质量电荷比m1/z1的离子会被具有m2/z2＜m1/z1的较快离子赶上，与第一组离子相比，较快的离子通过了更多的匝，所述效应称作“超车”。在存在“超车”的情况下，根据TOF谱来明确地识别质量是复杂的问题。存在三种解决问题的主要方式：(i)通过将注入离子的质量范围限制为与匝数成反比；(ii通过在存在超车的情况下对TOF谱进行解密；以及(iii)设计具有开路参考轨迹(轨道)的MT-TOF MS。尽管第一种方法导致了非常不希望的质量范围限制，并且第二种方法具有质量识别问题，但是构建具有开路轨迹的仪器的第三种方法没有这些问题。
基于开路螺旋形轨迹的MT-OTF MS的第一种提议由Bakker在螺旋管中提出[Bakker，J.M.B.Ph.D.Thesis，University of Warwick，1969]。两年前，Oakey和MacFarlane报告了具有螺旋轨迹的简单TOF质谱仪[Oakey，N.S.和MacFarlane，R.D.Nucl.Instr.&Meth.49，220-228，1967]。在2000年，Matsuda提出了具有螺旋形类型和蚊香形类型开路轨道的两种类型的TOF质谱仪。[Matsuda，H.J.Mass Spectrom.Soc.Jpn.2000，48(5)，303-305，2000]。最近，Satoh等人开发和建立了具有开路螺旋形轨迹的MT-TOF MS仪器[Satoh，et al.J.Am.Soc.Mass Spectrom.18，1318-1323，2007]。它包括十五个“MULTUM II”单元，每一个单元具有四个环形扇区，离子沿着17m长的参考轨道连续地通过这些环形扇区。每一个单元基于具有“理想空间和能量聚焦”的“MULTUM II”的离子光学。报告了高达80,000的质量分辨率。然后，由Satoh等人在专利US2011/0133073A1中公开了螺旋形MT-TOF MS的更新版本。还在其他提出的MT-TOF MS实施例中使用了使离子连续通过构建有扇区场的几个等时单元的思想[Brown，J.M.的专利US 2009/0314934以及Yamaguchi，Sh.和Nishiguchi，M.的专利US 2010/0148061]。
一些作者还提出了包括静电离子反射镜和扇区场的混合多通道质谱仪(MP-TOF MS)。Sakurai在[Sakurai，T and Baril，M.Nucl.Instr.andMeth.A363，473-476，1995]中考虑了具有闭合轨道的MP-TOF MS，其另外包括偶极磁铁。Verentchikov和Yavor提出了具有由平面反射镜和空间同时扇区场构成的开路轨迹的平面系统[专利WO 2006/102430]。最近，Verenchikov提出了更广泛的混合质谱仪[专利WO 2011/086430]。
为了提供高质量分辨率，TOF质量分析仪通常必须是“等时的”，即，被配置为提供离子沿着给定轨迹移动的“等时性”。该给定的轨迹可以是开路或闭合。
在本文中，离子沿着给定轨迹移动的“等时性”优选地被理解为意味着离子在轨迹上的两个点之间移动的飞行时间实质上独立于离子的至少一个空间坐标/速度分量。实质上，优选地应当理解的是，在数学上飞行时间独立于泰勒展开的至少一阶项的所述坐标，参见下文以得到进一步解释。
本文考虑了两种不同类型的等时性。除非另外指示，否则离子沿着给定轨迹移动的“空间等时性”优选地被理解为意味着离子在轨迹上的两个点(例如，起(初始)点和终(最终)点)之间移动的飞行时间实质上独立于垂直于轨迹的平面中的离子的初始坐标和速度(例如，图4C(右侧)中的坐标δy0、δz0和速度vy0、vz0)。离子沿着给定轨迹移动的“能量等时性”优选地被理解为意味着离子在轨迹上的两个点之间移动的飞行时间实质上独立于轨迹方向上离子的初始能量/速度(例如，在图4C(右侧)中，能量＝Kx0＝mvx0/2)。
“等时性”可以仅存在于轨迹上的两个特定点之间，或者可以是“周期性的”。“周期性的”(空间和/或能量)等时性优选地被理解为意味着等时性在给定轨迹上以定期(即，周期)间隔重复。
可以通过基于优选地按照飞行时间关于初始坐标和速度的泰勒展开的至少一阶项以及可能计算为泰勒展开的二阶项计算的理论调整电极(的例如电压设置)来实现等时性。然而，一旦在理论上计算出来，可以例如基于实验证据来对电极(的例如电压设置)进行进一步调整，以例如进一步减小等时点处飞行方向上的束宽度和/或改善质量分析仪的质量分辨率。
图1A至图1C、图2A和图2B给出了已知质量分析仪的示例，其中，离子绕平面闭合轨道的振荡是空间和能量等时的。在第三方向上扩展平面运动(在螺旋形MT-TOF MS(图2B)中实现以保留无限质量范围)将数字8闭合轨道(图1C右侧)转换为3维开路参考轨迹。在该系统中保留了等时性属性。
在本文中，静电扇区(其也可以被称作“电扇区”)优选地被定义为至少两个片状电极的布置，所述两个片状电极在一个或多个方向上弯曲并且被配置为具有向其施加的不同电势以在其间提供用于沿着一个或多个平面轨迹或三维轨迹引导离子的静电场。
鉴于以上考虑设想本发明。
发明内容
总体上，本发明的一些方面涉及一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪具有电极集合，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D(三维)静电场区域。
发明人已经认识到，如果电极沿着弯曲漂移路径延伸(参见下面的讨论)，则在漂移方向上更紧凑地封装离子轨迹是可实现的。具体地，与电极沿着直线漂移路径延伸的系统相比，针对电极沿着弯曲漂移路径延伸的MT TOF MS质量分析仪的特征长度L可以实现开路轨迹的更多匝和更长飞行时间(比较图5的左侧和图5的右侧)。针对特征长度L的开路轨迹的总长度可以大至例如50-150或者更大。
在本发明的第一方面，质量分析仪被配置为在使用中，由所述电极集合提供的3D静电场区域沿着绕参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
因此，本发明的第一方面可以提供：
一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪具有：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
通过将质量分析仪配置为沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子，能够比更传统的电极布置更紧凑地封装所述参考轨迹(比较图5的左侧和图5的右侧)，从而允许质量分析仪使用更小的真空空间体积，由此允许减小质量分析仪的大小和重量。
为了在参考轨迹的封装中获得较大的改善，电极优选地沿着实质上绕所述参考轴弯曲的漂移路径延伸，优选地，这意味着漂移方向上的曲率与参考平面中的曲率相当(参见例如图4E)。
在这里，应当理解的是，虽然具有不同初始坐标和速度的离子均应当沿着单个预定3D参考轨迹被引导，但是实际上例如由于离子的初始位置或速度的较小变化，离子可能与该轨迹略微偏离。
此外，应当理解的是，预定3D参考轨迹可以具有一个或多个直线(即，非弯曲)部分，例如，在这些部分中，电极集合不使离子沿着预定3D参考轨迹移动的路径弯曲。
可以通过配置电极集合和/或注入接口(如果存在的话，参见下文)使得在使用中由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子，来实现将质量分析仪配置为使得在使用中由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。例如，注入接口(如果存在的话，参见下文)可以被配置为将由离子源产生的离子引导至3D静电场区域中与参考平面偏离的位置，使得接下来由3D静电场区域沿着预定3D参考轨迹引导离子(参见例如下文关于图4D的讨论)。优选地，电极集合包括被配置为提供漂移聚焦(例如，如下文更详细讨论的)的电极，这是因为这可以有助于使离子接近预定3D参考轨迹和/或实现完全等时性，从而增加质量分辨率(参见下文的讨论)。
虽然电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于使离子绕参考平面中的闭合轨道转向的静电场，但是这并不意味着电极集合实际上已经(例如，电压设置已经)为此目的而被最佳调整。这是因为例如将质量分析仪配置为使得在使用中3D静电场区域被最优化以沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子(例如，被最优化以提供这些离子的等时性)，通常会导致静电场区域未被最优化以沿着参考平面中的闭合轨道引导离子(例如，对于具有这种轨道的离子，可能失去等时性)。
此外，当电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于使离子绕参考平面中的闭合轨道转向的静电场时，这并不排除在平面轨道的路径中放置障碍物以防止离子实际上沿着闭合轨道移动的可能性。
3D参考轨迹可以被定义为在起点与终点之间延伸。3D参考轨迹的起点可以被定义为离子源处或内部的位置。该点通常将处于离子源(如果存在的话)的外部和质量分析仪的外部。3D参考轨迹的终点可以被定义为离子检测器处或附近的位置，所述离子检测器用于检测已经沿着预定参考轨迹被引导的离子。该点可以在质量分析仪外部或内部。当然，例如如果离子源和/或离子检测器位于质量分析仪内部，则起点和/或终点均可以位于质量分析仪内部。
优选地，电极集合被配置为提供离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的等时性。提供的等时性可以是空间等时性或能量等时性。但是提供空间等时性和能量等时性二者是非常优选的。例如，由于质量分析仪中的离子运动的周期性，提供的等时性可以是周期性的。
电极集合可以被配置为提供离子在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的泰勒展开的至少一阶项(可能甚至二阶项中的一些或全部)的空间和/或能量等时性。
通过使用已经提供的“等时性”的定义，将电极集合配置为提供离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的等时性可以被理解为将电极集合配置为使得离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的飞行时间实质上独立于在3D参考轨迹的起点处的离子的至少一个空间坐标/速度分量。如上所述，除非另外指示，否则空间等时性优选地被理解为飞行时间实质上独立于垂直于3D参考轨迹的平面中的离子的所有初始坐标和速度。如上所述，能量等时性优选地被理解为飞行时间实质上独立于3D参考轨迹方向上的离子的初始能量。
通常，实际上不能实现给定质量分析仪的理想等时性(离子沿着给定轨迹移动的飞行时间完全独立于离子的所有初始坐标和速度)。然而，通过细致地配置电极，通常可以获得期望级别的等时性。通常不能直接测量由给定质量分析仪提供的等时性级别，而是可以例如通过质量分析仪的质量分辨率(或者离子束的时间跨距)来表征等时性级别。在这里，应当注意的是，虽然通过质量分析仪的质量分辨率来表征等时性级别，但是质量分辨率通常将取决于其他因素，例如，质量分析仪的大小、初始束参数、离子之间的空间电荷力等。
优选地，根据本发明的第一方面的质量分析仪提供了等时性级别，使得由质量分析仪提供的质量分辨率是40,000或者更高，更优选地，100,000或者更高。在这里，将认识到，给定质量分析仪的实际质量分辨率将不仅取决于达到的等时性级别，而且还取决于其他参数，例如，质量分析仪的大小、初始束参数、离子之间的空间电荷力等。已经在仿真中使用例如本文所讨论的质量分析仪几何结构获得了200,000或者更高的质量分辨率。
电极集合优选地包括被配置为提供漂移聚焦的电极(例如，如下文更详细讨论的)，因为这可以帮助实现等时性(参见下面的讨论)。
电极集合可以被配置为根据以下方法提供离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的等时性：
调整所述电极集合以提供离子沿着所述参考平面中的闭合轨道移动的等时性；以及
进一步调整所述电极集合以提供离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的等时性。
对电极集合进行初始调整以提供离子沿着参考平面中的闭合轨道移动的等时性(优选地，周期等时性)可以例如涉及调整电极集合(的例如电压设置)以提供(例如，按照泰勒展开的至少一阶项计算的)离子沿着平面中的闭合轨道移动的周期空间和/或能量等时性(优选地，这二者)。
对电极集合进行进一步调整以提供沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的离子的等时性可以例如包括：调整电极集合(的例如电压设置)以提供(例如，按照泰勒展开的至少一阶项计算的)沿着3D参考轨迹移动的离子的空间等时性，然后进一步调整电极集合(的例如电压设置)以另外优选地以维持周期空间等时性的方式提供(例如，按照泰勒展开的至少一阶项计算的)离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的能量等时性。
注意，对电极集合进行进一步调整以提供离子沿着3D参考轨迹移动的等时性破坏通过对电极集合进行初始调整所实现的离子沿着参考平面中的闭合轨道移动的等时性。
还注意，当电极集合(的例如电压设置)可以基于理论(例如，按照泰勒展开的至少一阶项计算)被调整时，优选地接下来基于例如实验证据对电极进行进一步调整以例如进一步改善质量分析仪的质量分辨率。
优选地，电极集合包括被配置为提供漂移聚焦以例如在沿着预定3D参考轨迹的一个或多个位置处在漂移方向(其可以被定义为关于参考轴的局部旋转方向，参见下文)上聚焦离子的电极。优选地，在沿着3D参考轨迹的一个或多个位置处将离子聚焦至3D参考轨迹。这可以帮助使离子接近预定3D参考轨迹(参见例如图14B)并且还可以帮助实现等时性。
优选地，电极被配置为通过产生电势具有非零(优选地，正)二阶导数和/或高阶导数的静电场从而在漂移方向上产生聚焦来提供漂移聚焦，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向。
被配置为提供漂移聚焦的电极可以例如包括以下各项中的一项或多项：
聚焦透镜；
周期性或非周期性透镜集合，被并入到至少一个静电扇区的电极中或之间；
电极集合(优选地是电极段)，被周期性地或非周期性地定位在漂移方向上，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向；
一对旋转对称电极，在漂移方向上分成多个小段，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向；和/或
产生静电场的装置，所述静电场的电势具有非零(优选地，正)二阶导数和/或高阶导数，从而在漂移方向(优选地，被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向)上产生聚焦。
如上文所讨论的，具有被配置为提供漂移聚焦的电极可以帮助沿着单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子并且还可以帮助提供离子沿着3D参考轨迹在3D参考轨迹的起点与3D参考轨迹的终点之间移动的等时性。下面更详细地讨论了被配置为提供漂移聚焦的电极的一些示例。通过下面所讨论的示例将清楚的是，质量分析仪和预定3D轨迹可以采用多种不同的形式和几何形状。
可以关于参考平面中的闭合轨道定义质量分析仪的几何形状，其中，可以由电极集合沿着该闭合轨道引导离子，如上所述，所述电极集合优选地包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极在空间上被布置为能够提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场。
可以使用参考平面中的闭合轨道与参考轴之间的关系来定义该闭合轨道，例如，参考平面中的闭合轨道可以：
在单个点处与所述参考轴相交；
在两个点处与所述参考轴相交；或者
在三个或更多个点处与所述参考轴相交。
举另一个例子，所述参考平面中的所述闭合轨道不(在任何点处)与所述参考轴相交。
电极集合的优选几何形状涉及被配置为使得参考平面中的闭合轨道是O形的电极，其中，闭合轨道在两个点处与参考轴相交。注意，闭环轨道不必为了成为O形而是圆形，参见例如图4B和图9A。该几何形状通常将涉及包括被布置为形成两个同轴壳的O形电极的电极集合，参见图4A、图4B和图9B。该几何形状是优选的，这是因为该几何形状紧凑且实际中实现简单。
因此，电极集合优选地包括被布置为形成两个同轴壳的(例如，O形)电极。
优选地，电极集合被布置为提供连续3D静电场区域，即，使得3D静电场区域不包括由无场空间分隔开的两个或更多个分离的静电场区域(如例如WO2011/086430所教导的)。优选地，电极集合不包括由无场空间分隔开的两个平行电极集合(如例如WO2011/086430所教导的)。
优选地，电极集合和电极集合的电压设置关于垂直于参考轴的中间平面镜像对称。优选地，所述电极集合包括被布置为形成与所述中间平面相交的至少一个静电扇区的电极。这些特征可以有助于获得空间等时性并且简化电极的机械设计。
电极集合优选地沿着绕参考轴以恒定曲率半径弯曲的漂移路径延伸。因此，优选地，电极集合和/或电极集合的电压设置关于参考轴具有旋转对称性。这些特征优选地用于避免在没有这种对称性时可能需要的非常复杂的电极形状。因为参考轴可以是电极的旋转对称轴，因此参考轴可以被称作“公共”旋转对称轴，或者更简单地，称作“公共”轴。
在一些实施例中，电极集合可以绕参考轴完全(即，360°)延伸，以例如最大化预定3D轨迹的长度(参见例如图11A至11C)。在其他实施例中，电极集合可能不能绕参考轴完全(即，360°)延伸，例如，仅占用绕参考轴的有限扇区区域(参见图12)。在后一种情况下，轨迹在漂移方向上占用的自由空间可以例如用于放置用于离子注入和引出的元件、电线、辅助机械和真空元件等。
可以进一步关于预定3D参考轨迹来定义质量分析仪的几何结构。
3D参考轨迹可以是开路轨迹或闭合轨迹。在该上下文中，“闭合”3D参考轨迹优选地是指沿着3D参考轨迹移动的参考离子沿着其以实质上相同的速度返回实质上相同点的轨迹。相反，“开路”3D参考轨迹优选地是指沿着3D参考轨迹移动的参考离子沿着其以实质上相同的速度不返回实质上相同点的轨迹。
3D参考轨迹可以包括多个匝，在该情况下，质量分析仪可以被视为“多匝”质量分析仪。若不是绕参考轴的3D参考轨迹的曲率，匝可以被认为是3D参考轨迹的与参考平面中的单个闭合轨道相对应的部分。
可以通过漂移角度(α)来表征预定3D参考轨迹的匝的封装。可以关于垂直于参考轴的漂移平面将漂移角度(α)定义为3D参考轨迹在参考轨迹的由半匝分隔开的两个点处在漂移平面上的投影之间的角度。
可以选择漂移角度(α)以使3D参考轨迹开路或闭合。
还可以通过离子的漂移速度来表征匝的封装，其中，漂移速度是离子的速度在漂移方向上的分量。优选地，漂移速度实质上小于离子在预定3D参考轨迹方向上的速度，例如，使得预定3D参考轨迹的匝被紧密地封装，例如使得漂移角度(α)较小(例如，10°或者更小)。
质量分析仪可以被配置为TOF质量分析仪和/或E阱质量分析仪。由于离子通过质量分析仪的飞行时间取决于其质荷比，因此TOF质量分析仪可以被视为用于根据其质荷比分离离子的质量分析仪。E阱质量分析仪可以被视为用于在一个或多个轨道中捕获离子的质量分析仪。在E阱质量分析仪中，可以使用镜像电流检测技术来测量离子的质荷比。
在质量分析仪被配置为TOF质量分析仪的情况下，预定3D参考轨迹可以是开路的或闭合的。具有闭合的预定参考轨迹对于在TOF质量分析仪中延伸路径长度的离子移动可能是有利的。
质量分析仪可以被配置为具有“多通道”操作模式，在该操作模式中，沿着具有闭合部分的预定3D参考轨迹引导离子，其中，离子重复通过预定3D参考轨迹的闭合部分多次，从而增加总飞行时间(参见图11A至图11B)。在这里，3D参考轨迹的每一个重复的闭合部分可以被视为“通道”。
质量分析仪可以(替代地或附加地)被配置为具有“准多通道”模式，在该模式中，沿着开路的预定3D参考轨迹引导离子，其中，离子重复通过开路的预定3D参考轨迹的一部分多次，其中，每一个重复的部分关于前一个和/或后一个重复部分绕参考轴旋转小角度(例如，5°或更小)(参见图10C)。在这里，3D参考轨迹的每一个重复部分可以被视为“准通道”。注意，在“准多通道”模式中，3D参考轨迹开路，使得沿着3D参考轨迹移动的参考离子不返回实质上相同的点。
在“多通道”或“准多通道”模式中，引出接口(如果存在的话，参见下文)优选地用于在TOF质量分析仪中离子已经完成预定次数的“通道”或“准通道”之后，将离子从质量分析仪引导至离子检测器。
在质量分析仪被配置为E阱质量分析仪的情况下，预定3D参考轨迹优选地是闭合的，优选地，质量分析仪在“多通道”模式下操作(参见上文)。
质量分析仪可以具有一个或多个偏转器，所述偏转器被配置为在使用中使离子绕参考轴的漂移反向，例如，从顺时针到逆时针。这可以帮助延长预定3D参考轨迹。下面描述一些示例性实现(例如，参见图16B)。
质量分析仪优选地具有至少一个散射场校正器，所述散射场校正器被配置为补偿由一个或多个电极集合在离子进入和/或离开所述质量分析仪的区域中(例如，在漂移方向上)的终止所引起的静电场的失真。所述散射场校正器或每一个散射场校正器可以分别包含在例如注入接口和/或引出接口(如下所述)中。
所述散射场校正器或者每一个散射场校正器可以例如包括：
印刷电路板上的迹线集合，每一个迹线具有相应独立电势，例如，通过划分静电场要被校正的静电扇区的两个电极之间的电势差的电阻器链来定义电势在所述迹线上的分布；或者
高阻抗(例如，1010Ω或更高)导电材料，电连接到静电场要被校正的静电扇区的两个主电极。
可以在质谱仪中包括质量分析仪。因此，本发明的第一方面可以提供：
质谱仪，具有：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
质量分析仪，例如如本文所述的质量分析仪；
可选择地，引出接口，用于将离子从所述质量分析仪引导至离子检测器；
离子检测器，用于在所述离子已经沿着所述单个预定3D参考轨迹移动之后检测由所述离子源产生的离子。
离子源可以位于由空间布置的电极集合限定的外壳内，在该情况下，可选的注入接口可以被省略。
所述离子检测器位于由所述空间布置的电极集合限定的外壳内，在该情况下，可选的引出接口可以被省略。
优选地，质谱仪具有注入接口，用于将由(例如，3D参考轨迹的起点处的)离子源产生的离子引导至质量分析仪中。所述注入接口可以是弯曲的，优选地，质谱仪被配置为提供由注入接口引导的离子的等时性。注入接口可以是非弯曲的，优选地，质谱仪被配置为提供由注入接口引导的离子的等时性。注入接口可以包括以下各项中的任意一项或多项：多极透镜；聚焦透镜；以及偏转器；用于对由所述离子源产生的离子进行聚焦、转向和/或平移。下面更详细地讨论了一些示例。
优选地，质谱仪具有引出接口，用于将离子从质量分析仪引导至(例如，在3D参考轨迹的终点处的)离子检测器。所述引出接口可以是弯曲的，优选地，质谱仪被配置为提供由引出接口引导的离子的等时性。引出接口可以是非弯曲的，优选地，质谱仪被配置为提供由引出接口引导的离子的等时性。引出接口可以包括以下各项中的任意一项或多项：多极透镜；聚焦透镜；以及偏转器；用于对由所述离子源产生的离子进行聚焦、转向和/或平移。下面更详细地讨论了一些示例。
例如，如果离子源和离子检测器位于质量分析仪外部，则注入接口和引出接口可以是有用的。然而，离子源和/或离子检测器可以位于质量分析仪的外边界的内部(例如，如图12中所示)，在该情况下，可以不需要注入接口和/或引出接口。
质谱仪可以具有处理装置，用于基于所述离子检测器的输出获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
离子源可以包括真空电离源或者大气压离子源。
优选地，离子源被配置为在短束中产生具有不同初始坐标和速度的离子，例如，每一个离子束是在短时间段内(例如，在1纳秒(或更短)的时间段内)产生的。可以使用诸如MALDI离子源或者正交TOF离子源、2D或3D离子阱设备等的脉冲离子源来产生这些束。
可以使用以下各项中的任意一项来选择离子束：正交栅网、MALDI离子源、RF离子导向器、RF离子阱。
离子检测器可以包括飞行时间离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子(通过所述质量分析仪)的飞行时间的输出，和/或镜像电流离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出。
如果质量分析仪被配置为TOF质量分析仪(参见上文)，则处理装置优选地用于基于TOF离子检测器的输出来获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。用于以这种方式获取数据的方法在本领域中是公知的。
如果质量分析仪被配置为E阱质量分析仪(参见上文)，则所述处理装置优选地用于基于对表示所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出的分析(例如，傅里叶分析)来获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。用于以这种方式获取数据的方法在本领域中是公知的。
示例性高阻抗导电材料是导电玻璃。
本发明的第一方面还可以提供一种配置根据本发明的第一方面的质量分析仪(或质谱仪)的方法。
例如，本发明的第一方面可以提供：
配置质量分析仪的方法，该质量分析仪具有：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
其中，所述方法包括：
配置所述质量分析仪，使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
所述方法可以包括执行或对应于结合本发明的任意上述方面所述的任意装置特征的任意方法步骤。
例如，所述方法可以包括例如以上述方式将电极集合和/或注入接口(如果存在的话)配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
例如，所述方法可以包括：例如以上述方式(例如，通过以下方式)将电极集合配置为提供离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的(例如，空间和/或能量)等时性：
调整所述电极集合以提供离子沿着所述参考平面中的闭合轨道移动的等时性；以及
进一步调整所述电极集合以提供离子沿着3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的等时性。
本发明的第一方面还可以提供一种与使用根据本发明的第一方面的质量分析仪(或质谱仪)相对应的方法。
例如，本发明的第一方面可以提供：
一种操作质量分析仪的方法，所述方法包括：
使用包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极的电极集合提供3D静电场区域，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸；
沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
所述方法可以包括执行或对应于结合本发明的第一方面所述的任意装置特征的任意方法步骤。
例如，所述方法可以包括以下步骤中的任意一个或多个：
例如使用离子源产生具有不同质荷比的离子；
例如使用注入接口将由离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
例如使用引出接口将离子从质量分析仪引导至离子检测器；
基于离子检测器的输出获取表示由离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
本发明的第一方面可以提供一种计算机可读介质，具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被配置为使处理装置(例如，包括计算机)执行本文所述的方法。
本发明的第二方面涉及根据本发明的第一方面的质量分析仪，但是不具有被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子的质量分析仪。
因此，本发明的第二方面可以提供：
一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪具有：电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域。
与在本发明的第一方面中一样，电极集合优选地包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场。
不是质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子，而是质量分析仪(的例如电极集合)可以被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的不同3D轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。如果质量分析仪被配置为例如E阱质量分析仪，则这种配置可以是有用的。
优选地，电极集合被配置为提供离子沿着绕参考轴弯曲的不同轨迹移动的至少部分(例如，部分空间和/或能量，优选地，部分空间和能量)等时性。等时性(优选地，部分空间和能量等时性)是非常优选的，这是因为它有助于达到良好的质量分辨率。
本发明的第二方面可以提供一种质量分析仪，具有结合本发明的第一方面所述的任意特征或特征组合，但是不具有被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子的质量分析仪。
例如，电极可以被配置为使得参考平面中的闭合轨道是O形的，其中，闭合轨道在两个点处与参考轴相交，例如，电极集合包括被布置为形成两个同轴壳的O形电极。
例如，电极集合可以被布置为提供连续3D静电场区域，即，使得3D静电场区域不包括由无场空间分隔开的两个或更多个分离的静电场区域(与例如WO2011/086430所教导的相反)。例如，电极集合可以不包括由无场空间分隔开的两个平行电极集合(与例如WO2011/086430所教导的相反)。
本发明的第二方面还可以提供一种配置根据本发明的第二方面的质量分析仪的方法。例如，本发明的第二方面可以提供：
一种配置质量分析仪的方法，该质量分析仪具有：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
其中，所述方法可选择地包括：
配置所述质量分析仪，使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的3D轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子，所述3D轨迹对于具有不同初始坐标和速度的离子是不同的。
优选地，所述方法可以包括：将电极集合配置为提供离子沿着绕参考轴弯曲的不同轨迹移动的至少部分(例如，部分空间和/或能量，优选地，部分空间和能量)等时性。等时性(优选地，部分空间和能量等时性)是非常优选的，这是因为它有助于达到良好的质量分辨率。
该方法可以包括执行或对应于结合本发明的任意上述方面所述的任何装置特征的任何方法步骤。
本发明的第二方面还可以提供与根据本发明的第一方面的装置相对应的方法。例如，本发明的第二方面可以提供：
一种操作质量分析仪的方法，所述方法包括：
使用包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极的电极集合提供3D静电场区域，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸；
关于本发明的任意方面所述的任何操作步骤。
所述方法可以包括执行或对应于结合本发明的第一方面所述的任何装置特征的任何方法步骤。
本发明的第三方面涉及一种质量分析仪，包括至少一个散射场校正器，所述散射场校正器被配置为补偿由质量分析仪的一个或多个电极集合在离子进入和/或离开所述质量分析仪的区域中的终止所引起的静电场的失真。
因此，本发明的第三方面可以提供：
一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪具有：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的静电场区域沿着单个(可选择地，闭合)预定参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子；
至少一个散射场校正器，被配置为补偿由一个或多个电极集合在离子进入和/或离开所述质量分析仪的区域中的终止所引起的静电场的失真。
注意，如果预定参考轨迹是闭合的，则质量分析仪可以被认为是“多通道”质量分析仪。
可以如结合本发明的第一方面和第二方面所述的配置电极集合，但是无需是这种情况。质量分析仪可以具有结合本发明的第一方面或第二方面所述的任意特征或特征组合，但是不一定使用相同的电极配置。
例如，所述散射场校正器或每一个散射场校正器包括：
印刷电路板上的迹线集合，每一个迹线具有相应独立电势，例如，通过划分静电场要被校正的静电扇区的两个电极之间的电势差的电阻器链来定义电势在所述迹线上的分布；或者
高阻抗(例如，1010Ω或更高)导电材料，电连接到静电场要被校正的静电扇区的两个主电极。
示例性高阻抗导电材料是导电玻璃。
本发明的第三方面还可以提供与上述质量分析仪相对应的方法。
本发明的第四方面涉及一种质量分析仪，包括被配置为提供漂移聚焦的电极。
因此，本发明的第四方面可以提供：
一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪具有：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面(并且可选择地绕参考轴弯曲)的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的3D静电场区域沿着(可选择地绕参考轴弯曲的)单个(优选地，闭合)预定参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子；
其中，所述电极集合优选地包括被配置为提供漂移聚焦的电极。
注意，预定参考轨迹是闭合的，因此质量分析仪可以被认为是“多通道”质量分析仪。
可以如结合本发明的第一方面、第二方面或第三方面所述的配置电极集合，但是无需是这种情况。质量分析仪可以具有结合本发明的第一方面或第二方面所述的任意特征或特征组合，但是不一定使用相同的电极配置。
例如，被配置为提供漂移聚焦的电极可以例如包括以下各项中的任意一项或多项：
聚焦透镜；
周期性或非周期性透镜集合，被并入到至少一个静电扇区的电极中或之间；
电极集合(优选地，是电极段)，被周期性地或非周期性地定位在漂移方向上，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向；
一对电极，在漂移方向(被定义为漂移路径的局部方向)上延伸，在漂移方向(被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向)上分成多个小段；和/或
产生静电场的装置，所述静电场的电势具有非零(优选地，正)二阶导数和/或高阶导数，从而在漂移方向上产生聚焦，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向。
本发明的第四方面还可以提供与上述质量分析仪相对应的方法。
除非所述的方面和优选特征的任意组合是清楚地不许可的或者明确避免的，否则本发明还包括此类组合。下面的示例中的任意一个可以与本发明的任何前述方面相结合。还可以提供配置的方法或者与以下示例中的任意一个相对应的方法。
作为上述方面的示例性组合，本发明可以提供：
一种TOF质谱仪，包括：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
质量分析仪，具有电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域，其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，引出接口，用于将离子从所述质量分析仪引导至离子检测器；
飞行时间离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子通过所述质量分析仪的飞行时间的输出；
处理装置，用于基于所述飞行时间离子检测器的输出获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
举另一个例子，本发明可以提供：
一种E阱质谱仪，包括：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
质量分析仪，具有电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
可选择地，引出接口，用于将离子从所述质量分析仪引导至离子检测器；
镜像电流离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
举另一个例子，本发明可以提供：
一种E阱质谱仪，包括：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
质量分析仪，具有电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
镜像电流离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的不同3D轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
在该示例中，引出接口不是优选的，这是因为难以引出不遵循预定轨迹的离子。
在E阱质谱仪的情况下，E阱质谱仪优选地包括处理装置，用于基于对表示所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出的分析来获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
上述E阱质谱仪的质量分析仪可以例如被配置为具有多通道和/或准多通道模式。
附图说明
下面参考附图讨论提议的示例，在附图中：
图1A至图1C示出了已知质量分析仪的示例。
图2A和图2B也示出了已知质量分析仪的示例。
图3A是TOF质谱仪的简化示意图。
图3B是E阱质谱仪的简化示意图。
图3C是TOF/E阱质谱仪的简化示意图。
图4A示出了沿着绕参考轴弯曲的漂移路径延伸的O形平面电极。
图4B示出了具有预定开路3D参考轨迹(3D剖面图、左侧)和在参考轴附近的预定3D参考轨迹(右侧)的关于参考轴旋转对称的O形电极。
图4C示意性地示出了O形等时平面闭合轨道的示例。
图4D示意性地示出了投影在O形平面轨道的漂移平面上的预定开路3D参考轨迹(半匝)。
图4E示出了具有平面闭合轨道的图4C的扇区S1(S3)的电极。
图4F是图4C中的扇区S2的电极的3D剖面图。
图4G是图4C中的透镜的L1(L4)电极的3D剖面图(左侧)和图4C中的透镜的L2(L3)电极的3D剖面图(右侧)。
图4H是图4B中所示的电极的预定3D参考轨迹。
图5是预定3D参考轨迹在沿着绕参考轴以恒定曲率半径弯曲的漂移路径延伸的旋转对称电极的漂移平面上的投影(左侧)和预定3D参考轨迹在沿着直线漂移路径延伸的电极的漂移平面上的投影(右侧)。
图6示出了参考平面中的不同闭合轨道的形状及其关于参考轴的定位。
图7A示出了在被定位为不与参考轴相交(左侧)的O形平面闭合轨道的情况下的预定3D参考轨迹(中间、右侧)。
图7B示出了图7A的环形电极和与图7A中一样的仿真3D参考轨迹。
图8A示出了在被定位为在单个点与参考轴相交(左侧)的8形平面闭合轨道的情况下的预定3D参考轨迹(中间、右侧)。
图8B示出了图8A的电极和与图8A中一样的仿真3D参考轨迹。
图9A示出了在被定位为在两个点与参考轴相交(左侧)的O形平面闭合轨道的情况下的预定3D参考轨迹(中间、右侧)。
图9B示出了图9A的电极和与图9A中一样的仿真3D参考轨迹。
图9C示出了在被定位为在两个点与参考轴相交的O形平面闭合轨道的情况下的预定3D参考轨迹。
图9D示出了图9C的电极和与图9C中一样的仿真3D参考轨迹。
图10A示出了在被定位为在三个点与参考轴相交(左侧)的8形平面闭合轨道的情况下的预定3D参考轨迹(中间、右侧)。
图10B示出了图10A的电极和与图10A中一样的仿真3D参考轨迹。
图11A示出了在1.5、2.5、3.5和4.5匝的情况下预定3D参考轨迹在漂移平面上的示意性投影。
图11B示出了在2、4和6个匝的情况下预定3D参考轨迹在漂移平面上的示意性投影。
图11C示出了在漂移平面中的4个通道的情况下预定3D参考轨迹在漂移平面上的示意性投影。
图12示出了在仅占用有限扇区区域的轨迹的情况下预定3D参考轨迹在漂移平面上的示意性投影。
图13A和图13B示出了在漂移平面X-Z中分段以在漂移方向上创建场变化的电极。
图13C示出了在漂移平面X-Z中非周期性地被定位以在漂移方向上创建场变化的几个小电极(电极段)。
图14A示出了表2的涉及从0至2的20.5个匝、在起点1处δz0＝0.5mm的情况2中的仿真离子轨迹。
图14B示出了表2的涉及从点1至点2的注入路径、从点2至点3的20.5个匝以及从点3至点4的引出路径的情况4中的仿真离子轨迹。
图15A是直线注入接口的示意图。
图15B和图15C是相应弯曲注入接口的示意图。
图15D示意性地示出了在PCB上具有迹线的散射场校正器，其补偿扇区场电极在方位角方向上的终止附近的场失真。
图15E示出了扇区场电极的可切换注入部分，其中，扇区场电极与用于注入(类似地，引出)离子的(“主”)电极电力无关。
图16A示出了针对20.5个匝(顶部)和40.5个匝(底部)的仿真离子轨迹，其中，通过使用束控制元件改变注入离子的偏移来改变匝数。
图16B示出了针对定位“反向”偏转器两种情况的仿真离子轨迹，其中，这两种情况是具有两个顶部和底部偏转器的情况(左侧)和在中间平面中具有一个偏转器的情况(右侧)。
图17是使用图9B的优选质量分析仪作为利用镜像电流检测的E阱质量分析仪的示意性示例。
具体实施方式
一般地，下面的讨论描述了提议的示例，这些提议主要涉及飞行时间(TOF)质谱仪的领域并且还涉及利用镜像电流检测和例如傅里叶分析的静电阱质谱仪。
图3A是TOF质谱仪100的简化示意图。
TOF质谱仪100优选地包括离子源110，离子源110用于产生具有不同初始坐标和速度的离子。优选地，离子源110被配置为在短束中产生具有不同质荷比的离子，例如，每一个离子束是在短时间段内(例如，在约1纳秒的时间段内)产生的。可以使用诸如MALDI离子源等的脉冲离子源来产生这些束。
TOF质谱仪100优选地包括注入接口120，将由离子源110产生的离子引导至质量分析仪130中。
由于离子通过质量分析仪的飞行时间取决于其质荷比，因此质量分析仪130优选地被配置为用于根据其质荷比来分离离子的TOF质量分析仪。为此，质量分析仪130优选地具有电极集合(未示出)，该电极集合被配置为使得在使用中由电极集合提供的静电场区域沿着单个预定参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
电极集合优选地包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，该电极集合优选地在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场。此外，电极集合优选地沿着局部垂直于参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，电极集合提供3D静电场区域。质量分析仪130优选地被配置为使得在使用中，由电极集合提供的3D静电场区域沿着绕参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。下面详细讨论可以如何实现这一点的示例。
预定3D参考轨迹可以是开路的或闭合的。对于TOF质谱仪而言，开路的预定3D参考轨迹通常是优选的。
然而，具有闭合的预定3D参考轨迹有时对于在质量分析仪130中延伸路径长度离子移动是有利的。
如果预定3D参考轨迹是闭合的，则质量分析仪130可以被配置为具有“多通道”操作模式，在该操作模式中，沿着具有闭合部分的预定3D参考轨迹引导离子，其中，离子重复通过预定3D参考轨迹的闭合部分多次，从而增加总飞行时间(参见图11A至图11B)。在这里，3D参考轨迹的每一个重复的闭合部分可以被视为“通道”。
质量分析仪130可以(替代地或附加地)被配置为具有“准多通道”模式，在该模式中，沿着开路的预定3D参考轨迹引导离子，其中，离子重复通过开路的预定3D参考轨迹的一部分多次，其中，每一个重复的部分关于前一个和/或后一个重复部分绕参考轴旋转小角度(例如，5°或更小)(参见图10C)。在这里，3D参考轨迹的每一个几乎重复的部分可以被视为“准通道”。注意，在“准多通道”模式中，3D参考轨迹是开路的，使得沿着3D参考轨迹移动的参考离子不返回实质上相同的点。
TOF质谱仪100优选地还具有引出接口140，引出接口140用于将离子从质量分析仪130引导至TOF离子检测器150，TOF离子检测器150用于产生表示由离子源产生的离子(通过质量分析仪130)的飞行时间的输出。
在“多通道”或“准多通道”模式中，引出接口140优选地用于在TOF质量分析仪中离子已经完成预定数量的“通道”或“准通道”之后，将离子从质量分析仪130引导至离子检测器150。
TOF质谱仪100优选地还具有处理装置160，处理装置160用于例如根据传统方法基于TOF离子检测器150的输出获取表示由离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
图3B是静电阱(E阱)质谱仪100′的简化示意图。
E阱质谱仪100′的一些特征与TOF质谱仪的一些特征类似。因此，相同的特征具有相应的附图标记，并且无需被进一步详细地讨论。
与TOF质谱仪100不同，E阱质谱仪100′具有E阱质量分析仪130′和镜像电流离子检测器150′，镜像电流离子检测器150′用于产生表示由离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出。
E阱质量分析仪优选地具有电极集合，电极集合被配置为使得在使用中，由电极集合提供的静电场区域沿着单个闭合的预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。通常，可能需要多于1000匝以得到来自镜像电流检测器的足够输出，因此质量分析仪130′优选地具有如上所述的多通道模式。
然而，由于E阱质谱仪的属性，如果E阱质谱仪130′(的例如电极集合)被配置为使得在使用中，由电极集合提供的静电场区域沿着绕参考平面中适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场弯曲的不同3D轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子，则E阱质量分析仪130′也能够工作。
与TOF质量分析仪130一样，电极集合优选地包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，该电极集合优选地在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场。此外，电极集合优选地沿着局部垂直于参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，电极集合提供3D静电场区域。
E阱质谱仪的镜像电流离子检测器150′优选地位于E阱质谱仪130′中，因此可以不需要引出接口140。
E阱质谱仪100′的处理装置160′优选地用于例如根据传统方法对基于镜像电流离子检测器150′的输出的分析(例如基于对镜像电流离子检测器150′的输出的傅里叶分析)获取表示由离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
图3C是TOF/E阱质谱仪100″的简化示意图。
TOF/E阱质谱仪100″的大多数特征与上述TOF质谱仪100和E阱质谱仪100′的特征类似。因此，相同的特征具有相应的附图标记，并且无需被进一步详细地讨论。
TOF/E阱质谱仪100″优选地被配置为例如以已经描述的方式作为TOF质谱仪或E阱质谱仪操作。
下面的讨论解释了质谱仪可以如何被配置为使得在使用中，由电极集合提供的3D静电场区域沿着绕参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹(例如，针对TOF/E阱质谱仪)或者沿着绕参考轴弯曲的一个或多个闭合3D轨迹(例如，针对E阱质谱仪)引导具有不同初始坐标和速度的离子。
可以使用相互垂直的轴X、Y、Z来定义通常关于质量分析仪固定的“固定”坐标系。
在附图中，使用Y轴用作参考轴并且包括Y轴和X轴的X-Y平面用作参考平面之一的“固定”坐标系(如下文所解释的)。在附图中，局部垂直于参考平面X-Y并且绕参考Y轴弯曲的漂移路径被标记为P，绕参考Y轴弯曲的预定3D参考轨迹被标记为R，并且垂直于参考Y轴并且包括X轴和Z轴的中间平面被标记为X-Z。漂移平面可以被定义为垂直于参考Y轴的任意平面。漂移方向可以被定义为关于参考Y轴的局部旋转方向。因为参考Y轴可以是电极的旋转对称轴，因此参考Y轴可以被称作“公共”旋转对称轴或简单地称作“公共”轴。
还可以关于沿着预定3D参考路径(轨迹)R移动的参考离子来定义“参考离子”坐标系。在参考离子坐标系中，X′轴可以被定义在预定参考路径的方向(其通常是与参考离子的速度方向相同的方向)上。类似地，Y′轴可以被定义为在由参考Y轴和参考离子的瞬时位置定义的瞬时参考平面中局部垂直于X′轴，所述Y′轴从而指向位于瞬时参考平面内的闭合轨道之外的方向。类似地，Z′轴可以被定义为垂直于X′轴和Y′轴以形成右手局部坐标系。参考离子坐标系X′、Y′、Z′可以如图4C和图4D所示。从图4C和图4D可以看出，参考离子坐标系通常将关于固定坐标系移动并改变方位。
例如，在O形平面轨道的情况下，参考离子通常可以被定义为在多匝运动期间的某一时间点具有“固定”坐标系z＝ZOffset、x＝0、与电极之间的位置相对应的y(图4C)以及与固定X轴平行或近似平行的速度的离子(图4D)。
本发明的各个方面优选地涉及形成预定3D参考轨迹(优选地，开路的预定3D参考轨迹)，而不会伴随由预定3D参考轨迹占用的体积的成比例增加。发明人已经认识到，在参考平面X-Y(其可以被称作“等时”平面)中形成多匝稳定且等时运动的电极(优选地，平面电极)可以沿着局部垂直于参考平面X-Y并且绕参考Y轴(其优选地是公共旋转对称轴)弯曲的漂移路径P延伸(参见例如图4A至图4B)。电极的这种同轴布置与Satoh等人实现的在无弯曲的情况下延伸电极(图2B)不同，并且具有在漂移方向上更紧凑地封装离子轨迹的优点。实际上，在漂移方向上(即，绕参考Y轴)旋转对称的情况下(参见例如图5的左侧)，限定参考轨迹在漂移平面X-Z上的星形投影的圆的面积Sc可以经由漂移角度α和特征长度L表达为Sc＝(π/4)L2/cos2(α/2)或者通常在α较小处表达为Sc≈(π/4)L2，而在无弯曲的情况下延伸的参考轨迹(图5的右侧)的包含竖线锯形投影的矩形的面积Sr被计算为Sr＝(π/2)L2sin(α)/α或者在α较小处为Sr≈(π/2)L2。因子Sr/Sc≈2给出了与线性延伸的电极的离子轨迹所覆盖的区域相比，由沿着弯曲漂移路径P延伸的电极的离子轨迹所覆盖的区域减小。同时，具有相同特征长度L和漂移角度α的两个几何形状中的相邻顶点分离相同的距离d＝2Lsin(α/2)≈Lα，从而为放置额外的电极以例如用于聚焦、注入和引出留下了相同的机会。漂移平面X-Z中的轨迹所覆盖的区域的减小导致例如MT-TOF MS的真空空间的体积、大小和重量减小。在沿着弯曲漂移路径P延伸的电极关于参考Y轴完全旋转对称的情况下，电极的机械设计能够是鲁棒的并且使用可行的机械公差抵抗机械未对准。
因此，参照图4A至图4G中所示的几何形状，在质谱仪中使用的质量分析仪优选地具有电极集合L1、L2、L3、L4、S1、S2、S3，该电极集合在空间上被布置为能够在参考平面X-Y中提供适合于沿着参考平面X-Y中的闭合轨道(图4C)引导离子的静电场，其中，电极集合沿着局部垂直于参考平面X-Y并且绕参考Y轴(优选地以恒定曲率半径)弯曲的漂移路径P(图4A)延伸，使得在使用中，电极集合提供3D静电场区域。更优选地，质量分析仪被配置为(例如，如下面更详细地描述的)使得在使用中，由电极集合提供的3D静电场区域沿着绕参考Y轴弯曲的单个预定3D参考轨迹R(图4B)引导具有不同初始坐标和速度的离子。
在继续描述之前，进一步澄清与平面闭合轨道(2d-CO)有关的术语是有帮助的。平面X-Y中的电极的电压设置和几何形状可以被调整为使离子绕2d-CO的周期振荡是空间和能量等时的(图4C给出了O形2d-CO的示意性示例)。在下文中，这种轨道可以被称作“等时平面轨道”。在关于参考Y轴旋转对称的情况下，将平面X-Y以及位于平面X-Y中的2d-CO绕Y轴旋转任意角度将平面X-Y和2d-CO分别转换为另一平面X1-Y和另一平面轨道2d-CO1(图4A)。在漂移平面X-Z(图4D)中，离子沿着平面闭合轨道的运动与沿着Z＝0处的X轴或者通过将轴X绕Y轴进行旋转所获得的另一轴X1的运动相对应。通常，优选地在这种旋转时保留等时属性。在下文的文档中，除非另外指定，否则“平面闭合轨道”或“等时平面闭合轨道”意味着通过将彼此绕Y轴旋转所获得的多个平面闭合轨道之一。
理解如何将平面闭合轨道转换为预定3D参考轨迹并且等时属性如何在这种转换时改变是有用的。可以通过将平面X-Y中的平面轨道的初始坐标在x＝0处在Z方向上从Zref＝0平移至Zref＝ΔZOffset来根据该平面轨道获得预定3D参考轨迹(图4D)。当离子沿着扇区场内的这种轨迹移动时，它受到电场分量E⊥，该电场分量在方位角漂移方向上推动离子，使得在半匝(在O形平面轨道的情况下)之后，其在平面X-Z中的位置可以由半径矢量给出：
rref＝(zref，Xref)＝(-r*cos(α/2)，r*sin(α/2))
其中，r＝|rref|＝ΔZOffset，并且α是在方位角方向上的漂移角度。在每半匝之后，离子优选地以最小距离r通过参考Y轴而不会与参考Y轴相交(图4B(右侧)、图4D)。因此，在多个半匝之后，可以形成3D轨迹(图5左侧)，3D轨迹在漂移平面上的投影是具有多个顶点的星形。漂移角度α可以被选择为使在特定数量的匝之后三维轨迹是开路的或闭合的(3D闭合轨道)。总而言之，参考轨迹在漂移方向上的小偏移与该方向上的场弯曲相结合产生所需的离子漂移运动。
虽然可以通过优化电极几何结构和电压设置来使绕平面闭合轨迹的振荡具有能量和空间等时性，但是在针对等时平面轨道所发现的电压设置处，绕预定3D参考轨迹的振荡通常既不是空间等时的也不是能量等时的。然而，与等时性的偏离在通常较小的比率r/L处较小(图4D)。这是通过z＝0处的平面轨道和在z＝ΔZoffset起始的偏移轨迹感测到电场分量E||的较小差别来解释的。通过对针对等时性平面轨道所发现的电极电压设置进行细微调整(通常在几个百分比内)，可以针对一个或多个匝获得针对预定3D参考轨迹的坐标δy0和Vy0(图4C)的等时性。同时，由于漂移方向上的弯曲，因此漂移平面X-Z中的离子运动通常关于初始坐标δz0(图4D)是非等时的。通常可以在包括注入路径和引出路径的MT-TOFMS系统中多个匝之后，在TOF检测器处有效地最小化漂移方向上的这种非等时性。类似地，优选地在TOF检测器位置处而不是周期性地在MT-TOF MS内实现在离子束中关于纵向能量扩散(其中，纵向能量是Kx0＝mvx0/2，参见例如图4C)的能量等时性。可以例如通过将针对等时闭合轨道所发现的电压设置用作初始近似对电压设置进行适合的重新调整，来实现这种能量等时性。然而，为了实现完全(空间和能量)等时性，通常需要采用漂移聚焦，下面对此进行更详细地描述。
可以通过组合各种离子光学和诸如以下各项等的几何选项(图6至图12)来选择在漂移方向上弯曲地(即，沿着弯曲漂移路径P)延伸的平面电极的特定实施例：
a)平面闭合轨道的形状，
b)关于参考Y轴(其优选地是公共旋转对称轴)定位平面闭合轨道，
c)在漂移路径P的方向上定位预定3D参考轨迹。
虽然离子运动的等时性的优选要求可以对平面闭合轨道的形状施加特定约束，但是它仍然可以在相当大的范围内改变。为了易于制造电极，仅仔细地考虑最简单的O形和数字8形(8形)闭合轨道(图6)是合理的，但是存在其他可能性。可以根据参考Y轴与闭合轨道相交的点的数量来分类/归类关于Y轴(其优选地是公共旋转轴)定位平面闭合轨道的可能性。在没有此类相交点的情况下(图6.1)，预定3D参考轨迹位于环形表面上(图7A)。电极的环形布置(图7B)在机械上是可行的，然而，从这种系统的大小的角度来看，这通常不是最佳的。其他选项提供了离子轨迹的更紧凑封装。这些选项包括Y轴与平面闭合轨道相交一次(图6.2)、相交两次(图6.3)或者相交三次(图5.4)的情况。图7至图10给出了仿真的参考轨迹和电极布置的相应示例。(与参考Y轴)具有更大数量的相交点的情况看起来具有有限的实际使用，这是因为增加了电极制造的复杂度。
图6中所示的O形和8形平面闭合轨迹优选地关于X轴和Y轴镜像对称。通常，平面闭合轨迹关于至少一个轴镜像对称是优选的，这是因为它可以有助于获得离子运动的等时性。平面闭合轨迹关于旋转轴Y的对称性是非常优选的，以避免在不存在这种对称性的可设想的情况下非常复杂的电极形状。平面闭合轨道关于X轴的对称性通常不是必须的，而是优选的，这是因为这有助于简化电极的机械设计并且还可以帮助实现更好的等时属性。
在漂移平面X-Z中，如果电极完全旋转对称或者仅占用有限的扇区(图11、图7A至图10A中间、以及图12)，则轨迹可以覆盖整个漂移空间(图7A至图10A右侧)。在后一种情况下，未被漂移方向上的轨迹占用的自由空间可以例如用于放置用于离子注入和引出(例如，注入接口、引出接口)的元件、电线、辅助机械和真空元件等。
漂移方向上的预定3D参考轨迹优选地被定位使得其在漂移平面X-Z上投影的顶点是等距的(图11A和图11B)。这在漂移方向上提供了相邻匝的最大间距，并且允许采用周期性电极在漂移方向上聚焦(“漂移聚焦”)。预定3D参考轨迹在漂移方向上的另一优选定位是使得它在给定数量的匝之后闭合。图11A、图11B中示意性示出的所有轨迹图案是闭合的。利用这种轨迹布置，一个轨迹布置优选地能够使用专用切换电极(参见例如图15E)在漂移方向上的单个离子通道与该方向上的多个通道(具有质量范围限制)之间切换。这有助于提供在漂移方向上在多通道模式中操作MT-TOF MS的额外灵活性。
图11C示出了在没有质量范围限制的情况下在漂移方向上的多通道的另一种可能性。在这里，当在漂移方向上的每一个完整通道之后，参考轨迹未闭合，而是前进至不同的下一个通道，使得X-Z平面内的每一下个通道的轨迹图案关于前一次通道的轨迹图案绕Y轴略微旋转较小角度。然而，在漂移方向上通道数量可能受到注入/引出要求所施加的相邻轨迹之间的最小距离的限制。
虽然与平面运动的稳定性和等时性有关的要求对于所有MR-TOF和MT-TOF MS系统是公共的，但是形成静电场以达到这些要求的特定方式可能明显不同。例如，在螺旋形MT-TOF MS[Satoh等人的J.Am.Soc.MassSpectrom.18，1318-1323，2007](图2B)中，通过具有恒定环形因子c的扇区场单元集合来提供曲面X-Y中的等时和聚焦属性以及漂移方向Z中的聚焦。环形因子被定义为X-Y平面中的等电势表面的曲率与沿着参考轨道观察的漂移平面中的等电势表面的曲率之比。在Satoh等人的螺旋形MT-TOF MS中，使用Matsuda板在每一个扇区场单元内局部地创建漂移方向上的弯曲。
在本文提出的MT-TOF MS系统中，X-Y平面和漂移平面中的等电势表面曲率之比通常不是恒定的，并且可以沿着参考轨迹而改变。例如，图4E示出了在图4C的系统中使用的扇区场电极S1、S3的示例性形状。可以针对这些扇区将曲率之比计算为R1/(d+R1sin(θ))。当离子沿着参考轨迹移动时，该因子随着角度θ连续地改变。这种扇区场被称作“极性-环形”，并且已经在能量-角度分析仪中被采用。
可以例如使用以下各项之一来实现漂移聚焦(参见上文的定义)：
·优选地放置在漂移平面X-Z中的这些方位角位置处的分离的聚焦透镜，其中，相邻匝在漂移方向上优选地接近参考轨迹在漂移X-Z平面上的星形投影的顶点处被最佳地分离；
·将周期性的或非周期性的透镜并入到至少一个扇区场的或者扇区场之间的电极中；
·并入周期性地或非周期地定位在漂移方向上的小电极(电极段)集合，其中，漂移方向被定义为关于参考轴的局部旋转方向(参见例如图13C)；
·在漂移方向上将一对旋转对称电极分成多个小段，并且在该方向上施加周期性电势变化(参见例如图13)；
·在漂移方向上的场变化的其他手段，周期性的或非周期性的。
为了实现100,000或者更高量级的高质量分辨率，MT-TOF MS的大小优选地足够大。对于所提出的MT-TOF系统，优选的特征长度L(图5)是30em(质量分辨率≈40,000-50,000)、60em(质量分辨率≈80,000-100,000)、＞80em(质量分辨率＞100,000)，其中，质量分辨率是相对于彼此而不是精确地定义的，这是因为它们还取决于注入束的参数、电源的稳定性、空间电荷等。匝的优选数量处于15至60的范围内。
连接外部离子源和MT-TOF分析仪的注入接口可以例如是以下各项之一：
·无弯曲的直线注入接口(例如，如图15A中所示)，例如包括：至少一个透镜121、用于在(两个横向方向122中的)至少一个横向方向122上进行束控制的至少一个元件、以及至少一个散射场校正器123；
·具有弯曲轴的注入接口(例如，如图15B中所示)，例如包括：至少一个透镜121、用于在(两个横向方向122中的)至少一个横向方向122上进行束控制的至少一个元件、转向场元件124以及可选的散射场校正器123；
·所述弯曲接口(例如，如图15B中所示)，其另外具有至少一个散射场校正器123；或者
·具有弯曲轴的注入接口(例如，如图15C中所示)，例如包括：至少一个透镜121、用于在(两个横向方向122中的)至少一个横向方向122上进行束控制的至少一个元件和用于在垂直于Y轴的平面内进行转向的转向场元件126；
将MT-TOF分析仪连接到外部TOF检测器的引出接口可以例如是以下各项之一：
·无弯曲的直线接口，包括至少一个散射场校正器；
·具有弯曲轴的接口；或者
·所述弯曲接口，其另外具有至少一个散射场校正器。
散射场校正器的优选目的是补偿由MT-TOF MS的电极在离子进入分析仪或从分析仪中被引出的区域中在方位角方向上终止所引起的静电场的失真。当离子在注入之后的第一匝期间通过这种场失真的区域时，离子束的定时属性可能变差。散射场校正器可以例如被制造为：
·印刷电路板(PCB)上的迹线集合，每一个迹线具有相应独立电势；通过划分校正的扇区场的两个主电极之间的电势差的电阻器链来定义电势在所述迹线上的分布；或者
·高阻抗导电材料，电连接到校正的扇区场的两个主电极。
本发明的另一方面是使用镜像电流检测和例如傅里叶分析测量离子质量的可能性。如上文所指出的，可以例如通过使用脉冲电极(例如，参见图15E)将预定3D参考轨迹闭合为回路。在这种情况下，在系统中捕获离子并且离子在漂移方向上经过多个通道。为了改善离子阱模式下的信噪比，镜像电流检测器的提取电极优选地很小并且优选地被定位在离子很好地聚焦在小焦斑中的地方。在本文所提出的系统中，这种位置通常接近平面闭合轨道与Y轴相交的点(图6)以及3维参考轨迹集中的点(图14A、图14B、图4B(右侧))。
在利用镜像电流离子检测的离子阱模式中，根据漂移聚焦，存在两种可能的设备操作模式。在第一模式中，离子沿着闭合的预定3D参考轨道移动。该操作模式可能需要漂移聚焦，如上所述。在该模式中可以例如通过两种方式(例如，通过在漂移方向上的给定数量的通道之后在TOF检测器上和/或使用镜像电流检测器引出离子束)来定义离子质量。在第二模式中，离子沿着不同(即，单独的)轨迹在漂移方向上移动，因此在该模式中不需要漂移聚焦。在该模式中，只有镜像电流离子检测器可以用于质量测量。在优选的匝数N＞i000的情况下，在利用镜像电流检测的离子阱模式中运行的系统的优选特征长度L是30cm或者更小。
现在将讨论关于本发明的示例的一些其他细节(包括仿真数据)。
参照图4C，在O形平面闭合轨道的情况下的优选实施例优选地包括关于Y轴旋转对称的扇区的电极S1-S3和透镜L1-L4(图9A至图9B)。在图4E至图4G中示出了这些电极的示例性3D形状。电极S1-S3的曲率通常在漂移方向上并且在参考平面X-Y中是不同的。
图4H示出了在y＝0附近的参考离子坐标系X1′、Y1′、Z1′，并且示出了Z1′轴由于在漂移方向上的非零速度分量而不完全平行于轴Z。
可以通过利用关于漂移平面X-Z的对称性来实现对机械设计的简化。此外，利用对称性可以帮助减小高阶飞行时间象差并因此改善质量分辨率。系统的两半(从点0至点1以及从点1至点2)优选地关于轴X镜像对称，更一般地，关于平面X-Z镜像对称。因为这是根据对称离子光学系统[J.C.Herrera和E.E.Bliamptis，Rev.Sci.Instr.，1966，37(2)，183-188]的一般考虑推断以实现点2处平面轨道关于点0处的δy0和δvy0的空间等时性(图4C)，因此满足仅一个条件通常是足够的：点1处在X方向上的零角色散。角色散可以被定义为在闭合轨道上求得的导数dvx1/dKx0，其中，vx1是离子在点1处在X方向上的速度，动能的Kx0分量在点0处在X方向上。扇区S1(S3)和S2的几何参数(曲率半径、转向角度、扇区在飞行方向上的距离等)以及电极电压设置优选地被选择为使得dvx1/dKx0＝0。点2处关于点0处的其他坐标δz0和速度δvz0的空间等时性(图4)优选地由于闭合轨道是平面的而优选地自动满足。除了空间等时性之外，还可以在点2处例如通过调整透镜电极L1-L4上的电势(图4G)将系统调整为关于点0处的离子能量Kx0等时(能量等时性)。在这种情况下，绕平面闭合轨道的离子振荡优选地完全(即，空间和能量)等时。
关于X-Z漂移平面不对称的MT-TOF系统也是可行的。由于关于Y轴的优选旋转对称性，因此优选地在每一个平面X1-Y中存在关于Y轴的镜像对称(图4A右侧)。与上文类似地对称性考虑可以分别用于设计关于X-Z平面对称并且能够在一个或多个匝上提供完全等时性的MT-TOF系统。
与图1中的现有平面设计不同，图4C中的优选实施例优选地采用透镜L1-L4(图4G)，其电压设置可以用于重新调整等时且横向的聚焦属性。虽然对L1、L4的动作通常不能完全与L2、L3的动作解耦合，但是第一对优选地主要用于调整关于平面轨道或预定3D轨迹具有不同δy0或δvy0的离子的横向聚焦，而第二对优选地主要用于调整等时性。利用L1-L4进行此类调整的可用性对于仪器的实际调谐是优选的，这是因为(i)电极的实际维度和定位可能与计算机模型中的维度和定位略微不同，或者(ii)计算机模型可能不够精确，以及(iii)优选地，应当可以针对不同匝数、和/或不同注入条件和引出条件来调整系统。L1-L4的聚焦动作优选地与Einzel透镜中的聚焦动作相同，例如，通过将两个电极上的电势设置为比透镜之前和之后的参考轨道上的电势更低或更高来提供聚焦动作(图4C)。采用不同形状或不同类型的透镜也是可能的。表1给出了实现图4C中所示的实施例的几何参数的示例。
扇区S1和S3中的平面轨道的曲率半径R1，mm 210
扇区S1和S3在漂移方向d上的曲率半径，mm 132
S1和S3沿着平面轨道的转向角，度 45
扇区S2中的平面轨道的曲率半径R2，mm 87
S2沿着平面轨道的转向角，度 90
S2和S1(S3)之间沿着平面轨道的距离，mm 22
透镜L1(L4)沿着平面轨道的长度，mm 15
透镜L1(L4)的内径，mm 62
透镜L2(L3)沿着平面轨道的长度，mm 20
电极S1-S3、L1-L4的间距，mm 28
表1：图3C中所示的优选实施例的几何参数。
考虑使用表1中的参数调整实施例的等时属性的几个数值示例以确定哪些调整是可行的并且电极电压设置如何随着情况如何改变是有用的。在表2中概述了这种调整情况。
表2：使用表1的几何参数和动能为1000eV的离子针对图4C中所示的优选实施例的示例性电压设置。针对质荷比为m/q＝1000Th的离子给出了飞行时间。开路3-d轨迹的偏移ΔZOffset＝15.9mm。在情况1和情况2中未使用漂移方向上的聚焦。
在表2的情况1中，针对平面闭合轨道(ΔZOffset＝0)在1个匝上实现了完全(空间和能量)等时性。在情况2(图14A)中，对于ΔZOffset＝15.9mm的3维开路轨迹，电压设置在20.5个匝之后在点2处关于起点1处的初始离子速度δvy0和δvz0和坐标δy0提供了能量和部分空间等时性。未维持关于δz0的等时性。此外，由于在漂移方向上缺少聚焦，因此以δz0≠0开始的离子在通过系统的同时在漂移方向上逐渐与参考轨道偏离，这导致在该方向上的束大小随着匝数而增加(图14A)。为了最小化飞行时间的跨距以及漂移方向上的束大小并因此在引出期间可能的离子丢失，起点1处在Z方向上的束大小优选地尽可能小。由于缺少漂移聚焦，因此如果在漂移方向上没有额外的聚焦装置，则图4C中的实施例和图7至图10中的其他实施例具有有限的实际应用。使用不具有漂移聚焦的实施例受到漂移方向上足够小的束发射和足有小的多匝飞行路径这些情况的限制。这些系统优选地应当在其注入路径上具有至少一个透镜以最小化在多匝运动期间束大小的增加。
存在多种可以实现漂移聚焦(参见上文的定义)的方式。最一般地，可以通过场在(方位角)漂移方向上的周期性或非周期性变化来提供漂移聚焦。通常，这种场变化实质上比在漂移平面X-Y中引导离子的扇区场更弱。调整这种场变化的可能性是优选的，这是因为最佳漂移聚焦场参数通常取决于匝数以及注入和引出条件。产生漂移聚焦电势变化的电极优选地被定位在参考轨迹在X-Z漂移平面上的星形投影的顶点附近，其中，参考轨道的相邻匝在漂移方向上被最佳地分隔开。
漂移方向上的周期性场变化是优选的，这是因为通常它们提供了比非周期情况更好的等时属性。例如可以使用以下各项之一来实现这种变化。
·使用在(方位角)漂移方向上是周期性的小电极(电极段)集合(图13B)，其中，漂移方向上交替的可调谐电势优选地被施加到电极段以调整与漂移运动有关的漂移聚焦和等时属性；周期性电极段可以例如位于其他电极之间的漂移空间中或者并入到扇区场电极或在X-Y平面中聚焦的透镜电极中。在两种情况中的后一种情况下，所述可调谐电势优选地被叠加到所述电极的电势上。
·修改至少一对扇区场电极或透镜电极的几何结构使得该对中的电极的间距在漂移方向上周期性地变化。
·将在漂移方向上周期性的透镜集合并入到至少一对扇区场电极或者在X-Y平面中聚焦的透镜电极中或者并入到其他电极之间的漂移空间中。
·并入在漂移方向上产生电势的非零二阶和/或高阶导数的电极集合，该导数在该方向上是周期性的。所述电极可以被并入到其他电极中或者安装在其他电极之间的漂移空间中。
·其他周期性漂移聚焦的方式。
与周期性漂移聚焦类似，非周期性漂移聚焦选项包括以下各项之一：
·使用小电极(电极段)集合，其中，单独的可调谐电势被施加到所述段以在漂移方向上形成慢电势变化从而调整与漂移运动有关的漂移聚焦和等时属性；或者所述单独的可调谐电势被施加到所述电极段的所选子集以在漂移方向上函数局部聚焦；电极段可以例如位于其他电极之间的漂移空间中或者并入到扇区场电极(参见例如图13C)或在X-Y平面中聚焦的透镜电极中。在后一种情况下，所述可调谐电势被叠加到其他所述电极的电势上。
·修改至少一对扇区场电极或透镜电极的几何结构使得该对中的电极的间距在漂移方向上逐渐变化。
·将在漂移方向上聚焦的至少一个透镜并入到至少一对扇区场电极或在X-Y平面中聚焦的透镜电极中或者其他电极之间的漂移空间中。
·并入产生电势的正二阶导数和/或高阶导数的至少一个电极集合从而在漂移方向上产生聚焦。所述电极可以被并入到其他电极中或者安装在其他电极之间的漂移空间中。
·其他非周期性漂移聚焦的方式。
参照图13B，周期性电极段集合可以是优选的，这是因为它通常允许在漂移方向上产生不同类型的电势变化。通过将单独的电势施加到所选段上，可以在段上实现周期性的电势变化ΔVdrift(如图13B中所示)，该电势变化或者是逐渐改变的、或者被定位在一些方位角位置处等。在优选实施例中，段被并入到Y＝0(图4C)处的镜像对称平面X-Z中的扇区S2(图4F)的电极中，其中，参考轨道的相邻匝在漂移方向上最佳地分离。表2中的列3和列4给出了两个数值示例，这两个数值示例说明了如果大小≈20×17mm2(20mm是Y方向上的延伸)的2×82个段用于在(方位角)漂移方向上产生被叠加到电极S2的电势的周期性场变化，则实现漂移聚焦和完全等时性的电压设置。可以在示出了仿真的离子轨迹的图14B中清楚地看到漂移方向上的束聚焦。漂移方向上的束宽度随着匝数而振荡，与表2中未使用漂移聚焦的情况2(图14A)中不同，这种振荡的幅度是受限的。不仅针对从点2至点3的内部多匝运动(图14B)，而且还可以针对从点1至点4的注入和引出路径来实现完全等时性。
虽然图13A和图13B示出了在漂移方向上周期性定位的电极段集合，但是发明人已经发现，可以使用在(方位角)漂移方向上非周期性定位的更少数量的电极段(小电极，其优选地产生透镜效应)来达到良好的结果。
图13C示出了中间平面扇区S2的外电极(参见图4C)。在该示例中，外电极并入非周期性地定位在漂移平面X-z内的几个小电极(电极段)以在漂移方向上创建场变化。更具体地，在中间平面扇区S2的外电极中存在六个窗(虽然只能从图13C中看清楚五个窗)。六个漂移聚焦电极段安装在这六个窗内(针对每一个窗一个漂移聚焦电极)。漂移聚焦电极段优选地与扇区S2的扇区场电极隔离，并且优选地具有来自独立的电源(或者几个独立的电源)的电势(或多个电势)。对于图13C中所示的特定示例，优选地在中间平面扇区S2的内电极中不存在漂移聚焦电极段。这是因为发明人已经发现扇区的外电极上的漂移聚焦电极段自身可以提供足够的漂移聚焦，而无需扇区的内电极上的其他漂移聚焦电极段。其优点在于，一般地，与安装在扇区的内电极上的漂移聚集电极相比，用电线连接安装在外电极上的漂移聚集电极段更容易。在任意一种情况下，从简单的角度来看，具有数量减少的电极段通常是优选的。
给出上面的数值示例以仅用于说明的目的。为了考虑更实际的情况，必须在仿真中包括真实的注入和引出接口，包括例如聚焦透镜、束控制元件和可选的转向场。在图15A至图15C中针对注入情况示意性地示出了这些接口。通常，它们包括用于聚焦的至少一个透镜121、用于束控制的至少一个元件122和可选择的转向场124、126。整个系统的定时属性优选地被调整以最大化检测器处的质量分辨率。存在将系统的周期性部分(如图14A、图14B中所示)优化为能量和空间等时的特定优点。在这种情况下，系统从离子源到TOF检测器的剩余部分(不包括具有多匝的周期性部分)的定时属性可以独立于周期性部分被优化。在优化之后，通常可以在专用位置处添加周期性部分，并且最终的系统将被略微重新调整以在TOF检测器处得到最佳的定时属性。更一般地，优选地在TOF检测器位置处优化包括接口和周期性部分的整个系统。如果使用非空间等时弯曲接口(图15B、图15C)，则这是有用的。通过优化周期性部分和接口的电压设置，整个系统优选地能够被调整为在TOF检测器处是空间和能量等时的。例如，包括图4C中的周期性部分、图15B中的弯曲注入接口和类似的(或直线)引出接口的的系统优选地能够被调整为空间等时的。此外，优选地能够例如通过调整透镜L2-L3的电势来提供能量等时性。甚至更一般地，优选地能够使用包括初始束和离子源参数的整个系统的可变参数来优化TOF检测器处的定时属性。
总之，MT-TOF MS的定时属性优选地被调整为使得满足以下优选要求之一：
·离子沿着MT-TOF内的3维参考轨迹的多匝运动在两个内部起点和终点之间是空间等时的；
·离子沿着MT-TOF内的3维参考轨迹的多匝运动在两个内部起点和终点之间是空间和能量等时的；
·离子沿着包括MT-TOF的多匝部分和接口中的至少一个(注入或引出或这二者)的预定3D参考轨迹从起点到终点的运动是空间和能量等时的；
·离子的运动满足前述要求并且按泰勒展开的二阶项是能量等时的；
·MT-TOF设置被优化以在终点处达到最小飞行时间跨距；
在所有上述情况下，TOF检测器优选地位于终点处，而起点位于离子源处或内部。
在注入接口中使用透镜可以帮助在多匝之前在某一时刻对束横向相空间(δy0、δvy0)和(δz0或δvz0)进行成形，以例如最小化在多匝之后贡献飞行时间跨距的高阶象差。例如，在图4C中的优选实施例中，注入接口中的透镜优选地在图YB中的点2处(以大δvz0为代价)提供最小δz0和(以大δy0为代价)最小δvy0。或者换言之，注入接口的透镜优选地提供横向束发射与相应MT-TOF接受的匹配，以在多反射之后在等时点提供最小飞行时间跨距。
可以通过在漂移方向上改变通道数量或者针对每一个此类通道的匝数或者这二者来改变MT-TOF中的匝数并因此改变离子的飞行时间。优选地，在使用镜像电流检测器进行质量测量的情况下使用多通道模式。备选地，多通道模式可以例如用于具有有限质量范围的TOF质量测量。参照图15E，为了注入(引出)离子，优选地使扇区场电极的注入(引出)部分与电极的主部分电力无关。优选地，通过在注入(引出)部分中制造的小网格窗来注入或引出离子。在注入期间，注入电极上的电势优选地允许离子通过窗进入系统。类似地，在引出期间，电势优选地允许离子离开系统。为了在注入之后在MT-TOF中捕获离子并且使其在漂移方向上通过多通道，注入(引出)电极优选地被切换至在离子在方位角方向上第一次漂移期间在离子到达主电极之前主电极的电势。
接近注入或引出区域的电扇区场由于电极在方位角方向上的终止可能失真。在注入之后一个匝(或者在引出之前一个匝)之后的离子可能通过这种失真场(图15A)。如果场失真较高，则离子束的定时属性可能变差。为了对此进行补偿，散射场校正器可以被放置在注入离子和一个匝之后的离子的轨迹之间。参照图13D，一个此类校正器可以被制造为印刷电路板(PCB)上的迹线集合，每一个迹线具有相应独立电势。例如，可以通过划分两个主扇区场电极之间的电势差的电阻器链来定义电势在所述迹线上的分布。散射场校正器的另一个实施例是高阻抗导电材料，其电连接到主扇区场电极。
当使用单通道漂移时，通过第一个遇到的引出电极引出离子，注入和引出电极上的所有电势优选地是静态的并且允许注入和引出。在这种实施例中，仍然可以通过改变注入离子的偏移ΔZoffset(图14A、图14B)来改变匝数。参照图16A，束控制元件122可以用于改变ΔZoffset，使得可以在更小偏移处实现针对每一个通道的更大匝数。如果使用周期性漂移聚焦，则漂移方向上的场变化的周期和相位优选地在方位角方向上匹配新预定3D参考轨迹的定位，以实现所需的聚焦效应。作为备选，在场变化的固定周期和相位处，仅可以使用匹配场变化的有限数量的预定3D参考轨迹，针对该预定3D参考轨迹实现了漂移聚焦。
参照图16B，可以使用两个“反向偏转器”131使离子在方位角方向上的漂移反向，其中，优选地将“反向偏转器”131关于平面X-Z镜像对称地放置在MT-TOF的顶部和底部。如果在偏转器之前，离子正在逆时针方向上漂移，则偏转器优选地使离子漂移在顺时针方向上，反之亦然。因此，离子在前向方向和后向方向上通过方位角两次。虽然3D参考轨迹针对前向通道和后向通道在平面X-Z上的投影可以是相同的或者几乎相同，但是通常，真实的3D参考轨迹是不同的，在直接通道期间轨迹的各段位于Y＝0处的中间平面下方，在反向通道上，轨迹的各段位于Y＝0处的中间平面的上方，反之亦然。
备选地，可以使用放置在Y＝0处的中间平面中的单对转向板132来使漂移运动反向(图16B)。然而，使用放置在(X-Z)中间平面中的转向板132不是优选的，这是因为已经发现与使反向偏转器131关于X-Z平面镜像对称地放置相比，这产生相对差的质量分辨率。
具有一个或多个反向偏转器的质量分析仪可以被配置为在以下操作模式中的任意一个或多个中操作：
“OFF”模式，在该模式下，将一个或多个反向偏转器关闭；
“ON”模式，在该模式下，将一个或多个反向偏转器开启；
“混合”模式，在该模式下，部分地通过质量分析仪的周期将一个或多个反向偏转器关闭(从开启状态)或者开启(从关闭状态)，使得在周期期间产生的第一部分离子的漂移方向被反向并且在周期期间产生的第二部分离子的漂移方向未被反向。
“混合”模式的优选实现是部分地通过质量分析仪的周期关闭一个或多个反向偏转器(从开启状态)。在该情况下，第一部分离子(通常将是更轻更快的离子)的漂移反向将被反向，而第二部分离子(通常将是更重更慢的离子)的漂移方向将未被反向。因此，可以在前向方向(即，针对非反向离子的第一引出方向)上引出第二部分(更重的)离子，并且在反向方向(即，针对反向离子的第二引出方向)上引出第一部分(更轻的)离子。“混合”模式的优点在于，它可以用于缩短更重的(即，更慢的)离子的飞行路径(这通常是以这些离子的质量分辨率的下降为代价的)，这允许质量分析仪的每一个周期更短。在“混合”模式中，在切换反向转换器期间通常将丢失一小部分离子。
在这里，质量分析仪的“周期”可以被视为(由离子源产生的)离子束通过质量分析仪的时间段。
参照图9C、图9D，可以通过交换图4C中的轴X和Y然后绕新Y轴旋转平面电极来获得具有O形平面闭合轨道的另一优选实施例。与图9A、图9B中的实施例类似，它优选地包括关于Y轴旋转对称的扇区电极S1和S2以及透镜L1和L2。为了简化设计，优选地使扇区S2的电极圆对称。几何参数以及电压设置被调整为使系统针对预定3D参考轨迹是空间和能量等时的(图9D)。
参照图8A、图8B和图10A、图10B，可以通过旋转相应平面电极来获得具有数字8平面闭合轨道的其他优选实施例。为了调整此类系统的等时和聚焦属性，与上述情况类似，它们包括在弯曲方向和漂移方向聚焦的透镜电极。图8A、图8B和图10A、图10B的实施例在中间具有高密度离子轨迹的“腰部”。镜像电流提取电极可以优选地安装在腰部附近以最小化其大小并因此改善信噪比。
当在该说明书和权利要求中使用时，术语“包括”和“包含”、“含有”及其变形意味着包括指定的特征、步骤或整数。术语不应当解释为排除其他特征、步骤或整数的存在。
前述描述中或者所附权利要求或附图中公开的、用其特定形式或围绕用于执行所公开的功能的方式、或者用于获得所公开的结果的方法或过程所表述的特征视情况可以单独地或以此类特征的任意组合用于以其不同的形式实现本发明。
虽然已经结合上述示例性实施例描述了本发明，但是在不偏离所公开的广泛构思的情况下，本领域技术人员在考虑本公开时将清楚很多等同修改和变形。因此，在此许可的专利范围旨在仅由参照描述和附图解释的所附权利要求限定，而不受本文所述的实施例的限制。
下面的声明提供了本文的公开内容的一般表述。
A、一种多匝飞行时间静电质量分析仪，包括：
a)平面电极集合，在X-Y平面中形成二维静电场，其中，所述电极集合包括在所述X-Y平面中在至少一个透镜处使离子转向的至少一个静电扇区；
b)其中，所述电极集合被调整为在所述X-Y平面中提供闭合轨道，离子可以沿着该闭合轨道移动，从而在所述X-Y平面中在局部垂直于[横切于]所述闭合轨道的方向上经历稳定振荡；以及
c)其中，所述电极集合被调整为按泰勒展开的至少一阶项提供离子沿着所述X-Y平面中的所述闭合轨道相对于离子的初始横向速度和空间坐标的等时运动；以及
d)优选地，其中，所述电极集合可以被调整为按泰勒展开的至少一阶项提供X-Y平面中的离子相对于离子的初始纵向速度的等时运动；
e)其中，所述电极集合在第三漂移方向(Z)上延伸并且绕所述X-Y平面中的公共轴以恒定曲率半径弯曲，以形成3维场区域，从而允许所述Z方向上的离子沿着开路参考轨迹以漂移速度缓慢漂移，其中，漂移速度实质上小于所述X-Y平面中的离子的所述等时周期运动的速度；以及
f)其中，所述电极集合被调整为按泰勒展开的至少一阶项在所述开路参考轨迹的终点处提供相对于离子在所述开路参考轨迹的起点处的纵向速度的等时性；
B、如声明A所述的分析仪，其中，所述闭合轨道不与所述公共轴相交。
C、如声明A所述的分析仪，其中，所述闭合轨道在单个点处与所述公共轴相交。
D、如声明A所述的分析仪，其中，所述闭合轨道在两个点处与所述公共轴相交。
E、如声明A所述的分析仪，其中，所述闭合轨道在三个或更多个点处与所述公共轴相交。
F、如声明B至E中任意一项所述的分析仪，其中，所述平面电极和电压设置关于由所述轴X和所述轴Z定义的对称平面具有镜像对称性，所述轴Y是所述公共轴。
G、如声明F所述的分析仪，其中，所述至少一个所述静电扇区与所述镜像对称平面相交。
H、如声明B至G中任意一项所述的分析仪，其中，所述平面电极关于所述公共轴旋转对称地布置。
I、如声明B至G中任意一项所述的分析仪，其中，所述平面电极不在所述漂移方向上形成闭合场区域。
J、如声明B至I中任意一项所述的分析仪，其中，所述电极集合被调整为按泰勒展开的至少二阶项在所述开路参考轨迹的所述终点处提供相对于离子在所述开路参考轨迹的所述起点处的纵向速度的等时性；
K、如声明A至J中任意一项所述的分析仪，其中，至少一个电极集合在所述漂移方向上分成多个小电极(段)以沿着所述漂移方向提供静电场变化，从而用于在所述漂移方向上对离子进行空间聚焦的目的。
L、一种MT-TOF质谱仪，包括如声明A至K中任意一项所述的静电质量分析仪，并且还包括：
a)至少一个离子源；以及
b)形成短离子束以脉冲注入到所述质量分析仪的装置；以及
c)至少一个离子检测器，测量离子的飞行时间；以及
d)接口，将所述分析仪与所述至少一个离子源和所述至少一个离子检测器相连。
M、一种静电离子阱质谱仪，包括根据权利要求A至K中任意一项所述的静电质量分析仪，并且还包括：
e)至少一个离子源；以及
f)形成短离子束以脉冲注入到所述质量分析仪的装置；以及
g)用于在所述离子阱质谱仪中捕获离子的装置；以及
h)镜像电流检测装置，包括能够产生质谱的至少一个镜像电流检测器；以及
i)接口，将所述分析仪与所述至少一个离子源相连。
N、根据声明M所述的静电离子阱质谱仪，还包括：根据声明L所述的MT-TOF质谱仪的能够测量离子的飞行时间的装置。

Claims (37)

1.一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪包括：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
2.根据权利要求1所述的质量分析仪，其中，所述电极集合被配置为提供离子沿着所述3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的等时性。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的质量分析仪，其中，所述电极集合被配置为提供离子沿着所述3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的空间和/或能量等时性。
4.根据权利要求3所述的质量分析仪，其中，所述电极集合被另外配置为按泰勒展开的二阶项提供离子沿着所述3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的能量等时性。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述电极集合和/或注入接口被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述电极集合包括被配置为提供漂移聚焦以在沿着所述预定3D参考轨迹的一个或多个位置处在所述漂移方向上聚焦离子的电极。
7.根据权利要求6所述的质量分析仪，其中，所述被配置为提供漂移聚焦的电极包括以下各项中的任意一项或多项：
聚焦透镜；
周期性或非周期性透镜集合，被并入到至少一个静电扇区的电极中或之间；
电极集合，被周期性地或非周期性地定位在漂移方向上，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向；
一对旋转对称电极，在漂移方向上被分为多个小段，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向；和/或
产生静电场的装置，所述静电场的电势具有非零二阶导数和/或高阶导数，从而在漂移方向上产生聚焦，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向。
8.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述参考平面中的所述闭合轨道：
在单个点处与所述参考轴相交；
在两个点处与所述参考轴相交；或者
在三个或更多个点处与所述参考轴相交。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述参考平面中的所述闭合轨道不与所述参考轴相交。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述电极集合被布置为提供连续的3D静电场区域。
11.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述电极集合和所述电极集合的电压设置关于垂直于所述参考轴的中间平面具有镜像对称性。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述电极集合优选地沿着绕所述参考轴以恒定曲率半径弯曲的漂移路径延伸。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述电极集合包括被布置为形成与中间平面相交的至少一个静电扇区的电极。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述质量分析仪被配置为具有：
多通道操作模式，在所述多通道操作模式中，沿着具有闭合部分的预定3D参考轨迹引导离子，其中，所述离子重复通过所述预定3D参考轨迹的所述闭合部分多次；和/或
准多通道模式，在所述准多通道模式中，沿着开路的预定3D参考轨迹引导离子，其中，所述离子重复通过所述开路的预定3D参考轨迹的一部分多次，每一个重复部分关于前一个和/或后一个重复部分绕所述参考轴旋转较小角度。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述质量分析仪具有一个或多个偏转器，所述一个或多个偏转器被配置为在使用中使所述离子绕所述参考轴的漂移反向。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪，其中，所述质量分析仪具有至少一个散射场校正器，所述散射场校正器被配置为补偿由一个或多个电极集合在离子进入和/或离开所述质量分析仪的区域中的终止所引起的静电场失真。
17.根据权利要求16所述的质量分析仪，其中，所述散射场校正器或者每一个散射场校正器包括：
印刷电路板上的迹线集合，每一个迹线具有相应独立电势，例如，通过划分静电场要被校正的静电扇区的两个电极之间的电势差的电阻器链来定义电势在所述迹线上的分布；或者
高阻抗导电材料，电连接到静电场要被校正的静电扇区的两个主电极。
18.一种质谱仪，包括：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
根据前述权利要求中任意一项所述的质量分析仪；
可选择地，引出接口，用于将离子从所述质量分析仪引导至离子检测器；
离子检测器，用于在由所述离子源产生的离子已经沿着所述单个预定3D参考轨迹移动之后检测所述离子；
处理装置，用于基于所述离子检测器的输出获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
19.根据权利要求18所述的质谱仪，其中，所述离子源位于由所述空间布置的电极集合限定的外壳内。
20.根据权利要求18或19所述的质谱仪，其中，所述离子检测器位于由所述空间布置的电极集合限定的外壳内。
21.根据权利要求18至20中任意一项所述的质谱仪，其中，所述注入接口和/或引出接口是弯曲的，并且所述质谱仪被配置为提供由所述注入接口和/或引出接口引导的离子的等时性。
22.根据权利要求18至21中任意一项所述的质谱仪，其中，所述注入接口和/或引出接口是非弯曲的，并且所述质谱仪被配置为提供由所述注入接口和/或引出接口引导的离子的等时性。
23.根据权利要求18至22中任意一项所述的质谱仪，其中，所述注入接口和/或引出接口包括以下各项中的任意一项或多项，以对由所述离子源产生的离子进行聚焦、转向和/或平移：
多极透镜；
聚焦透镜；
偏转器。
24.根据权利要求18至23中任意一项所述的质谱仪，其中，所述离子源包括真空电离源或者大气压离子源。
25.根据权利要求18至24中任意一项所述的质谱仪，其中，
所述质谱仪是TOF质谱仪；
所述离子检测器包括飞行时间离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子通过所述质量分析仪的飞行时间的输出；以及
所述处理装置用于基于TOF离子检测器的输出来获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
26.根据权利要求18至25中任意一项所述的质谱仪，其中，
所述质谱仪是E阱质谱仪；
所述离子检测器包括镜像电流离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出；以及
所述处理装置用于基于分析对由所述离子源产生的离子所引起的镜像电流加以表示的输出，来获取对由所述离子源产生的离子的质荷比加以表示的质谱数据。
27.一种配置质量分析仪的方法，所述质量分析仪具有：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
其中，所述方法包括：
配置所述质量分析仪，使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，配置所述质量分析仪包括：
调整所述电极集合以提供离子沿着所述参考平面中的闭合轨道移动的等时性；以及
进一步调整所述电极集合以提供离子沿着所述3D参考轨迹在所述3D参考轨迹的起点与所述3D参考轨迹的终点之间移动的等时性。
29.一种操作质量分析仪的方法，所述方法包括：
使用包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极的电极集合来提供3D静电场区域，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸；
沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
30.一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪包括：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域。
31.一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪包括：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的静电场区域沿着单个预定参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子；
至少一个散射场校正器，被配置为补偿由一个或多个电极集合在离子进入和/或离开所述质量分析仪的区域中的终止所引起的静电场失真；
其中，所述散射场校正器或每一个散射场校正器包括：
印刷电路板上的迹线集合，每一个迹线具有相应独立电势，其中，通过划分静电场要被校正的静电扇区的两个电极之间的电势差的电阻器链来定义电势在所述迹线上的分布；或者
高阻抗导电材料，电连接到静电场要被校正的静电扇区的两个主电极。
32.一种在质谱仪中使用的质量分析仪，所述质量分析仪包括：
电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着单个闭合的预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子；
其中，所述电极集合优选地包括被配置为提供漂移聚焦的电极，所述被配置为提供漂移聚焦的电极包括以下各项中的任意一项或多项：
聚焦透镜；
周期性或非周期性透镜集合，被并入到至少一个静电扇区的电极中或之间；
电极集合，被周期性地或非周期性地定位在漂移方向上，所述漂移方向被定义为关于所述参考轴的局部旋转方向；
一对电极，在被定义为所述漂移路径的局部方向的漂移方向上延伸，在漂移方向上被分为多个小段；和/或
产生静电场的装置，所述静电场的电势具有非零二阶导数和/或高阶导数，从而在漂移方向上产生聚焦，所述漂移方向被定义为所述漂移路径的局部方向。
33.一种TOF质谱仪，包括：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
质量分析仪，具有电极集合，包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域，其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，引出接口，用于将离子从所述质量分析仪引导至离子检测器；
飞行时间离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子通过所述质量分析仪的飞行时间的输出；
处理装置，用于基于所述飞行时间离子检测器的输出获取表示由所述离子源产生的离子的质荷比的质谱数据。
34.一种E阱质谱仪，包括：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
质量分析仪，具有电极集合，所述电极集合包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
可选择地，引出接口，用于将离子从所述质量分析仪引导至离子检测器；
镜像电流离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的所述3D静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的单个预定3D参考轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
35.一种E阱质谱仪，包括：
离子源，用于产生具有不同初始坐标和速度的离子；
可选择地，注入接口，用于将由所述离子源产生的离子引导至质量分析仪中；
质量分析仪，具有电极集合，所述电极集合包括被布置为形成至少一个静电扇区的电极，所述电极集合在空间上被布置为能够在参考平面中提供适合于沿着所述参考平面中的闭合轨道引导离子的静电场，其中，所述电极集合沿着局部垂直于所述参考平面并且绕参考轴弯曲的漂移路径延伸，使得在使用中，所述电极集合提供了3D静电场区域；
镜像电流离子检测器，用于产生表示由所述离子源产生的离子所引起的镜像电流的输出；
其中，所述质量分析仪被配置为使得在使用中，由所述电极集合提供的静电场区域沿着绕所述参考轴弯曲的不同3D轨迹引导具有不同初始坐标和速度的离子。
36.一种装置，实质上如在本文中参照附图所述以及在附图所示的任意一个实施例所述。
37.一种方法，实质上如在本文中参照附图所述以及在附图所示的任意一个实施例所述。
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