CN104160474A - 用于提高质谱仪中的灵敏度的方法及设备 - Google Patents

Abstract

在高压区域中产生离子且将所述离子传递到真空室中，所述真空室具有入口孔隙及出口孔隙。所述入口孔隙的配置及所述高压区域与所述真空室之间的压力差提供具有预定直径的桶形冲击波的超音速自由射流扩张。在所述入口孔隙与出口孔隙之间提供具有界定内体积的预定横截面的至少一个离子引导件，其中所述至少一个离子引导件的所述横截面经定大小为所述超音速自由射流扩张的所述桶形冲击波的所述预定直径的至少50％。向所述至少一个离子引导件提供RF电压。在所述至少一个离子引导件的第一区段中降低径向气体传导性以阻尼由所述超音速自由射流扩张引起的冲击波。

Description

用于提高质谱仪中的灵敏度的方法及设备

相关申请案

本申请案主张2012年2月1日申请的第61/593，580号美国临时申请案的优先权，所述临时申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请人的教示涉及用于提高质谱仪中的灵敏度的方法及设备，且更具体来说涉及用于运送离子的离子引导件。

背景技术

在质谱分析中，在离子化步骤中使用离子源将样本分子转换成离子，且接着在质量分离及检测步骤中通过质量分析器检测所述离子。对于大多数大气压离子源来说，离子在进入真空室中的离子引导件之前穿过入口孔隙。离子引导件运送来自离子源的离子且将所述离子聚集到后续真空室中，且可向离子引导件施加射频信号以提供离子在离子引导件内的径向聚集。然而，在通过离子引导件运送离子期间，可能发生离子损失。因此，希望提高沿着离子引导件的离子运送效率并在运送期间防止离子损失以获得高灵敏度。

发明内容

鉴于上文，本申请人的教示提供一种用于执行质量分析的质谱仪设备。所述设备包括：离子源，其用于在高压区域中(例如，在大气压下)从样本产生离子；及真空室，其用于接收所述离子。所述真空室具有入口孔隙，其用于将来自高压区域的离子传递到真空室中。所述真空室还具有出口孔隙，其用于传递来自真空室的离子，其中入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张。所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波和马赫盘(Mach disc)，所述自由射流扩张夹带离子且将所述离子运送到真空室中。在各种方面中，所述设备还包括具有界定内体积的预定横截面的至少一个离子引导件，其中所述至少一个离子引导件的横截面经定大小为超音速自由射流扩张的桶形冲击波的预定直径的至少50％。所述至少一个离子引导件可在真空室中定位在入口孔隙与出口孔隙之间，使得当向所述至少一个离子引导件施加RF电压(由RF电力供应器供应)时，超音速自由射流中的离子可被径向约束在所述至少一个离子引导件的内体积内且被聚集并被引导到出口孔隙。在各种方面中，可在至少一个离子引导件的第一区段中降低径向气体传导性以阻尼由超音速自由射流扩张引起的冲击波。在各种实施例中，可围绕所述至少一个离子引导件的长度的至少第一部分提供用于降低径向气体传导性的绝缘套管以阻尼由超音速自由射流扩张引起的冲击波。

在各种方面中，提供一种质谱仪，其包括：离子源，其用于在高压区域中(例如，在大气压下)从样本产生离子；及真空室，其用于接收所述离子。所述真空室具有入口孔隙，其用于将来自高压区域的离子传递到真空室中。所述真空室还具有出口孔隙，其用于传递来自真空室的离子，其中入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张。所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波及马赫盘，所述自由射流扩张夹带离子且将所述离子运送到真空室中。在各种方面中，所述设备还包括所述入口孔隙与所述出口孔隙之间的至少一个离子引导件，所述至少一个离子引导件具有界定内体积的预定横截面，其中所述至少一个离子引导件的横截面经定大小为超音速自由射流扩张的桶形冲击波的预定直径的至少50％。所述至少一个离子引导件包括具有多个细长电极的至少一个多极离子引导件，其中所述细长电极之间的间隔减小到小于0.2R₀的距离，其中R₀为所述电极之间的内切圆的半径。可提供电力供应器以向所述至少一个离子引导件提供RF电压以用于将所述离子径向约束在至少一个离子引导件的内体积内。

在各种实施例中，提供一种用于执行质量分析的系统，所述系统包括离子源，其用于在高压区域中从样本产生离子。在各种实施例中，所述离子可传递到真空室中，所述真空室包括：入口孔隙，其用于将来自高压区域的离子传递到真空室中；及出口孔隙，其用于传递来自所述真空室的离子，其中入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张，所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波。在各种方面中，至少一个较高阶多极离子引导件可位于入口孔隙与出口孔隙之间，所述至少一个离子引导件包括导线及电力供应器以向所述至少一个离子引导件施加RF电压以将离子径向约束在至少一个离子引导件的内体积内，其中在邻近导线之间施加相反RF相位。

本申请人的教示还提供一种用于执行质量分析的方法。所述方法包括在高压区域(例如，在大气压下)从样本产生离子及将离子传递到定位在离子源下游用于接收离子的真空室中。所述真空室具备用于将来自高压区域的离子传递到真空室中的入口孔隙及用于传递来自所述真空室的离子的出口孔隙。入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张。所述超音速自由射流扩张具有预定直径的桶形冲击波和马赫盘。穿过入口孔隙的离子由在真空室中产生的超音速自由射流扩张夹带。所述方法进一步包括在入口孔隙与出口孔隙之间提供至少一个离子引导件。在各种方面中，所述至少一个离子引导件可具有界定内体积的预定横截面。在各种实施例中，所述至少一个离子引导件可经定大小以径向约束超音速自由射流扩张以便捕获实质上所有离子，且所述至少一个离子引导件经定大小为超音速自由射流扩张的桶形冲击波的预定直径的至少50％。所述方法进一步包括向所述至少一个离子引导件施加RF电压以将所述离子径向约束在所述至少一个离子引导件的内体积内。在各种方面中，所述方法还包括在所述至少一个离子引导件的第一区段中降低径向气体传导性以阻尼由超音速自由射流扩张引起的冲击波。

在各种方面中，提供一种方法，所述方法包括提供离子源以在高压区域中(例如在大气压下)从样本产生离子及提供真空室以用于接收所述离子。所述真空室具有入口孔隙，其用于将来自所述高压区域的离子传递到所述真空室中。所述真空室还具有出口孔隙，其用于传递来自所述真空室的离子，其中入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张。所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波及马赫盘，所述自由射流扩张夹带离子且将所述离子运送到真空室中。在各种方面中，所述方法还包括在入口孔隙与出口孔隙之间提供至少一个离子引导件，所述至少一个离子引导件具有界定内体积的预定横截面，其中所述至少一个离子引导件的横截面经定大小为超音速自由射流扩张的桶形冲击波的预定直径的至少50％。所述至少一个离子引导件包括具有多个细长电极的至少一个多极离子引导件，其中所述细长电极之间的间隔减小到小于0.2R₀的距离，其中R₀为所述电极之间的内切圆的半径。可提供电力供应器以向所述至少一个离子引导件提供RF电压以用于将所述离子径向约束在至少一个离子引导件的内体积内。

在各种实施例中，提供一种用于执行质量分析的方法，所述方法包括提供离子源以在高压区域中从样本产生离子。在各种实施例中，所述离子可传递到真空室中，所述真空室包括：入口孔隙，其用于将来自高压区域的离子传递到真空室中；及出口孔隙，其用于传递来自真空室的离子，其中入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张，所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波。在各种方面中，在入口孔隙与出口孔隙之间提供至少一个较高阶多极离子引导件，所述至少一个离子引导件包括导线且提供电力供应器以向所述至少一个离子引导件施加RF电压以将所述离子径向约束在所述至少一个离子引导件的内体积内，其中在邻近导线之间施加相反RF相位。

在本文中阐述本申请人的教示的这些及其它特征。

附图说明

所属领域的技术人员将理解下文描述的图式仅用于说明目的。图式不希望以任何方式限制本申请人的教示的范围。

图1A为根据本申请人的教示的各种实施例的质谱仪的示意图；

图1B为根据本申请人的教示的各种实施例的图1A的实施例的离子引导件的横截面图；

图2为根据本申请人的教示的各种实施例的超音速自由射流扩张的示意图。

图3为根据本申请人的教示的各种实施例的离子引导件的横截面图；

图4示意性地说明根据本申请人的教示的离子引导件且展示根据本申请人的教示的各种实施例的离子引导件的横截面图；

图5示意性地说明根据本申请人的教示的离子引导件且展示根据本申请人教示的各种实施例的离子引导件的横截面图；

图6示意性地说明根据本申请人的教示的一系列离子引导件且展示根据本申请人的教示的各种实施例的所述系列的离子引导件的横截面图；

图7示意性地说明离子引导件且展示根据本申请人的教示的各种实施例的所述离子引导件的横截面图；

图8示意性地说明根据本申请人的教示的各种实施例的离子引导件；

图9示意性地说明根据本申请人的教示的各种实施例的离子引导件的端视图及侧视图；

图10示意性地说明根据本申请人的教示的各种实施例的离子引导件；

图11示意性地说明根据本申请人的教示的各种实施例的离子引导件。

在图式中，相同参考数字指示相同部分。

具体实施方式

应理解，除非上下文另外清楚指示，否则参考各种元件结合本申请人的教示使用的短语“一(a)”或“一(an)”涵盖“一或多个”或“至少一个”。提供一种用于执行质量分析的方法及设备。首先参考图1A，其示意性地展示由参考数字20大体上指示的质谱仪。质谱仪20包括离子源22，其用于从所关注样本(未展示)产生离子30。离子源22可定位在含有背景气体(未展示)的高压P0区域(大体上在24处指示)中，而离子30在箭头38所指示的方向上朝向真空室26行进。离子通过入口孔隙28进入室26，其中离子由超音速气体流(通常称为超音速自由射流扩张34)夹带，如(例如)以引用方式并入本文中的本申请人的美国专利7,256,395及7,259,371中所描述。真空室26进一步包括定位在入口孔隙28下游的出口孔隙32及定位在孔隙28、孔隙32之间的至少一个离子引导件36，离子引导件36用于径向约束、聚集及传输来自超音速自由气体射流34的离子30。在各种方面中，至少一个多极离子引导件36的杆可包括如图1B中展示的圆形细长电极39。图1A中的出口孔隙32展示为室间孔隙，所述室间孔隙使真空室26(也称为第一真空室26)与下一个或第二个真空室45(其可容纳额外离子引导件或质量分析器44)分离。本申请人的教示中的典型质量分析器44可包含四极质量分析器、离子阱质量分析器(包含线性离子阱质量分析器)及飞行时间质量分析器。真空室26中的压力P1可由泵42维持，且电力供应器40可连接到至少一个离子引导件36来以已知方式提供RF电压。至少一个离子引导件36可为具有预定横截面的一组四极杆(如图1B中展示)，其特征为具有如参考字母D所指示的直径的内切圆沿着至少一个离子引导件36的轴向长度延伸以界定内体积37。在各种方面中，直径D可沿着离子引导件的长度变化。在各种实施例中，至少一个离子引导件可具有界定内体积的预定横截面；其中所述至少一个离子引导件的横截面经定大小为超音速自由射流扩张的桶形冲击波的预定直径的至少50％。离子30最初可穿过孔幕气体区域，在此项技术中已知所述孔幕气体区域一般用于执行去溶剂化及阻挡不需要的颗粒进入真空室。

如图2中所展示，入口孔隙28下游的超音速自由射流扩张可包括预定直径的桶形冲击波。所述扩张包括同心桶形冲击波46且由称为马赫盘48的垂直冲击波终止。当离子30通过入口孔隙28进入真空室26时，其被夹带在超音速自由射流34中且因为桶形冲击波46的结构界定气体及离子在其中扩张的区域，所以穿过入口孔隙28的实质上所有离子30被约束到桶形冲击波46的区域。大体上应理解，马赫盘48下游的气体可再扩张且形成与初级桶形冲击波46及初级马赫盘48相比稍逊界定的一系列一或多个后续桶形冲击波及马赫盘。

超音速自由射流扩张34可大体上由桶形冲击波直径Db(通常定位在最宽部分处，如图2中指示)及马赫盘48的下游位置Xm(如从入口孔隙28测量，更精确地从入口孔隙28的产生音波表面的喉部29测量)来描绘特征。如此项技术中所知，Db及Xm尺寸可从入口孔隙的大小(即，直径Do)、离子源P0处的压力及从真空室中的压力P1来计算。在各种方面中，为实现高灵敏度，可增大入口孔隙。然而，在使用较大入口孔隙的情况下(例如使用具有大于约0.6mm的直径的入口孔隙)，气体动力学及冲击波可能影响离子聚集，这可降低灵敏度。可通过将第二真空室45中的压力测量为第一室26中的压力的函数及通过将质谱仪中的离子信号测量为所述第一室中的压力的函数来观察冲击波在所述室中的存在。当压力改变时，冲击波可由压力及离子信号强度的突然非线性变化指示。压力的小幅上升可引起离子信号急剧下降，这是存在影响离子聚集及传输的冲击波的指示。此效应是不合意的，这是因为真空压力的小幅变化可引起灵敏度的大幅下降。本申请人已发现冲击波由超音速自由射流与离子引导件电极之间的相互作用产生。本申请人已发现用于在至少一个离子引导件的第一区段中提供径向方向上的降低的气体引导性的方法及设备可阻尼掉冲击波且可提供更可预测且受控的压力场及离子流。本申请人还发现提高径向气体传导性使得电极不与自由射流扩张相互作用或不干扰自由射流扩张或不阻碍自由射流扩张也可减少或消除冲击波。

在各种实施例中，如图1中展示的绝缘套管50可用于降低径向气体传导性。在各种方面中，所述套管可围绕至少一个离子引导件36的至少第一部分以阻尼由超音速自由射流扩张引起的冲击波。

在各种方面中，所述套管可至少包括超音速自由射流扩张的长度。在各种实施例中，套管的长度可在约5mm与约30mm之间。在各种实施例中，套管的直径可包括至少一个离子引导件的大约外径。在各种方面中，套管可包括绝缘材料。在各种方面中，套管可包括特氟龙(teflon)套管。

在各种实施例中，至少一个离子引导件包括具有多个细长电极的至少一个多极。在各种方面中，所述至少一个多极离子引导件可包括具有四个细长电极的四极、具有六个细长电极的六极、具有八个细长电极的八极或更高数目的极或其任何组合。在各种实施例中，所述至少一个离子引导件可包括一系列多极离子引导件。在各种方面中，所述系列的多极离子引导件可包含四极、六极、八极或更高数目的极。所述极可为带有此项技术中大体上已知的RF电压的细长电极。含有更大数目的极或不同形状的电极的其它配置也是可行的。举例来说，所述电极可包括导线或杆且可具有正方形或平坦的横截面而非圆形横截面，或所述电极可具有沿着伸长长度变化的横截面。在各种实施例中，所述极可为多个电极区段，其连接到对应电力供应器以在邻近区段之间提供差分场。在各种实施例中，所述至少一个离子引导件可包括环形离子引导件或离子漏斗，在环之间具有降低的径向气体传导性。

在各种实施例中，入口孔隙可为圆形的且可包括约0.1mm与约2mm之间的直径。在各种方面中，圆形入口孔隙可包括约0.7mm的直径。

在各种实施例中，所述至少一个离子引导件的预定横截面可形成内切圆且可包括约3mm与约15mm之间的直径。

在各种方面中，真空室可包括约1托与约20托之间的压力。在各种实施例中，真空室可包括约3托的压力。

在各种实施例中，用于在至少一个离子引导件的第一区段中提供降低的径向气体传导性(此可阻尼掉扩张冲击波)的方法及设备可包括至少一个离子引导件，其包括具有多个细长电极的至少一个多极离子引导件，其中细长电极之间的间隔可减小到小于0.8R₀/n的距离，其中R₀为电极之间的内切圆的半径且n为电极数目。在各种方面中，可提供用于在高压区域中从样本产生离子的离子源。在各种实施例中，可存在方法及设备，其中提供真空室，所述真空室包括：入口孔隙，其用于将来自高压区域的离子传递到真空室中；及出口孔隙，其用于传递来自所述真空室的离子；其中入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张，所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波。在各种方面中，可在入口孔隙与出口孔隙之间提供至少一个离子引导件，所述至少一个离子引导件具有界定内体积的预定横截面，其中所述至少一个离子引导件的横截面经定大小为超音速自由射流扩张的桶形冲击波的预定直径的至少50％。所述至少一个离子引导件可包括具有多个细长电极的至少一个多极离子引导件，其中所述细长电极之间的间隔减小到小于0.2R₀的距离，且其中R₀为所述电极之间的内切圆的半径。在各种实施例中，可提供电力供应器，所述电力供应器可向至少一个离子引导件提供RF电压以用于将所述离子径向约束在至少一个离子引导件的内体积内。在各种方面中，所述至少一个多极离子引导件可选自具有四个细长电极的四极离子引导件、具有六个细长电极的六极离子引导件、具有八个细长电极的八极离子引导件及其任何组合。在各种方面中，至少一个多极离子引导件的杆选自八极细长电极及圆形细长电极中的一者。在各种方面中，细长电极之间的间隔在约0.4mm与约1.5mm之间。在各种实施例中，细长电极之间的间隔可沿着至少一个离子引导件的长度维持至少约5cm的距离。在各种方面中，细长电极包括突起。在各种方面中，突起包括小于杆在垂直于纵轴的最长维度上的宽度的大约一半的宽度且高度大于约1mm。在各种方面中，至少一个多极离子引导件包括一系列多极离子引导件。在各种方面中，入口孔隙是圆形的且具有约0.1mm与约2mm之间的直径。在各种方面中，圆形入口孔隙包括约0.7mm的直径。在各种方面中，预定横截面形成内切圆且具有约3mm与约15mm之间的直径。在各种方面中，真空室具有约1托与约20托之间的压力。在各种方面中，真空室具有约3托的压力。在各种方面中，至少一个离子引导件包括第一离子引导件，所述第一离子引导件之后是第二离子引导件，其中第二离子引导件包括小于第一离子引导件的直径。在各种方面中，第二离子引导件包括具有在离子流的方向上朝向轴倾斜的内表面的电极。在各种方面中，第二离子引导件内的内切圆的直径在入口处为约4mm且在出口处为约2mm。

在各种实施例中，多极可包括四极且细长电极之间的间隔可在约0.4mm与约1.5mm之间。在各种方面中，细长电极之间的间隔可沿着至少一个离子引导件的长度维持至少约5cm的距离。

在各种实施例中，至少一个多极离子引导件的杆可包括如图3中展示的圆形细长电极。在图3中，R为细长电极的半径，R₀为电极之间的内切圆62的半径或四极的中心轴与电极的内表面之间的距离，且x为细长电极之间的间隙或间隔。在各种实施例中，四极的圆形细长电极之间的间隔可减小到小于0.2R₀的距离。在各种方面中，至少一个多极离子引导件36的杆可包括如图4中展示的扁圆细长电极52。

在各种方面中，细长电极包括突起54，如图5中所展示。在各种实施例中，突起包括小于杆在垂直于纵轴的最长维度上的宽度的大约一半的宽度且高度大于约1mm。突起可提供增加的电场强度以实现更好的离子聚集。

在各种实施例中，至少一个离子引导件包括第一离子引导件36，第一离子引导件36之后是第二离子引导件56，其中第二离子引导件包括小于第一离子引导件的直径，如图6中所展示。举例来说，图6展示包括扁圆四极电极52的第一离子引导件及包括圆形四极电极58的第二离子引导件56，但极的数目及形状的任何组合是可行的。

在各种方面中，第二离子引导件可包括具有在离子流的方向上朝向轴倾斜的内表面的电极。在各种实施例中，第二离子引导件内的内切圆60的直径在入口处为约4mm且在出口端为约2mm。

在各种实施例中，入口孔隙可为圆形的且可包括约0.1mm与约2mm之间的直径。在各种方面中，圆形入口孔隙可包括约0.7mm的直径。

在各种实施例中，至少一个离子引导件的预定横截面可形成内切圆且可包括约3mm与约15mm之间的直径。在各种实施例中，至少一个离子引导件的预定横截面可形成内切圆且可包括约7mm的直径。

在各种方面中，真空室可包括约1托与约20托之间的压力。在各种实施例中，真空室可包括约3托的压力。

在各种实施例中，提供一种方法及设备，其包括离子引导件，所述离子引导件具有由面向内的针状物或细长电极组成的圆柱形表面，其中交变RF相位沿着径向表面且沿着圆柱体的轴向表面，从而呈现针插象差效应及在表面附近较强且朝向中心减弱的RF场。来自RF场的梯度(约)的伪力可较强，从而抵消向外的气体阻力。在各种方面中，几何形状可允许可避免需要在每一针状物之间使用绝缘体的简化构造。在各种实施例中，几何形状可允许提供强RF的可能性且适度地使需要约束离子的入口附近的RF表面光滑，移动到出口附近的四极场几何形状，其可提供朝向轴的更好的聚集。几何形状可通过朝向轴移位一组针状物来提供轴向场。其还可允许所述场向内渐细，这可提供漏斗效应。

参考图7，其举例说明本申请人的教示的各种实施例。在图7以纵向横截面图大体上展示针状物离子引导件64。离子进入离子引导件的前部，如方向66展示。图7的底部展示引导件72的第一部分的横向横截面，其由围绕圆形的圆周安置的十二个针状物组成。连接RF电力供应器40以向如所展示的邻近针状物76及78提供相反相位的RF电压(大体上指示为正“+”及负“-”)，其中指示为正“+”的所有针状物连接在一起且指示为负“-”的所有针状物连接在一起。具有RF电压的十二个针状物围绕圆周产生径向十二极场。在引导件72的第一部分中，也在轴向邻近针状物之间施加相反极性或相反相位(即，180°异相)的RF相位(如图7的顶部中展示)，并且在径向邻近针状物之间施加相反极性或相反相位(即，180°异相)的RF相位(如上文描述且在图7的底部中展示)，从而提供轴向及径向RF场。在引导件74的第二部分(其包括围绕圆周的4个针状物)中，可维持邻近轴向针状物之间的相同极性以使得轴向对准针状物可具有相同极性，这可提供更纯的四极场。在各种配置中，可在轴向方向上的邻近针状物之间施加相反相位。

在各种实施例中，可沿着整个长度维持12针状物配置。在各种方面中，可沿着长度的至少一部分维持具有围绕圆周的8n+4个针状物的配置，其中n＝1，2，3......，等等。在各种配置中，如所展示，由离子引导件的针状物形成的内部形状可为扁圆或矩形的而非圆形的，以便适应非圆形的离子束形状或形成非圆形的出口束。

在各种方面中，可将渐细几何形状应用到任何配置，使径向间隔朝向出口降低以提供聚集。

为提供轴向场，可向其施加一个RF相位的一组针状物可略微进一步突出到空间中。结合所述组针状物上的不同DC电压，可产生轴向场，如图8中展示。一个相位的针状物可朝向轴进一步突出，其中突出量沿着轴增加，如由虚线80大体上展示。如所述实例中在图8的底部处所展示，可向两组针状物中的每一者提供不同的DC电压[正(+)及负(-)RF相位]，其中+20V施加到正的针状物组且+15V施加到负的针状物组。这可提供轴向电场。可通过控制针状物的突出的角度(虚线80的角度)及两组针状物之间的DC电位差异来调整轴向场强度。

在各种方面中，对每一相位的两组针状物的支撑可通过具有适当定位的孔的两个同轴圆柱体来提供，如图9中展示。图9在左侧展示用于针状物的圆柱形支撑物的端视图且在右侧展示用于针状物的圆柱形支撑的侧视图。内圆柱体82可具有供针状物穿过的穿通孔86。外圆柱体84可具有允许安装内针状物的穿通孔88。可通过圆柱体中的孔图案及通过针状物的长度界定针状物的位置及配置。

在各种实施例中，两个圆柱形支撑物可使用远离离子路径的绝缘体来间隔。如果电阻分压器沿着轴所产生的明确DC梯度对于产生轴向场是必需的，那么可并入个别电阻器及电容器。然而，轴向场的几何产生可为足够的。

在各种方面中，离子引导件在内侧上可看起来像针垫。可以实验方式或通过仿真来优化针状物的间隔及定位。在各种方面中，离子引导件的前区段中的小针状物的直径可为0.5mm。在各种方面中，大针状物的直径可为2mm。

当通过进入真空的孔隙从大气压离子源取样离子时，所述离子在高速发散气体射流中扩张，必须从所述气体射流提取并聚集离子。更大的孔口直径提供更高的离子通量，但也引起更高的气体压力且因此引起对离子的更多阻力，为聚集离子，必须克服所述阻力。此外，更大的孔口直径使得避免将污染物、簇、颗粒及微滴引入真空室更加困难。这些杂质可沉淀在RF离子引导件元件及透镜上，从而引起可充电的绝缘层，导致灵敏度损失。希望提供较强的密闭及聚集来从发散气体流提取离子，从而允许气体被径向泵离，同时轴向约束及聚集离子。还希望产生较强密闭电场而不引入可限制气体流且可被杂质污染的电极表面。

本申请人的教示提供一种由具有小直径电极的RF离子引导件组成的方法及设备。在各种方面中，所述电极可为细导线。在各种实施例中，所述细导线的直径可为约0.01mm到约0.5mm。此类小直径横穿流的较小部分，且较少被夹带的物质(例如微滴及颗粒)将沉淀在电极上。另外，因为表面电荷感应场相比于所施加电压的相对值，沉淀且变为充电的任何材料可对离子运动具有较小影响。电极的表面积越小，表面电荷的影响就越小。此提高可从电极之间的面积相比于电极表面积的比率的增加来导出。

由4根导线形成的四极可能不足以提供有效密闭场，这是因为电场(对于导线上的相同电压)过弱。在某种程度上，可通过增大导线上的电压来缓解此现象，但在更远离轴的区域中所述场可能过弱。所施加电压不应过高而引起放电或形成电弧，其可在1托的压力下在高于300V或400V的电压下发生。增加围绕内切圆的相同直径的导线的数目可增大密闭场。更大数目的导线(其中在邻近导线之间具有相反RF相位)可产生更高阶的多极场。举例来说，其可含有但不限于12根定位在同一内切圆上的导线。具有足够数目的导线或小直径的导线多极可提供允许气体及颗粒逸出的小表面积但仍可提供足够强的电场来将离子密闭在离子引导件内。因此，包括12根或多达100根导线的高阶多极可为离子提供强密闭场，同时呈现不阻碍气体流且不会被污染的小表面积。

高阶多极通常不能提供到小束直径的强聚集。为实现此聚集，理想的几何形状为四极场。因此，可使多极平稳过渡到较小直径的四极。在离子引导件的前部附近(此处气压及速度较高)可能需要由高阶多极提供的强密闭。随着离子热化且气体密度及速度下降，对强径向密闭的需要下降且四极场可提供离子聚集。

在各种实施例中，提供一种用于执行质量分析的方法及系统，其包括提供用于在高压区域中从样本产生离子的离子源。在各种实施例中，所述离子可传递到真空室中，所述真空室包括：入口孔隙，其用于将来自高压区域的离子传递到真空室中；及出口孔隙，其用于传递来自所述真空室的离子，其中入口孔隙的配置及高压区域与真空室之间的压力差提供入口孔隙下游的超音速自由射流扩张，所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波。在各种实施例中，在入口孔隙与出口孔隙之间提供至少一个较高阶多极离子引导件，所述至少一个离子引导件包括导线，且提供电力供应器，所述电力供应器用于向所述至少一个离子引导件施加RF电压以将所述离子径向约束在所述至少一个离子引导件的内体积内，其中在邻近导线之间施加相反RF相位。在各种方面中，导线多极离子引导件从真空室朝向出口汇聚，以形成比在真空室的入口附近形成的多极离子引导件更低阶的多极离子引导件。在各种实施例中，所述更低阶多极离子引导件包括四极。在各种方面中，可以与导线多极离子引导件的轴所成的某个角度引导超音速自由射流扩张。在各种实施例中，超音速自由射流扩张与导线多极离子引导件的轴之间的角度可在约1度与约10度之间。在各种方面中，可使孔隙的平面倾斜以便以与多极离子引导件的轴所成的某个角度引导自由射流。在各种实施例中，导线多极离子引导件中的导线的直径可为约0.01mm到约0.5mm。

在各种方面中，本申请人的教示包括一种导线离子引导件，其以较高阶多极开始且平稳过渡到四极。本申请人的教示可在离子引导件的前部处为取样离子提供更强的密闭且在出口处提供到四极的平稳过渡，此可更强力的聚集离子。如图10(其展示离子引导件90)中举例说明，十二根导线92在入口附近形成十二极，其在图10的左侧部分中以横向于轴的横截面展示。实心圆形组表示连接到RF电力供应器(未展示)的正(+)相的六根导线组，且灰色阴影圆形组表示连接到RF电力供应器的负(-)相的六根导线组。在一些配置中，所述导线中的四根可朝向出口平稳汇聚(如表示导线中的两根(另两根导线未在此视图中展示)的两根虚线展示)，从而在出口附近形成四极场。其它八根导线可与轴平行。仅在图10中展示十二根导线中的两根，应理解导线连接入口及出口处的导线的位置的入口及出口表示。图10中展示的配置在入口附近导致十二极场且在出口附近导致四极场。离子束可通过此配置朝向出口聚集。

在各种实施例中，可在入口附近使用多根导线。举例来说，在各种方面中，12、20、28等等最多100根导线或更多根导线可位于入口附近。在各种实施例中，本申请人的教示还可包括汇聚多极，其中所有导线朝向出口汇聚。在各种实施例中，所述导线中的一些可朝向出口汇聚以形成比出口附近形成的多极更低阶的多极，而其它导线保持与轴平行，或在到达多极的末端之前终止。在各种方面中，横截面可为椭圆或矩形的或具有不同于圆形的另一形状以适应入口或出口处的不同束形状。

在各种方面中，本申请人的教示可在自由射流扩张中包括导线多极。在各种实施例中，导线直径可为小于约0.5mm到约0.01mm。在各种实施例中，本申请人的教示可包括朝四极场平稳汇聚的较高阶多极。在各种方面中，本申请人的教示可包括导线多极，其安置成与气流射流成某个角度以从气流射流捕获及引导离子而不中断气体流。

在各种实施例中，导线多极可形成有弯曲形状或歪曲形状使得离子束以约10度与约90度之间的角度被从轴引导离开。导线结构可使中性束在没有限制的情况下前进，而离子从气体流转向。在各种方面中，此配置可有助于保护定位在来自离子引导件的出口处的离子透镜不被污染。在各种实施例中，本申请人的教示可包括在自由射流中使用弯曲导线多极。在各种方面中，本申请人的教示可包括朝四极汇聚的多极的组合。

在各种实施例中，本申请人的教示可通过在离子透镜的前方提供网格来减少污染对所述离子透镜的影响。大多数污染可通过网格而到达所述透镜。网格上的电压可在相对于离子引导件的上游侧上提供最佳场。在网格与透镜之间可提供小电压来a)拉动离子通过网格及b)克服污染对透镜的影响。可在离子引导件从大气压取样离子的端部处提供网格/透镜元件。

与将来自自由射流扩张的离子聚集到真空中相关联的问题中的一者为可在马赫盘的下游形成强气体射流，所述气体射流的速度为每秒数百米。这减少了离子通过离子引导件的渡越时间且可抑制离子的聚集。气体射流还可冲击出口孔隙而引起更多气体进入后面的真空室，从而在接下来的室中需要更多或更大的真空泵。为减少从孔流出的气体射流的冲击并从所述射流移除离子使其进入静态气体的更静止区域(其中气体速度更低且气体密度更低，使得可更好地聚集离子)中，可以与离子引导件的主轴所成的某个角度引导来自孔隙的射流，如图11中所展示。从高压离子源开始的通过板106中的孔隙94扩张的气体(例如到真空中的电射流或APCI)形成如此项技术中已知的自由射流96且还形成延伸超过自由射流很远的气体流或气体引导射流98。更长且更密集的气体射流大体上由较大孔口形成。气体射流的大小及延伸度还受到真空室中的压力影响。接着，由自由射流94形成的气体射流96可被引导远离通往下一个真空室的孔隙100。接着，离子可被更有效地密闭及聚集在RF离子引导件内。在各种方面中，本申请人的教示可包括对于气体流来说几乎是透明的导线多极，所述导线多极由大体上由虚线102指示的微细导线或小直径电极组成，其中应理解仅所述导线中的两根由虚线展示，其中相反RF相位施加在邻近导线之间。在各种实施例中，导线多极在入口处的内切直径可至少等于自由射流及气体射流的直径的50％，且在各种方面中大于自由射流的直径。在各种实施例中，导线之间的空间(X)与导线直径(D)的比率可大于3倍；在各种方面中，其可大于5倍；且在各种方面中，其可大于10倍以提供对气体射流的最小干扰。应注意，常规多极离子引导件取决于极的数目可具有0.5或更小的X/D。通过使用微细导线或小直径电极来减小电极的表面积还可减少可引起对所述流的干扰的冲击波的形成。冲击波可降低离子引导件内的离子聚集及密闭的效率。

如图11中所展示，可通过使孔口孔隙的平面倾斜角度104来控制气体射流相对于离子引导件的轴的角度，使得孔隙的平面相对于垂直平面成某个角度，其中垂直平面相对于由所述孔口与来自真空室的出口孔隙之间的线形成的轴(其也为离子引导件的中心轴)呈90度。在各种方面中，替代地，可提供相对于离子引导件的中心轴倾斜的管状入口孔隙。可控制自由射流扩张的角度且因此控制气体射流的角度的关键参数为由出口孔隙的边缘的圆周形成的孔隙的平面的角度，不管所述孔隙是定位在管的末端中还是定位在板或薄盘中。扩张及气体射流的方向可由直接围绕出口孔隙的壁控制。在各种方面中，即使出口孔隙的圆周不是平面的也可通过调整出口孔隙的形状来控制扩张及气体射流的方向。通过对出口孔隙的平面或出口的圆周的形状的任何合适调整，可引导扩张及气体射流使得射流相对于离子引导件成角度，且使得所述射流对来自所述室的出口处的壁的冲击远离出口孔隙而定位，以避免或减小冲击压力。所述角度可使得气体射流的主核心在来自离子引导件的出口处在离子引导件的边界外。实际角度将取决于离子引导件的长度及气体射流的直径。通常，室可为约10cm到约20cm长，且气体射流可具有约3mm直到约10mm到15mm的直径，使得所述角度将从约1度一直变化到约8.5度。更大的角度可为可行的以引导气体射流进一步远离离子引导件。

离子可通过导线RF多极捕获且密闭在离子引导件内。在各种实施例中，多极可由具有某个大小的以圆形或非圆形形状围绕入口的直径定位以捕获离子和气体射流的导线组成。邻近导线可施加有RF电压的交替相位。在各种方面中，导线的数目可为2n，其中n为多极的阶数。举例来说，如果n＝2，那么多极为四极。如果n＝4，那么多极为八极。

导线之间的间隔可较大以使气体射流几乎无阻碍地逸出，但导线可足够紧密地间隔使离子束可由杆之间的RF场密闭。在各种方面中，对于约5mm的典型束直径，导线多极可具有约0.1mm的导线直径及约0.5mm的导线间隔，且多极的入口处的内切圆的直径可为约10mm。在各种方面中，接着，入口处的导线数目可为52。在各种方面中，导线多极可通过使较小数目的导线朝向出口汇聚而朝向出口渐细。举例来说，围绕入口相等间隔的52根导线中的8根可朝来自多极的出口处的约4mm的较小直径汇聚以形成邻近导线上具有相反RF相位的八极，其中其它导线继续平行于多极的轴或在离子引导件的末端之前终止。在各种实施例中，8根导线可朝出口处的约6mm的直径汇聚且4根导线可朝出口处的约4mm的直径汇聚，从而提供从入口处的较高阶多极场到八极场且接着到出口处由邻近导线上具有相反相位的4根导线支配的四极场的过渡。四极场可提供较强聚集场以将离子束挤压到较小直径。在各种方面中，所有导线可从入口处的较大直径向出口处的较小直径平稳汇聚。在各种方面中，当出口孔隙相对大使得离子需要被密闭而非聚集到小直径时，导线或电极可为平行的使得离子引导件不朝向出口汇聚。

趋向于引起离子逸出的离子的径向速度可归因于气体射流。通常，射流的轴向速度可为200m/s到400m/s，使得如果多极处于10度的角度，那么径向速度分量可为大约5m/s到10m/s。离子引导件经配置以将离子密闭在离子引导件内，而成角度气体射流将大部分气流引导到离子引导件外的区域或至少引导到不与出口孔隙的区域相交的区域，在所述区域处气体可被泵离。RF电压及导线之间的间隔经配置以相对气体的流出而将离子密闭在离子引导件内。对于密闭场的强度要求在此项技术中是已知的。如此项技术中所知，所需的RF电压可取决于离子的m/z值且可以实验方式确定。RF电压通常为用户可调整参数，当质谱仪在一质量范围上扫描时所述用户可调整参数可调谐或扫描或以m/z斜升。

取决于待传输的质量，施加到导线元件的电压可具有从约50V峰间值直到至少约500V峰间值的数量级。

本说明书中引述的所有文献及类似材料(包含但不限于，专利、专利申请案、文章、书籍、条约及网页)明确以全文引用的方式并入，而与此类文献及类似材料的格式无关。在所并入的文献及类似材料中的一或多者(包含但不限于所定义的术语、术语使用、所描述的技术或类似物)背离本申请案或与本申请案抵触的情况下，以本申请案为准。

虽然已参考具体说明性实施例特定展示及描述本申请人的教示，但应理解可在不背离本教示的精神及范围的情况下做出形式及细节方面的各种改变。因此，主张落在本教示的范围及精神内的所有实施例及其等效物。本申请人的教示的方法的描述及图式不应理解为限于所描述的元件顺序，除非如此陈述。

虽然已结合各种实施例及实例描述本申请人的教示，但不希望本申请人的教示限于此类实施例或实例。相反，如所属领域的技术人员将了解，本申请人的教示涵盖各种替代物、修改及等效物，且认为所有此类修改或变化在本发明的领域及范围内。

Claims (20)

1.一种用于执行质量分析的方法，其包括：

在高压区域中从样本产生离子；

将所述离子传递到真空室中，所述真空室包括：入口孔隙，其用于将来自所述高压区域的所述离子传递到所述真空室中；及出口孔隙，其用于传递来自所述真空室的离子；其中所述入口孔隙的配置及所述高压区域与所述真空室之间的压力差提供所述入口孔隙下游的超音速自由射流扩张，所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波；

在所述入口孔隙与所述出口孔隙之间提供至少一个离子引导件，所述至少一个离子引导件具有界定内体积的预定横截面；其中所述至少一个离子引导件的所述横截面经定大小为所述超音速自由射流扩张的所述桶形冲击波的所述预定直径的至少50％；

将RF电压施加到所述至少一个离子引导件以将所述离子径向约束在所述至少一个离子引导件的所述内体积内；以及

在所述至少一个离子引导件的第一区段中降低径向气体传导性以阻尼由所述超音速自由射流扩张引起的冲击波。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述降低气体传导性的步骤包括使用绝缘套管围绕所述至少一个离子引导件的长度的至少第一部分。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述套管至少包括所述超音速自由射流扩张的长度，任选地

其中所述套管的长度在约5mm与约30mm之间，任选地

其中所述套管的直径包括所述至少一个离子引导件的大约外径，且任选地

其中所述套管由绝缘材料组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个离子引导件包括具有多个细长电极的至少一个多极，且任选地

其中所述至少一个多极包括一系列多极离子引导件。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述至少一个多极离子引导件选自具有四个细长电极的四极离子引导件、具有六个细长电极的六极离子引导件及具有八个细长电极的八极离子引导件及其任何组合，任选地

其中所述降低气体传导性的步骤包括将所述细长电极之间的间隔减小到小于0.2R₀的距离，其中R₀为所述离子引导件内的内切圆的半径，任选地

其中所述至少一个多极离子引导件的杆选自扁圆细长电极及圆形细长电极中的一者，任选地

其中所述细长电极之间的所述间距在约0.4mm与约1.5mm之间，且任选地。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述细长电极之间的所述间距沿着所述至少一个离子引导件的所述长度维持至少约5cm的距离。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述细长电极包括突起，且任选地

其中所述突起包括小于所述杆在垂直于所述纵轴的最长维度上的宽度的大约一半的宽度，且高度大于约1mm。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述入口孔隙是圆形的且具有约0.1mm到约2mm之间的直径，且任选地

其中所述圆形入口孔隙包括约0.7mm的直径。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定横截面形成内切圆且具有在约3mm与约15mm之间的直径。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述真空室具有在约1托与约20托之间的压力，且任选地

其中所述真空室具有约3托的压力。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个离子引导件包括第一离子引导件，所述第一离子引导件之后是第二离子引导件，其中所述第二离子引导件包括小于所述第一离子引导件的直径，任选地

其中所述第二离子引导件包括具有在离子流的方向上朝向所述轴倾斜的内表面的电极，且任选地

其中所述第二离子引导件内的所述内切圆的所述直径在入口端处为约4mm且在出口端处为约2mm。

12.一种质谱仪，其包括：

离子源，其用于在高压区域中从样本产生离子；

真空室，其包括：入口孔隙，其用于将来自所述高压区域的所述离子传递到所述真空室中；及出口孔隙，其用于传递来自所述真空室的离子；其中所述入口孔隙的配置及所述高压区域与所述真空室之间的压力差提供所述入口孔隙下游的超音速自由射流扩张，所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波；

至少一个离子引导件，其在所述入口孔隙与所述出口孔隙之间，所述至少一个离子引导件具有界定内体积的预定横截面；其中所述离子引导件的所述横截面经定大小为所述超音速自由射流扩张的所述桶形冲击波的所述预定直径的至少50％；

电力供应器，其用于向所述至少一个离子引导件提供RF电压以将所述离子径向约束在所述至少一个离子引导件的所述内体积内；及

绝缘套管，其用于降低径向气体传导性，所述套管围绕所述至少一个离子引导件的至少第一部分以阻尼由所述超音速自由射流扩张引起的冲击波。

13.根据权利要求12所述的质谱仪，其中所述套管至少包括所述超音速自由射流扩张的长度，任选地

其中所述套管的长度在约5mm与约30mm之间，任选地

其中所述套管的直径包括所述至少一个离子引导件的大约外径，任选地

其中所述套管由绝缘材料组成，且任选地

其中所述至少一个离子引导件包括一系列多极离子引导件。

14.一种质谱仪，其包括：

离子源，其用于在高压区域中从样本产生离子；

真空室，其用于包括：入口孔隙，其用于将来自所述高压区域的所述离子传递到所述真空室中；及出口孔隙，其用于传递来自所述真空室的离子；其中所述入口孔隙的配置及所述高压区域与所述真空室之间的压力差提供所述入口孔隙下游的超音速自由射流扩张，所述超音速自由射流扩张包括预定直径的桶形冲击波；

至少一个离子引导件，其在所述入口孔隙与所述出口孔隙之间，所述至少一个离子引导件具有界定内体积的预定横截面；其中所述至少一个离子引导件的所述横截面经定大小为所述超音速自由射流扩张的所述桶形冲击波的所述预定直径的至少50％；所述至少一个离子引导件包括具有多个细长电极的至少一个多极离子引导件，其中所述细长电极之间的间隔减小到小于0.2R₀的距离，且其中R₀为所述电极之间的内切圆的半径；以及

电力供应器，其用于向所述至少一个离子引导件提供RF电压以将所述离子径向约束在所述至少一个离子引导件的所述内体积内。

15.根据权利要求14所述的质谱仪，其中所述至少一个多极离子引导件选自具有四个细长电极的四极离子引导件、具有六个细长电极的六极离子引导件及具有八个细长电极的八极离子引导件及其任何组合，任选地

其中所述至少一个多极离子引导件的杆选自扁圆细长电极及圆形细长电极中的一者，任选地

其中所述预定横截面形成内切圆且具有在约3mm与约15mm之间的直径，且任选地

其中所述至少一个多极离子引导件包括一系列多极离子引导件。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述细长电极之间的所述间隔在约0.4mm与约1.5mm之间，且任选地

其中所述细长电极之间的所述间距沿着所述至少一个离子引导件的所述长度维持至少约5cm的距离。

17.根据权利要求14所述的质谱仪，其中所述细长电极包括突起，且任选地

其中所述突起包括小于所述杆在垂直于所述纵轴的最长维度上的宽度的大约一半的宽度，且高度大于约1mm。

18.根据权利要求14所述的质谱仪，其中所述入口孔隙是圆形的且具有在约0.1mm与约2mm之间的直径，且任选地

其中所述圆形入口孔隙包括约0.7mm的直径。

19.根据权利要求14所述的质谱仪，其中所述真空室具有在约1托与约20托之间的压力，且任选地

其中所述真空室具有约3托的压力。

20.根据权利要求14所述的质谱仪，其中所述至少一个离子引导件包括

第一离子引导件，所述第一离子引导件之后是第二离子引导件，其中所述第二离子引导件包括小于所述第一离子引导件的直径，任选地

其中所述第二离子引导件包括具有在离子流的方向上朝向所述轴倾斜的内表面的电极，且任选地

其中所述第二离子引导件内的所述内切圆的所述直径在入口处为约4mm且在出口处为约2mm。