CN104321127A - 包含减速离子门的离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

一种离子迁移谱仪，其具有：用于生成离子的离子源；用于记录离子的离子检测器；以及多个大致上平坦的膜片电极，其布置成大致上垂直于穿过所述膜片中的孔的直系统轴，所述膜片布置在一系列隔室中，每一隔室包含进入和退出膜片以及其间的短区。一个隔室的退出膜片即为下一个隔室的进入膜片，并且所述离子迁移谱仪的所述隔室分组成三个部分：离子束形成区、离子分析区和减速离子门。

Description

包含减速离子门的离子迁移谱仪

技术领域

本发明的几个方面涉及低压和高压离子迁移谱仪。

背景技术

质谱仪和离子迁移谱仪用于分析电离的大分子。在相关技术中，通过确定质谱仪分子离子在电磁场中的偏转来分析质谱仪分子离子以确定其分子量，其分子量与研究中的分子的体积近似成比例。当通过电场“E”拖拽离子迁移谱仪分子离子使其穿过缓冲气体并且因此其迁移率“K”与其横截面大概成比例时，通过确定离子迁移谱仪分子离子的速度v＝K*E来分析离子迁移谱仪的分子离子。

离子迁移谱仪要求使待研究的分子离子作为短云进入。于是，如G.A.Eiceman和Z.Karpas在“离子迁移谱仪(Ion Mobility Spectrometry)”(第2版，Boca Raton,FL,2005)中所披露，要测量的是这些云需要穿过离子迁移谱仪的长度的时间。这些离子迁移谱仪中非常重要的是从连续离子束形成这些离子云的所使用的离子门。举例来说，在A.M.Thyndal,C.F.Powel，英国《皇家学会会刊》129(809),(1930)162和N.E.Bradbury,R.A.Nielsen,物理快报，49(5),(1936)388中披露了这些离子门。这两种离子门都是由垂直于入射的离子束放置的竖琴状格栅组成的，只有在这些格栅的导线全都在同一电位的短暂的时间间隔内，才允许离子通过。在其他所有时间，离子都不能通过，因为不同的电位被施加到相邻导线，在这种情况下，离子被吸引到这些导线中的一个上，从而禁止在所述离子迁移谱仪中向前传播。

在用于环境、生物、医疗和药理问题的应用中，相关技术中对分子的研究变得很重要。这些相关技术允许不是像在质谱仪中一样通过重量来表征分子，而是通过横截面并且因此通过结构来表征分子，因为卷起时的长分子的横截面在伸展出来的时候当然会变大。这些表征对于研究长分子在(举例来说)从与缓冲气体分子或原子碰撞吸收能量的时候分解成的分子片段尤其重要。

发明内容

一种包含“减速离子门”的离子迁移谱仪的示范性、非限制性实施例包括：至少一个离子源，离子迁移谱仪，以及至少一个离子检测器，其中所述离子迁移谱仪包括大致上平坦的膜片的布置，所述膜片布置成大致上垂直于穿过所述膜片的圆形、椭圆形或多边形孔的直系统轴。在该离子迁移谱仪中，将适当选择的电位施加到所述膜片，从而沿着所述系统轴确立电场，所述电场将从至少一个离子源引出的离子推至至少一个离子检测器，该方向被称为正向方向。这个电极布置可以理解为一系列隔室，每一隔室包括进入膜片和退出膜片，并且一个隔室的退出膜片即为下游相邻隔室的进入膜片。

所述包含至少一个减速离子门的离子迁移谱仪的电极布置分成三个区：

●离子束形成区，其中源自至少一个离子源的连续离子束的横向包络通过沿着所述系统轴的正向静电场成形，所述正向静电场在大多数情况在一个隔室与下一个隔室中是不同的；

●本发明的减速离子门，其包括至少两个隔室，即长度为l_A的初始隔室A和长度为l_B的最后隔室B，在所述减速离子门中，沿着所述系统轴的随时间变化的正向电场将所述连续离子束分成短离子云；

●离子分析区，其中所述离子云移动到至少一个离子检测器，该至少一个离子检测器确定所述离子云的到达时间并且因此确定这些电子云中含有的离子的迁移率。

在离子束形成区和离子分析区中，沿着所述系统轴的所述正向电场大致上是静电场，并且在第n个隔室中具有量值E_n≥E_H，其中EH的量值经过选择，使得所关注的迁移率K0的离子将以大约每秒若干米的速度v_H＝K₀E_H向正向方向移动。在包括隔室A和隔室B的减速离子门中，沿着系统轴的正向电场在三个连续周期T₁、T₂、T₃中随时间变化，所述三个连续周期的持续时间经过选择，使得在所选的场中，一定范围的迁移率K₀±ΔK的离子可以全部穿过减速离子门。

1.在持续时间为T₁的第一时间周期期间，离子必须从所述离子束形成区移动到所述减速离子门的隔室A中，在这里离子减速并且因此形成短且密集的离子云。这是通过如下实现的：选择隔室A的进入膜片和退出膜片的电位，以便在隔室A中沿着系统轴确立低场E_A,1≤E_H/10，从而使得迁移率K₀±ΔK的离子在从离子束形成区的最后隔室进入隔室A时减速到速度v_A,1＝(K₀±ΔK)E_A,1，在所述离子束形成区的最后隔室中，离子在沿着系统轴的高正向电场≥E_H中以速度v_H＝(K₀±ΔK)E_H向正向方向移动。为了使得即使迁移率K₀+ΔK的最快离子在T₁结束之前也未到达隔室A的退出膜片，必须将T₁的持续时间选择为≤l_A/[(K₀±ΔK)E_A,1]。

2.在持续时间为T₂的第二时间周期期间，离子云被推出隔室A，进入隔室B，并且被压缩成更短的离子云。这是通过如下实现的：选择隔室A和B的进入膜片和退出膜片的电位，以便在隔室A中沿着系统轴确立高正向电场E_A,2≥E_H并且在隔室B中沿着系统轴确立低正向电场E_B,2≤E_H/10，从而使得迁移率K₀±ΔK的离子以速度v_A,2＝(K₀±ΔK)E_A,2移动离开隔室A并且进入隔室B，在隔室B中，离子减速到速度v_B,2＝(K₀±ΔK)E_B,2。这里，将T₂选择为≥l_A/[(K₀-ΔK)E_A,2]且≤l/[(K₀+ΔK)E_A,2]，使得在T₂结束时，最低迁移率K₀-ΔK的离子已经全都移动离开隔室A，并且最高迁移率K₀+ΔK的离子全都未到达隔室B的末端。

3.在持续时间为T₃的第三时间周期期间，离子云被推出隔室B并且进入离子分析区的第一隔室中。这是通过如下实现的：选择隔室B的进入膜片和退出膜片的电位，使得隔室B中沿着系统轴的正向电场为E_B,3≥E_H，从而使得迁移率K₀±ΔK的离子以速度v_B,2＝(K₀±ΔK)E_B,2移动离开隔室B，并且进入离子分析区的第一隔室。这里将T₃选择为≥l_B/(K₀+ΔK)E_B,3，使得在T₃结束时最低迁移率K₀-ΔK的离子已经全部移动离开隔室B。这些离子接着将进入离子分析区的第一隔室中，在这里沿着系统的正向电场≥E_H并且因此与E_B,3相当，使得离子的速度不会剧烈改变，并且离子云的长度和形状大致上保持不变。

一旦离子云已被传输到离子分析区的第一隔室，就可以开始持续时间为T₁的新第一时间周期，方法是通过再次确立至少一个减速离子门的隔室A中的沿着系统轴的低正向电场E_A,L≤E_H/10。请注意，与T₂和/或T₃相比，在这三个时间周期中的任一个开始时，从一个电场分布到另一个电场分布的过渡比较短。

在第一时间周期T₁结束时，对于如上所述的迁移率为K₀的离子，隔室A中的离子云的长度是Δl_A≈T₁K₀E_A,L。然而，这个离子云的上游末端可能没有很好地限定，因为直到T₁的最后时刻，离子还在移动到隔室A中。为了更好地限定离子云的末端，消除最后到达的离子是有利的，方法是通过改变短时间ΔT₁□T₁中离子束形成区中的至少一个膜片中的电位，以此在T2开始之前的短时间ΔT₁□T₁内停止离子到隔室A中的流动。

在一些情况下，在最后离子云中主要具有低迁移率的离子，而不是如通常地富含高迁移率的离子是有利的。为了实现这个结果，可以将周期T₃分成两个周期T₃₁和T₃₂，并且在周期T₃₁期间主要从隔室B中引出高迁移率的离子，而留下低迁移率的离子，在等待时间ΔT₃之后，可以在第二周期T₃₂期间引出低迁移率的离子。类似地，还可以将周期T₂分成两个周期T₂₁和T₂₂，其间有等待时间ΔT₂。

在可以在离子分析区中容受稍长的离子云的情况下，可以将至少一个减速离子门的隔室B中沿着系统轴的正向电场选择为恒定的并且具有与E_A,H大概相同的量值。在这种情况下，在离子离开隔室A并且进入隔室B时，离子的速度将不会实质性改变。因此，当离子云还在隔室A中时，离子云将具有和其在隔室B中大致上相同的长度。

由于在任何没有空间电荷和导体的区域中，div(E)必须消失，所以会发现沿着系统轴减速的离子也会经受到驱动离子离开系统轴的力。在时间周期T₁期间，这种力在隔室A的进入膜片的邻域中相当强。因此，当离子移动穿过隔室A时，横向离子束扩展显著增加。因此，增大隔室A的退出膜片的孔以及束分析区中的所有膜片的孔以便让这个加宽的离子束通过是有利的。

为了使这个束加宽保持在限度内，减小进入离子束的横截面与隔室A的进入膜片中的孔的面积之间的比率是有利的。因为在这种情况下，离子束仅穿过这个孔的中间，在这个位置，驱动离子离开所述系统轴的边缘场力是最小的。

减小这个比率的最佳方式是在离子束进入隔室A之前尽可能减小离子束的初始横向宽度。可以通过如下实现这个具有减小的横向扩展的离子束：

1.通过将至少一个显式透镜放置到上游的至少一个离子源与离子束形成区之间的离子加速区中；且/或

2.通过减小所述离子束形成区的至少一个隔室中的沿着所述系统轴的正向电场，同时增加其他下游隔室中的至少一个中的所述场。

由于进入离子束的横截面与孔的面积之间的比率在隔室A的进入膜片的孔中最为关键，所以也可以增大膜片中的孔，只要这个增加保持在限度以内并且不会过度增加膜片的邻域中的边缘场的扩展即可。

虽然放置在包含减速离子门的离子迁移谱仪中的任何隔室膜片孔上的机械格栅具有减少离子传输的缺点，但是不管怎样，在有些情况下使用这些格栅是有利的。原因就是，至少在带格栅的膜片的上游和下游的短距离内，所有等电位面都大致上平行于所述格栅，并且因此大致上垂直于系统轴。因此，作用于离子上的电场力基本上平行于系统轴，并且在离子云穿过所述格栅时，离子云的形状不会大量畸变。

在包含减速离子门的离子迁移谱仪的示范性实施例中，假设这些格栅放置在三个膜片中至少一个的孔上：

1.放置在减速离子门的隔室A的退出膜片中的孔上，这个膜片也是隔室B的进入膜片。该格栅大致上消除了原本在周期T₂期间因在隔室A中的沿着系统轴的高电场E_A,H与在隔室B中的沿着系统轴的低电场E_B,L的差异引起的现存的边缘场。

2.放置在隔室B的退出膜片中的孔上，这个膜片也是离子分析区的第一隔室的进入膜片。该格栅大致上消除了原本在周期T₃期间因在隔室B中沿着系统轴的电场E_B,H与在离子分析区的第一隔室中沿着系统轴的电场≥E_H中的差异引起的现存的边缘场。

3.放置在离子束形成区的第一隔室的进入膜片中的孔上。该格栅大致上消除了原本在隔开离子束形成区与离子加速区(即，离子从至少一个离子源引出并且推至离子束形成区中的区)的所述膜片的邻域中现存的边缘场。此格栅还避免了离子束形成区可能对至少一个离子源的高压放电。

由于遍及在包含减速离子门的迁移率谱仪中的相邻隔室之间边缘场可能是有害的，所以在许多情况下，通过将额外的管状电极放置在正在研究的隔室的进入膜片与退出膜片之间来修正边缘场也是有利的。本文中，这个管状电极的电位被有利地选择为在相应隔室的进入膜片与退出膜片的电位之间的范围内。

附图说明

通过下面结合附图对示范性实施例的描述，以上和/或其他方面和特征将变得清楚并且容易理解，其中：

图1是包含由放置在不同电位下的一系列膜片构成的至少一个减速离子门的离子迁移谱仪的第一示范性非限制性实施例的机械设计的示意图。

图2与图1相同，区别在于在这个实施例中，格栅放置在膜片5、8和9的孔上，安装了两个附加静态电压生成器33、34和两个附加脉冲生成器35、36，以及导电管放置在离子迁移谱仪周围，并且该导电管分成若干区段。

图3是用于改变单个膜片的电位以便实现整个离子迁移谱仪中的必要场强度的示范性非限制性方式的，包含至少一个减速离子门的离子迁移谱仪的膜片在所述不同周期T₁、T₂、T₃期间的电位的示意图，其中除了一个膜片之外，其他所有膜片的电位都是静态的。

图4是如图3所示的用于改变两个膜片的电位以便实现整个离子迁移谱仪中的必要场强度的示范性非限制性方式的包含至少一个减速离子门的离子迁移谱仪的膜片在所述不同周期T₁、T₂和T₃期间的电位的示意图，然而，其中总体电位的范围缩小，这要求在时间T₃期间，将电压V₀₀加到至少三个膜片的电位中。

具体实施方式

将参照附图更详细地描述示范性实施例。在下面的描述中，在附图中对相同的元件使用相同的附图标记。描述中限定的事物(例如，元件的具体构造和布置)只是用来帮助全面理解本发明的事物。因此，显然可以不限于这些所限定的事物而实施本发明。此外，并未详细描述众所周知的功能或构造，因为这些众所周知的功能或构造会用不必要的细节混淆本发明。

图1是包括减速离子门的迁移率谱仪的示范性非限制性实施例的机械布置的示意图。总地来说，离子从离子源1穿过离子迁移谱仪移动到离子检测器3，所收集的离子电荷从这里被传导到放大器4。通过施加到图1所示的膜片5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16的电位形成在整个迁移率谱仪中的电场。这些电位是从静态电压源17和电阻性分压器18以及通过两个静态电压生成器19和20并且通过两个脉冲电压生成器21和22提供的。

图1所示的离子迁移谱仪可以理解为分成三个部分：

1.离子束形成区23，由在膜片5、6和6、7以及7、8之间形成的三个隔室组成，这三个隔室被示为具有面积大致上相等≈σ₀的圆形、椭圆形或多边形孔。穿过这个离子束形成区23，通过沿着系统轴2、由膜片5、6、7和8的电位形成的正向电场E_5,6≈E_6,7≈E_7,8≥E_H推动连续的离子束。这里，应将E_H的量值选择为使得所关注的迁移率为K₀的离子以每秒若干米的速度v_H≈K₀E_H向前移动。通常这里使用的是E_6,7>E_5,6和/或E_7,8>E_6,7的布置，因为这会使得通过的离子束的横向宽度减小。

2.离子分析区24，由在膜片10、11、12、13、14、15和16之间形成的六个隔室组成，这六个隔室全部具有面积大致上相等的圆形、椭圆形或多边形孔，然而，其面积明显大于离子束形成区23的膜片5、6、7和8中的孔面积，并且因此允许加宽的离子束通过。穿过这个离子分析区24，离子云通过由所述膜片10、11、12、13、14、15和16的电位形成的正向电场E_10,11≈E_11,12≈E_12,13≈E_13,14≈E_14,15≈E_15,16≥E_H而移动。

3.减速离子门25，其中从离子束形成区23注入的连续离子束分裂成具有高离子密度的短离子云。该离子门25包括在膜片8、9之间形成的长度为l_A的隔室A 26，以及在膜片9、10之间形成的长度为l_B的隔室B 27。图1中，隔室B的进入膜片9和退出膜片10中的孔示为大致上等于离子分析区的膜片10、11、12、13、14、15和16中的大孔，而隔室A 26的进入膜片8中的孔示为等于或仅仅稍大于离子束形成区23的膜片5、6和7中的孔。所有膜片的电位示为通过分压器18的对应分接头来确定，而膜片8和膜片9的电位示为由静态电压生成器19和20以及脉冲生成器21和22的总和确定，静态电压生成器19和20以及脉冲生成器21和22的输出可在三个时间周期T₁、T₂和T₃期间变化。这些时间周期的持续时间经过选择，使得当在时间周期T₁、T₂和T₃期间对膜片8、9和10施加了适当的电位时，迁移率为K₀±ΔK的离子通过所述减速离子门25，并且被压缩成短离子云。

3.1在第一周期T₁(其在大多数情况下持续许多毫秒)期间，这些电位经过选择，使得长度为l_A的隔室A 26中的沿着系统轴的正向电场为E_A,1≤E_H/10，这个电场远远小于离子束形成区23的膜片7与8之间的最后隔室28中的沿着系统轴的所述正向静电场E_7,8≥E_H。因此，所有离子都以高速度移动离开这个隔室28，并且当其进入隔室A 26时减速，因而在隔室A中形成高密度离子云，其中这些离子云对于低迁移率离子比对于高迁移率离子要短。这里T₁的持续时间应当选择成≤l_A/[(K₀+ΔK)E_A,1]，使得在T₁结束时，即使具有最高迁移率(K₀+ΔK)的离子也会形成长度≤l_A的离子云，并且因此容纳在隔室A 26中。然而，在周期T₁结束时，一些迁移率≥(K₀+ΔK)的离子已经穿过隔室A 26的全长l_A，并且因此会丢失。

3.2在第二周期T₂(其在大多数情况下持续≈1ms)期间，这些电压经过选择，使得长度为l_A的隔室A 26中的沿着系统轴的电场为E_A,2≥E_H，并且长度为l_B的隔室B 27中的沿着系统轴的电场为E_B,2≤E_H/10。因此，所有离子都以高速度移动离开隔室A，并且当其进入隔室B时减速，因而在隔室B中形成长度为Δl_B≈Δl_A(E_B,2/E_A,1)的甚至更密集的离子云(如果其在隔室A中具有长度Δl_A≤l_A)。

这里T₂的持续时间应当选择为≥l_A/[(K₀-ΔK)E_A,2]，并且≤l_B/[(K₀+ΔK)E_B,2]，使得在T₂结束时，即使具有最低迁移率(K₀-ΔK)的离子也被传输出隔室A 26并且进入隔室B 27，而具有最高迁移率(K₀+ΔK)的离子尚未到达隔室B 27的末端。然而，在T₂结束时，一些迁移率≥(K₀+ΔK)的离子已经穿过隔室B的全长l_B，并且因此丢失，而一些迁移率≤(K₀-ΔK)的离子尚未离开隔室A，并且因此也会丢失。

3.3在第三周期T₃(这也会持续≈1ms)期间，在隔室B中，这些电压必须经过选择，使得长度为l_B的隔室B 27中的沿着系统轴的电场为E_B,3≥E_H，而在离子分析区24的膜片10与膜片11之间的第一隔室29中的沿着系统轴的电场大约等于沿着系统轴的所述正向静电场E_10,11≥E_H。因此所有离子都以大约相等的速度从隔室27移动到隔室29中，并且因此在那里形成长度为Δl_10,11≈Δl_B(E_10,11/E_B,3)的离子云(如果其在隔室B中具有长度Δl_B)。然而，因为E_B,3和E_10,11没有很大不同，所以离子云的长度、形状和密度相对于其在隔室B 27中的长度、形状和密度基本未改变。

这里T₃的持续时间被选择为≥l_B/[(K₀-ΔK)E_B,3]，使得在T₃结束时，即使具有最低迁移率(K₀+ΔK)的离子也被传输出隔室B 27，并且进入离子分析区24的隔室29中，而一些迁移率≤(K₀-ΔK)的离子尚未离开隔室B，因此会丢失。一旦离子云已经传输到离子分析区的第一隔室29，就可以通过再次确立在隔室A 26中的沿着系统轴的低电场E_A,1≤E_H/10而开始新时间周期T₁。

由于在任何没有空间电荷和导体的区域中，div(E)必须消失，所以沿着所述系统轴减速的离子也会经受到驱动离子离开这个轴的力。在相对长的时间周期T₁期间，这些力在膜片8(隔室A 26的进入膜片)下游的短距离内相当强。因此，在进入隔室A 26时，横向离子束扩展显著增加，在这种情况下，增大隔室A 26的膜片9的孔以及离子束分析区中的膜片10、11、12、13、14、15和16的孔以便让这个加宽的离子束通过是有利的。

为了使所述离子束加宽保持在限度内，降低离子束的横截面与离子束所穿过的膜片的孔的面积之间的比率是有利的，因为在这种情况下，离子束仅穿过这个孔的中间，在这个位置，驱动离子离开所述系统轴的边缘场力是最小的。离子束穿过所述膜片8和膜片9(隔室A的进入和退出膜片)的孔尤其重要。

降低这个比率的最佳方式是在离子束到达这些膜片之前尽可能减小离子束的初始横向宽度。可以如下来实现这些离子束具有减小的横向扩展：

1.通过将至少一个显式透镜(图1、2中未示)放置到上游的离子源1与离子束形成区23之间的离子加速区中；且/或

2.通过减小所述离子束形成区23的至少一个隔室中的沿着所述系统轴的正向电场，同时增大其他下游隔室中的至少一个中的所述正向电场。

3.通过稍微增大隔室A的进入膜片8中的孔，只要这个增大保持在限度以内并且不会过度增加膜片8的邻域中的边缘场的扩展即可。

虽然放置在包含减速离子门的离子迁移谱仪中的任何隔室的膜片的孔上的机械格栅具有减少离子传输的缺点，但是在有些情况下使用这些格栅是有利的。原因就是，至少在带格栅的膜片的上游和下游的短距离内，所有等电位面都大致上平行于所述格栅，并且因此基本上大致垂直于系统轴。因此，作用于离子上的电场力大致上平行于系统轴，并且在离子云穿过所述格栅时，离子云的长度和形状不会实质性畸变。

图2与图1非常相似，还示出了包含减速离子门的离子迁移谱仪的示范性实施例。区别在于，在图2中，假设机械格栅30、31和32放置在三个膜片中的至少一个的孔上：

1.放置在膜片9中的孔上的格栅30大致上消除了原本在所述周期T₂期间因在隔室A 26中的沿着系统轴的高电场E_A,2≥E_H与在隔室B 27中的沿着系统轴的低电场E_B,2≤E_H/10的差异引起的现存的边缘场。

2.放置在膜片10中的孔上的格栅31大致上消除了原本在所述周期T₃期间因在隔室B 27中的沿着系统轴的高电场E_B,3≥E_H与在隔室29(离子分析区24的第一隔室)中的沿着系统轴的大约相等的大电场≥E_H的差异引起的现存的边缘场。

3.放置在膜片5中的孔上的格栅32大致上消除了原本因在离子束形成区23中与离子加速区(其中离子从离子源1引出并且推至离子束形成区23中)中的差异引起的现存的边缘场。此格栅还广泛地避免了离子束形成区23可能对离子源1的高电压放电。

为了使得在所述减速离子门中操控电场时有更大的灵活性，可提供附加直流电(DC)和可改变膜片10的电位的脉冲电源33、34和35、36是有利的。类似地，并且还有利的是，还可以将这些操控电压(未示)供应给减速离子区上游或下游的其它膜片。

由于遍及在包含减速离子门的迁移率谱仪中的相邻隔室之间边缘场可能是有害的，所以在许多情况下，通过将额外的管状电极放置在任何正在研究的隔室的进入膜片与退出膜片之间来修正所述边缘场也是有利的。这个管状电极37被示在膜片6与膜片7之间。本文中，这些管状电极的电位被有利地选择在对应进入膜片与退出膜片的电位之间的范围内。

为了避免包含离子减速门的离子迁移谱仪受到外部电场的影响，将屏蔽管38、39、40放置在所述离子迁移谱仪的一些区段周围是有利的。对所述屏蔽管38、39和40施加不同电位允许影响屏蔽管放置时所围绕的隔室中的电位分布。

虽然减速离子门提供了高强度的窄离子云，但是可能有用的是进一步减小离子云的长度，方法是通过将白普理尼尔森(Bradbury-Nielson)门(未示)放置在减速离子门内或下游。这个白普理尼尔森门可以(举例来说)取代放置在隔室B 27的退出膜片(膜片10)的孔上的格栅30。

在图3、图4中，示出了可以如何选择不同膜片的电位以在所述时间周期T₁、T₂和T₃期间形成上述电场。将膜片N的电位命名为U_N，可以选择离子束形成区以及离子分析区中的膜片N的电位作为静态电位，其中电位U_i比电位U_i+1(其中i＝5、6、7，以及i＝11、12、13、14、15)实质性更加排斥离子。而电位U₈、U₉、U₁₀经过变化以在所述时间周期T₁、T₂、T₃期间在隔室A中和隔室B中实现必需的电场，方法是通过激活所述静态电压生成器19、20、33、34以及所述脉冲电压生成器21、22、35、36。

图3说明如何将用于膜片8和膜片9的电位选择为U₈＝U₇-V₁和U₁₀＝U₈-V₂＝U₁₁+V₃的一个实例，其中V₁、V₂和V₃是通过电阻性分压器18确定的离子排斥电压，而V₉经过变化，使得在时间周期T₁和T₃期间V₉＝V₈并且在时间周期T₂期间V₉＝V₁₀。

●在图3a中，示出了时间周期T₁期间的电位分布，其中在膜片5与膜片8之间的离子束形成区中的连续离子通量用虚线箭头指示，并且在时间周期T₁结束时在膜片8与膜片9之间的隔室A 26中的压缩离子云用短箭头指示，

●在图3b中，示出了时间周期T₂期间的电位分布，其中离子云从膜片8与膜片9之间的隔室A 26传输到膜片9与膜片10之间的隔室B 27中是用弯曲箭头指示，并且两个实线箭头指示隔室B 27中的离子云比其在隔室A 26时短。

●在图3c中，示出了时间周期T₃期间的电位分布，其中离子云从膜片8与膜片9之间的隔室B 27传输到膜片10与膜片11之间的离子分析区的第一隔室29之间是用弯曲箭头指示，并且两个实线箭头指示隔室B 27和离子分析区的第一隔室29中的离子云的长度近似相等。还通过虚线箭头指示不同迁移率的离子云移动穿过膜片10与膜片16之间的离子分析区时所沿着的路径。

通过选择U₁₀＝U₁₁+V₃作为固定电位并且通过确立下面的条件可实现相同的场分布：

●在时间周期T₁期间，U₈＝U₉＝U₁₀，

●在时间周期T₂期间，U₈＝U₁₀+ΔV₁并且U₉＝U₁₀，并且

●在时间周期T₃期间，U₈＝U₁₀并且U₉＝U₁₀+ΔV₁。

在所提到的两个实例中，在时间周期T₂期间(此时积累的离子云从隔室A移动到隔室B中)离子仍然在流入隔室A中。因此，从隔室A引出的离子云具有小尾部，而这个小尾部在大多数情况下可以忽略不计。然而，当在时间周期T₁的最后大约几毫秒期间，这个尾部被消除，进入隔室A的离子的流入受到抑制，方法是通过如上文已经提到的提高离子束形成区23中的最后膜片中的其中一个的电位。

除了所列举的如何正确地选择减速离子门中的膜片8、9、10的电位的实例之外，还有若干替代方式能实现在所述时间T₁、T₂和T₃期间在隔室A中和隔室B中沿着系统轴的相似的电场并且因此实现相似的离子云。

膜片5与膜片16之间的电压差较大，因此始终有高压放电的危险存在。因此，通常减少这个电位差有很大益处。一种方式是如图4所示从膜片5、6、7、8、9、10和11(见图3)的电位中永久地减去电压V₀₀，并且在时间周期T₃期间将这个电压V₀₀再次加到膜片9、10、11中。图4a、图4b和图4c示出了三个时间周期T₁、T₂和T₃的所得的电位分布。然而，这个程序必需将格栅放置在膜片9中的孔上。在没有此格栅的情况下，需要在时间周期T₃期间将这个电压V₀₀额外加到膜片8上。

上述示范性实施例只是示范性的，不应理解为限制性的。本教示可以容易地应用于其他类型的设备。此外，对示范性实施例的描述意在是说明性的，并不意在限制权利要求书的范围，所属领域的技术人员将清楚诸多替代方案、修改和变动。

Claims (31)

1.一种离子迁移谱仪，包括：

用于生成离子的离子源；

用于记录离子的离子检测器；以及

多个大致上平坦的膜片电极，其布置成大致上垂直于穿过所述膜片中的孔的直系统轴，所述膜片布置在一系列隔室中，每一隔室包括进入膜片和退出膜片以及其间的短区，其中一个隔室的退出膜片即为下一个隔室的进入膜片，并且其中所述离子迁移谱仪的所述隔室分成三个部分：

离子束形成区，其包括至少一个所述隔室，该至少一个所述隔室的膜片具有大致上相等的面积σ₀的圆形、椭圆形或多边形孔；

离子分析区，其包括至少一个所述隔室，该至少一个所述隔室的膜片具有面积大致上相等但是大于σ₀的圆形、椭圆形或多边形孔；以及

减速离子门，其放置在所述离子束形成区的下游和所述离子分析区的上游，其中所述减速离子门包括至少两个隔室，即长度为l_A的初始隔室A和长度为l_B的最后隔室B，其中所述隔室A的进入膜片即为所述离子束形成区的具有面积为σ₀的孔的最后膜片，而所述隔室B的退出膜片即为所述离子分析区的具有面积实质性大于σ₀的孔的第一膜片，而所述隔室A的进入膜片与所述隔室B的退出膜片之间的膜片具有面积在这两者之间的孔。

2.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中对所述离子束形成区和所述离子分析区中的膜片施加大致上静态的电位，从而产生电场，所述电场使离子在正向方向上从所述离子源移动到所述离子检测器，这些正向电场的量值沿着所述系统轴≥E_H，其中E_H的量值经过选择，使得在这个场中，迁移率K₀的离子将以大约每秒若干米的速度v_H＝K₀E_H向前移动，并且其中在三个不同时间周期T₁、T₂和T₃期间，对所述减速离子门的所述隔室A和所述隔室B中的膜片施加不同电位，

其中在第一时间周期T₁期间，所述减速离子门中的所述隔室A的进入膜片和退出膜片的电位经过选择，以便在隔室A中沿着所述系统轴确立低正向电场E_A,1≤E_H/10，而在所述离子束形成区的最后隔室中，所述正向电场沿着所述系统轴≥E_H，这使得入射离子移动到隔室A中，并在隔室A中离子减速形成密集的离子云，并且

其中进一步在第二时间周期T₂期间，所述减速离子门中的所述隔室A和所述隔室B中的进入膜片和退出膜片的电位经过选择，使得在隔室B中沿着所述系统轴存在低正向电场E_B,2≤E_H/10，而在隔室A中沿着所述系统轴存在高正向电场E_A,2≥E_H，使得所述离子云移动离开隔室A并且进入隔室B中，并在隔室B中所述离子再次减速形成比在所述时间周期T₂开始时在隔室A中的离子云更短并且因此更密集的新离子云，并且

其中在第三时间周期T₃期间，所述减速离子门中的所述隔室B中的进入膜片和退出膜片的电位经过选择，使得在隔室B中沿着所述系统轴存在高正向电场E_B,3≥E_H，其量值大致上等于所述离子分析区的所述第一隔室中的沿着所述系统轴的正向电场，使得离子云移动离开隔室B并且进入所述离子分析区的所述第一隔室，而并不实质性改变所述离子的速度，在这种情况下，离子云近似保持在所述时间周期T₃开始时其在隔室B中的长度和形状。

3.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中所述减速离子门包括三个主膜片，所述主膜片形成所述隔室A和所述隔室B，隔室A的进入膜片、隔室B的退出膜片和隔室的退出膜片，所述隔室的退出膜片即为隔室B的进入膜片，其中隔室A和隔室B都包括若干子隔室，并且其中向这些子隔室的膜片提供电位，使得所述子隔室中的正向电场分别与隔室A中的总场E_A和隔室B中的总场E_B大致上相等。

4.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中导电格栅覆盖在所述减速离子门中的所述隔室A和/或所述隔室B的退出膜片、和/或所述离子束形成区中的所述膜片中的至少一个、和/或所述离子分析区中的所述膜片中的至少一个中的孔，其中这些格栅是蚀刻的格栅、编织的格栅或仅包括多个平行导线的竖琴状格栅。

5.根据权利要求4所述的离子迁移谱仪，其中所述格栅中的至少一个被白普理尼尔森门取代。

6.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中所述三个时间周期T₁、T₂和T₃的持续时间经过选择，使得所关注的一定范围的迁移率K₀±ΔK的离子可以全部穿过所述减速离子门，

其中所述时间周期T₁的持续时间被选择为≤l_A/[(K₀+ΔK)E_A,1]，其中E_A,1≤E_H/10，使得在所述时间周期T₁结束时，即使所关注的迁移率K₀+ΔK的最快离子也尚未到达长度为l_A的所述隔室A的末端，并且其中所述时间周期T₂的持续时间被选择为≥l_A/[(K₀-ΔK)E_A,2]且≤l_B/[(K₀+ΔK)E_B,2]，其中E_A,2≥E_H且E_B,2≤E_H/10，使得在所述时间周期T₂结束时，即使所关注的迁移率(K₀-ΔK)的最慢离子都已经移动离开长度为l_A的隔室A，而所关注的迁移率(K₀+ΔK)的最快离子尚未穿过隔室B的全长l_B，并且

其中所述时间周期T₃被选择为≥l_B/[(K₀-ΔK)E_B,3]，其中E_B,3≥E_H，使得在所述时间周期T₃结束时，即使所关注的迁移率K₀-ΔK的最慢离子都已经移动离开隔室B。

7.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中在所述时间周期T₁结束前的短时间内，使得所述离子束形成区中的最后膜片中的一个的电位在短周期ΔT₁□T₁内更加排斥离子，使得进入所述减速离子门的隔室A的离子通量在所述时间周期T₁结束前不久停止。

8.根据权利要求3所述的离子迁移谱仪，其中在所述时间周期T₁和/或T₂和/或T₃开始时不立刻将所述隔室A和/或所述隔室B的膜片中的至少一个的电位切换成其新值，而是用使得所得的正向电场先在≈100μs的短周期内采用中间值然后才切换成其最后值的方式变化。

9.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中恒定的电位施加到所述“隔室B”中的进入膜片和退出膜片，从而确立在隔室B中沿着所述系统轴的正向静电场≥E_H。

10.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中所述时间周期T₃分成被短暂的持续时间ΔT₃隔开的两个时间周期T₃₁和T₃₂且/或其中所述时间周期T₂分成被持续时间ΔT₂的等待时间隔开的两个时间周期T₂₁和T₂₂，以便形成两个离子云，其中的第二个离子云主要含有低迁移率的离子。

11.根据权利要求10所述的离子迁移谱仪，其中白普理尼尔森门放置到隔室B的退出膜片的孔中或者放置到所述离子分析区的膜片中的至少一个的孔中，其中在高迁移率的所述离子云的离子到达所述白普理尼尔森门的时间周期期间对所述白普理尼尔森门施加阻挡离子通量的电压。

12.根据权利要求10所述的离子迁移谱仪，其中至少在所述离子分析系统的隔室中的一个中确立电场，在所述高迁移率的所述离子云的离子到达所述隔室的时间周期期间，所述电场具有垂直于所述系统轴的实质性场分量，其中所述场分量是通过如下方式实现的：将所述至少一个隔室的膜片中的至少一个分成上半膜片和下半膜片，或者在所述隔室内加上类似于小型平行板状电容器的显式额外电极，在所述高迁移率的离子云的离子到达所述隔室的所述时间周期期间，对所述电极或半膜片施加电压脉冲，使得在短时间周期期间，存在垂直于所述系统轴的电场分量。

13.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中在所述隔室中的至少一个的两个膜片之间放置至少一个具有大致圆形或多边形横截面的导电管状电极，且使得所述管状电极的轴与所述系统轴大致重合，其中对所述管状电极施加电位，所述电位的值大致上为在限制所述研究中的隔室的两个膜片的电位之间或者适当地超出这些电位中的任一个的值。

14.根据权利要求13所述的离子迁移谱仪，其中所述管是直管、圆锥形管或喇叭形管。

15.根据权利要求13所述的离子迁移谱仪，其中施加到所述管状电极的电位随时间而变化。

16.根据权利要求13所述的离子迁移谱仪，其中所述管状电极是由高电阻率的材料制成，或者是由覆盖着一层高电阻率材料的绝缘材料形成，使得可以让小电流穿过所述管状电极的这个内表面。

17.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中在所述离子源与所述束形成区之间放置电透镜。

18.根据权利要求17所述的离子迁移谱仪，其中所述电透镜形成为大致上围绕所述离子源放置的文纳尔圆筒。

19.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中在所述离子束形成区的一个隔室中沿着系统轴的正向静电场实质性低于在接下来的隔室中的至少一个中沿着系统轴的正向静电场。

20.根据权利要求19所述的离子迁移谱仪，其中连续隔室中的正向电场经过选择，使得其在一起近似于吸引放置在所述系统轴下游的某个位置处的离子的点电荷所形成的场。

21.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中所述减速离子门中的隔室A的进入膜片的孔是≥σ₀。

22.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其中所述离子迁移谱仪的全部或仅一部分中的气体或气体混合物被另一气体充实或取代。

23.根据权利要求24所述的离子迁移谱仪，其中所述添加的气体含有至少一定百分比的He或CO₂。

24.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中静电位U₈和静电位U₁₀分别施加于这里称为膜片8的隔室A的进入膜片和这里称为膜片10的隔室B的退出膜片，其中U₈对离子的排斥性远大于U₁₀，使得如果所述膜片8与膜片10之间的所有膜片被移除那么将形成场≥E_H，而既是隔室B的进入膜片，同时也是隔室A的退出膜片，这里称为膜片9的电位将变化，使得在所述时间周期T₁和T₃期间在所述膜片8与膜片9之间存在低正向电场≤E_H/10，并且在所述时间周期T₂期间在所述膜片9与膜片10之间存在低正向电场≤E_H/10。

25.根据权利要求24所述的离子迁移谱仪，其中在所述时间周期T₁与T₂期间，从所述离子分析区的前两个膜片以及所述减速离子门和离子束形成区上游的所有其他膜片的电位减去离子排斥电压V₀₀，并且其中在所述时间周期T₃期间，格栅所述离子排斥电压V₀₀被再次加到所述离子分析区的前两个膜片的电位；并且在隔室B的进入膜片的孔上放置格栅的情况下，V₀₀被再次加到所述隔室B的进入膜片的电位；并且在省略了所述格栅的情况下，还加到隔室A的进入膜片的电位。

26.根据权利要求2所述的离子迁移谱仪，其中在所述时间周期T₁、T₂和T₃期间，只有这里被称为膜片8和膜片9的隔室A的进入膜片和退出膜片的电位变化，而静电位U₁₀施加于所述离子分析区的第一膜片，这也是所述隔室B的退出膜片，

其中在所述时间周期T₁期间，U₈≈U₉≈U₁₀，并且

其中在所述时间周期T₂期间，U₉≈U₁₀并且U₈＝U₁₀+V₁，其中V₁是离子排斥电压，并且

其中在所述时间周期T₃期间，U₈≈U₁₀并且U₉＝U₁₀+V₂，其中V₂是离子排斥电压。

27.根据权利要求26所述的离子迁移谱仪，其中在所述时间周期T₁与T₂期间，从所述离子分析区的前两个膜片以及所述减速离子门和离子束形成区上游的所有其他膜片的电位减去离子排斥电压V₀₀，并且其中在所述时间周期T₃期间，格栅所述离子排斥电压V₀₀再次加到所述离子分析区的前两个膜片的电位；并且在隔室B的进入膜片的孔上放置格栅的情况下，V₀₀被再次加到所述隔室B的进入膜片的电位；并且在省略了所述格栅的情况下，还加到隔室A的进入膜片的电位。

28.一种实施离子迁移谱仪的方法，

其中所述离子迁移谱仪包括：

用于生成离子的离子源；

用于检测离子的离子检测器；以及

多个大致上平坦的膜片电极，其布置成大致上垂直于直系统轴，所述直系统轴在从所述离子源到所述离子检测器的正向方向上延伸并且穿过所述膜片中的孔，所述电极布置在一系列隔室中，每一隔室包括进入膜片和退出膜片以及其间的短区，使得一个隔室的退出膜片即为下一个隔室的进入膜片，

其中所述离子迁移谱仪的所述隔室被分成三个区：

离子束形成区，其包括至少一个所述隔室，该至少一个所述隔室的膜片具有大致上相等的面积σ₀的孔、并且放置在确立正向电场≥E_H的静态电位下；

离子分析区，其包括至少一个所述隔室，该至少一个所述隔室的膜片具有面积实质性大于σ₀、并且放置在确立正向电场≥E_H的静态电位下；以及

离子门区，其放置在所述离子束形成区的下游和所述离子分析区的上游，其中所述离子门区包括至少两个隔室：长度为l_A的初始隔室A和长度为l_B的最后隔室B，其中所述隔室A的进入膜片具有面积与所述离子束形成区中的膜片的孔的面积大致上相等的孔，而隔室B的退出膜片具有面积与所述离子分析区中的膜片的孔的面积大致上相等的孔，而所述离子门中的所有其他膜片具有面积在这两者之间的孔；

所述方法包括：

选择所述场的量值以使所关注的迁移率K₀的离子以速度K₀E_H≥10m/s在所述离子束形成区中移动；以及

选择所述场的量值以使所关注的迁移率K₀的离子以速度K₀E_H≥10m/s在所述离子分析区中移动。

29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括：

在第一时间周期T₁期间选择所述隔室A的进入膜片和退出膜片的电位，使得沿着所述隔室A中的系统轴确立低正向电场E_A,L≤E_H/10，而在所述离子束形成区的最后隔室中沿着系统轴的正向电场≥E_H，使得离子被推出这个隔室并且被推进所述隔室A，在所述隔室A离子减速并且因此形成密集离子束；以及将T₁选择为比所关注的迁移率K₀的离子移动穿过所述低场E_A,L中的所述隔室A的长度所需要的时间长，即T₁≥l_A/(K₀E_A，L)。

30.根据权利要求29所述的方法，其进一步包括：

在第二时间周期T₂期间选择所述隔室A和所述隔室B中的膜片的电位，使得沿着所述系统轴在所述隔室B中确立低电场E_B,L≤E_H/10，并且在隔室A中确立高正向电场E_A,H≥E_H，从而使得离子被推出隔室A并且被推进到隔室B，在隔室B离子减速并且形成比在所述时间周期T₂开始时在隔室A中更短并且更密集的离子群；以及

将T₂选择为比所关注的迁移率K₀的离子移动穿过所述高场E_A,H中的所述隔室A的长度所需要的时间长，其中T₂≥l_A/(K₀E_A，H）。

31.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括：

在第三时间周期T₃期间选择所述隔室B中的进入膜片和退出膜片的电位，使得在所述隔室B中沿着所述系统轴确立高电场E_B,H≥E_H，而在所述离子分析区的第一膜片中沿着所述系统轴的正向电场也≥E_H，使得离子被推出所述隔室B并且进入所述离子分析区的第一隔室，其中离子群近似保持其在所述时间周期T₃开始时具有的形状；以及

将T₃选择为比所关注的迁移率K₀的离子移动穿过所述高场E_B,H中的所述隔室B的长度所需要的时间长，其中T₃≥l_B/(K₀E_B，H）。