CN104465296B - 离子传输装置以及离子传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离子传输装置和离子传输方法。离子传输装置包括：第一气压室；第二气压室；连接通道，其连接所述第一气压室和第二气压室，控制器；第一电源单元，以及离子调制装置，该离子调制装置包括：至少一个调制离子入口，离子流输入该调制离子入口；调制离子出口，其位于离子传输方向上的所述调制离子入口的下游，以将调制后的离子输送到所述连接通道，和电极系统，所述控制器，其通过控制所述第一电源单元向所述电极系统提供第一电压，以使从所述调制离子入口输入的离子流被调制成与该输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲输出到所述调制离子出口，同时该控制器控制所述连接通道的导通状态时序使其与所述调制离子出口输出的离子脉冲时序同步。

Description

离子传输装置以及离子传输方法

技术领域

本发明涉及一种减小真空系统负载的离子传输装置，特别涉及一种与可控气体通量通道导通同步的离子传输装置及其方法。

背景技术

色谱质谱连用装置是目前分析技术领域最广泛使用的广谱高分析分离能力的仪器分析装置。然而，基于物质在不同相间分离的色谱技术主要在大气压及大气压强以上的压力区间工作，而基于自由离子在电磁场中运动性质的质谱技术需要在远低于一大气压强的真空系统下工作。两者自然存在的工作压力区间使得色谱装置向质谱装置的分析传质过程存在着若干限制。其中，由于真空界面导致的传质损失是当前色谱质谱连用装置中仪器灵敏度的主要限制条件。

为解决在质谱仪接口处的传质损失，目前在色质连用装置上存在两种解决方法。第一类方法以典型的气质连用仪为代表，从气相色谱分离装置流出的分析物及流动相直接流入高真空的质谱系统并电离化，然后被后继同样位于高真空区域的质量分析器及离子探测器分析测量。这种方式的主要问题是离子源区需要用较大的分子泵抽去未电离的样品以避免背景污染，同时受到泵抽速的限制，对质谱系统离子源所允许的最大进样量有限，这使得气质联用仪的灵敏度水平被长期限制在亚皮克级水平。

另一类方法以目前流行的液质联用仪器为代表，其离子化技术主要是由1984年John Fenn发明的电喷雾技术(ESI)及其衍生化技术为主，这些离子化技术主要由从电喷雾源尖端产生带电液滴，经过后期蒸发和库仑爆炸的过程，在大气压下或后续真空级内产生分子或准分子单或多电荷离子。由于液相色谱内分析物分子数密度通常高于气相色谱2-3个数量级，液质联用仪目前极限灵敏度已容易到达亚飞克级或更好。然而由于液质联用时质谱前端的物质流密度更大，直接注入真空腔的方法通常不适用。所以，在目前几乎所有商业仪器中都需要一系列的真空接口和离子导引装置使得电喷雾产生的离子可以进入分析器。由于通常的离子传输装置均需工作在133Pa或更低的工作压强，大气压真空接口(通常是毛细管或者取样锥孔)必须保持很小的入口面积才能维持后级真空(一般直径小于1mm)，带来的结果是，90％或更多的离子损失在了真空界面上。此外，流动相中的基质往往也造成对真空系统的干扰，首先是无机盐或碳水化合物类物质的浓度不能过高，否则会在极短的时间内堵截真空接口小孔。其次，未电离化的物质直接进入高真空后会直线运动，在检测器区间产生中性噪音。这些都需要在后级质量分析器及传输系统中采用额外设计来去除。因此，相比起较为廉价的气质联用仪，液质联用仪的成本和尺寸都偏大，最廉价的主流液质仪价格均在100万元附近或以上，这些成本主要反映在复杂的前级真空接口与真空泵组上。因此，提出一种减少真空系统负载的离子传输装置，无论对于液质还是气质联用装置，都能起到扩大样品及离子流通量，提高灵敏度，及降低仪器成本，尺寸有着重大的意义。

通常，为了解决真空界面上的离子损失，可以采用流体力学或其他手段，减少分析样品物质流的尺寸，例如纳升喷雾(如US6803565等)，在液相接口上采用更小尺寸的针尖以减少喷雾区的面积，或者如气相色谱上的分流器，利用样品分子质量较大的特点利用其扩散速度不同，将低分子量的载气由外围抽除。这样都可以在相同分析物质流强的条件下减少进入真空接口的物质流密度，降低真空系统所需负载。然而，这些方法都需要降低色谱分离时的实际有效流体流速，因此分析同一浓度样品时，单位时间到达离子检测器的离子变少了，因此仪器灵敏度并未明显有数量级的提高。

另一种方法是使液相接口像气相接口一样，将离子源如电喷雾接口(如US5838002、US6068749所示)或电晕电离接口直接置于真空腔内。这样，离子真空界面损失虽然避免了，然而中性流也被100％地引入了真空系统，虽然在一些其他装置发明如US7671344中采用了离子接收口很大的离子导引装置如“离子漏斗”，可以使得绝大多数离子被传输、聚焦入下级真空。但是这种方法不能解决噪音问题，“离子漏斗”虽然提高了离子的传输效率，大量中性流所导致的溶剂簇噪音仍会导致仪器系统的背景噪声偏大。最关键的是，由于中心液流真空膨胀产生的气流会使体积流扩大2～3个数量级，因此，尽管可以使用纳升液相技术配合低气压喷雾，避免真空界面损失，将入口液流降低2～3个数量级，下级真空系统所需的气抽速仍是一样的。否则，下级离子传输系统的效率将由于气压增高而迅速下降，事实上，简单的低气压喷雾接口并不能减少色质联用装置的真空系统负载，而是限制了色谱系统的流量，降低了它的分析速度。

为此，在一些最新的系统中，如美国专利US6730904和US2011/0049357提出了将离子偏轴传输的初级真空导引装置，这些装置将离子通过电场产生偏转，而中性分子沿直线路径被真空泵抽出，以此实现离子偏轴传输，从而降低中性分子带来的噪音。但这些装置除了结构上的复杂性之外，目前都只能应用于大气压离子源接口，而不能用于低压电喷雾接口，原因是这些传输装置典型的工作气压都在3torr甚至0.1torr以下，而目前可形成与色谱联用的稳定、灵敏的电喷雾的气压都在10torr以上。而且，从气体动力学仿真来看，这些装置的中性流分流比也只是在10:1左右，对于后级高真空系统所需的压强要求，不能产生足够的节省效果。

在另一个方向上，Ouyang Z.等人在2008年提出了所谓“不连续的大气压接口”的结构(中国专利申请200880101096.3)，该方案在约一个大气压的常态环境气压下产生离子，然后通过一段在时间上不连续的真空接口，即在一定时间上打开，而在另一段时间上关闭的真空接口来限制物质流的传输，使得较小的泵也可以满足后级质量分析器的工作气压需求。然而，在大气压下通常无法使离子在停止流动的气柱内无损传输，同时为满足便携仪器的需要，该装置只能在十分之一或更小的占空比内工作并分析离子，这大大损失了便携仪器的灵敏度极限。同时由于该发明中夹管阀的开闭速度较低(通常不好于10Hz)，若使用高速气质或超高速液质，乃至于色谱峰更窄的二维色谱-质谱联用系统，该方案将无法获取到有意义的色谱信号峰。

发明内容

综上所述，若能开发出一种工作有效降低气体流量，并不显著下降离子传输流量的快速离子接口及传输装置对色质联用及其他低真空系统需求的小型质谱装置是非常必要的，这正是本发明提出的离子传输装置及其工作方法的主要解决目标。

本发明的目的是提供一种离子传输装置以及离子传输方法。该方法可以在使用较低抽速的真空获取装置的情况下降低离子在不同气压区间传输的损失，同时又可以减少中性流噪音的影响，以提高质谱系统的灵敏度性能和/或降低其制作成本。

本发明一方面涉及一种离子传输装置，包括：第一气压室，其包括至少一个离子源或离子输入口,所述离子源或离子输入口用以产生或传输离子流，第二气压室，该第二气压室内压强能够被控制为低于0.5MPa，连接通道，其连接所述第一气压室和第二气压室，离子流通过该连接通道从所述第一气压室导入所述第二气压室，该连接通道的导通状态可受控变化，控制器，第一电源单元，其由所述控制器控制，以及离子调制装置，其位于所述第一气压室内、所述离子源或离子输入口与所述连接通道和所述第一气压室的连通处之间，该离子调制装置包括：至少一个调制离子入口，其对应于所述离子源或离子输入口、位于离子传输方向上的所述离子源或离子输入口下游，来自所述离子源或离子输入口的离子流输入该调制离子入口，调制离子出口，其位于离子传输方向上的所述调制离子入口的下游，以将调制后的离子输送到所述连接通道，和，电极系统，其包围由所述调制离子入口开始至所述调制离子出口结束的离子通路轴线，所述控制器，其通过控制所述第一电源单元向所述电极系统提供第一电压，以使从所述调制离子入口输入的离子流被调制成与该输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲输出到所述调制离子出口，同时该控制器控制所述连接通道的导通状态时序使其与所述调制离子出口输出的离子脉冲时序同步。

根据本发明一个方面，所述离子源输出离子时，第一气压室内平均气压大于等于0.15MPa或小于等于0.05MPa。

根据本发明一个方面，所述第一气压室为一真空室，其平均气压在0.5Pa～50KPa之间。

根据本发明一个方面，所述第一电压施加于所述电极系统产生的电场具有：在至少一部分时间内对该离子调制装置内的离子产生在该时间段内向所述调制离子出口方向驱动离子的驱动力分量，而在其余时间内，该驱动力分量减弱、或反向或去除，

所述控制器生成控制所述连接通道气体流导变化的控制信号，该控制信号与所述第一电压控制锁相，其频率为所述第一电压的基频或整数分频。

根据本发明一个方面，进一步包括第二电源单元，所述控制器通过控制所述第二电源单元向所述电极系统提供第二电压，该第二电压施加于所述电极系统产生的电场具有：在所述离子调制装置的离子通路的至少一个径向方向产生时变的电场力分量，所述时变的电场力分量包含至少一个在1KHz～100MHz范围内的频率成分，该第二电压施加方式为：

a)对所述电极系统的至少一部分电极附加的1KHz～100MHz的交流电压，或

b)附加在沿轴向交替变化径向尺寸的电极系统上，或

c)对所述电极系统的至少一部分电极附加的沿轴向变化电压，

或(a)、(b)、(c)中的至少两种方案的组合。

根据本发明一个方面，所述电极系统可以是环形电极阵列。

根据本发明一个方面，所述电极系统为实质多极场电极阵列。

根据本发明一个方面，所述多级场电极阵列为沿所述离子通路轴线轴向分段的实质多级杆。

根据本发明一个方面，所述电极系统的至少一部分电极为在平整或弯曲的绝缘材料上制作的导电图案图形。

根据本发明一个方面，所述电极系统的至少一部分电极由面电阻率为0.5～10⁸欧姆/厘米的电阻材料构成。

根据本发明一个方面，所述控制器控制所述第一电源单元在所述离子通路轴线上产生不对称的交流电场。

根据本发明一个方面，所述交流电场场强的波形为不对称方波。

根据本发明一个方面，所述交流电场场强的波形为由至少N个锁相频率正弦波成分合成，其中N≥2。

根据本发明一个方面，所述交流电场的场强在规定时刻沿所述轴线的分布可为非均匀场。

根据本发明一个方面，所述离子调制装置的工作气压范围为10^-2Pa到5x10⁵Pa。

根据本发明一个方面，所述第一气压室与第二气压室的压强比倍率值A的取值范围为以下选项之一:a)A＜10⁵；b)10⁴＜A＜＝10⁵；c)10³＜A＜＝10⁴d)100＜A＜＝10³；e)10＜A＜＝100；f)1＜A＜＝10。

根据本发明一个方面，所述连接通道包括电控阀门。

根据本发明一个方面，所述电控阀门为以下构造中的一种：可变截面的管、小孔脉冲阀、翼片闸断快门、压电效应阀。

根据本发明一个方面，所述连接通道是气控可变流导通道。

根据本发明一个方面，所述连接通道的内壁形成或覆盖电阻层，该电阻层的面电阻率范围为0.5～10⁸欧姆/厘米。

根据本发明一个方面，在所述连接通道的至少一部分被施加一频率在1KHz～100MHz的交流电压。

根据本发明一个方面，述连接通道的内壁的至少一部分被加热到高于第一气压室或第二气压室的平均温度。

根据本发明一个方面，在所述连接通道下游进一步串联一个离子调制装置，其调制离子频率高于或低于上游离子调制装置。

根据本发明一个方面，在所述离子调制装置的下游进一步串联脉冲模式工作的质量分析器。

根据本发明一个方面，所述质量分析器为：a)飞行时间质量分析器；或b)离子阱质量分析器；或c)傅里叶变换类质量分析器；或d)四极杆质量分析器；或e)磁扇区质量分析器。

根据本发明一个方面，在所述离子调制装置下游进一步串联连续模式工作的质量分析器。

根据本发明一个方面，离子流自动调节装置还包含：测量反馈装置，该测量反馈装置包括至少一个离子信号测量采集装置和至少一个控制器，信号测量采集装置从所述离子传输装置下游的离子分析器测得一个或多个输出离子脉冲的总离子流或选择离子流强度，所述控制器根据这些脉冲的强度及其变化趋势获得输出所述离子分析器的对应离子流强度预计值，通过动态调节下一输出离子脉冲的调制周期，限制下一输出离子脉冲的对应离子的强度，使其落于所述离子信号测量采集装置的线性动态范围内。

根据本发明一个方面，所述离子调制装置的至少一部分可作为串级质谱的碰撞腔使用。

根据本发明一个方面，所述离子调制装置的至少一部分组成离子迁移率分析器。

根据本发明一个方面，所述离子调制装置的至少一部分组成一个或多个离子阱。

根据本发明一个方面，进一步所述电极系统与离子迁移率分析器联用，将离子集束后以脉冲方式进入迁移率分析器。

根据本发明一个方面，所述离子调制装置的至少一部分组成一种通过离子质荷比或迁移率性质的选择离子的分析器，在该分析器内，至少一种质荷比或迁移率的离子通过不同传输时间，选择储存、选择反应或器壁碰撞湮灭过程与其他离子分离。

根据本发明一个方面，所述离子调制装置的包含多个离子出口，两种或两种以上不同质荷比或迁移率的离子分别按其质荷比或迁移率从不同离子出口引出，通过对应的可变气体流量的连接通道流入第二气压室。

根据本发明一个方面，离子输入口与所述可变气体流量的连接通道不共轴。

本发明另一方面涉及离子传输方法，通过真空获取装置，使第二气压室内压强低于0.5MPa，从位于第一气压室壁的至少一个离子源或离子输入口向其下游的离子调制装置的调制离子入口输入离子，使其向下游的所述离子调制装置的调制离子出口漂移，通过第一电源单元向包围从所述调制离子入口至所述调制离子出口的离子通路的电极系统施加第一电压，使从所述调制离子入口输入的离子流调制成与输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲，通过控制器生成控制两气压室间连接通道气体流导的控制信号，该控制信号与所述第一电压控制锁相，其频率为该第一电压的基频或整数分频，使得第一气压室与第二气压室之间的连接通道中的气流通量峰值时间与所述调制离子出口输出的离子脉冲同步。

本发明另一方面涉及离子传输方法，通过真空获取装置，使第二气压室内瞬时压强低于第一气压室压强，位于第一气压室壁上或内部的离子输入口向位于所述离子输入口或其下游的离子调制装置的调制离子入口注入离子，使其向下游一指定离子调制出口漂移，通过第一电源单元，向包围由所述调制入口至所述离子调制出口的离子通路的电极系统施加第一电压，所述第一电压在至少一部分时间内对已位于该离子调制装置内的离子产生在该时间段内产生向所述调制离子出口方向驱动的电场力，而在其余时间内，该电场力减弱、反向或去除，通过所述电场力，将由离子输入口输入的离子流调制成与输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲，从所述调制离子出口输出，通过控制器电源单元，生成对可变连接通道气流通量变化的控制触发信号，该控制信号与所述第一电压控制锁相，其频率为该第一电压基频或整数分频，以此信号调节位于所述调制离子出口或其下游、第一气压室与第二气压室真空界面上的可变气流通量的连接通道的气流通量，使其气流通量峰值时间与所述调制离子出口输出的离子脉冲同步。

本发明另一方面涉及离子传输方法，设定该离子调制装置的内部压强为10^-2Pa到5x10⁵Pa，并通过第二电源单元对所述电极系统的至少一部分电极施加第二电压，该第二电压施加于所述电极系统产生的电场具有：在所述离子调制装置的离子通路的至少一个径向方向产生时变的电场力分量，所述时变的电场力分量包含至少一个在1KHz～100MHz范围内的频率成分，该第二电压施加方式为：对所述电极系统的至少一部分电极附加的1KHz～100MHz的交流电压，或

a)附加在沿轴向交替变化径向尺寸的电极系统上，或

b)对所述电极系统的至少一部分电极附加的沿轴向变化电压，

或(a)、(b)、(c)中的至少两种方案的组合。

本发明另一方面涉及离子传输方法，为进一步减少中性流的传输和离子流的切换传输损失，采取以下步骤：将打开连接通道时：撤去所述第一电压的常态驱离电平，施加所述第一电压的引出驱动电平，使离子调制装置在离子引出方向施加场强为E的迁移电场；使积聚在离子调制装置内，距连接通道入口距离L的的平衡位置的离子群向所述连接通道移动，调节所述连接通道的气体流导控制信号与上述驱离电压电平切换时间的延时Δt，使具有最大迁移率K的离子群前端到达所述连接通道的入口时，立即打开连接通道使其气流通量至其通量脉冲极值；其中Δt＝L/KE；将关闭连接通道时：关闭连接通道的气流通量至其最小通量，同时通过所述第一电源单元向对所述离子调制装置末端施加常态驱离电压电平，其幅度设置为使未能通过上一次导通时序离开第一气压室的离子远离连接通道入口，并退回到至距连接通道入口距离L的上述平衡位置贮存。

本发明另一方面涉及离子传输方法，控制所述驱离电平幅度，使a)当调制频率>1Hz时，所述离子的积聚位置距连接通道入口距离L＝1～5mm处，且该距离L不小于离子调制装置的末端场半径r；b)当调制频率<＝1Hz时，所述离子的积聚位置距连接通道入口距离L＝3～8mm处，且该距离L不小于离子调制装置的末端场半径r的1.5倍。

综合以上特征，本发明的装置及方法的与现有技术相比的能够具有的主要优势是：

1.相对现有大气压接口的离子源，可以向质谱真空装置内引入更多的离子流，而减少对真空获取装置，尤其是质量分析器及检测器部分所需高真空装置的负载。

2.相对现有真空接口的离子源，可以在传输相同离子流通量的情况下，减少传输入后级精密离子光学系统，例如质量分析器及检测器部分的中性流，减少其污染和背景噪声，或使用更小的真空泵。

3.该传输装置适用于各种离子源，相对现有动态离子接口技术，无论连续离子源还是脉冲离子源产生的离子都能被良好无损失的传输到分析器级，无须对离子源离子化过程的额外同步，传输占空比理论可以达到100％，相对现有技术在同抽速泵下提高1-2个数量级，离子流传输周期更快，可适合高速色谱或其他前级分离手段的需要。

4.在所述调制系统中可利用时间，空间，离子质荷比，迁移率等多种手段将离子流预先分离成多个相同或不同性质的集群，以改善后级串联质量分析器或其他离子分析器的分析占空比情况或质量歧视，形成具有更好分析性能的二维或多维谱图。

附图说明

图1为本发明离子传输装置基本实施方案的装置结构和原理示意图。

图2为本发明离子传输装置基本实施方案中离子调制装置与可变气体连接通道的控制时序和理论效果图。

图3为本发明基本实施方式中两种基本模式下的工作原理图。其中图3(a)为往复推动模式；图3(b)为脉冲推动模式。

图4为本发明基本实施方式的离子调制计算机仿真结果。其中图4(a)为往复推动模式较高气压(100Pa)情况，图4(b)为脉冲推动模式较高气压(100Pa)情况，图4(c)为往复推动模式较低气压(1Pa)情况，图4(d)为脉冲推动模式较低气压(1Pa)情况。

图5为本发明基本实施方式的一种离子调制装置变化例示意图，引入第二交变电源单元和变化径向尺寸的电极结构束缚并聚焦离子在传输时的径向发散。

图6为本发明基本实施方式的另一种离子调制装置变化例示意图。采用静态或可变直流电场实现径向约束带电粒子。

图7为本发明实施方式中离子传输装置的结构变化例示意图。其中图7(a)为分段式四级杆情况，图7(b)为分立式圆环电极阵列情况；

图8为本发明实施方式中离子传输装置的另一个结构变化例示意图，引入电阻表面或分立电极图案形成变化电场与传输效果改善。

图9为本发明实施方式中所用非对称波形电源的实现原理示意图。其中图9(a)为开关波形发生器示意图，图9(b)为多波形合成法示意图。

图10为利用差分迁移聚焦原理实现离子迁移率选择并同步调制传输的结构-原理示意图。

图11为本发明实施方式中多种可变气体连接通道的结构例，图11(a)为闸管结构，图11(b)为脉冲阀结构，图11(c)为翼片闸断结构(快门)，图11(d)为压电控微通道阵列,图11(e)为斩波器(直线及多片旋转式)。

图12为本发明一实施方式与脉冲式质量分析器(离子阱)联用形成质谱仪的一个具体实施例示意图。

图13为本发明一实施方式中离子调制装置与下游质量分析器联用形成离子流量自动增益控制的实现原理图。

图14为本发明一实施方式中一种减少离子传输装置联动工作过程中离子扰动扩散损失方法的实现过程图。

具体实施方式

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。

本发明的基本实施方式的离子传输装置10的结构示意图示于图1，离子传输装置10包括：第一气压室101、第二气压室102、连接通道100、控制器1011、第一电源单元1010。第一气压室101包括至少一个离子源或离子输入口,其在图1中体现为离子输入口103、离子源107、以及离子源1071，如图1所示，注入调制装置的离子流105可以并不仅从离子输入口103引入，而是在位于腔室101中的一个离子源107中产生，若腔室101的工作气压在一个大气压附近的常压下，通常液相色谱配接的离子化源接口如电喷雾离子化源(ElectrosprayIonization Source,ESI)或大气压电晕放电化学电离源(APCI)都可作为离子源107的一种选项来使用，离子源107也可以是其他离子化源，例如光电离源(PI)，激光解吸电离源(LDI)，基质辅助激光解吸电离源(MALDI)，场发射电离源(FI)，热电离源(TI)，或基于亚稳态原子的直接电离源(DART)，激发态等离子体的直接电离源(DCBI)，声表面波电离源，微波或电感耦合电离源等及它们的组合方式都可以作为离子源107来使用，离子调制装置也可以在相同入口1051或其他调制离子入口如1056接上另一个离子源1071，或更多的离子源。这样同一个离子调制装置可以用于复用多个离子源的离子流，达到复用(Multiplex)的效果。当然，实际实施也可根据需要增减来改变具体设置和数量。从所述至少一个离子源或离子输入口输入的离子流可为连续，也可为脉冲的形式。

另，由于第一气压室101可以使离子源107与外界环境分离，这样外界仪器环境的变化，如气流(风)，温度，湿度，乃至于各种化学污染都不易影响到离子源107及离子调制装置105的工作。但本发明的离子传输装置10还具有更大优势，乃是离子源107的工作压强可被调节到非常压条件下，例如工作在1.5标准大气压强或以上(≥0.15MPa)或粗真空(＜0.05MPa)甚至高真空下。此时可以使用一些工作在非常压下的离子源，例如气相色谱质谱联用中常用的电子轰击电离源(EI)或真空MALDI，或者高压电喷雾源(High PressureESI)，由于压力的调节，腔体背景气体分子对形成的离子或离子形成过程可形成不同程度的内能冷却或碰撞加热的作用，在质谱学上对应于“热/硬”或“软/冷”的离子源。

第一气压室101与第二气压室102之间连接有连接通道100，该连接通道100可通过控制器1011受控变化，由此流向第二气压室102的气体流导(包括离子流导)可受控变化。第二气压室102通过连接通道100与第一气压室101连接，该第二气压室102内压强能够被控制为低于0.5MPa，第一气压室101内的离子通过连接通道100传输到第二气压室102中。

第一气压室101中包括离子调制装置105，其位于所述第一气压室101内部、所述离子源或离子输入口与连接通道100之间，或者说，该离子调制装置105位于所述离子源或离子输入口与连接通道100和第一气压室101的连接处。该离子调制装置105包括：至少一个调制离子入口，例如如图1所示为调制离子入口1051、1056，其对应于离子源107、离子输入口103、离子源1071、并位于所述离子的传输方向上的所述离子源或离子输入口的下游；调制离子出口1052，其位于所述离子的传输方向上的所述调制离子入口的下游，以将调制离子输送到所述连接通道100。离子调制装置105还包括一电极系统1054，其包围由所述调制离子入口开始至所述调制离子出口结束的离子通路轴线1053。

控制器1011通过控制第一电源单元1010向离子调制装置105的电极系统1054提供第一电压作为离子调制电压，以使由调制离子入口输入的离子流被调制成与所输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲。控制器1011还控制连接通道100的导通状态，使连接通道100的导通状态时序与所述调制离子出口输出的离子脉冲时序同步。另外，控制器1011和第一电源单元1010的设置位置也可根据需要进行选择，并没有特别的限制，例如可设于离子调制装置105中。

图2为本发明离子传输装置的基本实施方案中离子调制装置输出的导通状态可控的连接通道的导通时序与离子流脉冲时序图。下面，对控制器1011如何进行控制是两者时序同步进行说明。控制器1011通过第一电源单元1010向离子调制装置105的电极系统1054施加的第一电压使得从调制离子入口输入的稳态持续或脉冲式等离子流被调制为离子脉冲，离子脉冲的时序如图2所示。同时控制器1011可以通过例如对连接通道100施加控制信号来对连接通道的气体流导进行控制，以使得连接通道100的导通状态如图2所示仅在某特定时间段为导通，而该时间段与经过离子调制装置调制的从调制离子出口输出的离子脉冲的峰值所处的时间段具有重合的部分，即连接通道100的气体流导峰值时序与所述调制离子出口输出的离子脉冲时序同步。

假设这一过程的周期时间为T，则由离子输入口注入的离子流或从离子源产生的离子流在这一过程中均被调制至子时间段T1中，从而通过连接通道100引入到第二气压室102。而且，由于随离子流引入的中性气体，仅能在T1/T的时间比例中通过连接通道100引入到第二气压室102，这样每经过一级本发明基本方式所述的离子传输装置，就可以做到T/T1倍的离子-中性流的物质量比富集，从而减少第二气压室及后续腔室所需真空装置的负载，减少其大小及成本，延长其寿命。另，由于离子调制周期T与阀脉冲开启时间T1可以在数十微秒到秒级，或更大的范围中自由调节，离子源区的压力可以在很大程度上变动而不改变后级腔室的气流负载及压力。相对于之前的其他技术，根据本发明的实施，通过背景气压对离子源“热/硬”或“软/冷”的调节范围更大，也更易实现。

下面，对控制器1011如何通过第一电压装置1010向电极系统1054施加第一电压来进行离子调制以生成离子脉冲进行说明。作为一种实施，第一电压施加于所述电极系统产生的电场具有：在至少一部分时间内对该离子调制装置内的离子产生在该时间段内向所述调制离子出口方向驱动离子的驱动力分量，而在其余时间内，该驱动力分量减弱、或反向或去除。图3为本发明离子传输装置在两种基本模式的第一电压下的工作原理对比图。图3(a)示出了通过施加往复推动模式的第一电压来实现离子调制的过程，图3(b)示出了通过施加脉冲推动模式的第一电压来实现离子调制的过程。

图3(a)示出了往复推动模式，在申请人之前递交的中国专利申请(201310136304.6)中详细讨论了这一模式，离子调制装置10在该模式下的工作方式如图3(a)所示，电极系统1054由沿一轴线(设为z轴)分布的等径圆环阵列所组成。在每个圆环上施加电压，以在圆环阵列内部形成如图3所示的电场分布，即：该电场为一不对称方波交流电场，每个周期内，正电场阶段(设沿z轴正方向为正)与负电场阶段的电场强度时间积分不等，当正电场的时间积分略大时，如施加迁移电压方波等幅而占空比略大于1：1。在一定气压下，离子除体现与背景气体共同作用下的迁移率特性外，还会在该不对称方波下沿轴来回往复运动，此时可发现原本连续进入的离子在经过该阵列后，被压缩集束而以脉冲的方式逐出。这是因为离子具有往复运动特性，在每个周期内只往前运动很小的一段距离，而只有在每个正电场周期的末尾，即图3(a)中的Δt时间段内，才有可能碰到检测器而被检出。所以，原本注入该调制装置的离子流，经过该装置后会在时间上被压缩在Δt内脉冲逐出，即离子被集束。相邻两个离子脉冲的间隔时间就是交流电场的一个周期。而离子被压缩的程度(也就是脉冲宽度)取决于Δt的设置，即取决于正负电场的占空比接近1：1的程度。所以，只要施加一个合适的电场波形，设置好该正负电场的周期和占空比，就可以随意调节离子脉冲的宽度和脉冲间隔时间。

在更高的压力下，另一种离子迁移脉冲形成模式更适合于所述的离子迁移装置，在此模式下，迁移电压波形不存在负向电场阶段，如图3(b)所示，其是带以一段无电场时间阶段或是一段弱正向迁移电场阶段。此时高场正向迁移阶段在全波形周期中的占空比一般需＜20％,这种方法的优势在于，每一个离子脉冲在高气压下由于所组成离子的迁移率不同所造成的扩散会不一致，脉冲的同步性和脉宽特性较往复模式为好，然而在低气压情况下，离子容易在脉冲间漏出，造成一定的损失，并使离子脉冲变宽，使得气体连接通道100必须开启更长的时间。

另外，作为变化例，离子调制装置105还可进一步选择性地包括一阻挡电极1055位于离子调制装置105的末端处。离子流104在离子调制装置105的轴向自由飘移，或者通过附加在电极1054上的轴向电位加速漂移，当离子移动到离子调制装置105的末端时，通过控制器1011施加到阻挡电极1055的常态阻挡电位在导引轴向上形成沿轴向的持续作用，使得由调制离子入口传输来的离子被阻挡在调制离子出口1052前并继续堆积。当积蓄的离子量增大到一定数量(取决于离子调制装置105的理论离子容量，例如对常用的“离子漏斗”装置，可积累10⁴～10⁸个离子)或积累一定时间后，控制器1011将阻挡电极1055上的阻挡电位除去，此时离子可向下继续漂移，并通过调制离子出口1052离开，这样就产生了可控的离子脉冲，同时，控制器1011控制连接通道100打开，使得该离子脉冲在时间段T1中通过该阀门进入第二气压室102的离子输入口1001进入高真空级，之后连接通道100重新关闭，这一过程可以重复进行。

图4显示了在不同工作气压下，上述两种方式作用在所述离子调制装置105上所形成的离子脉冲特性，其中图4(a)是气压为100Pa的情况，采用往复推斥的模式产生的离子脉冲时间特性，这种气压适合用于离子迁移谱分析。为揭示不同离子迁移速度的影响，质荷比为200Th至1700Th(1Th＝1标准原子质量/1质子电量)的离子被引入该装置，为配合高速GC如二维色谱的窄脉宽特性(一般调制典型峰宽为0.2秒，而为体现一个典型峰型而避免误差，一个峰需要30个左右检测点)，我们将该离子调制装置的工作周期调整到2.5毫秒即400Hz,这对于目前所有的色谱系统都足够了。在图上可见，离子按2.5毫秒的间隔被分成了多个脉冲，不同脉冲的典型峰宽均在0.4毫秒以下，因此在这一极限装置下，气体连接通道100开启状态时的离子流密度至少提高了6倍。图4(b)展示了相同气压下采用脉冲模式的离子调制效果，相比图4(a)显示的离子脉冲时间特性，每一离子脉冲内不同离子，尤其是大质量离子(也对应于大碰撞截面的离子)的自身扩散会更弱，峰宽可以控制在0.2毫秒以下，对应于12倍以上的离子流密度提升。图4(c),图4(d)则分别展示了更低气压如1Pa左右的离子在往复推斥模式和脉冲推斥模式下的脉冲时间特性，对于往复模式，低气压时的离子脉宽和集束特性会变好，而高气压下，脉冲模式的离子脉宽和技术特性会更好。对于不同种类的背景气体，比如空气、氦气、氩气等，0.5Pa到500KPa下，该离子调制装置在相同工作周期及电气条件下的离子集束调制特性也基本类似。

值得提出的是，不但直流电场可以形成周期性推斥-脉冲技术过程，电源单元采用交流或射频离子迁移调制电压也可以产生类似效果。不同的是，此时不同质荷比离子所受的迁移电场力会变得不同，离子感受到的是一个平均的等效作用电势即赝电势的作用，该赝电势的强度与离子质量呈反比，与交流或射频电压频率平方成正比。此时可以利用不同离子受赝电势阻挡强度不同的特点，实现一种质谱的预分离过程，此方法有利于提高后续串联连续模式离子滤质器如四极杆质量分析器，磁扇区质量分析器的的灵敏度。这是由于仅当分析器设定到该特定质荷比离子通过时，该质荷比离子才被该赝势阻挡的调制装置分离，脉冲逐出而正好分析。

控制器1011可以由自触发或外触发的逻辑电路或微处理器(CPU/MCU/MPU/DSP)，集成门阵列(PLD/CPLD/FPGA)或其他集成电路形成，也可以采用射流原理或机械擒纵机构形成控制连接通道100流量的控制信号。控制器1011产生的控制触发信号以与第一电压锁相。当然，受限于机械阀门或可变气流通道的恢复时间，锁相频率可以是第一电压的基频或只是其整数分频。对于不同的电子信号周期条件，该分频数可在整数范围中按需变化，以损失最少离子脉冲的代价换取气体通路机械恢复时间所允许的最大脉冲通量。

考虑到离子在离子调制装置105中漂移时，可能在径向扩散造成的损失，作为对基本实施方案的一个改进，首先可以将所述第一气压室的平均气压降低到0.5Pa至50KPa之间，此时，第一气压室101中的背景气体分子对工作在交替径向聚焦-发散电场中的离子，可以起到有效的平均向轴的“碰撞聚焦效果”，这样可以大幅减少离子在传输过程中的径向损失。

另外，为了减少离子在真空装置中的径向传输损失，可采取的方法还有在径向交替的施加变化电场，从而在一部分时间内改变离子传输过程中的径向发射聚焦条件，配合之前所述的“碰撞冷却过程”，根据径向交变电场的强度，可以将离子径向约束在离子调制装置105内。这种约束的一种典型实现如图5所示，当离子调制装置105的电极系统1054沿传输轴方向半径逐渐减少时，相同射频电压对离子的径向电场作用会逐渐加强，以至于将离子约束在沿离子通路轴线1053附近的一个小区域内，实现所谓的“碰撞冷却聚焦效果”。这样做的好处是可以将离子源或离子入口处发散的离子重新在离子通路轴线1053上聚焦，因此离子可以通过较小孔径的气体连接通道100，进一步减少下级腔体中中性流的引入。

也可使用直流电场形成这个过程，现有技术中这一过程也被称为“周期聚焦效应”，此时离子在离子调制装置105中漂移的径向聚焦，可以发生在更高的气压范围，例如常压甚至略高于一大气压的条件下。具体方式如图6所示，通过所述电极系统1054的几何结构径向尺寸的交替周期变化，或通过第二电源单元(图未示)对其附加强度沿轴向变化的电压，均可以时间周期性地改变离子在传输过程中的径向直流电场力强度，通常该作用导致的电场力周期变化包含一在1KHz～100MHz范围内的频率成分时，这种效应比较明显，尤以频率范围在10KHz～2MHz间为最。这种方式也可以同上述交流电压束缚方式结合，达到对宽质量范围的带电粒子均实现径向约束的特性，其有效质量范围可从简单分子离子到数纳克的带电液滴。

值得注意的是，这个直流电场也可以进一步在传输轴向上产生驻波束缚，当直流电场通过附加电极的不同产生变化时该驻波束缚可以转为行波束缚。当行波波节抵达调制装置末端时，会产生一个个分离的离子包，其效果也等效于对离子的运动产生调制，类似于美国专利US6914241B2中提到的轴向行波迁移管技术中T-wave传输离子导引原理，用于与下级质量分析装置的分析周期同步。

另，不同的电极结构均可以实现对离子在径向上的束缚，如图7所示，电极系统1054可以是环形电极阵列(图7a)或实质多极场电极阵列(图7b)，其中深浅色电极指出了交流或等效交流电压信号在各电极上的不同极性，两者的主要区分是交流或等效交流电场的推斥屏障产生在该离子调制装置的轴向还是径向。对于一些出口离子流宽或能量要求严格的情况，产生纯径向推斥电场的实质多极场电极阵列更有利于控制出口离子流的宽度。此时，可以将该电极阵列在轴线方向上分段来实现轴向电位的控制。除此之外，也可以如图8所示在多极场阵列的各多极场各零电位面80间隙插入轴线调整电位电阻板条81、或分立电极阵列板条82等，从而达到控制轴向电位的目的。这种方法的好处是轴向电位的直流调整与多极场阵列上的交流束缚电压脱耦，因此不再受到交流或射频电压发生电路中电容或电感的延时和移相，反应速度可以更快。

当电极系统的分立电极组件数超过8个以上时，该装置的加工和组装都比较困难，此时可以将这些电极系统的至少一部分安排到一个绝缘体表面，形成表面的导电图案图形。通常这些图形可以被较容易的加工到平面的印刷线路板上，或是电沉积到印刷线路板的直线或弯曲边沿上，形成叠层的电极系统。必要时，这些电极也可以加工在柔性线路板上来取得弯曲的平滑表面结构。印刷线路板的材料可以是环氧树脂纤维(如FR-4)，对介电常数，耐压强度及真空清洁要求高时，也可以采用聚四氟乙烯或高频陶瓷作为基底。

如前所示，表面电阻率均匀或变化的电阻板、条可以有效地建立连续的轴向电位分布，有时也可以由导体表面沉积图案821所取代，或者是用真空还原的铅玻璃来形成连续电阻表面811，通常这些表面的电阻材料其电阻率应在0.5～10⁸欧姆/厘米范围内，电阻表面的另一好处是当通过足够大的电流时，其表面可以发热，这样可以使一些已到达电极表面损失的分析物热电离或脱附重新回到离子调制装置内，同时加热表面对于含分析物液滴和溶剂化离子都能起到去溶剂化效应，形成更多的待分析物分子离子。

由于高速色谱分析及其他质谱高速前分离设备的特点，对于这些设备的离子调制装置需要较高频的调制电压。然而受限于电子学的设计，KHz级数百伏的电压较难获得，如果再出现利用赝势分离不同质荷比离子，需要耦合射频电压(100KHz～10MHz)的情况，这样的电路则更难设计，通常的做法如图9(a)所示是可以用大功率开关器件91，92，如MosFET，IGBT或晶闸管在受控制器1011控制触发在一对或多个直流电压中切换来产生不对称方波。另一种做法是如图9(b)所示可以用N个不同相位(N≥2)的正弦波电源1010.1，1010.2等按傅里叶原理交流耦合叠和来产生等效不对称波形，其中波形正负半周的不对称成分，可以通过非线性器件与非线性器件或线型器件分压来实现，例如二极管-电阻或电容桥93。

非对称场的存在还可以约束离子在径向上的发散，例如差分离子迁移谱(DMS)或不对称场离子迁移谱(FAIMS)原理，可以利用离子与背景气体的成簇-解簇过程，将不同的离子加以分离，目前这种手段以及可以达到500以上的分辨能力，其分离原理与普通离子迁移谱及质谱均有一定正交，尤其是电极结构制作成同轴圆筒结构时，还能束缚特定差分迁移率离子在径向的发散。尤其是对于常压或高压下，交流碰撞聚焦无效的情况下，该方法也能在选择离子的同时，达到约束该离子发散的目的。

图10展示了利用不对称交流进行差分迁移径向聚焦束缚离子并加以调制的方案。所用的质谱接口可以是常压或高于1个大气压的接口，107为置于第一气压室内的电喷雾离子源，由于在高气压下，背景气体分子与电喷雾接口中喷出的离子化流104及雾滴碰撞频率明显上升，在短时间内就可以达到溶剂吸附脱附平衡，同时保留其原始分子折叠状态，而不同折叠态的分子，由于其与背景气体中化学辅助物111(用空心圆表示)的成簇解簇作用，在第二电源单元1200输出的不对称波形作用下产生不同的径向漂移趋势，这一漂移趋势可以用内外筒偏置电源1010.2与1010.1的电压差来补偿，从而选择并约束某一补偿电压所对应的离子通过该双圆筒结构，从而通过末端出口电极1055逐出，为实现本发明中离子轴向调制的目的，施加在内外圆筒两端的交变电压需保持一个固定的偏压，而幅值与变化规律一致。该方法可以用于不同折叠态肽段、蛋白、及其他生物大分子的离子分离。

此外，轴向交流调制电场也可以用类似的办法形成，此时在某一瞬时(正向迁移或反向迁移阶段)，该交流调制电场可以在轴向形成渐进变化的非均匀场，非均匀场的存在有以下好处，1)可以与离子调制装置内的气流或行波驱动场平衡，形成对某种迁移率的离子的富集和选择排出，2)非均匀场，尤其是沿离子迁移方向的减速迁移电场，可以使离子形成向轴的聚焦作用，减少离子的损失。采用非线性器件分压形成轴向电位梯度时时，可以在正负迁移极性半周上都产生对离子的向轴聚焦电场。

由于离子调制装置主要依据离子的迁移性特点，在离子迁移谱可工作的范围即10^-2Pa到5x10⁶Pa都可以有效工作，需要径向束缚离子时，也可以用不同原理加以束缚，高气压(＞4KPa)时可以采用同轴DMS原理，而在常压到100Pa左右可以采用直流周期聚焦原理，而在＜4KPa的真空范围中可以用交流碰撞聚焦的方法将离子在径向束缚，总体而言可以在一个广泛的气压下工作。对于本发明所述的离子传输装置整体，第一气压室，第二气压室间的气体压强比也可以广泛调节，最大可以做到1至5个数量的压强跳跃。若以两室间压强比倍率值A来表示，A的取值范围可为以下选项之一:a)A＜10⁵,b)10⁴＜A＜＝10⁵,c)10³＜A＜＝10⁴,d)100＜A＜＝10³,e)10＜A＜＝100,f)1＜A＜＝10。

下面，对如何对连接通道的导通状态进行控制进行说明。

连接通道100可根据需要实现为各种形态，常见的有包括电控阀门结构的连接通道，或气控可变流导通道，截面可改变的软管等。

在高速色谱联用系统中，气流通量可控变化的连接通道的变动速率是决定该装置的速率的另一主要因素。由于本发明装置的主要运用范围一般是在A＞10³或更高的双腔压差下工作，有必要将该通道全通时的气体流导也做一限制，根据气体流导特性，对于管状结构，气体流导与管等效直径的立方成正比，因此将软管作为该气体连接通道时，将管的一部分或全部压挤就可以取得堵截离子的效果。

图11(a)示出闸管阀结构，其由电动线圈1101，衔铁1102，及软管体1103组成，而且开启流量很容易通过管1103的长度条件控制，然而离子在该结构内部的传输时间较长，对于A＞10³的情况，10cm的管，全通时内部气流速度可以接近100m/s，对应离子传输时间为1毫秒。然而气体从堵截到顺利流动要经历一个绝热膨胀过程，在转换过程中，建立稳定往往需要数毫秒的时间，这在一定程度上限制了Ouyang Z.等人所发展的大气压不连续离子接口的响应速度。

为此，为适应高速前级分离技术连用的目的，提出其他几种更快的电控阀门结构，首先图11(b)所示的脉冲阀结构可以用于加速该装置，通常的脉冲阀体由堵塞锥和一个带小孔和延拓结构的双锥孔1106形成，堵塞锥1104由衔铁1102驱动，运用高压直流电源驱动时可以达到10微秒的开启时间和200Hz以上的开启频率。通常的脉冲阀体是单向的，为了避免离子在非逐出时损失，可以在堵塞锥1104(通常用优质的可导电石墨化碳纤维VESPAL，或表面导电改性的高级塑料聚醚醚酮PEEK或聚酰亚胺PI制作)及其护鞘1105上附加与离子同极性的直流电压，避免其损失。脉冲阀的优点是流体力学特性好，气流场的建立稳定过程通常在10微秒左右即可完成。

图11(c)所示的闸断式快门是另一种合适的快速阀门结构，照相机上采用的快门结构最快开启时间可以小于1/8000秒，精密的光圈快门结构由7至13片风车状翼片1107叠合而成，通过切换旋转角度即可实现前后腔离子通孔11070的尺寸及开启的变化，光圈式快门的一个优良特点是具有一个较完美的中央通孔，而且不会受到封闭结构的轴向堵截，然而单片快门的气密性很难做好，往往要通过多个快门串联工作形成有效的气密结构。值得提到的是，尽管多片式光圈快门的速度较快，但一般成本较高，不过在一些要求不高的场合下,也可以用单翼片快门动片对离子光学通道闸断来形成变化气体通量的需求。

图11(d)所示的压电阀门是根据低对称晶体的极化变形特性构成的，通常基于微加工技术的压电阀门由上下两片网孔板11081，11082组成，网上的微孔尺寸在数个微米到数十微米之间，通过对边缘压电晶体11083的高压施加，可以使两块网板间发生相对位移从而达到物理闸断或导通的效果。压电阀门的开闭速度是目前所有阀门中最快的，其行程延时可以几乎忽略不计，然而压电阀门也有较大的缺点，例如其离子导通率通常＜10％，这是由其网状结构所决定的。

此外，利用斩波器原理也可以形成有效的可受控的可变气体通量的连接通道结构。如图11e所示，斩波片108直线或绕转运动，使其上的小孔1081以频率f周期性经过两腔间小孔1071的轴线，从而形成一个变化通径的连接通道，其频率通常可以达到数百Hz，当采用多片斩波片叠和时，当斩波片上孔数n与转速比为定值，不同斩波片上孔数互质时，可以形成和频或倍频的孔径变化周期，从而达到数KHz的通道开闭频率。尽管斩波器的气密结构制作有一定困难，但圆盘斩波器高速运动的本身就可以形成一定中间抽速，因此并不一定需要真正密封，或者可采取硬盘磁头的伺服电路使斩波定片如硬盘磁头般悬浮在动片表面数微米处，形成近似密封的效果。

此外，对于管状结构的气体连接通道，也可以在通道内壁制作一层电阻结构11031，面电阻率范围为0.5～10⁸欧姆/厘米，该电阻结构主要用于在管道内形成定向迁移电场，有利于减少离子在通道内的驻留时间。类似的，如图12所示，也可以通过在管壁内外的一部分表面通过例如类似电极结构106等的手段，附加一个1KHz-100MHz的交流电压源1061。由于管内径及管壁厚度通常较小，该交流电压引起的径向赝势也可以渗入管壁内部，使其中的交流离子蔽障强度也能维持一定强度，从而减少离子在该通道内的径向撞壁损失。此外，对该通道壁施加加热手段也可以减少离子在该通道内的撞壁损失，为了避免前后两第一气压室101，102上的表面吸附物返流，通常管壁需要被加热到高于第一气压室101或第二气压室102的平均温度，这一过程很容易通过在通道内壁存在的电阻结构上附加加热电流来实现。

此外，连接通道100的实际气体流导也可以通过气体脉冲来控制，即实现为气控可变流导通道。由于相比于固态的实体截断器件，气体脉冲所引起的的流导切断并不会由于运动器件磨损而存在长期漂移，寿命会比较长。通常气体脉冲可以取代夹管阀结构的衔铁夹持件，将软性的气体连接通道管闸断或变形以达到变动气体流导的目的。在第一气压室101处于接近常压的粗真空，或是大于一个大气压的正压力下，还可以用射流原理来达到控制两腔间流导的目的。其基本原理是在阀体结构100上再引入通向第一气压室101和第二气压室102之外空间的一个大通径旁路通道10010，当通过控制器1011来对该大通径旁路通道10010进行控制，当大通径旁路通道10010打开时，在第一气压室和旁路通道间会建立起一个大流量的快速气流，此时原本连接第一气压室101和第二气压102的通道中会由于流体文丘里效应产生负压，使连接两腔的气体连接通道通流性下降，当大通径旁路通道10010闭合时，文丘里效应消失，此时两腔的气体连接通道通流性恢复到正常值。

由于离子在通过连接通道100时要受到电场和气体流场的双重作用，通常离子离开该气体连接通道时，由于在通道内的驻留延时，离子脉宽会发生变化，这样一些脉冲模式工作的质量分析器1078就需要延长其接收离子时间来达到收集全部离子的目的。对于这种情况，可以在下游进一步串联一个第二离子调制装置1057，具体工作时，其调制离子频率可根据下游质量分析器的特性来设置，可高于或低于上游离子调制装置的调制频率。如飞行时间质量分析器可以将该第二离子调制装置的工作频率设置到100Hz至100KHz之间，而对于离子阱类分析器，可以调整得频率范围偏低，如几Hz至5KHz之间，对于傅里叶变换类质谱，如轨道离子阱(Orbitrap)和离子回旋共振质谱(FT-ICR)，通常调制频率在0.01Hz到几十Hz之间。

如前所述，该装置也可在下游串联一个连续模式工作的质量分析器，例如四极杆质量分析器或磁扇区质量分析器，由于随离子脉冲流出的气体量较少，且流出时经历超音速膨胀可形成低温脉冲分子束，其低内能特性也可帮助这类依赖离子初低动能相位分布的后级质量分析器获得较高分辨。对于磁扇质谱，还可以利用不同离子所聚焦的共焦平面，采用阵列式微放大器同时获得多个m/z通道的质谱，从而也可以完成高通量的全扫描分析。

由于绝大多数脉冲模式质量分析器都存在同次分析的离子容量问题，如空间电荷效应等，通常需要采用该质量分析器进行预扫以获知离子流强度，然后动态调节该分析器在下一周期的离子引入时间来获取一个合理的引入离子量。这一过程被称为自动增益控制方法。

普通自动增益控制方法的缺点是离子预扫需要占用额外的分析时间，在这段时间内的离子流量不能用于获得质谱信息。对于连续的质谱接口这种误差还是可以接受的，但对于采用脉冲引入离子的调制-解调离子接口，重新获取的离子引入时间的同步至少意味着丢失一个脉冲的离子，这样最高效率也不过50％，而且由于单离子脉冲内离子的强度-时间关系起伏较大，普通的自动增益控制方法不利于获得好的线型动态范围。为此，结合本发明装置的特点，提出了一种新的自动增益控制的装置和方法。

图13是显示实现自动增益控制的装置框架图。在基本实施的离子传输装置外，进一步附加了离子信号测量采集单元1901和副控制器1999，作为质谱仪器的一部分，离子信号测量采集单元1901可以就是原质谱仪的离子检出积分电路。信号测量采集单元1901从所述离子传输装置105后或其下游的离子分析器109测得它筛选的总离子流或选择离子流强度，副控制器1999的固件程序根据这次离子脉冲的强度及近几次离子脉冲的变化趋势可外推获得输入所述质谱分析装置的对应离子流强度预计值，通过动态调节下一输出离子脉冲的调制周期，由于在准线型物质流条件下，调制周期T的长度变化正比于该调制脉冲的信号强度，因此可限制下一输出离子脉冲的中对应离子的强度，使其落于所述离子信号测量采集装置的线性动态范围内。

此外，该离子调制装置还可以用于构建一个高效的离子碰撞腔室，用于将从调制离子入口引入的离子在其中有效碰撞碎裂成对应的子离子，用于下级质量分析器做串级质谱分析器用。此外，也可以将离子调制装置沿轴电位设置多个高直流电位节点，从而使其一部分组成一个或多个离子阱，将一次注入周期内注入离子所产生的碎裂离子和亚稳离子与下一周期的离子隔离，用于将这些离子储存一段较长的时间来充分驰豫解离，提高串级质谱的子离子产率，同时避免与上一母连接通道周期的离子发生交互干扰。

该技术也可以和离子迁移率分析器联用，由于离子集束后自然形成一至多个脉冲，这些脉冲内的离子对下级离子迁移率分析器自然形成相近的引入时间，且其初动能及发散值经碰撞冷却和脉冲绝热膨胀会降的很低，有利于提高此离子迁移率分析器的分辨能力。该迁移率分析器产生的离子还可以用于后级的质量分析器或下级迁移率分析器进一步分离。

此外，如前所述，所述离子调制装置的一部分结构本身也可以组成一种通过离子质荷比或迁移率性质的选择离子的分析器，以图4显示的情况为例，不同质荷比的离子在该分析器内的驻留时间不同，这样可以形成对离子质荷比的选择。在较高背景气压下，往复、脉冲模式离子调制装置本身就是往复工作或脉冲工作的离子迁移管结构。这种装置的一种变形是如美国专利US6914241B2中提到的轴向行波迁移管技术，当离子在往复，脉冲或行波轴向电位的作用下，不同碰撞截面的多肽，聚合物及手征络合物离子也可以通过其迁移率性质的选择而分离。广义的说，在这样的装置中，通过电极系统及附加电压的合理设置，可以使得至少一种质荷比或迁移率的离子可以通过以下特点，如不同传输时间，选择质量储存，选择与环境气体反应或与器壁碰撞湮灭等过程与其他离子分离。这种集成装置的特点是在简单传输过程中附加了离子选择特性，因此减少了下级位于较高真空中的质量检测器的负载，降低了化学噪声，提高了对分析物的分辨检出能力。

此外，也可以将该离子调制装置建立成一分多或多分多的平行阵列或环形阵列结构(如申请人在先中国专利申请201210090875.6中所示)，此时该离子调制装置可以包含多个离子出口，利用迁移率选择或交流赝势势垒，可以在不同离子出口选择不同的质荷比或迁移率的离子进行质谱分析，这种方式尤其适合于下级质量分析器阵列进行串联，由于每个质量分析器前的离子出口可以是交替打开的，使用离子阱等质量分析器时通过简单的隔断就可以避免单通道时离子气体通路开启过于频繁造成的气压上升，若质量分析器采用如申请人的在先中国专利申请(201210090725.5)中指出的扇形或圆形阵列质量分析器结构时，多个阱可以共享时分复用一个检测器，提高了装置的性能。

由于该离子传输装置的离子传输方向主要由附加在轴上的变化直流电场所决定，因此具体轴向还可以是曲线或部分封闭曲线轴，具体结构在申请人的在先中国专利申请(201210203634.8)中已提到多种相关结构，例如交流电场束缚弯曲轴型，直流电场偏转偏轴型，直流电场反射型等，在此不再复述。但这些结构都具有分离曲线运动离子流与直线运动的分子流的能力，这是通过使所述离子输入口与所述可变气体流量的连接通道不共轴实现的，可以减少直接流入第二气压室的中性气流，辐射线，微粒或液滴的流量，减少中性噪声。

值得指出的是，由于离子调制装置105的引入，第二腔室102内的气压可以在较广泛的幅度下调节。在任何时候，均可以通过打开可变气体连接通道向第二腔室102内传输离子。但是由于机械的可变气体连接通道100的流导变化能力在微观条件下不能发生瞬时变化，因此为避免此时临时贮存在离子调制装置105末端的离子在切换时的扰动及扩散损失，还可以采取如图14所示的以下步骤进一步减少开关连接通道气体流导对离子传输的影响，这些措施包括以下步骤：

将要打开连接通道时，首先撤去通过第一电源单元1010中对离子调制装置末端某一组电极施加的常态驱离电平1010.1。该驱离电压用于使常态时离子被阻挡在这一电极前，而不是之前方案中的连接通道入口前，在距离连接通道入口距离L处储存，距离L受常态驱离电平的幅值决定，通过第一电源单元1010对离子调制装置末端施加向调制出口方向的引出驱动电压，使在关闭气流导时积聚在离子调制装置末端的离子群进一步向可变气流导的连接通道入口移动，根据引出驱动电压电平在离子引出方向上的场强E，调节气体流导控制信号与上述驱离电压电平切换时间的延时Δt，使具有最大迁移率K的离子群前端到达可变气流通量连接通道的入口时，立刻打开连接通道的气流通量至其通量脉冲极值，其中延时Δt＝L/KE为最优值。

将关闭连接通道气体流量时，关闭连接通道的气流通量至其最小通量，同时通过第一电源向对离子调制装置末端施加驱离电压，使未能通过本次离子脉冲离开第一气压室的离子连接通道入口并退回至上述平衡位置距离L贮存。避免其在下一次传输脉冲到来前由于扩散损失。

上述的传输模式可有效避免离子在两腔间连接通道开关通道时气流扰动对离子传输的影响。然而离子传输装置工作时间长或工作压力大时，由于离子长期在出口末端堵截储存时与背景气体作用的扩散损失会进一步加大。为此方面的优化，可以在上述步骤时将所述离子积聚的平衡位置距出口距离L设定为不小于离子调制装置的末端场半径r，这是由于可以造成离子稳定储存的射频场通常在轴向与径向具有类似的场强特性，当该平衡位置距离L小于场半径r时，调制装置末端边缘场的轴向径向耦合所产生的赝势边界会离开调制装置外，此时离子就容易由于扩散而损失，另一方面，对应前级高速分析技术(如离子迁移谱，超快色谱等)的需求，为了使得本离子传输装置的传输周期尽可能缩短，通常此平衡位置也不宜过远，否则离子从平衡位置到出口需要较长的额外时间消耗，一般5mm以下是一个合适的值，此时该额外时间消耗通常小于1毫秒。对于典型的传输通道尺寸与结构，在入口气压室侧通道开闭引起的湍流激波尺寸一般都小于1mm，因此保持这一距离对离子积聚团的稳定性已经足够，通常当离子传输装置的调制频率高于1Hz时，离子的储存损失基本可以消除，当调制频率更低时，应进一部适当增加积聚平衡位置与连接通道入口的距离，如增加至3～8mm，并不小于离子调制装置的末端场半径r的1.5倍。

以上示例性的描述了本发明的实施例、应用例和各种变化例，本领域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。除此以外，其它基于本专利发明内容，但对专业内人士只需做细小改变、易于实现的变体，也在该专利内容保护范围之内。

Claims (39)

1.一种离子传输装置，其特征在于，包括：

第一气压室，其包括至少一个离子源或离子输入口,所述离子源或离子输入口用以产生或传输离子流，

第二气压室，该第二气压室内压强能够被控制为低于0.5MPa，

连接通道，其连接所述第一气压室和第二气压室，离子流通过该连接通道从所述第一气压室导入所述第二气压室，该连接通道的导通状态可受控变化，

控制器，

第一电源单元，其由所述控制器控制，以及

离子调制装置，其位于所述第一气压室内、所述离子源或离子输入口与所述连接通道和所述第一气压室的连通处之间，该离子调制装置包括：

至少一个调制离子入口，其对应于所述离子源或离子输入口、位于离子传输方向上的所述离子源或离子输入口下游，来自所述离子源或离子输入口的离子流输入该调制离子入口，

调制离子出口，其位于离子传输方向上的所述调制离子入口的下游，以将调制后的离子输送到所述连接通道，和，

电极系统，其包围由所述调制离子入口开始至所述调制离子出口结束的离子通路轴线，

其中，所述控制器通过控制所述第一电源单元向所述电极系统提供第一电压，以使从所述调制离子入口输入的离子流被调制成与该输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲输出到所述调制离子出口，同时该控制器控制所述连接通道的导通状态时序使其与所述调制离子出口输出的离子脉冲时序同步。

2.根据权利要求1的离子传输装置，其特征在于，

所述离子源输出离子时，第一气压室内平均气压大于等于0.15MPa或小于等于0.05MPa。

3.根据权利要求2的离子传输装置，其特征在于，

所述第一气压室为一真空室，其平均气压在0.5Pa～50KPa之间。

4.根据权利要求1或2的离子传输装置，其特征在于，

所述第一电压施加于所述电极系统产生的电场具有：在至少一部分时间内对该离子调制装置内的离子产生在该时间段内向所述调制离子出口方向驱动离子的驱动力分量，而在其余时间内，该驱动力分量减弱、或反向或去除，

所述控制器生成控制所述连接通道气体流导变化的控制信号，该控制信号与所述第一电压控制锁相，其频率为所述第一电压的基频或整数分频。

5.根据权利要求3所述的离子传输装置，其特征在于，进一步包括第二电源单元，所述控制器通过控制所述第二电源单元向所述电极系统提供第二电压，该第二电压施加于所述电极系统产生的电场具有：在所述离子调制装置的离子通路的至少一个径向方向产生时变的电场力分量，所述时变的电场力分量包含至少一个在1KHz～100MHz范围内的频率成分，该第二电压施加方式为：

a)对所述电极系统的至少一部分电极附加的1KHz～100MHz的交流电压，或

b)附加在沿轴向交替变化径向尺寸的电极系统上，或

c)对所述电极系统的至少一部分电极附加的沿轴向变化电压，

或(a)、(b)、(c)中的至少两种方案的组合。

6.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极系统是环形电极阵列。

7.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极系统为实质多极场电极阵列。

8.根据权利要求7所述的离子传输装置，其特征在于，所述多级场电极阵列为沿所述离子通路轴线轴向分段的实质多级杆。

9.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极系统的至少一部分电极为在平整或弯曲的绝缘材料上制作的导电图案图形。

10.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极系统的至少一部分电极由面电阻率为0.5～10⁸欧姆/厘米的电阻材料构成。

11.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述控制器控制所述第一电源单元在所述离子通路轴线上产生不对称的交流电场。

12.根据权利要求11所述的离子传输装置，其特征在于，所述交流电场场强的波形为不对称方波。

13.根据权利要求11所述的离子传输装置，其特征在于，所述交流电场场强的波形为由至少N个锁相频率正弦波成分合成，其中N≥2。

14.根据权利要求11所述的离子传输装置，其特征在于，所述交流电场的场强在规定时刻沿所述轴线的分布为非均匀场。

15.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子调制装置的工作气压范围为10^-2Pa到5x10⁵Pa。

16.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述第一气压室与第二气压室的压强比倍率值A的取值范围为以下选项之一:a)A＜10⁵；b)10⁴＜A＜＝10⁵；c)10³＜A＜＝10⁴d)100＜A＜＝10³；e)10＜A＜＝100；f)1＜A＜＝10。

17.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述连接通道包括电控阀门。

18.根据权利要求17的离子传输装置，其特征在于，所述电控阀门为以下构造中的一种：可变截面的管、小孔脉冲阀、翼片闸断快门、压电效应阀。

19.根据权利要求1的离子传输装置，其特征在于，所述连接通道是气控可变流导通道。

20.根据权利要求1的离子传输装置，其特征在于，所述连接通道的内壁形成或覆盖电阻层，该电阻层的面电阻率范围为0.5～10⁸欧姆/厘米。

21.根据权利要求1的离子传输装置，其特征在于，在所述连接通道的至少一部分被施加一频率在1KHz～100MHz的交流电压。

22.根据权利要求1的离子传输装置，其特征在于，所述连接通道的内壁的至少一部分被加热到高于第一气压室或第二气压室的平均温度。

23.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，在所述连接通道下游进一步串联一个离子调制装置，其调制离子频率高于或低于上游离子调制装置。

24.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子调制装置的至少一部分作为串级质谱的碰撞腔使用。

25.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子调制装置的至少一部分组成离子迁移率分析器。

26.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子调制装置的至少一部分组成一个或多个离子阱。

27.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，进一步所述电极系统与离子迁移率分析器联用，将离子集束后以脉冲方式进入迁移率分析器。

28.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子调制装置的至少一部分组成一种通过离子质荷比或迁移率性质的选择离子的分析器，在该分析器内，至少一种质荷比或迁移率的离子通过不同传输时间，选择储存、选择反应或器壁碰撞湮灭过程与其他离子分离。

29.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子调制装置包含多个离子出口，两种或两种以上不同质荷比或迁移率的离子分别按其质荷比或迁移率从不同离子出口引出，通过与所述多个离子出口对应的的连接通道流入所述第二气压室。

30.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子输入口与所述连接通道不共轴。

31.一种包括权利要求1所述的离子传输装置的质谱分析装置，其特征在于，在所述离子调制装置的下游进一步串联脉冲模式工作的质量分析器。

32.根据权利要求31所述的质谱分析装置，其特征在于，所述质量分析器为：a)飞行时间质量分析器；或b)离子阱质量分析器；或c)傅里叶变换类质量分析器；或d)四极杆质量分析器；或e)磁扇区质量分析器。

33.根据权利要求31所述的质谱分析装置，其特征在于，在所述离子调制装置下游进一步串联连续模式工作的质量分析器。

34.一种包括权利要求1所述的离子传输装置的离子流自动调节装置，其特征在于，离子流自动调节装置还包含：测量反馈装置，该测量反馈装置包括至少一个离子信号测量采集单元和至少一个控制单元，信号测量采集单元从所述离子传输装置下游的离子分析器测得一个或多个输出离子脉冲的总离子流或选择离子流强度，所述控制单元根据这些脉冲的强度及其变化趋势获得输出所述离子分析器的对应离子流强度预计值，通过动态调节下一输出离子脉冲的调制周期，限制下一输出离子脉冲的对应离子的强度，使其落于所述离子信号测量采集装置的线性动态范围内。

35.一种在第一气压室与第二气压室间传输离子的离子传输方法，其特征在于：

通过真空获取装置，使第二气压室内压强低于0.5MPa，

从第一气压室的至少一个离子源或离子输入口向其下游的离子调制装置的调制离子入口输入离子，使其向下游的所述离子调制装置的调制离子出口漂移，

通过控制器使第一电源单元向包围从所述调制离子入口至所述调制离子出口的离子通路的电极系统施加第一电压，使从所述调制离子入口输入的离子流调制成与输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲，

通过控制器生成控制所述第一气压室和第二气压室间的连接通道的导通状态的控制信号，通过该控制信号使得所述连接通道的导通状态时序使其与所述调制离子出口输出的离子脉冲时序同步。

36.一种在第一气压室与第二气压室间传输离子的离子传输方法，其特征在于：

通过真空获取装置，使第二气压室内瞬时压强低于第一气压室内的压强，

位于第一气压室壁上或内部的离子输入口向位于所述离子输入口或其下游的离子调制装置的调制离子入口注入离子，使其向下游一指定离子调制出口漂移，

通过第一电源单元，向包围由所述调制入口至所述离子调制出口的离子通路的电极系统施加第一电压，所述第一电压在至少一部分时间内对已位于该离子调制装置内的离子产生在该时间段内产生向所述调制离子出口方向驱动的电场力，而在其余时间内，该电场力减弱、反向或去除，

通过所述电场力，将由离子输入口输入的离子流调制成与输入的离子流时域频率或相位不同的一个或多个离子脉冲，从所述调制离子出口输出，

通过控制器生成对使连接通道的导通状态变化的控制信号，该控制信号与所述第一电压控制锁相，其频率为该第一电压基频或整数分频，以该控制信号调节所述第一气压室与第二气压室间的连接通道的导通状态，使得所述连接通道的导通状态时序使其与所述调制离子出口输出的离子脉冲时序同步。

37.根据权利要求36的离子传输方法，其特征在于，该离子传输方法的工作压强设定为10^-2Pa到5x10⁵Pa，并通过第二电源单元对所述电极系统的至少一部分电极施加第二电压，该第二电压施加于所述电极系统产生的电场具有：在所述离子调制装置的离子通路的至少一个径向方向产生时变的电场力分量，所述时变的电场力分量包含至少一个在1KHz～100MHz范围内的频率成分，该第二电压施加方式为：

a)对所述电极系统的至少一部分电极附加的1KHz～100MHz的交流电压，或

b)附加在沿轴向交替变化径向尺寸的电极系统上，或

c)对所述电极系统的至少一部分电极附加的沿轴向变化电压，

或(a)、(b)、(c)中的至少两种方案的组合。

38.根据权利要求37的离子传输方法，其特征在于，为进一步减少中性流的传输和离子流的切换传输损失，采取以下步骤：

将打开连接通道时：

撤去所述第一电压的常态驱离电平，

施加所述第一电压的引出驱动电平，使所述离子调制装置在离子引出方向施加场强为E的迁移电场，

使积聚在离子调制装置内，距连接通道入口距离L的平衡位置的离子群向所述连接通道移动，

调节所述连接通道的气体流导控制信号与上述驱离电压电平切换时间的延时Δt，使具有最大迁移率K的离子群前端到达所述连接通道的入口时，立即打开连接通道使其气流通量至其通量脉冲极值，其中Δt＝L/KE；

将关闭连接通道时：

关闭连接通道的气流通量至其最小通量，同时通过所述第一电源单元向对所述离子调制装置末端施加常态驱离电压电平，其幅度设置为使未能通过上一次导通时序离开第一气压室的离子远离连接通道，并退回到距连接通道入口距离L的上述平衡位置贮存。

39.根据权利要求38的离子传输方法，其特征在于，控制所述驱离电平幅度，使

a)当调制频率＞1Hz时，所述离子的积聚位置距连接通道入口距离L＝1～5mm处，且该距离L不小于离子调制装置的末端场半径r，

b)当调制频率≤1Hz时，所述离子的积聚位置距连接通道入口距离L＝3～8mm处，且该距离L不小于离子调制装置的末端场半径r的1.5倍。