CN104641451A - 改进的离子导向器 - Google Patents
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Abstract
一种用于质谱法的离子导向器，该离子导向器包括至少两个电极的电极安排，其中的至少一个电极是RF电极，该至少两个电极被安排为在电介质材料的平面式表面上彼此相邻但间隔开并且被安排为距离子流动路径一段距离，其中该电介质表面的一部分暴露在一对间隔开的相邻电极之间，并且其中所述相邻电极对中的至少一个电极被安排为悬垂于在它们之间的表面的暴露部分之上，这样使得不存在从该离子流动路径至该电介质表面的暴露部分的直接视线。该装置能够实现离子的RF引导，伴随有大大减少的电介质表面的充电以及中性种类与这些电极的减少的碰撞量。由于该平面式构造和使用材料如印刷电路板的能力，该离子导向器可以按简单的方式来制造。
Description
发明领域
本发明总体上涉及用于质谱法中的离子导向器。
发明背景
RF离子导向器，如RF多极杆，在离子光学装置中广泛用于质谱法中。包括RF离子导向器的装置的实例包括滤质器、碰撞室、离子阱和传输多极杆。然而，此种装置的设计存在许多挑战。
近些年来，已经开发了具有额外的轴向场的RF离子导向器用于更好地控制离子运动，例如如在US5,847,386、US6,111,250、EP1271611、US6,674,071、US6,107,628、US7,164,125、US7,064,322和US7,564,025中所披露的。这些离子导向器典型地由块状金属或电阻性RF杆(通常具有圆形截面)、以及用于提供沿该导向器的轴线的额外DC分布的不同构件组成。此种构造是典型地使用常规机械加工方法形成的并且总是要求繁琐的装配和许多零件。
为了简化RF离子导向器的制造，已经开发了平面式设计，像在US5,572,035、US6,040,575、US7,365,317、US7,786,435、WO2010/014077、US6,872,941、US2011/240850、WO2006/059123和WO2004/021385中所描述的那些。后一现有技术设计适合于通过电子器件(例如，处于印刷电路板(PCB)的形式)的标准大批量生产技术、或通过用于小型化设计的平板印刷术来制造。已经采用此种概念来生产用于量子计算的小型离子阱(参见，例如，Chiaverini等人，量子信息与计算(Quantum Inform.And Computation)，卷5，第6(2005)期419-439，以及Kielpinski等人，自然杂志(Nature)，卷417，2002，第709页)。然而，这种方法具有以下缺点：不能提供一种有效方式来构造用于质谱法中的具有足够深的势阱的离子导向器。前述设计的其他缺点包括不能提供还可以用于限制用于例如离子的碰撞冷却的气体的一种稳健构造，以及对在电极之间的电介质间隙(可能影响离子运动)进行充电。虽然存在无需电介质的设计(例如，使用电阻性杆用于产生梯度场)，但此种设计是难以制造的。对于定位靠近离子源的常规多极杆，大量的中性种类也典型地与这些多极杆碰撞，这再次可能影响随着时间的推移的性能。
针对此背景，做出了本发明以便减轻上述问题中的一个或多个。
发明内容
根据本发明提供了一种用于质谱法的离子导向器。该离子导向器优选地是RF离子导向器。该离子导向器优选地是多极杆。该离子导向器优选地包括至少两个电极的电极安排，其中的至少一个电极是RF电极。该至少两个电极优选彼此相邻地安排但在电介质材料的平面式表面上间隔开。该至少两个电极被安排为距离子流动路径一段距离。该电介质表面的一部分暴露在该平面式表面上的一对相邻的间隔开的电极之间并且优选地所述相邻电极对中的至少一个电极被安排为悬垂(overhang)于它们之间的表面的暴露部分之上，这样使得不存在从该离子流动路径至该介电表面的暴露部分的直接视线。该离子流动路径是当这些电极用电压进行偏压时离子沿其行进的路径。该离子流动路径优选平行于该平面式表面。根据本发明，优选地在这些电极之间的至少某一暴露的电介质表面具有悬垂在其上并且不与其电接触的一个或多个电极。
优选地，存在多个相邻的间隔开的电极对，并且存在该电介质表面的多个暴露部分，每个部分在对应的相邻的间隔开的电极对之间。优选地，所述多个相邻电极对中的每一对中的至少一个电极被安排为悬垂于在它们之间的表面的暴露部分之上，这样使得不存在从该离子流动路径至该暴露部分的直接视线。更优选地，在每个相邻电极对之间的电解质表面的每个暴露部分使该相邻电极对中的至少一个电极被安排为悬垂于该暴露部分之上。
因此，在本发明的一个方面中，提供了一种用于质谱法的离子导向器，该导向器包括至少两个电极的电极安排，其中的至少一个是RF电极，该至少两个电极被安排为在电介质材料的平面式表面上彼此相邻但间隔开，并且被安排为距离子流动路径一段距离，其中该电介质表面的一部分暴露在相邻的间隔开的电极对之间，并且其中所述相邻电极对中的至少一个电极被安排为悬垂于在它们之间的表面的暴露部分之上，这样使得不存在从该离子流动路径至该电介质表面的暴露部分的直接视线。
可以提供定位为彼此间隔开的并且面向彼此的两个平行的电介质材料的平面式表面，各自面向在其上已安排了对应的电极安排的平面式电介质表面。因此，在一个表面上的电极安排面向在另一个表面上的电极安排。每一个电极安排可以包括至少一个平行于该平面式电介质表面的平面式RF电极。将理解的是，安排在一个平面式电介质表面上的一个或多个RF电极由此被定位为间隔开并且平行于安排在另一个平面式电介质表面上的一个或多个RF电极。离子流动路径位于在这两个相对的平面式表面之间的空间中。该离子流动路径被提供为平行于这些平面式表面。
因此，在本发明的另一个方面中，提供了一种离子导向器，该离子导向器包括：定位为间隔开的两个平行的电介质材料的平面式表面，其中它们的平面式表面面向彼此并且具有在其间的空间，每个平面式表面面向在其上已安排了对应的电极安排的平面式电介质表面，该电极安排包括至少一个平面式RF电极，该平面式RF电极的平面平行于该平面式电介质表面，其中离子流动路径被提供在这些平行的平面式电介质表面之间的空间中(因此在这些对应的电极安排之间的空间中)，优选是在其间等距的。
本发明提供一种离子导向器，该离子导向器能够实现离子的RF引导，伴随有大大减少的电介质表面的充电。这些金属电极相对于这些电介质表面按这样一种方式被安排：离子和/或液滴倾向于仅落到这些金属表面(这些金属表面在使用中被偏压)上，并且不落到这些电介质表面上。该平面式设计使得实现具有中性种类与这些电极的减少的碰撞量的实施例。该设计还使得实现能够使中性种类与离子有效分离的实施例。由于该平面式电极构造和使用平面式电介质材料如印刷电路板的能力，该离子导向器可以按简单的方式来制造。该设计可以在允许使用用于碰撞冷却或离子破碎的气体填充该离子导向器的实施例中实现。以下更详细地描述这些和其他优点。
现在将总结不同的优选实施例。
该电介质材料可以是任何合适的绝缘基底，例如玻璃或陶瓷。优选地，该电介质材料是印刷电路板材料。在此类实施例中，本发明可以使用电子器件制造的大批量生产技术来制造。
这些电极最优选是平面式的，其中它们的平面平行于它们被安排在其上的平面式电介质表面。这些电极是平面式的，这意味着它们的厚度(即，它们与该平面式电介质表面垂直的尺寸)小于、典型地远小于它们的宽度或长度(即，它们的与该平面式电介质表面平行的尺寸)。这些电极还优选是狭长的，即，在轴向方向上。从而这些狭长电极可以提供线性离子导向器。这些狭长电极可以是直的或曲线的，即弯曲的。这意指在该平面式电介质表面的平面中弯曲。作为实例这些电极可以是以简单曲线或以S形状或其他形状弯曲的。这种狭长构型适用于RF电极和DC电极。在本说明书中，术语RF电极是指将RF电压源与其连接的电极，无论是否将额外的DC电压源也任选地施加到其上。术语DC电极在此是指将DC电压源(但不是RF电源)与其连接的电极。
在平面式电介质表面上的相邻电极对优选被安排为使得它们的面向离子的表面在距该电介质材料的表面不同的距离，即，不同的高度处。因此，该对电极中的其面向离子的表面比另一个电极距该表面更大距离的电极是悬垂于该电介质表面的暴露部分之上的电极。这还可以有助于一个电极悬垂于相邻电极的至少一部分之上以及从而有助于在其间的电介质表面的暴露部分的甚至更大的遮蔽。因此，该悬垂的电极优选悬垂于所述相邻电极对的另一个电极的至少一部分之上。优选地，该悬垂的电极是RF电极。因此，在此类实施例中，该RF电极可以是具有距该电介质表面更大的距离或高度的面向离子的表面的电极以便使得它能够悬垂。
在一个平面式电介质表面上的电极安排的该至少两个电极可以包括至少一个DC电极。该至少一个DC电极也优选是平面式的，其中它的平面平行于该平面式电介质表面。因此，所述相邻电极对可以包括至少一个RF电极和一个DC电极，尤其一个平面式RF电极和一个平面式DC电极。这个或这些RF电极可以被安排为距该电介质表面一段距离。该DC电极可以被蚀刻到该电介质表面上。该RF电极优选被定位为比相邻的DC电极在该电介质表面上方更大的距离或高度处，并且更优选地悬垂于该DC电极的至少一部分之上。
该离子导向器优选是具有轴向场的离子导向器。
至少一个DC电极可以提供轴向电场梯度以使离子沿着该离子光轴移动。
至少一个DC电极可以提供处于轴向势阱形式的轴向场以将离子轴向地捕获在该离子光学装置中。
该至少一个DC电极优选是在该轴向方向上分段的以使得能够通过该电极产生轴向场。这些区段中的至少一些优选在使用中用不同电压进行偏压以提供该轴向场。
除了该DC电极之外或作为其的替代，该至少一个RF电极可以是分段的以提供轴向场梯度或轴向势阱。
优选地，在平面式电介质表面上的每个电极安排中提供多个RF电极(尤其是平面式RF电极)。更优选地，每个电极安排包括两个RF电极，使得总计为四个RF电极(即，一个四极杆)。作为实例，该离子导向器可以具有总计两个、四个、六个或八个RF电极。该离子导向器可以是例如四极杆、六极杆或八极杆。
优选地，在平面式表面上每个电极安排中提供多个DC电极。
优选地，每个RF电极具有至少一个被安置为与其相邻的但间隔开的DC电极。
优选地，在该电极安排中或在每个电极安排中提供至少两个RF电极和至少一个DC电极。在某些优选的实施例中，在该电极安排中或在每个电极安排中提供至少两个RF电极和至少两个DC电极。在特别优选的实施例中，在该电极安排中或在每个电极安排中提供至少两个RF电极和至少三个DC电极。例如，可以在该电极安排中或在每个电极安排中提供两个RF电极和三个DC电极，任选地安排为使得这两个RF电极具有一个位于它们之间的DC电极并且每个RF电极具有一个在其外部的DC电极(相对于该离子光轴)。
将理解的是，在表面上的对应的电极安排中的这些电极并不彼此电接触。而是，剩余一部分电介质表面暴露在一个电极安排中的这些相邻的电极之间，以便它们不电接触。
在优选的实施例中，提供第一此种电极安排，即，如在此描述的，并且存在与该第一此种电极安排间隔开的、优选与之平行的第二此种电极安排。优选地，该第一此种电极安排的这些电极面向该第二此种电极安排的这些电极并且该离子流动路径被安排在该第一与第二此种电极安排之间，优选是在其间等距的。该第一和第二此种电极安排总体上可以各自包括N个具有交变RF相位的RF电极(N＝2、3、4或更高)，从而形成一个2N极性多极杆场(N＝2四极杆，N＝3六极杆，N＝4八极杆，等等)。优选地，该第一此种电极安排和该第二此种电极安排一起形成一种多极杆电极安排。因此，每个电极安排优选被提供在一块单独的电介质材料上如一块单独的印刷电路材料并且每一块电介质材料从而承载整个多极杆电极安排的一半电极。在一种类型的实施例中，在该第一与第二此种电极安排之间的间隙优选是至少1mm、或至少3mm、或至少5mm。最优选地，该间隙是2至10mm。然而，该离子导向器可以在尺寸上按比例增大或减小至少一个数量级以适合要求的应用。例如，小型化可以使得该离子导向器作为一种微型系统装置来制造。总体上，在该第一与第二此种电极安排之间的间隙比在使用中沿着该离子路径行进的离子束的高度大出约2至3倍。在电极之间的电介质表面的暴露部分可以处于所述一个或多个凹槽的形式，即该凹槽形成在这些相邻的电极之间的电介质表面部分中。可以在每个RF电极同与其相邻的电极之间(例如，DC电极)提供一个或多个凹槽。这增加了在相邻电极之间的跟踪(tracking)距离并且增加了该开放式电介质表面的遮蔽。
至少一个、优选每一个DC电极可以是在该离子光轴的方向(轴向方向)上分段的(即，以多个区段提供)，其中在该DC电极的区段之间的间隙的尺寸被尽可能最小化(优选<0.15mm，或<0.10mm，或<0.05mm)和/或此种间隙被形成为在该电介质表面中的凹槽。此种小间隙是可能的，因为在相邻的DC电极区段之间的电压是相当小的，典型地<1-2V。
该离子导向器可以形成以下离子光学装置中的一种或多种：离子阱、质量分析器(即，滤质器)、碰撞室、破碎室、离子迁移光谱仪、离子传输多极杆、和离子漏斗。因此，本发明还提供一种离子光学装置，该装置包括该离子导向器，其中该离子光学装置是选自离子阱、质量分析器、碰撞室、破碎室、离子迁移光谱仪、离子传输多极杆、和离子漏斗。
该离子导向器可以是直的线性的或曲线的(即，弯曲的)线性离子导向器。它可以是S形状的离子导向器。在这种情况下，该离子导向器可以包括至少一个直的线性或曲线的线性RF电极。该曲线的线性离子导向器可以是，例如，弯曲的线性离子阱或弯曲的传输多极杆。
该离子导向器可以具有侧壁，这些侧壁封闭在这些平面式电介质表面之间的空间。这使得实现在这些平面式电介质表面之间的空间的气体填充，例如用于离子的碰撞冷却或用作碰撞室和用于离子破碎。这些侧壁可以是弯曲的，任选地其中这些侧壁中的至少一个具有在其中的一个孔用于使中性种类或液体穿过。
以下参考附图进一步描述以上特征。
附图清单
图1示出了处于一种四极RF离子导向器形式的根据本发明的一个实施例的示意性截面图。
图2示出了根据本发明的另一个实施例的示意性截面图。
图3示出了根据本发明的离子导向器的一个实施例中的不稳定离子的运动。
图4示出了处于弯曲RF离子导向器形式的根据本发明的又另一个实施例的剖视图，其中为了清晰起见，上部PCB和电极显示为被移除。
图5示出了处于弯曲RF离子导向器形式的根据本发明的另外一个实施例的另一个剖视图，其中为了清晰起见，上部PCB和电极显示为被移除。
本发明的实施例的详细说明
为了进一步帮助理解本发明，但不限制其范围，以下参考附图描述本发明的不同示例性实施例。
参见图1，示出了根据本发明的RF离子导向器的实施例的示意性截面图，其中尺寸的实例以毫米(mm)表示。该离子导向器包括一个第一平面式印刷电路板(PCB)(2)和与其间隔开的一个第二平面式PCB(4)。因此一个空间(3)存在于这些PCB之间。这些PCB(2)和(4)被安排为使这些PCB的平面是彼此平行并且面向彼此的。在该图中，这些PCB的平面垂直于该绘图的平面延伸，即，在X-Z平面中(Z轴穿出该绘图的平面(平行于这些PCB的平面))。轴X在该绘图的平面中示出，平行于这些PCB的平面，并且轴Y在该绘图的平面中示出，垂直于这些PCB的平面。在这些PCB之间的距离在这个实例中是6.6mm。
第一PCB(2)具有附接到其(面向第二PCB(4)的)表面上的两个RF电极(6a)和(6b)。这些RF电极(6a)和(6b)是被安排为平行于PCB(2)的表面的平面式金属电极。不锈钢典型地用作该金属，例如用于形成弹簧的类型。焊接或电阻性胶合可以用于将这些电极固定到该PCB上。对于焊接，也许有可能的是该金属被一个中间层(例如，金)覆盖。从而它们还平行于PCB(4)的表面。这些RF电极(6a)和(6b)也是狭长的并且在垂直于该绘图的平面的方向Z上延伸。因此该离子导向器在这些RF电极的长度的方向(该Z方向，也被称为轴向方向)上是狭长的。这些RF电极的厚度(即，其垂直于该表面的尺寸，即，在该Y方向上)在这个实例中是0.3mm。这些RF电极(6a)和(6b)被附接在距PCB(2)一段距离处，在这种情况下通过一个对应的间隔物层(8)(1.0mm厚)。该间隔物可以例如是由PCB材料制成的。在将该材料层压到该PCB的其余部分之前可以将其切割成型。然而，通过将这些金属RF电极形成为一种适当的形状(例如参见图2)，可以省略这个使用间隔物的步骤。每个电极(6a)和(6b)是4.0mm宽并且在电极(6a)和(6b)的最靠近的边缘之间的距离S在该实例中是1.0mm。因此，从电极(6a)的外边缘到电极(6b)的外边缘的距离L是9.0mm。
第二PCB(4)同样具有附接到其(面向第一PCB(4)的)表面上的两个RF电极(6c)和(6d)。这些RF电极(6c)和(6d)再次是被安排为平行于PCB(4)的表面的平面式金属电极。从而它们还平行于PCB(2)的表面并且平行于在PCB(2)上的RF电极(6a)和(6b)。这些RF电极(6c)和(6d)也是狭长的并且在垂直于该绘图的平面的方向Z上延伸。与在该第二PCB上的RF电极(6c)和(6d)相关的尺寸与对于在该第一PCB上的相对应的电极(6a)和(6b)给出的那些相同，并且电极(6c)和(6d)再次通过对应的间隔物层(8)被附接在距该PCB表面一段距离处。
在该第一PCB的电极(6a)、(6b)与该第二PCB的电极(6c)、(6d)之间的垂直间隙H在所示出的实例中是4mm。在其他实施例中，该间隙H可以是变化的，例如从3至5mm，通过改变在这些PCB之间的距离和/或通过改变隔离物层(8)的厚度。在每个PCB上的这些电极安排之间的间隙H优选是至少3mm。然而，该间隙可以改变一个数量级，取决于应用，如为在微系统中为小一个数量级。这个间隙是足够宽的以致存在比在常规设计中更少的中性种类与电极的碰撞，尤其在以下所述的一种弯曲多极杆的情况下。
这些RF电极(6a)、(6b)、(6c)和(6d)形成一种多极杆(在这种情况下一种四极杆)。将理解的是，仅两个平面式表面使得实现四个RF电极的多极杆设计。在使用中，将RF电压施加到这些电极上。该多极杆的相邻RF电极必须具有相反的相位以便以两个组(通过不同的底纹示出)进行至这些RF电极的电压连接。电极(6a)和(6d)作为一个组被连接(并且因此具有与彼此相同的相位)，而电极(6b)和(6c)作为另一个组被连接(并且因此具有与彼此相同的相位，但与在电极(6a)和(6d)上的相位相反)。
该多极杆的偏压RF电极(6a)、(6b)、(6c)和(6d)产生了以在这四个RF电极之间的中点处为中心的伪势阱，该伪势阱限定了处于离子光轴(10)的形式的一条离子流动路径，这样使得沿z方向进入该离子导向器的离子(典型地作为离子束)被限制在该离子导向器内以沿着轴(10)行进。将理解的是因此离子光轴(10)平行于在该轴向方向上的这些RF电极延伸。
该离子导向器还包括多个平面式DC电极。这些DC电极覆盖与这些RF电极相邻的电介质表面的部分，在这个实例中在这些RF电极之间并且在这些RF电极的外部。这可以帮助防止电介质表面的充电。在某些实施例中这些DC电极还可以提供轴向场用于更快的离子传输。第一PCB(2)具有如所示出的安排在其上的三个此种DC电极(12a)、(12b)和(12c)。外部DC电极(12a)和(12c)在该PCB上分别被安排到RF电极(6a)和(6b)的外部。中央DC电极(12b)在该PCB上被安排在这些RF电极(6a)和(6b)之间。这些DC电极是狭长的并且平行于这些狭长的RF电极在Z方向上(轴向方向)延伸。第二PCB(4)类似地具有按与如所示出的类似方式安排在其上的三个DC电极(12d)、(12e)和(12f)。这些DC电极被蚀刻在该PCB上但可以通过其他方法来形成，例如作为冲压零件。因此这些DC电极被直接安排在该PCB表面上，并且因此出于以下解释的目的，这些RF电极(6a)、(6b)、(6c)和(6d)被定位在比这些DC电极距该PCB表面更大的距离处。
这些RF电极通过暴露的(即不被这些DC电极覆盖的)一部分电介质PCB表面与这些相邻的DC电极分开。在这些中央DC电极(12b、12e)与这些RF电极之间指示四个此种暴露的电介质表面的部分(14)。为了最小化这些暴露的部分的充电，这些RF电极被配置为使得当从离子光轴(10)看时它们悬垂于这些暴露的电介质表面的部分(14)之上。换句话说，这些暴露的PCB表面(14)位于这些悬垂的RF电极的遮蔽下。因此离子不具有到这些暴露的PCB的视线。这些RF电极比隔离层(8)更宽，通过该隔离层它们被附接到该PCB并且从而能够悬垂于该相邻的暴露的PCB表面之上。为了更有效遮蔽该PCB，当在垂直于该PCB的平面的方向上看时，这些RF电极的边缘也悬垂于它们的相邻DC电极的边缘部分之上。在图1的实例中，示出了长度b，在此处该RF电极悬垂于该相邻的DC电极之上。在这些外部DC电极(12a、12c、12d、12f)与这些RF电极之间指示另外的暴露的电介质表面的部分(14’)。这些部分还具有遮蔽它们的悬垂的电极。
在实践中，这些金属RF电极可以使用电化学蚀刻(电蚀刻)或激光切割或挤出或冲压或其他合适的制造方法来制成。作为RF电极的电蚀刻的或冲压的零件是优选的。
参见图2，以示意性侧视图示出了根据本发明的另一个实施例的离子导向器的一个PCB表面(30)，该PCB表面具备通过在该PCB基底上的上述方法之一制成的金属RF电极(32a、32b)。提供在这些RF电极周围的凹槽(34a、34b、34c、34d)以增加距这些相邻DC电极(36a、36b、36c)的跟踪距离。这次，将这些金属RF电极形成为使得不要求该隔离物层即可悬垂这些RF电极。可以与图2中示出的PCB间隔开并且平行地提供也支撑了一个类似的电极安排的一个类似的第二PCB(未示出)，以提供一种四极杆离子导向器。
如上所述，在某些实施例中这些DC电极可以提供一个轴向电场(即，在Z方向上)为了更快的离子传输。为此目的，这些DC电极可以作为安排在轴向方向上的一个电极区段链被提供，向这些电极区段可以通过轴向电压分布施加一个轴向场。该轴向场分布可以在该中央的电极链与外部链之间不同，例如当要求对场谐波的控制时。在某些实施例中，这些DC电极可以是电阻性的以提供一个轴向场。在一些实施例中这些RF电极可以提供一个轴向场，例如，其中这些RF电极是分段的并且将一个轴向DC电压分布施加到这些RF区段上。
在形成滤质器的离子导向器中，这些RF电极还可以施加一个DC电压分量。
从以上描述和附图可以看出，在一种类型的优选实施例中，该离子导向器是一种多极杆并且包括两个面向彼此的、平行的和间隔开的平面式PCB表面。更优选地，每个PCB表面具有附接到其上的两个平面式金属RF电极。进一步优选地，每个PCB表面具有附接到其上的位于两个平面式金属RF电与两个外部平面式DC电极之间的一个中央平面式DC电极，每个外部DC电极位于这些RF电极的一个对应的RF电极的外部。这些DC电极优选包括一个电极区段链用于提供轴向场。
在其他实施例，可以提供仅具有一个平面式PCB的离子导向器，该平面式PCB在其上具有一个电极安排。该电极安排可以包括一个或多个RF电极。优选地，在这些实施例中，还在该PCB上提供一个或多个DC电极。
在图3中示出了如图1中示出的一种多极杆离子导向器中的不稳定离子的运动。X和Y轴用以mm计的尺寸示出。可以看出不稳定离子仅飞到这些金属RF电极(6a至6d)上但不在它们之间或之下，因此避免在这些电极之间的电介质间隙的任何充电。一些离子可能降落在电介质表面上，像该图中退出到左下侧的那些。然而，在那种情况下，这些电介质的距离进一步远离这些金属RF杆，所以任何可能的充电将可忽略不计地影响在该装置的中心的临界区域。更靠近该中心的悬垂结构屏蔽电荷积聚。电介质间隙在Z方向上(垂直于该绘图的平面)的充电，例如在这些DC电极的区段之间的间隙，可以通过使此种电介质间隙<0.05mm而变得可忽略，这样使得甚至完全充电的表面将不在该离子导向器的轴线处产生显著的电压扰动。可以例如在>3mm长的电极区段之间使用此种尺寸的间隙。
以上所述的构造可以用于产生直的和非直的离子导向器两者。一种弯曲离子导向器的实例在图4中示出，该图是从上方看的透视图，其中移除上部PCB和电极以允许更好观察在下部PCB上的电极安排。因此，将理解的是该离子导向器在使用中将具有一个上部PCB和的电极安排，其与该下部PCB平行并且间隔开、具有与现在描述的下部PCB基本上相同构造。
图4中示出的实施例包括弯曲侧壁(62、64)以将气体限制在该离子导向器内以有效冷却离子。它还可以填充有气体用于作为离子破碎的碰撞室而运行。一个端壁(65)部分封闭该离子导向器的入口端但留下一个中央孔用于使离子进入该离子导向器。这些侧壁和端壁是由金属制成的但可以由另一种材料制成。将理解的是，在其他实施例中，该离子导向器可以不填充有气体，并且可以省略这些侧壁。来自一个离子源(未示出)(如一个电喷射源)的离子和液滴在由箭头(68)示出的轴向方向上进入该离子导向器，同时在外部(较大半径)弯曲侧壁(64)中的孔或孔口(66)提供用于可能来自该离子源的任何液滴的出口。
在图4的离子导向器中，一个下部平面式PCB(70)具有附接到其上的平面式金属RF电极(72a、72b)，这些RF电极被定位在PCB(70)的表面上方的短距离处、在一个隔离物层上。PCB(70)被形成为弯曲形状。这些RF电极(72a、72b)在与该PCB表面相同的平面中是平面的并且沿着该离子导向器的长度从其入口端(由箭头68示出的)至其出口端(由箭头76示出的)轴向地延伸。这些RF电极(72a、72b)在该PCB表面的平面中是弯曲的以便使该离子路径弯曲90度。由此限定了一条离子路径或光轴，该离子路径或光轴平行于这些RF电极(72a、72b)延伸并且位于它们之间并且在这些RF电极(72a、72b)的平面的上方。当上部PCB和电极(未示出)就位时，该离子光轴将位于这两个PCB之间的中间。这些RF电极(72a、72b)在使用中具有施加到其上的相反相位的RF电压并且它们形成四极杆离子导向器的一半，另一半由具有与下部PCB(70)基本上相同的构造并且安排为与其平行并且间隔开的上部PCB和电极安排(未示出)来提供，类似于图1中示出的实施例。
PCB(70)还具有平面式金属DC电极(80、82a、82b)，这些DC电极沿着该离子导向器的长度轴向地延伸并且被蚀刻到该PCB的表面上(因此这些DC电极比这些RF电极更靠近该PCB表面)。这些DC电极(80、82a、82b)在该PCB表面的平面中是弯曲的以便与这些弯曲的RF电极(72a、72b)相邻地延伸。中央DC电极(80)位于这些RF电极(72a、72b)之间，其中PCB电介质表面的一个小间隙开放在相邻的电极之间以便防止在这些RF电极与DC电极之间的电接触。外部DC电极(82a、82b)分别位于这些RF电极(72a、72b)的外部，再次其中PCB电介质表面的一个小间隙开放在相邻的电极之间。在该PCB表面上方一定高度的RF电极(72a、72b)被安排为悬垂于与它们相邻的PCB电介质表面的小间隙之上，并且在这个实施例中，还悬垂于这些相邻的DC电极的边缘之上。以此方式，沿着该离子光轴行进的离子不能够沉积并且充电这些电介质间隙。
这些DC电极(82a、82b)(像这些RF电极一样)是平面式的并且沿着该离子导向器的长度从其入口端(68)至其出口端(76)轴向地延伸。然而，这些DC电极各自作为一个轴向的电极区段阵列(83)被提供，具有在相邻的区段之间最小化的电介质间隙(84)。可以将一个轴向电压分布施加到每个DC电极的电极区段上以便为离子提供一个轴向驱动场来使它们从入口至移动出口，或用反转的轴向场，从出口移动至出口。该轴向场可以是一个静态轴向场或一个移动的轴向场。使在相邻的区段之间的电介质间隙(84)<0.05mm，这样使得即使这些间隙变得完全充电，将不会在该离子导向器的轴线处产生显著的电压扰动。
本发明的平面式设计使得能够有效分离中性种类与离子，而不使大多数中性种类撞击该离子导向器内的临界表面，因为大多数中性种类仅直通式飞行。对于常规的弯曲多极杆，大量的中性种类将撞击这些弯曲多极杆，这将影响随着时间的推移的性能。因此本发明的平面式结构不会阻塞中性种类的路径达到常规的多极杆离子导向器的程度。因此本发明提供一种通过提供该离子导向器来分离中心种类与离子的方法，其中该离子导向器具有一条弯曲轴线，即，其中这些平面式电极在该平面中是弯曲的。
根据本发明的离子导向器构造可以用于质谱法中的不同目的。该离子导向器可以用作碰撞室用于离子破碎、离子-分子反应、离子-光子反应和/或离子-离子反应(优选该离子导向器中的压力在1-20×10-3mbar的范围内)。该离子导向器可以非分段地(例如，包括多个单件电极)、分段地(例如，包括多个分段的电极)、或作为多隔室单元来提供。
该离子导向器可以用作一个直的或弯曲的线性离子阱(优选其中的压力为0.1-2×10-3mbar)。如此，它可以用作一个用于离子-分子或离子-离子反应的外壳，如US7,145,139、US7,759,637中所述的。这包括以下可能性：RF电极是分段的并且具有施加到其上的类似的RF但不同的DC偏置。还可以将辅助的RF施加到该外壳的端孔上。而且，该导向器可以用于安排具有不同压力的数个相邻的或整合的阱，如US8,198,580中所述的。
该离子导向器可以用作一种传输多极杆，其可以是直的或弯曲的。
该离子导向器可以用作一种多极杆质量分析器，尤其一种四极杆质量分析器，优选具有的压力<10-3mbar。
该离子导向器可以用作一种离子迁移光谱仪(优选具有压力1-5mbar)。
该离子导向器可以用作一种离子漏斗，例如，其中RF电极使该场会聚并且收紧(优选具有压力1-5mbar)。
前述用途清单并非是穷尽性的并且该离子导向器的其他用途将对于本领域的技术人员是清楚的。
使用该离子导向器的这些装置还可以作为大规模平行的阵列来实施。
虽然本发明已经对于四极电势进行了例示，更高阶的多极杆(例如，六极杆和八极杆)也可以使用相同的方法来实施。
这些金属电极可以使用机器组装进行附接，或被制成PCB本身并且粘结到下部PCB上，如PCB制造中已知的。这些金属电极还可以被焊接到该PCB上或者使用电阻性胶合进行粘附。也许有可能按一种受控方式分配焊接材料并且这些金属RF杆由于表面张力将自动对齐。
参见图5，示出了弯曲离子导向器的另外一个实施例，该导向器类似于图4的实施例并且因此相似参考号表示相似零件。如同图4一样，在图5中仅示出下部PCB和电极安排，上部PCB和电极安排显示为被移除以允许完全观察下部安排。在图5的离子导向器中，与图4的主要区别是下部平面式PCB(70)具有附接到其上的平面式金属RF电极(72a/、72b/)，这些RF电极被形成为使得不要求隔离物层即可使这些RF电极悬垂于相邻的电介质表面之上。具体地，这些RF电极(72a/、72b/)的宽度朝向该PCB表面逐渐减小，这样使得，虽然这些电极的面向离子的表面在距PCB(70)的表面上方的一个短距离处，这些电极还可以悬垂于相邻的暴露的电介质表面之上，该暴露的电介质表面处于在该PCB中的凹槽(74)的形式，这些凹槽将这些RF电极与相邻的DC电极(80、82a、82b)分开。
将理解的是，本发明提供一种用于具有相当大的复杂性的RF离子导向器的、成本有效的并且仍稳健的设计。
如在此所使用的，包括在权利要求书中，除非上下文另有指示，这里的术语的单数形式被解释为包括复数形式，并且反之亦然。
贯穿本说明书的说明书和权利要求书，词语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及这些词的变形，例如“包括着”和“包括了”等，意味着“包括但不限于”，并且并非旨在(并且并不)排除其他成分。
应理解的是，可以在仍然落入本发明的范畴时对本发明的前述实施例进行变化。除非另有陈述，否则本说明书中披露的各个特点可以由具有相同、等效或相似作用的替代特征取代。因此，除非另外陈述，所披露的每个特征仅是一系列的等效或相似的属类特征的一个实例。
在此所提供的任何以及所有的示例或示例性语言(“比如”、“如”、“例如”以及相似语言)的使用仅旨在更好的示出本发明，并且除非另外主张，并不指示对对本发明的范畴的限制。本说明书中任何语言都不应被解释为将任一非权利要求的要素指示为是实践本发明所必须的。
本说明书中所披露的任何步骤都可以任何顺序进行或者同时进行，除非另外陈述或上下文另外要求。
所有在本说明书中所披露的特征可以任何组合方式进行组合，这类特征和/或步骤中至少一些相互排斥的组合除外。具体而言，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面并且可以以任何组合方式使用。同样，非本质的组合形式中描述的特征可以单独使用(不进行组合)。
Claims (17)
1.一种用于质谱法的离子导向器，该离子导向器包括至少两个电极的电极安排，其中的至少一个电极是RF电极，该至少两个电极被安排为在电介质材料的平面式表面上彼此相邻但间隔开并且被安排为距离子流动路径一段距离，其中该电介质表面的一部分暴露在一对间隔开的相邻电极之间，并且其中所述相邻电极对中的至少一个电极被安排为悬垂于在这些电极之间的表面的暴露部分之上，这样使得不存在从该离子流动路径至该电介质表面的暴露部分的直接视线。
2.根据权利要求1所述的离子导向器，其中该电介质材料是印刷电路板。
3.根据权利要求1或2所述的离子导向器，其中该离子导向器是多极杆。
4.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中所述相邻电极对的面向离子的表面是在与该电介质材料的表面的不同距离处并且该对电极中的表面距该电介质表面更远距离的电极悬垂于该电介质表面的暴露部分之上。
5.根据权利要求4所述的离子导向器，其中该对电极中的面向离子的表面距该电介质表面更大距离的电极悬垂于该对电极中的另一个电极的至少一部分之上。
6.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中存在多个所述相邻电极对使该电介质表面的一部分暴露在所述相邻电极对之间。
7.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中所述相邻电极对的悬垂于该暴露的部分之上的电极是RF电极。
8.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中在电极之间的电介质表面的暴露部分处于一个或多个凹槽的形式。
9.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中该电极安排的这些电极包括至少一个DC电极。
10.根据权利要求9所述的离子导向器，其中，这些电极包括至少一个提供轴向场的DC电极。
11.根据权利要求10所述的离子导向器，其中该至少一个提供轴向场的DC电极是分段的，其中在该DC电极的区段之间的间隙的尺寸是<0.15mm和/或此种间隙被形成为在该电介质表面中的凹槽。
12.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中这些电极是平面式的。
13.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中该电极安排是第一此种电极安排，并且存在与该第一此种电极安排间隔开的并且与之平行的第二此种电极安排，并且该第一和第二此种电极安排形成多极杆，其中该离子光轴被限定在该第一与第二此种电极安排之间。
14.根据权利要求13所述的离子导向器，其中在该第一与第二此种电极安排之间的间隙是至少1mm、或至少3mm、或至少5mm。
15.根据权利要求13或14所述的离子导向器，其中该第一和第二此种电极安排各自包括N个具有交变RF相位的RF电极(N＝2、3、4...)，从而形成2N极性多极杆。
16.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中该离子导向器形成以下各项中的一种或多种：离子阱、质量分析器、碰撞室、破碎室、离子迁移光谱仪、离子传输多极杆和离子漏斗。
17.根据以上任何一项权利要求所述的离子导向器，其中该离子导向器是直的或弯曲的离子导向器。
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