CN104823045A - 用于横流离子迁移谱分析的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种横流离子迁移谱仪，包括两块平行板，两块平行板之间界定了容器。分析物离子沿轴线从入口端穿过该容器到达出口端。RF约束场沿轴线引导离子。建立与该轴线正交的分析气流。DC静电分析场与分析气流方向相反，使得分析气流对所选迁移率的离子的“拉力”可被静电分析场作用在离子上的力平衡。从而所选离子能够沿着稳定的路径到达横流迁移率分析仪的出口端。但是，作用在非所选迁移率的离子上的力是不平衡的，这些离子会偏离并丢失。

Description

用于横流离子迁移谱分析的设备和方法

相关申请的交叉引用

申请人在此要求于2012年11月29日提交的美国专利申请号为13/688,594的优先权，通过引用将其公开内容并入本文。

背景技术

本发明涉及用于通过离子迁移率以及通过离子迁移率和质谱分析的结合来对样本进行分析的方法。本文所述的用于样本处理和分析的设备和方法改进了相关技术中涉及质谱分析和离子迁移谱分析(在对广泛的化合物的分析中是重要的工具)的技术。具体地，离子迁移谱仪可用于确定分析物离子的横截面，而质谱仪可用于确定其分子质量(准确地说是分子质量与电荷的比，以下称为质量)。通过离子迁移谱分析和质谱分析对样本的分析包括三个主要步骤—从样本材料形成气相离子、对离子进行迁移率和/或质量分析以根据离子迁移率和/或质量将离子彼此分开、以及检测离子。在质谱和迁移谱分析领域存在多种方式和方法来执行这三个步骤中的每一个。在已有迁移谱仪或质谱仪中所采用的这些装置和方法的特定组合决定了仪器的特性。

例如，为了对离子进行质量分析，可能需要使用磁(B)或静电(E)分析，其中穿过磁场或静电场的离子将沿着一个弯曲路径。在磁场中，路径的曲率表示离子的动量电荷比(momentum-to-chargeratio)。在静电场中，路径的曲率表示离子的能量电荷比(energy-to-charge ratio)。如果连续地使用磁场和静电场分析仪，则将获知离子的动量电荷比和能量电荷比并将因此确定离子的质量。其他所熟知的质量分析仪为四极杆(Q)(quadrupole)、离子回旋共振(ICR)、飞行时间(TOF)和Paul离子阱分析仪。最近，线性四极杆离子阱[J.Schwartz,M.Senko,and J.Syka,J.Am.Soc.Mass Spectrom.13,659(2002)；J.Hager,Rapid Commun.MassSpectrom.16,512(2002)]]已经广泛普及。A.Makarov[Q.Hu et al.,J Mass Spectrom.40,430(2005)]已经描述了一种新的分析仪，其是基于Kingdon阱[K.Kingdon,Phys.Rev.21,408(1923)]的轨道离子阱(Orbitrap)。与本文所描述的装置和方法结合使用的分析仪可以是上述中的任意一种。

在可以开始质量分析之前，必须从样本材料生成气相离子。如果样本材料充分地易挥发，则可以通过气相样本分子的电子电离(EI)或化学电离(CI)来形成离子。或者，对于固体样本(例如，半导体或结晶材料)，可以对高能粒子轰击样本分子解吸和电离来形成离子。此外，例如，二次离子质谱分析(SIMS)利用keV离子来对样本材料进行解吸和电离。在SIMS过程中，在分析物分子中聚集了大量的能量，这导致脆弱分子分裂。这种分裂是不可接受的，因为有关样本原始成分的信息(例如，样本分子的分子量)将会丢失。

对于更加不稳定的易碎分子，现在存在多种其他电离方法。Macfarlane等人提出了等离子体解吸(PD)技术(R.D.Macfarlane,R.P.Skowronski,D.F.Torgerson,Biochem.Biophys.Res Commun.60(1974)616)("McFarlane")。McFarlane发现了表面上的高能(MeV)离子的影响，像SIMS一样，会引起小分析物分子的解吸和电离。然而，与SIMS不同，PD过程还导致更大、更不稳定物质(例如，胰岛素以及其他蛋白质分子)的解吸。

此外，已经以类似的方式利用激光来促使生物分子或其他不稳定分子解吸。例如，参见Cotter等人(R.B.VanBreeman,M.Snow,R.J.Cotter,Int.J.Mass Spectrom.Ion Phys.49(1983)35；Tabet,J.C.；Cotter,R.J.,Tabet,J.C.,Anal.Chem.56(1984)1662；或R.J.Cotter,P.Demirev,I.Lys,J.K.Olthoff,J.K.；Lys,I.:Demirev,P.:Cotter et al.,R.J.,Anal.Instrument.16(1987)93)。Cotter利用Tachisto(Needham,Mass.)215G型脉冲调制二氧化碳激光器对用于非易挥发性生物分子的红外激光解吸的CVC 2000飞行时间质谱仪进行了改进。不稳定分子的等离子体或激光解吸和电离取决于相关分析物离子中少量或无能量的沉积。

基质辅助激光解吸电离(MALDI)的引入提高了利用激光器来解吸和电离不稳定分子(K.Tanaka,H.Waki,Y.Ido,S.Akita,Y.Yoshida,T.Yoshica,Rapid Commun.Mass Spectrom.2(1988)151以及M.Karas,F.Hillenkamp,Anal.Chem.60(1988)2299)。在MALDI过程中，分析物在固体有机基质中溶解。使用一种波长被固体基质吸收但不被分析物吸收的激光来激发样本。从而，激光器直接激发基质，并且被激发的基质升华为携带分析物分子的气相。然后通过从基质分子到分析物分子的质子、电子或阳离子转移来对分析物分子电离。该过程(即，MALDI)通常与飞行时间质谱分析(TOFMS)组合使用并可用于测量分子量超过100,000道尔顿的蛋白质。

大气压电离(API)包含许多离子生成装置和方法。通常，在大气压下从液体溶液生成分析物离子。其中一个更广泛使用的方法，也就是熟知的电喷雾电离(ESI)，最先由Dole等人建议其与质谱分析一起使用(M.Dole,L.L.Mack,R.L.Hines,R.C.Mobley,L.D.Ferguson,M.B.Alice,J.Chem.Phys.49,2240,1968)。在电喷雾技术中，分析物在液体溶液中溶解并从针头喷出。喷雾是由针头和反向电极之间的电势差的作用而引起的。喷雾可形成细小的包含分析物分子的带电溶液液滴。在气相中，溶剂挥发，留下带电的气相分析物离子。这一方法允许形成非常大的离子。ESI与质谱分析组合(ESMS)可检测1MDa大的离子。

除了ESI之外，可在大气压或加压状态下使用许多其他的离子生成方法。例如，Laiko等人近期已对MALDI进行调整而使之在大气压下工作(Victor Laiko and Alma Burlingame,"AtmosphericPressure Matrix Assisted Laser Desorption",U.S.Patent No.5,965,884,以及Atmospheric Pressure Matrix Assisted LaserDesorption Ionization,poster#1121,4th InternationalSymposium on Mass Spectrometry in the Health and Life Sciences,San Francisco,Aug.25-29,1998)，而Standing等人则使之在加压状态下工作(Time of Flight Mass Spectrometry ofBiomolecules with Orthogonal Injection+Collisional Cooling,poster#1272,4th International Symposium on Mass Spectrometryin the Health and Life Sciences,San Francisco,Aug.25-29,1998；以及Orthogonal Injection TOFMS Anal.Chem.71(13),452A(1999))。以这种方式调整离子源的优点在于，质量分析仪内的离子光学(即，电极结构和操作)以及获得的质谱结果很大程度上不依赖于所采用的离子生成方法。

Standing公开的加压MALDI离子源与Laiko等人公开的不同。具体地，Laiko等人公开了一种用于基本在大气压下运行的离子源。与之相反，Standing等人公开的离子源用于在约70mtorr压力下运行。

最近，Takats等人提出了称作解吸电喷雾电离(DESI)的另一种大气压电离方法[Z.Takats,J.M.Wiseman,B.Gologan,andR.G.Cooks,Science 306,471(2004)]。根据Takats等人的方法，DESI是一种从表面上的分析物生成离子的方法。溶液的电喷雾带电液滴和离子被导向到所研究的表面。表面上带电液滴的影响会导致分析物解吸和电离以形成气相分析物离子。

通过API方法产生的分析物离子需要从电离区穿过不同压力区，并最终传输到质量分析仪以进行后续分析(例如，通过飞行时间质谱分析(TOFMS)、傅立叶变换质谱分析(FTMS)等)。在一些现有技术的离子源中，通过利用电离区和真空区之间的小孔来实现这一过程。在其他现有技术中，已经采用绝缘的毛细管来将载气中携带的离子从高压离子生成区发送至质谱仪的真空室—例如参见Fenn等人的USPN4,542,293以及Whitehouse等人的USPN 5,844,237。在通过引用并入本文的USPN 6,777,672中，Park描述了一种多面毛细管，其用于对接各种离子生成方法和用于将离子传输到质谱仪的真空室中。

更重要的是，通过传输毛细管由离子生成区泵出的气体夹卷携带离子，穿过毛细管后，进入到质谱仪的第一真空区。通常，毛细管入口处的气压约为1个大气压，而毛细管出口处进入第一泵区的气压在1和3亳巴之间。在这些条件下，毛细管内的气体流速约为100m/s。与高速气流相关的“力”能够驱使离子脱离毛细管的入口处的电吸引力，而朝向毛细管的出口处的电排斥力。

一旦穿过毛细管，分析物离子会在气流和电场的联合引导下，通过差分泵区，进入迁移率和/或质量分析仪。在那里分析和检测离子，从而获得迁移谱和/或质谱。可使用任何已知的质量分析仪或迁移率分析仪或质量或迁移率分析仪组合，包括飞行时间、四极杆、Paul阱、线性离子阱、轨道阱、电或磁场区、离子回旋共振分析仪、漂移池、差分迁移率分析仪或阱离子迁移率分析仪。

通过引用并入本文的共同未决申请13/152,363中，本发明的发明人公开了一种用于离子传输和质量分析的简化的RF四极杆。该简化的RF四极杆设计包括许多电极结构，其呈直线布置，并关于中心轴(指z轴)对称分布。对电极结构施加电压，在简化的RF四极杆内产生具有以下形式的电场：

       $\mathrm{\Φ}(x,y,t)=\frac{{-\mathrm{\Φ}}_o\left(t\right)\·x\·y}{{{2r}_o}^2}+E_x\left(t\right)\·x+E_y\left(t\right)\·y+c---\left(1\right)$

其中，Ф为电场电势，E_x和E_y为关于均一双极场的时间的函数，c和r_o为常数，x和y为坐标。Ф₀可以是时间t的任意函数，不过作为示例给出如下：

Φ₀(t)＝Vsin(2πft)+U    (2)

其中V和U分别为RF和DC电势。这样，根据公式(1)，简化的RF四极杆可支持RF四极杆场和双极场，该RF四极杆场可使离子聚焦至轴(即，z轴)上，而该双极场可用于激发离子或者将力施加至与z轴正交的离子。

在静态均匀电场(漂移型IMS)的影响下，可以测量通过气体的分析物离子的“迁移率”。在文献中已详细描述了这种离子迁移谱仪[例如，参见G.Eiceman and Z.Karpas,Ion Mobility Spectrometry(CRC.Boca Raton,Fla.1994)；以及Plasma Chromatography,editedby T.W.Carr(Plenum,New York,1984)]。在低电场场强下(例如每厘米数千伏)，可测量分析物离子通过气体的速度。为了开始测量，将离子脉冲到迁移率分析仪的入口。在迁移率分析仪中，均匀电场可使离子朝向分析仪末端加速。分析仪内与气体碰撞可抑制离子运动。因此，电场以及离子与气体的碰撞的行为可获得离子通过气体的平均速度。在分析仪的远端，离子与检测器碰撞，并被检测到。通过测量离子进入分析仪与检测到离子之间的时间差，可确定离子速度以及其迁移率。

在低场强下，离子的迁移率是离子速度相对电场场强的常数。但是，在高电场场强下，离子迁移率随电场场强变化。这产生电场非对称离子迁移谱(FAIMS)—一种IMS的扩展形式，其利用了离子迁移率在高场强下的变化。在以下文献中详细描述了FAIMS[I.Buryakov,E.Krylov,E.Nazarov,and U.Rasulev,Int.J.Mass Spectrom.IonPhys.128.143(1993)；D.Riegner,C.Harden,B.Carnahan,andS.Day,Proceedings of the 45th ASMS Conference on MassSpectrometry and Allied Topics,Palm Springs,Calif.,Jun.1-4,1997,p.473；B.Carnahan,S.Day,V.Kouznetsov,M.Matyjaszczyk,and A.Tarassov,Proceedings of the 41st ISAAnalysis Division Symposium,Framingham,Mass.,Apr.21-24,1996,p.85；以及B.Carnahan and A.Tarassov,U.S.Pat.No.5,420,424]。

近年来，IMS和FAIMS质谱仪已经与质谱分析组合。在USPN5,905,258中，Clemmer和Reilly将IMS与飞行时间质谱仪(TOFMS)组合。这提供了首先通过IMS进行离子分析，再通过TOFMS进行二次分析。最终，这生成所研究的离子的迁移率和质量的二维点图。在文献[C.S.Srebalus et al.,Anal.Chem.71(18),3918(1999)；J.A.Taraszka et al.,J.Proteom.Res.4,1223(2005)；R.L.Wong,E.R.Williams,A.E.Counterman,and D.Clemmer,J.Am.Soc.MassSpectrom.16,1009(2005)]中详细描述了这种组合分析仪相比单独的质谱仪的优势，并且该优势包括从分析物分离化学背景，从而改进的信噪比(S/N)，以及基于化合物类别或电荷状态分离离子，从而更容易地解释质谱。

类似地，例如在USPN 6,504,149中，Guevremont等人将FAIMS装置与质谱仪组合。如该文献中所详细描述的，组合的FAIMS质谱仪与IMS质谱仪具有类似的优势[A.Shvartsburg,K.Tang,R.Smith,J.Am.Soc.Mass Spectrom.16,2(2005)；D.A.Barnett,B.Ells,R.Guevremont,and R.W.Purves,J.Am.Soc.Mass Spectrom.13,1282(2002)]。例如，由于FAIMS装置能够滤除化学背景，所以组合的FAIMS质谱仪比单独的质谱仪的信噪比要高。

在现有技术中已阐述了一些其他的IMS分离方法。例如，在“J.Zeleny,Philos.Mag.46,120(1898).”中，J.Zeleny描述了一种平流离子迁移率分析仪。在Zeleny的装置中，在两个距离为h的平行网格之间施加电压V。气体和离子流过与电场平行的网格。电场会延迟离子的运动，使得网格之间的离子的平均速度为v＝E·K-u，其中E为电场场强，K为离子迁移率，而u为空气流速。可以通过K＝h/Et+u/E计算离子迁移率。

在通过引用将其全部内容并入本文的USPN 5,847,386中，Thompson和Jolliffe提出了一种离子迁移率方法，其中“离子进入带有轴向场的RF多极，在存在冷却气体或漂移气体的情况下，离子速度将达到一个与轴向场成比例的恒定值。不同大小的离子将根据其形状、质量和电荷以不同速度漂移，并在它们抵达装置出口时被及时地分离。如果出口……在适当的时间被打开，则仅有某一类型的离子被允许进入后续的分析装置或其他检测器(例如质谱仪)。这种迁移率分离可用于辅助离子混合物分析……”

也是最近，Page等人[J.S.Page et al.,J.Mass Spectrom.40,1215(2005)]和Loboda等人[通过引用将整体并入本文的USPN6,630,662]采用了与RF离子光学装置组合的Zeleny平行流分析仪方法。但是，Page等人的方法会产生非均匀气流—即，气流方向和速度取决于装置内的轴向和径向位置。同时，DC轴电场为非均匀电场并包含径向成分。而且，Page装置内生成的RF约束场包括轴向成分。这会干扰迁移率分离，并将质量效应引入到分离中。即，RF场会对指定质量范围的离子产生更大的影响，而对另一类离子则产生较小的影响。最终，在Page等人的方法中，所选迁移率的离子实际上不能将较大和较小迁移率的离子分离开来。而且，高迁移率的离子将从具有较高和较低迁移率的离子流中排除。类似地，Loboda没有对可有效地将来自连续离子源的离子引入到RF装置以进行迁移率分析的装置和方法作出教导。

在USPN 7,838,826 B1(M.A.Park,2008)和共同未决申请13/094,102、13/094,128和13/094,146中，提出了离子迁移谱仪，其大小仅为约10厘米。这是基于在构建于飞行时间质谱仪中的改进离子隧道中反向电场障碍上的移动气体驱动离子。因此，这种仪器基本可追溯至上述J.Zeleny。与许多其他制造小型离子迁移谱仪的尝试不同，M.A.Park发明的装置已获得超过100的离子迁移率分辨率，通后后续的改进预计可获得更高的分辨率。

另一种对迁移率分析的现有方法称为差分迁移率分析(DMA)。Tammet使用“倾斜网格方法”描述了这种分析仪的示例(Tammet,H.“The limits of air ion mobility resolution.”Proc.11th Int.Conf.Atmos.Electr.,NASA,MSFC,Alabama,pp 626-629(1999).)。如Tammet所述，“分析仪内电场方向是……与传统迁移率分析仪中设定的气流不垂直。……与Zeleny网格仪器明显不同，[Tammet分析仪]具有类似传统DMA-s的离子入口孔和出口孔。待分离的离子不从网格中通过,而且不会对网格的离子吸附产生有害影响。……本方法的最大优点在于网格对湍流进行抑制，并维持推流剖面。”而且，Tammet声明该方法相对于传统的迁移率分析仪提供了更好的分辨率。

在一个类似的容器(vein)中，N.Agbonkonkon[N.Agbonkonkon,Counter-flow Ion Mobility Analysis:Design,Instrumentation,and Characterization,Ph.D.Dissertation,Brigham YoungUniversity,Dec.2007]提出了“反向流离子迁移率分析”(CIMA)方法。根据Agbonkonkon的方法，“……一种强电场(超过2500V/cm)和高逆流(counter gas)速度(超过10m s^-1)”提供反向力，以阻止[所选迁移率]离子在空间中的运动。强于任一反向力的第三种力用于使离子快速移动至检测器。第三种力与反向电场和气流都正交。”在根据Agbonkonkon的一个实施例中，如图1所示，样品离子从两个有孔的圆柱体之间通过。由于气流从内圆柱体流向外圆柱体而对离子产生的力被圆柱体之间的电场抵消。

在上述现有迁移率分析仪中，只有DMA和CIMA能够根据其迁移率过滤离子。即，DMA和CIMA能够提供选定迁移率的持续离子束。但是，现有技术所述的DMA和CIMA分析仪只能低效率地传输离子，这是因为其没有主动截留选定离子的机制。同样，现有的Zeleny和Agbonkonkon装置受制于具有基本非均匀的气流速度，导致离子迁移率分辨率较差。而且，这些现有技术的装置不可能按以下方式运行，即在未进行迁移率分析的情况下使得离子传输通过装置—即，所有迁移率的离子都传输通过装置。因此，作为本发明的部分目的，提供一种对离子进行迁移率过滤并有效地传输通过装置的装置和方法。本发明的另一个目的是提供一种装置，其中使用非均匀气流速度的引导气流高分辨率地根据离子迁移率来分离离子。本发明进一步的目的还旨在提供一种装置和方法，离子可根据迁移率被过滤并被传输，或在无迁移率过滤的情况下有效传输。上述现有技术装置的一些其他缺点限制了其迁移率分辨率，并使采用这些装置的仪器灵敏度(即，由于迁移率装置的效率较低，导致许多目标离子丢失)以及迁移率测定准确度受限。本发明的部分目的在于克服这些现有技术的限制。

发明内容

本发明提供IMS装置和方法，其相比较现有的CIMA和DMA技术，提高了迁移率分辨率和离子迁移率测定准确度。根据本发明的IMS装置可与质谱仪组合来产生串联离子迁移率-质谱仪(IMS/MS)设备。

在第一个方面中，IMS装置包括用于在容器(volume)内生成第一和第二电场的装置，其中第一电场沿与纵轴正交的至少一个方向将离子约束至所述纵轴，而第二电场是与纵轴正交的DC电场；在该容器中形成气流路径的管道，气流具有与纵轴正交的速度分量，其中DC电场与气流的正交速度分量对抗。

IMS装置(横流迁移率分析仪)的分析方向由气流的正交速度分量和上述DC电场(DC分析电场)界定。在纵轴上进入该容器内的离子沿分析方向受到两个相反的力：因气流产生的“拉力”和因DC分析电场产生的力。仅对于具有预定迁移率的离子，这两种力达到平衡，从而只有这些离子将沿着以纵轴为中心的路径运动，而其他离子物质则由于不平衡的力导致从纵轴偏离，从而丢失。沿分析方向在空间上分离具有不同迁移率的离子。

横流(cross flow)IMS装置优选地作为过滤器型分析仪使用。因此，例如，当在横流迁移率分析仪入口处引入多组分连续离子束时，将在其出口处生成具有预定迁移率的所选离子的连续离子束。通过扫描DC分析场的场强，可扫描所传输的离子的迁移率。在扫描DC分析场的场强的同时记录在纵轴上离开该容器的离子的强度，将获得离子迁移谱。但是，可以调整和扫描其他参数以记录离子迁移谱，例如，与纵轴正交的速度分量、气体的气压和/或气体的温度。

形成气流路径的管道优选地与纵轴正交，这样该管道的轴向就等同于分析方向。管道的内部容器可实质上为生成第一和第二电场的容器。但是，该管道的内部容器还可以比上述容器更小或更大。该管道可位于两个不同压力的气体池之间或可以作为风道的一部分以在管道内生成气流。管道可以是具有气流的入口和出口的圆柱体，每个口位于纵轴的相对侧上，并且，除了纵轴与圆柱体交叉处的离子入口和离子出口以外，圆柱体沿着气流的路径而侧面封闭。圆柱体可以具有任意形状的横截面，例如矩形或椭圆形。圆柱体可以与底座呈直角或倾斜角度。侧面封闭的管道(这里也指圆柱体)的横截面的大小和形状可沿着管道的轴改变。

在圆柱形管道的第一个实施例中，气流的正交速度分量与第二电场基本上沿纵轴保持恒定。这可通过位于圆柱体入口处或凹陷处的推流(plug flow)区的离子入口/出口、位于圆柱体内的干扰了圆柱体内的抛物线速度剖面的结构元件，以及沿管道轴向拓宽的圆柱体的横截面中的一个来实现。

在圆柱形管道的第二个实施例中，气流的正交速度分量沿纵轴具有不均匀的剖面，特别是具有呈抛物线的速度剖面。可调整对抗的DC分析电场使其沿纵轴具有非均匀场强剖面以补偿不均匀的速度剖面。

该管道可以在离子进入容器或离开容器的侧面上分别包括一个或多个沿气流路径的拓宽的侧向开口。可在侧向开口处引入气体以沿纵轴生成具有基本上恒定的正交速度分量的推流。沿管道轴的侧向开口可以进一步抑制纵轴方向上的抛物线速度剖面的发展。例如，通过两个位于纵轴附近的平行板形成该管道，从而使气流路径定向为与所述板表面平行，而且离子路径对称地处在板之间。可调整对抗的DC场，使场强沿纵轴在空间上进行变化以补偿纵轴上正交速度分量剩余的不均匀性。

IMS装置可与任何已知的离子生成方法组合使用，所述离子生成方法包括激光解吸(LD)、基质辅助激光解吸电离(MALDI)、电喷雾电离(ESI)、化学电离(CI)、光化电离(PI)或任何已知的其他产生离子的方法。

用于生成电场的装置可包括与RF电源以及与DC电源连接的一组RF/DC电极，其中第一电场为电学RF场，其沿纵轴径向地约束离子。径向约束意味着赝势力(pseudopotential force)作用在沿与纵轴垂直的两个线性独立方向上的离子。

可布置RF/DC电极组作为围绕纵轴的简化的RF四极杆，在容器内部生成电场，其形式为：

       $\mathrm{\Φ}(x,y,t)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_o\left(t\right)\·x\·y}{{{2r}_o}^2}+E_x\left(t\right)\·x+E_y\left(t\right)\·y$

其中Ф_o(t)是RF电势，E_x(t)和E_y(t)是关于可调DC场的时间的函数，r_o为常数，而x和y为正交坐标。该管道包括两块平行板，其关于纵轴对称分布，并且在两块板之间限定容器。分析气流路径的方向与板表面平行，并具有与纵轴正交的分量。该容器包括位于纵轴中心处的离子入口和离子出口。所述RF约束场产生的赝势力垂直于板表面，并被引导到该容器内。

用于生成电场的装置还可包括与DC电源连接的一组DC电极，其中第一电场为电学DC场，其约束离子仅沿着与纵轴正交的一个方向。约束方向与第二DC电场(DC分析场)正交，即与分析方向正交。可以布置DC电极和/或与DC电势组合使用，从而在容器内生成电场，其形式为：

       $\mathrm{\Φ}(x,y,z,t)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0(x^2-z^2)}{r_o^2}+E_y\left(t\right)\·y$

其中Ф₀为DC电势，E_y(t)是关于可调DC场的时间的函数，r_o为常数，x和y为正交坐标，而z为沿纵轴的坐标。分析方向沿着y-轴。并不沿着分析方向约束离子。所选的预定迁移率的离子并不沿分析方向受到拉力，而是保持在纵轴中心。其他离子物质会受到拉力，并因此而偏离于纵轴，而且由于缺失沿分析方向的约束，可能甚至沿分析方向脱离容器。所选离子同样未约束为沿分析方向，而是仅沿分析方向扩散，即，在移动通过容器时，所选离子的空间分布沿分析轴拓宽。

在形成管道的板或弯曲表面上可安装RF/DC电极组和DC电极。可以通过板或曲面上的电导和/或电阻沉积来形成电极。但是，电极无需集成在管道内，而是可以与之分开。

IMS装置还可包含入口区域、分析区域和出口区域。入口区域可包括毛细管，离子可通过其进入容器内。出口区域可包括截取器，通过其可从容器中提取(位于纵轴中心处或从纵轴偏离的)离子。IMS装置，特别是类似简化的RF四极杆的使用约束RF场的那些IMS装置，还可包括与纵轴平行且位于纵轴对面的过滤电极。过滤电极优选地沿分析区域延伸，并用于中和从纵轴偏离的离子。过滤电极可以是导线或导电铝箔，其优选地位于零电势线或平面上。

IMS装置还可包括用于通过如下方式驱动离子沿纵轴穿过容器的装置，例如，通过沿纵轴具有其他速度分量的气流、通过轴向DC场、通过轴向RF场和/或通过在将离子引入容器之前在纵向上对离子进行加速。

在第二方面中，离子迁移率-质谱仪(IMS/MS)系统包括离子源；横流迁移率分析仪，其包括在容器内生成第一和第二电场的装置，其中第一电场可沿与纵轴正交的至少一个方向将离子约束至所述纵轴，而第二电场为与纵轴垂直的DC电场；和管道，其在该容器中形成气流路径，该气流具有与纵轴正交的速度分量，其中DC电场对抗气流的正交速度分量；以及质量分析仪。

离子源可从以下组合中选择，该组合包括：激光解吸(LD)、基质辅助激光解吸电离(MALDI)、电喷雾电离(ESI)、化学电离(CI)和光化电离(PI)。IMS/MS系统可包括以下类型的离子源中的至少一个：激光解吸(LD)、基质辅助激光解吸电离(MALDI)、电喷雾电离(ESI)、化学电离(CI)和光化电离(PI)。

质量分析仪可以是以下之一：飞行时间分析仪、四极杆过滤器、RF离子阱(例如Paul阱或线性离子阱)、静电场阱(例如轨道阱)、电场或磁场分析仪以及离子回旋共振分析仪。IMS/MS系统可包括一个以上的质量分析仪，例如两个四极杆过滤器或组合有高分辨率质量分析仪(例如正交飞行时间质量分析仪或离子回旋共振分析仪)的四极杆过滤器，其中横流分析仪位于两个质量分析仪之间。横流分析仪还可以位于离子源与IMS/MS系统的第一质量分析仪之间。

在第三个方面，分析离子迁移率的方法包括：(a)在容器内生成第一电场,第一电场沿纵轴将离子约束在容器内；(b)在该容器内生成第二电场,第二电场为与纵轴正交的DC电场；在该容器内生成引导气流，该气流具有与纵轴正交的速度分量，并对抗第二电场；(d)将纵轴上的离子引入该容器内；以及(e)检测离开该容器而基本上未偏离纵轴的离子。

离子从纵轴中心处的离子入口进入该容器。沿着分析方向，离子受到两个相互对抗的力：气流的正交分量的摩擦力和对抗的DC分析场。由于所选离子所受的两种力处于平衡状态，所以所选离子能够沿纵轴按稳定路径流向横流迁移率分析仪出口。其他具有不同迁移率的离子会受到拉力，从而偏离纵轴。离子根据其迁移率沿分析方向在空间上分离。当离子被持续引入到容器中时，将在出口处产生所选迁移率的连续离子束。优选地，检测离开该容器而基本未偏离纵轴的离子。但是，也可以选择并检测偏离纵轴并与其他离子分开的离子。

可调整以下分析参数来选择离开该容器的离子的迁移率，优选为未偏离纵轴的离子的迁移率：第二电场(DC分析场)的场强、气流的正交速度分量、气流的压力和/或气流的温度。通过扫描一个或多个这些分析参数，可扫描离开该容器的离子的迁移率。可将所选离子的离子信号作为所扫描的参数的函数来进行检测，从而产生离子迁移谱。离子检测还可包括将所选离子转移至质量分析仪，并根据其质量分析所转移的离子。在扫描分析参数的同时根据迁移率从所选离子记录一系列的质谱，将会获得组合的离子迁移率-质谱。

该方法还可包括通过以下方式之一沿纵轴驱动离子穿过容器：具有其他速度分量的气流、轴向DC场、轴向RF场以及在将离子引入容器之前在纵向上对离子进行加速。

第一电场可以是RF场，其沿纵轴径向地约束离子，即离子受到沿与纵轴正交的两个线性的独立方向作用的赝势力。可由简化的四极杆生成约束RF场和DC分析场，电场的形式如下：

       $\mathrm{\Φ}(x,y,t)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_o\left(t\right)\·x\·y}{{{2r}_o}^2}+E_x\left(t\right)\·x+E_y\left(t\right)\·y$

其中Ф_o(t)由Vsin(ωt)+U(其中V和U分别为RF和DC电势)得出，E_x(t)和E_y(t)是关于可调DC场的时间的函数，r_o为常数，而x和y为正交坐标。

根据本实施例，有三种操作模式——“传输”、“质量分析”和“迁移率分析”模式。在传输模式中，运行带有四极杆RF约束场而无DC分析场或分析气流的简化的四极杆。因为仅有一个径向地约束离子的RF场，所以较大质量范围的离子可无阻碍地沿纵轴从入口到出口。在传输模式中，传输的质量范围可通过RF场的场强来调节，而这也是现有技术已知的。在质量分析模式中，通过向四极场添加DC偏压U以根据质量来选择离子。这种质量选择稳定性也是现有技术已知的。使用具有预定RF振幅V和频率ω的四极RF场，并施加预定大小的DC偏压U，仅将所选质量或质量范围的离子从入口传输至出口。在迁移率分析模式下，将DC偏压U设置为0伏，建立分析气流，并施加DC分析场对抗该气流。由分析气流产生的作用于所选迁移率的离子的摩擦力被DC分析场抵消。提供已知速度的分析气流和已知场强的DC分析场限定了离子稳定通过分析仪所必须具有的迁移率。扫描DC分析场强会类似地扫描传输通过分析仪的离子的迁移率。具有较低或较高迁移率的离子会被偏离和丢弃。RF场可防止离子朝简化的四极杆电极运动或与之碰撞，但不会显著阻碍离子沿纵轴运动。

第一电场还可以是DC电场，其只在与纵轴正交并且与第二电场的方向正交的一个方向上沿纵轴约束离子。

除分析参数之外，可在扫描一个或多个分析参数时调整横流分析仪的其他参数，或对其他参数进行优化以用于传输预定迁移率的离子通过容器。例如，约束RF场的场强和/或频率可通过DC分析场的场强来调节。通过利用DC分析场的场强来增加RF场强，可以提高在较高分析场场强中传输的低迁移率离子的传输。当与四极杆过滤器组合使用时，可以将通过四极杆质量过滤器传输的离子的质量与DC分析场场强关联。即，在(传输较低迁移率的离子的)较高的分析场场强下，可以传输较高质量的物质通过四极杆质量过滤器。

现有的Zeleny和Agbonkonkon装置在气体在管道中导向时受制于具有基本上非均匀的气流速度，导致离子迁移率分辨率较差。本发明通过降低非均均气体速度的效果来提供具有改进性能的横流分析仪。离子通常被沿轴约束，从而被约束至有限空间的气流路径的区域中，这样与气流路径的整个横截面的变化相比，在所述区域内的气流速度的变化会降低。在抛物线速度剖面的情况下，离子优选地被约束在速度变化最小的顶点处。还可通过在轴线处生成推流来进一步降低沿纵轴的气体速度的变化，例如通过管道内的结构性流体元件、用于其他气流流入的侧向开口、用于抑制形成抛物线剖面而进行的将管道侧向开口或将管道拓宽、在推流区域或管道的凹处定位离子路径来产生推流。还可以通过调整DC分析场沿着纵轴的场强、通过只在沿纵轴的限定区域中生成DC分析场和/或通过只在沿纵轴的限定区域(例如在靠近抛物线速度曲线的顶点区域)中引入/提取离子来补偿沿着轴的不均匀气体速度。

附图说明

通过参考对附图进行说明的优选实施例来获得对本发明的进一步理解。虽然所示实施例仅为用于实施本发明的示例性系统，但是通常通过参考附图和以下描述能够更容易理解本发明的组织和操作方法以及其目的和优点。附图并不旨在限制本发明的范围，本发明的范围在所附权利要求或后续的修订中特别限定，附图仅用于对本发明进行解释和例示。

为了更加完整地理解本发明，现在对以下附图做出参考，在附图中：

图1描述了根据Agbonkonkon的现有技术的CIMA分析仪；

图2A描述了根据本发明的“横流迁移率分析仪”的端视图；

图2B描述了根据本发明的“横流迁移率分析仪”的顶视图；

图3A描述了根据本发明的横流迁移率分析仪中所用的简化的四极杆的电极结构的端视图；

图3B描述了根据本发明的横流迁移率分析仪中所用的简化的四极杆电极结构的侧视图；

图3C是根据本发明的整合了简化的四极杆的横流迁移率分析仪的侧视图；

图3D是根据本发明的整合了简化的四极杆的横流迁移率分析仪的底视图，其；

图4A是根据本发明的包括偏离离子消除线的横流迁移率分析仪的顶视图；

图4B描述了根据本发明的包括偏离离子消除线横流迁移率分析仪的横截面图；

图5A描述了根据本发明的包括用于形成推流的箔电极的横流迁移率分仪的顶视图；

图5B描述了根据本发明的包括用于形成推流的箔电极的横流迁移率分析仪的横截面图；

图6描述了根据本发明的横流迁移率分析仪，其构造为维持具有在x方向聚焦离子的第一分量和作为分析场的第二分量的DC电场；

图7示出了根据本发明的横流迁移率分析仪的气体池和内部容器；和

图8描述了横流迁移率分析仪的内部容器和相关气体池，其中该容器沿分析方向开口。

具体实施方式

根据要求，这里公开本发明的详细的示例性实施例。但是，根据本发明的技术、系统和操作结构可以以各种大小、形状、形式和模式来实现，其中一些与所公开的实施例中的完全不同。因此，这里公开的特定结构和功能的详细信息仅是代表性的，而基于该考虑，其被认为是用于公开目的的最佳实施例，并提供限定本发明范围的权利要求的基础。

下面内容提供了对本发明优选实施例的详细描述以及本发明的一些替代实施例。如上所述，本发明通常涉及对化学样品的迁移率和质谱的分析，尤其涉及与质谱分析结合的迁移谱分析。具体地，描述了一种用于对样品进行串联IMS/MS分析的系统和方法。这里对附图设置附图标记，其中指示特定部分的数字在整个附图和对应的讨论中一致。

图2A和2B示出了本发明优选实施例的示意图。图2A为根据本发明的横流迁移率分析仪4的端视图—即沿z轴，而图2B为根据本发明的横流迁移率分析仪4的顶视图—沿y轴。如此，在图2A和图2B中定义了坐标系。该坐标系被定义为使得在图2A中，x轴朝右，y轴朝上，而z轴朝向页面内。在图2A和图2B之间，坐标系以所看到的方式旋转。

与现有的DMA或CIMA分析仪类似，横流迁移率分析仪4包括两块平行板14和24，其界定了两者之间的容器和与轴(y轴)平行流动的气流(由箭头10指示)。与现有的DMA或CIMA分析仪不同，板14和24没有打孔，而基本为实心体。这样，虽然板14和24由多个部件组成，但是组合的部件是实心体表面。板14和24的内表面是光滑的，从而可支撑层流气流。而且，与现有的DMA或CIMA分析仪不同，板14和24被构造为支持两块板之间容器内的RF约束场(由箭头12指示)以及DC静电分析场(由箭头20指示)。

同样地，与现有的DMA分析仪不同，分析物离子不从板14和24的小孔进入分析仪4或从中被提取。相反，离子沿与分析气流10正交并平行于板表面的轴被引入(即，离子沿z轴进入)。离子的路径由图2A中十字圈8以及图2B中箭头6指示。需要注意到是，十字圈8和箭头6表示相同的离子路径。箭头12表示的RF赝势可将离子约束于至少一个维度上—即x维度上，但并不显著阻碍离子沿z轴运动。针对这种赝势场的装置和方法是现有技术中公知的。例如，在通过引用将其全部并入本文的标题为“Method and device for thereflection of charged particles on surfaces”(“在表面反射带电粒子的方法和装置”)的USPN 5,572,035中，Franzen描述了这种装置和方法。

虽然在图2A中仅画出指示RF赝势12的两个箭头，但是其假定该场是均匀的，即赝势的场强基本不随y或z位置而改变。在其他实施例中，赝势可随y位置而改变。分析电场20的场强基本均匀，且不是x或y的函数。在其他实施例中，分析场可以是x或y位置的函数。气流10基本为层流，而且呈抛物线速度剖面的形式—即气流速度为x的抛物线函数。但是，气流10随y或z改变不明显。在其他实施例中，气流10作为x或y位置的函数，在压力、数量密度和流速方面变化很大。在其他实施例中，气流具有“推力”而非抛物线流体剖面。分析场20或气流10均不随z位置显著地改变。

在其他实施例中，分析仪4可包括入口区域、出口区域和分析区域。在这些实施例中，分析区域为中心区域—即z轴中心处。重要地是，分析区域具有基本上理想的RF场和分析场以及基本上理想的气流—即对于迁移率分析的目的是理想的。分析区域由入口区域和出口区域界定—即，离子通过这两个区域进入和离开分析仪。入口区域和出口区域的RF场和分析场以及气流可能是非理想的——例如，为了辅助离子的进入或提取。在其他实施例中，板14和24可能被打孔和/或可能具有粗糙的表面。在其他实施例中，离子可通过这种小孔进入分析仪4。

沿着y轴，由气流10作用在离子上的拉力被DC分析场20所抵消。根据基本原理，离子在气流中的速度由离子迁移率和电场(即DC分析场)的场强的乘积给出。因此，提供已知速度的气流10和已知场强的DC分析场20将限定离子为了稳定地沿路径6移动所必须具有的迁移率。对DC分析场场强和/或分析气流速度的扫描将类似地扫描能够沿路径6传输的离子的迁移率。较低迁移率的(即，低于所选迁移率的)离子将被气体朝向较高的y值推离路径6而。较高迁移率的(即，高于所选迁移率的)离子将被分析场20朝向更负的y位置推离路径6。

根据本发明的横流离子迁移率分析仪可与任何已知的离子生成方法组合使用，所述已知的离子生成方法包括激光解吸(LD)、基质辅助激光解吸电离(MALDI)、电喷雾电离(ESI)、化学电离(CI)、光化电离(PI)或任何已知的其他生成离子的方法。横流迁移率分析仪是一种过滤型分析仪。因此，使用诸如ESI等连续电离源时，将在横流离子迁移率分析仪的出口处产生所选迁移率离子的连续离子束。通过扫描DC分析场20的场强，可以扫描到所传输离子束的迁移率。在扫描DC分析场20的场强同时记录所产生离子束的强度，将获得离子迁移谱。在扫描DC分析场20的场强时记录根据所产生的离子束的一组质谱将获得离子迁移率-质谱。

如上所述，RF约束场12可防止离子沿x轴扩散，但所选迁移率的离子可以沿y或z轴扩散。沿z轴的扩散将携带一些所选离子至装置的离子出口处，而沿y轴的扩散将导致离子丢失。在其他实施例中，沿y轴的弱赝势约束场可用于防止所选迁移率的离子沿y轴扩散。

在其他实施例中，通过未与板14和24集成的元件产生电场。更确切地，板14和24限定气流，而独立电极用于产生电场。在进一步的其他实施例中，DC分析场20的场强沿着y轴改变，使得相关迁移率的离子在y维度上被约束在路径6上。例如，DC分析场20可随y位置增加，使得如果所选迁移率的离子向更高的y位置移动(例如，通过扩散)，则在如此高的y位置具有更高的场强的DC分析场将离子向路径6推回。相反地，如果所选迁移率的离子向更低的y位置移动，则DC分析场20弱到不足以使离子在气流10作用下仍停留在原位，离子将朝路径6推回。在其他实施例中，气流呈沿y轴位置的函数被降低，使得所选迁移率的离子在y维度上类似地被约束到路径6上。

下面转向图3A-3D，示出了其他实施例横流迁移率分析仪94。分析仪94由简化的四极杆84、入口毛细管60、出口截取器62、用于生成分析气流的供气系统(未示出)和用于产生RF约束电势的电源(未示出)、DC分析电势和施加于入口毛细管和出口截取器的电势构成。简化的四极杆84包括两块平行板184和284，每块板被构造为支持简化的四极杆R约束场和位于两板之间的容器内的均匀的双极分析场。

根据本发明实施例，板184和284中的每个均由绝缘支撑件制成，该支撑件表面布置有电阻膜和导电膜。图3A示出了图3C和图3D中所描述的简化的四极杆84构造中所使用的绝缘支撑件92的端视图。绝缘支撑件92可由任意电学绝缘材料组成，不过作为一个示例，绝缘支撑件92由陶瓷组成。支撑件92的长度与简化的四极杆84长度相同。虽然可使用任意绝缘材料来制作支撑件92，但陶瓷因其硬脆而特别具有优势。如图3A所示，支撑件92的横截面呈等腰梯形，腰85和86与底部87呈45度角、与底部88呈135度角。支撑件92可选择各种尺寸，不过作为示例，底88长度为10.8mm(即沿y轴)。支撑件92的厚度为1mm，长度为50mm(即分别沿x和z轴)。

如图3B所示，板184使用表面88上布置有电阻膜和导电膜的支撑件92构造。表面88上的导电膜的图案为一组规则间隔的电极90，如图3B中以白色所示的间隔。用电极间的阴影区表示电阻膜89。电阻膜和导电膜的厚度可以选择为任意厚度—甚至达到以下程度，例如支撑件92被大量的电阻材料(例如，掺杂石墨的聚合物)所替代。但是，在如图3的示例中，膜厚度介于10^-10和10^-5米之间。电阻膜89可使用任何已知电阻材料组成，不过作为一个示例，电阻膜89由金属氧化物(如氧化锡)组成。优选地，电阻层89的电阻在表面88上均匀分布，不过在其他实施例中，电阻层89的电阻可以沿表面88的长度或宽度是非均匀的。用于产生电极90的导电膜可由任意导电材料组成，不过作为一个示例，电极90可由金属(例如金)组成。电阻层89由电极90界定并与之电接触。或者，在电阻层89的顶部布置电极90。

在其他实施例中，支撑件92可由玻璃组成，例如在生产微通道板检测器中使用的玻璃类型(Photonis Inc.,Sturbridge,MA)。通过减少氢气可在此类玻璃表面形成电阻层。

如图3C和图3D所示，简化的四极杆84由板184和284构成。每块板可用上述针对板184的方式构建，其具有支撑件以及电阻膜和导电膜。将其上分别具有电阻和导电涂层的板184和284的表面88和93组装到分析仪94中，使它们彼此平行，并面向离子路径，即z轴。板184和284之间的间隔，即沿x轴，可以进行较大地变化，不过作为一个示例，两板之间的距离为3.6mm。在优选的实施例中，板184上的涂层的电阻与板284上的涂层的电阻相同。在其他实施例中，两块板的涂层的电阻可以彼此不同。

可以根据公式(1)将电势施加到板184和284上的电极90上来在简化的四极杆84上形成由四极RF约束场叠加均匀双极分析场构成的电场。该场的四极RF组分产生赝势，其可以与上述赝势12类似的方式将离子径向地聚焦至路径26。该场的双极组分以与上述分析场20类似的方式作为分析场。

根据本发明实施例，有三种操作模式—“传输”、“质量分析”和“迁移率分析”模式。在传输模式中，运行带有四极RF约束场而无双极分析场的简化的四极杆84。同样，在传输模式中运行时无分析气流存在。由于仅存在将离子约束至路径26的RF场，所以大质量范围的离子可无阻碍地从入口毛细管60传递至出口截取器62。在传输模式中，传输的质量范围可通过RF场场强来调节，这是现有技术公知的。

在质量分析模式中，通过向四极场添加DC偏压U从而根据质量来选择离子(参见公式(2))。这种质量选择稳定性也是现有技术已知的。使用具有预定RF振幅V和频率f的四极RF场，并施加预定量的DC偏压U，则仅有所选质量或质量范围的离子将从入口毛细管60传输到出口截取器62。

为分析离子迁移率，将DC偏压U设置为0伏。沿y轴建立分析气流，并在气流相反方向上施加分析双极场，即公式(1)中的E_y。如上述参考图2所讨论的，由分析气流沿y轴作用在离子上的拉力被DC分析场组分E_y所抵消。根据基本原理，离子在气流中的速度由离子迁移率和电场E_y的场强的乘积给出。因此，提供已知速度的分析气流和已知场强的分析场E_y来限定离子为了稳定地穿过分析仪所必须具有的迁移率。扫描DC分析场场强将类似地扫描传输通过分析仪的离子的迁移率。较低迁移率(即，低于所选的迁移率)的离子将被气体推向较高的y值，而较高迁移率的离子将被分析场推向较负的y位置。

重要地是，毛细管60的孔和截取器62的小孔位于y＝0处。因此，来自毛细管的离子在y＝0处被引入到分析仪94中。所选的迁移率的离子沿y＝0处的路径26稳定移动，然后从y＝0处的截取器62的小孔离开分析仪94。因此，被推向较高或较低y位置的离子将基本上不会穿过截取器62中的小孔，并会因此被丢弃。

值得注意的是，可经由毛细管60引入离子作为气流的一部分。可使用来自毛细管60的气流以及毛细管60上的排斥电势将离子从毛细管中发射出去并进入到分析仪94中。类似地，会有一些量的气流通过截取器62的小孔从分析仪94流出。可使用这种气流和截取器62上的吸引电势将离子提取出分析仪94，并将其导向到下游光学、质量或迁移率分析仪或检测器中。

在其他实施例中，分析气体的气压、成分和速度可以差别较大，但作为一个示例，分析气体的气压、成分和速度分别为3mbar、氮气和15m/s。在其他实施例方法中，分析场场强可以差别较大，但作为一个示例，场强E_y可为0–30V/cm。在约束和分析场为DC场的实施例中，分析气体的气压可以远远大于10mbar，甚至可以等于大气压。

在某些条件下，在四极RF场中施加到离子上的赝势恢复力可表达为如下：

F_x＝-bx/m    (3)

F_y＝-by/m    (4)

其中F_x和F_y分别为沿x和y轴施加到离子的力，b为常数，m为离子质量。从公式(3)可以清楚看出，沿x轴的力F_x将离子聚焦到z轴上，从而聚焦到路径26上。通过力F_x聚焦离子将不会显著受到分析双极场E_y或分析气流的拉力的影响，因为这两者均无沿x轴的分量。

然而，离子在横流迁移率分析过程中所处的y位置将取决于分析双极场E_y、分析气流产生的对离子的拉力以及赝势恢复力F_y。离子的平衡y位置将在沿y轴的净力点F_net为零处建立：

F_net＝0＝F_K+F_y+F_E    (5)

其中F_K为气流作用在离子上的拉力(与离子迁移率相关)，F_y为简化的RF四极杆场作用在离子上的赝势恢复力，F_E为分析双极场作用在离子上的力。为了对根据本发明的分析仪中的离子的行为进行估计，可假定离子基本为球状，其体积与离子质量成比例。如果假定成立，则气流作用在离子上的拉力将为：

F_K＝a v m^2/3    (6)

其中“a”为常数，而v为气体速度。在所选的迁移率上，拉力F_K将被分析双极场F_E＝qE_y的作用力抵消，而作用在离子上的净力仅有赝势恢复力F_y。因此，所选迁移率的离子将被约束至路径26，即z轴。

需要注意的是，离子从路径26上的扩散将被赝势力F_x和F_y作用力抵消。因此，所选的迁移率的离子将高效地传输。其他迁移率的离子将基本占据y位置，如下：

y＝m/b(avm^2/3–qE_y)    (7)

一个含义是，在非常低的质量时，离子的平衡位置y接近0，并且理论上离子会沿路径26运动。但是非常低的质量的离子在RF四极场中会不稳定，即其可能低于低质量截断值，从而被侧向喷射到板184或284之一。因此，只有所选的迁移率的离子将沿路径26运动。

值得注意的是，公式(6)和(7)中常数“a”包含了对于离子迁移率重要的参数，例如气压和温度。同样，公式(4)和(7)中常数“b”包含了对于RF四极赝势的重要参数,例如RF频率和振幅。例如，通过调整气压和/或速度、RF频率或振幅、或双极电场场强，可以调整依赖离子迁移率的y位置。例如，增加分析气体的速度v将增加具有其迁移率的离子在y位置上的改变，即dy/dK随气体速度v的增加而增加。因为离子在y轴上根据迁移率而更加分散，所以会获得更高的分辨率。类似地，例如，通过降低RF四极场振幅来降低“b”，可将离子根据迁移率沿y轴分散开，从而增加迁移率分辨率。通常，使用将所选迁移率离子仍约束在路径26上的“a”的最大值和“b”的最小值将获得最佳迁移率性能。

在其他实施例中，可通过同时设定非零DC偏压U并提供沿y轴的分析气流和与分析气流相反的分析双极场来获得质量和迁移率分析的混合模式。在这种“混合模式”中，仅有预定的狭窄质量范围内的指定迁移率或迁移率范围的离子会通过分析仪传输。

如上所讨论，例如，通过扩散，离子可以从毛细管60穿过分析仪94到达截取器62。而且，下游离子与上游离子的库仑作用会推动下游离子向截取器62运动。如上述部分所讨论的，在其他实施例中，可以通过轴向RF或DC场(即沿z轴)将离子从入口端推向出口端。这种轴向场可通过任何现有技术装置来形成。在上述提到的一个其他实施例中，在弯折的电线、箔或板上施加的DC电势将产生沿z轴的电场分量，从而推动离子沿轴线运动。在其他实施例中，轴向赝势可通过例如在分析仪装置中以彼此呈一个角度的方式放置板184和284来产生。也就是，分析仪出口端处(即截取器62附近)板之间的间隔(沿x轴)将比入口端处(即毛细管60附近)的更大。当然赝势的轴向分量会推动离子通过分析仪。在进一步的实施例中，分析气流具有沿z轴的速度分量。气流中的该z轴速度分量将推动离子以适当的测定速率(独立于离子的迁移率或质量)通过分析仪。

在扫描DC分析场场强期间可扫描仪器中的任何其他参数。例如，可扫描RF场的场强V以及DC分析场的场强Ey。通过增加RF场的场强以及分析场强，可改进离子传输。也就是，在低分析场场强Ey下，高迁移率离子将被传输。高迁移率的离子一般质量低。低质量离子需要低RF场场强V，以避免“低质量截断值”。但是，在高分析场场强下，低迁移率的离子(一般对应于较高的质量)将被传输。当使用高RF场场强时，此类高质量的离子通常会被更有效地传输。此外，当与四极杆质量过滤器组合使用时，可能会将四极杆质量过滤器的设置与DC分析场场强E_y关联，从而四极杆质量过滤器传输的离子的质量与DC分析场场强E_y关联。例如，在较高的分析场场强(传输较低迁移率的离子)下，可以传输较高质量的离子通过四极杆质量过滤器。

在其他实施例中，可布置另一对平行于z轴(纵轴)的电线，一侧一个，例如位于x＝0，y＝+/-1mm，这样从z轴偏离超过+/-1mm的离子将与电线碰撞，并被排除。图4示出了另一个横流迁移率分析仪的实施例，除了在y＝+/-1mm处添加导线96和97之外，与分析仪94基本相同。电线的直径、长度和布置差别较大，但是作为示例，电线的直径为0.12mm，长度为20mm，并在分析仪95中心纵向放置。从公式(1)中可以看出，电场在x＝0处的RF分量为0。因此，仅需向电线施加DC电势，即Ey。在其他实施例中，可在任何所需的y位置上布置电线。在其他实施例中，用导电板来替代电线，导电板被安放在y-z平面内，最近的边缘位于例如+/-1mm处。在其他实施例中，弯折电线使之形成轴向场(即沿z轴)，将离子从入口毛细管推向出口截取器。

电线无需覆盖分析仪的全长。确切地说，如图4A所示，电线96和97具有覆盖分析仪95的中心分析区域32的长度。分析仪95分别包括入口31、出口32和分析区域33。在入口和出口区域中，分析气流和/或电场可由例如毛细管60或出截取器62的存在而被干扰。因此，在毛细管入口或出口截取器附近时，离子可能到不了其平衡的y位置，即如公式(7)所述。将上述电线从毛细管入口或出口截取器附近拿离，使得离子偏离其预期位置直至其进入分析区域32，其中气流是均匀的且电场接近理想状态。分析区域中远离路径26的离子将随后碰到电线96或97，从而被消除。

图5示出了另一种横流迁移率分析仪98的实施例。除了添加了导电箔41和42作为结构元件来干扰抛物线速度剖面并沿纵轴(z轴)形成推流之外，分析仪98与图3中的分析仪94基本相同。导电箔41和42的大小和布置可以差别较大，不过作为示例，导电箔的厚度为0.12mm，高度为2mm(沿y轴)，并覆盖分析仪的全部长度(沿z轴)。导电箔沿x轴等距分布，其内侧边缘位于y＝+/-1.75mm处，如图5B所示。在板184和284之间沿y轴引入分析气流。根据现有技术可知，导电箔41和42的出现将会使得分析气流在路径26附近引起推流。例如，可从分析仪底部，即通过导电箔42引入分析气流。在这种情况下，上方导电箔组41无需用于产生推流，但可用于维持对称的分析DC场和RF约束场。

以与参考图3所述的相同的方式向导电箔41和42施加电势。特别地，根据公式(1)，通过在导电箔41和42和板184和284的电极90上施加电势，可在分析仪98中形成将四极RF约束场与均匀的双极分析场叠加而构成的电场。该场的四极RF分量会产生赝势，其使离子聚焦至路径26。该场的双极分量E_y可作为DC分析场。导电箔41和42的内面(即具有最小y绝对值的表面)边缘处的电势与生成该场最相关。这样，根据公式(1)使用其内面边缘的x和y位置来设置导电箔41和42上的电势。

分析仪98的其他操作和操作模式(即离子导向、质量过滤器和迁移率过滤器)与如参考图3所述的分析仪94的相同。在其他实施例中，可与z轴平行布置另外一对电线，一侧一条，例如位于x＝0,y＝+/-1mm处，这样从z轴偏离超过+/-1mm的离子将与电线碰撞，并被消除。如参考图4所述，电线无需覆盖分析仪的全部长度，确切地，分析仪可被分隔为数个部分，所添加的电线仅覆盖中心分析部分。

在如图6所示对另一实施例中，电场仅包括DC分量而无RF分量。该电场的第一分量使x维度中的离子向z轴聚焦。同时，该电场的第二分量作为分析场，即沿y轴。如对上述实施例的描述，另一个实施例的横流迁移率分析仪104由板106至109组成，其界定了分析气体可从中通过的容器。打孔的板108和109分别位于分析仪104的入口和出口端。如图6所示，板108和109上的小孔位于z轴上，使得所选离子可以通过板108中的小孔进入，沿z轴运动，并通过板109中的小孔离开分析仪。在其他实施例中，可通过任何已知装置将离子注入至分析仪并从中提取出来。在其他实施例中，板108和109可以例如被毛细管和截取器所替代。

板106至109中的每一块包括电极110(如图6所示的曲线)，其提供有DC电势。电极110以及施加在其上的DC电势在分析仪104中产生电场：

       $\mathrm{\Φ}(x,y,z,t)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0(x^2-z^2)}{r_o^2}+E_y\left(t\right)\·y+\mathrm{\χ}\·z---\left(8\right)$

其中Ф₀为DC电势，E_y(t)是关于可调DC场的时间的函数，r_o为常数，x和y为正交坐标，而z为沿纵轴的坐标。场分量(Ф₀/r_o)x²与沿x轴的约束场相关。场分量(Ф₀/r_o)z²+χ·z(χ为常数)与沿z轴的轴向DC场相关。可使用与针对板184的所述的方式类似的方式构建板106至109，即在绝缘支撑件上布置电阻和导电膜，但是，电极110并不是简单的如公式(1)所示的与z轴平行的线条，相反，电极110遵循公式(8)所指示的曲线。

在操作中，分析气体以y方向流过分析仪104的容器，例如从底部到顶部。从板108中入口小孔中进入的离子被沿x方向约束，并在y方向上受到恒定电场作用，该电场与气流对离子产生的拉力对抗。电场的z分量沿z方向增加，并驱动离子朝向板109和分析仪出口穿过该容器。

在图7中的实施例114中，只示出了根据本发明的横流迁移率分析仪的内容器115以及气体池116和117。为了清楚起见，未示出所有的板和电极。在操作期间，气体池116中的气压较气体池117中的要高。两个气体池之间的压差会产生如箭头119所示的穿过容器115的抛物线气流。但是，抛物线流体剖面没有很好的建立在在气体池116的附近，相反该剖面更加靠近如箭头118所示的推流。因此，在实施例114中，离子入口120和出口121靠近容器115的入流处，即靠近气体池116，使得分析气体速度剖面靠近推流区域。因此，在z轴附近时，分析气流速度基本上独立于x和z位置。因此，离子的迁移率选择不是主要取决于其在分析仪中的x位置，并提高了迁移率分辨率。除了容器125沿分析方向(即沿y轴)开口之外，图8中的另一实施例124与参考图7所述的实施例相同。这种几何形状会至少沿z轴扩展推流区域，并在入口130和出口131之间的轴线上产生更为均匀的速度剖面。

可在无需后续质量分析地使用根据本发明的横流离子迁移率分析仪。也就是，在完成迁移率分析后，可在无需其他离子光学装置的任何其他操作的情况下检测离子。在同一容器中，在另一实施例中，可以构建根据本发明的横流离子迁移率分析仪，并作为单独的装置使用。也就是，根据本发明的离子迁移率分析仪可以是其他实施例仪器中唯一的分析仪。或者，该迁移率分析仪可组合具有任意数量的其他迁移率和/或质量分析仪的仪器，所述迁移率和/或者质量分析仪包括四极杆过滤器、飞行时间质量分析仪、离子回旋共振质量分析仪、Paul阱、轨道阱或任何此类分析仪的组合。

虽然已参考一个或多个优选的和替代实施例对本发明进行描述，但是这类实施例仅是示例性的，并不旨在限制或穷举本发明的所有方面。因此本发明的范围将仅由所附的权利要求书限定。而且，可在不偏离本方面的精神和原理的情况下对本发明的细节做大量的修改，这对于本领域的技术人员来说是显而易见的。应当理解的是，本发明在不偏离其本质特征的情况下可以以其他形式实施。

权利要求如附。

Claims (21)

1.一种用于对离子进行迁移率分析的设备，包括：

用于在容器内生成第一电场和第二电场的装置，其生成方式为：使得所述第一电场沿着与纵轴正交的至少一个方向将离子约束至所述纵轴，所述第二电场为与所述纵轴正交的DC场；和

管道，其在该容器内形成气流的路径，该气流具有与所述纵轴正交的速度分量，使得所述DC场对离子产生的第一力对抗该气流的正交速度分量对离子产生的第二力。

2.根据权利要求1的设备，其中所述管道为在所述纵轴的一侧上具有气体入口、在所述纵轴的另一侧上具有气体出口的圆柱体，除了位于所述纵轴与该圆柱体的一端交叉处的离子入口和位于所述纵轴与该圆柱体的另一端交叉处的离子出口外，所述圆柱体沿着气流的路径而侧面密闭。

3.根据权利要求2的设备，其中该气流在所述圆柱体内具有抛物线速度剖面，并且所述设备包括以如下方式布置在圆柱体内的结构元件，所述方式为：干扰所述圆柱体内的抛物线速度剖面，以在所述气体入口处附近或所述圆柱体的凹陷处附近形成气体推流区。

4.根据权利要求2的设备，其中所述离子入口和所述离子出口位于气体推流区内。

5.根据权利要求2的设备，其中所述气流的正交速度分量沿所述纵轴具有抛物线剖面，其中对抗的DC场沿所述纵轴具有抛物线场强剖面并且/或者仅在抛物线剖面的顶点区域附近生成。

6.根据权利要求2的设备，其中该气流的正交速度分量沿纵轴具有抛物线剖面，并且其中对抗的DC场仅在抛物线剖面的顶点区域附近生成。

7.根据权利要求1的设备，其中所述管道由位于所述纵轴附近的两个平行的板形成，以使所述气流的路径定向为与所述板的表面平行，并且离子的路径在所述板之间呈对称设置。

8.根据权利要求1的设备，其中形成所述气流的路径的所述管道被定向为与所述纵轴正交。

9.根据权利要求1的设备，其中用于生成电场的所述装置包括与RF电源和DC电源相连接的一组电极，其中所述第一电场为将离子径向地约束在所述纵轴上的RF电场。

10.根据权利要求9的设备，其中一组电极呈直线布置并关于所述纵轴对称，在所述容器内生成具有以下形式的电场：

$\mathrm{\Φ}(x,y,t)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_o\left(t\right)\·x\·y}{{{2r}_o}^2}+E_x\left(t\right)\·x+E_y\left(t\right)\·y$

其中Ф_o(t)是RF电势，E_x(t)和E_y(t)是关于可调均匀DC场的时间的函数，r_o为常数，而x和y为正交坐标。

11.根据权利要求10的设备，还包括平行于所述纵轴并在所述纵轴的相对侧上布置的过滤电极。

12.根据权利要求1的设备，其中用于生成电场的所述装置包括与DC电源连接的一组电极，并且所述第一电场为仅沿着与所述纵轴正交的一个方向约束离子的电学DC场，约束的方向与所述第二电学DC场正交。

13.根据权利要求12的设备，其中所述容器内的电场具有以下形式：

$\mathrm{\Φ}(x,y,z,t)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_0(x^2-z^2)}{r_o^2}+E_y\left(t\right)\·y$

其中Ф₀为DC电势，E_y是关于可调DC场的时间的函数，r_o为常数，x和y为正交坐标，而z为沿所述纵轴的坐标。

14.一种用于对离子进行迁移率-质量分析的设备，包括：

离子源；

横流迁移率分析仪，其包括：用于在容器内生成第一电场和第二电场的装置，生成方式为使得所述第一电场沿着与纵轴正交的至少一个方向将离子约束在该纵轴上，并且所述第二电场为与所述纵轴正交的DC电场；以及管道，其在所述容器中形成气流的路径，所述气流具有与所述纵轴正交的速度分量，使得所述DC场对离子产生的第一力对抗所述气流的正交速度分量对离子产生的第二力；和

质量分析仪。

15.一种用于对离子进行迁移率分析的方法，包括：

(a)在容器内生成第一电场，所述第一电场沿所述容器内的纵轴约束离子；

(b)在所述容器内生成第二电场，所述第二电场为与所述纵轴正交的DC场，其对离子产生第一力；

(c)在所述容器内生成引导气流，该气流具有与所述纵轴正交的速度分量，其对离子产生对抗第一力的第二力；

(d)将所述纵轴上的离子引入该所述器内；以及

(e)检测离开所述容器而实质上未偏离纵轴的离子。

16.根据权利要求15的方法，其中通过具有沿所述纵轴的速度分量的气流、轴向电学DC、RF场以及在将离子引入到所述容器中之前在所述纵轴的方向上加速离子中的一种方式，来驱动离子沿着所述纵轴穿过所述容器。

17.根据权利要求15的方法，其中扫描至少一个以下参数：所述第二电场的场强、所述气流的正交速度分量以及所述气流的压力，并且其中检测离子信号作为被扫描的参数的函数以生成离子迁移谱。

18.根据权利要求15的方法，其中步骤(e)中对离子的检测包括将离子传输至质量分析仪，并在该质量分析仪中进行质量选择分析。

19.根据权利要求15的方法，其中所述第一电场为沿着所述纵轴径向地约束离子的RF场。

20.根据权利要求19的方法，其中所述第一电场和所述第二电场具有以下形式：

$\mathrm{\Φ}(x,y,t)=\frac{{\mathrm{\Φ}}_o\left(t\right)x\·y}{{{2r}_o}^2}+E_x\left(t\right)\·x+E_y\left(t\right)\·y$

其中Ф_o(t)由V·sin(ω·t)+U给出，其中V和U分别为RF电势和DC电势，E_x(t)和E_y(t)是关于可调DC场的时间的函数，r_o为常数，而x和y为正交坐标。

21.根据权利要求15的方法，其中所述第一电场为DC场，其仅在与所述纵轴正交并且与所述第二电场的方向正交的一个方向上沿所述纵轴约束离子。