CN106469639B - 用于引导离子束的镜面透镜 - Google Patents

Abstract

本案提供一种用于在质谱仪中选择性地透射或反射离子束的静电双模透镜组合件。所述组合件包括至少一个电极，所述至少一个电极提供可切换电场，所述可切换电场在第一操作模式期间沿着第一路径引导进入所述组合件的离子束，以使得所述束沿着所述第一路径透射穿过所述组合件，且在第二操作模式期间，沿着所述第一路径引导进入所述组合件的离子束以使得所述离子束由所述电场反射且沿着第二路径退出所述组合件。还提供用于使用静电透镜操作质谱仪的方法。

Description

用于引导离子束的镜面透镜

与资助有关的陈述

导致本发明的工作已在欧盟第七框架计划(FP7/2007-2013)/ERC拨款协议n°fp7-ga-2013-321209下收到来自欧洲研究理事会的资助。

技术领域

本发明涉及静电透镜，明确地说，涉及用于与质谱仪一起使用的透镜。此外，本发明涉及质谱分析方法，明确地说，涉及电感耦合质谱分析(ICP-MS)方法。

背景技术

质谱分析是用于基于气态离子的质荷比和丰度定性和定量地确定存在于样本中的分子物质的分析方法。

在电感耦合等离子体质谱分析(ICP-MS)中，可以高灵敏度和精度(浓度相对于非干扰背景低至10¹⁵分之1)检测原子物质。在ICP-MS中，有待分析的样本利用电感耦合等离子体电离，且随后分离且在质量分析仪中量化。

精确且准确的同位素比测量通常提供对于不可通过任何其它分析技术解决的科学问题的较深入理解的唯一方式。多收集器ICP-MS是用于高精度且准确的同位素比分析的成熟方法。ICP-MS应用于地质年龄测探(geochronology)、地球化学(geochemistry)、宇宙化学(cosmochemistry)、生物地球化学(biogeochemistry)、环境科学以及生命科学领域中。然而，质谱仪中的元素和分子干扰可限制分析可达到的精度和准确性。

这些干扰可存在于样本材料自身中，或由于从污染源(例如所使用的化学品、样本容器)制备样本而产生，或通过样本纯化期间的分离而产生。污染物质还可产生于离子源或质谱仪中。

为了实现高精度且准确的同位素比测量，应用延长的物理和化学样本制备以获得不含可干扰质谱的可能干扰物和污染物的清洁样本。分析物在同位素比ICP-MS中所使用的样本材料中的典型浓度处于每10亿若干份的范围内。所关注的分析物还可能集中在异质样本材料(例如岩石样本)内的小夹杂物或晶体中。

延长质检步骤集成到样本制备中以确保样本制备自身不会导致样本材料的同位素比的改变。每一样本制备步骤都可能将污染物添加到样本和/或引起将从原始样本材料提取的分析物的同位素分离，所述样本材料可为例如岩石、晶体、土壤、尘粒、液态和/或有机物质。即使所有这些步骤都极为谨慎地进行，仍有可能在质谱中存在污染以及不完整分离和干扰。

理想情况下，我们将想要完全避免化学样本制备步骤。此外，如果使用激光器来直接消融样本且将经消融材料冲入ICP源中，那么化学样本制备是不可能的。在这些情况下，不存在所需分析物从样本基质的化学分离，且所有特异性必然是来自质量分析仪和质量分析仪中的样本引入系统。特异性描述分析仪明确地确定和识别样本中的特定物质的能力。实现质谱仪中的特异性的一个方式是确保质量分析仪的质量分辨力M/(ΔM)足够大以清楚地分离一种物质与另一种物质，其中ΔM希望是两种物质的质量差，且M是所关注物质的质量。在具有相同标称质量的物质存在同量异位干扰的情况下，这需要非常高的质量分辨率。对于扇形场质谱仪来说，高质量分辨率的出现伴随着使用到质量分析仪的非常窄的入口狭缝，且小入口狭缝显著减少透射，且因此降低质量分析仪的灵敏度。因此，在需要极高质量分辨力的情况下，这变为不可行的方法。这对于当前技术解决方案受限的质谱分析仪表来说是特殊挑战。

电感耦合等离子体(ICP)离子源是使用质谱分析进行元素和同位素分析的极高效离子源。这是一种能够在非干扰低背景同位素上检测低至一份/1015(份/千万亿，ppq)的极低浓度下的元素的分析方法。所述方法涉及利用电感耦合等离子体来使待分析的样本电离，且接着使用质谱仪来分离并量化因此产生的离子。

在电磁线圈中电离通常为氩气的气体以产生氩原子、游离电子与氩离子的高度激励混合物产生等离子体，其中温度足够高以引起样本的原子化和电离。所产生的离子经由一个或多个减压阶段引入到质量分析仪中，所述质量分析仪最常为四极分析仪、扇形磁场分析仪或飞行时间分析仪。

高精度质量分析仪允许从分子物质分离元素离子的高质量分辨率，所述分子物质在某一程度上不可避免地形成于ICP源(例如，OH⁺、NO⁺、CO⁺、CO₂ ⁺、ArO⁺、ArN⁺、ArAr⁺，等)内且干扰元素离子。因此，已知某些元素通过ICP-MS具有相对差的检测极限。这些元素主要是遭受因来源于等离子气体、基质组分或用于溶解样本的溶剂的离子产生的人为现象或光谱干扰的那些元素。实例包含用于测定⁵⁶Fe的⁴⁰Ar¹⁶O、用于测定³⁹K的³⁸ArH、用于测定⁴⁰Ca的⁴⁰Ar、用于测定⁸⁰Se的⁴⁰Ar⁴⁰Ar、用于测定⁷⁵As的⁴⁰Ar³⁵Cl、用于测定⁵²Cr的⁴⁰Ar¹²C以及用于测定⁵¹V的³⁵Cl¹⁶O。

利用高质量分辨率扇形磁场多收集器质谱仪，分子物质可沿着质谱仪的焦平面分离，以使得可仅检测元素离子，而在检测器狭缝处辨认分子干扰物(见Weyer与Schwieters，International Journal of Mass Spectrometry，第226卷，第3期，2003年5月，以引用的方式并入本文中)。这一程序对于分析物与干扰物之间的相对质量偏差处于范围(M/ΔM)<2,000-10,000(M：分析物的质量，ΔM：分析物与干扰物之间的质量差)内的干扰物非常适用。

利用扇形质谱仪，高质量分辨率的出现通常伴随着到质量分析仪中的离子光学透射的减少，因为高质量分辨率需要较窄的入口狭缝和较小光圈以最小化进一步沿着从入口狭缝到检测器的离子束路径的二阶或三阶角度偏差。在其中样本量受到限制或样本中的分析物浓度低的特定情况下，高质量分辨率模式下的灵敏度降低是一个重要问题。其直接导致分析精度降低，因为在穿过扇形场分析仪的有效透射降低的情况下计数统计较差。因此，高质量分辨率通常并非消除干扰和获得特异性的可行解决方案，即使在质谱仪的质量分辨力足以区分干扰物的情况下也是如此。

存在其它应用，其中元素离子的同量异位干扰无法通过样本制备来避免，且将需要>>10,000的质量分辨力来分离干扰物质。一个实例是利用基于氩气的等离子体来分析⁴⁰Ca。元素⁴⁰Ar+对于⁴⁰Ca+存在强干扰。分离两种物质所需的质量分辨率将>193,000，其远大于通过扇形磁场场分析仪可实现的分辨率。

碰撞室技术(ICP-CCT)提供了针对此问题的一个解决方案，其包含定位在分析仪前面的碰撞/反应室。这一碰撞室添加了实现分析特异性的另一可能性。替代质量分辨力，其使用化学反应来区分干扰物质。例如氦气或氢气等碰撞气体被引入到此室中，此室典型地包括以射频模式操作从而使离子集中的多极。碰撞气体在所述室中碰撞且与离子反应，将干扰离子转化为无害的非干扰物质。

碰撞室可用以从元素质谱移除不合需要的人为离子。碰撞室的使用描述于例如EP6 813 228 A1、WO 97/25737或US 5 049 739 B中，其全部以引用的方式并入本文中。碰撞室是离子透射穿过的大体上气密罩壳。其定位在离子源与主要质量分析仪之间。目标气体(分子和/或原子)进入到碰撞室中，目的是促进离子与惰性气体分子或原子之间的碰撞。碰撞室可为如US 5 049 739 B中所公开的无源室，或离子可借助于例如多极(multipole)的离子光学器件约束在所述室中，所述离子光学器件利用交流电压或交流电压与直流电压的组合驱动，如在EP 0 813 228中。通过这一方式，碰撞室可经配置以便在损失最小的情况下透射离子，即使在所述室以足以高以保证离子与气体分子之间的保证碰撞的压力操作时也是这样。

举例来说，约2％H₂添加到碰撞室内的He气的碰撞室的使用通过⁴⁰Ar+与H₂气的低能量碰撞而选择性地中和⁴⁰Ar+离子，且电子的谐振电荷从H₂气转移以中和⁴⁰Ar+离子(见Tanner、Baranov与Bandura，2002，Spectrochimica Acta Part B：Atomic Spectroscopy，57:1361-1452，以引用的方式并入本文中)。这一电荷转移机制极具选择性且有效地中和氩气离子，且因此将⁴⁰Ar+离子与⁴⁰Ca+区分开来。与质谱仪情况下的质量分辨率相比，这些效果类型有时称为化学分辨率(Tanner与Holland，2001，Plasma Source MassSpectrometry：The Millennium，出版社：Royal Soc of Chem)。

除了电荷转移反应之外，还可应用使用其它碰撞气体或碰撞气体混合物的碰撞室内的其它机制来减少干扰物。这些机制包含：归因于碰撞室内的碰撞的动能区分(例如，Hattendorf与Guenther，2004，J.Anal Atom Spectroscopy 19:600，以引用的方式并入本文中)、碰撞室内的分子物质断裂(见Koppenaal,D.,W.、Eiden,G.,C.与Barinaga,C.,J.，(2004)，Collision and reaction cells in atomic mass spectrometry:development,status,and applications,Journal of Analytical Atomic Spectroscopy，第19期，第561到570页，以引用的方式并入本文中)，和/或碰撞室内的质量偏移反应。ICP-CCT的这一工具箱可使用直接样本分析而以显著减少的样本制备较接近于特异性检测目标，但仍存在不可通过将碰撞室介接到质谱仪来解决的分析问题和干扰。

通过谨慎地控制碰撞室中的条件，有可能有效地透射所需离子。这是可能的，因为一般来说，形成待分析的质谱部分的那些所需离子是单原子，且携带单个正电荷，即，其已丢失电子。如果此类离子与惰性气体原子或分子碰撞，那么所述离子将保持其正电荷，除非气体的第一电离电势足够低以使得电子转移到离子且中和所述离子。因此，具有高电离电位的气体是理想的目标气体。相反，有可能移除人为离子，同时继续有效地透射所需离子。举例来说，人为离子可为例如ArO⁺或Ar₂ ⁺等分子态离子，其比原子态离子要不稳定得多。在与惰性气体原子或分子碰撞时，分子态离子可分解，从而形成具有较低质量和一个或多个中性片段的新离子。此外，用于涉及分子态离子的碰撞的碰撞横截面倾向于大于用于原子态离子的碰撞横截面。以引入的方式并入本文中的Douglas(Canadian Journal，1989，第34(2)卷，第36到49页)表明了这一点。另一可能性是利用反应性碰撞。Eiden等人(Journal ofAnalytical Atomic Spectrometry，第11卷，第317到322页(1996))使用氢来消除许多分子态离子以及Ar⁺，而单原子分析物离子在很大程度上不受影响。

为了分析具有未知元素组成的样本，且明确地说具有未知和/或奇异同位素组成的样本，其可用于获得样本的完全质谱，评估其元素组成，且由此获得关于可能干扰物的信息且作出所选质量的同位素比确定。举例来说，具有极端或不寻常同位素比的样本通常可见于地外样本(如陨石)或已人为浓缩的核样本中。用于此操作的此项技术中已知方法需要使用两个质量分析仪，一个确定全谱，且另一个确定预定范围内的同位素比。

离子偏转器和透镜在此项技术中已知。举例来说，静电透镜广泛用于以各种能量和方向控制和引导离子束，尤其在电子显微法中。

US 9,048,078公开一种用于与质谱仪一起使用的离子偏转器，用于引导离子在两个行进轴之间流动。所述偏转器包含电场，所述电场能够使得经由第一空间区域聚焦的离子的流动朝向第二空间区域聚焦，由此第一与第二空间区域与相应行进轴对准。

EP1470567公开一种供用于离子阱质谱仪中的集成式离子聚焦和闸控透镜，其包含呈组合式大体圆柱形配置的第一和第二部件，其中所述部件在以每一部件上的相同电压加偏压时使离子束沿着大体圆柱形配置的轴线聚焦，且所述部件在所述部件以不同电压加偏压时使离子束偏转。在优选实施例中，第一部件与第二部件配置相同。

US 8,921,803公开一种在带电粒子源与检测器之间的路径中包含静电透镜的系统，所述透镜包含：第一电极，其在所述路径中具有与第一轴线对准的第一光圈；在所述路径中在所述第一电极与所述检测器之间的第二电极，其在所述路径中具有第二光圈且与平行于所述第一轴线且沿着第一方向从所述第一轴线移位的第二轴线对准；在所述路径中在所述第一电极与所述第二电极之间的第三电极；以及电位产生器，其耦合到所述电极。

US 8,796,620公开一种用以抑制从带电粒子源到分析仪的视线且用于改变分析仪的输出频谱的基线偏移的系统。带电粒子供应经由相对于带电粒子源和分析仪而定位的偏转器的中空主体引导。经过偏转器透镜的流动路径准许离子从所述源传递到检测器，同时在平行于偏转器透镜的中心纵轴的方向上禁止从检测器到所述源的视线。

GB 2440800公开一种用以监测样本的同位素和元素组成的仪器。通过将脉动信号施加到偏转器，多收集器ICP质谱仪经修改以使得离子从主要路径偏转到辅助分析仪(例如飞行时间分析仪)中。由此，大部分离子仍传递到同位素分析仪中，而小比例可用于元素分析。

US 5,559,337公开一种离子透镜，其具有用于将离子束偏转90°的偏转器。偏转器的与取样接口相反的侧配备有开口。而且，具有至少一对元件的校正电极插入于偏转器与滤质器之间。

发明内容

本发明提供多种方式来通过使用双功能离子反射透镜来促进质谱仪(例如高分辨率多收集器ICP-MS仪器)中的宽范围数据的收集。

本发明提供一种用于在质谱仪中选择性地透射或反射离子束的静电双模透镜组合件，所述组合件包括至少一个电极，所述至少一个电极可操作以提供可切换电场，所述可切换电场在第一操作模式期间沿着第一路径引导进入所述组合件的离子束，以使得所述束沿着所述第一路径透射穿过所述组合件，且在第二操作模式期间，沿着所述第一路径引导进入所述组合件的离子束以使得所述离子束由所述电场反射且沿着第二路径退出所述组合件。

本发明还可扩展到包括根据本发明的透镜组合件的质谱仪。在一个此类方面中，提供一种质谱仪，其包括：离子源；至少一个滤质器，用于透射来自所述离子源的离子；至少一个静电透镜组合件，用于沿着两个相异路径选择性地透射所述离子束，所述透镜组合件可操作以提供可切换电场，所述可切换电场用于引导沿着第一路径从所述离子源进入所述透镜的离子束，使得在第一操作模式中，所述电场使所述离子束沿着所述第一路径选择性地透射穿过所述透镜，且在第二操作模式中，所述电场沿着第二路径反射所述粒子束；至少一个质量分析仪，用于分析在所述透镜组合件中透射和/或反射的离子；以及至少一个检测器，用于检测由所述质量分析仪分析的离子。

此外，本发明涉及质谱分析方法。在一个此类方面中，本发明涉及一种操作质谱仪的方法，所述方法包括：(a)使来自离子源的离子束透射穿过至少一个滤质器；和(b)选择性地引导透射穿过所述滤质器的所述离子束，使得在至少一个透射周期期间，沿着第一路径引导由所述第一滤质器透射的在第一质量范围内的离子，且在至少一个扫描周期期间，由所述滤质器透射的具有至少一个可选质荷比的离子被反射且沿着第二路径引导到检测器，其中所述所反射离子的所述质荷比是由所述滤质器扫描；其中在所述透射周期期间由所述第一滤质器透射的离子进一步透射到至少一个质量分析仪，其中所述离子按照其质荷比而分离，且其中由至少一个检测器检测所述如此分离的离子。

在本上下文中，“反射(reflection和reflecting)”应理解为相对于先前行进方向反转。被反射的离子束因此相对于其先前行进方向反转或向后重定向。在二维空间中，这意味着线性所反射束与对应线性传入束之间的钝角角度大于90°。

在从所述组合件退出处的所述第二路径相对于所述第一路径进入所述组合件处的所述第一路径的方向侧向向后引导。所述第二路径还可在所述第一路径与第二路径之间的分离点处相对于所述第一路径的方向侧向向后引导。传入离子束可因此沿着一个路径进入所述组合件。归因于沿着两个离子光学轨迹的不同聚焦和偏转动作，此类离子束在组合件发射模式期间和反射模式期间的路径在所述透镜内不同。为所述束在反射模式期间的方向的第二路径的通用方向可因此侧向向后，即，所述束的方向与传入束的方向相反且同时朝向所述组合件的所述侧。这导致所述束在所述组合件中侧向反射，即，所述束的方向相对于所述传入束的方向侧向向后。

移动穿过电场的离子将基于其初始动能、其电荷和所施加电场而经由所述场迁移。通过调整所述离子周围的电场，可调整电场以便更改传入离子束在任何给定方向上的移动，且由此增大或减小所述束中离子的能量。在一些情况下，使用通过将电压施加到至少一个电极而产生的电场来引导质谱仪中的带正电离子。此类场沿着传入离子束的方向在纵向平面中可对称，其可导致离子在经由电场直线移动(在线性束的情况下线性地移动)时损失其一些动能。如果电场相对于传入离子束的方向不对称或沿着传入离子束的方向在纵向平面中不对称且在传入离子束的方向上在横向平面中不对称，那么所述束将通过电场而偏转。因此，取决于操作模式，电场可沿着第一路径的运动方向在纵向和/或横向平面中对称或不对称。电场还可径向对称或径向不对称。一般来说，电场的三维性质将确定传入离子束一旦处于场内即将移动的方向。

在一些实施例中，在所述第一操作模式期间，所述电场可相对于所述传入离子束的运动方向对称，且在所述第二操作模式期间，所述组合件内的沿着所述第二路径反射所述离子束的所述电场可不对称。所述电场可沿着第一路径的运动方向在纵向和/或横向平面中对称。所述电场还可沿着所述第一路径径向对称，例如当所述透镜组合件中的至少一个电极沿着所述第一路径径向对称时。也有可能在第一操作模式期间的电场相对于传入束的方向不对称。

由于所述电场，分别沿着第一路径和第二路径的所透射和/或所反射束优选地减小，和/或其匹配所述仪器内的后继离子光学器件或检测器的离子光学输入要求。更优选地，电场使传入离子束、反射离子束或两者聚焦。因此，离子束可在静电透镜内聚焦。所述透镜组合件可因此提供两个功能：(1)所述透镜沿着两个相异且分离路径中的一个选择性地引导传入离子束，其中所述路径中的一个表示传入离子束的反射且另一路径表示离子束的透射，以及(2)所述透镜减小传入(和透射)离子束、反射离子束或两者的发散度和/或使其聚焦。

离子束的第一路径和/或离子束的第二路径可为线性的。所述路径还可为部分线性的，即，所述路径可包含直线(线性)区段和弯曲区段。

在一些优选实施例中，所述离子束是由电感耦合等离子体(ICP)产生的束。可使用其它离子来源，例如热电离或电子冲击电离。所述离子源优选地产生用于同位素比质量分析的元素离子。

在一些实施例中，第一路径与第二路径之间的角度处于约100°到约170°的范围内。所述角度还可处于约120°到约160°、约130°到约150°或约140°到约150°的范围内。在一些实施例中，所述范围的上端在约130°到约170°，或约140°到约160°。在一些实施例中，所述范围的下端处于约100°到约140°或约120°到约130°的范围内。在一些实施例中，第一路径与第二路径之间的角度处于100到170°、120°到160°、130°到150°或140°到150°的范围内。在一些实施例中，所述角度为约145°。所述第一路径与所述第二路径之间的角度可为钝角，由此所述路径之间的角度在所述路径连续的情况下为零，且所述路径之间的角度在所述第二路径相对于所述第一路径完全反转(镜像)的情况下为180°。所述路径之间的角度可为所述第一路径进入所述透镜组合件处的所述第一路径与所述第二路径退出所述组合件处的所述第二路径之间的角度。在一些情况下，所述第一路径和/或所述第二路径为线性的。还有可能所述第一路径和/或第二路径弯曲，在此情况下，所述两个路径之间的角度可为所述两个路径的切线之间的角度。在一些情况下，所述路径在所述组合件内为部分地线性且部分地弯曲。

在第一操作模式中，第一组电压施加到透镜组合件中的电极。模式从透射模式到反射模式的改变是通过更改电压，使得第二组电压施加到所述电极而实现。

在所述透镜组合件的一些实施例中，所述组合件包括围绕所述第一路径布置的一个或多个电极，所述透镜组合件具有第一光圈和第二光圈，所述离子束经由所述第一光圈和所述第二光圈而沿着所述第一路径透射进出所述组合件，其中所述透镜组合件进一步具有反射光圈，所述束经由所述反射光圈而沿着所述第二路径反射出所述组合件；且其中所述一个或多个电极经布置以产生用于在所述透镜内引导所述离子束的电场，使得在第一组一个或多个电位施加到所述电极的第一模式中，所述静电透镜组合件具有的电场使所述离子束沿着所述第一路径选择性地透射穿过所述第一光圈和所述第二光圈，且在第二组一个或多个电位施加到所述电极的第二模式中，所述静电透镜组合件具有的电场经由所述反射光圈沿着所述第二路径选择性地反射透射穿过所述第一光圈的所述离子束。

所述透镜组合件可包括相对于所述第一离子路径不对称的至少两个电极。在所述第一操作模式期间，由所述电极产生的所述电场可对称，或其可相对于所述传入离子束不对称，但其通常是对称的。然而，为实现传入离子束的反射，所述电场在反射模式中相对于所述传入束不对称。

施加到所述电极的电位(电压)可具有相同或相反极性。在此上下文中，术语“极性”应意指离子的开始电位，即产生离子时的电位。在一些实施例中，电压具有相同极性。一般来说，可使用透镜中的电极的极性的任何组合来实现离子束经由透镜的透射。然而，在反射模式中操作时，优选地电极中的至少一个相对于离子的开始电位具有排斥电位。这意味着在反射模式期间，对于带正电离子，至少一个电极具有正电位，且对于负离子，至少一个电极具有负电位。在一些实施例中，在透镜的第二反射模式期间的至少一个电极的电压与第一透射模式期间的极性相反。举例来说，至少一个电极在反射模式期间可具有正电压，而至少一个其它电极可具有负电压。

在一个优选实施例中，其中所述透镜组合件包括如所描述的两个电极，在从透射模式改变到反射模式时，所述离子遇到的第一电极(即，所述对电极中的上游电极)可对于两个模式皆保持处于负电位(优选地相对较高，例如在-1000V到-200V的范围内)，然而第二(即下游)电极可从与第一电极大大致相同的电位改变到正电位(优选地在+80V到+400V的范围内)。这些极性适用于带正电离子的情况。在带负电离子的情况下，电极的前述极性将反转。

电极组合件可包括一个或多个圆柱形或管状电极。所述组合件可包括沿着第一轴线布置且隔开的两个或两个以上圆柱形电极。第一轴线可表示沿着其第一路径到组合件中的传入离子束的中心。所述电极可通过间隙分隔开，其中所述电极相对于沿着第一路径的离子束关于所述间隙不对称。在第一模式中，所述至少两个圆柱形电极可使相同或类似电位施加到其以实现束透射，而在第二模式中，所述电极可使不同电压(优选地不同极性电压)施加到其以实现束反射。在第一模式中被施加第一组电压的圆柱形电极可产生的电场具有轴向对称性以实现束透射，且在第二模式中被施加第二组电压的情况下，所述电极可产生的电场不具有轴向对称性以实现束反射。在某些实施例中，所述电极可同轴地布置在轴线上。

反射光圈(所反射光束经由所述反射光圈在组合件中透射)可通过至少一个电极(例如一个圆柱形电极)中的开口来提供。反射光圈还可通过组合件中的两个或两个以上邻近电极之间的间隙来提供。

分离所述电极的间隙可为平面或非平面的。所述间隙优选地经布置使得到所述间隙的切向平面的法向向量与第一路径之间的角度不为零，且到所述间隙的切向平面的法向向量处于界定第一路径和第二路径的平面中。到间隙的法向向量与第一路径之间的角度可优选地不为零。优选地，所述角度处于约5°到约40°、优选地约10°到约30°、约15°到约25°、约10°到约25°或约10°到约20°的范围内。所述角度可处于10°到40°的范围内，处于10°到30°的范围内，处于10°到25°的范围内或处于10°到20°的范围内。

分离所述电极的间隙可部分或完全地包括电绝缘材料。在一个实施例中，所述间隙包括电绝缘材料，且用于透射所反射光束的所述光圈是由穿过绝缘材料的开口提供。所述绝缘材料可为任何合适陶瓷或塑料绝缘体。所述陶瓷绝缘体可例如为块滑石、堇青石氧化铝，和/或氧化锆。除了使电极绝缘之外，所述绝缘材料此外还可为透镜组合件提供机械稳定性。

所述透镜组合件可包含额外电极，其为组合件提供额外导引和/或聚焦能力。所述额外电极可布置在具有包括透镜的反射功能性的两个或两个以上电极的中心组合件的上游或下游。在一个实施例中，所述组合件包括布置在所述两个电极上游的至少一个其它电极。所述组合件还可包括布置在所述两个电极下游的至少一个其它电极。优选地，所述至少一个其它电极具有布置在所述组合件中的所述第一路径上的光圈，即，所述至少一个其它电极具有在第一路径上的另一光圈，使得所述离子束通过所述透镜组合件中的电场而被引导穿过所述光圈。所述额外电极可为任何类型的合适电极，例如圆柱形电极和/或板电极。举例来说，所述额外电极可为各自具有沿着所述组合件中的第一路径布置的另一光圈的至少一个板电极。所述光圈可提供为所述电极中的开口或孔洞，例如提供为穿过板电极的开口。

在一个实施例中，在所述对电极上游可存在第一板电极，且在所述对电极下游存在第二板电极，所述第一板电极和第二板电极各自经布置以具有布置在第一路径上的另一光圈。

所述透镜组合件可经配置以包含沿着所述第一路径和/或第二路径布置的至少一个离子导引件。所述离子导引件电极可包括任何合适形状的至少一个电极，其将在其中产生用于引导在所述透镜组合件中被透射和/或反射的所述离子束的电场。优选地，所述至少一个电极与包括中心透镜元件的电极电气绝缘，所述中心透镜元件在所述组合件内产生不对称场。

在一些实施例中，所述离子导引件可经布置以向外定位，即在远离透镜组合件的方向上，即远离提供反射功能性的中心透镜电极。所述离子导引件可沿着经过所述透镜的透射路径位于透镜组合件下游。所述离子导引件还可沿着所述透镜的反射路径而位于所述透镜下游。所述离子导引件可包括一个或多个圆柱形电极，所述一个或多个圆柱形电极优选地与提供反射功能性的中心透镜电极电气绝缘。所述离子导引件接收在透镜组合件中反射的离子，且引导且优选地还聚焦在透镜中反射到质谱仪的邻近组件中的离子束或减小其发散度。在优选实施例中，所述组件可例如为将检测在透镜中反射的离子而无需任何进一步质量选择或质量分离的检测器。因此，所述透镜组合件可包含布置在所述离子导引件下游的至少一个检测器，其接收透镜组合件中反射的离子束(或透射束，如果离子导引件沿着经过透镜的透射路径位于下游)。所述组合件可进进一步包含将所述离子束从离子导引件偏转到离轴检测器中的至少一个偏转器。所反射离子束因此可被引导穿过中心透镜组合件中的光圈/开口(退出孔洞)(例如通过中心组合件中的一对电极中的第一电极)，且被引导到形成到检测器的进入路径的离子通道中。所述检测器可为通常用于质谱分析中的任何类型的检测器，例如电子倍增管(连续或离散地)(也称为SEM(次级电子倍增管)检测器)、阵列检测器、法拉第杯、光子计数器、闪烁检测器，或可用于检测离子(尤其在质谱仪的上下文中)的任何其它检测器。优选地，所述检测器能够进行快速时间响应。所述检测器因此可优选地为电子倍增管，例如连续倍增极倍增管或离散倍增极倍增管。

通过向后引导所反射离子，所述透镜组合件将所反射离子透射到典型质谱仪的高真空区域中。举例来说，在布置于可优选地为四极组合件的滤质器的下游时，所述透镜组合件可经布置以将离子反射到邻近于所述滤质器而布置于在高真空下操作的腔室内的离轴检测器中。因此，所述透镜组合件可经布置以将离子引导到以对静电透镜组合件的不同压力下操作的腔室中，例如以比透镜组合件中的压力高或低(优选地低)至少一个数量级的压力下操作的腔室。一般来说，透镜组合件内的压力处于10^-4到10^-7毫巴的范围内、优选地处于10^-5到10^-7毫巴的范围内。在一些实施例中，所述透镜组合件经布置以在一个模式中将离子引导到在至少10^-5毫巴且优选地范围介于5x10^-3到10^-5毫巴的压力下操作的第一腔室中，且在另一模式中，将离子引导到在不大于10^-5毫巴、优选地范围介于10^-5到10^-7毫巴的压力下操作的第二腔室中。沿着从组合件起的第二路径，第一腔室可位于透镜组合件下游，即进一步远离滤质器，且第二腔室可位于组合件上游，即较接近于滤质器。第一腔室可例如为碰撞/反应室。碰撞/反应室可在约5x10^-3到约10^-5毫巴的压力下操作。在碰撞/反应气体提供于所述室中时，其压力可为约10^-3毫巴，这取决于气体到所述室中的流动速率。举例来说，在反应/碰撞气体以约1mL/min的流动速率提供于所述室中时，所述室中的压力可为约2x10^-3毫巴，且所述透镜(在提供于碰撞室上游时)中的压力在此类布置中可为约1×10^-5毫巴。在无气体提供到所述室中时，所述室中的压力可为约10^-5毫巴，且所述透镜中的压力可为约5x10^-7毫巴。第二腔室可优选地为检测器腔室。可优选地在10^-6到10^-7毫巴的压力下操作的检测器腔室可包括例如滤质器等其它组件。在透镜组合件和第二腔室(例如，用于容纳检测器)上游的滤质器优选地可泵抽到相同压力，例如10^-5到10^-7毫巴或10^-6到10^-7毫巴。

静电透镜的正常(透射)模式与反射模式之间的切换时间优选地短。所述切换时间可小于10ms、小于5ms、小于4ms、小于3ms、小于2ms、小于1ms、小于0.5ms、小于0.2ms或小于0.1ms。优选地，所述切换时间小于1ms。在一些实施例中，所述切换时间处于0.1ms到10ms的范围内、处于0.5ms到5ms的范围内、处于1ms到10ms的范围内，或处于1ms到5ms的范围内。

在一些操作模式中，所反射光束在进入所述检测器之前不进行质量过滤。任选地，可在反射透镜上游执行质量过滤，使得进入离轴检测器的所反射离子束和/或所透射离子束表示上游滤质器的质量选择。举例来说，透镜组合件可操作以使得在透射模式期间，广泛质量范围内的粒子被透射，这表示大体上非m/z过滤模式。这意味着离子独立于其质荷比而透射穿过滤质器。然而，在反射模式期间，仅具有某些质荷比的离子被反射，这可为滤质器的上游质量选择的结果。

滤质器可为所包括的电极配备有呈质荷比(m/z)过滤模式的RF与DC电压的组合且配备有呈非过滤模式的大体上仅RF电压的滤质器。换句话说，非过滤模式优选地为仅RF模式。在这一模式中，离子无关于其质荷比而在滤质器内稳定，且因此将透射穿过滤质器。在透射模式期间，有可能除了RF电压之外，还将小DC电压施加到电极。优选地，非过滤模式中的DC/RF电压比率是0.0(即，仅RF，无DC电压)，或不大于0.001，或不大于0.01，或不大于0.05，或不大于0.1。因此，在本上下文中，大体上仅RF电压应意指DC/RF比率不超过这些前述值。优选地，DC/RF比率是0.0。

优选地，滤质器是多极过滤器。过滤器的电极因此优选地为多极滤质器的杆。多极可为四极、六极或八极。优选地，多极是四极。四极可为三维四极，或其可为二维(即，线性)四极。多极的杆可为圆形杆，或其可为双曲线杆。在一些实施例中，多极是扁平极，其中所述杆扁平，即所述杆具有扁平表面。

用于检测反射粒子的检测器可放置在透镜组合件上游，邻近于上游滤质器，例如四极子。此类布置受益于与下游布置(例如，碰撞室附近的检测器布置，其中真空条件相对较差)相比在滤质器附近的优良真空。因此，将无关于下游碰撞室是否被供应碰撞气体而提供优良检测条件。

所述设定具有另一优势：可使用第一滤质器(例如，以扫描模式操作的四极子，即改变离子的经过滤m/z比)快速确定传入离子束的质谱，其中在反射模式期间，静电透镜经设定以将传入离子束向后反射到检测器中。在这段时间期间，可通过与扫描滤质器一起使用的检测器来确定传入离子束的完全质谱或预定质量窗内的质谱。此类扫描可提供关于所分析样本的元素组成的重要信息，所述样本可例如为具有未知组成的样本(例如，陨石样本)和/或具有未知同位素组成的样本。在质量扫描(在第一滤质器是多极时，其非常快)之后，可执行到第一透射模式的切换以将离子引导到下游质量分析仪，以例如确定样本中的特定元素或分子物质的同位素组成。在这一模式期间，滤质器四极子可经设定以透射某些质量范围内的离子，所述范围通常足够宽以同时透射所关注的所有质量到下游质量分析仪(例如多收集器质量分析仪)以进行同位素比测量。这一设定具有优于当前解决方案的独特优势，在当前解决方案中，离子束必须分裂到例如两个单独仪器中，以在所述两个仪器中进行不同类型的质量分析。

所述透镜组合件可进一步包含至少一个电压产生器，用于将一个或多个电压施加到所述透镜组合件。所述透镜组合件可进一步包含经布置以操作所述透镜组合件的至少一个控制器。举例来说，所述控制器可适于使所述透镜在扫描模式下操作历时第一周期且在透射模式下操作历时第二周期，在所述第一周期期间，具有一个或多个质荷比的离子在所述透镜中反射，所述所反射离子的所述质荷比由位于所述透镜组合件上游的滤质器控制，且在所述第二周期期间，质荷比范围实质上大于扫描模式期间的质荷比的离子沿着第一轴透射穿过所述透镜。在第一周期期间，可获得样本的完全质谱或部分质谱，且在第二周期期间，可使用下游质量分析仪(例如用于确定一个或多个元素的同位素比的扇形场多收集器)执行所选质量范围的质量分析。

本发明还提供一种具有用以操作根据本发明的静电透镜的程序代码的计算机程序。所述计算机程序可优选地包括在程序在具有控制器的计算机上执行时使得控制器能够操作所述静电透镜的程序代码。所述程序因此可包括用于使得控制器能够在静电透镜的透射模式与反射模式之间切换的代码。本发明还扩展到携带计算机程序的计算机可读媒体。所述计算机媒体优选地可由计算机读取以使得程序可在所述计算机上执行。

使单个仪器分析单个离子束的设定导致灵敏度增大且全部样本在单个仪器内流动，以及降低的成本和复杂度。关键考虑因素是以下事实：样本对于两个操作模式(例如全质量扫描与同位素比测量)在完全相同的ICP源中电离。相比之下，在当前分流仪器中，样本在两个独立离子源中电离，且因此分析结果可能不同。具有调查扫描来基于相同样本组成(归因于两个离子流形成于完全相同的离子源中)检测样本组成和同位素比测量相对于两个数据流的完整性具有分析优势。使用反射(镜面)模式中的静电透镜进行的快速调查质量扫描可与使用常规质谱仪(例如多收集器仪器)的测量交错。因为多收集器仪器通常使用法拉第检测器，因此使离子束偏转短时间段(几毫秒)以进行质量扫描的效果不会明显地影响同位素比分析所需的可达到的精度。使用相同样本且同时从相同分析物源(在激光消融的情况下为相同激光点)以高精度确定元素组成与确定同位素比的联合效应大大地改善分析的特异性。

将了解，用于全扫描获取的检测器与碰撞室/质量分析仪的相对位置在其它实施例中可互换，即，其中在透镜以透射模式操作的情况下，离子束到达检测器，且在透镜以反射模式操作的情况下，离子束到达碰撞室/质量分析仪。

因此，本发明还提供一种质谱仪，其包括：离子源；至少一个滤质器，用于透射来自所述离子源的离子；至少一个静电透镜组合件，用于沿着两个相异路径选择性地透射所述离子束，所述透镜组合件可操作以提供可切换电场，所述可切换电场用于引导沿着第一路径从所述离子源进入所述透镜的离子束，使得在第一操作模式中，所述电场使所述离子束沿着所述第一路径选择性地透射穿过所述透镜，且在第二操作模式中，所述电场沿着第二路径反射所述粒子束；至少一个质量分析仪，用于分析在所述透镜组合件中透射和/或反射的离子；以及至少一个检测器，用于检测由所述质量分析仪分析的离子。可与所述质谱仪一起操作的所述透镜组合件可如本文中进一步描述加以配置。

所述质谱仪可包括用以分析沿着所述第一路径透射穿过所述静电透镜的离子的至少一个质量分析仪以及用于检测由所述静电透镜组合件沿着所述第二路径反射的离子的至少一个检测器。所述静电透镜可导致在所述透镜中透射和/或反射的离子束的聚焦和/或束发散度减小。

在操作根据本发明的质谱仪的方法中，可存在以下步骤：使来自离子源的离子束透射穿过至少一个滤质器；选择性地引导透射穿过所述滤质器的所述离子束，使得在至少一个透射周期期间，沿着第一路径引导由所述第一滤质器透射的在第一质量范围内的离子，且在至少一个扫描周期期间，由所述滤质器透射的具有至少一个可选质荷比的离子被沿着第二路径引导到检测器，其中所述所反射离子的所述质荷比是由所述滤质器扫描；其中在所述至少一个透射周期期间由所述第一滤质器透射的离子进一步透射到至少一个质量分析仪，其中所述离子按照其质荷比而分离，且其中由至少一个检测器检测所述如此分离的离子。

所述扫描周期可优选地为短，例如小于所述透射周期的约20％、小于约10％、小于约5％、小于约4％、小于约3％、小于约2％、或小于约1％。在使用激光消融作为样本离子源时，脉冲强度大体是钟形的。这意味着可增大扫描周期而不对透射模式的下游质量分析的灵敏度具有明显影响。举例来说，扫描周期在此类操作期间可高达50％、高达40％或高达30％。一般来说，扫描周期可在透射周期的0.5％到50％的范围内、在1％到40％的范围内、在1％到30％范围内、在1％到20％的范围内或在1％到10％的范围内。

所述质谱仪可进一步包括至少一个碰撞室。所述碰撞室可布置在静电透镜下游，且经配置以接收由所述透镜透射的离子。此外，所述质谱仪可包含提供为多极组合件的至少一个滤质器。所述滤质器可在第一过滤模式中操作用于将具有可选择质荷比的离子束的一部分透射到静电透镜中，其中所述束沿着第二路径反射，且可在第二广泛质量模式中操作以用于透射质量范围大体上大于过滤模式期间的离子，其中在广泛质量模式期间，所透射离子束是沿着第一路径透射穿过透镜组合件。

在透射期间，第一滤质器可适于仅透射在预定质荷比范围内的离子。可选择所透射离子以具有总体范围关于预定义比率不大于约40amu、优选地在约30、约25或约20的范围内的质荷比。因此，设定过滤器以使得其不透射具有某一质荷比的离子可为优选的。举例来说，可设定滤质器以透射在特定质量范围内的离子。可选择质量范围以使得其不包含等离子气体离子，例如氩气离子，即⁴⁰Ar⁺。第一滤质器还可在仅RF模式中操作，由此有效地不存在通过滤质器的质量区分。

在根据本发明的方法中，所述离子可优选地在透射到所述质量分析仪之前透射穿过碰撞室。优选地，透射周期大体上大于扫描(反射)周期。举例来说，至少一个扫描周期的持续时间小于至少一个透射周期的约20％，例如小于至少一个透射周期的约10％、小于约5％、小于约3％、小于约2％、小于约1％、或小于约0.5％。

在扫描周期期间，第一滤质器可适于透射质荷比在小于1.0、优选低于0.8、小于0.7或小于0.6amu的窗内的离子。

根据本发明的方法还可包含包括以下步骤的方法：(i)将离子束透射到滤质器中；(ii)在扫描周期期间，操作所述滤质器以使得在各自小于1amu的多个质量范围内的离子依序由所述滤质器透射，且选择性地将如此透射的离子沿着第二路径引导到至少一个检测器中，以便确定质谱；以及(iii)在透射周期期间，选择性地将由第一滤质器透射的在第一质量范围中的离子(优选地不经质量过滤，或以比扫描周期期间大体上大的质量范围进行质量过滤)沿着第一路径引导到至少一个质量分析仪中。可存在其它步骤，包括以扫描模式操作滤质器，随后以透射模式操作滤质器的额外连续步骤。优选地，每一扫描周期小于100ms，优选小于50ms。扫描周期与透射周期之间的切换优选地在小于20ms、优选小于15ms、更优选小于10ms内执行。

在一些实施例中，对调查质量扫描的评估以提供关于样本组成的信息可导致数据相依性的决策。举例来说，基于样本的组成，可作出关于应在第二质量分析仪中分析哪一同位素系统且应进行测量多长时间的决策。在一些实施例中，可测量两个或两个以上同位素系统，其中基于调查扫描结果，可选择每一同位素系统的测量时间。

还有可能使用调查扫描来基于在调查扫描中发现的大量干扰物质的存在而拒绝样本用于同位素测量。在此类实施例中，同位素测量时间可设定为零，且仪器经设定以跳到有待分析的后续样本。

还有可能将不同气体添加到等离子体以匹配某些基质组成，以便消除或标准化归因于ICP源中的不同样本组成的基质效果。

在根据本发明的静电透镜用于使用碰撞室的质谱仪内时，透镜可设定为透射模式，用于将离子束引导且聚焦到碰撞室中。接着可取决于正执行的分析而以适当气体和/或气体混合物对碰撞室进行加压。举例来说，He气可用作碰撞源。任选地，可添加另一反应气体以引入/刺激碰撞室内的化学反应。举例来说，通过将氧气添加到所述室，某些元素将转化为对应氧化物。可使用的其它反应性气体包含NH₃、SO₂和H₂。

静电透镜可在碰撞室与离子源之间布置在碰撞室上游。举例来说，所述透镜可布置在滤质器与碰撞室之间。所述透镜还可在例如碰撞室与质量分析仪之间布置在碰撞室下游。在此配置的一个使用中，可获得通过碰撞室的离子的完全质谱，以及通过下游质量分析仪(例如扇形多收集器仪器)进行的同位素组成分析。

在离子已通过碰撞室之后，其可使用高电压加速以待聚焦于下游滤质器的离子光学器件(例如，双聚焦高分辨率多收集器质谱仪)中，用于同时测量所关注的特定物质的所有同位素。在一些实施例中，多收集器质谱仪可覆盖沿着焦平面的约16％的相对质量分散度。在一些实施例中，质量分析仪可为另一类型，例如单收集器扇形场质量分析仪或四极质量分析仪。

法拉弟杯与离子计数器的组合可安装在多收集器仪器的检测器中。举例来说，除了高达8个离子计数器之外，还可安装9个法拉弟杯。轴向通道可在检测器狭缝后方配备有可切换收集器通道，其中离子束可在法拉第杯与离子计数检测器之间切换。在这一固定轴向通道的每一侧上，可存在四个可移动检测器平台，其中的每一个可携带一个法拉第杯且附接有一个或多个小型化离子计数通道。可使用计算机操作的控制器电动化且调整每一第二平台。可通过邻近平台中的一个或两个将两个电动化平台之间的检测器平台推动或拉动到适当位置，从而允许对所有可移动平台的全位置控制。

在以下实例中进一步描述以上特性以及本发明的额外细节，以下实例打算进一步说明本发明但并不打算以任何方式限制本发明的范围。

附图说明

技术人员将理解下文所述的图式仅出于说明的目的。这些图式不打算以任何方式限制本传授内容的范围。

图1展示根据本发明的静电透镜的示意性横截面图，其中在(A)中，透镜展示为处于透射模式，且在(B)中，透镜展示为处于反射模式。

图2展示根据本发明的静电透镜的示意性横截面图。

图3展示根据本发明的静电透镜的视图。

图4展示部分质谱仪组合件，其展示离子源、滤质器、根据本发明的静电透镜，以及在静电透镜下游的碰撞室。

图5展示使用根据本发明的静电透镜的质谱仪的示意性概述。

具体实施方式

在下文中，将参看图式描述本发明的示范性实施例。提供这些实例以提供对本发明的进一步理解而不限制其范围。

在以下描述中，描述一系列步骤。技术人员将了解，除非上下文要求，否则步骤次序对于所得配置和其效应并非至关重要。另外，技术人员将显而易见的是无关于步骤次序，步骤之间的时间延迟的存在或不存在可存在于描述的步骤中的一些或全部之间。

应了解，本发明大体适用于材料的同位素分析，例如气体、液体、固体、粒子和气溶胶。因此，一般来说，在所述系统中分析的样本将是可变的。

参考图1，展示穿过根据本发明的圆柱形透镜组合件的中心的横截面图，所述圆柱形透镜组合件以通用元件符号1指示。所述透镜组合件布置在四极子23下游，所述四极子23还展示在图4和图5中，其可作为滤质器而操作且在RF驱动后过滤器区段24之后。后过滤器区段和布置在四极子前方的对应RF驱动预过滤器区段22确保高效束输送，以使得可获得跨越所选质量范围的平缓质量响应。

图1A中还指示在透射模式期间的透镜中的电场的等位线。如所施加电压所指示，电场沿着离子束的方向在纵向平面中对称。归因于组合件的圆柱形几何布置，电场还沿着所述束的方向径向对称。

离子束17由后过滤器区段24引导且穿过板电极6上的入口光圈7，板电极6表示到静电透镜1的入口。透镜组合件包含其它圆形板电极4、5以及中心透镜元件，所述中心透镜元件包括两个电极2、3，所述两个电极2、3相对于传入离子束不对称，且由处于不垂直于传入离子束的平面中的间隙15分隔开，即到平面的法向向量与离子束之间的角度不为零。在图1(A)中，展示透镜组合件以透射模式操作时的离子束的路径，其由施加到中心透镜元件2、3的相等电压-1000V驱动，从而导致组合件内的对称电场，所述电场导致传入离子束17的透射。离子束的发散度随着离子束通过透镜组合件而减小，即，所述束具有增大的焦点，其中所述离子束经由板电极上的退出光圈8发射到质谱仪的下游元件，退出光圈8表示透射模式中的静电透镜的出口。

在图1(B)中，展示以反射模式操作时的透镜组合件。此处，施加到两个中心透镜元件2、3的电压已更改，使得电极2现在以+330V操作，而电极3维持在-1000V，从而导致透镜组合件中的不对称电场。由于不对称场，传入离子束17在中心透镜元件(电极2和3)内的空间中向后侧向反射，且经引导穿过第一中心透镜电极3上的反射光圈9。所述束随后透射穿过离子导引件12，且通过偏转器13偏转到下游离轴检测器14。

因此，在从透射模式转到反射模式时，第一电极对于两个模式皆维持在-1000V的相对较高负电位，而第二电极从与第一电极大致相同的电位切换到约+330V的正电位。在此情况下，在约0V开始电位下产生阳离子。一般来说，对于此配置，在从透射模式切换到反射模式时，第一电极对于两个模式皆可在-1000V到-200V的负电位下操作，而第二电极可从与第一电极大致相同的电位切换到约+80V到约+400V的正电位。

由于透镜组合件的双模操作，传入离子束可在第一模式中透射穿过组合件，且同时所述束的发散度减小。在第二模式中，可防止所述束透射穿过所述组合件，而是经由光圈反射到离轴检测器(未展示)。邻近于上游滤质器四极子放置检测器的一个优势是，检测器位于质谱仪的高真空区域中，从而导致噪声减小且检测器的所得灵敏度增大。因此，透镜具有两个模式：透射模式和反射模式。在操作期间，在透射模式和反射模式两者中，透镜使离子束聚焦(减小发散度)、增大所述束的透射。

在图2中，展示中心透镜电极2、3的几何布置的示意性表示。传入和所反射离子束17的路径由限定两个行进轴线的直线示意性地指示。在此配置中，两个轴线之间的钝角是145°，其是不对称透镜组合件配置的结果。到由分离两个中心电极的间隙15限定的平面的法向向量与传入束之间的角度是15°。在将正电压施加到第二电极2，同时维持第一电极3上的负电压时，所得不对称电场导致能够将传入离子束经由离子导引件12反射到离轴检测器中的电场。

转到图3(A)，展示根据本发明的透镜组合件的视图。中心透镜元件包括通过间隙15分隔开的两个管状电极2、3。板电极4、6分别布置在组合件的下游与上游端。还指示离子导引件12，在透镜组合件以反射模式操作时，所反射离子束被引导穿过离子导引件12。次级电子倍增管(SEM)检测器14布置在离子导引件后方，如(B)中所示。

透镜组合件可容纳于需要能够在两个行进轴线之间切换传入离子束的质谱仪中。一个此类布置的实例由图4中展示的部分质谱仪组合件指示。在电感耦合等离子体(ICP)源20下游，布置有偏转透镜21，且偏转透镜21用以从产生于ICP源中的离子束移除中性粒子。所述束随后进入与前过滤器元件22和后过滤器元件24侧接的四极子23。四极子可以质量过滤模式操作，由此仅具有所定义质荷比的质量被透射。四极子还可以仅RF模式透射，以便有效地透射所有传入离子。在四极子之后，存在静电透镜组合件1，例如图3中所示的组合件，所述组合件经操作以将传入离子束透射到下游碰撞室25中或者将离子束反射到离轴检测器14中。

静电透镜的透射效率相当高。因此，在反射模式期间到离轴检测器的透射效率可高达60％到70％。这对于灵敏度是重要的，例如在分析仅可以微量使用的样本时。

在扫描模式中，四极子可经设定以依序透射在小大小范围(例如0.7amu)内的离子，且如此透射的离子可在透镜1中反射且由离轴检测器14检测。四极子可极快速地跨越大量质量进行扫描，且因此可在约50ms到100ms或更短时间内获得完全质谱。这一扫描模式可非常有用，例如在分析具有未知组成的样本时。所述扫描模式还可提供关于正分析的样本的纯度的信息。这一设定具有优于需要分裂气流以在一个质量分析仪中分析特定质量范围且在另一质量分析仪上获得完全质谱的仪器的优势：来自单个样本的束经分析以获得完全质谱和特定质量分析(例如同位素比)两者。传入束仅暂时反射到离轴检测器以获得完全质谱，其中所述束的大部分(且因此所述样本)用以在下游质量分析仪中执行质量特定分析，从而(例如)获得同位素比测量。在全谱扫描之后，透镜组合件可因此经设定以使离子透射穿过透镜。可极快速地或在约10ms或更短的时间内执行反射模式与透射模式之间的切换。在透射模式期间，离子束透射到碰撞室25中。在这一模式中，通过将四极子设定到仅RF模式，四极子可经设定以透射所有质量。或者，四极子可经设定以仅透射在特定范围内的质量。

可以不同气体或气体混合物对碰撞室进行加压，以刺激所述室中可用于正进行的任何特定分析的合乎需要的化学过程，例如与碰撞气体的反应以移除干扰物或与氧反应以形成氧化物。

其可用于能够从所述束消除Ar离子。这些离子是ICP中的离子束的主要组分，且可导致碰撞室中的气体的显著电离。这可导致对下游质量分析仪中的分析的干扰，例如在同位素比确定期间。移除传入离子束的⁴⁰Ar部分因此可导致碰撞室中的干扰显著减小，且因此增大灵敏度。因此，可选择消除等离子气体(例如⁴⁰Ar)的质量的范围。

在一个操作模式中，双模透镜布置在同位素比仪器中。对于此类分析，仅选择在所定义范围中的质量，且仅将那些质量透射到碰撞室和下游质量分析仪中可为合乎需要的。因此，滤质器可经设定以仅透射特定质量范围，例如仅覆盖一种或少数元素的同位素的质量范围。举例来说，在质量100的分析期间，90到110的质量大小窗可为合乎需要的，或对于质量30，约27到33的质量窗可为合乎需要的。一般来说，透射在所分析质量的约10％到20％范围内的离子可为合乎需要的。

包含根据本发明的静电透镜的质谱仪的一个实例展示于图5中。此处，展示双重聚焦多收集器电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)。所述仪器具有ICP源20和偏转透镜21(布置在四极滤质器23上游)、双模反射透镜1和碰撞室25。碰撞室下游为质量分析仪，所述质量分析仪包括扇形电场26和扇形磁场27，继之以多收集器检测器组合件28。

这一设定的配置的优势为，用于检测在透镜组合件1中反射的离子的检测器14邻近于四极子而放置。仪器的这一区域中的压力显著低于下游碰撞室周围或ICP源附近的腔室内的压力(即，真空较高)。因此，离轴检测器14处的噪声可保持最小。

技术人员应了解，根据本发明的静电透镜可布置在具有不同配置的质谱仪中。举例来说，有可能布置在所透射和反射束下游的组件反转，即使得检测器紧接透镜放置在下游，用于检测所透射粒子，且例如碰撞室和另一质量分析仪等其它组件经布置用于接收在透镜中反射的束。

在另一配置中，还可存在定位在碰撞室后方(下游)但在扇形质量分析仪前方的根据本发明的，或替代反射透镜组合件。除了来自ICP源的离子之外，此配置还将允许记录已通过碰撞室的离子的质谱。这可用于例如分析在碰撞室内产生的分子加成物和/或片段。

技术人员将了解，反射透镜可通常以其它合适配置用于质谱仪中，其中其用于能够使传入离子的流动沿着两个相异且分离的路径转向，用于执行个别下游分析。因此，尽管已通过前述示范性配置描述且说明了透镜的一些特定用途，但透镜具有作为选择性离子导引件的通用用途，能够快速且有效地沿着两个相异路径透射传入离子束。

如本文所用，包括在权利要求书中，除非上下文另外指示，否则术语的单数形式应理解为也包括复数形式，并且反之亦然。因此，应注意，除非上下文另外明确规定，否则如本文所用，单数形式“一(a/an)”和“所述”包含多个参考物。

在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及其变化形式应理解为意指“包含(但不限于)”，且并不打算排除其它组分。

在术语、特征、值和范围等结合例如约、大约、一般、大体上、实质上、至少等术语使用的情况下(即，“约3个”还应涵盖恰好3个，或“大体上恒定”还应涵盖完全恒定)，本发明还涵盖这些确切术语、特征、值和范围等。

术语“至少一个”应理解为意指“一个或多个”，并且因此包含具有一个或多个组件的两个实施例。此外，参考用“至少一个”描述特征的独立权利要求的从属权利要求在所述特征被提及为“所述”以及“所述至少一个”时均具有相同含义。

应了解，可对本发明的前述实施例作出改变而仍属于本发明的范围内。除非另外说明，否则说明书中所公开的特征可经用于相同、等效或类似目的的替代特征替换。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征表示一系列通用等效或类似特征的一个实例。

使用例如“举例来说”、“例如(such as、for example)”等的示例性语言仅打算更好地说明本发明而不指示对本发明的范围的限制，除非如此要求。除非上下文另外明确指示，否则说明书中描述的任何步骤可按任何次序或同时进行。

说明书中所公开的所有特征和/或步骤可按任何组合来组合，至少一些特征和/或步骤相互排斥的组合除外。确切地说，本发明的优选的特征适用于本发明的所有方面且可以任何组合形式使用。

Claims (52)

1.一种用于在质谱仪中选择性地透射或反射离子束的静电双模透镜组合件，所述组合件包括至少两个圆柱形电极，所述至少两个圆柱形电极经布置且沿着第一路径隔开并且通过间隙分隔开，使得所述电极关于所述间隙不对称，且其中所述电极可操作以提供可切换电场，所述可切换电场在第一操作模式期间沿着第一路径引导进入所述组合件的离子束，以使得所述离子束沿着所述第一路径透射穿过所述组合件，且在第二操作模式期间，沿着所述第一路径引导进入所述组合件的离子束以使得所述离子束由所述电场反射且沿着第二路径退出所述组合件，其中所述第一路径与所述第二路径之间的角度在100°到170°的范围内。

2.根据权利要求1所述的透镜组合件，其中在从所述组合件退出处的所述第二路径相对于所述第一路径进入所述组合件处的所述第一路径的方向侧向向后引导。

3.根据权利要求1或2所述的透镜组合件，其中在所述第一操作模式期间，所述电场相对于所述离子束的运动方向对称，且在所述第二操作模式期间，所述组合件内的沿着所述第二路径反射所述离子束的所述电场不对称。

4.根据权利要求1或2所述的透镜组合件，其中所述路径之间的所述角度在120°到160°的范围内。

5.根据权利要求4所述的透镜组合件，其中所述路径之间的所述角度在130°到150°的范围内。

6.根据权利要求4所述的透镜组合件，其中所述路径之间的所述角度在140°到150°的范围内。

7.根据权利要求1或2所述的透镜组合件，其中所述电场减小所述所透射和/或反射离子束的发散度。

8.根据权利要求1所述的透镜组合件，其中

所述透镜组合件具有第一光圈和第二光圈，所述离子束经由所述第一光圈和所述第二光圈而沿着所述第一路径透射进出所述组合件，

其中所述透镜组合件进一步具有反射光圈，所述离子束经由所述反射光圈而沿着所述第二路径反射出所述组合件；且其中

所述至少两个圆柱形电极经配置以产生用于在所述透镜内引导所述离子束的电场，使得

在第一组一个或多个电压施加到所述至少两个圆柱形电极的第一模式中，所述静电透镜组合件具有的电场使所述离子束沿着所述第一路径选择性地透射穿过所述第一光圈和所述第二光圈，且

在第二组一个或多个电压施加到所述至少两个圆柱形电极的第二模式中，所述静电透镜组合件具有的电场经由所述反射光圈沿着所述第二路径选择性地反射透射穿过所述第一光圈的所述离子束。

9.根据权利要求8所述的透镜组合件，其中所述至少两个圆柱形电极在所述第一模式中使相同电压施加到它们以实现所述离子束透射，且在所述第二模式中使不同电压施加到它们以实现所述离子束反射。

10.根据权利要求8所述的透镜组合件，其中所述至少两个圆柱形电极在所述第一模式中施加所述第一组一个或多个电压的情况下产生的电场具有轴向对称性以实现所述离子束透射，且在所述第二模式中施加所述第二组一个或多个电压的情况下产生的电场不具有轴向对称性以实现所述离子束反射。

11.根据权利要求1所述的透镜组合件，其中所述至少两个圆柱形电极同轴地布置在所述第一路径上。

12.根据权利要求8到11中任一权利要求所述的透镜组合件，其中所述反射光圈是由所述透镜组合件中的至少两个电极之间的间隙或由至少一个电极中的开口提供，所述离子束经由所述反射光圈在所述组合件中反射。

13.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其中所述两个圆柱形电极之间的所述间隙是平面或非平面的，且其中到所述间隙的切向平面的法向量与所述第一路径之间的角度不为零，且到所述间隙的切向平面的法向量处于由所述第一路径和所述第二路径界定的平面中。

14.根据权利要求13所述的透镜组合件，其中到所述间隙的法向量与所述第一路径之间的所述角度不为零。

15.根据权利要求14所述的透镜组合件，其中到所述间隙的法向量与所述第一路径之间的所述角度处于5°到40°的范围内。

16.根据权利要求14所述的透镜组合件，其中到所述间隙的法向量与所述第一路径之间的所述角度处于10°到30°的范围内。

17.根据权利要求14所述的透镜组合件，其中到所述间隙的法向量与所述第一路径之间的所述角度处于10°到20°的范围内。

18.根据权利要求13所述的透镜组合件，其中到所述间隙的法向量与所述第二路径之间的角度处于10°到40°的范围内。

19.根据权利要求18所述的透镜组合件，其中到所述间隙的法向量与所述第二路径之间的角度处于15°到30°的范围内。

20.根据权利要求18所述的透镜组合件，其中到所述间隙的法向量与所述第二路径之间的角度处于15°到25°的范围内。

21.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其中所述电极之间的所述间隙包括电绝缘材料。

22.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其中所述组合件包括布置在所述两个电极上游的至少另一个电极和/或布置在所述两个电极下游的至少另一个电极。

23.根据权利要求22所述的透镜组合件，其中所述至少另一个电极为在所述第一路径上具有另一光圈的板状电极。

24.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其进一步包括沿着所述第一路径和/或所述第二路径布置在所述透镜组合件下游的至少一个离子导引件，其中所述离子导引件在其中产生用于引导在所述透镜组合件中被反射和/或透射的所述离子束的电场。

25.根据权利要求24所述的透镜组合件，其进一步包括布置在所述离子导引件下游的至少一个检测器。

26.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其中所述透镜组合件设置于质谱仪中。

27.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其中所述透镜组合件经配置以将离子引导到通往所述静电透镜组合件的在不同压力下操作的腔室中，使得所述两个腔室中的压力比率至少为10。

28.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其中所述透镜组合件经配置以将离子引导到在范围介于5×10^-3到10^-5毫巴的压力下操作的第一腔室和在范围介于10^-5到10^-7毫巴的压力下操作的第二腔室中。

29.根据权利要求28所述的透镜组合件，其中所述至少一个检测器布置于在10^-6到10^-7毫巴的压力下操作的所述第二腔室中。

30.根据权利要求1-2、8-11中任一权利要求所述的透镜组合件，其进一步包括至少一个控制器，所述至少一个控制器适于使所述透镜在扫描模式下操作历时第一周期且在透射模式下操作历时第二周期，在所述第一周期期间，具有一个或多个质荷比的离子在所述透镜中反射，所反射离子的所述质荷比由位于所述透镜组合件上游的滤质器控制，且在所述第二周期期间，质荷比范围实质上大于扫描模式期间的质荷比的离子沿着第一轴透射穿过所述透镜。

31.一种质谱仪，其包括：

离子源；

至少一个滤质器，用于透射来自所述离子源的离子；

至少一个静电透镜组合件，用于沿着两个相异路径选择性地透射所述离子束，所述透镜组合件可操作以提供可切换电场，所述可切换电场用于引导沿着第一路径从所述离子源进入所述透镜的离子束，使得在第一操作模式中，所述电场使所述离子束沿着所述第一路径选择性地透射穿过所述透镜，且在第二操作模式中，所述电场沿着第二路径反射所述离子束，其中所述第一路径与所述第二路径之间的角度在100°到170°的范围内；

至少一个质量分析仪，用于分析在所述透镜组合件中透射和/或反射的粒子；以及

至少一个检测器，用于检测由所述质量分析仪分析的粒子。

32.根据权利要求31所述的质谱仪，其中所述静电透镜提供为根据权利要求1到30中任一权利要求所述的透镜组合件。

33.根据权利要求31或32所述的质谱仪，其包括用以分析沿着所述第一路径透射穿过所述静电透镜的离子的至少一个质量分析仪以及用于检测由所述静电透镜组合件沿着所述第二路径反射的离子的至少一个检测器。

34.根据权利要求31或32所述的质谱仪，其进一步包括布置在所述静电透镜下游且经配置以接收由所述透镜透射的离子的至少一个碰撞室。

35.根据权利要求31或32所述的质谱仪，其中所述滤质器可在第一过滤模式中操作以用于将具有可选质荷比的一部分所述离子束透射到所述静电透镜中，其中所述离子束沿着第二轴反射，且所述滤质器可在第二宽质量模式中操作以用于透射质量范围实质上大于过滤模式期间的质量范围的离子，其中在所述宽质量模式期间，所透射离子束是沿着第一轴透射穿过所述透镜组合件。

36.根据权利要求31或32所述的质谱仪，其中所述静电透镜在操作时将离子引导到在不同压力下操作的腔室中，使得所述腔室中的压力比率至少为10。

37.根据权利要求31或32所述的质谱仪，其中所述离子源是ICP离子源，且所述滤质器可操作以不透射等离子气体离子。

38.根据权利要求37所述的质谱仪，其中所述滤质器可操作以不透射氩等离子气体离子。

39.一种操作质谱仪的方法，所述方法包括

使来自离子源的离子束透射穿过至少一个滤质器；

选择性地引导透射穿过所述滤质器的所述离子束，使得

在至少一个透射周期期间，沿着第一路径引导由滤质器透射的在第一质量范围内的离子，且

在至少一个扫描周期期间，由所述滤质器透射的具有至少一个可选质荷比的离子被沿着第二路径引导到检测器，其中所透射离子的所述质荷比是由所述滤质器扫描，且其中所述第一路径与所述第二路径之间的角度处于100°到170°的范围内；

其中在所述至少一个透射周期期间由滤质器透射的离子进一步透射到至少一个质量分析仪，其中所述离子按照其质荷比而分离，且其中由至少一个检测器检测所述分离的离子。

40.根据权利要求39所述的方法，其中所述离子在透射到所述质量分析仪之前透射穿过碰撞室。

41.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述至少一个扫描周期的持续时间小于所述至少一个透射周期的20％。

42.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述至少一个扫描周期的持续时间小于所述至少一个透射周期的10％。

43.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述至少一个扫描周期的持续时间小于所述至少一个透射周期的5％。

44.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述至少一个扫描周期的持续时间小于所述至少一个透射周期的1％。

45.根据权利要求39或40所述的方法，其中所述离子束是使用根据权利要求1到30中任一权利要求所述的静电双模透镜组合件而选择性地透射。

46.根据权利要求39或40所述的方法，其中在所述透射周期期间，滤质器适于仅透射处于预定质荷比范围内的离子。

47.根据权利要求46所述的方法，其中在所述透射周期期间，所透射粒子具有的质荷比在关于预定义比率不大于40的总范围内。

48.根据权利要求46所述的方法，其中所透射粒子具有的质荷比在关于预定义比率的30的范围内。

49.根据权利要求46所述的方法，其中所透射粒子具有的质荷比在关于预定义比率的25的范围内。

50.根据权利要求46所述的方法，其中所透射粒子具有的质荷比在关于预定义比率的20的范围内。

51.根据权利要求39或40所述的方法，其包括：

a.将所述离子束透射到所述滤质器中；

b.操作所述滤质器以使得处于各自小于1amu的多个质量范围内的离子由所述滤质器依序透射，且选择性地沿着所述第二路径将所述透射的离子引导到至少一个检测器中，以便确定质谱；

c.在透射周期期间，将由滤质器沿着所述第一路径透射的在第一质量范围内的离子选择性地引导到至少一个质量分析仪中。

52.根据权利要求40所述的方法，其中所述碰撞室利用至少一种气体加压以促进所述离子束中的离子的断裂和/或质量偏移。