CN107004565B - 通过检测带正电的和带负电的粒子的质谱测定法 - Google Patents

Abstract

本公开以质谱测定系统和方法为特征，包括离子源、离子阱、以第一检测器元件和第二检测器元件为特征的检测器子系统、以及电连接到离子源、离子阱和检测器子系统的控制器，并且该控制器被配置使得在系统的操作期间，该控制器：将电信号施加到离子源，以从系统中的样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；将电信号施加到离子阱，以从离子阱通过离子阱的共同的孔喷射多个粒子，并且基于由所喷射的粒子生成的第一电信号和第二电信号来确定关于样品粒子的信息。

Description

通过检测带正电的和带负电的粒子的质谱测定法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2014年10月2日提交的美国临时专利申请第 62/059,126号的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。

关于联邦资助的研究的声明

本发明是根据由反恐怖主义技术支持办公室授予的合同13-C-3039在政府支持下获得的。政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本公开涉及质谱测定系统。

背景技术

质谱仪广泛用于检测化学物质。在典型质谱仪中，分子或粒子被激发或电离，这些激发态物种往往分解形成更小质量的离子或与其他物种反应形成其他特征离子。离子形成图案可以被系统操作员解译以推断出化合物的身份。

发明内容

本公开描述了用于检测用于质谱测定法的带正电的粒子和带负电的粒字(例如，离子)的技术和系统。具体来说，所公开的质谱测定系统可以是紧凑形式的，并且在质谱测量期间在高压下操作。该系统可以包括检测器子系统，该检测器子系统具有接收带正电的粒子和带负电的粒子的多个检测器元件。检测器元件(例如，检测器电极)可以同时接收带正电的粒子和带负电的粒子。这可以通过从离子阱的一个或更多个孔喷射带正电的粒子和带负电的粒子，并在相应的检测器元件中根据它们的电荷符号收集带电粒子来实现。

关于质谱测定系统的附加信息在例如2012年12月31日提交的美国专利申请第13/732,066号(现在公布为美国专利申请公开第US 2014/0183350号)中公开，其全部内容是通过引用的方式并入。

一般来说，在第一方面中，本公开以质谱测定系统为特征，该质谱测定系统包括离子源、离子阱、以第一检测器元件和第二检测器元件为特征的检测器子系统、以及控制器，该控制器电连接到离子源、离子阱和检测器子系统并且被配置成使得在系统操作期间，该控制器：将电信号施加到离子源，以从系统中的样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；将电信号施加到离子阱，以通过离子阱的共同的孔从离子阱中喷射多个粒子，其中，所喷射的多个粒子包括带正电的粒子中的至少一些和带负电的粒子中的至少一些；将第一电压施加到第一检测器元件，使得第一检测器元件接收在所喷射的带正电的粒子中的至少一些，并生成第一电信号；将第二电压施加到第二检测器元件，使得第二检测器元件接收在所喷射的带负电的粒子中的至少一些，并生成第二电信号；并且基于第一电信号和第二电信号，确定关于样品粒子的信息。

该系统的实施例可以包括下列特征中的任一个或更多个。

第一检测器元件和第二检测器元件能够以在垂直于离子阱的轴线的方向上测量的1mm或更少的距离隔开。在垂直于离子阱的轴线的方向上测量的在第一检测器元件和第二检测器元件中的每个检测器元件的宽度可以在1mm或更少。第一检测器元件和第二检测器元件可以相对于穿过共同的孔的中心的离子阱的轴线对称地定位。

离子阱可以包括孔的阵列，检测器子系统可以包括检测器元件的阵列，并且对于孔的阵列中的每个孔，至少两个检测器元件可以相对于在平行于离子阱的轴线的方向上延伸通过孔的中心的轴线对称地定位。检测器子系统可以包括位于检测器元件的阵列中的相邻检测器元件之间的电绝缘材料。第一检测器元件和第二检测器元件可以由选自由铜、铝、银和金组成的组中的至少一种材料形成。电绝缘材料可以包括选自由陶瓷材料、多氟化材料和橡胶组成的组中的至少一种材料。

控制器可以被配置成使得在系统操作期间，控制器向离子阱施加电信号，以将带正电的粒子和带负电的粒子限定在离子阱内的三维空间中0.1 毫秒的最小平均捕获时间。

系统的实施例还可以包括本文公开的其他方面或特征中的任一个，包括酌情任意组合的结合不同实施例公开的方面和特征。

在另一方面中，本公开以质谱测定系统为特征，该质谱测定系统包括离子源、离子阱、以多个检测器元件为特征的检测器子系统以及控制器，该控制器电连接到离子源、离子阱和检测器子系统并且被配置成使得在系统操作期间，该控制器：将电信号施加到离子源，以从系统中的样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；将电信号施加到离子阱，以通过离子阱的共同的孔从离子阱中喷射多个粒子，其中，所喷射的多个粒子包括带正电的粒子中的至少一些和带负电的粒子中的至少一些；将第一电压施加到多个检测器元件的第一子集，使得多个检测器元件的第一子集接收在所喷射的带正电的粒子中的至少一些，并生成第一电信号；将第二电压施加到多个检测器元件的第二子集，使得多个检测器元件的第二子集接收在所喷射的带负电的粒子中的至少一些，并生成第二电信号；并且基于第一电信号和第二电信号，确定关于样品粒子的信息。

系统的实施例可以包括下列特征中的任一个或更多个。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器调节施加到多个检测器元件中的不同成员的电压，以改变被包括在第一子集、第二子集或在两者中的成员。控制器可以被配置为使得在系统的操作期间，控制器通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第一电信号和第二电信号的振幅，确定在第一电信号和第二电信号中的至少一个电信号的峰值是否对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置成使得在系统操作期间，如果第二电信号在共同检测时间处不包括对应的峰值，则控制器确定峰值对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置为使得在系统的操作期间，对于在第一电信号和第二电信号中的每个峰值，控制器通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第一电信号和第二电信号的振幅，确定峰值是否对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，对于被确定为对应于检测到的带电粒子的每个峰值：如果峰值对应于带正电的粒子，则控制器将第一电压施加到多个检测器元件的第二子集中的至少一个成员，以增加多个检测器元件的第一子集中的元件数量；以及如果峰值对应于带负电的粒子，则控制器将第二电压施加到多个检测器元件的第一子集中的至少一个成员，以增加多个检测器元件的第二子集中的元件的数量。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，当在第一电信号中检测到峰值，而在第二电信号中未检测到对应的峰值时，控制器将第一电压施加到多个检测器元件的第二子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第一子集中的元件的数量。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，当在第二电信号中检测到峰值，而在第一电信号中未检测到对应的峰值时，控制器将第二电压施加到多个检测器元件的第一子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第二子集中的元件的数量。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器将在第一电信号和第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在第一电信号和第二电信号中的峰值。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器：将在第一电信号和第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在第一电信号和第二电信号中的峰值；确定在第一电信号和第二电信号中的每一个电信号中的峰值的数量；如果在第一电信号中的峰值的数量大于在第二电信号中的峰值的数量，则将第一电压施加到多个检测器元件的第一子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第一子集中的元件的数量；以及如果在第二电信号中的峰值的数量大于在第一电信号中的峰值的数量，则将第二电压施加到多个检测器元件的第一子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第二子集中的元件的数量。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器基于离子源的电离模式来调节施加到多个检测器元件中的不同成员的电压。多个检测器元件可以包括电极条的阵列、多个同心环电极、检测器元件的矩形阵列和 /或检测器元件的六边形阵列。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器将第一电压和第二电压同时施加到检测器元件。

控制器可以被配置成使得在系统操作期间，该控制器向离子阱施加电信号，以将带正电的粒子和带负电的粒子限定在离子阱内的三维空间中0.1 毫秒的最小平均捕获时间。

系统的实施例还可以包括本文公开的其他方面或特征中的任一个，包括酌情任意组合的结合不同实施例公开的方面和特征。

在又一方面中，本公开以质谱测定系统为特征，该质谱测定系统包括离子阱、离子源、检测器子系统以及控制器，该离子阱以沿着离子阱的轴线在离子阱的相对侧上定位的第一电极和第二电极为特征，该离子源被配置成将带电粒子引入离子阱，该检测器子系统以至少一个第一检测器元件和至少一个第二检测器元件为特征，该至少一个第一检测器元件被定位成接收通过第一电极中的第一孔从离子阱中涌现的带电粒子，该至少一个第二检测器元件被定位成接收通过在第二电极中的第二孔从离子阱中涌现的带电粒子，并且该控制器电连接于离子源、离子阱和检测器子系统并且被配置成使得在系统操作期间，该控制器：将电信号施加到离子源，以从系统中的样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；将电信号施加到离子阱，以通过第一孔和第二孔从离子阱喷射多个粒子，其中多个粒子包括带正电的粒子中的至少一些和带负电的粒子中的至少一些；将第一电压施加到至少一个第一检测器元件，使得该至少一个第一检测器元件接收通过第一孔喷射出的带正电的粒子，并生成第一电信号；将第二电压施加到至少一个第二检测器元件，使得该至少一个第二检测器元件接收通过第二孔喷射出的带负电的粒子，并生成第二电信号；并且基于第一电信号和第二电信号，确定关于样品粒子的信息。

系统的实施例可以包括下列特征中的一个或更多个。

第一检测器元件和第二检测器元件可以以沿着离子阱的轴线测量的8 mm或更少的距离隔开。至少一个第一检测器元件可以包括第一检测器元件的阵列，并且至少一个第二检测器元件可以包括第二检测器元件的阵列。至少一个第一检测器元件可以包括第一多个同心环形电极，并且至少一个第二检测器元件可以包括第二多个同心环形电极。检测器子系统可以包括至少一个第三检测器元件以及至少一个第四检测器元件，该至少一个第一检测器元件被定位成接收通过第一电极中的第一孔从离子阱中涌现的带电粒子，该至少一个第四检测器元件被定位成接收通过在第二电极中的第二孔从离子阱中涌现的带电粒子。

控制器可以被配置为使得在系统操作期间，该控制器将第二电压施加到至少一个第三检测器元件，使得至少一个第三检测器元件接收通过第一孔喷射出的带负电的粒子，并生成第三电信号；以及将第一电压施加到至少一个第四检测器元件，使得至少一个第四检测器元件接收通过第二孔喷射出的带正电的粒子，并生成第四电信号。

至少一个第三检测器元件可以包括第三检测器元件的阵列，并且至少一个第四检测器元件可以包括第四检测器元件的阵列。至少一个第三检测器元件可以包括第三多个同心环形电极，并且至少一个第四检测器元件可以包括第四多个同心环形电极。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器调节施加到检测器元件的电压，以改变在第一阵列、第二阵列、第三阵列以及第四阵列中的至少一者。控制器可以被配置为使得在系统的操作期间，该控制器通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第一电信号和第三电信号的振幅，确定在第一电信号和第三电信号中的至少一个电信号的峰值是否对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置为使得在系统的操作期间，该控制器通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第二电信号和第四电信号的振幅，确定在第二电信号和第四电信号中的至少一个电信号中的峰值是否对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置成使得在系统操作期间，如果第三电信号在共同检测时间处不包括对应的峰值，则控制器确定峰值对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置成使得在系统操作期间，如果第四电信号在共同检测时间处不包括对应的峰值，则控制器确定峰值对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置为使得在系统的操作期间，对于在第一电信号和第三电信号中的每个峰值，控制器通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第一电信号和第三电信号的振幅，确定峰值是否对应于检测到的带电粒子。控制器可以被配置为使得在系统的操作期间，对于在第二电信号和第四电信号中的每个峰值，控制器通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第二电信号和第四电信号的振幅，确定峰值是否对应于检测到的带电粒子。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，对于被确定为对应于检测到的带电粒子的每个峰值：如果峰值对应于带正电的粒子，则控制器将第一电压施加到第三检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加第一检测器元件的阵列中的元件数量；以及如果峰值对应于带负电的粒子，则控制器将第三电压施加到第一检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加第三检测器元件的阵列中的元件的数量。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，对于被确定为对应于检测到的带电粒子的每个峰值：如果峰值对应于带正电的粒子，则控制器将第四电压施加到第二检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加第四检测器元件的阵列中的元件数量；以及如果峰值对应于带负电的粒子，则控制器将第二电压施加到第四检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加第二检测器元件的阵列中的元件的数量。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，当在第一电信号中检测到峰值，而在第三电信号中未检测到对应的峰值时，控制器将第一电压施加到第三检测器元件的阵列中的至少一个组件，以增加在第一检测器元件的阵列中的元件的数量。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，当在第三电信号中检测到峰值，而在第一电信号中未检测到对应的峰值时，控制器将第三电压施加到第一检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加在第三检测器元件的阵列中的元件的数量。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，当在第二电信号中检测到峰值，而在第四电信号中未检测到对应的峰值时，控制器将第二电压施加到第四检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加在第二检测器元件的阵列中的元件的数量。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，当在第四电信号中检测到峰值，而在第二电信号中未检测到对应的峰值时，控制器将第四电压施加到第二检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加在第四检测器元件的阵列中的元件的数量。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，控制器将在第一电信号和第三电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在第一电信号和第三电信号中的峰值。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，控制器将在第二电信号和第四电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在第二电信号和第四电信号中的峰值。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器：将在第一电信号和第三电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在第一电信号和第三电信号中的峰值；确定在第一电信号和第三电信号中的每一个电信号中的峰值的数量；如果在第一电信号中的峰值的数量大于在第三电信号中的峰值的数量，则将第一电压施加到第三检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加在第一检测器元件的阵列中的元件的数量；以及如果在第三电信号中的峰值的数量大于在第一电信号中的峰值的数量，则将第三电压施加到第一检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加在第三检测器元件的阵列中的元件的数量。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器：将在第二电信号和第四电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在第二电信号和第四电信号中的峰值；确定在第二电信号和第四电信号中的每一个电信号中的峰值的数量；如果在第二电信号中的峰值的数量大于在第四电信号中的峰值的数量，则将第二电压施加到第四检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加在第二检测器元件的阵列中的元件的数量；以及如果在第四电信号中的峰值的数量大于在第二电信号中的峰值的数量，则将第四电压施加到第二检测器元件的阵列中的至少一个成员，以增加在第四检测器元件的阵列中的元件的数量。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器基于离子源的电离模式来调节施加到检测器元件的电压，以改变在第一阵列、第二阵列、第三阵列以及第四阵列中的至少一者。检测器元件的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列中的每一个阵列可以包括电极条的阵列、检测器元件的矩形阵列和/或检测器元件的六边形阵列。

控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器将第一电压和第三电压同时施加到检测器元件。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器将第二电压和第四电压同时施加到检测器元件。控制器可以被配置成使得在系统的操作期间，该控制器将第一电压、第二电压、第三电压和第四电压同时施加到检测器元件。

控制器可以被配置成使得在系统操作期间，该控制器向离子阱施加电信号，以将带正电的粒子和带负电的粒子限定在离子阱内的三维空间中0.1 毫秒的最小平均捕获时间。

系统的实施例还可以包括本文公开的其他方面和特征中的任一个，包括酌情任意组合的结合不同实施例公开的方面和特征。

在另一方面中，本公开以方法为特征，该方法包括将电信号施加到离子源，以从样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；将电信号施加到离子阱，以通过离子阱的共同的孔喷射多个粒子，其中所喷射的粒子包括在带正电的粒子和带负电的粒子中的至少一些粒子；将第一电压施加到第一检测器元件，使得第一检测器元件接收在所喷射的带正电的粒子中的至少一些并生成第一电信号；将第二电压施加到第二检测器元件，使得第二检测器元件接收在所喷射的带负电的粒子中的至少一些并生成第二电信号；以及基于第一电信号和第二电信号来确定关于样品粒子的信息。

该方法的实施例可以包括本文公开的步骤和特征中的任一个，包括酌情任意组合的结合不同实施例公开的步骤和特征。

在又一方面中，本公开以方法为特征，该方法包括将电信号施加到离子源，以从样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；将电信号施加到离子阱，以从离子阱喷射多个粒子，其中所喷射的粒子包括在带正电的粒子和带负电的粒子中的至少一些粒子；以及将电压施加到包括多个检测器元件的检测器子系统，其中施加电压包括：将第一电压施加到多个检测器元件的第一子集，使得多个检测器元件的第一子集接收所喷射的带正电的粒子中的至少一些并生成第一电信号；将第二电压施加到多个检测器元件的第二子集，使得多个检测器元件的第二子集接收所喷射的带负电的粒子中的至少一些并生成第二电信号；基于第一电信号和第二电信号来确定关于样品粒子的信息；以及基于所确定的信息来调节施加到多个检测器元件的电压。

该方法的实施例可以包括下列特征中的任一个或更多个。

该方法可以包括调节施加到多个检测器元件中的不同成员的电压，以改变被包括在第一子集、第二子集或在两者中的成员。

该方法可以包括通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第一电信号和第二电信号的振幅，确定在第一电信号和第二电信号中的至少一个电信号的峰值是否对应于检测到的带电粒子。该方法可以包括如果第二电信号在共同检测时间处不包括对应的峰值，则确定峰值对应于检测到的带电粒子。

该方法可以包括，对于在第一电信号和第二电信号中的每个峰值，通过比较在对应于峰值的共同检测时间处的第一电信号和第二电信号的振幅，确定峰值是否对应于检测到的带电粒子。该方法可以包括，对于被确定为对应于检测到的带电粒子的每个峰值：如果峰值对应于带正电的粒子，则将第一电压施加到多个检测器元件的第二子集中的至少一个成员，以增加多个检测器元件的第一子集中的元件数量；以及如果峰值对应于带负电的粒子，则将第二电压施加到多个检测器元件的第一子集中的至少一个成员，以增加多个检测器元件的第二子集中的元件的数量。

该方法可以包括，当在第一电信号中检测到峰值而在第二电信号中未检测到对应的峰值时，将第一电压施加到多个检测器元件的第二子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第一子集中的元件的数量。该方法可以包括，当在第二电信号中检测到峰值而在第一电信号中未检测到对应的峰值时，将第二电压施加到多个检测器元件的第一子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第二子集中的元件的数量。该方法可以包括将在第一电信号和第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在第一电信号和第二电信号中的峰值。

该方法可以包括将在第一电信号和第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较以检测在第一电信号和第二电信号中的峰值，确定在第一电信号和第二点信号中的每一个电信号的峰值的数量，以及：如果在第一电信号中的峰值的数量大于在第二电信号中的峰值的数量，则将第一电压施加到多个检测器元件的第二子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第一子集中的元件的数量；如果在第二电信号中的峰值的数量大于在第一电信号中的峰值的数量，则将第二电压施加到多个检测器元件的第一子集中的至少一个成员，以增加在多个检测器元件的第二子集中的元件的数量。

该方法可以包括基于离子源的电离模式来调节施加到多个检测器元件中的不同成员的电压。多个检测器元件可以包括电极条的阵列、多个同心环电极、检测器元件的矩形阵列和/或检测器元件的六边形阵列。该方法可以包括将第一电压和第二电压同时施加到检测器元件。

该方法可以包括向离子阱施加电信号，以将带正电的粒子和带负电的粒子限定在离子阱内的三维空间中0.1毫秒的最小平均捕获时间。

该方法的实施例还可以包括本文公开的其他步骤或特征中的任一个，包括酌情任意组合的结合不同实施例公开的步骤和特征。

所公开的技术和系统可以提供包括以下内容的许多益处和优点(其中的一些可以仅在各个方面和实施例中的一些方面和实施例中实现)。可以同时检测带正电和负带电的粒子。这种检测可以在具有紧凑尺寸的并且能够在相对高压下操作的质谱测定系统中实现。由于系统的部件和布置，可以减少电性相反的粒子之间的复合，并由此提高粒子收集的效率。该系统可用于同时检测具有相反符号的带电粒子，并减少数据采集时间。在一些实施例中，由接收电性相反的粒子的检测器元件生成的电信号可用于相干检测方案，以降低数据采集中的噪声。这种方法可以提高质谱测量的灵敏度。此外，一些样品粒子生成具有不同质荷比光谱的带正电的粒子和带负电的粒子。测量这种不同的质荷光谱可以提供补充信息并增加测量的选择性。另外，检测带正电的粒子和带负电的粒子可以提供关于离子源的哪种电离模式适合于特定样品的信息。

在一些实施例中，质谱测定系统可以包括具有多个检测器元件的检测器子系统。控制器可以调节施加到各个检测器元件的电压，以便控制由相应的检测器元件收集的带电粒子的符号。例如，通过调节电压使得检测器元件收集在系统的离子阱中主要的带电粒子的符号，检测器子系统可以有效地收集源自样品粒子的带电粒子，并且可以增加测量的灵敏度。所公开的技术可以提供根据正在分析的样品粒子来控制灵敏度和选择性的灵活性。

除非另外限定，本文使用的所有技术和科学术语具有本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同意思。虽然类似或等效于本文描述的方法和材料也可以被用于本文主题的实践或试验，但是下面将描述合适的方法和材料。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献通过引用全部并入本文。在冲突的情况下，将以本说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法和示例仅是示例性的，而不是为了限制。

一个或更多个实施例的细节在附图和下面的描述中被阐述。根据描述、附图和权利要求，其他特征和优点将变得明显。

附图说明

图1A是质谱仪的示意图。

图1B是质谱仪的部分截面图。

图2是辉光放电离子源的示意图。

图3A是离子阱的截面图。

图3B是具有多个离子室的离子阱的示意图。

图3C是在图3B中显示的离子阱在不同角度处的截面图。

图4A是离子阱和检测器子系统的示意图。

图4B是在图4A中显示的离子阱的电极的示意图。

图4C-4G是具有不同的孔的形状和/或布置的离子阱的电极的示意图。

图5A是离子阱和检测器子系统的另一示例的示意图。

图5B是在图5A中显示的检测器子系统在另一视角处的示意图。

图5C是离子阱和检测器子系统的又一示例的示意图。

图6A是检测器子系统的示意图。

图6B是在图6A中显示的检测器子系统在另一视角处的示意图。

图6C是检测器子系统的另一示例的示意图。

图7A是离子阱和检测器子系统的截面图。

图7B和图7C是在图7A中显示的检测器子系统的示意图。

图7D和图7E是检测器子系统的截面图。

图8A-8C是显示检测器子系统的电极和离子阱的孔的相对布置的示意图。

图9是质谱仪系统的示意图。

图10是质谱仪的壳体的示意图。

图11是显示以不同操作模式执行以扫描和分析样品粒子的步骤顺序的流程图。

图12是显示施加到检测器元件的第一子集和第二子集的电压的示例操作的示意绘图。

图13是示出随时间变化而测量的第一电信号和第二电信号的一系列示意绘图。

图14是显示电极的示例的一系列图像。

图15是显示用于检测器子系统的各种示例的离子收集效率的仿真结果的表格。

在各个附图中的相似的参考符号指示相似的元素。

具体实施方式

介绍

用于化学物质的鉴定的质谱仪通常是消耗相当大功率的大型复杂仪器。此类仪器往往过于笨重且庞大以致难以携带，并因此其应用被限制在可以基本保持稳定的环境中。例如，常规质谱仪通常用于这样的实验室环境：该实验室环境给予充足的空间、操作功率，并且使用用于将质谱仪的内部体积抽空到低压的一系列泵。

为了达到高灵敏度和分辨率，常规质谱仪通常使用导致其体积庞大并且缺乏紧凑性的若干组件和布置。例如，常规的质谱仪通常具有带有大体积的低压真空室，并且常规的质谱仪的离子源和离子检测器隔开大的距离。电离的粒子在被离子检测器收集之前以低压行进长距离，以达到高灵敏度和分辨率，诸如在飞行时间测量中。当带电粒子行进更长的距离时，电性相反的粒子之间的复合变得更有可能。因此，在这种情况下，常规的质谱仪可以操作以选择性地将在带正电的或带负电的粒子中的任一项引向其检测器。因此，这种质谱仪相继测量电性相反的粒子，而不是同时检测带正电的和带负电的粒子。

其他因素可以导致常规质谱仪中的大的体积和带电粒子的行进距离。常规离子检测器(诸如，电子倍增器)体积庞大，使得如果将两个电子倍增器彼此相邻放置，并且一个电子倍增器被选择为检测带正电的粒子，并且另一个电子倍增器被选择为检测带负电的粒子，则带电粒子行进相对长的距离，以便在被它们相应的电子倍增器收集之前是分离的。由于与带电粒子的复合和检测灵敏度相关的问题，通常避免这种布置。一些常规质谱仪使用四极偏转器以使电性相反的粒子分离。然而，这样的偏转器通常需要很大的体积，以通过使带电粒子的轨迹在相反的方向上弯曲来使带电粒子分离。

作为另一个示例，常规离子源可以包括可以生成具有高动能的离子的热离子发射器，其可进一步电离同样具有高动能的样品粒子。高动能可以增加在电性相反的粒子之间的复合概率，因此常规的质谱仪可以操作以选择性地仅将带正电的粒子或仅将带负电的粒子引向检测器以避免复合，而不是同时检测带电粒子的两种符号。

因此，需要具有显着不同配置和部件的质谱仪来同时有效测量带正电的和带负电的粒子。本文公开的质谱仪在同样紧凑并且在高压(例如，大于100mTorr的压力)下操作的同时，能够进行这种测量。

本文公开的质谱仪提供了紧凑的布置，使得与常规质谱仪相比，带电粒子的行进距离可以显著降低。由于行进距离降低，电性相反的粒子之间的复合概率变得更小。因此，由于复合效应减少，所公开的质谱仪可以高效地检测带正电的和带负电的粒子。

此外，因为带电粒子不需要行进相对大的举例，所以质谱仪通常可以在比常规质谱仪的操作压力范围明显更高的100mTorr到100Torr的压力范围内操作。因此，本文公开的质谱仪可以以有效离子源(诸如，辉光放电电离源和/或电容放电电离源)为特征。具体来说，与由热离子发射器产生的离子相比，辉光放电电离源可以产生相对低动能的离子，因此可以减少复合效应。此外，相对于在常规质谱仪中常见的连续热离子源(诸如，热离子发射器)，低电流脉冲离子源还降低了功耗。在紧凑型质谱测定系统中，降低的功耗是重要的考虑因素。

本文公开的质谱测定系统可以包括具有多个检测器元件的检测器子系统，该多个检测器元件被选择性地偏置以检测具有特定符号的带电粒子。例如，检测器元件可以各自包括电极。不同于在常规质谱仪中存在的庞大的电子倍增器，单个电极可以被制造成具有很小的面积。此外，检测器子系统可以包括高效的低功率检测器(诸如，法拉第检测器)，而不是更耗电的电子倍增器。作为紧凑且低功率的部件的结果，本文公开的质谱仪在能够同时检测带正电的粒子和带负电的粒子的同时，可以是紧凑的，减少了复合效应，高效地操作，并消耗相对少量的电力。这种检测可以降低数据采集时间，并提供有关感兴趣的样品的更丰富的信息。另外，质谱仪可以由标准的基于电池的电源(例如，锂离子电池)供电，并且依靠手持式形状系数而可携带。

图1A是紧凑型质谱仪100的实施例的示意图。质谱仪100包括离子源102、离子阱104、电压源106、控制器108、压力调节子系统120以及样品入口124。质谱仪100还包括检测器子系统119，其包括多个检测器元件。检测器子系统119可以包括一个或更多个检测器，每个检测器包括检测器元件。例如，检测器子系统119可以仅包括具有多个检测器元件的一个检测器。在一些实施例中，检测器子系统119可以包括多个检测器，其中每个检测器具有仅一个检测器元件或多个检测器元件。单个检测器元件可以是电极。

样品入口124包括阀129。一些实施例不具有阀129。可选地，质谱仪100中包括缓冲气源150。质谱仪100的部件被封闭在壳体122内。控制器108包括电子处理器110、用户界面112、储存单元114、显示器116 以及通信接口117。一般来说，不需要如图1A 所示地具体布置各种部件。例如，检测器子系统119可以具有位于离子阱104的两个相对侧处的检测器，以在两侧收集粒子。

控制器108经由控制线127a-127g分别连接到离子源102、离子阱104、检测器子系统119、压力调节子系统120、电压源106、阀129以及可选的缓冲气源150。控制线127a-127g允许控制器108(例如，控制器108中的电子处理器110)向部件中的每一个发出操作命令。例如，命令可以包括激活离子源102、离子阱104、检测器子系统119、压力调节子系统120、阀129以及缓冲气源150的信号。激活信号可以包括使电压源106向该部件的元件施加电压的指令。通过施加电压，将电势施加于该部件的元件。例如，这样的指令可以包括向离子源102中的电极、离子阱104中的电极、检测器子系统119的检测器元件(例如，电极)施加电势的信号。控制器 108还可以发送激活压力调节子系统120(例如，通过电压源106)以控制气压和使阀129允许气体粒子通过样品入口124进入的信号。

另外，控制器108可以通过控制线127a-127g从质谱仪100的部件的每一个接收信号。此类信号可以包括关于离子源102和/或离子阱104和/ 或检测器118和/或压力调节子系统120的操作特性的信息。该信息可以包括：由检测器子系统119测量的离子电流，其与具有特定质荷比的离子的丰度相关；以及在由检测器子系统119测量粒子时施加于离子阱104的电极的特定电压。特定施加的电压与对于离子的质荷比的特定值有关。通过使电压信息与测量的丰度信息关联，控制器108可以根据质荷比来确定离子的丰度，并且可以使用显示器116以质谱的形式呈现此信息。

电压源106经由控制线126a-e分别连接于离子源102、离子阱104、检测器子系统119、压力调节子系统120以及控制器108，并且向这些部件中的每个部件提供电压、电势和电力。电压源106在0伏的相对电压处建立对应于电接地的基准电势。由电压源106施加于质谱仪100的各种部件的电势以这个接地电势为基准。一般来说，电压源106被配置为施加相对于基准接地电势来说为正的电势和为负的电势。通过向这些部件(例如，向部件的电极)施加不同符号的电势，可以在部件内生成不同符号的电场，这导致带电粒子在不同方向上移动。

图1A所示的各种部件通过气路128连接。例如，离子源102、离子阱 104和检测器子系统119被连接，使得用于气体粒子和离子的内部通道(气路128)在这些部件之间延伸。一般来说，实施例可以在不同部件之间具有不同的布置，并且气路128取决于特定的布置。气体粒子和离子的运动方向可以在气路128中的任何方向上移动，这可以通过在系统100内施加电势来引导带电粒子或通过压力调节子系统120生成气压梯度来控制。例如，通过向离子源102和离子阱104中的电极施加合适的电势，在离子源 102中生成的离子可以被引导从离子源102流入离子阱104中。

图1B是质谱仪100的局部截面图。如图1B所示，离子源102的输出孔130连结于离子阱104的输入孔132。另外，离子阱104的输出孔134 连结到检测器子系统119的检测器118的输入孔136。因此，离子和气体粒子可以在离子源102、离子阱104和检测器118之间在任何方向上流动。在质谱仪100的操作期间，压力调节子系统120操作以使气路128中的气压降低到小于大气压的值。因此，将要被分析的气体粒子从质谱仪100周位的环境(例如，壳体122外面的环境)进入样品入口124并移入气路128 中。通过气路128进入离子源102的气体粒子由离子源102电离。离子从离子源102传播到离子阱104中，其中离子由在电压源106向离子阱104 的电极施加合适的电势的时候形成的电场捕获。在一些实施例中，由离子源102生成的离子传播到离子阱104中并电离气体粒子，以生成将要在离子阱104内被分析的离子。

被捕获的离子在离子阱104内循环。为了分析循环离子，在控制器108 的控制下，电压源106改变施加到离子阱104的一个或更多个电极的射频捕获场的振幅。振幅的变化重复出现，定义对于离子阱104的扫描频率。在场的振幅被改变时，具有特定质荷比的离子落在轨道外面并且有些从离子阱104中喷射。当离子从离子阱104中喷射时，离子可以向检测器子系统119行进作为带正电的和带负电的粒子。喷射的离子由检测器子系统119 检测，并且关于检测的离子的信息(例如，从检测器118中测量的离子电流，以及当测量特定离子电流时施加于离子阱104的特定电压)被发送到控制器108。

在一些实施例中，样品入口124可以位于其他位置处。例如，样品入口124可以被定位成使得气体粒子从壳体122外部的环境直接进入离子源 102。假如样品入口124的位置允许气体粒子从壳体122外部的环境进入气路128，样品入口124一般可以定位在沿气路128的任意位置处。此外，离子源102不需要位于检测器子系统119的相对侧上。例如，离子源102和压力调节子系统120的位置可以在图1B中颠倒，使得离子源102位于样品入口124的相对侧上。

通信接口117可以是有线的或者无线的通信接口(或两者兼有)，并且被配置成与多种多样的设备(包括远程计算机、移动电话以及监测和安全扫描仪)进行通信。通信接口117可以配置成通过各种网络(包括但不限于以太网、无线WiFi网络，蜂窝网络和蓝牙无线网络)发送并且接收信息(例如，用于质谱仪100的操作和配置设置，以及与感兴趣的物质相关的信息，包括已知物质的质谱记录、与特定物质关联的危害、化合物类别)。

本文公开的质谱仪系统和方法是紧凑、移动的，并实现低功率操作。这些特性是通过去除对于常规质谱仪常见的涡轮分子泵、粗抽(rough)泵和其他大型机械泵而部分地实现的。代替这些大型泵，小型低功率单级机械泵用于控制质谱仪系统内的气压。本文公开的在质谱仪系统中使用的单级机械泵不能达到与常规涡轮分子泵一样低的压力。因此，本文公开的系统在比常规质谱仪能够操作的内部气压更高的内部气压下操作。

通过使用单级、小型机械泵，本文公开的质谱仪的重量、尺寸和功耗相对于常规质谱仪大大下降。因此，本文公开的质谱仪一般包括压力调节子系统120，其以小型机械泵为特征，并且其被配置为将内部气压(例如，气路128中、以及全部连接于气路128的离子源102、离子阱104和检测器子系统119中的气压)维持在100mTorr与100Torr之间(例如，在100mTorr与500mTorr之间，在500mTorr与100Torr之间，在500mTorr与 10Torr之间，在500mTorr与5Torr之间，在100mTorr与1Torr之间)。在某些实施例中，压力调节子系统被配置成将本文公开的质谱仪中的内部气压维持在多于100mTorr(例如，多于500mTorr，多于1Torr，多于10Torr，多于20Torr)。

在一些实施例中，压力调节子系统120被配置为在离子源102、离子阱104和检测器子系统119中的每一个中维持相同的压力。在某些实施例中，在操作期间，在这些部件中的一个或更多个中的压力可以与其它部件中的压力不同。然而，压力调节子系统120被配置成使得即使这些部件中的一个或更多个中的压力不同，在每个部件中的压力仍然在100mTorr和 100Torr之间(例如，在100mTorr和500mTorr之间，在500mTorr和100 Torr之间，在500mTorr和10Torr之间，在500mTorr和5Torr之间，在 100mTorr和1Torr之间)。

一般来说，当在离子源102、离子阱104和检测器子系统119中的一个中的压力在操作期间与这些部件中的其他部件中的至少一个中的压力不同时，压力差相对小。例如，压力差可以为50mTorr或更少(例如，30 mTorr或更少、10mTorr或更少、5mTorr或更少、1mTorr或更少、0.1mTorr 或更少)。当在操作期间在离子源102、离子阱104和检测器子系统119中的每一个中的压力不同时，在离子源102、离子阱104和检测器子系统119 中的任意两个之间可以产生类似的压力差。

在前述的压力处，本文公开的质谱仪以10amu或更好的分辨率来检测离子。例如，在一些实施例中，本文公开的质谱仪的分辨率如上面测量的是10amu或更好(例如，8amu或更好、6amu或更好、5amu或更好、4 amu或更好、3amu或更好、2amu或更好、1amu或更好)。一般来说，可以使用本文公开的质谱仪在任一前述压力下实现这些分辨率中的任一个。

如本文所使用的，“分辨率”被定义为在所测量的质量峰的半峰全宽 (FWHM)。特定质谱仪的分辨率通过测量对于在从100到125amu的质荷比范围内出现的所有峰值的FWHM，并选择对应于单峰值的最大FWHM (例如，对应于两个或更多个峰值的紧密间隔集合的峰值宽度被排除)作为分辨率来确定。为了确定分辨率，可以使用具有已知质谱的化学物质，诸如，甲苯。

如图1B所示，本文公开的质谱仪的内部体积包括离子源102、离子阱 104和检测器子系统119的内部体积以及在这些部件之间的区域。更为普遍的是，本文公开的质谱仪的内部体积对应于气路128的体积，也就是说，在质谱仪100内气体粒子和离子能够循环的所有的连接空间的体积。在某些实施例中，质谱仪100的内部体积是10cm³或更少(例如，7.0cm³或更少、5.0cm³或更少、4.0cm³或更少、3.0cm³或更少、2.5cm³或更少、2.0 cm³或更少、1.5cm³或更少、1.0cm³或更少)。

质谱仪100可以是紧凑且便携的。在一些实施例中，例如，质谱仪100 可以包括将几个部件(诸如，离子源102、离子阱104和检测器子系统119) 集成的模块。在某些实施例中，模块的最大尺寸(例如，该模块上任意两个点之间的最大线性距离)是10cm或更少(例如，9cm或更少、8cm或更少、7cm或更少、6cm或更少、5cm或更少、4cm或更少、3cm或更少、2cm或更少、1cm或更少)。

在以下章节中，将更详细地讨论质谱仪100的各种部件，并且也将讨论质谱仪100的各种操作模式。具体来说，描述了用于收集带正电的和带负电的粒子的离子阱104和检测器子系统119的各种布置。

离子源

一般来说，离子源102被配置成生成电子和/或离子。在离子源102从将要被分析的气体粒子中直接生成离子的情况下，通过将合适电势施加到离子源102和离子阱104的电极，离子随后从离子源102传送到离子阱104。根据施加到离子源102的电极的电势的振幅和极性以及将要被分析的气体粒子(也被称作“样品粒子”)的化学结构，通过离子源102生成的离子可以是正离子或负离子。在某些实施例中，通过离子源102生成的电子和 /或离子可以与将要被分析的中性气体粒子碰撞以从气体粒子中生成离子。

通过在比常规质谱仪更高的内部气压下操作，本文公开的紧凑型质谱仪可以使用各种离子源。具体地，小的并且需要相对适度的电功率的量操作的离子源可以用在质谱仪100中。在一些实施例中，例如，离子源102 可以是辉光放电电离(GDI)源。在某些实施例中，离子源102可以是电容性放电离子源。

GDI源用在质谱仪100中是特别有利的，因为它们紧凑并且很适于在低功率下操作。不过仅当气压充足时，辉光放电才在这些源出现活跃时发生。通常，例如，GDI源实际上限于在约200mTorr及以上的气压下操作。在低于200mTorr的压力下，在没有很高的施加电压和大的电极间隙的情况下，维持稳定的辉光放电能够是困难的。因此，GDI不用于在1mTorr 或更小的气压下操作的常规质谱仪中。然而，因为本文公开的质谱仪通常在100mTorr与100Torr之间的气压下操作，所以可以使用GDI源。

图2是GDI源200的示例的示意图，其包括前电极210和后电极220。在这个示例中，两个电极210和220连同壳体122一起形成GDI室230。前电极210具有孔202，将要被分析的气体粒子通过该孔202进入GDI室 230。如在本文所使用的，术语“气体粒子”是指气体状态的原子、分子或作为独立实体存在的聚合气体分子。例如，如果将要被分析的物质是有机化合物，那么该物质的气体粒子是该物质在气相中的单分子。

在图2中，孔202被绝缘管204围绕。由于在质谱仪100外面的大气与GDI室230之间的压力差，将要被分析的气体粒子通过孔202被吸进 GDI室230中。除了将要被分析的气体粒子以外，大气气体粒子也由于压力差被吸进GDI室230中。如在本文中所使用的，术语“大气气体粒子”是指空气中的气体的原子或分子，诸如氧气和氮气的分子。

在一些实施例中，另外的气体粒子可以被引入GDI源200中以帮助在源中生成电子和/或离子。例如，如上面结合图1A所解释的，质谱仪100 可以包括连接到气路128的缓冲气源150。来自缓冲气源150的缓冲气体粒子可以被直接引入GDI源200中，或可以被引入气路128的另一部分中并且扩散到GDI源200中。缓冲气体粒子可以包括氮分子和/或惰性气体原子(例如，He、Ne、Ar、Kr、Xe)。缓冲气体粒子中的一些可以被电极 210和220电离。

一般来说，孔202可以位于质谱仪100中的各种位置处。例如，孔202 可以被定位在GDI室230的连接到样品入口124的侧壁中。此外，如先前所描述的，在一些实施例中，样品入口124可以被定位成使得将要被分析的气体粒子被直接吸入质谱仪100的部件中的另一部件中，诸如，离子阱 104或检测器子系统119。当气体粒子被吸入不同于离子源102的部件中时，气体粒子通过气路128扩散并且进入离子源102中。可选地或附加地，当将要被分析的气体粒子被直接吸入诸如离子阱104的部件中时，离子源102 可以生成随后与离子阱104内将要被分析的气体粒子碰撞的离子和/或电子，从而从离子阱内的气体粒子直接生成离子。

在操作期间，当在控制器108的控制下由电压源106在前电极210与后电极220之间施加电压差时，GDI源200生成自续辉光放电(或等离子体)。在某些实施例中，电压差可以是200V或更高(例如，300V或更高、 400V或更高、500V或更高、600V或更高、700V或更高、800V或更高)以保持辉光放电。

通过施加相对于由电压源106建立的接地电势的不同极性的电势， GDI源200可以被配置成以不同的电离模式操作。例如，在GDI源200的典型操作期间，气体粒子的小部分由于随机过程(例如，热碰撞)在GDI 室230中被初始电离。在一些实施例中，电势被施加到前电极210和后电极220，使得前电极210充当阴极而后电极220充当阳极。在这个配置中，在GDI室230中生成的正离子由于室内的电场被驱向前电极210。负离子和电子被驱向后电极220。电子和离子可以与其他气体粒子碰撞，生成更大数量的离子。负离子和/或电子通过后电极220退出GDI室230。在某些实施例中，适当的电势被施加到前电极210和后电极220，使得前电极210 充当阳极而后电极220充当阴极。在这个配置中，在GDI室230中生成的带正电的离子通过后电极220离开该室。带正电的离子可以与其他气体粒子碰撞，生成更大数量的离子。在离子生成并以任一操作模式通过后电极 220离开GDI室230后，离子通过端盖电极304进入离子阱104中。

一般来说，后电极220可以包括一个或更多个孔240。孔的数量可以是2个或更多(例如，4个或更多、8个或更多、16个或更多、24个或更多、48个或更多、64个或更多、100个或更多、200个或更多、300个或更多、500个或更多)。孔240的数量和它们的截面形状通常被选择为形成入射到端盖电极304的离子的相对均匀的空间分布。在GDI室230中生成的离子通过后电极220中的一个或更多个孔240离开该室时，由于碰撞和空间电荷相互作用，离子相互之间在空间上散开。因此，离开GDI源200 的离子的整体空间分布是发散的。通过选择适当数量的具有特定截面形状的孔240，可以控制离开GDI源200的离子的空间分布，使得该分布重叠或填充在端盖电极304中形成的所有孔292。在一些实施例中，后电极220 包括单孔240。孔240的截面形状可以是圆形、方形、矩形的，或可以更普遍对应于规则或不规则成形的n边多边形。在某些实施例中，孔240的截面形状可以是不规则的。

在一些实施例中，后电极220和端盖电极304可以被形成为单个元件，并且在GDI室230中形成的离子可以通过穿过该元件直接进入离子阱104 中。在此类实施例中，组合的后电极和端盖电极可以包括如上所述的单孔或多孔。

各种操作模式可以用于在GDI源200中生成带电粒子。例如，在一些实施例中，使用连续操作模式。在这个模式中，在离子源内连续生成带电粒子。在一些实施例中，GDI源200被配置用于脉冲操作。

各种材料可用于在离子源102中形成电极，包括GDI源200中的电极 210和220。例如，电极可以由诸如铜、铝、银、镍、金和/或不锈钢的材料制成。一般来说，不易于吸附粘性粒子的材料是有利的，因为由此类材料形成的电极通常很少需要频繁清理或替换。

针对GDI源200所描述的前述技术同样适用于可以在质谱仪100中使用的其他类型的离子源，诸如，非常适合于在质谱仪100在其处操作的相对高气压处使用的电容性放电源。电容性放电源的其它方面和特征已公开，例如，在美国专利第7,274,015号中，其全部内容通过引用并入本文。

由于使用了紧凑、间隔紧密电极，离子源102的整体尺寸可以很小。离子源102的最大尺寸是指离子源上任何两点之间的最大线性距离。在一些实施例中，离子源102的最大尺寸是8.0cm或更小(例如，6.0cm或更小、5.0cm或更小、4.0cm或更小、3.0cm或更小、2.0cm或更小、1.0cm 或更小)。

离子阱

通过离子源102生成的离子在离子阱104内被捕获，该离子在通过向离子阱104的电极施加电势所产生的电场的影响下在该离子阱104中循环。在接收到来自控制器108的控制信号后，通过电压源106向离子阱104 的电极施加电势。为了从离子阱104喷射循环离子以用于检测，控制器108 向电压源106传输控制信号，这导致电压源106调制离子阱104内的射频 (RF)场的振幅。RF场的振幅的调制导致离子阱104内的循环离子从轨道脱落并退出离子阱104，进入它们在其中被检测的检测器118。

为确保吸入到质谱仪100中的气体粒子被快速电离和分析，质谱仪100 的内部体积比常规质谱仪的内部体积小得多。通过减小质谱仪100的内部体积，压力调节子系统120能够将气体粒子快速吸入到质谱仪100中。另外，通过确保快速电离和分析，质谱仪100的用户可以快速获得关于特定物质的信息。

与典型的常规离子阱技术形成对照，本文公开的质谱仪使用紧凑、圆柱形离子阱以用于捕获和分析离子。图3A是根据坐标390的离子阱104 的实施例的截面图。离子阱104包括圆柱形中心电极302、两个端盖电极 304和306以及两个绝缘隔离片308和310。电极302、304和306分别经由控制线312、314和316连接于电压源106。电压源106经由控制线127e连接于控制器108，控制器108经由控制线127e向电压源106传送信号，命令电压源106向离子阱104的电极施加电势。

在操作期间，由离子源102生成的离子通过电极304中的孔320进入离子阱104。电压源106向电极304和306施加电势以在离子阱104内产生轴向场(例如，围绕轴线318对称)。轴向场将离子轴向地限制在电极 304与306之间，确保离子不通过孔320或通过电极306中的孔322离开离子阱。电压源106也向中心电极302施加电势以在离子阱104内生成径向限制场。径向场将离子径向地限制在电极302的内部孔内。

由于轴向场和径向场两者均存在于离子阱104内，离子在阱内循环。每个离子的轨道几何形状由若干因素确定，包括电极302、304和306的几何形状、施加到电极的电势的振幅和符号以及离子的质荷比。通过改变施加到中心电极302的电势的振幅，特定质荷比的离子将偏离阱104内的轨道并通过电极306退出阱，进入检测器118。因此，为了选择性地分析不同质荷比的离子，电压源106(在控制器108的控制下)以渐进的方式改变施加到电极302的电势的振幅。由于施加的电势的振幅改变，不同质荷比的离子从离子阱104喷射并由检测器118检测。以这种方式，可以通过离子阱104的孔320和322检测带正电的和带负电的粒子。

在某些线性四极质谱测定系统中，由离子源生成的离子穿过可以使正离子和负离子在不同方向上偏转的偏转透镜。这样的系统与本文公开的系统不同之处在于，离子不在3D离子阱内被捕获，而是通过2D离子阱仅沿着从离子源到检测器的轨迹偏转。在本文公开的系统和方法中，由离子源 102生成的离子被限制在离子阱104内的三维空间中，用于捕获从0.01ms 到几百毫秒的时间。在该限制期期间，所捕获的离子在离子阱104内循环。

按照惯例，至少在上面公开的最小捕集时间中在单个离子阱中将正离子和负离子一起捕获可以导致正离子和负离子的反应，使得精确的质谱信息的检测困难甚至不可能。如果在正离子和负离子之间发生反应，则同时检测两种类型的离子的前景很糟糕。

然而，除了保持离子阱104内的离子的最小捕集时间之外，本文公开的系统和方法还在高压(例如，100mTorr至100Torr，如随后将更详细描述的那样)处并且在针对离子阱104的高射频(例如，在从5MHz到100 MHz的范围内的频率)处操作。离子阱104的这些高压、高频和小体积确保了正离子和负离子在离子阱104内被同时捕获的同时基本上不会相互反应。因此，正离子和负离子都可以同时从阱中被喷射并且被检测到。

离子阱104中的电极302、304和306一般由导电材料(诸如，不锈钢、铝或其他金属)形成。隔离片308和310通常由绝缘材料形成，诸如陶瓷、

(例如，氟化聚合物材料)、橡胶或各种塑料。

在端盖电极304和306中、在中心电极302中以及在隔离片308和310 中的中心开口可以具有相同的直径和/或形状或不同的直径和/或形状。例如，在图3A中示出的实施例中，在电极302以及隔离片308和310中的中心开口具有圆形横截面形状和直径c₀，并且端盖电极304和306具有中心开口，其具有圆形横截面形状和直径c₂<c₀。如图3A所示，电极和隔离片中的开口与轴线318轴向对准，使得当电极和隔离片被组装成夹层结构时，电极和隔离片中的开口形成通过离子阱104延伸的连续轴向开口。

一般来说，电极302中的中心开口的直径c₀可以根据需要而被选择，以实现当从离子阱104选择性喷射离子时的特定目标分辨能力，并且也控制质谱仪100的总体内部体积。在某些实施例中，c₀约为0.6mm或更大(例如，0.8mm或更大、1.0mm或更大、1.2mm或更大、1.4mm或更大、1.6 mm或更大、1.8mm或更大)。端盖电极304和306中的中心开口的直径 c₂也可以根据需要而被选择，以实现当从离子阱104喷射离子时的特定目标分辨能力，并且确保对未被喷射的离子的适当限制。在某些实施例中， c₂约为0.25mm或更大(例如，0.35mm或更大、0.45mm或更大、0.55mm 或更大、0.65mm或更大、0.75mm或更大)。

电极302以及隔离片308和310中的组合开口的轴向长度c₁也可以根据需要而被选择，以确保适当的离子限制并实现当离子从离子阱104喷射时的特定目标分辨能力。在某些实施例中，c₁约为0.6mm或更大(例如， 0.8mm或更大、1.0mm或更大、1.2mm或更大、1.4mm或更大、1.6mm 或更大、1.8mm或更大)。

根据经验已确定当c₀和c₁被选择使得c₁/c₀大于0.83时，质谱仪100 的分辨能力更大。因此，在某些实施例中，c₀和c₁被选择使得c₁/c₀的值是 0.8或更大(例如，0.9或更大、1.0或更大、1.1或更大、1.2或更大、1.4 或更大、1.6或更大)。

为克服可以在离子阱104内同时被捕获的离子数量的限制并增加质谱仪100的容量，在一些实施例中，质谱仪100可以包括具有多个室的离子阱。图3B显示根据坐标392具有以六边形阵列布置的多个离子室330的离子阱104的示意图。每个室330以与图3A中的离子阱104相同的方式起作用，并且包括两个端盖电极和圆柱形中心电极。端盖电极304连同端盖电极306的一部分在图3B中示出。端盖电极304通过连接点334连接到电压源106，并且端盖电极306通过连接点332连接到电压源106。

图3C是根据坐标394沿着图3B中的截面线A-A的截面图。显示了沿截面线A-A下降的五个离子室330中的每个。电压源106经由单连接点 (未在图3C中示出)连接到中心电极302。因此，通过向电极302施加合适的电势，电压源106(在控制器108的控制下)可以同时在室330的每个内捕获离子，并且从室330的每个喷射具有所选择质荷比的离子。

在一些实施例中，离子阱104中的离子室330的数量可以与在离子源的端盖电极304中形成的孔的数量匹配。当端盖电极304包括多个孔时，离子阱104也可以包括多个离子室330，使得在端盖电极304中形成的每个孔对应于不同的离子室330，以使由离子源102生成的离子可以由离子阱104高效收集并在离子室330内被捕获。使用多个室降低了在被捕获的离子之间的空间电荷相互作用，增加了离子阱104的捕获能力。离子室330 的位置和截面形状可以与离子源的孔240和294的布置和形状相同。

离子阱104的附加特征在例如美国专利第6,469,298号中、在美国专利第6,762,406号中、以及在美国专利第6,933,498号中公开，上述各个专利的全部内容通过引用并入本文。

检测器子系统

质谱仪100包括检测器子系统119，其被配置为收集如上所述的从离子阱104喷射的带电粒子。带电粒子可以是正离子、负离子、电子或这些粒子的组合。检测器子系统119可以包括一个或更多个检测器118。不同的检测器118可以被偏置以收集具有不同符号的带电粒子。在一些实施例中，检测器118可以包括多个偏置的检测器元件，以收集具有不同符号的带电粒子。

可以在质谱仪100中使用各种各样的不同检测器。在一些实施例中，一个检测器可用于在给定时间处收集具有给定符号(正或负)的带电粒子。本文公开的系统可以包括能够同时收集带正电的和带负电的粒子的检测器子系统。

图4A是根据坐标490的离子阱104和包括法拉第杯402的检测器子系统119的示例配置的示意图。离子阱104具有与上面结合图3A描述的特征和性质类似的特征和性质。在该示例中，法拉第杯402具有圆形基部，其旋转轴线平行于B方向。一般来说，法拉第杯402不需要具有圆形基部，但可以具有各种横截面形状，包括方形、矩形、椭圆形、圆形或任何其他规则或不规则形状。基部402例如可以是平的或弯曲的。

一般来说，法拉第杯402可以是相对小的。法拉第杯402的最大尺寸对应于杯上任何两点之间的最大线性距离。在一些实施例中，例如，法拉第杯402的最大尺寸是30mm或更小(例如，20mm或更小、10mm或更小、5mm或更小、3mm或更小)。法拉第杯402可以由一种或更多种金属(诸如，铜、铝和银)形成。

在质谱仪100的操作期间，带电粒子如上所述地从离子阱104的孔322 中喷射。这些喷射的带电粒子可以包括带正电的和带负电的粒子，其可以通过电场向位于孔320之后的检测子系统119漂移或加速。例如，端盖电极306和检测子系统119的检测器元件之间的相对电势可以提供引导带电粒子的电场分布。参考图4A为例，法拉第杯402的电极410以比电极盖 306的电势更低的电势偏置。法拉第杯402的电极420以比电极盖306的电势更高的电势偏置。电绝缘体430位于电极410和420之间，以使这两个电极彼此电绝缘。在一些实施例中，电绝缘体430可以包括诸如陶瓷、橡胶、

等的材料。利用电极的这些偏置电势，带正电的粒子被吸引向电极410(如短划线451的轨迹所示)，同时受电极420排斥。另一方面，带负电的粒子被吸引向电极420(如双实线453的轨迹所示)，同时受电极 410排斥。正因如此，法拉第杯402能够通过电极410和420同时分别收集带正电的和带负电的粒子。当在盖电极306、电极410和电极420之间的相对电势如上所述地设置时，可以实现这种收集。这些电极中的任何一个可以被设置为接地电势。

由电极410捕获的带正电的粒子生成电信号(例如，电流)，其可由检测器子系统119内的电路测量，或被发送到控制器108。另外，由电极 420捕获的带负电的粒子生成电信号(例如，电流)，其也可由检测器子系统内的电路测量，或被发送到控制器108。如果带电粒子是正离子和负离子，那么测量电流是离子电流(本文中也称为“正离子电流”和“负离子电流”)，并且它们的振幅分别与测量的正离子和负离子的丰度成比例。所生成的电信号可用于确定关于引入离子阱104的样品粒子的信息。

为获得分析物的质谱信息，施加到离子阱104的中心电极302的电势的振幅被改变(例如，可变振幅信号(高压RF信号)被施加)，以从离子阱104选择性地喷射特定质荷比的离子。针对对应于不同质荷比的在振幅上的每个变化，使用检测器子系统119的检测器元件来测量对应于所喷出的具有所选择质荷比的离子的离子电流。根据施加于电极302的电势而测量的离子电流(其对应于质谱)被报告给控制器108。在一些实施例中，控制器108基于用于离子阱104的算法和/或校准信息将所施加的电压转换成特定的质荷比。

通过测量正离子电流和负离子电流可以获得两个质谱，一个来自正离子电流的质谱和一个来自负离子电流的质谱。两个质谱的测量可以在改善对于样品粒子的分析方面提供各种优点。例如，对于一些样品粒子，两个质谱可以不同。因此，在两个质谱中的信息可以用作对于这样的样品粒子的标志，由此改善对于样品粒子的分析。此外，通过同时收集带正电的和带负电的粒子，可以降低数据采集时间，例如减少大约一半，这导致在样品分析期间更高的吞吐量。随后将在本公开中更详细地描述操作方法。

图4B-4G是根据坐标492的端盖电极306的示例的示意图。参考图4B，图4A中显示的电极306是以不同的视角描绘的。在该示例中，电极306 具有圆形的孔322。图4C显示了具有形如狭缝的孔322的电极306的示例。图4D显示了具有多个孔322的电极306的示例，每个孔322形如狭缝。在一些实施例中，狭缝的宽度442可以为0.9mm或更少(例如，0.7mm 或更少)，并且相邻孔322之间的边缘到边缘的距离444可以为0.9mm或更少(例如，0.7mm或更少)。在一些实施例中，不同的孔322的长度446 可在4mm至10mm之间变化。

图4E显示了具有形如螺旋的孔322的电极306的示例。在此，为了简化，以实线显示了孔322的开口。图4F显示了具有被布置为矩形阵列的多个孔322的电极306的示例。例如，圆形孔的直径可以为1mm或更少(例如，0.9mm或更少、0.8mm或更少)。图4G显示了具有以六边形阵列布置的多个孔322的电极306的示例。在图4B-4G中显示的实施例仅是具有在电极306中可以使用的不同截面形状(例如，正方形、矩形、椭圆形等)和尺寸的各种各样的不同布置的示例。在一些实施例中，电极304 的孔320、以及离子室330的形状可以与电极306的孔322的形状一致。此外，虽然在图4B-4G中显示的电极306的周界是圆形的，但是在其他实施例中，周界可以具有不同的形状，诸如，例如矩形、五边形和六边形。

图5A是根据坐标590的离子阱104和检测器子系统119的另一示例配置的示意图。检测子系统119包括两个电极510和520。以与关于图4A 描述的示例类似的方式，控制器108向电极520施加比施加到端盖电极306 的电压更高的电压，并且向电极510施加比施加到端盖电极306的电压更低的电压。因此，电极520以比端盖电极306更高的电势偏置，端盖电极306以比电极510更高的电势偏置。在这种配置中，电极510吸引并接收通过孔322喷射的带正电的粒子(如通过短划线551的轨迹所示)，并且电极520吸引并接收通过孔322喷射的带负电的粒子(如通过双实线553 的轨迹所示)。图5B是根据坐标592在图5A中显示的检测器子系统119 在不同视角处的示意图。电极510形如半圆，并且电极520形如半圆。电绝缘体530(在图5A中未显示)位于两个电极之间，以便它们不会短路。通常，电绝缘体530可以由诸如陶瓷、橡胶、

和/或氧化物衬底的材料形成。

孔322可以被称为“共同的孔”，其中带正电的和带负电的粒子都从离子阱104涌现。在中心点542所在的出口表面处，喷射的粒子可以以彼此相差在7°或更少(例如5°或更少、3°或更少、1°或更少)的方向上行进。所喷射的带电粒子由通过电极306和检测器子系统119的检测器元件之间的电势差生成的电场引导。

再次参考图5A，孔322的出口表面的中心点542与中心点544相距距离546，中心点544位于电极510和520的边缘之间的中心处。中心点544 处于在电极510和520的前表面之间延伸的线中。在该示例中，该线与轴线318重合。在一些实施例中，距离546是1mm或更少(例如，0.9mm 或更少、0.8mm或更少)。在某些实施例中，距离546在0.94mm和1mm 之间的范围内。

在一些实施例中，在电极510和520之间的边缘到边缘的距离548是 1mm或更少(例如，0.9mm或更少、0.8mm或更少、0.7mm或更少、0.6 mm或更少、0.5mm或更少、0.4mm或更少)。电极510的宽度549可以是1mm或更少(例如，0.9mm或更少、0.8mm或更少、0.7mm或更少、0.6mm或更少、0.5mm或更少、0.4mm或更少)。电极520的宽度可以具有如针对电极510的宽度所描述的值。尽管在一些实施例中，电极510和 520的宽度相同，但是更普遍地，电极510和520的宽度可以不同。离子阱104和检测器子系统119的小尺寸提供了紧凑的体积，其中带电粒子从离子阱104到检测器子系统119行进了一小段距离。

在一些实施例中，电极510和/或520可以相对于离子阱104的中心轴线318成一角度地定向。图5C显示了其中检测器子系统119包括成角度电极的实施例。在图5C中，从电极510和520的表面延伸的表面法线571 和573相对于轴线318以角度A和B定向。在某些实施例中，A和B相同。然而，在一些实施例中，A和B不同。例如，当不同的偏置电压被施加到电极510和520时，角度A和B可以不同，和/或沿着轴线571和573 分别测量的电极510和520与轴线318的距离可以不同。

一般来说，电极510和/或520可以以相对于轴线318的宽范围的角度来定向。例如，A和/或B可以是5度或更多(例如10度或更多、20度或更多、30度或更多、40度或更多、60度或更多、75度或更多)。

如关于图3B和图3C所描述的，在一些实施例中，离子阱104具有多个离子室330。对于这种离子阱104，图6A是根据坐标690的包括检测器子系统119以收集从离子阱104喷射的带电粒子的示例配置的示意图。所示出的配置使用与图4A和图5A类似的短划线和双实线显示了检测器子系统119的电极如何收集带正电的和带负电的粒子。检测器子系统119包括多个电极610-620以及在电极之间的电绝缘体630。电极610-620和电绝缘体630被布置成使得电绝缘体630处于每个离子室330的轴线318上。以这种方式，相邻的电极相对于轴线318对称。

在该示例中，每个轴线318穿过相应的孔322的中心并穿过两个电极之间的中心点。例如，图6A在C方向上的最高部分上的离子室330的轴线318穿过孔322的中心、在电极610和612之间的中心点以及电绝缘体 630。电极610和612相对于该轴线318对称地定位。在某些实施例中，控制器将电压施加到电极610和612，使得由电极610和612生成的电场分布的振幅相对于轴线318对称。

在操作期间，离子阱104可以通过孔322喷射带电粒子。电极610、 614和618以比端盖电极306更低的电势偏置。电极612、616和620以比端盖电极更高的电势偏置。因此，由电极610、614和618吸引并接收带正电的粒子，而由电极612、616和620吸引并接收带负电的粒子。使用多个室330可以降低在被捕获的离子之间的空间电荷的相互作用，并且增加了离子阱104的捕获能力。另外，电极610-620相对于轴线318对称地排列，使得带正电的和带负电的粒子相对于轴线318具有类似的轨迹。这允许从不同的孔322喷射的带电粒子行进类似的最小距离。因此，电极 610-612可以高效地收集带电粒子，而不会严重损失其它粒子相比行进更长距离的粒子。

图6B是根据坐标692显示在图6A中的检测器子系统600在不同视角处的示意图。图6C显示了沿着在图6B中所指示的截面线B-B的检测器子系统119的一部分的截面图。为了说明的目的，图6B显示了六个电极 610-620(尽管更普遍地可以实现任意数量的电极)。在电极610-620之间显示的短划线框指示孔322的轮廓，其在负B方向上移位。在一些实施例中，可以根据离子室的数量来选择电极的数量。例如，可以选择电极的数量，使得至少两对电极可以相对于离子阱104的孔322对称地布置。

在图6B中显示的示例中，直电极条布置成一排，其中电绝缘体630 位于相邻的电极条之间。如关于图6A所描述的，电极610、614和618形成电极的第一子集，其以比盖电极306更低的电势偏置，以吸引带正电的粒子，并且电极612、616和620形成电极的第二子集，其以比盖电极306 更高的电势偏置，以吸引带负电的粒子。当盖电极306被偏置到0V的接地电势时，电极610、614和618可以被负偏置，并且电极612、616和620 可以被正偏置。因此，电极条可以被偏置以具有交变极性。

一般来说，检测器元件(诸如，检测器子系统119的电极)可以具有各种形状和布置。图6C是根据坐标692的检测器子系统660的另一示例的示意图。电极被成形并布置为同心环(也被称为“电极环”)。为了同时检测带正电的和带负电的粒子，电极环以交变的方式偏置，使得每隔一个电极环吸引并收集相同符号的带电粒子。在该示例中，电极650、654和658被偏置以吸引带正电的粒子，并且电极652和656被偏置以吸引带负电的粒子。电绝缘体630位于电极环之间，以防止相邻电极之间的短路。例如，电绝缘体630防止电极650和652之间的短路。

一般来说，可以使用各种不同的环形。例如，当孔322具有圆形截面形状时，可以使用如图6C所示的圆形环。作为另一示例，当孔322具有如图4E所示的螺旋形状时，电极可以具有螺旋形状和/或圆形环形状。

在一些实施例中，离子阱104包括诸如在图4F中的离子室330的二维阵列和图4G中的孔322的二维阵列。为了有效地收集从2D阵列中的每个孔322中喷射的带电粒子，检测器子系统可以包括检测器元件的二维阵列。图7A-7C是示出这种配置的示意图。图7A是根据坐标790的离子阱 104的截面图。离子阱104包括在A-C平面中的5×5离子室阵列。检测器子系统119包括A-C平面中的6×6电极阵列。图7A显示了在C方向中布置的电极710a和712-720。电绝缘体730位于相邻电极之间并且与孔322 对准，使得轴线318穿过相邻电极之间的中点。在该示例中，电极阵列在每个二维方向上比离子室阵列大。一般来说，离子阱104可以包括任意数量的离子室330，而5×5阵列仅是一个示例。类似地，检测器子系统199 可以包括任意数量的电极，而6×6阵列仅是一个示例。另外，一般来说，电极阵列的尺寸可以小于、等于或大于离子室阵列的尺寸。任意一个(或两个)阵列可以是正方形的(如图所示)，或者可以具有另一形状(例如，矩形)。

图7B是根据坐标792的图7A中显示的检测器子系统119在一视角处的示意图。6×6电极阵列是在A-C平面中布置的。在该示例中，电极以交变的方式被偏置。电极710a和图中的具有相同交叉影线图案的其他电极被偏压以收集带正电的粒子。例如，电极714、718、710c和710e具有与电极710a的偏置电势相同的偏置电势。另一方面，电极712和图中具有相同交叉影线图案的其它电极被偏置以收集带负电的粒子。例如，电极716、 720、710b、710d和710f具有与电极712的偏置电势相同的偏置电势。如图所示，成对的最邻近的电极被偏置以吸引电性相反的粒子。该配置可具有的优点在于，每个孔322在相对于盖电极306相反地偏置的两个电极之间对称地对准。因此，从不同孔322喷射的带电粒子行进由于将要被检测的对称布置而产生的相同的最小距离，并且电极可以有效地收集带正电的和带负电的粒子，而不会损失与其他粒子相比行进更长距离的粒子。

在一些实施例中，检测器子系统119的多个电极可以被分组在一起以形成共同地接收具有相同符号的电荷的粒子的电极的子集。图7C是根据坐标792的图7A中显示的检测器子系统119在一视角处的示意图，但是具有与图7B不同的偏置设置。在该示例中，控制器108向子集750中的电极施加电压，使得子集750中的每个电极接收带正电的粒子。控制器108 向子集752和754中的电极施加电压，使得这些子集中的每个电极接收带负电的粒子。当离子阱104被具有例如孔322的不同的形状和/或分布的另一个离子阱替代时，这种分组可以是有利的。因此，可以使用重新配置施加到电极中的每个电极的电势分布，以实现将电极分组成检测具有相同电荷符号的粒子的子集，以适应在不同离子阱104中存在的孔322的不同布置。控制器108可以使用由系统的用户输入的关于离子阱104的信息，或者当将离子阱104引入系统时自动检测的(或从系统储存单元检索的)关于离子阱104的信息，以自动重新配置施加到电极中的每个电极的偏置电势的模式，以限定适合特定离子阱104的电极的子集。

此外，在一些测量中，气体粒子可以包括在离子阱104的离子室330 中不均匀地分布的几种类型的样品粒子。也就是说，带正电的粒子可以优先集中在某些离子室中，而带负电的粒子可以优先集中在其它离子室中。对于这种样品，将检测器元件分组，使得一组或更多组元件被配置成检测带正电的粒子，和/或一组或更多组元件被配置为检测带负电的粒子，和/ 或一组或更多组元件被配置为检测带正电的和带负电的粒子，可以改善检测效率和信噪比。控制器108通过从系统的用户接收信息和/或通过从数据储存单元检索关于样品的存储信息，可以以这种方式配置适合于定义检测元件的组的偏置电势的模式。

可以使用各种方法来制造检测器子系统119。图7D和7E是根据坐标 794的检测器子系统119的示例的示意图。在图7D中，电极760、762、 764和766位于衬底770的表面上。例如，衬底770可以是电绝缘氧化物衬底。在该示例中，区域772不具有固体材料，并且用作电极之间的绝缘介质。

在图7E中，电极760、762、764和766位于在可以是氧化物衬底的衬底770中形成的凹槽774中。例如，可以通过在衬底中进行化学或反应离子蚀刻、和/或通过机械研磨形成凹槽。衬底的区域776对应于防止电极之间电流流动的电绝缘体。

通常，衬底770可以由诸如陶瓷、

橡胶、塑料、各种半导体氧化物材料和各种半导体氮化物材料的电绝缘材料制成。电极可以通过研磨金属(例如铜、银、铝、金)板并将金属粘合到衬底770上而形成。金属可以与衬底770接触。在一些实施例中，可以使用包括化学气相沉积和物理气相沉积的各种沉积技术在衬底770上形成电极。在某些实施例中，可以使用在印刷电路板制造中使用的技术(包括光刻工艺(例如，沉积、曝光和光刻胶材料的显影)和激光烧蚀)将电极应用到衬底770。

图8A-8C是示出在孔322和检测器元件(诸如，电极810和820)之间的对准的示例的示意图。在这些图中，电极810被偏置以吸引(以实线箭头表示的)带正电的粒子，并且电极820被偏置以吸引(以双实线箭头表示的)带负电的粒子。电极810和820位于A-C平面中。孔322被描绘为短划线圆并且位于与电极810和820所在的平面不同的平面中。

参考图8A，显示了电极810和820的矩形阵列。孔322也形成矩形阵列，但旋转了45度。对应于孔322的每个短划线圆沿着A轴或C轴具有两个最近的相邻电极。每个最近的相邻电极收集具有与其他最近的相邻电极相反符号的带电粒子。参考图8B，电极810和820形成矩形阵列。孔 322也形成矩形阵列，但是与在A方向和C方向上的电极的偏离。在该配置中，对应于孔322的每个短划线圆具有四个最近的相邻电极，其中的两个接收带正电的粒子，并且另外两个接收带负电的粒子。

图8C显示了电极810和820的六边形阵列。对应于孔322的短划线圆布置在相邻的电极810和820之间，使得带正电的和带负电的粒子在相反的方向上被引导。

图9是被配置成同时检测带正电的和带负电的粒子的质谱仪系统100 的示例的示意图。系统100包括检测器子系统119，其包括两个检测器118a 和118b，在离子阱104的每侧上有一个检测器。在该示例中，离子源102 通过孔240在垂直于离子室330的轴线318的方向上将离子注入到离子阱 104中。将要分析的气体粒子在垂直于轴线318的方向上通过入口124进入离子阱104。在某些实施例中，气体粒子可以在被电离之前或之后通过孔240进入。如早前描述的，施加到离子阱104的中心电极302的电势的振幅被改变，以从离子阱104选择性喷射具有特定质荷比的离子。当这样做时，带电粒子(例如，正离子和负离子)通过孔320和322喷射。检测器118a和118b被配置成收集喷射的带电粒子。

在一些实施例中，检测器118a和118b中的每一个可以包括单个法拉第杯或被配置成收集具有一个符号的带电粒子的电极。例如，检测器118a 中的法拉第杯可以被偏置以具有比电极304的电势更高的电势，以吸引带负电的粒子。检测器118b中的法拉第杯可以被偏置以具有比电极306的电势更低的电势，以吸引带正电的粒子。以这种方法，带负电的粒子由系统 100左侧的检测器118a收集，而带正电的粒子由系统100右侧的检测器 118b收集，如图9所示。

可选地，在一些实施例中，检测器118a和118b中的每一个可以包括关于图4A-7C描述的检测器元件，使得检测器各自(例如，同时)收集带正电的和带负电的粒子。当两种符号的带电粒子通过孔320和322喷射时，这可以是有利的。通过在系统100的每侧收集两种符号的带电粒子，与其中系统100的每侧只收集一种符号的带电粒子的情况相比，收集效率可以更高。

在检测器118a与离子阱104的电极304之间的距离912可以是1mm 或更少(例如，0.9mm或更少、0.8mm或更少)。在检测器118b的电极与离子阱104的电极306之间的距离914可以是1mm或更少(例如，0.9 mm或更少、0.8mm或更少)。根据检测器子系统119的配置和样品，距离912和914可以相同或可以是不同的。在一些实施例中，检测器118a 和118b的电极之间的距离916可以是10mm或更少(例如，8mm或更少、 6mm或更少、4mm或更少、2mm或更少、1mm或更少)。

一般来说，检测器子系统119可以被直接固定于壳体122。在某些实施例中，壳体122可被配置为使得检测器子系统119的检测器可以被容易地安装或移除，例如通过固定和通过保持元件保持(例如，螺钉或其它紧固件)。这允许某些被损坏或被污染的检测器被容易地更换。

检测器子系统119可以包括测量由收集带电粒子的电极生成的电信号的电路。在某些实施例中，所生成的电信号被发送到控制器108以用于分析。

在一些实施例中，偏置的排斥栅格或磁场可以被置于检测器的前面，以防止二次带电粒子放射，其可能使对于从离子阱104喷射的粒子的测量失真。可选地，在某些实施例中，二次放射可以用于检测喷射的离子。

一般来说，可以将关于一个实施例描述的几何值应用于本文所述的其他实施例。例如，检测器子系统中的电极可以具有与关于图5A中的电极 510和520描述的相同宽度。作为另一示例，在孔322与检测器子系统的电极之间的距离可以与关于图5A描述的距离546相同。

再次参考图9，在一些实施例中，检测器118a和118b中的一个或两个检测器可以是离子源102。也就是说，离子源102(而不是如图9所示地定位的那个)可以沿着轴线318定位，例如如图1B和图2所示。在通过离子源102生成离子和在离子阱104内捕获离子之后，离子源102随后可以通过向离子源102的电极中的一个或更多个电极施加合适的电压而作为离子检测器(例如，作为图9中的离子检测器118a或118b)被操作。作为示例，参考图2，通过将(如以上描述的)合适的电压施加到前电极 210、施加到后电极220、或施加到两者，可以通过电极检测离子(例如，正离子或负离子)，并且可以测量对应于离子的离子电流。以这种方式，可以使用单个专用检测器和作为第二检测器操作的离子源或作为双检测器操作的双离子源来实现采用不同检测器对正离子和负离子两者进行空间分离检测。

压力调节子系统

压力调节子系统120通常被配置成调节气路128中的气压，气路128 包括离子源102、离子阱104和检测器子系统119的内部体积。在质谱仪 100的操作期间，压力调节子系统120将质谱仪100内的气压维持在100 mTorr或更高(例如，200mTorr或更高、500mTorr或更高、700mTorr或更高、1Torr或更高、2Torr或更高、5Torr或更高、10Torr或更高)，和/ 或100Torr或更低(例如，80Torr或更低、60Torr或更低、50Torr或更低、40Torr或更低、30Torr或更低、20Torr或更低)。

在一些实施例中，压力调节子系统120将质谱仪100的某些部件中的气压保持在上述范围内。例如，压力调节子系统120可以将离子源102和 /或离子阱104和/或检测器118中的气压保持在100mTorr与100Torr之间 (例如，在100mTorr与10Torr之间，在200mTorr与10Torr之间，在 500mTorr与10Torr之间，在500mTorr与50Torr之间，在500mTorr与100Torr之间)。在某些实施例中，在离子源102、离子阱104和检测器子系统119中的至少两个中的气压是相同的。在一些实施例中，在所有三个部件中的气压是相同的。

在某些实施例中，在离子源102、离子阱104和检测器119中的至少两个中的气压相差相对少量。例如，压力调节子系统120可以将离子源102、离子阱104和检测器子系统119中的至少两个中的气压保持相差100mTorr 或更少(例如，50mTorr或更少、40mTorr或更少、30mTorr或更少、20mTorr 或更少、10mTorr或更少、5mTorr或更少、1mTorr或更少)。在一些实施例中，在离子源102、离子阱104和检测器118的所有三个中的气压相差 100mTorr或更少(例如，50mTorr或更少、40mTorr或更少、30mTorr 或更少、20mTorr或更少、10mTorr或更少、5mTorr或更少、1mTorr或更少)。

压力调节子系统120可以包括涡旋泵，该涡旋泵具有泵容器，泵容器带有一个或更多个交错涡旋法兰。涡旋法兰之间的相对轨道运动捕获气体和液体，导致泵送活动，以保持前述段落中描述的气压。在某些实施例中，一个涡旋法兰可以被固定，而其他涡旋法兰偏心地按轨道运动，伴有旋转或不旋转。在某些实施例中，两个涡旋法兰偏离旋转中心移动。涡旋法兰的轨道运动允许涡旋泵在操作期间只生成非常小幅度的振动和低噪音。因此，涡旋泵可以直接耦接到离子阱104，而在质谱测量期间没有引入实质的不利影响。因为涡旋泵具有少量的运动零件并只生成很小幅度的振动，所以此类泵的可靠性一般来说非常高。

与典型的常规的质谱仪相反，单机械泵(诸如，涡旋泵)可以用在本文公开的质谱仪中，以控制系统的部件的每个中的气压。通过在相对低旋转频率处操作机械泵，将振动机械耦合到质谱仪的其他部件中可以被实质上减少或消除。此外，通过在低旋转频率处操作，泵消耗的功率量小到其恰当要求可以由电压源106满足。

根据经验确定在一些实施例中，通过在小于每分钟6000循环(例如，小于每分钟5000循环、小于每分钟4000循环、小于每分钟3000循环、小于每分钟2000循环)的频率处操作单机械泵，该泵能够保持质谱仪100 内的期望气压，并且与此同时，其功耗要求可以由电压源106满足。

壳体

质谱仪100包括壳体122，其封闭质谱仪的部件。图10示出壳体122 的实施例的示意图。样品入口124被集成到壳体122内并被配置成将气体粒子引入气路128中。被集成到壳体122中的还有显示器116和用户界面 112。

在一些实施例中，显示器116是无源或有源液晶或发光二极管(LED) 显示器。在某些实施例中，显示器116是触摸屏显示器。控制器108连接到显示器116，并且可以使用显示器116向质谱仪100的用户显示各种信息。被显示的信息可以包括例如关于被质谱仪100扫描的一种或更多种物质的身份的信息。该信息还可以包括质谱(例如，根据质荷比由检测器118 检测到的离子丰度的测量值)。另外，被显示的信息可以包括用于质谱仪 100的操作参数和信息(例如，测量的离子电流、施加到质谱仪100的各种部件的电压、与安装在质谱仪100中的当前模块相关联的名称和/或身份、与通过质谱仪100鉴定的物质相关联的警告、以及所定义的对于质谱仪100的操作的用户偏好)。信息(诸如所定义的用户偏好和操作设定)可以被存储在储存单元114中并由控制器108检索以用于显示。

在一些实施例中，用户界面112包括集成到壳体122中的一系列控件。可以由质谱仪100的用户激活的控件可以包括按钮、滑块、摇杆、开关和其他类似的控件。通过激活用户界面112的控件，质谱仪100的用户可以启用各种功能。例如，在一些实施例中，控件中的一个控件的激活启用了由质谱仪100进行扫描，在此期间，质谱仪通过样品入口124吸入样品(例如，气体粒子)，从气体粒子生成离子，并随后使用离子阱104和检测器子系统119捕获并分析离子。在某些实施例中，在执行新扫描之前，控件中的一个控件的激活复位质谱仪100。在一些实施例中，质谱仪100包括当被用户激活时重新启动质谱仪100的控件(例如，在改变质谱仪100的部件的一个之后，诸如连接到样品入口124的过滤器和/或模块)。

当显示器116是触摸屏显示器时，用户界面112的一部分或甚至全部可以被实施为显示器116上的一系列触摸屏控件。也就是说，用户界面112 的控件的一些或全部可以被表示为用户能够通过用手指接触显示器116激活的显示器116的触敏区。

在一些实施例中，质谱仪100可以包括耦接到控制器108的极限传感器1008。极限传感器1008检测质谱仪周围环境中的气体粒子，并向控制器108报告气体浓度。在某些实施例中，质谱仪100可以包括爆炸危险传感器1010。连接到控制器108的爆炸危险传感器1010检测质谱仪100附近爆炸物质的存在。

壳体122通常被成形使得用户能使用任一只手或两只手舒适操作。一般来说，壳体122可以具有各种各样的不同形状。然而，由于本文公开的质谱仪100的部件的选择和集成，壳体122通常是紧凑的。如图10所示，不管整体形状如何，壳体122具有对应于壳体外表面上任意两点间的最长直线距离的最大尺寸a₁。在某些实施例中，a₁是35cm或更少(例如，30cm或更少、25cm或更少、20cm或更少、15cm或更少、10cm或更少、8cm 或更少、6cm或更少、4cm或更少)。

另外，由于质谱仪100内的部件的选择，质谱仪100的整体重量相对于常规质谱仪明显下降。在某些实施例中，例如，质谱仪100的总重量是 4.5kg或更少(例如，4.0kg或更少、3.0kg或更少、2.0kg或更少、1.5kg 或更少、1.0kg或更少、0.5kg或更少)。

操作模式

一般来说，质谱仪100根据各种不同的操作模式来操作。图11是显示以不同操作模式执行以扫描和分析样品粒子的步骤顺序的流程图1200。在步骤1210中，从样品粒子中生成带正电的和带负电的粒子。控制器108 将电子信号施加于离子源。根据离子源102的电离模式，由离子源102生成的离子可以是正离子或负离子(或两者)。一般来说，控制器108可以基于离子源的电离模式的改变而调节施加到检测器元件的电压。

在一些实施例中，通过离子源102生成的电子和/或离子可以与中性样品粒子碰撞，以生成将要分析的离子粒子。样品粒子的电离可发生在离子源102中或离子阱104中。样品粒子可以从与正离子的碰撞中生成带正电的粒子、带负电的粒子或两者。样品粒子可以从与负离子的碰撞中生成带正电的粒子、带负电的粒子或两者。如前述部分所述，带正电的和带负电的粒子在离子阱104内被捕获。

在步骤1220中，控制器108向离子阱104施加电信号，以喷射多个粒子，其中粒子包括在带正电的和/或带负电的粒子中的至少一些粒子。在一些实施例中，粒子通过离子阱104的电极的共同的孔喷射。在某些实施例中，如上所述，离子阱104的电极具有电极阵列，粒子通过电极阵列喷射。离子阱104可以在两侧具有电极，并且粒子可以通过离子阱104两侧的孔喷射。

在步骤1230中，控制器108向检测器子系统119的检测器元件施加电压。此外，控制器108可以将基准电压施加到离子阱104的电极。通过向检测器元件选择性地施加大于或小于基准电压的电压，控制器108控制哪些检测器元件接收带正电的粒子以及哪些检测器元件接收带负电的粒子。例如，控制器108可以将第一电压施加到多个检测器元件的第一子集，使得多个检测器元件的第一子集从离子阱104接收带正电的粒子中的至少一些粒子，并生成第一电信号。控制器108还可以将第二电压施加到多个检测器元件的第二子集，使得元件的第二子集从离子阱104接收带负电的粒子中的至少一些粒子，并生成第二电信号。

在步骤1240中，控制器108可以使用第一和第二电信号来确定关于样品粒子的信息。在某些实施例中，信息可以包括第一和第二电信号的峰值幅度和/或峰值数量。例如，根据施加到离子阱的中心电极302的RF电压的振幅可以测量第一和第二电信号。因此，电信号可以根据前述部分描述的质荷比来指示带电粒子的丰度，并提供检测到的带电粒子的质谱。

附加的系统特征和操作方法(包括用于使感兴趣的某些样品的电离模式变化的方法、用于在数据采集期间修改各种系统参数的方法以及用于确定关于样品的信息的方法)在例如2014年5月2日提交的美国专利申请第14/268,544号(现在是美国专利第8,816,272号)中公开，其全部内容通过引用并入本文。

当进行正电离或负电离时，一些样品粒子类似地分裂。示例包括含有共轭芳族环体系的分子，如苯、萘和蒽。因为对应于样品粒子的正离子或负离子的质谱信息的检测可以用于鉴定，所以本文公开的系统和方法可以提高检测这种样品的效率。

一些样品粒子生成具有相当明显的相关联的质谱信息的正离子和负离子。作为示例，硝基-芳族爆炸性化合物通常生成具有不同的(并且可区分的(differentiable))质谱的正离子和负离子。因此，对应于样品粒子的正离子和负离子的质谱信息可以作为样品粒子的不同“指纹”，并且两个质谱在鉴定样品粒子时可以相互补充，这增加了所执行的测量的选择性。

在步骤1250中，控制器108可以调节施加到检测器子系统119的检测器元件的电压。调节可以基于在步骤1240中确定的信息。在一些实施例中，例如，控制器108接收并分析第一和第二电信号以生成反馈信号。反馈信号被传送到电压源106，电压源106基于反馈信号将调节后的电压发送到检测器元件。

图12是显示施加到检测器元件的第一和第二子集的示例电压的示意绘图1300。绘图1300仅仅是为了说明的目的而提供的一个示例。更一般地，本文公开的系统可以如以上已描述地被配置为向检测器元件施加各种各样的不同的电压。

在图12中，水平轴线1302对应于时间，并且与施加到离子阱104的中心电极的RF电压的振幅有关。例如，时间可以与振幅线性相关。振幅可以被周期性地调制。垂直轴线1304对应于施加到检测器元件的相应子集的电压。在该示例中，箭头1306指示施加到电极(例如，离子阱104 的电极306)的基准电压，该电极具有带电粒子退出离子阱104所通过的孔。实线1310对应于施加到检测器元件的第一子集的第一电压，短划线 1320对应于施加到检测器元件的第二子集的第二电压。第一电压小于基准电压，因此元件的第一子集接收带正电的粒子。第二电压高于基准电压，因此元件的第二子集接收带负电的粒子。

对于第一时间间隔1330，同时施加第一电压和第二电压。因此，元件的第一子集可以接收带正电的粒子，并且元件的第二子集可以在该共同时间期间接收带负电的粒子。随后，对于第二时间间隔1332，未将电压施加到检测器元件的第一和第二子集。第二间隔1332可以例如对应于在其期间不需要收集带电粒子的时间段，例如当控制器108正在实施其他过程(例如，分析所获取的数据和/或改变系统的操作配置)的时候。因为未将电压施加到元件的第一和第二子集，所以在间隔1332期间，系统的功耗通常降低。

接下来，在间隔1334期间，将第一和第二电压分别顺序地和反复地施加到检测器元件的第一和第二子集。在一些实施例中，当控制器108顺序地检测和分析仅一个符号的带电粒子(例如，无论哪种类型的带电粒子更丰富)时，可以使用该过程。在某些实施例中，样品粒子的类型随时间而改变。因此，可随时间依次交替地施加第一和第二电压，直到控制器108 为样品确定优选的电离模式(或多种电离模式)为止。用于使电离模式变化并且确定优选的电离模式的方法公开在例如美国专利第8,816,272号中。在图12中显示的示例中，施加第一和第二电势的持续时间相同，并且一次一个地施加电势。然而，更一般地，可以在不相等的时间间隔施加电势，并且可以在重叠的时间间隔期间施加电势。另外，在样品分析期间，将第一和第二电势施加到检测器元件期间的间隔可以改变。控制器108控制与第一和第二电压相关联的间隔的各种持续时间和相对定时。

接下来，在间隔1336期间，在间隔的第一部分期间仅将第二电压施加到检测器元件的第二子集，随后在间隔的第二部分期间仅将第一电压施加到检测器元件的第一子集。间隔1336的第一和第二部分重叠，使得在该重叠时段期间，施加第一和第二电压。因此，在间隔1336期间的不同时间处，检测器元件仅接收带正电的粒子、仅接收带负电的粒子、或接收带正电的和带负电的粒子。

绘图1300是显示控制器108可以随着时间以灵活方式将电压施加到检测器元件的示例。对所施加的电压进行调节可以基于由控制器108确定的各种不同类型的信息，包括关于不同带电粒子的丰度的信息。

图13是显示由检测器子系统119测量的第一电信号1410和第二电信号1412的一系列示意绘图1400和1450。水平轴线1402对应于测量时间，垂直轴线1404对应于以伏特为单位的信号振幅。该时间与施加到中心电极302的RF电压的振幅和所生成的离子的质荷比相关。电压阈值1406确定测量的信号是否高于噪声电平。例如，只有高于电压阈值1406的信号才被认为对应于带电粒子的可靠检测。

一般来说，在第一测量电信号1410和第二测量电信号1412中的峰值与在特定时间处接收的带电粒子的丰度相关。然而，噪音可以引起假峰值。在该示例中，控制器108识别高于电压阈值1406的峰值1420、1422、1424、 1426和1428和峰值1430、1432、1434、1436和1438。峰值1420、1424 和1432接近电压阈值1406。确定这种峰值是真正对应于来自样品的带电粒子还是反而由于测量噪声，可以改善测量的精度。

在一些实施例中，在振幅方面与电压阈值1406足够接近(例如，在电压阈值1406的10％或以下、5％或以下、3％或以下之内)的一个测量的信号(例如，绘图1400)中的峰值(例如，峰值1420和1424)可以与在对应时间处的其他测量信号(例如，绘图1450)的一部分进行比较，以确定峰值是否代表带电粒子的真正极检测。例如，参考图13，因为绘图1400 中的峰值1432在图1450中不具有在相同时间处的对应的峰值，所以可以将峰值1420识别为对带电粒子进行的真实检测。另一方面，峰值1424在图1450中具有在相同时间处的对应峰值1432，这表明在测量期间的共同噪声可以引起这两个峰值，并且这两个峰值可以被丢弃。在某些实施例中，控制器108可以被配置成将电信号1410和1412进行比较，以确定哪些峰值对应于对带电粒子的真实检测，以及哪些峰值对应于测量噪声并且可以被消除。比较可以包括例如计算电信号之间的相关性。

通常，控制器108可以用于调节施加到各个检测器元件的电压，以便重新配置多个检测器元件的子集。再次参考图7C，检测器子系统119包括接收带正电的粒子的检测器元件750的第一子集和接收带负电的粒子的检测器元件752的第二子集。控制器108可以调节施加到这些子集中的任何检测器元件的电压。例如，在子集750内的九个电极成员中，三个电极可以使其电压增加到高于离子阱104的基准电压，使得三个电极变成第二子集752的成员。作为另一示例，通过将第二子集752的某些成员所施加的电压降低到低于基准电压，可以将第二子集752的某些成员改变为第一子集的成员。因此，可以灵活地改变给定子集内的检测器元件的数量。

控制器108还被配置为基于从由元件测量的电信号确定的信息来调节施加到检测器元件的电压。例如，如果测量的电信号指示带正电的粒子更丰富，则控制器108可以调节施加到检测器元件的电压，使得更大数量的检测器元件收集带正电的粒子。另一方面，如果电信号指示带负电的粒子将会更丰富，则控制器108可以调节施加到检测器元件的电压，使得更大数量的检测器元件收集带负电的粒子。

在一些实施例中，相对较不丰富的带电粒子可提供更有用的信息，例如，可用于鉴定样品粒子的组成的信息。因此，控制器108可以调节电压，使得更大数量的检测器元件收集被确定为不太丰富的带电粒子，这可以增加检测到较不丰富带电粒子的灵敏度。

在某些实施例中，控制器108可以基于包括测量的电信号中的峰值幅度和/或峰值数量的信息而生成反馈信号。例如，参考图13，为了说明的目的，信号1410对应于带正电的离子的检测，而信号1412对应于带负电的离子的检测。

信号1410在峰值1422的时间位置处的振幅明显高于信号1412在该相同时间处的振幅，这表明在该时间处，带正电的离子的丰度明显高于带负电的离子的丰度。测量这个信号振幅差的控制器108可以向电压源106 发送反馈信号以改变施加到检测器元件的电压，使得更多的元件被配置为检测带正电的粒子，因为这种粒子相对更丰富。相反，在其他时间处(例如，在峰值1438的时间位置处)，当基于信号1410和1420之间的振幅差而带负电的粒子相对更丰富时，控制器108可以向电压源106发送反馈信号，以改变施加到检测器元件的电压，使得更多元件被配置为检测带负电的粒子。改变施加到检测器元件的电压有效地改变了这些元件到不同的子集中的分组。控制器108对检测器子系统进行的这种动态重新配置可以是有利的，例如，检测子系统119的检测模式可以与离子源102的电离模式匹配。

绘图1400和1450显示了在第一电信号1410和第二电信号1412中相同数量的峰值。然而，更一般地，这两个信号中的峰值数量可以相同或不同。一个信号中的更大数量的峰值可以指示对应的带电粒子更丰富和/或可以提供更丰富的信息以用于鉴定带电粒子的组成。因此，控制器108可以被配置为增加检测器元件的数量，其收集对应于具有更大数量的峰值的电信号的带电粒子。

在一些实施例中，可以调节施加到检测器元件的电压的振幅，以导致使带电粒子的动能变化。例如，当正在收集具有低动能的带正电的粒子和 /或带负电的粒子时，因为在离子阱和检测器子系统之间的相同距离上，通过相同电势使具有较小动能的带电粒子偏转的程度比具有较大动能的带电粒子更大，所以可以将具有较小振幅的电压施加到检测器元件。降低所施加的电压的振幅降低了系统的功耗，这是对于紧凑的手持式质谱测定系统的重要考虑因素。控制器108可以使用关于检测到的粒子的动能的信息来动态地调节施加电势的振幅。

在一些实施例中，还可以使用一个或更多个额外的离子光学元件将正离子和负离子引导到对应的检测器以进行分析。例如，参考图5C，在一些实施例中，本文公开的系统包括可选的透镜581。通过向透镜581施加合适的电压，可以阻止在样品粒子的电离期间产生的冲击离子到达检测器 510和520。此外，透镜581可以通过向透镜施加不同的电压来将用于分析的离子引导到检测器510和520。

一般来说，本文公开的系统可以包括一个或更多个透镜581。透镜可以由各种导电材料形成，包括铝、铜和不锈钢，并且在这种透镜中形成的孔(例如，离子穿过的孔)可以具有各种不同的截面形状，包括圆形、椭圆形、正方形、矩形以及其他规则的或不规则的几何形状。

硬件、软件和电子处理

本文公开的方法步骤、特征和/或属性中的任一个可以由控制器108(例如，控制器108的电子处理器110)和/或基于标准编程技术执行程序的一个或更多个附加电子处理器(诸如计算机或预编程集成电路)来执行。这种程序被设计成在可编程计算设备或经专门设计的集成电路上执行，每个设备可选地包括处理器、数据储存系统(包括存储器和/或储存元件)、至少一个输入装置和至少一个输出装置，诸如显示器。程序代码被应用到输入数据以执行功能并生成应用于一个或更多个输出装置的输出信息。每个这种计算机程序可以以高级程序或面向对象编程语言或汇编或机器语言来实施。此外，语言可以是编译或解译语言。每个这种计算机程序可以被储存在计算机可读存储介质(例如，光存储介质、磁存储介质、永久固态存储介质)上，当程序由计算机读取时，可以使处理器执行分析并控制本文描述的功能。

示例

图14是显示电极示例的一系列图像1500和1550。图像1500显示了具有不同长度的五个狭缝形状的孔1502的离子阱的电极306。离子阱的其它电极304和302可以具有类似的狭缝形状的孔。离子阱是通过堆叠电极 302、304和306形成的。图像1550显示了具有不同长度的六个电极1552 的检测器子系统119。当组装时，检测器子系统119以以上结合图6B所公开的方式对准电极306。

图15是显示用于检测器子系统的各种示例的离子收集效率的仿真结果的表格1600。为了仿真，使用1Torr压力下的～4eV玻尔兹曼离子能量分布。假设电极的偏置电压为+50V至-50V，并且孔到电极的距离为0.94-1 mm。离子收集效率对应于由检测器子系统119检测到的初始离子能量分布中的离子的分数。如表格所示，包括交替偏置以检测正离子和负离子的一系列同心环电极的检测器子系统119在仿真的四种配置中提供了最高的离子收集效率。

本文公开的方法和系统可以用于由没有专门训练的人员对物质进行移动扫描。例如，应用包括运输枢纽(诸如，机场和火车站)的现场安全扫描。这种应用受益于质谱仪、其是紧凑的、需要相对低的操作功率并且提供由未经高级训练的人员容易理解的信息。本文公开的系统还可以在实验室中使用，以提供对于未知化学化合物的快速表征。由于其低成本和小占用空间，实验室可以向工人提供私人质谱仪，减少或消除在集中式质谱设施所需要的规划分析时间。额外的应用包括在临床环境中和个体患者的住宅中的医疗诊断测试。执行这种测试的技术员可以容易地理解由此类质谱仪提供的信息，以向患者实时提供反馈，并且也向医疗设施、医师和其他医疗保健提供商快速更新信息。

一般来说，根据样品的性质，所公开的系统可以以各种检测模式操作，以收集带正电的粒子、带负电的粒子或两者。在各种检测模式下操作的灵活性可以通过确定关于正在分析的样品的信息并调节检测模式来降低数据采集时间，同时增加灵敏度和/或选择性。可以将质谱仪用于向用户提供各种信息，包括对由质谱仪扫描的化学物质的鉴定和/或相关联的背景信息，包括有关物质属于的类别的信息(例如，酸、碱、强氧化剂、爆炸物、硝基化合物)、与该物质相关联的危害有关的信息以及安全说明和/或信息。

该质谱仪在比常规质谱仪更高的内部气压下操作。通过在高压力下操作，相对于常规的质谱仪，质谱仪的尺寸和功耗明显下降。而且，即使质谱仪在更高压力下操作，质谱仪的分辨率也足以允许对各种化学物质进行准确鉴定和量化。

其他实施例

虽然本公开包含很多具体实施细节，但这些不应该理解为是对本公开的范围的限制，而应该理解为是对具体实施例特定的特征的描述。在单独的实施例的背景下，本公开中描述的特征一般来说也可在其他实施例中结合实施。反之，在单个实施例的背景下所描述的各种特征也可在多个实施例中单独地实施或以任何合适的子组合来实施。此外，虽然特征可在以上被描述作为作用在特定组合中并且甚至最初按此要求保护，但是来自所要求保护的组合中的一个或更多个特征一般来说可以从组合中去除，并且所要求保护的组合可针对子组合或子组合的变型。

除了本文公开的实施例之外，其他实施例也在本公开的范围内。

Claims (32)

1.一种质谱测定系统，包括：

离子源；

离子阱；

检测器子系统，所述检测器子系统包括多个检测器元件；以及

控制器，所述控制器电连接到所述离子源、所述离子阱和所述检测器子系统，并且所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，所述控制器：

将电信号施加到所述离子源，以从所述系统中的样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；

将电信号施加到所述离子阱，以通过所述离子阱的共同的孔从所述离子阱中喷射多个粒子，其中，所喷射的多个粒子包括所述带正电的粒子中的至少一些和所述带负电的粒子中的至少一些；

将第一电压施加到所述多个检测器元件的第一子集，使得所述多个检测器元件的所述第一子集接收所喷射的带正电的粒子中的至少一些，并生成第一电信号；

将第二电压施加到所述多个检测器元件的第二子集，使得所述多个检测器元件的所述第二子集接收所喷射的带负电的粒子中的至少一些，并生成第二电信号；

基于所述第一电信号和所述第二电信号，确定关于所述样品粒子的信息；以及

基于所确定的信息来调节施加到所述多个检测器元件中的不同成员的电压，以改变被包括在所述第一子集、所述第二子集、或在所述第一子集和所述第二子集两者中的成员。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为使得在所述系统的操作期间，所述控制器通过比较在对应于所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个电信号的峰值的共同检测时间处的所述第一电信号和所述第二电信号的振幅，确定所述峰值是否对应于检测到的带电粒子。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，如果所述第二电信号在所述共同检测时间处不包括对应的峰值，则所述控制器确定所述峰值对应于检测到的带电粒子。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制器被配置为使得在所述系统的操作期间，对于在所述第一电信号和所述第二电信号中的每个峰值，所述控制器通过比较在对应于所述峰值的共同检测时间处的所述第一电信号和所述第二电信号的振幅，确定所述峰值是否对应于检测到的带电粒子。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，对于被确定为对应于检测到的带电粒子的每个峰值：

如果所述峰值对应于带正电的粒子，则所述控制器将所述第一电压施加到所述多个检测器元件的所述第二子集中的至少一个成员，以增加所述多个检测器元件的所述第一子集中的元件数量；以及

如果所述峰值对应于带负电的粒子，则所述控制器将所述第二电压施加到所述多个检测器元件的所述第一子集中的至少一个成员，以增加所述多个检测器元件的所述第二子集中的元件的数量。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，当在所述第一电信号中检测到峰值，而在所述第二电信号中未检测到对应的峰值时，所述控制器将所述第一电压施加到所述多个检测器元件的所述第二子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第一子集中的元件的数量。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，当在所述第二电信号中检测到峰值，而在所述第一电信号中未检测到对应的峰值时，所述控制器将所述第二电压施加到所述多个检测器元件的所述第一子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第二子集中的元件的数量。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，所述控制器将在所述第一电信号和所述第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在所述第一电信号和所述第二电信号中的峰值。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，所述控制器：

将在所述第一电信号和所述第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在所述第一电信号和所述第二电信号中的峰值；

确定在所述第一电信号和所述第二电信号中的每一个电信号中的峰值的数量；

如果在所述第一电信号中的峰值的数量大于在所述第二电信号中的峰值的数量，则将所述第一电压施加到所述多个检测器元件的所述第二子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第一子集中的元件的数量；以及

如果在所述第二电信号中的峰值的数量大于在所述第一电信号中的峰值的数量，则将所述第二电压施加到所述多个检测器元件的所述第一子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第二子集中的元件的数量。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，所述控制器基于所述离子源的电离模式，调节施加到所述多个检测器元件中的不同成员的电压。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个检测器元件包括电极条的阵列。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个检测器元件包括多个同心环电极。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个检测器元件包括检测器元件的矩形阵列。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个检测器元件包括检测器元件的六边形阵列。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，所述控制器将所述第一电压和所述第二电压同时施加到所述检测器元件。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置成使得在所述系统的操作期间，所述控制器向所述离子阱施加电信号，以将所述带正电的粒子和所述带负电的粒子限定在所述离子阱内的三维空间中0.1毫秒的最小平均捕获时间。

17.一种用于质谱测定的方法，包括：

将电信号施加到离子源，以从样品粒子中生成带正电的粒子和带负电的粒子；

将电信号施加到离子阱，以从所述离子阱喷射多个粒子，其中，所喷射的粒子包括所述带正电的粒子和所述带负电的粒子中的至少一些；

将电压施加到包括多个检测器元件的检测器子系统，其中，施加所述电压包括：

将第一电压施加到所述多个检测器元件的第一子集，使得所述多个检测器元件的所述第一子集接收所喷射的带正电的粒子中的至少一些，并生成第一电信号；

将第二电压施加到所述多个检测器元件的第二子集，使得所述多个检测器元件的所述第二子集接收所喷射的带负电的粒子中的至少一些，并生成第二电信号；基于所述第一电信号和所述第二电信号，确定关于所述样品粒子的信息；以及

基于所确定的信息来调节施加到所述多个检测器元件中的不同成员的电压，以改变被包括在所述第一子集、所述第二子集、或在所述第一子集和所述第二子集两者中的成员。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括通过比较在对应于在所述第一电信号和所述第二电信号中的至少一个电信号的峰值的共同检测时间处的所述第一电信号和所述第二电信号的振幅，确定所述峰值是否对应于检测到的带电粒子。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括如果所述第二电信号在所述共同检测时间处不包括对应的峰值，则确定所述峰值对应于检测到的带电粒子。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括对于在所述第一电信号和所述第二电信号中的每个峰值，通过比较在对应于所述峰值的共同检测时间处的所述第一电信号和所述第二电信号的振幅，确定所述峰值是否对应于检测到的带电粒子。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括，对于被确定为对应于检测到的带电粒子的每个峰值：

如果所述峰值对应于带正电的粒子，则将所述第一电压施加到所述多个检测器元件的所述第二子集中的至少一个成员，以增加所述多个检测器元件的所述第一子集中的元件的数量；以及

如果所述峰值对应于带负电的粒子，则将所述第二电压施加到所述多个检测器元件的所述第一子集中的至少一个成员，以增加所述多个检测器元件的所述第二子集中的元件的数量。

22.根据权利要求17所述的方法，还包括：当在所述第一电信号中检测到峰值，而在所述第二电信号中未检测到对应的峰值时，将所述第一电压施加到所述多个检测器元件的所述第二子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第一子集中的元件的数量。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括：当在所述第二电信号中检测到峰值，而在所述第一电信号中未检测到对应的峰值时，将所述第二电压施加到所述多个检测器元件的所述第一子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第二子集中的元件的数量。

24.根据权利要求23所述的方法，还包括将在所述第一电信号和所述第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在所述第一电信号和所述第二电信号中的峰值。

25.根据权利要求17所述的方法，还包括：

将在所述第一电信号和所述第二电信号中的每一个电信号的振幅与阈值进行比较，以检测在所述第一电信号和所述第二电信号中的峰值；

确定在所述第一电信号和所述第二电信号中的每一个电信号中的峰值的数量；

如果在所述第一电信号中的峰值的数量大于在所述第二电信号中的峰值的数量，则将所述第一电压施加到所述多个检测器元件的所述第二子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第一子集中的元件的数量；以及

如果在所述第二电信号中的峰值的数量大于在所述第一电信号中的峰值的数量，则将所述第二电压施加到所述多个检测器元件的所述第一子集中的至少一个成员，以增加在所述多个检测器元件的所述第二子集中的元件的数量。

26.根据权利要求17所述的方法，还包括基于所述离子源的电离模式，调节施加到所述多个检测器元件中的不同成员的电压。

27.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个检测器元件包括电极条的阵列。

28.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个检测器元件包括多个同心环电极。

29.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个检测器元件包括检测器元件的矩形阵列。

30.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个检测器元件包括检测器元件的六边形阵列。

31.根据权利要求17所述的方法，还包括将所述第一电压和所述第二电压同时施加到所述检测器元件。

32.根据权利要求17所述的方法，还包括向所述离子阱施加电信号，以将所述带正电的粒子和所述带负电的粒子限定在所述离子阱内的三维空间中0.1毫秒的最小平均捕获时间。

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