CN107017150B - 四极杆质谱仪 - Google Patents

Abstract

在质谱分析中，离子光学装置将接收到的离子束处理成输出离子束，所述输出离子束在输出方向上行进，并在垂直于所述输出方向的平面中具有空间分布，所述输出方向在所述平面的一个维度中相对于所述平面的另一维度进行延长，并由此界定延长轴。四极杆离子光学装置包括第一和第二对相对的延长电极，所述延长电极接收沿着所述输出方向行进的所述输出离子束，并在垂直于所述第一和第二对相对的延长电极的延长方向的平面中界定接受轴线。所述接受轴线是其上达到离子对所述四极杆离子光学装置的最大接受性的轴线。所述第一和第二对相对的延长电极大体上定向成匹配所述接受轴线与由所述空间分布界定的所述延长轴。

Description

四极杆质谱仪

技术领域

本发明关于一种质谱仪，其包括四极杆离子光学装置(例如，四极杆离子阱或存储装置)，并且特别地，关于一种三重四极杆质谱仪。还考虑一种对应的质谱分析方法。

背景技术

使用四极杆离子光学装置的质谱仪是众所周知的。此类仪器的特定实例是三重四极杆质谱仪，其通常用于串联质谱分析。这包括：第一质量选择四极杆装置，Q1；充当碰撞池并用于离子断裂的第二四极杆装置，Q2；以及第三质量分辨四极杆质量分析器，Q3。这种类型的仪器的许多实例是已知的，如由赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific,Inc)制造的TSQ 8000(RTM)或TSQ量子(RTM)。有时提供另一四极杆装置Q0用作基本的滤质器、离子导向器或断裂池。这可准许MSⁿ操作。

每一四极杆装置包括四个平行杆，它们被布置成相对的两对电极。一般来说，杆电极对具有施加到它们的射频(RF)电压和任选地DC电压的相反相位。质量选择四极杆一般具有施加到电极的RF和DC，而充当碰撞池或离子导向器的四极杆通常仅施加有RF。然而，某些四极杆装置可仅具有施加到它们的静电电压，举例来说，以用于波束成形或静电透镜阵列。杆可具有圆形、椭圆或双曲线的横截面。替代地，在被称作平杆(flatapole)或方形四极杆的配置中，杆可具有矩形横截面，并被称作平杆电极。平杆电极可具有斜切的或笔直的边缘。在所有情况下，杆是经延长的，并且离子沿着杆延长的方向行进。通常，一个四极杆装置中的杆在垂直于离子行进方向的平面中以与另一四极杆装置的那些杆相同的方式定向。

但是存在其中杆的相对定向已经变化的仪器的实例。例如，在TSQ量子(RTM)仪器中，杆在Q1和Q3装置中的相对定向是相同的，但相对于曲面的Q2碰撞池旋转了45度。尽管已经考虑到此类旋转改变，但它们已基于实验试错法。此外，没有确定最佳方法，也没有识别出此类优化的基本原理。因此，通过设置杆在四极杆离子光学装置中的相对定向来改进质谱仪的性能在可靠性方面还是不可能的。

发明内容

针对这个背景技术，提供根据权利要求1的质谱仪和符合权利要求34的质谱分析的方法。权利要求中界定其它优选的、任选的以及有利的特征。

四极杆装置上游的离子光学装置使离子的空间(可包含角度)分布变得不对称。具体来说，空间分布通常沿着轴线延长，例如：如果空间分布的范围变成椭圆形，那么它可沿着椭圆的长轴延长；以及如果空间分布的范围变成矩形(通常具有弧形拐角)，那么它可沿着矩形的一个对角线(或多个对角线)或沿着矩形的长轴延长。四极杆装置具有接受轴线，沿着所述接收轴线达到离子的最大接受性。例如，对于施加有负DC电位的第一对相对杆和施加有正DC电位的第二对相对杆的四极杆装置来说，接受轴线可界定在第一对相对杆之间。在另一实例中，四极杆装置可具有平的延长的电极，并且接受轴线可由两个电极之间的间隙和另外两个电极之间的相对的间隙界定，(具体来说，所述接受轴线在这些间隙的中心之间)。通过匹配接受轴线和延长的空间分布轴，明显改进了离子对四极杆装置的接受性。

在替代的或者额外的意义上，可考虑特定情境。离子光学装置可产生离子束的明显偏转，这使得离子束的空间分布从对称变成不对称(如上文所论述)。例如，大于45度的偏转，特别地，大约90度的偏转可导致此类改变。另外地或可替代地，不精确或不正确的机械或电子调整可使离子束在某种程度上离轴，或具有相对于理想情况略微倾斜的主轴线，还会导致不对称的空间分布。

离子光学装置还可包括四极杆(举例来说，弯曲的四极杆装置)，并且四极杆装置的杆可定向成相对于离子光学装置的四极杆旋转一个角度。这个角度可为约45度，或在30度和60度之间，并在一些实施例中，在35度和55度之间。如果离子束的空间分布的范围更接近椭圆形，那么45度的角度可更为恰当，并且如果离子束的空间分布的范围更接近矩形，那么不同的角度(不同于45度的大约10度到15度)可更为合适。

本发明的益处可包含在四极杆离子光学装置的输出处，特别地，在波峰的较低质量侧(所谓的“左”侧)处的更佳的传递和更佳的波峰形状。这可允许使用较短的四极杆离子光学装置来实现相同的性能和/或为机械不耐受性提供改进的稳定性。

在正上方论述的情况中，四极杆装置可为质谱仪的Q1装置。另外地或可替代地，四极杆装置可在质谱仪的Q1装置的下游，如Q2或Q3装置。随后，四极杆装置的杆可定向成相对于紧靠着上游的四极杆装置的四极杆旋转一个角度，所述角度(例如)具有上文所论述的值或范围。举例来说，Q2装置可相对于Q1装置旋转，Q3装置可相对于Q2装置旋转。

附图说明

本发明可以通过多种方式实践并且现将仅借助于实例且参考附图来描述优选实施例，在附图中：

图1描绘可根据本发明操作的ICP质谱仪的示意性实施例；

图2A绘示在垂直于杆延长方向的平面中的已知的四极杆装置的杆的横截面；

图2B绘示在垂直于杆延长方向的平面中的符合本发明的四极杆装置的杆的横截面，其示出了杆相比于图2A的旋转；

图3展示根据图2B的离子到四极杆装置中、穿过四极杆装置和离开四极杆装置的模拟移动；

图4描绘用于图3的模拟的离子相对于质量的传递和损耗；

图5绘示在图3的模拟中用于在到四极杆装置的入口处的具有特定质量的离子的实例空间分布；

图6A到6D绘示在图3的模拟中用于在到四极杆装置的入口处的具有不同特定质量的离子的其它实例空间分布；

图7绘示在图3的模拟中用于在到四极杆装置的出口处的具有特定质量的离子的实例空间分布；

图8绘示在垂直于杆延长方向的平面中符合本发明的具有平杆电极的四极杆装置的杆的横截面，其中反应池示出了相比于图2B的杆的旋转；以及

图9以三维视图展示基于图1的配置的根据实施例的三个四极杆装置的示意图。

具体实施方式

首先参看图1，描绘了ICP质谱仪的示意性实施例，其包括：离子源10，其在这个实施例中确切地说，为ICP炬；采样器锥体20；撇渣器锥体30；离子光学装置40；第一四极杆(Q1)滤质器50；四极杆碰撞/反应池(Q2)60；差异抽吸孔口70；第二四极杆(Q3)滤质器80；以及离子检测器90。Q3滤质器80可视为质量分析仪或质量分析仪的一部分。还示出了方向性基础轴线(‘x’和‘z’)，特别地为了参考所示出的装置的定向。第三基础轴线(‘y’)处于与x和z基础轴线两者正交的方向(换句话说，从页面中出来)。

在这个优选实施例中，离子在ICP炬10中产生，经由采样器20和撇渣器30引入到真空中，传送穿过(弯曲)离子光学装置40且由Q1四极杆滤质器50选择。应注意，相比于Q2反应池60和Q3滤质器80，Q1滤质器50相对较短，且如此进行示意性地描绘。此外，Q1滤质器50的真空条件不如用于后续级的真空条件苛刻。这个可能是因为较短的Q1滤质器50，并且因此降低这个装置内部离子到分子碰撞的风险。此处，离子光学装置40和Q1滤质器50在大体上相同的压力下操作。选定质量范围的离子传递到四极杆反应池60中，且反应产物经由离子光学装置和差异抽吸孔隙70引导到分析四极杆滤质器Q3 80中并由高动态范围检测器90(例如，SEM)检测。控制器(未示出)操作光谱仪。所述控制器通常包括计算机处理器。计算机程序在由所述处理器执行时实现光谱仪的控制以便根据本发明的方法操作。操作根据这种配置的质谱仪的方法在我们同在申请中的专利申请案GB 1516508.7中进行论述，并且那一申请案的内容以引入的方式并入本文中。

质量分辨四极杆装置(Q1四极杆滤质器50和/或分析四极杆滤质器Q3 80)经常具有预过滤器和/或后过滤器。它们的目的是辅助(且旨在确保)离子从四极杆装置之前的透镜孔口到四极杆中的有效转移(在预过滤器的情况下)或从四极杆装置到透镜孔口和其后方的下游光学装置中的转移(针对后过滤器)。因为这些装置仅仅支持离子转移，所以它们并不改变在本文中论述的，具体地在下文中论述的考虑因素中的任一者。因此，此处它们仅以过渡的形式提及，但是它们可包含于任一实施方案中。

从提取区域(离子源10、采样器锥体20、撇渣器锥体30)出来的离子束具有高度的旋转对称。举例来说，当通过大量测量查看离子束的平均空间分布时，旋转对称至少是可辨的。在机械不准确性的情况下，特定离子束可具有对称性的随机或偶然偏差，而不是系统性偏差。换句话说，这是一种具有优先定向的偏差(举例来说，当通过大量测量进行平均化时)。在此背景下，离子束行进所沿着的轴线是对称轴。离子光学装置40将所提取的离子束偏转90°。偏转的离子束不再具有围绕由离子束的行进方向界定的轴线的旋转对称性。具体来说，如果离子具有能量的宽分布，那么它们的角分布将是不同的，即使这些离子仍然聚焦到同一点(用于Q1滤质器50的进入透镜)。

具体来说，离子光学装置40使离子束在图1绘制的平面中扩散得更加广泛。如果机械不准确性出现，那么可导致更大的角分布或可存在具有优选定向的系统性偏差(举例来说，当通过大量测量进行平均化时)。这个分布的一些具体实例将在下文论述。

参看图2A，示出了在垂直于杆延长方向的平面中的已知四极杆装置的杆的横截面。如对四极杆装置所众所周知的，示出了相对的两对杆。第一对相对的杆电极51具有施加到它们的负DC电位。第二对相对的杆电极52具有施加到它们的正DC电位。出于与图1和后续图式比较的目的，还示出了二维平面中的x和y基础轴线。为了在四极杆装置中导引离子，RF电位通常还施加到杆电极。然而，为简单起见，并未示出这些。

接着参看图2B，示出了在垂直于杆延长方向的平面中的符合本发明的四极杆装置的杆的横截面。类似于图2A，x和y基础轴线以与前图中相同的定向示出。类似地，示出了施加有负DC电位的第一对相对的杆电极51和施加有正DC电位的第二对相对的杆电极52。相比于图2A中所示的杆电极，这些杆电极在二维平面内旋转45°。因此，施加有负DC电位的杆电极51现在与x轴对准。这也是离子束的空间分布(在此背景下，这可包含角分布)的延长所沿着的轴线，如上文所论述。

为了观测此类定向的益处，已根据图2B使用四极杆装置进行模拟。现参看图3，展示离子到此类四极杆装置中、穿过此类四极杆装置和离开此类四极杆装置的模拟移动。示出了基础轴线(‘z’和‘y’)，以与先前的图式进行比较。所述模拟曾应用到正离子的情况中。然而，应立刻了解，通过恰当地改变各种离子光学装置和电极上的极性，本发明同等地应用到负离子的情况中。在这个图式中，假设四极杆装置为Q1滤质器50。在四极杆装置50上游提供入口透镜55，并在四极杆装置50下游提供出口透镜56。还示出了出口透镜56下游的测试平面57。额外示出了模拟的离子路径58，其开始于图式的右侧并向左移动。针对模拟，离子开始为具有均匀的波束密度和直径为1mm的圆形、对称空间分布的平行波束。具体来说，入口透镜55使这个平行波束被转换为具有空间和角分布的波束。

接着参看图4，描绘了用于此模拟的离子相对于质量的传递和损耗的曲线。传递(接受)曲线101示出了通过四极杆装置50传递的离子的比例，损耗曲线102示出了在四极杆装置50的出口处损耗的离子的比例。模拟四极杆装置50标称地设定成接受具有质量240amu的离子。传递曲线101因此示出了波峰内对应于质量位置240的峰值。然而，应注意，质量位置240不位于波峰的中心。实际上，传递曲线101的中心在大致质量238.8amu处。因此，四极杆装置50的校准是高度需要的。离子在波峰的两侧处损耗，如损耗曲线102所示。当四极杆的总体传递接近零时，离子在四极杆装置内或在四极杆装置的开始处被排斥。然而，在峰侧，数个离子在四极杆装置50的出口区域处损耗。

因此值得对在到四极杆装置50的入口处的离子的空间分布进行更详细的研究。接着参看图5，示出了基于模拟结果的在到四极杆装置的入口处传递穿过四极杆的具有标称质量239的离子的实例空间分布。这是根据图2B中所示的x和y轴绘制的。将会提到数个问题。第一，可立即看到在这个平面中离子束的旋转对称性已不存在。离子束已在y方向上进行挤压，并因此在x方向上相对延长。离子似乎在y轴上损耗，所述y轴更接近施加有正DC电位的杆电极52。实际上，离子的空间分布似乎更接近矩形形状。尽管针对经配置以传递某一标称质量的四极杆装置示出了这个空间分布，但是其它模拟示出了改变那一标称接受质量似乎不会影响这个空间分布的形状。

上述分析将传递曲线101的中心视为最高。参看图6A，示出了在图3的模拟中在到四极杆装置的入口处的另一实例空间分布，集中在传递曲线波峰的“左”侧，确切地说，集中在质量235.48amu。同样，示出了在x、y平面中离子的空间分布。此处，沿着x方向的接受比沿着y方向的高得多。同样，模拟结果表明针对所配置的四极杆装置改变接受质量并不改变这个结果。其结果是，将出现在这个接受范围内更定向的波束分布会产生更陡的峰侧和更佳的丰度灵敏度。

接着参看图6B，示出了在图3的模拟中在到四极杆装置的入口处的在质量241.9处的另一实例空间分布。这是在接受曲线波峰的“右侧”上。在本实例中，此情形较不清晰。实际上，在这个质量处，大致维持了空间分布的旋转对称性。

参看图6C，示出了在图3的模拟中在到四极杆装置的入口处的传递离子在质量242amu处的另一实例空间分布。即使在质量稍微改变的情况下，也不再保留旋转对称性，并且x方向上的接受比y方向上的更大。

当四极杆装置的标称接受质量改变成40amu时，观测到了类似结果。然而，当四极杆装置的标称质量经调整以检查在质量8.2amu处的Li峰值时，观测到了不同结果。现参看图6D，示出了在图3的模拟中在到四极杆装置的入口处的离子在Li峰值“右侧”的空间分布。此处，接受似乎青睐y方向。这与中等和较高质量进行对比，其中，在“右”峰侧处的接受类似地定向到“左”峰侧上的接受。在一些情形中，青睐“左”峰侧可更合乎需要，其中可实现对低了1amu的质量的辨别。因此，在低质量处，传递曲线101波峰的“右”侧可能青睐不同配置的事实可能不是显著相关。

基于这些结果，将因此观测到以下各点。针对总体传递，以将施加有正DC电位的杆电极52定向在与由离子光学装置40提供的90°偏转的旋转轴线相同的轴线中的方式定向四极杆装置50是有利的。换句话说，将在四极杆装置中实现离子的最大接受性所沿着的轴线大体上定向成匹配离子的空间分布的延长轴。此定向似乎还改进了传递曲线波峰“左”侧上的全部质量的峰形状侧面，(或者表达为m<M，其中M是四极杆装置的标称接受质量或传递曲线波峰的中心质量)。同等地，定向似乎也改进了传递曲线波峰“右”侧上的至少(或大于)40amu的质量的峰形状(或者，其中m>M)。

如果Q1前面的离子束分布不是或可能不是均质的，那么Q1(或更一般地，任何下游四极杆)应以连接具有负DC电压的杆的线沿着更广的波束分布的方式进行定向。作为这个的特别情况，如果在Q1的前方存在任何偏转或弯曲元件(包含多次弯曲的元件，如‘Z形弯曲’或‘Z形透镜’)，那么Q1应被安置成使得连接具有正DC电压的杆的线平行于弯曲或偏转轴。将Q1定向进一步旋转10度或15度将略微更有利(潜在地鉴于离子束的矩形空间分布，以使得四极杆的接受轴线与矩形分布的对角线重合得更多)。

笼统地说，这可表达为质谱仪，包括：离子光学装置，其经配置以接收离子束并将接收到的离子束处理成输出离子束，以使输出离子束在输出方向上行进且在垂直于输出方向的平面中具有空间分布(其可为角分布)，所述输出方向在平面的一个维度中相对于平面的另一维度进行延长，并由此界定延长轴；以及四极杆离子光学装置，其包括第一和第二对相对的延长电极，所述延长电极经布置以接收沿着输出方向行进的输出离子束。第一和第二对相对的延长电极界定垂直于第一和第二对相对的延长电极的延长方向的平面中(或垂直于输出方向的平面中)的接受轴线。接受轴线可被视为其上达到离子对四极杆离子光学装置的最大接受性的轴线。第一和第二对相对的延长电极实质上定向成匹配接受轴线与由空间分布界定的延长轴。

等效地，可提供质谱分析的一般方法，包括：在离子光学装置处接收离子束；将在离子光学装置处接收到的离子束处理成输出离子束，以使输出离子束在输出方向上行进，并在垂直于输出方向的平面中具有空间分布，所述输出方向在平面的一个维度中相对于平面的另一维度进行延长，并由此界定延长轴；以及在四极杆离子光学装置处接收沿着输出方向行进的输出离子束。四极杆离子光学装置包括第一和第二对相对的延长电极，所述延长电极界定垂直于第一和第二对相对的延长电极的延长方向的平面中(或垂直于输出方向的平面中)的接受轴线。接受轴线是其上达到离子对四极杆离子光学装置的最大接受性的轴线。第一和第二对相对的延长电极实质上定向成匹配接受轴线与由空间分布界定的延长轴。

数个任选的、优选的和/或有利的特征可适用于质谱仪和质谱分析方法两者。这些在本文中进一步进行定义，并且尽管一些可定义为结构性的，但是这些可同等地实施为方法步骤。等效地，任何方法步骤可实施为结构特征，例如通过经配置以控制质谱仪(或其特定部分)来执行步骤的控制器。

离子的空间分布可界定超过一个延长轴(但是在某些情况下可能仅有一个)。这可取决于由空间分布的典型范围界定的形状。已经考虑椭圆形或矩形形状，这两者可界定超过一个延长轴。一般来说，如果界定多个延长轴，那么这些延长轴中的最长延长轴可为接受轴线所匹配的延长轴。例如，在椭圆形形状中，椭圆的长轴可被视为延长轴。对于矩形形状，矩形的对角线可为优选延长轴(并且在一些情况下，矩形范围可界定两个对角线，如果矩形范围不是完美的矩形形状，那么这些对角线的长度可彼此不同)。矩形范围的长度维度还可被视为延长轴(由于空间分布在超过宽度的长度维度中延长)，但是这个可为次优选的。接受轴线和延长轴之间的匹配可能不需要精确。举例来说，接受轴线可将由空间分布界定的延长轴匹配到以下各者中的一者内：30度；25度；20度；15度；10度；5度；2度；以及1度。例如在空间分布具有更接近矩形形状而不是椭圆形形状的范围的情况下，可特别地施加更大的变化，其中可考虑超过一个延长轴。

四极杆离子光学装置可由一系列不同的配置中选出。在一些配置中，第一对相对的延长电极经耦合以接收负DC电位，第二对相对的延长电极经耦合以接收正DC电位。例如，这可包含线性离子阱，或更优选地，传递四极杆或四极杆滤质器。在这些情况下，接受轴线可为由第一对相对的延长电极界定(第一对相对的延长电极之间)的轴线。

在四极杆离子光学装置的另一配置中，第一和第二对相对的延长电极经配置以不接收DC电位和/或仅接收RF电位。在此情况下，接受轴线可界定在以下两者之间：第一对相对的延长电极中的一个电极和第二对相对的延长电极中的一个电极之间的第一间隙；以及与第一间隙相对的第二间隙。换句话说，接受轴线可界定在电极之间的两个相对间隙之间。其中接受轴线在电极之间的两个相对间隙之间界定的这个布置可为特别优选的，其中延长电极对仅具备RF电压。

在一些实施例中，第一和第二对相对的延长电极中的每一个是杆电极，通常具有大体上弧形的(举例来说，圆形、椭圆形或双曲线)横截面。在其它实施例中，第一和第二对相对的延长电极中的每一个是平的延长的电极(相比于杆电极，横截面是相对矩形的)。这可为被称为“平杆”或方形四极杆，如上所述。在任一情况下，四极杆离子光学装置任选地包括以下两者中的一个或两个：用于聚焦在输出离子束中接收到的离子的进入透镜；以及用于聚焦离开四极杆离子光学装置的离子的出口透镜。

可理解，由离子光学装置接收到的离子束具有初始行进方向和在垂直于第一行进方向的平面中的初始空间分布。在一些实施例中，初始空间分布在平面内可旋转地对称。因此，离子光学装置可使离子束的空间分布从相对对称变成不对称，并且确切地说，在至少一个方向上延长。离子光学装置可包括四极杆电极布置，并可经配置以充当滤质器(质量选择在输出离子束中接收到的离子)、用于在输出离子束中接收到的离子的碰撞池或充当导引离子穿过某一距离的离子导向器。

在实施例中，离子光学装置经配置以通过将接收到的离子束偏转(或弯曲)一个角度或多个角度(举例来说，使用弯曲元件的组合，如‘Z形透镜’)而将接收到的离子束处理成输出离子束。偏转角度通常大于(或在一些情况下，至少)45度。45度或大于45度的角度可使离子束的空间分布变得不对称。例如，偏转角度可高达100度。优选地，偏转角度大约为90度(举例来说，加上或减去1、2、5或10度)。在此意义上，离子光学装置可经配置以围绕至少一个偏转或旋转轴，并潜在地围绕多个偏转或旋转轴来偏转(或弯曲)接收到的离子束。在可独立于本文所公开的任何其它方面或与任何其它方面连接的方面中，其中第二对相对的延长电极经耦合以接收正DC电位，四极杆离子光学装置被布置成使得第二对相对的延长电极之间的轴线与偏转轴(或偏转轴中的两个或更多个)对准。因此，一般化的离子光学装置可与上文所论述的离子光学装置40对应。然而，不一定就是这样，一般化的离子光学装置可与另一离子光学装置对应，如离子光学装置40下游的那些，(举例来说)包含Q1滤质器50和Q2池60。

在优选实施例中，质谱仪进一步包括离子源，优选地包括ICP离子源，其经布置以产生由离子光学装置接收的离子束。随后，质谱仪可被配置成使得离子束的行进方向与离子源和离子光学装置之间保持相同。

任选地，在四极杆离子光学装置上游(并且优选地，在离子光学装置下游)提供预过滤器。预过滤器可经配置以支持或辅助离子从紧靠着四极杆离子光学装置上游的透镜孔口到四极杆离子光学装置中的有效转移。另外地或可替代地，可在四极杆离子光学装置下游提供后过滤器。后过滤器可经配置以支持或辅助离子从四极杆离子光学装置到紧靠着四极杆离子光学装置下游的透镜孔口中的有效转移。

在各种情况下，离子光学装置经配置以使得输出离子束中的离子的质荷比至少是阈值，例如以下各者中的一个：10amu；20amu；40amu；100amu。如上所述，在一些情况下，这个方法对于具有高质量的离子来说可能不是优选的。

现将描述更具体的实施例。接着参看图7，示出了在图3的模拟中在四极杆装置的出口处的离子的实例空间分布(也就是说，当离子撞击测试平面57时)。这处于U形波峰的特定标称质量239amu处。此处，会看到y轴是受到青睐的。尽管未示出实例空间分布，但其它模拟已经示出了这对全部质量和全部质量的波峰两侧有效。因此，将出现下游四极杆装置应相对于上游四极杆离子光学装置旋转90°，所述下游四极杆装置从第一四极杆装置50的出口接受离子束，其在此情况下将为Q2反应池60，所述上游四极杆离子光学装置是Q1滤质器50。如果第二下游四极杆装置具有施加到其相对的电极对的DC电压，那么情况通常就是这样。换句话说，它的DC电位(极性)将相对于第一四极杆的DC电位旋转90度。

然而，不一定就是此类旋转角度。实际上，Q2反应池60可为不同种类的四极杆装置。具体来说，可考虑其中Q2可仅包括RF四极杆(例如用作碰撞池)和/或平杆配置的实施例。在仅具有RF的四极杆的情况下，杆可具有圆形、椭圆形、双曲线或矩形横截面。如上文所描述，此类平杆配置的杆具有矩形横截面。具体来说，没有DC电位施加到平杆的杆电极。因此，对于每一杆来说接受是相同的。实际上，可以观察到，接受在杆之间的对角线中较高。

接着参看图8，示出了在垂直于杆延长方向的平面中具有平杆电极的四极杆装置的杆的横截面，以用于展示相比于图2B的杆的旋转的反应池。示出了相同的x轴和y轴。相比于Q1四极杆装置50的弧形的载有DC的杆电极，RF平杆电极61有效地旋转45°，如参看图2B所描述。

鉴于上文，提出Q1DC/RF四极杆装置50的放射(针对全部质量和波峰两侧)和Q2仅具有RF的碰撞/反应池60的接受是最佳配合的，如果这两者装置的杆定向相对于彼此旋转45°。换句话说，如果碰撞池具有(有效)四极场，那么它应该定向成向Q1四极场倾斜45°。

仅具有RF的四极杆装置(如碰撞/反应池60)的放射还青睐杆之间的位置，因为离子与中间轴相隔某一距离。换句话说，此类仅具有RF的四极杆装置的放射具有与其接受类似的空间分布。出于此原因，提出Q3 80杆应相对于碰撞池60(CCT)杆旋转45°。换句话说，如果碰撞池具有(有效)四极场，那么Q3四极场应该定向成向碰撞池四极场倾斜45°。

SEM检测器90的定位和孔口开口似乎对总体传递来说不是关键的。这可能是因为检测器接受较为宽广。由于Q3 80和检测器90之间的较大的加速电压，这似乎也是合理的。

一起看到三个四极杆装置的相对配置是有用的。现参看图9，因此以三维视图展示基于图1的配置的根据实施例的三个四极杆装置的示意图。在描绘了相同的装置的图9中，已使用相同的参考标号。因此示出了：离子光学装置40；第一四极杆(Q1)滤质器50；四极杆碰撞/反应池(Q2)60；以及第二四极杆(Q3)滤质器80。还示出了(出于说明性目的)离子束200的路径，并描绘了在以下四个位置处的波束横截面的角分布(在一定程度上可表示空间分布)：紧靠着离子光学装置40上游的第一分布201；在到Q1滤质器50的入口处的第二分布210；在到Q2池60的入口(也就是说，Q1的出口)处的第三分布220；以及在到Q3滤质器80的入口(也就是说，Q2的出口)处的第四分布230。此外，进一步示出了由离子光学装置40导致的偏转轴A。

第一分布201是大致对称的，并与第二分布210对比，所述第二分布210由于由离子光学装置40导致的90度波束偏转而延长。Q1滤质器50包括：施加有负DC电位的第一对相对的延长电极51a；以及施加有正DC电位的第二对相对的延长电极52a。第一对相对的延长电极51a被定向成与第一分布210的延长轴对准。在另一意义上，可看到第二对相对的延长电极52a被定向成与由离子光学装置40导致的偏转轴A对准。

相比于第二分布210，第三分布220旋转90度。然而，由于Q2池60是仅具有RF的“平杆”四极杆装置，其包括平电极61(根据图8中所示的那些)，装置的接受轴线由电极之间的间隙界定。因此，相比于Q1滤质器50的杆电极51和52的定向，平电极61的定向偏移45度。

Q3滤质器80包括：施加有负DC电位的第一对相对的延长电极51b；以及施加有正DC电位的第二对相对的延长电极52b。第四分布230是延长的(尽管相比于第二分布210或第三分布220更加对称)，第一对相对的延长电极51b被定向成与第四分布230的延长轴对准。因此，相比于Q2池60的定向，Q3滤质器80的定向偏移45度，并且因此相比于Q1滤质器50的定向，Q3滤质器80的定向偏移90度。

笼统地说，可进一步考虑以下各者。技术人员可将四极杆离子光学装置视为第一四极杆离子光学装置。第一四极杆离子光学装置可经配置以通过在输出离子束中接收到的离子的质量选择来提供第一离子束。质谱仪任选地包括第一四极杆离子光学装置下游的至少一个其它四极杆离子光学装置。例如，所述至少一个其它四极杆离子光学装置可包括第一四极杆离子光学装置下游的第二四极杆离子光学装置。在一些实施例中，所述至少一个其它四极杆离子光学装置可进一步包括第二四极杆离子光学装置下游的第三四极杆离子光学装置。

在(四极杆离子光学装置上游的)离子光学装置包括四极杆电极布置的情况下，在垂直于输出方向的平面中，(四极杆离子光学装置的)第一和第二对相对的延长电极有利地定向成相对于离子光学装置的四极杆电极布置旋转一个初始旋转角度。初始旋转角度通常为至少(或大于)30和/或不超过(或小于)60度，并且优选地，为大约45度。可替代地，在那种情况下，初始旋转角度可为至少(或大于)75和/或不超过(或小于)105度，并且优选地，为大约90度。

第二四极杆离子光学装置有利地经配置以接收第一离子束。有益的是，第二四极杆离子光学装置包括第三和第四对相对的延长电极，所述延长电极经配置以从第一四极杆离子光学装置接收第一离子束。在垂直于第一离子束的行进方向(和/或第三和第四对相对的延长电极的延长方向)的平面中，第三和第四对相对的延长电极优选地定向成相对于第一和第二对相对的延长电极旋转第一旋转角度。在此情况下，第一旋转角度通常是至少(或大于)30和/或不超过(或小于)60度(尤其在第一和第二对相对的延长电极施加有DC电位，第三和第四对相对的延长电极没有DC电位或仅施加有RF电位，或反之亦然时)，并且优选地，是大约45度。可替代地，第一旋转角度可为至少(或大于)75和/或不超过(或小于)105度，并且优选地，为大约90度。这可为其中第一和第二四极杆离子光学装置两者是DC/RF装置的情况。

在优选实施例中，第二四极杆离子光学装置经进一步配置以充当用于在第一离子束中接收到的离子的碰撞池。由此，接收到的离子的断裂和/或碰撞冷却可为可能的。在此情况下，第二四极杆离子光学装置可被布置为充气的。另外地或可替代地，它可经配置以提供来自在第一离子束中接收到的离子的第二离子束。

第三四极杆离子光学装置可优选地经配置以通过在第二离子束中接收到的离子的质量选择来提供第三离子束。有利的是，第三四极杆离子光学装置包括第五和第六对相对的延长电极，所述延长电极经配置以从第二四极杆离子光学装置接收离子束。在垂直于第二离子束的行进方向的平面中，第五和第六对相对的延长电极可定向成相对于第三和第四对相对的延长电极旋转第二旋转角度。在此情况下，第二旋转角度通常是至少(或大于)30和/或不超过(或小于)60度(尤其在第三和第四对相对的延长电极没有DC电位施加或仅施加有RF电位，第五和第六对相对的延长电极施加有DC电位，或反之亦然时)，并且优选地，是大约45度。可替代地，第二旋转角度可为至少(或大于)75和/或不超过(或小于)105度，并且优选地，为大约90度。这可为(例如)其中第三和第四对相对的延长电极两者以及第五和第六对相对的延长电极是DC/RF电极的情况。

第三和第四对相对的延长电极可各自为具有弧形(圆形、椭圆形、双曲线)或矩形横截面的杆电极(第三和第四对的电极中的每一个通常具有相同形状，并且优选地，具有已设定大小的横截面)。通常，第三和第四对相对的延长电极的横截面是矩形的。类似地，第五和第六对相对的延长电极可各自为具有弧形(圆形、椭圆形、双曲线)或矩形横截面的杆电极(第五和第六对的电极中的每一个通常具有相同形状，并且优选地，具有已设定大小的横截面)。通常，第五和第六对相对的延长电极的横截面是弧形的。

尽管已描述具体实施例，但技术人员应了解，各种修改和改变都是可能的。例如，替代性方法可为应用在Q1四极杆装置50和Q2碰撞池60之间具有(静电)四极场的离子聚焦元件，以将离子束塑形成更均匀的形状。

笼统地说，质谱仪任选地进一步包括离子聚焦元件，其经配置以接收第一离子束和产生来自第一离子束的聚焦离子束。聚焦离子束在垂直于聚焦离子束的行进方向的平面中具有空间分布。有利的是，离子聚焦元件被配置成使得聚焦离子束的空间分布是实质上对称的。有益的是，离子聚焦元件包括四极杆离子光学装置。更优选地，离子聚焦元件的四极杆离子光学装置经配置以产生静电四极场。

离子光学装置40通常弯曲或反射离子束一次或数次。离子光学装置不必在离子束方向上产生90度弯曲，以使离子束空间分布变得不对称。例如，不精确或不正确的机械或电子调整可使离子束在某种程度上离轴，或具有相对于理想情况略微倾斜的主轴线。在另一方法中，可组合具有平行旋转轴线的弯曲元件，这会引起离子束的方向的“z形”或“狗腿形”改变。此类离子光学装置可作为实施例中的离子光学装置40的添加或替代提供。

因此应了解，可对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍落入在本发明的范畴内。除非另外说明，否则本说明书中所公开的每一特征都可被用于相同、等效或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另外说明，否则所公开的每一特征仅为一系列通用等效或类似特征的一个实例。

如本文中所使用(包含权利要求书中所使用)，除非上下文另外指示，否则本文中的术语的单数形式将被解释为包含复数形式，且反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示，否则包含权利要求书中的本文中的单数参考，如“一(a/an)”(如模/数转换器)表示“一个或多个”(举例来说，一个或多个模/数转换器)。在本发明的整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包含”、“具有”和“含有”以及这些词语的变化形式，例如，“包括(comprising)”和“包括(comprises)”或类似词语表示“包含但不限于”，且并不意图(且并不)排除其它组件。

本文提供的任何和所有实例或示例性语言(“举例来说”、“如”、“例如”以及类似语言)的使用仅意图更好地说明本发明，并且除非另外要求，否则并不指示对本发明的范畴的限制。本说明书中的任何语言均不应解释为指示实践本发明所必需的任何未主张要素。

除非另外陈述或上下文另外需要，否则本说明书中描述的任何步骤可按任何次序执行或同时执行。

本说明书中所公开的全部特征可以任何组合形式组合，但所述特征和/或步骤中的至少一些会互斥的组合除外。具体来说，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。同样，可单独地使用(不以组合形式)以非必需组合形式描述的特征。

Claims (46)

1.一种质谱仪，其包括：

离子光学装置，其经配置以接收离子束，并将所述接收到的离子束处理成输出离子束，以使所述输出离子束在输出方向上行进，并在垂直于所述输出方向的平面中具有空间分布，所述输出方向在所述平面的一个维度中相对于所述平面的另一维度进行延长，并由此界定延长轴；

四极杆离子光学装置，其包括第一和第二对相对的延长电极，所述延长电极经布置以接收沿着所述输出方向行进的所述输出离子束，所述第一和第二对相对的延长电极在垂直于所述第一和第二对相对的延长电极的延长方向的平面中界定接受轴线，所述接受轴线为其上达到离子对所述四极杆离子光学装置的最大接受性的轴线；以及

其中所述第一和第二对相对的延长电极大体上定向成匹配所述接受轴线与由所述空间分布界定的所述延长轴。

2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述接受轴线将由所述空间分布界定的所述延长轴匹配到30度内。

3.根据权利要求1所述的质谱仪，其中根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述接受轴线将由所述空间分布界定的所述延长轴匹配到20度内。

4.根据权利要求1所述的质谱仪，其中根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述接受轴线将由所述空间分布界定的所述延长轴匹配到15度内。

5.根据权利要求1所述的质谱仪，其中根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述接受轴线将由所述空间分布界定的所述延长轴匹配到10度内。

6.根据权利要求1所述的质谱仪，其中根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述接受轴线将由所述空间分布界定的所述延长轴匹配到5度内。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述输出离子束的所述空间分布具有为大致椭圆形的范围，所述延长轴由所述椭圆形范围的长轴界定。

8.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述输出离子束的所述空间分布具有矩形形状的范围，所述延长轴由所述矩形形状的对角线界定。

9.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述第一对相对的延长电极经耦合以接收负DC电位，且所述第二对相对的延长电极经耦合以接收正DC电位，并且其中所述接受轴线是所述第一对相对的延长电极之间的轴线。

10.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述第一和第二对相对的延长电极中的每一个经耦合以仅接收RF电位，并且其中所述接受轴线界定在以下两者之间：所述第一对相对的延长电极中的一个电极和所述第二对相对的延长电极中的一个电极之间的第一间隙；以及与所述第一间隙相对的第二间隙。

11.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中由所述离子光学装置接收的所述离子束具有初始行进方向和在垂直于所述初始行进方向的平面中的初始空间分布，所述初始空间分布在所述平面内可旋转地对称。

12.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述离子光学装置经配置以通过将所述接收到的离子束偏转至少一个角度而将所述接收到的离子束处理成输出离子束。

13.根据权利要求12所述的质谱仪，其中所述偏转角度大于45度。

14.根据权利要求12所述的质谱仪，其中所述偏转角度大约为90度。

15.根据权利要求12所述的质谱仪，其中所述离子光学装置经配置以围绕偏转轴偏转所述接收到的离子束，其中所述第二对相对的延长电极经耦合以接收正DC电位，并且其中所述四极杆离子光学装置被布置成使得所述第二对相对的延长电极之间的轴线与所述偏转轴对准。

16.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其进一步包括：

离子源，其经布置以产生由所述离子光学装置接收的所述离子束；以及

其中所述质谱仪被配置成使得所述离子束的所述行进方向与所述离子源和所述离子光学装置之间保持相同。

17.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述四极杆离子光学装置是第一四极杆离子光学装置，所述质谱仪包括所述第一四极杆离子光学装置下游的至少一个其它四极杆离子光学装置。

18.根据权利要求17所述的质谱仪，其中所述第一四极杆离子光学装置经配置以通过在所述输出离子束中接收到的离子的质量选择来提供第一离子束。

19.根据权利要求17所述的质谱仪，其中所述至少一个其它四极杆离子光学装置包括：所述第一四极杆离子光学装置下游的第二四极杆离子光学装置；以及所述第二四极杆离子光学装置下游的第三四极杆离子光学装置。

20.根据权利要求19所述的质谱仪，其中所述第一四极杆离子光学装置经配置以提供来自在所述输出离子束中接收到的离子的第一离子束，并且其中所述第二四极杆离子光学装置经配置以接收所述第一离子束，并充当用于在所述第一离子束中接收到的离子的碰撞池。

21.根据权利要求20所述的质谱仪，其中所述第二四极杆离子光学装置被布置为充气的。

22.根据权利要求19到21中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述第一四极杆离子光学装置经配置以通过在所述输出离子束中接收到的离子的质量选择来提供第一离子束，并且所述第二四极杆离子光学装置经配置以提供来自在所述第一离子束中接收到的离子的第二离子束；以及

其中所述第三四极杆离子光学装置经配置以通过在所述第二离子束中接收到的离子的质量选择来提供第三离子束。

23.根据权利要求19到21中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述第一四极杆离子光学装置经配置以提供来自在所述输出离子束中接收到的离子的第一离子束；以及

其中所述至少一个其它四极杆离子光学装置包括第二四极杆离子光学装置，所述第二四极杆离子光学装置包括第三和第四对相对的延长电极，所述延长电极经配置以从所述第一四极杆离子光学装置接收所述第一离子束。

24.根据权利要求23所述的质谱仪，其中在垂直于所述第一离子束的行进方向的平面中，所述第三和第四对相对的延长电极定向成相对于所述第一和第二对相对的延长电极旋转第一旋转角度。

25.根据权利要求23所述的质谱仪，其中所述第二四极杆离子光学装置经配置以提供来自在所述第一离子束中接收到的离子的第二离子束；

其中所述第三四极杆离子光学装置包括第五和第六对相对的延长电极，所述延长电极经配置以从所述第二四极杆离子光学装置接收离子束。

26.根据权利要求25所述的质谱仪，其中在垂直于所述第二离子束的行进方向的平面中，所述第五和第六对相对的延长电极定向成相对于所述第三和第四对相对的延长电极旋转第二旋转角度。

27.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述离子光学装置包括四极杆电极布置，并且其中在垂直于所述输出方向的平面中，所述第一和第二对相对的延长电极定向成相对于所述离子光学装置的所述四极杆电极布置旋转初始旋转角度。

28.根据权利要求27所述的质谱仪，其中所述离子光学装置经配置以充当滤质器。

29.根据权利要求24所述的质谱仪，其中所述第一旋转角度在30和60度之间。

30.根据权利要求26所述的质谱仪，其中所述第二旋转角度在30和60度之间。

31.根据权利要求27所述的质谱仪，其中所述初始旋转角度在30和60度之间。

32.根据权利要求29所述的质谱仪，其中所述第一旋转角度为大约45度。

33.根据权利要求30所述的质谱仪，其中所述第二旋转角度为大约45度。

34.根据权利要求31所述的质谱仪，其中所述初始旋转角度为大约45度。

35.根据权利要求24所述的质谱仪，其中所述第一旋转角度在75和105度之间。

36.根据权利要求26所述的质谱仪，其中所述第二旋转角度在75和105度之间。

37.根据权利要求27所述的质谱仪，其中所述初始旋转角度在75和105度之间。

38.根据权利要求35所述的质谱仪，其中所述第一旋转角度为大约90度。

39.根据权利要求36所述的质谱仪，其中所述第二旋转角度为大约90度。

40.根据权利要求37所述的质谱仪，其中所述初始旋转角度为大约90度。

41.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述离子光学装置包括四极杆电极布置；以及

其中所述四极杆离子光学装置经配置以充当用于在所述输出离子束中接收到的离子的碰撞池，或所述四极杆离子光学装置经配置以质量选择在所述输出离子束中接收到的离子。

42.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述四极杆离子光学装置包括以下两者中的一个或两个：用于聚焦在所述输出离子束中接收到的离子的进入透镜；以及用于聚焦离开所述四极杆离子光学装置的离子的出口透镜。

43.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述四极杆离子光学装置经配置以提供来自在所述输出离子束中接收到的离子的第一离子束，所述质谱仪进一步包括：

离子聚焦元件，其经配置以接收所述第一离子束和产生来自所述第一离子束的聚焦离子束，所述聚焦离子束在垂直于所述聚焦离子束的所述行进方向的平面中具有空间分布，所述离子聚焦元件被进一步配置成使得所述聚焦离子束的所述空间分布是大体上对称的。

44.根据权利要求43所述的质谱仪，其中所述离子聚焦元件包括四极杆离子光学装置。

45.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的质谱仪，其中所述第一和第二对相对的延长电极中的每一个是杆电极，其横截面的形状为以下各者中的一者：圆形；椭圆形；双曲线；以及矩形。

46.一种质谱分析的方法，其包括：

在离子光学装置处接收离子束；

将在所述离子光学装置处接收到的所述离子束处理成输出离子束，以使所述输出离子束在输出方向上行进，并在垂直于所述输出方向的平面中具有空间分布，所述输出方向在所述平面的一个维度中相对于所述平面的另一维度进行延长，并由此界定延长轴；

在四极杆离子光学装置处接收沿着所述输出方向行进的所述输出离子束，所述四极杆离子光学装置包括第一和第二对相对的延长电极，所述第一和第二对相对的延长电极在垂直于所述第一和第二对相对的延长电极的延长方向的平面中界定接受轴线，所述接受轴线为其上达到离子对所述四极杆离子光学装置的最大接受性的轴线；以及

其中所述第一和第二对相对的延长电极大体上定向成匹配所述接受轴线与由所述空间分布界定的所述延长轴。