CN107564796A - 包括具有连续电极的射频离子导向器的质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种质谱仪，所述质谱仪包括具有多个电极的离子导向器，这些电极被供有射频电压以便在由电极的朝向内的表面限定的内部体积中径向限定离子，内部体积包括：第一部分和相邻的第二部分，所述第一部分沿离子导向器的纵向轴线具有可变的径向直径，在所述第一部分中，电极绕成螺旋状；所述第二部分沿纵向轴线具有实质上恒定的径向直径，其中，电极从第一部分连续延伸至第二部分。离子导向器电极的连续性尤其便于离子不受阻碍的轴向传播穿过组件，并且在离子传输穿过质谱仪的不同腔室期间防止离子损失。

Description

包括具有连续电极的射频离子导向器的质谱仪

技术领域

本发明涉及一种在质谱仪(比如，三重四极杆质谱仪)中使用的具有连续电极的射频(RF)离子导向器。

背景技术

参照图1，最简单形式的质谱仪可被描述为包括电离部分A，在电离部分A中，如果任意性质的样本还不是气态的(比如，来自气相色谱仪的洗脱液)，则将该样本转化为气相，并且电离该样本。这里仅列举电离机制的几个示例：电喷雾、基质辅助激光解吸/电离、电子电离和光化电离。

在电离部分A的下游，可以设置离子操纵、选择或破碎部分B。操纵可受到诸如碰撞冷却和径向聚焦/准直的机制影响；选择可通过例如质量过滤器或离子阱来做出；并且破碎可通过本领域技术人员认为合适的碰撞诱导解离、电荷转移诱导破碎或光诱导破碎来实现。

在操纵、选择或破碎部分B之后，设置有可根据诸如飞行时间、回旋共振、RF驱动稳定-不稳定之类的原理操作的分析部分C。在某些实施方案中，离子操纵、选择或破碎部分B的功能与分析部分C的功能可在质谱仪中的一个装置中得以组合，相对于如三重四极杆质量分析器的空间串联方法而言，这种方法有时也称为时间串联方法。

分析部分C之后的检测部分D获取表示被研究的离子电流的数据，并且允许导出该数据的组成。例如，检测部分D可包括诸如倍增器电极和微通道板(破坏性或消耗型检测)或用于图像电流的拾取电极(非破坏性或非消耗型检测)的元件。由于质谱仪中的所有这些前述部分均可处于不同压强状态下，因此，可认为这些部分之间的离子传输对质谱仪的功能极其重要。

从图2可明显的看出，由Peter H.Dawson编写的“QuadrupoleMass Spectrometryand Its Applications(四极杆质谱分析法及其应用)”(美国物理学会,1995年)中提出了这样一种实施例：“扭曲四极杆束流传输系统”具有绕成螺旋状且互相缠绕的四个电极，每个电极沿着其长度方向具有恒定内径。然而，该实施例被称为是“静态的”，这种“静态的”意味着：向各个电极仅提供DC电压，导致的结果就是必须通过离子的持续前进运动穿过这种传输系统来实现动态径向限制。

与此相反，在Elings的专利US2,769,910中找到了绕成螺旋状的一对电极的首次记录使用，该对电极沿着整个长度具有恒定内径并且由交流电压(即“非静态的”)驱动，但这一装置仅表示质量过滤器的早期实施例。

Jochen Franzen在US 5,572,035A中介绍了使用恒定(以及可变)内径的RF驱动“双螺旋”作为RF离子导向器的构思(参照图3)，该专利的公开内容将以全文引用的方式并入本文中。Richard D.Smith和Scott A.Shaffer在US 6,107,628A中采用了这一想法，并将该想法应用于锥形内径的离子导向器(所谓的“离子漏斗”)，如图4所示，该离子导向器的径向离子聚焦力从宽端到窄端方向逐渐增加，并且离子沿同一方向穿过离子漏斗，导致在出口处形成精确准直的离子束。诸如JP 3758382B2和JP 5297773B的相似公开涉及此类双螺旋结构的安装。

同样地，Jochen Franzen在专利US 6,559,444B2中进一步扩展了将绕成螺旋状的电极用于RF离子漏斗的想法，该专利的公开内容将也以全文引用的方式并入本文中。

Mingda Wang在US 8,124,930B2中提出以串联的方式纵向地放置三个独立的双螺旋RF离子导向器，其中，相邻线圈之间的节距沿着公共轴线增加，而内径保持不变，如图5所示。此设计中的轴线的改变导致轴向变化的RF场，据称该RF场会在组件的出口(最右侧)处产生会聚离子束。

Belov等人(《J.Am.Soc.Mass Spectrom.》.2000年1月第11卷第1期，第19-23页)描述了一种组件，如图6所示，在该组件中，通过毛细管从电喷雾探针(ESI)接收离子的堆叠板RF离子漏斗与后面的由真空分隔器隔开的杆状碰撞室(collision cell)串联放置。由于离子漏斗的出口电极与碰撞室入口之间的间隔、在离子漏斗的出口电极与碰撞室入口之间产生的限制RF场的干扰、以及相对几何接受性的不匹配，导致部分分析物离子在穿过此组件的途中可能丢失。

Craig M.Whitehouse和ErolCulcicek在US5,652,427A中提出了从一个真空级连续延伸至另一个真空级的恒定径向直径的多极直杆离子导向器。

鉴于上述观点，仍然需要如下这样的设备和装置，该设备和装置进一步采用连续性的螺旋形导电线圈作为质谱仪的多极RF离子导向器中的电极。

发明内容

本发明提出了一种质谱仪，所述质谱仪包括具有多个电极的离子导向器，这些电极被供有射频电压以便在由电极的朝向内的表面限定的内部体积中径向限定离子，内部体积包括：第一部分和相邻的第二部分，所述第一部分沿离子导向器纵向轴线具有可变的径向直径，在所述第一部分中，电极是绕成螺旋状的；所述第二部分沿纵向轴线具有实质上恒定的径向直径，其中，电极从第一部分连续延伸至第二部分。

在离子导向器的可变形状的内部体积(诸如锥形体积或截头圆锥体积)的部分中设有绕成螺旋状的电极的一个优势是：由于几何对称，此类结构的轴线不会受可能给通过离子导向器的离子的轴向运动带来不利影响的任何RF场干扰。这与传统堆叠板或堆叠环形离子漏斗形成对比，后者由于RF携带元件的间隔和通常不连续的性质使得轴线上出现诸如赝势阱的变化。另一方面，后者必须要(i)通过离散元件实现较窄内部宽度和漏斗形状以及(ii)向相邻元件施加交替的RF相位。

设置多圈相对密集排列的螺旋状电极的另一个效果是：增加了穿过此类离子导向器(或其部分)的气导率(gas conductance)。此外，由于电极主要是线性结构(三维成型的线状物)，因此，例如与构成现有技术中的RF离子漏斗的普遍实施方案的带孔板相比，线性结构的电极具有显著较低的电容值。例如，较低的电容值有利于更快地响应所施加的电压的变化。

用于在离子导向器中径向地限制离子的RF电压的频率通常可介于700kHz(或1MHz)和10MHz之间的范围内。振幅可介于50伏和1000伏(或甚至1500伏)之间。离子导向器的第一部分中的径向直径可在50mm(或30mm)和1mm之间(例如介于15mm和5mm之间)变化，较宽端具有较大的几何接受性，用以接收发散的离子流，而较窄端可围绕离子导向器的轴线发出准直良好的离子束。例如，对于四电极离子导向器，举例来说，一个电极每单位长度的完整线圈(完整360°旋转)数可近似于每10mm一圈。换句话说，此类组合设计每10mm离子导向器长度将具有由四个电极的每个电极构成的四个线圈。在离子导向器具有两部分的情况下，离子导向器的总轴向长度通常可以是介于诸如50mm和150mm之间的值，其中，具有可变的径向直径的第一部分可占较大部分(诸如长度的三分之二)，这样，离子导向器的轴向延长的三分之一仍可作为具有实质上恒定的径向直径的第二部分。然而，也可根据具体应用适当地考虑第一部分和第二部分之间的其它轴向长度比，例如两部分长度相同或甚至第二部分长于第一部分。

生成沿其长度绕成直径变化的体积的螺旋电极的第一种可能方法是：例如围绕卷芯缠绕所需数量的可延展绳状物(string)(诸如直径1mm的铜线)，这种绳状物的外表面将决定离子导向器的大小。材料的其它选择可以包括铍铜、磷青铜、不锈钢、铬镍铁合金TM、埃尔基洛伊耐蚀游丝合金TM或哈斯特洛伊耐蚀镍基合金TM，这些合金中的一些提供了优良的耐腐蚀性。若存在用于卷绕的卷芯，则卷芯可具有用于离子导向器的第一部分的截头圆锥形部分，该截头圆锥形部分过渡为用于离子导向器的第二部分的具有恒定外径的圆柱部分。

生成沿其长度绕成直径变化的体积的螺旋电极的第二种方法可包括具有多个挤出喷嘴的挤出组件，所述挤出喷嘴的数量与离子导向器中的所需电极的数量相对应。优选地，待被挤出的材料在离开喷嘴时具有凝胶样稠度，但之后会迅速固化，因此获得必要的硬度和导电性。在挤出操作期间，在旋转挤出组件的同时沿轴线线性平移挤出组件将有利于产生螺旋缠绕结构。平移和旋转运动的这种组合导致具有恒定直径的多个螺旋缠绕电极(例如，可用于离子导向器的第二部分中的电极)。在同时线性平移和旋转期间，在组件中的各个喷嘴轻轻移动靠近公共轴线(并相互靠近)的过程中的某些阶段中，对平移和旋转运动的这种组合增加变窄运动可使螺旋结构的内部宽度逐渐变窄(例如，离子导向器的第一部分所需要的螺旋结构)。不言而喻，在保持线性平移的同时停止组件的旋转运动将有利于产生直电极部分(例如，可以用于离子导向器的第二部分的电极)。如何产生具有绕成螺旋状的电极的部分的离子导向器的这些示例应被理解为非限制性的。本领域的技术人员应理解，他可选择他认为适于此目的的方法。

由前面提到的生产工艺产生的电极由于其被不间断地制成一体而可以被称为是无缝的。然而，这样的工艺同样可单独地用于生成第一部分的电极和第二部分的电极(例如，用于第一部分的绕成螺旋状的电极和用于第二部分的绕成螺旋状的或实质上直线状(或弯成弯曲但非螺旋形)的电极)，然后通过诸如通过焊接或钎焊来将这两部分彼此(电气地)接合。这需要两部分的正面处的电极布置在几何上彼此匹配。即使电极不是无缝的，这样接合的电极仍可从离子导向器的第一部分连续延伸到第二部分(以及视情况而定的任何额外的相邻部分)。这样做，由施加到电极的RF电压生成的内部体积中的限定电场同样是连续的，并且不会显示出任何轴向的不规则。

通常可以想到的是，改变从离子导向器的第一部分到第二部分的绕成螺旋状的电极的螺旋度，尽管该螺旋度也可以保持相同。

在各实施例中，离子导向器的第一部分中的内部体积可(i)线性锥化或(ii)非线性锥化。线性锥化的具体示例可以是离子导向器的第一部分中的截头圆锥形锥状的内部体积。另一方面，作为非线性锥化的示例的喇叭形锥状的内部体积将有利于使两部分之间的过渡更加平滑，由此进一步允许离子更加顺畅地传播通过离子导向器。喇叭形锥状的内部体积还可使离子导向器的总长度更短。

在各实施例中，恒定径向直径可与第一部分中的(i)最大径向直径和(ii)最小径向直径之一相对应。当径向直径实质上恒定的第二部分延伸自(或附接于)第一部分的窄端时，如果一定要例如通过真空分隔壁中的开口将离子束传输至质谱仪中的仅具有有限几何接受性的后续组件处，则将离子准直成围绕中心轴线的细离子束可能是有利的。另一方面，在第二部分延伸自(或附接于)第一部分的宽端的情况下，当离子束传输至第二部分时，加宽离子束可能是有用的。采用后一种设计的第二部分可用作例如反应腔，在该反应腔中离子聚集在一起并与反应性物种(例如，用于化学改性的甲烷或用于诱导离子-离子反应的相反极性的离子物种)相混合。

在各实施例中，内部体积还可包括与第一部分或第二部分相邻的第三部分，所述第三部分沿纵轴具有(i)实质上恒定的径向直径和(ii)可变的径向直径之一，电极分别从第一部分或第二部分连续延伸至第三部分。这样做，第一部分和第二部分可连接至相邻的第三部分，从而使内部体积内的RF限定场也是连续的，并且不会显示出任何轴向不规则。当然，具有通过连续的电极连接的多个部分的构思可扩展成具有四个部分、五个部分或本领域技术人员认为合适的任何更高的数量的部分。

在各实施例中，质谱仪还可以包括由分隔壁隔开的且维持在不同压强下的第一真空级和第二真空级，其中，第一部分和第二部分实质上上分别位于第一真空级和第二真空级中，而电极连续延伸穿过分隔壁的开口。优选地，将离子导向器的最小径向直径部分安置(cometo rest)于分隔壁的开口中，以便使此接口处的气导率尽可能低。跨越两个不同压强状态之间的障碍的电极的连续性允许离子在没有任何可检测的损失的情况下沿着纵轴传输。开口可以直接加工到壁体中，或者在一种变型中，开口可以位于安装到壁中的圆柱形管状构件处，离子导向器的电极延伸穿过该圆柱形管状构件。与壁中仅有简单孔相比，圆柱形管状构件可有利于进一步降低两个真空级之间的气导率，从而在维持用于离子传输的相同的孔口尺寸的同时降低相应的下游真空级上的气体负荷。

在另一实施例中，各个电极之间的间隙可使用绝缘材料填充，从而使离子导向器本身呈现导致气导率降低的气密结构。不言而喻，此类气密离子导向器可在不需要上述圆柱管状构件的情况下直接安装在分隔壁的开口中。通过沿着整个长度填充电极之间的间隙，离子导向器可转变为气密结构。但在替代实施方案中，例如，气密结构可限于离子导向器的某些部分(例如，从具有可变径向直径的第一部分到具有实质上恒定的径向直径的第二部分的过渡部分)。

在各实施例中，多个电极中的至少一个可包括绝缘层，所述绝缘层上沉积诸如镀金属的电阻涂层。此电阻涂层可连接至DC电压源，从而沿纵轴建立驱动离子穿过离子导向器的DC电压梯度。在可选实施方案中，(多个)电极上的绝缘层和电阻涂层遍布离子导向器的(i)一部分或(ii)整个纵向维度。介于大约0.01伏/每厘米离子导向器长度和1伏/每厘米离子导向器长度之间的相对较低的梯度(优选的约为0.05V/cm或0.1V/cm)可以足以驱动离子向前，但可以想到的是，高于此范围的值也是可以的。

此外或者可替代地，质谱仪还可包用于建立通过离子导向器的气流以驱动离子通过第一部分和第二部分的装置。用于驱动离子通过离子导向器的其它装置可以以如下辅助电极的形式进行呈现，所述辅助电极位于离子导向器的径向外周的不同纵向位置处，并且被供有不同的直流电压，用以建立用于驱动离子通过离子导向器的纵向电压梯度。

在各实施例中，离子导向器中的电极的数量可以是四个、六个、八个或更多，并且射频电压可包括被交替地施加到相邻电极的两个相位(0°、180°)。在不同寻常但同样可行的替代方案中，离子导向器中的电极的数量可以是三个，由此射频电压可包括被交替地施加至相邻电极的三个相位(0°、120°、240°)。离子导向器中具有两个以上螺旋电极导致在离子导向器的内部体积中产生更加全面的径向RF限定场，从而可靠地确保离子导向器的离子束准直功能。

在各实施例中，第二部分的一部分可延伸穿过这样一种外壳，在该外壳中维持升高的气压，以便用作碰撞室。诸如氦(He)、氩(Ar)和分子氮(N₂)的惰性碰撞气体尤其适于此目的。

在各实施例中，质谱仪还可包括附接到电极上的安装环，以便维持电极的对齐和定位。这样的安装装置不仅有利于各个电极彼此稳定地定位，还能允许整个电极组件相对于质谱仪中其它组件可靠地定位。

在各实施例中，电极可以是采用扁条形，该扁条形的较大的表面侧朝向离子导向器的内部体积，从而增加限定电极的表面的电场。

在另外的实施例中，离子导向器的纵轴可以是(i)笔直的或线性的和(ii)曲线的或非线性的(例如，弯曲的)中的一种，当利用非螺旋(或杆状)的电极结构来实现离子导向器的第二部分时，优选地，将离子导向器的第二部分实现为后者。弯曲的曲率角范围可介于约10°至270°之间。处于此范围较低端的值(例如，10°至90°)可用于将带电粒子或离子与不带电粒子或中性粒子分隔开，不带电粒子(或中性粒子)可不具有任何特定的分析相关性的情况下增加真空系统的气体负荷。例如，约180°的弯曲将有助于生成具有较低桌面面积要求的紧凑设计的质谱仪。当离子路径缠绕超出二维平面时，可使用处于此范围的较高端处的值(例如超过180°直到270°)，以便也利用整个质谱仪组件的高度尺寸。

附图说明

通过参考以下附图可更好地理解本发明。附图中的元件无需按比例绘制，而应将重点放在(通常示意性地)示出本发明的原理上：

图1示意性地描绘了基本质谱仪布置。

图2至图6呈现了背景技术中所述的不同现有技术的离子导向器布置。

图7呈现了用于根据本发明的原理的质谱仪的离子导向器的示例性实施例的几个示图。

图8示出了在根据本发明的原理而设置的质谱仪的背景下的示例性离子导向器。

图9A至图9B显示了根据本发明的原理的质谱仪中的离子导向器的变型。

图10描绘了根据本发明原理的离子导向器组件的不同变型，这些不同的变型分别被标示为“A”、“B”、“C”和“D”。

图11示出了根据本发明的原理的图8的实施例的变型。

图12呈现了可在根据本发明的原理的离子导向器中使用的电极的示例性截面剖面图。

具体实施方式

虽然已经参考本大明的若干不同的实施例示出并描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在本文中做出形式和细节方面的各种修改。

图7示意性地示出了根据本发明的原理的第一实施例。所描绘的是被分为两个相邻部分S1、S2的RF离子导向器2A/2B，其中，第一部分S1包括锥形内部体积，而第二相邻部分S2具有恒定径向直径的圆柱内部体积，参见中心处的虚线等高线。在描绘的示例中，RF离子导向器2A/2B包括沿着该RF离子导向器2A/2B的整个长度的四个电极，这四个电极可以被交替地施加两相RF电压(由上侧的平面图中的“+”和“-”符号依次表示的0°-180°-0°-180°)，以便生成径向限定离子的电势。在一个变型中，参见上侧的实施例2A，四个电极沿离子导向器整个长度方向围绕离子导向器的中心轴线绕成螺旋状，而在第二个实施方法中，参见下侧的实施例2B，仅在第一部分中实现电极的螺旋形结构，而在相邻的第二部分中，螺旋结构逐步变为直线结构(可以用数学术语来描述：相邻线圈之间的节距从第一部分中的给定有限值增加至第二部分中的无穷大)。这种第二部分S2中的电极也可以是弯曲的(例如，弯曲10°、45°、60°、90°、120°、150°、180°或270°)而不是直的，然而，这种弯曲的电极是非卷绕的，以便生成离子导向器组件的非线性轴线。

在示出的两种情况下，RF离子导向器2A/2B的四个电极从第一部分S1连续延伸至第二部分S2，因此，当离子从第一部分S1传输至第二部分S2时，内部体积中的RF限定场中不会残留任何干扰。此外，由于RF离子导向器2A/2B的至少第一部分S1中的电极的螺旋性质，在RF离子导向器2A/2B内的轴线上不会出现任何不利的赝势变化，从而有利于离子不受阻碍地传播通过离子导向器2A/2B。

当从离子导向器2A/2B的第一部分S1的较宽端观察时，图7中的螺旋电极可被描述为顺时针旋转。但是，毫无疑问，应认为离子导向效应或RF限定场效应并不是特别依赖于旋转方向。换句话说，在其中螺旋电极逆时针旋转的实施例应给出相同的结果。可以推测，电极的螺旋性可以赋予离子束一定的一致的角动量，尽管到目前为止还未找到任何证据。不管怎样，如果期待根据转换螺旋电极的旋转方向的这种措施来获得任何特定技术效果，则例如可以通过在螺旋电极之间引入较短的中间直电极部分来沿离子导向器的长度将螺旋电极的转向从顺时针切换为逆时针，反之亦然。

图7的实施例中的电极被指示为具有圆形截面剖面。但本领域技术人员应理解，根据本公开的原理的实施例同样可采用诸如矩形、正方形或扁条形的其它截面剖面。而且，图7的下侧平面图示出了螺旋度从第一部分S1中的有限值变为第二部分S2中的无穷大。还可考虑这样一种实施例：螺旋度确实有变化，只是这种变化是从第一有限值变为另一有限但不同的值。此类实施例被认为包括在本公开的范围内。

图8呈现了采用离子导向器2B的质谱仪中的接口布置的示意图。在所示示例中，通过电喷雾过程在实质上为大气压的压强下形成离子，这是本领域从业者所熟知的。喷雾探针10在实质上为大气压的压强下将包含目标溶剂和分析物的样本液体注入到喷雾腔12中。本发明的意义上的大气压旨在意指至少约10³帕斯卡的压强(比如，大约10⁵帕斯卡的实际环境压强)。主要含气体、(带电或不带电的)液滴以及离子的喷雾14被推向排气口16，未被取样进行质谱分析的部分喷雾14将通过排气口16排出。

图8示出了所谓的垂直布置，在其中，气体和离子在实质上垂直于喷雾喷射的方向上被取样。不过，该布置仅仅是示例性的。同样可以使喷雾探针10沿不同方向对准，例如，使得喷雾方向与接口20中的入口孔18的轴线实质上一致(例如，与Jochen Franzen的US5,572,035A的图9中所示的布置相似)。

图8左侧的离子源区12通过分隔壁24或类似边界与右侧相邻的第一真空级V1分隔开，在所示的示例中，通过锥形中心件26对分隔壁24或类似的边界进行了补充。第一真空级V1通过与其对接的真空泵P1被泵至最好为离子源区中的压强的一半的压强(即，例如，小于或实质上小于55,000帕斯卡，但不低于50帕斯卡)。接口圆锥26由导电性材料制成，以便可以向接口圆锥26施加吸引离子源区12中的离子的电势。例如，在电喷雾过程中，接口圆锥26可以用作喷雾探针10的对电极。接口圆锥26的顶端部分地伸入到离子源区12中，并且包括为气体和离子形成从离子源区12进入到第一真空级V1中的通道的中心开口18。在该示意图中，为简便起见，仅显示单个的中心开口18。但应当理解的是，如果有利的话，可在接口圆锥26中提供更复杂的开孔模式。

在第一真空级V1中，锥形离子导向器部分S1的宽端与从其处射出气体和离子(并且根据情况还可以是液滴)的接口圆锥26的宽端相对放置。锥形离子导向器部分S1可由四个绕成螺旋状的电极组成，电极的卷径沿着组件的中心轴线减小(如图所示)，并且这四个电极被交替地施加两个反相的RF电压以径向限定诸如离子的带电粒子。已穿过接口孔口18的中性气体不受RF限定的影响，可以流过线圈之间的间隙并最终被泵出。然而，第一真空级V1内的压强主要由从离子源区12流经孔口18的气体、上述被泵出的气体和如下这样的少量气体之间的平衡限定，所述少量气体穿过在第一真空级V1的另一端处的另一分隔壁W中的下游开口32成功进入到凭借真空泵P2而使压强维持在低于第一真空级V1的压强下的第二真空级V2。

如果真空开口32与来自中心开口18的初始射流扩散的方向轴向地对准，则进入第二真空级V2的上述少量气体实际上可通过所谓的“冲压喷射”效应携带离子，或者可以通过粘性摩擦力或分子气体摩擦力(即通过大量轻微碰撞)携带离子，由此示出了一种驱动离子向前通过离子导向器组件2B的方式。如果此类气体动态驱动方式不充分或不可用(例如由于穿过质谱仪的非线性传播路径)，则离子导向器2B可以在沿其长度的如下的DC电压梯度下操作，所述DC电压梯度可通过例如将由适当电阻材料制成或至少包括适当电阻材料的电极的不同端与DC电压源(未显示)连接而产生。

锥形离子导向器部分S1过渡为具有实质上恒定的径向直径的第二离子导向器部分S2，尽管第二离子导向器部分S2中的电极也可以保持先前的螺旋性(如图7的上侧实施例中所示出的那样)，或者以不同的螺旋度继续螺旋，但是本所述示例中的第二离子导向器部分S2中的电极笔直地延伸。离子传输穿过离子导向器2B并穿过分隔壁W中的开口32进入到第二真空级V2，第二真空级V2中可以设置诸如碰撞室或质量分析仪的离子处理装置(未显示)。第二真空级V2中的压强可维持在约100帕斯卡或小于100帕斯卡，并且将通常适于上游真空级V1中的压强状态和喷雾腔12中的压强状态。离子导向器2B的电极的连续设计促进了良好准直的离子束从第一真空级V1进入第二真空级V2的无障碍传播，在第二真空级V2中离子可以被进一步处理。

已经在图8的背景下仅通过示例并以非常示意性的方式示出和描述了电喷雾探针10。本领域的技术人员知晓，有各种不同的电喷雾探针实施例可供他们选择，他们可从这些实施例中选出最切实可行的实施例。实施方案可以包括处理额外的侧面受热气流的装置，以便提高液体喷雾探针的去溶剂化能力。此外，在任何情况下的离子源均不应限制为仅使用电喷雾原理的那些离子源。还可采用其他方式来电离液体样本。如本领域技术人员所熟知的，一个示例是大气压化学电离(APCI)源，其通过与某些试剂离子的电荷转移反应来电离由液体雾化而成的气体中性分子。

图9A再次示出了具有两个部分S1和S2的离子导向器2A/2B的示意图，这两个部分S1和S2延伸穿过两个真空级V1和V2之间的分隔壁W。在分隔壁W的低压侧，直线部分S2穿过基本上具有三个开口的单独的实质上气密的外壳90。两个开口用于容纳直线部分S2的一部分，位于较上侧的开口则用于通过其将工作气体(例如，He、Ar或N₂等碰撞气体)供应到外壳90的内部空间，并且在该内部空间内形成相对于外壳90的周围环境的较高的压强。当穿过此外壳90时，离子可碰撞地聚集在组件的轴线上；如果轴向动能足够大到能够实现将离子破碎为子离子的目的，则离子可被破碎为子离子；或者也可让离子与反应工作气体(例如，替代惰性气体He、Ar和N₂(或除惰性气体He、Ar和N₂之外)而被供应到此的甲烷CH₄)起反应。在这样做时，所传输的离子可以在在位于沿轴线进一步向下的位置处的质量分析仪(未示出)中经受质量分析之前被进一步处理。

图9B示出了图9A的实施例的变型，在该变型中，穿过真空级V1和V2之间分隔壁W的通道不仅由洞或孔组成，还包括安装在此类洞或孔中的圆柱管状体T，在这种情况下，离子导向器2A/2B的第二部分S2延伸穿过该圆柱管状体T。此类圆柱管状体T具有如下优点：可限制从上游真空级V1到下游真空级V2的气导率，同时不会对离子的几何接受性强加在不包括圆柱管状体T的相同可穿过小孔中所形成的任何限制。因此，可降低使第二真空级V2中形成真空的泵上的气体负荷。在替代方案中，可通过使用绝缘材料(未示出)填充电极之间的间隙而使离子导向器2A/2B至少一部分具有气密性，然后通过紧密配合将气密部分固定于分隔壁W中的洞或孔中。在此类变型中，可在没有圆柱管状体T的情况下实现较低的气导率。在另一变型中，整个离子导向器2A/2B可由气密的管状外壳组成，绕成螺旋状的电极和/或直线型的电极接合到此气密的管状外壳的内表面。

图10A至图10D呈现了离子导向器2A/2B的构造变型，每个变型都包括沿着离子导向器整个长度连续延伸的电极。在之前的实施例中，具有可变径向直径的离子导向器部分S1已经被示出为包括线性锥形结构。图10A呈现了内部体积非线性锥化的示例，使得在所述示例中的外部虚线轮廓呈喇叭形。此外，之前的实施例还示出了续接(或附接至)具有可变径向直径的离子导向器部分S1的窄端的具有实质上恒定的径向直径的离子导向器部分S2。图10B现在示出了在其中第二部分S2续接(或附接至)第一部分S1的较宽端的构造。在此类实施例中，如图所示，离子的流向可从左向右或从右向左，这具体取决于是想让离子准直形成相对较细的离子束(从左向右)还是想例如在使用试剂准备进行化学改性时或为了适应气体/离子扩散而加宽离子束(从右向左)。

此外，所描绘的之前的实施例仅包括离子导向器2A/2B的两部分S1和S2。图10C和图10D通过增加第三部分S3扩展了该离子导向器，根据具体应用需要，第三部分S3可具有实质上恒定的径向直径或可变的径向直径。

图11现在以稍稍不同的图示呈现了图8中呈现的实施例的变型。由于此变型的很多部件和元件与之前实施例中的部件和元件具有相同的功能或效果，因此，以下讨论将侧重于它们之间的差异。与如图8那样包括两部分S1和S2不同，此实施方案中的四极RF离子导向器2B包括四个不同的部分S1至S4，其中，两部分S1和S3具有可变的径向直径，而另外两部分S2和S4具有实质上恒定的径向直径。这四部分中的三部分S1、S2和S3包括绕成螺旋状且相互缠绕的电极的构造，而最后一部分S4中的电极形状逐步转为实质上为直线型(或杆状)电极。所有的四个部分S1至S4的电极或者作为一个整体或者分别彼此附接而彼此连续地电气连接。这些电极的图示与图8中的电极的图示不同，此图仅示出了贯穿中心轴线的截面图，该截面图仅提供了关于部分S1、S2和S3中的半个线圈的示图。在最后的直线型电极部分S4中，前面的两个电极(总共四个)在观察者的视点之后，因此看不到。

第一部分S1的窄端朝向圆锥26中的中心开口18，并准备接收气流和包括带电粒子和不带电离子的所携带的离子(该情况中还可能有液滴)，其中，不带电粒子通过喷雾腔12和相邻真空级V1之间的压强差而被第一部分S1的窄端接收，而进入的带电粒子是通过喷雾器和圆锥26之间的电压差被第一部分S1的窄端接收的。当传输流体进入真空级V1中的与喷雾腔12相比更低的压强状态时，流体将进行扩散。离子导向器2B的具有扩口构造的第一部分S1非常适于容纳扩散的流体流。以相反相位(如由示例“+”和“-”符号所指示的)施加至相邻电极线圈的RF电压确保：在离子向前移动时径向限定离子，而中性粒子将通过线圈之间的间隙逃离离子导向器2B并通过泵P1被泵出。

沿着离子导向器2B进一步向下，在部分S2和S3中，分散(但径向限定)的离子流实际上将通过如从部分S3中外部电极轮廓明显看出的径向直径在传播方向上的变窄或锥化再次会聚。在这样做时，这一漏斗部分S3促进离子朝着轴线径向聚集，使得它们能以细长、准直良好的束流的形式通过开口32穿过分隔壁W传输进入离子导向器的最后一部分S4。与相同RF电压供应连接的电极在离子导向器2B的整个轴向长度上的连续性导致在离子导向器2B内形成不会出现任何变化或不会受到扰动的轴向电势，从而允许离子从一个部分到另一个部分(即使穿越真空级壁W时)的顺畅轴向传输而没有任何损失。

图11中的离子导向器2B的具有实质上恒定的径向直径的部分S2和S4被示出为分别包括绕成螺旋状的电极和直线型电极的构造。然而本领域的技术人员应当认识到，在不脱离本发明范围的情况下也可选择其它构造。例如，可以利用实质上为直线型电极构造来实现部分S2，而部分S4的特征可为螺旋电极，或者两部分S2和S4皆可具有为螺旋或直线型的相同电极构造。此外，在图11中，螺旋电极的线圈的节距被示出为在离子导向器2B的长度上相当恒定。此外，这一特征仅通过示例的方式示出，并且还可以经受本领域技术人员认为合适的修改(例如，更改从一部分到另一部分的螺旋度)。还应认识到，图11的实施例中示出的具有实质上恒定的径向直径的第二部分S2并非绝对必要(虽然可能证明有助于进一步容纳流体扩散)，在某些情况下是可以被省去的，使得第一变宽部分S1就可直接逐步转为第三锥形部分S3，从而允许离子导向器2B以及真空级V1的设计更加紧凑。包括非卷绕的电极构造的离子导向器部分通常还可包括诸如弯曲了10°、45°、60°、90°、120°、150°、180°或270°的弯曲部分，以便在离子导向器2B中形成非线性离子路径。

图12示意性地示出了贯穿稍微增强的电极的实施例而得到的截面剖面图，尽管其它形状的截面剖面也被认为包括在本公开的范围内，但图12中仅示出了这些示例中的圆形(左)和矩形(右)的截面剖面。除了预计承载RF电压的导电芯110之外，所述截面剖面还包括绝缘层112(例如由玻璃制成)，在绝缘层112上涂覆有电阻金属涂层114。在右侧的实施例中，涂层未覆盖截面剖面的整个周围，而是仅仅覆盖将要朝向离子导向器2A/2B的内部的那个侧面。在沿着RF离子导向器2A/2B中的电极的长度的两个点处接触电阻涂层114，在这两点之间建立可用于驱动离子穿过离子导向器的压降或压升(与极性有关)。虽然这样处理的一个电极就已足够，但出于对称考虑，为离子导向件2A/2B中的所有电极均赋予这种涂层可能更有利。

上文已经参考本发明的多个不同的实施例示出并描述了本发明。但是，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的前提下，可以改变本发明的各方面或细节，或者，如果可行的话，可以任意组合不同实施例的各方面或细节。一般来说，以上描述仅出于说明目的，并非出于限制本发明的目的，本发明仅由所附权利要求及其任何等效实施方案(视情况而定)限定。

Claims (15)

1.一种质谱仪，包括具有多个电极的离子导向器，所述电极被供有射频电压以便在由所述电极的朝向内的表面限定的内部体积中径向限定离子，所述内部体积包括：第一部分和相邻的第二部分，所述第一部分沿着所述离子导向器的纵向轴线具有可变的径向直径，在所述第一部分中，所述电极绕成螺旋状；所述第二部分沿着所述纵向轴线具有实质上恒定的径向直径，其中，所述电极从所述第一部分连续延伸至所述第二部分。

2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，在所述内部体积的第二部分中，所述电极绕成螺旋状或实质上是直线型的。

3.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述第二部分中的电极是非卷绕的，并且被弯成弯曲部。

4.根据权利要求3所述的质谱仪，其中，所述弯曲部的曲率角的范围介于大约10°和270°之间。

5.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述恒定的径向直径与所述第一部分中的最大径向直径或最小径向直径相对应。

6.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述内部体积还包括与所述第一部分或所述第二部分相邻的第三部分，所述第三部分沿所述纵向轴线具有实质上恒定的径向直径或可变的径向直径，所述电极分别从所述第一部分或所述第二部分连续延伸至所述第三部分。

7.根据权利要求6所述的质谱仪，其中，所述内部体积还包括与所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分相邻的第四部分，所述第四部分沿所述纵向轴线具有实质上恒定的径向直径或可变的径向直径，所述电极分别从所述第一部分、所述第二部分或所述第三部分连续延伸至所述第四部分。

8.根据权利要求1所述的质谱仪，还包括由分隔壁隔开且具有不同压强的第一真空级和第二真空级，其中，所述第一部分和所述第二部分分别实质上位于所述第一真空级和所述第二真空级中，同时所述电极连续延伸穿过所述分隔壁中的开口。

9.根据权利要求8所述的质谱仪，还包括安装在所述分隔壁的开口中的圆柱管状构件，其中，所述电极通过所述圆柱管状构件从所述第一真空级延伸至所述第二真空级。

10.根据权利要求8所述的质谱仪，其中，所述离子导向器中的电极间的间隙填充有绝缘材料，用以至少沿所述离子导向器的各部分形成气密结构，并且这些气密部分安置于所述分隔壁的开口中。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的质谱仪，其中，所述离子导向器的最小径向直径部分容纳在所述分隔壁的开口中或所述圆柱管状构件中，以便使所述第一真空级和所述第二真空级之间的气导率尽可能低。

12.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述多个电极中的至少一个包括绝缘层，所述绝缘层上沉积有电阻涂层，所述电阻涂层与直流电压源连接，从而沿所述纵向轴线建立驱动离子通过所述离子导向器的直流电压梯度。

13.根据权利要求1所述的质谱仪，还包括用于建立通过所述离子导向器的气流以便驱动离子通过所述第一部分和所述第二部分的装置。

14.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述离子导向器中的电极数量是:(i)三个，并且所述射频电压包括交替施加至相邻电极的三个相位0°、120°、240°；或(ii)四个、六个、八个或更多个，并且所述射频电压包括交替施加至相邻电极的两个相位0°，180°。

15.根据权利要求1所述的质谱仪，其中，所述第二部分的一部分延伸穿过外壳，所述外壳中保持高压以便用作碰撞室。