CN108022823B - 具有减速级的多反射质谱仪 - Google Patents

具有减速级的多反射质谱仪 Download PDF

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Abstract

一种多反射质谱仪，其包括在X方向上间隔开且彼此对置的两个离子镜，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，X方向正交于漂移方向Y，以及离子注入器，离子注入器用于与X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到离子镜之间的空间中，其中沿着在漂移方向Y上离子镜的长度的第一部分，离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在漂移方向Y上离子镜的长度的第二部分，离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近离子注入器，且第一收敛程度大于第二收敛程度。通过修改沿着长度的初始部分由收敛镜产生的返回伪电位而在方向+Y上的注入后漂移速度的初始较高减少允许通过长度的所述第二部分的在方向X上的增加数目的振荡。

Description

具有减速级的多反射质谱仪
技术领域
本发明涉及质谱法的领域，具体来说是飞行时间质谱法，尤其是高质量分辨率飞行时间质谱法，以及利用多反射技术用于延伸离子飞行路径的静电阱质谱法。
背景技术
在质谱仪内利用多反射来延伸离子的飞行路径的各种布置是已知的。对于在飞行时间(TOF)质谱仪内增加离子的飞行时间分离或者在静电阱(EST)质谱仪内增加离子的截留时间，飞行路径延伸是合意的。在两种情况下，区分离子之间的小质量差的能力从而改进。改进的分辨力连同通常与其一起带来的增加的质量准确性和灵敏度的优点是用于广泛范围应用的质谱仪的重要属性，具体来说关于生物科学中的应用，例如蛋白质组研究和代谢组研究。
Nazarenko等人在专利SU1725289中描述了两个平行对置镜的布置。这些镜在漂移方向上伸长且离子遵循Z形飞行路径，在镜之间反射且同时在漂移方向上沿着镜的延伸长度相对缓慢地漂移。每一镜是由平行条电极制成。反射循环的数目以及实现的质量分辨率能够通过更改离子注入角度而调整。所述设计有利地是简单的，因为仅需要制作两个镜结构且彼此对准。然而此系统缺乏防止漂移方向上的波束发散的任何方式。由于注入离子的初始角展度，在多次反射之后波束宽度可能超过检测器的宽度，从而由于灵敏度损失使得离子飞行时间的任何进一步增加不可行。如果已经经历不同数目反射的离子的轨迹重叠，那么离子束发散是尤其不利的，因此使得不可能仅检测已经经历给定数目振荡的离子。因此，所述设计具有有限的角度接受和/或有限的最大反射次数。此外，离子镜并不相对于跨越折叠路径的平面的初始离子束扩展提供飞行时间聚焦，从而对于宽初始波束角度发散导致降级的飞行时间分辨率。
Wollnik在GB专利2080021中描述了平行对置无网格离子镜的各种布置。描述了成线性布置的两行镜以及两个对置的镜环。一些镜可以倾斜而实现波束注入。每一镜是旋转对称的，且被设计成产生空间聚焦特性以便控制在每一反射处的波束发散，从而能够以低波束损失获得较长飞行路径。然而这些布置的制造是复杂的，包括需要彼此精确对准的多个高容限镜。在离子一次通过分析器时的反射次数因镜的数目而固定，且不可更改。
Su在《质谱法和离子过程国际期刊(International Journal of MassSpectrometry and Ion Processes)》(88(1989)21-28)中描述了在漂移方向上伸长的网格化平行板镜布置。对置离子反射器被布置成彼此平行，且离子在多次反射中遵循Z形飞行路径，然后到达检测器。所述系统没有用于控制漂移方向上的波束发散的方式，且这连同减少了每一反射处的离子通量的网格化镜的使用一起限制了有用的反射次数且因此限制了飞行路径长度。
Verentchikov在WO2005/001878和GB2403063中描述了位于两个平行伸长对置镜之间的无场区内的周期性隔开透镜的使用。所述透镜的目的是控制在每一反射之后漂移方向上的波束发散，从而能够在Nazarenko等人和Su描述的伸长镜结构上有利地获得较长飞行路径。为了进一步增加路径长度，提出将偏转器放置在镜结构的远离离子注入器的末端，以使得离子可以被偏转返回通过镜结构，从而使飞行路径长度加倍。然而以此方式使用偏转器容易引入波束畸变，这将最终限制可获得的最大分辨力。在此布置中，反射的次数由透镜的位置设定，且不存在通过更改离子注入角度而改变反射次数且进而改变飞行路径长度的可能性。构造也是复杂的，从而要求多个透镜的精确对准。透镜和末端偏转器此外还已知引入波束畸变，且最终这对可使用的注入装置的类型施加限制，且减少了分析器的总体接受。另外，波束保持在整个路径上紧密地聚焦，从而使得其对空间电荷效应更敏感。
Makarov等人在WO2009/081143中描述了对于多反射伸长TOF镜分析器在漂移方向上引入波束聚焦的又一方法。此处，第一无网格伸长镜由在垂直方向上伸长的一组个别无网格镜对置，沿着平行于第一伸长镜的漂移方向而并排设置。所述个别镜在漂移方向上提供波束聚焦。再次在此布置中，装置内的波束振荡的次数是由个别镜的数目设定，且无法通过更改波束注入角度而调整。尽管没有Wollnik和Verentchikov的布置那么复杂，但是此构造比Nazarenko等人和Su的布置更复杂。
Golikov在WO2009001909中描述了彼此平行布置的两个不对称对置镜。在此布置中，镜尽管不旋转对称，但并不在漂移方向上延伸，且质量分析器通常具有窄质量范围，因为离子轨迹在不同振荡上是空间上重叠的且无法分离。提出了镜像电流检测的使用。
在包括伸长平行对置镜的系统中在漂移方向上提供波束聚焦的进一步提议由Verentchikov和Yavor在WO2010/008386中提供。在此布置中，通过在沿着伸长镜结构的设定间距处周期性地调制一个或这两个镜内的电场而将周期性透镜引入到一个或这两个对置镜中。再次在此构造中，无法通过改变波束注入角度而更改波束振荡的次数，因为在一个或这两个镜中波束必须与调制精确对准。每一镜在构造上比Nazarenko等人提出的简单平面镜稍微更复杂。
Ristroph等人在US2011/0168880中提出了稍微相关的方法。对置伸长离子镜包括镜单元，其各自具有弯曲区段以提供漂移方向上的聚焦且部分或完全地补偿相对于漂移方向的二阶飞行时间畸变。与其它布置一样，无法通过改变波束注入角度而更改波束振荡的次数，因为波束必须与所述单元精确对准。再次所述镜构造比Nazarenko等人的构造更复杂。
借助周期性结构的使用维持漂移方向上的窄波束中的离子的所有布置必定经受离子之间的空间电荷排斥的影响。
Sudakov在WO2008/047891中提出了通过使离子沿着漂移长度返回而加倍飞行路径长度且同时引发漂移方向上的波束收敛的替代方式。在此布置中所述两个平行无网格镜进一步包括第三镜，所述第三镜垂直于所述对置镜而定向且位于所述对置镜的远离离子注入器的末端处。允许离子当它们从离子注入器前进通过分析器时在漂移方向上发散，但第三离子镜恢复此发散，且在第三镜中的反射之后，在回到离子注入器附近后离子再次在漂移方向上收敛。这有利地允许离子束在其通过分析器的大部分行程中在空间中向外扩展，从而减少空间电荷交互，以及避免沿着镜或在镜之间使用多个周期性结构用于离子聚焦。第三镜还在漂移方向上引发相对于初始离子能量的空间聚焦。不存在个别透镜或镜单元的情况下，反射的次数可通过注入角度设定。然而，第三镜必定建置到所述两个对置伸长镜的结构中且有效地划分伸长镜，即所述伸长镜不再连续，且第三镜也是如此。这具有由于区段之间的间隙中的电场逐步改变而在离子上引发不连续返回力的不利效应。这是尤其重要的，因为所述区段是在漂移方向上离子束宽度处于其最大值的转向点附近发生。这会导致在单个振荡期间在多于一个区段内反射的离子的不受控离子散射和不同飞行时间。
最近，US2015/0028197描述了一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，在X方向上彼此对置且均在漂移方向Y上大体上伸长。注入到仪器中的离子在镜之间在X方向上重复地来回反射，同时它们沿着镜伸长的Y方向漂移。总体上，离子运动遵循Z形路径。所述镜具有随着增加Y的收敛，从而产生沿着Y轴的伪电位梯度，其充当离子镜以逆转沿着Y的离子漂移速度且将Y中的离子在空间上聚焦到放置检测器处的焦点。因此，沿着Y轴的伪电位梯度使得能够逆转离子运动而实际上不需要如Sudakov所描述的第三离子镜。
然而鉴于上文，例如在分辨力方面仍需要改进。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器，且所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。优选地，所述离子镜中的至少一者在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分具有与所述方向Y的第一非零倾斜角且在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分具有与所述方向Y的第二非零倾斜角，与所述方向Y的所述第二非零倾斜角小于与所述方向Y的所述第一非零倾斜角或具有与所述方向Y的零倾斜角。优选地，所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供第一返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供第二返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度或者沿着其长度的所述第二部分并不提供返回伪电位，其中所述第一返回伪电位梯度大于所述第二返回伪电位梯度。优选地，所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第一速率，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第二速率或者沿着其长度的所述第二部分并不提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，其中所述离子漂移速度的减速的所述第一速率大于所述离子漂移速度的减速的所述第二速率。
根据本发明的另一方面，提供一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，其中所述离子镜中的至少一者在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分具有与所述方向Y的第一非零倾斜角且在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分具有与所述方向Y的第二非零倾斜角，与所述方向Y的所述第二非零倾斜角小于与所述方向Y的所述第一非零倾斜角或具有与所述方向Y的零倾斜角，长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。优选地，沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。优选地，所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供第一返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供第二返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度或者沿着其长度的所述第二部分并不提供返回伪电位，其中所述第一返回伪电位梯度大于所述第二返回伪电位梯度。优选地，所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第一速率，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第二速率或者沿着其长度的所述第二部分并不提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，其中所述离子漂移速度的减速的所述第一速率大于所述离子漂移速度的减速的所述第二速率。
根据本发明的再一方面，提供一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供第一返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供第二返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度或者沿着其长度的所述第二部分并不提供返回伪电位，其中所述第一返回伪电位梯度大于所述第二返回伪电位梯度，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。优选地，沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。优选地，所述离子镜中的至少一者在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分具有与所述方向Y的第一非零倾斜角且在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分具有与所述方向Y的第二非零倾斜角，与所述方向Y的所述第二非零倾斜角小于与所述方向Y的所述第一非零倾斜角或具有与所述方向Y的零倾斜角。优选地，所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第一速率，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第二速率或者沿着其长度的所述第二部分并不提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，其中所述离子漂移速度的减速的所述第一速率大于所述离子漂移速度的减速的所述第二速率。
根据本发明的再一方面，提供一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第一速率，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第二速率或者沿着其长度的所述第二部分并不提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，其中所述离子漂移速度的减速的所述第一速率大于所述离子漂移速度的减速的所述第二速率，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。优选地，沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。优选地，所述离子镜中的至少一者在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分具有与所述方向Y的第一非零倾斜角且在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分具有与所述方向Y的第二非零倾斜角，与所述方向Y的所述第二非零倾斜角小于与所述方向Y的所述第一非零倾斜角或具有与所述方向Y的零倾斜角。优选地，所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供第一返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供第二返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度或者沿着其长度的所述第二部分并不提供返回伪电位，其中所述第一返回伪电位梯度大于所述第二返回伪电位梯度。
在这些实施例中，优选地，注入到所述质谱仪中的离子在所述镜之间在所述X方向上来回重复反射，同时所述离子沿着镜伸长的所述Y方向漂移以便遵循通过质谱仪的Z形路径。例如由收敛或倾斜的离子镜提供的返回伪电位梯度提供相反电场，所述电场致使离子最终逆转其方向且再次遵循Z形路径朝向离子注入器沿着方向Y返回行进。
镜的收敛意味着在X方向上所述对置离子镜之间的距离随着沿着方向Y远离离子注入器的位移增加而变得较小。收敛程度是在X方向上所述对置离子镜之间的距离随着沿着方向Y远离离子注入器的位移的变化率，即每单位的沿着方向Y远离离子注入器的位移在X方向上所述对置离子镜之间的距离的改变量。因此，收敛的镜在其之间具有收敛角度。镜的收敛或镜到方向Y的非零倾斜角或返回伪电位是为了当离子在镜中反射时，即在离子注入后当离子在+Y方向上移动远离离子注入器时造成离子漂移速度(漂移方向Y上的离子的速度)的减少。优选地，离子漂移速度的减少是由离子镜中的每一反射造成，其中镜是收敛的或具有与方向Y的非零倾斜角。随着Y增加，即沿着方向Y上的长度的第二部分的镜收敛或镜的非零倾斜角产生沿着Y轴线的伪电位梯度，其充当离子镜以减少离子漂移速度且可最终逆转沿着Y的离子漂移速度(即离子漂移速度变成-Y方向上的速度)。在此的离子漂移速度的减少可包含将漂移速度减少到负或更负的值(即朝向离子注入器的反速度或-Y方向上的速度)。来自镜中的至少一者的在所述镜的长度的第一部分中的离子束的一个或多个反射(优选地来自镜中的一者的在长度的第一部分中的单个反射)以及优选地来自镜的在长度的第二部分中的离子束的反射提供漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，因为离子在离子注入后移动远离离子注入器。对于移动远离离子注入器的具有给定质荷比的离子，漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的速率在此被视为在方向Y上镜的每单位长度或每单位时间的漂移速度的变化率。
在方向Y上的离子的漂移速度可通过离子镜中的至少一者在方向Y上的长度的第一部分中的至少一次反射而大体上减少。与针对离子镜中的至少一者在方向Y上的长度的第二部分中的反射(其中镜收敛或倾斜角较小或不存在)在方向Y上的其漂移速度的平均减少相比，离子通过离子镜中的至少一者在方向Y上的长度的第一部分中的反射(其中镜收敛或倾斜角较大)而在方向Y上展现其漂移速度的大体上更大的平均减少。对于沿着Y的长度的所述第一和第二部分中的每一者，在方向Y上的漂移速度的平均减少意味着所述部分中每次反射的其漂移速度的平均减少(即所述部分中的所有反射的平均)。
优选地，第一收敛程度或与方向Y的非零倾斜角或返回伪电位等等使得在所述离子在长度的所述第一部分中在所述离子镜中经受一次或多次反射之后，在方向Y上离子的漂移速度跨越长度的所述第一部分减少至少5％、或至少20％、或在5％到50％范围内的量、或在20％到50％范围内的量。优选地，平均来说(意味着一次或多次反射的全部的平均)，与所述离子镜中在方向Y上在长度的所述第二部分中的每次反射在方向Y上其漂移速度的平均减少相比，离子展现了所述离子镜中的至少一者在方向Y上的长度的第一部分中的每次反射在方向Y上的其漂移速度的更大或大体上更大的减少(例如，>5％、>10％或>20％)。
因此可见，本发明提供具有较高初始(注入后)减速级的多反射质谱仪。
用于与X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到离子镜之间的空间中的离子注入器优选地位于X-Y平面中。随后，注入的离子在X-Y平面中在离子镜之间遵循其Z形路径。然而，离子注入器可位于X-Y平面之外，使得离子朝向X-Y平面注入且当它们到达X-Y平面时由偏转器偏转以随后在X-Y平面中在离子镜之间遵循其Z形路径。注入到质谱仪中的离子优选地在镜之间在X方向上来回重复反射，同时它们沿着镜伸长的Y方向(在+Y方向上)漂移。总体上，离子运动遵循Z形路径。在某些实施例中，允许离子沿着Y逆转其漂移速度且在镜之间在X方向上来回重复反射，同时它们沿着Y方向往回(在-Y方向上)漂移。以此方式，由于随着增加Y而具有收敛的镜，离子在Y方向上朝向其注入点返回行进，从而产生沿着Y轴线的伪电位梯度，其充当离子镜以逆转沿着Y的离子漂移速度，这可在Y方向上使离子空间聚焦于在注入点处或附近的焦点，检测器也可放置于所述注入点处。检测器可大体上定位于与离子注入器相同的Y位置处或附近。在例如在所述第二部分中不存在镜收敛或不存在镜与Y轴线的倾斜角的一些实施例中，返回伪电位梯度可能不存在且离子不可通过镜之间的空间返回。在此类实施例中，检测器可以改为放置在离子镜的与离子注入器的对置末端。然而，并无用于逆转离子漂移速度方向的返回伪电位的此类实施例由于在检测器处不存在空间聚焦而为较不优选的。然而，在长度的第二部分中具有平行镜布置的此类实施例可以通过采用所谓的周期性透镜而改进，例如WO2005/001878和GB2403063中所描述，其中使用位于两个平行伸长对置镜之间的无场区内的周期性隔开的透镜实现了对在每一反射之后的漂移方向的波束发散的控制，从而能够在伸长镜结构上有利地获得较长飞行路径。因此，在漂移方向Y上沿着其长度的第二部分，离子镜在一些实施例中可为大体上非平行的但在其它实施例中可为大体上平行的。
本发明通过相对于沿着长度的后续部分(即沿着方向Y的长度的第二部分)由收敛镜产生的返回伪电位修改或更改沿着长度的初始部分(即沿着方向Y的长度的第一部分)由收敛镜产生的返回伪电位而实现在方向+Y上的注入后漂移速度的初始较高减少。沿着长度的第一部分由收敛镜产生的返回伪电位因此高于沿着长度的第二部分由收敛镜产生的返回伪电位，因为离子在注入之后在+Y方向上移动。本发明可通过允许离子在镜中的至少一者中在漂移方向Y上的长度的第一部分中经受至少一次反射而在通过质谱仪的反射路径的开始处实现更快速地减少在方向Y上的离子的漂移速度，其中镜之间的收敛程度较高，这允许方向X上的增加数目的振荡且因此在漂移方向Y上通过长度的第二部分的增加的飞行时间以及通过质谱仪的增加的总飞行路径。
因此，在某些实施例中，与在镜的长度的第二部分中的后续反射之后相比，在镜的长度的第一部分中的初始反射之后离子经受在方向+Y上的漂移速度的更大减少，因为离子在注入之后在+Y方向上移动。离子优选地在+Y方向上在注入之后在镜的长度的第一部分中经受单个反射，且在离子在+Y方向上移动时在镜的长度的第二部分中经受多次反射。在已经通过在长度的第二部分中由收敛镜形成的伪电位梯度逆转沿着Y的离子漂移速度且离子已经在逆转的-Y方向上沿着长度的第二部分返回行进之后在长度的第一部分中也可存在离子的反射。在此些情况下，在离子已经在逆转的-Y方向上沿着长度的第二部分返回行进之后离子优选地在镜的长度的第一部分中经受单个反射，这可以是紧接于检测之前的最终反射。
在一个类型的实施例中，离子镜沿着由在方向Y上的长度的第一部分界定的离子镜的第一漂移区以较大角度(即较急剧地)收敛，且沿着由在方向Y上的长度的第二部分界定的第二漂移区以与方向Y的较小角度(优选地大体上较小角度，即较不急剧地)收敛。在一些实施例中，镜可以沿着由长度的第二部分界定的第二漂移区不收敛(即可以平行)。此特定的二级电位梯度与如现有技术中所描述的简单单级线性收敛的情形形成对比。在方向Y上的离子漂移速度因此在注入后在第一区中快速减少，从而允许通过第二区的增加的飞行时间以及增加的总飞行路径。已经发现，相对于不具有初始减速级的单级收敛镜，具有用于漂移速度的初始快速减速级的本发明在X方向上使振荡的数目增加50％或更多，且因此使飞行时间增加50％或更多。
这可与US2015/0028197中描述的仪器进行比较，其中分辨力取决于离子注入的初始角度(本文称为倾斜角度，其为在X-Y平面中离子注入与X方向的角度)，其决定了漂移速度并且因此决定了总飞行时间。理想地，此注入的倾斜角度应当最小化，但此最小化会受到注入设备和/或检测器的机械要求的限制，尤其是对于较紧凑的设计。现有技术中呈现的解决方案是使用定位于镜之间的额外偏转器以在离子注入之后减少漂移速度，但这潜在地引入其自身的机械限制，以及影响质量分辨率的离子损失和飞行时间畸变，且当然增加了仪器的复杂性和成本。在本发明中，在镜之间不需要使用额外偏转器来减少漂移速度。换句话说，在本发明中将减速级并入到镜结构自身中允许带来飞行时间且因此分辨率的增加，而不需要在镜之间并入额外偏转器，因此减少零件的数目和成本。
因此，在实施例中，镜在漂移方向上沿着其长度的至少第一部分以及优选第二部分在X方向上彼此不是恒定距离。在某些实施例中，镜在漂移方向上沿着其长度的至少第一部分以及优选第二部分在X方向上彼此倾斜。镜因此在漂移方向上沿着其长度的至少第一以及优选第二部分在X方向上朝向彼此收敛。
本发明进一步提供一种质谱法的方法，其包括以下步骤：例如以对于TOF质谱法已知的脉冲离子束的形式将离子注入到多反射质谱仪中，以及在离子通过质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些。
离子注入器优选地在漂移方向Y上接近于对置离子光学镜的一个末端而定位，使得离子可在漂移方向上从对置离子光学镜的一个末端注入到多反射质谱仪中(+Y方向上的注入)，其中当离子光学镜在漂移方向上延伸远离离子注入器的位置时所述离子光学镜收敛。优选地，使用本发明的质谱法的方法进一步包括在漂移方向上从对置离子光学镜的一个末端将离子注入到多反射质谱仪中，其中当离子光学镜在漂移方向上延伸远离离子注入的位置时所述离子光学镜收敛。
本文为方便起见，漂移方向将被称为Y方向，对置镜被设定为在被称为X方向的方向上彼此分开一个距离，所述X方向正交于所述Y方向，此距离如所描述在Y方向上的不同位置处变化。离子飞行路径大体上占据在X和Y方向上延伸的空间的体积，离子在对置镜之间反射(X方向上)且同时沿着漂移方向Y前进。镜在垂直Z方向(Z垂直于X和Y)上大体上为较小尺寸，由离子飞行路径占据的空间的体积是优选地在Z方向上具有最小尺寸的稍微失真的矩形平行六面体。为本文描述方便起见，离子是以+X和+Y方向上的速度的初始分量注入到质谱仪中，初始地朝向在+X方向上定位的第一离子光学镜且沿着+Y方向上的漂移长度前进。Z方向上的速度的平均分量优选地为零。
优选地实现离子束的注入以使得波束中的离子初始地具有+Y方向和+X方向上的速度。注入的离子优选地初始地前进到在+X方向上定位的两个对置离子光学镜中的第一镜，且在其中朝向在-X方向上定位的对置镜反射。优选地，在以+Y方向和+X方向上的速度的注入之后的第一反射在沿着方向Y的长度的第一部分中在第一镜中发生，其中离子镜以第一(即较高)收敛程度收敛。这提供了在方向Y上的漂移速度的快速减速以实现沿着方向Y的长度的第二部分上的较长飞行时间。在一个更优选实施例中，当离子在+Y方向上移动时在沿着方向Y的长度的第一部分中存在离子的仅一次反射，即在镜中的仅一者中。在其它实施例中，可为有利的是在沿着Y的长度的第一部分中采用离子镜中的多次(例如，2或3或4或更多)反射。在长度的第二部分中由收敛镜形成的伪电位梯度已经逆转沿着Y的离子漂移速度且离子已经以-Y方向上的速度沿着长度的第二部分返回之后在长度的第一部分中也可存在离子的反射。在沿着Y的离子漂移速度已逆转之后在长度的第一部分中的离子的反射通常在与其中发生第一反射的离子镜对置的离子镜中发生，且将通常是在离子到达检测器之前的最后反射。检测器优选地位于在离子镜的末端处的离子注入器附近。
优选地，当离子束在两个不同收敛级之间(即在方向Y上长度的第一和第二部分之间)通过时离子束的任何部分都不在镜结构内。否则，离子束的漂移能量发散将增加且离子可能散射达到不合需要的程度。当离子束在方向Y上长度的第一和第二部分之间通过时离子束的任何部分都不在离子镜内的此条件强加了进入长度的第二部分的最小漂移速度，其取决于镜分离以及离子束在所述点处的空间发散。由于离子束随着增加Y而发散，因此优选尽可能早地在两个级之间具有转变，优选地在注入后在第一和第二反射之间。因此，在方向Y上长度的第一和第二部分之间的转变优选地在注入后在对置离子镜中的第一和第二反射之间发生。具体来说对于具有两个线性级的在级之间的转变中构成拐角的实施例的相关问题是所述两个级之间的场下垂将造成一些漂移能量加宽，即使在到分离所述两个区的点或拐角的某一距离处也是如此。优选地，提供一个或多个校正电极以减少或最小化电场强度的此场干扰。在一个实施例中，基于PCB的校正电极可通过镜安装于镜收敛在第一和第二部分之间改变的点或拐角处；PCB的两个面将具有稍微不同的电极轨道范围或施加电压以模仿级的延续。在另一实施例中，小失真可在镜表面中在镜收敛改变的点或拐角处建立，使得(较高收敛的)第一级以小的收敛增加终止，且第二级以小的收敛减小开始。也可以用在两个级之间的转变点处从镜电极悬挂的小型成对电极来模仿此效应。
在其它实施例中，收敛的第一和第二级都不需要是线性的。由两个级之间的转变(例如在线性收敛级的情况下的拐角)引入的可能畸变可通过以平滑曲线将两个级掺合在一起而有效地移除，使得漂移能量分散中的畸变在多次反射上平均化。因此，在方向Y上长度的第一和第二部分之间的转变优选地是平滑曲线。另外，具有较低收敛程度的离子镜的长度的第二部分可例如以US2015/0028197A1中描述的方式被构造为具有遵循多项式(优选地为抛物线)镜收敛的至少一部分，这对于具有宽漂移能量分散的离子束改进了在检测器处的Y空间聚焦。当如本发明中处置减速离子时这是优选的，因为漂移能量分散大体上作为漂移能量的比例而增加。
离子镜的不同收敛的两个部分或级无需由相同镜组(例如由相同(连续)镜电极)形成。举例来说，每一伸长离子镜可以在转变点处电分离为两个单独级，或以一些添加的成本和复杂性从完全不同的结构建置。然而，这在允许质谱仪的部分再调谐方面可具有一些优点。为简单起见，在方向Y上长度的第一和第二部分由相同连续电极提供。
每一镜优选地由多个伸长平行条电极制成，所述电极大体上在方向Y上伸长。镜的这些构造是此项技术中已知的，例如SU172528或US2015/0028197中所描述。离子镜的伸长电极可以被提供为安装金属条或PCB基底上的金属轨道。所述伸长电极可以由例如镍钢等具有低热膨胀系数的金属制成，以使得飞行时间能够抵抗仪器内的温度改变。可通过线磨蚀制造来精确加工或获得离子镜的电极形状。
优选地，本发明的质谱仪包含位于镜之间的空间中的补偿电极以使由镜之间的距离改变造成的飞行时间畸变的影响最小化，如US2015/0028197A1中所描述。
镜的收敛的最优选角度取决于若干因素，包含离子镜的长度以及镜的每一级中所需的离子反射的次数。作为一实例，对于375mm长度，在离子镜的长度的第一级或第一部分中具有最小2.5度注入角度和20％到50％离子能量减少(18次中的1次反射中)的情况下，0.116度的有效线性倾斜将为合适的，其可例如以如下方式分裂成镜的两个级。在长度的第一部分中两个离子镜之间的收敛角度优选地在0.05与10度之间(优选范围涵盖在长度和注入角度方面具有显著变化的若干实施例)，更优选在0.5与1.6度之间(此较窄范围适合于具有所描述最小注入角度的375mm模型)。在长度的第二部分中两个离子镜之间的收敛角度优选地在0.01与0.5度之间(优选范围涵盖在长度和注入角度方面具有显著变化的实施例，更优选在0.05与0.1度之间。
镜长度(第一和第二级的总长度)在本发明中不受特别限制，但优选实际实施例优选地具有在300到500mm、更优选350到450mm、特别是350到400mm的范围内的总长度。
离子光学镜彼此对置。对置镜的意思是所述镜被定向以使得引导到第一镜中的离子朝向第二镜反射出第一镜，且进入第二镜的离子朝向第一镜反射出第二镜。对置镜因此具有大体上在相反方向上定向且彼此面对的电场的分量。
多反射质谱仪包括两个离子光学镜，每一镜主要在一个方向上伸长。所述伸长可以是线性的(即笔直)，或所述伸长可以是非线性的(例如，弯曲或包括一系列小台阶以便近似曲线)，如将进一步描述。在一些实施例中，长度的第一和第二部分的伸长是线性的，且在其它实施例中，第一和第二部分的伸长是非线性的，例如弯曲。替代地，在一些实施例中，第一部分的伸长是线性的且第二部分的伸长是非线性的，或反之亦然(第一部分的伸长是非线性的且第二部分的伸长是线性的)。每一镜的伸长形状可以是相同或者可以不同。优选地每一镜的伸长形状是相同的。优选地镜是一对对称镜。在所述伸长是线性的情况下，在本发明的一些实施例中，所述镜彼此不平行。在所述伸长是非线性的情况下，在本发明的一些实施例中，至少一个镜沿着漂移方向上其长度的至少一部分朝向另一镜弯曲。在某些优选实施例中，在方向Y上一个或优选地每一镜的长度的第一和第二部分是弯曲的。一个或优选地每一镜的弯曲部分可被构造为遵循多项式(优选地抛物线)镜形状。沿着离子镜的长度的弯曲部分的镜的收敛程度(即镜之间的角度)或镜相对于方向Y的倾斜角在此可以通过所述曲线的切线来确定。在弯曲镜的情况下，其中沿着长度的一部分相对于方向Y存在收敛程度范围或倾斜角范围或减速速率范围等，本文将收敛程度或倾斜角或减速速率等取为沿着长度的弯曲部分的收敛程度或倾斜角等的平均(即平均值)。
所述镜可以是任何已知类型的伸长离子镜。在其中一个或两个伸长镜弯曲的实施例中，已知的伸长离子镜的基本设计可适于产生所需的弯曲镜。所述镜可以网格化或所述镜可以无网格。优选地镜是无网格的。
如本文中所述，所述两个镜彼此对准以使得它们处于X-Y平面中，并且因此两个镜的伸长尺寸大体上处于漂移方向Y上。所述镜在X方向上间隔开且彼此对置。然而，在一些实施例中，由于镜之间的距离或间隙被布置成随漂移距离而变(即随Y而变)，因此两个镜的伸长尺寸将不精确处于Y方向上，且出于此原因将镜描述为大体上沿着漂移方向Y伸长。因此，大体上沿着漂移方向Y伸长也可理解为主要或大体上沿着漂移方向Y伸长。在本发明的实施方式中，至少一个镜的伸长维度将对于其长度的至少一部分与方向Y成角度，例如对于其中镜收敛的其长度的至少第一和第二部分。优选地两个镜的伸长维度将对于其长度的至少一部分与Y方向成角度，例如对于其中镜收敛的其长度的至少第一和第二部分。
此处，在说明书和权利要求书中，在X方向上对置离子光学镜之间的距离意味着在那些镜内在沿着漂移长度Y的给定位置处离子的平均转向点之间的距离。在其间具有无场区(情况如此)的镜之间的有效距离L的精确定义是无场区中的平均离子速度与两个连续转向点之间过去的时间的乘积。此处在镜内的离子的平均转向点意味着具有平均动能和平均初始角度发散特性的离子到达的镜内在+/-X方向上的最大距离，即这些离子在离开镜返回前进之前在X方向上转向的点。在+/-X方向上具有给定动能的离子在镜内的等电位表面处转向。沿着特定镜的漂移方向的所有位置处这些点的地点界定了所述镜的转向点，且所述地点在下文被称为平均反射表面。因此对置离子光学镜之间的距离的变化由镜的对置平均反射表面之间的距离的变化界定。在说明书和权利要求书中，对置离子光学镜之间的距离的参考打算意指如刚才界定的镜的对置平均反射表面之间的距离。在本发明中，紧接于在离子在沿着镜的伸长长度的任一点处进入对置镜中的每一者之前，所述离子在+/-X方向上具有其原始动能。对置离子光学镜之间的距离因此也可以被界定为对置等电位表面之间的距离，其中标称离子(具有平均动能和平均初始角度入射的那些离子)在X方向上转向，所述等电位表面沿着镜的伸长长度延伸。
在本发明中，镜本身的机械构造在表层检查下可能表现为随Y而变在X上维持隔开的恒定距离，而平均反射表面实际上可能随Y而变在X上隔开不同距离。举例来说，对置离子光学镜中的一个或多个可以由安置于绝缘形成体(例如印刷电路板)上的导电轨道形成，且一个此类镜的形成体可以被布置成沿着整个漂移长度与对置镜隔开恒定距离，而安置于所述形成体上的导电轨道可能与对置镜中的电极不是恒定距离。即使两个镜的电极被布置成沿着整个漂移长度隔开恒定距离，不同电极也可以沿着漂移长度在一个或这两个镜内以不同电位偏置，从而造成镜的对置平均反射表面之间的距离沿着漂移长度变化。因此，在X方向上对置离子光学镜之间的距离在漂移方向上沿着镜的长度的至少一部分变化。
优选地在X方向上对置离子光学镜之间的距离的变化随漂移距离而变平滑地变化。在本发明的一些实施例中，在X方向上对置离子光学镜之间的距离的变化随漂移距离而变或在两个线性级中线性地变化，即在X方向上对置离子光学镜之间的距离作为长度的第一部分的漂移距离的第一线性函数变化且作为长度的第二部分的漂移距离的第二线性函数变化，所述第一线性函数具有比第二线性函数高的梯度(即在X方向上对置离子光学镜之间的距离随漂移距离而变对于第一线性函数比第二线性函数更大地变化)。在本发明的一些实施例中，在X方向上对置离子光学镜之间的距离的变化随漂移距离而变非线性地变化。
在本发明的一些实施例中，对置镜大体上在漂移方向上线性地伸长且沿着其全长不彼此平行(即它们彼此倾斜)，且在此类实施例中在X方向上对置离子光学镜之间的距离的变化随漂移距离而变线性地变化(尤其在两个线性级中)。在优选实施例中，所述两个镜在一个末端处彼此进一步隔开，所述末端在邻近离子注入器的区中，即伸长离子光学镜沿着其长度的至少一部分在X方向上更接近在一起，因为它们在漂移方向上延伸远离离子注入器，即镜收敛。在本发明的一些实施例中，至少一个镜且优选地每一镜在漂移方向上沿着其长度的至少一部分朝向或远离另一镜弯曲，且在此类实施例中，在X方向上对置离子光学镜之间的距离的变化随漂移距离而变非线性地变化。在优选实施例中，两个镜被成形以便在长度的第一和第二部分中的一者或两者中产生弯曲反射表面，所述反射表面遵循多项式(优选地抛物线)形状以便朝向彼此弯曲，因为它们在漂移方向上延伸远离离子注入器的位置。在此类实施例中，所述两个镜因此在邻近离子注入器的区中的一个末端处彼此进一步隔开。本发明的一些实施例提供的优点是通过使用非平行镜而实现在漂移(Y)方向上离子的延伸飞行路径长度和空间聚焦。此类实施例有利地不需要额外组件来通过使离子转向且朝向离子注入器沿着漂移方向返回前进(即在-Y方向上行进)而加倍漂移长度以及当离子返回到离子注入器附近时沿着Y方向引发离子的空间聚焦，而是仅需要利用两个对置镜。又一个优点来自其中对置镜在伸长远离邻近离子注入器的质谱仪的一个末端时以多项式(优选地抛物线)型面朝向彼此弯曲的实施例，因为此特定几何形状进一步有利致使离子花费相同时间返回到其注入点而与其初始漂移速度无关。
两个伸长离子光学镜可以彼此类似或者可以不同。举例来说，一个镜可包括网格而另一镜可不包括；一个镜可包括弯曲部分而另一镜可为笔直的。优选地两个镜无网格且彼此类似。最优选地所述镜无网格且对称。并入本发明的最简单设计中的一种将包括在至少两个级中(例如在两个线性级中)收敛的对称镜，即其中两个离子光学镜是匹配的。在一些实施例中，其可以被设计成使得仅一个镜具有与Y方向的较高倾斜，例如离子在注入之后首先到达的镜。
优选地，离子注入器在X-Y平面中与X轴成倾斜角度将离子从镜的一个末端注入到镜之间的空间中，使得离子多次从一个对置镜反射到另一镜，同时沿着漂移方向漂移远离离子注入器以便遵循质谱仪内的大体上Z形路径。沿着漂移方向的离子的运动通过电场分量而反转，所述电场分量产生于所述镜在漂移方向上沿着其长度的至少一部分距彼此的不恒定距离，例如离子镜的长度的收敛第一部分和第二部分提供此对置电场分量，且所述电场分量造成离子逆转其方向且朝向离子注入器返回行进。逆转点通常在离子镜的长度的第二部分中发生。离子在返回到离子注入器的附近之前在镜之间可经受整数或非整数数目的完整振荡。优选地，在离子沿着漂移方向移动远离注入器时，离子束与X轴的倾斜角度随着镜中的每一次反射而减小。优选地，这继续直到倾斜角度逆转方向且离子沿着漂移方向朝向注入器返回。离子注入器可包括脉冲离子注入器，例如离子阱，或正交加速器、MALDI源，或用于TOF质谱仪的其它已知的离子注入装置。优选地，离子注入器包括脉冲离子阱，更优选地为线性离子阱并且最优选地为弯曲线性离子阱(C阱)。离子注入器(即其中心)，例如离子可注入到镜结构中所来自的离子阱的中心，优选地位于Y＝0位置处。检测器类似地优选地位于Y＝0处。
优选地本发明的实施例进一步包括位于邻近离子注入器的区中的检测器。离子检测器可以邻近离子注入器定位，例如在离子注入器的50mm的距离(中心到中心)内，或40mm内或30mm内或20mm内。优选地离子检测器被布置成具有平行于漂移方向Y的检测表面，即检测表面平行于Y轴。在一些实施例中，检测器可具有与Y方向的倾斜程度，优选地倾斜量匹配于离子等时平面的角度，例如1到5度、或1到4度或1到3度的倾斜程度。
多反射质谱仪可以形成多反射飞行时间质谱仪的全部或部分。在本发明的此类实施例中，优选地位于邻近离子注入器的区中的离子检测器被布置成具有平行于漂移方向Y的检测表面，即检测表面平行于Y轴。优选地离子检测器被布置成使得如上文所描述沿着漂移方向来回移动的已经穿越质谱仪的离子入射于离子检测表面上且被检测。离子在入射于检测器上之前在镜之间可经受整数或非整数数目的完整振荡。离子优选地在漂移方向上经受仅一次振荡，以便离子不会遵循同一路径超过一次，使得不同m/z的离子不存在重叠，因此允许全质量范围分析。然而如果离子的减少质量范围是所需的或可接受的，那么可以在注入时间与离子检测时间之间做出漂移方向上的多于一次振荡，从而进一步增加飞行路径长度。
额外检测器可以位于多反射质谱仪内，具有或不具有额外离子束偏转器。可以使用额外离子束偏转器使离子偏转到一个或多个额外检测器上，或替代地额外检测器可包括部分透射表面，例如隔膜或网格，以便检测离子束的一部分，同时允许其余部分通过。额外检测器可以用于波束监视以便检测质谱仪内的离子的空间位置，或测量例如通过质谱仪的离子的数量。这可例如用于最终检测器的增益控制。因此可以使用多于一个检测器在离子通过质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些。
多反射质谱仪可以形成多反射静电阱质谱仪的全部或部分，如将进一步描述。在本发明的此类实施例中，位于邻近离子注入器的区中的检测器优选地包括一个或多个电极，所述电极被布置成在离子束经过时靠近离子束，但被定位以便不会拦截离子束，检测电极连接到灵敏放大器从而能够测量检测电极中引起的镜像电流。
有利的是，本发明的实施例可以被构造成在对置离子光学镜之间的区中不包含任何额外透镜或隔膜。然而额外透镜或隔膜可能与本发明一起使用以便影响质谱仪内的离子的相空间体积，且构想包括位于镜之间的空间中的一个或多个透镜和隔膜的实施例。
优选地多反射质谱仪进一步包括补偿电极，在镜之间的空间中或邻近处沿着漂移方向的至少一部分延伸。补偿电极允许提供进一步优点，具体来说在一些实施例中是减少飞行时间畸变的优点。合适的补偿电极设计在US2015/0028197A1中描述，其内容以全文引用的方式并入本文。
在本发明的一些实施例中，补偿电极与大体上沿着漂移方向伸长的对置离子光学镜一起使用。优选地，补偿电极产生电场的分量，其沿着在漂移方向上离子光学镜长度的至少一部分反转沿着+Y方向的离子运动。电场的这些分量优选地提供或贡献于在离子沿着漂移方向移动时对所述离子的返回力。
所述一个或多个补偿电极可以是相对于多反射质谱仪的镜的任何形状和大小。在优选实施例中，所述一个或多个补偿电极包括平行于X-Y平面的面对离子束的延伸表面，所述电极在+/-Z上从离子束飞行路径移位，即每一一个或多个电极优选地具有大体上平行于X-Y平面的表面，且其中存在两个此类电极，优选地位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧。在另一个优选实施例中，所述一个或多个补偿电极沿着漂移长度的实质部分在Y方向上伸长，每一电极位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧。在此实施例中，优选地所述一个或多个补偿电极沿着实质部分在Y方向上伸长，所述实质部分是以下各项中的至少一个或多个：总漂移长度的1/10、1/5、1/4、1/3、1/2、3/4。优选地所述一个或多个补偿电极包括沿着漂移长度的实质部分在Y方向上伸长的两个补偿电极，所述实质部分是以下各项中的至少一个或多个：总漂移长度的1/10、1/5、1/4、1/3、1/2、3/4，一个电极在+Z方向上从离子束飞行路径移位，另一电极在-Z方向上从离子束飞行路径移位，所述两个电极从而位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧。然而其它几何形状是预期的。所述一个或多个补偿电极可沿着方向Y沿着长度的大体上第一和第二部分(即沿着不同镜收敛的两个级)或例如大体上沿着所述长度的仅第二部分在Y方向上伸长。优选地，补偿电极在使用中被电偏置以使得离子的总飞行时间大体上与离子的入射角无关。由于离子行进的总漂移长度取决于离子的入射角，因此离子的总飞行时间大体上与行进的漂移长度无关。
可以用电位偏置补偿电极。在使用一对补偿电极的情况下，所述对的每一电极可具有施加于其的相同电位，或所述两个电极可具有施加的不同电位。优选地在存在两个电极的情况下，电极对称地位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧，且电极以大体上相等电位电偏置。
在一些实施例中，一对或多对补偿电极可以使所述对中的每一电极以相同电位偏置，且所述电位可以相对于本文被称为分析器参考电位的电位是零伏。通常分析器参考电位将是接地电位，但将了解，分析器可以任意地升高电位，即整个分析器可以相对于接地向上或向下浮动电位。如本文所使用，零电位或零伏用以表示相对于分析器参考电位的零电位差，且术语非零电位用以表示相对于分析器参考电位的非零电位差。通常分析器参考电位例如施加于例如用以端接镜的电极的屏蔽物，且如本文界定是在无所有其它电极存在下(包括镜的那些电极除外)对置离子光学镜之间的漂移空间中的电位。
在优选实施例中，提供两对或更多对对置补偿电极。在此类实施例中，其中每一电极以零伏电偏置的一些对补偿电极进一步称为未偏置的补偿电极，且被施加非零电位的其它对补偿电极进一步称为偏置补偿电极。优选地，在偏置补偿电极中的每一个具有在X-Y平面中具有多项式型面的表面的情况下，未偏置的补偿电极具有相对于偏置补偿电极互补地成形的表面，其实例将进一步描述。通常未偏置的补偿电极终止来自偏置补偿电极的场。在优选实施例中，至少一对补偿电极的表面在X-Y平面中具有抛物线型面，使得所述表面在镜的一个或两个末端附近的区中比所述末端之间的中心区朝向每一镜延伸更大的距离。在另一个优选实施例中，至少一对补偿电极具有在X-Y平面中具有多项式型面的表面，更优选为在X-Y平面中的抛物线型面，使得所述表面在镜的一个或两个末端附近的区中比所述末端之间的中心区朝向每一镜延伸更小的距离。在此类实施例中，优选地所述对补偿电极从邻近伸长镜的一个末端处的离子注入器的区沿着漂移方向Y延伸，且补偿电极在漂移方向上与延伸镜是大体上相同的长度，且位于镜之间的空间的任一侧。在替代实施例中，刚描述的补偿电极表面可以由多个离散电极组成。
在其它实施例中，补偿电极可以部分或完全地位于在对置镜之间延伸的空间内，所述补偿电极包括一组单独的管或隔室。优选地所述管或隔室在X-Y平面上居中且沿着漂移长度定位以使得离子通过所述管或隔室且并不入射于其上。所述管或隔室优选地沿着漂移长度在不同位置具有不同长度，和/或具有随其沿着漂移长度的位置而变所施加的不同电位。
优选地，在本发明的所有实施例中，补偿电极并不包括离子光学镜，其中离子束遇到至少与漂移方向上离子的动能一样大的势垒。然而，如已经陈述且将进一步描述，它们优选地产生电场的分量，所述分量沿着漂移方向上离子光学镜长度的至少一部分使沿着+Y方向的离子运动反转。
优选地所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置以便补偿由对置镜产生的飞行时间畸变中的至少一些。在存在多于一个补偿电极的情况下，补偿电极可以相同电位偏置，或它们可以不同电位偏置。在存在多于一个补偿电极的情况下，补偿电极中的一个或多个可以非零电位偏置，而其它补偿电极可以保持在可为零电位的另一电位。在使用中，一些补偿电极可以用于限制其它补偿电极的电场的空间范围的目的。优选地在多反射质谱仪的镜之间的波束飞行路径的任一侧存在隔开的第一对对置补偿电极的情况下，第一对补偿电极将以相同非零电位电偏置，并且多反射质谱仪进一步优选地包括额外两对补偿电极，其在+/-X方向上位于第一对补偿电极的任一侧，所述另外对的补偿电极保持在零电位，即未偏置的补偿电极。在另一优选实施例中，利用三对补偿电极，其中第一对未偏置的补偿电极保持在零电位，且在+/-X方向上这些补偿电极的任一侧上另外两对偏置补偿电极保持在非零电位。在一些实施例中，一个或多个补偿电极可包括涂覆有电阻材料的板，所述板在Y方向上在板的不同末端具有施加于其的不同电位，从而产生具有表面的电极，所述表面具有跨越其随漂移方向Y而变的变化电位。因此，电偏置的补偿电极可以保持在并非一个单一电位。优选地所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置以便补偿由对置镜产生的在漂移方向上的飞行时间移位，且使系统的总飞行时间移位与X-Y平面中的初始离子束轨迹倾斜角度大体上无关，如将进一步描述。施加于补偿电极的电位可以保持恒定或可以随时间变化。优选地在离子传播通过多反射质谱仪的同时，施加于补偿电极的电位随时间保持恒定。施加于补偿电极的电偏置可以使得在如此偏置的补偿电极附近通过的离子减速或加速，补偿电极的形状因此不同，其实例将进一步描述。
如本文中所述的，应用于补偿电极的术语“宽度”指代偏置补偿电极在+/-X方向上的物理尺寸。
优选地，补偿电极如此配置且在使用中被偏置以产生其中产生Y方向上的电场分量的一个或多个区，所述电场分量使沿着+Y漂移方向的离子的运动反转。补偿电极进而致使离子在+Y方向上沿着漂移长度前进时失去漂移方向上的速度，且补偿电极的配置和补偿电极的偏置被布置成致使离子在到达镜的末端之前在漂移方向上转向且朝向离子注入区返回。有利地这是在无需将对置镜分段且无需引入第三镜的情况下实现。优选地将离子带到离子注入器的其中布置合适检测表面的区中的空间焦点，如对于本发明的其它实施例所描述。优选地Y方向上的电场产生线性地随漂移方向上的距离而变的使离子运动反转的力(二次相反电位)，如将进一步描述。
将了解，当离子镜和/或补偿电极分别被电偏置时，由离子镜提供的电位(即电位)和电场和/或由补偿电极提供的电位和电场存在。
优选地，使用本发明的质谱法的方法进一步包括将离子注入到包括补偿电极的多反射质谱仪中，所述补偿电极在镜之间的空间中或邻近处沿着漂移方向的至少一部分延伸。优选地离子是在漂移方向上从位于对置镜的一个末端的离子注入器注入，且在一些实施例中，离子是通过入射于位于离子注入器附近(例如，与其邻近)的区中的检测器上来进行检测。在其它实施例中，通过镜像电流检测构件检测离子，如上文所描述。本发明的方法中将使用的质谱仪可进一步包括具有如上文所描述的细节的组件。
.在使用中，离子在离子光学镜之间反射，同时在反射之间沿着漂移方向前进一段距离，离子多次反射，且所述距离随离子沿着漂移方向的至少部分的位置而变化。离子光学布置可进一步包括一个或多个补偿电极，每一电极位于在对置镜之间延伸的空间中或邻近处，所述补偿电极被布置且在使用中被电偏置以便在X-Y平面中产生电位偏移(优选地提供返回电位)，所述电位偏移：(i)沿着漂移长度的至少一部分随沿着漂移长度的距离而变化，和/或(ii)在X方向上具有沿着漂移长度的至少一部分随沿着漂移长度的距离而变的不同范围。
在将进一步描述的一些优选实施例中，离子束速度以如下方式改变：由非平行对置离子光学镜造成的所有飞行时间畸变被校正。在此类实施例中，发现由沿着漂移长度的镜之间的变化距离产生的振荡周期的改变被由电偏置补偿电极产生的振荡周期的改变完全补偿，在此情况下离子在沿着漂移长度的所有位置在对置离子光学镜之间的每一振荡上经受大体上相等的振荡时间，即使镜之间的距离沿着漂移长度改变也是如此。在本发明的其它优选实施例中，电偏置补偿电极大体上校正振荡周期，使得由非平行对置离子光学镜造成的飞行时间畸变被大体上补偿且仅在当离子到达检测平面时的某一数目的振荡之后。将了解对于这些实施例，无电偏置补偿电极的存在下，对置离子光学镜之间的离子振荡周期将不会大体上恒定，但在离子沿着漂移长度的其中对置镜更接近在一起的部分行进时将减少。
因此，本发明进一步提供一种质谱法的方法，其包括以下步骤：将离子注入到多反射质谱仪的注入区中，所述多反射质谱仪包括两个离子光学镜，所述离子光学镜在X方向上彼此对置且其间具有空间，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于Y，使得所述离子在所述对置镜之间振荡，同时沿着Y方向上的漂移长度前进；其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛，所述离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述注入区，且所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度，所述质谱仪进一步包括一个或多个补偿电极，每一电极位于在所述对置镜之间延伸的空间中或邻近处，所述补偿电极在使用中被电偏置以使得所述镜之间的离子振荡的周期沿着整个漂移长度大体上恒定；以及在离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些。离子在所述镜之间(即在方向X上)来回重复反射，同时它们沿着一般伸长方向(即方向Y)漂移。
本发明还提供一种质谱法的方法，其包括从离子注入器将离子注入到多反射质谱仪的两个对置离子镜之间的空间中，其中所述离子在所述镜之间来回重复反射，同时所述离子沿着一般伸长方向漂移，以及在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些，所述两个离子镜在X方向上彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器，且所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。
本发明进一步提供一种质谱法的方法，其包括从离子注入器将离子注入到多反射质谱仪的两个对置离子镜之间的空间中，其中所述离子在所述镜之间来回重复反射，同时所述离子沿着一般伸长方向漂移，以及在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些，所述两个离子镜在X方向上彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，其中所述离子镜中的至少一者在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分具有与所述方向Y的第一非零倾斜角且在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分具有与所述方向Y的第二非零倾斜角，与所述方向Y的所述第二非零倾斜角小于与所述方向Y的所述第一非零倾斜角或具有与所述方向Y的零倾斜角，长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。
本发明再进一步提供一种质谱法的方法，其包括从离子注入器将离子注入到多反射质谱仪的两个对置离子镜之间的空间中，其中所述离子在所述镜之间来回重复反射，同时所述离子沿着一般伸长方向漂移，以及在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些，所述两个离子镜在X方向上彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供第一返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供第二返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度或者沿着其长度的所述第二部分并不提供返回伪电位，其中所述第一返回伪电位梯度大于所述第二返回伪电位梯度，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。
本发明再进一步提供一种质谱法的方法，其包括从离子注入器将离子注入到多反射质谱仪的两个对置离子镜之间的空间中，其中所述离子在所述镜之间来回重复反射，同时所述离子沿着一般伸长方向漂移，以及在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些，所述两个离子镜在X方向上彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供第一返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供第二返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度或者沿着其长度的所述第二部分并不提供返回伪电位，其中所述第一返回伪电位梯度大于所述第二返回伪电位梯度，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。
本发明还提供一种质谱法的方法，其包括从离子注入器将离子注入到多反射质谱仪的两个对置离子镜之间的空间中，其中所述离子在所述镜之间来回重复反射，同时所述离子沿着一般伸长方向漂移，以及在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些，所述两个离子镜在X方向上彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第一速率，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第二速率或者沿着其长度的所述第二部分并不提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，其中所述离子漂移速度的减速的所述第一速率大于所述离子漂移速度的减速的所述第二速率，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。
本发明进一步提供一种多反射质谱仪，其包括两个离子光学镜，所述离子光学镜在X方向上彼此对置且其间具有空间，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于Y，其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛，所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度，且进一步包括离子注入器，所述离子注入器位于所述离子光学镜的更接近其长度的第一部分的一个末端且被布置成使得在使用中所述离子注入器注入离子，使得所述离子在所述对置镜之间振荡，同时在Y方向上沿着漂移长度前进；所述质谱仪进一步包括一个或多个补偿电极，每一电极位于在所述对置镜之间延伸的空间中或邻近处，所述补偿电极在使用中被电偏置以使得在所述镜之间的离子振荡的周期沿着整个漂移长度大体上恒定。
本发明再进一步提供一种多反射质谱仪，其包括两个离子光学镜，每一镜大体上沿着漂移方向(Y)伸长，每一镜在X方向上与另一镜对置且其间具有空间，所述X方向正交于Y，以及离子注入器，所述离子注入器在所述漂移方向上位于所述离子光学镜的一个末端且被布置成使得在使用中所述离子注入器注入离子，使得所述离子在所述对置镜之间振荡，同时在Y方向上沿着漂移长度前进；其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛，所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度，所述镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器，且其中所述镜之间的离子振荡的振幅沿着整个漂移长度不大体上恒定。优选地所述振幅在离子前进远离离子注入器时沿着漂移长度的至少一部分减小。优选地，离子振荡的振幅在方向Y上在离子镜的长度的第一部分与长度的第二部分之间减小。优选地离子在沿着漂移长度通过之后转向且朝向离子注入器沿着漂移长度返回前进。在某些实施例中，离子在+/-X方向上转向的等电位表面之间的距离沿着整个漂移长度不大体上恒定。
在本发明的一些实施例中，离子转向的在X方向上的连续点之间的距离在离子沿着漂移方向的运动的至少一部分期间随着Y单调改变；以及在离子通过质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些。
如已经描述，优选地一个或多个补偿电极如此配置且在使用中被偏置以产生其中产生Y方向上的电场分量的一个或多个区，所述电场分量沿着+Y漂移方向使离子的运动反转。所述补偿电极优选地沿着漂移方向的至少一部分延伸，每一电极位于在对置镜之间延伸的空间中或邻近处，所述补偿电极经成形且在使用中被电偏置以便在所述镜之间延伸的空间的至少一部分中产生电位偏移，所述电位偏移：(i)随沿着漂移长度的距离而变化，和/或(ii)在X方向上具有随沿着漂移长度的距离而变的不同范围。在这些实施例中，如此配置(即经成形且在空间中布置)且在使用中被偏置的补偿电极产生其中产生Y方向上的电场分量的一个或多个区，所述电场分量沿着+Y漂移方向使离子的运动反转。当离子从一个离子光学镜到另一离子光学镜重复反射且同时沿着漂移长度前进时，离子在每一镜内转向。离子在Y方向上转向的后续点之间的距离在离子沿着漂移方向的运动的至少一部分期间随着Y单调改变，且所述镜之间的离子振荡的周期沿着整个漂移长度不大体上恒定。电偏置补偿电极造成X方向(至少)上的离子速度沿着漂移长度的至少一部分更改，且所述镜之间的离子振荡的周期进而随漂移长度的所述至少一部分而改变。在此类实施例中，两个镜沿着漂移方向伸长且在X方向上隔开相等距离而布置。在一些实施例中，两个镜沿着漂移方向非线性地伸长，且在其它实施例中，两个镜沿着漂移方向线性地伸长。优选地为便于制造，两个镜沿着漂移方向线性地伸长，即两个镜是笔直的。在本发明的实施例中，在离子前进远离离子注入器时，离子振荡的周期沿着漂移长度的至少一部分减小。优选地离子在沿着漂移长度通过之后转向且朝向离子注入器沿着漂移长度返回前进。在本发明的实施例中，当离子束靠近补偿电极或更优选地在一对补偿电极之间通过时，补偿电极用以更改离子束速度，且因此更改离子振荡周期。补偿电极从而造成离子在漂移方向上失去速度，且补偿电极的配置和补偿电极的偏置被布置成优选地致使离子在到达镜的末端之前在漂移方向上转向且朝向离子注入区返回。有利地这是在无需将对置镜分段且无需引入第三镜的情况下实现。优选地将离子带到离子注入器的其中布置合适检测表面的区中的空间焦点，如先前对于本发明的其它实施例所描述。优选地Y方向上的电场产生线性地随漂移方向上的距离而变的使离子运动反转的力(二次相反电位)，如将进一步描述。
邻近于或在离子镜之间的空间中定位的偏置补偿电极可在X-Y平面中定位于两个或更多个未偏置的(接地)电极之间，所述电极也邻近于或在离子镜之间的空间中定位。未偏置的电极的形状可与偏置补偿电极的形状互补。
在一些优选实施例中，对置离子光学镜之间的空间在X-Z平面中在漂移长度的每一末端处是开放的。在X-Z平面中开放的意思是所述镜在X-Z平面中不受电极限界，其完全或大体上横跨镜之间的间隙。
本发明的多反射质谱仪的实施例可以形成多反射静电阱质谱仪的全部或部分。优选静电阱质谱仪包括两个多反射质谱仪，其围绕X轴对称地端到端布置以使得其相应漂移方向是共线的，所述多反射质谱仪进而界定体积，在所述体积内在使用中，离子在漂移方向和离子飞行方向上遵循具有等时性质的闭合路径。这些系统在US2015/0028197中描述且在所述文献的图13中示出，其公开内容以全文引用的方式并入本文(然而，如果并入的参考中的任何内容与本申请中陈述的任何内容冲突，那么本申请优先)。多对(例如，在端到端布置的两个多反射质谱仪的情况下为四对)条带形检测电极可用于离子在镜之间的每次通过时引发的电流信号的读出。每一对中的电极在Z方向上对称地分离且可位于补偿电极的平面中或更接近离子束。电极对连接到差分放大器的直接输入且电极对连接到差分放大器的反输入，因此提供差分的引发电流信号，这有利地减少了噪声。为了获得质谱，使用傅立叶变换算法或专用梳状取样算法用已知的方式处理引发电流信号，如J.B.Greenwood等人在《科学仪器评论(Rev.Sci.Instr.)》.82,043103(2011)中描述。
本发明的多反射质谱仪可以形成多反射飞行时间质谱仪的全部或部分。
可以形成复合质谱仪，其包括根据本发明的两个或更多个多反射质谱仪，所述质谱仪被对准以使得每一质谱仪的X-Y平面平行并且任选地在垂直方向Z上彼此移位，所述复合质谱仪进一步包括离子光学构件以将离子从一个多反射质谱仪引导到另一多反射质谱仪。在复合质谱仪的一个此类实施例中，一组多反射质谱仪在Z方向上一个堆叠于另一个上，且离子借助于偏转构件(例如静电电极偏转器)从所述堆叠中的第一多反射质谱仪通过到所述堆叠中的又一多反射质谱仪，从而提供延伸飞行路径复合质谱仪，其中离子并不遵循同一路径超过一次，从而允许全质量范围TOF分析，因为不存在离子的重叠。这些系统在US2015/0028197中描述且在所述文献的图14中示出。在复合质谱仪的另一此类实施例中，一组多反射质谱仪各自被布置成处于同一X-Y平面中，且离子借助于偏转构件(例如静电电极偏转器)从第一多反射质谱仪通过到又一多反射质谱仪，从而提供延伸飞行路径复合质谱仪，其中离子并不遵循同一路径超过一次，从而允许全质量范围TOF分析，因为不存在离子的重叠。设想多反射质谱仪的其它布置，其中一些质谱仪处于同一X-Y平面中且其它质谱仪在垂直Z方向上移位，其中离子光学构件被布置成使离子从质谱仪通过到另一质谱仪，从而提供延伸飞行路径复合质谱仪，其中离子并不遵循同一路径超过一次。优选地，在一些质谱仪在Z方向上堆叠的情况下，所述质谱仪具有漂移方向的交替定向以避免对漂移方向上的偏转构件的需要。
替代地，本发明的实施例可与又一波束偏转构件一起使用，所述波束偏转构件被布置成使离子转向且使离子返回通过所述多反射质谱仪或复合质谱仪一次或多次，从而倍增飞行路径长度，但以质量范围为代价。
可使用本发明提供用于MS/MS的分析系统，其包括多反射质谱仪以及离子注入器，所述离子注入器包括位于所述质谱仪上游的离子捕获装置、和脉冲离子栅极、高能量碰撞池以及位于所述质谱仪下游的飞行时间分析器。此外，通过配置碰撞池以使得从碰撞池出现的离子被引导回到离子捕获装置中，同一分析器可以用于两级的分析或多个这些级的分析，从而提供MSn的能力。
本发明提供一种多反射质谱仪和质谱法的方法，其包括沿着漂移方向伸长的对置镜以及用以提供使沿着漂移方向的离子运动反转的返回力的构件。在本发明中所述返回力沿着漂移方向的一部分、最优选地沿着大体上整个漂移方向平滑地分布，从而减少或消除尤其在漂移方向上的转向点附近的不受控离子散射，例如在长度的第二部分中，其中离子束宽度处于其最大值。此平滑返回力在一些实施例中是通过使用存在于镜中的连续不分段电极结构而提供，所述镜沿着漂移长度的至少一部分、优选地大部分漂移长度而彼此倾斜或弯曲。在特别优选的实施例中，通过对置离子光学镜在一个末端处彼此倾斜或弯曲且通过使用偏置补偿电极而提供返回力。应注意，至少与漂移方向上的离子束动能一样大的势垒并不提供所述返回力。
在仅两个对置伸长镜的系统中，通过倾斜所述镜而实施返回力将必定引入取决于初始离子束注入角度的飞行时间畸变，因为返回力构件附近的电场无法简单地通过两个项的总和来表示，一个是用于漂移方向上的场的项(Ey)且一个是用于横向于漂移方向的场的项(Ex)。本发明中通过使用补偿电极而提供这些畸变的实质最小化，从而为此类实施例带来进一步优点。
本发明的一些实施例的飞行时间畸变可相对于一对对置离子光学镜而如下考虑，所述一对对置离子光学镜在其沿着漂移方向Y的长度中伸长且沿着其长度的至少一部分在X方向上逐渐地倾斜而更接近在一起。进入镜系统的离子的初始脉冲将包括在X-Y平面中具有注入角度范围的离子。在镜之间的每一振荡时，具有较大Y速度的一组离子将沿着漂移长度前进比具有较低Y速度的一组离子略微更远。所述两组离子将在镜之间具有不同振荡时间，因为镜彼此倾斜随漂移长度而变的不同量。在优选实施例中，所述镜在远离离子注入构件的末端处更接近在一起。在所述镜的具有镜倾斜的部分内的每次振荡时，与具有较低Y速度的离子相比，具有较高Y速度的离子将遇到在其间具有稍微更小间隙的一对镜。这可以通过使用一个或多个补偿电极来补偿。为了说明此情形，将考虑一对补偿电极(作为非限制性实例)，其邻近所述镜之间的空间沿着漂移方向延伸，包括在X-Y平面中的面对离子束的延伸表面，每一电极位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧。两个电极通过例如正电位的合适电偏置将提供镜之间的空间的其中正离子将以较低速度前进的区。如果偏置补偿电极被布置成使得在X方向上其间的空间的区的范围随Y而变，那么对于不同Y速度的离子在镜之间的振荡时间的差可以得到补偿。可以预期用于提供X方向上的空间的所述区随Y而变的各种方式，包含：(a)使用偏置补偿电极，其经成形以使得它们在+/-X方向上延伸随Y而变的不同量(即它们在Y上延伸时存在X上的变化宽度)，或(b)使用补偿电极，其在Z上彼此间隔开随Y而变的不同量。替代地，通过使用例如恒定宽度补偿电极，速度减少的量可以随Y而变，每一电极以沿着其长度随Y而变的电压被偏置，且从而再次可以补偿对于不同Y速度的离子在镜之间的振荡时间的差。当然也可以使用这些构件的组合，且也可以找到其它方法，包含(例如)使用沿着漂移长度隔开的具有不同电偏置的额外电极。将进一步详细描述其实例的补偿电极至少部分地补偿与X-Y平面中的波束注入角度扩展相关的飞行时间畸变。优选地所述补偿电极补偿与X-Y平面中的波束注入角度扩展相关的飞行时间畸变达到一阶，且更优选达到二阶或更高阶。
有利的是，本发明的方面允许通过改变离子注入角度、尤其是通过在沿着方向Y的长度的第一部分中镜的较大收敛程度而更改镜结构内的离子振荡的次数且进而更改总飞行路径长度。在一些优选实施例中，补偿电极的偏置是可改变的，以便对于不同次数的振荡保留飞行时间畸变校正，如将进一步描述。
在本发明的实施例中，在波束从离子注入器朝向镜的远端前进时离子束在漂移方向上缓慢发散，仅借助于由对置镜本身和/或(当存在时)由补偿电极产生的在-Y方向上作用的电场的分量而被反射，且波束在到达离子注入器附近(离子检测器也可以位于该处)后再次缓慢收敛。离子束进而在此飞行路径的大部分期间在某一程度上在空间中向外扩展，且进而有利地减少空间电荷交互。
通过本发明的一些实施例的非平行镜布置与如早先所描述的合适形状的补偿电极一起还提供飞行时间聚焦；通过本发明的非平行镜布置和对应形状的补偿电极提供了相对于注入角度扩展的飞行时间聚焦。通过从现有技术大体上已知且下文更完整描述的离子镜的特殊构造也提供了相对于X方向上的能量扩展的飞行时间聚焦。由于X和Y方向上的飞行时间聚焦，在X方向上在镜之间的指定次数的振荡之后，离子在离子注入器和/或检测器附近到达Y方向上的大体上相同坐标。进而实现检测器上的空间聚焦而无需使用额外聚焦元件，且质谱仪构造极大地简化。镜结构可以是连续的(即不分段)，且这消除了与这些区段之间的间隙中的电场的逐步改变相关联的离子束散射，尤其是在漂移方向上离子束宽度处于其最大值的转向点附近。这也实现了镜的简单得多的机械和电构造，从而提供较不复杂的分析器。需要仅两个镜。此外，在本发明的一些实施例中，由于非平行对置镜结构产生的飞行时间畸变可以大部分通过使用补偿电极而消除，从而在合适放置的检测器处实现高质量分辨力。本发明进而解决与现有技术多反射质量分析器相关联的许多问题。
在本发明的另一方面中，提供根据本发明的将离子注入到飞行时间质谱仪或静电阱中的方法，其包括以下步骤：：相对于轴线X成注入倾斜角度从例如存储多极等离子阱径向排出大体上平行的离子波束，以及在第一镜中在镜的长度的第一部分中的反射点处反射所述离子波束。因此，来自镜的长度的第一部分中的反射的离子的反射波束与注入倾斜相比具有与轴线X的第一减少的倾斜角度。本发明进一步提供根据本发明的用于将离子注入到飞行时间质谱仪或静电阱中的离子注入器设备，其包括：例如存储多极的离子阱，其被布置成在使用中相对于轴线X成倾斜角度径向排出离子，以使得离子进入飞行时间质谱仪而在第一镜中在镜的长度的第一部分中的反射点处反射。优选地所述飞行时间质谱仪是质谱仪。
附图说明
图1A和图1B是说明现有技术分析器的包括沿着漂移长度线性地伸长的两个平行离子光学镜的多反射质谱仪的示意图，图1A在X-Y平面中说明，图1B在X-Z平面中说明。
图2是说明另外的现有技术分析器的多反射质谱仪的示意图，包括沿着漂移长度成抛物线伸长的对置离子光学镜。
图3是包括两个离子镜的多反射质谱仪的实施例的X-Z平面中的截面的示意图以及离子射线和电位描绘。
图4是针对在图3中说明的类型的镜计算的波束能量ε标绘的振荡时间T的曲线图。
图5A是多反射质谱仪的示意图，其包括沿着漂移长度成抛物线伸长的对置离子光学镜并且进一步包括抛物线形补偿电极，所述补偿电极中的一些以正电压偏置。图5B是通过图5A的质谱仪的截面的示意图。图5C和5D说明具有镜的不对称形状的类似实施例。
图6A和6B是多反射质谱仪的示意图，其包括沿着漂移长度线性地伸长且彼此成倾斜角度布置的对置离子光学镜，其进一步包括具有凹(图6A)和凸(图6B)抛物线形状的补偿电极。图6C是又一多反射质谱仪的示意图，其包括沿着漂移长度线性地伸长且彼此平行布置的对置离子光学镜，其进一步包括抛物线的补偿电极。
图7是示出了本发明的实施例的二级电位梯度与现有技术的简单单级线性斜坡的比较的曲线图。
图8是体现本发明的质谱仪的示意图，其具有在两个不同线性级中收敛的两个对置离子镜。
图9是示出了图8的质谱仪的细节的示意图，其中离子轨迹示出了离子初始地与X方向成倾斜角度进入离子镜。
图10是示出了根据本发明的质谱仪的二级镜的示意图，其在所述级的接口处并入有场补偿PCB。
图11是示出了根据本发明的质谱仪的二级镜的示意图，其在所述级的接口处并入有校正失真。
图12是示出了根据本发明的质谱仪的二级镜的示意图，其在所述级的接口处并入有轴向场校正电极。
图13是示出了根据本发明的质谱仪的示意图，其并入有包含较高收敛程度的弯曲第一级和较低收敛程度的弯曲第二级的镜组。
图14是示出了包括被施加电压的条电极的离子镜构造的示意图。
图15是示出了根据本发明的质谱仪的示意图，其并入有包含较高收敛程度的弯曲第一级和较低收敛程度的弯曲第二级的镜组且具有中央条带补偿电极。
图16是示出了收敛离子镜以及定位于其间的补偿电极的返回伪电位的无量纲总和的曲线图。
图17是用于与本发明的实施例一起使用的离子注入光学布置的示意图，如图示施加有电压。
图18是本发明的实施例的模拟离子轨迹的绘图。
图19是在本发明的一实施例中到达检测器的具有m/z＝195的离子的时间分散的曲线图。
图20是在本发明的一实施例中到达检测器的具有m/z＝195的离子在方向Y上的空间分散的曲线图。
图21示出收敛程度的转变的任一侧上在镜内的波束包络之间的距离d。
具体实施方式
本发明的各种实施例现将借助于以下实例和附图进行描述。
图1A和图1B是包括沿着漂移长度线性地伸长的平行离子光学镜的多反射质谱仪的示意图，说明了现有技术分析器。图1A在X-Y平面中示出了所述分析器且图1B在X-Z平面中示出了同一分析器。对置的离子光学镜11、12沿着漂移方向Y伸长且彼此平行布置。在X-Y平面中，与轴线X成角度θ且以角度发散δθ从离子注入器13注入离子。因此，描绘三个离子飞行路径16、17、18。离子行进到镜11且转向而从镜11离开且朝向镜12前进，于是离子在镜12中反射且遵循Z形离子飞行路径前进回到镜11，在漂移方向Y上相对缓慢地漂移。在镜11、12中的多次反射之后，离子到达检测器14，离子入射于检测器上且被检测。在一些现有技术分析器中，离子注入器和检测器位于由镜限界的体积外部。图1B是在截面中、即在X-Z平面中示出的图1A的多反射质谱仪的示意图，但其中出于清楚起见省略了离子飞行路径16、17、18、离子注入器13以及检测器14。离子飞行路径16、17、18说明在漂移方向上不存在聚焦的情况下离子束在其沿着漂移长度发展时的扩展。如先前描述，已经提出各种解决方案，包含在镜之间提供透镜、镜结构本身中的周期性调制以及单独的镜，以控制沿着漂移长度的波束发散。然而有利的是允许离子在沿着漂移长度行进时向外扩展因此减少空间电荷交互，只要在必要时可将离子带入某种收敛以便完全检测即可。
本发明的优选特征是提供一种伸长对置离子镜结构，其中产生平稳的返回力。图2是US2015/0028197中描述的多反射质谱仪的示意图，所述多反射质谱仪包括对置的离子光学镜31、32，所述离子光学镜大体上沿着漂移长度Y伸长且在远离离子注入器33的末端中具有朝向彼此收敛的抛物线的形状。这可为用于本发明中的离子镜的长度的第二部分的布置。US2015/0028197的公开以全文引用的方式并入本文(然而，如果并入的参考中的任何内容与本申请中陈述的任何内容冲突，那么本申请优先)。注入器33可以是此项技术中已知的常规离子注入器，例如离子阱、正交加速器、MALDI离子源等。离子通过加速电压V加速，且以与相对于图1描述的相同方式在X-Y平面中成角度θ且以角度发散δθ从离子注入器33注入到多反射质谱仪中。因此图2中代表性地示出三个离子飞行路径36、37、38。如已经描述，离子从一个对置镜31多次反射到另一镜32，同时沿着漂移方向漂移远离离子注入器33以便遵循质谱仪内的大体上Z形路径。离子沿着漂移方向的运动通过电场而反转，所述电场产生于镜31、32沿着其在漂移方向上的长度彼此的不恒定距离，且所述电场造成离子逆转其方向且朝向离子注入器33行进返回。离子检测器34位于离子注入器33附近且拦截离子。由于如先前相对于图1A描述的角度发散δθ中的扩展，离子路径36、37、38在其从离子注入器前进时沿着漂移长度向外扩展，但在返回到离子注入器33附近后，离子路径36、37、38再次有利地收敛且可以方便地由检测器34的正交于X轴而定向的离子敏感表面进行检测。
图2的包括对置离子光学镜31、32的实施例是其中利用了两个镜的抛物线伸长的实例。如已经说明，在本发明的实施例中，所述伸长可以是线性的(即，镜是笔直的，可能朝向彼此成角度地定位)，或者所述伸长可以是非线性的(即，包括弯曲镜)，每一镜的伸长形状可以相同或者可以不同，且伸长曲率的任何方向可以相同或者可以不同。所述镜可以沿着整个漂移长度或沿着漂移长度的仅一部分变为更接近在一起，例如仅在镜的漂移长度的注入端或者仅在注入端和远端(远离注入器端)。
在镜31和32中的一对反射之后，倾斜角改变值Δθ＝2×Ω(Y)，其中Ω＝L′(Y)是所述镜的收敛角，所述镜之间具有有效距离L(Y)。此角度改变等效于有效返回电位Φm(Y)＝2V[L(0)-L(Y)]/L(0在2×L(0)飞行距离上的倾斜角改变。抛物线的伸长率L(Y)＝L(0)-AY2(其中A是正系数)产生返回电位的二次分布，其中离子有利地花费相同时间返回到其注入的点Y＝0，而与其在Y方向上的初始漂移速度无关。镜收敛角Ω(Y)有利地较小且不影响镜31、32在X方向上的等时性质，如相对于图3和4进一步将描述。图2是其中离子在漂移(Y)方向上的延伸飞行路径长度和空间聚焦是通过使用非平行镜而实现的实例。此实施例有利地不需要额外组件来加倍漂移长度和引发空间聚焦，仅利用两个对置的镜。对置离子光学镜大体上沿着漂移方向Y伸长以使得镜沿着其在漂移方向上的长度的至少一部分彼此不是恒定距离的使用已经产生这些有利性质，且这些性质是通过其中镜例如线性地伸长的替代实施例而实现。在此特定实施例中，对置镜在它们伸长远离质谱仪的邻近离子注入器的一端时以抛物线型面朝向彼此弯曲，且此特定几何形状进一步有利地致使离子花费相同时间返回到其注入点而与其初始漂移速度无关。
图3是包括两个优选离子镜41、42的多反射质谱仪连同离子射线43、44、45、46和电位分布曲线49的示意图。这些离子镜可与本发明一起使用。在X-Z平面中以横截面示出了镜41、42。每一镜包括若干电极，且电极尺寸、位置和施加的电压经过优化以使得离子在镜之间的振荡时间T大体上与间隔ε0+/-(Δε/2)中的离子能量ε无关，其中ε0＝qV是由加速电压V和离子电荷q界定的参考能量。在本发明对正和负离子的应用不失一般性的情况下，下文假定离子电荷为正。电位分布曲线49说明每一镜具有加速区以实现X-Z平面中的离子轨迹在第一反射之后从平行(43，44)到点(45，46)以及在第二反射之后从点到平行的空间聚焦，从而提供X-Z平面中的离子运动稳定性。离子在每一反射上经历镜的加速电位区两次：进入时一次以及退出镜时一次。如从现有技术已知，此类型的空间聚焦还有助于消除关于Z方向上的位置和角度扩展的一些飞行时间畸变。
如从现有技术已知，此设计的镜能够对于具有能量扩展Δε/ε0>10％的离子产生高度等时的振荡时间周期。图4是针对在图3中说明的类型的镜计算的波束能量ε标绘的振荡时间T的曲线图。可见对于2000eV+/-100eV的离子实现高度等时的振荡时间周期。如US7,385,187或WO2009/081143中描述可以使用平坦电极来实施例如在图3中说明的那些无网格离子镜，所述平坦电极可以通过例如线磨蚀、电化学蚀刻、喷射机械加工、电成形等众所周知的技术来制造。它们也可以实施于印刷电路板上。
图5A是US2015/0028197中描述的多反射质谱仪的示意图，所述多反射质谱仪包括沿着漂移长度以抛物线方式伸长的离子光学镜，其进一步包括补偿电极。抛物线形离子镜和/或补偿电极可如本文中所描述与本发明一起使用。确切地说，此镜系统可以是用于本发明中的离子镜的长度的第二部分的布置。作为较技术性实施方案，抛物线形状可以通过圆弧(可随后在机床上制作)来近似。补偿电极允许提供进一步优点，具体来说是减少飞行时间畸变的优点。图5A的实施例类似于图2，且相似考虑适用于从注入器63到检测器64的一般离子运动，离子在镜61、62之间进行多次振荡60。在离子束接近镜61、62的远端时，波束在X-Y平面中的倾斜角逐渐变小，直到其正负号在转向点中改变且离子束开始其朝向检测器64的返回路径。Y维度中的离子束宽度在转向点附近到达其最大值，且已经历不同次数振荡的离子的轨迹重叠，因此帮助平均化空间电荷效应。在镜61与62之间的指定整数数目的完整振荡之后离子回到检测器64。65-1、65-2作为一对，66-1、66-2作为另一对，且67-1、67-2作为又一对，这三对补偿电极在X-Y平面中构成面对离子束的延伸表面，所述电极从离子束飞行路径在+/-Z上移位，即每一补偿电极65-1、66-1、67-1、65-2、66-2、67-2具有大体上平行于X-Y平面的表面，所述表面位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧，如图5B中所示。图5B是示出通过图5A的质谱仪的截面的示意图。在使用中，补偿电极65被电偏置，两个电极在正离子的情况下被施加电压偏移U(Y)＞0且在负离子的情况下被施加U(Y)＜0。如果不作另外陈述，则下文我们对于此实施例和其它实施例假定正离子的情况。电压偏移U(Y)在一些实施例中是Y的函数，即补偿板的电位沿着漂移长度变化，但在此实施例中电压偏移是恒定的。电极66、67不偏置且具有零电压偏移。补偿电极65、66、67在此实例中具有复杂的形状，在X方向上延伸随Y而变的变化量，偏置电极65在X方向上的宽度由函数S(Y)表示。未偏置的电极66和67的形状与偏置电极65的形状互补。补偿电极在X方向上的范围在一些实施例中是沿着漂移长度恒定的宽度，但在此实施例中所述宽度随沿着漂移长度的位置而变。函数S(Y)和U(Y)经过选择以最小化最重要飞行时间畸变，如将进一步描述。
在使用中，电偏置补偿电极65在其对称平面Z＝0中产生电位分布u(X,Y)，其在图5B中以示意性电位曲线69示出。通过使用未偏置的补偿电极66和67而空间上限制电位分布69。返回电场
Figure GDA0001562886420000311
带来与在镜之间的有效距离L(0)上平均化的有效电位分布Φce(Y)＝L(0)-1∫u(X,Y)dX≈U(Y)S(Y)相同的轨迹倾斜角的改变。如果补偿电极在Z方向上的分离充分小，那么最后近似等同性成立。在图5A和5B中示出的实施例中，补偿电极是抛物线的形状，以使得S＝B Y2，其中B是正恒定的，且电压偏移恒定U＝const～V sin2θ＜＜V，其中V是加速电压。(加速电压是相对于分析器参考电位。)因此，补偿电极集合也产生对有效返回电位的二次贡献，其对抛物线镜的二次贡献为相同正负号的相加性的，维持漂移方向上的等时性质。在偏置补偿电极上具有恒定电压偏移的实施例中，返回电场Ey基本上仅在不平行于漂移轴线Y的补偿电极的边缘附近是非零的，且离子轨迹因此在每次它们与所述边缘交叉时经受折射。
图5A中的实施例的飞行时间畸变由两个因素产生：镜收敛以及在补偿电极之间行进同时离子的时间延迟。当加在一起时，这两个因素产生随着漂移坐标而变的振荡时间T(Y)＝T(0)×[L(Y)+S(Y)U/2V]/L(0)。在有效返回电位的分量方面，T(Y)-T(0)＝T(0)[Φce(Y)-Φm(Y)]/2V。对应地界定镜61、62和补偿电极65、66、67的抛物线形状的系数A和B优选地以特定比例来选择，以使得返回力的分量相等Φce(Y)＝Φm(Y)，以使得每振荡时间T(Y)有利地沿着整个漂移长度恒定，且因此消除相对于初始角度扩展的飞行时间畸变。因此，通过离子行进通过具有增加电位的补偿电极之间的区的同时使离子减速，由于镜收敛而在远离注入点的位置处振荡时间的减小得到完全补偿。在此实施例中，有效电位的两个分量相等地贡献于驱动离子束回到注入点的返回力。
图5A和5B中的实施例可通过引入有效返回电位分量
Figure GDA0001562886420000321
和
Figure GDA0001562886420000322
的多项式表示而一般化，其中
Figure GDA0001562886420000323
和
Figure GDA0001562886420000324
Figure GDA0001562886420000325
是无量纲正规化漂移坐标
Figure GDA0001562886420000326
的无量纲函数，且
Figure GDA0001562886420000327
是具有平均加速电压V和平均注入角度θ的离子的指定漂移穿透深度。因此，系数m1+m2+c1+c2+c3+c4的总和按照定义等于1。考虑在漂移方向Y＝Y0上到达其转向点的离子，所述方向由条件
Figure GDA0001562886420000328
界定随着离子的注入角度θ+Δθ而变，其中
Figure GDA0001562886420000329
是经正规化的转向点坐标。此离子回到注入点Y＝0花费的返回时间与以下积分成比例
Figure GDA00015628864200003210
而当具有给定经正规化的转向点坐标y0的离子在镜之间的指定次数的振荡之后入射到检测器的平面X＝0时的时刻的飞行时间偏移与以下积分成比例
Figure GDA0001562886420000331
函数σ(y0)从σ(1)的偏差因此决定了相对于注入角度的飞行时间畸变。
系数m和c的值将从以下条件找到：(1)积分σ在y0＝1附近大体上恒定(不一定为零)，其对应于在间隔θ±δθ/2中对注入角度的缓慢飞行时间相依性，以及(2)积分τ具有渐消的导数τ′(1)以确保离子在检测器上的至少一阶空间聚焦。图5A中以抛物线镜和抛物线补偿电极示意性地表示的实施例对应于如表1中的第一列中的系数m和c的值。由于有效返回电位是二次的，因此τ(y0)≡1且离子束理想地空间聚焦到检测器上。同时，σ(y0)≡0，其对应于相对于注入角度的飞行时间畸变的完全补偿。替代实施例可能出于镜制造可行性起见而折中这些理想性质。仅包括沿着漂移方向伸长且以小收敛角Ω朝向彼此倾斜的笔直镜的优选实施例是特定情况，笔直镜与弯曲镜(或甚至圆弧)相比更容易制造。具有笔直镜的实施例被表征为有效返回力的Φm分量的线性相依性，因此系数m1＞0和m2＝0。弯曲镜可能不对称，例如图5C和图5D中所示，其中一个镜62笔直(图5C)或这两个镜可以在相同的方向上弯曲(图5D)。然而，在两种情况下，在远端处镜之间的分离小于在紧靠注入器63和检测器64的末端处镜之间的分离。这些实例仅是可与本发明一起用于镜长度的第二部分的可能镜布置中的一些。
图6A是US2015/0028197中描述的多反射质谱仪的示意图，所述多反射质谱仪包括沿着漂移长度伸长且朝向彼此倾斜小角度Ω的对置笔直离子光学镜71、72。这可为用于本发明中的离子镜的长度的第二部分的布置。总有效返回电位Φ＝Φm+Φce的线性部分是零，因为m1＝-c1，且Φ是漂移坐标的二次函数(产生于c0的无关紧要的常数除外)。因此源自注入器73的离子束70的确切空间聚焦在检测器74上发生。系数c0的值可以是大于π2/64的任意正值以使得正偏置(在带正电离子的情况下)补偿电极75的宽度函数S(Y)沿着漂移长度严格为正。偏置补偿电极75的最窄部分位于距离子注入点的距离
Figure GDA0001562886420000332
处。两对未偏置的补偿电极76和77使其形状与电极75和的形状互补，用来终止来自偏置补偿电极75的电场。
图6B是类似于图6A中所示的多反射质谱仪的示意图，其中相同组件具有相同识别符，但在偏置补偿电极75上具有负偏移U＜0(在带正电离子的情况下)。这可为用于本发明中的离子镜的长度的第二部分的布置。将了解，对于负离子，所施加电位的极性将与此处描述的极性相反。系数c0＜π/4-1的选择带来沿着整个漂移长度的无量纲函数
Figure GDA0001562886420000333
以使得电极宽度S(Y)严格地为正。在此实施例中，偏置补偿电极75具有凸抛物线形状，其最宽部分位于距离子注入点的距离
Figure GDA0001562886420000334
处。
镜收敛角的值通过系数m1＝π/4以公式
Figure GDA0001562886420000341
来表达。在镜之间的有效距离L(0)与漂移距离
Figure GDA0001562886420000342
和注入角度θ＝50mrad可比较的情况下，镜收敛角可估计为Ω≈1mrad＜＜θ。因此，图6A和6B示出了镜收敛角和其它特征(未按比例)。
图6C是类似于图6A中所示的多反射质谱仪的示意图，其中相同组件具有相同识别符，但具有零收敛角，即Ω＝0。这是包括大体上沿着漂移方向(Y)伸长的两个对置离子光学镜的质谱仪的实例，每一镜在X方向上与另一镜对置且其间具有空间，X方向正交于Y，所述镜沿着其在漂移方向上的整个长度在X方向上彼此为恒定距离。这可为用于本发明中的离子镜的长度的第二部分的布置。在此实施例中，对置镜是笔直的且平行于彼此布置。类似于已经相对于图6A描述的那些的补偿电极邻近于镜之间的空间沿着漂移方向延伸，每一电极具有大体上平行于X-Y平面的表面，且位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧，所述补偿电极被布置且在使用中偏置以便产生电位偏移，所述电位偏移在X方向上具有随沿着漂移长度的距离而变的不同范围(提供返回伪电位)。对于此实施例，系数c2＝1，且其它系数m和c变为零。偏置补偿电极产生总有效返回电位Φ(Y)＝Φce(Y)的二次分布，因此，源自注入器73的离子束70的确切空间聚焦在检测器74上发生。系数c0的值可以是任意正值。类似于电极76和77的额外两对未偏置的补偿电极使其形状与偏置补偿电极75的形状互补，用来终止来自补偿电极75的场。在此实施例中，补偿电极75被电偏置以在漂移方向上实施等时离子反射；然而，相对于注入角度的飞行时间畸变未得到补偿。
以类似方式，可以形成类似于图6B中所示的多反射质谱仪，但同样具有零收敛角，即Ω＝0。在此实施例中，偏置补偿电极具有凸抛物线形状，其中施加负偏移U＜0以在漂移方向上实施等时离子反射。
本发明提供可与上述镜布置一起使用且涉及高分辨力的改进，以及与之一起带来的质量准确性和灵敏度的优点。
上文现有技术中描述的质谱仪的分辨力取决于离子注入的初始角度，这决定了漂移速度且因此总体飞行时间。理想地此注入角度将最小化，但其可通过注入设备和检测器的机械要求来限制，尤其是对于较为紧凑的设计。现有技术中呈现的解决方案是使用定位于镜之间的额外偏转器以在离子注入之后减少漂移速度，但这引入了其自身的一些机械限制和飞行时间畸变，且增加了仪器的复杂性和成本。
本发明的实施例包括通过修改由两个收敛镜产生的返回伪电位而减少注入后漂移速度。根据一种类型的实施例，提供在漂移方向Y上具有从注入器的低位移的第一漂移区，其中镜相对较急剧地收敛(镜的相对较高收敛角)，随后是在漂移方向Y上具有从注入器的较高位移的第二漂移区，其中所述镜相对较不急剧地收敛(与第一漂移区相比镜的相对较低收敛角)，优选地其中镜的收敛角在第二漂移区中比第一漂移区中大体上更小。因此，在两个级中提供电位梯度。图7中示出此二级电位梯度与简单的单级线性斜坡的比较，图7描绘了由镜提供到离子的返回伪电位(垂直轴线)与镜漂移长度(从镜的最接近于离子注入器的末端)(水平轴线)之间的关系。线80表示现有技术的简单单级线性斜坡的返回伪电位。相比之下，线82表示镜长度的第一漂移区或第一部分的返回伪电位，其中镜急剧地收敛(给出较高返回伪电位梯度)。此外，线82表示镜长度的第二漂移区或第二部分的返回伪电位，其中镜以低得多的收敛角收敛(给出较低返回伪电位梯度)。离子漂移速度因此在第一漂移区中(即沿着Y的镜长度的第一部分中)更快速地减少，从而允许通过第二漂移区(即沿着Y的镜长度的第二部分中)的增加飞行时间以及总体增加的飞行路径。
参考图8，示出了体现本发明的简单设计的示意图，其具有在两个不同线性级中收敛的两个对置离子镜90、92。由此实施例提供的返回伪电位具有在图7中由线82、84所示的两个线性级类型。第一镜90朝向具有较高收敛程度的第一级或部分90/和具有较低收敛程度的第二或部分级90//中的另一镜收敛。第二镜92类似地在第一级或部分92/和第二级或部分92//中收敛。换句话说，每一镜的第一级或部分90/、92/与所述镜的第二级或部分90//、92//相比具有对方向Y的较高倾斜角。两个镜是匹配的，即是对称的。然而，在其它实施例中，其可被设计成使得仅一个镜在建置于其中的第一部分中具有较高倾斜角度，这将是离子在离开离子注入器之后入射到的镜(在此情况下为第一镜90)。
在图8中，离子束是从离子注入器或离子源94(例如离子阱、正交加速注入器或MALDI源)注入且遵循轨迹98进入两组倾斜的伸长离子镜90、92之间的空间。作为本发明中的离子注入器的离子阱可使用RF存储多极。离子从离子导向器进入X-Y平面中的存储多极且存储在其中，同时在与所述多极内含有的浴气体(优选为氮气)的碰撞中失去其过量的能量(变成热能化)。在积聚足够数目个离子之后，如WO2008/081334中所描述切断RF且将双极提取电压施加于存储多极的所有或一些电极以朝向第一镜喷射离子。举例来说，推挽式电压可施加到所述多极。在从所述多极的喷射后，离子通过优选在5到30kV的范围内的加速电压V加速。替代地，可使用正交离子加速器将离子束注入到质谱仪中，如美国专利US5117107(Guilhaus和Dawson，1992)中所描述。
在低漂移位移处，即在长度的第一部分中，所述镜具有较高程度的镜收敛，即在部分90/和92/中，从而导致在漂移方向Y上离子速度的快速损失。如图9的细节中所示，轨迹98上的离子初始地以对X方向的倾斜角度θ1进入离子镜，但在离子镜的第一部分中的反射之后，在漂移方向Y上离子速度的快速损失将倾斜角度减少到θ2(θ2<θ1)。随后，遵循所述两个镜之间的Z形路径，离子进入具有较低程度镜收敛的镜的第二部分，其中离子漂移速度继续丢失但较为缓慢(即每次反射平均较低的损失)，然后离子最终反射回漂移长度，遵循所述镜之间的逆转路径，所述路径以离子入射到邻近于离子注入器(在大体上相同的Y坐标处)定位的检测器96而终止。
在图8中示出的实施例中，在第一离子镜90/中具有较高收敛的镜长度的第一部分中仅存在离子的一次反射。在其它实施例中，可以通过在镜长度的第一部分中布置一次或多次额外反射来实现离子漂移速度的进一步快速减少。对于两个线性级设计，主要考虑是当波束在镜的两个级之间穿过时没有离子束的部分被布置于镜结构内。在离子的一部分到达低收敛级(第二级)中的镜同时剩余离子到达高收敛级(第一级)中的镜的情况下，离子束的漂移能量发散将增加且离子不可控制地散射。这在第二级中强加最小漂移速度，其取决于镜分离以及在所述点处离子束的空间发散。在离子束随着增加Y而发散时，优选地使离子束尽可能早地在级之间且尤其在如图8中所示的第一和第二反射之间转变。
在一些实施例中可产生的相关问题是在所述两个级之间的场下垂会造成一些漂移能量加宽，甚至在到分离所述两个区的拐角的一定距离处也是如此。因此希望施加校正以最小化此场干扰。实现此情形的一种方式是在收敛改变的拐角处通过镜安装基于印刷电路板(PCB)的场校正电极。图10中示出了具有场补偿PCB的二级镜的此实施例。PCB 91在其顶部和底部边缘(Z方向上)通过镜电极中的凹部95保持在适当的位置。场校正PCB 91的两个面(93，93')印刷有电极轨道，其具有稍微不同的轨道范围和/或施加电压以模仿所述级的延续。可以使用安装或印刷于除PCB外的绝缘衬底的对置面上的电极的其它实施例。另一方法是在镜表面中在拐角处并入小的失真，以使得具有较高镜收敛的第一级以小的收敛增加终止，且第2级以小的减小开始。此实施例在图11中如此，其中示出对镜90的校正修改97，其在镜表面中在两个镜级之间的拐角处提供失真。也可以使用在两个级之间的转变点处从镜电极90悬挂(例如，具有绝缘座架)的小型成对电极99来模仿此效应，如图12中所示。
每一镜由多个伸长的条电极制成，所述电极大体上在Y方向上(但不平行于Y)伸长，如US2015/0028197中所描述。离子镜的伸长电极可以例如被提供为安装金属条或PCB基底上的金属轨道。所述伸长电极可以由例如镍钢等具有低热膨胀系数的金属制成，以使得飞行时间能够抵抗仪器内的温度改变。可通过线磨蚀制造来精确加工或获得离子镜的电极形状。电极尺寸、位置和施加电压经过优化，以使得离子在镜之间的振荡时间T大体上与间隔ε0+/-(Δε/2)中de离子能量ε无关，其中ε0＝qV是由加速电压V和离子电荷q界定的参考能量。在本发明对正和负离子的应用不失一般性的情况下，在此假定离子电荷为正。
在一些实施例中，镜的所述两个级无需由同一组条电极形成。所述伸长镜可改为在所述级之间的转变点处电分离，或者所述镜能够以增加的成本和复杂性从完全不同的结构来建置。此电分离将在允许仪器的部分再调谐方面具有一些优点。
并入本发明的系统最优选的是在镜之间的空间中或邻近处包含补偿电极以最小化由镜之间的距离改变造成的飞行时间畸变的影响，如上文以及US2015/0028197 A1中所描述。如下所述在图15中示出一个此类实施例。
镜收敛的第一和第二级都不需要为线性的。实际上，图8中所示的在两个线性级之间的转变处存在的拐角是不合意的。通过以平滑曲线将两个级掺合在一起以使得漂移能量分散中的畸变在多次反射上平均化，可以移除由所述拐角引入的畸变。因此可提供其中两个线性级由平滑曲线连接的实施例。在一些实施例中，例如除接合所述级的平滑曲线之外，具有较低程度收敛的第二级可以被构造为具有遵循多项式(优选为抛物线)形状的部分(或其全长)，以使得所述镜以上文US2015/0028197 A1或图5A中描述的方式具有收敛，这对于具有宽漂移能量分散的离子束改善了在检测器处的Y空间聚焦。当处置减速离子时这是优选的，因为漂移能量分散大体上随着漂移能量的比例而增加。
图13示意性地示出了根据本发明的质谱仪，其并入有镜组，所述镜组包含：具有较高收敛程度的弯曲第一级101，其在沿着Y从离子注入器94的低位移处，用于快速地减速离子且允许第二级中的更多反射；以及具有较低收敛程度的弯曲第二级，用于多次反射所述离子，然后所述离子最终通过弯曲镜的伪电位转向而遵循返回路径到检测器96。
如下在图13中示出用于实施例的一组合适的尺寸和电压。两个离子镜具有内部尺寸175x 450x 48mm(即镜深度(X上)x镜长度(Y上)x镜高度(Z上))，且被设定为以320mm的镜间间隙而彼此对置。所述镜各自由五个条电极构成，其中以图14中所示的方式施加电压(对于正离子)，图14将所述条电极示意性地示出为线性的，但它们实际是抛物线的。镜的收敛遵循通过数学优化产生的函数，从Y＝0处的0mm到在漂移方向上的所需离子转向点375mm处的0.362mm，即镜间间隙在Y＝0处是320mm且在转向点(Y＝375mm)处是320-0.362mm。下文示出此函数(1)，且相对于无第一减速级的现有技术的抛物线收敛镜使飞行时间增加大于50％。这等效于本发明的离子在镜之间的30次振荡对比无减速级的系统中的20次。
Figure GDA0001562886420000381
镜之间的空间由补偿电极共享，更具体来说在接地电极与延行镜的长度且具有+24.11V的施加电位的成形条带电极之间。接地电极和条带电极是具有大体上平行于X-Y平面的表面的平面，且位于在对置镜之间延伸的空间的任一侧。此电极用以对镜收敛的飞行时间扰动进行计数。由补偿条带电极占据的宽度从注入点处的接近0mm扩展到Y＝375mm的转向点处的120mm，其中形状遵循与镜收敛相同的函数但在相反的方向上弯曲，如图15中所示，其中条带形中央补偿或校正电极表示为103。镜和条带电极各自形成返回伪电位，图16中示出其无量纲的总和。
一般来说，补偿电极具有复杂的形状，在X方向上延伸随Y方向而变的变化量，偏置条带补偿电极在X方向上的宽度由函数S(Y)表示。未偏置的(接地)电极的形状大体上与偏置电极的形状互补。邻近于或在离子镜之间的空间中定位的偏置补偿电极可在X-Y平面中定位于两个或更多个未偏置的(接地)电极之间，所述电极也邻近于或在离子镜之间的空间中定位。
在此实施例中离子到分析器中的注入是以具有2mm内切圆半径的线性离子阱执行，具有足够轴向电位阱以将截留的离子云约束于±3mm内。对于注入步骤，将阱提升到+4000V且通过施加约500V/mm提取场来提取离子。进入第一镜的离子发散由一组三个电极(透镜)控制，且存在偏转器用于微调。阱的中心在X上设定为在镜之间居中，且在漂移维度上设定于Y＝0位置，且阱设定于2.64度的倾斜以设定离子注入角度。图17中示出具有施加电压的此离子注入光学布置。
检测器平面设定为在横向(X)方向上远离阱20mm，且在漂移方向上设定于Y＝0，具有2.6度倾斜以匹配离子等时平面的角度。图18中描绘模拟轨迹，在波束于Y方向上到达转向点之前在每一镜中具有30次转向或反射。
系统的性能的关键量度是总飞行时间、离子时间焦点以及检测器处的离子空间焦点。前两者界定分辨率且最后项界定泛音的发射和存在是离子较早地在一次或多次转向中入射到检测器。与无初始减速级的现有技术系统相比，对于以上系统规范，具有m/z＝195的离子的飞行时间从408扩展到612μs，但时间焦点(半幅值全宽)也稍微从1扩展到1.2ns，从而给出从200,000到255,000的质量分辨率的总体改进。沿着检测器的空间扩展也从0.95的标准偏差增加到1.16mm，这是可接受的，因为几乎100％的离子仍会入射于检测器的界限内。图19和20中分别示出检测器处的时间和Y空间分散的绘图。
也可考虑较高减速级，例如飞行时间增加为无减速级的镜的飞行时间的2倍和2.5倍。然而，这些镜布置可以展现离子束到检测器上的不良空间聚焦，因为离子云的增加比例能量扩展超越了镜的扩展。在施加增加的减速水平时离子云的Y扩展(在1％相对强度下的全宽)的增加可以通过减少初始离子云的Y能量和空间扩展来补偿，其具有较小的阱、改进的离子冷却或使用在注入光学元件中具有Y场组件的透镜。
虽然在本文的大多数附图中将离子束示意性地表示为无显著宽度的线，但实际上离子束占据被称为波束包络的空间区。镜长度的第一和第二部分之间的转变(收敛程度的转变)附近的离子束的另一优选条件是镜内的两个邻近波束包络之间的距离(即转变的两侧上的波束包络之间的距离)不应当小于a)0.5*H，b)1*H，或c)2*H，其中H是镜的局部高度(局部高度意味着在转变处在Z方向上在镜内的内部高度)。图21中示出此情形，其中指示收敛程度的转变的任一侧上在镜内的波束包络之间的距离d。
本发明的多反射质谱仪是图像保存的且可以用于同时成像或用于以与离子通过质谱仪的飞行时间无关的速度进行图像光栅化。
上文呈现的所有实施例也可以不仅实施为超高分辨率TOF仪器，而且实施为低成本中间性能分析器。举例来说，如果离子能量且因此施加电压并不超过几千伏，那么镜和/或补偿电极的整个组合件可以实施为一对印刷电路板(PCB)，被布置为其印刷表面彼此平行且面对，优选地平坦且由FR4玻璃填充的环氧树脂或陶瓷制成，通过金属间隔件隔开且通过销钉而对准。PCB可以胶合或另外附连到更弹性的材料(金属、玻璃、陶瓷、聚合物)，因此使系统更具刚性。优选地，每一PCB上的电极由激光切割凹槽界定，所述凹槽提供抵抗击穿的足够隔离，同时不显著暴露内部的电介质。电连接经由后表面而实施，所述后表面不面对离子束且还可集成有电阻性分压器或整个电力供应器。
对于实际实施方案，在漂移方向Y上镜的伸长应当最小化，以便减少设计的复杂性和成本。这可以通过已知方式实现，例如通过使用模仿无限伸长镜的电位分布的末端电极(优选地位于在Z方向上距最接近的离子轨迹为镜高度的至少2到3倍的距离处)或末端PCB来补偿边缘场。在前一种情况下，电极可以使用与镜电极相同的电压，且可能实施为适当形状的平坦板且附接到镜电极。
借助本发明，在本发明中将减速级并入到镜结构自身中允许带来飞行时间且因此分辨率的增加，而不需要在镜之间并入额外偏转器，因此减少零件的数目和成本。此外，还消除了如现有技术中提出的在偏转器周围导向离子束的最小漂移能量要求。尽管在第一快速减速级的末端处形成尖锐拐角的情况下施加某种要求，但基于弯曲对置镜的减速级变成有利的，因为其极大地减少此问题且最小漂移能量不再随着初始波束宽度而变；仅取决于漂移能量分散对比反射级的能量接受。
如本文所使用(包含在权利要求书中)，除非上下文另外指示，否则本文中的术语的单数形式应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，否则在本文中(包含在权利要求书中)例如“一个(a)”或“一个(an)”的单数参考意指“一个或多个”。
贯穿本说明书的描述及权利要求书，词语“包括”、“包含”、“具有”及“含有”以及这些词的变化(例如“包括(comprising)”及“包括(comprises)”等)意味着“包含但不限于”，且并不意图(且并不)排除其它组件。
应了解，可以对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍属于本发明的范围内。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。
本文中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)的使用意图仅更好地示出本发明，并且除非另外要求，否则并不指示本发明的范围上的限制。本说明书中的任何语言均不应被解释为指示实践本发明所必需的任何未要求要素。
以下是本申请的示例：
示例1.一种多反射质谱仪，其包括在X方向上间隔开且彼此对置的两个离子镜，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器，且所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。
示例2.根据示例1所述的多反射质谱仪，其中所述第一收敛程度使得在所述离子在长度的所述第一部分中在所述离子镜中经受一次或多次反射之后，所述离子在所述方向Y上的漂移速度跨越长度的所述第一部分减少至少5％、或至少20％、或在5％到50％范围内的量、或在20％到50％范围内的量。
示例3.根据示例1或2所述的多反射质谱仪，其中与在长度的所述第二部分中在所述离子镜中的每次反射在所述方向Y上所述离子的漂移速度的平均减少相比，所述离子展现了在长度的所述第一部分中在所述离子镜中的至少一者中的每次反射在所述方向Y上所述离子的漂移速度的更大的平均减少。
示例4.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中沿着所述长度的所述第一部分由所述收敛镜产生的返回伪电位梯度大于沿着所述长度的所述第二部分由所述收敛镜产生的返回伪电位梯度。
示例5.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在使用中，所述离子注入器从所述镜的一个末端将离子注入到所述镜之间的所述空间中，使得离子多次从一个对置镜反射到另一镜，同时沿着所述漂移方向漂移远离所述离子注入器以便遵循所述质谱仪内的大体上Z形路径。
示例6.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中所述离子注入器在所述漂移方向Y上接近于所述对置离子光学镜的一个末端而定位。
示例7.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其进一步包括位于邻近所述离子注入器的区中的检测器。
示例8.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中沿着所述镜的长度的所述第一和/或第二部分，每一镜大体上在所述漂移方向Y上的伸长是线性的。
示例9.根据示例1到7中任一示例所述的多反射质谱仪，其中沿着所述镜的长度的所述第一和第二部分，每一镜大体上在所述漂移方向Y上的伸长是非线性的。
示例10.根据示例1到7中任一示例所述的多反射质谱仪，其中至少一个离子镜在所述漂移方向上沿着所述镜的长度的所述第一和第二部分中的至少一者朝向另一镜弯曲。
示例11.根据示例1到7中任一示例所述的多反射质谱仪，其中两个离子镜均被成形以便在长度的所述第一和第二部分中的一者或两者中产生遵循多项式形状的弯曲反射表面。
示例12.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在所述漂移方向Y上沿着所述镜的长度的所述第二部分，所述离子镜是大体上非平行的。
示例13.根据示例1到11中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在所述漂移方向Y上沿着所述镜的长度的所述第二部分，所述离子镜是大体上平行的。
示例14.根据示例1到7中任一示例所述的多反射质谱仪，其中两个镜是彼此对称的且两个镜沿着其长度的第一和/或第二部分弯曲以遵循抛物线形状，以便当所述镜在所述漂移方向上延伸时朝向彼此弯曲。
示例15.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中当所述离子束在所述方向Y上在所述长度的所述第一和第二部分之间通过时所述离子束的任何部分都不在离子镜内。
示例16.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分之间的转变是在注入后在所述对置离子镜中的第一和第二反射之间发生。
示例17.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在所述长度的所述第一和第二部分之间的转变的任一侧在镜内的所述离子束的两个邻近包络之间的距离不小于a)0.5*H，b)1*H，或c)2*H，其中H是在所述转变处所述镜的局部高度。
示例18.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中通过所述离子镜安装一个或多个校正电极以减少在所述方向Y上在所述长度的所述第一和第二部分之间的所述转变处的电场下垂。
示例19.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分之间的所述转变是平滑曲线。
示例20.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分是由相同连续电极提供。
示例21.根据示例1到19中任一示例所述的多反射质谱仪，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分是电分离的。
示例22.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其进一步包括一个或多个补偿电极，所述补偿电极在所述镜之间的所述空间中或邻近处沿着所述漂移方向的至少一部分延伸。
示例23.根据示例22所述的多反射质谱仪，其包括一对对置补偿电极，每一电极位于在所述对置镜之间延伸的空间的任一侧。
示例24.根据示例22或23所述的多反射质谱仪，其中所述补偿电极中的每一者具有大体上平行于所述X-Y平面且在所述X-Y平面中具有多项式型面的表面，使得所述表面在所述镜的一个或两个所述末端附近的区中比在所述末端之间的中心区中朝向每一镜延伸更大距离。
示例25.根据示例23或24所述的多反射质谱仪，其中所述补偿电极中的每一者具有大体上平行于所述X-Y平面且在所述X-Y平面中具有多项式型面的表面，使得所述表面在所述镜的一个或两个所述末端附近的所述区中比在所述末端之间的所述中心区中朝向每一镜延伸更小距离。
示例26.根据示例22到25中任一示例所述的多反射质谱仪，其中所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便在所述对置镜之间延伸的所述空间的至少一部分中产生随沿着所述漂移长度的距离而变的电位偏移。
示例27.根据示例22到26中任一示例所述的多反射质谱仪，其中所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由所述对置镜产生的飞行时间畸变中的至少一些。
示例28.根据示例22到27中任一示例所述的多反射质谱仪，其中所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由所述对置镜产生的在所述漂移方向上的飞行时间移位并且使所述系统的总飞行时间移位与所述X-Y平面中的初始离子束轨迹倾斜角度的变化大体上无关。
示例29.根据示例22到28中任一示例所述的多反射质谱仪，其中所述一个或多个补偿电极被实施为一对印刷电路板，所述一对印刷电路板被布置为其印刷表面彼此平行且面对。
示例30.根据示例29所述的多反射质谱仪，其中两个离子镜被实施为一对印刷电路板，所述一对印刷电路板被布置为其印刷表面彼此平行且面对。
示例31.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其进一步包括位于所述镜之间的所述空间中的一个或多个透镜或隔膜，以便影响所述质谱仪内的离子的相空间体积。
示例32.根据示例1所述的多反射质谱仪，其中沿着所述漂移方向的离子的运动通过电场而反转，所述电场产生于所述镜在所述漂移方向上沿着其长度的所述第一和第二部分朝向彼此的收敛。
示例33.根据任一前述示例所述的多反射质谱仪，其中所述电场致使所述离子逆转其方向且返回朝向所述离子注入器行进。
示例34.根据任一前述示例所述的多反射质谱仪，其中所述离子中的至少一些入射于位于邻近所述离子注入器的区中的检测器上。
示例35.根据示例34所述的多反射质谱仪，其中所述检测器具有检测表面，所述检测表面平行于所述漂移方向Y布置或者与所述漂移方向Y成1到4度的角度倾斜。
示例36.根据任一前述示例所述的多反射质谱仪，其中所述离子注入器包括以下各项中的一个或多个：正交加速器；存储多极；线性离子阱；外部存储阱。
示例37.根据前述示例中任一示例所述的多反射质谱仪，其为多反射飞行时间质谱仪。
示例38.一种静电阱质谱仪，其包括两个或更多个根据示例1到37中任一示例所述的多反射质谱仪。
示例39.一种质谱法的方法，其包括从离子注入器将离子注入到多反射质谱仪的两个对置离子镜之间的空间中，其中所述离子在所述镜之间来回重复反射，同时所述离子沿着一般伸长方向漂移，以及在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些，所述两个离子镜在X方向上彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器，且所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。
示例40.根据示例39所述的质谱法的方法，其中所述第一收敛程度使得在所述离子在长度的所述第一部分中在所述离子镜中经受一次或多次反射之后，所述离子在所述方向Y上的漂移速度跨越长度的所述第一部分减少至少5％、或至少20％、或在5％到50％范围内的量、或在20％到50％范围内的量。
示例41.根据示例39或40所述的质谱法的方法，其中与在长度的所述第二部分中在所述离子镜中的每次反射在所述方向Y上所述离子的漂移速度的平均减少相比，所述离子展现了在长度的所述第一部分中在所述离子镜中的至少一者中的每次反射在所述方向Y上所述离子的漂移速度的更大的平均减少。
示例42.根据示例39到41中任一示例所述的质谱法的方法，其中在离子前进远离所述离子注入器时，沿着X方向的运动的振幅沿着所述漂移长度的至少一部分减小。
示例43.根据示例39到42中任一示例所述的质谱法的方法，其中离子在所述漂移方向上从所述对置离子光学镜的一个末端注入到所述多反射质谱仪中。
示例44.根据示例39到43中任一示例所述的质谱法的方法，其中所述离子在方向Y上沿着漂移长度通过之后转向且朝向离子注入的位置沿着所述漂移长度返回前进。
示例45.根据示例39到44中任一示例所述的质谱法的方法，其中使用多于一个检测器以在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些。
示例46.根据示例39到45中任一示例所述的质谱法的方法，其中用于所述离子的检测器位于邻近所述离子注入器的区中。
示例47.根据示例46所述的质谱法的方法，其中所述检测器具有检测表面，所述检测表面平行于所述漂移方向Y布置或者与所述漂移方向Y成1到4度的角度倾斜。
示例48.根据示例39到47中任一示例所述的质谱法的方法，其中沿着所述镜的长度的所述第一和/或第二部分，每一镜大体上在所述漂移方向Y上的伸长是线性的。
示例49.根据示例39到47中任一示例所述的质谱法的方法，其中沿着所述镜的长度的所述第一和第二部分，每一镜大体上在所述漂移方向Y上的伸长是非线性的。
示例50.根据示例39到47中任一示例所述的质谱法的方法，其中至少一个离子镜在所述漂移方向上沿着所述镜的长度的所述第一和第二部分中的至少一者朝向另一镜弯曲。
示例51.根据示例39到47中任一示例所述的质谱法的方法，其中两个离子镜均被成形以便在长度的所述第一和第二部分中的一者或两者中产生遵循多项式形状的弯曲反射表面。
示例52.根据示例39到51中任一示例所述的质谱法的方法，其中在所述漂移方向Y上沿着所述镜的长度的所述第二部分，所述离子镜是大体上非平行的。
示例53.根据示例39到51中任一示例所述的质谱法的方法，其中在所述漂移方向Y上沿着所述镜的长度的所述第二部分，所述离子镜是大体上平行的。
示例54.根据示例39到53中任一示例所述的质谱法的方法，其中两个镜是彼此对称的且两个镜沿着其长度的第一和/或第二部分弯曲以遵循抛物线形状，以便当所述镜在所述漂移方向上延伸时朝向彼此弯曲。
示例55.根据示例39到54中任一示例所述的质谱法的方法，其中当所述离子束在所述方向Y上在所述长度的所述第一和第二部分之间通过时所述离子束的任何部分都不在离子镜内。
示例56.根据示例39到55中任一示例所述的质谱法的方法，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分之间的转变是在注入后在所述对置离子镜中的第一和第二反射之间发生。
示例57.根据示例39到56中任一示例所述的质谱法的方法，其中通过所述离子镜安装一个或多个校正电极以减少在所述方向Y上在所述长度的所述第一和第二部分之间的所述转变处的电场下垂。
示例58.根据示例39到57中任一示例所述的质谱法的方法，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分之间的所述转变是平滑曲线。
示例59.根据示例39到58中任一示例所述的质谱法的方法，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分是由相同连续电极提供。
示例60.根据示例39到58中任一示例所述的质谱法的方法，其中在所述方向Y上所述长度的所述第一和第二部分是电分离的。
示例61.根据示例39到60中任一示例所述的质谱法的方法，其中所述多反射质谱仪进一步包括沿着所述漂移方向的至少一部分延伸的一个或多个补偿电极，每一电极位于所述镜之间的所述空间中或邻近处，所述补偿电极在使用中被电偏置以使得所述镜之间的离子振荡的周期沿着整个所述漂移长度大体上恒定。
示例62.根据示例61所述的质谱法的方法，其中所述一个或多个补偿电极包括一对补偿电极，每一电极位于所述镜之间的所述空间的任一侧，且其中所述补偿电极中的每一者具有在所述X-Y平面中具有多项式型面的表面，使得所述表面在所述镜的一个或两个所述末端附近的区中比在所述末端之间的中心区中朝向每一镜延伸更大距离。
示例63.根据示例61或62中任一示例所述的质谱法的方法，其中所述一个或多个补偿电极包括一对补偿电极，每一电极位于所述镜之间的所述空间的任一侧，且其中所述补偿电极中的每一者具有在所述X-Y平面中具有多项式型面的表面，使得所述表面在所述镜的一个或两个所述末端附近的所述区中比在所述末端之间的所述中心区中朝向每一镜延伸更小距离。
示例64.根据示例61到63中任一示例所述的质谱法的方法，其中所述一个或多个补偿电极被电偏置，以便在所述对置镜之间延伸的所述空间的至少一部分中产生随沿着所述漂移长度的距离而变的电位偏移。
示例65.根据示例61到64中任一示例所述的质谱法的方法，其中所述一个或多个补偿电极被电偏置，以便补偿由所述对置镜产生的飞行时间畸变中的至少一些。
示例66.根据示例61到65中任一示例所述的质谱法的方法，其中所述一个或多个补偿电极被电偏置，以便补偿由所述对置镜产生的在所述漂移方向上的飞行时间移位并且使所述系统的总飞行时间移位与所述X-Y平面中的初始离子束轨迹倾斜角度的变化大体上无关。
示例67.根据示例61到66中任一示例所述的质谱法的方法，其中所述离子在所述对置镜之间振荡，同时在所述Y方向上沿着所述漂移长度的所述第一部分的至少一些前进，然后转向且朝向离子注入的位置返回前进。
示例68.一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子注入到所述离子镜之间的空间中，其中所述离子镜中的至少一者在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分具有与所述方向Y的第一非零倾斜角且在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分具有与所述方向Y的第二非零倾斜角，与所述方向Y的所述第二非零倾斜角小于与所述方向Y的所述第一非零倾斜角或具有与所述方向Y的零倾斜角，长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。
示例69.一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，使得注入到所述质谱仪中的离子在所述镜之间在所述X方向上来回重复反射，同时所述离子沿着镜伸长的所述Y方向漂移以便遵循Z形路径，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供第一返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供第二返回伪电位梯度以用于减少所述漂移方向Y上的离子漂移速度或者沿着其长度的所述第二部分并不提供返回伪电位，其中所述第一返回伪电位梯度大于所述第二返回伪电位梯度，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。
示例70.一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，使得注入到所述质谱仪中的离子在所述镜之间在所述X方向上来回重复反射，同时所述离子沿着镜伸长的所述Y方向漂移以便遵循Z形路径，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第一速率，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第二速率或者沿着其长度的所述第二部分并不提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，其中所述离子漂移速度的减速的所述第一速率大于所述离子漂移速度的减速的所述第二速率，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。

Claims (34)

1.一种多反射质谱仪，其包括在X方向上间隔开且彼此对置的两个离子镜，每一离子镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器，且所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。
2.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中所述第一收敛程度使得在所述离子在长度的所述第一部分中在所述离子镜中经受一次或多次反射之后，所述离子在所述漂移方向Y上的漂移速度跨越长度的所述第一部分减少至少5％。
3.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中所述第一收敛程度使得在所述离子在长度的所述第一部分中在所述离子镜中经受一次或多次反射之后，所述离子在所述漂移方向Y上的漂移速度跨越长度的所述第一部分减少至少20％。
4.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中所述第一收敛程度使得在所述离子在长度的所述第一部分中在所述离子镜中经受一次或多次反射之后，所述离子在所述漂移方向Y上的漂移速度跨越长度的所述第一部分减少在5％到50％范围内的量。
5.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中所述第一收敛程度使得在所述离子在长度的所述第一部分中在所述离子镜中经受一次或多次反射之后，所述离子在所述漂移方向Y上的漂移速度跨越长度的所述第一部分减少在20％到50％范围内的量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多反射质谱仪，其中与在长度的所述第二部分中在所述离子镜中的每次反射在所述漂移方向Y上所述离子的漂移速度的平均减少相比，所述离子展现了在长度的所述第一部分中在所述离子镜中的至少一者中的每次反射在所述漂移方向Y上所述离子的漂移速度的更大的平均减少。
7.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中沿着所述长度的所述第一部分由收敛的所述离子镜产生的返回伪电位梯度大于沿着所述长度的所述第二部分由收敛的所述离子镜产生的返回伪电位梯度。
8.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中在使用中，所述离子注入器从所述离子镜的一个末端将离子注入到所述离子镜之间的所述空间中，使得离子多次从一个对置的离子镜反射到另一离子镜，同时沿着所述漂移方向Y漂移远离所述离子注入器以便遵循所述质谱仪内的大体上Z形路径。
9.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中所述离子注入器在所述漂移方向Y上接近于对置的所述离子镜的一个末端而定位。
10.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其进一步包括位于邻近所述离子注入器的区中的检测器。
11.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中沿着所述离子镜的长度的所述第一和/或第二部分，每一离子镜大体上在所述漂移方向Y上的伸长是线性的。
12.根据权利要求1到5、7到10中任一权利要求所述的多反射质谱仪，其中沿着所述离子镜的长度的所述第一和第二部分，每一离子镜大体上在所述漂移方向Y上的伸长是非线性的。
13.根据权利要求1到5、7到10中任一权利要求所述的多反射质谱仪，其中两个离子镜均被成形以便在长度的所述第一和第二部分中的一者或两者中产生遵循多项式形状的弯曲反射表面。
14.根据权利要求1到5、7到10中任一权利要求所述的多反射质谱仪，其中两个离子镜是彼此对称的且两个离子镜沿着其长度的第一和/或第二部分弯曲以遵循抛物线形状，以便当所述离子镜在所述漂移方向Y上延伸时朝向彼此弯曲。
15.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中当所述离子束在所述漂移方向Y上在所述长度的所述第一和第二部分之间通过时所述离子束的任何部分都不在离子镜内。
16.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中在所述漂移方向Y上所述长度的所述第一和第二部分之间的转变是在注入后在对置的所述离子镜中的第一和第二反射之间发生。
17.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中在所述长度的所述第一和第二部分之间的转变的任一侧在离子镜内的所述离子束的两个邻近包络之间的距离不小于a)0.5*H，b)1*H，或c)2*H，其中H是在所述转变处所述离子镜的局部高度。
18.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中通过所述离子镜安装一个或多个校正电极以减少在所述漂移方向Y上在所述长度的所述第一和第二部分之间的转变处的电场下垂。
19.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中在所述漂移方向Y上所述长度的所述第一和第二部分之间的转变是平滑曲线。
20.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中在所述漂移方向Y上所述长度的所述第一和第二部分是由相同连续电极提供。
21.根据权利要求1到5、7到11、15到19中任一权利要求所述的多反射质谱仪，其中在所述漂移方向Y上所述长度的所述第一和第二部分是电分离的。
22.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其进一步包括一个或多个补偿电极，所述补偿电极在所述离子镜之间的所述空间中或邻近处沿着所述漂移方向Y的至少一部分延伸。
23.根据权利要求22所述的多反射质谱仪，其包括一对对置补偿电极，每一电极位于在所述对置镜之间延伸的空间的任一侧。
24.根据权利要求22所述的多反射质谱仪，其中所述补偿电极中的每一者具有大体上平行于X-Y平面且在所述X-Y平面中具有多项式型面的表面，使得所述表面在所述离子镜的一个或两个末端附近的区中比在所述末端之间的中心区中朝向每一离子镜延伸更大距离。
25.根据权利要求23或24所述的多反射质谱仪，其中所述补偿电极中的每一者具有大体上平行于X-Y平面且在所述X-Y平面中具有多项式型面的表面，使得所述表面在所述离子镜的一个或两个末端附近的区中比在所述末端之间的中心区中朝向每一离子镜延伸更小距离。
26.根据权利要求22到24中任一权利要求所述的多反射质谱仪，其中所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便在对置的所述离子镜之间延伸的所述空间的至少一部分中产生随沿着所述漂移长度的距离而变的电位偏移。
27.根据权利要求22到24中任一权利要求所述的多反射质谱仪，其中所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由对置的所述离子镜产生的飞行时间畸变中的至少一些。
28.根据权利要求22到24中任一权利要求所述的多反射质谱仪，其中所述一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由对置的所述离子镜产生的在所述漂移方向Y上的飞行时间移位并且使系统的总飞行时间移位与X-Y平面中的初始离子束轨迹倾斜角度的变化大体上无关。
29.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中沿着所述漂移方向Y的离子的运动通过电场而反转，所述电场产生于所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的所述第一和第二部分朝向彼此的收敛。
30.根据权利要求29所述的多反射质谱仪，其中所述电场致使所述离子逆转其方向且返回朝向所述离子注入器行进。
31.根据权利要求10所述的多反射质谱仪，其中所述检测器具有检测表面，所述检测表面平行于所述漂移方向Y布置或者与所述漂移方向Y成1到4度的角度倾斜。
32.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中所述离子注入器包括以下各项中的一个或多个：正交加速器；存储多极；线性离子阱；外部存储阱。
33.一种质谱法的方法，其包括从离子注入器将离子注入到多反射质谱仪的两个对置的离子镜之间的空间中，其中所述离子在所述离子镜之间来回重复反射，同时所述离子沿着一般伸长方向漂移，以及在所述离子通过所述质谱仪期间或之后检测所述离子中的至少一些，所述两个离子镜在X方向上彼此对置，每一离子镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，其中沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第一部分，所述离子镜以第一收敛程度收敛，且沿着在所述漂移方向Y上所述离子镜的长度的第二部分，所述离子镜以第二收敛程度收敛或者平行，所述离子镜的长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器，且所述第一收敛程度大于所述第二收敛程度。
34.一种多反射质谱仪，其包括两个离子镜，所述离子镜在X方向上间隔开且彼此对置，每一离子镜大体上沿着漂移方向Y伸长，所述X方向正交于所述漂移方向Y，以及离子注入器，所述离子注入器用于与所述X方向成倾斜角度将离子作为离子束注入到所述离子镜之间的空间中，使得注入到所述质谱仪中的离子在所述离子镜之间在所述X方向上来回重复反射，同时所述离子沿着离子镜伸长的所述漂移方向Y漂移以便遵循Z形路径，其中所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第一部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第一速率，且所述离子镜在所述漂移方向Y上沿着其长度的第二部分提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速的第二速率或者沿着其长度的所述第二部分并不提供所述漂移方向Y上的离子漂移速度的减速，其中所述离子漂移速度的减速的所述第一速率大于所述离子漂移速度的减速的所述第二速率，且长度的所述第一部分比所述第二部分更接近所述离子注入器。
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