CN108352292B - 用于成像的改进的离子镜和离子光学透镜 - Google Patents

用于成像的改进的离子镜和离子光学透镜 Download PDF

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Abstract

公开了一种离子镜，其包括：离子入口电极部段(62)，其在离子镜的离子入口处；能量聚焦电极部段(66)，其用于将离子沿纵轴朝向所述离子入口反射回去；以及空间聚焦电极部段(64)，其布置在离子入口电极部段(62)和能量聚焦电极部段(66)之间，用于对离子进行空间聚焦。提供了一个或多个DC电压源以向离子入口电极部段(62)施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段(64)施加的DC电位和向能量聚焦电极部段(66)施加的DC电位中间。离子镜还包括：(i)至少一个第一过渡电极(68)，其布置在离子入口电极部段(62)和空间聚焦电极部段(64)之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第一过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段(62)施加的DC电位与向空间聚焦电极部段(64)施加的DC电位中间；和(ii)至少一个第二过渡电极(69)，其布置在所述能量聚焦电极部段(66)和所述空间聚焦电极部段(64)之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第二过渡电极(69)施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段(64)施加的DC电位和向离子入口电极部段(62)施加的DC电位中间。

Description

用于成像的改进的离子镜和离子光学透镜
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月23日提交的英国专利申请第1520540.4号的优先权和权益。该申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及质谱仪，并且具体地涉及多次反射飞行时间质谱仪(MR-TOF-MS)及其使用方法。
背景技术
飞行时间质谱仪是一种广泛使用的分析化学工具，其特征在于高质量范围的高速分析。已经认识到，多次反射飞行时间质谱仪(MR-TOF-MS)通过在飞行区域内多次反射离子来提供分辨能力的显著提高，从而延长离子的飞行路径。离子飞行路径的这种延长需要通过在离子镜之间反射离子或通过使扇形场中的离子偏转来折叠离子路径。使用离子镜的MR-TOF-MS仪器由于具有高阶每能量时间和每空间时间扩散离子聚焦而提供了更大的能量和空间接受度的重要优势。
图1示出了例如SU 1725289中所述的已知MR-TOF-MS仪器。该仪器包括：两个二维离子镜12，其沿着漂移尺寸(Z方向)延伸以用于反射离子；正交加速器13，其用于将离子注入装置中；以及检测器14，其用于检测离子。为了清楚起见，在整个文本中，在标准笛卡尔坐标系中描述了平面MR-TOF-MS。也就是说，X轴对应于飞行时间的方向，即离子镜之间离子反射的方向，Z轴对应于离子的漂移方向，并且垂直的Y轴与X轴和Z轴两者都正交。
参照图1，在使用时，离子通过加速器13相对于X轴以倾斜角α朝离子镜12中的一个加速。因此，离子在X方向上具有速度并且在Z方向上还具有漂移速度。离子进入离子镜12中的第一离子镜并且朝离子镜12中的第二离子镜被反射回去。离子然后进入第二镜12并且被反射回第一离子镜12。第一离子镜然后将离子反射回到第二离子镜12。这样继续并且离子随着它们在Z方向上沿装置漂移而在两个离子镜12之间连续反射，直到离子撞击检测器14为止。因此离子在X-Z平面内遵循基本上正弦或Z字形(锯齿状)平均轨迹。对于每个镜面反射，离子沿着Z方向前进，增量距离为ZR＝C*sinα，其中C是每个离子镜面反射的飞行路径。然而，在漂移Z方向上没有提供离子聚焦，因此离子包在漂移Z方向上发散。例如，该缺点将谱仪的占空比在100000的质量分辨率下限制为小于0.5％。
例如从WO 2005/001878已知，在离子镜之间的无电场区域内提供一组周期性透镜，以防止离子束在Z方向上显著发散，从而克服上述问题。然而，已经发现仪器的离子光学元件(包括周期性透镜)限制了分析仪的实际应用。
希望的是提供一种改进的谱仪和改进的光谱测定方法。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种离子镜，其包括：
离子入口电极部段，其在离子镜的离子入口处；
能量聚焦电极部段，其用于将离子沿纵轴朝向所述离子入口反射回去；
空间聚焦电极部段，其布置在离子入口电极部段和能量聚焦电极部段之间，用于对离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其配置成向离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段施加不同的DC电压，并且向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向能量聚焦电极部段施加的DC电位中间；以及
(i)至少一个第一过渡电极，其布置在所述离子入口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第一过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间；和/或
(ii)至少一个第二过渡电极，其布置在所述能量聚焦电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向离子入口电极部段施加的DC电位中间。
本发明的发明人已经认识到，常规离子镜引起空间和飞行时间像差，这会降低空间和飞行时间聚焦的质量。由于聚焦元件的空间像差水平与飞行时间像差水平相关，都会降低谱仪的质量分辨率。此外，大的空间像差限制了谱仪在空间成像模式下或在来自多个离子源的信号平行映射到检测器阵列的模式下操作的能力。
本发明的第一和/或第二过渡电极使得沿着离子镜的纵轴(X维度)的轴向电位分布能够更平稳且逐渐地变化。与常规离子镜相比，这样能够减小与纵轴正交的维度中的离子束的空间畸变(例如，减小Y维度中的空间畸变)。
因此，根据本发明的实施方式的离子镜可以提供较低的空间和飞行时间像差，使得结合有该镜的谱仪能够具有增加的质量分辨率以及能够在成像和平行检测模式下操作。
WO2014/074822公开了一种离子镜布置，该离子镜布置具有：离子入口部段；能量聚焦部段，其用于反射以高于入口部段的电压维持的离子；以及低电压区域，其在入口部段和能量聚焦部段之间。然而，没有提供根据权利要求1的过渡电极。更具体地，WO'822没有公开在入口部段和低电压区域之间的任何过渡电极。而且，在能量聚焦部段和低电压区域之间不存在过渡电极，其中向过渡电极施加的DC电位介于向低电压区域施加的DC电位和向入口部段施加的DC电位中间。
WO2014/142897公开了一种包括平面透镜、护罩和离子镜的布置。离子加速区域和离子反射区域布置在离子镜内。然而，离子镜不包括权利要求1所要求的过渡电极。
根据本发明的实施方式的离子镜可以配置成飞行时间质量分析仪。
向离子入口电极部段施加的DC电位大于向空间聚焦电极部段施加的DC电位并且小于向能量聚焦电极部段施加的DC电位。
离子沿着离子镜的纵轴(沿X维度)进入离子镜，并且沿着该轴线反射回去。离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段是沿纵轴间隔开的离子镜的纵向部段。
离子入口电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向离子入口电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得离子入口电极部段基本上是无电场区域。
可选地或另外地，离子入口电极部段的电极可以在离子入口电极部段的整个长度上连续地延伸。
任选地，离子入口部段的轴向长度的至少80％、至少90％或至少95％是无电场区域。
能量聚焦电极部段中的所有电极可以维持在处于或高于向入口电极部段施加的(一个或多个)DC电位的DC电位(或不同的DC电位)。例如，能量聚焦电极部段的入口处的电极可以维持在与向入口电极部段施加的DC电位相同的DC电位，并且能量聚焦电极部段中的所有其它电极可以维持在高于向入口电极部段施加的DC电位的DC电位(或不同的DC电位)。
DC电压源可以配置成将多个不同的DC电位施加到能量聚焦电极部段的不同电极，以将离子沿纵轴朝着所述离子入口反射回去。DC电压源可以配置成向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向能量聚焦电极部段施加的最低DC电位中间。
可选地或另外地，尽管不那么理想，DC电压源可以配置成将多个不同的DC电压施加到空间聚焦电极部段的不同电极。在该配置中，DC电压源可以配置成向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的最高DC电位和向能量聚焦电极部段施加的最低DC电位中间。
离子镜在第一维度上可以具有沿纵轴的长度X，在与第一维度正交的第二维度上具有宽度Y，以及在与第一维度和第二维度两者都正交的维度中具有漂移长度Z。漂移长度Z可以大于长度X和/或宽度Y。另外地或可选地，长度X可以大于宽度Y。
离子入口电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；以及≥150mm；和/或沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≤5mm；≤10mm；≤15mm；≤20mm；≤25mm；≤30mm；≤40mm；≤50mm；≤60mm；≤70mm；≤80mm；≤90mm；≤100mm；≤110mm；≤120mm；≤130mm；≤140mm；和≤150mm。
空间聚焦电极部段可以使离子在与所述纵轴(X维度)正交的维度(Y维度)上聚焦。
空间聚焦电极部段包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向空间聚焦电极部段的电极施加仅单个电位或相同电位；和/或空间聚焦电极部段的电极可以在空间聚焦电极部段的整个长度上连续地延伸。
空间聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
能量聚焦电极部段可以包括在沿纵轴的不同位置处的至少两个电极，其中DC电压源配置成向所述至少两个电极中的每一个施加不同的电位，从而沿着能量聚焦电极部段提供电位分布，以便沿纵轴朝向所述离子入口反射离子。
可选地或另外地，能量聚焦电极部段可以包括一个或多个电极，所述一个或多个电极具有电阻涂层，所述电阻涂层在沿纵轴的方向上变化和/或与纵轴成一定角度布置，使得当电压源向一个或多个电极施加电压时，电位分布沿着能量聚焦电极部段布置，其沿纵轴朝向所述入口反射离子。
能量聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥20mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
所述至少一个第一过渡电极可以包括沿纵轴布置在不同位置处的≥m个第一过渡电极，其中m选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
电压源可以配置成向m个第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，从而提供电位分布，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从空间聚焦部段到离子入口部段逐渐增加。电位分布在沿纵轴的方向上从空间聚焦部段到离子入口部段可以逐渐增加而不减小。
DC电压源配置成向所述至少一个第一过渡电极施加至少一个DC电位。在提供多于一个第一过渡电极并且这些过渡电极维持在不同的DC电压的情况下，所有这些DC电压都可以为介于向离子入口电极部段施加的(最低)DC电位和向空间聚焦电极部段施加的(最高)DC电位中间的值。
所述至少一个第一过渡电极可以在沿纵轴(X维度)的长度上延伸或布置，所述长度选自由以下组成的组：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
可选地或另外地，所述至少一个第一过渡电极可以包括一个或多个电极，所述一个多个电极具有电阻涂层，所述电阻涂层在沿纵轴的方向上变化和/或与纵轴成一定角度布置，使得当电压源向所述至少一个第一过渡电极施加电压以便提供电位分布时，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从空间聚焦部段到离子入口部段逐渐增加。
所述至少一个第二过渡电极包括沿着所述纵轴布置在不同位置处的≥n个第二过渡电极，其中n选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
可以提供比第一过渡电极更少的第二过渡电极。
电压源可以配置成向n个第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，从而提供电位分布，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从空间聚焦部段到能量聚焦电极部段逐渐增加。电位分布在沿纵轴的方向上从空间聚焦部段到能量聚焦部段可以逐渐增加而不减小。
DC电压源配置成向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位。在提供多于一个第二过渡电极并且这些过渡电极维持在不同的DC电压的情况下，所有这些DC电压都可以为介于向空间聚焦电极部段施加的(最高)DC电位和向离子入口电极部段施加的(最低)DC电压中间的值。
所述至少一个第二过渡电极可以在沿纵轴(X维度)的长度上延伸或布置，所述长度选自由以下组成的组：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
所述至少一个第二过渡电极可以沿纵轴(X维度)比所述至少一个第一过渡电极延伸或布置在更短的长度上。
离子入口部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
空间聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
能量聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
所述至少一个第一过渡电极在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
所述至少一个第二过渡电极在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
空间聚焦部段、第一过渡电极和离子入口电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
空间聚焦电极部段、第二过渡电极和能量聚焦电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
由第一过渡电极、空间聚焦电极部段和第二过渡电极提供的电位分布可以是基本上二次电位。
本文描述的DC电位的相对大小可以参考离子所经历的电位。例如，两个极性的离子将朝向更低的DC电位被迫远离高DC电位(而两个极性的离子不会从更高的正DC电压被迫远离到更低的正电压)。
根据第二方面，本发明提供了一种离子镜，其包括：
离子入口电极部段，其在离子镜的离子入口处；
能量聚焦电极部段，其用于将离子沿纵轴朝向所述离子入口反射回去；
空间聚焦电极部段，其布置在离子入口电极部段和能量聚焦电极部段之间，用于对离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其配置成向离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段施加不同的DC电压，并且向空间聚焦电极部段施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向能量聚焦电极部段施加的DC电位中间；以及
(i)至少一个第一过渡电极，其布置在所述离子入口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第一过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间；和/或
(ii)至少一个第二过渡电极，其布置在所述能量聚焦电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位，该DC电位小于向空间聚焦电极部段施加的DC电位。
这种布置为离子镜提供了一种电位分布，当离子进入空间聚焦电极部段时，该离子镜首先使离子沿着离子镜的纵轴(X维度)减速。通过电位分布，离子可以加速离开空间聚焦电极部段并且进入能量聚焦电极部段。
第一和/或第二过渡电极使得沿着离子镜的纵轴(X维度)的轴向电位分布能够更平稳并且逐渐地变化。与常规离子镜相比，这样能够减小与纵轴正交的维度中的离子束的空间畸变(例如，减小Y维度中的空间畸变)。
离子镜可以配置成飞行时间质量分析仪。
离子沿着离子镜的纵轴(沿X维度)进入离子镜，并且沿着该轴线反射回去。离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段是沿纵轴间隔开的离子镜的纵向部段。
离子入口电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向离子入口电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得离子入口电极部段基本上是无电场区域。
离子入口电极部段的电极可以在离子入口电极部段的整个长度上连续延伸。
任选地，离子入口部段的轴向长度的至少80％、至少90％或至少95％是无电场区域。
DC电压源可以配置成将多个不同的DC电位施加到能量聚焦电极部段的不同电极，以将离子沿纵轴朝着所述离子入口反射回去；并且DC电压源可以配置成向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位小于向空间聚焦电极部段施加的DC电位，并且等于或小于向能量聚焦电极部段施加的最低DC电位。
离子镜在第一维度上可以具有沿纵轴的长度X，在与第一维度正交的第二维度上具有宽度Y，以及在与第一维度和第二维度两者都正交的维度中具有漂移长度Z。漂移长度Z可以大于长度X和/或宽度Y。另外地或者可选地，长度X可以大于宽度Y。
离子入口电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；和≥150mm。
空间聚焦电极部段可以使离子在与所述纵轴(X维度)正交的维度(Y维度)上聚焦。
空间聚焦电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向空间聚焦电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；和/或空间聚焦电极部段的电极可以在空间聚焦电极部段的整个长度上连续地延伸。
空间聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
能量聚焦电极部段可以包括在沿纵轴的不同位置处的至少两个电极，其中DC电压源配置成向所述至少两个电极中的每一个施加不同的电位，从而沿着能量聚焦电极部段提供电位分布，以便沿纵轴朝向所述离子入口反射离子。
可选地或另外地，能量聚焦电极部段可以包括一个或多个电极，所述一个或多个电极具有电阻涂层，所述电阻涂层在沿纵轴的方向上变化和/或与纵轴成一定角度布置，使得当电压源向一个或多个电极施加电压时，电位分布沿着能量聚焦电极部段布置，其沿纵轴朝向所述入口反射离子。
能量聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥20mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
所述至少一个第一过渡电极可以包括沿纵轴布置在不同位置处的≥m个第一过渡电极，其中m选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
电压源可以配置成向m个第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，从而提供电位分布，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从离子入口电极部段到空间聚焦电极部段逐渐增加。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子入口部段到空间聚焦部段可以逐渐增加而不减小。
DC电压源配置成向所述至少一个第一过渡电极施加至少一个DC电位。在提供多于一个第一过渡电极并且将这些过渡电极维持在不同的DC电压的情况下，所有这些DC电压都可以为介于向离子入口电极部段施加的(最高)DC电位和向空间聚焦电极施加的(最低)DC电位中间的值。
所述至少一个第一过渡电极可以在沿纵轴(X维度)的长度上延伸或布置，所述长度选自由以下组成的组：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
可选地或另外地，所述至少一个第一过渡电极可以包括一个或多个电极，所述一个多个电极具有电阻涂层，所述电阻涂层在沿纵轴的方向上变化和/或与纵轴成一定角度布置，使得当电压源向所述至少一个第一过渡电极施加电压以便提供电位分布时，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从离子入口部段到空间聚焦部段逐渐增加。
所述至少一个第二过渡电极可以包括沿纵轴布置在不同位置处的≥n个第二过渡电极，其中n选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
可以提供比第一过渡电极更少的第二过渡电极。
电压源可以配置成向n个第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，从而提供电位分布，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从空间聚焦部段到能量聚焦电极部段逐渐减小。电位分布在沿纵轴的方向上从空间聚焦部段到能量聚焦部段可以逐渐减小而不增加。
DC电压源配置成向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位。在提供多于一个第二过渡电极并且这些过渡电极被维持在不同的DC电压的情况下，所有这些DC电压可以为介于向空间聚焦电极部段施加的(最高)DC电位和向能量聚焦电极部段施加的(最低)DC电压中间的值。
所述至少一个第二过渡电极可以在沿纵轴(X维度)的长度上延伸或布置，所述长度选自由以下组成的组：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
所述至少一个第二过渡电极可以沿纵轴(X维度)比所述至少一个第一过渡电极延伸或布置在更短的长度上。
离子入口部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
空间聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
能量聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
所述至少一个第一过渡电极在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
所述至少一个第二过渡电极在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
空间聚焦部段、第一过渡电极和离子入口电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
空间聚焦电极部段、第二过渡电极和能量聚焦电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
本发明还提供了一种质谱仪，其包括如上所述的离子镜；或包括两个离子镜，每一个离子镜都是上述类型，其中谱仪配置成使得在使用时离子在两个离子镜之间反射。
谱仪可以是飞行时间质谱仪。
从第三方面，本发明提供了一种飞行时间质谱仪，其包括：
飞行时间区域，其用于根据离子的质荷比分离所述离子；和
离子光学透镜，其用于对布置在飞行时间区域内的离子进行空间聚焦，所述透镜包括：
位于透镜的相对两端的离子入口电极部段和离子出口电极部段，以及布置在离子入口部段和离子出口电极部段之间的空间聚焦电极部段，该空间聚焦电极部段用于对经过透镜的离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其配置成向离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和离子出口电极部段施加DC电压；以及向空间聚焦电极部段施加DC电位，该DC电位低于或高于向离子入口电极部段施加的DC电位和向离子出口电极部段施加的DC电位两者；以及
(i)至少一个第一过渡电极，其布置在所述离子入口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第一过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间；和/或
(ii)至少一个第二过渡电极，其布置在所述离子出口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源配置成向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子出口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间。
本发明的发明人已经认识到，常规离子光学透镜引起空间和飞行时间像差，这会降低空间和飞行时间聚焦的质量。由于聚焦元件的空间像差水平与飞行时间像差水平相关，都会降低谱仪的质量分辨率。此外，大的空间像差限制了谱仪在空间成像模式下或在来自多个离子源的信号平行映射到检测器阵列的模式下操作的能力。
本发明的第一和/或第二过渡电极使得沿着离子透镜的纵轴(X维度)的轴向电位分布能够更平稳且逐渐地变化。与常规离子透镜相比，这样能够减小与纵轴正交的维度中的离子束的空间畸变(例如，减小Z维度上的空间畸变)。
因此，本发明的实施方式的离子透镜可以提供较低的空间和飞行时间像差，使得谱仪能够具有增加的质量分辨率以及能够在成像和平行检测模式下操作。
向空间聚焦电极部段施加的DC电位可以是大于或小于向离子入口电极部段和出口电极部段施加的电压的电压。
该透镜可以具有纵轴。离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和离子出口电极部段可以沿着所述纵轴顺序地布置。
该透镜可以由多对相对的电极形成。可选地，每个电极都是平面电极。
空间聚焦电极部段可以使离子在垂直于纵轴(X维度)的维度(Z维度)上聚焦。
谱仪可以配置成使得离子以沿着透镜的纵轴(X维度)的速度分量进入、穿过并离开透镜；并且使得离子以垂直于纵轴(X维度)的维度(Z维度)中的速度分量进入、穿过并离开透镜。
透镜可以是单透镜。
谱仪可以配置成使得离子以基本上相同的动能进入和离开离子透镜。
离子入口电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向离子入口电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得离子入口电极部段基本上是无电场区域。
离子入口电极部段的电极可以在离子入口电极部段的整个长度上连续延伸。
任选地，离子入口部段的轴向长度的至少80％、至少90％或至少95％是无电场区域。
离子出口电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向离子出口电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得离子出口电极部段基本上是无电场区域。
离子出口电极部段的电极可以在离子出口电极部段的整个长度上连续延伸。
任选地，离子出口部分的轴向长度的至少80％、至少90％或至少95％是无电场区域。
离子透镜在第一维度上可以具有沿纵轴的长度X，在与第一维度正交的第二维度上具有宽度Y，以及在与第一维度和第二维度两者都正交的维度上具有漂移长度Z。漂移长度Z可以大于长度X和/或宽度Y。另外地或者可选地，长度X可以大于宽度Y。
透镜的离子入口电极部段和/或离子出口电极部段沿纵轴(X维度)具有选自由以下组成的组中的长度：≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；≥150mm；≥160mm；≥170mm；≥180mm；≥190mm；和≥200mm。
空间聚焦电极部段使离子在与所述纵轴(X维度)正交的维度(Y维度)上聚焦。
空间聚焦电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向空间聚焦电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；和/或空间聚焦电极部段的电极可以在空间聚焦电极部段的整个长度上连续地延伸。
空间聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm；和/或≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；和≤30mm。
所述至少一个第一过渡电极包括沿纵轴布置在不同位置处的≥p个第一过渡电极，其中p选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
所述至少一个第二过渡电极包括沿纵轴布置在不同位置处的≥q个第二过渡电极，其中q选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
电压源可以配置成向p个第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以便提供在沿着所述纵轴的方向上从离子入口电极部段到空间聚焦部段逐渐减小的电位分布，并且其中电压源配置成向q个第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以便提供在沿着所述纵轴的方向上从离子出口电极部段到空间聚焦部段逐渐减小的电位分布。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子入口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐减小而不增加。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子出口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐减小而不增加。
可选地，电压源可以配置成向p个第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以便提供在沿着所述纵轴的方向上从离子入口电极部段到空间聚焦部段逐渐增加的电位分布，并且其中电压源配置成向q个第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以便提供在沿着所述纵轴的方向上从离子出口电极部段到空间聚焦部段逐渐增加的电位分布。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子入口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐增加而不减小。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子出口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐增加而不减小。
DC电压源配置成向所述至少一个第一过渡电极施加至少一个DC电位。在提供多于一个第一过渡电极并且这些过渡电极维持在不同的DC电压的情况下，所有这些DC电压都可以为介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的值。
类似地，DC电压源配置成向所述至少一个第二过渡电极施加至少一个DC电位。在提供多于一个第二过渡电极并且这些过渡电极维持在不同的DC电压的情况下，所有这些DC电压都可以为介于向离子出口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的值。
所述至少一个第一过渡电极可以在沿纵轴(X维度)的长度上延伸或布置，所述长度选自由以下组成的组：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
所述至少一个第二过渡电极可以在沿纵轴(X维度)的长度上延伸或布置，所述长度选自由以下组成的组：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
可选地或另外地，所述至少一个第一过渡电极可以包括一个或多个电极，所述一个多个电极具有电阻涂层，所述电阻涂层在沿纵轴的方向上变化和/或与纵轴成一定角度布置，使得当电压源向所述至少一个第一过渡电极施加电压以便提供电位分布时，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从空间聚焦部段到离子入口部段逐渐减小或增加。
类似地，所述至少一个第二过渡电极可以包括一个或多个电极，所述一个多个电极具有电阻涂层，所述电阻涂层在沿纵轴的方向上变化和/或与纵轴成一定角度布置，使得当电压源向所述至少一个第二过渡电极施加电压以便提供电位分布时，该电位分布在沿着所述纵轴的方向上从空间聚焦部段到离子入口部段逐渐减小或增加。
离子透镜沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≥75mm；≥80mm；≥85mm；≥90mm；≥95mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；≥150mm；≥160mm；≥170mm；≥180mm；≥190mm；≥200mm；≥220mm；≥240mm；≥260mm；≥280mm；≥300mm；≥320mm；≥340mm；≥360mm；≥380mm；和≥400mm；和/或≤400mm；≤380mm；≤360mm；≤340mm；≤320mm；≤300mm；≤280mm；≤260mm；≤240mm；≤220mm；≤200mm；≤190mm；≤180mm；≤170mm；≤160mm；≤150mm；≤140mm；≤130mm；≤120mm；≤110mm；和≤100mm。
离子入口部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
空间聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
离子出口部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
所述至少一个第一过渡电极在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
所述至少一个第二过渡电极在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
空间聚焦部段、第一过渡电极和离子入口电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
空间聚焦电极部段、第二过渡电极和离子出口电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
由第一过渡电极、空间聚焦电极部段和第二过渡电极提供的电位分布可以是基本上二次电位。
谱仪可以包括布置在透镜上游的上游电极或装置；其中所述一个或多个DC电压源配置成向透镜的离子入口电极部段和上游电极或装置施加相同的DC电位，可选地使得在上游电极或装置与透镜的离子入口电极部段之间提供基本上无电场区域。
谱仪可以包括布置在透镜下游的下游电极或装置；其中所述一个或多个DC电压源配置成向透镜的离子出口电极部段和下游电极或装置施加相同的DC电位，可选地使得在下游电极或装置与透镜的离子出口电极部段之间提供基本上无电场区域。
根据质荷比分离离子的飞行时间区域可以由位于上游电极或装置与下游电极或装置之间的区域组成，或可以包括位于上游电极或装置与下游电极或装置之间的区域。
谱仪可以包括第一离子镜，其中上游电极是第一离子镜的部分，或上游装置是第一离子镜。
谱仪可以包括第二离子镜，其中下游电极是第二离子镜的部分，或者下游装置是第二离子镜。
第一和/或第二离子镜可以是如上面关于本发明第一方面所述的离子镜。可选地，上游装置可以是离子源，和/或下游装置可以是离子检测器。
谱仪可以包括多个离子透镜，每个透镜如上面关于本发明第三方面所述的那样配置。
谱仪可以包括选自由以下组成的组中的多个透镜：≥2；≥3；≥4；≥5；≥6；≥7；≥8；≥9；和≥10。
谱仪可以包括至少一个第一离子镜，并且离子透镜中的第一离子透镜可以布置和配置成使得在使用时离子离开第一透镜的离子出口电极部段，进入至少一个第一离子镜，被至少一个第一离子镜反射，并且进入离子透镜中的第二离子透镜的离子入口电极部段。
谱仪可以包括第二离子镜，其中第二透镜布置和配置成使得在使用时离子离开第二透镜的离子出口电极部段，进入第二离子镜，并且被第二离子镜反射；并且可选地进入离子透镜中的第三离子透镜的离子入口电极部段。
多个离子透镜可以彼此相邻地布置，其纵轴平行并且在第一和第二离子镜之间的方向上延伸。
一个或多个屏蔽电极可以被横向布置在相邻离子透镜之间，用于在相邻透镜之间提供无电场区域，并且使得在使用时，离子在行进通过横向相邻透镜之间穿过无电场区域。可选地，在无电场区域中设置有开孔或开槽构件，用于阻挡在垂直于纵轴的方向上发散超过阈值量的离子的飞行路径，并且用于将在垂直于纵轴的方向上发散小于阈值量的飞行路径的离子传输通过孔或槽。
作为使用过渡电极的替代方案，本发明考虑使用沿其长度具有可变电阻的电极，目的是使电位分布朝向相邻的电极部段更加逐渐地改变。
因此，根据第四方面，本发明提供一种离子镜，其包括：
离子入口电极部段，其在离子镜的离子入口处；
能量聚焦电极部段，其用于将离子沿纵轴朝向所述离子入口反射回去；
空间聚焦电极部段，其布置在离子入口电极部段和能量聚焦电极部段之间，用于对离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其配置成向离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段施加DC电压；以及
(i)其中空间聚焦电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，使得当向所述一个或多个电阻电极施加DC电压时，所述一个或多个电阻电极产生沿空间聚焦电极部段的至少部分长度逐渐增加和/或减小的DC电位分布；和/或
(ii)其中离子入口电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，使得当向所述一个或多个电阻电极施加DC电压时，所述一个或多个电阻电极产生在从离子入口到能量聚焦部段的方向上沿离子入口电极部段的至少部分长度逐渐减小或增加的DC电位分布；和/或
(iii)其中能量聚焦电极部段包括沿着其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，使得当向所述一个或多个电阻电极施加DC电压时，所述一个或多个电阻电极产生在从能量聚焦部段到离子入口的方向上沿能量聚焦电极部段的至少部分长度逐渐减小的DC电位分布。
本发明的电阻电极使得沿着不同电极部段的纵轴(X维度)的轴向电位分布能够更平稳且逐渐地变化。与常规离子镜相比，这样能够减小与纵轴正交的维度中的离子束的空间畸变(例如，减小Y维度中的空间畸变)。因此，本发明的离子镜可以提供较小的空间和飞行时间像差，使得结合有该镜的谱仪能够具有增加的质量分辨率，并且能够在成像和平行检测模式下操作。
最初使离子加速的空间聚焦电位可能是优选的。因此，一个或多个DC电压源可以配置成向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向能量聚焦电极部段施加的DC电位中间。
根据步骤(i)的DC电位分布在从离子入口到能量聚焦部段的方向上可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分逐渐增加，其中该增加的DC电位分布被布置在空间聚焦电极部段的基本上与能量聚焦部段相邻的部分中。另外地或可选地，根据步骤(i)的DC电位分布在从离子入口到能量聚焦部段的方向上可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分逐渐减小，其中该减小的DC电位分布被布置在空间聚焦电极部段的基本上与离子入口电极部段相邻的部分中。
根据步骤(ii)的DC电位分布在从离子入口电极部段到能量聚焦部段的方向上可以沿离子入口电极部段的长度的一部分逐渐减小，其中该减小的DC电位分布被布置在离子入口电极部段的基本上与空间聚焦电极部段相邻的部分中。
根据步骤(iii)的DC电位分布在从能量聚焦电极部段到离子入口电极部段的方向上可以沿着能量聚焦电极部段的长度的一部分逐渐减小，其中该减小的DC电位分布被布置在能量聚焦电极部段的基本上与空间聚焦电极部段相邻的部分中。
可选地，可以使用最初使离子减速的空间聚焦DC电位。因此，根据步骤(i)的DC电位分布在从离子入口到能量聚焦部段的方向上可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分逐渐增加，其中该增加的DC电位分布被布置在空间聚焦电极部段的基本上与离子入口部段相邻的部分中。另外地或可选地，根据步骤(i)的DC电位分布在从离子入口到能量聚焦部段的方向上可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分逐渐减小，其中该减小的DC电位分布被布置在空间聚焦电极部段的基本上与能量聚焦电极部段相邻的部分中。
根据步骤(ii)的DC电位分布在从离子入口电极部段到能量聚焦部段的方向上可以沿离子入口电极部段的长度的一部分逐渐增加，其中该增加的DC电位分布被布置在离子入口电极部段的基本上与空间聚焦电极部段相邻的部分中。
根据步骤(iii)的DC电位分布在从能量聚焦电极部段到离子入口电极部段的方向上可以沿着能量聚焦电极部段的长度的一部分逐渐减小，其中该减小的DC电位分布被布置在能量聚焦电极部段的基本上与空间聚焦电极部段相邻的部分中。
根据本发明的第四方面的离子镜可以配置成飞行时间质量分析仪。
离子沿着离子镜的纵轴(沿X维度)进入离子镜，并且沿着该轴反射回去。离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段是沿纵轴间隔开的离子镜的纵向部段。
离子入口电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向离子入口电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得离子入口电极部段基本上是无电场区域。
可选地或另外地，离子入口电极部段的电极可以在离子入口电极部段的整个长度上连续地延伸。
任选地，离子入口部段的轴向长度的至少80％、至少90％或至少95％是无电场区域。
DC电压源可以配置成将多个不同的DC电位施加到能量聚焦电极部段的不同电极，以将离子沿纵轴朝着所述离子入口反射回去。如果使用初始加速离子的空间聚焦DC电位分布，则DC电压源可以配置成向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向能量聚焦电极部段施加的最低DC电位中间。
可选地或另外地，尽管不那么理想，DC电压源可以配置成将多个不同的DC电压施加到空间聚焦电极部段的不同电极。在该配置中，如果使用初始加速离子的空间聚焦DC电位分布，然后DC电压源可以配置成向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的最高DC电位和向能量聚焦电极部段施加的最低DC电位中间。
离子镜在第一维度上可以具有沿纵轴的长度X，在与第一维度正交的第二维度上具有宽度Y，以及在与第一维度和第二维度两者都正交的维度中具有漂移长度Z。漂移长度Z可以大于长度X和/或宽度Y。另外地或者可选地，长度X可以大于宽度Y。
离子入口电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；和≥150mm。
空间聚焦电极部段可以使离子在与所述纵轴(X维度)正交的维度(Y维度)上聚焦。
空间聚焦电极部段包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向空间聚焦电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；和/或空间聚焦电极部段的电极可以在空间聚焦电极部段的整个长度上连续地延伸。
空间聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
能量聚焦电极部段可以包括在沿纵轴的不同位置处的至少两个电极，其中DC电压源配置成向所述至少两个电极中的每一个施加不同的电位，从而沿着能量聚焦电极部段提供电位分布，以便沿纵轴朝向所述离子入口反射离子。
可选地或另外地，能量聚焦电极部段可以包括一个或多个电极，所述一个或多个电极具有电阻涂层，所述电阻涂层在沿纵轴的方向上变化和/或与纵轴成一定角度布置，使得当电压源向一个或多个电极施加电压时，电位分布沿着能量聚焦电极部段布置，其沿纵轴朝向所述入口反射离子。
能量聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；≤30mm；≤20mm；和/或≥20mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
离子入口部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
空间聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
能量聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
本文所述的一个或多个电阻性电极中的任一个沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的可变电阻长度：≥1mm；≥2mm；≥3mm；≥4mm；≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；和≥50mm。
空间聚焦部段和离子入口电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
如果使用初始加速离子的空间聚焦DC电位分布，则由空间聚焦电极部段和离子入口电极部段与能量聚焦电极部段的相邻部分提供的电位分布可以是基本上二次电位。
第四方面还提供了一种质谱仪，其包括所述的离子镜；或者包括两个离子镜，每一个都是所述的类型。谱仪可以配置成使得在使用时离子在两个离子镜之间被反射。
从第五方面，本发明提供了一种飞行时间质谱仪，起包括：
飞行时间区域，其用于根据离子的质荷比分离所述离子；和
离子光学透镜，其用于对布置在飞行时间区域内的离子进行空间聚焦，所述透镜包括：
位于透镜的相对两端的离子入口电极部段和离子出口电极部段，以及布置在离子入口部段和离子出口电极部段之间的空间聚焦电极部段，该空间聚焦电极部段用于对经过透镜的离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其配置成向离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和离子出口电极部段施加DC电压；以及向空间聚焦电极部段施加DC电位，该DC电位低于或高于向离子入口电极部段施加的DC电位和向离子出口电极部段施加的DC电位两者；以及
(i)其中空间聚焦电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，使得当向所述一个或多个电阻电极施加DC电压时，所述一个或多个电阻电极产生沿空间聚焦电极部段的至少部分长度逐渐增加和/或减小的DC电位分布；和/或
(ii)其中离子入口电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，使得当向所述一个或多个电阻电极施加DC电压时，所述一个或多个电阻电极产生在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上沿离子入口电极部段的至少部分长度逐渐减小或增加的DC电位分布；和/或
(iii)其中离子出口电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，使得当向所述一个或多个电阻电极施加DC电压时，所述一个或多个电阻电极产生在从离子出口电极部段到离子入口电极部段的方向上沿离子出口电极部段的至少部分长度逐渐减小或增加的DC电位分布。
本发明的电阻电极使得沿着不同电极部段的纵轴(X维度)的轴向电位分布能够更平稳且逐渐地变化。与常规离子透镜相比，这样能够减小与纵轴正交的维度中的离子束的空间畸变(例如，减小Y维度上的空间畸变)。因此，本发明的离子透镜可以提供较低的空间和飞行时间像差，使得结合有透镜的谱仪能够具有增加的质量分辨率，并且能够在成像和平行检测模式下操作。
最初使离子加速的空间聚焦电位可能是优选的。因此，一个或多个DC电压源可以配置成向空间聚焦电极部段施加DC电位，该DC电位小于向离子入口电极部段施加的DC电位和向离子出口电极部段施加的DC电位两者。
根据步骤(i)的DC电位分布在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分逐渐减小，其中该减小的DC电位分布被布置在空间聚焦电极部段的基本上与离子入口电极部段相邻的部分中。另外地或可选地，根据步骤(i)的DC电位分布在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分逐渐增加，其中该增加的DC电位分布布置在空间聚焦电极部段的与离子出口电极部段基本上相邻的部分中。
根据步骤(ii)的DC电位分布在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上可以沿离子入口电极部段的所述至少部分长度逐渐减小，其中该减小的DC电位分布布置在离子入口电极部段的与空间聚焦电极部段基本相邻的部分中。
根据步骤(iii)的DC电位分布在从离子出口电极部段到离子入口电极部段的方向上可以沿离子出口电极部段的所述至少部分长度逐渐减小，其中该减小的DC电位分布布置在能量聚焦电极部段的基本上与空间聚焦电极部段相邻的部分中。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子入口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐减小而不增加。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子出口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐减小而不增加。
可选地，可以使用最初使离子减速的空间聚焦DC电位。因此，根据步骤(i)的DC电位分布可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上逐渐增加，其中该增加的DC电位分布是设置在空间聚焦电极部段的基本上与离子入口电极部段相邻的部分中。另外或可选地，根据步骤(i)的DC电位分布可以沿着空间聚焦电极部段的长度的一部分在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上逐渐减小，其中该减小的DC电位分布布置在空间聚焦电极部段的与离子出口电极部段基本上相邻的部分中。
根据步骤(ii)的DC电位分布可以沿离子入口电极部段的所述至少部分长度在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上逐渐增加，其中该增加的DC电位分布是其布置在离子入口电极部段的与空间聚焦电极部段基本相邻的部分中。
根据步骤(iii)的DC电位分布可以沿离子出口电极部段的所述至少部分长度在从离子出口电极部段到离子入口电极部段的方向上逐渐增加，其中该增加的DC电位分布为其布置在能量聚焦电极部段的基本上与空间聚焦电极部段相邻的部分中。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子入口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐增加而不减小。
电位分布在沿纵轴的方向上从离子出口电极部段到空间聚焦部段可以逐渐增加而不减小。
根据本发明的第五方面的透镜可以具有纵轴。离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和离子出口电极部段可以沿着所述纵轴顺序地布置。
该透镜可以由多对相对的电极形成。可选地，每个电极是平面电极。一对电极中的一个电极或两个电极可以是电阻性电极。
空间聚焦电极部段可以使离子在垂直于纵轴(X维度)的维度(Z维度)上聚焦。
谱仪可以配置成使得离子以沿着透镜的纵轴(X维度)的速度分量进入、穿过并离开透镜；并且使得离子以垂直于纵轴(X维度)的维度(Z维度)的速度分量进入、穿过并离开透镜。
透镜可以是单透镜。
谱仪可以配置成使得离子以基本上相同的动能进入和离开离子透镜。
离子入口电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向离子入口电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得离子入口电极部段基本上是无电场区域。
离子入口电极部段的电极可以在离子入口电极部段的整个长度上连续延伸。
任选地，离子入口部段的轴向长度的至少80％、至少90％或至少95％是无电场区域。
离子出口电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向离子出口电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得离子出口电极部段基本上是无电场区域。
离子出口电极部段的电极可以在离子出口电极部段的整个长度上连续延伸。
任选地，离子出口部分的轴向长度的80％、至少90％或至少95％是无电场区域。
离子透镜在第一维度上可以具有沿纵轴的长度X，在与第一维度正交的第二维度上具有宽度Y，以及在与第一维度和第二维度两者都正交的维度上具有漂移长度Z。漂移长度Z可以大于长度X和/或宽度Y。另外地或者可选地，长度X可以大于宽度Y。
透镜的离子入口电极部段和/或离子出口电极部段沿纵轴(X维度)具有选自由以下组成的组中的长度：≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；≥150mm；≥160mm；≥170mm；≥180mm；≥190mm；和≥200mm。
空间聚焦电极部段使离子在与所述纵轴(X维度)正交的维度(Y维度)上聚焦。
空间聚焦电极部段可以包括一个或多个电极，并且所述DC电压源可以配置成向空间聚焦电极部段的(一个或多个)电极施加仅单个电位或相同电位；和/或空间聚焦电极部段的电极可以在空间聚焦电极部段的整个长度上连续地延伸。
空间聚焦电极部段沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm；和/或≤100mm；≤90mm；≤80mm；≤70mm；≤60mm；≤50mm；≤40mm；和≤30mm。
离子透镜沿纵轴(X维度)可以具有选自由以下组成的组中的长度：≥75mm；≥80mm；≥85mm；≥90mm；≥95mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；≥150mm；≥160mm；≥170mm；≥180mm；≥190mm；≥200mm；≥220mm；≥240mm；≥260mm；≥280mm；≥300mm；≥320mm；≥340mm；≥360mm；≥380mm；和≥400mm；和/或≤400mm；≤380mm；≤360mm；≤340mm；≤320mm；≤300mm；≤280mm；≤260mm；≤240mm；≤220mm；≤200mm；≤190mm；≤180mm；≤170mm；≤160mm；≤150mm；≤140mm；≤130mm；≤120mm；≤110mm；和≤100mm。
离子入口部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
空间聚焦电极部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
离子出口部段在与纵轴正交的维度(Y维度)中可以具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm。
离子入口电极部段、空间聚焦电极段和离子出口电极部段提供跨越这些部段的平滑电位分布。
由离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和离子出口电极部段提供的电位分布可以是基本上二次电位。
谱仪可以包括布置在透镜上游的上游电极或装置；其中所述一个或多个DC电压源配置成向透镜的离子入口电极部段和所述上游电极或装置施加相同的DC电位，可选地使得在上游电极或装置和透镜的离子入口电极部段之间提供基本上无电场区域。
谱仪可以包括布置在透镜下游的下游电极或装置；其中所述一个或多个DC电压源配置成向透镜的离子出口电极部段的下游端和所述下游电极或装置施加相同的DC电位，可选地使得在下游电极或装置与透镜的离子出口电极部段之间提供基本上无电场区域。
根据质荷比分离离子的飞行时间区域可以由位于上游电极或装置与下游电极或装置之间的区域组成，或可以包括位于上游电极或装置与下游电极或装置之间的区域。
谱仪可以包括第一离子镜，其中上游电极是第一离子镜的部分，或上游装置是第一离子镜。
谱仪可以包括第二离子镜，其中下游电极是第二离子镜的部分，或者下游装置是第二离子镜。
第一和/或第二离子镜可以是如上面关于本发明第一方面所述的离子镜。可选地，上游装置可以是离子源，和/或下游装置可以是离子检测器。
谱仪可以包括多个离子透镜，每个透镜如上面关于本发明的第三方面所描述的那样配置。
谱仪可以包括选自由以下组成的组中的多个透镜：≥2；≥3；≥4；≥5；≥6；≥7；≥8；≥9；和≥10。
谱仪可以包括至少一个第一离子镜，并且离子透镜中的第一离子透镜可以被布置和配置成使得在使用时离子离开第一透镜的离子出口电极部段，进入至少一个第一离子镜，被至少一个第一离子镜反射，并且进入离子透镜中的第二离子透镜的离子入口电极部段。
谱仪可以包括第二离子镜，其中第二透镜被布置和配置成使得在使用时离子离开第二透镜的离子出口电极部段，进入第二离子镜，并且被第二离子镜反射；并且可选地进入离子透镜中的第三离子透镜的离子入口电极部段。
多个离子透镜可以彼此相邻地布置，其纵轴平行并且在第一和第二离子镜之间的方向上延伸。
一个或多个屏蔽电极可以被横向布置在相邻离子透镜之间，用于在相邻透镜之间提供无电场区域，并且使得在使用时，离子在行进通过横向相邻透镜之间穿过无电场区域。可选地，在无电场区域中设置有开孔或开槽构件，用于阻挡在垂直于纵轴的方向上发散超过阈值量的离子的飞行路径，并且用于将在垂直于纵轴的方向上发散小于阈值量的飞行路径的离子传输通过孔或槽。
本文所述的谱仪可以包括用于在位置阵列上供应或产生离子的离子源阵列和位置敏感离子检测器。关于本发明的各个方面描述的离子镜和/或离子透镜可以被布置和配置成将来自离子源阵列的离子引导至位置敏感检测器，以便将离子从离子源阵列上的位置阵列映射到位置敏感检测器上的位置阵列。
离子可以从离子源阵列上的位置阵列映射到位置敏感检测器上相应的对应位置阵列。
本文描述的离子镜可以是无栅离子镜。为了避免疑惑，无栅格离子镜是具有无栅格或网格的离子飞行区域的离子镜，诸如用于维持电场的电极栅格或网格。
位置敏感检测器可以包括独立检测区域的阵列，其中在不同检测区域处接收的离子被确定或指定为源自离子源阵列处的位置阵列中的不同位置；和/或其中在检测器处的位置阵列中的任何给定位置处接收的离子被确定或指定为源自离子源阵列处的位置阵列中的对应位置。
谱仪可以包括离子加速器，用于对来自离子源阵列的离子朝检测器向下游脉动。谱仪可以配置成确定离子从离子加速器到检测器的飞行时间。谱仪因此可以配置成根据飞行时间确定离子的质荷比。
离子加速器可以是用于正交地对离子加速的正交加速器。另外地或可选地，离子加速器可以是无栅离子加速器。为了避免疑惑，无栅格离子加速器是具有无栅格或网格的离子加速或飞行区域的离子加速器，诸如用于维持电场的电极栅格或网格。
在检测器处的所述位置阵列的不同位置处检测到的离子可以独立地记录或求和。
如上所述，谱仪可以包括至少两个离子镜。谱仪可以配置成使得离子在到达检测器之前被每个镜反射以及在所述镜之间多次反射。
离子镜可以在第一维度(X维度)上彼此间隔开，并且可以各自在与第一维度正交的第二维度(Z维度)上延长。谱仪可以配置成使得当离子在所述镜之间反射时离子在第二维度(Z维度)上朝向检测器漂移。
离子镜可以是平面离子镜。可选地，离子镜可以是弯曲的。
谱仪可以包括离子引入机构，用于将离子包引入到所述镜之间的空间中，使得离子包沿着与第一和第二维度成一定角度布置的轨迹行进，使得当离子包在第二维度(Z维度)中漂移通过所述空间时，离子在第一维度(X维度)中在所述镜之间反复振荡。
可以设想，不是在两个离子镜之间反射离子，而是可以用电性或磁性扇区取代一个离子镜。因此，谱仪可以包括用于反射离子的至少一个离子镜和用于接收离子并将离子引导到至少一个离子镜中的至少一个静电或磁性扇区；其中至少一个离子镜和至少一个扇区配置成使得离子从至少一个扇区被多次传输到每个镜中，使得离子被所述每个离子镜多次反射。
离子源阵列处的位置阵列和检测器处的位置阵列可以是一维阵列或二维阵列。
离子源阵列上的位置阵列中的每一个位置可以与离子源阵列处的位置阵列中的所有其它位置在空间上分开，和/或检测器上的位置阵列中的每一个位置可以与检测器处的位置阵列中的所有其它位置在空间上分开。
离子源阵列因此可以配置成在空间分离位置的阵列处供应或产生离子。
可选地，离子源阵列上的位置阵列中的每一个位置可以不与离子源阵列处的位置阵列中的相邻位置在空间上分开，和/或检测器上的位置阵列中的每一个位置可能不与检测器处的位置阵列中的相邻位置在空间上分开。
离子源阵列可以配置成在来自相同分析样品源或来自不同分析样品源的所述位置阵列处供应或产生多个离子束或离子包。
谱仪可以配置成同时将来自离子源阵列上的不同位置的阵列的离子映射到位置敏感检测器上的不同位置的阵列。因此，该仪器可以提供高通量。
谱仪可以配置成将离子从离子源阵列处的位置阵列映射到检测器，其中位置阵列可以在第一方向上延伸≥x mm，其中x选自由以下组成的组：1；2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
可选地，谱仪可以配置成将离子从离子源阵列处的位置阵列映射到检测器，其中位置阵列可以在与第一方向正交的第二方向上延伸≥y mm，其中y可以选自由以下组成的组：1；2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
离子源阵列处的位置阵列可以是在第一方向上具有≥n个元素或位置，并且在第二正交方向上具有≥m个元素或位置的矩阵的形式，其中n可以选自由以下组成的组：1；2；3；4；5；6；7；8；9；10；15；20；25；30；35；40；45；50；55；60；65；70；75；80；85；90；95；100；120；140；160；180；和/或其中m可以选自由以下组成的组：1；2；3；4；5；6；7；8；9；10；15；20；25；30；35；40；45；50；55；60；65；70；75；80；85；90；95；100；120；140；160；180；和200。
矩阵在第一维度上可以具有选自由以下组成的组中的尺寸：≥0.1mm；≥0.2mm；≥0.3mm；≥0.4mm；≥0.5mm；≥0.6mm；≥0.7mm；≥0.8mm；≥0.9mm；≥1mm；≥2.5mm；≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；和≥50mm；并且可选地，所述矩阵在与第一维度正交的第二维度上可以具有选自由以下组成的组中的尺寸：≥0.1mm；≥0.2mm；≥0.3mm；≥0.4mm；≥0.5mm；≥0.6mm；≥0.7mm；≥0.8mm；≥0.9mm；≥1mm；≥2.5mm；≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；和≥50mm。
可以在离子源阵列处形成离子束或离子包的阵列，并且每个离子束或离子包的直径可以为至少0.25mm，至少0.5mm，至少0.75mm，至少1mm，至少1.25mm，或至少1.5mm。
在检测器处接收离子束或离子包的阵列，其中每个离子束或离子包的直径可以为至少0.25mm，至少0.5mm，至少0.75mm，至少1mm，至少1.25mm，或至少1.5mm。
每个离子束或离子包在检测器处的直径可以大于在离子源阵列处的直径。
可以在离子源阵列处形成离子束或离子包的阵列，其中离子束或离子包之间的空间间距可以选自包含以下的列表：≥0.1mm；≥0.2mm；≥0.3mm；≥0.4mm；≥0.5mm；≥0.6mm；≥0.7mm；≥0.8mm；≥0.9mm；≥1mm；≥2.5mm；≥5mm；和≥10mm。
谱仪可以包括用于将来自离子源阵列的离子朝离子镜和/或透镜向下游引导的静电扇区和/或磁性扇区；和/或可以包括用于将来自离子镜和/或透镜的离子朝向检测器向下游引导的静电扇区和/或磁性扇区。
使用扇区接口允许将相对大的离子源阵列和检测器布置在TOF区域之外，同时将离子引入TOF区域并从TOF区域提取离子。此外，扇区能够消除离子的过量能量传播，从而优化空间和质量分辨率，仅有中等离子损失。扇区也可以用作伸缩布置的一部分，以最佳地采用离子源、TOF分析仪和检测器之间的空间尺度。由于离子在这些扇区中的飞行时间只占相对较小的一部分，所以扇区的相对较低的离子光学质量并不成问题。
谱仪可以包括正交加速器，用于将离子正交加速到离子镜之一中，可选地，其中正交加速器是无栅正交加速器。
谱仪可以包括开孔或开槽构件，用于阻挡在垂直于纵轴的方向上发散超过阈值量的离子的飞行路径，并且用于将离子传输通过具有在垂直于纵轴的方向上已经发散小于阈值量的飞行路径的孔或槽。
本发明提供了使用本文所述的离子镜或谱仪的质谱方法。
根据第一方面，本发明提供了一种反射离子的方法或一种质谱方法，其包括：
如关于本发明的第一方面所描述的，将离子供应到离子镜的离子入口电极部段；
向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向能量聚焦电极部段施加的DC电位中间；以及
(i)向所述至少一个第一过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间；和/或
(ii)向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向离子入口电极部段施加的DC电位中间。
根据第二方面，本发明提供了一种反射离子或质谱的方法，其包括：
如关于本发明的第二方面所描述的，将离子供应到离子镜的离子入口电极部段；
向离子入口电极部段施加DC电位，该DC电位介于向空间聚焦电极部段施加的DC电位和向能量聚焦电极部段施加的DC电位中间；以及
(i)向所述至少一个第一过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间；和/或
(ii)向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位，该DC电位小于向空间聚焦电极部段施加的DC电位。
根据第三方面，本发明提供了一种飞行时间质谱的方法，其包括：
提供如关于本发明的第三方面所述的谱仪；
根据在时间飞行区域内离子的质荷比分离所述离子；
通过以下方式使用离子光学透镜在飞行时间区域内对离子进行空间聚焦：
向空间聚焦电极部段施加DC电位，该DC电位小于或大于向离子入口电极部段施加的DC电位和向离子出口电极部段施加的DC电位；以及
(i)向所述至少一个第一过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间；和/或
(ii)向所述至少一个第二过渡电极施加DC电位，该DC电位介于向离子出口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间。
根据第四方面，本发明还提供了一种反射离子或质谱的方法，其包括：
如关于第四方面所描述的，将离子供应到离子镜的离子入口电极部段；
向离子入口电极部段、空间聚焦电极部段和能量聚焦电极部段施加DC电压；并且
(i)其中空间聚焦电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，并且该方法包括向所述一个或多个电阻电极施加DC电压，从而产生沿空间聚焦电极部段的至少部分长度逐渐增加和/或减小的DC电位分布；和/或
(ii)其中离子入口电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，并且该方法包括向所述一个或多个电阻电极施加DC电压，从而产生在从离子入口到能量聚焦部段的方向上沿离子入口电极部段的至少部分长度逐渐减小或增加的DC电位分布；和/或(iii)其中能量聚焦电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，并且该方法包括向一个或多个电阻电极施加DC电压，从而产生在从能量聚焦部段到离子入口的方向上沿能量聚焦电极部段的至少部分长度逐渐减小的DC电位分布。
该方法中使用的离子镜可以具有关于本发明第四方面所述的任何特征。
根据第五方面，本发明提供了一种飞行时间质谱的方法，其包括：
提供如关于第五方面所述的谱仪；
根据飞行区域内离子的质荷比分离所述离子；
通过以下方式使用离子光学透镜在飞行时间区域内对离子进行空间聚焦：
向空间聚焦电极部段施加DC电位，该DC电位小于或大于向离子入口电极部段施加的DC电位和向离子出口电极部段施加的DC电位；并且
(i)其中空间聚焦电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，并且其中该方法包括向所述一个或多个电阻电极施加DC电压，从而产生沿空间聚焦电极部段的至少部分长度逐渐增加和/或减小的DC电位分布；和/或
(ii)其中离子入口电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，并且该方法包括向所述一个或多个电阻电极施加DC电压，从而产生在从离子入口电极部段到离子出口电极部段的方向上沿离子入口电极部段的至少部分长度逐渐减小或增加的DC电位分布；和/或
(iii)其中所述离子出口电极部段包括沿其长度具有可变电阻的一个或多个电阻电极，并且其中所述方法包括向该一个或多个电阻电极施加DC电压，从而产生在从离子出口电极部段到离子入口电极部段的方向上沿离子出口电极部段的至少部分长度逐渐减小或增加的DC电位分布。
该方法中使用的谱仪可以具有关于本发明的第五方面所述的任何特征。
本文公开的谱仪可以包括选自由以下组成的组中的离子源：(i)电喷雾电离(“ESI”)离子源；(ii)大气压光致电离(“APPI”)离子源；(iii)大气压化学电离(“APCI”)离子源；(iv)基质辅助激光解吸电离(“MALDI”)离子源；(v)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(vi)大气压电离(“API”)离子源；(vii)硅解吸电离(“DIOS”)离子源；(viii)电子轰击(“EI”)离子源；(ix)化学电离(“CI”)离子源；(x)场电离(“FI”)离子源；(xi)场解吸(“FD”)离子源；(xii)电感耦合等离子体(“ICP”)离子源；(xiii)快速原子轰击(“FAB”)离子源；(xiv)液体二次离子质谱(“LSIMS”)离子源；(xv)解吸电喷雾离子源(“DESI”)离子源；(xvi)镍-63放射性离子源；(xvii)常压基质辅助激光解吸电离离子源；(xviii)热喷雾离子源；(xix)大气采样辉光放电电离(“ASGDI”)离子源；(xx)辉光放电(“GD”)离子源；(xxi)撞击离子源；(xxii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xxiii)Laserspray电离(“LSI”)离子源；(xxiv)Sonicspray电离(“SSI”)离子源；(xxv)基质辅助入口电离(“MAII”)离子源；(xxvi)溶剂辅助入口电离(“SAII”)离子源；(xxvii)解吸电喷雾离子源(“DESI”)离子源；和(xxviii)激光消融电喷雾离子源(“LAESI”)离子源。
谱仪可以包括一个或多个连续或脉冲离子源。
谱仪可以包括一个或多个离子引导器。
谱仪可以包括一个或多个离子迁移率分离装置和/或一个或多个场不对称离子迁移率谱仪装置。
谱仪可以包括一个或多个离子阱或一个或多个离子俘获区。
谱仪可以包括选自由以下组成的组中的一个或多个碰撞池、碎裂池或反应池：(i)碰撞诱导解离(“CID”)碎裂装置；(ii)表面诱导解离(“SID”)碎裂装置；(iii)电子转移解离(“ETD”)碎裂装置；(iv)电子捕获解离(“ECD”)碎裂装置；(v)电子碰撞或碰撞解离碎裂装置；(vi)光诱导解离(“PID”)碎裂装置；(vii)激光诱导解离碎裂装置；(viii)红外辐射诱导解离装置；(ix)紫外辐射诱导解离装置；(x)喷嘴-撇浮器接口碎裂装置；(xi)源内碎裂装置；(xii)源内碰撞诱导解离碎裂装置；(xiii)热源或温度源碎裂装置；(xiv)电场诱导碎裂装置；(xv)磁场诱导碎裂装置；(xvi)酶消化或酶降解碎裂装置；(xvii)离子-离子反应碎裂装置；(xviii)离子-分子反应碎裂装置；(xix)离子-原子反应碎裂装置；(xx)离子-亚稳离子反应碎裂装置；(xxi)离子-亚稳分子反应碎裂装置；(xxii)离子-亚稳原子反应碎裂装置；(xxiii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-离子反应装置；(xxiv)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-分子反应装置；(xxv)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-原子反应装置；(xxvi)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳离子反应装置；(xxvii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳分子反应装置；(xxviii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳原子反应装置；和(xxix)电子电离解离(“EID”)碎裂装置。
该谱仪可以包括选自由以下组成的组中的质量分析仪：(i)四极质量分析仪；(ii)2D或线性四极杆质量分析仪；(iii)Paul或3D四极杆质量分析仪；(iv)Penning阱质量分析仪；(v)离子阱质量分析仪；(vi)磁性扇区质量分析仪；(vii)离子回旋共振(“ICR”)质量分析仪；(viii)傅里叶变换离子回旋共振(“FTICR”)质量分析仪；(ix)静电质量分析仪，其布置成产生具有四极对数电位分布的静电场；(x)傅立叶变换静电质量分析仪；(xi)傅里叶变换质量分析仪；(xii)飞行时间质量分析仪；(xiii)正交加速飞行时间质量分析仪；和(xiv)线性加速飞行时间质量分析仪。
谱仪可以包括一个或多个能量分析仪或静电能量分析仪。
谱仪可以包括一个或多个离子检测器。
谱仪可以包括选自由以下组成的组中的一个或多个质量过滤器：(i)四极质量过滤器；(ii)2D或线性四极离子阱；(iii)Paul或3D四极离子阱；(iv)Penning离子阱；(v)离子阱；(vi)磁性扇区质量过滤器；(vii)飞行时间质量过滤器；和(viii)Wien过滤器。
谱仪可以包括用于使离子脉动的装置或离子门；和/或用于将基本连续的离子束转换成脉冲离子束的装置。
谱仪可以包括C阱和质量分析仪，该质量分析仪包括形成具有四极对数电位分布的静电场的外筒状电极和同轴内心轴状电极，其中在第一操作模式下，离子被传输到C阱，然后被注入到质量分析仪中，并且其中在第二操作模式下，离子被传输到C阱，然后被传输到碰撞池或电子转移解离装置，其中至少一些离子被碎裂成碎片离子，并且其中碎片离子然后在被注入到质量分析仪中之前被传输到C阱。
谱仪可以包括堆叠环离子引导器，该引导器包括多个电极，每个电极都具有孔隙，在使用时离子被传输通过该孔，并且其中电极的间隔沿离子路径的长度增加，并且其中离子引导器的上游部段中的电极中的孔隙具有第一直径，并且其中离子引导器的下游部段中的电极中的孔隙具有比第一直径小的第二直径，并且其中在使用时向连续的电极施加AC或RF电压的相反相位。
谱仪可以包括布置成并且适用于向电极供应AC或RF电压的装置。AC或RF电压任选地具有选自由以下组成的组中的振幅：(i)约<50V的峰-峰值；(ii)约50-100V的峰-峰值；(iii)约100-150V的峰-峰值；(iv)约150-200V的峰-峰值；(v)约200-250V的峰-峰值；(vi)约250-300V的峰-峰值；(vii)约300-350V的峰-峰值；(viii)约350-400V的峰-峰值；(ix)约400-450V的峰-峰值；(x)约450-500V的峰-峰值；和(xi)>约500V的峰-峰值。
AC或RF电压可以具有选自由以下组成的组中的频率：(i)<约100kHz；(ii)约100-200kHz；(iii)约200-300kHz；(iv)约300-400kHz；(v)约400-500kHz；(vi)约0.5-1.0MHz；(vii)约1.0-1.5MHz；(viii)约1.5-2.0MHz；(ix)约2.0-2.5MHz；(x)约2.5-3.0MHz；(xi)约3.0-3.5MHz；(xii)约3.5-4.0MHz；(xiii)约4.0-4.5MHz；(xiv)约4.5-5.0MHz；(xv)约5.0-5.5MHz；(xvi)约5.5-6.0MHz；(xvii)约6.0-6.5MHz；(xviii)约6.5-7.0MHz；(xix)约7.0-7.5MHz；(xx)约7.5-8.0MHz；(xxi)约8.0-8.5MHz；(xxii)约8.5-9.0MHz；(xxiii)约9.0-9.5MHz；(xxiv)约9.5-10.0MHz；和(xxv)>约10.0MHz。
谱仪可以包括离子源上游的色谱或其它分离装置。色谱分离装置可以包括液相色谱或气相色谱装置。可选地，分离装置可以包括：(i)毛细管电泳(“CE”)分离装置；(ii)毛细管电色谱(“CEC”)分离装置；(iii)基本上刚性的基于陶瓷的多层微流体衬底(“瓷砖”)分离装置；或(iv)超临界流体色谱分离装置。
离子引导器可以维持在由以下组成的组中的压力下：(i)<约0.0001毫巴；(ii)约0.0001-0.001毫巴；(iii)约0.001-0.01毫巴；(iv)约0.01-0.1毫巴；(v)约0.1-1毫巴；(vi)约1-10毫巴；(vii)约10-100毫巴；(viii)约100-1000毫巴；和(ix)>约1000毫巴。
分析物离子可以在电子转移解离碎裂装置中经历电子转移解离(“ETD”)碎裂。分析物离子可能会与离子引导器或碎裂装置内的ETD试剂离子相互作用。
任选地，为了实现电子转移解离：(a)分析物离子被碎裂或被诱导解离并且在与试剂离子相互作用时形成产物或碎片离子；和/或(b)电子从一种或多种试剂阴离子或带负电的离子转移到一种或多种带多电荷的分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些带多电荷的分析物阳离子或带正电的离子被诱导解离并且形成产物或碎片离子；和/或(c)分析物离子在与中性反应物气体分子或原子或非离子反应物气体相互作用时被碎裂或诱导解离并且形成产物或碎片离子；和/或(d)电子从一种或多种中性、非离子或不带电荷的碱性气体或蒸气转移到一种或多种带多电荷的分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些带多电荷的分析物阳离子或带正电荷的离子被诱导解离并且形成产物或碎片离子；和/或(e)电子从一种或多种中性、非离子或不带电荷的超强碱反应物气体或蒸气转移到一种或多种带多电荷的分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些多电荷分析物阳离子或带正电的离子被诱导解离并且形成产物或碎片离子；和/或(f)电子从一种或多种中性非离子或不带电荷的碱金属气体或蒸气转移到一种或多种带多电荷的分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些带多电荷的分析物阳离子或带正电荷的离子被诱导解离并且形成产物或碎片离子；和/或(g)电子从一种或多种中性非离子或不带电荷的气体，蒸气或原子转移到一种或多种带多电荷的分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些带多电荷的分析物阳离子或带正电的离子被诱导离解并且形成产物或碎片离子，其中一种或多种中性非离子或不带电荷的气体、蒸气或原子选自由以下组成的组：(i)钠蒸气或原子；(ii)锂蒸气或原子；(iii)钾蒸气或原子；(iv)铷蒸汽或原子；(v)铯蒸气或原子；(vi)钫蒸气或原子；(vii)C60蒸气或原子；和(viii)镁蒸汽或原子。
多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子可以包含肽、多肽、蛋白质或生物分子。
任选地，为了实现电子转移解离：(a)试剂阴离子或带负电荷的离子衍生自多环芳烃或取代的聚芳烃；和/或(b)试剂阴离子或带负电荷的离子源自由以下组成的组：(ⅰ)蒽；(ii)9,10二苯基蒽；(iii)萘；(iv)氟；(v)菲；(vi)芘；(vii)荧蒽；(viii)
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(ix)三亚苯；(x)苝；(xi)吖啶；(xii)2,2'联吡啶；(xiii)2,2'联喹啉；(xiv)9-蒽烯腈；(xv)二苯并噻吩；(xvi)1,10'-邻二氮杂菲；(xvii)9'-蒽烯腈；和(xviii)蒽醌；和/或(c)试剂离子或带负电的离子包含偶氮苯阴离子或偶氮苯自由基阴离子。
电子转移解离碎裂的过程可以包括使分析物离子与试剂离子相互作用，其中试剂离子包含二氰基苯、4-硝基甲苯或甘菊环烃。
可以提供色谱检测器，其中色谱检测器包括：
可选地选自由以下组成的组中的破坏性色谱检测器：(i)火焰电离检测器(FID)；(ii)基于气溶胶的检测器或纳米量分析物检测器(NQAD)；(iii)火焰光度检测器(FPD)；(iv)原子发射检测器(AED)；(v)氮磷检测器(NPD)；和(vi)蒸发光散射检测器(ELSD)；或
可选地选自由以下组成的组中的非破坏性色谱检测器：(i)固定或可变波长UV检测器；(ii)热导检测器(TCD)；(iii)荧光检测器；(iv)电子捕获检测器(ECD)；(v)电导率监测器；(vi)光致电离检测器(PID)；(vii)折射率检测器(RID)；(viii)无线电流量检测器；和(ix)手性检测器。
谱仪可以以包括质谱(“MS”)操作模式的各种操作模式操作；串联质谱(“MS/MS”)操作模式；其中母离子或前体离子可选地碎裂或反应以产生碎片或产物离子，以及不碎裂或反应或以较小程度碎裂或反应的操作模式；多反应监测(“MRM”)操作模式；数据依赖分析(“DDA”)操作模式；数据无关分析(“DIA”)操作模式，定量操作模式或离子迁移谱仪(“IMS”)操作模式。
MR-TOF-MS仪器的去像散或成像性能以前受到负责空间聚焦的离子光学元件与其紧邻电极之间的场畸变的限制。在本发明的实施方式中，通过减小相邻离子光学元件之间的场不连续性，这些畸变减少，从而允许比先前在已知MR-TOF-MS和扇区TOF仪器中实现更大的视场。
附图说明
现在将仅通过示例并参考附图来描述各种实施方式，其中：
图1示出了现有技术MR-TOF-MS仪器的示意图；
图2A-2B示出了具有周期性透镜的现有技术MR-TOF-MS仪器的示意图；
图3示出了MR-TOF-MS仪器的离子映射特性；
图4示出了具有周期性透镜的现有技术MR-TOF-MS仪器的简化示意图；
图5A示出了具有像差的离子光学元件的焦点特性，图5B示出了没有像差的离子光学元件的焦点特性；
图6A示出了现有技术离子镜的示意图；图6B示出了根据本发明实施方式的离子镜的示意图；图6C示出了根据本发明实施方式的现有技术离子镜和离子镜沿纵轴的电位分布；图6D示出了根据本发明另一实施方式的现有技术离子镜和离子镜沿纵轴的电位分布；
图7A示出了现有技术的离子光学透镜的示意图；图7B示出了根据本发明实施方式的离子透镜的示意图；图7C示出了根据本发明实施方式的现有技术离子透镜和离子透镜沿纵轴的电位分布；图7D示出了根据本发明的另一实施例的现有技术离子透镜和离子透镜沿纵轴的电位分布；
图8示出了根据本发明实施方式的具有离子镜和周期性透镜的MR-TOF-MS仪器的简化示意图；
图9A和图9B示出了根据图8的分析仪在宏观离子映射模式下的性能；以及
图10示出了根据图8的分析仪在微观离子映射模式下的性能。
具体实施方式
本发明提供了改进的离子镜和改进的离子透镜，其可以用于改善MR-TOF-MS中的离子映射。
为了帮助理解本发明的实施方式，现在将参照图1描述现有技术的仪器。图1示出了“折叠路径”平面MR-TOF-MS的示意图。平面MR-TOF-MS 11包括两个静电镜12，每个静电镜由在漂移Z方向上延伸的三个电极构成。每个离子镜在X-Y平面内形成一个二维静电场。离子源13(例如，脉冲离子转换器)和离子检测器14位于所述离子镜12之间的漂移空间中并且在Z方向上间隔开。离子包由源13产生并且相对于X轴以小倾角α被注入到飞行时间区域中。因此离子在X方向上具有速度，并且在Z方向上还具有漂移速度。当离子镜12在Z方向上从源13行进到接收器14时，离子在离子镜12之间被多次反射。因此，离子具有通过装置的基本上正弦或锯齿状离子轨迹15、16、17。
对于每个镜面反射，离子沿漂移Z方向前进达平均距离ZR～C*，其中C是离子反射点之间在X方向上的距离。离子轨迹15和16表示由离子源13中的初始离子包宽度ZS引起的轨迹扩展。轨迹16和17表示离子包的角发散，其在检测器14处将离子包宽度增加dZ。离子包到达由ZD表示的检测器14的时间的整体分布。
MR-TOF-MS 11在漂移Z方向上不提供离子聚焦，因此限制了在光束到达检测器14之前光束变得过分散之前可以执行的反射周期的数目。因此，该布置要求每个镜面反射的离子轨迹前进量ZR高于某个值，目的是避免离子轨迹重叠并且导致光谱混淆。因此，Z方向上实际长度的仪器的离子反射次数被限制在相对较低的值。
已知将周期性透镜引入离子镜之间的无电场区域以便限制离子束在Z维度中的发散，从而克服上述问题，例如在WO 2005/001878中所描述的。
图2A和图2B示出了与图1中所示相同的现有技术仪器，除了将周期性透镜23引入离子镜之间的无电场区域之外。因此，该仪器是多反射质谱仪20，其包括一对平面镜21、漂移空间22、周期性透镜阵列23、脉冲离子源24和检测器26。图2A示出了仪器中的在X-Z平面上的视图，图2B示出了仪器中的在X-Y平面上的视图。离子被脉动进入离子镜21之间的漂移空间22中，使得它们在z方向上漂移到检测器26时在离子镜21之间执行多次反射。多次的镜反射延伸了离子的飞行路径，这提高了质量分辨率。周期性透镜23沿着主正弦曲线或之字形轨迹25限制离子包。附图中所示的离子反射次数是用于说明目的，虽然图2A中所示的离子反射次数少于图1，这并不意味着是重要的。相反，如上面的背景技术部分所述，图2A中所示的周期性透镜的提供能够在Z维度中的每给定距离产生更多次数的离子反射。
本发明的发明人已经认识到，MR-TOF-MS仪器具有可用于将离子源或多个离子源成像到检测器上的有用的去像散或离子映射性质。具有(例如无栅格的)平面离子镜的空间聚焦和图像映射特性仪器先前未被认识到并且由于多种实际原因尚未被使用。
图3示意性地示出了MR-TOF-MS分析仪将来自离子源区域的离子映射到飞行时间区域下游区域阵列上的对应区域的能力。图3中所示的坐标系与图1-2中所用的坐标系相同。如前所述，离子反射和飞行时间分离主要发生在X维度上，使离子的质荷比可以根据离子源到检测器的飞行时间来确定。然而，发明人已经认识到，随着离子从离子源传递到飞行时间区域的下游端，即仪器映射离子，Y维度和Z维度中的一定程度的空间信息也被保留。因此，可以在飞行时间区域的下游提供位置敏感检测器，使得离子从离子源上的区域阵列映射到位置敏感检测器上相应的区域阵列。通过使用阵列通道数据系统，诸如US8884220中公开的那些像素化检测器可以用于从检测器中的各个像素矩阵记录飞行时间信号。
这种分析仪的去像散、成像或离子映射性能可以用于两种不同的方案；宏观模式或微观模式。在宏观模式中，离子可以从相对大的区域(例如10×10mm)映射到位置敏感检测器上。这使得仪器能够将多个输入离子束映射到检测器。在显微镜模式下，离子可以从较小的区域(例如1×1mm)映射到检测器。在这种模式下，离子可以在更高的空间分辨率下被映射。用于两种操作模式的输入离子束可以具有不同的特性。例如，宏观模式可以使用具有代表从多个离子束源预期的输入条件的更多扩散特性集合的离子束。在显微镜模式下使用的(一个或多个)离子束可能具有更明亮的一组特征，例如从SIMS或MALDI源预期的那样。
如上所述，发明人已经认识到MR-TOF-MS仪器具有可用于将离子源或多个离子源成像到检测器上的有用的去像散或离子映射性质。然而，发明人也已经认识到，通过减少与仪器的部件相关的像差可以改善去像散或离子映射性能。现在将使用图4中所示的已知MR-TOF-MS分析仪作为说明性示例来描述这些改进的实施方式。
图4示出了图2A-2B中所示的已知分析仪的示意图，但是具有更大数目的周期性透镜23。更具体地，图2A仅示出了五个周期性透镜23，而图4示出了十二个周期性透镜23，每个周期性透镜限定离子Z聚焦区域f。以上关于图1和图2描述了电极几何形状，并且还例如在WO2013/063587中描述了电极几何形状。该分析仪针对高阶时间和能量聚焦进行了优化，这意味着它可以实现相对高的等时性，即对于具有相对较大能量分布的入射离子束来说，能够实现高飞行时间分辨率。在使用正交加速器24将离子注入飞行时间区域的仪器配置中，能量扩散是由正交加速区域中的离子的空间扩展引起的，因为在加速步骤期间处于不同空间位置的离子拾取不同的能量。离子镜21能够接受能量扩展超过飞行管中离子的平均能量(对于该分析仪可以是6keV)的10％的离子束。
尽管由于消除了更高阶的能量畸变系数，该分析仪具有出色的能量接受性，但其去像散或离子映射性能受到限制。例如，对于给定的输入离子束条件，可预期映射到检测器26的Y维度中的最小光斑尺寸(例如，如图3所示)直径为约2mm。如果映射场为8mm，则映射容量仅限于四个斑点。离子镜21中的反射次数可以减少(例如，减少到八次)以便减少像平面处的空间模糊。但是，这会严重影响仪器的飞行时间分辨率。
由于周期性透镜的空间像差特性，Z维度中的离子映射分辨率甚至低于Y维度中的离子映射分辨率。例如，在商用Pegasus MR-TOF-MS仪器中，周期性透镜23被密集地封装以便能够从离子镜21总共进行32或44次反射。离子轨迹填充超过透镜窗口的70％，并且透镜23设置成每隔两个或三个离子镜反射将离子包重新聚焦。在这种设置下，由于透镜的高阶像差，分析仪会完全涂抹离子包的Z空间信息。每个透镜23的宽度可以增加，每个透镜23的强度可以减小并且离子镜反射次数可以减少(虽然这牺牲了飞行时间分辨率)以便改善仪器的映射能力。例如，具有两倍宽度、一半强度和四分之一离子镜反射的透镜23的仪器可以使得人们能够达到4至5的空间映射能力。
图5A和图5B示出了空间像差的概念。图5A示出了有缺陷离子透镜的空间像差如何不将离子聚焦到同一点，导致图像平面中(即在离子检测器26处)的图像模糊。相反，图5B示出了使用没有空间像差的离子透镜并且将离子聚焦到同一点，导致在图像平面(即检测器23)处的非模糊图像。本发明的实施方式用于最小化由空间像差造成的畸变。
在关于图1-4所示和所述类型的MR-TOF-MS仪器中可以采用本发明。本发明的实施方式用于最小化由离子镜21和/或周期性透镜23引起的空间像差。
现在将描述由离子镜导致的空间像差。
图6A示出了已知离子镜的X-Y平面中的横截面的示意图，例如诸如关于图1、图2和图4所述类型的离子镜。离子从该镜右侧的飞行时间区域60进入离子镜，经过离子镜到左侧(在X维度中)，被反射，然后经过右侧(在X维度中)并离开该镜。该镜的最右侧包括离子入口电极部段62，该离子入口电极部段62维持在限定飞行时间区域的电位(即飞行管电位)的DC电位。与此相邻设置有Y聚焦电极部段64，用于对Y维度中的离子进行空间聚焦。该电极部段64维持在比离子入口电极部段更低的DC电压下(或者在更高的DC电压下，这取决于离子的极性)，从而形成对离子进行初始加速的离子聚焦部段。能量聚焦电极部段66布置成与Y聚焦电极部段64相邻。能量聚焦电极部段66包括三个电极部段和端盖电极。这些电极66维持在比Y聚焦电极部段64和离子入口电极部段62更高的DC电压下(或者在更低的DC电压下，这取决于离子的极性)，从而使已经进入离子镜的离子减速并且将其朝离子镜的入口反射回去，并从离子镜的入口离开。沿着已知离子镜的X维度的DC电位分布61在图6C中以实线示出。水平虚线表示飞行管电位的电位。
Y聚焦电极部段64在X-Y平面中提供二维加速场。这样的领域对于实现离子的有效传输是必需的，特别是在MR-TOF-MS分析仪的非常大的飞行路径上。然而，由于已知MR-TOF-MS仪器先前未被认为可用于离子映射，并且通常与非位置敏感的离子检测器(例如具有单点离子检测器)一起使用，所以没有关注离子镜的去像散或离子映射特性。本发明的发明人认识到仪器对于离子映射是有用的，并且通过使离子镜电极之间的电场更加逐渐地改变，可以改善由离子映射产生的图像(例如，减少离子检测器处的图像模糊)。更具体地说，发明人认识到，至少对于离子映射应用来说，期望使Y聚焦电极部段64和相邻离子入口电极部段62之间的电位差的变化更加逐渐地改变；并且使Y聚焦电极部段64和相邻能量聚焦电极部段66之间电位差的变化更加逐渐地改变。Y维度中的离子束横截面的最宽处通常在离子镜的部段64内。该部段中的电场的逐渐改变使场分布平滑，使得该镜在Y维度上具有比实际孔隙大得多的“虚拟”孔隙。这基本上减小了光束横截面与“虚拟”镜孔隙的比率，并且因此允许减小离子镜的像差。
图6B示出了根据本发明实施方式的离子镜的示意图。除了第一过渡电极68被布置在离子入口电极部段62和Y聚焦电极部段64之间以及第二过渡电极69被布置在Y聚焦电极部段64和能量聚焦电极部段66之间之外，该离子镜与图6A中所示的基本相同。向第一过渡电极68施加DC电压，该DC电压的振幅在向离子入口电极部段62施加的DC电压的振幅和向Y聚焦电极部段64施加的DC电压的振幅之间。向各个不同的第一过渡电极施加的不同DC电压在从离子入口电极部段62到Y聚焦电极部段64的方向上逐渐减小(或者根据离子的极性而增加)，使得Y聚焦电极部段64使离子最初加速。向第二过渡电极69施加DC电压，该DC电压的振幅在向Y聚焦电极部段64施加的DC电压的振幅和向最靠近的能量聚焦电极66施加的DC电压的振幅之间。向各个不同的第二过渡电极69施加的不同的DC电压在从Y聚焦电极部段64到能量聚焦电极部段66的方向上逐渐增加(或者根据离子的极性而减小)。图6C中示出了沿离子镜的X维度63的DC电位分布。如曲线虚线所示，除了在离子入口电极部段62和能量聚焦电极部段66之间的区域中不同之外，电位分布63基本上对应于常规电位分布61。
从图6C可以看出，与常规镜相比，包含第一和第二过渡电极68、69使得离子镜电极之间的电压过渡平滑。这减少了离子镜引起的空间像差，并且改善了仪器的离子映射特性。
该实施方式的离子镜利用电位分布使离子在最初使离子加速的Y聚焦部段64中聚焦。也有可能使用电位分布聚焦离子以便使离子在最初使离子减速的Y聚焦部段64中聚焦，但是这通常是较不优选的。
图6D示出了图6C中所示的常规电位分布61以及根据本发明实施方式的沿着离子镜的X维度的电位分布65，其中将最初使离子减速的电位分布用于使离子聚焦在Y聚焦部段64中。离子镜与图6B中所示的离子镜相同，但是向电极施加不同的DC电压。在该实施方式中，向Y聚焦电极部段64施加的DC电压大于向离子入口电极部段62施加的DC电压，但是小于向能量聚焦电极部段66施加的DC电压的最大值。向第一过渡电极68施加DC电压，该DC电压的振幅在向离子入口电极部段62施加的DC电压的振幅和向Y聚焦电极部段64施加的DC电压的振幅之间。向各个不同的第一过渡电极施加的不同的DC电压在从离子入口电极部段62到Y聚焦电极部段64的方向上逐渐增加(或者减小，这取决于离子的极性)。向第二过渡电极69施加DC电压，该DC电压的振幅在向Y聚焦电极部段64施加的DC电压的振幅和向最靠近的能量聚焦电极66施加的DC电压的振幅之间。向各个不同的第二过渡电极69施加的不同的DC电压在从Y聚焦电极部段64到能量聚焦电极部段66的方向上逐渐减小(或者增加，这取决于离子的极性)。应该理解，为了确保进入离子镜的离子能够经过Y聚焦电极部段64，选择向能量聚焦电极部段66和Y聚焦电极部段64施加的电位，进入能量聚焦电极部段66，被反射，向后传递通过Y聚焦电极部段64，并且从该镜退回。
图6D中示出了沿着该实施方式的离子镜的DC电位分布65。如曲线虚线所示，电位分布65基本上对应于常规电位分布61，除了它在离子入口电极部段62和能量聚焦电极部段66之间的区域中不同之外。
现在将描述由周期性透镜引起的空间像差。
图7A示出了已知周期性透镜的X-Z平面中的横截面的示意图，例如诸如相对于图2和图4所述类型的周期性透镜23。如前所述，透镜布置在离子镜之间，使得离子从离子镜中的一个经过到达透镜，通过透镜，从而在它们通过其中时聚焦在Z维度上，然后离开透镜朝向另一个离子镜。该透镜包括沿装置布置的三个电极部段72、74、76(在X维度上)。第一离子入口电极部段72布置在装置的第一端，离子出口电极部段74布置在装置的相对端(在X维度上)，并且Z聚焦电极部段76布置在第一离子入口电极部段72与离子出口电极部段74之间。在操作中，离子入口和离子出口电极部段72、74维持在与离子镜的离子入口电极部段相同的DC电位下。这维持了周期性透镜与每个离子镜之间的无电场漂移区70。透镜的Z聚焦电极部段76维持在比透镜的离子入口电极部段72和离子出口电极部段74更低的DC电压下，从而使通过透镜的离子在Z维度中(或者在更低的DC电压下，这取决于离子的极性)聚焦。沿着周期性透镜的X维度的DC电位分布71在图7C中以实线示出并且形成为使得离子最初通过电位分布加速。
这种常规的周期性透镜对于已知的MR-TOF-MS仪器是可接受的。然而，周期性透镜在其操作电位下具有相对较差的去像散或离子映射特性，这主要是由于透镜的电极部段之间的大电位差，部分是由于透镜的相对小尺寸。
图7B示出了根据本发明实施方式的周期性透镜的示意图。除了第一过渡电极78布置在Z聚焦电极部段76和离子入口电极部段72之间之外，该透镜基本上与图7A中所示的相同；并且第二过渡电极79布置在Z聚焦电极部段76和离子出口电极部段74之间。向第一过渡电极78施加DC电压，该DC电压的振幅在向离子入口电极部段72施加的DC电压的振幅和向Z聚焦电极部段76施加的DC电压的振幅之间。向各个不同的第一过渡电极78施加的不同的DC电压在从离子入口电极部段72到Z聚焦电极部段76的方向上逐渐减小(或者增加，这取决于离子的极性)。这创建了使离子最初加速的电位分布。向第二过渡电极79施加DC电压，该DC电压的振幅在向Z聚焦电极部段76施加的DC电压的振幅和向离子出口部段74的DC施加的电压的振幅之间。向各个不同的第二过渡电极79施加的不同的DC电压在从Z聚焦电极76到离子出口电极部段74的方向上逐渐增加(或者减小，这取决于离子的极性)。沿着离子透镜的X维度的DC电位分布73在图7C中以虚线示出。
此外，与已知的周期性透镜相比，整个透镜的长度(X维度)和宽度(Z维度)显著增加。更具体地说，Z聚焦电极部段76的长度以及离子入口电极部段72和离子出口电极部段74的长度已经增加，并且这些部段的宽度已经增加。
从图7C可以看出，与常规透镜相比，包括第一和第二过渡电极78、79使透镜的电极部段之间的电压过渡平滑。本发明实施方式的透镜的较大尺寸也使得电位分布73中的变化比常规电位分布71中的变化更平缓。这些特征减少了由透镜引起的空间像差，并且改善了仪器的离子映射特性。
该实施方式的透镜利用电位分布，用于使离子聚焦在最初使离子加速的Z聚焦部段76中。也有可能使用电位分布来聚焦离子，用于使离子在最初使离子减速的Z聚焦部段76中聚焦，但是这通常是较不优选的。
图7D示出了在图7C中所示的常规电位分布71，并且还示出了根据本发明实施方式的沿着透镜的X维度的电位分布75，其中电位分布用于使离子在最初使离子减速的Z聚焦部段76中聚焦。该透镜与图7B中所示的透镜相同，但是向电极施加不同的DC电压。在该实施方式中，向Z聚焦电极部段76施加的DC电压高于向离子入口电极部段72和离子出口电极部段74施加的DC电压。向第一过渡电极78施加DC电压，该DC电压的振幅在向离子入口电极部段72施加的DC电压的振幅和向Z聚焦电极部段76施加的DC电压的振幅之间。向各个不同的第一过渡电极78施加的不同的DC电压在从离子入口电极部段72到Z聚焦电极部段76的方向上逐渐增加(或者减小，这取决于离子的极性)。这创建了最初使离子减速的电位分布。向第二过渡电极79施加DC电压，该DC电压的振幅在向Z聚焦电极部段76施加的DC电压的振幅和向离子出口部段74的DC施加的电压的振幅之间。向各个不同的第二过渡电极79施加的不同的DC电压在从Z聚焦电极76到离子出口电极部段74的方向上逐渐减小(或者增加，这取决于离子的极性)。
从图7D可以看出，与常规透镜相比，包括第一和第二过渡电极78、79使透镜的电极部段之间的电压过渡平滑。本发明实施方式的透镜的较大尺寸也使得电位分布75中的变化比常规电位分布71中的变化更平缓。这些特征减少了由透镜引起的空间像差，并且改善了仪器的离子映射特性。
本发明实施方式的透镜可能不会将离子完全聚焦在Z维度上，而是提供足够的Z聚焦以防止离子束过度发散。
图8示出了根据本发明实施方式的分析仪的示意图。分析仪类似于关于图4所述的分析仪，但是它包括根据上述本发明实施方式的离子镜87和周期性透镜89。由于每个周期透镜89具有增加的宽度(在Z维度上)，与常规的周期透镜23相比，在Z维度中的每单位长度提供更少的周期透镜。在所示的实施方式中，周期性透镜89提供了六个Z聚焦区域F，离子在经过周期性透镜89时，六个Z聚焦区域F使离子聚焦。图8的实施方式与图4所示的分析仪的不同之处在于，图8的实施方式包括其上映射有离子源83的位置敏感离子检测器81。
而且，在离子源83和相邻的周期性透镜89之间提供了屏蔽电极80，使得离子离开源83进入无电场区域中。在检测器81和相邻的周期性透镜89之间还提供了屏蔽电极82，使得离开最终周期性透镜的离子通过无电场区域传递到检测器81。此外，在周期性透镜阵列的中心(Z维度)提供了屏蔽电极以提供无电场区域84。在无电场区域84中提供了孔隙或狭缝86，该无电场区域84仅传输在Z方向上尚未过度发散的离子。这会阻挡在Z维度上已经过度发散的离子的飞行路径，并且会在检测器平面处造成图像模糊。
在操作中，离子从离子源83朝向X-Z平面中的离子镜中的第一离子镜87a并且以与X维度成锐角的倾斜角度被脉动。因此离子在X维度上具有速度并且在Z方向上还具有漂移速度。离子进入离子镜中的第一离子镜87a并且朝向离子镜中的第二离子镜87b被反射。离子被注入的角度经选择使得由第一离子镜87a反射的离子在Z维度上具有足够的漂移速度，以使它们进入第一周期透镜89a的入口端。该透镜89a用于使离子在Z方向上聚焦，以防止离子束在Z维度上过度膨胀。离子然后离开周期透镜89a的另一端并且行进到第二离子镜87b中。离子被第二离子镜87b反射，并且Z维度中的离子的漂移速度使得离子进入第二周期透镜89b，该第二周期透镜89b使离子在Z维度上聚焦。离子随后离开第二周期透镜89b的另一端并且行进到第一离子镜87a中。离子被第一离子镜87a再次反射，并且Z维度中的离子的漂移速度导致离子进入第三周期透镜89c，该第三周期透镜89c使离子在Z维度上聚焦。离子然后离开周期透镜89c的另一端并且再次行进到第二离子镜87b中。离子被第二离子镜87b反射，并且Z维度中的离子的漂移速度使得离子进入无电场区域84。在Z维度中没有过度分散的离子通过孔隙或狭缝86，然后离开无电场区域84。
离开无电场区域84的离子行进到第一离子镜87a中。离子被第一离子镜87a再次反射，并且Z维度中的离子的漂移速度导致离子进入第四周期透镜89d，该第四周期透镜89d使离子在Z维度上聚焦。离子然后离开周期透镜89d的另一端并且行进到第二离子镜87b中。离子被第二离子镜87b反射，并且Z维度中的离子的漂移速度使得离子进入第五周期透镜89e，该第五周期透镜89e使离子在Z维度上聚焦。离子随后离开第五周期透镜89e的另一端并且行进到第一离子镜87a中。离子被第一离子镜87a再次反射，并且Z维度中的离子的漂移速度导致离子进入第六周期透镜89f，该第六周期透镜89f使离子在Z维度上聚焦。离子然后离开周期透镜89f的另一端并且再次行进到第二离子镜87b中。离子被第二离子镜87b反射，并且Z维度中离子的漂移速度导致离子撞击在位置敏感检测器81上。
根据其通过分析仪的飞行时间，离子主要在X维度中分离。如此，不同质荷比的离子在不同的时间到达检测器81。任何给定离子的质荷比都可以由源83使该离子脉动进入分析仪的时间与检测器81检测到该离子的时间之间的持续时间来确定。
周期性透镜89可以在离子到达孔隙或狭缝86时以平行点的方式使离子在Z维度上聚焦。因此，下游周期性透镜89的Z维度中的聚焦可以设置成允许离子以点平行的方式聚焦。例如，在X-Z平面中，离子最初可以作为基本上平行的光束在源83处注入，并且周期性透镜89可以使离子以平行点方式聚焦，使得离子在孔隙或狭缝86的位置处处于在Z维度上其最聚焦的状态。在狭缝86的孔径的下游，周期性透镜89可以将离子以点平行方式聚焦，使得离子在检测器81的位置处平行。
每个离子镜87中的每一次反射都可以以点平行方式使离子在Y维度中聚焦。换句话说，离子可以通过离子镜87在Y维度上聚焦，使得它们在离子镜87之间的位置处在Y维度上具有其最窄的宽度。离子可以在它们从该焦点行进时朝给定的离子镜87发散并且可以作为基本上平行的离子束(在X-Y平面中)进入每个离子镜87。离子镜87然后可以将离子反射并聚焦回到离子镜87之间的焦点。离子然后可以在Y维度发散，使得离子可以作为(在X-Y平面中)基本上平行的离子束进入下一个离子镜87。该离子镜87然后可以将离子反射并聚焦回到离子镜87之间的焦点。对于每个离子镜87的每次反射可以重复该过程。可选地，每个离子镜87中的每一次反射都可以以平行点的方式使离子在Y维度上聚焦。换句话说，离子可以通过离子镜87在Y维度上聚焦，使得它们在每个离子镜内在Y维度上具有其最窄的宽度，并且在离子镜87之间的中途位置(在X-Y平面中)基本上平行。
根据图8的分析仪以图3中示意性示出的方式将来自离子源83的离子映射到检测器81。
图9A和图9B以宏观离子映射模式图示了根据图8的分析仪的性能。图9A示出了当使用作为宏观大小的脉冲离子束的二维(2D)阵列的离子源83时在检测器81处检测到的离子的模拟的示例。根据该示例，脉冲离子束的6×6阵列(例如，如图3所示)从离子源映射到位置敏感检测器81。在该模拟中的每一个离子束都生成具有大约0.5mm的直径(在Y-Z平面内)。阵列中相邻离子束的中心最初彼此分开1mm。如图9A所示，分析仪然后将该阵列的图像(例如，沿着10m有效路径长度)映射到几乎没有空间畸变的检测器平面。虽然在该示例中的2D阵列是脉冲离子束的6×6阵列，但是仅示出了在Y0＝Z0＝0mm、1mm、2mm、3mm、4mm和5mm的Y-Z平面中具有初始坐标的离子束检测到的离子。为了清楚起见，从图9A中省略了从其它离子束检测到的离子，但是在检测器81处将检测到6×6的离子束阵列。
由于分析仪的空间分辨率提高，来自离子源83处的不同离子束的离子包能够映射到离子检测器81上的分离点。因此，该系统允许离子束阵列或离子包的平行独立采集，在检测器81处具有最小的离子损失并且没有任何信号干扰。这导致分析仪的通量提高。虽然已经描述了6×6的离子束阵列，但是可以使用分析仪提供更多数量的离子束阵列和更大的视场。
上述示例中的空间分辨率约为750微米，这对于将多个输入离子束接口到检测器81是理想的。虽然在该示例中的空间分辨率在解析像素的数量方面是中等的，但是TOF分析仪不能常规在大视场下维持成像特性。例如，常规TOF显微镜中的成像场通常远低于1mm。
图9B示出了图9A中检测到的离子包的质荷比为1000amu的时间分布。飞行时间约为290μs，而每个离子包的FWHM像差模糊不到0.5ns，允许初始时间差约为1ns，质量分辨率约为R≈100000。对于多通道TOF质谱仪来说，这种高分辨率是前所未有的。
图10示出了根据图8的分析仪在微观离子映射模式下的性能。图10中所示的上面的图对应于关于图9A所述的曲线，除了该模拟中的每一个离子束生成为具有更小的直径(在Y-Z平面内)，并且在该阵列中相邻离子束的中心最初彼此分开0.1mm，而不是1mm。图10中的下面三个图示出了图10中的上面的图中所示的检测器81上的三个点的放大视图。显微镜模式下的空间分辨率可以是约10微米。该模式对于同时平行分析来自同一样品的不同区域的离子可能是有用的。
分析仪能够在微观模式下操作，视场空间分辨率为1mm2，质量分辨力高达100000。这两个值都优于常规的TOF质谱仪。
尽管已经参考优选实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，可以在形式和细节上做出各种改变而不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明范围。

Claims (37)

1.一种离子镜，其包括：
离子入口电极部段，其在所述离子镜的离子入口处；
能量聚焦电极部段，其用于将离子沿纵轴朝向所述离子入口反射回去；
空间聚焦电极部段，其布置在所述离子入口电极部段和所述能量聚焦电极部段之间，用于对所述离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其构造成向所述离子入口电极部段、所述空间聚焦电极部段和所述能量聚焦电极部段施加不同的DC电位，并且向所述离子入口电极部段施加介于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位和向所述能量聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位，
其中，至少两个第一过渡电极被布置在沿着所述纵轴的不同位置处的所述离子入口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，从而提供在沿着所述纵轴的方向上从所述空间聚焦电极部段到所述离子入口电极部段逐渐增加的电位分布；和
其中，至少两个第二过渡电极被布置在所述能量聚焦电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述至少两个第二过渡电极施加介于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位和向所述离子入口电极部段施加的DC电位中间的DC电位，并且向所述第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，从而提供在沿着所述纵轴的方向上从所述空间聚焦电极部段到所述能量聚焦电极部段逐渐增加的电位分布。
2.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述离子入口电极部段包括一个或多个电极，并且所述DC电压源构造成向所述离子入口电极部段的所述电极施加仅单个电位或相同电位；可选地使得所述离子入口电极部段是基本上无场区域；和/或
其中所述离子入口电极部段的电极在所述离子入口电极部段的整个长度上连续延伸。
3.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述DC电压源构造成向所述能量聚焦电极部段的不同电极施加多个不同的DC电位，用于将离子沿着所述纵轴朝所述离子入口反射回去；并且其中所述DC电压源构造成向所述离子入口电极部段施加介于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位和向所述能量聚焦电极部段施加的最低DC电位中间的DC电位。
4.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述离子入口电极部段沿所述纵轴具有选自由以下组成的组中的长度：≥5mm；≥10mm；≥15mm；≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；以及≥150mm；和/或沿所述纵轴具有选自由以下组成的组中的长度：≤5mm；≤10mm；≤15mm；≤20mm；≤25mm；≤30mm；≤40mm；≤50mm；≤60mm；≤70mm；≤80mm；≤90mm；≤100mm；≤110mm；≤120mm；≤130mm；≤140mm；和≤150mm。
5.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述空间聚焦电极部段使离子在与所述纵轴正交的维度中聚焦。
6.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述空间聚焦电极部段包括一个或多个电极，并且所述DC电压源构造成向所述空间聚焦电极部段的所述电极施加仅单个电位或相同电位；和/或其中所述空间聚焦电极部段的电极在所述空间聚焦电极部段的整个长度上连续延伸。
7.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述能量聚焦电极部段包括沿着所述纵轴的不同位置处的至少两个电极，其中所述DC电压源构造成向所述至少两个电极中的每一个施加不同的DC电位，从而沿着所述能量聚焦电极部段提供电位分布，用于沿所述纵轴朝所述离子入口反射离子。
8.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述至少两个第一过渡电极包括≥m个第一过渡电极，所述≥m个第一过渡电极沿着所述纵轴布置在不同位置处，其中m选自包含以下的组：3；4；5；6；7；8；9；和10。
9.根据权利要求8所述的离子镜，其中，所述DC电压源构造成向所述m个第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以提供在沿着所述纵轴的方向上从所述空间聚焦电极部段到所述离子入口电极部段逐渐增加的电位分布。
10.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述至少两个第二过渡电极包括≥n个第二过渡电极，所述≥n个第二过渡电极沿着所述纵轴布置在不同位置处，其中n选自包含以下的组：3；4；5；6；7；8；9；和10。
11.根据权利要求10所述的离子镜，其中，所述DC电压源构造成向所述n个第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，从而提供在沿着所述纵轴的方向上从所述空间聚焦电极部段到所述能量聚焦电极部段逐渐增加的电位分布。
12.根据权利要求1所述的离子镜，其中，所述离子入口电极部段在与所述纵轴正交的维度中具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm；和/或
其中所述空间聚焦电极部段在与所述纵轴正交的维度中具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；和≥60mm；和/或
其中所述能量聚焦电极部段在与所述纵轴正交的维度中具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm；和/或
其中所述至少一个第一过渡电极在与所述纵轴正交的维度中具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm；和/或
其中所述至少一个第二过渡电极在与所述纵轴正交的维度中具有选自由以下组成的组中的内部宽度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥40mm；≥50mm；和≥60mm。
13.一种离子镜，其包括：
离子入口电极部段，其在所述离子镜的离子入口处；
能量聚焦电极部段，其用于将离子沿纵轴朝向所述离子入口反射回去；
空间聚焦电极部段，其布置在所述离子入口电极部段和所述能量聚焦电极部段之间，用于对所述离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其构造成向所述离子入口电极部段、所述空间聚焦电极部段和所述能量聚焦电极部段施加不同的DC电位，并且向所述空间聚焦电极部段施加介于向所述离子入口电极部段施加的DC电位和向所述能量聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位，
其中至少一个第一过渡电极被布置在所述离子入口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述至少一个第一过渡电极施加介于向所述离子入口电极部段施加的DC电位和向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位；和
其中，至少一个第二过渡电极被布置在所述能量聚焦电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述至少一个第二过渡电极施加低于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位的DC电位。
14.一种质谱仪，其包括如权利要求1或13所述的离子镜；或包括两个离子镜，所述两个离子镜中的每一个都是如权利要求1或13所述的离子镜，其中所述质谱仪构造成使得在使用时离子在所述两个离子镜之间被反射。
15.根据权利要求14所述的质谱仪，其中，所述质谱仪是飞行时间质谱仪。
16.一种飞行时间质谱仪，其包括：
飞行时间区域，其用于根据离子的质荷比分离所述离子；和
离子光学透镜，其用于对布置在所述飞行时间区域内的离子进行空间聚焦，所述离子光学透镜包括：
位于所述离子光学透镜的相对两端的离子入口电极部段和离子出口电极部段，以及空间聚焦电极部段，其布置在所述离子入口电极部段和所述离子出口电极部段之间，所述空间聚焦电极部段用于对经过所述离子光学透镜的离子进行空间聚焦；
一个或多个DC电压源，其构造成向所述离子入口电极部段、所述空间聚焦电极部段和所述离子出口电极部段施加DC电位；以及向所述空间聚焦电极部段施加DC电位，所述DC电位小于或大于向所述离子入口电极部段施加的DC电位和向所述离子出口电极部段施加的DC电位两者；以及以下中的至少一个：
(i)至少一个第一过渡电极，其布置在所述离子入口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述至少一个第一过渡电极施加介于向所述离子入口电极部段施加的DC电位和向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位；和/或
(ii)至少一个第二过渡电极，其布置在所述离子出口电极部段和所述空间聚焦电极部段之间，其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述至少一个第二过渡电极施加介于向所述离子出口电极部段施加的DC电位和向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位。
17.根据权利要求16所述的质谱仪，其中，所述质谱仪构造成使得离子以沿着所述离子光学透镜的纵轴的速度分量进入、穿过和离开所述离子光学透镜；并且使得所述离子以在垂直于所述纵轴的维度中的速度分量进入、穿过和离开所述离子光学透镜。
18.根据权利要求16所述的质谱仪，其中，所述离子光学透镜是单透镜；和/或其中所述质谱仪构造成使得离子以基本上相同的动能进入和离开所述离子光学透镜。
19.根据权利要求16所述的质谱仪，其中，所述离子光学透镜的所述离子入口电极部段和/或离子出口电极部段沿所述离子光学透镜的纵轴具有选自由以下组成的组中的长度：≥30mm；≥40mm；≥50mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；≥150mm；≥160mm；≥170mm；≥180mm；≥190mm；和≥200mm。
20.根据权利要求16所述的质谱仪，其中，所述空间聚焦电极部段沿所述离子光学透镜的纵轴具有选自由以下组成的组中的长度：≥20mm；≥25mm；≥30mm；≥35mm；≥40mm；≥45mm；≥50mm；≥55mm；≥60mm；≥70mm；≥80mm；≥90mm；和≥100mm。
21.根据权利要求16所述的质谱仪，其中，所述至少一个第一过渡电极包括≥p个第一过渡电极，所述≥p个第一过渡电极沿着所述离子光学透镜的纵轴布置在不同位置处，其中p选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10；和/或
其中所述至少一个第二过渡电极包括≥q个第二过渡电极，所述≥q个第二过渡电极沿着所述纵轴布置在不同位置处，其中q选自包含以下的组：2；3；4；5；6；7；8；9；和10。
22.根据权利要求21所述的质谱仪，其中，所述DC电压源构造成向所述p个第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以提供在沿着所述纵轴的方向上从所述离子入口电极部段到所述空间聚焦电极部段逐渐减小的电位分布，并且其中所述DC电压源构造成向所述q个第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以提供在沿着所述纵轴的方向上从所述离子出口电极部段到所述空间聚焦电极部段逐渐减小的电位分布；或
其中所述DC电压源构造成向所述p个第一过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以提供沿着所述纵轴的方向上从所述离子入口电极部段到所述空间聚焦电极部段逐渐增加的电位分布，并且其中所述DC电压源构造成向所述q个第二过渡电极中的每一个施加不同的DC电位，以提供在沿着所述纵轴的方向上从所述离子出口电极部段到所述空间聚焦电极部段逐渐增加的电位分布。
23.根据权利要求16所述的质谱仪，其中，所述离子光学透镜沿所述离子光学透镜的纵轴具有选自由以下组成的组中的长度：≥75mm；≥80mm；≥85mm；≥90mm；≥95mm；≥100mm；≥110mm；≥120mm；≥130mm；≥140mm；≥150mm；≥160mm；≥170mm；≥180mm；≥190mm；≥200mm；≥220mm；≥240mm；≥260mm；≥280mm；≥300mm；≥320mm；≥340mm；≥360mm；≥380mm；和≥400mm。
24.根据权利要求16所述的质谱仪，其包括布置在所述离子光学透镜上游的上游电极或上游装置；其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述离子光学透镜的离子入口电极部段和所述上游电极或上游装置施加相同的DC电位，使得在所述上游电极或上游装置与所述离子光学透镜的离子入口电极部段之间提供基本上无电场区域；和/或
其包括布置在所述离子光学透镜下游的下游电极或下游装置；其中所述一个或多个DC电压源构造成向所述离子光学透镜的离子出口电极部段和所述下游电极或下游装置施加相同的DC电位，使得在所述下游电极或下游装置与所述离子光学透镜的离子出口电极部段之间提供基本上无电场区域。
25.根据权利要求24所述的质谱仪，其包括第一离子镜，其中所述上游电极是所述第一离子镜的一部分，或者所述上游装置是所述第一离子镜；和/或
其包括第二离子镜，其中所述下游电极是所述第二离子镜的一部分，或所述下游装置是所述第二离子镜。
26.根据权利要求25所述的质谱仪，其中，所述第一离子镜和/或第二离子镜是根据权利要求1或13所述的离子镜。
27.根据权利要求16所述的质谱仪，其包括多个离子光学透镜，每个离子光学透镜根据权利要求16所述构造。
28.根据权利要求27所述的质谱仪，其中，所述质谱仪包括至少一个第一离子镜，并且其中所述离子光学透镜中的第一离子光学透镜被布置和构造成使得在使用时离子离开所述第一离子光学透镜的所述离子出口电极部段，进入所述至少一个第一离子镜，被所述至少一个第一离子镜反射，并且进入所述离子光学透镜中的第二离子光学透镜的所述离子入口电极部段。
29.根据权利要求28所述的质谱仪，其中，所述质谱仪包括第二离子镜，其中所述第二离子光学透镜被布置和构造成使得在使用时离子离开所述第二离子光学透镜的所述离子出口电极部段，进入所述第二离子镜，并且被所述第二离子镜反射；并且可选地进入所述离子光学透镜中的第三离子光学透镜的离子入口电极部段。
30.根据权利要求27所述的质谱仪，其中，所述多个离子光学透镜彼此相邻地布置，其纵轴平行并且在第一离子镜和第二离子镜之间的方向上延伸。
31.根据权利要求30所述的质谱仪，其中，一个或多个屏蔽电极被横向布置在相邻离子光学透镜之间，用于在所述相邻离子光学透镜之间提供无电场区域，并且使得在使用时离子在行进通过所述相邻离子光学透镜之间行进穿过所述无电场区域；并且其中在所述无电场区域中设置有开孔或开槽构件，用于阻挡在垂直于所述纵轴的方向上已经发散大于阈值量的离子的飞行路径，并且用于将具有在垂直于所述纵轴的方向上已经发散小于阈值量的飞行路径的离子传输通过所述开孔或开槽构件中的孔或槽。
32.根据权利要求14或16所述的质谱仪，其包括用于在位置阵列上供应或产生离子的离子源阵列和位置敏感离子检测器；其中所述离子镜和/或离子光学透镜被布置和构造成将离子从所述离子源阵列引导至所述位置敏感离子检测器，以将离子从所述离子源阵列上的位置阵列映射到所述位置敏感离子检测器上的位置阵列。
33.根据权利要求32所述的质谱仪，其中，所述位置敏感离子检测器包括独立检测区域的阵列，并且其中在不同检测区域处接收的离子被确定或指定为源自所述离子源阵列处的位置阵列中的不同位置；和/或
其中在所述位置敏感离子检测器处的位置阵列中的任何给定位置处接收的离子被确定或指定为源自所述离子源阵列处的位置阵列中的对应位置。
34.根据权利要求33所述的质谱仪，其还包括离子加速器，用于使来自所述离子源阵列的离子朝所述位置敏感离子检测器向下游脉动，并且其中所述质谱仪构造成确定离子从所述离子加速器到所述位置敏感离子检测器的飞行时间。
35.一种反射离子或质谱的方法，其包括：
将离子供应到根据权利要求1所述的离子镜的离子入口电极部段；
向所述离子入口电极部段施加DC电位，所述DC电位介于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位和向所述能量聚焦电极部段施加的DC电位中间；以及以下中的至少一个：
(i)向所述至少一个第一过渡电极施加介于向所述离子入口电极部段施加的DC电位和向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位；和
(ii)向所述至少一个第二过渡电极施加介于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位和向所述离子入口电极部段施加的DC电位中间的DC电位。
36.一种反射离子或质谱的方法，其包括：
将离子供应到根据权利要求13所述的离子镜的离子入口电极部段；
向所述离子入口电极部段施加DC电位，所述DC电位介于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位和向所述能量聚焦电极部段施加的DC电位中间；以及以下中的至少一个：
(i)向所述至少一个第一过渡电极施加介于向离子入口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位；和/或
(ii)向所述至少一个第二过渡电极施加低于向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位的DC电位。
37.一种飞行时间质谱的方法，其包括：
提供根据权利要求16所述的质谱仪；
根据所述飞行时间区域内离子的质荷比分离所述离子；
通过以下方式使用所述离子光学透镜在所述飞行时间区域内对离子进行空间聚焦：
向所述空间聚焦电极部段施加DC电位，所述DC电位小于或大于向所述离子入口电极部段施加的DC电位和向所述离子出口电极部段施加的DC电位两者；以及以下中的至少一个：
(i)向所述至少一个第一过渡电极施加介于向所述离子入口电极部段施加的DC电位和向所述空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位；和/或
(ii)向所述至少一个第二过渡电极施加介于向离子出口电极部段施加的DC电位和向空间聚焦电极部段施加的DC电位中间的DC电位。
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