CN108447763A - 使用气密射频离子导向器的质谱仪 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种质谱仪，所述质谱仪包括：(a)真空接受体，其容纳所述质谱仪的离子处理元件，所述真空接受体具有界定气密体积并包括入口和出口中的至少一者的多个壁，其中离子路径的不同部分经过所述入口和出口中的至少一者并贯穿所述气密体积延伸；以及(b)气密型的射频离子导向器，其具有沿着轴线的离子通道，并且以对所述入口和出口中的至少一者气密的方式安装，以便使所述离子路径在所述气密体积外部在所述射频离子导向器的离子通道中继续延伸。具体地说，本公开的实施例有助于降低所述质谱仪中的抽汲体积和对应抽汲要求以及减小这种组合件的尺寸和重量。

Description

使用气密射频离子导向器的质谱仪

技术领域

本发明涉及紧凑型质谱仪，例如紧凑型三重四极质谱仪或单四极质谱仪，并具有减小这些组合件的大小、重量和抽汲要求的总体目标。

背景技术

将在下文参考现有技术的一个特定方面来例示现有技术。但是，这不应被视为是限制性的。对本领域的技术人员已知的现有技术元件的有益进步和修改也可在以下介绍的相对窄范围之外应用，并将易于向本领域技术人员将其本身暗示为具有后续公开内容的益处。

质谱仪中的碰撞室通常由填充有碰撞气体的射频(多极)离子导向器组成并定位于两个质量分析器之间的离子光学路径中：第一质量分析器选择先驱离子；且第二质量分析器选择或分析碰撞室中产生的产物离子，同时在每一状况下丢弃未选择的离子。实例将例如是众所周知的三重四极质谱仪(triple quad)、四极飞行时间质谱仪(quadrupole-time of flight mass spectrometer，Q-TOF MS)或四极傅里叶变换质谱仪(quadrupole-Fourier transform mass spectrometer，Qq-FT MS)。

大部分质量分析器需要实际上无碰撞的真空环境(<10^-3帕斯卡)中的操作，而碰撞室在较高的气体压力(0.1到2帕斯卡)下操作以允许沿着其路径的相当大数目离子气体碰撞。当碰撞室需要放置于两个质量分析器之间时，产生冲突的真空要求。在现有技术中，这些冲突的真空要求产生付出以下代价的设计：(i)比所需更大的真空接受体(或真空歧管)，使得至少一个质量分析器与碰撞室能够容纳于同一体积中，还有(ii)比所需更大且浪费的泵送系统，其不仅需要抽汲质量分析器区域的体积，而且还抽汲碰撞室罩壳周围的体积，但后者不需要相同的真空度。

当今的质谱仪构造的另一挑战不仅源自离子源区域通常在特定压力下操作且分析器区域为了满足无碰撞要求而在相对低压下操作的事实，而且源自制造商也通常尝试为其仪表配备单个涡轮分子泵的事实。在此状况下，涡轮分子泵的级间用以抽空离子源区域，且涡轮分子泵的上部级用以抽空分析器区域。现有技术质谱仪设计大部分布置于一个平面中，这引起离子源区域或质量分析器区域的低效抽汲，这是因为其中的一个区域更远离抽汲转子叶片。

此外，若干种类型的质谱仪，例如三重四极质谱仪，正超越科学/学术市场朝向例行实验室/消费者市场发展，在例行实验室/消费者市场中更小的尺寸和更低的成本是针对商业成功考虑的关键因素。

现有技术设计不仅挣扎于过大的系统结构和过大抽汲系统来抽汲不必要的内置体积，而且由于限制性孔径产生的离子损耗而面临质谱仪的不同部分之间的低效离子传输，提供限制性孔径以限制从质谱仪的一个抽汲区域到另一个抽汲区域的气体流出。

因此，需要通过使离子源和质谱分析器两者接近泵转子叶片来提高质谱仪设计的效率并减小抽汲的质谱仪体积。而且，需要通过提高真空系统的效率而不损害离子传输或质谱敏感度来构建占据尺寸更小和成本更低的质谱仪系统。

美国专利8,525,106B2描述一种具有单个真空接受体的三重四极系统，所述单个真空接受体容纳两个滤质器、一个离子导向器Q0和碰撞室Q2。离子导向器周围的两个体积和/或碰撞室周围的体积不是严格必须的，它们实际上不必要地加重抽汲系统的负担。

鉴于前述情况，仍需要相较于目前先进技术中已知的质谱仪和相关联组件显示出改善的质谱仪和相关联组件。在阅读以下公开内容之后，本领域技术人员将容易理解本发明的其它目标和有益效果。

发明内容

本发明提供一种质谱仪，其包括：(a)真空接受体，其容纳离子处理元件，例如滤质器或其它离子光学元件，所述真空接受体具有界定大体气密体积并包括入口和出口中的至少一者的多个壁，入口和出口能够在所述多个壁中体现为口，其中离子路径的不同部分经过所述入口和出口中的至少一者并贯穿所述大体气密体积；以及(b)大体上气密的(且可能被供应气体的)射频离子导向器，例如管状多极离子导向器，其具有沿着轴线的离子通道，并且以对所述入口和出口中的至少一者大体上气密的方式安装，以便使所述离子路径在所述大体气密体积外部在所述射频离子导向器的离子通道中继续延伸，以便能够在约10⁵帕斯卡的标准大气压下在标准实验室环境中操作。

本发明人已发现，当与不同离子处理元件相关联的抽汲体积彼此分离且减小到切实可行的最小值时，能够有利地降低对于待抽汲的质谱仪中的体积的抽汲要求，所述不同离子处理元件一方面为例如在较高压力下操作的离子源区域和碰撞冷却离子导向器或碰撞室，另一方面为例如需要高度真空环境的质量分析器或滤质器。由于所述质谱仪中的不同区域的更高效抽汲，此行为过程潜在地提高系统性能。另外地或替代性地，由于因为能够使真空罩壳更小而降低材料消耗并减少制造时间，且还由于使用更小且因此更低成本的抽汲系统的选项，因此此行为过程能够节约成本。相较于现有技术的其它改善包含将电气组件和多级驱动器从大气连接到真空的可能性。

由于涡轮泵转子叶片极为接近关键离子路径和分析器区域，因此本发明改善了优化成本、重量和涡轮泵尺寸的方面。相较于三重四极领域中的其它应用，设计特征的该前所未有的组合允许针对等效气体负载而选择更小尺寸的涡轮泵。换言之，能够说，将离子路径有效率地放置到涡轮泵转子叶片能够最小化所述涡轮泵到抽汲区域的可用最高速度的损失，最大化对分析器区域的传导率，并由于这些优化，使重量节约/成本优化到最小值，同时所述涡轮泵能够在所述涡轮码分子泵轴承和电动机规范的关键功能温度要求内以可靠的方式且良好地运行。

紧凑型优化方面改善还带来了接触容易性和可靠性改善。在这些改善的一个实施方案中，所述离子源区域能够在高于室温设定(比如在150℃和更高温度)下操作，所述分析器区域能够在约40℃下在所述四极的稳定性温度下操作，且所述涡轮码分子泵仍能够在轴承和电动机限制规范内良好地运行。在另一方面中，服务能力允许所述涡轮泵自身变成离子分析器外壳的部分，其中服务方面将仅仅是更换涡轮泵轴承。

在各种实施例中，所述离子通道能够具有大体上多边形的横截面，例如大体上矩形或正方形的横截面。有可能将所述离子通道配置成笔直的或弯曲的。在所述弯曲状况下，弯曲的角度范围可以介于大约45°到180°之间。具体地说，弯曲轴线离子通道比在一个平面中布置的仅笔直的轴线离子通道更有利于离子路径的更复杂轨迹，并因此在所述质谱仪组合件的空间布局中提供更多灵活性。此外，弯曲的气密射频离子导向器实现更低的气体传导率，使得所述RF离子导向器的前端和后端处的限流孔口或孔径能够显著地增大尺寸或甚至完全省去，这有助于穿过所述RF离子导向器的离子传输属性。

在各种实施例中，能够选择所述离子通道的长度和横向尺寸中的至少一者，以便促进所述(可能被供应气体的)射频离子导向器用作限流器管，并由此减少杂散气体通过所述离子通道进入至所述真空接受体的气密体积中。通过实例，所述离子通道的纵向(轴向)和横向(径向)尺寸能够选择为分别介于约80与200毫米之间和5毫米与9毫米直径之间。在特定实施例中，与透镜限制相比，所述限流器管效果能够产生高达40％的高真空压力的提高。相较于与所述离子导向器的真空行业标准ISO 40或KF 40凸缘连接，所述限流器管设计与级间的矩形槽接入口的组合能够使真空压力条件提高大于30％。

在各种实施例中，能够提供通过所述多个壁中的一个壁处的抽汲口对接到所述真空接受体的涡轮分子泵。涡轮分子泵可以具有多个转子叶片级。通常，产生最低真空压力的级将用于对所述真空接受体抽真空，而后续级能够用于抽汲例如与所述质谱仪相关联但并非所述真空接受体和其体积的部分且不必被抽汲到高度真空的其它舱，例如离子源区域。

在各种实施例中，所述离子处理元件可以包括处于定位于大体气密体积中(并联地)的三重四极布置中的两个滤质器，且所述射频离子导向器能够是在所述两个滤质器之间沿着所述离子路径定位的被供应气体的离子碰撞室；例如在周围环境中位于大体气密体积外部。所述滤质器需要相对高度的真空以用于最优操作，而被供应气体的射频离子导向器可能不会受到相同的真空要求。因此，当此离子导向器从所述真空接受体移除以及仅仅将离子导向器气密地对接到真空接受体上使得遵循所述离子路径的离子能遍历所述真空接受体的所述多个壁处的对应口到气密体积之外和再次返回到气密体积中时，这对所述整个质谱仪组合件有益。

在各种替代性实施例中，所述离子处理元件能够包括定位于大体气密体积中的滤质器，且另外能够预见定位于大体气密体积外部的离子源，其中所述射频离子导向器定位于所述滤质器与所述离子源之间以作为碰撞冷却离子导向器操作，所述碰撞冷却离子导向器将准直的离子束从所述离子源传输到所述滤质器。此设计尤其适合于单四极质谱仪，但同样地还适合于三重四极质谱仪。

在各种实施例中，大体上气密的射频离子导向器可以具有例如通过粘合剂彼此大体上气密地接合(即胶合)的多个层，所述多个层中的至少两个层包括大体上居中的切口以形成所述离子通道，其中所述多个层中的邻近于所述离子通道的至少两个层包括面朝所述轴线且电连接以用作射频电极的至少一个导电特征部。所述射频离子导向器能够具有多极配置，例如四极、六极、八极配置等等。

所述多个层能够包括绝缘材料板，例如印刷电路板(printed circuit board，PCB)，且电气连接能够由所述绝缘材料板(例如所述印刷电路板)上或中的电路或印制导线形成。能够例如通过金属化来使所述绝缘材料板的与所述离子通道邻近定位的边缘导电，且使所述边缘以电气方式接触，以便形成为所述离子产生RF限制场的射频电极。作为PCB的一个替代方案，陶瓷板也能够适合用作绝缘材料板。

在各种实施例中，所述多个层能够包括两个非导电材料层，其中所述大体上居中的切口可以包括彼此相对的所述两个非导电材料层中的大体上三角形的凹槽。所述至少一个导电特征部能够包括所述大体上三角形的凹槽的侧壁处的倾斜金属化表面。可以在此设计中预见所述导电特征部之间的额外切口以实现所述射频电极的安全电解耦。

在各种实施例中，所述多个层可以包括顶部层、底部层和一组中间层。所述一组中间层能够包括导电材料板，例如钢板，所述板能够用作离子限制场的射频电极。所述顶部和底部层能够包括例如绝缘材料板。

优选的是，所述至少一个导电特征部包括所述导电材料板处的斜切边缘。可以将所述导电材料板布置成通过至少一个绝缘材料中间板彼此间隔开；特别是为了可靠地避免不同电极之间的电弧。

额外或替代性实施例包括导电材料板，所述导电材料板具有凹入特征部，以便匀称地容纳所述至少一个绝缘材料中间板的部分，这实现了尤其坚固的结构。

附图说明

通过参看以下各图可以更好地理解本发明。附图中的组件不一定按比例绘制，而是重点在于示出本发明的原理(通常示意性地示出)。在附图中，相同的参考标号贯穿不同的视图指代相对应的部件。

图1A是根据本公开的原理构建并组装的质谱仪的第一实施例的示意性透视图。

图1B是图1A中展示的质谱仪的第一实施例的不同示意性透视图。

图2是分层式大体上气密的射频(多极)离子导向器的第一实施例的示意图，所述离子导向器可以是被供应气体的。

图3是分层式大体上气密的射频(多极)离子导向器的第二实施例的示意图。

图4是分层式大体上气密的射频(多极)离子导向器的第三实施例的示意图。

图5A是根据本公开的原理的另一可能设计的示意图。

图5B是根据本公开的原理的又一可能设计的示意图。

具体实施方式

虽然已经参考其多个不同实施例示出并描述了本发明，但是所属领域的技术人员将认识到可以在其中进行多种形式和细节的变化而不脱离由所附权利要求书界定的本发明的范围。

图1A和1B示意性地示出根据本公开的原理构建并组装的三重四极质谱仪10。三重四极质谱仪10的概念和操作对本领域的技术人员众所周知，并因此在此处不需要其它详细描述。

在所展示实例中，要进行质量光谱分析的样品可从在前的分离装置供应，在前的分离装置例如为气相色谱仪(gas chromatograph，GC)或液相色谱仪(liquidchromatograph，LC)(未示出)，其相关联输送线在12处示出。含有所关注的分析物分子的流体(气态或液态)样品以按样品从色谱柱(未示出)洗脱的时间分离且定序的物质峰的顺序进入离子源区域14。如果洗脱剂是来自GC，那么离子源区域14可按照适合于离子化气态样品的离子化机制操作，离子化机制例如是(i)电子离子化(electron ionization，EI)，其中气态中性分析物分子被高能电子束(例如在70电子伏下)轰击；(ii)化学离子化(chemicalionization，CI)，其中气态中性分析物分子与来自例如甲烷等反应性离子源的反应剂离子(reagent ions)掺和，以便通过例如质子化等电荷转移产生离子化；或(iii)辉光放电，其中通过在低压气体环境中沉浸的两个电极之间施加电位差来从气态原子或分子形成离子。如果洗脱剂源于LC，那么合适的离子化机制将包含例如电喷雾离子化(electrosprayionization，ESI)等等。

一旦已实现离子化，那么因此形成的带电粒子或分析物离子可从被离子源区域14提取并传递到第一滤质器Q1上，第一滤质器Q1定位于在所有侧上由壁16'、16”、16”'等封闭的大体上气密的真空接受体16(但是出于说明起见在图1A和图1B中示出上侧敞开)内。在此实例中，真空接受体16具有基本上矩形的“砖”形状，且具有两个长的尺寸(长度和宽度)和一个相对短的尺寸(高度或厚度)。短尺寸有助于将真空接受体16的侧向周边称作窄侧。抽汲口开口18定位于真空接受体16的可穿过缺失的上部盖看见的下部宽侧上。涡轮分子泵20连接到抽汲口开口18以便在操作期间提取穿过抽汲口开口的残留气体，并在真空接受体16的界限内建立尤其期望的压力级，例如等于或低于适合于操作例如Q1等滤质器的10^-3帕斯卡的压力。

在图1A和图1B中示出的实例布置中，使用该涡轮分子泵20，通过使离子源区域14经由大体上气密的外壳22以流体方式连接到在真空接受体16处定位于抽汲口开口18下方的抽汲转子的级间，离子源区域14被抽空到比维持在真空接受体16的界限内的压力级适当高的压力级。质谱仪中的不同级的级间抽汲的原理已例如在I.D.Stones的US 8,716,658B2中描述，并且本领域技术人员熟悉该原理。

使用大体上气密的射频多极离子导向器24(例如四极离子导向器)来实现将离子从离子源区域14输送到第一滤质器Q1，离子导向器24在所展示实例中以大约90度弯曲。可使用将从下面的描述中变得显而易见的多层设计来实现离子导向器24。

但是，一般来说，90度离子导向器24可构建为紧密地包封在真空密封管中的离子导向杆的组合件，其中管内部的最小体积超出离子导向杆(“管状多极离子导向器”)之间的体积。此离子导向器管可在两端具有真空馈通，所述真空馈通可包含电气连接部，使得离子导向器管可以是质谱仪的相异组件并且不必安装于另一真空罩壳(例如真空接受体16)内部。实际上，离子导向器管可放置于可处于约10⁵帕斯卡的标准大气压下的实验室环境中并进行操作。此管状构造显现最小的真空传导，同时在前端和后端实现最大的离子导向开口，而不需要使用会限制传导并负面地影响离子传输效率的限制性孔径/孔口。90度离子导向器24可具有例如约50到100毫米的纵向延伸部。

弯曲离子导向器(例如在24处示出)的关键优点是其允许如下质谱仪设计：其中质谱仪10的离子源14与分析器区域可定位于不同抽汲区域中，但在它们各自的抽汲区域中(在不同高度级处)紧邻涡轮分子泵叶片。

90度离子导向器24优选地配备有纯惰性气体，例如分子氮气、氦气或氖气，或替代地配备有刚好半惰性气体，例如在约0.1与1帕斯卡之间的中间压力级下穿过图1A和图1B中未示出的气体供应结构的环境空气，以使离子可在传递到第一滤质器Q1上之后就形成为良好的准直束。使用仅从真空罩壳外部抽吸的环境空气显著地简化气体供应布置。由于离子源区域14定位于外部，且另一方面，第一滤质器Q1定位于真空接受体16内部，因此90度离子导向器24表示离子源区域14和第一滤质器Q1之间的大体上气密的联接件。离子导向器24将其前端对接到离子源区域14处的口，以便从离子源区域14接收离子，且将其后端对接到接受体16的窄侧壁16'处的口，以上两个情况都以大体上气密的方式进行，以免由于环境空气的不受控泄漏而增加罩壳上的气体负载。可在使用柔性、弹性密封材料的中间层(例如橡胶O型环)的同时例如通过机械拧紧或夹钳栓接来实现大体上气密的对接。第一滤质器Q1定位于真空接受体16中，第一滤质器Q1的前端与窄侧壁16'处的口呈空间上接近的关系，且由此准备好通过真空接受体16从90度离子导向器24接收准直的离子束。

90度离子导向器24的气密配置和弯曲形状有利地产生低气体传导属性，而不必在其前端和后端使用限制几何形状的孔口，并由此促进减少从离子源区域14进入真空接受体16的气密体积的杂散气体，离子源区域14通常在较小的真空要求下操作，真空接受体16必须保持良好地抽空。

选择真空接受体16和第一滤质器Q1的长度，使得第一滤质器Q1的后端位于与窄侧壁16”'中的另一口(第二口)相对处，窄侧壁16”'定位成与面朝90度离子导向器24的窄侧壁16'相反。第二射频多极离子导向器(例如具有大体上180度配置的四极碰撞室Q2(180度碰撞室Q2))以大体上气密的方式对接到此第二口，由此从初始离子束接收尚未由第一滤质器Q1滤除的那些离子。大体上气密的对接还可在此状况下通过抵靠着窄侧壁16”'对180度碰撞室Q2的前端和后端进行密封栓接来实现。可使用将从下面的进一步描述中变得显而易见的分层式设计来实现180度碰撞室Q2。

但是，一般来说，且如先前所阐明的，180度碰撞室Q2可构建为紧密地包封在真空密封管中的离子导向杆的组合件，其中管内部的最小体积超出离子导向杆之间的体积。此碰撞室可在两端具有真空馈通并可包括电气连接馈通，使得此碰撞室可以是质谱仪的相异组件并且不必安装于另一真空罩壳(例如真空接受体16)内部。此封闭的管状构造显现最小的真空传导，同时在前端和后端实现最大的离子导向开口，而不需要使用会限制传导并负面地影响离子传输效率的限制性孔径/孔口。180度碰撞室Q2可具有例如约90到200毫米的纵向延伸部。

对于紧凑型三重四极质谱仪10，此碰撞室Q2可180度弯曲，使得碰撞室Q2连接到真空接受体的同一窄侧壁16”'，其中Q1和Q3滤质器分别通过自身后端和前端安装。此布置允许真空接受体16体积更小，并因此显现更高效的抽汲，或换句话说，相同抽汲尺寸下具有更好的性能。另一益处是此设计还减小因此配置的质谱仪系统10的真空接受体16的尺寸/重量和复杂度/成本。

可使用具有内置的电子组件和导电迹线的印刷电路板来制作180度碰撞室Q2。碰撞室Q2可具有其自身的电气馈通以与专用RF和DC电源连接，或可通过其端部馈通被馈送来自真空接受体16的电信号。另外，180度碰撞室Q2被制为大体上气密，且可具有气体通道以及密封件的系统，并可通过碰撞室Q2的绝缘体内的气体馈通或通过来自真空接受体16(碰撞室Q2安装到该真空接受体16上)的气体管道被馈送碰撞气体，例如氩气或分子氮气，或在一些情况下甚至是约0.2帕斯卡下的环境空气。在如此操作时，先前第一滤质器Q1中选择的先驱离子优选地在约例如20到50电子伏的较高动能下进入180度碰撞室Q2，并在通过真空接受体16的界限外部的大体上气密的180度拱形物时由于碰撞诱导解离(collision-induced dissociation，CID)而变得碎片化。180度碰撞室Q2的后端再次对接到真空接受体16的同一窄侧壁16”'处的另一第三口，以将过滤后的离子和从其产生的碎片引导回到真空接受体16的界限中。

碰撞气体通常沿着前端与后端之间的轴线在某一点中间位置处供应至180度碰撞室Q2，180度碰撞室Q2的气密配置和弯曲形状引起有利的低气体传导属性，而不必在180度碰撞室Q2的前端和后端使用限制几何形状的孔口，并由此促进从碰撞气体供应点(未示出)进入至真空接受体16的气密体积中的杂散气体减少，真空接受体16必须如前所述保持良好地抽空。

尺寸和总体配置可与第一滤质器Q1的尺寸和总体配置基本上相同的第二滤质器Q3定位于真空接受体16中，第二滤质器Q3的前端与窄侧壁16”'处的第三口相对，以使所选先驱离子和相关联碎片被收纳且传递到离子检测器上，该离子检测器在此实例中大体上气密地安装且在面朝90度离子导向器24的窄侧壁16'处正好在真空接受体16外部的罐26中侧向地偏移。离开180度碰撞室Q2的所选先驱离子和其碎片通过第二滤质器Q3(其基本上平行于第一滤质器Q1而对准)以被再次过滤，且对应离子输出(例如所选碎片离子)穿过第四口离开真空接受体16的界限而将要由检测器测量。

从上面的描述中显而易见的是，此示范性三重四极质谱仪10中的离子路径包括若干部分。离子路径在定位于真空接受体16外部的离子源区域14处开始并贯穿同样地定位于真空接受体16外部的90度离子导向器24，穿过窄侧壁16'处的入口进入到真空接受体16的界限中。在真空接受体16内，离子路径在第一滤质器Q1中继续直到相对的窄侧壁16”'且穿过窄侧壁16”'中的出口，以遵循定位于真空接受体16外部的碰撞室Q2的180度拱形物。接着，离子路径穿过窄侧壁16”'处的另一入口重新进入真空接受体16，以遵循第二滤质器Q3内的笔直部分直到在此状况下穿过窄侧壁16'中的另一口到达的离子检测器。内部安装有检测器且大体上气密的罐26附接到此口。

本公开的以下部分现将呈现如何构建大体上气密的(且可能被供应气体的)射频多极离子导向器配件以用作以上实例中所描绘的90度离子导向器和/或180度碰撞室的尤其有利的实施例。

本领域技术人员知道的是，在质谱的领域中将堆叠式板的布置用作离子导向器的最初尝试之一由Luke Hanley等人(The Journal of Chemical Physics 87,260(1987)；doi:10.1063/1.453623)报告，其中堆叠式板平行于离子传播的轴线而非垂直于上述轴线而定向；但是称作“冷却阱”的此设备被设计为具有排除气密密封式气密操作的开放设计。

但是，此类新堆叠式板概念由Bateman等人的US 6,891,157B2取得并扩展，Bateman等人提出了离子导向器由交替地安装或沉积在处于适合于用作碰撞室或反应室的“更不泄漏”配置中的绝缘体上的一堆电极组成。但是，在'157专利中未给出关于交替地堆叠的电极与绝缘体如何固持在一起的细节。

Steiner等人的US 6,576,897 B1提出一种用于三重四极质谱仪中的离子碰撞室的堆叠式板方法，所述方法涵盖夹在两个绝缘支撑板之间且由间隔环稳定的四个导杆(四极布置)。利用支撑板与杆之间夹持的硅橡胶衬垫和密封件，形成于杆之间的离子通道相对于真空环境被气密地密封。完整的组合件通过安装螺钉来固持在一起，且可拆分；例如见'897专利的图9。Steiner等人的公开内容的说明描绘真空接受体/歧管，例如滤质器和碰撞室等大体上所有质谱离子处理元件均安装于真空接受体/歧管的界限内。在如此操作时，相对大的无用体积在真空接受体内产生，这不必要地增大对真空泵操作的要求以建立并维持真空接受体中的低压力级。

图2示出根据本公开的原理的大体上气密的分层式射频多极离子导向器30的第一实施例，离子导向器30适合于用于如在图1A和图1B中示出的质谱仪10中。例如当大体上气密的设计被供应惰性气体(或环境空气)以充当用于碰撞诱导解离的碰撞冷却离子导向器或碰撞室时，大体上气密的设计尤其有利于用于从周围环境的压力级偏离的压力级。

图2示出具有围绕遵循180度弯曲的轴线34(细虚线轮廓)的离子通道32(粗虚线轮廓)的射频离子导向器30的俯视图(上图)和前视图(下图)，例如通过实例展示为图1A和图1B中的碰撞室Q2。示范性离子导向器结构由七个层36a到36g(即顶部层36a、底部层36g和一组五个中间层36b到36f)组成。顶部层36a与底部层36g是一体的，且可由例如在两侧上覆盖离子导向器组合件30的尺寸规则的印刷电路板或陶瓷板制成。常规印刷电路板主要由FR-4玻璃环氧树脂板组成。中间层的组中的层36b到36f中的每一个包括两个板状结构，例如另外定制的印刷电路板或陶瓷板，所述板已被切割，使得当如图所示以彼此相对的关系布置时，在离子导向器组合件30中产生居中的切口以显现离子通道32。举例来说，中心层36d和与顶部层36a和底部层36g相邻的两个层36b、36f包括在相对板之间形成不同尺寸的矩形间隙的垂直边缘。另一方面，中间层的组中的第二层36c和第四层36e包括倾斜或斜切的边缘，该边缘形成分别朝向顶部层36a和底部层36g呈截锥状地逐渐变窄且位于两个层36c、36e之间的间隙。可使倾斜或斜切的边缘导电且以电气方式接触，使得它们可在所描绘实例中在四极配置中作为射频电极(描粗的表面轮廓)操作。

如果图2中描绘的组合件30的层36a到36g由印刷电路板或绝缘材料的任何其它板制成，那么可使用沉积于绝缘材料板上或整合到所述板中的印制导线来建立与电极的电接触。实际上，例如对于将具有相反相位的射频供应给成对的相对电极而言或对于控制碰撞气体/碰撞冷却气体供应或电阻器和电容器网络而言所必需的整个电路可并入到板结构中。导电迹线或电路可通过对应地设置嵌入式印制导线来易于从上到下跨越不同层36a到36g(或反之亦然)。

如所示的四极布置中的四个RF电极包围径向地限制通过离子的离子通道32，即，被限制为朝向组合件30的中心轴线34，该中心轴线34展示为从离子导向器30的前部到后部具有大体上180度的弯曲。在弯曲轴线状况下，构成组合件的层的板或印刷电路板的形状必须被切割并相应地设定尺寸。本领域技术人员将会认识到，此分层式结构的配置也可以是笔直的。同样不言自明的是，在不脱离一般构造原理的情况下，可同样地易于预见其它曲率度数，例如形成90度弯曲以用作图1A和图1B中的碰撞冷却离子导向器24，或例如形成60度弯曲或120度弯曲。

为了实现离子通道32对周围环境(其可处于约10⁵帕斯卡的大气压力)的大体密闭式密封，不同层可彼此接合，优选地在层间接触的整个区域上接合。可通过例如环氧树脂胶等粘合剂实现接合，粘合剂在组装之前涂在各个板的平坦面上。替代地，可使用双组分粘合剂。如果气体待供应到离子通道32以便促进将离子导向器30用作碰撞室或碰撞冷却离子导向器，那么层布置也可配备有气体通道或管道(未示出)。换句话说，通道或管道可设置于不同板的绝缘材料中，例如惰性或半惰性气体等工作气体可通过通道或管道供应给离子通道32。应注意，在此上下文中，大体上气密的离子导向器30将基本上具有使气体穿过来进入离子导向器30内部的仅一个气体入口，所述气体入口通常沿着离子导向器30的离子通道32大体上在中间位置定位，且使气体穿过来离开离子导向器30的仅一个气体出口将是离子在操作期间通过的离子导向器30的前端和后端；在每一状况下，遵循从离子导向器30的较高压力到气密地附接有离子导向器30的真空罩壳中的较低压力的压力梯度。

分层式射频多极离子导向器30可在前端和后端配备有凸缘结构38，离子导向器30可通过凸缘结构(简称为“凸缘”)38安装到支撑结构，例如如图1A和图1B所示的真空接受体16的侧壁16'、16”'。此类凸缘38可由例如PCB材料、已加工聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)或聚碳酸酯(polycarbonate，PC)制成。凸缘38可进一步配备有弹性、柔性材料，例如橡胶O型环，以便在安装到真空接受体的壁时提高组合件30的密封能力。

图3示出根据本公开的原理的大体上气密(且可能被供应气体的)的射频多极离子导向器40的另一实施例。射频多极离子导向器40包括顶部层42a和底部层42e，顶部层42a和底部层42e都由绝缘材料的一体化板(例如陶瓷板或印刷电路板)组成。导电材料的四个板44(例如金属，如不锈钢)在顶部层42a与底部层42e之间夹置在两个中间层42b、42d中。导电板的横截面是基本上矩形的，但其特征在于：(i)通过在面朝离子通道48的一侧处使导电板的斜切边缘46围绕并对置来产生居中的大体上正方形的切口；以及(ii)在背对离子通道48的一侧处具有矩形的凹槽50，以便在凹槽中容纳绝缘间隔件。为了实现安全的电解耦并防止导电板44之间的任何电弧，例如陶瓷等绝缘材料的两个中心板52在导电板44之间定位于中心层42c中且容纳于导电板44的后凹槽50中。两个绝缘板52由此在所描绘实例中起到间隔件的功能。不同层42a到42e相当局部地彼此接合，以便实现离子通道48的气密配置，如由五个不同层42a到42e之间的界面处示出的粘合剂滴54所示，由此粘合剂滴54处于四个不同水平。

图4是根据本公开的原理的大体上气密(且可能被供应气体的)的射频多极离子导向器60的又一实例。在此实例中，整个组合件仅仅包括由绝缘材料的两个半壳64制成的两个层62a到62b，半壳64可通过由例如低除气塑料进行注射成型来制造。所述两个半壳64具有相同的横截面，并将组合以显现离子导向器60(右图)。每个半壳64包括具有两个倾斜的侧壁68的三角形凹槽66，例如通过金属化使侧壁68导电，且侧壁68以电气方式接触以便被作为多极离子导向器组合件60的射频电极(描粗的表面轮廓)操作。当放在一起时，两个半壳64可通过局部地而非全面地施加诸如环氧树脂胶70等粘合剂来彼此接合，使得三角形凹槽66在其倾斜侧壁68之间形成居中的大体上正方形的切口，这又形成围绕中心轴线的离子通道72。可预见额外的电极间切口74，以便实现射频电极的安全电解耦。

现参考图3和图4的特定实施例，将在下文中例示气流属性。鉴于从离子通道的轴线到电极面的正常距离(r₀)是三毫米，从轴线到电极间切口(例如在图4中的74处)的底面的正常距离是五毫米，RF离子导向器的弯曲配置的曲线半径是60毫米，电极间切口的宽度是约两毫米，RF离子导向器的纵向(轴向)延伸是约100毫米，会产生气体可通过的具有约45平方毫米的总内部宽度横截面面积。这将对应于具有约7.5毫米的直径的圆形圆内部宽度的管。具有相同内部宽度尺寸和约100毫米的长度的直管的气体传导率将是0.52升每秒。为了与具有相同尺寸的90度RF离子导向器实现相同的传导率，孔口必须以约2.4毫米的直径设置于直管的前端和后端，由此显著地阻碍离子的传输。

图1A和图1B在上文呈现以下设计：90度碰撞冷却离子导向器24以及180度碰撞室Q2两者定位于由真空接受体16的壁16'、16”等形成的气密体积外部，同时充当此气密体积上的某种在空间上受限制、气密、经加压的延伸部。图5A和图5B现示出了此第一质谱仪设计变体的轻微变化，变化在于：当那些元件中的仅一个元件以对真空接受体的壁气密的方式安装在气密体积外部时，可以实现抽汲体积减小(表示为中心处的虚线圆的抽汲口)的有益效果；在图5A的状况下，作为离子源与质量分析器组合件之间的大体上气密的联接件的碰撞冷却离子导向器搁置于气密体积外部，而碰撞室Q2在内部；在图5B的状况下，情况相反。

在以上描述中，已强调针对例如三重四极质谱仪等四极质谱仪以及与其相关的单四极质谱仪而例示本公开的原理。然而，不言自明的是，本公开的原理同等地适用于连接不同质量分散分析仪的其它质谱仪，例如四极飞行时间质谱仪(Q-TOF MS)或四极傅里叶变换质谱仪(Q-FT MS)等等。

已经参照本发明的多个不同实施例示出并描述了本发明。本领域技术人员应理解，本发明的各个方面或细节可改变，或在不脱离本发明的范围的情况下，如果切实可行，那么可易于组合结合本发明的不同实施例所公开的不同方面。此外，前述描述仅仅是出于说明的目的，且并非出于限制本发明的目的，视具体情况，本发明仅仅由所附权利要求书界定并将包含任何技术等效物。

Claims (20)

1.一种质谱仪，包括：

(a)真空接受体，其容纳离子处理元件，所述真空接受体具有界定气密体积并包括入口和出口中的至少一者的多个壁，其中离子路径的不同部分经过所述入口和所述出口中的至少一者并贯穿所述气密体积延伸；以及

(b)气密型的射频离子导向器，其具有沿着轴线的离子通道，并且以对所述入口和所述出口中的至少一者气密的方式安装，以便使所述离子路径在所述气密体积外部在所述射频离子导向器的离子通道中继续延伸。

2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述离子通道具有基本上多边形的横截面。

3.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述离子通道是笔直离子通道和弯曲离子通道的中的一者。

4.根据权利要求3所述的质谱仪，其中弯曲的角度范围介于大约45°到180°之间。

5.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述离子通道的长度和横向尺寸中的至少一者被选择以便促进所述射频离子导向器用作限流器管，并由此减少杂散气体通过所述离子通道进入至所述真空接受体的所述气密体积中。

6.根据权利要求1所述的质谱仪，还包括通过所述多个壁中的一个壁处的抽汲口对接到所述真空接受体的涡轮分子泵。

7.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述离子处理元件包括定位于所述气密体积中的呈三重四极布置的两个滤质器，且所述射频离子导向器是在所述两个滤质器之间沿着所述离子路径定位的被供应气体的离子碰撞室。

8.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述离子处理元件包括定位于所述气密体积中的滤质器，且还包括定位于所述气密体积外部的离子源，所述射频离子导向器定位于所述滤质器与所述离子源之间以作为碰撞冷却离子导向器操作，所述碰撞冷却离子导向器将准直的离子束从所述离子源传输到所述滤质器。

9.根据权利要求1所述的质谱仪，其中气密型的所述射频离子导向器具有彼此大体上气密地接合的多个层，所述多个层中的至少两个层包括大体上居中的切口以形成所述离子通道，所述多个层中的邻近于所述离子通道的至少两个层包括面朝所述轴线且电连接以用作射频电极的至少一个导电特征部。

10.根据权利要求9所述的质谱仪，其中所述多个层中的所述层大体上彼此气密地胶合。

11.根据权利要求9所述的质谱仪，其中所述多个层包括绝缘材料板。

12.根据权利要求11所述的质谱仪，其中所述绝缘材料板包括印刷电路板和陶瓷板中的至少一者，且由所述印刷电路板或所述陶瓷板上或中的电路或印制导线形成电气连接。

13.根据权利要求9所述的质谱仪，其中所述多个层包括两个非导电材料层，且所述大体上居中的切口包括彼此相对的所述两个非导电材料层中的大体上三角形的凹槽。

14.根据权利要求13所述的质谱仪，其中所述至少一个导电特征部包括所述大体上三角形的凹槽的侧壁处的倾斜金属化表面。

15.根据权利要求13所述的质谱仪，还包括所述导电特征部之间的额外切口，以实现所述射频电极的安全电解耦。

16.根据权利要求9所述的质谱仪，其中所述多个层包括顶部层、底部层和一组中间层。

17.根据权利要求16所述的质谱仪，其中所述一组中间层包括导电材料板。

18.根据权利要求17所述的质谱仪，其中所述至少一个导电特征部包括所述导电材料板处的斜切边缘。

19.根据权利要求17所述的质谱仪，其中所述导电材料板通过至少一个绝缘材料中间板彼此间隔开。

20.根据权利要求17所述的质谱仪，其中所述导电材料板包括凹入特征部，以便匀称地容纳所述至少一个绝缘材料中间板的部分。