CN109964301B - 用于运输带电粒子的运输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运输带电粒子的设备。所述设备包括：控制单元；以及运输装置，其具有被布置在运输通道周围的多个电极，其中所述运输通道包括被配置为接收所述运输装置所接收到的带电粒子的束形成区域。所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压以在所述运输通道中生成运输电势，所述运输电势具有多个势阱，其中所述多个势阱被配置为移动从而沿所述运输通道以一个或多个束来运输带电粒子。其中所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压以：在所述束形成区域中暂时性地生成聚集电势，使得所述运输装置所接收到的带电粒子被聚集在所述束形成区域中；然后在所述束形成区域中生成所述运输电势，使得在所述束形成区域中形成选择势阱，其中选择势阱接收由所述聚集电势在所述束形成区域中所聚集到的带电粒子形成的带电粒子束。

Description

用于运输带电粒子的运输装置

技术领域

本发明涉及用于运输带电粒子的运输装置。

背景技术

诸如电喷雾离子源等的许多带电粒子源产生连续(时间上连续)的带电粒子流，而不是离散的带电粒子束。然而，对于被配置为分析带电粒子的许多分析装置，带电粒子优选作为束而不是作为连续流进行分析。这种分析装置的示例是飞行时间(“ToF”)分析器。

因此，已经开发了被配置为沿运输通道以一个或多个束来运输带电粒子的运输装置。

在WO2012/150351和US2014/0061457A1中描述了这种运输装置的示例。该运输装置(以下可被称为“A装置”)使用非均匀高频电场，其中该非均匀高频电场的赝势(pseudopotential)具有多个势阱，各势阱适于运输相应的带电粒子束。在US2009/278043A1中还公开了生成具有类似品质的电势(尽管是通过模拟而非数字手段)的运输装置。

在GB2391697B中描述了这种运输装置的另一示例。该运输装置(以下可被称为“T波”装置、离子导向器或碰撞室)产生DC电场，其中该DC电场包括多个势阱，各势阱适于运输相应的带电粒子束。在“T波”装置中，RF波形被反相施加到堆叠环系统中的交替的环形电极，以生成径向约束场。将行进DC电势顺次施加到电极以生成DC势垒，其中该DC势垒沿装置推动径向捕集的离子。可以形成多个DC势垒以将捕集的离子分离成束。

因此，在A装置和T波装置中，控制多个电极以在运输通道中生成运输电势，该运输电势具有多个势阱，其中这多个势阱被配置为沿运输通道以一个或多个束来运输带电粒子。

本发明人已经观察到，在将带电粒子注入到包含行进阱的带电粒子运输装置期间，期望能够注入宽质量范围的带电粒子并选择性地选择将带电粒子注入哪些阱。对宽质量范围的期望性很明显，因为这将改进诸如质谱分析法等的分析方法的性能。

如以下更详细描述的，本发明人已经发现，在具有宽范围质量的带电粒子进入如WO2012/150351中所描述的A装置的情况下，与具有较高质量的带电粒子相比，具有较低质量的带电粒子趋向于被不同的势阱接收。结果，各个势阱所包含的各带电粒子束的质量范围受到限制，或者不能精确地表示存在于带电粒子的初始集合中的各质量的带电粒子的数量。

本发明人还注意到，在要(例如通过被配置为从运输装置中引出目标势阱所包含的带电粒子束的引出电势而)从运输装置引出束的情况下，可能引起除目标束之外的束扭曲。这可能导致离子的完全损失、离子的部分损失或离子的能量增加，从而得到较低的占空比和降低的灵敏度。

可以在图6和7中看到这种扭曲效果，其中这些图是通过模拟以下详细描述的装置而获得的。这些效果可能降低诸如ToF分析装置(通常使用带电粒子束)等的下游分析装置的精度和占空比。鉴于以上考虑，设计了本发明。

发明内容

本发明的第一方面可以提供：

一种用于运输带电粒子的设备，该设备包括：

控制单元；以及

运输装置，其具有被布置在运输通道周围的多个电极，其中所述运输通道包括被配置为接收所述运输装置所接收到的带电粒子的束形成区域；

其中所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压以在所述运输通道中生成运输电势，该运输电势具有多个势阱，其中所述多个势阱被配置为移动以沿所述运输通道以一个或多个束来运输带电粒子；

其中所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压以：

在所述束形成区域中暂时性地生成聚集电势，使得所述运输装置所接收到的带电粒子被聚集在所述束形成区域中；然后

在所述束形成区域中生成所述运输电势，使得在所述束形成区域中形成选择势阱，其中所述选择势阱接收由所述聚集电势在所述束形成区域中所聚集的带电粒子形成的带电粒子束。

例如与带电粒子束直接注入到持续生成运输电势的通道中的方法相比，以这种方式，所述选择势阱可以以有助于减少带电粒子的溢出和/或散射的方式被提供有带电粒子束。

优选地，所述选择势阱所包含的带电粒子束包括由聚集电势在束形成区域中聚集的带电粒子的大部分，更优选地为基本上包括这样的带电粒子的全部。这是优选的，因为选择势阱所不包含的带电粒子(例如，由于其反而被相邻阱所包含)可能不可用于后续分析，因此可能被认为是浪费的。

然而，虽然通常可能优选的是，选择势阱所包含的带电粒子束基本上包括束形成区域中的所有带电粒子，但这实际上可能难以实现，例如由于在束形成区域中生成运输电势而引起的散射或者由于带电粒子持续注入到束形成区域。

优选地，聚集电势包括用于将带电粒子聚集在束形成区域中的势阱。势阱优选地被配置为相对于沿运输通道延伸的纵轴轴向地约束带电粒子。

聚集电势中所包括的势阱可以是静态的。

聚集电势例如除了势阱之外还可以包括径向约束电势，其中径向约束电势被配置为将带电粒子沿径向方向(例如，相对于沿运输通道延伸的纵轴成径向)约束在束形成区域中。径向约束电势可以是AC电势，例如RF电势，例如通过将RF电势施加到多极电极而生成的RF多极场(RF＝射频)。

势阱可以具有上游势垒和下游势垒，其中与下游势垒相比，上游势垒更接近于运输装置的入口。

下游势垒可被配置为抑制(更优选地基本上防止)势阱中所聚集的带电粒子沿远离运输装置的入口的方向离开势阱。势阱的底部和下游势垒的顶部之间的电势差可以是0.01V或更多、更优选为0.1V或更多、更优选为1V或更多，更优选为2V或更多。

上游势垒可被配置为促使带电粒子朝向势阱的底部、并且抑制(更优选地基本上防止)势阱中所聚集的带电粒子沿朝向运输装置的入口的方向离开势阱。势阱的底部和上游势垒的顶部之间的电势差可以是至少0.01V，并且优选地小于0.5V。这种电势差优选小于势阱的底部和下游势垒的顶部之间的电势差。实际上，势阱的底部和上游势垒的顶部之间的电势差可以尽可能小以使被赋予至从运输装置的入口进入势阱的带电粒子的能量最小化，同时足够大以促使离子从运输装置的入口进入势阱并将其约束在势阱中。这种电势差优选尽可能小的原因在于，期望在不向带电粒子赋予显著能量的情况下促使从运输装置的入口进入势阱的带电粒子进入势阱，从而有助于将低平均动能的带电粒子聚集在势阱中。具有较低动能的带电粒子束一般具有较小的空间扩散，并且需要较少的深势阱来防止溢出到相邻势阱中。

上游势垒可以具有渐变电势梯度的形式，但是其它形式也是可能的。

运输通道的束形成区域可以包括/包含缓冲气体。在束形成区域中存在这样的缓冲气体可以有助于使离子从选择势阱溢出到相邻势阱中的可能性减小/最小化，并且保持紧密堆积的离子束(例如，具有小尺寸的束)。束形成区域中的缓冲气体可以是中性气体，并且可以例如是诸如氩等的惰性气体。

束形成区域中的缓冲气体的压力优选在5×10^-1～5×10^-4mbar之间，更优选地在5×10^-2～1×10^-3mbar之间。

束形成区域中的缓冲气体优选地被配置为通过带电粒子和缓冲气体的粒子之间的碰撞来使带电粒子的热能减小。可以(例如通过冷却装置)冷却缓冲气体以增强带电粒子的冷却，但是为了避免任何疑问，也可以在缓冲气体处于环境温度的情况下提供有用的冷却效果。

优选地，束形成区域中的缓冲气体被配置为使带电粒子冷却以具有低于20eV、更优选地低于1eV、更优选地低于0.1eV的平均(均值)能量，以帮助减小离子从选择势阱溢出到相邻势阱的可能性。

控制单元可被配置为控制施加到电极的电压，使得在运输通道的束形成区域中，聚集电势不会与运输电势同时生成。

这是因为如果在束形成区域中、聚集电势与运输电势同时生成，则运输电势可能干扰束形成区域中的带电粒子的聚集，例如引起带电粒子的散射和/或其它这样的问题效果。

然而，为了避免任何疑问，在束形成区域中所生成的聚集电势和运输电势之间可以存在一些重叠，前提是重叠足够短以使得运输电势不会过度干扰束形成区域中的带电粒子的聚集。

优选地，控制单元被配置为控制施加到电极的电压，使得在束形成区域中生成运输电势之前，在束形成区域中在预定时间量内暂时性地生成聚集电势。

预定时间量优选足以允许注入运输装置的带电粒子聚集在束形成区域中，同时足够短以允许运输装置继续移动以提供具有带电粒子的后续势阱而没有不必要的延迟。预定时间量还将取决于各种参数，诸如：所寻找的束中的带电粒子的数量、带电粒子注入到运输装置中的速率、(如果带电粒子作为稳定的带电粒子流被运输装置接收的话)连续带电粒子束的电流、以及(如果存在缓冲气体的话)缓冲气体的压力和温度。通过示例的方式，如果带电粒子是由电喷雾离子源(参见下文)提供的离子，则针对典型的参数集的预定时间段可以是0.05ms或更长，更优选地为0.6ms或更长。

控制单元可被配置为控制施加到电极的电压，使得用于在束形成区域中生成运输电势的电压在100us内、更优选地10us内、更优选地1us的时间内施加到该电极(例如，被布置在束形成区域周围的电极)，在该时间内用于在束形成区域中生成聚集电势的电压停止施加到电极，以例如实现在束形成区域中暂时性地生成聚集电势以及生成运输电势之间的快速转变。

优选地，用于在束形成区域中生成运输电势的电压在用于在束形成区域中生成聚集电势的电压停止施加到电极的时间之后施加到该电极。然而，为了避免任何疑问，在正被施加到电极的、用于在束形成区域中生成聚集电势的电压和用于在束形成区域中生成运输电势的电压之间可以存在一些重叠，但是该重叠优选足够短以使得运输电势不会过度干扰束形成区域中的带电粒子的聚集。

优选地，控制单元被配置为控制施加到电极的电压以在束形成区域中暂时性地生成聚集电势的情况下在运输通道的运输区域中生成运输电势，优选使得在运输区域中沿运输通道运输一个或多个带电粒子束，同时在束形成区域中暂时性地生成聚集电势。

更优选地，控制单元被配置为控制施加到电极的电压以在束形成区域中暂时性地生成聚集电势以及束形成区域中生成运输电势的同时，在运输通道的运输区域中生成运输电势，优选使得与束形成区域中正生成的电势无关地，可以在运输通道的运输区域中沿运输通道运输一个或多个带电粒子束。

以这种方式，可以在运输区域中沿运输通道运输运输区域中的一个或多个势阱所包含的一个或多个带电粒子束，同时在束形成区域中聚集带电粒子(以形成新的束)。因此，可以在任何一个时间沿着各个势阱中的通道运输多个带电粒子束，从而使得运输装置的占空比能够增加。

运输通道的运输区域可包括/包含缓冲气体。以下详细阐述了这种缓冲气体的示例性特性。

与束形成区域相比，运输区域距运输装置的入口可能更远。

为了避免任何疑问，运输区域周围的电极可以在结构上与运输通道的束形成区域周围的电极非常相似或甚至相同。因此，在一些实施例中，这些区域仅可以仅通过施加到各区域周围的电极的电压的形式和/或定时来区分。

控制单元可被配置为控制施加到电极的电压，使得在正生成运输电势的运输通道的任意区域中，多个势阱(如果存在的话，例如朝向引出区域)一起移动以沿运输通道以一个或多个束来运输带电粒子。以这种方式，多个带电粒子束(各束被相应的势阱包含)可以例如以传送带的方式同时沿通道移动。

控制单元可被配置为控制施加到电极的电压，使得在正生成运输电势的运输通道的任意区域中，多个势阱(如果存在的话，例如朝向引出区域)沿运输通道持续一起移动以沿运输通道以一个或多个束来运输带电粒子。在这种情况下，多个势阱可被称为移动或行进势阱，因为它们在正生成运输电势的任意何区域中持续行进。

如果多个势阱在运输通道的任何区域中持续一起移动、同时在束形成区域中生成运输电势，则优选地，选择在束形成区域中开始生成运输电势的定时/相位，使得在束形成区域中形成选择势阱，其中选择势阱接收由聚集电势在束形成区域中所聚集到的带电粒子形成的带电粒子束。具有运输电势形式的知识的技术人员能够配置控制单元以选择这样的定时/相位。

其它配置也是可能的。例如，势阱可以以彼此不同的速度并且沿彼此不同的方向移动。另外，一些势阱在其它势阱正在移动的情况下可以是静止的。

为了避免任何疑问，可能存在在束形成区域中不生成运输电势的时间段(例如，在束形成区域中暂时性地生成聚集电势的时间段——参见上文)，因此在这样的时间段期间，束形成区域可能不存在多个势阱(持续移动或者不持续移动)。

优选地，具有多个势阱的运输电势是非均匀高频电场，其中该非均匀高频电场的赝势具有多个持续移动的势阱，例如如WO2012/150351中所述(也参见US2014/0061457A1)。因此，多个势阱可以是赝势阱。

在US2009/278043 A1中还公开了生成具有多个持续移动的势阱的电势(尽管是通过模拟而非数字手段生成)的另一运输装置。

可选地，具有多个势阱的运输电势可以是DC(非振荡)电势，其中该DC电势包括多个势阱，各势阱适于运输相应的带电粒子束，例如如以上所讨论的“T波”碰撞室。

优选地，控制单元被配置为控制施加到电极的电压以重复地：

在束形成区域中暂时性地生成聚集电势，使得运输装置所接收到的带电粒子被聚集在束形成区域中；然后

在束形成区域中生成运输电势，使得在束形成区域中形成所选择的相应势阱，其中选择势阱接收由束形成区域中所聚集到的带电粒子形成的带电粒子束。

选择势阱之间的距离(例如，从包含带电粒子束的一个选定势阱的底部到包含带电粒子束的下一选定势阱的底部的距离)可以是10mm或更多。控制束之间的间隔(即沿着运输装置的轴的连续束之间的距离)允许该间隔与给定输出装置相匹配。例如，对于图3所示的输出装置，间隔可被选择为防止引出电势(如果存在的话，参见下文)使除了目标势阱所包含的束之外的带电粒子束扭曲。

优选地，包含相应带电粒子束的选定势阱与运输电势的每第n个连续势阱相对应，其中n是整数，即，使得运输电势的每第n个连续势阱包含相应的带电粒子束。例如，n可以是1、2、3或4、或更大整数。

选择第n个束的能力是有用的，因为在下游装置将以其它方式扰乱或不能处理包含在相邻势阱内的离子束的情况下，该能力可以允许保存占空比。引出电极(例如用于沿与运输通道的纵轴正交的方向从运输装置中引出目标离子束)可被提供作为这种装置的示例。

运输装置可以具有入口，其中该入口被配置为允许运输装置例如从带电粒子源接收带电粒子。

运输装置可以具有出口，其中该出口被配置为允许带电粒子离开运输装置。

在一些实施例中，电极可以包括沿运输通道的至少一部分延伸的实心(优选为双曲)杆电极对以及/或者沿运输通道的至少一部分延伸的分段(优选为双曲)杆电极对。如果存在两对，则连续双曲杆电极对可以与分段双曲杆电极对沿着相同的运输通道部分延伸。

运输装置的电极可以包括多个引出电极。控制单元可被配置为控制引出电极以暂时性地生成引出电势，其中该引出电势被配置为通过运输装置的出口从运输装置引出运输通道的引出区域中的目标势阱所包含的带电粒子束(例如，朝向如下所述的分析装置)。

以这种方式，可以在沿运输通道运输带电粒子束之后从运输装置中引出这些带电粒子束以(例如通过如下所述的分析装置)进行后续分析。

引出电势可被配置为沿与纵轴非平行(优选为正交)的方向通过运输装置的出口从运输装置引出运输通道的引出区域中的目标势阱所包含的带电粒子束，其中所述纵轴沿运输通道延伸。

运输通道可以包括一个或多个引出区域。该/各引出区域可以位于运输通道的运输区域内。以这种方式，带电粒子可以成束地运输到该/各引出区域。

优选地，控制单元被配置为控制施加到引出电极的电压以重复地：

在引出区域中生成运输电势；然后

暂时性地生成引出电势，该引出电势被配置为通过运输装置的出口从该运输装置引出运输通道的引出区域中的目标势阱所包含的带电粒子束。

设备可以包括用于产生要施加到引出电极的电压以在引出区域中生成引出电势的引出电源，其中该引出电源与用于产生要施加到引出电极的电压以在引出区域中生成运输电势的运输电源分开。

控制单元可被配置为控制施加到引出电极的电压，使得在目标势阱已经行进至引出区域中的预定位置(例如，中心)的情况下，在该引出区域中暂时性地生成引出电势。

如果电极包括沿运输通道的至少一部分延伸的实心(例如，双曲)杆电极对、以及沿运输通道的至少一部分延伸的分段(例如，双曲)杆电极对(参见上文)，则实心杆电极对可以(例如沿纵轴，其中该纵轴沿运输通道延伸)被分割成至少两个部分，其中所述部分其中之一被布置在引出区域周围并且用作引出电极对。

如果电极包括沿运输通道的至少一部分延伸的实心(例如，双曲)杆电极对、以及沿运输通道的至少一部分延伸的分段(例如，双曲)杆电极对(参见上文)，则分段杆电极对可以包括被布置在引出区域周围的、用作引出电极的分段电极。

运输装置的入口可以位于运输通道的束形成区域附近，例如使得运输装置的入口所接收到的带电粒子进入运输通道的束形成区域。

运输装置可被配置为仅允许运输装置在一个或多个预定接收时间窗口期间接收带电粒子。优选地，选择一个或多个预定接收时间窗口，使得运输装置所接收到的带电粒子有时间聚集在束形成区域中，使得当在束形成区域中生成运输电势时，选择势阱所包含的带电粒子束包括束形成区域中所存在的带电粒子的大部分(更优选为基本上所有的带电粒子)。

在使用连续的带电粒子源将带电粒子注入到运输装置中的情况下(参见下文)，将运输装置配置为仅允许运输装置在一个或多个预定接收时间窗口期间接收带电粒子可能是特别有用的，这是因为否则带电粒子可能连续地注入到运输装置中，这可能导致运输装置所接收到的许多带电粒子不被选择势阱接收。

优选地，选择该/各预定接收时间窗口以与聚集电势时间窗口一致，其中在聚集电势时间窗口期间，在束形成区域中生成聚集电势，例如使得在束形成区域中未生成聚集电势的情况下，运输通道不接收带电粒子。

运输装置可被配置为通过例如修改聚集电势的形状以在运输装置的入口旁边包括适当大的势垒/阱、以及/或者通过在运输装置的入口之外使用带电粒子门，来仅允许运输装置在一个或多个预定接收时间窗口期间接收带电粒子。

带电粒子可以是离子。也可以使用其它带电粒子(例如灰尘粒子)。

本发明的第二方面可以提供一种用于分析带电粒子的设备，该设备包括：

带电粒子源，其被配置为产生带电粒子；

如本发明的第一方面中所阐述的设备，其中运输装置被配置为接收带电粒子源所产生的带电粒子；以及

分析装置，其被配置为分析通过运输电势沿运输装置的运输通道运输的带电粒子束。

带电粒子源可以是大气压电离(“API”)源。

控制单元可以用作用于分析带电粒子的设备的所有元件的控制单元(即不仅仅是运输装置)。

即使在大气压电离源的大气压区域中成束地生成带电粒子，这些束也可能在传输期间经历显著的变宽，因此在被运输装置接收到时表现为连续的带电粒子流。

API源可以例如包括被配置为通过大气压化学电离、电子电离、场电离、大气压光电离、电感耦合等离子体电离来产生带电粒子的源。

如果带电粒子源被配置为产生将被运输装置接收的带电粒子流，则带电粒子源可被称为“连续”带电粒子源。

通过示例的方式，带电粒子源可以是电喷雾离子源。这是产生带电粒子流的API源的示例。

如本发明的第一方面中所阐述的运输装置特别地适用于连续带电粒子源(诸如电喷雾离子源)，因为它能够从连续带电粒子流形成离散带电粒子束。

然而，带电粒子源同样可被配置为产生将被运输装置接收的离散带电粒子脉冲串。

例如，带电粒子源可以是被配置为产生将被运输装置接收的离散带电粒子脉冲串的MALDI离子源。

MALDI离子源一般包含与基质材料混合的带电粒子源材料，并通过源的照射以及与激光的基质混合来产生带电粒子。MALDI离子源通常用于分析诸如DNA和蛋白质等的较大有机分子，并且一般提供离散带电粒子脉冲以供运输装置接收。在高重复率下，带电粒子源可被认为是“准连续的”，由此带电粒子以这样的速率提供，使得带电粒子的通量可被认为是连续流。

带电粒子源可配置为产生具有大质量范围(例如，(m/z)_max/(m/z)_min≥10)的带电粒子。

设备可以包括带电粒子导向器，用于导向带电粒子源所产生的带电粒子以待运输装置接收。

带电粒子导向器(可被称为注入装置)可以包括/包含缓冲气体。带电粒子导向器中的缓冲气体可被配置为通过带电粒子和缓冲气体的粒子之间的碰撞来使带电粒子的热能减小。可以冷却缓冲气体以增强带电粒子的冷却，但是为了避免任何疑问，也可以在缓冲气体处于环境温度的情况下进行冷却效果。

缓冲气体可被配置为冷却带电粒子以具有预定范围内的平均能量值，其可以例如是1eV或更小、优选地基本上小于1eV、并且优选地小于0.1V。平均能量值可以是带电粒子的平均动能。

以这种方式，注入到运输装置中的带电粒子可以具有低能量，这可以有助于减少离子聚集阶段期间的离子损失或带电粒子从选择势阱的溢出。

分析装置可被配置为分析沿运输装置的运输通道运输、并且随后例如通过如上所述的引出电势从运输装置引出的带电粒子束。

分析装置可以包括(但不限于)以下各项中的一项或多项：扇形静态质量分析器、飞行时间(“ToF”)质量分析器、傅立叶变换离子回旋共振(“FT-ICR”)质量分析器、3d离子捕集器、线性离子捕集器、四极滤质器、静电离子捕集器(诸如Orbitrap)。

优选地，分析装置是飞行时间(“ToF”)质量分析器，其被配置为测量从运输通道引出的带电粒子的飞行时间。

本发明的第三方面可以提供一种操作如本发明的第一或第二方面中所阐述的运输装置或设备的方法。

该方法可以包括与上述的设备特征相对应的任何步骤。

本发明包括这里所描述的方面和优选特征的任何组合，除非明显不允许或明确避免这样的组合。

附图说明

以下参考附图来讨论这些提议的示例，其中在附图中：

图1示出用于分析带电粒子的示例性设备。

图2示出图1的设备中所使用的示例性运输装置。

图3示出图1的设备中所使用的另一示例性运输装置。

图4示出如图2或3所示的运输装置中可以使用的束形成区域中所要生成的典型聚集电势。

图5(a)和5(b)示出从在如图2或3所示的运输装置中可以使用的束形成区域中生成图4的聚集电势到生成运输电势的示例性转变。

图6和7有助于说明使得势阱能够被选择性地提供具有运输电势的离子的一些优点。

图8～11示出与第一示例相关的模拟数据。

图12～14示出与第二示例相关的实验(模拟)数据。

具体实施方式

以上简要提到的A装置是一种运输装置，其能够以预定速度在行进赝势阱中成束地运输带电粒子(通常是离子)。A装置的行进赝势阱通常以预定义速度沿运输装置的轴移动。当带电粒子进入A装置时，这些带电粒子将具有紧密群集在所定义的平均平动能周围的能量分布，因为它们通常从用于将带电粒子导向至A装置中的注入装置中出现，其中A装置可以例如是多极离子导向器和/或冷却装置(例如冷却四极)。轴向方向上的这种平均平动能可以通过注入装置和A装置之间的电势差来定义，以达到第一近似值。

由于动(平动)能可以取为与质量乘以速度平方成比例，因此相似能量的带电粒子的速度由带电粒子的质量决定。例如，对于给定的平动(动)能，质量比给定质量低四倍的带电粒子将具有两倍的速度。此外，如果在注入装置和A装置之间施加电势差，则带电粒子的能量的阻尼还将取决于带电粒子的质量与周围气体分子的质量之间的比。因此，从注入装置进入A装置的带电粒子可以在不同的时间和/或以不同的速度进入，这取决于它们的质量。在期望将大范围的带电粒子注入A装置的情况下，变得难以有效地以将具有宽质量范围的带电粒子收集到单个势阱内的单个束中。

在A装置中，带电粒子优选地成束运输，其中各束被约束在相应的行进赝势阱中。给定带电粒子所经历的赝势阱的深度与带电粒子的质量成反比。因此，较重的带电粒子经历较浅的赝势垒，并且可能例如损失(例如，越过势垒)到相邻阱中。

在A装置中导致质量歧视(诸如束的质量范围减小)的因素包括：

1)带电粒子的速度对其质量的依赖性导致宽范围的带电粒子速度。这意味着可能难以有效地捕集宽范围的质量并且难以在单个阱中捕集带电粒子。带电粒子扩散在多个阱中，并且它们也可能不会在运输电势的有利相位引入，因此可以获得高能量，从而导致从通道损失。

2)带电粒子所经历的赝势垒的高度与带电粒子质量的逆相关性。在被A装置接收到时具有相同初始能量的带电粒子具有在相同时间段内被约束至相同赝势阱的不同可能性。

实际上，这两个因素可以导致具有宽质量范围的带电粒子扩散在多个邻赝势阱中。带电粒子源的质量范围越宽，带电粒子沿运输装置的扩散越宽，即使是在带电粒子同时进入离子导向器的情况下。本节末尾给出的比较数据说明了这种效果。

最终结果可能出于许多原因因而是有害的，这些原因包括以下：

1)在一些情况下，可能期望在单个阱中保持带电粒子束的时间/空间定位。溢出到相邻阱中的带电粒子将模糊带电粒子的时间/空间分辨率。换句话说，紧密限定的束将会扩散开。

2)在想要仅将带电粒子注入单个阱中的情况下，带电粒子“溢出”到相邻阱中可能导致未被捕获到目标阱中的带电粒子的损失。例如，如果仅对目标阱中所捕获的带电粒子进行分析，则无法分析无意地注入相邻阱中的带电粒子，这可能使占空比和灵敏度降低。一些技术(诸如引出到诸如飞行时间分析器等的分析器)可能涉及与目标阱相邻的阱中的带电粒子的损失。即使与目标阱相邻的阱中的带电粒子不会因为目标阱中的带电粒子引出到分析器而损失，也可以通过施加引出电势以从目标阱引出带电粒子来修改与目标阱相邻的阱中的带电粒子的能量/空间特性，这可能损害与目标阱相邻的阱中的束的飞行时间系统的性能。此外，如果运输电势的各势阱都包含要分析的带电粒子束，则所有这些束可能例如由于各束被干扰因而损失，因此由于向位于引出区域中的目标阱施加引出电势因而在该束到达引出区域之前损失。

因此，本发明人认为，期望提高运输装置所接收到的带电粒子的效能和特异性，最终结果是带电粒子在被运输装置接收期间扩散并损失，并且通过引出电势的引出期间的带电粒子损失最小。

本发明人所考虑的用于将选择势阱所要接收的带电粒子注入A装置中的一种方法是使用运输装置入口处的门电势将带电粒子“门控”到装置中。在该方法中，可以在带电粒子运输装置的入口处保持DC势垒，使得带电粒子可以在该势垒后面减速。在适当的时间(例如，在运输电势的有利相位)，该DC势垒可以在预定时间量内降低，从而允许带电粒子穿过进入带电粒子运输装置中。然而，本发明人发现这种方法本身使用效率低，因为进入装置的聚集带电粒子将倾向于扩散在多个阱中，并且单个选定阱所接收到的带电粒子的质量范围将是有限的(因此对于一般分析应用而言太小)。

一般而言，本发明人所设计的用于使运输电势的选定势阱接收带电粒子束的优选方法涉及：使用聚集电势将带电粒子聚集在运输装置内的束形成区域中(其中带电粒子可被保持、冷却和约束)；然后示出运输电势，其中在束形成区域中形成选择势阱，使得选择势阱接收由聚集电势在束形成区域中所聚集到的带电粒子形成的带电粒子束，即使得所选择的运输电势可以沿着选择势阱中的运输通道运输带电粒子束。

与将离子简单地“门控”到装置中相比，该优选方法的优点可以包括以下：

·带电粒子可以以有助于减少/最小化束之间的混合的方式放置到运输装置中的特定、选定势阱中(这在许多质谱应用中是有益的)。

·带电粒子可以更高效率地(例如，以带电粒子损失较少的方式)引入至成束的运输电势。

·与现有技术的装置相比，可以在成束的运输电势内更高效地运输更宽质量范围的带电粒子。

·可以使用简单形式的运输通道来控制间隔(即连续束之间的距离)，例如，仅使用4个波形相位来产生运输电势(尽管本发明适用于具有较大相位数的运输电势)

尽管优选方法在这里被描述为利用A装置来实现，但是该方法同样可以用于通过其它运输装置来接收带电粒子，其中这些其它运输装置包含具有多个势阱的运输电势，其中这多个势阱被配置为沿运输通道以一个或多个束来运输带电粒子。

图1示出用于分析带电粒子(在这种情况下为离子)的示例性设备1。

设备1包括离子源10、运输装置20、分析装置30和控制单元60。离子源10被配置为产生运输装置20所要接收的离子。分析装置30被配置为分析已经沿运输装置20的运输通道(的至少一部分)运输的离子。

设备1还可以包括离子导向器40(在图2中示出但未在图1中示出)，其中该离子导向器40被配置为将离子源10所产生的离子导向至运输装置20中。可选地，运输装置20可被配置为直接从离子源10接收离子。

离子源10可被配置为产生运输装置20所要接收的离子流。离子源10可以例如包括电喷雾离子源。

分析装置30可以是飞行时间(“ToF”)质量分析器，其被配置为测量从运输通道引出的离子的飞行时间。

图2示出图1的设备1中所使用的示例性运输装置20。

运输装置20具有被布置在运输通道22周围的多个电极21a、21b(图2中仅标记了一些电极)。运输通道22包括被配置为接收运输装置20所接收到的离子的束形成区域25、以及(后述的)运输区域27。电极21a、21b包括被布置在运输通道22的束形成区域25周围的电极21a、以及被布置在运输通道22的运输区域27周围的电极21b。

运输通道22的束形成区域25周围的电极21a优选地包括用于生成(以下更详细描述的)聚集电势的合适DC分布的多个分段电极中的两个或更多个，更优选为三个。

运输通道22的束形成区域25优选地包括/包含缓冲气体。在束形成区域25中存在这样的缓冲气体可以有助于使离子从选择势阱溢出到相邻势阱中的可能性减小/最小化，并且保持紧密堆积的离子束(例如，具有小尺寸的束)。

缓冲气体可以是中性气体，例如诸如氩气等的惰性气体。以上已经讨论了束形成区域25中的缓冲气体的优选特性。

设备1的其它区域也可以包括/包含缓冲气体。

例如，离子导向器40可以包括/包含缓冲气体。离子源10处的中性气体的压力可以从小于1×10^-4mbar到大于0.1mbar之间变化。离子源10处的缓冲气体的压力可以根据离子与中性气体之间的期望碰撞率来设置，以在离子被运输装置20接收之前保持离子能量低。

作为另一示例，被配置为对离子源10所产生的、要被(后述的)运输装置20接收的离子进行导向的离子导向器40可以包括/包含缓冲气体，以在离子进入束形成区域25之前冷却这些离子。束形成区域25中的缓冲气体的压力优选在5×10^-2～5×10^-4mbar之间，更优选地在1×10^-2～1×10^-3mbar之间。

作为另一示例，运输通道22的运输区域27可以包括/包含缓冲气体。运输通道22的运输区域27中的缓冲气体可以具有压力梯度，使得缓冲气体的压力随着距束形成区域25的距离而减小。例如，(后述的)引出区域29处的缓冲气体(如果存在的话)的压力可以是1×10-⁴mbar或更低，或者低于束形成区域25中的压力。这在运输通道22要用于将离子运输到较低压力的区域的情况下可以是有用的，例如在离子要迁移至需要高真空的外部质量分析器的情况下可以是有用的。

如技术人员将理解的，运输通道22的运输区域27中的缓冲气体无需具有压力梯度，并且甚至可以具有随着距束形成区域25的距离而增加的压力梯度，或者可以可选地增加、然后减少。引出区域29处的缓冲气体的压力可被设置为分析装置30所指示的任何水平，以与运输装置20结合使用。

控制单元60优选地被配置为控制电极21a、21b以在运输通道22中生成运输电势，该运输电势具有多个势阱，其中这多个势阱被配置为沿运输通道22以一个或多个束来运输离子。

控制单元60可以例如包括计算机、计算机程序、集成控制电路和波形生成电路。计算机和计算机程序可被配置为与集成控制电路接合，其中该集成控制电路可以提供驱动信号以控制波形发生电路，以便将电压波形施加到电极21以在运输通道22中生成聚集和运输电势(以及任何其它期望电势)。

控制单元60优选地被配置为使用涉及计算机、微处理器或可编程脉冲装置的数字方法(例如WO2012/150351中所述)来生成电压波形。电压波形本身可以具有数字形式(例如，包括有限数量的离散电压值)，例如如WO2012/150351中所述。模拟电压波形也是可能的。

运输装置20的控制单元60优选地被配置为控制施加到被布置在束形成区域25周围的电极21a的电压以：在束形成区域25中暂时性地生成聚集电势，使得运输装置20所接收到的离子被聚集在束形成区域；然后在束形成区域25中生成运输电势，使得在束形成区域中形成/产生选择势阱，其中选择势阱接收由聚集电势在束形成区域25中所聚集到的离子形成的离子束。

图2除了示出运输装置20之外还示出离子导向器40的出口部分，其中该离子导向器40被配置为将离子源10所产生的离子导向至运输装置20中。

离子导向器40可以例如是(以下更详细说明的)冷却四极。离子可以经由离子导向器40的出口部分和运输装置20的束形成区域25之间的小势降而被导向至运输装置20的入口中。

在该示例中，运输装置20的入口由隔膜(或气体传导限制)23提供。然而，运输装置20的入口无需总是由隔膜23提供，因为隔膜23可以位于运输装置20中的其它各处或者完全省略。隔膜23可以包含离子可以通过的小孔，并且可被配置为限制气流从离子导向器40传递到运输通道22，这例如在使用冷却气体在离子被运输通道22接收到之前冷却这些离子的情况下可以是有用的(参见下文)。

被布置在运输通道22周围的多个电极21a、21b可以形成分段双曲四极电极布置，并且可被认为分成两个区域。这些区域中的第一个区域是束形成区域25。在束形成区域25之后，存在运输区域27。

对于图2的示例性运输装置20，束形成区域25的电极与运输区域27的电极具有大致相同的几何形状。

图2中还示出引出区域29，其中该引出区域29位于运输通道22的运输区域27内。

图3示出图1的设备1中所使用的另一示例性运输装置20’。除非以下另有说明，否则相应的特征已被赋予相应的附图标记并且与图2中所述的附图标记相同。

与图2的运输装置20不同，在图3的运输装置20’中，被布置在区域27周围的电极21b’包括双曲杆电极，其中该双曲杆电极具有沿如图3所示的运输通道22的纵轴的方向的实心杆电极对(即，未分段)、以及如图2所示分段的另一对。在该实施例中，可以对实心电极施加DC电压，并且可以对分段的杆对施加运输电势。

在该实施例中，实心杆电极的一部分优选地用作适于从运输通道22引出离子的引出电极，并且被配置为在垂直于运输通道22的纵轴的方向上引出离子。虚线示出实心杆引出电极中的孔，其中该孔提供了运输装置20、20’的出口，其中离子可以通过该出口离开运输通道22。由于离子在与运输通道22的纵轴正交的方向上引出这一事实，因此该实施例可被认为是正交引出运输装置。

与图2的运输装置20相同，在图3的运输装置20’中，运输通道22的束形成区域25优选地具有用于生成聚集电势的合适DC分布的多个分段电极中的两个或更多个，更优选为三个。

在图2和3的运输装置20、20’中，被布置在运输通道22周围的束形成区域25布置的电极21a的形式可以与被布置在运输通道22的运输区域27周围的电极21b的形式类似。可选地，被布置在束形成区域25周围的电极21a可以具有可变的轮廓(例如漏斗状、锥状)，以与隔膜23的半径相匹配。被布置在束形成区域25周围的电极21a可以例如是各种形状的孔或环，或者它们可以形成四极、或具有不同形状的电极(双曲线、平面、圆形、三角形等)的其它类型的多极。被布置在束形成区域25周围的电极21a的轮廓可以例如是直线的或曲线的。正如被布置在图3的运输区域27周围的电极21b那样，被布置在束形成区域25周围的电极21a可以包括各种轮廓的实心杆。

运输装置20、20’优选地包括运输装置20、20’的引出区域29、29’处的引出电极31、31’、32’，其中控制单元被配置为控制引出电极31、31’、32’以暂时性地生成引出电势，其中该引出电势被配置为通过运输装置20、20’的出口(未示出)从运输装置20、20’将引出区域29、29’中的目标势阱所包含的离子束引出。

引出电势的大小一般将取决于下游分析装置30的详情，其中该下游分析装置30可以例如是ToF质量分析器。在一些实施例中，引出电势可以是1kV或更高。优选地，在目标势阱所包含的离子束到达运输装置20、20’的引出区域29、29’时生成引出电势。

分析装置30可以沿着运输通道22的纵轴定位，或者偏离运输通道22的纵轴，这取决于从运输通道22中引出离子的方向。因此，对于图2的运输装置20，分析装置30可被定位成接收沿与运输通道22的纵轴平行的方向从引出区域29引出的离子。对于图3的运输装置20’，分析装置3可被定位成接收沿与运输通道22的纵轴正交的方向从引出区域29’引出的离子。

参考根据图1和3的仪器，在使用中，所选择的运输势阱可以根据以上教导的方法来被提供有离子束，并沿运输区域27以恒定速度运输。运输区域27可以包括作为沿运输通道22的纵轴方向的实心杆电极21b’(即，未分段)的双曲杆电极对(如图3所示)、以及分段双曲杆电极对(图3中未示出，但与图2所示的电极21b类似)。实心杆电极对21b’可被分割以限定具有引出电极31’和32’的引出区域29’(如图3所示)。位于引出区域29’内部的分段电极(未示出)可以具有用于提供运输电势的单独电源，使得在施加到运输区域27的剩余部分的运输电势仍然存在的情况下，可以终止引出区域29’内的运输电势。

引出区域29’内的运输电势优选地在所施加的RF电压和调制波形的特定预定相位处终止。

在引出区域29’内的运输电势终止时，引出电压被施加到引出电极31’、32。例如，可以对引出电极32’施加正引出电压，并对引出电极31’施加负引出电压。

优选地，当所选择的离子束穿过引出区域29的中心时，向引出电极31’、32’施加引出电压。

优选地，运输区域27中的离子束之间的间隔大于引出区域29沿运输区域27延伸的长度。

在施加引出电压时，离子沿与通道22的轴正交的方向从A装置的通道22传出，并飞向分析器30。

使用控制器60来控制运输区域的运输电势、引出区域的运输电势以及引出电压的相位和定时。

在未从运输装置20、20’中引出离子的一些实施例中，分析装置30可以位于运输通道22自身内。

图4示出在如图2或3所示的运输装置20、20’中可以使用的束形成区域25中生成的典型聚集静电势26。

如图4所示，静电势26是具有底部26a的静电势阱。

如图4所示，聚集电势26优选包括上游势垒26b和下游势垒26c。上游势垒26b具有渐变电势梯度26b的形式。在该示例中，该渐变电势梯度26b被示出为从运输装置20、20’的入口处的固定电势到静电势阱的底部26a处的电势最小值的势降。下游势垒26c具有被配置为抑制(优选地基本上防止)离子移动通过势垒26c的高度。

优选地，通过控制运输装置20、20’的控制单元来生成聚集电势26，以将范围从几分之一伏到几伏、并且在最高端高达数十或数百伏的电压供给至被布置在运输通道22的束形成区域25周围的电极21a。用于生成聚集电势26的电压的总范围可以例如从低于1mV到大于100V变化。

如图4的具体示例所示，运输装置20、20’的入口处的轴上电势可以(相对于地)保持在2.5V的典型电压。轴上电势朝向聚集电势26所提供的势阱的底部26a减小0.5V。优选地，聚集电势26所提供的势阱的底部26a与势垒26c的顶部之间的电势差至少为1伏，并且优选地基本上更高。图4仅示出聚集电势26的DC分量。聚集电势的附加分量是用以将离子约束在径向方向上的RF四极场。

上游势垒26b所提供的聚集电势26的逐渐下降优选地在缓冲气体的辅助下用于从离子导向器40朝向势阱的底部26a推动离子而不在任何阶段赋予离子显著的能量，并且下游势垒26c优选地用于抑制(优选地基本上防止)离子移动通过势垒26c。因此，聚集电势26促使运输装置20、20’所接收到的离子聚集在束形成区域25中。

缓冲气体可以例如是氦气、氩气或氮气，并且优选地被引入为使得在束形成区域25内保持恒定的压力。缓冲气体有助于确保从离子导向器40(其可以是多极)进入束形成区域25的离子留在束形成区域25中并且基本上不会被反射回上游以重新进入离子导向器40。一旦离子在束形成区域25内部，缓冲气体也可以帮助冷却这些离子。离子的冷却有助于减少聚集离子所占据的空间，转而有助于提高离子在聚集电势和运输电势之间迁移的效率。

图5(a)和5(b)示出从在如图2或3所示的运输装置20、20’中可以使用的束形成区域25中生成图4的聚集电势26到生成运输电势28的示例性转变。

图5(b)示出与图5(a)相同的转变，但是聚集电势26和运输电势28以3D示出，使得可以看到这些电势的轴向(z轴)方面和径向(r轴)方面这两者。如图5(a)和5(b)所示，首先离子50a从离子导向器40进入运输通道22。接着，离子50b通过聚集电势26聚集在束形成区域25中，并且可以(在短的冷却时间之后)被视为预先形成的离子束。接着，在束形成区域25中生成具有多个行进势阱的运输电势28，其中在束形成区域25中形成多个势阱的选定势阱28a，使得所选择的电势的最小值(底部)在开始时与聚集电势的最小值(底部)并因此与离子50c对齐。由此，选择势阱28a被提供有由聚集电势26在束形成区域25中所聚集到的离子50b形成的离子束50c。优选地，选择势阱28a所包含的离子束包括由聚集电势26在束形成区域25中所聚集到的基本上所有的离子，使得以向运输电势28的相邻势阱的最小溢出来在选择势阱28a中形成束。

在束形成区域25返回聚集电势26以聚集下一离子束50b之前，优选通过运输电势28将离子束50c从束形成区域25运输出。

为了避免任何疑问，离子50a、50b、50c是相同的离子，但被不同地标记以指示在引入方法的不同时间点/阶段的离子。

优选地，运输装置20、20’的控制单元被配置为控制施加到被布置在束形成区域25周围的电极21a的电压，使得在束形成区域25中生成运输电势28之前，在预定时间量内在该束形成区域25中暂时性地生成聚集电势26。预定时间量优选地足以允许运输装置20、20’所接收到的离子聚集在束形成区域25中。该时间可以是波周期的一部分加上运输电势28的整数个波周期。因此，预定时间量可以是运输电势周期的一部分(势阱平移一个波长、即沿着运输通道移动与两个连续赝势阱之间的距离相同的距离所花费的时间)。

运输电势28优选为非均匀高频电场，其中该非均匀高频电场的赝势具有多个持续行进的势阱(例如如以上结合A装置所述)，但是也可以使用其它运输电势(例如，如以上结合T波装置所述)。一旦为选择势阱28a提供了离子束，就可以运输该束，优选地不引起束的进一步损失或者使所引起的束的进一步最小化。

从电极21a在束形成区域25中生成聚集电势26到电极21a在束形成区域25中生成运输电势28的转变优选地包括：控制被布置在束形成区域25周围的电极21a以停止施加用于生成聚集电势26的电压；以及修改被提供给电极21a的电压波形以生成运输电势28。通过在(通过施加用于生成运输电势28的电压)接通运输电势28之前停止施加用于生成聚集电势26的电压，可以使聚集的离子束的分散最小化(优选基本上消除)。例如通过势垒26c与选择势阱中的离子束50c相互作用而引起的这种散射可能将以其它方式导致溢出，从而导致离子束50c扩散，或者甚至损失。

优选地，聚集电势26和运输电势28之间的转变在聚集电势26终止的100微秒内、优选地在10微秒并且更优选地在5微秒内进行。聚集电势26的最小值的轴向位置和选择势阱28a优选地在转变时对齐。

为了避免任何疑问，聚集电势26和运输电势28可以各自包括DC分量和AC(例如RF)分量。聚集电势26和运输电势28的AC(例如RF)分量可以用于将离子约束在轴向方向上。聚集电势26的AC(例如RF)分量可以与运输电势28的RF分量相同，但无需是这种情况。

优选地，数字控制电路用于生成聚集电势26和运输电势28，因为这有助于快速、有效且相对简单地(与模拟方法相比)进行从聚集电势26到运输电势28的转变。例如，运输电势28可以通过如WO2012/150351中所描述的数字方法生成。数字方法可以是指利用数字信号生成器和开关布置创建RF波形的方法，其中开关布置使电极在高DC电源和低DC电源(V1、V2)之间交替切换以生成矩形高电压波形。可以经由其它部件的计算机来控制数字信号生成器，以控制方波的参数，诸如频率和占空比和相位等。此外，数字周期波形可以以精确的相位终止。

在一些实施例(未示出)中，束形成区域25可以由控制单元控制以将离子同时聚集到束形成区域25内的多个束中，其中各束的位置和尺寸可以是预定义的。

各离子束的特性/尺寸优选地适合于在运输通道22中生成的运输电势28，优选地使得基本上没有离子损失，束扩散在运输电势28的相邻势阱中，并且离子束的特征与运输波的阱匹配(即阱的尺寸和离子能量/深度相匹配)。

如果如上所述进行束形成区域25中的聚集电势26和运输电势28之间的转变，则优选地：

1)离子在多个束中的扩散减少(优选基本上没有)，例如使得可以预先确定各束的位置和定时；以及

2)注入的质量歧视减少(优选基本上没有)，使得/各束的质量范围可以与由运输电势28本身确定的质量范围一样高；

3)离子束的平均能量基本上不增加。

一旦为选择势阱28a提供离子束，运输电势28就接通、并且开始以预定义速度将其势阱中所形成的离子束运载远离通过聚集电势26提供的势阱的底部26a的位置并朝向运输通道的运输区域27，其中该离子束然后可以继续被运输朝向引出区域29、29’。

优选地，在运输装置20、20’的运输区域27中连续生成运输电势28，同时在束形成区域25中生成聚集电势26。以这种方式，如以上所讨论的，运输区域27中的一个或多个势阱所包含的任何一个或多个离子束可以在运输区域27中沿运输通道22运输，同时离子被聚集在束形成区域25中(以形成新的束)。因此，多个离子束可以在任何一个时间在相应的势阱中沿运输通道22运输，从而增加运输装置20、20’内的束产生频率(以及离子吞吐量)。

通过以这种方式提供选择势阱，该方法所形成的束的时间和空间的位置以及束之间的时间和空间间隙可以任意确定并且与输出装置(如果存在的话)的需求相匹配。

形成离子束可以与将离子导向至运输通道22中时间同步，因为如果离子在相邻势阱中的扩散最小，则可以确保不同时间原点的离子之间的混合最小。这使得能够精确地知道或甚至预先确定离子在运输通道22中的定时和位置。

在离子源10产生离子作为流(例如，连续流(例如，在电喷雾离子源的情况下))的情况下，可以有利地在束形成区域25中不生成聚集电势26的期间防止离子被运输通道22接收，使得可以防止离子注入到运输电势的未选择势阱中。

特别地，运输通道22的入口处的离子门(未示出)可以用于仅允许运输装置20、20’在一个或多个注入时间窗口期间接收离子，其中这一个或多个注入时间窗口优选与(例如在束形成区域25中生成聚集电势的)一个聚集时间窗口同步。以这种方式，可以使由选择势阱28a包含的运输通道22中存在的离子的比例最大化，即可以获得高占空比。

为了提供离子的径向约束(以及由聚集电势提供的轴向细化)，控制单元可被配置为控制施加到被布置在运输通道22周围的电极的电压，以除了聚集电势26之外还在束形成区域25中生成径向约束电势，使得离子在聚集在束形成区域25期间可被约束在径向方向上。例如，四极RF场可以用于离子的径向约束。如图4中所描述的DC聚集电势的情况那样，在聚集电势26本身不提供离子的径向约束的情况下，可能需要束形成区域25中的径向约束电势。控制单元可被配置为控制施加到被布置在运输通道22周围的电极21a、21b的电压，以在运输区域27中生成径向约束电势。然而，如结合以上背景章节中所描述的“A装置”和“T波”装置所述的运输电势的情况那样，如果运输电势28被配置为提供离子的径向约束，则通常不需要这种径向约束电势。

可选的径向约束RF波形应当根据运输通道22的入口的半径来选择，并且应被选择为提供合适的束质量范围。由控制单元提供给电极的波形的频率范围可以是几千赫兹到几十兆赫兹，并且由控制单元提供给电极的波形的地面到峰值幅度可以是几十伏到几百或几千伏的范围内。可以根据本领域公知的标准电动力学理论来选择具有合适频率和幅度的合适RF波形。

可以根据质量范围和期望的束尺寸和束间隔来选择由控制单元施加到电极的用于生成运输电势28的电压。在现有技术WO 2012/150351中描述了合适的波形。

如上所述，这里所公开的方法和实施例可以与现有技术WO 2012/150351中所描述的A装置的移动赝势波形组合实现。这种组合可被认为是对A装置的改进注入方法。可以设想，本发明的运输装置20、20’可以在单个通道中以高达5kHz的速率提供离子束。这将在包含A装置的飞行时间分析器系统中产生改进的动态范围和质量精度，同时保持高灵敏度和质量范围，因为在宽质量范围内，电荷粒子损失将会较低。

装置还可以包括分束保持子离子的A装置碰撞室或其它碎片化装置。

模拟数据

进行以下离子运输模拟以证明本发明的实施例的执行。以下描述了示例性模拟，其示出一些实施例的有效性。发明人使用他们自己的内部模拟包以使用四阶Runge-Kutta积分方法来模拟离子轨迹。使用有限差分法来求解电场。使用硬球模型来模拟离子和气体粒子之间的碰撞。平均自由程由气体数值密度和碰撞粒子的大小确定。

本领域技术人员将认识到，分束运输的相同电荷的离子之间的相互排斥可能对运输装置的性能具有一些影响。由相同电荷的离子的排斥引起的现象在本领域中一般称为“空间电荷”效应。在下一节的模拟中，不包括空间电荷效应，并且不包括对离子的库仑排斥进行建模的方法。本领域读者将认识到，在这种情况下，空间电荷效应对装置操作的一般原理没有影响，并且对装置操作的模拟或结果的成果具有最小影响，前提是电荷输入保持低于特定临界水平。装置的高频操作确保设备基于所公开的装置并且在实际的电荷吞吐量水平下操作。

示例1：离子引出考虑因素。

图6和7是模拟数据的图形表示，其有助于说明使得势阱能够被选择性地提供具有运输电势28的离子的优点。

图6和7示出与上图3所示类似的运输装置120的运输通道122的截面图，其具有可以从中引出离子的引出区域129。在图6和7的运输装置120中，通过对引出区域129内的引出电极129a、129b施加引出电压，沿与运输装置120的纵轴正交的方向从运输通道122引出离子。引出区域129包含运输装置120的出口129c，其中离子可以通过该出口129c离开运输通道122。通过对引出电极129a施加正高压(例如2kV)并且对引出电极129b施加负高压(例如-2kV)，可以生成合适的引出电势以正交地引出正离子。

图6示出在施加引出电势之前沿运输通道122运输的离子束150、151。沿运输通道122的长度可以看到五个束150、151，其中一个束151在通过引出区域129时被目标势阱(未示出)包含。在这种情况下，期望从目标阱沿正交方向引出束151。其它束150尚未到达引出区域129，因此尚不能引出。

图7示出引出目标束151之后不久(对引出区域施加引出电势之后30秒)的情形。可以看到目标束151已经通过运输装置120的出口129c引出。还可以看到，接近引出区域129的其它束150已经受到施加引出电压的不利影响，因为它们已经暴露于可以穿透到运输通道122中的引出场的边缘场。特别地，可以看到最接近引出区域129的两个束已经损失到电极121。下一个最近的束也受到了显著的干扰。唯一没有被显着干扰的束是第四接近引出区域129的束。可以看到，在最佳情况下，对于该特定运输装置120的成功引出(例如，未扭曲束的引出)的占空比将是4个束中的1个(这将对应于75％的离子损失或0.25的占空比)，前提是仅对每第四个束施加引出电压。这显着降低了设备的灵敏度和动态范围。

用于图7的运输装置120的可能改进方法可以是例如基于以上提供的教导仅选择性地为每第四个阱提供离子。以这种方式，由选择势阱包含的束可以充分地间隔开以避免由引出电压引起的扭曲，从而避免不必要的离子损失并改进设备的占空比。

因此，这里所描述的优选方法可被视为提供用以最小化或甚至基本上消除可能由于从运输通道122引出离子束引起的不利影响的方法。

示例2：包含具有双曲轮廓的分段电极的带电粒子运输装置。

图8示出包含离子导向器40(在这种情况下为四极杆)和运输通道222的束形成区域225的运输装置220。分段双曲部分电极225a、225b、225c被布置在束形成区域225周围。运输通道222的运输区域227(未示出)具有与被布置在束形成区域225周围的电极相同几何形状的电极。在该示例性模拟中，运输通道222的内径(由被布置在运输通道222周围的电极的内径限定)是2.5mm。对束形成区域225施加如上所述的聚集电势，从而在离子引导器40和束形成区域225之间施加DC电势梯度。具体地，通过向离子导向器40施加2.5V、向电极225a施加+2V、向电极225b施加0V、向电极225c施加+8V来施加该DC电势梯度。在图8中，此模拟时的离子250a在被运输通道222接收之前被示意性地示出在离子导向器40中。模拟离子具有一系列m/z值。

向运输装置220的入口和束形成区域225施加附加的约束RF波形，同时在束形成区域225中生成DC聚集电势。RF波形的幅度为300V(地面到峰值)，频率为3.2MHz。该区域中的缓冲气体(氩气)的压力被设置为0.01mbar。

图9示出由聚集电势在束形成区域225中所聚集到的离子的截屏。该截屏是在图8的截屏之后30秒(例如，在运输装置220接收到离子之后30s)获取的，。可以看到在此模拟时的大部分离子250b处于束形成区域225的聚集电势内。

图10示出由图9的聚集离子形成的离子束的截屏。该截屏是在图9的截屏之后220s(即图8的截屏之后250秒)获取的。离子束冷却并在此完全形成，并准备被运输电势228捕获。图10示出在运输电势228接通时刻的A装置运输电势228的势阱旁边的离子束250c。在该示例中，聚集电势和附加约束RF一断开，就施加用于生成A装置运输电势228的电压波形。在m/z＝80Th至m/z＝2500Th的范围内研究装置的性能。在t＝0时，在模拟开始时生成等量的各质量的离子。图11示出单个公共束内以各m/z值传输到运输通道的引出区域的离子的百分比的标绘图。因此，本发明被示出为针对单个束内运输的宽m/z范围的离子实现高的传输百分比。

示例3：对利用和不利用本发明的束形成技术由注入到运输通道中的离子形成离 子束进行比较

在该示例情形中，将在运输通道中使用聚集电势的情况下的离子束的形成与在运输通道的入口处使用带电粒子门的情况下的离子束的形成进行比较。

图12中示出针对该比较所选择的配置。在该示例中，四极电极被布置在运输通道322周围，运输通道322的内切半径(由电极限定)为2.5mm。束形成区域325和运输装置320的主体由具有圆形孔(也具有2.5mm的内径)的环形电极的堆叠体形成。各个环的厚度为0.2mm，并且环之间的间隔为1mm，因此电极结构的重复距离为1.2mm。对束形成区域325的环形电极施加合适的径向约束RF波形(在该示例中，相邻电极接收具有300V的地面到峰值幅度和3.2MHz的频率的反相RF波形)，同时生成聚集电势。在0.01mbar的压力下模拟氩气的残余背景气体，以用于离子的碰撞冷却。

图12示出离子350a通过如实施例2中所述的聚集电势(上文中，即在带电粒子源1处为+2.5V，对于标记为325a的电极为+2V，对于标记为325b的电极为0V，以及对于标记为325c的电极为+8V)聚集在预定位置处。在该示例中，可以看到少量离子已经损失到束形成区域325的电极。

在允许离子到达束形成区域并且允许捕获运输电势与运输通道的其余部分同步的合适时间(250μs)之后，移除图12中激活的聚集电势并且施加适于生成具有行进势阱的束运输电势(在这种情况下为A装置运输电势)的波形。通过控制单元向环形电极提供八个合适的波形相位。将每个相位施加到每第八个环电极。波形的详情是：f＝2MHz，V0-p＝220V(用于生成运输电势的RF电压的地面到峰值电压)，以及ω＝4kHz(调制波形频率定义A波的阱的速度并且由ωL给出，其中L是运输电势或8个环形电极的重复距离，在当前例子中为9.6mm。也就是说，离子束以38.4ms^-1的速度行进)。

要施加的波形的确切形式可以在现有技术文献WO 2012/150351中找到。

在图13(在施加运输电势250秒后获取的截屏)中，可以看到由聚集在图12中的束形成区域325中的离子形成的离子束350b已经沿运输通道322的长度移动远离束形成区域325并且朝向运输区域327。可以看到，离子束350b包含在选择势阱内，其中离子向相邻势阱的溢出最少，并且只有少量离子损失到电极。

图14中示出将离子注入到与图12和13中相同的运输通道322中、但是使用位于运输装置320的外部的离子门而不使用聚集电势的比较模拟。

在该比较示例中，通过在运输装置320的离子输入端处具有DC势垒来提供离子门，其中该DC势垒降低以允许离子沿DC电势梯度行进到运输装置320中。

通过向离子导向器40施加1V DC偏移、向运输装置320的第一电极施加5V DC偏移、以及向运输装置320的剩余电极施加0V DC偏移，可以实现用以实现在“闭合”操作时间段中工作的离子门的合适电压分布。为了“打开”离子门，运输装置320的第一电极上的电压可以降低至离子源10的DC偏移和离子导向器40的DC偏移之间的值。其它电压分布同样可以用于提供对于离子束从离子导向器40进入运输装置320的“门控”，并且这里使用的值仅作为示例给出。一般原则是，离子因为适当的DC电压势垒而在离子导向器40中被抑制或减慢，然后通过降低DC势垒以使得离子可以沿DC梯度移动到运输装置320中来释放到运输装置320中。这里描述的电压适用于带正电的离子，并且可以为负以适合带负电的离子。

在这种情况下，适合于生成行进赝势阱的波形被连续地施加到运输装置320的主体。对于单电荷离子，运输装置320接收具有20eV能量的离子束。需要20eV的初始离子能量来克服运输电势的赝势垒，以将宽质量范围的离子中的大部分离子注入到运输装置320中。

图14示出在离子已经注入到运输装置320中之后来自模拟的截屏。可以看到离子350a扩散在大的轴向长度上，并且可以看到离子350a被保持在多个不同势阱所包含的多个束中(可以看到至少七个离子束)。尽管这里使用的氩气具有0.05mbar的相当高压力(与用于聚集电势的0.01mbar相比)。还尝试优化具有离子运输电势的相位以及离子注入能量的离子的门控释放效率。与图14中所示的数据相比，这些尝试没有提供改进。

可以看到m/z 100的一些离子350b已被反射回输入四极装置，因此根本不会被传输。

后一种模拟示出与代表性现有技术方法相比本发明所提供的改进。

本发明以及这里所公开的本发明的实施例可被视为有助于以下面这样的方式改进针对束的形成和运输可实现的控制：各束的质量范围可以增加，并且离子从选择势阱的损失、溢出和扩散可以减少。结果，可以改进离子分析的精度和占空比。

当在本说明书和权利要求书中使用时，术语“comprises”和“comprising”、“including”及其变形意味着包括指定的特征、步骤或整数。这些术语不应被解释为排除存在其它特征、步骤或整数的可能性。

在前述说明书或以下权利要求或附图中公开的、以特定形式或者以用于执行所公开的功能的部件或用于获得所公开结果的方法或处理的方式表达的特征在适当的情况下可以单独地或以这些特征的任何组合用于以各种形式实现本发明。

虽然已经结合上述典型实施例描述了本发明，但是在给出本发明时，许多等同的修改和变化对于本领域技术人员将是明显的。因此，以上阐述的本发明的典型实施例被认为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种改变。

为了避免任何疑问，提供这里所提供的任何理论解释以提高读者的理解。发明人不希望受任何这些理论解释的约束。

以上提及的所有参考文献通过引入而并入于此。

Claims (19)

1.一种用于运输带电粒子的设备，所述设备包括：

控制单元；以及

运输装置，其具有被布置在运输通道周围的多个电极，其中所述运输通道包括被配置为接收所述运输装置所接收到的带电粒子的束形成区域，

其中，所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压以在所述运输通道中生成运输电势，所述运输电势具有多个移动势阱，其中所述多个移动势阱被配置为移动从而沿所述运输通道以一个或多个束来运输带电粒子；

其中，所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压以：

在所述束形成区域中暂时性地生成静态的聚集电势，使得所述运输装置所接收到的带电粒子被聚集在所述束形成区域中；然后

代替所述聚集电势，在所述束形成区域中生成所述运输电势，使得在所述束形成区域中形成选择的移动势阱，其中所述选择的移动势阱接收由所述聚集电势在所述束形成区域中所聚集的带电粒子形成的带电粒子束。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述运输通道的所述束形成区域包含缓冲气体。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述聚集电势包括用于将带电粒子聚集在所述束形成区域中的势阱，所述势阱具有上游势垒和下游势垒，其中与所述下游势垒相比，所述上游势垒更接近于所述运输装置的入口。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述聚集电势包括径向约束电势，其中所述径向约束电势被配置为将带电粒子沿径向方向约束在所述束形成区域中。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压，使得用于在所述束形成区域中生成所述运输电势的电压在100us的时间内施加到所述电极，该100us的时间内用于在所述束形成区域中生成所述聚集电势的电压停止施加到所述电极。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压，以在所述束形成区域中暂时性地生成所述聚集电势以及在所述束形成区域中生成所述运输电势的同时在所述运输通道的运输区域中生成所述运输电势。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，具有多个移动势阱的运输电势是非均匀高频电场，其中所述非均匀高频电场的赝势具有多个持续移动的势阱。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述控制单元被配置为控制施加到所述电极的电压以重复地进行：

在所述束形成区域中暂时性地生成聚集电势，使得所述运输装置所接收到的带电粒子被聚集在所述束形成区域中；然后

在所述束形成区域中生成所述运输电势，使得在所述束形成区域中形成相应的选择的移动势阱，其中所述选择的移动势阱接收由所述束形成区域中所聚集的带电粒子形成的带电粒子束。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述电极包括沿所述运输通道的至少一部分延伸的实心杆电极对以及/或者沿所述运输通道的至少一部分延伸的分段杆电极对。

10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述运输装置的电极包括多个引出电极，其中所述控制单元被配置为控制所述引出电极生成引出电势，所述引出电势被配置为通过所述运输装置的出口从所述运输装置引出所述运输通道的引出区域中的目标势阱所包含的带电粒子束。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述引出电势被配置为沿与纵轴正交的方向通过所述运输装置的出口从所述运输装置引出所述运输通道的引出区域中的目标势阱所包含的带电粒子束，其中所述纵轴沿所述运输通道延伸。

12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述控制单元被配置为控制施加到所述引出电极的电压以重复地进行：

在所述引出区域中生成所述运输电势；然后

暂时性地生成引出电势，所述引出电势被配置为通过所述运输装置的出口从所述运输装置引出所述运输通道的引出区域中的目标势阱所包含的带电粒子束。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述控制单元被配置为控制施加到所述引出电极的电压，使得在目标势阱已经行进至所述引出区域中的预定位置的情况下，在所述引出区域中暂时性地生成所述引出电势。

14.根据权利要求12或13所述的设备，其中，所述设备包括用于产生要施加到所述引出电极的电压以在所述引出区域中生成所述引出电势的引出电源，其中所述引出电源与用于产生要施加到所述引出电极的电压以在所述引出区域中生成所述运输电势的运输电源分开。

15.根据权利要求10所述的设备，其中：

所述电极包括沿所述运输通道的至少一部分延伸的实心杆电极对；以及

所述实心杆电极对被分割成至少两个部分，其中所述部分其中之一被布置在所述引出区域周围并且用作引出电极对。

16.根据权利要求10所述的设备，其中：

所述电极包括沿所述运输通道的至少一部分延伸的分段杆电极对；以及

所述分段杆电极对包括被布置在所述引出区域周围的、用作引出电极的分段电极。

17.一种用于分析带电粒子的设备，所述设备包括：

带电粒子源，其被配置为产生带电粒子；

根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中所述运输装置被配置为接收所述带电粒子源所产生的带电粒子；以及

分析装置，其被配置为分析由所述运输电势沿所述运输装置的运输通道运输的带电粒子束。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述带电粒子源被配置为产生所述运输装置所要接收的带电粒子流。

19.一种设备的操作方法，所述设备包括具有被布置在运输通道周围的多个电极的运输装置，其中所述运输通道包括被配置为接收所述运输装置所接收到的带电粒子的束形成区域，所述方法包括：

控制施加到所述电极的电压以在所述运输通道中生成运输电势，所述运输电势具有多个移动势阱，其中所述多个移动势阱被配置为移动从而沿所述运输通道以一个或多个束来运输带电粒子；

控制施加到所述电极的电压以：

在所述束形成区域中暂时性地生成静态的聚集电势，使得所述运输装置所接收到的带电粒子被聚集在所述束形成区域中；然后

代替所述聚集电势，在所述束形成区域中生成所述运输电势，使得在所述束形成区域中形成选择的移动势阱，其中所述选择的移动势阱接收由所述聚集电势在所述束形成区域中所聚集的带电粒子形成的带电粒子束。

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