CN110637352A - 从电子电离源的离子传输 - Google Patents

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Abstract

一种示例系统包括电子电离离子源和质量分析仪。电子电离离子源被配置为在系统运行期间从样品分子产生沿离子束轴延伸的离子束。系统还包括碰撞冷却室，其包括气体歧管和电场发生器。冷却室在冷却室的相对两端上限定出入口孔和出口孔，冷却室的入口孔与离子束轴线轴向对准。冷却室被配置为在系统运行期间使用电场发生器在冷却室内产生射频(RF)场，并通过气体歧管接收碰撞气体以对冷却室加压。

Description

从电子电离源的离子传输
技术领域
本公开涉及质谱系统，并且更具体地涉及将离子从离子源传输到质量分析仪。
背景技术
气相色谱/质谱法(GC/MS)是一种分析方法，其结合了“气相色谱法”和“质谱法”的特征来鉴定测试样品内的不同物质。
在某些GC/MS仪器中，离子是通过电子电离(EI)源中的电子电离产生，然后被传输到下游质量分析仪(例如，四极质量过滤器)进行检查。在一些情况下，可以使用直流(DC)电极透镜将离子聚焦到下游真空台和质量分析仪的入口中，以改善离子的收集。
发明内容
本公开的特征在于用于在质谱仪的情况下将离子从离子源(例如，电子电离(EI)离子源)有效地传输到下游质量分析仪入口的系统和技术。
在GC/MS仪器中，样品通过气相色谱仪分离(例如，使用毛细管柱，其根据样品成分在柱内的相对滞留分离样品成分)。从柱上洗脱下来的样品成分被电离，并通过质谱仪分析电离的样品成分。
离子可以通过离子源(例如，电子电离(EI)离子源、化学电离(CI)离子源等)产生，然后转移到下游质量分析仪(例如，四极质量过滤器)。
在一些情况下，直流(DC)电极透镜可用于将离开离子源的离子递送到质量分析仪的入口(例如，通过将离子聚焦到下游真空平台中和质量分析仪的入口中)。通常，质量分析仪的透射率随着入口处离子的更好的聚焦和/或更低的角度散布而提高。但是，DC透镜提供良好的离子束聚焦特性的能力通常受到离开离子源的离子的角度和动能散布、此类静电透镜固有的像差特性以及由于粒子在离子源和质量分析仪之间的区域中与背景气体分子的碰撞引起的离子散射的限制。这些限制进而可以限制离子在质量分析仪入口处的聚焦程度，从而限制分析性能。
例如，在一些情况下，产生的离子在离子源内具有宽的初始空间分布，并以宽离子动能和引出角度分布离开离子源。这种分布可以限制DC透镜提供良好离子束聚焦特性的能力。在一些情况下，递送到质量分析仪入口的离子的相空间分布可能足够宽以损害质量分析仪的分析性能(例如，灵敏度和质量分辨率等)。
因此，在一些实施方式中，不是采用DC静电透镜将离子从离子源传输到质量分析仪入口，所公开的系统可以并入一个或多个仅RF离子导向器，以将离子直接从离子源出口传输到质量分析仪入口。
一方面，离子源真空平台中相对较高的背景气体压力导致离子的碰撞冷却，这有利于减小质量分析仪入口处的离子的动能分布、径向位置分布和径向速度分布的宽度，从而提高质量分析仪性能。
另一方面，由于前述这些分布通过碰撞冷却而随后减小，因此使得能够引出和有效传输具有显着更大的动能以及空间和引出角度分布的离子。因此，可以配置电子冲击离子源，以使样品分子从更大的电离体积被电离、引出、并且有效地和高效地传输，从而提高了灵敏度。
另一方面，在电离体积内建立了电场轮廓，使得可以将电离体积中具有更大空间分布的离子引出到RF离子导向器入口。
又一方面，轴向场被施加在离子源出口与质量分析仪入口之间的RF离子导向器上，从而碰撞冷却不会导致从离子源到质量分析仪入口的离子传输延迟。
此外，离子源区域和质量分析仪区域之间的真空平台分隔物可以结合有RF孔。与具有DC电压的常规平台间孔相比，这种孔可以更好地保持狭窄的径向位置和速度分布。
另一方面，一种装置可以包括(1)加压室，在该加压室中引起离子与中性气体分子之间的碰撞，(2)一个或多个仅RF离子导向器，其沿着冷却室的轴线产生径向伪势阱，(3)气流导向器，其在冷却室内提供气流，其具有向内的径向流场分量和朝向冷却室出口的轴向流场分量；(4)辅助电极组件，其提供沿着冷却室的长度的至少一部分延伸的轴向电场，以及(5)分别定位于冷却室的入口和出口端的入口和出口电极。
在运行期间，离子可通过腔室入口处的电极组件被引出到冷却室中。气体流可以帮助离子会聚在轴线上，并向下游的仅RF离子导向器移动。当穿过离子导向器行进时，离子会遇到径向伪势阱，并且会与中性气体分子碰撞，这进一步降低离子动能和径向尺寸的空间分布。同时，由辅助电极组件产生的轴向电场可保持离子向腔室出口移动的轴向动能。在腔室的出口处，离子被电极组件排出，并递送到质量分析仪的入口。在一些情况下，定位于出口处的电极组件可以并入RF电场，以保持离子束的径向紧凑性。
本文所述的一种或多种实施方式可以改善质量分析仪的性能(例如，相对于使用常规DC静电透镜装置的质量分析仪的性能而言)。
一方面，一种系统包括离子源和质量分析仪。离子源包括电子源，该电子源被配置为在系统运行期间产生电子流；样品引入组件，被配置为在系统运行期间传输至少一种分析物；电离室，其具有第一输入端口、第二输入端口和输出端口。第一输入端口被配置为在系统运行期间接收来自电子源的电子流。第二输入端口被配置为在系统运行期间从样品引入组件接收至少一种分析物，从而通过至少一种分析物与电离室的电离区域内的电子之间的相互作用产生分析物离子，并且分析物离子沿离子束轴线通过输出端口离开电离室。所述电离室包括至少两个室电极，所述至少两个室电极被配置为在系统运行期间具有施加到其上的各自独立控制的电压。至少两个腔室电极包括限定输出端口的出口电极。出口电极被配置为在系统运行期间具有施加到其上的出口电极电压。出口电极包括面向电离区域的上游表面，所述上游表面限定了具有较小基部和较大基部的大致截头圆锥形的形状，所述较小基部靠近输出端口或与输出端口重合。在系统运行期间，由施加于出口电极和至少另一个电极的电压产生的电离室内的电场作用以聚焦并加速来自电离区域的分析物离子通过输出端口。
该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，所述大致截头圆锥形的形状可以由面对面对接的至少两个盘形成。所述至少两个盘可以具有相对于所述离子束轴线同心的孔，其中，孔的尺寸分别从最接近电离区域的盘到最远离电离区域的盘单调减小。
在一些实施方式中，电子束发生器可以被配置为在系统运行期间在离子源室内沿第一横向方向产生电子束，所述第一横向方向正交于离子束轴线。离子源室可以包括磁场发生器，所述磁场发生器被配置为在系统运行期间沿平行于电子束方向并与电子束重合的方向上产生磁场。
在一些实施方式中，磁场发生器可以包括至少两个永磁体。
在一些实施方式中，所述至少两个永磁体可以在与所述电子束的方向平行的方向上对准。
在一些实施方式中，所述至少两个腔室电极可以被配置为产生电场，以在空间上聚焦所述样品离子通过所述离子出口输出端口。
在一些实施方式中，所述质量分析仪可以包括以下中的至少一个：四极质量过滤器；由碰撞室隔开的两个四极质量过滤器的组合；四极质量过滤器、碰撞室和飞行时间质量分析仪的组合；飞行时间质量分析仪；三维离子阱；或者二维离子阱。
在一些实施方式中，样品引入组件可包括气相色谱柱的出口部分。
通常，在另一方面，一种系统包括电子电离离子源和质量分析仪。电子电离离子源被配置为在系统运行期间从样品分子产生沿离子束轴延伸的离子束。系统还包括碰撞冷却室，其包括气体歧管和电场发生器。冷却室在冷却室的各个相对端上限定入口孔和出口孔，冷却室的入口孔与离子束轴线轴向对准。冷却室被配置为在系统运行期间使用电场发生器在冷却室内产生射频(RF)场，并通过气体歧管接收碰撞气体以对冷却室加压。
该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，所述电场发生器还可以被配置为在系统运行期间产生沿冷却室的长度的至少一部分延伸的轴向电场。
在一些实施方式中，所述冷却室可以被配置为在系统运行期间在1mTorr至100mTorr的范围内的压力下以碰撞气体加压。
在一些实施方式中，所述冷却室可以被配置为系统运行期间：通过第二入口孔从离子源室接收离子；降低至少一些接收的离子的动能；并且通过第二出口室将至少一些接收的离子排出冷却室。
在一些实施方式中，降低至少一些接收的离子的动能可以包括在接收的离子与冷却气体的分子之间引起一个或多个碰撞。
在一些实施方式中，所述电场发生器可以包括沿所述冷却室的长度的至少一部分延伸的多个导电杆。所述杆可以在所述冷却室内轴对称地布置。
在一些实施方式中，所述冷却室出口孔可以包括围绕冷却室出口轴线轴对称地布置的多个出口孔电极。所述多个出口孔电极被配置为在系统运行期间具有施加到其上的RF和DC偏置电压。
在一些实施方式中，所述质量分析仪可以被配置为在系统运行期间从所述冷却室接收离子以进行质量分析。
在一些实施方式中，所述质量分析仪可以包括以下中的至少一个：四极质量过滤器；由碰撞室隔开的两个四极质量过滤器的组合；四极质量过滤器、碰撞室和飞行时间质量分析仪的组合；飞行时间质量分析仪；三维离子阱；或者二维离子阱。
在一些实施方式中，系统还可以包括气相色谱仪。所述离子源室可以被配置为在系统运行期间接收来自所述气相色谱仪的样品流出物。
在一些实施方式中，系统还可以包括控制模块，所述控制模块通信地联接至离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个。控制模块可以被配置为在系统运行期间调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作。
在一些实施方式中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作可以包括：调节样品粒子从气相色谱仪到离子源室的传输。
在一些实施方式中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作可以包括：通过离子源室调节至少一些样品粒子的电离。
在一些实施方式中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作可以包括：调节一个或多个电极中的每个电极的电势。
在一些实施方式中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作可以包括：通过电场发生器调节在冷却室内的RF场的产生。
在一些实施方式中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作可以包括：调节惰性气体通过气体歧管到冷却室中的传输。
在一些实施方式中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作可以包括：调节电离的样品粒子的过滤。
通常，在另一方面，一种系统包括离子源室。离子源室包括第一输入端口、第二输入端口、第一出口端口和靠近第一出口端口的一个或多个室电极。所述离子源室被配置为在运行期间：通过第一入口端口接收分析物，通过第二入口端口接收电子流，通过分析物和电子之间的相互作用，在离子源室内的电离区域中产生分析物离子，并且使用一个或多个室电极沿着离子束轴线从离子源室通过出口端口聚焦并加速分析物离子。一个或多个电极沿离子束轴线限定电极孔。电极孔的横截面积沿离子束轴线在从电离区域到第一出口端口的方向上单调减小。
该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，系统还可以包括冷却室。冷却室可以包括气体歧管、电场发生器和在冷却室的第一端上的第三输入端口。第三输入端口可以与离子束轴线轴向对准。冷却室还可以包括在冷却室的第二端上的第二出口端口。冷却室可以被配置为在系统运行期间使用电场发生器在冷却室内产生射频(RF)场，并且通过气体歧管接收碰撞气体以对冷却室加压。
通常，在另一方面，一种系统包括离子源，其被配置为在系统运行期间将样品分子转变为多个离子，并通过离子源出口输出端口将离子递送出电离体积。系统还包括碰撞冷却室，其包括气体歧管、气流导向器、至少一个仅RF离子导向器、轴向场电极组件、入口电极组件和出口电极组件。系统还包括质量分析仪。
该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，所述离子源可以包括以下中的至少一个：电子冲击(EI)电离源；或者化学电离(CI)源。
在一些实施方式中，所述轴向场电极组件可以被配置为在系统运行期间产生沿冷却室的长度的至少一部分延伸的轴向电场。
在一些实施方式中，所述冷却室可以被配置为在系统运行期间经由气体歧管以碰撞气体加压。
在一些实施方式中，所述气流导向器可以被定位在冷却室的入口处，并且被配置为在系统运行期间形成与冷却室的入口孔同心的锥形导管。通过导管的气流可以使离子径向聚集并使离子向下游移动。气流流量和气体温度可以通过控制器可调节。
在一些实施方式中，所述仅RF离子导向器可以包括多个导电柱电极，所述多个导电柱电极沿所述冷却室的长度的至少一部分延伸并且在所述冷却室内轴对称地布置。
在一些实施方式中，所述入口电极组件可以被配置为在系统运行期间收集和接收来自离子源的离子。入口电极组件可以作为一部分集成到离子源中。
在一些实施方式中，所述出口电极组件可以被配置为在系统运行期间将至少一些离子排出冷却室。所述出口电极组件可以进一步被方位地划分成具有施加到其上的RF和DC偏置电压的至少四个子单元。
在一些实施方式中，所述质量分析仪可以被配置为在系统运行期间从所述冷却室接收离子以进行质量分析。
在一些实施方式中，所述质量分析仪可以包括以下中的至少一个：四极质量过滤器；由碰撞室隔开的两个四极质量过滤器的组合；四极质量过滤器、碰撞室和飞行时间质量分析仪的组合；飞行时间质量分析仪；三维离子阱；或者二维离子阱。
在一些实施方式中，所述系统还可以包括控制模块，所述控制模块通信地联接至并调节离子源、冷却室、气体流控制器、气体歧管、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个。
在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。其它特征优点将通过描述和附图以及通过权利要求变得显而易见。
附图说明
图1是示例性气相色谱/质谱(GC/MS)系统的示意图。
图2是示例性气相色谱/质谱/质谱(GC/MS/MS)系统的示意图。
图3A和3B示出了示例性离子源的剖视图。
图4示出了示例性离子源和示例性离子传输室的一部分的剖视图。
图5示出了另一示例性离子源和示例性离子室的一部分的剖视图。
图6示出了示例性离子源的剖视图。
图7示出了图4所示的示例性离子源和示例性离子传输室，以及示例性四极质量过滤器的一部分的剖视图。
图8示出了示例性离子源，示例性离子传输室和示例性四极质量过滤器的剖视图。
图9示出了另一示例性离子源、另一示例性离子传输室和另一示例性四极质量过滤器的剖视图。
具体实施方式
图1示出了示例性气相色谱/质谱(GC/MS)系统100的简化示意图。系统100包括气相色谱仪102，离子源104，离子传输室106，四极质量过滤器108，离子检测器110和控制模块112。
在系统100的操作过程中，样品被注入到气相色谱仪102的注入器端口114中，并进入毛细管柱116中。样品成分借助于氦气流流过柱116并流过加热炉118。样品成分根据它们在柱116中的相对滞留而分离。例如，样品成分的分离可以取决于柱的尺寸(例如，长度，直径，膜厚)及其相性质。样品中不同分子之间化学性质的差异以及它们对柱固定相的相对亲和力，会随着样品在柱长度方向上移动而促进分子的分离。
柱116的出口部分120穿过加热的传输部件122，使得柱116的出口端口124位于离子源104内。在柱116中分离后，样品成分从出口端口124依次洗脱到离子源104中。
在一些情况下，离子源104可以是电子电离离子源。例如，如图1所示，离子源104可产生电子束126通过离子源104的离子体积128，从而使一部分洗脱成分通过与电子束126中的电子相互作用而被电离。尽管在图1中显示了电子电离离子源，但其他离子源也是可能的。例如，在一些情况下，离子源104可以是化学电离离子源。
离子源104还通过向引出电极134和/或推斥电极(未示出)和/或粒子体积壳体施加电压来在离子体积128内产生电场(在图中由等势轮廓130示出)。在离子体积128内形成的样品离子响应电场，并通过引出电极134中的孔132加速离开离子源104。
样品离子通过引出电极孔132引出，并由离子传输室106传输到四极质量过滤器108的入口。
四极质量过滤器108的传输效率和分辨能力取决于进入四极质量过滤器108的样品离子束的特性(例如，当样品粒子进入四极质量过滤器108时，样品离子的径向位置、角度以及较小程度地动能)。这些离子束特性又受离子源的电离效率和发射特性以及系统中使用的任何离子传输光学器件(例如DC电极透镜)聚焦特性的限制。
为了改善这些特性，在一些情况下，离子传输室106可以包括离子导向器136，该离子导向器136在离子传输室106中产生射频(RF)场。在一些情况下，离子传输室106还可以产生轴向电场(即，沿样品离子束的行进路径的方向延伸的电场)。离子传输室106也可以用气体加压。离开离子源的样品离子穿入离子传输室106，并在穿过离子导向器136的长度时受到RF场的约束而围绕离子导向器轴138振荡。与气体分子的碰撞消散了样品离子的动能，从而减小了其径向偏移和动能，因此，在到达离子传输室106的出口端140时，样品离子可以以改进的射束特性(例如，径向位置和角度的变化较小，并且具有较低的动能)聚焦到四极质量过滤器108的入口中，与传统的静电光学器件相比，具有更大的离子传输和/或分辨能力。这也可以是有益的，例如，因为它提高了最初宽的空间和角度离子分布(例如从离子源104产生的)的传输效率。
在离子传输室106的出口140处聚焦的离子束被注入四极质量过滤器108的入口，以对样品离子进行质量分析。四极质量过滤器质量可分辨样品离子(例如，基于其质荷比(m/z))。作为示例，四极质量过滤器108可以包括以2×2配置布置的四个平行的导电杆，其中每个相对的杆对电连接在一起。具有DC偏置电压的RF电压施加在各对杆之间。当样品离子沿杆之间的四极向下移动时，对于给定的电压比，只有具有一定质荷比的离子才能到达检测器。其他离子具有不稳定的轨迹，并会与杆碰撞。这允许选择具有特定m/z的离子。
质量分解的离子通过四极质量过滤器108的出口端离开，然后由离子检测器110检测。来自离子检测器110的输出信号由控制模块112处理，其中记录了所传输的m/z的离子的信号强度。
系统100还包括真空泵系统142，其抽空系统100的各个阶段。例如，真空泵系统142可以与离子源104、离子传输室106、四极质量过滤器108和/或离子检测器110气体连通，并且可以被配置成去除其中所包含的杂散颗粒。
除了处理来自离子检测器的输出信号之外，控制模块112还可以控制系统100的某些或所有其他组件的操作。例如，在一些情况下，控制模块112可以通信地联接到离子源104、离子传输室106、四极质量过滤器108、离子检测器110和/或真空泵系统142，并提供指令或命令来调节每个部件的性能。在一些情况下，控制模块112可以至少部分地使用一个或多个计算设备(例如，一个或多个电子处理设备，每个都具有一个或多个微处理器，例如个人计算机、智能手机、平板计算机、服务器计算机等)实现。
尽管在图1中示出了单个四极配置(即，GC/MS系统)，但这仅是说明性示例。例如，图1中所示的单四极质量过滤器108可以用任何其他质谱仪配置代替，从而导致如上所述的针对单四极质量过滤器配置的改进的灵敏度和质量区分。在一些情况下，系统可以具有多个四极配置。作为示例，图2是示例气相色谱/质谱/质谱(GC/MS/MS)系统200(即，双四极配置)的简化示意图。系统200包括气相色谱仪202，离子源204，两个离子传输室206a和206b，两个四极质量过滤器208a和208b，离子检测器210和控制模块212。
通常，离子源204可以类似于图1所示的离子源104起作用。例如，在系统200的操作期间，将样品注入到气相色谱仪202的注入器端口214中，并进入毛细管柱216。样品成分借助于氦气流流过柱216并流过加热炉218。样品成分根据它们在柱216中的相对滞留而分离。
类似地，柱216的出口部分220穿过加热的传输部件222，使得柱216的出口端224位于离子源204内。在柱216中分离后，样品成分从出口端224依次洗脱到离子源204中。
如上所述，在一些情况下，离子源204可以是电子电离离子源。例如，如图2所示，离子源204可产生电子束226通过离子源204的离子体积228，从而使一部分洗脱成分通过与电子束226中的电子相互作用而被电离。
此外，离子源204还通过向引出电极234和/或推斥电极(未示出)和/或粒子体积壳体施加电压来在离子体积228(在图中由等电位轮廓230示出)内产生电场。在离子体积228内形成的样品离子响应电场，并通过引出电极234中的孔232加速离开离子源204。
类似地，样本离子通过引出电极孔232引出，并由离子传输室206a传输到四极质量过滤器208a的入口。离子传输室206a包括离子导向器236a(例如，仅RF离子导向器)和碰撞气体，以将离子从引出电极孔232聚焦到四极质量过滤器208a，这与上述离子传输室106类似。
在离子传输室206a的出口240处聚焦的离子束被注入到四极质量过滤器208a的入口中，并且被质量分解。由四极质量过滤器208a选择的质量分解离子(即“前体”离子)被加速入口第二离子传输室206b。
第二离子传输室206b可以与图1所示的离子传输室106类似地起作用。例如，第二离子传输室206b可以包括离子导向器236，该离子导向器236在离子传输室206a中产生RF场。在一些情况下，离子传输室206b还可以产生轴向电场(即，沿样品离子束的行进路径的方向延伸的电场)。离子传输室206b也可以用气体加压。离开四极质量过滤器208a的样品离子进入离子传输室206b，并在穿过离子导向器236的长度时受到RF场的约束而围绕离子导向器轴238振荡。与气体分子的碰撞消散了样品离子的动能，从而降低了其径向偏移和动能，因此，在到达离子传输室206b的出口端246时，样品离子可以以改善的射束特性聚焦到第二四极质量过滤器208b的入口。此外，在碰撞室中与气体分子的高能碰撞导致前体离子分裂成碎片离子。
然后，碎片离子由第二四极质量过滤器208b质量分解，然后由离子检测器210检测。来自离子检测器210的输出信号由控制模块212处理，其中根据离子质量记录信号强度。
类似地，系统200还包括真空泵系统242，真空泵系统242抽空系统200的各个阶段。例如，真空泵系统242可以与离子源204、离子传输室206a和206b、四极质量过滤器208a和208b和/或离子检测器210气体连通，并且可以被配置成去除其中所包含的杂散颗粒。
除了处理来自离子检测器的输出信号之外，控制模块212还可以控制系统200的某些或所有其他组件的操作。例如，在一些情况下，控制模块212可以被通信地联接到所述离子源204、离子传输室206a和206b、四极质量过滤器208a和208b、离子检测器210、和/或真空泵系统242，并提供指令或命令来调节每个部件的性能。在一些情况下，控制模块212可以至少部分地使用一个或多个计算设备(例如，一个或多个电子处理设备，每个都具有一个或多个微处理器，例如个人计算机、智能手机、平板计算机、服务器计算机等)实现。
图3A示出了离子源300的简化剖视图。离子源300可以用作例如图1和图2所示的离子源。
如图3A所示，离子源300包括输入端口302a和302b、推斥极304、引出电极306和引出电极孔308。
在离子源300的操作期间，离子源300通过输入端口302a接收分析物(例如，来自GC柱的洗脱样品成分)。
离子源300还产生电子束312(例如，通过热电子发射，其通过利用流过金属细丝316的电流加热金属细丝316而实现)，并将电子束312从输入端口302b导入电离室310中。电子束312中的电子通过在细丝316和电离室310壳体之间施加的电势差从细丝316加速到电离室310中。在一些情况下，该电势差可以约为70V。在一些情况下，可以将该电势差调节为5至150V。电子束312通过使一部分分析物分子与电子束312中的电子相互作用而电离。
此外，离子源300通过向引出电极306和/或推斥电极304和/或离子体积壳体320施加电压来在电离室310内产生电场(在该图中由等势轮廓314示出)。在电离室310内形成的电离的分析物响应电场，并通过引出电极孔308加速离开离子源300。
如图3B所示，电场(由施加到推斥极304和/或引出电极306和/或电离室外壳的电势引起)使电离的分析物聚焦并使电离的分析物通过引出电极孔132加速离开离子源300。电离的分析物的模拟路径显示为轨迹315。
尽管上面描述了示例性施加电势，但是这些仅仅是示例性示例。实际上，可以将不同的电势施加到推斥极304和/或引出电极306，以调节离子源300的离子束聚焦和离子加速特性。通常，在推斥电极304、引出电极306和电离体积壳体之间施加的电压差取决于这些面对电离体积的电极表面的尺寸和形状。在一些情况下，这些差异的范围可以从几分之一伏到数十伏。但是，它们的实际值取决于入口下游RF离子导向器的离子的最佳动能，因为它们的动能取决于电离体积中电离点的电势与后续下游离子导向器DC偏置电压之间的差。另一方面，RF离子导向器的DC偏置电压将控制离子导向器出口处的离子的电势，这些离子在离子传输室中已被碰撞冷却。然后，该离子导向偏置电压与下游质量过滤器之间的差将确定离子被引导到下游质量过滤器中时粒子的动能。在一些情况下，施加到离子源电极的电压可以是-50V至+50V。
此外，引出电极306的形状也可以不同以调节离子源300的离子束聚焦和离子加速特性。例如，图4示出了示例性离子源400和示例性离子传输室450的一部分的简化剖视图。离子源400和离子室450可以用作例如图1和图2所示的离子源和离子传输室。离子源400限定大致圆柱形的腔室402，以及定位于腔室402的远端的引出电极404。在该示例中，引出电极404沿着腔室402的轴向延伸(例如沿着离子束轴或中心轴406)具有大体环形的横截面，并且限定了孔408。此外，孔408的横截面直径从引出电极404的最靠近腔室402的中心的部段到腔室402的远端410单调减小。因此，引出电极404的内表面412限定为截头圆锥的形状(例如，孔408为截头圆锥形的)。
尽管在图4中示出了引出电极404的示例形状，但这仅是示例性示例。实际上，可以改变引出电极404的一个或多个尺寸，以调节离子源300的离子束聚焦和离子加速特性。例如，在一些情况下，引出电极404的轴向长度422可以在0.5mm至10mm之间。作为另一示例，引出电极404的直径414可以在0.5mm和5mm之间。作为另一个示例，圆锥角416(即，中心轴线406与内表面412之间的角)可以在60度至150度之间。作为另一个示例，最小环形厚度418可以在0.5mm和2mm之间。作为另一个示例，最大环形厚度420可以在1mm和3mm之间。实际上，取决于实现方式，其他尺寸也是可能的。
在图4所示的示例中，离子源400包括单个整体引出电极404。但是，不必如此。在一些实施方式中，离子源可包括共同限定出口孔的多个引出电极。例如，图5示出了另一示例性离子源500和示例性离子室550的一部分的简化剖视图。离子源500和离子室550例如可以用作图1和图2所示的离子源。如前所述，离子源500限定了近似圆柱形的腔室502。
然而，在该示例中，离子源500包括多个引出电极504a-c。每个引出电极504a-c为环形或盘状的，每个限定相应的孔506a-c。孔506a-c是同心的，并且共同限定出口孔508。孔508的横截面直径从引出电极504a(即，最靠近腔室502的中心的引出电极)到引出电极506c(即，腔室502的远端510上的引出电极)单调减小。因此，孔506-a-c限定近似截头圆锥形的形状(例如，梯形截头圆锥形的形状)。
可以将电势施加到每个引出电极504a-c。在一些情况下，可以将相同的电势施加到每个引出电极504a-c。在一些情况下，可以将不同的电势施加到一些或全部引出电极504a-c。例如，在一些情况下，施加到任何电极504a-c的电压可以在-100V至+100V的范围内。
此外，可以改变每个引出电极504a-c的尺寸，以调节离子源500的离子束聚焦和离子加速特性。例如，在一些情况下，每个引出电极504a-c的轴向长度可以在0.5mm至3.0mm之间。作为另一个示例，每个引出电极504a-c的直径可以在1mm和10mm之间。作为另一个示例，每个引出电极504a-c的内径可以在0.5mm和5.0mm之间。作为另一个示例，最小环形厚度(例如，最中心引出电极504a的环形厚度)可以在0.5mm和5.0mm之间。作为另一个示例，最大环形厚度(例如，最靠近端部510的引出电极504c的环形厚度)可以在0.5mm和5.0mm之间。实际上，取决于实现方式，其他尺寸也是可能的。
此外，尽管如图5所示的三个引出电极504a-c，这也仅是说明性示例。实际上，离子源可包括任意数量的引出电极(例如，一个，两个，三个，四个，五个或更多)。类似地，施加到每个引出电极的电势和每个引出电极的尺寸可以不同，以赋予离子源不同的离子束聚焦和离子加速特性。
在一些情况下，离子源可以包括磁场发生器，该磁场发生器被配置为在与电子束的方向平行并且与电子束一致的方向上产生磁场。例如，这可能是有用的，因为它可以使电子束的电子绕着电子束的方向沿螺旋方向行进，从而延长了离子室内每个电子的路径，并增加了每个电子与分析物相互作用并且电离分析物的可能性。
作为示例，图6示出了离子源600的简化剖视图。离子源600可以用作例如图1和图2所示的离子源。
如图6所示，离子源600包括输入端口602a和602b、推斥极604和引出电极606。
在离子源300的操作期间，离子源600通过输入端口602a接收分析物(例如，来自GC柱的洗脱样品成分)。通过推斥极604将分析物推入电离室608。
离子源300还生成电子束610(例如，通过利用流过金属细丝的电流加热金属细丝316)，并将电子束610从输入端口602b导入电离室608。离子源还包括两个永磁体612a和612b，其定位于电子束610的相对端，并在平行于电子束方向的方向上对准。这在离子室612中产生磁场(由磁场矢量614表示)。
图7示出了图4中所示的示例性离子源400和示例性离子传输室450以及示例性四极质量过滤器700的一部分的简化剖视图。离子源400、离子传输室450和四极质量过滤器700可以用作例如图1和图2所示的离子源、离子传输室和四极质量过滤器。如图7所示，离子室450限定了近似圆柱形的内部腔室702。离子腔室450还包括沿着内部腔室702的长度延伸的离子导向器704。在图7所示的示例中，离子导向器704包括四个平行的导电杆706a-d，它们以2x2的配置围绕着离子导向器轴线708布置，其中每个相对的杆对(例如706a和706d，以及706b和706c)电连接在一起。由于图7所示的剖视图，杆706b和706c以剖视图示出，而杆706d未示出。在每个杆对之间施加RF电压以在内部腔室702中生成RF场。离开离子源400的样品离子入口离子传输室450的内部腔室702中，并且在它们穿过内部腔室702和离子导向器704的长度时，受到RF场的约束而围绕离子引导轴708振荡。离子导向器704RF场沿离子导向器轴708感应出径向拟势阱。
导电杆706a-d各自与离子引导轴708等距，并且围绕离子引导轴708径向分布(例如，相对于离子引导轴708以导电杆706a-d之间90°角的距离定位)。每个导电杆706a-d与离子引导轴708之间的距离可以变化。例如，离子引导轴708与导电杆的中心之间的径向距离710可以在1mm至10mm之间。
导电杆706a-d的尺寸也可以变化。例如，每个导电杆706a-d的长度712可以在10mm和200mm之间。作为另一示例，每个导电杆706a-d的直径714可以在1mm和10mm之间。
实际上，取决于实现方式，其他尺寸也是可能的。
施加到每个相对的杆对的RF电压也可以变化。例如，在一些情况下，可以使用10V至超过1000V RF的电压。
在一些情况下，离子导向器704还可以包括定位于离子传输室450轴向两端之一的附加电极。例如，如图7所示，离子导向器704包括四个附加电极，导电电极716a-d，它们围绕离子导向器轴708布置，每个相对的杆对(例如716a和716d，以及716b和716c)电连接在一起。由于图7所示的剖视图，电极716b和716c以剖视示出，而电极716d未示出。在一些情况下，每个电极可以与对应的导电杆轴向对准并电连接到相应的导电杆。例如，电极716a可以与杆702a轴向对准并电连接到杆02a，电极716b可以与杆702b轴向对准并电连接到杆702b，电极716c可以与杆702c轴向对准并电连接到杆702c，并且电极716d可以与杆702d轴向对准并且电连接到杆702d。例如，这可能是有益的，因为它使离子导向器704能够在内部腔室702内生成更一致的RF场，从而提高了离子传输室450的聚焦特性。
在一些情况下，离子传输室450还可以产生轴向电场(即，沿着样品离子束沿离子导向轴708的行进路径的方向延伸的电场)，该电场进一步迫使样品离子轴向通过离子传输室450。例如，这在确保离子传输室450内的碰撞不会显着延迟离子通过离子传输室450并入口四极质量过滤器的传输中可以是有用的。
在一些情况下，离子传输室450也可以用气体加压。例如，如图7所示，离子传输室450可以包括气体歧管718(例如，输入端口或孔)，用于接收来自气体源(例如，气罐)的气体，使得内部腔室702被加压。内部腔室702中的气压可以变化。例如，内部腔室702内的气压可以为大约1mTorr至100mTorr。可以使用诸如氮气、氩气、氦气等的各种气体来加压内部腔室702。
如上所述，样品离子与气体分子之间的碰撞消散了样品离子的动能，从而降低了样品离子的径向偏移和动能。因此，在到达离子传输室450的出口端720时，样品离子可以以改善的射束特性被聚焦到四极质量过滤器700的入口中。
作为示例，图8示出了示例离子源800、示例离子传输室810和示例四极质量过滤器820的简化剖视图。离子源800、离子传输室810和四极质量过滤器820可以用作例如图1和图2所示的离子源、离子传输室和四极质量过滤器。电离的分析物的模拟路径显示为路径802。如图8所示，离子源800接收分析物(例如，从GC柱洗脱的样品成分)并使所接收的粒子电离。电离的分析物聚焦在离子源800内，并加速进入离子传输室810。离子传输室810进一步使电离的分析物聚焦，并减小电离的分析物的动能(由于在离子传输室810内加压的气体的碰撞)。随后将电离的分析物注入质量过滤器820中以进行进一步处理。
在一些情况下，可以将气体分子定向注入到离子传输室内，从而在离子传输室内引起定向的气体流动。例如，这可以是有益的，因为与没有这种定向气流的情况相比，它可以更快地减少样品离子的径向偏移和动能，并且当离子在轴向电场存在或不存在的情况下沿路径碰撞冷却时，它有利于离子沿轴的连续运动。作为示例，可以注入气体分子，使得气体流沿着离子传输室的延伸轴线在从离子传输室的入口到离子传输室的出口的方向上延伸。
作为示例，图9示出了示例离子源900、示例离子传输室910和示例四极质量过滤器920的简化剖视图。离子源900、离子传输室910和四极质量过滤器920可以用作例如图1和图2所示的离子源、离子传输室和四极质量过滤器。如图9所示，气体分子(由虚线902表示)被定向注入到离子传输室910中(例如，经由气体管道或导管904)。气体分子流过离子传输室910(例如，在沿着离子传输室910的延伸轴线906的轴向上)，形成定向气体射流。该气体射流推动样品离子通过离子传输室910。
在一些情况下，可以将气体分子定向注入到离子传输室中，使得所得的气体射流在样品离子上施加轴向力和径向力(例如，正交于轴向力)。例如，如图9所示，离子传输室可包括聚焦或漏斗结构908(例如，挡板或凸缘)，其将气体分子径向聚焦成窄流。例如，这有助于进一步压缩样品离子，并进一步减少样品离子的径向偏移。
已经描述了许多实施例。然而，应当理解，在不脱离发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其它实施例在权利要求的范围内。

Claims (38)

1.一种系统，包括：
离子源，包括：
电子源，被配置为在系统运行期间产生电子流；
样品引入组件，被配置为在系统运行期间传输至少一种分析物；
电离室，其具有第一输入端口、第二输入端口和输出端口，
其中，第一输入端口被配置为在系统运行期间接收来自电子源的电子流；
其中，第二输入端口被配置为在系统运行期间从样品引入组件接收至少一种分析物，从而通过至少一种分析物与电离室的电离区域内的电子之间的相互作用产生分析物离子，并且分析物离子沿离子束轴线通过输出端口离开电离室；
其中，所述电离室包括至少两个室电极，所述至少两个室电极被配置为在系统运行期间具有施加到其上的各自独立控制的电压，
其中，所述至少两个室电极包括限定输出端口的出口电极，
其中，出口电极被配置为在系统运行期间具有施加到其上的出口电极电压，
其中，出口电极包括面向电离区域的上游表面，所述上游表面限定了具有较小基部和较大基部的大致截头圆锥形的形状，所述较小基部靠近输出端口或与输出端口重合，
其中，在系统运行期间，由施加于出口电极和至少另一个电极的电压产生的电离室内的电场作用以聚焦并加速来自电离区域的分析物离子通过输出端口；以及
质量分析仪。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述大致截头圆锥形的形状由面对面对接的至少两个盘形成，其中，所述至少两个盘具有相对于所述离子束轴线同心的孔，其中，孔的尺寸分别从最接近电离区域的盘到最远离电离区域的盘单调减小。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，电子束发生器被配置为在系统运行期间在离子源室内沿第一横向方向产生电子束，所述第一横向方向正交于离子束轴线，并且
其中，离子源室包括磁场发生器，所述磁场发生器被配置为在系统运行期间沿平行于电子束方向并与电子束重合的方向上产生磁场。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述磁场发生器包括至少两个永磁体。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述至少两个永磁体在与所述电子束的方向平行的方向上对准。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少两个室电极被配置为产生电场，以在空间上聚焦所述样品离子通过所述离子出口输出端口。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述质量分析仪包括以下中的至少一个：
四极质量过滤器；
由碰撞室隔开的两个四极质量过滤器的组合，
四极质量过滤器、碰撞室和飞行时间质量分析仪的组合；
飞行时间质量分析仪；
三维离子阱；或者
二维离子阱。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述样品引入组件包括气相色谱柱的出口部分。
9.一种系统，包括：
电子电离离子源，配置为在系统运行期间从样品分子产生沿离子束轴延伸的离子束；
碰撞冷却室，包括气体歧管和电场发生器，
其中，冷却室在冷却室的各个相对端上限定入口孔和出口孔，冷却室的入口孔与离子束轴线轴向对准，
其中，冷却室被配置为在系统运行期间：
使用电场发生器在冷却室内产生射频(RF)场，并且
通过气体歧管接收碰撞气体以对冷却室加压；以及
质量分析仪。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述电场发生器还被配置为在系统运行期间产生沿冷却室的长度的至少一部分延伸的轴向电场。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述冷却室被配置为在系统运行期间在1mTorr至100mTorr的范围内的压力下以碰撞气体加压。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述冷却室被配置为系统运行期间：
通过第二入口孔从离子源室接收离子；
降低至少一些接收的离子的动能；并且
通过第二出口室将至少一些接收的离子排出冷却室。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，降低至少一些接收的离子的动能包括在接收的离子与冷却气体的分子之间引起一个或多个碰撞。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述电场发生器包括沿所述冷却室的长度的至少一部分延伸的多个导电杆，其中，所述杆在所述冷却室内轴对称地布置。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述冷却室出口孔包括围绕冷却室出口轴线轴对称地布置的多个出口孔电极，其中，所述多个出口孔电极被配置为在系统运行期间具有施加到其上的RF和DC偏置电压。
16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述质量分析仪被配置为在系统运行期间从所述冷却室接收离子以进行质量分析。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述质量分析仪包括以下中的至少一个：
四极质量过滤器；
由碰撞室隔开的两个四极质量过滤器的组合；
四极质量过滤器、碰撞室和飞行时间质量分析仪的组合；
飞行时间质量分析仪；
三维离子阱；或者
二维离子阱。
18.根据权利要求16所述的系统，还包括气相色谱仪，其中，所述离子源室被配置为在系统运行期间接收来自所述气相色谱仪的样品流出物。
19.根据权利要求9所述的系统，还包括控制模块，所述控制模块通信地联接至离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个，
其中，控制模块被配置为在系统运行期间调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作包括：
调节样品粒子从气相色谱仪到离子源室的传输。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作包括：
通过离子源室调节至少一些样品粒子的电离。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作包括：
调节一个或多个电极中每个电极的电势。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作包括：
通过电场发生器调节在冷却室内的RF场的产生。
24.根据权利要求19所述的系统，其中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作包括：
调节惰性气体通过气体歧管到冷却室中的传输。
25.根据权利要求19所述的系统，其中，调节离子源、冷却室、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个的操作包括：
调节电离的样品粒子的过滤。
26.一种系统，包括：
离子源室，包括：
第一输入端口；
第二输入端口；
第一出口端口；以及
靠近第一出口端口的一个或多个室电极，其中，所述离子源室被配置为在运行期间：
通过第一入口端口接收分析物，
通过第二入口端口接收电子流，
通过分析物和电子之间的相互作用，在离子源室内的电离区域中产生分析物离子，并且
使用一个或多个室电极沿着离子束轴线从离子源室通过出口端口聚焦并加速分析物离子，并且
其中，一个或多个电极沿离子束轴线限定电极孔，并且
其中，电极孔的横截面积沿离子束轴线在从电离区域到第一出口端口的方向上单调减小。
27.根据权利要求26所述的系统，还包括：
冷却室，包括：
气体歧管，
电场发生器，
在冷却室的第一端上的第三输入端口，其中第三输入端口与离子束轴线轴向对准，
在冷却室的第二端上的第二出口端口，其中，冷却室被配置为在系统运行期间：
使用电场发生器在冷却室内产生射频(RF)场，并且
通过气体歧管接收碰撞气体以对冷却室加压。
28.一种系统，包括：
1)离子源，被配置为在系统运行期间将样品分子转变为多个离子，并通过离子源出口输出端口将离子递送出电离体积；
2)碰撞冷却室，其包括气体歧管、气流导向器、至少一个仅RF离子导向器、轴向场电极组件、入口电极组件和出口电极组件；以及
3)质量分析仪。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述离子源包括以下中的至少一个：
电子冲击(EI)电离源；或者
化学电离(CI)源。
30.根据权利要求28所述的系统，其中，所述轴向场电极组件被配置为在系统运行期间产生沿冷却室的长度的至少一部分延伸的轴向电场。
31.根据权利要求28所述的系统，其中，所述冷却室被配置为在系统运行期间经由气体歧管以碰撞气体加压。
32.根据权利要求28所述的系统，其中，所述气流导向器被定位在冷却室的入口处，并且被配置为在系统运行期间形成与冷却室的入口孔同心的锥形导管，
其中，通过导管的气流使离子径向聚集并使离子向下游移动；以及
其中,气流流量和气体温度能够通过控制器调节。
33.根据权利要求28所述的系统，其中，所述仅RF离子导向器包括多个导电柱电极，所述多个导电柱电极沿所述冷却室的长度的至少一部分延伸并且在所述冷却室内轴对称地布置。
34.根据权利要求28所述的系统，其中，所述入口电极组件被配置为在系统运行期间收集和接收来自离子源的离子，以及
其中，入口电极组件作为一部分集成到离子源中。
35.根据权利要求28所述的系统，其中，所述出口电极组件被配置为在系统运行期间将至少一些离子排出冷却室，并且
其中，所述出口电极组件进一步被方位地划分成具有施加到其上的RF和DC偏置电压的至少四个子单元。
36.根据权利要求28所述的系统，其中，所述质量分析仪被配置为在系统运行期间从所述冷却室接收离子以进行质量分析。
37.根据权利要求36所述的系统，其中，所述质量分析仪包括以下中的至少一个：
四极质量过滤器；
由碰撞室隔开的两个四极质量过滤器的组合；
四极质量过滤器、碰撞室和飞行时间质量分析仪的组合；
飞行时间质量分析仪；
三维离子阱；或者
二维离子阱。
38.根据权利要求36所述的系统，还包括控制模块，所述控制模块通信地联接至并调节离子源、冷却室、气体流控制器、气体歧管、质量分析仪、质量分析仪检测系统、气相色谱仪或传输装置中的至少一个。
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