CN111354620B - 多反射质谱仪 - Google Patents

Abstract

一种多反射质谱仪，其包括：两个离子镜，所述两个离子镜在方向X上彼此隔开并相对，每个离子镜大体上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交；脉冲离子注入器，所述脉冲离子注入器用于将离子脉冲注入到所述离子镜之间的空间中，所述离子以与所述X方向成非零倾角进入所述空间，所述离子由此形成沿着之字形离子路径的离子束，所述离子束在所述方向X上在所述离子镜之间具有N次反射，同时沿所述漂移方向Y漂移；检测器，所述检测器用于在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测离子；以及离子聚焦布置，所述离子聚焦布置至少部分地定位在相对的离子镜之间，并且被配置成在所述漂移方向Y上提供对所述离子束的聚焦，以使所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值，其中所有检测到的离子均是在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测到的。

Description

多反射质谱仪

技术领域

本发明涉及质谱领域，具体地说，飞行时间质谱仪和静电阱质谱仪。本发明尤其涉及利用多重反射技术以扩展离子飞行路径并提高质量分辨率的飞行时间质谱仪和静电阱质谱仪。

背景技术

飞行时间(ToF)质谱仪被广泛用于根据离子沿着飞行路径的飞行时间来确定离子的质荷比(m/z)。在ToF质谱仪中，短脉冲离子是由脉冲离子注入器产生的，并沿着指定的飞行路径通过真空空间到达离子检测器。然后，检测器检测离子的到达并将输出提供给数据采集系统。脉冲形式的离子根据其沿着飞行路径的飞行时间按m/z进行分离，并以时间分离的短离子包形式到达检测器。

利用多重反射来扩展离子在质谱仪内的飞行路径的各种布置是已知的。需要扩展飞行路径以增加离子在飞行时间(ToF)质谱仪内的飞行时间间隔或增加离子在静电阱(EST)质谱仪中的捕获时间。在这两种情况下，区分离子之间微小质量差异的能力由此得到改善。改进的分辨率以及其通常带来的更高的质量准确性和灵敏度方面的优势，是质谱仪广泛应用的重要属性，特别是在如蛋白质组学和代谢组学等生物科学领域。

假设离子聚焦特性保持恒定，则飞行时间质谱仪中的质量分辨率会随着离子飞行路径的长度成比例增加。令人遗憾的是，离子能量的分布和空间电荷的相互作用会导致离子在飞行中扩散，这在较长的系统中会导致离子从分析仪中丢失或以高度异常的飞行时间到达检测器。

Giles和Gill在US9136100中公开，在如图1所示的传统单反射ToF分析仪的飞行管中间位置处增加另外的聚焦透镜足以大大减少离子镜和检测器处的离子束发散，从而可以增加离子飞行路径的长度。

Nazerenko等人在SU1725289中公开了一种多反射飞行时间分析仪(MR-ToF)，所述分析仪由在漂移方向上伸长的两个相对的离子镜组成。离子在离子镜之间振荡同时沿系统的长度向下漂移，沿漂移方向到达检测器，使得离子遵循之字形的飞行路径，离子在离子镜之间反射，从而导致长飞行路径折叠成体积相对较小，如图2所示。问题在于所述系统无法减少离子束在漂移方向上的发散，因此只有很少的反射是可能的，直到离子束比任何检测器都宽为止。扩束不受控制的另一个问题是，来自不同反射次数的离子可能会到达检测器，从而产生单个m/z离子的额外的“泛音”峰。为了解决这个问题，Verenchikov在GB2478300中提出了在这种系统中允许或引起离子束发散，并使用信号处理从数据中生产单个峰。离子源和检测器之间的长焦透镜用于更改泛音的数量和/或位置。

Verenchikov在GB2403063中证明了漂移发散问题的解决方案。这个解决方案使用周期性间隔的透镜，所述透镜定位在两个平行伸长的相对镜之间的无场区域内，如图3所示。周期性透镜在每次反射、每隔一次反射或每隔几次反射后提供规则的漂移聚焦。基于这种设计的仪器显示出50,000-100,000甚至更高的高分辨率。主要缺点是离子路径由透镜位置严格定义，并且需要精确对准许多元件以使ToF像差和离子损失最小化。在这种布置中，反射的数量由透镜的位置设置，并且不可能通过改变离子注入角度来改变反射的数量，由此改变飞行路径的长度。透镜的受限空间接受度还需要非常紧密聚焦的离子束，从而使系统相对容易受到离子数量较高的空间电荷效应的影响。为了进一步增加路径长度，提出了将偏转器放置在远离离子注入器的镜结构的远端，使得离子可以通过镜结构偏转回去，从而使飞行路径长度加倍。然而，以这种方式使用偏转器易于引入离子束像差，这将最终限制可获得的最大分辨能力。

Sudakov在WO2008/047891中还公开了一种系统，所述系统包括在漂移方向上伸长的两个相对的离子镜，但提出了一种替代方法，既可以通过使离子沿漂移长度返回来使飞行路径长度加倍，又可以同时引起漂移方向上的离子束会聚。Sudakov提出将相对的离子镜分段，以在漂移方向上形成叠加的第三离子镜，如图4A所示，使得随着漂移速度的大幅变化，离子被分散开来，然后被反射回镜子前面的一个焦点。因此，第三离子镜被定向为垂直于相对的离子镜，并且定位在远离离子注入器的相对的离子镜的远端。当此类系统中的离子从离子注入器通过分析仪时，其可以在漂移方向上发散，但是第三离子镜逆转了这种发散。在第三离子镜中反射之后，一旦回到离子注入器附近，离子将再次在漂移方向上会聚。这有利地允许离子束在其通过分析仪的整个过程中在空间中散布，从而减少空间电荷相互作用，并且避免沿着镜子或在镜子之间使用多个周期性结构进行离子聚焦。第三离子镜还引起相对于漂移方向上的初始离子能量的空间聚焦。然而，第三离子镜必须内置在两个相对的细长离子镜的结构中，并有效地将细长离子镜分段，即，细长离子镜不再连续。这种系统在理论上具有很高的优势，因为其使飞行路径增加了一倍以上，并且高的离子束发散度意味着良好的空间电荷容忍度，以及能够改变注入角度的能力并且几乎没有固有ToF像差(例如像由周期性透镜引起的像差一样，或使用强偏转器将离子束沿漂移方向折回)。令人遗憾的是，将第三离子镜集成到电极结构中所需的相对离子镜的各段之间的强电场会导致离子束的散射，这种效果只能通过大量的段加以限制，从而使离子镜结构非常复杂。

Grinfeld和Makarov在US 9,136,101中公开了一种在包括在漂移方向上伸长的两个相对的离子镜的系统中在漂移方向上实现反射的实用方法。他们公开了通过会聚相对的离子镜在漂移方向上产生的反射，这些反射沿漂移方向产生了伪电势梯度，所述伪电势梯度充当离子镜以反转离子漂移速度并在漂移方向上将离子空间上聚焦到放置有检测器的焦点处。特殊形状的中央校正或补偿电极用于校正由非恒定的离子镜间隔引起的ToF像差。如图4B所示，这种布置避免了离子束的散射，并且消除了Sudakov提出的对复杂离子镜结构的需要和对第三离子镜的需要。然而，在离子镜会聚和校正电极电势之间的平衡仍然需要高的机械精度。

鉴于以上所述，可以看出，仍然需要改进多反射飞行时间(MR ToF)质谱仪和静电阱(MR-EST)质谱仪。这种光谱仪的期望特性包含扩展飞行时间分析仪中的飞行路径以提供高分辨率(例如，>50K)，同时保持相对紧凑的尺寸、高离子传输率、坚固的结构以及对微小机械偏差的耐受性。

发明内容

在一方面，本发明提供了一种多反射质谱仪，所述多反射质谱仪包括：

两个离子镜，其在方向X上彼此隔开并相对，每个离子镜大体上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交，

脉冲离子注入器，其用于将离子脉冲注入到所述离子镜之间的空间中，所述离子以与所述X方向成非零倾角进入所述空间，所述离子由此形成沿着之字形离子路径的离子束，所述离子束在所述方向X上在所述离子镜之间具有N次反射，同时沿所述漂移方向Y漂移，

检测器，其用于在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测离子，以及

离子聚焦布置，其至少部分地定位在相对的离子镜之间，并且被配置成在所述漂移方向Y上提供对所述离子束的聚焦，以使所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N和0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值，其中所有检测到的离子均是在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后由所述检测器检测到的。

所述离子聚焦布置确保所述检测器仅检测到已完成所述离子镜之间数量完全相同的N次反射(即离开所述离子注入器与被所述检测器检测到之间的N次反射)的离子。

优选地，由于所述离子聚焦布置的聚焦特性，所述离子检测器处的所述离子束在所述漂移方向Y上的宽度与所述离子聚焦布置处的离子束宽度基本相同。优选地，第一次反射时所述离子束在所述漂移方向上的空间展度与第N次反射时所述离子束在所述漂移方向上的空间展度基本相同。优选地，所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度通过单个最小值，所述最小值基本上是在沿所述离子聚焦布置与所述检测器之间的离子路径的一半处。

优选地，所述离子聚焦布置包括用于在所述沿漂移方向Y上聚焦所述离子的一个漂移聚焦透镜或一对漂移聚焦透镜。优选地，至少一个漂移聚焦透镜是会聚透镜(即，对离子束宽度具有会聚作用，特别是在所述漂移方向Y上)。优选地，所述会聚透镜聚焦所述离子，使得所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在所述会聚透镜处具有最大值，所述最大值为所述最小空间展度的1.2-1.6倍，或约√2倍。此外，优选地，所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在会聚透镜处具有最大值，所述最大值的范围为所述离子注入器处的所述离子束在所述漂移方向Y上的初始空间展度的2倍到20倍。优选地，所述(一个或多个)漂移聚焦透镜在所述X方向上定位在所述离子镜之间的空间的中央，即所述离子镜之间的一半，但是在一些实施例中，所述(一个或多个)透镜可以在所述X方向上定位在远离这一中央位置的位置处。

从所述离子注入器到所述离子检测器，所述离子束在所述离子镜之间经历总共K次振荡。在每次振荡中，离子传播的距离是离子镜间隔距离的两倍，因此K等于N/2，其中N是离子镜之间反射的总次数。K值优选为在最佳值K_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内的值，所述最佳值由下式给出：

其中D_L是所述离子束在所述漂移方向Y上传播的漂移长度，Π是相体积，其中Π＝δα_i.δx_i并且δα_i是所述初始角展度，δx_i是所述离子束在所述离子注入器处的初始空间展度，并且W是在X方向上离子镜之间的距离。优选地，在通过所述离子聚焦布置进行聚焦之后，所述离子束的角展度δα在最佳值δα_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内，所述最佳值由下式给出：

优选地，所述离子注入器处所述离子束在所述漂移方向Y上的所述初始空间展度δx_i为0.25-10mm或0.5-5mm。

离子聚焦布置优选地定位在离子镜中的第N/4次反射之前或次数小于0.25N的反射之前。在一些优选实施例中，所述离子聚焦布置包括定位在所述离子镜中的第一次反射之后和第五次反射之前(特别是第四次、第三次或第二次反射之前)的漂移聚焦透镜。更优选地，所述离子聚焦布置包括定位在所述离子镜中的第一次反射之后和离子镜中的第二次反射之前的漂移聚焦透镜。在一些优选实施例中，离子聚焦布置仅具有定位在第一次反射之后和检测器之前的单个漂移聚焦透镜。在这种实施例中，所述单个漂移聚焦透镜优选地定位在离子镜中的第一次反射之后和第二次反射之前。

优选地，具有一个或多个漂移聚焦透镜的透镜包括透轴透镜，其中所述透轴透镜包括一对相对的透镜电极，所述一对相对的透镜电极在方向Z上定位在所述离子束的任一侧，其中方向Z垂直于方向X和Y。优选地，所述相对的透镜电极中的每一个包括圆形、椭圆形、准椭圆形或弧形电极。在一些实施例中，所述一对相对的透镜电极中的每一个包括电极阵列，所述电极阵列被电阻器链分隔以模拟由具有弯曲边缘的电极产生的场曲率。在一些实施例中，所述相对的透镜电极各自被放置在电接地组件内。在一些实施例中，所述透镜电极各自被放置在偏转器电极内。进一步优选地，每个偏转器电极放置在电接地组件内。所述偏转器电极优选地具有外部梯形形状，所述外部梯形形状充当所述离子束的偏转器。

在一些实施例中，所述漂移聚焦透镜包括多极杆组件。在一些实施例中，所述漂移聚焦透镜包括单透镜(一系列电偏置的孔)。

在一些优选实施例中，离子聚焦布置包括第一漂移聚焦透镜和第二漂移聚焦透镜，所述第一漂移聚焦透镜是漂移方向Y上的发散透镜(即，对离子束宽度具有发散作用，特别是在漂移方向Y上)，所述第二漂移聚焦透镜位于所述第一漂移聚焦透镜的下游。在一些优选实施例中，所述离子聚焦布置包括：第一漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之前，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第一漂移聚焦透镜是发散透镜；以及第二漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之后，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第二漂移聚焦透镜是会聚透镜(即，对离子束宽度具有会聚作用，特别是在漂移方向Y上)。

在一些实施例中，离子聚焦布置包括至少一个注入离子偏转器，其定位在离子镜中的第一次反射之前，例如用于在注入离子束时调节所述离子束的倾角。优选地，所述离子束相对于所述X方向的倾角由所述脉冲离子注入器相对于所述方向X的离子射出角度和/或由定位在离子镜中的第一次反射之前的注入偏转器引起的偏转所决定。在某些实施例中，所述第一漂移聚焦透镜可以被放置在所述至少一个注入偏转器内。在一些实施例中，任选地，除了定位在离子镜中的第一次反射之前的注入离子偏转器之外，离子聚焦布置还包括至少一个定位在第一次反射之后，但优选地在第四次、第三次或最优选地在第二次反射之前的离子偏转器。可以使用定位在第一次反射之后的离子偏转器来调整或优化离子束对准。在一些优选实施例中，质谱仪进一步包括一个或多个补偿电极，所述补偿电极在离子镜之间的空间中或附近沿漂移方向Y的至少一部分延伸，以使例如由离子束偏转引起的飞行时间像差最小化。

在一些实施例中，反向偏转器定位在所述离子镜的远离所述离子注入器的远端，以减小或反转所述离子在所述方向Y上的漂移速度。在这种实施例中，优选地，另外的漂移聚焦透镜定位在相对的离子镜之间、反向偏转器之前的一次、两次或三次反射，以在所述反向偏转器内将所述离子束聚焦到最小焦距。在一些实施例中，另外的漂移聚焦透镜定位在所述反向偏转器之内或附近(邻近)，以在所述反向偏转器之后的下一次反射时，在离子镜中的一个内将离子束聚焦到最小焦距。在这种实施例中，优选地，离子束两次通过反向偏转器，在每次通过中，接收一半偏转需要完全反转离子漂移速度，使得在第二次通过之后，离子漂移速度被完全反转。

在一些实施例中，其中所述检测器定位在离子镜在漂移方向Y上与所述离子注入器相反的一端，当离子朝向所述检测器行进时，离子镜沿着其在方向Y上的长度的一部分彼此发散。在一些实施例中，从离子镜的最靠近所述离子注入器的端部开始，离子镜沿着其在方向Y上的长度的第一部分朝向彼此会聚(镜之间的距离减小)，并且沿着其在方向Y上的长度的第二部分彼此发散(镜之间的距离减小增大)，所述长度的第二部分与所述检测器相邻。

在一些实施例中，质谱仪可以用于成像，其中检测器是成像检测器，如2D或像素检测器，即位置敏感检测器。

在另一方面，本发明提供了一种质谱分析方法。可以使用本发明的质谱仪执行所述方法。因此，质谱仪的功能如作适当变动也适用于所述方法。所述质谱分析方法包括：

将离子注入到在方向X上彼此隔开并相对的两个离子镜之间的空间中，每个离子镜大体上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交，所述离子以与所述X方向成非零倾角进入所述空间，所述离子由此形成沿着之字形离子路径的离子束，所述离子束在所述方向X上在所述离子镜之间具有N次反射，同时沿所述漂移方向Y漂移，

使用至少部分地定位在相对的离子镜之间的离子聚焦布置在所述漂移方向Y上聚焦所述离子束，以使所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值，以及

在所述离子完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测离子。因此，在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后，所有检测到的离子均被检测到，并且没有检测到泛音。

优选地，聚焦使得第一次反射时所述离子束在所述漂移方向上的空间展度与第N次反射时所述离子束在所述漂移方向上的空间展度基本相同。优选地，聚焦使得所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度通过单个最小值，所述最小值基本上是在沿所述离子聚焦布置与所述检测器之间的离子路径的一半处。优选地，所述离子束在所述离子镜之间经历K次振荡，并且K是在最佳值K_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内的值，所述最佳值由下式给出：

其中D_L是所述离子束在所述漂移方向Y上传播的漂移长度，Π是相体积，其中Π＝δα_i.δx_i并且δα_i是所述初始角展度，δx_i是所述离子束的初始空间展度，并且W是在X方向上离子镜之间的距离。优选地，在进行聚焦之后，所述离子束的角展度δα在最佳值δα_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内，所述最佳值由下式给出：

优选地，使用定位在所述离子镜中次数小于0.25N的反射之前的离子聚焦布置来执行聚焦。优选地，所述离子注入器处的离子束在漂移方向Y上的初始空间展度δx_i为0.25-10mm或0.5-5mm。

优选地，离子聚焦布置包括定位在离子镜中的第一次反射之后和离子镜中的第五次反射之前的漂移聚焦透镜。

在一些实施例中，所述方法进一步包括使用定位在离子镜中的第一次反射之后和离子镜中的第五次反射之前的偏转器来偏转离子束。

在所述方法一些实施例中，所述离子聚焦布置包括：第一漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之前，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第一漂移聚焦透镜是发散透镜；以及第二漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之后，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第二漂移聚焦透镜是会聚透镜。

在一些实施例中，所述方法包括使用定位在离子镜中的第一次反射之前的注入偏转器来偏转离子束。

在一些实施例中，所述方法进一步包括通过使用注入偏转器使离子束偏转来调节离子束相对于X方向的倾角。

在一些实施例中，所述方法进一步包括将一个或多个电压施加到相应的一个或多个补偿电极，所述补偿电极在离子镜之间的空间内或附近沿漂移方向Y的至少一部分延伸，以使飞行时间像差最小化。

在一些实施例中，所述方法进一步包括使用所述离子镜的远离所述离子注入器的远端的反向偏转器来偏转离子束，以减小或反转所述离子在所述方向Y上的漂移速度。在一些这种实施例中，所述方法进一步包括在所述反向偏转器内将离子束聚焦到最小焦距。在一些实施例中，所述方法进一步包括在所述反向偏转器之内或附近(邻近)的聚焦透镜，并在所述反向偏转器之后的下一次反射时，在离子镜中的一个内将离子束聚焦到最小焦距。在这种实施例中，优选地，离子束两次通过反向偏转器，在每次通过中，接收一半偏转需要完全反转离子漂移速度，使得在第二次通过之后，离子漂移速度被完全反转。

在一些实施例中，检测包括例如在成像检测器(如2D或像素检测器)上形成离子源的2-D图像。

路径扩展的多反射飞行时间质谱仪的问题可能是由于需要控制分析仪内的离子束发散而引起的，因为离子可能会从系统中流失或在异常时间到达检测器，从而损害灵敏度和分辨率，或使质谱复杂化。在这方面，现有技术方法已经取得了一些成功，但是通常需要最高的机械精度和对准和/或复杂的结构。GB2478300提出了在这样的系统中允许离子束发散，并使用信号处理从数据中生产单个峰。这一现有技术提到了在离子源和检测器之间使用长焦透镜以改变泛音的数量和位置(通过改变漂移聚焦特性)的可能性，而本公开描述了漂移聚焦布置消除泛音的用途。此外，本公开不包括在每次反射、每隔一次反射或每隔几次反射后的规则或周期性聚焦透镜，例如GB2403063中所示的周期性聚焦透镜的类型。与周期性聚焦相比，本发明更简单、更可调谐并且更易于对准，同时允许更多的离子束扩散，因此具有更好的空间电荷性能。

本公开详细描述了长漂移聚焦离子透镜，或在一些实施例中为一对离子透镜(例如，在伸缩配置中，第一个透镜发散离子束而第二个透镜会聚离子束)减少离子束在多反射ToF(MR-ToF)分析仪或多反射静电阱(MR-EST)分析仪中的漂移扩散的用途。以这种方式，来自离子源或注入器的几乎所有离子都通过适度长(例如>10m)的离子飞行路径被带到检测器中，并且没有明显引入的ToF像差。因此，可以实现高质量分辨率和高离子透射率。在离子注入区域内使用另一个漂移聚焦透镜也是有利的，因为两个透镜的组合可以使离子束的初始空间分布加倍，或者可替代地，使交替轨迹重叠之前的飞行路径加倍。

本发明还被设计成比US 9,136,101中公开的会聚镜系统更能容忍机械误差。

优选地，使用本发明的质谱分析方法包括从相对的离子光学镜的一端将离子注入多反射质谱仪中，这些离子在漂移方向Y上具有分速度。

脉冲离子注入器以与所述X方向成非零倾角将离子脉冲注入到所述离子镜之间的空间中，所述离子由此形成沿着之字形离子路径的离子束，所述离子束在所述离子镜之间沿所述方向X反射N次，同时沿所述漂移方向Y漂移。N是至少为2的整数。因此，离子束在沿漂移方向Y漂移的同时，在离子镜之间沿X方向经历至少2次反射。

优选地，离子镜中沿着从离子注入器到检测器的离子路径的离子反射的次数N至少为3、或至少为10、或至少为30、或至少为50或至少为100。离子镜中沿着从离子注入器到检测器的离子路径的离子反射的次数N为2到100、3到100或10到100，或超过100，例如以下组中的一个：(i)3到10；(ii)10到30；(iii)30到100；(iv)超过100。

注入质谱仪中的离子优选地在离子镜之间沿X方向来回反复反射，同时这些离子沿离子镜延伸的Y方向(在+Y方向上)向下漂移。总体而言，离子运动遵循之字形路径。

在某些实施例中，如下文所述，在多次反射(通常为N/2)之后，离子可以沿Y的漂移速度反转，然后在离子镜之间沿X方向来回反复反射，同时这些离子向Y方向漂移。

为了方便起见，将漂移方向称为Y方向，相对的离子镜在称为X方向的方向上彼此间隔开一定距离，X方向与Y方向正交，所述距离可以是相同的(以使离子镜基本平行)或者可以在沿Y方向的不同位置处变化。离子飞行路径，在本文中简称为离子路径，通常占据沿X和Y方向延伸的空间，这些离子在相对的离子镜之间(在X方向上)反射，并同时沿漂移方向行进。通常，每次单次离子反射，离子束在漂移方向Y上平均发生位移dY。

离子镜通常在垂直的Z方向上具有较小的尺寸(Z垂直于X和Y)，离子飞行路径所占据的空间的体积通常是稍微扭曲的矩形平行六面体，其最小尺寸优选在Z方向上。为了便于本文的描述，将离子以初始分速度在+X和+Y方向上注入质谱仪，离子最初朝向定位在+X方向上的第一离子镜行进并沿+Y方向上的漂移长度行进。因此，在第一离子镜中的第一次反射之后，被反射的离子在-X方向上朝向第二离子镜行进，速度仍为+Y方向。在第二次反射之后，离子再次沿+X和+Y方向行进，依此类推。Z方向上的离子分速度的平均值优选为零。

分辨能力取决于离子注入到离子镜之间的空间中的初始角度(本文称为倾角，即离子注入到X-Y平面中的X方向的角度)，所述角度决定了漂移速度，因此决定了总飞行时间。理想情况下，应使注入的倾角最小化以最大程度地增加反射次数，从而使离子路径长度和质量分辨能力最大化，但是这种倾角的最小化可能会受到注入设备和/或检测器的机械要求的限制，特别是对于更紧凑的设计。有利地，本发明的方面允许通过改变离子注入角度来改变离子镜结构内的离子振荡的次数，从而改变总飞行路径长度。

在一些实施例中，可以将偏转器定位在离子镜之间以减小离子注入之后的漂移速度。在其它实施例中，可以将如在US 2018-0138026 A1中所描述的减速台内置到镜结构本身中以减小例如最初的一次或两次反射之后的漂移速度，从而允许增加飞行时间并因此获得随后的分辨率。在这种实施例中，可能不需要在离子镜之间纳入另外的偏转器，从而减少了零件的数量和成本。

离子注入器通常直接或间接地经由一个或多个离子光学装置(例如，离子导向器、透镜、质量过滤器、碰撞池中的一个或多个)从离子源接收离子。离子源将样品种类电离以形成离子。合适的离子源在本领域中是众所周知的，例如电喷雾电离、化学电离、大气压化学电离、MALDI等。在一些实施例中，离子注入器本身可以是离子源(例如MALDI源)。离子源可以使例如来自色谱仪的多个样品种类电离以形成离子。

离子注入器通常是脉冲离子源，即，注入非连续的离子脉冲，而不是连续的离子流。如ToF质谱技术领域中已知的，脉冲离子注入器形成短离子包，所述短离子包包括来自离子源的至少一部分所述离子。通常，由离子注入器施加加速电压以将离子注入到离子镜中，所述加速电压可以是几kV，如3kV、4kV或5kV。

离子注入器可以包括脉冲离子注入器，如离子阱、正交加速器、MALDI源、次级离子源(SIMS源)或用于ToF质谱仪的其它已知的离子注入构件。优选地，离子注入器包括脉冲离子阱，更优选地是线性离子阱，如直线离子阱或弯曲线性离子阱(C-Trap)。离子注入器优选地定位在Y＝0位置处。在多次反射之后离子飞行在Y方向上反转的一些实施例中，检测器可以类似地定位在Y＝0处。

离子注入器优选地在漂移方向Y上注入具有受限初始宽度的离子脉冲。在一个实施例中，离子脉冲可以由在离子阱中积累的离子云产生。然后将其脉冲喷射到离子镜中。阱可以在漂移方向上提供受限宽度的离子云。在优选的实施例中，朝向离子镜注入的离子注入器中的离子云在漂移方向Y上的宽度为0.25到10mm、或0.5到10mm，优选为0.25到5mm或0.5到5mm，例如1mm或2mm或3mm或4mm。这由此限定了初始离子束宽度。

离子注入器将离子以相对于X-Y平面中的X轴的倾角从离子镜的一端注入到离子镜之间的空间中，使得离子多次从一个相对的离子镜反射到另一个离子镜，同时沿漂移方向远离离子注入器漂移，从而遵循质谱仪内的大致之字形路径。

离子注入器优选地定位在靠近相对的离子光学镜在漂移方向Y上的一端，使得离子可以从相对的离子光学镜在漂移方向Y上的一端注入多反射质谱仪中(在+Y方向上注入)。

用于将离子作为离子束以相对于X方向倾斜的角度注入到离子镜之间的空间中的离子注入器优选地位于X-Y平面中。此后，注入的离子遵循其在X-Y平面中离子镜之间的之字形路径。然而，离子注入器可以位于X-Y平面之外，使得离子朝向X-Y平面注入，并在到达X-Y平面时被偏转器偏转，从而遵循其在X-Y平面内离子镜之间的之字形路径。在一些实施例中，如US 7,326,925中所公开的，可以使用C形等时离子界面或扇区来注入离子。

离子聚焦布置通常定位在离子路径上。离子聚焦布置大体上沿着离子注入器与检测器之间的离子路径定位。离子聚焦布置优选地沿着离子路径定位，相比检测器更靠近离子注入器。例如，优选将离子聚焦布置沿着离子路径定位在第一次与第五次反射之间，或第一次和第四次反射，或第一次和第三次反射，或者更优选地定位在第一次与第二次反射之间。

离子聚焦布置至少部分地定位在相对的离子镜之间。在一些实施例中，离子聚焦布置完全地定位在离子镜之间(即，在离子镜之间的空间中)，而在其它实施例中，离子聚焦布置部分地定位在离子镜之间，并且部分地位于离子镜之间的空间之外。例如，离子聚焦布置的一个透镜可以定位在离子镜之间的空间之外，而离子聚焦布置的另一个透镜定位在离子镜之间。

离子聚焦布置被配置成提供离子在漂移方向上的聚焦。通常，离子聚焦布置包括使离子束在直接方向Y上会聚的聚焦透镜，在本文中称为会聚透镜。离子聚焦布置或透镜具有长焦距，所述长焦距在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后(即下一次反射之前)沿离子路径在漂移方向Y上提供一个最小焦距(即最小空间展度)，即离子束在漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值。通常，单个最小焦距出现在第一次和最后一次(第N次)反射之间的大约或基本上一半处。例如，这意味着漂移方向Y上的单个最小焦距(最小空间展度)可能会出现在第一次和第N次反射之间的离子路径的中间点处，或者出现在第一次和第N次反射之间的总离子路径长度的+/-20％，或+/-10％，或+/-5％的点处。以这种方式，离子聚焦布置通常可以规定，漂移方向Y上的单个最小焦距(最小空间展度)出现在离子聚焦布置(即离子聚焦布置的会聚透镜)与检测器之间的离子路径的大约或基本上一半处。例如，漂移方向Y上的单个最小焦距(最小空间展度)可能会出现在离子聚焦布置(即离子聚焦布置的会聚透镜)与探测器之间的离子路径的中间点处，或者出现在离子聚焦布置与检测器之间的总离子路径长度的+/-20％，或+/-10％的点处。因此，与现有技术的周期性聚焦布置不同，根据本公开的离子聚焦布置在沿离子路径的漂移方向Y上没有提供单个最小焦距(空间展度的最小值)。

此外，离子聚焦布置通过这些聚焦特性规定，第一次反射上离子在漂移方向Y上的空间展度第N次反射时离子在漂移方向Y上的空间展度基本相同(例如+/-30％、+/-20或优选地+/-10％以内)。在本文中，在第一次(或第N次)反射上的空间展度是指离子在紧邻反射下游的漂移方向Y上的空间展度，例如在第一次(或第N次)反射后，离子镜之间的中点在X方向上的第一个交叉点处的空间展度。类似地，这可以规定，检测器处的离子在漂移方向Y上的空间展度与离子聚焦布置(即离子聚焦布置的会聚透镜)处的离子在漂移方向Y上的空间展度基本相同(例如+/-30％、+/-20或优选地+/-10％以内)。离子聚焦布置的会聚透镜处(并优选在最终的第N次反射和/或在检测器上)的离子在漂移方向Y上的空间展度为0.25-10mm或0.5-5mm，初始的离子束宽度范围(即，在漂移方向Y上的空间展度)为5-25mm或5-15mm。在优选的实施例中，在离子聚焦布置的会聚透镜处在漂移方向Y上的最大离子束宽度的范围是初始离子束宽度(例如，来自离子注入器上的离子脉冲(在离子注入器的喷射点处)的初始离子束宽度)的2到20倍(2x到20x)。这由通过离子注入器确定的离子束的相体积以及离子镜的尺寸(离子镜间隔距离(W)和漂移方向Y上的离子镜长度)确定。在实施例中，离子束宽度或离子在漂移方向Y上的空间展度的单个最小值(最小焦距或所谓的峡谷)通常约为透镜处最大离子束宽度的1/√2(例如，透镜处最大离子束宽度的0.65-0.75或～0.7)。相反，所述会聚透镜聚焦所述离子，使得所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在所述会聚透镜处具有最大值，所述最大值为所述最小空间展度的1.2到1.6倍、或1.3到1.5倍或约√2倍。

有利地，离子聚焦布置的聚焦特性确保在完成在离子镜之间相同数量的N次反射之后检测到基本上所有或所有检测到的离子。以这种方式，没有检测到泛音，即在离子镜中经历了不同数量的反射(大于或小于N)的离子。

在一些实施例中，至少一个聚焦透镜(所谓的漂移聚焦透镜，其至少或主要在漂移方向Y上聚焦离子)定位在离子路径上。在一些实施例中，至少两个聚焦透镜定位在离子路径上，例如一对透镜。在一些这种实施例中，第一聚焦透镜可以定位在离子镜中的离子的第一次反射之前，第二聚焦透镜可以定位在离子镜中的离子的第一反射之前(例如，第一次和第五次反射之间，优选地第一次和第四次反射之间，或第一次和第三次反射之间，或者最优选地第一次和第二次反射之间)。在一些实施例中，第一聚焦透镜可以是在漂移方向Y上产生离子发散(空间展度增加)的透镜(即散焦透镜)。然后，提供第二聚焦透镜作为聚焦透镜，所述聚焦透镜在漂移方向Y上产生离子会聚，其中离子在漂移方向Y上的空间展度的最小值出现在离子聚焦布置的第二透镜与探测器之间的离子路径的基本上一半处。因此，离子聚焦布置可以包括一个或多个离子聚焦透镜。在离子聚焦布置包括多个聚焦透镜的一些实施例中，离子路径上的最终透镜在漂移方向Y上产生离子会聚，其中离子在漂移方向Y上的空间展度的最小值出现在离子聚焦布置的最终透镜与探测器之间的离子路径的基本上一半处。

本公开进一步提供了一种质谱分析方法，所述方法包括以下步骤：例如以ToF质谱法中已知的脉冲离子束的形式将离子注入多反射质谱仪中；以及使用离子检测器在通过质谱仪期间或之后检测至少一些离子。

可以使用ToF质谱法中已知的离子检测器。实例包含SEM检测器或微通道板(MCP)检测器，或含有与闪烁体/光电检测器组合的SEM或MCP的检测器。在一些实施例中，检测器可以定位在离子镜在漂移方向Y上与离子注入器相反的一端。在其它实施例中，检测器可以定位在与离子注入器相邻的区域中，例如基本上位于与离子注入器相同的Y位置处或附近。在这种实施例中，离子检测器可以定位在例如距离离子注入器50mm、或40mm、或30mm或20mm的距离内(中央到中央)。

优选地，将离子检测器布置成具有平行于漂移方向Y的检测表面，即，检测表面平行于Y轴。在一些实施例中，检测器可以具有相对于Y方向的倾斜度，优选为与离子等时平面的角度匹配的倾斜度，例如1到5度、或1到4度或1到3度的倾斜度。检测器可以在方向X上定位在离子镜之间的中间位置处，例如离子镜的中央或一半位置。

多反射质谱仪可以形成多反射飞行时间质谱仪的全部或一部分。在本发明的这种实施例中，优选地，将定位在与离子注入器相邻的区域中的离子检测器布置成具有平行于漂移方向Y的检测表面，即，检测表面平行于Y轴。优选地，将离子检测器布置成使得已经穿过质谱仪并且沿着如本文所述的漂移方向在离子镜之间来回移动的离子撞击在离子检测表面上并被检测。离子在撞击检测器之前可能会在离子镜之间经历整数或非整数的完全振荡K。有利地，离子检测器在所有离子已经完成了离子镜之间完全相同数量的N次反射之后检测所有离子。

如将进一步描述的，多反射质谱仪可以形成多反射静电阱质谱仪的全部或一部分。在本发明的这种实施例中，检测器优选地包括一个或多个电极，所述电极被布置成在离子束经过检测电极时接近于所述离子束，但是被定位成不截取离子束，所述检测电极连接到灵敏放大器，使得能够测量在所述检测电极中感应到的图像电流。

离子镜可以包括任何已知类型的细长离子镜。离子镜通常是静电离子镜。镜子可以是栅格的，或者镜子可以是无栅格的。优选地，镜子是无栅格的。离子镜通常是平面离子镜，尤其是静电平面离子镜。在许多实施例中，平面离子镜在例如漂移方向Y上的大部分或全部长度上彼此平行。在一些实施例中，离子镜在漂移方向Y上的较短长度上可能不平行(例如US 2018-0138026 A中所述，在其最靠近离子注入器的入口端)。离子镜通常在漂移方向Y上具有基本相同的长度。优选地，离子镜被无电场的空间区域隔开。

离子光学镜彼此相对。相对的镜子意味着镜子被定向成使得被引导到第一镜的离子被从第一镜反射到第二镜，并且进入第二镜的离子被从第二镜反射到第一镜。因此，相对的镜子具有电场分量，所述电场分量大体上沿相反的方向定向并且彼此相对。

每个镜子优选地由多个平行伸长的条状电极制成，所述电极通常在Y方向上伸长。镜子的这种结构在本领域中是已知的，例如在SU172528或US2015/0028197中描述的。可以将离子镜的细长电极设置为已安装的金属条或PCB基座上的金属轨道。细长电极可以由具有低热膨胀系数的金属制成，如因瓦合金(Invar)，从而飞行时间可以抵抗仪器内温度的变化。离子镜的电极形状可以被精确加工或通过线腐蚀制造获得。

离子镜长度(第一级和第二级的总长度)在本发明中不受特别限制，但是优选的实际实施例的总长度在300-500mm的范围内，更优选在350-450mm的范围内。

多反射质谱仪包括两个离子镜，每个离子镜主要在一个方向Y上伸长。伸长可以是线性的(即，笔直的)，或者伸长可以是非线性的(例如，弯曲的或包括近似曲线的一系列小台阶)，如将进一步描述的。每个离子镜的伸长形状可以相同的或不同的。优选地，每个镜子的伸长形状是相同的。优选地，镜子是一对对称的镜子。在伸长是线性的情况下，镜子可以彼此平行，但是在一些实施例中，镜子可能彼此不平行。

如本文所述，两个镜子彼此对准，使得其位于X-Y平面中，并且使得两个镜子的伸长尺寸大体上位于漂移方向Y上。这些镜间子在X方向上隔开并且彼此相对。可以将离子镜之间的距离或间隙方便地设置为根据漂移距离而恒定，即根据Y(镜子的伸长尺寸)而恒定。以这种方式，将离子镜彼此平行地布置。然而，在一些实施例中，镜子之间的距离或间隙可被设置为根据漂移距离而变化，即根据Y而变化，两个镜子的伸长尺寸将不会精确地位于Y方向上，为此这些镜子被描述为大致沿漂移方向Y伸长。因此，可以将大致沿漂移方向Y伸长理解为主要或基本上沿漂移方向Y伸长。在本发明的一些实施例中，至少一个镜子的伸长尺寸在其长度的至少一部分上可以与方向Y成角度。

在本文中，相对的镜子之间在X方向上的距离是指镜子内的离子的平均转折点之间在X方向上的有效距离。镜子之间的有效距离W的精确定义(通常在镜子之间具有无场区域)是无场区域中的平均离子速度与两个连续转折点之间的时间间隔的乘积，其与离子的质荷比无关。在本文中，镜子内的离子的平均转折点是指镜中具有平均动能和平均初始角发散特性的离子到达离子镜时在+/-X方向上的最大点或距离，即此类离子在返回离子镜之前在X方向上转向的点。在+/-X方向上具有给定动能的离子在镜子内的等电势表面处转向。这些点在沿着特定镜子的漂移方向Y的所有位置上的轨迹限定了所述镜子的转向点，并且所述轨迹在下文中被称为平均反射表面。在说明书和权利要求书中，提及相对的离子光学镜之间的距离旨在表示镜子的相对平均反射表面之间的距离，如上定义。在本发明中，在离子沿着镜子的伸长长度的任何点进入每个相对的镜子之前，所述离子在+/-X方向上具有原始动能。因此，相对的离子镜之间的距离也可以被定义为发生标称离子(具有平均动能和平均初始角入射的离子)在X方向上的转向的相对的等势表面之间的距离，所述等势表面沿着镜子的伸长长度延伸。

在本发明中，在表面检查下，离子镜本身的机械结构似乎可以保持恒定的X上的相距(根据Y而变化)，而平均反射表面实际上可以位于不同的X上的相距(根据Y而变化)处。例如，一个或多个相对的离子镜可以由设置在绝缘线圈架(如印刷电路板)上的导电迹线形成，并且一个这样的离子镜的圈架可以沿着整个漂移长度与相对的离子镜保持恒定的相距，而设置在圈架上的导电迹线与相对的离子镜中的电极之间的距离可能不是恒定的。即使将两个离子镜的电极布置成沿着整个漂移长度间隔开恒定的距离，一个或两个离子镜内的不同电极也可能会沿着漂移长度偏置不同的电势，从而导致镜子的相对平均反射表面之间的距离沿着漂移长度而变化。因此，相对的离子光学镜之间在X方向上的距离沿着镜子长度的至少一部分在漂移方向上变化。

优选地，相对的离子镜之间在X方向上的距离是恒定的，或者根据漂移距离而平缓地变化。在本发明的一些实施例中，相对的离子镜之间在X方向上的距离的变化根据漂移距离线性地变化，或者以两个线性阶段变化，即相对的离子镜之间在X方向上的距离根据长度的第一部分的漂移距离的第一线性函数而变化，并且根据长度的第二部分的漂移距离的第二线性函数而变化，所述第一线性函数的梯度大于所述第二线性函数的梯度(即，与第二线性函数相比，相对的离子光学镜之间在X方向上的距离根据第一线性函数的漂移距离变化更大)。在本发明的一些实施例中，相对的离子光学镜之间在X方向上的距离的变化根据漂移距离非线性地变化。

两个细长的离子光学镜可能彼此相似，也可能不同。例如，一个镜子可以包括栅格，而另一个镜子可以不包括栅格；一个镜子可以包括弯曲部分，而另一个镜子可以是笔直的。优选地，两个镜子都是无栅格的并且彼此相似。最优选地，镜子是无栅格的并且是对称的。

镜子结构在漂移方向Y上可以是连续的，即没有分段，并且这消除了与在这些分段之间的间隙中的电场的逐步变化相关的离子束散射。

有利地，可以在相对的离子光学镜之间的区域中不包含任何另外的透镜或膜片的情况下构造本发明的实施例。然而，本发明可以使用另外的透镜或膜片，以便影响质谱仪内的离子的相空间体积，并且可以构思包括定位在离子镜之间的空间中的一个或多个透镜和膜片的实施例。

在一些实施例中，本发明的质谱仪包含离子镜之间的空间中的一个或多个补偿电极，以使例如由镜子的对准误差引起的飞行时间像差的影响最小化。补偿电极在离子镜之间的空间内或附近沿漂移方向的至少一部分延伸。

在本发明的一些实施例中，补偿电极与大体上沿着漂移方向伸长的相对的离子光学镜一起使用。在一些实施例中，补偿电极与非平行的离子镜结合使用。在一些实施例中，补偿电极产生电场分量，所述电场分量与在漂移方向上沿着离子光学镜长度的至少一部分沿+Y方向的离子运动相反。当离子沿漂移方向移动时，电场的这些分量优选地对这些离子提供或贡献返回力。

相对于多反射质谱仪的离子镜，一个或多个补偿电极可以具有任何形状和大小。在优选的实施例中，一个或多个补偿电极包括平行于面对离子束的X-Y平面的延伸表面，电极在+/-Z上偏离离子束飞行路径移位，即每一个或多个电极优选地具有与X-Y平面基本平行的表面，并且优选地，有两个这样的电极位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧。在另一个优选实施例中，一个或多个补偿电极沿着漂移长度的实质部分在Y方向上伸长，每个电极位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧。在这个实施例中，优选地，一个或多个补偿电极沿着实质部分在Y方向上伸长，所述实质部分是下列中的至少一个或多个：1/10；1/5；1/4；1/3；1/2；3/4。在一些实施例中，一个或多个补偿电极包括沿着漂移长度的实质部分在Y方向上伸长的两个补偿电极，所述实质部分是以下中的至少一个或多个：总漂移长度的1/10；1/5；1/4；1/3；1/2；3/4，一个电极在+Z方向上偏离离子束飞行路径移位，另一个电极在-Z方向上偏离离子束飞行路径移位，因此两个电极位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧。然而，预期了其它几何形状。一个或多个补偿电极可以沿着方向Y基本上沿长度的第一和第二部分(即，沿着不同离子镜会聚的两个阶段)，或者例如基本上仅沿着长度的第二部分在Y方向上伸长。优选地，补偿电极在使用中被电偏置，使得离子的总飞行时间基本上与离子的入射角无关。由于离子行进的总漂移长度取决于离子的入射角，因此离子的总飞行时间基本上与行进的漂移长度无关。

补偿电极可以被电势偏置。在使用一对补偿电极的情况下，所述一对电极中的每个电极可以被施加相同的电势，或者两个电极可以被施加不同的电势。优选地，在存在两个电极的情况下，电极对称地位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧，并且两个电极均以基本相等的电势被电偏置。

在一些实施例中，一对或多对补偿电极的一对中的每个电极以相同的电势被偏置，并且所述电势相对于本文中被称为分析仪参考电势的电势可以为零伏。通常，分析仪参考电势将是接地电势，但是应当理解，分析仪的电势可以任意升高，即整个分析仪的电势可以相对于地面上下浮动。如本文中所使用的，零电势或零伏特被用于表示相对于分析仪参考电势的零电势差，并且术语非零电势被用于表示相对于分析仪参考电势的非零电势差。通常，将分析仪参考电势例如施加到屏蔽件(如用于终止离子镜的电极)，并且如本文所定义的，所述分析仪参考电势是在除了构成离子镜的电极之外不存在所有其它电极的情况下，在相对的离子光学镜之间的漂移空间中的电势。

在优选实施例中，提供了两对或更多对相对的补偿电极。在这种实施例中，其中每个电极以零伏被偏置的几对补偿电极进一步被称为非偏置补偿电极，而施加有非零电势的其它几对补偿电极进一步被称为偏置补偿电极。通常，非偏置补偿电极终止来自偏置补偿电极的场。在一个实施例中，至少一对补偿电极的表面在X-Y平面中具有轮廓，使得所述表面在靠近镜子的一个或两个端部的区域中朝向每个镜子延伸的距离大于其在这些端部之间的中央区域中延伸的距离。在另一个实施例中，至少一对补偿电极具有在X-Y平面中具有轮廓的表面，使得所述表面在靠近镜子的一个或两个端部的区域中朝向每个镜子延伸的距离小于其在这些端部之间的中央区域中延伸的距离。在这种实施例中，一对或多对补偿电极优选地在细长镜的一端从邻近离子注入器的区域沿着漂移方向Y延伸，并且补偿电极在漂移方向上的长度与延伸镜的长度基本相同，并且所述补偿电极定位在镜子之间的空间的任一侧。在替代性实施例中，如上文描述的补偿电极表面可以由多个离散的电极组成。

优选地，在本发明的所有实施例中，补偿电极不包括离子光学镜，在所述离子光学镜中，离子束遭遇至少与离子在漂移方向上的动能一样大的势垒。然而，如已经陈述并且将进一步描述的，所述补偿电极优选地产生电场分量，所述电场分量与在漂移方向上沿着离子光学镜长度的至少一部分沿+Y方向的离子运动相反。

优选地，一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由相对的离子镜产生的至少一些飞行时间像差。在存在一个以上的补偿电极的情况下，补偿电极可以以相同的电势被偏置，或者可以以不同的电势被偏置。在存在一个以上的补偿电极的情况下，一个或多个补偿电极可以以非零电势被偏置，而其它补偿电极可以保持在另一电势，所述另一电势可以为零电势。在使用中，一些补偿电极可以用于限制其它补偿电极的电场的空间范围。

在一些实施例中，一个或多个补偿电极可以包括涂覆有电阻材料的板，所述电阻材料在板的沿Y方向的不同端部处被施加不同的电势，从而产生其表面具有随漂移方向Y而变化的电势的电极。因此，可以将电偏置的补偿电极保持在一个电势不变。优选地，一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由于相对的离子镜的对准误差或制造公差而在漂移方向上产生的飞行时间偏移，并且使得系统的总飞行时间偏移基本上与这种未对准或制造无关。

施加到补偿电极的电势可以保持恒定或可以随时间变化。优选地，施加到补偿电极的电势在时间上保持恒定，同时离子传播通过多反射质谱仪。施加到补偿电极的电偏压可以使得离子在补偿电极附近通过，从而被偏压以进行减速或加速，补偿电极的形状因此相应地变化，将进一步描述这一实例。如本文所述，施加到补偿电极的术语“宽度”是指偏置补偿电极在+/-X方向上的物理尺寸。应当理解，当分别对离子镜和/或补偿电极进行电偏压时，存在由离子镜提供的电势(即电势)和电场和/或由补偿电极提供的电势和电场。

定位在离子镜之间的空间中或附近的偏置补偿电极可以位于X-Y平面中的两个或多个非偏置(接地)电极之间，所述非偏置电极也定位在离子镜之间的空间中或附近。非偏置电极的形状可以与偏置补偿电极的形状互补。

在一些优选实施方式中，相对的离子光学镜之间的空间在漂移长度的每个端部处在X-Z平面中开口。X-Z平面中开口是指镜子不受X-Z平面中的电极限制，所述电极完全或基本上跨越镜子之间的间隙。

本发明的多反射质谱仪的实施例可以形成多反射静电阱质谱仪的全部或一部分。优选的静电阱质谱仪包括两个多反射质谱仪，所述两个多反射质谱仪关于X轴首尾相连地对称布置，使得其各自的漂移方向是共线的，因此，在使用中，多反射质谱仪限定了一个体积，在所述体积内，离子在漂移方向和离子飞行方向上都遵循具有等时特性的闭合路径。这种系统在US2015/0028197中进行了描述并且在所述文件的图13中示出，所述文献的公开内容通过引用整体并入本文(但是，在所结合的参考文献中的任何内容与本申请中所述的内容相矛盾时，以本申请为准)。可以使用多对(例如，在两个多反射质谱仪首尾相连的情况下为四对)条形检测电极在镜子之间的离子每次通过时读出感应电流信号。每对中的电极在Z方向上对称分隔，并且可以定位在补偿电极的平面中或更靠近离子束。电极对连接到差分放大器的直接输入并且电极对连接到差分放大器的反向输入，从而提供差分感应电流信号，这有利地降低了噪声。为了获得质谱，使用傅里叶变换算法(Fourier transformalgorithms)或专门的梳状采样算法以已知的方式处理感应电流信号，如以下文献中所述：J.B.Greenwood等人,《科学仪器评论(Rev.Sci.Instr.)》,82,043103(2011)。

本发明的多反射质谱仪可以形成多反射飞行时间质谱仪的全部或一部分。

可以形成包括对齐的两个或更多个根据本发明的多反射质谱仪的复合质谱仪，使得每个质谱仪的X-Y平面平行并且任选地在垂直方向Z上彼此移位，所述复合质谱仪进一步包括用于将离子从一个多反射质谱仪引导到另一个多反射质谱仪的离子光学构件。在复合质谱仪的一个这种实施例中，一组多反射质谱仪在Z方向上一个接一个地堆叠，并且离子借助偏转构件(如静电电极偏转器)从堆叠中的第一多反射质谱仪传递到堆叠中的其它多反射质谱仪，由此提供了一种飞行路径扩展的复合质谱仪，在所述复合质谱仪中，离子遵循同一路径的运动的次数不会超过一次，这允许进行完整质量范围的TOF分析，因为没有离子重叠。这种系统在US2015/0028197中进行了描述并且在所述文件的图14中示出。在复合质谱仪的另一个这种实施例中，一组多反射质谱仪各自被布置成位于同一X-Y平面中，并且离子借助偏转构件(如静电电极偏转器)从第一多反射质谱仪传递到其它多反射质谱仪，由此提供了一种飞行路径扩展的复合质谱仪，在所述复合质谱仪中，离子遵循同一路径的运动的次数不会超过一次，这允许进行完整质量范围的TOF分析，因为没有离子重叠。设想了多反射质谱仪的其它布置，在所述其它布置中，光谱仪中的一些位于同一X-Y平面中，而其它光谱仪在垂直的Z方向上移位，其中离子光学构件被设置成将离子从一个光谱仪传递到另一个光谱仪，由此提供飞行路径扩展的复合质谱仪，在所述复合质谱仪中，离子遵循同一路径的运动的次数不会超过一次。优选地，在一些光谱仪在Z方向上堆叠的情况下，所述光谱仪具有漂移方向的交替取向，以避免在漂移方向上需要偏转构件。

可替代地，本发明的实施例可以与另外的束偏转构件一起使用，所述束偏转构件被布置成使离子转向并使离子通过多反射质谱仪或复合质谱仪返回一次或多次，从而增加飞行路径长度，尽管以质量范围为代价。

可以使用本发明来提供用于MS/MS的分析系统，所述系统包括：多反射质谱仪和离子注入器，所述离子注入器包括在质谱仪上游的离子捕获装置以及在质谱仪下游的脉冲离子门、高能碰撞池和时间飞行分析仪。这种系统在US2015/0028197中进行了描述并且在所述文件的图15中示出。此外，同一分析仪可以用于分析的两个阶段或分析的多个此类阶段，从而通过配置碰撞池使从碰撞池中出来的离子直接回到离子捕获装置中，从而提供MSⁿ的功能。

由于X和Y方向上的飞行时间聚焦，在X方向上的离子镜之间经过指定次数的振荡之后，离子在检测器处在Y方向上到达的坐标基本相同。由此实现了对探测器的空间聚焦，并且大大简化了质谱仪的结构。

附图说明

图1示意性地示出了根据现有技术的一个实施例。

图2示意性地示出了根据现有技术的另一个实施例。

图3示意性地示出了根据现有技术的另一实施例。

图4A和4B示意性地示出了根据现有技术的又一实施例。

图5示意性地示出了根据本发明的实施例的多反射质谱仪。

图6示意性地示出了离子镜电极配置和施加的电压。

图7示意性地示出了具有圆形(A)和椭圆形(B)形状的漂移聚焦透镜，以及集成在棱镜状偏转器(C)中的透镜。

图8A-图8C示意性地示出了漂移聚焦透镜的替代结构。

图9示意性地示出了提取离子阱的实施例。

图10示意性地示出了注入光学方案的实施例。

图11示意性地示出了根据本发明另一个实施例的多反射质谱仪。

图12示出了使用图11中的系统质谱仪模拟的初始2mm宽热离子包到达检测器的到达时间(A)和漂移空间分布(B)。

图13示出了具有单个聚焦透镜布置(A)和两个透镜布置(B)的离子束的模拟轨迹。

图14示意性地示出了当离子沿着漂移维度前进时离子束宽度δx的表示。

图15示出了说明改变初始离子束宽度δx₀、漂移长度(D_L)和离子镜间距(W)对可实现的离子飞行路径长度的影响的曲线图。

图16示意性地示出了多反射ToF配置的实施例，所述多反射ToF配置包含用于使离子束返回到漂移零位置的反向偏转器。

图17显示了质谱分析仪末端附近的离子轨迹，所述质谱分析仪包含漂移反向偏转器和聚焦透镜，所述聚焦透镜在反向偏转器之前放置了一次反射。

图18示出了通过完整分析仪模拟的具有热漂移发散的离子轨迹，所述分析仪包含用于减少初始漂移能量的第一偏转器和第二偏转器，以及用于在最小时间像差下使离子漂移返回到检测器的第三偏转器。

图19示出了质谱分析仪末端附近的离子轨迹，所述质谱分析仪包含用于通过两次通过偏转器来反转离子轨迹的漂移反向偏转器，其中所述偏转器包含用于使飞行时间像差最小化的会聚透镜。

图20示意性地示出了用于使离子镜空间内的振荡次数和在检测器处的束发散最大化的离子镜会聚和发散的实施例。

图21示出了了具有不同源位置和能量的模拟离子轨迹，其表明返回位置与起始位置相关。

具体实施方式

现在将参考附图对本发明的各个实施例进行描述。这些实施例旨在说明本发明的特征，而并非旨在限制本发明的范围。应理解，可以在不落入由权利要求书限定的本发明的范围内的情况下对实施例进行变型。

图5中示出了根据本发明的实施例的多反射质谱仪2。在这个实施例中，从未示出的离子源(例如ESI或其它源)产生的离子以离子阱4的形式累积在脉冲离子注入器中。在这种情况下，离子阱是线性离子阱，如直线离子阱(R-Trap)或弯曲线性离子阱(C-trap)。通过以下方式形成离子束5：从线性离子阱4提取一束在漂移方向Y上的宽度小于例如0.5mm的捕获的热化离子包，并通过向离子阱4的电极(例如拉动/推动电极)施加适当的加速/抽出电压，以高能量(在这个实施例中为4kV)将所述热化离子包注入两个相对的平行离子镜6、8之间的空间。离子通过离子阱4中的狭缝10离开离子阱。离子束进入第一离子镜6，并通过由离子镜6的第一电极对6a产生的透镜作用而聚焦在平面外尺寸上，并通过离子镜的其余电极6b-6e被反射到时间焦点。在这个实例中，离子镜之间的可用空间(即，每个离子镜的第一电极(6a、8a)之间在X方向上的距离)为300mm，并且分析仪的总有效宽度(即，镜子内的离子的平均转折点之间在X方向上的有效距离)为～650mm。总长度(即在Y方向上)为550mm，以形成适当紧凑的分析仪。

合适的离子镜(如6和8)是现有技术(例如US 9,136,101)中公知的。如图5所示，离子镜的实例配置是包括在X方向上间隔开的多对细长电极(如五对细长电极)的镜子，离子镜的第一对电极(6a、8a)被设置为接地电势。在每对电极中，一个电极定位在离子束上方，另一个电极定位在离子束下方(在Z方向上示出)。图6中示出了用于电极组(6a-6e、8a-8e)的为离子提供具有时间聚焦的反射电势的电压的实例，其中施加的电压适合用于聚焦4keV正离子。对于负离子，极性可以颠倒。

在第一离子镜6中的第一次反射之后，离子束的宽度在热漂移下基本上在漂移方向上扩展到约8mm，并且遇到漂移聚焦透镜12形式的离子聚焦布置，所述离子聚焦透镜在漂移方向Y上聚焦离子束。所述漂移聚焦透镜12在方向X上定位在离子镜之间的空间的中央，即离子镜之间的一半。这个实施例中的漂移聚焦透镜12是包括一对相对的透镜电极的透轴透镜，所述一对相对的透镜电极在方向Z(垂直于方向X和Y)上定位在离子束的任一侧。具体地说，漂移聚焦透镜12包括定位在离子束上方和下方的一对准椭圆板12a、12b。所述透镜可以被称为纽扣形透镜。在这个实施例中，板宽7mm且长24mm，并且施加有约-100V。在一些实施例中，一对相对的透镜电极可以包括圆形、椭圆形、准椭圆形或弧形电极。漂移聚焦透镜12通过减小离子在漂移方向Y上的角展度而对离子束具有会聚作用。

在通过聚焦透镜12进行聚焦之后，离子束5继续在离子镜之间沿X方向进行多次反射，同时在漂移方向Y上漂移，从而再离子镜之间的X-Y平面中遵循之字形离子路径(系统中总共有N个镜子反射)。在完成N次反射(即N/2次“振荡”，其中振荡等于X方向上连续反射之间的距离的两倍)之后，离子检测器14会检测离子，从而使离子的飞行时间被检测到。包括处理器(未示出)的数据采集系统连接到检测器，并且能够产生质谱。在所示的实施例中，离子经历22次反射(N＝22)，从而提供超过10米的总飞行路径。检测器优选为快速时间响应检测器，如具有用于电子聚焦的磁场和电场的多通道板(MCP)或打拿极电子倍增器。

已经确定了用于定位漂移聚焦透镜12的重要因素。首先，离子束应优选地已经充分扩展，以使得在离子束到达聚焦透镜时，离子束对漂移能量或角展度的影响相对于其对空间展度的影响最大化。这意味着必须允许离子束在到达漂移聚焦透镜之前扩展。因此，优选在第一次反射之后将透镜定位在离子镜6中(除非镜间距非常大，例如500mm)。其次，为了将与X方向成2度倾斜角的离子束注入到这种尺寸的质谱仪系统中，中心离子轨迹(即离子束的中央)的反射间隔小于25mm，而且重要的是，聚焦透镜不能太大以免干扰相邻的离子轨迹。如果不进行漂移聚焦，则离子束将在第三次反射时已经具有20mm的宽度，并且第四次反射时离子束的轨迹将几乎开始与其它反射的轨迹重叠。因此，优选地，漂移聚焦透镜的最佳位置在系统中的第一次反射之后但在第四次或第五次反射之前，即，漂移聚焦透镜在这种总共具有22次反射(N＝22)的系统中定位在相对较早的位置处。优选地，漂移聚焦透镜的最佳位置在反射之前，反射次数小于0.25N或小于0.2N。更优选地，漂移聚焦透镜的最佳位置在第一次反射之后但在第二次或第三次反射之前(特别是在第二次之前)。

US 2014/175274 A中描述了在离子束上方和下方放置按钮形电极(例如圆形、扁形、椭圆形或准椭圆形)以在多匝ToF仪器中产生漂移聚焦的想法，尽管是以一种周期性的方式并在轨道几何结构内构造，所述文献的内容通过引用整体并入本文。这种透镜是“透轴透镜”的形式(参见P.W Hawkes和E Kasper,《电子光学原理(Principles of ElectronOptics)》,第2卷,学术出版社(Academic Press),伦敦,1989，所述文献的内容通过引用整体并入本文)。这种透镜的优点是具有宽的空间接受度，这对于控制这种细长的离子束很重要。透镜必须足够宽，以容纳离子束，并且使得透镜侧面的3D场扰动不会损坏聚焦特性。透镜之间的空间同样应该在最小化这些3D扰动和容纳离子束高度之间做出折衷。实际上，4-8mm的距离就足够了。

从圆形(纽扣)透镜到窄椭圆形透镜的透镜曲率变化是可能的。与较宽的弧度或整圆相比，具有短弧度的准椭圆结构降低了飞行时间像差，因为穿过其的路径更短，但所述准椭圆结构需要更强的电压，并且在极端情况下会开始引起相当大的平面外透镜。这一效果可以用于控制单个镜头中的漂移和平面外色散的某种组合，但会限制对每个属性的控制范围。作为辅助，可以通过离子阱拉动/推动电极的曲率来利用已经施加强场的区域(如离子阱4的离子提取区域)以引起或限制离子束的漂移发散。这样的实例是US 2011-284737 A中描述的商业弯曲线性离子阱(C-trap)，所述文献的内容通过引用整体并入本文，在所述商业弯曲线性离子阱中，将细长的离子束聚焦到一个点以帮助注入到Orbitrap^TM质谱分析仪中。

图7示出了漂移聚焦透镜的不同实施例(A、B)，所述漂移聚焦透镜包括圆形透镜板(电极)20和准椭圆形透镜板22，以及每个板的接地环绕电极24。透镜电极20、22与接地环绕电极24绝缘。还示出了(C)将透镜22(在这种情况下为准椭圆形，但也可以是圆形等)集成到偏转器中，在这个实施例中，所述偏转器包括布置在离子束上方和下方的梯形棱柱状电极结构26，其通过以恒定的场角而非曲线呈现入射离子而充当偏转器。偏转器结构包括布置在离子束上方的梯形或棱柱状电极和布置在离子束下方的另一个梯形或棱柱状电极。透镜电极22与偏转器(即梯形棱柱状电极)绝缘，透镜电极定位在偏转器中，继而与接地环绕电极24绝缘。将透镜放置在具有宽的空间接受度的偏转器结构内是更节省空间的设计。图8中示出了合适的透镜的其它可能的实施例，例如：安装的电极30(例如，安装在印刷电路板(PCB)32上)的阵列(A)，所述阵列由电阻器链隔开以模拟由定形电极产生的场曲率；用于产生四极或准四极场的多极杆组件(B)，如具有准四极配置并显示相对杆电压(V)的基于12杆的透镜；以及基于光圈的镜头，如普通的光圈单镜头结构(C)。如图7和图8所示的漂移聚焦透镜的这种实施例可以适用于多反射质谱仪的所有实施例。

图9中示出了适合用作离子阱4的提取离子阱40。所述提取离子阱是线性四极离子阱，其可以接收由离子源(未示出)产生并由接口离子光学布置(例如，包括一个或多个离子导向器等)递送的离子，如本领域中公知的。离子阱4由多极(四重)电极组构成。内切圆半径为2mm。通过分别施加到相对的多极电极对41、42和44、44/上的反向RF电压(在4MHz下为1000V)径向限制离子。并通过直流(DC)孔电极(46、48)上的小直流电压(+5V)轴向限制离子。被引入离子阱4中的离子通过与离子阱中存在的背景气体(<5x10^-3 mbar)碰撞冷却而热化。在将冷却的离子提取到质谱分析仪的离子镜中之前，将陷阱电势升高到4kV，然后通过将-1000V施加到拉动电极42并将+1000V施加到推动电极(41)来施加提取场，导致正离子沿箭头A所示的方向通过拉动电极上的狭缝(47)排入分析仪。可替代地，可以用弯曲线性离子阱(C-trap)代替所示的直线四极离子阱。

除了离子阱4、40之外，优选具有多个另外的离子光学元件以控制将离子注入分析仪中(“注入光学器件”)。这种离子注入光学器件可以被视为离子聚焦布置的一部分。首先，沿离子阱4和第一离子镜6之间的路径具有平面外聚焦透镜(即在X-Y平面外的方向(即Z方向)上聚焦)是有益的。这种平面外聚焦透镜可以包括细长的孔，这些孔改善离子到离子镜中的传输。其次，当离子束进入离子镜时，离子束在X方向上的入射角的一部分(例如一半)可以由离子阱相对于X方向的角度来提供，其余部分(例如另一半)可以由定位在离子阱前面的至少一个偏转器(所谓的注入偏转器)提供。注入偏转器通常定位在离子镜中的第一次反射之前。注入偏转器可以包括至少一个注入偏转器电极(例如，定位在离子束上方和下方的一对电极)。以这种方式，离子的等时平面将与分析仪正确对齐，而不会因相应的飞行时间误差而错位2度。这种方法在US 9,136,101中有详细描述。注入偏转器可以是图7所示类型的棱镜型偏转器，具有或不具有如图7所示的漂移聚焦透镜。在这种实施例中，除了在离子镜中的第一次反射之后可以与漂移聚焦透镜12一起安装或与其相邻的偏转器(例如棱镜型)之外，还提供了用于设置注入角的注入偏转器。在一些实施例中，注入角的全部或大部分可以由注入偏转器提供。另外，将理解，可以使用(例如串联)一个以上的注入偏转器来实现所需的注入角度(即，可以看出，所述系统可以包含至少一个注入偏转器电极，任选地两个或更多个注入偏转电极)。图10示意性地示出了注入光学方案的示例实施例以及合适的施加电压。离子阱4是线性离子阱，向4kV阱施加上述的+1000V推动电压和-1000V拉动电压，以提取离子束。然后，离子束依次通过离子光学器件，所述离子光学器件包括接地电极52、保持在+1800V的第一透镜54、具有集成椭圆透镜(+750V)的棱镜型偏转器56(+70V)、保持在+1200V的第二透镜58和最后一个接地电极60。第一透镜54和第二透镜58是用于提供平面外聚焦的光圈透镜(矩形单透镜)。偏转器56提供离子束相对于X轴的倾斜角，并且集成椭圆透镜可以提供在漂移方向Y上受控的离子束发散。

已经发现，安装在提取离子阱4(或任选地通过利用例如弯曲的拉动/相邻接地电极而结合到离子阱本身)与第一反射之间并且以发散的方式操作的所述附加的漂移聚焦透镜是有益的，因为其允许在离子束到达会聚透镜12之前控制离子束的发散。更有利的是，可以将安装在提取离子阱4与第一反射之间的附加的漂移聚焦透镜安装到如上所述注入偏转器内，并在图10的注入光学方案中示出。因此，在某些实施例中，离子聚焦布置可以包括：第一漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之前，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第一漂移聚焦透镜是发散透镜；以及第二漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之后，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第二漂移聚焦透镜是会聚透镜。可以将发散漂移聚焦透镜构造成与会聚透镜一样，例如，构造成如图7所示的具有圆形、椭圆形或准椭圆形形状的透轴透镜，或如图8所示的其它类型的透镜中的一个。然而，发散漂移聚焦透镜将有不同的电压施加到会聚漂移聚焦透镜，并且作用于不同宽度的离子束，从而为会聚漂移聚焦透镜提供不同的聚焦特性。

优选地，在第一次反射之后安装的会聚漂移聚焦透镜12还包括离子偏转器，例如图7所示(实施例C)的棱镜型离子偏转器。可以调节所述偏转器以将注入角调整到期望的水平和/或校正由离子镜中的机械偏差引起的任何离子束偏转。此外，镜子制造或安装过程中的误差会在每次反射时引起较小的飞行时间误差，因为离子束一侧的离子比另一侧的离子具有更短的飞行路径，并且优选地通过在如上所述的离子镜之间的空间内增加两个补偿来校正这些离子。

在US 9,136,101中，使用具有低电压(例如～20V)的细长电极(在本文中被称为“补偿电极”)来校正由数百微米的离子镜会聚引起的飞行时间误差。在本发明中可以使用遵循线性或弯曲或甚至复杂功能的类似电极来校正离子镜电极的微小对准误差或曲率。可以使用一组或多组补偿电极，其中每组包括一对细长电极，一个电极定位在离子束上方，另一个电极定位在离子束下方。补偿电极组优选地在漂移方向Y上在离子镜的大部分长度上延伸。尽管可以将这种补偿电极用于许多误差函数，但是主要的机械误差很可能是镜电极的不平行和中心周围的曲率，因此两组补偿电极就足够了，优选地每组补偿电极在X-Y平面上具有不同的轮廓，例如一组在X-Y平面中具有遵循线性函数的轮廓，而一组在X-Y平面中具有遵循弯曲函数的轮廓。两组补偿电极优选地在离子镜之间的空间中并排放置。当在X-Y平面中具有遵循线性函数的轮廓的一组被偏置时，其可以校正离子镜倾斜或未对准。当在X-Y平面中具有遵循弯曲函数的轮廓的一组被偏置时，其可以校正离子镜弯曲。唯一的缺点是这种补偿电极会增加离子束的任何不希望的偏转，然后可以通过偏转器(即，定位在离子镜之间在第一次反射之后的偏转器)上的适当电压来校正所述偏转。

图11中示意性地示出了优选实施例的实例，其包括离子注入光学器件、漂移聚焦透镜和偏转器以及补偿电极。所述实施例示出了涵盖典型热能范围的离子的模拟轨迹65。示出了提取离子阱4，其用于注入由图5和图6所示类型的平行细长离子镜6和8之间的离子轨迹65表示的离子束。离子束大体上沿X方向注入，但是相对于X轴方向的倾斜角较小(2度)，即在漂移方向Y上具有速度分量。以这种方式，实现了通过分析仪的之字形轨迹。离子束首先穿过注入光学器件，所述注入光学器件包括：用于平面外聚焦的第一透镜64；上述棱镜型偏转器66，其具有安装在其中的集成椭圆形漂移聚焦透镜67；和用于平面外聚焦的第二透镜68。漂移聚焦透镜67优选为发散透镜。当离子束朝向第一离子镜6行进离开离子注入器(离子阱)4时，离子束在漂移方向Y上发散。漂移聚焦透镜67可以提供进一步期望的发散。离子在第一离子镜6中经历N次反射中的第一次反射，然后被反射回到第二离子镜8。发散的离子束遇到漂移聚焦透镜72。在这个实施例中，漂移聚焦透镜72定位在离子镜中的第一次反射之后和第二次反射(即第二离子镜8中的反射)之前。透镜72是如上所述的椭圆形漂移聚焦透镜，其安装在上述棱镜类型的偏转器76内。第一漂移聚焦透镜67是发散透镜(使离子束在漂移方向Y上的宽度发散)，而第二漂移聚焦透镜72是会聚透镜(使离子束在漂移方向Y上的宽度会聚)。漂移聚焦透镜72的离子聚焦布置提供了离子束在漂移方向Y上的长聚焦，使得离子束在漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值，优选在第一次反射和第N次反射之间的一半处。因此，离子束穿过的单个最小值选地在离子聚焦透镜72与探测器74之间的离子路径的基本上一半处。在所示的实施例中提供了两组补偿电极78(一组弯曲形状78^/和一组线性形状78^//)，以校正离子束经历其之字形路径时产生的任何不希望的偏转，例如由于离子镜结构中的机械或对准偏差或不希望的曲率引起的偏转。两组补偿电极78并排放置，但是没有电接触，即两组补偿电极在X方向上彼此错开。一组弯曲形状的补偿电极78^/包括在X-Y平面中具有弯曲轮廓的一对细长电极，其中一个电极定位在离子束上方，另一个电极定位在离子束下方。一组线性形状的补偿电极78^//包括在X-Y平面中具有线性轮廓的一对细长电极，其中一个电极定位在离子束上方，另一个电极定位在离子束下方。在图11中，对于每组补偿电极78^/和78^//，一对电极中只有一个电极是可见的，因为该对中的另一个电极定位在所示电极的正下方。在两个离子镜6、8之间的N次反射之后，离子被检测器74检测。有利地，由于漂移聚焦透镜72的聚焦特性，其中漂移方向Y上的离子束宽度在检测器74处与在漂移聚焦透镜72处基本相同(例如+/-30％，或+/-20％，或+/-10％)，所有离子在离子镜之间完成完全相同数量的N次反射后被检测到，也就是说，没有检测到“泛音”。此外，在完全相同数量的N次反射之后，可以通过定位在反射系统中较早位置处(在第一次反射之后但在第四次、第三次或第二次反射之前)的单个聚焦透镜(会聚透镜)或使用一对聚焦透镜(定位在会聚透镜上游的发散透镜)来实现对所有离子的检测。图12示出了在图11所示的仪器配置中由m/z＝195的代表性离子包形成的检测器平面处的时间(A)和漂移空间(B)的模拟离子峰。可以看出，由于保持了良好的漂移聚焦，飞行时间像差的累积受到限制，因此分辨能力超过100,000。在一些实施例中，包括沿离子路径的另外的透镜可能是有益的。图11中所示的多反射ToF光谱仪的形式的优势是对离子镜组装和对准中的机械误差具有良好耐受性，因为通过调节偏转器和/或补偿电极电压进行补偿，可以很容易地校正由此产生的对离子轨迹的宽偏转。

已经发现，在离子注入器(离子阱)之后，优选地在离子注入器与第一次反射之间放置一个发散透镜，有利于在离子束到达主漂移聚焦透镜(会聚聚焦透镜)之前优化离子束的扩展。因此，优选“望远镜”透镜系统。由于离子束起初非常窄，因此发散透镜优选地被施加强电压。在以上参考图5、6和11描述的实施例中，发现+750V的电压使离子束最佳地扩展到施加了-125V的定位在第一次反射之后的第二聚焦透镜。为了说明这一点，图13示出了在单透镜(A)和伸缩双透镜(B)配置中在22次反射后离子注入阱处的在漂移方向Y上宽2mm的热离子束的扩展。在单透镜配置(A)中，会聚透镜92是如上所述的椭圆形漂移聚焦透镜，其安装在上述棱镜类型的偏转器96内。第一偏转器86设置在第一次反射之前以调节注入倾斜角，但不存在发散透镜。在双透镜配置(B)中，除了发散漂移聚焦透镜87设置在第一次反射之前提供了之外，系统是相同的，其中透镜87是安装在棱镜型偏转器86内的椭圆形漂移聚焦透镜。可以看出，在单透镜情况(A)下，离子反射最终开始沿中心轴重叠，因为2mm的初始离子束宽度太大，但对于双透镜配置(B)则不然。因此，双透镜配置使得能够使用更多数量的全反射N。在一些实施例中，可以在离子镜中的第一次反射之前同时定位发散透镜和会聚透镜，但是由于对初始离子束宽度和相体积以及所需透镜电压的限制，这种布置不太可取。

用透镜准直离子束的困难来自最初在空间和能量上具有独立分布的离子。由于初始离子能量散布而控制膨胀的透镜将引起初始空间展度的会聚。这不能被消除，但是可以通过允许(或引起)离子束宽度的大范围扩展而最小化。由于不可能完全准直，因此发现，优选离子束在聚焦透镜之后具有微小会聚。为了使离子束路径长度最大化，漂移方向上的离子束空间展度在会聚漂移聚焦透镜与检测器之间的中点通过单个最小值。在最小值之后，离子束然后开始发散，直到离子束以与漂移聚焦透镜处的离子束相似的空间展度撞击检测器平面。图14中示意性地示出了聚焦系统。离子注入器104将离子注入定位在离子镜之间(例如，在第一次和第二次反射之间)的会聚漂移聚焦透镜106，其中离子在漂移方向上具有初始空间展度dx_i。离子在限定在离子注入器104与漂移聚焦透镜106之间的扩展区域a中发散。离子束在漂移聚焦透镜106处在漂移方向Y上达到其最大空间展度dx[0]。然后，透镜106聚焦离子束，使得离子束在会聚区域b上沿漂移方向Y在位置f处会聚至其最小焦距(最小空间展度)或峡谷。位置f处的最小焦距出现在漂移聚焦透镜106与检测器114之间的大约一半距离处。在最小焦距f之后，离子束再次在发散区域c上发散，直到到达检测器114，在所述检测器处，离子束在漂移方向Y上再次达到最大空间展度dx[0]。

现在描述一种优化的分析解决方案。已知ToF质谱仪的质量分辨能力与总飞行长度成正比L。在图5、6、11和13所述类型的多反射ToF质谱仪中，总飞行长度为L＝K×L₀，其中K是离子镜之间的振荡次数并且L₀是单次振荡的长度，后者是离子镜之间距离W的大约两倍。K值等于反射总数(N)的一半，即K＝N/2。每一次振荡的漂移步长为：

其中θ是注入角(离子束在进入离子镜并因此在离子镜之间反射时相对于方向X的角度，典型为2度左右)。因此，在整个漂移长度D_L上的振荡次数为：

K＝D_L/Δ_D

选择较小的注入角会导致较小的漂移步长Δ_D，从而可能会增加振荡次数。但是，漂移步长有一个下限Δ_D(min)，所述下限由相邻振荡之间的最小间隔确定。

离子束在漂移方向上的相体积表示为Π。由于根据Liouville定理，相体积沿着轨迹是恒定的，因此Π由离子注入器确定，并且无法通过任何准直光学器件进行修改。然而，可以通过设置空间展度与角展度之间的最佳比率以及最佳相关性，使用此类光学器件在注入分析仪之前“准备”离子束。

振荡k₀处的离子束空间展度δx₀最小。由于没有光学元件可以使第一次和最后一次振荡之间的离子轨迹在漂移方向上准直，因此角展度δα保持恒定，并且在任何振荡k处的空间展度为：

优化目标包括使总飞行长度相对于Δ_D和离子束的相分布最大化，最佳条件受以下限制：

1)第一次振荡δx[0]≤Δ_D/2处的空间展度，以防止第一次反射后的离子束与离子源(或准直器)之间的重叠

2)最后一次振荡δx[K]≤Δ_D/2后的空间展度，以防止最后一次(K-1)振荡处的离子束与离子检测器之间的重叠

3)漂移方向上的相体积δx₀δα＝∏是固定的。

不难发现，离子束峡谷的最佳位置(最小空间展度)δx₀在中间振荡k₀＝K/2处，从而得到：

/>

在最佳情况下，不等式变为相等，并且用于使振荡次数K最大化的角展度的最佳值由等式dK＝0给出

例如，对于离子注入器处宽1mm(Y方向)的离子云，合理的镜间距离和漂移长度由W和D_L给出：

W＝1000mm，D_L＝500mm

值0.025eV是离子的(热)能量展度，4000eV是离子加速电压。

因此，总飞行长度由下式给出：

L＝K(opt)W＝32.5×1000mm＝32.5m

在实例中可以看到，第一次振荡δx[0]处的空间展度和最后一次振荡δx[K]之后的空间展度的值为7.6mm，所述值约为系统中的最小空间展度δx₀5.45mm的√2倍。通常，会聚透镜优选地聚焦离子，使得所述离子束在漂移方向Y上的空间展度在漂移聚焦透镜(并且优选地离子检测器)处达到最大值，所述最大值为所述最小空间展度的1.2到1.6倍、更优选地1.3到1.5倍或约√2倍。

为了提供优化的系统，当离子束在离子镜之间从离子注入器到离子检测器经历K次振荡时，K值优选地在上述最佳值K_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内，所述最佳值由下式给出：

类似地，在通过所述漂移聚焦布置进行聚焦之后，所述离子束的角展度δα优选地在上述最佳值δα_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内，所述最佳值由下式给出：

图15示出了基于这种分析方法的说明改变初始离子束宽度δx₀、(离子镜)漂移长度(D_L)和离子镜间距(W)对可实现的飞行路径长度的影响的曲线图。显然，通过合理实用的离子镜布置可以实现非常长的飞行路径(例如，长1.5m和宽2m的布置可能会产生60m的飞行路径)。这些图示出了(A)飞行路径长度随离子镜间距W的变化和(基数为1000mm)(B)飞行路径长度随漂移长度D_L的变化(基数为500mm)，每个变化都针对不同的初始离子种群宽度δx₀(1mm、2mm和4mm)。

在另外的实施例中，只要离子束保持合理地良好聚焦，就可以在远离离子注入器所在端的离子镜的远端(远处)放置偏转器或偏转/漂移聚焦透镜组合(如上文述所述)或一些其它的离子束方向控制构件，从而反转离子束的漂移速度。在本文中，这种偏转器被称为端部偏转器或反向偏转器。所述偏转器导致离子反射回到离子镜的起始端，可以在所述起始端放置检测器。这样可以使离子的飞行时间倍增(例如两倍)。在某些实施例中，也可以在一侧的离子镜中具有一个偏转器，以再次反转电子束，从而增加离子的飞行时间。这种端部或反向偏转器优选地具有宽的空间接受度并且以同步方式操作。另一个考虑因素是将检测器放置在离子注入器附近会带来空间限制。美国专利US 9,136,101中公开的一种解决方法是以大的注入角注入离子以改善间隙，然后使用定位在第一次反射后的偏转器来减小所述注入角。在US 7,326,925中公开了解决空间和注入角问题的另一种可能的解决方案，其使用扇区以小角度进行离子注入并且任选地将离子提取到检测器。增加离子镜间距是另一种可能的解决方案。

图16中示出了在远端处采用反向偏转器的系统的实施例。然而，由于来自这两个偏转器的时间像差变得损害分辨能力，因此这个实施例是次优选的。定位在Y＝0处的离子注入器204注入离子，并且具有集成的漂移聚焦透镜的第一和第二偏转器206调节注入角度。注入光学器件中也使用平面外透镜205。如上所述，第二漂移聚焦透镜以离子路径的一半的最小焦距聚焦离子。在沿着之字形飞行路径进行了N/2次反射(其中N是离子在系统中经历的反射总数)之后，通过定位在远离离子注入器204的离子镜6、8的远端处的反向偏转器208，离子束的漂移速度沿Y反向。偏转器208是如上所述的梯形、棱柱形。这导致离子朝向离子镜的起始端反射回来，离子沿着之字形飞行路径经历了另外的N/2次反射，直到离子到达放置在Y＝0处的离子注入器204附近的离子检测器210。可以使用离子镜在其长度的入口部分处的会聚来代替偏转器以减小初始注入角(例如，如US 2018/0138026 A1中所述的减速阶段)，其与补偿电极结合将完全消除来自第一个偏转器的定时误差。如US 2017/0098533中一样，还可以校正来自偏转器的部分像差，所述偏转器通过放置在检测器正前方的偶极场来设置注入角。

离子束反向偏转器应当优选地包括使在离子束的整个宽度上引起的飞行时间像差最小化的机制。现在描述两种减少这种影响的方法。

第一种方法是通过聚焦透镜(即在离子束漂移反向之前的转弯)使离子束宽度最小化。可以定位透镜，使得离子在到达反向偏转器之前穿过透镜，优选地，在到达反向偏转器之前进行一次反射。可以设置透镜的电压，以使(相对较宽的)离子束几乎聚焦到反向偏转器内的一点，从而使ToF像差最小化。因此，透镜优选地在反向偏转器内具有点聚焦。然后，当离子束第二次通过所述透镜时，可以沿着漂移方向Y在返回路径上发散至其原始宽度，如图17所示。由此，通过穿过透镜，离子束可以在返回路径上被准直。图17示意性地示出了靠近离子镜的远端的离子束反射。离子束的向前方向由箭头F表示，反向方向由箭头R表示。反向偏转器308被示出为定位在离子镜的远端。梯形或棱镜型结构的反向偏转器308的电极被示出为定位在离子束的上方和下方。离子漂移聚焦透镜316(在所示的实施例中为椭圆形跨轴透镜)定位在反向偏转器308之前的一次反射处，并且用于使离子束几乎聚焦到换向偏转器内的一点。然后，离子束在返回路径R上发散至其原始宽度，并通过再次穿过透镜316进行准直。例如，与上述实施例一致，可以将+300V的电压施加到反向偏转器308上，并将-160V的电压施加到椭圆透镜316上。图18示出了通过根据本发明的质量分析仪的热散度为±3σ的离子的模拟离子轨迹，所述质量分析仪包括反向偏转器。通过正确对准离子注入器、检测器和偏转器电压，可以实现超过200,000的分辨率。第一偏转器和第二偏转器(棱镜偏转器)406减小来自注入器404的离子的初始漂移能量，并且第三偏转器408(反向棱镜偏转器)以最小的时间像差使离子反向漂移返回到检测器。使用这些部件以实现高分辨率的优选系统包括将离子注入分析仪中，使得离子以平行于漂移方向Y的焦平面离开第二偏转器(即，在第一次反射之后)，从而使在离子通过第二偏转器(棱镜)返回的过程中可能无法完全纠正的焦平面倾斜最小化。这可以通过适当地布置离子源来实现，例如，与先前描述的实施例相比，通过将离子源转回去，以便以略微负的漂移度(例如-1.5度)从离子源喷射离子，然后通过在第一个棱镜偏转器上施加较大的电压(例如+375V)将漂移度变为正值。然后，离子到达第二个棱镜偏转器(例如，电压为-120V)，所述偏转器设置了注入角并且将焦平面与漂移轴Y对齐。这种方法的缺点是离子通过第二棱镜偏转器的返回行程可能会引起到达检测器时的线性焦平面倾斜，尽管可以通过正确对准检测器(具有焦平面倾斜)或通过提供焦平面倾斜校正装置来补偿这一缺点。因此，在一些实施例中，可以将离子源布置为沿负漂移方向(远离离子镜)喷射离子，并且第一离子偏转器(通常在第一次反射之前)将离子恢复为正漂移方向。第二离子偏转器(通常在第一次反射之后)可以调节离子束的倾斜角和/或将离子束的焦平面对准漂移方向Y。

用于使飞行时间像差最小化的与反向偏转器的使用相关联的第二种方法包括通过两次穿过反向偏转器进行飞行时间像差的自校正，所述反向偏转器具有集成的或紧密接近的聚焦透镜(例如，没有通过反射与偏转器分开)。例如，以在漂移方向Y上完全反转离子(施加相反的漂移方向速度)所需的电压的一半运行的偏转器(如例如棱镜偏转器)将进而使离子的漂移速度降低至零。因此，当离子离开偏转器并到达离子镜以进行下一次反射时，离子将被反射回到偏转器中，然后偏转将离子的漂移速度从零更改为反向漂移速度，由此完成了离子轨迹的反转。如果将聚焦透镜合并到偏转器(如例如先前所述并在图7C中示出的棱镜型偏转器)中，或者仅放置在偏转器附近，则可以应用聚焦，使得当离子从其进入的偏转器的另一侧返回到偏转器时，以一条路径和另一条路径通过偏转器的离子的飞行时间像差会抵消。因此，偏转器/透镜组件是自校正的。然而，应将返回角设计成与注入角略有偏移，以使离子束例如到达检测器，而不是简单地返回离子注入器。例如，可以在反向偏转器上施加稍低的电压(以便提供略小于100％的反射(例如95％)而不是100％的反射)。图19中示意性地示出了这种系统的一个实例。从离子注入器沿漂移方向传播的离子首先从左侧进入反向偏转器508，如箭头A所示。偏转器508为梯形、棱柱形，如展开图所示。如图17和18所示，向偏转器施加的电压(+150V)是使漂移速度完全反转所施加的电压的一半。这会将离子的漂移速度基本上降低到零，并且离子以零漂移速度进入离子镜(未示出)进行下一次反射。偏转器具有集成的漂移聚焦透镜506(例如椭圆形)。在离子通过偏转器将其漂移速度降低至零的同时，其被聚焦到离子镜中的焦点(优选在离子镜中的转折点)。这个实施例中的透镜506具有施加到其上的电压-300V。反射后，离子开始第二次发散并重新进入偏转器，这一次是从偏转器的对面进入，如箭头B的方向所示。因此，再次应用偏转，这次的作用是完成离子漂移速度的反转。透镜506同时用于准直返回路径上的离子束。

使用转向偏转器来反转离子束并使飞行路径加倍是现有技术中已知的，但是这些方法往往会损害分辨率。此处介绍的等时偏转方法可用于限制飞行时间像差并保持分辨率。两者都是相对简单的结构。在现有技术中，通过以下方法解决这个问题：通过将离子镜倾斜与偏转器结合使用来抵消像差(US 9,136,101)，其对机械要求很高；或者通过始终用周期透镜压缩离子束，从而使偏转像差很小(GB2403063)，但是空间电荷性能相对较差。

在专利申请US 2018-0138026 A1中描述了使用沿分析仪漂移长度的至少一部分的离子镜电极的曲率作为控制漂移速度并由此使分析仪有限空间内的反射次数最大化的手段。图20示出了图11的设备，其被修改以并入所述概念。离子注入系统和离子聚焦布置与图11中描述的相同(即，包括离子注入器904、注入光学器件，所述注入光学器件包括平面外透镜964、带有集成漂移聚焦透镜967的偏转器966、第二个平面透镜968和带有集成漂移聚焦透镜972的偏转器976。离子镜906、908首先沿其长度的第一部分在漂移方向Y上会聚以减小离子漂移速度，例如在US2018-0138026A1中所述，其内容通过引用整体并入本文。离子镜长度的第一部分与离子注入器相邻。优选地，离子镜首先遵循弯曲函数会聚以减小漂移速度，但是，所述会聚可以例如是线性的。然后，离子镜平行(或接近于平行)地运行以使反射次数最大化，然后进行发散以分隔不同的反射并使检测器974的空间最大化。优选地，离子镜遵循弯曲函数发散，但是，所述发散可以例如是线性的。会聚和发散不必匹配(对称)，并且中心区域甚至可以是完全平坦(平行)的。形状与镜面曲率(或其倒数)相匹配的一组细长的飞行时间补偿电极978(一个在离子束上方一个在离子束下方)优选地定位在离子镜之间的中央，以校正镜面曲率的飞行时间像差。对于4kV离子的2度注入角，离子镜会聚(离子镜最远间距与最短间距之间的差异)应小于600μm，以防止某些离子的漂移反射。较强烈的会聚和发散区域优选地包括多次反射，以防止离子散射(偏转保持绝热)。如US 2018-0138026A1中所述，可以通过平角镜表面而不是平滑弯曲镜来实现通过离子镜会聚降低离子漂移速度。使用离子镜会聚/发散来使离子镜内的返回次数最大化显然是有利的，但是这以漂移维度上的离子束散焦为代价。在漂移聚焦变得不稳定之前，即使使用高阶高斯函数，在模拟中漂移速度适度降低(约25％)也被视为是可行的。在US 9,136,101中公开了会聚镜方法，但是其需要离子的反转并且涉及将检测器和离子源定位在离子镜之间的相同空间中，这在本文描述的实施例中不是必需的。获得与在漂移方向Y上应用镜之间的距离的会聚/发散相似的结果的另一种方法是朝向/远离离子镜在漂移方向Y上的中心减小/增加电极孔的高度(Z方向上的镜孔的高度)。第三种方式是通过经由离子镜内的附加电极(例如，离子镜的电极之间的一个或多个附加电极，如WO 2019/030472 A1中所述)施加扰动电势来扰动离子镜场，以增加朝向Y中心(朝向离子镜在漂移方向Y上的中心或离子束路径的中点)的电势(正离子)并减小朝向漂移终端(朝向离子镜的末端或离子束路径的起点和终点)的电势。对于负离子，这种电势的方向将相反。例如，可以使用定位在离子镜电极之间的另外的楔形电极来提供扰动电势(如WO 2019/030472 A1的图3中所示)。电极的楔形形状的范围沿漂移方向Y发生变化，因此其扰动电势也发生变化。可替代地，可以使用提供沿漂移方向Y变化的扰动电势的直的(非楔形的)附加电极。在现有技术中未公开的类似形式的校正或补偿电极将是沿离子镜或每个离子镜的背面延伸的电极，例如楔形电极，其沿漂移方向Y的高度增加(并因此增加了离子镜反射部分的电压扰动)。与漂移相比，这种电极对飞行时间的影响不成比例，因此，最好在离子镜之间与功能匹配的条形补偿电极配对以平衡这两个特性。然而，这种电极通常不是优选的，因为电场以指数方式穿透镜子的背面，从而导致对具有高能量的离子产生不成比例的影响，并因此损失镜子的能量接受度。

本发明的多反射质谱仪可以与用于成像应用的点离子源(如激光烧蚀、MALDI等)结合，其中每个质谱对应于一个源点，并且在许多点和对应的质谱上建立图像。因此，在一些实施例中，可以从离子源中的样品上的多个空间上间隔的点依次产生离子，并从每个点产生记录的质谱以使样品成像。参考图16所示的系统，所述系统结合了图17的偏转器，其特性之一是系统末端的离子位置与离子源中的离子位置密切相关。这表明具有远距离聚焦透镜和反向偏转器的多反射ToF分析仪可能适用于使用成像检测器(例如2D检测器阵列或像素检测器)进行的“像散成像”，其中区域内沿源表面的离子分布可以用一次离子提取成像。图21中示出了具有初始空间和能量分量变化的离子的模拟轨迹，所述轨迹返回到具有能量焦点的检测平面。焦点可以相对于能量进行调整。离子从一个点离开源平面1004，并通过离子聚焦布置，所述离子聚焦布置包括图11和16所示配置的第一偏转器/透镜布置1006和第二偏转器/透镜布置1008。箭头A示出了离子的初始方，而箭头B示出了在漂移方向Y上被反向偏转器(未示出)反向后的返回离子束。离子在对应点处返回源平面，检测器(未示出)可以定位在所述点附近。

上文提出的实施例不仅可以被实现为超高分辨率ToF仪器，而且还可以被实现为低成本的中性能分析仪。例如，如果离子能量以及由此施加的电压不超过几千伏，则镜子和/或补偿电极的整个组件可以被实现为一对印刷电路板(PCB)，其印刷表面彼此平行并彼此面对，优选为平坦的并由FR4玻璃填充的环氧树脂或陶瓷制成，由金属垫片间隔开并与定位销对齐。可以将PCB胶合或以其它方式固定在更具弹性的材料(金属、玻璃、陶瓷、聚合物)上，从而使系统更坚固。优选地，每个PCB上的电极可以由激光切割凹槽限定，所述激光切割凹槽提供足够的隔离以防止击穿，而同时不会显著暴露内部的电介质。可以经由不面对离子束的后表面实现电连接，并且所述电连接还可以集成电阻分压器或整个电源。

对于实际实施，离子镜在漂移方向Y上的伸长不应太长，以降低设计的复杂性和成本。优选地，提供了用于补偿边缘场的构件，例如，使用末端电极(优选地定位在距离最近的离子轨迹在Z方向上的镜子高度的至少2-3倍的距离处)或模拟无限长离子镜的电势分布的末端PCB的构件。在前一种情况下，电极可以使用与离子镜电极相同的电压，并且可以实现为具有适当形状并与离子镜电极连接的平板。

在一些实施例中，根据本发明的质谱仪可以用作高分辨率质量选择装置，以选择具有特定质荷比的前驱体离子，从而在第二质谱仪中进行碎裂和MS2分析。例如，以US 9,136,101的图15所示的方式。

如本文所使用的，包含在权利要求书中所使用的，除非上下文另外指示，否则本文中术语的单数形式应解释为包含复数形式，反之亦然。例如，除非上下文另外指示，否则本文中(包含权利要求书中)的单数形式，如“一个/种(a/an)”，是指“一个或多个”。

在本说明书的整个具体实施方式和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及这些词语的变体，例如“包括(comprising和comprises)”等，是指“包含但不限于”，并且并不旨在(也不会)排除其它组件。

应理解，可以在不落入由权利要求书限定的本发明的范围内的情况下对本发明的前述实施例进行变型。除非另外说明，否则本说明书中所公开的每个特征都可以替换为用于相同、同等或类似目的的替代特征。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列的等价或相似的属性特征的一个实例。

除非另外声明，否则本文提供的任何和所有实例或示例性语言(“例如(forinstance)”、“如(such as)”、“例如(for example)”和类似语言)的使用仅旨在更好地说明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。本说明书中任何语言都不应被解释为将任一非主张的要素指示为是实践本发明所必须的。

本发明还涉及以下实施例：

1.一种质谱分析方法，其包括：

将离子注入到在方向X上彼此隔开并相对的两个离子镜之间的空间中，每个离子镜大体上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交，所述离子以与所述X方向成非零倾角进入所述空间，所述离子由此形成沿着之字形离子路径的离子束，所述离子束在所述方向X上在所述离子镜之间具有N次反射，同时沿所述漂移方向Y漂移，

使用至少部分地定位在相对的离子镜之间的离子聚焦布置在所述漂移方向Y上聚焦所述离子束，以使所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值，其中所有检测到的离子均是在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测到的，以及

在所述离子完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测离子。

2.根据实施例1所述的质谱分析方法，其中聚焦使得第一次反射时所述离子束在所述漂移方向上的空间展度与第N次反射时所述离子束在所述漂移方向上的空间展度基本相同。

3.根据实施例1或2所述的质谱分析方法，其中聚焦使得所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度通过单个最小值，所述最小值基本上是在沿所述离子聚焦布置与所述检测器之间的离子路径的一半处。

4.根据实施例1到3中任一项所述的质谱分析方法，其中所述离子束在所述离子镜之间经历K次振荡，并且K是在最佳值K_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内的值，所述最佳值由下式给出：

其中D_L是所述离子束在所述漂移方向Y上传播的漂移长度，Π是相体积，其中Π＝δα_i.δx_i并且δα_i是所述初始角展度，δx_i是所述离子束的初始空间展度，并且W是在X方向上离子镜之间的距离。

5.根据实施例1到4中任一项所述的质谱分析方法，其中在进行聚焦之后，所述离子束的角展度δα在最佳值δα_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内，所述最佳值由下式给出：

6.根据实施例1到5中任一项所述的质谱分析方法，其中使用定位在所述离子镜中次数小于0.25N的反射之前的离子聚焦布置来执行聚焦。

7.根据实施例1到6中任一项所述的质谱分析方法，其中所述离子注入器处的所述离子束在所述漂移方向Y上的初始空间展度δx_i为0.25-10mm或0.5-5mm。

8.根据实施例1到7中任一项所述的质谱分析方法，其中所述离子聚焦布置包括定位在所述离子镜中的第一次反射之后和所述离子镜中的第五次反射之前的漂移聚焦透镜。

9.根据实施例1到8中任一项所述的质谱分析方法，其进一步包括使用定位在所述离子镜中的第一次反射之后和所述离子镜中的第五次反射之前的偏转器来偏转所述离子束。

10.根据实施例1到9中任一项所述的质谱分析方法，其中所述离子聚焦布置包括：第一漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之前，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第一漂移聚焦透镜是发散透镜；以及第二漂移聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之后，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第二漂移聚焦透镜是会聚透镜。

11.根据实施例1到10中任一项所述的质谱分析方法，其进一步包括通过使用定位在所述离子镜中的所述第一次反射之前的注入偏转器来偏转所述离子束来调整所述离子束相对于X方向的倾角。

12.根据实施例1到11中任一项所述的质谱分析方法，其进一步包括将一个或多个电压施加到相应的一个或多个补偿电极，所述补偿电极在所述离子镜之间的空间内或附近沿所述漂移方向Y的至少一部分延伸，以使飞行时间像差最小化。

13.根据实施例1到12中任一项所述的质谱分析方法，其进一步包括使用所述离子镜的远离所述离子注入器的远端的反向偏转器来偏转离子束，以减小或反转所述离子在所述方向Y上的漂移速度。

14.根据实施例13所述的质谱分析方法，其进一步包括在所述反向偏转器内将所述离子束聚焦到最小焦距。

15.根据实施例13所述的质谱分析方法，其进一步包括在所述反向偏转器内提供聚焦透镜，并在所述反向偏转器之后的下一次反射时，在所述离子镜中的一个内将所述离子束聚焦到最小焦距。

16.根据实施例1到12中任一项所述的质谱分析方法，其中所述检测包括形成离子源的2-D图像。

Claims (33)

1.一种多反射质谱仪，其包括

两个离子镜，其在方向X上彼此隔开并相对，每个离子镜大体上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交，

脉冲离子注入器，其用于将离子脉冲注入到所述离子镜之间的空间中，所述离子以与所述方向X成非零倾角进入所述空间，所述离子由此形成沿着之字形离子路径的离子束，所述离子束在所述方向X上在所述离子镜之间具有N次反射，同时沿所述漂移方向Y漂移，

离子检测器，其用于在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测离子，以及

离子聚焦布置，其至少部分地定位在相对的离子镜之间，并且被配置成在所述漂移方向Y上提供对所述离子束的聚焦，以使所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值，其中所有检测到的离子均是在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测到的。

2.根据权利要求1所述的多反射质谱仪，其中第一次反射时所述离子束在所述漂移方向上的所述空间展度与第N次反射时所述离子束在所述漂移方向上的所述空间展度相差+/-30％、+/-20％或者+/-10％以内。

3.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其中所述离子束在所述漂移方向Y上的所述空间展度通过单个最小值，所述最小值是在沿所述离子聚焦布置与所述离子检测器之间的离子路径的一半的+/-20％、+/-10％或者+/-5％以内处。

4.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其中所述离子聚焦布置包括用于在所述漂移方向Y上聚焦所述离子的一个漂移聚焦透镜或一对漂移聚焦透镜。

5.根据权利要求4所述的多反射质谱仪，其中至少一个漂移聚焦透镜是会聚透镜。

6.根据权利要求5所述的多反射质谱仪，其中所述会聚透镜聚焦所述离子，使得所述离子束在所述漂移方向Y上的所述空间展度在所述会聚透镜处具有最大值，所述最大值为最小空间展度的1.2-1.6倍，或约√2倍。

7.根据权利要求5所述的多反射质谱仪，其中所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在所述会聚透镜处具有最大值，所述最大值的范围为所述脉冲离子注入器处所述离子束在所述漂移方向Y上的初始空间展度的2倍到20倍。

8.根据权利要求7所述的多反射质谱仪，其中在从所述脉冲离子注入器到所述离子检测器的所述离子镜之间的所述离子束经历K次振荡，并且K是在最佳值K_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内的值，所述最佳值由下式给出：

其中D_L是所述离子束在所述漂移方向Y上传播的漂移长度，Π是相体积，其中Π＝δα_i.δx_i并且δα_i是初始角展度，δx_i是所述离子束在所述脉冲离子注入器处的所述初始空间展度，并且W是在方向X上离子镜之间的距离。

9.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其中在通过所述离子聚焦布置进行聚焦之后，所述离子束的角展度δα在最佳值δα_(opt)附近+/-50％，或+/-40％，或+/-30％，或+/-20％，或+/-10％的范围内，所述最佳值由下式给出：

10.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其中所述离子聚焦布置定位在所述离子镜中次数小于0.25N的反射之前。

11.根据权利要求7所述的多反射质谱仪，其中所述脉冲离子注入器处所述离子束在所述漂移方向Y上的所述初始空间展度δx_i为0.25-10mm或0.5-5mm。

12.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其中所述离子聚焦布置包括定位在所述离子镜中的第一次反射之后和第五次反射之前的漂移聚焦透镜。

13.根据权利要求12所述的多反射质谱仪，其中所述离子聚焦布置包括定位在所述离子镜中的第一次反射之后和所述离子镜中的第二次反射之前的漂移聚焦透镜。

14.根据权利要求12所述的多反射质谱仪，其中所述漂移聚焦透镜是定位在所述第一次反射与所述离子检测器之间的唯一漂移聚焦透镜。

15.根据权利要求12所述的多反射质谱仪，其中所述漂移聚焦透镜包括透轴透镜，其中所述透轴透镜包括一对相对的透镜电极，所述一对相对的透镜电极在方向Z上定位在所述离子束的任一侧，其中方向Z垂直于方向X和Y。

16.根据权利要求15所述的多反射质谱仪，其中所述相对的透镜电极中的每一个包括圆形、椭圆形、准椭圆形或弧形电极。

17.根据权利要求15所述的多反射质谱仪，其中所述一对相对的透镜电极中的每一个包括电极阵列，所述电极阵列被电阻器链分隔以模拟由具有弯曲边缘的电极产生的场曲率。

18.根据权利要求15所述的多反射质谱仪，其中所述漂移聚焦透镜包括多极杆组件或单透镜。

19.根据权利要求15所述的多反射质谱仪，其中所述透镜电极各自被放置在电接地组件内。

20.根据权利要求15所述的多反射质谱仪，其中所述透镜电极各自被放置在偏转器电极内。

21.根据权利要求20所述的多反射质谱仪，其中所述偏转器电极具有外部梯形形状，所述外部梯形形状充当所述离子束的偏转器。

22.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其中所述离子聚焦布置包括：第一漂移聚焦透镜，其定位在所述离子镜中的第一次反射之前，用于在所述漂移方向Y上聚焦所述离子束，其中所述第一漂移聚焦透镜是发散透镜；以及第二漂移聚焦透镜，其定位在所述离子镜中的所述第一次反射之后，用于在所述漂移方向Y上聚焦所述离子束，其中所述第二漂移聚焦透镜是会聚透镜。

23.根据权利要求22所述的多反射质谱仪，其中所述离子聚焦布置包括至少一个定位在所述离子镜中的第一次反射之前的注入偏转器。

24.根据权利要求23所述的多反射质谱仪，其中所述第一漂移聚焦透镜被放置在所述至少一个注入偏转器内。

25.根据权利要求23所述的多反射质谱仪，其中所述离子束相对于所述方向X的倾角由所述脉冲离子注入器相对于所述方向X的离子射出角度和/或由所述注入偏转器引起的偏转所决定。

26.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其进一步包括一个或多个补偿电极，所述补偿电极在所述离子镜之间的空间内或附近沿所述漂移方向Y的至少一部分延伸，以使飞行时间像差最小化。

27.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其进一步包括反向偏转器，所述反向偏转器定位在所述离子镜的远离所述脉冲离子注入器的远端，以减小或反转所述离子在所述方向Y上的漂移速度。

28.根据权利要求27所述的多反射质谱仪，其进一步包括另外的漂移聚焦透镜，所述另外的漂移聚焦透镜定位在相对的离子镜之间、所述反向偏转器之前的一次、两次或三次反射，以在所述反向偏转器内将所述离子束聚焦到最小焦距。

29.根据权利要求27所述的多反射质谱仪，其进一步包括另外的漂移聚焦透镜，所述另外的漂移聚焦透镜定位在所述反向偏转器之内，以在所述反向偏转器之后的下一次反射时，在所述离子镜中的一个内将所述离子束聚焦到最小焦距。

30.根据权利要求29所述的多反射质谱仪，其中所述离子检测器定位在所述离子镜在所述漂移方向Y上与所述脉冲离子注入器相反的一端，并且其中当所述离子朝向所述离子检测器行进时，所述离子镜沿着其在所述方向Y上的长度的一部分彼此发散。

31.根据权利要求30所述的多反射质谱仪，其中，从所述离子镜的最靠近所述脉冲离子注入器的端部开始，所述离子镜沿着其在所述方向Y上的长度的第一部分朝向彼此会聚，并且沿着其在所述方向Y上的长度的第二部分彼此发散，长度的所述第二部分与所述离子检测器相邻。

32.根据权利要求1或2所述的多反射质谱仪，其中所述离子检测器是成像检测器。

33.一种质谱分析方法，其包括：

将离子注入到在方向X上彼此隔开并相对的两个离子镜之间的空间中，每个离子镜大体上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交，所述离子以与所述方向X成非零倾角进入所述空间，所述离子由此形成沿着之字形离子路径的离子束，所述离子束在所述方向X上在所述离子镜之间具有N次反射，同时沿所述漂移方向Y漂移，

使用至少部分地定位在相对的离子镜之间的离子聚焦布置在所述漂移方向Y上聚焦所述离子束，以使所述离子束在所述漂移方向Y上的空间展度在次数介于0.25N与0.75N之间的反射时或反射后立即通过单个最小值，其中所有检测到的离子是在完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测到的，以及

在所述离子完成所述离子镜之间的相同数量N次反射之后检测离子。