CN113228226A - 利用静电线性离子阱同时分析多个离子的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

电荷检测质谱仪可以包括：离子源；静电线性离子阱（ELIT），其包括设置在同轴对准的一对离子镜之间的电荷检测圆筒；用于在离子镜内选择性地建立电场的装置，离子镜被配置成使在ELIT中被俘获的离子每次通过电荷检测圆筒时在离子镜之间来回振荡；以及用于控制进入ELIT的离子束的轨迹、以使随后被俘获的离子以不同的平面离子振荡轨迹振荡或者以不同的圆筒离子振荡轨迹振荡的装置，这些平面离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此成角度地偏移，其中每个平面离子振荡轨迹在每个离子镜中沿着纵向轴线延伸并与纵向轴线交叉，所述不同的圆筒形离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此径向偏移，以形成嵌套的圆筒形轨迹，每个圆筒形轨迹沿着纵向轴线延伸。

Description

利用静电线性离子阱同时分析多个离子的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年12月3日提交的美国临时专利申请序列号62/774,703的权益和优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。
政府权利
本发明是在国家科学基金会授予的CHE1531823的政府支持下完成的。美国政府对这项发明拥有一定的权利。
技术领域
本公开一般涉及电荷检测质谱仪器，并且更具体地说，涉及利用静电线性离子阱同时分析多个离子的仪器。
背景技术
质谱法通过根据离子质量和电荷分离物质的气态离子来鉴定物质的化学成分。已经开发了各种仪器来确定这种被分离离子的质量，并且一种这样的仪器是电荷检测质谱仪（CDMS）。CDMS常规地是单粒子仪器和技术，其中根据测量的离子质荷比（通常称为“m/z”）和测量的离子电荷来分别确定每个离子的离子质量。一些这样的CDMS仪器采用静电线性离子阱（ELIT）检测器，其中使离子通过电荷检测圆筒来回振荡。离子多次通过这种电荷检测圆筒为每个离子提供多次测量，并且然后对这种多次测量进行处理，以确定离子m/z和电荷，由此可以计算出离子质量。
单粒子CDMS是耗时的过程，其通常需要几个小时来测量和获得质谱。期望开发缩短样品分析持续时间的CDMS仪器和技术。
发明内容
本公开可以包括所附权利要求中列举的一个或多个特征，和/或一个或多个以下特征及其组合。在第一方面，用于同时测量多个离子的电荷检测质谱仪（CDMS）可以包括：离子源，其被配置成产生并供应离子束；静电线性离子阱（ELIT），其包括同轴对准的一对离子镜和设置在其间并与其同轴对准、使得ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，所述一对离子镜中的第一者限定围绕纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过该孔进入ELIT；至少一个电压源，其可操作地耦合到所述一对离子镜，并且被配置成产生用于在其中选择性地建立电场的电压，所述电压被配置成在ELIT内俘获进入的离子束中的多个离子，并且使得所俘获的多个离子每次通过电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡；以及用于控制进入ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹的装置，以使随后在ELIT内被俘获的多个离子在其中振荡，其中对应的多个不同的平面离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此成角度地偏移，每个轨迹沿着纵向轴线延伸并且在所述一对离子镜的每一者中与纵向轴线交叉，或者对应的多个不同的圆筒形离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此径向偏移，以形成多个嵌套的圆筒形轨迹，每个圆筒形轨迹沿着纵向轴线延伸。
在第二方面，用于同时测量多个离子的电荷检测质谱仪（CDMS）可以包括：离子源，其被配置成产生并供应离子束；静电线性离子阱（ELIT），其包括同轴对准的一对离子镜和设置在其间并与其同轴对准、使得ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，该对离子镜中的第一者限定围绕纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过该孔进入ELIT；至少一个电压源，其可操作地耦合到所述一对离子镜，并且被配置成产生用于在其中选择性地建立电场的电压，所述电压被配置成在进入的离子束中在ELIT内俘获至少两个离子，并且使所述至少两个被俘获的离子每次通过电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡；以及用于控制进入ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹的装置，以使随后在ELIT内被俘获的所述至少两个离子在其中振荡，其中至少两个不同的平面离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此成角度地偏移，每个轨迹沿着纵向轴线延伸并在这对离子镜的每一者中与纵向轴线相交。
在第三方面，用于同时测量多个离子的电荷检测质谱仪（CDMS）可以包括：离子源，其被配置成产生并供应离子束；静电线性离子阱（ELIT），其包括同轴对准的一对离子镜和设置在其间并与其同轴对准、使得ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，该对离子镜中的第一者限定围绕纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过该孔进入ELIT；至少一个电压源，其可操作地耦合到所述一对离子镜，并且被配置成产生用于在其中选择性地建立电场的电压，所述电压被配置成在ELIT内俘获进入的离子束中的至少两个离子，并且使所述至少两个被俘获的离子每次通过电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡；以及用于控制进入ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹以使随后在ELIT内被俘获的所述至少两个离子在其中振荡的装置，其中至少两个不同的圆筒形离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此径向偏移，以形成至少两个嵌套的圆筒形轨迹，每个轨迹沿着纵向轴线延伸。
在第四方面，用于分离离子的系统可以包括上述第一、第二或第三方面中任一方面所述的CDMS，以及至少一个离子分离仪器，该离子分离仪器被配置成根据至少一种分子特性来分离由离子源供应的所产生的离子束，其中进入ELIT的所供应的离子束是离开所述至少一个离子分离仪器的所产生的分离的离子束。
在第五方面，一种用于分离离子的系统可以包括：离子源，其被配置成从样品中产生离子；第一质谱仪，其被配置成根据质荷比分离所产生的离子；离子解离级，其被定位成接收离开第一质谱仪的离子并被配置成解离离开第一质谱仪的离子；第二质谱仪，其被配置成根据质荷比分离离开离子解离级的解离离子；以及上述第一、第二或第三方面中任一方面所述的电荷检测质谱仪（CDMS），其与离子解离级并联耦合且并联耦合到离子解离级，使得产生和供应离子束的离子源包括第一质谱仪和离子解离级中的任一者或两者，其中使用CDMS测量离开第一质谱仪的前体离子的质量，使用第二质谱仪测量质量值低于阈值质量的前体离子的解离离子的质荷比，并且使用CDMS测量质量值等于或高于阈值质量的前体离子的解离离子的质荷比和电荷值。
在第六方面，提供了一种用于同时测量供应给静电线性离子阱（ELIT）的离子束中的至少两个离子的方法，该静电线性离子阱包括同轴对准的一对离子镜和设置在其间并与其同轴对准使得ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，其中该对离子镜中的第一者限定围绕纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过该离子入口孔进入ELIT。该方法可以包括：控制至少一个电压源向该对离子镜施加电压，以在其中建立离子传输电场，从而使供应给ELIT的离子入口孔的离子束穿过该对离子镜中的每一者，并穿过电荷检测圆筒，并穿过由该对离子镜中的第二者限定的离子出口，其中每个离子传输电场被配置成将穿过其中的离子朝向纵向轴线聚焦；控制所述至少一个电压源以改变施加到所述一对离子镜的电压，从而在其中建立离子反射电场，以在ELIT内俘获供应给ELIT的离子入口孔的离子束中的至少两个离子，其中每个离子反射电场被配置成使从电荷检测圆筒进入该对离子镜中相应一者的离子停止并在相反方向上加速返回通过电荷检测圆筒并朝向该对离子镜中的另一者，同时还朝向纵向轴线聚焦离子；以及控制进入ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹，以使随后在ELIT内被俘获的至少两个离子在其中振荡，其中至少两个不同的平面离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此成角度地偏移，每个轨迹沿着纵向轴线延伸并在所述一对离子镜中的每一者中与纵向轴线相交。
在第七方面，提供了一种用于同时测量供应给静电线性离子阱（ELIT）的离子束中的至少两个离子的方法，该静电线性离子阱包括同轴对准的一对离子镜和设置在其间并与其同轴对准使得ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，其中该对离子镜中的第一者限定围绕纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过该离子入口孔进入ELIT。该方法可以包括：控制至少一个电压源向该对离子镜施加电压，以在其中建立离子传输电场，从而使供应给ELIT的离子入口孔的离子束穿过该对离子镜中的每一者，并穿过电荷检测圆筒，并穿过由该对离子镜中的第二者限定的离子出口，其中每个离子传输电场被配置成将穿过其中的离子朝向纵向轴线聚焦；控制所述至少一个电压源以改变施加到所述一对离子镜的电压，从而在其中建立离子反射电场，以在ELIT内俘获供应给ELIT的离子入口孔的离子束中的至少两个离子，其中每个离子反射电场被配置成使从电荷检测圆筒进入该对离子镜中相应一者的离子停止并在相反方向上加速返回通过电荷检测圆筒并朝向该对离子镜中的另一者，同时还朝向纵向轴线聚焦离子；以及控制进入ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹，以使随后在ELIT内被俘获的至少两个离子在其中振荡，其中至少两个不同的圆筒形离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此径向偏移，以形成至少两个嵌套的圆筒形离子振荡轨迹，每个轨迹沿着纵向轴线延伸。
附图说明
图1是包括静电线性离子阱（ELIT）的实施例的CDMS系统的简化示意图，其中控制和测量部件耦合到该静电线性离子阱。
图2A是图1所示ELIT的离子镜M1的放大图，其中控制M1的镜电极以在其中产生离子传输电场。
图2B是图1所示ELIT离子镜M2的放大图，其中控制M2的镜电极以在其中产生离子反射电场。
图3是图1所示处理器的实施例的简化示意图。
图4A-4C是图1的ELIT的简化示意图，其演示了在ELIT内俘获至少一个离子并使离子在离子镜之间来回振荡并通过电荷检测圆筒、以测量和记录多个电荷检测事件的离子镜的顺序控制和操作。
图5A是图1-2B的ELIT的简化透视截面图，其示出了叠加在其上的三维笛卡尔坐标系，该坐标系的原点定位在ELIT的离子入口处。
图5B是如沿图示的坐标系的Y-Z平面观察的图5A的ELIT的离子入口的一部分的放大视图。
图5C是如沿图示的坐标系的X-Y平面观察的图5A的ELIT的离子入口的一部分的放大视图。
图6是相对于图5A-5C所示的三维坐标系在图1-2B和5A的ELIT内的示例的平面离子振荡轨迹的图。
图7是相对于5A-5C所示的三维坐标系在图1-2B和5A的ELIT内的示例圆筒形离子振荡轨迹的图。
图8是类似于图6的描绘了相对于图5A-5C所示的三维坐标系同时在图1-2B和5A的ELIT内被俘获的两个离子的示例正交平面振荡轨迹。
图9是类似于图7的描绘了相对于图5A-5C所示的三维坐标系同时在图1-2B和5A的ELIT内被俘获的两个离子的示例嵌套圆筒形振荡轨迹。
图10是如沿剖面线10-10观察的图9的两个嵌套圆筒形振荡轨迹图的截面图。
图11是电荷检测质谱仪的实施例的简化示意图，该质谱仪包括轨迹控制设备，该轨迹控制设备用于选择性地控制进入ELIT的离子的轨迹，以实现具有平面或圆筒形振荡轨迹分布的多个离子的同时俘获。
图12是简化流程图，其图示了用于操作图11的轨迹控制设备的过程的实施例。
具体实施方式
为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考附图中所示的多个说明性实施例，并且将使用特定的语言来描述这些实施例。
本公开涉及通过控制进入ELIT的离子的轨迹、用电荷检测质谱仪（CDMS）的静电线性离子阱（ELIT）检测器同时分析多个离子的设备和技术，其方式是提供多个离子的同时俘获和单独测量，每个离子在ELIT内具有不同的振荡轨迹。在一个实施例中，可以以有利于ELIT内的平面振荡轨迹几何形状的方式控制离子进入轨迹，在该平面振荡轨迹几何形状中，被俘获的离子具有非常低的彼此相互作用的可能性。在另一个实施例中，可以以有利于ELIT内的圆筒形振荡轨迹几何形状的方式来控制离子进入轨迹，在该几何形状中，被俘获的离子不会彼此显著地相互作用。在任何情况下，与使用常规的单离子俘获技术可实现的相比，这种利用ELIT来同时分析多个离子的方法可以大大减少样品分析时间。
关于ELIT的操作，并且为了本公开的目的，短语“电荷检测事件”被定义为检测与通过ELIT的电荷检测器单次的离子相关联的电荷，并且短语“离子测量事件”被定义为由离子通过电荷检测器来回振荡选定次数或选定时间段而导致的电荷检测事件的集合。由于离子通过电荷检测器来回振荡是由离子在ELIT内的受控俘获引起的（这将在下文中详细描述），所以短语“离子测量事件”在本文中可替代地被称为“离子俘获事件”或简称为“俘获事件”，并且短语“离子测量事件”、“离子俘获事件”、“俘获事件”及其变型应理解为彼此同义。
参考图1，示出了CDMS系统10，其包括静电线性离子阱（ELIT）14的实施例，其中控制和测量部件耦合到该静电线性离子阱14。在图示的实施例中，CDMS系统10包括离子源12，其可操作地耦合到ELIT 14的入口。离子源12可以说明性地是或包括用于从样品中产生离子的任何常规装置、设备或技术，例如，电喷雾或其他常规的离子产生装置，并且可以进一步包括例如一个或多个用于分离离子的装置和/或仪器（例如，基于离子质量、离子质荷比、离子迁移率或其他分子特性）、一个或多个用于过滤离子的装置和/或仪器（例如基于离子质荷比、离子迁移率或其他分子特性）、一个或多个用于收集和/或存储离子的装置或仪器（例如一个或多个离子阱）、一个或多个用于解离离子的装置和/或仪器、一个或多个用于根据一种或多种分子特性来标准化或移动离子电荷状态的装置或仪器、和/或相对于离子流动方向以任何顺序布置的它们的任意组合。
在图示的实施例中，ELIT 14说明性地包括电荷检测器CD，该CD被接地腔室或圆筒GC包围，并且可操作地耦合到分别定位在其相对端处的相对的离子镜M1、M2。离子镜M1可操作地定位在离子源12和电荷检测器CD的一端之间，并且离子镜M2可操作地定位在电荷检测器CD的相对端处。每个离子镜M1、M2在其中限定相应的离子镜区域或腔R1、R2。离子镜M1、M2的区域R1、R2、电荷检测器CD以及电荷检测器CD和离子镜M1、M2之间的空间一起限定在中心从其穿过的纵向轴线22，该纵向轴线22说明性地表示穿过ELIT 14和离子镜M1、M2之间的理想离子行进路径，这将在下面更详细地描述。
在图示的实施例中，电压源V1、V2分别电连接到离子镜M1、M2。每个电压源V1、V2说明性地包括一个或多个可切换的DC电压源，其可以被控制或编程以选择性地产生数个（N个）可编程或可控电压，其中N可以是任何正整数。这种电压的说明性示例将在下面参考图2A和2B进行描述，以建立每个离子镜M1、M2的两种不同操作模式中的一种，这将在下面详细描述。在任何情况下，在由电压源V1、V2选择性建立的电场的影响下，离子靠近纵向轴线22在ELIT 14内移动，该纵向轴线22在中心延伸穿过电荷检测器CD和离子镜M1、M2。
电压源V1、V2说明性地被示出为通过数个（P个）信号路径电连接到常规处理器16，常规处理器16包括存储器18，存储器18中存储有指令，当由处理器16执行时，该指令使处理器16控制电压源V1、V2产生期望的DC输出电压，用于分别在相应离子镜M1、M2的区域R1、R2内选择性地建立离子传输和离子反射电场TEF、REF。P可以是任何正整数。在一些替代实施例中，电压源V1、V2中的任一者或两者可以是可编程的，以选择性地产生一个或多个恒定输出电压。在其他替代实施例中，电压源V1、V2中的任一者或两者可以被配置成产生任何期望形状的一个或多个时变输出电压。应当理解，在替代实施例中，更多或更少的电压源可以电连接到镜M1、M2。
电荷检测器CD说明性地以导电电荷检测圆筒的形式提供，其电连接到电荷灵敏前置放大器CP的信号输入，并且电荷前置放大器CP的信号输出电连接到处理器16。电压源V1、V2被说明性地以这样的方式被控制：使离子从离子源12被引入ELIT 14中且其选择性地捕获和约束离子在其中振荡，使得被捕获的离子重复地穿过电荷检测器CD。随着离子在ELIT14内被捕获（即，俘获）并在离子镜M1、M2之间来回振荡，电荷前置放大器CP说明性地可以常规方式操作，以检测当离子在离子镜M1、M2之间穿过电荷检测圆筒CD时在电荷检测圆筒CD上感应的电荷（CH），并产生与之对应的电荷检测信号（CHD）。对于在电荷检测器中捕获的每个离子，在电荷检测器CD处测量多个离子电荷和振荡周期值，并且记录和处理结果以确定离子电荷和质量值，这将在下面更详细地描述。
处理器16进一步说明性地耦合到一个或多个外围装置20（PD），用于向处理器16提供外围装置信号输入（PDS）和/或处理器16向其提供外围装置信号输出（PDS）。在一些实施例中，外围装置20包括常规显示监测器、打印机和/或其他输出装置中的至少一种，并且在这样的实施例中，存储器18具有存储在其中的指令，当由处理器16执行时，该指令使处理器16控制一个或多个这样的输出外围装置20来显示和/或记录对所存储的数字化电荷检测信号的分析。
现在参考图2A和2B，分别示出了图1中描绘的ELIT 14的离子镜M1、M2的实施例。说明性地，离子镜M1、M2彼此相同，在于，每个离子镜包括4个间隔开的导电镜电极的级联布置。对于每个离子镜M1、M2，第一镜电极301具有厚度W1，并限定直径为P1的在中心穿过其中的通道。端盖32被固定或以其他方式耦合到第一镜电极301的外表面，并限定在中心穿过其中的孔A1，该孔A1分别用作到和/或来自对应的离子镜M1、M2的离子入口和/或出口。在离子镜M1的情况下，端盖32耦合到图1所示的离子源12的离子出口，或者是其一部分。每个端盖32的孔A1说明性地具有直径P2。
每个离子镜M1、M2的第二镜电极302与第一镜电极301间隔开宽度为W2的空间。第二镜电极302与镜电极301一样，具有厚度W1，并限定直径为P2的在中心穿过其中的通道。每个离子镜M1、M2的第三镜电极303同样与第二镜电极302间隔开宽度W2的空间。第三镜电极303具有厚度W1，并且限定宽度为P1的在中心穿过其中的通道。
第四镜电极304与第三镜电极303间隔开宽度为W2的空间。第四镜电极304说明性地具有W1的厚度，并且由围绕电荷检测器CD设置的接地圆筒GC的相应端形成。第四镜电极304限定在中心穿过其中的孔A2，该孔A2说明性地形状为圆锥形，并且在接地圆筒GC的内面和外面之间从接地圆筒GC的内面处限定的直径P3向接地圆筒GC的外面处的直径P1（其也是M1、M2的相应离子镜的内面）线性地增加。
在一些实施例中，镜电极301- 304之间限定的空间可以是空隙，即，真空间隙，并且在其他实施例中，这种间隙可以用一个或多个不导电的材料填充，例如，电介质材料。镜电极301- 304和端盖32轴向对准，即，共线，使得纵向轴线22在中心穿过每个对准的通道，并且还在中心穿过孔A1、A2。在镜电极301- 304之间的空间包括一种或多种不导电材料的实施例中，这种材料将同样限定穿过其中的与通过镜电极301- 304限定的通道轴向对准（即，共线）的相应通道，并且该通道说明性地具有P2或更大的直径。说明性地，P1 > P3 > P2，尽管在其他实施例中，其他相对直径布置是可能的。
区域R1被限定在离子镜M1的孔A1、A2之间，并且另一个区域R2同样被限定在离子镜M2的孔A1、A2之间。区域R1、R2在形状和体积上彼此相同。
如上所述，电荷检测器CD说明性地以细长的导电圆筒的形式提供，该圆筒定位在离子镜M1、M2的对应离子镜之间并在它们之间间隔开宽度为W3的空间。在一个实施例中，W1> W3 > W2，并且P1 > P3 > P2，不过在替代实施例中，其他相对宽度布置是可能的。在任何情况下，纵向轴线22说明性地在中心延伸通过通过电荷检测圆筒CD限定的通道，使得纵向轴线22在中心延伸通过离子镜M1、M2和电荷检测圆筒CD的组合。在操作中，接地圆筒GC说明性地被控制为地电位，使得每个离子镜M1、M2的第四镜电极304始终处于地电位。在一些替代实施例中，离子镜M1、M2中的任一者或两者的第四镜电极304可以被设置为任何期望的DC参考电位，或者可切换的DC或其他时变电压源。
在图2A和2B所示的实施例中，电压源V1、V2各自被配置成各自产生四个DC电压D1-D4，并将电压D1-D4供应给相应离子镜M1、M2的镜电极301- 304中的相应一者。在镜电极301-304中的一者或多者始终保持在地电位处的一些实施例中，所述一个或多个这样的镜电极301- 304可替代地电连接到相应电压源V1、V2的地参考，并且可以省略对应的一个或多个电压输出D1-D4。替代地或附加地，在任何两个或更多个镜电极301- 304被控制为相同的非零DC值的实施例中，任何这样的两个或更多个镜电极301- 304可以电连接到电压输出D1-D4中的单个电压输出，并且可以省略输出电压D1-D4中的多余者。
通过选择性地施加D1-D4电压，每个离子镜M1、M2可以在离子传输模式（图2A）和离子反射模式（图2B）之间控制和切换，在离子传输模式中，由相应的电压源V1、V2产生的电压D1-D4在其相应的区域R1、R2中建立离子传输电场（TEF），在离子反射模式中，由相关电压源V1、V2产生的电压D1-D4在其相应的区域R1、R2中建立离子反射电场（REF）。如图2A中的示例所示，一旦来自离子源12的离子通过离子镜M1的入口孔A1飞入离子镜M1的区域R1中，离子就通过经由V1的电压D1-D4的选择性控制而在离子镜M1的区域R1中建立的离子传输电场TEF朝向离子阱的纵向轴线22聚焦。作为离子镜M1的区域R1中的传输电场对离子轨迹的聚焦效应的结果，通过离子镜M1的孔A2离开离子镜M1的区域R1的离子获得穿过电荷检测器CD的窄轨迹，即，以便保持离子靠近纵向轴线22行进通过电荷检测器CD的路径。经由如对电压源V2的电压D1-D4的类似控制，可以在离子镜M2的区域R2内选择性地建立相同的离子传输电场TEF。在离子传输模式中，从电荷检测圆筒CD经由M2的孔A2进入区域R2的离子通过离子镜M2的出口孔A1被R2区域内的离子传输电场TEF朝向纵向轴线聚焦。
如图2B中的示例所示，经由选择性控制V2的电压D1-D4而在离子镜M2的区域R2中建立的离子反射电场REF用于减速和停止从电荷检测圆筒CD经由M2的离子入口孔A2进入离子区域R2的离子，以立即沿相反方向加速被停止的离子返回通过M2的孔A2，并进入如离子轨迹38所描绘的邻近于M2的电荷检测圆筒CD的端部中，并将离子朝向离子镜M2的区域R2内的中心纵向轴线22聚焦，以便保持离子通过电荷检测器CD的窄轨迹。经由如对电压源V1的电压D1-D4的类似控制，可以在离子镜M1的区域R1内选择性地建立相同的离子反射电场REF。在离子反射模式中，从电荷检测圆筒CD经由M1的孔A2进入区域R1的离子被在区域R1内建立的离子反射电场REF减速和停止，然后在相反方向上被加速返回通过M1的孔A2并进入邻近于M1的电荷检测圆筒CD的端部，并在离子镜M1的区域R1内朝向中心纵向轴线22聚焦，以便保持离子通过电荷检测圆筒CD的窄轨迹。横越离子阱长度的离子被离子区域R1和R2中的离子反射电场REF以这样的方式反射，该方式使得离子能够继续沿着阱长度来回行进，这些离子被认为是被俘获的。
由电压源V1、V2产生的输出电压D1-D4的示例组在下面的表I中示出，该组输出电压用于在上述离子传输和反射模式之间控制相应的离子镜M1、M2以及将相应的离子镜M1、M2控制到上述离子传输和反射模式。应当理解，D1-D4的以下值仅作为示例提供，并且可以替代地使用D1-D4的一个或多个值。
表I
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。
虽然离子镜M1、M2和电荷检测圆筒CD在图1-2B中被示为限定穿过其中的圆筒形通道，但是应当理解，在替代实施例中，离子镜M1、M2和/或电荷检测圆筒CD中的任一者或两者可以限定穿过其中的非圆筒形通道，使得纵向轴线22在中心穿过其中的一个或多个通道表示非圆形的横截面区域和轮廓。在仍其他实施例中，不管横截面轮廓的形状如何，通过离子镜M1限定的通道的横截面区域可以不同于通过离子镜M2限定的通道。
现在参考图3，示出了图1所示的处理器16的实施例。在图示的实施例中，处理器16包括常规放大器电路40，其具有接收由电荷前置放大器CP产生的电荷检测信号CHD的输入和电连接到常规模数（A/D）转换器42的输入的输出。A/D转换器42的输出电连接到第一计算装置或电路50（P1）。放大器40以常规方式可操作来放大由电荷前置放大器CP产生的电荷检测信号CHD，并且A/D转换器进而以常规方式可操作来将经放大的电荷检测信号转换成数字电荷检测信号CDS。计算装置50说明性地包括或耦合到一个或多个常规存储器单元，并且计算装置50说明性地可操作来在其中存储离子测量事件中每个电荷检测事件的电荷检测信号CDS，使得存储在处理器电路50的存储器中的离子测量事件记录包括多个电荷检测事件测量。
图3所示的处理器16还包括常规的比较器44，其具有接收由电荷前置放大器CP产生的电荷检测信号CHD的第一输入、接收由阈值电压发生器（TG）46产生的阈值电压CTH的第二输入和电连接到计算装置50的输出。比较器44说明性地以常规方式可操作来在其输出处产生触发信号TR，该触发信号TR取决于电荷检测信号CDH的大小相对于阈值电压CTH的大小。在一个实施例中，例如，只要CHD小于CTH，比较器44可操作以在参考电压（例如地电位）处或其附近产生“无效”触发信号，并且当CHD处于或超过CTH时，比较器44可操作以在电路40、42、44、46、50的电源电压处或附近产生“有效”TR信号。在替代实施例中，只要CHD小于CTH，比较器44可能够操作以在电源电压处或附近产生“无效”触发信号TR，并且可操作以在CHD处于或超过CTH时在参考电位处或附近产生“有效”触发信号TR。本领域技术人员将认识到，可以用于建立触发信号TR的“无效”和“有效”状态的其他不同触发信号大小和/或不同触发信号极性，只要这种不同触发信号大小和/或不同触发信号极性可由计算装置50区分，并且将理解，任何其他这种不同触发信号大小和/或不同触发信号极性旨在落入本公开的范围内。在任何情况下，比较器44可以另外以常规方式设计成包括期望的滞后量，以防止输出在参考电压和电源电压之间快速切换。
在所示实施例中，计算装置50可操作（即，被编程），以控制阈值电压发生器46产生阈值电压CTH。在一个实施例中，阈值电压发生器46说明性地以常规可控DC电压源的形式实施，该常规可控DC电压源被配置成响应于数字阈值控制信号THC（例如呈单个串行数字信号或多个并行数字信号的形式），以产生具有由数字阈值控制信号THC限定的极性和大小的模拟阈值电压CTH。在替代实施例中，阈值电压发生器46可以响应于串行或并行数字阈值电压TCH以常规数模（D/A）转换器的形式提供，以产生模拟阈值电压CTH，该模拟阈值电压具有由数字阈值控制信号THC限定的大小，并且在一些实施例中具有由数字阈值控制信号THC限定的极性。在一些这样的实施例中，D/A 转换器可以形成处理器电路50的一部分。本领域的技术人员将认识到，用于选择性地产生期望大小和/或极性的阈值电压CTH的其他常规电路和技术，并且将理解，任何这样的其他常规电路和/或技术旨在落入本公开的范围内。
计算装置50可操作来如以上文参考图2A、2B所述的那样控制电压源V1、V2，以分别在离子镜M1、M2的区域R1、R2内选择性地建立离子传输和反射场。在一个实施例中，计算装置50说明性地以现场可编程门阵列（FPGA）的形式提供，其如刚刚描述的那样编程，以收集和存储用于电荷检测事件和用于离子测量事件的电荷检测信号CDS，以产生阈值控制信号THC，从阈值控制信号THC确定或导出阈值电压CTH的大小和/或极性，并且基于如通过监测由比较器44产生的触发输出信号TR而确定的相对于阈值电压CTH的电荷检测信号CHD来控制电压源V1、V2。在该实施例中，参照图1描述的存储器18集成到FPGA的编程中，并形成其一部分。在替代实施例中，计算装置50可以包括和/或以一个或多个常规微处理器或控制器以及一个或多个结合在其中或与其耦合且具有存储在其中的指令的伴随存储器单元的形式提供，所述指令当由一个或多个微处理器或控制器执行时，使所述一个或多个微处理器或控制器如刚刚描述的那样操作。在其他替代实施例中，计算装置50可以纯粹以被设计成如上所述操作的一个或多个常规或专用硬件电路的形式来实施，或者作为一个或多个这样的硬件电路和可操作来执行存储在存储器中的指令以如上所述操作的至少一个微处理器或控制器的组合来实施。
在任何情况下，图3中描绘的处理器16的实施例进一步说明性地包括耦合到第一计算装置50并且还耦合到图1所示的一个或多个外围装置20的第二计算装置52。在一些替代实施例中，计算装置52可以包括所述一个或多个外围装置20中的至少一个。在任何情况下，计算装置52说明性地可操作来处理由第一计算装置50存储的离子测量事件信息，以确定离子质量信息。计算装置52可以是或包括一个或多个常规微处理器和/或控制器、一个或多个可编程电路（例如，一个或多个现场可编程门阵列）、和/或一个或多个专用集成电路（ASIC）。在一些实施例中，计算装置52可以以能够处理离子测量事件信息的任何常规计算机或计算装置的形式提供，即，具有足够的计算能力，以确定、显示、存储和进行至少一定量的离子质量信息分析。在一个实施例中，计算装置52可以以常规的个人计算机（PC）的形式提供或被包括，不过在其他实施例中，计算装置52可以是或被包括在具有更大或更小计算能力的一个或多个计算机或计算装置中。
电压源V1、V2说明性地由计算装置50以这样的方式控制，即，在离子镜M1的区域R1和离子镜M2的区域R2中选择性地建立离子传输和离子反射电场，以使离子从离子源12被引入ELIT 14中，并且然后使被引入的离子被选择性地被捕获并被约束在ELIT 14内振荡，使得被捕获的离子在M1和M2之间重复地穿过电荷检测器CD。参照附图4A–4C，示出了图1中ELIT 14的简化示意图，其描绘了ELIT 14的M1、M2的离子镜的这种顺序控制和操作的示例。在以下示例中，计算装置50将被描述为根据其编程来控制V1、V2的电压源的操作，尽管将理解，在替代实施例中，电压源V1的操作和/或电压源V1的操作可以至少部分地由计算装置52根据其编程来控制。
如图4A所示，ELIT控制序列开始于控制电压源V1的计算装置50通过在离子镜M1的区域R1内建立离子传输场来将离子镜M1控制到离子传输操作模式（T），并且还控制电压源V2通过同样在离子镜M2的区域R2内建立离子传输场来将离子镜M2控制到离子传输操作模式（T）。结果，由离子源12产生的离子通过在区域R1建立的离子传输场被吸入到离子镜M1中并被传输（即，加速）通过M1进入电荷探测筒CD中。然后，离子穿过电荷检测圆筒CD并进入离子镜M2中，在那里，在M2的区域R2内建立的离子传输场传输（即，加速）离子如由图4A描绘的离子轨迹60所示那样通过M2的出口孔A1。
现在参考图4B，在两个离子镜M1、M2已经在离子传输操作模式下操作了选定的时间段和/或直到已经实现了通过其中的成功离子传输之后（例如，通过监测由计算装置50捕获的电荷检测信号CDS），计算装置50说明性地可操作来控制电压源V2，以通过在离子镜M2的区域R2内建立离子反射场来将离子镜M2控制到离子反射操作模式（R），同时将离子镜M1保持在如图所示的离子传输操作模式（T）。结果，由离子源12产生的离子飞入离子镜M1中，并通过如刚刚参照图4A描述的在区域R1建立的离子传输场通过M1传输到电荷检测圆筒CD中。然后，离子穿过电荷检测圆筒CD并进入离子镜M2中，在那里，在M2的R2区域内建立的离子反射场反射离子，以使它们在相反的方向上行进并回到电荷检测圆筒CD中，如图4B中的离子轨迹62所示。
现在参考图4C，在离子镜M2的区域R2中已经建立了离子反射电场并且离子正在ELIT 14内移动之后，处理器电路50可操作来控制电压源V1，以通过在离子镜M1的区域R1内建立离子反射场来将离子镜M1控制到离子反射操作模式（R），同时将离子镜M2保持在离子反射操作模式（R）中，以便在ELIT 14内俘获离子。在一些实施例中，计算装置50说明性地可操作（即，被编程），以在“随机俘获模式”或“连续俘获模式”下控制ELIT 14，在“随机俘获模式”或“连续俘获模式”下，计算装置50可操作以在ELIT 14已经在图4B所示的状态下操作（即，M1处于离子传输模式且M2处于离子反射模式）在选定时间段之后将离子镜M1控制到反射操作模式（R）。直到选定时间段已经过去，ELIT 14被控制成在图4B所示的状态下操作。
使用随机俘获操作模式，在ELIT 14中俘获离子的概率相对地低，这是由于M1对离子反射操作模式的定时控制，而没有确认离子包含在ELIT 14内。在随机俘获操作模式期间，ELIT 14内俘获的离子数量遵循泊松分布，并且通过调整离子入口信号强度以最大化单个离子俘获事件的数量，可以示出在随机俘获模式中只有大约37%的俘获事件可以包含单个离子。如果离子入口信号强度太小，则大多数俘获事件将是空的，并且如果入口信号强度太大，则大多数将包含多个离子。
在其他实施例中，计算装置50可操作（即，被编程），以控制ELIT 14处于“触发俘获模式”，该模式说明性地携带在其中俘获单个离子的显著更大的概率。在触发俘获模式的第一种版本中，计算装置50可操作以监测由比较器44产生的触发信号TR，并在触发信号TR其将“无效”状态改变为“有效”状态时/的情况下，控制电压源V1来将离子镜M1控制到反射操作模式（R），以在ELIT 14内俘获离子。在一些实施例中，处理器电路50可能够操作来控制电压源V1，以在检测到触发信号TR的状态改变后立即将离子镜M1控制到反射模式（R），并且在其他实施例中，处理器电路50可能够操作来控制电压源V1，以在检测到触发信号TR的状态改变后的预定或可选择的延迟时段期满时将离子镜M1控制到反射模式（R）。在任何情况下，触发信号TR从其“无效”状态到“有效”状态的状态变化是由电荷前置放大器CP产生的电荷检测信号CHD达到或超过阈值电压CTH引起的，并且因此对应于电荷检测圆筒CD上由包含在其中的离子感应的电荷的检测。在离子因此包含在电荷检测圆筒CD内的情况下，由电压源V1的计算装置50将离子镜M1控制到反射操作模式（R）的控制导致：相对于随机俘获模式，在ELIT 14内俘获单个离子的概率显著提高。因此，当离子已经经由离子镜M1进入ELIT 14并且被检测为或者朝向离子镜M2第一次穿过电荷检测圆筒CD、或者在已经被离子镜M2的区域R2内建立的离子反射场反射之后穿过电荷检测圆筒CD返回时（如图4B所示），离子镜M1被控制到如图4C所示的反射模式（R）以在ELIT 14内俘获离子。还期望通过触发俘获来优化信号强度，如上面关于随机俘获操作模式简要描述的。例如，在具有优化的离子入口信号强度的触发俘获模式中，已经示出，与37%的随机俘获的俘获效率相比，俘获效率（定义为单离子俘获事件和所有获得的俘获事件之间的比率）可以接近90%。然而，如果离子入口信号强度太大，则俘获效率将低于90%，并且将有必要降低离子入口信号强度。
在触发俘获模式的第二种版本中，图4B所示的过程或步骤被省略或绕过，并且在如图4所示的ELIT 14操作的情况下，计算装置50可操作来监测由比较器44产生的触发信号TR，并在触发信号TR将其“无效”状态改变为“有效”状态时/的情况下，控制两个电压源V1和V2，以将相应离子镜M1、M2控制到反射操作模式（R），从而在ELIT 14内俘获或捕获离子。因此，当离子已经经由离子镜M1进入ELIT 14并且被检测为朝向离子镜M2第一次穿过电荷检测圆筒CD时（如图4A所示），离子镜M1和M2两者都被控制到反射模式（R），如图4C所示，以在ELIT 14内俘获离子。
在任何情况下，在两个离子镜M1、M2都被控制到离子反射操作模式（R）以在ELIT14内俘获离子的情况下，分别在离子镜M1和M2的区域R1和R2中建立的相反的离子反射场导致离子在离子镜M1和M2之间来回振荡，每次都通过电荷检测圆筒CD，如图4C中描绘的离子轨迹64所示。在一个实施例中，计算装置50可操作来保持图4C所示的操作状态，直到被俘获的离子通过电荷检测圆筒CD选定的次数。在替代实施例中，计算装置50可操作来在将M1（以及在一些实施例中的M2）控制到离子反射操作模式（R）之后在选定的时间段内保持图4C所示的操作状态。在任一实施例中，由离子每次通过电荷检测圆筒CD产生的离子检测事件信息被临时存储在计算装置50中或由计算装置50存储。当离子已经穿过电荷检测圆筒CD选定次数或者已经在M1、M2的离子镜之间来回振荡选定次数时，存储在计算装置50中或由计算装置50存储的离子检测事件的总数定义离子测量事件，并且在完成时，离子测量事件被传递到计算装置52或由计算装置52检索。图4A–4C所示的序列然后返回到图4A中所示的位置，在该位置处，电压源V1、V2由如上所述的计算装置50控制，以通过分别在离子镜M1、M2的区域R1、R2内建立离子传输场来分别将离子镜M1、M2控制到离子传输操作模式（T）。然后，图示的序列根据期望重复多次。
在一个实施例中，通过计算（例如，利用计算装置52或利用计算装置50）记录的电荷检测事件（即，记录的离子测量事件数据）集合的傅立叶变换来处理离子测量事件数据。说明性地，计算装置52可操作来使用任何常规的数字傅立叶变换（DFT）技术来计算这样的傅立叶变换，诸如但不限于常规的快速傅立叶变换（FFT）算法。在任何情况下，计算装置52然后说明性地可操作来计算离子质荷比值（m/z）、离子电荷值（z）和离子质量值（m），每一者都是所述计算的傅立叶变换的函数。计算装置52说明性地可操作来将计算结果存储在存储器18中和/或控制一个或多个外围装置20显示结果以用于观察和/或进一步分析。
通常理解，根据以下等式，在ELIT 14的相对离子镜M1、M2之间来回振荡的离子的质荷比（m/z）与振荡离子的基频ff的平方成反比：
m/z= C/ff2
其中，C是常数，其是离子能量的函数，并且也是相应ELIT 14的尺寸的函数，并且基频ff以常规方式从所计算的傅立叶变换直接确定。考虑到离子振荡周期的数量，离子电荷的值z与FT基频的大小FTMAG成比例。在一些情况下，为了确定离子电荷z，可以将FFT的一个或多个谐波频率的大小加到基频的大小上。在任何情况下，离子质量m然后被计算为m/z和z的乘积。处理器电路52因此可操作来计算m/z=C/ff2、z=F(FTMAG)和m=(m/z)(z)。
多个（例如，数百或数千或更多的）离子俘获事件通常针对离子源12从中产生离子的任何特定样品来执行，并且针对每个这样的离子俘获事件来确定/计算离子质荷比、离子电荷和离子质量值。这种多个离子俘获事件的离子质荷比、离子电荷和离子质量值进而被组合以形成与样品相关的谱信息。这种谱信息可以说明性地采取不同的形式，其示例包括但不限于离子计数对质荷比、离子电荷对离子质量（例如，以离子电荷/质量散点图的形式）、离子计数对离子质量、离子计数对离子电荷等。
电荷检测质谱（CDMS）常规上是单离子分析技术，其中将离子引导到离子检测或测量级，以用于测量离子的电荷和质荷比（m/z），然后由此确定离子的质量。这个过程重复多次，例如，数百或数千次，以产生被分析样品的质谱。离子检测或测量级可以采取几种不同形式中的任何一种，包括例如但不限于轨道阱质量分析器、静电线性离子阱（ELIT）或其他单离子测量级或仪器。在任何设计的ELIT的情况下，包括图1-4C所示并在上面详细描述的设计，进入ELIT的离子通常被朝向离子入口孔的中心紧密聚焦，使得它们的进入轨迹通常与ELIT的纵向轴线共线。在常规的ELIT操作中，只分析单个离子俘获事件，因为两个或更多个被俘获的离子来回振荡通过ELIT通常具有彼此相互作用的不可接受的高概率，其以这样的方式不利地影响它们在ELIT内振荡轨迹的稳定性，从而导致不准确的m/z和电荷测量。
为了准确测量ELIT中离子的m/z和电荷，其纵向振荡频率必须尽可能稳定。当多个离子进入并在ELIT中被俘获时，被俘获的离子对彼此施加与它们之间的距离成比例的排斥力。该排斥力使ELIT内的离子振荡轨迹偏转，并且由于这种相互作用，离子交换动量，振荡离子的能量也发生变化。离子振荡轨迹和俘获事件期间的能量波动是不期望的，因为它们降低了能够确定的离子振荡频率的确定性，从而降低了m/z测量的准确性。离子振荡轨迹波动还降低了离子电荷确定中的确定性，因为这种波动会影响离子穿透到离子镜M1、M2的区域R1、R2中的距离，从而改变电荷检测信号CH的占空比（参见，例如，图4A-4C）并降低信号谐波分布中的确定性。
现在参考图5A和6-7，考虑图1-2B和4A-4C的ELIT 14内的不同离子振荡轨迹，其中多个被俘获离子之间的库仑排斥最小化。具体参照图5A，示出了图1-2B和4A-4C的ELIT 14的透视截面图，其上叠加有三维笛卡尔坐标系。在图示的示例中，z轴线分别在中心延伸穿过电荷检测圆筒CD和离子镜M1和M2的区域R1和R2，并且因此与ELIT 14的中心纵向轴线22共线，如图1和2A-2B所示。为了该描述的目的，假设ELIT 14的区域R1、R2和电荷检测圆筒CD是圆筒形对称的，使得坐标系的垂直于z轴线延伸的x轴线限定将区域R1、R2和电荷检测圆筒CD一分为二的侧向或横向平面，如图5A中的示例所示。坐标系的y轴线（同样垂直于z轴线）限定中间（或竖直或纵向）平面，该平面将区域R1、R2和电荷检测圆筒CD一分为二。x、y和z轴线的零交点任意位于ELIT 14的离子入口A1处、与端盖32的内壁齐平，如图5B所示。
已经识别了ELIT 14内单离子振荡轨迹的两种极限形式，其中多个被俘获离子之间的库仑排斥被最小化。一个这样的单离子振荡轨迹以平面离子振荡轨迹80的形式由图6中的示例示出，且另一个以圆筒形离子振荡轨迹90的形式通过图7中的示例示出。
平面离子振荡轨迹80说明性地表示离子来回穿过ELIT 14的区域R1、R2和CD的平面轨迹。在图6所示的示例中，平面离子振荡轨迹80包括具有扩口基部的平截头体82、具有扩口基部的倒置但在其他方面相同的平截头体84以及连接截头体82、84的大致矩形平面86。相对的平截头体82、84说明性地表示分别位于M1、M2的离子镜的区域R1、R2内的扩口圆锥形离子轨迹，并且矩形平面86说明性地表示穿过电荷检测圆筒CD的平面离子轨迹。图6所示的平面离子振荡轨迹80中的离子因此通过ELIT 14以沿着纵向（z）轴线22延伸的平面振荡轨迹来回振荡，使得当它沿着z轴线22移动时，它的振荡轨迹很大程度上被约束在x-y平面中的单条直线上。同样如图6所示，平面离子振荡轨迹80每次振荡期间至少穿过z轴线22一次；一次在区域R1（尽管不一定穿过电荷检测圆筒CD的纵向中心）中，并且一次在R2区域中。
由图7中的示例图示的圆筒形离子振荡轨迹90表示离子来回穿过ELIT 14的区域R1、R2和CD的大致圆筒形轨迹。在图示的示例中，圆筒形离子振荡轨迹90包括具有扩口基部的平截头体92、具有扩口基部的倒置但在其他方面相同的平截头体94和连接平截头体92、94的中心圆筒96。如图6所示的平面轨迹80，相对的截头体92、94说明性地表示分别位于离子镜M1、M2的区域R1、R2内的扩口的圆锥形离子轨迹，并且中心圆筒96说明性地表示穿过电荷检测圆筒CD的圆筒形离子轨迹。图7所示的圆筒形离子振荡轨迹90中的离子说明性地经历在x-y平面中的轨道运动，因为它沿着z轴线22来回振荡通过ELIT 14，使得圆筒形振荡轨迹90沿着和围绕z轴线22延伸。作为这种轨道运动的结果，圆筒形离子振荡轨迹90在ELIT14的任一区域R1、R2中或任何其它区域中都不通过z轴线22，也如图7所示。
已经确定，图6和图7中分别图示的平面和圆筒形离子振荡轨迹80、90各自在很大程度上取决于离子进入条件；具体地，取决于离子进入轨迹。这样，进入ELIT 14的区域R1的孔A1的离子的轨迹可以以有利于图6所示类型的平面离子振荡轨迹或有利于图7所示类型的圆筒形离子振荡轨迹的方式来控制。特别地，对离子进入轨迹的这种控制可以采取控制进入离子相对于z轴线22的径向偏移的量或大小以及控制相对于z轴线22的离子进入角度中的一者或组合的形式。“相对于z轴线的离子进入角度”在本文中也可以替代地称为“角度发散”，并且应理解，这两个术语应认为是可互换的。
进入ELIT 14的离子的径向偏移通常是z轴线22和平行于z轴线22的直线之间的距离。参考图5B，例如，虚线oz平行于z轴线22，但偏离z轴线22，并且因此oz表示一个示例径向偏移条件。如图5B所示，沿着径向偏移线oz行进到ELIT 14的区域R1的孔A1中的离子70因此表示仅具有“oz”的径向偏移的离子进入轨迹T1，即，基本上没有角度发散或者具有可忽略的角度发散（相反，角度发散基本上为0）。另一方面，进入ELIT 14的离子的角度发散通常是相对于z轴线22或相对于离子进入ELIT 14的径向偏移（如果有的话）的角度。同样如图5B所示，以相对于z轴线22的角度DA1行进到ELIT 14的区域R1的孔A1中的离子72因此表示发散角仅为DA1的离子进入轨迹T1，即，相对于z轴线22基本上没有或具有可忽略的径向偏移。最后，图5B中描绘的离子74当以相对于径向偏移oz的角度DA2行进到ELIT 14的区域R1的孔径A1中时，表示离子进入轨迹T3，其既具有相对于z轴线22的“oz”的径向偏移还具有相对于径向偏移oz的发散角DA2。应注意的是，在进入ELIT 14的离子具有径向偏移和角度发散的情况下，这两者可以但不需要在x-y平面中沿着相同的方向。
离子进入轨迹（例如，在径向偏移和/或角度发散方面）确定进入ELIT 14的离子在ELIT 14内是遵循平面还是圆筒形离子振荡轨迹。例如，在z轴线22处以发散角或不以发散角进入离子镜M1的孔A1的离子将采用图6所示类型的平面离子振荡轨迹。以相对于z轴线22的径向偏移但是没有（或可以忽略）发散角（例如，准直的进入轨迹）进入离子镜M1的孔A1的离子将同样采用平面离子振荡轨迹。另一方面，既以相对于z轴线22的径向偏移又以指向偏移轴线以外的任何方向的发散角进入离子镜M1的孔A1的离子将采用圆筒形离子振荡轨迹。
因为如上所述假设ELIT 14是圆筒形对称的，所以在M1、M2离子镜的离子反射操作模式期间在区域R1、R2内感应的三维离子反射电场（REF）可以通过ELIT 14的离子镜M1沿x-y平面的任意位置处的二维径向切片来描述，如图5C中的示例所示。参考图5C，离子镜M1的区域R1内的离子78被示为从z轴线径向偏移径向距离r。在区域R1内（且也在离子镜M2的区域R2内），离子反射电场REF操作以将从电荷检测圆筒CD进入R1的离子78朝向电荷检测圆筒CD反射回去并反射到电荷检测圆筒CD中，如上文关于图2B所述。除了将离子78朝向电荷检测圆筒CD反射之外，离子反射电场REF还迫使离子朝向z轴线。这个力说明性地在图5C的x-y平面中由矢量F表示，并且矢量F的方向（如上所述）总是指向z轴线。
定位在离子镜M1的区域R1内的离子78的速度在图5C的x-y平面中由矢量ν表示。离子速度矢量ν与x-y坐标系形成角度αv，并且电场力矢量F同样与x-y坐标系形成角度αF。力矢量角度αF和速度矢量角度αv之间的差是图5C中所示的角度β，其中β表示离子78与两个矢量F和ν的共线性的偏差。当速度矢量v与力矢量F对准、使得角度β为0°或180°时，离子78将呈现图6所示类型的平面离子振荡轨迹。另一方面，当力矢量v和速度矢量F之间的角度β分别显著大于或小于0°或180°时，离子78将呈现图7所示类型的圆筒形离子振荡轨迹。如果当进入的离子的径向偏移和角度发散在x-y平面上处于同一方向时，进入的离子的角度发散抑或径向偏移为零或足够小，那么速度矢量v将指向z轴线，并且离子振荡轨迹将是平面的。然而，如果角度发散和径向偏移在x-y平面上处于不同的角度，则离子振荡轨迹将是圆筒形的。
通过适当地控制进入ELIT 14的多个离子的进入轨迹，有可能有利于平面离子振荡轨迹的分布，其中同时来回振荡通过ELIT 14的多个被俘获离子之间的相互作用的可能性以及库仑排斥是可接受地低的。参考图8，例如，示出表示在ELIT 14内同时被俘获并来回振荡的多个离子100的平面分布的图。在图示的示例中，离子100的平面分布包括两个平面离子振荡轨迹80、80’，这两个轨迹在x-y平面中在它们之间限定角度AR。每个平面离子振荡轨迹80、80’表示在ELIT 14内俘获和振荡的单个离子。在图8所示的示例中，因此，ELIT 14具有两个被俘获并在其中来回振荡的离子，每个离子遵循两个不同的平面离子振荡轨迹80、80’中的一个，每个轨迹具有唯一的αF，其中一个离子的αF和另一个离子的αF之间的差是角度AR。在图示的示例中，AR大约为90°，使得两个平面80、80’是正交的，尽管应当理解，AR也可以替代地大于或小于90°。同样如图8所示，两个离子可以仅沿着两个平面80、80’彼此相交的z轴线彼此相互作用，并且在一些实施例中，两个离子之间相互作用的可能性因此可以是接受地低的。应当理解，仅通过示例提供了图8中所示的两个离子的平面离子分布，并且在其他实施方式中，可以控制离子进入轨迹以俘获两个或更多个离子，每个离子具有不同的平面离子振荡轨迹，该平面离子振荡轨迹与邻近的平面离子振荡轨迹偏移小于90°的角度AR。因此，具有不同平面离子振荡轨迹的两个或更多个离子将围绕z轴线22彼此成角度地偏移它们相应的平面角度AR。
给定上文参考图5B和5C讨论的离子进入条件，有利于离子在ELIT 14内的平面分布的离子进入轨迹可以说明性地以几种不同的方式来控制。示例包括但不限于，在保持电源V1的电压D1-D4接地且束的中心纵向轴线以z轴线22为中心的同时将具有大的离子径向分布的准直离子束注入离子镜M1的孔A1中，以便产生以z轴线22为中心的径向偏移分布，以及将准直的离子束注入到离子镜M1的孔A1中，并且然后通过操纵V1的电压D1-D4来改变离子镜M1中的离子区域R1的离子传输电场的聚焦功率，从而朝向位于z轴线22上的焦点在离子束上赋予角度会聚。对离子进入轨迹的任何这样的控制将允许在ELIT 14内俘获两个或更多个离子，这将有利于ELIT 14内的两个或更多个对应的平面离子振荡轨迹，每个轨迹相对于沿着z轴线22延伸的邻近轨迹在x-y平面内形成角度AR。各种单级或多级仪器可被实施为图1所示离子源12的一部分，或者设置在离子源12和ELIT 14之间，以用于以有利于在ELIT 14内来回振荡的离子的平面分布的方式适当地控制离子进入轨迹。一个这样的仪器的示例实施例在11中示出并且将在下面详细描述。
通过适当地控制进入ELIT 14的多个离子的进入轨迹，还有可能有利于圆筒形离子振荡轨迹的分布，其中在同时通过ELIT 14来回振荡的多个被俘获离子之间的紧密相互作用的可能性以及因此库仑排斥被最小化。示例包括，但不限于，将准直离子束聚焦到沿z轴线22的点上，并沿相对于z轴线22的径向偏移线扫过该点，将准直离子束聚焦到离子镜M1的孔A1处的平面上，并从z轴线22偏移，以及将未准直的离子束注入到ELIT 14中。参考图9，例如，示出了表示同时在ELIT 14被俘获并内来回振荡的多个离子110的圆筒形分布的图。在图示的示例中，离子110的圆筒形分布包括两个圆筒形离子振荡轨迹90、90’，其中圆筒形离子振荡轨迹90’完全嵌套在圆筒形离子振荡轨迹90内。每个圆筒形离子振荡轨迹90、90’表示在ELIT 14内俘获和振荡的单个离子。在图9所示的示例中，因此，ELIT 14具有两个被俘获并在其中来回振荡的离子，每个离子遵循两个不同的圆筒形离子振荡轨迹90、90’中的一个，并且一个轨迹90’完全嵌套在另一个轨迹90内。利用这种配置，遵循轨迹90的离子因此没有机会与遵循轨迹90’的离子显著相互作用，且反之亦然。应当理解，图9中所示的两个离子的圆筒形离子分布仅作为示例提供，并且在其他实施方式中，可以控制离子进入轨迹以用连续嵌套的圆筒形离子振荡轨迹俘获三个或更多个离子。
现在参考图10，外圆筒形离子振荡轨迹90被示为沿着图9的剖面线10-10具有内半径IR1和外半径OR1，其中IR1和OR1之间的径向距离限定圆筒形轨迹90的厚度。内圆筒形离子振荡轨迹90’类似地具有沿着图9的剖面线10-10的内半径 IR2和外半径OR2，其中IR2和OR2之间的径向距离限定圆筒形轨迹90’的厚度。外圆筒形离子振荡轨迹90的内半径IR1和内圆筒形离子振荡轨迹90’的外半径OR2之间的径向距离是DR。
圆筒形离子振荡轨迹的内半径和外半径可以通过控制离子进入轨迹相对于z轴线22的径向偏移量来控制。因此，如果多个离子以径向分布经由离子镜M1的孔A1进入ELIT14，则ELIT 14内所产生的多个圆筒形离子振荡轨迹将各自具有不同的独立半径，这将有助于最小化所述多个被俘获离子之间紧密相互作用的可能性。通过控制离子进入轨迹相对于平行于z轴线22的径向偏移线的角度发散的大小，可以类似地控制圆筒形离子振荡轨迹相对于轨迹平均半径的厚度。例如，当β接近90°时，产生最薄的圆筒形离子振荡轨迹。在期望在ELIT 14内嵌套或堆叠许多圆筒形离子振荡轨迹的实施例中，薄圆筒形离子振荡轨迹是优选的。与平面离子振荡轨迹相比，ELIT 14可以容纳基本上更多的以嵌套的圆筒形离子振荡轨迹同时在其中来回振荡的离子，因为每个这样的嵌套的圆筒形离子振荡轨迹在ELIT14内占据唯一的区域，即，与所有其他圆筒形离子振荡轨迹所占据的区域分开且不同的区域。
给定上面参考图5B和5C讨论的离子进入条件，有利于离子在ELIT 14内的圆筒形分布的离子进入轨迹可以说明性地以几种不同的方式来控制。示例包括但不限于上文关于离子的平面分布描述的一种或多种示例技术，但是使用未准直的离子束来这样做，使得离子不仅具有径向偏移的分布，还具有发散角的分布。在任何情况下，随着进入的离子的径向偏移在离ELIT 14的z轴线22的径向距离上增加，指向z轴线22的力矢量F的大小也增加（见图5C）。对于特定的速度矢量v，由具有相对较大径向偏移的进入ELIT 14的离子所产生的圆筒形离子振荡轨迹的内半径小于由具有相对较小径向偏移的进入ELIT 14的离子所产生的圆筒形离子振荡轨迹的内半径，这是因为作用在前者上的力矢量F的大小小于作用在后者上的力矢量的大小。
此外，随着进入离子的径向偏移增加，进入离子的发散角（由远离力矢量F指向的速度矢量v的大小表示）也必须增加，以便使进入离子采用圆筒形离子振荡轨迹。这是因为如果速度矢量v沿着与力矢量F相同的平面指向，即，在β为0或180度的情况下，离子运动将仅受力矢量的影响，从而导致进入离子采用与力矢量F位于同一平面内的振荡轨迹，如上文参考图5C所述。与力矢量F不共面的任何离子速度矢量V分量（即，其中β是大于或小于0°或180°的任何值）导致离子在在沿z轴线22来回振荡的同时在x-y平面内旋转，因为在离子旋转方向上没有力作用在其上。在ELIT 14中被俘获的离子所经历的朝向z轴线22的力矢量的大小与离子的径向偏移成正比。由于作用在离子上的力矢量F随着径向偏移而增加，所以远离z轴线22振荡的离子受到朝向z轴线22的更大力矢量F，这导致其振荡轨迹变得由力矢量F主导并且变得更平面。为了补偿这种影响并在ELIT 14的所有径向偏移处诱导圆筒形离子振荡轨迹的形成，随着力矢量F的大小增加，在垂直于力矢量F的方向上的速度矢量v的大小也必须增加确保进入的离子将采用圆筒形振荡轨迹的相当的量。各种单级或多级仪器可被实施为图1所示离子源12的一部分，或者设置在离子源12和ELIT 14之间，用于以有利于在ELIT 14内来回振荡的离子的圆筒形分布的方式适当地控制离子进入轨迹。一个这样的仪器的示例实施例在图11中示出并且将在下面详细描述。
基于前述内容，由图9中的示例图示的嵌套的圆筒形离子振荡轨迹在最小化ELIT14内被俘获的多个离子之间的相互作用方面优于图8中通过示例说明的角度分布的平面离子振荡轨迹。然而，尽管成角度分布的平面离子振荡轨迹没有完全消除ELIT 14内离子相互作用的可能性，但是与常规的离子进入控制技术相比，这种离子相互作用的概率被大大降低。此外，基于图1-2B所示且如上所述的ELIT 14的设计，嵌套的圆筒形离子振荡轨迹的振荡频率稳定性优于成角度分布的平面离子振荡轨迹的振荡频率。换句话说，在ELIT 14内的俘获事件期间，对于平面离子振荡轨迹来说，离子振荡频率波动大于对于圆筒离子振荡轨迹的离子振荡频率波动。由于ELIT 14内的振荡频率用于确定离子质荷比（m/z），因此，对于圆筒形离子振荡轨迹，m/z确定的不确定性预期小于平面离子振荡轨迹。对于其他ELIT设计来说，可能不是这种情况，并且实际上应理解，在附图中图示的和在本文中描述的概念可以用在一个或多个方面不同于图1-2B和本文所述的ELIT 14的ELIT设计和配置来实施。此外，有可能的是，可以以减少振荡频率的这种波动的方式修改ELIT 14的设计，和/或修改和/或设计ELIT或其他离子阱。
还有可能沿着纵向轴线将ELIT 14的电荷检测圆筒CD分成两个半部，以及或者如图3所示将单独的检测电路连接到每个电荷检测圆筒半部，并独立分析来自每个半部的信号，或者使用差分放大器执行在两个电荷检测圆筒半部之间的差分测量。在前一种情况下，对于每个半部使用单独的电路，每个半部的数字化信号可以通过快速傅立叶变换来分析，并且基频峰值的大小与离子在俘获事件过程中对每个电荷检测圆筒半部的平均接近度有关。换句话说，图10中外半径为诸如90的OR1的圆筒形离子振荡轨迹将在距两个电荷检测圆筒半部的特定平均距离处振荡。傅里叶变换中基频峰值的大小取决于离子多么靠近电荷检测圆筒半部。由此，可以推导出圆筒形离子振荡轨迹的外半径，并将其用于校正测量的离子m/z，以解决由离子振荡轨迹分布导致的与实际离子m/z的偏差。在后一种情况下，可以使用差分放大器来监测两个电荷检测圆筒半部之间的信号差。非常靠近z轴线22（即，它的外半径是小的）的离子振荡频率将会在两个半部之间产生小的信号差，因为离子与每个半部的距离相似。然而，具有大的外半径的离子振荡轨迹相比于另一半部更靠近一个电荷检测圆筒半部，这将导致两个半部之间的信号的大差异。快速傅立叶变换可用于测量来自数字化差分放大器信号的基频大小，并与离子振荡轨迹外半径相关，从而使其作为查明三维离子振荡轨迹的方法，以校正由轨迹分布引起的离子测量m/z的偏差。替代地，电荷检测圆筒CD可以是完整的，并且附加的电荷检测圆筒可以位于阱的任何其他区域中，在所述区域中，振荡离子将在附加圆筒上产生感应的图像电荷，该图像电荷表示离子振荡轨迹。
如上所述，有可能以有利于ELIT 14内平面或圆筒形离子振荡轨迹分布的方式调整离子进入轨迹（即，进入ELIT 14的离子的轨迹）并且上文简要描述了用于控制离子进入轨迹以有利于每个轨迹的一些示例技术。控制离子进入轨迹以有利于平面离子振荡轨迹分布的这样的示例说明性地包括但不限于，在保持电源V1的电压D1-D4接地且离子束的中心纵向轴线以z轴线22为中心的同时将具有大的离子径向分布的准直离子束注入离子镜M1的孔A1中，以便产生以z轴线22为中心的径向偏移分布，并且将准直离子束注入离子镜M1的孔A1中，并且然后通过操纵V1的电压D1-D4来改变离子镜M1中的离子区域R1的离子传输电场的聚焦功率，以朝向位于z轴线22上的焦点在离子束上赋予角度会聚。替代地，将准直的离子束聚焦到沿z轴线22的点上，并沿相对于z轴线22的径向偏移线扫过该点，从而将准直的离子束聚焦到离子镜M1的孔A1处的平面上，并使该平面偏离z轴线22，并注入不仅包括进入离子镜M1的孔A1中的径向偏移的分布、而且还包括角度发散的分布的未准直的（即，会聚或发散的）离子束是用于控制离子进入轨迹以有利于圆筒形离子振荡轨迹分布的示例技术。对离子进入轨迹的任何这样的控制将允许在ELIT 14内俘获两个或更多个离子，这将分别有利于平面或圆筒形离子振荡轨迹的分布。在这点上，图11示出了电荷检测质谱仪（CDMS）100的实施例，该CDMS包括图1所示的离子源12并且如上所述，其包括图1-2B所示且上文所述的ELIT 14，并且其包括离子轨迹控制设备101的示例性实施例，用于选择性地控制离开离子源12并进入ELIT 14的离子的轨迹，其方式是实现ELIT 14中和通过ELIT 14实现的多个离子的同时俘获且有利于平面或圆筒形离子振荡轨迹在ELIT 14内的分布。
现在参考图11，离子轨迹控制设备101说明性地包括多级离子轨迹控制仪器105，其设置在离子源12和ELIT 14之间，并且可操作地耦合到一个或多个电压源108和信号检测电路110。所述一个或多个电压源108可以说明性地包括被配置成产生一个或多个恒定的或可选极性和/或大小的一个或多个切换DC电压的任何数量的常规电压源，以及被配置成产生可选频率和/或峰值大小的一个或多个时变（即，AC）的电压。所述一个或多个电压源108的一个或任何组合可以是手动可控的和/或可以可操作地耦合到常规处理器112，用于其处理器控制。电压源108中的一个或多个也可以用于控制离子源12的一个或多个操作特征，并且在一些实施例中，所述一个或多个电压源108可以包括图1所示的电压源V1和V2，并且可操作来如上所述控制ELIT 14的操作。
信号检测电路110说明性地包括一个或多个常规信号传感器和常规信号检测电路，用于检测离子轨迹控制仪器105的一个或多个操作条件。在一些实施例中，信号检测电路110可以包括可操作地耦合到ELIT 14的电荷前置放大器CP，如图1所示且如上所述。在任何情况下，信号检测电路110可操作地耦合到处理器112，并且由电路110检测的信号因此被提供给处理器112用于其处理。
处理器112说明性地包括或可操作地耦合到至少一个常规存储器单元114，用于存储用于处理器114的操作指令，并存储由处理器112收集和/或处理的数据。由于其涉及离子轨迹控制仪器105的操作和控制，因此存储器单元114说明性地具有存储在其中的一组或多组指令，所述指令当由处理器112执行时，使处理器112至少部分地基于由信号检测电路110产生的一个或多个信号以选择性地控制离开离子源12并进入ELIT 14的离子轨迹的方式来控制一个或多个电压源108，以便实现ELIT 14内的且由ELIT 14实现的多个离子的同时俘获，并使进入ELIT 14的在其中离子采用平面或圆筒形离子振荡轨迹的分布。处理器112可以包括一个或多个常规计算装置，其形式为一个或多个常规微处理器和/或控制器、一个或多个现场可编程门阵列（FPGA）、一个或多个专用集成电路（ASIC）、一个或多个常规个人计算机、膝上型计算机、台式计算机、平板计算机或其他计算机等中的任何一种或其组合。
在所示实施例中，离子轨迹控制仪器105包括多个级联的离子轨迹控制级。应当理解，这些级仅作为示例图示，并且仪器105的替代实施例可以包括更多或更少的离子轨迹控制级。在任何情况下，图11中描绘的仪器105说明性地包括图像电荷检测阵列级102，其在一端处具有被配置成接收由离子源12产生的离子的离子入口，并且在相对端处具有可操作地耦合到离子偏转器/偏移级104的离子入口的离子出口，离子偏转器/偏移级104具有可操作地耦合到离子聚焦级106的离子入口的离子出口。离子聚焦级106的离子出口可操作地耦合到ELIT 14的离子镜M1的离子入口孔A1，使得离开离子聚焦级106的离子经由离子镜M1的孔A1进入ELIT 14。
图像电荷检测阵列级102说明性地包括常规图像电荷检测器的至少两个间隔开的阵列102A、102B。当离子以束的形式离开离子源12并按顺序通过图像电荷检测器阵列102A、102B时，作为信号检测电路110的一部分而包括的常规图像电荷检测电路向处理器112提供相应的图像电荷检测信号，由此处理器112可操作以确定按顺序通过每个阵列102A、102B的离子的位置。由此信息，可以确定离开级102的离子束的轨迹。应当理解，尽管图像电荷检测阵列级102在图11中图示并且在本文中描述为仅包括两个间隔开的图像电荷检测器阵列，级102的替代实施例可以包括更多或更少的间隔开的图像电荷检测器阵列。
离子偏转器/偏移级104说明性地包括一个或多个常规的离子偏转器和/或一个或多个常规的离子偏移设备。基于离开级102的离子束的计算轨迹，处理器112说明性地可操作来计算（例如，实时地）实现离子进入轨迹所需的离子束轨迹的调整，这将有利于ELIT 14内离子振荡轨迹的选定平面或圆筒形分布，如上文详细描述的。这种计算出的调整以控制信号的形式说明性地馈送到级104中的一个或多个离子偏转器和/或一个或多个离子偏移设备，并且所述一个或多个离子偏转器和/或一个或多个离子偏移设备响应于这种控制信号来选择性地改变穿过其中的离子束的轨迹，例如，通过控制离子束相对于z轴线22的径向偏移和离子束相对于z轴线22和/或相对于穿过ELIT 14且平行于z轴线22的轴线的角度中的任一者或两者。
离子聚焦级106说明性地包括一个或多个常规的离子聚焦元件。离开离子偏转器/偏移级104的经调整的离子束轨迹在其通过所述一个或多个离子聚焦元件时被适当地聚焦，并且从离子聚焦级106射出的离子束经由离子镜M1的离子入口孔A1传递到ELIT 14中，如上所述。
如图11中的虚线表示所示的，由离子轨迹控制仪器105产生的一个示例离子进入轨迹可以是准直离子束120，该准直离子束120从ELIT 14的z轴线22径向偏移，并且使用上述任何技术适当地操纵该准直离子束120，以便有利于ELIT 14内平面离子振荡轨迹的分布。如图11中的虚线表示所示，由离子轨迹控制仪器105产生的另一个示例性离子进入轨迹可以是未准直的离子束130，该离子束130从ELIT 14的z轴线22径向偏移，并且包括发散角的分布，并且该离子束130使用上述任何技术被适当地操纵，以便有利于ELIT 14内的圆筒形离子振荡轨迹的分布。
在一些替代实施例中，离子轨迹控制仪器105可以是或包括至少一个常规离子阱，该常规离子阱由处理器112以常规方式控制以在其中收集离子、将收集的离子朝向穿过离子阱的z轴线22聚焦、且然后选择性地释放收集的离子。一旦释放，离开的离子将围绕z轴线22径向扩展，并且此后可由一个或多个聚焦元件聚焦到ELIT 14中。在该实施例中，离开离子阱的离子束将包括围绕z轴线22径向分布的离子的角度分布，并且这样的离子进入轨迹将因此有利于圆筒形离子振荡轨迹的分布。
除了离子轨迹控制仪器105之外或代替离子轨迹控制仪器105，一个或多个磁场和电场发生器可以相对于ELIT 14适当地定位，并且以控制或导向ELIT 14内的离子振荡轨迹的方式被选择性地控制。例如，如果所产生的磁场线沿着z轴线22延伸，则在ELIT 14内被俘获的离子将在它们在ELIT 14内来回振荡时将经历回旋运动。此外，准直离子束可以被注入到定位在离子源12和与ELIT 14的z轴线22对准的ELIT 14之间的磁透镜中。当离子行进穿过透镜时，透镜将在离子上赋予径向洛仑兹力，该力可以给离子以径向速度，该径向速度的大小与离z轴线22的离子距离成比例，并且在可以引起圆筒形离子振荡轨迹的方向上。可以通过改变透镜线圈中的电流来调整透镜的磁场强度，以便使离子以有利于形成平面或圆筒形离子振荡轨迹的轨迹进入ELIT 14。这种控制可以诱导或增强期望的离子振荡轨迹或离子振荡轨迹在ELIT 14内的分布。
本领域的技术人员将认识到，根据本文所述的导致具有静电线性离子阱的离子振荡轨迹的平面或圆筒形分布的离子入口条件，可以使用其它常规仪器和常规仪器的组合来导向和控制离子入口轨迹，诸如附图中所示和本文所述的ELIT 14。应当理解，任何这样的其他常规仪器及其组合都是本公开所预期的，并且旨在落入本公开的范围内。
在任何情况下，在多个离子以平面抑或圆筒形分布的离子振荡轨迹来回振荡通过ELIT 14的情况下，由穿过ELIT 14的电荷检测圆筒CD中的多个离子在其上感应的电荷被电荷前置放大器CP检测到，并且对应的电荷检测信号CHD在俘获事件的持续时间内被传递到处理器16，如上面参考图1-4C所述。当使用如上所述的常规傅立叶变换算法处理俘获事件的电荷检测信号的存储集合时，将出现多个基频峰值，每个基频峰值对应于多个被俘获离子中的相应一个。然后可以容易地识别与每个这样的基本峰值相关联的谐波峰值，并且然后可以如上所述针对多个被俘获离子中的每一个确定离子电荷、质荷比和质量。
现在参考图12A，示出了离子分离仪器200的实施例的简化框图，该离子分离仪器200可以包括在本文图示和描述的ELIT 14，并且其可以包括在本文图示和描述的电荷检测质谱仪100，并且其可以包括任何数量的可以形成ELIT 14上游的离子源12的一部分的离子处理仪器，和/或其可以包括任何数量的可以设置在ELIT 14的下游以进一步处理离开ELIT14的离子的离子处理仪器。在这点上，离子源12在图12A中被图示为包括若干（Q个）离子源级IS1–ISQ，离子源级IS1–ISQ可以是或形成离子源12的一部分，其中Q可以是任何正整数。替代地或附加地，离子处理仪器202在图12A中图示为耦合到ELIT 14的离子出口，其中离子处理仪器210可以包括任何数量（R个）的离子处理级OS1 – OSR，其中R可以是任何正整数。
现在转到离子源12，应当理解，进入ELIT的离子源12可以是或包括呈一个或多个离子源级IS1 –ISQ形式的一个或多个如上所述的常规离子源，并且还可以包括根据一种或多种分子特性（例如，根据离子质量、离子质荷比、离子迁移率、离子保留时间等）的一个或多个常规离子处理仪器和/或用于收集和/或存储离子（例如，一个或多个四极、六极和/或其他离子阱）、用于过滤离子（例如，根据一种或多种分子特性，诸如离子质量、离子质荷比、离子迁移率、离子保留时间等）、用于碎片化或以其他方式解离离子、用于标准化或移动离子电荷状态的一个或多个常规离子处理仪器等。应当理解，离子源12可以包括以任何顺序的任何这种常规离子源、离子分离仪器和/或离子处理仪器中的一个或任何组合，并且一些实施例可以包括任何这种常规离子源、离子分离仪器和/或离子处理仪器中的多个邻近或间隔开的仪器。
现在转到离子处理仪器202，应当理解，仪器202可以是或包括呈一个或多个离子处理级OS1–OSR形式、用于根据一种或多种分子特性（例如，根据离子质量、离子质荷比、离子迁移率、离子保留时间等）的一个或多个常规仪器、用于收集和/或存储离子的一个或多个常规仪器（例如，一个或多个四极、六极和/或其他离子阱）、用于过滤离子的一个或多个常规仪器（例如，根据一种或多种分子特性，诸如离子质量、离子质荷比、离子迁移率、离子保留时间等）、用于碎片化或以其他方式解离离子的一个或多个常规仪器、用于标准化或移动离子电荷状态的一个或多个常规仪器，等。应当理解，离子处理仪器202可以包括以任何顺序的任何这种常规离子分离仪器和/或离子处理仪器中的一个或任何组合，并且一些实施例可以包括任何这种常规离子分离仪器和/或离子处理仪器中的多个邻近的或间隔开的仪器。在离子源12和/或离子处理仪器202包括一个或多个质谱仪的任何实施方式中，任何一个或多个这样的质谱仪可以是任何常规设计，包括例如但不限于飞行时间（TOF）质谱仪、反射式质谱仪、傅里叶变换离子回旋共振（FTICR）质谱仪、四极质谱仪、三极质谱仪、磁扇形质谱仪等。
作为图12A所示的离子分离仪器200的一个具体实施方式，其不应被认为是以任何方式进行限制，离子源12说明性地包括3个级，并且省略了离子处理仪器202。在该示例实施方式中，离子源级IS1是常规的离子源，例如，电喷雾、MALDI等，离子源级IS2是常规的离子过滤器，例如，四极或六极离子导向器，并且离子源级IS3是上述任何类型的质谱仪。在该实施例中，离子源级IS2以常规方式被控制，以预选具有期望的分子特性的离子供下游质谱仪进行分析，并且仅将这样的预选离子传递到质谱仪，其中由ELIT 14同时分析的多个离子将是由质谱仪根据质荷比分离的预选离子。离开离子过滤器的预选离子例如可以是具有特定离子质量或质荷比的离子、具有高于和/或低于特定离子质量或离子质荷比的离子质量或离子质荷比的离子、具有在特定离子质量或离子质荷比范围内的离子质量或离子质荷比的离子等。在该示例的一些替代实施方式中，离子源级IS2可以是质谱仪，并且离子源级IS3可以是离子过滤器，并且离子过滤器可以如刚刚描述的那样以其他方式操作，以预选具有期望的分子特性的离开质谱仪的离子，以供下游ELIT 14进行分析。在该示例的其他替代实施方式中，离子源级IS2可以是离子过滤器，并且离子源级IS3可以包括质谱仪，随后是另一个离子过滤器，其中每个离子过滤器如刚刚描述的那样操作。
作为图12A所示的离子分离仪器200的另一个具体实施方式，其应被认为是以任何方式进行限制，离子源12说明性地包括两个级，并且离子处理仪器202再次被省略。在该示例实施方式中，离子源级IS1是常规的离子源，例如，电喷雾、MALDI等，并且离子源级IS2是上述任何类型的常规质谱仪。在该实施方式中，仪器200采用电荷检测质谱仪（CDMS）100的形式，其中ELIT 14可操作来同时分析离开质谱仪的多个离子。
作为图12A所示的离子分离仪器200的又一具体实施方式，其不应被认为是以任何方式进行限制，离子源12说明性地包括两个级，并且省略了离子处理仪器202。在该示例实施方式中，离子源级IS1是常规的离子源，例如，电喷雾、MALDI等，并且离子源级IS2是常规的单级或多级离子迁移率谱仪。在该实施方式中，离子迁移率谱仪可操作来根据离子迁移率的一个或多个函数随时间分离由离子源级IS1产生的离子，并且ELIT 14可操作来同时分析离开离子迁移率谱仪的多个离子。在该示例的替代实施方式中，离子处理仪器202可以包括常规的单级或多级离子迁移率谱仪作为单级OS1（或作为多级仪器的级OS1）。在该替代实施方式中，ELIT 14可操作来同时分析由离子源级IS1产生的多个离子，并且离子迁移率谱仪OS1可操作来根据离子迁移率的一个或多个函数随时间分离离开ELIT 14的离子。作为该示例的另一替代实施方式，单级或多级离子迁移率谱仪可以遵循离子源级IS1和ELIT 14两者。在该替代实施方式中，离子源级IS1之后的离子迁移率谱仪可操作以根据离子迁移率的一个或多个函数随时间分离由离子源级IS1产生的离子，ELIT 14可操作以同时分析离开离子源级离子迁移率谱仪的多个离子，并且ELIT 14之后的离子处理级OS1的离子迁移率谱仪可操作以根据离子迁移率的一个或多个函数随时间分离离开ELIT 14的离子。在本段描述的实施例的任何实施方式中，附加的变型可以包括可操作地定位在离子源12和/或离子处理仪器202中的单级或多级离子迁移率谱仪的上游和/或下游的质谱仪。
作为图12A所示的离子分离仪器200的又一具体实施方式，其不应被认为是以任何方式进行限制，离子源12说明性地包括两个级，并且省略了离子处理仪器202。在该示例实施方式中，离子源级IS1是常规的液相色谱仪，例如，被配置成根据分子保留时间分离溶液中的分子的HPLC等，并且离子源级IS2是常规的离子源，例如，电喷雾等。在该实施方式中，液相色谱仪可操作以分离溶液中的分子成分，离子源级IS2可操作以从离开液相色谱仪的溶液流中产生离子，并且ELIT 14可操作以同时分析由离子源级IS2产生的多个离子。在该示例的替代实施方式中，离子源级IS1可以替代地是常规的尺寸排阻色谱仪（SEC），其可操作以按大小分离溶液中的分子。在另一替代实施方式中，离子源级IS1可以包括常规液相色谱仪，随后是常规SEC，或反之亦然。在该实施方式中，离子由离子源级IS2从两次分离的溶液中产生；一次根据分子保留时间，随后第二次根据分子大小，或反之亦然。在质谱仪耦合到色谱技术的实验中，分析包含多个同时被俘获的离子的俘获事件的能力非常有价值。当分子在色谱仪中充分分离时，它们从色谱仪中以爆发（burst）的形式洗脱，每个爆发的持续时间在几秒到几分钟的量级，其中每次样品注入色谱仪中时，每个分子的爆发只出现一次。作为洗脱时间的函数的离开色谱仪的离子丰度可以被认为是洗脱曲线。当这些爆发被引入到质谱仪中时，离子束强度成为色谱洗脱曲线的函数。与仅分析单离子俘获事件并需要超过一个小时来收集产生质谱所需的足够数据的常规CDMS实施方式不同，同时俘获多个离子且随后分析多离子俘获事件显著减少了收集质谱所需的时间，从而使得在几分钟内获得质谱成为可能。这也意味着，与从色谱分离的分子洗脱一致的离子束强度的爆发可以在与洗脱曲线相同的时间框架内用CDMS来表征。在本段描述的实施例的任何实施方式中，附加的变型可以包括可操作地定位在离子源级IS2和ELIT 14之间的质谱仪。
现在参考图12B，示出了离子分离仪器210的另一个实施例的简化框图，该离子分离仪器210说明性地包括多级质谱仪仪器220，并且其还包括CDMS 100，该100包括ELIT 14，并且在一些实施例中，包括如上所述的离子轨迹控制设备105，该离子轨迹控制设备105被实施为高质量离子分析部件。在图示的实施例中，多级质谱仪仪器220包括离子源（IS）12，如本文所示和所述，接着是第一常规质谱仪（MS1）204并耦合到第一常规质谱仪（MS1）204，接着是常规离子解离级（ID）206并耦合到常规离子解离级（ID）206，该离子解离级206可操作以解离离开质谱仪204的离子，例如，通过碰撞诱导解离（CID）、表面诱导解离（SID）、电子俘获解离（ECD）和/或光诱导解离（PID）等中的一种或多种，随后是第二常规质谱仪（MS2）208并且耦合到第二常规质谱仪（MS2）208，随后是常规离子检测器（D）212，例如，诸如微通道板检测器或其他常规的离子检测器。CDMS 100与离子解离级206并联耦合且并联耦合到离子解离级206，使得CDMS 100可以选择性地接收来自质谱仪204和/或来自离子解离级206的离子。
MS/MS（例如，仅使用离子分离仪器220）是一种成熟的方法，其中特定分子量的前体离子由第一质谱仪204（MS1）基于它们的m/z值进行选择。质量选定的前体离子被碎片化，例如，通过碰撞诱导解离、表面诱导解离、电子俘获解离或光诱导解离。碎片离子然后由第二质谱仪208（MS2）分析。在MS1和MS2两者中只测量前体离子和碎片离子的m/z值。对于高质量的离子，电荷状态是不可解析的，并且因此不可能仅基于m/z值来选择具有特定分子量的前体离子。然而，通过将仪器220耦合到CDMS 100，如图12B所示，有可能选择窄范围的m/z值，并且然后使用CDMS 100来确定m/z选定的前体离子的质量。质谱仪204、208可以是例如磁扇形质谱仪、飞行时间质谱仪或四极质谱仪中的一种或任何组合，不过在替代实施例中可以使用其他类型的质谱仪。在任何情况下，离开MS1的具有已知质量的m/z选择的前体离子可以在离子解离级206中被碎片化，并且然后可以通过MS2（其中仅测量m/z比）和/或通过CDMS仪器100（其中同时测量多个离子的m/z比和电荷）来分析所得的碎片离子。低质量碎片（即，质量值低于质量阈值的前体离子的解离离子，例如10,000道尔顿（或其他质量值））因此可以通过常规质谱使用MS2进行分析，而高质量碎片（其中电荷状态未被解析）（即，质量值等于或高于阈值质量值的前体离子的解离离子）可以由CDMS 100进行分析。
应当理解，可以说明性地选择ELIT 14的各种部件的尺寸和在其中建立的电场的大小（如在附图中图示并在上面描述的系统10、100、200、210中的任何一个中实施的那样），以便在ELIT 14内建立期望的离子振荡占空比，其对应于在一个完整的振荡周期期间离子在电荷检测圆筒CD中花费的时间与离子横越离子镜M1、M2和电荷检测圆筒CD的组合所花费的总时间的比。例如，出于降低由测量信号的谐波频率分量导致的基频大小确定中的噪声的目的，近似50%的占空比可能是理想的。在2018年1月12日提交的共同未决的美国专利申请序列号62/616,860、2018年6月4日提交的共同未决的美国专利申请序列号62/680,343以及2019年1月11日提交的共同未决的国际专利申请号PCT/US2019/____中图示和描述了与实现期望占空比（诸如50%）的这种尺寸和操作考虑相关的细节，所有这些专利申请的标题均为ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP DESIGN FOR CHARGE DETECTION MASSSPECTROMETRY（用于电荷检测质谱的静电线性离子阱设计），其公开内容均通过引用整体明确并入本文。
将进一步理解，一种或多种电荷检测优化技术可以与在附图中图示并本文中描述的任何系统10、100、200、210中的ELIT 14一起用于例如触发俘获或其他电荷检测事件。在2018年6月4日提交的共同未决的美国专利申请序列号62/680,296和2019年1月11日提交的共同未决国际专利申请号PCT/US2019/_____中图示和描述了一些这样的电荷检测优化技术的示例，这两个专利申请标题均为“ APPARATUS AND METHOD FOR CAPTURING IONS INAN ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP（用于在静电线性离子阱中捕获离子的设备和方法）”，其公开内容均通过引用整体明确并入本文。
还应当理解，一个或多个电荷校准或重置设备可以与附图图示和本文所述的任何系统10、100、200、210中的ELIT 14的电荷检测筒CD一起使用。在2018年6月4日提交的共同未决的美国专利申请序列号62/680,272和在2019年1月11日提交的共同未决的国际专利申请号PCT/US2019/____中图示和描述了一个这样的电荷校准或重置设备的示例，这两个申请的的标题均为“APPARATUS AND METHOD FOR CALIBRATING OR RESETTING A CHARGEDETECTOR（用于校准或重置电荷检测器的设备和方法）”，其公开内容均通过引用整体明确并入本文。
还将进一步理解，在附图中图示并在本文中描述的ELIT 14，作为也在附图中图示并在本文中描述的系统10、100、200、210中的任何一者的一部分，可以替代地以具有两个或更多个ELIT或ELIT区域的至少一个ELIT阵列的形式和/或在包括两个或更多个ELIT区域的任何单个ELIT形式提供，并且本文描述的概念可直接应用于包括一个或更多个这样的ELIT和/或ELIT阵列的系统。在2018年6月4日提交的共同未决的美国专利申请序列号62/680,315中和2019年1月11日提交的共同未决的国际专利申请号PCT/US2019/____示出和描述了一些这样的ELIT和/或ELIT阵列的示例，这两个申请的标题均为 ION TRAP ARRAY FORHIGH THROUGHPUT CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY（用于高通量电荷检测质谱的离子阱阵列），其公开内容均通过引用整体明确并入本文。
还应当理解，一个或多个离子源优化设备和/或技术可以与在本文中图示和描述的离子源12的一个或多个实施例一起使用，作为在附图中图示和在本文中描述的系统10、150、180、200、220中的任一者的一部分或与其结合使用，其一些示例在2018年6月4日提交的且题为 HYBRID ION FUNNEL-ION CARPET （FUNPET）ATMOSPHERIC PRESSURE INTERFACEFOR CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY的共同未决的美国专利申请序列号62/680,223以及在2019年1月11日提交的且题为“INTERFACE FOR TRANSPORTING IONS FROM ANATMOSPHERIC PRESSURE ENVIRONMENT TO A LOW PRESSURE ENVIRONMENT”的共同未决的国际专利申请号PCT/US2019/_____中图示和描述，其公开内容均通过引用整体明确并入本文。
还应当理解，附图中示出并在本文中描述的系统10、100、200、210中的任何一个可以在被配置成根据实时分析和/或实时控制技术操作的系统中实施或作为该系统的一部分来实施，其一些示例在2018年6月4日提交的共同未决的美国专利申请序列号62/680,245中和2019年1月11日提交的共同未决的国际专利申请号PCT/US2019/____中示出并描述，两者的标题均为CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY WITH REAL TIME ANALYSIS ANDSIGNAL OPTIMIZATION，其公开内容均通过引用整体明确并入本文。
虽然在前述附图和描述中已经详细图示和描述了本公开，但是这些附图和描述被认为是说明性的，而不是限制性的，应当理解，仅示出和描述了其说明性实施例，并且期望保护落入本公开精神内的所有变型和修改。例如，可以理解的是，在附图中示出并在本文中描述的ELIT 14仅作为示例提供，并且上述概念、结构和技术可以直接在各种替代设计的ELIT中实施。任何这样的替代ELIT设计可以例如包括两个或更多个ELIT区域、更多、更少和/或不同形状的离子镜电极、更多或更少的电压源、由一个或多个电压源产生的更多或更少的DC或时变信号、限定附加电场区域的一个或多个离子镜等中的任何一个或其组合。

Claims (49)

1.一种用于同时测量多个离子的电荷检测质谱仪（CDMS），包括：
离子源，其被配置成产生和供应离子束，
静电线性离子阱（ELIT），其包括同轴对准的一对离子镜和设置在它们之间并与其同轴对准、使得所述ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，所述一对离子镜中的第一者限定围绕所述纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过所述离子入口孔进入所述ELIT，
至少一个电压源，所述电压源可操作地耦合到所述一对离子镜，并且被配置成产生用于在其中选择性地建立电场的电压，所述电压被配置成在所述ELIT内俘获进入的离子束中的多个离子，并且使被俘获的所述多个离子每次通过所述电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡，以及
用于控制进入所述ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹、以使随后在ELIT内被俘获的所述多个离子在其中以对应的多个不同平面离子振荡轨迹或对应的多个不同圆筒形离子振荡轨迹振荡的装置，所述多个不同的平面离子振荡轨迹围绕纵向轴线彼此成角度地偏移，其中，每个轨迹沿着纵向轴线延伸并在所述一对离子镜的每一者中与纵向轴线相交，所述多个不同的圆筒形离子振荡轨迹围绕所述纵向轴线彼此径向偏移，以形成多个嵌套的圆筒形轨迹，每个轨迹沿着所述纵向轴线延伸。
2.根据权利要求1所述的CDMS，进一步包括：
电耦合到所述至少一个电压源的处理器，以及
存储器，其中存储有指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述处理器控制所述至少一个电压源产生用于在所述离子镜内选择性地建立电场的电压。
3.根据权利要求2所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生用于在所述一对离子镜中的任一者或两者中选择性地建立离子传输电场或离子反射电场的电压，所述离子传输电场被配置成将穿过所述一对离子镜中相应一者的离子朝向所述纵向轴线聚焦，并且所述离子反射电场被配置成使从所述电荷检测圆筒进入所述一对离子镜中相应一者的离子停止并在相反方向上加速穿过所述电荷检测圆筒并朝向所述一对离子镜中另一者返回，同时也将所述离子朝向所述纵向轴线聚焦。
4.根据权利要求3所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中建立离子传输电场，使得进入的离子束中的离子穿过所述一对离子镜和所述电荷检测圆筒并离开所述ELIT，随后控制所述至少一个电压源产生电压，以在所述一对离子镜的每一者中建立离子反射电场，从而在所述ELIT中俘获所述多个离子，并使被俘获的所述多个离子每次通过所述电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡，并在其上感应对应的离子电荷。
5.根据权利要求3所述的CDMS，还包括电荷前置放大器，所述电荷前置放大器具有可操作地耦合到所述电荷检测筒的输入和可操作地耦合到所述处理器的输出，所述电荷前置放大器被配置成响应于由穿过所述电荷检测筒的离子在所述电荷检测筒上感应的电荷，以产生对应的电荷检测信号，
其中，存储在所述存储器中的指令还包括这样的指令：当由处理器执行时，所述指令使处理器针对所述多个离子多次通过所述电荷检测圆筒在存储器中记录电荷检测信号并处理记录的电荷检测信号以确定被俘获的所述多个离子中每一个的离子电荷和离子质荷比或离子质量。
6.根据权利要求4或5所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器通过如下方式控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的每一者中建立离子反射电场：在保持所述一对离子镜中的第一者中的离子传输电场的同时控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场，并且在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场后的预定时间之后，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第一者中建立离子反射电场。
7.根据权利要求5所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器通过如下方式控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的每一者中建立离子反射电场：在保持所述一对离子镜中的第一者中的离子传输电场的同时，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场，随后在所述处理器接收到电荷检测信号中的一个时，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第一者中建立离子反射电场。
8.根据权利要求5所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器在所述处理器接收到所述电荷检测信号中的一个时，通过控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中同时建立离子反射电场，来控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中建立离子反射电场。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的CDMS，其中，用于控制进入所述ELIT的离子入口的离子束的轨迹的装置包括用于控制进入的离子束相对于所述纵向轴线的径向偏移和所述进入的离子束相对于所述纵向轴线或相对于穿过所述ELIT且平行于所述纵向轴线的至少一个其他轴线的角度中的至少一者的装置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的CDMS，其中，用于控制进入所述ELIT的离子入口的离子束的轨迹的装置包括：
用于确定所供应的离子束的轨迹的装置，以及
用于修改所供应的离子束的轨迹、使得具有修改后的轨迹的所供应的离子束进入ELIT的离子入口孔的装置。
11.一种用于同时测量多个离子的电荷检测质谱仪（CDMS），包括：
离子源，其被配置成产生和供应离子束，
静电线性离子阱（ELIT），其包括同轴对准的一对离子镜和设置在它们之间并与其同轴对准、使得所述ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，所述一对离子镜中的第一者限定围绕所述纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过所述离子入口孔进入所述ELIT，
至少一个电压源，其可操作地耦合到所述一对离子镜，并且被配置成产生用于在其中选择性地建立电场的电压，所述电场被配置成在所述ELIT内俘获进入的离子束中的至少两个离子，并且使被俘获的所述至少两个离子每次通过所述电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡，以及
用于控制进入所述ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹的装置，以使随后在所述ELIT内被俘获的所述至少两个离子在其中以围绕纵向轴线彼此成角度地偏移的至少两个不同的平面离子振荡轨迹振荡，其中每个轨迹沿着所述纵向轴线延伸并在所述一对离子镜的每一者中与所述纵向轴线相交。
12.根据权利要求11所述的CDMS，进一步包括：
电耦合到所述至少一个电压源的处理器，以及
存储器，其中存储有指令，当由处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生用于在所述离子镜内选择性地建立电场的电压。
13.根据权利要求12所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生用于在所述一对离子镜中的任一者或两者中选择性地建立离子传输电场或离子反射电场的电压，所述离子传输电场被配置成将穿过所述一对离子镜中的相应一者的离子朝向所述纵向轴线聚焦，并且所述离子反射电场被配置成使从所述电荷检测圆筒进入所述一对离子镜中的相应一者的离子停止并在相反方向上加速返回穿过所述电荷检测圆筒并朝向所述一对离子镜中另一者，同时也将离子朝向纵向轴线聚焦。
14.根据权利要求13所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中建立离子传输电场，使得进入的离子束中的离子穿过所述一对离子镜和所述电荷检测圆筒并离开所述ELIT，随后控制所述至少一个电压源产生电压，以在所述一对离子镜的每一者中建立离子反射电场，从而在所述ELIT中俘获多个离子，并使被俘获的所述多个离子每次通过所述电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡，并在其上感应对应的离子电荷。
15.根据权利要求13所述的CDMS，还包括电荷前置放大器，所述电荷前置放大器具有可操作地耦合到所述电荷检测筒的输入和可操作地耦合到所述处理器的输出，所述电荷前置放大器被配置成响应于由穿过所述电荷检测筒的离子在所述电荷检测筒上感应的电荷，而产生对应的电荷检测信号，
其中，存储在所述存储器中的指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器在存储器中记录所述至少两个离子多次通过所述电荷检测筒的电荷检测信号，并处理所述记录的电荷检测信号以确定所述至少两个被俘获离子中每一者的离子电荷和离子质荷比或离子质量。
16.根据权利要求14或15所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器通过如下方式控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中建立离子反射电场：在保持所述一对离子镜中的第一者中的离子传输电场的同时控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场，并且在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场后的预定时间之后，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第一者中建立离子反射电场。
17.根据权利要求15所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器通过如下方式控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的每一者中建立离子反射电场：在保持所述一对离子镜中的第一者中的离子传输电场的同时，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场，随后在处理器接收到电荷检测信号中的一个时，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第一者中建立离子反射电场。
18.根据权利要求15所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器在所述处理器接收到电荷检测信号中的一个时，通过控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的每一者中同时建立离子反射电场，来控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的每一者中建立离子反射电场。
19.根据权利要求11至18中任一项所述的CDMS，其中，用于控制进入所述ELIT的离子入口的离子束的轨迹的装置包括用于控制进入的离子束相对于所述纵向轴线的径向偏移和进入的离子束相对于所述纵向轴线的角度中的至少一者的装置。
20.根据权利要求11至19中任一项所述的CDMS，其中，用于控制进入所述ELIT的离子入口的离子束的轨迹的装置包括：
用于确定所供应的离子束的轨迹的装置，以及
用于修改所供应的离子束的轨迹、使得具有修改后的轨迹的所供应的离子束进入ELIT的离子入口孔的装置。
21.一种用于同时测量多个离子的电荷检测质谱仪（CDMS），包括：
离子源，其被配置成产生和供应离子束，
静电线性离子阱（ELIT），包括同轴对准的一对离子镜和设置在它们之间并与其同轴对准、使得所述ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，所述一对离子镜中的第一者限定围绕所述纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过所述离子入口孔进入所述ELIT，
至少一个电压源，其可操作地耦合到所述一对离子镜，并且被配置成产生用于在其中选择性地建立电场的电压，所述电场被配置成在ELIT内俘获进入的离子束中的至少两个离子，并且使被俘获的所述至少两个离子每次通过所述电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡，以及
用于控制进入所述ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹的装置，以使随后在所述ELIT内被俘获的所述至少两个离子在其中以至少两个不同的圆筒形离子振荡轨迹振荡，所述至少两个不同的圆筒形离子振荡轨迹围绕所述纵向轴线彼此径向偏移，以形成至少两个嵌套的圆筒形轨迹，每个轨迹沿着纵向轴线延伸。
22.根据权利要求21所述的CDMS，进一步包括：
电耦合到所述至少一个电压源的处理器，以及
存储器，其中存储有指令，当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生用于在离子镜内选择性地建立电场的电压。
23.根据权利要求22所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生用于在所述一对离子镜中的任一者或两者中选择性地建立离子传输电场或离子反射电场的电压，所述离子传输电场被配置成将穿过所述一对离子镜中相应一者的离子朝向纵向轴线聚焦，并且所述离子反射电场被配置成使从所述电荷检测圆筒进入所述一对离子镜中相应一者的离子停止并在相反方向上加速返回穿过所述电荷检测圆筒并朝向所述一对离子镜中另一者，同时也将离子朝向纵向轴线聚焦。
24.根据权利要求23所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中建立离子传输电场，使得进入的离子束中的离子穿过所述一对离子镜和所述电荷检测圆筒并离开所述ELIT，随后控制所述至少一个电压源产生电压，以在所述一对离子镜的每一者中建立离子反射电场，从而在所述ELIT中俘获所述多个离子，并使被俘获的所述多个离子每次通过所述电荷检测圆筒时在所述一对离子镜之间来回振荡，并在其上感应出对应的离子电荷。
25.根据权利要求23所述的CDMS，还包括电荷前置放大器，所述电荷前置放大器具有可操作地耦合到所述电荷检测筒的输入和可操作地耦合到所述处理器的输出，所述电荷前置放大器被配置成响应于由穿过所述电荷检测筒的离子在其上感应的电荷，而产生对应的电荷检测信号，
其中，存储在所述存储器中的指令还包括这样的指令：当由处理器执行时，所述指令使处理器针对所述至少两个离子多次通过电荷检测筒在所述存储器中记录电荷检测信号，并处理记录的电荷检测信号以确定被俘获的所述至少两个离子中的每一者的离子电荷和离子质荷比或离子质量。
26.根据权利要求24或25所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令，当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器通过如下方式控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中建立离子反射电场：在保持所述一对离子镜中的第一者中的离子传输电场的同时，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场，并且在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场后的预定时间之后，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第一者中建立离子反射电场。
27.根据权利要求25所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器通过如下方式控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的每一者中建立离子反射电场：在保持所述一对离子镜中的第一者中的离子传输电场的同时，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第二者中建立离子反射电场，随后在所述处理器接收到电荷检测信号中的一个时，控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜中的第一者中建立离子反射电场。
28.根据权利要求25所述的CDMS，其中，存储在所述存储器中的所述指令还包括这样的指令：当由所述处理器执行时，所述指令使所述处理器在所述处理器接收到所述电荷检测信号中的一个时，通过控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中同时建立离子反射电场，来控制所述至少一个电压源产生电压以在所述一对离子镜的每一者中建立离子反射电场。
29.根据权利要求21至18中任一项所述的CDMS，其中用于控制进入所述ELIT的离子入口的离子束的轨迹的装置包括用于控制进入的离子束相对于纵向轴线的径向偏移以及进入的离子束相对于穿过所述ELIT并且平行于所述纵向轴线的至少一个其他轴线的角度的装置。
30.根据权利要求21至29中任一项所述的CDMS，其中，用于控制进入所述ELIT的离子入口的离子束的轨迹的装置包括：
用于确定所供应的离子束的轨迹的装置，以及
用于修改所供应的离子束的轨迹、使得具有修改后的轨迹的所供应的离子束进入所述ELIT的离子入口孔的装置。
31.一种用于分离离子的系统，包括：
根据权利要求1至30中任一项所述的CDMS，和
至少一个离子分离仪器，其被配置成根据至少一个分子特性来分离由所述离子源供应的所产生的离子束，其中，进入所述ELIT的所供应的离子束是离开所述至少一个离子分离仪器的分离的所产生的离子束。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，所述至少一个离子分离仪器包括至少一个用于根据质荷比分离离子的仪器、至少一个用于根据离子迁移率适时分离离子的仪器、至少一个用于根据离子保留时间分离离子的仪器和至少一个用于根据分子大小分离离子的仪器中的一者或任何组合。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述至少一个离子分离仪器包括质谱仪和离子迁移率谱仪中的一者或其组合。
34.根据权利要求31至33中任一项所述的系统，还包括定位在所述离子源和所述至少一个离子分离仪器之间的至少一个离子处理仪器，定位在所述离子源和所述至少一个离子分离仪器之间的所述至少一个离子处理仪器包括至少一个用于收集或存储离子的仪器、至少一个用于根据分子特性过滤离子的仪器、至少一个用于解离离子的仪器和至少一个用于标准化或移动离子电荷状态的仪器中的一者或任何组合。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的系统，还包括定位在所述至少一个离子分离仪器和所述ELIT之间的至少一个离子处理仪器，定位在所述至少一个离子分离仪器和所述ELIT之间的所述至少一个离子处理仪器包括至少一个用于收集或存储离子的仪器、至少一个用于根据分子特性过滤离子的仪器、至少一个用于解离离子的仪器和至少一个用于标准化或移动离子电荷状态的仪器中的一者或任何组合。
36.根据权利要求30至34中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括至少一个离子分离仪器，所述离子分离仪器被定位成接收离开所述ELIT的离子，并且根据至少一个分子特性来分离离开所述ELIT的所接收的离子。
37.根据权利要求36所述的系统，进一步包括定位在所述ELIT和所述至少一个离子分离仪器之间的至少一个离子处理仪器，定位在所述ELIT和所述至少一个离子分离仪器之间的所述至少一个离子处理仪器包括至少一个用于收集或存储离子的仪器、至少一个用于根据分子特性过滤离子的仪器、至少一个用于解离离子的仪器和至少一个用于标准化或移动离子电荷状态的仪器中的一者或任何组合。
38.根据权利要求36所述的系统，还包括至少一个离子处理仪器，所述离子处理仪器定位成接收离开所述至少一个离子分离仪器的离子，所述离子分离仪器自身定位成接收离开所述ELIT的离子，定位成接收离开被定位成接收离开所述ELIT的离子所述至少一个离子分离仪器的离子的所述至少一个离子处理仪器包括至少一个用于收集或存储离子的仪器、至少一个用于根据分子特性过滤离子的仪器、至少一个用于解离离子的仪器和至少一个用于标准化或移动离子电荷状态的仪器中的一者或任何组合。
39.根据权利要求30至34中任一项所述的系统，其中，所述系统还包括至少一个离子处理仪器，所述离子处理仪器被定位成接收离开所述ELIT的离子，被定位成接收离开所述ELIT的离子的所述至少一个离子处理仪器包括至少一个用于收集或存储离子的仪器、至少一个用于根据分子特性过滤离子的仪器、至少一个用于解离离子的仪器和至少一个用于标准化或移动离子电荷状态的仪器中的一者或任何组合。
40.一种用于分离离子的系统，包括：
配置成从样品中产生离子的离子源，
第一质谱仪，其被配置成根据质荷比来分离所产生的离子，
离子解离级，其被定位成接收离开所述第一质谱仪的离子，并被配置成解离离开所述第一质谱仪的离子，
第二质谱仪，其被配置成根据质荷比来分离离开所述离子解离级的解离离子，以及
根据权利要求1至30中任一项所述的电荷检测质谱仪（CDMS），其与所述离子解离级并联耦合且并联耦合到所述离子解离级，使得产生和供应离子束的离子源包括所述第一质谱仪和所述离子解离级中的一者或两者，
其中，使用所述CDMS测量离开所述第一质谱仪的前体离子的质量，使用所述第二质谱仪测量质量值低于阈值质量的前体离子的解离离子的质荷比，并且使用所述CDMS测量质量值等于或高于阈值质量的前体离子的解离离子的质荷比和电荷值。
41.一种同时测量供应给静电线性离子阱（ELIT）的离子束中的至少两个离子的方法，所述静电线性离子阱包括同轴对准的一对离子镜和设置在其间并与其同轴对准、使得所述ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，其中所述一对离子镜中的第一者限定围绕所述纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过所述离子入口孔进入所述ELIT，所述方法包括：
控制至少一个电压源向所述一对离子镜施加电压，以在其中建立离子传输电场，从而使供应给所述ELIT的离子入口孔的离子束穿过所述一对离子镜中的每一者，并穿过所述电荷检测圆筒，并穿过由所述一对离子镜中的第二者限定的离子出口，其中每个离子传输电场被配置成将穿过其中的离子朝向纵向轴线聚焦，
控制所述至少一个电压源以改变施加到所述一对离子镜的电压，从而在其中建立离子反射电场，以在ELIT内俘获供应给所述ELIT的离子入口孔的离子束中的至少两个离子，其中，每个离子反射电场被配置成使从所述电荷检测圆筒进入所述一对离子镜中的相应一者的离子停止并在相反方向上加速返回穿过所述电荷检测圆筒并朝向所述一对离子镜中的另一者，同时还朝向纵向轴线聚焦离子，以及
控制进入所述ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹，以使随后在ELIT内被俘获的所述至少两个离子在其中以围绕纵向轴线彼此成角度地偏移的至少两个不同的平面离子振荡轨迹振荡，其中每个轨迹沿着所述纵向轴线延伸，并在所述一对离子镜中的每一者中与所述纵向轴线相交。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，控制所述离子束的轨迹包括将所述离子束产生为准直离子束，并控制所述准直离子束以围绕所述纵向轴线的径向偏移分布进入所述离子入口孔。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，控制所述离子束的轨迹包括将所述离子束产生为准直离子束，控制所述准直离子束进入离子入口孔，并且然后控制所述至少一个电压源选择性地修改所述一对离子镜中的第一者内的离子传输电场，以改变其聚焦功率，从而朝向位于所述ELIT内纵向轴线上的焦点在进入的准直离子束上赋予角度会聚。
44.一种同时测量供应给静电线性离子阱（ELIT）的离子束中的至少两个离子的方法，所述静电线性离子阱包括同轴对准的一对离子镜和设置在其间并与其同轴对准、使得所述ELIT的纵向轴线在中心穿过每个离子镜的细长电荷检测圆筒，其中所述一对离子镜中的第一者限定围绕纵向轴线的离子入口孔，所供应的离子束通过所述离子入口孔进入所述ELIT，所述方法包括：
控制所述至少一个电压源向所述一对离子镜施加电压，以在其中建立离子传输电场，从而使供应给所述ELIT的离子入口孔的离子束穿过所述一对离子镜中的每一者，并穿过所述电荷检测圆筒，并穿过由所述一对离子镜中的第二者限定的离子出口，其中每个离子传输电场被配置成将穿过其中的离子朝向纵向轴线聚焦，
控制所述至少一个电压源以修改施加到所述一对离子镜的电压，从而在其中建立离子反射电场，以在所述ELIT内俘获供应给所述ELIT的离子入口孔的离子束中的至少两个离子，其中每个离子反射电场被配置成使从所述电荷检测圆筒进入所述一对离子镜中的相应一者的离子停止并在相反方向上加速返回通过所述电荷检测圆筒并朝向所述一对离子镜中的另一者，同时还朝向纵向轴线聚焦离子，并且
控制进入所述ELIT的离子入口孔的离子束的轨迹，以使随后在ELIT内被俘获的至少两个离子在其中以至少两个不同的圆筒形离子振荡轨迹振荡，所述至少两个不同的圆筒形离子振荡轨迹围绕所述纵向轴线彼此径向偏移，以形成至少两个嵌套的圆筒形离子振荡轨迹，每个轨迹沿着所述纵向轴线延伸。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，控制所述离子束的轨迹包括将所述离子束产生为准直离子束，在所述离子入口孔处将所述准直离子束聚焦到沿着所述纵向轴线的点上，并且沿着相对于所述纵向轴线的径向偏移线扫过所述聚焦的离子点。
46.根据权利要求44所述的方法，其中，控制所述离子束的轨迹包括将所述离子束产生为准直离子束，将所述准直离子束聚焦到所述离子入口孔处的平面中，并且相对于所述纵向轴线偏移聚焦平面。
47.根据权利要求44所述的方法，其中，控制所述离子束的轨迹包括将所述离子束产生为未准直的离子束，所述未准直的离子束包括相对于所述纵向轴线的径向偏移分布和相对于平行于所述纵向轴线的两条或更多条径向偏移线的发散角分布，并且控制所述未准直的离子束进入所述离子入口孔。
48.根据权利要求44至47中任一项所述的方法，其中，控制所述离子束的轨迹包括通过控制进入的离子束的径向偏移的相应大小来控制所述至少两个圆筒形离子振荡轨迹中的任一者相对于所述纵向轴线的内半径和外半径。
49.根据权利要求44至48中任一项所述的方法，其中，控制所述离子束的轨迹包括通过控制进入的离子束的发散角的相应大小来控制所述至少两个圆筒形离子振荡轨迹中的任一者的内半径和外半径之间的厚度。
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