CN113841220B - 具有减少节点效应的离子导向器 - Google Patents

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Abstract

一种用于质谱仪的离子光学布置(1)包含包含限定离子光轴的多极布置的电极(11、12、14)，和用于向所述电极提供电压以产生电场的电压源。所述离子光学布置被配置成用于产生射频电聚焦场，用于将离子聚焦在所述离子光轴上。所述射频电聚焦场具有变化的频率，以减少通过所述离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。所述离子光学布置还可被配置成用于响应于DC偏置电压施加到所述多极布置产生静电场。叠加的变化电场可将AC电压叠加在所述DC偏置电压上产生。

Description

具有减少节点效应的离子导向器
技术领域
本发明涉及同位素比质谱(MS)。具体地说，本发明涉及无干扰、高分辨率、多接收器同位素比质谱和元素分析，例如与碰撞池和等离子体源，如电感耦合等离子体(ICP)源相结合。更具体地，本发明涉及具有减少节点效应的离子导向器。
背景技术
多接收器ICP-MS是用于高精度且准确的同位素比率分析的成熟方法。应用为地质年龄测探(geochronology)、地球化学(geochemistry)、宇宙化学(cosmochemistry)、生物地球化学(biogeochemistry)、环境科学以及生命科学领域中。精确且准确的同位素比率测量通常提供对于不可通过任何其它分析技术解决的科学问题的较深入理解的唯一信息。然而，质谱仪中的元素和分子干扰限制分析可达到的精度和准确性。
这些干扰存在于样品材料本身或由污染源(使用过的化学品、样品容器的清洁度和样品纯化过程中的分级分离)进行样品制备时产生，或甚至在离子源或质谱仪中产生。可通过以下来解决这类干扰的问题：
1.使用高质量分辨率质量分析器，通过检测干扰物相对于样品离子质量的微小差异来区分干扰物；
2.在质量分析之前通过样品制备和化学分离干扰物；和/或
3.通过使用集成到质量分析器中的碰撞池。
在碰撞池中，化学干扰通过化学反应和/或动能区分去除，利用加压碰撞池内分子和元素物种的不同横截面，这导致分子和元素离子的不同动能损失。通过碰撞池后的高通能量过滤器，可区分较低能量的分子物种。
碰撞池是离子光束路径内的封装体积，它被碰撞气体加压以引起相互作用(即离子和气体分子之间的碰撞和/或化学反应)。为了在碰撞池内产生有效的碰撞和化学反应，离子优选地处于仅几个电子伏特(eV)的低离子束能量。碰撞池通常为一个多极离子导向器，它由RF场供电以将离子导向通过碰撞池。为了获得合理的气压，多极离子导向器被封装在具有小入口和入口孔隙的紧凑体积中，通常直径在1-3mm的范围内。在英国专利申请GB 2546 060(赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)(不来梅(Bremen))和布里斯托大学(The University of Bristol))中公开了联接到多收集器质谱仪的碰撞池。
具有不同质量但相同能量的离子以不同的速度穿过碰撞池的时间相关振荡场，因此离子轨迹是质量依赖性的。换句话说，轨迹取决于穿过RF场的离子的质量。此效应称为“节点”。这尤其可在多极结构的出口处造成问题，其中不同质量的离子可能以不同的角度离开。
碰撞池传输的质量依赖性对于准确的同位素比测量来说可能是一个问题，即使它很小。然而，对于某些分析应用，除使用碰撞池外，没有其它选择来去除同量异位素干扰。
对于不存在干扰的样品，避免离子通过射频(RF)多极碰撞池光学装置的低能量通道并排除碰撞池中引起的区分效应的任何不确定性(即化学效应以及节点效应)。
应注意，不希望有的“节点效应”不限于碰撞池，也可能发生在其它离子光学布置中，如质量过滤器。
解决此问题的一种方法是在质谱仪中安装第二束路径，其中离子束在碰撞池之前偏转离轴以绕过碰撞池，并且最后将离子偏转回到质谱仪的光轴上。在英国专利申请GB 2535 754(Nu Instruments)中描述了这类双路径离子光学布置。它允许在低能量碰撞池束路径和离轴静态高能量束路径之间切换。
这导致具有几个离子束偏转器的相当复杂的设置导致图像像差和对准问题。
发明内容
本发明的一个目的是为质谱仪提供一种离子光学布置，如碰撞池或质量过滤器，其可在很大程度上避免与现有RF驱动的离子光学装置相关的节点问题，并且比现有技术的双路径布置更简单和更紧凑。
因此，本发明提供一种用于质谱仪的离子光学布置，其包含：
-包含限定离子光轴的多极布置的电极，和
-用于向电极提供电压以产生电场的电压源，
其中离子光学布置被配置成用于产生射频电聚焦场，用于将离子聚焦在离子光轴上，并且
其中射频电聚焦场具有变化的频率，以减少通过离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。
通过提供具有变化的射频(RF)电场的离子光学布置或离子导向器，与具有恒定频率的RF电场相反，通过离子光学布置的离子轨迹的节点效应和质量依赖性被减轻，并且在某些情况下可能被完全消除。改变RF频率改变离子光学布置中离子轨迹的振荡次数。特别是周期性变化的频率适用于减轻节点效应。因此，变化的RF频率优选地为周期变化的频率。
RF频率的周期性变化不限于正弦变化，还可包含锯齿形变化，其中频率可从第一个值线性增加(或减少)到第二个值，并且然后几乎瞬间返回到原始值。也可设想其它频率变化，如方波变化。
频率变化优选地受供应到RF电极的电压变化的影响。因此，当离子光学布置包含多极布置时，电压源可被配置成用于向多极布置供应具有变化频率的电压以产生具有变化频率的射频电聚焦场。多极布置包含至少四个极，优选地至少六个极。已经发现，使用更多数量的极进一步减少节点效应。因此，也可有利地使用八极布置。
优选地，变化频率变化至少10％，优选地至少20％。如稍后将更详细地解释，已经发现通过改变离子光学布置内的离子轨迹的振荡次数可有效地减少甚至消除节点效应。振荡次数可从例如10次改变为9至11次的范围。通过在此范围内定期改变振荡次数，可有效降低离子轨迹的质量依赖性。为了实现在9至11次范围内的振荡，如在此实例中，f0±10％的频率范围是优选的，其中f0是基本RF频率。因此，基频优选地周期性地从f0-10％变化到f0+10％，导致f0的20％的频率范围。如果希望振荡次数的变化更大，那么将需要更大的频率摆幅。举例来说，当离子轨迹中的原始振荡次数为10时，如在上面的实例中，通过使用f0-20％至f0+20％的频率范围可实现8至12次振荡的范围。
应注意，轨迹振荡数量的这种有利变化不仅可通过改变RF频率来实现，还可通过将频率强加到静电场上来实现。因此，本发明还提供了一种用于质谱仪的离子光学布置，其包含：
-包含限定离子光轴的多极布置的电极，和
-用于向电极提供电压以产生电场的电压源，
其中离子光学布置被配置成用于产生用于将离子聚焦在离子光轴上的射频电聚焦场，其中离子光学布置被进一步配置用于产生静电场，并且其中变化的电场叠加在静电场上，从而减少通过离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。
通过将变化的电场叠加在静电场上，可实现与改变RF频率类似的节点效应的降低。应注意，在一些实施例中，可使用测量的组合，因此将变化的RF场与施加在静电场上的变化的场相结合。通过同时改变RF电场和静电场，可进一步降低节点效应。
静电场可包含由施加到多极布置的DC偏置电压产生的场，叠加的变化电场是通过在DC偏置电压上叠加AC电压而产生的。应注意，DC偏置电压可为正或负。在一些实施例中，DC偏置电压可等于零。如果DC偏置电压最初为非零的，那么叠加的AC(交流)电压将通常不将DC偏置电压变成AC偏置电压，而是变成具有变化幅度，优选地周期地变化幅度的DC偏置电压。
静电场可包含由施加到与多极平行布置的辅助电极的DC辅助电压产生的轴向DC场，通过将AC电压叠加在DC辅助电压上产生叠加的变化电场。这种辅助电极可包含所谓的叶片，其可布置在多极布置的极之间的间隔中。这类叶片通常为平的、细长的电极并且可用于产生辅助电场，如轴向拖曳场。为此目的，至少一个辅助电极可包含电阻器的串联布置，用于在辅助电极中提供电压梯度以产生轴向场梯度。
其他辅助电极可包含由单个电极组成的离子透镜，如入口电极或出口电极，或共同影响离子束的一组电极。代替或除了改变电场频率之外，可改变离子的能量和/或速度。因此，与离子的能量和速度相关的电场也可改变以抵消节点效应。
在上面讨论的实施例中，存在如多极布置的RF电极。然而，本发明不限于具有多极布置的离子光学布置，并且可设想其中不存在多极布置的实施例。因此，本发明还提供了一种用于质谱仪的离子光学布置，其包含：
-限定离子光轴的电极，和
-用于向电极提供电压以产生电场的电压源，
其中离子光学布置被配置成用于产生静电场，并且其中变化的电场叠加在静电场上以减少通过离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。
通过将变化的电场叠加在静电场上，可获得相同或相似的优点。因此，本发明的实施例可概括为用于质谱仪的离子光学布置，所述质谱仪被配置成用于改变离子光学布置内的离子轨迹的振荡次数。
在没有RF场的实施例中，静电场可包含轴向电场，优选地具有轴向场梯度的轴向电场。静电场可包含由施加到离子光学透镜的DC偏置电压产生的场。
如上所述，本发明不限于碰撞池或碰撞/反应池，还提供其它离子光学布置。因此，根据本发明的离子光学布置可包含质量过滤器。
本发明还提供了一种质谱仪，其包含如上文所讨论的离子光学布置。本发明的质谱仪还可包含至少一个离子源，如电感耦合等离子体离子源，和至少一个检测器布置，如多接收器检测器布置，并且优选地还包含质量过滤器。
本发明另外提供一种操作用于质谱仪的离子光学布置的方法，所述离子光学布置包含：
-包含限定离子光轴的多极布置的电极，和
-用于向电极提供电压以产生电场的电压源，
其中离子光学布置被配置成用于产生用于将离子聚焦在离子光轴上的射频电聚焦场，所述方法包含改变射频电聚焦场的频率以减少通过离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。
变化的频率可为周期性变化的频率。变化的频率可变化至少10％，优选地至少20％。
本发明的方法还可包含向至少一些电极供应DC偏置电压并且将AC电压叠加在DC偏置电压上。静电场可包含通过施加到与多极平行布置的辅助电极的DC辅助电压产生的轴向DC场。方法还可包含将AC电压叠加在DC辅助电压上以产生叠加的变化电场。
在另一个实施例中，本发明提供一种操作用于质谱仪的离子光学布置的方法，所述离子光学布置包含：
-限定离子光轴的电极，和
-用于向电极提供电压以产生电场的电压源，
其中离子光学布置被配置成用于产生静电场，并且其中方法包含将变化的电场叠加在静电场上以减少通过离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。
根据本发明的方法的实施例可包含确定在离子光学布置的长度上穿过离子光学布置的离子束的振荡次数，和改变射频电聚焦场的频率和/或设置叠加在静电场上的变化电场的频率，使得振荡次数改变至少一次。通过确定束中的振荡次数，可以准确地确定所需的最小频率变化百分比。振荡次数可通过常规方法确定，例如视觉确定。
应注意，离子穿过离子光学布置所沿的离子光轴可为直的，但这不是必需的。在一些实施例中，穿过碰撞室的离子光轴为直的，但是穿过离子光学布置的离子的路径可能不为直的，而是部分或完全弯曲的，例如在GB 2 546 060的布置中。
根据本发明的离子光学布置还可包含用于至少在第一操作模式期间其中用作碰撞池的对离子光学布置加压的泵和用于在从第一操作模式切换到第二操作模式时释放气压的压力释放机构。在第二操作模式中可切断加压泵。在一些实施例中，泵可在第二操作模式中反转。在一个实施例中，离子光学布置可包含碰撞池外壳中的可切换泵送横截面，用于在第一操作模式(低横截面)内建立较高的气压并在第二操作模式(高横截面)中有效泵送碰撞池。第一操作模式可为低能量模式，而第二操作模式可为高能量模式。即，当存在气体时，穿过碰撞池的离子在第一操作模式中可具有相对低的能量，而在实际上不存在气体时在第二操作模式中可具有相对高的能量。
可使用各种压力释放机构。在一个实施例中，压力释放机构可包含由波登(Bourdon)管操作的阀，以气动地操作压力释放机构。波登管通常由圆形或缠绕管组成，在充气时变直。在另一个实施例中，压力释放机构可包含继电器以电操作所述机构。在一些实施例中，可有利地组合波登管和继电器。
在一个实施例中，压力释放机构包含静电机构，所述静电机构也允许电操作所述机构。静电机构优选地包含配备有导电层的绝缘箔，所述绝缘箔在施加第一电压时覆盖碰撞池中的至少一个开口并且在施加第二电压时与至少一个开口间隔开。因此，绝缘箔可通过施加合适的电压朝向和远离碰撞池外壳中的开口移动。
本发明还进一步包含用于执行上文所描述的方法的软件程序产品，特别是用于使处理器控制电压源以向电极产生合适的电源电压。软件程序产品可包含存储指令的有形载体，所述有形载体允许处理器执行方法的步骤。
附图说明
图1示意性地示出其中存在节点的多极布置。
图2A和2B示意性地示出离子光学布置中的节点效应。
图3A示意性地示出在RF模式中使用的分区多极布置。
图3B示意性地示出在DC模式中使用的图3A的分区多极布置。
图3C示意性地示出图3A的极的端部附近的电场。
图4示意性地示出其中可利用本发明的多极碰撞/反应池。
图5A和5B示意性地示出可与图4的碰撞/反应池一起使用的气动压力释放机构的实施例。
图6A-6C示意性地示出可与图4的碰撞/反应池一起使用的静电压力释放机构的实施例。
图7示意性地示出包含根据本发明的离子光学布置的质谱仪。
具体实施方式
如上文提到，本发明的一个目的是减少离子光学布置中，如碰撞/反应池或质量过滤器的节点效应。
在GB 2 546 060中，以引用的方式并入本文中，公开与多接收器质谱仪接口的预质量过滤碰撞池的概念。使用RF四极预质量过滤器，它也引入了类似于RF碰撞池的节点效应。在碰撞池中，离子束轨迹通过碰撞改变，并且与穿过四极的离子的振荡RF场的强相位相关性受到碰撞的干扰，并且因此导致较少的质量依赖传输效应。
轨迹对质量的小依赖性被称为“节点”。它是多极内部离子空间振荡的结果。根据离子的振荡次数，它们以质量依赖性的角度/位置矢量离开池。这种效应可通过调谐参数来放大，如确定离子束进入和离开碰撞池的输入和退出参数的进入和退出透镜的电位。多极杆的DC偏置电位也确定离子通过碰撞池的行进速度，并对节点产生影响。
通过使用更高阶的多极，从四极(4极)到六极(6极)或八极(8杆或极)，更高阶振荡被添加到离子轨迹，这使轨迹的质量依赖性差异不明显，并且同时增大碰撞池的接受输入孔隙。然而，这种有益效果是有限的。
通过以数毫升/分钟的量级引入碰撞气体(例如氦气)流对碰撞池加压导致离子与碰撞气体的多次碰撞，这继而导致离子的散射和随机运动。这些散射事件进一步降低离子束轨迹与振荡RF场的相位相关性，并且因此降低节点效应。离子经历的碰撞越多，节点效应越小。特别是对于较重的离子，多次碰撞导致动能的减少和离子能量扩散的减少，这改进聚焦条件，并且这被称为碰撞聚焦。
每次碰撞的动量传递越有效，两个碰撞对象之间的质量差异越小，并且甚至可阻止离子的运动。对于接近氦(He)低质量范围的较轻质量，通过加压碰撞池的整体传输效率显著降低。这可通过将轴向电场梯度添加到池电位来部分补偿，所述梯度主动将离子从入口拖到出口孔隙，并且因此允许增加碰撞次数以及更轻离子的更高传输。
使用具有高气压和轴向场的高阶多极可减少节点效应，但不能完全消除。使用碰撞池进行准确和精确的同位素比率测量需要校准标准和广泛的校准程序的可用性。需要仔细控制调谐参数。
本发明通过提供改变离子在RF场中经历的振荡次数的碰撞/反应池来提供节点问题的解决方案。这可通过以下完成：
1.RF频率的变化，和/或
2.离子在轴向方向上的能量/速度的变化，和/或
3.影响离子速度的任何其它透镜元件。
轴向能量的变化可通过，例如在杆偏置电压(杆的DC电位，限定离子在多极中具有的能量)上叠加振荡和/或通过向叶片施加振荡电压来实现(在一些实施例中也可称为拖曳电极，参见图4A和4B)。
所施加变化的幅度优选地使得离子经历的振荡次数在碰撞池的长度上变化至少1。如上文提到，振荡次数n由离子的频率和速度给出：
其中：
f＝频率，
l＝多极长度，
m＝离子质量，和
E＝离子能量。
在一个实施例中，最小振荡次数约为10(f＝1MHz，I＝100mm，m＝7amu并且E＝5eV)。因此，频率变化应优选地为至少10％(应注意振荡次数n与f成正比)或能量变化应优选地为至少20％。
因此，本发明至少提供以下优点：
·RF频率变化和/或叠加频率的使用减少了节点效应。
·系统中只有一根光轴(无旁路光轴)。这允许紧凑的几何形状和减少的像差。
·由于只有一个离子光轴，与复杂的偏转设置相比，系统的调谐要容易得多，在这种情况下，离子束必须沿弯曲的旁路轴转向以绕过碰撞池，反之亦然。
·分段多极透镜的原理也可应用于四极质量过滤器透镜。这允许离子光学仪器从低能量前端RF多极透镜设计切换到高能量DC透镜设计，而不会产生任何节点效应。
如上文提到，多极布置中可能出现的问题是节点。这种效应如图1所示。可为碰撞池1或质量过滤器的一部分的多极布置包含杆或极11，RF电压可施加到杆或极11。入口电极(前板)12配备有用于让离子束IB进入多极布置的入口开口13。出口电极(背板)14配备有出口开口15，用于让(修改的)离子束IB'离开多极布置。
如可看出，一些离子遵循略微不同的轨迹，导致修改后的离子束IB'。虽然原始离子束IB基本上是均匀的，但离开多极布置的离子束IB'不再为均匀的，不同的离子以稍微不同的角度离开。图1所示的轨迹为具有相同能量但不同质量的离子。由于不同的质量遵循不同的轨迹，离子通过出口开口15(而不是撞击端板14)的概率也为质量依赖性的。此外，在随后的离子光学装置(如质量分析器)中从多极布置出射的离子的聚焦也可能变为质量依赖性的。很明显，这是不希望的。因此，在本发明的实施例中，供应到杆的电压的RF频率是变化的。即，RF频率不保持恒定，而是随时间变化。至少10％的频率变化为优选的，尽管在一些实施例中也可使用更小的频率变化，如5％，这也根据多极布置的长度然而，在一些多极布置中，15％或20％的频率变化可能更有效。即，例如在1MHz的RF频率下，优选地使频率至少从0.90MHz到变化1.10MHz(-10％和+10％)。产生的RF频率可以各种方式随时间变化：例如锯齿、正方形或正弦。
代替或除了改变RF频率以减少节点效应之外，还可将(优选地RF)频率叠加在供应到多极布置的任何DC偏置电压上，即使DC偏置电压为零。
图2A示出了节点的另一个实例。由离子源2产生的离子束IB在此实施例中被布置在具有壁18的离子光学布置1内部，被示出穿过出口电极14中的开口。离子束IB在离子源2和出口电极14之间示出许多振荡。更重要的是，离子束IB在出口电极14之后呈扇形散开以产生离子束扇形IB"。这是由节点引起的：具有不同质量的离子以不同的角度离开出口电极。特别地，出口离子束IB"示出为由两部分组成：含有第一类型离子的顶部部分(顶部前两条线)和含有第二类型离子的底部部分。因此，出口角为质量依赖性的，这是不期望的。
图2B示出通过使用本发明至少部分地抑制节点效应的实例。出口离子束IB"仍然呈扇形散开，但出口角均匀分布，并且不再是离子特定的，即质量依赖性的。
图3A示意性地示出处于第一操作模式的根据本发明的碰撞池1的多极布置，其中杆用作RF多极。碰撞池1被示出具有外壳18，多极布置容纳在所述外壳18中。碰撞池1还示出为包含入口电极12和包含出口开口15的出口电极14。如图3A所示，在此第一或RF操作模式中，每个杆的所有三个段11A、11B和11C具有相同的DC电压。此DC电压可或可不等于零(接地)。
在部分展开的图3C中，可看出离子不遵循直线而是具有振荡轨迹。还可看出，离子在出口开口15处均匀地呈扇形散开。这是在RF操作模式中可能发生的抑制节点效应，并且稍后将更详细地讨论。电场线EFL也在图3C中示意性地示出。
图3B示意性地示出与图3A中相同的多极布置，但是不同的DC电压施加到杆的每个部分，以提供单透镜。在图3B中没有施加RF电压。离子的轨迹(示出三个不同的轨迹T)取决于入口角度，但不再取决于图6A所示的RF操作模式中的基本随机参数。可使用的DC电压例如在2keV(高能量)的束能量下在-1kV和-2kV之间。可看出，单透镜使具有不同轨迹的离子穿过出口开口15。因此，可以说单透镜在第二或DC操作模式中聚焦离子，其中离子可具有高能量。
应注意，根据本发明的额外方面，可加热碰撞池以减少所谓的记忆效应。即，通过将碰撞池加热到例如50℃的温度，杂散离子不太可能保留在电极(杆和/或叶片)和碰撞池的内壁上。应当理解，留在实验中的杂散离子可能不利地影响任何进一步的实验。合适的温度范围为40℃至70℃，优选地45℃至55℃。优选使用电加热来加热碰撞池。
如上文提到，本发明的另一额外方面是以加压模式和抽空(即，非加压)模式操作碰撞池。这就要求碰撞池可快速加压和减压。具体地说，需要一种快速有效的压力释放机构。
图4示意性地示出其中可应用本发明的碰撞池。碰撞室1被示出包含容纳多极布置的外壳18。在示出的实例中，多极布置为六极布置，包含构成电极的六个细长极或杆11。射频(RF)电压可被馈送到相对的成对的极11以产生RF电场。离子可通过入口孔隙13进入碰撞池，并且通过出口孔隙15离开碰撞池。由多极布置产生的RF场将离子聚焦在布置的纵向轴线上。当碰撞池中存在碰撞气体时，这一点尤其重要，因为碰撞可能导致离子偏离其路径。
因此，根据本发明的一个方面，提供特别适用于具有加压和抽空操作模式的碰撞池的阀机构，如但不限于本发明的碰撞池。
图5A和5B示出用于调节具有杆11的碰撞池外壳18的泵送横截面的机构20。示出机构20包含门或翼片21，其经由铰链22连接到碰撞池1的外壳18。翼片21可通过致动器23操作，所述致动器23的一端连接到翼片21，并且另一端连接到附接到外壳18的支撑元件24。
在图5A和5B中示出的致动器23为波登管。波登管包含弯曲管。如果管内部部分和外部部分之间的压力差增大，可减小弯曲管的弯曲半径。为此，同样连接到支撑元件24的气体管25与致动器23连接。在示出的实施例中，当气管25中的气压高于致动器23周围的气压时，气体从气管25通过支撑元件24中的通道流入致动器23。通过让气体流入致动器，它的弯曲半径减小(致动器变直)并且翼片打开。相反，当气管25中的气压低于致动器23中的气压时，气体从致动器23通过支撑元件24流入气管25。通过让气体流出致动器，它的弯曲半径增加(致动器弯曲)并且翼片关闭。
因此，通过在气体管25和致动器23外部的空气(或其它气体)之间提供压力差，可快速打开或关闭翼片，因此使碰撞池1内部的气体压力快速呈现其外部的气体压力。
应注意，碰撞池1可容纳在接近真空的环境中，而气体管可与大气压环境连接。用于为可充气致动器充气的气体可为空气。由于致动器23和气管25的内部容积可能小，因此只需要少量的空气或其它气体来为致动器充气。这种空气或其它气体可由储气罐或泵提供。因此，小的泵或阀足以间接操作相对大的翼片。
通过使用波登管或类似的致动器，可实现对碰撞池的快速有效的压力调节。然而，波登管并不是可用于碰撞池或类似加压室的唯一类型的致动器，将参考图9进一步解释。
图6A示意性地示出碰撞池中使用的静电打开机构。示出碰撞池1包含其中容纳杆11的外壳18。离子束IB可穿过碰撞池1，分别穿过前板12和背板14中的开口。在示出的实施例中，外壳18的壁的部分配备有可通过可移动箔封闭的通孔16。此箔位于外壳18和板19之间的间隔。外壳18和板19都含有导电材料并且都可由金属制成，或至少含有金属层或其它导电层。基本上平行于外壳18延伸的板19可为是平的，但也可为弯曲的以适应外壳18的任何曲率。
在示出的实施例中，箔包含两层：导电层30和电绝缘层31。另一个电绝缘层32附接到板19。在替代实施例中，箔由三层组成：导电层30以及两个绝缘层31和32。只要箔保持足够柔韧，可添加另外的层。用于绝缘层31和32的合适材料为Kapton，但也可使用其它材料，例如其他聚酰亚胺。举例来说，导电层可由铜箔制成。
如上文提到，柔性箔位于外壳18和板19之间的间隔。箔的一个边缘可附接到外壳18，而相对的边缘可附接到板19，使得箔桥接间隔。通过向导电层施加DC电压，可改变箔的位置，如图9A中的箭头所示，箭头指示箔的基本上S形的间隔桥接部分的可能移动。
参考图6B，外壳18通常连接到地(GND)。导电板19可连接到高电压，由图9B中HV指示，因此在外壳18和板19之间的间隔上产生电压差。如果导电层30连接到高电压，那么箔片将被板19排斥并被外壳18吸引。结果，箔将趋向于朝向外壳移动并且S形间隔桥接部分将向右移动(也参见图9A)。换句话说，将箔拉向外壳的电力Fel导致在图9B中向右的机械力Fm。箔将覆盖通孔16并且碰撞池的内部将被封闭。
参考图6C，通孔16可通过将导电层30连接到地而不是连接到高电压(HV)来打开。这将导致箔被外壳18排斥并被板19吸引，这继而使S形间隔桥接部分向左移动(也参见图9A)。换句话说，将箔拉向板19的电力Fel在图9C中引起向左的机械力Fm。箔将不再覆盖通孔16并且碰撞池的内部将向周围大气开放。
由于箔的运动由电压控制，可极快地切换，并且由于箔的质量非常低，所以箔的运动可非常快。因此，可非常迅速地调节碰撞池1内的压力，并且几乎可立即进行加压状态和真空状态之间的切换。
图7中示意性示出的示例性质谱仪10包含碰撞池1，其可为如上文所描述的碰撞池。质谱仪10还可包含等离子体源1，如用于生成离子束IB1的ICP(电感耦合等离子体)源。质谱仪还可包含质量过滤器3，如磁性扇区质量过滤器。在扇形磁性质量过滤器中，离子束IB1被分成具有不同m/z(质量与电荷)比率的分束IB2，这些分束可由检测器组件4检测，检测器组件4可为多个检测器组件。质谱仪10还可包含用于降低碰撞池1中的气压的泵、与泵相关联的阀、用于为碰撞池1供应DC和AC(RF)电压的电压源5以及用于控制质谱仪10的各种部件的控制器。阀可包含如上文所描述的基于箔的阀和/或基于波登管的阀。
本发明的方面包含：
a)在RF模式下具有变化的振荡次数，以便平均质量依赖性轨迹从而抵消节点效应的多极碰撞池。
b)其中AC电压叠加在DC电压上，如多极偏置电压以抵消节点效应的多极碰撞池。
c)可在第一操作模式和第二操作模式之间快速切换的多极碰撞池，在第一操作模式中碰撞气体至少部分地减轻节点效应，在第二操作模式中不使用碰撞气体但允许更高的离子能量。
d)允许在第一操作模式和第二操作模式之间快速切换的机构。
本发明的这些方面可单独使用或组合使用。
尽管上文已主要参考碰撞池或碰撞/反应池描述了本发明，但本发明不限于此，并且也可用于其它离子光学布置，如质量过滤器和/或离子光学透镜系统。
所属领域技术人员应理解，本发明不限于所示出的实施例，并且可在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，做出许多添加和/或修改。

Claims (27)

1.一种用于质谱仪的离子导向器，其包含：
-包含限定离子光轴的多极布置的电极，和
-用于向所述电极提供电压以产生电场的电压源，
其中所述离子导向器被配置成用于产生射频电聚焦场，用于将离子聚焦在所述离子光轴上，并且
其中所述射频电聚焦场具有变化的频率，以减少通过所述离子导向器的离子轨迹的任何质量依赖性。
2.根据权利要求1所述的离子导向器，其中所述变化的频率为周期性变化的频率。
3.根据前述权利要求中任一项所述的离子导向器，其中所述变化的频率变化至少10％。
4.根据权利要求1或2所述的离子导向器，其中所述电压源被配置成用于向所述多极布置供应具有变化频率的电压以产生具有变化频率的所述射频电聚焦场。
5.根据权利要求1或2所述的离子导向器，其中所述多极布置包含至少四个极。
6.一种用于质谱仪的离子导向器，其包含：
-包含限定离子光轴的多极布置的电极，和
-用于向所述电极提供电压以产生电场的电压源，
其中所述离子导向器被配置成用于产生射频电聚焦场，用于将离子聚焦在所述离子光轴上，
其中所述离子导向器还被配置成用于产生静电场，并且
其中变化的电场叠加在所述静电场上，以减少通过所述离子导向器的离子轨迹的任何质量依赖性。
7.根据权利要求6所述的离子导向器，其中所述静电场包含通过施加到所述多极布置的DC偏置电压产生的场，并且其中所述叠加的变化电场通过将AC电压叠加在所述DC偏置电压上产生。
8.根据权利要求7所述的离子导向器，其中所述DC偏置电压等于零。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的离子导向器，其中所述静电场包含通过施加到与所述多极平行布置的辅助电极的DC辅助电压产生的轴向DC场，并且其中所述叠加的变化电场通过将AC电压叠加在所述DC辅助电压上产生。
10.根据权利要求9所述的离子导向器，其中至少一个辅助电极包含电阻器的串联布置，用于在所述辅助电极中提供电压梯度以产生轴向场梯度。
11.一种用于质谱仪的离子导向器，其包含：
-限定离子光轴的电极，和
-用于向所述电极提供电压以产生电场的电压源，
其中所述离子导向器被配置成用于产生静电场，并且其中变化的电场叠加在所述静电场上以减少通过所述离子导向器的离子轨迹的任何质量依赖性，其中所述变化的电场具有变化的频率。
12.根据权利要求11所述的离子导向器，其中所述静电场包含轴向电场。
13.根据权利要求11或12所述的离子导向器，其中所述静电场包含通过施加到离子光学透镜的DC偏置电压产生的场。
14.根据权利要求11或12所述的离子导向器，其中所述离子导向器包含质量过滤器。
15.根据权利要求11或12所述的离子导向器，其中所述离子导向器包含碰撞/反应池。
16.一种质谱仪，其包含根据前述权利要求中任一项所述的离子导向器。
17.根据权利要求16所述的质谱仪，其还包含至少一个离子源，和至少一个检测器布置。
18.一种操作用于质谱仪的离子光学布置的方法，所述离子光学布置包含：
-包含限定离子光轴的多极布置的电极，和
-用于向所述电极提供电压以产生电场的电压源，
其中所述离子光学布置被配置成用于产生射频电聚焦场，用于将离子聚焦在所述离子光轴上，
所述方法包含改变所述射频电聚焦场的频率，以减少通过所述离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。
19.根据权利要求18所述的方法，其中变化的频率为周期性变化的频率。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中变化的频率变化至少10％。
21.一种操作用于质谱仪的离子光学布置的方法，所述离子光学布置包含：
-包含限定离子光轴的多极布置的电极，和
-用于向所述电极提供电压以产生电场的电压源，
其中所述离子光学布置被配置成用于产生射频电聚焦场，用于将离子聚焦在所述离子光轴上，
其中所述离子光学布置还被配置成用于产生静电场，
所述方法包含将变化的电场叠加在所述静电场上，以减少通过所述离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性。
22.根据权利要求21所述的方法，其还包含向至少一些电极供应DC偏置电压和将AC电压叠加在所述DC偏置电压上。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述静电场包含通过施加到与所述多极平行布置的辅助电极的DC辅助电压产生的轴向DC场，并且其中所述方法包含将AC电压叠加在所述DC辅助电压上以产生所述叠加的变化电场。
24.一种操作用于质谱仪的离子光学布置的方法，所述离子光学布置包含：
-限定离子光轴的电极，和
-用于向所述电极提供电压以产生电场的电压源，
其中所述离子光学布置被配置成用于产生静电场，并且其中所述方法包含将变化的电场叠加在所述静电场上以减少通过所述离子光学布置的离子轨迹的任何质量依赖性，其中
所述变化的电场具有变化的频率。
25.根据权利要求18-19、21-23中任一项所述的方法，其还包含确定在所述离子导向器的长度上穿过所述离子导向器的离子束的振荡次数，和改变所述射频电聚焦场的频率，使得所述振荡次数改变至少一次。
26.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，其还包含确定在所述离子导向器的长度上穿过所述离子导向器的离子束的振荡次数，和设置叠加在所述静电场上的所述变化电场的频率，使得所述振荡次数改变至少一次。
27.一种非瞬态计算机可读介质，具有存储在其上的指令，所述指令能由处理器执行以用于执行根据权利要求18至26中任一项所述的方法。
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