CN114026670B - 用于分析粒子，并且具体是粒子质量的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析粒子的系统，所述系统包括：NEMS装置，所述NEMS装置包括至少一个NEMS传感器，所述NEMS传感器用于检测撞击所述至少一个NEMS传感器的粒子，每个NEMS传感器包括NEMS传感器区域；粒子透镜组合件，所述粒子透镜组合件包括至少一个粒子透镜，所述粒子透镜用于将粒子聚焦到所述至少一个NEMS传感器中的NEMS传感器上，其中所述粒子透镜组合件与所述至少一个NEMS传感器区域间隔开一定分隔距离，其中所述系统被配置成将限定在所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的空间维持在一定压力下，在所述压力下，参考粒子的平均自由路径大于所述分隔距离。本发明还涉及对应的方法。

Description

用于分析粒子，并且具体是粒子质量的系统

技术领域

本发明总体上涉及对粒子的分析，并且具体涉及测量粒子质量。

背景技术

存在不同的技术来分析粒子。一种技术被称为质谱法。在质谱法中，本质上，要分析的粒子被离子化。离子化粒子行进穿过电磁场。所述离子化粒子被电磁场的偏转取决于其质荷比。通过确定其在电磁场之后的位置，可以确定粒子的质荷比。

换句话说，传统质谱法(MS)能够通过首先在离子源内对分析物充电，并且然后通过在所施加的电磁场中跟踪分析物的诱导运动来识别分析物。这使得能够推导出其质荷比。自从MS首次应用于有机化合物以来，其在生命科学和医学中扮演着越来越重要的角色。最近，其已成为蛋白质组学分析的一项卓越技术。现代质量分析器提高的分辨率和质量范围现在可以对质量范围至多1-50MDa的高质量蛋白质复合物并且甚至病毒衣壳进行MS测量。在所谓的天然条件下(即在接近生理条件的pH下)，使用纳米喷雾将这些高质量分析物引入到MS离子光学器件中。例如，US 8,791,409中表明，轨道阱(Orbitrap)质谱法能够检测蛋白质复合物的单独离子，其中质量分辨能力在数千范围内。然而，传统MS通常在更高质量下示出快速下降的性能，特别是因为异质MDa分析物的电荷分布重叠。

一种新的质谱法方法基于纳米技术系统。这种方法使用纳米机电系统(NEMS)谐振器。NEMS谐振器是电子可控的亚微米级机械谐振器，其能够以非常高的灵敏度进行分析物质量检测。在吸附到NEMS谐振器上后，单独分析物可以急剧且可测量地降低装置的谐振频率。在专门的电子电路中嵌入NEMS谐振器可以实时读出单独分子吸附事件。由单独分子吸附事件诱导的频率变化与分子质量和分析物吸附在谐振器上的特定定位两者成正比。实现此技术的技术解决方案可以在以下中找到：例如美国专利第6,722,200号、第7,302,856号；第7,330,795号；第7,552,645号；第7,555,938号；第7,617,736号；第7,724,103号；第8,044,556号；第8,329,452号、第8,350,578号；第9,016,125号。

这些发展已应用于生物分子的超灵敏质量检测，如最初在US 6,722,200和8,227,747中所描述的。如US2014/156224中所示，所述发展最近在单分子水平上达到了质量分辨率，其中通过统计分析仅从几百个分子吸附事件中组装了简单的光谱。单分子分析的一个挑战是这样的事实：由分析物吸附诱导的谐振频移取决于分析物的质量以及其在NEMS谐振器上的精确吸附定位两者。这可以通过连续跟踪来解决，即激发和检测谐振器的两种振动模式。对分析物在两种振动模式下诱导的不同频移进行分析允许推导出两个未知数——质量和吸附位置；US2014/156224中描述了此方法。已经证明了50-100kDa的质量分辨率。

与传统MS相比，基于NEMS的技术的灵敏度和分辨能力随着分析物质量的增加而不断提高。这可以证明对分析高质量、完整和本地物种很有用。

在US 9,347,815中，纳米喷雾离子源和MS大气到真空接口一起使用，以促进基于NEMS的检测和质量分析。还展示了用于分析物引入的替代性方法，涉及使用基质辅助激光解吸和电离源。冷却NEMS传感器增强了到达分析物在装置表面上的非特异性物理吸附。在US 9,347,815中，结果表明，可以通过单独测量顺序到达的分析物粒子的质量来构建表示整个异质样品的质谱。

换句话说，在所描述的方法中，NEMS(纳米机电系统)谐振器用于检测质谱，并且NEMS谐振器是电子可控的亚微米级机械谐振器。由于分子的吸附，可以观察到装置的谐振频率的下降。US 6,722,200和US 8,227,747中描述了这些技术的各方面。US2014/0156224和WO2016/118821A1描述了此技术的另外细节。可以针对分子的任何吸附事件确定单个分子的质量，并且可以通过对几百个吸附事件的统计分析来组装质谱。通过分析每个分子在两种振动模式下的不同频移，可以推导出每个分子的质量。所研究的样品例如通过纳米喷雾离子源被离子化，并且通过大气到真空接口转移到真空室中，在所述真空室中，所述样品被吸附在NEMS检测器上。因此，可以通过单独测量顺序到达的分析物粒子的质量来构建表示整个异质样品的质谱。

尽管使用NEMS系统来分析样品和检测样品中的粒子可能很有前途，但仍然存在与使用NEMS系统相关的某些缺点和限制。尽管单独的NEMS传感器原则上可以检测单个粒子，但NEMS系统中的检测极限可能要高很多，即，样品中可能需要显著多于一个粒子来检测此类粒子的存在。也就是说，当嵌入在已知的NEMS系统中时，所述技术的灵敏度远非最佳。

发明内容

鉴于以上情况，本发明的目的是克服或至少减少现有技术的缺点和不足。更具体地，本发明的目的是提供一种在灵敏度和检测阈值方面被改进的NEMS系统、方法和对应的用途。

本发明实现了这些目的。

在第一实施例中，本发明涉及一种系统。所述系统被配置成用于对粒子进行分析。所述系统包括NEMS装置，所述NEMS装置包括至少一个NEMS传感器，所述NEMS传感器用于检测撞击所述至少一个NEMS传感器的粒子，每个NEMS传感器包括NEMS传感器区域。即，所述NEMS装置包括至少一个NEMS传感器区域。所述系统进一步包括粒子透镜组合件，所述粒子透镜组合件包括至少一个粒子透镜，所述粒子透镜用于将粒子聚焦到所述至少一个NEMS传感器的NEMS传感器区域上。所述粒子透镜组合件与所述至少一个NEMS传感器区域间隔开一定分隔距离。进一步，所述系统被配置成将限定在所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的空间维持在一定压力下，在所述压力下，参考粒子的平均自由路径大于所述分隔距离。

应当理解，所述粒子可以是离子。将进一步理解，NEMS表示纳米机电系统。

也就是说，如所讨论的，具体地，所述系统包括粒子透镜组合件，例如离子透镜组合件。所述离子透镜组合件通常被配置和定位成将离子聚焦到所述NEMS传感器区域中的每个NEMS传感器区域上，并且更具体地聚焦到NEMS目标区域中的每个NEMS目标区域上。

已经发现，所述NEMS传感器仅具有有限的目标区域，允许理想地检测粒子。只有当粒子着陆在如此有限的目标区域上时，所述粒子才会被检测到。通常，目标区域仅是NEMS传感器区域的区域的一小部分，例如仅百分之几或甚至更少。如果不将粒子聚焦到NEMS目标区域上，则大多数粒子将不会撞击目标区域，并且因此不会被检测到。通过所提出的技术，将粒子适当地聚焦到NEMS目标区域上是可能的。因此，粒子的显著更高部分可以撞击NEMS目标区域，例如，这可以将撞击到NEMS目标区域上的部分增加一个或多个数量级。因此，灵敏度显著提高，并且检测限显著降低。

进一步，应当理解，此类粒子透镜组合件通常定位于NEMS装置之前或“上游”，即，粒子首先被引导通过粒子透镜组合件并且然后到达NEMS装置。进一步，NEMS装置并且更具体地NEMS传感器区域与粒子透镜组合件间隔开一定的分隔距离。

此外，在本发明系统中，粒子透镜组合件与NEMS装置之间限定的空间也可以保持在满足某些要求的减压下。更具体地，可以选择压力使得参考粒子的平均自由路径大于(并且优选地显著大于)分隔距离。

参考粒子可以是要分析的一类粒子中的一个粒子。例如，当打算分析蛋白质时，参考粒子可以是蛋白质并且优选地是具有大的大小的蛋白质(并且因此具有相对较低的平均自由路径)。

当本文提到平均自由路径时，是指动量耗散平均自由路径，其可以计算为

其中

MFP是平均自由路径；

M是参考粒子的质量；

m是气体粒子的质量；

n是气体的浓度；并且

S是参考粒子与气体中的一个粒子的碰撞横截面。

应当理解，气体粒子是指粒子透镜组合件与NEMS装置之间的空间中存在的气体类型。示例性气体是空气或N₂。当气体(其也被称为背景气体)已知时，平均自由路径取决于参考粒子与气体粒子的碰撞横截面(即，S＝π(r_ref+r_gas)2，其中r_ref是参考粒子的半径并且r_gas是气体粒子的半径(近似于两种类型的粒子的球形形状)，并且进一步取决于气体的浓度以及因此压力。

压力被设置为使得参考粒子的平均自由路径大于并且优选地显著大于分隔距离。因此，确保(至少大部分)粒子从粒子透镜自由行进到NEMS装置，并且聚焦遵循真空中的离子光学定律。这进一步有助于将粒子引导到相对较小的目标区域，因为粒子不与气体粒子碰撞并且因此不会响应于此类碰撞而改变其方向。

进一步，通常将参考粒子选择为相应类别粒子中的大粒子(例如，在要检测的粒子是蛋白质的情况下，大蛋白质)。这确保平均自由路径足够长以检测所有粒子。

已经发现，已知NEMS检测器的低灵敏度是由对入射粒子(如离子)的极小的收集效率造成的。本发明通过在NEMS检测器前面应用粒子透镜组合件，例如离子光学透镜组合件来解决这个问题。通过在每个NEMS检测器前面定位微透镜，可以将入射粒子(例如离子)的束分成窄的子束并聚焦在NEMS检测器区域上。更具体地，微透镜阵列可以布置在NEMS检测器阵列的前面。所述技术的一个参数是微透镜与NEMS检测器表面之间的距离，所述距离可以仅有几微米到几十微米。这种通过微透镜聚焦于纳米技术结构可能是特别有利的。

换句话说，本发明的实施例可以极大地提高纳米传感器对分析物，具体是带电分析物的捕获效率。可以通过包含纳米/微系统技术的方法制造的离子光学微透镜可以放置在纳米机电传感器(NEMS)前面以进行单分子测量，从而提高从外部离子源入射的离子化分子的捕获速率。

换句话说，尽管基于NEMS的惯性质量传感器具有直接检测物理吸附的分析物的惯性质量的良好能力，但其通常仅为入射在其上的物质提供极小的捕获横截面。例如，常规质谱仪的四极离子导向器内的生物分子离子束的横截面直径通常为1mm量级。捕获面积为几μm²量级的单独的NEMS传感器，当与此类源串联放置时，其只能捕获入射在其上的大约10⁵分之一的分析物。然而，增加装置的物理大小通常会导致惯性质量感测的性能下降。然而，所提出的技术通过将粒子聚焦到NEMS目标区域，大规模增加了可以分析的粒子部分。

通常，本文讨论的一个概念是：通过使用粒子透镜组合件可以实现极大增加的捕获横截面，例如通过使用静电：传入的分析物通量从传感器上的不敏感区域偏转，而是精确聚焦在提供最高质量灵敏度的装置的有源区域上。这可以通过“传感器像素”级别的离子光学来实现——实际上，将传入的宽束分成窄子束，所述子束各自由定位于NEMS传感器前面的微透镜聚焦。根据一个概念，每单独的NEMS传感器使用一个微透镜。微透镜可以通过本领域已知的纳米和微系统技术的处理步骤来制造。

粒子透镜组合件可以包含平行粒子透镜，如平行离子透镜。此类平行粒子透镜已经例如在WO2007/055756、US7,772,564、US7,411,187、US6,762,406、US5,206,506和US7,365,317中进行了描述。

至少一个NEMS传感器可以是多个NEMS传感器。

因此，可以并行进行多个测量，从而提高系统的效率。

至少一个粒子透镜可以是多个粒子透镜，并且每个粒子透镜可以被配置和定位成将粒子聚焦到与粒子透镜相关联的NEMS传感器上。

所述至少一个NEMS传感器中的每个NEMS传感器可以包括NEMS衬底、至少一个NEMS谐振器和周向部分，其中所述NEMS衬底和NEMS谐振器由NEMS传感器区域包括。

从粒子透镜组合件行进到NEMS装置的粒子可以限定z方向。

所述周向部分可以在z方向上定位于所述NEMS衬底和所述NEMS谐振器的前面并且可以与这些元件相距一定高度。

所述高度的范围可以为0.5μm到6μm，优选地1μm到4μm，如1.5μm到3.5μm。

NEMS传感器区域可以具有一定面积，所述面积的范围为优选地(2μm)²到(15μm)²，更优选地(5μm)²到(11μm)²，如(8μm)²到(9μm)²。

所述NEMS传感器可以布置在NEMS阵列中。

所述NEMS阵列可以包括(2×2)到(1000×1000)个NEMS传感器，优选地(3×3)到(100×100)个NEMS传感器，如(4×4)到(10×10)个NEMS传感器。

这可以允许同时测量的适当并行化。

所述NEMS阵列的面积的范围可以为(10μm)²到(1,000μm)²，优选地(20μm)²到(300μm)²，如(50μm)²到(100μm)²。

所述粒子透镜组合件可以是静电粒子透镜组合件并且可以含有用于整个束的初级透镜，随后是对应于NEMS阵列的粒子透镜阵列。

形成粒子透镜阵列的电极可以包括初级透镜的周向部分和网格部分。

NEMS装置可以与粒子透镜组合件分隔开的距离的范围为1μm到20μm，优选地2μm到10μm，如3μm到7μm。

初级粒子透镜组合件可以具有沿z方向的长度，所述长度的范围为优选地50μm到500μm，进一步优选地100μm到300μm，如150μm到250μm。

电极可以由如金、钼、镀金铝等金属形成。

初级粒子透镜组合件可以进一步包括绝缘Si₃N₄层，其中所述Si₃N₄层定位于NEMS装置与最靠近所述NEMS装置的电极之间。

所述Si₃N₄层可以包括周向部分和网格部分。

所述Si₃N₄层的厚度的范围可以为20nm到300nm，优选地50nm到150nm，如100nm。

初级透镜的电极可以限定孔径口，其中在横截面视图中，所述孔口具有最大延伸和最小延伸。

因此，来自前一阶段的粒子可以从初始最大延伸聚集到最小延伸并且进一步朝向NEMS装置。

初级透镜的最大延伸的范围可以为200μm到1,000μm，优选地300μm到500μm，如400μm到450μm，并且其中最小延伸的范围可以为20μm到200μm，进一步优选地40μm到150μm，如50μm到80μm。

孔口可以从第一个电极到最后一个电极连续减小，即沿z方向。

在横截面视图中，初级透镜的每个电极可以相对于前一个电极突出5μm到50μm，优选地10μm到30μm，如15μm到25μm的距离。

完整系统可以包括3到25个，优选地5到15个，如8到12个电极。

每个电极可以包括沿z方向的50nm到500nm，优选地100nm到300nm，如150nm到250nm的厚度。

所述系统可以进一步包括定位于电极之间的至少一个绝缘体。

所述至少一个绝缘体可以由聚对二甲苯或SU8形成。

每个绝缘体可以包括沿z方向的5μm到50μm，优选地10μm到30μm，如15μm到25μm的厚度。

每个绝缘体的形状可以对应于与绝缘体接触的电极。

粒子透镜组合件可以进一步包括定位于NEMS装置与最靠近所述NEMS装置的电极之间的支撑件。

所述支撑件可以具有沿z方向的长度，其中所述长度的范围为10μm到200μm，优选地50μm到250μm，如100μm。

所述支撑件可以由Si形成。

所述支撑件可以沿z方向加宽。

所述粒子透镜组合件可以包括锥形电极。

所述锥形电极可以沿z方向逐渐变细。

所述锥形电极可以包括整体环形形状，即锥形可以生成整体圆锥形状。

所述锥形电极可以包括整体方形形状，即锥形可以生成整体平截头体形状。

所述锥形电极相对于z方向的锥形角的范围可以为30°到60°，优选地40°到50°，如45°。

所有电极和所有至少一个绝缘体可以包括相应的周向部分和相应的网格部分。

电极在垂直于z方向的平面中可以具有相同的形状和大小。

所述系统可以包括前向电极，其在z方向上比形成粒子透镜阵列的电极更向前。

所述前向电极可以包括在z方向上的长度。

所述前向电极的长度的范围可以为1μm到10μm，优选地1.5μm到5μm，如3μm。

所述前向电极可以包括外围部分和网格部分。

所述前向电极的外围部分可以在z方向上以范围为30°到60°，优选地40°到50°如45°的角度逐渐变细。

在横截面视图中，网格部分可以以范围为30°到60°，优选地40°到50°如45°的角度设置。

即，在横截面视图中，所述网格部分遵循总体V形。

绝缘体的厚度的范围可以为0.1μm到5μm，优选地0.2μm到0.5μm，如0.25μm。

电极可以供应有不同的电压。

所述系统可以被配置成将粒子束聚焦到所述至少一个NEMS传感器上，使得到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在(2μm)²的面积，优选地(1μm)²的面积，如(0.5μm)²的面积中撞击所述NEMS传感器。

因此，大部分粒子可以聚焦到目标区域上，从而显著增加了可以被系统检测到的粒子部分。因此，这可以显著增加灵敏度并降低检测限。

所述系统可以被配置成将粒子束聚焦到所述至少一个NEMS传感器上，使得到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在小于所述粒子透镜组合件的横截面面积的20％、优选地小于此横截面面积的10％、最优选地小于此横截面面积的1％的面积中撞击所述NEMS传感器。

所述系统可以进一步包括用于使所述粒子离子化的离子源。

所述粒子被离子化可能是特别有利的，因为这可以通过静电粒子透镜组合件促进粒子的聚焦。

所述系统可以进一步包括大气到真空接口，所述大气到真空接口用于将粒子从大气压力转移到减压。

所述系统可以进一步包括第一质量分析器。

所述第一质量分析器20选自由以下组成的组：离子阱质量分析器(如Orbitrap^TM分析器、圆柱形离子阱或四极离子阱质量分析器)；离子回旋共振质量分析器，例如傅里叶变换离子回旋共振质量分析器；飞行时间质量分析器；静电阱质量分析器；四极质量分析器；磁扇形质量分析器；以及静电扇形质量分析器。还可以使用捕获型或连续束型的离子迁移率谱仪。

所述系统可以进一步包括第二质量分析器。

所述第二质量分析器可以选自上述组。

所述系统可以进一步包括第三质量分析器。

所述第三质量分析器可以选自上述组。

所述系统还可以包括至少一个另外的，以及优选地至少3个另外的质量分析器。

所述系统可以进一步包括离子储存装置，如C-阱。

所述系统可以进一步包括碰撞池。

所述大气到真空接口可以定位于所述离子源的下游；所述C-阱可以定位于所述大气到真空接口的下游；所述质量分析器定位于所述C-阱的下游，由此限定所述C-阱的下游的第一分支；所述碰撞池可以定位于所述C-阱的下游，由此限定所述C-阱的下游的第二分支；并且所述粒子透镜组合件和所述NEMS装置可以定位于所述碰撞池的下游。

所述系统可以被配置成将限定在所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的所述空间维持在一定压力下，在所述压力下，所述参考粒子的平均自由路径比所述分隔距离大5倍以上，优选地10倍以上，进一步优选地50倍以上并且仍进一步优选地100倍以上。

此类平均自由路径可能是特别有利的，使得在透镜组合件之后粒子不会与背景气体中的粒子碰撞。这将再次增加聚焦到目标区域的粒子部分。

所述分隔距离的范围可以为1μm到20μm，优选地3μm到15μm，如5μm到10μm。

所述NEMS传感器的高度与其跨越传感器区域的大小的商(或与NEMS传感器区域的面积的平方根)的范围可以为0.1到1，优选地0.2到0.5，如0.3到0.5。

所述分隔距离与跨其面积的NEMS传感器的大小的商的范围可以为0.3到50，优选地0.5到2，如0.8到1.2。

所述分隔距离与NEMS传感器区域的面积的平方根的商可以在前一段中限定的范围内。这个商的范围也可以为0.5到20，如0.5到2。

最大延伸与最小延伸的商的范围可以为2到20，优选地4到10，如5到8。

粒子透镜组合件的长度与分隔距离的商的范围可以为2到50，优选地10到40，如20到30。

所述系统可以被配置成将限定在粒子透镜组合件与NEMS装置之间的空间维持在不高于10^-3mbar，优选地不高于10^-4mbar，进一步优选地低于10^-5mbar，如低于10^-9mbar的绝对压力下。即，本发明技术的一些实施例可以采用超高真空。

所述系统可以进一步包括对准机构，所述对准机构被配置成改变所述粒子透镜组合件相对于所述NEMS装置的位置。

所述对准机构的准确度可以低于2μm，优选地低于1μm，如在0.01μm到1μm范围内。

所述对准机构可以被配置成在2个或3个方向上改变粒子透镜组合件相对于NEMS装置的位置。

所述对准机构可以包括压电和/或机械平移元件。

通常，所描述的技术可以结合基于离子光学的MS仪器将微透镜与基于NEMS装置的混合仪器组合。

本发明还涉及一种用于分析粒子的方法，所述方法包括利用根据前述实施例中任一项所述的系统。

所述方法可以具有与上文关于系统讨论的优点相对应的优点。

所述方法可以包括通过粒子透镜组合件将粒子聚焦到至少一个NEMS传感器上。

所述方法可以包括通过多个粒子透镜将粒子聚焦到多个NEMS传感器中的每个NEMS传感器上。

对于每个NEMS传感器，至少50％的粒子可以聚焦到为(2μm)²的区域上，优选地聚焦到为(1μm)²的面积上，如聚焦到为(0.5μm)²的面积上。

所述使粒子聚焦可以包括到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在小于所述粒子透镜组合件的横截面面积的20％、优选地小于此横截面面积的10％、最优选地小于此横截面面积的1％的面积中撞击所述NEMS传感器。

所述方法可以包括向电极施加第一电压组合，从而在至少一个NEMS传感器区域上产生第一焦点；以及向所述电极施加第二电压组合，所述第二电压组合不同于所述第一电压组合，从而在所述至少一个NEMS传感器区域上产生第二焦点，所述第二焦点相对于所述第一焦点在空间上移位。

也就是说，本发明方法还允许通过电压改变和设置焦点。由于NEMS像素的不同模式可能具有不同的理想撞击区域，这可能会产生更好的结果。

在垂直于z方向的平面中，第一焦点和第二焦点可以分隔开介于0.1μm与10μm之间的距离，优选地介于0.5μm与5μm之间的距离。第一焦点和第二焦点可以驻留在同一NEMS传感器上，或者第一焦点和第二焦点可以属于物理上不同的NEMS传感器。

所述方法可以包括向所述多个电极施加电压组合，并且由此降低粒子沿所述z方向的速度。

粒子可以沿z方向减速至低于10,000米/秒，优选地低于5,000米/秒，如低于1,000米/秒的平均速度。

粒子可以减速至小于每电荷热能的2,000倍，优选地小于每电荷热能的1,000倍，进一步优选地小于每电荷热能的500倍，如小于每电荷热能的100倍的动能。

所述方法可以包括向所述电极施加电压，并且由此去除定位于所述至少一个NEMS传感器区域上的颗离子。

即，本发明技术还允许已经撞击NEMS传感器的粒子随后从NEMS传感器中去除并且用于进一步的检测技术中。换言之，本发明技术的一方面还涉及粒子透镜组合件(例如，微透镜阵列)的用途。这里，通过向微透镜的电极施加另一个电压，可以通过静电解吸从NEMS检测器解吸所研究的粒子(例如，分子)。

所述方法可以包括在从所述NEMS传感器区域去除所述粒子之后通过不同于所述NEMS装置的另外的仪器分析所述粒子。

另外的仪器可以是质量分析器。

所述方法可以包括限定参考粒子；并且将限定在所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的空间维持在一定压力下，在所述压力下，参考粒子的平均自由路径大于所述分隔距离。

限定在所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的所述空间可以维持在一定压力下，在所述压力下，所述参考粒子的平均自由路径比所述分隔距离大5倍以上，优选地10倍以上，进一步优选地50倍以上并且仍进一步优选地100倍以上。

所述方法可以进一步包括改变粒子透镜组合件相对于所述NEMS装置的位置。

所述粒子透镜组合件相对于所述NEMS装置的位置可以在2或3个方向(即，尺寸)上改变。

改变所述粒子透镜组合件相对于所述NEMS装置的位置可能使每次到达所述NEMS传感器区域的粒子增加。

增加可以是至少10倍，优选地至少100倍，如至少1,000倍。

换言之，本发明技术的实施例因此还涉及相对于NEMS装置校准粒子透镜组合件以使入射在NEMS装置的“最佳点”上的粒子数量最大化。

本发明还涉及将所讨论的系统用于所讨论的方法。

在使用中，粒子的质量可以基于NEMS装置的测量和质量分析器的测量来确定。

所讨论的系统可以被配置成相应地执行所讨论的方法。

也就是说，本发明技术总体上涉及系统、方法和对应的用途。所述技术用于分析粒子，如分子。所述技术可以包括产生分子流，并且在显著低于大气压的压力下使用机电装置分析所述分子，使得所述装置在吸附要分析的单个分子时可测量地改变其特性之一。通过定位将分子聚焦到装置上期望的吸附位点上的微型静电透镜，可以显著提高对进入分子流的捕获效率。

分子可以在离子源中带电。离子源可以利用电喷雾。

粒子透镜组合件(例如，电子透镜)的内部大小可以是吸附位点的大小的至少a)5、b)10或c)50倍。同样，这例示了通过本发明技术聚焦的粒子的数量。

本发明还由以下编号的实施例来限定。

下面，将论述系统实施例。系统实施例缩写为字母“S”跟随数字。每当本文提及系统实施例时，均意指这些实施例。

S1.一种用于分析粒子的系统1，所述系统1包括

NEMS装置100，所述NEMS装置包括至少一个NEMS传感器104，所述至少一个NEMS传感器用于检测撞击所述至少一个NEMS传感器104的粒子，每个NEMS传感器104包括NEMS传感器区域1044，

粒子透镜组合件200，所述粒子透镜组合件200包括至少一个粒子透镜2060，所述粒子透镜用于将粒子聚焦到所述至少一个NEMS传感器区域1044的NEMS传感器104上，

其中所述粒子透镜组合件200与所述至少一个NEMS传感器区域1044间隔开一定分隔距离D，

其中所述系统1被配置成将限定在所述粒子透镜组合件200与所述NEMS装置100之间的空间维持在一定压力下，在所述压力下，参考粒子的平均自由路径大于所述分隔距离D。

应当理解，所述粒子可以是离子。将进一步理解，NEMS表示纳米机电系统。

S2.根据前一实施例所述的系统1，其中所述至少一个NEMS传感器104是多个NEMS传感器104。

S3.根据前一实施例所述的系统1，其中所述至少一个粒子透镜2060是多个粒子透镜2060并且其中每个粒子透镜2060被配置和定位成将粒子聚焦到与所述粒子透镜2060相关联的NEMS传感器区域1044上。

S4.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述至少一个NEMS传感器104中的每个NEMS传感器104包括

NEMS衬底1046；

至少一个NEMS谐振器1048，以及

周向区段1043，

其中所述NEMS衬底1046和所述NEMS谐振器1048由所述NEMS传感器区域1044包括。

S5.根据前述实施例中任一项所述的系统1，

其中从所述粒子透镜组合件200行进到所述NEMS装置100的粒子限定z方向。

S6.根据前一实施例所述并且具有倒数第二实施例的特征的系统，其中所述周向部分1043在所述z方向上定位于所述NEMS衬底1046和所述NEMS谐振器1048的前面并且与这些元件相距一定高度H。

S7.根据前一实施例所述的系统1，其中所述高度H的范围为0.5μm到6μm，优选地1μm到4μm，如1.5μm到3.5μm。

S8.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述NEMS传感器区域1044具有一定面积，所述面积的范围为优选地(2μm)²到(15μm)²，进一步优选地(5μm)²到(11μm)²，如(8μm)²到(9μm)²。

S9.根据前述实施例中任一项所述并且具有实施例S2的特征的系统1，其中所述NEMS传感器104被布置成NEMS阵列105。

S10.根据前一实施例所述的系统，其中所述NEMS阵列105包括(2×2)到(1000×1000)个NEMS传感器，优选地(3×3)到(100×100)个NEMS传感器，如(4×4)到(10×10)个NEMS传感器。

S11.根据前述2项实施例中任一项所述的系统，其中所述NEMS阵列105的面积的范围为(10μm)²到(1,000μm)²，优选地(20μm)²到(300μm)²，如(50μm)²到(100μm)²。

S12.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述粒子透镜组合件200是静电粒子透镜组合件。

S13.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述粒子透镜组合件200包括电极系统。

S14.根据前一实施例所述的系统，其中所述电极系统包括多个电极。

S15.根据前述2项实施例中任一项所述并且具有实施例S3和S9的特征的系统，其中所述电极系统包括形成与所述NEMS阵列105相对应的粒子透镜阵列206的电极2328。

S16.根据前一实施例所述的系统，其中所述形成所述粒子透镜阵列206的电极2328包括周向部分2330和网格部分2332。

S17.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述NEMS装置100与所述粒子透镜组合件200分隔开的距离d1的范围为1μm到20μm，优选地2μm到10μm，如3μm到7μm。

S18.根据前述实施例中任一项所述并且具有实施例S5的特征的系统，其中所述粒子透镜组合件200具有沿所述z方向的长度，所述长度的范围为50μm到500μm，进一步优选地100μm到300μm，如150μm到250μm。

S19.根据前述实施例中任一项所述并且具有实施例S14的特征的系统，其中所述电极由如金、钼和/或镀金铝等金属形成。

S20.根据前述实施例中任一项所述并且具有实施例S14的特征的系统，其中所述粒子透镜组合件200进一步包括Si₃N₄层，其中所述绝缘Si₃N₄层定位于所述NEMS装置100与最靠近所述NEMS装置的电极之间。

S21.根据前述实施例所述的系统1，其中所述Si₃N₄层2329包括周向部分2330和网格部分2332。

S22.根据前述2项实施例中任一项所述的系统1，其中所述Si₃N₄层2329的厚度的范围为20nm到300nm，优选地50nm到150nm，如100nm。

S23.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S14的特征的系统1，其中所述电极限定孔口，其中在横截面视图中，所述孔口具有最大延伸和最小延伸。

S24.根据前一实施例所述的系统，其中所述最大延伸的范围为200μm到1,000μm，优选地300μm到500μm，如400μm到450μm，并且优选地其中所述最小延伸的范围为20μm到200μm，进一步优选地40μm到150μm，如50μm到80μm。

S25.根据前述2项实施例中任一项所述并且具有实施例S5的特征的系统1，其中所述孔口从第一个电极到最后一个电极232依次减小，即沿所述z方向。

S26.根据前一实施例所述的系统1，其中在横截面视图中，每个电极232相对于前一个电极232突出的距离D5为5μm到50μm，优选地10μm到30μm，如15μm到25μm。

S27.根据前述实施例中任一项所述并且具有实施例S14的特征的系统，其中所述系统包括3到25，优选地5到15，如8到12个电极。

S28.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S5和S14的特征的系统，其中每个电极包括的沿所述z方向的厚度为50nm到500nm，优选地100nm到300nm，如150nm到250nm。

S29.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S14的特征的系统，其中所述系统进一步包括定位于所述电极之间的至少一个绝缘体234。

S30.根据前一实施例所述的系统，其中所述至少一个绝缘体由聚对二甲苯或SU8形成。

S31.根据前述2项实施例中任一项所述并且具有实施例S5的特征的系统，其中每个绝缘体包括的沿所述z方向的厚度为5μm到50μm，优选地10μm到30μm，如15μm到25μm。

S32.根据前述3项实施例中任一项所述的系统，其中每个绝缘体的形状对应于与所述绝缘体接触的电极。

S33.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S14的特征的系统1，其中所述粒子透镜组合件200进一步包括支撑件240，所述支撑件定位于所述NEMS装置100与最靠近所述NEMS装置的电极之间。

S34.根据前一实施例所述并且具有实施例S5的特征的系统1，其中所述支撑件240具有沿所述z方向的长度d6，其中所述长度d6的范围为10μm到200μm，优选地50μm到250μm，如100μm。

S35.根据前述2项实施例中任一项所述的系统，其中所述支撑件240由Si形成。

S36.根据前述3项实施例中任一项所述并且具有实施例S5的特征的系统，其中所述支撑件240沿所述z方向加宽。

S37.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S14的特征的系统1，其中所述粒子透镜组合件200包括锥形电极2327。

S38.根据前一实施例所述并且具有实施例S5的特征的系统1，其中所述锥形电极2327沿所述z方向逐渐变细。

S39.根据前一实施例所述的系统1，其中所述锥形电极2327包括整体环形形状，即锥形生成整体圆锥形状。

S40.根据倒数第二实施例所述的系统1，其中所述锥形电极2327包括整体方形形状，即锥形生成整体平截头体形状。

S41.根据前述4项实施例所述的系统，其中所述锥形电极2327相对于所述z方向的锥形角的范围为30°到60°，优选地40°到50°，如45°。

S42.根据实施例S16所述并且包含实施例S14和S29的特征的系统1，其中所有电极232和所有至少一个绝缘体234包括相应的周向部分2330和相应的网格部分2332。

S43.根据前一实施例所述并且具有实施例S5的特征的系统1，其中所述电极232在垂直于所述z方向的平面中具有相同的形状和大小。

S44.根据前述实施例中任一项所述并且具有实施例S5和S15的特征的系统1，其中所述系统1包括前向电极2335，所述前向电极在所述z方向上比形成所述粒子透镜阵列206的电极2328更向前。

S45.根据前一实施例所述的系统1，其中所述前向电极2328包括在所述z方向上的长度d7。

S46.根据前一实施例所述的系统1，其中所述前向电极2328的所述长度d7的范围为1μm到10μm，优选地1.5μm到5μm，如3μm。

S47.根据前一实施例所述的系统1，其中所述前向电极2328包括外围部分2337和网格部分2339。

S48.根据前一实施例所述的系统1，其中所述前向电极2335的所述外围部分2337在所述z方向上以范围为30°到60°，优选地40°到50°如45°的角度逐渐变细。

S49.根据前述两项实施例中任一项所述的系统1，其中在横截面视图中，所述网格部分2339以范围为30°到60°，优选地40°到50°如45°的角度设置。

即，在横截面视图中，所述网格部分2339遵循总体V形。

S50.根据前一实施例所述并且包含实施例S29的特征的系统1，其中所述绝缘体234的厚度的范围为0.1μm到5μm，优选地0.2μm到0.5μm，如0.25μm。

S51.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S14的特征的系统1，其中所述电极232供应有不同的电压。

S52.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述系统1被配置成将粒子束聚焦到所述至少一个NEMS传感器104上，使得到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在(2μm)²的面积，优选地(1μm)²的面积，如(0.5μm)²的面积中撞击所述NEMS传感器104。

S53.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述系统1被配置成将粒子束聚焦到所述至少一个NEMS传感器104上，使得到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在小于所述粒子透镜组合件200的横截面面积的20％、优选地小于此横截面面积的10％、最优选地小于此横截面面积的1％的面积中撞击所述NEMS传感器104。

S54.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述系统1进一步包括用于使所述粒子离子化的离子源2。

S55.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述系统进一步包括大气到真空接口30，所述大气到真空接口用于将粒子从大气压力转移到减压。

S56.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述系统进一步包括第一质量分析器20。

S57.根据前一实施例所述的系统，其中所述第一质量分析器20选自由以下组成的组：

离子阱质量分析器，如

Orbitrap^TM分析器、

圆柱形离子阱或

四极离子阱质量分析器；

离子回旋共振质量分析器，例如傅里叶变换离子回旋共振质量分析器，

飞行时间质量分析器；

静电阱质量分析器；

四极质量分析器；

磁扇形质量分析器；

静电扇形质量分析器；以及

离子迁移率谱仪，如

捕获型离子迁移率谱仪或连续束型离子迁移率谱仪。

S58.根据前述2项实施例中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括第二质量分析器。

S59.根据前一实施例所述的系统，其中所述第二质量分析器选自倒数第二个实施例中所述的组。

S60.根据前述2项实施例中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括第三质量分析器。

S61.根据前一实施例所述的系统，其中所述第三质量分析器选自S57中所述的组。

S62.根据前述2项实施例中任一项所述的系统，其中所述系统包括至少一个另外的，并且优选地至少3个另外的质量分析器。

S63.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述系统进一步包括离子储存装置，如C-阱14。

S64.根据前述实施例中任一项所述的系统1，其中所述系统进一步包括碰撞池16。

S65.根据前述实施例中任一项所述并且具有实施例S54、S55、S56、S63和S64的特征的系统，其中

所述大气到真空接口30定位于所述离子源2的下游；

所述C-阱14定位于所述大气到真空接口30的下游；

所述第一质量分析器20定位于所述C-阱14的下游，由此限定所述C-阱的下游的第一分支；

所述碰撞池16定位于所述C-阱14的下游，这限定所述C-阱的下游的第二分支；

并且所述粒子透镜组合件200和所述NEMS装置100定位于所述碰撞池16的下游。

S66.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成将限定在所述粒子透镜组合件200与所述NEMS装置100之间的所述空间维持在一定压力下，在所述压力下，参考粒子的平均自由路径比所述分隔距离D大5倍以上，优选地10倍以上，进一步优选地50倍以上并且仍进一步优选地100倍以上。

S67.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述分隔距离D的范围为2μm到20μm，优选地3μm到15μm，如5μm到10μm。

S68.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S6和S8的特征的系统，其中所述NEMS传感器区域1044的面积与高度H的商的范围为5μm到50μm，优选地10μm到30μm，如15μm到20μm。

S69.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S8的特征的系统，其中所述NEMS传感器区域1044的面积与分隔距离D的商的范围为2μm到20μm，优选地3μm到15μm，如5μm到10μm。

S70.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S23的特征的系统，其中所述最大延伸与所述最小延伸的商的范围为2到20，优选地4到10，如5到8。

S71.根据前述实施例中任一项所述的具有实施例S18的特征的系统，其中所述粒子透镜组合件200的长度与所述分隔距离的商的范围为2到50，优选地10到40，如20到30。

S72.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述分隔距离D的范围为1μm到20μm，优选地2μm到15μm，如5μm到10μm。

S73.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成将限定在粒子透镜组合件200与NEMS装置100之间的空间维持在不高于10^-3，优选地不高于10^-4mbar，进一步优选地低于10^-5mbar，更优选地低于10^-9mbar的范围内的绝对压力下。

S74.根据前述实施例中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括

对准机构，所述对准机构被配置成改变所述粒子透镜组合件200相对于所述NEMS装置100的位置。

S75.根据前述实施例所述的系统，其中所述对准机构的准确度低于2μm，优选地低于1μm，如在0.01μm到1μm范围内。

S76.根据前述2项实施例所述的系统，其中所述对准机构被配置成在2个或3个方向上改变所述粒子透镜组合件200相对于所述NEMS装置100的位置。

S77.根据前述3项实施例中任一项所述的系统，其中所述对准机构包括压电和/或机械平移元件。

下面，将论述方法实施例。方法实施例缩写为字母“M”跟随数字。每当本文提及方法实施例时，均意指这些实施例。

M1.一种用于分析粒子的方法，所述方法包括利用根据前述实施例中任一项所述的系统1。

M2.根据前一实施例所述的方法，其中所述方法包括

通过粒子透镜组合件200将粒子聚焦到至少一个NEMS传感器104上。

M3.根据前述方法实施例中任一项所述的方法，其中所述系统1包括实施例S3的特征，所述方法进一步包括

通过多个粒子透镜2060将粒子聚焦到多个NEMS传感器104中的每个NEMS传感器上。

M4.根据前述方法实施例中任一项所述的系统，其中对于每个NEMS传感器104，至少50％的粒子聚焦到为(2μm)²的区域上，优选地聚焦到为(1μm)²的面积上，如聚焦到为(0.5μm)²的面积上。

M5.根据前述方法实施例中任一项所述的具有实施例M2的特征的方法，其中所述使粒子聚焦包括到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在小于所述粒子透镜组合件200的横截面面积的20％、优选地小于此横截面面积的10％、最优选地小于此横截面面积的1％的面积中撞击所述NEMS传感器104。

M6.根据前述方法实施例中任一项所述的方法，其中所述系统包括实施例S14的特征，所述方法包括：

向所述电极施加第一电压组合，从而在所述至少一个NEMS传感器区域(1044)上产生第一焦点；

向所述电极施加第二电压组合，所述第二电压组合不同于所述第一电压组合，从而在所述至少一个NEMS传感器104上产生第二焦点，所述第二焦点相对于所述第一焦点在空间上移位。

M7.根据前一实施例所述的方法，其中所述系统包括实施例S5的特征，其中在垂直于所述z方向的平面中，第一焦点和第二焦点分隔开介于0.1μm与10μm之间的距离，优选地介于0.5μm与5μm之间的距离。

M8.根据前述方法实施例中任一项所述的方法，其中所述系统包括实施例S5和S14的特征，所述方法进一步包括

向所述多个电极施加电压组合，并且由此降低粒子沿所述z方向的速度。

M9.根据前一实施例所述的方法，其中所述粒子沿z方向减速至低于10,000米/秒，优选地低于5,000米/秒，如低于1,000米/秒的平均速度。

M10.根据前述2项实施例中任一项所述的方法，其中所述粒子减速至小于每电荷热能的2,000倍，优选地小于每电荷热能的1,000倍，进一步优选地小于每电荷热能的500倍，如小于每电荷热能的100倍的动能。

M11.根据前述方法实施例中任一项所述的方法，其中所述系统包括实施例S14的特征，所述方法进一步包括

向所述电极施加电压，并且由此去除定位于所述至少一个NEMS传感器104上的粒子。

M12.根据前一实施例所述的方法，其中所述方法进一步包括在从所述NEMS传感器区域去除所述粒子之后通过不同于所述NEMS装置100的另外的仪器分析所述粒子。

M13.根据前一实施例所述的方法，其中所述另外的仪器是质量分析器。

M14.根据前述实施例中任一项所述的方法，其中所述方法包括：

限定参考粒子；

将限定在所述粒子透镜组合件200与所述NEMS装置100之间的空间维持在一定压力下，在所述压力下，所述参考粒子的平均自由路径大于所述分隔距离D。

M15.根据前一实施例所述的方法，其中将限定在所述粒子透镜组合件200与所述NEMS装置100之间的所述空间维持在一定压力下，在所述压力下，所述参考粒子的平均自由路径比所述分隔距离D大5倍以上，优选地10倍以上，进一步优选地50倍以上并且仍进一步优选地100倍以上。

M16.根据前述方法实施例中任一项所述的方法，其中所述系统包括实施例S74的特征，其中所述方法进一步包括

改变所述粒子透镜组合件200相对于所述NEMS装置100的位置。

M17.根据前一项实施例所述的方法，其中所述系统包括实施例S76的特征，其中所述粒子透镜组合件200相对于所述NEMS装置100的位置在2个或3个方向上改变。

M18.根据前述2项实施例中任一项所述的方法，其中改变所述粒子透镜组合件200相对于所述NEMS装置100的位置使每次到达所述NEMS传感器区域1044的粒子增加。

M19.根据前一实施例所述的方法，其中增加是至少10倍，优选地至少100倍，如至少1,000倍。

下面，将讨论用途实施例。用途实施例缩写为字母“U”跟随数字。每当本文提及用途实施例时，均意指这些实施例。

U1.根据前述系统实施例中任一项所述的系统的用途，用于根据前述方法实施例中任一项所述的方法。

U2.根据前一实施例的系统的用途，其中所述系统包括实施例S56的特征，其中基于所述NEMS装置的测量和所述质量分析器的测量确定粒子的质量。

S74.根据前述系统实施例中任一项所述的系统，其中所述系统被配置用于根据前述方法实施例中任一项所述的方法。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明技术。

图1描绘了根据本发明技术的实施例的系统；

图2描绘了根据本发明技术的实施例的用于生产多个NEMS装置的晶圆；

图3描绘了根据本发明技术的实施例的与含有一个NEMS阵列的NEMS装置相对应的NEMS管芯；

图4描绘了根据本发明技术的实施例的NEMS阵列；

图5更详细地描绘了根据本发明技术的实施例的NEMS阵列；

图6和7描绘了根据本发明技术的实施例的NEMS阵列的仍另外的视图；

图8描绘了根据本发明技术的实施例的NEMS阵列的仍另外的俯视图；

图9描绘了根据本发明技术的实施例的NEMS传感器的视图；

图10概念性地展示了根据本发明技术的实施例的被聚焦到NEMS传感器上的粒子；

图11描绘了根据本发明技术的实施例的NEMS传感器的仍另外的视图；

图12以横截面视图概念性地展示了根据本发明技术的实施例的NEMS传感器和微透镜；

图13描绘了根据本发明技术的实施例的跨NEMS阵列和微透镜组合件的横截面视图；

图14A展示了静电微透镜的原理；

图14B到图14D描绘了沿图14A中指示的水平线和竖直线的电势；

图15描绘了根据本发明技术的另外实施例的跨NEMS阵列和微透镜组合件的另外的横截面视图；

图16描绘了与微透镜的效果相关的模拟；

图17描绘了沉积在表面上的粒子的照片；

图18示意性地描绘了沉积在表面上的粒子的平坦化接触表面；

图19A到图19D描绘了与由微透镜生成的电场有关的模拟；

图20A到图20C描绘了与由微透镜生成的电场有关的另外的模拟；

图21A和图21B描绘了与由微透镜生成的具有解吸离子轨迹的电势相关的模拟；并且

图22描绘了根据本发明技术的实施例的与使用微透镜从NEMS阵列解吸的一组离子的扩散有关的模拟。

具体实施方式

图1描绘了根据本发明技术的一个实施例的系统1。概括地说，系统1包括离子源2、大气到真空接口30和NEMS装置100。

离子源2可以定位于大气压下。离子源2可以是电喷雾型的。在一些实施例中，离子源2可以被配置用于大气压离子化(API)并且因此也可以被称为API源2。应当理解，可以使用其它离子源。例如，本发明技术还可以用于分析由基质辅助激光解吸/离子化(MALDI)、激光喷雾或任何其它入口离子化，或实际上任何其它能够产生高m/z离子的技术产生的离子。

来自电喷雾的离子穿过大气到真空接口30。更具体地，离子穿过转移毛细管3到达堆叠环形离子导向器(S-透镜)或离子漏斗4，通过其出射透镜5，并且然后通过注入扁极(flatapole)6、间扁极透镜7和弯曲扁极8。在S透镜4的区域中，弯曲扁极8的压力通常为1-10mbar(例如1.6mbar)。弯曲扁极8在其杆之间可以具有2mm的间隙。在10^-3到10^-2mbar的压力下，在弯曲扁极8中发生碰撞冷却。

在一些实施例中，系统1还可以包括其它元件，例如离子门10、四极质量过滤器12、离子储存装置(例如C-阱14)、Z-透镜15、质量分析器20和碰撞池16，所述元件的细节也在US2014/027629A1中描述，其全部内容通过引用并入本文。此类元件可以允许系统1还通过质量分析器20分析粒子，所述质量分析器可以是例如Orbitrap^TM质量分析器。

在一些实施例中，系统1可以基于Q Exactive^TM Plus仪器(德国不莱梅赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific,Bremen,Germany)(不来梅))并且可以利用呈WO96/30930中描述的形式的静电阱，所述静电阱在由美国沃尔瑟姆赛默飞世尔科技公司和其附属公司(ThermoFisher Scientific Inc.,Waltham,USAand its affiliates)提供的Orbitrap^TM质量分析器中实现。在此类实施例中，呈快速分离透镜形式的离子门10控制离子进入到仅RF传输多极12中，所述仅RF传输多极也可以由四极质量过滤器替代并且通常保持在少于10^-4mbar的压力下。离子从传输多极进入C-阱14，其中的压力通常为(0.1-4.0)×10^-3mbar(例如0.5×10^-3mbar)。为了进一步冷却，离子可以进入到碰撞池16，例如充气HCD池16中，其包括通常具有(1-20)×10^-3mbar(例如5×10^-3mbar)的压力的RF多极杆。HCD池16可以通过单个隔膜与C-阱14分开，这允许容易地调谐HCD池。

在一些实施例中，可以设置施加到HCD池16的RF和轴向场以提供其中的离子碎裂。HCD池16允许更好地捕获，同时在C-阱14并且因此Orbitrap^TM质量分析器中维持一定的压力，因为HCD池16比C-阱14：i)更长并且ii)处于更高的压力下。离子通过Z-透镜15从C-阱14注入到Orbitrap^TM质量分析器20中。轨道阱隔室中的真空优选地低于7×10^-10mbar，尽管其取决于HCD池16中的压力。对于一些大蛋白质，可以使用超过2×10^-9mbar的压力。

也就是说，在一些实施例中，离子可以由离子源2(例如，纳米喷雾源)在大气压力下优选地在自然条件下产生，并且然后通过大气到真空接口30传输到真空中。任选地，可以通过多极质量过滤器12(例如，四极质量过滤器)对离子进行质量选择，并且然后将其引入到质荷分析系统中，其中通过如在本领域中是已知的质谱仪获取质荷谱。在图1所展示的实例中，可以采用Orbitrap^TM质谱仪20。然而，也可以使用其它MS分析器，如飞行时间MS(TOF-MS)、开放式或封闭式静电阱(EST)或傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)仪器。在图1所示的具有Orbitrap^TM质量分析器的实施例中，生物分子离子通过促进离子-光学转移的组件直接通过MS。

尽管在上文中已经描述了包括质谱仪20的实施例，但是应当理解，此类质谱仪20可以独立于下文描述的其它特征，并且其它实施例可以不包括此类质谱仪20。

一般而言，示例性系统1可以包括大气压离子源2和大气到真空接口30。大气到真空接口30可以包括毛细管3、S-透镜4、S-透镜出射透镜5、注入扁极6、间扁极透镜7和弯曲扁极8。进一步，系统1可以包括离子门10、多极质量过滤器12(例如，四极质量过滤器)和离子储存装置，如C-阱14。仍进一步地，系统1还可以包括MS分析器20(例如，Orbitrap^TM质量分析器)。除了这些组件之外，根据本发明技术的所描绘的实施例的系统还包括在碰撞池16后面的差动泵送室中的NEMS装置100。通过向C-阱14的孔口施加电压，可以控制粒子流到MS分析器20和/或到碰撞池16和含有一个NEMS阵列的NEMS装置100。

图2描绘了用于生产多个NEMS装置100的晶圆102。晶圆102可以具有直径大约为200mm的一般圆形设计。晶圆102可以包括多个单独的NEMS管芯103，如100到5,000个NEMS管芯103。在所描绘的实施例中，晶圆102包括1,100个NEMS管芯103，为了图示的简单起见，仅用附图标记标识了其中的一些管芯。在图2的实施例中，每个NEMS管芯103具有5mm×5mm的面积。每个NEMS管芯103对应一个NEMS装置100。

图3更详细地描绘了单独的NEMS管芯103(对应于单独的NEMS装置100)。即，NEMS管芯103也可以被称为NEMS装置100。所描绘的NEMS管芯103包括前表面1022和后表面1024，其中两者都具有5mm×5mm的面积。前表面1022包括电触点1026，为了图示的简单起见，仅用附图标记标识了其中的一些电触点。前表面1022可以包括50到500个电触点1026，例如100到300个电触点1026，例如大约200个电触点1026。也就是说，一些实施例可以包括比图3所示的更多的电触点1026，并且电触点1026实际上可以构成前表面1022的面积的大约30％。此外，NEMS管芯103包括从后表面1024延伸到前表面1022的开口1028。开口1028可以从后表面1024蚀刻，并且其可以在前表面1022处包括大约200μm×200μm的面积。在本说明书中，将提供不同元件的多个示例性尺寸。应当理解，这些示例性尺寸还产生相应的比率和尺寸，这也应当被认为是由本说明书公开的。

图4描绘了开口1028的进一步细节。开口1028可以从后表面蚀刻，即，箭头1031指示背面蚀刻的方向。蚀刻可以以多种方式进行，包含深反应离子刻蚀(“DRIE”)，产生近似蚀刻轮廓1028'，或氢氧化钾(“KOH”)蚀刻，产生近似蚀刻轮廓1028”。在前表面1022处，通过从后表面执行的贯穿晶圆蚀刻形成膜1030。

图5的(a)部分描绘了膜1030的进一步细节。膜1030容纳5×5的装置井，并且有25个NEMS传感器104，为了图示的简单，在图5的(a)部分中仅标识了其中的两个传感器。每个井是开放区域，其中没有后端氧化物或后端金属用于访问用于NEMS传感器104光刻的压电和硅装置层。每个井具有最大“高度”，即垂直于前表面1022的延伸，即沿z轴的延伸(参见图1)，至多为5μm，如大约2μm的高度。附图标记1032指示单个传感器，所述单个传感器占据膜1030和1034面积的1/25作为井的外边界，即8.5μm。这些元件也包含在图5的(b)部分中，所述图描绘了井和NEMS传感器104的俯视图。每个NEMS传感器104在其外围具有多个连接件1042，并且在图5的(b)部分中描绘的实施例中，NEMS传感器104包括8个此类连接件1042，所述连接件可以设置有金属触点1045。NEMS传感器104可以设置有顶部和底部钼(Mo)电极。

图6和7描绘了膜1030和NEMS传感器104的进一步透视图，在这些图中仅用附图标记标识其中之一。由图6和7中描绘的NEMS传感器104定义的结构通常也可以称为NEMS阵列105。

图8描绘了多个NEMS传感器104的另一个俯视图，为了简化图示，仅其中一些传感器用附图标记标识。多个NEMS传感器104一起构成NEMS阵列105，所述阵列也可以被称为NEMS井阵列105。NEMS井阵列105的典型面积可以是65μm×65μm。

图9描绘了单个NEMS传感器104的进一步放大视图，所述单个NEMS传感器也可以被称为单个装置井104。NEMS传感器104可以具有大约13μm×13μm的面积。NEMS传感器104包括氧化物/金属化区段1043，所述氧化物/金属化区段可以是NEMS传感器104的周向区段1043和中心NEMS像素1044，其也可以被称为NEMS开放区域1044或NEMS传感器区域1044。应当理解，氧化物/金属化区段1043是膜1030的一部分(参见图5的(a)部分)，并且因此定位于NEMS像素1044的“前面”，即，其在z方向上具有不同的位置(参见图10)。NEMS像素1044可以具有大约8.5μm×8.5μm的面积。NEMS像素1044包括衬底1046和至少一个NEMS谐振器1048，所述衬底也可以被称为NEMS空区域1046。在图9描绘的实施例中，NEMS像素1044包括两个NEMS谐振器1048。然而，应当理解，在其它实施例中，NEMS像素1044也可以仅包括一个NEMS谐振器1048或者也可以包括多于两个NEMS谐振器1048。一个或多个NEMS谐振器1048可以是例如一个或多个膜谐振器或一个或多个悬臂谐振器。

NEMS谐振器1048定义了NEMS有效面积1050，所述面积可以是大约2.5μm×2.5μm(应注意图9在这方面不是按比例绘制的)。此外，每个NEMS谐振器1048还包括至少一个检测或着陆区域1052，其也可以称为优选检测区域1052，优选地着陆区域1052或最佳点1052。NEMS谐振器1048的检测区域1052可以具有低于1(μm)²如低于0.5(μm)²的面积。为了正确检测粒子，最好在所述粒子着陆在NEMS着陆区域1052上时。

应当理解，确切的优选着陆区域或最佳点1052通常可以根据要被粒子改变的NEMS模式而变化。在这方面，可以参考US 8,227,747 B2，并且具体是图13A和13B，以及伴随这些图的描述(并且应注意，US 8,227,747 B2的内容通过引用整体并入本文)。这些图描绘了NEMS的不同模式的频移取决于粒子的撞击位置。因此应当理解，理想的最佳点1052取决于要使用的NEMS的模式。

应当理解，飞向图9中描绘的NEMS传感器104的粒子通常将在垂直于图9的绘图平面的方向(对应于图1中指示的z方向)上飞向NEMS传感器104。

进一步，考虑图3中的NEMS管芯103(对应于NEMS传感器100)，应当理解，此NEMS管芯103包括一个NEMS井阵列105，所述井阵列包括25个单独的NEMS传感器104。

每个NEMS传感器区域104具有大约10^-12m²的NEMS检测区域1052。因此，NEMS井阵列105具有大约25×10^-12m²的NEMS井阵列有效面积。这同样适用于单独的NEMS管芯103(或NEMS传感器100)，因为每个NEMS管芯103(或NEMS传感器100)有一个NEMS井阵列105。进一步，NEMS管芯103(或NEMS传感器100)的总面积为25×10^-6m²。

NEMS井有效面积与NEMS装置之间的比率为10^-6。应当理解，导致不同比率的其它配置也是可能的。例如，NEMS传感器104也可能并排更密集地包装。然后填充率将受单独的传感器的填充率限制。每个NEMS传感器具有大约25×10^-12m²的区域104和大约10^-12m²的NEMS检测区域1052。因此，填充率也可以是1/25＝4％，或更一般地在0.5％至5％的范围内，优选地在1％至4.5％的范围内。

进一步，已经发现着陆在氧化物/金属化区段1043上的粒子(例如，离子)实际上可以使粒子电流失真，并且因此被认为是不期望的，而穿过衬底1046的粒子(例如，离子)无法研究(并且因此被“浪费”)，但未使粒子电流失真。

因此，本发明技术的实施例寻求将粒子(例如，离子)集中到每个NEMS井(由单独的NEMS传感器104和膜1030的相关区段限定的NEMS井)中的NEMS检测区域1052上。这在图10中非常概念性地展示，所述图描绘了NEMS像素1044、膜1030和聚焦到NEMS像素1044上，并且具体聚焦到NEMS像素1044的NEMS检测区域1052上的粒子(例如，离子)的概念轨迹500。

图11描绘了包含NEMS像素1044和膜1030(的相关区段)的NEMS井的进一步透视图。如所描绘的，NEMS像素1044可以具有大约8.5μm×8.5μm的面积，并且膜1030可以具有带有对应大小的对应开口1033。如已经结合图5的(a)部分讨论的，井的“高度”H可以为至多5μm，如大约1μm到4μm，例如2μm。

再次参考如图1中描绘的NEMS装置100。如所解释的，NEMS装置100对应于图3中描绘的单个NEMS管芯103。此类NEMS管芯103包括多个单独的NEMS传感器104(参见图3到5)，并且每个NEMS传感器104包括具有NEMS检测区域1052(参见图9)的NEMS传感器区域1044(也被称为NEMS像素1044)。如所讨论的，将要分析的粒子聚焦到NEMS像素1044上并且优选地也聚焦到NEMS检测区域1052上可能是有利的。

就此而言，还应注意的是，由离子源2生成的外部离子束的点，即使通过传统的离子光学透镜聚焦之后，所述点的直径也可以为几十微米到几百微米，其显著大于NEMS检测区域1052的尺寸，所述NEMS检测区域的尺寸为大约1(μm)²。也就是说，离子束必须被聚焦并被引导朝向NEMS检测区域1052。遵循此基本原理并假设离子束的最佳扩展为100μm×100μm，应当理解，通常仅大约10,000分之1的离子会着陆在NEMS检测区域1052上。

再次参考图1，所描绘的系统1还可以包括微透镜组合件200，所述微透镜组合件可以被配置用于聚焦粒子束。

特别参考图1的实施例，应注意的是所述系统还包括在碰撞池16后面的传递光学器件，并且传递光学器件可以包含传递多极22和Z-透镜组合件24。再次参考图1，(A)示出了NEMS装置100与传递光学器件22、24之间的接口的位置，其中包含微透镜组合件200的微透镜。

如所讨论的，优选的NEMS检测区域1052通常具有在一平方微米范围内的捕获区域。为了增加由NEMS阵列100中的单独的NEMS像素1044(也被称为NEMS传感器像素1044)捕获和分析的粒子如离子的产率，本发明技术将进入的离子通量引导或聚焦到NEMS装置100的优选的检测区域1052上。这可以通过定位在NEMS传感器像素中的每个NEMS传感器像素的前面(优选地直接在前面)的静电微透镜组合件200来实现，如图12的(a)部分和图12的(b)部分中进一步展示的。图12的(a)部分示意性地展示了与微透镜202(其也可以被称为微透镜组合202)组合的单个NEMS传感器104。如所讨论的，图1中描绘的NEMS装置100包括如图12的(a)部分中描绘的多个NEMS传感器104。如所讨论的，NEMS传感器104包括具有NEMS谐振器1048的NEMS像素，所述谐振器也在图12的(a)部分中指示。应当理解，可以为每个NEMS传感器104提供一个微透镜202。在图12的(a)部分中，NEMS传感器104被描绘为具有单个NEMS谐振器1048，而图12的(b)部分中的NEMS传感器104被描绘为具有两个NEMS谐振器1048。如所讨论的，粒子的聚焦可以潜在地将其在NEMS检测区域1052上的密度增加至少1个或多个数量级，如1到2个数量级。

微透镜202与NEMS传感器104的传感器表面(即NEMS传感器区域1044)之间的分隔距离D将仅为几微米到几十微米，其尺寸通常与微透镜元件的内部大小和NEMS像素本身的尺寸两者相当。因此，NEMS传感器104(并且因此还整个NEMS装置100)与微透镜202(并且因此还透镜组合件200)之间的精确对准可能有利于允许离子集中到每个NEMS像素1044上的有源“感测”区域上——并且避免离子着陆到传感器的无源区域，尤其是介电表面，例如氧化物/金属化区段1043(其会积聚电荷并导致聚焦场失真)上。

应当理解，从微透镜组合件200行进到NEMS传感器区域1044的粒子通常会与存在于微透镜组合件200与NEMS传感器区域1044之间的气体粒子碰撞，并且这可能影响对粒子的收集，并且因此影响对粒子的检测(因为粒子在此类碰撞之后可能不再处于其聚焦轨迹上)。为了减少由于碰撞引起的此类散焦，可以在微透镜组合件200与NEMS传感器100之间存在减压。减压可以允许要分析的粒子相对自由地从微透镜组合件200行进到NEMS传感器100。

更具体地，可以限定参考粒子，参考粒子表示要分析的粒子类别。例如，如果旨在分析蛋白质，则可以限定参考蛋白质。通常，参考粒子将是所述类的极端情况，即所述类的大粒子。

通过设置微透镜组合件200与NEMS传感器104之间的空间中的压力，还可以为参考粒子设置自由平均路径。应当理解，自由平均路径通常取决于参考粒子、存在于微透镜组合件200与NEMS传感器104之间的空间中的气体以及所述气体的浓度。更具体地，当本文提到平均自由路径时，是指动量耗散平均自由路径，其可以计算为

其中

MFP 是平均自由路径；

M 是参考粒子的质量；

m 是气体粒子的质量；

n是气体的浓度；并且

S是参考粒子与气体中的一个粒子的碰撞横截面。

应当理解，碰撞横截面是S＝π(r_ref+r_gas)2，其中r_ref是参考粒子的半径，并且r_gas是气体粒子在两种粒子近似球形时的半径。由于参考粒子的半径r_ref通常可以远大于气体粒子的半径r_gas，因此碰撞横截面通常远大于气体分子的横截面。

应当理解，一旦已知参考粒子和气体(也可以被称为背景气体)，平均自由路径主要取决于气体的浓度，并且因此取决于其压力。

通常，在本发明技术的实施例中，微透镜组合件200与NEMS传感器104之间的空间中的压力被设置成使得平均自由路径大于(并且优选地显著大于)分隔距离D，即，粒子必须从微透镜2002行进到NEMS传感器区域1044的路线。这可以确保粒子的撞击定位不会受到粒子与背景气体的任何碰撞的强烈影响。

将进一步理解的是，微透镜形状的残余未对准和不可再现性可能进一步需要对透镜轴与期望离子沉积点之间的对准的单独精细调整。这可以通过将透镜分成几个区段例如2-4个来促进，其中跨透镜的横截面施加可调整电压以控制离子束。

由于每个阵列内的透镜和NEMS传感器的相互定位准确度可能非常高(例如，超过1微米)，因此确保透镜阵列和NEMS阵列(或NEMS装置)以类似的精度彼此对准可能是有利的。此类对准可以由另外的压电或机械平移元件提供，并且可以使用校准程序来激活这些元件并且在2个或3个方向上相对于NEMS阵列使透镜阵列移位直到达到最佳对准。例如，可以调谐校准程序以最大化来自每个NEMS传感器的检测的“最佳点”的检测到的离子粒子。

此类调整还允许设计的灵活性：可以适应NEMS传感器的任何布局，无论是每个传感器1个还是多个谐振器，优选沉积的中心区或偏离中心区等。在初始安装时进行的初始校准过程期间，可以针对每个微透镜单独优化转向的特定设置，并且然后可能在适合特定应用程序的某些时间间隔下进行优化。进一步，可能存在由一个微透镜服务的若干个NEMS装置。

微透镜202的制造可以通过微系统或纳米系统制造技术来实现，或者与NEMS装置100共同集成，从而能够在NEMS装置100前面精确对准透镜组合件200，或者制造为单独的结构，并且使用专门设计的导向器在受控的后处理步骤中组装，以确保单独组件的正确对准。对于透镜202和NEMS装置100两者的操作而言，其周围的残余气体的平均自由路径更大，并且优选地显著大于透镜202或单独的NEMS传感器104的最大特征尺寸，优选地大于10⁴到10⁵倍。

图13描绘了沿x-z平面的示例性区段(对于方向的限定，参见图1和8)，即沿图8中的线XV-XV穿过NEMS井阵列105并穿过微透镜组合件200(其也可以被称为微透镜模块)相交。在图13的描绘中，描绘了5个NEMS传感器104，所述传感器各自包括至少一个NEMS谐振器1048。进一步，井被描绘为具有3μm的高度H。同样如图8所描绘的，NEMS井阵列105的大小可以为65μm，并且单独的NEMS传感器104可以相隔4.5μm的距离d2。此外，图13还描绘了微透镜组合件200，所述微透镜组合件与NEMS井阵列105相距的距离d1为5μm，尽管这仅是示例性的，并且可以使用其它距离，如1μm到15μm，优选地1μm到10μm。应当理解，所讨论的从微透镜组合件200到NEMS传感器区域1044的分隔距离D等于距离d1和高度H的总和。

图14A展示了微透镜或离子透镜202可以如何工作。在所描绘的实施例中，离子透镜202被实现为静电浸没透镜。图14A中描绘的离子透镜202包括两个电极212、214，并且每个电极212、214包括孔口216、218，如离子等粒子可以穿过所述孔口。在一些实例中，电极212、214可以是圆形的。在其它实施例中，电极可以是方形的。电极212处于电势Va，并且电极214处于Vb电势，其中Vb>Va(即透镜正在使带正电的离子减速)。在图14A中，还描绘了等势线220。

图14B描绘了沿图14A中的线A-A的电势，即电极212、214之间的电势。这里，电场的电势从第一电极212的电势Va(几乎)线性地上升到第二电极214的电势。

图14C描绘了沿图14A中的线B-B，即在第一电极212的孔口216中的电场的电势V。再次，在电极212处，电势V是第一电极212的电势Va。定位越靠近孔口216的中心，电势V就越高。

相应地，图14D描绘了沿图14A中的线C-C的电场的电势V，例如，在第二电极的孔口218中。再次，在电极214处，电势V是第二电极214的电势Vb。定位越靠近孔口218的中心，电势V就越低。

在图14A中，还描绘了带正电的粒子，即带正电的离子的示例性轨迹500。当进入微透镜202时，粒子从微透镜202的中心轴位移。在粒子到达微透镜202的纵向中心之前，所述纵向中心与等势线220'重合，粒子经历沿x方向的场，所述场通常对应于图14C中描绘的场，即具有其在中心的最大电势的场。因此，粒子经受迫使粒子向外的力，并且粒子向外行进。

一旦粒子已经超过微透镜202的纵向中心220'，沿x方向的电场通常对应于图14D中描绘的电场，即中心处的电势最低，并且随着到中心的距离的增加而增加。同样，粒子“寻找”较低的电势，并且因此被迫使朝向中心。由于此区域的离子速度较低，电场作用时间更长，并且总的效果是离子朝向微透镜的轴强烈会聚。

因此，如图14A中描绘的布置可以用于聚焦带电粒子，并且这展示了静电透镜的一般工作原理。

图13中的微透镜组合件或微透镜模块200更加复杂，但基于上述原理。所描绘的微透镜组合件200包括多个电极2320、2322、2324、2326、2328，如10个电极232。电极232可以是方形的。每个电极232可以限定孔口。在所描绘的实施例中，孔口可以逐渐变得更小。例如，第一或前向电极2320可以具有425μm的孔口并且每个孔口的大小可以比前一个孔口的大小小大约40μm。这对应于每个电极相对于前一个孔口在每侧上突出20μm的D5。即，孔口的连续大小可以为425μm、385μm、345μm、305μm、265μm、225μm、185μm、145μm、105μm、65μm。总的来说，微透镜组合件200的长度d3可以为大约200μm。

电极232可以由金、钼、镀金铝等形成和/或所述电极的厚度可以为大约200nm。所述电极可以通过电镀加厚。

电极232可以被绝缘体234分隔开。绝缘体234的形状可以对应于电极232的形状。例如，电极232(除了最后或后部电极2328之外)和绝缘体234可以形成对，并且一对中的电极232和相应的绝缘体234可以具有对应的形状，具体是孔口大小。绝缘体234的厚度D4可以为大约20μm。绝缘体可以由聚对二甲苯或SU8形成。

最后或后部电极2328之后可以是Si₃N₄层2329。

在图13中描绘的实施例中，最后个电极2328可以具有总体上与NEMS阵列105的膜1030相对应的形状。即，电极2328可以具有周向部分2330和网格部分2332。网格部分2332也可以被称为栅格部分2332或腹板部分2332。Si₃N₄层2329可以具有对应的区段。包含周向部分2330和腹板部分2332以及对应的Si₃N₄层2329的这种布置也可以被称为微透镜阵列206。

应当理解，电极232可以被供应有不同的电压，例如，最后电极2328可以被供应有最后电极电压V1，并且倒数第二电极2326可以被供应有倒数第二电极电压V2。

也如结合图14A所讨论的，电极的布置因此可以用作离子透镜。应当理解，图13中的一般设置使得第一电极具有比其它电极更大的孔口并且孔口随后逐渐变得更小。因此，带电粒子可以通过这种设置连续聚焦。

如所讨论的，最后电极2328不仅可以包括周向部分2330，而且还包括腹板部分2332，使得最后电极的孔口对应于NEMS阵列105的膜1030中的孔口。因此，图13中描绘的设置可以用于将粒子聚焦或引导到单独的NEMS谐振器1048上。

微透镜和微透镜组合件200可以具有不同的离子光学形状，如图15中进一步所示。

在图15的a)部分到d)部分中，NEMS井阵列105对应于图13中描绘的NEMS井阵列，即具有NEMS谐振器1048的NEMS传感器被布置成规则间隔的阵列，并且可以采用对应图案化的复合微透镜组合件或模块200a、200b、200c、200d。

图15的a)部分中的微透镜组合件200a包括微透镜阵列206，所述微透镜阵列包括电极2328和Si₃N₄层2329，其中电极2328包括周向部分2330和腹板部分2332，并且其中Si₃N₄层2329包括对应部分。微透镜阵列206可以包括上文结合图13讨论的特征。进一步，微透镜组合件200可以包括锥形电极2327。锥形电极2327可以沿z方向逐渐变细。锥形电极2327可以具有整体环形形状，使得锥形生成整体圆锥形，或者锥形电极2327可以具有整体方形形状，使得锥形生成整体截头体形状。锥形电极2327的锥形角可以是大约45°。同样，锥形电极2327可以由金形成，并且锥形电极2327可以处于与电极2328的电势V1不同的电势V2处。电极2328和锥形电极2327可以由绝缘体234分隔开，所述绝缘体可以由聚对二甲苯或SU8形成。微透镜组合件200a可以具有沿z方向的大约200μm的总长度l。

换言之，图15的a)部分中描绘的实施例可以采用微透镜阵列206和在整个阵列206上方的“第一透镜”，即电极2327。电极2327将离子束聚焦到透镜阵列206上。随后，每个NEMS像素上方的每个离散微透镜2060(由微透镜阵列206的孔口限定)然后将成形的离子束聚焦成向每个NEMS像素的有源区域递送的单独子束。这种组合可以将NEMS传感器阵列的离子捕获效率从1％以下提高到50％以上。

这允许使用如WO2016/118821A1中描述的传感器振荡的多个谐波将离子定位到特别有利于多物理场测量(例如，除了质量之外的形状和大小)的NEMS传感器的区域1048中。

图15的b)部分中描绘的实施例大部分对应于图13中描绘的实施例，因此对于图15的b)部分中描绘的大部分特征，可以参考图13的上文描述。然而，除了上文结合图13讨论的特征之外，图15的b)部分中的微透镜组合件200b的实施例包括Si支撑件240。Si支撑件240定位于最后电极2328和Si₃N₄层2329的后方。

在这点上，应注意，如本文所用的向后和向前表示元素沿z方向的顺序。一般参考图1，应注意，粒子从向前到向后的方向行进。即，粒子源2是最向前的元件，并且例如透镜组合件200比NEMS装置100更向前。向后或后表示与向前相反。

Si支撑件240可以具有沿z方向的大约100μm的长度d6。进一步，Si支撑件240可以朝向电极2328和Si₃N₄层2329逐渐变细，即，其可以具有随着与电极2328和SiN Si₃N₄层2329的距离增加而增加的孔口。Si支撑件240的提供可以简化系统1的构造。

图15的c)部分描绘了微透镜组合件200c的仍另外的实施例。所描绘的微透镜组合件200c包括多个电极2322、2324、2326、2328和定位于电极2322、2324、2326、2328之间的多个绝缘体234。绝缘体可以具有与微透镜的开口总体上相同数量级的长度D4。进一步，微透镜组合件200c还可以包括在最后电极2328后方的Si₃N₄层2329。电极2322、2324、2326、2328可以被供应有不同的电压V1、V2、V3和V4。所有讨论的元件，即电极2322、2324、2326、2328、绝缘体234和Si₃N₄层2329包括相应的周向部分2330、2342、2331和相应的腹板部分2332、2344、2333，为简单图示起见，图15的c)部分中仅标识了其中的一些。周向部分2330、2342、2331和腹板部分2332、2344、2333因此可以限定孔口，所述孔口各自对应于NEMS井阵列的单个NEMS井。因此，每个孔口可以充当用于将粒子聚焦到相应NEMS传感器104上的单独透镜。如所描绘的，电极2322、2324、2326、2328、绝缘体234和Si₃N₄层在x-y平面中可以具有相同的形状和大小。

图15的d)部分描绘了微透镜组合件200d的仍另外的实施例。微透镜组合件200d包括后部电极2328，所述后部电极包括如先前实施例中的外围部分2330和腹板部分2332。进一步，在后部电极2328的向后方，微透镜组合件200d还包括Si₃N₄层2329，所述层具有如结合先前实施例所讨论的外围部分和腹板部分。微透镜组合件200d还包括比后向电极2328更向前的前向电极2335。总体而言，前向电极2335可以具有沿z方向的大约3μm的长度d7。前向电极2335包括外围部分2337和腹板部分2339。网格部分2339也可以被称为栅格部分2339或腹板部分2339。外围部分2337在前后方向上逐渐变细，例如以大约45°的角度。换言之，外围部分2337相对于z轴以大约45°的角度安置。

进一步，在图15的d)部分的横截面视图中，腹板部分2339也以相对于z轴例如大约45°的角度设置。即，在图15的d)部分的横截面视图中，腹板部分2339可以具有总体V形。在前向电极2335与后部电极2328之间，微透镜组合件200d还包括绝缘体234，所述绝缘体还包括外围部分2342和腹板部分2344。绝缘体234的厚度可以为大约0.25μm。

同样，后部电极2328可以处于第一电压或电势V1处并且前向电极2335可以处于不同于第一电势V1的第二电压或电势V2处。(前向电极2335、后部电极2328、Si₃N₄层2329和绝缘体234的)外围部分和腹板部分再次限定孔口，充当粒子如离子的单独透镜。由于前向电极2335的外围部分2337的锥形和前向电极的腹板部分2339的V形，单独的孔口(“透镜”)也可以被称为锥形透镜。同样，这种设计可以用于将粒子，如离子聚焦到单独的NEMS传感器104上，并且更具体地，聚焦到单独的NEMS传感器104的NEMS检测区域1052上。

也就是说，通常，本发明技术允许将离子束聚焦到传输线的端部处的NEMS传感器104上，其中束横截面轮廓被优化为“收纳”传感器阵列的大小。

图16描绘了用于模拟离子透镜效果的模拟结果。更具体地，图16的(a1)部分描绘了用于模拟的系统的一般设置。所述系统包括也可以称为隔膜的第一或前向电极2321、第二或后部电极2323和也可以被称为膜的捕获表面107。第二或后部电极2323通常对应于结合上文讨论的实施例讨论的微透镜组合件200的电极。由于上文讨论的微透镜组合件200形成阵列或栅格，第二或后部电极2323也可以被认为对应于此类阵列或栅格。捕获表面107对应于NEMS传感器104的平面，并且更具体地对应于NEMS传感器区域1044的平面。在模拟中，前向电极2321处于30V的电势处，后部电极2323处于35V(或28V)和40V范围内的电势处，并且捕获表面107处于0V的电势处。图16的(a2)部分更详细地描绘了第二电极2323和捕获表面107。对于执行的模拟，第二电极2323与捕获表面107之间的距离d(对应于分隔距离D)被设置为2.0μm。如所描绘的，后部电极2323包括宽度w为8.5μm的孔口2325。图16的(a2)部分还描绘了带电粒子的轨迹500。对于模拟，假设带电粒子以动能为10eV±1eV的平行束的形式接近，其中±1eV与与10eV的平均值的偏差的均方根值有关。应当理解，在实际应用中，离子束的空间和能量扩散将取决于离子的质荷比(即m/z)，这是由于离子透镜的“之前”(即上游)元素的扩散。通常，能量应低于表面诱导解离的开始，通常在5,000到10,000米/秒或每电荷10到30eV的离子速度附近。

图16的(a3)部分描绘了对于后部电极2323的不同电压，束强度(以任意单位)对捕获表面107上的位置的分布。电压，即后部电极2323的电势被设置为介于35V与40V之间。如在图16的(a3)部分中可以看出，通常，电压越高(在介于35V与40V之间的范围内)，束变得越聚焦。已经在35V的电压下，束主要聚焦在介于-1.6μm与+1.6μm之间的定位处，即在3.2μm的范围内。对于40V的电压，束聚焦到小于2μm。再次参考图9，应注意，优选的NEMS检测区域1052通常约为1(μm)2。因此，不能认为图16的(a1)、(a2)、(a3)部分中模拟的布置对于将带电粒子聚焦到优选的NEMS检测区域1052上是最佳的，因为透镜定位成太靠近NEMS传感器。

图16的(b1)、(b2)、(b3)部分描绘了第二模拟的结果，所述第二模拟具有总体上对应于结合图16的(a1)、(a2)、(a3)部分所讨论的但在与优选实施例相对应的更大距离处的设置。关于图16的(b1)部分，其设置通常对应于结合图16的(a1)部分讨论的设置，一个区别在于后部电极2323被设置为介于28V与40V之间的电压。图16的(b2)部分再次更详细地描绘了设置，相对于图16的(a2)部分的不同之处在于后部电极2323与捕获表面107相距8.5μm的更大距离d。再次，使用动能为10eV±1eV的平行入射束进行模拟，前向电极2321的电压设置为30V，捕获表面107的电压设置为0V，并且改变具有宽度w为8.5μm的孔口2325的后部电极2323的电压。图16的(b3)部分再次描绘了对于后部电极2323的不同电压，束强度(以任意单位)对捕获表面107上的位置。同样，对于介于28V与40V之间的电压，电压越高，束越聚焦。例如，对于40V的电压，束的大部分强度在-0.2μm到0.2μm的范围内，即在0.4μm的范围内。当再次将这与优选的NEMS检测区域1052(参见图9)的近似大小(其为大约1(μm)2)进行比较时，应当理解，所描述的技术可能确实有助于将束聚焦到优选的NEMS检测区域1052上。

即，再次参考图1，本发明技术的所描绘的实施例涉及可以用于分析如离子等粒子的系统1。所述系统包括用于生成带电粒子流的离子源2。进一步，所述系统包括真空接口30。在行进穿过真空接口30之后，粒子处于显著低于大气压的压力下。

为了分析粒子，系统1进一步包括NEMS装置100，所述NEMS装置包括NEMS传感器104的NEMS阵列105(参见例如图5的(a)部分)，并且每个NEMS传感器104包括具有NEMS有效区域1050的NEMS像素1044和至少一个优选的NEMS检测区域1052(参见图9)。

进一步，系统1还包括微透镜组合件200，用于将粒子(例如，离子)聚焦到NEMS像素1044上，特别是聚焦到优选的NEMS检测区域1052上。微透镜组合件200形成多个微透镜，并且通常每个NEMS传感器104一个微透镜。因此，微透镜组合件200可以将粒子聚焦到单独的NEMS像素1044上，并且因此，系统1可以更有效地用于通过NEMS装置100分析粒子。

更具体地，在其中单独NEMS像素1044包括多个NEMS谐振器1048(例如，如图9中描绘的两个NEMS谐振器1048)的实施例中，微透镜组合件200可以被配置成选择性地将离子聚焦到NEMS谐振器1048中的每个NEMS谐振器的优选NEMS检测区域1052。这可以通过调整与相应NEMS像素1044相对应的微透镜的电压(如左电压和右电压)来完成。

在上文中，已经描述了，包括多个微透镜202的微透镜组合件200可以用于将粒子(如离子)聚焦到优选的NEMS检测区域1052上。这可以允许对粒子进行更灵敏的检测。

在一些实施例中，本发明技术还可以用于从NEMS传感器解吸(带电)分子，所述传感器也可以被称为NEMS传感器104。分子可以在NEMS谐振器1048上经历“软着陆”，可以被解吸并运输回到MS仪器20中，用于由MS仪器20进行后续分析，包含解离分析方案。在此，“软着陆”意指吸附到NEMS像素1044上，其中保留了传入分析物的重要属性；此类属性可以包含分析物的电荷状态、其主要分子结构(即通过吸附完整物质，避免其碎裂)以及其高级结构(即通过避免吸附时蛋白质变性)。为了实现这一点，透镜组合件200可以在不同电势之间切换以提供沉积时的静电聚焦和分析物减速(以减轻对吸附的影响作用)对解吸实验之后的最佳加速和向质谱仪聚焦。

关于离子减速的基本原理，可以参考上文已经讨论过的图14A。如图14B中所描绘的，沿z轴，即沿离子的大体行进方向，可能存在电势的增加。如果电势增加，穿过此类电势的离子将被减速。通过适当地控制电势，可能能够使离子软着陆到NEMS传感器上。

进一步，在粒子已经沉积在NEMS传感器104上之后，透镜组合件200还可以用于生成电场以从NEMS传感器104中解吸粒子。应当理解，为了将粒子与NEMS传感器104分隔开，即从NEMS传感器104“解吸”粒子，通常可能需要克服力，并且这个力可以由微透镜组合件200生成的电势梯度提供。下文将提供这的进一步的基本原理。

图17描绘了沉积在表面2002(如NEMS传感器104的表面)上的粒子2000(如离子)的图像。在此类场景下，粒子2000与表面2002之间通常存在粘附力，导致粒子变平，所述粒子可以具有总体上球形形状。这也在图18中示意性地描绘，所述图描绘了半径为R的球形粒子2000和直径为2a的平坦化接触表面。

如果想要去除沉积在表面2002上的粒子2000，则需要克服这两者之间的粘附力F_ad。在粒子2000与表面2002之间应用接触的约翰逊-肯德尔-罗伯茨(Johnson-Kendall-Roberts)(JKR)模型，粘附力F_ad可以计算如下：

F_ad＝3πRγ_S

≈3π(15nm)·(5-150mN/m)

＝0.7-21nN

参见Israelachvili，J.N.《分子间力和表面力：第三次修订版(Intermolecularand surface forces：revised third edition)(2011)，以及本文中的方程(12.10)，其中R是粒子的半径，并且γ_s是每单位面积的能量。应注意，本书中的方程(12.10)涉及两个球体，但是当将平坦表面视为具有无限半径的球体时，可以从本书中的方程(12.10)推导出上述方程。假设粒度为大约15nm，并且假设γ_s介于5到150mN/m之间。后一个假设是基于假设表面与粒子之间的相互作用受范德华力支配(参见上述书籍和Ruz Tamayo Pini等人的《病毒纳米力学光谱学物理学(Physics ofNanomechanical Spectrometry ofViruses)》《科学报告期刊(Sci Reports)》2014，在这方面)。因此，从NEMS传感器104吸收粒子所需的力可以估计为介于0.7与21nN之间。

来自常规NEMS操作的机械力可以表示如下：

F_mech＝ma₀ω² sin(ωt)

F_mech，max≈(800kDa)·(50nm)·(2π·20MHz)²

＝0.001nN

在本文中，使用了以下符号：

m：粒子的质量；

a：加速度；

s：定位；

a₀：振荡幅度；以及

ω：振荡频率。

对于估计，使用了这些参数的典型值。

因此，从表面去除(电荷z＝70的)粒子所需的电场可以估计如下：

E_desorb＝F_ad/q

≈(.7-21nN)/(70e)

＝60-1870V/μm

由微透镜202生成的非常强的电场是通过模拟此类场来确定的，如图19A-图19D和图20A-图20C中所做的，所述图各自描绘了参考通常与微透镜202相对应的配置的模拟结果。模拟是通过使用模拟软件生成的。

更具体地，图19A是具有处于1000V电势处的表面2002和处于0V电势处的部分2004的模拟结果。部分2004包括开口2006，所述开口四周被材料包围。开口2006是方形的，其中大小为10μm×10μm。部分2004距表面2002一定距离，所述距离在图19A中为10μm。在部分2004与表面2002之间，存在将部分2004与表面2002分隔开的绝缘体。应当理解，图19A中描绘的配置通常对应于微透镜202和NEMS传感器104的组合，表面2002对应于NEMS传感器104(并且更具体地对应于NEMS传感器区域1044)和具有与微透镜202相对应的开口2006的部分2004。图19A描绘了基于图19A中描绘的配置的模拟在z方向上产生的电场。图19A还包含与10V/μm(最上面的线)到90V/μm(接触表面2002的线)的电场相关的恒定电场线，其中其它恒定电场线字段表示10V/μm的倍数。如可以看出的，在表面2002(对应于NEMS传感器104)附近，电场具有大约90V/μm和更高的z分量。

图19B到图19D描绘了具有略微不同配置的类似模拟。更具体地，对于图19B到图19D而言，表面2002(其始终为1000V)与具有开口的部分2004(其始终为0V)之间的距离是不同的，即，图19B为5μm，图19C为2μm，并且图19D为1μm。

因此，电场的z分量也发生了变化。在图19B中，恒定场线也表示10的倍数，最上面的恒定场线表示50V/μm，并且具有最高值的恒定场线表示180V/μm。在图19C、图19D和图20A、图20B和图20C中，恒定场线表示50的倍数，最上面的恒定场线总是表示50V/μm，并且具有最高值的恒定场线表示450V/μm。

即，在表面2002(对应于NEMS传感器)附近，电场具有大约以下z分量，所述电场能够从NEMS传感器区域1044解吸粒子：

图20A到图20C描绘了通常对应于结合图19A到图19D讨论的结果的模拟结果。同样，所有这些图都描绘了电势为1000V的表面2002和具有开口的部分2004，所述部分处于0V电势处。部分2004与表面2002相距2μm的距离。然而，在图20A到图20C中，开口的大小是变化的。更具体地，图20A中的部分2004包括大小为10μm×10μm的开口2006，图20B中的部分2004包括大小为5μm×5μm的开口2008，并且图20C中的部分2004包括大小为2μm×2μm的开口2010。应当理解，图20A中描绘的配置对应于图19C中描绘的配置。此外，应当理解，通常，表面2002可以对应于NEMS传感器104并且部分2004可以对应于微透镜202。

同样，所得电场的z分量由对应值的电场线描绘。在表面2002附近，电场的以下近似z分量适用：

	开口2006到2010的大小	2002表面附近电场的z分量(近似值)
			图20A	(10μm)2	150到450V/μm
图20B	(5μm)2	300到450V/μm
			图20C	(2μm)2	＞450V/μm

应当理解，对于长期操作而言，电场的此类值可能太高，并且因此只能作为纳秒长脉冲在短时间内施加。此类高场强值可能会通过其它方式降低以降低粘附力，例如用于加热的IR激光或在NEMS装置上使用比分析物离子(例如聚合物的自组装单层)粘附力低得多的牺牲层。

图21A的(i)描绘了总体上对应于上文结合图19A描述的三维配置的三维配置。再次，存在彼此相距一定距离的表面2002(通常对应于NEMS传感器104，并且更具体地对应于NEMS传感器区域1044)和包括开口2006(通常对应于微透镜202)的部分2004。图21B的(i)描绘了在部分2004与表面2002之间具有较小距离的类似配置(例如，总体上对应于图19C中描绘的配置)。

图21A的(ii)和图21B的(ii)描绘了分别与图21A的(i)和图21B的(i)中描绘的配置相对应的电势的z分量的一般表示。如可以看出的，直到对应于部分2004的点为止，电势基本上是均匀的，并且然后增加到表面2002的更高电势。如果保持表面2002的电势恒定，则表面2002与部分2004之间的距离越小，电势将越急剧增加，如在比较图21A与图21B时可以看出的。这也会导致更高的电场——在这方面参见图19A-图19D。

再次参考图19A-图19D和图20A-图20C以及与其相关的先前讨论，可以注意到，取决于精确的几何形状，表面2002(对应于NEMS传感器104)附近的电场的z分量是几百V/μm的数量级。取决于要分析的粒子的类型和其上文讨论的每单位面积的能量γ_s，这可能足以(参见上文方程)从NEMS传感器104解吸粒子。因此，本发明技术允许已经撞击NEMS传感器104的粒子从中解吸并且被馈送到其它器具以进行进一步分析。

再次参考图21A-图21B，应注意，图21A的(i)和图21B的(i)涉及使用软件的模拟。假设粒子在表面2002处以接近0的速度开始，并且然后向左行进。如可以看出的，这些图中的线所标识的粒子采用几乎均匀并线性路径，与配置的确切几何形状无关。

图22描绘了使用进行的离子光学模拟的进一步细节。在所有图22的(a)部分到(c)部分中，包括表面2002和部分2004(如图21A-图21B中)的组合件被模拟成定位于右侧。解吸的粒子从此组合件(其也可以被称为晶圆)飞到左侧。图22的(a)部分到(c)部分描绘了对于不同电压，一组离子从晶圆至多5mm的扩散。

更具体地，相对于部分2004(对应于微透镜)，图22的(a)部分对应于其中表面2002处于10V处的配置、图22的(b)部分具有100V电压、图22的(c)部分具有1000V电压。

应当理解，表面2002(对应于NEMS组合件)与部分2004(对应于微透镜)之间的相对电压很重要。实际上，电压降低的可能是微透镜(对应于部分2004)，为了简化NEMS操作，2002保持在接地附近。

更具体地，在所有图22的(a)部分到(c)部分中，表面2002和部分2004相隔5μm的距离(图22的(a)部分到(c)部分中未以正确比例示出)并且施加上文描述的电压(10V、100V、1000V)。

因此可以观察到，粒子的扩散，即离NEMS传感器104的表面5mm距离内的所解吸粒子的点大小越小，电压越高。

此外，对于10V的电压，评估了部分2004与表面2002的不同距离，即在10μm、5μm(如上)和2μm的距离下模拟了5mm距离处所解吸粒子的点大小。对于所有这些距离(其也可以被称为电极间距)，点大小为430μm，即电极间距在模拟中没有任何可测量的影响。

特别是在较高电压下，生成的束的直径因此低于100μm，便于在系统中进一步使用。

基于上文讨论的模拟，应当理解，本发明技术还可以用于从NEMS传感器104解吸粒子并且将这些粒子聚焦以对此类粒子进行进一步检查。

每当在本说明书中使用相对术语如“约”、“基本上”或“大约”时，这类术语还应被解释为还包含确切的术语。也就是说，例如，“基本上直的”应被解释为还包含“(确切地)直的”。

每当在上述或还在所附权利要求中记载步骤时，应注意，步骤在本文中记载的顺序可为偶然的。也就是说，除非另有说明或者除非技术人员清楚，否则记载的步骤的顺序可为偶然的。也就是说，当本文件陈述例如一种方法包括步骤(A)和(B)时，这不一定意指步骤(A)在步骤(B)之前，而是也有可能步骤(A)(至少部分地)与步骤(B)同时执行，或步骤(B)在步骤(A)之前。此外，当据说步骤(X)在另一步骤(Z)之前时，这并不意指在步骤(X)与(Z)之间没有步骤。也就是说，步骤(Z)之前的步骤(X)涵盖步骤(X)在步骤(Z)之前被直接执行的情况，而且涵盖(X)在一个或多个步骤(Y1)……、接着是步骤(Z)之前被执行的情况。对应的考虑在使用术语如“之后”或“之前”时适用。

尽管在上文中，已经参考附图描述了优选实施例，但是技术人员将理解，此实施例仅仅是作为本发明的实例为了说明的目的而提供的，并且决不应该被解释为限制由权利要求限定的本发明的范围。

可以通过单独的每个实施例或通过所描述的实施例的一些或所有特征的组合来实现本发明而没有任何限制。

Claims (20)

1.一种用于分析粒子的方法，所述方法包括利用系统，所述系统包括：

NEMS装置，所述NEMS装置包括至少一个NEMS传感器，所述NEMS传感器用于检测撞击所述至少一个NEMS传感器的粒子，每个NEMS传感器包括NEMS传感器区域；

粒子透镜组合件，所述粒子透镜组合件包括至少一个粒子透镜，所述粒子透镜用于将粒子聚焦到所述至少一个NEMS传感器的所述NEMS传感器区域上，

其中所述粒子透镜组合件与所述至少一个NEMS传感器区域间隔开一定分隔距离，

其中所述系统被配置成将所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的空间维持在一定压力下，在所述压力下，参考粒子的平均自由路径大于所述分隔距离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括通过所述粒子透镜组合件将粒子聚焦到所述至少一个NEMS传感器上，其中所述使粒子聚焦包括到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在小于所述粒子透镜组合件的横截面面积的20％的面积中撞击所述NEMS传感器。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中所述粒子透镜组合件包括包含多个电极的电极系统，所述方法包括：

向所述电极施加第一电压组合，从而在所述至少一个NEMS传感器区域上产生第一焦点；

向所述电极施加第二电压组合，所述第二电压组合不同于所述第一电压组合，从而在所述至少一个NEMS传感器区域上产生第二焦点，所述第二焦点相对于所述第一焦点在空间上移位。

4.根据权利要求1所述的方法，其中从所述粒子透镜组合件行进到所述NEMS装置的粒子限定z方向，并且其中所述粒子透镜组合件包括电极系统，所述电极系统包括多个电极，所述方法进一步包括

向所述多个电极施加电压组合，并且由此降低粒子沿所述z方向的速度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述粒子透镜组合件包括包含多个电极的电极系统，所述方法进一步包括

向所述电极施加电压，并且由此去除定位于所述至少一个NEMS传感器区域上的粒子。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法进一步包括在从所述NEMS传感器区域去除所述粒子之后通过不同于所述NEMS装置的另外的仪器分析所述粒子，其中所述另外的仪器是质量分析器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：

限定所述参考粒子；

将所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的所述空间维持在一定压力下，在所述压力下，所述参考粒子的平均自由路径比所述分隔距离大5倍以上。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统进一步包括对准机构，所述对准机构被配置成改变所述粒子透镜组合件相对于所述NEMS装置的位置，并且其中所述方法进一步包括改变所述粒子透镜组合件相对于所述NEMS装置的位置，这使每次到达所述NEMS传感器区域的粒子增加。

9.一种用于分析粒子的系统，所述系统包括：

NEMS装置，所述NEMS装置包括至少一个NEMS传感器，所述NEMS传感器用于检测撞击所述至少一个NEMS传感器的粒子，每个NEMS传感器包括NEMS传感器区域；

粒子透镜组合件，所述粒子透镜组合件包括至少一个粒子透镜，所述粒子透镜用于将粒子聚焦到所述至少一个NEMS传感器的所述NEMS传感器区域上，

其中所述粒子透镜组合件与所述至少一个NEMS传感器区域间隔开一定分隔距离，

其中所述系统被配置成将所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的空间维持在一定压力下，在所述压力下，参考粒子的平均自由路径大于所述分隔距离。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述至少一个NEMS传感器是多个NEMS传感器，并且其中所述至少一个粒子透镜是多个粒子透镜，并且其中每个粒子透镜被配置和定位成将粒子聚焦到与所述粒子透镜相关联的NEMS传感器上。

11.根据权利要求9和10中任一项所述的系统，其中所述NEMS装置与所述粒子透镜组合件分隔开的距离的范围为1μm到20μm。

12.根据权利要求9所述的系统，其中从所述粒子透镜组合件行进到所述NEMS装置的粒子限定z方向，并且其中所述粒子透镜组合件具有沿所述z方向的长度，所述长度的范围为50μm到500μm。

13.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统被配置成将粒子束聚焦到所述至少一个NEMS传感器上，使得到达所述NEMS传感器的至少50％的粒子在小于所述粒子透镜组合件的横截面面积的20％的面积中撞击所述NEMS传感器。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统进一步包括第一质量分析器。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述系统进一步包括第二质量分析器。

16.根据权利要求14所述的系统，其中

所述系统进一步包括：

离子源，所述离子源用于使所述粒子离子化；

大气到真空接口，所述大气到真空接口用于将粒子从大气压力转移到减压；

离子储存装置；以及

碰撞池；其中

所述大气到真空接口定位于所述离子源的下游；

所述离子储存装置定位于所述大气到真空接口的下游；

所述第一质量分析器定位于所述离子储存装置的下游，由此限定所述离子储存装置的下游的第一分支；

所述碰撞池定位于所述离子储存装置的下游，由此限定所述离子储存装置的下游的第二分支；

并且所述粒子透镜组合件和所述NEMS装置定位于所述碰撞池的下游。

17.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统被配置成将所述粒子透镜组合件与所述NEMS装置之间的所述空间维持在一定压力下，在所述压力下，所述参考粒子的平均自由路径比所述分隔距离大5倍以上。

18.根据权利要求9所述的系统，其中所述分隔距离的范围为2μm到20μm。

19.根据权利要求9所述的系统，其中所述NEMS传感器区域具有一定面积，并且其中所述分隔距离与此面积的平方根的商的范围为0.5到20。

20.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统被配置用于根据权利要求1所述的方法。