CN116829935A - 高压离子光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离子排斥表面，该离子排斥表面包括：沿着轴线分布的第一多个细长电极，该第一多个细长电极被配置为接收具有非对称波形的第一RF电压；以及沿着轴线分布的第二多个细长电极，该第二多个电极与第一多个电极交错并且被配置为接收具有非对称波形的第二RF电压，该第二RF电压具有与第一RF电压不同的相位。第一多个电极和第二多个电极以及第一RF电压和第二RF电压被配置为使得邻近离子排斥表面的电场的强度足以使离子经历迁移率变化。可以根据此类离子排斥表面提供一种离子光学装置，根据该离子光学装置可以考虑离子光学系统、离子光学界面、质谱仪和/或离子迁移谱仪。

Description

高压离子光学装置

技术领域

本公开涉及离子光学装置、离子排斥表面、离子光学系统、多极离子光学装置以及质谱仪或离子迁移谱仪。

背景技术

本公开涉及在大气压下对离子的操纵和限制。许多技术公开内容，包括专利文献，都旨在使用由于射频(RF)场引起的赝势效应在接近、包括和超过大气压(其在本文中被称为“高压”)的压力下限制离子。

具体地，许多已知的方法假设赝势效应足以在接近大气压下限制离子，例如US-8,362,421、US-8,835,839(依赖于如US-5,572,035中描述的不均匀电场)、Tolmachev等人，(Anal.Chem.86 18 9162-9168(2014))、WO-2017062102A1、US-9,984,861B2、US-8,975,578B2、US-8,841,611B2、US-8,067,747B2和US-9,620,346B2。如这些文献中所描述的装置包括电极阵列，该电极阵列具有施加到其上的相反相位(彼此相差180度的相位)的RF电压以便产生电极阵列本地的场梯度，这些场梯度区域中的离子振荡导致赝势效应发生，该赝势效应由每个振荡周期上在较低场梯度的方向上施加力的净场(赝场)产生。有利地，赝场以这种方式作用在任一电荷极性的离子上。US-8,299,443B1和US-9,053,915B2通过尝试通过在非常高的电场强度下操作来增加赝势而进一步采用这种方法。

考虑到这样的方法，应当注意Tolmachev等人，(Nucl.Intr.and Meth.inPhys.Res.B 124(1997)112-119)，该文献解释了在大气压下，通过离子-气体碰撞抑制振荡幅度并改变离子速度和场振荡之间的相移，赝势被严重衰减。值得注意的是，US-9,991,108(第2列第4至9行)写道：“然而，在接近大气压的压力下以及在离子不由于与背景气体分子碰撞而迅速失去动能的非常低的压力下，利用RF限制场进行有效的离子捕获是困难的。商业大气压IMS装置不采用RF离子阱或RF离子导向器。”

这可能表明，使用赝势效应在大气压下用RF场限制离子的现有方法在实践中没有如他们的设计者所预测的那样好地操作。在高压下使用RF场有效且有用地限制离子是一个挑战。

发明内容

在这种背景下，提供了许多用于在高压下使用RF场限制离子的方法。这些方法可以组合，并且任何一种方法的特征和/或选项可以毫无困难地用于另一种方法中。

在一个方面中，考虑基于两个(或更多个)空间分离的电极周围的布置，该两个(或更多个)空间分离的电极用于在高气体压力环境中接收离子。该环境可包括室、外壳或任选地在没有任何封闭物的情况下是开放的。具有非对称波形的RF驱动电压被施加到电极。施加到两个电极的RF驱动电压具有相同的驱动频率(例如，相同的基频和优选地相同的次频率分量，并且可以具有相同的幅度和/或其他波形特性)但是不同的相位。接收的离子经历高电场强度，特别是足以使离子经历迁移率变化(例如，至少1MV/m)。相位差被认为是至少π/2，并且在一些实施方式中，至少π。有利地，非对称波形的幅度具有基本上为零的时间上的积分。非对称波形优选地具有由两个或更多个余弦函数之和限定的形状，尽管该形状可以替代地由矩形函数或矩形函数之和限定。

高气体压力可足够高，使得结合一个或多个RF驱动频率，电场与经历电场的所接收的离子的速度之间的相移基本上为零。在实施方案中，气体压力为至少10kPa、25kPa、50kPa、75kPa、100kPa或大气压(1atm)。该气体可以是空气。

电极可以形成为两组交错的电极，其中RF的一个相位施加到交替电极，而RF的另一个相位施加到交错的电极。电极可以在同一平面中或设置在相对(平行)平面中。

可以有多于两组产生电场的电极。每组电极可以接收具有一个或多个驱动频率但是与其他组电极不同的相位的非对称RF电压。在一些实施方案中，可以在一个平面中提供两组电极，并且可以在不同平面(例如，平行、分离的平面)中提供另一组(或多组)电极。

尽管RF电压被供应到多组电极并且通常仅RF(即，没有DC)被施加到该多组电极，但是可以提供一个或更多个另外的电极，一个或更多个DC电压可以(仅)被施加到该一个或更多个另外的电极。例如，这可以帮助将离子限制在其他维度中。被施加DC的该一个或多个电极可以在该多组电极的空间范围之外，尤其是在这种情况下。

另一个方面可以考虑由两组电极形成(优选地在基板上)的离子排斥表面，该基板通常是平面的并且可以是基本上电绝缘的。另选地，两组电极可由被定位在电极的端部附近的一个或多个支撑件保持。电极中的每个电极是细长的并且沿着轴线分布(例如，线性的或弯曲的，电极基本上平行于线性轴线)，在来自第一组的电极和来自第二组的电极之间交替。将具有非对称波形的RF电压施加到两组电极，其中施加到第一组的RF电压与施加到第二组的RF电压之间的相位不同(通常相差至少π/2)。邻近离子排斥表面的电场强度是高的，特别是足以使离子经历迁移率变化(例如，至少1MV/m)。离子排斥表面可以布置在被配置为在高气体压力(例如，至少10kPa并且甚至接近或处于大气压)下和/或在空气中操作的环境(其可以是室、外壳或简单地开放的)中。

(来自一组或多于一组的)电极中的每个电极通常具有相同的形状、相同的尺寸和相同的间隔。附加地或另选地，(来自一组或多于一组的)电极中的一个、一些或每个电极可以具有一系列特性中的一个或多个特性，包括：至少与相邻电极之间的间隙一样大的高度；小于基板的厚度的高度；至少与相邻电极之间的间隙一样大或比相邻电极之间的间隙大的宽度；小于100μm(或在一些情况下50μm)的宽度；在伸长方向上为相邻电极之间的间隙的至少2、3、5、10、20、25或50倍长的长度；以及为以下各项中的一项的横截面(垂直于伸长方向截取)：具有倒圆拐角的矩形；半球形；以及半卵形。(来自一组或多于一组的)电极中的一些或每个电极在伸长方向上的长度可以是基本上相同的。

一组中的每个电极可以在一个端部处连接到相应的公共导体(该公共导体接收适当的RF电压)。用于第一组电极的公共导体可以连接在该组电极的一个端部处，并且用于第二组电极的公共导体可以连接在该组电极的与第一组电极相对的端部处。

如上所述，通常仅将RF(即，没有DC)施加到该多组电极。可以提供被施加DC(唯一)电压的其他电极。这些电极可以是基本上平面的，并且基本上在施加RF的相同平面电极中。例如，一个DC电极可以与RF电极(垂直于它们的伸长方向)的第一端部相邻地设置，并且另一个DC电极可以与RF电极的相对的端部相邻地定位。导电背板可以设置在基板的与该多组电极定位在其上的侧面相对的侧面上。可将DC电压施加到导电背板。

可以有产生电场的多于两组的电极(例如，如以上参考第一方面所讨论的)。例如，类似于上面讨论的第一组电极和第二组电极，两个其他组的电极(第三组电极和第四组电极)可以沿着第二轴线(例如，第一轴线的延伸或平行于第一轴线)分布，在来自第三组的电极和来自第四组的电极之间交替。将具有非对称波形的RF电压施加到第三组电极和第四组电极，其中施加到第一组电极、第二组电极、第三组电极和第四组电极中的每组电极的RF电压之间的相位不同。

在另一个方面，可以考虑一种离子光学装置(诸如离子导向器、离子存储装置、离子阱、碰撞单元或类似物)，该离子光学装置包括如本文所描述的离子排斥表面。在一个实施方案中，离子光学装置还包括板电极，该板电极与离子排斥表面在空间上分离(并且优选地基本上平行于离子排斥表面)，以便在离子排斥表面和板电极之间限定离子通道。可以将具有非时变电势偏移的DC电压或RF电压施加到板电极。

在另一个实施方案中，离子排斥表面可以是第一离子排斥表面，并且离子光学装置还可以包括如本文所描述的第二离子排斥表面，该第二离子排斥表面与第一离子排斥表面在空间上分离，以便在第一离子排斥表面和第二离子排斥表面之间限定一个或多个离子通道。两个离子排斥表面的电极可以彼此相对并对准。施加到离子排斥表面的电极的RF电压可以是相同的(至少在量值上)。即使在每个离子排斥表面具有多于两组电极的情况下，这些特征也可以应用。

在一些实施方案中，该离子排斥表面(或多个离子排斥表面)的轴线是线性的。另选地，该离子排斥表面(或多个离子排斥表面)的轴线可以是弯曲的，例如圆形。在这种情况下，离子通道限定用于离子行进穿过其中的圆形飞行路径(或者离子通道可以限定用于离子行进穿过其中的多个圆形飞行路径)。

对于根据任何实施方案的离子光学装置，可以选择RF电压的频率，使得离子振荡幅度小于离子通道的宽度的相当大的部分。

离子光学装置可以具有多于一个离子通道。例如，板电极可用于在两个离子排斥表面之间进行分离，从而在每个离子排斥表面和板电极之间限定相应的离子通道。在这种情况下，施加到两个排斥表面的RF电压的非对称波形的极性可以相反。在另一示例中，每个离子排斥表面可具有四组电极，其中两组电极沿着相应轴线的一个长度并且两组电极沿着相应轴线的不同长度。施加到前两组电极的RF电压可以具有与施加到另外两组电极的RF电压相反的极性。具有被施加相反极性RF电压的两个离子通道的任何实施方案因此能够处理具有不同离子迁移率类型的离子。上游FAIMS分离器可用于分离具有不同离子迁移率类型的离子，然后再将该离子转移到离子光学装置的适当离子通道。

传送控制器可通过控制以下各项中的一项或多项来引起离子在该离子通道或每个离子通道内的移动：(i)施加非时变电势以沿着该离子通道或每个离子通道的长度产生稳态电场；(ii)沿着该离子通道或每个离子通道的长度的气体流；以及(iii)施加行波电势以沿着该离子通道或每个离子通道的长度产生移动电场。传送控制器可以控制向被施加RF电压的电极和/或各自被定位在被施加RF电压的电极之间的补充电极中的任一个电极施加电位。

在另一个方面中，可以考虑一种离子光学系统，该离子光学系统包括：如本文所公开的并且被配置为接收离子的离子光学装置。离子光学系统还可以包括至少一个选通电极(gating electrode)。DC电源可以被选择性地配置为向选通电极(或多个选通电极)提供DC电势，以便使得离子从RF离子导向器转移到输出装置(例如，另一离子光学装置)。离子排斥表面或板电极中的孔口可允许离子行进穿过其中，其中输出装置经由该孔口接收离子。例如，选通电极可以被定位在离子排斥表面上或被定位成与离子排斥表面相邻(例如，在基板上)并且位于孔口附近。可使用多个选通电极，例如其中一个选通电极被定位在离子光学装置上或被定位成与离子光学装置相邻，而另一个选通电极被定位在输出装置上或被定位成与输出装置相邻。两个不同的DC选通电势可以被施加到选通电极，例如以使得离子从第一离子光学装置行进通过孔口并且到达另一个离子光学装置。第二离子光学装置可被定向成平行于第一离子光学装置，其中第一离子光学装置在离子排斥表面中具有用于离子行进穿过其中的第一孔口，并且第二离子光学装置在离子排斥表面中具有用于接收离子的第二孔口。另选地，第二离子光学装置可被定向成垂直于第一离子光学装置，其中第一离子光学装置在离子排斥表面中具有用于离子行进穿过其中的孔口，并且第二离子光学装置被定位成使得离子可行进穿过该孔口并且在第二离子光学装置的离子通道的端部中被接收。

另外的方面可在离子光学系统中发现，该离子光学系统包括多个RF离子导向器，该多个RF离子导向器中的每个离子导向器由如本文所公开的离子光学装置形成。

在离子光学系统的一个示例中，多个离子光学装置中的每个离子光学装置可包括一个或多个离子排斥表面，该一个或多个离子排斥表面各自具有用于第一多个电极和第二多个电极的相应圆形轴线。换句话讲，用于每个离子光学装置的离子通道可以限定用于离子行进穿过其中的相应圆形飞行路径。

例如，该多个RF离子导向器可以包括两个离子光学装置，该离子光学装置在相应的平面中各自具有圆形轴线，但是具有不同的(即，偏移)中心，使得这些轴线重叠。具体地，这些轴线可以在平行平面中。离子转移光学器件可以在轴线重叠的区域中在离子光学装置之间转移离子。在另一示例中，四个离子光学装置可各自具有相应的圆形轴线。第一对装置(即，两个装置)的轴线可以是同心的但具有不同的半径(并且有利地在同一平面中)。类似地，第二对装置的轴线可以是同心的，但是从第一对装置的轴向中心偏移(并且有利地，在平行于第一对装置的轴向平面的平面中)。第二对装置的轴向半径与第一对装置的轴向半径匹配，使得一对装置的具有较小半径的轴线与另一对装置的具有较大半径的轴线重叠。离子转移光学器件可以在它们的轴线重叠的区域中在RF离子导向器之间转移离子。

可在质谱仪中考虑又一方面，该质谱仪包括如本文所公开的离子光学系统。该质谱仪还可以包括至少一个离子光学处理装置，该至少一个离子光学处理装置被配置为从离子光学系统接收离子。

另一方面可在质谱分析系统的两个部分之间的离子光学界面中发现，其中RF离子导向器由如本文所公开的离子光学装置或离子光学系统形成。离子在RF离子导向器的一个端部处被接收并且在RF离子导向器的相对的端部处输出。例如，可在大气压下从离子源或一些其他部分接收离子。该界面可以输出到在大气压以下操作的部分。该方面还可以在质谱仪或离子迁移谱仪中发现，该质谱仪或离子迁移谱仪包括离子源(例如，APCI、APPI、ESI、EI、CI、ICP或MALDI类型，任选地具有至少5nA的离子电流)、如本文所描述的离子光学界面和离子处理系统(例如，离子迁移率分析器)。可以在离子源和离子光学界面之间施加加速电势。界面中的RF离子导向器的温度可高于离子源的温度。可考虑离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括由如本文所描述的离子光学装置形成的离子迁移率分析器。

可以提供多极离子光学装置。两个相对的多个电极(例如，各自沿着相应的轴线设置，两个轴线是平行的)可以在它们之间限定离子通道，该离子通道典型地沿着相应的轴线相等地间隔开。如上所述，可以向电极提供非对称RF电压，其中相邻电极接收具有不同相位的RF电压。通常，仅RF(即，没有DC)被施加到相对电极。可以在离子通道中形成高强度电场(足以使离子经历迁移率变化，例如至少1MV/m)。离子可由此被捕获。优选地使用高气体压力(例如，至少10kPa)，使得电场和离子速度之间的相移基本上为零。RF电压的正峰值电压与负峰值电压的比率(或RF电压的负峰值电压与正峰值电压的比率，例如取决于波形的极性)优选地具有至少2的量值。

简单的阱可以在相邻电极之间具有大约π(180度)的相位差。换句话讲，在同一轴线上的相邻电极之间和在两个轴线之间的相邻电极之间的相位差。

更复杂的多极配置可以涉及电极被分组，使得组内(以及组之间)的相邻电极接收具有相同波形(一个或多个频率)并且具有相差2π除以组中的电极数量的相位的RF电压。例如，一组四个电极，其中在相邻电极之间相差大约π/2(90度)的相位可以提供四极离子光学装置。类似地，一组三个电极，其中在相邻电极之间相差大约2π/3(120度)的相位可以提供三极离子光学装置。需注意，在提供多组电极的情况下，同一相位差也应当施加在两个不同组的相邻电极之间，如同该组内的相邻电极之间。因此，六个电极的重复单元也可以限定三极阱阵列。

同一离子光学装置中的两个相邻多极阱可以设置有具有相反极性的RF电压(极性是指在非对称波形的一个周期上的平均电压和/或更高峰值电压的极性)。以这种方式，不同迁移率类型的离子可以被捕获在同一离子光学装置中。上游离子迁移率分离器可用于向两个阱提供离子。

离子可以通过不同的方法在阱内传送和/或被阱捕获，这可以(例如，通过控制器)进行控制。在一种方法中，可以向电极施加稳态电场，例如通过利用单调变化幅度的非时变电压对电极(和/或补充电极)进行偏置(以生成电压梯度)。改变偏置电压可以允许通过离子的质量和/或迁移率来分离离子。在另一种方法中，气体可以流动通过阵列(流量被设置为使得具有最小质量和/或最大迁移率的离子被传送，从而使得离子质量或迁移率过滤器成为可能)。气体流还可以使离子在垂直于电极布置方向的方向上传送成为可能。另一种方法可以是向电极施加一组时变电压以产生行波。然后可以产生跨阵列移动的电场。

使用这些方法，离子光学装置可充当以下各项中的一项或多项：质量过滤器；质量分析器；离子迁移率过滤器；离子迁移率分析器；以及漂移管。也可以实现质谱仪或离子迁移谱仪。

还提供了制造和/或操作任何设备、装置、系统或仪器(例如，光谱仪)的方法。这可以具有与本文公开的任何相应产品的步骤相对应的步骤(例如，提供和/或配置产品的特征)。

附图说明

本发明可以通过多种方式实施并且现将仅借助于示例且参考附图来描述优选实施方案，在附图中：

图1示出了非对称波形的第一示例；

图2示出了非对称波形的第二示例；

图3描绘了示出对于三种不同类型的离子的高场迁移率与低场迁移率的比率相对于电场强度的曲线图；

图4A示意性地描绘了条状电极阵列的一部分；

图4B示出了施加到图4A中的对应电极的电压波形；

图5A示出了对于100Da的离子在图4A的结构内的真空中的赝势的等高线图；

图5B示出了对于100Da的离子在图4A的结构内在大气压和室温下在空气中的赝势的等高线图；

图5C示出了对于1000Da的离子在图4A的结构内在大气压和室温下在空气中的赝势的等高线图；

图6描绘了A型和C型迁移率变化的离子的离子迁移率相对于电场强度的曲线图；

图7A和图7B示出了对于相同质量和电荷但具有C型迁移率变化(图7A)和A型迁移率变化(图7B)的离子在大气压和室温下的空气中的赝势的等高线图；

图7C示出了对于与图7B相同质量、电荷和迁移率变化但使用“平均”离子轨迹计算的离子在大气压和室温下的空气中的赝势的等高线图；

图8A示意性地示出了具有指示计算赝势的位置的测试线的电极结构；

图8B和图8C示出了对于100Da(图8B)和1000Da(图8C)的单电荷离子，沿着图8A的测试线在y＝0处相对于x位置和在x＝0处相对于y位置的赝势；

图8D和图8E绘制了对于具有更高量值电压的质量为100Da的离子(图8D)和质量为1000Da的离子(图8E)，沿着图8A的两条测试线相对于x和y位置的赝势；

图8F示出了其上形成有两个交错的电极组的基板；

图9A示出了在x-y空间中的电极阵列和平行平板电极的一部分的示意图；

图9B绘制了施加到图9A的电极的电压波形；

图10A示出了在施加到图9A的电极阵列的图9B的电压波形的一个周期上计算的x-y空间中的平均离子轨迹；

图10B示出了具有指示计算赝势的位置的测试线的x-y空间中的图9A的电极结构的一部分；

图10C示出了对于100Da的单电荷离子，沿着图10B的测试线的有效势相对于距离的曲线图；

图10D示出了对于1000Da的单电荷离子，沿着图10B的测试线的有效势相对于距离的曲线图；

图11A示出了对于图10C的C型离子在x-y空间中的有效势的等高线图；

图11B示出了对于图10D的C型离子在x-y空间中的有效势的等高线图；

图11C描绘了根据本公开的第一光谱测定系统的示意性框图；

图11D描绘了根据本公开的第二光谱测定系统的示意性框图；

图11E描绘了根据本公开的第三光谱测定系统的示意性框图；

图12A示出了基板上的两个平行的条状电极阵列的一部分的横截面视图，其中平板电极被定位在阵列之间；

图12B示出了具有测试线的图12A的电极结构的一部分；

图12C和图12D示出了对于单电荷离子沿着图12B的测试线的有效势相对于y位置的曲线图；

图13A示出了在基板上形成多极并且具有平板电极的条状电极阵列的一部分的横截面视图；

图13B绘制了施加到图13A的条状电极的电压波形；

图14A示出了具有测试线的x-y空间中的图13A的电极结构的一部分；

图14B和图14C示出了对于单电荷离子沿着图14A的测试线的有效势相对于y位置的曲线图；

图15A示出了具有测试线的图13A的电极结构的一部分；

图15B示出沿着图15A的测试线的有效势相对于x位置的曲线图；

图16A示出了在相应的相对基板上形成多极的条状电极的第一阵列和第二阵列的一部分的横截面视图；

图16B绘制了施加到图16A的条状电极的电压波形；

图16C示出了具有测试线的图16A的电极结构的一部分；

图16D示出了具有另外的测试线的图16A的电极结构的一部分；

图16E和图16F示出了对于单电荷离子沿着图16C的测试线的有效势相对于y位置的曲线图；

图16G示出了对于单电荷离子沿着图16D的测试线的有效势相对于x位置的曲线图；

图17描绘了具有多个离子光学装置的第一系统的示意图；

图18示出了具有多个离子光学装置的第二系统的示意图；

图19示出了用于能量提升以允许在相同电压偏移下在两个离子导向器之间转移的有效势分布；

图20示出了具有多个离子光学装置的第三系统的示意图；

图21示出了具有多个离子光学装置的第四系统的示意图；

图22A和图22B示出对于质量为100Da(图22A)和1000Da(图22B)的单电荷离子，沿两条测试线A和B的离子所经历的有效势相对于位置的曲线图；

图22C示出了在图2的电压波形的一个周期上计算的平均离子轨迹，该电压波形以2倍分相施加到图8的电极阵列；

图23A示意性地示出了在x-y空间中的电极结构的一部分的横截面视图；

图23B示出了基频的一个周期上的电压波形和施加到图23A中对应电极的相位；

图23C示出了在图23B的负极性电压波形的一个周期上计算的平均离子轨迹，该负极性电压波形以四倍分相施加到图23A的电极阵列；

图24示出了当施加图23B的电压波形时，在图23A的电极结构中质量为100Da的C型离子在每个周期所经历的净电场或有效电场的矢量场曲线图；

图25A、图25B示出了当对质量为100Da(图25A)和1000Da(图25B)的单电荷离子施加图23B的负极性电压波形时，图23A的电极结构中沿着图8A的两条测试线的离子所经历的有效势相对于位置的曲线图；

图26示出了在施加到图23A的电极阵列的图23B的正极性电压波形的一个周期上计算的平均离子轨迹；

图27A和图27B示出了当对质量为100Da(图27A)和1000Da(图27B)的单电荷离子施加图23B的正极性电压波形时，沿图8A的两条测试线的离子所经历的有效势相对于位置的曲线图；

图28A描绘了在基频的一个周期上的电压波形，该电压波形被分成施加到图23A中的对应电极的四个相位；

图28B示意性地示出了具有指示计算有效势的位置的测试线的图23A的电极结构的一部分的横截面视图；

图29A和图29B示出了当施加图28A所示的电势时，沿着图28B的测试线的离子所经历的有效势相对于x位置的曲线图；

图30A和图30B示出了当三项余弦RF负极性电压波形被施加到图23A的电极时，沿图8A的测试线的离子所经历的有效势相对于位置的曲线图；

图30C示出了当三项余弦RF负极性电压波形被施加到图23A的电极时，沿着图28B的测试线的离子所经历的有效势相对于x位置的曲线图；

图31A描绘了当将非时变电压施加到沿着阵列的电极时，非时变轴向电场强度相对于图23A的电极阵列中的x位置的曲线图；

图31B示出了当具有四倍分相的RF电势和较低电压非时变电势这种两种电势被施加到图23A的电极阵列时，对于不同质量的平均C型离子，所行进的轴向距离相对于时间的曲线图；

图31C示出了当具有四倍分相的RF电势和较高电压非时变电势这两种电势被施加到图23A的电极阵列时，对于不同质量的平均C型离子，所行进的轴向距离相对于时间的曲线图；

图31D示出了图23A的电极结构中轴向离子速度相对于质量、迁移率和碰撞横截面的曲线图；

图32A示出了在施加了气体流的情况下图23A的电极布置中的单电荷C型离子的平均轨迹的曲线图；

图32B示出了在所施加的气体流在正x方向上具有22m/s的速度的情况下，图23A的电极结构中的轴向离子速度相对于质量、迁移率和碰撞横截面的曲线图；

图33A描绘了由对准的相对基板上的条状电极形成的三极的阵列的一部分的横截面视图；

图33B示出了基频的一个周期上的电压波形和施加到图33A中的对应电极的相位；

图33C绘制了在图33B的负极性电压波形的一个周期上计算的单个离子的平均离子轨迹；

图33D绘制了在图33B的负极性电压波形的一个周期上计算的不同质量的离子的平均离子轨迹；

图34绘制了当根据图33B的波形被施加到图33A所示的电极布置时质量为100Da的C型离子在每个周期所经历的有效电场的向量场；

图35绘制了当根据图33B的波形被施加到图33A中所示的电极布置时针对不同迁移率类型的离子沿着测试线的有效势相对于y位置的曲线图；

图36A示出了在所施加的气体流在正x方向上具有20m/s的速度的情况下，图33A的三极电极布置中的单电荷C型离子的平均轨迹的曲线图；

图36B示出了在图36A的条件下在图33A的电极结构中的轴向离子速度相对于质量、迁移率和碰撞横截面的曲线图；

图37A示出了在所施加的气体流在正x方向上具有25m/s的速度的情况下，图33A的三极电极布置中的单电荷C型离子的平均轨迹的曲线图；以及

图37B示出了在图37A的条件下在图33A的电极结构中轴向离子速度相对于质量、迁移率和碰撞横截面的曲线图。

优选实施方案的详细说明

根据本公开的方法通过利用微分迁移率效应来改善高压下的离子排斥和离子限制。现有方法提出，由于赝势效应，可以在高压下实现离子排斥和离子限制。然而，已经认识到这种效果的大小比先前预期的小得多。

这可能是因为在接近、包括和超过大气压(其在本文中被称为“高压”)的压力下的气体中的离子运动由于离子-气体分子碰撞而被严重阻尼。该阻尼限制了离子在施加到多极结构的RF场中经历的振荡的幅度。赝势效应依赖于由于场梯度而将离子带入和带出较高场区域的离子振荡，并且通过离子-气体分子碰撞对离子振荡幅度的抑制极大地降低了高压下的赝势效应。离子-气体分子碰撞在高压下的第二效果是，离子速度振荡和电场振荡之间的相移从在真空中接近-π/2的偏移变为在高压气体中趋向于零的偏移。该相移还抑制赝势效应，当相移趋向于零时，离子在振荡周期上经历的净场趋向于零。

在建立更大幅度的微分迁移率效应以及这两种效应的组合以改善高压下的离子排斥和离子限制之前，将首先讨论赝势效应的这些问题。

气体中的赝势效应

包括多极和平面多电极结构的现有装置利用施加的正弦波形的电压驱动。它们利用赝势梯度来限制离子。此类梯度有时也被称为准电势或有效势。这里，将它们称为赝势。

真空中的赝势由下面的等式(1)描述，其中E₀是振荡周期的峰值电场，ω＝2πf并且f是驱动频率，q是离子上的电荷并且m是离子质量。赝势垒需要场梯度，并且不利用离子可能具有的离子迁移率的任何变化。为了简单起见，并且根据在许多现有出版物中使用的术语，术语“赝势效应”在本文中被用作对对称振荡电场的离子的效应，该对称振荡电场具有场梯度，但是该对称振荡电场不需要或利用任何速度相关迁移率变化的存在的任何优点。需要场梯度，使得离子在振荡时所经历的场的差异在每个振荡周期上提供净电场，从该净电场导出赝势梯度。

在存在稠密气体的情况下，赝势效应被衰减。衰减取决于碰撞速率和由于与气体分子的碰撞导致的离子的能量损失。Tolmachev等人(Nucl.Instr.and Meth.in Phys.Res.假设离子速度较低使得τ不依赖于离子速度，B124(1997)112-119)导出应用于真空中的赝势以便获得气体中的赝势的因子γ(下面的等式(2))：

其中τ是气体中特定离子的弛豫时间。弛豫时间是离子从气体中的初始速度减慢1/e倍所花费的时间(这不是如在一些出版物中有时不正确地陈述的碰撞之间的平均时间)。在气体中，赝势由等式(3)给出：

弛豫时间通过等式(4)与离子的迁移率μ相关：

在离子速度保持小于气体分子的麦克斯韦平均热速度(其大约是气体中声速的1.35倍)的条件下，上述等式(4)尤其被认为是有效的。此类条件在实际实施方案和本文给出的模拟结果中占优势(经历迁移率变化，其引起弛豫时间的变化，如下文所讨论的)。

迁移率是压力相关的。赝势的衰减因此也是压力相关的。

在高离子速度下，弛豫时间不是恒定的，而是离子速度的函数，因为如果速度接近气体中的声速，迁移率将变化。因此，衰减因子γ在这些条件下也变化。

衰减部分地是由于气体的阻尼效应引起的较小离子振荡幅度，这使得离子跨越较小的场梯度，并且还部分地是由于离子速度与电场之间的相位差由于频繁碰撞而变小。在低压下，相位差接近-π/2；在稠密气体中，在低驱动频率下相位差趋向于零。当相位差为-π/2时，赝势效应处于其最大值；当相移等于零时，没有赝势效应。相位差尤其取决于气体的密度并且还取决于驱动频率。

作为频率函数的赝势平台

在稠密气体中，在足够低的驱动频率下，其中ω²τ²<<1,γ～ω²τ²。利用该近似和上述等式(4)，然后通过下面的等式(5)来描述上述等式(3)，并且可以看出赝势与驱动频率无关。这是对于所讨论的离子的任何频率在高压气体中可以得到的最大赝势。在更高的驱动频率下，赝势由于1/ω²项而下降。一旦处于等式(5)所描述的状态中，降低驱动频率不会导致更大的赝势，但是其确实产生更大的离子振荡幅度。

需注意，在等式(5)中，与上述等式(1)的真空状态相比，q/m被反转。等式(5)示出赝势遵循质荷比和迁移率平方的乘积，并且不遵循如在真空中的q/m(等式(1))。质荷比和迁移率平方的乘积在质量范围内并且随离子种类而变化。典型地，低于～250Da的单电荷离子具有质量和迁移率平方的低乘积，并且当气体压力高(接近大气压)时更难以使用赝势来限制。

衰减是显著的，并且在大气压下的赝势较低，从而需要非常高的电场以足以限制离子。在高场中，离子速度是气体中声速的相当大的部分，并且迁移率随离子速度而变化。这种理解在本公开中被利用和进一步发展。

如上所述，在US-8,299,443 B1和US-9,053,915 B2中提出的通过在非常高的电强度下操作离子来增加高压下的赝势的尝试具有这些出版物未认识到的效果。在这些文献中提出的高电场和操作压力下，电场周期的部分的离子速度足够高，使得离子迁移率不再是不变的。离子迁移率的这些变化影响赝势(上述等式(5))，如将在下面描述的。

微分迁移率效应

对于时变电场，如果离子所经历的电场是非对称的，则当离子速度接近气体中的声速时迁移率的变化可以用于在每个周期上给予离子净速度。

参考图1，示出了非对称波形的第一示例。诸如图1所示的电场波形是非对称的，但是该波形由具有增加的偏移的对称波形(余弦)形成。这将导致具有给定电荷极性的所有离子在周期上在相同方向上获得净速度，净速度的量值与离子的离子迁移率和电场偏移的量值相关。如果峰值电场和主导压力足以使离子速度接近气体中的声速，则具有相同低速迁移率但具有不同迁移率变化的离子将在场中以不同平均速度行进，但它们将全部沿相同方向行进。在每个周期上波形下方的总面积为非零。

因此，非对称的形式可以是相关的。接下来参考图2，示出了非对称波形的第二示例。诸如该图中所示的电场波形是非对称的，但是在每个周期中该波形下的总面积是零。该波形由等式(6)中的两项余弦描述：

该波形具有将不同比例的周期赋予两个相反极性的非对称性。这种非对称波形对于小比例的周期在一个方向(第一极性)上施加大场，并且对于较大比例的周期在相反方向(第二极性)上施加较小场。选择更小和更大比例的时间和电场量值，使得波形下的面积(电场强度乘以时间)在周期上为零。这例如利用图2和等式(6)中所示的波形来实现。该电场波形使得相同电荷极性的离子在周期上获得净速度，但是现在那些离子中的一些离子的净速度与相同电荷极性的其他离子的净速度在相反方向上，因为净速度的量值和极性不取决于离子迁移率而是取决于随速度的迁移率变化。

等式(6)和图2的波形由两个余弦项形成，并且该波形的相反极性的峰值高度的比率为2:1。可以使用多个余弦项产生其他形式的非对称波形。下面的等式(7a)描述了相反极性的峰值高度的比率为3:1的三项余弦波形，并且下面的等式(7b)描述了相反极性的峰值高度的比率为N_比率的一般情况。

现在参考图3，其中描绘了针对三种不同类型的离子的高场迁移率与低场迁移率的比率相对于电场强度的曲线图。这是基于在Guevremont等人Int.J.Mass Spectrom.,193(1999)第45-56页中出现的附图。高速下的迁移率变化已经被分类为三种类型中的一种，其中一些被表示为A型、B和C。给予具有C型迁移率变化的离子的净速度具有与给予A型迁移率变化的离子的净速度相反的方向并且可能具有不同的量值，即使这些离子具有相同的电荷极性。净速度由非对称电场波形产生，因为尽管离子被电场加速，但是离子根据它们的迁移率而获得不同的速度。因此，当对于小比例的周期在一个方向上存在大场时，离子在第一方向上行进第一距离。然而，当对于较大比例的周期在相反方向上存在较小场时，离子在第二相反方向上行进不同于第一距离的第二距离。这是因为如果场足以使离子的速度为气体中声速的相当大的部分，则离子迁移率随电场强度而变化。具有C型迁移率变化的离子在第一方向上比在相反的第二方向上行进更小的距离。相反地，具有A型迁移率变化的离子在第一方向上比在第二方向上行进得更远。

具有如图3所示特性的B型离子在离子迁移率变化开始时表现出与A型离子相同的行为，显示出离子迁移率随着电场强度的增加而增加。只有在更高的电场强度下，迁移率才达到峰值并且然后下降。可能的是，许多并且可能所有A型的离子达到离子迁移率的峰值，并且然后如果这些离子经历足够高的电场强度则离子迁移率下降。离子迁移率的下降是当离子速度升高时碰撞频率增加的自然结果。

在电场非对称离子迁移谱(FAIMS)中使用由于高速下的离子迁移率变化(微分离子迁移率)引起的这种差异来使离子分离。离子由于这种效应而在每个周期上获得的净速度在本文中被称为“微分迁移率效应”。这种效应需要：(1)离子具有随离子速度变化的迁移率(可能所有离子在某种程度上都具有这种性质)；(2)离子在每个周期上经历某种形式的非对称电场，该非对称使得当处于一个极性时峰值场高于平均值并且当处于相反极性时峰值场低于平均值；以及(3)峰值电场在相关压力下足够高，以使离子速度超过气体中声速的相当大的部分，使得对于周期中的一些周期，离子迁移率不是恒定的。

更一般地，在离子迁移谱领域中，引起微分迁移率效应发生的足够场强被称为“高场”。相反地，高场可以被理解为足够高的场强：引起离子迁移率的非线性依赖性；以及/或者使得离子的迁移率取决于场强。这典型地是至少10⁶V/m，尽管对于低至2.5×10⁵V/m的场中的一些离子种类，随电场的迁移率变化可能开始发生(Viehland,Guevremont,Purves&Barnet,Int.J.Mass Spectrom.197 123-130 2000)。例如，在“Ion MobilitySpectrometry”,G.A.Eiceman,Z.Karpas,Second Edition,CRC Press,23Jun2005,section2.5(“Dependence of Mobility on Electric Field”)中对此进行了讨论。

如上所述，在平板FAIMS分析器中利用不同的迁移率效应。该分析器包括两个平行的平板电极(如在电容器中)。如果分析器具有尺寸比板之间的间隙大得多的板(例如，大至少10％、20％、25％、50％或100％)，则远离板边缘的场强基本上不随位置变化并且不存在场梯度。分析器的一个板设置有非对称电压波形，该电压波形可以是矩形波形，或者如本文所述，是与图2中的波形形状类似并且由上述等式(6)描述的波形。另一个板保持在恒定电势，该恒定电势可以是地。电场波形由横跨板的电压差得出，并且因此也是非对称的，并且具有如图2所示的形式。如果电场强度足够高，则具有C型迁移率变化的离子经历朝向板中的一个板的净漂移速度，并且具有A型迁移率变化的离子经历朝向相对的板的净漂移速度。两种类型的离子的电荷极性相同，但净漂移速度在相反方向上。向板中的任一板施加恒定偏置电压可用于赋予所有离子偏移漂移速度(如上文结合图1中的偏移所述)。由于离子中的仅一些离子的微分迁移率效应，这可用于平衡净速度，从而允许离子保留在板之间的间隙中并且不撞击电极。由此可以形成带通滤波器，使用DC偏移来选择带通。

赝势效应和微分迁移率效应迄今已被分别描述，但可立即认识到这两种效应相互作用。因此，可以通过两种效应一起控制离子的运动。相反地，有可能混淆这两种效应。

微分迁移率影响赝势效应。

微分迁移率效应需要随离子速度的迁移率变化，并且不需要任何场梯度。然而，场梯度的存在可导致离子在周期上经历非对称电场。赝势由于随离子速度改变离子迁移率而改变，如上面关于等式(5)已经指出的那样。现在，可以看出，通过作用在离子上的非对称电场在离子中引起净漂移速度，该非对称电场由对称电场波形加上场梯度得出——只要该场足以在一部分周期上引起接近气体中声速的离子速度。

这影响赝势效应。赝势效应不需要任何迁移率变化，但是当施加的场强在主导压力下足够高时，离子迁移率变化的存在引起净漂移速度的变化，并且因此引起赝势的变化，该变化来自微分迁移率效应。

因此，可以通过在相同场中建模来区分这两个效应，否则相同离子没有迁移率变化。这些离子的每个周期的任何净运动仅可归因于赝势效应。从具有迁移率变化的离子的运动减去这些离子的净运动揭示了仅由于这种微分迁移率效应的净漂移速度。这种用于分离出赝势和微分离子迁移率的不同效应的模拟技术仅在存在场梯度的情况下有用。在上述平板分析器中，赝势效应不发生，并且由于没有场梯度赝势为零。

在大气压下形成的有限赝势阱

利用赝势以在高压下限制离子的已知装置包括多极(例如，US-8,362,421 B2)和具有在每个基板上形成的多个条状电极的相对的基板(例如，US-10,014,167 B2、US-8,835,839 B1、WO-2017/062102 A1、US-8,841,611 B2、US-9,245,725 B2、US-8,299,443 B1、US-8,067,747 B2、US-9,053,915 B2)。条状电极通常在相对的基板上对准，并且因此可以形成多极装置的阵列，并且因此与US-8,362,421 B2所设想的多极没有不同。现在将基于建模和模拟来讨论此类装置的操作。

现在参考图4A，示意性地描绘了条状电极阵列的一部分。电极以两个相对的行示出：在每个行中，四个电极沿x方向均匀分布；并且这两行在y方向上分开，使得电极对在x方向上对准。该图上的单位应该理解为μm。这两行电极被认为安装在相应的平行基板(未示出)上。电极以横截面示出，其是在本文称为z方向的方向上延伸进入和离开纸张的条带。

施加到电极的正弦RF电压在相位上被分离，相邻电极具有施加的180度的相移。条状电极为50μm宽(在x方向上)，具有半径为3.5μm的倒圆拐角，相同基板上的相邻电极之间的间隙为50μm，并且电极高度(在y方向上)为30μm。相对基板上的相对条状电极表面之间的间隙为50μm。除非另有说明，本文的离子运动模拟是针对大气压(101325Pa)和室温(293K)下的空气中的带正电离子。

作为示例，将60MHz下的100V零-峰值电压的正弦电压波形施加到图4A的电极，分成180度分开的两个相位，并且将不同的相位(即，具有一些相移但没有不同极性的相同波形)施加到两个基板上的交替电极。标记为1、4、5和8的电极位于上基板上，并且标记为2、3、6和7的电极位于下基板上。施加到下基板上的电极的波形与施加到上基板上的对应电极(即，直接相对的电极)的波形异相180度。

参考图4B，示出了施加到图4A中的对应电极的电压波形。图4A中标记为1、3、5、7的电极都具有施加的一个相，而标记为2、4、6、8的电极具有施加的另一个相。通过对该布置进行建模，可以看出电极之间的区域中的峰值电场是4×10⁶V/m，该峰值电场在大气压和室温下足以将质量低于几百Da的单电荷离子驱动到高于气体中的声速。

接下来参考图5A，示出了图4A的结构内的真空中的赝势(以伏特为单位)的等高线图。电极在x-y空间(μm)中示出。当施加图4B的正弦电压波形时，对于质量为100Da的单电荷正离子，使用上述等式(1)计算赝势。所产生的势阱为约30V深。离子迁移率和其可能具有的任何不变性与真空中赝势的计算无关。

现在参考图5B，示出了当施加图4B的正弦电压波形时，如图5A所示的相同质荷比的离子在大气压和室温下的空气中的赝势(以伏特为单位)的等高线图。该离子具有不随速度变化的迁移率。赝势使用上述等式(3)来计算，其中衰减因子γ(上述等式(2))因此被取为常数。衰减是大约1/150的因子。

接下来参考图5C，示出了当施加图4B的正弦电压波形时，对于1000Da的离子在大气压和室温下的空气中的赝势(以伏特为单位)的等高线图。因此，这是与图5B中的曲线图等效的曲线图，但针对质量为1000Da的单电荷离子。离子具有不随离子速度变化的迁移率。对于这种更高质量的离子，赝势阱明显更深，如从以上关于等式(5)的讨论所预期的。在大气压和室温下的空气中使用赝势效应不能很好地限制较低质量的离子。这严重限制了传输的电流，因为空间电荷效应或甚至扩散迫使离子越过势垒到达电极上。

参考图6，描绘了A型和C型迁移率变化的离子的离子迁移率(m²/V.s)相对于电场强度(V/m)的曲线图。这些曲线图假定在室温和大气压下的空气中质量为100Da并且直径为9.08×10^-10m的单电荷离子。如上所述，在主导压力和温度下利用的场强下，离子速度将使得在所施加的波形的部分上引起迁移率变化，特别是对于更易移动的低质量离子种类。如图6所示，对于弹性碰撞，随着离子速度接近和超过气体中的声速，C型离子迁移率变化的离子的离子迁移率是增加的离子-气体分子碰撞率(碰撞之间的减少的平均时间)的结果。模拟的A型迁移率变化也被示出，其由C型变化的反转得出，并且是随着离子速度的增加离子-气体分子碰撞率降低的结果。

现在参考图7A、图7B和图7C，示出了对于相同质量和电荷但具有C型迁移率变化(图7A)和A型迁移率变化(图7B)的离子，在大气压和室温下的空气中的赝势的等高线图。在这两种情况下，当施加图4B的正弦电压波形时，该曲线图针对质量为100Da的单电荷离子。电极在x-y空间(μm)中示出。

在该示例中的场强下，A型迁移率变化的离子经历的赝势大约为迁移率不变离子的两倍并且为C型离子的四倍。对于A型离子，最大赝势阱仅为约0.4V，即使捕获区域内的场强超过4百万V/m。赝势的效果可以被看作是量值较低并且可随离子类型高度地变化。现有电极布置设计没有考虑到这一点，并且可以在US-9,991,108(第2栏第4至9行)的文字中解释为什么“商用大气压IMS装置不采用RF离子阱或RF离子导向器”。

赝势效应描述来自每个振荡周期的净离子速度。可以通过考虑在气体存在的情况下在电场作用下的离子运动来计算赝势，该赝势可以通过数值方法来计算，求解以下等式(8)。等式(8)的解在此被称为“平均”离子轨迹，因为等式(8)不考虑扩散的影响。扩散将导致离子在所有三个自由度上扩展，但是平均离子轨迹仍然由等式(8)的解来描述。

使用上述等式(4)得到等式(8)中的弛豫时间τ(t)，并且对于C型和A型离子，随离子速度的迁移率变化如图6所示。对于许多不同的起始阶段确定在离子运动的一个周期上的平均净位移，并且通过该平均净位移可以找到净漂移速度。可使用净漂移速度来确定有效场，并且该有效场可被积分以计算有效势。该方法在场的影响下跟随离子。图7C是在与用于图7B的曲线图的条件完全相同的条件下以这种方式计算的A型离子的有效势的曲线图。

现在参考图7C，其示出了对于具有与图7B中相同质量、电荷和迁移率变化但使用“平均”离子轨迹(即，使用对以上等式(8)的数值解计算的有效场和有效势)计算的离子在大气压和室温下的空气中的赝势的等高线图。使用等式(3)计算的峰值赝势为0.446V，并且以刚刚描述的方式计算的最大值为0.442V。赝势垒在电极附近达到峰值。代表性的测量是考虑沿x＝0和y＝0处的两个线扫描在相邻四极结构之间移动时的电势垒。

现在参考图8A，其示意性地示出了具有指示计算赝势的位置的测试线A(虚线)和B(点线)的x-y空间(μm)(实线)中的电极结构。进一步参考图8B和图8C，示出了沿着图8A的测试线A在y＝0处相对于x位置(μm)的赝势(V)(左图)和沿着图8A的测试线B在x＝0处相对于y位置(μm)的赝势(V)(右图)。两个曲线图都是针对100Da(图8B)和1000Da(图8C)的单电荷离子，具有：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；(c)不变迁移率(点线)。如图4B所示，以60MHz向电极施加100V的零至峰值正弦RF电压。

图8C与图8B的比较示出了C型的低质量离子在结构中如何经历低得多的赝势垒。如上所述，在大气压下赝势的抑制是显著的，并且已经提出增加的施加电压以至少部分地对赝势进行补偿。现在参考图8D和图8E考虑使施加电压加倍的影响，对于具有更高量值电压的质量为100Da的离子(图8D)和质量为1000Da的离子(图8E)，沿着图8A的两条测试线绘制相对于x和y位置的赝势。同样示出了沿着图8A的测试线A在y＝0处赝势(V)相对于x位置(μm)(左图)和沿着图8A的测试线B在x＝0处赝势(V)相对于y位置(μm)(右图)。两个曲线图都是针对100Da(图8B)和1000Da(图8C)的单电荷离子，具有：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；(c)不变迁移率(点线)。如图4B所示，以60MHz向电极施加200V的零至峰值正弦RF电压。

提高电压以获得更高的赝势对于A型离子是有效的，但是对于C型离子使用有限，特别是那些低质量的离子。更高的场强以达到并可能超过气体中声速的速度驱动较高迁移率的离子种类。所导致的离子迁移率的降低减小了C型离子所经历的赝势。

用于捕获高迁移率离子的更高场强还可以导致更大的振荡幅度，这限制离子可以保持在其中并且不撞击电极并丢失的电极结构内的空间体积。倾向于是低质量离子的高迁移率离子经历较大的振荡幅度。实际问题是，为了产生更高的电场同时避免在大气压下的空气内的击穿，电极之间更小的间隙可能是必要的，如帕邢曲线(Paschen curve)的研究所示。这是所描述的电极大小为几十微米的原因之一。然而，产生较大振荡幅度的此类高场可减小其中对于高迁移率离子此类离子可在电极之间保持稳定的空间体积。提高场强以更好地捕获高迁移率离子的尝试可导致这些离子在其中稳定的空间体积越来越小。

用于导出通过求解上述等式(8)的数值方法计算的离子所经历的有效势的方法需要将非对称电压波形施加到电极。在评估有效势时，上述等式(1)、(3)和(5)不再适用，因为它们是针对需要场梯度的赝势效应以及针对低速近似中的正弦场而导出的。相反，在气体存在的情况下，电场作用下的离子运动通过数值方法求解等式(8)计算，该等式考虑到了迄今讨论的所有效应，无论是否由于非对称电场中的运动，无论施加什么电压波形，以及不管随离子速度的迁移率变化如何。

电场与离子速度之间的相位差的影响

微分迁移率效应受到电场和离子速度之间的相位差的影响。然而，已经发现该效应是赝势效应的逆效应。当电场和离子速度之间的相位差为-π/2时，微分迁移率效应在真空中为零。对于移动通过气体的离子，随着RF驱动频率增加，相移趋向于在真空中的相移，并且微分迁移率效应减小。考虑在上述FAIMS平板分析器中产生的由两项余弦组成的电场波形，例如由上述等式(6)给出的。然后，离子速度也是二项余弦，但是每项乘以相移的余弦，该相移是-ωτ的反正切(其中ω是相关的余弦项的角频率)。因此，相移对于每个余弦项是不同的。同样，τ是电场强度的函数，并且因此在振荡周期上变化。

由于微分迁移率效应随着相位差趋向于-π/2而减小，因此频率被选择为足够低，使得对于具有最低离子迁移率的所关注离子的施加电压波形中的所有余弦项，ω²τ²<<1以及γ～ω²τ²。这旨在保持所有相移项接近于0，这提供最大的微分迁移率效应。其还具有处于最大赝势的平台上的效果，使得无论高压气体中多小量的残余赝势保持可用，微分迁移率效应都处于其最大值。总之，可以在向具有RF频率的电极施加非对称电压波形中找到本公开的关键方面，使得RF频率和气体压力的组合产生接近零的相移。相移的量值优选地不大于(或小于)0.1π，更优选地不大于(或小于)0.05π，甚至更优选地不大于(或小于)0.02π，并且可能不大于(或小于)0.01π。不大于(或小于)0.005π或0.001π的相移甚至是可能的。

用于在高压下进行离子操纵的基本电极配置

从以上讨论可以理解，两个电极对于控制高压(例如，接近大气压，特别是几十kPa)下的离子可能是足够的。具有不同相位的非对称波形的RF电势被施加到两个电极，使得靠近电极的离子所经历的电场强度引起迁移率变化。这种导致迁移率变化的RF电压的施加在高压下足以控制离子并且甚至限制它们。可以重复两个电极图案以产生更大的控制和/或限制。

因此，最基本的布置仅包括两个电极或更优选地两组电极，合适的RF电势被施加到这两个电极或两组电极。DC电压可施加到这些电极，但更典型地，仅RF(即，没有DC，诸如FAIMS补偿电压)施加到该多组电极。相反，提供施加有DC电压的第三电极(或第三组电极)。现在讨论用于实现沿着这些线的控制或者至少充当离子排斥表面的可能的电极布置。

现在参考图8F，其示出了其上形成有两个交错的电极组的基板。该示意图示出了在半导体或绝缘基板20(厚度为t)上的条状电极10的交错阵列。条状电极被分成组RF 1和RF 2，这两组适用于要施加的RF驱动电压的不同相位。存在两个端电极S1和S2，这两个端电极可用于控制离子在其附近的运动。离子可平行于条状电极被引导，在这种情况下，电极S1和S2可用于通过施加小的正DC电势(对于带正电的离子)来防止离子扩散超过条状电极阵列的宽度。更优选地，离子可以从S1到S2被引导横跨条状电极(在这种情况下，附加的DC电极可以垂直于RF电极的伸长方向沿着其他边缘安置，以限制离子的横向扩散)。在左侧示出了平面图(示出了x轴和z轴)，右侧示出了具有选择的条状电极的侧视图A的一部分，一个条状电极部分被放大(示出了x轴和y轴)。条带具有宽度w、高度h，并且相邻的条带由间隙g分开。任选地，每个条状电极具有半径为r的倒圆暴露拐角，这可以帮助避免产生过高的电场。应当理解，通过电极的适当尺寸和形状，电场的量值可以被配置为允许迁移率变化。

在一个实施方式中，每个条状电极宽度(在x上)是25μm，并且高度(在y上)是15μm，相邻条状电极之间的间隙是15μm，并且从条状电极的外面到平板电极的距离是100μm。条状电极的外拐角是半径为2.5μm的倒圆拐角，以避免尖锐的拐角，该尖锐的拐角可能局部产生非常高的电场。条状电极的长度是基板与平板电极之间的间隙的长度的许多倍(在z上)。阵列延伸(在x上)基板与平板电极之间的间隙的+/-6倍，并且我们在中心部分获得结果。

在讨论使用以上考虑的具体实施方案的更复杂的实施方式之前，现在将讨论本公开的一个一般意义。一般来讲并且根据该方面，可以考虑一种离子光学装置，该离子光学装置包括：第一电极布置和第二电极布置，该第一电极布置和第二电极布置在空间上彼此分离，被布置成接收离子和气体并且被进一步布置成在具有高气体压力的环境中操作；以及RF电压源，该RF电压源被配置为：将一个或多个RF驱动频率的第一RF电压施加到第一电极布置；以及将该一个或多个RF驱动频率的具有与第一RF电压不同的相位(例如，至少π/2的相位差)的第二RF电压施加到第二电极布置，其中第一RF电压和第二RF电压具有非对称波形(优选地具有基本上为零的随着时间的积分)，将第一RF电压和第二RF电压分别施加到第一电极布置和第二电极布置使得所接收的离子经历电场。非对称波形可以具有由两个或更多个余弦函数之和或由矩形函数或矩形函数之和限定的形状。在这种情况下，非对称波形具有基频(主频率分量)，并且可以具有一个或多个次频率分量。环境(和/或离子光学装置)可包括外壳或室。通常，仅RF(即，没有DC，诸如FAIMS补偿电压)被施加到第一电极布置和第二电极布置。

第一电极布置和第二电极布置以及RF电压源被配置为使得所接收的离子所经历的电场强度是高的并且有利地足够高以使离子经历迁移率变化(在一些实施方案中，至少1MV/m)。有利地，第一电极布置和第二电极布置被布置(或外壳被配置)为在具有足够高的气体压力的环境中操作，使得结合一个或多个RF驱动频率，电场与经历电场的所接收离子的速度之间的相移基本上为零。例如，可以考虑至少10kPa的气体压力。该气体可以是空气。

在一个实施方案中，第一电极布置包括多个第一(细长)电极，并且第二电极布置包括与第一电极交错的多个第二(细长)电极。附加地或另选地，第一电极布置和第二电极布置可以定位在同一平面中。例如，第一电极布置和第二电极布置可以布置在基本上绝缘的基板上。

在本公开的一些实施方案中，多个细长电极以阵列布置在基本上绝缘的基板上，其中伸长方向对于每个电极相似，从而形成一组基本上平行的电极。这可以被称为条状电极阵列。基板基本上是平面的。在高压气体中的这种类型的单个基板可以用于从条状电极的外表面排斥离子。可使用常规MEMS技术制造电极阵列。

在实施方案中，第三电极布置可以与第一电极布置和第二电极布置在空间上分离。第三电极布置可以被布置成在具有高气体压力的环境中操作。然后，RF电压源可以被进一步配置为将该一个或多个RF驱动频率的具有与第一RF电压和第二RF电压不同的相位的第三RF电压施加到第三电极布置。有利地，第三RF电压具有非对称波形。因此，第一RF电压、第二RF电压和第三RF电压分别施加到第一电极、第二电极和第三电极布置使得所接收的离子经历电场。任选地，第一电极布置和第二电极布置被定位在第一平面中，并且第三电极布置被定位在基本上平行于第一平面并且在空间上与第一平面分离的第二平面中。

该离子光学装置还可以包括：DC电极布置；以及DC电压源，该DC电压源被配置为将DC电压施加到DC电极布置。例如，DC电极布置可以被定位在第一电极布置和第二电极布置的空间范围之外。DC电极布置可以平行于或垂直于第一电极布置和第二电极布置的伸长方向布置。DC电极布置和DC电压源可以被配置为限制离子超出RF电极布置的范围。

用于一种类型离子的简单离子光学装置

再次参考图8F，示出了条状电极的阵列。可以使用具有此类条状电极阵列并且基本上平行于平板电极布置的单个基板来形成简单的离子光学装置。由此在条状电极的外面与平板电极之间的空间中产生离子通道。

现在参考图9A，示出了在x-y空间(μm)中的电极阵列110和平行平板电极120的一部分的示意图。应当注意，与条状电极相对的电极不必平行于条状电极的基板。板电极和基板之间的间隙可以变化(或者可以使用不同形状的电极)，以改变在不同位置处的离子通道上的电场强度，并且可以由此向通道上的离子提供驱动力。

还可以将导电背板施加到基板。此类电极然后可以有利地被偏置，以便在条状电极之间的槽中在y方向上产生电场。该电场可用于从槽中排斥离子。

在第一示例中，将如以上等式(6)所描述且在图2中示出的二项余弦电压波形施加到条状电极。图2描绘了较高的峰值电压(其为正电压)，并且该峰值电压在本文中被定义为正极性。在该示例中，施加负极性电压波形(即，图2所示的波形颠倒过来)并且该负极性电压波形具有较低的峰值电压。峰值电压(零至峰值)是150V，并且基频是20MHz。余弦波形的第二项因此以40MHz振荡。平板电极具有施加在它和条状电极之间的+1V电势差。该电势差可以通过向平板电极施加电压源、或者通过用非时变电势偏移对施加到条状电极的RF电压进行偏置、或者这两者来产生。

在平板和条状电极之间的空间中产生的电场被布置成将力施加到所关注离子的选定电荷极性上，该力朝向条状电极阵列。在所考虑的示例中，所关注的离子具有正电荷极性。在该示例中，没有到基板的背板。

RF电压被分成两相，第一相施加到电极1、3、5、7，并且具有180度差值的第二相施加到电极2、4、6、8，该波形是如上面的等式(6)中的两个余弦项的和。因此，不同相位的两个电极之间的电压差由等式(9)给出。

参考图9B，绘制了施加到该实施方案中的条状电极的电压波形。尽管所施加的电压波形是非对称的，但是电压差是对称波形，因此沿不同相位电压驱动的两个电极之间的中间平面的电场也是对称的。施加到平板电极的非时变电压在y方向上产生电场。条状电极排斥离子，并且这两种效应的组合对于给定电荷极性的离子产生有效的势阱。

现在参考图10A，其中通过求解等式(8)示出了在施加到图9A的电极阵列的图9B的电压波形的一个周期上计算的x-y空间中的平均离子轨迹(μm)。在图9B中所描绘的RF电压波形加上施加到平板电极的+1V的非时变电压的作用下，从(15,37)(μm)开始(如圆形符号所指示)绘制质量为100Da的单电荷C型离子的平均离子轨迹。C型离子遵循在一个周期之后到达星形符号的点线轨迹。

现在参考图10B，示出了在具有指示计算赝势的位置的测试线K(虚线)和L(点线)的x-y空间(μm)(实线)中的图9A的电极结构的一部分。对于质量为100Da的离子，测试线L延伸到条状电极的面的10μm，而对于质量为1000Da的离子，测试线L延伸到条状电极的面的4μm。

现在，参考图10C，示出了对于100Da的单电荷离子，沿着图10B的测试线的有效势相对于距离的曲线图。术语“有效势”用来与如应用于已知方法的经常使用的术语赝势进行区分，该方法施加正弦电压波形并且依赖于场梯度的存在，如上所述。该图的左侧曲线图示出了沿着图10B的测试线K在y＝+22μm处相对于x位置(μm)的有效势(V)。右侧曲线图示出了沿着图10B的测试线L在x＝0处相对于y位置(μm)的有效势(V)。这些曲线图是针对具有以下项的离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。电势的零参考点已被设置在(0,0)。在20MHz的基频下以2倍分相将150V的零至峰值二项余弦RF电压波形以负极性施加到电极。

接下来参考图10D，示出了对于1000Da的单电荷离子，沿着图10B的测试线的有效势相对于距离的曲线图。该图的左侧曲线图示出了沿着图10B的测试线K在y＝+22μm处相对于x位置(μm)的有效势(V)。右侧曲线图示出了沿着图10B的测试线L在x＝0处相对于y位置(μm)的有效势(V)。该曲线图再次针对具有以下项的离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在20MHz的基频下以2倍分相将150V的零至峰值二项余弦RF电压波形以负极性施加到条状电极。向平板电极施加+1V的DC电压。

因此可以看出，较高质量的离子具有较小的振荡幅度，并且因此能够在它们的振荡使它们与电极接触之前更靠近电极。因此，对于更高质量的离子，可以更靠近电极确定有效势。平板电极和条状电极之间的空间的体积对于此类离子可以更大，并且此类离子在更靠近条状电极的距离处是稳定的。

现在参考图11A和图11B，图11A示出了图10C的C型离子(即，单电荷且质量为100Da)在x-y空间(μm)中的有效势的等高线图，图11B示出了图10D的离子(即，单电荷且质量为1000Da)的有效势的等高线图。在两种情况下，这是在向平板电极施加+1V非时变电压的情况下，在20MHz的基频处，在150V零至峰值的负极性二余弦电压波形的作用下考虑的。

离子移动到有效势阱的底部中，距离条状电极的表面几微米。一旦到达，在该结构中对沿着阵列(在x上)移动的势垒是低的(参见图10D左侧曲线图)，从而允许离子容易地沿着阵列并横跨阵列传送。在根据此设计的阱配置中，x中的有效势垒与y中的有效势垒几乎相同，并且两者均足够高以限制离子。

在其他实施方案中，平板电极可用第二基板代替，该第二基板具有与条状电极的第一阵列110相同的条状电极的第二阵列并且被布置成面向且基本上平行于第一阵列，使得由此在条状电极的两个阵列之间的空间中产生离子通道。第一阵列和第二阵列的条状电极是对准的，并且具有施加的相同电压波形。

这种类型的装置(以及本文所公开的其他装置)可用作大气压离子源与下游离子光学器件之间的特别是在较低压力下操作的界面的一部分。可在离子源与界面之间施加加速电势。这可以用于质谱分析和/或离子迁移率分析。例如，参考图11C，其中描绘了用于质谱分析的第一光谱测定系统的示意性框图。该光谱测定系统包括：大气压离子源130；根据本公开的在大气压下操作的界面140；在真空中操作的离子光学器件150(例如，一个或多个离子导向器、质量过滤器、碰撞单元或它们的组合)；以及也在真空中操作的质量分析器160。在某些实施方案中，离子光学器件150可为任选的。

参考图11D，描绘了用于离子迁移谱分析的第二光谱测定系统的示意性框图。该光谱测定系统包括：大气压离子源130；根据本公开的在大气压下操作的界面140；在大气压下或在真空中操作的离子迁移率分析器。

参考图11E，描绘了用于质谱或离子迁移谱的第三光谱测定系统的示意性框图。该光谱测定系统包括：大气压离子源130；以及根据本公开的在大气压下操作的离子光学系统180；以及在大气压下或在真空中操作的任选分析器装置190(其可以是质量分析器或离子迁移率分析器)。离子光学系统180包括如本文所述的一个或多个RF离子导向器。任选地，离子光学系统180可以形成离子迁移率分析器(并且在这种情况下，可以不使用分析器装置190)。

在本公开的一个方面(其可与本文所述的其他方面结合)中，可提供一种离子排斥表面，该离子排斥表面包括：沿着轴线(其可以是线性的和/或弯曲的)分布的第一多个细长电极，该第一多个细长电极被配置为接收具有非对称波形的第一RF电压；以及沿着轴线分布的第二多个细长电极，该第二多个电极与该第一多个电极交错并且被配置为接收具有非对称波形的第二RF电压，该第二RF电压具有与第一RF电压不同的相位。如果轴线是线性的，则第一多个细长电极和第二多个细长电极有利地基本上平行。另选地(并且如将在下文中更多地讨论的)，每个离子排斥表面的第一多个电极和第二多个电极的轴线可以是圆形的，使得离子通道限定用于离子行进穿过其中的圆形飞行路径。第一多个细长电极和/或第二多个电极优选地在基板上。另选地，多个电极中的一个或两个电极可以在它们的端部被支撑(例如，类似于常规四极离子光学装置中的棒)。

还可考虑制造和/或操作离子排斥表面、离子光学装置、离子光学系统或光谱仪(其可与本文所述的其他方面组合)的方法。这可以具有与本文所公开的任何设备、装置或系统的步骤相对应的步骤。例如，这些可以包括：提供沿着轴线(其可以是线性的和/或弯曲的)分布的第一多个细长电极；在第一多个电极处接收具有非对称波形的第一RF电压；提供沿着轴线分布的第二多个细长电极，该第二多个电极与该第一多个电极交错；在第二多个电极处接收具有非对称波形的第二RF电压，该第二RF电压具有与该第一RF电压不同的相位。

第一多个电极和第二多个电极以及第一RF电压和第二RF电压有利地被配置为使得邻近离子排斥表面的电场的强度较高，特别地足以使离子经历迁移率变化。例如，第一多个电极和第二多个电极以及第一RF电压和第二RF电压可以被配置为使得邻近离子排斥表面的电场的强度为至少1MV/m，并且/或者第一RF电压与第二RF电压之间的相位差为至少π/2。离子排斥表面可提供于被配置为在高气体压力(至少10kPa、25kPa、50kPa或75kPa)下操作的环境(诸如外壳、室或开放环境)中。该气体可以是空气。通常，仅RF(即，没有DC，诸如FAIMS补偿电压)被施加到第一多个细长电极和第二多个细长电极。

在实施方案中，基板基本上是电绝缘的，例如由以下材料中的一种或多种形成或包含以下材料中的一种或多种：陶瓷材料；聚合物；或者印刷电路板材料。然而，所使用的基板优选地是轻微导电的，足以避免充电。附加地或另选地，基板可以是平面的。

任选地，第一多个电极中的每个电极和/或第二多个电极中的每个电极具有以下中的一者或多者：相同的形状、相同的尺寸和相同的间隔；至少与相邻电极之间的间隙一样大的高度；小于基板的厚度的高度；至少与相邻电极之间的间隙一样大或比相邻电极之间的间隙大的宽度；小于100μm的宽度(优选地50μm)；在伸长方向上为相邻电极之间的间隙的至少2、3、5、10、20、25或50倍长的长度；以及为以下中的一者的横截面(特别地垂直于伸长方向截取)：优选地具有倒圆拐角的矩形；半球形；以及半卵形。(来自一组或多于一组的)电极中的一些或每个电极在伸长方向上的长度可以是基本上相同的。

细长条状电极优选地具有与相邻电极之间的间隙相似、一样大或更大的高度(在y上)，使得暴露的基板位于在相邻条状电极之间形成的槽的底部，并且槽的深度与其宽度相似。于是，由于对槽底部的暴露基板充电而在离子通道中产生的电场大大减小。模拟表明，在这些条件下，在此类槽的底部中充电至几十伏的基板不需要在很大程度上干扰离子通道中的离子。还发现，当存在对槽底部中的暴露基板的充电时，如果通过使用例如气体流或补充电场将离子传送通过离子通道，则在x方向上的运动比如果离子在z方向上移动更稳定。在x方向上移动的离子相继穿过条状电极和槽，并且减小了带电槽的平均效应。在z方向上移动将离子安置在槽上方持续延长的时间比例，并且其轨迹更受暴露基板的充电影响。

在实施方式中，第一多个电极中的每个电极在第一多个电极的第一端部处连接到第一公共导体(例如，被配置为接收第一RF电压)。然后，第二多个电极中的每个电极可以在第二多个电极的第一端部处连接到第二公共导体(特别地，被配置为接收第二RF电压)。这里，第二多个电极的第一端部远离第一多个电极的第一端部。

在一些实施方案中，离子在平行于电极伸长的方向(本文中称为z方向)上自由移动。通过在基板上安置附加的(细长的)电极(“阻挡电极”)，例如刚好超过多个(条状)电极的端部并且在x方向上延伸，离子可以例如在z方向上被保持。例如，优选地提供DC电极布置，该DC电极布置包括被配置为接收DC(仅)电压的一个或多个电极。该一个或多个电极中的每个电极可以具有平面形式并且被定位在与第一多个电极和第二多个电极基本上相同的平面中。任选地，DC电极布置包括：第一DC电极，该第一DC电极垂直于伸长方向与第一多个电极和第二多个电极的第一端部相邻地定位；以及第二DC电极，该第二DC电极垂直于伸长方向与第一多个电极和第二多个电极的第二端部相邻地定位，远离第一端部。因此，阻挡电极可以位于细长电极阵列的任一端，以通过以非时变电势偏置来限制离子。然后，离子可以在空间电荷的影响下沿着条状电极阵列在+/-z方向上自由扩展，直到它们到达阻挡电极附近。由于结构的空间电荷容量被增强，所以细长阵列电极的较大长度可以允许使用大得多的离子电流。通过使用气体流或补充电场，离子可在x方向上移动通过阵列(如下文将进一步描述)或离子可在z方向上移动。

在实施方案中，导电背板设置在基板的与第一多个电极和第二多个电极所位于的侧面相对的侧面上。导电背板可以被配置为接收DC电压。DC电压可以在条状电极之间的槽中产生y方向上的电场，该电场可以用于从槽中排斥离子。

可以在基板上设置多于两组的电极。例如，离子排斥表面(或包括离子排斥表面的离子光学装置)还可以包括：基板上的第三多个细长电极，该第三多个细长电极沿着第二轴线分布并且与第一多个电极和第二多个电极不同，并且被配置为接收具有非对称波形的第三RF电压，该第三RF电压具有与第一RF电压和第二RF电压不同的相位。另外，可以在基板上设置第四多个细长电极，该第四多个电极沿着第二轴线与第三多个电极交错并且被配置为接收具有非对称波形的第四RF电压，该第四RF电压具有与第一RF电压、第二RF电压和第三RF电压不同的相位。有利地，第二轴线是第一轴线的延伸，使得第三多个电极和/或第四多个电极形成在与第一多个电极和第二多个电极相同的基板上。另选地(如下面将进一步讨论的)，第二轴线可以平行于第一轴线，其中第三多个电极和/或第四多个电极形成在与第一多个电极和第二多个电极不同的基板上。

在许多实施方案中，第二基本上平坦的表面(优选地)平行于第一基板(和/或离子排斥表面)安置。例如，可提供根据一些实施方案的离子光学装置，该离子光学装置包括：如本文所公开的离子排斥表面；以及板电极，该板电极与离子排斥表面在空间上分离，以便在离子排斥表面和板电极之间限定离子通道。例如，板电极可以被配置为接收具有非时变电势偏移的DC电压或RF电压。板电极可以用与施加到离子排斥表面的多个电极的平均电势不同且具有朝向离子排斥表面排斥离子的极性的电势偏置。在该实施方案中，板电极偏置在离子通道中(在y方向上)产生电场，使得第一基板和板电极之间的间隙可以在一系列大小内。较大的间隙可能需要较大的电势差以产生相同强度的电场。电场在离子上产生力，并且离子排斥表面的电极产生相反的力，从而将离子保持在离子通道的区域内。有利地，板电极基本上平行于离子排斥表面。在其他实施方案中，板电极与基板之间的间隙可变化(或者可使用不同形状的电极)，例如以增加或减小跨越离子通道的间隙，以便在不同位置处改变跨越离子通道的电场强度。以这种方式，可以提供轴向DC场梯度。第一RF电压和第二RF电压的频率(特别是基频)可以被选择为使得离子振荡幅度小于离子通道的宽度的相当大的部分。其他第二表面将在下面讨论。

本公开的另一方面可在离子光学系统中发现，该离子光学系统包括多个RF离子导向器，该多个RF离子导向器中的每个RF离子导向器由如本文中所公开的离子光学装置形成。

另一个方面可以在质谱仪中看到，该质谱仪包括：本文所公开的离子光学系统；以及至少一个离子光学处理装置，该至少一个离子光学处理装置被配置为从离子光学系统接收离子。另选地，可考虑离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括由本文所述的离子光学装置或离子光学系统形成的离子迁移率分析器。

在附加方面中，可考虑质谱分析系统的第一部分与质谱分析系统的第二部分之间的离子光学界面，该离子光学界面包括由如本文所公开的离子光学装置或离子光学系统形成的RF离子导向器。在这种情况下，RF离子导向器可被配置为在RF离子导向器的第一端部处从质谱分析系统的第一部分接收离子并且在RF离子导向器的第二相对端部处朝向质谱分析系统的第二部分输出离子。例如，质谱分析系统的第一部分可包括离子源。在有利的实施方式中，RF离子导向器的第一端部被布置成在大气压下操作，并且RF离子导向器的第二端部被布置成在低于大气压的压力下操作。

离子光学界面可以形成质谱仪或离子迁移谱仪的一部分，该质谱仪或离子迁移谱仪优选地还包括离子源，该离子源被配置为生成要在离子光学界面处接收的离子。例如，离子源包括以下中的一者：大气压化学电离(APCI)离子源；大气压光电离(APPI)离子源；电喷雾电离(ESI)离子源；电子电离(EI)离子源；化学电离(CI)离子源；电感耦合等离子体(ICP)离子源；以及基质辅助激光解吸电离(MALDI)离子源。在操作中，离子源与离子光学界面之间的电势差可致使由离子源产生的离子行进到RF离子导向器并且进入RF离子导向器的第一端部。附加地或另选地，操作中的RF离子导向器的温度可高于离子源的温度。离子源可被配置为产生至少5nA的离子电流。

离子处理系统然后可以被配置为从离子光学界面接收离子。例如，离子处理系统可以包括离子迁移率分析器，该离子迁移率分析器被布置成从RF离子导向器接收离子并且根据它们相应的离子迁移率分离接收的离子。

下面将进一步参考该一般意义。现在讨论其他具体实施方案。

用于多于一种类型的离子的简单离子光学装置

现在参考图12A，示出了在基板上并且具有平板电极的两个平行的条状电极阵列的一部分的横截面视图，y(μm)相对于x(μm)。条状电极的阵列形成多极。该装置旨在沿电极阵列传输给定电荷极性的离子的样品，该样品包括给定电荷极性的C型和A型迁移率变化离子两者。

采用双重结构。第一基板(未示出)通过平板电极220与基本上平行的第二基板(未示出)分离，在第一基板上设置有具有施加到电极的第一极性非对称RF电压波形的条状电极阵列210，在第二基板上形成有具有施加到电极的第二相反极性电压波形的条状电极阵列230。由此形成两个离子通道，第一离子通道215在第一基板和平板电极220之间，并且第二离子通道225在第二基板和平板电极之间。

第一离子通道215被布置成通过选择施加到第一基板上的条状电极210的电压波形的极性来传输C型迁移率变化的离子，并且第二离子通道225被布置成通过选择施加到第二基板的条状电极230的电压波形的极性来传输A型迁移率变化的离子。平板电极220用于产生电场，该电场例如通过向板电极施加DC电压而向C型和A型迁移率变化离子两者施加力，该力朝向相应的条状电极阵列。通过这种方式，传输A型和C型迁移率变化两者的离子的给定电荷极性。

有利地，C型和A型离子的分离可以通过使用简单的低分辨率FAIMS分离器在图12A中的装置的上游实现，该低分辨率FAIMS分离器具有与平板电极对准的轴线并且具有在y方向上的FAIMS分离。该上游装置中的FAIMS电极平行于两个基板并且在FAIMS分离器的轴线的任一侧。仅需要适度的FAIMS分离来将C型离子引导至轴线的一侧，并且将A型离子引导至轴线的另一侧(在y上)。FAIMS电极被定位成使得这种适度的分离不会导致所关注的离子撞击FAIMS电极。相反，它们被递送到图12A的装置的平板电极的任一侧。

现在参考图12B，示出了x-y空间(μm)(实线)中的图12A的电极结构的一部分，其中测试线G(虚线)在C型离子的第一离子通道215内，并且测试线H(点线)在A型离子的第一离子通道225内，以指示计算赝势的位置。

现在，参考图12C和图12D，示出了对于单电荷离子沿着图12B的测试线的有效势(V)相对于y位置(μm)的曲线图。图12C中的离子的质量为100Da，并且图12D中的离子的质量为1000Da。每幅图的左侧曲线图是沿着图12B的测试线G，并且右侧曲线图是沿着图12B的测试线H。这些曲线图是针对具有以下项的离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在20MHz的基频下以2倍分相将150V的零至峰值二项余弦RF电压波形以负极性施加到上电极。向平板电极施加+1V的DC电压。

注意到对于质量为1000Da的离子，如何存在相当大的残余赝势效应(图12D)，而对于质量为100Da的离子，如何存在非常小的残余赝势效应(图12C)。本公开利用在非对称电压波形的作用下存在的任何残余赝势效应。

接下来参考图13A，示出了在基板上形成多极的条状电极310的阵列的一部分的横截面视图，并且具有平板电极320，y(μm)相对于x(μm)。这提供了用于沿着电极阵列传输(和/或限制)给定电荷极性的离子的样品的第二方法，该样品包括给定电荷极性的C型和A型迁移率变化离子两者。

电极阵列形成给定迁移率变化的离子的阱。多组电极被提供有一种极性的电压波形，并且其他组电极被提供有相反极性的电压波形，多组电极全部位于单个基板上。

参考图13B，绘制了施加到该实施方案中的条状电极的电压波形。在该示例中，第一组条状电极(1,2)位于负x处并且具有负极性，并且第二组电极(3,4)位于正x处并且具有正极性。第一组施加有负极性二项余弦电压波形，并且第二组施加有正极性二项余弦电压波形。负极性电压波形和正极性电压波形两者都被分成两个相位，在它们之间具有180度相移，该相移被施加到交替电极。

参考图14A，示出了在具有指示计算赝势的位置的测试线R(虚线)和S(点线)的x-y空间(μm)(实线)中的图13A的电极结构的一部分。测试线R和S从远离平板电极10μm延伸到远离条状电极10μm。测试线分别位于x＝-80μm和+80μm处。

现在，参考图14B和图14C，示出了对于单电荷离子沿着图14A的测试线的有效势(V)相对于y位置(μm)的曲线图。图14B中的离子的质量为100Da，并且图14C中的离子的质量为1000Da。每幅图的左侧曲线图是沿着图14A的测试线R，并且右侧曲线图是沿着图14B的测试线S。这些曲线图是针对具有以下项的离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在20MHz的基频下以2倍分相将150V的零至峰值二项余弦RF电压波形以负极性施加到上电极。如上所述并如图13B所示，在不同的电极对上施加交替的极性波形。通过比较图14B和图14C可以看出，有效势阱的位置对于不同质量的离子是不同的。

参考图15A，示出了在具有指示计算赝势的位置的测试线T1(虚线)和T2(点线)的x-y空间(μm)(实线)中的图13A的电极结构的一部分。测试线T1和T2沿着x从-100μm延伸到+100μm，并且在y＝23μm(T1)和y＝30μm(T2)处。考虑到用于不同质量离子的有效势阱的不同位置，考虑测试线T1和T2的两个不同的y位置。

现在，参考图15B，示出了对于单电荷离子沿着图15A的测试线的有效势(V)相对于x位置(μm)的曲线图。上曲线图是沿着图15A的测试线T1，并且考虑质量为100Da的离子。下曲线图是沿着图15A的测试线T2，并且考虑质量为1000Da的离子。这些曲线图是针对具有以下项的离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在20MHz的基频下以2倍分相将150V的零至峰值二项余弦RF电压波形以负极性施加到上电极。如上所述并如图13B所示，在不同的电极对上施加交替的极性波形。

因此可以看出，针对不同的离子创建了一定范围的势阱位置，从而在空间上分离离子。在不同电极对上使用交替极性波形使得能够从单个基板排斥C型和A型离子。交替极性波形可以被施加到相邻的电极对，但是更优选地，它们被施加到多组电极，每个组在其内具有至少三个电极。C型离子从二项余弦电压波形的极性为负极性的基板区域被排斥，并且A型离子从二项余弦电压波形的极性为正极性的基板区域被排斥。

一旦在y方向上处于或接近势阱，x方向(跨阵列)上的离子所经历的有效势垒在图15B中示出。这也示出了优选实施方案的情况，其中交替极性电压波形被施加到相邻组的条状电极。当然，不必使一组中的所有电极都彼此相邻。通过向不同部分中的电极施加适当极性的电压波形，基板的一个或多个部分可用于排斥具有C型迁移率变化的离子，而另一部分或其他部分可用于排斥具有A型迁移率变化的离子。

基于可用的证据，建议如果具有相反极性的多组电极仅具有少量的条状电极，诸如仅两个，并且这两个组彼此相邻，则靠近相邻组之间的边界的离子可能变得不稳定并且移动到其中电压波形的极性产生将离子驱动到条状电极上的有效势垒的区域中。因此，在每个组中具有多于两个电极是有利的。当将图15B与图14B和图14C进行比较时，可以理解这种效果。当有效势是用于在y中扫描的C型离子的阱时(图14B左曲线图和14C左曲线图)，当沿着x扫描时存在鞍(图15B)。

接下来参考图16A，示出了在相应的相对基板上形成多极的第一条状电极阵列410和第二条状电极阵列420的一部分的横截面视图，y(μm)相对于x(μm)。这提供了用于沿着电极阵列传输(和/或限制)给定电荷极性的离子的样品的第三方法，该样品包括给定电荷极性的C型和A型迁移率变化离子两者。参考图16B，绘制了施加到该实施方案中的条状电极的电压波形。

多对电极410提供有一种极性的电压波形，并且其他对的电极410提供有相反极性的电压波形，所有这些电极410都在第一基板上。优选地，采用以下方法。第一组条状电极包括具有所施加的非对称负极性电压波形的两对或更多对连续电极(标记为1和2)，该组内的交替电极具有施加在它们之间的电压的相移。包括两对或更多对连续电极(标记为3和4)的第二组条状电极具有所施加的非对称正极性电压波形。该组内的交替电极在施加于它们之间的电压中具有相移。相移优选地为180度。

提供具有相同图案的条状电极420的第二基板，并且该第二基板被布置成面对第一基板并与第一基板对准。两个基板的条状电极是对准的并且具有所施加的相同电压波形。

参考图16C，示出了在x＝-70μm处具有测试线U(点线)并且在x＝70μm处具有测试线V(虚线)以指示计算赝势的位置的x-y空间(μm)(实线)中的图16A的电极结构的一部分。参考图16D，示出了具有指示计算赝势的位置的测试线W的x-y空间(μm)(实线)中的图16A的电极结构的一部分。测试线W位于两个相对的基板之间的中间，在y＝0处。

现在，参考图16E和图16F，示出了对于单电荷离子沿着图16C的测试线的有效势(V)相对于y位置(μm)的曲线图。图16E中的离子的质量为100Da，并且图16F中的离子的质量为1000Da。每幅图的左侧曲线图是沿着图16C的测试线U，并且右侧曲线图是沿着图16C的测试线V。这些曲线图是针对具有以下项的离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在20MHz的基频下以2倍分相将150V的零至峰值二项余弦RF电压波形以负极性施加到上电极。如上所述并如图16B所示，在相邻的电极对上施加交替的极性波形。

现在，参考图16G，示出了对于单电荷离子沿着图16D的测试线W的有效势(V)相对于x位置(μm)的曲线图。上曲线图是质量为100Da的单电荷离子，并且下曲线图是质量为1000Da的单电荷离子。这些曲线图是针对具有以下项的离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在20MHz的基频下以2倍分相将150V的零至峰值二项余弦RF电压波形以负极性施加到上电极。如上所述并如图16B所示，在相邻的电极对上施加交替的极性波形。在这种方法中，所有离子种类的有效势阱沿着轴线(y＝0)分布，如图16E、图16F和图16G所示。

已经发现，如果具有相反极性的多组电极仅具有少量条状电极(例如，仅两个)并且这两个组彼此相邻，则靠近相邻组之间的边界的离子可能变得不稳定并且移动到其中电压波形的极性产生将离子驱动到条状电极上的有效势垒的区域中。因此，在每个组中具有多于两个电极是有利的。当将图16G与图16E和图16F进行比较时，可以理解这种效果。当有效势是用于在y中扫描的C型离子的阱时，当沿着x扫描时存在鞍。

参考上文所论述的本公开的一般意义，可在离子光学装置中发现本公开的另一方面，该离子光学装置包括面向离子排斥表面的第二基本上平坦的表面。例如，离子光学装置可包括：如本文所公开的第一离子排斥表面；以及如本文所公开的第二离子排斥表面，该第二离子排斥表面与第一离子排斥表面在空间上分离，以便在第一离子排斥表面和第二离子排斥表面之间限定离子通道。换句话讲，第二基本上平坦的表面可以是条状电极的第二基板，其中电极的外表面面向第一基板的电极的外表面。在条状电极的两个阵列的外表面之间所产生的空间形成通道，并且通常该通道的大小类似于条状电极之间的间隔或为条状电极之间的间隔的几倍(例如，条状电极之间的间隔的1至4倍之间、或1至3倍之间、或1至2倍之间)，使得离子可以被注入到该通道中。两个基板的条状电极阵列可以全部在相同(z)方向上伸长，并且它们可以彼此对准。另选地，一个基板上的条状电极可以与第二基板的条状电极成一定角度布置。该角度可以是90度。与本文考虑的其他离子光学装置一样，第一RF电压和第二RF电压的频率(尤其是基频)可以被选择为使得离子振荡幅度小于离子通道的宽度的相当大的部分。如上所述，还可以考虑包括多个RF离子导向器的离子光学系统，该多个RF离子导向器中的每个RF离子导向器由本文所公开的离子光学装置形成。

任选地，板电极可被定位在第一离子排斥表面和第二离子排斥表面之间并且与第一离子排斥表面和第二离子排斥表面在空间上分离，以便在第一离子排斥表面和板电极之间限定第一离子通道，并且在第二离子排斥表面和板电极之间限定第二离子通道；然后，第一离子排斥表面的第一RF电压和第二RF电压可具有与第二离子排斥表面的第一RF电压和第二RF电压相反的极性。这可以允许第一离子通道和第二离子通道传送不同迁移率类型的离子。可以在离子光学装置的上游提供FAIMS分离器，该FAIMS分离器被配置为根据离子的离子迁移率类型使离子分离，并且将第一类型的离子引导到第一离子通道并且将第二类型的离子引导到第二离子通道。

在离子光学装置中，第一离子排斥表面的第一多个电极有利地被布置成与第二离子排斥表面的第一多个电极对准并相对，并且/或者第一离子排斥表面的第二多个电极被布置成与第二离子排斥表面的第二多个电极对准并相对。然后，第一离子排斥表面的第一RF电压通常与第二离子排斥表面的第一RF电压相同，并且/或者第一离子排斥表面的第二RF电压通常与第二离子排斥表面的第二RF电压相同。

在一些实施方案中，第一离子排斥表面和/或第二离子排斥表面中的每个离子排斥表面具有多于两个的相应多个电极，例如具有四个多个电极(每个电极接收不同相位的RF电压)，如以上所讨论的。然后，第一离子排斥表面的第三多个电极可与第二离子排斥表面的第三多个电极对准并相对，并且/或者第一离子排斥表面的第四多个电极可与第二离子排斥表面的第四多个电极对准并相对。然后，第一离子排斥表面的第三RF电压通常与第二离子排斥表面的第三RF电压相同，并且/或者第一离子排斥表面的第四RF电压通常与第二离子排斥表面的第四RF电压相同。在此类配置中，第一RF电压和第三RF电压可以具有相反的极性，并且/或者第二RF电压和第四RF电压可以具有相反的极性(在该上下文中，极性由跨相应RF电压的波形的一个周期的较高峰值电压的平均(均值)电压或极性限定)。

从一对相对的条状电极阵列转移到另一对条状电极阵列

现在参考图17，示出了具有多个离子光学装置的第一系统的示意图，该第一系统包括：第一离子导向器510；第二离子导向器520；第一转移电极530；以及第二转移电极540。第一转移电极530邻近第一离子导向器510中的孔口518定位。第二转移电极540邻近第二离子导向器520中的孔口528定位。第一离子导向器510和第二离子导向器520中的每一者适于在给定离子电荷极性下传输一种类型的迁移率变化的离子，如上文所论述。这种布置允许离子从一个成对导向器向另一个成对导向器平行转移。有效势的等电势(有效势加上DC电势)用细线示出。相邻电极之间的两项余弦波形的180度的相移由术语“RF-”和“RF+”表示。

第二离子导向器520具有比第一离子导向器510低的电压偏移(对于正离子)。为了使离子沿直线通过第一离子导向器510，向第一转移电极530施加排斥电压。为了沿着路径515转移到第二离子导向器520中，将该电压切换到吸引电压(对于正离子为负)。所得场沿着DC电压梯度将离子从第一离子导向器510中的孔口提取到第二离子导向器520中，其中离子在第二离子导向器520的有效势垒处捕获并且接着以与上文部分中所描述相同的方式由DC梯度引导。该过程也可以以选通模式运行，即仅在短时间内发生转移，例如对于选择的种类。在这种情况下，可以使用转移电极530上的电压从排斥电压到吸引电压以及回到排斥电压的快速切换(或脉冲)。在此类实施方案中，转移电极可在本文中称为选通电极。

接下来参考图18，示出了具有多个离子光学装置的第二系统的示意图。该实施方案允许使用第一转移电极630和第二转移电极640从第一成对离子导向器610转移到第二垂直离子导向器620。第一离子导向器610和第二离子导向器620中的每一者适于在给定离子电荷极性下传输一种类型的迁移率变化的离子。在该图中还示出了外壳645(但适用于如本文所公开的其他实施方案或实施方式)。外壳645还包括用于离子进入和/或离子离开的多个孔口。在该实施方案中，这些孔口包括：第一孔口650(允许将离子引导到第一离子导向器610的一个端部或从第一离子导向器的一个端部引导离子)；第二孔口655(允许将离子引导到第一离子导向器610的另一端部或从第一离子导向器的另一端部引导离子)；以及第三孔口660(允许将离子引导到第二离子导向器620的远离第一离子导向器610的端部或从第二离子导向器的远离第一离子导向器的端部引导离子)。如上所述，用细线示出有效势的等电势(有效势加上DC电势)。相邻电极之间的两项余弦波形的180度的相移由术语“RF-”和“RF+”表示。

第二离子导向器620还具有比第一离子导向器610低的电压偏移(对于正离子)。为了使离子在直线路径上传输通过第一离子导向器610，向第一转移电极630施加排斥电压。为了通过第一离子导向器610中的孔口618转移到第二离子导向器620中，该电压切换到吸引电压(对于正离子为负)。所得场沿着由第二转移电极640产生的增加的DC电压梯度提取离子。如本领域已知的，迁移率驱动的离子通过电场以等于电场比率的比率集中。这使得能够将离子集中在正交导向器的窄入口上并且有效地捕获离子。这可以伴随着选通。

如果导向器之间的电压偏移的差异是不期望的并且同时需要选通，则可以使用“能量提升”布置，如现在将讨论的。

接下来参考图19，示出用于能量提升以允许在相同电压偏移下在两个离子导向器A1与A2之间转移的有效势分布。这些可应用于图17所示的布置或图18所示的布置。

转移的离子团的位置用圆圈示出，并且其移动方向用箭头表示。示出了三个有效势分布：(a)离子在转移之前在第一离子导向器A1中的初始分布；(b)离子被转移到第一转移电极和第二转移电极(标记为E1和E2，分别对应于图17和图18的第一转移电极530、630和第二转移电极540、640)之间的间隙并且在该间隙处继续移动；以及(c)在离子团在两个转移电极之间移动时在两个转移电极上施加电压脉冲，使得DC电压继续朝向第二(下游)离子导向器A2驱动离子。

接下来参考图20，示出了具有多个离子光学装置的第三系统的示意图。这允许使用单个转移电极730将离子从第一成对离子导向器710垂直转移到第二离子导向器720。有效势的等电势(赝势加上DC电势)用细线示出。相邻电极之间的两项余弦波形的180度的相移由术语“RF-”和“RF+”表示。

该图示出了允许正交转移到非对称成对导向器中的替代方式。第一离子导向器710和第二离子导向器720中的每一者适于在给定离子电荷极性下传输一种类型的迁移率变化的离子。在这种情况下，不需要空间聚焦：一旦离子到达右侧的第二离子导向器720的延伸开放空间，离子便由DC和RF场捕获并且传送到成对第二离子导向器720的窄间隙中。

重要的是要提及，本文中所论述的任何布置也可用于将不需要的离子排放到排放腔中，在该排放腔中可处置离子而不污染离子导向器。在这种情况下，排放腔(例如，法拉第笼)可代替第二离子导向器。

除了直平面几何形状之外的几何形状也是可行的。现在参考图21，示出了具有多个离子光学装置的第四系统的示意图，特别是基于每个阵列的圆形几何形状的实施方案。离子经由转移光学器件830在第一圆形离子导向器810与第二圆形离子导向器820之间转移。相邻电极之间的两项余弦波形的180度的相移由术语“RF-”和“RF+”表示。限制DC电极840确保离子在径向方向上的窄扩散。在这种情况下，DC限制电极840将离子通道分隔成三个通道(内部、中间和外部)。内部通道或中间通道可以被认为是具有第一半径的第一圆形轴线的第一离子光学装置，并且外部通道可以被认为是具有与第一圆形轴线同心并且具有大于第一半径的第二半径的第二圆形轴线的第二离子光学装置。

在穿过第一离子导向器810之后，离子被转移到第二离子导向器820中，如先前所描述。为了确保相同的漂移长度(例如，对于一组阵列内的离子迁移率分离)，第一离子导向器810和第二离子导向器820可被布置成使得第一离子导向器810中的较小圆之后跟随第二离子导向器820中的较大圆，并且第一离子导向器810中的较大圆之后跟随第二离子导向器820中的较小圆，从而对于所有离子总计达到相同长度。这可通过将离子从第一离子导向器810的内部通道转移到第二离子导向器820的外部通道、将离子从第一离子导向器810的外部通道转移到第二离子导向器820的内部通道、将离子从第二离子导向器820的内部通道转移到第一离子导向器810的外部通道以及将离子从第二离子导向器820的外部通道转移到第一离子导向器810的内部通道来实现。

这些元件的任何组合可以用于产生具有任何数量和/或布置的级的分析仪器。可以仅使用对称正弦电压而不是所描述的非对称波形来实施关于图17至图21所描述的实施方案，以便仅使用赝势效应来限制离子。然而，如先前所示，优选使用差分迁移率效应形成的改进的电势。

类似的转移原理也可以以脉冲方式采用，特别是用于在具有不同压力或不同气体的区域之间等注入到其他装置诸如离子迁移谱仪中。

考虑使用非对称或对称正弦电压的实施方案，本公开的另一广义意义可被视为离子光学装置，该离子光学装置包括：第一离子排斥表面；以及第二离子排斥表面，该第二离子排斥表面与第一离子排斥表面在空间上分离，以便在第一离子排斥表面和第二离子排斥表面之间限定离子通道。第一离子排斥表面和第二离子排斥表面中的每一者包括：沿着轴线分布的第一多个细长电极，该第一多个细长电极被配置为接收第一RF电压；以及沿着轴线分布的第二多个细长电极，该第二多个电极与第一多个电极交错并且被配置为接收第二RF电压，该第二RF电压具有与第一RF电压不同的相位。在此类方面中，第一RF电压和第二RF电压通常具有对称波形。本文参考离子排斥表面和/或离子光学装置描述的任何其他特征可以应用于该配置，例如包括上文在一般或特定意义上讨论的那些特征。而且，可以考虑使用一个或多个离子光学装置的离子光学系统，如下面进一步详细描述的。

根据上文所考虑的本公开的一般意义中的任一者，离子光学装置还可包括传送控制器，该传送控制器被配置为例如通过控制以下各项中的一项或多项来引起离子在该离子通道或每个离子通道内移动：施加非时变电势以沿着该离子通道或每个离子通道的长度(例如，垂直于细长电极的长度方向，即，横跨电极)产生稳态电场；沿着离子通道或每个离子通道的长度的气体流；以及施加行波电势以沿着离子通道或每个离子通道的长度产生移动电场。任选地，传送控制器可以被配置为控制向以下各项中的一项或多项施加电势：第一多个电极；第二多个电极；以及补充电极，该补充电极各自被定位在第一多个电极中的一个电极和第二多个电极中的一个电极之间。传送控制器可以包括计算机系统，该计算机系统控制用于施加非时变电势或行波电势的多个电压源中的一个电压源和/或控制用于供应气体流的一个或多个气体供应装置。

本公开的一个方面可以在离子光学系统中找到，该离子光学系统包括离子光学装置，该离子光学装置被配置为接收离子并且如在本文中描述的。该离子光学系统还可以包括：至少一个选通电极；以及DC电源，该DC电源被配置为选择性地向该至少一个选通电极提供DC电势，以便使得离子从离子光学装置转移到输出装置。输出装置可以是任选地可以根据本文描述的那些的另一个(即，第二)离子光学装置。

在一些实施方案中(其示例在图17至图20中示出)，离子光学装置可以使用彼此相对定位的两个离子排斥表面来形成。然后，可以在离子排斥表面中的一个离子排斥表面(例如，第一离子排斥表面或第二离子排斥表面)或板电极中设置(或形成)孔口，以使离子行进穿过该孔口。输出装置可以被配置为经由孔口从离子光学装置接收离子。

有利地，选通电极可以被定位在离子光学装置的离子排斥表面的基板上并且位于孔口附近。在一些实施方案中可以使用单个选通电极。在其他实施方案中，可存在多个选通电极，例如：第一选通电极，该第一选通电极被定位在离子光学装置上或被定位成与离子光学装置相邻；以及第二选通电极，该第二选通电极被定位在输出装置上或被定位成与输出装置相邻。

在这种情况下，可将第一DC选通电势提供到第一选通电极并且可将第二DC选通电势提供到第二选通电极。第一DC选通电势和第二DC选通电势然后可以被配置为使得离子从第一离子光学装置行进穿过孔口并且到达第二离子光学装置。

在输出装置是被配置为从第一离子光学装置接收离子的第二离子光学装置的情况下，可以应用多种选项。在第一选项中，第二离子光学装置被定向成平行于第一离子光学装置。然后，第一离子光学装置可以在第一离子光学装置的离子排斥表面中具有第一孔口，用于离子行进穿过其中，并且第二离子光学装置可以在第二离子光学装置的离子排斥表面中具有第二孔口，用于从第一离子光学装置接收离子。另选地，第二离子光学装置可以被定向成垂直于第一离子光学装置。然后，第一离子光学装置可以在第一离子光学装置的离子排斥表面中具有用于离子行进穿过其中的孔口，并且第二离子光学装置可以被定位成使得离子能够行进穿过该孔口并且在第二离子光学装置的离子通道的端部中(即，在离子光学装置的离子排斥表面之间或者在离子排斥表面与离子光学装置的板电极之间)被接收。

考虑具有多个RF离子导向器的离子光学系统，该多个RF离子导向器可包括：第一离子光学装置，该第一离子光学装置在第一平面中具有第一圆形轴线；以及第二离子光学装置，该第二离子光学装置具有第二圆形轴线，该第二圆形轴线具有从第一圆形轴线的中心偏移的中心，使得第一圆形轴线和第二圆形轴线重叠。第二圆形轴线有利地限定在与第一平面平行的第二平面中。然后，离子光学系统有利地还包括离子转移光学器件，该离子转移光学器件被配置为在第一圆形轴线和第二圆形轴线重叠的区域中在第一离子光学装置和第二离子光学装置之间转移离子。

在另一配置中(图21中示出其示例)，该多个RF离子导向器可包括：第一离子光学装置，该第一离子光学装置具有第一半径的第一圆形轴线；第二离子光学装置，该第二离子光学装置具有第二圆形轴线，该第二圆形轴线与第一圆形轴线同心并且具有大于第一半径的第二半径；第三离子光学装置，该第三离子光学装置具有第二半径的第三圆形轴线，该第三圆形轴线的中心从第一圆形轴线和第二圆形轴线的中心偏移，使得第一圆形轴线和第三圆形轴线重叠；以及第四离子光学装置，该第四离子光学装置具有第一半径的第四圆形轴线，该第四圆形轴线与第三圆形轴线同心，使得第二圆形轴线和第四圆形轴线重叠。然后，该离子光学系统还可包括离子转移光学器件，该离子转移光学器件被配置为：在第一圆形轴线和第三圆形轴线重叠的区域中在第一RF离子导向器和第三RF离子导向器之间转移离子；以及在第二圆形轴线与第四圆形轴线重叠的区域中在第二RF离子导向器与第四RF离子导向器之间转移离子。优选地，第一圆形轴线和第二圆形轴线限定在第一平面中，并且第三圆形轴线和第四圆形轴线限定在与第一平面平行的第二平面中。

例如，在图21所示的示例中，还提供了：第五离子光学装置，该第五离子光学装置具有与第一圆形轴线同心的第五圆形轴线，并且具有大于第一半径且小于第二半径的第三半径；以及第六离子光学装置，该第六离子光学装置具有第六圆形轴线，该第六圆形轴线与第二圆形轴线同心并且具有第三半径，使得第五圆形轴线与第六圆形轴线重叠。离子转移光学器件可以被进一步配置为在第五圆形轴线与第六圆形轴线重叠的区域中在第五RF离子导向器与第六RF离子导向器之间转移离子。第五圆形轴线和第六圆形轴线可以限定在与第一平面和第二平面平行的第三平面中。

条状电极和多极捕获

更复杂的离子光学装置可以由两个平行的基板形成，每个基板具有在相对的基板上对准并且因此形成多极装置的阵列的条状电极阵列。图4A示出了此类阵列的一部分。由此在两个阵列的条状电极的外面之间的空间中产生离子通道。

在第一示例中，使用两项余弦电压波形，如以上等式(6)所描述并且在图2中示出的。在图2中，描绘了较高的峰值电压，并且该峰值电压是正电压，如上所述，其在本文中被定义为正极性。在该示例中(类似于上述更基本的示例)，使用200V的峰值电压(零至峰值)，并且基频为60MHz。余弦波形的第二项因此以120MHz振荡。

施加到电极的RF被分成两相，第一相施加到电极1、3、5、7，并且具有180度差的第二相施加到电极2、4、6、8。所使用的波形是如上述等式(6)中的两个余弦项之和，不同相位的两个电极之间的电压差由上述等式(9)给出。尽管所施加的电压波形是非对称的，但是电压差是对称的波形。

接下来参考图22A和图22B，示出了当施加两倍分相多极电势时，沿着两条测试线A和B(如图8A中定义的)的离子所经历的有效势(V)相对于位置(μm)的曲线图。如上所述，本文使用术语“有效势”来与经常使用的术语赝势进行区分，术语赝势是与施加正弦电压波形的参考已知方法一起使用的，该方法依赖于场梯度的存在，如上所述。左侧曲线图是沿着测试线A(曲线图中的位置是x位置)，并且右侧曲线图是沿着测试线B(曲线图中的位置是y位置)。该曲线图针对具有以下项的质量为100Da(图22A)和1000Da(图22B)的单电荷离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在60MHz的基频下以两倍分相施加200V的零至峰值二项余弦RF电压波形。

在电极之间产生的电压差的对称波形提供比正弦波形的情况下更低的势垒(将图22A与图8D进行比较以及将图22B与图8E进行比较)。

现在参考图22C，通过求解等式(8)，示出了在图2的电压波形的一个周期上计算的x-y空间(μm)中的平均离子轨迹，该电压波形以2倍分相施加到图8的电极阵列。所施加的电压波形极性为负。质量为100Da的C型离子从由圆形符号指示的(15,7)的以微米为单位的位置开始，并且遵循在一个周期之后到达星形符号的点线轨迹。

如果多项余弦波形被分成仅两个不同的相位，如在许多公开的文献中所提出的，则对于周期的相当大的部分，结构内的电场被极大地减小。当考虑矩形波形时这是容易理解的。如果使用比率为2:1的矩形电压波形代替两项余弦波形，则对于周期的三分之一，在结构内不产生电场，因为所有极都处于相同的电压。当使用3:1三项余弦波形时发生类似的问题：如果使用矩形电压波形代替三项余弦波形，则对于半个周期，在结构内不产生电场，因为所有极都处于相同电压。

在本公开的一般意义上，可以考虑多极离子光学装置，该多极离子光学装置包括：第一多个电极，该第一多个电极沿着第一轴线(例如，由第一基板限定)分布；以及第二多个电极，该第二多个电极沿着大致平行于第一轴线的(例如，由第二基板限定的)第二轴线分布，以限定第一多个电极与第二多个电极之间的离子通道。例如，第一轴线和第二轴线可以由相应的基板限定，相应的多个电极设置(或安装)在该基板上。第一多个电极和第二多个电极中的每个电极被配置为接收具有非对称波形的相应RF电压，并且使得第一多个电极和第二多个电极的相邻电极接收具有不同相位的RF电压(在该上下文中“相邻”有利地意味着在相同的多个电极内彼此紧接或者彼此紧接但在不同轴线上)。RF电压有利地是多极电势。以这种方式，离子可以在离子通道中被捕获，特别是通过由多极电势形成的有效势阱。有利地，第一多个电极和第二多个电极以及多个RF电压被配置为在离子通道中具有高电场强度，特别地，该电场强度足够高以使离子经历迁移率变化。如上所述，离子经历迁移率变化的最小场强可取决于特定配置，但在一些实施方案中，这可通过至少10⁴V/cm或1MV/m的场强来实现。

任选地，外壳包封第一多个电极和第二多个电极。电极所处的环境(例如，外壳)有利地被配置为在足够高的气体压力下操作，使得结合RF电压的频率，电场与离子通道中经历电场的离子的速度之间的相移基本上为零。例如，在实施方案中可以考虑至少10kPa的气体压力。在大气压(或接近大气压的压力)下的功能性操作也是可能的。环境可以是空气，并且/或者电极或外壳可以被配置为在空气中操作。通常仅RF电压(即，没有DC，例如FAIMS补偿电压)被施加到第一多个电极和第二多个电极。

具有非对称波形(通常为具有不同相位的相同波形)的RF电压可具有量值为至少2的正峰值电压与负峰值电压的比率(或负峰值电压与正峰值的比率)。典型地，该比率是整数。

在优选实施方案中，第一多个电极中的每个电极沿着第一轴线等距地轴向间隔开，并且第二多个电极中的每个电极沿着第二轴线等距地轴向间隔开。电极之间的相等间隔可以改善有效势阱的质量。

在一个示例中，第一多个电极包括：第一电极；以及第四电极，该第四电极与第一电极相邻，并且第二多个电极包括：第二电极，该第二电极大致与第一电极相对(并且与其对准)；以及第三电极，该第三电极与第二电极相邻并且大致与第四电极相对(并且对准)。具有非对称波形和RF频率的第一RF电压可被施加到第一电极和第三电极。具有非对称波形和RF频率的第二RF电压可被施加到第二电极和第四电极。第一RF电压和第二RF电压之间的相位差近似为π(180度)。

第一多个电极和第二多个电极有利地配置成固定数量的相邻电极的组(在此上下文中“相邻”再次表示在相同的多个电极内彼此紧接或彼此紧接但在不同轴线上)。每个组中的固定数量的电极有利地被配置为接收多极RF电压，使得组内(并且更优选地，组之间)的相邻电极接收具有相同频率并且具有相差2π除以固定数量的相位的RF电压。因此，围绕离子光学装置内的一组第一多个电极和第二多个电极顺时针工作，所施加的RF电压的相位应当在每个电极之间相差相同的量，最后电极和第一电极之间的相位差也是相同的量。现在将以具体术语讨论这种配置的四极和三极示例，此后提供对这些更一般术语的概述。

首先将讨论四极示例。根据本公开的该一个实施方案，施加到电极的多项余弦非对称电压波形被分成四个相位，每个相位相隔90度(π/2弧度)。该波形被分成四个不同的相位，并且一个相位被施加到前四个电极中的每个电极以及第二组四个电极中的每个电极。参考图23A，示意性地示出了x-y空间(μm)中的电极结构的一部分的横截面视图。还参考图23B，示出了在基频的一个周期上的电压波形和施加到图23A中的对应电极的相位。在该示例中，使用由以上等式(6)描述的2:1两项余弦波形。左侧曲线图示出了正极性波形，并且右侧曲线图示出了负极性波形。因此，波形围绕前四个电极(标记为1、2、3、4)逆时针旋转，围绕标记为3、4、5、6的电极顺时针旋转，并且围绕标记为5、6、7、8的电极逆时针旋转。

现在参考图23C，示出了通过求解等式(8)在图23B的以四倍分相施加到图23A的电极阵列的负极性电压波形的一个周期上计算的x-y空间(μm)中的平均离子轨迹。质量为100Da的C型离子从由圆形符号指示的(15,7)位置开始，并且遵循在一个周期之后到达星形符号的点线轨迹。

这表明离子运动是旋转的。与图22C的比较示出了离子的大得多的净运动。离子体积内的峰值场强低于正弦波形情况下的场强，因为来自分相波形的跨电极的电压差较低。然而，对于一些离子，有效势相当高，因为电压差现在不是对称的。

接下来，参考图24，示出了在分成四个相位的负极性两项余弦电压波形的作用下，质量为100Da的C型离子在每个周期经历的净电场或有效电场的x-y空间(μm)中的矢量场曲线图，其中该四个相位在60MHz基频电压波形处具有200V(零至峰值)，如图23B的下曲线图所示(负极性)。如上所述，这是从一个周期上的平均净离子位移导出的。箭头的长度与箭头的主干的中心处的净有效场成比例，并且箭头的方向示出了有效场的方向。

每组四个电极具有势阱，并且存在C型离子的势垒，该势垒可以被制造得远大于可以简单地通过在室温下扩散而由任何显著数量的离子克服的势垒。可以使用Maxwell-Boltzmann概率密度函数来估计由于在给定有效温度下的扩散而可能超过势垒的离子的比例。给定条状电极结构的模型，在结构内部的阱在z方向上远离不存电场的边缘，当模拟包括计算单独的随机弹性碰撞时，可以从z方向上的速度分布导出保持在有效势阱内的离子的有效温度。离子由于随机冲击参数而获得z方向上的动能，并且具有高斯速度分布，从该高斯速度分布可以导出有效温度。

图24的检查揭示了在一个周期上的净电场或有效电场矢量旋转，表明矢量电势不是保守的。在两个点之间计算的标量势可取决于所采取的路径。然而，作为说明，仅从参考点(0,0)计算标量势。

接下来参考图25A和图25B，示出了当施加负极性四倍分相电势时，沿着两条测试线A和B(如图8A中定义的)的离子所经历的有效势(V)相对于位置(μm)的曲线图。左侧曲线图是沿着测试线A(y＝0，曲线图中的位置是x位置)，并且右侧曲线图是沿着测试线B(x＝0，曲线图中的位置是y位置)。该曲线图针对具有以下项的质量为100Da(图25A)和1000Da(图25B)的单电荷离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在60MHz的基频下以四倍分相施加200V的零至峰值二项余弦RF负极性电压波形。

四倍分相的使用改变了结构内的有效势。现在，A型离子和C型离子在每个周期中经历相反的净位移，并且其中对于C型离子，在每组四个电极的中心存在有效势阱，对于A型离子，存在势垒。C型低质量离子(100Da)的阱的量值大约比用两倍分相获得的量值大一个数量级(比较图22A与图25A)。更高质量的离子(1000Da)也在结构内经历更大的有效势，在这种情况下为2左右的更适度的因子。较低质量的离子被限制到比使用赝势效应在相似场强下可能的程度大得多的程度。注意图25A和图25B中的点线(c)，该点线分别示出了质量为100Da和1000Da的迁移率不变离子的结果。用于这些离子的任何势阱必须仅来自赝势效应。

虽然电极结构不是完全对称的，由位于x-z平面中的两个基板上的电极形成，但是沿着两条正交测试线的有效势指示对于本文考虑的几何形状，有效势非常相似。

如果使用正极性电压波形(图23B上曲线图)，A型离子经历有效势阱。现在参考图26，示出了通过求解等式(8)在图23B的以四倍分相施加到图23A的电极阵列的正极性电压波形的一个周期上计算的x-y空间(μm)中的平均离子轨迹。质量为100Da的A型离子从由圆形符号指示的(15,7)位置开始，并且遵循在一个周期之后到达星形符号的点线轨迹。因此，A型离子如之前那样逆时针行进(参见图23C)，因为该运动由分相的分布确定，但是离子从其起点沿负y方向行进，而不是对于具有负极性电压波形的C型离子在图23C中看到的正y方向。

接下来参考图27A和图27B，示出了当施加正极性四倍分相电势时，沿着两条测试线A和B(如图8A中定义的)的离子所经历的有效势(V)相对于位置(μm)的曲线图。左侧曲线图是沿着测试线A(y＝0，曲线图中的位置是x位置)，并且右侧曲线图是沿着测试线B(x＝0，曲线图中的位置是y位置)。该曲线图针对具有以下项的质量为100Da(图27A)和1000Da(图27B)的单电荷离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在60MHz的基频下以四倍分相施加200V的零至峰值二项余弦RF正极性电压波形。

应当注意，迁移率不变离子(c)仅显示赝势效应，不管波形的极性如何，该效应都是相同的(将图25A和图26B中的正和负波形与图27A和图27B进行比较)。赝势效应与由微分迁移率效应产生的有效势相比非常小，至少小一个数量级。微分迁移率效应的使用已经显著改善了较低质量离子的限制。

以上述微分迁移率效应操作的阱只能捕获A型离子(正极性)或C型离子(负极性)。然而，通过以一种极性操作电极1、2、3、4以及以相反极性操作电极5、6、7、8，相邻的阱将限制不同迁移率变化离子。

考虑到这一点，现在参考图28A，示出了在基频的一个周期上的电压波形，该电压波形被分成施加到图23A中的对应电极的四个相位。负极性波形被施加到电极1-4，并且正极性波形被施加到电极5-8。参考图28B，示意性地示出了具有指示计算有效势的位置的测试线C(虚线)的x-y空间(μm)中的图23A的电极结构的一部分的横截面视图。测试线C沿着y＝0线在电极之间延伸。

接下来参考图29A和图29B，示出了当施加图28A中所示的电势时，沿着测试线C(如图28B中定义的)的离子所经历的有效势(V)相对于x位置(μm)的曲线图。该曲线图针对具有以下项的质量为100Da(图29A)和1000Da(图29B)的单电荷离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在60MHz的基频下以四倍分相施加200V的零至峰值二项余弦RF正极性电压波形。

可以看出，电极1-4捕获C型迁移率变化的离子，并且电极5-8捕获A型迁移率变化的离子。在z方向上沿着条带将离子源引导到条状电极结构中将导致A型和C型微分迁移率的离子被限制在对于该类型的离子迁移率具有有效势阱的那些阱中。捕获电势(有效势)远大于仅利用赝势效应的现有方法所产生的电势。对于电极3、4、5和6之间的所有离子存在适度的阱(在x＝0的区域中)。然而，在室温下，扩散可导致离子超过势垒，并且如果离子具有C型迁移率变化，则离子可移动到电极1-4之间的位置，并且如果离子具有A型迁移率变化，则离子可移动到电极5-8之间的位置。

虽然上面已经讨论了两项余弦电压波形，但是电压波形基于多于两个余弦项。例如，由以上等式(7a)描述的3:1三项余弦电压波形也可应用于根据本公开的实施方案。

接下来参考图30A和图30B，示出了当三项余弦RF负极性电压波形被施加到图23A的8个电极时，沿着测试线A和B(如图8A中定义的)的离子所经历的有效势(V)相对于位置(μm)的曲线图。左侧曲线图是沿着测试线A(y＝0，曲线图中的位置是x位置)，并且右侧曲线图是沿着测试线B(x＝0，曲线图中的位置是y位置)。该曲线图针对具有以下项的质量为100Da(图30A)和1000Da(图30B)的单电荷离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在60MHz的基频下以四倍分相施加200V的零至峰值三项余弦RF负极性电压波形。对于质量为100Da的离子形成大约3.3V的有效势阱，并且对于质量为1000Da的离子形成大约1.2V的势阱。这些应当与图25A和图25B进行比较，以便使用2:1二项余弦电压波形。

接下来参考图30C，示出了当三项余弦RF负极性电压波形被施加到图23A的8个电极时，沿着测试线C(y＝0，如图28B中定义的)的离子所经历的有效势(V)相对于x位置(μm)的曲线图。该曲线图针对具有以下项的质量为1000Da的单电荷离子：(a)C型迁移率变化(实线)；(b)A型迁移率变化(虚线)；以及(c)不变迁移率(点线)。在60MHz的基频下以四倍分相施加200V的零至峰值二项余弦RF正极性电压波形。沿着这些测试线，标量势看起来类似，并且这意味着势阱沿着两个方向对称。

图30C展示了沿着阵列产生的多个有效势阱。零有效势参考点再次在(0,0)处。这在x-y平面中呈现强捕获效应，从而抵抗离子横跨阵列的移动。然而，离子在z方向上(我们在本文中将其称为“沿着”阵列)自由移动，并且离子可以使用例如气体流在该方向上容易地传送。另选地，通过在离子通道的末端(在z方向上)提供DC限制电极，可以在z方向上限制离子。

具有所施加电压波形的4倍分相的条状电极阵列形成一组阱。阱用非对称电压波形形成，该非对称电压波形具有不等于1的相反极性的峰值电压的比率。这里已经示出了2:1和3:1的比率，但是其他比率可以用于此类实施方案。

回到上面考虑的一般术语，在(四极离子光学装置的)一个示例中，第一多个电极包括：第一电极；以及第四电极，该第四电极与第一电极相邻，并且第二多个电极包括：第二电极，该第二电极大致与第一电极相对(并且与其对准)；以及第三电极，该第三电极与第二电极相邻并且大致与第四电极相对(并且对准)。具有非对称波形和RF频率的第一RF电压被施加到第一电极。具有非对称波形和RF频率的第二RF电压被施加到第二电极，第一RF电压和第二RF电压之间的相位差近似为π/2(90度)。具有非对称波形和RF频率的第三RF电压被施加到第三电极，第二RF电压和第三RF电压之间的相位差近似为π/2。具有非对称波形和RF频率的第四RF电压被施加到第四电极，第三RF电压和第四RF电压之间的相位差近似为π/2。因此，第四RF电压与第一RF电压之间的相位差也近似为π/2。

任选地，第一多个电极还包括与第四电极相邻的第五电极，第一RF电压被施加到第五电极，并且第二多个电极还包括与第三电极相邻并且大致与第五电极相对的第六电极，第二RF电压被施加到第六电极。

更一般地，第一电极、第二电极、第三电极和第四电极可以限定电极单元。然后，电极单元可以沿着第一轴线和第二轴线重复。由此可以形成四极阱阵列。

在一个实施方案中，第一电极、第二电极、第三电极和第四电极限定第一电极单元，并且施加到第一电极单元的RF电压具有第一极性(在波形周期上的平均电压的极性的意义上)。然后，第二电极单元可以沿着第一轴线和第二轴线邻近第一电极单元设置。除了施加到第二电极单元的RF电压具有与第一极性相反的第二极性之外，第二电极单元有利地基本上与第一电极单元相同。这可以允许捕获不同迁移率变化类型的离子。

这可以更一般地考虑到第一多个电极和第二多个电极被配置成固定数量的相邻电极的组的情况而应用，该固定数量的相邻电极限定电极单元，电极单元可以被重复。任选地，施加到一个电极单元的RF电压的极性可以不同于施加到另一电极单元的RF电压的极性，例如以允许捕获不同迁移率变化类型的离子。

可以考虑三极离子光学装置的另一示例。例如，第一多个电极可以包括：第一电极；以及与第一电极相邻的第三电极。第二多个电极可包括与第一电极和第三电极相对且轴向地位于第一电极和第三电极之间的第二电极。然后，具有非对称波形和RF频率的第一RF电压可被施加到第一电极，具有非对称波形和RF频率的第二RF电压可被施加到第二电极，并且具有非对称波形和RF频率的第三RF电压可被施加到第三电极。有利地，第一RF电压和第二RF电压之间的相位差大约为2π/3(120度)，并且第二RF电压和第三RF电压之间的相位差大约为2π/3。由此，第一RF电压和第三RF电压之间的相位差也有利地近似为2π/3。

如上所述，可以重复三极电极单元。然而，在三个电极的组之间施加的RF电压可能需要对于相邻的三个电极的组反转。例如，第一多个电极还可以包括：第五电极，该第五电极与第三电极相邻并且具有所施加的第二RF电压，第二多个电极可以包括：第四电极，该第四电极与第二电极相邻并且与第三电极和第五电极相对并且轴向地位于第三电极和第五电极之间并且具有所施加的第一RF电压；以及第六电极，该第六电极与第四电极相邻，该第六电极远离第四电极从第五电极轴向地移位并且具有施加的第三RF电压。另选地，可以认为第一电极、第二电极、第三电极、第四电极、第五电极和第六电极限定电极单元。然后，电极单元可以沿着第一轴线和第二轴线重复，特别是在所有电极之间具有近似相等的轴向间隔。

该一般意义将在下文再次讨论。首先，将提供具体实际实施方案的更多讨论。

驱动离子横跨阵列

可以通过施加稳态电场来引起离子移动横跨阱阵列，该稳态电场通过用沿着阵列具有增加量值的非时变电压使电极偏置产生。附加地或另选地，可以使用通过阵列的气体流。在另一方法中(能够与先前描述的那些方法组合)，可将随时间变化的一组电压施加到阱电极和/或一个或多个补充电极以产生行波，该行波产生跨越阵列移动的电场，如已知且例如描述于美国专利US-9,978,572 B2中。如上所述，如果使用气体流，则离子可被保持在同一阱内，气体流在平行于阱电极的伸长的z方向上被引导。另选地，气体流可与z轴成某个其他角度，包括垂直于z轴(即，在x方向上)。控制器可用于使用这些技术中的任何一种或组合来实现离子的传送。

在第一示例中，可通过施加用横跨阵列具有增加或减小量值的非时变电压来使电极偏置(优选地偏置到与施加RF的电极相同的电极，但可替代地或另外使用一个或多个补充电极)而产生的稳态电场引起离子跨越阱阵列移动。现在参考图31A，其中示出了当(图23B的)时变电压波形被切断并且非时变电压沿着阵列被施加到电极时，图23A的电极阵列中的非时变轴向电场强度(V/m，沿着x，在y＝0处)相对于x位置(μm)的曲线图：向电极1和2施加0V；向电极3和4施加-10V；向电极5和6施加-20V；向电极7和8施加-30V。

非时变电压沿着通道产生净场，该净场在本文中被称为轴向场。在不施加时变场的情况下，即使两个基板上的相邻电极之间的电压偏移是恒定的，轴向场沿着阵列也将不是恒定的，因为电极的宽度(沿着x)与电极之间的间隙(沿着x)相同或相似。场强在间隙附近较大，并且在电极附近较小。

轴线上x方向(y＝0)的场强遵循与正弦曲线有些类似的振荡轮廓。平行于轴线但移位10μm(y＝10μm)的场强具有轻微变形的分布。当然，电极宽度不必等于间隙宽度，并且振荡轴向场的轮廓不必是正弦的。然而，沿着基板之间的通道的非零轴向电场是高度期望的。

当施加时变(RF)电压以及非时变电压时，形成阱并且轴向场随时间变化。离子在一些条件下可接收净轴向运动。如果由非时变电压产生的非时变轴向场足以驱动离子越过阱之间的有效势垒，则离子被驱动横跨阵列。在垂直方向(y)上的捕获防止离子撞击电极。

由于在低轴向场处有效势阱深度的差异(如图30A和图30B中所示)，较高质量或较低迁移率离子相比于较低质量或较高迁移率离子能够在较低非时变场处逃逸出阱。现在参考图31B，其中示出了当施加具有四倍分相的RF电势和较低电压(-10V)非时变电势两种电势时，对于不同质量的平均C型离子，行进的轴向距离(μm)相对于时间(μs)的曲线图。示出了在200V的零至峰值三项余弦RF负极性电压波形的作用下，在图23A的电极结构中具有在100Da和1000Da(如标记的)之间且包括100Da和1000Da的每100Da的质量的离子的曲线图，该电压波形以60MHz的基频和四倍分相施加到电极，加上如图31A中所描绘的由于沿着轴线施加在连续电极对之间的-10V而产生的非时变场。质量100Da和200Da不传输通过该结构。

参考图31C，示出了当施加具有四倍分相的RF电势和较高电压(-20V)非时变电势这两种电势时，对于不同质量的平均C型离子，行进的轴向距离(μm)相对于时间(μs)的曲线图。如前所述，在60MHz的基频下以四倍分相将200V的零至峰值三项余弦RF负极性电压波形施加到电极。在这种情况下，-20V电势沿着轴线施加在连续电极对之间。测试的所有质量都被传输，较高质量或较低迁移率的离子花费较长时间来行进设定的轴向距离。

现在参考图31D，示出了轴向离子速度(在x维度上，m.s^-1)相对于质量(Da，左侧曲线图)、迁移率(m².V^-1.ms^-1，中间曲线图)和碰撞横截面(右侧曲线图)的曲线图。数据取自C型离子的平均离子轨迹，该C型离子在图23A的电极结构中具有100Da和1000Da之间且包括100Da和1000Da的每100Da的质量。该场是由于在60MHz的基频下以4倍分相施加到电极的200V的零至峰值的三项余弦RF负极性电压波形加上由于在沿着轴线的连续电极对之间施加的-20V而引起的非时变场。本文中用于离子的碰撞横截面中的离子直径基于Tao等人的著作(J Am.Soc.Mass Spectrom.2007,18,1232-1238)，其中对于单电荷肽离子的离子中性碰撞数据给出了He中碰撞横截面之间的关系。

在低场下，低质量或高迁移率离子不能逃逸出轴向阱并且不沿着轴线被驱动横跨阵列，而高质量或低迁移率离子逃逸出阱并且在基板之间的离子通道中接收净轴向速度(参见图31B，如上所述)。然后，阱阵列充当高通质量或低通迁移率滤波器。对于低质量或高迁移率离子，由时变电压形成的有效势阱更深，从而减慢或防止它们从阱中逃逸出。例如，此类滤波器可以与下游装置结合使用，以限制供应给装置的迁移率的范围。其还可用于捕获低质量或高迁移率离子以供后续使用，其中较高质量或较低迁移率离子被丢弃。

在较高轴向场处，所有离子可逃逸出阱，并且低质量或高迁移率离子以比高质量或低迁移率离子高的净轴向速度被驱动横跨阵列，并且阱阵列形成离子迁移率漂移管(参见图31C，如上文所论述的)。

作为第二示例，可以利用轴向气体流驱动离子横跨阱阵列。在第一种情况下，考虑在正x方向上25m/s的气体速度，导致离子从左向右移动穿过阵列，从一个阱移动到另一个阱。参考图32A，示出了在施加气体流的情况下，图23A的四极电极布置中的单电荷类型离子的平均轨迹y(μm)相对于x(μm)的曲线图。考虑分成在60MHz基频下具有200V(零至峰值)的四相的负极性三项余弦电压波形的作用下以及在正x方向上25m/s的均匀气体流速的情况下，具有在100Da和1000Da之间且包括100Da和1000Da的每100Da的质量的离子。所有离子开始于点(-100,0)(μm)。离子轨迹终止于平面x＝100μm处。

小于约22m/s的气体流速似乎不足以运载质量为100Da的离子越过第一捕获区域的势垒，但较高质量的离子可以逃逸出。对于较低的气体流，传输的最小质量较高。在10m/s流速下，330Da及以上的离子逃逸出阱并横跨阵列前进；较低的质量保持被捕获。如果气体流速增加到22m/s，则质量为100Da及以上的离子具有足够大的碰撞横截面，使得它们可以逃逸出有效势阱。离子以不同速度沿着管前进。

现在参考图32B，示出了对于在正x方向上22m/s的气体速度，轴向离子速度(在x维度上，m.s^-1)相对于质量(Da，左侧曲线图)、迁移率(m².V^-1.ms^-1，中间曲线图)和碰撞横截面(右侧曲线图)的曲线图。该数据取自单电荷C型离子在分成在60MHz基频下具有200V(零至峰值)的四相的负极性的三项余弦电压波形的作用下的平均离子轨迹。离子以略小于气体流速的速度移动横跨阱阵列，并且具有较低迁移率和较大横截面的较高质量离子比具有较小横截面的较低质量和较高迁移率离子移动得更快。因此，阱阵列可以用作光谱仪，根据离子的迁移率以与线性迁移率漂移管相比相反的方式分离离子。

本公开的实施方案如上所述地起作用以形成用于包括四个条状电极组的单元内的离子的阱。通过使一个基板相对于另一基板在x方向上移位一个单元的长度的一半，可构造三极阱组。可以利用使用MEMS技术制造的如上所述的类似电极结构。需要一个基板相对于另一基板的直接移位以及不同的电压分配。电压波形优选地被分成三个相位，一个相位施加到每个单元的每个电极。参考图33A，示出了由在对准的相对基板上的条状电极形成的三极的阵列的一部分的横截面视图，y(μm)相对于x(μm)。基板材料在图中未示出。电极编号为1至9。一个基板上的电极轴向地位于另一基板上的电极之间。

接下来参考图33B，示出了基频的一个周期上的电压波形和施加到图33A中的对应电极的相位。左侧曲线图示出了正极性波形，并且右侧曲线图示出了负极性波形。从这些图中可以看出，波形相位因此围绕标记为1-3的电极、电极3-5、电极5-7和电极7-9逆时针旋转。波形相位围绕标记为2-4的电极、电极4-6和电极6-8顺时针旋转。

现在参考图33C，绘制了通过求解上述等式(8)在图33B的负极性电压波形的一个周期上计算的单个离子在x-y空间(μm)中的平均离子轨迹。假设质量为100Da的C型离子，并且示出了其在标记为4、5和6的三个电极内的平均衰减轨迹。离子从由圆形符号指示的位置(0,-15)开始，并且遵循在一个周期之后到达星形符号的点线轨迹。

接下来参考图33D，绘制了通过求解上述等式(8)在图33B的负极性电压波形的一个周期上计算的不同质量的离子在x-y空间(μm)中的平均离子轨迹。质量为100Da-1000Da的C型离子(标记的)从位置(0,-15)开始并且在一个周期上遵循点线轨迹。因此可以看出，离子运动旋转，并且当离子在捕获区域中的一个捕获区域内时，它们遵循大致三角形的轨迹。较高迁移率和较低质量的离子具有最大的振荡幅度。

现在，参考图34，绘制了当根据图33B的波形被施加到图33A所示的电极布置时质量为100Da的C型离子在每个周期所经历的有效电场的x-y空间(μm)中的向量场。因此，在分成三相的负极性的两项余弦电压波形的作用下考虑离子，该三相在60MHz基频电压波形处具有200V(零至峰值)，如图33B的右侧曲线图所示。因此，这示出了在每组三个电极(一个基板的两个电极和另一个基板的一个电极)内形成的阱。阱朝向同一基板上的两个电极之间的间隙偏移。

图34的检查揭示了在一个周期上的净电场矢量旋转，表明矢量电势不是保守的。在两个点之间计算的标量势可取决于所采取的路径。然而，仅作为说明，计算标量势。参考图35，描绘了当根据图33B的波形被施加到图33A所示的电极布置时，对于不同迁移率类型的离子，沿着测试线的有效势(V)相对于y位置(μm)的曲线图。测试线从到x＝0处的y＝-50μm延伸+20μm，并且从参考点(0,0)考虑离子。在分成在60MHz基频下具有200V(零至峰值)的三相的负极性的两项余弦电压波形的作用下，对于质量为100Da的单电荷离子，从在一个周期上在y方向上的净电场计算有效势。对参考点与曲线图上的每个其他点之间的电场进行积分以获得有效势的估计值。

考虑三种迁移率类型：(a)C型离子(实线)；(b)A型离子(虚线)；以及(c)迁移率不变离子(点线)。使用该近似方法，阱的底部看起来在y方向上偏移大约14μm。对于这些离子形成大约2.5V的阱。

如上所述，可以以多种不同的方式引起离子移动横跨阱阵列。首先，通过施加稳态电场，该稳态电场通过用沿着阵列具有增加或减少量值的非时变电压使电极偏置产生。另选地，可使用通过阵列的气体流来驱动离子沿着阵列或横跨阵列，或两者的某种组合。在第三选项中，可以将随时间变化的一组电压施加到阱电极和/或一个或多个补充电极以产生行波，从而产生跨阵列移动的电场。这些也可应用于基于三极的阱。

参考图36A，示出了在施加较低气体流的情况下，图33A的三极电极布置中的单电荷类型离子的平均轨迹y(μm)相对于x(μm)的曲线图。考虑分成在60MHz基频下具有200V(零至峰值)的三相的负极性两项余弦电压波形的作用下以及在正x方向上20m/s的均匀气体流速的情况下，具有在100Da和1000Da之间且包括100Da和1000Da的每100Da的质量的离子。所有离子开始于点(-150,14)(μm)。离子轨迹终止于平面x＝150μm处，并且最终离子位置用黑色圆圈符号显示。

在该示例中，在正x方向上20m/s的气体流速的作用下，离子从左向右横跨阵列移动，似乎找到了从阱移动到阱的最小阻力的路径。小于约19m/s的气体流速似乎不足以运载质量为100Da的离子越过第一捕获区域的势垒，但较高质量的离子可以逃逸出。对于较低的气体流，传输的最小质量似乎较高。在10m/s的气体流速下，质量等于和大于大约250Da质量的离子可以逃逸出阱并横跨阵列前进。如果气体流速增加到19m/s，则质量为100Da的离子可逃逸出有效势阱。离子以不同的速度横跨阵列前进。

现在参考图36B，示出了对于在正x方向上20m/s的气体速度，轴向离子速度(在x维度上，m.s^-1)相对于质量(Da，左侧曲线图)、迁移率(m².V^-1.ms^-1，中间曲线图)和碰撞横截面(右侧曲线图)的曲线图。该数据取自分成在60MHz基频下具有200V(零至峰值)的三相的负极性两项余弦电压波形作用下的单电荷C型离子的平均离子轨迹。离子以略小于气体流速的速度移动横跨阵列，并且具有较低迁移率的较高质量离子比较低质量较高迁移率离子移动得更快。因此，阱阵列可以用作光谱仪，根据离子的迁移率以与线性迁移率漂移管相比相反的方式分离离子。

在25m/s的增加的气体流下，不同质量离子的轴向速度的差异稍微减小。参考图37A，示出了在施加较高气体流的情况下，图33A的三极电极布置中的单电荷类型离子的平均轨迹y(μm)相对于x(μm)的曲线图。考虑分成在60MHz基频下具有200V(零至峰值)的三相的负极性两项余弦电压波形的作用下以及在正x方向上25m/s的均匀气体流速的情况下，具有在100Da和1000Da之间且包括100Da和1000Da的每100Da的质量的离子。所有离子开始于点(-150,14)(μm)。离子轨迹终止于平面x＝150μm处，并且最终离子位置用黑色圆圈符号显示。

接下来参考图37B，示出了对于在正x方向上25m/s的气体速度，轴向离子速度(在x维度上，m.s^-1)相对于质量(Da，左侧曲线图)、迁移率(m².V^-1.ms^-1，中间曲线图)和碰撞横截面(右侧曲线图)的曲线图。该数据取自分成在60MHz基频下具有200V(零至峰值)的三相的负极性两项余弦电压波形作用下的单电荷C型离子的平均离子轨迹。

其他多极可以用于本公开，并且虽然已经相当详细地描述了四极和三极阱结构，但是本领域技术人员可以容易地将处理扩展到其他多极布置。

再次回到上面考虑的本公开的一般意义，可以理解，第一多个电极和第二多个电极限定至少一个离子阱。然后，多极离子光学装置还可以包括离子传送控制器，该离子传送控制器被配置为引起在至少一个离子阱中捕获的离子的移动。例如，离子传送控制器可以被配置为通过以下各项中的一项或多项来引起在该至少一个离子阱中捕获的离子的移动：a)通过用非时变电压使第一多个电极和/或第二多个电极和/或一个或多个补充电极偏置来将稳态电场施加到该至少一个离子阱第一和/或第二多个电极，以便沿着第一轴线和/或第二轴线产生电压梯度(例如，具有增大或减小的量值的电压)；b)使气体流动穿过该阵列(离子通道)；以及c)将一组时变电压施加到第一多个电极和/或第二多个电极和/或一个或多个补充电极以产生行波，使得引起跨第一轴线和/或第二轴线移动的电场。使用这些技术中的任何技术(单独地或组合地)，该离子传送控制器可以被配置为引起在该至少一个离子阱中捕获的离子在平行于该第一轴线和/或该第二轴线的方向上的移动。这还可以允许根据离子的质量和/或迁移率(或迁移率类型)来分离离子。将非时变偏置电压施加到具有预先确定的电压的第一多个电极和/或第二多个电极可允许离子传送控制器通过离子的质量和/或迁移率分离离子。

气体流的使用在其他方面可能是有利的。例如，该离子传送控制器可以被配置为通过使气体流动穿过该阵列来引起在该至少一个离子阱中捕获的离子在垂直于第一轴线和第二轴线的方向上的移动。在实施方案中，离子传送控制器被配置为通过使气体以预先确定的流速流动穿过阵列而根据离子的质量和/或迁移率来分离离子。

根据本公开的一个或多个多极离子光学装置的使用可以允许包括此类多极离子光学装置的复杂仪器，例如质谱仪或离子迁移谱仪可以被考虑。在实施方案中，多极离子光学装置被配置为充当以下中的一者或多者：质量过滤器；质量分析器；离子迁移率过滤器；离子迁移率分析器；以及漂移管。

各种结构

尽管已经参考特定类型的装置和应用(具体地是质谱仪和/或离子迁移谱仪)描述了根据本公开的实施方案并且所述实施方案在此情况下具有特定优势，如本文所讨论的，但是根据本公开的方法可以应用于其他类型的装置和/或应用。离子排斥表面、离子光学装置(诸如离子导向器)、离子光学系统的特定制造细节和相关联的用途不但潜在有利(特别是考虑到已知的制造限制和能力)，同时可以显著变化以获得具有类似或相同操作的装置。除非另外说明，否则本说明书中所公开的每个特征均可替换为用于相同、同等或类似目的的替代特征。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列的等价或相似的属性特征的一个示例。

可以利用具有各种电极结构的本公开的方法和设备。在上述示例中使用了条状电极，但本公开不限于使用此类细长的条状电极。可以在基板上将适当尺寸的电极布置为对称或非对称图案，并且如果电极的伸长对于特定应用是有益的，则电极可以是线性的或弯曲的。单独电极可以为半球形、矩形或其它形状。基板的存在对于实施本发明不是必需的。条状电极可以以其他方式支撑，例如通过电绝缘支撑件保持在它们的端部。基板(如果存在)可以是平面的或者可以具有电极布置在其上的非平面表面。基板可包括两个同心圆柱体，其中彼此面对的弯曲表面中的一者或两者具有位于其上的细长电极阵列。圆柱体可被认为等同于上述平面基板，但被卷起。在使用圆柱体的此类实施方案中，细长电极可以是环形的。圆柱体中的一个圆柱体可以是仅DC电极，其功能类似于上述实施方案中的平板电极。在使用两个同心圆柱体作为基板的一些实施方案中，第三圆柱体可位于这两个同心圆柱体之间，该第三圆柱体可仅施加DC电压，类似于图12A中所示的平面结构。电极的大小可取决于其中将使用电极结构的气体的压力。场强应当优选地使得用于特定应用的所关注的离子在选定压力下在电压波形的一部分上接近并且优选地超过的气体中的声速，使得微分迁移率效应针对所关注的离子产生有效的势垒。

在空气中的大气压下，有利的是利用具有十或几十微米的特性尺寸(宽度和/或高度)的电极，并且在相邻电极之间具有类似大小或优选地稍小的间隙，该相邻电极将具有施加到其上的不同相位和/或极性的电压。击穿前可获得的场强随着电极之间的距离的减小而迅速增大。更高的场强使得离子在振荡周期的部分内达到更高的速度，这使得能够利用微分迁移率效应。优选地，条状电极在x方向上比相邻电极之间在x方向上的间隙稍宽，并且在空气中的大气压下，有利的30μm的x宽度加上15μm的间隙是优选的组合。更一般地，电极的宽度(在x维度上)可以是从10μm到50μm，并且更优选地是从20μm到40μm，并且/或者电极宽度与间隙的比率优选地为1至3，更优选地为1.5至2.5，有利地为大约2。此类配置可以与平板电极一起提供，该平板电极优选地位于与条状电极相距条状电极的宽度的2-5倍(或3-4倍)的距离处，例如距离条状电极的外面大约100μm。电压驱动的基频(最大余弦分量的频率)优选地为20MHz-80MHz，并且电压为150V-200V(零-峰值)。减小离子通道的宽度可能需要较高的电压驱动频率，使得离子振荡幅度不变成离子通道宽度的相当大的部分。

优选地，在存在基板的情况下，条状电极比基板的任何下面的凸起部分更宽(在x上)，使得导电条悬垂在基板上。在WO2014/048837A2中描述了基板上的此类悬垂电极的示例。在另一个实施方案中，条状电极被制造成距平坦基板表面的完整高度，如在上述模拟中的情况。

通过施加稳态电场可以引起离子在离子通道内移动，稳态电场是由沿着阵列具有增加或减少量值的非时变电压使电极偏置而产生的。另选地或附加地，可以使用通过阵列(离子通道)的气体流，或者可以将一组时变电压施加到阵列电极以产生行波，该行波产生沿阵列移动的电场，如已知的并且例如在美国专利US-9,978,572B2中描述的。如果使用气体流，离子可以被保持在相同的细长电极之间，气体流在平行于阵列电极的伸长的z方向上被引导。另选地，气体流可与z轴成某个其他角度，包括垂直于z轴(即，在x方向上)。如果使用非时变电压的静态分布来产生在x方向上横跨离子通道的电场，则非时变电压可以作为提供给条状电极的RF电势的偏移而被施加。这是一种相对简单的方法，但是在延长的长度上，其可能导致跨阵列的不切实际的大的电压降。行波方法需要更复杂的控制，但是其避免了电压升高问题。一种替代实施方式是提供位于槽底部的补充电极，该补充电极被对准以沿x方向或z方向驱动离子。在使用稳态电场或行波电场来驱动离子通道内的离子的情况下，可以提供沿与电场驱动离子的方向相反的方向流动的气体流。此类反向气体流配置可用于离子通道内离子的离子迁移分离。

如本文所用，包括在权利要求书中，除非上下文另有说明，否则本文中的术语的单数形式应被解释为包括复数形式，反之亦然。例如，除非上下文另外指示，否则本文(包括权利要求书)中的单数提及物，诸如“一”或“一个”(诸如一个模/数转换器)意指“一个或多个”(例如，一个或多个模/数转换器)。在本公开的说明书和权利要求书中，词语“包含”、“包括”、“具有”和“含有”以及这些词语的变型，例如，“包含(comprising)”和“包含(comprises)”或类似词语意指“包括但不限于”，且并不旨在(且并不)排除其他组件。

除非另有声明，否则本文所述的任何和所有示例或示例性语言(“例如”、“诸如”和类似语言)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的要素为实践本发明所必需的。

除非另有说明或上下文另外要求，否则本说明书中所述的任何步骤可按任何顺序或同时执行。

本说明书中所公开的所有方面和/或特征可按任何组合进行组合，这类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合除外。如本文所描述，可以存在具有另外益处的方面的特定组合，例如用于质谱仪和/或离子迁移谱仪的离子导向器的方面。具体地讲，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面且可以任何组合的形式使用。同样，以非必需组合形式所述的特征可单独(不按组合形式)使用。

Claims (45)

1.一种离子排斥表面，包括：

沿着轴线分布的第一多个细长电极，所述第一多个细长电极被配置为接收具有非对称波形的第一RF电压；和

沿着所述轴线分布的第二多个细长电极，所述第二多个电极与所述第一多个电极交错并且被配置为接收具有非对称波形的第二RF电压，所述第二RF电压具有与所述第一RF电压不同的相位；并且

其中所述第一多个电极和所述第二多个电极以及所述第一RF电压和所述第二RF电压被配置为使得邻近所述离子排斥表面的电场的强度足以使离子经历迁移率变化。

2.根据权利要求1所述的离子排斥表面，其中所述第一多个细长电极和所述第二多个细长电极设置在基板上，所述基板是基本上电绝缘的和/或平面的。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的离子排斥表面，其中所述轴线是线性的，并且所述第一多个细长电极和所述第二多个细长电极是基本上平行的，或者其中所述轴线是弯曲的。

4.根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面，其中所述第一多个电极中的每个电极和/或所述第二多个电极中的每个电极具有以下各项中的一项或多项：

相同的形状、相同的尺寸和相同的间隔；

至少与相邻电极之间的间隙一样大的高度；

小于所述基板的厚度的高度；

至少与相邻电极之间的间隙一样大的宽度；

小于100μm的宽度；

在伸长方向上为相邻电极之间的间隙的至少2、3、5、10、20、25或50倍长的长度；和

为以下中的一者的横截面：具有倒圆拐角的矩形；半球形；以及半卵形。

5.根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面，其中所述第一多个电极中的每个电极在所述第一多个电极的第一端部处连接到第一公共导体，并且所述第二多个电极中的每个电极在所述第二多个电极的第一端部处连接到第二公共导体，所述第二多个电极的所述第一端部远离所述第一多个电极的所述第一端部。

6.根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面，其中满足以下各项中的一项或多项：

所述第一多个电极和所述第二多个电极以及所述第一RF电压和所述第二RF电压被配置为使得邻近所述离子排斥表面的电场的强度为至少1MV/m；

所述离子排斥表面被布置成在具有至少10kPa的气体压力的环境中操作；

所述离子排斥表面被布置成在空气中操作。

7.根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面，其中所述第一RF电压和所述第二RF电压之间的相位差为至少π/2。

8.根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面，还包括：

DC电极布置，所述DC电极布置包括被配置为接收DC电压的一个或多个电极，所述一个或多个电极中的每个电极具有平面形式并且被定位在与所述第一多个电极和所述第二多个电极基本上相同的平面中。

9.根据权利要求8所述的离子排斥表面，其中所述DC电极布置包括：第一DC电极，所述第一DC电极垂直于伸长方向与所述第一多个电极和所述第二多个电极的第一端部相邻地定位；以及第二DC电极，所述第二DC电极垂直于伸长方向与所述第一多个电极和所述第二多个电极的第二端部相邻地定位，远离所述第一端部。

10.根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面，还包括：

导电背板，所述导电背板在所述基板的与所述第一多个电极和所述第二多个电极所位于的侧面相对的侧面上。

11.根据权利要求10所述的离子排斥表面，其中所述导电背板被配置为接收DC电压。

12.根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面，还包括：

所述基板上的第三多个细长电极，所述第三多个细长电极沿着第二轴线分布并且与所述第一多个电极和所述第二多个电极不同，并且被配置为接收具有非对称波形的第三RF电压，所述第三RF电压具有与所述第一RF电压和所述第二RF电压不同的相位；和

所述基板上的第四多个细长电极，所述第四多个电极沿着所述第二轴线与所述第三多个电极交错并且被配置为接收具有非对称波形的第四RF电压，所述第四RF电压具有与所述第一RF电压、所述第二RF电压和所述第三RF电压不同的相位。

13.一种离子光学装置，包括：

根据任一前述权利要求所述的离子排斥表面；和

板电极，所述板电极与所述离子排斥表面在空间上分离，以便在所述离子排斥表面和所述板电极之间限定离子通道。

14.根据权利要求13所述的离子光学装置，其中所述板电极被配置为接收具有非时变电势偏移的DC电压或RF电压。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的离子光学装置，其中所述板电极基本上平行于所述离子排斥表面。

16.一种离子光学装置，包括：

根据权利要求1至15中任一项所述的第一离子排斥表面；和

根据权利要求1至15中任一项所述的第二离子排斥表面，所述第二离子排斥表面与所述第一离子排斥表面在空间上分离，以便在所述第一离子排斥表面和所述第二离子排斥表面之间限定离子通道。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的离子光学装置，其中所述第一RF电压和所述第二RF电压的频率被选择为使得离子振荡幅度小于所述离子通道的宽度的相当大的部分。

18.根据权利要求16所述的离子光学装置，还包括：

板电极，所述板电极被定位在所述第一离子排斥表面和所述第二离子排斥表面之间并且与所述第一离子排斥表面和所述第二离子排斥表面在空间上分离，以便在所述第一离子排斥表面和所述板电极之间限定第一离子通道，并且在所述第二离子排斥表面和所述板电极之间限定第二离子通道；并且

其中所述第一离子排斥表面的所述第一RF电压和所述第二RF电压具有与所述第二离子排斥表面的所述第一RF电压和所述第二RF电压相反的极性。

19.根据权利要求16所述的离子光学装置，所述离子光学装置被布置成使得所述第一离子排斥表面的所述第一多个电极被布置成与所述第二离子排斥表面的所述第一多个电极对准并相对，并且使得所述第一离子排斥表面的所述第二多个电极被布置成与所述第二离子排斥表面的所述第二多个电极对准并相对，其中所述第一离子排斥表面的所述第一RF电压与所述第二离子排斥表面的所述第一RF电压相同，并且其中所述第一离子排斥表面的所述第二RF电压与所述第二离子排斥表面的所述第二RF电压相同。

20.根据权利要求19所述的离子光学装置，其中所述第一离子排斥表面和所述第二离子排斥表面各自根据权利要求12所述，其中所述离子光学装置被布置成使得所述第一离子排斥表面的所述第三多个电极被布置成与所述第二离子排斥表面的所述第三多个电极对准并相对，并且使得所述第一离子排斥表面的所述第四多个电极被布置成与所述第二离子排斥表面的所述第四多个电极对准并相对，其中所述第一离子排斥表面的所述第三RF电压与所述第二离子排斥表面的所述第三RF电压相同，并且其中所述第一离子排斥表面的所述第四RF电压与所述第二离子排斥表面的所述第四RF电压相同。

21.根据权利要求20所述的离子光学装置，其中所述第一RF电压和所述第三RF电压具有相反的极性，并且其中所述第二RF电压和所述第四RF电压具有相反的极性。

22.根据权利要求13至21中任一项所述的离子光学装置，还包括传送控制器，所述传送控制器被配置为通过控制以下各项中的一项或多项来引起离子在所述离子通道或每个离子通道内的移动：

施加非时变电势以沿着所述离子通道或每个离子通道的长度产生稳态电场；

沿着所述离子通道或每个离子通道的所述长度的气体流；以及

施加行波电势以沿着所述离子通道或每个离子通道的所述长度产生移动电场。

23.根据权利要求22所述的离子光学装置，其中所述传送控制器被配置为控制向以下各项中的一项或多项施加电势：所述第一多个电极；所述第二多个电极；以及补充电极，所述补充电极各自被定位在所述第一多个电极中的一个电极和所述第二多个电极中的一个电极之间。

24.根据权利要求13至23中任一项所述的离子光学装置，其中每个离子排斥表面的所述第一多个电极和所述第二多个电极的所述轴线是圆形的，使得所述离子通道限定用于离子行进穿过其中的圆形飞行路径。

25.一种离子光学系统，包括：

根据权利要求13至23中任一项所述的离子光学装置，所述离子光学装置被配置为接收离子；

至少一个选通电极；和

DC电源，所述DC电源被配置为选择性地向所述至少一个选通电极提供DC电势，以便使得离子从所述离子光学装置转移到输出装置。

26.根据权利要求25所述的离子光学系统，其中所述离子光学装置是根据权利要求13至15中任一项所述的离子光学装置，并且在所述离子排斥表面或所述板电极中具有用于离子行进穿过其中的孔口，或者其中所述离子光学装置是根据权利要求16至23中任一项所述的离子光学装置，并且在所述第一离子排斥表面或所述第二离子排斥表面中具有用于离子行进穿过其中的孔口；并且

其中所述输出装置被配置为经由所述孔口从所述离子光学装置接收离子。

27.根据权利要求25或权利要求26所述的离子光学系统，其中所述至少一个选通电极包括被定位在所述离子光学装置的离子排斥表面的所述基板上并且位于所述孔口附近的选通电极。

28.根据权利要求25至27中任一项所述的离子光学系统，其中所述至少一个选通电极包括：

第一选通电极，所述第一选通电极被定位在所述离子光学装置上或被定位成与所述离子光学装置相邻；和

第二选通电极，所述第二选通电极被定位在所述输出装置上或被定位成与所述输出装置相邻。

29.根据权利要求25至28中任一项所述的离子光学系统，其中所述离子光学装置是第一离子光学装置，并且所述输出装置是根据权利要求13至24中任一项所述的第二离子光学装置。

30.根据权利要求28所述的离子光学系统，其中：

所述第二离子光学装置被定向成平行于所述第一离子光学装置，所述第一离子光学装置在所述第一离子光学装置的离子排斥表面中具有用于离子行进穿过其中的第一孔口，并且所述第二离子光学装置在所述第二离子光学装置的离子排斥表面中具有用于从所述第一离子光学装置接收离子的第二孔口；或者

所述第二离子光学装置被定向成垂直于所述第一离子光学装置，所述第一离子光学装置在所述第一离子光学装置的离子排斥表面中具有用于离子行进穿过其中的孔口，并且所述第二离子光学装置被定位成使得离子能够行进穿过所述孔口并且在所述第二离子光学装置的离子通道的端部中被接收。

31.一种离子光学系统，包括多个RF离子导向器，所述多个RF离子导向器中的每个RF离子导向器由根据权利要求13至24中任一项所述的离子光学装置形成。

32.根据权利要求31所述的离子光学系统，其中所述多个RF离子导向器包括：

根据权利要求24所述的第一离子光学装置，所述第一离子光学装置在第一平面中具有第一圆形轴线；和

根据权利要求24所述的第二离子光学装置，所述第二离子光学装置具有第二圆形轴线，所述第二圆形轴线具有从所述第一圆形轴线的中心偏移的中心，使得所述第一圆形轴线和所述第二圆形轴线重叠，所述第二圆形轴线被限定在与所述第一平面平行的第二平面中；并且

其中所述离子光学系统还包括离子转移光学器件，所述离子转移光学器件被配置为在所述第一圆形轴线和所述第二圆形轴线重叠的区域中在所述第一离子光学装置和所述第二离子光学装置之间转移离子。

33.根据权利要求31所述的离子光学系统，其中所述多个RF离子导向器包括：

根据权利要求24所述的第一离子光学装置，所述第一离子光学装置具有第一半径的第一圆形轴线；

根据权利要求24所述的第二离子光学装置，所述第二离子光学装置具有第二圆形轴线，所述第二圆形轴线与所述第一圆形轴线同心并且具有大于所述第一半径的第二半径；

根据权利要求24所述的第三离子光学装置，所述第三离子光学装置具有所述第二半径的第三圆形轴线，所述第三圆形轴线的中心从所述第一圆形轴线和所述第二圆形轴线的所述中心偏移，使得所述第一圆形轴线和所述第三圆形轴线重叠；和

根据权利要求24所述的第四离子光学装置，所述第四离子光学装置具有所述第一半径的第四圆形轴线，所述第四圆形轴线与所述第三圆形轴线同心，使得所述第二圆形轴线和所述第四圆形轴线重叠；并且

其中所述离子光学系统还包括离子转移光学器件，所述离子转移光学器件被配置为：在所述第一圆形轴线和所述第三圆形轴线重叠的区域中在所述第一RF离子导向器和所述第三RF离子导向器之间转移离子；以及在所述第二圆形轴线与所述第四圆形轴线重叠的区域中在所述第二RF离子导向器和所述第四RF离子导向器之间转移离子。

34.根据权利要求33所述的离子光学系统，其中所述第一圆形轴线和所述第二圆形轴线被限定在第一平面中，并且所述第三圆形轴线和所述第四圆形轴线被限定在与所述第一平面平行的第二平面中。

35.一种质谱仪，包括：

根据权利要求25至34中任一项所述的离子光学系统；和

至少一个离子光学处理装置，所述至少一个离子光学处理装置被配置为从所述离子光学系统接收离子。

36.一种离子光学界面，所述离子光学界面在质谱分析系统的第一部分与质谱分析系统的第二部分之间，所述离子光学界面包括由根据权利要求1至24中任一项所述的离子光学装置或根据权利要求25至34中任一项所述的离子光学系统形成的RF离子导向器，所述RF离子导向器被配置为在所述RF离子导向器的第一端部处接收来自所述质谱分析系统的所述第一部分的离子，并且在所述RF离子导向器的第二相对端部处朝向所述质谱分析系统的所述第二部分输出离子。

37.根据权利要求36所述的离子光学界面，其中所述质谱分析系统的所述第一部分包括离子源。

38.根据权利要求36或权利要求37所述的离子光学界面，其中所述RF离子导向器的所述第一端部被布置成在大气压下操作，并且所述RF离子导向器的所述第二端部被布置成在低于大气压的压力下操作。

39.一种质谱仪或离子迁移谱仪，包括：

离子源，所述离子源被配置为产生离子；

根据权利要求36至38中任一项所述的离子光学界面，所述离子光学界面被布置成接收所产生的离子；和

离子处理系统，所述离子处理系统被配置为从所述离子光学界面接收离子。

40.根据权利要求39所述的质谱仪或离子迁移谱仪，其中所述离子源包括以下各项中的一项：大气压化学电离APCI离子源；大气压光电离APPI离子源；电喷雾电离ESI离子源；电子电离EI离子源；化学电离CI离子源；电感耦合等离子体ICP离子源；以及基质辅助激光解吸电离MALDI离子源。

41.根据权利要求39或权利要求40所述的质谱仪或离子迁移谱仪，其中所述离子源和所述离子光学界面被配置为在操作中具有电势差，所述电势差致使由所述离子源产生的离子行进到所述RF离子导向器并且进入所述RF离子导向器的所述第一端部。

42.根据权利要求39至41中任一项所述的质谱仪或离子迁移谱仪，所述质谱仪或离子迁移谱仪被配置为使得在操作中，所述RF离子导向器的温度高于所述离子源的温度。

43.根据权利要求39至42中任一项所述的质谱仪或离子迁移谱仪，其中所述离子源被配置为产生至少5nA的离子电流。

44.根据权利要求39至43中任一项所述的离子迁移谱仪，其中所述离子处理系统包括离子迁移率分析器，所述离子迁移率分析器被布置成从所述RF离子导向器接收离子并且根据它们相应的离子迁移率分离所接收的离子。

45.一种离子迁移谱仪，包括由根据权利要求1至24中任一项所述的离子光学装置或根据权利要求25至34中任一项所述的离子光学系统形成的离子迁移率分析器。