TWI484529B - 離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備 - Google Patents

離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備 Download PDF

Info

Publication number
TWI484529B
TWI484529B TW096142784A TW96142784A TWI484529B TW I484529 B TWI484529 B TW I484529B TW 096142784 A TW096142784 A TW 096142784A TW 96142784 A TW96142784 A TW 96142784A TW I484529 B TWI484529 B TW I484529B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
ions
ion
frequency
ion trap
electrode structure
Prior art date
Application number
TW096142784A
Other languages
English (en)
Other versions
TW200832490A (en
Inventor
Alexei Victorovich Ermakov
Barbara Jane Hinch
Original Assignee
Mks Instr Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mks Instr Inc filed Critical Mks Instr Inc
Publication of TW200832490A publication Critical patent/TW200832490A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI484529B publication Critical patent/TWI484529B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/4245—Electrostatic ion traps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/422—Two-dimensional RF ion traps
    • H01J49/4225—Multipole linear ion traps, e.g. quadrupoles, hexapoles

Description

離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備
本發明關於用以限制不和諧電位井內不同質量對電荷(M/q)比值及動能之離子之靜電離子阱之設計及操作。
一些不同方法已被使用於該科學及技術文獻中以記載及比較所有目前可用的質譜術儀器科技。在最基本層級，根據是否需要捕捉或儲存離子，質譜儀可被區分為使質量分離及分析。非捕捉型質譜儀不會捕捉或儲存離子，且在質量分離及分析前，離子密度不會累積或增長於該裝置內。本類型之一般範例係四極質量過濾器及磁扇形質譜儀，其中在高功率動力電場或高功率磁場，分別用以選擇性穩定單一質量對電荷(mass－to－charge，M/q)比值之離子束軌道。捕捉型質譜儀可被分成二種子類型：動力阱，例如Paul設計的四極離子阱(quadrupole ion trap，QIT)；及靜態阱，例如更新近所發展之靜電限制阱。目前可用並用作質譜儀之靜電阱仰賴和諧電位捕捉井來確保離子能量與具有振盪週期之離子阱內之振盪無關而只與該些離子之質量對電荷比值有關。一些現代靜電阱中之質量分析已透過(i)使用遠端感應式讀取頭及感測電子元件及快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform，FFT)頻譜解迴旋來執行。替代性地，已藉由快速切斷該些高壓捕捉電位之任一瞬間取出離子。接著所有離子逸出，而其質量對電荷比值係透過飛行時間分析(飛行時間質譜儀(Time of Flight Mass Spectrometer，TOFMS))來決定。某些最近的發展已結合圓柱阱設計內之離子捕捉與動力(虛擬)及靜電電位場兩者。四極徑向限制場被使用以限制徑向中之離子軌道，而靜電電位井被使用以限制軸向中具有真正和諧振盪運動之離子。該軸向中該離子運動之共振激發接著被使用以達到質量選擇性離子射出。
本發明關於用以限制不和諧電位井內不同質量對電荷(M/g)比值及動能之離子之靜電離子阱之設計及操作。該離子阱也配備有小振幅交流電(AC，alternating current)驅動器，其以質量選擇方式激發受限離子。由於該AC驅動頻率及該些離子之自然振盪頻率之間之自動共振，能量不斷地輸送至該些所選離子，直到該些離子之振盪幅度超過該離子阱之實體尺寸，或該些離子分裂或進行任何其它物理或化學變化為止。
該離子阱可包含二相對的面鏡電極結構及中間透鏡電極結構。該鏡像電極結構可由具有軸上或離軸孔徑或其結合之杯狀物或平板所構成。該中間透鏡電極結構可為具有軸向位置孔徑之平板或開放式圓柱體。該二面鏡電極結構可被不對稱地偏壓。
該離子阱可配備有掃瞄控制系統，其藉由掃瞄該AC激發頻率，例如自高於該些離子之自然振盪頻率之頻率掃瞄至低於感興趣離子之自然振盪頻率之頻率，或藉由掃瞄施加至該離子阱之中間透鏡電極之偏壓，例如自足以限制感興趣離子之偏壓掃瞄至較大絕對值大小之偏壓，以降低該AC激發頻率及該些離子之自然振盪頻率之間之頻率差。該AC激發頻率之振幅可小於施加至該中間透鏡電極之偏壓之絕對值至少三個數量級大小且大於臨界振幅。掃瞄該AC激發頻率之掃瞄率可隨著該驅動頻率減少而減少。
限制於該離子阱內該些最輕離子之自然振盪頻率可例如介於約0.5MHz至約5MHz之間。該些受限離子可具有多個質量對電荷比值及多能量。
該離子阱可配備有離子源以構成離子束源。該離子阱也可配備有離子偵測器以構成電漿離子質譜儀，隨著離子源之加入，該離子阱可被架構成質譜儀。該離子源可為電子撞擊式游離化離子源。該離子偵測器可為電子倍增器裝置。可於該驅動頻率被掃瞄時不斷地操作該離子源，或可在該驅動頻率掃瞄馬上要開始前的一段時間內產生該些離子。
上述者可藉由下列本發明實施例之更明確說明中變得顯而易見，如該些附圖所示，在全部不同圖形中的相似參考符號指相同部分。該些圖式不須按比例，而是加強說明本發明實施例。
接下來為本發明示範實施例之說明。
將所引述之所有專利、已公開申請案及參考之教示全體併於此以作為參考。
根據低振幅AC驅動器及自動共振現象之應用，靜電離子阱捕捉不和諧電位及質量選擇性離子能量激發機制內之離子。該靜電離子阱係連接至小振幅AC驅動器。根據該自動共振激發原理，該靜電離子阱供給游離分子能量。在一實施例中，該系統可被架構成脈衝式質量選擇性離子束源，其根據離子能量自動共振激發原理將連接至AC驅動器之純靜電阱內預先選擇之質量對電荷比值之離子射出。在另一實施例中，該系統可被架構成質譜儀，其根據自動共振激發原理分開並偵測連接至AC驅動器之純靜電阱內所游離分解之分子。
不像習知的靜電離子阱，本設計依賴小尺寸純靜電阱內該軸向捕捉電位井(也就是非線性靜電場)之強不和諧性。想要利用AC驅動器之阱條件受控變化來提升經歷沿著該軸進行非線性振盪運動之離子能量。先前在科學文獻中定義為自動共振之非線性振盪系統之一般現象係該離子振盪運動之質量選擇性激發的原因。阱條件變化包含固定靜電捕捉條件下之頻率驅動(也就是頻率掃瞄)變化或固定驅動頻率條件下之捕捉電壓(也就是電壓掃瞄)變化，但不限定於此。典型AC驅動器包含電性RF(radio frequency，射頻)電壓(典型的)、電磁放射場及振盪磁場，但不限定於此。在本方法內，該驅動強度必須超過要建立持久性自動共振之臨界。
靜電離子阱
藉由定義，純靜電離子阱利用專有的靜電電位來限制該離子束。純靜電離子阱操作之基本原理係類似於光學共振器，且已描述於例如H.B.Pedersen等人之物理評論快訊(Physical Review Letters 87(5)(2001)055001)及物理評論(Physical Review A,65(2002)042703)之科學文獻中。放在線性空間任一側之二靜電面鏡，也就是第一及第二電極結構，定義共振腔。放在該二面鏡之中間位置之適當地偏壓之靜電透鏡組件，也就是透鏡電極結構，提供(1)軸向限制純靜電及不和諧電位井內之離子所需之電性電位偏壓及(2)徑向限制該些離子所需之之徑向聚焦場。被捕捉於軸向不和諧電位井內之離子重複地以振盪運動反射於該些靜電面鏡之間。在最典型實施中，靜電離子阱具有圓柱狀對稱，離子振盪發生於沿著對稱軸之近平行線，如由Schmidt,H.T.；Cederquist,H.；Jensen,J.；Fardi,A.等人於物理研究期刊部份B(Physics Research Section B)之核子儀器及方法之第173冊第4期第523－527頁，名為〝圓錐阱：小型靜電離子阱(Conetrap：A compact electrostatic ion trap)〞中所描述。該些電極結構被小心地選擇及設計以使共同質量對電荷比值之所有離子之移動次數(也就是振盪週期)相等。
一些飛行時間質譜儀設計中所使用之習知靜電離子阱係相當地長(數十公分)，仰賴和諧靜電捕捉電位，使用該些進出靜電面鏡電位脈衝來達到注入及射出離子，有時執行感應影像電荷暫態之FFT分析以依據所捕捉離子之質量相依振盪次數來產生質譜輸出，如Daniel Zajfman等人於美國第6,744,042B2號專利案(2004年6月1日)及Marc Gonin於美國第6,888,130B1號專利案(2005年5月3日)中所描述。
相對地，本發明(也就是新技術)之新型阱係(1)短(典型地，小於5公分)，(2)仰賴不和諧電位來軸向限制該些離子，(3)使用低振幅AC驅動器來產生質量相依離子能量激發。在該靜電離子阱中之離子束徑向限制可藉由提供來自習知技術之線性離子阱之淨差動之純靜電構件方法來達成，其仰賴AC或RF電壓來徑向限制離子導引或離子阱內之至少一些離子，例如，如Martin R.Green等人於來自具有疊加軸向二次電位之線性離子阱之質量選擇軸向射出特徵中所描述，見網址http：//www.waters.com/WatersDivision/SiteSearch/AppLibDetails.asp？LibNum＝720002210EN(最後拜訪時間為(2007年11月9日)。
如本較佳離子阱實施例圖1所示，一短靜電離子阱配置實施可以是係非常簡單的，只使用充當為該第一及第二電極結構之二接地圓杯狀物(直徑D而長度L)及該透鏡電極結構之具有孔徑(直徑A)之單一平板。單一負DC電位－Utrap 被施加至該孔徑平板以限制正離子束。於電極之直徑及長度間選擇特定比例之以使該阱只需一個獨立偏壓電極(也就是所有其它電極可被維持在接地電位)係可能的。
我們已透過SIMION模擬顯示若該杯狀物的長度L係介於D/2與D之間，則該些離子軌道係穩定的。本例中，產生於該體積I(也就是，由該虛線所標示之直徑A及長度L/2)內任何地方之離子將在本阱內不定振盪。水平線代表由該圓圈S所標示之點所產生之單一捕捉正離子之軌道。其它線(多數垂直的)係於20伏特區段下之等電位。有效的徑向聚焦係由該離子束腰部顯示於該透鏡孔徑。相同離子阱內之負離子限制也可能藉由簡單地切換該捕捉電位之極性為正值＋Utrap 。
具有單一偏壓電極之靜電離子阱設計之非常重要優勢係其藉由簡單地切換單一DC捕捉電位偏壓極性及在電子設計需求之複雜度上非常少許負擔即可輕易地切換於正負離子束限制操作模式之間之能力。
即使圖1中該些電極被描述成實心金屬平板，但也可將之設計成以柵狀材料或穿孔金屬平板來取代金屬平板材料之進一步實施例。
即使我們的實驗室中所測試之靜電離子阱原型多數仰賴傳導性材料(也就是金屬平板、杯狀物及柵狀物)來提供電極之建構，但那些熟知此項技術之人士將將了解只要傳導性材料之連續性及/或非連續性塗層同時被沉積在非傳導性材料表面上以產生適合及最佳化靜電阱電位及幾何性，則非傳導性材料將也可用做製造電極之基材。非傳導性平板、杯狀物及柵狀物可被塗佈著均勻或不均勻電阻材料，使得施加電壓產生想要的軸向及徑向離子限制電位。替代性地，將也可塗佈或電鍍多個獨特設計電極之非傳導性表面，其中，該些電極可被置於該平板及杯狀物表面上並各自地或成群地被偏壓以提供最佳捕捉靜電電位。這類電極設計在放寬的機械需求下使用多重傳導電極來產生虛擬阱時將可提供與近來已實現於標準四極離子阱一樣的優勢，如同Edgard D.Lee等人於美國第7227138號專利案中所描述。大量嚴密隔開之電極所提供之彈性及將該些電極機械性安排(數目、尺寸及空隔)並將其電性偏壓(各自地或成群地)之不同方式提供優良方法，不僅改善阱效能也提供因老化及機械未對準之場校正。
對於製造靜電離子阱之建構材料之選擇係由將與該阱結構接觸之氣態基材之應用需求及化學組合所支配。將需要考慮到在各種取樣需求及條件中所適用之塗層、陶瓷基材、金屬合金......等等。該新型阱設計之簡易性增加在需適用於新應用時找到替代性建構材料的機會。將也需要考慮到為了極小化交互污染、腐蝕、自濺鍍及連續操作下之化學降解而專門挑選之阱電極塗層。
可想像全部或部分仰賴例如布爾萊(Burle)工業公司所製造之FieldMaster之離子導引/漂移管之電阻性玻璃材料之進一步靜電阱實施例，如同Bruce LaPrade於美國第7,081,618號專利案中所描述。使用具有不均勻電性電阻率之玻璃材料將提供裁剪該阱內軸向及徑向兩電場以產生更有效率的不和諧場捕捉、徑向限制及能量激發條件之能力。
注意，雖然在我們的實驗室中所實施之多數實施例仰賴開放式設計(也就是氣體分子自由流進及流出該阱體積)之離子阱，也可想像或許將需要密封或隔離該阱的內部體積之實施例。在本例中，分子及/或原子可直接被注入至該阱體積中而沒有任何與來自外界之氣體類分子交換。對於差動激發取樣建立(也就是該阱內之壓力低於製程壓力且電子及/或分解分子通過低傳導性孔徑)而言，封閉式架構將是較佳的。封閉式阱架構也將對需要冷卻、解離、清潔或引入該阱以產生冷卻、清潔、反應、解離或游離/中和之反應氣體之應用是有用的。封閉式架構亦將對需要快速清除在各質譜掃瞄間之分解分子之阱體積之應用方式是有利的，也就是傳送冷熱之氣體線、入口或乾燥氣體可被使用以清潔各分析之間的阱以阻止/極小化交互污染、反應及錯誤的讀取。對於本文件的剩餘部分而言，若靜電離子阱之幾何設計及電極架構允許氣體分子與該真空系統其餘部分完全交換，則靜電離子阱將被描述成開放式阱，而若該阱內部體積被隔離或對於該系統其餘部分具有受限氣體傳導路徑，則將被描述成封閉式阱。
外觀小之迷你型靜電離子阱之發展及建構係機械性可行的，且小型化的好處對那些熟知此項技術之人士係顯而易見的。透過MEMS(Micro Electro－Mechanical Systems，微機電系統)方法所製造之迷你離子阱在質譜分析時很可能將發現高壓取樣的應用。
即使將小巧視做本場可攜式及低功率消耗裝置實施之新型不和諧靜電阱之固有優勢，也可想像可能想要較大的阱來執行某特定分析或實驗之應用。本發明所提出操作原理並不嚴格限制於小尺寸的阱。相同的操作觀念及原理可被外推至較大尺寸的阱而在功能上沒有任何變化。事實上，可想像可將自動共振激發併入TOF測量所使用到且仰賴例如同步性離子束之附加現象之阱中之情形，如同L.H.Andersen等人於物理期刊B：原子、分子及光學物理(J.Phys.B：At.Mol.Opt.Phys.)37(2004)R57－R88中所描述。
上述阱設計係清楚地表達僅供參考，在不偏離本發明範圍之下，那些熟知此項技術之人士將了解可對該基本設計作形式及細節上的各種變化。
不和諧振盪
由定義，和諧振盪器係系統，在其平衡位置移開時遭遇到正比於該移位(也就是根據虎克定律)之恢復力。若該線性恢復力是僅有的作用在該系統上的力，則該系統被稱為簡諧振盪器，其進行簡諧運動：在該平衡點附近以與振幅(或能量)無關之固定頻率進行正弦振盪。在多數一般性用語上，不和諧被簡單地定義為和諧振盪器系統之偏差，也就是不是簡諧運動振盪之振盪器被稱之為不和諧或非線性振盪器。
仰賴小心地指定基本和諧電位井以捕捉離子之習知靜電離子阱測量質量對電荷比值(M/q)並決定樣本組成。典型和諧靜電電位井被圖示於圖2A之虛線。由圖2A虛曲線所定義之二次電位井中之和諧振盪係獨立於振盪振幅及離子能量。和諧電位中所捕捉之離子遭遇到線性場而進行簡諧運動以只與該些離子之質量對電荷比值及該二次電位井(其係由該阱幾何性與該些靜電電壓大小之結合所定義)之特定外形有關固定自然頻率來振盪。給定離子之自然頻率不受其能量或振盪幅度所影響，且在振盪之自然頻率及質量對電荷比值之均方根之間具有嚴格的關係，也就是具有較大質量對電荷比值之離子相較於具有較小質量對電荷比值之離子以較低自然頻率來振盪。高容限機械組件大體上需要建立小心選取之和諧電位井用於感應性讀取(傅立葉轉換質譜術，Fourier transform mass spectrometry，FTMS)及TOF偵測兩方案自成束、同時振盪及高解析度頻譜輸出。在習知靜電離子阱之靜電電位中之任何不和諧性降低其效能且大體上已被認為是靜電離子阱所不想要的特徵。
與習知離子阱完全相反地，我們的阱利用該離子振盪運動中之強不和諧性做為提供(1)離子捕捉及同樣地(2)質量選擇式自我共振激發及射出離子之方法。本發明中典型靜電離子阱之離子電位對沿著該離子阱軸移位係示於圖2A之實曲線。在這類電位井內之離子振盪之自然頻率視振盪幅度而定並產生不和諧振盪運動。這個意謂著這類電位井所捕捉特定離子之自然振盪頻率係由四因素所決定：(1)該幾何細節、(2)該離子的質量對電荷比值(M/q)、(3)該離子的瞬間振盪(相對於其能量)幅度及(4)建立於該些端蓋電極及該透鏡電極之間之電壓梯度所定義之電位阱之深度。在如圖2A實曲線所示之非線性軸向場中，具有較大振盪幅度之離子相較於具有較小振盪幅度之相同質量離子具有更低之振盪頻率。換言之，所捕捉的離子在若其能量增加(也就是不和諧振盪)，將遭遇到振盪頻率的降低及振盪幅度的增加。
在典型地遇到大部分本發明較佳阱實施例時，圖2A及2B中的實曲線描述具有負非線性訊號之不和諧電位。如下面章節所述地，在阱其例如透過自動共振而獲得能量時，在這類不和諧電位阱中之離子振盪將遭遇到增加的振盪軌道及減少的頻率。然而，本發明不是要嚴格地限制於具有來自線性之負偏差之不和諧電位之阱。也可想像具有來自和諧(也就是二次)電位之正偏差之靜電阱之設計，其例中，產生自動共振所需之阱條件變化將由來自負偏差電位所需條件之逆轉。自和諧電位曲線之捕捉電位之正偏差被示於圖2A之虛線。這類電位對於該些離子之不和諧振盪也是重要的，但相較於該實曲線在離子能量及振盪頻率之間具有相反關係。可想像在不和諧阱中使用正偏差電位以在離子能量及振盪頻率之間達到可在自動共振下導致改善分裂率之特定關係。
既然本發明靜電離子阱使用不和諧電位來限制振盪運動中之離子，相較於嚴格線性場係必要之習知靜電阱，製造需求更不複雜且機械容限更不嚴格。該新阱之效能係無關於該不和諧電位之嚴格或唯一函數形式。然而，在該電位捕捉井中之強不和諧性之出現對於透過自動共振之離子激發係基本前提，在該阱內出現捕捉電位之正確函數形式方面並沒有嚴格或唯一需求或條件要被滿足。此外，質譜術或離子束源效能相較於任何其它習知質譜技術對於可允許更放鬆自動共振阱質譜儀(autoresonant trap mass spectrometer，ART MS)之製造需求之單元對單元變化係更不靈敏。
圖2A實曲線所述之不和諧電位係清楚地僅供參考提出，且那些熟知此項技術之人士將了解到可在形式及細節上對該不和諧電位作各種變化而不偏離本發明範圍。
自動共振
自動共振係在激發非線性振盪器之驅動頻率隨時間緩慢變化時所發生之持續性鎖相現象，如同Lazar Friedland於2005年俄羅斯聖彼得堡之研討會：物理及控制(PhysCon)2005(受邀)以及J.Fajans和L.Friedland於美國物理期刊(Am.J.Phys.)69(10)(2001)1096中所描述。該振盪器頻率隨著相位鎖定而鎖定並跟隨該驅動頻率。也就是，該非線性振盪器將自動與該驅動頻率共振。
本體制下，該共振激發係持續不斷而不受該振盪器非線性之影響。由相當小的外力所驅動之非線性振盪器中觀察到幾乎具有時間週期性之自動共振。若該小的外力正是週期性的，則振盪振幅上的小成長被該頻率非線性所抵消－相位鎖定使該振幅隨時間而變。若取代該驅動頻率係隨著時間緩慢地改變(在該非線性符號所決定之右方)，該振盪器可維持相位鎖定，但平均而言其振幅隨時間增加。這個導致持續性共振激發方法，不需回饋。具有擾動之長時間相位鎖定導致該響應振幅之巨大增加，即使在小驅動參數下。
已於許多物理應用中發現自動共振，尤其是在相對性粒子加速器上下文中。額外應用已包含在純電子電漿中之原子及分子、非線性波、孤立子、渦流及狄克子(dicotron)模式之激發，如同J.Fajans等人於物理評論Physical Review E 62(3)(2000)PRE62中所描述。對於阻尼及非阻尼兩種振盪器在包含該自然振盪運動之基本、次和諧及超和諧之驅動頻率下，已在具有外部及參數驅動兩者之振盪器中觀察到自動共振。根據我們最佳知識，自動共振現象尚未與任何純靜電離子阱、脈衝式離子束或質譜儀鏈結或連結討論。自動共振現象尚未被使用以致能或最佳化任何所知之習知質譜儀操作。
共振現象所描述之理論主架構，尤係存在阻尼，近來已完全推論並經實驗驗證，如同J.Fajans等人於電漿物理8(2)(2001)第423頁中所描述。如同一般性規則，所觀察到之驅動強度係與該頻率掃瞄率有關。該驅動強度必須超過正比於被提升至該3/4功率之掃瞄率之臨界。該臨界關係近來才被觀察到，且對於非常廣泛類型驅動非線性振盪器而言，該臨界關係成立。
自動共振能量激發
在本發明典型靜電離子阱中，給定質量對電荷比值M/q之離子群之自動共振激發係以下列方式完成：1.離子被靜電式地捕捉並以自然振盪頻率fM 於該不和諧電位內進行非線性振盪；2. AC驅動器被連接至具有初始驅動頻率fd 之系統，該初始驅動頻率fd 大於該些離子之自然振盪頻率：fd >fM ；3.不斷地減少該驅動頻率fd 及該些離子之自然振盪頻率fM 之間之正頻率差值，直到該瞬間頻率差值幾乎接近零使該些離子之振盪運動相位鎖定，與該驅動維持自動共振(在自動共振振盪器中，該些離子接著將藉由自該驅動中取出能量來自動調整其振盪之瞬間振幅並依需要保持鎖相至該驅動頻率之自然振盪頻率。)；4.進一步嘗試改變阱對於該驅動頻率及該些離子之自然振盪頻率間之負差值條件，接著讓能量由該AC驅動器傳送至該振盪系統中，改變該些離子振盪之振幅及頻率；及5.對於具有例如圖2(負非線性)所述之電位之典型靜電離子阱而言，該振盪振幅變得較大且該些離子在能量由該驅動器傳送至該振盪系統時更靠近該些尾板振盪。事實上，該些離子振盪振幅將達到其撞到側電極或若側電極係半通透時(網狀物)離開該阱之點。
上述自動共振激發方法可被使用以1)激發離子以使其於儲存時進行新的化學及物理程序，及/或2)以質量選擇方式自該阱射出離子。離子射出可被使用以操作脈衝式離子源及安裝全質譜術偵測系統，其例中，需要偵測方法來偵測該自動共振事件及/或該些射出離子。
自動共振射出
如前面章節所述，在具有例如圖2B之不和諧電位之靜電阱中離子能量之自動共振激發可被使用以實現自純靜電阱中質量選擇離子射出。可想像不同方法以達到自動共振條件。靜電阱中之離子自動共振射出所使用之二基本操作模式被描述於圖3較佳實施例章節中，其係根據圖1較佳阱實施例且其特徵可為沿著大體上由圖2B實曲線表示之z軸之捕捉電位。
在圖3所示質譜儀較佳實施例中，靜電離子阱包括圓柱狀對稱杯電極1及2，每一個在接近位在該離子阱之圓柱狀線性軸中心及電極1及2中間之平面孔徑阱電極3係開放式的。該中間電極3具有半徑rm 之軸向孔徑。電極1及2具有內半徑r。電極1及2定義在該z方向中該阱之全部橫向長度2xZ1 。電極1及2具有半徑分別為ri 及ro 之軸向孔徑4及5，其填充著半通透傳導網狀物。在電極1中之孔徑4內之網狀物可讓來自熱燈絲16之電子傳送至該阱中，自該燈絲16射出之電子在離開阱之前，離子順著電子軌道18到達至在電極1及3間之該阱。最大電子能量係由該燈絲偏壓供應器10所設定。電子發射電流係透過調整該燈絲電源供應器19來控制。該阱內之氣體類遭受電子撞擊而該氣體類中的小部分游離。所產生的正離子初始被限制於電極1、2及3之間之阱內。沿著該z軸，該些離子在不和諧電位場內移動。該阱內電位係透過施加至電極1之偏移供應器22施加小DC偏壓Ui 以在靠近該中間電極3產生輕微不對稱。本實施例之電極2被接地。在電極3上之強負DC捕捉電位Um 係透過該阱偏壓供應器24來施加。除該DC電位外，來自可程式頻率RF供應器21之小RF電位波峰至波峰VRF 被施加至該外部電極1。該阱設計相對於該中間電極3係對稱的，且電極1及3間之電容耦合與電極2及3間之電容耦合一樣。電極3上之RF電位係透過該電阻器R23而自該阱偏壓供應器24中電阻性去耦。因此，施加至電極1上一半的RF電位被該中間電極3所取得，且該RF場振幅沿著該中心軸自位在孔徑4中之電子傳送網狀物平滑且對稱地變至位於孔徑5中之離子射出網狀物。
對於本較佳實施例而言，自該燈絲16射出之電子典型地在離開阱之前，隨著電子軌道18進入至該電極1及3間之阱。該些游離電子在埠4以該燈絲偏壓10及電極偏壓1間之電壓差值所定義之最大動能進入該阱。接著該些負電子在其前進至該負偏壓阱中時減速，且最後在其到達匹配該燈絲之偏壓10之負電壓等電位時轉向。電子動能在該入口埠4係最大值而在該轉向點降低至零。以電子撞擊游離透過大範圍撞擊能量使離子在其進出該阱之短軌道期間只形成於由該些電子所取樣之窄體積中係明顯的。圖2B描述靠近埠4所形成之離子原始位置(60)及靠近該轉向點所形成之離子原始位置(61)。離子原點60及61也被描述於圖3以供參考。圖2B描述離子被形成於靠近該入口埠4之具有大範圍原始電位能量及幾何位置之寬頻中之事實。例如，位置60所形成之離子將具有遠高於位置61所形成之離子之初始電位能量。結果，位置61所形成之特定質量對電荷比值之離子將以較位置60(不和諧振盪)所形成之相同質量對電荷比值之離子高的自然頻率進行振盪。原形成於該阱中之特定位置之所有離子將具有相同振盪之電位能量，與其質量對電荷比值無關，且將以與其質量對電荷比值之平方根相關之自然頻率進行振盪。例如，位置60所形成之具有質量對電荷比值MA 和MB 之離子A和B將始於相同動能但將以反比於其質量之平方根之不同自然頻率進行振盪，較輕離子相較於較重離子具有較高自然振盪頻率。用於離子形成之這類廣佈之原始能量及位置不相容於仰賴離子共振射出、感應訊號之快速傅立葉轉換(FFT)分析或飛行時間(TOF)量測之和諧離子阱，因其將在共振激發或飛行時間射出期間導致嚴重的質譜解析度衰退之故。本內部游離方法也與用以傳送具有低能量及緊密能量分佈之離子至仰賴用於徑向限制之多極場及用於軸向捕捉之淺電位井(典型地，深度在15伏特左右)之離子阱之典型游離方案相當不同。自動共振激發不只能使用小AC驅動器自不和諧離子阱中有效質量選擇射出之離子，也使同步射出具有高質譜解析度之離子，即使離子原始位置存在大差值及具有相同質量對電荷比值之離子間之能量存在大差值。本效應將在下方被描述成能量成束機制。
在該第一較佳操作模式中，藉由施加小振盪RF電位21至具有與捕捉離子之自然振盪頻率幾乎相同頻率之側阱電極1中其中之一，該離子能量將升高(或下降)至其以施加之AC/RF電位VAC/RF 完全相同之頻率fd 進行振盪為止。現在，若該施加頻率接著斜降，該離子將因為該不和諧場(圖2B)而以不斷增加的振幅進行振盪，而保持鎖相於該施加頻率。這個隱含著藉由簡單地斜降該RF頻率，即fd ，我們可使具有相同質量對電荷比值(M/q)之所有離子同時離開該阱，而與該些離子起初是在何時或何地被產生於該游離區內無關。在質量及頻率間有一對一映射關係：每一個質量對電荷比值具有唯一的fM 。一旦該些離子離開該阱，如需產生質譜圖，則其可被例如電子倍增器之合適偵測器17所偵測到，或如需脈衝式離子束源，則其可被簡單導引至任何需要其的地方。許多質量對電荷比值將貢獻至典型質譜圖。對於給予的中間電極電位Um ，突現離子之RF頻率fM 將遵守fM fM α sqrt M/q相依。在典型操作條件下，該驅動頻率係隨著時間進行非線性斜波以達到等化單一M/q單元射出中所利用之RF週期數量之效果。此外，該RF頻率總是以斜波狀從高頻至低頻並涵蓋足以在每一斜波週期後自該阱射出之所有M/q之離子之寬廣範圍。斜波調整該AC驅動器，fd ，且射出離子所需之控制系統在圖3及下面每一個實施例中100概示。對於這類控制器之需求對那些熟知此項技術之人士將是顯而易見的。
如圖2B所示，假設趨近該些離子A及A＊ (也就是具有相同質量及稍稍不同的原始能量)之自然振盪頻率之驅動頻率，顯然的，在該驅動頻率下降時，在圖3(較高自然振盪頻率)之點61所產生之離子A＊ 將在圖3(較低自然振盪頻率)之點60所產生之離子A之前先鎖定而隨該驅動頻率進入至自動共振中。隨著該驅動頻率持續下降，該些離子A＊ 之能量將開始因自動共振而上升，在該些A離子完全或顯著地鎖定而進入至自動共振之前，漸漸接近該些A離子之能量。這個現象在激發期間有效地束起共同質量對電荷比值之離子能量並確保一旦其集中的能量達到強迫該些離子移位至該阱外之點時，其全部約在同時間射出。隨著該驅動頻率持續下降，具有較低自然振盪頻率之較重離子B＊ 之能量將開始因自動共振而上升，在該些B離子完全或顯著地鎖定而進入至自動共振之前，漸漸接近該些B離子之能量。本能量成束效應不會出現在共振上升(因為和諧振盪器中之自然振盪頻率與能量係無關)之和諧振盪器中，且該效應係為何具有共振激發之靜電阱操作需要高能的純離子的一個理由。
在1*10－7 托耳下來自殘留氣體之質譜係示於圖4。該頻譜係利用圖3所示之靜電離子阱質譜儀取得。該阱尺寸係：Z1 ＝8毫米、r＝6毫米、rm ＝1.5毫米、ri ＝3毫米、rm ＝3毫米、ro ＝3毫米及rd ＝3毫米。電阻器R係100k歐姆。該離子阱電位係－500伏特，該施加RF振幅係50毫伏特、2伏特DC偏移被使用以阻止離子自該離化器側離開該阱，10微安培電子電流被使用，且利用100電子伏特最大之電子能量。該RF頻率fD 係在4.5MHz至0.45MHz之間以15赫之斜波化。圖4頻譜顯示之解析度M/△M~60。該值典型用於落在10－10 －10－7 毫巴(mbar)範圍中之總壓力、1至10微安培間之發射電流、20－50毫伏特之RF pk－pk(波峰至波峰)振幅、70至120伏特間之燈絲偏壓及斜波重複率~15－50赫之大範圍操作參數。
在第二操作模式中，使用如圖3所示較佳實施例之相同基本架構，但本例中，該驅動頻率保持固定而該捕捉電位之振幅增加。在本第二操作模式中，圖3之相同靜電離子阱被使用以選擇性地且連續地射出所有正值M/q之離子，而將該施加RF維持在固定頻率。該些離子接著藉由斜波化該中間電極電壓以使負偏壓(用於正離子)漸增而被射出。隨著該偏壓絕對值增加(產生更大負值)，所有離子之能量將瞬間降低。(該初始效應使該些正離子變得更緊密結合並以給定運動振幅增加該自然振盪頻率。)然而，假設一些離子剛開始幾乎與該驅動頻率共振，該RF場將藉由升高那些離子能量來進行補償以使該自然振盪頻率基本上維持在與該固定RF頻率共振。為達上述目的，該些離子將被提升至補償性較高能量並達較大振幅。在該靜電電位係不和諧(並在較高振幅處變弱)時，該些自然頻率因而又被降低而變得與該驅動RF場頻率一致。對於任何給予的M/q而言，該關鍵性共振頻率將趨近該固定驅動頻率。當該二頻率變成相等時，可在該質譜上觀察那些M/q離子。H＋ 離子係首先被射出的。較大的M/q值離子係在較高絕對值(更大負值)中間電極電位被射出。重複循環的中間電極偏壓典型地被使用以改進訊號對雜訊比值。斜波化該DC偏壓所需之控制係全部包含於圖3及所有其它實施例之100所示之一般性控制器。對這類控制器之需求對那些熟知此項技術之人士將係顯而易見。按照本方式所得之示範性質譜係示於圖5。
質量選擇離子射出使這個新科技成為如此有力的分析方法。即使小且充分界定體積內之離子儲存獨自對於物理及物理－化學研究已是相當地有用，其執行質量選擇離子射出、儲存及激發之能力使本科技成為如此有力的分析及實驗方法。質量選擇離子激發及射出的其他電位應用對於熟知此項技術之人士將顯而易見。在兩操作模式中，離子係自該不和諧阱中射出，通過金屬電極2之通透或半通透埠5。後者可簡單地包括具有一中間孔徑之固體電極2。一孔徑之直徑明顯地係與可被傳送至該離子偵測器之最大離子通量有關。偵測訊號位準將隨該直徑減少而減少。未被射向該偵測器之離子最後將被聚集在該電極、該中間電極上，或甚至可散射至該阱限制外。該些最大的訊號位準係與100%通透之大孔徑有關。本配置之問題係離子取出電位場可能自外面穿透至該阱體積內部。這類場對於在該中心軸附近之離子軌道限制沒有幫助。可藉由在部分電極中使用半通透網狀物，也就是半通透埠5，可在大幅維持離子束限制時同時維持高電極通透性。個別〝孔徑〞更小，且該些雜散外場不能穿透深入至該阱區域中。然而，對於典型電線網狀物而言，該內部表面係有些粗糙，且該些內部阱電位場上之幾何效應可仍將離子由該中心阱軸散射至廣角。埠5之網狀物可藉由使用平坦穿孔板來改進。(該通透性較佳地應維持在中等高。)若該些電位能量鞍點(介於阱及外部之間)恰位於該內部表面平面下，也就是在該些孔徑本身內，則該阱中來自x、y獨立場之電位擾動接著被極小化。但是，若在該阱外之取出場太小，則該些鞍點在該些孔徑內係深的且相當接近該電極本身之偏壓。為了自該阱中射出，該離子軌道必須跑過該鞍點而沒有撞擊到該電極。若該射出機率太低，則在該阱內之離子經歷更多週期直到接近鞍點為止，或該些離子得到足夠的在電極所聚集之能量為止。太低的射出機率及許多重複性週期因而使該最終訊號位準降低。每一週期之射出機率係藉由增加該部分開口區域(通透性)、減少該孔徑大小、最佳化該孔徑外形及最佳化該取出場強度而被極大化。
自動共振理論不只提供優秀的理論主架構來說明不和諧靜電阱之基本操作原理，也提供設備設計及功能最佳化之基礎。常規地，自動共振原理被使用來扭轉並最佳化不和諧靜電阱系統之效能及預測幾何及操作參數變化對效能可具有的效應。自動共振理論中所衍生出之掃瞄率及射出臨界之間的直接關係已在我們的實驗室之實驗上被觀察到並常規被使用來將線性調頻(chirp)振幅位準調整成線性調頻率函數。不須將能量激發特別限制在輸送能量至該阱中之RF掃瞄。使用磁性、光學或甚至機械振盪驅動器掃瞄來軸向激發離子是可行的。雖然在我們早期原型中所執行之大部分實驗只仰賴以基本頻率之RF驅動器，但我們已在實驗上驗證出以該自然振盪頻率(基本)之倍數及因數來驅動不和諧靜電阱也是可行的。以非該基本之驅動頻率來操作可能需要最佳化解析度及臨界或改變阱動力。清楚了解到有關離子射出之次和諧及超和諧效應將總是完全RF掃瞄驅動電子元件設計上之關鍵。直接及參數激發兩方案被視為是在本發明範圍內及離子運動軸向激發可能來源。若該驅動RF場在整個阱中儘可能均勻(無參數驅動)且RF振幅剛好保持在該臨界(任何殘留次和諧振幅將低於該臨界而將不會產生任何波峰)，則基本頻率掃瞄之次和諧之不利效應可被消除。若該驅動RF係純正弦波，則沒有超和諧。
可想像需要非完美正弦波之AC驅動器來操作不和諧靜電阱之情形。如範例中，例如三角或正方波形之替代性函數形式，但不限於此，可依最佳化操作規格來併入該設計中。
亦可想像於掃瞄期間以質量相依方式或以時間相依方式動態地控制該RF驅動器之掃瞄頻率狀況－也就是，循序式質量射出不限於線性頻率描瞄或線性調頻。例如，可欲在你降低掃瞄頻率以最佳化該阱內較大質量之駐留次數時降低該頻率掃瞄率，以減少光離子振盪之駐留時間及數量並在整個質量掃瞄期間得到更均勻解析度。期待在該頻率掃瞄之時間外形上的改變可影響質量解析度、訊號強度、動力範圍及訊號對雜訊比值。
在我們實驗室中共有的實作係調整掃瞄率以控制解析度及靈敏度。質譜參數最佳化之控制規則亦受到一般自動共振原理所主宰。用以增加解析度所執行之一標準調整係在使用可達到自動共振之最小可行RF振幅時降低頻率掃瞄率。在前述條件下，該些離子花費最多可用時間以沿著可達到最高解析度之軸振盪。極小化RF振幅也確保缺乏對來自次和諧之頻譜輸出的貢獻。
ARTMS系統中之離子捕捉及射出效率將非常依賴一些設計及操作因素。在游離、捕捉、射出及偵測效率方面並沒有特定申請專利範圍。一些實體數目離子，也就是實現實驗及/或測量所需，將必須被產生並儲存於該阱限制內，且那些離子中某部分將沿著該軸被射出。除軸向射出外，將期待離子在操作ARTMS期間也被徑向射出及使用這類離子於實驗、測量、運輸或儲存(來自該阱之上游及/或下游兩者)中也被視為在本發明範圍內。
即使上面章節只討論頻率調變，也可想像振幅調變、振幅掃瞄或振幅步進狀況可能有利於阱操作。時間振幅調變可被使用以藉由提供產生該相位感應偵測之能力來強化該質譜儀之偵測能力。振幅調變也可被使用以調變離子訊號振幅並於串聯式設定中以下游質量過濾/儲存裝置提供同步化。振幅掃瞄或步進可被使用於提供質譜中之質量特定靈敏度增加。例如，為了達到最大離子偵測/訊號動力範圍，其中該些離子現被鎖相至該驅動AC/RF電壓VAC/RF 及頻率fD ，利用該VAC/RF 及/或該振幅調變頻率fAM 所衍生之最佳訊號來同步解調變該偵測器輸出以得到最大偵測器S/N(signal/noise，訊號/雜訊)係非常方便。
即使只有外部驅動器被認為已達此點，也可想像調變及/或掃瞄及/或步測用以建立靜電電位井所使用之捕捉電壓振幅的理由。該捕捉電位之振幅可被步測以提供與離子注入或射出同步。該捕捉電位之振幅也可被步測以提供導致離子能量冷卻條件或(相反)碰撞感應解離及分裂之不同捕捉條件。該捕捉電位之調變可被使用以充當主要或次要離子能量激發系統來激發能量至該振盪系統中。
也可想像欲在固定頻率激發及掃瞄頻率激發之間替換以操控該阱內所限制之振盪幅度及離子能量之情形。也可想像以具有多個頻率之多個掃瞄同時被施用於多質量軸向激發以快速地掃淨阱及/或選擇性地射出特定離子及/或阱預選離子。也可想像欲混合該驅動器中之主波(和諧)與超和諧及次和諧以達到非常特定捕捉、射出及時序條件之情形。
由於在該主波以及次和諧與超和諧之軸向激發係可行的，了解並控制激發能量至該些離子之軸向振盪中所使用之RF源之頻譜純度將是重要的。例如，大部分商業可用RF源將表現出和諧失真，其理論上將增加該質譜中之雜訊並減少SNR(signal to noise ratio，訊號雜訊比)。和諧失真也可透過將次和諧及超和諧驅動頻譜重疊至該總質譜而產生質譜分析複雜度。亦注意，產生該些靜電源所使用之DC源亦包含可腐化離子注入、激發、射出及/或偵測之AC雜質，因此，暗示著了解用以限制對雜訊做出貢獻之設計方法對於最佳操作將是非常重要的。進一步注意，可想像典型地在AC電壓源上所看見之AC訊號/雜訊可受最佳控制以影響AC/RF自動共振掃瞄源VAC/RF，用於設計優勢而使用它。
本射出科技相當獨特的優勢係不需主動回饋來實行能量激發及離子射出之事實。因此，單RF驅動器可被使用以同時激發多重阱而不需任何阱特定回饋或專用調諧參數。該小訊號RF驅動器之低功率需求及非線性激發之無回饋需求係依據自動共振使質量選擇射出為全新觀念。
關於不和諧阱中之自動共振激發之另一重要觀念係因為該軸向大小之離子運動未被耦合至該徑向運動，上述自動共振激發機制可被施用於軸向射出，即使存在其它徑向限制方法之事實。可想像替代性阱設計，其中，強靜電不和諧性及自動共振被使用以軸向限制並射出離子，而徑向限制係藉由例如多極、離子導引或磁場限制之其它方法所產生。
可想像透過自動共振用於產生軸向能量激發之目的而連接該AC驅動器至該不和諧阱之許多不同方式。RF訊號可被耦接至所有或一些電極。為了極小化次和諧激發之貢獻，欲建立橫跨該阱長度且具有平滑且對稱地沿著該阱中心軸變化之RF場振幅之均勻RF場。實施不和諧靜電離子阱中之RF掃瞄激發之細節將視該設計之規格及需求而定，通常也視該儀器設計者之特定偏好而定。這方面可用之不同選項對那些熟知此項技術之人士將係顯而易見。
應用補充性RF激發至該靜電線性離子阱意謂著膺勢在該阱內發展。雖然僅抽象，可考慮添加本膺勢至該真實的靜電電位而可影響該軸向離子之振盪頻率。本效應必須於該阱設計及操作期間被小心地考慮及了解，且亦可依最佳化或修改該譜儀之效能所需要而被利用。
離子生成
圖3表示以不和諧共振阱為基礎並具有電子撞擊游離(electron impact ionization，EII)源之質譜儀系統之典型實施例。電子係(1)在該阱18外部產生，(2)藉由正電位(也就是引力)被加速朝向該阱，(3)透過半通透壁4來進入該離子阱，(4)減速並在該阱內轉向，及(5)典型地又透過相同入口4離開。在其進出該阱之短路徑期間，該些電子與氣體分子碰撞並(1)透過電子撞擊游離產生正離子(2)透過電子捕獲(較無效率方法)產生負離子。在該阱內部形成具有適當極性之離子，其馬上開始沿著該軸向不和諧電位井來回振盪。
又，典型的電子及離子軌道係示於圖6中所對應之將該不和諧靜電離子阱架構成質譜儀之第二實施例。該些離子之徑向及軸向限制係由該阱(也就是－120伏特等電位)內部形成離子所對應之平行線來表示之。
假設陰極16電位為－120伏特，該些電子進入該阱並在該捕捉電位之－120伏特等電位轉向。因此，該電子動能之範圍在~120(進入點)至0電子伏特(轉向點)之間。接著，小部分電子可在該游離範圍內的任何地方游離成氣體類，以產生總能量範圍之離子，其中一些係陷入該靜電阱內。雖未有特定申請專利範圍係針對這些方法之功效所產生，但是那些熟知此項技術之人士將了解到對於本游離方案形式及細節上可作各種變化而不偏離本發明範圍。
圖7係自具有基於圖6第二實施例設計之靜電離子阱質譜儀所得之殘留氣體之典型頻譜。該圓柱組件之整體直徑係12.7毫米。杯狀物1係7.6毫米深，中間管3係8毫米長且杯狀物2係7.6毫米長。孔徑4及5係1.6毫米直徑。電阻器R係100k歐姆。該離子阱電位24係－500伏特，該施加RF振幅係70mVp－p ，2伏特DC偏移22被使用以阻止離子自該離化器側離開該阱，使用1毫安培電子電流，且100電子伏特之電子能量。該下頻譜作為可由MKS工業取得之UTI 100C之標準商業可用四極質譜儀之對照。
即使例如圖6中所示之簡單架構係以非常直接方式來在離子阱內產生游離，但必然不是用以產生並捕捉離子阱中之離子之唯一方式。在透過廣泛種類的方法產生離子後，可將離子限制於該阱內。在所有可用質譜技術中，產生離子所使用之多數現代游離方案將全部或至少一些係與本新阱科技相容。為了更佳組織、列出及討論質譜術從事者目前可用之已知游離方法，游離技術將被分成二個主要類型(1)內部游離(也就是離子係形成於該阱內部)及(2)外部游離(離子係產生於外部並以各種方法帶入至該阱中)。下示之列出被視為僅參考材料而不是將試圖對以本發明不和諧靜電離子阱為基礎之質譜術應用之可用游離方案做所以包含性總覽。
那些熟知此項技術之人士應明白本新質譜技術之分析多用途性仰賴其對內部及外部產生離子兩者執行質譜術之能力。對於以四極為基礎之質譜儀及飛行時間系統所發展之多數離子注入方法可被適用於該新科技，且該些特定實施對那些熟知此項技術之人士將係顯而易見的。
內部游離
內部游離指至該些離子係直接形成於該不和諧靜電離子阱內部之游離方案。於游離期間施加至該靜電線性離子阱之靜電電位不須與激發及質量射出期間所示之靜電電位相同。可想像對於該游離方法之好處而特別程式化之捕捉條件，接著順著改變偏壓以最佳化離子分離及射出。
電子撞擊游離(EII)
如圖3及圖6所示，將能量電子自外部帶至該阱中，用以游離該阱內部所含之原子及分子。有許多方式來將電子引入至包含徑向及軸向注入方案之阱中。在密封式離子阱(也就是具有通往外部之低氣體傳導路徑)中，在該些電子透過低傳導孔徑被帶至該阱之低壓環境中時，該燈絲可被浸入該處理氣體(較高壓力)中。也具有可被視為來源電子之多種類電子發射器。接下來描述一些常用電子源範例，然所列絕不含括全部：熱陰極熱離子發射器(圖3及圖6中之16)、場發射器陣列(Spindt型設計，史丹福研究院(Stanford Research Institute，SRI))、Bruce Laprade於美國第6239549號專利案中所述之電子產生器陣列(布爾萊工業公司)、電子分注器電極、潘寧(Penning)阱、輝光放電源、按鍵發射器、奈米碳管......等等。以新材料為基礎所產生之冷電子發射器不斷地被發現及商業化，且全然期待本發明中包含那些發射器之所有質譜儀在未來將可自那些發現中係有益的。依據場發射方法之冷電子發射器提供一些特殊的優勢，例如，可對下列所述快速脈衝式操作模式有益之快速導通次數。冷電子發射器也對其中高度熱不穩定解離不應在分析期間接觸白熱燈絲之應用較佳。對於超過15電子伏特之典型電子能量而言，電子撞擊游離大部分產生具有高效率之正離子及相當少量之負離子。注意，該些冷發射器之其中一些可被直接安裝或設置在該入口平板/電極1上，其中，該些電子不須曝露至該阱外的環境中，而可達到非常小型設計。
在同樣衍生自圖3較佳實施例之圖8進一步實施例中，電極1及該燈絲16具有允許只在該靜電離子阱內之限制區域中運行之電子軌道18之設計。本方式中，被限制在該阱之游離氣體類不能非常接近電極1而形成。這個將該新形成離子之總能量限制在顯著地低於自該阱中立即射出所需之能量。因此，所有離子在射出及偵測前需要接下來的RF激發。圖8說明繞著該圓柱軸運行之燈絲16。所繪電子係在該軸向對稱電極1之方向。部分射出電子透過具有展開△ri 之半徑所安裝之二軸向對稱傳導網狀物64及65來注入至該阱中。例如圖8所示之離軸電子槍架構之優勢對那些熟知此項技術之人士將係顯而易見，且圖8之特別實施恰為可達到所述效應之許多可行方式之一。
在同樣衍生自我們的較佳實施例(圖3)之再進一步實施例(圖9A)中，電極1可具有填充著半通透傳導網狀物且半徑為ro之軸向孔徑75。與電極2中孔徑5內之網狀物及電極1中孔徑75內之網狀物同類者可允許傳送離子至離子偵測器87中。在本實施例中，該阱內之電位在該中間電極3附近應為對稱的。偏移供應器22未被使用且電極1之DC偏壓係接地，恰如電極2之偏壓。對於該對稱阱而言，將每一個特定M/q之離子透過孔徑75開始之離子射出與透過孔徑5開始之離子同時發生。在離子偵測器17及87中之離子電流應在產生質譜之前被加總。
電子捕獲游離(electron capture ionization，ECI)低能量電子被導引至該阱中並由產生負離子之負電子分子所補獲。ART MS不是只限於正離子偵測。事實上，可透過在該阱電位24中之單極性逆轉，達到例如圖6之簡單阱中之自正離子操作切換至負離子操作。
化學游離(chemical ionization，CI)離子被引入該阱，其中接著透過該阱內出現之氣體分子(解析)之化學交互作用及電荷交換方法來產生新離子。
放射源(鎳63、氚......等等)位在該阱內之放射源射出高能的β 粒子，其在該阱內產生氣體分子之游離。雖不是唯一的，但鎳63係用於本目的被使用於質譜儀中之普遍材料。鎳63發射器超越其它放射發射器之顯著優勢係其相容於用於在該阱之金屬平板上直接沉積之電鍍方法。
雷射脫附游離(laser desorption ionization，LDI)該樣本(通常為固體，但不是嚴格限制地)被放置在該阱內並以導入該阱體積中之雷射消融脈衝釋出離子。該樣本可被懸在例如該些電極其中之一之內表面之任何類型基材上或可自由金屬或電阻性玻璃中設立之樣本微井中移除。
基質輔助雷射脫附游離(matrix assisted laser desorption ionization，MALDI)內嵌在適當有機基質(通常為酸)之生物樣本被放置在該阱內，且具有適當光波長及功率之雷射脈衝被使用以使生物分子脫落至該阱中並透過來自該基質分子之質子轉移反應將其游離。MALDI理想上係適合阱且在生物分子分析上提供最簡單方式來使用不和諧離子阱。可想像使用MALDI阱來儲存、選擇及將離子推入正交注入MALDI TOF系統之游離區域中。
光學激發(真空紫外線(vacuum ultraviolet，VUV)、遠紫外線(extreme ultraviolet，EUV)、多光子可見光/紅外線(visible/infrared，Vis/IR))來自雷射或燈之高能光子橫過該內部阱體積(軸向及/或徑向)並透過單光子或多光子游離事件來產生游離。用於分子游離目的常規應用UV(ultraviolet，紫外線)、可見光、深紫外線(deep UV)、遠紫外線、甚至高輝度紅外線源。單光子、多光子及共振增加多光子游離係為與質譜應用相容之光學游離方案中其中一些。相交光束不只可被運用於游離也可被運用於具有選擇性捕捉離子之光化學交互作用及分裂。
矽上脫附游離(desorption ionization on silicon，DIOS)該MALDI法之變化，其中，離子被放置在矽基材上且不需要有機基質。比MALDI更適用於非生物性樣本，並提供簡單方式來延伸不和諧靜電離子阱質譜儀為有興趣用於生物分析之較小解離分子中其中一些的分析上。
熱電性離子源例如Evan L.Neidholdt及J.L.Beauchamp於分析化學(Anal.Chem.)79(10),3945－3948，〝用於質譜術之小型環境壓力熱電性離子源(Compact Ambient Pressure Pyroelectric Ion Source for Mass Spectrometry)〞中所述之熱電性離子源最近已被描述於該技術文獻中並提供在具有最少硬體需求之離子阱內直接產生離子之優異機會。熱電性來源之簡單性明顯地對於以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜術儀器之簡單性係優異互補。想像仰賴熱電性離子源及不和諧靜電離子阱之低功率可攜質譜儀係非常有可能的。
快速原子撞擊(fast atom bombardment，FAB)本游離方法幾乎已被MALDI完全取代，但其仍然與ART MS相容並可於需要時與新阱來使用。
電子倍增器源電子倍增器可被修改/最佳化以於電性偏壓時自發地射出電子束。見例如布爾萊工業公司依據微通道平板科技之電子產生器陣列(electron generator array，EGA)，如美國第6,239,549號專利案所述，用以自發地射出電子所最佳化之EGA同時自該反面(熟知事實)中射出離子。該些離子係在該捕捉氣體及該微通道內所發生之電子放大崩潰間之電子撞擊游離過程產物。自該EGA中射出之離子可被饋入該阱中並被使用於質量選擇性射出及質譜偵測。電子倍增器離子源過去已被建議並將與不和諧靜電離子阱相容。事實上，可想像質量設計，其中該入口電極1係被適當偏壓以直接射出正離子至該阱中之EGA之離子射出面。
亞穩態中性亞穩態中性通量也可被導入該阱中以產生現場離子生成。
外部游離
外部游離涉及該些離子係形成於該不和諧靜電離子阱外並透過那些熟知質譜術之人士所相當了解之不同機制而被帶至該阱內之游離方案。
外部離子注入可被實施在徑向及軸向兩方向。對於軸向注入而言，離子可在外部產生，接著藉由至少一端電極電位之快速切換而被注入該阱中。該端電位接著必須快速復原以阻止該些意圖注入離子顯著地再度出現。捕捉外部產生離子之能力係不和諧靜電離子阱之非常重要優勢，其提供與四極離子阱所常規享有的相同程度的多功能。在離子注入期間由該不和諧靜電離子阱所使用之靜電電位可與質量分析或離子儲存所使用之捕捉電位不同。該些離子可於該阱中相同的真空條件下產生或可透過那些熟習此項技術之人士所熟知之標準離子操控及差動激發科技自較高壓力環境中被帶至封閉式阱內。大氣游離方案輕易地與運用來提供正確差動激發之科技相容。
下面列出現代質譜儀所使用之最普遍游離科技之其中一些，及已知與用於不和諧靜電離子阱之外部離子生成相容之游離科技。所列並非視為徹底的而只是對現代質譜學家及電漿/離子物理學家可用之有用方法中其中一些的代表範例。所列包含：電性噴灑游離(electro spray ionization，ESI)、大氣壓光游離(atmospheric pressure photo ionization，APPI)、大氣壓化學游離(atmospheric pressure chemical ionization，APCI)、大氣壓MALDI(atmospheric pressure MALDI，AP－MALDI)、大氣壓游離(atmospheric pressure ionization，API)、場脫附游離(field desorption ionization，FD)、感應耦合電漿(inductively coupled plasma，ICP)、潘寧(Penning)阱離子源、液相二次離子質譜術(liquid secondary ion mass spectrometry，LSIMS)、脫附電壓噴灑游離(desorption electro spray ionization，DESI)、熱噴灑源及即時直接分析(direct analysis real time，DART)。而圖9A實施例假設該電子撞擊游離被使用來產生離子(電子束18)，也可想像圖9B中更進一步實施例，其中，圖9A之電子束18係以外部離子引入方法由離子81束所取代。本例中，65之電壓可暫時被降低以允許離子播種並接著快速地逆轉以避免離子損失。在本實施例中，該離子阱可被架構成用於外部產生離子之質譜儀。在圖9C所示之離子阱係架構有電子撞擊式離子源但沒有離子偵測器之替代性實施例中，該離子阱可被架構成質量選擇離子束源。這類游離方案實施之正確細節不在此詳加討論，其對那些熟知質譜術技術之人士將係顯而易見的。
平板堆疊組件
圖3及圖6二實施例對應至早期原型設計中其中一些。更多近期不和諧阱設計只以平板堆疊為基礎，用於該電極組件。如期待地，由於自動共振係與嚴格之不和諧曲線之函數形式無關，在不和諧靜電離子阱之正確幾何實施方面有空前的自由。
圖10對應至不和諧離子阱之第三實施例，其只仰賴界定該離子限制體積之平板、靜電場及沿著該射出軸之不和諧捕捉電位而定。在本設計中，該離子阱係由5平行平板所構成。該孔徑大小被設計來模擬沿著在以杯狀物為基礎之設計中所發現之聚焦式阱軌道之電位分佈。如範例中，比較在圖11所示之本設計之等電位及圖1之杯狀物設計中之類似等電位。
在圖10第三實施例中，該些端電極1及2係平面的。平面阱電極6及7每一者分別放置在自該中間電極3至該些端電極1及2的中間。(Zt＝Z1/2)該阱電極6及7內之孔徑各具有內部半徑rt 。典型的尺寸為：Zt ＝12毫米、ri ＝ro ＝rd ＝Zt 、rm ＝Zt /2、rt ＝2*Zt 。該些阱電極6及7之電位分別為端電極1及2之電位。典型的操作參數包含：RF驅動器21之70mVp－p 振幅、沿著該不和諧軸振盪之－2仟伏特捕捉電位24、27赫茲RF頻率掃瞄率、100k歐姆去耦電阻器23、電極1及6上用以消除來自該離化器側之離子射出之＋2伏特偏壓10。圖12係圖10第三實施例所收集之質譜範例。
圖13A表示其中二額外平面電極孔徑被引入以補償圖11中聚集電位場內所經歷之電路週期之x及y相依關係之第四實施例。補償平板補償穩定離子軌道之電路週期中之徑向變化，其最初由該靜電阱之聚焦場所引起。在沒有補償場之中，該轉向位置之電位梯度在該中心軸上係最強。該轉向梯度減少離軸。對於任何特定M/q之限制離子而言，該徑向變化係不均勻電路週期之主要貢獻者。以軸為中心之離子軌道具有最短電路次數。本不均勻性可藉由最佳補償場之應用而被大量地消除。補償平板之相對尺寸通常為：Zc ＝Zt /2、rc ＝Zt 。該些補償電極31及32中之孔徑尺寸係分別類似於端電極1及2中入口及出口孔徑尺寸ri 及ro 。電子入口電極1與補償電極31之間隔Zc 等於離子出口電極2與補償電極32之間隔。整個阱長度被延伸成Zc 的二倍。
該些補償電極31及32之直流電位係該中間電位Um 之分數，典型地~Um /16。該補償電位係捕捉自可調整分壓器R’ 47。在本實現中，外部電容41、42、43、44、45及46被調整以最佳化沿著該離子阱長度之RF場，用以共振激發該些離子能量。電容器41及46具有一Cc 值。電容器42及45具有Ct 值。電容器43及44具有Cm 值。補償電極31及32、阱電極6及7、及中間電極3上之RF電位係分別透過R電阻器50、53、51、52及23自DC供應器中全部電阻性地去耦。電阻器R可為從10k歐姆至10百萬歐姆中的任何值。電容器Cc 可為從100微微法拉(pF)至100毫微法拉(nF)中的任何值，而Ct ＝Cm ＝Cc /8。該些電容器值可被調整以極小化1/4及1/9M/q位置之鬼峰(ghost peak)外觀。圖14係自第四實施例(圖13A)操作中所得之質譜。
在圖15所述之第五實施例中，該些補償平板被整合至該較佳實施例之基本圓柱體或杯狀物設計中。本第五實施例最好被描述成離子阱及補償電極係為一體。內部半徑為r之二圓柱狀阱電極6及7具有孔徑半徑各為rc 之端蓋。該些阱電極6及分別與端平板1及2相距Zc 。
離子填充
可想像將靜電阱填充離子的二種不同方式：1)連續式填充及2)脈衝式填充。該二方式被描述於下。脈衝式填充為多數現代四極離子阱所使用之標準方法，但並不是本發明不和諧離子阱系統操作需求。在我們實驗室所發展的多數早期不和諧靜電離子阱原型係使用於非常高度真空的環境且操作上仰賴連續式離子填充模式。
連續式填充我們早期原型所選之操作模式，例如圖3，只仰賴連續式離子填充模式，其中，電子被不斷地注入該阱內且在頻率掃瞄發生時不斷地產生離子。本操作模式係所知之連續式填充。在連續式填充下，掃描週期內可用射出之離子數量係由該阱內部所產生或於該斜波週期內傳送至該阱之離子數量所決定。在連續式填充下，有限制掃描週期內在該阱中之離子數量之二基本方式：1)限制離子引入或離子形成速率，或2)增加掃瞄率。
由於時間沒有被浪費，連續式填充可讓該掃瞄時間作最有效率的使用(也就是最高工作週期)，但也可帶來一些併發症，例如：1)在漸增的壓力條件(庫倫斥力)下之阱電荷密度飽和，2)在高離子數目下之動力範圍損失，3)較高氣體樣本壓力下之解析度損失。在連續式填充下，該訊號強度可藉由減少a)該掃瞄時間及/或b)離子形成或引入速率而受到控制。例如，隨著樣本氣體壓力增加，減少阱中之掃瞄率及電子發射電流兩者並不常見。連續式填充最適合在非常低的氣體壓力(ultra－high vacuum，超高真空，UHV)下用於氣體取樣應用。隨著該氣體壓力增加，連續式填充需要對質譜儀操作條件做一些調整，用以維持與壓力有關之個別質量波峰訊號之適當的質譜輸出及線性。常見實驗方式包含：1)降低電子發射電流及2)增加掃瞄率及AC驅動器振幅。降低電子發射電流可被使用來減少阱中之離子形成速率並限制整個掃瞄週期期間在該阱內部所形成之離子數量。對於外部產生之離子而言，掃瞄期間離子載入該阱之速率上的相對降低必須產生限制離子密度位準。隨著該壓力開始超過10－7 托耳且若連續式填充係適當，離子訊號隨著掃瞄率增加而增加的情形並不常觀察到。掃瞄率增加的副作用為質譜解析度降低，其在轉向及最佳化期間一定要被小心地考慮。
脈衝式填充脈衝式填充係替代性操作模式，其中，為了限制該阱內部之離子密度所小心挑選之預定短時段期間於該阱內部產生或載入離子。在其最簡單且多數常用實施中，脈衝式填充牽涉到不用任何AC激發之離子生成：在純靜電捕捉條件影響下產生並捕捉該些離子，且接著RF頻率或捕捉電位掃瞄被觸發以產生質量選擇儲存及/或射出。接著，於該掃瞄之前利用新的離子脈衝來填充該阱，再度重複該方法。有許多可想像實施這類操作模式之理由。脈衝式填充成為以四極為基礎之離子阱操作之標準方法已許多年，且使用脈衝式填充之相同理由中的多數係有關於不和諧靜電離子阱。
對離子填充方法進行隔離及估計之最重要理由為有效地控制該離子阱內部之空間電荷。即使總是能夠藉由例如控制進入具有電子撞擊游離(EII)源之阱中之電子通量來控制該電荷數量，額外的空間電荷增長建立可藉由控制該游離之工作週期實行控制也是清楚的。在阱內部非常大的離子濃度可導致問題，例如：波峰擴大、解析度損失、損失動力範圍、波峰位置漂移、非線性壓力相依響應關係、甚至訊號飽和。
施用脈衝式填充的另一理由為在執行質量選擇儲存、分裂及/或解離時將較佳地定義該初始游離條件。例如，為了完全清除阱中所有不想要的離子，將需要在該清潔掃瞄發生時停止引入新離子。
施用脈衝式填充的另一理由可為提供較佳的壓力相依操作。在EII恆定電子發射電流下，在掃瞄期間於阱內部所產生之離子密度將不斷地隨著壓力增加，直到電荷密度飽和開始發生(也就是典型的為10－7 托耳)為止。這個將導致阱效能隨著氣體壓力增加而衰退。接著，該游離工作週期之降低將被使用來動態地調整該填充時間工作週期及該阱內部之電荷密度成為壓力函數。在較高壓力下減少離子密度不只增加阱效能，也限制自該捕捉電位中脫逃而到達該偵測器或其它電荷敏感性設備或測量儀器之雜散離子速率。
不和諧靜電離子阱中用以控制脈衝式離子填充所使用之技術大體上係相同於四極離子阱中所使用者。若慢熱離子發射被使用，則仰賴EII之不和諧靜電離子阱通常搭配有電子閘以導通/關閉該電子束，或替代性地仰賴以場發射為基礎之冷電子發射器之快速導通/關閉次數來控制進入該阱之游離體積之電子通量之工作週期。外部離子源脈衝及/或使用那些熟知此項技術之人士所熟知之標準技術閘控離子。
脈衝式填充方案中之游離工作週期或填充時間可透過各種回饋機制來決定。可想像該阱內之總電荷係整合於每一個掃瞄結束時並被使用來決定下一掃瞄週期之填充條件之條件。執行電荷整合可藉由(1)以專用電荷收集電極來簡單地收集該阱內的所有離子，(2)整合該質譜中之總電荷或(3)使用代表性總離子電荷測量(也就是流入輔助電極之電流)來界定下一掃瞄之游離工作週期。總電荷也可隨著該壓力增加(EII源)藉由測量該阱外所形成之離子數量來決定。也可想像有利於使用獨立總壓力資訊來控制離子填充脈衝之條件。如許多常見以四極質量過濾器為基礎之現代殘留氣體分析儀，總壓力測量設備可被整合至該離化器或阱中以提供總壓力相關測量。替代性地，來自輔助測量設備之壓力測量資訊也可被使用來做決定。來自獨立壓力測量設備、測量設備或甚至位在該真空環境別處之輔助殘留氣體分析儀之類比或數位輸出可被介接至該些不和諧靜電阱質譜儀電子元件以提供即時壓力資訊。也可想像可有利於依據該最後質譜中所呈現之特定質量分佈或濃度剖面圖來調整離子填充次數之條件。也可想像離子填充之工作週期係依據該氣體混合物中之特定解離分子之存在、一致及相對濃度來調整之條件。也可想像該填充次數係依據該質譜儀之目標規格來調整之條件。例如，可控制游離工作週期以達到某種類之特定質量解析度、靈敏度、訊號動力範圍及偵測限制。
冷卻、解離及分裂即使該不和諧靜電離子阱之操作原理根本上與四極離子阱(QIT)質譜儀不同且較簡單，兩科技依據兩者設備具有質量選擇性地儲存、激發、冷卻、解離及射出離子之能力之事實而分享共同的交換。可想像安排來作為碰撞、分裂及/或反應裝置且不曾有來自該阱之離子被質量選擇及/或共振射出及/或參數性地射出之不和諧靜電離子阱。也可想像該不和諧靜電離子阱在串聯式質譜儀建立內被暫時當作簡單的離子傳輸裝置來使用之條件。
過去二十年中，一些控制QIT被捕離子之冷卻、激發、解離及/或分裂不同技術已被發展。多數這類技術係可攜且可適用於不和諧靜電離子阱，將其全體包含於本發明。
不和諧靜電離子阱只依據其質量對電荷比值來儲存並偵測特定離子之能力可被使用來發展特定氣體偵測器。可想像混合物之追蹤氣體成分可透過重複及多次填充及質量選擇射出週期，可被集中於該阱中之情形。特定氣體偵測器將快速地找到例如漏氣偵測、設備及環境監視、及例如發酵、製紙......等應用之製程控制感測之領域上的應用。集中該阱中特定M/q種類之能力提供高靈敏度測量效力。
不和諧靜電離子阱中所捕捉之離子在其自該阱中射出前通常經歷大量振盪(數仟至數百萬，質量相依)。大捕捉週期之特徵為不斷的自動共振激發，其仰賴非常小的驅動器來將離子拉出深電位井。隨著該些離子在該捕捉電位中來回共振，其與該阱中所呈現之殘留氣體碰撞並經歷分裂。在一些例子中，添加一些額外成分至該殘留氣體背景中以在射出前引發該些離子進一步之解離或冷卻可係有利的。
碰撞感應式解離(collisionally induced dissociation，CID)慣常在具有或沒有自動共振激發之不和諧靜電離子阱中被觀察到。透過自動共振射出所產生之質譜大體上包含遠高於在例如四極質譜儀之其它質譜術系統中所典型觀察到之對該總譜之分裂貢獻。該額外分裂係導因於離子經歷大量振盪及與出現殘留氣體分子碰撞之事實。該些分裂圖案係高度視該總壓力、該殘留氣體組成及該質譜儀操作條件而定。額外分裂大體上係視為發生於化學辨識所使用之質譜術中是受人歡迎的，因其提供理想地適合用於絕對正確的化學化合物辨識之正交資訊。以自動共振射出為基礎之質譜儀控制分裂數量之能力係本技術中非常重要優勢。例如，可想像該RF之頻率掃瞄係動態地受到控制以調整該分裂數量之情形。分裂在例如混合物分析或複合生物樣本之一些例子中可係不想要的特徵。在那些例子中，捕捉及射出條件將被最佳化以極小化分裂作用並簡化頻譜輸出。CID之降低可透過下列幾項路徑來達成；1)控制該阱中之振盪數量，2)控制該阱中之駐留時間，3)控制離子在振盪期間之軸向及徑向能量。該些離子能量最易受到該軸向捕捉電位之深度變化影響。振盪之駐留時間及數量變化係受到該頻率掃瞄之振幅及速率變化影響。離子濃度控制也可被使用來修改分裂數量。本段所示之範例只是分裂發生並受到控制之方式的其中一些，而如何提供額外的分裂及CID控制路徑對那些熟知此項技術之人士將是顯而易見的。
在QIT中之常用方法係將緩衝氣體引入該阱中以冷卻離子並將其聚集在該阱中心。該些相同原理可被施用至不和諧靜電阱中。可想像在操作期間添加緩衝氣體或氣體們至阱中可係想要之條件。該氣體可被注入開放式及封閉式兩者阱設計中。封閉式阱提供更快週期次數之優勢。該添加緩衝氣體可用來冷卻該些離子並提供更受控或聚集初始離子能量條件或透過CID來感應額外的分裂。
解離、冷卻、熱化、散射及分裂全是互相關聯的製程且那些相互關係對那些熟知此項技術之人士將是顯而易見的。
可想像一些隨著離子振盪發生，發生於不和諧靜電阱內部之不同處理：CID(碰撞感應解離)、SID(surface induced disassociation，表面感應解離)、ECD(electron capture disassociation，電子捕獲解離)、ETD(electron transfer disassociation，電子轉移解離)、質子化、去質子化及電子轉移。這類處理對於該操作模式而言係本質性的，可想像許多可須強化或減緩之不同應用。
離子阱CID可被使用來施用不和諧共振阱以提供MSn 能力。可想像該阱被填充著離子混合物且一些自動共振激發方法被使用來選擇性地射出多數離子的情形。接著，允許感興趣的剩餘離子或離子們於該阱中振盪一段時間以提供額外的分裂。該些分裂物最後利用二次頻率掃瞄以射出及質量分析以提供MS2 資訊。提供單一阱內之MSn 能力之電位相對於例如線性四極質譜儀之競爭性技術係以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜術中之明確優勢。阱中之MSn 操作之基本操作原理對於那些熟知此項技術之人士將是顯而易見的。也可想像添加例如光學放射之外部激發源以於射出前對該阱中之化學組成產生光化學感應式變化可係想要的情形。
具有不和諧靜電離子阱之質譜術圖13A係我們以不和諧靜電離子阱為基礎所製造之質譜儀之最後實施例，其內部游離仰賴EII而頻譜輸出生成仰賴離子之自動共振射出。電子18係自熱燈絲16中射出並由吸引靜電電位朝向該阱4左埠加速。開放式埠4(穿孔平板或金屬柵)提供該些電子可滲透進入點。該些電子滲入該阱體積並在其爬升至該阱內及接近該入口埠產生窄頻帶游離體積之負軸向捕捉電位時轉向。多數正電子係產生於該阱內部，其馬上開始利用由不和諧負捕捉電位井所界定之運動動力在該軸方向來回地振盪。該些初始離子能量係由其在該靜電電位井內之原點所界定。在UHV氣體取樣被執行時，在本特定實施中之離子填充係連續的。正離子儲存被使用於離子捕捉及偵測。用於尺寸小於2公分之阱之典型捕捉電位將介於－100至－2000伏特之間，即使有時需用較淺及/或較深兩捕捉電位。典型電子發射電流係小於1毫安培，且電子能量之範圍典型地在0至120伏特之間。圖13A實施仰賴熱離子發射器做為該電子槍來源；然而，如何以現代冷陰極發射源取代該熱陰極來提供較低操作功率、較乾淨頻譜(無熱分解分裂)及可行較長操作壽命應是顯而易見的。由於不包含快速控制電子發射率之方法，則圖13A實施仰賴連續式游離，即使如何使用電子槍閘控來實施脈衝式電子注入方案應是顯而易見的(依據可輕易用於QIT之技術)。進入該阱(連續式填充)之連續電子通量提供用於多數壓力之最大離子產量。
圖13A中之離子射出係於現成電子元件構件傳送時利用低振幅(約100mVp－p )頻率線性調變所產生。對數頻率斜波已常被施用於我們的實驗室中，用於最佳的頻譜品質及波峰均勻性。該些最高頻率(典型地在該MHz範圍)對光離子之射出係重要的。較低頻率(KHz範圍)對該些較重離子之射出係重要的。
高頻率將先射出質量1(氫)。(沒有更低質量離子以偵測。)因此，對於~3公分長之阱而言，該最高有用頻率~5MHz。接著，這個被斜坡式降至(實務上)約10仟赫。(也就是大於二十的頻率掃瞄)。這個將允許ART MS使用者質詢介於1至250,000amu(atomic mass unit，原子質量單位)之間的質量。
多數我們實驗室原型仰賴非線性頻率掃瞄，其在連續離子射出階段期間確保等量的振盪，無關其質量。該相位純度係重要的。在我們實驗室原型中的RF生成仰賴來自類比裝置(Analog Devices)公司的直接數位頻率合成器晶片及低功率簡易型微控制器之使用。對數頻率掃瞄典型地係拼在一起成為一連串具有遞減速率的線性頻率掃瞄。
以來自不和諧靜電離子阱之自動共振射出為基礎之質譜儀之質量範圍理論上係無限的。該頻率線性調變之掃瞄率常隨著射出質量增加而減慢下來，用以在該頻譜輸出中提供更均勻外表的波峰分佈。掃瞄重複率已高達200赫，具有只由我們用以即時收集資料之資料獲取系統之電流能力所界定之上限。
圖13A之簡單實施例仰賴電子倍增器裝置來偵測及測量自該阱中射出之離子濃度。電子倍增器係常用於多數質譜儀中以放大離開該質量分析儀之離子電流之偵測器。射出離子被吸引至該電子倍增器之入口，其中，與其作用表面的碰撞透過二次游離方法來引起電子發射。該些二次電子接著被加速至該裝置中，並進一步以可產生超過106 之離子電流增益之串接放大方法來放大。電子倍增器主要是在延伸至UHV位準之壓力位準所使用之ART MS設備中，用於離子偵測。偵測限制可藉由實施脈衝離子計數方案並使用特別最佳化電子倍增器及連接至多通道定標器之脈衝放大器－鑑別器而被進一步延伸至較低壓力及濃度值。有多類電子倍增器裝置對質譜學家可用，其中多數係與以不和諧靜電阱及自動共振射出為基礎之該些質譜儀完全相容。該些可用偵測科技中其中一些包含：微通道平板、微球板、連續式倍增電極電子倍增器、離散式倍增電極電子倍增器、及達利(Daly)偵測器。由於可整合其入口表面至該出口電極結構中，對於阱設計而言，微通道平板提供一些非常有趣的電位設計替代例。該倍增器之輸出可利用專用陽極電極來收集並自電子電流正比(也就是高增益)於該離子電流時直接進行測量。替代性地，磷光劑及閃爍器可被使用來轉換該倍增器之電子輸出成為光學訊號。對於百萬道爾頓(Megadalton)(大於1000,000amu)偵測而言，如Stephen Fuerstenau、W.Henry Benner、Norman Madden、William Searles於美國第5,770,857號專利案中所述之當電子倍增器之轉換效率恰巧太低而無法產生有用的訊號時，可考慮電荷敏感性偵測器。
圖13A之偵測器係沿著離子射出軸設置。本偵測器具有沿著該些離子振盪軸至該阱之直視線。為了極小化歸因於該阱中發出之電磁輻射之虛離子數目及訊號，離子偵測器如圖13B進一步實施例所述離軸安裝。若雜散光可被視為雜訊電位源(明顯的無質量析出之訊號)，則本方式常被使用。在這些情況中，習慣將離子偏轉並加速至偵測器主要表面。施用來偏壓離子之靜電偏壓可被反轉以允許偵測正或負離子，該些靜電偏壓可被調整以最佳化離子偵測，或可被重新調整以允許離子傳送離開該偵測器及阱。若該偏轉偏壓可被足夠快速地修改，則該質譜儀可被利用做為脈衝式離子選擇源。該正常質譜只能間斷地被產生以作為該離子束源之監視器。替代性地，可使用具有與該阱出口孔徑對準而只在需要進行偵測時被偏壓之中心孔洞之微通道平板。這類習用倍增器於飛行時間質譜儀之同軸偏轉係普遍的並允許發展小型結合脈衝離子源及質譜儀。自該阱中射出之離子將清除該中心孔洞而沒有偏壓被施加至該偵測器，或將在施用偏壓時靜電性地轉向至該平板之前表面用於偵測。
即使電子倍增器已被使用於我們實驗室中所執行之所有質譜測量，對那些熟知具有與不須包含離子電流放大之本新型離子阱科技相容之各類可行偵測方案之質譜術領域之人士將是顯而易見的。一些範例可包含使用法拉第杯偵測(也就是無放大)或甚至使用內部或外部安裝之感應式讀取偵測器之影像電荷靜電讀取。在使用感應式讀取時，可直接偵測該離子通道或利用快速傅立葉轉換頻譜分析技術。圖13A之不和諧靜電離子阱架構仰賴在該阱之一個單端上之離子偵測－也就是在其於反向被射出時損失一半的離子。若該捕捉電位係對稱的，只有透過圖13A、圖2右電極(出口電極)射出之離子將貢獻至該輸出訊號。可想像添加在該阱(見圖9A－9B)兩端讀取離子之雙偵測方案可係想要之情形。指示至埠2之多數射出離子之理由同樣係容易證明，其例中，該訊號及靈敏度將被增強。引入該捕捉電位中之不對稱性已被使用，即DC偏壓22，用以透過具有該偵測器之埠2實現優先射出。
替代性偵測方案可包含小心監視在頻率掃瞄期間維持固定振幅所需之RF功率。即使該能量激發機制係始於高頻之持續性方法，在該RF頻率跨越該些離子自然共振頻率時之最高速率，離子振盪加速速率增加。小心注意激發至該阱中之AC驅動功率量可被使用來偵測能量被激發至該些離子中之頻率，且那個資訊可接著被使用於每一個作用頻率下衍生出質量及大量離子。
圖13A之簡單示意圖係依據不和諧靜電離子阱及離子之自動共振射出而內建於我們實驗室中之簡單原型質譜儀設備。在該系統中之壓力增加時，將需要對質譜儀中可能貢獻至背景數目之雜散離子效應進行調整並縮小該動力範圍。雜散離子源自於許多不同來源：1)在該些電子被加速朝向該入口平板時，以EII形成於該阱外之離子，2)由於徑向限制不是100%有效，則離子徑向地離開該靜電線性離子阱。為了阻止雜散離子到達該偵測器並產生雜散背景訊號，大體上將須添加屏蔽以隔離該離化器及偵測器。原則上，只有自該阱中射出與該RF掃瞄同步之離子應可到達該偵測器並當成訊號來計算。貢獻至該背景之雜散離子的問題對ART MS而言並不是唯一的，而該些最有效的解決方案對那些熟知此項技術之人士將是顯而易見的。
以不和諧靜電離子阱及自動共振射出為基礎之典型質譜儀需要非常低的功率(離化器需求除外，在毫瓦範圍)，因為其只使用靜電電位及非常小的RF電壓(100毫伏特範圍)。這類低RF振幅應可相較於QIT及四極質量過濾器需求，其中，該裝置之質量範圍常受到傳送高電壓RF位準至該質量分析儀中並持有該位準之能力的限制。非常高靈敏度可將該些質譜儀之偵測限制延伸至該UHV範圍(也就是小於10－8 托耳)中。高資料獲取率也是本技術非常重要的特徵。在我們實驗室中，高達200赫之頻率掃瞄率已被論證，上限目前只以我們一般用途電子元件之頻寬及資料穫取率限制界定。利用較快資料獲取系統應可輕易地達到較高取樣速率，以提供超過我們實驗室所驗證之200赫速率之全頻譜輸出。這類效能無法輕易地自用於殘留氣體分析所典型使用之現代商業可用之質譜儀中任一者取得而使本新型質譜術在例如層析系統、離子移動頻譜儀及溫度程式脫附研究(temperature programmed desorption studies，TPD)之輸出時提供快速瞬間訊號分析理想候選者。
該裝置之小尺寸、低功率需求及低偵測限制使本新質譜術技術理想上最適用於以可攜式遙控操作且獨立MS為基礎之取樣系統之實施及結構。以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜術自然將自水下取樣延伸至火山氣體分析、現場環境取樣之遙控感測應用中發現發源地。以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜術也是發展用於該領域中有危險性或爆發性材料偵測之可部署及電池操作之測試設備之優秀候選者。事實上，相信以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜術其提供該第一實際機會來發展耐用質譜儀，其不須仰賴昂貴的小型化製造技術且其提供可與工作臺上儀器相比較之質量分析規格。
樣本質譜我們實驗室日期記載上所執行之大多數測試仰賴低壓操作－也就是小於10－7 托耳，及EII源；然而，該技術之可應用性已被證明於10－5 托耳中間區域之壓力。
利用正確儀器最佳化，期待以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜術提供用於大壓力範圍及主要地可被游離及載入或傳送至該阱中之任何化學種類之有用質譜。大體上已觀察到離子填充及掃瞄條件將需要根據該操作壓力來做參數調整以在整個廣壓力範圍下得到數量反應之平順操作及線性。可想像大量不同儀器的設定被使用以依據總壓力、殘留氣體組成及/或目標效能參數來提供阱操作參數之自動調諧。
在標準操作模式下，以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜儀典型地將顯示具有固定相對解析度M/△M之波峰之質譜。超過100x之解析度功率已輕易地在我們實驗室中以例如圖13A中之小尺寸阱達到。該解析度功率M/△M視該設計細節而定，而不是視所分析之質量而定。因此，低質量下之頻譜波峰係遠窄(較低△M)於較高質量下之波峰。該裝置在較低質量之優良絕對解析度△M使得該感測科技理想上適用於同位素比決定、以輕氣體為主之漏氣偵測及低溫泵之滿位測量。該相對解析度之質量獨立性已驗證於我們實驗室中且係該裝置操作原理之直接結果。
以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜儀中之質量軸校準係非常簡易的。射出頻率係緊密地正比於該捕捉電位之平方根且反比於該阱之長度。對於固定幾何及捕捉電位而言，離子射出頻率係與它的M/q的平方根有關。質量校準大體上以單質量進行，透過質量軸校準斜率及截取參數連結其射出頻率與該質量平方根，質量及頻率間之平方根相依關係接著被使用來指定質量給該頻譜中所有其它波峰。施用該相同方法大體上與該些頻率掃瞄之函數形式無關。用於高精確之質譜決定，也許需整合較高階項目至該校準曲線中以說明平方根響應中之非線性。
直接比較質譜與在相同環境條件但施用替代性質譜科技所產生之等效頻譜大體上將顯示源自該二裝置之不同操作模式之一些基本差異。以不和諧靜電離子阱為基礎之質譜儀大體上較以四極質量過濾器為基礎之等效質譜儀經歷較大程度的分裂。然而，在多數線性四極系統中，分裂係該電子撞擊游離方法中附帶結果，在該靜電線性離子阱中該些離子及殘留氣體分子間之額外碰撞使得該些離子被捕捉之後，該些離子經歷進一步分裂。在操作參數選擇期間及同樣地使用頻譜庫來執行氣體種類識別時必須記住該額外分裂。對不同化學種類之相對靈敏度將視大量參數而定。除混合物中所呈現之不同氣體之氣體特定游離效率外，還必須考慮阱中不同離子之振盪數量及駐留次數將係質量相依的。不同氣體靈敏度之種類相依將與該游離方案及該離子射出參數之細節連結。
大體上將需要外部校準來在濃度決定期間產生定量結果。基質效應也將出現於該些阱中，因基質氣體之相對濃度或數量上之大變化可影響質譜儀中之其它分解訊號受到期待。使用者將需選擇最適合方法以計算波峰強度，用以執行定量測量。一些不同方案已被使用於我們實驗室中，且許多這些觀念之不同變化及延伸對那些熟知質譜術領域之人士應是顯而易見。可想像簡單分析該些主波峰位置及測量其波峰強度所在係全為必要之情形。也可想像按照該阱之較重離子之較長駐留次數來整合該些離子訊號可產生定量結果之較佳方式之情形。在一些實驗中，我們已發現需要將該質譜中之訊號強度乘上質量相依係數。該些質量波峰大體上係相當對稱，且全需使用該波峰最大值大體上以提供適當的質量分配。然而，可想像波峰中心點可需要額外精確度之情形。依據基質反轉演算法之頻譜解旋積方法已成功地被使用來分析源自質譜儀中之多氣體成分之複合物頻譜，且其使用也應是有益的。在一些應用中，可需要正規化至其它外部訊號位準之例如總壓力之質譜資料，以提供在大壓力範圍下之較佳定量結果及延伸線性。
以不和諧靜電離子阱為基礎之小型質譜儀之靈敏度係示於圖16。在高達3*10－5 托耳之阱操作已被觀察，而沒有儀器最佳化下之初步結果係可得於圖17－19。用以偵測該複合化學物之裝置之能力係示於圖20。
因為在該阱之殘留氣體中具有中性種類之限制離子散射之故，使得質譜儀操作可被限制在高氣體壓力。散射擾亂該離子能量及該些離子運動之方向性。該些散射離子可保持受到限制，但其在RF頻率(或偏壓)之目前斜波週期中可不再自該阱中射出，替代性地，其可能在其未被散射前自該阱中被排出。該x或y方向上之離子排出導致訊號損失。在該z方向(相對於該偵測器)上之過早排出可導致質譜中不需要的(無特徵)背景訊號及背景雜訊位準。因此，中性離子散射係隨著質譜儀之不和諧阱操作期間於高工作壓力下不想要的操作結果。在高操作壓力下，表面裂化比值受到影響，最後，該靈敏度被大幅地降低。在典型地超過~10－6 托耳高壓力下，我們甚至已看見隨著增加之壓力而降低之訊號位準，其需調諧該些阱掃瞄條件以調整質譜儀參數。
橫跨各剖面之中性離子散射係離子能量之緩變函數。因此，在給予操作壓力，離子散射機率大部分係由該阱內之離子移動之積分距離所主宰。接著，這個係由該阱內之離子瞬間速度(及/或能量)及該離子限制持續期間所決定。因此，可藉由(1)增加該RF頻率之斜波速率或(2)增加該中間電極偏壓之斜波速率來減少中性離子散射，視產生質譜之阱操作方法而定。可實行之斜波速率受到該RF幅度(臨界控制)所限制，因此增加後者仍可進一步幫助離子限制時間之減少。極小化在該阱內之離子移動距離之替代性方式係減少離子射出所需之離子速度的時間差距。這個在RF頻率掃瞄模式中可藉由減少該中間電極電壓而完成。在使用掃瞄該中間電極電壓之操作模式中，該中間電極偏壓之需求範圍內之值及離子速度可藉由操作在較低(固定)RF頻率而被減少。當該中間電極偏壓落在電子燈絲電位之下時，電子可在整個該離子阱移動。原則上，游離可接著在該阱兩半邊內顯著地發生。
在較低RF頻率或較快掃瞄率下操作阱確實具有降低該分解功率的不利效應。降低離子移動距離之替代性方法為降低該阱橫向尺寸。在那些環境中，相同RF頻率可被運用而在較高壓力下增加該響應之線性卻不會降低分解功率。分解功率、靈敏度及/或線性之其它潛在性不利效應可透過離子－離子散射及空間電荷效應而發生。這些問題可藉由在該阱內以較少離子來操作而被減少。較少離子可被注入至該阱中，或較無效率現場游離方法可被運用。舉例來說，電子發射電流、燈絲偏壓、游離光子通量或亞穩態中性通量可被減少。然而，在正常操作(低氣體壓力)條件下，該些質譜儀靈敏度大體上係藉由增加該離子生成而被增加。
質譜術應用ART MS提供執行質譜分析的新方法。組件的簡易性、低功率消耗、小幾何尺寸、快速掃描速度、高靈敏度及低製造成本證明ART MS偵測應用係可能的，其中該質譜術應用係先前不實際或極昂貴。
結合最少電子元件需求及低功率消耗之小尺寸靜電線性離子阱使用於取樣及分析應用之ART MS成為需要可攜、可現場部署、電池操作及/或耐用氣體分析儀器之理想感測科技。在UHV壓力下實行具有高靈敏度之氣體分析之能力可建立高度攜帶式真空系統，其仰賴小型離子及/或捕獲泵而不需任何吵雜笨重耗能之機械(生產量)泵。少許ART MS科技之特定應用係列於本章節，僅供參考。其餘ART MS潛在性應用對那些熟知此項技術之人士將是顯而易見的。
殘留氣體分析儀(residual gas analyzer，RGA)多數商用可取得之RGA仰賴四極質量過濾器來產生質譜。四極質量過濾器之質量範圍最後係由延伸該質量範圍至較高質量所需之裝置及RF驅動器尺寸所限制。ART MS科技在延伸自基本壓力資格、表面分析(TPD)及製程分析/控制之多類應用中具有取代以四極為基礎之RGA科技之潛力。可想像大範圍部署ART MS頻譜儀至半導體晶片製造廠中，在基本及製程壓力兩者之氣體分析變成用於該設備之製程控制資料流之主要組成。也可想像用於半導體製造工業之全新智慧型/結合式測量設備世代，該半導體製造工業包含例如ART MS、電容隔板測量設備、游離測量設備及熱傳導性測量設備全部整合成單一/模組單元之測量設備結合。ART MS質譜儀可被使用以在封閉式靜電線性離子阱設計及差動激發開放式離子阱設計的協助下於所有可行製程壓力下進行取樣。運行與低功率需求結合之裝置所需之小量訊號可將感測器置放在遠離該些驅動電子元件及直接在感興趣點(也就是沒有因該些晶圓及該測量設備之間所減少的傳導路徑而引起壓力梯度損失)執行測量。
特定氣體偵測器即使ART MS全部功率係以它傳送全部質譜資料之能力為主，但可想像專用於監視特定氣體之ART MS氣體分析儀之發展。監視系統中之特定氣體可需要有許多不同條件，而專用單氣體偵測器可係較佳選項。例如，有益於追蹤半導體製程中所使用之高能量離子植入機內的六氟化硫(SF6)位準係已知的。六氟化硫對晶圓具有非常有害的效應且係非常容易藉EII或電子親和性捕獲而游離。單氣體偵測可似乎並不需要抑制ART MS系統之全部潛力，但事實上，聚焦在單種類上可即時偵測目標化學品時將捕捉及射出條件簡化並將效能及速度最佳化而具有高靈敏度。也可想像ART MS測試設備被架構以偵測及追蹤特定氣體固定群組，也就是大於一種氣體之位準之情形。例如，ART MS感測器可被使用於火山所在地以測試火山噴氣孔中所示之共同種類中其中一些，用於尋找所增加火山活動徵兆。
漏氣偵測器漏氣係真空室中的大問題，尤指常曝露至空氣之真空系統中。現場ART MS可被使用來1.提供漏氣之早期偵測，2.執行用以區分漏氣及單純的排氣問題之殘留氣體之初步測試及3.執行氦漏氣偵測。專用ART MS應為每一個及各真空系統之標準構件。在知道什麼出現於真空系統之殘留氣體常是重要或有時甚至比知道總壓力更重要之真空業者中係為一般性知識。例如，不須等待不會對反應室中激出之方法產生作用之氣體成分。ART MS之小巧使該感測器也可自然地與傳統上仰賴低解析度小磁性扇形或複雜QIT之可攜式漏氣偵測器相容。
低溫泵滿位測量儀器低溫泵係儲存泵並因此只具有有限容量。有需要發展可偵測低溫泵中之滿容量早期徵兆之化學感測器。填滿容量之泵將必須使用冗長且複雜程序來馬上再生以恢復其抽取速度。有泵滿位測量之關鍵性需求，使得在再生週期前可執行適當計畫及準備。在泵反應室之排氣測量已被描述成偵測滿位早期徵兆之有效方式。例如，升高之氦、氫及/或氖位準對滿位之早期徵兆可係有用的。即使質譜併入至低溫泵反應室中已在許多場合被考慮到，但這類解決方案之成本效益從未被證實。ART MS提供改正那個情形的新機會。可想像每一個低溫泵係搭配其自己/專用之ART MS且該感測器之輸出被使用來進行滿位決定之製造場所(也就是半導體製造廠)。ART MS儀器係快速、敏感且如本申請案所想要的在低質量具有優良解析度。
溫度程式脫附研究溫度程式脫附(TPD)測量在表面分析中常被執行。牽涉到特定分子及基材間相互作用研究之多數表面分析實驗係始於對該基材上某些層氣體分子執行氣體吸附，接著於快速溫度斜波週期對該些分子進行熱脫附並提供該氣體及那個基材間之結合能及反應性之相關資訊。在TPD掃瞄期間，該基材溫度係快速以斜波化且釋放之氣體被偵測及分析。有需要在緊密接近該基材放置質譜儀感測器，及提供快速滿頻譜分析之能力。ART MS可能是本申請案曾發展過的技術中最佳的質譜術技術。ART MS質譜儀係理想上適用於表面分析實驗室中常用之溫度脫附及光學脫附及雷射消融研究。
同位素比值質譜術常於實驗室及現場環境兩者中以質譜分析技術執行同位素比值測量。不論何時可被提出之測試係較佳的，因取樣問題被消除之故。ART MS提供可與許多現代同位素測量需求相容之快速且高解析度測量能力。在場可部署IRMS(Isotope Ratio Mass Spectrometry，同位素比質譜儀)測試設備中具有最高度小巧之ART MS係受期待。如範例中，可想像將ART MS應用於測量火山活動及井條件所常用之氦3/氦4比值之現場火山氣體取樣或油井取樣。
可攜式取樣系統該結合先進ART MS特徵：(1)小巧性、(2)低功率消耗及(3)高靈敏度讓本新科技理想上適用於可攜式氣體分析系統之發展。可想像在需要質譜分析但只有非常有限的功率預算可用之大部分現場及遙控取樣應用中以ART MS質譜儀取代例如四極及磁性扇形之傳統質譜儀。ART MS質譜儀將在所有氣體分析領域發現應用，包含：溶解氣體取樣(海洋及水底研究)、火山氣體分析、水及空氣樣本之揮發性有機化合物(Volatile Organic Compound，VOC)分析、環境監視、設備監視、行星取樣、戰場部署、家鄉安全部署、機場安全、密封容器測試(包含前開口式晶圓盒(front opening unified pods，FOUPS))......等。該部署機包含所有需要電池或太陽板來供電以及由緊急反應及軍方人員基於辨識危險及爆炸化學品目的而攜帶可攜式裝置之場應用、及安裝在預定往遙遠行星之太空探測器上之裝置。該電性連接及機械組件之簡化、該電極結構之堅固耐用及該離子射出機制對於該阱電位精密不和諧性之不靈敏使ART MS質譜儀成為存在振動及高加速力之應用中之最完美候選者。ART MS質譜儀將快速地在太空探測及高空大氣取樣任務中發現應用。
或許，可攜式ART MS之最多用途及有力的實施中其中之一牽涉到結合非常小型ART MS質譜儀與離子泵及/或小實體尺寸之吸氣泵(Getter，NEG材料)以實施超低功率氣體取樣裝置。該ART MS可搭配放射源或冷電子發射器。脈衝式氣體注入系統讓短缺的氣體樣本可被引入該系統中以接著由快速泵降方法於樣本週期之間進行分析。例如選擇性薄膜(membrane introduction mass spectrometer technology，MIMS technology，薄膜引入質譜儀科技)及漏氣閥之替代性持續樣本引入設定也可被施用。該遙控可攜式感測器可被當作獨立的質譜取樣系統或可攜式層析系統之後端來使用。提供包含公眾場所中之毒性或危險性氣體釋放之緊急反應情形之快速分析結果之可攜式氣相層析/質譜術(gas chromatograph/mass spectrometry，GC/MS)系統之能力已示於近十年中，且ART MS提供進一步極小化目前可得之取樣裝置之大小及功率消耗之機會。也期待ART MS將與離子移動性頻譜儀結合以在機場及其它公眾場所上提供偵測爆炸性、危險性及毒性氣體之新解析方式。
方法分析低成本將是推動ART MS進入製程方析應用中的最大驅動。有一大串的化學及半導體製程列表可自質譜儀所提供之氣體特定資訊中獲益。然而，所有權成本及高初期投資成本大體上已促使質譜儀無法普遍地被採用於半導體及化學製程工業上。半導體製造方法常仰賴總壓資訊來界定通過－不通過規則並評量系統污染程度。整個半導體製造業熟知部分壓力資訊可被使用來減少方法所有權成本、改善產量及減少製造設備停工期。然而，質譜儀成本在該半導體工業中並未被完全證明，且質譜儀多數已被歸類為少數特定應用及地點。藉由提供該第一次真際機會給該半導體工業來發展低成本氣體分析儀而使ART MS具有改變此情形的潛力。可想像仰賴包含全部及部分壓力測量能力之感測器結合來完整地分析及限定加熱除氣及製程條件之整個生產線。直接浸入至製程反應室中之現場質譜將在加熱除氣及製程期間之傳統RGA分析中發現應用且也將可被用於例如漏氣偵測及單一氣體偵測之額外應用中。
雖然本發明已參考其示範實施例而特別地被顯示及描述，那些熟知此項技術之人士將了解可產生其中對形式及細節上的各種變化而不偏離所附申請專利範圍所包括之本發明範圍。
1、2．．．電極
3．．．中間電極
4、5、75．．．孔徑
6、7．．．離子阱電極
10．．．燈絲偏壓供應器
16．．．燈絲
17．．．偵測器
18．．．電子軌道
19．．．燈絲電源供應器
21．．．可程式頻率RF供應器
22．．．偏移供應器
23、50－53．．．電阻器
24．．．離子阱偏壓供應器
31、32．．．補償電極
41－46．．．電容器
47．．．可調整分壓器
60．．．原點
61．．．轉向點
64、65．．．網狀物
81．．．離子
87．．．離子偵測器
100．．．控制系統
圖1係短靜電離子阱之離子軌道模擬之電腦所產生代表圖。
圖2A係在顯示正不和諧、和諧及負不和諧電位之短靜電離子阱中該離子電位能對上該離子阱軸上位置之圖形。
圖2B係於不和諧電位中不同能量及不同自然振盪頻率之離子之相對位置圖。
圖3係以具有離子自動共振射出之不和諧靜電離子阱為基礎之質譜儀示意圖。
圖4A及4B係在10－7 托耳(Torr)下來自殘留氣體之質譜圖。在1*10－7 托耳、RF＝50mVP－P 、Rep(repetition，重複)率＝15赫、Ic ＝10微安培、Ue ＝100伏特之全氟三丁胺(Perfluorotributylamine，PFTBA)頻譜。該頻譜係利用圖3所示之靜電離子阱質譜儀取得，其縮放因子為上圖放大10倍而下圖維持原比例。
圖5係操作條件為固定0.88MHz之RF頻率且於20毫秒內自200伏特至600伏特所掃瞄之200mVP－P 阱電位，在1*10－7 托耳下之殘留氣體質譜圖。
圖6係該不和諧靜電離子阱第二實施例之電子及離子軌道之電腦所產生圖。
圖7係在2*10－8 托耳下來自背景氣體之質譜對照圖。該上頻譜係以圖6之靜電離子阱質譜儀取得，而該較下頻譜係以商用四極質譜儀(UTI)取得。
圖8係具有離軸電子槍及單一偵測器之靜電離子阱之示意圖。
圖9A係具有對稱阱場之離軸電子槍及雙偵測器之靜電離子阱之示意圖。
圖9B係供外部產生的離子至靜電離子阱之進入路徑示意圖。
圖9C係架構成質量選擇性離子束源之具有電子撞擊式游離化離子源且沒有偵測器之靜電離子阱示意圖。
圖10係靜電離子阱第三實施例之示意圖，其專門依賴平板來定義沿著該射出軸之離子限制體積、靜電場及不和諧捕捉電位。
圖11係來自SIMION模型之第三實施例(圖10)之等電位之電腦產生圖。
圖12係第三實施例(圖10)操作所得之質譜圖。波峰在28amu之解析度M/△M為60、RF＝70毫伏特、P＝7e－9、Ie ＝1毫安培、Ue ＝100伏特、Rep＝27赫、Ut 為200伏特。
圖13A係第四實施例之示意圖，其中，二個額外平面電極孔徑被引入以補償圖11聚焦電位場內所經歷之電路週期之x及y相依關係。
圖13B係具有離軸偵測器之靜電離子阱實施例之示意圖。
圖14A係顯示利用圖10所示MS(Mass Spectrometer，質譜儀)在3.5x10－9 托耳壓力且沒有補償平板下所達到之最佳解析度掃瞄之質譜圖。該RF p－p(波峰至波峰，peak－to－peak)振幅(21)係60毫伏特，發射電流為1毫安培、電子能量為100伏特、掃瞄rep率為27赫、Um 為2000伏特、DC位移(22)為1伏特。在質量44波峰之高斯匹配所指示之波峰寬度為0.49amu，其意謂著該解析度M/△M為90。
圖14B係顯示利用圖13B所示MS所得在6*10－9 托耳壓力下殘留氣體之高解析掃瞄質譜圖。該RF驅動之VP－P 振幅(21)為20毫伏特、發射電流為0.2毫安培、電子能量為100伏特、掃瞄REp率為7赫、Um 為1252伏特、DC位移(22)為1伏特。在質量44波峰之高斯匹配指示之波峰寬度為0.24amu，其意謂著該解析度M/△M被改善至180。
圖15係其中該離子阱及補償電極為一之第五實施例示意圖。內部半徑為r之二圓柱阱電極6及7具有含孔徑之端蓋，每一個孔徑之半徑為rc 。該阱電極6及7係分別距平板1及2Zc 距離。
圖16A及16B係在3*10－9 托耳背景氣體之取樣質譜圖。圖16A維持原比例，圖16B放大10倍。
圖17係在3*10－7 托耳之空氣質譜圖。將空氣注入，通過洩漏閥至ART MS早期原型之渦輪泵系統中，以顯示氮氣及氧氣之波峰(分別為28及32amu)。
圖18係在3*10－6 托耳下之空氣頻譜圖。將空氣注入，通過洩漏閥至ART MS早期原型之疏散系統中。解析度之效能被最佳化。在這些壓力下，背景訊號之雜散離子效應開始變得明顯。
圖19係在1.6*10－5 托耳下之空氣頻譜圖。將空氣注入，通過洩漏閥至ART MS早期原型之疏散系統中。
圖20係在6*10－7 托耳下之空氣中甲苯之頻譜。將甲苯氣體蒸發至空氣中，並將該混合物直接注入，通過洩漏閥至ART MS早期原型之疏散系統中。
1、2．．．電極
3．．．中間電極
4、5．．．孔徑
10．．．燈絲偏壓供應器
16．．．燈絲
17．．．偵測器
18．．．電子軌道
19．．．燈絲電源供應器
21．．．可程式頻率RF供應器
22．．．補償供應器
23．．．電阻器
24．．．離子阱偏壓供應器
60．．．原點
61．．．轉向點
100．．．控制系統

Claims (39)

  1. 一種離子阱，包含：產生靜電電位之電極結構，其中，離子被限制在以自然振盪頻率緊靠並沿著離子限制軸運行之軌道，沿著該軸該限制電位係不和諧；AC(alternating current，交流電)激發源，具有AC激發頻率並連接至該電極結構中之至少一電極；以及掃瞄控制，其減少該AC激發頻率及該些離子之自然振盪頻率間之頻率差以達到自動共振；其中，該電極結構包含第一相對面鏡電極結構、第二相對面鏡電極結構及中間透鏡電極結構；其中，該些限制離子具有多個能量及多個質量對電荷比值；其中，該AC激發頻率之振幅係小於施加至該中間透鏡電極結構之偏壓之絕對值大小至少三個數量級大小。
  2. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該掃瞄控制由高於該些離子之自然振盪頻率之頻率往低於該些離子之自然振盪頻率之頻率之方向來掃瞄該AC激發頻率。
  3. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該掃瞄控制使該些離子振盪之自然振盪頻率由低於該AC激發頻率之頻率往高於該AC激發頻率之頻率變化之方向來掃瞄該些靜電電位之大小。
  4. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，在該離子阱中該些最輕離子之自然振盪頻率係介於約0.5MHz至約 5MHz之間。
  5. 根據申請專利範圍第4項之離子阱，其中，該第一相對面鏡電極結構及該第二相對面鏡電極結構係不相等地偏壓。
  6. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該些面鏡電極結構被塑形成往該中間透鏡電極結構開放之具有中間位置底部孔徑之杯狀物形式，而該中間透鏡電極結構係具有軸向位置孔徑之平板形式。
  7. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該些面鏡電極結構被塑形成往該中間透鏡電極結構開放之具有中間位置底部孔徑之杯狀物形式，而該中間透鏡電極結構係開放式圓柱體形式。
  8. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該些面鏡電極結構每一個係由具有軸向位置孔徑之平板及往該中間透鏡電極結構開放之具有軸向位置底部孔徑之杯狀物所構成，而該中間透鏡電極結構係具有軸向位置孔徑之平板形式。
  9. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該些面鏡電極結構每一個係由具有軸向位置孔徑之外平板及具有軸向位置孔徑之至少一內平板之至少二平板所構成，而該中間透鏡電極結構係具有軸向位置孔徑之平板形式。
  10. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該些面鏡電極結構每一個係由具有軸向位置孔徑之外平板、具有軸向位置孔徑之第一內平板、及具有中間孔徑之第二內平 板之三平板所構成，而該中間透鏡電極結構係具有軸向位置孔徑之平板形式。
  11. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該第一相對面鏡電極結構被塑形成具有一最小值之離軸底部孔徑之杯狀物形式，且該第二相對面鏡電極結構被塑形成具有軸向位置底部孔徑之杯狀物形式，而該中間透鏡電極結構係具有軸向位置孔徑之平板形式。
  12. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，其中，該第一相對面鏡電極結構被塑形成具有至少二直徑相對之離軸底部孔徑及軸向位置底部孔徑之杯狀物形式，且該第二相對面鏡電極結構被塑形成具有軸向位置底部孔徑之杯狀物形式，而該中間透鏡電極結構係具有軸向位置孔徑之平板形式。
  13. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，進一步包含離子偵測器以架構成電漿離子質譜儀。
  14. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，進一步包含離子源以架構成離子束源。
  15. 根據申請專利範圍第1項之離子阱，進一步包含離子源及離子偵測器以架構成質譜儀。
  16. 一種離子阱質譜儀，包括：第一面鏡電極結構及第二面鏡電極結構，每一個由具有軸向位置孔徑之外平板及具有軸向位置孔徑之至少一內平板之至少二平板所構成，及具有施加偏壓及軸向位置孔徑之中間透鏡電極平板，該些電極適用並被安排來產生靜 電電位，其中，離子被限制在沿著離子限制軸運行之軌道，該些離子具有自然振盪頻率，沿著該軸該限制電位係不和諧；AC激發頻率源，連接到至少一電極並具有小於施加至該中間透鏡電極之偏壓之絕對值大小至少三個數量級大小之振幅的AC激發頻率；掃瞄控制系統，其減少該AC激發頻率及該些離子之自然振盪頻率間之頻率差以達到自動共振；離子源，沿著該離子阱線性軸置放；及離子偵測器。
  17. 根據申請專利範圍第16項之質譜儀，其中，該離子源係電子撞擊游離式離子源。
  18. 根據申請專利範圍第17項之質譜儀，其中，該電子撞擊游離式離子源係沿著該離子阱線性軸置放。
  19. 根據申請專利範圍第16項之質譜儀，其中，該離子偵測器包含電子倍增器裝置。
  20. 根據申請專利範圍第19項之質譜儀，其中，該離子偵測器係相對於該離子阱線性軸離軸置放。
  21. 根據申請專利範圍第16項之質譜儀，其中，該離子源係沿著該離子阱線性軸所置放之電子撞擊游離式離子源，而該離子偵測器係相對於該離子阱線性軸離軸所置放之電子倍增器裝置離子偵測器。
  22. 根據申請專利範圍第21項之質譜儀，其中，該掃瞄控制系統掃瞄該AC激發頻率。
  23. 根據申請專利範圍第22項之質譜儀，其中，該AC激發頻率掃瞄係由高於該些離子之自然振盪頻率之頻率掃瞄至低於該些離子之自然振盪頻率之頻率。
  24. 一種捕捉離子阱中之離子之方法，包括：靜電式捕捉電極結構所產生之不和諧電位內之離子；以非該些離子之自然振盪頻率之驅動頻率及大於臨界振幅之振幅來施用AC驅動器；改變該阱條件以減少該驅動頻率及該些離子之自然振盪頻率間之頻率差以在該頻率差趨近零時達到自動共振；及持續改變該阱條件以利用自該AC驅動器激發至該些離子之能量來維持自動共振；其中，能量增加引起該些離子之振盪振幅增加；其中，該電極結構包含相對面鏡電極結構及中間透鏡電極結構；且其中，該驅動頻率之振幅係小於施加至該中間透鏡電極結構之偏壓之絕對值大小至少三個數量級大小。
  25. 根據申請專利範圍第24項之方法，其中，在該離子阱中該些最輕離子之自然振盪頻率係介於約0.5MHz至約5MHz之間。
  26. 根據申請專利範圍第24項之方法，其中，該不和諧電位係沿著該離子阱之線性軸。
  27. 根據申請專利範圍第26項之方法，其中，該些離子具有多個能量及多個質量對電荷比值。
  28. 根據申請專利範圍第27項之方法，其中，持續改變該阱條件包含自高於該些離子之自然頻率之頻率至低於該些離子之自然頻率之頻率之掃瞄率來掃瞄該驅動頻率之步驟。
  29. 根據申請專利範圍第28項之方法，其中，掃瞄該驅動頻率之掃瞄率係隨該驅動頻率降低而降低。
  30. 根據申請專利範圍第27項之方法，其中，持續改變該阱條件包含由一電位至較大絕對值之另一電位來掃瞄該透鏡偏壓電位之步驟。
  31. 根據申請專利範圍第28項之方法，進一步包含在該些離子之振盪振幅超過該阱沿著該線性軸之實體長度時射出該些離子之步驟。
  32. 根據申請專利範圍第31項之方法，進一步包含使用離子偵測器來偵測該些離子之步驟。
  33. 根據申請專利範圍第32項之方法，進一步包含產生該些離子之步驟。
  34. 根據申請專利範圍第33項之方法，其中，該些離子於該驅動頻率被掃瞄時不斷地被產生。
  35. 根據申請專利範圍第33項之方法，其中，該些離子係產生於緊接在該驅動頻率掃瞄開始前之時段中。
  36. 根據申請專利範圍第31項之方法，進一步包含傳送該些射出離子至另一離子操控系統中。
  37. 一種利用離子阱質譜儀來得到質譜之方法，包括：使用電子撞擊游離式離子源來產生該些離子； 靜電式捕捉電極結構所產生之不和諧電位內之離子；以高於該些離子之自然振盪頻率之驅動頻率及大於臨界振幅且小於施加至該中間透鏡電極結構之偏壓之絕對值大小至少三個數量級大小之振幅來施用AC驅動器；減少該驅動頻率及該些離子之自然振盪頻率間之頻率差以在該頻率差趨近零時達到自動共振；及在往該驅動頻率及該些離子之自然振盪頻率間之頻率差之遞減掃瞄率，自高頻至低頻地持續掃瞄該驅動頻率，而自該AC驅動器激發至該些離子之能量來維持自動共振，其中，能量增加引起該些離子振盪振幅之增加；在該些離子之振盪幅度超過該阱沿著線性軸之實體長度時射出該些離子；及使用離子偵測器來偵測該些射出離子。
  38. 根據申請專利範圍第37項之得到質譜之方法，其中，該離子偵測器內含電子倍增器裝置。
  39. 一種捕捉離子阱內之離子之設備，包括：靜電式捕捉電極結構所產生之不和諧電位內之離子之裝置；以非該些離子之自然振盪頻率之驅動頻率及大於臨界振幅且小於施加至中間透鏡電極結構之偏壓之絕對值大小至少三個數量級大小之振幅來施用AC驅動器之裝置；改變該阱條件以減少該驅動頻率及該些離子之自然振盪頻率間之頻率差以在該頻率差趨近零時達到自動共振之裝置；及 持續改變該阱條件以該AC驅動器激發至該些離子之能量來維持自動共振之裝置。
TW096142784A 2006-11-13 2007-11-12 離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備 TWI484529B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US85854406P 2006-11-13 2006-11-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW200832490A TW200832490A (en) 2008-08-01
TWI484529B true TWI484529B (zh) 2015-05-11

Family

ID=39321793

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW096142784A TWI484529B (zh) 2006-11-13 2007-11-12 離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備

Country Status (7)

Country Link
US (1) US9000364B2 (zh)
EP (1) EP2076917A2 (zh)
JP (1) JP5324457B2 (zh)
KR (1) KR101465502B1 (zh)
CN (2) CN104362069A (zh)
TW (1) TWI484529B (zh)
WO (1) WO2008063497A2 (zh)

Families Citing this family (80)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI484529B (zh) 2006-11-13 2015-05-11 Mks Instr Inc 離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備
US7825390B2 (en) * 2007-02-14 2010-11-02 Asml Netherlands B.V. Apparatus with plasma radiation source and method of forming a beam of radiation and lithographic apparatus
US8299424B2 (en) * 2007-04-30 2012-10-30 Woods Hole Oceanographic Institution Systems and methods for analyzing underwater, subsurface and atmospheric environments
US20090194679A1 (en) * 2008-01-31 2009-08-06 Agilent Technologies, Inc. Methods and apparatus for reducing noise in mass spectrometry
DE102008015000B4 (de) * 2008-03-19 2015-04-09 Bruker Daltonik Gmbh Verfahren zur Messung von Ionenmobilitätsspektren
JP5469823B2 (ja) * 2008-04-25 2014-04-16 アジレント・テクノロジーズ・インク プラズマイオン源質量分析装置
DE102008024297B4 (de) 2008-05-20 2011-03-31 Bruker Daltonik Gmbh Fragmentierung von Ionen in Kingdon-Ionenfallen
GB0900917D0 (en) 2009-01-20 2009-03-04 Micromass Ltd Mass spectrometer
CN104779132B (zh) * 2009-05-06 2018-04-13 Mks仪器公司 静电离子陷阱
WO2010135830A1 (en) * 2009-05-27 2010-12-02 Dh Technologies Development Pte. Ltd. Mass selector
GB2470599B (en) * 2009-05-29 2014-04-02 Thermo Fisher Scient Bremen Charged particle analysers and methods of separating charged particles
TWI412052B (zh) * 2009-07-14 2013-10-11 Univ Nat Central 以奈米粒子產生離子源之方法
US8704173B2 (en) * 2009-10-14 2014-04-22 Bruker Daltonik Gmbh Ion cyclotron resonance measuring cells with harmonic trapping potential
EP2499476A4 (en) * 2009-11-09 2017-07-26 MKS Instruments, Inc. Vacuum quality measurement system
GB2476964A (en) * 2010-01-15 2011-07-20 Anatoly Verenchikov Electrostatic trap mass spectrometer
US9645112B2 (en) * 2010-01-19 2017-05-09 R2Cd Holdings Pte Ltd. Auto-cleaning and auto-zeroing system used with a photo-ionization detector
CN102763190A (zh) * 2010-02-17 2012-10-31 株式会社爱发科 四极杆质谱仪
GB201022050D0 (en) * 2010-12-29 2011-02-02 Verenchikov Anatoly Electrostatic trap mass spectrometer with improved ion injection
WO2013022747A1 (en) * 2011-08-05 2013-02-14 Academia Sinica Step-scan ion trap mass spectrometry for high speed proteomics
WO2013024791A1 (ja) * 2011-08-12 2013-02-21 国立大学法人豊橋技術科学大学 化学・物理現象検出装置及び検出方法
TWI449081B (zh) * 2011-08-31 2014-08-11 Univ Nat Sun Yat Sen 熱脫附游離裝置、質譜系統，及質譜分析方法
WO2013081195A1 (ko) * 2011-11-28 2013-06-06 한국기초과학지원연구원 냉전자를 이용한 음이온 발생 및 전자포획 분해장치
JP6570998B2 (ja) * 2012-03-13 2019-09-04 エム ケー エス インストルメンツ インコーポレーテッドＭｋｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ Ａｒｔ・ｍｓトラップにおける微量ガス濃度
WO2014009028A1 (de) * 2012-07-07 2014-01-16 Limo Patentverwaltung Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zur erzeugung eines elektronenstrahls
US8912788B2 (en) 2012-11-09 2014-12-16 AMI Research & Development, LLC Low power stimulated emission nuclear quadrupole resonance detection at multiple reference power levels
US20140183349A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 Schlumberger Technology Corporation Ion source using spindt cathode and electromagnetic confinement
US9362078B2 (en) 2012-12-27 2016-06-07 Schlumberger Technology Corporation Ion source using field emitter array cathode and electromagnetic confinement
DE102013201499A1 (de) * 2013-01-30 2014-07-31 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Verfahren zur massenspektrometrischen Untersuchung von Gasgemischen sowie Massenspektrometer hierzu
WO2014164198A1 (en) * 2013-03-11 2014-10-09 David Rafferty Automatic gain control with defocusing lens
WO2014149847A2 (en) 2013-03-15 2014-09-25 Riaz Abrar Ionization within ion trap using photoionization and electron ionization
US8878127B2 (en) 2013-03-15 2014-11-04 The University Of North Carolina Of Chapel Hill Miniature charged particle trap with elongated trapping region for mass spectrometry
CN104103489A (zh) * 2013-04-10 2014-10-15 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于飞行时间质谱的原位程序升温脱附分析装置
DE102013213501A1 (de) * 2013-07-10 2015-01-15 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Massenspektrometer, dessen Verwendung, sowie Verfahren zur massenspektrometrischen Untersuchung eines Gasgemisches
US9779930B2 (en) 2014-01-07 2017-10-03 Dh Technologies Development Pte. Ltd. Multiplexed electrostatic linear ion trap
US9881782B2 (en) * 2014-03-10 2018-01-30 Micromass Uk Limited Method for separating ions according to a physicochemical property
US9711341B2 (en) 2014-06-10 2017-07-18 The University Of North Carolina At Chapel Hill Mass spectrometry systems with convective flow of buffer gas for enhanced signals and related methods
US10068761B2 (en) * 2014-08-26 2018-09-04 Micromass Uk Limited Fast modulation with downstream homogenisation
KR101725793B1 (ko) * 2014-10-30 2017-04-12 에스케이 텔레콤주식회사 이온 트랩 구조를 관통하는 레이저 사용을 위한 mems 기반 3차원 이온트랩 장치 및 그 제작 방법
KR101725788B1 (ko) 2014-10-31 2017-04-12 에스케이 텔레콤주식회사 절연층 노출을 방지한 이온 트랩 장치 및 그 제작 방법
WO2016108463A1 (ko) * 2014-12-31 2016-07-07 한국기초과학지원연구원 질량 분석기 및 그것의 전자빔 주입을 제어하는 방법
KR20160083785A (ko) 2014-12-31 2016-07-12 한국기초과학지원연구원 질량 분석기 및 그것의 전자빔 주입을 제어하는 방법
CN104766780A (zh) * 2015-03-20 2015-07-08 复旦大学 一种在离子阱质量分析器中进行高效快速分析的方法
US10446384B2 (en) 2015-04-25 2019-10-15 Dh Technologies Development Pte. Ltd. Fourier transform mass spectrometer
GB2538075B (en) 2015-05-05 2019-05-15 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Method and apparatus for injection of ions into an electrostatic ion trap
DE102016208009A1 (de) * 2016-05-10 2017-11-16 Carl Zeiss Smt Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Ionen
FR3057794B1 (fr) * 2016-10-26 2019-07-19 Addup Perfectionnements a la fabrication additive selective
US10056218B1 (en) 2017-02-17 2018-08-21 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Graphene/graphite-based filament for thermal ionization
CN107219294B (zh) * 2017-05-05 2019-07-05 塔里木大学 一种提高离子迁移谱仪分辨率及灵敏度的方法
US10242857B2 (en) 2017-08-31 2019-03-26 The University Of North Carolina At Chapel Hill Ion traps with Y-directional ion manipulation for mass spectrometry and related mass spectrometry systems and methods
US11668719B2 (en) 2017-09-20 2023-06-06 The Trustees Of Indiana University Methods for resolving lipoproteins with mass spectrometry
WO2019058226A1 (en) * 2017-09-25 2019-03-28 Dh Technologies Development Pte. Ltd. MASS SPECTROMETER WITH ELECTRO-STATIC LINEAR ION TRAP
KR101881779B1 (ko) * 2017-10-31 2018-07-25 에스케이 텔레콤주식회사 이온트랩 장치를 위한 필터 및 그 설계방법
CN108254619B (zh) * 2017-12-06 2020-07-17 北京无线电计量测试研究所 一种微波频标离子数量的检测方法及装置
US11232941B2 (en) 2018-01-12 2022-01-25 The Trustees Of Indiana University Electrostatic linear ion trap design for charge detection mass spectrometry
GB201802917D0 (en) 2018-02-22 2018-04-11 Micromass Ltd Charge detection mass spectrometry
WO2019236143A1 (en) 2018-06-04 2019-12-12 The Trustees Of Indiana University Apparatus and method for calibrating or resetting a charge detector
WO2019236139A1 (en) 2018-06-04 2019-12-12 The Trustees Of Indiana University Interface for transporting ions from an atmospheric pressure environment to a low pressure environment
CN112703579A (zh) 2018-06-04 2021-04-23 印地安纳大学理事会 用于高通量电荷检测质谱分析的离子阱阵列
CN112673452A (zh) * 2018-06-04 2021-04-16 印地安纳大学理事会 用于在静电线性离子阱中捕获离子的设备和方法
JP7306727B2 (ja) 2018-06-04 2023-07-11 ザ・トラスティーズ・オブ・インディアナ・ユニバーシティー リアル・タイム分析および信号最適化による電荷検出質量分光分析法
US11264228B2 (en) 2018-10-09 2022-03-01 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Method of making a carbon filament for thermal ionization
WO2020106310A1 (en) 2018-11-20 2020-05-28 The Trustees Of Indiana University Orbitrap for single particle mass spectrometry
US11562896B2 (en) 2018-12-03 2023-01-24 The Trustees Of Indiana University Apparatus and method for simultaneously analyzing multiple ions with an electrostatic linear ion trap
JP7215121B2 (ja) * 2018-12-05 2023-01-31 株式会社島津製作所 イオントラップ質量分析装置
US20220013348A1 (en) * 2018-12-13 2022-01-13 Dh Technologies Development Pte. Ltd. Fourier Transform Electrostatic Linear Ion Trap and Reflectron Time-of-Flight Mass Spectrometer
EP3895202A1 (en) * 2018-12-13 2021-10-20 DH Technologies Development Pte. Ltd. Ion injection into an electrostatic linear ion trap using zeno pulsing
US11557469B2 (en) * 2019-03-25 2023-01-17 Atonarp Inc. Gas analyzer apparatus
US11942317B2 (en) 2019-04-23 2024-03-26 The Trustees Of Indiana University Identification of sample subspecies based on particle mass and charge over a range of sample temperatures
US20220344145A1 (en) * 2019-09-25 2022-10-27 The Trustees Of Indiana University Apparatus and method for pulsed mode charge detection mass spectrometry
US11145502B2 (en) * 2019-12-19 2021-10-12 Thermo Finnigan Llc Emission current measurement for superior instrument-to-instrument repeatability
US11842891B2 (en) 2020-04-09 2023-12-12 Waters Technologies Corporation Ion detector
US20210345476A1 (en) * 2020-04-09 2021-11-04 Tae Technologies, Inc. Systems, devices, and methods for secondary particle suppression from a charge exchange device
US11250199B1 (en) * 2020-09-16 2022-02-15 Center For Deep Learning In Electronics Manufacturing, Inc. Methods and systems for generating shape data for electronic designs
CN112491416B (zh) * 2020-11-27 2024-03-15 西安空间无线电技术研究所 一种用于离子微波频标的离子阱射频势实时监测反馈系统
US11264229B1 (en) * 2020-12-03 2022-03-01 Guennadi Lebedev Time-of-flight mass spectrometer and method for improving mass and spatial resolution of an image
CN114646995A (zh) * 2020-12-17 2022-06-21 清华大学 电子束检测装置及检测方法
KR20230162659A (ko) * 2021-03-24 2023-11-28 인피콘, 인크. 질량 분석계용 광범위 전자 충격 이온 소스
CN117642839A (zh) * 2021-07-13 2024-03-01 印地安纳大学理事会 优化静电线性离子阱（elit）的几何和静电参数的方法
CN114007321A (zh) * 2021-09-30 2022-02-01 中科等离子体科技(合肥)有限公司 一种大气压等离子体电子密度的诊断方法
US20230187095A1 (en) 2021-12-10 2023-06-15 Quantinuum Llc Atomic object confinement apparatus with radio frequency electrode shaping for periodic boundary conditions

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1298700A2 (en) * 1995-03-31 2003-04-02 HD Technologies Limited Mass spectrometer
US20040149903A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-05 Yang Wang Ion trap mass spectrometry
US6888130B1 (en) * 2002-05-30 2005-05-03 Marc Gonin Electrostatic ion trap mass spectrometers
WO2006008537A2 (en) * 2004-07-21 2006-01-26 Micromass Uk Limited Mass spectrometer

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL86953C (zh) * 1950-12-02
NL240108A (zh) * 1958-06-13
DE1448192A1 (de) 1961-07-03 1968-10-10 Inst Plasmaphysik Gmbh Massenspektrometer
US3174034A (en) * 1961-07-03 1965-03-16 Max Planck Gesellschaft Mass spectrometer
US3258591A (en) * 1961-12-22 1966-06-28 Pulse type mass spectrometer wherein ions are separated by oscillations in an electrostatic field
US3258592A (en) * 1961-12-23 1966-06-28 Dynamic mass spectrometer wherein ions are periodically oscillated until se- lectively accelerated to a detector
DE1498870A1 (de) * 1962-02-22 1969-03-27 Max Planck Gesellschaft Reflexions-Massenspektrometer
DE1498873A1 (de) 1962-05-02 1969-04-10 Max Planck Gesellschaft Mit elektrischen Feldern arbeitendes Massenspektrometer
US5381006A (en) * 1992-05-29 1995-01-10 Varian Associates, Inc. Methods of using ion trap mass spectrometers
US6177668B1 (en) * 1996-06-06 2001-01-23 Mds Inc. Axial ejection in a multipole mass spectrometer
CA2256028C (en) * 1996-06-06 2007-01-16 Mds Inc. Axial ejection in a multipole mass spectrometer
EP1212778A2 (en) * 1999-08-26 2002-06-12 University Of New Hampshire Multiple stage mass spectrometer
JP2001351571A (ja) * 2000-06-07 2001-12-21 Hitachi Ltd イオントラップ型質量分析方法及び質量分析装置
JP3990889B2 (ja) * 2001-10-10 2007-10-17 株式会社日立ハイテクノロジーズ 質量分析装置およびこれを用いる計測システム
US6787760B2 (en) * 2001-10-12 2004-09-07 Battelle Memorial Institute Method for increasing the dynamic range of mass spectrometers
JP3840417B2 (ja) * 2002-02-20 2006-11-01 株式会社日立ハイテクノロジーズ 質量分析装置
US7049580B2 (en) * 2002-04-05 2006-05-23 Mds Inc. Fragmentation of ions by resonant excitation in a high order multipole field, low pressure ion trap
US6872939B2 (en) * 2002-05-17 2005-03-29 Micromass Uk Limited Mass spectrometer
US7045797B2 (en) * 2002-08-05 2006-05-16 The University Of British Columbia Axial ejection with improved geometry for generating a two-dimensional substantially quadrupole field
CN1788327A (zh) * 2003-01-10 2006-06-14 珀杜研究基金会 直线式离子阱及质量分析器系统和方法
WO2004086441A2 (en) * 2003-03-21 2004-10-07 Dana-Farber Cancer Institute, Inc Mass spectroscopy system
US6777147B1 (en) * 2003-05-21 2004-08-17 International Business Machines Corporation Method for evaluating the effects of multiple exposure processes in lithography
US7026613B2 (en) * 2004-01-23 2006-04-11 Thermo Finnigan Llc Confining positive and negative ions with fast oscillating electric potentials
US7476854B2 (en) * 2004-04-16 2009-01-13 Syagen Technology High speed, multiple mass spectrometry for ion sequencing
US7514674B2 (en) * 2004-05-04 2009-04-07 The University Of North Carolina At Chapel Hill Octapole ion trap mass spectrometers and related methods
CA2567466C (en) * 2004-05-21 2012-05-01 Craig M. Whitehouse Rf surfaces and rf ion guides
DE102005039560B4 (de) * 2005-08-22 2010-08-26 Bruker Daltonik Gmbh Neuartiges Tandem-Massenspektrometer
GB0526043D0 (en) 2005-12-22 2006-02-01 Micromass Ltd Mass spectrometer
TWI417947B (zh) 2006-04-26 2013-12-01 Axcelis Tech Inc 捕捉離子束粒子與聚焦離子束之方法與系統
TWI484529B (zh) 2006-11-13 2015-05-11 Mks Instr Inc 離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備
JP5081436B2 (ja) * 2006-11-24 2012-11-28 株式会社日立ハイテクノロジーズ 質量分析装置及び質量分析方法
CN104779132B (zh) 2009-05-06 2018-04-13 Mks仪器公司 静电离子陷阱

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1298700A2 (en) * 1995-03-31 2003-04-02 HD Technologies Limited Mass spectrometer
US6888130B1 (en) * 2002-05-30 2005-05-03 Marc Gonin Electrostatic ion trap mass spectrometers
US20040149903A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-05 Yang Wang Ion trap mass spectrometry
WO2006008537A2 (en) * 2004-07-21 2006-01-26 Micromass Uk Limited Mass spectrometer

Also Published As

Publication number Publication date
US9000364B2 (en) 2015-04-07
KR20090083929A (ko) 2009-08-04
WO2008063497A2 (en) 2008-05-29
JP2010509732A (ja) 2010-03-25
TW200832490A (en) 2008-08-01
CN101578684A (zh) 2009-11-11
CN101578684B (zh) 2014-10-15
US20100084549A1 (en) 2010-04-08
CN104362069A (zh) 2015-02-18
JP5324457B2 (ja) 2013-10-23
KR101465502B1 (ko) 2014-11-26
EP2076917A2 (en) 2009-07-08
WO2008063497A8 (en) 2008-08-14
WO2008063497A3 (en) 2009-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI484529B (zh) 離子阱質譜儀、利用其得到質譜之方法、離子阱、捕捉離子阱內之離子之方法和設備
AU2003297655B2 (en) Processes for designing mass separators and ion traps, methods for producing mass separators and ion traps. mass spectrometers, ion traps, and methods for analysing samples
CN102648511B (zh) 静电离子陷阱
CN102884608B (zh) 离子阱质谱仪
US7196525B2 (en) Sample imaging
JP5301285B2 (ja) 集束型質量分析計イオンガイド、分光計および方法
US7928375B1 (en) Microfabricated linear Paul-Straubel ion trap
US6967323B2 (en) Mass spectrometer
JP2010519704A (ja) 同軸ハイブリッド高周波イオントラップ質量分析計
Lawson et al. The quadrupole ion store (quistor) as a novel source for a mass spectrometer
Zhang et al. Miniaturization of cylindrical ion trap mass analyzers
Telrandhe Fabrication and testing of a cylindrical ion trap microarray for tunable mass spectrometers
CA2837876A1 (en) Abridged multipole structure for the transport, selection, trapping and analysis of ions in a vacuum system
Patterson Development of a portable ion trap mass spectrometer
US20090294652A1 (en) Electron Generation Apparatuses, Mass Spectrometry Instruments, Methods of Generating Electrons, and Mass Spectrometry Methods

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees