专利名称：二维四极离子阱的制作方法
二维四极离子阱技术领域所公开的本发明实施例总体涉及二维离子阱。
技术背景四极离子阱是一种设备，其中通过向杆施加射频(RF )电压、直流(DC ) 电压或者其组合而产生的实质四极静电压，将离子引入或形成并容纳在由 多个电极或者杆结构形成的阱体内。为形成实质四极电压，该杆形状通常 为双曲线。两维或者线性离子阱通常包括两对电极或者杆，其通过利用二维RF 四极阱电压同时在第三维采用非-四极DC俘获场来容纳离子。位于四极 结构末端的简单平透镜可提供DC俘获场。当在线性离子阱中采用质量选择不稳定扫描时，离子最有效地从阱中 以径向发射。 一些研究者在四极杆的两极之间发射了离子。但是，由于高 的场梯度，离子损失巨大。为提高效率，通过在杆中引入孔而经过杆发射 离子。对于线性离子阱， 一种可引入孔的方式为沿着杆的长度。当孔(或 者多个孔)被切削为 一个或多个线性离子阱电极以允许离子从设备发射 时，电压从理论四极电压降低，并且因此该孔的存在能够影响几个重要的 性能因子。因此，该孔的特征是很重要的。向线性离子阱中引入孔不仅可降低理论四极电压，而且可有助于降低 杆本身的结构整体性，从而导致轴方向上的机械偏差并最终影响性能特 征，例如影响通过该离子阱质谱仪可获得的分辨率。该两维离子阱的性能和三维离子阱相比更易受到机械误差的影响。在 三维离子阱中，所有的离子在离子阱的中心占据球体或者椭圓体空间，通 常为直径大约lmm的离子云。但是两维离子阱中的离子在轴向上沿着离子阱整个长度的实际部分展开，其可以为几厘米或更长。因此，几何缺陷、 杆的不对准、或者杆的误修整可实质上影响两维离子阱的性能。例如，如 果该四极杆沿着杆的实际长度是不平行的，那么在离子阱中不同轴向位置 的离子具有稍微不同的场强。所经历的该场强偏差反过来将使得质量分析期间的离子发射时间依赖于轴向位置。将相同质核比(m/z)离子云的最 终结果在整个峰宽度和降低的分辨率上进行增强。除了造成轴向场不均匀性的机械误差以外，电极端部以及切削为杆的 槽端部形成的边缘场还可引起设备长度方向上径向四极场强度的大偏差。理想地为保持电场均匀，发射孔将沿杆的整个长度延伸，但是这一点会提 出多个结构困难。为避免这一点，通常仅仅沿全部离子阱长度中心区域的 一部分(例如60% )设置发射槽。但是除了杆端部的影响以外，其还将引 起槽端部附近径向四极电压的变化。位于该区域上的离子将以和更加靠近 设备中心的离子不同的时间发射，因此将造成质量分辨率的下降。
图1中示出了一种产生均匀电场的方法，其描述了具有双曲线杆105、 110、 115和120的两维四极结构100，每个杆105、 110、 115和120被切 削为三个轴向部分，前部(a)、中部(b)和后部(c)。每个都具有离散 (discreet)DC电平的该三个部分允许沿离子阱中部(b )的轴来容纳离子。 在美国专利5， 420， 425中可找到该结构的更多细节。采用其中将杆进行 分段的线性离子阱提供了 一种方法，其中将朝向杆端部的电场的轴向变化 最小化，并因此尽量减小其对性能的影响。该结构产生了一种径向俘获电 压，该电压将离子容纳在阱中心区域中，在区域上来说是非常均匀的。在5， 420， 425专利所讨论的二维线性离子阱结构中，施加于前部和 支部的12V产生能够将离子限定在四才及结构100中心25mm (距离中心士 12.5mm)的轴向俘获电压(如果轴向能量保持低于leV)。孔125的长度 大约为29mm,因此允许有效的离子发射，同时在包括整个离子云的区域 中维持径向四极电压较高水平的轴向均匀性。在图2中可以看出，轨迹205 示出轴向电压为轴向位置的函数。需要操作该二维、三维四极结构IOO的电压等于施加于十二个电极的 九个不同电压的组合(包括施加于每个杆的不同部分以产生轴向俘获场的DC电压，施加于杆对以产生径向俘获场的RF电压，以及施加在一对杆上 以隔离、激发、和发射离子的AC电压)。这一点要求构造非常精细的 RF/AC/DC系统。如图3所示，线性离子阱更简单的设计采用具有轴向俘获的单杆部分 305，该轴向俘获仅通过施加于端部透镜310的DC电压来提供。这将离散 电压数从九个减少到三个，大大降低了电子系统的复杂性。该设计的显著 缺点在于轴向俘获场不会充分渗入离子阱的内部，允许离子从阱中心行进 得更远。在图2中可以看出，轨迹210描述了当对端透镜施加200V的电 压时，轴向能量为1 eV的离子扩大至覆盖大约40mm(距离中心± 20mm )。 由于在杆端部的边缘场和发射孔的有限长度，这一点使得离子具有更多的 轴向场不均匀性。发明概述本发明提供一种改进的线性离子阱和组合该离子阱的质谱仪。本发明提供一种用于线性离子阱的孔设计，其被优化以尽量减小可能 的轴向场不均匀同时保持四极杆的结构整体性。 一般地， 一方面，本发明 提供一种俘获随后发射离子的线性离子阱。该线性离子阱包括限定内阱体 的多根杆，该内阱体具有纵向延伸的轴。 一根或多根杆包括径向延伸通过 杆且纵向延着杆延伸的孔。该孔配置为使得离子从内阱体通过该孔到达内 阱体外部的区域。在孔附近设置至少一个槽，其沿着杆纵向延伸并且正对 内阱体，该槽在径向上不延伸通过杆。特别应用可包括一个或多个下面的特征。该多根杆为形成为在内阱区 域内提供基本上四极电压的多极杆。该槽直接连至该孔并且可包括至少两 个槽。该槽的深度轴向延伸进入杆，该深度大于槽的宽度。该深度至少为 槽宽度的三倍。该孔以从内阱体至内阱体外部的区域的方向向外开口。该 槽以从杆内部向内阱体的方向向外开口。该孔为具有两端的长缝。该槽纵 向延伸超过该缝的一端或者两端。该至少一个槽包括两个槽，该长缝的每 端设置一个槽。该长缝具有宽度，槽的宽度基本上与长缝的宽度相同。本发明可用于实现一个或多个下面的优点。利用具有根据本发明的电极结构的孔可减小操作线性离子阱所需要的电子系统的复杂性。采用根据 本发明的孔可允许离子的轴向场不均匀性更小。提供根据本发明的孔可减 小或者尽量降低径向四极电压的失真并提高轴向场均匀性。采用根据本发 明的孔可尽量减小可能的边缘效应同时保持四极杆的结构整体性。因此， 组合根据本发明的线性离子阱的质语仪的性能可改进分辨率和质量精度。 根据本发明的单独分段的离子阱可提供和具有分段杆结构的离子阱相似 的质量分辨率。本发明的其它特征和优点将从说明书、附图和权利要求书清楚。 附图简介为更好地理解本发明的性质和目标，应当参考下面结合附图的详细描述，其中图1为包括中部和两个端部的分段四极线性离子阱的等轴测视图。图2为示出各种离子阱配置的轴向俘获电压对于轴向位置的图表。图3为具有轴向俘获端板的单分割线性离子阱的图示，其还描述了谐 振激发场。图4A为示出单独将二维实质四极离子阱进行分段的本发明一个方面 的等轴测视图。图4B为在图4A中示出的本发明方面沿C - C的横截面视图。图4C为在图4B中示出的本发明方面沿B-B的横截面视图。图4D为从内阱体内部开始向孔外看去的图4C的^L图。图5为示出各种离子辨配置的径向场轴向均匀性的图表。图6A为示出单独将二维实质四极离子阱进行分段的本发明一个方面 的等轴测视图。图6B为在图6A中示出的本发明该方面沿C-C的横截面视图。 图6C为在图6B中示出的本发明该方面沿B-B的4黄截面一见图。 图6D为从内阱体内部开始向孔外看去的图6C的^L图。在整个若干视图中相同的附图标记指带相应的部分。 实施例详述
图4A、 4B、 4C和4D中描述了本发明的一个方面。图4A中示出的二 维实质四极结构400，包括多个电极或杆，在该特别情况下，包括两对相 对的杆，第一对405、 410和第二对415、 420。该附图中，按照惯例，杆 对与x和y轴对准，因此表示为X杆对的第一对405、 410和表示为Y杆 对的第二对415、 420。杆405、 410、 415、 420具有基本上匹配在该结构 中所期望的四极RF电压等压轮廓的双曲线轮廓。通过在四极结构400端 部添加一对板透镜(未示出)以提供轴向DC俘获场，形成离子阱。由两 个端板(未示出)限定内阱体425，至少其中一个具有孔，以合适的电压 在内阱体425中俘获离子，该体长度例如为40mm。入口端板可用于沿箭 头430的方向将离子传送至离子阱。该两个端板的电压与阱体不同从而在 阱体内形成轴向"势阱"以俘获离子。例如，如上所述，200V轴向俘获电 压足以将离子限定在阱体内，离子阱的中心40mm。但是，在该配置中由 于在杆端部产生的边缘场以及杆中任意孔的切断，离子的轴向场不均匀性 比三维离子阱(如上所述)中的离子通常经受的更强。电;f及结构415、 420 中的长孔435允许沿着箭头440的方向即垂直于四极结构400的中心轴445 的方向，质量选择来发射(以质量选择不稳定性扫描模式)俘获的离子。 中心轴445平行于杆纵向延伸。这使得四极结构400用作离子阱质谱仪， 假定向合适的检测器上发射离子以提供质量电荷比信息。
在本发明的该特别方面中，由双曲线形状杆来产生二维实质四极的电 压。^f旦是，可由直线或者其它曲线杆形状产生杆405、 410、 415、 420。相 似:地，孔435的几何形状部分耳又决于长杆结构的形状和曲率。
在发射离子期间，将离子轴向发射至线性四极结构400中。由分别施 加至X和Y杆组合405、 410和415、 420的RF四核/f孚获电压通过轴向来 限定这些离子。然后通过向端板透镜应用俘获电压来轴向俘获离子。经过 简短的存储周期后，改变俘获周长从而俘获离子的质荷比变得不稳定。这 一点可以引起改变RF电压的幅值从而其线性倾斜至较高幅值，而沿检测方向在杆上施加双极AC谐振发射电压。该不稳定的离子形成了超过离子 阱结构边界的轨道，并经孔435或者杆结构415、 420中的系列孔离开这 个场。在检测器中收集这些离子并随后向用户表示初始俘获了离子的质 谱。lxlO^托压力左右的潮湿气体例如氦(He)或者氢(H2)用于帮助减 小发射离子的动能，并因此提高线性离子阱的俘获和存储效率。该石並撞冷 却持续到发射离子后并帮助减小离子云尺寸和能量传播，这一点提高了检 测循环时的分辨率和灵敏度。
上述线性离子阱还可用于处理和存储离子以备之后轴向发射入相关的 后面的质量分析仪例如傅立叶变换质量分析仪、RF四极分析仪、飞行时间 分析仪、三维离子阱分析仪或者静电分析仪。
线性离子阱的重要特征为长孔435，该长孔允许离子离开四极结构400 以裙)险测的。在本发明的第一方面，孔(或者多个孔)435 4皮径向切削通 过线性离子阱的一根或多根杆。 一般来说，孔435的存在引入了使径向四 极电压和轴向场均匀性失真的场错误，如果不考虑这些错误将佳i镨仪的 性能降低，产生低的分辨率和低的质量精度。可通过采用尽可能小的孔435 尽量减小该失真，该孔长度小宽度低。但是，孔435的长度和宽带直接确 定实际上有多少离子将从阱发射出去并到达检测器，并且因此这些尺寸对 确定灵敏度而言是关键的。对于最优的发射效率，孔需要至少和离子云的 轴向范围一样长。在孔和离子云的轴向长度相同的情况下，位于孔端部附 近的离子对杆的包括和不包括孔的区域的电场起增强作用。因此，在该区 域径向场强发生变化。如上所述，这一点将造成相同质量的离子以和距离 阱体中心更近的离子稍微不同的时间发射，造成所产生的质谱分辨率下 降。
图4C描述了根据本发明一个方面的Y杆415、 420的横截面视图，其 中对孔435进行优化，以避免可能的边缘效应同时保持四极杆415、 420 的结构整体性。在该实例中，线性四极结构400具有i"Q为4mm的双曲线 杆轮廓。操作中，双曲线杆提供具有中心轴445的阱体425。通过在阱体 425中提供实质四极电压来获得线性二维阱中径向的离子容纳。每个都具 有离散DC电平的端板(未示出)允许将离子容纳在离子阱400的轴向区域内。
如所示出，孑L435为径向延伸通过杆415和420的长缝。位于背离阱 体425的^f干的表面上的孔435开口具有两个端部450、 455。孔435 ^皮配置 为使得离子可从内阱体425经过孔435到达内阱体425区域外部，该区域 位于四根杆405、 410、 415和420的限定范围外部。槽460位于孔435附 近，沿杆415纵向延伸并朝内阱体425开口。和孔435不同，该槽460不 径向延伸通过杆415。槽460的底部465的长度470 (6mm)纵向延伸远 离孔435,并且槽460的深度475不完全透过杆415的厚度。由于将在下 文中进行解释的原因，槽460的深度475大于槽480的宽度，例如大两倍 或者三倍。理想地，槽460的长度470可延伸至杆415、 420的端部，但 是任何超过孔435长度485的延伸都是有利的。在该特别情况下，描述了 两个槽460，在长缝435的每端450、 455各有一个槽。而且，所示出的槽 460直接连至孔435，产生一个大的体积。
如所描述的，长缝被配置为具有基本上平行的壁，并且因此位于杆表 面上的孔435的长度和内部长度485相同，该孔朝向内阱体425外部。该 内部长度为槽460底部465上孔435的内部长度485。槽460的宽度480 实质上和孔435的宽度495相同。
在本发明的该方面中，提供了一种线性离子阱的孔设计，其中孔净皮优 化以尽量减小可能的边缘效应同时保持四极杆的结构整体性。从离子本身 的角度而言，在阱体425中，向孔435内开口似乎成为组合长度490,在 该特别情况下为41mm,其允许离子例如比29mm缝具有更小的轴向场不 均匀性。不完全透过402的杆415的两个槽460和弯曲透过420的杆415 的孔435似乎是待成为组合长度490的孔。槽460的深度475大于宽度480、 通常深几倍的事实产生等于缝的场或者完全透过杆415、 420的孔。如果 41mm长度实际上完全透过杆415、 420,则过度去除形成该41mm长的长 缝的材料将削弱杆415、 420的总体结构整体性，并且其更易在形成四极 杆本身时沿其长度弯曲。在槽460底部465上的孔435的内部长度485和 背离内阱体425的杆表面上的孔435的长度在该实例中都是29mm,该值 小于组合长度490 (41mm开口 )，两个槽460的长度和孔长度485的组合提供了机械可靠结构但同时提供了所需要的功能。
图5示出了各种线性离子阱设计中径向场的轴向均匀性。轨迹510示
出了如图1所示出的三段四极杆结构，该孔没有这里所描述的槽，并且处
于长度为29mm的区域内。由于杆段之间的间隙，在大约18mm处，可以 见到场强的剧烈降低。幸运地是，离子从轴向中心仅仅行进大约12mm， 因此没有该不均匀性。
轨迹520描述了如图3所示(没有轴向段)具有29mm孔的线性离子 阱的轴向不均匀性。该场初始时在大约12mm的位移处削弱，然后在大约 17mm下增强。杆轴向分段的缺失可以允许从阱中心的位移达到大约 20mm。这最终会产生具有弱分辨率的离子阱。
轨迹530描述了图4A所描述的线性离子阱的轴向非均匀性，其具有 杆415、 420内表面(朝着内阱体425)上的41mm组合长度(孔和槽的长 度)，以及杆415、 420外表面(离开内阱体425)上的29mm孔长度。在 该特别情况中，大大改进了均匀性，同时由于端透镜的边缘场，在大的轴 向位移处轴向场下降。在大约40mm的中心区域、离子期望占据的区域上， 场均匀性与对图1中所描述的线性阱(轨迹510)所观测的场均匀性相似， 这一点产生具有一定质量分辨率的离子阱，与具有分l殳杆的离子阱的质量 分辨率相似。
图6A至6D示出了包括两对相对电极的选择的基本上为四极的结构 600。尽管如所看出的，所有四根杆都具有双曲线轮廓，但是除了常规的 杆材料以外， 一对电极，X杆605、 610还采用绝缘材料695。在该实例中， 孔635为锥形，其以朝外的方向从内阱体至内阱体625外部区域开口。如 前所述，离子眼中的三个主要尺寸为在槽660底部665上的孔635的内部 尺寸685，杆415、 420内表面(朝向内阱体625 )上的组合孔635和槽长 度670,以及槽660的深度675。所以，如图4C所示，杆背离内阱体625 的侧面上的孔尺寸可大于孔635的内部长度685。在该特别实例中，孔635 以朝外的方向从内阱体625至内阱体625外部区域开口 。通过利用倾斜或 者斜切壁产生孔635 (如图6A所示)形成这一点。
孑L 635不是唯一的如上所述为锥形的特征。槽660还以从杆内部向内阱体625的方向朝外开口。在选择应用中，孔635可包括钻孔结构，其被 以一个或多个离散步骤加宽至阱体625外部的区域。
由于多个原因在线性离子阱中所采用的孔数可改变。首先在于帮助确 定或者定义孔本身所产生场错误类型。例如，如上所述，如果仅仅采用一 根杆中的一个孑L，则产生大量的奇凄t^列电压例如双极和六极电压。但是， 如果在相对的杆上采用相同尺寸的两个孔，则可实现偶数序列电压例如四 极和八极电压。已知该不同种类的电压造成以质量精度和分辨率表示的性 能提高或者降低。因此，可采用该设备中的孔数和孔尺寸调整每种该不同 电压类型的量值。
为解释目的，参考特别实施例描述了上述说明。但是上面的示例性讨 论不用于穷举或者将本发明限制为所公开的精确形式。考虑到上述教导可 进行许多更改和改变。选择并描述该实施例以最好地解释本发明的原理及 其实际应用，从而〗吏本领域技术人员最好地应用本发明和各种实施例，而 其各种更改适合于所考虑的特别应用。
权利要求
1.一种线性离子阱，用于俘获并随后发射离子，包括限定内阱体的多根杆，该内阱体具有纵向延伸的轴，一根或多根杆包括径向延伸通过杆的孔，该孔配置为使得离子能够从内阱体通过该孔到达内阱体外部的区域；以及在一根或多个杆中形成且在孔附近设置的至少一个槽，其沿着杆纵向延伸，朝内阱体开口，所述槽不在径向上延伸通过杆。
2. 根据权利要求1的线性离子阱，其中该多根杆为多极杆，使其成形为在内阱体内提供实质四极电压。
3. 根据权利要求1的线性离子阱，其中 该槽直4妄连至孔。
4. 根据权利要求1的线性离子阱，其中 该至少一个槽为至少两个槽。
5. 根据权利要求1的线性离子阱，其中 该槽具有轴向延伸进入杆的深度，该深度大于该槽的宽度。
6. 根据权利要求5的线性离子阱，其中 该槽的深度至少为槽宽度的三倍。
7. 根据权利要求1的线性离子阱，其中 该孔以从内阱体至内阱体外部的区域的方向向外开口 。
8. 根据权利要求1的线性离子阱，其中 该槽以从杆内向内阱体的方向向外开口 。
9. 根据权利要求1的线性离子阱，其中 该孔为具有两端的长缝。
10. 根据权利要求9的线性离子阱，其中 该槽纵向延伸超过该缝的一端。
11. 根据权利要求9的线性离子阱，其中 该槽位于该缝两端的其中 一端。
12. 根据权利要求9的线性离子阱，其中 该至少一个槽包括两个槽，该长缝的每端设置一个槽。
13. 根据权利要求9的线性离子阱，其中 长缝具有一个宽度，且槽的宽度实质上与该长缝的宽度相同。
全文摘要
提供了一种线性离子阱的孔设计，其中优化该孔以尽量减小可能的轴向场不均匀同时保持四极杆的结构整体性。一般地，本发明提供一种俘获随后发射离子的线性离子阱。该线性离子阱包括限定内阱体的多根杆，该内阱体具有纵向延伸的轴。一根或多根杆包括径向延伸通过杆且纵向延着杆延伸的孔。该孔配置为使得离子从内阱体通过该孔到达内阱体外部的区域。在孔附近设置至少一个槽，其沿着杆纵向延伸并且正对内阱体，该槽在径向上不延伸通过杆。
文档编号H01J49/42GK101238545SQ200680028082
公开日2008年8月6日 申请日期2006年8月1日 优先权日2005年8月4日
发明者杰·C·施瓦兹, 迈克尔·W·赛恩科 申请人:塞莫费尼根股份有限公司