专利名称：质谱仪多极设备的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及质谱仪，更具体地，涉及质谱仪多极设备。
背景技术：
质谱分析是用于样品的定量元素分析的分析方法。样品中的分子被电离并且基于其各自质量被质谱仪分析。被分离的分析物离子随后被检测，并且产生样品的质谱。质谱提供关于质量的信息，并且在某些情况下，提供关于组成样品的各种分析物粒子的定量信息。具体地，质谱分析可以用于确定分析物中的分子和分子片断的分子量。此外，质谱分析可以基于分裂模式确认分析物中的组分。
用于质谱分析的分析物离子可以由各种离子化系统的任何一种来产生。例如，大气压基质辅助激光解吸电离(AP-MALDI)、场非对称离子迁移谱(FAIMS)、大气压电离(API)、电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)以及电感耦合等离子体(ICP)系统可以被用于产生质谱系统中的离子。这些系统的许多在大气压(760Torr)或者在接近大气压下生成离子。一旦被生成，分析物离子必须被引入或者取样到质谱仪中。通常，质谱仪的内部部分被保持在高真空水平(＜10-4Torr)或者甚至超高真空水平(＜10-7Torr)。实际上，对离子进行取样要求将分析物离子以被约束成窄范围的离子束的形式通过一个或者多个中间真空室从离子源运输到高真空质谱仪室中。每一个中间真空室被保持在前一和后一室的真空水平之间的真空水平上。因此，离子束从与离子形成相关的压力水平到质谱仪的压力水平过渡地以步进的方式运输分析物离子。
在大多数应用中，理想的是，将离子运输通过质谱仪系统的各个室中的每一个，而没有明显的离子损耗。离子运输经常通过使用沿限定的方向以窄的束移动离子的离子的离子导向器(ion guide)来完成。离子导向器通常使用电磁场来径向地(x和y)约束离子并同时允许或者促进轴向的(Z)离子运输。
离子导向器还使用相斥不均一射频(RF)场以产生电子假势阱，以在分析物离子行进通过导向器时约束它们，并且产生设备的输入和输出端之间的电势以移动离子通过导向器。但是，如果使用高阻多极棒，现有技术的设备容易“RF衰落(RF droop)”(即，减小的RF的区域)。这样，在许多离子导向器中，当离子被运输通过导向器时它们可能变得失速(和/或被过滤掉)。
因此，仍然需要高效运输离子而没有明显的离子损耗或者功率耗散的离子导向器。
发明内容
本发明提供了一种用于质谱仪系统的多极设备。总的来说，该多极设备包含多根导电棒，每一根导电棒包括导电层、电阻层和处在导电层和电阻层之间的绝缘层。该设备在均一RF场中将离子约束在轴上并且在轴上运输离子。在某些实施例中，棒被电连接，以提供用于沿着轴移动离子的沿着轴的直流电场梯度和将离子约束到所述中心轴的射频场。本发明可在各种应用中找到用途，包括离子运输、离子分裂和质量过滤器。
图1是示例性的六极离子导向器的示意性表示。
图2A和2B是本发明的两个示例性表示的多极离子导向器棒的示意图。
图3是示出了多极离子导向器的偶数或者奇数棒之间的电连接的示意性表示。
图4A和4B是示出本发明的示例性六极离子导向器的在离子输入端(图4A)的棒之间和在离子输出端(图4B)的棒之间的电连接的示意性表示。
图5是使用多极离子导向器的第一示例性质谱仪系统的示意性表示。
图6是使用多极离子导向器的第二示例性质谱仪系统的示意性表示。
定义如果没有进行另外定义，在此所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员所一般理解的相同意义。并且，为了清楚和易于参考，下面对某些元件进行了定义。
术语“棒”在此用于描述可以具有任何横截面形状的结构。
术语“多极设备”在此用于包括四极、六极、八极以及十极设备(或者包含其他数目的棒的类似设备)，而不管这些设备可以怎样被用在质谱仪系统中(例如，用于离子运输，离子分裂，或者作为质量过滤器等)。
在对本发明的棒的描述中，术语“内”和“外”被使用。这些术语是关系术语，并且被用于指示元件与棒的外侧表面的相对靠近程度。“内元件”不应被解释为意味着该元件完全被包含在棒的内芯中，虽然也可能就是这样的情况。类似地，“外”元件未必处在棒的表面上，虽然也可能就是这样的情况。此外，棒的“内”元件、棒的“外”元件或者它们之间的任何元件未必围绕整个棒延伸。
作为“层”出现在棒中的元件可以是棒的中芯。
“多个”是2个或者更多个。
术语“RF衰落”是指在多极离子导向器中发生的一种现象。术语“RF衰落”是指RF场的减小，其在离子沿导向器进行时导致离子的截留和/或离子的质量区分。
在“均一RF场”中运输的离子被在具有一致RF幅度的RF场中被运输。均一RF场通常不含有RF幅度减小的区域。
具体实施例方式
本发明提供了一种用于质谱仪系统的多极设备。通常，该多极设备包括多个导电棒，每一个导电棒包括导电层；电阻层；和布置在导电层和电阻层之间的绝缘层。该设备在均一RF场中将离子约束在一轴上并在轴上运输离子。在某些实施例中，所述多个棒被电连接，以提供沿轴的直流电场梯度，用于沿着轴移动离子，并且提供将离子约束到中心轴的射频场。本发明可以用于各种应用，包括离子运输、离子分裂以及用于质量过滤器。
这里所叙述的方法可以按照所叙述的事件顺序，以及任何逻辑上可能的顺序来进行。此外，在提供了值的范围的情况下，应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个居间的值，以及在被叙述的范围中的任何其他被叙述的或者居间的值，都被包括在本发明内。
被引用的项目仅因为它们在本发明的申请日之前的公开而被提供。这里没有事物被解释为承认本发明没有资格早于这样的依赖于在先发明的材料。
对单个项目的提及包括这样的可能性，即可能有多个相同项目出现。更具体地说，如这里以及所附权利要求中所使用的，单数形式“某个”、“一个”、“所述”和“该”包括多个所指物，除非上下文中另行清楚地规定。还应该注意，权利要求可能被起草为排除任何可选元素。照此，该陈述被用来作为使用与权利要求元素的叙述相结合的诸如“仅”、“只”等的排他用语或者使用“否定”限定的前提基础。
质谱仪系统本发明提供一种质谱仪系统，包括离子源，将在下面被更详细地描述的多极设备，以及离子检测器。使用本发明的多极设备的示例性质谱仪系统140被示于图5中。质谱仪系统140包括离子源142，包含多极设备145的室144(其可以是两个或者更多个压力过渡室中的一个)，常规质谱仪146，和离子检测系统148。质谱仪146可以是任何类型的质谱仪，包括但不限于飞行时间(time-of-flight)仪、FTMS或磁扇区(magneticsector)谱仪，所有这些在本领域是公知的。在许多实施例中，室144是处在大气压或者接近大气压下的离子源142和通常处于高真空的质谱仪146之间的一个或者多个压力过渡级。多极设备可以被用作室144中的多极离子导向器145，用于将被良好准直的束中的离子从离子源142运输到质谱仪146。在某些情况下，室144包含两个压力过渡级，其将压力水平从离子源142的压力水平过渡到质谱仪146的压力水平。压力过渡级中的中间压力可以分别是P1和P2。例如，如果离子源142在760Torr的压力下工作，则第一压力过渡区域内的压力P1可以是远小于760Torr，例如为0.1Torr，而第二压力过渡级内的压力P2可以是远小于压力P1，例如P2可以是0.001Torr。质谱仪146的压力远小于P2。在其中使用两个或者更多个压力过渡室的实施例中，该设备可以被用于每一室中。
在使用中，在离子源142中产生的离子(其径迹由箭头150所示)通过使用多极离子导向器145被移动通过室144到质谱仪146中，在质谱仪146中，该离子被与其他离子分离。离子从质谱仪146穿过到达离子检测器148，在该处离子被检测。
如上所述，室144可以是准直室。在含有包括该设备的准直室的质谱仪系统中，中性气体可以被引入到室144中，以促进在离子移动通过多极设备时离子的分裂。
包含用于碰撞腔(collision cell)中的多极离子导向器的示例性质谱仪系统被示意性地示于图6中。在本发明的此实施例中，多极离子导向器可以被用来代替用于本领域中公知为“三象限(triple quad)”或者简称为“QQQ”系统的多质/荷分析系统中的碰撞腔中的传统离子导向器。图6示出了本发明的三象限系统160。系统160包括三个室162、164和168，离子检测系统170和离子源161。第一室162和第三室168是较低压力室，并且充当质/荷分析器。在室162和室168之间的第二室164包含根据本发明的多极离子导向器165。在第二室164中，诸如氮气(N2)或者氩气(Ar)之类的气体以约10-1到10-4Torr的压力被引入。当分析物离子移动通过多极设备时，气体分子和具有足够能量的分析物离子碰撞，导致分裂和子离子的产生。室162和室168的每一个可以是任何的质/荷分析器，包括但不限于四极质量过滤器、离子阱、飞行时间仪或者磁扇区谱仪。虽然没有示出，但是本发明的质谱仪系统160可以具有多于三个的级，并且离子分裂室164可以包括多于一个的级，并仍然处在本发明的范围中。
在一个实施例中，包含离子的样品被从离子源传送到第一分析器162，在第一分析器162处，特定离子被从样品中的其他离子过滤出。离子(其径迹由箭头172示出)在包含多极离子导向器的碰撞腔164中被分裂以产生子离子。子离子被从室164传送到分析器168，在该分析器168处，特定子离子被从其他的子离子过滤出。过滤出的子离子在离子检测器170中被检测。
在某些实施例中，该设备可以出现在四极质量分析器(例如，四极质量过滤器)的离子入口或者出口端，并且可以有助于将离子运输到分析器中或者从分析器运输出来。
此外，除了在多极(例如四极)质量过滤器中产生轴向加速或者减速场之外，本发明可以被用于质量过滤器，以通过模仿Brubaker前过滤器透镜来提高入口光学性能。在用于本实施例的多极质量过滤器的棒的开头、末尾或者开口和末尾两者的3％到25％，具有上述的绝缘和电阻元件。在棒的端部，电阻层覆盖在内部未涂敷的导电元件(例如，金属棒)上，获取U+(或者对于另一棒对为U-)。棒端部的另一端部具有DC连接点，其将被保持在小于U+值。为了最接近地模仿Brubaker透镜，在该另一端部上的DC可以为大约四DC接地(quad DC ground)，U+和U-的平均值。也可以使用U+和U-之间的中间减小DC电压，并且其在不同的实施例中会具有多个优点。此实施例产生到质量过滤器的宽的传输入口，并且提供传统Brubaker透镜的大多数或者全部优点，而不必用单独的棒，电容耦合器和额外的绝缘结构。此外，存在瞬时透镜(instant lens)或者“前过滤器”的固有的更优异的光学对准，对于质量过滤器，将不存在由棒断裂导致的机械不连续，并且通常存在于现有技术的设备中的突变U+(和U-)不连续将被沿着电阻的长度的电压的匀变所代替。通过适当选择绝缘和电阻元件的厚度和材料，层上的RF降可以是可调节的，例如调小或者调大。因此，如果需要的话，在入口部分上的RF可以被调节到比四极RF更小的幅度。如本领域技术人员将认识到的，根据前过滤器的长度，可能需要使得棒更长，也许加长4％到25％，以保持相同的质量过滤器峰形状特性。
虽然上面的实施例描述了前过滤器，但是后过滤器可以以相同的方式被构造，并且具有后过滤器和前过滤器两者的单个质量过滤器也是可以的。而且，如对本领域技术人员明显的，前过滤器和/或后过滤器可以与四极的多个部分上或者其整个长度上的轴向加速相结合。必须只将DC电压施加到沿棒的长度的合适的点上。使用术语“DC电压”一般不应该排除使用随时间变化的电平，诸如随着感兴趣的质量发生变化而被调节的电压或者在合适的时间点被逐步变化以将离子门控到邻近的离子操纵或者测量设备中的电压。
多极设备上面简要讨论的多极设备可以被用于在质谱仪系统中操纵(例如，移动，如运输，分裂或者过滤)离子。在某些实施例中，该设备操作以促进离子通过质谱仪系统的室的定向移动。例如，室可以是处在大气压的室和高真空室之间的中间真空的室，或者室可以是碰撞室(另外在本领域中被称为碰撞腔)。该设备可以被用于运输离子，以及用于分裂离子(在设备被用作碰撞室的情况下)。因此，设备在单个的多极离子导向器质谱仪系统，例如“qTOF”系统中，以及在串列多极离子导向器质谱仪系统，例如“qqqTOF”有特定用途。当该设备被用于串列多极离子导向器质谱仪系统中时，设备可以被用作碰撞腔。如在下面被更详细地讨论的，设备也可以被用作离子过滤器。
多极设备包含多个棒(即，2个或者更多个棒，通常偶数个棒，例如4、6、8或者10或者更多)，其被纵向地布置在中心轴周围，其中在设备的操作期间，离子沿着中心轴定向地移动(即，从该中心轴的一端到中心轴的另一端)。棒在示例性六极离子导向器中的合适的布置被示于图1中。通常，离子导向器的棒，例如101、102、103、104、105和106，是导电的，并且被布置来提供用于接收离子的输入端108、用于喷出离子的输出端110，以及从输入端到输出端延伸的中心轴(没有在图1中示出)。在某些实施例中，棒可以被一个或者多个项圈保持为合适的布置，但是可以使用数种项圈的替换物。从多极设备的输入端来看，棒可以被以顺时钟方式(例如在图1中所举例的)标识，以提供两组棒偶数编号的棒(例如，棒102、104和106)和奇数编号的棒(例如，棒101、103和105)。在许多实施例中，棒的纵向轴是平行的并且离中心轴等距。在设备的所有棒之间，连续的棒之间的间距通常是相同的，但是在不同的设备之间棒间距可以变化。在作为离子导向器使用时，棒被电连接，以提供用于沿着中心轴移动离子的沿中心轴的直流电(DC)电场梯度和提供将离子约束到紧邻中心轴的区域的射频(RF)场。
多极设备可以具有类似于其他多极设备(例如，多极离子导向器)的尺寸，并且同样地，可以在很大程度上变化。在某些实施例中，多极设备的总长度为4cm到40cm，并且具有限定出其内接直径为2mm到30mm的内通道的棒。但是，在某些系统中，已经使用了具有不在这些范围中的尺寸的设备。根据用于制造的材料和所希望的尺寸，在某些实施例中，棒的长度可以从5cm到50cm(例如，10～30cm)，并且可以具有0.7mm到15mm的直径(例如，1mm到8mm)，但是在某些系统中，可以容易地使用具有不在此范围中的尺寸的棒。
通常，根据在此所描述的发明的多极设备的每一个棒的至少一部分包含三个同轴布置的元件，每一个元件具有不同的电性能。下面将更详细地描述这些元件和它们在多极离子导向器中的电连接。
在对棒的描述中，术语“内”和“外”被使用。这些术语是关系术语，并且被用于指示元件与棒的外侧表面的相对靠近程度。如在图2A和2B中所举例说明的，内元件位于棒的内部，而外元件位于棒的外表面的附近或者位于棒的外表面上。如将在下面所更详细地描述的，内元件可以表示棒的中芯(参见例如图2A的元件8)，或者表示存在于棒的中芯上的层(参见例如图2B的元件8，其中中芯是元件12)。因此，“内元件”不应被解释为意味着该元件完全被包含在棒的内芯中，虽然也可能就是这样的情况。此外，注意，术语“棒”在此被用于描述可以具有任何横截面形状的结构，例如，其横截面形状可以是圆形、椭圆形、半圆形、凹面形、偏平形、方形、矩形、双曲线形或者多边形。这些图示出了具有圆形横截面形状的棒，仅仅是为了举例说明本发明。棒可以具有不同的横截面形状。
此外并且如下面所述的，注意，绝缘和电阻元件未必包围整个棒，并且可以仅仅出现在棒的邻近离子行进通过的通路的部分(或者在最接近其的侧面上)。在这些实施例中，诸如“内”和“外”之类的关系术语是指棒的包含这些元件的部分(例如，棒的半径)。还应该注意，没有要求棒的整个长度都包含绝缘和电阻元件。因此，在任何下述的实施例中(尤其是在特定实施例中)，棒可以沿着其长度的至少一部分(包括，但并不必须是棒的整个长度)包含绝缘和电阻元件。棒长度的具有绝缘和电阻元件的部分可以处在棒的开头、末端或者中部。
考虑上面的定义并参考图2A和2B，多极设备的棒中的每一个可以被描述为包含内导电元件8、外电阻元件4和处在内元件8和外元件4之间的绝缘元件6。这些元件沿着每一棒的长度同轴地布置，以提供可以被认为是含有电阻外涂层的同轴电容器的棒。如上所述，在某些实施例中，内元件8可以位于棒中心(如图2A的棒2中所示)，或者作为层存在于棒的中芯上(如图2B的棒10所示)。
通常，棒中所包含的所有材料应该是真空相容的，例如，它们应该是在真空中不向外放气的材料，并且可以被相应地选择。
导电元件8一般是高导电材料(例如，具有每厘米3k到680k西门子的电导率的材料，如从每厘米17k到330k西门子)。如将在下面所更详细讨论的，在一个实施例中，导电元件可以是处在提供结构强度的内部非导电结构棒的顶面上的涂层。在另一个实施例中，内部棒可以是中空的，并且导电层可以被涂敷在中空棒的内侧。在本发明的大多数实施例中，导电元件8是金属的，例如含有银、铜、金、铝(包括铝合金)、镍、钢(包括不锈钢)、铬、铍或者钨等，或者由其制成。在某些实施例中，可以使用例如碳石墨的非金属材料。一般，所要求的电导率取决于由RF连接点之间的有限电阻和棒对棒以及棒对壳的电容所导致的RF电压下降的可接受水平。一般，利用固体金属棒，该RF下降不明显。在高的多极频率下，可能要考虑电阻层的厚度(如在下面所描述的)，但是通常，通过绝缘层的电容性电压降和通过薄的电阻层的电压降耦合将对到棒的表面的传输RF电压有较大的影响。
绝缘元件6包围导电元件8并在电势差被施加到其上时使导电元件8与电阻元件4绝缘。棒的绝缘元件通常使用其介电强度和厚度大于导电层和电阻层之间的最大电压差的产品制成。最高电压差是由于绝缘层的有限电容而出现的RF差和DC差的总和。根据所使用的实施例，最高电压差可以低至0.1伏特，高至100伏特，或者可以是0.1到100伏特之间的任何电压。如在下面所更详细讨论的，绝缘元件6可以由多种合适的绝缘材料中的一种或者多种制成。一般，绝缘元件6通常是厚度在1μm～1000μm(例如5μm～50μm)范围中的具有对于所使用的电压差而言足够的介电强度的薄层。典型的绝缘材料的介电强度在从100～2000伏特每数千分之英寸的范围中，但是也可以容易地使用介电强度在其范围之外的绝缘材料。
绝缘元件6可以包含许多种绝缘体中的一种或者多种，包括例如KEPTON的聚酰胺、例如DELRINTM的缩醛树脂、例如KYNARTM的氟化聚合物、例如LEXAMTM的聚碳酸酯、聚苯乙烯、例如TEFLONTM的聚四氟乙烯、全氟烷氧(Teflon PFATM)或者聚氯乙烯。在某些实施例中，绝缘元件6可以是陶瓷(例如，瓷或者搪瓷)，或者例如氧化铍的类陶瓷，或者某些其他的难熔材料。
在某些实施例中，例如导电材料的氧化物的金属氧化物可以被用作棒中的绝缘材料。因此，在某些实施例中，对内导电金属的表面进行氧化可以产生绝缘层。如果内导电金属是铝，则该工艺在本领域中是公知的，并且被称为阳极化。一般，用于以绝缘层涂敷导电材料的方法在本领域是公知的，并且例如，已经被成功地应用于各种其他的电学领域，例如半导体领域。在某些实施例中，在半导体散热器领域中所使用的方法可以被用于制造棒。
因为从导电元件通过绝缘元件到电阻元件的RF电压降几乎与绝缘层的厚度成比例，所以薄层材料对于节省功率并且将尽可能最高的电压传输到棒的内部是理想的。因为该绝缘层两侧上的电容随介电常数增大，所以更高的介电常数也减小了RF电压降，具有与已经提到的更薄的层相同的好处。由于上面的两个原因，阳极化是特别有利的实施例，因为薄层可以被生成并且介电常数高于有机绝缘材料。
电阻元件4通常为绝缘元件6上的电阻涂层，并且可以处在棒的外表面上。绝缘和电阻层不必围绕整个棒，而是可以限于棒的影响离子束的表面。不过，此处的实施例、计算和附图将假设绝缘和电阻层覆盖棒的整个周长。诸如成本、可加工性和可靠性之类的一般考虑事项适用于电阻层的设计。此外，在规定电阻元件的厚度和可以制造元件的材料时可以考虑五个附加的标准1)在多极设备的操作期间，偏离的或者被喷射的离子可能轰击设备的棒，可能导致干扰感兴趣的离子的局部电压扰动。如果是这样的情形的话，可以使用低电阻率材料和/或更厚的电阻元件。2)在多极设备的操作期间，电阻元件两侧的RF电压降可能很高。如果是这样的情形的话，可以使用低电阻率和/或更薄的电阻元件。3)在多极设备的操作期间，RF功率损耗可能导致设备的棒的过度发热，尤其是如果棒处于真空的情况下。如果是这样的情形的话，可以使用低电阻率材料和/或更薄的电阻元件。4)在多极设备的操作期间，DC电流需求虽然对于本发明来说比非分布式电容设计要小，但是可能仍然高于所希望的。如果是这样的情形的话，假定需要固定的端到端DC梯度，则可以使用更薄的电阻元件和/或更高电阻率的材料。5)在多极设备的操作期间，DC功率耗散可能使设备的棒发热。如果是这样的情形的话，可以使用具有更高电阻率的小厚度层。有趣的是，如果棒是圆形的，则当有效(rms)RF电流(对于一根棒)乘以电阻率的积等于DC端到端电压乘以棒周长的积时，发生DC功率损耗等于RF功率损耗时的交叉。因此，标准3或者5的相对重要性取决于实施例，特别是取决于RF环流、棒直径、所施加的DC以及所选择的材料的电阻率。
电阻元件4可以具有5欧姆/方(Ohms/square)到10兆欧姆/方，例如100欧姆/方到1兆欧姆/方或者10千欧姆/方到50千欧姆/方的电阻率，并且在某些实施例中，电阻元件4可以包含例如电阻油墨、金属氧化物、带玻璃的金属氧化物、金属箔、金属线绕组、导电塑料等中的一种或者多种。在许多实施例中，绝缘元件6被涂敷以一层电阻油墨，该油墨在本领域是公知的。感兴趣的特定电阻油墨包括碳电阻油墨(例如，C-100或者C-200等)、金属陶瓷油墨(包含精细陶瓷或者玻璃粒子和贵金属的组合)、金属油墨、导电塑料油墨和聚合物油墨。当陶瓷绝缘材料出现在棒中时，碳电阻油墨是尤其可使用的，但是在特定实施例中，陶瓷绝缘材料可以被涂敷(例如上釉)，以在陶瓷绝缘材料的外侧提供所希望的电阻材料。不在表面上发生氧化的电阻油墨可以被用于棒中，并且因此，电势计油墨(potentiometer ink)可以容易地使用。合适的电阻油墨可以从Metec公司(Elverson，PA，)和其他地方购买。
在一个实施例中，棒可以包含a)内金属(例如铝)中芯，b)通过氧化内金属芯的表面产生的中间绝缘层，和c)中间绝缘层上的外层电阻油墨。在另一实施例中，棒可以包含a)内陶瓷芯(例如内陶瓷棒)，b)陶瓷芯上的导电材料层，c)导电材料层上的中间绝缘层，和d)中间绝缘层上的外层电阻油墨。在一个另外的实施例中，棒可以包含a)内金属中芯，b)中间绝缘陶瓷层，和c)中间绝缘陶瓷层上的外层电阻油墨(例如碳基油墨)。
如上所述的，棒可以沿着其长度的至少一部分(包括但不必须是棒的整个长度)包含绝缘和电阻元件。棒的长度的具有绝缘和电阻元件的部分可以是在开头、末尾、开头和末尾两者、或在棒的中部。在某些实施例中，棒的至少3％、至少10％、至少25％、至少50％、或至少90％，通常直到棒的长度的10％、直到25％、直到50％、直到80％或者100％包含绝缘和电阻元件两者。
在某些实施例中，电阻材料可以处在棒的表面上(即，没有被覆盖在其他材料中)，并且可以作为厚度为0.1μm到1mm(例如5μm到100μm)的层出现。
如上所述，棒可以被电连接，以提供用于沿着所述中心轴移动所述离子的沿着所述中心轴的直流(DC)电场梯度和将所述离子约束到所述轴的射频场。因此，在本发明的某些实施例中，多极设备可以被连接到用于提供RF电压的RF电压源和用于提供DC电压的DC电压源。
如上所述，设备的棒根据其相对于设备的其他棒的位置可以任意地被标记为奇数棒或者偶数棒。设备的棒的示例性的电连接被示于图3、4A和4B中。图3示出了棒20和22之间的示例性的电连接。棒20和22是设备中的任意两根奇数棒(例如标号为1、3、5或者7的棒)或者任意两根偶数棒(例如标号为2、4、6或者8的棒)。在许多实施例中，棒的电阻元件4和导电元件8在棒的一端被相互电连接。奇数棒中每一根的电阻元件4和导电元件8在同一端被连接到同一DC源24和同一RF源26，并且偶数棒中每一根的电阻元件4和导电元件8在同一端被连接到DC源24和同一RF源26。电阻元件4和导电元件8通常在棒的离子输入端被连接到同一DC源24和同一RF源26，但是在某些实施例中，这样的连接可能发生在棒的另一端(即，棒的离子输出端)。每一根棒的电阻元件4而不是导电元件8在每一根棒的另一端被连接到DC源30和RF源28。DC源24和30通常向棒的两端提供不同的DC电压(例如，具有0.3～50V的差，例如0.8～12V的差，或者更大的差)，由此提供沿着棒的电压梯度。由RF源26和28提供给每一偶数棒的两端的RF电压通常是同相的，并且由RF源26和28提供给每一奇数棒的两端的RF电压通常是同相的。如对于其他多极设备所已知的，提供给奇数棒的RF电压可以与提供给偶数棒的RF电压相差180度的相位。
图4A示意性地示出了在示例性多极设备的一端(例如，离子输入端)的棒101、102、103、104、105和106的端部的电连接。在此示例中，偶数棒102、104和106的组由RF源108所提供的具有第一幅度的RF电压和DC源110所提供的具有第一值的DC电压驱动。具有第二幅度的第二RF电压和具有第二值的第二DC电压分别由第二RF源112和第二DC源114提供，并且被提供给奇数棒101、103和105的组。所提供的第一和第二DC电压值和/或第一和第二RF电压幅度可以是相同的或者不同的，而来自RF源108的RF电压的相位可以与RF源112的RF电压的相位相差180度。注意，在图4A中，所有棒的导电元件和电阻元件被电连接到DC和RF源。如本领域的技术人员将认识到的，棒的一端的导电元件和电阻元件可以通过各种方法被电连接，包括通过对棒的端部进行涂敷(例如金属化)并且将棒的经涂层的端部经由单根的电线连接到电源，或者通过将导电和电阻元件中的每一个连接到不同的电线，而所述不同的电线可以在连接到电源之前被联接到一起。
图4B示意性地示出了在示例性的多极设备的另一端(例如离子输出端)的棒101、102、103、104、105和106的端部的电连接。这些棒与图4A相比以“相反”的次序被示出，因为图4B的设备是从与图4A中所示的相反一侧被观察的。在此示例中，偶数棒102、104和106的组由RF源126所提供的具有第一幅度的RF电压和DC源124所提供的具有第一值的DC电压驱动。具有第二幅度的第二RF电压和具有第二值的第二DC电压分别由第二RF源122和第二DC源120所提供，并且被提供给奇数棒101、103和105的组。所提供的第一和第二DC电压值和/或第一和第二RF电压幅度可以是相同的或者不同的，而来自RF源122的RF电压的相位可以与RF源126的RF电压的相位相差180度。注意，在图4B中，只有电阻元件被电连接到DC和RF源。
在设备的一端提供给每一根棒的端部的DC电压的值通常是相同的，并且在设备的另一端提供给每一根棒的端部的DC电压的值通常是相同的。但是，如在上面所讨论的，提供给设备的每一根棒的端部的DC电压值通常不同于在设备的另一端提供给每一根棒的端部的DC电压值，以提供将离子沿平行于设备的轴的方向移动的DC梯度。根据被运输的离子的类型，与在设备的离子输出端的DC电压相比，在设备的离子输入端的DC电压可以更高或者更低。
在设备的一端提供给每一根棒的端部的RF电压的幅度通常是相同的(但是对于相邻的棒的相位不同)，并且在设备的另一端提供给每一根棒的端部的RF电压的幅度通常是相同的(但是对于相邻的棒的相位不同)。在设备的一端提供给每一根棒的端部的RF电压的幅度与在设备的另一端提供给每一根棒的端部的RF电压的幅度可以不同或者相同，以提供用于将离子约束到中心轴区域的RF。
如本领域的技术人员将认识到的，多种DC梯度和RF可以被用于设备中，以产生用于将离子沿着设备的轴移动的电动力。在某些实施例中，0.3～50伏特(例如0.8～15伏特或者约10伏特)的DC梯度可以被使用，但是明显不在此范围中的梯度也容易被想到。如果在多极中的离子的分裂是所希望的，则可以使用达到300伏特的电压。如果希望将离子在多极中保持较长的时间，以增加碰撞冷却或者存储离子并且将它们门控出去以匹配脉冲检测器(诸如飞行时间分析器)，则DC梯度可以被周期性地反转和/或其电平被调节。一般，在设备中产生的离子约束RF通常具有0.1MHz到10MHz(例如0.5MHz到5MHz)的频率，以及20V到10000V峰到峰(例如400V到800V峰到峰)的幅度。
如本领域的技术人员将认识到的，棒的外电阻元件可以可选地包含电极分接头，通常利用在棒的一个或者多个位置处围绕棒的外侧的金属(例如钯银)带进行连接。改变电极分接头的电压可以在离子穿过离子导向器时在设备的特定区域分离和/或释放离子。
在此所描述的在每一根棒中的元件的特定布置提供了一种多极设备，该多极设备与其他的现有技术的设备相比不发生RF衰落。这样，该设备对质谱分析领域作出了显著贡献。该多极设备在其中使用较大DC电压梯度的应用(例如，其中电压梯度例如为5～20V的应用)中尤其有用。在这样的应用中，可以使用具有高电阻的表面涂层。
本发明还提供了其中多极设备被用于移动离子的方法。一般来说，这些方法包括将离子引入到多极设备的输入端，以及提供适合于沿着设备的中心轴约束并且定向地移动离子的RF场和DC梯度。如上所讨论的，中性气体可以被提供给所述设备，以便在离子移动通过设备时分裂离子。在某些实施例中，沿着设备的棒的电势梯度可以被增大以将离子喷射出设备，使得离子接近设备的输出端并从其喷射出。
移动离子的方法可以被用在分析离子的方法中。一般来说，该方法包括在多极离子导向器中运输离子，以及检测离子的质量。因为沿着棒的RF降可以被最小化，所以除了其在离子运输设备、离子存储设备和碰撞腔中的应用之外，耦合到阻性表面的分布式电容可以被用于四极质量分析器以产生轴向场。这样的实施例可以使得质量过滤器四极结构也能够充当碰撞腔和/或存储设备。例如合适的DC分接头，例如将分接头加到棒的中部，如上所述所构造的四极质量过滤器可以主动地控制轴向能量，并且由此沿着设备的长度在多个位置上减速或者捕集离子，有助于更高的分辨率或者脉冲喷射。
实验下面的示例被提出，以向本领域普通技术人员提供对于如何制造和使用本发明的某些实施例的描述，并且不是意在限制发明人所认为的其发明的范围。
示例1该示例描述包括六极的碰撞腔，其中铝棒的直径为2.54mm、2R0为4.4mm，并且设备长度为150mm，但是无数的实施例都是可能的。在此示例中，从端部到端部施加4伏特DC，并且假设33纳安的杂散离子流(stray ion current)轰击到每一根棒的中心区域。0.1伏特的最大中心棒偏移被设定为一个标准，这得到12兆欧姆的计算最大端到端电阻。端到端电阻是电阻率乘以长度的积除以周长和厚度。如果我们使用具有16微米的完成固化厚度的来自Lord/METECH的电阻电势计油墨，则电阻率应该小于1.02千欧姆/厘米。除以0.0016厘米示出小于637千欧姆每方的电阻率。类似的六极的棒组对棒组电容测量为50pf。这与我们的每根棒33pf对虚地的目的是等价的。所希望的RF电压为在棒上300伏特峰值。4.5MHz的频率被用于这些计算。到棒的峰值电流于是为(300)(2)(pi)(4.6e6)(33e-12)＝0.28安，并且有效(RMS)电流为0.2安。如果我们要求在绝缘层中所耗散的RF功率小于0.05瓦，并且如果我们近似地认为RF电流集中在周长的1/4中，即大部分面向相邻的棒，则电阻率应该小于(0.05)(pi)(0.254)(150)/((0.2)(0.2)(0.016)(4))或者小于2.34kOhm-cm。因此，在此实施例中，RF功率损耗规范没有杂散离子耗散准则那么严格。即使使用2.34kOhm-cm的高电阻率而检查电阻元件上的最坏情况的RF电压降，结果是(1.414)(0.05)/(0.2)＝0.35伏特的值。这对于此实施例是充分可接收的，并且当我们采用更低的电阻率值时将只会下降。
如果我们将DC功率损耗限制到0.05瓦，则电阻率需要大于(4)(4)(pi)(0.254)(0.016)/((0.05)(150))或者大于0.027Ohm-cm。在此实施例中，更加被限制的标准将是希望将6根棒的总离子电流保持为小于6毫安，使得可以使用便宜的电压驱动器。小于1毫安每根棒的要求意味着电阻率必须大于0.34Ohm-cm。于是，电阻率可以被选择在从0.34Ohm-cm到1000Ohm-cm的范围中，并且仍然满足所有的设备要求。这表明了同轴耦合到电阻表面的优点中的一个优点。与非分布式电容设计相比，可接受的电阻材料特性的范围大得多，并且电阻值的变化与设备的性能的因果关系更小，即，设计灵活范围非常大。在此实施例中，我们可以选择使用来自Lord/Metech的1000欧姆/方的电势计油墨，其可以提供2.5Ohm-cm的16微米厚的涂层。
在涂敷电阻膜之前，铝被阳极化以提供绝缘层。我们可以选择使用10微米(或者0.001cm)的阳极化厚度。更加薄的厚度将是充分足够的，因为典型阳极化层的介电强度的范围从40到80伏特/微米。但是，在阳极化和电阻涂敷步骤之间部件被存储在潮湿或者腐蚀环境中的情况下，更厚的层可以具有拥有耐腐蚀的优点。对于各种铝阳极化工艺，相对介电常数通常为从6到8的范围，并且我们将使用7的值用于我们的计算。同样，估计0.28安的峰值RF电流被集中在周长的1/4中，有效的总分布电容为约8.54(pi)(0.254)(0.150)(7)/(4(0.001))＝1790pf。阳极化层上的RF电压降于是为0.25/(2(pi)(4.5e6)(1790e-12))＝5.5伏特。这在此应用中是充分可接受的。于是，RF电压驱动电路需要产生约306伏特以传输300到棒的表面。显然，在该应用中作为离子导向器或者碰撞腔，绝缘厚度(棒到棒，或者甚至是沿着单个棒)的一定程度的变化将是可接受的。
示例2此实施例包括构造有同轴分布式电容的四极质量过滤器。可能具有双曲线面的棒可以被近似为长度为0.2m、直径0.8cm的圆棒。如果通过将DC电压施加到中心分接头点来在中心减慢离子，则长度可能被减小。棒将必须被偏压到U+和U-伏特。我们将假设10V的端到端电压，但是沿着长度的许多电压组合都是可以的。如果棒可以由铝制成，则应该规定较薄的阳极化层，例如小于1微米。更薄的层减小了RF电压降，因此层厚度的变化不会导致在棒的外表面上的RF电压变化，RF电压变化导致场畸变和不良的离子质量过滤。亚微米阳极化铝层在电解电容器中是常用的。
如果我们使用先前建议的2.5Ohm-cm电阻率的16微米电势计油墨，则电阻层上的RF电压降是不明显的。但是，采用16微米厚的电阻层可能是不明智的，因为此厚度的变化将改变四极的2r0并使峰形状劣化。具有均一厚度的更薄的电阻层将是优选的。一种可能是使用CVD涂敷50nm的氮化钛层。如果该层的电导率为400μOhm-cm，则DC电流将为(10)(pi)(0.8)(50e-9)/((400e-6)(0.2))＝15毫安，并且在棒中的DC功率损耗将为0.15瓦。如果希望轴向场的话，这些对于四极质量过滤器将不是不合理的数目。
从上述的结果和讨论来看明显的是，本发明提供一种重要的新的用于引导离子的装置。因此，本发明具有对于本领域的显著贡献。
本说明书中所引述的全部公开和专利通过引用结合于此，就如同每个单独的公开或者专利被具体和单独地指明为通过引用被结合。对任何公开的引述都是对于其在申请日之前的公开而言，而不作为承认本发明没有资格先于依赖在先发明的这样的公开。
虽然已经参考本发明特定的实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，可以作出各种改变，并且可以用等同物替换，而不脱离本发明的真实精神和范围。此外，可以作出许多修改，以使特定的情形、材料、物质组成、工艺、工艺步骤或者多个步骤适应本发明的目的、精神和范围。所有这样的修改都将落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种多极设备，用于在质谱分析系统的均一射频场中将离子限制在轴上并且在该轴上运输离子，包括多根棒，所述每一根棒包括导电层，电阻层，和置于所述导电层和所述电阻层之间的绝缘层，其中，所述棒在均一射频场中将离子约束在轴上并且在该轴上运输离子。
2.根据权利要求1所述的多极设备，其中，所述多根棒被电连接，使得提供用于沿着所述轴移动所述离子的沿着所述轴的直流电场梯度和所述均一射频场。
3.根据权利要求1所述的多极设备，还包括电源，所述电源包括射频电压源，连接到所述棒，用于提供射频电压；和直流电压源，连接到所述棒，用于提供直流电压。
4.根据权利要求3所述的多极设备，其中，对于偶数棒的所述射频电压的相位比奇数棒的相差180度。
5.根据权利要求1所述的多极设备，其中，所述导电层和所述电阻层在每根棒的一端被电连接。
6.根据权利要求1所述的多极设备，其中，所述棒包括中芯。
7.根据权利要求6所述的多极设备，其中，所述中芯是所述导电层。
8.根据权利要求7所述的多极设备，其中，所述中芯是金属，并且所述绝缘层是所述金属的氧化形式。
9.根据权利要求8所述的多极设备，其中，所述中芯是陶瓷，并且所述导电层、所述绝缘层和所述电阻层被依次沉积在所述陶瓷棒上。
10.根据权利要求1所述的多极设备，其中，所述多极设备包括4、6或8根离所述轴距离相等的棒。
11.根据权利要求1所述的多极设备，其中，所述多极设备是碰撞腔、质量过滤器或者离子导向器。
12.根据权利要求1所述的多极设备，其中，所述棒被布置以提供用于接收离子的输入端、用于喷射离子的输出端以及从所述输入端延伸到所述输出端的中心轴。
13.根据权利要求12所述的多极设备，其中，每隔一根棒的所述内导电元件和所述外电阻元件在所述多极离子导向器的所述输入端彼此电连接。
14.根据权利要求12所述的多极设备，其中，每隔一根棒的所述外电阻元件在所述多极离子导向器的所述输出端彼此电连接。
15.一种多极质量过滤器，包括多根棒，被布置以提供用于接收离子的输入端、用于喷射预定质量的离子的输出端以及从所述输入端延伸到所述输出端的中心轴，其中，所述棒的一端或者两端包括导电层、电阻层以及布置在所述导电层和所述电阻层之间的绝缘层。
16.根据权利要求15所述的多极质量过滤器，其中，所述多极质量过滤器为四极质量过滤器。
17.根据权利要求15所述的多极质量过滤器，其中，在所述质量过滤器的操作期间，在所述轴的一端或者两端，U+和U-直流电压的幅度被减小。
18.根据权利要求17所述的多极质量过滤器，其中，在所述轴的一端或者两端，所述射频电压也被减小。
19.一种质谱仪系统，包括离子源；多极设备，包括多根棒，所述每一根棒包括导电层，电阻层，和置于所述导电层和所述电阻层之间的绝缘层，其中，所述棒在均一射频场中将离子约束在轴上并且在该轴上运输离子；以及，离子检测器。
20.根据权利要求19所述的质谱仪系统，其中，所述多根导电棒被电连接，以提供用于沿着所述轴移动所述离子的沿着所述轴的直流电场和将所述离子约束到邻近所述轴的区域的射频场。
21.根据权利要求19所述的质谱仪系统，还包括电源，所述电源包括射频电压源，连接到所述棒，用于提供射频电压；和直流电压源，连接到所述棒，用于提供直流电压。
22.根据权利要求19所述的质谱仪系统，其中，在所述系统的操作期间，所述多极设备的端部具有0.1到15伏特的电压差。
23.根据权利要求19所述的质谱仪系统，其中，所述多极离子导向器是碰撞腔，并且所述质谱系统还包括与所述多极离子导向器串联的两个离子过滤器。
24.一种用于在多极设备中约束和运输离子的方法，包括(a)在所述多极设备中沿着轴约束所述离子；以及(b)在均一射频场中运输所述离子。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述方法使用多极设备，所述多极设备包括多根棒，所述每一根棒包括导电层，电阻层，和置于所述导电层和所述电阻层之间的绝缘层，其中，所述棒在均一射频场中将离子约束在轴上并且在该轴上运输离子。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述多根棒被电连接，以提供用于沿着所述轴移动所述离子的沿着所述轴的直流电场和将所述离子约束到邻近所述轴的区域的射频场。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括将气体提供到所述多极离子导向器，以在所述离子移动时分裂所述离子。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括提供沿着所述轴的第二电势梯度，以将所述离子喷射出所述多极离子导向器。
全文摘要
本发明提供了一种用于质谱仪系统的质谱仪多极设备。总的来说，该多极设备包含多根导电棒，每一根导电棒包括导电层、电阻层和处在导电层和电阻层之间的绝缘层。本发明可在各种应用中找到用途，包括离子运输、离子分裂和离子质量过滤。因此，本发明可以用于各种质谱仪系统。
文档编号G01N30/72GK1755890SQ200510105870
公开日2006年4月5日 申请日期2005年9月29日 优先权日2004年10月1日
发明者罗伯特·K·柯若弗德, 詹姆斯·L·博特迟 申请人:安捷伦科技有限公司