用于利用交流波形进行离子迁移率分离的方法和设备与流程

本申请要求于2015年10月7日提交、标题为“methodandapparatusforcontrollingionsinagasphase”的序列号no.62/238,291的美国临时申请的优先权，由此通过引用的方式将该美国临时申请的全部内容并入以提供其全部教导。

关于联邦资助研究或发展的声明

本发明是在由美国能源部授予的合同de-ac0576rlo1830下借助政府支持完成的。政府享有本发明中的某些权利。

本公开的实施例涉及离子迁移率分离和相关的离子操纵。更具体而言，所公开的实施例涉及执行离子操纵，包括使用施加到一个或多个分段电极的连续交流(ac)电压波形或多个连续ac电压波形实现在移动离子俘获区域中的移动和离子迁移率分离。

背景技术：

离子迁移率谱(ims)是一种用于分离和识别离子的技术。ims可以用于分离结构异构体和解析大分子的构象特征。在包括代谢组学、糖组学和蛋白质组学的广泛的应用中，ims还可以用于增强质谱(ms)。

例如，在执行ims时，含有不同离子的样品被注入到包含载气(也称为缓冲气体)的封闭单元的第一端。在该单元中，在施加的电场的影响下，离子从单元的第一端移动到单元的第二端。随后离子在单元的第二端处作为时间的函数的电流被检测到。由于施加的电场引起的加速度和由于与缓冲气体分子的碰撞而引起的减速的净影响使得样品离子实现了最大恒定速度(即最终速度)。ims单元内的离子的最终速度与它们各自的迁移率成比例，迁移率与诸如质量、大小、形状和电荷的离子性质有关。在这些性质中的一个或多个上不同的离子使得离子在给定的电场下移动通过给定的缓冲气体时展现出不同的迁移率，因此具有不同的最终速度。结果，每个离子展现出从单元的第一端行进到单元的第二端的特性时间。通过测量样品内的离子的特性行进时间，可以识别离子。

现已有许多用于化学和生物化学分析的ims形式，包括恒定场漂移管离子迁移率谱(dt-ims)、高场非对称离子迁移率谱(fa-ims)、差分迁移率分析(dma)和行波离子迁移率谱(tw-ims)。这些形式在施加电场以分离ims单元内的离子的方式上不同。然而，值得注意的是，由于产生分离离子的电场的电极结构在大小和复杂性上的实际限制，常规ims装置在分离离子的能力(分离能力)方面受到限制。

因此，存在对改进的用于离子迁移率分离的系统和方法的持续需求。

技术实现要素：

在本公开的实施例中，提供了一种用于离子操纵的设备。该设备包括至少一个表面、第一多个连续电极、以及第二多个分段电极。第一多个连续电极耦合到至少一个表面，并且与射频(rf)电压源电连通。由rf电压源施加到第一多个电极中的相邻电极的rf电压在第一多个电极中的相邻电极上相移约180°。第二多个分段电极耦合到至少一个表面，并且被布置成位于第一多个电极之间或与第一多个电极相邻的纵向组。第二多个分段电极还与交流(ac)电压源电连通。由ac电压源施加到第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的ac电压波形在第二多个电极中的相邻电极上相移l°-359°。

该设备的实施例可以以任何组合方式包括以下的一个或多个。

在实施例中，该设备还包括多个保护电极，该多个保护电极位于至少一个表面上的第一和第二多个电极的外端上。该多个保护电极还与dc电压源电连通。当从dc电压源接收到恒定的dc电压时，多个保护电极产生将离子运动约束到朝向保护电极的电场。

在该设备的实施例中，ac电压波形是正弦波。

在该设备的实施例中，ac电压波形是多于一个ac电压波形的总和。

在该设备的实施例中，施加到第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的ac电压波形在第二多个分段电极中的相邻电极上以重复模式相移。

在该设备的实施例中，施加到第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的ac电压波形在第二多个电极中的相邻电极上以步进方式相移约45°、90°或120°。

在该设备的实施例中，至少一个表面包括单一且非平面的表面。

在该设备的实施例中，单一且非平面的表面是以下形状之一：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。

在该设备的实施例中，至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。

在该设备的实施例中，两个表面大致彼此平行。

在该设备的实施例中，所施加的ac电压波形的频率选自10hz-200khz的范围，并且所施加的rf电压的频率选自100khz-5mhz的范围。

在该设备的实施例中，所施加的ac电压波形的频率选自1hz到1khz的范围。

在该设备的实施例中，该设备的压力范围是从大气压至1毫托真空。

在本公开的另一个实施例中，提供了一种用于离子操纵的设备。该设备包括至少一个表面和多个分段电极。多个分段电极耦合到至少一个表面上，并且被布置成一个或多个纵向组。多个分段电极还与交流(ac)电压源和射频(rf)电压源电连通。由ac电压源施加到多个电极的纵向组内的相邻电极的ac电压波形相移l°-359°。由rf电压源施加到多个电极中的相邻电极的rf电压相移约180°。

该设备的实施例可以以任何组合方式包括以下中的一个或多个。

在实施例中，该设备还包括多个保护电极，该多个保护电极位于至少一个表面上的多个电极的外端上。多个保护电极还与dc电压源电连通。当从dc电压源接收到恒定的dc电压时，多个保护电极产生将离子运动约束到朝向保护电极的电场。

在该设备的实施例中，ac电压波形是正弦波。

在该设备的实施例中，ac电压波形是多于一个ac电压波形的总和。

在该设备的实施例中，所施加的ac电压波形在多个电极中的相邻电极上以重复模式相移。

在该设备的实施例中，所施加的ac电压波形在多个电极中的相邻电极上以步进方式相移约45°、90°、120°或180°。

在该设备的实施例中，至少一个表面包括单一且非平面的表面。

在该设备的实施例中，单一且非平面的表面是以下形状中的一种：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。

在该设备的实施例中，至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。

在该设备的实施例中，两个表面大致彼此平行。

在该设备的实施例中，所施加的ac电压波形的频率选自1khz-200khz的范围，并且rf电压选自100khz-5mhz的范围。

在该设备的实施例中，该设备的压力范围是从大气压至1毫托真空。

在本公开的额外的实施例中，提供了一种离子操纵的方法。该方法包括提供至少一个表面。至少一个表面包括耦合到至少一个表面并且与射频(rf)电压源电连通的第一多个连续电极。至少一个表面还包括第二多个分段电极，该第二多个分段电极耦合到至少一个表面并且被布置成位于第一多个电极之间或与第一多个电极相邻的纵向组。第二多个分段电极还与交流(ac)电压源电连通。该方法还包括通过rf电压源向第一多个电极中的相邻电极施加rf电压，其中所施加的rf电压在第一多个电极中的相邻电极上相移约180°。该方法另外包括通过ac电压源在第二多个分段电极的纵向组内施加ac电压波形，其中所施加的ac电压波形在第二多个电极中的相邻电极上相移1°-359°。

该方法的实施例可以以任何组合方式包括以下中的一个或多个。

在实施例中，该方法还包括在位于至少一个表面上的第一和第二多个电极的外端上设置多个保护电极。多个保护电极还与dc电压源电连通。当从dc电压源接收到恒定的dc电压时，多个保护电极产生将离子运动约束到朝向保护电极的电场。

在该方法的实施例中，ac电压波形是正弦波。

在该方法的实施例中，ac电压波形是多于一个ac电压波形的总和。

在该方法的实施例中，所施加的ac电压波形在第二多个分段电极中的相邻电极上以重复模式相移。

在该方法的实施例中，所施加的ac电压波形在第二多个分段电极中的相邻电极上以步进方式相移约45°、90°或120°。

在该方法的实施例中，至少一个表面包括单一且非平面的表面。

在该方法的实施例中，单一且非平面的表面是以下形状中的一种：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。

在该方法的实施例中，至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。

在该方法的实施例中，所述两个表面大致彼此平行。

在该方法的实施例中，所施加的ac电压波形的频率选自10hz-200khz的范围，并且rf电压的频率选自100khz-5mhz的范围。

在本公开的另一个实施例中，提供了一种离子操纵的方法。该方法包括提供至少一个表面，所述至少一个表面包括耦合到所述至少一个表面并且被布置成一个或多个纵向组的多个分段电极。多个分段电极与交流(ac)电压源和射频(rf)电压源电连通。该方法还包括通过ac电压源向多个分段电极的组内的相邻电极施加ac电压波形。所施加的ac电压波形在多个分段电极中的相邻电极上相移1°-359°。该方法还包括通过rf电压源向多个分段电极中的相邻电极施加rf电压。所施加的rf电压在多个分段电极中的相邻电极上相移约180°。

该方法的实施例可以以任何组合方式包括以下中的一个或多个。

在实施例中，该方法还包括在位于至少一个表面上的多个分段电极的外端上设置多个保护电极。多个保护电极还与dc电压源电连通。当从dc电压源接收到恒定的dc电压时，多个保护电极产生将离子运动约束到朝向保护电极的电场。

在该方法的实施例中，ac电压波形是正弦波。

在该方法的实施例中，ac电压波形是多于一个ac电压波形波的总和。

在该方法的实施例中，所施加的ac电压波形在多个分段电极中的相邻电极上以重复模式相移。

在该方法的实施例中，所施加的ac电压波形在多个分段电极中的相邻电极上以步进方式相移约45°、90°或120°。

在该方法的实施例中，至少一个表面包括单一且非平面的表面。

在该方法的实施例中，单一且非平面的表面是以下形状中的一种：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。

在该方法的实施例中，至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。

在该方法的实施例中，所述两个表面大致彼此平行。

在该方法的实施例中，所施加的ac电压波形的频率选自10hz-200khz的范围，并且所施加的rf电压的频率选自100khz-5mhz的范围内。

在实施例中，电极可以被布置成使得离子被俘获并且积聚在离子操纵装置的区域中，所述离子操纵装置例如但不限于在美国专利no.8,835,839中描述的装置，通过引用的方式将该美国专利的全部内容并入。

在实施例中，与dc电压的瞬时施加相比，可以调整ac波形以改变、减少或消除由ac行波波形导致的离子加热的程度。

在实施例中，可以通过增加ac波形的幅度来停止离子迁移率分离。

在实施例中，通过将施加到相邻ac电极的相移改变到大约零或通过将ac频率降低到大约零来停止ac行波波形。

附图说明

图1是根据本公开的第一实施例的用于离子迁移率分离的设备的示意图。

图2是根据本公开的第二实施例的用于离子迁移率分离的设备的示意图。

图3是根据本公开的第三实施例的用于离子迁移率分离的设备的示意图。

图4a-4b是示出了在由第一多个rf电极产生的用于约束离子的电场的影响下的离子运动的示意图。

图4c是示出了由第一多个rf电极和多个保护电极产生的用于约束离子的净电场的示意图。

图5是示出了被施加到第二多个分段电极以产生用于离子的轴向移动和分离的行波的连续ac电压波形(acwf)的示意图。

图6a-6f是电极配置的替代实施例的示意图。

图6g-6p是包括用于使用连续ac波形执行离子分离的多个层级的设备的替代实施例的示意图。

图7a是用于采用瞬时dc电压执行离子分离的设备的示意图。

图7b是与图7a的设备结合采用的瞬时dc电压的示意图。

图8a是作为时间的函数的电压的曲线图，其示出了具有约17v的峰到峰幅度(vp-p)和4khz的频率的瞬时dc电压波形。

图8b是作为时间的函数的强度的曲线图，其示出了在116m/s的速率下在图8a的瞬时dc电压波形的影响下，具有622和922的质荷比(m/z)的离子移动通过图7a的装置的到达时间分布。

图9a是作为时间的函数的电压的曲线图，其示出了具有约35v的峰到峰幅度(vp-p)和4khz的频率的连续ac电压波形。

图9b是作为时间的函数的强度的曲线图，其示出了在76m/s的速率下在图9a连续ac电压波形的影响下，具有622和922的质荷比(m/z)的离子移动通过图1的装置的到达时间分布。

图10是作为行波速率的函数的分辨率的曲线图，其示出了使用图7a的dc电压波形和图8a的连续ac电压波形来使具有622和922的m/z的离子分别移动通过图6和图1的装置所得到的分辨率。

图11是针对具有622-922的m/z的离子分别使用图7a和图8a的电压波形移动通过图6和图1的装置的作为电场强度的函数的归一化时间的曲线图。

图12是示出了具有用于采用瞬时dc电压执行离子分离的曲面表面的设备的示意图。

图13a是作为时间的函数的离子计数的曲线图，其示出了在瞬时dc电压的影响下，具有622和922的m/z的离子移动通过图12的装置的到达时间分布。

图13b是作为时间的函数的离子计数的曲线图，其示出了在连续ac波形的影响下，具有622和922的m/z的离子移动通过图3装置的到达时间分布。

具体实施方式

以下的描述包括本公开的实施例。这些实施例不限于所示出的这些，而且还包括各种修改和这些修改的实施例。因此，本描述应被视为例示性的而不是限制性的。尽管所公开的实施例容许有各种修改和替代构造，但应理解的是，本发明不会将公开内容限于所讨论的具体形式，相反地，公开内容将覆盖落入如权利要求所限定的公开内容的精神和范围内的所有修改、替代构造、和等同物。

本公开的实施例涉及用于基于气相离子的迁移率采用施加到一个或多个分段电极的连续、交流(ac)波形或多个连续ac波形来进行气相离子分离的改进的方法和设备。如下文详细讨论的，这些实施例提供了优于常规离子迁移率分离装置和方法的优点，包括减少了离子加热，同时提供可比较的分离能力。

常规的漂移管离子迁移率分离(dt-ims)在ims管的长度上采用固定的电压降，以提供相对较弱的恒定电场，在此电场下离子移动通过ims管。在该技术中，当离子在所施加的电场下移动通过给定的缓冲气体时，离子根据它们的相对迁移率被分离。迁移率与离子和惰性缓冲气体的碰撞截面有关，缓冲气体分子的中心必须撞击离子周围的区域才能发生碰撞。如上所述，碰撞截面与诸如质量、大小形状和电荷的离子特性有关。一般而言，碰撞截面相对较大的离子具有较低的迁移率，反之亦然。例如，与具有相对较大离子迁移率(较小碰撞截面)的离子相比，具有相对较低离子迁移率(较大离子碰撞截面)的离子将在更晚的时间到达检测器。因此，通过测量作为时间的函数的离子计数的数量，可以获得峰和谷的谱。将这种谱与在测量条件下的已知离子的谱对比，容许识别样品内的相应离子。

对于任何ims测量，希望的是充分分离不同的离子以使它们表现为不同的峰值ims谱。也就是说，在由于不同离子重叠而到达峰值时，对ims谱的解释变得相当困难。因此，ims仪器分辨紧密间隔的峰值的能力具有重大意义。

在常规dt-ims的背景下，增加分辨力(表征ims分离效率的量)需要增加在管长度(d)上的电压降(v)的量值。如上所述，在dt-ims中，电场(e)保持恒定并由e＝v/d给出。因此，可以理解，增加分辨力(增加v)需要增加漂移管的长度d以维持恒定电场。因此，对电压降的量值和管长的实际约束、以及其它考虑因素限制了在dt-ims中实现的分辨力。

再看另一种常规的ims技术，行波离子迁移率分离(tw-ims)，采用行波电场波形来使离子移动通过ims管，与上面讨论的恒定电场形成对比。在该情况下的行波波形是通过在沿着ims管的长度的一系列电极上施加瞬时和重复直流(dc)电压分布而产生的。例如，如下面针对图7的示例详细讨论的，可以将瞬时dc电压施加到该组电极以跨越该组电极形成方形电压分布。例如，高且恒定的电压被施加到电极的第一子组，并且低电压(例如零电压)被施加到电极的紧接着的第二子组。然后，dc电压波形时间步进地逐步通过整组电极，使得在第一时间步长接收高电压的电极在下一时间步长接收低电压。然后，该时间步进传播到整个装置以创建tw，其通常具有在装置中的多个电极上重复多次的简单的步长序列。施加瞬时dc电压(例如行波)可以消除随着漂移长度的增加而对越来越高的电压的需要。

一般而言，在tw-ims中影响离子运动的变量是行波的幅度、行波速度和工作压力。在存在与缓冲气体的碰撞的情况下，离子跟上行波的能力是离子的速度(迁移率)的函数。取决于最大离子速度与行波速率的比值c，观察了三种离子行为模式。

·c>>1：当最大离子速度远远大于行波速率(c>>1)时，离子在有效且不同的由tw创建的离子俘获区域中移动通过装置。因此，在该条件下，离子移动通过并离开装置而不分离。

·c<<1：当最大离子速度远远小于波的速率(c<<1)时，离子具有的迁移率不足以跟上tw。在该条件下，离子在很大程度上不受tw的影响。结果，离子变得被困在ims装置内部，不会离开ims装置，或者只会减慢移动和离开ims装置，其通常具有显著的扩散加宽。

·c≈1：当最大离子速度近似等于波的速率(c≈1)时，离子在大部分时间可以随着波移动，但也偶尔会被波超过。较低速度或迁移率的离子往往落后于较高速度或迁移率的离子，从而实现离子分离。

然而，值得注意的是，由于在电极结构的大小和复杂性上的实际限制，市面上可得的tw-ims装置具有有限的分离能力。该有限的分离能力对于许多潜在应用来说可能是不适当的，这对于ims来说通常是挑战，特别是在期望高灵敏度的情况下。此外，由于常规tw-ims中的瞬时dc电压以开或关的方式施加，因此与dt-ims中所使用的电场的量值相比，在波前的所得到的电场的量值相对较高。tw-ims中的高电场导致离子在高电场中花费更多时间，并且与漂移管布置相比，进一步导致离子内部“加热”程度的增加。该加热可能导致离子的构象或形状的不希望的变化，以及在确定用于被分离的离子的碰撞截面时的精度降低。

为了解决这些限制，本公开的实施例呈现了用于离子迁移率分离的新的基于行波的无损离子操纵结构(slims)的开发和表征，其采用连续的交流(ac)电压波形(ac-slims)来形成行波，而不是常规tw-ims的瞬时dc电压波形。

如下面详细讨论的，ac-slims设备的某些实施例包括第一多个连续射频(rf)电极和第二多个分段ac电极。第一多个rf电极被安装到表面并且被设置为大致彼此平行。第二多个分段ac电极被设置为与第一多个rf电极横向相邻(例如，介于其间)。向第一多个连续电极施加rf电压产生了提供离子约束的电场。向第二多个分段电极施加连续的时变ac电压形成了交流(ac)电压波形以创建tw，该tw产生电场以提供纵向离子运动和分离。ac电压波形可以以正弦波、余弦波、或多个正弦波和/或余弦波的组合的形式被施加。

如下面的示例所示，ac-slims方法实现了与常规tw-ims可比的分辨率。此外，ac-slims实施例的预料不到的特征是离子似乎在更高的电场下花费更少的时间。结果，与使用dc电压波形的瞬时施加的常规tw-ims相比，使用ac-slims方法分离的离子经历更少的由于离子加热导致的构象变化。此外，由于构象变化也会改变离子碰撞截面，因此使用ac-slims方法减少这些变化的次数使得能够更精确地测量离子碰撞截面。

ac-slims方法提供对碰撞截面的更精确测量的能力是非常有益的。一方面，该精度便于在一个实验室中执行的离子测量在另一个实验室中被再现。另一方面，该精度为利用ac-slims设备和方法获得的测量值提供了更大的置信度。在又一方面，该精度对于详细检查离子结构是重要的，因为它允许合理确定样品中可能存在什么不同结构。在另一方面，由于碰撞截面可以在其它计算中被用作物理常量，所以该精度也适合于进一步提高其它计算的精确度。

现在论述将转至图1，图1呈现了根据本公开的一个实施例的用于离子迁移率分离的设备100的示意图。设备100包括至少一个表面(未示出)和与其耦合的多个电极。在某些实施例中，至少一个表面是单一表面。在其它实施例中，至少一个表面是单一平面表面或单一非平面表面(例如，曲面表面)。在替代实施例中，至少一个表面是一对表面，它们被定向为彼此大致平行并且偏移某一间隙(例如，竖直偏移)。

例如，在某些实施例中，如果一对表面沿着它们各自长度的间距偏离选定值小于预定量，则该对表面可以是大致平行的。预定量可以选自0.001％至10％的范围内。

在实施例中，至少一个表面是由适于接收一个或多个导电元件(例如电极)和/或在其上形成电路的材料形成的基板。例如，至少一个表面可以由任何绝缘材料(例如半导体、陶瓷、聚合物等)形成。在另一个实施例中，至少一个表面可以通过加法制造工艺(例如3d打印)来形成。

在其它示例中，至少一个表面是印刷电路板(pcb)。pcb可以由包括但不限于增强或非增强的聚合物树脂的材料形成。示例性增强材料可以包括但不限于连续和不连续的纤维(例如玻璃纤维)。示例性聚合物树脂可以包括但不限于环氧树脂。

在其它实施例中，可以按需要提供至少一个表面的尺寸而不受限制。在某些实施例中，至少一个表面的每一项尺寸都可以独立地选自3cm-300cm的长度范围和0.75cm-76cm的宽度范围。

多个电极包括第一多个连续电极110和120以及第二多个125分段电极。多个保护电极130也被设置到第一多个连续电极110和120的一侧。如下文详细讨论的，第一多个连续电极110、120用于将离子约束在y方向上(例如竖直地)，而保护电极130用于将离子约束在x方向上(例如，在宽度方向上)。第二多个分段电极125形成使离子沿z方向(例如沿纵向方向)移动通过设备100的tw。

论述将继续进一步参考第一多个连续电极110、120。作为初始问题，这些电极在文中可互换地被称为rf电极、第一多个电极、或简单的电极110和/或电极120。第一多个电极110、120中的每一个通常是细长且连续的，沿着至少一个表面的长度的至少一部分(例如，z方向)延伸。例如，如图1所示，第一多个电极110、120中的每一个沿着表面的整个长度延伸。此外，第一多个电极110和120沿着表面的宽度(例如，x方向)以彼此间隔开的交替方式被设置。

第一多个电极110、120的尺寸以及它们彼此的相应间距可以被独立选择，以产生将离子约束在设备100内的有效电势。通常，第一多个电极110、120不存在最大或最小长度或宽度。第一多个电极110、120的长度仅受限于其被固定至的至少一个表面的期望尺寸。通常期望第一多个电极110、120的宽度和横向间距尽可能地小以提供对约束电场的精确控制。在示例中，第一多个电极110、120的宽度可以被独立地选自0.05mm至5mm的范围(例如0.5mm)。在其它示例中，第一多个电极110、120的相邻电极之间的横向间距可以选自0.04mm-4mm的范围。

应该注意，图1的实施例不应被解释为限制性的，并且耦合到至少一个表面的第一多个连续电极110和120的数量可以是相同的或不同的。而且，最靠近保护电极130的第一多个连续电极均可以是相同的电极110或120，或者均可以是第一多个电极110和120中的不同的电极。因此，作为一个示例，最靠近每个保护电极130的电极可以是相同的电极110。下面参考图6更详细地讨论了第一多个电极的其它替代配置。

第一多个电极110、120中的每个电极还与rf电压源(未示出)电连通。在使用中，将rf电压施加到第一组电极110和120中的横向相邻电极，相对于彼此异相约180°。即，作为一个示例，施加到多个第一电极110的rf电压与施加到多个第一电极120的rf电压具有180°的相位差。因此，在任何给定时间上，第一多个电极110和120中的横向相邻电极上的电荷具有相反的极性，在图1中被指示为rf+和rf-。如下面详细讨论的那样，随着时间的推移，多个电极110、120中的每一个的极性发生切换，从正变负或从负变正。

在图4a-4b中示出了在通过向第一组电极110和120施加rf电压产生的电场内的离子行为的示例呈现了设备100的纵向截面(x-y平面)，其包括两个相对的表面，这两个表面具有与其耦合的相应的第一组电极110和120。在初始状态(图4a)中，在电极110上具有正电荷，并且在电极120上具有负电荷。

例如，假定存在位于两个表面之间的第一和第二正离子400、402，第一正离子400大致位于两个表面的中间，并且第二正离子(实线轮廓)位于电极110附近。总体而言，施加到第一多个电极110、120的电压的量值使得当离子和电极之间的距离小于两个电极的宽度时，所得到的电场仅影响离子的运动。这在两个表面之间创建了“中性区”(点划线)，其中，第一正离子几乎不经历由第一多个电极110、120产生的电场引起的净吸引或排斥。相比之下，接近正电荷电极110的第二正离子经历朝向中性区推动第二正离子(例如，在图4a中向上)的排斥力。

进一步参考图4，随着时间的推移，第一组电极110、120的c反转，导致电极110具有负电荷并且电极120具有正极性。如上面关于图4a所描述的，如果第二正离子经历的排斥力使其移动超过中性区，则由电极120产生的电场施加朝向中性区往回推动第二正(例如，在图4a中向上)的另一排斥力。

随后，随着时间的进一步推移，第一多个电极110、120的极性再次反转，返回到图4a的状态。如果rf频率的变化快到足以防止离子接触电极，那么离开中性区的附近的离子的位置被校正以使它们返回中性区，从而在两个表面之间(即在y方向)提供约束。例如，在实施例中，施加到第一多个电极的rf电压的频率可以选自100khz-5mhz的范围。rf电压的幅度可以选自10v到500v的范围。

对于给定的电荷，基于离子的质量和缓冲气体的压力，rf频率和幅度选自它们相应的范围。对于相对较轻的离子(即移动较快的离子)，选择相对较高的频率和较高的幅度，并且对于相对较重的离子(即移动较慢的离子)，选择较低的频率和较低的幅度。相对较高的电压被用于较高的压力。由rf电极以该方式产生的电场可由有效电场eeff,rf表示，如图4c所示。

进一步参考图1，多个保护电极130中的每一个耦合到表面并且被设置为与第一多个电极110、120中的最外侧的电极横向相邻。例如，如图1所示，多个保护电极130被设置为与最外侧的电极110横向相邻。多个保护电极130中的每一个还与dc电压源(未示出)电连通。保护电极的尺寸中的每一个可以独立地选自0.05mm-5mm的宽度范围。

在使用中，将恒定的dc电压施加到多个保护电极130中的每一个，以进一步在x方向上约束离子(例如，横向地，正交于离子的纵向运动的方向)。如图4c所示，dc电压的极性被选择为与离子的极性相同，以产生排斥离子的电场edc。在实施例中，dc电压的量值选自1v到100v的范围。

现在将进一步参考图1讨论第二多个电极125。第二多个电极125中的电极被分段并被插入第一多个电极110和120之间。第二多个电极125中的给定的一组电极可以包括设置在给定的一对第一多个电极110、120之间的相应电极。例如，如图1所示，第二多个电极125中的给定的一组电极可以在z方向沿线延伸。第二多个电极125中的相应电极的尺寸中的每一个可以独立地选自0.2mm-20mm长度范围和0.04mm-4.5mm的宽度范围。

然而，可以理解的是，还可以设想第二多个电极的其它配置。例如，一组第二多个电极可以被设置为与保护电极横向相邻，并且因此不一定插入第一多个电极中的横向相邻电极之间。在其它实施例中，第二多个电极中的相应电极的长度可以被独立地改变。下面参考图6更详细地讨论了第二多个电极的另外替代的配置。

第二多个电极125的分段电极中的每一个还与ac电压源(未示出)电连通。进一步参考图5，示出了单一一组第二多个电极125。在使用中，ac电压波形被施加到电极125中的每一个，并且ac电压波形被施加到第二多个电极125的纵向组内的纵向相邻电极。所施加的ac电压波形相对于纵向相邻电极125发生相移。以该方式，所施加的ac电压波形横跨第二多个电极125的一部分，在期望的离子行进方向(即z方向)上纵向延伸。

例如，如图5所示，第二多个电极125包括8个分段电极141-148，跨越这些电极施加正弦波形式的ac电压波形。在实施例中，每个分段电极141-148之间的相移相等(即45°)，并且跨越电极141-148的总相移是360°。即，所施加的ac波的相位在分段电极上分别以步进方式偏移45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°，以便在相移增加的方向上移动并分离离子。相应地，施加到分段电极141的ac电压波形具有45°的相位；施加到分段电极142的ac电压波形具有90°的相位；施加到分段电极143的ac电压波形具有135°的相位；施加到分段电极144的ac电压波形具有180°的相位；施加到分段电极145的ac电压波形具有225°的相位；施加到分段电极146的ac电压波形具有270°的相位；施加到分段电极147的ac电压波形具有315°的相位；并且施加到分段电极148的ac电压波形具有360°的相位。

随后，将ac电压波形以重复且步进的方式施加到电极141-148后面的多个第二电极。例如，进一步参考图1，施加到分段电极151的ac电压波形具有45°的相位；施加到分段电极152的ac电压波形具有90°的相移；施加到分段电极153的ac电压波形具有135°的相移；施加到分段电极154的ac电压波形具有180°的相移；施加到分段电极155的ac电压波形具有225°的相移；施加到分段电极156的ac电压波形具有270°的相移；施加到分段电极157的ac电压波形具有315°的相移；并且施加到分段电极158的ac电压波形具有360°的相移。针对第二多个电极125的额外的分段电极重复该过程，直到到达第二多个电极125的末端，以便在z方向上移动并分离离子。

在给定的时间，设备100内的离子通常位于最低能量位置，该位置取决于为了跟上行波运动的离子速度。例如，假定该最低能量位置位于或接近具有ac电压波形的最低量值的分段电极(即具有270°的相移的分段电极146)的位置。当最大离子速度近似等于行波的速率(c≈1)时，离子可以在大部分时间随波移动，但也偶尔会被波超过。速度较低或迁移率较低的离子往往落后于速度较高或迁移率较高的离子，并且实现了离子分离。因此，在c≈1的条件下，ac电压波形在z方向上的平移形成了推动离子移动以便留在最低能量位置内的行波。

在实施例中，ac电压波形的频率可以选自10hz-200khz(例如1khz-200khz)的范围，并且ac电压波形的幅度可以选自1v到200v的范围。例如，在一个实施例中，ac电压波形的频率可以选自1hz-1khz的范围。在其它实施例中，载气的压力选自大气压至1毫托真空的范围。对于给定电荷，ac电压波形的频率和幅度基于缓冲气体的压力、第二多个电极125中的分段电极的尺寸、以及离子的质荷比中的一个或多个而选自其相应范围。

图5的实施例在相邻的分段电极之间采用45°的恒定相移(即360°除以ac电压波形在其上传播的电极的数量)。然而，在其它实施例中，行进的ac电压波形可以采用选自0°-359°范围的其它相移而没有限制。例如，在一个替代实施例中，相移可以是90°或120°。在其它替代实施例中，至少一对相邻分段电极之间的相移可以是不同的。在其它替代实施例中，ac电压波形展现出至少一个不连续性(即，在ac电压波形在其上传播的电极之间的相移的总和总计不为360°)。

在图5的示例中，ac电压波形是正弦波。然而，可以理解，在替代的实施例中，ac电压波形可以采用其它形式，如余弦波或多于一个波的总和。

在额外的实施例中，第二多个电极中的分段电极的数量可以不同于图1或图5所示的数量。例如，多个第二电极需要最少三个分段电极，以便形成电势谷来俘获并传输离子以进行分离。然而，多个第二电极内的电极的最大数量没有限制。因此，多个第二电极内的电极的数量可以选自大于或等于三的整数。

现在转到图2，图2是示出了根据本公开的第二实施例的用于离子迁移率分离的设备200的示意图。设备200包括至少一个表面(未示出)以及耦合到该表面的多个分段电极250。在替代的实施例中，至少一个表面是一对表面，它们被定向为彼此大致平行并且偏移某一间隙(例如，竖直偏移)。设备200进一步包括被设置在多个电极250的一侧的保护电极230。

仍然参考图2，设备200与设备100的不同之处在于ac电压和rf电压同时施加在多个电极250上而不是施加在第一多个电极110、120和第二多个电极125上。因此，如下文更详细讨论的，多个分段电极250用于将离子约束在y方向上(例如竖直地)，并且形成使离子在z方向上(例如纵向)移动通过设备100的tw。多个保护电极130用于将离子约束在x方向上(例如水平地)。除非在下面的讨论中另外指出，否则设备200与设备100类似地工作。

多个分段电极250中的每一个与ac电压源和rf电压源(未示出)电连通。进一步参考图2，在使用中，ac电压被施加到多个分段电极250中的每一个，其中被施加到纵向相邻分段电极的ac电压相对于彼此相移了选自0°-359°的范围的值。以该方式，形成了跨越多个分段电极250的一部分的ac电压波形，该ac电压波形在离子行进的期望方向(即z方向)上纵向延伸。同时，rf电压叠加在施加的ac电压上。施加到纵向相邻分段电极的rf电压的相位相对于彼此约180°异相(即，在离子运动方向上的相移)。

例如，展现出45°相位的ac电压波形和单独的rf电压均被施加到电极段251；展现出90°相位的ac电压波形和与施加到电极段251的rf电压180°异相的rf电压均被施加到电极段252；展现出135°相位的ac电压波形和与施加到电极段252的rf电压180°异相的rf电压均被施加到电极段253；展现出180°相位的ac电压波形和与施加到电极段253的rf电压180°异相的rf电压均被施加到电极段254；展现出225°相位的ac电压波形和与施加到电极段254的rf电压180°异相的rf电压均被施加到电极段255；展现出270°相位的ac电压波形和与施加到电极段255的rf电压180°异相的rf电压均被施加到电极段256；展现出315°相位的ac电压波形和与施加到电极段256的rf电压180°异相的rf电压均被施加到电极段257；并且展现出360°相位的ac电压波形和与施加到电极段257的rf电压180°异相的rf电压均被施加到电极段258。

继续图2的分段电极，展现出45°的相移的ac电压波形和rf电压被同时施加到分段电极261；展现出90°的相位的ac电压波形和与施加到电极261的rf电压180°异相的rf电压均被施加到分段电极262；展现出135°的相位的ac电压波形和与施加到电极262的rf电压180°异相的rf电压均被同时施加到分段电极263；展现出180°的相位的ac电压波形和与施加到电极263的rf电压180°异相的rf电压均被同时施加到分段电极264；展现出225°的相位的ac电压波形和与施加到电极264的rf电压180°异相的rf电压均被同时施加到分段电极265；展现出270°的相位的ac电压波形和与施加到电极265的rf电压180°异相的rf电压均被同时施加到分段电极266；展现出315°的相位的ac电压波形和与施加到电极266的rf电压180°异相的rf电压均被同时施加到分段电极267；并且展现出360°的相位的ac电压波形和与施加到电极267的rf电压180°异相的rf电压均被同时施加到分段电极268。

在实施例中，rf电压的频率可以选自100khz-5mhz之间的范围，并且rf电压的幅度可以选自10v到500v之间的范围。在其它实施例中，ac波形的频率可以选自10hz-200khz之间的范围，并且ac波形的幅度可以选自1v到200v之间的范围。

进一步参考图2，多个保护电极230中的每一个耦合到表面，被设置为与多个分段电极250中的最外侧的电极横向相邻。多个保护电极230中的每一个还与dc电压源(未示出)电连通。在使用中，恒定dc电压被施加到保护电极230中的每一个以进一步将离子约束在x方向上(例如，横向地，正交于离子的纵向运动的方向)，如上文关于图1的保护电极130的讨论。在实施例中，dc电压的量值选自1v到100v的范围。

上面的示例在施加到多个分段电极250中的纵向相邻电极的ac电压波形之间采用45°的恒定相移(即360°除以ac波形在其上传播的电极的数量)。然而，在其它实施例中，行波ac电压波形可以采用选自0°-359°范围的其它相移而没有限制。例如，在一个替代实施例中，相移可以是90°或120°。在其它替代实施例中，至少一对纵向相邻分段电极之间的相移可以不同。在进一步的替代实施例中，ac电压波形可以展现出至少一个不连续性(即，在ac电压波形在其上传播的电极之间的相移的总和总计不为360°)。

在额外的实施例中，多个分段电极250的数量可以不同于图2所示的数量。例如，多个分段电极250需要最少三个分段电极，以便形成电势谷来俘获并传输离子以进行分离。然而，多个分段电极中的分段电极的最大数量没有限制。相应地，分段电极的数量可以选自大于或等于三的整数。

上面已经将施加到图2的设备的多个电极的ac电压波形论述为正弦波。然而，在进一步的实施例中，ac电压波形可以采用其它形式，如余弦波或多于一个波的总和。

参考图3，图3是示出了根据本公开的第三实施例的用于离子迁移率分离的设备300的示意图。设备300包括至少一个表面(未示出)、和耦合到该表面的多个曲面电极310、320、325和330。曲面电极的曲率半径可以选自1mm到100mm的范围。

第一多个曲面电极310和320彼此横向间隔开，并且与rf电压源(未示出)电连通。在工作中，反相rf电压被施加到第一多个电极310和320中的横向相邻电极，以将离子约束在y方向内。根据如上关于图1的第一多个电极110、120所讨论的，可以提供曲面电极310、320的尺寸和定位以及施加rf电压的方式。

电极330是曲面保护电极，其彼此横向间隔开并与曲面电极310、320和325中的最外侧的电极相邻。例如，如图3所示，曲面保护电极330被设置为与第一多个曲面电极310、320中的最外侧的电极横向相邻。曲面保护电极330进一步与dc电压源(未示出)电连通。在工作中，dc电压被施加到保护电极330，以使得曲面形状和由所施加的dc电势产生的电场提供了离子在x方向上的约束。根据如上关于图1的保护电极130的讨论，可以了解曲面保护电极330的尺寸和定位以及施加dc电压的方式。

第二多个曲面电极325被分段并被插入第一多个曲面电极310、320中的相应电极之间。第二多个曲面电极进一步与ac电压源(未示出)电连通。第二多个曲面电极325中的给定的一组电极可以位于给定的一对第一多个曲面电极310、320之间。在工作中，连续的ac电压波形被施加到第二多个曲面电极325，其中ac电压波形在给定的一组第二多个曲面电极内的纵向相邻电极上发生相移，以使离子移动通过设备300的长度(即在z方向上)。如以上关于图1的第二多个电极120所讨论的，可以提供第二多个曲面电极325的尺寸和定位以及施加连续ac电压的方式。

图6a-6f示出了耦合到至少一个表面的电极配置的替代实施例。如下所述，在设备100中参考第一多个连续电极110、120、保护电极130以及第二多个电极125呈现了图6a-6f的实施例。此外，保护电极130被设置到第一多个电极110和120的一侧，并且第二多个分段电极125插入第一多个电极110和120之间。

在替代的实施例中，图6a-6f的电极配置中的第一多个连续电极110、120以及第二多个分段电极125的位置可以反转。在进一步的替代实施例中，图6a-6f的电极配置也可以与设备200组合使用，其中提供多个电极250来代替第一和第二多个电极110、120、125。

图6a示出了替代的电极配置的实施例，其包括被定向为彼此平行的第一段600a-1和被定向为垂直于第一段600a-1的第二段600a-2，第一段600a-1被连接到第二段600a-2，形成了“u”形。该配置在希望使离子运动的方向反转的情况下可能是有益的。可以理解，在进一步的替代实施例中，第一和第二段600a-1、600a-2的相应取向可以变化。例如，第一段600a-1不必是平行的，而是可以采用相对于彼此的非零度角。在另一示例中，第二段600a-2不必垂直于第一段600a-1中的一个或两个，并且可以替代地采用非90°角，同时仍保持连接到第一段600a-1中的每一个。

图6b示出了替代的电极配置的实施例，其中第一多个电极110、120中的每一个包括第一部分和第二部分，第一部分与保护电极130相邻，被定向为使其纵轴平行于离子行进的方向，第二部分在第一部分的内侧，被定向为垂直于离子行进的方向。第二多个电极125中的每一个被定向为使其纵轴垂直于离子行进的方向。将rf和ac波形施加到第一和第二多个电极的方式与以上关于图1所讨论的相同。

图6c示出了沿着离子行进的路径长度改变电极布置的替代电极配置的实施例。图6c的电极配置包括第一段600c-1和第二段600c-2。在第一段600c-1中，第一多个电极110、120和第二多个电极中的每一个的纵轴均被定向为平行于离子行进的方向(即纵向)。在第二段600c-2中，按照如上关于图6b所讨论的来配置第一和第二多个电极110、120、125。

图6e示出了替代的电极配置的实施例，其包括第一部分600d-1，该第一部分具有比第二部分600d-2更少的第一和第二多个电极110、120、125。结果是沿着离子的运动方向的离子通路的宽度沿着离子运动的方向发生变化(例如会聚、发散等)。该配置对于压缩离子束的宽度(例如，用于聚焦)和/或在邻近两个不同离子路径的接合处可能是有益的。

图6f示出了替代的电极配置的实施例，其包括第一段600e-1，第一段600e-1以直角连接到第二段600e-2，形成“t”形状。该配置在希望将离子从第一段600e-1转移到第二段600e-2的情况下可能是有益的。该配置对于选择具有特定迁移率或组成的离子(例如，在向质谱仪内注入剩余离子之前除去不想要的离子)可能是期望的。

可以理解，在进一步的替代实施例中，第一和第二段600e-1、600e-2的相应取向可以改变。例如，第一段600e-1不必垂直于第二段600e-2，而可以采用非90°角。

图6g示出了包含两个不同层级602a、602b的设备，其中每个层级包括如上所述的包含多个电极(例如110、120、125)的一对平行表面。在一个方面，使用多个层级允许针对不同离子的分离来优化不同层级。

然而，值得注意的是，需要在各层级之间传输离子的机制，以从相应层级插入和去除离子。因此，开口604(例如正方形或圆形开口)被形成在层级602a、602b的相对平行表面中的每个上。开口604被定位成与第二多个分段电极125(例如，图6h)相交，从而允许进入提升机构606。提升机构606被定位成与层级602a、602b的相应开口604重叠，并且包括多个堆叠的分段电极阵列610(例如，6个堆叠的电极)。在工作中，如图6g中的方向箭头所示，由第二多个电极125产生的行波用于将离子从层级600a通过提升机构606传送到层级600b。

图6i和图6j示出了每个电极堆叠体610内的电极阵列610的实施例。总体而言，每个电极阵列包括交替的ac电极(例如125)和rf电极(110和/或120)。在一个实施例中，电极阵列610a内的rf电极中的每一个可以在给定时间具有相同的极性。在替代实施例中，电极阵列610b内的rf电极中的每一个可以均具有与最近邻的rf电极相反的极性。例如，如图6i所示，电极阵列610a包括rf电极120和ac电极125的交替段，其中rf电极120在给定时间均具有相同的rf相位。如图6j进一步所示，电极阵列610b包括rf电极110、120和ac电极125的交替段，其中rf电极110和120具有相反的rf相位(即，彼此180°异相)。

在图6k和6l中示出了具有电极阵列606的不同堆叠布置的提升机构606的实施例。例如，图6k的提升机构606a由电极阵列606a形成，其中给定电极阵列606a内的每个rf电极具有相同的极性。但值得注意的是，相邻的电极阵列606具有相反的极性。相比之下，图6l的提升机构606b也由电极阵列506a形成，但相邻的电极阵列606a也具有相同的极性。

在替代实施例中，设备100包括提升机构620，如图6m-6o所示。提升机构620由多个板622形成，每个板具有彼此堆叠的电极110、120、125和130。每个板622包含孔口624，该孔口624与其相邻近的孔口624对齐，形成了用于离子行进通过提升机构620的通道。如上所述，由多个第二电极125产生的行波被用于将离子从层级600a通过提升机构620传送到层级602b，而由rf电极110、120和保护电极130产生的电场将离子约束在其相应板622的孔口622内。

在图6p所示的进一步的替代实施例中，设备100包括由相对倾斜部分630形成并连接的至少两个层级602，其中层级602和倾斜部分630中的每一个包括包含多个电极110、120、125、130的平行表面对。例如，如图6p所示，存在五个层级602a-602e，其中层级602a是最低层级，并且层级602e是最高层级。此外，倾斜部630a在层级602a和602c之间延伸，倾斜部630b在层级602b和602d之间延伸，并且倾斜部630c在层级602c和602e之间延伸。在使用中，由多个第二电极125产生的行波被用于经由相应倾斜部(例如，630a)将离子(例如634)从下面的层级(例如，602a)传送到上面的层级(例如，层级602c)。

可以理解的是，图6g-6p的实施例中所示的多层级设备中的每个的实施例可与如图1、图2、图3和图6a-6f所示的任何电极配置一起使用。

实验结果

执行了模拟，以探索上面讨论的ac-slims方法的实施例用于使用平面和曲面表面进行离子分离的性能。进一步针对使用瞬时dc电压的常规tw-ims进行了对应的模拟以用于比较。以下实施例进一步用于示出本公开的实施例和方面，而不应被解释为限制本公开的范围。

示例1-平面表面的模拟

(i)ac-slims模拟参数

图1所示的示意性模块用于模拟。ac电极125是与长rf电极带110、120相邻的分段电极。保护电极130位于ac电极125和rf电极110、120的外侧。模块使用pcb制造并且包括间隔4.75mm的间隙的一对平行pcb(30.5cm长×7.6cm宽)。模块使用5个ac电极125的阵列，它们与rf电极110和120的相邻阵列分开0.13mm。ac电极125的尺寸是1.98mm长，0.43mm宽。保护电极130均是0.508mm宽。rf电极110和120的尺寸均是0.43mm宽。

利用氮气作为缓冲气体，在4托的压力下操作模块。具有622和922的质荷比(m/z)的单电荷离子被用于模拟。

rf电压被施加到六个rf电极110和120，在每个表面上的相邻电极为180°异相，以产生赝势来约束离子并且抑制到两个pcb的离子损失。

在该模拟中ac电压波形(正弦波)被进一步施加到第一八个分段电极141、142、143、144、145、146、147和148以及第二组八个分段电极151、152、153、154、155、156、157和158，它们位于rf电极110、120之间。

ac电压波形的45°相移被进一步用于每个相邻的电极段141、142、143、144、145、146、147和148。被施加到纵向相邻电极段141、142、143、144、145、146、147和148的ac波形以重复模式发生相移。也就是说，所施加的ac电压波形的相位在分段电极141、142、143、144、145、146、147和148上分别以步进方式偏移45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°，以便在相移增加的方向上移动并分离离子。

随后，ac电压波形被进一步以重复和步进的方式施加到ac电极151、152、153、154、155、156、157和158。所施加的ac电压波形的相位在分段电极151、152、153、154、155、156、157和158上分别以步进方式偏移45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°，以便在相移增加的方向上移动并分离离子。

对于额外的分段电极阵列，施加到那些额外的电极阵列的ac电压波形的相位将以步进的方式重复，以便在相移增加的方向上移动并分离离子。(ii)dc-tw模拟参数

图7a所示的示意性模块700用于模拟。dc电极725是分段电极，被设置为与长rf电极710、720相邻。保护电极730位于dc电极725和rf电极710、720的外侧。

模块700使用pcb制造并且包括间隔4.75mm的间隙的一对平行pcb(30.5cm长×7.6cm宽)。模块使用dc电极725的5个阵列，它们与rf电极610和120的相邻阵列分开0.13mm。dc电极725的尺寸是1.98mm长，0.43mm宽。保护电极730是0.508mm宽。rf电极710和720的尺寸均是0.43mm宽。

利用氮气作为缓冲气体，在4托的压力下操作模块。具有622和922的质荷比(m/z)的单电荷离子被用于模拟。

rf电压被施加到六个rf电极710和720，在每个表面上的相邻rf电极为180°异相，以产生赝势来约束离子并且抑制到两个pcb的离子损失。瞬时dc电压波形被施加到一系列相邻的分段dc电极725。例如，如图7a所示，dc电压被施加到四个dc电极组成的块中的dc电极(例如741、742、743、744和751、752、753、754)。dc电压也不被施加到四个dc电极组成的块中的dc电极(例如745、746、747、748和755、756、757、758)。这形成了方波，如图7b所示。随着时间向前进，dc瞬时波形一次推进(例如从左向右)一个dc电极。也就是说，随着时间向前进第一增量，dc电压向电极741和751的施加停止，同时dc电压向电极745和755的施加开始。随着时间进一步向前移动，dc瞬时波形的该步进式发展继续。(iii)到达时间分布的对比

图8a和9a分别示出了dc瞬时波形和连续ac波形。所施加的瞬时dc波的速度具有约17v的峰到峰幅度和116m/s的速率。所施加的连续ac波形具有约17vp-p的峰到峰幅度和76m/s的正弦波速率。

图8b和9b示出了在具有622-922的m/z的离子上分别使用dc瞬时波形和连续ac波形的所得到的到达时间分布。值得注意的是，图8b和9b的到达时间测量值示出了常规瞬时dc方法和本文所公开的slims-ac方法的实施例实现了几乎相同的分离。

(iv)分辨率的对比

图10示出了使用瞬时dc波形和根据所公开的ac-slims技术的实施例所产生的连续ac波形所实现的分辨率，其中m/z为622-922的离子移动通过图1和图7的装置。行波电压为30v，并且向外部保护电极施加5v。向两个pcb表面施加628-648khz之间的rf频率。rf电压的幅度是220vp-p。

值得注意的是，本文所公开的slims-ac方法的实施例与常规瞬时dc波形方法相比实现了几乎相同的分辨率。

(iv)电场暴露的对比

图11对比了m/z为622-922的离子使用瞬时dc波形和根据所公开的ac-slims技术的实施例所产生的连续ac波形在高电场和低电场中耗费的时间的量。ac波形的频率约为10khz，并且瞬时dc波形的频率约为35khz。每个波形的幅度为30v。

图11的数据表明，在瞬时dc波形(正方形)的影响下，离子移动在高电场中耗费了其时间的近40％，而在所公开的连续ac波形(三角形)的实施例的影响下，离子移动在低电场中耗费了其时间中的大部分。由此可以推断，与在瞬时dc波形的影响下的离子移动相比，在连续ac波形的影响下的离子移动保持在较低的温度。加热的缺失或缓解是非常有益的，因为在离子被加热时，它们可以经历解离，这对离子分离过程是有害的。

示例2-曲面表面的模拟

(i)ac-slims模拟参数

图3所示的示意性模块用于模拟。曲面ac电极325是与长曲面rf电极带310、320相邻的分段电极。曲面保护电极330位于曲面电极310、320、325的外侧。

模块使用pcb制造并且包括单一的pcb(15cm长×0.5cm宽)。模块使用两组ac电极325，它们与相邻的rf电极310和320分开0.3mm。ac电极125的尺寸是2mm长，0.4mm宽。保护电极130均是1mm宽。rf电极110和120的尺寸均是1mm宽。电极的曲率半径是3.6mm。

利用氮气作为缓冲气体，在4托的压力下操作模块。具有622和922的质荷比(m/z)的单电荷离子被用于模拟。

将rf电压施加到三个rf电极310和320，相邻的电极为180°异相以产生赝势以约束离子并抑制到pcb的离子损失。rf电压的幅度是300vp-p，并且频率是1mhz。

将dc电压施加到曲面保护电极以约束横向离子运动(在x方向上)。dc电压幅度是30v。

ac电压波形是正弦曲线，其被施加在八个ac电极325的重复序列上，以在纵向方向上移动并分离离子。所施加的ac电压波形具有30v的幅度和20khz的频率。ac电压波形的45°相移被施加到纵向相邻ac电极325。

(ii)dc-tw模拟参数

图12是用于模拟的模块1200的俯视图。模块1200包括曲面表面1205，该曲面表面1205包含与外部dc电极1210横向偏移的内部dc电极1230。rf电极1220和1225位于内dc电极1230的任一侧上。电极耦合到表面1205并沿着表面1205的长度延伸。

模块使用单一的pcb制造(15cm长×0.5cm宽)。模块使用2个外部dc电极1210、2个内部dc电极1230以及2对相位相反(rf+和rf-)的rf电极1220、1225。每个内部dc电极1230位于相邻的一对内部dc电极1220和1225之间。rf电极1220、1222的尺寸是76mm长和1mm宽。外部dc电极1210是2mm长和0.4mm宽。内部dc电极1230是2mm长和0.4mm宽。电极的曲率半径是3.5mm。

施加到外部dc电极1210的dc电压是相同的。施加到内部rf电极1220的电压与其相邻的内部电极1225异相。由施加到电极1210、1220、1225的电势产生的场提供离子约束。施加到内部阵列电极1230的dc电压是用于移动并分离位于模块1200内的离子的时间相关dc场或波形。

施加到电极1210、1220、1225、1230的rf和dc场的组合，与曲面表面1205的形状相结合，产生了使离子移动通过模块1200的约束和驱动场。通过施加到外部电极1210的电场和表面1205的曲率的组合，可以实现横向约束。关于模块1200的进一步的细节可以在美国专利申请no.14/851,935中找到，通过引用的方式将该美国专利申请的全部内容并入。

利用氮气作为缓冲气体，在4托的压力下操作模块1200。具有622和922的质荷比(m/z)的单电荷离子被用于模拟。

图13a是作为时间的函数的离子计数的曲线图，其示出了在dc瞬时电压的影响下，具有622和922的质荷比(m/z)的离子移动通过图12的曲面表面装置的到达时间分布。图13b是作为时间的函数的离子计数的曲线图，其示出了在连续ac波形的影响下，具有622和922的质荷比(m/z)的离子移动通过图3的曲面表面装置的到达时间分布。

对比图13a-13b，可以观察到，图3的采用连续ac波形用于离子运动和分离的曲面ac-slims模块与图12的采用dc瞬时电压的曲面模块在表现上是相当的。

尽管上面已经示出并描述了本公开的多个实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以做出许多改变和修改而不背离本公开的更广泛方面中的公开内容。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围内的所有这种改变和修改。