具有串联离子迁移率分析器的质谱仪的制作方法

本发明涉及具有串联离子迁移率分析器(具体地，包括内置俘获离子迁移率谱仪(tims)分析器)的质谱仪以及根据离子迁移率来分离离子以用于详细的物质分析的相应方法。

背景技术

美国专利no.7,838,826b1(m.a.park，2008年)中介绍了一种缩写为“tims”分析器/谱仪(tims＝trappedionmobilityspectrometry(俘获离子迁移率谱仪))的小型离子迁移率分析器/谱仪。本文可互换地使用术语离子迁移率分析器和谱仪。tims分析器包括气流，该气流驱动离子对抗反作用电场势垒，使得离子首先沿着tims分析器的轴线被俘获。rf电场在径向方向上限定离子。在将离子从离子源传输到电场势垒之后，调节电场势垒的高度和气体速度使得以离子迁移率的顺序从电场势垒释放离子种类。

通常，tims分析器的离子迁移率分离单元的长度达到仅约5厘米。在内径约为八毫米的小管中，产生径向四极射频(rf)场，以将离子保持在轴线附近。管内的气流驱动气流中携带的离子对抗斜坡反作用直流(dc)电场势垒，其中，离子根据其迁移率而在电场斜坡上的移动气体摩擦力与斜坡上的直流电场的反作用力相等的位置处被俘获并被分离。在对tims加载离子后，直流电场势垒的高度下降；该扫描按离子迁移率的顺序释放离子种类。与许多其他制作小型离子迁移率谱仪的试验不同，m.a.park的小型设备已经采用低扫描速度实现离子迁移率分辨率高达rmob＝400，这非常高。

图1示意性概述常规tims分析器及其操作。来自电喷雾离子源(未显示)的离子(6)由气体(7)携带，通过毛细管(8)被引入真空系统的第一腔室。推斥板(9)驱动离子(6)进入迁移率分析器的入口漏斗(10)。离子漏斗(10，12)通常被制造成环状隔膜的堆叠，其开口收窄至更小的直径，因此形成漏斗形状的内容积。将射频电压的两个相交替地施加于隔膜以建立保持离子远离漏斗壁的赝势。离子被轴向气流(14)以及可选择地被附加的直流电势梯度沿着隔膜驱动并通过第一漏斗(10)的窄端进入tims管(11)。

通过tims管(11)的轴向气流(14)是层流且沿径向方向呈现大致的抛物线速度分布。氮气可作为优选气体。将tims管(11)周围选为真空条件以使得在几百帕斯卡压力下最大气体速度达到大约每秒100至150米。这一速度只能在轴线附近达到。离轴线远，速度将大幅降低，如图1中的箭头(14)指示。

第一漏斗(10)引导离子进入tims管(11)，其形成具有沿径向方向的内部四极射频场的通道。tims通道(11)包括具有中心孔的薄电极的堆叠，其形成围绕设备的z轴布置的圆形管。薄电极被围绕管对电极之间的缝隙进行密封的绝缘材料隔开。tims管(11)的电极被划分成四个象限(1,2,3,4)，以允许在内部产生径向限定的四极射频电场。在图1的顶部示出管电极的四个象限(1,2,3,4)与给定时间处管内的四极射频电场的等势线。此处应当提到，四极通道的设计不必包括金属电极片；存在许多不同可能，包括堆叠的pcb板或者甚至具有印刷电极的成卷(rolled)的pcb板。

在tims通道(11)内部，气流(14)吹动离子对抗轴向直流电场势垒。在图1的中间部分，针对三个扫描阶段，示出轴向直流电场势垒分布。在z位置(20)和(23)之间，通过二次地(quadratically)增加的电势生成的直流电场线性增大。在z位置(23)和(24)之间，由电势的线性增加产生的直流电场保持恒定，形成直流电场势垒的平台。例如，在简单设备中，可通过单个电压来生成完整的场分布，该单个电压被施加至位置(24)处的隔膜电极并且由沿着tims管(11)的各个隔膜电极的各个精密电阻器进行分压。位置(20)和(23)之间的电阻器线性增加，(23)和(24)之间的电阻器具有相等的电阻。在更复杂的设备中，例如可以通过数模转换器(dac)产生非线性场电场分布，甚至是可调直流场分布。

tims分析器的操作开始于“离子积聚阶段”，其将离子积聚于图的最上面的直流电场斜坡上。300伏量级的电压差产生直流电场势垒。由箭头(16)象征性地表示的气流吹动离子对抗直流电场势垒，并且离子在那里停止，因为它们不能越过直流电场势垒。应注意，箭头(16)代表管内的抛物线气体速度分布(14)的最大气体速度。离子积聚在位置(20)和(23)之间的直流电场的上升沿上，其中低迁移率的离子(主要是碰撞截面大的重离子)聚集在靠近场斜坡的上端的高场中，而高迁移率的离子集中在靠近斜坡底部的低场中。圆点的大小表示不同离子迁移率的离子的丰度(abundance)，指示空间电荷的强度。在随后的“扫描阶段”中，直流电场势垒的电源电压稳定减小，迁移率增加的离子可以朝向离子检测器逸出，具体是朝向用作离子检测器的质谱仪逸出。在图的底部，示出所得的释放的离子种类的离子电流。测得的总离子电流曲线i＝f(t)直接呈现从低离子迁移率到高离子迁移率的离子迁移率谱。

关于tims的理论基础，请参见研究论文“fundamentalsoftrappedionmobilityspectrometry(俘获离子迁移率谱仪的基本原理)”，k.michelmann、j.a.silveira、m.e.ridgeway和m.a.park，j.am.soc.massspectrometry.，(2015)26：14-24(网络出版日期：2014年10月21日)。

已经通过应用非线性扫描对tims分析器的扫描方式进行改进以实现线性迁移率标度(mobilityscale)、沿着该迁移率标度的恒定的分辨率、或时间缩放(m.a.park等，美国专利no.8,766,176b2)。此外，美国专利申请no.15/341,250(m.a.park和o.raether)描述了空间缩放。

离子迁移率分辨率rmob取决于扫描速度。图3示出离子迁移率分辨率与扫描持续时间的典型函数关系。扫描速度越低，分辨率越高。已经提到过，已经使用低速扫描通过相当小型的装置实现了rmob＝400的离子迁移率。因为在离子源中产生的离子会在扫描阶段期间损失，所以占空比(或离子利用率)取决于积聚时间ta与扫描时间ts的比值。

在美国专利申请no.14/614,456(“trappingionmobilityspectrometerwithparallelaccumulation(利用并行积聚的俘获离子迁移率谱仪)”，m.a.park和m.schubert)中描述了利用并行离子积聚的tims分析器；其将来自离子源的离子的利用率提高至近100％。只要空间电荷效应不影响离子的进一步收集，利用了并行积聚的tims实际上就会收集离子源的所有离子，并根据离子迁移率分离所有离子而不会损失任何离子。利用了并行离子积聚的tims进一步提供了延长离子积聚的持续时间以发现更多可检测的离子种类的独特可能性，由此甚至通过扫描时间的对应延长提高离子迁移率分辨率。离子在直流电场势垒的斜坡处被收集至积聚器单元(其优选地与扫描单元几乎相同)中，使得它们根据其离子迁移率沿斜坡被空间分离。因此，积聚的离子比其他类型的积聚器单元中的离子受空间电荷的影响更小。然而，最重要的是tims分析器的独特特征，即，较长的积聚时间段允许通过选择相应更长的迁移率扫描持续时间来提高迁移率分辨率，例如，迁移率扫描持续时间为100毫秒时，离子迁移率分辨率为rmob＝75，而不是扫描持续时间为20毫秒时，离子迁移率分辨率为rmob＝30。由于所收集离子的数量更多且离子迁移率分辨率更好，可以检测和测量更多离子种类。一旦离子迁移率扫描完成时(可选地，在二十到几百毫秒之后)，积聚的离子(在约一毫秒内)被从积聚单元传送至扫描单元，并且可开始下一次离子迁移率扫描。总体上，技术从业者将理解，可以实现每秒300至450个离子种类的测量速率。如果利用了并行离子积聚的tims安装在串联质谱仪(ms/ms仪器)中，则每秒可定量测量300至450个特征碎片离子谱。

(与其他俘获谱仪一样)tims的主要挑战在于空间电荷。美国专利no.9,304,106b1(m.a.park和o.raether,“highdutycycletrappingionmobilityspectrometer(高占空比俘获离子迁移率谱仪)”)提出了一些改进，用于提高在所选离子迁移率区域中储存的离子(特别是低离子迁移率的离子)的量。更高的加载容量是基于非线性直流电场斜坡，对感兴趣的离子种类使用更平坦的电场斜坡，以便减少空间电荷对这些离子种类的影响。但是对于在复杂混合物中的低丰度的离子种类的精确的离子迁移率分析，空间电荷的影响仍然太高。

仍需要一种方法来在附近存在具有高空间电荷量的高丰度离子的情况下精确分析低丰度离子的迁移率。

技术实现要素：

在第一方面中，本发明提供一种用于在质谱仪中分析离子的方法，所述质谱仪包括离子源、两个离子迁移率分析器、离子门和质量分析器，其中，所述两个离子迁移率分析器中的至少一个是俘获离子迁移率谱仪(tims)分析器，所述离子门位于所述两个离子迁移率分析器之间。所述方法包括以下步骤：在第一离子迁移率分析器中根据迁移率在时间上分离离子；在所述第一离子迁移率分析器的分离期间通过调节所述离子门的传输来选择感兴趣的离子；将所选择的感兴趣的离子传输到第二离子迁移率分析器；以及在所述第二离子迁移率分析器中根据迁移率分离传输的离子。步骤“选择感兴趣的离子”包括选择感兴趣的离子种类的基本上所有离子或其一部分。第二离子迁移率分析器优选为tims分析器，更优选地，两个离子迁移率分析器都是tims分析器。

可以通过获取质谱或获取碎片质谱在所述第二离子迁移率分析器下游对分离的离子进行进一步分析。碎片质谱的获取优选包括在位于第二离子迁移率分析器和碎片单元之间的质量过滤器中选择母离子。

在一个实施例中，第二离子迁移率分析器是tims分析器，并且重复进行第一分离和选择性传输。第二离子迁移率分析器优选地被操作以积聚重复传输的感兴趣的离子，然后根据迁移率分离它们。更优选地，重复传输的离子积聚在位于离子门与tims分析器之间并用于解耦在tims分析器中的积聚和分离的附加离子阱中。

在另一实施例中，第二离子迁移率分析器是tims分析器并且当离子在所述第一离子迁移率分析器中被分离时调节所述离子门的传输，使得传输到所述第二离子迁移率分析器的离子的总空间电荷和/或在所述第二离子迁移率分析器的俘获区域中传输的离子的局部空间电荷小于预定阈值。

在另一实施例中，当离子在所述第一离子迁移率分析器中被分离时调节所述离子门的传输，使得高丰度的感兴趣的离子种类的传输低于低丰度的感兴趣的离子种类的传输。可通过改变打开间隔的持续时间或通过调节离子门的有效打开来调节离子门的传输。当离子在所述第一离子迁移率分析器中被分离时，具体地，当离子种类从第一tims分析器的电场势垒被释放时，可通过改变供应给离子门的电极的dc和/或rf电压来调节离子门的有效打开。

在用于评估离子种类的丰度的离子迁移率谱和/或质谱的后处理中且在离子信号的图形表示中优选考虑离子门的传输的任何调节。

在另一实施例中，仅单个迁移率范围的离子被传输到第二离子迁移率分析器，其中，单个迁移率范围是整个迁移率范围的减小的子集。当离子在所述第一离子迁移率分析器中被分离时，仅将所述离子门打开和关闭一次，使得传输的感兴趣的离子基本来自单个迁移率范围。在第二离子迁移率分析器是tims分析器的情况下，tims分析器的直流电场斜坡优选地被调节为使得传输的所述单个迁移率范围的感兴趣的离子基本散布于所述直流电场斜坡的整个宽度。此外，可多次重复从第一离子迁移率分析器释放离子并将离子传输到第二tims分析器的步骤，然后从第二tims分析器释放重复积聚的离子以用于进一步分析。

在另一实施例中，离子从离子源朝向第一离子迁移率分析器传输并在第一离子迁移率分析器的上游被俘获，同时，之前的离子在第一离子迁移率分析器中被分离，具体地，在tims分析器中被分离。

在第二方面中，本发明提供一种用于在质谱仪中分析离子的方法，所述质谱仪包括离子源、两个离子迁移率分析器、质量过滤器和质量分析器，其中，所述两个离子迁移率分析器中的至少第二离子迁移率分析器是俘获离子迁移率谱仪(tims)分析器，所述质量过滤器位于所述两个离子迁移率分析器之间。所述方法包括以下步骤：在第一离子迁移率分析器中根据迁移率在时间上分离离子；在所述质量过滤器中根据质量过滤分离的离子，其中，当离子在所述第一离子迁移率分析器中被分离时所述质量过滤器的传输的质量范围变化；将所过滤的离子传输到第二离子迁移率分析器；以及在所述第二离子迁移率分析器中根据迁移率分离传输的离子。

第二离子迁移率分析器优选为tims分析器，更优选地，两个离子迁移率分析器都是tims分析器。

质量过滤器是低通过滤器、高通过滤器和带通过滤器中的一种，且优选在大于10帕斯卡的气压下操作，更优选地在离子迁移率分析器之一或二者的操作压力下操作。

可以通过获取质谱或获取碎片质谱在所述第二离子迁移率分析器下游对分离的离子进行进一步分析。碎片质谱的获取优选包括在位于第二离子迁移率分析器和碎片单元之间的附加质量过滤器中选择母离子。

在第三方面中，本发明提供一种质谱仪，包括离子源、两个离子迁移率分析器、离子门或质量过滤器、和质量分析器，其中，所述两个离子迁移率分析器中的至少一个是俘获离子迁移率谱仪分析器(tims)，所述离子门或所述质量过滤器位于所述两个离子迁移率分析器之间。所述离子门被构造为在第一迁移率分析器的操作期间改变离子的传输。所述质量过滤器被构造为在所述第一迁移率分析器的操作期间改变传输的质量范围。第二离子迁移率分析器优选为tims分析器，更优选地，两个离子迁移率分析器都是tims分析器。

根据本发明的质谱仪可进一步包括：位于离子门或质量过滤器与第二离子迁移率分析器之间的离子阱，位于第二离子迁移率分析器与质量分析器之间的碎片单元和位于第二离子迁移率分析器与碎片单元之间的附加质量过滤器。附加质量过滤器可以是四极质量过滤器。质谱仪的质量分析器可以是飞行时间质量分析器、具有正交离子注入的飞行时间质量分析器、rf离子阱、dc离子阱(如，轨道阱或卡西尼(cassini)阱)和离子回旋共振阱中的一种。碎片单元可以使用以下碎片技术中的至少一种：碰撞诱导解离(cid)、表面诱导解离(sid)、光离解(pd)、电子捕获解离(ecd)、电子转移解离、和电子碰撞解离(eid)。

离子门优选是离子光学单透镜(ion-opticaleinzellens)或布拉德伯里-尼耳森网格(bradbury-nielsengrid)中的一种，其中，

dc产生器和/或rf产生器连接到网格。以rf电压操作的布拉德伯里

-尼耳森门提供附加优点：在反射高迁移率的离子同时传输低迁移率的离子。质量过滤器优选是罗布艾贝尔(loeb-eiber)过滤器。

附图说明

图1示出普通的俘获离子迁移率谱仪(tims)分析器的装置和操作。顶部：tims装置的示意图。中间：沿z轴的电场强度分布。电场斜坡上的圆点的大小反映其空间电荷。扫描以离子迁移率的顺序释放离子束。底部：根据迁移率在时间上分离的离子脉冲的离子电流，表示离子迁移率谱。

图2示出根据本发明的质谱仪的示意性概览，其具有两个tims分析器以及在其间的离子门。

图3示出图2中示出的第一tims分析器的测得的离子迁移率分辨率rmob(给定低迁移率(k≈0.5m²/vs)的离子)，其为扫描持续时间的函数。扫描持续时间在此定义为从低迁移率(k≈0.5m²/vs)到高迁移率(k≈1.0m²/vs)的全扫描时间。该曲线对于tims是典型的。

图4示意性描绘本发明的装置和装置的操作，其具有第一tims分析器(tims1)、离子门和第二tims分析器(tims2)。下图示出在tims1的场斜坡上收集的离子，其中，标记的离子迁移率范围表示感兴趣的离子。圆点的大小表示每种类型离子的量，从而指示这些离子的空间电荷。在扫描期间，这些离子由门选择并收集在tims2的电场斜坡上。它们可以被分析而不受空间电荷干扰。

图5示出用于通过将离子门打开两次来将来自两个不相交范围的离子迁移率的离子从第一tims分析器传输到第二tims分析器的操作方法。

图6示出用于将感兴趣的离子从第一tims分析器传输到第二tims分析器的操作方法，其中，第二tims分析器的直流电场斜坡被匹配为尽可能收集空间分离的感兴趣的离子。在第一tims分析器的若干扫描时间段进行重复收集可以增加第二tims分析器中收集的离子数。

图7示出在离子源和第一tims分析器之间具有附加离子阱的布置以用于并行离子积聚和扫描。

图8示出一种操作方法，其中，在释放感兴趣的范围内的高丰度的离子期间，通过以适当的时间间隔关闭门，这些离子部分地从第一tims分析器传输到第二tims分析器。

图9示出在印刷电路板上的作为离子门的布拉德伯里-尼耳森网格。

图10示出布拉德伯里-尼耳森网格的一部分的rf赝势的分布，其具有针对充分低迁移率的离子的鞍状通道。

图11概述单次tims扫描期间的不同质量和迁移率的离子种类的释放。在rf布拉德伯里-尼耳森网格在tims扫描期间以降低的电压(rf门控制电压)操作的情况下，单电荷离子可被完全抑制。

具体实施方式

本发明提供一种使用包括串联布置的两个离子迁移率分析器的质谱仪测量离子迁移率和质量的方法，这两个离子迁移率分析器中的至少一个是俘获离子迁移率谱仪(tims)分析器，并且离子迁移率分析器由快速开关离子门分离。第一离子迁移率分析器被扫描并由此以离子的离子迁移率的顺序释放离子。在扫描期间，操作离子门使得来自不感兴趣的离子迁移率范围的离子被停止，而来自感兴趣的迁移率范围的离子被传输到第二离子迁移率分析器以用于进一步分析。传输的离子进入第二离子迁移率分析器，其中它们可以根据其离子迁移率被分析。质谱仪然后可以测量其精确的质量；串联的质谱仪甚至可以测量碎片离子谱以进行更好的识别。

在一个实施例中，感兴趣范围内的高丰度离子的离子脉冲优选通过离子门的短于离子脉冲长度的适当打开间隔而仅部分地传输到第二离子迁移率分析器，使得通过的离子可以根据其离子迁移率以高离子迁移率分辨率被分析并不受空间电荷干扰。感兴趣范围外的离子基本全部被反射。本发明的优点在于显著降低空间电荷对第二tims分析器的扫描的影响，并允许在前一个离子迁移率分析器中有大量的离子。结果，最终的离子迁移率扫描具有更高的离子迁移率分辨率，即使离子量更高，并且迁移率谱或迁移率质谱关于迁移率峰值对(vs.)扫描时间而言更稳定。

在另一实施例中，在第一离子迁移率分析器的单次扫描期间，通过适当打开离子门，若干迁移率范围的离子被传输到第二离子迁移率分析器。

在另一实施例中，通过打开离子门，仅单个迁移率范围的离子被传输到第二离子迁移率分析器。如果第二离子迁移率分析器是tims分析器，则该tims分析器的电场斜坡可以被调节以使得所选择的感兴趣的单个离子迁移率范围的离子几乎散布于电场斜坡的整个宽度。在第一离子迁移率分析器中可以多次积聚和扫描离子，每次都将感兴趣的离子传输到第二离子迁移率分析器，然后从第二离子迁移率分析器扫描离子以用于进一步分析。

第一离子迁移率分析器可以使用通过静态气体(restinggas)的离子束的漂移，但在优选实施例中，两个tims分析器按顺序布置(tims1和tims2)。tims分析器的时间扫描可以是线性的或曲线的，或者可以利用时间缩放来执行，如上述美国专利no.8,766,176b2中描述的。电场势垒的斜坡可以弯曲以降低斜坡上端处的空间电荷，如上述美国专利no.9,304,106b1中描述的。

图2示出飞行时间质谱仪，其具有串联布置的两个tims分析器。第一离子迁移率分析器(tims1)可扫描收集的离子束，从而以离子的离子迁移率顺序释放离子。在扫描期间，离子门交替打开和关闭，其中，关闭以反射(或中和)不想要的离子，而打开以使不同迁移率范围的离子通过。以此方式，可以全部或至少部分反射具有空间电荷的高丰度离子。通过的离子进入第二离子迁移率分析器(tims2)，其中，它们可以根据其离子迁移率以高离子迁移率分辨率被分析并不受空间电荷干扰。质谱仪然后可以测量其精确质量；如图2所示，具有四极质量过滤器和飞行时间分析器的串联质谱仪甚至可以测量碎片离子谱以更好地进行离子种类的识别。

传输到tims2的离子可以来自单个迁移率范围或若干范围，通过相应地开关门来选择。在一个实施例中，来自单个迁移率范围的离子被收集在tims2的平坦的斜坡上，以使离子尽可能地沿着tims2的z轴散布。在此模式下，可以在tims1中多次积聚并扫描离子以在tims2中积聚高质量分析所需的尽可能多的离子。如果在感兴趣的范围内存在具有极高丰度的离子种类，则通过反射这些离子中的最大部分，仅这些离子中的一小部分可以被传输。离子门优选比离开第一离子迁移率分析器的离子脉冲的时间宽度开关更快。通过扫描而释放的离子脉冲的长度在毫秒量级，而门的开关时间可以低于微秒；因此，可以容易地将离子脉冲分成多个部分。

尽管tims2的径向限定的rf场优选是四极的以实现高离子迁移率分辨率，tims1可显示具有更高内径和/或具有数目更多的径向rf场(如，六极、八极或十二极)或具有rf通道的管。此外，离子阱可位于tims1上游以在tims1的扫描期间积聚来自离子源的离子。如果可以质量选择性地卸载阱，则甚至tims1也可免于空间电荷影响。

图3示出测量的tims1的离子迁移率分辨率的相关性，其中，离子门和tims2打开以用于离子传输。由于沿着两个tims装置的轻微的压力减少，测得的tims2的离子迁移率分辨率稍微降低(对于1000毫秒的扫描持续时间，rmob＝140而不是rmob＝145)。

图4在顶部示出由离子门分离的两个串联的tims装置(tims1,tims2)。在此实施例中，离子门形成为离子光学单透镜。门可以在不到微秒的时间内打开和关闭。在tims1的扫描期间，可以以适当方式打开和关闭门以挑选出感兴趣的离子。传输到tims2的感兴趣的离子可以来源于单个迁移率范围，如图4的底部中所示的。

图5示出优选操作模式，其具有多于一个感兴趣的离子迁移率范围。在此，在tims1的单次扫描中，通过在tims1的单次扫描期间两次打开和关闭离子门，来自两个不连续迁移率范围的感兴趣的离子从tims1传输到tims2。

图6示出特定操作模式。来自单个迁移率范围的离子被收集在tims2的平坦斜坡上，以使离子尽可能地沿着tims2的z轴散布。在此模式下，甚至可在tims1中多次积聚并扫描离子以在tims2中积聚高质量分析所需的尽可能多的离子。在tims1中通过以下方式应用时间缩放可以显著缩短tims1的总扫描时间：快速扫描到感兴趣的离子的区域(几乎是跳跃)，然后慢速扫描感兴趣的离子，且然后跳跃以除去剩余的高迁移率离子。这种时间缩放可将总扫描持续时间缩短至约10毫秒，且仍然在tims1中实现rmob>100的迁移率分辨率以整齐地切出感兴趣的离子。在tims2中积聚多次扫描(如，10次扫描)的离子，这允许在tims2中利用高离子迁移率分辨率进行离子迁移率分析。

目前为止描述的串联的tims装置必须在额外的时间阶段中加载有来自离子源的离子，这减少了仪器的占空比。在优选实施例中，可存在位于离子源和tims1之间的附加离子阱以在tims1的扫描期间积聚来自离子源的离子，这类似于上面引用的在美国专利申请no.14/614,456中描述的具有并行积聚的tims。图7示出具有附加离子阱的该装置的方案。离子阱可以是能够存储离子的任何装置。优选的离子阱是线性rf四极离子导向器，其在压力为几百帕斯卡的气体中工作，在两端处具有直流势垒。

在tims2中积聚tims1的多次扫描的离子导致tims2在其自身扫描时不能接受来自tims1的离子的问题。该方法具有占空比低(降低到50％)的缺点。通过使用在离子源和tims1之间的第一离子阱以及在离子门和tims2之间的第二离子阱，可针对串联的tims装置实现100％占空比。tims1的多次扫描(优选地，具有时间缩放的非线性扫描)可递送一个或更多个选择的迁移率范围的离子。这些离子积聚在第二离子阱中，并且，在tims2准备好时，这些离子从第二离子阱传输到tims2并且在那里按迁移率分离。第二离子阱可以是能够存储离子的任何装置；然而，在优选实施例中，线性rf四极离子导向器用作离子阱，其在压力为几百帕斯卡的气体中工作，在两端处具有直流势垒。

如果在感兴趣的离子迁移率范围内存在具有极高丰度的离子种类，则通过反射、偏转或中和这些离子的最大部分，可传输该离子种类的离子的仅一小部分，如图8中示意性示出的。由扫描释放的离子脉冲的持续时间是毫秒量级，而门的开关时间低于微秒；因此，可以被容易地将离子脉冲分成各个部分，如图中用符号指示的。

为了降低生产成本，可使tims1和tims2相同。然而，这不是绝对必要的。尽管tims2内的场应当是四极的以实现高离子迁移率分辨率，但是tims1可显示具有更高内径和/或具有数目更多的径向rf场(如，六极、八极或十二极)的管。甚至可以使用堆叠的环形离子导向器。以此方式，tims1可积聚更多离子，并且扫描受空间电荷的影响较小。这种类型的tims装置在美国专利申请no.15/172,237(th.betz、m.a.park和o.raether，2016年)中有所描述。

离子门可以是具有三个孔的简单的离子单透镜，如图4所示。其他实施例可包括用直流电压操作的布拉德伯里-尼耳森门。图9中示出具有可被交替提供正电压和负电压的导线的布拉德伯里-尼耳森门。

在替代操作模式下，布拉德伯里-尼耳森门以rf电压工作，在导线周围形成反射赝势，如图10中所示。该rf布拉德伯里-尼耳森门具有在反射低质量(高迁移率)的离子的同时传输高质量(低迁移率)的离子的额外优点，传输的限制取决于导线上的rf电压(门控制电压)。可在不同应用中使用该效果。作为示例，图11示意性描绘在tims1的扫描期间获取的根据离子迁移率分离的离子脉冲的质谱。在质量-迁移率图的下部中形成带的单电荷离子通常相当不适用于进一步分析。在tims1的扫描期间使用具有降低的rf门控制电压(如粗虚线所指示的)的rf布拉德伯里-尼耳森门来保持单电荷离子远离tims2。该概念可概括为使得作为例如在此范围中的化学背景的任何不期望的种类可与图11中的虚线之上的期望的离子种类分离。

本发明的如图2和图7的布置还可用于研究离子操纵效果。作为示例，由离子门选择的不同离子迁移率的离子种类可在离子门和tims2之间通过10至60伏的电压加速。与气流分子的许多次碰撞可以例如通过部分展开高度折叠的离子来改变分子构型。然后可由tims2分析所导致的碰撞截面的改变。作为另一示例，不同漂移气体可用在tims1和tims2中，例如，在tims1中为n2且在tims2中为co2。或者，可在tims2使用附加气体(“改性剂(modifier)”)，例如，sf6或小的有机化合物气体。