可切换分支式离子导向器的制作方法

专利名称：可切换分支式离子导向器的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及质谱仪，并且更具体地涉及用于质谱仪的四极离 子导向器。
背景技术：
四极离子导向器在质谱仪领域中用于在质谱仪区域之间传输离子已 经是公知的。总的来说，这种离子导向器由两对加长电极构成，其中这两 对加长电极上施加有相位相反的射频电压。由此径向产生的基本为四极的 电场将离子限制在离子导向器内以便离子沿着在离子导向器的入口和出 口端之间延伸的轴向路径基本没有损耗地传输。
在常规的质语仪中，离子沿着离子源和至少 一个质量分析器之间延伸 的单个路径进行传输。近年来，已经对具有更复杂体系结构的质谱仪系统
的开发极为重视，这就要求离子可选择地在两个或多个可替换路径中切 换。例如，混合质语仪可采用并行布置的两种不同类型的质量分析器，离 子可控制地导向到这两个质量分析器中所选择的一个上。在另一个示例 中，离子可在第一路径和第二路径之间切换，在第一路径中它们进入到碰 撞单元并且分裂成产物离子，在第二路径上它们保持完整。在又一个示例 中，在两种不同的离子源之一中产生的离子选择性地允许进入到质量分析器中。
这种质谱仪的成功操作要求离子路径的切换以不导致离子损耗到不 可接受的程度并且不区分质量而对待的方式进行。还希望在多个路径之间 较快地切换。现有技术中几乎没有任何设备能够满足这些标准。

发明内容
大概说来，本发明的实施例采取了可切换分支式离子导向器的形式， 该可切换分支式离子导向器包括干路段、至少第一和第二分支段、以及将
千路段和分支段连接的连接点。干路和分支段可由平行布置的两个Y型扁 平电极和在通常垂直于Y型电极平面的平面中布置的多个侧电极构成。将 相位相反的射频电压施加到Y型电极以及侧电极上，从而将离子径向限制 在干路段和分支段的内部容积中。
位于连接点处的阀门部件可控地在第一位置和第二位置之间移动。当 阀门部件移动到第一位置时，第一分支萃殳"打开"，由此使离子可以在干 路段和第一分支段的内部容积之间移动，并且第二分支段"闭合"，由此 阻止离子在干路段和第二分支段之间移动。同样，阀门部件移动到第二位 置上闭合了第一分支段并且打开了第二分支段。以这种方式，离子可控地 在两个路径之间切换，第一路径包括第一分支段内部容积，第二路径包括 第二分支段内部容积。在某些实施例中，阀门部件可使用在至少一个中间 位置中，由此离子可在干路^R与第一和第二分支羊殳之间移动。
阀门部件的移动可包括转动和/或滑动动作。阀门部件可由压电、7Ja兹、 机电、气动或者其他合适的装置来可控地致动。


图1A示出根据本发明第一实施例的可切换分支式离子导向器的透视 图，其中阀门部件可在所选择的位置之间转动；
图1B示出图1A的可切换分支式离子导向器系统的透视图，其中去掉 上部Y型电极以更清楚地示出离子导向器的特征；
7图2A示出可切换分支式离子导向器的顶视图，其中阀门部件处于第 一位置；
图2B示出可切换分支式离子导向器的顶4见图，其中阀门部件移动到 第二位置；
图2C示出可切换分支式离子导向器的顶视图，其中阀门部件移动到 中间位置；
图3A示出采用可切换分支式离子导向器的质谱仪体系结构的第一示
例；
图3B示出采用可切换分支式离子导向器的质谱仪体系结构的第二示
例；
图4A示出根据本发明第二实施例的可切换分支式离子导向器的透视 图，其中阀门部件可滑动地在所选位置之间移动，阀门部件位于第一位置；
图4B示出图4A的可切换分支式离子导向器的透视图，其中阀门部件 已经移动到第二位置；以及
图4C示出图4A的可切换分支式离子导向器的透视图，其中阀门部件 已经移动到第三位置。
具体实施例方式
图1A示出根据第一实施例的包括阀门部件140的可切换分支式离子 导向器100的透^L图。该可切换分支式离子导向器100由上部Y型平面电 极110a和下部Y型电极110b,多个侧电极120a、 120b、 130a和130b形 成，其中该多个侧电极120a、 120b、 130a和130b方位通常为相对Y型电 极110a和110b的平面垂直。该垂直侧电极共同限定出第一分支段132, 第二分支段134,干路段136，以及将第一和第二分支段132和134与干 路段136连接的连^妻点138。尽管上部和下部平面电极110a和110b示出 为具有单片结构，但是该分支式离子导向器的其他实施方式可采用具有分 萃殳式结构的上部和下部电才及。
如本领域中所/^知的，通过施加合适的射频(RF)电压到各个电极上，可以将离子径向限制在分支段和干路段的内部容积内。更特别的是，可通
过施加相位相反的RF电压(例如，由RF/DC电源144所供给的)给Y型 电极110a和110b以及侧电极120a， 120b, 130a和130b。如果想要用也 是本领域公知的方式，还可以将适量的直流(DC)分量施加到电极上以提 供离子滤质。如本领域进一步公知的，可通过使用辅助杆(auxiliaryrod)(例 如，在Thomson等人的专利号为6,111,250的美国专利中所4皮露的)或者 其他合适的对策来产生轴向DC电场，从而推动离子轴向通过离子导向器 100。诸如氦气或氮气那样的惰性气体可添加到离子导向器100的内部， 以提供离子的动力冷却并且有助于将离子汇聚到正确的轴线上。如果想要 离子分裂，那么可在离子导向器100内或者在进入离子导向器100之前将 离子加速到高速，使得它们与緩冲气体的原子或分子进行能量碰撞。离子 还可与活性气体进行低速的相互作用，并且离解成产物离子。还可在一个 或多个碰撞/反应单元中执行分裂，其中该碰撞/反应单元可位于离子导向 器100的离子路径中的上游或下游。
离子导向器100内离子行进的路径由定位可控阀门部件140来确定。 根据图l的实施例，阀门部件140构造成加长臂，该加长臂可绕着转动点 150旋转转动。阀门部件140的设计参考图1B会更容易理解，其中图1B 示出了去掉上部Y型电极110a的离子导向器100。尽管阀门部件140在附 图中示出为具有基本上为直的或者略微弯曲的侧面，但是在离子导向器 100的一个优选实施方式中，岡门部件140具有相对的弓形表面，该弓形 表面具有大致上与侧电极130a和130b的对应弯曲部分匹配的弯曲部分。 阀门部件140可由导电材料(例如，不锈钢)或者涂敷导电材料的绝缘体 (例如，陶资)形成。将阀门部件140布置成例如通过与侧电极之一电接 触或者经由与RF电压源的分立连接而与侧电极通电，从而产生基本上四 极电场，将离子径向限制成沿着所选路径。由于阀门部件140优选地构造 成使得电场不均匀性最小，因此离子经受的电场基本与其沿着第一或第二 分支段的位置无关。
在图1A和1B中，阀门部件140设置在第一位置，在该第一位置中 允许离子在千路段136与第一分支段132的内部容积之间迁移，而阻止离子在干路段136和第二分支134的内部容积之间迁移。如下面进一步描述 的，离子导向器100本来是双向的，可以被构造成离子从干路段136迁 移到分支段中所选择的一个上，或者可替换地从分支段中所选择的一个迁 移到千路段136上。
切换式离子导向器100的切换在图2A和2B中示出。在图2A中，阀 门部件140设置在上述的第一位置上，在该第一位置上允许离子沿着路径 202在第一分支段132和干路段136的内部之间迁移。在图2B中，阀门部 件绕着转动点150旋转到第二位置，在该第二位置上，离子可沿着路径204 在第二分支段134和干路革史136的内部容积之间迁移，而阻止离子从第一 分支段132和千路段136之间迁移。阀门部件140在第一和第二位置之间 的移动可通过本领域已经爿〉知的各种机构中的一个来实现，该各种才几构包 括但不局限于机电致动器、压电致动器、液压致动器、以及永磁致动器。 尽管具体的切换速度要求会根据其中使用分支式离子导向器100的质谱仪 的特定结构和应用而变化，但是通常希望切换快速进行并且没有阀门部件 过量的"跳动"。
在分支式离子导向器IOO的某些实施方式中，有利的是允许阀门部件 140定位在第一和第二位置中间的第三位置。如图2C所示，在该中间位置， 离子可在干路段136与两个分支段132和134的内部容积之间迁移。例如 可采用这种情形来将两股从分支段流入的离子流组合成流过干路段的单 股离子流，或者可替换地将流过干路段的单股离子流分裂成通过第一和第 二分支段的两股离子流。尽管图2C示出该中间位置为第一和第二位置之 间的中路从而对分支段中迁移的离子起到在其间等分(或者等合)的作用， 但是也可以或者可替换地期望能将阀门部件140定位成一个或多个中间位 置，藉此离子可以优先地(但不是排他性地)直接进入到两个分支中的一 个，即，直接使得离子流的不等部分通过干路段136迁移到第一和第二分 支段132和134。然而，本领域的技术人员意识到在阀门部件140设置在 中间位置时离子传输由于四极电场的变形而严重反向地施加。
图3A和3B示出了采用分支式离子导向器100的质谱仪体系结构的两 个示例。在图3A所示的第一示例中，将分支式离子导向器IOO用于可控地引导离子源302产生的离子流进入到质量分析器304和306中^支选择的 一个(或者两者)。离子源302 (例如，其可釆用诸如电子喷雾或者气压化 学离子化源之类的连续离子源，或者诸如矩阵辅助(matrix-assisted)激光 解吸付离子化(MALDI)源之类的脉冲式离子源)中产生的离子流进干路 段136的端部，并且向连接点138迁移。根据阀门部件的位置，离子或者 进入到第一分支段132的内部容积或者进入到笫二分支段134的内部容积 中(或者，如果阀门部件140设置在中间位置，那么进入到这两者的内部 容积中)。图3A示出阀门部件140设置在第一位置，借此将离子导入到第 一分支段132中。导入到第一分支段132的离子迁移到第一质量分析器 304，并在此确定离子(或者它们的产物)的质荷比(mass-to-charge ratio )。 同样，导入到第二分支段134中的离子迁移到第二质量分析器306中，用 于确定它们的质荷比(或者它们的产物的质荷比)。第一和第二质量分析 器302和304可以类型相同或者不同，并且可包括本领J成中^^知的质量分 析器中任何一个或者其组合，包括但不局限于四极离子阀、四极滤质器、 静电离子阀、飞行时间(time of flight)分析器、磁性扇区分析器、以及傅 立叶变换/离子回旋共振(FTICR)分析器。
图3B示出仪器体系结构的第二实施例，其中离子导向器100以与图 3A示例相反的方位构造，由此离子/人所选择的一个分支l殳的内部容积流入 到干路段136的内部容积中。在该实施例中，应用离子导向器100以可控 地将第 一和第二离子源310和312中所选择的 一个产生的离子流导入到干 路,更136中，然后导入到质量分析器314中。离子源310和312可以采取 本领域中公知的离子源(包括但不局限于上述的那些离子源)的任何一种 或者其组合，并且可以类型相同或不同。阀门部件140的位置确定了哪些 离子流允许进入到干路段136中。图3B示出阀门部件140设置在第一位 置中，由此离子从第一离子源310引导通过第一分支段132并导入到干路 ,殳U6中。当阀门部件140移动到第二位置时，离子从第二离子源312通 过第二分支段134迁移到干路段136中。如果阀门部件312还可定位于第 三、中间位置，那么离子可从两个分支段迁移到千路段136中。进入到干 路段136中的离子可穿越干路段的长度并进入到质量分析器314 (其可为 任何合适的类型，包括上述的那些)，用于确定离子和/或它们的分裂产物的质4肓比。
应当知道，图3A和3B中示出的仪器体系结构仅仅旨在作为其中可以釆用可切换分支式离子导向器的环境的示意性示例，并且不应当考虑成将该分支式离子导向器局限为任何特定的应用。本领域的技术人员还会意识到可串联组合两个或更多的上述类型的可切换分支式离子导向器，以提供
三个或更多的离子路径之间的切^:。
图4A-4C示出可切换分支式离子导向器400的第二实施例，其具有可滑动定位的阀门部件410。分支式离子导向器400包括间隔开的上部和下部平面三叉电极420a和420b,以及方位相对上部和下部电才及420a和420b大体垂直的侧电极430a、 430b、 440a和440b。总体来i兌，上部和下部电极以及侧电极限定出第一、第二和第三分支段445、 450和455、干路段460、以及将千路段连接到分支段的连接点470。再次，如本领域所公知的，将相位相反的射频电压施加到上部/下部以及侧电极对上，从而产生基本上四极的电场，其将离子径向限制在各个段的内部容积中。
分支式离子导向器400的切换由在通常与离子迁移的方向横向的方向上可控地滑动阀门部件410完成。侧电极430a和430b具有开口 475a和745b，其中阀门部件410的端部突出通过开口 475a和475b,从而允许其滑动。岡门部件410可实现为具有一组通道480a， 480b和480c形成在其中的阻块。尽管附图中未示出，但是这些通道会由一个或多个连接部件来横向桥接，为阀门部件410提供结构完整性却较佳地基本不阻止离子流动。例如，每个通道可通过一组上部和下部U型连接部件进行桥接，这些U型连接部件具有分别固定到阀门部件410的上、下表面上的端部。通道480a、480b和480c每个都具有基本上恒定的横截面面积，并且形状为与限定对应分支段的电极曲面的边缘表面匹配通道480a与第一分支段445匹配，通道480b与第二分支段450匹配，通道480c与第三分支段455匹配。阀门部件410被放置成例如通过与侧电极之一电连接或者通过到RF电压源上的分立连接而与侧电极通电，以便产生基本上四极的电场，将离子径向限制到沿着所选的路径。因为阀门部件410被构造成使得电场不均匀性最小，所以离子经受的电场基本与其沿着第一、第二或第三分支段的位置无关。
离子导向器400内离子行进的路径由岡门部件410的位置来确定。图4A， 4B和4C分别示出阀门部件410在其第一，第二和第三位置上。在第一位置上，离子迁移允许在千路段460与第一分支段445的内部容积之间进行并且在干路段460与第二和第三分支段450和455的内部容积之间阻断(由于固体表面的出现)。当阀门部件移动到图4B所示的第二位置上时，离子迁移允许在干路段460与第二分支段450的内部容积之间进行，而在千路段460与第 一和第三分支段445和455的内部容积之间阻断。最后，当阀门部件移动到图4C所示的第二位置上时，离子迁移允许在干路l更460与第三分支段455的内部容积之间进行，而在干路段460与第一和笫二分支段445和450的内部容积之间阻断。阀门部件410在各个位置之间的移动可通过本领域中公知的各种机构中的一个来实现，这些机构包括但不局限于机电致动器、压电致动器、液压致动器、以及永磁致动器。
这里所述的实施例对本发明起说明作用。因为本发明的这些实施例参考图示说明进行描述，但是所描述的方法和/或特定结构的各种变形或调整对于本领域的技术人员来说是显而易见的。通过这些依赖于本发明的教导的修改、调整或者变形那些教导加强了该技术，所有这些修改、调整或者变形被认为在本发明的精神和范围之内。因此，我们知道本发明绝不仅局限为图示说明的实施例，故这些说明书和附图不应当被认为有限制意义。
1权利要求
1、一种可切换分支式离子导向器，包括干路段、第一分支段、第二分支段、以及将该干路段与第一和第二分支段相连的连接点，干路段以及第一和第二分支段中每一个都包括至少两个电极对，其中将相位相反的射频电压施加到该至少两个电极对上；以及位于连接点上的阀门部件，该阀门部件可在第一位置和第二位置之间移动，该第一位置允许离子迁移在干路段与第一分支段的内部容积之间进行并且阻止离子迁移在干路段与第二分支段的内部容积之间进行，该第二位置允许离子迁移在干路段与第二分支段的内部容积之间进行并且阻止离子迁移在干路段与第一分支段的内部容积之间进行。
2、 权利要求1的离子导向器，其中该阀门部件包括可绕转动点旋转 的臂。
3、 权利要求1的离子导向器，其中该阀门部件包括具有多个通道的 可滑动阻块。
4、 权利要求1的离子导向器，其中离子从干路段的内部容积穿行到 笫一和第二分支段中所选择的一个分支段的内部容积中。
5、 权利要求1的离子导向器，其中离子从笫一和第二分支段中所选 择的一个分支段的内部容积穿行到干路段的内部容积中。
6、 权利要求1的离子导向器，其中该阀门部件可移动到第三位置， 该第三位置允许离子迁移在干路段的内部容积与第一和第二分支段的内 部容积之间进行。
7、 权利要求1的离子导向器，其中第一和第二分支段、干路段以及 连接点由第一和第二 Y型平面电极以及多个平面侧电极限定，该第一和第 二Y型平面电极以大体平行、间隔开的关系来布置，该多个平面侧电极的 方位相对该Y型电才及大体垂直。
8、 权利要求7的离子导向器，其中该阀门部件包括可绕转动点旋转 的臂，该臂具有相对的弓形表面，该弓形表面具有与对应的侧电极基本上匹配的曲面。
9、 权利要求1的离子导向器，其中该阀门部件由机电致动器可控地 定位。
10、 权利要求l的离子导向器，还包括第三分支段，并且其中该阀门 部件可移动到第三位置上，该第三位置允许离子迁移在干路段和第三分支 段之间进行。
11、 一种质镨仪系统，包括 离子源；可切换分支式离子导向器，该离子导向器具有构造成从离子源接收离 子的干路段，该离子导向器还包括第一分支段、第二分支段、以及将该干路段与第一和第二分支段相连 的连接点，干路段以及第一和第二分支段中每一个都包括至少两个电极对， 其中将相位相反的射频电压施加到该至少两个电极对上；以及位于连接点上的阀门部件，该阀门部件可在第一位置和第二位置之间 移动，该第 一位置允许离子迁移从千路段的内部容积进行到第 一分支段的 内部容积中并且阻止离子迁移从干路段的内部容积进行到第二分支段的 内部容积中，该第二位置允许离子迁移从干路段的内部容积进行到第二分 支段的内部容积中并且阻止离子迁移从干路段的内部容积进行到第一分 支,殳的内部容积中；以及构造成分别从第 一和第二分支段接收离子的第一和第二质量分析器。
12、 权利要求11的质谱仪系统，其中第一和第二质量分析器的类型不同。
13、 权利要求11的质谱仪系统，其中该阀门部件包括可绕转动点旋转 的臂。
14、 权利要求11的质谱仪系统，其中第一和第二分支段、干路段以及 连接点由第一和第二Y型平面电极以及多个平面侧电极限定，该第一和第 二Y型平面电极以大体平行、间隔开的关系布置，该多个平面侧电极的方 位相对该Y型电极大体垂直。
15、 权利要求11的质谨-仪系统，其中该阀门部件可移动到第三位置上， 该第三位置使离子迁移可以从干路段的内部容积进行到第一和第二分支 羊殳的内部容积中。
16、 一种质"i脊仪系统，包括 第一和第二离子源；可切换分支式离子导向器，该离子导向器具有分别构造成从第一和第 二离子源接收离子的第一和第二分支段，该离子导向器还包括干路段以及 将该千路段与第一和第二分支段相连的连接点，干路段以及第一和第二分 支段中每一个包括至少两个电极对，其中将相位相反的射频电压施加到该 至少两个电极对上；位于该连接点上的阀门部件，该阀门部件可在第一位置和第二位置之 间移动，其中该第一位置允许离子迁移从第一分支段的内部容积进行到千 路段的内部容积中并且阻止离子迁移从第二分支段的内部容积进行到千 路段的内部容积中，该第二位置允许离子迁移从第二分支段的内部容积进 行到干路段的内部容积中并且阻止离子迁移从第 一分支段的内部容积进 行到干路段的内部容积中；以及构造成从干路段接收离子的质量分析器。
17、 权利要求16的质镨仪系统，其中该第一和第二离子源类型不同。
18、 权利要求16的质谙仪系统，其中该阀门部件包括可绕转动点旋 转的臂。
19、 权利要求16的质镨仪系统，其中该第一和第二分支段、干路段 以及连接点由第一和第二 Y型平面电极以及多个平面侧电极限定，该第一 和第二 Y型平面电极以大体平行、间隔开的关系布置，该多个平面侧电极 的方位相对Y型电极大体垂直。
20、 权利要求16的质谱仪系统，其中该阀门部件可移动到第三位置 上，该第三位置使离子迁移从第 一和第二分支段的内部容积进行到干路段 的内部容积中。
21、 权利要求l的离子导向器，其中将惰性或者活性气体加入到离子导向器的内部容积中，为离子提供冷却或分裂。
22、权利要求1的离子导向器，还包括用于产生轴向DC电场以助于推动离子通过离子导向器的装置。
全文摘要
本发明公开一种可切换分支式离子导向器。该可切换分支式离子导向器包括干路段、第一和第二分支段、将该干路段连到分支段的连接点、以及位于该连接点上的可移动阀门部件。该阀门部件可在第一位置和第二位置之间移动，其中第一位置上允许离子迁移在干路段和第一分支段之间进行，而禁止离子迁移在干路段和第二分支段之间进行，在第二位置上允许离子迁移在干路段和第二分支段之间进行，而阻止离子迁移在干路段和第一分支段之间进行。该分支式离子导向器可用来，例如可控地切换两个目的地比如质量分析器之间的离子流。
文档编号H01J49/42GK101484970SQ200780016378
公开日2009年7月15日 申请日期2007年5月1日 优先权日2006年5月12日
发明者艾伦·E·肖恩 申请人:塞莫费尼根股份有限公司