用于填充离子检测器单元的方法和装置的制作方法

专利名称：用于填充离子检测器单元的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用离子来填充质量分析器，尤其是在包括线性安排的离子处理 组件的质谱装置中。
背景技术：
在径向上对离子利用磁约束以及利用DC电压进行轴向约束的离子捕获质谱仪被 称为彭宁阱(Penning Trap)或离子回旋共振质谱仪(ICR-MS)。捕获单元中的离子以取 决于磁场强度和该离子的质荷(m/z)比的频率振荡。检测器单元中所捕获的离子能通过 谐振激励从以这些离子的振荡频率交变的所施加电场吸收能量，并且能通过藉由本领域 已知手段测量由于这些离子的振荡电荷而在捕获单元壁中所感生的电动势(EMF)被检测 至IJ。傅里叶变换质谱仪(FTMS)通过借助于包含某个范围的频率的电压脉冲或借助于快 速频率扫描在检测器单元中激励离子从而在激励频率匹配离子振荡频率时增大该单元中 存在的所有离子的能量来检测这些离子的质量。检测到的电压是与被激励的所有离子的 固有振荡相对应的复合频率混合。对时域电压的傅里叶变换得到直接代表所存在离子的 质量和相对丰度的频域频谱。离子是在位于磁场外部的离子源中形成的，并且必需在离子捕获设备中累积并 随后传输到检测器单元中并处于该磁场中。由于没有在通过感应EMF来检测离子时增加 被检测到的带电粒子数目的固有手段，如在利用电子倍增器的其他类型的质谱仪中常见 的，必须具有能保持几百万个离子的大容量检测器单元。对于最小可检测电压通常需要 至少100个离子。本领域已知在包括多极(诸如六极或八极)电极结构的射频(RF)离子 阱中累积电子，向这些电极施加RF电压以在径向上约束离子。向位于累积阱的轴上的孔 以及在该阱的入口端和出口端施加的DC电压在轴向上约束这些离子。

图1是典型FTMS系统100的示意图。在此示意图中，离子沿轴在从左向右的 大致方向上行进，绕该轴安排了各种离子控制设备。FTMS系统100 —般包括离子源(未 示出)、沿该轴相继以离子累积器102、遮挡件104、离子导向器106、离子减速器108和 离子检测器单元110。FTMS系统100还包括外壳112，其封装离子累积器102、遮挡件 104、离子导向器106、离子减速器108和离子检测器单元110。外壳112限定了在具有 位于轴上的差动泵吸孔120的边界118处邻接的第一真空区域(或泵吸级)114和第二真 空区域(或泵吸级)116。离子累积器102和遮挡件104位于第一泵吸区域114中，而离 子导向器106、离子减速器108和离子检测器单元110位于第二泵吸区域116中。合适的 真空泵122、124分别使第一真空区域114维持在真空压力P1以及使第二真空区域116维 持在低于P1的真空压力P2。FTMS系统100还包括同轴地围绕离子检测器单元110并且 还可围绕离子减速器108以及一部分离子导向器106的合适磁体126 (例如，包括超导磁 体)。图2A是图1中所示的离子累积器102、遮挡件104和离子导向器106的侧(纵 向)视图。离子累积器102和离子导向器106通常构造成作为离子阱操作的线性多极电极组。每个电极组包括一组并行电极232、234，它们沿轴延伸并且在与该轴正交的横断 面上绕该轴在圆周上以径向距离彼此间隔开，从而界定可将离子约束在其中并且离子在 其中行进的轴向延展的内部空间。通常，每个电极组包括6个电极232、234(六极装置) 或8个电极232、234(八极装置)。RF电压源(未示出)以已知方式连接到电极232、 234，从而施加将离子的径向运动约束在沿轴的区域中的线性(二维)RF捕获场。各个 透镜236、238用作离子累积器102的离子入口和离子出口。另一透镜242用作离子导向 器106的离子入口， 而又一透镜(未示出)用作离子导向器106的离子出口。透镜236、 238、242通常是带有位于轴上的孔且连接到DC电压源(未示出)的板。遮挡件104通 常是配置成引导离子通过位于真空区域114和116之间的差动泵吸孔120 (图1)的一系列 透镜244。遮挡件104通常还包括可移动的机械遮挡元件(未示出)。作为RF多极装置 的替换，离子导向器106可设置为一系列轴向间隔开的DC透镜，它们将同样作用于在离 子向离子检测器单元110行进时在径向上约束离子。在操作中，在离子源中从分子样本产生的离子248在离子累积器102中传送。在 离子累积器102中，离子在径向上由向电极232施加的RF电压约束，且在轴向上由向入 口透镜236和出口透镜238施加的DC电压约束。图2B示出了当在离子累积器102中捕 获离子时向离子累积器102、遮挡件104和离子导向器106施加的典型DC电压。假定离 子带正电，则向入口透镜236施加正DC电压(例如，+5V)，不向离子累积器102的电 极232施加DC电压，向出口透镜238施加相对较高的DC电压(例如，+20V)，以及向 离子导向器106的电极234施加负DC电压(例如，-7V)。离子累积器102入口处的低 势垒允许离子进入离子累积器102。离子累积器102出口处的高势垒阻止离子完全穿过离 子累积器102，同时离子累积在其中。添加诸如氦之类的阻尼气体允许通过碰撞来去除过 多的动能，从而离子将不会因从入口透镜236的孔中离开而从离子累积器102逃逸。图3A和3B示出了从离子累积器102提取离子。图3A是与图2A类似的离子 累积器102、遮挡件104和离子导向器106的侧(轴向)视图，而图3B示出了在从离子 累积器102提取所捕获离子时向离子累积器102、遮挡件104和离子导向器106施加的典 型DC电压。通过降低出口透镜238处的势全——举例而言通过如图3B中所示地将出口 透镜238上的DC电压从+20V变为-20V——来从离子累积器102移除离子。此外，在 现有技术设备中，累积大量离子从而在这些离子之间形成空间电荷排斥。空间电荷排斥 连同来自离子累积器102的出口透镜238的吸引势使得离子从离子累积器102移除且被引 导通过遮挡件104并进入离子导向器106。在从离子累积器102提取离子期间，遮挡件 104的遮挡元件打开以允许离子通过并在离子已通过之后关闭以减少对第二泵吸区域116 中的真空泵124(图1)的气体负荷，从而允许在随后的质量分析时间期间维持较低压力。 在横越差动泵吸孔120(图1)之后，离子随后在离子导向器106中行进。离开离子导向 器106的离子250被减速并传送到磁场中以及离子检测器单元110中。图4A是图1中所示的离子减速器108和离子检测器单元110以及离子检测器单 元110之前的一部分离子导向器106的侧(轴向)视图。离子检测器单元110通常包括 具有沿轴对准的相应孔的三个轴向间隔开的电极454、456、458(圆柱形环或板)、以及 位于各个轴向端的捕获板108、462。离子入口处的捕获板108通常是带孔的透镜，且通 常用作离子减速器108。中心电极456进一步分段成径向四分段(未示出)，从而具有能被用作进行离子检测和质量测量的发射电极和接收电极的成对的相对部分。除了向电极 454、456、458施加交变频率的电压以进行离子检测以外，每个电极454、456、458还可 被施加DC电势。图4B示出了当在离子检测器单元110中接纳离子时向离子导向器106、 离子减速器108和离子检测器单元110的各个电极施加的典型DC电压，并且还示意性地 示出了此时间期间的离子轨迹。如上所述地向离子导向器106的电极234施加负DC电 压(例如，-7V)，不向离子减速器108施加DC电压，向第一内电极454施加正DC电压 (例如，+0.2V)，不向中心电极456施加DC电压，向第二内电极458施加正DC电压(例 如，+0.2V),以及向远端捕获板462施加正DC电压(例如，+15V)。离子检测器单元 110的远端处的电压具有所施加的排斥性DC电势以阻止传入的离子在这一端从检测器单 元110逃逸，如图4B中的离子轨迹示意性地指出的。离子在径向上被磁场约束。类似 于以上关于累积器阱102所描述的，离子检测器单元110入口(近)端处的电势被减小， 从而允许来自累积器阱102的离子进入检测器单元110。一旦离子包已进入离子检测器单 元110，入口处的电势就被增大以阻止检测器单元110中的离子从入口端逃逸。这在图 5A和5B中示出。图5A是与图4A类似的离子减速器108、离子检测器单元110和一部 分离子导向器106的侧(轴向)视图，而图5B示出了当在离子检测器单元110中捕获离 子时向离子导向器106、离子减速器108和离子检测器单元110施加的典型DC电压。图 5B还示意性地示出了此时间期间的离子轨迹。离子检测器单元110入口处的高势垒是通 过将减速器108上的DC电压从OV变为+15V来达成的。 诸如以上描述且在图1-5B中示出的常规FTMS系统具有显著的缺陷。从累积器 阱102朝检测器单元110行进的离子由于其质量和速率的缘故在空间和时间上扩散。由 于用于从累积器阱102移除离子的电场的初始条件和分布造成离子的能量变化，因此将 发生相同质量的离子的进一步扩散。由于离子在空间和时间上的扩散，很难高效率地将 大质量范围的离子运输到检测器单元110中。而且，对离子空间电荷以及累积器阱102 与出口孔238之间的电压差的组合的依赖造成可变且高度非线性的离子提取场，其进一 步降低了效率以及能够被捕获在检测器单元110中的离子质量范围。此外，在从累积器 阱102移除电荷时，从空间电荷形成的电场发生变化。空间电荷力是电荷数目及其空间 分布外加质量的函数。此外，检测器110入口处单透镜形式的减速器108不能既沿轴又 离轴地产生均勻电场，相反该场将是非均勻的，即场强(V/mm)将不是恒定的。鉴于上述内容，需要用于将离子从累积器阱运输到检测器单元中的更高效的方 法和装置。还需要允许同时传输且在检测器单元中捕获大质量范围的离子的方法和装 置。

发明内容
为了全部或部分地解决前述问题和/或本领域技术人员可能已观察到的其他问 题，本公开提供了方法、过程、系统、装置、器械和/或设备，如以下阐述的实现中作 为示例描述的。根据一种实现，提供了一种用于填充离子检测器单元的方法。通过跨线性几何 离子累积器的轴向长度施加第一轴向电加速场来将初始捕获在该离子累积器中的多个离 子从该离子累积器传送到遮挡设备。通过跨遮挡设备的轴向长度施加第二轴向电加速场来将这些离子传送通过遮挡设备并进入线性几何离子导向器。这些离子被传送通过离子 导向器并进入离子减速器。在将离子传送通过减速器并进入离子检测器单元时通过跨减 速器的轴向长度施加第一轴向电减速场来使至少一些离子减速。通过跨离子检测器单元 的轴向长度施加第二轴向电减速场来使离子检测器单元中的至少一些离子减速。根据另一种实现，提供了一种用于填充离子检测器单元的方法。通过跨线性几 何离子累积器的轴向长度施加第一场强的第一轴向电加速场来将初始捕获在该离子累积 器中且包括至少多个第一质量的离子的多个离子从该离子累积器传送到遮挡设备。通过 跨遮挡设备的轴向长度施加第二场强的第二轴向电加速场来将这些离子传送通过遮挡设 备并进入线性几何离子导向器。这些离子被传送通过离子导向器并进入离子检测器单 元。选择第一场强、第二场强、以及离子累积器的轴向长度、遮挡设备的轴向长度和离 子导向器的轴向长度，以使得所有第一质量的离子在相同时间被传送到离子导向器的出根据另一种实现，一种质谱仪装置包括沿轴安排的线性几何离子累积器；轴 向地继离子累积器之后的遮挡设备；轴向地继遮挡设备之后的线性几何离子导向器；轴 向地继离子导向器之后的离子减速器；以及轴向地继离子减速器之后的离子检测器单 元。离子减速器包括具有轴上的孔的第一电极以及具有轴上的孔且与第一电极轴向地间 隔开的第二电极。该装置可进一步包括用于跨离子累积器的轴向长度施加第一轴向电加 速场的装置；以及用于跨遮挡设备的轴向长度施加第二轴向电加速场的装置。根据另一种实现，该质谱仪装置可进一步包括用于跨减速器的轴向长度施加第 一轴向电减速场的装置、以及用于跨离子检测器单元的轴向长度施加第二轴向电减速场 的装置。在另一方面，该质谱仪装置可进一步包括用于将第一减速场切换成第三加速场 的装置。根据另一种实现，一种质谱仪装置包括沿轴安排的线性几何离子累积器；轴 向地继离子累积器之后的遮挡设备；轴向地继遮挡设备之后的线性几何离子导向器；轴 向地继离子导向器之后的离子减速器；以及轴向地继离子减速器之后的离子检测器单 元。该装置可进一步包括用于跨离子累积器的轴向长度施加第一轴向电加速场的装置； 用于跨遮挡设备的轴向长度施加第二轴向电加速场的装置；用于跨减速器的轴向长度施 加第一轴向电减速场的装置；以及用于跨离子检测器单元的轴向长度施加第二轴向电减 速场的装置。在另一方面，该质谱仪装置可进一步包括用于将第一减速场切换成第三加 速场的装置。在查阅以下附图和详细描述之后，本发明的其他设备、装置、系统、方法、特 征和优点对于本领域技术人员而言将会或将变得更加明显。所有这样的附加系统、方 法、特征和优点都旨在被包括在本说明书之内、落在本发明的范围之内、并且由所附权 利要求书保护。附图简述 通过参考以下附图将更好地理解本发明。附图中的组件不一定是按比例绘制 的，而是着重示出本发明的原理。在附图中，相似的附图标记贯穿不同视图指示相应的 部分。图1是典型傅里叶变换质谱仪(FTMS)系统的示意图。
图2A是图1中所示的FTMS系统的离子累积器、遮挡件和离子导向器的侧(轴 向)视图。图2B示出了当在离子累积器中捕获离子时向图2A的离子累积器、遮挡件和离 子导向器施加的典型DC电压。图3A是与图2A类似的离子累积器、遮挡件和离子导向器的侧(轴向)视图。图3B示出了在从离子累积器提取所捕获离子时向图3A的离子累积器、遮挡件 和离子导向器施加的典型DC电压。图4A是图1中所示的离子减速器和离子检测器单元以及离子检测器单元之前的 一部分离子导向器的侧(轴向)视图。图4B示出了当在离子检测器 单元中接纳离子时向图4A的离子导向器、离子减 速器和离子检测器单元施加的典型DC电压。图5A是与图4A类似的离子减速器、离子检测器单元和一部分离子导向器的侧 (轴向)视图。图5B示出了当在离子检测器单元中捕获离子时向离子导向器、离子减速器和离 子检测器单元施加的典型DC电压。图6A是根据本公开的某些实现的质谱仪(MS)装置的示例的示意图。图6B是示出图6A的MS装置的组件的相对长度和轴向位置以及向这些组件施 加的相应DC电压和线性轴向电场的图示。图7A是图6A中所示的MS装置的更详细示意图。图7B是类似于图6B的示出图7A的MS装置的组件的相对长度和轴向位置以及 向这些组件施加的相应DC电压和线性轴向电场的图示。图8A是根据本公开的可被包括在图6A或7A的MS装置中的离子累积器的一个 示例在与该离子累积器的中心轴垂直的横断面中的横截面视图。图8B是图8A中所示的离子累积器的侧(轴向)视图。图9是图7A中所示的MS装置的遮挡件和离子累积器与离子导向器的毗邻区域 的侧(轴向)视图，并且还示出了离子轨迹。图IOA是图7A的减速器和检测器单元以及减速器之前的一部分离子导向器的侧 (轴向)视图。图IOB示出了在使离子从累积器进入检测器单元时可向图IOA的离子导向器、 减速器和检测器单元的电极施加的DC电压的示例，并且还示意性地示出了此时间期间的 离子轨迹。图IlA是类似于图7A的MS装置的示意图。图IlB是类似于图7B的示出图IlA的MS装置的累积器、遮挡件、离子导向 器、减速器和检测器单元的相对长度和轴向位置以及向这些组件施加的相应DC电压和线 性轴向电场的图示。图IlC是示出经图IlA的MS装置处理的低质量和高质量的两个离子包在不同 时间的轴向位置的图示。图12是根据本公开的实现的在图IlA中所示的MS装置中的离子飞行时间的标 绘，其为低质量和高质量离子的初始轴向位置的函数。
发明详细描述如上所述，需要用于将离子从MS装置的累积器阱运输到检测器单元中、且还允 许同时运输且在检测器单元中捕获大质量范围的离子的更高效的方法和装置。根据本教 示，可通过在MS装置的恰适位置以及在恰适时间施加用来从累积器阱提取离子并将这些 离子运输到检测器单元中的恰适电场组合以及通过选择这些电场的维度和强度的恰当选 取来达成这些目标。用于加速/提取和减速/迟滞的电场具有线性(轴向)取向，即是 由沿表示从累积阱向检测阱的离子流的大致方向的轴的电压梯度形成的。这些电场具有 高度均勻性，即其强度(V/mm)沿该轴且在该轴的径向位移上是一致的。这些电场是用 来从累积阱提取离子并在检测阱中收集离子的主导机制。因此，不依赖于空间电荷力以 及其他非线性场，且检测阱可填充有来自合意质量范围的最大数目的离子。在以下描述 的某些实现中，利用两级均勻离子提取场和/或两级均勻离子减速场。可以利用从累积 器的两级离子提取将最高合意质量的所有离子带到聚焦在检测器单元入口处或入口附近 的空间，与此同时，最低合意质量的离子的能量分布的大部分位于检测器单元内且在朝 着检测器单元的入口的方向上返回。可以利用从累积器的两级离子提取将相同质量的离 子运输到可位于距离累积器任意距离处的共同空间焦平面。图6A是根据本公开的某些实现的质谱仪(MS)装置600的示例的示意图。MS 装置600 —般包括离子源(未示出)、继之以沿中心纵向轴串联的离子累积器602、遮挡 件604、离子导向器606、离子减速器608和离子检测器单元610。出于简化未示出MS 装置600的封闭真空区域、相关联泵、磁体以及其他已知组件。可如以上结合图1-5所描 述地构造累积器602、离子导向器606和检测器单元610。例如，累积器602和离子导向 器606可被配置成具有用于入口和出口的轴向端电极的线性(2D)多极电极组，而检测器 单元610可包括捕获环与轴向端电极 之间的发射器/检测器板。一般而言，可为累积器 602之前的离子源选择任何合适的设计，尤其是大气压(AP)类型源。连续束源尤其受益 于本教示的实现，诸如举例而言电喷雾电离(ESI)源或AP化学电离(APCI)源，尽管也 可以利用其他电离设备，诸如AP光化电离源(APPI)或基质辅助激光解吸电离(MALDI) 源。图6B是示出累积器602、遮挡件604、离子导向器606、减速器608和检测器 单元610的相对长度和轴向位置以及向这些组件施加的相应DC电压和线性轴向电场的图 示。在图6B中，点0、点dQ、点屯、点dSF、点知和点是沿轴的轴向位置。点0界 定累积器602的入口，点Citl界定累积器602的出口和遮挡件604的入口，点Ci1界定遮挡 件604的出口和离子导向器606的入口，点dSF界定离子导向器606的出口和减速器608 的入口，点知界定减速器608的出口和检测器单元610的入口，以及成2界定检测器单元 610的远端。由与这些组件连通的合适电压源(未示出)如下施加DC电压在点0处施 加电压Vtl，在点dQ处施加电压V1,在点Ci1和点dSF处施加电压V2，在点处施加电压 V3,在点成2处施加电压V4。图6B还描绘了由累积器602施加的RF场捕获在位于沿轴 的任意点X0处的横断面中的离子包664。S0是点X0处的离子664沿轴与累积器602出口 的距离。累积器602具有轴向长度dQ(dQ-0)。遮挡件604具有轴向长度S1或即d^d。。 离子导向器606具有轴向长度D或即cW-di。减速器608具有轴向长度rl或即dri_dSF。 检测器单元610具有轴向长度r2或即成2-知。分别跨累积器602、遮挡件604、离子导向器606、减速器608和检测器单元610的轴向长度施加线性轴向DC电场Ε。、E1, ED、Erl 和Ε 。在本教示的典型实现中，离子导向器606维持在无轴向电场条件下(Ed = 0)。如下从 累积器602提取离子并将其运输到检测器单元610。当已在累积器602 中捕获离子达合意时间之后，分别施加电势差以生成电场Ε。E1, Eri *Ε 。电场Etl和 E1是提取或加速场，而电场Eri和E12是减速或迟滞场。由此，电场Etl将离子从累积器 602传送到遮挡件604中。在遮挡件604中，离子经受第二电场E1并因此被加速到最终 速率。电场E1将这些离子运输到无轴向场的离子导向器606中。离子横越离子导向器 606并进入减速器608，其中离子可在迟滞电场Eri中减速(这在一些实现中可取决于离子 的质量和时序，如以下描述的)。离子随后进入检测器单元610，其中离子可在第二迟滞 电场Ε 中进一步减速，然后在检测器单元610中被捕获以进行质量分析。图7Α是图6Α中所示的MS装置600的更详细示意图，且图7Β是与本示例相对 应的类似于图6Β的图示。累积器602包括位于累积器602相对的轴向端的离子入口电极 736和离子出口电极738。离子导向器606包括离子入口电极742和离子出口电极766， 且检测器单元610包括离子入口电极768和离子出口电极762。如本领域技术人员所领会 的，轴向电极736、738、744、742、766、768、762可被配置成例如透镜，即带有以轴 为中心的孔的板或圆柱体。检测器单元610可如上所述地配置，即包括轴向地置于内捕 获电极754、758之间的发射器/检测器电极756。取决于设计，检测器单元610远端处 的轴向电极762可以或可以不被用作离子出口，且由此可以有孔或可以无孔。可以向一 些或所有孔添加网状栅极772以便为离子提取和减速提供更均勻的电场。即，栅极772 帮助使电场沿轴以及在离轴的径向上的强度更加恒定。遮挡件604包括累积器602的离 子出口电极738与离子导向器606的离子入口电极742之间的中心开孔的电极744。累 积器602的离子出口电极738可被视为进入遮挡件604的离子入口，而离子导向器606的 离子入口电极742可被视为离开遮挡件604的离子出口。作为物理组件，遮挡件604可 被视为包括累积器602的离子出口电极738和离子导向器606的离子入口电极742，或者 与累积器602和离子导向器606共享这些电极738、742。遮挡件604还可包括可移动的 遮挡元件774，如本公开中早先描述的。离子导向器606的离子出口电极766可被视为 进入减速器608的离子入口，而检测器单元610的离子入口电极768可被视为离开减速器 608的离子出口。减速器608可被视为包括离子导向器606的离子出口电极766和检测 器单元610的离子入口电极766，或者与离子导向器606和检测器单元610共享这些电极 766、768。在此示例中，点0对应于累积器602的离子入口电极736的轴向位置，点dQ 对应于累积器602的离子出口电极738的轴向位置，点Ci1对应于离子导向器606的离子入 口电极742的轴向位置，点dSF对应于离子导向器606的离子出口电极766的轴向位置， 点对应于检测器单元610的离子入口电极768的轴向位置，以及点成2对应于检测器单 元610的离子出口电极762的轴向位置。累积器602、遮挡件604、离子导向器606、减 速器608和检测器单元610的轴向长度可如上所述地由这些轴向点来定义。本领域技术人员将领会，图6A和7A的示意图中暗示利用了与如用于产生这些 电场所需的各种电极信号连通的各种RF和DC电压源。另外隐式地示出了控制器，即 用于控制各种RF和DC电压的施加、时序和调整、用于协调MS装置600的检测器单元 610与其他组件的捕获和检测操作等所需的与各种组件连通的一个或更多个典型的基于电子处理器的控制设备。图8A是根据本公开的离子累积器802的另一示例在与中心轴876垂直的横断面 上的横截面视图。图8B是根据本示例的离子累积器802的侧(轴向)视图。累积器802 包括在第一轴向端836与相对的第二轴向端838之间延伸的多个电极832。出于清楚起 见，图8B中仅示出两个电极832。累积器802通常包括绕中心轴876在径向距离上同轴 地安排的6个电极832(六极装置)。出于本公开的目的，术语“径向”是指与中心轴876 正交的方向。电极832在与中心轴876正交的横断面上彼此在圆周上间隔开。电极832 的数目可替换地为8 (八极)或更多，或者4(四极)。累积器802 —般可包括适合以相对 于中心轴876的固定安排来支撑电极832、并且用于提供适合如上所描述地使用射频(RF) 能量来捕获离子的排空的低压环境的外壳或框架(未示出)或任何其他结构。各电极832 界定了同样沿中心轴876从第一轴向端836向第二轴向端838延伸的内部空间(离子捕获 区域)。通过向电 极832施加恰适的RF (或RF/DC)电压信号，电极832生成沿累积器 802的长度的线性(2D)离子捕获场，其将某个m/z范围的离子约束成沿中心轴876聚焦 的径向运动，藉此这些离子占据该内部空间内轴向延展的区域云。RF电压信号通常具有 正弦波，尽管可以利用其他周期性波形，如本领域技术人员领会的。在典型实现中，向 任何给定电极832施加的RF电压信号与向在圆周上毗邻的电极832施加的RF电压信号 异相180度；即彼此异相地驱动交替的电极832。可通过与惰性碰撞气体碰撞以阻尼离 子的运动来进一步压缩离子云，惰性碰撞气体可通过任何合适手段从气体源(未示出)引 入该内部空间中。离子导向器606(图7A)也可按刚才针对累积器802描述的方式被配置 成线性多极电极。将理解，由与轴并行的一组电极构成的多极装置仅仅是如何配置累积器802或 离子导向器606的一个示例。另一示例是彼此轴向地间隔开且同轴地围绕轴的一系列 环。另一示例是绕轴缠绕且沿轴从入口端伸到出口端的一组螺旋电极。更一般化，累积 器802或离子导向器606可被配置成具有能够如本文中所描述地施加2D RF捕获场和恰适 轴向DC场的相对于轴的任何合适线性几何。作为简单地分别向离子入口电极和离子出口电极施加电压Vtl和V1的替换，图 8A和8B还示出了根据本公开的可将累积器802配置用于施加均勻轴向DC场Etl的一种 方式。在图8A和8B中，每个电极832被配置成包含一系列轴向间隔开的彼此电隔离的 导电段。在所示的示例中，每个离子导向器电极832是从涂敷有轴向间隔开的导电(例 如，金属)带884的绝缘杆882形成的。DC电压源(未示出)可与每个带884信号连 通，从而每个单独带884上的DC电压可独立地调整，同时向每个带884施加公共RF捕 获电压。此配置使得能用累积器802的长度上高度可控的轴向DC电压梯度来生成轴向 DC 场 E0。图8A和8B中所示的示例的另一替换是将累积器电极832划分成由间隙分开的 在物理上相异的轴向段，每个段与DC电压源信号连通，只要间隙区域中的非均勻场不会 干扰用来根据本教示提取离子的均勻轴向DC场Etl即可。类似的替换是将两个或更多个 螺旋电极划分成轴向段并向每个段施加DC电压。另一种替换是作为一系列环来提供累 积器电极832并向每个环施加各自相应的DC电压。在所有这些情形中，累积器电极832 可被视为包括一系列轴向间隔开的导电段(轴向段、螺旋段、环等)。
图9是遮挡件604以及离子累积器602与离子导向器606的毗邻区域的侧(纵 向)视图，并且还示出了在从累积器602进行离子提取时用市售SIMION 有限元离子模 拟程序(新泽西州灵哥斯市(Ringoes，New Jersey)的科学仪器制造商(ScientificInstrament Services, Inc.)公司)计算出的离子986轨迹。累积器602和离子导向器606具有六极电 极配置。遮挡件604的长度上的加速场El是由向累积器602与遮挡件604之间的轴向电 极738施加的电压V1以及向遮挡件604与离子导向器606之间的轴向电极742施加的电 压％建立的。轴向电极738、742的孔覆盖有电栅极772以改善它们之间的电场E1的均 勻性。遮挡件604的中心电极744位于遮挡件的轴向中点(S/2)处，由此中心电极744 具有DC电压(V2-V1)Z^15如上所 述，在捕获以及通过碰撞进行气体阻尼以后，离子986 在累积器602的电场Etl的影响下运输通过累积器602，并且在遮挡件604的电场E1中加 速，藉此离子986进入离子导向器606并朝向检测器单元610 (图7A)行进。累积器602 中的气压可被增大一小段时间以便于离子捕获和减少因离子-气体分子碰撞造成的动能 扩散。图IOA是减速器60g、检测器单元610、以及减速器608之前的一部分离子导向 器606的侧(轴向)视图。图IOB示出了在使离子从累积器602进入检测器单元610时 可向离子导向器606、减速器608和检测器单元610的电极施加的DC电压的示例，并且 还示意性地示出了此时间期间的离子轨迹。在本示例中，向离子导向器606的捕获电极 1034和离子出口电极766施加DC电压-7V，向检测器单元610的离子入口电极768施加 DC电压+5V，向检测器单元610的第一捕获电极754施加DC电压+6V，向检测器单元 610的中心电极756施加DC电压+8V，向检测器单元610的第二捕获电极758施加DC 电压+10V，以及向检测器单元610的离子出口电极762施加DC电压+1IV。更一般化， 电压被安排成形成两级均勻减速电场，其中在减速器608的长度上施加第一减速场(Eri) 并在检测器单元610的长度上施加第二减速场(Ε )。同样根据本教示，MS装置600的几何(尤其是累积器602、遮挡件604和离子 导向器606各自相应的轴向长度)以及进而向累积器602和遮挡件604施加的两级加速场 可被选择成使得初始存储在累积器602中的相同质量(m/z比)的所有(或基本上所有) 离子响应于这些加速场的激励在相同的时间被传送到检测器单元610中，而不管在激励 这些加速场时累积器602中离子的初始轴向位置Xtl如何。另外，在不同质量的离子初始 被存储在累积器602中的情形中，对减速器608和检测器单元610各自相应的轴向长度以 及向其施加的两级减速场的额外选择可确保在非常短的填充时间期间检测器单元610被 填充需要分析的最广质量范围的离子和最大数目的这些离子。图11示出了如何优化用离子来填充检测器单元610的示例。具体而言，图IlA 是类似于图7A的MS装置600的示意图。图IlB是类似于图7B的示出累积器602、遮 挡件604、离子导向器606、减速器608和检测器单元610的相对长度和轴向位置以及向 这些组件施加的相应DC电压和线性轴向电场的图示。图IlC是示出低质量(mis)和高 质量(ms)的两个离子包在不同时间的轴向位置的图示。出于本示例的目的，低质量离 子(mis)可被视为具有需要在检测器单元610中分析的最低质量的离子，而高质量离子 (mK)可被视为具有需要在检测器单元610中分析的最高质量的离子。因此，希望检测 器单元610高效率地填充有落入从mis到质量范围内的离子。此范围可包括质量mte的离子、质量离子、以及质量落入这两个值之间的任何离子，它们全部在提取之 前被初始存储在累积器602中。如图IlC中所示，在将离子注入累积器602中并因此被 捕获之后，它们初始沿累积器602的长度分布dQ，如由离子包1192和1194指示的。因 而，此时给定离子在累积器602中的初始轴向位置X0以及因此其距离累积器602的出口 的初始轴向距离Stl可能与相同质量的其他离子以及不同质量的离子有所不同。当提取场 Etl在时间t = 0打开时，离子朝检测器单元610行进。在时间Itot之后，高质量离子已行 进到点dSF，而低质量离子已穿过点dSF、已被电势V4反射并在累积器阱602的方向上返 回，如由离子包1196和1198指示的。此时，诸如举例而言如图5中所示地重新调整电 势以便将范围mis到中的离子填充和捕获在检测器单元610中。如早先所述，最初不向累积器602施加轴向电场(Etl = 0)。由此，离子由于其 动能因碰撞而冷却的缘故处于休息状态，且沿累积器602的轴分布。在时间t = 0，电场 变为值Ε—位于点Xtl处的离子将移到累积器602末端。在施加提取场Etl之后，初始位 于点X0处的离子横越长度Stl(移到累积器602末端)所需的时间、可如下计算。Etl中的时间t0一般而言，在线性方向上从点0行进到点χ的离子经历的动能(KE)变化为AKE = (/2)mv2x = ^eE0dx = eE0x ,(1)
ο其中m为离子的质量，且e为离子的电子电荷。由此，离子在点χ处的速率Vx 为
, \l/2 j
r π2eEnx αχ门、ν,=——=—⑷
y m ) at向图IlA中所示的累积器602应用这些等式得到关于点(Itl处的速率和抵达dQ所 需的时间、的表达式
C ,N-1/2/ ^ \1/2
Γ…1aAleE^x] , { 2m V2⑶^
权利要求
1.一种用于填充离子检测器单元的方法，所述方法包括通过跨线性几何离子累积器的轴向长度施加第一轴向电加速场来将初始捕获在所述 离子累积器中的多个离子从所述离子累积器传送到遮挡设备；通过跨所述遮挡设备的轴向长度施加第二轴向电加速场来将所述离子传送通过所述 遮挡设备并进入线性几何离子导向器；将所述离子传送通过所述离子导向器并进入离子减速器；在将所述离子传送通过所述减速器并进入所述离子检测器单元时通过跨所述减速器 的轴向长度施加第一轴向电减速场来使至少一些离子减速；以及通过跨所述离子检测器单元的轴向长度施加第二轴向电减速场来使所述离子检测器 单元中的至少一些离子减速。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在传送所述离子通过所述离子导向 器时使所述离子导向器在其轴向长度上维持在无轴向电场状态。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加所述第一轴向电加速场包括向所述累 积器的多个在轴向上间隔开的导电段施加多个DC电压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括施加第一场强的所述第一加速场， 施加第二场强的所述第二加速场，以及基于所述离子累积器、所述遮挡设备和所述离子 导向器的轴向长度来选择所述第一场强和所述第二场强。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，选择所述第一场强和所述第二场强是基于 以下等式的( \D=2S [W'^irTsrj)，其中&，s。为所述初始捕获的离子距离所述累积器与所述遮挡设备毗邻的一端的轴向距离，S1S所述遮挡设备的轴向长度，D 为所述离子导向器的轴向长度，Etl为所述第一场强，以及E1为所述第二场强。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始捕获在所述离子累积器中的多个 离子包括位于所述离子累积器中不同初始轴向位置处的多个相同质量的离子，并且所述 方法还包括施加第一场强的所述第一加速场；施加第二场强的所述第二加速场；以及选择所述第一场强、所述第二场强、以及所述离子累积器、所述遮挡设备和所述离 子导向器的轴向长度，以使得任何初始轴向位置处的所有所述相同质量的离子在相同时 间传送到所述离子检测器单元。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，施加第一场强的所述第一加速场和施加第 二场强的所述第二加速场将任何初始轴向位置处的所有所述相同质量的离子同时传送到 空间焦平面，并且所述空间焦平面位于所述离子导向器与所述离子检测器单元之间的轴 向位置处。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括将所述空间焦平面定位在所述离子 导向器的出口孔处。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，施加第一场强的所述第一加速场和施加第二场强的所述第二加速场将所有所述相同质量的离子在时间W传送到所述空间焦平面， 并且所述方法还包括在时间U将所述第一减速场变为在所述减速器的轴向长度上施加的 第三轴向电加速场以将所述空间焦平面处的离子以及所述空间焦平面与所述离子检测器 单元之间的任何离子传送到所述离子检测器单元中。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始捕获在所述离子累积器中的多 个离子包括希望捕获在所述离子检测器单元中的多个最高质量的离子以及希望捕获在所 述离子检测器单元中的多个最低质量的离子，并且所述方法还包括施加第一场强的所述第一加速场；施加第二场强的所述第二加速场；以及选择所述第一场强、所述第二场强、以及所述离子累积器、所述遮挡设备和所述离 子导向器的轴向长度，以使得在时间U，所有所述最高质量的离子已在所述相同时间 U传送到轴向地位于所述离子导向器与所述离子检测器单元之间的空间焦平面处，并且 在所述时间W，所述最低质量的离子已穿过所述空间焦平面、已进入所述离子检测器单 元、并且已被所述第二减速场朝着所述空间焦平面反射回。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括在所述时间W，将所述第一减速 场变为在所述减速器的轴向长度上施加的第三轴向电加速场以将位于所述空间焦平面处 以及位于所述空间焦平面与所述离子检测器单元之间的所述最高质量和最低质量的离子 传送到所述离子检测器单元中。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一减速场变为在所述减 速器的轴向长度上施加的第三轴向电加速场以将所述离子传送通过所述减速器并进入所 述离子检测器单元。
13.—种质谱仪装置，包括沿轴安排的线性几何离子累积器；轴向地继所述离子累积器之后的遮挡设备；轴向地继所述遮挡设备之后的线性几何离子导向器；离子减速器，其轴向地继所述离子导向器之后并且包括具有所述轴上的孔的第一电 极以及具有所述轴上的孔且与所述第一电极轴向地间隔开的第二电极；轴向地继所述离子减速器之后的离子检测器单元；用于跨所述离子累积器的轴向长度施加第一轴向电加速场的装置；以及用于跨所述遮挡设备的轴向长度施加第二轴向电加速场的装置。
14.如权利要求13所述的质谱仪装置，其特征在于，离子累积器包括多个轴向间隔开 的导电段，并且所述用于施加第一加速场的装置捕获用于向所述导电段施加DC电压的装 置。
15.如权利要求13所述的质谱仪装置，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极包 括网状栅极。
16.如权利要求13所述的质谱仪装置，其特征在于，所述用于施加第一加速场的装置 和所述用于施加第二加速场的装置被配置成分别施加具有各自相应值的第一场强和第二 场强，所述各自相应值使得初始捕获在所述累积器中的相同给定质量的所有离子同时被 传送到所述离子导向器的出口。
17.如权利要求13所述的质谱仪装置，其特征在于，所述累积器的轴向长度、所述遮 挡设备的轴向长度、以及所述离子导向器的轴向长度具有各自相应的值，所述各自相应 的值使得初始捕获在所述累积器中的相同给定质量的所有离子响应于所述用于施加第一 加速场的装置和所述用于施加第二加速场的装置的激励同时被传送到所述离子导向器的 出口。
18.如权利要求13所述的质谱仪装置，其特征在于，还包括用于跨所述减速器的轴向 长度施加第一轴向电减速场的装置、以及用于跨所述离子检测器单元的轴向长度施加第 二轴向电减速场的装置。
19.如权利要求18所述的质谱仪装置，其特征在于，还包括用于将所述第一减速场切 换成第三加速场的装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于填充离子检测器单元的方法和装置。在质谱仪中，施加两级轴向提取场以便用挡板和离子导向器将离子从累积器运输到检测器单元。通过选择向累积器施加的第一轴向电场和向挡板施加的第二轴向电场的相对强度以及进一步通过选择累积器、挡板和离子导向器的相对轴向长度，相同质量的离子可同时被运输到检测器单元或轴向地位于检测器单元之前的点。还可施加两级减速场以在离子进入检测器单元之前和之后使离子减慢。
文档编号H01J49/04GK102024660SQ201010267948
公开日2011年4月20日 申请日期2010年8月25日 优先权日2009年8月25日
发明者G·J·韦尔斯 申请人:凡利安股份有限公司