质谱仪及相关方法

专利名称：质谱仪及相关方法
技术领域：
本发明涉及质谱仪和用于根据带电粒子的荷质比检测带电粒子的质谱分析方法。 所公开的技术具有多种应用，包括混合粒子的分类、粒子的识别、物质检测和物质提纯。
背景技术：
质谱是众所周知的并且涉及通过利用电场和/或磁场操纵带电粒子以获得从粒子的荷质比(q/m)得出的结果。在一个例子中，使用带电板将已电离的分子加速到与垂直磁场交叉的区域中。由于粒子的运动，在每个粒子上产生洛伦兹力，使得粒子的轨迹弯曲。 弯曲的程度将取决于分子的质量和电荷较重并且/或者较低电荷的粒子比较轻并且/或者较高电荷的粒子偏转程度小。设置一个或多个检测器以接收偏转的粒子，并且分布可以用于推导包括每种类型粒子的质量和各种粒子的相对比例的信息。这还可被用于确定例如分子结构等信息以及识别所测试的物质。已针对具体应用开发出专用形式的质谱仪。因此，质谱可被用于许多目的，包括识别未知化合物、确定同位素成分、研究分子结构、对混合粒子的样品进行分类以及对样品中物质的量进行量化等等。质谱还可被用于分析几乎任何类型的可被带电的粒子，包括化学元素和化合物，如药物；生物分子，包括蛋白质和它们的缩氨酸、DNA、RNA、酶等；以及许多其它例子，包括污染物如灰尘等。在相关领域中，先前已在W0-A-03/051520中使用离心式谱仪在成形的电场影响下根据带电例子的荷质比分离带电粒子的样品。将要被分离的离子放在填充了缓冲溶液的腔体中，腔体被高速旋转。公开了多种用于施加适当形状的径向电场的手段，并且在电和离心力的影响下离子沿着腔体分离，使得能够离析各个离子类型并进行相对测量。 US-A-5, 565，105、W0-A-2008/132227、GB-A-1488244 和 W0-A-2004/086441 公开了其它离子分1 装直。

发明内容
根据本发明，提供一种质谱仪，该质谱仪包括腔室；适于将带电粒子注入到该腔室中的注入装置；适于建立作用在该带电粒子上的至少一个场的场生成设备，该至少一个场具有被配置成在旋转轴和该腔室的周界之间形成至少一个通道的角向捕集分量，该至少一个通道由该角向捕集分量的能量最小值限定，该场生成设备还适于使该角向捕集分量围绕该旋转轴旋转，由此，在使用中，带电粒子由该角向捕集分量沿着该至少一个通道在角向上约束从而与该角向捕集分量一起旋转，离心力由此作用在该带电粒子上；以及径向平衡分量，至少在该至少一个通道附近，该径向平衡分量的幅度随着自该旋转轴起的半径的增大而单调增大，由此，在使用中，带电粒子在该离心力和该径向平衡分量的组合影响下沿着该至少一个通道移动，从而根据粒子的荷质比形成一个或多个粒子轨道；该质谱仪还包括被配置成检测至少一个所述粒子轨道的检测器。本发明还提供一种质谱分析方法，该质谱分析方法包括将带电粒子注入到腔室中；建立作用在该带电粒子上的至少一个场，该至少一个场具有被配置成在旋转轴和该腔室的周界之间形成至少一个通道的角向捕集分量，该至少一个通道由该角向捕集分量的能量最小值限定；以及径向平衡分量，至少在该至少一个通道附近，该径向平衡分量的幅度随着自该旋转轴起的半径的增大而单调增大；使该角向捕集分量围绕该旋转轴旋转，由此， 带电粒子由该角向捕集分量沿着该至少一个通道在角向上约束从而与该角向捕集分量一起旋转，离心力由此作用在该带电粒子上，该带电粒子在该离心力和该径向平衡分量的组合影响下沿着该至少一个通道移动，从而根据粒子的荷质比形成一个或多个粒子轨道；以及检测至少一个所述粒子轨道。在W0-A-03/051520中，对缓冲液的要求意味着不能从样品推导出任何绝对的信息，例如粒子质量、构成等。然而，如权利要求1中所述的，通过使用角向能量最小值建立通道，沿着该通道捕集带电粒子，粒子可以根据它们的q/m比沿着通道布置，而不需要物理腔或缓冲液。这不仅能够确定粒子的绝对质量(缓冲液的浮力影响被消除)，而且还大大简化了谱仪设备。另外，由于可以同时形成多个轨道，所以可以同时地并且在远超过传统装置的动态q/m范围上分析不同粒子类型。此外，由于没有物理腔，所以可以针对每个应用通过简单调整所施加的场，按照期望改变装置参数(如“虚拟”通道的数目、形状和长度)。如果需要的话，这甚至可以动态进行(即，在谱处理期间)。应该注意，该角向捕集分量在角向上作用在粒子上也就是说，粒子在它的影响下以恒定的半径围绕旋转轴移动(不存在任何其它影响)。径向平衡分量沿着径向方向作用在粒子上(即，垂直于角向分量)。尽管在许多情况下，场的作用方向(即，由场产生的作用在粒子上的力的方向)平行于场本身的方向(例如在电场的情况下)，但是不一定都是这种情况。例如，磁场将导致在带电粒子上产生的力垂直于该场的方向。重要的是场分量作用于粒子上的方向(即，所产生的力的方向)分别是角向和径向的。该径向平衡分量对抗粒子上的离心力，使得每个粒子沿着其“虚拟”通道移动到离心力和(径向)电力的幅度相等的径向平衡位置。由于这样布置的粒子是旋转的，所以在每个平衡半径处产生粒子轨道，然后可以使用检测器测量这些轨道的位置以得出各种结果。如下面将进一步描述的，该设备可被用于许多目的，包括粒子分离(分类)、质量确定、 物质识别和物质检测以及提纯。可以根据所测试的粒子类型和腔室中的条件从很宽的范围选择角向分量和径向分量的幅度。一般来说，q/m较高的粒子比q/m低的粒子需要的径向平衡场分量弱。在优选实施例中，在任一半径处最大角向场分量的幅度与该半径处的径向场分量的幅度处于同一量级。已经发现这有助于粒子沿着每个通道稳定下来，但不是必须的。在第一例子中，由角向捕集场提供角向捕集分量，并且由径向平衡场提供径向平衡分量。因此，两个分开的场被施加并且彼此叠加，以提供必要的分量。如稍后将要描述的，角向捕集场和径向平衡场可以每个都是电场，或者角向捕集场可以是电场，而径向平衡场是磁场。使用两个分开的场使得能够彼此独立地控制每个场。在第二例子中，由角向捕集场提供角向捕集分量，并且径向平衡场是角向捕集场的分量。因此，角向捕集场和径向平衡场二者可以由单一场提供。这减小了场生成装置的复杂性，并且允许粒子轨道由单个场来控制。能量最小值是由场产生的作用在粒子上的角向力处于最小值的点。优选地，能量最小值对应于基本上零角向场幅度的点。该最小值典型地可以不对应于角向场的“最低”(即，最负的)点。在使用中，带电粒子将在角向场分量的影响下向能量最低点迁移，并且将被保持在该最小值的附近，因为要离开该最小值涉及粒子能量的增大。应该注意的是， 由于稍后要讨论的阻尼效应，粒子可能不精确稳定在最小值。优选地，该能量最小值对应于角向捕集场中的过零点。也就是说，在每个最小值的一(角向)侧，场是正的，而在另一侧，场是负的。因此，角向场在能量最小值处切换方向。 这沿着能量最小值产生特别稳定的粒子“陷阱”，因为粒子在任一侧都会被相反的场推向最小值。然而，不是所有的过零点都将为所有粒子提供稳定的平衡由于带正电的粒子受到的力与带负电的粒子上的力相反，所以场从正切换到负的过零点为正离子提供稳定的陷阱， 而场从负切换到正的过零点为负离子提供稳定的陷阱。优选地，限定该通道或每个通道的能量最小值沿着该通道或每个通道是连续的。 也就是说，沿着通道的每个点是角向最小值。连续的最小值使带电粒子能够根据它们的荷质比沿着通道定位它们自己。如果期望的话可以产生单个这种通道。然而，如果所有粒子都被捕集到一个地点，那么自排斥效应可能很高。因此，优选地，存在由角向捕集场产生的多于一个的这种通道，使得带电粒子可以在每个通道中形成类似荷质比的粒子束。在优选的例子中，该至少一个通道从腔室的旋转轴延伸到周界。设想该通道的长度可以是旋转轴和腔室的周界之间的任意长度。然而，该至少一个通道的长度越长，每个通道内可以建立的粒子轨道的数目越大。因此，理想地，通道的长度是旋转轴和腔室的周界之间的总距离，以确保可能的最长通道。在其它例子中，可以通过在场中插入能量最大值而将该通道或者每个通道分成多于一个的子通道。这对于同时分析多于一个的质荷比窗口可能是有用的。优选地，该至少一个通道是径向通道。也就是说，它遵循旋转轴和腔室的周界之间的直线路径。该至少一个通道在旋转轴和腔室的周界之间径向延伸任何有限长度。在其它例子中，该通道可以遵循旋转轴和腔室的周界之间的非线性路径。例如，在某些有利的实施例中，该至少一个通道遵循旋转轴和腔室的周界之间的弓形路径。例如，可以在旋转轴和腔室的周界之间提供至少一个螺旋形状的通道。弓形(或其它非线性)通道的使用增大了通道的长度，并且因此增加了通道内可以包含的粒子轨道的数目，这允许分析更大数目的不同荷质比的粒子。该弓形通道可以彼此嵌入以增大腔室容纳通道的能力。该弓形通道由如前面所述的能量最小值形成。在优选的例子中，在每个半径处角向捕集场围绕旋转轴遵循交变轮廓。也就是说， 角向捕集场的符号围绕旋转轴交替变化，以提供与前面所述的场中的过零点对应的能量最小值。在特别优选的实施例中，角向捕集场分量遵循正弦轮廓，但是它还可以具有任何其它规则的交变轮廓，如方波或三角波轮廓。在许多实施中，围绕腔室的整个圆周建立角向捕集场。然而，这不是必须的，因为在一些优选实施例中，场生成设备适于只在腔室周围限定的角向子部分中建立角向捕集分量(对着小于360度的角度)。这可能是期望的，因为这样可以将施加必要的场所需的部件 (例如，电极)限制在腔室的该子部分中。优选地，角场捕集场是电场。电场产生如前面所述的通道。可替选地，角向捕集场可以是磁场。在优选的粒子中，场生成设备包括角向场电极组件，该角向场电极组件包括多个捕集电极或捕集电极元件以及被设置成向至少一些捕集电极或捕集电极元件施加电压的电压源。电极可以被典型地布置在垂直于旋转轴的平面内，例如在腔室的表面之上或者之下(或者此二者)。所选电极配置取决于所期望的场形状和所需要的装置灵活程度。例如，在一些优选实施例中，角向场电极组件包括在旋转轴和腔室的周界之间延伸的至少两个捕集电极，该捕集电极优选地围绕旋转轴基本上均等地角向间隔开。在角向场只建立在腔室的一个角向子部分中的情况下，该子部分可以限定在两个电极之间，并且如果提供更多个电极，那么它们可以在该子部分内在角向上是等间隔的。根据施加到每个捕集电极的电压电平，将会按照电极的形状在电压场中产生峰或谷，该峰或谷将对应于所得到的电场中的能量最小值(因为电场与电压分布的空间导数有关)。通过等间距地布置电极，可以容易地实现旋转对称的电场(如果期望如此的话)。可替选地，角向场电极组件可以包括捕集电极元件的至少两个阵列，每个阵列沿着旋转轴和腔室的周界之间的相应路径延伸，该阵列优选地围绕旋转轴基本上均等地角向间隔开(与上面指出的在只产生角向子部分场的情况下采用的做法出于相同的考虑)。因此，每个捕集电极有效地包括单独的电极元件的阵列。该电极元件阵列可以具有施加到每个电极元件的单独电压，从而允许如稍后将要讨论的对场的更大控制。优选地，该至少两个捕集电极或至少两个阵列每个都在旋转轴和腔室的周界之间径向延伸。也就是说，每个捕集电极或阵列是直线的并且在旋转轴和腔室的周界之间延伸。 这种设置将在如上所述的角向场中建立径向通道。每个捕集电极或阵列不需要延伸旋转轴和腔室的周界之间的整个距离，而是可以从旋转轴和腔室的周界之间的任一点延伸到该范围内的任意另一点。然而，为了使通道的长度最大化，该电极或阵列优选地从旋转轴延伸到腔室的周界。在其它优选实施例中，该至少两个捕集电极或阵列在旋转轴和腔室的周界之间遵循弓形路径。该配置允许产生如上面所述的螺旋通道。电极或阵列的弓形路径可以延伸到旋转轴和腔室的周界之间的任一点，并且不一定必须延伸旋转轴和腔室的周界之间的整个距离。如果不希望利用电极/阵列路径固定通道的形状，那么在特别优选的实施例中， 角向场电极组件包括布置在旋转轴和腔室的周界之间的二维捕集电极元件阵列，该捕集电极元件优选地被布置成正交网格图案、六边形网格图案、密排(close-packed)图案或同心圆图案。这样，可根据需要，通过对2D阵列中的一些或全部元件施加适当的电压来选择通道的形状。在一些例子中，可以通过相对于腔室旋转角向场电极组件来旋转角向场分量。因此，场生成设备可以进一步包括适于旋转径向场电极或腔室的旋转机构，如角向场电极组件安装在其上的马达。然而，在优选的实施中，电压源适于依次改变施加到每个捕集电极或捕集电极元件的电压，使得角向捕集场在旋转轴周围旋转。依次改变每个捕集电极上的电压允许向电极施加旋转电压并且与前面描述的旋转机构具有相同的效果。优选地，该捕集电极或元件或者每个捕集电极或元件具有有限的(非零)电阻，使得电压沿着该捕集电极或每个捕集电极变化。有利地，该捕集电极或阵列或者每个捕集电极或阵列朝着旋转轴的端部上的电压的幅度低于该捕集电极或每个捕集电极的朝着腔室的周界的端部上的电压的幅度(不考虑符号)。典型地，在捕集电极的朝着旋转轴的端部处施加地电压，并且对电极的朝着腔室的周界的端部施加较高幅度的电压。该电压沿着捕集电极的长度变化，因为捕集电极优选地具有有限的电阻。这有助于形成跨旋转轴连续的电场形状。在一个例子中，该捕集电极或元件或者每个捕集电极或元件包括电阻性聚合物或硅。这种材料是优选的，因为它们具有已知值的内在电阻，而传统的传导电极材料(典型地是金属)具有接近零的电阻，并且不能调整该电阻。如已经描述的，至少在每个通道的(角向和/或径向)区域中，径向平衡分量具有随着半径增大而单调增大的幅度。单调增大函数是该函数的幅度的导数总是正的。应该注意的是，这与场的符号无关因此，在负场的情况下，场的绝对值将随着半径减小(即，变得更负)，但是场强总是随着半径增大。因此，径向平衡分量的幅度总是随着半径增大。为了在向外的离心力和向内作用的径向平衡分量之间达到稳定的平衡点，这是必须的。可以选择任何单调增大函数。然而，优选地，径向平衡分量具有以广增大的幅度，其中η大于或等于1，且r是距旋转轴的径向距离。例如，径向平衡场分量可以关于半径成比例地(线性地) 或者二次地增大等等。在优选的例子中，至少在该通道或每个通道所对应的角向位置处，在每个半径处径向平衡分量的幅度围绕旋转轴是恒定的。径向平衡分量的幅度无需围绕旋转轴是恒定的。然而，通过将其幅度至少在每个通道处设置成恒定的，所述平衡点将位于围绕旋转轴的相同半径处，这导致圆形(或接近圆形)的轨道，使得它们可以被更准确地测量。在某些例子中，在每个半径处径向平衡分量的幅度围绕旋转轴变化。在径向幅度关于角向位置不恒定的情况下，优选地，径向平衡分量与角向捕集分量同步旋转，以确保适当的径向场与每个通道对准。优选地，场生成设备还适于使径向平衡分量与角向捕集分量同步地围绕旋转轴旋转。在一个特别有利的实施例中，径向平衡分量在腔室的至少一个第一角向扇区中具有第一方向，并且在至少一个第二角向扇区中具有与第一方向相反的第二方向，第一和第二角向扇区对应于角向最小值的第一和第二通道。也就是说，在所选通道附近，径向平衡分量将向内作用在正粒子上并且向外作用在负粒子上，而对于其它选择的通道，情况将相反。 这使得带正电和带负电的粒子能够被同时分析。在优选的实施中，径向平衡场是磁场。该磁场在粒子上建立与离心力平衡的力，使得带电粒子根据它们的荷质比形成一个或多个粒子轨道。这是由于移动的带电粒子产生电流而发生的，带电粒子受到洛伦兹力。在这些实施例中，场生成设备优选地包括磁体组件。 腔室位于磁体组件的相对极之间，使得在该磁体组件的相对极之间产生的磁场穿过腔室。优选地，该磁体组件包括电磁体，因为这允许产生强磁场，并且容易控制。然而，还可以考虑任何其它磁场生成设备，如永磁体。有利地，该磁体组件的每个极具有在腔室周界处比在旋转轴处朝着腔室延伸更多的、被成形为建立单调增大的径向场的变化的表面轮廓，优选地具有凹的表面轮廓。因此， 所产生的穿过腔室的横截面的磁场的强度是非均勻的。该变化的表面轮廓使磁场的幅度朝着旋转轴减小，因为此处两个极件之间的距离处于最大值。极表面形状提供了所需要的磁场强度随着半径单调增大。可替选地，通过使用在内部同心布置的至少两个不同的磁性材料以产生磁体的极，可以产生类似的非均勻磁场，每个磁性材料具有不同的磁强度并且朝着旋转轴产生期望的减小的磁场。在其它优选实施中，径向平衡场是电场。这里，场生成设备优选地包括径向场电极组件，该径向场电极组件包括相邻于腔室而布置的至少一个平衡电极，该至少一个平衡电极具有被成形为当它被施加电压时建立单调增大的径向场的径向轮廓。有利地，该平衡电极具有与旋转轴对准的中心以及围绕该旋转轴基本上圆形的周界，该平衡电极的厚度在该平衡电极的中心和周界之间变化从而建立单调增大的径向场。还设想到可以使用平衡电极元件的阵列来产生期望的效果。优选地，该平衡电极是具有直的、凹的或凸的侧面的圆锥体。可以改变该电极侧面的形状，以产生径向平衡分量的期望轮廓。有利地，该圆锥体的顶点朝着或远离腔室而延伸。优选地，场生成设备还包括被设置成向该至少一个平衡电极施加电压的电压源。 该电压源可以优选地支持可调整的电压输出。有利地，该平衡电极或者每个平衡电极优选地由固体电阻性聚合物或硅形成。如前面关于角向场电极描述的，使用这种材料是为了确保电极具有足够的电阻，使得能够产生期望的电场轮廓。优选地，径向场电极组件还包括第二平衡电极，腔室被布置在第一和第二平衡电极之间。使用第二平衡电极使腔室在第一和第二平衡电极之间有助于避免在轴向方向上场的形状变形。优选地，以与第一平衡电极相同的方式并且由相同的材料形成第二平衡电极， 以确保所产生的场轮廓是对称的。还可以使用其它电极组件以实现径向场。在优选的例子中，场生成设备包括径向场电极组件，具有与旋转轴同心布置并且通过介电材料彼此间隔开的多个环形电极；以及电压源，被设置成向每个环形电极施加电压。在上述例子中，径向分量和角向分量分别由分开的场建立，并且彼此叠加。然而， 在可选的实施中，可以由角向捕集场提供径向平衡分量。因此，用于建立角向捕集场的场生成装置可以被相应地修改，并且不需要任何附加的场产生部件。因此，优选地，角向场电极组件被配置成使得在该捕集电极或每个电极的朝着旋转轴的一端和该捕集电极或每个捕集电极的朝着腔室的周界的一端之间该捕集电极或每个捕集电极上的电压是变化的，从而建立单调增大的径向场。例如，这可以使用由适当成形的电阻性材料形成电极或者通过使用沿着每个通道布置成阵列的电极元件来进行。如果提供原件阵列，那么通过对每个元件施加适当的电压电平，可以精确地控制并且根据期望改变径向分量的形状。可替选地，可以跨腔室的至少一部分提供这种电极元件的二维网格，使得每个通道的形状不由电极的布局固定，而是可以通过对一些或全部电极元件施加适当的电压来选择。优选地，腔室具有与旋转轴基本上垂直的圆形横截面。对于腔室来说，圆形横截面是优选的，因为带电粒子的粒子轨道将趋向于圆形(或者接近圆形)，除非径向平衡分量被设计为围绕旋转轴幅度变化。因此，使用具有圆形横截面的腔室在空间利用上最有效。 然而，这绝不是必须的，因为可以使用任意形状的腔室，包括立方体或长方体的腔室。在特别优选的例子中，腔室是盘状的或者圆柱形的，旋转轴平行于腔室的轴，并且与腔室相交。 在其它例子中，腔室具有与旋转轴基本上垂直的环形横截面。因此，旋转轴可以穿过中心“孔”，而不是与腔室本身相交。如果期望的话，具有非圆形横截面的腔室配置也可以包括圆形或非圆形的中心“孔”。优选地，该腔室是真空腔室，并且该质谱仪进一步包括用于控制该腔室内的空气的设备，优选为排空装置或泵。在腔室内使用受控的空气使作用在粒子上的气动阻力能够保持在最低值，否则会使结果失真，并且减小了因腔室内存在另外的物质而导致的假结果。在特别优选的实施例中，用于控制腔室内的空气的设备适于在腔室内维持不完全真空(即，受控的低气压)。在腔室内提供低气压使粒子能够自由地移动，同时提供阻尼效应，该阻尼效应有助于沿着每个通道保持粒子。然而这不是必须的，因为场可以改为成形为提供强的局部化，在该局部内关于能量最小值的一定程度的振荡是可接受的。在其它情况下，可以优选在腔室内使用较高的气压，并且因此可以将泵设置成在腔室内维持升高的压力。例如，在想要以相对低的角速度和施加的相对高的场强分析大质量的粒子如细胞的情况下，这可能是适当的。在这种情况下，太低的气压会因所施加的高场而导致受控的空气击穿，因此使用较高的气压可以避免击穿发生。在提供阻尼效应(例如，通过腔室内受控的空气)的情况下，优选地，在任一半径处的最大角向场分量的幅度足够大，以克服粒子上的阻尼力。例如，在由气体提供阻尼的情况下，由最大角向场分量在粒子上产生的力应该大于该粒子上因为它与气体的接触而产生的摩擦力。已经发现这有助于将粒子保持在每个通道内，但这不是必须的。在某些例子中，该质谱仪可以接收预先带电的粒子。然而，优选地，该谱仪还包括适于在粒子被注入到腔室中之前使粒子电离的电离装置。适当的电离装置是公知的，并且包括粒子穿过电子束的电子电离和通过碰撞期间的化学离子-分子反应使被分析物电离的化学电离。该电离装置可以与注入装置分开，或者这二者可以形成整体部件。典型地，注入装置包括加速电极，当电压被施加时，加速电极将电子粒子引向它并进入腔室。如果要分析正粒子和负离子二者，那么可以提供两个这种注入装置，或者电极可以在正电压和负电压之间切换。注入装置可以被布置在腔室上的任意位置处(例如，腔室的中心“孔”，如果提供中心“孔”的话)，或者布置在腔室的上表面或下表面上的任意径向位置处。有利地，场生成设备还包括适于控制场生成设备实现角向捕集分量和/或径向平衡分量的幅度和/或形状的变化的控制器。该控制器可以是计算机或者可编程的电压源。 在优选的实施中，在带电粒子的移动期间改变径向平衡分量的幅度和/或形状，从而调整该粒子轨道或者每个粒子轨道的半径。角向捕集分量也可以被改变，例如改变其旋转频率 (并因此改变角速度)和/或通道形状。如已经提到的，该谱仪可被用于许多不同的应用中，并且因此各种不同的检测技术可能是适当的。在某些例子中，检测器适于测量至少一个粒子轨道的半径。这特别适用于想要确定粒子的质量或者粒子的构成是未知的情况。通过测量轨道半径，可以推导出形成该轨道的粒子的质量，粒子的质量可被反过来用于确定其构成。然而，在许多其它应用中，不必测量半径。例如，在所调查的粒子的质量是已知的情况下，所形成的轨道的半径也是已知的。因此，在某些例子中，检测器适于在一个或多个预定半径处检测粒子轨道。在固定的(已知的)场配置中，在预定的半径处检测到粒子将确认某种物质存在。可替选地，可以“在飞行时”调整径向场分量的幅度，以使轨道与已知半径位置处的检测器相符，为此施加的场调整可被用于确定粒子的质量。
在进一步的例子中，检测器可适于检测该粒子轨道或每个粒子轨道处粒子的密度。粒子的密度将导致来自检测器的不同响应，并且可以相应地测量每个粒子轨道的变化的密度。这可被用于例如确定同位素浓度。在其它实施中，可以简单地设置检测器以检测给定区域中轨道的数目，以例如确定样品中不同的粒子类型的数目。检测器可以采用许多形式。在一个优选的例子中，检测器包括被设置成检测穿过腔室传播的辐射的至少一个辐射吸收元件。辐射通常将被腔室内的粒子吸收，从而该检测器元件或每个检测器元件接收到的辐射强度的减小将表示该检测器元件的位置处的粒子。 可以将各个检测器元件布置在一个或多个预定半径处。然而，优选地，检测器包括沿着旋转轴和腔室周界之间的径向路径布置的辐射吸收元件的阵列。这种布置可被用于检测未知半径处的轨道并且/或者测量所得到的半径。在其它例子中，整个腔室区域可以被成像，这具有不需要将检测器相对于旋转轴精确定位以准确地确定半径的优点，因为整个轨道可以被测量，并且可以从轨道直径的测量计算其半径。因此，检测器可以包括在腔室的表面区域上布置的多个辐射吸收元件，使得能够一次接收大数目的测量结果。这种吸收元件可以检测环境辐射。然而，优选地，检测器包括辐射发生器，并且吸收元件被设置成检测所发射的辐射。因此，可以从检测器排除干扰辐射源。在特别优选的例子中，可以选择紫外、红外或可见辐射，但是可以采用任何波长。在其它实施中，可能需要在轨道形成之后从腔室提取粒子。因此，在进一步优选的例子中，检测器包括适于从一个或多个粒子轨道收集带电粒子的收集装置。有利地，该收集装置包括适于使粒子轨道上的带电粒子能够退出腔室的腔室中的至少一个退出点；与该退出点相邻地布置在腔室外侧的至少一个退出电极；以及用于向所述至少一个退出电极施加电压的电压源，使得当电压被施加到所述至少一个退出电极时，预定半径的粒子轨道上的带电粒子被朝着所述至少一个退出电极加速。因此，在使用中退出电极具有施加给它的电势差，使得相邻于退出点的带电粒子经由该退出点被引出到腔室外。所施加的电压与要从腔室去除的粒子上的电荷符号相反。如果要提取正粒子和负粒子二者，那么可以提供两个这种收集装置，或者根据需要可以切换单个这种装置上的电压。这种收集装置的提供使该谱仪能够被用于提纯物质。例如，该收集装置可被定位成使得只从腔室提取出具有一个期望的荷质比的确定的粒子。可替选地，可以“在飞行时”改变场，使得可以接连地从一些列轨道收集粒子。该谱仪能够以多种不同方式操作。在一个方面，本发明提供一种分离混合的带电粒子样品的方法，包括将该混合的带电粒子样品注入到腔室中，并执行上述质谱分析方法。可以使用上述检测技术中的任一个检测分离后的粒子。在另一方面，本发明提供一种测量带电粒子的质量的方法，包括将带电粒子样品注入到腔室中，执行上述质谱分析方法，测量至少一个粒子轨道的半径，并基于测得的该至少一个半径来计算粒子的质量。本发明的另一方面提供一种检测目标粒子的方法，包括将粒子样品注入到腔室中，执行上述质谱分析方法，并在一个或多个预定半径处检测粒子，其中至少一个所述预定半径对应于目标粒子的已知质量，在该至少一个预定半径处检测到带电粒子表示目标粒子的存在。在本发明的另一个方面，提供一种从混合的粒子样品提取目标例子的方法，包括将该混合的粒子样品注入到腔室中，并使用收集装置从具有基于目标粒子的质量确定的半径的所选粒子轨道提取粒子。优选地，该混合的粒子样品被连续地注入到腔室中，并从所选粒子轨道连续地提取粒子，因此该设备可作为提纯装置。


现在参照附图描述谱仪和谱方法的例子，其中图1是示出示例性的谱仪设备的部件的示意性框图；图2是可以在图1的谱仪中使用的腔室和其它部件的平面图；图3图示在本文中要被参考的方向；图4示出根据第一实施例的示例性电压分布；图5示出用于第一实施例的电压和电场与角距离的曲线图；图6图示第一实施例中适于建立角向场分量的部件；图7是施加到两个示例性的电极的电压与时间的曲线图；图8描绘可以由图6中所示的部件施加的电压分布；图9示出径向平衡分量的示例性电压和电场形状；图10图示第一实施例中适于建立径向场分量的部件；图IOa是图示使用图10的部件施加的电场的矢量图；图IOb和图IOc是示出图IOa中所示的腔室内的径向电压分布和径向电场的曲线图；图11是示出第一实施例中作用在粒子上的径向力的曲线图；图12图示第一实施例中粒子的径向振荡；图13图示第一实施例中粒子的角振荡；图14图示第一实施例中粒子的径向振荡和角振荡；图15示出第一实施例中检测器的部件；图15a示出可以由处理器基于来自图15的检测器的信号生成的示例性的谱；图16示意性地描绘根据第二实施例的谱仪的部件；图17示意性地描绘根据第三实施例的谱仪的部件；图18示出用于第三实施例的电压轮廓与角距离的曲线图；图19和图20从两个不同方面示出在第四实施例中使用的电压分布；图21示意性地示出根据第五实施例谱仪的部件；图22示出在第五实施例中使用的电压分布；图23a、b、c示出三个示例性的电极元件设置；图2 和图24b示出第六实施例的部件的两个例子；图2 和图2 示出第六实施例的部件的另外两个例子；图沈示出第七实施例的部件；图26a和图26b是示出使用图沈的实施例施加的示例性的径向电压分布和径向电场的曲线图；图27a和图27b是示出使用第七实施例的变体施加的示例性的径向电压分布和径向场的曲线图；以及
图观示意性地描绘可供选择的检测器的部件。
具体实施例方式图1示意性地图示适于实现下面讨论的实施例的示例性谱仪的一些主要部件。由参考标号1 一般地表示该质谱仪。场生成设备3被提供用于在腔室2内生成一个或多个场。 正如下面详细描述的，所生成的场是可作用在腔室2内带电粒子上的类型例如，电场和/ 或磁场通常是适合的，并且场生成设备3被相应地配置。注入装置7被提供用于将带电粒子注入到腔室2中。该注入装置能够接收来自该谱仪外部的源的带电例子，或者可选地，该谱仪可以包括电离装置6。在此，电离装置6流动地连接到注入装置7，以使通过电离装置 6带电的例子能够进入腔室2。电离装置6和注入装置7可以彼此一体化地形成，或者作为两个分开的部件来提供。在优选实施例中，腔室2维持在低气压(不完全真空)并且因此可以提供排空装置9，如泵。正如下面解释的，这不是必须的。检测器4被提供用于从腔室2获得结果。这可以采取从将腔室2内的粒子成像到从腔室2提取粒子的多种形式。在大多数情况下，场生成设备3连接到控制器5，如计算机或其它处理器。控制器 5可被用于控制由场生成设备3产生的场的尺寸、形状、幅度和方向。然而，如果场的形状将不是可变的，那么可以将其排除。控制器5还可以连接到检测器4，以监视和处理所获得的结果。在随后的示例性实施例中将更详细地描述上述每个部件以及该谱仪作为整体的操作。图2以平面图示出适于在该谱仪中使用的示例性的腔室2。在该例子中，腔室2 是盘状的，具有圆形截面和低的高宽比。例如，该腔室的直径可以大约为2cm并且它的轴向高度可以大约为0. 5cm。尽管基本上圆形的截面是优选的，但是腔室2可以采用任何形状 例如，可以采用球形、圆柱形或环形腔室。圆形截面是优选的，因为粒子典型地遵循圆形轨道(或者接近圆形，参见图M和图25)，并且因为这种圆形腔室是空间效率最高的。然而， 可以用任何形状的腔室建立相同的轨道，包括立方体的或矩形的腔室。在优选的情形中，腔室2是真空腔室也就是说，该腔室是可密封的，使得可以通过适当的控制装置，如前面描述的泵9，准确控制腔室内部的空气。腔室2的壁优选地由不倾向于吸附粒子的材料制成， 或者可以改为用适当的涂料如表面活性剂来处理。在特定的优选实施例中，例如通过用阳离子涂覆腔室的壁以排斥带正电的粒子，从而在腔室壁处实现小的局部排斥(反之亦然)。 然而，这不是必须的。在该例子中，电离装置6和注入装置7位于腔室2的周界加上的入口点。实际上， 入口点可以被提供在腔室2的表面上的任何位置，包括腔室的中心(例如，在旋转轴8处或附近)，或者在旋转轴和腔室的周界之间的任何径向位置处。电离装置6向注入装置7提供带电粒子以注入到腔室2中。粒子注入的精确速度和方向不是关键。因此，电离装置和注入装置的操作很大程度上是传统的。可以使用任何适当的电离技术。例如，电喷雾电离(electrospray ionisation, ESI)或者基质辅助激光解吸附电离(matrix-assisted laser-desorption ionization,MALDI)可被优选特别用于电离生物分子，因为这些是公知的导致无损带电分子的“软”技术。ESI使用液相分析物(例如，包含样品的溶液)，通过喷雾针将该液相分析物向收集器抽运。在针和收集器之间施加高电位差。从针排出的液滴具有与针上的表面电荷极性相同的表面电荷。当该液滴在喷雾针和收集器之间行进时，溶剂挥发。这导致每个液滴收缩，直到表面张力不能再维持被施加的电荷(称为瑞利极限)，在该点，液滴破裂成多个较小的液滴。该过程重复进行，直到剩下单独的带电分子。由于ESI的小尺寸，(当从液相采样时) ESI电离是特别优选的。另一方面，MALDI使用在金属目标板上干燥的样品与基质的固体混合物。利用激光来蒸发该固态材料。适当的ESI或MALDI设备被广泛使用。然而，许多其它电离技术也是可行的，并且可被优选用于专门的应用。例如，如果该谱仪要从周围空气采样，那么可以采用空气电离技术。这些技术典型地涉及提供间隔很近的电极，在电极之间施加处于或低于空气击穿电压的电压，以导致适当的电离而又不击穿。注入装置典型地使用线性粒子加速器，如围绕入口孔的带电板，或者一系列间隔开的环形电极，粒子通过该环形电极加速。设置场生成装置3以在腔室2内建立一个或多个场。这可以用多种不同方式来实现，但是在每种情况中，都将生成角向捕集场分量和径向平衡场分量。这些分量可被彼此独立地生成(即，叠加两个或更多个分开的场)，或者可以由单个场提供。角向捕集分量在角向上作用在腔室内的带电粒子上，使得在它的影响下，粒子受到力的作用，如图3中的箭头 Φ所表示的，使其围绕旋转轴8以恒定的半径沿着圆形路径移动。图2示出与腔室2的中心点对准的旋转轴8 这是优选的，但不是必须的。如图3中箭头r所示，径向平衡分量的作用垂直于角向分量、沿着旋转轴8和腔室的周界加之间的径向方向。可以理解，在这两种情况下，像磁场的情况下那样，各场分量作用在带电粒子上的(角或径向)方向可以不平行于其本身场分量的方向。角向捕集分量被配置成包括能量最小化，以在旋转轴8和腔室的周界加之间形成一个或多个“通道”，带电粒子将沿着该通道被捕集。该场生成装置被设置成围绕旋转轴 8旋转角向捕集分量，并且因此被捕集的粒子将同样地围绕该轴旋转，使得每个粒子受到离心力作用。径向平衡分量被设置成对抗该离心力。被捕集的粒子将因此在该离心力和径向平衡场的影响下沿着该场建立的通道迁移。径向平衡场被成形为使得其幅度随着与旋转轴8 的径向距离单调增大。这使得能够沿着通道形成稳定的平衡点，特定荷质比(q/m)的带电粒子将在该平衡点处稳定下来。由于角向捕集场继续旋转，所以每个稳定的粒子将围绕该旋转轴沿轨道飞行，并且图2中的轨迹(i)和(ii)描述了两种不同粒子类型的这种情况。 每个轨道的半径由带电粒子的荷质比确定，并且因此具有类似的荷质比的粒子将稳定在每个通道内的类似轨道上。在图2中，半径为巧的外粒子轨道(i)由荷质比CilAi1的粒子形成，荷质比Cl1Ai1低于形成较小半径r2的内粒子轨道(ii)的粒子的荷质比。因此，较重的低电荷的粒子与较轻的高电荷的粒子相比，将沿着较大半径的轨道行进。如下面将要讨论的，可以用多种不同方式检测该轨道，每个轨道的半径提供与粒子的质量(和电荷)有关的 fn息ο所施加的径向场和角向场的强度将取决于具体应用，并且可以从宽的范围中选择。对于径向分量来说，与低q/m(重的)粒子相比，高q/m粒子需要低场强度。因此，可以施加任何适当的场强度，但是优选地不超过腔室内的空气的击穿阈值(如果可能的话)。典型的场强度在lkV/cm至lOkV/cm的范围内，但是根据帕邢曲线，可以高达40kV/cm左右，这大约是空气击穿之前的上限。如果需要的话，角向场分量可以弱于径向场分量，因为它的作用是将粒子加速到某一角速度，并且不要求平衡强的相反的力。在优选情况中，任何一个半径的最大角向场分量可以与该半径的径向场分量的幅度为同一量级，因为已经发现这有助于将粒子快速捕集到每个通道中。然而，这不是必须的。与传统的质谱技术相比，本装置在非常大的荷质比范围上提供高分辨率分析，其本身可以通过调整所施加的场动态地(在飞行中)改变。结果，可以在小的紧凑的装置中分析大的和小的粒子。传统的质谱仪受到许多因素限制，只能分析相对低质量的粒子，例如小于20kDa(千道尔顿)。这很大程度上是由于高质量的粒子会损失分辨率。另一方面， 在超过kDa范围并且高达MDa量级时，本装置也能够很好地工作，同时在小的体积中实现非常高的分辨率，因为与传统的谱仪中不同，如上所述，粒子被约束在高度聚焦的靠近的轨线中。这允许分析潜在的大DNA分子、蛋白质以及甚至细胞。该装置同样适于分析小的粒子， 如无机化学物质。图4是示出本发明的第一实施例中施加到腔室的电压分布的示意性曲线图。在该实施例中，电角向捕集场和电径向平衡场被彼此分开地建立并且叠加，导致图4中所示的电压分布。将看到，在该例子中，电压围绕旋转轴8遵循正弦轮廓。也就是说，在离旋转轴8 的任一径向距离处，电压分布的角轮廓是正弦的，结果在任一半径处，导致一系列的电压谷 10和电压峰11。电压峰10和电压谷11代表在得到的电场中的最低能量点，现在参照图5 说明这一点，图5示出沿着角方向Φ所施加的电压和所得电场之间的关系。应注意，不需要遍布整个腔建立角向捕集分量例如，在下面描述的第六实施例中，只在腔室的一个角向子部分中建立捕集分量。如已经指出的，在本例子中，电压V具有正弦轮廓，并且因为电场与电压分布的空间导数成比例(即，E = dV/dct)，所以电场E也将具有与电压的相位偏离π/2的正弦形状 (即，Φ的余弦函数，因为d/d Φ ( ηΦ) =C0S Φ)。因此，最小电场幅度点(在此情况下为零)对应于电压分布中的峰11和谷10。如图4中所示，在每个半径处电压的峰和谷是连续的，因为每个电压峰或谷雨相邻半径上的电压峰或谷对准，从而在旋转轴8和腔室周界之间形成通道13和14。通道13遵循电压轮廓的“谷”，而通道14遵循“脊”。在本例子中， 每个通道13、14延伸旋转轴8和腔室周界之间的全部距离，但这不是必须的。在腔室2内的带电粒子在角向捕集分量的影响下将向能量最低的通道13和/或 14迁移。例如，图5示出在对应于电压分布中的谷10的能量最小值“Α”附近的正粒子12。 在该例子中，最小值A是角电场中的过零点即，在该最小值的一侧(角向上)，场是正的， 而在另一侧，场是负的。就图5来说，正场分量将使正粒子向该图的右侧移动，而负场分量将向左驱动粒子。因此，如箭头所示，在位置X处的正粒子12将被该场向右驱动。这将持续直到粒子到达电场从正方向切换到负方向的最小值Α。如果正粒子12越过该最小值，当该粒子在负电场中的位置Y时，它将受到如箭头表示的向左驱动它的力。因此，正粒子将有效地在角向上被捕集在最小值A的附近。在实践中，该粒子将以这种方式关于该能量最小值持续振荡，除非如下面讨论的，其运动衰减。
从图5的曲线图可以看出，存在与电压分布中的峰11对应的下一个最小值B。对于正粒子，如12，这代表不稳定的平衡位置，因为如果该粒子偏离点B，那么它受到的力的方向将远离该最小值。然而，对于负的带电粒子，情况相反，将在电压峰发现稳定的平衡位置，并且在电压谷发现不稳定的平衡位置。上述场的符号关于旋转轴周期性地改变的过零点如A和B在任何交变场中都将存在。正弦角向场是优选的，但是三角波场或方波场同样是可适用的。以场的过零点的形式提供能量最小值是优选的，因为如上所述，捕集效果特别稳定。然而，这不是必须的。例如， 在最小值的两侧符号相同的场。虽然这代表不稳定的平衡位置，但是如果角向捕集分量以足够大的角速度旋转(比粒子离开最小值的速度快)，那么仍能够实现必要的捕集效果。类似地，虽然如果场的幅度在最小值处为零是有益的，但是出于相同的理由，这种情况也不是必须的。因此，腔室2内的带电粒子沿着由角向捕集分量的能量最小值形成的通道13和/ 或14(取决于粒子的符号)被约束，并且由于角向捕集分量的旋转而围绕旋转轴旋转。图6图示可被用于建立关于图4和图5描述的类型的角向捕集场的场生成设备3 的示例性部件。腔室2用透视图示出，并且如前面所述，在该腔室的周界加上示出注入装置7。该场生成设备包括角向场电极组件，该角向场电极组件为多个电极15的形式(被称为“捕集(trapping)，，电极，因为它们进行粒子的角向捕集)，该多个电极15相邻于腔室2 的一个表面均等地角向间隔开，该表面优选为垂直于旋转轴8的表面。这些电极可被布置在腔室2的内侧或外侧。可以使用任意数目的电极15，尽管优选地多于一个。如下面关于图M和图25描述的，电极15不需要分布在腔室的整个表面上，而可以布置成仅覆盖腔室的一个角向子部分。电极15在旋转轴8和腔室2的周界之间延伸。电极15不需要延伸从旋转轴8到腔室2的周界的整个距离，而只要延伸期望建立上述通道的部分即可。提供电压源15a，并且向每个电极15 (或者至少电极15中的一些)施加电压。为了清楚，图6仅示出电极15*、 15"两个电极和电压源之间的连接，但是在实践中，典型地为该组件中的每个电极提供这种连接。在该例子中，对电极15的最接近旋转轴8的端部施加0伏。对电极15的接近腔室的周界加的端部施加电压\、V2等。优选地，由于下面将要讨论的原因，所述电极被提供 “浮动”电压(即，电源在相邻的电极之间施加电压差，而不是相对于地的绝对电压)。电压源1 优选地在处理器5的控制之下，处理器5设定施加到每个电极的电压电平，从而在腔室2中建立期望的电压分布。然而，电压源本身可以进行该功能。通过仔细选择施加到每个电极的电压来设定场的角轮廓，并且为了生成上面讨论类型的正弦角向场分量，施加到每个电极的电压将围绕旋转轴遵循正弦分布。通过适当选择施加到每个电极的电压可以应用其它场形状，如三角波轮廓或方波轮廓。为了使角向场关于腔室2旋转，优选地，电压源1 (或控制器幻随时间改变施加到每个电极15的电压，使得每个所施加的电压值依次围绕各电极前进。由该电压源或控制器控制旋转速度。图7示出该例子中施加到示例性的电极实线)和虚线)的电压及其随时间的变化。将会看到，在时间=零时，电极15*处于电压电平V1,而电极处于其最大电压V2，V2代表电压分布中的峰。每个电极上的电压以与角向场分量的角速度直接相关的频率正弦地变化(或者三角地等等)。在图7中，可以看到，每个电极在时间T中经历单个电压峰和单个电压谷。由于在该例子中在全部电压分布中有8个峰和8个谷(见图4)，所以该时间T代表该场完成整个电路的时间的1/8。因此，在该例子中，分辨率的频率F由1/ (8T)给出。典型地，这将是kHz或MHz量级。角速度ω由2 π F给出。电极15优选地由非零电阻的材料如电阻聚合物或硅制成，使得沿着旋转轴8和腔室2的周界之间的径向方向维持电势差。这导致朝着旋转轴电压降低，这有助于形成跨该腔室连续的电场，但是这不是必须的。然而，这可导致下面将讨论的更有益的实施。使用电阻电极的另一个优点是电流流动被最小化(或者完全停止)，从而减小功率消耗。图8示意性示出可以由图5中所示的设备生成的电压分布的形状，并且特别图示了正弦角向捕集分量随着半径增大的幅度，这是如上所述沿着每个电极的电势差导致的。 径向平衡场与其相加以达到图4中所示的电压分布。图9示出径向平衡分量的示例性电压分布V以及得到的径向电场Ε。在该例子中， 电压以r3增大，并且不具有Φ依赖性(即，在一个半径处对于所有Φ值都是恒定的)。因此所得到的电场分量以r2增大。在实践中，在与一个或多个通道对应的区域中，电场分量的幅度可以取r的任意单调增大函数，因为如下面进一步讨论的，这将能够实现稳定的半径平衡位置。例如，径向场幅度可以随rn变化，其中η大于或等于1(但是在η = 1的情况下，在旋转轴处电场的值偏离零，否则唯一的平衡点将与旋转轴重合)。在任一半径处在所有角向场的幅度都是恒定的径向场形状是优选的，但不是必须的。因为粒子被约束到角向场通道，所以这是发生径向移动的地方。同样地，远离通道的径向场的形状不是关键的，并且不需要单调增大。然而，在所施加的径向场在任一半径处不是恒定的情况下，该径向场应该与角向场同步旋转，使得必要的径向场形状始终与该通道或每个通道对准。将如图9中所示的径向电压分布叠加在图8中所示的角分布上将导致图4中所示的形状的电压分布，其具有径向分量和角向分量。图10图示用于以电场形式施加这种径向场的场生成设备3的示例性部件。从一侧示出腔室2，并且在腔室2的上表面上示出包括先前关于图6描述的捕集电极15的角向场电极组件。另外以平衡电极17a和17b的形式提供径向场电极组件，平衡电极17a和17b 分别布置在腔室的两侧(尽管如果需要的话可以采用单个这种电极)。像上述角向捕集电极的情况那样，每个平衡电极17a、17b由电阻材料形成，如聚合物或硅。平衡电极17a、17b 中的每一个具有沿着径向方向变化的厚度轮廓(在腔室2的轴向方向上)。因此，在该例子中，平衡电极是具有直的侧面的锥形形状，但是可选地，圆锥体的侧面可以具有凹的或凸的表面轮廓。该平衡电极或每个平衡电极17a、17b的中心轴典型地与角向场的旋转轴8对准。每个电极的顶点可以面向或背向腔室2，但是优选地，如图10中所示布置该电极，每个顶点背向腔室。如果希望的话，可以用径向定位成“楔”形的电极元件的阵列替换每个平衡电极 17a、17b。在平衡电极的中心轴和其圆形周界之间施加DC电压。在该例子中，每个电极的顶点接地，同时对每个电极17a、17b的周界18a、18b施加正电压+V。这可以例如使用插入到每个圆锥体的顶点中的中心接触件19a、19b和圆形周界接触片20a、20b来实现。如果希望的话，可以用沿着旋转轴8穿过腔室(或者在腔室为环形的情况下穿过腔室中的间隙)的单个中心接触件代替中心接触件19a、19b，这可以有助于场的成形。由于电极17a、17b由电阻材料制成，所以在旋转轴8和电极周界18之间产生由电极17a、17b成形的电势差，从而导致如关于图9描述的腔室内的径向电压分布。图IOa是示出使用上述设备产生的电场的方向的通过有限元分析得到的矢量图。 在此，从一侧观看平衡电极17a、17b和腔室2。为了清楚，没有示出其它部件。箭头表示平衡电极附近的每个点处的电场的强度(箭头长度)和方向，并且将会看到，在腔室2内在电极之间场是径向的(即，垂直于旋转轴)。图IOb中示出在对电极周界时间+1000V的电压并且顶点接地(OV)的示例性情况下沿着腔室2的半径的电压分布。图IOc示出对应的径向电场，并且将会看到该径向电场的幅度适当地随着半径增大以单调的非线性方式增大。由此生成的角向和径向场分量可以用各种方式彼此叠加。如已经描述的，可以由与用于径向分量的DC电源分开的专用电源生成角向分量。如果这样的话，则捕集电极应该在所施加的径向电压上“浮动”，即，施加到捕集电极的电压应该优选为在相邻电极之间施加的电压差的形式，而不是相对于地的绝对电压，这将显著扭曲径向电压分布。通过使捕集电极“浮动”，每个捕集电极处的电压将是径向电压与角向电压之和。用于实现这一点的另一个方式是经由适当的电阻器或电阻材料，通过与平衡电极的电接触来偏置捕集电极。可替选地，可以使用非浮动的电源，如果它被设置成施加绝对电压V+dV的话，其中V是径向电压，dV是角向电压。在下面将要描述的后面的实施中，这可能是适当的。一旦角向和径向场彼此叠加，如图4中所示，在腔室内任意点处得到的电压分布就将是这两个电压之和。如前面提到的，径向场的幅度可以显著大于角向场分量，并且这使径向场形状占优势，从而可以根据需要影响径向场的方向。例如，从图8注意到，单独在角向场中，谷延伸到相对于旋转轴8处的电压为负的电压，而峰延伸到相对于旋转轴处的电压为正的电压。因此，沿着峰存在朝着旋转轴的固有径向场分量，但是在谷上具有朝着周界的固有径向场分量。通过以上述方式添加强的径向场，可以操纵这一点，使得在场的所有点处，径向力都作用在相同方向上。这是图4中的情况，从图4注意到，由峰形成的通道和由谷形成的通道二者都延伸到笔旋转轴8处的电压高的电压，使得在所有点处，径向场都向内作用。可供选择的配置也具有优点，下面将对此进行描述。在图4中所示的示例性情况中，最终的电压分布形式为V = A(r/R)3+B(r/R) sin (ΝΦ+ cot)，其中A和B是常数，r是Φ角向坐标，t是时间坐标，R是期望的场的径向范围(例如，腔的半径)，N是围绕旋转轴包含在一个完全电路中的角向分量的波长数目，ω 是角向分量旋转的角速度。在该例子中，N = 8，这意味着在每个电路中包含8个电压谷和 8个电压峰，这对应于16个通道，其中的一半将为任何给定的粒子提供稳定的“陷阱”。因此，N可以取任意值，并且尽管优选地提供整数个波长，但是这不是必须的。N值越大，可利用的通道的数目越大，这将减小与相同粒子之间自排斥有关的问题，因为在任一通道中将捕集较少的粒子。在任一通道中被捕集的粒子在径向场分量和离心力的组合影响下沿着通道迁移。 如上面讨论的，粒子因径向场分量而受到的力被设置成向内作用，从而对抗向外的离心力。 因此，在分析带正电的粒子的情况下，图4中所示类型的电压分布(其中电压总是朝着旋转轴比在周界处更低)是适当的。在分析负粒子的情况下，应该应用相反的电压分布。径向场的幅度仍将以与上面讨论的相同的方式单调地变化。在某些实施例中，可以同时分析正粒子和负粒子二者，并且下面将讨论该选项。
图11示出通道中示例性粒子上的径向力。该粒子上的离心力Fc总是向外作用(向图11的右侧)并且与mCO2r成比例，其中m是该粒子的质量，ω是其角速度，并且r是径向位置。由径向场分量导致的力向内作用，并且在该例子中与qr2成比例，其中q是该粒子上的电荷，r是径向位置。如图11中所示，对于每个q/m比，存在力F。和！^相等且相反的径向位置r*。通过将径向场幅度设置成随着r单调地增大(例如，以r2，如此处所示的)，这将导致点r*形成稳定的平衡位置。从r*向旋转轴(向图11中的左侧)波动的粒子将进入 Fc > Fe的区域，使得净力向外，迫使粒子向r*返回。类似地，如果粒子越过r*向腔室周界移动(向图11中的右侧)，则它将受到向内的净力，并且再次被迫使向r*移动。因此，粒子将根据它们的荷质比(q/m)稳定在平衡半径r*。具有相同q/m比的粒子将围绕Z聚集成束。同样粒子的束将随着角向分量旋转而围绕旋转轴作轨道运动。如上面提到的，粒子将趋向于关于它们的平衡位置振荡。该振荡发生于角向上 (关于角向能量最低值，即，“虚拟”通道)和径向上(关于平衡点r*)。如果场被设置成使得粒子位于足够小的体积内，那么该振荡可能不是问题。例如，如果形成通道13的电压谷足够陡峭，那么正粒子将在窄的势阱内有效地振荡。类似地，所施加的径向场的形状还可以被控制为使径向振荡最小化。然而，为了提高装置的分辨率，优选地，使粒子振荡衰减，并且这通过将腔室的内部维持在受控制的气压和温度，优选为不完全真空，来有利地实现。这提供了对抗粒子自身运动同时又不明显抑制它们在所施加的场的影响下的运动的一定程度的摩擦力，以及不需要能够产生真正真空的泵的附加益处，真空泵通常体积大并且因此减小了装置的移动性。各种不同的气体可以被选择用于该目的。应该考虑的因素包括 气体的击穿电压-典型地，所施加的电场强度很高(在10至50kV/cm的范围内)以实现优良的分辨率。因而优选地选择所谓的介电气体，如空气、氮气、氩气/氧气、氙气、氢气或六氟化硫(可以与惰性气体混合)。许多其它适当的介电气体也是已知的。 气体的阻尼效应-不同气体对离子移动性具有不同影响。 气体的化学惰性。已经发现氙气提供了性质的适当组合，尽管许多其它气体(单一种类或混合物) 也可以被使用。适当的气压还将取决于各种因素，包括所测试的粒子的属性以及必须施加的场强。例如，在许多情况下，低压提供了使自身振荡衰减同时又不抑制粒子轨迹的必要平衡。 然而，在其它情况下，较高的气压可能是必须的，以避免由所施加的场导致的气体击穿。例如，这可以是以相对低角速度和高径向场强度分析细胞等大质量粒子的情况(高径向场强度是必须的，因为即使在低速度，大质量的粒子也将受到相应的高离心力)。帕邢曲线表明空气的击穿电压随着压力增大而增大。气体提供的摩擦力使振荡衰减，使得粒子失去能量并且稳定在相关的场平衡点附近。如下面将要证明的，每个粒子最终稳定的点可以不精确与平衡点重合。然而，与轨道的半径相比，任何这种偏离通常都是可忽略的，并且因此对所获得的结果几乎没有影响。如果希望的话，还可以将该偏离作为结果处理中的因数。在下面的例子中，进行了若干简化，以使方程线性化并且得到用于量化带电粒子在平衡条件附近的运动学特征的解析解法。对于径向电场分量，假定线性形状(即，。同样地，假定角向场分量在平衡点附近接近线性场(参见图5)。因此，角向场分量的形式为Εφ (Φ) = Α(φ-ω )+Β (1)其中A和B是常数。径向场分量采用如下形式Er (r) = -Cr-D (2)其中C和D是常数。C前面的负号意味着场是负的，即向内作用在正粒子上。粒子上的离心力由下式给出Fu (r) =mco2r (3)因此可以写出下面的动力学方程。在径向方向上mr" (t)+m ω 2r (t)+qEr (r) + P r ‘ (t) = 0 (4)其中m是粒子的质量，q是粒子上的电荷，P是由腔室内受控制的气体压力导致的摩擦系数。以传统方式使用符号'，以表示导数。在角向方向上πιΦ" (t)-qE$ (Φ (t)) + P Φ ‘ (t) = 0 (5)将场形状带入方程(4)和(5)，并且针对边界状态求解微分方程，给出如下运动方禾呈。在径向方向上
权利要求
1.一种质谱仪，包括腔室；适于将带电粒子注入到所述腔室中的注入装置；场生成设备，所述场生成设备适于建立作用在所述带电粒子上的至少一个场，所述至少一个场具有角向捕集分量，所述角向捕集分量被配置成在旋转轴和所述腔室的周界之间形成至少一个通道，所述至少一个通道由所述角向捕集分量的能量最小值限定，所述场生成设备还适于使所述角向捕集分量围绕所述旋转轴旋转，由此，在使用中，带电粒子由所述角向捕集分量沿着所述至少一个通道在角向上约束从而与所述角向捕集分量一起旋转，离心力由此作用在所述带电粒子上；以及径向平衡分量，至少在所述至少一个通道附近，所述径向平衡分量的幅度随着自所述旋转轴起的半径的增大而单调增大，由此，在使用中，带电粒子在所述离心力和所述径向平衡分量的组合影响下沿着所述至少一个通道移动，从而根据所述粒子的荷质比形成一个或多个粒子轨道；以及被配置成检测至少一个所述粒子轨道的检测器。
2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述角向捕集分量由角向捕集场提供，并且所述径向平衡分量由径向平衡场提供。
3.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述角向捕集分量由角向捕集场提供，并且所述径向平衡分量是所述角向捕集场的分量。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述能量最小值对应于基本上零角向场幅度的点，优选为过零点，在所述过零点处，所述角向场分量在所述过零点的一侧具有第一方向，而在所述过零点的另一侧具有与所述第一方向相反的第二方向。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中限定所述或每个通道的所述能量最小值沿着所述或每个通道是连续的。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述至少一个通道从所述旋转轴延伸到所述腔室的周界。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述至少一个通道是径向通道。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述至少一个通道遵循所述旋转轴和所述腔室的周界之间的弓形路径。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中在每个半径处所述角向捕集分量围绕所述旋转轴遵循交变轮廓。
10.根据权利要求9所述的质谱仪，其中所述交变角向轮廓是正弦的、三角形的或方形的。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述场生成设备适于只在围绕所述旋转轴限定的所述腔室的角向子部分中建立所述角向捕集分量。
12.根据至少权利要求2或3所述的质谱仪，其中所述角向捕集场是电场。
13.根据权利要求12所述的质谱仪，其中所述场生成设备包括角向场电极组件，所述角向场电极组件包括多个捕集电极或捕集电极元件以及被设置成向至少一些所述捕集电极或捕集电极元件施加电压的电压源。
14.根据权利要求13所述的质谱仪，其中所述角向场电极组件包括在所述旋转轴和所述腔室的周界之间延伸的至少两个捕集电极，所述捕集电极优选地围绕所述旋转轴基本上均等地角向间隔开。
15.根据权利要求13所述的质谱仪，其中所述角向场电极组件包括捕集电极元件的至少两个阵列，每个阵列沿着所述旋转轴和所述腔室的周界之间的相应路径延伸，所述阵列优选地围绕所述旋转轴基本上均等地角向间隔开。
16.根据权利要求14或15所述的质谱仪，其中所述至少两个捕集电极或至少两个阵列每个都在所述旋转轴和所述腔室的周界之间径向延伸。
17.根据权利要求14或15所述的质谱仪，其中所述至少两个捕集电极或至少两个阵列每个都遵循所述旋转轴和所述腔室的周界之间的弓形路径。
18.根据权利要求13所述的质谱仪，其中所述角向场电极组件包括布置在所述旋转轴和所述腔室的周界之间的捕集电极元件的二维阵列，所述捕集电极元件优选地被布置成正交网格图案、六边形网格图案、密排图案或同心圆图案。
19.根据权利要求13至18中的任一项所述的质谱仪，其中所述电压源适于依次改变施加到所述或每个捕集电极或者捕集电极元件的电压，使得所述角向捕集场围绕所述旋转轴旋转。
20.根据权利要求13至19中的任一项所述的质谱仪，其中所述或每个捕集电极或者捕集电极元件具有有限的电阻，使得所述电压沿着所述或每个捕集电极的长度变化。
21.根据权利要求13至20中的任一项所述的质谱仪，其中所述或每个捕集电极或者捕集电极元件包括电阻性聚合物或硅。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述径向平衡分量具有以广增大的幅度，其中η大于或等于1，而r是距所述旋转轴的径向距离。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中至少在所述或每个通道所对应的角向位置处，在每个半径处所述径向平衡分量的幅度围绕所述旋转轴是恒定的。
24.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中在每个半径处所述径向平衡分量的幅度围绕所述旋转轴变化。
25.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述径向平衡分量在所述腔室的至少一个第一角向扇区中具有第一方向，并且在至少一个第二角向扇区中具有与所述第一方向相反的第二方向，所述第一和第二角向扇区对应于角向最小值的第一和第二通道。
26.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述场生成设备还适于使所述径向平衡分量与所述角向捕集分量同步地围绕所述旋转轴旋转。
27.根据至少权利要求2所述的质谱仪，其中所述径向平衡场是磁场。
28.根据权利要求27所述的质谱仪，其中所述场生成设备包括磁体组件，所述磁体组件被设置成使得所述腔室被布置在所述磁体组件的相对磁极之间。
29.根据权利要求观所述的质谱仪，其中所述磁体组件的每个极具有在所述腔室周界处比在所述旋转轴处朝着所述腔室延伸更多的变化的表面轮廓，所述变化的表面轮廓被成形为建立具有随半径单调增大的幅度的磁场，所述变化的表面轮廓优选为凹的表面轮廓。
30.根据权利要求观或2所述的质谱仪，其中所述磁体组件包括电磁体。
31.根据至少权利要求2所述的质谱仪，其中所述径向平衡场是电场。
32.根据权利要求31所述的质谱仪，其中所述场生成设备包括径向场电极组件，所述径向场电极组件包括相邻于所述腔室而布置的至少一个平衡电极，所述至少一个平衡电极具有被成形为当它被施加电压时建立单调增大的径向场的径向轮廓。
33.根据权利要求32所述的质谱仪，其中所述平衡电极具有与所述旋转轴对准的中心以及围绕所述旋转轴基本上圆形的周界，所述平衡电极的厚度在所述平衡电极的所述中心和所述周界之间变化从而建立单调增大的径向场。
34.根据权利要求32或33所述的质谱仪，其中所述平衡电极包括具有直的、凹的或凸的侧面的圆锥体。
35.根据权利要求34所述的质谱仪，其中所述圆锥体的顶点朝着或远离所述腔室而延伸。
36.根据权利要求32至35中的任一项所述的质谱仪，其中所述场生成设备还包括被设置成跨所述至少一个平衡电极施加电压的电压源。
37.根据权利要求32至36中的任一项所述的质谱仪，其中所述或每个平衡电极优选地由固体电阻性聚合物或硅形成。
38.根据权利要求32至37中的任一项所述的质谱仪，其中所述径向场电极组件还包括第二平衡电极，所述腔室被布置在所述第一和第二平衡电极之间。
39.根据权利要求31所述的质谱仪，其中所述场生成设备包括具有与所述旋转轴同心布置并且通过介电材料彼此间隔开的多个环形电极的径向场电极组件；以及被设置成向每个所述环形电极施加电压的电压源。
40.根据引用权利要求3时的权利要求12至沈中的任一项所述的质谱仪，其中所述角向场电极组件被配置成使得所述或每个捕集电极上的电压在所述或每个捕集电极的朝着所述旋转轴的一端和所述或每个捕集电极的朝着所述腔室的周界的一端之间变化，从而建立单调增大的径向场。
41.根据权利要求40所述的质谱仪，其中所述或每个捕集电极包括电极元件的阵列， 所述电压源向每个电极元件施加电压。
42.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述腔室具有基本上垂直于所述旋转轴的圆形横截面。
43.根据权利要求42所述的质谱仪，其中所述腔室是盘状的、圆柱形的或环形的。
44.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述腔室是真空腔室，并且所述质谱仪还包括用于控制所述腔室内的空气的设备，优选为排空装置或泵。
45.根据权利要求44所述的质谱仪，其中所述用于控制所述腔室内的空气的设备适于在所述腔室内维持不完全真空。
46.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，还包括适于在粒子被注入到所述腔室中之前使所述粒子电离的电离装置。
47.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述场生成设备还包括适于控制所述场生成设备实现所述角向捕集分量和/或径向平衡分量的变化的控制器。
48.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述检测器适于测量至少一个所述粒子轨道的半径。
49.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述检测器适于检测一个或多个预定半径处的粒子轨道。
50.根据前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述检测器包括被设置成检测穿过所述腔室传播的辐射的至少一个辐射吸收元件。
51.根据权利要求50所述的质谱仪，其中所述检测器包括沿着所述旋转轴和所述腔室周界之间的径向路径布置的辐射吸收元件的阵列。
52.根据权利要求50或51所述的质谱仪，其中所述检测器还包括被设置成穿过所述腔室朝着所述至少一个辐射吸收元件发射辐射的一个或多个辐射发射元件。
53.根据权利要求1至49中的任一项所述的质谱仪，其中所述检测器包括适于从一个或多个粒子轨道收集带电粒子的收集装置。
54.根据权利要求53所述的质谱仪，其中所述收集装置包括适于使预定半径的粒子轨道上的带电粒子能够退出所述腔室的所述腔室中的至少一个退出点；相邻于所述退出点而布置在所述腔室外侧的至少一个退出电极；以及电压源，所述电压源用于向所述至少一个退出电极施加电压，使得当电压被施加到所述至少一个退出电极时，预定半径的粒子轨道上的带电粒子被朝着所述至少一个退出电极加速。
55.一种质谱分析方法，包括 将带电粒子注入到腔室中；建立作用在所述带电粒子上的至少一个场，所述至少一个场具有 角向捕集分量，所述角向捕集分量被配置成在旋转轴和所述腔室的周界之间形成至少一个通道，所述至少一个通道由所述角向捕集分量的能量最小值限定；以及径向平衡分量， 至少在所述至少一个通道附近，所述径向平衡分量的幅度随着自所述旋转轴起的半径的增大而单调增大；使所述角向捕集分量围绕所述旋转轴旋转，由此，由所述角向捕集分量沿着所述至少一个通道在角向上约束的带电粒子与所述角向捕集分量一起旋转，使得离心力作用在所述带电粒子上，所述带电粒子在所述离心力和所述径向平衡分量的组合影响下沿着所述至少一个通道移动，从而根据所述粒子的荷质比形成一个或多个粒子轨道；以及检测至少一个所述粒子轨道。
56.根据权利要求55所述的质谱分析方法，其中由角向捕集场提供所述角向捕集分量，并且由径向平衡场提供所述径向平衡分量。
57.根据权利要求55所述的质谱分析方法，其中由角向捕集场提供所述角向捕集分量，并且所述径向平衡分量是所述角向捕集场的分量。
58.根据权利要求55至57中的任一项所述的质谱分析方法，其中仅在围绕所述旋转轴限定的所述腔室的角向子部分中建立所述角向捕集分量。
59.根据权利要求55至58中的任一项所述的质谱分析方法，其中所述角向捕集场是电场。
60.根据权利要求59所述的质谱分析方法，其中通过相邻于所述腔室而布置的至少一个捕集电极和被设置成向所述或每个捕集电极施加电压的电压源来建立所述角向捕集场， 并且所述方法包括依次改变向所述或每个捕集电极施加的电压，使得所述角向捕集场围绕所述旋转轴旋转。
61.根据至少权利要求56或57所述的质谱分析方法，其中所述径向平衡场是磁场。
62.根据至少权利要求56或57所述的质谱分析方法，其中所述径向平衡场是电场。
63.根据权利要求55至62中的任一项所述的质谱分析方法，还包括使所述径向平衡分量与所述角向捕集分量同步地围绕所述旋转轴旋转。
64.根据权利要求55至63中的任一项所述的质谱分析方法，还包括在所述粒子被注入到所述腔室中之前使所述粒子电离。
65.根据权利要求55至64中的任一项所述的质谱分析方法，还包括排空所述腔室以便在所述腔室内产生不完全真空。
66.根据权利要求55至65中的任一项所述的质谱分析方法，其中在所述带电粒子的移动期间改变所述径向平衡分量的幅度和/或形状以便调整所述或每个粒子轨道的半径。
67.根据权利要求55至66中的任一项所述的质谱分析方法，使用根据权利要求1至 54中的任一项所述的质谱仪。
68.根据权利要求55至67中的任一项所述的质谱分析方法，其中所述检测步骤包括测量至少一个所述粒子轨道的半径。
69.根据权利要求55至67中的任一项所述的质谱分析方法，其中所述检测步骤包括在一个或多个预定半径处检测粒子。
70.根据权利要求55至67中的任一项所述的质谱分析方法，其中所述检测步骤包括从一个或多个所述粒子轨道收集粒子。
71.—种对混合的带电粒子样品进行分类的方法，包括将所述混合的带电粒子样品注入到腔室中，并执行根据权利要求55至70中的任一项所述的方法。
72.—种测量带电粒子的质量的方法，包括将带电粒子样品注入到腔室中，执行根据权利要求66所述的方法，并基于测得的所述至少一个半径来计算所述粒子的质量。
73.—种测量带电粒子的质量的方法，包括将带电粒子样品注入到腔室中，执行根据权利要求69所述的方法，其中在所述带电粒子的移动期间改变所述径向平衡分量的幅度和/或形状以便调整所述或每个粒子轨道的半径，并基于所述径向平衡分量的变化和所述预定半径来计算所述粒子的质量。
74.—种检测目标粒子的方法，包括将粒子样品注入到腔室中并执行根据权利要求 69所述的方法，其中至少一个所述预定半径对应于所述目标粒子的已知质量，在所述至少一个预定半径处检测到带电粒子表示所述目标粒子的存在。
75.—种从混合的粒子样品提取目标粒子的方法，包括将所述混合的粒子样品注入到腔室中，并执行根据权利要求70所述的方法以从具有基于所述目标粒子的质量确定的半径的所选粒子轨道提取粒子。
76.根据权利要求75所述的方法，其中将所述混合的粒子样品连续地注入到所述腔室中，并从所述所选粒子轨道连续地提取粒子。
全文摘要
公开了一种质谱仪，该质谱仪包括腔室；适于将带电粒子注入到腔室中的注入装置；以及场生成设备。场生成设备适于建立作用在带电粒子上的至少一个场，该至少一个场具有被配置成在旋转轴和腔室的周界之间形成至少一个通道的角向捕集分量，该至少一个通道由角向捕集分量的能量最小值限定，场生成设备还适于使角向捕集分量围绕旋转轴旋转，由此，在使用中，带电粒子由角向捕集分量沿着该至少一个通道在角向上约束从而与角向捕集分量一起旋转，离心力由此作用在带电粒子上。另外，该至少一个场还具有径向平衡分量，至少在该至少一个通道附近，径向平衡分量的幅度随着自旋转轴起的半径的增大而单调增大，由此，在使用中，带电粒子在离心力和径向平衡分量的组合影响下沿着该至少一个通道移动，从而根据粒子的荷质比形成一个或多个粒子轨道。该质谱仪还包括被配置成检测至少一个粒子轨道的检测器。还公开了质谱分析方法。
文档编号H01J49/32GK102576644SQ201080036094
公开日2012年7月11日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月8日
发明者迪米特里奥斯·赛德里斯 申请人:迪米特里奥斯·赛德里斯