用于质谱仪在高压时的改进性能的射频(rf)离子引导器的制造方法
【专利说明】用于质谱仪在高压时的改进性能的射频(RF)离子引导器
[0001]优先权要求
[0002]本申请要求专利合作条约(PCT)的条款4.10下来自名为T.Ristroph和G.Perlman的发明人于2012年9月25日提交的美国专利申请N0.13/626，698的优先权。
【背景技术】
[0003]质谱法(MS)是一种用于样本的定量元素分析的分析方法。样本中的分子由分光计基于它们相应质量而电离并且分离。分离后的分析物离子然后受检测，并且样本的质谱得以产生。质谱提供关于质量的信息，并且在一些情况下提供关于构成样本的各种分析物颗粒的数量的信息。具体地，质谱法可以用于确定分析物内的分子的分子量和分子碎片(fragment)。此外，质谱法可以基于裂解方式(fragmentat1n pattern)来识别分析物内的成分。
[0004]供质谱法分析的分析物离子可以通过各种电离系统中的任何一种而产生。例如，大气压力矩阵辅助激光器解吸电离(AP-MALDI)、大气压力光电离(APPI)、电喷雾电离(ESI)、大气压力化学电离(APCI)和感应耦合等离子体(ICP)系统可以用于在质谱系统中产生离子。这些系统中的许多系统在大气压力(760ΤΟ1Γ)或其附近生成离子。一旦生成，就必须将分析物离子引入或采样到质谱仪中。典型地，质谱仪的分析器部分保持在KT4Torr到KT8Torr的高真空等级。实际上，对离子进行采样包括:通过一个或多个中间真空腔室的方式，以窄禁闭离子射束的形式将分析物离子从离子源传送到高真空质谱仪腔室。中间真空腔室中的每一个保持在前面腔室与后面腔室的真空级别之间的真空级别。因此，离子射束传送分析物离子，并且以阶梯方式从与离子形成关联的压力级别过渡到质谱仪的压力级另IJ。在多数应用中，期望将离子传送通过质谱仪系统的相应腔室中的每一个而没有显著的离子损耗。一般，离子引导器用于使得离子在MS系统中以所限定的方向运动。
[0005]在允许或促进离子轴向地传送的同时，离子引导器通常使用电磁场径向地禁闭离子。一类离子引导器通过施加依赖于时间的电压生成多极场，其一般处于射频(RF)谱中。这些所谓的RF多极离子引导器已经在MS系统的各部分之间和离子捕集的各组件之间传送离子方面发现各种应用。一般，离子引导器也在存在缓冲气体的情况下工作，以在轴向和径向方向上都减少离子的速度。离子速度在轴向和径向方向上的这种减少公知为由于离子与缓冲气体的中性分子的多次碰撞以及所得的动能传递所引起的“热化”或“冷却”离子种群。在改进离子传输通过MS系统的孔口以及减少飞行时间(TOF)仪器中的径向速度扩散方面，径向方向上压缩的热化的射束是有用的。RF多极离子引导器形成伪势阱，其将离子禁闭在离子引导器内部。
[0006]射束限制孔径用于限制离子射束的横向空间宽度和角度扩散(射束发散度)。因为在横向位置或角度航向中相对于射束轴偏离太多的离子轨道可能导致质量分析器中的色散，所以限制离子射束的空间宽度和角度扩散是有用的。质量分析器中的这种色散基于离子初始状况而非仅基于离子质量。例如，在“理想” TOF MS系统中，离子飞行时间仅取决于离子质量，这是因为这是待测量的量。实际上，飞行时间弱势地取决于每个离子的准确空间位置和角度航向。位置和角度偏离的扩散导致飞行时间的扩散，并且减少TOF MS系统的质量分辨率。因此，在很多质量分析器中，通过有时被称为限制器(slicer)的无场区域中的两个连贯孔径的集合来限制射束大小和角度扩散，其防止可接受范围之外的离子进入分析器。
[0007]虽然射束限制孔径在改进质量测量的精度方面是有用的，但在离子引导器中包括射束限制孔径的已知MS系统具有特定缺点。首先，射束限制孔径通过防止离子射束的显著部分进入质量分析器而降低了整个质谱仪灵敏度。其次，在包括射束限制孔径的金属表面上入射的离子可能随着时间而污染金属表面，并且使得附近的静电场变形。这种场变形可能改动离子射束方向，这可能使得质量分辨率和灵敏度降级，使得系统不稳定，并且一起阻挡射束。
[0008]为了使得与已知限制器关联的这些问题的影响最小化，期望调节离子射束，使得大部分离子射束将穿过孔径。在已知MS系统中，一系列静电透镜使得离子射束聚焦，以最佳耦合通过限制器的孔径。然而，在已知MS系统中，即使在最佳耦合的情况下，通过限制器的传输也受限于射束发射度(其定义为乘积射束空间大小和角度扩散)。这种基本限制是相空间密度守恒的直接后果。因此，尽可能多地减少射束发射度是令人期望的。定义为离子射束电流除以射束发射度的射束亮度通过减少射束发射度而如期望地增加。然而，已知离子引导器并未合适地禁闭低射束发射度。
[0009]在已知气体缓冲设备中，离子达到与缓冲气体的近似热平衡，然后在离开气体填充区域之后随后加速到至少若干电子伏特的轴向能量。最终发射度具有两个贡献:角度扩散和空间扩散，它们都受离子引导器中的缓冲气体冷却处理影响。在限制情况下，最终角度扩散仅由热速度与轴向速度的比例(公知为热角度扩散的量)给定。实际设备在室温时接近热扩散。在已知离子引导器中，减少角度扩散进一步需要不菲的缓冲气体冷冻，因此在质谱法中鲜受追捧。
[0010]此外，如上所述，很多质谱仪离子源在相当高的外界压力(例如latm(760Torr)左右)时运作得更高效。通过对比，多数质谱仪在明显更低压力时运作。例如，MS真空腔室内部所保持的压力是从KT4Torr到10_8Torr。使用很多已知技术将离子从离子源传送到腔室产生明显的离子损耗。
[0011]虽然离子引导器(例如已知多极离子引导器)在MS系统中引导离子方面是有用的，但这些已知离子引导器对于在相当高的压力(例如大气温度左右)时的使用并不实际。具体地，在相当低的压力时，使用已知离子RF多极离子引导器的离子禁闭是可接受的。然而，在完全小于合适的离子源压力的特定压力之上的压力时，使用已知离子引导器的离子禁闭和引导变为不可接受的。
[0012]两个常见问题限制了用于已知离子引导器的最大工作压力。首先，已知离子引导器的各电极之间的长度尺度或距离太大，结果，产生静电击穿的压力是令人不可接受地低的。此外，在较高压力时，对合适的离子禁闭起作用所需的RF功率对于实际实现可能太大。
[0013]因此，所需的是一种至少克服上述已知结构的缺点的装置。
【附图说明】
[0014]当结合附图阅读时，本教导根据以下【具体实施方式】得到最佳地理解。各特征并非一定按比例绘制。只要可行，相同标号就指代相同特征。
[0015]图1示出根据代表性实施例的MS系统的简化框图。
[0016]图2示出根据代表性实施例的离子引导器的立体图。
[0017]图3示出根据代表性实施例的离子引导器的剖视图。
[0018]图4示出根据代表性实施例的离子引导器的剖视图。
[0019]图5A示出根据代表性实施例的离子引导器的剖视图。
[0020]图5B示出根据代表性实施例的出射透镜的立体图。
[0021]图6示出根据代表性实施例的离子引导器的立体图。
[0022]图7示出根据代表性实施例的离子引导器的剖视图。
[0023]图8不出根据代表性实施例的MS系统的简化框图。
[0024]图9不出根据代表性实施例的MS系统的简化框图。
[0025]图10示出根据代表性实施例的离子引导器的一部分的剖视图。
[0026]术语定义
[0027]要理解，在此使用的术语是仅为了描述特定实施例的目的，而并非旨在限制。所定义的术语应当增大到本教导的技术领域中通常所理解和接受的限定性术语的技术和科学意义。
[0028]如说明书和所附权利要求中使用的那样，术语“一”、“一种”、和“所述”包括单数和复数指代，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，“一种设备”包括一个设备或多个设备。
[0029]如在此使用的那样，术语“多极离子引导器”是被配置为建立四极、或六极、或八极、或十极、或更高阶极电场以导引射束中的离子的离子引导器。
[0030]如在说明书和所附权利要求中所使用的那样，除了其普通意义之外，术语“基本上”或“实质上”还表示具有可接受的极限或程度。例如，“基本上消除”表示本领域技术人员会认为所述消除是可接受的。
[0031]如在说明书和所附权利要求中所使用的那样，除了其普通意义之外，术语“近似”表示在本领域技术人员可接受的极限或量值之内。例如，“近似相同”表示本领域技术人员会认为各项目被比较为是相同的。
【具体实施方式】
[0032]在以下【具体实施方式】中，为了解释而非限制的目的，阐述公开具体细节的代表性实施例以提供对于本发明的透彻理解。已知的系统、设备、材料、操作方法和制造方法的描述可以省略，使得避免使得示例性实施例的描述描述。然而，可以根据代表性实施例来使用本领域技术人员知识范围内的系统、设备、材料和方法。
[0033]图1示出根据代表性实施例的MS系统100的简化框图。MS系统100包括离子源101、离子引导器102、碰撞腔室103、质量分析器104和离子检测器105。离子源101可以是多种已知类型的离子源之一。质量分析器104可以是各种已知质量分析器之一，所述质量分析器包括但不限于飞行时间(TOF)设备、傅立叶变换MS分析器(FTMS)、离子捕集器、四极质量分析器或磁扇区(magnetic sector)分析器。类似地，离子检测器105是多种已知离子检测器之一。
[0034]以下结合代表性实施例更完整地描述离子引导器102。离子引导器102可以提供在碰撞腔室103中，其配置为:提供位于离子源101与质量分析器104之间的一个或多个压力过渡级。因为根据代表性实施例，离子源101 —般保持在大气压力处或其附近，并且质量分析器104 —般保持在相当高真空处，所以离子引导器102可以配置为从相当高压力转变到相当低压力。离子源101可以是各种已知离子源之一，并且可以包括附加离子操控设备和真空分区，包括但不限于分离器(skimmer)、多极、孔径、小直径导管以及离子光器件。在一个代表性实施例中，离子源101包括其自己的滤质器，碰撞腔室103可以提供于腔室(未示出)中。在包括包含离子引导器102的碰撞腔室103的质谱仪系统中，中性气体可以引入到所包括的碰撞腔室103中，以促进运动通过离子引导器102的离子的裂解。在多质量/电荷分析系统中所使用的这种碰撞单元在本领域公知为“三重四极(triple quad)”或简称为“QQQ系统。”
[0035]在替选实施例中，碰撞单元包括在源中，离子引导器102处于其自身的碰撞腔室103中。在又一实施例中，碰撞单兀和离子引导器102是同一碰撞腔室103中的分离设备。
[0036]在使用中，离子源101中所产生的离子(其路径是