离子操作方法和设备的制造方法
【专利说明】禹子操作方法和设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年4月8日提交的美国临时申请序列号第61/809，660号，SP“1N MANIPULAT1N DEVICE(离子操作设备)”和于2013年1月3日提交的美国临时申请序列号第 14/146,922 号，即“1N MANIPULAT1N METHOD AND DEVICE(离子操作方法和设备)”的优先权。
[0003]关于联邦资助研究或开发的声明
[0004]本发明依由美国能源部授予的合约DE-AC05-76RL01830在政府支持下完成。政府用于本发明的某些权利。
技术领域
[0005]本发明涉及在气体中进行离子操作。具体而言，本发明涉及使用RF和/或DC电场通过电极来操作离子，并在包含一个或多个这种表面及在表面上构建的结构的设备中构建这种操作的复杂序列。
【背景技术】
[0006]随着质谱法和其它涉及离子的使用、操作或分析的技术的作用持续扩展，新的机会可被当前用于控制离子的扩展序列的方法限制，包括离子在高压下穿过区域的移动，反应(包括离子-分子和离子-离子)及离子迀移分离。由于这种控制变得越来越精密，传统仪器设计和离子光学方法变得越来越不实际、昂贵和/或无效的。
【发明内容】
[0007]本发明涉及在气体中操作离子的设备和方法。在一个实施例中，公开了一种基本无损的操作设备并允许控制离子的扩展序列。所述设备包括一对表面，其中形成了抑制带电粒子接近任一表面的赝势(pseudopotential);和同时施加的DC电势以控制和限制表面间的尚子移动。
[0008]在一个实施例中，该实施例涉及具有被电极的第一外阵列和电极的第二外阵列包围的电极的内阵列的两个基本相同或完全相同的表面。各电极的外阵列被定位于内电极的各侧上并包含于平行的表面中，并以与电极的内阵列类似的方式基本上沿着各平行的表面的长度延伸。DC电势被施加于所述第一和第二外电极阵列。带有叠加电场的RF电势被施加于内电极阵列。
[0009]叠加的电场可为静态电场或动态电场。静态电场可以是但不仅限于DC梯度。动态电场可以是但不仅限于行波(traveling wave)。
[0010]在一个实施例中，在两个表面上的电极布置完全相同以便能向二者施加类似或相同的电压。但是，电极的具体布置可以不同，且施加于两个相对表面的精确电压也可以不同。
[0011 ] 该一对表面可以基本上是平面、基本上是平行的或并行的、或不平坦的。
[0012]在一个实施例中，将RF电势与DC电势一起施加于电极的第一外阵列和电极的第二外阵列上。在另一实施例中，仅对两个表面中的一个施加RF电势。在另一实施例中，在两个表面上都施加RF电势。
[0013]在一个实施例中，设备全部或一部分的电场可用气流替换以便使离子沿气流方向移动。
[0014]在一个实施例中，至少一个内电极上的RF与相邻的内电极异相(out of stage)。在一个实施例中，各电极上的RF与相邻内电极移相以形成排斥的赝势。在一个实施例中，各电极上的RF与相邻的内电极有近似180度的异相以形成赝势。
[0015]在一个实施例中，电极的内阵列包括位于该一对表面上的至少两个电极。在另一实施例中，电极的第一外阵列和电极的第二外阵列各包括位于一对表面上的至少两个电极。设备可包括在电极之间的绝缘材料或电阻材料。
[0016]施加于电极的RF电压在0.1kHz与50MHz之间，电场在0与5000伏/毫米之间而运行压力从低于10 3托(torr)至近似大气气压或更高的压力。
[0017]在一个实施例中，电极垂直于至少一个表面。在另一实施例中，电极平行于至少一个表面。电极可包括位于表面上的薄导电层。
[0018]在特定实施例中，设备包括多对表面并允许离子传导通过孔而移动至不同的表面对之间。
[0019]—对表面上的电极可形成一或多个不同的结构。这些结构包括但不仅限于以下结构:基本上为T形的结构，允许离子在T形的结构的接合点处转向(switch);基本上为Y形的结构，允许离子在Y形的结构的接合点处转向；基本上为X形的结构或十字形的结构，允许离子在X形的结构或十字形的结构的一条或多条边的接合点处转向；和/或基本上为多向的形状，诸如具有多个接合点的星号(*)形状的结构，允许离子在结构的一条或多条边的接合点处转向。
[0020]在一个实施例中，电场允许离子沿环形路径、矩形路径或其它不规则路径移动，以便允许离子不止一次地通过，并且作为一个例子，实现了更高解析度的离子迀移性分离。
[0021]表面之间的空间可填充有惰性气体或使离子与离子反应的气体。
[0022]堆叠的回旋级(cyclotron stage)可用于设备以例如允许不同范围的离子迀移性在不同的回旋级中被分离，并总体上以混合物的形式覆盖全部的离子范围。
[0023]可以增强电场以使离子反应或分离。
[0024]可将设备与如下各项中的至少一个耦接:电荷检测器、光学检测器和/或质谱仪。
[0025]在一个实施例中，设备可用印刷电路板技术制造和组装并且与质谱仪组合。
[0026]设备可被用来进行离子迀移性分离和/或不同离子迀移性分离(例如，FAIMS)。
[0027]可使用光致电离、电晕放电、激光电离、电子冲击、场致电离、电喷射或任何其它可产生离子以供设备使用的电离技术在设备内部或外部形成离子。
[0028]在本发明的另一实施例中，公开了一种离子操作设备。该设备包括一对基本上平行的表面。该设备进一步包括被包含在各平行表面内的内电极的阵列，并且该内电极的阵列基本上沿着各平行表面的长度方向延伸。该设备还包括外电极的第一阵列和外电极的第二阵列，各外电极的阵列被定位在内电极的一侧并且被包含在平行的表面内并且基本上沿着各平行表面的长度延伸，平行表面中形成赝势以抑制带电粒子接近任一表面。该设备还包括RF电压源和DC电压源，其中将第一 DC电压源施加于第一以和第二阵列，并且其中带有叠加电场的射频频率通过对各电极施加第二 DC电压而被施加于内电极，使得使离子在离子限制区域内在平行的表面之间沿电场方向移动或被困在离子限制区域内。
[0029]在一个实施例中，施加于电极的射频频率在0.1kHz与50MHz之间。RF峰间电压(RF peak-to-peak)为近似为10伏至2000伏。电场在约0伏/毫米至约5000伏/毫米之间并且压力在10 3托与大气压力之间。
[0030]在一个实施例中，电极中的一个或多个与表面间有0.5mm至10mm的间隙，以便防止由电极间的表面充电导致设备性能下降。
[0031]在本发明的另一实施例中，公开了一种操作离子的方法。所述方法包括将离子注入在基本上平行的表面之间，其中各对平行表面包含内电极的阵列和位于内电极任一侧的外电极的第一阵列和外电极的第二阵列。所述方法进一步包括施加RF电场以限制表面之间的离子。所述方法还包括向外电极施加等于或高于施加于内电极的第二直流电场的第一直流电场，以横向限制离子。所述方法还包括在RF电场上叠加第二 DC电场以进一步限制离子并使离子沿由电场设定的方向移动。
[0032]在一个实施例中，所述方法进一步包括转移离子使之穿过多对平行表面中的至少一个的孔，其中离子移动至另一对平行的表面之间。
[0033]在本发明的另一实施例中，公开了一种离子操作设备。所述设备包括多对基本上平行的表面。所述设备进一步包括内电极的阵列，被包含在各平行的所述表面内并且所述内电极的阵列基本上沿着各平行的所述表面的长度延伸。该设备还包括多个电极的外阵列，其中，至少一个电极的外阵列被定位于所述内电极的任一侧。各个外阵列被包含在各平行的所述表面内并且基本上沿着各平行的所述表面的长度延伸，形成能抑制离子沿外电极阵列方向移动的电势，且该电势与由施加于内电极阵列的电势产生的抑制带点粒子接近任一平行表面的赝势一同工作。该设备还包括RF电压源和DC电压源。将DC电压施加于所述多个电极的外阵列。通过对各电极施加所述DC电压而将具有叠加的电场的RF电压施加于所述内电极，使得离子将在离子限制区域内在平行的表面之间沿所述电场的方向移动或被限制在所述离子限制区域内。使所述离子通过所述表面中的至少一个中的孔来允许穿过多对平行的所述表面。
[0034]在本发明的另一实施例中，电极与表面间有较大间隙(relief)。有这种间隙的区域可被用来改变电场，或也可用来防止由于电极间非导电区域的充电而产生的影响。这种设计对离子限制不完美的区域，诸如其中离子-分子或离子-离子反应产生的离子产物的m/z比值对于有效的离子限制太高或太低的反应区域具有特别的价值。在这些情况下，仅反应区域会需要自表面延伸的电极，且在这些情况下这些区域可在两个表面间具有不同的，通常更大的间距。
[0035]在本发明的另一实施例中，具有两个或两个以上固有频率的RF电势和不同的电场被共同施加于两个表面上的电极阵列，并且所施加的图案产生了抑制带电粒子接近一个或两个基本上平行的表面的赝势且其m/z范围基本大于具有单频率的RF电势可行的范围。
[0036]在本发明的另一实施例中，利用具有施加的RF的不同相位的相邻电极的二个或两个以上电极替代各中央电极或内电极，使得基本上减少了接近于其中一个表面表面的离子形成的阱(trap)，以此来提高性能，例如尤其是当接近上限的离子流被传输时