利用分段式螺旋電極的多級離子引導器及有關(guān)系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可以例如用在譜儀（例如質(zhì)譜儀和離子淌度譜儀）中的包括引導器、 導管、漏斗、碰撞單元、漂移單元、匯聚設(shè)備的離子引導器。
【背景技術(shù)】
[0002] 質(zhì)譜儀（MS)系統(tǒng)總體上包括用于電離興趣樣本的分子的離子源，后接提供各種 功能的一個或多個離子處理設(shè)備，后接用于基于離子的不同質(zhì)荷比（或m/z比率，或更簡 單地"質(zhì)量"）對其進行分離的質(zhì)量分析器，后接質(zhì)量分類的離子所到達的離子檢測器。MS 分析產(chǎn)生質(zhì)譜，其為指示檢測到的離子的相對豐度的一系列峰值作為它們的m/z比率的函 數(shù)。
[0003] 離子引導器是一般位于離子源與質(zhì)量分析器之間的處理流程中的離子處理設(shè)備 的示例。離子引導器可以服務于將離子傳送通過一個或多個減壓級，其將氣體壓力相繼降 低下至系統(tǒng)的分析器部分的非常低的操作壓力（高真空）。為此，離子引導器包括多個電 極，其從射頻（RF)電源接收電力。離子引導器電極布置為使得內(nèi)接從離子入口到離子出口 沿著中心軸延伸的內(nèi)部（容積），并且具有在與軸橫截的平面中的截面。離子引導器電極進 一步布置為使得生成在徑向方向上（在橫向平面中）封閉離子的偏移的RF電場。通過這 種配置，離子沿著離子引導器的中心軸匯聚為離子射束，并且得以在離子的最小損失的情 況下傳送通過離子引導器。可以在存在氣體流量時完成該操作，使得過濾來自離子射束的 中性氣體核素（例如中性原子或分子）。離子引導器也可以服務于將離子傳送通過一個或 多個級，其中，氣體壓力（例如在離子淌度漂移腔室或離子碰撞單元中）得以保持在實質(zhì)上 恒定的等級。
[0004] 可以通過氣體填充離子引導器的內(nèi)部，使得離子引導器在相對高（卻仍是亞大 氣）壓力操作。例如，受氣體填充的離子引導器可以恰位于離子源的下游，以在盡可能少的 離子損耗的情況下收集所產(chǎn)生的離子。此外，在意圖熱化離子（減少其動能）或通過碰撞誘 導解離（CID)裂解離子的條件下，緩沖氣體可以引入到離子引導器中。在相對高等級的真 空處，離子的運動相對易于控制。另一方面，在提升的壓力，與氣體分子的碰撞日益主導離 子運動的行為，使得以高效率進行的離子傳輸更有挑戰(zhàn)性。見Kelly等人，The ion funnel :Theory, implementations, and applications, Mass Spectrom. Rev.，29:294-312(2010)〇
[0005] 離子漏斗是一種類型的離子引導器，其中，電極所環(huán)繞的離子引導器容積在離子 出口的方向上收斂。在典型配置中，漏斗電極布置為與離子引導器軸同軸的一系列環(huán)形。環(huán) 形形狀的電極沿著離子引導器軸堆疊，并且彼此間隔達小軸向間隙。環(huán)形形狀電極的內(nèi)徑 在離子出口的方向上相繼減少，因此限定收斂離子引導器容積。出于多種不同原因，這種離 子漏斗可能是有用的。收斂幾何形狀所施加的RF場可以壓縮離子射束并且增加離子傳輸 通過漏斗出口的效率。漏斗入口所提供的大射束接受性可以改進離子捕獲，在漏斗出口處 的相當小的射束發(fā)射性可以改進進入后續(xù)設(shè)備的離子傳遞，并且可以接近地匹配于后續(xù)設(shè) 備的入口的大小。離子漏斗可以比直邊圓柱形離子引導器處在較高壓力操作得更高效。因 此，例如，為了收集從離子源發(fā)射的離子但不受可能產(chǎn)生在MS系統(tǒng)的上游區(qū)域中的大的氣 體流量損傷，離子漏斗是有用的。此外，由于環(huán)形電極分布在軸向方向上并且能夠單獨地耦 合到直流（DC)電路，因此可以直接利用環(huán)形電極以沿著離子引導器軸生成DC梯度，使得有 助于保持離子移動前進。
[0006] 然而，離子漏斗和堆疊環(huán)形幾何形狀的其它離子引導器的RF場的有效電勢（或 "偽電勢"）在軸上（在對稱軸上）為非零的。反之，有效電勢沿著對稱軸形成一系列零點 或阱。在實踐中，這對于較高質(zhì)量離子不是太大問題，但對于低質(zhì)量離子，因為這些阱妨礙 低質(zhì)量離子穿過離子漏斗，所以它們變得有問題。因此，難以設(shè)計將對于在感應耦合式等離 子體-質(zhì)譜法（ICP-MS)中普遍遭遇的低質(zhì)量離子（例如比如鋰離子Li+(m/z = 7))良好 地工作的離子漏斗。
[0007] 因此，將期望提供包括避免軸上（即離子引導器的中心軸上）的電勢阱的離子漏 斗的離子引導器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了全部或部分解決前述問題和/或本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)觀察到的其它問題，本 公開提供如在以下所闡述的實現(xiàn)方式中通過示例的方式所描述的方法、處理、系統(tǒng)、裝置、 儀器和/或設(shè)備。
[0009] 根據(jù)一個實施例，一種離子引導器，包括：入口端；出口端，其在沿著引導器軸距 入口端一距離處；以及多個引導器電極，其環(huán)繞所述引導器軸，并且配置為用于生成方位角 2N階的射頻（RF)場，其中，N是等于或大于2的整數(shù)，并且其中，RF場對于沿著引導器軸將 離子徑向封閉為離子射束是有效的，并且RF場具有帶有沿著引導器軸獨立于軸向位置的 引導器軸上的量值的有效電勢。
[0010] 根據(jù)另一實施例，一種離子引導器，包括：入口端；出口端，其在沿著引導器軸距 入口端一距離處；以及多個引導器電極，其環(huán)繞引導器軸并且從入口端到出口端沿著引導 器軸距彼此間隔，每個引導器電極包括2N個分段，其中，N是等于或大于2的整數(shù)，其中，每 個引導器電極的分段在引導器軸周圍距彼此間隔達橫向間隙。
[0011] 根據(jù)另一實施例，一種離子引導器，包括：入口端；出口端，其在沿著引導器軸距 入口端一距離處；多個螺旋電極，每個螺旋電極包括第一電極端和第二電極端，并且從第一 電極端到第二電極端延伸通過環(huán)繞引導器軸的多個匝圈，其中：所述多個螺旋電極是2N， 其中，N是等于或大于2的整數(shù)；螺旋電極中的至少一個的第一電極端位于入口端處；并且 螺旋電極中的至少一個的第二電極端位于出口端處。
[0012] 根據(jù)另一實施例，一種譜儀，包括：如在此所公開的任何實施例所述的離子引導 器；以及以下組件中的一個或多個：離子檢測器，其在距離子引導器的下游；離子源，其在 離子引導器的上游；質(zhì)量分析器，其在距離子引導器的下游或上游；離子淌度漂移單元，其 在距離子引導器的下游或上游；離子淌度漂移單元，其包括離子引導器；和/或RF電壓源， 其配置為用于將RF電壓施加到對于生成RF場有效的電極。
[0013] 根據(jù)另一實施例，一種用于引導離子的方法，包括：將離子發(fā)送通過離子引導器， 所述離子引導器包括：入口端；出口端，其在沿著引導器軸距入口端的一距離處；以及多個 電極，其環(huán)繞入口端與出口端之間的引導器容積；以及在發(fā)送所述離子的同時，將方位角第 2N階的射頻（RF)場施加到離子，其中，N是等于或大于2的整數(shù)，其中，RF場沿著引導器軸 徑向地將離子封閉為離子射束，RF場的有效電勢具有沿著引導器軸獨立于軸向位置的引導 器軸上的量值。
[0014] 根據(jù)另一實施例，一種譜儀配置為用于執(zhí)行在此所公開的任何方法。
[0015] 在審閱以下附圖、【具體實施方式】時，本發(fā)明的其它設(shè)備、裝置、系統(tǒng)、方法、特征、優(yōu) 點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是或?qū)⒆兊们宄Ｒ鈭D所有這些附加系統(tǒng)、方法、特征、優(yōu)點包括 于該描述內(nèi)、在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且受所附權(quán)利要求所保護。
【附圖說明】
[0016] 通過參照以下附圖，可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的組件并不一定成比例，而是 著重示出本發(fā)明的原理。在附圖中，相同標號貫穿不同附圖指定對應部分。
[0017] 圖1是作為軸向位置z的函數(shù)的軸上（r = 0_)的圓錐離子漏斗中的有效電勢的 圖線。
[0018] 圖2是具有已知堆疊環(huán)形配置的離子引導器的示意圖。
[0019] 圖3是建模軟件所生成的離子漏斗的有效電勢的阱的表示集合，示出用于有效電 勢或準電勢V*的三個不同值的等勢面。
[0020] 圖4是開始于第0修正貝塞爾函數(shù)的前四個修正貝塞爾函數(shù)的圖線集合。
[0021] 圖5是在與對稱軸垂直的平面中看的對應于以下闡述的等式1. 4的用于對離子漏 斗的圓柱形直邊區(qū)段的最低階近似的電場矢量的圖線。
[0022] 圖6示出離子漏斗的直邊區(qū)段的仿真RF場。
[0023] 圖7是用于以下所闡述的等式1. 6所描述的靜電電勢的有效電勢的等值面的模 型，其中，漏斗軸從上到下定向。
[0024] 圖8A是根據(jù)一些實施例的離子引導器的示例的透視圖。
[0025] 圖8B是圖8A所示的離子引導器的另一透視圖，其中，加入DC電極。
[0026] 圖8C是根據(jù)其它實施例的離子引導器的示例的截面?zhèn)龋ㄩL度向）視圖。
[0027] 圖9示出用于圖8A和圖8B或圖8C所示的分段式離子導管或離子漏斗的一個部 段的有效電勢的三個等值面的兩個透視圖。
[0028] 圖10是根據(jù)其它實施例的離子引導器的示例的透視圖。
[0029] 圖11是以下所闡述的等式1. 8所定義的有效電勢的等值面的模型。
[0030] 圖12示出根據(jù)一些實施例的螺旋電極布置的九十度區(qū)段。
[0031] 圖13是根據(jù)一些實施例的用于螺旋電極布置的有效電勢的對數(shù)的等值面的圖 線。
[0032] 圖14是根據(jù)一些實施例的質(zhì)譜儀（MS)或質(zhì)譜法（MS)系統(tǒng)的示例的示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 如上所述，在傳統(tǒng)離子漏斗中，用于徑向封閉離子的射頻（RF)場的有效電勢（又 稱為準電勢或偽電勢）并非為零，卻反而沿著離子漏斗的中心軸形成一系列電勢阱。為了 示出軸向分布的電勢阱的示例，圖1是作為軸向位置z的函數(shù)的軸上（r = 0_)的圓錐離 子漏斗中的有效電勢的圖線。在收斂離子漏斗中，電勢阱的深度在收斂的方向上增加，如所 示那樣。
[0034] 在足夠高的RF頻率f = co/231處，真空中的離子承受長期長久運動上所疊加的 諧波振蕩。使用有效電勢V*(以伏特為單位）可以求解長久運動：
(1.D
[0036] 其中，m/z是離子的質(zhì)荷比，e是元電荷（以庫侖為單位），E是局部RF電場的量 值（強度）（以V/m為單位），co是角頻率（以弧度每秒為單位），即《 = 2 Jr f，其中，f?是 RF頻率。要注意，在存在氣體時，例如在高壓力離子漏斗中，這種運動是有阻尼的，和/或具 有對其的隨機分量。因此，其中，有效電勢阱的深度應與熱能k BTgas (kB =玻爾茲曼常數(shù)，T gas =氣體溫度）和各碰撞之間所增益的能量相比。
[0037] 通過考慮從以上引用的Kelly等人（2010)再現(xiàn)的如圖2所示的堆疊環(huán)形配置的 離子引導器理解有效電勢的軸上阱的起源。離子漏斗所源于的堆