透鏡脈沖設(shè)備及方法
【專利摘要】一種用于將質(zhì)譜儀系統(tǒng)中的離子從高壓力區(qū)域轉(zhuǎn)移到低壓力區(qū)域的透鏡脈沖設(shè)備及方法，所述設(shè)備包含含有多個(gè)靜電透鏡的選通設(shè)備。所述透鏡中的每一者操作于不同電壓下。第一透鏡操作于預(yù)定固定電壓下，且第二透鏡操作于兩種不同電壓之間。
【專利說(shuō)明】透鏡脈沖設(shè)備及方法
[0001 ] 相關(guān)申請(qǐng)案
[0002]本申請(qǐng)案主張2013年12月31申請(qǐng)的第61/922,301號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)案的權(quán)益，所述美國(guó)專利申請(qǐng)案以全文引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本文中所描述的教示涉及質(zhì)譜分析中的透鏡脈沖。
【背景技術(shù)】
[0004]通常使用若干對(duì)接設(shè)備執(zhí)行通過(guò)質(zhì)譜儀中的級(jí)輸送離子。在一些情況下，可利用選通機(jī)構(gòu)控制離子在各級(jí)之間的流動(dòng)。使用由在中心處含有小孔或孔隙的大錐形盤組成的撇取錐選擇可被徑向分離的離子。通常，從離子束的中心部分選擇離子以用于傳輸，而移除剩余離子。可利用撇取電壓的脈沖引入人工工作循環(huán)來(lái)引起離子束的調(diào)制，此可減少異常明亮光束中的總離子電流。此類脈沖由在以下兩種電壓之間切換撇取電壓組成:其中離子可穿過(guò)所述撇取器的一種電壓及其中離子不能穿過(guò)所述撇取器的另一種電壓。撇取器脈沖的現(xiàn)象取決于質(zhì)量且也已展現(xiàn)一些情況中的令人驚訝的非線性行為。
[0005]特定來(lái)說(shuō)，越過(guò)廣泛工作循環(huán)范圍使單一選通透鏡脈沖時(shí)所見的離子信號(hào)的線性度在較低工作循環(huán)下并不十分良好。此影響四極捕捉儀器上的填充時(shí)間線性度及飛行時(shí)間質(zhì)譜儀儀器上的ITC(總離子電流)線性度。
[0006]據(jù)發(fā)現(xiàn)，與線性度的此偏差是由離子迀移率效應(yīng)引起的。由裝置(例如撇取透鏡)的呈現(xiàn)所引起的選通效應(yīng)產(chǎn)生軸向電場(chǎng)，其滲透上游且在高壓力區(qū)域存在時(shí)引起取決于迀移率的離子耗竭。在軸向氣體速度為低且離子迀移率效應(yīng)在其最大時(shí)(例如當(dāng)選通透鏡的孔口直徑為小時(shí))更容易見到此現(xiàn)象。
[0007]在圖1中概念性地表示正常情況。當(dāng)遏止電勢(shì)被施加到選通透鏡時(shí)(標(biāo)記為IQ0)，區(qū)(微擾區(qū))產(chǎn)生于透鏡的兩個(gè)側(cè)上，在所述兩個(gè)側(cè)上，其內(nèi)的離子使其軌跡損壞使得離子遠(yuǎn)離穩(wěn)定的軌跡而偏離且被噴出或接觸桿中的一者，且因此將不能傳遞到分析器的下一區(qū)段。特定來(lái)說(shuō)，高壓力側(cè)(左側(cè))上所產(chǎn)生的場(chǎng)引起具有高迀移率的離子相對(duì)于低迀移率離子優(yōu)先地從可接受的軌跡偏離到不可接受的軌跡。
[0008]此導(dǎo)致在調(diào)制頻率變化時(shí)非線性行為的呈現(xiàn)。此將本身表現(xiàn)為強(qiáng)度計(jì)數(shù)與其中遏止電勢(shì)被施加的時(shí)間周期之間的非線性關(guān)系。在全部其它事物相等的情況下，可期望強(qiáng)度與調(diào)制頻率之間的線性關(guān)系。在IQO透鏡ID較小時(shí)觀察此非線性行為。在此情況中，歸因于氣流的離子的軸向速度將較低，且電場(chǎng)的效應(yīng)將對(duì)離子運(yùn)動(dòng)上的組合力(氣流+電動(dòng)力學(xué))具有成比例的較大效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]據(jù)發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)借助于兩個(gè)或兩個(gè)以上元件選通透鏡(而非單一平面透鏡或錐(即，撇取器)透鏡)產(chǎn)生更尖銳地界定的電選通場(chǎng)來(lái)減輕由選通透鏡所產(chǎn)生的離子迀移率效應(yīng)。
[0010]在各種實(shí)施例中，僅透鏡的低壓力側(cè)上的選通透鏡下游的離子將經(jīng)歷雙透鏡被通電時(shí)所產(chǎn)生的場(chǎng)。因?yàn)殡x子迀移率性質(zhì)隨壓力而按比例調(diào)整，所以較低的迀移率效應(yīng)將存在于這些低壓力環(huán)境中。
[0011]本文中所描述的教示提供具有兩種功能的透鏡。所述透鏡將其中迀移率效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)的高壓力區(qū)與其中靜電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)的低壓力區(qū)分離，且所述透鏡還可有效地調(diào)制離子。
[0012]在各種實(shí)施例中，雙透鏡IQO離子光學(xué)即使對(duì)于低工作循環(huán)也產(chǎn)生良好的線性度。
[0013]在各種實(shí)施例中，期望作為改進(jìn)的ITC線性度的結(jié)果的離子阱的改進(jìn)的填充線性度及三TOF儀器中化合物的識(shí)別中的潛在更高分?jǐn)?shù)。
[0014]在各種實(shí)施例中，提供一種用于將質(zhì)譜儀中的離子從高壓力區(qū)域傳輸?shù)降蛪毫^(qū)域的方法，其包括:使所述離子穿過(guò)所述高壓力區(qū)域與所述低壓力區(qū)域之間所安置的選通設(shè)備，所述選通設(shè)備包括第一及第二靜電透鏡，所述透鏡中的每一者由能夠在所述透鏡的每一者上維持不同電壓的一或多個(gè)控制器可操作地控制，其中所述第一透鏡鄰近所述高壓力區(qū)域而安置且具有被固定在允許離子橫穿通過(guò)所述第一透鏡的預(yù)定值下的電壓，且所述第二透鏡鄰近所述低壓力區(qū)域而安置且位于所述第一透鏡下游，所述第二透鏡具有在至少兩種不同電壓之間變化的電壓，其中在第一電壓中，所述離子可橫穿通過(guò)所述第二透鏡，且在第二電壓中，所述離子被防止橫穿通過(guò)所述第二透鏡。
[0015]在各種實(shí)施例中，提供一種質(zhì)譜儀，所述質(zhì)譜儀包含離子引導(dǎo)件，其操作于第一壓力下；離子阱，其操作于小于所述第一壓力的第二壓力下;選通設(shè)備，其安置于所述離子引導(dǎo)件與所述離子阱之間以用于將離子從所述離子引導(dǎo)件傳輸?shù)剿鲭x子阱，所述選通設(shè)備包括第一靜電透鏡及第二靜電透鏡，所述第一透鏡鄰近所述離子引導(dǎo)件而定位，且所述第二透鏡鄰近所述離子阱；至少一個(gè)控制器，其用于可操作地單獨(dú)控制所述第一及第二透鏡中的每一者上的所述電壓，其中所述控制器經(jīng)配置以將所述第一透鏡維持在允許離子橫穿通過(guò)所述第一靜電透鏡的預(yù)定電壓下，且將所述第二透鏡維持在至少兩個(gè)不同電壓中，其中在第一電壓下，離子可橫穿通過(guò)所述第二透鏡，且在第二電壓下，所述離子被防止橫穿通過(guò)所述第二透鏡。
[0016]在各種實(shí)施例中，提供一種質(zhì)譜儀裝置，所述質(zhì)譜儀裝置包含:離子引導(dǎo)件，其操作于第一壓力下；飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀，其操作于小于所述第一壓力的第二壓力下;選通設(shè)備，其安置于所述離子引導(dǎo)件與所述TOF質(zhì)譜儀之間以用于將離子從所述離子引導(dǎo)件傳輸?shù)剿鯰OF質(zhì)譜儀，所述選通設(shè)備包括第一靜電透鏡及第二靜電透鏡，所述第一透鏡鄰近所述離子引導(dǎo)件而定位，且所述第二透鏡鄰近所述TOF質(zhì)譜儀;至少一個(gè)控制器，其用于可操作地單獨(dú)控制所述第一及第二透鏡中的每一者上的所述電壓，其中所述控制器經(jīng)配置以將所述第一透鏡維持在允許離子橫穿通過(guò)所述第一靜電透鏡的預(yù)定電壓下，且將所述第二透鏡維持在至少兩種不同電壓中，其中在第一電壓下，離子可橫穿通過(guò)所述第二透鏡，且在所述第二電壓下，所述離子被防止橫穿通過(guò)所述第二透鏡。
[0017]在各種實(shí)施例中，第三靜電透鏡被安置在所述第二透鏡下游且操作于允許離子橫穿通過(guò)所述第三透鏡的預(yù)定值下。
[0018]在各種實(shí)施例中，所述高壓力區(qū)域位于大氣壓離子引導(dǎo)件中。
[0019]在各種實(shí)施例中，所述低壓力區(qū)域位于串聯(lián)質(zhì)譜儀的QO級(jí)中。
[0020]在各種實(shí)施例中，所述低壓力區(qū)域位于四極離子阱中。
[0021 ]在各種實(shí)施例中，所述低壓力區(qū)域位于TOF質(zhì)譜儀中。
[0022]在各種實(shí)施例中，所述選通設(shè)備包括安置在所述第二透鏡下游的第三透鏡。
[0023]在各種實(shí)施例中，所述第三及第一透鏡上的所述電壓相同。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1描繪具有現(xiàn)有技術(shù)選通透鏡的典型布局。
[0025]圖2描繪雙選通透鏡的實(shí)施例的布局。
[0026]圖3描繪三選通透鏡的實(shí)施例的布局。
[0027]圖4描繪對(duì)于門的各種質(zhì)量的強(qiáng)度隨調(diào)制時(shí)間而變化的曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028]雖然下文特定描述各種實(shí)施例，但應(yīng)了解，此類實(shí)施例是出于說(shuō)明及描述目的而呈現(xiàn)。這些實(shí)施例不希望是詳盡的或?qū)⑺鲝埖谋景l(fā)明限制于所揭示的精確實(shí)施例。如應(yīng)了解，鑒于所揭示的實(shí)施例，修改及變體是可能的，或可通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明獲得所述修改及變體。舉例來(lái)說(shuō)，雖然已特定揭示描述雙透鏡配置的實(shí)施例，但應(yīng)了解，其中兩個(gè)以上透鏡的透鏡配置也將從本文中所描述的本發(fā)明獲益，且可由所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員類似地利用及建立所述透鏡配置。另外，盡管關(guān)于TOF裝置有區(qū)別地描述下文將描述的益處，但應(yīng)了解，此類益處也可源自在四極捕捉裝置中的類似用途。雖然在TOF裝置中，使用關(guān)于本發(fā)明所使用的選通效應(yīng)主要來(lái)避免使用明亮離子束使檢測(cè)器過(guò)度飽和，但可通過(guò)將填充時(shí)間減少到正常填充時(shí)間的一分?jǐn)?shù)(例如，將填充時(shí)間從2ms減少到0.05ms)來(lái)使用離子阱中的用途模仿更快速度。此類益處減少空間電荷效應(yīng)。
[0029]圖1展示操作于離子引導(dǎo)件與串聯(lián)質(zhì)譜儀的第一級(jí)(在所屬領(lǐng)域中通常稱為Q0)之間的常規(guī)選通機(jī)構(gòu)的布局。在操作中，來(lái)自離子源的離子在圖式中從左行進(jìn)到右。在操作于OV下的大氣壓下在四極型離子引導(dǎo)件中輸送離子。串聯(lián)質(zhì)譜儀的QO級(jí)也操作于OV下且處于減少的壓力下。單一調(diào)制選通電極位于離子引導(dǎo)件與QO級(jí)之間。在選通電極的上游側(cè)(左偵D上存在高壓力區(qū)域，且在選通電極的另一側(cè)上存在低壓力區(qū)域。調(diào)制選通電極在以下兩種電壓之間切換:防止離子穿過(guò)選通電極的第一電壓(50V)及允許離子從離子引導(dǎo)件穿過(guò)電極到QO的第二電壓(OV)。雖然已明確地描述此兩種電勢(shì)，但應(yīng)了解，取決于施加到離子引導(dǎo)件及QO四極的電勢(shì)也可利用其它電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)相同效應(yīng)。如應(yīng)了解，需要各種控制器及電源供應(yīng)器成電氣連接以便提供及控制被施加到門、離子引導(dǎo)件、串聯(lián)質(zhì)譜儀及/或所利用的其它裝置的電壓。
[0030]已發(fā)現(xiàn)，在高壓力側(cè)上，由導(dǎo)致離子迀移率效應(yīng)的氣流及低壓力側(cè)上的氣流驅(qū)動(dòng)離子，離子效應(yīng)主要是靜電。使用此配置調(diào)制選通電極在電極的任一側(cè)上的微擾區(qū)中產(chǎn)生局部電場(chǎng)。此電場(chǎng)引起具有高離子迀移率性質(zhì)的離子受不利影響，從而使其軌跡偏離到不穩(wěn)定軌跡。因?yàn)殡x子迀移率性質(zhì)是取決于氣體的存在的，所以在電極的上游(高壓力)側(cè)上能更緊密地感受到此配置中的離子迀移率效應(yīng)。
[0031]圖2根據(jù)本教示展示選通機(jī)構(gòu)的實(shí)施例的布局。選通機(jī)構(gòu)操作于離子引導(dǎo)件與串聯(lián)質(zhì)譜儀的第一級(jí)(在所屬領(lǐng)域中通常稱為QO(如圖1中先前所描述))之間，只是使用含有兩個(gè)電極透鏡的組合件取代單一調(diào)制電極。操作于組合件的高壓力側(cè)上且在圖2中的第一電極透鏡鄰近處于OV下的離子引導(dǎo)件、操作于OV的固定電勢(shì)下。此第一透鏡連續(xù)地操作于此固定電勢(shì)下。電勢(shì)經(jīng)選擇以便允許離子穿過(guò)第一透鏡。在優(yōu)選實(shí)施例中，此第一上游透鏡的電勢(shì)操作于與其之前的離子引導(dǎo)件相同的電壓下。直接處于第一透鏡下游的第二透鏡以與圖1中發(fā)現(xiàn)的調(diào)制門類似的方式操作。第二透鏡操作于至少兩種電壓中的一者下，其中在第一電壓(50V)中，門防止離子橫穿通過(guò)其本身，且當(dāng)在第二電壓(OV)下操作時(shí)，門允許離子橫穿通過(guò)其本身。在優(yōu)選實(shí)施例中，此第二電壓的電勢(shì)操作于與其之前的離子引導(dǎo)件及第一透鏡相同的電壓下。第一透鏡與第二透鏡電分離，使得供應(yīng)到所述透鏡中的一者的電壓并不傳輸?shù)搅硪徽?。可按固定距離將所述透鏡分離，或替代地，可將絕緣材料插入于所述兩個(gè)透鏡之間以實(shí)現(xiàn)相同效應(yīng)。在固定電勢(shì)下以連續(xù)模式操作的第一透鏡使將正常地呈現(xiàn)于第二透鏡中的任一側(cè)上的調(diào)制場(chǎng)最小化，以免于影響微擾區(qū)中的高壓力區(qū)上的離子，在微擾區(qū)中，隨著離子迀移率效應(yīng)接近離子門，其通常將影響離子分布。雖然微擾區(qū)仍存在于門的低壓力側(cè)上，但所呈現(xiàn)的減少的氣體量也減少可被呈現(xiàn)的任何離子迀移率效應(yīng)。如應(yīng)了解，雖然展示特定電壓，但只要透鏡的功能性未受阻礙，就可使用任何電壓。例如，重要的是:在希望防止離子橫穿門時(shí)偏壓存在于電極之間以防止離子橫穿門，且在希望允許離子行進(jìn)通過(guò)門時(shí)各種電極之間不存在偏壓。
[0032]圖3展示類似于圖2中所描述的實(shí)施例的本發(fā)明的另一實(shí)施例的布局，但組合件含有定位在上文所參考的第二透鏡電極下游的第三透鏡電極。第三電極以類似于第一電極的方式操作且具有允許離子橫穿通過(guò)第一電極的固定電壓。歸因于門的低壓力側(cè)上的減少的壓力，不需要此第三電極，因?yàn)樽鳛檎{(diào)制電場(chǎng)的結(jié)果的離子迀移率效應(yīng)可能較小或在任何事件中都不存在。在優(yōu)選實(shí)施例中，此第三電極操作于與第一電極相同的電勢(shì)下。
[0033]圖4展示針對(duì)各種離子質(zhì)量的強(qiáng)度隨調(diào)制而變化的曲線的線性度。從鈦類的分裂產(chǎn)生離子，全部使用相同電壓且全部同時(shí)獲取數(shù)據(jù)。這些曲線中的每一者的X軸提供時(shí)間的百分?jǐn)?shù)，其中第二透鏡操作于允許離子穿過(guò)門的電壓下作為總時(shí)間的百分?jǐn)?shù)。這些曲線中的每一者的確定系數(shù)(R2)大約是0.99，其指示可看到曲線中的相當(dāng)高的線性度。線性度的任何輕微偏差主要在具有高強(qiáng)度計(jì)數(shù)的曲線中，其可能是檢測(cè)器上的飽和效應(yīng)的結(jié)果。
[0034]應(yīng)了解，雖然已揭示的是兩元件門及三元件門的特定實(shí)施例，但技術(shù)人員應(yīng)了解，此僅為示范性的，且在不背離所主張的本發(fā)明的情況下，可利用更多元件。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于將質(zhì)譜儀中的離子從高壓力區(qū)域傳輸?shù)降蛪毫^(qū)域的方法，其包括:使所述離子穿過(guò)所述高壓力區(qū)域與所述低壓力區(qū)域之間所安置的選通設(shè)備，所述選通設(shè)備包括: 第一及第二靜電透鏡，所述透鏡中的每一者由能夠在所述透鏡中的每一者上維持不同電壓的一或多個(gè)控制器可操作地控制； 其中所述第一透鏡鄰近所述高壓力區(qū)域而安置且具有被固定在允許離子橫穿通過(guò)所述第一透鏡的預(yù)定值下的電壓，且所述第二透鏡鄰近所述低壓力區(qū)域而安置且位于所述第一透鏡下游，所述第二透鏡具有在至少兩種不同電壓之間變化的電壓，其中在第一電壓中，所述離子可橫穿通過(guò)所述第二透鏡，且在所述第二電壓中，所述離子防止橫穿通過(guò)所述第二透鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中第三靜電透鏡被安置在所述第二透鏡下游，且操作于允許離子橫穿通過(guò)所述第三透鏡的預(yù)定值下。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述第一及第三透鏡上的所述電壓相同。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述高壓力區(qū)域位于大氣壓離子引導(dǎo)件中。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述低壓力區(qū)域位于串聯(lián)質(zhì)譜儀的QO級(jí)中。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述低壓力區(qū)域位于四極離子阱中。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述低壓力區(qū)域位于TOF質(zhì)譜儀中。8.—種質(zhì)譜儀裝置，其包括: 離子引導(dǎo)件，其操作于第一壓力下； 離子阱，其操作于低于所述第一壓力的第二壓力下； 選通設(shè)備，其安置于所述離子引導(dǎo)件與所述離子阱之間以用于將離子從所述離子引導(dǎo)件傳輸?shù)剿鲭x子阱，所述選通設(shè)備包括第一靜電透鏡及第二靜電透鏡，所述第一透鏡鄰近所述離子引導(dǎo)件而定位，且所述第二透鏡鄰近所述離子阱； 至少一個(gè)控制器，其用于可操作地單獨(dú)控制所述第一及第二透鏡中的每一者上的所述電壓，其中所述控制器經(jīng)配置以將所述第一透鏡維持于允許離子橫穿通過(guò)所述第一靜電透鏡的預(yù)定電壓下，且將所述第二透鏡維持于至少兩種不同電壓中，其中在第一電壓下，離子可橫穿通過(guò)所述第二透鏡，且在第二電壓下，所述離子防止橫穿通過(guò)所述第二透鏡。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的質(zhì)譜儀裝置，其中所述選通設(shè)備包括安置在所述第二透鏡下游的第三透鏡。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的質(zhì)譜儀裝置，其中所述第三及第一透鏡上的所述電壓相同。11.一種質(zhì)譜儀裝置，其包括: 離子引導(dǎo)件，其操作于第一壓力下； 飛行時(shí)間TOF質(zhì)譜儀，其操作于低于所述第一壓力的第二壓力下； 選通設(shè)備，其安置于所述離子引導(dǎo)件與所述TOF質(zhì)譜儀之間以用于將離子從所述離子引導(dǎo)件傳輸?shù)剿鯰OF質(zhì)譜儀，所述選通設(shè)備包括第一靜電透鏡及第二靜電透鏡，所述第一透鏡鄰近所述離子引導(dǎo)件而定位，且所述第二透鏡鄰近所述TOF質(zhì)譜儀； 至少一個(gè)控制器，其用于可操作地單獨(dú)控制所述第一及第二透鏡中的每一者上的所述電壓，其中所述控制器經(jīng)配置以將所述第一透鏡維持于允許離子橫穿通過(guò)所述第一靜電透鏡的預(yù)定電壓下，且將所述第二透鏡維持于至少兩種不同電壓中，其中在所述第一電壓下，離子可橫穿通過(guò)所述第二透鏡，且在所述第二電壓下，所述離子被防止橫穿通過(guò)所述第二透鏡。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的質(zhì)譜儀裝置，其中所述選通設(shè)備包括安置在所述第二透鏡下游的第三透鏡。13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的質(zhì)譜儀裝置，其中所述第三及第一透鏡上的所述電壓相同。
【文檔編號(hào)】H01J49/26GK105849856SQ201480070506
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2014年12月12日
【發(fā)明人】羅伯特·霍伊夫勒, 安德烈·索諾克
【申請(qǐng)人】Dh科技發(fā)展私人貿(mào)易有限公司