CN120236988A - 离子传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于传输、聚焦和保留离子的射频装置，其用于质谱和离子迁移谱应用。离子传输装置包括离子传输通道，该通道具有入口端和出口端，并且由表面包围，表面布置有射频和/或直流电极，产生将离子引导至通道出口端的行波场，其中电极布置在装置的出口部分以确保离子的碎裂或热化，与布置在装置其余部分的其他电极的区别在于它们的供电方式和/或几何形状。技术效果在于实现离子高效传输到具有不同压力的下一个腔室；确保装置在短数据采集时间内的高灵敏度；减少后续级泵上的气体负载；防止离子包在传输通过装置时发生扩散；以及准备离子包以用于质谱仪后续级的后续操作，即离子的碎裂和/或热化。

Description

离子传输装置

技术领域

本发明涉及用于传输、聚焦和保留离子的射频装置，其用于质谱和离子迁移谱应用。

背景技术

质谱仪通常由离子源、真空室、质谱分析仪和离子探测器组成。离子源中产生的离子被质谱分析仪接收，在那里它们根据质荷比(以下简称“质量”)分离，然后被探测器记录下来。如果离子源在高压下运行，则需要一个系统，将离子输送到典型压力为1E-5-1E-6Torr的真空室中。这种装置被称为差动泵接口，其中压降被分为多个腔室/区域。每个后续腔室的压力与相邻腔室中的压力不同，通常通过孔(隔膜，apertures)与相邻腔室隔开，该孔限制气体流入下一个腔室，其中为了实现最大的灵敏度，必须在各级之间以最小的损失传输离子。接口级之间的孔具有较小狭缝时，对泵的负载较小；然而，离子通过窄孔时可能会有显著损失。在复杂的多组件质谱仪中，仪器的组件或功能单元有时被称为“级”。这些可能是接口级、离子碎裂单元、离子累积装置、离子包形成装置或质谱仪(质谱仪内可能有多个)等。例如，质谱仪中的一种离子操控方式涉及为将离子传输到脉冲正交加速器(OA)并获得其飞行时间(TOF)谱做好准备。正交加速TOF质谱仪的分辨率和透射率在很大程度上取决于接收到的离子包的相体积。因此，在将离子包引入OA之前，制备离子包的一个重要步骤是减少其相体积，这一过程可通过离子与中性气体碰撞并因此冷却来有效地实现。这个过程也可以称为气体中离子的热化。

在分析化合物时，质谱和离子迁移谱面临的挑战之一是，在通过差动泵接口将离子从高压区域传输至高真空区域(在质谱仪中按质量分离离子)时的离子损失。离子的损失会对仪器的灵敏度产生不利影响。

质谱仪，特别是质量分析器，通常与基于某些参数对离子进行预分离的装置串联使用，例如，用于高速色谱或离子迁移谱(IMS)，其以200-300μs(用于IMS)和20-1000ms(用于色谱)的典型时间内高速分离样品组分。在这种情况下，除了效率之外，将这些装置彼此连接的离子传输系统还需要确保聚焦和传输系统的速度。为了避免在进入质谱仪之前损失先前分离阶段获得的分辨率，离子传输系统应防止其输入端接收到的时间分离的离子包发生混合和扩散。目前，串联质谱仪具有可以在气体中聚焦和传输离子的系统。其中最常见的包括离子漏斗、射频多极装置(四极、六极、八极等)[Douglas D.J.,French J.B.专利US4964746,1989年]([Douglas D.J.,French J.B.Patent US4964746,1989г.])以及行波场装置。

离子漏斗是实现离子传输和聚焦系统的传统方式之一，其由一系列具有同轴排列孔的电极构成，其中在从MS出口朝向分析器的方向上，每个后续电极的孔径都小于前一个，从而形成离子运动的空间，即“漏斗”(US6107628A，2000年8月22日；US8299443B1，2012年10月30日)。

上述装置的缺点包括：将离子传输到具有不同压力的下一个腔室的效率低下、沿表面的离子传输缓慢、在短数据采集时间内装置的灵敏度低、对后续级泵的气体负载高、离子包在通过装置传输过程中发生扩散，以及无法为质谱仪后续阶段的后续级操作(如碎裂和/或热化)准备离子包。

下文所述的发明旨在解决这些问题。

发明内容

技术任务在于创建一种高效的装置以及离子传输方法，确保装置在短数据采集时间内具有高灵敏度，防止离子在通过装置传输过程中发生扩散，并为质谱仪下一级的后续操作(例如离子碎裂和/或热化)准备离子包。

技术效果在于：实现了将离子高效率传输到具有不同压力的下一个腔室、确保在短数据采集时间内装置的高灵敏度、减少后续级泵的气体负载、防止离子包在通过装置传输过程中发生扩散，以及为质谱仪后续阶段的后续级操作(如碎裂和/或热化)准备离子包。

该技术效果是通过以下事实实现的，离子传输装置包括：离子传输通道，该通道具有入口端和出口端，受射频和/或直流电极所在表面的限制，这些电极产生行波场以引导离子向通道出口端传输，其中位于装置出口部分的电极确保离子的碎裂或热化，与位于装置其余部分的其他电极不同的是它们的电源模式和/或几何结构。

此外，离子传输通道的横截面为矩形、圆形或椭圆形。

此外，离子传输通道朝向出口逐渐收缩。

此外，离子传输通道由两个具有射频电极的平坦相对表面和两个具有直流电极的平坦相对表面构成。

此外，离子传输通道由四个平坦表面形成，射频电极或孔电极沿通道交替排列布置。

此外，电极制成两个一组和/或更多个电极一组的形式，这些电极被提供有相应的锁相射频电源。

此外，布置在装置出口部分的电极作为单独的组设置，并沿着离子传输通道的长度布置。

此外，布置在装置剩余部分中的电极作为一电极组设置，并布置在离子传输通道的整个长度上。

此外，布置在装置出口部分的电极的几何形状与布置在装置其余部分的电极几何形状相同。

此外，在一个表面上布置在装置的出口部分中的相邻电极之间的距离小于布置有这些电极的相对表面之间的距离。

此外，电极具有矩形形状或具有圆心位于表面轴上的圆弧形形状，或具有另一种弯曲形状。

此外，电极中曲率的直径或大小朝向装置的出口变化。

此外，电极沿着表面的长度具有重复样式。

此外，电极具有沿表面长度变化的样式和尺度。

此外，限定通道的表面包含洞(holes)或穴(pores)。

此外，限定离子传输通道和场电极边界的表面是使用印刷电路板技术制造的。

此外，由具有电极的表面形成的通道为密封的，或具有有限的气体渗透性，并且可以抵抗通过通道的气体流动。

此外，离子传输装置可以在通道的出口部分保留和累积离子。

此外，离子传输装置可以通过自身将离子传输到比装置入口处压力更高的区域。

附图说明

图1本发明在粘性流和分子粘性流条件下的一个优选实施例，其中包含可控碎裂单元；

图2本发明在分子流动条件下的优选实施例，其中包含离子热化单元；

图3通过SIMION模拟得到的离子有效温度(Teff)沿通道长度的位置的依赖关系；

图4当两个腔室的压力分别为P1＝10Torr和P2＝0.01Torr，并通过该通道连接时，沿通道长度的压力分布；

图5在离子传输装置的优选实施例中，用于使气体分子流通过通道的电极系统；

图6在差动泵接口内采用窄通道的离子传输装置的一个实施例。

具体实施方式

本发明旨在利用电场传输、聚焦和捕获气体中宽压力范围内的离子，同时最小化离子损失的装置和方法。

所公开的装置(以下称为“离子传输装置”)的主要适用范围是差动泵接口，以及根据离子特性(例如，其迁移率或质量电荷比(m/z比))分离离子的装置的入口级或出口级。

所公开的离子传输装置旨在执行一系列任务，以改善质谱仪的性能。也就是说，这包括：以最小的损失更有效地将离子从具有某一压力的区域传输到具有另一压力的区域；减少后续级泵上的气体负载；防止离子包在传输过程中随时间而产生扩散(模糊，blurring)；并且，根据分析任务，该装置应执行离子的碎裂和/或热化。

对于在高压下运行的离子源，必须使用差动泵接口，以便将离子从高压区域输送到高真空区域，在该区域按照质量/电荷(m/z)进行分离。通常，通过采用带有小狭缝的孔(隔膜，apertures)来限制气体流动，但使用窄孔会导致离子损失，从而降低灵敏度。另一方面，采用带有较大狭缝的孔会增加用于泵出孔后下一级的真空泵的气体负载。本发明通过增加连接具有不同压力的两个腔室的通道长度来降低气体负载。为了防止离子在长通道中移动时损失，必须通过使用射频聚焦场来确保它们的传输没有重大损失。

实现技术效果的解决方案之一是增加离子传输到下一阶段的通道的长度，当通道长度增加五倍或更多倍时，即，使通道明显大于其特征横截面尺寸。首先，较长的通道可以显著增加离子传输装置的入口孔径。其次，该解决方案限制了进入下一级的气体流量。在一个优选的实施例中，选择矩形横截面的通道有三个原因：1)在粘性流和分子粘性流的条件下，通道的电导率明显较小(见下面的电导率表达式)；2)与横截面相似的圆形通道相比，体积电荷的影响较小；3)平坦表面更便于布置电极系统，以生成传输和聚焦场。

如果Kn～0.005..5，如本申请的情况，则具有分子粘性流的矩形通道的电导率可以通过以下公式估算：

其中，“f≈4.5”是取决于矩形横截面中的纵横比的参数，“a”是长边尺寸，“b”是短边尺寸，“Pmid”是通道中的平均压力，“L”是通道长度。

孔的电导率可以通过以下公式估算：

Uhol_v＝160·d_hol²，其中“d_hol”是孔的直径。

如果优选实施例中的通道参数具有横截面为1x6mm，长度为L＝100mm，则具有d_hol＝1mm的狭缝的孔将提供大致相同的电导率，即面积小7.6倍。或者，如果孔有类似面积(等于6mm²)的狭缝，则通过它的流量将大约高出10倍。

对于分子流，长度为L的矩形通道的电导率可以通过以下公式估算：

其中“a”和“b”是矩形截面的边长。

对于分子流，圆孔的电导率可以通过以下公式估算：

Uhol_mol＝91·d²，其中“d”是孔的直径。

对于分子流条件下的优选实施例中的通道参数，长度“L”为100mm，横截面为1х2.5mm。如果孔具有类似面积(等于2.5mm²)的狭缝，则通过它的流量将大约高出10倍。

可以实现技术效果的解决方案提供了使用行波场沿通道传输离子。这将避免混合来自样品不同组分的时间分离的离子包。它们的分离可以在之前的分离阶段实现，如气相色谱法(GC)、液相色谱法(LC)或离子迁移谱法(IMS)。所要求保护的离子传输装置应确保混合物组分浓度变化的时间前沿扩散化的特征时间在50–200μs及以下的水平。

图1示出了一个离子传输装置的实施例，用于分子粘性流动的离子传输和操控，该实施例的装置包括压力为P1的区域或腔室(1)、入口狭缝(2)，离子通过该入口狭缝(2)从腔室(1)进入离子传输通道(10)，该离子传输通道(10)由具有多个RF场设置电极(5)和(7)的两个优选平坦表面以及包含DC电极(6)的两个优选平坦表面构成。由多个电极(5和7)和电极(6)产生的场的作用导致形成离子传输通道(10)，离子在该通道中沿X轴朝向离子传输装置的出口移动。在一个优选的实施例中，离子通过电行波场的力朝向X轴移动，该电行波场将离子沿着离子传输通道(10)从入口狭缝(2)引导到出口狭缝(8)，并进一步引导到压力为P2的区域或腔室(9)。该场由电极组(5和7)设置。

在Y轴方向上，离子传输通道(10)由包括电极(6)的表面限定，在该电极(6)上施加直流电压，从而由电极(6)产生的场将离子引导进入通道(10)，并防止离子在Y轴方向上的损失。对于带正电的离子，相对于轴上的通道电势施加+0.3…+2V或更高的电压将足以防止这些离子的损失。作为一种选择，可以通过在布置电极(5和7)的表面上放置直流电极来限制离子沿Y轴方向在通道中的流动。

作为一种选择，通过布置与电极(5和7)相同的电极组代替电极(6)，并使用它们产生与布置电极(5和7)的表面上类似的行波场，从而限制离子沿Y轴方向上在通道中的流动。

限定通道(10)的表面形成密封的通道，或者通道具有有限的气体渗透性，并且被制成抵抗气体流过通道。

作为一种选择，限定通道(10)的表面可以包含多个洞或穴，以确保额外的气体从通道中流出，并确保沿通道长度的压降更快或根据特定模式而变化。

可以在通道(10)的出口中设置具有狭缝的孔(8)，离子在通道出口处聚焦在该狭缝处。这种孔的狭缝可以具有比通道更小的面积，并且在这种情况下，孔可以进一步限制通过通道的气体流动。

行波场是解决技术任务的在窄通道中传输离子的首选场类型。它的使用可以大大减少通过长而窄的通道传输的离子包的扩散。离子包的扩散主要是由于在狭窄的通道中，气体以不同的速度移动。如果没有电场使离子沿轴移动，则这种运动的速度在很大程度上取决于离子位置处的气体速度。在粘性模式下，当气体以层流形式通过通道时，这会设置泊肃叶(Poiseuille)流动模式，而流速的横截面分布将接近抛物线。最大速度将出现在轴上，而在限制通道的表面上，流速将接近0，符合以下表达式：因此，不同的离子最终将在不同的时间到达通道出口。模拟离子通过长度为L＝100mm、横截面积为1mm的通道的运动，当P1＝10Torr、P2＝0.01Torr时，假设气体以泊肃叶流动模式流动，离子的m/z为200，结果表明，在峰高的50％处，前沿扩散了200-400μs。如果在前一阶段，离子包根据其特性(如m/z、碰撞截面或其组合)随时间分离，特征峰持续时间为100-300μs，这种扩散会显著影响前一阶段实现的离子随时间的分离。行波场从根本上解决了这个问题。在相同的气体流过通道的条件下，使用优选的供电模式和优选的RF电极结构(如下所述)模拟离子运动，离子包的扩散仅为30-40μs。

接下来，在一个优选实施例中，对于粘性流和分子粘性流，通道(10)的电极系统被分成具有不同供电模式的至少两个区域(3)和(4)。电极的结构在这些区域中也可能不同。然而，为了简化制造并实现技术效果，实施不同的供电模式就足够了，其中电极(4)的几何形状可以复制电极(3)中的一个。这样做是为了确保离子在通过通道时离子碎裂过程是可控的，并进一步简化离子传输模式，以减少离子包随时间的扩散。众所周知，在通过狭长通道的流动过程中，压力的分布方式是：主压降发生在通道出口段的短距离处，约为通道长度的1/10。这在图表(见图4)中显示，该图表通过模拟气体从压力为P1＝10Torr的腔室通过长度为100mm的1х6mm通道流出到压力为P2＝0.01Torr的腔室而生成。由于出口部分的压力与通道中的平均压力相差很大(超过一个数量级以上)，因此最好以不同的模式为电极供电。众所周知，压力越大，需要向电极供电的RF电压幅度越大才能保留和运输离子。因此，对于不同的通道压力，使用行波场沿通道进行快速传输的最佳参数是不同的。当离子在场作用下在气体中移动时，离子与气体之间的碰撞能量高于环境中性气体的温度。这产生了所谓的“场诱导离子加热”，具有离子的特征有效温度(Teff)，其中离子和气体之间的碰撞能量可以转化为电离分子的内能，从而导致其碎裂。

对于离子传输装置，需要考虑两种工作模式：传输模式和碎裂模式。如图3所示，离子的有效温度(Teff)在通道的出口部分发生了显著变化。某些类型的脆性分子开始碎裂的特征温度约为1000ο…1500οK。为了防止不希望发生的碎裂，需要改变图1所示的电极组(4)在通道出口部分的射频供电模式，即根据传输的离子类型，将电压幅度减小1.2-5倍。相反，如果装置需要在碎裂模式下运行，图1所示的电极组(4)的射频供电模式的电压幅度应增加1.2-5倍或更多。

因此，如果离子传输装置在碎裂模式下运行，可以实现时间分离的离子包的超快碎裂，而不会在不同类型离子的30-200μs的特征时间内使它们随时间发生扩散或混合它们。

针对下述电极几何形状，供电模式的优选方案为：幅值为2～60V或更高，频率为1～4MHz或更高，相邻电极信号偏移90°，以提供行波场。对于选定的质量，特定的电压幅值具有最佳值。对于轻质量的离子，例如30-100m/z，最佳电压幅值为5-10V，对于重质量的离子，例如1000m/z，电压幅值为30-60V。作为电源的一种选择，相邻电极提供反相射频电压，其幅值为5-50V、频率为1-4MHz，并且在其上单独叠加频率为0.01-0.5MHz、幅值为0.03-20V的缓慢变化电压。电极的射频供电参数不限于特定的范围，可以在更广泛的范围内。如上所述，电极组(4)的射频供电参数可以根据所选的工作模式单独配置。

图2示出了离子传输装置的一个实施例，用于气体分子流条件下在传输和操控离子。该装置基于相同的原理工作，并包括相同的组件。其不同之处在于电极组(5和7)的优选供电模式，以及电极组(4)执行另一功能，与电极组(3)的不同之处不仅在其供电模式，还在于其几何参数。

电极组(4)的主要功能是在离子释放到下一阶段之前对其进行额外的热化。到达ToF质谱分析仪(器)的离子束中的能量扩散越小，离子束的m/z分辨率就越高，离子信号损失就越低。减少离子包中能量扩散的有效方法是将离子包放入中性气体中冷却，其中离子通过射频场保留在传输通道(10)中，以避免离子损失。

仅通过行波场在特征压力为10^-4…0.1Torr下进行的离子传输模拟表明，由于行波场的特殊性，此类装置出口处的能量扩散会增加。这种能量扩散具有与提供该场的电源的幅度成比例的特征值。通过0.5–3V的行波场电压幅值，可以实现离子通过通道的有效传输，也可以防止离子包随时间扩散，因此，离子的能量扩散(能量扩散度)将接近这些值，这对于在ToF质谱仪中实现高质量分辨率是不可接受的。多极场(如四极、六极、八极场等)可实现更有效的冷却，因为与行波场的情况不同，离子聚焦的轴上的场电势不会波动。因此，电极组(4)产生一组沿装置X轴定位的四极杆。电极组(4)可以通过沿X轴排列的条带状电极在表面上形成。因此，沿Y轴形成两组或更多组电极，产生近似四极场。条带的宽度可以从0.05mm变化到1mm或更大，具体取决于Y轴方向上的通道宽度。在其他实施例中，电极(7)不一定需要提供精确的四极场，其特征是电极的布置与四极杆的距离大致相同，以及相邻电极处为反相电源。为了将离子保留在通道中，表面上的电极首先必须产生足够的拟势(伪电位，pseudopotential)。因此，一个表面上相邻条带(7)之间的特征距离可以小于电极(7)所固定的相对表面之间的特征距离。

在该装置中，可以区分电极组(4)的两种主要工作模式：累积模式和离子传输模式。在累积模式下，通过电源施加锁定电势至孔(8)，以防止离子离开通道(10)，如图2所示。对于离子传输模式，向电极(8)施加电压，该电压将离子从通道(10)中拉出，并将离子引导至孔(8)的出口。选择电极(4)的长度和作用于孔(8)上的拉动电势，以确保当装置在高时间分辨率模式下工作时，以传输模式从电极(4)区域拉动离子包的时间不超过10-100μs。

通过改变相对于相邻电极(3)和出口孔的平均电势的电极系统(4)的平均电势(射频分量(RF component)叠加在其上),可以实现改变离子累积模式和离子传输模式的类似效果。

对于其他不需要如此快速动态的模式，可以通过降低孔(8)处的拉动电势来显著增加离子流出时间。拉出的离子束中的能量扩散(度)将减小，这可以优化出口处的离子束参数，以实现质谱仪的更高分辨率。上述模式的交替可以形成所需持续时间的离子包。

在该装置的一些实施例中，当离子传输装置出口处的离子能量扩散(度)不重要时，例如，当离子被传输到四极杆以通过m/z进一步过滤时，可能不需要执行离子热化功能的电极组(4)。

在优选实施例中，多个RF电极(图1和图2中的5和7)中的单个电极是矩形的，且由绝缘体隔开，并具有由2、3、4、5个或更多个电极组成的周期性重复样式。对于图1中的组(5)和(7)以及图2中的(5)的最优选的实施例是，当阵列包括多个RF电极，按4个电极为一组进行划分，来设置行波场。

由具有RF电极(图1中的5和7)的表面形成的通道可以朝向出口逐渐变窄，以进一步限制用于气体流向下一级的通道的整体电导率的降低。

根据一个优选的实施例，场设置电极(5和7)的重复样式延伸覆盖大部分表面。

电极的尺寸和它们之间的距离可以根据不同离子传输条件的电场要求而变化。在典型示例中，当离子传输装置在0.00001至100Torr的压力范围内运行时，电极之间的间隙范围为0.05mm至1mm，包括超过1mm，单个电极的宽度范围为0.05mm到1mm，包括超过1mm。

在一个实施例中，单个电极(5和7)的形状除了是矩形之外，还可以是圆心在表面轴上的扇形、有角度的形状或其他弯曲形状。电极的直径或曲率的特征尺寸可以沿着装置的出口方向变化。在这种情况下，行波场会额外地将离子从外围区域引导到装置的中心轴。

在一个实施例中，重复样式的尺度可以沿着形成通道的表面的长度变化。例如，在离子聚焦装置的入口处的样式的尺度可以大约是离子聚焦装置出口处样式尺度的1.2-5倍或更多倍。

图2所示的组(7)的最优选实施例是，当多个RF电极的阵列被分成每组2个电极时，分别施加反相电压以设置将离子保留在通道中的场，并确保场轴上的电势不会随时间波动。

在一个实施例中，限定离子传输通道和场电极的表面采用印刷电路板技术制造。

在离子传输装置前方可以设置额外的离子聚焦系统，该系统将离子聚焦并引导到离子传输装置通道中，例如离子漏斗(lonFunnel)或其他具有类似功能的装置。

电极的电源可以根据不同离子传输条件对电场的要求而变化。在一个优选实施例中，图1所示的电极(5)和(7)以及图2中所示的电极(5)以特定方式供电，使得在电极表面上方产生行波场，当产生最大电势和最小电势交替变化的场时，，这些最大电势和最小电势沿着电极上方的表面移动。为了产生电行波场，向交替的电极组施加相对于相邻电极组的相位偏移(相移)的时变电压。在每组中，从沿离子运动路径的第一个电极开始，直到最后一个电极，相邻电极上的电压相位发生偏移，从而形成沿表面移动的电势“峰”和“谷”。在常规情况下，所选的相位偏移值为360/n，其中“n”是每组的电极数量。因此，在一组中，第一电极保持第一电压值，第二电极保持第二电压值，以此类推。在第一时刻“t1”，第一电压分别施加到所有组的第一电极，第二电压分别施加到所有组的第二电极，以此类推。在第二时刻“t2”，第一电压施加到每组中的第二电极，第二电压施加到每组中的第三电极，以此类推。其结果是，电极上的推力场“逐步前移”，产生行波场，从而驱动离子沿选定方向移动。

根据离子速度与行波速度的比率，可能存在两种类型的离子运动模式。如果离子的迁移率较高，它们会随波移动。在这种情况下，离子速度等于行波速度。如果离子被电势波携带并沿着“波峰”“滑动”，这会导致离子速度低于行波速度。在这种情况下，离子将根据其迁移率在波场中以不同的速度沿着通道移动。迁移率较高的离子将大部分时间随波移动，而迁移率较低的离子将更频繁地“跳过”波峰。“跳过”波峰的离子越多，它们移动通过装置的速度就越慢。

施加到电极(5和7)的RF电压的幅度和频率取决于电极的特征尺寸、通道中的压力大小、中性气体的类型、电极之间的间距(梯级，step)以及通过通道的离子的m/z和CCS的总和。对于选定的电极尺寸，振幅为10..50V，m/z＝200V的离子的特征频率为0.5-5MHz，但不限于此范围。

在一个实施例中，施加到各组电极的电压可以表示以不同频率、不同相位和振幅变化的电压之和。在一个优选实施例中，供电方式如下。将频率较高(如0.2…10MHz或更高)的反相信号施加到相邻电极上。该RF电压产生一个将离子保留在通道中的场。另一个信号以不同的频率(优选地比第一信号低1.2倍…20倍或更多)叠加在该信号上，并且相对于该组中的相邻电极具有相移，其中该频率分布在所述电极组中。信号被施加到相邻的电极上，其相移与组内选定的电极数量相对应。例如，如果一组中有4个电极，则相移将为90°。第二信号的优选振幅应比第一信号的振幅小1.2倍…20倍或更多。

在对图2所示组(7)施加射频电压的最优选实施例中，对相邻电极施加反相信号，以设置将离子保留在通道中的场。振幅为5…100V，m/z＝200V的离子的特征频率为1-5MHz，但并不局限于此范围，可能会因电极的特征尺寸、通道中的压力大小、中性气体的类型、电极之间的间距以及通过通道的离子的m/z和CCS的总和而有很大变化。

此外，还可以采用其他实施方式，其中在一组电极中的2…4个相邻电极上施加相同或相似的电势，以设置行波场。这样做的目的是确保行波场前沿的场梯度更加均匀，从而减少移动离子包中时间前沿的扩散。

供电电压可以是正弦波信号、方波、三角波、锯齿波或其他信号形式。术语“RF电极”并不将电极的供电模式仅限制为RF电压。

图6示出了在差动泵接口(14)内采用窄通道的离子传输装置的一个实施例。该图示出了离子传输装置的两种优选实施例，具体取决于气体在通道中的流动模式：当气体以分子粘性模式(20)流动时，该装置包括离子碎裂单元(13)；在分子流(21)模式下，该装置包括用于热化和离子累积的单元(16)，用于准备注入TOF质谱仪的离子束。离子累积模式可用于减少后续ToF质谱仪中的占空比效应，并改善离子包热化。离子从压力为P1(可以是0.5…20Torr或更高)的腔室(11)进入离子传输装置(20)的通道(19)；离子通过连接到用于施加电源电压的装置(18)的电极(12)输送到离子传输装置(20)的出口，在那里它们可以被碎裂成多个部分(13)。接下来，离子或其碎片进入压力为P2～0.001-0.1Torr的腔室(14)，然后进入离子传输装置(21)，离子被传输到行波场，该行波场由连接到用于施加电源电压的装置(18)的电极(15)设置，离子最终到达提供离子热化功能的区域(16)。热化后，传输的离子进入压力为P3～10^-5…10^-9Torr的腔室(17)，其中设置有质谱仪或位于质谱仪前的中压腔室。

在离子通过离子传输装置(20和21)传输时，随着时间的推移，离子的损失和离子包的扩散都会降到最低，通道(19)会限制气体流到下一级。

在一些实施例中，离子传输装置(20和21)之前可以有额外的离子聚焦装置，如离子漏斗、离子聚焦透镜等。

优选地，差动泵接口与离子迁移谱(IMS)结合操作，IMS基于离子包的特性(如m/z和CCS)的集合来分离离子包。这可以是腔室(19)中的漂移IMS(20)，通过行波场进行离子分离。

优选地，所述接口与需要高真空的高分辨率ToF质谱仪结合使用。然而，所公开的装置也可以与其他类型的质谱仪一起使用，例如四极杆质谱仪、Orbitrap、ICR、磁性质谱仪等。

此外，在其他潜在的实施例中，当P1＜P2或P2＜P3时，所述的离子传输装置还可以将离子从低压区域传输到高压区域。

以上述方式构建所要求保护的装置，可以提高离子向压力显著不同的腔室的传输效率；确保装置的高灵敏度，特别是在短数据采集时间内；减少后续级泵上的气体负载；防止离子包在通过装置的传输过程中发生扩散；并为质谱仪的后续级操作(即离子的碎裂和/或热化)准备离子包。

Claims (17)

1.一种离子传输装置，其特征在于，包括离子传输通道，所述离子传输通道具有入口端和出口端，受射频和/或直流电极所在表面的限制，所述电极产生引导离子朝向所述离子传输通道的所述出口端传输的行波场，其中，所述电极布置在所述装置的出口部分，以实现离子的碎裂或热化功能，并且在供电模式和/或几何结构上不同于位于所述装置其余部分的电极。

2.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子传输通道的横截面为矩形、圆形或椭圆形。

3.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子传输通道朝向出口逐渐变窄。

4.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子传输通道由两个具有射频电极的平坦相对表面和两个具有直流电极的平坦相对表面形成。

5.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子传输通道由四个平坦表面形成，所述四个平坦表面上的射频电极或孔形式的电极沿所述通道交替排列。

6.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极制成两个一组和/或更多个电极一组的形式，并向其提供适当锁相的RF电源。

7.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，布置在所述装置的出口部分中的电极作为独立的组，并沿着所述离子传输通道的长度布置。

8.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述装置剩余部分中的电极作为一电极组，并横跨所述离子传输通道的长度布置。

9.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，布置在所述装置出口部分的电极的几何形状与布置在所述装置其余部分的电极的几何形状相同。

10.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极具有矩形形状或具有圆心位于表面轴上的扇形形状，或具有其他弯曲形状。

11.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极沿所述表面的长度具有重复样式。

12.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述电极具有沿所述表面的长度变化的样式和尺度。

13.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，限定所述通道的所述表面包含洞或穴。

14.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，限定所述离子传输通道和场电极的所述表面是采用印刷电路板技术制造的。

15.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，由具有电极的所述表面形成的所述通道是密封的或具有有限的气体渗透性，并且可以抵抗通过所述通道的气体流动。

16.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子传输装置可以在所述通道的出口部分中保留和累积离子。

17.根据权利要求1所述的离子传输装置，其特征在于，所述离子传输装置可以通过自身将离子传输到比所述装置入口处压力更高的区域。