專利名稱：離子阱的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于儲存帶電粒子和將其噴射到質量分析儀的離子 阱。具體地，但非排他地，本發(fā)明涉及一種離子阱，其適合用于將離子注 入到諸如多次反射飛行時間分析儀或軌道阱之類的靜電阱中。
背景技術：
離子阱，包括RF離子阱，是允許儲存離子和將儲存的離子噴射到諸如 離子回旋共振(ICR)分析儀之類的質量分析儀的現(xiàn)有設備。Kofel, P.、 Allemann， M.、 Kellerhals, H.P.和Wanczek， K. P.的"用于離子回旋共振質譜 測量的外部捕獲的離子源(External Trapped Ion Source for Ion Cyclotron Resonance Spectrometry)"(質譜學和離子過程國際期刊(International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes) , 1989, 87, 237-247)描述了 一種矩形阱，阱中的所有側面具有相同的電勢，且來自ICR磁體的雜散場 產生捕獲動作。此外，該文獻中建議在磁場中或磁場外使用離子累積RF 阱。
S. Michael、 M. Chien、 D. Lubman在Rev. Sci. Instr亂，1992, 63, 4277-4284、 US-A-5，569，917以及US-A-5,763，878中描述了使用3D四極離 子阱作為累積器和對TOF質量分析儀的注入器。然而，在此現(xiàn)有技術的阱 中離子云的體積有限，導致儲存的離子之間的嚴重庫侖相互作用，從而極 大影響了所得離子束的參數(shù)。
線性離子阱和弧形離子阱(curved ion trap)允許離子云體積增加，從 而降低空間電荷效應開始影響性能的水平(通常，允許的離子數(shù)量以數(shù)量 級或更大級增長)。因此，已證明線性離子阱和弧形離子阱更適合質譜測 量以及將離子注入到質量分析儀中。Senko M. W.等人在J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1997, 8， 970-976中總結了用于FT-ICR質譜儀的某一范圍的不同阱，并描述了使用八極離子導向件作為累積器，接著以第二八極作為注入
器，離子沿阱軸的方向而不是沿垂直于阱軸的方向從阱端部轉移出。Franzen 在US-A-5,763,878中描述了一種阱，其包括平行的直桿，離子噴射垂直于 桿。Makarov等人在US-A-6,872,938中描述了一種垂直噴射的弧形多極桿 阱。
然而，由于離子云基本沿肼軸的長度分布，使隨后沿此方向的聚焦存 在問題。冷卻的離子云處在RF準電勢的最小處，而且這種中心線("軸") 可以是弧形的，像US-A-6,872,938中一樣。
最近介紹的軌道阱質量分析儀和多次反射飛行時間分析儀不僅均要求 高空間電荷容量，還要求及時、全方向(包括軸向)聚焦離子云的能力。 在US-A-6，872,938中描述了通過軌道阱質量分析儀的微小入口狹縫聚焦離 子的弧形離子阱。聚焦由弧形離子阱本身形狀以及通過使用阱與軌道阱質 量分析儀之間的弧形聚焦和偏轉光學器件提供。偏轉光學器件(z-透鏡)還 通過在彎曲路徑上引導離子，從而阻擋相對高壓的儲存阱與目標質量分析 儀或阱之間的直接視線(以及飛過的離子)來減小壓力問題。
盡管所得構造提供了高性能，但它具有許多缺點。首先，構造的制造 復雜；第二，構造要求的寬縫(接近聚焦點寬度減小)導致對差動泵浦的 要求提高；第三，阱的缺點是其空間電荷容量低于軌道阱本身的空間電荷
此外，阱與質量分析儀之間的透鏡是弧形的，制造和校準復雜。此外， 累積和注入到質量分析儀中的離子的質量范圍有限。

發(fā)明內容
針對此背景技術，根據本發(fā)明的第一方面，提供了一種離子阱，其包 括多個細長的捕獲電極，這些捕獲電極被安排成在它們之間形成捕獲體積， 該捕獲體積大致按延伸軸延伸，而且其中捕獲體積在其延伸方向上靠近末 端的截面面積不同于所述捕獲體積遠離其末端的截面面積。
因而本發(fā)明的最一般意義的概念定義了弧形的非線性離子捕獲場。這 來自于不同尋常的觀念，即具有例如大面積(但是不同)弧形的電極的離子存儲設備能提供更高的阱容量與更高質量的空間和飛行時間聚焦。該新 阱背離傳統(tǒng)觀點，而向著通常使用較低階多極展開(例如，四極、八極等) 的RF離子阱。盡管廣泛的觀點認為弧形非線性電極太復雜和太不可預知， 以致于不能用于高聚焦束的儲存和脈沖注入，但本發(fā)明的發(fā)明人已經認識 到，只要涉及到離子儲存，則RF阱對儲存場畸變的反應是極其適度或者甚 至是積極的。因此，代替不必要地受約束于與源自多極展開的形狀和它們 向電極形狀的變形(使用斯托克斯定理)，將用于噴射的離子光學性能用
作主要設計原則，RF設計僅僅是次要原則。這遵重了在無論以何種方式向 分析儀噴射離子期間RF通常(但不是必須)被關閉的事實。
在替代的方面，本發(fā)明在于一種離子阱，其包括多個細長的捕獲電
極，這些捕獲電極被安排成在它們之間形成具有延伸軸的捕獲體積；以及 用于向捕獲電極供給rf電壓的電源，其中捕獲電極的形狀和/或施加的rf 電壓值被選擇成在捕獲體積中創(chuàng)建電場，該電場對其中的離子施加電力， 電力振幅隨著沿任何平行于阱的延伸軸所畫的線的至少一部分的距離而變 化。
換言之，阱被配置成建立具有非常數(shù)系數(shù)的拋物線性的準勢阱。優(yōu)選 的，延伸軸至少部分為弧形，例如通過在至少一個平面上采用弧形電極， 以使電力振幅隨著沿平行于弧形軸的任意線(也就是，沿任何離弧形軸距 離固定的線)的距離而變化。在最優(yōu)選的實施方式中，平行于延伸軸的電 力分量的引入(這導致作用在阱中離子上的噴射力既不垂直也不平行于阱 的延伸軸)是通過在至少一個平面中采用具有不同曲率半徑的電極而實現(xiàn) 的，或者甚至更優(yōu)選地，通過與一個弧形電極正對的大致平坦的平面電極 實現(xiàn)(以使阱的截面面積隨著沿延伸軸的距離而變化)。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的優(yōu)點包括-
能夠充分捕獲和噴射更寬質量范圍的離子，因為電極之間的可變 間隙模糊了阱的低質量截止。
對于相同阱長度具有更高的空間電荷容量。這是因為能夠更好地 擠壓即將噴射的離子束。
由于噴射的離子束寬度減小，從而可使用更窄的用于差動泵浦的的狹縫。這是由于使用例如不同曲率的電極，能產生更強的聚焦作用。
注入阱之后的離子光學器件的生產成本更低(Z透鏡目前具有簡 單的平面對稱性來代替復雜的弧形形狀)。
注入阱本身的生產成本更低(平板代替表面難以用機器制造的弧 形雙曲線桿)。
離子束的聚焦更清晰。
能夠以質荷比無關的方式噴射離子。 本發(fā)明的進一步的特征和優(yōu)點根據所附權利要求和下文的描述將顯而 易見。


本發(fā)明可以多種方式實施，在此僅通過示例的方式參考附圖描述某些 實施方式，在附圖中
圖1示出根據本發(fā)明的離子阱的優(yōu)選實施方式以及下游的離子光學器 件的立體圖2示出圖1的離子阱在離子運動平面中的截面圖；以及 圖3示出與離子運動平面垂直的圖1的離子阱的截面圖； 圖4示出從離子光學器件方向觀察的圖1的阱的前視圖； 圖5示出在圖1的離子阱的離子提取平面中的的典型電勢分布； 圖6a、 6b和6c示出圖1的阱以及用來產生平行噴射的離子束的下游 透鏡系統(tǒng)的頂視屈、俯視圖和側視圖；以及
圖7a、 7b、 7c和7d示出根據本發(fā)明的各種示意性的替代電極裝置。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考附圖描述根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的一種離子儲存阱。 與現(xiàn)有的具有平行或同軸的阱電極表面的設備對比，已發(fā)現(xiàn)具有不同曲率
的表面既是可能的又是有利的。 一些示例在圖l、 2和3中示出。
阱由基本上細長的電極構成(不像3D四極離子阱)。這些電極在阱的 兩端處的彼此間距不同于它們在阱的中心區(qū)域的彼此間距——電極末端在 阱的末端處外擴或者收縮。電極的數(shù)量可以為三個或更多。優(yōu)選使用偶數(shù)個電極。在此具體描述具有外擴末端的4電極設備。電極末端的外擴能在
附圖中看到，在圖2和3中最清楚，其中電極IO和20朝阱端部彼此分開， 電極30和40的內表面也一樣。由于RF-電極10-40之間的可變間隙模糊了 RF四極設備中通常出現(xiàn)的低質量截止，因而此構造類型的阱的直接優(yōu)點是 允許成功捕獲和噴射更寬質量范圍的離子。如果桿不是向其末端外擴而是 收縮，則也能得到相似的優(yōu)點。
阱具有施加了電壓的端板60和70。在從阱噴射離子之前，施加到電 極60和70上的電勢使離子朝阱中心移動，從而壓縮離子云。增大端板60 和70上的電壓可實現(xiàn)云壓縮。以相反方向改變施加到RF電極上的直流也 有相同效果。兩種方法都導致勢阱的加深，伴隨著恒定能量的離子被限制 到更小的空間。通過電壓的斜坡變化(ramping)(絕熱地)或只是改變以 及隨后的碰撞冷卻，可以緩慢完成云壓縮。云壓縮產生本發(fā)明的第二優(yōu)點， 即阱具有增大的儲存容量。如果電極朝其末端外擴，尤其將獲得此優(yōu)點。
除此之外，可利用捕獲電極10和20的曲率的差異創(chuàng)建凈場(net field), 該凈場能產生離子束沿軸向的強聚焦，而且與現(xiàn)有技術的設備不同，此強 聚焦在阱內開始發(fā)生。這產生了增強的空間聚焦效果，進而允許使用平面 z-透鏡電極51、 52、 53 (圖1)代替現(xiàn)有技術的弧形電極。這是因為，這些 電極不需要具有如此強的聚焦動作，并且，由于阱產生了更緊密聚焦的噴 射離子束，當離子束到達這些透鏡元件時，離子束更小了。這種束可以可 被引導通過更小的差動泵浦孔徑，并且通過減少質量分析儀上的氣體裝載， 有助于降低儀器成本。如下文所示，無論電極朝其末端外擴還是收縮，都 能得到這些優(yōu)點。
電場特性受控于三個電極表面。首先是捕獲電極IO的內表面，也就是 電極10面對電極20的表面，該表面在圖1中是隱藏的。控制電場的第二 表面是捕獲電極20的內表面(電極20的表面在圖1中可見并面對電極10)。 第三和最主要的表面是捕獲電極20的外表面(面對z-透鏡51、 52、 53，在 圖1中也隱藏)。盡管這三個表面本身不聚焦，然而它們是離子在從阱噴 射時首先"看到"的表面。因此，它們在離子聚焦中發(fā)揮重要作用，而且可 被認為是噴射場確定表面。通常，通過其噴射離子的第一電極(即"拉出"電極20)或背電極(即"推 出"電極10)的曲率中心應比軸向上的聚焦點更接近阱。優(yōu)選電極10、 20 的曲率中心與離子聚焦點在同一直線上，但這并非必須。同樣優(yōu)選使用此 線作為阱的對稱軸。通常，
(R2< I Rl I以及R2<f)，或者(i R2 I >R1以及Rl<f)
其中Rl是電極IO的曲率半徑，R2是電極20的曲率半徑，f是離子聚 焦點到軸的距離。符號I ... I表示絕對值，且指示相應的半徑可能有負曲 率，即其中心可能位于阱相對于離子聚焦點的另一側。
然后，隨后(優(yōu)選平面的)的透鏡50稍微降低但不完全補償電極20 和/或10的初始聚焦動作。通常，離子通過狹縫21時的能量比通過透鏡50 時的能量低。已經發(fā)現(xiàn)，針對給定的離子束參數(shù)，對幾何形狀和電壓的優(yōu) 化允許阱加透鏡提供空間和時間飛行像差。
作為電極20禾n/或IO的強曲率結果，離子從阱噴射的方向不是垂直于 曲面軸而是充分地偏離垂直。
此外，更復雜的形狀增大更高階場的強度，因此有助于增加阱的空間 電荷容量。而且，如上所述，RF電極IO和20之間的間隙在遠離阱中心時 增大，這允許阱端板60、 70的場更深地穿透到阱中并將離子云擠壓到更小 的長度(相對其他相似的電參數(shù)和幾何參數(shù))。優(yōu)選還增大縱向電極30和 40之間的間隙G以使沿軸的RF保持平衡，如上文和圖3所指出。通常但 不必須地，G大約等于電極10和20之間的間隙。典型的，電極30和40 的曲率R3、 R4為
I R3 I >R2; I R4 i >R2，
它們的曲率中心在離子運動平面之外。電極的弧形形狀通常排除使用 具有共振激活的阱(由于阱主要是為隨后的質量分析儀準備離子脈沖，所 以無論以何種方式通常并不需要共振激活)，但用于粗略的質量選擇或具 有諧波關系(harmonic relationship)的質量選擇仍是可能的，尤其是為此 目的而設計的非線性，例如控制更高階非線性的六極或八極多極分量。通 過添加更高階多極場分量，穩(wěn)定區(qū)域比在簡單四極情況下變得更復雜。這 導致更復雜的質量掃描功能，并且會引起對離子以及最初作為目標的那些離子的選擇或不選擇。至于確定離子穩(wěn)定性的分析表達式已知的純粹或稍 微擾動的四極場，質量選擇屬性或選擇性質量不穩(wěn)定性掃描可要求離子穩(wěn) 定性區(qū)域的數(shù)值確定和電流操作實際的偏差或甚至對質量選擇操作參數(shù)的 完全實驗性確定。
在操作中，(正)離子經過孔徑60或70 (圖2)進入阱，并由施加到
電極10和20 (相1)上以及施加到30和40 (反相，圖3)上的RF電勢防 止其發(fā)散。光闌60和70相對于電極10-40上的直流電勢(通常該直流電 勢對于所有桿而言都相同，不過電極10的直流電勢可任選地比電極20的 更高以改善阱中的離子聚焦)通常具有直流偏移。替代地，可對孔徑電極 60和70施加RF電勢用于儲存。這可以有獨立的頻率和振幅。除了用于儲 存只有一種電荷極性的粒子，孔徑電極上的這種RF能用于同時儲存或限制 正負離子。當正負離子被限制在同一空間中時，它們可用于各種不同的操 作，包括但不限于包括電子轉移離解(ETD)的電子轉移反應、包括電荷 狀態(tài)還原的電荷轉移反應、電荷交換反應或共振冷卻。這些方法中的一些 還可以通過阱傳輸相反電荷的束而實現(xiàn)，但儲存允許更長的反應時間，尤 其當想要冷卻或動力學受限的反應時。
與阱內的殘余氣體碰撞會減小離子動能，直到它們被捕獲在阱中。任 選地，離子在沿軸80冷卻之前多次通過阱，如WO-A-2006/103445中所描 述。
孔徑60、 70優(yōu)選被制成兩側和孔徑內部經過金屬化的印刷電路板 (PCB)。這些板可用于密封捕獲體積，并減少流入真空系統(tǒng)的氣流。然 而，這些密封引入沿表面擊穿的可能性。后者可通過軋非常細(對于lmm 厚PCB來說，0.1-0.2mm)的槽來避免，該槽將金屬化的區(qū)域與介電區(qū)域分 開而基本上不增大氣流。在某些區(qū)域中(例如，靠近孔徑60或70接近電 極20或10的點)，電極10或20可具有小凹部(同樣0.1-0.2mm)，該凹 部提供額外間隙而不顯著增大氣流。陶瓷板也可用于從頂部和底部密封捕 獲體積，如圖4所示。
捕獲之后，通過增加孔徑60-70上的電壓，離子還可被擠壓以遠離光 闌60-70 (如上所述)。之后，電極10-40上的RF電勢被分流，如WO-A-05/124,821中所描述地，而且DC電壓被施加到這些電極上以建立提 取場，該提取場朝電極20加速離子，同時將離子推向阱的軸(因為場具有 基本上軸向的分量，如圖5的等勢線所示)。分流RF和施加DC電壓之間 可能存在延遲，從而實現(xiàn)更好的飛行時間或空間聚焦?？蛇x的，可施加時 變電壓來代替DC電勢。場使得離子經過電極20中的縫隙21 (圖2和4) 離開并進入透鏡組件50，透鏡組件50通過可選的差動泵浦引導離子進入質 量分析儀，該質量分析儀優(yōu)選為軌道阱或飛行時間質量分析儀。對于前者， 優(yōu)選使離子束聚焦成點，而對于飛行時間質量分析儀，優(yōu)選提供更大尺寸 的平行束。后者通過圖6a、 6b和6c的透鏡組件90來實現(xiàn)，該透鏡組件90 優(yōu)選包括一對圓柱透鏡91、 92。從阱進入質量分析儀的氣體延滯可通過使 用離子束的單次或兩次偏轉來避免，如圖6或WO-A-02/078046所示。透 鏡組件優(yōu)選是一套由介電或電阻隔離件分離的平板。
圖7a至7d示出可能的變體。首先參考圖7a，示出了具體化本發(fā)明的 離子阱的整個外觀。電極10的半徑>電極20的半徑。圖7b示出根據本發(fā) 明的替代實施方式的離子阱在離子束平面上的整個外觀。電極10的半徑在 此為負。在圖7a和7b中，電極10和20均為弧形，但內表面不平行，在 電極末端處的這些表面之間的間隙大于在阱的中心處的這些表面之間的間 隙。
替代地，除了電極在末端處外擴，電極還可收縮。在此，電極10和 20均為弧形，但是內表面不平行，在電極末端處的這些表面之間的間隙小 于在阱的中心處的這些表面之間的間隙。這樣的示例如圖7c和7d所示。 在圖7c中，示出這樣的第一實施方式，其中，電極20的半徑>電極10的 半徑。
在圖7d中示出了另一實施方式，其中電極20的半徑小于零。 當與飛行時間質量分析儀一起使用時，可優(yōu)化曲率Rl和R2以提供最 低像差和/或離子束參數(shù)對空間電荷的最高無關性，優(yōu)選一旦離子從阱離 開——進一步到下游，優(yōu)化這些參數(shù)變得更有挑戰(zhàn)性。飛行時間質譜儀的 入口優(yōu)選位于校正透鏡(未示出)之后，該校正透鏡將離子束從聚焦束轉 換為更平行的束，此校正透鏡可接近阱的焦點或者可在焦點的任一側。在校正透鏡的下游在第一時間焦點處進入TOF MS是方便的。在使用TOF MS 設備時， 一種特別適合的裝置是我們于2007年12月21日在UKIPO提交 的題為"多次反射飛行時間質譜儀(Multireflection Time of Flight Mass Spectrometer)"的申請中描述的多次反射TOF MS設備，該申請的內容通 過引用結合于此。我們的共同待審申請GB0620963.9的多通道探測系統(tǒng)尤 其優(yōu)選用來檢測通過其或者任何其他TOF MS設備的離子，該申請的內容 通過引用結合于此。
對于軌道阱質量分析儀，主要標準是對大空間電荷的緊密空間聚焦以 及有時離子能量對質量的適當依賴性。再者，期望軌道阱的入口盡可能接 近離開弧形非線性離子阱的離子束的焦點。
可構想前后電極的其他形狀的變體，例如
推出電極IO為平面的，拉出電極20為弧形(從阱前面外側看為凹的) 電極20是平面的；電極10是弧形的(從阱前面外側看為凹的)； 推出電極10是平面的，拉出電極20在外側是雙曲線的、在內側是弧 形的；
電極10是平面的，電極20是圓柱形的； 電極10和20是雙曲線的； 電極都是圓柱形的。
應當針對特定任務優(yōu)化電極10和20的形狀。例如，對于注入軌道阱 中最好的形狀可以不同于對于最低時間飛行像差的最好形狀。
還可構想頂部和底部電極30和40的特殊形狀變體，諸如但不限于
雙曲線的；
圓柱形的；
對稱的，弧形以保持垂直電極分離類似于水平分離(圖3); 非對稱的(通常用于在噴射期間輔助偏轉)；
頂部和底部電極彎曲，使得軸向場盡可能接近四極(或例如用來使特 定的更高階項最大化)；
頂部和底部電極彎曲，使得沿RF電勢最小線產生有效電勢梯度。 可通過考慮電極20外側的形狀來優(yōu)化阱的聚焦特性。此電極面還參與噴射離子束的成形。
電極20的外側形狀變體(優(yōu)化為提供縱向上的最好聚焦)
〇以三角或圓形作為基底的旋轉圖如圖4所示。狹縫21應相對窄
(優(yōu)選不厚于其高度) 〇大規(guī)模電極內的長通道，用來最小化來自阱中的氣體流動。 盡管已描述了本發(fā)明的具體實施方式
，應理解的是可構想由本領域技 術人員作出的各種修改和改進。例如，應理解，雖然可采用不同曲率半徑 和曲率中心的電極來實現(xiàn)改進的離子儲存和/或一旦噴射的空間聚焦，能以
其他類似方式獲得相似的效果。例如，代替連續(xù)延伸的電極， 一個或多個 捕獲電極可以由更短的電極分段代替形成。這些電極分段中的每一個可以 是弧形或直的；通過其中任一方法均可形成弧形復合電極。實際上，通過
給電極分段施加差分電場，電極段都可以是共線的，并且仍可獲得沿著阱
的電場的適當變化。關于我們的公開為WO-A-2007/000587的共同待審申 請中的另一離子阱幾何形狀(軌道阱)描述了以此方式產生電場，該申請 通過引用結合于此。
本發(fā)明的阱適合于在許多不同的裝置中使用，尤其適合于那些以2D 類型阱優(yōu)化安排的裝置，該2D類型阱以第一方向(通?？偸茄刳宓目v向) 接收離子并垂直地噴射離子。例如，弧形非線性阱在我們共同待審的申請 PCT/GB2006/001174的裝置中特別有用，該申請通過引用整體結合于此。
權利要求
1、一種離子阱，包括多個細長的捕獲電極，所述捕獲電極被安排成在它們之間形成捕獲體積，所述捕獲體積大致按至少部分為弧形的延伸軸延伸，而且其中所述捕獲體積沿所述延伸軸接近其末端處的截面積不同于所述捕獲體積遠離其末端的位置處的截面積。
2、 如權利要求1所述的阱，其特征在于，至少一個所述捕獲電極沿所述延伸方向成弧形，從而使得至少兩個對向電極之間的物理間距沿所述阱的延伸 方向不同。
3、 如權利要求2所述的阱，其特征在于，至少一個所述捕獲電極具有沿 其延伸方向的至少一部分變化的截面積，而且其中所述截面積隨著沿所述延伸 方向的距離的變化率不是恒定的。
4、 如以上權利要求中的任一項所述的阱，其特征在于，還包括電源，所 述電源被配置成給所述捕獲電極提供捕獲電壓，以在工作時將離子捕獲在所述 捕獲體 積上的電場內。
5、 如權利要求4所述的阱，其特征在于，還包括阱端蓋電極，所述電源 還被配置成給所述端蓋電極提供電壓，以調節(jié)所述捕獲體積上的電場并輔助捕 獲其中的離子。
6、 如權利要求5所述的阱，其特征在于，所述電源還被配置成給所述端 蓋電極提供RF電勢。
7、 如權利要求6所述的阱，其特征在于，所述電源還被配置成給所述端 蓋電極提供可變RF電勢。
8、 如以上權利要求中的任一項所述的阱，其特征在于，還包括形成在至 少一個捕獲電極中的出口孔徑，所述出口孔徑允許從所述阱中噴射離子。
9、 如權利要求8所述的阱，其特征在于，還包括至少一個阱入口孔徑， 所述入口孔徑與所述阱出口孔徑分別地形成。
10、 如權利要求8或9所述的阱，其特征在于，所述出口孔徑大約沿所述 捕獲電極的長度的中路形成，從而所述阱關于所述出口孔徑近似對稱。
11、 如權利要求4至7、從屬于權利要求4的權力要求8、或權利要求9或10中的任一項所述的阱，其特征在于，所述電源還包括對所述離子阱施加 噴射電壓的裝置，以通過所述出口孔徑沿偏離所述離子阱的弧形延伸軸的垂線 的方向噴射離子。
12、 如權利要求ll所述的阱，其特征在于，所述形狀和/或施加到所述電 極的電壓使離子在被噴射時到達所述出口孔徑下游的焦點。
13、 如權利要求12所述的阱，其特征在于，存在至少兩個細長的捕獲電極，它們具有不同的半徑R,、 R2 (R《oo,R《00，且R,沐2)和不同的曲率中心。
14、 如權利要求13所述的阱，其特征在于R2< I R, I ;以及 R2<f。
15、 如權利要求13所述的阱，其特征在于 I R2 I 〉R,;以及R,〈f。
16、 如以上權利要求中的任一項所述的阱，其特征在于，有四個捕獲電極， 而且其中所述捕獲電極的形狀和/或施加到其上的電壓致使對所述捕獲體積中 的一般四極場引入非線性。
17、 如權利要求13、權利要求14或權利要求15所述的阱，其特征在于， 還包括至少第三和第四進一步的捕獲電極，它們分別具有曲率半徑R3和R4， 并且其中I R3 I 〉R2;以及 I R4 i >R2。
18、 如以上權利要求中的任一項所述的阱，其特征在于，有至少兩個捕獲 電極，它們朝其末端分開，從而使所述離子阱在至少垂直于所述阱的延伸軸的 平面上在其末端處外擴。
19、 如權利要求18所述的阱，其特征在于，有圍繞中心延伸軸安排的至 少四個捕獲電極，而且其中兩對對向的捕獲電極分別朝兩末端分開，從而使所 述離子阱在垂直于所述延伸軸的多個平面上在其末端處外擴。
20、 如權利要求1至17中的任一項所述的阱，其特征在于，有至少兩個 捕獲電極，它們朝其末端匯合，從而使所述離子阱在垂直于所述阱的延伸軸的至少一個平面上在其末端處收縮。
21、 如權利要求20所述的阱，其特征在于，有圍繞所述中心延伸軸安排 的至少四個捕獲電極，而且其中兩對對向的捕獲電極分別朝它們的末端匯合， 從而使所述離子阱在分別垂直于所述延伸軸的多個平面上在其末端處收縮。
22、 如以上權利要求中的任一項所述的阱，其特征在于，至少一個所述捕獲電極基本上是直的或平坦的。
23、 如以上權利要求中的任一項所述的阱，其特征在于，在沿所述阱的延伸軸上的任何點處的所述捕獲電極之間的間距小于沿所述延伸軸的電極的長 度。
24、 如以上權利要求中的任一項所述的阱，其特征在于，至少一個所述捕 獲電極由多個電極分段構成。
25、 如權利要求24所述的阱，其特征在于，所述至少一個捕獲電極包括 形成所述捕獲電極的中心的中央直電極分段，和形成所述捕獲電極的末端的外 弧形電極分段。
26、 一種質譜儀，包括如權利要求8所述的離子阱；以及在所述離子阱下游的靜電阱，其被配置成接收從所述離子阱的出口孔徑噴 射的離子。
27、 一種質譜儀，包含 如權利要求8所述的離子阱；以及在所述離子阱下游的飛行時間(TOF)質譜儀，其被配置成接收從所述離子阱的出口孔徑噴射的離子。
28、 如權利要求27所述的質譜儀，其特征在于，所述捕獲電極包括至少 兩個具有不同半徑R卜R2 (R《oo,R-o0，且R^R》和不同曲率中心的弧形細長捕獲電極，并且所述半徑R卜R2被選擇成使像差最小化和/或使離子束參數(shù) 對空間電荷的無關性最大化。
29、 如權利要求26所述的質譜儀，其特征在于，所述靜電阱是軌道阱質 譜儀。
30、 如權利要求29所述的質譜儀，其特征在于，所述捕獲電極包括至少兩個具有不同半徑R" R2 (R^oo,R《oD，且R^R》和不同曲率中心的弧形細 長捕獲電極，而且其中所述半徑R,、 R2被選擇成使離子從所述離子阱到達所 述軌道阱時的離子的空間聚焦和/或飛行時間聚焦的程度最大化，和/或被選擇 以引入離子能量對離子質量的期望相關性。
31、 一種離子阱，包括多個細長的捕獲電極、用于從所述阱噴射離子的離 子出口孔徑、以及電壓供給裝置，所述電壓供給裝置被配置成(a) 給所述細長的捕獲電極提供捕獲電壓，以將離子捕獲在離子捕獲體積中，以及(b) 隨后給所述阱提供噴射電壓，以從出口孔徑處沿既不平行也不垂直于所述阱的延伸方向的方向噴射其中所捕獲的離子；以及其中，所述捕獲電極和它們之間的噴射電壓產生沿所述阱的延伸方向非線 性的電場，從而使沿所述阱的延伸方向的不同位置處的離子在施加噴射電壓時 經受不同的電場電勢，從而引起在所述阱下游的離子的空間聚焦。
32、 如權利要求31所述的阱，其特征在于，至少兩個所述細長電極是弧 形的，而且具有不同半徑和不同曲率中心。
33、 如權利要求31或權利要求32所述的阱，其特征在于，所述出口孔徑 在所述多個細長電極中的一個中。
34、 如權利要求33所述的阱，其特征在于，所述出口孔徑基本上在沿所 述至少一個細長電極的長度的中點處形成。
35、 一種離子阱，包括多個細長的捕獲電極，所述捕獲電極被安排成在 它們之間形成具有延伸軸的捕獲體積；以及用于給所述捕獲電極供給rf電壓的 電源，其中所述捕獲電極的形狀和/或施加的rf電壓值被選擇以在所述捕獲體 積中建立電場，所述電場對其中的離子施加電力，所述電力的幅值隨著沿平行 于所述阱的延伸軸所畫的線的至少一部分的距離而變化。
36、 如權利要求35所述的離子阱，其特征在于，所述延伸軸至少部分為 弧形。
37、 如權利要求36所述的離子阱，其特征在于，至少一個所述捕獲電極 為弧形。
38、 如權利要求37所述的離子阱，包含第一和第二對向的捕獲電極，其中至少一個為弧形，從而使所述第一和第二電極之間的距離沿所述阱的延伸方 向變化。
39、 一種從離子阱噴射離子的方法，所述阱包括多個弧形的細長捕獲電極， 所述捕獲電極具有沿所述電極的長度形成的出口孔徑，所述方法包括給所述細長捕獲電極施加捕獲電壓，從而在所述捕獲電極之間形成捕獲體 積，所述捕獲體積在靠近所述捕獲體積末端處的截面積不同于所述捕獲體積遠 離其末端處的截面積。
40、 如權利要求39所述的方法，其特征在于，所述離子阱包括多個弧形 的細長捕獲電極，其中的至少兩個具有不同曲率半徑和不同曲率中心。
41、 如權利要求39或40所述的方法，其特征在于，還包括在施加所述捕 獲電壓后給所述阱的電極施加噴射電壓，以沿既不平行也不垂直于所述阱的延 伸方向的方向經過所述出口孔徑從所述阱噴射離子，從而使所述離子在所述出 口孔徑下游的點f處空間聚焦。
42、 如權利要求39至41中的任一項所述的方法，其特征在于，所述阱還 包括阱端蓋電極，所述方法還包括給所述端蓋電極施加rf電勢。
43、 如權利要求39、 40、 41或42所述的方法，其特征在于，所述阱還包 括阱端蓋電極，所述方法還包括給所述端蓋電極施加直流電勢。
44、 如權利要求43所述的方法，其特征在于，還包括改變所施加的直流 電勢以擠壓所述捕獲體積中的離子。
45、 如權利要求39至44中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括提 供弧形捕獲電極，所述弧形捕獲電極的形狀給所述捕獲體積中的電場引入高于 二階項；以及根據離子的質量選擇所述捕獲體積中的離子的子集。
46、 如權利要求412所述的方法，其特征在于，還包括 將從所述阱噴射的離子或其碎片/衍生物再次引入回所述阱中。
47、 如權利要求46所述的方法，其特征在于，所述再次引入的步驟包含 經過與所述離子出口孔徑空間分離的離子入口孔徑將離子再次引入回所述阱中。
48、 如權利要求41、 46或47所述的方法，其特征在于，還包括在飛行時間質譜儀中捕獲從所述阱噴射的離子。
49、 如權利要求48所述的方法，其特征在于，還包括 優(yōu)化所述捕獲電極的形狀和/或半徑，以使像差最小化和/或使離子束參數(shù)對空間電荷的無關性最大化。
50、 如權利要求41、 46或47所述的方法，其特征在于，還包括 在軌道阱質譜儀中捕獲從所述阱噴射的離子。
51、 如權利要求50所述的方法，其特征在于，還包括 優(yōu)化所述捕獲電極的形狀和/或半徑，以使所述離子在到達所述軌道阱時的空間聚焦度最大化，和/或引入離子能量對離子質量的期望相關性。
52、 如權利要求40至47中的任一項所述的方法，其特征在于，還包括選 擇所述捕獲電極的形狀和/或曲率半徑和/或所施加的rf電壓，以提高或抑制所 述捕獲體積中的電場的第三或更高階分量。
53、 一種在具有多個細長捕獲電極的離子阱的捕獲體積中捕獲離子的方 法，所述方法包括在所述捕獲體積中建立電場，所述電場對其中的離子施加電力，所述電力 的幅值隨著沿任何平行于所述阱的延伸軸所畫的線的至少一部分的距離而變 化。
54、 如權利要求53所述的方法，其特征在于，在所述捕獲體積中建立電 場的步驟包括給所述捕獲電極施加rf電壓。
55、 如權利要求52或53所述的方法，其特征在于，所述建立電場的步驟 包括提供至少一個弧形電極，以使所述阱的延伸軸至少部分為弧形。
全文摘要
一種離子阱，包括基本上細長的電極10、20，其中的一些沿其延伸軸成弧形，并在它們之間定義了捕獲體積。此捕獲體積在延伸方向上朝阱末端的截面面積不同于遠離其末端的截面面積(例如，靠近阱的中間)。在優(yōu)選實施方式中，阱具有多個延伸的電極，其中相對向的電極具有不同曲率半徑，從而使得阱朝其末端外擴。因此，能夠捕獲和噴射更寬質量范圍的離子，提供更高空間電荷容量(對于給定的阱長度)，而且在噴射中的離子束聚焦有可能更清晰。
文檔編號H01J49/42GK101647087SQ200780048567
公開日2010年2月10日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權日2006年12月29日
發(fā)明者A·馬卡洛夫, D·E·格林菲爾德, M·A·莫納思提斯基 申請人:塞莫費雪科學(不來梅)有限公司