專利名稱：離子遷移裝置的制作方法
專利說明離子遷移裝置 發(fā)明領(lǐng)域 本發(fā)明涉及用于在質(zhì)譜儀內(nèi)傳輸離子的離子遷移裝置，尤其涉及用于將離子從大氣壓電離源傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀真空室的高真空的離子遷移裝置。

背景技術(shù)：
離子遷移管，也稱為毛細(xì)管，在質(zhì)譜儀領(lǐng)域中公知用于在維持在或接近大氣壓的電離室與維持在減小壓力的第二室之間傳輸離子。一般而言，離子遷移通道通常采用細(xì)長(zhǎng)窄管(毛細(xì)管)的形式，其具有對(duì)電離室開放的入口端以及對(duì)第二室開放的出口端。離子與帶電和不帶電粒子(例如，來自靜電噴霧或APCI探針的部分去溶劑化液滴、或者來自激光器解吸或MALDI源的離子和中子以及基質(zhì)/基體)以及背景氣體一起進(jìn)入離子遷移毛細(xì)管的入口端并且在壓力梯度的影響下橫穿其長(zhǎng)度。離子流/氣流然后作為自由射流膨脹(free jetexpansion)退出離子遷移管。離子可隨后通過連續(xù)低壓的區(qū)域穿過撇渣器錐(skimmer cone)的孔徑并且此后被遞送到質(zhì)量分析器來獲取質(zhì)譜。
在現(xiàn)有離子遷移裝置中存在顯著損耗，以使由離子源產(chǎn)生那些離子的大多數(shù)無法成功到達(dá)并穿過離子遷移裝置從而進(jìn)入質(zhì)譜測(cè)量的后續(xù)階段。
已經(jīng)采取了多種方法來解決此問題。例如，離子遷移管可被加熱以蒸發(fā)殘留溶劑(從而提高離子產(chǎn)量)并且分離出溶析加合物。已經(jīng)提出了所加熱的氣體的逆流以在噴霧進(jìn)入遷移通道之前增加去溶劑化。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用于試樣噴霧、毛細(xì)管以及撇渣器的對(duì)準(zhǔn)和定位的各種技術(shù)來設(shè)法最大化實(shí)際到達(dá)離子遷移通道下游的質(zhì)譜儀的離子光學(xué)器件的來自源的離子數(shù)量。
已觀察到(參見，例如Sunner等人，美國(guó)社會(huì)雜志，Mass Spectrometry(質(zhì)譜儀)，第5卷，第10期，873-885頁(1994年十月))進(jìn)入離子遷移管的離子的很大一部分因與管壁碰撞而損耗。這減少了遞送到質(zhì)量分析器的離子數(shù)并且對(duì)儀器靈敏度產(chǎn)生不利影響。此外，對(duì)于由電介質(zhì)材料構(gòu)成的管，離子與管壁的碰撞可導(dǎo)致電荷積聚并且抑制離子進(jìn)入并且流經(jīng)該管。現(xiàn)有技術(shù)包含據(jù)稱通過減少離子與管壁的相互作用或者通過降低充電效應(yīng)來降低離子損耗的多個(gè)離子遷移管設(shè)計(jì)。例如，F(xiàn)ranzen的美國(guó)專利5,736,740號(hào)提出通過應(yīng)用軸向直流場(chǎng)來相對(duì)于氣流減速離子。根據(jù)此參考文獻(xiàn)，氣流(相對(duì)于離子)的拋物線速度曲線產(chǎn)生將離子聚焦到管中心線的氣動(dòng)力。
其它現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)(例如，F(xiàn)ischer的美國(guó)專利6,486,469號(hào))涉及用于例如通過使用連接到電荷槽的導(dǎo)電材料層涂覆入口區(qū)來最小化介電管的充電的技術(shù)。
另一種方法是使從大氣的離子朝向中心軸“漏斗式匯集”。用于在離子遷移毛細(xì)管之后的在真空條件下工作的離子漏斗的概念首先在US6107628中闡述，并且然后由Belov等人在美國(guó)社會(huì)雜志Mass Spectrom 200，第11卷，第19-23頁中詳細(xì)描述。最近的離子漏斗匯集技術(shù)在以下專利中有描述Tang等人的、題為″Independent Control of Ion transmission in a jet disrupter Dual-Channelion funnel electrospray ionization MS interface″(在噴射中斷器雙通道離子漏斗靜電噴霧離子化MS界面中的離子傳送的單獨(dú)控制)的、分析化學(xué)2002，第74卷，5431-5437頁的美國(guó)專利號(hào)6,107,628，其示出雙漏斗排列；在Page等人的″An electrodynamic ion funnel interface for greater sensitivity and higherthroughput with linear ion trap mass spectrometers″(使用線性離子阱質(zhì)譜儀的用于更大靈敏度和更高產(chǎn)量的電動(dòng)力學(xué)離子漏斗界面)，國(guó)際雜志MassSpectrometry 265(2007)244-250頁，其描述適用于在線性阱四極桿(LTQ)裝置中使用的離子漏斗。不幸的是，離子漏斗的有效工作僅延伸到約40mbar的氣壓，即大氣壓的4％。
具有對(duì)大氣壓的開口的漏斗形設(shè)備在Kremer等人的、物理雜志應(yīng)用物理第39卷(2006)5008-5015頁中的“A novel method for the collimation of ions atatmospheric pressure”(一種用于在大氣壓中的離子準(zhǔn)直的新穎方法)中公開，其采用浮動(dòng)元件被動(dòng)離子透鏡來靜電地聚焦離子(準(zhǔn)直它們)。然而，這不解決在大氣與預(yù)真空之間的壓力區(qū)中聚焦離子的問題。
又一替換裝置在Willoughby等人的美國(guó)專利6,943,347號(hào)中闡述，其提供具有軸向交替的導(dǎo)電電極層的成層管結(jié)構(gòu)。加速電位被施加于導(dǎo)電電極以最小化進(jìn)入入口區(qū)的場(chǎng)穿透，并且延遲場(chǎng)分散直到粘性力更能夠克服因減小電場(chǎng)產(chǎn)生的分散效應(yīng)。雖然可能幫助降低離子損耗，但是離子向中心軸的實(shí)際聚焦需要不斷增大的軸向場(chǎng)，這在低壓下因?yàn)閾舸┒兊眉夹g(shù)上不可能。
又一現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)(例如，F(xiàn)ischer的美國(guó)專利6,486,469號(hào))涉及用于例如通過用連接到電荷槽的導(dǎo)電材料層涂覆入口區(qū)來最小化介電管的充電的技術(shù)。
雖然以上方法中的某一些可被部分地成功用于降低離子損耗和/或減輕因離子與管壁的碰撞而引起的不利效應(yīng)，但是聚焦力遠(yuǎn)非足以保持離子遠(yuǎn)離壁，尤其是離子束內(nèi)的較大空間電荷以及較大的管長(zhǎng)度的情況下。后一要求因需要去溶劑化由靜電噴霧或APCI離子源形成的簇而出現(xiàn)。在替換裝置中，管可由簡(jiǎn)單的孔徑代替并且然后去溶劑區(qū)必需設(shè)置在該孔徑的前面。然而，氣體速度在該區(qū)域中要比在管的內(nèi)側(cè)低得多，并且因此空間電荷效應(yīng)產(chǎn)生更高的損耗。因此，在本領(lǐng)域中仍然存在對(duì)實(shí)現(xiàn)離子損耗的進(jìn)一步降低并且可在更大范圍的實(shí)驗(yàn)條件和試樣類型上工作的離子遷移管設(shè)計(jì)的需要。


發(fā)明內(nèi)容
在這個(gè)背景下、并根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了 一種離子遷移裝置，其用于在相對(duì)高壓區(qū)域與相對(duì)低壓區(qū)域之間傳輸離子，包括 離子遷移管道，其具有朝向相對(duì)高壓室的入口開口、朝向相對(duì)低壓室的出口開口、以及圍繞離子遷移通道的至少一個(gè)側(cè)壁，該側(cè)壁沿入口端與出口端之間的中心軸延伸；以及 多個(gè)孔徑，這些孔徑沿側(cè)壁的縱向形成以便于允許來自離子遷移通道內(nèi)的氣體流到管道的側(cè)壁外側(cè)的較低壓區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供有一種在第一、相對(duì)高壓區(qū)域與第二、相對(duì)低壓區(qū)域之間傳輸離子的方法，該方法包括以下步驟 允許來自相對(duì)高壓區(qū)域的離子和氣體的混合物進(jìn)入具有或限定離子遷移通道的離子遷移管道的入口開口； 通過在位于離子遷移管道的入口開口與出口開口中間的管道壁中的多個(gè)過道，去除離子遷移通道中的氣體的一部分；以及 使離子和剩余氣體通過朝相對(duì)低壓區(qū)域的出口開口退出離子遷移管道。
在一種簡(jiǎn)單的形式中，用于根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例的質(zhì)譜儀的接口包括具有朝向高壓室的入口端開口以及朝向低壓室的出口端開口的離子遷移管。高和低壓室可由相對(duì)于彼此具有相對(duì)較高和較低壓力的任何區(qū)域提供。例如，高壓室可以是離子源室而低壓室可以是第一真空室。離子遷移管具有圍繞內(nèi)部區(qū)域并且沿入口端與出口端之間的中心軸延伸的至少一個(gè)側(cè)壁。離子遷移管具有形成于側(cè)壁中的多個(gè)過道。過道允許氣體從內(nèi)部區(qū)域流到在側(cè)壁外部的降壓區(qū)域。
在另一簡(jiǎn)單形式中，本發(fā)明的各實(shí)施例包括離子遷移管，該離子遷移管用于接收來自高壓區(qū)域中的源的離子并將其傳輸?shù)皆谫|(zhì)譜儀的降壓區(qū)域中的離子光學(xué)器件。該離子遷移管包括入口端、出口端、以及圍繞內(nèi)部區(qū)域并沿入口端與出口端之間的中心軸延伸的至少一個(gè)側(cè)壁。離子遷移管還可包括至少部分圍繞并連接到離子遷移管的整合真空室管。該整合真空室管在相對(duì)于內(nèi)部區(qū)域的降低的壓力下隔離直接圍繞離子遷移管的至少一部分的體積。側(cè)壁具有提供形成于側(cè)壁中的至少一個(gè)過道的結(jié)構(gòu)。至少一個(gè)過道允許氣體從內(nèi)部區(qū)域流到在側(cè)壁外部的體積。該結(jié)構(gòu)和過道在整合真空室管的內(nèi)側(cè)。該側(cè)壁的結(jié)構(gòu)可包括多個(gè)過道。
在又一簡(jiǎn)單形式中，本發(fā)明的各實(shí)施例包括一種將離子從離子源區(qū)域傳輸?shù)降谝徽婵帐业姆椒?。該方法包括允許來自離子源區(qū)域的離子和氣體的混合物進(jìn)入離子遷移管的入口端。該方法還包括通過位于離子遷移管的入口端與出口端的中間的多個(gè)通道去除氣體的一部分。該方法還包括使離子和剩余氣體通過出口端退出離子遷移管進(jìn)入到第一真空室。該方法還可包括感測(cè)離子遷移管中的由背景氣體的一部分的去除和相關(guān)聯(lián)的蒸發(fā)中的至少一個(gè)引起的潛熱的減少，并且在軟件或固件的控制下通過加熱器增加施加到離子遷移管的熱量。
本發(fā)明的各實(shí)施例具有減少通過離子遷移管的出口端的氣體流動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。還假設(shè)了若干相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)。例如，減少的通過離子遷移管的出口端的流動(dòng)降低了承載離子的氣體在其離開離子遷移管時(shí)用來膨脹的能量。因而，離子具有更大的機(jī)會(huì)來通過直接下游的撇渣器的孔徑以直線上行進(jìn)。此外，在離子遷移管的至少一部分中的流動(dòng)的減少可具有增大在離子遷移管的該部分中的層流量的效應(yīng)。層流更穩(wěn)定，以使離子可維持聚焦并且通過撇渣器的相對(duì)小孔徑在過道上以直線行進(jìn)。隨著氣體通過離子遷移管的側(cè)壁被抽出，離子遷移管內(nèi)的壓力被降低。降低的壓力可導(dǎo)致增大的去溶劑化。此外，潛熱在氣體通過側(cè)壁抽出時(shí)被去除。因此，更多的熱可被遷移通過離子遷移管，并且進(jìn)入內(nèi)部區(qū)域中剩余的試樣，從而導(dǎo)致增大的去溶劑化以及實(shí)際到達(dá)離子光學(xué)器件的離子的增大的數(shù)目。
本發(fā)明的進(jìn)一步特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將從所附權(quán)利要求書和以下描述中變得顯而易見。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的離子遷移裝置的截面圖； 圖2示出用于圖1的離子遷移裝置的離子入口區(qū)域的示例； 圖3示出具有優(yōu)化流動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)透鏡的圖2的離子入口區(qū)域； 圖4a、4b和4c一起示出圖2和3的離子入口區(qū)域的定形實(shí)施例的包絡(luò)的示例。
圖5更詳細(xì)地示出具有圖4b所示的形狀的離子入口區(qū)域； 圖6示出形成圖1的離子遷移裝置的一部分的交流電壓管道的第一實(shí)施例； 圖7示出交流電壓管道的第二實(shí)施例， 圖8描繪圖7和8的交流電壓管道的替換實(shí)現(xiàn)的俯視圖； 圖9a、9b、9c以及9d示出根據(jù)本發(fā)明的離子遷移裝置的各替換實(shí)施例；以及 圖10示出通過離子遷移裝置的示例性離子軌道。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述 圖1示出采用本發(fā)明的各方面的離子遷移裝置，其用于在大氣壓離子源(例如，靜電噴霧)與有質(zhì)譜測(cè)量的一個(gè)或多個(gè)階段位于其中的后續(xù)真空室的高真空之間傳送離子。在圖1中，諸如(但不限于)靜電噴霧源、大氣壓化學(xué)離子化(APCI)或大氣壓光致電離(APPI)源等離子源10位于大氣壓中。這以公知方式產(chǎn)生離子，并且離子經(jīng)由入口孔徑30進(jìn)入離子遷移裝置(一般在附圖標(biāo)記20處指示)。離子然后通過第一泵浦傳輸室40(此后稱為膨脹室40)并且繼續(xù)進(jìn)入包含離子管道60的第二真空室50。離子退出管道60并且通過離子遷移裝置的出口孔徑70，在該位置它們進(jìn)入(經(jīng)由一系列的離子透鏡-未示出)質(zhì)譜分析的第一階段(以下稱為MS1)80。如技術(shù)人員所容易地理解的，MS1將通常后接質(zhì)譜分析的后續(xù)階段(MS2、MS3...)，但這些階段不形成本發(fā)明的一部分并且因此為清楚起見不在圖1中示出。
以下將提供圖1的離子遷移裝置20中的各組件的配置的更詳細(xì)的說明。然而，為了更好地理解該配置，首先將提供在大氣與預(yù)真空(比如在約1-10mbar之下)之間的不同壓力區(qū)域中的離子傳輸方式的一般討論。
離子傳輸在圖1的離子傳輸裝置20內(nèi)和周圍的不同壓力區(qū)域中在特性上是不同的。雖然實(shí)際上壓力當(dāng)然不會(huì)在離子源與MS180之間的任何點(diǎn)瞬間改變，但是可定義五個(gè)不同的壓力區(qū)域，且在每一個(gè)區(qū)域中有不同的離子傳輸特性。這五個(gè)區(qū)域在圖1中被標(biāo)記并且如下 區(qū)域1。這是壓力在約1-10mbar之下的、MS1的進(jìn)入離子光學(xué)器件所在的區(qū)域。此區(qū)域未被本發(fā)明所涉及。
區(qū)域5。這是大氣壓區(qū)域并且主要受動(dòng)力流以及靜電噴霧或其它大氣壓力離子源本身支配。如同區(qū)域1一樣，它不是本發(fā)明直接所涉及的。
剩下區(qū)域2、3和4。
區(qū)域4這在到離子傳輸裝置20的入口孔30的附近。
區(qū)域2這是管道60所在的區(qū)域，其將離子傳輸裝置20的出口孔徑70鄰接到MS1。最后， 區(qū)域3這是在離子傳輸裝置20的入口孔30(區(qū)域4)與如上所述的區(qū)域2之間的區(qū)域。
對(duì)進(jìn)入典型的市場(chǎng)上可購得的毛細(xì)管的離子傳輸裝置(在入口孔30處)的離子電流的測(cè)量指示它在I0≈2.5nA的范圍內(nèi)。因此，已知引入氣流值Q＝8atm·cm3/S、并且管道的內(nèi)徑是0.5mm，則初始電荷密度的范圍0可被估算為0.3-1*10-9C/cm3＝(0.3...1)*10-3C/m3。已知在管道內(nèi)側(cè)的離子的停留時(shí)間，t＝0.113m/50m/s≈2*10-3s，以及大氣壓下的平均離子遷移率值K＝10-4m2/s，則傳送效率因空間電荷排斥的限制可以從下式確定 因而為改進(jìn)離子電流(這是本發(fā)明的各方面的目的)，較佳地優(yōu)化管道中的離子遷移率和離子停留時(shí)間。
在大氣壓離子化(API)源中的離子損耗的大部分在接口的入口孔30前面的電離室中發(fā)生。該離子損耗的比例由從API源的Taylor錐到入口孔30的離子/液滴漂移時(shí)間確定。在入口孔30附近的氣流速度分布是

其中d是管道的直徑，并且R是從該點(diǎn)到入口孔30的距離，C是常數(shù)并且ΔP是壓降。離子速度是V離子＝V氣體+KE，其中K是離子遷移率、且E是電場(chǎng)強(qiáng)度。假設(shè)K～10-4m2/s、且E～5·105V/m，則由電場(chǎng)引起的速度是～50m/s。在0.5mm ID管道內(nèi)側(cè)的氣流速度約是同一值，但是在距入口孔30的距離5mm處，隨氣體行進(jìn)的離子約比其在電場(chǎng)中的漂移慢10倍。因此，在該區(qū)域中的離子停留時(shí)間是在10-4 s的范圍內(nèi)，這因?yàn)楦鶕?jù)以上方程式(2)的空間電荷排斥而導(dǎo)致約50％的離子損耗。
換言之，離子遷移裝置的分析考慮提出空間電荷排斥是主要的離子損耗機(jī)制。確定離子傳送效率的主要參數(shù)是在管道中的離子停留時(shí)間t、以及離子遷移率K。因而一種改進(jìn)離子傳輸效率的方式是減小t。然而，存在對(duì)t的無限增大的一系列限制 1.蒸發(fā)液滴所需的時(shí)間； 2.層氣流轉(zhuǎn)換成紊氣流的臨界速度；以及 3.在氣流加速到聲速時(shí)沖擊波的出現(xiàn)。這尤其是在大的壓降從區(qū)域5經(jīng)歷到1時(shí)(約1000到1mbar)的情況。
現(xiàn)在返回到附圖1，現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述離子傳輸裝置的優(yōu)選實(shí)施例。所采用的特征和配置設(shè)法解決對(duì)上述的離子傳輸效率的限制。
首先考慮的區(qū)域是區(qū)域4和3，它們分別限定入口孔徑30和膨脹室40的附近區(qū)域。
為了解決在入口孔30前面的離子損耗，增大進(jìn)入入口孔30的引入氣流是合乎需要的。這是與以上分析相一致的-對(duì)給定離子電流，在到離子傳輸裝置的入口處的更高的氣流速率允許捕捉更大量的氣體，并且假定氣體由離子填充到飽和，則有更多離子。降低區(qū)域3和4中的停留時(shí)間以離子流達(dá)到高但非超聲速度為條件。
因而，通過優(yōu)化或包括API源10與到管道60的入口之間的組件，在區(qū)域4和3中改進(jìn)是可能的。在大氣中的區(qū)域5與區(qū)域2之間接口的區(qū)域4和3理想地提供離子的氣體動(dòng)力聚焦，這些離子通常比用于多數(shù)感興趣的分析物的氮分子重超過4-10倍。
第一個(gè)目的是避免區(qū)域5與2之間的超聲流模式，因?yàn)檫@可導(dǎo)致不可預(yù)期的離子損耗。該目的可通過使用位于膨脹室40中的入口漏斗48來實(shí)現(xiàn)。這種漏斗48在圖1中示為具有不同中心孔徑的一系列平行板；這種裝置(以及某些替換裝置)的用途聯(lián)系圖2-4在下文中闡述。理想地，漏斗48是短的(實(shí)際上，對(duì)于諸如圖1中所示的分段裝置，3mm約是盡可能地短)，并且理想地小于1cm長(zhǎng)。
膨脹室40通過連接到膨脹室的泵浦口45的隔膜、抽取或渦旋泵(未示出)優(yōu)選地被泵浦至約300-600mbar。通過適當(dāng)定形離子漏斗48，在離子進(jìn)入膨脹室40時(shí)的它們的膨脹可被安排成便于控制或完全避免沖擊波形成。
如在由Sunner等人的以上提及的文獻(xiàn)中所示，即使在低噴霧電流時(shí)，大氣壓源(例如，靜電噴霧或API)是空間電荷限制的。本發(fā)明人已通過實(shí)驗(yàn)確定，即使施加最高的電場(chǎng)，API源也沒有能力攜帶超過0.1-0.5*10-9庫侖(atm.cm3)。為了即使為納米噴霧源捕捉該電流的大部分，這也要求入口孔徑30具有至少0.6-0.7mm的直徑，并且隨后是強(qiáng)加速和聚焦電場(chǎng)(雖然有必要將總的壓降保持在電場(chǎng)擊穿的發(fā)生之下)。
圖2是實(shí)現(xiàn)此強(qiáng)加速和聚焦電場(chǎng)的簡(jiǎn)單裝置的示意性圖示。在此，在膨脹室40內(nèi)但鄰近到管道60的入口，入口孔徑30被保持在第一直流電壓V1同時(shí)平板電極90被保持在電壓V2。在施加電壓后，入口孔30和平板電極90一起構(gòu)成簡(jiǎn)單的離子漏斗48。圖2中的平板電極具有通常與管道60的內(nèi)徑相似的直徑并與其對(duì)準(zhǔn)，但仍然起到將離子漏斗式地匯聚到管道60的作用的中心孔徑。在孔徑30與平板90之間的電場(chǎng)有效地使帶電粒子加速，并且在開口處的邊緣場(chǎng)將帶電粒子拖入管道，因?yàn)檫@些往往平行于電場(chǎng)線行進(jìn)，即使在粘性流中也是如此。這一到管道區(qū)域中的電輔助加速通常是優(yōu)選的。
作為對(duì)圖2的簡(jiǎn)單裝置的發(fā)展，在電壓V1下的入口孔30與電壓V2下的平板電極之間的膨脹室40中的空間可包括另外的離子透鏡或空氣動(dòng)力透鏡、或者它們兩者的組合。圖3示意性地示出這一結(jié)構(gòu)平板電極100的陣列被安裝在入口孔30與平面電極90之間以構(gòu)成離子漏斗48。組成平板電極陣列100的電極的每一個(gè)具有通常與入口孔30和平板電極90的那些孔徑共軸、但是每一個(gè)為不同的直徑的中心孔徑。
各種不同的形狀可通過平板電極陣列100來描述在最簡(jiǎn)單的情況中，朝向管道的漏斗是僅向外展開的(線性電阻分布特性)。這在圖4a中示意性地示出，并且在Wu等人的″Incorporation of a Flared Inlet Capillary tube on a FourierTransform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer”(在傅立葉變換離子回旋加速器共振質(zhì)譜儀上結(jié)合向外展開的入口毛細(xì)管)，美國(guó)社會(huì)雜志MassSpectrom.2006第17卷、第772-779頁中更詳細(xì)地描述。替換形狀同樣高度示意性地在圖4b和4c中示出，并且分別是噴嘴(文丘里(Venturi)設(shè)備-參見Zhou等人(Zhou，L.；Yue，B；Dearden，D.；Lee，E.；Rockwood，A.& Lee，M.Incorporation of a Venturi Device in Electrospray Ionization(在靜電噴霧離子化中結(jié)合Venturi設(shè)備)，分析化學(xué)，2003，75，5978-5983)以及喇叭或指數(shù)形入口。
因而，圖2至4的裝置(以及圖1的膨脹室40中所示的裝置)的效果是創(chuàng)建了到管道60的分段漏斗入口。在每一種情況中，入口孔徑30可以小于聚焦通道的直徑但是足夠大以允許大量氣流。對(duì)離子漏斗定形的目的是將漏斗出口與管道60的入口之間的體積轉(zhuǎn)換成射流分離器-仍然廣泛地用在與氣相色譜分析相關(guān)的質(zhì)譜儀中的設(shè)備-的模擬。由于分析物的分子比載氣(通常是氮)的分子要重得多，所以它們?cè)谂蛎浿蟮陌l(fā)散也比載氣小得多，即發(fā)生空氣動(dòng)力聚焦。此效果可通過至少部分地從氦形成載氣來進(jìn)一步促進(jìn)，尤其是在所需電壓足夠低以應(yīng)付惰性氣體的較低輝光放電限制的情況下。結(jié)果，離子被保持在軸附近，并且可被遷移到聚焦通道的中心部分，即使通道直徑不比漏斗的大很多，例如，0.8-1.2mm ID。即使該直徑大于傳統(tǒng)毛細(xì)管的直徑，但是起動(dòng)壓力小2-3倍，以使它仍可能在與那些當(dāng)前使用的例如28-40m3/h類似的泵浦容量的漏斗的端部采用真空泵。同時(shí)，漏斗48內(nèi)側(cè)的離子的主動(dòng)聚焦允許管道60的后續(xù)長(zhǎng)度在無損耗的情況下增加。這又改進(jìn)任何剩余液滴和簇的去溶劑化。結(jié)果，試樣流速可被擴(kuò)展到更高范圍，遠(yuǎn)超過納米噴霧流速。
僅是空氣動(dòng)力透鏡的一個(gè)示例的射流分離的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的示例在以下聯(lián)系圖9a-d中的某些實(shí)施例來討論。
作為對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的區(qū)域4和3的裝置的進(jìn)一步附加或替換，離子漏斗48可在通道內(nèi)側(cè)的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)處包括邊界層的輔助泵浦，沿通道的壓降可被限制等等。為了沿這種漏斗48維持強(qiáng)電場(chǎng)，這些泵浦槽可被用作在不同電勢(shì)下的薄板之間的間隙。
再次參考圖1，現(xiàn)在將更詳細(xì)描述區(qū)域2(即，膨脹室40與到MS180的出口孔70之間的區(qū)域)的配置。
位于真空室50中并限定離子遷移裝置的區(qū)域2的管道60由三個(gè)單獨(dú)組件形成加熱器110、一組直流電極120以及一般在130處示出并且在下文中更詳細(xì)描述的差動(dòng)泵浦裝置。應(yīng)理解，這些組件的每一個(gè)具有它們自己的單獨(dú)功能以及優(yōu)點(diǎn)，但是它們?cè)诒灰黄鸩捎脮r(shí)另外具有互相增效優(yōu)點(diǎn)。換言之，同時(shí)使用這三個(gè)組件中的任何一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)致對(duì)進(jìn)入MS1的凈離子流的改進(jìn)，所有這三者的組合往往在其中提供最大的改進(jìn)。
加熱器110以已知方式形成為在由沿管道60的縱向軸延伸的一組直流電極限定的通道周圍的電阻性繞組。繞組可與通道115直接熱接觸，或者可替換地與其分離，以使在電流流經(jīng)加熱器110繞組時(shí)，它導(dǎo)致通道中的氣流的輻射加熱或?qū)α骷訜?。?shí)際上，在另一替換裝置中，加熱器繞組可形成于差動(dòng)泵浦裝置130內(nèi)或上以便于向內(nèi)向通道115中的氣流輻射熱。在又一替換中，加熱器可甚至由直流電極120構(gòu)成(只要電阻可被匹配)-關(guān)于這一點(diǎn)進(jìn)一步參見下文。其它替換裝置將對(duì)技術(shù)讀者是顯而易見的。
加熱離子遷移通道115升高流經(jīng)它的氣流的溫度，從而促進(jìn)殘余溶劑的蒸發(fā)以及溶劑離子簇的分解、并且增加遞送到MS180的分析物離子的數(shù)目。
圖5將在圖4中所描繪的形狀的實(shí)施例示為堆疊平板電極的泵浦管道的入口區(qū)域，且具有裝置48用于改進(jìn)泵浦。將理解，所示平板電極可在直流、交替直流、或RF上工作，且入口開口的泵浦以及適當(dāng)形狀在所有情況下都改進(jìn)傳送。
現(xiàn)在將描述一組直流電極120的各實(shí)施例。這些再一次可以用示意圖的形式并且在圖1的縱向橫截面中看見，但是在圖6和7中更詳細(xì)地示出了替換實(shí)施例。在每一種情況中，相同的附圖標(biāo)記指示相同的部件。
參考圖1和6，直流電極120的目的是減少離子與由直流電極120本身所限定的通道115的壁的交互作用。這通過生成趨于將離子遠(yuǎn)離通道壁的內(nèi)表面并且朝向通道中心線來聚焦的空間交替非對(duì)稱電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。圖1和6以縱向橫截面示出了可如何使用一組直流電極120以提供這種電場(chǎng)來構(gòu)造粒子遷移通道115的示例。離子遷移通道115由排列成與第二多個(gè)電極210(在此稱為“低場(chǎng)強(qiáng)電極”或LFE)為交替關(guān)系的第一多個(gè)電極205(由于將變得顯然，在此稱為“高場(chǎng)強(qiáng)電極”或HFE)來限定。各個(gè)HFE 205和LFE 210具有環(huán)形，并且HFE 205以及LFE 210的內(nèi)表面共同限定了離子遷移通道壁的內(nèi)表面。相鄰電極按以下討論的方式通過間隙或絕緣層相互電絕緣以便施加不同的電壓。在一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)中，電絕緣可通過在多個(gè)電極(例如，LEF)之一的外表面上或附近形成絕緣(例如，氧化鋁)層來實(shí)現(xiàn)。如圖6中所示，HFE 205和LFE210可被外管狀結(jié)構(gòu)215環(huán)繞以提供結(jié)構(gòu)完整性、氣密性、并且輔助組裝。然而，在圖1的優(yōu)選實(shí)施例中，外管狀結(jié)構(gòu)可被省略或者利用洞或孔來調(diào)整以便能沿離子遷移通道的長(zhǎng)度泵浦其內(nèi)部區(qū)域(經(jīng)由相鄰電極之間的間隙)-以下將進(jìn)一步描述的過程。
將理解，雖然圖1和6為清楚起見描繪相對(duì)小數(shù)目的電極，但是離子遷移通道115的典型實(shí)現(xiàn)將包括數(shù)十或數(shù)百個(gè)電極。進(jìn)一步注意，雖然圖1和6示出基本沿離子遷移通道115的全長(zhǎng)延伸的電極，但是其它實(shí)現(xiàn)可具有完全沒有電極的離子遷移通道長(zhǎng)度的一個(gè)或多個(gè)部分。
電極以周期H(連續(xù)LFE或HFE之間的間隔)來排列。HFE 205的寬度(縱向范圍)遠(yuǎn)小于相應(yīng)的LFE 210的寬度，且HFE通常構(gòu)成周期H的約20-25％。HFE寬度可被表達(dá)為H/p，其中p可通常在3-4的范圍內(nèi)。選擇周期H以使穿過離子遷移通道115的離子在與常規(guī)高場(chǎng)非對(duì)稱離子遷移率光譜測(cè)定法(FAIMS)設(shè)備中的射頻限制區(qū)的頻率近似的頻率下經(jīng)歷交替的高和低場(chǎng)強(qiáng)。例如，假設(shè)500米/秒的平均氣流速度，500微米的周期H產(chǎn)生1兆赫的頻率。周期H可沿管的總長(zhǎng)度維持不變，或者可替換地沿通道長(zhǎng)度被調(diào)整(以連續(xù)或步進(jìn)的方式)以反映由壓力梯度引起的速度中的變化。離子遷移通道115的內(nèi)徑(ID)(由LFE 205和HFE 210的內(nèi)表面限定)將優(yōu)選地具有大于周期H的值。
一個(gè)或多個(gè)直流電壓源(未描繪)連接到電極以將第一電壓V1施加到HFE205并且將第二電壓V2施加到LFE 210。V2具有與V1相反的極性以及遠(yuǎn)小于V1的大小。優(yōu)選地，比率V1/V2等于-p，其中p(如以上所示)是由LFE寬度占據(jù)的間隔H的分?jǐn)?shù)的倒數(shù)并且通常在3-4的范圍內(nèi)，以使離子在整個(gè)周期所經(jīng)歷的電場(chǎng)的空間/時(shí)間積分等于零。V1和V2的大小應(yīng)足夠大以實(shí)現(xiàn)以下詳細(xì)說明的所需聚焦效果，但不能大到導(dǎo)致相鄰電極之間或者電極與鄰近表面之間的放電。相信50至500V的大小將滿足前述標(biāo)準(zhǔn)。
向HFE 205和LFE 210施加規(guī)定的直流電壓在離子遷移通道115內(nèi)部中生成高和低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域的空間交替模式，每個(gè)區(qū)域與相應(yīng)電極大致縱向地同延。在每一區(qū)域內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)在流中心線處為零或接近零并且隨距中心的徑向距離而增大，以使離子經(jīng)歷在大小上隨著離子接近離子遷移管的內(nèi)表面而增大的吸引或排斥徑向力。該交替的高/低場(chǎng)強(qiáng)模式產(chǎn)生在概念上與在常規(guī)高場(chǎng)非對(duì)稱離子遷移率光譜測(cè)定法(FAIMS)設(shè)備中發(fā)生的行為相類似的離子行為，在該常規(guī)FAIMS設(shè)備中非對(duì)稱波形被施加到限定分析器區(qū)域的相反電極對(duì)的一個(gè)電極(例如參見Guevremont等人的美國(guó)專利7,084,394號(hào))。
圖6示出在交替非對(duì)稱電場(chǎng)的影響下遠(yuǎn)離流中心線定位的正離子的軌道。離子在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域中遠(yuǎn)離離子遷移通道的內(nèi)表面，并且在低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域中移向內(nèi)表面(這假設(shè)HFE 205具有施加到其上的正電壓并且LFE 210帶負(fù)電(再次，注意極性應(yīng)參考沿流動(dòng)路徑的經(jīng)平滑的(即，在空間周期上平均)電勢(shì)分布來分配，如以上所述的)，從而產(chǎn)生Z字形路徑。
如已在FAIMS領(lǐng)域中所詳細(xì)描述的，在經(jīng)受交替高/低場(chǎng)的粘性流區(qū)域中的離子的凈移動(dòng)將取決于離子遷移率隨場(chǎng)強(qiáng)的變化。對(duì)于A型離子，其離子遷移率隨增大的場(chǎng)強(qiáng)而增大，在循環(huán)的高場(chǎng)強(qiáng)部分中行經(jīng)的徑向距離將超過在低場(chǎng)強(qiáng)部分期間行經(jīng)的徑向距離。對(duì)于在圖6中所描繪以及以上所描述的示例，A型離子將展示出朝向流中心線的凈徑向移動(dòng)，從而防止與離子遷移通道115內(nèi)表面的碰撞以及因而產(chǎn)生的中和。隨著離子接近流中心線，場(chǎng)強(qiáng)顯著減小，并且離子停止經(jīng)歷從電極產(chǎn)生的強(qiáng)徑向力。相反地，對(duì)于C型離子(離子遷移率隨增大的場(chǎng)強(qiáng)而減小)，離子在低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域中所行經(jīng)的徑向距離將超過在高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域中所行經(jīng)的距離，從而如果V1和離子的極性是相同的則產(chǎn)生朝向離子遷移通道115內(nèi)表面的凈移動(dòng)。此行為可被用來在A與C型離子之間進(jìn)行區(qū)別，因?yàn)镃型離子將優(yōu)先被與通道壁的碰撞毀壞，而A型離子將聚焦到流中心線。如果C型離子的優(yōu)先傳輸是期望的，則可交換V1和V2的極性。
提供交替直流電場(chǎng)的上述技術(shù)對(duì)于在其中氣體動(dòng)力使離子的軌道從純縱向路徑偏斜或者平均自由程變得足夠長(zhǎng)(即，其中與氣體原子或分子的碰撞不再支配離子運(yùn)動(dòng))的區(qū)域中聚焦離子可能是不適當(dāng)?shù)?。例如，在離子遷移通道115內(nèi)的由于在大氣壓下的API源與在高真空(＜1mbar)的MS180之間的壓力差而引起的氣體膨脹和加速可導(dǎo)致在離子遷移通道內(nèi)部接近其出口端處產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)沖擊波，從而急劇地偏斜離子路徑。對(duì)于設(shè)置在離子遷移通道115的遠(yuǎn)端部分的電極，可能有必要施加RF電壓(與直流電壓一起或代替直流電壓)以提供足夠聚焦來避免離子-通道壁交互作用。在此情況中，反相的RF電壓將被施加到鄰近電極。
抑制沖擊波的替換方法是差動(dòng)地泵浦管道60(圖1)，并且這將在以下描述。
圖7描繪根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的離子聚焦/導(dǎo)向結(jié)構(gòu)300，其可被用來將離子傳輸通過質(zhì)譜儀器的接近大氣或較低壓區(qū)域。在此壓力下，離子由于高粘性摩擦而被“嵌”入氣流中并且因此具有與氣流的速度類似的速度。
在離子的平均自由程與裝置的尺寸相比為小時(shí)，通常認(rèn)為流動(dòng)與分子流動(dòng)相反為粘性的。在該情況下，分子之間或者分子與離子之間的碰撞在傳輸現(xiàn)象中起重要作用。
對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的具有幾毫米或至一厘米的典型直徑以及幾厘米或分米的總長(zhǎng)度、以及從約大氣壓到約1hpa壓力的壓力梯度的裝置，具有遍及本發(fā)明的裝置的粘性流動(dòng)條件。
實(shí)際上，粘性流動(dòng)條件克努森數(shù)(Knudsen number)K＝lambda/D小于1，具有下至約1至10pa的壓力的粘性流動(dòng)，這取決于分析物和尺寸(對(duì)于類似1mm直徑毛細(xì)管中的代謝物的小分子為1pa)。
聚焦/導(dǎo)向結(jié)構(gòu)300由放置成與第二多個(gè)環(huán)形電極(以下稱為“第二電極”)310交替排列的第一多個(gè)環(huán)形電極(以下稱為“第一電極”)305構(gòu)成。相鄰電極通過間隙或絕緣材料或?qū)酉嗷ル娊^緣。與圖5的實(shí)施例對(duì)比，第一和第二電極305和310具有基本相等的寬度。環(huán)形電極305和310的配置表面上與在質(zhì)譜儀領(lǐng)域中已知的RF環(huán)形電極離子導(dǎo)向的配置相類似。然而，并非向相鄰電極施加反相的RF電壓，而是聚焦/導(dǎo)向結(jié)構(gòu)300采用施加到相鄰點(diǎn)擊的相反符號(hào)且相等大小的直流電壓。通過相對(duì)于氣體(離子)速度適當(dāng)?shù)剡x擇電極周期D，橫貫導(dǎo)向/聚焦結(jié)構(gòu)的內(nèi)部的離子在接近常規(guī)RF場(chǎng)的頻率(例如，在1兆赫的量級(jí))上經(jīng)歷交替極性的電場(chǎng)。交替電場(chǎng)以與RF電場(chǎng)相同的方式包含并聚焦離子。對(duì)施加到第一點(diǎn)擊305和第二電極310上的適當(dāng)直流電壓的選擇將取決于各種幾何(電極內(nèi)徑和寬度)以及工作(氣體壓力)參數(shù)；在一典型的實(shí)現(xiàn)中，100V至500V的直流電壓將足夠生成所需場(chǎng)強(qiáng)而不引起電極之間的放電。此外，附加的RF電壓可與這些直流電壓一起施加(因而在單獨(dú)的頻率下有效地提供聚焦場(chǎng))。
在該裝置以及在其它本發(fā)明的裝置中，運(yùn)轉(zhuǎn)長(zhǎng)度H優(yōu)選為小，尺寸在0.1至20mm，通常約1mm，以使離子的平均自由程通常短于管道的有關(guān)尺寸。
與圖6的可調(diào)成優(yōu)先傳送A或C型離子的裝置相反，圖7的較簡(jiǎn)單裝置將不示出關(guān)于離子的有差別的離子遷移率特性的顯著偏差，但是僅改進(jìn)所有帶電粒子的傳送。
類似的效果可通過將圖6的裝置調(diào)整到用于傳送B型離子的條件來實(shí)現(xiàn)(即，設(shè)置電壓，以使不會(huì)創(chuàng)建不同的高和低場(chǎng)區(qū)域)。
在替換工作方式中，圖7的裝置可直接使用交替高和低場(chǎng)波形來工作，因而產(chǎn)生RF FAIMS設(shè)備，在該RF FAIMS設(shè)備中隨空間的場(chǎng)變化被轉(zhuǎn)換成隨時(shí)間的場(chǎng)變化，該變化在從帶電粒子的移動(dòng)坐標(biāo)系觀察時(shí)大致相等。
聚焦/導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的第一和第二電極的排列可被修改以實(shí)現(xiàn)某些目的。例如，圖8描繪由第一電極405和第二電極410組成的聚焦/導(dǎo)向結(jié)構(gòu)400的俯視圖，其中相鄰環(huán)形電極橫向相互偏移以限定彎曲的離子軌跡(由幻象線415描繪)。替換地，該結(jié)構(gòu)的軸可被逐漸彎曲。通過在離子軌道中創(chuàng)建彎曲，可實(shí)現(xiàn)某種離子-中性粒子分離(由于電場(chǎng)的差動(dòng)效應(yīng)而引起)，從而加強(qiáng)了氣體中的離子/離子流的集中。在聚焦/導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的另一變體中，具有逐漸減小尺寸的內(nèi)徑的第一和第二電極可被用來創(chuàng)建與Smith等人的美國(guó)專利號(hào)6,583,408中公開的結(jié)構(gòu)類似的離子漏斗結(jié)構(gòu)，但是其采用交替直流電場(chǎng)來代替常規(guī)RF場(chǎng)。
返回到圖1，現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述差動(dòng)泵浦裝置130。
如已討論的，在離子進(jìn)入粒子光學(xué)器件以傳輸?shù)劫|(zhì)譜儀的濾波和分析部分之前，具有大氣壓離子化源的常規(guī)入口部分遭受在源中產(chǎn)生的大多數(shù)離子的損耗。相信在離子遷移裝置的退出端的高氣流是對(duì)于這種大數(shù)目離子損耗的促成因素。中性氣體在它離開離子遷移管時(shí)經(jīng)歷能量擴(kuò)張。在該膨脹區(qū)域中的流動(dòng)以及對(duì)于在離子遷移管中上游距離的流動(dòng)通常在常規(guī)入口部分中是紊流的。因而，由氣體運(yùn)載的離子在過去的離子入口部分中僅聚焦到有限程度。相反，許多離子在整個(gè)流動(dòng)氣體的體積中高能地移動(dòng)。假定因?yàn)樵摳吣芎臀闪饕约霸陔x子上的所得的混合效應(yīng)，離子不聚焦到合乎需要的程度，并且難以在這些流動(dòng)條件下使離子與中性氣體分離。因而，在中性氣體被抽離的同時(shí)，難以分離出大部分的離子并且將它們向下游移動(dòng)。相反，許多離子隨中性氣體一起被帶走并且損耗。另一方面，與本發(fā)明的各實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的假設(shè)是在可使得流動(dòng)沿離子遷移管的更大部分為分層的意義上，離子可被保持聚焦到更大程度。一種方法是提供所需層流以去除通過離子遷移管的側(cè)壁的中性氣體，以使在軸向中的流入以及從離子遷移管的出口端的流出被減少。此外，通過將中性氣體抽出側(cè)壁到中等程度，在離子遷移管內(nèi)側(cè)軸向流動(dòng)的氣流的邊界層變薄，速度分布變得更滿，并且流動(dòng)變得更穩(wěn)定。
一種在大氣壓離子化接口中增大離子通過量或傳輸效率的方式是通過增大離子遷移管的內(nèi)徑和減小離子遷移管的長(zhǎng)度中的一個(gè)或多個(gè)來增大傳導(dǎo)性。如通常所知，有了更寬且更短的離子遷移管，將更多離子傳輸?shù)较掠蔚碾x子光學(xué)器件將是可能的。然而，可用泵浦系統(tǒng)的容量限制直徑有多大以及總傳導(dǎo)性可有多大。因此，根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例，離子遷移通道115(圖1)的內(nèi)徑可被做得相對(duì)大，并且同時(shí)，離開離子遷移通道115的出口端的氣流可被降低以改進(jìn)流動(dòng)特性來保持離子朝向氣流的中心聚焦。以此方式中，中性氣體可被更容易地與離子分離，并且離子可被更一貫地導(dǎo)向通過出口孔70以進(jìn)入下游的MS1。結(jié)果是改進(jìn)的傳輸效率以及增大的裝置靈敏度。
即使在某些或所有情況中發(fā)現(xiàn)紊流導(dǎo)致增大的離子傳輸效率，應(yīng)理解在離子遷移通道的下游端中的降低的壓力以及由降低的壓力引起的增大的去溶劑化在層流以及紊流條件下可以是本發(fā)明的各實(shí)施例所附帶的優(yōu)點(diǎn)。此外，即使在紊流條件下，通過離子遷移管的側(cè)壁的中性氣體的至少某一些的去除可起有效地使離子與中性氣體分離的作用。即使在紊流中，具有它們較大質(zhì)量的液滴以及離子將最可能在軸向流動(dòng)通過管道60期間更中心地分布。因而，期望通過側(cè)壁的中性氣體的去除在層流和紊流條件下將有效地使中性氣體與離子分離且具有相對(duì)較少的離子損耗。更進(jìn)一步地，通過充入通過側(cè)壁的中性氣體而去除潛熱來在層流和紊流條件下允許附加的加熱來增大的去溶劑化。
包含管道60的區(qū)域2優(yōu)先從泵浦端口55泵浦。如可從圖1中所見，差動(dòng)泵浦裝置130包括用于在包含通道115的內(nèi)部區(qū)域與在區(qū)域2中的包含管道60的真空腔50之間的流體導(dǎo)通的多個(gè)過道140。中性氣體從內(nèi)部區(qū)域115泵浦并且通過差動(dòng)泵浦裝置130中的過道140抽出以進(jìn)入它在其中被抽出的真空室50。
傳感器可連接到離子遷移管道60以及控制器58用于將指示離子遷移管道60的側(cè)壁或某一其它部分的溫度的信號(hào)發(fā)回控制器58。應(yīng)理解，多個(gè)傳感器可被放置在不同位置以獲得溫度曲線圖。因而，一個(gè)或多個(gè)傳感器可連接到離子遷移管道60用于檢測(cè)在氣體泵浦通過離子遷移管道60的側(cè)壁中的多個(gè)過道140時(shí)的熱的減少。
在替換裝置中，如圖9a中所示，管道60可被封閉的第三真空室150圍繞。這可被用來通過差動(dòng)泵浦裝置130的壁中的過道140吸取氣體。然而它同樣可被用來將氣流引導(dǎo)通過過道140并且進(jìn)入離子遷移管道60的通道115而非去除背景氣體，如以上所述的。這可通過將第三真空室150中的壓力調(diào)整到大氣壓與通道115中的壓力之間來實(shí)現(xiàn)。通過將氣流引導(dǎo)通過過道140進(jìn)入通道115，可創(chuàng)建可在其中破壞試樣液滴的更多的紊流條件。更多的紊流條件可因而使試樣液滴分成更小的液滴。該液滴的分裂是外力分裂，而非同樣分裂液滴的庫侖爆炸型分裂。在圖9a的實(shí)施例中，還示出了進(jìn)入膨脹室40的可任選附加泵浦端口56。泵浦端口45朝向平板電極48的前部定位，而泵浦端口56泵浦平板電極48與到第三真空室150的入口之間的區(qū)域。
在外力和庫倫爆炸分裂的應(yīng)用中，氣體的去除和添加可在一個(gè)離子遷移管中應(yīng)用。例如，如圖9b中所示，第三真空室150被縮短并且僅封閉第二真空室50的區(qū)域。通過該方式，氣體可經(jīng)由入口150或入口156被添加到第二真空室50的任何部分。因而，可實(shí)現(xiàn)一系列交替的外力和庫倫爆炸分裂來分裂試樣的液滴。
在圖1和9a、9b、9c以及9d的各實(shí)施例中的差動(dòng)泵浦裝置130的壁可從包括金屬熔料、金屬海綿、可滲透陶瓷、以及可滲透聚合物的一個(gè)或多個(gè)的材料形成。過道140可由材料中的孔或空隙空間限定。側(cè)壁的材料中的孔或空隙可以是小的并且可形成通常連續(xù)的可滲透元件而沒有離散的孔徑。替換地，過道可采用形成于差動(dòng)泵浦裝置130的側(cè)壁中的離散孔徑或穿孔的形式。過道可通過具有圓形、直線、細(xì)長(zhǎng)、均勻、以及非均勻構(gòu)造中的一個(gè)或多個(gè)的通過開口來配置。
作為進(jìn)一步的詳情，圖9c示出改進(jìn)臨界入口區(qū)域中的離子流的裝置?？?0中的膨脹區(qū)域90提供一種簡(jiǎn)單形式的射流分離，其優(yōu)先地傳送相對(duì)接近軸的更重的粒子，而較輕粒子擴(kuò)散到周圍并且不被后續(xù)孔徑接受，且加速板起到收集離子的作用。圖9d示出其中噴嘴板48在方向上翻轉(zhuǎn)，并且他們本身創(chuàng)建膨脹區(qū)，隨后是非常薄的入口板的實(shí)施例。有了充足的壓降，重的(即，比載氣更重)帶電粒子將容易地進(jìn)入管道區(qū)域，且大量載體束以及較輕(溶劑)離子被撇除。
圖9a、c和d中所示的多個(gè)泵浦裝置(并且它們還可應(yīng)用于圖9b的實(shí)施例)可幫助降低接口成本，因?yàn)闅怏w載荷的早期減少降低對(duì)下一階段的泵浦要求。特別地，最前面的階段45將后面的階段的氣體載荷降低超過2，即使在它僅是鼓風(fēng)機(jī)的時(shí)候。
圖10示出使用SIMION(RTM)軟件的模擬的離子軌道(r，z)。由直流電極120限定的通道的ID是0.75mm，長(zhǎng)直流電極段210是0.36mm，短電極段205是0.12mm，并且之間的間隙是0.03mm。氣流速度是200m/S，并且施加到該組段的電壓是+/-100V。離子從左移動(dòng)到右。該模擬顯示在由直流電極限定的通道直徑的1/3處的內(nèi)側(cè)的離子被限制并沿通道聚焦。振蕩離子的最大徑向坐標(biāo)沿約20mm的長(zhǎng)度從開始的0.16mm減小到出口的0.07mm。在圖10中觀察到，不在通道的半徑的1/3內(nèi)的離子被損耗因?yàn)樗鼈儧]有移動(dòng)得足夠快來克服接近通道壁的相反的直接直流電場(chǎng)。該模擬證實(shí)該離子限制取決于在管道60的內(nèi)側(cè)的壓力、以及氣流速度。該效應(yīng)在大氣壓以及對(duì)應(yīng)于該壓力的速度(約60m/s)下非常弱(從0.174mm聚焦到0.126mm)。然而，在采用如上所述的直流電極裝置120時(shí)，在較低壓力(小于大氣壓幾倍)，以及～200m/s的氣流速度時(shí)，看見離子限制中的大得多的改進(jìn)。這是因?yàn)樵趬毫榧s1mbar情況下進(jìn)入MS180的最大氣流被限制。
因而，雖然在采用僅直流電極裝置120時(shí)在區(qū)域2中對(duì)離子限制存在一些改進(jìn)，并且分開地，雖然在沒有對(duì)直流電極裝置的徑向靜電限制的情況下使用差動(dòng)泵浦裝置130時(shí)有改進(jìn)，但是這兩者在優(yōu)選實(shí)施例中被一起采用以便于在創(chuàng)建最佳壓力狀態(tài)(低于約300-600mbar)的同時(shí)徑向地靜電限制離子。
將從以上介紹性討論中注意到，離子遷移裝置的各個(gè)部分尋求在從管道60的退出時(shí)保持氣流速度在超聲速水平以下以便于避免沖擊波。這樣的一個(gè)結(jié)果是在到MS180的入口上不需要撇渣器，即，來自區(qū)域2的出口孔徑70可以是簡(jiǎn)單的孔徑。已觀察到，在出口孔徑上的撇渣器的存在可導(dǎo)致離子電流的減小，所以離開管道60的氣體的超音速度實(shí)際上具有進(jìn)一步合乎需要的結(jié)果(不需要撇渣器)。
雖然以上所述實(shí)施例的大多數(shù)優(yōu)選地采用圓形橫截面的離子遷移管道(即，管)，但是本發(fā)明不限于管。例如橢圓形或矩形或者甚至平面(即，具有非常高的縱橫比的矩形或橢圓形)的其它截面可變得更加優(yōu)選，尤其是在采用高離子電流或多個(gè)噴嘴(噴嘴陣列)的時(shí)候。伴隨的氣流顯著增大由差動(dòng)泵浦的階段數(shù)的增加來補(bǔ)償。這可例如通過使用已采用的那些泵的中間階段來實(shí)現(xiàn)。
在此申請(qǐng)中所描述的離子遷移通道在如上所述的泵浦調(diào)整的情況下導(dǎo)致他們本身多路轉(zhuǎn)換為陣列。這種裝置對(duì)于多毛細(xì)管或多噴霧器離子源而言可以是最佳的。
權(quán)利要求
1.一種用于在相對(duì)高壓區(qū)域與相對(duì)低壓區(qū)域之間傳輸離子的離子遷移裝置，其包括
離子遷移管道，其具有朝向相對(duì)高壓室的入口開口、朝向相對(duì)低壓室的出口開口、以及圍繞離子遷移通道的至少一個(gè)側(cè)壁，所述側(cè)壁沿所述入口端與所述出口端之間的中心軸延伸；以及
多個(gè)孔徑，所述孔徑沿所述側(cè)壁的縱向形成以便于使來自所述離子遷移通道內(nèi)的氣體流到在所述管道的側(cè)壁的外側(cè)的較低壓力區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的離子遷移裝置，其特征在于，還包括加熱器，所述加熱器與用于將熱傳導(dǎo)、對(duì)流和/或輻射到所述離子遷移通道的管道相鄰。
3.如權(quán)利要求1或2所述的離子遷移裝置，其特征在于，還包括至少部分地封閉所述管道的外殼。
4.如權(quán)利要求3所述的離子遷移裝置，其特征在于，所述外殼是氣密的并且完全封閉所述管道。
5.如權(quán)利要求4所述的離子遷移裝置，其特征在于，還包括泵浦裝置，所述泵浦裝置用于抽空所述外殼以便于創(chuàng)建使用中的、所述離子遷移通道中的氣體進(jìn)入其中的相對(duì)低壓區(qū)域。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的離子遷移裝置，其特征在于，所述側(cè)壁由包括金屬熔料、金屬海綿、可滲透陶瓷、以及可滲透聚合物中的至少一個(gè)的材料形成，并且其中所述側(cè)壁中的孔徑由所述材料中的孔或間隙空間限定。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的離子遷移裝置，其特征在于，還包括
電極組件，所述電極組件具有沿所述離子遷移管道的縱向方向的第一寬度D1的第一組電極，所述第一組電極與沿所述縱向方向的具有第二寬度D2(≥D1)的第二組電極交替；以及
直流電壓提供裝置，其用于向所述第一組電極提供大小V1和第一極性的直流電壓、以及向所述第二組電極提供大小V2(|V2|≤|V1|)和相對(duì)于縱向方向上的平均電壓分布的第二、相反極性的直流電壓；
其中，所述電極組件至少部分地形成于所述離子遷移管道的側(cè)壁內(nèi)并且限定所述離子遷移通道。
8.如權(quán)利要求7所述的離子遷移裝置，其特征在于D2＞D1并且|V2|＜|V1|。
9.如權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的離子遷移裝置，其特征在于，所述第一多個(gè)電極內(nèi)的每一電極通過間隙或絕緣層與所述第二多個(gè)電極的后續(xù)和先前電極隔開。
10.如權(quán)利要求7、權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的離子遷移裝置，其特征在于，還包括用于將RF電壓施加到所述第一和第二多個(gè)電極的裝置。
11.如前述任一權(quán)利要求所述的離子遷移裝置，其特征在于，還包括在周期電極組件上游的空氣動(dòng)力和/或電子透鏡，其用于將來自大氣壓離子源的離子朝向所述離子遷移通道的縱向軸聚焦。
12.如權(quán)利要求11所述的離子遷移裝置，其特征在于，所述透鏡具有彎曲包絡(luò)。
13.如權(quán)利要求11或12所述的離子遷移裝置，其特征在于，所述離子漏斗包括多個(gè)離散的環(huán)形透鏡電極，并且其中其最接近所述周期電極組件的透鏡電極具有比最遠(yuǎn)離所述周期電極組件的透鏡電極小的孔徑。
14.如權(quán)利要求13所述的離子遷移裝置，其特征在于，最接近所述周期電極組件的透鏡電極中的孔徑的徑向尺寸小于由所述周期電極組件限定的所述離子遷移通道的徑向尺寸。
15.如權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的離子遷移裝置，其特征在于，所述空氣動(dòng)力和/或電子透鏡位于第一真空室內(nèi)并且所述周期電極組件位于第二、分離的真空室內(nèi)。
16.一種在第一、相對(duì)高壓區(qū)域與第二、相對(duì)低壓區(qū)域之間傳輸離子的方法，包括以下步驟
允許來自所述相對(duì)高壓區(qū)域的離子與氣體的混合物進(jìn)入具有或限定離子遷移通道的離子遷移管道的入口開口；
通過位于所述離子遷移管道的入口開口與出口開口中間的管道壁中的多個(gè)過道，去除所述離子遷移通道中的氣體的一部分；以及
使所述離子和剩余氣體通過朝向所述相對(duì)低壓區(qū)域的出口開口退出所述離子遷移管道。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括加熱所述離子遷移通道以便于促進(jìn)在所述離子遷移通道內(nèi)的殘余液體溶劑的蒸發(fā)。
18.如權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括將所述離子遷移管道至少部分地定位于易抽空室內(nèi)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述離子遷移管道完全位于易抽空室內(nèi)，所述方法還包括將所述管道位于其中的易抽空室內(nèi)抽空到低于大氣壓的壓力。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，將所述管道位于其中的易抽空室抽空到低于大氣壓的壓力的步驟包括將所述室抽空到不低于所述管道的離子遷移室內(nèi)的離子和氣體停止粘性流動(dòng)的壓力的壓力。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，將所述管道位于其中的易抽空室抽空到低于大氣壓的壓力的步驟包括將所述室抽空到在約600mbar與1mbar之間的壓力。
22.如權(quán)利要求16至21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括使用空氣動(dòng)力和/或電子透鏡將來自所述相對(duì)高壓區(qū)域的離子聚焦到所述離子遷移管道。
23.如權(quán)利要求19、20或21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括用回填氣體回填至少一部分的易抽空室。
24.如權(quán)利要求18至23中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括將所述離子遷移管道封閉在氣密外殼內(nèi)，并且泵浦所述氣密外殼以便于降低其中的壓力，以通過所述過道吸取所述離子遷移通道內(nèi)的氣體并使其進(jìn)入所述氣密外殼中。
25.如權(quán)利要求16至24中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括
在所述管道側(cè)壁內(nèi)側(cè)提供電極組件，所述電極組件限定所述離子遷移通道并且其具有沿所述離子遷移管道的縱向的第一寬度D1的第一組電極、以及沿所述縱向并與所述第一組電極交替的第二寬度D2(≥D1)的第二組電極；以及
向所述第一組電極提供大小V1和第一極性的直流電壓，并且向所述第二組電極提供大小V2(|V2|≤|V1|)和相對(duì)于在所述周期電極組件的縱向上的平均電壓分布的第二、相反極性的直流電壓。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括將RF電壓施加到所述第一和第二組電極。
全文摘要
一種在質(zhì)譜儀的較高與較低壓區(qū)域之間傳輸氣體和附連離子的方法，包括在較高與較低壓區(qū)域之間提供離子遷移管道60。離子遷移管道60包括限定離子遷移通道的電極組件300。電極組件300具有第一寬度D1的第一組環(huán)形電極305、以及第二寬度D2(≥D1)與第一環(huán)形電極305交替的第二組環(huán)形電極。大小V1和第一極性的直流電壓被提供給第一環(huán)形電極205，且大小V2(可以小于或等于大小V1)但具有相反極性的直流電壓被施加到第二環(huán)形電極310。離子遷移管道60的壓力被控制以便于維持離子遷移通道內(nèi)的氣體和離子的粘性流動(dòng)。
文檔編號(hào)H01J49/06GK101606221SQ200780049035
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2007年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者A·馬卡洛夫, R·佩施, R·馬雷克, V·科茲洛夫斯基 申請(qǐng)人:塞莫費(fèi)雪科學(xué)(不來梅)有限公司