本發(fā)明涉及高靈敏度采集高分辨率離子遷移譜的方法和裝置。
背景技術(shù):
文獻(xiàn)us7,838,826b1(m.a.park,2008年)中介紹了一種小型離子遷移譜儀?;镜碾x子遷移率掃描部件(離子遷移率掃描通道)的長(zhǎng)度僅達(dá)大約五厘米;加上額外的入口和出口漏斗,該裝置的長(zhǎng)度也小于十厘米。圓柱形離子遷移率掃描通道包括四極rf場(chǎng),其保持離子在軸附近;基于通道內(nèi)的氣流來(lái)根據(jù)離子遷移率分離離子,所述氣流在積聚階段將來(lái)自離子源的離子驅(qū)動(dòng)到反向dc電場(chǎng)勢(shì)壘的斜坡上。停止進(jìn)一步輸送離子之后,開(kāi)始掃描階段,在此階段電場(chǎng)勢(shì)壘穩(wěn)步減小。在此掃描階段,氣流推動(dòng)離子穿過(guò)逐漸減小的場(chǎng)勢(shì)壘頂部,從而相繼釋放被勢(shì)壘俘獲的從低遷移率到越來(lái)越高遷移率的離子。離子檢測(cè)器可以檢測(cè)到這些離子,從而獲得遷移譜。具體地,可通過(guò)質(zhì)譜儀(如飛行時(shí)間質(zhì)譜儀)來(lái)測(cè)量離子,從而獲得二維質(zhì)量-遷移率圖。這一小型遷移譜儀與所有其他遷移譜儀相比,具有的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過(guò)選擇合適的掃描速度來(lái)選擇想要的遷移率分辨率。m.a.park的裝置已經(jīng)利用極低的掃描速度實(shí)現(xiàn)了高達(dá)rmob=400的離子遷移率分辨率,而任何其他遷移譜儀則從未達(dá)到如此高的離子遷移率分辨率。該裝置是眾所周知的“tims”,即“俘獲離子遷移譜儀”。圖1中概括了該裝置的基本原理及其基本操作。
在圖2中,該儀器的離子遷移率分辨率被繪制為掃描離子遷移率常用范圍所需時(shí)間的函數(shù)。使用僅20毫秒的掃描時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)大約rmob=60的遷移率分辨率,使用300毫秒的掃描時(shí)間,分辨率可達(dá)rmob=120。
文獻(xiàn)us8,766,176b2(“acquisitionmodesforionmobilityspectrometersusingtrappedions(使用俘獲離子的離子遷移譜儀的采集模式)”,d.a.kaplan等;2011年)介紹了tims的各種掃描模式,例如可實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性遷移率范圍的掃描模式。特殊掃描模式涉及“時(shí)間縮放模式”,其中,對(duì)第一范圍的低遷移率的離子使用高速度執(zhí)行掃描,以幾乎擺脫這些離子;使用低速度掃描第二范圍的遷移率,以便以高離子遷移率分辨率測(cè)量此范圍內(nèi)的離子遷移率,并再次用高速度穿過(guò)遷移譜的末端。如果要以最高遷移率分辨率測(cè)量?jī)H很小范圍的遷移率,則該程序可節(jié)省時(shí)間。用漂移管或任何其他類(lèi)型的遷移譜儀均無(wú)法實(shí)現(xiàn)此類(lèi)時(shí)間縮放模式。
美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)14/614,463(“用于質(zhì)譜儀的高離子利用率離子遷移分離器”,m.a.park和o.
美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)14/614,456(“trappingionmobilityspectrometerwithparallelaccumulation(可并行積聚的俘獲離子遷移譜儀)”,m.a.park和m.schubert)介紹了上文引用的各文獻(xiàn)中所描述類(lèi)型的離子遷移譜儀,該離子遷移譜儀還配備了額外前端積聚單元,該積聚單元與掃描單元的形式相同。積聚單元與分離器通道的掃描并行運(yùn)行。即在分離器被用于分析第一組離子的遷移率時(shí),積聚單元同時(shí)從離子源收集第二組離子。在第一組分析完成后,隨后在約一毫秒內(nèi)將第二組離子迅速轉(zhuǎn)移到離子遷移率掃描通道。這可讓離子積聚單元幾乎持續(xù)地重復(fù)收集離子,同時(shí)分離器通道幾乎持續(xù)地重復(fù)分析離子。離子源產(chǎn)生并傳輸至真空系統(tǒng)的離子利用率幾乎達(dá)100%。圖4中顯示了具有離子積聚通道和離子遷移率掃描通道的裝置及其操作的示例。在離子積聚通道和離子遷移率掃描通道中,離子聚集在電場(chǎng)斜坡上,并且離子根據(jù)其遷移率分離,從而減弱可引起離子損失的空間電荷對(duì)離子收集的惡化效應(yīng)。
因而仍需要用于質(zhì)量-遷移率圖采集的裝置和方法,使質(zhì)譜儀離子源中所產(chǎn)生離子的利用率達(dá)到最高并且離子遷移率范圍、遷移率分離時(shí)間和遷移率分辨率適于給定分析任務(wù)的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明使用美國(guó)專(zhuān)利7,838,826b1中介紹的“tims”離子遷移譜儀;在實(shí)施例中優(yōu)選使用文獻(xiàn)us14/614,456中介紹的配備離子積聚通道和離子遷移率掃描通道的并行積聚tims。
本發(fā)明主要提出了僅通過(guò)在離子遷移率掃描通道中使用長(zhǎng)且平緩的電場(chǎng)斜坡來(lái)積聚和掃描遷移率在所選范圍內(nèi)的離子。平緩電場(chǎng)斜坡延伸至幾乎整個(gè)通道長(zhǎng)度。通過(guò)在離子遷移率掃描通道的起點(diǎn)和終點(diǎn)附近的電極處的可調(diào)整電壓形成平緩的電場(chǎng)斜坡。在tims中,沿電極的電場(chǎng)斜坡的電壓可通過(guò)特殊分壓器提供,該分壓器的電阻可按r、r+δr、r+2δr、r+3δr、r+4δr等增加,從而產(chǎn)生線(xiàn)性增加的電場(chǎng)。如果為電極鏈的兩點(diǎn)提供兩個(gè)可調(diào)整電壓,則可為所有電壓對(duì)維持沿這些點(diǎn)之間電極的線(xiàn)性場(chǎng)梯度。
通過(guò)在平緩斜坡起點(diǎn)提供電壓,可選擇待聚集離子的遷移率范圍的最低遷移率。通過(guò)起點(diǎn)和終點(diǎn)的電壓差,確定遷移率范圍的寬度。如果必須測(cè)量整個(gè)遷移率范圍,則該完整范圍可分為三、四、五或更多部分,可以高遷移率分辨率和高靈敏度相繼測(cè)量這些部分內(nèi)的離子遷移率。
如果使用并行積聚tims的優(yōu)選實(shí)施例,則在離子積聚通道和離子遷移率掃描通道中產(chǎn)生相似的電場(chǎng)分布。在積聚通道,終點(diǎn)的場(chǎng)峰值阻止低遷移率的離子在掃描期間進(jìn)入遷移率掃描通道。在離子從積聚通道轉(zhuǎn)移至掃描通道期間,這些低遷移率的離子不停留在掃描通道中,而是穿過(guò)此通道并在下游某處被移除。
與us8,766,176b2中介紹的“時(shí)間縮放”相反,根據(jù)本發(fā)明的縮放將稱(chēng)為“空間縮放”,因?yàn)樵摽s放在離子遷移率掃描通道的幾乎整個(gè)空間內(nèi)擴(kuò)散了遷移率在感興趣范圍的離子。如果額外使用積聚通道,遷移率在感興趣范圍的離子同樣在該通道的幾乎整個(gè)空間內(nèi)擴(kuò)散。這種空間縮放可有利地聚集相對(duì)于時(shí)間縮放大幅增多的感興趣離子,而不會(huì)因空間電荷效應(yīng)嚴(yán)重?fù)p失離子,因而可在質(zhì)量-遷移率圖中檢測(cè)更多離子。
斜坡處的電場(chǎng)也可通過(guò)為部分或全部電極提供多個(gè)dc電壓而產(chǎn)生,其中,多個(gè)dc電壓通過(guò)獨(dú)立、優(yōu)選可編程的dc電壓源分別生成。如果部分而非全部電極連接至這些獨(dú)立dc電壓源之一,則可通過(guò)電阻鏈連接這些電極。如果全部電極連接至這些獨(dú)立dc電壓源之一,則這些電極優(yōu)選相互電隔離。
優(yōu)選調(diào)整沿電場(chǎng)斜坡平緩部分的電場(chǎng)上升,使得遷移率在限定范圍的離子在掃描斜坡前在平緩部分積聚。限定遷移率范圍優(yōu)選介于待分析離子遷移率范圍的5%至30%之間。平緩電場(chǎng)斜坡的最小值和最大值可在斜坡的后續(xù)掃描中調(diào)整,以便覆蓋整個(gè)遷移率范圍,其中沿平緩部分的電場(chǎng)上升不需要在每一次掃描中相同。平緩部分在空間上沿著離子遷移率掃描通道的電場(chǎng)斜坡的70%以上,最優(yōu)選為90%以上延伸。
由于難以沿裝置地軸大幅扭轉(zhuǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度,因此可在某些位置引入特殊柵極。為了保持四極rf場(chǎng)完整,該柵極應(yīng)包括燈絲,燈絲可由易漏介質(zhì)材料制成,或者燈絲應(yīng)為感應(yīng)式,例如通過(guò)在絕緣燈絲周?chē)p繞導(dǎo)電材料制成。
本發(fā)明進(jìn)一步提出了使用包括積聚單元和掃描單元的俘獲離子遷移分離器來(lái)分析遷移率在所選范圍的離子的方法。本方法包括:(a)在積聚單元收集遷移率在某一范圍內(nèi)的離子;(b)將來(lái)自積聚單元的離子轉(zhuǎn)移至掃描單元,其中,調(diào)整掃描單元的電壓,使遷移率低于第一值的已轉(zhuǎn)移離子不儲(chǔ)存在掃描單元中,遷移率高于預(yù)定值的已轉(zhuǎn)移離子儲(chǔ)存在掃描單元中;以及(c)通過(guò)掃描掃描單元的電壓來(lái)根據(jù)遷移率分離遷移率在所選范圍內(nèi)的已儲(chǔ)存離子。
在第一實(shí)施例中,在步驟(b)中調(diào)整積聚單元的電壓,使得積聚單元中聚集的遷移率高于第二值(所述第二值高于第一值)的離子仍?xún)?chǔ)存在積聚單元中,其中,余下的離子被中和或從積聚單元中拋出。
在第二實(shí)施例中,遷移率高于第二值的離子(所述第二值高于第一值)在進(jìn)入積聚單元之前被過(guò)濾掉。
可進(jìn)一步調(diào)整掃描單元入口處或附近的額外電壓,使得遷移率在所選范圍內(nèi)的離子擴(kuò)散到掃描單元的整個(gè)長(zhǎng)度,從而降低空間電荷效應(yīng)。在轉(zhuǎn)移步驟,優(yōu)選停止向積聚單元流入離子,例如,通過(guò)調(diào)整積聚單元處或附近或上游的dc電壓??赏ㄟ^(guò)調(diào)整積聚單元和/或掃描單元的電壓對(duì)不同遷移率范圍重復(fù)步驟(a)至(c)。
可通過(guò)下游質(zhì)量分析器分析分離的離子??善扑榉蛛x的離子,并可通過(guò)下游質(zhì)量分析器分析碎片離子??商鎿Q地,可讓分離的離子穿過(guò)帶通質(zhì)量過(guò)濾器,其中破碎過(guò)濾的離子,并通過(guò)下游質(zhì)量分析器分析經(jīng)過(guò)質(zhì)量過(guò)濾的碎片離子。
附圖說(shuō)明
圖1示意性地顯示了如us7,838,826b1(m.a.park,2008年)所述的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的離子遷移譜儀的設(shè)計(jì)和工作原理。入口漏斗(10)和出口漏斗(12)間的離子遷移率掃描管(11)長(zhǎng)度僅為約48毫米;內(nèi)徑為8毫米。離子遷移率掃描管(11)由一系列帶象限電極(1)至(4)的分段隔膜組成,以產(chǎn)生四極rf場(chǎng),如圖頂部所示。來(lái)自離子源(未顯示)的離子(6)通過(guò)毛細(xì)管(8)與氣流(7)一起被引入到第一個(gè)真空室內(nèi)。推斥板(9)引導(dǎo)離子(6)進(jìn)入漏斗(10);氣流(14)推動(dòng)離子進(jìn)入離子遷移率掃描管(11)。在圖下部的三個(gè)圖e(z)=f(z)中,z是沿著裝置軸的坐標(biāo),顯示了三個(gè)工作階段的電場(chǎng)分布:在積聚階段(a),離子被氣流(14,16)吹到介于z軸位置(20)和(23)之間的電場(chǎng)分布上升沿(“斜坡”)上。在中斷進(jìn)一步離子供應(yīng)后的僅一至二毫秒的短俘獲階段(b),離子根據(jù)其遷移率在上升沿上達(dá)到其平衡狀態(tài)。在掃描階段(c),穩(wěn)步減小的分布電壓按遷移率遞增的順序在位置(23)和(24)之間的電場(chǎng)平臺(tái)上釋放離子,使離子通過(guò)出口漏斗進(jìn)入離子檢測(cè)器。隨時(shí)間變化的離子電流測(cè)量值代表從低遷移率到高遷移率的離子遷移譜。
圖2顯示了圖1所示裝置針對(duì)低遷移率(k≈0.5m2/vs)離子可實(shí)現(xiàn)的遷移率分辨率rmob與掃描時(shí)間ts的相關(guān)性。掃描時(shí)間ts包含從低遷移率(k≈0.5m2/vs)到高遷移率(k≈1.0m2/vs)的全掃描。通常,人們普遍關(guān)注低遷移率的離子,因?yàn)槠淠軌虮憩F(xiàn)出最為多樣的折疊狀態(tài)。在整個(gè)遷移率范圍內(nèi),僅20毫秒的掃描時(shí)間可達(dá)到的遷移率分辨率已經(jīng)為rmob≈60;而若要使遷移率分辨率達(dá)到rmob≈120,則需要300毫秒的更長(zhǎng)掃描時(shí)間。
圖3顯示了根據(jù)專(zhuān)利申請(qǐng)us14/614,463(“highionutilizationionmobilityseparatorformassspectrometers(用于質(zhì)譜儀的高離子利用率離子遷移分離器)”,m.a.park和o.
圖4上部分示意性地描繪了專(zhuān)利申請(qǐng)us14/614,456(“trappingionmobilityspectrometerwithparallelaccumulation(可并行積聚的俘獲離子遷移譜儀)”,m.a.park和m.schubert)中介紹的遷移譜儀的實(shí)施例。該譜儀包括分為離子積聚單元(11a)和離子遷移率掃描單元(11b)的細(xì)長(zhǎng)通道(11),以及在電極象限處提供rf電壓的rf電壓源單元(未顯示)和為兩個(gè)通道單元的電極提供電壓并在位置(31)和(34)處與電極接觸的dc電壓源單元(同樣未顯示)。兩個(gè)通道單元中隔膜之間的電阻鏈產(chǎn)生兩個(gè)電場(chǎng)分布,如圖底部(d)圖所示。工作僅分為兩個(gè)階段:在積聚和掃描階段(d),來(lái)自離子源(未顯示)的離子(6)在管的積聚單元(11a)的電場(chǎng)分布上升沿上積聚,同時(shí),通過(guò)降低供應(yīng)到離子遷移率掃描單元(11b)位置(34)的電壓來(lái)根據(jù)離子遷移率掃描離子,從而通過(guò)出口漏斗(13)向離子檢測(cè)器釋放遷移率越來(lái)越高的離子。在轉(zhuǎn)移階段(e),首先恢復(fù)掃描單元(11b)的電壓,然后關(guān)閉積聚單元(11a)的電壓,讓氣流(14,16)將離子吹到離子遷移率掃描單元(11b)的電場(chǎng)分布斜坡上。僅需一毫秒即可完成轉(zhuǎn)移,然后可以重新開(kāi)啟位置(31)處的電壓來(lái)再次開(kāi)始積聚和掃描階段。
圖5顯示了lc-ims-ms-ms質(zhì)譜儀的原理概述圖。如果固有電子器件可提供額外dc電壓,則該裝置可按照本發(fā)明工作。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的空間縮放模式。該圖顯示了兩種不同的電場(chǎng)分布。在上部電場(chǎng)分布(a)中,位置(20)和(23)之間的電場(chǎng)強(qiáng)度沿裝置的z軸線(xiàn)性增加。在下部電場(chǎng)分布(b)中,電場(chǎng)斜坡顯示,在z軸位置(60)和(61)之間存在非常陡峭和狹窄的電場(chǎng)梯度,在(61)和(62)之間存在寬且平緩的斜坡,在z軸位置(62)和(63)之間有一個(gè)平臺(tái)。通過(guò)z軸位置(61)和(62)處的可調(diào)節(jié)dc電壓,可選擇具有感興趣遷移率的離子范圍。這種情況下,分布(a)的位置(21)和(22)之間的離子云在分布(b)的位置(61)和(62)之間的平緩斜坡上積聚。在平緩斜坡上積聚的離子云未壓縮,僅受很小的空間電荷力影響??赏ㄟ^(guò)更長(zhǎng)的積聚時(shí)間,在此范圍內(nèi)聚集比場(chǎng)分布(a)更多的離子,而不會(huì)嚴(yán)重?fù)p失離子。然后可以高遷移率分辨率測(cè)量斜坡平緩部分上的離子。該操作需要具有兩個(gè)額外可調(diào)整電壓的dc發(fā)生器,為位置(61)和(62)處的電極提供電壓。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的圖4中所示積聚tims的空間縮放模式。該圖描繪了兩種不同的電場(chǎng)分布。為了進(jìn)行比較,上部電場(chǎng)分布(f)與圖4中的分布(d)相同,但離子密度更高,電場(chǎng)強(qiáng)度沿裝置z軸線(xiàn)性增加。在下部電場(chǎng)分布(g)中,電場(chǎng)斜坡顯示了在積聚單元和掃描單元中的三種電場(chǎng)梯度。在積聚分布中,在z軸位置(40)和(41)之間存在非常陡峭和狹窄的電場(chǎng)梯度,在(41)和(42)之間存在寬且平緩的斜坡,在z軸位置(42)和(43)之間存在更加陡峭的斜坡,形成電場(chǎng)強(qiáng)度峰值。在右側(cè)掃描分布圖中,z軸位置(44)與(45)之間以及(45)與(46)之間的電場(chǎng)梯度范圍相似。在位置(46)和(47)之間,電場(chǎng)峰值被具有恒定電場(chǎng)強(qiáng)度的平臺(tái)所取代。通過(guò)提供給z軸位置(41)和(42)處的電極的可調(diào)節(jié)dc電壓,可選擇具有感興趣遷移率的離子范圍。離子積聚在平緩斜坡上、未壓縮且受空間電荷力的影響較小。通過(guò)更長(zhǎng)的積聚時(shí)間,可在此范圍內(nèi)可聚集比場(chǎng)分布(f)更多的離子,而不會(huì)嚴(yán)重?fù)p失離子。在掃描階段結(jié)束后,離子從離子積聚部分轉(zhuǎn)移至管的離子遷移率掃描部分,因而在位置(42)和(43)之間電場(chǎng)峰值斜坡處聚集的離子穿過(guò)掃描管,并在質(zhì)譜儀的某處被移除。然后可以高遷移率分辨率測(cè)量斜坡平緩部分上的離子。該操作需要具有三個(gè)額外可調(diào)整電壓的dc發(fā)生器,為位置(41)、(42)和(45)處的電極提供電壓。為位置(45)和(47)處電極提供的電壓分別與位置(41)和(42)處電極的電壓相同。在掃描期間,位置(47)處的電壓不斷降低。
圖8上部(k)顯示了包含整個(gè)遷移率范圍的質(zhì)量-遷移率圖,下部(l)顯示了使用根據(jù)本發(fā)明的裝置和程序?qū)⑦w移率范圍限制為整個(gè)遷移率范圍的大約1/3的質(zhì)量-遷移率圖。這些圖使用tims遷移分離器和圖6中質(zhì)譜儀的飛行時(shí)間分析器測(cè)量。下部的質(zhì)量-遷移率圖(l)使用根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置測(cè)量,通過(guò)將正確選擇的電壓施加到平緩的離子積聚區(qū)域或離子遷移率掃描區(qū)域的端部,來(lái)選擇整個(gè)遷移率范圍的僅1/3。通過(guò)延長(zhǎng)為三倍的60毫秒的積聚時(shí)間,可聚集多達(dá)三倍的離子,通過(guò)將掃描時(shí)間再延長(zhǎng)三倍(對(duì)應(yīng)于針對(duì)總遷移率范圍的180毫秒),可實(shí)現(xiàn)rmob≥100的遷移率分辨率。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的該程序,可檢測(cè)更多離子。
圖9顯示了本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)。在此圖中,示出了高遷移率的離子聚集在位置(40)和(41)之間的遷移率范圍內(nèi)。這些離子在裝置的軸附近聚集大量空間電荷,從而在某種程度上阻礙入射離子進(jìn)入積聚通道??赏ㄟ^(guò)在電極(5a)和(5b)之間施加合適的反向電壓,入口毛細(xì)管(8)中已經(jīng)消除了高遷移率的這些離子。如今人們普遍使用具有高電阻的入口毛細(xì)管(例如參見(jiàn)us5,736,740a,j.franzen,1995年)。如果在毛細(xì)管內(nèi)產(chǎn)生合適的反向電場(chǎng),則高遷移率的離子將被阻攔,并在具有高電阻的毛細(xì)管壁上被中和。
圖10顯示了具有柵極(grid)的電極。為四個(gè)象限(1)至(4)提供rf電壓相,從而產(chǎn)生rf四極場(chǎng),將離子保持在軸附近。柵極由非常特殊的燈絲構(gòu)成,這些燈絲不會(huì)顯著干擾rf場(chǎng),但是在柵極兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)急劇的dc場(chǎng)變化。這些燈絲可能因高電阻形成易漏介質(zhì),或者可能具有高電感??稍趫D7和圖9的分布(g)的位置(40)、(41)、(42)、(43)、(44)和(45)處使用柵極。
圖11顯示了與圖7中相似的空間縮放程序,但避免了場(chǎng)峰值的產(chǎn)生。取而代之的是在位置(51)和積聚單元末端之間使用線(xiàn)性場(chǎng)梯度。在轉(zhuǎn)移階段,在掃描單元儲(chǔ)存僅處于中間范圍遷移率的離子。低遷移率離子(高質(zhì)量;大圓)立即離開(kāi)掃描單元而不被儲(chǔ)存。高遷移率離子不轉(zhuǎn)移至掃描單元并在積聚單元中被中和(淬滅),例如,通過(guò)關(guān)閉rf電壓,或從積聚單元拋出。這種高遷移率離子的保留大幅減少了掃描單元中的空間電荷。
圖12顯示了縮放程序的另一個(gè)實(shí)施例,其中,包含離子組(70)、(71)和(72)的所有離子在積聚單元中聚集。階段(m)顯示了掃描結(jié)束后的狀態(tài),收集的離子位于積聚單元中。通過(guò)降低位置(63)處的電壓,聚集組(71)和(72)被轉(zhuǎn)移至掃描單元。組(72)的低遷移率離子不儲(chǔ)存在掃描單元中,因?yàn)槲恢?67)處的電壓已被調(diào)整為低于在掃描單元中保留離子(72)所需的值。組(70)的離子被保留在積聚單元,并被拋出或淬滅,例如,通過(guò)關(guān)閉積聚單元的rf電壓一小段時(shí)間。除了位置(63)和(67)處的電壓外,本實(shí)施例不需要任何額外dc電壓,并在積聚單元處使用可切換的rf電壓。
圖13顯示了與圖11中相似的方法,但高遷移率的離子已被電極(5a)和(5b)之間的電壓阻止在入口毛細(xì)管(8)內(nèi),因此避免了在積聚單元內(nèi)淬滅的需要。
圖14顯示了圖11中縮放程序的另一個(gè)實(shí)施例。此處,離子組(71)被傳遞至包含電場(chǎng)梯度的掃描單元,該電場(chǎng)梯度比圖12中顯示的電場(chǎng)梯度更平坦,因而降低了空間電荷效應(yīng)。該程序需要在位置(94)處設(shè)置額外可調(diào)整的電壓。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明基于us7,838,826b1中介紹的離子遷移譜儀(“tims”),尤其是us14/614,456中介紹的配備離子積聚通道和離子遷移率掃描通道的并行積聚tims裝置。
如圖6的下部所示,本發(fā)明涉及對(duì)tims離子遷移分離通道(11)末端附近的電極(61)和(62)施加額外電壓,以便產(chǎn)生長(zhǎng)且平緩的電場(chǎng)斜坡,在此斜坡上僅積聚遷移率在感興趣范圍內(nèi)的離子以進(jìn)行離子遷移率掃描。將平緩的電場(chǎng)斜坡延伸至幾乎整個(gè)通道長(zhǎng)度,解壓離子云的密度并減弱空間電荷效應(yīng)??稍谄骄徯逼律暇奂嚯x子,而不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p失,然后可通過(guò)選擇合適的掃描速度以預(yù)先選擇的離子遷移率分辨率測(cè)量這些離子。
本發(fā)明只需要兩個(gè)額外電壓。在tims裝置中,沿電極的電壓通過(guò)特殊分壓器提供,該分壓器的電阻可按r、r+δr、r+2δr、r+3δr、r+4δr等增加,從而產(chǎn)生線(xiàn)性增加的電場(chǎng)。如果為電極鏈的兩點(diǎn)提供兩個(gè)可調(diào)整電壓,則可為所有電壓對(duì)維持沿這些電極的線(xiàn)性場(chǎng)梯度。
通過(guò)在平緩斜坡起點(diǎn)(41)提供電壓,可選擇感興趣遷移率范圍的最高遷移率。通過(guò)起點(diǎn)(41)和終點(diǎn)(42)的電壓差,可確定感興趣的最高和最低遷移率之間的遷移率范圍的寬度。如果必須測(cè)量整個(gè)遷移率范圍,則該完整范圍可分為三、四、五或更多部分,可以高遷移率分辨率和高靈敏度相繼測(cè)量這些部分內(nèi)的離子遷移率。
如果將其應(yīng)用至圖4中顯示的積聚tims裝置,則本發(fā)明尤其具有優(yōu)勢(shì)。在圖7中,顯示了正常電場(chǎng)分布(f)和根據(jù)本發(fā)明的電場(chǎng)分布(g)。本發(fā)明涉及將額外電壓施加到離子積聚通道(11a)的末端(41)和(42)附近以及離子遷移率掃描通道(11b)的起點(diǎn)(45)處的電極上,以便產(chǎn)生長(zhǎng)且平緩的電場(chǎng)斜坡,可在此斜坡上積聚并儲(chǔ)存遷移率在感興趣范圍內(nèi)的離子以進(jìn)行離子遷移率掃描。平緩電場(chǎng)斜坡延伸至通道(11a)和(11b)的幾乎整個(gè)長(zhǎng)度。在離子積聚通道(11a)中,位置(42)和(43)之間具有陡峭斜坡的末端電場(chǎng)峰值阻止具有最低遷移率(不感興趣)的離子在掃描期間進(jìn)入掃描通道。在離子從積聚通道轉(zhuǎn)移至掃描通道期間,這些低遷移率的不感興趣離子不停留在離子遷移率掃描通道中,而是穿過(guò)此離子遷移率掃描通道并在遷移率掃描儀的下游某處被移除。
圖8中顯示了根據(jù)本發(fā)明的程序的效果。在上部(k)中,顯示了使用正常tims操作覆蓋整個(gè)遷移率范圍的質(zhì)量-遷移率圖。通過(guò)20毫秒的掃描時(shí)間實(shí)現(xiàn)大約rmob=60的遷移率分辨率。在下部(l)中,通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的程序?qū)①|(zhì)量-遷移率圖限制于完整遷移率范圍的大約1/3。這些圖使用tims遷移譜儀和圖5中的質(zhì)譜儀的飛行時(shí)間分析器測(cè)量。下部的質(zhì)量-遷移率圖(l)使用根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置測(cè)量,通過(guò)將正確選擇的電壓施加到平緩積聚或掃描區(qū)域的末端來(lái)僅選擇整個(gè)遷移率范圍的1/3。平緩的積聚電場(chǎng)斜坡容許更長(zhǎng)的積聚時(shí)間,而不會(huì)由于空間電荷效應(yīng)產(chǎn)生嚴(yán)重離子損失。通過(guò)三倍長(zhǎng)(即,60毫秒)的積聚時(shí)間,可聚集多達(dá)三倍的離子,通過(guò)將掃描速度降低九倍(對(duì)應(yīng)于針對(duì)總遷移率范圍的180毫秒),可實(shí)現(xiàn)rmob≥100的遷移率分辨率。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的程序,可檢測(cè)更多離子。
根據(jù)本發(fā)明的縮放將稱(chēng)為“空間縮放”,與us8,766,176b2中介紹的“時(shí)間縮放”不同。根據(jù)本發(fā)明的縮放將遷移率在感興趣范圍內(nèi)的離子擴(kuò)散至積聚通道和掃描通道的幾乎整個(gè)長(zhǎng)度。因此,這種空間縮放可有利地聚集相對(duì)于時(shí)間縮放大幅增多的感興趣離子,而不會(huì)因空間電荷效應(yīng)嚴(yán)重?fù)p失離子,因而可在質(zhì)量-遷移率圖中檢測(cè)更多離子。
在圖7中,示出了高遷移率的離子聚集在位置(40)和(41)之間的遷移率范圍內(nèi)。盡管這些離子中的很多因空間電荷效應(yīng)已丟失,但這些離子在裝置的軸附近積累大量空間電荷,從而在某種程度上阻礙入射離子進(jìn)入積聚通道。通過(guò)在高遷移率離子進(jìn)入離子遷移譜儀之前消除這些離子的程序可進(jìn)一步改進(jìn)本發(fā)明。例如,可通過(guò)選擇入口漏斗(10)中的rf電壓和rf頻率,從而使低質(zhì)量離子不進(jìn)入離子積聚通道和離子遷移率掃描通道,來(lái)消除這些離子。圖9中示出了另一個(gè)措施。通過(guò)在電極(5a)和(5b)之間施加合適的反向電壓,可在入口毛細(xì)管(8)中已經(jīng)消除了高遷移率的離子。如今,人們都使用具有高電阻的入口毛細(xì)管(例如參見(jiàn)us5,736,740a,j.franzen,1995年)。如果在此毛細(xì)管內(nèi)產(chǎn)生合適的反向電場(chǎng),高遷移率的離子將被阻止,并在具有高電阻的毛細(xì)管壁處被中和。
在另一個(gè)實(shí)施例中,可在某些位置引入能夠沿裝置的軸產(chǎn)生較急劇電場(chǎng)強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)的特殊柵極。為了保持四極rf場(chǎng)完整,該柵極可包括燈絲,燈絲由“易漏介質(zhì)”材料(即具有非常高電阻的材料)制成??赏ㄟ^(guò)摻雜絕緣燈絲或使用半導(dǎo)體制作高電阻燈絲。用于rf電壓的燈絲比用于dc電壓的燈絲具有更高的實(shí)際電阻,從而保持rf四極場(chǎng)不會(huì)受到大幅干擾。出于相同目的,也可使用感應(yīng)式燈絲,例如通過(guò)在絕緣燈絲上纏繞導(dǎo)電材料而制作的燈絲。
柵極可以盡量開(kāi)放,以不阻擋氣流。圖10顯示了具有薄燈絲的兩個(gè)開(kāi)放柵極。在圖左側(cè)的版本中,四個(gè)燈絲相互交叉,可產(chǎn)生均勻覆蓋截面的柵極。在圖右側(cè)的版本中,總共只使用了四個(gè)燈絲。由于離子被保持在距軸非常近的位置,因此直徑僅約為一毫米的中心小孔足以讓離子通過(guò);另一方面,軸上的dc電勢(shì)幾乎可達(dá)到柵極的電勢(shì)。
圖11顯示了與圖7中相似的空間縮放程序,但避免了在位置(42)和(43)之間具有陡峭斜坡的末端產(chǎn)生場(chǎng)峰值。取而代之的是在位置(51)和積聚單元末端之間使用線(xiàn)性場(chǎng)梯度,這稍微增加了積聚單元內(nèi)位置(51)和(53)之間的空間電荷影響。在轉(zhuǎn)移階段(i),在掃描單元中僅儲(chǔ)存通過(guò)位置(53)處的壓降(58)產(chǎn)生的遷移率處于中間范圍的離子。低遷移率離子(高質(zhì)量;大圓)在下一次掃描前立即離開(kāi)掃描單元。高遷移率離子不被轉(zhuǎn)移并在積聚單元中被中和(淬滅),例如,通過(guò)關(guān)閉rf電壓,或從積聚單元拋出。這種更高遷移率離子的保留大幅減少了掃描單元中的空間電荷。
圖12顯示了縮放程序的另一個(gè)實(shí)施例,其中,首先所有離子在積聚單元中聚集。階段(m)顯示了在通過(guò)掃描單元的位置(67)處的壓降(76)建立的掃描之后的離子聚集結(jié)束。聚集涉及具有不同遷移率范圍的離子組(70)、(71)和(72)。在掃描之后的階段(n),通過(guò)位置(63)處的壓降(75),只有聚集組(71)和(72)被轉(zhuǎn)移至掃描單元。組(72)的低遷移率離子不儲(chǔ)存在掃描單元中,因?yàn)槲恢?67)處的電壓被調(diào)整為使低遷移率離子(72,大圓)立即離開(kāi)掃描單元而不儲(chǔ)存的值。組(70)的高遷移率離子被保留在積聚單元中,然后被拋出或淬滅,例如,通過(guò)關(guān)閉積聚單元的rf電壓一小段時(shí)間。除了位置(63)和(67)處的電壓外,本實(shí)施例不需要任何可調(diào)整dc電壓,并在積聚單元使用可切換的rf電壓來(lái)淬滅高遷移率離子。
圖13中顯示了一個(gè)相似方法。此處,通過(guò)在電極(5a)和(5b)之間的電壓,高遷移率離子已被阻止在入口毛細(xì)管(8)內(nèi)。入口毛細(xì)管作為濾除高遷移率離子的遷移率過(guò)濾器。高通遷移率過(guò)濾避免了在積聚單元內(nèi)淬滅高遷移率離子的需要,如圖11和12中所示??墒褂萌魏纹渌w移率過(guò)濾器來(lái)取代入口毛細(xì)管,例如,可操作入口離子漏斗(10)使低質(zhì)量高遷移率的離子不被引導(dǎo)至積聚單元。
圖14中顯示了圖12中選擇性縮放的改進(jìn)。此處,離子組(71)通過(guò)使用電場(chǎng)梯度被轉(zhuǎn)移至掃描單元,該電場(chǎng)梯度比圖12中顯示的掃描單元的電場(chǎng)梯度更平坦,從而降低了掃描單元中的空間電荷效應(yīng)。該程序需要在位置(94)處提供額外可調(diào)整的電壓。此處,如圖13所示,通過(guò)在入口毛細(xì)管中阻止高遷移率離子,可避免在積聚單元中淬滅高遷移率離子。
總的來(lái)說(shuō),本發(fā)明提出了一種俘獲離子遷移譜儀(“tims”),其包括rf電壓發(fā)生器和dc電壓發(fā)生器以及基本同心的有孔電極棧,其中,向棧前端附近的電極提供額外dc電壓,該電壓同棧末端附近的電極的dc電壓一同形成電場(chǎng)斜坡的平緩部分,在該平緩部分上僅積聚遷移率在所選范圍內(nèi)的離子,通過(guò)額外dc電壓確定遷移率范圍的最高遷移率,通過(guò)此dc電壓和棧末端附近dc電壓之間的差來(lái)確定感興趣的最高遷移率和最低遷移率之間的范圍寬度。在俘獲離子遷移譜儀中,可通過(guò)降低棧末端附近的dc電壓來(lái)掃描電場(chǎng)分布平緩部分上的不同遷移率的離子。
具體地,俘獲離子遷移譜儀可額外包括由另一電極棧形成的離子積聚部分、和能夠?yàn)榇穗x子積聚部分的電場(chǎng)分布提供額外電壓的電壓發(fā)生器。電極處的電壓可形成電場(chǎng)斜坡的平緩部分,額外電壓可形成積聚電極棧末端的電場(chǎng)峰值,該電場(chǎng)峰值阻止離子遷移率比感興趣離子遷移率低的離子。
俘獲離子遷移譜儀可包括額外措施以阻止高遷移率離子進(jìn)入電極棧。例如,可將高遷移率離子阻止在電極棧前端的漏斗內(nèi)?;蛘?,可通過(guò)質(zhì)譜儀入口毛細(xì)管內(nèi)的反向電壓阻止高遷移率離子。
俘獲離子遷移譜儀可在棧的某些電極處額外包括柵極以改進(jìn)電場(chǎng)分布。柵極的燈絲可由易漏介質(zhì)材料制成,或者柵極可包括電感式燈絲。電感式燈絲可通過(guò)在薄絕緣芯上纏繞或沉積導(dǎo)電材料制成。
本發(fā)明還涉及一種質(zhì)譜儀,該質(zhì)譜儀包括俘獲離子遷移譜儀tims或平行離子積聚tims,二者都配備根據(jù)本發(fā)明的額外電壓源。
還可通過(guò)增大整個(gè)裝置來(lái)提高積聚單元和掃描單元的容量。質(zhì)譜儀仍可以接受具有更高rf電壓的更大離子遷移譜儀,但隨內(nèi)徑四階增大的氣流需要更大且需要更加昂貴的真空泵。這可能成為此類(lèi)擴(kuò)增的限制。