CN101606221A - 离子迁移装置 - Google Patents

Abstract

一种在质谱仪的较高与较低压区域之间传输气体和附连离子的方法，包括在较高与较低压区域之间提供离子迁移管道60。离子迁移管道60包括限定离子迁移通道的电极组件300。电极组件300具有第一宽度D1的第一组环形电极305、以及第二宽度D2(≥D1)与第一环形电极305交替的第二组环形电极。大小V₁和第一极性的直流电压被提供给第一环形电极205，且大小V₂(可以小于或等于大小V₁)但具有相反极性的直流电压被施加到第二环形电极310。离子迁移管道60的压力被控制以便于维持离子迁移通道内的气体和离子的粘性流动。

Description

离子迁移装置

发明领域

本发明涉及用于在质谱仪内传输离子的离子迁移装置，尤其涉及用于将离子从大气压电离源传输到质谱仪真空室的高真空的离子迁移装置。

发明背景

离子迁移管，也称为毛细管，在质谱仪领域中公知用于在维持在或接近大气压的电离室与维持在减小压力的第二室之间传输离子。一般而言，离子迁移通道通常采用细长窄管(毛细管)的形式，其具有对电离室开放的入口端以及对第二室开放的出口端。离子与带电和不带电粒子(例如，来自静电喷雾或APCI探针的部分去溶剂化液滴、或者来自激光器解吸或MALDI源的离子和中子以及基质/基体)以及背景气体一起进入离子迁移毛细管的入口端并且在压力梯度的影响下横穿其长度。离子流/气流然后作为自由射流膨胀(free jetexpansion)退出离子迁移管。离子可随后通过连续低压的区域穿过撇渣器锥(skimmer cone)的孔径并且此后被递送到质量分析器来获取质谱。

在现有离子迁移装置中存在显著损耗，以使由离子源产生那些离子的大多数无法成功到达并穿过离子迁移装置从而进入质谱测量的后续阶段。

已经采取了多种方法来解决此问题。例如，离子迁移管可被加热以蒸发残留溶剂(从而提高离子产量)并且分离出溶析加合物。已经提出了所加热的气体的逆流以在喷雾进入迁移通道之前增加去溶剂化。已经实现了用于试样喷雾、毛细管以及撇渣器的对准和定位的各种技术来设法最大化实际到达离子迁移通道下游的质谱仪的离子光学器件的来自源的离子数量。

已观察到(参见，例如Sunner等人，美国社会杂志，Mass Spectrometry(质谱仪)，第5卷，第10期，873-885页(1994年十月))进入离子迁移管的离子的很大一部分因与管壁碰撞而损耗。这减少了递送到质量分析器的离子数并且对仪器灵敏度产生不利影响。此外，对于由电介质材料构成的管，离子与管壁的碰撞可导致电荷积聚并且抑制离子进入并且流经该管。现有技术包含据称通过减少离子与管壁的相互作用或者通过降低充电效应来降低离子损耗的多个离子迁移管设计。例如，Franzen的美国专利5,736,740号提出通过应用轴向直流场来相对于气流减速离子。根据此参考文献，气流(相对于离子)的抛物线速度曲线产生将离子聚焦到管中心线的气动力。

其它现有技术参考文献(例如，Fischer的美国专利6,486,469号)涉及用于例如通过使用连接到电荷槽的导电材料层涂覆入口区来最小化介电管的充电的技术。

另一种方法是使从大气的离子朝向中心轴“漏斗式汇集”。用于在离子迁移毛细管之后的在真空条件下工作的离子漏斗的概念首先在US6107628中阐述，并且然后由Belov等人在美国社会杂志Mass Spectrom 200，第11卷，第19-23页中详细描述。最近的离子漏斗汇集技术在以下专利中有描述：Tang等人的、题为″Independent Control of Ion transmission in a jet disrupter Dual-Channelion funnel electrospray ionization MS interface″(在喷射中断器双通道离子漏斗静电喷雾离子化MS界面中的离子传送的单独控制)的、分析化学2002，第74卷，5431-5437页的美国专利号6,107,628，其示出双漏斗排列；在Page等人的″An electrodynamic ion funnel interface for greater sensitivity and higherthroughput with linear ion trap mass spectrometers″(使用线性离子阱质谱仪的用于更大灵敏度和更高产量的电动力学离子漏斗界面)，国际杂志MassSpectrometry 265(2007)244-250页，其描述适用于在线性阱四极杆(LTQ)装置中使用的离子漏斗。不幸的是，离子漏斗的有效工作仅延伸到约40mbar的气压，即大气压的4％。

具有对大气压的开口的漏斗形设备在Kremer等人的、物理杂志：应用物理第39卷(2006)5008-5015页中的“A novel method for the collimation of ions atatmospheric pressure”(一种用于在大气压中的离子准直的新颖方法)中公开，其采用浮动元件被动离子透镜来静电地聚焦离子(准直它们)。然而，这不解决在大气与预真空之间的压力区中聚焦离子的问题。

又一替换装置在Willoughby等人的美国专利6,943,347号中阐述，其提供具有轴向交替的导电电极层的成层管结构。加速电位被施加于导电电极以最小化进入入口区的场穿透，并且延迟场分散直到粘性力更能够克服因减小电场产生的分散效应。虽然可能帮助降低离子损耗，但是离子向中心轴的实际聚焦需要不断增大的轴向场，这在低压下因为击穿而变得技术上不可能。

又一现有技术参考文献(例如，Fischer的美国专利6,486,469号)涉及用于例如通过用连接到电荷槽的导电材料层涂覆入口区来最小化介电管的充电的技术。

虽然以上方法中的某一些可被部分地成功用于降低离子损耗和/或减轻因离子与管壁的碰撞而引起的不利效应，但是聚焦力远非足以保持离子远离壁，尤其是离子束内的较大空间电荷以及较大的管长度的情况下。后一要求因需要去溶剂化由静电喷雾或APCI离子源形成的簇而出现。在替换装置中，管可由简单的孔径代替并且然后去溶剂区必需设置在该孔径的前面。然而，气体速度在该区域中要比在管的内侧低得多，并且因此空间电荷效应产生更高的损耗。因此，在本领域中仍然存在对实现离子损耗的进一步降低并且可在更大范围的实验条件和试样类型上工作的离子迁移管设计的需要。

发明内容

在这个背景下、并根据本发明的第一方面，提供了

一种离子迁移装置，其用于在相对高压区域与相对低压区域之间传输离子，包括：

离子迁移管道，其具有朝向相对高压室的入口开口、朝向相对低压室的出口开口、以及围绕离子迁移通道的至少一个侧壁，该侧壁沿入口端与出口端之间的中心轴延伸；以及

多个孔径，这些孔径沿侧壁的纵向形成以便于允许来自离子迁移通道内的气体流到管道的侧壁外侧的较低压区域。

根据本发明的第二方面，提供有一种在第一、相对高压区域与第二、相对低压区域之间传输离子的方法，该方法包括以下步骤：

允许来自相对高压区域的离子和气体的混合物进入具有或限定离子迁移通道的离子迁移管道的入口开口；

通过在位于离子迁移管道的入口开口与出口开口中间的管道壁中的多个过道，去除离子迁移通道中的气体的一部分；以及

使离子和剩余气体通过朝相对低压区域的出口开口退出离子迁移管道。

在一种简单的形式中，用于根据本发明的各实施例的质谱仪的接口包括具有朝向高压室的入口端开口以及朝向低压室的出口端开口的离子迁移管。高和低压室可由相对于彼此具有相对较高和较低压力的任何区域提供。例如，高压室可以是离子源室而低压室可以是第一真空室。离子迁移管具有围绕内部区域并且沿入口端与出口端之间的中心轴延伸的至少一个侧壁。离子迁移管具有形成于侧壁中的多个过道。过道允许气体从内部区域流到在侧壁外部的降压区域。

在另一简单形式中，本发明的各实施例包括离子迁移管，该离子迁移管用于接收来自高压区域中的源的离子并将其传输到在质谱仪的降压区域中的离子光学器件。该离子迁移管包括入口端、出口端、以及围绕内部区域并沿入口端与出口端之间的中心轴延伸的至少一个侧壁。离子迁移管还可包括至少部分围绕并连接到离子迁移管的整合真空室管。该整合真空室管在相对于内部区域的降低的压力下隔离直接围绕离子迁移管的至少一部分的体积。侧壁具有提供形成于侧壁中的至少一个过道的结构。至少一个过道允许气体从内部区域流到在侧壁外部的体积。该结构和过道在整合真空室管的内侧。该侧壁的结构可包括多个过道。

在又一简单形式中，本发明的各实施例包括一种将离子从离子源区域传输到第一真空室的方法。该方法包括允许来自离子源区域的离子和气体的混合物进入离子迁移管的入口端。该方法还包括通过位于离子迁移管的入口端与出口端的中间的多个通道去除气体的一部分。该方法还包括使离子和剩余气体通过出口端退出离子迁移管进入到第一真空室。该方法还可包括感测离子迁移管中的由背景气体的一部分的去除和相关联的蒸发中的至少一个引起的潜热的减少，并且在软件或固件的控制下通过加热器增加施加到离子迁移管的热量。

本发明的各实施例具有减少通过离子迁移管的出口端的气体流动的优点。还假设了若干相关联的优点。例如，减少的通过离子迁移管的出口端的流动降低了承载离子的气体在其离开离子迁移管时用来膨胀的能量。因而，离子具有更大的机会来通过直接下游的撇渣器的孔径以直线上行进。此外，在离子迁移管的至少一部分中的流动的减少可具有增大在离子迁移管的该部分中的层流量的效应。层流更稳定，以使离子可维持聚焦并且通过撇渣器的相对小孔径在过道上以直线行进。随着气体通过离子迁移管的侧壁被抽出，离子迁移管内的压力被降低。降低的压力可导致增大的去溶剂化。此外，潜热在气体通过侧壁抽出时被去除。因此，更多的热可被迁移通过离子迁移管，并且进入内部区域中剩余的试样，从而导致增大的去溶剂化以及实际到达离子光学器件的离子的增大的数目。

本发明的进一步特点和优点将从所附权利要求书和以下描述中变得显而易见。

附图简述

图1示出根据本发明的第一实施例的离子迁移装置的截面图；

图2示出用于图1的离子迁移装置的离子入口区域的示例；

图3示出具有优化流动的空气动力学透镜的图2的离子入口区域；

图4a、4b和4c一起示出图2和3的离子入口区域的定形实施例的包络的示例。

图5更详细地示出具有图4b所示的形状的离子入口区域；

图6示出形成图1的离子迁移装置的一部分的交流电压管道的第一实施例；

图7示出交流电压管道的第二实施例，

图8描绘图7和8的交流电压管道的替换实现的俯视图；

图9a、9b、9c以及9d示出根据本发明的离子迁移装置的各替换实施例；以及

图10示出通过离子迁移装置的示例性离子轨道。

优选实施例的详细描述

图1示出采用本发明的各方面的离子迁移装置，其用于在大气压离子源(例如，静电喷雾)与有质谱测量的一个或多个阶段位于其中的后续真空室的高真空之间传送离子。在图1中，诸如(但不限于)静电喷雾源、大气压化学离子化(APCI)或大气压光致电离(APPI)源等离子源10位于大气压中。这以公知方式产生离子，并且离子经由入口孔径30进入离子迁移装置(一般在附图标记20处指示)。离子然后通过第一泵浦传输室40(此后称为膨胀室40)并且继续进入包含离子管道60的第二真空室50。离子退出管道60并且通过离子迁移装置的出口孔径70，在该位置它们进入(经由一系列的离子透镜-未示出)质谱分析的第一阶段(以下称为MS1)80。如技术人员所容易地理解的，MS1将通常后接质谱分析的后续阶段(MS2、MS3...)，但这些阶段不形成本发明的一部分并且因此为清楚起见不在图1中示出。

以下将提供图1的离子迁移装置20中的各组件的配置的更详细的说明。然而，为了更好地理解该配置，首先将提供在大气与预真空(比如在约1-10mbar之下)之间的不同压力区域中的离子传输方式的一般讨论。

离子传输在图1的离子传输装置20内和周围的不同压力区域中在特性上是不同的。虽然实际上压力当然不会在离子源与MS180之间的任何点瞬间改变，但是可定义五个不同的压力区域，且在每一个区域中有不同的离子传输特性。这五个区域在图1中被标记并且如下：

区域1。这是压力在约1-10mbar之下的、MS1的进入离子光学器件所在的区域。此区域未被本发明所涉及。

区域5。这是大气压区域并且主要受动力流以及静电喷雾或其它大气压力离子源本身支配。如同区域1一样，它不是本发明直接所涉及的。

剩下区域2、3和4。

区域4：这在到离子传输装置20的入口孔30的附近。

区域2：这是管道60所在的区域，其将离子传输装置20的出口孔径70邻接到MS1。最后，

区域3：这是在离子传输装置20的入口孔30(区域4)与如上所述的区域2之间的区域。

对进入典型的市场上可购得的毛细管的离子传输装置(在入口孔30处)的离子电流的测量指示它在I₀≈2.5nA的范围内。因此，已知引入气流值Q＝8atm·cm³/S、并且管道的内径是0.5mm，则初始电荷密度的范围₀可被估算为0.3-1*10^-9C/cm³＝(0.3...1)*10^-3C/m³。已知在管道内侧的离子的停留时间，t＝0.113m/50m/s≈2*10^-3s，以及大气压下的平均离子迁移率值K＝10^-4m²/s，则传送效率因空间电荷排斥的限制可以从下式确定：

${\left[\frac{\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right]}_{\mathrm{sc}}=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{Kt}}{{\mathrm{\ϵ}}_0}}=\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_0\·{10}^{-4}\·2\·{10}^{-3}}{8.85\·{10}^{-12}}}\≈0.13$

因而为改进离子电流(这是本发明的各方面的目的)，较佳地优化管道中的离子迁移率和离子停留时间。

在大气压离子化(API)源中的离子损耗的大部分在接口的入口孔30前面的电离室中发生。该离子损耗的比例由从API源的Taylor锥到入口孔30的离子/液滴漂移时间确定。在入口孔30附近的气流速度分布是

其中d是管道的直径，并且R是从该点到入口孔30的距离，C是常数并且ΔP是压降。离子速度是V_离子＝V_气体+KE，其中K是离子迁移率、且E是电场强度。假设K～10^-4m²/s、且E～5·10⁵V/m，则由电场引起的速度是～50m/s。在0.5mm ID管道内侧的气流速度约是同一值，但是在距入口孔30的距离5mm处，随气体行进的离子约比其在电场中的漂移慢10倍。因此，在该区域中的离子停留时间是在10^-4 s的范围内，这因为根据以上方程式(2)的空间电荷排斥而导致约50％的离子损耗。

换言之，离子迁移装置的分析考虑提出空间电荷排斥是主要的离子损耗机制。确定离子传送效率的主要参数是在管道中的离子停留时间t、以及离子迁移率K。因而一种改进离子传输效率的方式是减小t。然而，存在对t的无限增大的一系列限制：

1.蒸发液滴所需的时间；

2.层气流转换成紊气流的临界速度；以及

3.在气流加速到声速时冲击波的出现。这尤其是在大的压降从区域5经历到1时(约1000到1mbar)的情况。

现在返回到附图1，现在将更详细地描述离子传输装置的优选实施例。所采用的特征和配置设法解决对上述的离子传输效率的限制。

首先考虑的区域是区域4和3，它们分别限定入口孔径30和膨胀室40的附近区域。

为了解决在入口孔30前面的离子损耗，增大进入入口孔30的引入气流是合乎需要的。这是与以上分析相一致的-对给定离子电流，在到离子传输装置的入口处的更高的气流速率允许捕捉更大量的气体，并且假定气体由离子填充到饱和，则有更多离子。降低区域3和4中的停留时间以离子流达到高但非超声速度为条件。

因而，通过优化或包括API源10与到管道60的入口之间的组件，在区域4和3中改进是可能的。在大气中的区域5与区域2之间接口的区域4和3理想地提供离子的气体动力聚焦，这些离子通常比用于多数感兴趣的分析物的氮分子重超过4-10倍。

第一个目的是避免区域5与2之间的超声流模式，因为这可导致不可预期的离子损耗。该目的可通过使用位于膨胀室40中的入口漏斗48来实现。这种漏斗48在图1中示为具有不同中心孔径的一系列平行板；这种装置(以及某些替换装置)的用途联系图2-4在下文中阐述。理想地，漏斗48是短的(实际上，对于诸如图1中所示的分段装置，3mm约是尽可能地短)，并且理想地小于1cm长。

膨胀室40通过连接到膨胀室的泵浦口45的隔膜、抽取或涡旋泵(未示出)优选地被泵浦至约300-600mbar。通过适当定形离子漏斗48，在离子进入膨胀室40时的它们的膨胀可被安排成便于控制或完全避免冲击波形成。

如在由Sunner等人的以上提及的文献中所示，即使在低喷雾电流时，大气压源(例如，静电喷雾或API)是空间电荷限制的。本发明人已通过实验确定，即使施加最高的电场，API源也没有能力携带超过0.1-0.5*10-9库仑(atm.cm3)。为了即使为纳米喷雾源捕捉该电流的大部分，这也要求入口孔径30具有至少0.6-0.7mm的直径，并且随后是强加速和聚焦电场(虽然有必要将总的压降保持在电场击穿的发生之下)。

图2是实现此强加速和聚焦电场的简单装置的示意性图示。在此，在膨胀室40内但邻近到管道60的入口，入口孔径30被保持在第一直流电压V1同时平板电极90被保持在电压V2。在施加电压后，入口孔30和平板电极90一起构成简单的离子漏斗48。图2中的平板电极具有通常与管道60的内径相似的直径并与其对准，但仍然起到将离子漏斗式地汇聚到管道60的作用的中心孔径。在孔径30与平板90之间的电场有效地使带电粒子加速，并且在开口处的边缘场将带电粒子拖入管道，因为这些往往平行于电场线行进，即使在粘性流中也是如此。这一到管道区域中的电辅助加速通常是优选的。

作为对图2的简单装置的发展，在电压V1下的入口孔30与电压V2下的平板电极之间的膨胀室40中的空间可包括另外的离子透镜或空气动力透镜、或者它们两者的组合。图3示意性地示出这一结构：平板电极100的阵列被安装在入口孔30与平面电极90之间以构成离子漏斗48。组成平板电极阵列100的电极的每一个具有通常与入口孔30和平板电极90的那些孔径共轴、但是每一个为不同的直径的中心孔径。

各种不同的形状可通过平板电极阵列100来描述：在最简单的情况中，朝向管道的漏斗是仅向外展开的(线性电阻分布特性)。这在图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”(在傅立叶变换离子回旋加速器共振质谱仪上结合向外展开的入口毛细管)，美国社会杂志MassSpectrom.2006第17卷、第772-779页中更详细地描述。替换形状同样高度示意性地在图4b和4c中示出，并且分别是喷嘴(文丘里(Venturi)设备-参见Zhou等人(Zhou，L.；Yue，B；Dearden，D.；Lee，E.；Rockwood，A.& Lee，M.Incorporation of a Venturi Device in Electrospray Ionization(在静电喷雾离子化中结合Venturi设备)，分析化学，2003，75，5978-5983)以及喇叭或指数形入口。

因而，图2至4的装置(以及图1的膨胀室40中所示的装置)的效果是创建了到管道60的分段漏斗入口。在每一种情况中，入口孔径30可以小于聚焦通道的直径但是足够大以允许大量气流。对离子漏斗定形的目的是将漏斗出口与管道60的入口之间的体积转换成射流分离器-仍然广泛地用在与气相色谱分析相关的质谱仪中的设备-的模拟。由于分析物的分子比载气(通常是氮)的分子要重得多，所以它们在膨胀之后的发散也比载气小得多，即发生空气动力聚焦。此效果可通过至少部分地从氦形成载气来进一步促进，尤其是在所需电压足够低以应付惰性气体的较低辉光放电限制的情况下。结果，离子被保持在轴附近，并且可被迁移到聚焦通道的中心部分，即使通道直径不比漏斗的大很多，例如，0.8-1.2mm ID。即使该直径大于传统毛细管的直径，但是起动压力小2-3倍，以使它仍可能在与那些当前使用的例如28-40m3/h类似的泵浦容量的漏斗的端部采用真空泵。同时，漏斗48内侧的离子的主动聚焦允许管道60的后续长度在无损耗的情况下增加。这又改进任何剩余液滴和簇的去溶剂化。结果，试样流速可被扩展到更高范围，远超过纳米喷雾流速。

仅是空气动力透镜的一个示例的射流分离的一个非常简单的示例在以下联系图9a-d中的某些实施例来讨论。

作为对优选实施例的区域4和3的装置的进一步附加或替换，离子漏斗48可在通道内侧的一个或多个点处包括边界层的辅助泵浦，沿通道的压降可被限制等等。为了沿这种漏斗48维持强电场，这些泵浦槽可被用作在不同电势下的薄板之间的间隙。

再次参考图1，现在将更详细描述区域2(即，膨胀室40与到MS180的出口孔70之间的区域)的配置。

位于真空室50中并限定离子迁移装置的区域2的管道60由三个单独组件形成：加热器110、一组直流电极120以及一般在130处示出并且在下文中更详细描述的差动泵浦装置。应理解，这些组件的每一个具有它们自己的单独功能以及优点，但是它们在被一起采用时另外具有互相增效优点。换言之，同时使用这三个组件中的任何一个或两个导致对进入MS1的净离子流的改进，所有这三者的组合往往在其中提供最大的改进。

加热器110以已知方式形成为在由沿管道60的纵向轴延伸的一组直流电极限定的通道周围的电阻性绕组。绕组可与通道115直接热接触，或者可替换地与其分离，以使在电流流经加热器110绕组时，它导致通道中的气流的辐射加热或对流加热。实际上，在另一替换装置中，加热器绕组可形成于差动泵浦装置130内或上以便于向内向通道115中的气流辐射热。在又一替换中，加热器可甚至由直流电极120构成(只要电阻可被匹配)-关于这一点进一步参见下文。其它替换装置将对技术读者是显而易见的。

加热离子迁移通道115升高流经它的气流的温度，从而促进残余溶剂的蒸发以及溶剂离子簇的分解、并且增加递送到MS180的分析物离子的数目。

图5将在图4中所描绘的形状的实施例示为堆叠平板电极的泵浦管道的入口区域，且具有装置48用于改进泵浦。将理解，所示平板电极可在直流、交替直流、或RF上工作，且入口开口的泵浦以及适当形状在所有情况下都改进传送。

现在将描述一组直流电极120的各实施例。这些再一次可以用示意图的形式并且在图1的纵向横截面中看见，但是在图6和7中更详细地示出了替换实施例。在每一种情况中，相同的附图标记指示相同的部件。

参考图1和6，直流电极120的目的是减少离子与由直流电极120本身所限定的通道115的壁的交互作用。这通过生成趋于将离子远离通道壁的内表面并且朝向通道中心线来聚焦的空间交替非对称电场来实现。图1和6以纵向横截面示出了可如何使用一组直流电极120以提供这种电场来构造粒子迁移通道115的示例。离子迁移通道115由排列成与第二多个电极210(在此称为“低场强电极”或LFE)为交替关系的第一多个电极205(由于将变得显然，在此称为“高场强电极”或HFE)来限定。各个HFE 205和LFE 210具有环形，并且HFE 205以及LFE 210的内表面共同限定了离子迁移通道壁的内表面。相邻电极按以下讨论的方式通过间隙或绝缘层相互电绝缘以便施加不同的电压。在一个具体实现中，电绝缘可通过在多个电极(例如，LEF)之一的外表面上或附近形成绝缘(例如，氧化铝)层来实现。如图6中所示，HFE 205和LFE210可被外管状结构215环绕以提供结构完整性、气密性、并且辅助组装。然而，在图1的优选实施例中，外管状结构可被省略或者利用洞或孔来调整以便能沿离子迁移通道的长度泵浦其内部区域(经由相邻电极之间的间隙)-以下将进一步描述的过程。

将理解，虽然图1和6为清楚起见描绘相对小数目的电极，但是离子迁移通道115的典型实现将包括数十或数百个电极。进一步注意，虽然图1和6示出基本沿离子迁移通道115的全长延伸的电极，但是其它实现可具有完全没有电极的离子迁移通道长度的一个或多个部分。

电极以周期H(连续LFE或HFE之间的间隔)来排列。HFE 205的宽度(纵向范围)远小于相应的LFE 210的宽度，且HFE通常构成周期H的约20-25％。HFE宽度可被表达为H/p，其中p可通常在3-4的范围内。选择周期H以使穿过离子迁移通道115的离子在与常规高场非对称离子迁移率光谱测定法(FAIMS)设备中的射频限制区的频率近似的频率下经历交替的高和低场强。例如，假设500米/秒的平均气流速度，500微米的周期H产生1兆赫的频率。周期H可沿管的总长度维持不变，或者可替换地沿通道长度被调整(以连续或步进的方式)以反映由压力梯度引起的速度中的变化。离子迁移通道115的内径(ID)(由LFE 205和HFE 210的内表面限定)将优选地具有大于周期H的值。

一个或多个直流电压源(未描绘)连接到电极以将第一电压V₁施加到HFE205并且将第二电压V₂施加到LFE 210。V₂具有与V₁相反的极性以及远小于V₁的大小。优选地，比率V₁/V₂等于-p，其中p(如以上所示)是由LFE宽度占据的间隔H的分数的倒数并且通常在3-4的范围内，以使离子在整个周期所经历的电场的空间/时间积分等于零。V₁和V₂的大小应足够大以实现以下详细说明的所需聚焦效果，但不能大到导致相邻电极之间或者电极与邻近表面之间的放电。相信50至500V的大小将满足前述标准。

向HFE 205和LFE 210施加规定的直流电压在离子迁移通道115内部中生成高和低场强区域的空间交替模式，每个区域与相应电极大致纵向地同延。在每一区域内，场强在流中心线处为零或接近零并且随距中心的径向距离而增大，以使离子经历在大小上随着离子接近离子迁移管的内表面而增大的吸引或排斥径向力。该交替的高/低场强模式产生在概念上与在常规高场非对称离子迁移率光谱测定法(FAIMS)设备中发生的行为相类似的离子行为，在该常规FAIMS设备中非对称波形被施加到限定分析器区域的相反电极对的一个电极(例如参见Guevremont等人的美国专利7,084,394号)。

图6示出在交替非对称电场的影响下远离流中心线定位的正离子的轨道。离子在高场强区域中远离离子迁移通道的内表面，并且在低场强区域中移向内表面(这假设HFE 205具有施加到其上的正电压并且LFE 210带负电(再次，注意极性应参考沿流动路径的经平滑的(即，在空间周期上平均)电势分布来分配，如以上所述的)，从而产生Z字形路径。

如已在FAIMS领域中所详细描述的，在经受交替高/低场的粘性流区域中的离子的净移动将取决于离子迁移率随场强的变化。对于A型离子，其离子迁移率随增大的场强而增大，在循环的高场强部分中行经的径向距离将超过在低场强部分期间行经的径向距离。对于在图6中所描绘以及以上所描述的示例，A型离子将展示出朝向流中心线的净径向移动，从而防止与离子迁移通道115内表面的碰撞以及因而产生的中和。随着离子接近流中心线，场强显著减小，并且离子停止经历从电极产生的强径向力。相反地，对于C型离子(离子迁移率随增大的场强而减小)，离子在低场强区域中所行经的径向距离将超过在高场强区域中所行经的距离，从而如果V₁和离子的极性是相同的则产生朝向离子迁移通道115内表面的净移动。此行为可被用来在A与C型离子之间进行区别，因为C型离子将优先被与通道壁的碰撞毁坏，而A型离子将聚焦到流中心线。如果C型离子的优先传输是期望的，则可交换V₁和V₂的极性。

提供交替直流电场的上述技术对于在其中气体动力使离子的轨道从纯纵向路径偏斜或者平均自由程变得足够长(即，其中与气体原子或分子的碰撞不再支配离子运动)的区域中聚焦离子可能是不适当的。例如，在离子迁移通道115内的由于在大气压下的API源与在高真空(＜1mbar)的MS180之间的压力差而引起的气体膨胀和加速可导致在离子迁移通道内部接近其出口端处产生一个或多个冲击波，从而急剧地偏斜离子路径。对于设置在离子迁移通道115的远端部分的电极，可能有必要施加RF电压(与直流电压一起或代替直流电压)以提供足够聚焦来避免离子-通道壁交互作用。在此情况中，反相的RF电压将被施加到邻近电极。

抑制冲击波的替换方法是差动地泵浦管道60(图1)，并且这将在以下描述。

图7描绘根据本发明第二实施例的离子聚焦/导向结构300，其可被用来将离子传输通过质谱仪器的接近大气或较低压区域。在此压力下，离子由于高粘性摩擦而被“嵌”入气流中并且因此具有与气流的速度类似的速度。

在离子的平均自由程与装置的尺寸相比为小时，通常认为流动与分子流动相反为粘性的。在该情况下，分子之间或者分子与离子之间的碰撞在传输现象中起重要作用。

对于根据本发明的具有几毫米或至一厘米的典型直径以及几厘米或分米的总长度、以及从约大气压到约1hpa压力的压力梯度的装置，具有遍及本发明的装置的粘性流动条件。

实际上，粘性流动条件克努森数(Knudsen number)K＝lambda/D小于1，具有下至约1至10pa的压力的粘性流动，这取决于分析物和尺寸(对于类似1mm直径毛细管中的代谢物的小分子为1pa)。

聚焦/导向结构300由放置成与第二多个环形电极(以下称为“第二电极”)310交替排列的第一多个环形电极(以下称为“第一电极”)305构成。相邻电极通过间隙或绝缘材料或层相互电绝缘。与图5的实施例对比，第一和第二电极305和310具有基本相等的宽度。环形电极305和310的配置表面上与在质谱仪领域中已知的RF环形电极离子导向的配置相类似。然而，并非向相邻电极施加反相的RF电压，而是聚焦/导向结构300采用施加到相邻点击的相反符号且相等大小的直流电压。通过相对于气体(离子)速度适当地选择电极周期D，横贯导向/聚焦结构的内部的离子在接近常规RF场的频率(例如，在1兆赫的量级)上经历交替极性的电场。交替电场以与RF电场相同的方式包含并聚焦离子。对施加到第一点击305和第二电极310上的适当直流电压的选择将取决于各种几何(电极内径和宽度)以及工作(气体压力)参数；在一典型的实现中，100V至500V的直流电压将足够生成所需场强而不引起电极之间的放电。此外，附加的RF电压可与这些直流电压一起施加(因而在单独的频率下有效地提供聚焦场)。

在该装置以及在其它本发明的装置中，运转长度H优选为小，尺寸在0.1至20mm，通常约1mm，以使离子的平均自由程通常短于管道的有关尺寸。

与图6的可调成优先传送A或C型离子的装置相反，图7的较简单装置将不示出关于离子的有差别的离子迁移率特性的显著偏差，但是仅改进所有带电粒子的传送。

类似的效果可通过将图6的装置调整到用于传送B型离子的条件来实现(即，设置电压，以使不会创建不同的高和低场区域)。

在替换工作方式中，图7的装置可直接使用交替高和低场波形来工作，因而产生RF FAIMS设备，在该RF FAIMS设备中随空间的场变化被转换成随时间的场变化，该变化在从带电粒子的移动坐标系观察时大致相等。

聚焦/导向结构的第一和第二电极的排列可被修改以实现某些目的。例如，图8描绘由第一电极405和第二电极410组成的聚焦/导向结构400的俯视图，其中相邻环形电极横向相互偏移以限定弯曲的离子轨迹(由幻象线415描绘)。替换地，该结构的轴可被逐渐弯曲。通过在离子轨道中创建弯曲，可实现某种离子-中性粒子分离(由于电场的差动效应而引起)，从而加强了气体中的离子/离子流的集中。在聚焦/导向结构的另一变体中，具有逐渐减小尺寸的内径的第一和第二电极可被用来创建与Smith等人的美国专利号6,583,408中公开的结构类似的离子漏斗结构，但是其采用交替直流电场来代替常规RF场。

返回到图1，现在将更详细地描述差动泵浦装置130。

如已讨论的，在离子进入粒子光学器件以传输到质谱仪的滤波和分析部分之前，具有大气压离子化源的常规入口部分遭受在源中产生的大多数离子的损耗。相信在离子迁移装置的退出端的高气流是对于这种大数目离子损耗的促成因素。中性气体在它离开离子迁移管时经历能量扩张。在该膨胀区域中的流动以及对于在离子迁移管中上游距离的流动通常在常规入口部分中是紊流的。因而，由气体运载的离子在过去的离子入口部分中仅聚焦到有限程度。相反，许多离子在整个流动气体的体积中高能地移动。假定因为该高能和紊流以及在离子上的所得的混合效应，离子不聚焦到合乎需要的程度，并且难以在这些流动条件下使离子与中性气体分离。因而，在中性气体被抽离的同时，难以分离出大部分的离子并且将它们向下游移动。相反，许多离子随中性气体一起被带走并且损耗。另一方面，与本发明的各实施例相关联的假设是在可使得流动沿离子迁移管的更大部分为分层的意义上，离子可被保持聚焦到更大程度。一种方法是提供所需层流以去除通过离子迁移管的侧壁的中性气体，以使在轴向中的流入以及从离子迁移管的出口端的流出被减少。此外，通过将中性气体抽出侧壁到中等程度，在离子迁移管内侧轴向流动的气流的边界层变薄，速度分布变得更满，并且流动变得更稳定。

一种在大气压离子化接口中增大离子通过量或传输效率的方式是通过增大离子迁移管的内径和减小离子迁移管的长度中的一个或多个来增大传导性。如通常所知，有了更宽且更短的离子迁移管，将更多离子传输到下游的离子光学器件将是可能的。然而，可用泵浦系统的容量限制直径有多大以及总传导性可有多大。因此，根据本发明的各实施例，离子迁移通道115(图1)的内径可被做得相对大，并且同时，离开离子迁移通道115的出口端的气流可被降低以改进流动特性来保持离子朝向气流的中心聚焦。以此方式中，中性气体可被更容易地与离子分离，并且离子可被更一贯地导向通过出口孔70以进入下游的MS1。结果是改进的传输效率以及增大的装置灵敏度。

即使在某些或所有情况中发现紊流导致增大的离子传输效率，应理解在离子迁移通道的下游端中的降低的压力以及由降低的压力引起的增大的去溶剂化在层流以及紊流条件下可以是本发明的各实施例所附带的优点。此外，即使在紊流条件下，通过离子迁移管的侧壁的中性气体的至少某一些的去除可起有效地使离子与中性气体分离的作用。即使在紊流中，具有它们较大质量的液滴以及离子将最可能在轴向流动通过管道60期间更中心地分布。因而，期望通过侧壁的中性气体的去除在层流和紊流条件下将有效地使中性气体与离子分离且具有相对较少的离子损耗。更进一步地，通过充入通过侧壁的中性气体而去除潜热来在层流和紊流条件下允许附加的加热来增大的去溶剂化。

包含管道60的区域2优先从泵浦端口55泵浦。如可从图1中所见，差动泵浦装置130包括用于在包含通道115的内部区域与在区域2中的包含管道60的真空腔50之间的流体导通的多个过道140。中性气体从内部区域115泵浦并且通过差动泵浦装置130中的过道140抽出以进入它在其中被抽出的真空室50。

传感器可连接到离子迁移管道60以及控制器58用于将指示离子迁移管道60的侧壁或某一其它部分的温度的信号发回控制器58。应理解，多个传感器可被放置在不同位置以获得温度曲线图。因而，一个或多个传感器可连接到离子迁移管道60用于检测在气体泵浦通过离子迁移管道60的侧壁中的多个过道140时的热的减少。

在替换装置中，如图9a中所示，管道60可被封闭的第三真空室150围绕。这可被用来通过差动泵浦装置130的壁中的过道140吸取气体。然而它同样可被用来将气流引导通过过道140并且进入离子迁移管道60的通道115而非去除背景气体，如以上所述的。这可通过将第三真空室150中的压力调整到大气压与通道115中的压力之间来实现。通过将气流引导通过过道140进入通道115，可创建可在其中破坏试样液滴的更多的紊流条件。更多的紊流条件可因而使试样液滴分成更小的液滴。该液滴的分裂是外力分裂，而非同样分裂液滴的库仑爆炸型分裂。在图9a的实施例中，还示出了进入膨胀室40的可任选附加泵浦端口56。泵浦端口45朝向平板电极48的前部定位，而泵浦端口56泵浦平板电极48与到第三真空室150的入口之间的区域。

在外力和库伦爆炸分裂的应用中，气体的去除和添加可在一个离子迁移管中应用。例如，如图9b中所示，第三真空室150被缩短并且仅封闭第二真空室50的区域。通过该方式，气体可经由入口150或入口156被添加到第二真空室50的任何部分。因而，可实现一系列交替的外力和库伦爆炸分裂来分裂试样的液滴。

在图1和9a、9b、9c以及9d的各实施例中的差动泵浦装置130的壁可从包括金属熔料、金属海绵、可渗透陶瓷、以及可渗透聚合物的一个或多个的材料形成。过道140可由材料中的孔或空隙空间限定。侧壁的材料中的孔或空隙可以是小的并且可形成通常连续的可渗透元件而没有离散的孔径。替换地，过道可采用形成于差动泵浦装置130的侧壁中的离散孔径或穿孔的形式。过道可通过具有圆形、直线、细长、均匀、以及非均匀构造中的一个或多个的通过开口来配置。

作为进一步的详情，图9c示出改进临界入口区域中的离子流的装置。孔30中的膨胀区域90提供一种简单形式的射流分离，其优先地传送相对接近轴的更重的粒子，而较轻粒子扩散到周围并且不被后续孔径接受，且加速板起到收集离子的作用。图9d示出其中喷嘴板48在方向上翻转，并且他们本身创建膨胀区，随后是非常薄的入口板的实施例。有了充足的压降，重的(即，比载气更重)带电粒子将容易地进入管道区域，且大量载体束以及较轻(溶剂)离子被撇除。

图9a、c和d中所示的多个泵浦装置(并且它们还可应用于图9b的实施例)可帮助降低接口成本，因为气体载荷的早期减少降低对下一阶段的泵浦要求。特别地，最前面的阶段45将后面的阶段的气体载荷降低超过2，即使在它仅是鼓风机的时候。

图10示出使用SIMION(RTM)软件的模拟的离子轨道(r，z)。由直流电极120限定的通道的ID是0.75mm，长直流电极段210是0.36mm，短电极段205是0.12mm，并且之间的间隙是0.03mm。气流速度是200m/S，并且施加到该组段的电压是+/-100V。离子从左移动到右。该模拟显示在由直流电极限定的通道直径的1/3处的内侧的离子被限制并沿通道聚焦。振荡离子的最大径向坐标沿约20mm的长度从开始的0.16mm减小到出口的0.07mm。在图10中观察到，不在通道的半径的1/3内的离子被损耗因为它们没有移动得足够快来克服接近通道壁的相反的直接直流电场。该模拟证实该离子限制取决于在管道60的内侧的压力、以及气流速度。该效应在大气压以及对应于该压力的速度(约60m/s)下非常弱(从0.174mm聚焦到0.126mm)。然而，在采用如上所述的直流电极装置120时，在较低压力(小于大气压几倍)，以及～200m/s的气流速度时，看见离子限制中的大得多的改进。这是因为在压力为约1mbar情况下进入MS180的最大气流被限制。

因而，虽然在采用仅直流电极装置120时在区域2中对离子限制存在一些改进，并且分开地，虽然在没有对直流电极装置的径向静电限制的情况下使用差动泵浦装置130时有改进，但是这两者在优选实施例中被一起采用以便于在创建最佳压力状态(低于约300-600mbar)的同时径向地静电限制离子。

将从以上介绍性讨论中注意到，离子迁移装置的各个部分寻求在从管道60的退出时保持气流速度在超声速水平以下以便于避免冲击波。这样的一个结果是在到MS180的入口上不需要撇渣器，即，来自区域2的出口孔径70可以是简单的孔径。已观察到，在出口孔径上的撇渣器的存在可导致离子电流的减小，所以离开管道60的气体的超音速度实际上具有进一步合乎需要的结果(不需要撇渣器)。

虽然以上所述实施例的大多数优选地采用圆形横截面的离子迁移管道(即，管)，但是本发明不限于管。例如椭圆形或矩形或者甚至平面(即，具有非常高的纵横比的矩形或椭圆形)的其它截面可变得更加优选，尤其是在采用高离子电流或多个喷嘴(喷嘴阵列)的时候。伴随的气流显著增大由差动泵浦的阶段数的增加来补偿。这可例如通过使用已采用的那些泵的中间阶段来实现。

在此申请中所描述的离子迁移通道在如上所述的泵浦调整的情况下导致他们本身多路转换为阵列。这种装置对于多毛细管或多喷雾器离子源而言可以是最佳的。

Claims (26)

1.一种用于在相对高压区域与相对低压区域之间传输离子的离子迁移装置，其包括：

离子迁移管道，其具有朝向相对高压室的入口开口、朝向相对低压室的出口开口、以及围绕离子迁移通道的至少一个侧壁，所述侧壁沿所述入口端与所述出口端之间的中心轴延伸；以及

多个孔径，所述孔径沿所述侧壁的纵向形成以便于使来自所述离子迁移通道内的气体流到在所述管道的侧壁的外侧的较低压力区域。

2.如权利要求1所述的离子迁移装置，其特征在于，还包括加热器，所述加热器与用于将热传导、对流和/或辐射到所述离子迁移通道的管道相邻。

3.如权利要求1或2所述的离子迁移装置，其特征在于，还包括至少部分地封闭所述管道的外壳。

4.如权利要求3所述的离子迁移装置，其特征在于，所述外壳是气密的并且完全封闭所述管道。

5.如权利要求4所述的离子迁移装置，其特征在于，还包括泵浦装置，所述泵浦装置用于抽空所述外壳以便于创建使用中的、所述离子迁移通道中的气体进入其中的相对低压区域。

6.如前述任一权利要求所述的离子迁移装置，其特征在于，所述侧壁由包括金属熔料、金属海绵、可渗透陶瓷、以及可渗透聚合物中的至少一个的材料形成，并且其中所述侧壁中的孔径由所述材料中的孔或间隙空间限定。

7.如前述任一权利要求所述的离子迁移装置，其特征在于，还包括：

电极组件，所述电极组件具有沿所述离子迁移管道的纵向方向的第一宽度D1的第一组电极，所述第一组电极与沿所述纵向方向的具有第二宽度D2(≥D1)的第二组电极交替；以及

直流电压提供装置，其用于向所述第一组电极提供大小V₁和第一极性的直流电压、以及向所述第二组电极提供大小V₂(|V₂|≤|V₁|)和相对于纵向方向上的平均电压分布的第二、相反极性的直流电压；

其中，所述电极组件至少部分地形成于所述离子迁移管道的侧壁内并且限定所述离子迁移通道。

8.如权利要求7所述的离子迁移装置，其特征在于D2＞D1并且|V₂|＜|V₁|。

9.如权利要求7或权利要求8所述的离子迁移装置，其特征在于，所述第一多个电极内的每一电极通过间隙或绝缘层与所述第二多个电极的后续和先前电极隔开。

10.如权利要求7、权利要求8或权利要求9所述的离子迁移装置，其特征在于，还包括用于将RF电压施加到所述第一和第二多个电极的装置。

11.如前述任一权利要求所述的离子迁移装置，其特征在于，还包括在周期电极组件上游的空气动力和/或电子透镜，其用于将来自大气压离子源的离子朝向所述离子迁移通道的纵向轴聚焦。

12.如权利要求11所述的离子迁移装置，其特征在于，所述透镜具有弯曲包络。

13.如权利要求11或12所述的离子迁移装置，其特征在于，所述离子漏斗包括多个离散的环形透镜电极，并且其中其最接近所述周期电极组件的透镜电极具有比最远离所述周期电极组件的透镜电极小的孔径。

14.如权利要求13所述的离子迁移装置，其特征在于，最接近所述周期电极组件的透镜电极中的孔径的径向尺寸小于由所述周期电极组件限定的所述离子迁移通道的径向尺寸。

15.如权利要求11至14中任一项所述的离子迁移装置，其特征在于，所述空气动力和/或电子透镜位于第一真空室内并且所述周期电极组件位于第二、分离的真空室内。

16.一种在第一、相对高压区域与第二、相对低压区域之间传输离子的方法，包括以下步骤：

允许来自所述相对高压区域的离子与气体的混合物进入具有或限定离子迁移通道的离子迁移管道的入口开口；

通过位于所述离子迁移管道的入口开口与出口开口中间的管道壁中的多个过道，去除所述离子迁移通道中的气体的一部分；以及

使所述离子和剩余气体通过朝向所述相对低压区域的出口开口退出所述离子迁移管道。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括加热所述离子迁移通道以便于促进在所述离子迁移通道内的残余液体溶剂的蒸发。

18.如权利要求16或权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括将所述离子迁移管道至少部分地定位于易抽空室内。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述离子迁移管道完全位于易抽空室内，所述方法还包括将所述管道位于其中的易抽空室内抽空到低于大气压的压力。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，将所述管道位于其中的易抽空室抽空到低于大气压的压力的步骤包括将所述室抽空到不低于所述管道的离子迁移室内的离子和气体停止粘性流动的压力的压力。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，将所述管道位于其中的易抽空室抽空到低于大气压的压力的步骤包括将所述室抽空到在约600mbar与1mbar之间的压力。

22.如权利要求16至21中任一项所述的方法，其特征在于，还包括使用空气动力和/或电子透镜将来自所述相对高压区域的离子聚焦到所述离子迁移管道。

23.如权利要求19、20或21中任一项所述的方法，其特征在于，还包括用回填气体回填至少一部分的易抽空室。

24.如权利要求18至23中任一项所述的方法，其特征在于，还包括将所述离子迁移管道封闭在气密外壳内，并且泵浦所述气密外壳以便于降低其中的压力，以通过所述过道吸取所述离子迁移通道内的气体并使其进入所述气密外壳中。

25.如权利要求16至24中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述管道侧壁内侧提供电极组件，所述电极组件限定所述离子迁移通道并且其具有沿所述离子迁移管道的纵向的第一宽度D1的第一组电极、以及沿所述纵向并与所述第一组电极交替的第二宽度D2(≥D1)的第二组电极；以及

向所述第一组电极提供大小V₁和第一极性的直流电压，并且向所述第二组电极提供大小V₂(|V₂|≤|V₁|)和相对于在所述周期电极组件的纵向上的平均电压分布的第二、相反极性的直流电压。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括将RF电压施加到所述第一和第二组电极。

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