用于软电子电离的离子源和有关系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求2014年12月12日提交的题为"I0N SOURCE FOR SOFT ELECTRON IONIZATION AND RELATED SYSTEMS AND METHODS"的美国临时专利申请序号No.62/091， 204的权益，其全部内容通过引用的方式合并到此。
技术领域
[0003] 本发明设及例如可W在质谱仪中采用的利用电子射束的离子源，更具体地，设及 配置为用于软电子电离的离子源。
【背景技术】
[0004] 质谱仪(MS)系统一般包括:离子源，其用于电离兴趣样品的成分;质量分析器，其 用于基于离子的不同质荷比（或m/z比率，或更简单地，"质量"）来分离它们;离子检测器，其 用于对分离开的离子进行计数；电子电路，其用于根据需要处理来自离子检测器的输出信 号，W产生用户可解释的质量谱。典型地，质量谱是指示所检测到的离子的作为它们的m/z 比的函数的相对丰度的一系列峰值。质量谱可W用于确定样品的成分的分子结构，由此使 得能够定性和定量地表征样品。
[0005] MS中广泛使用的离子源的一个示例是电子电离化I)源。在典型EI源中，样品材料 得W分子蒸汽的形式引入到电离腔室中。电子发射器(典型地，用折射材料(例如鹤)构成的 加热细丝之类的热离子阴极）用于发射有能量的电子。在细丝与阳极之间外加的电势差的 影响下，所发射的电子然后受准直并且作为射束加速到电离腔室中。样品材料沿着与电子 射束的路径相交的路径引入到电离腔室中。作为电子射束在样品和电子路径相交的区域中 轰击样品材料的结果，样品材料的电离产生。可W通过W下关系描述电离处理的主要反应： M+e-一 Mw+2e^，其中，M指定分析物分子心指定电子，指定所得到的分子离子。也就是说， 电子足够靠近地接近分子，W使得分子因静电排斥而失去电子，因此，形成带单电荷的正离 子。采用电势差W朝向出口孔径吸引电离腔室中所形成的离子，此后，所得离子射束加速至 下游设备(例如质量分析器），或首先加速到中间组件(例如离子引导器、质量过滤器等）。
[0006] 通常由相对于电离腔室电压为负（或更小正）的细丝电压生成用于将电子加速到 电离腔室中的电场。在很多EI离子源中，位于更远离电离腔室的更负的电子排斥器用于推 送更多的电子W进入电离腔室。在一些已知EI离子源中，电子透镜部署在细丝与电离腔室 之间，W将电子拉动远离细丝。在电子与气体样品碰撞的同时，如果电子能量大于样品电离 电势，则样品中子受电离。一般，由于典型样品电离电势介于7.5至15eV之间，因此电子射束 W20-150eV左右的能量进入电离腔室。在该EI离子源中，分子强烈地裂解，并且实现库可捜 索的（1化rary-s ear Chab 1 e)质量谱。然而，在例如结构鉴别或未知标识的一些情况下，具有 富分子离子和/或更高质量诊断离子的质量谱是优选的。通过处于称为"低电子能量Er或 "软Er的较低电子能量(8-20eV)的操作，运已经在一些已知EI离子源中加W实践。在软EI 模式下，细丝与电离腔室之间的电压差需要设置在接近样品电离电势（例如IOeV)，运在细 丝与电离腔室之间产生低电场强度。遗憾的是，低电场强度防止EI源生成稳定的较高强度 电子射束。因此，经由EI实现软电离的过往尝试已经受限于产生不期望低的EI信号强度。
[0007] 通常，当电子能量大于20eV时，已知EI离子源表现出合理的性能。然而，当电子能 量小于20eV时，已知EI离子源难W生成稳定的高强度低电子能量电子射束。因此，已知EI离 子源对于软EI并非是优化的。
[0008] 因此，需要对于实现软电离而言更有效的EI离子源。
【发明内容】
[0009] 为了全部或部分解决前述问题和/或本领域技术人员已经观察到的其它问题，本 公开提供如在W下所阐述的实现方式中通过示例的方式所描述的方法、处理、系统、装置、 仪器和/或设备。
[0010] 根据一个实施例，一种离子源，其包括:主体，其环绕电离腔室；电子提取器，其配 置为用于将电子加速到所述电离腔室中；电子源，其处于所述电离腔室外部，并且包括电子 排斥器、热离子阴极W及所述热离子阴极与所述电子提取器之间的电子透镜；W及电压源， 其配置为用于将相应电压施加到所述电子排斥器、所述热离子阴极、所述电子透镜W及所 述电子提取器，W用于对于W下操作有效:从所述热离子阴极发射电子;朝向所述电离腔室 加速所述电子；W及在所述电子透镜处生成电势谷，W用于对于W下操作有效:减速所述电 子，并且在所述电子透镜处形成包括减速后的电子的虚拟阴极。
[0011] 根据另一实施例，一种质谱仪(MS)，其包括:如在此所公开的任何实施例所述的离 子源；W及质量分析器，其距所述电离腔室处于下游。
[0012] 根据另一实施例，一种用于产生用于电子电离的电子射束的方法，其包括:产生电 子;朝向电离腔室加速所述电子;将所述电子减速到对于在所述电离腔室外部形成虚拟阴 极有效的等级，所述虚拟阴极包括所述减速后的电子；W及将所述电子从所述虚拟阴极加 速到所述电离腔室中。
[0013] 根据另一实施例，一种用于分析样品材料的方法，其包括:根据权利要求14所述的 方法产生电子射束;通过将样品材料朝向所述电子导向到所述电离腔室中来产生离子；W 及将所述离子从所述电离腔室发送到质量分析器。
[0014] 在审阅W下附图和【具体实施方式】时，本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征W 及优点对于本领域技术人员将是或将变得清楚。意图所有运些附加系统、方法、特征和优点 包括于该描述内、在本发明的范围内，并且受所附权利要求所保护。
【附图说明】
[0015] 通过参照W下附图，可W更好地理解本发明。附图中的组件并不一定成比例，而是 着重示出本发明的原理。在附图中，相同的附图标记贯穿不同附图指定相应的部分。
[0016] 图1是根据一些实施例的离子源的示例的透视图。
[0017] 图2是图1所示的离子源的透视截面图。
[0018] 图3是离子仿真软件所生成的离子源的模型。
[0019] 图4是与图3相同的但示出包括沿着源轴所约束的离子射束的离子轨迹的模型。
[0020] 图5是透镜组件周围的区域的更靠近的视图。
[0021] 图6是离子仿真软件所生成的离子源的另一模型。
[0022] 图7是可W配备有离子源的硬件的示例的示意图。
[0023] 图8是根据另一实施例的图1和图2所示的离子源的部分的示意图。
[0024] 图9是可W提供在此所公开的离子源的质谱仪(MS)系统的示例的示意图。
[0025] 图IOA是已知EI离子源的示意性截面侧(长度向）视图。
[0026] 图IOB是绘制作为轴向位置(或电极位置）的函数的图IOA所示的离子源中的电势 或"空间的电势"m伏特为单位)的量值的曲线图。
[0027] 图IlA是根据本公开实施例的配置为用于软EI的EI离子源的示例的示意性截面侧 (长度向）视图。
[0028] 图IlB是绘制作为轴向位置(或电极位置）的函数的图IlA所示的离子源中的电势 或"空间的电势"m伏特为单位)的量值的曲线图。
[0029] 图12A是根据本公开另一实施例的配置为用于软EI的EI离子源的示例的示意性截 面侧(长度向）视图。
[0030] 图12B是绘制作为轴向位置(或电极位置）的函数的图12B所示的离子源中的电势 或"空间的电势"m伏特为单位)的量值的曲线图。
[0031] 图13A是包括具有与图IOA和图IOB所示的离子源一致的配置的传统离子源的质谱 仪所测量的化合物N-S十二烧的质量谱。
[0032] 图13B是通过与属于图13A相同的质谱仪但利用具有与图IlA至图12B所示的离子 源一致的配置的离子源所测量的同一化合物N-S十二烧的质量谱。
【具体实施方式】
[0033] 图1是根据一些实施例的离子源100的示例的透视图。图2是图1所示的离子源100 的透视截面图。在所示实施例中，离子源100-般包括:主体104,其限定内部电离腔室或体 积208;磁体组件112;电子源116;透镜组件120。
[0034] 离子源100可W具有一般相对于源轴124布置的整体几何形状或配置。在操作中， 离子源100沿着源轴124产生电子射束，并且可W许可样品材料流在相对于源轴124的任何 方向上电离。待分析样品材料可W通过任何合适方式引入到离子源100,包括样品材料是诸 如气体色谱(GC)仪器之类的分析物分离仪器的输出的联用技术。离子源100随后产生离子， 并且沿着源轴124将离子汇聚到离子射束。离子沿着源轴124退出离子源100,并且进入下一 离子处理设备，其可W具有沿着源轴124的离子入口。
[0035] 电离腔室208具有沿着源轴124从第一端到第二端的长度。样品入口 228在任何合 适的位置形成为通过主体104, W提供用于将样品材料从样品源导向到样品材料与电子射 束相交的电离腔室208中的路径。可W选择电离腔室208的轴向长度，W提供对于电离期望 分析物分子可用的相对长的有效电子射束区域，由此增加离子源100的电离效率，因此整体 上增加仪器的灵敏度。
[0036] 磁体组件112同轴地环绕主体104。磁体组件112配置为用于在电离腔室208中生成 均匀的轴向磁场，其沿着源轴124汇聚并且压缩电子射束和所得离子射束。受磁约束的电子 射束和相对长的电离腔室208可W使得能够生成良好地适合于改进的从电离腔室208提取 (发射）出并且最终进入下游离子处理设备(例如比如质量分析器或超前于质量分析器的另 一类型的设备(例如离子引导器、离子捕集器、质量过滤器、碰撞单元等））的离子射束。可W 提取离子射束，而不遭受已知在Nier型离子源中出现的离子损耗，在Nier型离子源中，大量 离子被抽出到细丝或在与电离腔室208的内表面碰撞时散开并且被中和(损耗）。磁体组件 112可W包括多个磁体132,其相对于源轴124彼此在圆周上间隔。所示实施例包括附接到环 形辆134的四个磁体132的对称布置。磁体132可W是永磁体或电磁体。样品入口 228W及其 它组件(例如电导管)可W位于任何成对的相邻磁体132之间的缝隙中。磁体132虽然通过缝 隙而彼此间隔，但相对于源轴124对称地布置，并且所生成的轴向磁场是均匀的。
[0037] 电子源116可W是任何配置为用于产生电子并且将电子射束从第一端引导通过电 离腔室208的设备。在所示实施例中，电子源116包括一个或多个阴极238。阴极238配置为用 于热离子发射，因此可W是或可W包括用热离子发射材料(例如比如鍊或鹤鍊合金)构成的 一个或多个细丝