透镜脉冲设备及方法
【专利摘要】一种用于将质谱仪系统中的离子从高压力区域转移到低压力区域的透镜脉冲设备及方法，所述设备包含含有多个静电透镜的选通设备。所述透镜中的每一者操作于不同电压下。第一透镜操作于预定固定电压下，且第二透镜操作于两种不同电压之间。
【专利说明】透镜脉冲设备及方法
[0001 ] 相关申请案
[0002]本申请案主张2013年12月31申请的第61/922,301号美国专利申请案的权益，所述美国专利申请案以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本文中所描述的教示涉及质谱分析中的透镜脉冲。
【背景技术】
[0004]通常使用若干对接设备执行通过质谱仪中的级输送离子。在一些情况下，可利用选通机构控制离子在各级之间的流动。使用由在中心处含有小孔或孔隙的大锥形盘组成的撇取锥选择可被径向分离的离子。通常，从离子束的中心部分选择离子以用于传输，而移除剩余离子。可利用撇取电压的脉冲引入人工工作循环来引起离子束的调制，此可减少异常明亮光束中的总离子电流。此类脉冲由在以下两种电压之间切换撇取电压组成:其中离子可穿过所述撇取器的一种电压及其中离子不能穿过所述撇取器的另一种电压。撇取器脉冲的现象取决于质量且也已展现一些情况中的令人惊讶的非线性行为。
[0005]特定来说，越过广泛工作循环范围使单一选通透镜脉冲时所见的离子信号的线性度在较低工作循环下并不十分良好。此影响四极捕捉仪器上的填充时间线性度及飞行时间质谱仪仪器上的ITC(总离子电流)线性度。
[0006]据发现，与线性度的此偏差是由离子迀移率效应引起的。由装置(例如撇取透镜)的呈现所引起的选通效应产生轴向电场，其渗透上游且在高压力区域存在时引起取决于迀移率的离子耗竭。在轴向气体速度为低且离子迀移率效应在其最大时(例如当选通透镜的孔口直径为小时)更容易见到此现象。
[0007]在图1中概念性地表示正常情况。当遏止电势被施加到选通透镜时(标记为IQ0)，区(微扰区)产生于透镜的两个侧上，在所述两个侧上，其内的离子使其轨迹损坏使得离子远离稳定的轨迹而偏离且被喷出或接触杆中的一者，且因此将不能传递到分析器的下一区段。特定来说，高压力侧(左侧)上所产生的场引起具有高迀移率的离子相对于低迀移率离子优先地从可接受的轨迹偏离到不可接受的轨迹。
[0008]此导致在调制频率变化时非线性行为的呈现。此将本身表现为强度计数与其中遏止电势被施加的时间周期之间的非线性关系。在全部其它事物相等的情况下，可期望强度与调制频率之间的线性关系。在IQO透镜ID较小时观察此非线性行为。在此情况中，归因于气流的离子的轴向速度将较低，且电场的效应将对离子运动上的组合力(气流+电动力学)具有成比例的较大效应。
【发明内容】
[0009]据发现，可通过借助于两个或两个以上元件选通透镜(而非单一平面透镜或锥(即，撇取器)透镜)产生更尖锐地界定的电选通场来减轻由选通透镜所产生的离子迀移率效应。
[0010]在各种实施例中，仅透镜的低压力侧上的选通透镜下游的离子将经历双透镜被通电时所产生的场。因为离子迀移率性质随压力而按比例调整，所以较低的迀移率效应将存在于这些低压力环境中。
[0011]本文中所描述的教示提供具有两种功能的透镜。所述透镜将其中迀移率效应占优势的高压力区与其中静电效应占优势的低压力区分离，且所述透镜还可有效地调制离子。
[0012]在各种实施例中，双透镜IQO离子光学即使对于低工作循环也产生良好的线性度。
[0013]在各种实施例中，期望作为改进的ITC线性度的结果的离子阱的改进的填充线性度及三TOF仪器中化合物的识别中的潜在更高分数。
[0014]在各种实施例中，提供一种用于将质谱仪中的离子从高压力区域传输到低压力区域的方法，其包括:使所述离子穿过所述高压力区域与所述低压力区域之间所安置的选通设备，所述选通设备包括第一及第二静电透镜，所述透镜中的每一者由能够在所述透镜的每一者上维持不同电压的一或多个控制器可操作地控制，其中所述第一透镜邻近所述高压力区域而安置且具有被固定在允许离子横穿通过所述第一透镜的预定值下的电压，且所述第二透镜邻近所述低压力区域而安置且位于所述第一透镜下游，所述第二透镜具有在至少两种不同电压之间变化的电压，其中在第一电压中，所述离子可横穿通过所述第二透镜，且在第二电压中，所述离子被防止横穿通过所述第二透镜。
[0015]在各种实施例中，提供一种质谱仪，所述质谱仪包含离子引导件，其操作于第一压力下；离子阱，其操作于小于所述第一压力的第二压力下;选通设备，其安置于所述离子引导件与所述离子阱之间以用于将离子从所述离子引导件传输到所述离子阱，所述选通设备包括第一静电透镜及第二静电透镜，所述第一透镜邻近所述离子引导件而定位，且所述第二透镜邻近所述离子阱；至少一个控制器，其用于可操作地单独控制所述第一及第二透镜中的每一者上的所述电压，其中所述控制器经配置以将所述第一透镜维持在允许离子横穿通过所述第一静电透镜的预定电压下，且将所述第二透镜维持在至少两个不同电压中，其中在第一电压下，离子可横穿通过所述第二透镜，且在第二电压下，所述离子被防止横穿通过所述第二透镜。
[0016]在各种实施例中，提供一种质谱仪装置，所述质谱仪装置包含:离子引导件，其操作于第一压力下；飞行时间(TOF)质谱仪，其操作于小于所述第一压力的第二压力下;选通设备，其安置于所述离子引导件与所述TOF质谱仪之间以用于将离子从所述离子引导件传输到所述TOF质谱仪，所述选通设备包括第一静电透镜及第二静电透镜，所述第一透镜邻近所述离子引导件而定位，且所述第二透镜邻近所述TOF质谱仪;至少一个控制器，其用于可操作地单独控制所述第一及第二透镜中的每一者上的所述电压，其中所述控制器经配置以将所述第一透镜维持在允许离子横穿通过所述第一静电透镜的预定电压下，且将所述第二透镜维持在至少两种不同电压中，其中在第一电压下，离子可横穿通过所述第二透镜，且在所述第二电压下，所述离子被防止横穿通过所述第二透镜。
[0017]在各种实施例中，第三静电透镜被安置在所述第二透镜下游且操作于允许离子横穿通过所述第三透镜的预定值下。
[0018]在各种实施例中，所述高压力区域位于大气压离子引导件中。
[0019]在各种实施例中，所述低压力区域位于串联质谱仪的QO级中。
[0020]在各种实施例中，所述低压力区域位于四极离子阱中。
[0021 ]在各种实施例中，所述低压力区域位于TOF质谱仪中。
[0022]在各种实施例中，所述选通设备包括安置在所述第二透镜下游的第三透镜。
[0023]在各种实施例中，所述第三及第一透镜上的所述电压相同。
【附图说明】
[0024]图1描绘具有现有技术选通透镜的典型布局。
[0025]图2描绘双选通透镜的实施例的布局。
[0026]图3描绘三选通透镜的实施例的布局。
[0027]图4描绘对于门的各种质量的强度随调制时间而变化的曲线。
【具体实施方式】
[0028]虽然下文特定描述各种实施例，但应了解，此类实施例是出于说明及描述目的而呈现。这些实施例不希望是详尽的或将所主张的本发明限制于所揭示的精确实施例。如应了解，鉴于所揭示的实施例，修改及变体是可能的，或可通过实践本发明获得所述修改及变体。举例来说，虽然已特定揭示描述双透镜配置的实施例，但应了解，其中两个以上透镜的透镜配置也将从本文中所描述的本发明获益，且可由所属领域的一般技术人员类似地利用及建立所述透镜配置。另外，尽管关于TOF装置有区别地描述下文将描述的益处，但应了解，此类益处也可源自在四极捕捉装置中的类似用途。虽然在TOF装置中，使用关于本发明所使用的选通效应主要来避免使用明亮离子束使检测器过度饱和，但可通过将填充时间减少到正常填充时间的一分数(例如，将填充时间从2ms减少到0.05ms)来使用离子阱中的用途模仿更快速度。此类益处减少空间电荷效应。
[0029]图1展示操作于离子引导件与串联质谱仪的第一级(在所属领域中通常称为Q0)之间的常规选通机构的布局。在操作中，来自离子源的离子在图式中从左行进到右。在操作于OV下的大气压下在四极型离子引导件中输送离子。串联质谱仪的QO级也操作于OV下且处于减少的压力下。单一调制选通电极位于离子引导件与QO级之间。在选通电极的上游侧(左侦D上存在高压力区域，且在选通电极的另一侧上存在低压力区域。调制选通电极在以下两种电压之间切换:防止离子穿过选通电极的第一电压(50V)及允许离子从离子引导件穿过电极到QO的第二电压(OV)。虽然已明确地描述此两种电势，但应了解，取决于施加到离子引导件及QO四极的电势也可利用其它电压来实现相同效应。如应了解，需要各种控制器及电源供应器成电气连接以便提供及控制被施加到门、离子引导件、串联质谱仪及/或所利用的其它装置的电压。
[0030]已发现，在高压力侧上，由导致离子迀移率效应的气流及低压力侧上的气流驱动离子，离子效应主要是静电。使用此配置调制选通电极在电极的任一侧上的微扰区中产生局部电场。此电场引起具有高离子迀移率性质的离子受不利影响，从而使其轨迹偏离到不稳定轨迹。因为离子迀移率性质是取决于气体的存在的，所以在电极的上游(高压力)侧上能更紧密地感受到此配置中的离子迀移率效应。
[0031]图2根据本教示展示选通机构的实施例的布局。选通机构操作于离子引导件与串联质谱仪的第一级(在所属领域中通常称为QO(如图1中先前所描述))之间，只是使用含有两个电极透镜的组合件取代单一调制电极。操作于组合件的高压力侧上且在图2中的第一电极透镜邻近处于OV下的离子引导件、操作于OV的固定电势下。此第一透镜连续地操作于此固定电势下。电势经选择以便允许离子穿过第一透镜。在优选实施例中，此第一上游透镜的电势操作于与其之前的离子引导件相同的电压下。直接处于第一透镜下游的第二透镜以与图1中发现的调制门类似的方式操作。第二透镜操作于至少两种电压中的一者下，其中在第一电压(50V)中，门防止离子横穿通过其本身，且当在第二电压(OV)下操作时，门允许离子横穿通过其本身。在优选实施例中，此第二电压的电势操作于与其之前的离子引导件及第一透镜相同的电压下。第一透镜与第二透镜电分离，使得供应到所述透镜中的一者的电压并不传输到另一者。可按固定距离将所述透镜分离，或替代地，可将绝缘材料插入于所述两个透镜之间以实现相同效应。在固定电势下以连续模式操作的第一透镜使将正常地呈现于第二透镜中的任一侧上的调制场最小化，以免于影响微扰区中的高压力区上的离子，在微扰区中，随着离子迀移率效应接近离子门，其通常将影响离子分布。虽然微扰区仍存在于门的低压力侧上，但所呈现的减少的气体量也减少可被呈现的任何离子迀移率效应。如应了解，虽然展示特定电压，但只要透镜的功能性未受阻碍，就可使用任何电压。例如，重要的是:在希望防止离子横穿门时偏压存在于电极之间以防止离子横穿门，且在希望允许离子行进通过门时各种电极之间不存在偏压。
[0032]图3展示类似于图2中所描述的实施例的本发明的另一实施例的布局，但组合件含有定位在上文所参考的第二透镜电极下游的第三透镜电极。第三电极以类似于第一电极的方式操作且具有允许离子横穿通过第一电极的固定电压。归因于门的低压力侧上的减少的压力，不需要此第三电极，因为作为调制电场的结果的离子迀移率效应可能较小或在任何事件中都不存在。在优选实施例中，此第三电极操作于与第一电极相同的电势下。
[0033]图4展示针对各种离子质量的强度随调制而变化的曲线的线性度。从钛类的分裂产生离子，全部使用相同电压且全部同时获取数据。这些曲线中的每一者的X轴提供时间的百分数，其中第二透镜操作于允许离子穿过门的电压下作为总时间的百分数。这些曲线中的每一者的确定系数(R2)大约是0.99，其指示可看到曲线中的相当高的线性度。线性度的任何轻微偏差主要在具有高强度计数的曲线中，其可能是检测器上的饱和效应的结果。
[0034]应了解，虽然已揭示的是两元件门及三元件门的特定实施例，但技术人员应了解，此仅为示范性的，且在不背离所主张的本发明的情况下，可利用更多元件。
【主权项】
1.一种用于将质谱仪中的离子从高压力区域传输到低压力区域的方法，其包括:使所述离子穿过所述高压力区域与所述低压力区域之间所安置的选通设备，所述选通设备包括: 第一及第二静电透镜，所述透镜中的每一者由能够在所述透镜中的每一者上维持不同电压的一或多个控制器可操作地控制； 其中所述第一透镜邻近所述高压力区域而安置且具有被固定在允许离子横穿通过所述第一透镜的预定值下的电压，且所述第二透镜邻近所述低压力区域而安置且位于所述第一透镜下游，所述第二透镜具有在至少两种不同电压之间变化的电压，其中在第一电压中，所述离子可横穿通过所述第二透镜，且在所述第二电压中，所述离子防止横穿通过所述第二透镜。2.根据权利要求1所述的方法，其中第三静电透镜被安置在所述第二透镜下游，且操作于允许离子横穿通过所述第三透镜的预定值下。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一及第三透镜上的所述电压相同。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述高压力区域位于大气压离子引导件中。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述低压力区域位于串联质谱仪的QO级中。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述低压力区域位于四极离子阱中。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述低压力区域位于TOF质谱仪中。8.—种质谱仪装置，其包括: 离子引导件，其操作于第一压力下； 离子阱，其操作于低于所述第一压力的第二压力下； 选通设备，其安置于所述离子引导件与所述离子阱之间以用于将离子从所述离子引导件传输到所述离子阱，所述选通设备包括第一静电透镜及第二静电透镜，所述第一透镜邻近所述离子引导件而定位，且所述第二透镜邻近所述离子阱； 至少一个控制器，其用于可操作地单独控制所述第一及第二透镜中的每一者上的所述电压，其中所述控制器经配置以将所述第一透镜维持于允许离子横穿通过所述第一静电透镜的预定电压下，且将所述第二透镜维持于至少两种不同电压中，其中在第一电压下，离子可横穿通过所述第二透镜，且在第二电压下，所述离子防止横穿通过所述第二透镜。9.根据权利要求8所述的质谱仪装置，其中所述选通设备包括安置在所述第二透镜下游的第三透镜。10.根据权利要求9所述的质谱仪装置，其中所述第三及第一透镜上的所述电压相同。11.一种质谱仪装置，其包括: 离子引导件，其操作于第一压力下； 飞行时间TOF质谱仪，其操作于低于所述第一压力的第二压力下； 选通设备，其安置于所述离子引导件与所述TOF质谱仪之间以用于将离子从所述离子引导件传输到所述TOF质谱仪，所述选通设备包括第一静电透镜及第二静电透镜，所述第一透镜邻近所述离子引导件而定位，且所述第二透镜邻近所述TOF质谱仪； 至少一个控制器，其用于可操作地单独控制所述第一及第二透镜中的每一者上的所述电压，其中所述控制器经配置以将所述第一透镜维持于允许离子横穿通过所述第一静电透镜的预定电压下，且将所述第二透镜维持于至少两种不同电压中，其中在所述第一电压下，离子可横穿通过所述第二透镜，且在所述第二电压下，所述离子被防止横穿通过所述第二透镜。12.根据权利要求11所述的质谱仪装置，其中所述选通设备包括安置在所述第二透镜下游的第三透镜。13.根据权利要求9所述的质谱仪装置，其中所述第三及第一透镜上的所述电压相同。
【文档编号】H01J49/26GK105849856SQ201480070506
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月12日
【发明人】罗伯特·霍伊夫勒, 安德烈·索诺克
【申请人】Dh科技发展私人贸易有限公司