[发明专利]具有高离子储存容量的俘获离子迁移率谱仪

说明书

本发明涉及一种俘获离子迁移率谱仪(TIMS设备)，并提出使用更高阶(阶次N>2)的线性多极射频系统，以在直流电场势垒处积聚和分析离子，该系统是纯高阶射频多极系统，或是具有从高阶到低阶的过渡的多极射频系统，例如，在直流电场势垒顶点之前，从线性八极射频系统(N＝4)过渡到线性四极射频系统(N＝2)。

技术领域

本发明涉及根据迁移率分离离子的设备和方法。

背景技术

美国专利号7,838,826(M.A.Park,2008)公开了一种小型离子迁移率分析仪/谱仪，其在缩写为“TIMS”(俘获离子迁移率谱仪)情况下已经成为公知。TIMS设备内部的离子迁移率分离单元的长度最好仅约为5厘米。在内径约为八毫米的气密管中，射频离子导向器(射频系统)产生径向四极射频场，以将离子保持在轴附近。沿射频离子导向器轴，直流电场呈现出直流电场势垒缓慢增加的斜坡。移动气体朝着直流电场斜坡驱动被携带的离子，此处，离子根据其迁移率而在直流电场斜坡上的移动气体摩擦力与直流电场力相等的位置处沿轴向被俘获并被分离。在对TIMS加载离子后，直流电场势垒稳定下降；该扫描按离子的相对迁移率的顺序释放离子种类。与许多其他制作小型离子迁移率分析仪/谱仪的试验不同，M.A.Park的TIMS设备采用调整后的低扫描速度已经实现离子迁移分辨率高达R_mob＝400，这与其他类型的迁移率分析仪/谱仪相比非常高。

图1示出了典型TIMS设备的操作。由气体(7)携带的来自电喷雾离子源(未示出)的离子通过毛细管(8)被引入真空系统的第一腔室。推斥板(9)驱动离子(6)进入将离子朝向TIMS设备转移的射频漏斗(10)的入口。射频离子漏斗(10,12)通常被制造成环状隔膜(环状电极)的堆叠，其开口收窄至更小的直径，因此形成漏斗形状的内容积。将射频电压的两个相交替地施加于环状电极以建立保持离子远离漏斗壁的赝势。离子被移动气体或被附加直流电势梯度沿着电极驱动并通过漏斗的窄端。

漏斗(10)引导离子进入TIMS设备的四极射频通道(11)。四极通道(11)包括具有中心孔的薄电极的堆叠，其形成围绕TIMS设备轴向布置的圆形气密管。薄电极被对管周围的电极之间的缝隙进行密封的绝缘材料隔开。四极通道(11)的每个电极优选地被制造为印刷电路板(PCB)，并被划分成四个象限(1,2,3,4)，用于在四极通道(11)内部产生径向四极射频电场。通道电极的四个象限(1,2,3,4)在给定时间与四极射频电场的等势线一同示出在图1的顶部。

在四极通道(11)内部，离子被气流(14)朝着轴向直流电场势垒的斜坡吹动。在图1的底部，示出了轴向直流电场势垒分布(profile)的两个阶段(A和B)。在z位置(20)和(23)之间，直流电场线性增加，通过二次增加的电势生成。在z位置(23)和(24)之间，场保持恒定，形成由电势的线性增加产生的直流电场势垒的平台。例如，在简单设备中，可通过在位置(24)处被施加到隔膜电极并且由精密电阻沿着谱仪管的隔膜电极进行分压的单个电压来生成完整的电场分布。位置(20)和(23)之间的电阻线性增加，同时(23)和(24)之间的电阻具有相等的阻值。在更复杂的设备中，例如可以通过数模转换器(DAC)产生非线性电场分布，甚至是可调直流电场分布。

操作通常开始于“离子积聚阶段”(A)。300伏量级的电压差产生直流电场势垒。离子被由箭头(16)象征性地表示的气流吹向场势垒，并在那里停止，因为它们不能越过直流电场势垒。应注意，箭头(16)代表抛物线气体速度分布(14)的最大气体速度。离子积聚在位置(20)和(23)之间的直流电场势垒的上升沿(斜坡)上，其中低迁移率的离子(主要是碰撞截面大的重离子)聚集在靠近斜坡上端的高场中，反之，高迁移率的离子集中在靠近斜坡底部的低场中，如象征性地表示离子的大小的圆点的大小所表示的那样。在第二阶段(B)“扫描阶段”中，直流电场势垒的电源电压稳定降低，迁移率增加的离子被朝向离子检测器释放，具体是向作为离子检测器操作的质谱仪释放。