不同气压下离子光学装置之间的离子传输的制作方法

本公开涉及一种质谱仪，其包括离子光学装置，例如多极离子光学装置。

背景技术：

1、提取离子阱用作成对质量分析器的离子积累和制备装置，从离子源接收连续光束并脉冲输出冷却离子包，所述冷却离子包具有通常与分析器接受度相匹配的空间和能量性质。此类装置通常与飞行时间(tof)和轨道捕获质量分析器配对。us9312114 b2中描述了一种非常适合tof分析器的提取阱。us7425699 b2中描述了用于与轨道捕获质量分析器相结合的提取阱的仪器。

2、首先参考图1a，示出了现有示例提取离子阱的纵向截面图，并且参考图1b，示出了图1a的提取离子阱的横向截面图。这包括：轴向入口和出口孔10；以及正交提取孔15，用于将离子提取到质量分析器20。还示出了用于提取的rf和dc电压。

3、这种阱通常是四个平行杆电极的四极组合件，其中每对相对的杆都应用了相反极性的rf波形，以提供径向捕获赝势。杆电极可以采用如图1a和1b所示的平板电极的形式。杆集合由施加了dc电压的电极终止，以防止离子轴向逸出。这些电极中的孔允许离子从相邻的离子光学装置进入。

4、另一种常见的结构是3d或paul阱，其包括施加了rf电压的环电极，位于一对dc端盖电极之间，这些端盖电极共同产生四极杆捕获场(r.e.march等人；“四极杆存储质谱法(quadrupole storage mass spectrometry)”,约翰威利父子出版社(john wiley&sons),第31-110页,1989)。

5、进入阱后，离子通过与缓冲气体(通常是氮气或氦气)碰撞而冷却，从而在阱的中心形成一个压缩包，所述压缩包可以通过增加入口和出口孔上的排斥dc电压而进一步被压缩。通过以下方式提取离子包：向杆电极中的一个或多个电极施加脉冲dc(图1a和1b中的“推(push)”、“拉(pull)”)，以产生与阱轴正交的强dc场，其中离子通过切割成一根杆的槽喷出。在提取之前，通常首先按照us7250600 b2和us9312114 b2中所述在最佳相位失超所施加的rf电压，以优化离子空间和/或能量分布，并最大限度地减少提取过程中rf的干扰。

6、离子的轴向捕获不一定需要由终端电极或孔来执行。如果rf杆本身是分段的，则可以将不同的dc电压施加到每个分段，从而形成轴向捕获阱以保持离子，或形成dc梯度以将离子引导到提取区域(在us8981287 b2中描述)。另一种替代方案是通过辅助dc捕获电极提供轴向dc，所述辅助dc捕获电极安装在rf杆之间的空间中并且仅拉长整个杆长度的一部分(gb2570435a和stewart等人,‘带有辅助轴向dc捕获电极的直线脉冲提取离子阱(arectilinear pulsed-extraction ion trap with auxiliary axial dc trappingelectrodes)’,美国质谱学会会议(american society for mass spectrometryconference),圣安东尼奥(san antonio),2018)。使用辅助dc电极产生叠加轴向梯度或捕获阱的其它方法是众所周知的，包含通过楔形电极(us20140353491 a1)、分段式杆(us20140353491 a1)和基于pcb的电极的链(us9396919 b2)。

7、提取阱面临的一个主要挑战是从几个ev能量中有效捕获和快速热化注入的离子。这有利于缓冲气体的相对高压，通常大于2x10-3 mbar(0.2pa)。然而，有效的脉冲提取要求热化离子与缓冲气体的碰撞最小，特别是对于高质量离子。飞行时间、多反射飞行时间和轨道捕获质量分析器需要非常低的压力，从而有利于尽量减少从阱到分析器的气体泄漏。一种简单的解决方案是使用脉冲气阀，如gb2439107 b中所述，但这些阀运行缓慢，因此，当可能需要大于100hz时，将分析器重复率限制在约10hz。

8、另一种解决方案是在高压捕获区域中快速预冷离子，然后将能量较低的离子转移到低压提取区域(stewart等人,‘一种结合电动挤压的稳健c-trap离子注入方法(a robustc-trap ion injection method incorporating electrodynamic squeeze)’,美国质谱学会会议,2020)。现在参考图2，示意性地示出了示例双压力区域提取布置和示例性施加的dc轴向电势。提取布置包括：带有弯曲电极的四极杆提取阱(c-trap)100，其结合至带有辅助dc梯度的加压(例如，1x10-2 mbar或1pa)四极杆离子导向器(被称为“离子路由多极”或“irm”)200。c-trap100具有入口透镜110和出口透镜120。

9、离子首先从离子源通过c-trap 100到达irm 200，在那里离子迅速冷却。这是使用施加到入口透镜110的加速透镜电势101和irm注入电势201来实现的，以使离子注入irm200。然后离子在irm 200中冷却。几毫秒后，然后用施加到入口透镜101的捕获电势102和吹扫电势202将冷却的离子吹扫回压力低得多的c-trap 100中。此外，将小的动态dc斜坡电势203施加到irm 200和c-trap 100的出口透镜120，以防止反射的离子在被适当冷却之前返回并撞击透镜或离开阱。图2中未示出中间dc偏移步骤。

10、该方案的一个限制是离子仍必须通过小孔透镜(c-trap 100的出口透镜120)，这会阻碍离子转移并需要几个ev的离子能量以避免大量损失。需要孔来维持两个区域之间的压力差，以及消除由单独的rf场相互作用引起的边缘场效应。最理想的是区域之间离子的低能量转移，其需要无势垒界面，所述无势垒界面能充分限制气体传导。

11、us20190103263 a1描述了一种分段式阱，其结合了由气体传导限制性分段隔开的两个压力区域。如本文图3(a)所示，气体传导限制性分段是由势垒包围的内切半径较小的分段。ac(rf)电压电源提供电压以引起径向限制或提取。通过施加合适的dc电压，离子可以在不同压力的两个区域之间被轴向限制或转移。然而，此类阱的实际实施方案尚未实现。

技术实现思路

1、在此背景下，提供了根据权利要求1所述的质谱仪。在从属权利要求中定义了另外的任选和/或有利特征。

2、us20190103263 a1中所示的设计(包括两个多极离子光学装置，通常为四极杆，一个在高气压区域中，另一个在低气压区域中，它们之间具有气体传导限制件)可能提供有利的益处。例如，通过在低半径分段上适当划分ac电压以匹配捕获参数q，在高压区域中预冷却和预积累的离子原则上可以通过界面分段转移，而能量基本上不大于1ev，因此在提取区域可以使用低得多的压力(不超过5x10-4 mbar或0.05pa)，而不会造成大量离子损失或冷却时间过长。

3、然而，现在已经认识到，其中来自高压和低压区域的rf场重叠的边缘场可能会产生很大的势垒，从而需要更高的离子能量才能穿透，并消除所述装置的大部分优势。已经确定，即使捕获参数q匹配，但相位、频率和/或幅度不匹配，也会发生这种情况。当提供不同的离子群时，会出现额外的问题，这可能在质荷比(m/z)方面有很大差异，因为在使用单个rf电源的情况下，每侧的rf可能无法优化。通过为两个不同压力区域中的离子光学(多极)装置提供独立的rf电源，具体地说，通过允许独立控制rf幅度，可以减轻这种影响。即使所述离子光学装置中的一个或两个不是多极离子光学装置而是被配置成使用rf电势限制离子，该问题也可能适用。其它此类离子光学装置的实例包含叠环离子导向器、离子隧道装置和包括一个或多个离子毯的离子光学装置。例如，离子光学装置可以包含交叉离子毯(下游的一个或多个离子毯垂直或正交于上游的一个或多个离子毯定向)。

4、具体地说，所述边缘场可以被配置成使得两个不同压力区域中的rf场的rf频率和相位相同。这尤其减轻了其中rf场重叠从而产生实质性势垒的边缘场。

5、所述气体传导限制件可以包括隔膜和/或可以具有大于所述离子光学装置的内接半径(r0)的孔。另外地或可替代地，在高压和低压离子光学装置之间没有半径小于r0的任何东西(例如没有离子光学装置)。一个或两个离子光学装置(具体地说，多极)的rf电极可以具有朝向其它离子光学装置(例如，多极)的电极延伸(并且可以进入气体传导限制件)的唇缘。小的唇缘可以允许四极杆到达或进入孔(例如，隔膜的孔)并彼此接近以进一步减少边缘场效应。除了径向限制之外，在低压离子光学装置(多极)远离高压离子光学装置(多极)的一端处的rf电极之间的桥可以为离子的轴向限制提供rf赝势。轴向限制可以可替代地通过低压离子光学装置(多极)远端处的dc电极来实现。

6、因此，一种有利的操作模式是其中低压或提取区域通过对高压区域的单独rf电源进行操作，使得一个离子包可以被并行地提取到分析器中(例如，通过失超rf)，而另一个离子群在高压区域被积累和冷却。这可以允许在提取阱中实现快速并行处理和较低压力。

7、具有三个捕获区域(例如，使用上游质量过滤器和/或碰撞池)的高度并行填充序列，包含下游低压区域和至少一个上游高压区域，有利地允许快速仪器操作。一个或两个离子包可能在上游的一个或多个装置中积累，而另一个离子包正在提取阱的高压(多极)区域中积累，并且另外的离子包正在从提取阱的低压(多极)区域中被提取。任选地，可以同时在下游质量分析器中分析另一个离子包。这与现有方法截然不同，现有方法仅在四极杆的前面(下游)并行使用两个捕获阶段。在所提出的方法中，可以同时处理三个、四个或五个离子包，其中重复率高(200hz或更高)。所述方法优选地与上述质谱仪设计一起实施，或独立实施。

8、所述离子光学装置(多极)中的一个或两个可以由电极(由绝缘垫片隔开)的堆叠形成。第一(低压)离子光学装置(多极)可以由第一对相对电极和正交分割式相对电极形成，所述第一对相对电极施加了第一相位的rf电压和相反极性的dc电压。所述分割式相对电极施加了与所述第一相位相反的第二相位的rf电压和相反极性的dc电压。第二(高压)离子光学装置(多极)可以由施加了第一相位的rf电压的第一对相对电极和施加了与所述第一相位相反的第二相位的rf电压的第二对相对电极(从所述第一对正交定向)形成。

9、两个不同的四极电池的组合还有一个特别的优势，一个带有有利于离子捕获的(对角安装的)辅助dc电极的电池过渡到另一个带有分割式rf捕获电极和最适合于有效的离子提取的(赤道安装的)辅助dc电极的四极杆。所述辅助dc电极可以沿着离子光学装置(多极)的轴逐渐变细和/或它们可以围绕其半径大致相等地间隔开(例如，对于四极杆离子阱，可能存在四个辅助dc电极)。

10、两个独立的rf电源可以共享一个核心rf发生器。所述两个rf电源可以使用单独的线圈(变压器)布置。相位调节器可用于获取由所述核心rf发生器或所述电源之一产生的rf，并使用它为第二rf电源提供rf(在这种情况下，可以使用采样器对产生的rf电压之一进行采样)。