靜電離子陷阱的制作方法
【專利說明】靜電離子陷阱
[0001] 本申請是原申請的申請日為2011年12月29日，申請?zhí)枮?01080029456. 0,發(fā)明 名稱為《靜電離子陷阱》的中國專利申請的分案申請。
[0002] 相關(guān)申請案
[0003] 本申請案主張2009年5月6日申請的第61/215, 501號美國臨時申請案、2009年 5月7日申請的第61/176, 390號美國臨時申請案、2010年4月16日申請的第61/325, 119 號美國臨時申請案，以及2010年4月29日申請的第61/329, 163號美國臨時申請案的權(quán)益。
[0004] 以上申請案的整個教示以引用的方式并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0005] 質(zhì)譜儀是根據(jù)離子的質(zhì)荷比（mass-to-charge ratio)來分離并檢測離子的分析 儀器。質(zhì)譜儀可基于是否需要離子的俘獲或儲存以實現(xiàn)質(zhì)量分離和分析來區(qū)分。非俘獲式 質(zhì)譜儀不俘獲或儲存離子，且離子密度在質(zhì)量分離和分析之前不在裝置內(nèi)部聚集或累積。 此種類中的常見實例為四極濾質(zhì)器（quadrupole mass filter)和磁性扇區(qū)質(zhì)譜儀，其中分 別使用高功率動態(tài)電場或高功率磁場來選擇性地使具有單一質(zhì)荷比（m/q)的離子束的軌 跡穩(wěn)定化。俘獲式譜儀可再分為兩個子類別：動態(tài)陷阱，例如保羅（Paul)設(shè)計的四極離子 陷阱（QIT);以及靜態(tài)陷阱，例如更新近開發(fā)的靜電限制陷阱。當(dāng)前可用且用于質(zhì)譜儀的靜 電陷阱一般依靠諧波電位俘獲阱來俘獲離子使其在陷阱內(nèi)進(jìn)行離子能量相依振蕩，振蕩周 期僅與離子的質(zhì)荷比有關(guān)。已通過使用遠(yuǎn)程電感拾取和感測電子設(shè)備以及傅里葉變換質(zhì)譜 法（FTMS)中的快速傅里葉變換（FFT)波譜反卷積來執(zhí)行一些現(xiàn)代靜電陷阱中的質(zhì)量分析。
[0006] 或者，已通過高電壓俘獲電位的快速切斷來在任何瞬間提取離子。所有離子接著 逃逸，且經(jīng)由飛行時間（TOF)分析確定其質(zhì)荷比。一些新近發(fā)展已將離子的俘獲與圓柱形 陷阱設(shè)計內(nèi)的動態(tài)（偽）和靜電電位場兩者組合。在這些設(shè)計中，使用四極徑向限制場在 徑向方向上約束離子軌跡，同時使用靜電電位阱在軸向方向上將離子限制于大體諧波振蕩 運(yùn)動。接著使用軸向方向上離子運(yùn)動的諧振激勵來實現(xiàn)質(zhì)量選擇性離子噴射。
[0007] 厄馬科夫（Ermakov)等人的第PCT/US2007/023834號申請案揭示將具有不同質(zhì)荷 比和動能的離子限制于非諧電位阱內(nèi)的靜電離子陷阱。所述離子陷阱還具備激勵被限制離 子的小振幅AC驅(qū)動。被限制離子的振蕩振幅歸因于AC驅(qū)動頻率與離子的質(zhì)量相依自然振 蕩頻率之間的自諧振而隨著其能量增加而增加，直到離子的振蕩振幅超過陷阱的物理尺寸 且檢測到質(zhì)量選定離子，或離子碎片或經(jīng)歷任何其它物理或化學(xué)轉(zhuǎn)變。
[0008] 自諧振是當(dāng)受激勵非線性振蕩器的驅(qū)動頻率隨著時間緩慢變化時發(fā)生的持久的 鎖相現(xiàn)象。利用鎖相，振蕩器的頻率將鎖定到且遵循驅(qū)動頻率。就是說，非線性振蕩器將自 動以驅(qū)動頻率諧振。在此體系中，諧振激勵是連續(xù)的且不受振蕩器的非線性影響。隨著時 間幾乎周期性地在通過相對小的外力驅(qū)動的非線性振蕩器中觀察自諧振。如果驅(qū)動頻率隨 著時間緩慢變化（在非線性符號確定的正確方向上），那么振蕩器可保持鎖相，但平均來說 隨著時間增加其振幅。這導(dǎo)致連續(xù)的諧振激勵過程，而無需反饋。具有微擾的長時間鎖相 導(dǎo)致即使在小驅(qū)動振幅下響應(yīng)振幅也較大程度增加。驅(qū)動振幅與頻率掃描速率有關(guān)，自諧 振閾值與升高到3/4冪的掃描速率成比例。
[0009] 厄馬科夫等人揭示的靜電離子陷阱包含保持在接地（OVDC)電位的兩個圓柱形對 稱杯形電極，以及保持在負(fù)DC電位（通常-1000VDC)的位于杯形電極之間的中部的平面孔 隙陷阱電極。此離子陷阱完全圓柱形對稱，通過從熱燈絲發(fā)射到陷阱中的電子的沖擊、借助 將小振幅RF電位施加到杯形電極中的一個而進(jìn)行的離子的AC激勵，以及通過軸上電子倍 增器裝置進(jìn)行的質(zhì)量選擇性噴射離子的檢測，來實現(xiàn)氣體分子和原子的軸上電離。此設(shè)計 產(chǎn)生高真空環(huán)境（低于KT 6托的壓力）的良好質(zhì)量譜，但產(chǎn)生具有實質(zhì)基線偏移和較高壓 力（KT4到KT5托）環(huán)境中的波譜分辨率損失的噪聲譜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 在一些實施例中，一種離子陷講包含電極結(jié)構(gòu)，其包含第一和第二相反鏡面電極 和其間的中心透鏡，所述電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生使得離子在自然振蕩頻率下被限制于若干軌跡的靜 電電位，所述限制電位為非諧的。所述離子陷阱還包含具有激勵頻率f的AC激勵源，其在 與所述離子的所述自然振蕩頻率相關(guān)的頻率下激勵被限制的離子，所述AC激勵頻率源優(yōu) 選地連接到所述中心透鏡。在一個實施例中，所述離子陷阱包含掃描控件，其控制所述AC 激勵頻率與所述離子的所述自然振蕩頻率之間的關(guān)系。
[0011] 在某些實施例中，一種離子陷阱包括電極結(jié)構(gòu)，其包含第一和第二相反鏡面電極 和其間的中心透鏡，所述電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生使得離子在自然振蕩頻率下被限制于若干軌跡的靜 電電位，所述限制電位為非諧的。所述離子陷阱還包含具有激勵頻率f的AC激勵源，其在 所述離子的所述自然振蕩頻率的約一倍數(shù)的頻率下激勵被限制的離子，所述AC激勵頻率 源優(yōu)選地連接到所述中心透鏡。在一個實施例中，所述離子陷阱包含掃描控件，其質(zhì)量選擇 性地減小所述AC激勵頻率與所述離子的所述自然振蕩頻率的約兩倍之間的頻率差。所述 掃描控件可在來自高于所述離子的所述自然振蕩頻率的兩倍的激勵頻率的方向上以一掃 描速率掃描AC激勵頻率f以實現(xiàn)自諧振?；蛘撸鰭呙杩丶稍趤碜缘陀谒鲭x子的所 述自然振蕩頻率的兩倍的激勵頻率的方向上以一掃描速率掃描AC激勵頻率f。在一些實施 例中，掃描控件可以非線性掃描速率掃描AC激勵頻率f。在某些實施例中，非線性掃描可由 串聯(lián)的線性掃描組成。掃描速率可經(jīng)設(shè)定以使得d(l/f n)/dt約等于常數(shù)，且η大于零。在 一個實施例中，η近似等于1。在另一實施例中，η近似等于2。
[0012] 在其它實施例中，掃描控件可在一方向上以一掃描速率掃描靜電電位的量值V， 使得所述離子的所述自然振蕩頻率的兩倍從低于AC激勵源的頻率的頻率改變以實現(xiàn)自諧 振?；蛘?，掃描控件可在一方向上以一掃描速率掃描靜電電位的量值V，使得所述離子的所 述自然振蕩頻率的兩倍從高于AC激勵源的頻率的頻率改變。掃描速率可為非線性的。
[0013] 在一些實施例中，可對第一相反鏡面電極結(jié)構(gòu)和第二相反鏡面電極結(jié)構(gòu)施加不相 等的偏壓。在一個實施例中，第一和第二相反鏡面電極結(jié)構(gòu)中的每一個包含具有軸向定位 的孔隙的第一板狀電極，以及以杯子形式成形的朝中心透鏡開放且具有中心定位的孔隙的 第二電極，且所述中心透鏡為板狀且包含軸向定位的孔隙。
[0014] 在另一實施例中，電極結(jié)構(gòu)的第一相反鏡面電極包含具有至少一個孔隙的相對于 相反鏡面電極結(jié)構(gòu)的軸離軸定位的第一板狀電極，以及以杯子形式成形的朝中心透鏡開放 且具有中心定位的孔隙的第二電極。在此實施例中，電極結(jié)構(gòu)的第二相反鏡面電極包含具 有軸向定位的孔隙的第一板狀電極，以及以杯子形式成形的朝中心透鏡開放且具有中心定 位的孔隙的第二電極。所述中心透鏡為板狀且包含軸向定位的孔隙。
[0015] 在一些實施例中，離子陷阱可包含離子源。離子源可包含通過氣態(tài)物質(zhì)的電子沖 擊電離而產(chǎn)生離子的至少一個電子發(fā)射源。在一個實施例中，離子源可包含兩個電子發(fā)射 源。在一些實施例中，所述至少一個電子發(fā)射源可為熱燈絲。在其它實施例中，所述至少一 個電子發(fā)射源可為冷電子發(fā)射源。
[0016] 在一些實施例中，所述至少一個電子發(fā)射源可相對于電極結(jié)構(gòu)離軸定位。在這些 實施例中，所述至少一個電子發(fā)射源產(chǎn)生的電子可以約20度與約30度之間的角度注射離 開垂直于沿著電極結(jié)構(gòu)的軸的軸。
[0017] 離子陷阱可通過進(jìn)一步包含離子檢測器而配置為質(zhì)譜儀。在一些實施例中，離子 檢測器可相對于電極結(jié)構(gòu)定位在軸上。在其它實施例中，離子檢測器可相對于電極結(jié)構(gòu)離 軸定位。
[0018] 在一些實施例中，離子檢測器可為電子倍增器裝置。在其它實施例中，離子檢測器 可通過測量隨著AC激勵源頻率變化而從AC激勵源吸收的RF功率量來檢測離子。在另外 其它實施例中，離子檢測器可通過測量隨著AC激勵頻率變化的電極結(jié)構(gòu)的電阻抗的改變 來檢測離子。在另外其它實施例中，離子檢測器可通過測量隨著AC激勵頻率變化而由圖像 電荷引發(fā)的電流來檢測離子。
[0019] 在其它實施例中，離子檢測器可通過測量隨著靜電電位的量值變化而從AC激勵 源吸收的RF功率量來檢測離子。在另外其它實施例中，離子檢測器可通過測量隨著靜電電 位的量值變化的電極結(jié)構(gòu)的電阻抗的改變來檢測離子。在另外其它實施例中，離子檢測器 可通過測量隨著靜電電位的量值變化而由圖像電荷引發(fā)的電流來檢測離子。
[0020] 在另一實施例中，一種離子陷阱包括：電極結(jié)構(gòu)，其包含第一和第二相反鏡面電極 和其間的中心透鏡，所述電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生使得離子在自然振蕩頻率下被限制于若干軌跡的靜 電電位，所述限制電位為非諧的；以及掃描控件，其質(zhì)量選擇性地從低于離子的自然振蕩頻 率的一倍數(shù)的激勵頻率減小連接到電極結(jié)構(gòu)的AC激勵頻率與離子的自然振蕩頻率的所述 倍數(shù)之間的頻率差。在一個實施例中，掃描控件通過以一掃描速率掃描AC激勵頻率來減小 所述頻率差。在一些實施例中，掃描速率可為非線性掃描速率。在某些實施例中，非線性掃 描可由串聯(lián)的線性掃描組成。在另一實施例中，掃描控件通過在一方向上以一掃描速率掃 描靜電電位的量值V使得所述離子的所述自然振蕩頻率的所述倍數(shù)從高于AC激勵源的頻 率的頻率改變來減小所述頻率差。
[0021] 在一個實施例中，一種離子陷阱包含：電子源，其通過氣態(tài)物質(zhì)的電子沖擊電離而 產(chǎn)生離子；以及集電極，其收集離子以形成總壓力讀數(shù)。所述離子陷阱進(jìn)一步包含：電極結(jié) 構(gòu)，其產(chǎn)生使得離子在自然振蕩頻率下被限制于若干軌跡的靜電電位；以及質(zhì)量分析器，其 分析氣態(tài)物質(zhì)。在一些實施例中，電極結(jié)構(gòu)包含中心透鏡。所述靜電電位可為非諧的。在 某些實施例中，所述離子陷阱可進(jìn)一步包含具有激勵頻率的AC激勵源，其在所述離子的所 述自然振蕩頻率的約兩倍的頻率下激勵被限制的離子，所述AC激勵源連接到中心透鏡。在 一些實施例中，電子源可相對于電極結(jié)構(gòu)離軸定位。在一個實施例中，集電極為板狀且包含 與電極結(jié)構(gòu)成直線的軸向定位的孔隙。在另一實施例中，集電極圍繞電子源。在又一實施 例中，集電極位于電極結(jié)構(gòu)內(nèi)部。
[0022] 在另一實施例中，一種離子陷阱包含：電子源，其通過氣態(tài)物質(zhì)的電子沖擊電離而 產(chǎn)生離子；以及電極結(jié)構(gòu)，其包含中心透鏡，所述電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生使得離子在自然振蕩頻率下 被限制于若干軌跡的靜電電位。所述離子陷阱進(jìn)一步包含測量總壓力的計量器，以及使具 有特定自然振蕩頻率的被限制的離子的密度與所述總壓力相關(guān)的局部壓力分析器。在一些 實施例中，電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的靜電電位可為非諧的。在某些實施例中，所述離子陷阱可包含具 有激勵頻率的AC激勵源，其在所述離子的所述自然振蕩頻率的約兩倍的頻率下激勵被限 制的離子，所述AC激勵源連接到中心透鏡。在一個實施例中，所述總壓力計量器可包含電 離計量器。
[0023] 在又一實施例中，一種離子陷阱包含：電極結(jié)構(gòu)，其包含第一和第二相反鏡面電極 和其間的中心透鏡，所述電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生使得離子在自然振蕩頻率下被限制于若干軌跡的靜 電電位，所述限