離子操作方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】禹子操作方法和設(shè)備
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年4月8日提交的美國臨時(shí)申請序列號第61/809，660號，SP“1N MANIPULAT1N DEVICE(離子操作設(shè)備)”和于2013年1月3日提交的美國臨時(shí)申請序列號第 14/146,922 號，即“1N MANIPULAT1N METHOD AND DEVICE(離子操作方法和設(shè)備)”的優(yōu)先權(quán)。
[0003]關(guān)于聯(lián)邦資助研究或開發(fā)的聲明
[0004]本發(fā)明依由美國能源部授予的合約DE-AC05-76RL01830在政府支持下完成。政府用于本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明涉及在氣體中進(jìn)行離子操作。具體而言，本發(fā)明涉及使用RF和/或DC電場通過電極來操作離子，并在包含一個(gè)或多個(gè)這種表面及在表面上構(gòu)建的結(jié)構(gòu)的設(shè)備中構(gòu)建這種操作的復(fù)雜序列。
【背景技術(shù)】
[0006]隨著質(zhì)譜法和其它涉及離子的使用、操作或分析的技術(shù)的作用持續(xù)擴(kuò)展，新的機(jī)會可被當(dāng)前用于控制離子的擴(kuò)展序列的方法限制，包括離子在高壓下穿過區(qū)域的移動，反應(yīng)(包括離子-分子和離子-離子)及離子迀移分離。由于這種控制變得越來越精密，傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)和離子光學(xué)方法變得越來越不實(shí)際、昂貴和/或無效的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明涉及在氣體中操作離子的設(shè)備和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，公開了一種基本無損的操作設(shè)備并允許控制離子的擴(kuò)展序列。所述設(shè)備包括一對表面，其中形成了抑制帶電粒子接近任一表面的贗勢(pseudopotential);和同時(shí)施加的DC電勢以控制和限制表面間的尚子移動。
[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，該實(shí)施例涉及具有被電極的第一外陣列和電極的第二外陣列包圍的電極的內(nèi)陣列的兩個(gè)基本相同或完全相同的表面。各電極的外陣列被定位于內(nèi)電極的各側(cè)上并包含于平行的表面中，并以與電極的內(nèi)陣列類似的方式基本上沿著各平行的表面的長度延伸。DC電勢被施加于所述第一和第二外電極陣列。帶有疊加電場的RF電勢被施加于內(nèi)電極陣列。
[0009]疊加的電場可為靜態(tài)電場或動態(tài)電場。靜態(tài)電場可以是但不僅限于DC梯度。動態(tài)電場可以是但不僅限于行波(traveling wave)。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，在兩個(gè)表面上的電極布置完全相同以便能向二者施加類似或相同的電壓。但是，電極的具體布置可以不同，且施加于兩個(gè)相對表面的精確電壓也可以不同。
[0011 ] 該一對表面可以基本上是平面、基本上是平行的或并行的、或不平坦的。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，將RF電勢與DC電勢一起施加于電極的第一外陣列和電極的第二外陣列上。在另一實(shí)施例中，僅對兩個(gè)表面中的一個(gè)施加RF電勢。在另一實(shí)施例中，在兩個(gè)表面上都施加RF電勢。
[0013]在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備全部或一部分的電場可用氣流替換以便使離子沿氣流方向移動。
[0014]在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)內(nèi)電極上的RF與相鄰的內(nèi)電極異相(out of stage)。在一個(gè)實(shí)施例中，各電極上的RF與相鄰內(nèi)電極移相以形成排斥的贗勢。在一個(gè)實(shí)施例中，各電極上的RF與相鄰的內(nèi)電極有近似180度的異相以形成贗勢。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，電極的內(nèi)陣列包括位于該一對表面上的至少兩個(gè)電極。在另一實(shí)施例中，電極的第一外陣列和電極的第二外陣列各包括位于一對表面上的至少兩個(gè)電極。設(shè)備可包括在電極之間的絕緣材料或電阻材料。
[0016]施加于電極的RF電壓在0.1kHz與50MHz之間，電場在0與5000伏/毫米之間而運(yùn)行壓力從低于10 3托(torr)至近似大氣氣壓或更高的壓力。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，電極垂直于至少一個(gè)表面。在另一實(shí)施例中，電極平行于至少一個(gè)表面。電極可包括位于表面上的薄導(dǎo)電層。
[0018]在特定實(shí)施例中，設(shè)備包括多對表面并允許離子傳導(dǎo)通過孔而移動至不同的表面對之間。
[0019]—對表面上的電極可形成一或多個(gè)不同的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括但不僅限于以下結(jié)構(gòu):基本上為T形的結(jié)構(gòu)，允許離子在T形的結(jié)構(gòu)的接合點(diǎn)處轉(zhuǎn)向(switch);基本上為Y形的結(jié)構(gòu)，允許離子在Y形的結(jié)構(gòu)的接合點(diǎn)處轉(zhuǎn)向；基本上為X形的結(jié)構(gòu)或十字形的結(jié)構(gòu)，允許離子在X形的結(jié)構(gòu)或十字形的結(jié)構(gòu)的一條或多條邊的接合點(diǎn)處轉(zhuǎn)向；和/或基本上為多向的形狀，諸如具有多個(gè)接合點(diǎn)的星號(*)形狀的結(jié)構(gòu)，允許離子在結(jié)構(gòu)的一條或多條邊的接合點(diǎn)處轉(zhuǎn)向。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，電場允許離子沿環(huán)形路徑、矩形路徑或其它不規(guī)則路徑移動，以便允許離子不止一次地通過，并且作為一個(gè)例子，實(shí)現(xiàn)了更高解析度的離子迀移性分離。
[0021]表面之間的空間可填充有惰性氣體或使離子與離子反應(yīng)的氣體。
[0022]堆疊的回旋級(cyclotron stage)可用于設(shè)備以例如允許不同范圍的離子迀移性在不同的回旋級中被分離，并總體上以混合物的形式覆蓋全部的離子范圍。
[0023]可以增強(qiáng)電場以使離子反應(yīng)或分離。
[0024]可將設(shè)備與如下各項(xiàng)中的至少一個(gè)耦接:電荷檢測器、光學(xué)檢測器和/或質(zhì)譜儀。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備可用印刷電路板技術(shù)制造和組裝并且與質(zhì)譜儀組合。
[0026]設(shè)備可被用來進(jìn)行離子迀移性分離和/或不同離子迀移性分離(例如，F(xiàn)AIMS)。
[0027]可使用光致電離、電暈放電、激光電離、電子沖擊、場致電離、電噴射或任何其它可產(chǎn)生離子以供設(shè)備使用的電離技術(shù)在設(shè)備內(nèi)部或外部形成離子。
[0028]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，公開了一種離子操作設(shè)備。該設(shè)備包括一對基本上平行的表面。該設(shè)備進(jìn)一步包括被包含在各平行表面內(nèi)的內(nèi)電極的陣列，并且該內(nèi)電極的陣列基本上沿著各平行表面的長度方向延伸。該設(shè)備還包括外電極的第一陣列和外電極的第二陣列，各外電極的陣列被定位在內(nèi)電極的一側(cè)并且被包含在平行的表面內(nèi)并且基本上沿著各平行表面的長度延伸，平行表面中形成贗勢以抑制帶電粒子接近任一表面。該設(shè)備還包括RF電壓源和DC電壓源，其中將第一 DC電壓源施加于第一以和第二陣列，并且其中帶有疊加電場的射頻頻率通過對各電極施加第二 DC電壓而被施加于內(nèi)電極，使得使離子在離子限制區(qū)域內(nèi)在平行的表面之間沿電場方向移動或被困在離子限制區(qū)域內(nèi)。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，施加于電極的射頻頻率在0.1kHz與50MHz之間。RF峰間電壓(RF peak-to-peak)為近似為10伏至2000伏。電場在約0伏/毫米至約5000伏/毫米之間并且壓力在10 3托與大氣壓力之間。
[0030]在一個(gè)實(shí)施例中，電極中的一個(gè)或多個(gè)與表面間有0.5mm至10mm的間隙，以便防止由電極間的表面充電導(dǎo)致設(shè)備性能下降。
[0031]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，公開了一種操作離子的方法。所述方法包括將離子注入在基本上平行的表面之間，其中各對平行表面包含內(nèi)電極的陣列和位于內(nèi)電極任一側(cè)的外電極的第一陣列和外電極的第二陣列。所述方法進(jìn)一步包括施加RF電場以限制表面之間的離子。所述方法還包括向外電極施加等于或高于施加于內(nèi)電極的第二直流電場的第一直流電場，以橫向限制離子。所述方法還包括在RF電場上疊加第二 DC電場以進(jìn)一步限制離子并使離子沿由電場設(shè)定的方向移動。
[0032]在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)移離子使之穿過多對平行表面中的至少一個(gè)的孔，其中離子移動至另一對平行的表面之間。
[0033]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，公開了一種離子操作設(shè)備。所述設(shè)備包括多對基本上平行的表面。所述設(shè)備進(jìn)一步包括內(nèi)電極的陣列，被包含在各平行的所述表面內(nèi)并且所述內(nèi)電極的陣列基本上沿著各平行的所述表面的長度延伸。該設(shè)備還包括多個(gè)電極的外陣列，其中，至少一個(gè)電極的外陣列被定位于所述內(nèi)電極的任一側(cè)。各個(gè)外陣列被包含在各平行的所述表面內(nèi)并且基本上沿著各平行的所述表面的長度延伸，形成能抑制離子沿外電極陣列方向移動的電勢，且該電勢與由施加于內(nèi)電極陣列的電勢產(chǎn)生的抑制帶點(diǎn)粒子接近任一平行表面的贗勢一同工作。該設(shè)備還包括RF電壓源和DC電壓源。將DC電壓施加于所述多個(gè)電極的外陣列。通過對各電極施加所述DC電壓而將具有疊加的電場的RF電壓施加于所述內(nèi)電極，使得離子將在離子限制區(qū)域內(nèi)在平行的表面之間沿所述電場的方向移動或被限制在所述離子限制區(qū)域內(nèi)。使所述離子通過所述表面中的至少一個(gè)中的孔來允許穿過多對平行的所述表面。
[0034]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，電極與表面間有較大間隙(relief)。有這種間隙的區(qū)域可被用來改變電場，或也可用來防止由于電極間非導(dǎo)電區(qū)域的充電而產(chǎn)生的影響。這種設(shè)計(jì)對離子限制不完美的區(qū)域，諸如其中離子-分子或離子-離子反應(yīng)產(chǎn)生的離子產(chǎn)物的m/z比值對于有效的離子限制太高或太低的反應(yīng)區(qū)域具有特別的價(jià)值。在這些情況下，僅反應(yīng)區(qū)域會需要自表面延伸的電極，且在這些情況下這些區(qū)域可在兩個(gè)表面間具有不同的，通常更大的間距。
[0035]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，具有兩個(gè)或兩個(gè)以上固有頻率的RF電勢和不同的電場被共同施加于兩個(gè)表面上的電極陣列，并且所施加的圖案產(chǎn)生了抑制帶電粒子接近一個(gè)或兩個(gè)基本上平行的表面的贗勢且其m/z范圍基本大于具有單頻率的RF電勢可行的范圍。
[0036]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，利用具有施加的RF的不同相位的相鄰電極的二個(gè)或兩個(gè)以上電極替代各中央電極或內(nèi)電極，使得基本上減少了接近于其中一個(gè)表面表面的離子形成的阱(trap)，以此來提高性能，例如尤其是當(dāng)接近上限的離子流被傳輸時(shí)