操縱帶電粒子的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及到一種用于帶電粒子傳送和操縱的裝置。實施例能夠?qū)д娏Ｗ雍蛶ж撾娏Ｗ咏Y(jié)合為單個傳送的包。實施例包含：電極的聚集物，該電極的聚集物被布置成形成用于傳送帶電粒子的通道；以及電源，該電源提供施加于電極的供電電壓，該電壓確保在所述通道內(nèi)創(chuàng)建非均勻的高頻電場，所述場的偽勢至少在某個時間間隔內(nèi)，沿著用于帶電粒子傳送的通道的長度具有一個以上的局部極值；然而，至少在用于帶電粒子傳送的通道的長度的部分內(nèi)，至少在某個時間間隔內(nèi)，偽勢的至少一個所述極值隨著時間被轉(zhuǎn)置。
【專利說明】操縱帶電粒子的裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種帶電粒子光學和質(zhì)譜分析法，特別涉及用于帶電粒子傳送和操縱的系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]用于質(zhì)譜分析法的離子源產(chǎn)生帶電粒子的連續(xù)束或者準連續(xù)的束。即使在離子源的脈沖操作的情況下，在特殊存儲裝置中的操作的個別周期期間的帶電粒子的累積也是必要的。因此，在質(zhì)量分析器的脈沖操作的情況下，特殊的裝置被用于確保存儲裝置的帶電粒子的連續(xù)束或者內(nèi)容物分解或分裂成分離的部分并且將其傳送輸入到質(zhì)量分析器。在最近用于傳送帶電粒子的裝置中，還可以有效地解決為了減小它們的發(fā)射率(emittance)(相位-空間坐標系中的粒子的包的大小)而使帶電粒子包冷卻和空間壓縮的任務，并且在傳送帶電粒子期間利用帶電粒子可以執(zhí)行附加的操作(例如，分裂帶電粒子、產(chǎn)生次級帶電粒子、選擇性提取要經(jīng)過詳細分析的帶電粒子等等)。
[0003]幾種類型的射頻(RF)裝置被用在用于帶電粒子操縱的質(zhì)譜分析法。這種裝置的第一組包括質(zhì)量分析器(以及質(zhì)量分離器和濾質(zhì)器)。這種裝置的用途是從全部帶電粒子中選擇那些尤其按照質(zhì)量對電荷的比來挑選出來的粒子。RF質(zhì)量分析器的主要類型包括四極濾質(zhì)器和離子阱。
[0004]由Paul提出的無線電頻率四極濾質(zhì)器和離子阱從大約20世紀60年代就為人們所知。在專利N0.US2939952中已經(jīng)提出了兩種類型的質(zhì)量分析器。近年來，提出了直線形離子阱，可以從阱徑向噴出帶電粒子(專利N0.US5420425)以及從阱沿著軸線噴出離子(專利N0.US617768)。例如，在以下文獻中可以找到上述裝置的操作原理的詳細說明:R.E.March, J.F.J.Todd,四極離子講質(zhì)量分析法，第二版，Wiley-1nterscience,2005 年；F.J.Major, V.N.Gheorghe, G.fferth,帶電粒子講，Springer, 2005 年；G.Werth,V.N.Gheorghe, F.J.Major,帶電粒子講 II，Springer, 2009 年。
[0005]四極濾質(zhì)器的功能是基于馬修方程(mathieu equation)的解的穩(wěn)定性的理論的(例如，參見N.W.McLachlan,馬修方程的理論和應用，Claredon Press, Oxford, 1947年(第4章),或者M.Abramovitz和1.Stegun,利用公式、圖表和數(shù)學用表的數(shù)學函數(shù)的手冊,第10版，NBS，1972年(第20章)。)。在已經(jīng)選好四極直流電場的強度、四極RF場的強度和四極RF場的頻率的參數(shù)的情況下，具有特定質(zhì)量對電荷比的帶電粒子將通過RF四極濾質(zhì)器。其它帶電粒子將失去它們的軌道的穩(wěn)定性，并且將在濾質(zhì)器的通道的邊界的外部丟失。
[0006]離子阱類型的質(zhì)量分析器的操作一般基于馬修方程的理論。在這些質(zhì)量分析器中，使用通過理想的雙曲線電極的應用而獲得的二次或者接近二次的電場，并且在足夠低的壓力條件下，分析器被充滿輕的氣體。在這種裝置中，在帶電粒子由于與惰性氣體的分子多次碰撞而使得其運動的速度減慢之后，利用具有所需要的頻率的RF電場的幫助，借助于具有需要的質(zhì)量對電荷比的帶電粒子組的擺動/振動，從裝置連續(xù)抽出粒子。如上所述的情景是有些近似的，這是由于實際的離子阱質(zhì)譜分析法已經(jīng)開發(fā)并采用稍微復雜的方法用于通過借助于粒子上的特別配置的RF場的作用而使來自離子阱的帶電粒子分離、分裂并且選擇性地噴出。
[0007]RF裝置的另一個重要的組包括用于離子束的RF傳送裝置。這種裝置的目的在于將具有不同質(zhì)量的帶電粒子的束限制在裝置內(nèi)部的有界區(qū)域(bounded region)內(nèi)(例如，接近裝置的軸線)，并且將帶電粒子從空間內(nèi)的一個點(入口的點)傳送到空間內(nèi)的另一個點(出口的點)。
[0008]這種裝置的一大類是基于沿著第三坐標系延伸的二維多極場或者近似多極場的應用。例如，使用這種裝置用于將離子從在相當高的氣體壓力下操作的充滿氣體的離子源傳送到用于在相當較低的氣體的壓力下操作的或者處于真空的離子的質(zhì)量分析的裝置中。因為上述直線形的多極離子阱不是直接用于質(zhì)量分析的的事實，所以對于二次場或者多極場的嚴格要求將不會是緊要的，并且為了制造出這種裝置時簡化生產(chǎn)技術，通常將用圓柱形的桿乃至更粗形狀的電極來替換雙曲線和多極電極。
[0009]當帶電粒子被傳送到直線形的多極阱中時，帶電粒子與氣體分子的碰撞使得它們的動能減少并且使得粒子在接近裝置的軸線被探索到(專利N0.US4963736)。這樣就能確保像帶電粒子束的束冷卻和空間壓縮這種重要的功能，以便減小束的發(fā)射率(即，在相位空間中，對應于束的帶電粒子的總體的體積)。在帶電粒子的動能還沒有減少的階段，甚至在相對較高的動能的情況下，RF電場能夠在徑向方向上限定帶電粒子，并且在損失它們的動能的過程中朝著軸線“壓縮”粒子。
[0010]同時頻繁使用如上所述的充滿氣體的直線型多極離子束傳送裝置，作為用于分裂串聯(lián)質(zhì)譜儀中的帶電粒子的碰撞室(例如，參見專利N0.US6093929)。沿著裝置的軸線指向的直流電場、由附加的電極產(chǎn)生的電場，能夠被用于沿著傳送的通道強制傳送帶電粒子(專利N0.US5847386中公開的離子傳送裝置，專利N0.US6111250中公開的用于分裂離子的碰
撞室)。
[0011]如果直線型多極離子傳送裝置的末端使用通過電場形成的勢壘被關閉，則用于質(zhì)譜分析法的另一種類型的RF裝置形成直線型多極離子阱，或者用于帶電粒子的存儲裝置。這種阱被廣泛地用于將帶電粒子和帶電粒子的脈沖傳輸累積到分析裝置中(專利 N0.US5179278、N0.W002078046, N0.US5763878、N0.US6020586、N0.US6507019 和N0.GB2388248)。多極離子阱也被頻繁地用于啟動帶電粒子與中性粒子(專利N0.US6140638和 N0.US6011259)、或者電子(專利 N0.GB2372877、N0.GB2403845 和 N0.GB2403590)、或者帶有相反電荷的帶電粒子(專利N0.US6627875)之間的校正(orient)離子與分子的反應的任務，以提供由于帶電粒子暴露給例如光電子或者其它外部物理因素的沖擊而產(chǎn)生的對帶電粒子的附加分裂。
[0012]由Paul提出的RF離子阱，或者直線型阱，也能被用于與多極直線型阱相同的目的，當由于電壓的脈沖而使得全部離子從阱被立刻噴射到分析裝置中時，代替期望的離子組的連續(xù)不斷的共振噴出(專利N0.W02006/129068和US2008/0035841 )。以類似的方式，多極直線型阱能夠被大致用作濾質(zhì)器，其中在該多極直線型阱中，到分析裝置中的噴射根據(jù)質(zhì)量選擇進行的，該濾質(zhì)器選擇所需要的帶電粒子組用于進一步地詳細分析(專利N0.US2007/0158545)。
[0013]存在已知具有類似于上述傳送裝置的的功能的裝置，所述裝置包括傳送裝置和/或存儲裝置，在所述存儲裝置中，使用以具有孔的極板的陣列的形式的電極，向所述裝置施加電極RF電壓，相鄰極板之間(專利N0.US6812453，N0.US6894286和N0.US5818055)，或者形成一個極板的部分之間(專利N0.PCT/GB2010/001076)有相移。在那種情況下，因為電極的對稱，所以接近裝置的軸線的生成的RF場幾乎為零，然而它將突然增大接近傳送通道的邊界。因此，像在直線型多極離子傳送裝置的情況下，帶電粒子將從電極被排除出去并且通過RF場被限制在圍繞裝置的軸線的有限空間內(nèi)，并且在由于與氣體分子的碰撞而使得它們的動能減少的過程中，帶電粒子將被聚集成接近裝置的軸線。
[0014]可以看出，在裝置的軸線的附近缺少附加的電場的情況下，由于電極的對稱和電場的高頻從而使得帶電粒子沿著傳送裝置的軸線移動的力實際上將是不存在的(專利N0.US5818055和N0.US6894286)，并且沿著用于傳送的通道的長度的帶電粒子的傳送將不會很有效。實際上在專利N0.US5818055和N0.US6894286中沒有提到捕獲沿著裝置的軸線移動的帶電粒子；此外，具有不同的質(zhì)量和不同的初始條件(坐標和速度)的粒子以不同的有效速度沿著傳送的通道移動，因此，不會出現(xiàn)帶電粒子束分成個別空間上分開且同步傳送的帶電粒子包。
[0015]徑向非均勻的RF電場的疊加在上述方案之中是最成功的方案，其中徑向非均勻RF電場能夠沿著徑向方向定位在裝置的軸線的附近的帶電粒子，并且能夠沿著裝置的軸線定位電場的準靜態(tài)前進波，該裝置能夠使得具有不同質(zhì)量的帶電粒子的束分裂成空間分開的包并且沿著裝置的軸線同步傳送所述包(專利N0.US6812453和PCT/GB2010/001076)。
[0016]但是，由于帶正電的粒子聚集在準靜態(tài)電場的電勢的前進波的極小值的附近，并且?guī)ж撾姷牧Ｗ泳奂跍熟o態(tài)電場的電勢的前進波的極大值的附近，因此不能確保使用該方法可以在帶電粒子的集成包中傳送帶正電和帶負電的粒子。
[0017]大多數(shù)RF質(zhì)譜分析裝置的功能是基于從電場的高幅值的區(qū)域向具有較低幅值的電場的區(qū)域“噴出”帶電粒子的RF電場的性質(zhì)，而不管它們的電荷的極性。這種性質(zhì)是在快速振蕩電場的影響下，作為具有非零質(zhì)量的帶電粒子的運動的慣性的結(jié)果。
[0018]這種現(xiàn)象借助于P.L.Kap`itza首先提出的有效電勢或者偽勢的理論而被定量描述(參見:L.D.Landau, E.M.Lifshitz, Mechanics, Ser.Theoretical Physics, Fizmatlit,2004年，第124 - 127頁；G.M.Zaslavsky和R.Z.Sagdeev，非線性物理學的介紹:從擺動到湍流和混沌，M.，Nauka, 1988年，第49 - 51頁和第52 - 54頁；M.1.Yavor，帶電粒子分析器的光學，Ser.Advances of Imaging,第 157 卷，Elsevier, 2009 年，第 142 - 144 頁)。即，假
定遵循定律處%>% z,t) = Eu (..V, y,z)cos(^ + φ)的電場y, z,t)的振蕩的頻率ω足夠高(其
中瓦(U,ζ)為空間(x，y，z)內(nèi)的一點的電場的振蕩振幅，ω——振蕩頻率，P——振蕩的
初始相位，t——時間)，并且在電場的振蕩的一個周期的期間，具有質(zhì)量m和電荷q的帶電粒子的位移很小，于是帶電粒子的運動能夠表示為“平均”或“緩慢”運動，該運動具有附加的快速振蕩運動，但是振幅較小。在那種情況下，用于平均運動的方程式看起來好像平均運
動發(fā)生在具有電勢z)= g A(x,_y,z) /(4?請”的電場內(nèi)，其中值g、￡.0(χ, v,z), m和
ω如上所述被定義，并且表示振蕩電場和帶電粒子。參考上述可以找到理論的細節(jié)和證明。
[0019]由于用于電勢:F,ζ)的表達式包括電荷q和質(zhì)量m，因此電勢J,z)等同地影響帶正電和帶負電的粒子，并且效果也依賴于帶電粒子的質(zhì)量。在實際電勢為U(x, y, z)的情況下，帶正電的粒子將受到與電勢的梯度相反的力，并且?guī)ж撾姷牧Ｗ訉⑹艿窖刂?br> 勢的梯度指向的力，然而這種力不會依賴于粒子的質(zhì)量。根據(jù)用于電勢的表達式，
它遵循，帶電粒子將從RF場的振蕩幅度為高的區(qū)域被《推出(push out)》到RF場的上述振
蕩幅度較低的區(qū)域中(即，粒子將從電勢具有較高值的區(qū)域移動到電勢P(AU)
具有較低值的區(qū)域中XRF電場的提取作用不是依賴于帶電粒子的極性，并且使得正負帶電粒子在相同的方向上移動。RF電場的提取作用相對于那些具有較重質(zhì)量的帶電粒子比相對于較輕的帶電粒子更弱。通過改變電場的振蕩頻率能夠控制RF電場的提取作用。
[0020]電勢被稱作有效電勢，或者偽勢，并且表示用于描述和分析帶電
粒子的平均運動的有用的數(shù)學工具(可是事實上，它實際上不對應于任何的物理
場)。我們將認識是理當如此，一些它的特性。對于電場可X,>7,?)，它根據(jù)諧波振
蕩的定律
【權(quán)利要求】
1.一種用于操縱帶電粒子的裝置，其特征在于，所述裝置包含:一系列電極，所述一系列電極被定位成形成用于傳送所述帶電粒子的通道；電源單元，所述電源單元適于向所述電極提供電源電壓，以便在所述通道內(nèi)創(chuàng)建非均勻的高頻電場，所述場的偽勢至少在某個時間間隔內(nèi)，沿著所述通道的長度具有一個以上的局部極大值，其中，所述偽勢的所述極大值中的至少一個極大值至少在某個時間間隔內(nèi)并且至少在所述通道的所述長度的部分內(nèi)隨著時間被轉(zhuǎn)置，其中，所述供電電壓是(a)使用數(shù)字法綜合處理的高頻電壓；或者(b)高頻諧波電壓，和/或周期性非諧波高頻電壓，和/或具有包含兩種以上頻率的頻譜的高頻電壓，和/或具有包含頻率的無窮集的頻譜的高頻電壓，和/或高頻脈沖電壓，或者所述電壓的疊加，并且其中所述電壓轉(zhuǎn)換成高頻電壓的時間同步的串列。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，附加電壓被施加于所述電極；所述電壓為直流電壓，和/或準靜態(tài)電壓，和/或交流電壓，和/或脈沖電壓，和/或高頻電壓，以便控制所述帶電粒子的所述傳送的時間同步化。
3.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置包含差動泵的幾個階段，以致于氣體的所述壓力沿著所述裝置的所述長度改變，從而在所述裝置的入口處將帶電粒子噴射到所述裝置中的壓力高于在所述裝置的出口處時的壓力。
4.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，請求保護的所述裝置被用在用于將帶電粒子從充滿氣體的離子源傳送到質(zhì)量分析器中的分界面中。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，從以下選擇所述充滿氣體的離子源:電噴霧電離(ESI)離子源、大氣壓電離(API)離子源、大氣壓化學電離(APCI)離子源、大氣壓光電離(APPI)離子源、電感耦合等離子體(ICP)離子源、電子撞擊(EI)離子源、化學電離(Cl)離子源、光電離(PI)離子源、熱電離(TI)離子源、氣體放電電離離子源、快速原子轟擊(FAB)離子源、在二次離子質(zhì)譜分析法(SIMS)中的離子轟擊電離離子源、和在液體二次離子質(zhì)譜分析法(LSIMS)中的離子轟擊電離離子源。
6.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置與帶電粒子檢測器有關聯(lián)并且其中所述裝置的操作與所述帶電粒子檢測器是時間同步的。
7.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置適于提供在相對于帶電粒子沿著所述通道傳送的方向正交或傾斜的方向上從所述通道提取帶電粒子。
8.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，附加的直流電壓、和/或準靜態(tài)電壓、和/或交流電壓、和/或脈沖電壓、和/或RF電壓被施加于所述電極，所述電壓用來控制在帶電粒子的捕獲的局部區(qū)域內(nèi)的所述帶電粒子的運動。
9.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，附加的直流電壓、和/或準靜態(tài)電壓、和/或交流電壓、和/或脈沖電壓、和/或RF電壓被施加于所述電極，所述電壓至少在一定時間間隔內(nèi)，至少在所述通道內(nèi)的路徑的一個點處，沿著所述通道提供附加的電勢或者偽勢壘，和/或電勢或偽勢阱。
10.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，與所述裝置的所述出口相t匕，離子噴射到所述裝置的所述入口在更高的壓力下發(fā)生。
11.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，由于帶電粒子和惰性氣體分子之間的碰撞和能量交換，從而出現(xiàn)帶電粒子的動能的平衡。
12.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，供電電壓被施加于所述電極，所述供電電壓的頻率至少在一定時間間隔內(nèi)改變。
13.如先前權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，其特征在于，對于所述裝置的至少部分，所述通道的輪廓沿著所述通道的所述長度改變。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述傳送通道的輪廓改變以便具有漏斗構(gòu)造。
15.如先前權(quán)利要求中任意一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置被用在用于分裂離子的單元的結(jié)構(gòu)中，其中同時傳送由帶正電粒子和帶負電粒子組成的帶電粒子的包。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有入口中間裝置，所述入口中間裝置被配置成結(jié)合用于混合離子束的兩個以上的源。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述裝置具有入口中間裝置，所述入口中間裝置被配置成通過與個別源交替操作來結(jié)合兩個以上的源。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，供電電壓被施加于所述電極，所述供電電壓的頻率至少在一定時間間隔內(nèi)改變。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述裝置被配置成與用于檢測帶電粒子的裝置的操作時間同步。
20.一種分裂離子的單元，其特征在于，所述單元包含如權(quán)利要求1至19中任意一項所述的裝置，其中在使用時，所述裝置內(nèi)的所述高頻電場限制所述離子。
21.一種質(zhì)譜儀，其特征在于，所述質(zhì)譜儀包含如先前權(quán)利要求中任意一項所述的裝置或者單元?！?br> 22.使用如權(quán)利要求1至19中任意一項所述的裝置，用于在所述傳送過程中壓縮所述帶電粒子的束。
23.使用如權(quán)利要求1至19中任意一項所述的裝置，作為用于分裂離子的分裂單元。
【文檔編號】H01J49/06GK103718270SQ201280033346
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月5日
【發(fā)明者】亞歷山大·波得尼科夫, 艾琳娜·安卓瑞耶娃, 羅杰·賈爾斯 申請人:島津研究實驗室（歐洲）有限公司