專利名稱：質(zhì)譜儀及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)譜儀和用于根據(jù)帶電粒子的荷質(zhì)比檢測(cè)帶電粒子的質(zhì)譜分析方法。 所公開的技術(shù)具有多種應(yīng)用，包括混合粒子的分類、粒子的識(shí)別、物質(zhì)檢測(cè)和物質(zhì)提純。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜是眾所周知的并且涉及通過利用電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)操縱帶電粒子以獲得從粒子的荷質(zhì)比(q/m)得出的結(jié)果。在一個(gè)例子中，使用帶電板將已電離的分子加速到與垂直磁場(chǎng)交叉的區(qū)域中。由于粒子的運(yùn)動(dòng)，在每個(gè)粒子上產(chǎn)生洛倫茲力，使得粒子的軌跡彎曲。 彎曲的程度將取決于分子的質(zhì)量和電荷較重并且/或者較低電荷的粒子比較輕并且/或者較高電荷的粒子偏轉(zhuǎn)程度小。設(shè)置一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器以接收偏轉(zhuǎn)的粒子，并且分布可以用于推導(dǎo)包括每種類型粒子的質(zhì)量和各種粒子的相對(duì)比例的信息。這還可被用于確定例如分子結(jié)構(gòu)等信息以及識(shí)別所測(cè)試的物質(zhì)。已針對(duì)具體應(yīng)用開發(fā)出專用形式的質(zhì)譜儀。因此，質(zhì)譜可被用于許多目的，包括識(shí)別未知化合物、確定同位素成分、研究分子結(jié)構(gòu)、對(duì)混合粒子的樣品進(jìn)行分類以及對(duì)樣品中物質(zhì)的量進(jìn)行量化等等。質(zhì)譜還可被用于分析幾乎任何類型的可被帶電的粒子，包括化學(xué)元素和化合物，如藥物；生物分子，包括蛋白質(zhì)和它們的縮氨酸、DNA、RNA、酶等；以及許多其它例子，包括污染物如灰塵等。在相關(guān)領(lǐng)域中，先前已在W0-A-03/051520中使用離心式譜儀在成形的電場(chǎng)影響下根據(jù)帶電例子的荷質(zhì)比分離帶電粒子的樣品。將要被分離的離子放在填充了緩沖溶液的腔體中，腔體被高速旋轉(zhuǎn)。公開了多種用于施加適當(dāng)形狀的徑向電場(chǎng)的手段，并且在電和離心力的影響下離子沿著腔體分離，使得能夠離析各個(gè)離子類型并進(jìn)行相對(duì)測(cè)量。 US-A-5, 565，105、W0-A-2008/132227、GB-A-1488244 和 W0-A-2004/086441 公開了其它離子分1 裝直。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀包括腔室；適于將帶電粒子注入到該腔室中的注入裝置；適于建立作用在該帶電粒子上的至少一個(gè)場(chǎng)的場(chǎng)生成設(shè)備，該至少一個(gè)場(chǎng)具有被配置成在旋轉(zhuǎn)軸和該腔室的周界之間形成至少一個(gè)通道的角向捕集分量，該至少一個(gè)通道由該角向捕集分量的能量最小值限定，該場(chǎng)生成設(shè)備還適于使該角向捕集分量圍繞該旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，由此，在使用中，帶電粒子由該角向捕集分量沿著該至少一個(gè)通道在角向上約束從而與該角向捕集分量一起旋轉(zhuǎn)，離心力由此作用在該帶電粒子上；以及徑向平衡分量，至少在該至少一個(gè)通道附近，該徑向平衡分量的幅度隨著自該旋轉(zhuǎn)軸起的半徑的增大而單調(diào)增大，由此，在使用中，帶電粒子在該離心力和該徑向平衡分量的組合影響下沿著該至少一個(gè)通道移動(dòng)，從而根據(jù)粒子的荷質(zhì)比形成一個(gè)或多個(gè)粒子軌道；該質(zhì)譜儀還包括被配置成檢測(cè)至少一個(gè)所述粒子軌道的檢測(cè)器。本發(fā)明還提供一種質(zhì)譜分析方法，該質(zhì)譜分析方法包括將帶電粒子注入到腔室中；建立作用在該帶電粒子上的至少一個(gè)場(chǎng)，該至少一個(gè)場(chǎng)具有被配置成在旋轉(zhuǎn)軸和該腔室的周界之間形成至少一個(gè)通道的角向捕集分量，該至少一個(gè)通道由該角向捕集分量的能量最小值限定；以及徑向平衡分量，至少在該至少一個(gè)通道附近，該徑向平衡分量的幅度隨著自該旋轉(zhuǎn)軸起的半徑的增大而單調(diào)增大；使該角向捕集分量圍繞該旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，由此， 帶電粒子由該角向捕集分量沿著該至少一個(gè)通道在角向上約束從而與該角向捕集分量一起旋轉(zhuǎn)，離心力由此作用在該帶電粒子上，該帶電粒子在該離心力和該徑向平衡分量的組合影響下沿著該至少一個(gè)通道移動(dòng)，從而根據(jù)粒子的荷質(zhì)比形成一個(gè)或多個(gè)粒子軌道；以及檢測(cè)至少一個(gè)所述粒子軌道。在W0-A-03/051520中，對(duì)緩沖液的要求意味著不能從樣品推導(dǎo)出任何絕對(duì)的信息，例如粒子質(zhì)量、構(gòu)成等。然而，如權(quán)利要求1中所述的，通過使用角向能量最小值建立通道，沿著該通道捕集帶電粒子，粒子可以根據(jù)它們的q/m比沿著通道布置，而不需要物理腔或緩沖液。這不僅能夠確定粒子的絕對(duì)質(zhì)量(緩沖液的浮力影響被消除)，而且還大大簡(jiǎn)化了譜儀設(shè)備。另外，由于可以同時(shí)形成多個(gè)軌道，所以可以同時(shí)地并且在遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)裝置的動(dòng)態(tài)q/m范圍上分析不同粒子類型。此外，由于沒有物理腔，所以可以針對(duì)每個(gè)應(yīng)用通過簡(jiǎn)單調(diào)整所施加的場(chǎng)，按照期望改變裝置參數(shù)(如“虛擬”通道的數(shù)目、形狀和長(zhǎng)度)。如果需要的話，這甚至可以動(dòng)態(tài)進(jìn)行(即，在譜處理期間)。應(yīng)該注意，該角向捕集分量在角向上作用在粒子上也就是說，粒子在它的影響下以恒定的半徑圍繞旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)(不存在任何其它影響)。徑向平衡分量沿著徑向方向作用在粒子上(即，垂直于角向分量)。盡管在許多情況下，場(chǎng)的作用方向(即，由場(chǎng)產(chǎn)生的作用在粒子上的力的方向)平行于場(chǎng)本身的方向(例如在電場(chǎng)的情況下)，但是不一定都是這種情況。例如，磁場(chǎng)將導(dǎo)致在帶電粒子上產(chǎn)生的力垂直于該場(chǎng)的方向。重要的是場(chǎng)分量作用于粒子上的方向(即，所產(chǎn)生的力的方向)分別是角向和徑向的。該徑向平衡分量對(duì)抗粒子上的離心力，使得每個(gè)粒子沿著其“虛擬”通道移動(dòng)到離心力和(徑向)電力的幅度相等的徑向平衡位置。由于這樣布置的粒子是旋轉(zhuǎn)的，所以在每個(gè)平衡半徑處產(chǎn)生粒子軌道，然后可以使用檢測(cè)器測(cè)量這些軌道的位置以得出各種結(jié)果。如下面將進(jìn)一步描述的，該設(shè)備可被用于許多目的，包括粒子分離(分類)、質(zhì)量確定、 物質(zhì)識(shí)別和物質(zhì)檢測(cè)以及提純?？梢愿鶕?jù)所測(cè)試的粒子類型和腔室中的條件從很寬的范圍選擇角向分量和徑向分量的幅度。一般來說，q/m較高的粒子比q/m低的粒子需要的徑向平衡場(chǎng)分量弱。在優(yōu)選實(shí)施例中，在任一半徑處最大角向場(chǎng)分量的幅度與該半徑處的徑向場(chǎng)分量的幅度處于同一量級(jí)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這有助于粒子沿著每個(gè)通道穩(wěn)定下來，但不是必須的。在第一例子中，由角向捕集場(chǎng)提供角向捕集分量，并且由徑向平衡場(chǎng)提供徑向平衡分量。因此，兩個(gè)分開的場(chǎng)被施加并且彼此疊加，以提供必要的分量。如稍后將要描述的，角向捕集場(chǎng)和徑向平衡場(chǎng)可以每個(gè)都是電場(chǎng)，或者角向捕集場(chǎng)可以是電場(chǎng)，而徑向平衡場(chǎng)是磁場(chǎng)。使用兩個(gè)分開的場(chǎng)使得能夠彼此獨(dú)立地控制每個(gè)場(chǎng)。在第二例子中，由角向捕集場(chǎng)提供角向捕集分量，并且徑向平衡場(chǎng)是角向捕集場(chǎng)的分量。因此，角向捕集場(chǎng)和徑向平衡場(chǎng)二者可以由單一場(chǎng)提供。這減小了場(chǎng)生成裝置的復(fù)雜性，并且允許粒子軌道由單個(gè)場(chǎng)來控制。能量最小值是由場(chǎng)產(chǎn)生的作用在粒子上的角向力處于最小值的點(diǎn)。優(yōu)選地，能量最小值對(duì)應(yīng)于基本上零角向場(chǎng)幅度的點(diǎn)。該最小值典型地可以不對(duì)應(yīng)于角向場(chǎng)的“最低”(即，最負(fù)的)點(diǎn)。在使用中，帶電粒子將在角向場(chǎng)分量的影響下向能量最低點(diǎn)遷移，并且將被保持在該最小值的附近，因?yàn)橐x開該最小值涉及粒子能量的增大。應(yīng)該注意的是， 由于稍后要討論的阻尼效應(yīng)，粒子可能不精確穩(wěn)定在最小值。優(yōu)選地，該能量最小值對(duì)應(yīng)于角向捕集場(chǎng)中的過零點(diǎn)。也就是說，在每個(gè)最小值的一(角向)側(cè)，場(chǎng)是正的，而在另一側(cè)，場(chǎng)是負(fù)的。因此，角向場(chǎng)在能量最小值處切換方向。 這沿著能量最小值產(chǎn)生特別穩(wěn)定的粒子“陷阱”，因?yàn)榱Ｗ釉谌我粋?cè)都會(huì)被相反的場(chǎng)推向最小值。然而，不是所有的過零點(diǎn)都將為所有粒子提供穩(wěn)定的平衡由于帶正電的粒子受到的力與帶負(fù)電的粒子上的力相反，所以場(chǎng)從正切換到負(fù)的過零點(diǎn)為正離子提供穩(wěn)定的陷阱， 而場(chǎng)從負(fù)切換到正的過零點(diǎn)為負(fù)離子提供穩(wěn)定的陷阱。優(yōu)選地，限定該通道或每個(gè)通道的能量最小值沿著該通道或每個(gè)通道是連續(xù)的。 也就是說，沿著通道的每個(gè)點(diǎn)是角向最小值。連續(xù)的最小值使帶電粒子能夠根據(jù)它們的荷質(zhì)比沿著通道定位它們自己。如果期望的話可以產(chǎn)生單個(gè)這種通道。然而，如果所有粒子都被捕集到一個(gè)地點(diǎn)，那么自排斥效應(yīng)可能很高。因此，優(yōu)選地，存在由角向捕集場(chǎng)產(chǎn)生的多于一個(gè)的這種通道，使得帶電粒子可以在每個(gè)通道中形成類似荷質(zhì)比的粒子束。在優(yōu)選的例子中，該至少一個(gè)通道從腔室的旋轉(zhuǎn)軸延伸到周界。設(shè)想該通道的長(zhǎng)度可以是旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的任意長(zhǎng)度。然而，該至少一個(gè)通道的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，每個(gè)通道內(nèi)可以建立的粒子軌道的數(shù)目越大。因此，理想地，通道的長(zhǎng)度是旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的總距離，以確?？赡艿淖铋L(zhǎng)通道。在其它例子中，可以通過在場(chǎng)中插入能量最大值而將該通道或者每個(gè)通道分成多于一個(gè)的子通道。這對(duì)于同時(shí)分析多于一個(gè)的質(zhì)荷比窗口可能是有用的。優(yōu)選地，該至少一個(gè)通道是徑向通道。也就是說，它遵循旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的直線路徑。該至少一個(gè)通道在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間徑向延伸任何有限長(zhǎng)度。在其它例子中，該通道可以遵循旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的非線性路徑。例如，在某些有利的實(shí)施例中，該至少一個(gè)通道遵循旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的弓形路徑。例如，可以在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間提供至少一個(gè)螺旋形狀的通道。弓形(或其它非線性)通道的使用增大了通道的長(zhǎng)度，并且因此增加了通道內(nèi)可以包含的粒子軌道的數(shù)目，這允許分析更大數(shù)目的不同荷質(zhì)比的粒子。該弓形通道可以彼此嵌入以增大腔室容納通道的能力。該弓形通道由如前面所述的能量最小值形成。在優(yōu)選的例子中，在每個(gè)半徑處角向捕集場(chǎng)圍繞旋轉(zhuǎn)軸遵循交變輪廓。也就是說， 角向捕集場(chǎng)的符號(hào)圍繞旋轉(zhuǎn)軸交替變化，以提供與前面所述的場(chǎng)中的過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量最小值。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，角向捕集場(chǎng)分量遵循正弦輪廓，但是它還可以具有任何其它規(guī)則的交變輪廓，如方波或三角波輪廓。在許多實(shí)施中，圍繞腔室的整個(gè)圓周建立角向捕集場(chǎng)。然而，這不是必須的，因?yàn)樵谝恍﹥?yōu)選實(shí)施例中，場(chǎng)生成設(shè)備適于只在腔室周圍限定的角向子部分中建立角向捕集分量(對(duì)著小于360度的角度)。這可能是期望的，因?yàn)檫@樣可以將施加必要的場(chǎng)所需的部件 (例如，電極)限制在腔室的該子部分中。優(yōu)選地，角場(chǎng)捕集場(chǎng)是電場(chǎng)。電場(chǎng)產(chǎn)生如前面所述的通道?？商孢x地，角向捕集場(chǎng)可以是磁場(chǎng)。在優(yōu)選的粒子中，場(chǎng)生成設(shè)備包括角向場(chǎng)電極組件，該角向場(chǎng)電極組件包括多個(gè)捕集電極或捕集電極元件以及被設(shè)置成向至少一些捕集電極或捕集電極元件施加電壓的電壓源。電極可以被典型地布置在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)，例如在腔室的表面之上或者之下(或者此二者)。所選電極配置取決于所期望的場(chǎng)形狀和所需要的裝置靈活程度。例如，在一些優(yōu)選實(shí)施例中，角向場(chǎng)電極組件包括在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間延伸的至少兩個(gè)捕集電極，該捕集電極優(yōu)選地圍繞旋轉(zhuǎn)軸基本上均等地角向間隔開。在角向場(chǎng)只建立在腔室的一個(gè)角向子部分中的情況下，該子部分可以限定在兩個(gè)電極之間，并且如果提供更多個(gè)電極，那么它們可以在該子部分內(nèi)在角向上是等間隔的。根據(jù)施加到每個(gè)捕集電極的電壓電平，將會(huì)按照電極的形狀在電壓場(chǎng)中產(chǎn)生峰或谷，該峰或谷將對(duì)應(yīng)于所得到的電場(chǎng)中的能量最小值(因?yàn)殡妶?chǎng)與電壓分布的空間導(dǎo)數(shù)有關(guān))。通過等間距地布置電極，可以容易地實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的電場(chǎng)(如果期望如此的話)。可替選地，角向場(chǎng)電極組件可以包括捕集電極元件的至少兩個(gè)陣列，每個(gè)陣列沿著旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的相應(yīng)路徑延伸，該陣列優(yōu)選地圍繞旋轉(zhuǎn)軸基本上均等地角向間隔開(與上面指出的在只產(chǎn)生角向子部分場(chǎng)的情況下采用的做法出于相同的考慮)。因此，每個(gè)捕集電極有效地包括單獨(dú)的電極元件的陣列。該電極元件陣列可以具有施加到每個(gè)電極元件的單獨(dú)電壓，從而允許如稍后將要討論的對(duì)場(chǎng)的更大控制。優(yōu)選地，該至少兩個(gè)捕集電極或至少兩個(gè)陣列每個(gè)都在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間徑向延伸。也就是說，每個(gè)捕集電極或陣列是直線的并且在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間延伸。 這種設(shè)置將在如上所述的角向場(chǎng)中建立徑向通道。每個(gè)捕集電極或陣列不需要延伸旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的整個(gè)距離，而是可以從旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的任一點(diǎn)延伸到該范圍內(nèi)的任意另一點(diǎn)。然而，為了使通道的長(zhǎng)度最大化，該電極或陣列優(yōu)選地從旋轉(zhuǎn)軸延伸到腔室的周界。在其它優(yōu)選實(shí)施例中，該至少兩個(gè)捕集電極或陣列在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間遵循弓形路徑。該配置允許產(chǎn)生如上面所述的螺旋通道。電極或陣列的弓形路徑可以延伸到旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的任一點(diǎn)，并且不一定必須延伸旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的整個(gè)距離。如果不希望利用電極/陣列路徑固定通道的形狀，那么在特別優(yōu)選的實(shí)施例中， 角向場(chǎng)電極組件包括布置在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的二維捕集電極元件陣列，該捕集電極元件優(yōu)選地被布置成正交網(wǎng)格圖案、六邊形網(wǎng)格圖案、密排(close-packed)圖案或同心圓圖案。這樣，可根據(jù)需要，通過對(duì)2D陣列中的一些或全部元件施加適當(dāng)?shù)碾妷簛磉x擇通道的形狀。在一些例子中，可以通過相對(duì)于腔室旋轉(zhuǎn)角向場(chǎng)電極組件來旋轉(zhuǎn)角向場(chǎng)分量。因此，場(chǎng)生成設(shè)備可以進(jìn)一步包括適于旋轉(zhuǎn)徑向場(chǎng)電極或腔室的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如角向場(chǎng)電極組件安裝在其上的馬達(dá)。然而，在優(yōu)選的實(shí)施中，電壓源適于依次改變施加到每個(gè)捕集電極或捕集電極元件的電壓，使得角向捕集場(chǎng)在旋轉(zhuǎn)軸周圍旋轉(zhuǎn)。依次改變每個(gè)捕集電極上的電壓允許向電極施加旋轉(zhuǎn)電壓并且與前面描述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有相同的效果。優(yōu)選地，該捕集電極或元件或者每個(gè)捕集電極或元件具有有限的(非零)電阻，使得電壓沿著該捕集電極或每個(gè)捕集電極變化。有利地，該捕集電極或陣列或者每個(gè)捕集電極或陣列朝著旋轉(zhuǎn)軸的端部上的電壓的幅度低于該捕集電極或每個(gè)捕集電極的朝著腔室的周界的端部上的電壓的幅度(不考慮符號(hào))。典型地，在捕集電極的朝著旋轉(zhuǎn)軸的端部處施加地電壓，并且對(duì)電極的朝著腔室的周界的端部施加較高幅度的電壓。該電壓沿著捕集電極的長(zhǎng)度變化，因?yàn)椴都姌O優(yōu)選地具有有限的電阻。這有助于形成跨旋轉(zhuǎn)軸連續(xù)的電場(chǎng)形狀。在一個(gè)例子中，該捕集電極或元件或者每個(gè)捕集電極或元件包括電阻性聚合物或硅。這種材料是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兙哂幸阎档膬?nèi)在電阻，而傳統(tǒng)的傳導(dǎo)電極材料(典型地是金屬)具有接近零的電阻，并且不能調(diào)整該電阻。如已經(jīng)描述的，至少在每個(gè)通道的(角向和/或徑向)區(qū)域中，徑向平衡分量具有隨著半徑增大而單調(diào)增大的幅度。單調(diào)增大函數(shù)是該函數(shù)的幅度的導(dǎo)數(shù)總是正的。應(yīng)該注意的是，這與場(chǎng)的符號(hào)無關(guān)因此，在負(fù)場(chǎng)的情況下，場(chǎng)的絕對(duì)值將隨著半徑減小(即，變得更負(fù))，但是場(chǎng)強(qiáng)總是隨著半徑增大。因此，徑向平衡分量的幅度總是隨著半徑增大。為了在向外的離心力和向內(nèi)作用的徑向平衡分量之間達(dá)到穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，這是必須的。可以選擇任何單調(diào)增大函數(shù)。然而，優(yōu)選地，徑向平衡分量具有以廣增大的幅度，其中η大于或等于1，且r是距旋轉(zhuǎn)軸的徑向距離。例如，徑向平衡場(chǎng)分量可以關(guān)于半徑成比例地(線性地) 或者二次地增大等等。在優(yōu)選的例子中，至少在該通道或每個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的角向位置處，在每個(gè)半徑處徑向平衡分量的幅度圍繞旋轉(zhuǎn)軸是恒定的。徑向平衡分量的幅度無需圍繞旋轉(zhuǎn)軸是恒定的。然而，通過將其幅度至少在每個(gè)通道處設(shè)置成恒定的，所述平衡點(diǎn)將位于圍繞旋轉(zhuǎn)軸的相同半徑處，這導(dǎo)致圓形(或接近圓形)的軌道，使得它們可以被更準(zhǔn)確地測(cè)量。在某些例子中，在每個(gè)半徑處徑向平衡分量的幅度圍繞旋轉(zhuǎn)軸變化。在徑向幅度關(guān)于角向位置不恒定的情況下，優(yōu)選地，徑向平衡分量與角向捕集分量同步旋轉(zhuǎn)，以確保適當(dāng)?shù)膹较驁?chǎng)與每個(gè)通道對(duì)準(zhǔn)。優(yōu)選地，場(chǎng)生成設(shè)備還適于使徑向平衡分量與角向捕集分量同步地圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)特別有利的實(shí)施例中，徑向平衡分量在腔室的至少一個(gè)第一角向扇區(qū)中具有第一方向，并且在至少一個(gè)第二角向扇區(qū)中具有與第一方向相反的第二方向，第一和第二角向扇區(qū)對(duì)應(yīng)于角向最小值的第一和第二通道。也就是說，在所選通道附近，徑向平衡分量將向內(nèi)作用在正粒子上并且向外作用在負(fù)粒子上，而對(duì)于其它選擇的通道，情況將相反。 這使得帶正電和帶負(fù)電的粒子能夠被同時(shí)分析。在優(yōu)選的實(shí)施中，徑向平衡場(chǎng)是磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)在粒子上建立與離心力平衡的力，使得帶電粒子根據(jù)它們的荷質(zhì)比形成一個(gè)或多個(gè)粒子軌道。這是由于移動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生電流而發(fā)生的，帶電粒子受到洛倫茲力。在這些實(shí)施例中，場(chǎng)生成設(shè)備優(yōu)選地包括磁體組件。 腔室位于磁體組件的相對(duì)極之間，使得在該磁體組件的相對(duì)極之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過腔室。優(yōu)選地，該磁體組件包括電磁體，因?yàn)檫@允許產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，并且容易控制。然而，還可以考慮任何其它磁場(chǎng)生成設(shè)備，如永磁體。有利地，該磁體組件的每個(gè)極具有在腔室周界處比在旋轉(zhuǎn)軸處朝著腔室延伸更多的、被成形為建立單調(diào)增大的徑向場(chǎng)的變化的表面輪廓，優(yōu)選地具有凹的表面輪廓。因此， 所產(chǎn)生的穿過腔室的橫截面的磁場(chǎng)的強(qiáng)度是非均勻的。該變化的表面輪廓使磁場(chǎng)的幅度朝著旋轉(zhuǎn)軸減小，因?yàn)榇颂巸蓚€(gè)極件之間的距離處于最大值。極表面形狀提供了所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著半徑單調(diào)增大。可替選地，通過使用在內(nèi)部同心布置的至少兩個(gè)不同的磁性材料以產(chǎn)生磁體的極，可以產(chǎn)生類似的非均勻磁場(chǎng)，每個(gè)磁性材料具有不同的磁強(qiáng)度并且朝著旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生期望的減小的磁場(chǎng)。在其它優(yōu)選實(shí)施中，徑向平衡場(chǎng)是電場(chǎng)。這里，場(chǎng)生成設(shè)備優(yōu)選地包括徑向場(chǎng)電極組件，該徑向場(chǎng)電極組件包括相鄰于腔室而布置的至少一個(gè)平衡電極，該至少一個(gè)平衡電極具有被成形為當(dāng)它被施加電壓時(shí)建立單調(diào)增大的徑向場(chǎng)的徑向輪廓。有利地，該平衡電極具有與旋轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)的中心以及圍繞該旋轉(zhuǎn)軸基本上圓形的周界，該平衡電極的厚度在該平衡電極的中心和周界之間變化從而建立單調(diào)增大的徑向場(chǎng)。還設(shè)想到可以使用平衡電極元件的陣列來產(chǎn)生期望的效果。優(yōu)選地，該平衡電極是具有直的、凹的或凸的側(cè)面的圓錐體?？梢愿淖?cè)撾姌O側(cè)面的形狀，以產(chǎn)生徑向平衡分量的期望輪廓。有利地，該圓錐體的頂點(diǎn)朝著或遠(yuǎn)離腔室而延伸。優(yōu)選地，場(chǎng)生成設(shè)備還包括被設(shè)置成向該至少一個(gè)平衡電極施加電壓的電壓源。 該電壓源可以優(yōu)選地支持可調(diào)整的電壓輸出。有利地，該平衡電極或者每個(gè)平衡電極優(yōu)選地由固體電阻性聚合物或硅形成。如前面關(guān)于角向場(chǎng)電極描述的，使用這種材料是為了確保電極具有足夠的電阻，使得能夠產(chǎn)生期望的電場(chǎng)輪廓。優(yōu)選地，徑向場(chǎng)電極組件還包括第二平衡電極，腔室被布置在第一和第二平衡電極之間。使用第二平衡電極使腔室在第一和第二平衡電極之間有助于避免在軸向方向上場(chǎng)的形狀變形。優(yōu)選地，以與第一平衡電極相同的方式并且由相同的材料形成第二平衡電極， 以確保所產(chǎn)生的場(chǎng)輪廓是對(duì)稱的。還可以使用其它電極組件以實(shí)現(xiàn)徑向場(chǎng)。在優(yōu)選的例子中，場(chǎng)生成設(shè)備包括徑向場(chǎng)電極組件，具有與旋轉(zhuǎn)軸同心布置并且通過介電材料彼此間隔開的多個(gè)環(huán)形電極；以及電壓源，被設(shè)置成向每個(gè)環(huán)形電極施加電壓。在上述例子中，徑向分量和角向分量分別由分開的場(chǎng)建立，并且彼此疊加。然而， 在可選的實(shí)施中，可以由角向捕集場(chǎng)提供徑向平衡分量。因此，用于建立角向捕集場(chǎng)的場(chǎng)生成裝置可以被相應(yīng)地修改，并且不需要任何附加的場(chǎng)產(chǎn)生部件。因此，優(yōu)選地，角向場(chǎng)電極組件被配置成使得在該捕集電極或每個(gè)電極的朝著旋轉(zhuǎn)軸的一端和該捕集電極或每個(gè)捕集電極的朝著腔室的周界的一端之間該捕集電極或每個(gè)捕集電極上的電壓是變化的，從而建立單調(diào)增大的徑向場(chǎng)。例如，這可以使用由適當(dāng)成形的電阻性材料形成電極或者通過使用沿著每個(gè)通道布置成陣列的電極元件來進(jìn)行。如果提供原件陣列，那么通過對(duì)每個(gè)元件施加適當(dāng)?shù)碾妷弘娖?，可以精確地控制并且根據(jù)期望改變徑向分量的形狀?？商孢x地，可以跨腔室的至少一部分提供這種電極元件的二維網(wǎng)格，使得每個(gè)通道的形狀不由電極的布局固定，而是可以通過對(duì)一些或全部電極元件施加適當(dāng)?shù)碾妷簛磉x擇。優(yōu)選地，腔室具有與旋轉(zhuǎn)軸基本上垂直的圓形橫截面。對(duì)于腔室來說，圓形橫截面是優(yōu)選的，因?yàn)閹щ娏Ｗ拥牧Ｗ榆壍缹②呄蛴趫A形(或者接近圓形)，除非徑向平衡分量被設(shè)計(jì)為圍繞旋轉(zhuǎn)軸幅度變化。因此，使用具有圓形橫截面的腔室在空間利用上最有效。 然而，這絕不是必須的，因?yàn)榭梢允褂萌我庑螤畹那皇?，包括立方體或長(zhǎng)方體的腔室。在特別優(yōu)選的例子中，腔室是盤狀的或者圓柱形的，旋轉(zhuǎn)軸平行于腔室的軸，并且與腔室相交。 在其它例子中，腔室具有與旋轉(zhuǎn)軸基本上垂直的環(huán)形橫截面。因此，旋轉(zhuǎn)軸可以穿過中心“孔”，而不是與腔室本身相交。如果期望的話，具有非圓形橫截面的腔室配置也可以包括圓形或非圓形的中心“孔”。優(yōu)選地，該腔室是真空腔室，并且該質(zhì)譜儀進(jìn)一步包括用于控制該腔室內(nèi)的空氣的設(shè)備，優(yōu)選為排空裝置或泵。在腔室內(nèi)使用受控的空氣使作用在粒子上的氣動(dòng)阻力能夠保持在最低值，否則會(huì)使結(jié)果失真，并且減小了因腔室內(nèi)存在另外的物質(zhì)而導(dǎo)致的假結(jié)果。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，用于控制腔室內(nèi)的空氣的設(shè)備適于在腔室內(nèi)維持不完全真空(即，受控的低氣壓)。在腔室內(nèi)提供低氣壓使粒子能夠自由地移動(dòng)，同時(shí)提供阻尼效應(yīng)，該阻尼效應(yīng)有助于沿著每個(gè)通道保持粒子。然而這不是必須的，因?yàn)閳?chǎng)可以改為成形為提供強(qiáng)的局部化，在該局部?jī)?nèi)關(guān)于能量最小值的一定程度的振蕩是可接受的。在其它情況下，可以優(yōu)選在腔室內(nèi)使用較高的氣壓，并且因此可以將泵設(shè)置成在腔室內(nèi)維持升高的壓力。例如，在想要以相對(duì)低的角速度和施加的相對(duì)高的場(chǎng)強(qiáng)分析大質(zhì)量的粒子如細(xì)胞的情況下，這可能是適當(dāng)?shù)?。在這種情況下，太低的氣壓會(huì)因所施加的高場(chǎng)而導(dǎo)致受控的空氣擊穿，因此使用較高的氣壓可以避免擊穿發(fā)生。在提供阻尼效應(yīng)(例如，通過腔室內(nèi)受控的空氣)的情況下，優(yōu)選地，在任一半徑處的最大角向場(chǎng)分量的幅度足夠大，以克服粒子上的阻尼力。例如，在由氣體提供阻尼的情況下，由最大角向場(chǎng)分量在粒子上產(chǎn)生的力應(yīng)該大于該粒子上因?yàn)樗c氣體的接觸而產(chǎn)生的摩擦力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這有助于將粒子保持在每個(gè)通道內(nèi)，但這不是必須的。在某些例子中，該質(zhì)譜儀可以接收預(yù)先帶電的粒子。然而，優(yōu)選地，該譜儀還包括適于在粒子被注入到腔室中之前使粒子電離的電離裝置。適當(dāng)?shù)碾婋x裝置是公知的，并且包括粒子穿過電子束的電子電離和通過碰撞期間的化學(xué)離子-分子反應(yīng)使被分析物電離的化學(xué)電離。該電離裝置可以與注入裝置分開，或者這二者可以形成整體部件。典型地，注入裝置包括加速電極，當(dāng)電壓被施加時(shí)，加速電極將電子粒子引向它并進(jìn)入腔室。如果要分析正粒子和負(fù)離子二者，那么可以提供兩個(gè)這種注入裝置，或者電極可以在正電壓和負(fù)電壓之間切換。注入裝置可以被布置在腔室上的任意位置處(例如，腔室的中心“孔”，如果提供中心“孔”的話)，或者布置在腔室的上表面或下表面上的任意徑向位置處。有利地，場(chǎng)生成設(shè)備還包括適于控制場(chǎng)生成設(shè)備實(shí)現(xiàn)角向捕集分量和/或徑向平衡分量的幅度和/或形狀的變化的控制器。該控制器可以是計(jì)算機(jī)或者可編程的電壓源。 在優(yōu)選的實(shí)施中，在帶電粒子的移動(dòng)期間改變徑向平衡分量的幅度和/或形狀，從而調(diào)整該粒子軌道或者每個(gè)粒子軌道的半徑。角向捕集分量也可以被改變，例如改變其旋轉(zhuǎn)頻率 (并因此改變角速度)和/或通道形狀。如已經(jīng)提到的，該譜儀可被用于許多不同的應(yīng)用中，并且因此各種不同的檢測(cè)技術(shù)可能是適當(dāng)?shù)?。在某些例子中，檢測(cè)器適于測(cè)量至少一個(gè)粒子軌道的半徑。這特別適用于想要確定粒子的質(zhì)量或者粒子的構(gòu)成是未知的情況。通過測(cè)量軌道半徑，可以推導(dǎo)出形成該軌道的粒子的質(zhì)量，粒子的質(zhì)量可被反過來用于確定其構(gòu)成。然而，在許多其它應(yīng)用中，不必測(cè)量半徑。例如，在所調(diào)查的粒子的質(zhì)量是已知的情況下，所形成的軌道的半徑也是已知的。因此，在某些例子中，檢測(cè)器適于在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定半徑處檢測(cè)粒子軌道。在固定的(已知的)場(chǎng)配置中，在預(yù)定的半徑處檢測(cè)到粒子將確認(rèn)某種物質(zhì)存在?？商孢x地，可以“在飛行時(shí)”調(diào)整徑向場(chǎng)分量的幅度，以使軌道與已知半徑位置處的檢測(cè)器相符，為此施加的場(chǎng)調(diào)整可被用于確定粒子的質(zhì)量。
在進(jìn)一步的例子中，檢測(cè)器可適于檢測(cè)該粒子軌道或每個(gè)粒子軌道處粒子的密度。粒子的密度將導(dǎo)致來自檢測(cè)器的不同響應(yīng)，并且可以相應(yīng)地測(cè)量每個(gè)粒子軌道的變化的密度。這可被用于例如確定同位素濃度。在其它實(shí)施中，可以簡(jiǎn)單地設(shè)置檢測(cè)器以檢測(cè)給定區(qū)域中軌道的數(shù)目，以例如確定樣品中不同的粒子類型的數(shù)目。檢測(cè)器可以采用許多形式。在一個(gè)優(yōu)選的例子中，檢測(cè)器包括被設(shè)置成檢測(cè)穿過腔室傳播的輻射的至少一個(gè)輻射吸收元件。輻射通常將被腔室內(nèi)的粒子吸收，從而該檢測(cè)器元件或每個(gè)檢測(cè)器元件接收到的輻射強(qiáng)度的減小將表示該檢測(cè)器元件的位置處的粒子。 可以將各個(gè)檢測(cè)器元件布置在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定半徑處。然而，優(yōu)選地，檢測(cè)器包括沿著旋轉(zhuǎn)軸和腔室周界之間的徑向路徑布置的輻射吸收元件的陣列。這種布置可被用于檢測(cè)未知半徑處的軌道并且/或者測(cè)量所得到的半徑。在其它例子中，整個(gè)腔室區(qū)域可以被成像，這具有不需要將檢測(cè)器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸精確定位以準(zhǔn)確地確定半徑的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè)軌道可以被測(cè)量，并且可以從軌道直徑的測(cè)量計(jì)算其半徑。因此，檢測(cè)器可以包括在腔室的表面區(qū)域上布置的多個(gè)輻射吸收元件，使得能夠一次接收大數(shù)目的測(cè)量結(jié)果。這種吸收元件可以檢測(cè)環(huán)境輻射。然而，優(yōu)選地，檢測(cè)器包括輻射發(fā)生器，并且吸收元件被設(shè)置成檢測(cè)所發(fā)射的輻射。因此，可以從檢測(cè)器排除干擾輻射源。在特別優(yōu)選的例子中，可以選擇紫外、紅外或可見輻射，但是可以采用任何波長(zhǎng)。在其它實(shí)施中，可能需要在軌道形成之后從腔室提取粒子。因此，在進(jìn)一步優(yōu)選的例子中，檢測(cè)器包括適于從一個(gè)或多個(gè)粒子軌道收集帶電粒子的收集裝置。有利地，該收集裝置包括適于使粒子軌道上的帶電粒子能夠退出腔室的腔室中的至少一個(gè)退出點(diǎn)；與該退出點(diǎn)相鄰地布置在腔室外側(cè)的至少一個(gè)退出電極；以及用于向所述至少一個(gè)退出電極施加電壓的電壓源，使得當(dāng)電壓被施加到所述至少一個(gè)退出電極時(shí)，預(yù)定半徑的粒子軌道上的帶電粒子被朝著所述至少一個(gè)退出電極加速。因此，在使用中退出電極具有施加給它的電勢(shì)差，使得相鄰于退出點(diǎn)的帶電粒子經(jīng)由該退出點(diǎn)被引出到腔室外。所施加的電壓與要從腔室去除的粒子上的電荷符號(hào)相反。如果要提取正粒子和負(fù)粒子二者，那么可以提供兩個(gè)這種收集裝置，或者根據(jù)需要可以切換單個(gè)這種裝置上的電壓。這種收集裝置的提供使該譜儀能夠被用于提純物質(zhì)。例如，該收集裝置可被定位成使得只從腔室提取出具有一個(gè)期望的荷質(zhì)比的確定的粒子?？商孢x地，可以“在飛行時(shí)”改變場(chǎng)，使得可以接連地從一些列軌道收集粒子。該譜儀能夠以多種不同方式操作。在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種分離混合的帶電粒子樣品的方法，包括將該混合的帶電粒子樣品注入到腔室中，并執(zhí)行上述質(zhì)譜分析方法?？梢允褂蒙鲜鰴z測(cè)技術(shù)中的任一個(gè)檢測(cè)分離后的粒子。在另一方面，本發(fā)明提供一種測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量的方法，包括將帶電粒子樣品注入到腔室中，執(zhí)行上述質(zhì)譜分析方法，測(cè)量至少一個(gè)粒子軌道的半徑，并基于測(cè)得的該至少一個(gè)半徑來計(jì)算粒子的質(zhì)量。本發(fā)明的另一方面提供一種檢測(cè)目標(biāo)粒子的方法，包括將粒子樣品注入到腔室中，執(zhí)行上述質(zhì)譜分析方法，并在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定半徑處檢測(cè)粒子，其中至少一個(gè)所述預(yù)定半徑對(duì)應(yīng)于目標(biāo)粒子的已知質(zhì)量，在該至少一個(gè)預(yù)定半徑處檢測(cè)到帶電粒子表示目標(biāo)粒子的存在。在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種從混合的粒子樣品提取目標(biāo)例子的方法，包括將該混合的粒子樣品注入到腔室中，并使用收集裝置從具有基于目標(biāo)粒子的質(zhì)量確定的半徑的所選粒子軌道提取粒子。優(yōu)選地，該混合的粒子樣品被連續(xù)地注入到腔室中，并從所選粒子軌道連續(xù)地提取粒子，因此該設(shè)備可作為提純裝置。


現(xiàn)在參照附圖描述譜儀和譜方法的例子，其中圖1是示出示例性的譜儀設(shè)備的部件的示意性框圖；圖2是可以在圖1的譜儀中使用的腔室和其它部件的平面圖；圖3圖示在本文中要被參考的方向；圖4示出根據(jù)第一實(shí)施例的示例性電壓分布；圖5示出用于第一實(shí)施例的電壓和電場(chǎng)與角距離的曲線圖；圖6圖示第一實(shí)施例中適于建立角向場(chǎng)分量的部件；圖7是施加到兩個(gè)示例性的電極的電壓與時(shí)間的曲線圖；圖8描繪可以由圖6中所示的部件施加的電壓分布；圖9示出徑向平衡分量的示例性電壓和電場(chǎng)形狀；圖10圖示第一實(shí)施例中適于建立徑向場(chǎng)分量的部件；圖IOa是圖示使用圖10的部件施加的電場(chǎng)的矢量圖；圖IOb和圖IOc是示出圖IOa中所示的腔室內(nèi)的徑向電壓分布和徑向電場(chǎng)的曲線圖；圖11是示出第一實(shí)施例中作用在粒子上的徑向力的曲線圖；圖12圖示第一實(shí)施例中粒子的徑向振蕩；圖13圖示第一實(shí)施例中粒子的角振蕩；圖14圖示第一實(shí)施例中粒子的徑向振蕩和角振蕩；圖15示出第一實(shí)施例中檢測(cè)器的部件；圖15a示出可以由處理器基于來自圖15的檢測(cè)器的信號(hào)生成的示例性的譜；圖16示意性地描繪根據(jù)第二實(shí)施例的譜儀的部件；圖17示意性地描繪根據(jù)第三實(shí)施例的譜儀的部件；圖18示出用于第三實(shí)施例的電壓輪廓與角距離的曲線圖；圖19和圖20從兩個(gè)不同方面示出在第四實(shí)施例中使用的電壓分布；圖21示意性地示出根據(jù)第五實(shí)施例譜儀的部件；圖22示出在第五實(shí)施例中使用的電壓分布；圖23a、b、c示出三個(gè)示例性的電極元件設(shè)置；圖2 和圖24b示出第六實(shí)施例的部件的兩個(gè)例子；圖2 和圖2 示出第六實(shí)施例的部件的另外兩個(gè)例子；圖沈示出第七實(shí)施例的部件；圖26a和圖26b是示出使用圖沈的實(shí)施例施加的示例性的徑向電壓分布和徑向電場(chǎng)的曲線圖；圖27a和圖27b是示出使用第七實(shí)施例的變體施加的示例性的徑向電壓分布和徑向場(chǎng)的曲線圖；以及
圖觀示意性地描繪可供選擇的檢測(cè)器的部件。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地圖示適于實(shí)現(xiàn)下面討論的實(shí)施例的示例性譜儀的一些主要部件。由參考標(biāo)號(hào)1 一般地表示該質(zhì)譜儀。場(chǎng)生成設(shè)備3被提供用于在腔室2內(nèi)生成一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)。 正如下面詳細(xì)描述的，所生成的場(chǎng)是可作用在腔室2內(nèi)帶電粒子上的類型例如，電場(chǎng)和/ 或磁場(chǎng)通常是適合的，并且場(chǎng)生成設(shè)備3被相應(yīng)地配置。注入裝置7被提供用于將帶電粒子注入到腔室2中。該注入裝置能夠接收來自該譜儀外部的源的帶電例子，或者可選地，該譜儀可以包括電離裝置6。在此，電離裝置6流動(dòng)地連接到注入裝置7，以使通過電離裝置 6帶電的例子能夠進(jìn)入腔室2。電離裝置6和注入裝置7可以彼此一體化地形成，或者作為兩個(gè)分開的部件來提供。在優(yōu)選實(shí)施例中，腔室2維持在低氣壓(不完全真空)并且因此可以提供排空裝置9，如泵。正如下面解釋的，這不是必須的。檢測(cè)器4被提供用于從腔室2獲得結(jié)果。這可以采取從將腔室2內(nèi)的粒子成像到從腔室2提取粒子的多種形式。在大多數(shù)情況下，場(chǎng)生成設(shè)備3連接到控制器5，如計(jì)算機(jī)或其它處理器?？刂破?5可被用于控制由場(chǎng)生成設(shè)備3產(chǎn)生的場(chǎng)的尺寸、形狀、幅度和方向。然而，如果場(chǎng)的形狀將不是可變的，那么可以將其排除?？刂破?還可以連接到檢測(cè)器4，以監(jiān)視和處理所獲得的結(jié)果。在隨后的示例性實(shí)施例中將更詳細(xì)地描述上述每個(gè)部件以及該譜儀作為整體的操作。圖2以平面圖示出適于在該譜儀中使用的示例性的腔室2。在該例子中，腔室2 是盤狀的，具有圓形截面和低的高寬比。例如，該腔室的直徑可以大約為2cm并且它的軸向高度可以大約為0. 5cm。盡管基本上圓形的截面是優(yōu)選的，但是腔室2可以采用任何形狀 例如，可以采用球形、圓柱形或環(huán)形腔室。圓形截面是優(yōu)選的，因?yàn)榱Ｗ拥湫偷刈裱瓐A形軌道(或者接近圓形，參見圖M和圖25)，并且因?yàn)檫@種圓形腔室是空間效率最高的。然而， 可以用任何形狀的腔室建立相同的軌道，包括立方體的或矩形的腔室。在優(yōu)選的情形中，腔室2是真空腔室也就是說，該腔室是可密封的，使得可以通過適當(dāng)?shù)目刂蒲b置，如前面描述的泵9，準(zhǔn)確控制腔室內(nèi)部的空氣。腔室2的壁優(yōu)選地由不傾向于吸附粒子的材料制成， 或者可以改為用適當(dāng)?shù)耐苛先绫砻婊钚詣﹣硖幚怼Ｔ谔囟ǖ膬?yōu)選實(shí)施例中，例如通過用陽離子涂覆腔室的壁以排斥帶正電的粒子，從而在腔室壁處實(shí)現(xiàn)小的局部排斥(反之亦然)。 然而，這不是必須的。在該例子中，電離裝置6和注入裝置7位于腔室2的周界加上的入口點(diǎn)。實(shí)際上， 入口點(diǎn)可以被提供在腔室2的表面上的任何位置，包括腔室的中心(例如，在旋轉(zhuǎn)軸8處或附近)，或者在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間的任何徑向位置處。電離裝置6向注入裝置7提供帶電粒子以注入到腔室2中。粒子注入的精確速度和方向不是關(guān)鍵。因此，電離裝置和注入裝置的操作很大程度上是傳統(tǒng)的。可以使用任何適當(dāng)?shù)碾婋x技術(shù)。例如，電噴霧電離(electrospray ionisation, ESI)或者基質(zhì)輔助激光解吸附電離(matrix-assisted laser-desorption ionization,MALDI)可被優(yōu)選特別用于電離生物分子，因?yàn)檫@些是公知的導(dǎo)致無損帶電分子的“軟”技術(shù)。ESI使用液相分析物(例如，包含樣品的溶液)，通過噴霧針將該液相分析物向收集器抽運(yùn)。在針和收集器之間施加高電位差。從針排出的液滴具有與針上的表面電荷極性相同的表面電荷。當(dāng)該液滴在噴霧針和收集器之間行進(jìn)時(shí)，溶劑揮發(fā)。這導(dǎo)致每個(gè)液滴收縮，直到表面張力不能再維持被施加的電荷(稱為瑞利極限)，在該點(diǎn)，液滴破裂成多個(gè)較小的液滴。該過程重復(fù)進(jìn)行，直到剩下單獨(dú)的帶電分子。由于ESI的小尺寸，(當(dāng)從液相采樣時(shí)) ESI電離是特別優(yōu)選的。另一方面，MALDI使用在金屬目標(biāo)板上干燥的樣品與基質(zhì)的固體混合物。利用激光來蒸發(fā)該固態(tài)材料。適當(dāng)?shù)腅SI或MALDI設(shè)備被廣泛使用。然而，許多其它電離技術(shù)也是可行的，并且可被優(yōu)選用于專門的應(yīng)用。例如，如果該譜儀要從周圍空氣采樣，那么可以采用空氣電離技術(shù)。這些技術(shù)典型地涉及提供間隔很近的電極，在電極之間施加處于或低于空氣擊穿電壓的電壓，以導(dǎo)致適當(dāng)?shù)碾婋x而又不擊穿。注入裝置典型地使用線性粒子加速器，如圍繞入口孔的帶電板，或者一系列間隔開的環(huán)形電極，粒子通過該環(huán)形電極加速。設(shè)置場(chǎng)生成裝置3以在腔室2內(nèi)建立一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)。這可以用多種不同方式來實(shí)現(xiàn)，但是在每種情況中，都將生成角向捕集場(chǎng)分量和徑向平衡場(chǎng)分量。這些分量可被彼此獨(dú)立地生成(即，疊加兩個(gè)或更多個(gè)分開的場(chǎng))，或者可以由單個(gè)場(chǎng)提供。角向捕集分量在角向上作用在腔室內(nèi)的帶電粒子上，使得在它的影響下，粒子受到力的作用，如圖3中的箭頭 Φ所表示的，使其圍繞旋轉(zhuǎn)軸8以恒定的半徑沿著圓形路徑移動(dòng)。圖2示出與腔室2的中心點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)軸8 這是優(yōu)選的，但不是必須的。如圖3中箭頭r所示，徑向平衡分量的作用垂直于角向分量、沿著旋轉(zhuǎn)軸8和腔室的周界加之間的徑向方向。可以理解，在這兩種情況下，像磁場(chǎng)的情況下那樣，各場(chǎng)分量作用在帶電粒子上的(角或徑向)方向可以不平行于其本身場(chǎng)分量的方向。角向捕集分量被配置成包括能量最小化，以在旋轉(zhuǎn)軸8和腔室的周界加之間形成一個(gè)或多個(gè)“通道”，帶電粒子將沿著該通道被捕集。該場(chǎng)生成裝置被設(shè)置成圍繞旋轉(zhuǎn)軸 8旋轉(zhuǎn)角向捕集分量，并且因此被捕集的粒子將同樣地圍繞該軸旋轉(zhuǎn)，使得每個(gè)粒子受到離心力作用。徑向平衡分量被設(shè)置成對(duì)抗該離心力。被捕集的粒子將因此在該離心力和徑向平衡場(chǎng)的影響下沿著該場(chǎng)建立的通道遷移。徑向平衡場(chǎng)被成形為使得其幅度隨著與旋轉(zhuǎn)軸8 的徑向距離單調(diào)增大。這使得能夠沿著通道形成穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，特定荷質(zhì)比(q/m)的帶電粒子將在該平衡點(diǎn)處穩(wěn)定下來。由于角向捕集場(chǎng)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，所以每個(gè)穩(wěn)定的粒子將圍繞該旋轉(zhuǎn)軸沿軌道飛行，并且圖2中的軌跡(i)和(ii)描述了兩種不同粒子類型的這種情況。 每個(gè)軌道的半徑由帶電粒子的荷質(zhì)比確定，并且因此具有類似的荷質(zhì)比的粒子將穩(wěn)定在每個(gè)通道內(nèi)的類似軌道上。在圖2中，半徑為巧的外粒子軌道(i)由荷質(zhì)比CilAi1的粒子形成，荷質(zhì)比Cl1Ai1低于形成較小半徑r2的內(nèi)粒子軌道(ii)的粒子的荷質(zhì)比。因此，較重的低電荷的粒子與較輕的高電荷的粒子相比，將沿著較大半徑的軌道行進(jìn)。如下面將要討論的，可以用多種不同方式檢測(cè)該軌道，每個(gè)軌道的半徑提供與粒子的質(zhì)量(和電荷)有關(guān)的 fn息ο所施加的徑向場(chǎng)和角向場(chǎng)的強(qiáng)度將取決于具體應(yīng)用，并且可以從寬的范圍中選擇。對(duì)于徑向分量來說，與低q/m(重的)粒子相比，高q/m粒子需要低場(chǎng)強(qiáng)度。因此，可以施加任何適當(dāng)?shù)膱?chǎng)強(qiáng)度，但是優(yōu)選地不超過腔室內(nèi)的空氣的擊穿閾值(如果可能的話)。典型的場(chǎng)強(qiáng)度在lkV/cm至lOkV/cm的范圍內(nèi)，但是根據(jù)帕邢曲線，可以高達(dá)40kV/cm左右，這大約是空氣擊穿之前的上限。如果需要的話，角向場(chǎng)分量可以弱于徑向場(chǎng)分量，因?yàn)樗淖饔檬菍⒘Ｗ蛹铀俚侥骋唤撬俣?，并且不要求平衡?qiáng)的相反的力。在優(yōu)選情況中，任何一個(gè)半徑的最大角向場(chǎng)分量可以與該半徑的徑向場(chǎng)分量的幅度為同一量級(jí)，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)這有助于將粒子快速捕集到每個(gè)通道中。然而，這不是必須的。與傳統(tǒng)的質(zhì)譜技術(shù)相比，本裝置在非常大的荷質(zhì)比范圍上提供高分辨率分析，其本身可以通過調(diào)整所施加的場(chǎng)動(dòng)態(tài)地(在飛行中)改變。結(jié)果，可以在小的緊湊的裝置中分析大的和小的粒子。傳統(tǒng)的質(zhì)譜儀受到許多因素限制，只能分析相對(duì)低質(zhì)量的粒子，例如小于20kDa(千道爾頓)。這很大程度上是由于高質(zhì)量的粒子會(huì)損失分辨率。另一方面， 在超過kDa范圍并且高達(dá)MDa量級(jí)時(shí)，本裝置也能夠很好地工作，同時(shí)在小的體積中實(shí)現(xiàn)非常高的分辨率，因?yàn)榕c傳統(tǒng)的譜儀中不同，如上所述，粒子被約束在高度聚焦的靠近的軌線中。這允許分析潛在的大DNA分子、蛋白質(zhì)以及甚至細(xì)胞。該裝置同樣適于分析小的粒子， 如無機(jī)化學(xué)物質(zhì)。圖4是示出本發(fā)明的第一實(shí)施例中施加到腔室的電壓分布的示意性曲線圖。在該實(shí)施例中，電角向捕集場(chǎng)和電徑向平衡場(chǎng)被彼此分開地建立并且疊加，導(dǎo)致圖4中所示的電壓分布。將看到，在該例子中，電壓圍繞旋轉(zhuǎn)軸8遵循正弦輪廓。也就是說，在離旋轉(zhuǎn)軸8 的任一徑向距離處，電壓分布的角輪廓是正弦的，結(jié)果在任一半徑處，導(dǎo)致一系列的電壓谷 10和電壓峰11。電壓峰10和電壓谷11代表在得到的電場(chǎng)中的最低能量點(diǎn)，現(xiàn)在參照?qǐng)D5 說明這一點(diǎn)，圖5示出沿著角方向Φ所施加的電壓和所得電場(chǎng)之間的關(guān)系。應(yīng)注意，不需要遍布整個(gè)腔建立角向捕集分量例如，在下面描述的第六實(shí)施例中，只在腔室的一個(gè)角向子部分中建立捕集分量。如已經(jīng)指出的，在本例子中，電壓V具有正弦輪廓，并且因?yàn)殡妶?chǎng)與電壓分布的空間導(dǎo)數(shù)成比例(即，E = dV/dct)，所以電場(chǎng)E也將具有與電壓的相位偏離π/2的正弦形狀 (即，Φ的余弦函數(shù)，因?yàn)閐/d Φ ( ηΦ) =C0S Φ)。因此，最小電場(chǎng)幅度點(diǎn)(在此情況下為零)對(duì)應(yīng)于電壓分布中的峰11和谷10。如圖4中所示，在每個(gè)半徑處電壓的峰和谷是連續(xù)的，因?yàn)槊總€(gè)電壓峰或谷雨相鄰半徑上的電壓峰或谷對(duì)準(zhǔn)，從而在旋轉(zhuǎn)軸8和腔室周界之間形成通道13和14。通道13遵循電壓輪廓的“谷”，而通道14遵循“脊”。在本例子中， 每個(gè)通道13、14延伸旋轉(zhuǎn)軸8和腔室周界之間的全部距離，但這不是必須的。在腔室2內(nèi)的帶電粒子在角向捕集分量的影響下將向能量最低的通道13和/或 14遷移。例如，圖5示出在對(duì)應(yīng)于電壓分布中的谷10的能量最小值“Α”附近的正粒子12。 在該例子中，最小值A(chǔ)是角電場(chǎng)中的過零點(diǎn)即，在該最小值的一側(cè)(角向上)，場(chǎng)是正的， 而在另一側(cè)，場(chǎng)是負(fù)的。就圖5來說，正場(chǎng)分量將使正粒子向該圖的右側(cè)移動(dòng)，而負(fù)場(chǎng)分量將向左驅(qū)動(dòng)粒子。因此，如箭頭所示，在位置X處的正粒子12將被該場(chǎng)向右驅(qū)動(dòng)。這將持續(xù)直到粒子到達(dá)電場(chǎng)從正方向切換到負(fù)方向的最小值Α。如果正粒子12越過該最小值，當(dāng)該粒子在負(fù)電場(chǎng)中的位置Y時(shí)，它將受到如箭頭表示的向左驅(qū)動(dòng)它的力。因此，正粒子將有效地在角向上被捕集在最小值A(chǔ)的附近。在實(shí)踐中，該粒子將以這種方式關(guān)于該能量最小值持續(xù)振蕩，除非如下面討論的，其運(yùn)動(dòng)衰減。
從圖5的曲線圖可以看出，存在與電壓分布中的峰11對(duì)應(yīng)的下一個(gè)最小值B。對(duì)于正粒子，如12，這代表不穩(wěn)定的平衡位置，因?yàn)槿绻摿Ｗ悠x點(diǎn)B，那么它受到的力的方向?qū)⑦h(yuǎn)離該最小值。然而，對(duì)于負(fù)的帶電粒子，情況相反，將在電壓峰發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定的平衡位置，并且在電壓谷發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的平衡位置。上述場(chǎng)的符號(hào)關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸周期性地改變的過零點(diǎn)如A和B在任何交變場(chǎng)中都將存在。正弦角向場(chǎng)是優(yōu)選的，但是三角波場(chǎng)或方波場(chǎng)同樣是可適用的。以場(chǎng)的過零點(diǎn)的形式提供能量最小值是優(yōu)選的，因?yàn)槿缟纤?，捕集效果特別穩(wěn)定。然而，這不是必須的。例如， 在最小值的兩側(cè)符號(hào)相同的場(chǎng)。雖然這代表不穩(wěn)定的平衡位置，但是如果角向捕集分量以足夠大的角速度旋轉(zhuǎn)(比粒子離開最小值的速度快)，那么仍能夠?qū)崿F(xiàn)必要的捕集效果。類似地，雖然如果場(chǎng)的幅度在最小值處為零是有益的，但是出于相同的理由，這種情況也不是必須的。因此，腔室2內(nèi)的帶電粒子沿著由角向捕集分量的能量最小值形成的通道13和/ 或14(取決于粒子的符號(hào))被約束，并且由于角向捕集分量的旋轉(zhuǎn)而圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。圖6圖示可被用于建立關(guān)于圖4和圖5描述的類型的角向捕集場(chǎng)的場(chǎng)生成設(shè)備3 的示例性部件。腔室2用透視圖示出，并且如前面所述，在該腔室的周界加上示出注入裝置7。該場(chǎng)生成設(shè)備包括角向場(chǎng)電極組件，該角向場(chǎng)電極組件為多個(gè)電極15的形式(被稱為“捕集(trapping)，，電極，因?yàn)樗鼈冞M(jìn)行粒子的角向捕集)，該多個(gè)電極15相鄰于腔室2 的一個(gè)表面均等地角向間隔開，該表面優(yōu)選為垂直于旋轉(zhuǎn)軸8的表面。這些電極可被布置在腔室2的內(nèi)側(cè)或外側(cè)。可以使用任意數(shù)目的電極15，盡管優(yōu)選地多于一個(gè)。如下面關(guān)于圖M和圖25描述的，電極15不需要分布在腔室的整個(gè)表面上，而可以布置成僅覆蓋腔室的一個(gè)角向子部分。電極15在旋轉(zhuǎn)軸8和腔室2的周界之間延伸。電極15不需要延伸從旋轉(zhuǎn)軸8到腔室2的周界的整個(gè)距離，而只要延伸期望建立上述通道的部分即可。提供電壓源15a，并且向每個(gè)電極15 (或者至少電極15中的一些)施加電壓。為了清楚，圖6僅示出電極15*、 15"兩個(gè)電極和電壓源之間的連接，但是在實(shí)踐中，典型地為該組件中的每個(gè)電極提供這種連接。在該例子中，對(duì)電極15的最接近旋轉(zhuǎn)軸8的端部施加0伏。對(duì)電極15的接近腔室的周界加的端部施加電壓\、V2等。優(yōu)選地，由于下面將要討論的原因，所述電極被提供 “浮動(dòng)”電壓(即，電源在相鄰的電極之間施加電壓差，而不是相對(duì)于地的絕對(duì)電壓)。電壓源1 優(yōu)選地在處理器5的控制之下，處理器5設(shè)定施加到每個(gè)電極的電壓電平，從而在腔室2中建立期望的電壓分布。然而，電壓源本身可以進(jìn)行該功能。通過仔細(xì)選擇施加到每個(gè)電極的電壓來設(shè)定場(chǎng)的角輪廓，并且為了生成上面討論類型的正弦角向場(chǎng)分量，施加到每個(gè)電極的電壓將圍繞旋轉(zhuǎn)軸遵循正弦分布。通過適當(dāng)選擇施加到每個(gè)電極的電壓可以應(yīng)用其它場(chǎng)形狀，如三角波輪廓或方波輪廓。為了使角向場(chǎng)關(guān)于腔室2旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選地，電壓源1 (或控制器幻隨時(shí)間改變施加到每個(gè)電極15的電壓，使得每個(gè)所施加的電壓值依次圍繞各電極前進(jìn)。由該電壓源或控制器控制旋轉(zhuǎn)速度。圖7示出該例子中施加到示例性的電極實(shí)線)和虛線)的電壓及其隨時(shí)間的變化。將會(huì)看到，在時(shí)間=零時(shí)，電極15*處于電壓電平V1,而電極處于其最大電壓V2，V2代表電壓分布中的峰。每個(gè)電極上的電壓以與角向場(chǎng)分量的角速度直接相關(guān)的頻率正弦地變化(或者三角地等等)。在圖7中，可以看到，每個(gè)電極在時(shí)間T中經(jīng)歷單個(gè)電壓峰和單個(gè)電壓谷。由于在該例子中在全部電壓分布中有8個(gè)峰和8個(gè)谷(見圖4)，所以該時(shí)間T代表該場(chǎng)完成整個(gè)電路的時(shí)間的1/8。因此，在該例子中，分辨率的頻率F由1/ (8T)給出。典型地，這將是kHz或MHz量級(jí)。角速度ω由2 π F給出。電極15優(yōu)選地由非零電阻的材料如電阻聚合物或硅制成，使得沿著旋轉(zhuǎn)軸8和腔室2的周界之間的徑向方向維持電勢(shì)差。這導(dǎo)致朝著旋轉(zhuǎn)軸電壓降低，這有助于形成跨該腔室連續(xù)的電場(chǎng)，但是這不是必須的。然而，這可導(dǎo)致下面將討論的更有益的實(shí)施。使用電阻電極的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電流流動(dòng)被最小化(或者完全停止)，從而減小功率消耗。圖8示意性示出可以由圖5中所示的設(shè)備生成的電壓分布的形狀，并且特別圖示了正弦角向捕集分量隨著半徑增大的幅度，這是如上所述沿著每個(gè)電極的電勢(shì)差導(dǎo)致的。 徑向平衡場(chǎng)與其相加以達(dá)到圖4中所示的電壓分布。圖9示出徑向平衡分量的示例性電壓分布V以及得到的徑向電場(chǎng)Ε。在該例子中， 電壓以r3增大，并且不具有Φ依賴性(即，在一個(gè)半徑處對(duì)于所有Φ值都是恒定的)。因此所得到的電場(chǎng)分量以r2增大。在實(shí)踐中，在與一個(gè)或多個(gè)通道對(duì)應(yīng)的區(qū)域中，電場(chǎng)分量的幅度可以取r的任意單調(diào)增大函數(shù)，因?yàn)槿缦旅孢M(jìn)一步討論的，這將能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的半徑平衡位置。例如，徑向場(chǎng)幅度可以隨rn變化，其中η大于或等于1(但是在η = 1的情況下，在旋轉(zhuǎn)軸處電場(chǎng)的值偏離零，否則唯一的平衡點(diǎn)將與旋轉(zhuǎn)軸重合)。在任一半徑處在所有角向場(chǎng)的幅度都是恒定的徑向場(chǎng)形狀是優(yōu)選的，但不是必須的。因?yàn)榱Ｗ颖患s束到角向場(chǎng)通道，所以這是發(fā)生徑向移動(dòng)的地方。同樣地，遠(yuǎn)離通道的徑向場(chǎng)的形狀不是關(guān)鍵的，并且不需要單調(diào)增大。然而，在所施加的徑向場(chǎng)在任一半徑處不是恒定的情況下，該徑向場(chǎng)應(yīng)該與角向場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，使得必要的徑向場(chǎng)形狀始終與該通道或每個(gè)通道對(duì)準(zhǔn)。將如圖9中所示的徑向電壓分布疊加在圖8中所示的角分布上將導(dǎo)致圖4中所示的形狀的電壓分布，其具有徑向分量和角向分量。圖10圖示用于以電場(chǎng)形式施加這種徑向場(chǎng)的場(chǎng)生成設(shè)備3的示例性部件。從一側(cè)示出腔室2，并且在腔室2的上表面上示出包括先前關(guān)于圖6描述的捕集電極15的角向場(chǎng)電極組件。另外以平衡電極17a和17b的形式提供徑向場(chǎng)電極組件，平衡電極17a和17b 分別布置在腔室的兩側(cè)(盡管如果需要的話可以采用單個(gè)這種電極)。像上述角向捕集電極的情況那樣，每個(gè)平衡電極17a、17b由電阻材料形成，如聚合物或硅。平衡電極17a、17b 中的每一個(gè)具有沿著徑向方向變化的厚度輪廓(在腔室2的軸向方向上)。因此，在該例子中，平衡電極是具有直的側(cè)面的錐形形狀，但是可選地，圓錐體的側(cè)面可以具有凹的或凸的表面輪廓。該平衡電極或每個(gè)平衡電極17a、17b的中心軸典型地與角向場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)軸8對(duì)準(zhǔn)。每個(gè)電極的頂點(diǎn)可以面向或背向腔室2，但是優(yōu)選地，如圖10中所示布置該電極，每個(gè)頂點(diǎn)背向腔室。如果希望的話，可以用徑向定位成“楔”形的電極元件的陣列替換每個(gè)平衡電極 17a、17b。在平衡電極的中心軸和其圓形周界之間施加DC電壓。在該例子中，每個(gè)電極的頂點(diǎn)接地，同時(shí)對(duì)每個(gè)電極17a、17b的周界18a、18b施加正電壓+V。這可以例如使用插入到每個(gè)圓錐體的頂點(diǎn)中的中心接觸件19a、19b和圓形周界接觸片20a、20b來實(shí)現(xiàn)。如果希望的話，可以用沿著旋轉(zhuǎn)軸8穿過腔室(或者在腔室為環(huán)形的情況下穿過腔室中的間隙)的單個(gè)中心接觸件代替中心接觸件19a、19b，這可以有助于場(chǎng)的成形。由于電極17a、17b由電阻材料制成，所以在旋轉(zhuǎn)軸8和電極周界18之間產(chǎn)生由電極17a、17b成形的電勢(shì)差，從而導(dǎo)致如關(guān)于圖9描述的腔室內(nèi)的徑向電壓分布。圖IOa是示出使用上述設(shè)備產(chǎn)生的電場(chǎng)的方向的通過有限元分析得到的矢量圖。 在此，從一側(cè)觀看平衡電極17a、17b和腔室2。為了清楚，沒有示出其它部件。箭頭表示平衡電極附近的每個(gè)點(diǎn)處的電場(chǎng)的強(qiáng)度(箭頭長(zhǎng)度)和方向，并且將會(huì)看到，在腔室2內(nèi)在電極之間場(chǎng)是徑向的(即，垂直于旋轉(zhuǎn)軸)。圖IOb中示出在對(duì)電極周界時(shí)間+1000V的電壓并且頂點(diǎn)接地(OV)的示例性情況下沿著腔室2的半徑的電壓分布。圖IOc示出對(duì)應(yīng)的徑向電場(chǎng)，并且將會(huì)看到該徑向電場(chǎng)的幅度適當(dāng)?shù)仉S著半徑增大以單調(diào)的非線性方式增大。由此生成的角向和徑向場(chǎng)分量可以用各種方式彼此疊加。如已經(jīng)描述的，可以由與用于徑向分量的DC電源分開的專用電源生成角向分量。如果這樣的話，則捕集電極應(yīng)該在所施加的徑向電壓上“浮動(dòng)”，即，施加到捕集電極的電壓應(yīng)該優(yōu)選為在相鄰電極之間施加的電壓差的形式，而不是相對(duì)于地的絕對(duì)電壓，這將顯著扭曲徑向電壓分布。通過使捕集電極“浮動(dòng)”，每個(gè)捕集電極處的電壓將是徑向電壓與角向電壓之和。用于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的另一個(gè)方式是經(jīng)由適當(dāng)?shù)碾娮杵骰螂娮璨牧?，通過與平衡電極的電接觸來偏置捕集電極?？商孢x地，可以使用非浮動(dòng)的電源，如果它被設(shè)置成施加絕對(duì)電壓V+dV的話，其中V是徑向電壓，dV是角向電壓。在下面將要描述的后面的實(shí)施中，這可能是適當(dāng)?shù)摹Ｒ坏┙窍蚝蛷较驁?chǎng)彼此疊加，如圖4中所示，在腔室內(nèi)任意點(diǎn)處得到的電壓分布就將是這兩個(gè)電壓之和。如前面提到的，徑向場(chǎng)的幅度可以顯著大于角向場(chǎng)分量，并且這使徑向場(chǎng)形狀占優(yōu)勢(shì)，從而可以根據(jù)需要影響徑向場(chǎng)的方向。例如，從圖8注意到，單獨(dú)在角向場(chǎng)中，谷延伸到相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸8處的電壓為負(fù)的電壓，而峰延伸到相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸處的電壓為正的電壓。因此，沿著峰存在朝著旋轉(zhuǎn)軸的固有徑向場(chǎng)分量，但是在谷上具有朝著周界的固有徑向場(chǎng)分量。通過以上述方式添加強(qiáng)的徑向場(chǎng)，可以操縱這一點(diǎn)，使得在場(chǎng)的所有點(diǎn)處，徑向力都作用在相同方向上。這是圖4中的情況，從圖4注意到，由峰形成的通道和由谷形成的通道二者都延伸到筆旋轉(zhuǎn)軸8處的電壓高的電壓，使得在所有點(diǎn)處，徑向場(chǎng)都向內(nèi)作用?？晒┻x擇的配置也具有優(yōu)點(diǎn)，下面將對(duì)此進(jìn)行描述。在圖4中所示的示例性情況中，最終的電壓分布形式為V = A(r/R)3+B(r/R) sin (ΝΦ+ cot)，其中A和B是常數(shù)，r是Φ角向坐標(biāo)，t是時(shí)間坐標(biāo)，R是期望的場(chǎng)的徑向范圍(例如，腔的半徑)，N是圍繞旋轉(zhuǎn)軸包含在一個(gè)完全電路中的角向分量的波長(zhǎng)數(shù)目，ω 是角向分量旋轉(zhuǎn)的角速度。在該例子中，N = 8，這意味著在每個(gè)電路中包含8個(gè)電壓谷和 8個(gè)電壓峰，這對(duì)應(yīng)于16個(gè)通道，其中的一半將為任何給定的粒子提供穩(wěn)定的“陷阱”。因此，N可以取任意值，并且盡管優(yōu)選地提供整數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，但是這不是必須的。N值越大，可利用的通道的數(shù)目越大，這將減小與相同粒子之間自排斥有關(guān)的問題，因?yàn)樵谌我煌ǖ乐袑⒉都^少的粒子。在任一通道中被捕集的粒子在徑向場(chǎng)分量和離心力的組合影響下沿著通道遷移。 如上面討論的，粒子因徑向場(chǎng)分量而受到的力被設(shè)置成向內(nèi)作用，從而對(duì)抗向外的離心力。 因此，在分析帶正電的粒子的情況下，圖4中所示類型的電壓分布(其中電壓總是朝著旋轉(zhuǎn)軸比在周界處更低)是適當(dāng)?shù)?。在分析?fù)粒子的情況下，應(yīng)該應(yīng)用相反的電壓分布。徑向場(chǎng)的幅度仍將以與上面討論的相同的方式單調(diào)地變化。在某些實(shí)施例中，可以同時(shí)分析正粒子和負(fù)粒子二者，并且下面將討論該選項(xiàng)。
圖11示出通道中示例性粒子上的徑向力。該粒子上的離心力Fc總是向外作用(向圖11的右側(cè))并且與mCO2r成比例，其中m是該粒子的質(zhì)量，ω是其角速度，并且r是徑向位置。由徑向場(chǎng)分量導(dǎo)致的力向內(nèi)作用，并且在該例子中與qr2成比例，其中q是該粒子上的電荷，r是徑向位置。如圖11中所示，對(duì)于每個(gè)q/m比，存在力F。和！^相等且相反的徑向位置r*。通過將徑向場(chǎng)幅度設(shè)置成隨著r單調(diào)地增大(例如，以r2，如此處所示的)，這將導(dǎo)致點(diǎn)r*形成穩(wěn)定的平衡位置。從r*向旋轉(zhuǎn)軸(向圖11中的左側(cè))波動(dòng)的粒子將進(jìn)入 Fc > Fe的區(qū)域，使得凈力向外，迫使粒子向r*返回。類似地，如果粒子越過r*向腔室周界移動(dòng)(向圖11中的右側(cè))，則它將受到向內(nèi)的凈力，并且再次被迫使向r*移動(dòng)。因此，粒子將根據(jù)它們的荷質(zhì)比(q/m)穩(wěn)定在平衡半徑r*。具有相同q/m比的粒子將圍繞Z聚集成束。同樣粒子的束將隨著角向分量旋轉(zhuǎn)而圍繞旋轉(zhuǎn)軸作軌道運(yùn)動(dòng)。如上面提到的，粒子將趨向于關(guān)于它們的平衡位置振蕩。該振蕩發(fā)生于角向上 (關(guān)于角向能量最低值，即，“虛擬”通道)和徑向上(關(guān)于平衡點(diǎn)r*)。如果場(chǎng)被設(shè)置成使得粒子位于足夠小的體積內(nèi)，那么該振蕩可能不是問題。例如，如果形成通道13的電壓谷足夠陡峭，那么正粒子將在窄的勢(shì)阱內(nèi)有效地振蕩。類似地，所施加的徑向場(chǎng)的形狀還可以被控制為使徑向振蕩最小化。然而，為了提高裝置的分辨率，優(yōu)選地，使粒子振蕩衰減，并且這通過將腔室的內(nèi)部維持在受控制的氣壓和溫度，優(yōu)選為不完全真空，來有利地實(shí)現(xiàn)。這提供了對(duì)抗粒子自身運(yùn)動(dòng)同時(shí)又不明顯抑制它們?cè)谒┘拥膱?chǎng)的影響下的運(yùn)動(dòng)的一定程度的摩擦力，以及不需要能夠產(chǎn)生真正真空的泵的附加益處，真空泵通常體積大并且因此減小了裝置的移動(dòng)性。各種不同的氣體可以被選擇用于該目的。應(yīng)該考慮的因素包括 氣體的擊穿電壓-典型地，所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度很高(在10至50kV/cm的范圍內(nèi))以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的分辨率。因而優(yōu)選地選擇所謂的介電氣體，如空氣、氮?dú)?、氬?氧氣、氙氣、氫氣或六氟化硫(可以與惰性氣體混合)。許多其它適當(dāng)?shù)慕殡姎怏w也是已知的。 氣體的阻尼效應(yīng)-不同氣體對(duì)離子移動(dòng)性具有不同影響。 氣體的化學(xué)惰性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氙氣提供了性質(zhì)的適當(dāng)組合，盡管許多其它氣體(單一種類或混合物) 也可以被使用。適當(dāng)?shù)臍鈮哼€將取決于各種因素，包括所測(cè)試的粒子的屬性以及必須施加的場(chǎng)強(qiáng)。例如，在許多情況下，低壓提供了使自身振蕩衰減同時(shí)又不抑制粒子軌跡的必要平衡。 然而，在其它情況下，較高的氣壓可能是必須的，以避免由所施加的場(chǎng)導(dǎo)致的氣體擊穿。例如，這可以是以相對(duì)低角速度和高徑向場(chǎng)強(qiáng)度分析細(xì)胞等大質(zhì)量粒子的情況(高徑向場(chǎng)強(qiáng)度是必須的，因?yàn)榧词乖诘退俣龋筚|(zhì)量的粒子也將受到相應(yīng)的高離心力)。帕邢曲線表明空氣的擊穿電壓隨著壓力增大而增大。氣體提供的摩擦力使振蕩衰減，使得粒子失去能量并且穩(wěn)定在相關(guān)的場(chǎng)平衡點(diǎn)附近。如下面將要證明的，每個(gè)粒子最終穩(wěn)定的點(diǎn)可以不精確與平衡點(diǎn)重合。然而，與軌道的半徑相比，任何這種偏離通常都是可忽略的，并且因此對(duì)所獲得的結(jié)果幾乎沒有影響。如果希望的話，還可以將該偏離作為結(jié)果處理中的因數(shù)。在下面的例子中，進(jìn)行了若干簡(jiǎn)化，以使方程線性化并且得到用于量化帶電粒子在平衡條件附近的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征的解析解法。對(duì)于徑向電場(chǎng)分量，假定線性形狀(即，。同樣地，假定角向場(chǎng)分量在平衡點(diǎn)附近接近線性場(chǎng)(參見圖5)。因此，角向場(chǎng)分量的形式為Εφ (Φ) = Α(φ-ω )+Β (1)其中A和B是常數(shù)。徑向場(chǎng)分量采用如下形式Er (r) = -Cr-D (2)其中C和D是常數(shù)。C前面的負(fù)號(hào)意味著場(chǎng)是負(fù)的，即向內(nèi)作用在正粒子上。粒子上的離心力由下式給出Fu (r) =mco2r (3)因此可以寫出下面的動(dòng)力學(xué)方程。在徑向方向上mr" (t)+m ω 2r (t)+qEr (r) + P r ‘ (t) = 0 (4)其中m是粒子的質(zhì)量，q是粒子上的電荷，P是由腔室內(nèi)受控制的氣體壓力導(dǎo)致的摩擦系數(shù)。以傳統(tǒng)方式使用符號(hào)'，以表示導(dǎo)數(shù)。在角向方向上πιΦ" (t)-qE$ (Φ (t)) + P Φ ‘ (t) = 0 (5)將場(chǎng)形狀帶入方程(4)和(5)，并且針對(duì)邊界狀態(tài)求解微分方程，給出如下運(yùn)動(dòng)方禾呈。在徑向方向上
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)譜儀，包括腔室；適于將帶電粒子注入到所述腔室中的注入裝置；場(chǎng)生成設(shè)備，所述場(chǎng)生成設(shè)備適于建立作用在所述帶電粒子上的至少一個(gè)場(chǎng)，所述至少一個(gè)場(chǎng)具有角向捕集分量，所述角向捕集分量被配置成在旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間形成至少一個(gè)通道，所述至少一個(gè)通道由所述角向捕集分量的能量最小值限定，所述場(chǎng)生成設(shè)備還適于使所述角向捕集分量圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，由此，在使用中，帶電粒子由所述角向捕集分量沿著所述至少一個(gè)通道在角向上約束從而與所述角向捕集分量一起旋轉(zhuǎn)，離心力由此作用在所述帶電粒子上；以及徑向平衡分量，至少在所述至少一個(gè)通道附近，所述徑向平衡分量的幅度隨著自所述旋轉(zhuǎn)軸起的半徑的增大而單調(diào)增大，由此，在使用中，帶電粒子在所述離心力和所述徑向平衡分量的組合影響下沿著所述至少一個(gè)通道移動(dòng)，從而根據(jù)所述粒子的荷質(zhì)比形成一個(gè)或多個(gè)粒子軌道；以及被配置成檢測(cè)至少一個(gè)所述粒子軌道的檢測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其中所述角向捕集分量由角向捕集場(chǎng)提供，并且所述徑向平衡分量由徑向平衡場(chǎng)提供。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其中所述角向捕集分量由角向捕集場(chǎng)提供，并且所述徑向平衡分量是所述角向捕集場(chǎng)的分量。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述能量最小值對(duì)應(yīng)于基本上零角向場(chǎng)幅度的點(diǎn)，優(yōu)選為過零點(diǎn)，在所述過零點(diǎn)處，所述角向場(chǎng)分量在所述過零點(diǎn)的一側(cè)具有第一方向，而在所述過零點(diǎn)的另一側(cè)具有與所述第一方向相反的第二方向。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中限定所述或每個(gè)通道的所述能量最小值沿著所述或每個(gè)通道是連續(xù)的。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述至少一個(gè)通道從所述旋轉(zhuǎn)軸延伸到所述腔室的周界。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述至少一個(gè)通道是徑向通道。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述至少一個(gè)通道遵循所述旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間的弓形路徑。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中在每個(gè)半徑處所述角向捕集分量圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸遵循交變輪廓。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的質(zhì)譜儀，其中所述交變角向輪廓是正弦的、三角形的或方形的。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備適于只在圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸限定的所述腔室的角向子部分中建立所述角向捕集分量。
12.根據(jù)至少權(quán)利要求2或3所述的質(zhì)譜儀，其中所述角向捕集場(chǎng)是電場(chǎng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備包括角向場(chǎng)電極組件，所述角向場(chǎng)電極組件包括多個(gè)捕集電極或捕集電極元件以及被設(shè)置成向至少一些所述捕集電極或捕集電極元件施加電壓的電壓源。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，其中所述角向場(chǎng)電極組件包括在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間延伸的至少兩個(gè)捕集電極，所述捕集電極優(yōu)選地圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸基本上均等地角向間隔開。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，其中所述角向場(chǎng)電極組件包括捕集電極元件的至少兩個(gè)陣列，每個(gè)陣列沿著所述旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間的相應(yīng)路徑延伸，所述陣列優(yōu)選地圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸基本上均等地角向間隔開。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的質(zhì)譜儀，其中所述至少兩個(gè)捕集電極或至少兩個(gè)陣列每個(gè)都在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間徑向延伸。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的質(zhì)譜儀，其中所述至少兩個(gè)捕集電極或至少兩個(gè)陣列每個(gè)都遵循所述旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間的弓形路徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，其中所述角向場(chǎng)電極組件包括布置在所述旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間的捕集電極元件的二維陣列，所述捕集電極元件優(yōu)選地被布置成正交網(wǎng)格圖案、六邊形網(wǎng)格圖案、密排圖案或同心圓圖案。
19.根據(jù)權(quán)利要求13至18中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述電壓源適于依次改變施加到所述或每個(gè)捕集電極或者捕集電極元件的電壓，使得所述角向捕集場(chǎng)圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
20.根據(jù)權(quán)利要求13至19中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述或每個(gè)捕集電極或者捕集電極元件具有有限的電阻，使得所述電壓沿著所述或每個(gè)捕集電極的長(zhǎng)度變化。
21.根據(jù)權(quán)利要求13至20中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述或每個(gè)捕集電極或者捕集電極元件包括電阻性聚合物或硅。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述徑向平衡分量具有以廣增大的幅度，其中η大于或等于1，而r是距所述旋轉(zhuǎn)軸的徑向距離。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中至少在所述或每個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的角向位置處，在每個(gè)半徑處所述徑向平衡分量的幅度圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸是恒定的。
24.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中在每個(gè)半徑處所述徑向平衡分量的幅度圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸變化。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述徑向平衡分量在所述腔室的至少一個(gè)第一角向扇區(qū)中具有第一方向，并且在至少一個(gè)第二角向扇區(qū)中具有與所述第一方向相反的第二方向，所述第一和第二角向扇區(qū)對(duì)應(yīng)于角向最小值的第一和第二通道。
26.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備還適于使所述徑向平衡分量與所述角向捕集分量同步地圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
27.根據(jù)至少權(quán)利要求2所述的質(zhì)譜儀，其中所述徑向平衡場(chǎng)是磁場(chǎng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備包括磁體組件，所述磁體組件被設(shè)置成使得所述腔室被布置在所述磁體組件的相對(duì)磁極之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的質(zhì)譜儀，其中所述磁體組件的每個(gè)極具有在所述腔室周界處比在所述旋轉(zhuǎn)軸處朝著所述腔室延伸更多的變化的表面輪廓，所述變化的表面輪廓被成形為建立具有隨半徑單調(diào)增大的幅度的磁場(chǎng)，所述變化的表面輪廓優(yōu)選為凹的表面輪廓。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀或2所述的質(zhì)譜儀，其中所述磁體組件包括電磁體。
31.根據(jù)至少權(quán)利要求2所述的質(zhì)譜儀，其中所述徑向平衡場(chǎng)是電場(chǎng)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備包括徑向場(chǎng)電極組件，所述徑向場(chǎng)電極組件包括相鄰于所述腔室而布置的至少一個(gè)平衡電極，所述至少一個(gè)平衡電極具有被成形為當(dāng)它被施加電壓時(shí)建立單調(diào)增大的徑向場(chǎng)的徑向輪廓。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的質(zhì)譜儀，其中所述平衡電極具有與所述旋轉(zhuǎn)軸對(duì)準(zhǔn)的中心以及圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸基本上圓形的周界，所述平衡電極的厚度在所述平衡電極的所述中心和所述周界之間變化從而建立單調(diào)增大的徑向場(chǎng)。
34.根據(jù)權(quán)利要求32或33所述的質(zhì)譜儀，其中所述平衡電極包括具有直的、凹的或凸的側(cè)面的圓錐體。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的質(zhì)譜儀，其中所述圓錐體的頂點(diǎn)朝著或遠(yuǎn)離所述腔室而延伸。
36.根據(jù)權(quán)利要求32至35中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備還包括被設(shè)置成跨所述至少一個(gè)平衡電極施加電壓的電壓源。
37.根據(jù)權(quán)利要求32至36中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述或每個(gè)平衡電極優(yōu)選地由固體電阻性聚合物或硅形成。
38.根據(jù)權(quán)利要求32至37中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述徑向場(chǎng)電極組件還包括第二平衡電極，所述腔室被布置在所述第一和第二平衡電極之間。
39.根據(jù)權(quán)利要求31所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備包括具有與所述旋轉(zhuǎn)軸同心布置并且通過介電材料彼此間隔開的多個(gè)環(huán)形電極的徑向場(chǎng)電極組件；以及被設(shè)置成向每個(gè)所述環(huán)形電極施加電壓的電壓源。
40.根據(jù)引用權(quán)利要求3時(shí)的權(quán)利要求12至沈中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述角向場(chǎng)電極組件被配置成使得所述或每個(gè)捕集電極上的電壓在所述或每個(gè)捕集電極的朝著所述旋轉(zhuǎn)軸的一端和所述或每個(gè)捕集電極的朝著所述腔室的周界的一端之間變化，從而建立單調(diào)增大的徑向場(chǎng)。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的質(zhì)譜儀，其中所述或每個(gè)捕集電極包括電極元件的陣列， 所述電壓源向每個(gè)電極元件施加電壓。
42.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述腔室具有基本上垂直于所述旋轉(zhuǎn)軸的圓形橫截面。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的質(zhì)譜儀，其中所述腔室是盤狀的、圓柱形的或環(huán)形的。
44.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述腔室是真空腔室，并且所述質(zhì)譜儀還包括用于控制所述腔室內(nèi)的空氣的設(shè)備，優(yōu)選為排空裝置或泵。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的質(zhì)譜儀，其中所述用于控制所述腔室內(nèi)的空氣的設(shè)備適于在所述腔室內(nèi)維持不完全真空。
46.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，還包括適于在粒子被注入到所述腔室中之前使所述粒子電離的電離裝置。
47.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述場(chǎng)生成設(shè)備還包括適于控制所述場(chǎng)生成設(shè)備實(shí)現(xiàn)所述角向捕集分量和/或徑向平衡分量的變化的控制器。
48.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述檢測(cè)器適于測(cè)量至少一個(gè)所述粒子軌道的半徑。
49.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述檢測(cè)器適于檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)預(yù)定半徑處的粒子軌道。
50.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述檢測(cè)器包括被設(shè)置成檢測(cè)穿過所述腔室傳播的輻射的至少一個(gè)輻射吸收元件。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的質(zhì)譜儀，其中所述檢測(cè)器包括沿著所述旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室周界之間的徑向路徑布置的輻射吸收元件的陣列。
52.根據(jù)權(quán)利要求50或51所述的質(zhì)譜儀，其中所述檢測(cè)器還包括被設(shè)置成穿過所述腔室朝著所述至少一個(gè)輻射吸收元件發(fā)射輻射的一個(gè)或多個(gè)輻射發(fā)射元件。
53.根據(jù)權(quán)利要求1至49中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述檢測(cè)器包括適于從一個(gè)或多個(gè)粒子軌道收集帶電粒子的收集裝置。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的質(zhì)譜儀，其中所述收集裝置包括適于使預(yù)定半徑的粒子軌道上的帶電粒子能夠退出所述腔室的所述腔室中的至少一個(gè)退出點(diǎn)；相鄰于所述退出點(diǎn)而布置在所述腔室外側(cè)的至少一個(gè)退出電極；以及電壓源，所述電壓源用于向所述至少一個(gè)退出電極施加電壓，使得當(dāng)電壓被施加到所述至少一個(gè)退出電極時(shí)，預(yù)定半徑的粒子軌道上的帶電粒子被朝著所述至少一個(gè)退出電極加速。
55.一種質(zhì)譜分析方法，包括 將帶電粒子注入到腔室中；建立作用在所述帶電粒子上的至少一個(gè)場(chǎng)，所述至少一個(gè)場(chǎng)具有 角向捕集分量，所述角向捕集分量被配置成在旋轉(zhuǎn)軸和所述腔室的周界之間形成至少一個(gè)通道，所述至少一個(gè)通道由所述角向捕集分量的能量最小值限定；以及徑向平衡分量， 至少在所述至少一個(gè)通道附近，所述徑向平衡分量的幅度隨著自所述旋轉(zhuǎn)軸起的半徑的增大而單調(diào)增大；使所述角向捕集分量圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，由此，由所述角向捕集分量沿著所述至少一個(gè)通道在角向上約束的帶電粒子與所述角向捕集分量一起旋轉(zhuǎn)，使得離心力作用在所述帶電粒子上，所述帶電粒子在所述離心力和所述徑向平衡分量的組合影響下沿著所述至少一個(gè)通道移動(dòng)，從而根據(jù)所述粒子的荷質(zhì)比形成一個(gè)或多個(gè)粒子軌道；以及檢測(cè)至少一個(gè)所述粒子軌道。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的質(zhì)譜分析方法，其中由角向捕集場(chǎng)提供所述角向捕集分量，并且由徑向平衡場(chǎng)提供所述徑向平衡分量。
57.根據(jù)權(quán)利要求55所述的質(zhì)譜分析方法，其中由角向捕集場(chǎng)提供所述角向捕集分量，并且所述徑向平衡分量是所述角向捕集場(chǎng)的分量。
58.根據(jù)權(quán)利要求55至57中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，其中僅在圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸限定的所述腔室的角向子部分中建立所述角向捕集分量。
59.根據(jù)權(quán)利要求55至58中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，其中所述角向捕集場(chǎng)是電場(chǎng)。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的質(zhì)譜分析方法，其中通過相鄰于所述腔室而布置的至少一個(gè)捕集電極和被設(shè)置成向所述或每個(gè)捕集電極施加電壓的電壓源來建立所述角向捕集場(chǎng)， 并且所述方法包括依次改變向所述或每個(gè)捕集電極施加的電壓，使得所述角向捕集場(chǎng)圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
61.根據(jù)至少權(quán)利要求56或57所述的質(zhì)譜分析方法，其中所述徑向平衡場(chǎng)是磁場(chǎng)。
62.根據(jù)至少權(quán)利要求56或57所述的質(zhì)譜分析方法，其中所述徑向平衡場(chǎng)是電場(chǎng)。
63.根據(jù)權(quán)利要求55至62中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，還包括使所述徑向平衡分量與所述角向捕集分量同步地圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
64.根據(jù)權(quán)利要求55至63中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，還包括在所述粒子被注入到所述腔室中之前使所述粒子電離。
65.根據(jù)權(quán)利要求55至64中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，還包括排空所述腔室以便在所述腔室內(nèi)產(chǎn)生不完全真空。
66.根據(jù)權(quán)利要求55至65中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，其中在所述帶電粒子的移動(dòng)期間改變所述徑向平衡分量的幅度和/或形狀以便調(diào)整所述或每個(gè)粒子軌道的半徑。
67.根據(jù)權(quán)利要求55至66中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，使用根據(jù)權(quán)利要求1至 54中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀。
68.根據(jù)權(quán)利要求55至67中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，其中所述檢測(cè)步驟包括測(cè)量至少一個(gè)所述粒子軌道的半徑。
69.根據(jù)權(quán)利要求55至67中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，其中所述檢測(cè)步驟包括在一個(gè)或多個(gè)預(yù)定半徑處檢測(cè)粒子。
70.根據(jù)權(quán)利要求55至67中的任一項(xiàng)所述的質(zhì)譜分析方法，其中所述檢測(cè)步驟包括從一個(gè)或多個(gè)所述粒子軌道收集粒子。
71.—種對(duì)混合的帶電粒子樣品進(jìn)行分類的方法，包括將所述混合的帶電粒子樣品注入到腔室中，并執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求55至70中的任一項(xiàng)所述的方法。
72.—種測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量的方法，包括將帶電粒子樣品注入到腔室中，執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求66所述的方法，并基于測(cè)得的所述至少一個(gè)半徑來計(jì)算所述粒子的質(zhì)量。
73.—種測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量的方法，包括將帶電粒子樣品注入到腔室中，執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求69所述的方法，其中在所述帶電粒子的移動(dòng)期間改變所述徑向平衡分量的幅度和/或形狀以便調(diào)整所述或每個(gè)粒子軌道的半徑，并基于所述徑向平衡分量的變化和所述預(yù)定半徑來計(jì)算所述粒子的質(zhì)量。
74.—種檢測(cè)目標(biāo)粒子的方法，包括將粒子樣品注入到腔室中并執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求 69所述的方法，其中至少一個(gè)所述預(yù)定半徑對(duì)應(yīng)于所述目標(biāo)粒子的已知質(zhì)量，在所述至少一個(gè)預(yù)定半徑處檢測(cè)到帶電粒子表示所述目標(biāo)粒子的存在。
75.—種從混合的粒子樣品提取目標(biāo)粒子的方法，包括將所述混合的粒子樣品注入到腔室中，并執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求70所述的方法以從具有基于所述目標(biāo)粒子的質(zhì)量確定的半徑的所選粒子軌道提取粒子。
76.根據(jù)權(quán)利要求75所述的方法，其中將所述混合的粒子樣品連續(xù)地注入到所述腔室中，并從所述所選粒子軌道連續(xù)地提取粒子。
全文摘要
公開了一種質(zhì)譜儀，該質(zhì)譜儀包括腔室；適于將帶電粒子注入到腔室中的注入裝置；以及場(chǎng)生成設(shè)備。場(chǎng)生成設(shè)備適于建立作用在帶電粒子上的至少一個(gè)場(chǎng)，該至少一個(gè)場(chǎng)具有被配置成在旋轉(zhuǎn)軸和腔室的周界之間形成至少一個(gè)通道的角向捕集分量，該至少一個(gè)通道由角向捕集分量的能量最小值限定，場(chǎng)生成設(shè)備還適于使角向捕集分量圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，由此，在使用中，帶電粒子由角向捕集分量沿著該至少一個(gè)通道在角向上約束從而與角向捕集分量一起旋轉(zhuǎn)，離心力由此作用在帶電粒子上。另外，該至少一個(gè)場(chǎng)還具有徑向平衡分量，至少在該至少一個(gè)通道附近，徑向平衡分量的幅度隨著自旋轉(zhuǎn)軸起的半徑的增大而單調(diào)增大，由此，在使用中，帶電粒子在離心力和徑向平衡分量的組合影響下沿著該至少一個(gè)通道移動(dòng)，從而根據(jù)粒子的荷質(zhì)比形成一個(gè)或多個(gè)粒子軌道。該質(zhì)譜儀還包括被配置成檢測(cè)至少一個(gè)粒子軌道的檢測(cè)器。還公開了質(zhì)譜分析方法。
文檔編號(hào)H01J49/32GK102576644SQ201080036094
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者迪米特里奧斯·賽德里斯 申請(qǐng)人:迪米特里奧斯·賽德里斯