專利名稱：質(zhì)譜儀多極設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及質(zhì)譜儀，更具體地，涉及質(zhì)譜儀多極設(shè)備。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜分析是用于樣品的定量元素分析的分析方法。樣品中的分子被電離并且基于其各自質(zhì)量被質(zhì)譜儀分析。被分離的分析物離子隨后被檢測(cè)，并且產(chǎn)生樣品的質(zhì)譜。質(zhì)譜提供關(guān)于質(zhì)量的信息，并且在某些情況下，提供關(guān)于組成樣品的各種分析物粒子的定量信息。具體地，質(zhì)譜分析可以用于確定分析物中的分子和分子片斷的分子量。此外，質(zhì)譜分析可以基于分裂模式確認(rèn)分析物中的組分。
用于質(zhì)譜分析的分析物離子可以由各種離子化系統(tǒng)的任何一種來(lái)產(chǎn)生。例如，大氣壓基質(zhì)輔助激光解吸電離(AP-MALDI)、場(chǎng)非對(duì)稱離子遷移譜(FAIMS)、大氣壓電離(API)、電噴霧電離(ESI)、大氣壓化學(xué)電離(APCI)以及電感耦合等離子體(ICP)系統(tǒng)可以被用于產(chǎn)生質(zhì)譜系統(tǒng)中的離子。這些系統(tǒng)的許多在大氣壓(760Torr)或者在接近大氣壓下生成離子。一旦被生成，分析物離子必須被引入或者取樣到質(zhì)譜儀中。通常，質(zhì)譜儀的內(nèi)部部分被保持在高真空水平(＜10-4Torr)或者甚至超高真空水平(＜10-7Torr)。實(shí)際上，對(duì)離子進(jìn)行取樣要求將分析物離子以被約束成窄范圍的離子束的形式通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)中間真空室從離子源運(yùn)輸?shù)礁哒婵召|(zhì)譜儀室中。每一個(gè)中間真空室被保持在前一和后一室的真空水平之間的真空水平上。因此，離子束從與離子形成相關(guān)的壓力水平到質(zhì)譜儀的壓力水平過(guò)渡地以步進(jìn)的方式運(yùn)輸分析物離子。
在大多數(shù)應(yīng)用中，理想的是，將離子運(yùn)輸通過(guò)質(zhì)譜儀系統(tǒng)的各個(gè)室中的每一個(gè)，而沒(méi)有明顯的離子損耗。離子運(yùn)輸經(jīng)常通過(guò)使用沿限定的方向以窄的束移動(dòng)離子的離子的離子導(dǎo)向器(ion guide)來(lái)完成。離子導(dǎo)向器通常使用電磁場(chǎng)來(lái)徑向地(x和y)約束離子并同時(shí)允許或者促進(jìn)軸向的(Z)離子運(yùn)輸。
離子導(dǎo)向器還使用相斥不均一射頻(RF)場(chǎng)以產(chǎn)生電子假勢(shì)阱，以在分析物離子行進(jìn)通過(guò)導(dǎo)向器時(shí)約束它們，并且產(chǎn)生設(shè)備的輸入和輸出端之間的電勢(shì)以移動(dòng)離子通過(guò)導(dǎo)向器。但是，如果使用高阻多極棒，現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備容易“RF衰落(RF droop)”(即，減小的RF的區(qū)域)。這樣，在許多離子導(dǎo)向器中，當(dāng)離子被運(yùn)輸通過(guò)導(dǎo)向器時(shí)它們可能變得失速(和/或被過(guò)濾掉)。
因此，仍然需要高效運(yùn)輸離子而沒(méi)有明顯的離子損耗或者功率耗散的離子導(dǎo)向器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于質(zhì)譜儀系統(tǒng)的多極設(shè)備?？偟膩?lái)說(shuō)，該多極設(shè)備包含多根導(dǎo)電棒，每一根導(dǎo)電棒包括導(dǎo)電層、電阻層和處在導(dǎo)電層和電阻層之間的絕緣層。該設(shè)備在均一RF場(chǎng)中將離子約束在軸上并且在軸上運(yùn)輸離子。在某些實(shí)施例中，棒被電連接，以提供用于沿著軸移動(dòng)離子的沿著軸的直流電場(chǎng)梯度和將離子約束到所述中心軸的射頻場(chǎng)。本發(fā)明可在各種應(yīng)用中找到用途，包括離子運(yùn)輸、離子分裂和質(zhì)量過(guò)濾器。


圖1是示例性的六極離子導(dǎo)向器的示意性表示。
圖2A和2B是本發(fā)明的兩個(gè)示例性表示的多極離子導(dǎo)向器棒的示意圖。
圖3是示出了多極離子導(dǎo)向器的偶數(shù)或者奇數(shù)棒之間的電連接的示意性表示。
圖4A和4B是示出本發(fā)明的示例性六極離子導(dǎo)向器的在離子輸入端(圖4A)的棒之間和在離子輸出端(圖4B)的棒之間的電連接的示意性表示。
圖5是使用多極離子導(dǎo)向器的第一示例性質(zhì)譜儀系統(tǒng)的示意性表示。
圖6是使用多極離子導(dǎo)向器的第二示例性質(zhì)譜儀系統(tǒng)的示意性表示。
定義如果沒(méi)有進(jìn)行另外定義，在此所使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所一般理解的相同意義。并且，為了清楚和易于參考，下面對(duì)某些元件進(jìn)行了定義。
術(shù)語(yǔ)“棒”在此用于描述可以具有任何橫截面形狀的結(jié)構(gòu)。
術(shù)語(yǔ)“多極設(shè)備”在此用于包括四極、六極、八極以及十極設(shè)備(或者包含其他數(shù)目的棒的類似設(shè)備)，而不管這些設(shè)備可以怎樣被用在質(zhì)譜儀系統(tǒng)中(例如，用于離子運(yùn)輸，離子分裂，或者作為質(zhì)量過(guò)濾器等)。
在對(duì)本發(fā)明的棒的描述中，術(shù)語(yǔ)“內(nèi)”和“外”被使用。這些術(shù)語(yǔ)是關(guān)系術(shù)語(yǔ)，并且被用于指示元件與棒的外側(cè)表面的相對(duì)靠近程度?！皟?nèi)元件”不應(yīng)被解釋為意味著該元件完全被包含在棒的內(nèi)芯中，雖然也可能就是這樣的情況。類似地，“外”元件未必處在棒的表面上，雖然也可能就是這樣的情況。此外，棒的“內(nèi)”元件、棒的“外”元件或者它們之間的任何元件未必圍繞整個(gè)棒延伸。
作為“層”出現(xiàn)在棒中的元件可以是棒的中芯。
“多個(gè)”是2個(gè)或者更多個(gè)。
術(shù)語(yǔ)“RF衰落”是指在多極離子導(dǎo)向器中發(fā)生的一種現(xiàn)象。術(shù)語(yǔ)“RF衰落”是指RF場(chǎng)的減小，其在離子沿導(dǎo)向器進(jìn)行時(shí)導(dǎo)致離子的截留和/或離子的質(zhì)量區(qū)分。
在“均一RF場(chǎng)”中運(yùn)輸?shù)碾x子被在具有一致RF幅度的RF場(chǎng)中被運(yùn)輸。均一RF場(chǎng)通常不含有RF幅度減小的區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種用于質(zhì)譜儀系統(tǒng)的多極設(shè)備。通常，該多極設(shè)備包括多個(gè)導(dǎo)電棒，每一個(gè)導(dǎo)電棒包括導(dǎo)電層；電阻層；和布置在導(dǎo)電層和電阻層之間的絕緣層。該設(shè)備在均一RF場(chǎng)中將離子約束在一軸上并在軸上運(yùn)輸離子。在某些實(shí)施例中，所述多個(gè)棒被電連接，以提供沿軸的直流電場(chǎng)梯度，用于沿著軸移動(dòng)離子，并且提供將離子約束到中心軸的射頻場(chǎng)。本發(fā)明可以用于各種應(yīng)用，包括離子運(yùn)輸、離子分裂以及用于質(zhì)量過(guò)濾器。
這里所敘述的方法可以按照所敘述的事件順序，以及任何邏輯上可能的順序來(lái)進(jìn)行。此外，在提供了值的范圍的情況下，應(yīng)當(dāng)理解，在該范圍的上限和下限之間的每個(gè)居間的值，以及在被敘述的范圍中的任何其他被敘述的或者居間的值，都被包括在本發(fā)明內(nèi)。
被引用的項(xiàng)目?jī)H因?yàn)樗鼈冊(cè)诒景l(fā)明的申請(qǐng)日之前的公開(kāi)而被提供。這里沒(méi)有事物被解釋為承認(rèn)本發(fā)明沒(méi)有資格早于這樣的依賴于在先發(fā)明的材料。
對(duì)單個(gè)項(xiàng)目的提及包括這樣的可能性，即可能有多個(gè)相同項(xiàng)目出現(xiàn)。更具體地說(shuō)，如這里以及所附權(quán)利要求中所使用的，單數(shù)形式“某個(gè)”、“一個(gè)”、“所述”和“該”包括多個(gè)所指物，除非上下文中另行清楚地規(guī)定。還應(yīng)該注意，權(quán)利要求可能被起草為排除任何可選元素。照此，該陳述被用來(lái)作為使用與權(quán)利要求元素的敘述相結(jié)合的諸如“僅”、“只”等的排他用語(yǔ)或者使用“否定”限定的前提基礎(chǔ)。
質(zhì)譜儀系統(tǒng)本發(fā)明提供一種質(zhì)譜儀系統(tǒng)，包括離子源，將在下面被更詳細(xì)地描述的多極設(shè)備，以及離子檢測(cè)器。使用本發(fā)明的多極設(shè)備的示例性質(zhì)譜儀系統(tǒng)140被示于圖5中。質(zhì)譜儀系統(tǒng)140包括離子源142，包含多極設(shè)備145的室144(其可以是兩個(gè)或者更多個(gè)壓力過(guò)渡室中的一個(gè))，常規(guī)質(zhì)譜儀146，和離子檢測(cè)系統(tǒng)148。質(zhì)譜儀146可以是任何類型的質(zhì)譜儀，包括但不限于飛行時(shí)間(time-of-flight)儀、FTMS或磁扇區(qū)(magneticsector)譜儀，所有這些在本領(lǐng)域是公知的。在許多實(shí)施例中，室144是處在大氣壓或者接近大氣壓下的離子源142和通常處于高真空的質(zhì)譜儀146之間的一個(gè)或者多個(gè)壓力過(guò)渡級(jí)。多極設(shè)備可以被用作室144中的多極離子導(dǎo)向器145，用于將被良好準(zhǔn)直的束中的離子從離子源142運(yùn)輸?shù)劫|(zhì)譜儀146。在某些情況下，室144包含兩個(gè)壓力過(guò)渡級(jí)，其將壓力水平從離子源142的壓力水平過(guò)渡到質(zhì)譜儀146的壓力水平。壓力過(guò)渡級(jí)中的中間壓力可以分別是P1和P2。例如，如果離子源142在760Torr的壓力下工作，則第一壓力過(guò)渡區(qū)域內(nèi)的壓力P1可以是遠(yuǎn)小于760Torr，例如為0.1Torr，而第二壓力過(guò)渡級(jí)內(nèi)的壓力P2可以是遠(yuǎn)小于壓力P1，例如P2可以是0.001Torr。質(zhì)譜儀146的壓力遠(yuǎn)小于P2。在其中使用兩個(gè)或者更多個(gè)壓力過(guò)渡室的實(shí)施例中，該設(shè)備可以被用于每一室中。
在使用中，在離子源142中產(chǎn)生的離子(其徑跡由箭頭150所示)通過(guò)使用多極離子導(dǎo)向器145被移動(dòng)通過(guò)室144到質(zhì)譜儀146中，在質(zhì)譜儀146中，該離子被與其他離子分離。離子從質(zhì)譜儀146穿過(guò)到達(dá)離子檢測(cè)器148，在該處離子被檢測(cè)。
如上所述，室144可以是準(zhǔn)直室。在含有包括該設(shè)備的準(zhǔn)直室的質(zhì)譜儀系統(tǒng)中，中性氣體可以被引入到室144中，以促進(jìn)在離子移動(dòng)通過(guò)多極設(shè)備時(shí)離子的分裂。
包含用于碰撞腔(collision cell)中的多極離子導(dǎo)向器的示例性質(zhì)譜儀系統(tǒng)被示意性地示于圖6中。在本發(fā)明的此實(shí)施例中，多極離子導(dǎo)向器可以被用來(lái)代替用于本領(lǐng)域中公知為“三象限(triple quad)”或者簡(jiǎn)稱為“QQQ”系統(tǒng)的多質(zhì)/荷分析系統(tǒng)中的碰撞腔中的傳統(tǒng)離子導(dǎo)向器。圖6示出了本發(fā)明的三象限系統(tǒng)160。系統(tǒng)160包括三個(gè)室162、164和168，離子檢測(cè)系統(tǒng)170和離子源161。第一室162和第三室168是較低壓力室，并且充當(dāng)質(zhì)/荷分析器。在室162和室168之間的第二室164包含根據(jù)本發(fā)明的多極離子導(dǎo)向器165。在第二室164中，諸如氮?dú)?N2)或者氬氣(Ar)之類的氣體以約10-1到10-4Torr的壓力被引入。當(dāng)分析物離子移動(dòng)通過(guò)多極設(shè)備時(shí)，氣體分子和具有足夠能量的分析物離子碰撞，導(dǎo)致分裂和子離子的產(chǎn)生。室162和室168的每一個(gè)可以是任何的質(zhì)/荷分析器，包括但不限于四極質(zhì)量過(guò)濾器、離子阱、飛行時(shí)間儀或者磁扇區(qū)譜儀。雖然沒(méi)有示出，但是本發(fā)明的質(zhì)譜儀系統(tǒng)160可以具有多于三個(gè)的級(jí)，并且離子分裂室164可以包括多于一個(gè)的級(jí)，并仍然處在本發(fā)明的范圍中。
在一個(gè)實(shí)施例中，包含離子的樣品被從離子源傳送到第一分析器162，在第一分析器162處，特定離子被從樣品中的其他離子過(guò)濾出。離子(其徑跡由箭頭172示出)在包含多極離子導(dǎo)向器的碰撞腔164中被分裂以產(chǎn)生子離子。子離子被從室164傳送到分析器168，在該分析器168處，特定子離子被從其他的子離子過(guò)濾出。過(guò)濾出的子離子在離子檢測(cè)器170中被檢測(cè)。
在某些實(shí)施例中，該設(shè)備可以出現(xiàn)在四極質(zhì)量分析器(例如，四極質(zhì)量過(guò)濾器)的離子入口或者出口端，并且可以有助于將離子運(yùn)輸?shù)椒治銎髦谢蛘邚姆治銎鬟\(yùn)輸出來(lái)。
此外，除了在多極(例如四極)質(zhì)量過(guò)濾器中產(chǎn)生軸向加速或者減速場(chǎng)之外，本發(fā)明可以被用于質(zhì)量過(guò)濾器，以通過(guò)模仿Brubaker前過(guò)濾器透鏡來(lái)提高入口光學(xué)性能。在用于本實(shí)施例的多極質(zhì)量過(guò)濾器的棒的開(kāi)頭、末尾或者開(kāi)口和末尾兩者的3％到25％，具有上述的絕緣和電阻元件。在棒的端部，電阻層覆蓋在內(nèi)部未涂敷的導(dǎo)電元件(例如，金屬棒)上，獲取U+(或者對(duì)于另一棒對(duì)為U-)。棒端部的另一端部具有DC連接點(diǎn)，其將被保持在小于U+值。為了最接近地模仿Brubaker透鏡，在該另一端部上的DC可以為大約四DC接地(quad DC ground)，U+和U-的平均值。也可以使用U+和U-之間的中間減小DC電壓，并且其在不同的實(shí)施例中會(huì)具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。此實(shí)施例產(chǎn)生到質(zhì)量過(guò)濾器的寬的傳輸入口，并且提供傳統(tǒng)Brubaker透鏡的大多數(shù)或者全部?jī)?yōu)點(diǎn)，而不必用單獨(dú)的棒，電容耦合器和額外的絕緣結(jié)構(gòu)。此外，存在瞬時(shí)透鏡(instant lens)或者“前過(guò)濾器”的固有的更優(yōu)異的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，對(duì)于質(zhì)量過(guò)濾器，將不存在由棒斷裂導(dǎo)致的機(jī)械不連續(xù)，并且通常存在于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備中的突變U+(和U-)不連續(xù)將被沿著電阻的長(zhǎng)度的電壓的勻變所代替。通過(guò)適當(dāng)選擇絕緣和電阻元件的厚度和材料，層上的RF降可以是可調(diào)節(jié)的，例如調(diào)小或者調(diào)大。因此，如果需要的話，在入口部分上的RF可以被調(diào)節(jié)到比四極RF更小的幅度。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，根據(jù)前過(guò)濾器的長(zhǎng)度，可能需要使得棒更長(zhǎng)，也許加長(zhǎng)4％到25％，以保持相同的質(zhì)量過(guò)濾器峰形狀特性。
雖然上面的實(shí)施例描述了前過(guò)濾器，但是后過(guò)濾器可以以相同的方式被構(gòu)造，并且具有后過(guò)濾器和前過(guò)濾器兩者的單個(gè)質(zhì)量過(guò)濾器也是可以的。而且，如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的，前過(guò)濾器和/或后過(guò)濾器可以與四極的多個(gè)部分上或者其整個(gè)長(zhǎng)度上的軸向加速相結(jié)合。必須只將DC電壓施加到沿棒的長(zhǎng)度的合適的點(diǎn)上。使用術(shù)語(yǔ)“DC電壓”一般不應(yīng)該排除使用隨時(shí)間變化的電平，諸如隨著感興趣的質(zhì)量發(fā)生變化而被調(diào)節(jié)的電壓或者在合適的時(shí)間點(diǎn)被逐步變化以將離子門(mén)控到鄰近的離子操縱或者測(cè)量設(shè)備中的電壓。
多極設(shè)備上面簡(jiǎn)要討論的多極設(shè)備可以被用于在質(zhì)譜儀系統(tǒng)中操縱(例如，移動(dòng)，如運(yùn)輸，分裂或者過(guò)濾)離子。在某些實(shí)施例中，該設(shè)備操作以促進(jìn)離子通過(guò)質(zhì)譜儀系統(tǒng)的室的定向移動(dòng)。例如，室可以是處在大氣壓的室和高真空室之間的中間真空的室，或者室可以是碰撞室(另外在本領(lǐng)域中被稱為碰撞腔)。該設(shè)備可以被用于運(yùn)輸離子，以及用于分裂離子(在設(shè)備被用作碰撞室的情況下)。因此，設(shè)備在單個(gè)的多極離子導(dǎo)向器質(zhì)譜儀系統(tǒng)，例如“qTOF”系統(tǒng)中，以及在串列多極離子導(dǎo)向器質(zhì)譜儀系統(tǒng)，例如“qqqTOF”有特定用途。當(dāng)該設(shè)備被用于串列多極離子導(dǎo)向器質(zhì)譜儀系統(tǒng)中時(shí)，設(shè)備可以被用作碰撞腔。如在下面被更詳細(xì)地討論的，設(shè)備也可以被用作離子過(guò)濾器。
多極設(shè)備包含多個(gè)棒(即，2個(gè)或者更多個(gè)棒，通常偶數(shù)個(gè)棒，例如4、6、8或者10或者更多)，其被縱向地布置在中心軸周圍，其中在設(shè)備的操作期間，離子沿著中心軸定向地移動(dòng)(即，從該中心軸的一端到中心軸的另一端)。棒在示例性六極離子導(dǎo)向器中的合適的布置被示于圖1中。通常，離子導(dǎo)向器的棒，例如101、102、103、104、105和106，是導(dǎo)電的，并且被布置來(lái)提供用于接收離子的輸入端108、用于噴出離子的輸出端110，以及從輸入端到輸出端延伸的中心軸(沒(méi)有在圖1中示出)。在某些實(shí)施例中，棒可以被一個(gè)或者多個(gè)項(xiàng)圈保持為合適的布置，但是可以使用數(shù)種項(xiàng)圈的替換物。從多極設(shè)備的輸入端來(lái)看，棒可以被以順時(shí)鐘方式(例如在圖1中所舉例的)標(biāo)識(shí)，以提供兩組棒偶數(shù)編號(hào)的棒(例如，棒102、104和106)和奇數(shù)編號(hào)的棒(例如，棒101、103和105)。在許多實(shí)施例中，棒的縱向軸是平行的并且離中心軸等距。在設(shè)備的所有棒之間，連續(xù)的棒之間的間距通常是相同的，但是在不同的設(shè)備之間棒間距可以變化。在作為離子導(dǎo)向器使用時(shí)，棒被電連接，以提供用于沿著中心軸移動(dòng)離子的沿中心軸的直流電(DC)電場(chǎng)梯度和提供將離子約束到緊鄰中心軸的區(qū)域的射頻(RF)場(chǎng)。
多極設(shè)備可以具有類似于其他多極設(shè)備(例如，多極離子導(dǎo)向器)的尺寸，并且同樣地，可以在很大程度上變化。在某些實(shí)施例中，多極設(shè)備的總長(zhǎng)度為4cm到40cm，并且具有限定出其內(nèi)接直徑為2mm到30mm的內(nèi)通道的棒。但是，在某些系統(tǒng)中，已經(jīng)使用了具有不在這些范圍中的尺寸的設(shè)備。根據(jù)用于制造的材料和所希望的尺寸，在某些實(shí)施例中，棒的長(zhǎng)度可以從5cm到50cm(例如，10～30cm)，并且可以具有0.7mm到15mm的直徑(例如，1mm到8mm)，但是在某些系統(tǒng)中，可以容易地使用具有不在此范圍中的尺寸的棒。
通常，根據(jù)在此所描述的發(fā)明的多極設(shè)備的每一個(gè)棒的至少一部分包含三個(gè)同軸布置的元件，每一個(gè)元件具有不同的電性能。下面將更詳細(xì)地描述這些元件和它們?cè)诙鄻O離子導(dǎo)向器中的電連接。
在對(duì)棒的描述中，術(shù)語(yǔ)“內(nèi)”和“外”被使用。這些術(shù)語(yǔ)是關(guān)系術(shù)語(yǔ)，并且被用于指示元件與棒的外側(cè)表面的相對(duì)靠近程度。如在圖2A和2B中所舉例說(shuō)明的，內(nèi)元件位于棒的內(nèi)部，而外元件位于棒的外表面的附近或者位于棒的外表面上。如將在下面所更詳細(xì)地描述的，內(nèi)元件可以表示棒的中芯(參見(jiàn)例如圖2A的元件8)，或者表示存在于棒的中芯上的層(參見(jiàn)例如圖2B的元件8，其中中芯是元件12)。因此，“內(nèi)元件”不應(yīng)被解釋為意味著該元件完全被包含在棒的內(nèi)芯中，雖然也可能就是這樣的情況。此外，注意，術(shù)語(yǔ)“棒”在此被用于描述可以具有任何橫截面形狀的結(jié)構(gòu)，例如，其橫截面形狀可以是圓形、橢圓形、半圓形、凹面形、偏平形、方形、矩形、雙曲線形或者多邊形。這些圖示出了具有圓形橫截面形狀的棒，僅僅是為了舉例說(shuō)明本發(fā)明。棒可以具有不同的橫截面形狀。
此外并且如下面所述的，注意，絕緣和電阻元件未必包圍整個(gè)棒，并且可以僅僅出現(xiàn)在棒的鄰近離子行進(jìn)通過(guò)的通路的部分(或者在最接近其的側(cè)面上)。在這些實(shí)施例中，諸如“內(nèi)”和“外”之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)是指棒的包含這些元件的部分(例如，棒的半徑)。還應(yīng)該注意，沒(méi)有要求棒的整個(gè)長(zhǎng)度都包含絕緣和電阻元件。因此，在任何下述的實(shí)施例中(尤其是在特定實(shí)施例中)，棒可以沿著其長(zhǎng)度的至少一部分(包括，但并不必須是棒的整個(gè)長(zhǎng)度)包含絕緣和電阻元件。棒長(zhǎng)度的具有絕緣和電阻元件的部分可以處在棒的開(kāi)頭、末端或者中部。
考慮上面的定義并參考圖2A和2B，多極設(shè)備的棒中的每一個(gè)可以被描述為包含內(nèi)導(dǎo)電元件8、外電阻元件4和處在內(nèi)元件8和外元件4之間的絕緣元件6。這些元件沿著每一棒的長(zhǎng)度同軸地布置，以提供可以被認(rèn)為是含有電阻外涂層的同軸電容器的棒。如上所述，在某些實(shí)施例中，內(nèi)元件8可以位于棒中心(如圖2A的棒2中所示)，或者作為層存在于棒的中芯上(如圖2B的棒10所示)。
通常，棒中所包含的所有材料應(yīng)該是真空相容的，例如，它們應(yīng)該是在真空中不向外放氣的材料，并且可以被相應(yīng)地選擇。
導(dǎo)電元件8一般是高導(dǎo)電材料(例如，具有每厘米3k到680k西門(mén)子的電導(dǎo)率的材料，如從每厘米17k到330k西門(mén)子)。如將在下面所更詳細(xì)討論的，在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電元件可以是處在提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的內(nèi)部非導(dǎo)電結(jié)構(gòu)棒的頂面上的涂層。在另一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)部棒可以是中空的，并且導(dǎo)電層可以被涂敷在中空棒的內(nèi)側(cè)。在本發(fā)明的大多數(shù)實(shí)施例中，導(dǎo)電元件8是金屬的，例如含有銀、銅、金、鋁(包括鋁合金)、鎳、鋼(包括不銹鋼)、鉻、鈹或者鎢等，或者由其制成。在某些實(shí)施例中，可以使用例如碳石墨的非金屬材料。一般，所要求的電導(dǎo)率取決于由RF連接點(diǎn)之間的有限電阻和棒對(duì)棒以及棒對(duì)殼的電容所導(dǎo)致的RF電壓下降的可接受水平。一般，利用固體金屬棒，該RF下降不明顯。在高的多極頻率下，可能要考慮電阻層的厚度(如在下面所描述的)，但是通常，通過(guò)絕緣層的電容性電壓降和通過(guò)薄的電阻層的電壓降耦合將對(duì)到棒的表面的傳輸RF電壓有較大的影響。
絕緣元件6包圍導(dǎo)電元件8并在電勢(shì)差被施加到其上時(shí)使導(dǎo)電元件8與電阻元件4絕緣。棒的絕緣元件通常使用其介電強(qiáng)度和厚度大于導(dǎo)電層和電阻層之間的最大電壓差的產(chǎn)品制成。最高電壓差是由于絕緣層的有限電容而出現(xiàn)的RF差和DC差的總和。根據(jù)所使用的實(shí)施例，最高電壓差可以低至0.1伏特，高至100伏特，或者可以是0.1到100伏特之間的任何電壓。如在下面所更詳細(xì)討論的，絕緣元件6可以由多種合適的絕緣材料中的一種或者多種制成。一般，絕緣元件6通常是厚度在1μm～1000μm(例如5μm～50μm)范圍中的具有對(duì)于所使用的電壓差而言足夠的介電強(qiáng)度的薄層。典型的絕緣材料的介電強(qiáng)度在從100～2000伏特每數(shù)千分之英寸的范圍中，但是也可以容易地使用介電強(qiáng)度在其范圍之外的絕緣材料。
絕緣元件6可以包含許多種絕緣體中的一種或者多種，包括例如KEPTON的聚酰胺、例如DELRINTM的縮醛樹(shù)脂、例如KYNARTM的氟化聚合物、例如LEXAMTM的聚碳酸酯、聚苯乙烯、例如TEFLONTM的聚四氟乙烯、全氟烷氧(Teflon PFATM)或者聚氯乙烯。在某些實(shí)施例中，絕緣元件6可以是陶瓷(例如，瓷或者搪瓷)，或者例如氧化鈹?shù)念愄沾?，或者某些其他的難熔材料。
在某些實(shí)施例中，例如導(dǎo)電材料的氧化物的金屬氧化物可以被用作棒中的絕緣材料。因此，在某些實(shí)施例中，對(duì)內(nèi)導(dǎo)電金屬的表面進(jìn)行氧化可以產(chǎn)生絕緣層。如果內(nèi)導(dǎo)電金屬是鋁，則該工藝在本領(lǐng)域中是公知的，并且被稱為陽(yáng)極化。一般，用于以絕緣層涂敷導(dǎo)電材料的方法在本領(lǐng)域是公知的，并且例如，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于各種其他的電學(xué)領(lǐng)域，例如半導(dǎo)體領(lǐng)域。在某些實(shí)施例中，在半導(dǎo)體散熱器領(lǐng)域中所使用的方法可以被用于制造棒。
因?yàn)閺膶?dǎo)電元件通過(guò)絕緣元件到電阻元件的RF電壓降幾乎與絕緣層的厚度成比例，所以薄層材料對(duì)于節(jié)省功率并且將盡可能最高的電壓傳輸?shù)桨舻膬?nèi)部是理想的。因?yàn)樵摻^緣層兩側(cè)上的電容隨介電常數(shù)增大，所以更高的介電常數(shù)也減小了RF電壓降，具有與已經(jīng)提到的更薄的層相同的好處。由于上面的兩個(gè)原因，陽(yáng)極化是特別有利的實(shí)施例，因?yàn)楸涌梢员簧刹⑶医殡姵?shù)高于有機(jī)絕緣材料。
電阻元件4通常為絕緣元件6上的電阻涂層，并且可以處在棒的外表面上。絕緣和電阻層不必圍繞整個(gè)棒，而是可以限于棒的影響離子束的表面。不過(guò)，此處的實(shí)施例、計(jì)算和附圖將假設(shè)絕緣和電阻層覆蓋棒的整個(gè)周長(zhǎng)。諸如成本、可加工性和可靠性之類的一般考慮事項(xiàng)適用于電阻層的設(shè)計(jì)。此外，在規(guī)定電阻元件的厚度和可以制造元件的材料時(shí)可以考慮五個(gè)附加的標(biāo)準(zhǔn)1)在多極設(shè)備的操作期間，偏離的或者被噴射的離子可能轟擊設(shè)備的棒，可能導(dǎo)致干擾感興趣的離子的局部電壓擾動(dòng)。如果是這樣的情形的話，可以使用低電阻率材料和/或更厚的電阻元件。2)在多極設(shè)備的操作期間，電阻元件兩側(cè)的RF電壓降可能很高。如果是這樣的情形的話，可以使用低電阻率和/或更薄的電阻元件。3)在多極設(shè)備的操作期間，RF功率損耗可能導(dǎo)致設(shè)備的棒的過(guò)度發(fā)熱，尤其是如果棒處于真空的情況下。如果是這樣的情形的話，可以使用低電阻率材料和/或更薄的電阻元件。4)在多極設(shè)備的操作期間，DC電流需求雖然對(duì)于本發(fā)明來(lái)說(shuō)比非分布式電容設(shè)計(jì)要小，但是可能仍然高于所希望的。如果是這樣的情形的話，假定需要固定的端到端DC梯度，則可以使用更薄的電阻元件和/或更高電阻率的材料。5)在多極設(shè)備的操作期間，DC功率耗散可能使設(shè)備的棒發(fā)熱。如果是這樣的情形的話，可以使用具有更高電阻率的小厚度層。有趣的是，如果棒是圓形的，則當(dāng)有效(rms)RF電流(對(duì)于一根棒)乘以電阻率的積等于DC端到端電壓乘以棒周長(zhǎng)的積時(shí)，發(fā)生DC功率損耗等于RF功率損耗時(shí)的交叉。因此，標(biāo)準(zhǔn)3或者5的相對(duì)重要性取決于實(shí)施例，特別是取決于RF環(huán)流、棒直徑、所施加的DC以及所選擇的材料的電阻率。
電阻元件4可以具有5歐姆/方(Ohms/square)到10兆歐姆/方，例如100歐姆/方到1兆歐姆/方或者10千歐姆/方到50千歐姆/方的電阻率，并且在某些實(shí)施例中，電阻元件4可以包含例如電阻油墨、金屬氧化物、帶玻璃的金屬氧化物、金屬箔、金屬線繞組、導(dǎo)電塑料等中的一種或者多種。在許多實(shí)施例中，絕緣元件6被涂敷以一層電阻油墨，該油墨在本領(lǐng)域是公知的。感興趣的特定電阻油墨包括碳電阻油墨(例如，C-100或者C-200等)、金屬陶瓷油墨(包含精細(xì)陶瓷或者玻璃粒子和貴金屬的組合)、金屬油墨、導(dǎo)電塑料油墨和聚合物油墨。當(dāng)陶瓷絕緣材料出現(xiàn)在棒中時(shí)，碳電阻油墨是尤其可使用的，但是在特定實(shí)施例中，陶瓷絕緣材料可以被涂敷(例如上釉)，以在陶瓷絕緣材料的外側(cè)提供所希望的電阻材料。不在表面上發(fā)生氧化的電阻油墨可以被用于棒中，并且因此，電勢(shì)計(jì)油墨(potentiometer ink)可以容易地使用。合適的電阻油墨可以從Metec公司(Elverson，PA，)和其他地方購(gòu)買(mǎi)。
在一個(gè)實(shí)施例中，棒可以包含a)內(nèi)金屬(例如鋁)中芯，b)通過(guò)氧化內(nèi)金屬芯的表面產(chǎn)生的中間絕緣層，和c)中間絕緣層上的外層電阻油墨。在另一實(shí)施例中，棒可以包含a)內(nèi)陶瓷芯(例如內(nèi)陶瓷棒)，b)陶瓷芯上的導(dǎo)電材料層，c)導(dǎo)電材料層上的中間絕緣層，和d)中間絕緣層上的外層電阻油墨。在一個(gè)另外的實(shí)施例中，棒可以包含a)內(nèi)金屬中芯，b)中間絕緣陶瓷層，和c)中間絕緣陶瓷層上的外層電阻油墨(例如碳基油墨)。
如上所述的，棒可以沿著其長(zhǎng)度的至少一部分(包括但不必須是棒的整個(gè)長(zhǎng)度)包含絕緣和電阻元件。棒的長(zhǎng)度的具有絕緣和電阻元件的部分可以是在開(kāi)頭、末尾、開(kāi)頭和末尾兩者、或在棒的中部。在某些實(shí)施例中，棒的至少3％、至少10％、至少25％、至少50％、或至少90％，通常直到棒的長(zhǎng)度的10％、直到25％、直到50％、直到80％或者100％包含絕緣和電阻元件兩者。
在某些實(shí)施例中，電阻材料可以處在棒的表面上(即，沒(méi)有被覆蓋在其他材料中)，并且可以作為厚度為0.1μm到1mm(例如5μm到100μm)的層出現(xiàn)。
如上所述，棒可以被電連接，以提供用于沿著所述中心軸移動(dòng)所述離子的沿著所述中心軸的直流(DC)電場(chǎng)梯度和將所述離子約束到所述軸的射頻場(chǎng)。因此，在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，多極設(shè)備可以被連接到用于提供RF電壓的RF電壓源和用于提供DC電壓的DC電壓源。
如上所述，設(shè)備的棒根據(jù)其相對(duì)于設(shè)備的其他棒的位置可以任意地被標(biāo)記為奇數(shù)棒或者偶數(shù)棒。設(shè)備的棒的示例性的電連接被示于圖3、4A和4B中。圖3示出了棒20和22之間的示例性的電連接。棒20和22是設(shè)備中的任意兩根奇數(shù)棒(例如標(biāo)號(hào)為1、3、5或者7的棒)或者任意兩根偶數(shù)棒(例如標(biāo)號(hào)為2、4、6或者8的棒)。在許多實(shí)施例中，棒的電阻元件4和導(dǎo)電元件8在棒的一端被相互電連接。奇數(shù)棒中每一根的電阻元件4和導(dǎo)電元件8在同一端被連接到同一DC源24和同一RF源26，并且偶數(shù)棒中每一根的電阻元件4和導(dǎo)電元件8在同一端被連接到DC源24和同一RF源26。電阻元件4和導(dǎo)電元件8通常在棒的離子輸入端被連接到同一DC源24和同一RF源26，但是在某些實(shí)施例中，這樣的連接可能發(fā)生在棒的另一端(即，棒的離子輸出端)。每一根棒的電阻元件4而不是導(dǎo)電元件8在每一根棒的另一端被連接到DC源30和RF源28。DC源24和30通常向棒的兩端提供不同的DC電壓(例如，具有0.3～50V的差，例如0.8～12V的差，或者更大的差)，由此提供沿著棒的電壓梯度。由RF源26和28提供給每一偶數(shù)棒的兩端的RF電壓通常是同相的，并且由RF源26和28提供給每一奇數(shù)棒的兩端的RF電壓通常是同相的。如對(duì)于其他多極設(shè)備所已知的，提供給奇數(shù)棒的RF電壓可以與提供給偶數(shù)棒的RF電壓相差180度的相位。
圖4A示意性地示出了在示例性多極設(shè)備的一端(例如，離子輸入端)的棒101、102、103、104、105和106的端部的電連接。在此示例中，偶數(shù)棒102、104和106的組由RF源108所提供的具有第一幅度的RF電壓和DC源110所提供的具有第一值的DC電壓驅(qū)動(dòng)。具有第二幅度的第二RF電壓和具有第二值的第二DC電壓分別由第二RF源112和第二DC源114提供，并且被提供給奇數(shù)棒101、103和105的組。所提供的第一和第二DC電壓值和/或第一和第二RF電壓幅度可以是相同的或者不同的，而來(lái)自RF源108的RF電壓的相位可以與RF源112的RF電壓的相位相差180度。注意，在圖4A中，所有棒的導(dǎo)電元件和電阻元件被電連接到DC和RF源。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，棒的一端的導(dǎo)電元件和電阻元件可以通過(guò)各種方法被電連接，包括通過(guò)對(duì)棒的端部進(jìn)行涂敷(例如金屬化)并且將棒的經(jīng)涂層的端部經(jīng)由單根的電線連接到電源，或者通過(guò)將導(dǎo)電和電阻元件中的每一個(gè)連接到不同的電線，而所述不同的電線可以在連接到電源之前被聯(lián)接到一起。
圖4B示意性地示出了在示例性的多極設(shè)備的另一端(例如離子輸出端)的棒101、102、103、104、105和106的端部的電連接。這些棒與圖4A相比以“相反”的次序被示出，因?yàn)閳D4B的設(shè)備是從與圖4A中所示的相反一側(cè)被觀察的。在此示例中，偶數(shù)棒102、104和106的組由RF源126所提供的具有第一幅度的RF電壓和DC源124所提供的具有第一值的DC電壓驅(qū)動(dòng)。具有第二幅度的第二RF電壓和具有第二值的第二DC電壓分別由第二RF源122和第二DC源120所提供，并且被提供給奇數(shù)棒101、103和105的組。所提供的第一和第二DC電壓值和/或第一和第二RF電壓幅度可以是相同的或者不同的，而來(lái)自RF源122的RF電壓的相位可以與RF源126的RF電壓的相位相差180度。注意，在圖4B中，只有電阻元件被電連接到DC和RF源。
在設(shè)備的一端提供給每一根棒的端部的DC電壓的值通常是相同的，并且在設(shè)備的另一端提供給每一根棒的端部的DC電壓的值通常是相同的。但是，如在上面所討論的，提供給設(shè)備的每一根棒的端部的DC電壓值通常不同于在設(shè)備的另一端提供給每一根棒的端部的DC電壓值，以提供將離子沿平行于設(shè)備的軸的方向移動(dòng)的DC梯度。根據(jù)被運(yùn)輸?shù)碾x子的類型，與在設(shè)備的離子輸出端的DC電壓相比，在設(shè)備的離子輸入端的DC電壓可以更高或者更低。
在設(shè)備的一端提供給每一根棒的端部的RF電壓的幅度通常是相同的(但是對(duì)于相鄰的棒的相位不同)，并且在設(shè)備的另一端提供給每一根棒的端部的RF電壓的幅度通常是相同的(但是對(duì)于相鄰的棒的相位不同)。在設(shè)備的一端提供給每一根棒的端部的RF電壓的幅度與在設(shè)備的另一端提供給每一根棒的端部的RF電壓的幅度可以不同或者相同，以提供用于將離子約束到中心軸區(qū)域的RF。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，多種DC梯度和RF可以被用于設(shè)備中，以產(chǎn)生用于將離子沿著設(shè)備的軸移動(dòng)的電動(dòng)力。在某些實(shí)施例中，0.3～50伏特(例如0.8～15伏特或者約10伏特)的DC梯度可以被使用，但是明顯不在此范圍中的梯度也容易被想到。如果在多極中的離子的分裂是所希望的，則可以使用達(dá)到300伏特的電壓。如果希望將離子在多極中保持較長(zhǎng)的時(shí)間，以增加碰撞冷卻或者存儲(chǔ)離子并且將它們門(mén)控出去以匹配脈沖檢測(cè)器(諸如飛行時(shí)間分析器)，則DC梯度可以被周期性地反轉(zhuǎn)和/或其電平被調(diào)節(jié)。一般，在設(shè)備中產(chǎn)生的離子約束RF通常具有0.1MHz到10MHz(例如0.5MHz到5MHz)的頻率，以及20V到10000V峰到峰(例如400V到800V峰到峰)的幅度。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，棒的外電阻元件可以可選地包含電極分接頭，通常利用在棒的一個(gè)或者多個(gè)位置處圍繞棒的外側(cè)的金屬(例如鈀銀)帶進(jìn)行連接。改變電極分接頭的電壓可以在離子穿過(guò)離子導(dǎo)向器時(shí)在設(shè)備的特定區(qū)域分離和/或釋放離子。
在此所描述的在每一根棒中的元件的特定布置提供了一種多極設(shè)備，該多極設(shè)備與其他的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備相比不發(fā)生RF衰落。這樣，該設(shè)備對(duì)質(zhì)譜分析領(lǐng)域作出了顯著貢獻(xiàn)。該多極設(shè)備在其中使用較大DC電壓梯度的應(yīng)用(例如，其中電壓梯度例如為5～20V的應(yīng)用)中尤其有用。在這樣的應(yīng)用中，可以使用具有高電阻的表面涂層。
本發(fā)明還提供了其中多極設(shè)備被用于移動(dòng)離子的方法。一般來(lái)說(shuō)，這些方法包括將離子引入到多極設(shè)備的輸入端，以及提供適合于沿著設(shè)備的中心軸約束并且定向地移動(dòng)離子的RF場(chǎng)和DC梯度。如上所討論的，中性氣體可以被提供給所述設(shè)備，以便在離子移動(dòng)通過(guò)設(shè)備時(shí)分裂離子。在某些實(shí)施例中，沿著設(shè)備的棒的電勢(shì)梯度可以被增大以將離子噴射出設(shè)備，使得離子接近設(shè)備的輸出端并從其噴射出。
移動(dòng)離子的方法可以被用在分析離子的方法中。一般來(lái)說(shuō)，該方法包括在多極離子導(dǎo)向器中運(yùn)輸離子，以及檢測(cè)離子的質(zhì)量。因?yàn)檠刂舻腞F降可以被最小化，所以除了其在離子運(yùn)輸設(shè)備、離子存儲(chǔ)設(shè)備和碰撞腔中的應(yīng)用之外，耦合到阻性表面的分布式電容可以被用于四極質(zhì)量分析器以產(chǎn)生軸向場(chǎng)。這樣的實(shí)施例可以使得質(zhì)量過(guò)濾器四極結(jié)構(gòu)也能夠充當(dāng)碰撞腔和/或存儲(chǔ)設(shè)備。例如合適的DC分接頭，例如將分接頭加到棒的中部，如上所述所構(gòu)造的四極質(zhì)量過(guò)濾器可以主動(dòng)地控制軸向能量，并且由此沿著設(shè)備的長(zhǎng)度在多個(gè)位置上減速或者捕集離子，有助于更高的分辨率或者脈沖噴射。
實(shí)驗(yàn)下面的示例被提出，以向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員提供對(duì)于如何制造和使用本發(fā)明的某些實(shí)施例的描述，并且不是意在限制發(fā)明人所認(rèn)為的其發(fā)明的范圍。
示例1該示例描述包括六極的碰撞腔，其中鋁棒的直徑為2.54mm、2R0為4.4mm，并且設(shè)備長(zhǎng)度為150mm，但是無(wú)數(shù)的實(shí)施例都是可能的。在此示例中，從端部到端部施加4伏特DC，并且假設(shè)33納安的雜散離子流(stray ion current)轟擊到每一根棒的中心區(qū)域。0.1伏特的最大中心棒偏移被設(shè)定為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這得到12兆歐姆的計(jì)算最大端到端電阻。端到端電阻是電阻率乘以長(zhǎng)度的積除以周長(zhǎng)和厚度。如果我們使用具有16微米的完成固化厚度的來(lái)自Lord/METECH的電阻電勢(shì)計(jì)油墨，則電阻率應(yīng)該小于1.02千歐姆/厘米。除以0.0016厘米示出小于637千歐姆每方的電阻率。類似的六極的棒組對(duì)棒組電容測(cè)量為50pf。這與我們的每根棒33pf對(duì)虛地的目的是等價(jià)的。所希望的RF電壓為在棒上300伏特峰值。4.5MHz的頻率被用于這些計(jì)算。到棒的峰值電流于是為(300)(2)(pi)(4.6e6)(33e-12)＝0.28安，并且有效(RMS)電流為0.2安。如果我們要求在絕緣層中所耗散的RF功率小于0.05瓦，并且如果我們近似地認(rèn)為RF電流集中在周長(zhǎng)的1/4中，即大部分面向相鄰的棒，則電阻率應(yīng)該小于(0.05)(pi)(0.254)(150)/((0.2)(0.2)(0.016)(4))或者小于2.34kOhm-cm。因此，在此實(shí)施例中，RF功率損耗規(guī)范沒(méi)有雜散離子耗散準(zhǔn)則那么嚴(yán)格。即使使用2.34kOhm-cm的高電阻率而檢查電阻元件上的最壞情況的RF電壓降，結(jié)果是(1.414)(0.05)/(0.2)＝0.35伏特的值。這對(duì)于此實(shí)施例是充分可接收的，并且當(dāng)我們采用更低的電阻率值時(shí)將只會(huì)下降。
如果我們將DC功率損耗限制到0.05瓦，則電阻率需要大于(4)(4)(pi)(0.254)(0.016)/((0.05)(150))或者大于0.027Ohm-cm。在此實(shí)施例中，更加被限制的標(biāo)準(zhǔn)將是希望將6根棒的總離子電流保持為小于6毫安，使得可以使用便宜的電壓驅(qū)動(dòng)器。小于1毫安每根棒的要求意味著電阻率必須大于0.34Ohm-cm。于是，電阻率可以被選擇在從0.34Ohm-cm到1000Ohm-cm的范圍中，并且仍然滿足所有的設(shè)備要求。這表明了同軸耦合到電阻表面的優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。與非分布式電容設(shè)計(jì)相比，可接受的電阻材料特性的范圍大得多，并且電阻值的變化與設(shè)備的性能的因果關(guān)系更小，即，設(shè)計(jì)靈活范圍非常大。在此實(shí)施例中，我們可以選擇使用來(lái)自Lord/Metech的1000歐姆/方的電勢(shì)計(jì)油墨，其可以提供2.5Ohm-cm的16微米厚的涂層。
在涂敷電阻膜之前，鋁被陽(yáng)極化以提供絕緣層。我們可以選擇使用10微米(或者0.001cm)的陽(yáng)極化厚度。更加薄的厚度將是充分足夠的，因?yàn)榈湫完?yáng)極化層的介電強(qiáng)度的范圍從40到80伏特/微米。但是，在陽(yáng)極化和電阻涂敷步驟之間部件被存儲(chǔ)在潮濕或者腐蝕環(huán)境中的情況下，更厚的層可以具有擁有耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于各種鋁陽(yáng)極化工藝，相對(duì)介電常數(shù)通常為從6到8的范圍，并且我們將使用7的值用于我們的計(jì)算。同樣，估計(jì)0.28安的峰值RF電流被集中在周長(zhǎng)的1/4中，有效的總分布電容為約8.54(pi)(0.254)(0.150)(7)/(4(0.001))＝1790pf。陽(yáng)極化層上的RF電壓降于是為0.25/(2(pi)(4.5e6)(1790e-12))＝5.5伏特。這在此應(yīng)用中是充分可接受的。于是，RF電壓驅(qū)動(dòng)電路需要產(chǎn)生約306伏特以傳輸300到棒的表面。顯然，在該應(yīng)用中作為離子導(dǎo)向器或者碰撞腔，絕緣厚度(棒到棒，或者甚至是沿著單個(gè)棒)的一定程度的變化將是可接受的。
示例2此實(shí)施例包括構(gòu)造有同軸分布式電容的四極質(zhì)量過(guò)濾器?？赡芫哂须p曲線面的棒可以被近似為長(zhǎng)度為0.2m、直徑0.8cm的圓棒。如果通過(guò)將DC電壓施加到中心分接頭點(diǎn)來(lái)在中心減慢離子，則長(zhǎng)度可能被減小。棒將必須被偏壓到U+和U-伏特。我們將假設(shè)10V的端到端電壓，但是沿著長(zhǎng)度的許多電壓組合都是可以的。如果棒可以由鋁制成，則應(yīng)該規(guī)定較薄的陽(yáng)極化層，例如小于1微米。更薄的層減小了RF電壓降，因此層厚度的變化不會(huì)導(dǎo)致在棒的外表面上的RF電壓變化，RF電壓變化導(dǎo)致場(chǎng)畸變和不良的離子質(zhì)量過(guò)濾。亞微米陽(yáng)極化鋁層在電解電容器中是常用的。
如果我們使用先前建議的2.5Ohm-cm電阻率的16微米電勢(shì)計(jì)油墨，則電阻層上的RF電壓降是不明顯的。但是，采用16微米厚的電阻層可能是不明智的，因?yàn)榇撕穸鹊淖兓瘜⒏淖兯臉O的2r0并使峰形狀劣化。具有均一厚度的更薄的電阻層將是優(yōu)選的。一種可能是使用CVD涂敷50nm的氮化鈦層。如果該層的電導(dǎo)率為400μO(píng)hm-cm，則DC電流將為(10)(pi)(0.8)(50e-9)/((400e-6)(0.2))＝15毫安，并且在棒中的DC功率損耗將為0.15瓦。如果希望軸向場(chǎng)的話，這些對(duì)于四極質(zhì)量過(guò)濾器將不是不合理的數(shù)目。
從上述的結(jié)果和討論來(lái)看明顯的是，本發(fā)明提供一種重要的新的用于引導(dǎo)離子的裝置。因此，本發(fā)明具有對(duì)于本領(lǐng)域的顯著貢獻(xiàn)。
本說(shuō)明書(shū)中所引述的全部公開(kāi)和專利通過(guò)引用結(jié)合于此，就如同每個(gè)單獨(dú)的公開(kāi)或者專利被具體和單獨(dú)地指明為通過(guò)引用被結(jié)合。對(duì)任何公開(kāi)的引述都是對(duì)于其在申請(qǐng)日之前的公開(kāi)而言，而不作為承認(rèn)本發(fā)明沒(méi)有資格先于依賴在先發(fā)明的這樣的公開(kāi)。
雖然已經(jīng)參考本發(fā)明特定的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以作出各種改變，并且可以用等同物替換，而不脫離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍。此外，可以作出許多修改，以使特定的情形、材料、物質(zhì)組成、工藝、工藝步驟或者多個(gè)步驟適應(yīng)本發(fā)明的目的、精神和范圍。所有這樣的修改都將落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多極設(shè)備，用于在質(zhì)譜分析系統(tǒng)的均一射頻場(chǎng)中將離子限制在軸上并且在該軸上運(yùn)輸離子，包括多根棒，所述每一根棒包括導(dǎo)電層，電阻層，和置于所述導(dǎo)電層和所述電阻層之間的絕緣層，其中，所述棒在均一射頻場(chǎng)中將離子約束在軸上并且在該軸上運(yùn)輸離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極設(shè)備，其中，所述多根棒被電連接，使得提供用于沿著所述軸移動(dòng)所述離子的沿著所述軸的直流電場(chǎng)梯度和所述均一射頻場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極設(shè)備，還包括電源，所述電源包括射頻電壓源，連接到所述棒，用于提供射頻電壓；和直流電壓源，連接到所述棒，用于提供直流電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多極設(shè)備，其中，對(duì)于偶數(shù)棒的所述射頻電壓的相位比奇數(shù)棒的相差180度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極設(shè)備，其中，所述導(dǎo)電層和所述電阻層在每根棒的一端被電連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極設(shè)備，其中，所述棒包括中芯。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多極設(shè)備，其中，所述中芯是所述導(dǎo)電層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多極設(shè)備，其中，所述中芯是金屬，并且所述絕緣層是所述金屬的氧化形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多極設(shè)備，其中，所述中芯是陶瓷，并且所述導(dǎo)電層、所述絕緣層和所述電阻層被依次沉積在所述陶瓷棒上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極設(shè)備，其中，所述多極設(shè)備包括4、6或8根離所述軸距離相等的棒。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極設(shè)備，其中，所述多極設(shè)備是碰撞腔、質(zhì)量過(guò)濾器或者離子導(dǎo)向器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極設(shè)備，其中，所述棒被布置以提供用于接收離子的輸入端、用于噴射離子的輸出端以及從所述輸入端延伸到所述輸出端的中心軸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多極設(shè)備，其中，每隔一根棒的所述內(nèi)導(dǎo)電元件和所述外電阻元件在所述多極離子導(dǎo)向器的所述輸入端彼此電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多極設(shè)備，其中，每隔一根棒的所述外電阻元件在所述多極離子導(dǎo)向器的所述輸出端彼此電連接。
15.一種多極質(zhì)量過(guò)濾器，包括多根棒，被布置以提供用于接收離子的輸入端、用于噴射預(yù)定質(zhì)量的離子的輸出端以及從所述輸入端延伸到所述輸出端的中心軸，其中，所述棒的一端或者兩端包括導(dǎo)電層、電阻層以及布置在所述導(dǎo)電層和所述電阻層之間的絕緣層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多極質(zhì)量過(guò)濾器，其中，所述多極質(zhì)量過(guò)濾器為四極質(zhì)量過(guò)濾器。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的多極質(zhì)量過(guò)濾器，其中，在所述質(zhì)量過(guò)濾器的操作期間，在所述軸的一端或者兩端，U+和U-直流電壓的幅度被減小。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的多極質(zhì)量過(guò)濾器，其中，在所述軸的一端或者兩端，所述射頻電壓也被減小。
19.一種質(zhì)譜儀系統(tǒng)，包括離子源；多極設(shè)備，包括多根棒，所述每一根棒包括導(dǎo)電層，電阻層，和置于所述導(dǎo)電層和所述電阻層之間的絕緣層，其中，所述棒在均一射頻場(chǎng)中將離子約束在軸上并且在該軸上運(yùn)輸離子；以及，離子檢測(cè)器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的質(zhì)譜儀系統(tǒng)，其中，所述多根導(dǎo)電棒被電連接，以提供用于沿著所述軸移動(dòng)所述離子的沿著所述軸的直流電場(chǎng)和將所述離子約束到鄰近所述軸的區(qū)域的射頻場(chǎng)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的質(zhì)譜儀系統(tǒng)，還包括電源，所述電源包括射頻電壓源，連接到所述棒，用于提供射頻電壓；和直流電壓源，連接到所述棒，用于提供直流電壓。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的質(zhì)譜儀系統(tǒng)，其中，在所述系統(tǒng)的操作期間，所述多極設(shè)備的端部具有0.1到15伏特的電壓差。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的質(zhì)譜儀系統(tǒng)，其中，所述多極離子導(dǎo)向器是碰撞腔，并且所述質(zhì)譜系統(tǒng)還包括與所述多極離子導(dǎo)向器串聯(lián)的兩個(gè)離子過(guò)濾器。
24.一種用于在多極設(shè)備中約束和運(yùn)輸離子的方法，包括(a)在所述多極設(shè)備中沿著軸約束所述離子；以及(b)在均一射頻場(chǎng)中運(yùn)輸所述離子。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，所述方法使用多極設(shè)備，所述多極設(shè)備包括多根棒，所述每一根棒包括導(dǎo)電層，電阻層，和置于所述導(dǎo)電層和所述電阻層之間的絕緣層，其中，所述棒在均一射頻場(chǎng)中將離子約束在軸上并且在該軸上運(yùn)輸離子。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述多根棒被電連接，以提供用于沿著所述軸移動(dòng)所述離子的沿著所述軸的直流電場(chǎng)和將所述離子約束到鄰近所述軸的區(qū)域的射頻場(chǎng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括將氣體提供到所述多極離子導(dǎo)向器，以在所述離子移動(dòng)時(shí)分裂所述離子。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，還包括提供沿著所述軸的第二電勢(shì)梯度，以將所述離子噴射出所述多極離子導(dǎo)向器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于質(zhì)譜儀系統(tǒng)的質(zhì)譜儀多極設(shè)備?？偟膩?lái)說(shuō)，該多極設(shè)備包含多根導(dǎo)電棒，每一根導(dǎo)電棒包括導(dǎo)電層、電阻層和處在導(dǎo)電層和電阻層之間的絕緣層。本發(fā)明可在各種應(yīng)用中找到用途，包括離子運(yùn)輸、離子分裂和離子質(zhì)量過(guò)濾。因此，本發(fā)明可以用于各種質(zhì)譜儀系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01N30/72GK1755890SQ200510105870
公開(kāi)日2006年4月5日 申請(qǐng)日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月1日
發(fā)明者羅伯特·K·柯若弗德, 詹姆斯·L·博特遲 申請(qǐng)人:安捷倫科技有限公司