本發(fā)明一般涉及質譜儀，尤其涉及根據(jù)諸如離子遷移率或質荷比之類的物理化學性質分離離子的技術。

背景技術：

1、離子遷移率分離器(ims)是用于根據(jù)離子通過氣體的遷移率來分離離子的已知設備。這種ims設備的示例是漂移管ims設備。這些設備具有離子阱，該離子阱將離子分組脈沖到其中具有背景氣體的漂移管中。沿著漂移管保持靜態(tài)直流(dc)梯度，以便推動離子從靠近離子阱的上游端穿過氣體到達下游端。不同遷移率的離子將具有不同的通過氣體到達漂移管出口的渡越時間，因此根據(jù)它們的遷移率被分離。

2、行波ims設備也是已知的。在這些設備中，dc電勢沿著漂移管重復行進，以便在下游方向上朝向漂移管的出口推動離子，而不是沿著漂移管提供靜態(tài)dc梯度來推動離子。每當具有不同遷移率的離子通過行進的dc電勢時，它們被向下游推動不同的量。因此，行進的dc電勢使得離子分離并且基于它們的遷移率在不同時間離開ims設備。

3、然而，由于這種常規(guī)的ims設備在將離子脈沖到漂移管中以進行分離之前捕獲所有離子，因此這些設備受到空間電荷效應的影響，因為離子在離子阱中以相對高的電荷濃度被捕獲。這種空間電荷效應降低了ims設備的遷移率分辨率，并且還可能導致離子損失。

4、已知其他類型的ims設備，這些設備根據(jù)離子阱內的離子遷移率來分離離子，然后按照遷移率的順序從離子阱釋放離子。這些設備捕獲離子，然后在離子上提供相反的力，使得它們根據(jù)它們的遷移率沿著捕獲區(qū)域分離出來。例如，氣流可以在第一方向上推動離子，并且靜態(tài)dc梯度可以在相反的第二方向上推動離子，從而使得離子根據(jù)離子捕獲區(qū)域內的遷移率而分離。然后可以逐漸減小靜態(tài)dc梯度的梯度，使得離子按照離子遷移率的順序從捕獲區(qū)域洗脫，即遷移率相對較低的離子首先洗脫，隨著dc梯度逐漸減小，遷移率逐漸升高的離子隨后洗脫。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一方面提供一種離子遷移率分離裝置，該離子遷移率分離裝置包括：并聯(lián)布置的多個離子遷移率分離器(ims)設備；入口門，該入口門被配置為在任何給定時間將離子引導到所述ims設備中的一個或多個ims設備中；和控制電路，該控制電路被配置為以分離模式操作ims設備中的每個ims設備，在該分離模式中，第一電壓被施加到ims設備的電極以便提供在一個方向上沿著ims設備推動離子的靜態(tài)dc電場，并且還向ims設備的電極施加第二電壓，以便提供在相反方向上沿著ims設備重復行進的dc電勢，使得離子根據(jù)它們在ims設備內的遷移率而分離。

2、本發(fā)明人已經(jīng)認識到，通過提供并聯(lián)的多個ims設備，其中ims設備使用電壓來在兩個方向上對離子施加靜電力(例如，代替使用氣流來推動離子)，提供了相對較高空間電荷容量的離子分離裝置，其可以以相對較低的真空泵要求來操作。

3、許多常規(guī)的ims設備在將離子脈沖到漂移區(qū)域中之前迫使離子進入相對較小的體積，其中離子根據(jù)遷移率分離，因為希望基本上同時將所有離子脈沖到漂移區(qū)域中，以便ims設備提供高遷移率分辨率。因此，即使具有相對較小的離子群體，并且即使并聯(lián)提供多個這樣的ims設備，這些設備也可能受到空間電荷效應的影響。

4、相反，本發(fā)明的實施方案不將離子脈沖通過漂移區(qū)域以使它們通過遷移率分離。相反，離子在捕獲區(qū)域中被相反的力分離。因此，離子不需要被限制或聚焦在小體積中，因此空間電荷效應不那么普遍。此外，本發(fā)明使得離子能夠被引導到多個ims設備中，并且因此在任何給定的一個ims設備內的空間電荷效應成為問題之前，相對大量的離子能夠被該裝置處理。

5、本發(fā)明的靜態(tài)dc電場可以具有梯度，使得電場的幅度隨著所述相反方向上的距離的增加而增加，例如dc電勢的振幅可以隨著相反方向上的距離的增加而二次方地增加。

6、每當dc電勢沿著ims設備行進時，其可減小振幅(和/或增加速度)。

7、每當本文所述的dc電勢沿著設備行進時，具有不同遷移率的離子被其推動不同的量。因此，行進的dc電勢使得離子基于它們的遷移率而分離。

8、該裝置可以被配置為在以分離模式操作之后以洗脫模式操作每個ims設備，在該洗脫模式期間：(i)逐漸改變第一電壓，使得靜態(tài)dc電場的梯度也隨之改變，從而使得離子隨著時間的推移按照遷移率的順序或遷移率的相反順序從ims設備洗脫；并且/或者(ii)逐漸改變第二電壓，使得沿著ims設備重復行進的dc電勢的至少一個性質也隨之逐漸改變，從而使得離子隨著時間的推移按照遷移率的順序或遷移率的相反順序從ims設備洗脫。

9、例如，dc電勢的振幅可以隨著時間逐漸減小或增大，以使得離子隨著時間的推移按照遷移率的順序或遷移率的相反順序從ims設備洗脫。另選地或另外，dc電勢的速度可以隨著時間逐漸增加或減小。

10、每個ims設備被布置成在其上游端接收來自入口門的離子，以分離模式操作以便根據(jù)遷移率分離離子，然后以洗脫模式操作以便使不同遷移率的離子在不同的相應時間從ims設備洗脫。離子優(yōu)選地從ims設備的下游端洗脫，該下游端位于ims設備的與上游端相反的一端。

11、分離模式在捕獲區(qū)域中分離離子?；旧虾愣ǖ膁c電場的區(qū)域可以設置在捕獲區(qū)域的緊下游，一旦離子從捕獲區(qū)域洗脫，其根據(jù)遷移率進一步分離離子。

12、使分離的離子從ims設備洗脫，例如使得遷移率逐漸升高的離子隨著時間的推移離開ims設備，或者使得遷移率逐漸降低的離子隨著時間的推移離開ims設備。

13、ims設備并聯(lián)布置，而不是串聯(lián)布置，即使得每個ims設備可以從入口門接收離子，而這些離子沒有被發(fā)送通過不同的ims設備。

14、該裝置可以包括控制電路，該控制電路被配置為控制離子從多個ims設備的洗脫，使得在任何給定時間離開所有ims設備的離子具有基本上相同的遷移率。

15、該裝置可以包括控制電路，該控制電路被配置為控制離子遷移率分離裝置，使得在第一時間段期間，入口門使得離子被供應到ims設備中的第一ims設備中，以便在第一ims設備中積聚和分離離子，并且使得在離子被積聚和分離的同時，使得ims設備中的第二ims設備按照離子遷移率的順序或按照離子遷移率的相反順序洗脫離子?？蛇x地，該控制電路被配置為控制離子遷移率分離裝置，使得在隨后的第二時間段期間，入口門使得離子被供應到ims設備中的第二ims設備中，以便在第二ims設備中積聚和分離離子，并且使得在離子在第二ims設備中被積聚和分離的同時，使得第一ims設備按照遷移率的順序或按照離子遷移率的相反順序洗脫離子。

16、每個ims設備可以包括離子引導件，諸如細長離子引導件，該離子引導件具有電極和施加到其上的rf電壓，使得離子徑向地限制在離子引導件內。離子引導件可以是例如由諸如環(huán)形電極之類的有孔電極形成的離子隧道離子引導件，或者是諸如多極桿組離子引導件之類的任何其他類型的離子引導件。

17、該裝置還可以包括用于將離子束引導到入口門的上游離子引導件，其中，入口門被配置為：(i)將離子束分成多個離子束，這些離子束被同時引導到相應的多個ims設備中；或(ii)在不同時間將離子束引導到不同的ims設備中。

18、入口門可以被布置成沿著第一軸接收離子，并且包括彼此間隔開的相對的電極陣列以及至少一個電壓源，該至少一個電壓源用于向所述陣列的電極施加至少一個rf電壓以將離子限制在陣列之間的離子引導區(qū)域中。

19、每個電極陣列可以包括多行電極和/或多列電極。電極列可以基本上平行于第一軸，并且電極行可以基本上垂直于第一軸。

20、可以向同一列電極中的所有電極施加相同相位的rf電勢，而任何給定的相鄰的一對電極列可以保持在不同的rf相位，優(yōu)選地相反的rf相位。然而，另選地可以設想，相同相位的rf電勢可被施加到同一行中的所有電極，并且任何給定的一對相鄰的電極行可以保持在不同的rf相位，優(yōu)選地相反的rf相位。如果陣列具有電極的行和列，則每行中的相鄰電極可以處于相反的rf相位，并且每列中的相鄰電極可以處于相反的rf相位。

21、入口門可以包括在第一軸的每一側上的側電極和至少一個電源，該至少一個電源用于向側電極施加電壓以便推動與第一軸正交的離子。

22、每個ims設備可具有穿過其中的縱軸，沿著該縱軸接收離子；其中，ims設備中的至少一個ims設備或至少一些ims設備中的每個ims設備使其縱軸從第一軸移位；并且其中，入口門具有控制電路，該控制電路被配置為向陣列中的不同電極和/或向不同的側電極施加不同的dc電壓，以便將沿著所述第一軸接收的離子偏轉到一個或多個ims設備的一個或多個縱軸上，使得離子進入所述一個或多個ims設備。

23、離子遷移率分離組件可以包括遷移率過濾器，用于根據(jù)離子的遷移率過濾離子，使得只有選定遷移率范圍內的離子被發(fā)送到一個或多個ims設備中，而其他離子被過濾掉。這有助于進一步避免ims設備中的空間電荷效應，例如通過過濾掉相對豐富的低遷移率離子，這些離子是研究興趣較低的。

24、不同的dc電壓可以提供靜態(tài)dc電場，該靜態(tài)dc電場在與第一軸正交的第一方向上推動離子，并且控制電路可以被配置為還向入口門的電極施加電壓以便提供dc電勢，該dc電勢沿著入口門在與第一方向相反的第二方向上重復行進，使得離子根據(jù)它們沿著第一方向的遷移率分離并且因此具有通過入口門的不同軌跡。

25、因此，離子根據(jù)它們的遷移率在不同位置離開入口門。

26、控制電路可控制不同dc電壓的值和dc行進電勢的參數(shù)，使得具有選定遷移率范圍的離子在某一位置離開入口門，以便能夠進入一個或多個ims設備。

27、可以向陣列中的不同電極施加不同的dc電勢，以便沿著第一軸將離子從入口門的入口推向其出口。

28、然而，可以設想入口門可以采取其他形式。例如，入口門可以包括具有被定位成沿著第一軸向路徑接收離子的電極的第一過渡部分、具有被配置為沿著軸向路徑將離子引導到ims設備中的第一ims設備的電極的第二部分、以及具有被配置為沿著軸向路徑將離子引導到ims設備中的第二ims設備的電極的第三部分，其中，沿著第一軸向路徑接收離子的電極被布置成在圍繞第一軸向路徑的圓周位置處提供至少一個間隙，并且其中，入口門包括用于向入口門的電極施加dc電壓的電源，使得離子被正交地從第一軸向路徑推動，通過至少一個間隙，并且到第一ims設備和/或第二ims設備的軸向路徑上。

29、第一軸向路徑、第一ims設備的軸向路徑和第二ims設備的軸向路徑可以全部彼此移位。另選地，第一軸向路徑可以從第一ims設備的軸向路徑移位，但是可以與第二ims設備的軸向路徑重合。換句話說，離子可以從第一軸向路徑被正交地推向通向第一ims設備的軸向路徑，但是當它們繼續(xù)到第二ims設備時可以不被正交地推動。

30、入口門可以包括布置在第一電極和第二電極之間的至少一個板狀電極堆疊，以限定用于將離子從入口門的離子入口區(qū)域引導到ims設備中的第一ims設備的第一離子引導路徑，以及用于將離子從離子入口區(qū)域引導到ims設備中的第二ims設備的第二離子引導路徑。

31、在提供多個電極堆疊的情況下，不同堆疊可間隔開(在與第一電極與第二電極之間的方向正交的方向上)以便限定堆疊之間的離子引導路徑。

32、至少一個堆疊中的電極以及可選的頂部電極和底部電極可保持在rf電壓下，使得離子從這些電極被排斥。在頂部電極與底部電極之間的方向上，相鄰電極可保持在rf電壓的不同相位，諸如相反相位。不同堆疊中但在相同層內的電極可保持在相同的rf相位。除了施加rf電壓之外或作為其替代，可將dc電壓施加到頂部和底部電極以排斥離子。

33、該裝置還可包括下游離子引導件和ims設備與下游離子引導件之間的出口門，其中，出口門被配置為接收來自多個ims設備的離子并將離子引導到下游離子引導件中。

34、離子可以同時從多個ims設備洗脫，并且來自多個ims設備的這些多個離子流可以通過出口門組合，以形成單個離子束。

35、盡管優(yōu)選實施方案在每個ims設備內采用dc電壓以便在相反方向上推動離子并且通過遷移率使它們分離，但是可以設想，離子可以在一個或兩個方向上被另一種力推動，例如諸如氣流。

36、因此，本發(fā)明的第二方面提供了一種離子遷移率分離裝置，該離子遷移率分離裝置包括：并聯(lián)布置的多個離子遷移率分離器(ims)設備；入口門，該入口門被配置為在任何給定時間將離子引導到所述ims設備中的一個或多個ims設備中；和控制電路，該控制電路被配置為以分離模式操作ims設備中的每個ims設備，在該分離模式中，電壓被施加到ims設備的電極以便在一個方向上沿著ims設備推動離子，并且其中，該裝置被配置為在相反方向上提供氣流，使得離子根據(jù)它們在ims設備內的遷移率而分離。

37、可在下游方向上(即在遠離離子源的方向上)提供氣流，但次優(yōu)選地，可在上游方向上提供氣流。

38、控制電路可以被配置為向ims設備的電極施加所述電壓，以便提供在所述一個方向上推動離子的靜態(tài)dc電場。例如，電場可以具有梯度，使得電場的幅度隨著所述相反方向上的距離的增加而增加，例如dc電勢的振幅可以隨著所述相反方向上的距離的增加而二次方地增加。

39、另選地，控制電路可以被配置為向ims設備的電極施加所述電壓，以便提供在所述一個方向上沿著ims設備重復行進的dc電勢。每當dc電勢在所述一個方向上行進時，dc電勢的振幅可以減小。

40、根據(jù)本發(fā)明的第二方面的裝置可具有關于本發(fā)明的第一方面描述的任何特征，除了氣流用于在一個方向上推動離子。

41、例如，該裝置可具有本文所述的入口門，其可通過遷移率過濾離子。

42、可以設想，離子可通過不同于遷移率或除遷移率之外的物理化學性質(諸如質荷比)分離。例如，已知在ims設備中，其中dc電勢沿著設備重復行進以便通過遷移率分離離子，在離子分離中存在質荷比依賴性，例如如k.richardson，d.langridge，k.giles，《行波離子遷移率基礎再探：i.平穩(wěn)移動的波》，《國際質譜雜志》，2018年第428卷，第71-80頁中所述?？梢赃x擇分離器的操作參數(shù)，諸如壓力和/或行進的dc電勢的速度，使得其主要通過遷移率分離離子，使得其主要通過質荷比分離離子，或者使得其以離子分離顯著依賴于遷移率和質荷比兩者的模式操作。還可以設想，分離器可通過改變其操作參數(shù)中的一個或多個操作參數(shù)而在這些模式中的兩個或更多個模式之間切換。例如，設想這樣的實施方案，其中降低分離器內的壓力以便降低分離的遷移率依賴性和增加分離的質荷比依賴性。這種實施方案可以從主要通過遷移率分離離子的模式切換到主要通過降低分離器中的壓力而通過質荷比分離離子的模式。

43、在離子主要根據(jù)遷移率分離的模式中，可以允許分離的離子按照遷移率增加或降低的順序從分離器洗脫。離子的洗脫時間對它們的遷移率值的校準可以考慮離子分離的質荷比依賴性。類似地，在離子主要根據(jù)質荷比分離的模式中，可以允許分離的離子按照質荷比增加或降低的順序從分離器洗脫。離子的洗脫時間對它們的質荷比值的校準可以考慮離子分離的遷移率依賴性。

44、因此，本發(fā)明的第三方面還提供了一種離子分離裝置，該離子分離裝置包括：并聯(lián)布置的多個分離器設備，每個分離器設備用于根據(jù)物理化學性質分離離子；入口門，該入口門被配置為在任何給定時間將離子引導到所述分離器設備中的一個或多個分離器設備中；和控制電路，該控制電路被配置為以分離模式操作分離器設備中的每個分離器設備，在該分離模式中，第一電壓被施加到分離器設備的電極，以便提供在一個方向上沿著分離器設備推動離子的靜態(tài)dc電場，并且還向分離器設備的電極施加第二電壓，以便提供在相反方向上沿著分離器設備重復行進的dc電勢，使得離子根據(jù)分離器設備內的物理化學性質分離。

45、根據(jù)本發(fā)明的第三方面的裝置可以具有關于本發(fā)明的第一方面描述的任何特征，除了離子根據(jù)不同于遷移率的物理化學性質被分離。

46、例如，該裝置可以具有上述入口門。

47、例如，物理化學性質可以是質荷比。

48、本發(fā)明還提供了一種質譜儀和/或離子遷移譜儀，該質譜儀和/或離子遷移譜儀包括如本文所述的用于通過遷移率或所述物理化學性質分離離子的裝置。該譜儀可以包括質量分析器以及用于質量分析和/或檢測這些離子或從其衍生的離子的檢測器。

49、本發(fā)明還提供了一種通過離子遷移率分離離子的方法，該方法包括：提供根據(jù)任一前述權利要求所述的離子遷移率分離裝置；向入口門提供離子并且控制入口門以便在任何給定時間將離子引導到所述ims設備中的一個或多個ims設備中；以及操作ims設備以便同時或循序地以分離模式操作以便根據(jù)離子的遷移率分離離子。

50、本發(fā)明還提供了一種根據(jù)物理化學性質分離離子的方法，該方法包括：提供本文如上所述的離子分離裝置；向入口門提供離子并且控制入口門以便在任何給定時間將離子引導到所述分離設備中的一個或多個分離設備中；以及操作分離設備以便同時或循序地以分離模式操作以便根據(jù)物理化學性質分離離子。

51、本發(fā)明還提供了一種質譜和/或離子遷移譜的方法，該方法包括如本文所述通過遷移率或所述物理化學性質分離離子，然后質量分析和/或檢測這些離子或從其衍生的離子。