本發(fā)明涉及一種捕獲離子遷移率過濾器、一種混合質(zhì)譜系統(tǒng)和一種離子分析方法。

背景技術(shù)：

1、離子遷移譜法(ims)是一種分析技術(shù)，用于研究氣體中離子的遷移率，并根據(jù)遷移率將其分離。

2、離子遷移譜法的一個固有特征是氣體中離子的遷移率取決于離子的分子幾何形狀，因此通?？梢苑直娌⒁虼朔蛛x質(zhì)譜法無法分辨的異構(gòu)體或構(gòu)象。許多應(yīng)用還可以利用從測量到的遷移率來確定分析物離子截面的能力。事實證明，遷移率或截面認知在許多領(lǐng)域都具有重要意義，包括識別分析物(如蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué))、分離化合物類別和確定分子結(jié)構(gòu)(如結(jié)構(gòu)生物學(xué))。

3、在捕獲離子遷移率譜法中，離子通常被空間非均勻直流電場，通常是電場梯度和反作用氣流捕獲，或被沿軸線具有空間非均勻軸向速度曲線的反作用氣流沿空間均勻直流電場捕獲。通過調(diào)整氣體速度或軸向直流電場的強度，根據(jù)離子遷移率將被捕獲的離子在空間中分離，并隨后根據(jù)其遷移率隨時間進行洗脫(例如參見loboda的美國專利第6,630,662b1號和park的美國專利第7,838,826b1號)。例如，michelmann等人的文章“fundamentals?of?trapped?ionmobility?spectrometry”(j.am.soc.mass?spectrom.，2015,26,14-24)對捕獲離子遷移率譜法的理論基礎(chǔ)也有說明。

4、例如，從美國專利申請公開號us2022/0299473?a1(park)中已知一種捕獲離子遷移率分離器。該專利公開的捕獲離子遷移率分離器包括一個離子通道，離子通過該離子通道沿軸線從入口移動到出口，并且該離子通道具有垂直于軸線的長形橫截面剖面。另一種捕獲離子遷移率分離器例如由美國專利no.9,683,964號(park等人)已知。美國專利no.us8,941,054?b2(park等人)公開，當(dāng)氣體速度和軸向電場強度不發(fā)生變化時，捕獲離子遷移率分離器可作為低通或高通遷移率過濾器運行。

5、通常情況下，捕獲離子遷移率分離器在幾百帕斯卡(pa)的壓力下工作，并且捕獲離子遷移率光譜儀中使用的電場范圍為每cm幾伏到每cm幾百伏(例如200v/cm)。在這樣的低電場極限下，離子漂移速度與電場強度成正比，并且遷移率k與外加電場無關(guān)。然而，當(dāng)電場強度與氣體粒子密度之比(e/n)超過約20td時(這與大氣壓下約5000v/cm的電場強度有關(guān))，離子漂移速度不再與外加電場直接成正比，而遷移率k則與外加電場有關(guān)，與電場有相當(dāng)大的非線性關(guān)系(e.a.mason和e.w.mcdaniel，《transport?propert?ies?of?ions?ingases》(wi?ley，紐約，1988年))。在高電場強度與粒子密度比時，遷移率k更好地由低電場常數(shù)遷移率k(0)和電場相關(guān)項αi來表示：

6、k(e)＝k(0)[1+α2?(e/n)2+α4?(e/n)?4+…]?(1)

7、其中，e＝電場強度([e]＝v/m)，n＝粒子密度([n]＝m-3)

8、場非對稱波形離子遷移率光譜法(faims)，也稱為差分遷移率譜法(dms)中采用了遷移率對外加電場的依賴性效應(yīng)。faims通常在大氣壓下進行，根據(jù)離子種類在高電場強度(kh)下的遷移率與在低電場強度(kl)下的遷移率之差，即離子的“差分遷移率”來分離氣相離子。通過faims測量的離子差分遷移率dk由以下公式(2)得出。例如，guevremont等人撰寫的文章“atmospheric?pressure?ion?trapping?in?a?tandem?faims–faims?coupled?to?atofms:studies?with?electrospray?generated?gramicidin?s?ions”(j.am.soc.massspectrom.，2001,12,1320-1330)已經(jīng)說明了faims的操作原理。然而，使用faims技術(shù)時，離子只是有選擇性地通過分析器區(qū)域傳輸，所有未傳輸?shù)碾x子種類都被過濾掉，并通過放電被丟棄。這是一個很大的缺點，尤其是在分析復(fù)雜的多組分樣品時。當(dāng)通過faims傳輸所選組分時，所有其他組分都會丟失。

9、dk(e)＝k(0)[α2?(e/n)2+α4(e/n)4+…]?(2)

10、其中dk(e)是離子的差分遷移率。

11、shvartsburg等人的文章“differential?ion?mobilityseparations?in?thelow-pressure?regime”(analytical?chemistry,2018,90,936-943)公開了一種在低至4.7torr(6mbar)壓力的粗真空中運行的faims過濾器。美國專利申請公開號2013/0306858a1公開了一種線性離子阱，其中向形成離子阱的電極施加非對稱電壓波形，其使離子根據(jù)其差分離子遷移率徑向分離。在離子阱的出口處布置有軸向勢壘，從而具有第一差分離子遷移率和第一徑向位移的離子被軸向保留在離子阱內(nèi)，而具有第二差分離子遷移率和第二徑向位移的離子被軸向彈出離子阱。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，通過在捕獲離子遷移率譜法中提供一種新的離子捕獲和分離維度來推進和豐富現(xiàn)有技術(shù)并克服上述缺點。特別是，本發(fā)明的目的可以看作是提供一種可作為差分遷移率過濾器運行的捕獲離子遷移率分離器，其根據(jù)離子在低電場強度和高電場強度下的不同遷移率行為，將離子分為通過過濾器的離子和通過捕獲被阻擋在過濾器中的離子。最后，仍有必要擴展和改進混合質(zhì)譜系統(tǒng)的分析能力。在本發(fā)明中，捕獲離子遷移率分離器在下文中稱為“tims”，捕獲離子遷移率過濾器在下文中稱為“timf”。在下文中，在遷移率分離的上下文中，表述“分離器”和“過濾器”將互換使用。

2、本發(fā)明通過權(quán)利要求1所述的捕獲離子遷移率過濾器、權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜系統(tǒng)和權(quán)利要求19所述的離子分析方法來解決其所基于的目的。本發(fā)明的有利實施例是從屬權(quán)利要求的主題，并在以下說明中作了更詳細的解釋。

3、在第一方面，本發(fā)明提供了一種捕獲離子遷移率過濾器，包括-離子通道，其中在所述離子通道中，離子沿軸線在所述離子通道的第一端和所述離子通道的第二端之間移動，離子在所述第一端處引入所述離子通道，所述離子通道包含由離子通過的氣體，其中為離子通道提供徑向限制電壓，以防止離子側(cè)向逃離離子通道，

4、-至少一個第一電極和第二電極，它們沿所述離子通道的所述軸線彼此間隔排列，用于在其間限定離子過濾區(qū)域，

5、-第一發(fā)生器，其通過對所述第一電極和所述第二電極施加交變分離電壓以產(chǎn)生交變軸向電場，使第一軸向力沿所述軸線施加到離子上，由于與所述氣體相互作用，第一軸向力對取決于差分遷移率的離子運動具有影響，其中，在基本上任何時候，所述第一軸向力的方向在所述過濾區(qū)域內(nèi)都不會沿所述軸線改變，并且其中，施加所述交變分離電壓，以便在第一時間間隔內(nèi)產(chǎn)生具有第一場強的電場，并在所述第一時間間隔之后的第二時間間隔內(nèi)產(chǎn)生具有第二場強的相反電場，該第二場強的大小低于所述第一場強，所述第一時間間隔的持續(xù)時間短于所述第二時間間隔，

6、-第二發(fā)生器，其使沿所述軸線在離子上施加第二軸向力，其至少暫時抵消(counteract)所述第一軸向力，

7、-還包括電氣控制器，該控制器與所述第一發(fā)生器和所述第二發(fā)生器通信，以配置所述第一軸向力和所述第二軸向力，從而使具有差分遷移率第一特定范圍的離子被捕獲在所述離子通道的所述過濾區(qū)域內(nèi)，而具有不同于所述差分遷移率第一特定范圍的差分遷移率第二特定范圍的離子傳輸通過所述離子通道。

8、本發(fā)明基于這樣一種認識，即離子的差分遷移率行為可用于有利地擴大捕獲離子遷移率分離器的分析可能性。在本發(fā)明中，術(shù)語“差分遷移率”被定義為離子種類在高電場強度下的遷移率相對于在低電場強度下的遷移率之差(見上文等式(2))。

9、在這種情況下，“低電場強度”是指離子的遷移率k基本上由低電場常數(shù)遷移率k(0)定義的一個數(shù)量級的電場強度：

10、k(e)≈k(0)(3)

11、或者，換句話說，參照上面的公式(1)，“低電場強度”代表的電場強度非常低，以至于在數(shù)學(xué)上仍然存在的項αi(e/n)i變得非常小，以至于它們對確定遷移率k的貢獻低于分辨率極限，從而可以忽略不計。因此，“低電場強度”這一術(shù)語可以在這樣的假設(shè)下使用，即遷移率k由低電場常數(shù)遷移率k(0)表示，而在高電場強度下，遷移率k更好地由低電場常數(shù)遷移率k(0)和電場相關(guān)項αi表示(見上文公式(1))。

12、就本公開而言，在離子通道的第一端將離子引入離子通道必須理解為沿著離子通道的所述軸線引入或插入或輸入離子，離子沿著該軸線在離子通道的第一端和第二端之間移動。具體地說，就是沿著離子被分離的軸線引入離子。因此，就本公開而言，將離子引入離子通道、在離子通道的過濾區(qū)域內(nèi)分離離子、以及在離子通道的第二端洗脫傳輸?shù)碾x子是共線進行的。

13、在本公開內(nèi)容中，上述交變電壓被稱為交變分離電壓。通過如上所述對第一電極和第二電極施加上述交變分離電壓而產(chǎn)生的第一軸向力可以描述為合成的非對稱波形v(t)，這也是本領(lǐng)域中的術(shù)語。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)已知，非對稱波形v(t)所代表的交變電場可能會導(dǎo)致離子具有不同的遷移率行為。如下所述，離子可能會產(chǎn)生不同的漂移速度：

14、在代表非對稱波形高電壓部分的第一時間間隔內(nèi)，離子在離子通道內(nèi)在第一電極和第二電極之間的過濾區(qū)域中以縱向速度vh移動，其近似值為vh＝kheh，其中eh為施加的高電場，kh為工作條件(例如電場、壓力、溫度等)下的高場遷移率。離子在非對稱波形的第一時間間隔內(nèi)的移動距離可近似地用dh＝vhth表示，其中th是高場部分的持續(xù)時間。在持續(xù)時間較長的、代表非對稱波形的反極性、低電壓部分的第二時間間隔內(nèi)，側(cè)向速度為vl＝klel，其中el為所施加的低電場，kl為工作條件下的低場遷移率。移動距離為dl＝vltl，其中tl是低場部分的持續(xù)時間。由于在高電場eh下，遷移率kh不等于低電場el下的遷移率kl，因此離子在一個周期內(nèi)會從其在離子通道中的原始位置發(fā)生凈位移。如果離子種類對高電場的反應(yīng)不同，則每個離子種類的kh與kl之比可能不同。因此，離子根據(jù)其差分遷移率被分離。

15、根據(jù)第一電極和第二電極沿捕獲離子遷移率過濾器離子通道軸線的布置，根據(jù)本發(fā)明，由于上述產(chǎn)生的交變軸向電場，離子在離子通道內(nèi)沿軸線發(fā)生凈位移。這種凈位移在本發(fā)明中被稱為差分遷移率漂移。

16、因此，根據(jù)本發(fā)明的捕獲離子遷移率過濾器被命名為差分捕獲離子遷移率過濾器(dtimf)。

17、本發(fā)明提供了一種差分捕集離子遷移率分離器，該分離器作為差分遷移率過濾器運行，根據(jù)離子的差分遷移率將離子分為通過該裝置以進行分析的離子和通過捕集被阻擋在該裝置過濾區(qū)域內(nèi)的離子。在運行過程中，通過保持第一軸向力和第二軸向力相對于彼此恒定，可以達到這種效果。特別是，根據(jù)第一軸向力(和第二軸向力)的方向，差分遷移率過濾器可分別作為低通差分遷移率過濾器或高通差分遷移率過濾器運行。當(dāng)交變軸向電場產(chǎn)生的差分遷移率漂移指向下游時，差分過濾器可作為高通差分遷移率過濾器運行。在這種情況下，反作用的第二軸向力必須指向上游。當(dāng)交變軸向電場產(chǎn)生的差分遷移率漂移指向上游時，差分過濾器可作為低通差分遷移率過濾器運行。在這種情況下，反作用的第二軸向力必須指向下游。通過在指定時間改變其中一個反作用的力的強度，可以定期淬滅(丟棄)或從差分遷移率過濾器釋放被捕獲的離子種類。

18、相比之下，在不用作遷移率過濾器，而是根據(jù)差分遷移率捕獲和分離全部引入的離子種類以進行分析的差分捕獲離子遷移率分離器中，一個軸向力相對于另一個軸向力會增加，以連續(xù)或分步洗脫待分析的捕獲離子。因此，作為遷移率過濾器的dtimf與不用作遷移率過濾器的差分捕獲離子遷移率分離器(dtims)之間的主要區(qū)別如下：在不用作遷移率過濾器的dtims中，感興趣的離子種類根據(jù)其差分遷移率在空間中被捕獲和分離，隨后根據(jù)其差分遷移率隨時間被洗脫，而在作為遷移率過濾器的dtimf中，只有不感興趣的離子種類被捕獲，而感興趣的離子則直接和連續(xù)地傳輸。然而，在作為遷移率過濾器的dtimf中，由于產(chǎn)生的交變軸向電場，也會根據(jù)離子的差分遷移率來分離離子。

19、與現(xiàn)有技術(shù)的tims和方法相比，本發(fā)明的dtimf和方法為在捕獲離子遷移率分離器中研究離子提供了額外的工具，因為離子遷移率的變化(差分遷移率)是關(guān)鍵參數(shù)，而不是絕對離子遷移率。這代表了捕獲離子遷移率譜法中離子分離的另一個維度。與faims相比，在此公開的差分過濾器可分別作為低通差分遷移率過濾器或高通差分遷移率過濾器運行，從而允許傳輸差分遷移率低于或高于極限值的離子種類，而faims作為帶通過濾器運行，只允許傳輸差分遷移率在上限和下限值之間一小段范圍內(nèi)的離子種類。這構(gòu)成了與faims技術(shù)相比的一個顯著優(yōu)勢。與faims相比的另一個優(yōu)勢是，使用faims技術(shù)時，所有未傳輸?shù)碾x子種類都會被過濾掉，并通過放電被丟棄，而根據(jù)本發(fā)明，不感興趣的離子種類會被捕獲，并可在以后的時間點選擇性地使用。

20、利用離子種類在高電場和低電場中的不同行為，dtims可以基本上根據(jù)離子種類的電荷階段對其進行過濾，因為差分遷移率通常與電荷狀態(tài)相關(guān)。因此，差分遷移率過濾器可分別作為低通電荷狀態(tài)過濾器或高通電荷狀態(tài)過濾器運行。這樣，就可以選擇和/或丟棄電荷狀態(tài)基本限定的離子種類，特別是考慮到后續(xù)分析裝置的可選性，例如碎裂池。例如，作為高通電荷狀態(tài)過濾器運行時，差分遷移率過濾器可以大大減少單電荷離子種類，而多電荷離子種類則主要被傳輸。這特別是針對在混合質(zhì)譜系統(tǒng)中的使用具有明顯的優(yōu)勢，因為單電荷離子種類的碎片譜沒有或只有很少信息。

21、需要明確的是，根據(jù)本發(fā)明的差分捕獲離子遷移率過濾器，作為第一軸向力的所產(chǎn)生的交變軸向電場與捕獲離子遷移率分離器中可使用的所產(chǎn)生的行波場有以下區(qū)別：就交變軸向電場而言，第一軸向力的方向在所公開的捕獲離子遷移率過濾器的過濾區(qū)域內(nèi)基本上任何時候都不會沿軸線改變。相反，對于行波場，由此產(chǎn)生的軸向力會根據(jù)“行波”在過濾區(qū)域內(nèi)的位置而改變方向。

22、所述離子通道的所述第一端可以代表離子進入離子通道的入口區(qū)域。所述離子通道的第一端可以是錐形的。特別是，所述離子通道的所述第一端可以包括離子漏斗。這樣，離子在進入離子通道時就能聚焦。所述離子通道的所述第二端可以代表離子的出口區(qū)域，用于離開離子通道。所述離子通道的第二端可以是錐形的。特別是，所述離子通道的第二端可以包括離子漏斗。這樣，離子在流出離子通道時就能聚焦。此外，將所述第一端和第二端做成錐形的好處是，可以最大限度地減少dtims內(nèi)部電場對選擇性位于上游或下游的設(shè)備的影響。還可以設(shè)想，所述離子通道的第一端可以同時代表離子的入口區(qū)域和離子的出口區(qū)域。

23、可以同時在所述第一電極和第二電極上施加一個或多個變化的電壓。特別是，在所述第一電極和所述第二電極上施加交變分離電壓，以產(chǎn)生交變軸向電場。此外，還可在所述第一電極和第二電極上施加補償電壓，以產(chǎn)生補償電場。此外，可在所述第一電極和第二電極上施加限制電壓，以產(chǎn)生限制電場來側(cè)向限制所述填充氣體的離子通道中的離子。限制電壓可以是射頻(rf)電壓或rf電壓與直流(dc)電壓的組合。

24、所述第一時間間隔可對應(yīng)于所述分離電壓一個周期的一半以下至所述分離電壓一個周期的四分之一。所述第二時間間隔可對應(yīng)于所述分離電壓一個周期的一半以上至所述分離電壓一個周期的四分之三。優(yōu)選地，所述第一時間間隔可對應(yīng)于所述分離電壓一個周期的三分之一，所述第二時間間隔可對應(yīng)于所述分離電壓一個周期的三分之二。選擇這些時間間隔，可以達到很好的離子分離分辨率。特別地，所述第一時間間隔可持續(xù)約3.33μs，所述第二時間間隔可持續(xù)約6.66μs。

25、所述第一發(fā)生器施加的所述分離電壓可被施加為，使得在所述第一時間間隔內(nèi)使電勢為500v至1000v，在所述第二時間間隔內(nèi)使電勢為-150v至-450v。優(yōu)選由所述第一發(fā)生器施加所述分離電壓，以便在所述第一時間間隔內(nèi)電勢為700v，而在所述第二時間間隔內(nèi)電勢為-350v。因此，在第一時間間隔內(nèi)，可以產(chǎn)生這樣一個電場，該電場的場強足夠高，以至于離子速度不再與所施加的電場直接成正比，而遷移率k更好地由低電場常數(shù)遷移率k(0)和電場相關(guān)項αi表示(見上文公式(1))。特別地，在所述第一時間間隔內(nèi)，可對所述第一電極施加350v的電壓，對所述第二電極施加-350v的電壓；在所述第二時間間隔內(nèi)，可對所述第一電極施加-175v的電壓，對所述第二電極施加175v的電壓。一般來說，第一電極和第二電極之間的電壓優(yōu)選通過對這些電極施加兩個符號相反的電位來產(chǎn)生。通過使任何給定電極上的絕對電位保持盡可能小，同時在分析器上產(chǎn)生盡可能大的電位差，可以最大限度地分離離子，同時將電極或電氣元件之間發(fā)生放電的風(fēng)險降至最低。替代性地，可以設(shè)想在所述第一時間間隔內(nèi)，向所述第一電極施加700v的電壓，而所述第二電極的電位為0v，或者換句話說，所述第二電極保持接地電位，并且在所述第二時間間隔內(nèi)，向所述第一電極施加-350v的電壓，而所述第二電極的電位為0v，或者換句話說，所述第二電極保持接地電位。

26、選擇上述有關(guān)第一時間間隔(短時間間隔th)和第二時間間隔(長時間間隔tl)持續(xù)時間的優(yōu)選參數(shù)，以及分別有關(guān)電壓水平或電位高度(高電壓vh和低電壓vl)的優(yōu)選參數(shù)，可確保在每個完整周期內(nèi)的電壓-時間乘積積分(∫t·v(t)dt)，從而確保場-時間乘積基本上為零。特別是，假定這些時間間隔內(nèi)的電場強度恒定，上述優(yōu)選參數(shù)基本上可確保(vh?th)+(vl?tl)＝0。

27、不過，此時應(yīng)該注意的是，電壓和壓力的組合構(gòu)成了離子漂移速度/遷移率的非線性行為。因此，如果有相應(yīng)調(diào)整的壓力設(shè)置，即使電壓在大小上比上述電壓低，也可能足以導(dǎo)致遷移率的這種非線性行為。

28、在一個優(yōu)選的實施方案中，所述分離電壓是一個大體矩形電壓。大體矩形電壓的優(yōu)點是，當(dāng)電場發(fā)生變化時，整個電場強度會立即出現(xiàn)。在一個替代性實施方案中，所述分離電壓可以是一個基本雙正弦的電壓。也可以設(shè)想所述分離電壓為三角電壓。

29、在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述施加的分離電壓的頻率為50khz至2mhz。優(yōu)選地，所述施加的分離電壓的頻率為80khz至120khz。最優(yōu)選地，所述施加的分離電壓的頻率為100khz。

30、在另一個優(yōu)選實施例中，所述第一發(fā)生器產(chǎn)生的交變軸向電場的最大強度為20td至500td。在本公開內(nèi)容中，這種交變軸向電場也被稱為“電分散場”。td(townsend)是電場強度與氣體粒子密度比值的單位。當(dāng)電場強度與粒子密度之比(e/n)超過約20td(1td＝10-17v?cm2)時，離子遷移率與電場的非線性關(guān)系非常明顯。約為20td的電場強度與粒子密度比(e/n)相當(dāng)于大氣壓下約5000v/cm的電場強度。由所述第一發(fā)生器產(chǎn)生的交變軸向電場的強度優(yōu)選在150td到250td之間。最優(yōu)選的是，所述第一發(fā)生器產(chǎn)生的交變軸向電場的強度為200td。

31、所述第二軸向力可以通過不同方式產(chǎn)生。在一個優(yōu)選的實施方案中，所述第二軸向力是通過所述第二發(fā)生器對所述第一電極和所述第二電極施加補償電壓以產(chǎn)生補償電場而產(chǎn)生的。所產(chǎn)生的補償電場可指向下游，即向著出口端。或者，產(chǎn)生的補償電場也可以指向上游，即向著入口端。最后，所產(chǎn)生的補償電場的方向必須使補償電場所代表的第二軸向力抵消第一軸向力。根據(jù)補償電場的方向，離子會向離子通道的第一端或第二端移動。所述第二軸向力優(yōu)選由所述第二發(fā)生器向所述第一和第二電極施加直流電壓，以產(chǎn)生軸向直流電場(dc場)來產(chǎn)生。這實現(xiàn)的優(yōu)勢在于，與現(xiàn)有技術(shù)的tims相比，dtims可以在氣體靜止的情況下運行。這提供的附加優(yōu)點在于，也可以使用昂貴氣體、如氦氣。在現(xiàn)有技術(shù)的tims分析器中，通常使用移動氣體對離子產(chǎn)生作用力。然而，通過分析器的氣體層流會形成拋物線流動曲線。因此，分析器側(cè)向邊界附近的氣流以及由此產(chǎn)生的對離子的作用力將低于設(shè)備軸線附近。使用直流電場而不是氣體流作為第二軸向力的一個優(yōu)點是，直流電場可以設(shè)計成沿側(cè)向恒定，從而對離子產(chǎn)生側(cè)向均勻的力，因此在整個離子通道內(nèi)部寬度上的漂移也是均勻的。此外，tims的側(cè)向截面和長度必然會決定其氣體傳導(dǎo)性。因此，使用軸向氣流作為第二軸向力的tims分析器的側(cè)向尺寸和長度將受到商用合理的泵抽速的限制。使用靜止氣體運行的dtims的優(yōu)勢在于，設(shè)備的側(cè)向擴展不會影響或限制其分辨率。

32、在一個替代性實施例中，所述第二軸向力是由所述第二發(fā)生器向所述第一和第二電極施加瞬態(tài)直流電壓以產(chǎn)生軸向瞬態(tài)直流電場(也稱為“行波場”)而產(chǎn)生的。

33、不過，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明中，如果產(chǎn)生兩個電場作為第一和第二軸向力，則上述第一發(fā)生器和第二發(fā)生器也可以理解為具有兩個不同電氣單元(代表第一發(fā)生器和第二發(fā)生器)的共用電氣元件，該電氣單元分別產(chǎn)生第一和第二軸向力。

34、在另一個實施例中，所述第二軸向力由所述第二發(fā)生器產(chǎn)生軸向氣流引起。

35、在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述第一發(fā)生器和所述第二發(fā)生器被配置成至少有一個軸向力的強度沿所述軸線隨時間變化。

36、可以想象，所述第一發(fā)生器和所述第二發(fā)生器被配置為以周期性時間間隔改變抵消力的所述第一軸向力或所述第二軸向力，以從差分遷移率過濾器中釋放被捕獲的離子種類?；蛘?，也可以定期淬滅(丟棄)被捕獲的離子種類。優(yōu)選在淬滅或釋放過程中抑制離子的流入。

37、在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述第一電極和所述第二電極的形狀和排列方式使得所述第一電極和所述第二電極在所述離子通道內(nèi)垂直于所述軸線包圍所述過濾區(qū)域。這樣，通過向電極提供電壓而產(chǎn)生的電場就會影響整個離子通道的容積。這樣還能有利地將離子限制在充滿氣體的離子通道中，或防止離子從側(cè)面逃逸出離子通道。所述第一電極可分配到所述離子通道的所述第一端。所述第二電極可分配到所述離子通道的所述第二端。這樣，通過向電極提供電壓而產(chǎn)生的電場平行于離子通道的縱向方向，從而使離子沿著所需的方向移動，即沿著離子通道第一端和第二端之間的縱向方向移動。

38、在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述離子通道包括多個附加電極，其形狀和排列方式與所述第一電極和第二電極相同。所述附加電極沿所述軸線在所述離子通道內(nèi)位于所述第一電極和所述第二電極之間。這樣就能確保提供穩(wěn)定、均勻的電場。所述附加電極彼此之間的距離可以分別約為1mm。同時，或在一個替代性實施方案中，所述附加電極可通過電阻鏈連接。特別是，所有電阻器都可以具有相同的電阻。這樣就能確保電壓的均勻分配。同時，或在一個替代性實施方案中，可以使用單獨的電壓發(fā)生器為所述附加電極提供電壓。這樣，各個附加電極就可以施加有不同的電壓。所述附加電極可以堆疊排列(堆疊電極)。用于產(chǎn)生交變軸向電場的交變分離電壓可施加于上述附加電極。此外，還可在所述附加電極上施加用于產(chǎn)生補償電場的補償電壓。射頻電壓或射頻和直流電壓的組合也可施加于所述附加電極。后者可將離子限制在填充氣體的離子通道中。

39、在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述離子通道具有垂直于軸線的長形橫截面輪廓，其具有第一延伸方向和第二延伸方向。在此，第一延伸方向優(yōu)選長于第二延伸方向。在沿所述軸線的縱向(z)上，所述離子通道的尺寸為10mm至30mm。在沿所述軸線的所述縱向上，所述離子通道的尺寸可以優(yōu)選為15mm。在與所述縱向垂直并代表所述第一延伸方向的第一側(cè)向(x)上，所述離子通道的尺寸可以為10mm至300mm。在所述第一側(cè)向上，所述離子通道的尺寸可以優(yōu)選為60mm。在與所述縱向垂直并代表所述第二延伸方向的第二側(cè)向(y)上，所述離子通道的尺寸可以為5mm至10mm。在第二側(cè)向上，離子通道的尺寸可以優(yōu)選為8mm。這種側(cè)向延伸形狀的好處是，離子不必沿著一條線被捕獲，而是在一個在側(cè)向方向上基本拉長的延伸容積中被捕獲。這樣，與沒有側(cè)向延伸形狀的裝置相比，電荷容量就會顯著提高，同時不會限制遷移率分辨率。此外，這還允許通過對電極施加合理的電壓，在縱向上獲得較高的場強。所述離子通道可以沿著側(cè)向延伸的尺寸直線成型，也可以彎曲成型。

40、在一個實施例中，離子通道可以具有外壁。外壁可以代表離子通道的外半徑。此外，離子通道還可以具有內(nèi)壁。內(nèi)壁可以代表離子通道的內(nèi)半徑。在外半徑和內(nèi)半徑之間，可以設(shè)置間隙。間隙可代表一個環(huán)形，即外半徑和內(nèi)半徑之間的差值(環(huán)形的空間)。環(huán)形的尺寸可以為8mm，代表環(huán)形的厚度。離子可被徑向限制在環(huán)形內(nèi)。將離子限制在環(huán)形內(nèi)提供了提高的電荷容量。

41、在一個替代性優(yōu)選實施方案中，所述離子通道具有垂直于縱軸線的圓形橫截面。所述圓形橫截面的直徑可以為2mm至10mm。優(yōu)選地，所述圓形橫截面的直徑可以為4mm。在本實施例中，在沿所述軸線的縱向(z)上，所述離子通道的尺寸可以為10mm至80mm。優(yōu)選地，所述離子通道在沿所述軸線的縱向上的尺寸可以為60mm。

42、在另一個優(yōu)選的實施方案中，捕獲離子遷移率過濾器與真空系統(tǒng)相連，該真空系統(tǒng)設(shè)計和配置為使得捕獲離子遷移率過濾器在0.5mbar至20mbar范圍內(nèi)的氣體壓力下工作。真空系統(tǒng)的設(shè)計和配置優(yōu)選能使捕獲離子遷移率過濾器在2mbar至10mbar范圍內(nèi)的氣體壓力下工作。為此，真空系統(tǒng)可包括泵。在此壓力范圍內(nèi)，可以利用射頻電場進行側(cè)向離子約束。

43、在另一個優(yōu)選的實施方案中，捕獲離子遷移率過濾器還包括離子阱。所述離子阱位于所述離子通道內(nèi)所述過濾區(qū)域的下游。所述離子阱可以與所述過濾區(qū)域相鄰。所述離子阱用于儲存離子。優(yōu)選地，所述離子阱的寬度與所述過濾區(qū)域的寬度基本相同。優(yōu)選地，所述離子阱的高度與所述過濾區(qū)域基本相同。

44、在另一個優(yōu)選的實施方案中，由所述第一發(fā)生器施加的分離電壓使施加在所述第一電極上的電位與施加在所述第二電極上的電位極性相反。

45、dtimf可以作為單獨的設(shè)備(或獨立設(shè)備)運行?；蛘?，也可以將dtimf與質(zhì)譜儀(質(zhì)量分析器)等其他設(shè)備聯(lián)用。

46、在第二方面，本發(fā)明提供了一種質(zhì)譜系統(tǒng)，該質(zhì)譜系統(tǒng)包括離子源、帶有離子檢測器的質(zhì)量分析器以及至少一個位于所述離子源下游和/或所述質(zhì)量分析器上游的第一捕獲離子遷移率過濾器，其中所述第一捕獲離子遷移率過濾器包括

47、-離子通道，在所述離子通道中，離子在所述離子通道的第一端和所述離子通道的第二端之間沿軸線移動，離子在所述第一端被引入所述離子通道，所述離子通道包含由離子穿過的氣體，其中離子通道被施加有徑向限制電壓，以防止離子從側(cè)面逃出離子通道，

48、-至少一個第一電極和第二電極，它們沿所述離子通道的所述軸線彼此間隔排列，用于在其間限定離子過濾區(qū)域，

49、-第一發(fā)生器，其通過對所述第一電極和所述第二電極施加交變分離電壓以產(chǎn)生交變軸向電場，使第一軸向力沿所述軸線施加到離子上，由于與所述氣體相互作用，第一軸向力對取決于差分遷移率的離子運動具有影響，其中，在基本上任何時候，所述第一軸向力的方向在所述過濾區(qū)域內(nèi)都不會沿所述軸線改變，并且其中，施加所述交變分離電壓，以便在第一時間間隔內(nèi)產(chǎn)生具有第一場強的電場，并在所述第一時間間隔之后的第二時間間隔內(nèi)產(chǎn)生具有第二場強的相反電場，該第二場強的大小低于第一場強，所述第一時間間隔的持續(xù)時間短于所述第二時間間隔的持續(xù)時間，

50、-第二發(fā)生器，其使第二軸向力沿所述軸線施加到離子上，所述第二軸向力至少暫時抵消所述第一軸向力，

51、-進一步包括電氣控制器，其與所述第一發(fā)生器和所述第二發(fā)生器通信，以配置所述第一軸向力和所述第二軸向力，使得具有差分遷移率第一特定范圍的離子被捕獲在所述離子通道的所述過濾區(qū)域內(nèi)，并且具有不同于所述差分遷移率第一特定范圍的差分遷移率第二特定范圍的離子通過所述離子通道傳輸。

52、因此，上述捕獲離子遷移率過濾器可以是混合質(zhì)譜系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)還包括至少一個位于所述捕獲離子遷移率過濾器上游的離子源、和位于所述捕獲離子遷移率過濾器下游的帶有離子檢測器的質(zhì)量分析器。根據(jù)本發(fā)明，上述捕獲離子遷移率過濾器被命名為差分捕獲離子遷移率過濾器(dtimf)。

53、設(shè)置質(zhì)譜系統(tǒng)的離子源以產(chǎn)生離子。例如，所述質(zhì)譜系統(tǒng)的離子源可通過噴霧電離(如電噴霧(esi)或熱噴霧)產(chǎn)生離子?；蛘?，質(zhì)譜系統(tǒng)的所述離子源可利用解吸電離(例如基質(zhì)輔助激光/解吸電離(maldi)或二次電離(sims))產(chǎn)生離子。在另一種替代情況下，質(zhì)譜系統(tǒng)的所述離子源可利用化學(xué)電離(ci)產(chǎn)生離子。另一種替代方法是，質(zhì)譜系統(tǒng)的所述離子源可利用光電離(pi)產(chǎn)生離子。另一種替代方法是，質(zhì)譜系統(tǒng)的所述離子源可利用電子撞擊電離(ei)產(chǎn)生離子。在另一種替代情況下，質(zhì)譜系統(tǒng)的所述離子源可利用氣體放電電離產(chǎn)生離子。

54、質(zhì)譜系統(tǒng)的質(zhì)量分析器設(shè)置用于根據(jù)離子的質(zhì)量或更精確的質(zhì)量電荷比來分析離子。例如，所述質(zhì)量分析器可以是飛行時間分析器。質(zhì)量分析器可以優(yōu)選是正交注入離子的飛行時間分析器。或者，所述質(zhì)量分析器可以是kingdon類型的靜電離子阱，如thermo公司的另一種選擇是，所述質(zhì)量分析器可以是射頻離子阱。在另一種選擇中，所述質(zhì)量分析器可以是離子回旋共振(icr)離子阱或四極桿質(zhì)量過濾器。

55、在一個優(yōu)選的實施方案中，質(zhì)譜系統(tǒng)還包括碎裂池。碎裂池的作用是將離子離解成碎片離子。優(yōu)選地，所述碎裂池位于所述第一捕獲離子遷移率過濾器和所述質(zhì)譜分析器之間。例如，離子可以在所述碎裂池中通過碰撞誘導(dǎo)解離(cid)解離?；蛘?，離子可以在所述碎裂池中通過表面誘導(dǎo)解離(sid)解離。另一種方法是通過光解離(pd)使離子在所述碎裂池中解離。另一種方法是通過電子誘導(dǎo)解離，如電子俘獲解離(ecd)、電子轉(zhuǎn)移解離(etd)、電子轉(zhuǎn)移解離后的碰撞活化(etcd)或與電子轉(zhuǎn)移解離同時進行的活化(ai-etd)，使離子在所述碎裂池中解離。在另一種方案中，離子可以通過與高激發(fā)或自由基中性粒子發(fā)生反應(yīng)而在所述碎裂池中解離。此外，還可以考慮在碎裂池的下游再安裝一個dtimf的實施例。這可以有利于選擇具有限定電荷狀態(tài)的碎片離子，因為dtimf可以基本上根據(jù)離子種類的電荷狀態(tài)過濾離子種類，因為差分遷移率與電荷狀態(tài)相關(guān)。

56、在另一個優(yōu)選的實施方案中，質(zhì)譜系統(tǒng)還包括質(zhì)量過濾器。優(yōu)選地，所述質(zhì)量過濾器位于所述第一捕獲離子遷移率過濾器和所述碎裂池之間。

57、在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述質(zhì)譜系統(tǒng)還包括第二離子遷移率分離器，優(yōu)選地，所述第二離子遷移率分離器為捕獲離子遷移率分離器。優(yōu)選地，所述第二離子遷移率分離器位于所述第一捕獲離子遷移率過濾器的下游。優(yōu)選地，所述第二離子遷移率分離器是一種捕獲離子遷移率分離器，其構(gòu)造和運行以根據(jù)離子遷移率優(yōu)選在低場限內(nèi)分散離子。包括與tims耦聯(lián)的第一差分timf的系統(tǒng)可稱為串聯(lián)dtimf/tims，該tims構(gòu)造和運行以根據(jù)離子遷移率優(yōu)選在低場限內(nèi)分散離子。

58、在另一個優(yōu)選的實施方案中，質(zhì)譜系統(tǒng)進一步包括分配給第一捕獲離子遷移率過濾器的第一殼體。特別是，第一殼體可將第一捕獲離子遷移率過濾器包圍起來。此外，質(zhì)譜系統(tǒng)還包括分配給第二離子遷移率分離器的第二殼體。特別是，第二殼體可將第二離子遷移率分離器包圍起來。第一殼體和第二殼體可分別代表一個真空室。第一殼體和第二殼體可分別包含一種氣體(漂移氣體)。分配給第一殼體(因此分配給第一捕獲離子遷移率過濾器)的氣體可能不同于分配給第二殼體(因此分配給第二離子遷移率分離器)的氣體。特別是，分配給第一殼體和第一離子遷移率過濾器的氣體可以是一種不同于分配給第二殼體和第二離子遷移率分離器的氣體的氣體。例如，使用的氣體可以是h2、he、ar、n2、co2或這些氣體的混合物之一?？梢韵氲绞褂貌煌谏鲜鰵怏w的其他氣體或任何其他氣體的混合物或具有任何其他氣體的混合物?？梢赃x擇在氣體中加入改性劑。改性劑可包括乙腈、甲醇、小碳氫化合物、sf6或任何其他蒸汽。由于氣體類型對離子漂移速度有影響，因此在第一和第二殼體中使用不同的氣體可以以有利的方式使在第一離子遷移率過濾器中無法充分分離的離子在第二離子遷移率分離器中得到分離。需要注意的是，即使離子遷移率分離器/過濾器是在氣體靜止的情況下運行(當(dāng)?shù)谝缓偷诙S向力都由電場產(chǎn)生時就是這種情況)，也會出現(xiàn)低氣流。不過，這種低氣流的作用僅僅是分離殼體內(nèi)的氣體環(huán)境。

59、在另一個優(yōu)選的實施方案中，質(zhì)譜系統(tǒng)還包括至少一個離子阱。該離子阱用于存儲離子。優(yōu)選地，離子阱位于所述第一捕獲離子遷移率過濾器和所述第二離子遷移率分離器之間。

60、此外，質(zhì)譜系統(tǒng)還可以包括分離裝置。所述分離裝置可以是氣相色譜裝置。替代性地，所述分離裝置可以是液相色譜裝置。質(zhì)譜系統(tǒng)還可進一步包括電泳裝置也是可以設(shè)想的。替代性地，電泳裝置也可以與混合質(zhì)譜系統(tǒng)耦聯(lián)。

61、根據(jù)本發(fā)明所述的上述捕獲離子遷移率過濾器的優(yōu)選實施例也是質(zhì)譜系統(tǒng)的優(yōu)選實施例。所述質(zhì)譜系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中提及的捕獲離子遷移率過濾器也是上述捕獲離子遷移率過濾器的優(yōu)選實施例。

62、在第三方面，本發(fā)明提供了一種使用第一捕獲離子遷移率過濾器分析離子的方法。優(yōu)選地，該方法在質(zhì)譜系統(tǒng)中執(zhí)行。該方法包括以下步驟：

63、-提供離子通道，在所述離子通道中，離子在所述離子通道的第一端和所述離子通道的第二端之間沿軸線移動，離子在所述第一端被引入所述離子通道，所述離子通道包含由離子穿過的氣體，其中離子通道被施加有徑向限制電壓，以防止離子從側(cè)面逃出離子通道，

64、-提供至少一個第一電極和第二電極，它們沿所述離子通道的所述軸線彼此間隔排列，用于在其間限定離子過濾區(qū)域，

65、-通過對所述第一電極和所述第二電極施加交變分離電壓以產(chǎn)生交變軸向電場，產(chǎn)生沿所述軸線施加到離子上的第一軸向力，由于與所述氣體相互作用，第一軸向力對離子運動具有取決于差分遷移率的影響，其中，在基本上任何時候，所述第一軸向力的方向在所述過濾區(qū)域內(nèi)都不會沿所述軸線改變，

66、-施加所述交變分離電壓，以便在第一時間間隔內(nèi)產(chǎn)生具有第一場強的電場，并在所述第一時間間隔之后的第二時間間隔內(nèi)產(chǎn)生具有第二場強的相反電場，該第二場強的大小低于第一場強，所述第一時間間隔的持續(xù)時間短于所述第二時間間隔的持續(xù)時間，

67、-產(chǎn)生沿所述軸線施加給離子的第二軸向力，所述第二軸向力至少暫時抵消所述第一軸向力，

68、-配置所述第一軸向力和所述第二軸向力，使得具有差分遷移率第一特定范圍的離子被捕獲在所述離子通道的所述過濾區(qū)域內(nèi)，并且具有不同于所述差分遷移率第一特定范圍的差分遷移率第二特定范圍的離子通過所述離子通道傳輸。

69、根據(jù)本發(fā)明，上述捕獲離子遷移率過濾器被命名為差分捕獲離子遷移率過濾器(dtimf)。

70、分析離子的方法包括在離子通道的第一端將離子引入離子通道的步驟。在離子通道的第一端將離子引入離子通道必須理解為沿著離子通道的所述軸線引入離子，離子沿著該軸線在離子通道的第一端和第二端之間移動。具體地說，就是沿著離子被分離的軸線引入離子。將離子引入離子通道可理解為向離子通道注入或插入或輸入離子。

71、所述第一時間間隔可對應(yīng)于所述分離電壓一個周期的一半以下至所述分離電壓一個周期的四分之一，而所述第二時間間隔可對應(yīng)于所述分離電壓一個周期的一半以上至所述分離電壓一個周期的四分之三。優(yōu)選第一時間間隔可以相當(dāng)于分離電壓一個周期的三分之一，第二時間間隔可以相當(dāng)于分離電壓一個周期的三分之二。選擇這些時間間隔，可以達到很好的離子分離分辨率。特別是，所述第一時間間隔可持續(xù)約3.33μs，所述第二時間間隔可持續(xù)約6.66μs。

72、在一個優(yōu)選的實施方案中，分析離子的方法還包括產(chǎn)生交變軸向電場的步驟，該電場的最大強度為20td至500td，優(yōu)選150td至250td，最優(yōu)選200td。交變軸向電場的強度優(yōu)選為150td至250td。交變軸向電場的強度最優(yōu)選為200td。優(yōu)選使用第一發(fā)生器來產(chǎn)生交變軸向電場。

73、第一發(fā)生器可以施加所述分離電壓，以便在所述第一時間間隔內(nèi)電勢為500v至1000v，并且在所述第二時間間隔內(nèi)電勢為-150v至-450v。優(yōu)選地，第一發(fā)生器可以施加所述分離電壓，以便在所述第一時間間隔內(nèi)電勢為700v，而在所述第二時間間隔內(nèi)電勢為-350v。因此，在第一時間間隔內(nèi)，可以產(chǎn)生這樣一個電場，該電場的場強足夠高，以至于離子速度不再與所施加的電場直接成正比，而遷移率k更好地由低電場常數(shù)遷移率k(0)和電場相關(guān)項αi表示(見上文公式(1))。特別地，在所述第一時間間隔內(nèi)，可對所述第一電極施加350v的電壓，對所述第二電極施加-350v的電壓。特別地，在所述第二時間間隔內(nèi)，可對所述第一電極施加-175v的電壓，對所述第二電極施加175v的電壓。一般來說，第一電極和第二電極之間的電壓優(yōu)選通過對這些電極施加兩個符號相反的電位來產(chǎn)生。通過使任何給定電極上的絕對電位保持盡可能小，同時在分析器上產(chǎn)生盡可能大的電位差，可以最大限度地分離離子，同時將電極或電氣元件之間發(fā)生放電的風(fēng)險降至最低。替代地，可以設(shè)想在所述第一時間間隔內(nèi)，向所述第一電極施加700v的電壓，而所述第二電極的電位為0v，或者換句話說，所述第二電極保持接地電位，并且在所述第二時間間隔內(nèi)，向所述第一電極施加-350v的電壓，而所述第二電極的電位為0v，或者換句話說，所述第二電極保持接地電位。

74、不過，此時應(yīng)該注意的是，電壓和壓力的組合構(gòu)成了離子漂移速度/遷移率的非線性行為。因此，如果有相應(yīng)調(diào)整的壓力設(shè)置，即使電壓在大小上比上述電壓低，也可能足以導(dǎo)致這種非線性行為。

75、在另一個優(yōu)選的實施方案中，分析離子的方法還包括沿所述軸線改變至少一個軸向力的強度的步驟。

76、在另一個優(yōu)選的實施方案中，分析離子的方法還包括在第二離子遷移率分離器中作為遷移率的函數(shù)來分析分離離子的步驟。優(yōu)選地，所述第二離子遷移率分離器為捕獲離子遷移率分離器，其構(gòu)造和運行以根據(jù)離子遷移率分散離子，優(yōu)選在低場限下分散離子。優(yōu)選地，所述第二捕獲離子遷移率分離器位于所述第一捕獲離子遷移率過濾器的下游。

77、在另一個優(yōu)選的實施方案中，離子分析方法還包括在質(zhì)量分析器中作為質(zhì)量的函數(shù)分析分離離子的步驟。所述質(zhì)量分析器位于所述第二離子遷移率分離器的下游，所述第二離子遷移率分離器構(gòu)造和運行以根據(jù)離子遷移率來分散離子。

78、在另一個優(yōu)選的實施方案中，離子分析方法還包括將過濾和/或分離的離子離解為碎片離子并在質(zhì)量分析器中分析所述碎片離子的步驟。優(yōu)選地，離子在碎裂池中離解。優(yōu)選地，所述碎裂池和所述質(zhì)量分析器位于所述第一捕獲離子遷移率過濾器的下游。在另一個實施方案中，提供了第二離子遷移率分離器，該分離器構(gòu)造和運行用于根據(jù)離子遷移率，優(yōu)選在低場限內(nèi)分散離子，該分離器位于所述第一捕獲離子遷移率過濾器的下游，所述碎裂池和所述質(zhì)量分析器優(yōu)選位于所述第二離子遷移率分離器的下游。

79、在另一個優(yōu)選的實施方案中，離子分析方法還包括在碎裂之前根據(jù)質(zhì)量選擇和/或過濾經(jīng)過濾的和/或經(jīng)分離的離子的步驟。附加地，或在一個替代性實施方案中，分析離子的方法還包括在碎裂之前根據(jù)離子的電荷狀態(tài)選擇和/或過濾經(jīng)過濾的和/或經(jīng)分離的離子的步驟。

80、上述捕獲離子遷移率過濾器的優(yōu)選實施方案或上述質(zhì)譜系統(tǒng)的優(yōu)選實施方案也是離子分析方法的優(yōu)選實施方案。