1.本发明涉及用于质量分析的带电粒子操纵装置和方法，例如控制诸如离子的带电粒子，以实现质量分析。该质量分析可以是针对质荷比或带电粒子等的分析。
背景技术：
2.美国专利申请文件us2014/0070087a1公开了一种离子导向器，其包括至少一个提取区域，提取方向基本与离子导向器的光轴正交。优选使用飞行时间(tof)质量分析仪分析提取的离子。
3.在us2014/0070087a1中，通过实验证明，从正交方向上可成功提取离子导向器前进期间径向上约束和冷却的离子束。可按照较小直流梯度沿轴推进离子。离子提取前无需在阱中进行冷却。而省去阱中冷却步骤的话，质量分析可以以更高的吞吐量进行，在us2014/0070087a1中就假设将吞吐量提高了100倍。
4.为了进一步提高分析的占空比，在us2014/0070087a1中建议使用离子聚束代替连续离子束。在这种情况下，可以减少正交提取时“发射”之间的离子损失。为此，提出了以下实施例。在实施例中，包括4极电极结构(80)，该结构具有提供离子聚束的主极棒(82)和辅助分段极棒(84)，如本技术的图1所示(对应于美国专利us2014/0070087a1的图6)。在这些实施例中，一对主极棒将具有设缝(88)的单独段，在该单独段上，当离子组到达提取区域(86)时可以施加提取电势，如本技术的图2所示(对应于美国专利us2014/0070087a1的图6)。主极棒还通过其上施加的射频电压产生四极场进而形成对离子的径向约束。辅助电极的dc电压不断变化，从而实现聚束功能。
5.但美国专us2014/0070087a1并未涉及上述变化的dc电压的产生方法。根据上述描述可推断出，变化的dc电压主要是沿着离子导向器的传输通道传播的dc电压脉冲。
6.发明人根据经验认为，聚束电压的类型在其推动的离子的参数中起着重要作用。根据us2014/0070087a1，在分段辅助电极上施加脉冲电压很可能产生电场，该电场会随时间突然变化，足够使得相关离子束内的离子加速。
7.如前所述(例如，参考本说明书参考文献[3])，脉冲电压确实会将一些能量传递给成束离子。在某些条件下(特定的脉冲振幅和特定的压力范围)，甚至可以观察到碰撞诱导解离(cid)。加速过程可能导致离子外溢进相邻的dc电压行波的阱中，进而按照质荷比分离离子，并增加离子到达提取区域时的总动能。根据上述对行波引起离子加速的例证，离子束通过交替的加速和去加速传播。此外，本说明书参考文献[3]中的设备采用了堆叠的环形导向器结构。发明人发现，考虑到离子导向器的堆叠环结构沿其中心轴围有捕获场，因此不适用于沿着离子导向器传输或平移离子。本技术的图3示出了与堆叠的环形离子导向器相关联的捕获场的赝势。图中所示的场壁固定且坚固。通过任何类型的传输势沿着引导轴成束传输离子将导致离子的冷却不完全，并且一旦离子被传输到高真空区域，就会产生显著的补偿和离子损失。换句话说，赝势场壁与穿过的被传输离子相互作用，导致离子被加热。
[0008]
在美国专利文献us9536721b2中详细描述了聚束波形。该波形常见类型如下：
[0009]
u0*cos(2πt/t φ)*cos(2πft φ)
[0010]
式中，t是时间(s)，u0是振幅(v/ms)，t是低频行波的周期(s)，φ是行波的相位，f是射频波形的频率(赫兹)，以及f是射频波形高频振荡的初始相位。该波形被施加到构成离子导向通道且位于波形不同相位的(φ)的系列电极上。
[0011]
行波之间的数量和相位关系φ取决于产生行波的电极重复组φ中的电极数量。通常遵循下述规律：φ＝2π*i/n φ0，式中i＝0,1,..n-1和φ0是不受限制的初始相位。一般来说，频率1/t应明显低于f，例如，f＝1mhz，1/t＝1khz。在本技术的图4a-b中，示出了由8个电极(n＝8)的重复组构成的离子导向器的纵轴处的赝势的例子，其波形参考us9536721b2。本技术不仅仅涉及us9536721b2中公开的特定结构，即四极离子导向器，其中一对连续极棒，另一对精细分段极棒，后者也被称为聚束电极。与结构本身相比，上述结构建立的电场是更重要的特征。下文将介绍多种创建预期电场排布的方法。
[0012]
上述波形主要用于建立沿着离子导向器的轴移动的所得电势(例如赝势)的最大值和最小值序列。此类移动的最小值和最大值产生了以恒定速度l/t沿轴传播的行波效应，其中l是n个电极重复组的轴向长度。该行波允许带正电粒子和带负电粒子处于行波的同一最小值(阱)中，进而使得所述离子进行化学反应，例如，通过诸如电子转移解离(etd)的方法进行低能碎裂。
[0013]
最重要的是，通过该离子束的产生方法，在离子运输过程中可使得离子被冷却，理想情况下冷却时间不限。一旦离子与中性气体粒子碰撞，离子的动能转化为为热能(众所周知的冷却方法)，通过该类行波可在要求的时间内维持离子的低能量状态，即使离子被输送到几乎不存在与气体的碰撞情况的高真空区域中。与飞行时间(tof)质量分析器结合使用的效果十分理想，因为典型的tof质量分析器的工作压力远低于10-4
mbar，并且将被定向成束输送到离子导向器的提取区域的离子已被冷却只剩热能。因此，理想情况下，借助波形，将离子从提取区域的高压区域转移到低压区域，在高压区域，离子通过碰撞冷却而冷却只剩热能，同时保持离子的低动能，基本等同于热能，因此离子可以被立即提取，更快速进入tof分析器。因此，理想情况下，离子到达离子导向器的提取区域就被提取到tof中，无需更高的气压区域，节省了提取区域提取前的额外冷却时间。
[0014]
与离子阱飞行时间(it-tof)和线性离子阱飞行时间(lit-tof)配置的早期现有技术相比，上述方式优势巨大，其中使用脉冲dc电压将离子输送到离子阱，然后在提取到tof之前留有充足的冷却时间达到热平衡。现有技术的仪器中，提取区域中的压力兼顾了冷却时间和tof分析仪上的气体负载。本发明根据上述考虑设计。
技术实现要素：
[0015]
本发明包括本说明书中描述的各方面和优选特征的组合，明令禁止或明确排除情况除外。
[0016]
一般而言，在第一方面，本发明提出在带电粒子导向器(即离子导向器)内产生电场，该电场限定了势阱，通过向聚束电极施加电压，在该势阱内聚集或聚束带电粒子，该聚束电极被控制按专门形成的波形发生时变，使得波形的扩展最小值对应于(或符合)势阱的最小值，经证实，上述情况极有利于降低势阱内带电粒子的加热温度。优选地，本发明可以提供“恒速”离子聚束设备和方法(即提供离子束的非加速运动)。
[0017]
例如，波形可连续平稳降为最小值，并保持最小值不变，或事实上/实际上保持最小值不变，或者仅有不显著或可忽略的起伏变化。通过设定波形的形状，可以在构成整个波形周期重大部分的有限时间段内保持最小值(即，随时间延长)。向势阱内距离离子束最近的聚束电极施加电压，可将该电压设置于波形(和电压)处于波形最小值内的时间点上，并且该电压有利于形成势阱的最小值(例如，基值)。类似地，向远离离子束的聚束电极施加电压，可将该电压设置于波形(和电压)处于波形最小值外的时间点，并且该电压有利于形成势阱的侧面/壁。
[0018]
本说明书中引用的“波形”可以理解为包括但不限于对周期性或波式变化的变量(例如，交流电压或射频电压上被施加的交流调制包络线)的引用。本说明书中引用的“电压波形”可以按照上下文理解。根据上下文，本领域技术人员容易理解的是，“电压波形”可以是非高频交流电压信号(例如射频信号)的电压的周期性或波状变化，但时变速度缓慢。“电压波形”可以是规律时变的、具有稳定极性的交流电压，具体可包括施加到高频射频电压信号的调制或包络函数的“电压波形”，或者根据上下文，可以包括不含有潜在射频信号分量的“电压波形”。波形可以具有“周期”，该“周期”可以是振荡或循环现象中相同状态的连续出现之间的时间间隔(t)。
[0019]
优选地，波形以整体平稳的方式平移。也就是说，优选地，电势(及其特征)平稳移动，使得离子平稳加速和平稳去积聚。最优选地，轴向电势应基本以恒速度沿着设备的轴向移动。
[0020]
由于波形边缘升降平稳且缓慢，由波形形成的势阱优选平稳移动，以确保离子平稳移动。
[0021]
在第一方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵设备，该设备包括：
[0022]
系列电极，被设置为形成用于传输带电粒子的通道；
[0023]
电源单元，适用于向所述电极中的轴向分段聚束电极提供根据具有周期(t)的波形变化的第一电源电压，以便在所述通道内产生电场，所述电场的电势在限定势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，所述势阱沿着部分长度的所述通道平移，使得势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内的平移距离基本上等于自身长度(例如，沿着通道方向的轴向长度)；
[0024]
电源单元，适用于向所述电极中的径向约束电极提供第二电源电压，以便在所述通道内产生径向约束电场，该电场被配置为将带电粒子径向约束在通道内；
[0025]
其中所述波形：
[0026]
(a)在其周期内基本持续平稳(t)；并
[0027]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0028]
此外，最优选地，波形在有限时间段(t
l
＜t)内不存在局部波形最大值。换句话说，有限时间段内可能只包含一个波形最小值。实际上，整个波形在其周期内可能只包含一个最小值，即t。
[0029]
第一电源电压可以包括根据波形调制的射频电压信号，使得势阱由赝势形成。可替代地，第一电源电压可以包括根据波形时变的交流电压，不包括或调制任何潜在的射频电压信号。在后种情况下，势阱由“真”势而非赝势形成。
[0030]
通过该方式，当施加到聚束电极时，波形可以提供具有平稳最小值的势阱，在该最
小值处聚集带电粒子，同时，距离最小值最近的聚束电极在其有限(即，沿时间延长)最小值内接收第一电源电压，从而使得施加电极上的第一电源电压信号中任何可能出现的噪声被波形大幅度抑制，减少了多余电压脉冲导致的聚集离子的加热。此外，波形的平稳特性也有助于避免势阱内聚束离子的加热。由被施加第一电源电压的电极限定了离子导向通道，其开放的内部空间产生的电场可以包括空间行波形电势，该电势能够聚集带电粒子(例如离子)并且以行波形运动的速度沿着离子导向通道传送带电粒子。
[0031]
在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)，可以在波形的适当相位将第一电源电压施加到诸如形成空间上连续的相邻电极组的各个轴向分段聚束电极上。通过该方式，连续聚束电极的空间扩展范围可以同时接收对应于基本恒定的最小值的第一电源电压。因此，基本恒定的最小值可以沿着所述的多个轴向分段聚束电极在空间上延伸，多个轴向分段聚束电极沿离子导向通道的轴线分布。
[0032]
在数学中，“连续”函数(解析函数或数值函数)是指不含有被称为不连续性的任何数值突变、中断或跳跃的函数。术语“连续平稳”可以理解为包括对该含义的引用。优选地，波形(例如应用于波形u)的变化率在其周期(t)中基本上连续平稳。
[0033]
在上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定，也就是说，波形的最小值实际上是恒定的，或者事实上或实际上是恒定的，或者至少在上述有限时间段(t
l
＜t)内变化不显著。如果在波形的周期(t)内，整个t
l
内波形值变化对应的变动不超过波形极限值之间的最大变动的预设百分比或比例(例如，波形峰间振幅u0的比例，或者波形最小值和最大值之间的差值的比例)，则可以说该波形变化不显著。例如，将x＝100
×
δu/u0定义为整个t
l
内允许的最大波形值的变化(δu)，表示为波形振幅(u0)的百分比(％)，优选：x≤10，或x≤5，或x≤2.5，或x≤1.0，或x≤0.5，或x≤0.25，或x≤0.1，或x≤0.05和x≤0.01。
[0034]
有限时间段(t
l
)可以表示为：t＞t
l
≥t/k，式中k是大于一(1)的任何正数(即，非整数或整数)(即k＞1)。优选地，k≥1.2。优选地，k≤20或k≤15或k≤10。优选地，例如1.2≤k≤8.0。
[0035]
将定义为t
l
的时间段，表示为周期t的百分比(％)，如果x＝100
×
δu/u0，优选地，或者更优选地，或者更优选地，或者更优选地，或者更优选地，或者更优选地，或者更优选地，或者更优选地，在这个意义上，波形的最小值在上述有限时间段(t
l
＜t)内可以基本恒定。
[0036]
优选地，具有波形振幅u0的波形(u))的一阶时间导数模数为：
[0037][0038]
在波形的上述周期(t)内的有限时间段(t
l
)内，其中y＝50。例如50≥y≥1.4，或者更优选地，10≥y≥2，或者更优选地，7≥y≥3，例如y可以约等于5。在一些例子中，y≥1.4。在这个意义上，波形在有限时间段内基本恒定t
l
。优选地，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形(u))的一阶时间导数模数的平均值不超过值y。优选地，在上述有限时间段
(t
l
)内，该模数的平均值不超过0.5y，或者优选地0.25y，或者优选地0.1y，或者优选地0.05y，或者优选地0.25y，或者优选地0.25y。在这个意义上，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定。
[0039]
优选地，至少在波形的周期(t)内的时间间隔t
l
内，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期(t)内基本上连续。优选地，在波形的上述周期(t)中，具有波形振幅的第一电源电压波形的一阶时间导数模数的取值可以表示为u0：
[0040][0041]
更优选地，该模数可不大于75，或更优选不大于50，或更优选不大于20，或更优选大约大于10且小于15，例如约12。优选地，波形(u)包括或者至少部分根据“误差函数”(erf)来定义。有利于防止对势阱中的电荷粒子产生不必要的力脉冲。在这个意义上，波形的最小值在上述有限时间段(t
l
＜t)内可以基本恒定。
[0042]
电源单元可以适用于向轴向分段聚束电极提供包括根据波形调制的射频电压信号的第一电源电压，以在通道内产生赝势形式的电势，赝势在局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，局部最大值限定了沿着部分长度的通道平移的所述势阱。
[0043]
可替代地，电源单元可以适用于向多个聚束电极提供包括根据波形(例如，非射频信号)而变化的交流电压的第一电源电压，以便根据所施加的第一电源电压波形(即，形成前进阱的电势不是赝势，而是由电压波形形成的)限定势阱，该波形沿着至少部分长度的通道平移。
[0044]
电源单元可以适用于提供第二电源电压(例如，射频信号或非射频电压波形)，以在通道内产生径向(即，横切于通道轴)约束电势(例如，赝势或其他电势)。
[0045]
优选地，第二电源电压的振幅并不按时进行周期性调制。第二电源电压的振幅可以基本恒定。径向约束电极上施加的第二电源电压结合轴向分段聚束电极可产生径向约束电场(电势)。该系列电极可以被配置为四极离子导向器。径向约束电场(电势)可以被配置为四极场，或者至少基本上或近似为四极场。本发明适用于更多极数的高阶电场和离子导向器，级数包括但不限于：六极、八极、十极等。
[0046]
根据本领域技术人员容易获得并在相关现有技术中发现的技术，电源单元可以适用于产生具有预期振幅(例如几百伏)的射频电压信号。例如，在提供第一电源电压波形和/或第二电源电压时，这种电压信号可以施加到径向约束电极和/或轴向分段聚束电极。电源单元可通过以预定的射频切换频率在两个预选的电压电平之间切换来产生具有方波波形的射频电压信号。用于产生第一电源电压波形的两个预定电压电平中的一个或两个可以以任何期望的方式或时变率随时间变化，但是优选以远低于预定的射频切换速率的速率变化。相应地，通过一个或两个预定电压电平时变特性，提供了射频波形的振幅调制包络线。时变可以是周期性的时变。射频电压信号的调制包络线的波形形状可以由用户预定。可替代地，在供应第一电源电压波形和/或第二电源电压时，电源单元可以被配置成产生包括仅根据波形变化的变化交流电压的电压波形。因此，波形可以不含任何射频分量。在这种情况下，预定电压可以是按照预期方式时变的交流电压，以定义/提供电压。预定电压可以具有
恒定极性和周期性形状。预定电压值可以周期性地减小直至接近于零(或至少可以忽略不计)的值。相应地，通过该方式，理想情况下，波形形状(振幅调制包络线或施加到交流电压的变动)包括(调制)振幅在所述时间间隔(t)内的有限时间段(t
l
)内保持基本恒定(例如非零或基本为零)取值的部分，其中有限时间段(t
l
)对应于前述局部最小值。
[0047]
每个聚束电极或者至少一组连续的电极组可被提供上述波形(即，作为对射频电压信号的调制，或者时变交流电压波形)，并且连续的聚束电极可以接收各个的处于共同时间周期调制的不同相位的波形，具体内容将在下文进行介绍，并且可以产生跨越连续聚束电极的空间变化电势(即，上述势阱)，由此在任何给定的时间点，每个聚束电极向沿着聚束电极组(或所有聚束电极)延伸并限定势阱的电势场贡献各个的局部电势值。各个的局部贡献值由贡献时施加到贡献聚束电极的波形值决定。
[0048]
例如，通过暂时停止波形的时变，可以停止势阱的平移运动，并根据继续施加(不含时变)到所述的电极组的各个聚束电极(或所有聚束电极)的波形值保持其形状和结构。然后可以恢复施加到聚束电极组的各个聚束电极(或所有聚束电极)的波形的暂停时变，以便恢复势阱的平移运动。通过逆转波形的时变，可以逆转平移运动的方向。
[0049]
电源单元可以包括技术人员容易获得的任何合适的电子开关装置(例如精确定时的金属氧化层半导体场效晶体管(mosfet)，用于按需向第一电源电压和第二电源电压或之一提供射频电压分量。该开关装置可以被配置为可切换的，以便交替地电连接到两个dc电压电源中的相应一个，以及与两个dc电压源中的相应一个断开，上述各个电压电源具有根据波形变化的相应的预定dc电压值。两个电压电源各个预定dc电压值可以具有相反的极性。这意味着，第一电源电压和/或第二电源电压的快速振荡射频分量实际上并不是正弦波形，而是类似于方波。例如，可以通过电控制高频(例如，射频)开关来提供射频电压信号，从而选择性地将相应的聚束电极和/或径向约束电极交替电连接到正电源轨和负电源轨，以提供射频电压信号。可由电源单元根据基本相同的各个波形或根据不同的各个波形来改变两个dc电压电源的各个预定dc电压值。通过该方式，施加到射频信号的负极性部分的波形调制可以与施加到射频信号的正极性部分的波形调制匹配或不同。
[0050]
电源单元可以包括适用于提供第一电源电压的第一电源单元和适用于提供第二电源电压的单独的第二电源单元。电源单元的独立设置可以允许施加到聚束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制独立于施加到径向约束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制。上述设置易于操作并能降低制造复杂性和制造成本。
[0051]
理想情况下，前述电势的局部最小值由位于最小值第一侧的第一局部最大值和位于局部最小值相对的第二侧的第二局部最大值界定。电势阱可以包括含有一个或多个局部最小值的阱底或基础，由两个单独的分别含有或限定两个局部最大值的阱壁限定，阱壁位于阱底的相应的两个相对侧。势阱可以包括前导局部最大值(或前导阱壁)和尾随局部最大值(或尾随阱壁)，其中前导局部最大值在势阱的平移方向上领先或先于尾随局部最大值。换句话说，优选地，尾随局部最大值(或尾随阱壁)跟随前导局部最大值(或前导阱壁)。
[0052]
限定阱底的电势值在空间上基本平稳变化，并且优选仅包括一个局部最小值。在此基础上，电势内的带电粒子能够如期位于阱内的局部最小值，从而在通道内传输和提取时能精确地限定带电粒子的位置。最优选地，势阱沿着装置的通道按照，例如恒速度，平稳
地平移/移动。
[0053]
优选地，电源单元可向多个电极的聚束电极提供所述第一电源电压波形，以便同时形成沿着通道轴向间隔分布的多个所述势阱。优选地，以此方式形成的多个所述势阱沿着至少部分长度的通道同步平移。优选地，多个势阱基本上等距相邻阵列分布。例如，给定势阱的局部最小值(和/或局部最大值或其他特征)和紧邻势阱的局部最小值(例如，等效特征或结构)之间的轴向间隔与多个势阱之间的间隔基本相同。
[0054]
优选地，电源单元可以适用于向聚束电极提供波形频率(即，1/t，其中t是波形周期)大约为0.1khz-20khz的周期性第一电源电压波形，以便产生所述势阱，或者同时产生多个势阱。优选地，波形频率大约为1khz-4khz。第一电源电压波形可以限定施加到射频电压信号的调制波形，以便向射频电压信号的振幅提供“包络线”，或者第一电源电压波形可以作为时变交流电压波形单独施加，其中第一电源电压不含射频电压信号分量。如果具有射频频率的射频电压信号被该波形调幅，射频频率大约取值0.2mhz-5mhz，或其他频率值。
[0055]
优选地，电源单元可以适用于向分段电极的各个相应的聚束电极提供第一电源电压波形，进而与同时向相邻电极提供的电压波形相比，第一电源电压波形时移或相移。优选地，基本相同的时域波形被同时施加到多个聚束电极，每个聚束电极以不同于相邻聚束电极接收的波形相位的波形相位接收波形。例如，施加到给定(第n个)聚束电极(n是正整数)的第一电源电压波形的相位可以对应于相对于施加到前一个紧邻的第(n-1)个聚束电极的相同波形的相位更超前的波形相位。类似地，施加到给定(第n个)聚束电极的第一电源电压波形的相位可以对应于相对于施加到紧邻的第(n 1)个聚束电极的相同波形的相位滞后的波形相位。通过该方式，可以按时驱动各个聚束电极接收同一电压波形，但是各个聚束电极被“提供”了处于周期中不同相位版本的第一电源电压波形。
[0056]
优选地，电源单元可以适用于向选定的数量为n的连续聚束电极组或子集提供第一电源电压波形，使得施加到给定组的第一聚束电极的第一电源电压波形的相位基本等于施加到n聚束电极连续组的第一聚束电极的第一电源电压波形的相位。例如，电源单元可以适用于向给定的聚束电极组(例如，该给定组及其每个紧邻组)的n聚束电极提供第一电源电压波形，使得施加到该组的给定聚束电极的波形相位与施加到该组的紧邻着的聚束电极的波形相位具有约为δφ＝-360/n的相位差δφ，并且还与施加到该组的前一个聚束电极的波形的相位具有约为δφ＝ 360/n的相位差δφ。因此，在给定时间内，波形的一个完整周期贯穿n聚束电极组。通过该方式，n个聚束电极的各组/子集的第n个聚束电极各自接收基本相同的位于其周期中的基本相同的相位的第一电源电压波形。换句话说，各个聚束电极n；n n；n 2n；
…
；n (m-1)n,接收在其周期的相同点的波形，其中，1≤n≤n和m是聚束电极组的总数，每组由n聚束电极组成。
[0057]
理想地，电源单元可以适用于提供第一电源电压波形以产生多个势阱。相邻势阱的间距可以根据多个电极限定的通道的横向尺寸或大小来配置。例如，如果那些电极是电极片或平面电极，横向尺寸等于通道的内接直径，或者相对电极之间的垂直间距。阱间距配置可以通过n恰当取值(优选为n≥6)实现，经证实，该取值是确保势阱平稳移动的恰适的下限。例如，优选地，n等于或大于8。
[0058]
优选地，第一电源电压波形的波形频率使得势阱沿通道轴的平移速度v成比例：f
·
l，其中f＝1/t是波形频率(赫兹)，l是聚束电极之间沿通道轴向的空间间隔，在空间间
隔处存在所施加的第一电源电压波形(例如v＝f.l)的相同值(例如，相同相位)。
[0059]
优选地，波形形状和/或波形频率(即f＝1/t，其中t是波形周期)使得在预定的有限时间间隔t
l
内，波形的电压值不大于波形周期内波形的最大电压值的10％左右，其中t
l
≥t/n。其中，n是聚束电极的每个子集中的聚束电极的数量，其中聚束电极的每个子集支持第一电源电压波形的相应周期。更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的5％左右。进一步更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的3％左右。愈加更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内第一电源电压波形的最大电压值的2％左右，或优选地1％、0.5％、0.25％、0.1％或0.01％左右。最优选地，在时间间隔t
l
内第一电源电压波形的电压值接近于零(例如，实际上或事实上为零)。
[0060]
波形的形状可以用数学函数来定义。数学函数可以包括分析函数(即，表示为数学方程)或者可以是数值函数。优选地，第一电源电压可以采取以下形式：
[0061]
v(f，t，t)＝u(2πt/t φ)*ξ(2πft φ)
[0062]
其中函数u(2πt/t φ)将波形表示为具有周期t(s)、相位φ和振幅u0的周期调制函数。函数ξ(2πft φ)可以是具有频率f和相位φ的快速振荡(例如，射频)周期函数，或者在第一电源电压内不存在射频分量的情况下可以是恒定值(例如，类似于设置：f＝0)。
[0063]
例如，波形u(2πt/t φ)的形状可以至少部分地包括“误差函数”(erf(y))的形状，使得：
[0064][0065]
在波形的周期t的至少部分时间段内，其中：
[0066][0067]
并且变量y与t和t成比例(例如具有函数关系)。例如，变量y可能与比率t/t成比例(例如y～t/t)。
[0068]
优选地，波形u(2πt/t φ)总是正值，或者总是负值。优选地，波形u(2πt/t φ)是连续函数。优选地，波形u(2πt/t φ)具有最大值，该值在波形的周期(t)内的有限时间段(th＜t)内基本恒定。优选地，该最大值可以对应于势阱的局部最大值。优选地，在波形周期t内，波形u(2πt/t φ)在时间间隔th和前述时间间隔t
l
之间基本上连续变化。
[0069]
该设备可以包括存储单元，在该存储单元中存储有数值数据，该数值数据包括一组共同定义波形的多对坐标。换句话说，对应于沿其周期的相应多个分离和离散点的波形的多个分离和离散值可以数字方式存储在设备中。该设备可以被配置成根据存储单元中存储的离散数值产生电压波形。位于波形的两个连续存储值之间的对应于其周期内点的波形值可以由设备通过插入合适的数值产生。
[0070]
所存储的数值数据可以用归一化时间点的具有振幅u0和周期t波形的归一化值来表示波形。
[0071]
存储的数值数据可以用数学分析函数(即表示为方程)或数值函数(即不表示为方程)的数值，或者由设备的操作者或用户绘制的任意波形曲线/形状，并在波形/曲线的多个
离散点处数字化的数值(坐标)的形式表示波形。
[0072]
本说明书公开的用于本发明任何方面的任何合适的波形可以通过数字方式记录并存储在计算机存储器中。波形的n相位由n个数模转换器产生，然后由n个音频放大器放大，产生应用于聚束离子导向器的模拟波形。定义波形的函数，例如n＝8函数，可以由多个离散的时间步长来定义。例如，其中n＝8，每个周期256个离散时间步长，t是一个合适的数字，但应该大于32。通常，离散时间步长的数量优选为n的倍数。因此，作为另一个例子，如果n＝6，那么离散步骤的数量可以是36、72、108、144等等。优选地，该设备包括存储单元，该存储单元中存储波形的对应于沿其周期的相应多个分离和离散点的多个分离和离散值。
[0073]
优选地，势阱的最小值限定了阱底，而限定阱底的势值仅包括一个局部最小值，该局部最小值不随时间而变化。
[0074]
优选地，该设备包括缓冲气体控制单元，该缓冲气体控制单元被配置为控制通道内的缓冲气体的压力，使得通道入口(离子入口)处的压力低于0.5mbar。可替代地，或者另外地，缓冲气体控制单元可以被配置为控制通道内的缓冲气体的压力，使得通道一端的缓冲气体的压力至少比通道另一端的压力大20倍。优选地，通道入口的压力比通道出口处的压力更高。
[0075]
为了避免疑义，本说明书从各方面描述的以及公开的相应方法中的设备可以具有以下配置：
[0076]
(a)轴向分段极棒和径向约束极棒都沿着轴向分段；和/或，
[0077]
(b)射频电压可以施加到：
[0078]
a.轴向分段极棒，但不施加到径向约束极棒，或
[0079]
b.径向约束极棒，但不施加到轴向分段极棒，或
[0080]
c.轴向分段极棒和径向约束极棒。该电极结构允许将交流电压(最好不是调制电压)施加到位于一个共同轴向位置的所有4个相对段上。也就是说，聚束极棒的分段和径向约束极棒的分段具有相同的轴向间距并且位于相同的轴向位置。图7b示出了双分段设备的例子。
[0081]
径向约束电极可以包括轴向分段电极。径向约束电极可以包括轴向分段的或者可以包括分段电极的轴向区域和连续非分段电极的轴向区域。波形可以包括正弦函数或一组正弦函数。
[0082]
作为上述考虑的结果，本发明在这方面可以提供一种具有更强的轴向约束的势阱，用于沿着导向通道平移电荷粒子。
[0083]
上述设备实现了相应的带电粒子的操纵方法，即本发明的另一个相应的方面披露的内容。照此，本发明上文描述的设备特征将被理解为用于实现相应方法。
[0084]
在第二方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵方法，该方法包括：
[0085]
提供系列电极，被设置为形成用于传输带电粒子的通道；
[0086]
提供电源单元，通过其向所述电极中的轴向分段聚束电极提供根据具有周期(t)的波形变化的第一电源电压，以便在所述通道内产生电场，所述电场的电势在限定势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，所述势阱沿着部分长度的所述通道平移，使得势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内的平移距离基本上等于自身长度(例如，沿着通道方向的轴向长度)；以及
[0087]
提供电源单元，通过其向所述电极中的径向约束电极提供第二电源电压，以便在所述通道内产生径向约束电场，该电场被配置为将带电粒子径向约束在通道内；
[0088]
(a)其中所述波形：在其周期内基本持续平稳(t)；
[0089]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0090]
最优选地，在该方法中，波形在有限时间段(t
l
＜t)内不存在局部波形最大值。例如，有限时间段内可能只包含一个波形最小值。整个波形在其周期内可能只包含一个最小值，即t。
[0091]
优选地，在该方法中，第一电源电压可以包括根据波形调制的射频电压信号，使得势阱由赝势形成。可替代地，第一电源电压可以包括根据波形时变的交流电压，不包括或调制任何潜在的射频电压信号。在后种情况下，势阱由“真”势而非赝势形成。
[0092]
理想情况下，根据该方法，在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)，可以在波形的适当相位将第一电源电压施加到诸如形成空间上连续的相邻电极组的各个轴向分段聚束电极上。通过该方式，连续聚束电极的空间扩展范围可以同时接收对应于基本恒定的最小值的第一电源电压。因此，基本恒定的最小值可以沿着所述的多个轴向分段聚束电极在空间上延伸，多个轴向分段聚束电极沿离子引导通道的轴线分布。
[0093]
理想情况下，在该方法中，在上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定，也就是说，波形的最小值实际上是恒定的，或者事实上或实际上是恒定的，或者至少在上述有限时间段(t
l
＜t)内变化不显著。如果在波形的周期(t)内，整个t
l
内波形值变化对应的变动不超过波形极限值之间的最大变动的预设百分比或比例(例如，波形峰间振幅u0的比例，或者波形最小值和最大值之间的差值的比例)，则可以说该波形变化不显著。例如，将x＝100
×
δu/u0定义为整个t
l
内允许的最大波形值的变化(δu)，表示为波形振幅(u0)的百分比(％)，优选：x≤10，或x≤5，或x≤2.5，或x≤1.0，或x≤0.5，或x≤0.25，或x≤0.1，或x≤0.05和x≤0.01。
[0094]
优选地，该方法包括：约束有限时间段(t
l
)，以便：t＞t
l
≥t/k，式中k是大于一(1)的任何正数(即，非整数或整数)(即k＞1)。优选地，k≥1.2。优选地，k≤20或k≤15或k≤10。优选地，例如1.2≤k＜8.0。
[0095]
优选地，在该方法中，将定义为t
l
的最小允许时间段，表示为周期t的百分比(％)。优选地，在该方法中，t
l
内波形值的最大允许变化(δu)和最小允许时间段t
l
的比率可以被约束，使得：或者更优选或者更优选或者更优选或者更优选或者更优选或者更优选或者更优选
[0096]
优选地，该方法可以包括控制第一电源电压波形，使得至少在波形周期内的时间间隔t
l
内，一阶时间导数(即，其))的取值基本连续。优选地，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期t内基本连续。优选地，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本上整个周期t内不超过。
[0097]
优选地，具有波形振幅u0的波形(u))的一阶时间导数模数为：
[0098][0099]
在波形的上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，其中y＝50。例如50≥y≥1.4，或者更优选地，10≥y≥2，或者更优选地，7≥y≥3，例如y可以约等于5。在一些例子中，y≥1.4。在这个意义上，波形在有限时间段内基本恒定t
l
。优选地，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形(u))的一阶时间导数模数的平均值不超过值y。优选地，在上述有限时间段(t
l
)内，该模数的平均值不超过0.5y，或者优选地0.25y，或者优选地0.1y，或者优选地0.05y，或者优选地0.01y，或者优选地0.001y。在这个意义上，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定。
[0100]
该方法可以包括：向轴向分段聚束电极提供包括根据波形调制的射频电压信号的第一电源电压，以在通道内产生赝势形式的电势，赝势在局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，局部最大值限定了沿着部分长度的通道平移的所述势阱。
[0101]
更普遍地，优选地，该方法包括：至少在波形的周期(t)内的时间间隔t
l
内，第一电源电压波形(u))的一阶时间导数(即))的取值被约束成基本上连续。优选地，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期(t)内被约束基本上连续。优选地，在该方法中，在上述波形的周期t内，具有波形振幅u0的第一电源电压波形的一阶时间导数模数的取值被约束，以便：
[0102][0103]
更优选地，该模数可不大于75，或更优选不大于50，或更优选不大于20，或更优选大约大于10且小于15，例如约12。优选地，波形(u)包括或者至少部分根据“误差函数”(erf)来定义。有利于防止对势阱中的电荷粒子产生不必要的力脉冲。
[0104]
可替代地，该方法可包括：向多个聚束电极提供包括根据波形(例如，非射频信号)而变化的交流电压的第一电源电压，以便根据所施加的第一电源电压波形(即，形成前进阱的电势不是赝势，而是由电压波形形成的)限定势阱，该波形沿着至少部分长度的通道平移。
[0105]
该方法可包括：向轴向分段聚束电极(即，径向约束电极之外的电极)提供第二电源电压(例如，射频信号或非射频电压波形)，以在通道内产生径向(即，横切于通道轴)约束电势(例如，赝势或其他电势)。优选地，第二电源电压的振幅基本恒定。优选地，第二电源电压的振幅并不按时调制。径向约束电极上施加的第二电源电压结合轴向分段聚束电极可产生径向约束电场(电势)。该系列电极可以被配置为四极离子导向器。径向约束电场(电势)可以被配置为四极场。本发明适用于更多极数的高阶电场和离子导向器，级数包括但不限于：六极、八极、十极等。
[0106]
该方法可以包括：通过以预定的射频切换频率在两个预选的电压电平之间切换来产生具有方波波形的射频电压信号。该方法可以包括：以任何期望的方式或时变率(但是优选以远低于预定的射频切换速率的速率)随时间改变两个预定电压电平或之一。通过一个或两个预定电压电平时变特性，可提供射频波形的振幅调制包络线。时变可以是周期性的时变。该方法可包括：产生调制包络线的波形形状，包括(调制)包络线在所述时间间隔(t)
内的有限时间段(t
l
)内保持基本恒定(例如非零或基本为零)取值的部分，其中有限时间段(t
l
)对应于前述局部最小值。
[0107]
该方法可以包括：向每个聚束电极或至少一组连续聚束电极提供经调制的射频电压信号或非射频波形，其中连续的聚束电极可以接收处于共同时间周期调制的不同的相位的相应的经调制的射频电压信号或非射频波形。
[0108]
该方法可以包括：通过电控制高频(例如，射频)开关来提供射频电压信号，从而选择性地将相应的聚束电极交替电连接到正电源轨和负电源轨，以提供波形的射频振荡分量。
[0109]
该方法可以包括：提供第一电源单元，通过其提供第一电源电压，以及提供适用于提供第二电源电压的单独的第二电源单元。
[0110]
理想情况下，局部最小值由位于最小值第一侧的第一局部最大值和位于局部最小值相对的第二侧的第二局部最大值界定。势阱可以按照上述描述方式构造。
[0111]
限定阱底的电势值基本平稳变化，并且优选仅包括一个局部最小值。在此基础上，电势内的带电粒子能够如期位于阱内的局部最小值，从而在通道内传输和提取时能精确地限定带电粒子的位置。优选地，由两个阱壁限定的局部最小值连续，基本上没有(或至少基本上没有)不连续的值或梯度。
[0112]
该方法可以包括：向多个电极的聚束电极提供所述第一电源电压波形，以便同时形成沿着通道轴向间隔分布的多个所述势阱。优选地，以此方式形成的多个所述势阱沿着至少部分长度的通道同步平移。优选地，在势阱阵列中，多个势阱基本上等距相邻分布。例如，给定势阱的局部最小值(和/或局部最大值或其他特征)和紧邻势阱的局部最小值(例如，等效特征或结构)之间的轴向间隔与多个势阱之间的间隔基本相同。
[0113]
该方法可以包括：向聚束电极提供波形频率(即1/t，其中t是波形周期)大约为0.1khz-20khz的周期性第一电源电压波形，以便产生所述势阱，或者同时产生多个势阱。优选地，波形频率大约为1khz-4khz。第一电源电压波形可以限定施加到射频电压信号的调制波形，以便向射频电压信号的振幅提供“包络线”，或者第一电源电压波形可以在第一电源电压不含射频电压信号时作为时变交流电压波形单独施加。如果具有射频频率的射频电压信号被该波形调幅，射频频率大约取值0.2mhz-5mhz。
[0114]
优选地，该方法可以包括：向分段电极的各个相应的聚束电极提供第一电源电压波形，进而与同时向相邻电极提供的电压波形相比，第一电源电压波形时移或相移。优选地，基本相同的时域波形被同时施加到多个聚束电极，每个聚束电极以不同于相邻聚束电极接收的波形相位的波形相位接收波形。例如，施加到给定(第n个)聚束电极(n是正整数)的第一电源电压波形的相位可以对应于相对于施加到前一个紧邻的第(n-1)个聚束电极的相同波形的相位更超前的波形相位。类似地，施加到给定(第n个)聚束电极的第一电源电压波形的相位可以对应于相对于施加到紧邻的第(n 1)个聚束电极的相同波形的相位滞后的波形相位。通过该方式，可以按时驱动各个聚束电极接收同一电压波形，但是各个聚束电极被“提供”了处于周期中稍微不同相位版本的第一电源电压波形。
[0115]
该方法可以包括：向选定的数量为n的连续聚束电极组或子集提供第一电源电压波形，使得施加到给定组的第一聚束电极的第一电源电压波形的相位基本等于施加到n聚束电极紧邻组的第一聚束电极的第一电源电压波形的相位。例如，该方法可以包括：向给定
的聚束电极组(例如，该组及其每个紧邻组)的n聚束电极提供第一电源电压波形，使得施加到该组的给定聚束电极的波形相位与施加到该组的紧邻着的聚束电极的波形相位具有约为δφ＝-360/n的相位差δφ，并且还与施加到该组的前一个聚束电极的波形的相位具有约为δφ＝ 360/n的相位差δφ。
[0116]
该方法可以包括：提供第一电源电压波形以产生多个势阱。相邻势阱的间距可以根据多个电极限定的通道的横向尺寸或大小来配置。例如，如果那些电极是板状电极或平面电极，横向尺寸等于通道的内接直径，或者是相对电极之间的垂直间距。该方法可以包括：通过调整n值来选择性地调整阱间距配置。例如，优选地，n等于或大于8。
[0117]
该方法可以包括：控制第一电源电压波形的波形频率使得势阱沿通道轴的平移速度v成比例：f
·
l，其中f是波形频率(赫兹)，l是聚束电极之间沿通道轴向的空间间隔，在空间间隔处存在所施加的第一电源电压波形(例如v＝f
·
l)的相同值(例如，相同相位)。
[0118]
优选地，该方法可以包括：控制第一电源电压波形形状和/或波形频率(即f＝1/t，其中t是波形周期)使得在预定的有限时间间隔t
l
内，波形的电压值不大于波形周期内第一电源电压波形的最大电压值的10％左右，其中t
l
≥t/n。其中，n是聚束电极的每个子集中的聚束电极的数量，其中聚束电极的每个子集支持第一电源电压波形的相应周期。更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的5％左右。进一步更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的3％左右。愈加更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内第一电源电压波形的最大电压值的2％左右，或优选地1％、0.5％、0.25％、0.1％或0.01％左右。最优选地，在时间间隔t
l
内第一电源电压波形的电压值接近于零。
[0119]
理想情况下，该方法包括：提供由数学函数定义形状的波形。数学函数可以包括分析函数(即，表示为数学方程)或者可以是数值函数。优选地，第一电源电压可以采取以下形式：
[0120]
v(f，t，t)＝u(2πt/t φ)*ξ(2πft φ)
[0121]
其中函数u(2πt/t φ)将波形表示为具有周期t(s)、相位φ和振幅u0的周期调制函数。函数ξ(2πft φ)可以是具有频率f和相位φ的快速振荡(例如，射频)周期函数，或者在第一电源电压内不存在射频分量的情况下可以是恒定值(例如，类似于设置：f＝0)。例如，波形u(2πt/t φ)的形状可以至少部分地包括“误差函数”(erf(y))的形状，使得：
[0122][0123]
在波形的周期t的至少部分时间段内，其中：
[0124][0125]
并且变量y与t和t成比例(例如具有函数关系)。例如，变量y可能与比率t/t成比例(例如y～t/t)。优选地，波形u(2πt/t φ)总是正值，或者总是负值。优选地，波形u(2πt/t φ)是连续函数。优选地，波形u(2πt/t φ)具有最大值，该值在波形的周期(t)内的有限时间段(th＜t)内基本恒定。优选地，该最大值可以对应于势阱的局部最大值。优选地，在波形周期t内，波形u(2πt/t φ)在时间间隔th和前述时间间隔t
l
之间基本上连续变化。
[0126]
该方法可以包括：提供存储单元，该存储单元中存储波形的对应于沿其周期的相应多个分离和离散点的多个分离和离散值。
[0127]
该方法可以包括：控制通道内的缓冲气体的压力，使得通道出口处的压力低于0.5mbar。该方法可以包括：控制通道内的缓冲气体的压力，使得通道一端的缓冲气体的压力至少比通道另一端的压力大20倍。
[0128]
在另一方面，本发明可以提供一种用于控制离子导向器、质量过滤器、质量分析器或离子阱的方法，该方法包括上述方法。
[0129]
在另一个方面，本发明可以提供一种具有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令被设置成指示质谱分析装置或离子导向装置或质量过滤装置或质量分析器装置或离子捕获装置执行上述方法。该装置可以包括信号处理单元，或者可以包括处理器或编程的或可编程的计算机(例如，包括含计算机程序的计算机可读介质)，以实现计算机可执行指令。
[0130]
本公开的第三方面涉及一种用于改进正交加速飞行时间(oatof)质量分析器的方法和装置。更具体地，本公开的这一方面涉及一种从离子导向器轴向提取的方法和装置，该方法和装置特别适用于将提取的离子(或更普遍地，带电粒子)输入到oatof的“脉冲器”区域中，从而改进oatof分析器。
[0131]
最普遍地，本发明在第三方面提出通过操纵轴向移动势阱的深度来轴向释放带电粒子，至少部分该势阱由赝势构成。鉴于赝势的振幅或强度与其中离子的质荷比(m/z)成反比，本发明旨在提供一种装置和方法，通过该装置和方法，当从离子导向器轴向释放/提取带电粒子时，行进阱可以辨别质量。本发明利用赝势的大小或振幅与经历或感知该赝势的离子的m/z成反比的特性，提供一种在不同时间从离子导向器轴向提取离子束内不同质量的带电粒子的方法。相应地，在第三方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵设备，该设备包括：
[0132]
系列电极，被设置为形成用于传输带电粒子的通道；
[0133]
电源单元，适用于向下述电极提供电源电压：
[0134]
(a)系列电极中的轴向分段聚束电极，以便产生限定所述通道内电势的电场，该电势在限定沿着至少部分长度的通道平移的势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，以及
[0135]
(b)系列电极中的径向约束聚束电极，以便在通道内产生径向限制电场，该电场被配置成在径向上将带电粒子限制在通道内；
[0136]
轴向提取区域，其包括电极系列中的电极，该电极至少设置在或限定该设备的通道的一端，被设置成接收电源电压，从而在通道内产生限定赝势的电场，使得势阱的深度根据其中传输的带电粒子的质荷比(m/z)而变化，并且随着势阱的局部最大值朝向和/或沿着轴向提取区域轴向平移而减小，从而在不同的时间释放传输的不同质荷比(m/z)的带电粒子。
[0137]
电势阱可以包括含有一个或多个局部最小值的阱底或基础，由两个单独的分别含有或限定两个局部最大值的阱壁限定，阱壁位于阱底的相应的两个相对侧。势阱可以包括前导局部最大值(或前导阱壁)和尾随局部最大值(或尾随阱壁)，其中前导局部最大值在势阱的平移方向上领先或先于尾随局部最大值。换句话说，优选地，尾随局部最大值(或尾随
阱壁)跟随前导局部最大值(或尾随阱壁)。
[0138]
限定阱底的电势值基本平稳变化，并且优选仅包括一个局部最小值。在此基础上，电势内的带电粒子能够如期位于阱内的局部最小值，从而在通道内传输和提取时能精确地限定带电粒子的位置。
[0139]
势阱的深度可以随着势阱朝着轴向提取区域或沿着轴向提取区域轴向平移减小。也可通过配置设备来实现势阱深度的减小，从而使得当势阱朝向和/或通过提取区域移动时，势阱的局部最大值的高度减少：阱深度由局部最小值和相邻的前导局部最大值(例如，局部最小值之前的最大值)之间的电势差来限定。可替代地，或者另外地，可以通过配置设备来实现势阱深度的减小，从而使得当势阱朝向和/或穿过提取区域移动时，势阱的局部最小值的高度增加：阱深度由前导局部最小值和相邻局部最大值(例如，局部最小值之前的最大值)之间的电势差来限定。
[0140]
阱深的减小(即，减小局部最大值的高度)可以通过边缘场减小前进赝势阱的前导壁高度，和/或通过在提取区域外部施加内部或外部直流(dc)电势来减小前进势阱的前导壁高度。外部dc电势可以包括在轴向提取区域(例如末端电极/输出端)和提取区域之外的离子导向器外部的外部电极之间产生的电势梯度。可以以任何合适的方式选择和施加外部dc电势，当或者紧随行进势阱离开由该系列电极限定的通道并进入由电极形成的边缘场区域，减少该系列电极限定的通道内和/或部分在该系列电极之外的前进势阱的前导壁的高度。轴向提取区域可以包括轴向分段聚束电极，也可以包括径向约束电极。通道的末端电极可以包括轴向分段聚束电极，也可以包括径向约束电极。电源单元可以适用于向末端轴向分段聚束电极提供电源电压，使得行进势阱的所有部分最终行进到达通道的末端电极(例如，一旦后部到达通道的末端电极，行进的前部不会停止)，从而可以确保行进势阱的所有部分行进入通道的边缘场区域。
[0141]
阱深的减小(即增加局部最小值的高度)可以通过改变行进势阱形成的复合势阱的动态形状实现，该行进势阱邻接并向上移动到单独的赝势垒，并不是赝势阱。鉴于该行进势阱朝着(例如，并且靠着)赝势垒前进，有利于提高复合势阱的底部高度。
[0142]
电源单元可以适用于以射频电压信号的形式向轴向分段聚束电极提供电源电压。相应地，上述方式提供的聚束电极可以产生限定赝势的电场。该电势可以在限定势阱的局部最大值之间具有前述的一个或多个局部最小值。分段聚束电极可以包括至少设置在或限定设备通道一端的电极。电源单元可以适用于以射频电压信号的形式向电极提供电源电压，所述电极至少设置在或限定设备的通道的一端，使得电极可以产生限定赝势的电场。该电势可以在限定势阱的局部最大值之间具有前述的一个或多个局部最小值，该势阱沿着通道的提取区长度方向传输。电源单元的布置方式可以使得射频电压信号被提供给聚束电极以产生势阱，同时被提供给设置在或限定通道的末端且将被提供射频电压信号的电极。因此，赝势阱可以平移通过提取区域并到达通道的末端输出端。通过该方式，赝势行进阱可以被传输到设备的边缘场区域。
[0143]
可替代地，电源单元可以适用于以与调制的射频电压信号相反的电压波形形式向轴向分段聚束电极提供电源电压。相应地，上述方式提供的聚束电极可以产生限定赝势的电场。该电势可以在限定势阱的局部最大值之间具有前述的一个或多个局部最小值。电源单元可以适用于以调制的射频电压信号的形式向电极提供电源电压，所述电极至少设置在
或限定设备的通道的一端，使得电极可以产生限定赝势的电场。通过上述方式可以限定赝势垒。电源单元的布置方式可以使得被提供给聚束电极以产生势阱的非射频电压波形信号并不同时提供给设置在或限定通道的末端且将被提供调制射频电压信号的电极。
[0144]
赝势垒在提取区域内的通道轴上(例如，并不沿着该轴平移)可以基本是静态的。赝势可以被设置形状，从而在/沿着提取区域内的通道轴限定势垒。赝势垒可以限定局部赝势最大值，其高度或振幅超过势阱(例如，阱底)的前述一个或多个局部最小值的电势值。优选地，势垒可以限定局部赝势最大值，其高度或振幅小于势阱的前述拖尾局部最大值的电势值。相应地，尾阱壁优选具有位于该壁的局部最大值和相邻的阱的局部最小值(例如，阱底)之间的区域，沿着该区域，其电势值超过赝势垒的局部最大值。这意味着，如果势阱内的带电粒子通过赝势垒附近的势阱的平移而被提升(势能上)到该区域，那么带电粒子可能越过赝势垒并继续沿着通道在平移方向上移动(即被提取)，最终移出通道。
[0145]
因此，可以控制行进势阱行进但止步于赝势垒。行进势阱可以被控制不通过赝势垒或通过/越过赝势垒。由电压波形(即，非射频)形成的行进势阱可以向提取区域平移，以便遇到、拦截或“冲刷”在提取区域内形成的静态赝势垒的上升沿。通过上述方式，复合势阱由两节段形成：一节段包括行进势阱(由电压波形形成)中尚未到达赝势垒但邻近并接近赝势垒的部分；以及另一节段由赝势垒形成。
[0146]
复合势阱可以包括位于两个局部最大值之间的局部最小值。其中一个局部最大值(电压波形电势)可以向另一个局部最大值(赝势垒)移动，并且可以是静态的。在上述过程中，当行进势阱的尾部内壁朝向并冲刷赝势垒的正面时，局部最小值的电势会上升。局部最小值的电势可以继续上升，直至与赝势垒的峰值电势一致，此时，从局部最小值不再由两个局部最大值限定的意义上，势阱不再是阱。此时，复合势阱中的带电粒子从该阱以及轴向提取区域释放。需要注意的是，赝势垒的振幅或高度与设备内带电粒子的质荷比(m/z)成反比，这意味着从复合势阱释放给定带电粒子的条件，以及释放该带电粒子的时间，与所述的带电粒子的质荷比(m/z)成反比。因此，可以以质量辨别的方式轴向提取带电粒子：在质量电荷比(m/z)相对较小的粒子束内的粒子从同一阱释放之前，从给定的复合势阱释放质量电荷比(m/z)相对较大的势阱中的粒子束内的粒子。
[0147]
优选地，由电压波形(即，非射频)形成的行进势阱的尾部内壁的电压振幅或高度超过赝势垒的电压振幅或高度。优选地，由电压波形形成的行进势阱的前导壁的电压振幅可以超过赝势垒的电压振幅。该条件可以是关于质荷比(m/z)的带电粒子，设备(例如，离子引导器、离子阱或质量过滤器)被配置为传输该带电粒子，或者关于该带电粒子，设备内的带电粒子的轨迹是稳定的(即，对应于设备及其操作参数相关联的稳定性图中的“稳定区域”)。
[0148]
优选地，由电压波形形成的行进势阱的尾部内壁的电势梯度基本上是连续的并且取值有限(即，不包括值的巨大变化)，从而实现以下优点：当行进势阱的尾部内壁逆着赝势垒前进时，允许复合势阱的局部最小值随时间平滑且连续地上升，从而避免了复合势阱内的带电粒子由于与电势不连续相关的力脉冲而被加热或“踢”出势阱。
[0149]
赝势可以具有限定赝势垒峰值的局部最大值，其优选在提取区域内是静态的。优选地，赝势垒不具有局部最小值，从而避免了将带电粒子捕获在赝势垒内。
[0150]
轴向提取区域可以设置在或者由设备的通道的末端限定，用于在不同的时间释放
不同m/z的离子。例如，轴向提取区域可以包括限定电极系列的物理端(例如输出端)的电极系列的末端或最终聚束电极和/或径向约束电极。在这种情况下，例如，末端或最终聚束电极可以被驱动限定前述的行进势阱。可替代地，轴向提取区域可以包括非成束电极的末端或最终电极，和/或限定电极系列的物理端(例如输出端)的电极系列的径向约束电极。在这种情况下，例如，非聚束电极的末端或最终电极可以被驱动限定前述赝势垒。
[0151]
轴向提取区域可以包括一个或多个提取电极，该提取电极邻近通道的末端设置，并且与通道末端轴向间隔有限定加速区域(例如，包括电压斜升)的轴向间隔，在该加速区域内，通过施加到提取电极的电压和施加到设置在或限定设备的通道末端的电极的电压可以形成电势梯度。
[0152]
一个或多个提取电极可以在与限定设备的通道末端的电极间隔开的位置，使得在通道末端和一个或多个提取电极之间形成电势梯度。也可以通过向提取电极和通道的末端施加电压使其共同限定了自身之间间隔内的电势梯度，促使从通道释放的带电粒子远离通道的末端。一个或多个提取电极可以与设备的通道的末端间隔开(例如，成组或各自隔开)0.005m-0.02m左右的间隔，或者优选地0.005m-0.015m左右之间的间隔，例如0.01m左右。
[0153]
电势梯度值可以介于(-7000)v/m-(-100)v/m左右之间。电压的负值表示带正电粒子的加速电压。自然地，对于带负电的粒子，加速电压取正值，但模数相似。例如，电势梯度值可以介于(-7000)v/m-(-2000)v/m左右之间。在另一个例子中，电位梯度值可以是介于(-2000)v/m-(-100)v/m左右之间，或者更优选介于(-2000)v/m-(-200)v/m左右之间，或者依然更优选介于(-1500)v/m-(-200)v/m左右之间，或者愈加更优选地在(-1200)v/m-(-300)v/m左右之间。电势梯度可以根据电势的空间梯度来定义，该电势包括从设备的通道末端延伸/超出该末端的赝势(即在边缘场区域内)，并与从提取电极延伸的dc电势组合。
[0154]
设置在或限定通道端部的电极可以包括与聚束电极具有相同形状、形式和构造的电极。可替代地，设置在或限定通道端部的电极可以在形状、形式和/或构造上不同于聚束电极。
[0155]
该设备可以包括电源单元，该电源单元适用于向提取电极提供电源电压，以便产生限定dc电势的电场，该电势小于由形成通道的电极产生的电势的一个或多个局部最小值的所述最小值(例如，任何最小值)。电源单元可以适用于向提取电极提供加速dc电压。例如，正离子的dc电压值可以是介于(-5)v-0v左右之间，或介于(-4)v-0v左右之间，或介于(-3)v-0v左右之间，或介于约(-2)v-0v左右之间，或介于(-1)v-0v左右之间。电压可以是0v(即未施加电压，或者接地电压)。当然，当用于负离子时，电压值具有正极性而不是负极性。也可根据情况取其他电压值。
[0156]
该设备可以包括一个或多个带电粒子光学元件(例如，离子光学元件、透镜等)，被设置成接收从提取区域提取的带电粒子，并使接收到的带电粒子的轨迹相交。例如，一个或多个离子光学透镜(例如单透镜等)可以布置在提取区域的下游。例如，提取电极也可以发挥该至少部分带电粒子光学元件的的功能，有助于将提取的带电粒子引导和定位在提取区域下游的预期位置，例如飞行时间(tof)质谱仪(例如其飞行管)的入口处。相应地，提取的带电粒子可以被精确且有效地传送到tof光谱仪。
[0157]
例如，提取电极可以包括飞行时间(tof)质谱仪中的加速电极(也称为“推进器”或“脉冲发生器”电极)的至少一部分，并且还可发挥其功能。在沿下游方向行进并被引入飞行
时间(tof)质谱仪之后，带电粒子可以接近tof质谱仪的正交加速电极，在该电极处，带电粒子可以被正交加速电极产生的电场推动，以预定的定时沿tof质谱仪的飞行管的正交方向加速度开始飞行。从正交加速电极加速的带电粒子可以先在tof光谱仪的飞行调谐范围内的飞行空间中自由飞行，然后通过反射器形成的反射电场沿相反方向返回，以再次在飞行空间中自由飞行，直到带电粒子到达tof质谱仪的离子检测器。通过该方式，带电粒子在设备内的势阱内轴向平移，从而允许向tof供应带电粒子，并且在tof，输送的带电粒子的轴向运动可以在tof的飞行管内转换成正交运动，用于光谱tof测量。该设备可以包括该飞行时间(tof)质谱仪。本发明不限于任何特定类型的tof分析器(例如，可是具有多组反射镜的分析器)，前提是分析器的入口被设置为“推进器”或“脉冲发生器”。
[0158]
优选地，该设备可以被设置为向飞行时间(tof)质谱仪的加速电极施加推进器电压信号，该推进器电压信号被配置在正交加速电极处产生电场，以实现前述带电粒子的飞行。推动器电压信号可以是周期性的信号。推动器电压信号可以与施加到聚束电极的用以产生平移的势阱的周期性电压信号同步。周期性推动器电压信号的周期可以基本上匹配周期(k*t)，其中，t是施加到群聚电极以产生平移的势阱的周期性电压信号的周期(例如，连续势阱到达提取区域之间的时间周期)，并且k是正整数。根据预定的相位差或相位延迟，可以控制周期性推动器电压的相位与施加到聚束电极的周期性电压信号的相位异相。预定相位差或相位延迟可以根据带电粒子运输距离确定，该距离是提取区域(例如末端输出端)和加速电极(例如从提取区域到加速电极的下游行进距离)之间的空间间隔，借此可以实现推动器电压信号的预定时，以实现从提取区域提取的带电粒子的到达时间和在tof质谱仪的正交加速电极处施加推动器电压时间的同步。例如，相位延迟δφ可以确定为：
[0159][0160]
其中，v 是势阱的平移速度，t是施加到聚束电极的周期性电压信号的周期，而δx是带电粒子运输距离超过连续势阱之间的空间间隔的整数倍的量(例如，连续势阱内的相应位置或特征)。换句话说，带电粒子运输距离是：m
×
wδx，其中w是每个势阱的轴向长度(例如，沿通道方向的轴向长度)，m是正整数。其中v＝w/t。
[0161]
电源单元可以适用于向多个聚束电极提供电源电压波形(例如，根据上文所述的本发明第一方面和第二方面)，以便根据所施加的电压波形(即，形成前进阱的电势不是赝势，而是由电压波形形成的)限定势阱，该波形沿着至少部分长度的通道并朝向轴向提取区域平移。可以根据上述本发明第一方面的方式提供电压信号。电源单元可以适用于向提取区域一个或多个其他电极提供电源电压(例如，射频信号)，以便在通道内产生赝势。优选地，提取区域的至少一些电极被提供用于产生赝势垒(或其部分)的电压(例如，射频信号)，但不会在同一时间提供用于产生行进势阱的电压波形(例如，非射频)。
[0162]
优选地，电源单元可向多个电极的聚束电极提供电源电压波形，以便同时形成沿着通道轴向间隔分布的多个所述势阱。优选地，以此方式形成的多个所述势阱沿着至少部分长度的通道同步平移。优选地，多个势阱基本上等距相邻阵列分布。例如，给定势阱的局部最小值(和/或局部最大值或其他特征)和紧邻势阱的局部最小值(例如，等效特征或结构)之间的轴向间隔与多个势阱之间的间隔基本相同。
[0163]
优选地，电源单元可以适用于向聚束电极提供波形频率(即，1/t，其中t是波形周
期)大约为0.1khz-20khz的周期性电源电压波形，以便同时产生多个势阱。优选地，波形频率大约为1khz-4khz。电压波形可以限定施加到射频电压信号的调制波形，以便向射频电压信号的振幅提供“包络线”，或者电压波形可以在不含射频电压信号时作为时变交流电压波形单独施加。
[0164]
优选地，基本相同的时域波形被同时施加到多个聚束电极，每个聚束电极以不同于相邻聚束电极接收的波形相位的波形相位接收波形。特别地，波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。例如，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到前一个紧邻的第(n-1)个聚束电极的相同波形的相位更超前的波形相位。类似地，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到紧邻的第(n 1)个聚束电极的相同波形的相位滞后的波形相位。通过该方式，可以按时驱动各个聚束电极接收同一电压波形，但是各个聚束电极被“提供”了处于周期中稍微不同相位版本的电压波形。
[0165]
优选地，电源单元可以适用于向选定的数量为n(n为正正数)的连续聚束电极组或子集提供电压波形，使得施加到给定组的第一聚束电极的电压波形的相位基本等于施加到n聚束电极紧邻组的第一聚束电极的电压波形的相位。例如，电源单元可以适用于向给定的聚束电极组的n聚束电极提供电压波形，使得施加到该组的给定聚束电极的波形相位与施加到该组的紧邻着的聚束电极的相位具有约为δφ＝-360/n的相位差δφ，并且还与施加到该组的前一个聚束电极的相位具有约为δφ＝ 360/n的相位差δφ。因此，在给定时间内，波形的一个完整周期贯穿n聚束电极组。特别地，在此方面，波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。
[0166]
理想情况下，当电源单元可以适用于提供电压波形以产生多个势阱时，相邻势阱的间距可以根据多个电极限定的通道的横向尺寸或大小来配置。例如，如果那些电极是板状电极或平面电极，横向尺寸等于通道的内接直径，或者是相对电极之间的垂直间距。电源单元可以适用于通过调整n值来选择性地调整阱间距配置。较大的n值可能更适合于具有较大横向尺寸或直径的通道。发明人发现，上述调整可以使得对从设备中提取的带电粒子质量进行辨别时具有更高的辨别率。例如，优选地，n等于或大于8。
[0167]
优选地，波形频率使得势阱沿通道轴的平移速度v成比例：f
·
l，其中f是调制频率(赫兹)，l是聚束电极之间沿通道轴向的空间间隔，在空间间隔处存在所施加的电压波形(例如v＝f
·
l)的相同值(例如，相同相位)。
[0168]
电源单元可以适用于以上面关于本发明的第一(和第二)方面描述的方式向轴向分段聚束电极提供电源电压。例如，电源单元可以适用于提供根据具有周期(t)的波形变化的电源电压，并且沿着至少部分长度的所述通道平移电势，使得势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内的平移距离基本上等于自身长度(例如，沿着通道方向的轴向长度)。
[0169]
优选地，波形
[0170]
(a)在其周期内基本持续平稳(t)；并
[0171]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0172]
在数学中，“连续”函数(解析函数或数值函数)是指不含有被称为不连续性的任何数值突变、中断或跳跃的函数。术语“连续平稳”可以理解为包括对该含义的引用。优选地，波形(例如应用于波形u)的变化率在其周期(t)中基本上连续平稳。
[0173]
最优选地，波形在有限时间段(t
l
＜t)内不存在波形最大值。例如，有限时间段内可能只包含一个波形最小值。实际上，整个波形在其周期内可能只包含一个最小值，即t。
[0174]
电源电压可以包括根据波形时变的交流电压，不包括或调制任何潜在的射频电压信号。在后种情况下，势阱由“真”势而非赝势形成。
[0175]
在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)，可以在波形的适当相位将电源电压施加到诸如形成空间上连续的相邻电极组的各个轴向分段聚束电极上。
[0176]
在上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定，也就是说，波形的最小值实际上是恒定的，或者事实上或实际上是恒定的，或者至少在上述有限时间段(t
l
＜t)内变化不显著。如果在波形的周期(t)内，整个t
l
内波形值变化对应的变动不超过波形极限值之间的最大变动的预设百分比或比例(例如，波形峰间振幅u0的比例，或者波形最小值和最大值之间的差值的比例)，则可以说该波形变化不显著。例如，将x＝100
×
δu/u0定义为整个t
l
内允许的最大波形值的变化(δu)，表示为波形振幅(u0)的百分比(％)，优选：x≤10，或x≤5，或x≤2.5，或x≤1.0，或x≤0.5，或x≤0.25，或x≤0.1，或x≤0.05和x≤0.01。
[0177]
有限时间段(t
l
)可以表示为：t＞t
l
≥t/k，式中k是大于一(1)的任何正数(即，非整数或整数)(即k＞1)。优选地，k≥1.2。优选地，k≤20或k≤15或k≤10。优选地，例如1.2≤k≤8.0。
[0178]
将定义为t
l
的时间段，表示为周期t的百分比(％)，优选地：或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地
[0179]
优选地，具有波形振幅u0的波形(u))的一阶时间导数模数为：
[0180][0181]
在波形的上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，其中y＝50。例如50≥y≥1.4，或者更优选地，10≥y≥2，或者更优选地，7≥y≥3，例如y可以约等于5。在一些例子中，y≥1.4。在这个意义上，波形在有限时间段内基本恒定t
l
。优选地，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形(u))的一阶时间导数模数的平均值不超过值y。优选地，在上述有限时间段(t
l
)内，该模数的平均值不超过0.5y，或者优选地0.25y，或者优选地0.1y，或者优选地0.05y，或者优选地0.01y，或者优选地0.001y。在这个意义上，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定。
[0182]
优选地，至少在波形的周期(t)内的时间间隔t
l
内，波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期(t)内基本上连续。优选地，在波形的上述周期(t)中，具有波形振幅u0的波形的一阶时间导数模数的取值可以表示为
[0183][0184]
更优选地，该模数可不大于75，或更优选不大于50，或更优选不大于20，或更优选大约大于10且小于15，例如约12。优选地，波形(u)包括或者至少部分根据“误差函数”(erf)来定义。
[0185]
优选地，波形形状和/或波形频率(即f＝1/t，其中t是波形周期)使得在预定的有限时间间隔t
l
内，波形的电压值不大于波形周期内波形的最大电压值的10％左右，其中t
l
≥t/n。其中，n是聚束电极的每个子集中的聚束电极的数量，其中聚束电极的每个子集支持波形的相应周期。更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的5％左右。进一步更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的3％左右。愈加更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的2％左右，或优选地1％、0.5％、0.25％、0.1％或0.01％左右。最优选地，在时间间隔t
l
内波形的电压值接近于零。
[0186]
理想情况下，波形形状根据数学函数定义。数学函数可以包括分析函数(即，表示为数学方程)或者可以是数值函数。优选地，第一电源电压可以采取以下形式：
[0187]
v(f，t，t)＝u(2πt/t φ)*ξ(2πft φ)
[0188]
其中函数u(2πt/t φ)将波形表示为具有周期t(s)、相位φ和振幅u0的周期调制函数。函数ξ(2πft φ)可以是具有频率f和相位φ的快速振荡(例如，射频)周期函数，或者在第一电源电压内不存在射频分量的情况下可以是恒定值(例如，类似于设置：f＝0)。例如，波形u(2πt/t φ)的形状可以至少部分地包括“误差函数”(erf(y))的形状，使得：
[0189][0190]
在波形的周期t的至少部分时间段内，其中：
[0191][0192]
并且变量y与t和t成比例(例如具有函数关系)。例如，变量y可能与比率t/t成比例(例如y～t/t)。优选地，波形u(2πt/t φ)总是正值，或者总是负值。优选地，波形u(2πt/t φ)是连续函数。优选地，波形u(2πt/t φ)具有最大值，该值在波形的周期(t)内的有限时间段(th＜t)内基本恒定。优选地，该最大值可以对应于势阱的局部最大值。优选地，在波形周期t内，波形u(2πt/t φ)在时间间隔th和前述时间间隔t
l
之间基本上连续变化。
[0193]
该设备可以包括：第一电源单元，适用于向电极间的轴向分段聚束电极提供第一电源电压，以便在通道内产生限定势阱的电场；以及单独的第二电源单元，适用于向电极间的径向约束电极提供第二电源电压，以便在通道内产生径向约束电场，该电场被配置为在通道的径向上约束离子。电源单元的独立设置可以允许施加到聚束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制独立于施加到径向约束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制。上述设置易于操作并能降低制造复杂性和制造成本。
[0194]
电源单元可以适用于向轴向分段约束电极提供第二电源电压(例如，射频信号或
非射频电压波形)，以在通道内产生径向(即，横切于通道轴)约束电势(例如，赝势或其他电势)。优选地，第二电源电压的振幅基本恒定。优选地，第二电源电压的振幅并不按时调制。径向约束电极上施加的第二电源电压结合轴向分段聚束电极可产生径向约束电场(电势)。该系列电极可以被配置为四极离子导向器。径向约束电场(电势)可以被配置为四极场。本发明适用于更多极数的高阶电场和离子导向器，级数包括但不限于：六极、八极、十极等。
[0195]
根据本领域技术人员容易获得并在相关现有技术中发现的技术，电源单元可以适用于产生具有预期振幅(例如几百伏)的射频电压信号。例如，可向径向约束电极施加该电压信号。电源单元可通过以预定的射频切换频率在两个预选的电压电平之间切换来产生具有方波波形的射频电压信号。以任何期望的方式或时变率(但是优选以远低于预定的射频切换速率的速率)随时间改变两个预定电压电平或之一。相应地，通过一个或两个预定电压电平时变特性，提供了射频波形的振幅调制包络线。时变可以是周期性的时变。射频电压信号的振幅调制包络线的波形形状可以由用户预定。理性情况下，振幅调制包络线的波形形状可包括(调制)振幅在所述时间间隔(t)内的有限时间段(t
l
)内保持基本恒定(例如非零或基本为零)取值的部分，其中有限时间段(t
l
)对应于前述局部最小值。如上述的本发明的第一方面内容。
[0196]
电源单元可以包括技术人员容易获得的任何合适的电子高频开关装置(例如精确定时的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet))。这意味着，波形的快速振荡射频分量实际上并不是正弦波形，而是类似于方波。通过，例如，电控制高频(例如，射频)开关来提供射频电压信号，从而选择性地将相应的聚束电极交替电连接到正电源轨和负电源轨，以提供波形的射频振荡分量。
[0197]
在另一方面，本发明可以提供包括上述设备的离子导向器、质量过滤器、质量分析器或离子阱。在又一方面，本发明可以提供包括上述设备的飞行时间质量分析器(例如正交加速飞行时间质量分析器)。
[0198]
上述设备实现了相应的带电粒子的操纵方法，即本发明的另一个相应的方面披露的内容。照此，本发明上文描述的设备特征将被理解为用于实现相应方法。
[0199]
相应地，在第四方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵方法，该方法包括：
[0200]
提供系列电极，被设置为形成用于传输带电粒子的通道；
[0201]
提供电源单元，通过其提供电压；
[0202]
(a)系列电极中的轴向分段聚束电极，以便产生限定所述通道内电势的电场，该电势在限定沿着至少部分长度的通道平移的势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，
[0203]
(b)以及系列电极中的径向约束聚束电极，以便在通道内产生径向限制电场，该电场被配置成在径向上将带电粒子限制在通道内；以及
[0204]
提供轴向提取区域，其包括电极系列中的电极，该电极至少设置在或限定该设备的通道的一端，并接收电源电压，从而在通道内产生限定赝势的电场，使得势阱的深度根据其中传输的带电粒子的质荷比(m/z)而变化，并且随着势阱的局部最大值朝向和/或沿着轴向提取区域轴向平移而减小，从而在不同的时间释放传输的不同质荷比(m/z)的带电粒子。
[0205]
该方法可以包括：控制电势阱包括含有一个或多个局部最小值的阱底或基础，由两个单独的分别含有或限定两个局部最大值的阱壁限定，阱壁位于阱底的相应的两个相对
侧。该方法可以包括：控制势阱包括前导局部最大值(或前导阱壁)和尾随局部最大值(或尾随阱壁)，其中前导局部最大值在势阱的平移方向上领先或先于尾随局部最大值。换句话说，优选地，尾随局部最大值(或尾随阱壁)跟随前导局部最大值(或尾随阱壁)。
[0206]
该方法可以包括：控制限定阱底的电势值基本平稳变化，并且优选仅包括一个局部最小值。该方法可以包括：控制由两个阱壁限定的局部最小值连续，基本上没有(或至少基本上没有)不连续的值或梯度。
[0207]
该方法可以包括：控制势阱的深度随着势阱朝着轴向提取区域或沿着轴向提取区域轴向平移减小。
[0208]
减少势阱深度，还可控制当势阱朝向和/或通过提取区域移动时，势阱的局部最大值的高度减少：阱深度由局部最小值和相邻的局部最大值(例如，最低值)之间的电势差来限定。可替代地，或者另外地，减少势阱深度，还可控制当势阱朝向和/或通过提取区域移动时，势阱的局部最大值的高度增加：阱深度由局部最小值和相邻局部最大值(例如，最低值)之间的电势差来限定。
[0209]
阱深的减小(即，减小局部最大值的高度)可以通过边缘场减小前进势阱的前导壁高度，和/或通过在提取区域外部施加外部直流(dc)电势来减小前进势阱的前导壁高度。外部dc电势可以包括在轴向提取区域(例如末端电极/输出端)和提取区域之外的离子导向器外部的外部电极之间产生的电势梯度。可以以任何合适的方式选择和施加外部dc电势，当或者紧随行进势阱离开由该系列电极限定的通道并进入由电极形成的边缘场区域，减少该系列电极限定的通道内和/或部分在该系列电极之外的前进势阱的前导壁的高度。轴向提取区域可以包括轴向分段聚束电极，通道的末端电极可以包括轴向分段聚束电极，该方法可以包括：控制向末端轴向分段聚束电极提供电源电压，使得行进势阱的所有部分最终行进到达通道的末端电极(例如，一旦后部到达通道的末端电极，行进的前部不会停止)，从而可以确保行进势阱的所有部分行进入通道的边缘场区域。
[0210]
阱深的减小(即增加局部最小值的高度)可以通过改变行进势阱形成的复合势阱的动态形状实现，该行进势阱邻接并向上移动到单独的赝势垒，并不是赝势阱。鉴于该行进势阱朝着赝势垒前进，有利于提高复合势阱的底部高度。
[0211]
该方法可以包括：以射频电压信号的形式向轴向分段聚束电极提供电源电压。相应地，上述方式提供的聚束电极可以产生限定伪电势的电场。该电势可以在限定势阱的局部最大值之间具有前述的一个或多个局部最小值。分段聚束电极可以包括至少设置在或限定设备通道一端的电极。该方法可以包括：以射频电压信号的形式向电极提供电压，所述电极至少设置在或限定设备的通道的一端，使得电极可以产生限定赝势的电场。该电势可以在限定势阱的局部最大值之间具有前述的一个或多个局部最小值，该势阱沿着通道的提取区长度方向传输。在该方法中，可以使得射频电压信号被提供给聚束电极以产生势阱，可同时被提供给设置在或限定通道的末端且将被提供射频电压信号的电极。因此，赝势阱可以平移通过提取区域并到达通道的末端输出端。通过该方式，赝势行进阱可以被传输到设备的边缘场区域。
[0212]
可替代地，该方法可以包括：以与射频电压信号相反的电压波形形式向轴向分段聚束电极提供电源电压。相应地，上述方式提供的聚束电极可以产生限定伪电势的电场。该电势可以在限定势阱的局部最大值之间具有前述的一个或多个局部最小值。该方法可以包
(-200)v/m左右之间，或者愈加更优选地在(-1200)v/m-(-300)v/m左右之间。电势梯度可以根据电势的空间梯度来定义，该电势包括从设备的通道末端延伸/超出该末端的赝势(即在边缘场区域内)，并与从提取电极延伸的dc电势组合。
[0222]
该方法可以包括：向提取电极提供电源电压，以便产生限定dc电势的电场，该电势小于由形成通道的电极产生的电势的一个或多个局部最小值的所述最小值(例如，任何最小值)。该方法可以包括：向提取电极提供加速dc电压。正离子的dc电压值可以是介于(-5)v-0v左右之间，或介于(-4)v-0v左右之间，或介于(-3)v-0v左右之间，或介于(-2)v-0v左右之间，或介于(-1)-0v左右之间。电压可以是0v(即未施加电压，或者接地电压)。当然，当用于负离子时，电压值具有正极性而不是负极性。也可根据情况取其他电压值。
[0223]
该方法可以包括提供一个或多个带电粒子光学元件(例如，离子光学元件、透镜等)，并借其接收从提取区域提取的带电粒子，并使接收到的带电粒子的轨迹相交。
[0224]
该方法可以包括：使提取电极作为飞行时间(tof)质谱仪中的加速电极(也称为“推进器”或“脉冲发生器”电极)的至少一部分。
[0225]
该方法可以包括：向飞行时间(tof)质谱仪的加速电极施加推进器电压信号，该推进器电压信号被配置在正交加速电极处产生电场，以实现前述带电粒子的飞行。推动器电压信号可以是周期性的信号。推动器电压信号可以被控制与施加到聚束电极的用以产生平移的势阱的周期性电压信号同步。该方法可以包括：控制周期性推动器电压信号的周期基本上匹配周期(t)，该周期是施加到群聚电极以产生平移的势阱的周期性电压信号的周期(例如，连续势阱到达提取区域之间的时间周期)。该方法可以包括：根据预定的相位差或相位延迟，控制周期性推动器电压的相位与施加到聚束电极的周期性电压信号的相位异相。预定相位差或相位延迟可以根据带电粒子运输距离确定，该距离是提取区域(例如末端输出端)和加速电极(例如从提取区域到加速电极的下游行进距离)之间的空间间隔，借此可以实现推动器电压信号的预定时，以实现从提取区域提取的带电粒子的到达时间和在tof质谱仪加速电极处施加推动器电压时间的同步。例如，相位延迟δφ可以确定为：
[0226][0227]
其中，v 是势阱的平移速度，t是施加到聚束电极的周期性电压信号的周期，而δx是带电粒子运输距离超过连续势阱之间的空间间隔的整数倍的量(例如，连续势阱内的相应位置或特征)。换句话说，带电粒子运输距离是：m
×
wδx，其中w是每个势阱的轴向长度(例如，沿通道方向的轴向长度)，m是正整数。
[0228]
该方法可以包括：向轴向分段聚束电极提供电源电压(例如，射频信号)，并由此在通道内产生电势(例如，赝势或其他电势)，该电势在限定所述势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值。该方法可以包括：向至少限定通道的提取区域的连续聚束电极提供电源电压。可以根据上述本发明第一方面的方式提供电压信号。该方法可以包括向多个聚束电极提供电源电压(例如，射频信号)，以便限定赝势阱(即，形成行进阱的电势是赝势)，该赝势阱沿着至少部分长度的通道平移到轴向提取区域并穿过轴向提取区域。
[0229]
可替代地，电源单元可以适用于向多个聚束电极提供电源电压波形，以便根据所施加的电压波形(即，形成前进阱的电势不是赝势，而是由电压波形形成的)限定势阱，该波形沿着至少部分长度的通道并朝向轴向提取区域平移。可以根据上述本发明第一方面的方
式提供电压信号。电源单元可以适用于向提取区域一个或多个其他电极提供电源电压(例如，射频信号)，以便在通道内产生赝势。优选地，提取区域的至少一些电极被提供用于产生赝势垒(或其部分)的电压，但不会在同一时间提供用于产生行进势阱的电压波形(例如，非射频)。
[0230]
该方法可以包括：向多个电极的聚束电极提供所述电源电压波形，以便同时形成沿着通道轴向间隔分布的多个所述势阱。优选地，以此方式形成的多个所述势阱沿着至少部分长度的通道同步平移。优选地，多个势阱基本上等距相邻阵列分布。例如，给定势阱的局部最小值(和/或局部最大值或其他特征)和紧邻势阱的局部最小值(例如，等效特征或结构)之间的轴向间隔与多个势阱之间的间隔基本相同。
[0231]
该方法可以包括：向聚束电极提供波形频率(即1/t，其中t是波形周期)大约为0.1khz-20khz的周期性电源电压波形，以便产生所述势阱，或者同时产生多个势阱。优选地，波形频率大约为1khz-4khz。电压波形可以限定施加到射频电压信号的调制波形，以便向射频电压信号的振幅提供“包络线”，或者电压波形可以在不含射频电压信号时作为时变交流电压波形单独施加。
[0232]
优选地，该方法包括：将基本相同的时域波形同时施加到多个聚束电极，每个聚束电极以不同于相邻聚束电极接收的波形相位的波形相位接收波形。特别地，波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。例如，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到前一个紧邻的第(n-1)个聚束电极的相同波形的相位更超前的波形相位。类似地，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到紧邻的第(n 1)个聚束电极的相同波形的相位滞后的波形相位。以这种方式，可以按时驱动各个聚束电极接收同一电压波形，但是各个聚束电极被“提供”了处于周期中稍微不同相位版本的电压波形。
[0233]
优选地，该方法包括：向选定的数量为n的连续聚束电极组或子集施加电压波形，使得施加到给定组的第一聚束电极的电压波形的相位基本等于施加到n聚束电极紧邻组的第一聚束电极的电压波形的相位。优选地，该方法包括：向给定的聚束电极组的n聚束电极提供电压波形，使得施加到该组的给定聚束电极的波形相位与施加到该组的紧邻着的聚束电极的相位具有约为δφ＝-360/n的相位差δφ，并且还与施加到该组的前一个聚束电极的相位具有约为δφ＝ 360/n的相位差δφ。因此，在给定时间内，波形的一个完整周期贯穿n聚束电极组。特别地，在此方面，波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。
[0234]
优选地，该方法包括：施加电压波形以产生多个势阱时，相邻势阱的间距可以根据多个电极限定的通道的横向尺寸或大小来配置。例如，如果那些电极片是平面极片，横向尺寸等于通道的内接直径，或者是相对电极之间的垂直间距。优选地，该方法包括：通过调整n值来选择性地调整阱间距配置。
[0235]
优选地，波形频率使得势阱沿通道轴的平移速度v成比例：f
·
l，其中f是调制频率(赫兹)，l是聚束电极之间沿通道轴向的空间间隔，在空间间隔处存在所施加的电压波形(例如v＝f
·
l)的相同值(例如，相同相位)。
[0236]
该方法可以包括：以上面关于本发明的第一(和第二)方面描述的方式向轴向分段聚束电极提供电源电压。例如，电源电压根据具有周期(t)的波形变化，沿着至少部分长度的所述通道平移电势，使得势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内的平移距离基本上等
于自身长度(例如，沿着通道方向的轴向长度)。优选地，波形
[0237]
(a)在其周期内基本持续平稳(t)；并
[0238]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0239]
优选地，波形(例如应用于波形u)的变化率在其周期(t)中基本上连续平稳。最优选地，波形在有限时间段(t
l
＜t)内不存在波形最大值。例如，有限时间段内可能只包含一个波形最小值。实际上，整个波形在其周期内可能只包含一个最小值，即t。
[0240]
该方法可以包括提供电源电压，其包括根据波形时变的交流电压，不包括或调制任何潜在的射频电压信号。在后种情况下，势阱由“真”势而非赝势形成。
[0241]
在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)，可以在波形的适当相位将电源电压施加到诸如形成空间上连续的相邻电极组的各个轴向分段聚束电极上。
[0242]
在上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定，也就是说，波形的最小值实际上是恒定的，或者事实上或实际上是恒定的，或者至少在上述有限时间段(t
l
＜t)内变化不显著。如果在波形的周期(t)内，整个t
l
内波形值变化对应的变动不超过波形极限值之间的最大变动的预设百分比或比例(例如，波形峰间振幅u0的比例，或者波形最小值和最大值之间的差值的比例)，则可以说该波形变化不显著。例如，将x＝100
×
δu/u0定义为整个t
l
内允许的最大波形值的变化(δu)，表示为波形振幅(u0)的百分比(％)，优选：x≤10，或x≤5，或x≤2.5，或x≤1.0，或x≤0.5，或x≤0.25，或x≤0.1，或x≤0.05和x≤0.01。
[0243]
有限时间段(t
l
)可以表示为：t＞t
l
≥t/k，式中k是大于一(1)的任何正数(即，非整数或整数)(即k＞1)。优选地，k≥1.2。优选地，k≤20或k≤15或k≤10。优选地，例如1.2≤k≤8.0。
[0244]
将定义为t
l
的时间段，表示为周期t的百分比(％)，优选地：或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地
[0245]
优选地，具有波形振幅u0的波形(u))的一阶时间导数模数为：
[0246][0247]
在波形的上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，其中y＝50。例如50≥y≥1.4，或者更优选地，10≥y≥2，或者更优选地，7≥y≥3，例如y可以约等于5。在一些例子中，y≥1.4。在这个意义上，波形在有限时间段内基本恒定t
l
。优选地，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形(u))的一阶时间导数模数的平均值不超过值y。优选地，在上述有限时间段(t
l
)内，该模数的平均值不超过0.5y，或者优选地0.25y，或者优选地0.1y，或者优选地0.05y，或者优选地0.01y，或者优选地0.001y。在这个意义上，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定。
[0248]
优选地，至少在波形的周期(t)内的时间间隔t
l
内，波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的
基本整个周期(t)内基本上连续。优选地，在波形的上述周期(t)中，具有波形振幅的波形的一阶时间导数模数的取值可以表示为：
[0249][0250]
更优选地，该模数可不大于75，或更优选不大于50，或更优选不大于20，或更优选大约大于10且小于15，例如约12。优选地，波形(u)包括或者至少部分根据“误差函数”(erf)来定义。
[0251]
优选地，波形形状和/或波形频率(即f＝1/t，其中t是波形周期)使得在预定的有限时间间隔t
l
内，波形的电压值不大于波形周期内波形的最大电压值的10％左右，其中t
l
≥t/n。其中，n是聚束电极的每个子集中的聚束电极的数量，其中聚束电极的每个子集支持波形的相应周期。更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的5％左右。进一步更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的3％左右。愈加更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的2％左右，或优选地1％、0.5％、0.25％、0.1％或0.01％左右。最优选地，在时间间隔t
l
内波形的电压值接近于零。
[0252]
优选地，至少在时间间隔t
l
内，波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。
[0253]
理想情况下，波形形状根据数学函数定义。数学函数可以包括分析函数(即，表示为数学方程)或者可以是数值函数。优选地，第一电源电压可以采取以下形式：
[0254]
v(f，t，t)＝u(2πt/t φ)*ξ(2πft φ)
[0255]
其中函数u(2πt/t φ)将波形表示为具有周期t(s)、相位φ和振幅u0的周期调制函数。函数ξ(2πft φ)可以是具有频率f和相位φ的快速振荡(例如，射频)周期函数，或者在第一电源电压内不存在射频分量的情况下可以是恒定值(例如，类似于设置：f＝0)。例如，波形u(2πt/t φ)的形状可以至少部分地包括“误差函数”(erf(y))的形状，使得：
[0256][0257]
在波形的周期t的至少部分时间段内，其中：
[0258][0259]
并且变量y与t和t成比例(例如具有函数关系)。例如，变量y可能与比率t/t成比例(例如y～t/t)。优选地，波形u(2πt/t φ)总是正值，或者总是负值。优选地，波形u(2πt/t φ)是连续函数。优选地，波形u(2πt/t φ)具有最大值，该值在波形的周期(t)内的有限时间段(th＜t)内基本恒定。优选地，该最大值可以对应于势阱的局部最大值。优选地，在波形周期t内，波形u(2πt/t φ)在时间间隔th和前述时间间隔t
l
之间基本上连续变化。
[0260]
优选地，该方法包括：提供第一电源单元，通过其向电极间的轴向分段聚束电极提供第一电源电压，以便在通道内产生限定势阱的电场；以及提供单独的第二电源单元，通过其向电极间的径向约束电极提供第二电源电压，以便在通道内产生径向约束电场，该电场被配置为在通道的径向上约束离子。
[0261]
在另一方面，本发明可以提供一种用于控制离子导向器、质量过滤器、质量分析器或离子阱的方法，该方法包括上述方法。在又一方面，本发明可以提供包括上述方法的飞行时间质量分析器(例如正交加速飞行时间质量分析器)的控制方法。
[0262]
在另一个方面，本发明可以提供一种具有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令被设置成指示质谱分析装置或离子导向装置或质量过滤装置或质量分析器装置或飞行时间质量分析器装置或离子捕获装置执行上述方法。该装置可以包括信号处理单元，或者可以包括处理器或编程的或可编程的计算机(例如，包括含计算机程序的计算机可读介质)，以实现计算机可执行指令。
[0263]
本公开的第五方面涉及对成束离子传输的离子导向器中离子注入的改进。更详细地，本公开在该方面涉及使用新的波形(如在本公开的第一方面中)来简化和改进将离子注入到设备的选定势阱中。与现有技术相比，本公开在该方面的主要益处在于显著简化了电子设备。
[0264]
相应地，在第五方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵设备，该设备包括：
[0265]
系列电极，被设置为形成用于传输带电粒子的通道；
[0266]
电源单元，适用于向所述电极中的轴向分段聚束电极提供第一电源电压，以便产生限定所述通道内电势的电场，该电势在限定选择性地沿着至少部分长度的通道平移的势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值；和
[0267]
电源单元，适用于向所述电极中的径向约束电极提供第二电源电压，以便在所述通道内产生径向约束电场，该电场被配置为将带电粒子径向约束在通道内；
[0268]
其中该系列电极的电极在通道内限定了用于收集带电粒子的收集区域，以及用于从收集区域传输收集的带电粒子的传输区域；和
[0269]
电源单元适用于向限定收集区域的电极施加第一电源电压，该第一电源电压被选择性地配置为：
[0270]
(1)收集电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以在电场内收集带电粒子；或者
[0271]
(2)传输电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以通过收集区域将带电粒子平移到传输区域；
[0272]
其中收集电压信号产生限定基本静态势阱的电场，传输电压产生限定所述平移的势阱的电场。
[0273]
优选地，通过平移静态势阱来创建平移势阱。
[0274]
优选地，收集电压信号包括电压波形，该电压波形(包括非射频电压信号时)的振幅或该电压波形(包括射频信号时)的调制包络线在时间上基本恒定(即，时间上是静态的，或者不具有时变性)。
[0275]
优选地，电源单元适用于通过对收集电压信号施加周期性时变选择性地将收集电压信号转变为传输电压信号，从而平移由收集电压信号产生的势阱。
[0276]
理想情况下，该变化与施加到限定传输区域的电极的传输电压信号相协调，该传输区域产生限定所述势阱的电场，用于将带电粒子平移通过传输区域。
[0277]
上述协调可以具体为，施加到限定收集区末端的聚束电极的传输电压信号与施加到紧邻收集区末端的传输区聚束电极的传输电压信号的值相匹配。通过匹配，施加到跨越
收集区域和传输区域的相邻端的聚束电极的传输电压值的分布可以与施加到沿着(例如，全部沿着)传输区域延伸的聚束电极的传输电压的分布一致。上述协调可以具体为，施加到限定收集区域末端的聚束电极的传输电压信号的值以及其中的任何时变与施加到紧邻收集区域末端的传输区域的聚束电极的传输电压信号的值以及其中的任何时变相协调。例如，当施加到收集区域和传输区域的聚束电极的各个传输电压信号具有周期性，并且由具有波形周期t的波形定义时，则当第一电源电压被选择性地配置为时间段δt的收集电压信号时，实现协调，该时间段基本上等于波形周期的整数倍：δt＝nt，其中n＝1,2,3
…
。
[0278]
例如，波形可以沿着波形的周期在不同的阶段同时施加到不同的聚束电极。优选地，收集区域的末端聚束电极和传输区域的相邻聚束电极之间的差异与收集区域和/或传输区域的任意两个相邻聚束电极之间的相位差相同。换句话说，优选地，当施加到位于收集区域和传输区域之间的连接/界面/过渡的任一侧的聚束电极时，波形相位的空间分布是根据沿着离子导向通道空间重复的模式。例如，可以选择n相位阶跃(n整数)，阶跃横跨波形的周期等间隔的相位阶跃。优选地，在施加传输电压信号时，施加到收集区域的各个电极的电压的n个不同相位可以与施加到传输区域的电极的电压的n个不同相位同步。然而，在施加收集电压信号时，施加到收集区域的电极的电压的n个相位在任何选定的相位角被“冻结”，而施加到传输区域的电极的电压的n个相位未被冻结。在时间间隔nt(n＝整数)之后，施加到收集区域的电压的n个相位随后被“解冻”。类似地，平移电压的时间段也可以具有nt时间间隔或时间段。收集电压信号的不同施加事件(即，在不同时间)可以具有不同的时间间隔mt(mt＝整数)，使得m≠n。在一些实施方式中，跨越在收集区域中应用的波形周期的等距相位阶跃(不同相位)n
collect
的数量可以不同于跨越在传输通道中应用的波形周期的相位n
trans
的数量。跨越收集区域的轴向分段聚束电极的数量可以等于n，或者可以是n的整数倍。
[0279]
理想情况下，限定收集区域的电极与限定传输区域的电极相邻、对齐或邻接，使得收集区域与传输区域连通。通过该方式，当收集电压转变为传输电压时，由限定收集区域的电极收集在收集区域中的带电粒子可以被输送到传输区域。优选地，包含在收集区域内的径向约束电极也可以是轴向分段电极(例子在本说明书中被称为“双分段”)。可选地，施加到收集区域的轴向分段聚束电极(和/或施加到径向约束电极的第二电源电压信号)的第一电源电压信号可以包括振幅大于施加到传输区域的轴向分段聚束电极(和/或施加到径向约束电极的第二电源电压信号)的电压振幅的波形。
[0280]
第一电源电压信号可以包括周期性电压波形信号(例如，非射频信号)，或者可以包括其振幅由周期性调制波形调制的射频信号。
[0281]
电源单元可以适用于向轴向分段聚束电极提供第一电源电压(例如，射频信号)，以在通道内产生电势(例如，赝势或其他电势)，该电势在限定所述势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值。电源单元可以适用于向至少限定通道的收集区域的连续聚束电极提供第一电源电压。可以根据上述本发明第一方面的方式提供第一电源电压信号。例如，电源单元可以适用于向多个聚束电极提供第一电源电压信号(例如，射频信号)，以便限定赝势阱(即，形成静态或平移阱的电势是赝势)，该赝势阱沿着至少部分长度的收集区域的选择性地静止或平移。
[0282]
可替代地，电源单元可以适用于向多个聚束电极提供第一电源电压信号波形，以便根据所施加的电压波形(即，形成静态或平移阱的电势不是赝势，而是由电压波形形成
的)限定势阱，该波形沿着至少部分长度的收集区域选择性静止或平移。可以根据上述本发明第一方面的方式提供第一电源电压信号。电源单元可以适用于向收集区域一个或多个其他电极提供第一电源电压信号(例如，射频信号)，以便在通道内产生赝势。优选地，收集区域的至少一些电极被提供用于产生赝势阱(或其部分)的电压但不会在同一时间提供用于产生平移势阱的电压波形。
[0283]
优选地，电源单元可以适用于向多个电极的聚束电极提供第一电源电压信号波形，以便在收集区域内同时形成单个所述势阱，或者也可选择在收集区域内沿着通道轴形成间隔开的多个所述势阱。优选地，通过上述方式形成的所述势阱(如果有多个)在收集区域内沿着至少部分长度的通道都保持静止或一同平移。
[0284]
优选地，电源单元适用于向所述电极系列中的轴向分段聚束电极提供第一电源电压信号，以便在限定传输区域的通道的收集区域之外的部分内产生限定电势的电场。传输区内的电势可以包括限定势阱的局部最大值之间的一个或多个局部最小值，该势阱选择性地沿着至少部分长度的通道平移。
[0285]
电源单元可以适用于以所述传输电压信号的形式向传输区域的电极提供所述第一电源电压信号，以产生电场，该电场在收集区域内限定一个或多个平移势阱，用于平移带电粒子通过传输区域。
[0286]
优选地，传输区域中的多个平移势阱基本上等距相邻阵列分布。例如，给定势阱的局部最小值(和/或局部最大值或其他特征)和紧邻势阱的局部最小值(例如，等效特征或结构)之间的轴向间隔与多个势阱之间的间隔基本相同。
[0287]
优选地，电源单元可以适用于向聚束电极提供波形频率(即，1/t，其中t是波形周期)大约为0.1khz-20khz的周期性第一电源电压信号波形，以便同时产生多个势阱。优选地，波形频率大约为1khz-4khz。电压波形可以限定施加到射频电压信号的调制波形，以便向射频电压信号的振幅提供“包络线”，或者电压波形可以在不含射频电压信号时作为时变交流电压波形单独施加。
[0288]
优选地，基本相同的时域波形被同时施加到多个聚束电极，每个聚束电极以不同于相邻聚束电极接收的波形相位的波形相位接收波形。特别地，电压波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。例如，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到前一个紧邻的第(n-1)个聚束电极的相同波形的相位更超前的波形相位。类似地，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到紧邻的第(n 1)个聚束电极的相同波形的相位滞后的波形相位。通过该方式，可以按时驱动各个聚束电极接收同一电压波形，但是各个聚束电极被“提供”了处于周期中稍微不同相位版本的电压波形。
[0289]
优选地，当第一电源电压被选择性地配置为：
[0290]
(1)收集电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以在电场内收集带电粒子，并且施加到收集区域内的每个聚束电极的电压波形的相位具时变性；或者
[0291]
(2)传输电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以通过收集区域将带电粒子平移到传输区域，并且施加到收集区域内的每个聚束电极的电压波形的相位具有时变性。
[0292]
通过该方式，通过这种方式，可以控制第一电源电压信号从时间上或相位上的“静
态”变化到时间上或相位上的变化，反之亦然。
[0293]
类似地，施加到传输区域的聚束电极的第一电源电压可以被配置为传输电压信号，用于在运输区域内产生限定所述势阱的电场，将带电粒子平移通过传输区域，并且施加到传输区域内的每个聚束电极的电压波形的相位具有时变性。
[0294]
优选地，电源单元可以适用于向选定的数量为n的连续聚束电极组或子集提供第一电源电压的电压波形，使得施加到给定组的第一聚束电极的电压波形的相位基本等于施加到n聚束电极紧邻组的第一聚束电极的电压波形的相位。例如，电源单元可以适用于向给定的聚束电极组的n聚束电极提供电压波形，使得施加到该组的给定聚束电极的波形相位与施加到该组的紧邻着的聚束电极的相位具有约为δφ＝-360/n的相位差δφ，并且还与施加到该组的前一个聚束电极的相位具有约为δφ＝ 360/n的相位差δφ。因此，在给定时间内，波形的一个完整周期贯穿n聚束电极组。特别地，在此方面，波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。
[0295]
理想情况下，当电源单元可以适用于提供第一电源电压的电压波形，以在传输区域和可选的收集区域产生多个势阱时，相邻势阱的间距可以根据多个电极限定的通道的横向尺寸或大小来配置。例如，如果那些电极是板状电极或平面电极，横向尺寸等于通道的内接直径，或者相对电极之间的垂直间距。电源单元可以适用于通过调整n值来选择性地调整阱间距配置。较大的n值可能更适合于具有较大横向尺寸或直径的通道。例如，优选地，n等于或大于8。
[0296]
优选地，第一电源电压波形的频率使得势阱沿通道轴的平移速度v成比例：f
·
l，其中f是调制频率(赫兹)，l是聚束电极之间沿通道轴向的空间间隔，在空间间隔处存在所施加的电压波形(例如v＝f
·
l)的相同值(例如，相同相位)。
[0297]
电源单元可以适用于以上面关于本发明的第一(和第二)方面描述的方式向轴向分段聚束电极提供第一电源电压。例如，电源单元可以适用于提供根据具有周期(t)的波形变化的第一电源电压，并且沿着至少部分长度的所述通道平移电势，使得势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内的平移距离基本上等于自身长度(例如，沿着通道方向的轴向长度)。
[0298]
优选地，波形
[0299]
(a)在其周期内基本持续平稳(t)；并
[0300]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0301]
在数学中，“连续”函数(解析函数或数值函数)是指不含有被称为不连续性的任何数值突变、中断或跳跃的函数。术语“连续平稳”可以理解为包括对该含义的引用。优选地，波形(例如应用于波形u)的变化率在其周期(t)中基本上连续平稳。
[0302]
最优选地，波形在有限时间段(t
l
＜t)内不存在波形最大值。例如，有限时间段内可能只包含一个波形最小值。实际上，整个波形在其周期内可能只包含一个最小值，即t。
[0303]
第一电源电压可以包括根据波形时变的交流电压，不包括或调制任何潜在的射频电压信号。在后种情况下，势阱由“真”势而非赝势形成。可选地，第一电源电压可以包括具有调制振幅的射频电压信号分量，该调制振幅的值根据波形发生时变。在后种情况下，势阱由赝势形成。
[0304]
在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)，可以在波形的适当相位将电源电
压施加到诸如形成空间上连续的相邻电极组的各个轴向分段聚束电极上。
[0305]
在上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定，也就是说，波形的最小值实际上是恒定的，或者事实上或实际上是恒定的，或者至少在上述有限时间段(t
l
＜t)内变化不显著。如果在波形的周期(t)内，整个t
l
内波形值变化对应的变动不超过波形极限值之间的最大变动的预设百分比或比例(例如，波形峰间振幅u0的比例，或者波形最小值和最大值之间的差值的比例)，则可以说该波形变化不显著。例如，将x＝100
×
δu/u0定义为整个t
l
内允许的最大波形值的变化(δu)，表示为波形振幅(u0)的百分比(％)，优选：x≤10，或x≤5，或x≤2.5，或x≤1.0，或x≤0.5，或x≤0.25，或x≤0.1，或x≤0.05和x≤0.01。
[0306]
有限时间段(t
l
)可以表示为：t＞t
l
≥t/k，式中k是大于一(1)的任何正数(即，非整数或整数)(即k＞1)。优选地，k≥1.2。优选地，k≤20或k≤15或k≤10。优选地，例如1.2≤k≤8.0。
[0307]
将定义为t
l
的时间段，表示为周期t的百分比(％)，优选地：或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地
[0308]
优选地，具有波形振幅u0的波形(u))的一阶时间导数模数为：
[0309][0310]
在波形的上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，其中y＝50。例如50≥y≥1.4，或者更优选地，10≥y≥2，或者更优选地，7≥y≥3，例如y可以约等于5。在一些例子中，y≥1.4。在这个意义上，波形在有限时间段内基本恒定t
l
。优选地，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形(u))的一阶时间导数模数的平均值不超过值y。优选地，在上述有限时间段(t
l
)内，该模数的平均值不超过0.sy，或者优选地0.25y，或者优选地0.1y，或者优选地0.05y，或者优选地0.01y，或者优选地0.001y。在这个意义上，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定。
[0311]
优选地，至少在波形的周期(t)内的时间间隔t
l
内，波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期(t)内基本上连续。优选地，在波形的上述周期(t)中，具有波形振幅的波形的一阶时间导数模数的取值可以表示为：
[0312][0313]
更优选地，该模数可不大于75，或更优选不大于50，或更优选不大于20，或更优选大约大于10且小于15，例如约12。优选地，波形(u)包括或者至少部分根据“误差函数”(erf)来定义。
[0314]
优选地，第一电源电压的波形形状和/或波形频率(即f＝1/t，其中t是波形周期)使得在预定的有限时间间隔t
l
内，波形的电压值不大于波形周期内波形的最大电压值的
10％左右，其中t
l
≥t/n。其中，n是聚束电极的每个子集中的聚束电极的数量，其中聚束电极的每个子集支持波形的相应周期。更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的5％左右。进一步更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的3％左右。愈加更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的2％左右，或优选地1％、0.5％、0.25％、0.1％或0.01％左右。最优选地，在时间间隔t
l
内波形的电压值接近于零。
[0315]
优选地，至少在时间间隔t
l
内，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期t内基本连续。有利于防止对势阱中的电荷粒子产生不必要的力脉冲。
[0316]
理想情况下，波形形状根据数学函数定义。数学函数可以包括分析函数(即，表示为数学方程)或者可以是数值函数。优选地，第一电源电压可以采取以下形式：
[0317]
v(f，t，t)＝u(2πt/t φ)*ξ(2πft φ)
[0318]
其中函数u(2πt/t φ)将波形表示为具有周期t(s)、相位φ和振幅u0的周期调制函数。函数ξ(2πft φ)可以是具有频率f和相位φ的快速振荡(例如，射频)周期函数，或者在第一电源电压内不存在射频分量的情况下可以是恒定值(例如，类似于设置：f＝0)。例如，波形u(2πt/t φ)的形状可以至少部分地包括“误差函数”(erf(y))的形状，使得：
[0319][0320]
在波形的周期t的至少部分时间段内，其中：
[0321][0322]
并且变量y与t和t成比例(例如具有函数关系)。例如，变量y可能与比率t/t成比例(例如y～t/t)。优选地，波形u(2πt/t φ)总是正值，或者总是负值。优选地，波形u(2πt/t φ)是连续函数。优选地，波形u(2πt/t φ)具有最大值，该值在波形的周期(t)内的有限时间段(th＜t)内基本恒定。优选地，该最大值可以对应于势阱的局部最大值。优选地，在波形周期t内，波形u(2πt/t φ)在时间间隔th和前述时间间隔t
l
之间基本上连续变化。
[0323]
该设备可以包括：第一电源单元，适用于向电极间的轴向分段聚束电极提供第一电源电压，以便在通道内产生限定势阱的电场；以及单独的第二电源单元，适用于向电极间的径向约束电极提供第二电源电压，以便在通道内产生径向约束电场，该电场被配置为在通道的径向上约束离子。电源单元的独立设置可以允许施加到聚束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制独立于施加到径向约束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制。上述设置易于操作并能降低制造复杂性和制造成本。
[0324]
电源单元可以适用于向设备径向约束电极提供第二电源电压(例如，射频信号或非射频电压波形)，以在通道内产生径向(即，横切于通道轴)约束电势(例如，赝势或其他电势)。优选地，第二电源电压的振幅基本恒定。优选地，第二电源电压的振幅并不按时调制。径向约束电极上施加的第二电源电压结合轴向分段聚束电极可产生径向约束电场(电势)。径向约束电极也可以是轴向分段的，使得至少收集区域和可选的传输区域基本上仅包括分
段电极。可选地，可以对给定分段电极的每个电极段进行分组，使其在垂直于通道轴线的平面内基本上与每个其他分段电极的相应电极段共面。可替代地，径向约束电极可以包括连续电棒。该系列电极可以被配置为四极离子导向器。径向约束电场(电势)可以被配置为四极场。本发明适用于更多极数的高阶电场和离子导向器，级数包括但不限于：六极、八极、十极等。
[0325]
根据本领域技术人员容易获得并在相关现有技术中发现的技术，电源单元可以适用于产生具有预期振幅(例如几百伏)的射频电压信号。例如，可向径向约束电极施加该电压信号。电源单元可通过以预定的射频切换频率在两个预选的电压电平之间切换来产生具有方波波形的射频电压信号。以任何期望的方式或时变率(但是优选以远低于预定的射频切换速率的速率)随时间改变两个预定电压电平或之一。相应地，通过一个或两个预定电压电平时变特性，提供了射频波形的振幅调制包络线。时变可以是周期性的时变。射频电压信号的振幅调制包络线的波形形状可以由用户预定。理性情况下，振幅调制包络线的波形形状可包括(调制)振幅在所述时间间隔(t)内的有限时间段(t
l
)内保持基本恒定(例如非零或基本为零)取值的部分，其中有限时间段(t
l
)对应于前述局部最小值。如上述的本发明的第一方面内容。
[0326]
可以向每个聚束电极或者至少一组连续的电极提供调制的射频电压信号，并且连续的聚束电极可以接收处于共同时间周期调制的不同相位的相应的经调制的射频电压信号。具体内容将在下文进行介绍，并且可以产生跨越连续聚束电极的空间变化电势(即，上述势阱)，由此在任何给定的时间点，每个聚束电极向沿着聚束电极组(或所有聚束电极)延伸并限定势阱的电势场贡献各个的局部电势值。各个的局部贡献值由贡献时施加到贡献聚束电极的调制波形值决定。
[0327]
例如，通过暂时停止调制波形的时变，可以停止势阱的平移运动，并根据继续施加(不含时变)到所述的电极组的各个聚束电极(或所有聚束电极)的调制波形值保持其形状和结构。然后可以恢复施加到聚束电极组的各个聚束电极(或所有聚束电极)的调制波形的暂停时变，以便恢复势阱的平移运动。通过逆转调制波形的时变，可以逆转平移运动的方向。
[0328]
电源单元可以包括技术人员容易获得的任何合适的电子高频开关装置(例如精确定时的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet))。这意味着，波形的快速振荡射频分量实际上并不是正弦波形，而是类似于方波。通过，例如，电控制高频(例如，射频)开关来提供射频电压信号，从而选择性地将相应的聚束电极交替电连接到正电源轨和负电源轨，以提供波形的射频振荡分量。
[0329]
在另一方面，本发明可以提供包括上述设备的离子导向器、质量过滤器、质量分析器或离子阱。
[0330]
上述设备实现了相应的带电粒子的操纵方法，即本发明的另一个相应的方面披露的内容。照此，本发明上文描述的设备特征将被理解为用于实现相应方法。
[0331]
相应地，在第六方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵方法，该方法包括：
[0332]
提供系列电极，被设置为形成用于传输带电粒子的通道；
[0333]
提供电源单元，通过其向所述电极中的轴向分段聚束电极施加第一电源电压，以便产生限定所述通道内电势的电场，该电势在限定选择性地沿着至少部分长度的通道平移
的势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值；和
[0334]
提供电源单元，通过其向所述电极中的径向约束电极施加第二电源电压，以便在所述通道内产生径向约束电场，该电场被配置为将带电粒子径向约束在通道内；
[0335]
其中该系列电极的电极在通道内限定了用于收集带电粒子的收集区域，以及用于从收集区域传输收集的带电粒子的传输区域；以及
[0336]
通过电源单元向限定收集区域的电极施加第一电源电压，该第一电源电压被选择性地配置为：
[0337]
(1)收集电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以在电场内收集带电粒子；或者
[0338]
(2)传输电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以通过收集区域将带电粒子平移到传输区域；
[0339]
其中收集电压信号产生限定基本静态势阱的电场，传输电压产生限定所述平移的势阱的电场。
[0340]
优选地，该方法包括通过平移静态势阱来创建平移势阱。
[0341]
优选地，收集电压信号包括电压波形，该电压波形(包括非射频电压信号时)的振幅或该电压波形(包括射频信号时)的调制包络线在时间上基本恒定(即，时间上是静态的，或者不具有时变性)。
[0342]
优选地，该方法包括：通过对收集电压信号施加周期性时变选择性地将收集电压信号转变为传输电压信号，从而平移由收集电压信号产生的势阱。
[0343]
理想情况下，该方法包括：变化(例如同相)与施加到限定传输区域的电极的传输电压信号同步，该传输区域产生限定所述势阱的电场，用于将带电粒子平移通过传输区域。上述同步可以具体为，施加到限定收集区末端的聚束电极的传输电压信号与施加到紧邻收集区末端的传输区聚束电极的传输电压信号的值相匹配。上述匹配可以具体为，施加到限定收集区域末端的聚束电极的传输电压信号的值以及其中的任何时变与施加到紧邻收集区域末端的传输区域的聚束电极的传输电压信号的值以及其中的任何时变相基本相同。例如，该方法可以包括：将周期性的传输电压信号施加到由具有波形周期t的波形限定的收集区域和传输区域，然后通过选择性地将第一电源电压配置为时间段δt的收集电压信号进行同步，该时间段基本上等于波形周期的整数倍：δt＝nt，其中n＝1,2,3
…
。
[0344]
优选地，该方法包括：提供第一电源电压信号，其包括周期性电压波形信号(例如，非射频信号)，或者包括其振幅由周期性调制波形调制的射频信号。
[0345]
优选地，该方法包括：向轴向分段聚束电极提供第一电源电压(例如，射频信号)，以在通道内产生电势(例如，赝势或其他电势)，该电势在限定所述势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值。优选地，该方法包括：向至少限定通道的收集区域的连续聚束电极提供第一电源电压。可以根据上述本发明第一方面的方式提供第一电源电压信号。例如，该可以包括：向多个聚束电极提供第一电源电压信号(例如，射频信号)，以便限定赝势阱(即，形成静态或平移阱的电势是赝势)，该赝势阱沿着至少部分长度的收集区域的选择性地静止或平移。
[0346]
可替代地，该方法可以包括：向多个聚束电极提供第一电源电压信号波形，以便根据所施加的电压波形(即，形成静态或平移阱的电势不是赝势，而是由电压波形形成的)限
定势阱，该波形沿着至少部分长度的收集区域选择性静止或平移。可以根据上述本发明第一方面的方式提供第一电源电压信号。该方法可以包括：向收集区域一个或多个其他电极提供第一电源电压信号(例如，射频信号)，以便在通道内产生赝势。优选地，收集区域的至少一些电极被提供用于产生赝势阱(或其部分)的电压但不会在同一时间提供用于产生平移势阱的电压波形。
[0347]
优选地，该方法可以包括：向多个电极的聚束电极提供第一电源电压信号波形，以便在收集区域内同时形成单个所述势阱，或者也可选择在收集区域内沿着通道轴形成间隔开的多个所述势阱。优选地，通过上述方式形成的所述势阱(如果有多个)在收集区域内沿着至少部分长度的通道都保持静止或一同平移。
[0348]
优选地，该方法可以包括：向所述电极系列中的轴向分段聚束电极提供第一电源电压信号，以便在限定传输区域的通道的收集区域之外的部分内产生限定电势的电场。传输区内的电势可以包括限定势阱的局部最大值之间的一个或多个局部最小值，该势阱选择性地沿着至少部分长度的通道平移。
[0349]
该方法可以包括：以所述传输电压信号的形式向传输区域的电极提供所述第一电源电压信号，以产生电场，该电场在收集区域内限定一个或多个平移势阱，用于平移带电粒子通过传输区域。
[0350]
优选地，传输区域中的多个平移势阱基本上等距相邻阵列分布。例如，给定势阱的局部最小值(和/或局部最大值或其他特征)和紧邻势阱的局部最小值(例如，等效特征或结构)之间的轴向间隔与多个势阱之间的间隔基本相同。
[0351]
优选地，该方法可以包括：向聚束电极提供周期性第一电源电压信号波形(即1/t，其中t是波形周期)大约为0.5khz-20khz的周期性电源电压波形，以便产生所述势阱，或者同时产生多个势阱。优选地，波形频率大约为1khz-4khz。电压波形可以限定施加到射频电压信号的调制波形，以便向射频电压信号的振幅提供“包络线”，或者电压波形可以在不含射频电压信号时作为时变交流电压波形单独施加。
[0352]
优选地，基本相同的时域波形被同时施加到多个聚束电极，每个聚束电极以不同于相邻聚束电极接收的波形相位的波形相位接收波形。特别地，电压波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。例如，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到前一个紧邻的第(n-1)个聚束电极的相同波形的相位更超前的波形相位。类似地，施加到给定(第n个)聚束电极的电压波形的相位可以对应于相对于施加到紧邻的第(n 1)个聚束电极的相同波形的相位滞后的波形相位。通过该方式，可以按时驱动各个聚束电极接收同一电压波形，但是各个聚束电极被“提供”了处于周期中稍微不同相位版本的电压波形。
[0353]
优选地，当第一电源电压被选择性地配置为：
[0354]
(1)收集电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以在电场内收集带电粒子，并且施加到收集区域内的每个聚束电极的电压波形的相位具时变性；或者
[0355]
(2)传输电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以通过收集区域将带电粒子平移到传输区域，并且施加到收集区域内的每个聚束电极的电压波形的相位具有时变性。
[0356]
通过该方式，通过这种方式，可以控制第一电源电压信号从时间上或相位上的“静
态”变化到时间上或相位上的变化，反之亦然。
[0357]
类似地，该方法可以包括：向传输区域的聚束电极提供第一电源电压，其配置为传输电压信号，用于在运输区域内产生限定所述势阱的电场，将带电粒子平移通过传输区域，并且施加到传输区域内的每个聚束电极的电压波形的相位具有时变性。
[0358]
优选地，该方法可以包括：向选定的数量为n的连续聚束电极组或子集提供第一电源电压的电压波形，使得施加到给定组的第一聚束电极的电压波形的相位基本等于施加到n聚束电极紧邻组的第一聚束电极的电压波形的相位。例如，该方法可以包括：向给定的聚束电极组的n聚束电极提供电压波形，使得施加到该组的给定聚束电极的波形相位与施加到该组的紧邻着的聚束电极的相位具有约为δφ＝-360/n的相位差δφ，并且还与施加到该组的前一个聚束电极的相位具有约为δφ＝ 360/n的相位差δφ。因此，在给定时间内，波形的一个完整周期贯穿n聚束电极组。特别地，在此方面，波形优选地如以上关于本发明的第一方面所述。
[0359]
理想情况下，当方法包括：提供第一电源电压的电压波形，以在传输区域和可选的收集区域产生多个势阱时，相邻势阱的间距可以根据多个电极限定的通道的横向尺寸或大小来配置。例如，如果那些电极片是平面极片，横向尺寸等于通道的内接直径，或者是相对电极之间的垂直间距。电源单元可以适用于通过调整n值来选择性地调整阱间距配置。较大的n值可能更适合于具有较大横向尺寸或直径的通道。例如，优选地，n等于或大于8。
[0360]
优选地，第一电源电压波形的频率使得势阱沿通道轴的平移速度v成比例：f
·
l，其中f是调制频率(赫兹)，l是聚束电极之间沿通道轴向的空间间隔，在空间间隔处存在所施加的电压波形(例如v＝f.l)的相同值(例如，相同相位)。
[0361]
优选地，该方法包括：以上面关于本发明的第一(和第二)方面描述的方式向轴向分段聚束电极提供第一电源电压。例如，该方法可以包括：提供根据具有周期(t)的波形变化的第一电源电压，并且沿着至少部分长度的所述通道平移电势，使得势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内的平移距离基本上等于自身长度(例如，沿着通道方向的轴向长度)。
[0362]
优选地，波形
[0363]
(a)在其周期内基本持续平稳(t)；并
[0364]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0365]
在数学中，“连续”函数(解析函数或数值函数)是指不含有被称为不连续性的任何数值突变、中断或跳跃的函数。术语“连续平稳”可以理解为包括对该含义的引用。优选地，波形(例如应用于波形u)的变化率在其周期(t)中基本上连续平稳。
[0366]
最优选地，波形在有限时间段(t
l
＜t)内不存在波形最大值。例如，有限时间段内可能只包含一个波形最小值。实际上，整个波形在其周期内可能只包含一个最小值，即t。
[0367]
第一电源电压可以包括根据波形时变的交流电压，不包括或调制任何潜在的射频电压信号。在后种情况下，势阱由“真”势而非赝势形成。可选地，第一电源电压可以包括具有调制振幅的射频电压信号分量，该调制振幅的值根据波形发生时变。在后种情况下，势阱由赝势形成。
[0368]
在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)，可以在波形的适当相位将第一电源电压施加到诸如形成空间上连续的相邻电极组的各个轴向分段聚束电极上。
[0369]
在上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定，也就是
说，波形的最小值实际上是恒定的，或者事实上或实际上是恒定的，或者至少在上述有限时间段(t
l
＜t)内变化不显著。如果在波形的周期(t)内，整个t
l
内波形值变化对应的变动不超过波形极限值之间的最大变动的预设百分比或比例(例如，波形峰间振幅u0的比例，或者波形最小值和最大值之间的差值的比例)，则可以说该波形变化不显著。例如，将x＝100
×
δu/u0定义为整个t
l
内允许的最大波形值的变化(δu)，表示为波形振幅(u0)的百分比(％)，优选：x≤10，或x≤5，或x≤2.5，或x≤1.0，或x≤0.5，或x≤0.25，或x≤0.1，或x≤0.05和x≤0.01。
[0370]
有限时间段(t
l
)可以表示为：t＞t
l
≥t/k，式中k是大于一(1)的任何正数(即，非整数或整数)(即k＞1)。优选地，k≥1.2。优选地，k≤20或k≤15或k≤10。优选地，例如1.2≤k≤8.0。
[0371]
将定义为t
l
的时间段，表示为周期t的百分比(％)，优选地：或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地
[0372]
优选地，具有波形振幅u0的波形(u))的一阶时间导数模数为：在波形的上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，其中y＝50。例如50≥y≥1.4，或者更优选地，10≥y≥2，或者更优选地，7≥y≥3，例如y可以约等于5。在一些例子中，y≥1.4。在这个意义上，波形在有限时间段内基本恒定t
l
。优选地，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形(u))的一阶时间导数模数的平均值不超过值y。优选地，在上述有限时间段(t
l
)内，该模数的平均值不超过0.5y，或者优选地0.25y，或者优选地0.1y，或者优选地0.05y，或者优选地0.01y，或者优选地0.001y。在这个意义上，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定。
[0373]
优选地，至少在波形的周期(t)内的时间间隔t
l
内，波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期(t)内基本上连续。优选地，在波形的上述周期(t)中，具有波形振幅的波形的一阶时间导数模数的取值可以表示为：
[0374][0375]
更优选地，该模数可不大于75，或更优选不大于50，或更优选不大于20，或更优选大约大于10且小于15，例如约12。优选地，波形(u)包括或者至少部分根据“误差函数”(erf)来定义。
[0376]
优选地，第一电源电压的波形形状和/或波形频率(即f＝1/t，其中t是波形周期)使得在预定的有限时间间隔t
l
内，波形的电压值不大于波形周期内波形的最大电压值的10％左右，其中t
l
≥t/n。其中，n是聚束电极的每个子集中的聚束电极的数量，其中聚束电极的每个子集支持波形的相应周期。更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的5％左右。进一步更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的3％左右。愈加更优选地，波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的
2％左右，或优选地1％、0.5％、0.25％、0.1％或0.01％左右。最优选地，在时间间隔t
l
内波形的电压值接近于零。
[0377]
优选地，至少在时间间隔t
l
内，第一电源电压波形(u)的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期t内基本连续。有利于防止对势阱中的电荷粒子产生不必要的力脉冲。
[0378]
理想情况下，波形形状根据数学函数定义。数学函数可以包括分析函数(即，表示为数学方程)或者可以是数值函数。优选地，第一电源电压可以采取以下形式：
[0379]
v(f，t，t)＝u(2πt/t φ)*ξ(2πft φ)
[0380]
其中函数u(2πt/t φ)将波形表示为具有周期t(s)、相位φ和振幅u0的周期调制函数。函数ξ(2πft φ)可以是具有频率f和相位φ的快速振荡(例如，射频)周期函数，或者在第一电源电压内不存在射频分量的情况下可以是恒定值(例如，类似于设置：f＝0)。例如，波形u(2πt/t φ)的形状可以至少部分地包括“误差函数”(erf(y))的形状，使得：
[0381][0382]
在波形的周期t的至少部分时间段内，其中：
[0383][0384]
并且变量y与t和t成比例(例如具有函数关系)。例如，变量y可能与比率t/t成比例(例如y～t/t)。优选地，波形u(2πt/t φ)总是正值，或者总是负值。优选地，波形u(2πt/t φ)是连续函数。优选地，波形u(2πt/t φ)具有最大值，该值在波形的周期(t)内的有限时间段(th＜t)内基本恒定。优选地，该最大值可以对应于势阱的局部最大值。优选地，在波形周期t内，波形u(2πt/t φ)在时间间隔th和前述时间间隔t
l
之间基本上连续变化。
[0385]
该方法可以包括：提供第一电源单元，通过其向电极间的轴向分段聚束电极施加第一电源电压，以便在通道内产生限定势阱的电场；以及提供单独的第二电源单元，通过其向电极间的径向约束电极施加第二电源电压，以便在通道内产生径向约束电场，该电场被配置为在通道的径向上约束离子。
[0386]
该方法可以包括：向设备径向约束电极提供第二电源电压(例如，射频信号或非射频电压波形)，以在通道内产生径向(即，横切于通道轴)约束电势(例如，赝势或其他电势)。优选地，第二电源电压的振幅基本恒定。优选地，第二电源电压的振幅并不按时调制。径向约束电极上施加的第二电源电压结合轴向分段聚束电极可产生径向约束电场(电势)。径向约束电极也可以是轴向分段的，使得至少收集区域和可选的传输区域基本上仅包括分段电极。可选地，可以对给定分段电极的每个电极段进行分组，使其在垂直于通道轴线的平面内基本上与每个其他分段电极的相应电极段共面。可替代地，径向约束电极可以包括连续电棒。该系列电极可以被配置为四极离子导向器。径向约束电场(电势)可以被配置为四极场。本发明适用于更多极数的高阶电场和离子导向器，级数包括但不限于：六极、八极、十极等。
[0387]
在另一方面，本发明可以提供一种用于控制离子导向器、质量过滤器、质量分析器或离子阱的方法，该方法包括上述方法。在又一方面，本发明可以提供包括上述方法的飞行时间质量分析器(例如正交加速飞行时间质量分析器)的控制方法。
[0388]
在另一个方面，本发明可以提供一种具有计算机可执行指令的计算机可读介质，所述指令被设置成指示质谱分析装置或离子导向装置或质量过滤装置或质量分析器装置或飞行时间质量分析器装置或离子捕获装置执行上述方法。该装置可以包括信号处理单元，或者可以包括处理器或编程的或可编程的计算机(例如，包括含计算机程序的计算机可读介质)，以实现计算机可执行指令。
[0389]
本公开的第七方面涉及用于成束离子传输的改进结构。更详细地，本公开在该方面涉及根据本公开的第一方面提供离子传输的新型平面结构。该结构可以通过制造简化的印刷电路板实现。
[0390]
在第七方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵设备，该设备包括导向组件，该导向组件包括被设置为形成导向通道的系列电极，该导向通道限定了用于输送带电粒子的轴线，该导向组件包括：
[0391]
聚束电极组件，其包括：
[0392]
多个平面聚束电极的第一阵列，所述电极被设置成沿着导向通道轴向分离；和
[0393]
多个平面聚束电极的第二阵列，所述电极被设置成沿着导向通道轴向分离，其中所述第二阵列被设置成跨过导向通道的轴线与第一阵列分离；
[0394]
径向约束电极组件，其包括多个平面约束电极，所述平面约束电极被设置成横跨所述导向通道的轴线分开，实现平面平行和相互平面平行；
[0395]
电源单元，其适用于向所述第一阵列和所述第二阵列的聚束电极提供第一电源电压，并向所述多个平面约束电极提供第二电源电压，从而产生限定电势的电场，该电势将带电粒子径向约束在所述导向通道内，并且在限定电势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，该电势阱沿着至少部分所述导向通道的轴平移。
[0396]
优选地，电源单元适用于以调制电压波形和射频电压形式同时向聚束电极组件的聚束电极和径向约束电极组件的约束电极提供电源电压。
[0397]
优选地，电源单元适用于以施加到射频电压(即调制射频电压的振幅)的形式同时向聚束电极组件的聚束电极提供电源电压。
[0398]
优选地，电源单元适用于向平面约束电极提供射频电压，以便在所述导向通道内产生限定赝势的电场。
[0399]
优选地，聚束电极的第一阵列与聚束电极的第二阵列间隔有横切于导向通道轴线的横向间距。优选地，沿着至少部分的导向通道，横向间距均匀设置。优选地，平面聚束电极的第一阵列的连续(例如相邻)平面聚束电极在平行于导向通道轴线的方向上被轴向间隔或间隙轴向分开。优选地，平面聚束电极的第二阵列的连续(例如相邻)平面聚束电极在平行于导向通道轴线的方向上被轴向间隔或间隙轴向分开。优选地，第一阵列的连续平面聚束电极之间的间隔与第二阵列的连续平面聚束电极之间的间隔匹配。优选地，平面聚束电极的第一阵列的给定平面聚束电极与平面聚束电极的第二阵列的相应平面聚束电极轴向对齐。优选地，所述平面之间的横向间距至少等于所述聚束电极的轴向间距。更优选地，横向间距至少是轴向间距的两倍(2x)。愈加更优选地，横向间距至少是轴向间距的三倍(3x)。可选地，在一些实施例中，横向间距至少是轴向间距的五倍(5x)。
[0400]
径向约束电极组件可以包括约束电极第三阵列，该阵列包括一个或多个平面约束电极，该平面约束电极被设置成与聚束电极的第一阵列的平面聚束电极共面，与该平面聚
束电极相对的一个或多个平面约束电极设置成与聚束电极的第二阵列的平面聚束电极共面。
[0401]
径向约束电极组件可以包括约束电极第四阵列，该阵列包括一个或多个平面约束电极，该平面约束电极被设置成与聚束电极的第一阵列的平面聚束电极共面，与该平面聚束电极相对的一个或多个平面约束电极设置成与聚束电极的第二阵列的平面聚束电极共面。
[0402]
优选地，聚束电极的第一阵列的平面聚束电极设置在聚束电极的第三阵列的共面约束电极和聚束电极的第四阵列的共面约束电极之间。
[0403]
优选地，聚束电极的第二阵列的平面聚束电极设置在聚束电极的第三阵列的共面约束电极和聚束电极的第四阵列的共面约束电极之间。
[0404]
约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列可以设置成在横切于(例如，正交于)导向通道的轴线的方向上(例如，在横穿导向通道的轴线的方向上)相对。约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列可以基本上沿着导向通道的整个长度方向延伸。约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列可以分别包括一个单独的(例如连续的)的平面约束电极，该平面约束电极基本上沿着导向通道的整个长度方向延伸。两个单独的约束电极可以平面平行。
[0405]
约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列可以分别包括一对两个分别连续的平面约束电极。每对中的两个分别连续的约束电极可以相互平面平行的，并间隔开，使得该对中的一个约束电极与聚束电极的第一阵列相邻(例如，共面)，并且该对中的另一个约束电极与聚束电极的第二阵列相邻(例如，共面)。
[0406]
约束电极的第三阵列和聚束电极的第四阵列可以分别包括一组四个连续的平面约束电极。每组的四个连续的约束电极可以相互平面平行，并间隔开，使得该组的两个共面约束电极与聚束电极的第一阵列相邻(例如，共面)，并且该组的另两个共面约束电极与聚束电极的第二阵列相邻(例如，共面)。通过该方式，聚束电极的第一阵列可以与平面聚束电极的第一阵列的一侧的第一对共面且平行的连续约束电极共面，并且与平面聚束电极的第一阵列的另一侧的第二对共面且平行的连续约束电极共面。类似地，聚束电极的第二阵列可以与平面聚束电极的第二阵列一侧的第三对共面且平行的连续约束电极共面，并且与平面聚束电极第二阵列另一侧的第四对共面且平行的连续约束电极共面。这种布置增强了径向限制电势。
[0407]
优选地，第二阵列的平面聚束电极被设置成与平面聚束电极的第一阵列的平面聚束电极平面平行。优选地，平面聚束电极的第二阵列的平面聚束电极被设置成相互共面。优选地，平面聚束电极的第一阵列的平面聚束电极被设置成相互共面。优选地，平面聚束电极的第一阵列的平面电极和平面聚束电极的第二阵列的平面电极被设置成与导向通道的轴线平面平行。
[0408]
优选地，平面聚束电极的第一阵列的平面电极和平面聚束电极的第二阵列的平面电极被设置成位于与导向通道的轴线横切的共同平面中。优选地，平面聚束电极的第一阵列的每个平面电极被布置成与平面聚束电极的第二阵列的相应平面电极共面，其中共同的平面横切于导向通道的轴线。优选地，横向平面垂直于导向通道的轴线。
[0409]
优选地，第二阵列的平面聚束电极被设置成轴向间隔开，从而不共面并且相互平
面平行。优选地，第一阵列的平面聚束电极被设置成轴向间隔开，从而不共面并且相互平面平行。
[0410]
优选地，设置平面聚束电极的第一阵列的平面电极和平面聚束电极的第二阵列的平面电极，使得第一阵列平行于第二阵列，并且使得平面聚束电极的第一阵列以限定导向通道宽度的横向间隔为中心与平面聚束电极的第二阵列相对。
[0411]
优选地，约束电极的第三阵列被分段以限定在平行于导向通道的轴线的方向上延伸的多个电极段的阵列。优选地，约束电极的第四阵列被分段以限定在平行于导向通道的轴线的方向上延伸的多个电极段的阵列。
[0412]
可以按照平面聚束电极的第一阵列和/或平面聚束电极的第二阵列的分割方式分割约束电极。
[0413]
理想情况下，电源单元适用于仅向所述第一阵列和所述第二阵列的聚束电极提供聚束电压，以便产生限定所述势阱的电场。
[0414]
理想情况下，电源单元适用于仅向所述多个平面约束电极提供径向约束电压，以便在所述导向通道内产生限定电势的电场，该电场将带电粒子径向约束在通道内。
[0415]
电源单元可以适用于向轴向分段聚束电极提供电源电压(例如，射频信号或非射频电压波形)，以在通道内产生电势(例如，赝势或其他电势)，该电势在限定所述势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值。例如，电源单元可以适用于向多个聚束电极提供第一电源电压(例如，射频信号)，以便限定赝势阱(即，形成行进阱的电势是赝势)，该赝势阱沿着至少部分长度的通道平移。
[0416]
可替代地，电源单元可以适用于向多个聚束电极提供第一电源电压波形(例如，非射频信号)，以便根据所施加的第一电源电压波形(即，形成前进阱的电势不是赝势，而是由电压波形形成的)限定势阱，该波形沿着至少部分长度的通道平移。电源单元可以适用于向轴向分段约束电极提供第二电源电压(例如，射频信号或非射频电压波形)，以在通道内产生径向(即，横切于通道轴)约束电势(例如，赝势或其他电势)。优选地，第二电源电压的振幅基本恒定。优选地，第二电源电压的振幅并不按时调制。径向约束电极上施加的第二电源电压结合轴向分段聚束电极可产生径向约束电场(电势)。该系列电极可以被配置为四极离子导向器。径向约束电场(电势)可以被配置为四极场。本发明适用于更多极数的高阶电场和离子导向器，级数包括但不限于：六极、八极、十极等。
[0417]
电源单元可以包括适用于提供第一电源电压的第一电源单元和适用于提供第二电源电压的单独的第二电源单元。电源单元的独立设置可以允许施加到聚束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制独立于施加到径向约束电极的电压信号(例如，射频和/或电压波形和/或交流)及其控制。上述设置易于操作并能降低制造复杂性和制造成本。
[0418]
理想情况下，局部最小值由位于最小值第一侧的第一局部最大值和位于局部最小值相对的第二侧的第二局部最大值界定。电势阱可以包括含有一个或多个局部最小值的阱底或基础，由两个单独的分别含有或限定两个局部最大值的阱壁限定，阱壁位于阱底的相应的两个相对侧。势阱可以包括前导局部最大值(或前导阱壁)和尾随局部最大值(或尾随阱壁)，其中前导局部最大值在势阱的平移方向上领先或先于尾随局部最大值。换句话说，优选地，尾随局部最大值(或尾随阱壁)跟随前导局部最大值(或尾随阱壁)。
[0419]
限定阱底的电势值基本平稳变化，并且优选仅包括一个局部最小值。在此基础上，电势内的带电粒子能够如期位于阱内的局部最小值，从而在通道内传输和提取时能精确地限定带电粒子的位置。优选地，由两个阱壁限定的局部最小值连续，基本上没有(或至少基本上没有)不连续的值或梯度。
[0420]
优选地，电源单元可向多个电极的聚束电极提供第一电源电压波形，以便同时形成沿着通道轴向间隔分布的多个所述势阱。优选地，以此方式形成的多个所述势阱沿着至少部分长度的通道同步平移。优选地，多个势阱基本上等距相邻阵列分布。例如，给定势阱的局部最小值(和/或局部最大值或其他特征)和紧邻势阱的局部最小值(例如，等效特征或结构)之间的轴向间隔与多个势阱之间的间隔基本相同。
[0421]
优选地，电源单元可以适用于向聚束电极提供波形频率(即，1/t，其中t是波形周期)大约为0.1khz-20khz的周期性第一电源电压波形，以便产生所述势阱，或者同时产生多个势阱。优选地，波形频率大约为1khz-4khz。第一电源电压波形可以限定施加到射频电压信号的调制波形，以便向射频电压信号的振幅提供“包络线”，或者第一电源电压波形可以在不含射频电压信号时作为时变交流电压波形单独施加。
[0422]
优选地，电源单元可以适用于向分段电极的各个相应的聚束电极提供第一电源电压波形，进而与同时向相邻电极提供的电压波形相比，第一电源电压波形时移或相移。优选地，基本相同的时域波形被同时施加到多个聚束电极，每个聚束电极以不同于相邻聚束电极接收的波形相位的波形相位接收波形。例如，施加到给定(第n个)聚束电极的第一电源电压波形的相位可以对应于相对于施加到前一个紧邻的第(n-1)个聚束电极的相同波形的相位更超前的波形相位。类似地，施加到给定(第n个)聚束电极的第一电源电压波形的相位可以对应于相对于施加到紧邻的第(n 1)个聚束电极的相同波形的相位滞后的波形相位。通过该方式，可以按时驱动各个聚束电极接收同一电压波形，但是各个聚束电极被“提供”了处于周期中稍微不同相位版本的第一电源电压波形。
[0423]
优选地，电源单元可以适用于向选定的数量为n的连续聚束电极组或子集提供第一电源电压波形，使得施加到给定组的第一聚束电极的第一电源电压波形的相位基本等于施加到n聚束电极紧邻组的第一聚束电极的第一电源电压波形的相位。例如，电源单元可以适用于向给定的聚束电极组的n聚束电极提供第一电源电压波形，使得施加到该组的给定聚束电极的波形相位与施加到该组的紧邻着的聚束电极的波形相位具有约为δφ＝-360/n的相位差δφ，并且还与施加到该组的前一个聚束电极的波形相位具有约为δφ＝ 360/n的相位差δφ。因此，在给定时间内，波形的一个完整周期贯穿n聚束电极组。
[0424]
理想地，电源单元可以适用于提供第一电源电压波形以产生多个势阱。相邻势阱的间距可以根据多个电极限定的通道的横向尺寸或大小来配置。例如，如果那些电极片是平面极片，横向尺寸等于通道的内接直径，或者是相对电极之间的垂直间距。该电源单元可以适用于通过调整n值来选择性地调整阱间距配置。发明人发现，准确设定n值可以使得对从设备中提取的带电粒子质量进行辨别时具有更高的辨别率等作用。例如，优选地，n等于或大于8。
[0425]
优选地，第一电源电压波形的波形频率使得势阱沿通道轴的平移速度v成比例：f
·
l，其中f是调制频率(赫兹)，l是聚束电极之间沿通道轴向的空间间隔，在空间间隔处存在所施加的第一电源电压波形(例如v＝f.l)的相同值(例如，相同相位)。
[0426]
电源单元可以适用于以上面关于本发明的第一(和第二)方面描述的方式向轴向分段聚束电极提供第一电源电压。例如，电源单元可以适用于提供根据具有周期(t)的波形变化的第一电源电压，并且沿着至少部分长度的所述通道平移电势，使得势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内的平移距离基本上等于自身长度(例如，沿着通道方向的轴向长度)。
[0427]
优选地，波形在
[0428]
(a)其周期内基本持续平稳(t)；并
[0429]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0430]
在数学中，“连续”函数(解析函数或数值函数)是指不含有被称为不连续性的任何数值突变、中断或跳跃的函数。术语“连续平稳”可以理解为包括对该含义的引用。优选地，波形(例如应用于波形u)的变化率在其周期(t)中基本上连续平稳。
[0431]
最优选地，波形在有限时间段(t
l
＜t)内不存在波形最大值。例如，有限时间段内可能只包含一个波形最小值。实际上，整个波形在其周期内可能只包含一个最小值，即t。
[0432]
第一电源电压可以包括根据波形时变的交流电压，不包括或调制任何潜在的射频电压信号。在后种情况下，势阱由“真”势而非赝势形成。可选地，第一电源电压可以包括具有调制振幅的射频电压信号分量，该调制振幅的值根据波形发生时变。在后种情况下，势阱由赝势形成。
[0433]
在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)，可以在波形的适当相位将电源电压施加到诸如形成空间上连续的相邻电极组的各个轴向分段聚束电极上。
[0434]
在上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定，也就是说，波形的最小值实际上是恒定的，或者事实上或实际上是恒定的，或者至少在上述有限时间段(t
l
＜t)内变化不显著。如果在波形的周期(t)内，整个t
l
内波形值变化对应的变动不超过波形极限值之间的最大变动的预设百分比或比例(例如，波形峰间振幅u0的比例，或者波形最小值和最大值之间的差值的比例)，则可以说该波形变化不显著。例如，将x＝100
×
δu/u0定义为整个t
l
内允许的最大波形值的变化(δu)，表示为波形振幅(u0)的百分比(％)，优选：x≤10，或x≤5，或x≤2.5，或x≤1.0，或x≤0.5，或x≤0.25，或x≤0.1，或x≤0.05和x≤0.01。
[0435]
有限时间段(t
l
)可以表示为：t＞t
l
≥t/k，式中k是大于一(1)的任何正数(即，非整数或整数)(即k＞1)。优选地，k≥1.2。优选地，k≤20或k≤15或k≤10。优选地，例如1.2≤k≤8.0。
[0436]
将定义为t
l
的时间段，表示为周期t的百分比(％)，优选地：或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地或者更优选地
[0437]
优选地，具有波形振幅u0的波形(u))的一阶时间导数模数为：在波形的上述周期(t)内的有限时间段(t
l
＜t)内，其中y＝50。例如50≥y≥1.4，或者更优选地，10≥y≥2，或者更优选地，7≥y≥3，例如y可以约等于5。在一些例子中，y≥1.4。在这个意义上，
波形在有限时间段内基本恒定t
l
。优选地，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形(u))的一阶时间导数模数的平均值不超过值y。优选地，在上述有限时间段(t
l
)内，该模数的平均值不超过0.5y，或者优选地0.25y，或者优选地0.1y，或者优选地0.05y，或者优选地0.01y，或者优选地0.001y。在这个意义上，在上述有限时间段(t
l
＜t)内，波形的最小值可以基本恒定。
[0438]
优选地，至少在波形的周期(t)内的时间间隔t
l
内，波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期(t)内基本上连续。优选地，在波形的上述周期(t)中，具有波形振幅的波形的一阶时间导数模数的取值可以表示为：
[0439][0440]
更优选地，该模数可不大于75，或更优选不大于50，或更优选不大于20，或更优选大约大于10且小于15，例如约12。优选地，波形(u)包括或者至少部分根据“误差函数”(erf)来定义。
[0441]
优选地，第一电源电压波形形状和/或波形频率(即f＝1/t，其中t是波形周期)的设置，使得在预定的有限时间间隔t
l
内，波形的电压值不大于波形周期内第一电源电压波形的最大电压值的10％左右，其中t
l
≥t/n。其中，n是聚束电极的每个子集中的聚束电极的数量，其中聚束电极的每个子集支持第一电源电压波形的相应周期。更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的5％左右。进一步更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内波形的最大电压值的3％左右。愈加更优选地，第一电源电压波形的电压值不大于时间间隔t
l
内第一电源电压波形的最大电压值的2％左右，或优选地1％、0.5％、0.25％、0.1％或0.01％左右。最优选地，在时间间隔t
l
内第一电源电压波形的电压值接近于零。
[0442]
优选地，至少在时间间隔t
l
内，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值基本上连续。优选地，第一电源电压波形的一阶时间导数(即))的取值在波形的基本整个周期t内基本连续。有利于防止对势阱中的电荷粒子产生不必要的力脉冲。
[0443]
理想情况下，波形形状根据数学函数定义。数学函数可以包括分析函数(即，表示为数学方程)或者可以是数值函数。优选地，第一电源电压可以采取以下形式：
[0444]
v(f，t，t)＝u(2πt/t φ)*ξ(2πft φ)
[0445]
其中函数u(2πt/t φ)将波形表示为具有周期t(s)、相位φ和振幅u0的周期调制函数。函数ξ(2πft φ)可以是具有频率f和相位φ的快速振荡(例如，射频)周期函数，或者在第一电源电压内不存在射频分量的情况下可以是恒定值(例如，类似于设置：f＝0)。例如，波形u(2πt/t φ)的形状可以至少部分地包括“误差函数”(erf(y))的形状，使得：
[0446][0447]
在波形的周期t的至少部分时间段内，其中：
[0448][0449]
并且变量y与t和t成比例(例如具有函数关系)。例如，变量y可能与比率t/t成比例(例如y～t/t)。优选地，波形u(2πt/t φ)总是正值，或者总是负值。优选地，波形u(2πt/t φ)是连续函数。优选地，波形u(2πt/t φ)具有最大值，该值在波形的周期(t)内的有限时间段(th＜t)内基本恒定。优选地，该最大值可以对应于势阱的局部最大值。优选地，在波形周期t内，波形u(2πt/t φ)在时间间隔th和前述时间间隔t
l
之间基本上连续变化。
[0450]
优选地，该设备包括提取电极组件和提取电压施加单元，该提取电压施加单元被配置为选择性地向提取电极组件施加提取电压，以从导向通道提取带电粒子。提取电极组件可以包括聚束电极的第一阵列和/或第二阵列的一个或多个聚束电极，和/或可以包括径向约束电极组件的一个或多个径向约束电极。
[0451]
提取电压施加单元可以被配置为向提取电极组件施加提取电压，从而向带电粒子施加力，以在与导向通道横切(例如，垂直或正交)的方向上提取带电粒子。提取方向可以垂直于包含聚束电极的第一阵列或第二阵列的平面。提取方向可以平行于包含聚束电极的第一阵列或第二阵列的平面。便于在任一横切方向上进行正交提取。带电粒子可以通过提取电极组件的平面电极中的狭缝/孔，或者通过提取电极组件的网状电极从设备中提取。在一些实施例中，网状电极可以位于聚束电极的第一阵列或第二阵列的电极内，或者位于聚束电极的第一阵列或第二阵列的多个电极内。
[0452]
电极的平面结构使得可以更方便地从离子导向器中正交提取带电粒子。提取电极组件可以包括靠近导向通道的离子光学透镜。有利于最小化提取光学器件中的像差，因为与其类型设备相比，导向通道的电极的平面特性使得可以更近距离的使用透镜。
[0453]
提取电压施加单元可以被配置为向提取电极组件施加提取电压，从而向带电粒子施加力，以在与导向通道平行(例如，轴向)的方向上提取带电粒子。
[0454]
上述设备实现了相应的带电粒子的操纵方法，即本发明的另一个相应的方面披露的内容。照此，本发明上文描述的设备特征将被理解为用于实现相应方法。
[0455]
相应地，在第八方面，本发明可以提供一种带电粒子的操纵方法，该方法涉及导向组件，该导向组件包括被设置为形成导向通道的系列电极，该导向组件限定了用于输送带电粒子的轴线，该方法包括：
[0456]
提供聚束电极组件，其包括：
[0457]
多个平面聚束电极的第一阵列，所述电极被设置成沿着导向通道轴向分离；和
[0458]
多个平面聚束电极的第二阵列，所述电极被设置成沿着导向通道轴向分离，其中所述第二阵列被设置成跨过导向通道的轴线与第一阵列分离；
[0459]
提供径向约束电极组件，其包括多个平面约束电极，所述平面约束电极被设置成横跨所述导向通道的轴线分开，实现平面平行和相互平面平行；和
[0460]
提供电源单元，其适用于向所述第一阵列和所述第二阵列的聚束电极施加第一电源电压，并向所述多个平面约束电极施加第二电源电压，从而产生限定电势的电场，该电势将带电粒子径向约束在所述导向通道内，并且在限定电势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，该电势阱沿着至少部分所述导向通道的轴平移。
[0461]
应当理解，根据上述本发明的任何一个方面的任何特征可以应用于上述本发明的任何其他方面，除非上下文另有规定。
[0462]
本发明书中的术语“限定电势的电场”可以被理解为至少包括但不限于对电势场、电位或仅仅电势的引用。缩写术语在本领域中经常用作同义词。该电势场可以存在于自由空间中并延伸穿过自由空间，使得不同空间坐标下的场值(电压)可以限定其穿过空间的形状，可对照施加到电极上的电压。
[0463]
术语“rf”是术语“射频”的缩写。优选地，该术语可以被赋予本领域中应用的含义，除非上下文另有要求。
[0464]
本说明书中引用的“波形”可以理解为包括但不限于对周期性或波式变化的变量(例如电压)的引用。本说明书中引用的“电压波形”可以按照上下文理解。根据上下文，本领域技术人员容易理解的是，“电压波形”可以是非射频电压信号的电压周期性或波状变化，但时变速度缓慢。具体可包括施加到调制射频电压的调制或包络函数的“电压波形”，或者可以包括不含有潜在射频信号分量的“电压波形”。
[0465]
术语“聚束电极”可以被理解为至少，但不排他地，包括多个该类电极的分段阵列中的电极，电压波形信号和/或射频电压信号(可以被调制)可以被施加到该电极以单独产生电势场，该电势场与其他该类的电极组合以共同产生一个或多个电势场(例如势阱)，该电势场被设置在空间上“聚束”其内部的带电粒子(本说明中被称为“聚束电势”)。美国专利us9536721b2中提供了一些非限制性但相关的结构实例。
附图说明
[0466]
下文将参照附图说明本发明原理的实施例和实验。其中：
[0467]
图1涉及美国专利us2014/0070087a1的现有技术公开；
[0468]
图2涉及美国专利us2014/0070087a1的现有技术公开；
[0469]
图3示出了与堆叠的环形离子导向器相关联的捕获场的赝势；
[0470]
图4a-b涉及美国专利us9536721 b2的现有技术公开；
[0471]
图5a示出了寄生偏移；
[0472]
图5b示出了计算的寄生偏移的示例；
[0473]
图6示出了根据本发明实施例的带电粒子的操纵设备；
[0474]
图7a-d示出了用于传输通道的示例电极布置；
[0475]
图8a-e示出了用于传输通道的示例电极结构；
[0476]
图9a-b示出了适用于正交提取的示例离子导向器；
[0477]
图10a-h示出了根据本公开的波形；
[0478]
图11示出了公开的波形的示例；
[0479]
图12示出了对应于具有不同振幅的图11的波形的八相离子导向器的轴上的赝势；
[0480]
图13a示出了现有调制技术(无限调制正弦波)导致的zx平面中的赝势；
[0481]
图13b示出了根据本公开的调制技术(
‘
erf’调制)zx平面中的赝势；
[0482]
图13c示出了根据本公开的调制技术(
‘
erf’调制)和专门的正向偏移( 20v)zx平面中的总电势；
[0483]
图14示出了行进势阱示例；
[0484]
图15示出了公开的波形的示例；
[0485]
图16示出了在两个时间点行进的势阱序列的示例；
[0486]
图17-23示出了离子轨迹的示例；
[0487]
图24示出了公开的波形的示例；
[0488]
图25示出了行进赝势阱的示例；
[0489]
图26示出了在离子导向器内和从离子导向器轴向提取离子的轨迹的示例；
[0490]
图27示出了行进势阱示例；
[0491]
图28示出了从离子导向器轴向提取并随后进入飞行时间(tof)光谱仪的离子轨迹的示例；
[0492]
图29示出了在离子导向器内和从离子导向器轴向提取离子的轨迹的示例；
[0493]
图30示出了在离子导向器内和从离子导向器轴向提取离子的轨迹的示例；
[0494]
图31示出了公开的波形的示例；
[0495]
图32示出了公开的波形的示例；
[0496]
图33示出了与行进势阱相邻的静态势阱以及对其进行支撑的离子导向器的示例；
[0497]
图34示出了所公开的离子导向器的平面电极的示例；
[0498]
图35-38示出了所公开的离子导向器的剖视图示例；
[0499]
图39-41示出了所公开的离子导向器的剖视图示例，其中电场的等势线用于离子约束和离子正交提取；
[0500]
图42-43示出了所公开的离子导向器的剖视图示例，其中电场的等势线用于离子约束和离子正交提取；
[0501]
图44示出了公开的波形及其时间导数的示例；
[0502]
图45示出了公开的波形及其时间导数的示例；
[0503]
图46示出了离子导向器内离子轨迹的示例；
[0504]
图47示出了离子导向器内离子动能的示例；
[0505]
图48示出了公开的波形及其时间导数的示例；
[0506]
图49示出了公开的波形及其时间导数的示例；
[0507]
图50示出了公开的波形及其时间导数的示例；
[0508]
图51示出了波形及其时间导数的示例；
[0509]
图52示出了离子导向器内离子轨迹的示例；
[0510]
图53示出了离子导向器内离子动能的示例；
[0511]
图54示出了公开的波形及其时间导数的示例；
[0512]
图55示出了离子导向器内离子轨迹的示例；
[0513]
图56示出了离子导向器内离子动能的示例；
具体实施方式
[0514]
下文将参考附图讨论本发明的方面和实施例。对于本领域技术人员来说，更多的方面和实施例将是浅显易懂的。本文中提到的所有文件通过引用结合于此。
[0515]
在下面的公开内容中进行了理论讨论，便于读者理解赝势和边缘场的基本性质。随后是关于这些已由发明人实现的赝势和边缘场的特性的有益实际应用和用途示例。
[0516]
赝势
[0517]
赝势方法广泛应用于质谱分析的相关部分。例如，在现有技术(us9536721b2)中可以找到赝势行波的全面理论描述。下文提供了关于射频场约束带电粒子的物理学的理解，以及通过2d四极质量过滤器简单举例说明的赝势方法的概述。
[0518]
通过有助于理解的机械模拟，考虑射频场中离子约束的纯静电排列的对应排列方式，特别考虑在旋转的鞍面上捕获珠子。虽然并不完全符合射频离子导向器/阱的物理特性，旋转鞍势模拟将以直观和有用的方式捕捉基本原理。为了将质量粒子m稳定地约束在某个空间点处，需要一个恢复力，即约束力f(参见胡克定律)：
[0519]
f＝-cr
[0520]
在本发明中，c是弹簧常数，r是位置变量。保守力f总是可以用标量位u来表示：
[0521][0522]
考虑到该力，电势的计算通过一次积分：
[0523][0524]
其中α、β和γ在三个空间方向上作为c。还未说明在静电势中捕获带电粒子时，选择：α＝-β＝1,γ＝0。选择后，u形成了一种具有鞍面形状的电势：
[0525][0526]
尽管该形状的电势允许沿着x方向捕获粒子，但是没有稳定的最小值，并且粒子总会沿着y方向逃逸。因此，无法在静电势下稳定捕获。然而，正如使用重力鞍势的示例所示，捕获将在引入时变时变得可行。在重力势中，设置：
[0527][0528]
重力鞍势的表达式为：
[0529][0530]
式中，m是珠子的质量，g是地球的重力加速度，g和r0是决定势能曲率的参数。可以绕垂直轴(z轴)以角频率ω旋转鞍，而不对其施加任何其他运动，以便在鞍内“平衡”珠子。角旋转将静态重力势转换为时变势，可以按照旋转轴x’,y’来描述时变势，如下所示：
[0531][0532]
通过应用旋转矩阵的标准坐标变换，可以在实验室框架中描述旋转鞍势：
[0533][0534]
可以得到：
[0535][0536]
形象地说，可以将这种电势的时变可视化为鞍面围绕垂直轴的旋转，频率ω防止珠子从鞍面滚下。鞍面旋转得越快，珠子就更会被约束在鞍面(即重力势表面)内。可以表明，如果旋转足够快，珠子在鞍面的约束轨迹会变得稳定。尽管旋转鞍势直观地示出用快速振荡势捕获粒子的基本物理特性，但必须注意的是，在离子捕获/导向中使用的电势并不完全是上面所示的重力势鞍面u(x,y,t)的数学形式。相反，离子导向器/阱中的电势通常具有以下形式：
[0537][0538]
形象地说，该势代表的时变更像是一种拍动势，其中曲率随时间振荡，鞍势壁拍动像鸟的翅膀一样。常数c
’0取决于施加到离子阱/导向电极的电压u。
[0539]
像“旋转鞍”势或“拍动”势的快速振荡势可以用来约束粒子，可通过“赝势”的概念来理解。在赝势近似中，把作用在快速振荡势中的粒子上的平均势视为有效势。计算时，取快速振荡一个周期内的时间平均值。为了分析粒子在该势中的运动轨迹，粒子在势中的运动方程：
[0540][0541]
其中z是质量为m的粒子的电荷。约束离子的一般类型的电势由静止的、缓慢变化的或准静态的部分u0(r)和快速时变的频率为ω的振荡部分u
rf
(r)cos(ωt)组成：
[0542]
u(r)＝u0(r) u
rf
(r)cos(ωt)
[0543]
假设振荡部分的频率比一个运动周期t的逆时标大得多，粒子将只在u0(r)的影响下运动，即ω＞＞1/t。通过假设得到：
[0544][0545]
由力f0(r)引起的平稳粒子轨迹由频率为ω的振荡力f
rf
(r)调制。因此，可以把整体轨迹r(t)表示平滑部分r(t)和快速振荡部分ξ(t)的和：
[0546]
r(t)＝r(t) ξ(t)
[0547]
典型地，振荡的振幅ξ将远小于轨迹r的平稳部分，即|ξ|＜＜|r|。在此基础上，可将泰勒级数中的力f0(r)和力f
rf
(r)展开到参数ξ中的最低阶，如下所示：
[0548][0549][0550]
省略了级数中可忽略的部分，运动方程变成：
[0551][0552]
轨迹振荡部分的运动方程的结果近似由下式给出：
[0553]
[0554]
方程的解是：
[0555][0556]
通过计算周期2π/ω内的时间平均值：得到了时间平均赝势的表达式。通过该方式，需注意包含cos(ωt)的项将被时间平均为零，并且只有含[cos(ωt)]2的项保持不变。即：
[0557][0558]
假定：则上式可简化为：
[0559][0560]
注意f是保守力，而则：
[0561][0562]
因此，注意到〈cos2(ωt)》＝1/2，可获得：
[0563][0564]
这意味着“长期”力(f
sec
)可以定义为在快速振荡的射频电势中作用于带电粒子z的时间平均力。换句话说，长期力与长期势的空间梯度成比例(u
sec
)：
[0565][0566]
其中，
[0567][0568]
这就是射频场产生的“赝势”。一个快速振荡周期内的时间平均运动方程表明，当时间平均化时，长期势可表达为静态势和“赝势”的和。对于四极场等，因f
rf
∝urf
，，“赝势”与势的振荡部分的大小的平方成正比，并且还与粒子质荷比：m/z成反比。还要注意的是，因为f
rf
∝
z和u
ps
∝
z2，合力与所讨论的带电粒子上的电荷符号无关。这就是为什么赝势波可以在同一个阱中传输两种电荷的粒子的原因。
[0569]
边缘场
[0570]
在线性四极离子导向器的内部区域，远离导向器的末端，二维四极电势可以表达为：
[0571]
[0572]
其中，2r0是四极离子导向器的相对的电棒之间的最短距离，其中表达式：u
0-u
rf
cos(ωt)是相对于地测量的电势，以相反的极性施加到两对电棒中的每一对，是dc(即u0)和射频(即u
rf
cos(ωt))分量的线性组合，其中ω是射频信号的角频率。在理想化的情况，在远离导向器末端的线性四极离子导向器的内部区域具有充分近似，但是在沿着离子导向器靠近末端的轴向位置准确性降低。此外，离子导向器的电势也延伸到离子导向器的外部超过其末端，并且不会直接在出口端外部瞬间下降到零值。相反，在所谓的“边缘场”区域，电势的振幅或强度从其应有的值平滑过渡。
[0573]
可以表明，出口边缘场u
ff
可以量化为：
[0574][0575]
其中，递减项f(z)是轴向距离z的平稳递减的振幅或强度函数，该轴向距离沿着离子导向器轴向接近并超过离子导向器的出口端。通过离子导向器末端的边缘区域，离子导向器的中心轴(即z轴)上的离子在离子导向器外部遇到非零四极电势，该电势在沿着z轴的方向上随着超过离子导向器末端的距离增加而减小。可以看出，为实现充分近似：
[0576]
f(z)＝1-exp(-a[z-z0]-b[z-z0]2)
[0577]
其中，a和b是由四极离子导向器的几何形状确定的正常数，而z0是在固定电势(例如接地)处的离子导向器外部的轴向位置，参考enge函数的相关描述。如上所述，该边缘效应同样适用于由射频电势产生的赝势。边缘场存在于非四极几何结构的离子导向器中(例如六极、八极、十极等)。可以看出，边缘场的作用是减小离子导向器内导向器末端以及靠近该末端的电势，并限定电势在有限范围内超出末端的非零延伸。
[0578]
在以下公开内容中，将参考发明人已实现的赝势和边缘场的特性的有益实际应用和用途。上面的理论讨论旨在让读者了解赝势和边缘场的基本性质。
[0579]
波形实际上，本发明人已经发现us9536721 b2(如上所述)的波形具有小缺陷，并且这些缺陷削弱了传输设备的群聚效应。这些缺陷源于实现波形的电子器件的微乎其微的缺陷。尽管术语“小”意为与波形振幅相比的不完美程度，但离子运动中不完美会产生不利影响，并且会导致离子的完全损失
[0580]
在本公开中披露了适用于例如四极离子导向器的多极离子导向器的新型波形，其被配置用于聚束离子传输，具有主极棒和聚束电极(发明人在美国专利us9536721 b2中已经公开了一些合适的结构)。该类型的设备被认为有助于以高通量和最小损失提供全面的质谱/质谱分析。优选地，所公开的波形可以在数十毫秒传播时间内，例如在已经被输送到高真空区域之后，保持离子冷却。通过该波形，应该可以在设备内使用所谓的“软”和“慢”解离方法，包括电子转移解离(etd)等方法，该方法通过电荷相反的粒子的反应产生离子产物。为了以最小的损失和几乎完全避免相邻阱之间的“串扰”的方式提供最大量的信息，离子束必须停留在各自的行进势波阱中，避免增加其动能。本公开的第一方面和相应的第二方面涉及离子转移方法(第二方面)和装置(第一方面)，正如上文本发明的第一方面和第二方面的相关内容。更详细地，本公开的该方面涉及一种用于离子导向器中聚束离子传输的波形的改进方法。离子导向器用于结合飞行时间质量分析仪(tof)的离子碎裂“慢”方法。新型波形适用于一种具有多极结构的离子导向器，例如具有两个平行连续棒和两排平行分段电极的四极结构，或者具有四排平行分段电极的四极结构。
[0581]
与发明人已知的现有技术相比，本公开的第一方面至第八方面的方法和装置的优点包括：
[0582]
·
根据诸如本发明的第七和第八方面，正交提取可以用于具有最大质量范围以及优选最低离子加热的目标离子束。
[0583]
·
离子被输送到具有最低能量分布和最小束尺寸的正交提取。
[0584]
·
与现有技术波形相比，对波形精度的要求显著降低，因此对电源单元(psu)的要求也相应降低。
[0585]
·
对寄生波形失真(如有)造成的影响进行补偿。
[0586]
·
允许增加现有技术中描述的行波屏障的高度，从而提供更大的传输质量范围。
[0587]
·
显著减少或防止离子在相邻阱之间的转移或“串扰”(因为任何从阱轴向逸出的离子将被径向喷出，而不是转移到相邻阱中)。
[0588]
·
允许行波在轴向和径向方向上的特性解耦，避免势垒的高度像现有技术那样与径向约束的强度紧密相关。
[0589]
·
允许比现有技术更有效的离子约束。
[0590]
·
允许通过被所施加的波形的特征，修改所传输的离子束的形状和大小。
[0591]
·
允许用简化的数字开关方案实现波形。
[0592]
·
允许传输离子，使得离子束位于产生行进赝势的调制射频振幅(如有)的最小值处，并指出了对简化和实际波形要求的影响。
[0593]
·
可以根据诸如本发明的第三和第四方面，组合赝势和实势，从而提供电势传输的改进方法。
[0594]
上述优点可以根据诸如本发明的第一方面和第二方面来实现。本发明的第一方面和第二方面适用于本说明书中公开的所有方面。
[0595]
本公开的第三方面和第四方面涉及轴向抽取的装置(第三方面)和相应的方法(第四方面)。正如上文本发明的第三方面和第四方面的相关内容。该装置和方式适用于改进诸如正交加速飞行时间质量分析器(oatof)或将聚束离子导向器应用于oatof分析器。更具体地，本公开的这些方面还涉及一种装置和相应的方法，该装置和方法从离子导向器轴向提取到oatof的脉冲发生器区域中，从而为oatof分析器提供改进。正如上文本发明的第三方面和第四方面的相关内容。
[0596]
本公开的第五方面和第六方面均涉及对用于将离子注入离子导向器中以进行聚束离子传输的设备(第五方面)和相应方法(第六方面)的改进。正如上文本发明的第五方面和第六方面的相关内容。更详细地，本公开在这些方面涉及使用新的波形(如在本公开的第一方面和第二方面中)来简化和改进将离子注入到设备的选定势阱中。与现有技术相比，本公开在该方面的主要益处在于显著简化了电子设备。本公开的第七方面和第八方面各自涉及用于聚束离子传输的改进结构(第七方面)和相应方法(第八方面)。更详细地，本公开在该方面涉及根据本公开的第一方面、第二方面、第三方面、第四方面、第五方面或第六方面披露的布置提供离子传输的新型平面结构。该结构可以通过制造简化的印刷电路板实现。
[0597]
应当理解，与本发明的第一方面和第二方面相关的设备和方法以及其中公开的新波形适用于本说明书中公开的本发明的所有方面。
[0598]
新波形
[0599]
接下来将通过本发明的一个示例说明本发明提供的一种带电粒子的操纵方法或设备，该设备包括系列电极，设置成形成用于输送带电粒子的通道。图6示意性地示出了根据本发明实施例的设备。该设备具有电源单元5，其向轴向分段聚束电极提供第一电源电压，以便在通道内产生电场。电场的电势具有一个或多个局部最小值，这些最小值至少在时间间隔(t)内沿着至少部分长度的通道平移。施加到给定轴向分段聚束电极的第一电源电压在时间间隔(t)内的有限时间段(t
l
)内保持基本恒定的值，并且该有限时间段(t
l
)对应于局部最小值。实际应用时，经定义，在波形周期的该段内，波形电压取值范围为电压最小值(含本值，例如，零，排除任何常见dc偏移)和不超过波形振幅的10％之间。
[0600]
电源单元6同时向径向约束电极提供第二电源电压，以便在通道内产生径向约束电场，该电场被配置为将离子径向约束在通道内。下面的例子描述了恰当电势的性质、产生的势阱及其益处。
[0601]
在发明人试图实现以下类型的波形的过程中：
[0602]
u0*cos(2πt/t φ)*cos(2πft φ)
[0603]
如现有技术中所述(见上文背景技术)，发明人发现了由所谓的寄生偏移引起的问题。优选地，波形的产生通过“数字方法”来完成：如各种现有技术中所描述的，在射频范围内产生并且具有几百伏振幅的波形。通过使用精确定时的金属氧化层半导体场效晶体管(mosfet)在两个电压电平之间切换来产生方波。这意味着，实际上，波形的快速振荡分量不是余弦：cos(2πft φ)，而是方波。在现有技术和本技术中，两个电压电平可以时变。时间周期变化提供了射频波形的振幅调制包络线。寄生偏移产生电压分量并非专门设计，而是源于正负半周并不完全平衡，即不相等也不相反。该偏移可以通过计算如图5a所示的射频波形的正偏移和负偏移的积分面积之差来评估。该差异被认为源于两个方面。首先，由于调制波形的正负振幅之间的不平衡。另一个原因是射频波形的占空比从0.5略微偏离。占空比基本上是载波波形的正半周或负半周的时间段与其周期的比值。理想情况下，射频波形(有时称为载波波形)的占空比为0.5(或50％)。发明人发现，占空比的与0.5的微小偏差可能会产生寄生偏移电压，这对聚束离子传输具有显著的有害影响。载波波形的每个周期的寄生偏移的振幅由(a-b)*f给出，其中a和b是正负偏移的面积，并且可以从真实波形的数字化示波器轨迹以数字方式计算。a&b单位为(v*s)，f是射频波形的频率，单位为赫兹。真实波形的参数保持在一定的公差范围内。公差大小由产生所述波形的方法的缺陷决定。这些缺陷包括电子元件的容差，例如电容和电阻值的变化、mosfet特性等，以及离子导向器本身的元件之间的电容(负载电容)。在本技术的图5b中示出了计算出的偏移的示例。如图5b所示，寄生偏移是频率高于调制频率的信号，因此难以通过滤波方法去除。可注意到，2v的寄生偏移可能源于振幅为400v的波形的仅0.25％不平衡。此外，对于频率为1mhz的400v射频振幅波形，相同的2v寄生偏移将由正负半周之间仅5ns的不平衡引起。在内接半径为2.5mm的四极结构导向器中，2v不利于聚束离子输运性能。发明人已发现当存在波形的振幅或相位的调制或其他类型的调制时，可以通过指定更高元件容差来改善偏移，但成本过高，并且至今还未得有效解决。在此基础上，发明人迫切寻找一种替代的更低成本的、更有效的解决方案。如现有技术文献us9536721 b2所示，可以通过向沿着四极离子导向器的轴(z方向)向的聚束电极施加以下电压波形来产生赝势：
[0604]
u0*cos(2πt/t φ)*cos(2πft φ)。
[0605]
由此产生的轴向赝势由下式给出：
[0606][0607]
其中e0是时间平均电场，z是离子电荷，m是赝势中离子的质量。任何坐标z的赝势的最小值t＝n*t出现时间为t＝n*t，其中n是自然数。发明人还意识到，这些时间点是波形：
[0608]
u0*cos(2πt/t φ)*cos(2πft φ)
[0609]
处于最大值或最小值，即射频振幅的极值处。这意味着，位于赝势行波最小值处的离子受到最高寄生偏移电压的影响，其中寄生偏移可能达到射频振幅的2％，总计几伏。上述非常不利情况会以几种不同的方式影响离子束的传播，不利于离子的传输。上述电压将导致离子溢出到相邻的移动赝势阱中，导致加热和质量相关的损失。电势的短暂和突然变化可以像电势的脉冲一样，给离子“踢”能量，导致溢出到相邻的阱或径向损失(即，在径向上，横切于导向轴)。寄生偏移可以有助于赝势阱底部的上升。由于赝势阱的深度与离子的质量成反比，被赝势阱约束的离子束内的重离子将在轻离子之前开始逃逸，离子导向器的质量范围能力降低。
[0610]
当寄生偏移出现在被传送的离子束的附近(沿着轴)时(即赝势阱的最小值的位置)，寄生偏移自然对离子影响最大。因此，发明人已经意识到需要减少并优选消除所有离子束位置处的波形缺陷的影响。因此，发明人寻求一种最小化所述位置处的射频振幅的方法。
[0611]
在寻求该方法的过程中，发明人认识到以下不仅与赝势阱的形成有关，而且与作为交流电压波形(即不包括射频分量)形成的“真实”势阱有关：
[0612]
·
优选地，在移动离子束的位置具有可忽略或基本为零的振幅的波形。这意味着离子不会受到施加到最近波形的波形寄生偏移的影响。在另一种观点中，如果电压波形，例如调制的射频波形或交流电压波形，在势阱的位置具有“零”和恒定值，则施加到最近电极的波形不能产生容易对所述势阱产生不利影响的寄生偏移。
[0613]
·
赝势在任一侧的相邻电极的位置处具有有效值，但是在更远的相邻电极的位置处显著减小。因此，在八相(n＝8)的情况下，优选地，在波形的周期内，三个相邻电极同时具有零电平的波形。
[0614]
·
在具有该特性的方案中，最优选地，离子被施加到主极棒(即径向约束电极)的射频电压(例如附加射频电压)径向俘获，并且该电压可以由具有恒定振幅的射频波形提供，注意，恒定振幅的射频波形可以包含通过简单的dc阻断方法完全去除的任何dc分量。在该情况下，行波阱内的离子可能仅被主极棒的四极捕获场(即径向约束电极)径向约束。在主极棒(即径向约束电极)和轴向分段聚束电极(聚束电极)上提供相同的dc偏移不会破坏势阱，并确保不会由于寄生偏移而出现分解dc。
[0615]
除了这些重要的发现外，与现有技术的us9536721b2相比，本公开描述的波形提供了几个新的特征和更大的灵活性，例如：
[0616]
·
轴向捕获和聚束势以及径向捕获势基本上是独立的。这使得设备的操作更加简易。因此，与现有技术相比，可以应用更高的径向捕获场。径向离子约束由主极棒(即径向约束电极)的捕获多极场(例如四极场)提供，轴向离子聚束由具有多个相位(例如波形/调制的相位)的调制电势(即电压波形)提供。
[0617]
·
波形的附加参数影响势阱之间势垒的高度和将离子保持在阱中的电场强度，与
现有技术相比提供了更有效的离子束约束。这意味着与现有技术相比，对于调制波形的给定振幅，可以更好地将离子约束在指定束中，具有更低的损耗和更大的质量范围。另外，波形的参数可以用于控制离子束的轴向尺寸，从而提供更大的灵活性。
[0618]
新波形可以提供如us9536721b2所描述的恒速平移(即无加速或减速)，影响离子束的“平稳”传输。这种方式可以在传输期间保持离子冷却，可以用于将离子束传送到高真空区域，并且在高真空区域内进一步传输离子。同时，由于降低了对波形精度的要求，其中相关内容提供了更实际的实现方法。
[0619]
该新型波形适用于包括多极场结构(例如四极场结构)的传输设备，该设备由主极棒和聚束电极组成。聚束电极可以包括精细分割的极棒。美国专利us9536721b2提供了一些相关的结构实例。主极棒(即径向约束电极)的主要作用是提供多极(例如四极)径向约束场，以将离子约束在传输设备的轴上。聚束电极沿着离子导向器的光轴间隔开。轴向分段聚束电极可以由电源单元(psu)提供电压，该电源单元提供具有多个波形的电源电压。这些波形在导向通道内沿着设备的轴产生多个势阱，这些势阱沿着离子导向器以恒定的波速在轴向上移动。典型地，八(8)个相位(例如，常见电压波形)被提供给多个聚束电极。在该特定情况下，八个相位分别在360/8＝45度的相位之间可以具有恒定的相移。更普遍地，使用n相位，其中n是正整数，在该情况下，360/n度的相邻相位之间的相位角有恒定的相移。相位n分别被施加到每个相应的nth电极。因此，使用了一组重复的n电极。也就是说，每个电极具有相位角偏移-360/n度的前一个电极和相位偏移 360/n度的前一个电极。波形可以是周期性电压(例如，不包括射频分量)或周期性调制射频电压(例如，包括振幅根据波形调制的射频分量)。波形可以是两者的组合：即周期相关电压和周期调制射频电压的总和。施加到电极上的波形产生电势或赝势，该电势或赝势由沿输送设备轴线以恒定速度移动的最小值和最大值组成。速度可以根据离子传输的要求进行调节，并由调制频率和n个电极的重复距离决定。可以有m组n个电极，设备的总长度为l
total
＝m*l，其中l是该n个电极组的长度。主极棒(即径向约束电极)和聚束电极最好是专门分开工作。
[0620]
图6示意性地示出了根据本发明实施例的带电粒子的操纵设备示例。设备(1)包括系列电极(2，3)，被设置为形成用于传输带电粒子的通道。第一电源单元(5)适用于向其中的轴向分段聚束电极(3)提供根据其中公开的具有周期(t)的波形而变化的第一电源电压(7)，以便在通道内产生电场。所述电场的电势在限定势阱的局部最大值之间具有多个局部最小值，如本文所述，其沿着至少部分长度的通道平移。势阱在基本上等于周期(t)的时间间隔内平移基本上等于其长度的距离(例如，沿通道方向的轴向长度)。如本说明书所讨论的，波形
[0621]
(a)在其周期内基本持续平稳(t)；并
[0622]
(b)在所述周期(t
l
＜t)内的有限时间段(t)内基本维持波形的最小值。
[0623]
第二电源单元(6)适用于向径向约束电极(2)提供第二电源电压(8)，以便在通道内产生径向约束电场，该电场被配置为将带电粒子径向约束在通道内。
[0624]
该设备包括控制单元(4)和计算机(9)，控制单元(4)包括第一电源单元和第二电源单元(5，6)，计算机(9)包括存储单元，在存储单元中存储波形的对应于沿其周期的相应多个分离和离散点的波形的多个分离和离散值。计算机被设置成控制第一电源单元根据存储在存储单元中的离散值产生波形。
[0625]
该设备包括缓冲气体控制单元(10)，该缓冲气体控制单元被配置为控制通道内的缓冲气体的压力，使得通道出口处的压力低于0.5mbar。缓冲气体控制单元可以被配置为控制通道内的缓冲气体的压力，使得通道一端的缓冲气体的压力至少比通道另一端的压力大20倍。例如，通道出口/输出端的压力可以被控制为比通道输入端的压力低至少20倍。
[0626]
控制单元(4)可以控制第一电源电压包括根据波形调制的射频电压信号，使得势阱由赝势形成，或者包括根据波形时变的交流电压，并且不包括或调制任何潜在的射频电压信号。
[0627]
控制单元(4)可以控制第一电源单元(5)向轴向分段聚束电极的每个电极提供第一电源电压波形，使得所述第一电源电压波形相对于同时提供给相邻电极的电压波形相移。具体地，可包括在波形的所述周期(t)内的有限时间段(t
l
《t)内，在波形的不同相位上同时向多个连续轴向分段聚束电极中的每一个施加第一电源电压。
[0628]
控制单元(4)可以控制第一电源单元(5)提供第一电源电压波形，使得在波形频率(f＝1/t)时，在预定的有限时间间隔期间t
l
，波形的值不大于波形的周期t内的波形最大值的10％，其中t
l
≥t/n，并且n是形成支持波形的整个周期t的轴向分段聚束电极子集的连续轴向分段聚束电极的数量。在一些实施例中，可以控制第一电源单元(5)，使得在有限时间段(t
l
)内，波形的值变化不超过预定的最大允许变化(δu)，该最大允许变化表示为波形的振幅(u0)的百分比(％)，使得：100
×
u/u0≤10。在一些实施例中，可以控制第一电源单元(5)使得δu’/t’l
≤2.0，其中t’l
＝100
×
t
l
/t是以周期t的百分比(％)表示的t
l
的时间段，并且δu’＝100
×
δu/u0。在一些实施例中，可以控制第一电源单元(5)，使得具有波形振幅u0的波形(u)在所述有限时间段(t
l
)的一阶时间导数的模数为：
[0629][0630]
在一些实施例中，可以控制第一电源单元(5)，使得具有波形振幅u0的第一电源电压波形在所述周期(t)的一阶时间导数的模数取值为：
[0631][0632]
例如，这些一阶时间导数的上限特别适用于当波形包括本说明书所讨论的误差函数(“erf”)的情况。理想情况下，通过应用这些波形和条件中的任何一个而产生的势阱限定了一个阱底，并且限定阱底的势阱的值仅包括一个局部最小值，该值不具有时变性。
[0633]
图7a-d中给出了可以在传输通道中使用的电极示例。主极棒和聚束电极可以“像”标准线性四极杆的极棒，聚束极棒应该被分段或者通过某种方式被俯冲。例如，径向捕获场可以由径向约束电极和轴向分段聚束电极之间的电压差产生。因此，射频径向约束电压可以施加到径向约束电极、轴向分段聚束电极或两者。当径向约束电极被分段，并且施加到轴向分段聚束电极的电压非调制射频电压时，可以被施加到轴向分段聚束电极和径向约束电极。
[0634]
两种类型极棒都可以具有如图7a所示的双曲线轮廓。在其他实施例中，主极棒和聚束棒都可以被分段，如图7b所示。主极棒和聚束棒的横截面可以是其他形状，包括但不限于截头双曲线电极、圆形电极、梯形电极、矩形电极。在实施例中，分段聚束棒可以具有不同于主极棒的横截面形状，可以比主极棒具有更小或更大的间隔。
[0635]
图8a-e示出了一些进一步可应用的结构。其中，图8a和图8b示出了具有平面主极
棒和平面聚束电极的示例。图8c示出了具有部分双曲连续主极棒和部分双曲群聚电极的结构。图8d示出了替代实施例。图8d示出了包括相对布置的电极平面的设备。每个平面由内部聚束电极和两个主极棒组成。该结构易于制造，可以在印刷电路板(pcb)上或安装在印刷电路板上的电极上制造。
[0636]
图8d可用于提供当从横截面看时四极场的近似。图8e示出了在每个平面上具有两对主极棒的替代结构，共八对主极棒，以在施加适当电压时提供更精确的四极场。聚束电极和径向约束电极的上述布置可以包含在带电粒子的操纵设备内(对应于项1；图6)，如本说明书所述。聚束电极和径向约束电极的布置包括导向组件20，该导向组件20包括系列电极，被设置为形成限定用于输送带电粒子的轴的导向通道，该导向组件包括：
[0637]
聚束电极组件，其包括：
[0638]
多个平面聚束电极的第一阵列21，所述电极被设置成沿着导向通道轴向分离；和
[0639]
多个平面聚束电极的第二阵列22，所述电极被设置成沿着导向通道轴向分离，其中所述第二阵列被设置成跨过导向通道的轴线与第一阵列分离；
[0640]
径向约束电极组件(23，24，25，26)，其包括多个平面约束电极，所述平面约束电极被设置成横跨所述导向通道的轴线分开，实现平面平行和相互平面平行；
[0641]
电源单元(项5和项6：图6)适用于向所述第一阵列和所述第二阵列的聚束电极提供第一电源电压7，并向所述多个平面约束电极提供第二电源电压8，从而产生限定电势的电场，该电势将带电粒子径向约束在所述导向通道内，并且在限定电势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，该电势阱沿着至少部分所述导向通道的轴平移。
[0642]
聚束电极的第一阵列21与聚束电极的第二阵列22间隔有横切于导向通道轴线的横向间距。沿着至少部分的导向通道，横向间距均匀设置。平面聚束电极第一阵列的连续(例如相邻)平面聚束电极在平行于导向通道轴线的方向上被轴向间隔或间隙轴向分开。平面聚束电极第二阵列的连续(例如相邻)平面聚束电极在平行于导向通道轴线的方向上被轴向间隔或间隙轴向分开。第一阵列的连续平面聚束电极之间的间隔与第二阵列的连续平面聚束电极之间的间隔匹配。平面聚束电极第一阵列的给定平面聚束电极与平面聚束电极第二阵列的相应平面聚束电极轴向对齐。横向间距至少是轴向间距的两倍。更优选地，横向间距至少是轴向间距的两倍(3x)。愈加更优选地，横向间距至少是轴向间距的三点五倍(3.5x)。理想情况下，横向间距至少是轴向间距的五倍(5x)。
[0643]
径向约束电极组件包括约束电极第三阵列(23，24)，该阵列包括一个或多个平面约束电极，该平面约束电极被设置成与聚束电极的第一阵列的平面聚束电极共面，与该平面聚束电极相对的一个或多个平面约束电极设置成与聚束电极的第二阵列的平面聚束电极共面。径向约束电极组件也包括约束电极第四阵列(25，26)，该阵列包括一个或多个平面约束电极，该平面约束电极被设置成与聚束电极的第一阵列的平面聚束电极共面，与该平面聚束电极相对的一个或多个平面约束电极设置成与聚束电极的第二阵列的平面聚束电极共面。聚束电极的第一阵列21的平面聚束电极设置在聚束电极的第三阵列(23，24)的共面约束电极和聚束电极的第四阵列(25，26)的共面约束电极之间。聚束电极的第二阵列22的平面聚束电极设置在聚束电极的第三阵列(23，24)的共面约束电极和聚束电极的第四阵列(25，26)的共面约束电极之间。
[0644]
约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列设置成在横切于(例如，正交于)导向
通道的轴线的方向上(例如，在横穿导向通道的轴线的方向上)相对。约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列基本上沿着导向通道的整个长度方向延伸。约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列分别包括一个单独的(例如连续的)的平面约束电极，该平面约束电极基本上沿着导向通道的整个长度方向延伸。两个单独的约束电极可以平面平行。
[0645]
约束电极的第三阵列和约束电极的第四阵列分别包括一对两个分别连续的平面约束电极。每对中的两个分别连续的约束电极相互平面平行的，并间隔开，使得该对中的一个约束电极与聚束电极的第一阵列相邻(例如，共面)，并且该对中的另一个约束电极与聚束电极的第二阵列相邻(例如，共面)。
[0646]
在另一个示例中，如图8e所示，约束电极的第三阵列和聚束电极的第四阵列可以分别包括一组四个连续的平面约束电极(23，24，37，38，25，26，39，40)。在示例中，每组的四个连续的约束电极相互平面平行，并间隔开，使得该组的两个共面约束电极与聚束电极的第一阵列相邻(例如，共面)，并且该组的另两个共面约束电极与聚束电极的第二阵列相邻(例如，共面)。通过该方式，聚束电极的第一阵列与平面聚束电极的第一阵列的一侧的第一对共面且平行的连续约束电极共面，并且与平面聚束电极的第一阵列的另一侧的第二对共面且平行的连续约束电极共面。类似地，聚束电极的第二阵列与平面聚束电极的第二阵列一侧的第三对共面且平行的连续约束电极共面，并且与平面聚束电极第二阵列另一侧的第四对共面且平行的连续约束电极共面。这种布置增强了径向限制电势。
[0647]
优选地，第二阵列的平面聚束电极被设置成与平面聚束电极的第一阵列的平面聚束电极平面平行。优选地，平面聚束电极的第二阵列的平面聚束电极被设置成相互共面。平面聚束电极的第一阵列的平面聚束电极可被设置成相互共面。而且，平面聚束电极的第一阵列的平面电极和平面聚束电极的第二阵列的平面电极可被设置成与导向通道的轴线平面平行。
[0648]
平面聚束电极的第一阵列的平面电极和平面聚束电极的第二阵列的平面电极可被设置成位于与导向通道的轴线横切的共同平面中。平面聚束电极的第一阵列的每个平面电极可被布置成与平面聚束电极的第二阵列的相应平面电极共面，其中共同的平面横切于导向通道的轴线。优选地，横向平面垂直于导向通道的轴线。第二阵列的平面聚束电极可被设置成轴向间隔开，从而不共面并且相互平面平行。而且，第一阵列的平面聚束电极可被设置成轴向间隔开，从而不共面并且相互平面平行。
[0649]
在一些示例中，设置平面聚束电极的第一阵列的平面电极和平面聚束电极的第二阵列的平面电极，使得第一阵列平行于第二阵列，并且使得平面聚束电极的第一阵列以限定导向通道宽度的横向间隔为中心与平面聚束电极的第二阵列相对。在一些示例中，约束电极的第四阵列被分段以限定在平行于导向通道的轴线的方向上延伸的多个电极段的阵列。约束电极的第四阵列可被分段以限定在平行于导向通道的轴线的方向上延伸的多个电极段的阵列。
[0650]
在一些示例中，聚束极棒段之间的间隙大于或等于分段宽度。优选地，聚束段的轴向宽度比运输设备的内接半径小得多，优选小2.5倍或5倍以上，更优选小10倍以上。聚束电极段的横向宽度优选等于设备通道的内接半径。
[0651]
优选地，传输通道的内接半径位于约2mm-5mm的范围内。优选地，聚束极棒的分段(在轴向上)之间的间隙大于聚束分段宽度的2倍或4倍。
[0652]
从离子导向器中正交提取离子。
[0653]
主极棒(即径向约束电极)可以被分割成两个或更多个分段。每个主极棒的至少一个分段可以作为提取区域，用于从导向器中提取离子束。可以在与离子导向器的轴基本正交的方向上从提取区域提取离子束。离子束可以被导入一个或多个tof质量分析仪。图9a-b示出了适用于该类型提取的离子导向器的示例。。参考图9b，示出了具有单个提取区域929以及提取透镜电极933、935和937的分段离子导向器。
[0654]
提取区域被配置为在两个时刻提供两种场配置：
[0655]
·
输送场(与上游和下游的输送离子导向器相同)，和
[0656]
·
提取场(与上游和下游的传输场以及提取场相同)。
[0657]
在操作中，提取区域在这两个场之间连续切换。切换频率应该是调制频率的整数分频。优选地，提取区域的主极棒(即径向约束电极)具有狭缝，以允许离子穿过狭缝朝向质量分析器。可选地，主极棒的提取段可以由网格或栅格制成。
[0658]
可以根据诸如us9536721b2和wo2018/114442中描述的方法进行提取。
[0659]
值得注意的是，施加到聚束电极的聚束波形可以在整个提取周期中持续，确保了传输设备中其他的提取区域内的行波的连续性，并且不需要多个电源单元来提供聚束波形。优选地，施加到聚束电极的波形在提取区域的透射阶段和提取阶段都保持不变。从而使得提取区域的聚束极棒不需要额外的电源或开关。
[0660]
从离子导向器中轴向提取离子。
[0661]
离子束也可以通过离子出口端沿轴向方向(即平行于离子导向轴)离开离子导向器。轴向离开的离子束可以进入正交提取区，在此基础上，产生了将离子引入tof分析器的替代方法。oatof方法在本领域中是众所周知的，被广泛应用于许多商业仪器中，被称为lc-tof和q-tof格式。轴向提取法的优点是允许分析每个连续势阱中的离子(在两次提取之间不需要遗漏阱)。
[0662]
产生新波形的结构和技术。
[0663]
实际上，为了生成本说明书公开的新波形：
[0664]
·
聚束波形可以应用于n个分段电极(段)的重复组。在整个传输通道中，每组分段中的段数n可以是恒定的。重复的分段组由图9b所示的离子导向器部分中的电极阴影表示(其示出了n＝8相实施例的示例)。
[0665]
·
n个调制相位中可以分别被施加到第n个电极。例如，对于n＝8，每个电极具有相位角偏移为-360/8＝-45度的前一电极和相位偏移为 45度的前一电极。
[0666]
·
聚束电极可以在轴向上间隔距离s。因此，相的数量和电极间隔限定了重复距离l。在当前的八相实施例中，重复距离l等于8*s。设备的总长度l
total
可以显著大于l。可以有m组电极，每组包括八个聚束电极，那么离子导向器的总长度l
total
将等于m*l，并且在该示例中等于m*8*s。作为示例，s可以是1mm，m可以为50，导向器的总长度将为l
total
＝400μm。该设备的长度不限于此，取决于具体应用情况或使用仪器。
[0667]
·
重复距离l还定义了行波的波长和连续势阱之间的距离。
[0668]
·
在所提供的示例中，八个调制相位分别连接到m个电极。
[0669]
·
值得注意的是，在一些示例中，重复距离s和离子导向器的内接半径或横向尺寸可以沿着离子导向器的长度变化。
[0670]
·
新波形的进一步描述
[0671]
·
实际上：调幅波形可以用函数来描述：
[0672]vi
(f，t，t)＝u(2πt/t φi)*ξ(2πft φ))，
ꢀꢀꢀ
(1)
[0673]
其中u(2πt/t φi)是周期调制函数，具有周期t(s)和相位φi＝2π*i/n φ0，其中i＝0，1，..n-1和φ0是不受限制的初始相位，ξ(2πft φ)是一个具有频率f和相位φ的快速振荡周期函数。
[0674]
分量u(2πt/t φi)调制射频电压。射频电压用函数：ξ(2πft φ)表示。它也是一个具有射频频率f(赫兹)的周期函数。例如，它可以是谐波函数或方波。优选地，射频相位和频率为所有调制相位所共有。
[0675]
一般来说，射频频率f应明显大于调制频率，表示为1/t。典型地，f可以在0.2mhz-5mhz的范围内，典型地，1/t在0.1khz-20khz的范围内。对于电源单元(psu)提供的每个调制相位，相位角φi应该不同。
[0676]
在一般n相位(在重复的分段电极组中的n电极)情况下，psu应该提供如方程(1)所描述的n个波形，n相位分别具有不同的相位角，1到n相位具有由φi＝-2πi/n给出的相位角。其中i＝0，1，2，...n-1。回到八相的示例，相位角如下：
[0677]
第1相位：φ1＝0度；
[0678]
第2相位：φ2＝-45度；
[0679]
第3相位：φ3＝-90度；
[0680]
第4相位：φ4＝-135度；
[0681]
第5相位：φ5＝-180度；
[0682]
第6相位：φ6＝-225度；
[0683]
第7相位：φ7＝-270度；
[0684]
第8相位：φ8＝-315度。
[0685]
·
周期t决定了赝势阱的移动周期。该周期是占据相邻阱的离子束传送时间差。
[0686]
·
波速以m*s-1
为单位表示为l/t。
[0687]
·
有利地，波形的射频分量和径向捕获射频波形可以具有相同的相位角、频率和振幅，并且易于地从单个控制单元获得。
[0688]
·
本发明的一个关键方面是周期调制函数的形式(通过形式准确表示振幅在单个周期t内的时变方式)，表示为u(2πt/t φi)。
[0689]
·
每个调制相位的时间相关性应该具有相同的形式。
[0690]
周期调制函数u(2πt/t φi)可以被定义为在周期函数的单个周期t内分成4个部分的波形。参考图10a，在第一时间段内的射频电压是基本恒定的高电平电压或振幅，在图10a中表示为th。在图10a中，在表示为t
ff
的第二时间段内的平均射频电压由高电平电压或振幅降至低电平电压。在图10a中表示为t
l
的第三时间段中的低电压是恒定的。在图10a中有表示为t
fr
的第四时间段内的射频电压从低电平电压或振幅升至高电平电压或振幅。。
[0691]
t
fr
和t
ff
在上升和下降周期最好基本上不为零，并且总是存在。将t
fr
或t
ff
变为零会过多地改变赝势或电势的形状，从而向离子束施加周期性的脉冲力，或者从另一个角度来看，轴向场的突然变化导致电势阱的加速和降速传播，如上文所述的现有技术。
[0692]
实际上，本发明人认为以下条件是实现最佳性能的优选条件：
[0693]
·
tf＝t
fr
t
ff
和t
fr
t
ff
≤t。更优选地，t
fr
＝t
ff
和t
fr
t
ff
＞t/20。
[0694]
·
t
l
应优选≥t/n。其是波在两个聚束电极之间传播的时间。在一些示例中，t
l
≥2*t/n。
[0695]
·
u(2πt/t φi)最好是连续平稳的函数(不含电压的突变)。相对于时间的一阶导数u(2πt/t φi)最好小于100(其中u和t表示为归一化参数：u’＝u/u0和t’＝t/t)。量u/u0可称为“单位相位”，因其最大值为1，通常在极值0和1之间变化。u’和t’是无单位量。
[0696]
·
相对于时间的第一微分u(2πt/t φi)最好也是连续函数。
[0697]
·
施加到主极棒的射频电压的振幅最好不被调制。
[0698]
其他优选条件包括：
[0699]
·
在一些实施例中，t
fr
＝t
ff
，但是在其他实施例中，t
fr
≠t
ff
。
[0700]
·
在一些实施例中，th＝t
l
，但是在其他实施例中，th≠t
l
.。
[0701]
·
轴向电势的最大电压优选为所施加电压波形振幅的至少70％。轴向电势的最小值优选小于所施加电压波形振幅的至少30％。
[0702]
·
单位相位之和最好在2和n-2之间。
[0703]
·
单位相位之和最好是整数值。
[0704]
·
当使用波形的数字驱动时，波形的数值最好是整数n。例如，对于优选的n＝8，每个周期的数字步进可以是256(8比特数)。
[0705]
总之，移动势阱和势垒的形式，即高度、形状和轴向长度(沿轴的长度)取决于波形的各个方面，如下所述。
[0706]
径向捕获射频是整个系统的重要组成部分。径向捕获由径向捕获场而非聚束波形提供。如上所述，群聚波形和径向约束波形都是独立的。然而，当群聚波形是调制射频波形时，有必要为径向捕获射频和调制射频提供一定比例的频率。在实施例中，为两种类型的波形提供相同的射频电压是可行的。在该情况下，时间段为th的高调制电压区域可能产生弱电场区域。鉴于可能从行波的阱中“溢出”的离子无法有效地约束在阱之间，并且将从离子导向器中逸出，上述情况具有积极效果，从而减少或者优选消除阱之间的“串扰”。否则，两个频率必须为整数值，防止由于可能的频率跳动而导致不必要的离子损失。此外，两个射频之间的相移是可能的。最实用的相移是0
°
和180
°
，该数值会相应产生不同强度的径向约束电场区域。
[0707]
在本说明书讨论的示例中，该结构优选能够在至少部分设备内垂直于设备轴的平面内产生四极场(或具有基本四极分量的场)。
[0708]
在本说明书讨论的示例中，在每组聚束电极(n)中能够传送所述类型的波形的优选最小分段数是六(6)。优选数量是n＝8，但也可以使用其他数量。数量越高，离子束的平移越平稳，但相应地复杂性也更高。八相为行波提供了足够的平稳过渡，这将能够在传输通道的整个压力梯度上保持更大质量范围的离子冷却。
[0709]
支持数据
[0710]
接下来，通过具体的示例来说明本发明，其中形式基于误差函数(erf)。图10a-g中给出的所有示例都基于该函数。误差函数是一种特殊的s形状的数学函数，常见于概率和统计以及其他数学领域。借助该函数来描述电压如何从低值变为高值以及从高值变为低值，根据要求(在如上定义的本发明的某些参数范围下)，该函数提供了两个(高和低)电压电平
之间的“平稳”转换。误差函数的定义是：
[0711][0712]
该函数在数学上简单地说就是erf(y)，其中y是决定高斯函数积分极限的量。需要注意的是，erf的梯度是高斯函数本身。
[0713][0714]
在示例应用中，变量y用时间变量表示为t。函数erf(y)表达了电压或电压振幅(在用于调制射频的情况下)相对于时间的关系，即定义了上文介绍的u(t)函数。波形必须分为两部分：在上半周期t内，0＜t≤t/2，其中：
[0715][0716]
，所以积分极限范围为-p-p。
[0717]
在下半周期t/2＜t≤t内，其中：
[0718][0719]
所以积分极限范围为-p至p。借此提供了一种“平衡”的调制形式：即th＝t
l
和t
fr
＝t
ff
。因此，调制波形的形式可以表示为：
[0720][0721]
其中，t是调制波形的周期，而参数p是无量纲参数(实际上，是可用于定义高电压状态和低电压状态之间转变陡度的参数，因此是t
fr
和t
ff
)。图10a和图10b示出了将参数p设置为五(p＝5)计算的调制波形。在该情况下，调制波形调制更高频率的射频波形(注意，在该图中，调制的相对射频频率被人为降低，以便读者可以看到方形射频波形)。图11示出了波形的一个示例，在离子导向器的重复组中的n＝8分段电极在轴上的相应电势在图12中示出。图11还示意性地示出了图6中示意性示出的设备1的分段聚束电极3，波形的八个相位被施加到该聚束电极(其中n＝8，而不是图6中所示的n＝6)，使得八个连续电极的组中的每个聚束电极3在波形的不同的八个相位中接收相同的波形。施加到沿通道z轴的连续电极位置处的连续聚束电极的波形相位以45度的连续步长增加。
[0722]
图10c示出了当参数p设为2.5(p＝2.5)时计算调制波形的另一个示例。最好是p＞2。
[0723]
该类型的波形将产生彼此间隔距离相等的高斯形状的赝势垒。
[0724]
周期th可以不存在，即波形的上升前沿可以达到其最大值，然后立即开始下降。类似于图10c所示的波形。然而，拥有更长的th周期会使得赝势垒或势垒的高度更大。在图10g和图10h中举例说明了非零th以及波形的更陡的上升和下降前沿的益处。在图10g中有两个波形。波形
‘
a’有较平的前沿和t
h-0。波形
‘
b’具有清晰可见的th周期。两个波形具有相同的周期和振幅。图10h
‘
a’和
‘
b’中描绘了对应于两个波形的轴上产生的赝势的差异。可以看
出，轴向赝势
‘
b’至少高一倍。这个示例表明，新型波形的行波参数只需调制就可以修改，无需改变波形的振幅或频率。
[0725]
可以定义实现误差函数的更普遍方式，使得t
fr
＝t
ff
和th≠t
l
，包括th》t
l
和th《t
l
。
[0726][0727][0728]
其中f是接近一(1)的无量纲参数。选择f＞1提供th＞t
l
的波形，选择f＜1提供th＞t
l
的波形。图10d示出了th＞t
l
的情况的示例。调制的射频波形与调制包络线的正负形式一起显示。
[0729]
时间段th是波形最大振幅的周期，在聚束中有两个作用。首先，参与势垒/赝势垒的形成(下面提供了基于erf函数的波形示例)。其次，影响离子束在轴向上的尺寸。
[0730]
现在将考虑调制波形调制射频电压振幅的情况。在实践中，通过为psu提供的八个相位生成调制波形的两个分量，创建该类型的波形。该分量是根据方程(2)的正包络线和根据方程(5)的负包络线。射频调制波形可以如图10a至图10d所示。例如，可以通过数字开关方法来提供射频电压，该方法可以采用高频开关，从而将聚束电极交替地电连接到正电源轨和负电源轨，以提供波形的射频振荡分量。
[0731][0732]
在上述示例中，图10a至图10d中，振幅un(t)和u
p
(t)(相应地，高频rf的负电势和正电势)相同，只是符号相反。这些是射频振幅的调制示例。
[0733]
在实施例中，un(t)和u
p
(t)的振幅可以不同。对于正离子有利的是：[u
p
(t)]＞[un(t)]，对于负离子有利的是：[u
p
(t)]＜[un(t)]。图10e示出了[u
p
(t)]＞[un(t)]情况的示例。
[0734]
在该情况下，产生与射频调制电压形式相同的偏移电压(刻意偏移)，如图10f所示。该调制波形电压的产生可能有以下原因：
[0735]
·
可能会产生部分或全部为负的寄生偏移电压。该负分量将从调制射频电压产生的赝势中转移离子。因此，负寄生偏移电压会降低设备的性能。该负面分量可以通过[u
p
(t)]＞[un(t)]来预防。
[0736]
·
调制波形电压增加或增强了调制波形振幅。因此，调制可以具有两个分量：射频电压分量和缓慢变化的交流电压分量(变化的特征时间远大于射频的频率)。对于正离子的传输，两个分量相互增强。射频分量产生平移赝势阱，慢交流电压分量产生平移势阱。赝势阱的高度与质量有关，平移势阱与质量无关。平移赝势阱和势阱的组合改善了离子约束并扩大了传输离子的质量范围。
[0737]
·
因此，为了清楚起见，本说明书描述的方法允许行进电势产生中的电势和赝势分量的任何相对组合。
[0738]
因此，本说明书描述的方法的一个显著特征是能够应对可能降低赝势垒高度的寄生偏移。由于新波形的特性，避免了离子位置的寄生偏移。然而，如果在波形的前沿区域存在寄生偏移，可能改变赝势垒的有效高度。如果寄生偏移是负的，带正电的离子将有更大的
可能性逃离赝势。如所描述的通过引入刻意的正偏移，可以使用新波形校正该影响。该刻意偏移不依赖于离子质量，从而确保了较宽的质量范围。离子的相反符号自然要求刻意偏移符号相反。
[0739]
这些示例仅仅基于误差函数这一种类型。但该函数可以被认为是更广泛的可能函数的子集。另一个函数由方程(6)给出。解是虚拟的，但实数部给出了提供波形的解。
[0740][0741]
其中k是一个附加参数/变量，其值可以根据需要选择。需要注意的是，上述函数并不是唯一能满足上述优选条件的函数。上升和下降前沿以及高电压和低电压部分的时间段可以借助包括样条函数在内的各种数学函数来表示。在实践中，实现波形的电子设备引入其自身对波形视图的校正。因此，本说明书介绍的误差函数是一个有用而简单的工具，可以用来理解波形的行为以及在它们的帮助下产生的电势和赝势。然而，不能将其被视为描述更普遍波形的唯一全面的方法。
[0742]
对解离的影响
[0743]
当在离子导向器内采用诸如电子转移解离(etd)的方法时，需要在相同的势阱中同时传输正负粒子。有利地，可通过刻意的正偏移保留该特征。原因在于伪势与m/z有关。etd的反应物离子通常质量较低，例如蒽自由基阴离子(m/z为177和m/z为179)或荧蒽自由基阴离子(m/z为202)。这些低质量离子受到比高质量分析物离子更高的赝势的影响，因此较小正向的刻意偏移可实现一同传输正离子反应物和负试剂离子。
[0744]
在一些示例中，行波可以由所公开的不含射频分量的波形产生，也就是说，对于至少部分长度的离子导向器来说，该分量仅仅是图10f的示例“b”所示的调制波形电压。在这种情况下，只能传输相同电荷的离子。参考方程2-5，图10f的示例波形的创建依据f＝1和p＝5。正离子将由正电势输送，相反，负离子将由图10f的反向变体输送。波形的周期仍然优选地具有全部4个部分t
l
、tf(包括上升和下降部分)和th。在一些示例中，波形的振幅可以是诸如大约5v到20v。当然，也可能是其他值或者优选是其他值的。在一些示例中，轴向段的重复组的数量可以是诸如八(8)个或者可以是十(10)个。当然，也可能是其他值或者优选是其他值的。
[0745]
示例1：图13a为现有技术中描述的m/z等于1000th的离子在zx平面中的赝势的3d图像：
[0746][0747]
其中，z是离子导向器的轴向(在纵向方向上)，x是朝向内接半径为2.5mm的连续极棒(图7a中描绘的几何形状)的方向。使用在连续极棒处具有1v恒定电势的八个电极的组来创建赝势。波形的振幅为390v(0-p)，频率为1.2mhz。
[0748]
在图13b中，使用来自方程(2)p＝5的调制波形创建了移动赝势。射频载波的振幅为360v(0-p)，频率为1mhz。施加在径向约束电极上的200v(0-p)和1mhz的射频载波。
[0749]
比较这两个图，可以看出，基于公式(2)的误差函数波形的新波形提供了更好的径向约束：在图13b中x＝3mm处，连续处的赝势的高度较高。这是由于施加在连续极棒上的径向约束射频。注意，两种波形都提供了相似的低质量截留值(约170th)。还可以注意到，在这两种情况下，伪势阱的结构不同。在误差函数的情况下，携带离子的阱少了两倍(例如，阱包
含一个代表离子在离子束位置的黑色圆圈)。在离子携带阱之间还有另一个阱，注意该阱在x方向上具有非常小的电场或者没有电场。这些弱场区域用于允许离子从离子导向器径向逃出(由黑色箭头表示)。该新波形特性可以减少在连续阱中的可能存在的任何离子串扰。任何可能沿轴向从阱中径向损耗的离子将沿径向从导向器中损耗，而不是溢出到相邻的阱中。当连续极棒上的射频相位与分段上的聚束波形相位相同时，该特征仅可用于当前公开文献中公开的波形。
[0750]
示例2：图13c示出了图13b中的具有 20v的附加刻意偏移的赝势。偏移保持低电压电平不变，同时增加高电压电平。图10e中描绘了这种偏移的简化示例。如上所述，对于数字波形，这种偏移在技术上很容易实现。比较图13b和图13c，可以看出，通过刻意偏移，取代中间阱，形成了增加了好几倍的高势垒。在这种情况下，如果有离子逃逸，离子也有可能直接从“离子携带”阱径向逸出导向器。阱间高轴向势垒的形成也将减少任何溢出(参考代表离子的黑色圆圈和显示可能逃逸路线的黑色箭头)。
[0751]
交流波形
[0752]
如前所述，电压电源可以被配置成使得n相位(波形)没有调制方面(即，没有射频分量)。例如，在这种情况下，波形的一个相位可能看起来像图10f的相位，或者在恰当的情况下像相应的负部分的相位。当某些类型的分段方法没有实现时，这种类型的交流波形可以用于本发明的目的，图10f的波形由方程5描述，参数f＝1和p＝5，以下称为erf(f，p)。和前述一致，这些波形的要求是允许离子在聚束离子导向器内的聚束传输过程中冷却。这里的“冷却”是指离子基本上被热化，这意味着它们具有与离子导向器中包含的缓冲气体分子相同的麦克斯韦速率分布。此外，当离子束从设备的高压区转移到设备的低压区时，离子应该优选保持冷却。也就是说，离子应该保持与高压区相同的麦克斯韦速率分布。
[0753]
为了满足这些要求，该函数波形应该优选地定义以基本平稳的方式沿着设备的轴平移的轴向电势。也就是说，轴向电势(及其特征)应该优选地平稳移动，使得任何加速和降速应该平稳。优选地，轴向电势应该以恒定的速度沿着设备的轴向移动。
[0754]
发明人发现，波形边缘的平稳和逐渐上升和下降允许离子的平稳运动。理想地，在波形的t
l
周期内，电压的增加/减少应该在超过1个rf周期的时间内达到0.1u0振幅，其中u0是波形的振幅。
[0755]
在使用中，最优选满足一些额外的要求。例如，在本发明的一些实施例和应用中，可在聚束离子导向器的每个阱内传输最大质量范围的离子。为此，波形可以在相邻离子束之间提供高势垒，同时保持径向捕获赝势。这一方面也有助于更高能量离子的捕获和操作压力降低后的注入区域操作。
[0756]
发明人发现，图10f的误差函数波形，即erf(1，5)，很好地满足了这些规定的要求。如上所述，该波形同样适用于当误差函数波形用于载波射频的调制，并且离子通过赝势传输的情况。我们注意到误差函数是一个合适波形的示例。但已发现还有其他合适的波形。根据当前描述的适当定义的任何波形都被数字记录并存储在计算机存储器中。波形的n相位由n个数模转换器产生，然后由n个音频放大器放大，产生应用于聚束离子导向器的模拟波形。因此，定义波形的函数(其中n＝8)将由多个离散时间步长来定义。例如，每个交流周期具有256个离散时间步长是一个合适的数字，并且该数字应该最优选地大于32。最优选地，离散时间步长的数量是n因子。再举一个示例，如果n＝6，那么离散步数最好从36、72、108、
144
…
等中选择。
[0757]
当波形是交流波形时，正相位或负相位被施加到n电极组m，如本说明书相关描述。电源单元(psu)的部分可能存在，或不存在。当存在时，psu提供的电压可以包括：射频电压；或者射频电压 交流波形分量；或者纯交流波形。射频电压可以被调制。更普遍地，交流波形u(t可以定义为erf(f，p)。在图10a-10d中，各种波形显示为施加到射频电压的调制。这些是通过选择参数f和p来实现(方程5)。f和p的适用范围取决于所采用的相位数(n)。n值越大，f和p的范围越大。参数f决定了波形的对称性。例如，如果：f》1，则如图10a所示，th变得比t
l
长，并且当f《1时，th变得比t
l
短。对于给定的f值，p决定了t
ff
和t
fr
的时长。优选地，f的值被选择来定义离子束的轴向尺寸。可以选择更长的聚束，以便携带更多数量的离子。例如，可以选择较短的束来改善轴向喷射。
[0758]
虽然erf(f，p)便于使用，但它不是唯一能产生有效波形的方法。例如，可以使用方程(6)，参考波形图44。该函数提供了圆形和平稳的上升和下降边缘以及陡壁。该函数提供了离子束的平稳加速和减速传输。请注意，该波形具有缓慢上升/下降边沿，是新波形的一个很理想特性。这种类型的波形在本发明的一些实施例和应用中可能是优选的。图45以标准化时间单位(即t’＝t/t)和标准化电压单位(即u’＝u/u0)示出了波形数字化版本的一个完整周期(每个周期256次)，其中u’＝u/u0是波形的振幅。
[0759]
可以采用其他波形方法，只要可以满足上面限定的描述内容。例如，可以对梯形波形进行适当的数字平稳化处理，以提供符合上述描述的波形。
[0760]
为了表述清楚，当波形的n个相位是交流电压时，离子导向结构产生一个场(例如四极场)，该场用于通过将前述第二电源电压施加到例如径向约束电极来径向约束离子。
[0761]
示例
[0762]
本发明在该方面通过一些示例模拟来说明。聚束离子导向器可以具有分段的聚束电极和连续的径向约束电极，聚束电极间隔为2.2mm。在每种情况下，约束射频为150v和1.429mhz，交流波形的振幅为10v，频率为1khz，n为8。离子束被转移4l的距离，其中第一个2l距离有10毫托的氦缓冲气体压力，下一个2l距离为真空环境。在每种情况下，在150da-1,500da(150da、200da、600da、800da、1,000da和1,500da)范围内的离子用1ev的轴向能量引发。所有离子都带有一个正电荷，每个质量的100个离子被发射出去，总共有600个离子。在1,000da离子的情况下，监控沿轴的离子束的进程以及它们的轴向能量。在该示例中，波形u(t)被定义为erf(1，5)，如图48所示。其中，图46示出了离子束沿着轴行进。请注意，在离子束在轴向势阱中振荡的初始冷却期之后，离子束以恒定的速度行进。图47示出了离子束的轴向动力学的行进(记录了每个离子的能量)。1ev的初始能量在500ms内降低，之后保持恒定，最高能量离子的能量小于200ev，均方根能量为0.0129ev。对于该波形，150da-1500da范围内的所有离子都在起始势阱内传输，没有损失。
[0763]
图48示出了无量纲单位u’(t)与t’绘制的单位波形。在这个示例中，电压上升/下降0.1u’(t)的时间约为0.05t’。射频周期比群聚波形的周期短很多，通常短250-1000倍。因此，在t
l
期间渐变的条件被满足：0.05t’＞＞t
rf
/t。同样如图48所示，第一差分被绘制为由虚线表示的曲线，该曲线指的是在图的右手侧的副轴。应当理解的是，当时间导数表示为时，其意在包括使用函数的离散值计算的数值导数(例如，δu/δt，如图48所示)，以及数学函数或方程的解析导数。
[0764]
在本例中，最大值为12，位于波形上升沿和下降沿的80％处。为了评估实际的变化率，必须将乘以量u0/t。因此，在这个示例中，电压的变化率是12
×
10/1v/ms，等于120v/ms。在本说明书中，使用“标准化”的量(即，u’＝u/u0，和t’＝t/t，其中u0是波形振幅，t是波形周期)，因为该量允许一般意义上的电压最大变化率。
[0765]
图48表示量δu’和量t’l
。量δu’表示在整个时间间隔t’l
(t’l
＝t
l
/t)内，u值的最大允许变化，在该时间间隔内，波形被认为是基本恒定的。通过适当地选择t’l
的最小允许值(例如t’l
≥0.1)和δu’的最大允许值作为波形必须满足的条件，能够根据这些约束来调整量δu’和量t’l
的值，并且仍然允许波形满足在整个t’l
期间基本恒定的条件。参考图49，考虑将t’l
的最小允许值设定为如果u’的最大允许值设置为δu2’
，那么δu’的任何减小也将满足波形在整个t’l
期间基本恒定的要求。例如，如果δu’被减少到δu1’
，那么符合该条件的任何波形在整个t’l
中都变得更加“平坦”。另外，量δu’/t’l
与t’l
内波形的最小点
‘
a’和最大点
‘
b’连线的梯度成正比，该梯度就是点
‘
a’和
‘
b’之间波形的平均值。通过该方式，通过约束量δu’和量t’l
，可以约束整个t’l
的波形的平均梯度。图50示出了延长t’l
的类似效果，例如从到同时固定δu’，的值也会具有类似的效果。
[0766]
作为比较，图51示出了erf(1，100)极端情况下的波形和模拟数据。对于这些值，u’(t’)代表方波，如图51所示。其中，电压变化率增加到125，在这个示例中，125x10/1＝1250v/ms。显然，由于t
l
期间的逐渐变化，波形边缘的上升和下降不满足波形应该基本恒定的条件。图52示出了离子束沿轴的相应行进，以及离子束轴向行进。从图53可以看出，离子束沿着导向通道平移时被连续激发。本说明书中，通道内的压力设定为包括压力为10毫托的区域。在该压力下，部分离子可在被势阱的前进壁引起的下一次向前“跳跃”之前重新冷却。一旦离子束在前进2,000μs进入真空区，能量开始持续增加。在4,000μs的行进时间内，最大能量超过3.5ev，此时有七个离子径向损耗。如图52所示，在离子束进入真空区域后，束的轴向尺寸也逐渐增加。就大质量范围的传输而言，方波引起质量为100da、150da和800da的离子的巨大损失。这些离子仍然散布在聚束离子导向器的多个势阱中。
[0767]
该波形不符合上面定义的标准，因为u’(t)不是光滑函数，不是连续函数。在本发明书中，超过了上面限定的极限100。
[0768]
图54至56示出了第三个示例，即另一个示例，其中u’(t)包括正弦函数或一组正弦函数。如图所示，正弦函数对于以恒定速度传输离子和将离子束转移到真空有效，因此是不需要赝势阱的一些实施例和应用的有效的解决方案。需注意到的是，正弦函数提供的轴向电势具有比误差函数型函数更高的最小值、更低的最大值和更低的电场强度。因此，就离子导向器能够传送的质量范围而言，正弦函数不如误差函数型功能，并且正弦函数也比不上误差函数型将高能离子保持在其指定束内的功能。
[0769]
双重分段
[0770]
本发明的任何方面都可以使用双分段电极来实现(即聚束电极和径向约束电极都是轴向分段电极)。图7b示出了一个示例。该电极结构允许将交流电压(最好不是调制射频电压)施加到位于一个共同轴向位置的所有4个相邻段上。聚束极棒的分段和径向约束极棒的分段最好具有具有相同的轴向间距并且位于相同的轴向位置。该实施例提供了比单独分
段实施例更大的质量范围。模拟显示，双分段提供高达2.6的大质量范围，并且单分段实施例采用相同的交流波形、径向约束的射频电压和n值。双分段变型还提供了更高的交流电压，允许在注入区捕获更高能量的离子。发明人已经发现，当使用双分段电极布置时，当离子进入收集区域时，可以捕获动能高达200ev的离子。因此，离子导向器的双分段电极装置优选至少在收集区域内使用，如在本发明各方面所述，并且双分段电极装置也可以用于聚束离子导向器的“下游”冷却区域，以便允许有效的并行离子冷却和离子传输，提高离子通量和在较低缓冲气体压力下将离子注入聚束离子导向器的可能性。
[0771]
根据本发明的其他方面，当离子从聚束离子导向器轴向射出时，也可以有效地使用双分段设备。根据本说明书公开的本发明的任何方面的离子导向器的实施例可以包括双分段部分和单分段部分(例如，其中仅聚束电极为轴向分段电极)。
[0772]
从离子导向器中轴向提取离子
[0773]
本发明的第三方面和第四方面可以提供一种离子的操纵设备和方法，并且将在下文描述示例。该设备可以包括系列电极，该电极被设置为形成用于输送带电粒子的通道。该设备可以包括一个或多个适用于向下述电极提供电源电压的电源单元：
[0774]
(a)系列电极中的轴向分段聚束电极，以便产生限定所述通道内电势的电场，该电势在限定沿着至少部分长度的通道平移的势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值，以及
[0775]
(b)系列电极中的径向约束聚束电极，以便在通道内产生径向限制电场，该电场被配置成在径向上将离子约束在通道内；和
[0776]
该设备可以具有轴向提取区域，该轴向提取区域包括至少设置在或约束该设备的通道的一端的电极系列中的电极。该电极被设置成接收电源电压，从而在通道内产生限定赝势的电场，使得势阱的深度根据其中传输的带电粒子的质荷比(m/z)而变化，并且随着势阱的局部最大值朝向和/或沿着轴向提取区域轴向平移而减小，从而在不同的时间释放传输的不同质荷比(m/z)的带电粒子。例如，上文参考图6至图8e描述的设备可以实现上述目的。
[0777]
图14示意性地示出了赝势阱(50，51)的动态发展，该阱沿着离子导向器的通道长度向由离子导向器的末端电极54限定的离子导向器的提取区域平移，并进入该提取区域。离子导向器的末端由垂直虚线表示，并且在离子导向器的末端附近存在边缘场效应，在图14中被表示为边缘场区域。
[0778]
边缘场区域的作用是减小离子导向器内以及导向器末端之外和附近的赝势的振幅。
[0779]
图14示出了赝势阱的行进，被约束在阱的局部最小值内的一束离子中的离子经过该赝势阱，该局部最小值在赝势的两个局部最大值之间。这两个局部最大值包括前导最大值和尾随最大值，前导最大值总是更靠近离子导向器的末端，并且在势阱的局部最小值之前，尾随最大值总是比前导最大值或局部最小值更远离离子导向器的末端。
[0780]
该离子束包括相对较低质荷比(m/z)的离子和相对较大质荷比(m/z)的离子，前者在概念上表示为“轻离子”，后者在概念上表示为“重离子”。假设由给定离子感知的赝势与其质荷比成反比，那么由轻离子感知的势阱50的前导和尾随最大值的高度或振幅大于由重离子感知的高度或振幅51。这在图14中以具有相同位置但具有不同相对高度的前导/尾随
最大值的两个并发赝势阱的形式示意性地示出。
[0781]
在时间t0，赝势阱位于离子导向器内，距离离导向器的末端有相当大的距离，不受边缘场区域的任何显著影响。因此，最靠近边缘场区域的势阱的前导最大值的振幅基本上与势阱的尾随最大值的振幅相同。图14中(时间t0)还示出了指数衰减的包络曲线，用虚线(52，53)表示，其从每个赝势阱的最大前导峰延伸(52代表轻离子，53代表重离子)，并穿过边缘场区域延伸到更远区域，并在此时下降到基本上为零。每个相应的包络曲线表示在时间t1、t2和t3期间，随着向边缘场区域进一步前进，相关联的前导最大值减小到的高度。可以看出，包络曲线在离子导向器末端以外的位置是非零的，但是重离子感知的赝势的包络曲线比轻离子感知的赝势更快地达到非关键值。该差异导致以下后果。
[0782]
在时间t1，赝势阱已经行进到更接近导向器的末端，并且势阱的前导最大值开始受到边缘场区域的显著影响。因此，由离子束中的所有离子完全感知的势阱的前导最大值的振幅或高度显著减小。然而，即使减小了，前导最大值的高度仍然足以限定有效的势阱来限制重离子和轻离子。
[0783]
随后，在时间t2，赝势阱已经朝着导向器的末端进一步前进，使得势阱的前导最大值的理论位置已经超过导向器的末端，但是，由于边缘场区域的影响，前导最大值的高度或振幅仍然可能具有重大值，取决于感知赝势的离子的质荷比的大小。特别地，轻离子感知到更强的赝势，该赝势能够在离子导向器末端之外有效地维持显著水平，使得轻离子继续被捕获在其感知到的势阱内。然而，重离子感知到较弱的赝势，该赝势在时间t2时不能在离子导向器末端之外维持任何显著水平，因不再感知到任何显著的前导最大值，重离子不再被捕获在势阱中，否则该最大值会形成阻碍重离子离开势阱的势垒。参考图14中示意性示出的重离子的释放和轻离子的持续捕获过程。
[0784]
最后，在时间t3，由轻离子感知的势阱已经进一步向离子导向器的末端前进，使得由轻离子感知的赝势的最大值现不再明显，并且无法限定有效的势阱。赝势阱不再能够约束轻离子，轻离子最终从离子导向器释放。
[0785]
以这种方式，在提取较轻离子之前，能够从离子导向器中提取较重的离子，从而能够根据它们从离子导向器的轴向提取区域的释放时间，对势阱输送的离子束内的离子进行质量辨别。
[0786]
图15示出了参考本发明的第一方面和第二方面的上述类型的三个完整波形周期的周期性电压波形，正包络线和负包络线参考根据方程5(参数f＝1和p＝5)，即erf(1，5)。图24示出了参考本发明的第一方面和第二方面的上述类型的三个完整波形周期的周期性电压波形的另一个示例。该波形对应于erf(2，2)。该波形用于在轴向压缩离子束。施加到射频电压的调制包络线不同于图15所示的包络线(注意，为便于可视化，按照比实际频率低很多的射频绘制了波形)。在本说明书公开的示例数据中，施加到聚束电极的射频电压的频率为3mhz，射频电压的振幅为2,000v。向到离子导向器的径向约束电极同时施加振幅为1，000v的3mhz射频电压。向提取电极施加-15.0v的轴向提取电压。当以上述相移方式施加到离子导向器的各个聚束电极时，图24所示的这种替代波形产生图25所示的赝势阱。所述的赝势被绘制为沿着离子导向器轴的距离(z)的函数。左栏显示轻离子(200da)感知的赝势阱，而右栏显示重离子(2000da)感知的赝势阱。
[0787]
图25示出了根据该波形形成的赝势阱(94，98)的轴向行进，其中传送了一束离子。
该离子束包括较轻的离子(95)和较重的离子(99)。图25的左侧图(a、c、e、g)对应于离子束内轻离子感知的赝势，图25的右侧图(b、d、f、h)对应于离子束内重离子感知的赝势。
[0788]
提取电极的轴向位置由位于轴向位置z＝116mm的垂直虚线97表示。离子导向器的末端由位于轴向位置z＝105.5mm的垂直虚线96表示。图25的图a和b对应于离子束在相同时间点感知的赝势：t＝t1。图25的图c和d对应于离子束在稍后时间点感知的赝势：t＝t2。图25的图e和f对应于离子束在更晚时间点感知的赝势：t＝t3。最后，图25的图g和h对应于离子束在最近时间点感知的赝势：t＝t4。
[0789]
通过比较时间t＝t3时图25的图e和f，可以看出重离子感知的赝势(图f)在该时间释放了上述重离子，而轻离子感知的赝势(图e)在该时间继续约束所述轻离子。只在稍后的时间t＝t4对应于图g，轻离子感知的赝势才会释放所述轻离子。
[0790]
图16示意性地示出了对于给定质荷比的离子73，在随后的两个时刻的赝势的等势线的视图，并且示出了当势阱通过边缘场区域时，赝势阱71的轴向前进和等势场线72在离子导向器的末端的打开。图16还示出了可选的提取电极70的位置，即离子导向器的右手端，可以向该提取电极施加提取电压，以便提取电极向离子导向器末端的提取区域平移时，减小离子导向器内行进势阱的前导最大值的高度。
[0791]
图17至21示出了以上述方式，通过向提取电极施加不同提取电压(或不施加提取电压)，从离子导向器末端的提取区域释放的离子的离子轨迹。该数据是用图15的erf(1，5)获得。
[0792]
特别地，在图17至图21中，示出了关于释放或提取的离子“束”的质谱，该离子包含质量300da(轨迹81)和质量3,000da(轨迹80)的离子。由图15所示的调制波形调制的射频电压的射频频率为3mhz，振幅为2,000v。在图17所示的频谱中，施加到提取电极的提取电压为-2.0v。在图18所示的频谱中，施加到提取电极的提取电压为-1.5v，而在图19所示的光谱中，提取电压为-1.0v。图20示出了当提取电压降低到-0.5v时的质谱。最后，图21示出了当基本上没有施加提取电压(即，0.0v的电压，或接地)时的质谱。
[0793]
可以看出，在所有情况下，都会产生质量分离，通过向提取电极施加提取电压而得到改善，该提取电压低于施加到聚束电极以形成赝势阱的电压，仅高达几伏。为了比较，图22示出了关于包括质量为300da、500da(轨迹82)和3，000da离子的提取的离子“束”的质谱。在该情况下，向提取电极施加-1.5v的提取电压。类似地，图23示出了关于包括质量为300da和3,000da离子的提取的“离子束”的质谱。在这种情况下，施加到提取电极的射频频率、电压振幅和提取电压不同于前面的示例中的相关内容。
[0794]
图26示出了关于图18所示质谱的离子“束”的离子轨迹。离子在离子导向器内和离子导向器末端之外的轴向位置(沿着z轴)被示为时间函数。同时，示出了300da的轻离子的轨迹100和3,000da的重离子的轨迹101。可以看出，重离子和轻离子以基本均匀的速度沿着离子导向器的轴移动，直到离子束到达离子导向器的末端。该移动大约需要900μs的时间，如图26所示。此时，由重离子感知的赝势阱的前导最大值被有效地抑制，并且重离子的轨迹显示出沿z轴的快速加速：表明重离子的释放或提取。稍后，在大约1,100μs的时间，由轻离子感知的赝势阱的前导最大值被有效地抑制，并且轻离子的轨迹显示出沿着z轴的快速加速：表示较轻离子的释放或提取。
[0795]
离开导管后，不同质量的离子经历相同的提取场，轻离子比重离子行进得更快，因
此不同质量的离子，在较大的z位置，轻离子将赶上重离子。利用这一原理，本发明提供了一种装置，使成束离子导向器的单束喷射的大质量范围的离子在离子导向器端部选定的轴向距离处会聚在同一轴向位置。图29示出了该方面的一个示例，将在下面更详细地讨论。
[0796]
相应地，离子束也可以通过离子出口端沿轴向方向(即平行于离子导向轴)离开离子导向器。例如，如图28中示意性示出的，轴向离开的离子束可以进入“正交加速飞行时间(oatof)”光谱仪的正交提取(推进器)区域。借此提供了一种将离子引入tof分析器的改进方法。在这种情况下，本发明可以应用于众所周知的现有tof脉冲方法，即正交加速/提取tof方法。该技术中有很多众所周知的oatof方法。本发明提供了一种飞行时间质谱仪，其具oatof的大质量范围和高频率脉冲。
[0797]
参考图6，该设备1可以包括一个或多个带电粒子光学元件102(例如，离子光学元件、透镜等)，被设置成接收从提取区域提取的带电粒子，并使接收到的带电粒子的轨迹相交。例如，一个或多个离子光学透镜(例如单透镜等)可以布置在提取区域的下游，与设备1的导向通道的纵轴101b对齐。例如，提取电极(70，97：图16，25)也可以发挥至少部分上述带电粒子光学元件的功能。有助于将提取的带电粒子引导和定位在提取区域下游的预期位置，例如飞行时间(tof)质谱仪(例如其飞行管)的入口处。相应地，提取的带电粒子可以被精确且有效地传送到tof光谱仪。在沿下游方向行进并被引入飞行时间(tof)质谱仪之后，带电粒子106可以接近tof质谱仪的正交加速电极103，在该电极处，带电粒子可以被正交加速电极产生的电场推动，以预定的定时沿tof质谱仪的飞行管的正交方向加速度开始飞行107。从正交加速电极103加速的带电粒子可以先在tof光谱仪的飞行调谐范围内的飞行空间中自由飞行，然后通过反射器104形成的反射电场沿相反方向返回，以再次在飞行空间中自由飞行，直到带电粒子到达tof质谱仪的离子检测器105。通过该方式，带电粒子在设备内的势阱内轴向平移，从而允许向tof供应带电粒子，并且在tof，输送的带电粒子的轴向运动可以在tof的飞行管内转换成正交运动，用于光谱tof测量。该设备可以包括该飞行时间(tof)质谱仪。
[0798]
本公开描述了成束传输宽质量范围的离子的方法，例如借助于本说明书公开的新型波形形成的离子。波形包括一组相移的调制射频电压，其调制频率比射频频率低得多，可用于产生赝势行进阱，即赝势最大值和最小值序列以设定的速度沿着离子导向器的传输通道行进。赝势与m/z相关，因此，赝势行进波在离子导向器出口处的传播产生了赝势垒高度的自然降低(倾斜)(即行进阱的最大前沿)，常见于赝势阱到达设备末端时。
[0799]
图27示出了另一种布置，其中移动势阱(在峰60、61之间)不是赝势阱，而是由对应于调制波形/包络线的电压波形形成的“真实”电势，该调制波形/包络线被施加到上文参考图14示出和描述的示例中的射频电压信号。
[0800]
被约束在阱的局部最小值内的一束离子中的离子经过的势阱的行进，该局部最小值在赝势的两个局部最大值(60，61)之间。这两个局部最大值包括前导最大值(a)和尾随最大值(b)，前导最大值总是更靠近离子导向器的末端，并且在势阱的局部最小值之前，尾随最大值总是比前导最大值或局部最小值更远离离子导向器的末端。该离子束包括相对较低质荷比(m/z)的离子和相对较大质荷比(m/z)的离子，前者在概念上表示为“轻离子”，后者在概念上表示为“重离子”。同时在势阱的影响下，所有离子都经历相同的势阱，并以相同的速度沿着离子导向器的轴行进。静态赝势提供了势垒，该势垒根据穿过其的离子质量而变
化。
[0801]
当行进势阱的局部最小值的位置与赝势垒(62，63)的前沿重合时(在时间t1)，则势阱的深度根据势垒在进入赝势阱所在的提取区域入口处的值而变化(即，其底部上升)。一旦行进势阱充分前进，使得其在赝势垒开始的轴向位置的值等于赝势垒在该点的高度，则势阱的深度将减小到零(即其底部上升到赝势垒的高度)，并且“离子束”内的离子被释放。
[0802]
赝势垒的高度根据势阱中传输的离子的质荷比(m/z)变化。较大质荷比(m/z)的离子感知到较低的赝势垒63，并在较低质荷比(m/z)的离子感知到较高的赝势垒62之前被行进势阱(在时间t2)被提升越过该势垒，并仅在较重离子释放之后被行进势阱提升越过该势垒(在时间t3)。以这种方式，在提取较轻离子之前，能够从离子导向器中提取较重的离子，从而能够对势阱输送的离子束内的离子进行质量辨别。特别是，重离子比轻离子释放得更早，借此提供了一种装置，通过该装置，所有m/z值的离子可以汇聚在聚束离子导向器末端某个点的公共轴向位置处。射频电压可以被施加到一个分段电极，例如倒数第二个分段的最后一个分段或者n分段的最后一组中的任何分段。最终分段之后的分段可以是dc提取电极，或者dc提取电极可以位于提取区域之外。
[0803]
在下面的示例数据中，射频电压被施加到设备的最终电极段，也就是说，射频电压被施加到最后一组n段的最终段，其中n＝8。图29和图30示出了进一步的模拟，以说明从聚束离子导向器轴向喷射离子的第二实施例。这些图示出了重离子109和111(3000da)以及轻离子108和110(300da)从离子导向器轴向喷出时的轴向位置(沿着z轴)，并包括离子导向器末端以外的离子轨迹。调整对应于图30所示模拟结果的参数(误差函数振幅、赝势垒高度和轴向提取电压)，以在重离子和轻离子的喷射之间提供较大的时间间隔。调整对应于图29所示模拟结果的参数，以在重离子和轻离子的喷射之间提供更小的时间间隔。在图29所示的模拟结果中，离子会聚在距离离子导向器末端35mm的轴向距离处。本发明的该方面适用于生产离子和前体离子。本发明的该方面可以应用于tof质谱仪、q-tof质谱仪或无损二维串联质谱仪。
[0804]
离子的轴向收集和传输
[0805]
本说明书公开的新波形简化了离子注入离子导向器的方式，从而显著降低成本并提高离子引导装置的性能和鲁棒性，并可应用离子束形成的方法，该方法避免在束形成的不同阶段不同电势值的切换。该方法特别适用于要求设备内离子束分离空间更大的情况。例如，当离子距离提取区域足够近，且离子束的相空间体积会受到提取区域的提取场的影响时，优选这种较大的分离(通过一个或多个空阱)空间。
[0806]
根据本发明第五和第六方面的带电粒子的操纵设备和方法适用于此目的。例如，图33中示出了这种设备的实施例。该设备包括系列电极(2，3)，被设置为形成用于输送带电粒子的通道。该通道可以根据本说明书公开的本发明第一方面的设备(例如图6)。
[0807]
该设备包括电源单元(130a)适用于向所述电极中的轴向分段聚束电极提供第一电源电压，以便产生限定所述通道内电势71的电场，该电势在限定选择性地沿着至少部分长度的通道平移的势阱的局部最大值之间具有一个或多个局部最小值。
[0808]
电源单元(130a)适用于向所述电极中的径向约束电极提供第二电源电压，以便在所述通道内产生径向约束电场，该电场被配置为将带电粒子73径向约束在通道内。
[0809]
该系列电极的电极在通道内限定了用于收集带电粒子的收集区域128a，以及用于从收集区域传输收集的带电粒子的传输区域128b。
[0810]
电源单元130a适用于在控制单元130b的控制下向限定收集区域的电极施加第一电源电压，该第一电源电压被选择性地配置为：
[0811]
(1)收集电压信号，用于在收集区域128a内产生限定所述势阱的电场，以在电场内收集带电粒子；或者
[0812]
(2)传输电压信号，用于在收集区域内产生限定所述势阱的电场，以通过收集区域将带电粒子平移到传输区域128b；
[0813]
其中收集电压信号产生限定基本静态势阱的电场，传输电压产生限定所述平移的势阱的电场。
[0814]
通过平移静态势阱来创建平移势阱。图33的上图示出了在收集区域中形成的静态势阱124的轴向形状，以及在传输区域中形成的并发平移势阱的轴向形状。收集区域的离子输入端与处于局部高电势129的离子输入设备130连通，如图33所示。该电势沿着收集区域的轴向长度平稳地变为势阱形状124。类似地，收集区的离子输出端与传输区域128b的输入端连通，该输入端处于时变的局部电势，如图33所示，当传输区内的势阱沿着传输区的轴在远离收集区输出端的方向上连续产生和平移时，该电势随时间变化(即以传送器的方式)。在收集区域的输出端，收集区域内的静态势阱124的电势平稳地变为传输区域内紧邻的电势。
[0815]
优选地，收集电压信号包括电压波形，该电压波形(包括非射频电压信号时)的振幅或该电压波形(包括射频信号时)的调制包络线在时间上基本恒定(即，时间上是静态的，或者不具有时变性)。电源单元(130a)适用于通过对收集电压信号施加周期性时变选择性地将收集电压信号转变为传输电压信号，从而平移由收集电压信号产生的势阱。在图33(上图)中以收集区域内的先前静态势阱124在从静态阱转换到行进阱之后的连续时间平移到平移势阱(125、126、127)的形式示出。阱由此被转移到传输区域128b中并沿着传输区域128b移动。
[0816]
变化(例如同相)与施加到限定传输区域的电极的传输电压信号同步，该传输区域产生限定所述势阱的电场，用于将带电粒子平移通过传输区域。上述同步具体为，施加到限定收集区终端的聚束电极的传输电压信号与施加到紧邻收集区终端的传输区聚束电极的传输电压信号的值相匹配。上述匹配具体为，施加到限定收集区域末端的聚束电极的传输电压信号的值以及其中的任何时变与施加到紧邻收集区域末端的传输区域的聚束电极的传输电压信号的值以及其中的任何时变相基本相同。例如，当施加到收集区域和传输区域的传输电压信号具有周期性，并且由具有波形周期t的波形定义时，则当第一电源电压被选择性地配置为时间段δt的收集电压信号时，实现同步，该时间段基本上等于波形周期的整数倍：δt＝nt给出的相位角。其中n＝1,2,3
…
。
[0817]
图31和图32示出了这方面的一个示例。图31示出了转变的示例，由此收集区域中的势阱从行进/平移阱变为静态阱。图31中的上图示出了施加到限定用于产生静态势阱的收集区域的多个分段电极中给定电极的电压。图31中的下图示出了在没有转变并且势阱保持为移动阱的情况下，施加到限定收集区域的多个分段电极中的给定电极的电压。该波形在设备的整个传输部分(图33中的128b)被施加到n组的相应电极。用于产生行进阱的电压
波形117(图31的下图)与转变之前施加到电极的电压波形112同相。在转变之后，所施加的电压113对应于转变瞬间的波形相位，并在需要保持静态阱124的周期内持续。在该周期结束时，所施加的电压114对应于波形118的相位，如果没有发生转变，该相位将会被施加。然后，以相同的方式进行第二静态周期115。图32中的上图示出了施加到限定用于产生静态势阱的收集区域的多个分段电极中另一个不同电极的电压。图32中的下图示出了在没有转变并且势阱保持为移动阱的情况下，施加到限定收集区域的多个分段电极中的给定电极的电压。该波形在设备的整个传输部分(图33中的128b)被施加到组的相应电极。用于产生行进阱的电压波形122(图32的下图)与转变之前施加到电极的电压波形119同相。在转变之后，所施加的电压120对应于转变瞬间的波形相位，并在需要保持静态阱124的周期内持续。在该周期结束时，所施加的电压121对应于波形123的相位，如果没有发生转变，该相位将会被施加。然后，以相同的方式进行第二静态周期122。
[0818]
通过如上所述的这种转变，施加到每个分段聚束电极的电压都在同一时间点变为静态。因为向形成收集区域(和传输区域)的每个聚束电极施加了相同的波形，但是波形相位是沿着波形的周期的不同的相位(以图11所示的方式)，那么施加到给定聚束电极的电压在转变到静态阱的瞬间维持在波形的电压水平。因此，在该时间点向沿着收集区域的连续的各个电极施加波形的不同相位，则这些电极具有相应不同的电压值——差异与波形差异一致。从而确保势阱静态的效果，具体由收集区域中的聚束电极的集体效应形成。也可直接通过停止施加到上述电极上的波形相位的时变来实现。通过恢复施加到上述电极的波形的相位的时变，再继续转换回行进/平移势阱。
[0819]
这种方法大大简化了控制电子设备。这种简化源于本说明书公开的波形的固有特性，并且也可通过新波形实现的原因在于：
[0820]
(1)首先，径向约束和轴向聚束电压可以独立施加并连续提供。这些电压对于离子导向器的离子收集区域以及聚束离子导向器的主传输区域是共用的。允许在聚集(收集)区域保持径向约束电势始终存在，不需要切换。
[0821]
(2)其次，由于离子总是位于行波的电势或赝势最小值处，所以当调制电压为零时，在调制阶段，离子们总是位于电极附近。因此，发明人意识到本文公开的新波形本身具有可用于收集离子的“收集”潜力。在将一组离子引入离子导向器的期间，只需要“暂停”在“聚集”区域或“收集”区域中的调制波形。
[0822]
结果，电子方案变得特别简单，因此成本低得多。当使用术语“调制电压波形”时，指的是具有波形调制而没有潜在射频信号的电压。这是属于本公开中更普遍的新波形范围内的特定情况，其中可能存在或可能不存在射频电压分量。换句话说，不存在调制的射频电压分量，而仅使用调制电压本身。不需要产生经调制的射频电压分量，大大简化了离子注入所需的电子设备。径向约束射频电压是独立和持续存在的，使得上述内容具有可行性。径向约束电压波形可以是“数字化”产生的射频波形(例如，“数字化”意思是：通过在两个电压值之间快速切换而产生)，并且单个电压发生器可以用于提供包括束形成区域的聚束离子导向器的所有部分。设备的传输部分(图33中的128b)内的波形可以是射频调制的，也可以没有射频分量。该设备两个部分中波形的同步/协调允许离子束在收集和传输区域之间平稳过渡。
[0823]
更详细地，可暂时停止在聚集/收集区域中产生行波的波形(“暂停”)，从而提供一
组达到步骤一的静态聚集/收集电势所必需的静态电压，同时下游设备中的行波继续行进。这很容易通过数字控制器来实现。通过暂停，将离子有效加载到聚束离子导向器的目标单个势阱中。静态电压应在正确的相位重新启动(在n个周期后，即n*t后，不再具有时变性)，并与除聚集/收集区域之外的设备所有部分上连续行进的调制波形同步和同相。当聚集/收集区域的波形开始变化时，束形成传输的阶段开始。在图10f中示出适于束形成的调制电压波形的相位的示例。调制电压波形可以用于聚集/收集区域，因为在任何给定的时间或位置，只诸如单一极性的离子。如果需要，聚束离子导向器的其余部分中的电压可以是调制的射频波形，例如，当两种极性的离子同时以相同的最小值传送时。
[0824]
注意，聚集/收集区域可以由本说明书公开的任何类型的电极结构的分段极棒(x极棒和y极棒都是分段的)或分段的连续极棒(x极棒和y极棒不同时分段)形成。当聚集/收集区域由分段极棒形成时，调制电压波形可以施加到x极棒和y极棒，使得可施加更高的电压。在此基础上，两个相对的电极行将同时被施加径向约束的射频和调制电压波形(这种波形求和在技术上比现有技术要求的调制更容易实现)。上述内容可能在设备的某些应用中成为显著的优势，并且可以带来多处益处：
[0825]
(1)可以同时提供更大范围的质量注入。
[0826]
(2)允许注入能量更高的离子。
[0827]
(3)可以加速离子注入(装载)到聚集/收集区域的过程。
[0828]
(4)可以降低聚集/收集区域中的压力，从而减少前体离子注入时被碰撞诱导解离(cid)的可能性。这些“完整”的前体离子随后可以通过其他解离方式解离。
[0829]
在图31和图32中示出该种调制电压波形的示例。这些调制电压波形基于上面的示例性方程(2)。在本说明书中，将该波形表示为
‘
i_erf’波形，其中“i”代表“注入”，erf表示方程(2)为利用参数f＝1和p＝5的误差函数(erf)。图31和图32中的顶部图分别示出了8个波形电压(nb，其他6个未示出)中的两(2)个的迹线。该电压(112，114)被施加到离子导向器的收集区域内的两个相邻聚束电极。该电压由根据本说明书所述的所需波形的一组数字存储的离散值产生，并且未向其施加射频频率分量。施加到离子导向器的相邻传输区域中的其余聚束电极或其一部分的波形可以是调制的射频波形或调制的电压波形。
[0830]
在图31和图32的顶部图中，可以看到i_erf波形显示了清晰的停止周期(113，120)。该周期是离子在聚集/收集区域聚集/收集的时间。停止周期还定义了当离子束在聚束离子导向器的传输区域中传播时，它们之间的轴向距离(以行进势阱的波长为单位)。暂停时间段最好是波形调制周期t的整数倍。从图31和图32的底部图可以看出，在收集区域内的离子传输阶段，i_erf和误差函数的波形是同步的。确保离子在没有损失或损失最小的情况下转移出收集区域。
[0831]
束形成区域和离子导向器的其余部分中的波形振幅可以是不同的振幅，适用于，例如，进入束形成区域的离子可能具有高能量，要求相应波形具备较高振幅的情况。
[0832]
一种平面离子导向结构
[0833]
本发明制造要解决的主要问题是找到一种明确用于聚束离子传输的电极结构，该电极结构制造简易快捷、可再生且成本较低。本说明书其他部分描述的当前结构可以被制造，但是其包括许多要求精确制造和人工组装的单独的精确部件。周期长，成本高，而且不易控制。这些结构不适用于分析行业的设备的数十个或数百个的批量生产。
[0834]
现有技术方法的另一个问题是设备的横向尺寸无法减小到约5mm以下。在某些应用中，较小尺寸的通道有利于减小仪器电源单元的整体尺寸。本发明的较小实施例可以进一步降低成本并扩展其可能应用的范围。较小的实施例提高了一些方面的性能。本发明的目的是解决这些问题。
[0835]
根据现有技术，由平面电极产生必要的电场。然而，在聚束离子传输的当前应用中，电极结构最优选具有许多分段，约50到数百的分段。纵向上的电极间距最好比两个电极平面之间的间隙小两倍(2x)。优选地，至少小三倍(3x)并且通常小三倍半(3.5x)甚至可使用更小的值。
[0836]
图8d示出了示例结构。在该实施例中，设备包括平行相对布置的两个电极平面。每个平面由一排多个内部聚束电极和两个连续的径向约束电极组成。调制电压波形(或调制射频波形)的几个相位可以施加到内部聚束电极(21，22)上，射频电压可以施加到连续的外部径向约束电极(23，24，25，26)上。在该平面结构中，施加到径向约束电极的射频电压具备径向约束离子束的功能。应用于内部聚束电极(21，22)的本说明书所述类型的调制电压波形的几个相位具备传输聚束离子的功能。电极平面可以由金属支撑构件隔开，使得金属支撑构件是连续电极的主要部分(项137a-d和项138a-d，如图35-38所示)。
[0837]
在图35至38中也示出了以这种方式构造的平面设备的剖视图。图35-38示出了穿过离子导向通道轴线的剖视图的示例，图8d所示的聚束离子导向器的结构也可以由电极平面(图35-38所示的项132a-d、133a-d、134a-d)构成。在该实施例中，该设备包括成对的电极平面，成直角相对设置。一对电极由多个聚束电极的两个相对行133a-d和聚束电极133a-d两侧的另外两对电极132a-d和134a-d组成，每个电极包含连续的径向约束电极。调制电压波形(或调制射频波形)的几个相位被施加到形成聚束电极的电极平面对，并且固定振幅的射频电压被施加到连续径向约束电极。在该平面结构中，射频电压被施加到形成连续径向约束电极的电极平面对。
[0838]
电极的两个平面优选形成为围绕中心平面的彼此镜像，中心平面平分两个平行电极平面之间的间隙。与本发明书描述的前述结构相比，这种类型的结构制造更简便快捷且制造成本更低，该结构可以在印刷电路板(pcb)上形成，在图35至38中显示为项135d、项135和项136。如现有技术中所示，可以使用多层pcb来方便地电连接到多个平面电极。pcb可以大量低成本制造。在图35至38中也示出了以这种方式构造的平面设备的剖视图。
[0839]
在一些实施例中，如图35至图37所示，额外的金属电极可以安装到pcb(135d、135和136)，其可以足够精确地与相关的无源或有源电子元件一起放置和附着到印刷电路板。这些组件可以使用电子工业中成熟的机器人方法来放置。如图35、图36和图37所示，为了安装所述电子元件，印刷电路板可以沿横向延伸。
[0840]
图8d可用于提供当从横截面看时四极场的近似。图8e示出了在每个平面上具有两对主极棒的替代结构，共八对主极棒，以在施加适当电压时提供更精确的四极场。图8d的结构将提供足够精度的径向约束电场，用于传送离子束和传送离子束的碰撞冷却。对于本发明的一些实施例，可能需要“更纯”的四极场，可通过在横向增加电极段的数量来实现。可以在不增加平面电极结构成本的情况下提供这种更高纯度的场，但是对psu产生分压有更高的要求。
[0841]
图8d的结构将提供足够精度的径向约束电场，用于传送离子束和传送离子束的碰
撞冷却。对于本发明的一些实施例，可能需要“更纯”的四极场，可通过在横向增加电极段的数量来实现。可以在不增加平面电极结构成本的情况下提供这种更高纯度的场，但是对psu产生分压有更高的要求。
[0842]
在一些实施例中，径向约束电极也可以以类似于聚束电极的方式分段。图34示出了平面图中的示例，示出了电极的两个相对平面之一。在这种情况下，调制电压波形的几个相位可以与用于径向约束离子的射频电压一起施加到内部聚束电极133和分段径向约束电极(132，134)。该实施例允许施加明显更大聚束电压。从而允许轴向方向上更紧密地聚束，并约束更大质量范围的离子和注入更高能量的离子。如上所述，本发明允许离子束的同时传输和碰撞冷却。
[0843]
在本发明的一些实施例中，使用pcb基板能够确保足够的精度和刚性。如图37所示，通过在pcb和电极之间插入陶瓷、玻璃陶瓷或可加工陶瓷板139，可以提高制造精度。
[0844]
在更大的实施例中，pcb或陶瓷衬底材料可以按照图38进行加工。该方式有助于降低电极之间的绝缘表面上沉积电荷的风险，如果表面电荷沉积在内部通道内，则可能由于静电荷而形成不需要的电场，进而干扰设备的正常运行。如本领域技术人员所知，还可以在绝缘表面进一步涂覆额外的材料以防止表面电荷的形成。图38的布置形式还增加了“表面跟踪距离”，从而允许在相邻电极之间施加更大的电压差。特别是，如果陶瓷/电介质衬底部分充电过多，那么由表面电荷产生的电场会对离子导向器内的电场产生多种不利影响。通过底切(参考141)与导向器的相邻电极之间的间隙140相邻的陶瓷，由图38中的间隙距离“x”所示，增加表面跟踪距离，以允许向电极施加高电压。较小的间隙x降低了杂散离子穿行的可能性。然而，如果有离散离子穿过上述间隙，那么表面电荷积累产生的电场会阻止所述离子穿过间隙x返回。
[0845]
在优选实施例中，横切于离子导向器的导向轴的横向方向(d)上的平面电极宽度的尺寸可以等于电极平面之间的间隙(g)，如图34所示。也就是说，优选地：g＝d。然而，在其他实施例中，可以选择g位于范围：0.5d≤g≤2d。
[0846]
如图35-38所示，电极的两个平面由两个侧部件(137a-d和138a-d)间隔开。该侧构件可以形成为封闭或开放结构。封闭结构有助于减少沿通道的气体传输。开放结构可用于将缓冲气体或反应气体引入传输通道，或者可用于从通道中泵送气体。一个通道可以由上述区域通过不同组合构成。
[0847]
上述平面结构使得从聚束离子导向器中正交提取离子变得更加方便。该结构允许在更靠近聚束离子导向器的位置形成提取透镜，从而有助于将提取光学器件中的像差最小化。便于在任一横切方向上进行正交提取。离子可以通过形成在平面电极中的狭缝/孔或者通过网格从设备中提取。在一些实施例中，网格可以形成在一个或多个电极内。在进一步的实施例中，形成在电极平面上的聚束电极的间距可以变化，以便当离子沿着聚束离子导向器传送时，延伸或收缩离子聚束。该方面易于通过由电极平面形成的设备实现。
[0848]
在电极平面形成聚束离子导向器还有一个优点，多个聚束离子导向通道可以形成在单个平面中，用于离子的平行输送。所有描述的实施例中的所有解决方案都通过本说明书中详细公开的新波形实现。
[0849]
图39以剖视图示出了平面构造的聚束离子导向器的示例实施例。在该示例中，聚束电极133和径向约束电极132和134布置的间距使得d/g＝1.33。(其中d＝10和g＝7.5)。其
中示出的等电势143用于当单个电压施加到所有四个外部电极132和134，以及两个内部电极133具有零电势的情况。形成的势阱中限制了离子束142。
[0850]
该等势表示径向捕获场的形式，是一个近似的四极电势，足以提供径向捕获功能。图39示出了当1000v(0-p)的射频电压振幅和1mhz兹的频率施加到四个外部电极时，形成离子束142。在导向通道中传播2ms后显示离子束。缓冲气体是氩气，压力设定为10毫托。聚束波形(例如，如图11所示的调制电压或调制射频电压的八相)可以施加到两个内部电极行133。调制电压(如图10f所示)也可以施加到四个外部电极132和134或六个电极(132、133、134)。外部电极132、134优选地被分段，如图34所示。当调制电压施加到所有六个电极时，可以施加更高的振幅。选择施加调制电压的电极会影响横向方向上的离子束形状，可有效利用该特征。
[0851]
根据本发明，离子的正交提取由图40和图41举例说明。上述图示出了设备的剖视图。导向器尺寸为d/g＝1和d＝2mm。示出了当电压施加到四个外部电极时形成的电势线。该几何形状提供了更对称的四极场。示出了施加1,000v和3.3mhz的射频电压(施加在四个外部电极上)形成的离子束。上部内电极(聚束电极133e)具有孔144，通过该孔144，可以从设备提取离子束142。孔的横向尺寸为0.36mm。图42示出了由于向上内部电极(133e)和下内部电极(133)(聚束电极)施加提取电压而导致的正交提取。提取电场的等势线143如图43所示。示出了离子束142a朝向和穿过孔144的通道。
[0852]
图42和图43示出了根据另一个实施例的设备的剖视图。导向器尺寸为d/g＝1和d＝2mm。在图42中示出了当电压施加到四个外部电极(132，134)时得到的电势线143。另外，在图42中，示出了施加1,000v和3.3mhz的射频电压(施加在四个外部电极)形成的离子束142。外部电极(径向约束电极132和134)彼此相对间隔开，以限定间隙，通过该间隙，可以在平行于所述相对电极的平面的方向142b从设备提取离子束。图46示出了由于向上外部电极和下外部电极(径向约束电极132)施加提取电压而导致的正交提取。提取电场的等势线143如图43所示。
[0853]
根据任一正交提取布置，可以从平面聚束离子导向器并指向诸如tof分析器提取离子。
[0854]
在上述描述中，或者在下文的权利要求中，或者在附图中，以特定形式或者用于执行所公开功能的装置，或者用于获得所公开结果的方法或流程公开了特征，可以在恰当情况下单独地，或者组合该特征，以其不同的形式实现本发明。
[0855]
虽然已经结合上述示例性实施例描述了本发明，但是当考虑本公开时，许多等同的修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，上述本发明的示例性实施例被认为是说明性的而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的实施例进行各种改变。
[0856]
为了避免任何疑问，本文提供的任何理论性解释都是为了便于理解。发明人不希望本说明书受到该理论性说明限制。
[0857]
此处使用的任何章节标题仅用于组织目的，不应被解释为限制所描述的标的物。
[0858]
在整个说明书中，包括随后的权利要求，除非上下文另有要求，术语“包括”和“包含”以及其相应形式上的变体将被理解为暗指包括所述的整体或步骤或整体组或步骤组，但不排除任何其他整体或步骤或整体组或步骤组。
[0859]
必须注意的是，如在说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“单个”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确规定。本说明书中使用的范围可以表示为特定“大约”值和/或另一个特定“大约”值之间的范围。当使用该范围时，另一个实施例中的范围则为从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“大约”将值表示为近似值时，应当理解，使用特定值就构成另一个实施例。与数值相关的术语“大约”是可选的，例如 /-10％。
[0860]
参考文献
[0861]
上文引用了许多出版物，以便更全面地描述和公开本发明以及本发明所属技术的现状。这些参考文献的完整引用如下。每篇参考文献全部内容都通过引用结合在本说明书中。
[0862]
[1]us2014/0070087a1
[0863]
[2]us9536721 b2
[0864]
[3]k.giles et al，rapid commun.mass spectrom.2004；18：[2401]-2414.
[0865]
[4]us8067747
再多了解一些
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
