質量分析器的製作方法

2024-03-31 14:53:05

本發明涉及一種質量分析器，特別是利用多匝ToF或離子陷阱的質量分析器。

背景技術：

在質量分析中增加質量分辨能力和質量精度的重要方法之一是設計離子在長飛行路徑期間或之後被測量的質量分析器。這種質量分析器最近以兩種形式實現，多匝ToF分析器和靜電或磁場離子阱分析器。在多匝ToF分析器中，通過鏡電極產生反射場，使得長的但是摺疊的飛行路徑被實現。使用包括二次電子倍增器的檢測器，其中，在摺疊的長的飛行之後，離子飛濺到檢測器的倍增極上並消失，同時產生電流信號以給出ToF質譜。在靜電或磁場離子陷阱配置中，離子的振蕩運動在拾取電極中感應出圖像電流。隨著離子在誘捕場中連續地振蕩，被感應的圖像電流被連續地記錄。圖像電流信號在被低噪聲放大器放大之後，使用傅立葉變換被轉換為頻譜，然後頻譜直接與被捕獲的離子的質譜相關聯。

高分辨能力質譜儀的早期實例是M.B.Comisarow和A.G.Marshall首先公開在Chem.Phys.Lett.25，282(1974)的所謂的FTICR，其中使用超導線圈來產生高強度的均勻的磁場以捕獲離子。因為線圈較大並且需要被冷卻到非常低的溫度，所以該儀器建造起來非常昂貴並且難以運行和維護。

靜電離子陷阱質量分析器更具吸引力，因為它避免使用高強度，高穩定性的超導磁體。由Alexander Makarov公開在Anal.Chem.，2000，72(6)，pp 1156-1162.上的軌道陷阱(Orbitrap)，是靜電離子陷阱質量分析器的一個實例，其中離子在軸向方向上來回振蕩，同時圍繞在中心的紡錘形的電極旋轉。為了保持軸向振蕩諧波，軌道陷阱的中心電極和外部電極需要被非常精確地加工，以便在陷阱體積內實現所謂的超對數勢。

靜電離子陷阱質量分析器不必具有例如在軌道阱中的允許離子在特定軸向方向上執行諧波運動的場結構。Li Ding等人的PCT公開號WO 2012/116765描述了一種靜電離子陷阱質量分析器，其包括第一電極陣列和第二電極陣列，以在陣列之間的空間中產生靜電電場。當兩個陣列被供應有相同的電壓模式時，所生成的電場使得離子在電極陣列之間的空間中經歷周期性的振蕩運動，離子在飛行方向上被等時地重複反射，並且基本上在第一和第二陣列中間的中間平面被聚焦。放大器電路用於檢測與在第一和第二電極陣列之間的空間中經歷周期性振蕩運動的離子的質荷比相關的圖像電流。而具有多個電極的結構是有利的，因為在分析器被製造之後，通過施加合適的電壓，該結構更容易被調諧。WO2012/116765中公開的一個實施例(圖9)具有圓形配置，其中每個陣列的場限定電極包括圓形的中心電極以及多個同心的，表面平坦的位於中心電極的徑向外向的環形電極。兩個陣列同軸地布置在分析器的中心軸線上，並且離子在靠近中心平面處被捕獲，該中心平面與第一和第二陣列中的電極等距。

在高解析度ToF質量分析器的開發中，已經設計了多匝ToF系統的許多配置。在美國公開US 2010/0044558A1中，Sudakov公開了由使用一對矩形平面電極陣列構造的多次反射飛行時間裝置。離子通過由平面陣列的平行電極條形成的兩個離子鏡在飛行方向(x)上反射，並且由相同平面陣列的另一組電極條形成的另一反射場在漂移方向(z)上反射。每個周期期間在(x軸)飛行方向上以及在(z軸)漂移方向上的一次反射中實現相同質荷比的離子的等時運動。

在Curt Flory等人的美國專利號7,919,748B2中，另一種多反射ToF系統還包括一對平面電極陣列，但是它們是圓形的。兩組平面電極被彼此相對設置，彼此平行並且彼此軸向偏移，電極結構產生圍繞圓柱形的基本上無場的中心區域的圓柱對稱環形電場，該電場包括環形的軸向聚焦透鏡區域和圍繞透鏡區域的環形鏡區域。

這些已知的多匝質量分析器具有平面電極陣列，其包括以密集配置被安裝在電絕緣基板的表面上的多個平坦電極(例如，在美國專利No 7,919,748中公開的多匝質量分析器中電極的間隙為2mm)。這種電極結構可以被相對容易地製造，因為電極可以通過印刷或通過諸如切割分離的替代技術以所需樣式被形成在基板表面上。然而，在這種平坦的，密集的電極結構中，電極之間的間隙必須很窄，以避免由於在電極之間的基板上積累的表面電荷的影響而引起的場畸變。當經歷振蕩運動的離子具有幾keV的能量時，束聚焦(或設計成防止束髮散的類似措施)需要在相鄰電極之間供給高電壓差，並且有時，這樣的相鄰電極被供應有相反極性的電壓。根據WO 2012/116765和US 7,919,748中的實例，這些電壓差可以超過10kV，因此存在放電和表面跟蹤的可能性。在US 7,919,748B2中，Flory等人建議在電極之間的間隙中放入電阻材料。這可以避免表面電荷問題，並且可以允許相鄰電極之間的間隙增加到一定程度。然而，該方法要求電阻材料的電阻率具有極其高的均勻性；否則，質量分析空間中的電場可能會失真。此外，當通過電阻塗層橋接的兩個電極之間存在高電壓差時，電流將穿過電阻層產生焦耳熱。這導致溫度升高，這又影響高壓電源的穩定性，並導致對於長飛行路徑通常需要超高真空的質量分析器中的排氣。

本發明的目的是提供一種質量分析器，其至少減輕了與已知質量分析器相關聯的上述問題。

技術實現要素：

根據本發明，提供一種質量分析器，包括一對電極陣列，所述一對電極陣列中的一個電極陣列是所述一對電極陣列中的另一個電極陣列相對於所述電極陣列之間的中間平面的鏡像，每個陣列包括一組聚焦電極，並且所述電極陣列在使用中被供應有相同的電壓模式，以在所述電極陣列之間的空間中產生靜電場，用於使離子在所述空間中經歷周期性的振蕩運動，由此離子在所述聚焦電極組的電極之間穿過，並且在所述中心平面被重複地聚焦，其中，每個所述聚焦電極組中的至少一個電極具有比同組的其它電極的電極表面更接近所述中心平面的所述電極表面。

通過這種布置，已經發現，可以顯著地減小所述一個電極和緊鄰的電極之間的電壓差，從而降低電極之間放電的風險，而不會對在電極陣列之間的空間中產生的靜電場產生顯著的不利影響。此外，電極之間的距離也可以增加，進一步降低了放電的風險。

在優選實施例中，所述一個電極被定位成面對中心平面處的電場梯度具有最大值的區域，例如，其中所述一個電極和緊鄰電極在使用中被供給具有相反極性的電壓，且該區域通常在當離子經歷周期性振蕩運動時，離子被重複地反射回空間的中心的空間的外部區域中。在一些優選實施例中，所述一個電極和緊鄰的電極具有比同組的其它電極的電極表面更靠近所述中心平面的所述電極表面。

優選地，每個所述聚焦電極組的所述一個電極是從所述組的三個最外側電極中選擇。

已經發現，對在電極陣列之間的空間中產生的靜電場的形式的另外的改進，可以通過適當地使所述一個電極陣列以及可選地緊鄰的電極的電極表面有輪廓來實現。該有輪廓的表面可以在沿著飛行方向但是垂直於中心平面的平面中具有梯形或雙曲線橫截面。

在本發明的一些實施方式中，每個所述組的電極是同心環電極。

已經發現，可以調整所述一個電極以及可選地緊鄰的電極的幾何形狀，以基本上複製由具有平坦電極陣列的分析器所產生的靜電場，其中，電極是平坦的並且位於各個平面中，而且即便修改的電極被供應降低的電壓，也可以實現這一點。

每個所述電極陣列可以被安裝在由例如陶瓷的電絕緣材製成的基底構件上。相鄰電極之間的表面跟蹤可能是一個問題，特別是如果在電極之間存在大的電壓差並且電極之間的沿著絕緣體表面的表面跟蹤距離不夠長時。因此，在本發明的一些實施例中，所述一個電極和/或所述基底構件被配置為增加所述一個電極和所述緊鄰電極之間的表面跟蹤距離。為此，所述基底構件可以在所述一個電極和緊鄰電極之間設置有凹槽或凹部，和/或所述一個電極在靠近安裝有所述電極的基底構件的所述電極的下部比在遠離所述基底構件的所述電極的上部更窄，和/或所述一個電極和可選地，緊鄰電極可以使用電絕緣間隔物安裝在基底構件上。在又一個實施例中，每個所述電極陣列的所述電極是同心環電極，陣列的環形電極包括多個導電固定構件，並通過所述多個導電固定構件被安裝在所述基底構件上，所述多個導電固定構件相對於在基底構件上安裝相鄰的環形電極的導電固定構件成角度地偏移，多個導電固定構件諸如是螺釘，銷，螺柱或鉚釘。所述基底構件可具有凹槽或狹槽，所述凹槽或狹槽被配置為以增加相鄰環形電極的固定構件之間的表面跟蹤距離。

應當理解，用於增加表面跟蹤距離的前述措施可以應用於具有替代配置的電極陣列的質量分析器；例如，其中聚焦電極相對於中心平面具有相同的高度的平面電極陣列。因此，根據本發明的另一方面，提供有一種質量分析器，包括一對電極陣列，所述一對電極陣列中的一個電極陣列是所述一對電極陣列中的另一個電極陣列相對於所述電極陣列之間的中間平面的鏡像，每個陣列包括一組聚焦電極，並且所述電極陣列在使用中被供應有相同的電壓模式，以在所述電極陣列之間的空間中產生靜電場，用於使離子在所述空間中經歷周期性的振蕩運動，由此離子在所述聚焦電極組的電極之間穿過，並且在所述中心平面被重複地聚焦，其中每個所述電極陣列安裝在由電絕緣材料製成的基底構件上，所述陣列的至少一個電極和/或所述基底構件被配置為，以增加所述至少一個電極和緊鄰的電極之間的表面跟蹤距離。

應當理解，根據本發明的質量分析器可以具有靜電離子陷阱質量分析器或多匝ToF質量分析器的形式，並且可以具有圓形或矩形配置。

附圖說明

現在參照附圖僅以實例的方式描述本發明的實施例：

圖1a和1b分別是具有圓柱形對稱配置的已知靜電離子陷阱質量分析器的平面和橫截面圖；

圖2a僅是圖1b所示的分析器的誘捕部分的橫截面圖，其中每個電極陣列被安裝各個電絕緣基底構件上；

圖2b是根據本發明的靜電離子陷阱質量分析器的誘捕部分的橫截面圖；

圖3和圖4是圖2b中所示的電極陣列之一的外部部分的橫截面圖，並且進一步圖示了用於增加表面跟蹤距離的替代布置；

圖5是使用螺釘或替代性固定構件來支撐同心環電極的電絕緣基底構件的下側的一部分的透視圖。

圖6是示出了安裝在基底構件上的兩個緊鄰的環形電極的各個固定構件的電絕緣基底構件的一部分的下側的透視圖。

具體實施方式

圖1a和1b示出了在WO2012/116765(Ding等人)中公開的靜電離子陷阱質量分析器。靜電離子陷阱包括位於相互平行的平面中的兩個陣列的同心環電極1a，1b。兩個電極陣列被同軸地布置在中心軸線(z)上，並且被彼此偏移以限定誘捕空間16。陣列中的一個是另一陣列相對於中心平面12的鏡像，並且在使用中，兩個陣列都被供應相同的電壓模式。由離子源產生的離子可以通過直離子引導件14和彎曲離子引導件15被引入到誘捕空間16中。離子沿著直離子引導件14通過，然後沿著彎曲離子引導件15通過。當離子沿著彎曲離子引導件15行進時，向離子引導件15施加電壓脈衝，使得離子徑向向內地被注入到誘捕空間16中，在該誘捕空間中，通過供應給兩個陣列的電壓而產生誘捕靜電場。在誘捕空間16中被誘捕到的離子沿著具有大縱橫比的橢圓軌道17(在與z軸正交的x-y平面中)振蕩，並圍繞中心軸z進動。離子運動可以具有在軸向(z)方向上的分量，這在圖1b中的橫截面視圖中示出。有必要在誘捕空間16內保持軸向聚焦力，使得如果有離開該平面的初始位移或者有軸向方向的初始速度分量時，離子將返回到中心平面12；否則在z方向上的離子運動將不穩定，並且離子將快速地與一個陣列的或另一個陣列的電極碰撞。可以通過在環形電極之間提供電壓差來產生z方向上的聚焦力。

在多匝型ToF系統中出現相同的情況，其中離子可以從外環電極的圓周注入，例如在上述靜電離子陷阱的情況中，或者在環電極的中心區域中被產生，或者使用偏轉器/彎曲器從中心區域被注入。離子在通過類似的軌道時將經歷許多振蕩，併到達也位於裝置的中心區域的檢測器。為了避免在軸向方向上的束分散，再次有必要產生用作在z方向上的聚焦力的電場。

圖2a僅是圖1a所示的靜電離子陷阱質量分析器的誘捕部分的橫向剖視圖，但也示出了支撐基底構件10。每個電極陣列具有8個同心的圓形或環形電極。其中，電極1-7構成一組聚焦電極。電極1a和b，2a和b負責時間聚焦，以校正在切線方向上擴散的初始速度，電極4a和b，5a和b，6a和b以及7a和b負責空間和時間聚焦，以分別校正在軸向z方向上的初始位置和初始速度的擴散。另一方面，最外的電極8a和8b是柵極/反射電極。為了允許離子進入電極陣列之間的誘捕空間16，柵極電壓被供應給電極8a和8b，然後該電壓被切換到更高的電位，以反射在誘捕空間16中經歷振蕩運動的離子。當離子在誘捕空間中經歷振蕩運動時，離子不會在電極8之間穿過，因此電極8不是聚焦電極。每個電極陣列在使用螺釘11被組裝之前被附接到各自的由電絕緣材料製成的基底構件10。在軸向方向上的聚焦主要通過，向環形電極5a，5b供應負電壓，同時保持直接相鄰的環形電極4a、4b；6a、6b處於正電壓或接近地電位來實現。根據我們的計算，具有高達4.6kV的徑向飛行能量的離子，將需要在平坦的環形電極5a，5b上的大約-11.4kV的聚焦電壓和在緊鄰電極6a，6b上的大約4.6kV的電壓；即，16kV的電壓差。由於這種高電壓差，並且在電極之間通常只有2mm的間隙，可能會發生放電。

圖2b基本上與圖2a相同，但是圖示了根據本發明如何修改電極結構，以便至少減輕這個問題。

圖2a和2b都示出了通過向各個電極結構的電極供應電壓而產生的等電位。通過仿真已經發現，可以向修改的電極(25a；25b)供應顯著降低的電壓，並且由此降低每個陣列中的那些電極和相鄰電極之間的電壓差，而不顯著減小在電極陣列之間的空間中的場強度。在該特定實例中，電極(25a，26a；25b，26b)的幾何形狀，包括它們的表面輪廓，被定製成模仿由圖2a的電極結構產生的-6.4keV等位線的形狀。圖2a和2b的比較示出了由兩個電極結構產生的等位線的形狀基本上相同。

再次參考圖2b，每個電極陣列的環形電極21a-27a；21b-27b構成一組聚焦電極。每組聚焦電極和最外側柵極電極28a；28b被安裝在各個由諸如陶瓷的電絕緣材料製成的基底構件10a；10b上。兩個電極陣列被同軸地組裝在中心軸線z上，並且彼此軸向偏移以在電極陣列之間限定誘捕空間。一個電極陣列是另一個電極陣列相對於在兩個陣列之間的中間的中心平面12的鏡像，並且兩個陣列在使用中都被供應相同的電壓模式，由此兩個陣列的對應電極，即21a，21b；22a，22b等被供應相同的電壓。

與圖2a所示的電極相比，圖2b中所示的所選電極的高度在軸向方向上增加，使得它們的電極表面更靠近中心平面12，並且在該實施例中，它們的表面輪廓也已經改變。更具體地，電極25a，25b具有比緊鄰電極24a，24b；26a，26b的電極表面更靠近中心平面12的電極表面，並且電極25a，25b不再具有平坦的表面輪廓。

對電極26a，26b也進行類似的改變，並且也增加了在各個基底構件的每對相鄰電極25a，26a；25b，26b之間的間隙。作為這些變化的結果，需要供應給電極25a，26a；25b，26b以在中心平面12附近產生與由圖2a的電極結構產生的相同或非常相似的場的電壓，被分別減小到-6.4kV和4kV，使得電壓差減小到10.4kV。

電極25a和25b越靠近中心平面，供應給那些電極的電壓的降低就越大。然而，優選地，電極25a(和25b)離中心平面的距離不小於離子束的厚度(通常為2mm)，因此電極25a和25b之間的間隙不小於束厚度的兩倍。在該實例中，電極25a和25b在沿著飛行方向的平面中具有梯形橫截面，但該梯形橫截面與中心平面正交，然而可以替代地使用具有雙曲線，三角形或階梯狀橫截面的其它表面輪廓。

供應有具有相反極性的電壓的電極之間的最小容許間隙為3mm。在超高真空中的3mm間隙通常可以承受超過12kV的電壓差，儘管需要良好的表面平滑度。如下文將更詳細地描述的，電極之間的表面跟蹤距離也可以增加，並且這應當大於電極之間的電弧距離。

儘管一個或多個電極可以具有更接近中心平面的電極表面，但是仍然希望其他電極的電極表面更遠，從而提供更寬的誘捕空間，該誘捕空間相對沒有障礙物，否則遵循更寬軌跡的離子會與該障礙碰撞。

同時，形成電極的更遠的場在形成其表面輪廓時需要更簡單的幾何形狀和更低的精度；也就是說，因為這些更遠的電極進一步遠離離子軌跡，所以該電極的幾何形狀的不精確將對離子暴露的靜電場具有較小的影響。因此，電極幾何形狀將是可實現的場強度和場精度的優化的、折衷的結果。

被選擇具有更接近中心平面的電極表面的電極優選地是位於需要相對高的徑向場梯度的區域中的電極。通常，這將是例如在圖2b中的電極25a，25b的情況下，被供應有與供應給其緊鄰電極的電壓極性相反的電壓的電極。由於這些電極是相對大直徑的電極，布置成具有更接近中心平面的電極表面的電極通常但不必然位於每個電極陣列的外部區域(沿徑向方向)。

優選地，選擇具有相對大的半徑的聚焦電極以比具有較小半徑的相鄰環電極更靠近中心平面。這意味著在柵極/反射器環形電極附近的至少一個環形電極更靠近中心平面。被選擇為更靠近中心平面的較大直徑的電極用於將誘捕空間的內部區域從由柵極電極的閉合動作引起的變化的電場屏蔽開。因此，到達誘捕空間的內部區域的離子將不會由於柵極電極處的上升電位而經受質量依賴的加速度。

每個電極陣列的已經說明的電極被安裝在電絕緣基底構件10a；10b上。即使在高真空環境中，如果兩個相鄰的電極被供應具有大電壓差的電壓，那麼表面跟蹤可發生在基底構件的電絕緣表面處。為了增加相鄰電極之間的絕緣表面上的放電距離，每個電極25a；25b被設計為在靠近安裝有電極的基底構件的電極下部處比遠離基底構件的電極上部處更窄。為了進一步增加在基底構件的表面處的附近的電極之間的跟蹤距離，提出了與上述電極設計結合的以下配置。

參考圖3，環形電極25b，26b等在接合點21處使用下面的接合方法之一被附接到由諸如陶瓷，玻璃陶瓷或玻璃的電絕緣材料製成的基底構件10上。方法可以是：

1)將金屬電極銅焊到先前已在接合表面上被金屬化的陶瓷上。陶瓷的金屬化可以通過使用任何合適的厚膜技術，例如絲網印刷和退火，或使用物理或化學的氣相沉積，來實現。

2)將金屬電極焊接到之前已在接合表面上被金屬化的陶瓷上。

3)使用環氧樹脂或其他真空兼容的粘合劑。

在發生高電壓差的電極下方的位置處，陶瓷基底被切出深的凹槽或凹部，從而增加了接合點21之間的表面距離。這有效地增加了兩個電極之間的表面跟蹤距離。

在圖4中示出了增加表面跟蹤距離而不切入絕緣基底構件的替代方式。通過該方法，使用螺釘31、32、33將電極24b，25b和26b附接到絕緣基底構件10上。在基底部件10和電極24b，25b和26b之間提供了電絕緣隔離物35、36、37，以增加表面跟蹤距離。

螺釘31、32、33可以由金屬製成，或者優選地由陶瓷或其它高張力的塑料材料製成。螺釘僅用於緊固目的，因此它們可以用其它類型的固定構件，例如螺柱、銷或鉚釘替換，只要它們將基底構件和電極保持在一起。

在導電固定構件的情況下，沿著基底構件的下側表面，在相鄰電極的最接近的固定構件之間可能發生表面跟蹤。可能需要多達8個或更多的這樣的固定構件(例如螺釘)來牢固地保持每個電極；然而，環形電極的固定構件的角分布應當交錯，以便實現固定構件之間的最大表面跟蹤距離。如圖5所示，例如，螺釘55用於將一個電極(例如5b)固定到基底構件，而螺釘56用於固定相鄰電極(例如6b)。螺釘55的角分布相對於螺釘56的角分布被移位一定角度，使得兩組螺釘相對於彼此成角度地偏移，以便增加相鄰螺釘之間的表面跟蹤距離。這同樣地用於用來固定其他電極的其他螺釘組(例如54)。

如果使用金屬的螺釘，銷，螺柱或鉚釘，則有另外的方式來避免這些部件之間的短路。如圖5所示，在螺釘孔55和56之間切割出多個凹槽50，使得電跟蹤不能從一個螺釘直接運行到另一個螺釘，因此有效表面跟蹤距離比螺釘之間的直接距離長。

利用現代CNC加工，可以製造具有固定構件的環形電極，固定構件例如是從電極下側突出的腿，指狀物或墊。圖6示出了具有多個切口60的陶瓷基底板10的下側的一部分，在圖6中僅示出了其中一個。每個環形電極5b；6b被安裝在基底板10b的頂側(未示出)上，並且具有從電極的下側突出以及被插入到基底板10b的各個開口60中的多個連接墊。每個環形電極5b；6b的只有一個這樣的連接墊75；76在圖6中示出。墊75；76可沿著具有預先已經金屬化的邊緣表面61、62的開口60的兩個邊緣焊接到陶瓷基底板1ob上。連接墊75；76之間的間隙用於增加電極之間的表面跟蹤距離，因為電跟蹤不能在電極之間直接運行。

雖然在平面靜電離子陷阱的實施例中描述了根據本發明的電極結構，但是將理解，根據本發明的質量分析器也可以具有多匝ToF質量分析器的形式，或者是可以在陷阱中檢測到圖像電荷的平面靜電離子陷阱的模式和使用諸如MCP的粒子檢測器的多匝ToF的模式之間切換的分析器。隨後的配置能夠通過使用上述外部離子注入器並且在分析器的圓周外添加一個MCP檢測器來促進，並且該配置保留耦合到一些聚焦電極的圖像電荷檢測電路。可以通過在分析器中離子的若干振蕩飛行之後切斷柵極/反射電極上的電壓來激活ToF測量，使得離子可以從誘捕區域釋放到檢測器，並且可以記錄飛行信號的時間。分析器的配置可以是具有直條形電極的矩形形狀，或者是具有上述實施例中所述的環形電極的圓形形狀。