質譜儀及相關方法

專利名稱：質譜儀及相關方法
技術領域：
本發明涉及質譜儀和用于根據帶電粒子的荷質比檢測帶電粒子的質譜分析方法。 所公開的技術具有多種應用，包括混合粒子的分類、粒子的識別、物質檢測和物質提純。
背景技術：
質譜是眾所周知的并且涉及通過利用電場和/或磁場操縱帶電粒子以獲得從粒子的荷質比(q/m)得出的結果。在一個例子中，使用帶電板將已電離的分子加速到與垂直磁場交叉的區域中。由于粒子的運動，在每個粒子上產生洛倫茲力，使得粒子的軌跡彎曲。 彎曲的程度將取決于分子的質量和電荷較重并且/或者較低電荷的粒子比較輕并且/或者較高電荷的粒子偏轉程度小。設置一個或多個檢測器以接收偏轉的粒子，并且分布可以用于推導包括每種類型粒子的質量和各種粒子的相對比例的信息。這還可被用于確定例如分子結構等信息以及識別所測試的物質。已針對具體應用開發出專用形式的質譜儀。因此，質譜可被用于許多目的，包括識別未知化合物、確定同位素成分、研究分子結構、對混合粒子的樣品進行分類以及對樣品中物質的量進行量化等等。質譜還可被用于分析幾乎任何類型的可被帶電的粒子，包括化學元素和化合物，如藥物；生物分子，包括蛋白質和它們的縮氨酸、DNA、RNA、酶等；以及許多其它例子，包括污染物如灰塵等。在相關領域中，先前已在W0-A-03/051520中使用離心式譜儀在成形的電場影響下根據帶電例子的荷質比分離帶電粒子的樣品。將要被分離的離子放在填充了緩沖溶液的腔體中，腔體被高速旋轉。公開了多種用于施加適當形狀的徑向電場的手段，并且在電和離心力的影響下離子沿著腔體分離，使得能夠離析各個離子類型并進行相對測量。 US-A-5, 565，105、W0-A-2008/132227、GB-A-1488244 和 W0-A-2004/086441 公開了其它離子分1 裝直。

發明內容
根據本發明，提供一種質譜儀，該質譜儀包括腔室；適于將帶電粒子注入到該腔室中的注入裝置；適于建立作用在該帶電粒子上的至少一個場的場生成設備，該至少一個場具有被配置成在旋轉軸和該腔室的周界之間形成至少一個通道的角向捕集分量，該至少一個通道由該角向捕集分量的能量最小值限定，該場生成設備還適于使該角向捕集分量圍繞該旋轉軸旋轉，由此，在使用中，帶電粒子由該角向捕集分量沿著該至少一個通道在角向上約束從而與該角向捕集分量一起旋轉，離心力由此作用在該帶電粒子上；以及徑向平衡分量，至少在該至少一個通道附近，該徑向平衡分量的幅度隨著自該旋轉軸起的半徑的增大而單調增大，由此，在使用中，帶電粒子在該離心力和該徑向平衡分量的組合影響下沿著該至少一個通道移動，從而根據粒子的荷質比形成一個或多個粒子軌道；該質譜儀還包括被配置成檢測至少一個所述粒子軌道的檢測器。本發明還提供一種質譜分析方法，該質譜分析方法包括將帶電粒子注入到腔室中；建立作用在該帶電粒子上的至少一個場，該至少一個場具有被配置成在旋轉軸和該腔室的周界之間形成至少一個通道的角向捕集分量，該至少一個通道由該角向捕集分量的能量最小值限定；以及徑向平衡分量，至少在該至少一個通道附近，該徑向平衡分量的幅度隨著自該旋轉軸起的半徑的增大而單調增大；使該角向捕集分量圍繞該旋轉軸旋轉，由此， 帶電粒子由該角向捕集分量沿著該至少一個通道在角向上約束從而與該角向捕集分量一起旋轉，離心力由此作用在該帶電粒子上，該帶電粒子在該離心力和該徑向平衡分量的組合影響下沿著該至少一個通道移動，從而根據粒子的荷質比形成一個或多個粒子軌道；以及檢測至少一個所述粒子軌道。在W0-A-03/051520中，對緩沖液的要求意味著不能從樣品推導出任何絕對的信息，例如粒子質量、構成等。然而，如權利要求1中所述的，通過使用角向能量最小值建立通道，沿著該通道捕集帶電粒子，粒子可以根據它們的q/m比沿著通道布置，而不需要物理腔或緩沖液。這不僅能夠確定粒子的絕對質量(緩沖液的浮力影響被消除)，而且還大大簡化了譜儀設備。另外，由于可以同時形成多個軌道，所以可以同時地并且在遠超過傳統裝置的動態q/m范圍上分析不同粒子類型。此外，由于沒有物理腔，所以可以針對每個應用通過簡單調整所施加的場，按照期望改變裝置參數(如“虛擬”通道的數目、形狀和長度)。如果需要的話，這甚至可以動態進行(即，在譜處理期間)。應該注意，該角向捕集分量在角向上作用在粒子上也就是說，粒子在它的影響下以恒定的半徑圍繞旋轉軸移動(不存在任何其它影響)。徑向平衡分量沿著徑向方向作用在粒子上(即，垂直于角向分量)。盡管在許多情況下，場的作用方向(即，由場產生的作用在粒子上的力的方向)平行于場本身的方向(例如在電場的情況下)，但是不一定都是這種情況。例如，磁場將導致在帶電粒子上產生的力垂直于該場的方向。重要的是場分量作用于粒子上的方向(即，所產生的力的方向)分別是角向和徑向的。該徑向平衡分量對抗粒子上的離心力，使得每個粒子沿著其“虛擬”通道移動到離心力和(徑向)電力的幅度相等的徑向平衡位置。由于這樣布置的粒子是旋轉的，所以在每個平衡半徑處產生粒子軌道，然后可以使用檢測器測量這些軌道的位置以得出各種結果。如下面將進一步描述的，該設備可被用于許多目的，包括粒子分離(分類)、質量確定、 物質識別和物質檢測以及提純。可以根據所測試的粒子類型和腔室中的條件從很寬的范圍選擇角向分量和徑向分量的幅度。一般來說，q/m較高的粒子比q/m低的粒子需要的徑向平衡場分量弱。在優選實施例中，在任一半徑處最大角向場分量的幅度與該半徑處的徑向場分量的幅度處于同一量級。已經發現這有助于粒子沿著每個通道穩定下來，但不是必須的。在第一例子中，由角向捕集場提供角向捕集分量，并且由徑向平衡場提供徑向平衡分量。因此，兩個分開的場被施加并且彼此疊加，以提供必要的分量。如稍后將要描述的，角向捕集場和徑向平衡場可以每個都是電場，或者角向捕集場可以是電場，而徑向平衡場是磁場。使用兩個分開的場使得能夠彼此獨立地控制每個場。在第二例子中，由角向捕集場提供角向捕集分量，并且徑向平衡場是角向捕集場的分量。因此，角向捕集場和徑向平衡場二者可以由單一場提供。這減小了場生成裝置的復雜性，并且允許粒子軌道由單個場來控制。能量最小值是由場產生的作用在粒子上的角向力處于最小值的點。優選地，能量最小值對應于基本上零角向場幅度的點。該最小值典型地可以不對應于角向場的“最低”(即，最負的)點。在使用中，帶電粒子將在角向場分量的影響下向能量最低點遷移，并且將被保持在該最小值的附近，因為要離開該最小值涉及粒子能量的增大。應該注意的是， 由于稍后要討論的阻尼效應，粒子可能不精確穩定在最小值。優選地，該能量最小值對應于角向捕集場中的過零點。也就是說，在每個最小值的一(角向)側，場是正的，而在另一側，場是負的。因此，角向場在能量最小值處切換方向。 這沿著能量最小值產生特別穩定的粒子“陷阱”，因為粒子在任一側都會被相反的場推向最小值。然而，不是所有的過零點都將為所有粒子提供穩定的平衡由于帶正電的粒子受到的力與帶負電的粒子上的力相反，所以場從正切換到負的過零點為正離子提供穩定的陷阱， 而場從負切換到正的過零點為負離子提供穩定的陷阱。優選地，限定該通道或每個通道的能量最小值沿著該通道或每個通道是連續的。 也就是說，沿著通道的每個點是角向最小值。連續的最小值使帶電粒子能夠根據它們的荷質比沿著通道定位它們自己。如果期望的話可以產生單個這種通道。然而，如果所有粒子都被捕集到一個地點，那么自排斥效應可能很高。因此，優選地，存在由角向捕集場產生的多于一個的這種通道，使得帶電粒子可以在每個通道中形成類似荷質比的粒子束。在優選的例子中，該至少一個通道從腔室的旋轉軸延伸到周界。設想該通道的長度可以是旋轉軸和腔室的周界之間的任意長度。然而，該至少一個通道的長度越長，每個通道內可以建立的粒子軌道的數目越大。因此，理想地，通道的長度是旋轉軸和腔室的周界之間的總距離，以確保可能的最長通道。在其它例子中，可以通過在場中插入能量最大值而將該通道或者每個通道分成多于一個的子通道。這對于同時分析多于一個的質荷比窗口可能是有用的。優選地，該至少一個通道是徑向通道。也就是說，它遵循旋轉軸和腔室的周界之間的直線路徑。該至少一個通道在旋轉軸和腔室的周界之間徑向延伸任何有限長度。在其它例子中，該通道可以遵循旋轉軸和腔室的周界之間的非線性路徑。例如，在某些有利的實施例中，該至少一個通道遵循旋轉軸和腔室的周界之間的弓形路徑。例如，可以在旋轉軸和腔室的周界之間提供至少一個螺旋形狀的通道。弓形(或其它非線性)通道的使用增大了通道的長度，并且因此增加了通道內可以包含的粒子軌道的數目，這允許分析更大數目的不同荷質比的粒子。該弓形通道可以彼此嵌入以增大腔室容納通道的能力。該弓形通道由如前面所述的能量最小值形成。在優選的例子中，在每個半徑處角向捕集場圍繞旋轉軸遵循交變輪廓。也就是說， 角向捕集場的符號圍繞旋轉軸交替變化，以提供與前面所述的場中的過零點對應的能量最小值。在特別優選的實施例中，角向捕集場分量遵循正弦輪廓，但是它還可以具有任何其它規則的交變輪廓，如方波或三角波輪廓。在許多實施中，圍繞腔室的整個圓周建立角向捕集場。然而，這不是必須的，因為在一些優選實施例中，場生成設備適于只在腔室周圍限定的角向子部分中建立角向捕集分量(對著小于360度的角度)。這可能是期望的，因為這樣可以將施加必要的場所需的部件 (例如，電極)限制在腔室的該子部分中。優選地，角場捕集場是電場。電場產生如前面所述的通道。可替選地，角向捕集場可以是磁場。在優選的粒子中，場生成設備包括角向場電極組件，該角向場電極組件包括多個捕集電極或捕集電極元件以及被設置成向至少一些捕集電極或捕集電極元件施加電壓的電壓源。電極可以被典型地布置在垂直于旋轉軸的平面內，例如在腔室的表面之上或者之下(或者此二者)。所選電極配置取決于所期望的場形狀和所需要的裝置靈活程度。例如，在一些優選實施例中，角向場電極組件包括在旋轉軸和腔室的周界之間延伸的至少兩個捕集電極，該捕集電極優選地圍繞旋轉軸基本上均等地角向間隔開。在角向場只建立在腔室的一個角向子部分中的情況下，該子部分可以限定在兩個電極之間，并且如果提供更多個電極，那么它們可以在該子部分內在角向上是等間隔的。根據施加到每個捕集電極的電壓電平，將會按照電極的形狀在電壓場中產生峰或谷，該峰或谷將對應于所得到的電場中的能量最小值(因為電場與電壓分布的空間導數有關)。通過等間距地布置電極，可以容易地實現旋轉對稱的電場(如果期望如此的話)。可替選地，角向場電極組件可以包括捕集電極元件的至少兩個陣列，每個陣列沿著旋轉軸和腔室的周界之間的相應路徑延伸，該陣列優選地圍繞旋轉軸基本上均等地角向間隔開(與上面指出的在只產生角向子部分場的情況下采用的做法出于相同的考慮)。因此，每個捕集電極有效地包括單獨的電極元件的陣列。該電極元件陣列可以具有施加到每個電極元件的單獨電壓，從而允許如稍后將要討論的對場的更大控制。優選地，該至少兩個捕集電極或至少兩個陣列每個都在旋轉軸和腔室的周界之間徑向延伸。也就是說，每個捕集電極或陣列是直線的并且在旋轉軸和腔室的周界之間延伸。 這種設置將在如上所述的角向場中建立徑向通道。每個捕集電極或陣列不需要延伸旋轉軸和腔室的周界之間的整個距離，而是可以從旋轉軸和腔室的周界之間的任一點延伸到該范圍內的任意另一點。然而，為了使通道的長度最大化，該電極或陣列優選地從旋轉軸延伸到腔室的周界。在其它優選實施例中，該至少兩個捕集電極或陣列在旋轉軸和腔室的周界之間遵循弓形路徑。該配置允許產生如上面所述的螺旋通道。電極或陣列的弓形路徑可以延伸到旋轉軸和腔室的周界之間的任一點，并且不一定必須延伸旋轉軸和腔室的周界之間的整個距離。如果不希望利用電極/陣列路徑固定通道的形狀，那么在特別優選的實施例中， 角向場電極組件包括布置在旋轉軸和腔室的周界之間的二維捕集電極元件陣列，該捕集電極元件優選地被布置成正交網格圖案、六邊形網格圖案、密排(close-packed)圖案或同心圓圖案。這樣，可根據需要，通過對2D陣列中的一些或全部元件施加適當的電壓來選擇通道的形狀。在一些例子中，可以通過相對于腔室旋轉角向場電極組件來旋轉角向場分量。因此，場生成設備可以進一步包括適于旋轉徑向場電極或腔室的旋轉機構，如角向場電極組件安裝在其上的馬達。然而，在優選的實施中，電壓源適于依次改變施加到每個捕集電極或捕集電極元件的電壓，使得角向捕集場在旋轉軸周圍旋轉。依次改變每個捕集電極上的電壓允許向電極施加旋轉電壓并且與前面描述的旋轉機構具有相同的效果。優選地，該捕集電極或元件或者每個捕集電極或元件具有有限的(非零)電阻，使得電壓沿著該捕集電極或每個捕集電極變化。有利地，該捕集電極或陣列或者每個捕集電極或陣列朝著旋轉軸的端部上的電壓的幅度低于該捕集電極或每個捕集電極的朝著腔室的周界的端部上的電壓的幅度(不考慮符號)。典型地，在捕集電極的朝著旋轉軸的端部處施加地電壓，并且對電極的朝著腔室的周界的端部施加較高幅度的電壓。該電壓沿著捕集電極的長度變化，因為捕集電極優選地具有有限的電阻。這有助于形成跨旋轉軸連續的電場形狀。在一個例子中，該捕集電極或元件或者每個捕集電極或元件包括電阻性聚合物或硅。這種材料是優選的，因為它們具有已知值的內在電阻，而傳統的傳導電極材料(典型地是金屬)具有接近零的電阻，并且不能調整該電阻。如已經描述的，至少在每個通道的(角向和/或徑向)區域中，徑向平衡分量具有隨著半徑增大而單調增大的幅度。單調增大函數是該函數的幅度的導數總是正的。應該注意的是，這與場的符號無關因此，在負場的情況下，場的絕對值將隨著半徑減小(即，變得更負)，但是場強總是隨著半徑增大。因此，徑向平衡分量的幅度總是隨著半徑增大。為了在向外的離心力和向內作用的徑向平衡分量之間達到穩定的平衡點，這是必須的。可以選擇任何單調增大函數。然而，優選地，徑向平衡分量具有以廣增大的幅度，其中η大于或等于1，且r是距旋轉軸的徑向距離。例如，徑向平衡場分量可以關于半徑成比例地(線性地) 或者二次地增大等等。在優選的例子中，至少在該通道或每個通道所對應的角向位置處，在每個半徑處徑向平衡分量的幅度圍繞旋轉軸是恒定的。徑向平衡分量的幅度無需圍繞旋轉軸是恒定的。然而，通過將其幅度至少在每個通道處設置成恒定的，所述平衡點將位于圍繞旋轉軸的相同半徑處，這導致圓形(或接近圓形)的軌道，使得它們可以被更準確地測量。在某些例子中，在每個半徑處徑向平衡分量的幅度圍繞旋轉軸變化。在徑向幅度關于角向位置不恒定的情況下，優選地，徑向平衡分量與角向捕集分量同步旋轉，以確保適當的徑向場與每個通道對準。優選地，場生成設備還適于使徑向平衡分量與角向捕集分量同步地圍繞旋轉軸旋轉。在一個特別有利的實施例中，徑向平衡分量在腔室的至少一個第一角向扇區中具有第一方向，并且在至少一個第二角向扇區中具有與第一方向相反的第二方向，第一和第二角向扇區對應于角向最小值的第一和第二通道。也就是說，在所選通道附近，徑向平衡分量將向內作用在正粒子上并且向外作用在負粒子上，而對于其它選擇的通道，情況將相反。 這使得帶正電和帶負電的粒子能夠被同時分析。在優選的實施中，徑向平衡場是磁場。該磁場在粒子上建立與離心力平衡的力，使得帶電粒子根據它們的荷質比形成一個或多個粒子軌道。這是由于移動的帶電粒子產生電流而發生的，帶電粒子受到洛倫茲力。在這些實施例中，場生成設備優選地包括磁體組件。 腔室位于磁體組件的相對極之間，使得在該磁體組件的相對極之間產生的磁場穿過腔室。優選地，該磁體組件包括電磁體，因為這允許產生強磁場，并且容易控制。然而，還可以考慮任何其它磁場生成設備，如永磁體。有利地，該磁體組件的每個極具有在腔室周界處比在旋轉軸處朝著腔室延伸更多的、被成形為建立單調增大的徑向場的變化的表面輪廓，優選地具有凹的表面輪廓。因此， 所產生的穿過腔室的橫截面的磁場的強度是非均勻的。該變化的表面輪廓使磁場的幅度朝著旋轉軸減小，因為此處兩個極件之間的距離處于最大值。極表面形狀提供了所需要的磁場強度隨著半徑單調增大。可替選地，通過使用在內部同心布置的至少兩個不同的磁性材料以產生磁體的極，可以產生類似的非均勻磁場，每個磁性材料具有不同的磁強度并且朝著旋轉軸產生期望的減小的磁場。在其它優選實施中，徑向平衡場是電場。這里，場生成設備優選地包括徑向場電極組件，該徑向場電極組件包括相鄰于腔室而布置的至少一個平衡電極，該至少一個平衡電極具有被成形為當它被施加電壓時建立單調增大的徑向場的徑向輪廓。有利地，該平衡電極具有與旋轉軸對準的中心以及圍繞該旋轉軸基本上圓形的周界，該平衡電極的厚度在該平衡電極的中心和周界之間變化從而建立單調增大的徑向場。還設想到可以使用平衡電極元件的陣列來產生期望的效果。優選地，該平衡電極是具有直的、凹的或凸的側面的圓錐體。可以改變該電極側面的形狀，以產生徑向平衡分量的期望輪廓。有利地，該圓錐體的頂點朝著或遠離腔室而延伸。優選地，場生成設備還包括被設置成向該至少一個平衡電極施加電壓的電壓源。 該電壓源可以優選地支持可調整的電壓輸出。有利地，該平衡電極或者每個平衡電極優選地由固體電阻性聚合物或硅形成。如前面關于角向場電極描述的，使用這種材料是為了確保電極具有足夠的電阻，使得能夠產生期望的電場輪廓。優選地，徑向場電極組件還包括第二平衡電極，腔室被布置在第一和第二平衡電極之間。使用第二平衡電極使腔室在第一和第二平衡電極之間有助于避免在軸向方向上場的形狀變形。優選地，以與第一平衡電極相同的方式并且由相同的材料形成第二平衡電極， 以確保所產生的場輪廓是對稱的。還可以使用其它電極組件以實現徑向場。在優選的例子中，場生成設備包括徑向場電極組件，具有與旋轉軸同心布置并且通過介電材料彼此間隔開的多個環形電極；以及電壓源，被設置成向每個環形電極施加電壓。在上述例子中，徑向分量和角向分量分別由分開的場建立，并且彼此疊加。然而， 在可選的實施中，可以由角向捕集場提供徑向平衡分量。因此，用于建立角向捕集場的場生成裝置可以被相應地修改，并且不需要任何附加的場產生部件。因此，優選地，角向場電極組件被配置成使得在該捕集電極或每個電極的朝著旋轉軸的一端和該捕集電極或每個捕集電極的朝著腔室的周界的一端之間該捕集電極或每個捕集電極上的電壓是變化的，從而建立單調增大的徑向場。例如，這可以使用由適當成形的電阻性材料形成電極或者通過使用沿著每個通道布置成陣列的電極元件來進行。如果提供原件陣列，那么通過對每個元件施加適當的電壓電平，可以精確地控制并且根據期望改變徑向分量的形狀。可替選地，可以跨腔室的至少一部分提供這種電極元件的二維網格，使得每個通道的形狀不由電極的布局固定，而是可以通過對一些或全部電極元件施加適當的電壓來選擇。優選地，腔室具有與旋轉軸基本上垂直的圓形橫截面。對于腔室來說，圓形橫截面是優選的，因為帶電粒子的粒子軌道將趨向于圓形(或者接近圓形)，除非徑向平衡分量被設計為圍繞旋轉軸幅度變化。因此，使用具有圓形橫截面的腔室在空間利用上最有效。 然而，這絕不是必須的，因為可以使用任意形狀的腔室，包括立方體或長方體的腔室。在特別優選的例子中，腔室是盤狀的或者圓柱形的，旋轉軸平行于腔室的軸，并且與腔室相交。 在其它例子中，腔室具有與旋轉軸基本上垂直的環形橫截面。因此，旋轉軸可以穿過中心“孔”，而不是與腔室本身相交。如果期望的話，具有非圓形橫截面的腔室配置也可以包括圓形或非圓形的中心“孔”。優選地，該腔室是真空腔室，并且該質譜儀進一步包括用于控制該腔室內的空氣的設備，優選為排空裝置或泵。在腔室內使用受控的空氣使作用在粒子上的氣動阻力能夠保持在最低值，否則會使結果失真，并且減小了因腔室內存在另外的物質而導致的假結果。在特別優選的實施例中，用于控制腔室內的空氣的設備適于在腔室內維持不完全真空(即，受控的低氣壓)。在腔室內提供低氣壓使粒子能夠自由地移動，同時提供阻尼效應，該阻尼效應有助于沿著每個通道保持粒子。然而這不是必須的，因為場可以改為成形為提供強的局部化，在該局部內關于能量最小值的一定程度的振蕩是可接受的。在其它情況下，可以優選在腔室內使用較高的氣壓，并且因此可以將泵設置成在腔室內維持升高的壓力。例如，在想要以相對低的角速度和施加的相對高的場強分析大質量的粒子如細胞的情況下，這可能是適當的。在這種情況下，太低的氣壓會因所施加的高場而導致受控的空氣擊穿，因此使用較高的氣壓可以避免擊穿發生。在提供阻尼效應(例如，通過腔室內受控的空氣)的情況下，優選地，在任一半徑處的最大角向場分量的幅度足夠大，以克服粒子上的阻尼力。例如，在由氣體提供阻尼的情況下，由最大角向場分量在粒子上產生的力應該大于該粒子上因為它與氣體的接觸而產生的摩擦力。已經發現這有助于將粒子保持在每個通道內，但這不是必須的。在某些例子中，該質譜儀可以接收預先帶電的粒子。然而，優選地，該譜儀還包括適于在粒子被注入到腔室中之前使粒子電離的電離裝置。適當的電離裝置是公知的，并且包括粒子穿過電子束的電子電離和通過碰撞期間的化學離子-分子反應使被分析物電離的化學電離。該電離裝置可以與注入裝置分開，或者這二者可以形成整體部件。典型地，注入裝置包括加速電極，當電壓被施加時，加速電極將電子粒子引向它并進入腔室。如果要分析正粒子和負離子二者，那么可以提供兩個這種注入裝置，或者電極可以在正電壓和負電壓之間切換。注入裝置可以被布置在腔室上的任意位置處(例如，腔室的中心“孔”，如果提供中心“孔”的話)，或者布置在腔室的上表面或下表面上的任意徑向位置處。有利地，場生成設備還包括適于控制場生成設備實現角向捕集分量和/或徑向平衡分量的幅度和/或形狀的變化的控制器。該控制器可以是計算機或者可編程的電壓源。 在優選的實施中，在帶電粒子的移動期間改變徑向平衡分量的幅度和/或形狀，從而調整該粒子軌道或者每個粒子軌道的半徑。角向捕集分量也可以被改變，例如改變其旋轉頻率 (并因此改變角速度)和/或通道形狀。如已經提到的，該譜儀可被用于許多不同的應用中，并且因此各種不同的檢測技術可能是適當的。在某些例子中，檢測器適于測量至少一個粒子軌道的半徑。這特別適用于想要確定粒子的質量或者粒子的構成是未知的情況。通過測量軌道半徑，可以推導出形成該軌道的粒子的質量，粒子的質量可被反過來用于確定其構成。然而，在許多其它應用中，不必測量半徑。例如，在所調查的粒子的質量是已知的情況下，所形成的軌道的半徑也是已知的。因此，在某些例子中，檢測器適于在一個或多個預定半徑處檢測粒子軌道。在固定的(已知的)場配置中，在預定的半徑處檢測到粒子將確認某種物質存在。可替選地，可以“在飛行時”調整徑向場分量的幅度，以使軌道與已知半徑位置處的檢測器相符，為此施加的場調整可被用于確定粒子的質量。
在進一步的例子中，檢測器可適于檢測該粒子軌道或每個粒子軌道處粒子的密度。粒子的密度將導致來自檢測器的不同響應，并且可以相應地測量每個粒子軌道的變化的密度。這可被用于例如確定同位素濃度。在其它實施中，可以簡單地設置檢測器以檢測給定區域中軌道的數目，以例如確定樣品中不同的粒子類型的數目。檢測器可以采用許多形式。在一個優選的例子中，檢測器包括被設置成檢測穿過腔室傳播的輻射的至少一個輻射吸收元件。輻射通常將被腔室內的粒子吸收，從而該檢測器元件或每個檢測器元件接收到的輻射強度的減小將表示該檢測器元件的位置處的粒子。 可以將各個檢測器元件布置在一個或多個預定半徑處。然而，優選地，檢測器包括沿著旋轉軸和腔室周界之間的徑向路徑布置的輻射吸收元件的陣列。這種布置可被用于檢測未知半徑處的軌道并且/或者測量所得到的半徑。在其它例子中，整個腔室區域可以被成像，這具有不需要將檢測器相對于旋轉軸精確定位以準確地確定半徑的優點，因為整個軌道可以被測量，并且可以從軌道直徑的測量計算其半徑。因此，檢測器可以包括在腔室的表面區域上布置的多個輻射吸收元件，使得能夠一次接收大數目的測量結果。這種吸收元件可以檢測環境輻射。然而，優選地，檢測器包括輻射發生器，并且吸收元件被設置成檢測所發射的輻射。因此，可以從檢測器排除干擾輻射源。在特別優選的例子中，可以選擇紫外、紅外或可見輻射，但是可以采用任何波長。在其它實施中，可能需要在軌道形成之后從腔室提取粒子。因此，在進一步優選的例子中，檢測器包括適于從一個或多個粒子軌道收集帶電粒子的收集裝置。有利地，該收集裝置包括適于使粒子軌道上的帶電粒子能夠退出腔室的腔室中的至少一個退出點；與該退出點相鄰地布置在腔室外側的至少一個退出電極；以及用于向所述至少一個退出電極施加電壓的電壓源，使得當電壓被施加到所述至少一個退出電極時，預定半徑的粒子軌道上的帶電粒子被朝著所述至少一個退出電極加速。因此，在使用中退出電極具有施加給它的電勢差，使得相鄰于退出點的帶電粒子經由該退出點被引出到腔室外。所施加的電壓與要從腔室去除的粒子上的電荷符號相反。如果要提取正粒子和負粒子二者，那么可以提供兩個這種收集裝置，或者根據需要可以切換單個這種裝置上的電壓。這種收集裝置的提供使該譜儀能夠被用于提純物質。例如，該收集裝置可被定位成使得只從腔室提取出具有一個期望的荷質比的確定的粒子。可替選地，可以“在飛行時”改變場，使得可以接連地從一些列軌道收集粒子。該譜儀能夠以多種不同方式操作。在一個方面，本發明提供一種分離混合的帶電粒子樣品的方法，包括將該混合的帶電粒子樣品注入到腔室中，并執行上述質譜分析方法。可以使用上述檢測技術中的任一個檢測分離后的粒子。在另一方面，本發明提供一種測量帶電粒子的質量的方法，包括將帶電粒子樣品注入到腔室中，執行上述質譜分析方法，測量至少一個粒子軌道的半徑，并基于測得的該至少一個半徑來計算粒子的質量。本發明的另一方面提供一種檢測目標粒子的方法，包括將粒子樣品注入到腔室中，執行上述質譜分析方法，并在一個或多個預定半徑處檢測粒子，其中至少一個所述預定半徑對應于目標粒子的已知質量，在該至少一個預定半徑處檢測到帶電粒子表示目標粒子的存在。在本發明的另一個方面，提供一種從混合的粒子樣品提取目標例子的方法，包括將該混合的粒子樣品注入到腔室中，并使用收集裝置從具有基于目標粒子的質量確定的半徑的所選粒子軌道提取粒子。優選地，該混合的粒子樣品被連續地注入到腔室中，并從所選粒子軌道連續地提取粒子，因此該設備可作為提純裝置。


現在參照附圖描述譜儀和譜方法的例子，其中圖1是示出示例性的譜儀設備的部件的示意性框圖；圖2是可以在圖1的譜儀中使用的腔室和其它部件的平面圖；圖3圖示在本文中要被參考的方向；圖4示出根據第一實施例的示例性電壓分布；圖5示出用于第一實施例的電壓和電場與角距離的曲線圖；圖6圖示第一實施例中適于建立角向場分量的部件；圖7是施加到兩個示例性的電極的電壓與時間的曲線圖；圖8描繪可以由圖6中所示的部件施加的電壓分布；圖9示出徑向平衡分量的示例性電壓和電場形狀；圖10圖示第一實施例中適于建立徑向場分量的部件；圖IOa是圖示使用圖10的部件施加的電場的矢量圖；圖IOb和圖IOc是示出圖IOa中所示的腔室內的徑向電壓分布和徑向電場的曲線圖；圖11是示出第一實施例中作用在粒子上的徑向力的曲線圖；圖12圖示第一實施例中粒子的徑向振蕩；圖13圖示第一實施例中粒子的角振蕩；圖14圖示第一實施例中粒子的徑向振蕩和角振蕩；圖15示出第一實施例中檢測器的部件；圖15a示出可以由處理器基于來自圖15的檢測器的信號生成的示例性的譜；圖16示意性地描繪根據第二實施例的譜儀的部件；圖17示意性地描繪根據第三實施例的譜儀的部件；圖18示出用于第三實施例的電壓輪廓與角距離的曲線圖；圖19和圖20從兩個不同方面示出在第四實施例中使用的電壓分布；圖21示意性地示出根據第五實施例譜儀的部件；圖22示出在第五實施例中使用的電壓分布；圖23a、b、c示出三個示例性的電極元件設置；圖2 和圖24b示出第六實施例的部件的兩個例子；圖2 和圖2 示出第六實施例的部件的另外兩個例子；圖沈示出第七實施例的部件；圖26a和圖26b是示出使用圖沈的實施例施加的示例性的徑向電壓分布和徑向電場的曲線圖；圖27a和圖27b是示出使用第七實施例的變體施加的示例性的徑向電壓分布和徑向場的曲線圖；以及
圖觀示意性地描繪可供選擇的檢測器的部件。
具體實施例方式圖1示意性地圖示適于實現下面討論的實施例的示例性譜儀的一些主要部件。由參考標號1 一般地表示該質譜儀。場生成設備3被提供用于在腔室2內生成一個或多個場。 正如下面詳細描述的，所生成的場是可作用在腔室2內帶電粒子上的類型例如，電場和/ 或磁場通常是適合的，并且場生成設備3被相應地配置。注入裝置7被提供用于將帶電粒子注入到腔室2中。該注入裝置能夠接收來自該譜儀外部的源的帶電例子，或者可選地，該譜儀可以包括電離裝置6。在此，電離裝置6流動地連接到注入裝置7，以使通過電離裝置 6帶電的例子能夠進入腔室2。電離裝置6和注入裝置7可以彼此一體化地形成，或者作為兩個分開的部件來提供。在優選實施例中，腔室2維持在低氣壓(不完全真空)并且因此可以提供排空裝置9，如泵。正如下面解釋的，這不是必須的。檢測器4被提供用于從腔室2獲得結果。這可以采取從將腔室2內的粒子成像到從腔室2提取粒子的多種形式。在大多數情況下，場生成設備3連接到控制器5，如計算機或其它處理器。控制器 5可被用于控制由場生成設備3產生的場的尺寸、形狀、幅度和方向。然而，如果場的形狀將不是可變的，那么可以將其排除。控制器5還可以連接到檢測器4，以監視和處理所獲得的結果。在隨后的示例性實施例中將更詳細地描述上述每個部件以及該譜儀作為整體的操作。圖2以平面圖示出適于在該譜儀中使用的示例性的腔室2。在該例子中，腔室2 是盤狀的，具有圓形截面和低的高寬比。例如，該腔室的直徑可以大約為2cm并且它的軸向高度可以大約為0. 5cm。盡管基本上圓形的截面是優選的，但是腔室2可以采用任何形狀 例如，可以采用球形、圓柱形或環形腔室。圓形截面是優選的，因為粒子典型地遵循圓形軌道(或者接近圓形，參見圖M和圖25)，并且因為這種圓形腔室是空間效率最高的。然而， 可以用任何形狀的腔室建立相同的軌道，包括立方體的或矩形的腔室。在優選的情形中，腔室2是真空腔室也就是說，該腔室是可密封的，使得可以通過適當的控制裝置，如前面描述的泵9，準確控制腔室內部的空氣。腔室2的壁優選地由不傾向于吸附粒子的材料制成， 或者可以改為用適當的涂料如表面活性劑來處理。在特定的優選實施例中，例如通過用陽離子涂覆腔室的壁以排斥帶正電的粒子，從而在腔室壁處實現小的局部排斥(反之亦然)。 然而，這不是必須的。在該例子中，電離裝置6和注入裝置7位于腔室2的周界加上的入口點。實際上， 入口點可以被提供在腔室2的表面上的任何位置，包括腔室的中心(例如，在旋轉軸8處或附近)，或者在旋轉軸和腔室的周界之間的任何徑向位置處。電離裝置6向注入裝置7提供帶電粒子以注入到腔室2中。粒子注入的精確速度和方向不是關鍵。因此，電離裝置和注入裝置的操作很大程度上是傳統的。可以使用任何適當的電離技術。例如，電噴霧電離(electrospray ionisation, ESI)或者基質輔助激光解吸附電離(matrix-assisted laser-desorption ionization,MALDI)可被優選特別用于電離生物分子，因為這些是公知的導致無損帶電分子的“軟”技術。ESI使用液相分析物(例如，包含樣品的溶液)，通過噴霧針將該液相分析物向收集器抽運。在針和收集器之間施加高電位差。從針排出的液滴具有與針上的表面電荷極性相同的表面電荷。當該液滴在噴霧針和收集器之間行進時，溶劑揮發。這導致每個液滴收縮，直到表面張力不能再維持被施加的電荷(稱為瑞利極限)，在該點，液滴破裂成多個較小的液滴。該過程重復進行，直到剩下單獨的帶電分子。由于ESI的小尺寸，(當從液相采樣時) ESI電離是特別優選的。另一方面，MALDI使用在金屬目標板上干燥的樣品與基質的固體混合物。利用激光來蒸發該固態材料。適當的ESI或MALDI設備被廣泛使用。然而，許多其它電離技術也是可行的，并且可被優選用于專門的應用。例如，如果該譜儀要從周圍空氣采樣，那么可以采用空氣電離技術。這些技術典型地涉及提供間隔很近的電極，在電極之間施加處于或低于空氣擊穿電壓的電壓，以導致適當的電離而又不擊穿。注入裝置典型地使用線性粒子加速器，如圍繞入口孔的帶電板，或者一系列間隔開的環形電極，粒子通過該環形電極加速。設置場生成裝置3以在腔室2內建立一個或多個場。這可以用多種不同方式來實現，但是在每種情況中，都將生成角向捕集場分量和徑向平衡場分量。這些分量可被彼此獨立地生成(即，疊加兩個或更多個分開的場)，或者可以由單個場提供。角向捕集分量在角向上作用在腔室內的帶電粒子上，使得在它的影響下，粒子受到力的作用，如圖3中的箭頭 Φ所表示的，使其圍繞旋轉軸8以恒定的半徑沿著圓形路徑移動。圖2示出與腔室2的中心點對準的旋轉軸8 這是優選的，但不是必須的。如圖3中箭頭r所示，徑向平衡分量的作用垂直于角向分量、沿著旋轉軸8和腔室的周界加之間的徑向方向。可以理解，在這兩種情況下，像磁場的情況下那樣，各場分量作用在帶電粒子上的(角或徑向)方向可以不平行于其本身場分量的方向。角向捕集分量被配置成包括能量最小化，以在旋轉軸8和腔室的周界加之間形成一個或多個“通道”，帶電粒子將沿著該通道被捕集。該場生成裝置被設置成圍繞旋轉軸 8旋轉角向捕集分量，并且因此被捕集的粒子將同樣地圍繞該軸旋轉，使得每個粒子受到離心力作用。徑向平衡分量被設置成對抗該離心力。被捕集的粒子將因此在該離心力和徑向平衡場的影響下沿著該場建立的通道遷移。徑向平衡場被成形為使得其幅度隨著與旋轉軸8 的徑向距離單調增大。這使得能夠沿著通道形成穩定的平衡點，特定荷質比(q/m)的帶電粒子將在該平衡點處穩定下來。由于角向捕集場繼續旋轉，所以每個穩定的粒子將圍繞該旋轉軸沿軌道飛行，并且圖2中的軌跡(i)和(ii)描述了兩種不同粒子類型的這種情況。 每個軌道的半徑由帶電粒子的荷質比確定，并且因此具有類似的荷質比的粒子將穩定在每個通道內的類似軌道上。在圖2中，半徑為巧的外粒子軌道(i)由荷質比CilAi1的粒子形成，荷質比Cl1Ai1低于形成較小半徑r2的內粒子軌道(ii)的粒子的荷質比。因此，較重的低電荷的粒子與較輕的高電荷的粒子相比，將沿著較大半徑的軌道行進。如下面將要討論的，可以用多種不同方式檢測該軌道，每個軌道的半徑提供與粒子的質量(和電荷)有關的 fn息ο所施加的徑向場和角向場的強度將取決于具體應用，并且可以從寬的范圍中選擇。對于徑向分量來說，與低q/m(重的)粒子相比，高q/m粒子需要低場強度。因此，可以施加任何適當的場強度，但是優選地不超過腔室內的空氣的擊穿閾值(如果可能的話)。典型的場強度在lkV/cm至lOkV/cm的范圍內，但是根據帕邢曲線，可以高達40kV/cm左右，這大約是空氣擊穿之前的上限。如果需要的話，角向場分量可以弱于徑向場分量，因為它的作用是將粒子加速到某一角速度，并且不要求平衡強的相反的力。在優選情況中，任何一個半徑的最大角向場分量可以與該半徑的徑向場分量的幅度為同一量級，因為已經發現這有助于將粒子快速捕集到每個通道中。然而，這不是必須的。與傳統的質譜技術相比，本裝置在非常大的荷質比范圍上提供高分辨率分析，其本身可以通過調整所施加的場動態地(在飛行中)改變。結果，可以在小的緊湊的裝置中分析大的和小的粒子。傳統的質譜儀受到許多因素限制，只能分析相對低質量的粒子，例如小于20kDa(千道爾頓)。這很大程度上是由于高質量的粒子會損失分辨率。另一方面， 在超過kDa范圍并且高達MDa量級時，本裝置也能夠很好地工作，同時在小的體積中實現非常高的分辨率，因為與傳統的譜儀中不同，如上所述，粒子被約束在高度聚焦的靠近的軌線中。這允許分析潛在的大DNA分子、蛋白質以及甚至細胞。該裝置同樣適于分析小的粒子， 如無機化學物質。圖4是示出本發明的第一實施例中施加到腔室的電壓分布的示意性曲線圖。在該實施例中，電角向捕集場和電徑向平衡場被彼此分開地建立并且疊加，導致圖4中所示的電壓分布。將看到，在該例子中，電壓圍繞旋轉軸8遵循正弦輪廓。也就是說，在離旋轉軸8 的任一徑向距離處，電壓分布的角輪廓是正弦的，結果在任一半徑處，導致一系列的電壓谷 10和電壓峰11。電壓峰10和電壓谷11代表在得到的電場中的最低能量點，現在參照圖5 說明這一點，圖5示出沿著角方向Φ所施加的電壓和所得電場之間的關系。應注意，不需要遍布整個腔建立角向捕集分量例如，在下面描述的第六實施例中，只在腔室的一個角向子部分中建立捕集分量。如已經指出的，在本例子中，電壓V具有正弦輪廓，并且因為電場與電壓分布的空間導數成比例(即，E = dV/dct)，所以電場E也將具有與電壓的相位偏離π/2的正弦形狀 (即，Φ的余弦函數，因為d/d Φ ( ηΦ) =C0S Φ)。因此，最小電場幅度點(在此情況下為零)對應于電壓分布中的峰11和谷10。如圖4中所示，在每個半徑處電壓的峰和谷是連續的，因為每個電壓峰或谷雨相鄰半徑上的電壓峰或谷對準，從而在旋轉軸8和腔室周界之間形成通道13和14。通道13遵循電壓輪廓的“谷”，而通道14遵循“脊”。在本例子中， 每個通道13、14延伸旋轉軸8和腔室周界之間的全部距離，但這不是必須的。在腔室2內的帶電粒子在角向捕集分量的影響下將向能量最低的通道13和/或 14遷移。例如，圖5示出在對應于電壓分布中的谷10的能量最小值“Α”附近的正粒子12。 在該例子中，最小值A是角電場中的過零點即，在該最小值的一側(角向上)，場是正的， 而在另一側，場是負的。就圖5來說，正場分量將使正粒子向該圖的右側移動，而負場分量將向左驅動粒子。因此，如箭頭所示，在位置X處的正粒子12將被該場向右驅動。這將持續直到粒子到達電場從正方向切換到負方向的最小值Α。如果正粒子12越過該最小值，當該粒子在負電場中的位置Y時，它將受到如箭頭表示的向左驅動它的力。因此，正粒子將有效地在角向上被捕集在最小值A的附近。在實踐中，該粒子將以這種方式關于該能量最小值持續振蕩，除非如下面討論的，其運動衰減。
從圖5的曲線圖可以看出，存在與電壓分布中的峰11對應的下一個最小值B。對于正粒子，如12，這代表不穩定的平衡位置，因為如果該粒子偏離點B，那么它受到的力的方向將遠離該最小值。然而，對于負的帶電粒子，情況相反，將在電壓峰發現穩定的平衡位置，并且在電壓谷發現不穩定的平衡位置。上述場的符號關于旋轉軸周期性地改變的過零點如A和B在任何交變場中都將存在。正弦角向場是優選的，但是三角波場或方波場同樣是可適用的。以場的過零點的形式提供能量最小值是優選的，因為如上所述，捕集效果特別穩定。然而，這不是必須的。例如， 在最小值的兩側符號相同的場。雖然這代表不穩定的平衡位置，但是如果角向捕集分量以足夠大的角速度旋轉(比粒子離開最小值的速度快)，那么仍能夠實現必要的捕集效果。類似地，雖然如果場的幅度在最小值處為零是有益的，但是出于相同的理由，這種情況也不是必須的。因此，腔室2內的帶電粒子沿著由角向捕集分量的能量最小值形成的通道13和/ 或14(取決于粒子的符號)被約束，并且由于角向捕集分量的旋轉而圍繞旋轉軸旋轉。圖6圖示可被用于建立關于圖4和圖5描述的類型的角向捕集場的場生成設備3 的示例性部件。腔室2用透視圖示出，并且如前面所述，在該腔室的周界加上示出注入裝置7。該場生成設備包括角向場電極組件，該角向場電極組件為多個電極15的形式(被稱為“捕集(trapping)，，電極，因為它們進行粒子的角向捕集)，該多個電極15相鄰于腔室2 的一個表面均等地角向間隔開，該表面優選為垂直于旋轉軸8的表面。這些電極可被布置在腔室2的內側或外側。可以使用任意數目的電極15，盡管優選地多于一個。如下面關于圖M和圖25描述的，電極15不需要分布在腔室的整個表面上，而可以布置成僅覆蓋腔室的一個角向子部分。電極15在旋轉軸8和腔室2的周界之間延伸。電極15不需要延伸從旋轉軸8到腔室2的周界的整個距離，而只要延伸期望建立上述通道的部分即可。提供電壓源15a，并且向每個電極15 (或者至少電極15中的一些)施加電壓。為了清楚，圖6僅示出電極15*、 15"兩個電極和電壓源之間的連接，但是在實踐中，典型地為該組件中的每個電極提供這種連接。在該例子中，對電極15的最接近旋轉軸8的端部施加0伏。對電極15的接近腔室的周界加的端部施加電壓\、V2等。優選地，由于下面將要討論的原因，所述電極被提供 “浮動”電壓(即，電源在相鄰的電極之間施加電壓差，而不是相對于地的絕對電壓)。電壓源1 優選地在處理器5的控制之下，處理器5設定施加到每個電極的電壓電平，從而在腔室2中建立期望的電壓分布。然而，電壓源本身可以進行該功能。通過仔細選擇施加到每個電極的電壓來設定場的角輪廓，并且為了生成上面討論類型的正弦角向場分量，施加到每個電極的電壓將圍繞旋轉軸遵循正弦分布。通過適當選擇施加到每個電極的電壓可以應用其它場形狀，如三角波輪廓或方波輪廓。為了使角向場關于腔室2旋轉，優選地，電壓源1 (或控制器幻隨時間改變施加到每個電極15的電壓，使得每個所施加的電壓值依次圍繞各電極前進。由該電壓源或控制器控制旋轉速度。圖7示出該例子中施加到示例性的電極實線)和虛線)的電壓及其隨時間的變化。將會看到，在時間=零時，電極15*處于電壓電平V1,而電極處于其最大電壓V2，V2代表電壓分布中的峰。每個電極上的電壓以與角向場分量的角速度直接相關的頻率正弦地變化(或者三角地等等)。在圖7中，可以看到，每個電極在時間T中經歷單個電壓峰和單個電壓谷。由于在該例子中在全部電壓分布中有8個峰和8個谷(見圖4)，所以該時間T代表該場完成整個電路的時間的1/8。因此，在該例子中，分辨率的頻率F由1/ (8T)給出。典型地，這將是kHz或MHz量級。角速度ω由2 π F給出。電極15優選地由非零電阻的材料如電阻聚合物或硅制成，使得沿著旋轉軸8和腔室2的周界之間的徑向方向維持電勢差。這導致朝著旋轉軸電壓降低，這有助于形成跨該腔室連續的電場，但是這不是必須的。然而，這可導致下面將討論的更有益的實施。使用電阻電極的另一個優點是電流流動被最小化(或者完全停止)，從而減小功率消耗。圖8示意性示出可以由圖5中所示的設備生成的電壓分布的形狀，并且特別圖示了正弦角向捕集分量隨著半徑增大的幅度，這是如上所述沿著每個電極的電勢差導致的。 徑向平衡場與其相加以達到圖4中所示的電壓分布。圖9示出徑向平衡分量的示例性電壓分布V以及得到的徑向電場Ε。在該例子中， 電壓以r3增大，并且不具有Φ依賴性(即，在一個半徑處對于所有Φ值都是恒定的)。因此所得到的電場分量以r2增大。在實踐中，在與一個或多個通道對應的區域中，電場分量的幅度可以取r的任意單調增大函數，因為如下面進一步討論的，這將能夠實現穩定的半徑平衡位置。例如，徑向場幅度可以隨rn變化，其中η大于或等于1(但是在η = 1的情況下，在旋轉軸處電場的值偏離零，否則唯一的平衡點將與旋轉軸重合)。在任一半徑處在所有角向場的幅度都是恒定的徑向場形狀是優選的，但不是必須的。因為粒子被約束到角向場通道，所以這是發生徑向移動的地方。同樣地，遠離通道的徑向場的形狀不是關鍵的，并且不需要單調增大。然而，在所施加的徑向場在任一半徑處不是恒定的情況下，該徑向場應該與角向場同步旋轉，使得必要的徑向場形狀始終與該通道或每個通道對準。將如圖9中所示的徑向電壓分布疊加在圖8中所示的角分布上將導致圖4中所示的形狀的電壓分布，其具有徑向分量和角向分量。圖10圖示用于以電場形式施加這種徑向場的場生成設備3的示例性部件。從一側示出腔室2，并且在腔室2的上表面上示出包括先前關于圖6描述的捕集電極15的角向場電極組件。另外以平衡電極17a和17b的形式提供徑向場電極組件，平衡電極17a和17b 分別布置在腔室的兩側(盡管如果需要的話可以采用單個這種電極)。像上述角向捕集電極的情況那樣，每個平衡電極17a、17b由電阻材料形成，如聚合物或硅。平衡電極17a、17b 中的每一個具有沿著徑向方向變化的厚度輪廓(在腔室2的軸向方向上)。因此，在該例子中，平衡電極是具有直的側面的錐形形狀，但是可選地，圓錐體的側面可以具有凹的或凸的表面輪廓。該平衡電極或每個平衡電極17a、17b的中心軸典型地與角向場的旋轉軸8對準。每個電極的頂點可以面向或背向腔室2，但是優選地，如圖10中所示布置該電極，每個頂點背向腔室。如果希望的話，可以用徑向定位成“楔”形的電極元件的陣列替換每個平衡電極 17a、17b。在平衡電極的中心軸和其圓形周界之間施加DC電壓。在該例子中，每個電極的頂點接地，同時對每個電極17a、17b的周界18a、18b施加正電壓+V。這可以例如使用插入到每個圓錐體的頂點中的中心接觸件19a、19b和圓形周界接觸片20a、20b來實現。如果希望的話，可以用沿著旋轉軸8穿過腔室(或者在腔室為環形的情況下穿過腔室中的間隙)的單個中心接觸件代替中心接觸件19a、19b，這可以有助于場的成形。由于電極17a、17b由電阻材料制成，所以在旋轉軸8和電極周界18之間產生由電極17a、17b成形的電勢差，從而導致如關于圖9描述的腔室內的徑向電壓分布。圖IOa是示出使用上述設備產生的電場的方向的通過有限元分析得到的矢量圖。 在此，從一側觀看平衡電極17a、17b和腔室2。為了清楚，沒有示出其它部件。箭頭表示平衡電極附近的每個點處的電場的強度(箭頭長度)和方向，并且將會看到，在腔室2內在電極之間場是徑向的(即，垂直于旋轉軸)。圖IOb中示出在對電極周界時間+1000V的電壓并且頂點接地(OV)的示例性情況下沿著腔室2的半徑的電壓分布。圖IOc示出對應的徑向電場，并且將會看到該徑向電場的幅度適當地隨著半徑增大以單調的非線性方式增大。由此生成的角向和徑向場分量可以用各種方式彼此疊加。如已經描述的，可以由與用于徑向分量的DC電源分開的專用電源生成角向分量。如果這樣的話，則捕集電極應該在所施加的徑向電壓上“浮動”，即，施加到捕集電極的電壓應該優選為在相鄰電極之間施加的電壓差的形式，而不是相對于地的絕對電壓，這將顯著扭曲徑向電壓分布。通過使捕集電極“浮動”，每個捕集電極處的電壓將是徑向電壓與角向電壓之和。用于實現這一點的另一個方式是經由適當的電阻器或電阻材料，通過與平衡電極的電接觸來偏置捕集電極。可替選地，可以使用非浮動的電源，如果它被設置成施加絕對電壓V+dV的話，其中V是徑向電壓，dV是角向電壓。在下面將要描述的后面的實施中，這可能是適當的。一旦角向和徑向場彼此疊加，如圖4中所示，在腔室內任意點處得到的電壓分布就將是這兩個電壓之和。如前面提到的，徑向場的幅度可以顯著大于角向場分量，并且這使徑向場形狀占優勢，從而可以根據需要影響徑向場的方向。例如，從圖8注意到，單獨在角向場中，谷延伸到相對于旋轉軸8處的電壓為負的電壓，而峰延伸到相對于旋轉軸處的電壓為正的電壓。因此，沿著峰存在朝著旋轉軸的固有徑向場分量，但是在谷上具有朝著周界的固有徑向場分量。通過以上述方式添加強的徑向場，可以操縱這一點，使得在場的所有點處，徑向力都作用在相同方向上。這是圖4中的情況，從圖4注意到，由峰形成的通道和由谷形成的通道二者都延伸到筆旋轉軸8處的電壓高的電壓，使得在所有點處，徑向場都向內作用。可供選擇的配置也具有優點，下面將對此進行描述。在圖4中所示的示例性情況中，最終的電壓分布形式為V = A(r/R)3+B(r/R) sin (ΝΦ+ cot)，其中A和B是常數，r是Φ角向坐標，t是時間坐標，R是期望的場的徑向范圍(例如，腔的半徑)，N是圍繞旋轉軸包含在一個完全電路中的角向分量的波長數目，ω 是角向分量旋轉的角速度。在該例子中，N = 8，這意味著在每個電路中包含8個電壓谷和 8個電壓峰，這對應于16個通道，其中的一半將為任何給定的粒子提供穩定的“陷阱”。因此，N可以取任意值，并且盡管優選地提供整數個波長，但是這不是必須的。N值越大，可利用的通道的數目越大，這將減小與相同粒子之間自排斥有關的問題，因為在任一通道中將捕集較少的粒子。在任一通道中被捕集的粒子在徑向場分量和離心力的組合影響下沿著通道遷移。 如上面討論的，粒子因徑向場分量而受到的力被設置成向內作用，從而對抗向外的離心力。 因此，在分析帶正電的粒子的情況下，圖4中所示類型的電壓分布(其中電壓總是朝著旋轉軸比在周界處更低)是適當的。在分析負粒子的情況下，應該應用相反的電壓分布。徑向場的幅度仍將以與上面討論的相同的方式單調地變化。在某些實施例中，可以同時分析正粒子和負粒子二者，并且下面將討論該選項。
圖11示出通道中示例性粒子上的徑向力。該粒子上的離心力Fc總是向外作用(向圖11的右側)并且與mCO2r成比例，其中m是該粒子的質量，ω是其角速度，并且r是徑向位置。由徑向場分量導致的力向內作用，并且在該例子中與qr2成比例，其中q是該粒子上的電荷，r是徑向位置。如圖11中所示，對于每個q/m比，存在力F。和！^相等且相反的徑向位置r*。通過將徑向場幅度設置成隨著r單調地增大(例如，以r2，如此處所示的)，這將導致點r*形成穩定的平衡位置。從r*向旋轉軸(向圖11中的左側)波動的粒子將進入 Fc > Fe的區域，使得凈力向外，迫使粒子向r*返回。類似地，如果粒子越過r*向腔室周界移動(向圖11中的右側)，則它將受到向內的凈力，并且再次被迫使向r*移動。因此，粒子將根據它們的荷質比(q/m)穩定在平衡半徑r*。具有相同q/m比的粒子將圍繞Z聚集成束。同樣粒子的束將隨著角向分量旋轉而圍繞旋轉軸作軌道運動。如上面提到的，粒子將趨向于關于它們的平衡位置振蕩。該振蕩發生于角向上 (關于角向能量最低值，即，“虛擬”通道)和徑向上(關于平衡點r*)。如果場被設置成使得粒子位于足夠小的體積內，那么該振蕩可能不是問題。例如，如果形成通道13的電壓谷足夠陡峭，那么正粒子將在窄的勢阱內有效地振蕩。類似地，所施加的徑向場的形狀還可以被控制為使徑向振蕩最小化。然而，為了提高裝置的分辨率，優選地，使粒子振蕩衰減，并且這通過將腔室的內部維持在受控制的氣壓和溫度，優選為不完全真空，來有利地實現。這提供了對抗粒子自身運動同時又不明顯抑制它們在所施加的場的影響下的運動的一定程度的摩擦力，以及不需要能夠產生真正真空的泵的附加益處，真空泵通常體積大并且因此減小了裝置的移動性。各種不同的氣體可以被選擇用于該目的。應該考慮的因素包括 氣體的擊穿電壓-典型地，所施加的電場強度很高(在10至50kV/cm的范圍內)以實現優良的分辨率。因而優選地選擇所謂的介電氣體，如空氣、氮氣、氬氣/氧氣、氙氣、氫氣或六氟化硫(可以與惰性氣體混合)。許多其它適當的介電氣體也是已知的。 氣體的阻尼效應-不同氣體對離子移動性具有不同影響。 氣體的化學惰性。已經發現氙氣提供了性質的適當組合，盡管許多其它氣體(單一種類或混合物) 也可以被使用。適當的氣壓還將取決于各種因素，包括所測試的粒子的屬性以及必須施加的場強。例如，在許多情況下，低壓提供了使自身振蕩衰減同時又不抑制粒子軌跡的必要平衡。 然而，在其它情況下，較高的氣壓可能是必須的，以避免由所施加的場導致的氣體擊穿。例如，這可以是以相對低角速度和高徑向場強度分析細胞等大質量粒子的情況(高徑向場強度是必須的，因為即使在低速度，大質量的粒子也將受到相應的高離心力)。帕邢曲線表明空氣的擊穿電壓隨著壓力增大而增大。氣體提供的摩擦力使振蕩衰減，使得粒子失去能量并且穩定在相關的場平衡點附近。如下面將要證明的，每個粒子最終穩定的點可以不精確與平衡點重合。然而，與軌道的半徑相比，任何這種偏離通常都是可忽略的，并且因此對所獲得的結果幾乎沒有影響。如果希望的話，還可以將該偏離作為結果處理中的因數。在下面的例子中，進行了若干簡化，以使方程線性化并且得到用于量化帶電粒子在平衡條件附近的運動學特征的解析解法。對于徑向電場分量，假定線性形狀(即，。同樣地，假定角向場分量在平衡點附近接近線性場(參見圖5)。因此，角向場分量的形式為Εφ (Φ) = Α(φ-ω )+Β (1)其中A和B是常數。徑向場分量采用如下形式Er (r) = -Cr-D (2)其中C和D是常數。C前面的負號意味著場是負的，即向內作用在正粒子上。粒子上的離心力由下式給出Fu (r) =mco2r (3)因此可以寫出下面的動力學方程。在徑向方向上mr" (t)+m ω 2r (t)+qEr (r) + P r ‘ (t) = 0 (4)其中m是粒子的質量，q是粒子上的電荷，P是由腔室內受控制的氣體壓力導致的摩擦系數。以傳統方式使用符號'，以表示導數。在角向方向上πιΦ" (t)-qE$ (Φ (t)) + P Φ ‘ (t) = 0 (5)將場形狀帶入方程(4)和(5)，并且針對邊界狀態求解微分方程，給出如下運動方禾呈。在徑向方向上
權利要求
1.一種質譜儀，包括腔室；適于將帶電粒子注入到所述腔室中的注入裝置；場生成設備，所述場生成設備適于建立作用在所述帶電粒子上的至少一個場，所述至少一個場具有角向捕集分量，所述角向捕集分量被配置成在旋轉軸和所述腔室的周界之間形成至少一個通道，所述至少一個通道由所述角向捕集分量的能量最小值限定，所述場生成設備還適于使所述角向捕集分量圍繞所述旋轉軸旋轉，由此，在使用中，帶電粒子由所述角向捕集分量沿著所述至少一個通道在角向上約束從而與所述角向捕集分量一起旋轉，離心力由此作用在所述帶電粒子上；以及徑向平衡分量，至少在所述至少一個通道附近，所述徑向平衡分量的幅度隨著自所述旋轉軸起的半徑的增大而單調增大，由此，在使用中，帶電粒子在所述離心力和所述徑向平衡分量的組合影響下沿著所述至少一個通道移動，從而根據所述粒子的荷質比形成一個或多個粒子軌道；以及被配置成檢測至少一個所述粒子軌道的檢測器。
2.根據權利要求1所述的質譜儀，其中所述角向捕集分量由角向捕集場提供，并且所述徑向平衡分量由徑向平衡場提供。
3.根據權利要求1所述的質譜儀，其中所述角向捕集分量由角向捕集場提供，并且所述徑向平衡分量是所述角向捕集場的分量。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述能量最小值對應于基本上零角向場幅度的點，優選為過零點，在所述過零點處，所述角向場分量在所述過零點的一側具有第一方向，而在所述過零點的另一側具有與所述第一方向相反的第二方向。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中限定所述或每個通道的所述能量最小值沿著所述或每個通道是連續的。
6.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述至少一個通道從所述旋轉軸延伸到所述腔室的周界。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述至少一個通道是徑向通道。
8.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述至少一個通道遵循所述旋轉軸和所述腔室的周界之間的弓形路徑。
9.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中在每個半徑處所述角向捕集分量圍繞所述旋轉軸遵循交變輪廓。
10.根據權利要求9所述的質譜儀，其中所述交變角向輪廓是正弦的、三角形的或方形的。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述場生成設備適于只在圍繞所述旋轉軸限定的所述腔室的角向子部分中建立所述角向捕集分量。
12.根據至少權利要求2或3所述的質譜儀，其中所述角向捕集場是電場。
13.根據權利要求12所述的質譜儀，其中所述場生成設備包括角向場電極組件，所述角向場電極組件包括多個捕集電極或捕集電極元件以及被設置成向至少一些所述捕集電極或捕集電極元件施加電壓的電壓源。
14.根據權利要求13所述的質譜儀，其中所述角向場電極組件包括在所述旋轉軸和所述腔室的周界之間延伸的至少兩個捕集電極，所述捕集電極優選地圍繞所述旋轉軸基本上均等地角向間隔開。
15.根據權利要求13所述的質譜儀，其中所述角向場電極組件包括捕集電極元件的至少兩個陣列，每個陣列沿著所述旋轉軸和所述腔室的周界之間的相應路徑延伸，所述陣列優選地圍繞所述旋轉軸基本上均等地角向間隔開。
16.根據權利要求14或15所述的質譜儀，其中所述至少兩個捕集電極或至少兩個陣列每個都在所述旋轉軸和所述腔室的周界之間徑向延伸。
17.根據權利要求14或15所述的質譜儀，其中所述至少兩個捕集電極或至少兩個陣列每個都遵循所述旋轉軸和所述腔室的周界之間的弓形路徑。
18.根據權利要求13所述的質譜儀，其中所述角向場電極組件包括布置在所述旋轉軸和所述腔室的周界之間的捕集電極元件的二維陣列，所述捕集電極元件優選地被布置成正交網格圖案、六邊形網格圖案、密排圖案或同心圓圖案。
19.根據權利要求13至18中的任一項所述的質譜儀，其中所述電壓源適于依次改變施加到所述或每個捕集電極或者捕集電極元件的電壓，使得所述角向捕集場圍繞所述旋轉軸旋轉。
20.根據權利要求13至19中的任一項所述的質譜儀，其中所述或每個捕集電極或者捕集電極元件具有有限的電阻，使得所述電壓沿著所述或每個捕集電極的長度變化。
21.根據權利要求13至20中的任一項所述的質譜儀，其中所述或每個捕集電極或者捕集電極元件包括電阻性聚合物或硅。
22.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述徑向平衡分量具有以廣增大的幅度，其中η大于或等于1，而r是距所述旋轉軸的徑向距離。
23.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中至少在所述或每個通道所對應的角向位置處，在每個半徑處所述徑向平衡分量的幅度圍繞所述旋轉軸是恒定的。
24.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中在每個半徑處所述徑向平衡分量的幅度圍繞所述旋轉軸變化。
25.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述徑向平衡分量在所述腔室的至少一個第一角向扇區中具有第一方向，并且在至少一個第二角向扇區中具有與所述第一方向相反的第二方向，所述第一和第二角向扇區對應于角向最小值的第一和第二通道。
26.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述場生成設備還適于使所述徑向平衡分量與所述角向捕集分量同步地圍繞所述旋轉軸旋轉。
27.根據至少權利要求2所述的質譜儀，其中所述徑向平衡場是磁場。
28.根據權利要求27所述的質譜儀，其中所述場生成設備包括磁體組件，所述磁體組件被設置成使得所述腔室被布置在所述磁體組件的相對磁極之間。
29.根據權利要求觀所述的質譜儀，其中所述磁體組件的每個極具有在所述腔室周界處比在所述旋轉軸處朝著所述腔室延伸更多的變化的表面輪廓，所述變化的表面輪廓被成形為建立具有隨半徑單調增大的幅度的磁場，所述變化的表面輪廓優選為凹的表面輪廓。
30.根據權利要求觀或2所述的質譜儀，其中所述磁體組件包括電磁體。
31.根據至少權利要求2所述的質譜儀，其中所述徑向平衡場是電場。
32.根據權利要求31所述的質譜儀，其中所述場生成設備包括徑向場電極組件，所述徑向場電極組件包括相鄰于所述腔室而布置的至少一個平衡電極，所述至少一個平衡電極具有被成形為當它被施加電壓時建立單調增大的徑向場的徑向輪廓。
33.根據權利要求32所述的質譜儀，其中所述平衡電極具有與所述旋轉軸對準的中心以及圍繞所述旋轉軸基本上圓形的周界，所述平衡電極的厚度在所述平衡電極的所述中心和所述周界之間變化從而建立單調增大的徑向場。
34.根據權利要求32或33所述的質譜儀，其中所述平衡電極包括具有直的、凹的或凸的側面的圓錐體。
35.根據權利要求34所述的質譜儀，其中所述圓錐體的頂點朝著或遠離所述腔室而延伸。
36.根據權利要求32至35中的任一項所述的質譜儀，其中所述場生成設備還包括被設置成跨所述至少一個平衡電極施加電壓的電壓源。
37.根據權利要求32至36中的任一項所述的質譜儀，其中所述或每個平衡電極優選地由固體電阻性聚合物或硅形成。
38.根據權利要求32至37中的任一項所述的質譜儀，其中所述徑向場電極組件還包括第二平衡電極，所述腔室被布置在所述第一和第二平衡電極之間。
39.根據權利要求31所述的質譜儀，其中所述場生成設備包括具有與所述旋轉軸同心布置并且通過介電材料彼此間隔開的多個環形電極的徑向場電極組件；以及被設置成向每個所述環形電極施加電壓的電壓源。
40.根據引用權利要求3時的權利要求12至沈中的任一項所述的質譜儀，其中所述角向場電極組件被配置成使得所述或每個捕集電極上的電壓在所述或每個捕集電極的朝著所述旋轉軸的一端和所述或每個捕集電極的朝著所述腔室的周界的一端之間變化，從而建立單調增大的徑向場。
41.根據權利要求40所述的質譜儀，其中所述或每個捕集電極包括電極元件的陣列， 所述電壓源向每個電極元件施加電壓。
42.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述腔室具有基本上垂直于所述旋轉軸的圓形橫截面。
43.根據權利要求42所述的質譜儀，其中所述腔室是盤狀的、圓柱形的或環形的。
44.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述腔室是真空腔室，并且所述質譜儀還包括用于控制所述腔室內的空氣的設備，優選為排空裝置或泵。
45.根據權利要求44所述的質譜儀，其中所述用于控制所述腔室內的空氣的設備適于在所述腔室內維持不完全真空。
46.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，還包括適于在粒子被注入到所述腔室中之前使所述粒子電離的電離裝置。
47.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述場生成設備還包括適于控制所述場生成設備實現所述角向捕集分量和/或徑向平衡分量的變化的控制器。
48.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述檢測器適于測量至少一個所述粒子軌道的半徑。
49.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述檢測器適于檢測一個或多個預定半徑處的粒子軌道。
50.根據前述權利要求中的任一項所述的質譜儀，其中所述檢測器包括被設置成檢測穿過所述腔室傳播的輻射的至少一個輻射吸收元件。
51.根據權利要求50所述的質譜儀，其中所述檢測器包括沿著所述旋轉軸和所述腔室周界之間的徑向路徑布置的輻射吸收元件的陣列。
52.根據權利要求50或51所述的質譜儀，其中所述檢測器還包括被設置成穿過所述腔室朝著所述至少一個輻射吸收元件發射輻射的一個或多個輻射發射元件。
53.根據權利要求1至49中的任一項所述的質譜儀，其中所述檢測器包括適于從一個或多個粒子軌道收集帶電粒子的收集裝置。
54.根據權利要求53所述的質譜儀，其中所述收集裝置包括適于使預定半徑的粒子軌道上的帶電粒子能夠退出所述腔室的所述腔室中的至少一個退出點；相鄰于所述退出點而布置在所述腔室外側的至少一個退出電極；以及電壓源，所述電壓源用于向所述至少一個退出電極施加電壓，使得當電壓被施加到所述至少一個退出電極時，預定半徑的粒子軌道上的帶電粒子被朝著所述至少一個退出電極加速。
55.一種質譜分析方法，包括 將帶電粒子注入到腔室中；建立作用在所述帶電粒子上的至少一個場，所述至少一個場具有 角向捕集分量，所述角向捕集分量被配置成在旋轉軸和所述腔室的周界之間形成至少一個通道，所述至少一個通道由所述角向捕集分量的能量最小值限定；以及徑向平衡分量， 至少在所述至少一個通道附近，所述徑向平衡分量的幅度隨著自所述旋轉軸起的半徑的增大而單調增大；使所述角向捕集分量圍繞所述旋轉軸旋轉，由此，由所述角向捕集分量沿著所述至少一個通道在角向上約束的帶電粒子與所述角向捕集分量一起旋轉，使得離心力作用在所述帶電粒子上，所述帶電粒子在所述離心力和所述徑向平衡分量的組合影響下沿著所述至少一個通道移動，從而根據所述粒子的荷質比形成一個或多個粒子軌道；以及檢測至少一個所述粒子軌道。
56.根據權利要求55所述的質譜分析方法，其中由角向捕集場提供所述角向捕集分量，并且由徑向平衡場提供所述徑向平衡分量。
57.根據權利要求55所述的質譜分析方法，其中由角向捕集場提供所述角向捕集分量，并且所述徑向平衡分量是所述角向捕集場的分量。
58.根據權利要求55至57中的任一項所述的質譜分析方法，其中僅在圍繞所述旋轉軸限定的所述腔室的角向子部分中建立所述角向捕集分量。
59.根據權利要求55至58中的任一項所述的質譜分析方法，其中所述角向捕集場是電場。
60.根據權利要求59所述的質譜分析方法，其中通過相鄰于所述腔室而布置的至少一個捕集電極和被設置成向所述或每個捕集電極施加電壓的電壓源來建立所述角向捕集場， 并且所述方法包括依次改變向所述或每個捕集電極施加的電壓，使得所述角向捕集場圍繞所述旋轉軸旋轉。
61.根據至少權利要求56或57所述的質譜分析方法，其中所述徑向平衡場是磁場。
62.根據至少權利要求56或57所述的質譜分析方法，其中所述徑向平衡場是電場。
63.根據權利要求55至62中的任一項所述的質譜分析方法，還包括使所述徑向平衡分量與所述角向捕集分量同步地圍繞所述旋轉軸旋轉。
64.根據權利要求55至63中的任一項所述的質譜分析方法，還包括在所述粒子被注入到所述腔室中之前使所述粒子電離。
65.根據權利要求55至64中的任一項所述的質譜分析方法，還包括排空所述腔室以便在所述腔室內產生不完全真空。
66.根據權利要求55至65中的任一項所述的質譜分析方法，其中在所述帶電粒子的移動期間改變所述徑向平衡分量的幅度和/或形狀以便調整所述或每個粒子軌道的半徑。
67.根據權利要求55至66中的任一項所述的質譜分析方法，使用根據權利要求1至 54中的任一項所述的質譜儀。
68.根據權利要求55至67中的任一項所述的質譜分析方法，其中所述檢測步驟包括測量至少一個所述粒子軌道的半徑。
69.根據權利要求55至67中的任一項所述的質譜分析方法，其中所述檢測步驟包括在一個或多個預定半徑處檢測粒子。
70.根據權利要求55至67中的任一項所述的質譜分析方法，其中所述檢測步驟包括從一個或多個所述粒子軌道收集粒子。
71.—種對混合的帶電粒子樣品進行分類的方法，包括將所述混合的帶電粒子樣品注入到腔室中，并執行根據權利要求55至70中的任一項所述的方法。
72.—種測量帶電粒子的質量的方法，包括將帶電粒子樣品注入到腔室中，執行根據權利要求66所述的方法，并基于測得的所述至少一個半徑來計算所述粒子的質量。
73.—種測量帶電粒子的質量的方法，包括將帶電粒子樣品注入到腔室中，執行根據權利要求69所述的方法，其中在所述帶電粒子的移動期間改變所述徑向平衡分量的幅度和/或形狀以便調整所述或每個粒子軌道的半徑，并基于所述徑向平衡分量的變化和所述預定半徑來計算所述粒子的質量。
74.—種檢測目標粒子的方法，包括將粒子樣品注入到腔室中并執行根據權利要求 69所述的方法，其中至少一個所述預定半徑對應于所述目標粒子的已知質量，在所述至少一個預定半徑處檢測到帶電粒子表示所述目標粒子的存在。
75.—種從混合的粒子樣品提取目標粒子的方法，包括將所述混合的粒子樣品注入到腔室中，并執行根據權利要求70所述的方法以從具有基于所述目標粒子的質量確定的半徑的所選粒子軌道提取粒子。
76.根據權利要求75所述的方法，其中將所述混合的粒子樣品連續地注入到所述腔室中，并從所述所選粒子軌道連續地提取粒子。
全文摘要
公開了一種質譜儀，該質譜儀包括腔室；適于將帶電粒子注入到腔室中的注入裝置；以及場生成設備。場生成設備適于建立作用在帶電粒子上的至少一個場，該至少一個場具有被配置成在旋轉軸和腔室的周界之間形成至少一個通道的角向捕集分量，該至少一個通道由角向捕集分量的能量最小值限定，場生成設備還適于使角向捕集分量圍繞旋轉軸旋轉，由此，在使用中，帶電粒子由角向捕集分量沿著該至少一個通道在角向上約束從而與角向捕集分量一起旋轉，離心力由此作用在帶電粒子上。另外，該至少一個場還具有徑向平衡分量，至少在該至少一個通道附近，徑向平衡分量的幅度隨著自旋轉軸起的半徑的增大而單調增大，由此，在使用中，帶電粒子在離心力和徑向平衡分量的組合影響下沿著該至少一個通道移動，從而根據粒子的荷質比形成一個或多個粒子軌道。該質譜儀還包括被配置成檢測至少一個粒子軌道的檢測器。還公開了質譜分析方法。
文檔編號H01J49/32GK102576644SQ201080036094
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月6日 優先權日2009年7月8日
發明者迪米特里奧斯·賽德里斯 申請人:迪米特里奧斯·賽德里斯