用于質譜分析的防污染離子導向裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于質譜分析的射頻(RF)離子導向裝置。
【背景技術】
[0002]離子導向裝置通常用于質譜儀(MS)中以在離子源與質量分析器之間傳輸離子，并且通常由圍繞公共軸線放置的大量細長平行導電桿組成。現有技術中已知各種離子導向裝置的實施例。圖1示出了現有技術的多極桿離子導向裝置的一個示例。為了便于描述，圖1的離子導向裝置示例特指四極桿離子導向裝置。然而，本發明的實施例也可用于其他類型的多極桿，例如六極桿、八極桿等。在圖1的離子導向裝置中，在電壓發生器105和110的驅動下，來自離子源(圖中未示出)的離子傳輸至離子導向裝置100。
[0003]如圖1所示，構成四極桿離子導向裝置100的四個導電桿被布置為兩對，每一對接收被表示為Vcos (wt)的相同的RF信號，其中V和w分別是RF信號的幅度和頻率。一對桿接收零相位的信號(+Vcos(wt))，另一對桿接收180度相移的信號(-Vcos(wt))，從而使離子導向裝置100充當對較寬范圍質荷比(通常表示為m/z)的離子進行傳輸的離子管。m/z比的范圍具有下限和上限，超過上限和下限的離子無法再被可靠地傳輸。下限值比較明確(有時稱為低質量截止)，而上限值略微更加模糊。
[0004]圖2示意性示出了在完整質譜儀這一更廣的設備場景下用于在三重四極桿質量分析器裝置Q1、Q2、Q3之前傳輸離子的四極桿離子導向裝置QO的示例。所述質譜儀可安裝在外殼200中，其分為兩個單獨的真空級202A、202B，并且可包括EI或Cl離子源204、位于離子源204的出口處的透鏡管206(用于提取離子并將其發射至四極桿離子導向裝置Q0)、初級質量過濾器Q1、提供U形轉彎離子路徑的曲線四極桿碰撞/碎裂室Q2，以及在離子源204和離子檢測器之間串行排列的次級質量過濾器Q3。
[0005]如示出的那樣，離子源204和離子檢測器通常位于質譜儀的離子路徑的相反的兩端。由于示例所示的特定路徑設置而導致離子源204和離子檢測器可設置為:非常靠近彼此，僅由形成兩個真空級202A、202B的邊界的間壁208(虛線)隔開。除了所示的示例，同樣可以利用直線等效物代替彎曲裝置QO和Q2，從而實現直線構造。
[0006]超高(渦輪)真空栗(未示出)可布置在外殼200中以使兩個真空級202A、202B保持真空。排氣孔(圖2中未示出)可位于外殼200的不同位置。透鏡管206和離子源204位于外殼200的第一密封區域中，該區域通過壁208以及與蓋子接合的密封環設置(二者均未示出)以實現真空密封。
[0007]在沿著四極桿離子導向裝置QO的離子路徑的中心，可以提供用于將相互作用的氣體(例如氦氣、氮氣或甲烷)導入到四極桿離子導向裝置QO的進氣口，離子導向裝置QO可配置為類似于美國專利第8，525，106B2號(發明人Muntean)中描述的離子導向裝置那樣。
[0008]在圖2所示的示例中，四極桿離子導向裝置QO呈90°彎曲。射頻電壓和(視情況而定的)直流(DC)偏置電壓可施加到相鄰的極桿電極。極桿電極的剖面可為多種不同形狀，例如方形、圓形、橢圓形(hyperbolically round)、圓形凹面、扁平、直線形等。
[0009]由于靠近源區域，離子導向裝置通常受到離子導向電極上沉積物形式的污染。沉積物可由在電極上凝聚的中性分子形成，或者通過受到離子導向裝置排斥的大量離子撞擊電極(作為受到排斥的結果)并失去電荷從而使得基本上中性的底物分子在電極上凝聚而形成。上述內容的綜合效果還可以是:中性分子在電極上凝聚，然后與撞擊電極的被排斥的離子發生反應，然后分解為“生長”在電極表面上的穩定的固態結構(例如，已分解的碳氫化合物分析物分子中產生的碳沉積物)。
[0010]圖3以示例方式示出了在發明人實驗室中的操作期間實際形成在兩個四極桿離子導向裝置電極的內表面上的沉積物(虛線輪廓)的圖形表示。所示為一個入口端，在此處沿著兩個極桿電極中間的軌跡箭頭接收離子，所述極桿電極具有實質上為方形的截面。為清楚起見，并未示出通常位于圖示電極的對面以實現徑向離子限制的另外兩個四極桿電極。偏離中間虛線箭頭的兩個虛線箭頭示意性示出了與會被發射的離子相比，被排斥的離子會選擇的路徑。如該圖明顯所示以及在實驗室的實踐中頻繁觀察到的那樣，沉積物主要形成在電極表面的中心部分。
[0011]文獻中已經描述了質譜儀中的這類沉積物，例如Girard等人的JournalofChromatography Science, 2010年 10 月，48(9) ,778-779 以及 KennethL.Busch 的 2010年9 月 I日的在線出版物“1n Burn and the Dirt of Mass Spectrometry”。
[0012]不期望在離子導向裝置電極上形成沉積物，這是因為沉積層可能是電介質，并在受到被排斥的離子撞擊時充電。在這種情況下，沉積物會造成不期望的電勢皇，這會使離子運動偏轉和彎曲，從而使MS性能惡化。
[0013]上述沉積問題的補救方法可以是在操作期間加熱離子導向裝置電極，從而使所述電極更不易于接受污染沉積物。另一種補救方法是定期清潔離子導向裝置電極以在沉積物已生長到過大程度時恢復MS性能。第一種解決方案(加熱)增加了質譜儀設計的復雜度，這既是因為其需要額外的用于加熱的硬件，也是因為其需要添加熱障以防止熱離子導向裝置影響隨后的質量分析器的性能。第二種解決方案(清潔)通常不能頻繁使用，這是因為會減少儀器的正常運行時間，從而不利于MS的生產率。此外，如果沒有正確地進行拆卸、清潔和重新組裝(例如，由缺乏訓練的員工執行)，也會造成性能問題。
[0014]D.L.Swingler在Internat1nal Journal of Mass Spectrometry and 1nProcesses ,54(1983)225-230中建議在四極桿質量過濾器的極桿電極中設置縱向槽和橫向槽。雖然電極的這種結構修改可減輕污染問題，但是電極直接將材料保留在其前端，這里極易受離子撞擊，因此形成沉積物。從離子軌跡仿真中可以看出，位于離子導向裝置的入口區域處的電極表面將暴露于最高的離子電流，這是因為被RF限制電場排斥(S卩，不是穩定發射)的大部分尚子將在這一點射出。
[0015]鑒于上述內容，需要提供一種電極表面不易受到污染的離子導向裝置。
【發明內容】
[0016]本公開示出了一種離子導向裝置構造，其通過基本允許被RF限制電場排斥的離子飛過并遠離離子導向裝置電極、并且防止所述離子撞擊離子導向裝置電極的靈敏的電勢定義表面而在本質上使污染最小化。
[0017]在第一方面，本發明涉及一種射頻離子導向裝置，其具有圍繞軸布置的多個電極以及將射頻電壓施加至所述多個電極以對離子進行徑向限制的射頻電壓發生器，其中在所述離子導向裝置的入口端接收離子，并且其中所述多個電極中的每個電極具有位于所述離子導向裝置的入口端處的叉狀前端。
[0018]所述叉狀前端可包括至少兩個齒。
[0019]在多個不同的實施例中，導電網格可覆蓋齒間的中間縫隙，從而至少部分地恢復每個電極的電勢定義內表面。
[0020]所述齒的厚度可以在遠離軸的方向上減小，從而使所述縫隙獲得諸如實質上為V型的剖面。
[0021]所述齒可以(從所述前端)沿軸延伸約I厘米。
[0022]在多個不同的實施例中，齒間縫隙的寬度可以總計達到電極總寬度的一半。此外，齒間縫隙的寬度可沿著所述軸的方向逐漸減小。
[0023]所述前端可以是兩個分叉(兩個齒)和多個分叉(四個或更多個齒)中的一種。
[0024]在多個不同的實施例中，所述多個電極可包括四個或更多個(例如六個、八個等)桿電極。
[0025]在多個不同的實施例中，所述多個電極可以包括直(或直線)電極和彎曲電極(例如，呈90°彎曲或呈180°彎曲)中的一種。
[0026]在多個不同的實施例中，所述裝置還可包括離子源(例如EI源或Cl源)，其位于所述離子導向裝置的上游，以使得來自所述離子源的離子傳輸至所述入口端，并且還可包括位于所述離子導向裝置下游的質量分析器(例如三重四極桿質量分析器、飛行時間分析器、傅里葉變換分析器等)，以使得已穿過所述離子導向裝置的離子被進一步傳輸至質量分析器。
[0027]所述每個電極的入口端的第一部分可以實質上與所述每個電極的后面的第二部分分咼。
[0028]在多個不同的實施例中，所述分離的部分可以處于第一壓力狀態(例如在離子源中)，所述后面的第二部分可以處于第二低壓狀態(例如在真空級中)。
[0029]在多個不同的實施例中，施加至所述分離的部分的射頻電壓可以不同于施加至所述后面的第二部分的射頻電壓。
[0030]所