用于質(zhì)譜法的具有伸長捕集區(qū)域的微型帶電粒子阱的制作方法
【專利說明】用于質(zhì)譜法的具有伸長捕集區(qū)域的微型帶電粒子阱
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明
本發(fā)明是在政府支持下由U.S.Army Research Office資助的合同W911NF-10-1-0447所作出。政府在本發(fā)明中享有一定的權(quán)利。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求在2013年3月15日提交的標(biāo)題為MINIATURE CHARGED PARTICLE TRAPWITH ELONGATED TRAPPING REG1N FOR MASS SPECTROMETRY的美國臨時申請?zhí)?13/840653的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]提供此【背景技術(shù)】部分僅僅是出于信息資料的目的，且其并不構(gòu)成以及承認本文中所包括的任一主題適于作為本申請的現(xiàn)有技術(shù)。
[0004]質(zhì)譜法(MS)是信息量最豐富的分析技術(shù)之一。由于MS的速度、選擇性和靈敏度三者的組合，其在例如痕量元素分析、高度復(fù)雜樣本中的生物分子特征和同位素比值確定的領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。然而，在一些MS系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的大尺寸、重量和功耗(SWaP)通常將分析限制到實驗室環(huán)境。對于那些需要現(xiàn)場快速測量或?qū)嶒炇曳治霾⒉皇亲顑?yōu)的應(yīng)用而言，其將受益于手持便攜式微型MS系統(tǒng)的開發(fā)。
[0005]MS操作中的大部分SWaP和復(fù)雜性在于獲得對于大多數(shù)質(zhì)譜分析儀所需的高真空(10 5到10 9托)而言所必需的真空系統(tǒng)。因此，一種減小SWaP的方法是在更高壓力下實施MS的能力。離子阱可在大于10 4托的壓力下操作，因此可用作微型系統(tǒng)的質(zhì)譜分析儀。然而，在一些情況下，將離子阱中的壓力顯著增加幾個毫托以上對分辨率和信號強度具有不利影響。在更高壓力下與緩沖氣體碰撞的次數(shù)增加抑制了電場控制離子軌跡的能力。增加阱的操作頻率(通常射頻或“RF”)使得每個周期產(chǎn)生更少的中性碰撞，從而減少高壓操作的負面影響，但可能需要相應(yīng)地減小阱尺寸，以便減小所需的RF電壓幅值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]申請人已認識到，僅僅減小具有常規(guī)尺寸的厘米級的阱的幾何形狀尺寸會變得成問題的。當(dāng)減小阱尺寸時，變得越來越難以用常規(guī)機械加工技術(shù)來制造離子阱電極的傳統(tǒng)雙曲線形狀。為了簡化阱的幾何形狀，可用平面電極來代替這些雙曲線形狀。
[0007]然而，使離子阱微型化的限制在于:當(dāng)減小阱尺寸時，由于空間電荷效應(yīng)，離子捕集能力減小。仿真結(jié)果預(yù)測，1-Wn級別的阱將具有接近單個離子的電荷容量。
[0008]申請人已認識到，可通過提供在一個維度中具有伸長的捕集腔體的微型化的阱來減小或克服此限制。相比于類似的具有對稱捕集腔體的阱，維度增加可產(chǎn)生更高的存儲容量，同時維持相同的制造情況。因此，本文中所描述的離子阱的實施例既可提供微型化的高水平，又可有利地提供大的充電容量。
[0009]在一個方面中，公開了用于捕集帶電粒子的微型電極設(shè)備。在一些實施例中，所述設(shè)備沿縱向方向包括:第一端蓋電極；具有孔口的中心電極；以及第二端蓋電極。
[0010]在一些實施例中，孔口沿縱向方向延伸穿過中心電極，且中心電極在垂直于縱向方向的側(cè)向平面中包圍孔口以限定用于捕集帶電粒子的橫向腔體。
[0011]在一些實施例中，中心電極中的孔口在側(cè)向平面中伸長。在各種實施例中，伸長孔口的特征可在于以下任一種方式。
[0012]在一些實施例中，伸長孔口的較大尺寸與較小尺寸的比值大于1.0，其中較大尺寸是在側(cè)向平面中橫跨孔口的最長直線的距離，且較小尺寸是在垂直于與較大尺寸對應(yīng)的直線的側(cè)向平面中橫跨孔口的最長直線的距離。在一些此類實施例中，較大尺寸與較小尺寸的比值大于1.5,2.0,3.0,4.0,5.0,10.0,50.0,100.0或更大。在一些實施例中，較小尺寸小于 10 mm、5 mm、I mm、0.1 mm、0.01 mm、0.001 mm 或更小。
[0013]在一些實施例中，伸長孔口的較大尺寸與平均較小尺寸的比值大于1.0，其中較大尺寸是在側(cè)向平面中橫跨孔口的最長直線的距離，并且平均較小尺寸是在垂直于與較大尺寸對應(yīng)的直線的側(cè)向平面中在沿與較大尺寸對應(yīng)的線的每個位置處的沿橫跨孔口的各條直線的距離的積分平均值。在一些此類實施例中，較大尺寸與平均較小尺寸的比值大于1.5、2.0、3.0、4.0、5.0U0.0、50.0U00.0或更大。在一些實施例中，平均較小尺寸小于10mm、5 mm、I mm、0.1 mm、0.01 mm、0.001 mm 或更小。
[0014]在一些實施例中，伸長孔口包括具有第一和第二端的伸長通道，其中所述伸長通道的通道長度與通道寬度的比值大于1.0，其中通道長度是在側(cè)向平面中從第一端至第二端橫跨通道的最短曲線的距離，并且通道寬度是在垂直于與通道長度對應(yīng)的曲線的側(cè)向平面中橫跨通道的最大直線的距離。在一些此類實施例中，通道長度與通道寬度的比值大于1.5、2.0、3.0、4.0、5.0U0.0、50.0、100.0或更大。在一些實施例中，通道寬度小于10 mm、5mm、I mm、0.1 mm、0.01 mm、0.001 mm 或更小。
[0015]在一些實施例中，所包括的每個端蓋是具有多個孔的平面導(dǎo)電構(gòu)件，所述多個孔沿縱向方向延伸穿過導(dǎo)電構(gòu)件。在一些實施例中，每個平面導(dǎo)電構(gòu)件相對于縱向軸線側(cè)向地延伸，且配置成能夠傳輸電子或離子。
[0016]在一些實施例中，每個平面導(dǎo)電構(gòu)件是導(dǎo)電網(wǎng)格。
[0017]在一些實施例中，導(dǎo)電網(wǎng)格沿縱向軸線至中心電極上的凸起在側(cè)向平面中完全包圍中心電極中的伸長孔口。
[0018]在一些實施例中，每個端蓋電極包括具有孔口的導(dǎo)電材料，以限定用于使帶電粒子沿縱向方向穿過端蓋和中心電極的孔口的路徑。在一些實施例中，至少一個端蓋中的孔口大致填充有導(dǎo)電網(wǎng)格。
[0019]在各種實施例中，至少一個端蓋中的孔口可具有任何合適形狀。在一些實施例中，至少一個端蓋中的孔口包括圓形孔口，所述圓形孔口的周長大于中心電極中的孔口的較大尺寸，其中較大尺寸是以上文所陳述的任何一種方式所限定。在一些實施例中，至少一個端蓋中的孔口包括圓形孔口，所述圓形孔口的周長大于中心電極中的孔口的通道長度。在一些實施例中，至少一個端蓋中的孔口包括伸長狹縫。
[0020]在一些實施例中，中心電極中的伸長孔口可具有任何合適形狀。在一些實施例中，伸長孔口包括伸長狹縫、兩個或兩個以上相交的伸長狹縫、蛇形部分、螺旋形部分、圓形狹縫的一部分及其任意組合。
[0021]一些實施例沿縱向方向包括:第一絕緣間隔片，其定位在第一端蓋電極與中心電極之間；以及第二絕緣間隔片，其定位在中心電極與第二端蓋電極之間。
[0022]一些實施例包括電力供應(yīng)器，所述電力供應(yīng)器聯(lián)接到電極以在中心電極與端蓋電極之間提供振蕩場。
[0023]在一些實施例中，由中心電極中的側(cè)向伸長孔口限定的橫向腔體在縱向方向上從第一端蓋到第二端蓋的具有小于約10 mm、10 mm、5 mm、I mm、0.1 mm、0.01 mm、0.001 mm或更小的垂直尺寸。在一些實施例中，由中心電極中的側(cè)向伸長孔口限定的橫向腔體具有跨越所述腔體的側(cè)向尺寸大致均勻的垂直尺寸。在一些實施例中，由中心電極中的側(cè)向伸長孔口限定的橫向腔體具有垂直尺寸，所述垂直尺寸跨越所述腔體的一個或更多個側(cè)向尺寸是變化的。
[0024]在一些實施例中，由中心電極中的側(cè)向伸長孔口限定的橫向腔體在縱向方向上具有從第一端蓋到第二端蓋的垂直尺寸，所述垂直尺寸等于或大于如上所定義的伸長孔口的較小尺寸、平均較小尺寸或通道寬度。
[0025]在一些實施例中，中心電極中的伸長孔口包括具有側(cè)向長度和側(cè)向?qū)挾鹊闹辽僖粋€通道部分，且寬度沿通道部分大致是均勻的。
[0026]在一些實施例中，中心電極中的伸長孔口包括具有側(cè)向長度和側(cè)向?qū)挾鹊闹辽僖粋€通道部分，且寬度沿通道部分的側(cè)向長度是變化的。
[0027]—些實施例包括至少一個屏蔽元件，所述屏蔽元件配置來阻止電子或離子傳輸?shù)綑M向腔體的局部區(qū)域或阻止從其傳輸出電子或離子。
[0028]在一些實施例中，中心電極包括多個孔口，所述多個孔口配置成各自限定用于捕集帶電粒子的各自的橫向腔體。
[0029]在一些實施例中，伸長孔口包括中心電極中的蛇形狹縫，所述蛇形狹縫具有多個大致直線部分和連接數(shù)對大致直線部分的多個曲線部分。一些實施例包括一個或更多個屏蔽元件，其配置來阻止從橫向腔體的與曲線部分對應(yīng)的局部區(qū)域中傳輸出離子。一些實施例包括一個或更多個屏蔽元件，其配置來阻止從橫向腔體的與直線部分對應(yīng)的局部區(qū)域中傳輸出離子。
[0030]在另一方面中，公開了一種質(zhì)譜設(shè)備，其包括:用于捕集帶電粒子的微型電極組件，所述組件包括上述任一類型的設(shè)備以及聯(lián)接到離子阱組件的至少一個電信號源。在一些實施例中，電極組件配置成響應(yīng)于來自電信號源的信號而產(chǎn)生電磁場，以產(chǎn)生位于橫向腔體內(nèi)的離子捕集區(qū)域。
[0031]一些實施例包括控制器，所述控制器可操作地聯(lián)接到電信號源且配置來調(diào)制信號源以提供離子從捕集區(qū)域的質(zhì)量選擇性排出(mass selective eject1n)。
[0032]在一些實施例中，所述端蓋電極中的至少一個被配置成允許將離子從捕集區(qū)域中排出。
[0033]一些實施例包括離子源，所述離子源配置來注入或形成待捕集在捕集區(qū)域中的離子。
[0034]一些實施例包括至少一個檢測器，其配置來檢測從組件排出的離子。在一些實施例中，至少一個檢測器包括法拉第杯檢測器或電子倍增器。
[0035]在一些實施例中，提供含有離子捕集區(qū)域的室，其中，在操作期間，所述室配置成具有大于100毫托、I托、10托、100托、500托、760托、1000托或更大的背景壓力。
[0036]在一些實施例中，中心電極包括多個孔口，每個孔口限定用于捕集帶電粒子的橫向腔體，每個腔體含有多個離子捕集腔體區(qū)域中單獨的一個。在一些實施例中，質(zhì)譜設(shè)備配置成基于來自多個離子捕集腔體區(qū)域的組合的質(zhì)量選擇性離子排出輸出來產(chǎn)生增強的輸出信號。
[0037]在另一方面中，公開了一種質(zhì)譜法，其包括將電信號施加到用于捕集帶電粒子的微型電極組件，所述組件包括上述任一類型的用于捕集帶電粒子的微型電極設(shè)備。一些實施例包括:響應(yīng)于電信號產(chǎn)生電磁場，所述電磁場具有位于離子阱組件的腔體內(nèi)的離子捕集區(qū)域。
[0038]一些實施例包括:調(diào)制信號源以提供離子從捕集區(qū)域的質(zhì)量選擇性排出；檢測從捕集區(qū)域排出的離子，以產(chǎn)生質(zhì)譜信號；以及輸出質(zhì)譜信號。
[0039]一些實施例包括注入或形成待捕集在捕集區(qū)域中的離子。
[0040]在一些實施例中，第一和第二端蓋電極中的至少一個包括具有多個孔的平面導(dǎo)電構(gòu)件，所述多個孔延伸穿過平面導(dǎo)電構(gòu)件，所述平面導(dǎo)電構(gòu)件配置成能夠傳輸電子或離子。在一些實施例中，所述方法包括:通過平面導(dǎo)電構(gòu)件中的多個孔將離子或電子注入到捕集區(qū)域中。
[0041]一些實施例包括將離子從捕集區(qū)域的局部部分排出。在一些實施例中，局部部分與捕集區(qū)域的側(cè)向端部部分或捕集區(qū)域的中心部分對應(yīng)。一些實施例包括:在捕集區(qū)域中的多個位置處形成或注入離子；以及將離子從捕集區(qū)域中的大量的單個位置排出。
[0042]一些實施例包括:在捕集區(qū)域的第一部分中形成或注入離子；以及將離子從捕集區(qū)域的第二部分排出，所述第二部分的體積小于第一部分的體積。在一些此類實施例中，捕集區(qū)域包括在一對端點之間延伸的蛇形區(qū)域，所述蛇形區(qū)域具有多個大致直線部分和連接數(shù)對大致直線部分的多個曲線部分，并且第一部分與大致直線部分中的一個或更多個對應(yīng)，而第二部分與曲線部分和端點中的至少一個對應(yīng)。
[0043]一些實施例包括:選擇性地阻止從捕集區(qū)域的一部分排出的離子，以防止所述離子被檢測到。一些實施例包括:選擇性地阻止來自某個源的電子或離子進入捕集區(qū)域的一部分。
[0044]—些實施例包括:響應(yīng)于電信號，產(chǎn)生具有多個單獨的離子捕集區(qū)域的電磁場。在一些實施例中，至少兩個離子捕集區(qū)域具有不同的離子捕集穩(wěn)定性特征。在一些實施例中，每個離子捕集區(qū)域具有大致相同的離子捕集穩(wěn)定性特征。
[0045]一些實施例包括:調(diào)制信號源，以提供離子從每個捕集區(qū)域的質(zhì)量選擇性排出。一些實施例包括:使用單個檢測器來檢測從多個捕集區(qū)域排出的離子，以產(chǎn)生組合的質(zhì)譜信號。一些實施例包括:使用各自的檢測器來檢測從多個捕集區(qū)域中每個排出的離子，以產(chǎn)生各自的質(zhì)譜信號。
[0046]各種實施例可以單獨或者以任何合適組合的方式包括上述任意的元件。
[0047]在本文所描述的各種實施例中，公開了一種用于捕集帶電粒子的微型電極設(shè)備。所述設(shè)備沿縱向方向包括:第一端蓋電極；具有孔口的中心電極；以及第二端蓋電極。孔口沿縱向方向延伸穿過中心電極，且中心電極在垂直于縱向方向的側(cè)向平面中包圍孔口以限定用于捕集帶電粒子的橫向腔體。中心電極中的孔口在側(cè)向平面中伸長。在各種實施例中，伸長孔口可按以下任一方式來表征。
[0048]如下文所描述的(例如，如參照圖1-圖4以及圖17所示的)，伸長孔口可呈現(xiàn)任何隨意的伸長形狀。參照圖18A-圖18C，形狀可按以下任何一種方式來表征。
[0049]在一些實施例中，伸長孔口的較大尺寸與較小尺寸的比值大于1.0，其中較大尺寸是在側(cè)向平面中橫跨孔口的最長直線的距離，并且較小尺寸是在垂直于與較大尺寸對應(yīng)的直線的側(cè)向平面中橫跨孔口的最長直線的距離。在一些此類實施例中，較大尺寸與較小尺寸的比值大于1.5,2.0,3.0,4.0,5.0,10.0,50.0,100.0或更大。在一些實施例中，較小尺寸小于 10 mm、5 mm、I mm、0.1 mm、0.01 mm、0.001 mm