本發明涉及一種用于根據離子遷移率譜(ims)原理來分離離子的設備和方法。特別地，本發明涉及一種捕獲離子遷移率分離器和一種根據離子遷移率分析離子的方法。所述設備和方法適合例如在混合ims/ms儀器中與質譜法(ms)組合使用。
背景技術：
1、離子遷移率譜(ims)是一種分析技術，其用于研究離子在氣體中的遷移率，并根據離子的遷移率分離離子。
2、離子遷移率譜法的固有特征是，離子在氣體中的遷移率取決于離子的分子幾何形狀，使得通常能夠解析且因此分離無法通過質譜法來解析的異構體或構象異構體。許多應用還利用了，根據分析物離子的所測得的遷移率來確定其橫截面的能力。獲知遷移率或橫截面已被證明在許多領域都具有重要意義，這些領域包括：識別分析物(例如，在蛋白質組學和代謝組學中)、分離化合物類別和確定分子結構(例如，在結構生物學中)。
3、在捕獲離子遷移率譜法中，離子通常被空間非均勻直流電場和反作用氣流捕獲，或者被空間均勻直流電場和沿著軸線具有空間非均勻軸向速度曲線的反作用氣流捕獲。所捕獲的離子根據離子遷移率在空間中被分離，隨后通過調節氣體速度或軸向直流電場強度，根據其遷移率隨時間被洗脫(參見例如loboda的專利號為6?630?662b1的美國專利，和park的專利號為7?838?826b1的美國專利)。捕獲離子遷移率譜的理論基礎在例如michelmann等人的文章“fundamentals?of?trapped?ion?mobility?spectrometry”(j.am.soc.mass?spectrom.,2015,26,14-24)中也有所描述。
4、普遍感興趣的是，持續地改進捕獲離子遷移率分離器的性能、例如分辨率和電荷容量。在本發明的上下文中，捕獲離子遷移率分離器在下文中被稱作“tims”。
5、專利us?9?429?543?b2公開了一種離子遷移率分析器，其具有圍繞分析空間的電極系統、和將沿一個空間軸線移動的離子遷移率電勢場附著到電極系統上的電源裝置。在分析待測量離子的遷移率的過程中，通過將待測量離子始終置于移動離子遷移率電勢場中，并通過將離子遷移率電勢場的移動方向保持為與在離子遷移率電勢場內作用于待測量離子的電場方向保持為一致，理論上可以形成無限長的遷移路徑，從而可以區分遷移率或離子橫截面差別很小的離子。
6、以下出版物不主張完整性地提供了對本發明的技術背景的額外見解：
7、專利申請公開wo?2013093513?a1和wo?2013093515?a1分別涉及一種離子遷移率分離器，其具有射頻離子導向器，該射頻離子導向器具有多個電極，該多個電極被布置用于形成在閉合環路中延伸的離子導向路徑。沿著離子導向器的縱軸線的至少一部分維持直流電壓梯度，其中，電壓梯度推動離子圍繞離子導向器經歷一個或更多個周期，且因此導致離子在沿著離子導向器穿過時，根據其離子遷移率被分離。wo?2013093513?a1中描述的離子導向器在離子導向器上的固定位置處設有離子出口區域，而wo?2013093515?a1中描述的離子導向器設有圍繞離子導向器移動的離子出口區域，使得離子在不同時間點在不同位置處離開離子導向器。
8、例如，在專利申請公開wo?2007066114?a2、wo?2013124207a1和wo?2015136266?a1中公開了設有閉環的離子導向路徑的、用于根據離子的離子遷移率分離離子的其他裝置。
9、鑒于上述內容，本發明的任務在于改進和豐富現有技術。特別地，本發明的目的在于提供一種具有提高的遷移率分辨率的捕獲離子遷移率分離器。本領域普通技術人員在閱讀以下公開內容后可以容易地知道要實現的其他目的。最后，仍然有擴展和改進混合質譜系統的分析能力的需求。
技術實現思路
1、本發明基于根據權利要求1所述的根據離子遷移率分離離子的方法、根據權利要求19所述的捕獲離子遷移率分離器、以及根據權利要求32所述的質譜系統，來解決上述任務。本發明的有利實施例是從屬權利要求的主題，并且在下文中更詳細地進行了解釋。
2、在第一方面，本發明提供了一種將離子根據其離子遷移率分離的方法，其包括以下步驟：
3、-提供在閉合環路中延伸的離子導向器，其具有至少一個離子入口區域，離子在該離子入口區域處被注入到所述離子導向器中，所述離子導向器包含氣體，該氣體基本上處于靜止狀態，并且離子沿著所述離子導向器的漂移長度穿過該氣體，并且所述離子導向器具有多個電極，所述多個電極被成形和布置為，沿著所述離子導向器的漂移長度引導離子，其中，所述電極中的至少一些電極被至少暫時地供應約束電勢，以防止離子橫向地從所述離子導向器逸出，
4、-通過向所述電極施加電勢，以在所述離子導向器內形成至少一個電場勢壘，從而生成沿著所述離子導向器的漂移長度施加到離子的軸向力，所述電場勢壘具有低電場端和高電場端，并且圍繞所述閉環的離子導向器例如重復地、循環地或周期性地移動，其中，移動電場勢壘具有至少一個由電場梯度表示的第一部分，并且其中，移動電場勢壘推動離子沿著所述離子導向器的漂移長度移動，由此離子根據其離子遷移率沿著所述電場勢壘被分離，
5、-在使所述電場勢壘圍繞所述閉環離子導向器移動的同時，隨著時間改變對遷移率分離具有影響的至少一個操作參數，以將至少一個離子種類受控地沿著所述移動電場勢壘的所述第一部分推向所述電場勢壘的所述高電場端；以及
6、-在所述離子導向器中設置至少一個離子出口區域，且使至少一個離子種類在滑過所述移動電場勢壘之前，在所述至少一個離子出口區域中橫向地從所述離子導向器噴出。
7、因此，根據本發明的捕獲離子遷移率分離器被稱為移動勢壘式捕獲離子遷移率分離器(mbtims)。
8、本發明基于以下認識，即，捕獲離子遷移率分離器的分辨率可以通過以下方式提高，即，設置圍繞閉環離子導向器例如重復地、循環地或周期性地移動的電場勢壘，并且在使所述電場勢壘圍繞所述閉環離子導向器移動的同時，隨時間改變至少一個操作參數，以便將至少一個離子種類受控地沿著移動電場勢壘的所述第一部分推向所述電場勢壘的所述高電場端。在本發明的上下文中，表述“圍繞閉環離子導向器循環地或周期性地移動”可以意味著單次循環和多次循環，其中，在多次循環的情況下，各個循環所持續的周期時長可以不同。在本發明的上下文中，操作參數應被理解為可變物理量，其可在操作裝置期間被修改，在此情況下裝置是用于分離離子的裝置、尤其是捕獲離子遷移率分離器。特別地，操作參數可以控制移動電場勢壘的移動速率或電場強度，或者可以控制離子在離子導向器內所穿過的氣體的壓力或溫度。因此，在使所述電場勢壘圍繞所述閉環離子導向器移動的同時，隨時間改變至少一個操作參數可以包括：在使所述電場勢壘圍繞所述閉環離子導向器移動的同時，隨時間改變移動電場勢壘的移動速率和/或電場強度，和/或改變離子在離子導向器內所穿過的氣體的壓力和/或溫度。
9、在優選實施例中，改變對遷移率分離有影響的至少一個操作參數的步驟可以包括改變以下特性中的至少一個：(i)增加所述電場勢壘的移動速率，(ii)減小所述移動電場勢壘的電場強度，(iii)增加離子所穿過的所述氣體的壓力，以及(iv)降低離子所穿過的所述氣體的溫度。優選地，改變至少一個操作參數的步驟包括，以上文針對各個特性所描述的方式，專門改變上述特性中的一個。在另一實施例中，可以想到的是，以上文針對各個特性所描述的方式，同時改變上述特性中的一個以上或全部特性，以便將至少一種離子種類受控地沿著移動電場勢壘的所述第一部分推向所述電場勢壘的所述高電場端。特別地，當以上文針對各個特性所描述的方式，同時改變上述特性中的一個以上或全部特性時，可以以相協調的方式調整各個特性。
10、在現有技術中的tims分析器中，在其中通常使用移動氣體生成沿著離子導向器的漂移長度施加在離子上的兩個軸向力中的一個，影響裝置的遷移率分辨率的重要因素是氣體速度，離子借助該氣體速度逆著反作用直流場勢壘移動。該移動氣體是由于在tims分析器的一端處泵出的氣體具有壓力差而產生的。因此，氣體速度，其通常在100m/s至200m/s的范圍內，可能受到商用泵的泵送速度的限制，尤其是在橫向延伸的tims分析器的情況下是這樣(參見，例如us?2022/0299473a1，其通過整體的引用并入到本技術中)。然而，根據本發明生成的電場勢壘能夠以配置得顯著更高的移動速率，圍繞閉環離子導向器移動，因此導致沿著離子導向器的漂移長度移動的離子相應地具有更高的速度。遷移率分辨率基本上與電場勢壘圍繞離子導向器移動的移動速率成正比。因此，通過使用移動電場勢壘而不是移動氣體來提供軸向力，可以顯著改進分辨率。
11、通過使用閉環的幾何形狀，圍繞閉環離子導向器例如重復地、循環地或周期性地移動的電場勢壘可以推動離子經歷多次環路的循環。為了將離子種類保持在電場勢壘內，或者換句話說，為了防止在電場勢壘以給定的移動速率移動時，單個離子種類滑過電場勢壘，需要一定的、隨著電場勢壘的移動速率的增加而增加的電場強度。
12、通過移動所述電場勢壘，具有不同離子遷移率的離子將在移動電場勢壘的各個平衡位置(均衡點)處累積。換句話說，具有不同離子遷移率的離子在移動電場勢壘上的適當強度的電場中達到動態平衡。由此，離子根據其離子遷移率被分離。由于離子的遷移率與離子所穿過的氣體的壓力成正比，而與氣體的溫度成反比，所以這些各自的均衡點取決于氣體的這些特性。只要移動電場勢壘的移動速率和電場強度、以及離子所穿過的氣體的壓力和溫度保持恒定，離子就在這些各自的相對位置處被捕獲。通過改變對遷移率分離有影響的操作參數，特別是通過在使電場勢壘圍繞閉環離子導向器移動的同時，隨著時間增加電場勢壘的移動速率和/或減小移動電場勢壘的電場強度和/或增加離子所穿過的氣體的壓力和/或減小離子所穿過的氣體的溫度，分離的離子種類可以受控地沿著移動電場勢壘被推動，并且隨后可以被噴出。通過將離子穿過離子導向器時的高速度與被控地變化的移動電場勢壘的移動速率和/或電場強度、和/或離子所穿過的氣體的壓力和/或溫度組合起來，允許借助因素提高遷移率分辨率。
13、與現有技術的tims裝置和方法相比，根據本發明的mbtims方法和裝置可以利用基本上靜止的氣體操作，而在現有技術的tims分析器中，施加在離子上的軸向力通常是利用移動氣體生成的。與現有技術的tims相比，利用靜止的氣體進行操作具有許多優點。例如，如現有技術的tims中存在的那樣，氣體層流通過分析器時會產生拋物線流動曲線。因此，在分析器橫向邊界附近的氣流、和由此產生的作用于離子的力，將低于在裝置軸線附近的氣流和由此產生的作用于離子的力。因為離子由于擴散和空間電荷排斥而總是具有一定程度的空間膨脹，所以這些離子中的一部分在中心處不經歷最高氣體速度，這導致分辨率降低。利用靜止的氣體進行操作，將導致在徑向上對離子均衡位置的依賴度降低，并因此導致分辨率提高。使用靜止氣體的另一優點是，在離子導向器內不存在軸向的壓力、速度和溫差，從而使得根據需要在離子導向器內生成移動電場(或沿著離子導向器的漂移長度的電勢曲線)變得更容易。此外，tims的橫向截面和長度必然決定其氣體傳導率。因此，使用軸向氣流作為軸向力的現有技術的tims分析器的橫向尺寸和長度將受到商用泵的泵送速度的限制。利用靜止氣體進行操作的mbtims的優點在于，裝置的橫向延伸不會影響或限制其分辨率。最后，利用靜止的氣體進行操作的效果是，基本上沒有氣體從mbtims流出。這提供了這樣的優點，即，也可以使用更昂貴的氣體、如氦氣，其有益于分離小的離子種類，并減少離子升溫。
14、在本發明的上下文中，離子導向器的漂移長度對應于沿著離子導向器的縱軸線的長度。
15、電場勢壘具有低電場端和高電場端。在本發明的上下文中，低電場端可以表示電場勢壘的起點，并且高電場端可以表示電場勢壘的終點，離子在從離子導向器噴出之前被推向該電場勢壘的終點。電場勢壘沿著離子導向器移動，使得在特定電極處的電勢在周期的大部分內從低電勢升高到高電勢，然后跌回到低電勢。操作參數之一隨著時間的改變，特別是通過增加電場勢壘的移動速率和/或降低移動電場勢壘的電場強度和/或增加離子所穿過的氣體的壓力和/或降低離子所穿過的氣體的溫度，可以是步進式的、連續的或近似連續的。特別地，電場勢壘在低電場端和高電場端之間的電場強度不必須單調地上升。
16、在本發明的上下文中，“滑過移動電場勢壘”應當被理解為，離子不重新進入移動電場勢壘中。由于閉合環路，移動電場勢壘的終點(表示為高電場端)在空間上又被移動電場勢壘的電場梯度的起點(表示為低電場端)跟隨。因此，在滑過移動電場勢壘之前還未從離子導向器噴出的離子，將再次重新進入移動電場勢壘中，這將導致離子種類的不期望的混合。
17、在優選的實施例中，所述移動電場勢壘包括由具有基本恒定電場的平臺表示的第二部分。所述第二部分在空間上與所述電場梯度的所述高電場端相鄰。通過設置具有空間上與所述電場梯度的所述高電場端相鄰的基本恒定電場的平臺，允許進一步提高mbtims的遷移率分辨率。特別地，這可以通過以下事實來實現，即，在電場勢壘的移動速率隨時間增加，和/或移動電場勢壘的電場強度減小，和/或離子所穿過的氣體的壓力增加，和/或離子所穿過的氣體的溫度隨時間減小的同時，到達第二部分的離子種類提高其移動速度，導致當離子種類跨越到第二部分時，該離子種類與空間上跟隨在后的離子種類在空間上更好地被分離。
18、在另一優選實施例中，所述移動電場勢壘沿著所述離子導向器的基本整個漂移長度形成。這樣，可以最大可能地利用離子導向器的體積，這減小了空間電荷的影響，以實現更好的遷移率分離。
19、在另一優選實施例中，所述移動電場勢壘在所述離子導向器的漂移長度的一部分內形成。這提供了以下可能性，即，可以在所述離子導向器內形成多個電場勢壘，這些電場勢壘一起占據所述離子導向器的整個長度。
20、在另一優選實施例中，在所述離子導向器內形成一個或更多個額外的移動電場勢壘。所述移動電場勢壘按順序地沿著所述離子導向器的所述漂移長度形成。優選地，所述額外的移動電場勢壘中的每一個都具有由電場梯度表示的第一部分、和由具有基本上恒定電場的平臺表示的第二部分。所述第二部分在空間上與電場梯度的高電場端相鄰。由于以下原因，使用多個電場勢壘可以進一步提高mbtims的遷移率分辨率：為了將離子種類保持在平臺上，或者換句話說，為了防止在電場勢壘以給定的速度移動時，特定單個離子種類滑過電場勢壘，需要一定的、隨著電場勢壘的移動速率的增加而增加的電場強度。電場強度由施加到電極的電勢導致，但也取決于電極之間的距離。在所施加的電勢不變的情況下，如果電極之間的距離變小，則所得到的電場強度就變高。由于存在對周圍區域危險放電的風險，因此可施加的電壓值受到限制。然而，在離子導向器的漂移長度內設置多于一個的電場勢壘，以有益的方式導致以下事實，即，因為在離子導向器內的多個電場勢壘中單個的空間延伸較小，所以對于每個單獨的電場勢壘需要較低的電壓，來獲得與在離子導向器的整個漂移長度上形成的單個電場勢壘相同的場強。由于可能的較高電場強度，所以可以以更高的速度來移動多個電場勢壘，這可以進一步提高遷移率分辨率，因為遷移率分辨率基本上與電場勢壘圍繞離子導向器移動的移動速率成正比。因此，每個單個環路使用多個電場勢壘，使得能夠在中等電壓下實現高場強，在中等電壓下實現較高速度，并且因此在中等電壓下實現更高的分辨率。另一個優點是，通過使用兩個移動電場勢壘，可以在單個裝置中提供串聯ims。
21、在另一優選實施例中，在所述離子導向器中至少暫時地設有一個或更多個附加的離子出口區域。優選地，離子出口區域的數量對應于所述移動電場勢壘的數量，并且所述移動電場勢壘中的每一個都分配有所述離子出口區域之一。通過為所述移動電場勢壘中的每一個設置離子出口區域，允許在滑過相應移動電場勢壘之前，將已經到達相應電場勢壘的終點的離子噴出。
22、在另一優選實施例中，為了引起所述軸向力，將瞬態直流(dc)電勢施加到所述電極上，以生成瞬態軸向直流場(dc場)。通過向電極施加直流電勢來形成電場勢壘，離子可以根據離子遷移率沿著電場勢壘被分離。
23、在另一優選實施例中，施加到所述電極的所述瞬態直流(dc)電勢由多個直流電壓發生器提供，每個直流電壓發生器生成時間相關的電壓，其中，所述電極中的每一個連接到所述直流電壓發生器中的單獨一個上。以這種方式，可以為各個電極供應不同的電勢，以形成電場勢壘。沿著離子導向器的漂移長度施加到電極上的隨時間變化的時間電勢曲線對于每個電極可以是相等的，其中，時間電勢曲線以逐漸的時間偏移(逐漸的時間延遲)沿著離子導向器的漂移長度施加到后續的中心電極，因此引起電場勢壘沿著離子導向器的漂移長度的移動。對于每個環路具有一個勢壘的實施例而言，相鄰電極之間的時間延遲等于時間周期(時間周期是閉合環路的長度除以移動場勢壘的速度)除以電極的數量。然而，本領域技術人員將理解，在本發明的上下文中，上述多個(直流電壓)發生器也可以被理解為具有不同電氣單元的一個公共電氣部件。
24、還可以想到，為了引起所述軸向力，將交流(ac)電勢施加到所述電極上，以生成軸向交流場(ac場)，其中，所施加的交流(ac)電壓的平均值在空間和時間上變化，以形成瞬態有效電勢。通過向電極施加交流電勢形成電場勢壘，使得離子可以根據離子遷移率和質量的組合沿著電場勢壘被分離。
25、在另一優選實施例中，在沿著所述離子導向器的基本整個長度隨著電極延伸的離子入口區域處，離子被注入到所述離子導向器中。替代地，在被設置在所述離子導向器的一個或多個部分中的固定的特定電極處的離子入口區域處，離子被注入到所述離子導向器中。
26、在另一優選實施例中，離子在離子出口區域處從所述離子導向器噴出，所述離子出口區域設置為與所述移動電場勢壘的所述高電場端相鄰，且與所述移動電場勢壘一起移動，使得離子在到達所述移動電場勢壘的所述高電場端時，及時持續地噴出。在電場勢壘僅具有由電場梯度表示的第一部分的情況下，所述移動電場勢壘的所述高電場端對應于所述電場梯度的高電場端。在電場勢壘具有由電場梯度表示的第一部分和由具有基本恒定電場的平臺表示的第二部分的情況下，所述移動電場勢壘的所述高電場端對應于所述移動電場勢壘的所述平臺的端部。通過設置隨著所述移動電場勢壘移動的離子出口區域，允許更精確地確定離子從離子導向器噴出的時間。替代地，在至少暫時設置在所述離子導向器的一或多個部分中的固定的特定電極處的離子出口區域處，離子從所述離子導向器噴出，使得離子在所述特定電極處噴出。特別地，當所述移動電場勢壘的所述高電場端經過所述固定特定電極時，離子可以在所述固定特定電極處從所述離子導向器噴出。因此，離子出口區域可以限時地設置。特別是，這意味著，離子出口區域可以僅在電場勢壘的終點經過噴射電極時設置在噴射電極處。以這種方式，可以防止不受控的噴出，因為還沒有到達電場勢壘的高電場端的離子，在經過非限時的離子出口區域時也將被噴出。所述移動電場勢壘的所述高電場端可以如上所述地定義。在多個離子出口區域的情況下，每個離子出口區域分配有多個電場勢壘中的一個，上述替代方案同樣是可能的實施例。
27、在另一優選實施例中，與所述移動電場勢壘的所述高電場端相鄰地設置勢壘，以防止離子在噴出之前滑過所述移動電場勢壘。特別地，如果離子出口區域暫時設置在固定的特定電極處，則設置與所述移動電場勢壘的高電場端相鄰的勢壘是合理的。以這種方式，離子可以以有益的方式保持在電場勢壘的高電場端處，直到這些離子到達離子出口區域。
28、在另一優選實施例中，離子穿過所述離子導向器的一側，沿著徑向方向被注入到所述離子導向器中，或從所述離子導向器噴出。
29、在另一優選實施例中，離子穿過所述離子導向器的頂部或底部，沿著軸向方向被注入到所述離子導向器中，或從所述離子導向器噴出。
30、在另一優選實施例中，設有離子通道，其中，所述離子通道將待注入到所述離子導向器中的離子指引向所述離子導向器，或向前推進從所述離子導向器噴出的離子。特別地，待注入的離子被所述離子通道指引到所述離子導向器中，或者從所述離子導向器噴出的離子被所述離子通道向前推進。
31、為了防止離子橫向地從所述離子導向器逸出，電極中的至少一些電極至少暫時地被供應約束電壓。這樣，由于橫向擴散而導致的離子損失會減少，并且離子傳送效率會提高。約束電壓可以由上述發生器或由一個或更多個單獨的發生器提供。然而，本領域技術人員將理解，在本發明的上下文中，這樣的多個發生器也可以理解為具有不同電氣單元的公共電氣部件。以這種方式生成的約束場可以疊加在移動電場勢壘上。離子可被直流電勢(dc約束)或射頻贗勢(rf約束)或二者的組合約束；取決于離子導向器內的壓力條件，可以使用大氣壓離子約束(apic)代替射頻約束(參見us2022/0057363?a1，其通過整體的引用并入本技術)。在優選實施例中，在離子導向器的尺寸受中心電極限制的橫向方向上，離子可由射頻贗勢約束。在另一優選實施例中，在離子導向器的尺寸受側電極限制的橫向方向上，離子可由直流電勢約束。特別地，在該優選實施例中，在離子被噴出之前，直流(dc)電勢被施加到所述離子導向器的所述電極上，使得生成橫向電場，其將離子保持在所述離子導向器內，并且在離子被噴出期間，在所述離子導向器的、設置有所述離子出口區域的所述部分中，調節施加到電極的直流(dc)電勢，以便橫向地噴出離子。
32、在另一優選的實施例中，所述電場勢壘以小于1000m/s，優選小于750m/s，最優選小于500m/s的速度移動。電場勢壘圍繞離子導向器移動的速度(或移動速率)基本上與離子遷移率的分辨率成正比。這意味著，增加移動速率有利地導致遷移率分辨率的提高。然而，增加移動速率導致有效離子溫度的升高。因此，在分辨率和離子升溫之間存在權衡。
33、在另一優選實施例中，作為離子所穿過的所述氣體使用以下氣體之一：氮氣(n)、氦氣(he)、氖氣(ne)、氬氣(ar)、六氟化硫(sf6)、氫氣(h)或空氣。例如氦氣，其具有小分子量，因此有利于根據遷移率分離較低質量(尤其低于200da)的離子種類。此外，氦氣有利于減少離子升溫。替代地，可以使用這些氣體的混合物。可以想到，除了上述氣體之外，還使用其它氣體、或任何其它氣體的混合物、或上述氣體與任何其它氣體的混合物。可選地，可以將改性劑引入氣體中。改性劑可能包括乙腈、甲醇、小分子碳氫化合物、或任何其他蒸汽。
34、該方法可以在捕獲離子遷移率分離器中執行，特別是在移動勢壘式捕獲離子遷移率分離器(mbtims)中執行。優選地，該方法可以在質譜系統中執行。
35、在第二方面，本發明提供了一種捕獲離子遷移率分離器，其具有：
36、-在閉合環路中延伸的離子導向器，其具有至少一個離子入口區域，離子在所述離子入口區域處被注入到所述離子導向器中，還具有至少一個離子出口區域，離子在所述離子出口區域處從所述離子導向器中噴出，所述離子導向器包含有氣體，所述氣體基本上處于靜止狀態，并且離子沿著所述離子導向器的漂移長度穿過所述氣體，并且所述離子導向器包括多個電極，所述多個電極被成形和布置成，沿著所述離子導向器的所述漂移長度引導離子，其中，所述電極中的至少一些電極至少暫時地被供應約束電勢，以防止離子橫向地從所述離子導向器逸出，
37、-至少一個發生器，其通過向電極施加電勢，以在所述離子導向器內形成至少一個電場勢壘，從而引起沿著所述離子導向器的所述漂移長度施加在離子上的軸向力，所述電場勢壘具有低電場端和高電場端，并且圍繞所述閉環的離子導向器例如重復地、循環地或周期性地移動，其中，所述移動電場勢壘具有至少一個由電場梯度表示的第一部分，并且其中，所述移動電場勢壘推動離子沿著所述離子導向器的所述漂移長度移動，由此離子根據其離子遷移率沿著所述電場勢壘而被分離，
38、-電控制器，其與所述發生器通信，以在所述電場勢壘圍繞所述閉環離子導向器移動的同時，隨著時間改變所述捕獲離子遷移率分離器的、對遷移率分離有影響的至少一個操作參數，以便將至少一個離子種類受控地沿著所述移動電場勢壘的所述第一部分推向所述高電勢端，其中，所述至少一個離子種類在滑過所述電場勢壘之前，在所述離子出口區域中橫向地從所述離子導向器噴出。
39、根據本發明的上述捕獲離子遷移率分離器被稱為移動勢壘式捕獲離子遷移率分離器(mbtims)。移動勢壘式捕獲離子遷移率分離器可以是質譜系統的一部分。特別地，可以在移動勢壘式離子遷移率分離器中執行上述用于分離離子的方法。
40、在優選實施例中，改變對遷移率分離有影響的至少一個操作參數，包括以下特性中的至少一個：(i)增加所述電場勢壘的移動速率，(ii)減小所述移動電場勢壘的電場強度，(iii)增加離子所穿過的所述氣體的壓力，以及(iv)降低離子所穿過的所述氣體的溫度。優選地，改變至少一個操作參數包括以上述針對各個特性所描述的方式，專門改變上述特性中的一個。在另一實施例中，可以想到的是，以上述針對各個特性所描述的方式，同時改變上述特性中的一個以上或全部特性，以便將至少一種離子種類受控地沿著移動電場勢壘的所述第一部分推向所述電場勢壘的所述高電場端。特別地，當以上述針對各個特性所描述的方式，同時改變上述特性中的一個以上或全部特性時，可以以相協調的方式調整相應特性。
41、在優選實施例中，所述發生器被設置用于向所述電極施加電勢，使得在所述電場梯度的所述高電場端附近形成具有基本恒定電場的平臺，即，所述移動電場勢壘的第二部分。通過在空間上與所述電場梯度的所述高電場端相鄰地形成具有基本恒定電場的平臺，允許進一步提高遷移率分辨率。特別地，這通過以下事實實現，即，在電場勢壘的移動速率隨時間增加，和/或移動電場勢壘的電場強度減小，和/或離子所穿過的氣體的壓力增加，和/或離子所穿過的氣體的溫度隨時間減小的同時，到達第二部分的離子種類增加其移動速率，這導致跨越到第二部分的離子種類可以更好地在空間上被分離。
42、在另一優選實施例中，所述發生器設置用于將電勢施加到所述電極上，使得在所述離子導向器內形成一個或更多個額外的電場勢壘。優選地，所述額外的電場勢壘在其結構上對應于第一電場勢壘，且沿著所述離子導向器的所述漂移長度按順序地布置。特別地，多個所形成的電場勢壘可以一起在離子導向器的整個漂移長度上延伸。使用多個電場勢壘可以進一步提高遷移率分辨率，如在根據本發明的方法的上下文中描述的、在所述離子導向器內形成一個或多個額外的移動電場勢壘的實施例那樣。特別地，使用兩個移動電場勢壘允許在單個裝置中提供串聯ims。
43、在另一優選實施例中，捕獲離子遷移率分離器具有多個發生器，每個發生器都是直流電壓發生器。直流電壓發生器的數量對應于形成所述閉環離子導向器的所述電極的數量。所述電極中的每個電極分配有所述直流電壓發生器中的一個。特別地，每個電極對可以分配有所述直流電壓發生器中的一個。以這種方式，可以為各個電極供應不同的電壓，以形成電場勢壘。通過向電極施加直流電勢形成電場勢壘，使得離子可以根據離子遷移率沿著電場勢壘被分離。隨時間沿著離子導向器的漂移長度施加到電極的時間電勢曲線對于每個電極可以是相等的，其中，時間電勢曲線以逐漸的時間偏移(逐漸的時間延遲)沿著離子導向器的漂移長度施加到后續的中心電極，由此導致電場勢壘沿著離子導向器的漂移長度移動。對于每個環路具有一個勢壘的實施例，相鄰電極之間的時間延遲等于時間周期(時間周期是閉合環路的長度除以移動場勢壘的速度)除以電極的數量。然而，本領域技術人員將理解，在本發明的上下文中，上述多個發生器也可被理解為具有不同電氣單元的公共電氣部件。
44、還可以想到，所述發生器是交流電壓發生器，其向所述電極施加電壓，以生成軸向交流場(ac場)，從而形成所述電場勢壘，其中，所施加的交流(ac)電壓的平均值在空間和時間上變化，以形成瞬態有效電勢。通過向電極施加交流電勢而形成電場勢壘，使得離子可以根據離子遷移率和質量的組合沿著電場勢壘被分離。
45、在另一優選實施例中，所述電極布置為，使得所述離子導向器具有基本上圓形形狀或橢圓形形狀。替代地，所述電極布置為，使得所述離子導向器具有類似“8”的形狀。優選地，在所述類似“8”的形狀的情況下，離子沿著所述離子導向器移動的軌跡不發生交叉，而是至少部分地在不同平面中延伸。任何其它閉環的幾何形狀都是可以想到的，例如體育場形狀。
46、具有多個電極的離子導向器可以具有50至200個電極，優選80至120個電極，更優選約100個電極。在優選實施例中，所述多個電極具有開孔電極。所述孔可以是槽形孔，離子可以被引導通過所述槽形孔。替代地或同時地，所述多個電極具有電極模塊，每個電極模塊由電極單元組成。所述開孔電極和/或電極單元優選地被成形和/或布置成，使得所述離子導向器具有基本上凸起的橫截面。所述離子導向器可具有基本上圓形的橫截面。在本實施例中，開孔電極和/或電極單元可以被成形為彎曲的。替代地，優選所述離子導向器具有矩形的橫截面。在本實施例中，開孔電極和/或電極單元可以分別成形為直的。開孔電極和/或電極單元可以是離散的電極片。替代地，電極單元可嵌入印刷電路板(pcb)的表面中。電極單元可以具有多個中心電極對和/或側電極對。特別地，側電極對可以具有多個內電極對和外電極對。中心電極可以在徑向方向上被分段，其中，徑向區段被供應不同的電勢，使得外區段的軸向場強高于內區段的軸向場強，以便沿著徑向方向具有獨立的角速度。
47、在另一優選實施例中，捕獲離子遷移率分離器還具有離子通道。所述離子通道具有電極陣列。所述電極被設置用于，將待注入到所述離子導向器中的離子指引向所述離子導向器。替代地或附加地，所述電極被設置用于向前推進從所述離子導向器噴出的離子。捕獲離子遷移率分離器可以具有多于一個的離子通道，每個離子通道都具有電極陣列。特別地，第一離子通道可以具有用于將待注入到所述離子導向器中的離子指引向所述離子導向器的電極陣列，并且第二離子通道可以具有用于向前推進從所述離子導向器噴出的離子的電極陣列。電極陣列可以如以下三個段落中所述的那樣成形和布置。
48、在第一優選實施例中，所述離子通道的旋轉軸線基本上同軸于所述離子導向器的旋轉軸線。離子通道可以延伸穿過離子導向器的中心，其中，離子通道可以在離子導向器的頂側、底側或在頂側和底側兩側上，在z維度上伸長。離子導向器所在位置的區域可以被除外。離子通道的、在離子導向器的頂側處在z維度上伸長的一端，可耦合到離子導向器的頂側的內邊緣上。離子通道的、在離子導向器的底側處在z維度上伸長的一端，可耦合到離子導向器的底側的內邊緣上。還可以想到，離子通道具有內邊界，其表示為耦合到離子導向器的內邊緣上的內半徑，還具有外邊界，其表示為耦合到離子導向器的外邊緣上的外半徑，其中，在外半徑與內半徑之間設有間隙。該間隙可以是圓環，即，外半徑和內半徑之間的間距(環形空間)，離子可以穿過該間距。這種成形方式可以增加電荷容量。電極陣列可以具有彼此間隔均勻地布置的、堆疊的環形電極。所有電極可以具有相同的直徑，或者可以具有沿著離子導向器的延伸方向減小的直徑。因此，離子通道可以被成形為具有圓形橫截面，或成形為離子漏斗。
49、在第二優選實施例中，所述離子通道的縱軸線基本上垂直于所述離子導向器的旋轉軸線。離子通道的一端可耦合到離子導向器的外邊緣的一部分上。電極陣列可以具有彼此間隔均勻地布置的分段電極。這些電極可以被成形和布置為，使得離子通道具有基本上矩形的橫截面。
50、特別地，在可想到的實施例中，捕獲離子遷移率分離器具有第一和第二離子通道，其中，第一離子通道的旋轉軸線基本上同軸于離子導向器的旋轉軸線，并且第二離子通道的縱軸線基本上垂直于離子導向器的旋轉軸線。
51、在另一優選實施例中，捕獲離子遷移率分離器還具有用于存儲離子的離子阱。所述離子阱在所述離子導向器的上游位于所述離子通道內。離子阱以有益的方式允許mbtims可以以并行累積模式操作。這意味著，離子可以在下游的所述離子導向器中被分離的同時，可在離子阱中以有利的方式累積離子。特別地，離子阱允許具有接近百分之百的占空比的并行累積模式。優選地，所述離子阱可以具有基本上與所述離子通道相同的尺寸。
52、在另一優選實施例中，捕獲離子遷移率分離器還具有至少一個第二離子導向器。優選地，捕獲離子遷移率分離器還具有多個附加的離子導向器。附加的離子導向器中的每一個可以具有與前述離子導向器相同的結構。附加的離子導向器中的每一個可以以與前述離子導向器相同的模式操作。這些離子導向器可以順序地布置。此外，離子導向器可以具有公共離子通道，其將各個離子導向器互相鏈接。通過組合多個離子導向器，可以實現顯著更高的存儲容量，這增加了可以分析的離子的數量。優選地，電控制器使一個離子種類同步地從這些附加的離子導向器橫向噴出。
53、在另一優選實施例中，捕獲離子遷移率分離器耦合到真空系統，該真空系統被設計和配置用于，在0.1mbar至20mbar范圍內的氣壓下，操作捕獲離子遷移率分離器。優選地，真空系統被設計和配置用于，在2mbar至10mbar范圍內的氣體壓力下，操作捕獲離子遷移率分離器。為此目的，真空系統可以具有泵。0.1mbar至50mbar的壓力范圍允許通過使用射頻電場來橫向地約束離子。還可以想到，真空系統被設計和配置用于在大于50mbar范圍的氣體壓力下，操作捕獲離子遷移率分離器。然而，在大于50mbar的壓力范圍下，僅允許通過使用大氣壓離子約束(apic)來橫向地約束離子。
54、根據本發明的捕獲離子遷移率分離器可以作為用于測量離子遷移率的單獨裝置(或獨立裝置)進行操作。替代地，可以想到的是，mbtims與其它裝置、如質譜儀(質量分析器)耦合。當mbtims與質譜儀耦合時，可由所測量的數據確定離子的遷移率和質量。
55、上述針對分離離子的方法的優選實施例，也是根據本發明的捕獲離子遷移率分離器的優選實施例。針對捕獲離子遷移率分離器的優選實施例，也是上述用于分離離子的方法的優選實施例。
56、在第三方面，本發明提供了一種質譜系統。該質譜系統具有離子源和帶有離子檢測器的質量分析器。此外，質譜系統具有至少一個位于所述離子源下游的第一捕獲離子遷移率分離器。同時地、或在一個替代實施例中，所述第一捕獲離子遷移率分離器位于所述質量分析器的上游。所述第一捕獲離子遷移率分離器具有：
57、-在閉合環路中延伸的離子導向器，其具有至少一個離子入口區域，離子在所述離子入口區域處被注入到所述離子導向器中，還具有至少一個離子出口區域，離子在所述離子出口區域處從所述離子導向器中噴出，所述離子導向器包含有氣體，所述氣體基本上處于靜止狀態，并且離子沿著所述離子導向器的漂移長度穿過所述氣體，并且所述離子導向器具有多個電極，所述多個電極被成形和布置成，沿著所述離子導向器的所述漂移長度引導所述離子，其中，所述電極中的至少一些電極至少暫時地供應有約束電勢，以防止所述離子橫向地從所述離子導向器逸出，
58、-至少一個發生器，其通過向所述電極施加電勢，以在所述離子導向器內形成至少一個電場勢壘，從而引起沿所述離子導向器的所述漂移長度施加在離子上的軸向力，所述電場勢壘具有低電場端和高電場端，并且圍繞所述閉環離子導向器例如重復地、循環地或周期性地移動，其中，所述移動電場勢壘具有由電場梯度表示的至少第一部分，并且其中，所述移動電場勢壘推動離子沿著所述離子導向器的所述漂移長度移動，由此使離子根據其離子遷移率沿所述電場勢壘而被分離，
59、-電控制器，其與所述發生器通信，以在所述電場勢壘圍繞所述閉環離子導向器移動的同時，隨時間改變所述捕獲離子遷移率分離器的、對遷移率分離有影響的至少一個操作參數，以便將至少一個離子種類受控地沿著所述移動電場勢壘的所述第一部分推向所述高電勢端，其中，所述至少一個離子種類在滑過所述電場勢壘之前，在所述離子出口區域中橫向地從所述離子導向器噴出。
60、因此，上述捕獲離子遷移率分離器可以是混合質譜系統的一部分，該質譜系統附加地具有至少一個位于所述捕獲離子遷移率分離器的上游的離子源，和位于所述捕獲離子遷移率分離器的下游的、帶有離子檢測器的質量分析器。根據本發明的上述捕獲離子遷移率分離器被稱為移動勢壘式捕獲離子遷移率分離器(mbtims)。
61、質譜系統的離子源設置用于生成離子。例如，所述質譜系統的離子源可以使用噴霧電離(例如電噴霧(esi)或熱噴涂)生成離子。替代地，所述質譜系統的離子源可以使用解吸電離(例如，基質輔助激光/解吸電離(maldi)或二次電離(sims))生成離子。在另一替代方案中，所述質譜系統的離子源可以使用化學電離(ci)生成離子。在另一替代方案中，所述質譜系統的離子源可以使用光電離(pi)生成離子。在另一替代方案中，該質譜系統的所述離子源可以使用電子碰撞電離(ei)生成離子。在另一替代方案中，所述質譜系統的所述離子源可以使用氣體放電電離生成離子。
62、質譜系統的質量分析器被設置用于，根據離子的質量、或更精確地根據質荷比，來分析離子。例如，所述質量分析器可以是飛行時間分析器。優選地，所述質量分析器可以是具有正交注入的離子的飛行時間分析器。替代地，所述質量分析器可以是kingdon型靜電離子阱，如來自thermo?fisher?scientific的在另一替代方案中，所述質量分析器可以是射頻離子阱。在另一替代方案中，所述質量分析器可以是離子回旋共振(icr)離子阱或四極質量過濾器。
63、在優選實施例中，改變至少一個操作參數包括以下特性中的至少一個：(i)增加所述電場勢壘的移動速率，(ii)減小所述移動電場勢壘的電場強度，(iii)增加離子所穿過的所述氣體的壓力，以及(iv)降低離子所穿過的所述氣體的溫度。優選地，改變至少一個操作參數包括以上文針對各個特性所描述的方式，專門改變上述特性中的一個特性。在另一實施例中，可以想到的是，以上文針對各個特性所描述的方式，同時改變上述特性中的一個以上或全部特性，以便將至少一種離子種類受控地沿著移動電場勢壘的所述第一部分推向所述電場勢壘的所述高電場端。特別地，當以上述針對各個特性所描述的方式，同時改變上述特性中的一個以上或全部特性時，可以以相協調的方式調整相應特性。
64、在優選實施例中，質譜系統還具有第二離子遷移率分離器，優選是捕獲離子遷移率分離器。優選地，所述第二離子遷移率分離器位于所述第一捕獲離子遷移率分離器的下游。所述第二離子遷移率分離器可以是根據本發明的另一個離子遷移率分離器。替代地，所述第二離子遷移率分離器可以是捕獲離子遷移率分離器，其被構造和操作用于，優選在低場極限下，根據離子遷移率分散離子。替代地，所述第二離子遷移率分離器可以是微分捕獲離子遷移率分離器(dtims)，其根據離子的微分遷移率分離離子(參見申請號為63/510,706的臨時美國申請，其通過整體的引用結合到本技術中)。所述第一捕獲離子遷移率分離器和所述第二離子遷移率分離器可以嵌套耦合，即，第一捕獲離子遷移率分離器在比第二離子遷移率分離器大得多的時間尺度上操作，使得第二離子遷移率分離器可以分析由第一捕獲離子遷移率分離器分離的單個離子種類、或由第一捕獲離子遷移率分離器提供的每個碎片。
65、可以想到，在另一優選實施例中，質譜系統還可以具有分配給第一捕獲離子遷移率分離器的第一殼體。特別地，第一殼體可以包圍第一捕獲離子遷移率分離器。替代地，所述質譜系統可以具有分配給所述第二離子遷移率分離器的第二殼體。特別地，第二殼體可以包圍第二離子遷移率分離器。第一殼體和第二殼體可以分別是真空室。第一殼體和第二殼體可分別保持捕獲離子遷移率分離器內的氣體環境。分配給第一離子遷移率分離器的氣體可以不同于分配給第二離子遷移率分離器的氣體。在第一和第二捕獲離子遷移率分離器內使用不同的氣體能夠以有利的方式實現，在第一離子遷移率分離器內可能沒有被充分分離的離子，可以在第二離子遷移分離器內被分離，因為氣體的類型對離子的漂移速度有影響。
66、在優選的實施例中，質譜系統還具有裂解池。裂解池被設置用于將離子解離成離子碎片。優選地，所述裂解池位于所述第一捕獲離子遷移率分離器和所述質量分析器之間。還可以想到，裂解池位于所述第一捕獲離子遷移率分離器和所述第二捕獲離子遷移率分離器之間。例如，離子可以在所述裂解池中通過碰撞誘導解離(cid)來解離。替代地，離子可以在所述裂解池中通過表面誘導解離(sid)來解離。在另一替代方案中，離子可以在所述裂解池中通過光解離(pd)來解離。在另一替代方案中，離子可以在所述裂解池中通過電子誘導解離來解離，例如電子捕獲解離(ecd)、電子轉移解離(etd)、電子轉移解離后碰撞激活(etcd)或電子轉移解離同時激活(ai-etd)。在另一替代方案中，離子可以在所述裂解池中，通過與高度激發的或自由基中性的粒子的反應而解離。
67、在另一優選實施例中，質譜系統還具有質量過濾器，例如射頻桿四極質量過濾器。優選地，所述質量過濾器位于所述第一捕獲離子遷移率分離器和所述裂解池之間。
68、在另一優選實施例中，所述質譜系統還具有至少一個離子阱。離子阱被設置用于存儲離子。優選地，第一離子阱位于所述第一捕獲離子遷移率分離器的上游。附加地，或替代地，第二離子阱可位于所述第一捕獲離子遷移率分離器與所述第二離子遷移率分離器之間。
69、進一步地，質譜系統可以具有分離裝置。所述分離裝置可以是氣相色譜裝置。替代地，所述分離裝置可以是液相色譜裝置。還可以想到，質譜系統還具有電泳裝置。替代地，電泳裝置可以耦合到混合質譜系統。
70、針對上述分離離子的方法和上述捕獲離子遷移率分離器的優選實施例，也是質譜系統的優選實施例。針對涉及捕獲離子遷移率分離器的質譜系統的優選實施例，也是上述捕獲離子遷移率分離器的優選實施例。