CN106463330B

CN106463330B - 多维离子分离

Info

Publication number: CN106463330B
Application number: CN201580025758.3A
Authority: CN
Inventors: 凯文·贾尔斯; 詹森·李·维尔德古斯
Original assignee: Micromass UK Ltd
Current assignee: Micromass UK Ltd
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2035-05-13
Also published as: WO2015173562A1; DE112015002258T5; US20170076929A1; CN106463330A; US9899200B2; DE112015002258B4

Abstract

公开了一种低于环境气压的离子分离设备，包括：具有穿过其中在第一方向上延伸的轴线的离子入口孔(2)，以及离子出口孔(30)；其中该入口孔(2)和出口孔(30)在第一方向上以及第二正交方向上在空间上彼此分离；以及用于在离子在所述第一方向上行进时在所述第二方向推进离子的装置，所述装置用于使离子在所述第二方向上根据物理化学性质分离，使得具有物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过出口孔离开设备并且具有所述物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过出口孔离开设备。

Description

多维离子分离

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年5月13日提交的英国专利申请号1408455.2和2014年5月13日提交的欧洲专利申请号14168128.8的优先权和权益。这些申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及根据至少一种物理化学性质分离离子的离子分离设备。

背景技术

常规的气相分离设备提供了在任何一个时间单一维度的分离。

期望提供改进的离子分离设备和改进的分离离子的方法。

发明内容

本发明提供了一种被配置为在低于环境气压下操作的离子分离设备，包括：

具有穿过其中在第一方向上延伸的轴线的离子入口孔，以及离子出口孔；其中入口孔和出口孔在第一方向和第二正交方向上彼此在空间上分离；

用于在所述第一方向上推进离子通过设备的装置；和

用于在所述第二方向上推进离子以使离子根据第一物理化学性质在所述第二方向上分离，使得具有物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过出口孔离开设备并且具有物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过出口孔离开设备的装置。

本发明的实施例涉及一种离子引导设备，其被安排以在一个或多个正交的空间方向上提供通过离子分离的流。这使得离子能够被分离和选择性地传输，例如用于随后的分析或检测，同时与常规的顺序分离设备相比提高了选择速度并减小了仪器的占地面积。在低于环境气压下操作设备允许更充分地操纵和控制离子及其分离。

已知在差分迁移率分析仪(DMA)中分析离子。例如，US 5869831公开了一种DMA设备，其中离子通过DC电压梯度被驱动通过离子分离室，同时垂直于该电压梯度提供高聚焦的气流，使得离子根据它们通过该气体的迁移率被分离。在室中提供出口孔，使得仅一些分离的离子到达出口。然后可以从DC电压梯度和气体流量确定穿过出口孔传输的离子的迁移率。然而，这种和类似的分析器在大气压下操作。这是因为这些分析器实质上是颗粒分粒器的衍生物，因此这些仪器不需要耦合到质谱仪系统，因此不需要存在真空。US 5869831没有公开或暗示在低于环境压力下操作分析器，如本发明所要求的，因为US 5869831并不认为在低于环境气压下操作设备允许更充分地操纵和控制离子及其分离。

还已知FAIMS分析器，其使用气流驱动离子通过分析器，例如在US 2003/0150987中那样。然而，这种分析器也在大气压下操作，并且并不认为在低于环境气压下操作设备允许更充分地操纵和控制离子及其分离。

所述低于环境气压是低于大气压的压力，并且还可以选自由以下项组成的组：≥10^-4毫巴；≥5×10^-4毫巴；≥10^-3毫巴；≥5×10^-3毫巴；≥10^-2毫巴；在10^-4毫巴与10^-1毫巴之间；在10^-4毫巴与10^-2毫巴之间；≤10^-1毫巴；≤5×10^-2毫巴；≤10^-2毫巴；≤5×10^-3毫巴；和≤10^-3毫巴。

用于在所述第一方向上推进离子的装置可以在所述第一方向上不引起离子分离。用于在第一方向上推进离子的装置可以不导致根据第一方向上的物理化学性质而分离离子。可选地，尽管不太理想，但是可以在第一方向上推进离子，以便使离子根据第一方向上的物理化学性质或该物理化学性质分离。可以根据第一方向上的一种物理化学性质和第二方向上的另一种物理化学性质使离子分离。

设备可以配置成使得基本上没有气流穿过设备；和/或使得离子不被气流驱动穿过设备。这不同于常规的DMA和FAIMS设备，其需要分层的气流穿过设备以保持合理的分辨率。与此种常规设备相比，本发明的设备可能没有大量气流穿过设备。

设备可以包括一个或多个RF电压源，其被安排和配置为向设备施加RF电压，以便将离子在至少一个维度上限制在设备内。设备的低于环境压力允许使用RF约束。

具有不同的第一物理化学性质值的离子可以以不同的速率在该第二方向上驱动。可以使不同的离子以不同的速率在所述第一和/或第二方向上行进，使得具有所述物理化学性质的所述第一值或第一值范围的所述离子到达并通过该出口孔，而具有一个或多个所述不同的物理化学性质值的离子不到达该出口孔。

设备可以包括用于通过向所述设备施加RF和/或DC电压而在与所述第一和第二方向正交的第三方向上将离子限制在所述设备中的设备。

该入口孔可以在第一方向上，在第二方向上以及在与所述第一和第二方向都正交的第三方向上与该出口孔间隔开；其中设备包括用于在第三方向上在设备内推进离子的装置；和(i)其中，在使用中，所述用于在第三方向上推进离子的装置使离子根据第二不同的物理化学性质在所述第三方向上分离，使得具有第二物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过出口孔离开设备并且具有所述第二物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过出口孔离开设备；或(ii)其中，在使用中，所述用于在第二和第三方向上推进离子的装置都使得离子根据相同的第一物理化学性质但以不同的速率分离并且使得具有第一物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过出口孔离开设备并且具有所述第一物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过出口孔离开设备。

设备可包括用于在所述第一方向上推进离子通过设备的装置，其中所述用于在所述第一方向上推进离子的装置，所述用于在所述第二方向上推进离子的装置和所述用于在所述第三方向上推进离子的装置：(i)使具有所述第一和第二物理化学性质的值的第一组合的离子通过出口孔离开设备，而具有所述第一和第二物理化学性质的值的第二不同组合的其他离子不通过出口孔离开设备；或(ii)使具有第一物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过出口孔离开设备，并且具有所述第一物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过出口孔离开设备。

可以使不同类型的离子以不同的速率在所述第一和/或第二和/或第三方向上行进，使得所述离子中一些到达并通过出口孔，而其他不同类型的离子不到达出口孔。

设备可以被配置为使得离子在第一和第二方向上，或者在第二和第三方向上，或者在第一、第二和第三方向中的所有上同时分离。

出口孔可以布置在设备的壁中，使得不传输通过出口孔的离子与所述壁碰撞。

壁可以是电极，例如电极板。

设备可以包括用于随着时间改变在第一和/或第二和/或第三方向上推进离子的力，使得具有所述第一和/或第二物理化学性质的不同值的离子在不同的时间离开给定的出口孔的控制装置。

可以在出口孔的下游设置检测器。处理器可以用于从这些离子在第一和/或第二和/或第三方向上被推动的力，并且任选地从这些离子进入入口孔的时间确定在检测器处检测到的离子的第一和/或第二物理化学性质的值。

设备可以包括与入口孔同轴的另一出口孔，用于允许离子以基本上直线的方式从入口孔传递到另一出口孔。

设备可以包括在第一方向上与入口孔间隔开的多个出口孔，并且：i)其中多个出口孔在第二方向上与入口孔间隔开不同的距离；和/或ii)多个出口孔在与所述第一方向和第二方向正交的第三方向上与入口孔隔开不同的距离；和/或iii)其中多个出口孔中的至少一个在第二方向上与入口孔间隔开，并且多个出口孔中的至少另一个在第三方向上与入口孔间隔开。

控制装置可以改变或选择在第一和/或第二和/或第三方向上推进离子的力，这样使得离子离开多个孔中选定的一个。例如，可以使离子仅在第二方向上分离并离开出口孔中的一个。可选地，或随后，可使离子在第二和第三方向上分离并离开不同的出口孔。

设备可以包括用于随着时间改变在第一和/或第二和/或第三方向上推进离子的力使得具有所述第一和/或第二物理化学性质的相同值的离子在不同时间离开不同的出口孔的控制装置。

在第一方向上的驱动力优选地基本上仅具有在第一方向上的分量。

在第二方向上的分离力优选地基本上仅具有在第二方向上的分量。

在第三方向上的分离力优选地基本上仅具有在第三方向上的分量。

第一方向可以与入口孔同轴。

穿过入口孔的轴线可以基本上平行于穿过出口孔的轴线或穿过至少一个出口孔的轴线。例如，离子可以通过入口壁中的孔进入设备，并且可以通过基本平行，相对的出口壁中的至少一个孔离开所述设备。

然而，还可以设想，穿过入口孔的轴线可以与穿过出口孔的轴线或穿过出口孔中至少一个的轴线成一定角度而不是平行。例如，这些轴线可以彼此正交。

离子可以在第一方向上进入分离设备，并且可以第二方向通过一个或多个出口孔离开设备。例如，离子可以通过入口壁中的孔进入设备并且可以通过安排在第一和第三方向限定的平面中的壁中的至少一个孔离开设备。

另外，或可选地，离子可以在第一方向上进入分离设备，并且可以在第三方向上通过一个或多个出口孔离开设备。例如，离子可以通过入口壁中的孔进入设备，并且可以通过安排在由第一和第二方向限定的平面中的壁离开设备。

第一物理化学性质可以是离子迁移率，并且离子可以根据它们的离子迁移率在第一和/或第二和/或第三方向上分离。可选地，可以根据不同的分离技术在第一和/或第二和/或第三方向上分离离子，所述不同的分离技术任选地选自由以下项组成的清单：低电场离子迁移率分离；高电场离子迁移率分离；差分迁移率分离；和通过使用瞬态势垒驱动离子通过气体的离子迁移率分离。

次优选地，离子可以根据它们在第一和/或第二和/或第三方向上的质荷比分离。

设备可以包括用于通过在第一方向上移动一个或多个DC电压来在第一方向上驱动离子的装置。

另外或可选地，设备可包括用于通过在第一方向上施加静态DC电位梯度而在第一方向上驱动离子的装置。

设备可以从离子源接收连续离子束，或者可选地例如从离子阱接收离子包。

设备可以是充气的，并且在低于大气压的压力下操作。然而，预期设备可以在等于或高于环境压力或大气压的压力下操作。

可以在设备的下游提供离子检测器和/或离子分析器，例如质量分析器或离子迁移率分析器，用于检测或分析离开设备的离子。

本发明还提供了一种离子迁移谱仪或质谱仪，其包括本文的离子分离设备。

该光谱仪可以包括安排在离子分离设备下游的检测器，离子阱，质量分析器或离子迁移率分析器。

本发明还提供了使用本文所描述的离子分离设备在低于环境气压下分离离子的方法。该方法可包括在所述第一方向上推进离子，并且当离子在第一方向上行进时在所述第二方向推进离子，使得离子根据物理化学性质在所述第二方向上分离，并且使得具有物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过出口孔离开设备并且具有所述物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过出口孔离开设备。

该方法可以包括本文关于离子分离设备描述的任何方法步骤。

本发明还提供了包括本文的分离离子的方法的离子迁移率光谱测定或质谱测定的方法。

该方法还可以包括对离子分离设备下游的离子进行检测、捕获、质量分析或离子迁移率分析或使用离子分离设备。

本文所描述的光谱仪可以包括：

(a)选自以下的离子源：(i)电喷雾离子化(“ESI”)离子源；(ii)大气压光致电离(“APPI”)离子源；(iii)大气压化学电离(“APCI”)离子源；(iv)基质辅助激光解吸电离(“MALDI”)离子源；(v)激光解吸电离(“LDI”)离子源；(vi)大气压电离(“API”)离子源；(vii)硅上的解吸电离(“DIOS”)离子源；(viii)电子轰击(“EI”)离子源；(ix)化学电离(“CI”)离子源；(x)场电离(“FI”)离子源；(xi)场解吸(“FD”)离子源；(xii)电感耦合等离子体(“ICP”)离子源；(xiii)快速原子轰击(“FAB”)离子源；(xiv)液体二次离子质谱(“LSIMS”)离子源；(xv)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；(xvi)镍-63放射性离子源；(xvii)大气压矩阵辅助激光解吸电离离子源；(xviii)热喷雾离子源；(xix)大气取样辉光放电电离(“ASGDI”)离子源；(xx)辉光放电(“GD”)离子源；(xxi)冲击器离子源；(xxii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xxiii)激光喷雾电离(“LSI”)离子源；(xxiv)音波喷雾电离(“SSI”)离子源；(xxv)基质辅助入口电离(“MAII”)离子源；(xxvi)溶剂辅助入口电离(“SAII”)离子源；(xxvii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源；和(xxviii)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；和/或

(b)一个或多个连续或脉冲离子源；和/或

(c)一个或多个离子导向；和/或

(d)一个或多个离子迁移率分离设备和/或一个或多个场非对称离子迁移谱仪设备；和/或

(e)一个或多个离子阱或一个或多个离子捕获区；和/或

(f)选自以下的一个或多个碰撞、裂解或反应单元(i)碰撞诱导解离(“CID”)碎裂设备；(ii)表面诱导解离(“SID”)碎裂设备；(iii)电子转移解离(“ETD”)碎裂设备；(iv)电子俘获解离(“ECD”)碎裂设备；(v)电子碰撞或冲击解离碎裂设备；(vi)光诱导解离(“PID”)碎裂设备；(vii)激光诱导解离碎裂设备；(viii)红外辐射诱导解离设备；(ix)紫外线辐射诱导解离设备；(x)喷嘴-分流器(skimmer)接口碎裂设备；(xi)源内碎裂设备；(xii)源内碰撞诱导解离碎裂设备；(xiii)热源或温度源碎裂设备；(xiv)电场诱导碎裂设备；(xv)磁场诱导碎裂设备；(xvi)酶消化或酶降解碎裂设备；(xvii)离子-离子反应碎裂设备；(xviii)离子-分子反应碎裂设备；(xix)离子-原子反应碎裂设备；(xx)离子-亚稳离子反应碎裂设备；(xxi)离子-亚稳分子反应碎裂设备；(xxii)离子-亚稳原子反应碎裂设备；(xxiii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-离子反应设备；(xxiv)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-分子反应设备；(xxv)用于使离子反应以形成加合物或产物的离子-原子反应设备；(xxvi)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳离子反应设备；(xxvii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳分子反应设备；(xxviii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳原子反应设备；和(xxix)电子电离解离(“EID”)碎裂设备；和/或

(g)选自以下的质量分析器：(i)四极质量分析器；(ii)2D或线性四极质量分析器；(iii)Paul或3D四极杆质量分析器；(iv)潘宁陷阱质量分析器；(v)离子阱质量分析器；(vi)磁性扇形质量分析器；(vii)离子回旋共振(“ICR”)质量分析器；(viii)傅里叶变换离子回旋共振(“FTICR”)质量分析器；(ix)静电质量分析器，其被设置为产生具有四对数电势分布的静电场；(x)傅里叶变换静电质量分析器；(xi)傅里叶变换质量分析器；(xii)飞行时间质量分析器；(xiii)正交加速度飞行时间质量分析器；和(xiv)线性加速度飞行时间质量分析器；和/或

(h)一个或多个能量分析仪或静电能量分析仪；和/或

(i)一个或多个离子检测器；和/或

(j)一个或多个质量过滤器，其选自由以下项组成的组：(i)四极质量过滤器；(ii)2D或线性四极离子阱；(iii)保罗或3D四极离子阱；(iv)潘宁离子阱；(v)离子阱；(vi)磁性扇形质量过滤器；(vii)飞行时间质量过滤器；和(viii)维恩过滤器；和/或

(k)用于脉冲离子的设备或离子门；和/或

(1)用于将基本上连续的离子束转换成脉冲离子束的设备。

光谱仪可以包括：

(i)C-阱和质量分析器，其包括形成具有四极-对数电势分布的静电场的外部桶状电极和同轴的内部纺锤状电极，其中在第一操作模式中，离子被传输到C阱并且然后注入质量分析器中，并且其中在第二操作模式中，离子被传输到C-阱并且然后传输到碰撞单元或电子传递解离设备，其中至少一些离子被碎裂成碎片离子，并且其中碎片离子然后在被注入质量分析器之前被传送到C-阱；和/或

(ii)堆叠的环形离子导向，其包括多个电极，每个电极具有在使用中离子通过其传输的孔并且其中电极的间隔沿着离子路径的长度增加，并且其中在离子导向的上游区段中的电极中的孔具有第一直径，并且其中在离子导向的下游区段中的电极中的孔具有小于第一直径的第二直径，并且其中在使用中向顺序的电极施加相反相位的AC或RF电压。

光谱仪可以包括被安排并且适于向电极提供AC或RF电压的设备。AC或RF电压优选具有选自以下项组成的组的振幅：(i)<50V峰间值；(ii)50-100V峰间值；(iii)100-150V峰间值；(iv)150-200V峰间值；(v)200-250V峰间值；(vi)250-300V峰间值；(vii)300-350V峰间值；(viii)350-400V峰间值；(ix)400-450V峰间值；(x)450-500V峰间值；和(xi)>500V峰间值。

AC或RF电压优选具有选自以下项组成的组的频率：(i)<100kHz；(ii)100-200kHz；(iii)200-300kHz；(iv)300-400kHz；(v)400-500kHz；(vi)0.5-1.0MHz；(vii)1.0-1.5MHz；(viii)1.5-2.0MHz；(ix)2.0-2.5MHz；(x)2.5-3.0MHz；(xi)3.0-3.5MHz；(xii)3.5-4.0MHz；(xiii)4.0-4.5MHz；(xiv)4.5-5.0MHz；(xv)5.0-5.5MHz；(xvi)5.5-6.0MHz；(xvii)6.0-6.5MHz；(xviii)6.5-7.0MHz；(xix)7.0-7.5MHz；(xx)7.5-8.0MHz；(xxi)8.0-8.5MHz；(xxii)8.5-9.0MHz；(xxiii)9.0-9.5MHz；(xxiv)9.5-10.0MHz；和(xxv)>10.0MHz。

光谱仪可以包括在离子源上游的色谱或其他分离设备。根据一个实施例，色谱分离设备包括液相色谱或气相色谱设备。根据另一个实施例，分离设备可以包括：(i)毛细管电泳(“CE”)分离设备；(ii)毛细电色谱(“CEC”)分离设备；(iii)基本上刚性的基于陶瓷的多层微流体基底(“瓷砖”)分离设备；或(iv)超临界流体色谱分离设备。

离子导向优选保持在选自由以下项组成的组的压力下：(i)<0.0001毫巴；(ii)0.0001-0.001毫巴；(iii)0.001-0.01毫巴；(iv)0.01-0.1毫巴；(v)0.1-1毫巴；(vi)1-10毫巴；(vii)10-100毫巴；(viii)100-1000毫巴；和(ix)>1000毫巴。

根据一个实施例，分析物离子可以在电子转移解离碎裂设备中进行电子转移解离(“ETD”)碎裂。优选地使分析物离子与离子导向或碎裂设备内的ETD试剂离子相互作用。

根据一个实施例，为了实现电子转移解离，(a)分析物离子被碎裂或被诱导解离并且在与试剂离子相互作用时形成产物或碎片离子；和/或(b)电子从一种或多种试剂阴离子或带负电荷的离子转移到一种或多种多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子被诱导解离并形成产物或碎片离子；和/或(c)分析物离子被破碎或被诱导解离并且在与中性试剂气体分子或原子或非离子试剂气体相互作用时形成产物或碎片离子；和/或(d)电子从一种或多种中性、非离子或不带电的碱性气体或蒸汽转移到一种或多种多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子被诱导解离并形成产物或碎片离子；和/或(e)电子从一种或多种中性、非离子或不带电的超碱性试剂气体或蒸气转移到一种或多种多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些多电荷分析物阳离子或带正电荷离子被诱导解离并形成产物或碎片离子；和/或(f)电子从一种或多种中性、非离子或不带电的碱金属气体或蒸汽转移到一种或多种多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些多电荷分析物阳离子或带正电离子被诱导解离并形成产物或碎片离子；和/或(g)电子从一种或多种中性、非离子或不带电的气体、蒸汽或原子转移到一种或多种多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子，于是至少一些多电荷分析物阳离子或带正电离子被诱导解离并形成产物或碎片离子，其中一种或多种中性、非离子或不带电的气体、蒸气或原子选自由以下各项组成的组：(i)钠蒸气或原子；(ii)锂蒸气或原子；(iii)钾蒸气或原子；(iv)铷蒸汽或原子；(v)铯蒸气或原子；(vi)铷蒸气或原子；(vii)C₆₀蒸气或原子；和(viii)镁蒸气或原子。

多电荷分析物阳离子或带正电荷的离子优选包含肽，多肽，蛋白质或生物分子。

根据一个实施例，为了实现电子转移解离：(a)试剂阴离子或带负电荷的离子衍生自多芳烃或取代的多芳烃；和/或(b)试剂阴离子或带负电荷的离子衍生自由以下项组成的组：(i)蒽；(ii)9,10-二苯基蒽；(iii)萘；(iv)氟；(v)菲；(vi)芘；(vii)荧蒽；(viii)(ix)苯并〔9,10〕菲；(x)苝；(xi)吖啶；(xii)2,2'联吡啶；(xiii)2,2'联喹啉；(xiv)9-蒽腈；(xv)二苯并噻吩；(xvi)1,10'-菲咯啉；(xvii)9'蒽腈；和(xviii)蒽醌；和/或(c)试剂离子或带负电荷的离子包括偶氮苯阴离子或偶氮苯自由基阴离子。

根据特别优选的实施例，电子转移解离碎裂的过程包括使分析物离子与试剂离子相互作用，其中试剂离子包括二氰基苯，4-硝基甲苯或薁试剂离子。

附图说明

现在将仅通过实例并参考附图来描述本发明的各种实施例，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施例在第一模式下操作的分离设备；

图2A和2B示出了在第二模式下操作的图1的分离设备；并且

图3示出了根据本发明的第二实施例的分离设备。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的优选实施例的分离设备的示意图。分离设备包括在设备一侧的壁4中的离子入口孔2和在设备相对侧上的壁10中的第一和第二离子出口孔6、8。离子入口孔2和第一出口孔6被安排为同轴，使得离子可以以直线从离子入口孔2传递到第一离子出口孔6。

在图1所示的第一操作模式中，离子在第一方向上从离子入口孔2穿过设备到第一出口孔6。这在图1中由箭头12表示。期望当离子从入口孔2到第一出口孔6传递时，不根据物理化学性质分离离子。该模式提供分离设备的“关闭”或“旁路”状态。在该模式下，离子可以或可以不在第一方向上被驱动通过设备。这样一个驱动力由图1中的箭头14示出。

然而，次优选地，当离子在第一方向上从离子入口孔2穿过设备到第一出口孔6时，离子可以根据物理化学性质在第一模式中分离。根据所述物理化学性质，离子可以沿着穿过入口孔2和第一出口孔6的轴线轴向分离。任何给定离子在通过入口孔2进入设备并通过第一出口孔6离开设备之间的持续时间可用于确定该离子的物理化学性质。在该模式中，离子可以沿着在入口孔2和第一出口孔6之间延伸的轴线驱动。作为实例，在第一模式中，设备可以将一个或多个离子包脉冲到入口孔2中。然后，每个包中的离子可以根据它们通过存在于设备中在入口孔2和第一出口孔6之间的气体的离子迁移率而分离。可以通过向设备施加电位来驱动离子通过气体，例如通过在入口孔2和第一出口孔6之间施加静态电压梯度。

图2A示出了当在第二操作模式下操作时图1的设备。根据该操作模式，当离子在第一方向(即，从入口孔2向出口孔6、8传递)穿过设备时，在从第一出口孔6到第二出口孔8的方向延伸的第二方向上向离子施加分离力16。这使得离子在它们通过设备时根据物理化学性质在第二方向上分离。优先地，同时施加驱动力以在第一方向上驱动离子。

离子从设备的第一侧4中的入口孔2传输到设备的第二侧10。在这些离子到达设备的第二侧10的时刻，由所述分离力16在第二方向驱动到第二出口孔8的位置的离子能够通过第二出口孔8离开设备。这些离子由图2A中的箭头18示出。其他离子不能离开设备。这些离子在图2A中由箭头20和22表示。因此，通过第二出口孔8离开设备的离子的类型将取决于在第二方向上施加的分离力16的大小。由于在第二模式中也优先施加第一方向上的驱动力14，因此离开第二出口孔8的离子的类型也将取决于驱动力14的大小或性质。因此，可以由在第二方向上的分离力16的大小和由驱动力14确定离开第二出口孔8的离子的物理化学性质。

图2B是图2A所示的实施例的平面图，并且示出了用于将离子种类从入口孔2传输到第二出口孔8的标准。可以假定在第一方向上的驱动力14作用下，离子种类在第一方向上从入口孔2传输到包含第二出口孔8的板10花费时间t₁。还可以假定在第二方向上的分离力16作用下，离子种类在第二方向上从入口孔2传输到第二出口孔8花费时间t₂。对于要从入口孔2传输到出口孔8的离子种类，则t₁和t₂必须是相等的，如图2B中的中央离子路径18所示。如果时间t₁不等于时间t₂，则离子不能离开出口孔8，如图2B中的最左侧20和最右侧22离子路径所示。

在第一方向上的驱动力14和/或在第二方向上的分离力16的大小可以随时间变化，以使具有所述物理化学性质的不同的值离子在不同时间通过第二出口孔8离开设备。驱动力14和/或分离力16可以随时间扫描，并且在任何给定时间通过第二出口孔8离开设备时检测的离子的物理化学性质值可以从这些离子通过设备传输的时间所存在的驱动力14和/或分离力16确定。

图3示出了除了在设备的第二侧10中设置第三出口孔30，与图1和图2相同的本发明的另一实施例。图3的设备可以以与上面关于图1和图2所描述的相同的模式操作。更具体地，离子可以在第一方向上从入口孔2传输到第一出口孔6。可选地，可以在第二方向上施加第一分离力16，以使离子通过第二出口孔8离开设备，如上面关于图2A和2B所秒述。图3的设备可以以第三模式操作，其中在第二方向上施加所述第一分离力16并且还在第三方向上施加第二分离力28，所述第三方向在从所述第二出口孔8到所述第三出口孔30的方向上延伸。该第二分离力28使离子在它们通过设备时根据物理化学性质在第三方向上分离。任选地，同时施加第一模式的驱动力14。

离子从设备的第一侧4中的入口孔2传输到设备的第二侧10。在这些离子到达设备的第二侧10的时刻，由所述驱动力14和所述第一和第二分离力16、28驱动到第三出口孔30的位置的离子能够通过第三出口孔30离开设备。其他离子不能离开设备。因此，通过第三出口孔30离开设备的离子的类型将取决于驱动力14和第一和第二分离力16、28的大小和性质。因此，可以从驱动力14，第一分离力16和第二分离力28确定离开第三出口孔30的离子的所述物理化学性质。

根据此实施例，为了使离子从入口孔2传输到第三出口孔30，在第三方向上第二分离力28的作用下离子在第三方向上从入口孔2传输到第三出口孔30所花费的时间必须等于上面关于图2B所描述的t₁和t₂。

第一分离力16和第二分离力28根据不同的物理化学性质任选地分离离子，或者可以根据相同的物理化学性质以不同的速率分离离子。例如，第一分离力16可以根据低电场离子迁移率来分离离子并且第二分离力28可以根据高电场离子迁移率来分离离子。驱动力14还可以根据与分离力16、28中的一个或两个相同的物理化学性质或不同的物理化学性质来分离离子。然而，优选地，驱动力14不分离离子。例如，驱动力14可以由气流或DC电势产生，其在第一方向上沿着设备移动，以在第一方向上驱动离子。

在第一方向上驱动力14的大小(或其他性质)和/或在第二方向上第一分离力16的大小(或其他性质)和/或在第三方向上第二分离力28的大小(或其他性质)可以随时间变化以使得具有所述物理化学性质(或多个物理化学性质)的不同值的离子在不同时间通过第三出口孔30离开设备。可以随时间扫描驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28，并且在任何给定的时间通过第三出口孔30离开设备时检测的离子的物理化学性质值(或不同物理化学性质的值)可以从这些离子传输通过设备的时间所存在的驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28确定。

在任何上述实施例中，驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28可以在时间上变化，以便提供离开设备的离子种类的顺序选择，例如用于全光谱分析或与随后的分析型分析同步。

在任何上述实施例中，驱动力14可以或可以不使离子根据任何物理化学性质分散或分离。例如，驱动力可以由在第一方向上的气流提供，或者通过在第一方向上沿着设备移动推进离子在第一方向上穿过设备的势垒(例如，DC势垒)提供。可以使用这样的技术，以便不促进离子在第一方向上的分散。可选地，可以例如通过在第一方向上施加DC电位梯度使离子在第一方向上分散。

在任何上述实施方案中，离子被分离的物理化学性质可以是离子迁移率。驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28可以提供离子迁移率分离。例如，驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28可以提供低电场离子迁移率分离、高电场离子迁移率分离、差分迁移率分离(DMS)或通过使用沿着设备行进的势垒(例如，DC势垒)驱动离子通过气体的离子迁移率分离。如上关于第三操作模式所描述，可以使用不同的分离技术来在第二和第三方向(并且次优选地第一方向)上分离离子。

在任何上述实施例中，(在一个或多个方向上)分离离子的物理化学性质可以是质荷比。驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28可以根据质荷比提供分离。

期望地，驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28根据不同的物理化学性质分离离子。

驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28可以由时间和/或空间变化的电场提供。

驱动力14和/或第一分离力16和/或第二分离力28可以在空间和/或时间上导致物理化学性质的不同的函数依赖性。

例如，如上面关于图2B所描述，用于离子传输的条件是对于通过第二出口孔8的传输在第一和第二方向上的传输时间必须是相等的。在最简单的情况下，在第一方向上的力14将是非分离性的，并且对于所有种类，传输时间将是常数A，即t₁＝A。如果在第二方向上的分离力16例如是低场漂移管离子迁移率，则t₂＝L/(KE)，其中L是在第二方向上入口孔2与第二出口孔8之间的距离，E是在第二方向上的电场强度，并且K是离子的迁移率值。因此，对于传输，离子物质必须具有迁移率，K＝L/(AE)。以不同的A或E值操作将传输不同的离子种类通过第二出口孔8。

在更多选择性操作模式中，例如，第一方向上的力14也是分离的，使得t₁是物理化学性质P的函数。然后t₁＝fn(P)，并且对于离子种类i的传输，其迁移率K_i必须等于L/(fn(P_i).E)。离子可以通过不同的物理化学性质在两个方向上分离，或者它们可以被相同的性质分离，但是由于所施加的分离力的性质而具有不同的时间和/或空间函数依赖性。例如，离子可以通过低场漂移管离子迁移率在一个方向上分离，其中分离时间t∝1/K，而离子可以通过行波离子迁移率分离在另一方向上分离，其中分离时间t∝1/K²。设备可以由RF离子导向或表面构成，以确保在不发生离子分离的维度上的最小离子损失。例如，在图1和图2所示的安排中，电极可以安排在设备的上方和下方，并且RF电压可以施加到此种电极，以便在设备的顶部和底部之间的方向上将离子限制在设备内。

优选地，设备在低于大气压下操作。

设备可以安排成使得驱动力和一个或多个分离力可以是设备内正交方向的任何组合。

离子传递到设备中可以是连续的或不连续的，例如通过捕获并然后将离子释放到设备中。

在次期望的方法中，最初在第一方向上不使用驱动力并且离子以脉冲包通过入口孔被注入并且它们在冷却之前在所述第一方向上穿入到设备中的距离取决于物理化学性质，从而提供空间分离的离子种类。随后，可以激活第一方向上的驱动力，结合在第二和/或第三方向上的正交分离力中的一个或两个，以便使得空间分离的离子从设备中射出。可选地，驱动力可以连续地但是以足够低的大小操作，使得当在第一方向上发生离子分离时，驱动力在大于在第一方向上建立空间分离所需时间的传输时间内推进离子在第一方向上通过设备。

在次优选的方法中，最初在第一方向上不使用驱动力并且以脉冲包通过入口孔以足够高的能量注入离子，以诱导离子碎裂并且在冷却之前在所述第一方向上穿入到设备中的距离取决于前体和碎片离子的物理化学性质，从而提供空间分离的离子种类。随后，可以激活第一方向上的驱动力，结合正交分离力中的一个或两个，以便使得空间分离的离子从设备中射出。可选地，驱动力可以连续地但是以足够低的大小操作，使得当在第一方向上发生离子分离时，驱动力在大于在第一方向上建立空间分离所需时间的传输时间内推进离子在第一方向上通过设备。这种操作模式提供了在碎片离子的时间或生成位置及其迁移率两者的分离。

尽管已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。

例如，尽管已经描述了在正交方向上施加的各种驱动和分离力，但是这些力可以相对彼此以其他角度施加。

Claims

1.一种被配置为在低于环境气压下操作的离子分离设备，包括：

具有穿过其中在第一方向上延伸的轴线的离子入口孔，以及离子出口孔；其中所述入口孔和所述出口孔在所述第一方向和与所述第一方向正交的第二方向上彼此在空间上分离；

用于在所述第一方向上推进离子通过所述设备的装置；和

用于在所述第二方向上推进离子以使离子根据第一物理化学性质在所述第二方向上分离，使得具有所述物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过所述出口孔离开所述设备并且具有所述物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过所述出口孔离开所述设备的装置；

其中所述第一物理化学性质是离子迁移率。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述低于环境气压是低于大气压的压力并且还可以选自由以下项组成的组：≥10^-4毫巴；≥5×10^-4毫巴；≥10^-3毫巴；≥5×10^-3毫巴；≥10^-2毫巴；在10^-4毫巴与10^-1毫巴之间；在10^-4毫巴与10^-2毫巴之间；≤10^-1毫巴；≤5×10^-2毫巴；≤10^-2毫巴；≤5×10^-3毫巴；以及≤10^-3毫巴。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述设备被配置成使得没有气流通过所述设备；和/或使得离子不被气流驱动通过所述设备。

4.根据权利要求1或2所述的设备，包括一个或多个RF电压源，其被安排和配置为向所述设备施加RF电压，以将离子在至少一个维度上限制在所述设备内。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中具有不同第一物理化学性质值的离子以不同的速率在所述第二方向上被驱动。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其中使不同的离子以不同的速率在所述第一和/或第二方向上行进，使得具有所述第一物理化学性质值(一个或多个)的所述离子到达并通过所述出口孔，而具有所述不同物理化学性质值(一个或多个)的离子不到达所述出口孔。

7.根据权利要求1或2所述的设备，包括用于通过向所述设备施加RF和/或DC电压而在与所述第一和第二方向正交的第三方向上将离子限制在所述设备内的装置。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述入口孔在所述第一方向上，在所述第二方向上以及在与所述第一和第二方向都正交的第三方向上与所述出口孔间隔开；

其中所述设备包括用于在所述第三方向上在所述设备内推进离子的装置；和

(i)其中，在使用中，所述用于在所述第三方向上推进离子的装置使离子根据第二不同的物理化学性质在所述第三方向上分离，使得具有所述第二物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过所述出口孔离开所述设备，并且具有所述第二物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过所述出口孔离开所述设备；或者

(ii)其中，在使用中，所述用于在第二和第三方向上推进离子的装置都使离子根据相同的第一物理化学性质但以不同的速率分离，并且使得具有所述第一物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过所述出口孔离开所述设备，并且具有所述第一物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过所述出口孔离开所述设备。

9.根据权利要求8所述的设备，还包括用于在所述第一方向上推进离子通过所述设备的装置，其中所述用于在所述第一方向上推进离子的装置，所述用于在所述第二方向上推进离子的装置，以及所述用于在所述第三方向上推进离子的装置，或者

(i)使具有所述第一和第二物理化学性质的值的第一组合的离子通过所述出口孔离开所述设备，而具有所述第一和第二物理化学性质的值的第二不同组合的其他离子不通过所述出口孔离开所述设备；或者

(ii)使具有所述第一物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过所述出口孔离开所述设备，并且具有所述第一物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过所述出口孔离开所述设备。

10.根据权利要求8所述的设备，其中使不同类型的离子以不同的速率在所述第一和/或第二和/或第三方向上行进，使得所述离子中一些到达并通过所述出口孔，而其他不同类型的离子不到达所述出口孔。

11.根据权利要求7所述的设备，其中所述设备被配置为使得离子在所述第一和第二方向上，或在所述第二和第三方向上，或在所述第一、第二和第三方向的所有上同时分离。

12.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述出口孔被安排在所述设备的壁中，使得不传输通过所述出口孔的离子与所述壁碰撞。

13.根据权利要求8所述的设备，包括用于随着时间改变在所述第一和/或第二和/或第三方向上推进离子的力的控制装置，使得具有所述第一和/或第二物理化学性质的不同值的离子在不同时间离开给定的出口孔。

14.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述设备包括与所述入口孔同轴的另一个出口孔，用于允许离子以直线的方式从所述入口孔传递到所述另一个出口孔。

15.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述设备包括在所述第一方向上与所述入口孔间隔开的多个出口孔，并且

i)其中所述多个出口孔在所述第二方向上与所述入口孔间隔开不同的距离；和/或

ii)其中所述多个出口孔在与所述第一和第二方向正交的第三方向上与所述入口孔间隔开不同的距离；和/或

iii)其中所述多个出口孔中的至少一个在所述第二方向上与所述入口孔间隔开，并且所述多个出口孔中的至少另一个在所述第三方向上与所述入口孔间隔开。

16.根据权利要求15所述的设备，包括用于随着时间改变在所述第一和/或第二和/或第三方向上推进离子的力的控制装置，使得具有所述第一和/或第二物理化学性质的相同值的离子在不同的时间离开不同的出口孔。

17.根据权利要求7所述的设备，其中离子根据它们的离子迁移率在所述第一和/或第三方向上分离；或者

其中所述离子根据不同的分离技术在所述第一和/或第二和/或第三方向上分离，所述不同的分离技术任选地选自：低电场离子迁移率分离；高电场离子迁移率分离；差分迁移率分离；和通过使用势垒驱动离子通过气体的离子迁移率分离。

18.根据权利要求1或2所述的设备，包括用于通过在所述第一方向移动一个或多个DC电压而在所述第一方向上驱动离子的装置。

19.根据权利要求1所述的设备，其中：

所述用于在所述第一方向上推进离子通过所述设备的装置包括用于通过在所述第一方向移动一个或多个DC电压而在所述第一方向上推进离子通过所述设备的装置；

所述低于环境气压是低于大气压并且大于或等于10^-4毫巴的压力；和

所述设备被配置成使得离子不被气流驱动通过所述设备。

20.一种离子迁移谱仪或质谱仪，包括根据前述权利要求中任一项所述的设备。

21.一种使用根据权利要求1至19中任一项所述的设备在低于环境气压下分离离子的方法，包括在所述第一方向上推进离子，并且当所述离子在所述第一方向上行进时在所述第二方向上推进离子使得离子在所述第二方向上根据物理化学性质分离并且使得具有所述物理化学性质的第一值或第一值范围的离子通过所述出口孔离开所述设备，并且具有所述物理化学性质的不同值或不同值范围的其他离子不通过所述出口孔离开所述设备；

其中所述第一物理化学性质是离子迁移率。

22.根据权利要求21所述的方法，其中：

所述在所述第一方向上推进离子的步骤通过在所述第一方向移动一个或多个DC电压而在所述第一方向上推进离子而进行；

离子不被气流驱动通过所述设备。

23.一种离子迁移率光谱测定或质谱测定的方法，包括根据权利要求21所述的方法。