用于空间压缩和提高离子的迁移率分辨率的方法和设备

本申请是申请日为2017年4月20日、申请号为201780041489.9、名称为“用于空间压缩和提高离子的迁移率分辨率的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年5月17日提交的美国专利申请第15/157,217号的权益，该申请通过引用结合于此。

关于联邦资助的研究或开发的声明

根据美国能源部授予的合同DE-AC0576RL01830，本发明是在政府支持下完成的。政府对本发明有一定的权利。

技术领域

本发明涉及离子空间压缩、累积和离子分离的增加的迁移率分辨率。更具体地，本发明涉及通过施加间歇行波来将离子分布压缩成更窄的峰或再分布离子峰，导致信噪比和峰分辨率提高。

背景技术

在行波(TW)分离中，不同迁移率的离子通常通过间歇施加DC电压基于其在移动电场中的相对运动而分离。这种TW轮廓在离子运动的预期方向上移动。TW会产生周期性的高点和低谷，如果磁场相对于离子的移速度非常慢，离子就会困在低谷中。随着TW向前移动，根据TW的移动速度，离子停留在其低谷中或者在波上翻转，回落到先前的潜在低谷中。这种翻转的次数取决于物质的离子迁移率，这导致基于迁移率的分离；移动性较低的物质更频繁地翻滚，需要更长的时间来穿越给定距离。

对于传统的离子迁移率分离，随着分离距离的增加，需要更大的电压，就像使用恒定漂移场的传统迁移率分离一样。因此，极长的路径长度分离是不可行的。基于TW的分离可以用来避免这种限制，但是限制仍然存在。TW离子迁移率分离益处的实际实现受到考虑因素的限制，这些考虑因素包括行波中扩散离子翻转引起的峰展宽。当使用非常长的路径长度时，这导致离子迁移率分离的宽峰，使得检测困难，信噪比(S/N)低。此外，由于大量通过时的峰加宽和信号稀释，多通道/循环路径离子迁移率分离的范围同样受到限制。事实上，对于这种装置，一个峰会因这种效应而扩展，以填满整个路径，并且使得这种方法对于移动性非常相似的物质是无效的。TW分离的这个问题的解决方案将能够克服扩散/峰加宽相关的问题，并允许提供非常高离子迁移谱(IMS)分辨率的新型仪器。

这种应用中的一个相关挑战是显著增加初始离子数量，以便在检测时增加S/N，但是空间电荷效应限制了最初可以注入的用于IMS分离的离子群体的尺寸。因此，虽然离子阱通常用于积累离子，以注入IMS中，但一个关键限制是空间电荷容量，该容量限制了最大电荷数，通常为约106或至多107。虽然初始注入脉冲可以通过延长时间而变得更大，但是较长的注入脉冲也会使峰更宽，并且与期望的更高分辨率不兼容。这个问题没有明显的解决方案，导致需要经常重复多次分离，然后对结果求和或求平均值，以提高S/N。

在IMS中，实现高分辨率的传统方法是：1)通过构建长路径长度来增加IMS单元的物理尺寸，2)增加压力，以及3)在少数情况下，在循环或多通道装置中循环离子包。制造这种系统的实用性阻碍了IMS单元的物理尺寸的增加，并且在恒定场IMS的情况下，增加物理长度，需要漂移电压的成比例增加。最大漂移电压受到电击穿现象的限制。或者，缓冲气体的压力可以增加，然而，由于长时间在高压下捕获离子的能力差，伴随着离子的显著损失。增加压力，还需要恒定场IMS中漂移电压的成比例增加，如上所述，漂移电压受到击穿电压的限制。最后，为了获得高分辨率，可以通过在回旋加速器装置中多次循环离子包来增加路径长度。然而，由于离子之间的间隔越来越大，峰的尺寸也越来越大，最终当一个峰充满整个装置时，可以有效施加的通过次数逐渐受到限制。循环或多通道设置的长度可以做得更长，以增加可同时分离的移动性范围，然而，这种装置笨重且难以制造。因此，需要新的方法来解决上述挑战。

发明内容

本发明涉及用于离子空间压缩和提高IMS中离子分辨率或在其他分离之后提高S/N的方法和设备。在本发明的一个实施例中，公开了一种峰离子压缩设备。该设备包括装置，基本上连续的离子束引入其中。该设备还包括间歇行波，其施加到所述装置中，用于将离子压缩成较窄分布的离子峰。在一个实施例中，通过改变间歇行波的占空比，离子包压缩成较窄分布的峰。

在一个实施例中，由于在装置的正常(非间歇)行波和间歇行波部分之间的界面处，基本连续的入射光束合并到单个阱中，而发生峰分布宽度的减小。

在另一实施例中，本发明用于多通道设计中，以捕获和积累大得多的离子群体，然后在分离期间的不同时间施加空间压缩，导致S/N大大增加，同时IMS分辨率也大大提高。

在本发明的另一实施例中，公开了一种离子峰压缩的方法。该方法包括将基本上连续的离子束引入到装置中。该方法还包括向该装置施加间歇行波，用于将离子压缩成较窄的离子峰。

在本发明的另一实施例中，公开了一种用于离子峰压缩的设备。该装置包括装置，离子包引入其中。该设备还包括第一电场，用于根据离子包的迁移率在时间上或空间上分散离子包。该设备还包括第二间歇行波，用于将分散的离子包重新组合或合并成较少数量的具有较窄峰的俘获区。在一个实施例中，通过改变间歇行波的占空比，离子包合并到较窄的峰区域中。

第一电场可以是根据2015年10月7日提交的题为的Method and Apparatus forControlling Ions in a Gas Phase的美国专利申请62/238,291中提供的描述形成的连续行波场，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。

在一个实施例中，第一电场施加到第一离子运动区域，第二间歇行波(或“断续”波)施加到第二离子运动区域。第一电场区域中的离子运动方向可以与第二间歇行波区域中的离子运动方向正交布置或者在与第二间歇行波区域中的离子运动方向相同的方向布置。或者，第一电场区域和第二间歇行波区域可以相对于彼此以0°-359°之间的任何角度布置。

在一个实施例中，间歇行波将来自两个或多个俘获区的离子合并成一个。在另一实施例中，间歇行波将来自四个或更多俘获区的离子合并成一个。

在一个实施例中，在预定范围的离子包重新分组或合并到较窄的峰区域中之后，并且在检测之前，可以用非间歇行波代替间歇行波。

在本发明的另一实施例中，公开了一种离子峰压缩的方法。该方法包括将离子包引入装置。该方法还包括施加第一电场，用于将离子包分散到多个俘获区。该方法还包括施加第二间歇行波，用于将分散的离子包重新组合或合并成较少数量的具有较窄的峰的俘获区。

在本发明的另一实施例中，公开了一种提高IMS中离子分辨率的方法。该方法包括将混合离子包引入IMS装置。该方法还包括通过向装置施加恒定或可变电场，来根据离子的迁移率分离离子。该方法还包括反转电场，以将离子包移动到分离步骤之前的位置；并且重复分离和反转步骤，直到获得期望的分辨率。该方法有效地增加了IMS分离的路径长度，而没有物理地增加IMS装置。

反转步骤的电场不同于分离步骤的电场。

在一个实施例中，该方法还包括在分离离子的步骤和/或反转电场的步骤之后，压缩离子包。

在一个实施例中，在反转步骤期间不发生离子分离。

反转步骤可以包括降低速度或增加电场的幅度。

在本发明的另一实施例中，公开了一种用于提高IMS中离子分辨率的设备。该设备包括IMS装置，混合离子包引入其中。该设备还包括施加到装置的恒定或可变电场，用于根据离子迁移率分离离子。该设备还包括离子压缩器，用于使离子变窄或压缩；并且在没有分离发生的条件下，在相反方向上施加TW，例如，使用更高的TW幅度，以将离子包移动到当施加恒定或可变电场或TW用于离子分离之前的位置。

在本发明的另一实施例中，公开了一种用于提高电离之前任何分离的离子分辨率的设备。这包括在例如GC或LC分离后形成的离子，并在检测期间应用TW峰压缩，以有利于S/N。

在一个实施例中，液相分离之后，转化为气相离子，然后将气相离子注入施加间歇/断续行波用于峰压缩的区域。

在本发明的另一实施例中，公开了一种与长路径长度和/或多通过行波IMS装置结合使用的设备，例如，在美国专利No.8,835,839中描述的装置，在下文中称为无损离子操纵(SLIM)装置的结构。

在本发明的另一实施例中，公开了一种用于提高IMS中离子分辨率的设备。该设备包括IMS装置，大的离子包或连续的离子束引入其中。该设备还包括离子压缩器，用于使捕获离子的体积部分变窄或压缩。该设备还包括施加到该装置的TW恒定或可变电场，用于根据离子的迁移率部分分离离子。该设备还包括另外使用压缩器，用于使离子变窄或压缩，在空间电荷效应由于部分分离而降低之后施加，从而产生具有大得多的峰强度和S/N的最终分离。

在本发明的另一实施例中，公开了一种用于在任何分离装置(例如但不限于GC或LC)之后提高离子分辨率的设备。该设备包括装置，来自分离的离子包引入其中。该设备还包括在检测之前施加的离子压缩器，用于使来自分离的峰中的离子变窄或压缩。

在本发明的另一实施例中，公开了一种用于提高SLIM IMS中离子的分辨率和S/N检测的设备。该设备包括SLIM IMS装置，大的离子包或连续的离子束在一段时间内引入其中。该设备还包括初始离子压缩器，用于使离子部分变窄或压缩。该设备还包括施加到装置的恒定或可变电场，用于根据离子迁移率部分分离离子。该设备还包括额外的离子压缩器，用于使离子变窄或压缩，在空间电荷效应由于部分分离而降低之后施加，从而产生具有更大峰强度和S/N的最终分离。

在本发明的另一实施例中，公开了一种用于提高来自SLIM IMS中的分离的离子的分辨率和S/N检测的设备。该设备包括SLIM装置，大的离子包或连续的离子束在一段时间内引入其中。该设备还包括初始离子压缩器，用于使离子部分变窄或压缩。该设备还包括施加到装置的恒定或可变电场，用于根据离子迁移率部分分离离子。该设备还包括额外的离子压缩器，用于使离子变窄或压缩，在空间电荷效应由于部分分离而降低之后施加，从而产生具有更大峰强度和S/N的最终分离。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的用于离子峰压缩的设备的示意图，该设备包括正常行波和“断续”或间歇行波，线性和其他设置也是实用的；

图2A-2C示出了使用图1的设备进行空间峰压缩的结果；图2A是离子峰扩展的初始分布，图2B和2C涉及对离子分布具有窄化效应的间歇行波的应用；

图3A和3B示出了没有压缩的空间峰压缩(图3A)和在施加间歇行波之后的2x压缩(图3B)；

图4A示出了根据本发明的一个实施例的通过与设备的压缩器区域正交布置的分离区域的离子运动；

图4B是施加到分离区域的正常行波的频率随时间的曲线图；

图4C是施加到设备的压缩器区域的间歇行波的频率随时间的曲线图；

图5是分离区域和压缩器区域的一个变体，这两个区域在相同或相似的方向上布置；

图6是分离区域和压缩器区域的另一变体，压缩器区域位于分离区域之前；

图7是分离区域和压缩器区域的另一变体，包括动态选通离子进入这两个区域中的任一个；

图8A、8B和8C是分离区域和压缩器区域的变化，这两个区域的相对尺寸和相对位置具有任意组合；

图9A和9B示出了非压缩离子包(图9A)和压缩离子包(图9B)的到达时间分布和强度；

图10A和10B示出了非压缩连续离子束(图10A)和压缩连续离子束(图10B)的到达时间分布和强度；

图11示出了当电压施加到图1的一个压缩器电极时占空比随时间的变化，最初没有压缩，然后占空比改变，以允许压缩，然后，在一定时间之后，占空比改变为不同的占空比，该占空比可能与初始占空比相似或不同；

图12是根据本发明的一个实施例的用于提高IMS中分辨率的设备的简化方框图；

图13A-13E示出了根据本发明的一个实施例的提高IMS分辨率的不同阶段(一些可选阶段)，包括离子分离(图13A)、电场方向反转的可选离子压缩(图13B)、离子移回到分离阶段之前的位置(图13C)、可选离子压缩(图13D)以及重复离子分离(如果认为必要)，直到获得期望的分辨率(图13E)。

具体实施方式

以下描述包括本发明的优选实施例。从本发明的该描述中可以清楚地看出，本发明不限于这些图示的实施例，而是本发明还包括对其的各种修改和实施例。因此，本说明书应被视为说明性的而非限制性的。虽然本发明允许各种修改和替代构造，但是应当理解，并不打算将本发明限于所公开的特定形式，相反，本发明将覆盖落入权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造和等同物。

公开了用于提高行波离子迁移率和其他应用中的信噪比的方法、装置和设备，其中，当外力(例如，电压场)施加在离子上时，基于离子的迁移率分离离子，或者通过其他手段分离离子，包括在电离之前。本发明包括施加间歇的或“断续”行波，该行波将离子分类、压缩或重新组合成更少的迁移率‘箱’，其中，箱在本文中被定义为两个波之间的一个俘获区。由于离子的这种装箱具有相同或非常相似的迁移率，所以信号强度增加。在分类/重组/压缩步骤之后，可以通过短的额外漂移时间来恢复由于峰聚束导致的分辨率损失。这种“重新装箱”可以简单地将每两个或更多个相邻的箱组合成一个箱，即，给出2或更大的整数值的压缩比，但是其他更复杂的重新装箱是可行的，并且其中，压缩比变化或以某种方式编程，以例如在分离期间随着峰变得更宽而应用更大的压缩。

本发明还公开了通过有效地增加路径长度来实现IMS分离而无需物理地增加IMS装置或单元，来增加行波离子迁移率分离的分辨率的方法、装置和设备。因此，可以根据需要多次使用相同的路径长度，来实现高分辨率。

图1是根据本发明的一个实施例的用于离子迁移率分离的设备的示意图。当离子引入设备或装置时，施加行波电场，用于根据离子包的迁移率在时间上或空间上分离离子包。因此，离子分散或散布在多个行进陷阱或箱上。当该“正常”或连续移动的行波与第二区域相接时，散布在正常行波的多个俘获箱上的离子重新填充到较少数量的具有较窄峰的俘获区中，在该第二区域中，“断续”或间歇的行波-移动的行波间歇地停止。因此，分散在许多行进陷阱的长路径上的离子分类成不同的、更窄的分布，涉及更少数量的箱。

这种重新填充的程度取决于间歇行波的占空比，即，行波停止和移动的相对时间。在如此重新填充选定或预定范围的离子迁移率峰之后，间歇行波可以被正常行波所取代。这可以发生在检测之前。

由于将具有相似迁移率的离子重新组合到更窄的迁移率箱或陷阱中，实现了更高的信噪比。通过将两个电场(正常行波和间歇行波)反复相接，即，在多通过分离中，可以实现更多的循环。通过适当选择这种峰聚束的频率和顺序，实际上无限的峰分辨率是可行的。

图2A-2C示出了使用图1的设备进行空间峰压缩的结果。图2A是在这个示例中分散在48个电极上的离子的初始分布或峰。初始分布的全宽半峰(FWHM)约为16mm。

图2B和2C示出了当施加间歇行波时离子分布的变窄效应。在图2B中，两个箱中的离子合并成一个，FWHM减小到大约9mm。图2C示出了将4个箱的离子合并成一个的效果。图2C中的FWHM进一步降低到约6.3mm，导致信噪比增加。

图3A和3B示出了没有压缩的空间峰压缩(图3A)和在施加间歇行波之后的2x压缩(图3B)，用于具有不同迁移率的两种离子-K

图4A示出了根据本发明的一个实施例的通过与设备的压缩器区域正交布置的分离区域的离子运动。正常行波区域(称为分离区域)具有恒定的行波频率，如图4B的曲线图所示，并且在这个示例中，该区域垂直定向并垂直于间歇行波区域。间歇行波区域(称为压缩器区域)具有间歇非零行波频率，如图4C的曲线图所示，并且在这个示例中，水平定向。箭头指示离子轨迹路径。

图5是图4A的分离区域和压缩器区域的一个变体，这两个区域在相同或相似的方向上布置。当区域在同一方向布置时，对信噪比和分辨率的影响类似于图4A的正交方向。

图6是图4A和图5的分离区域和压缩器区域的另一变体，压缩器区域位于分离区域之前。例如，当不需要离子压缩之前的离子捕获或分离时，图6的配置可能是有用的；压缩器用作随后分离的注入装置。

图7是装置的分离区域和压缩器区域的另一变体，包括动态选通离子进入这两个区域(即，分离区域和压缩器区域)中的任一个。

图8A、8B和8C是分离区域和压缩器区域的变化，这两个区域的相对尺寸和相对位置具有任意组合。图8A示出了压缩器区域，接着是分离区域，然后是相同模式的重复。图8B和8C示出了配置有轨道运动或处于轨道运动中的区域。

图9A和9B示出了非压缩离子包(图9A)和压缩离子包(图9B)的到达时间分布和强度。

图10A和10B示出了非压缩连续离子束(图10A)和压缩连续离子束(图10B)的到达时间分布和强度。

图11示出了当电压施加到图1的一个压缩器电极时占空比随时间的变化，最初没有压缩，然后占空比改变，以允许压缩，然后，在一定时间之后，占空比改变为不同的占空比，该占空比可能与初始占空比相似或不同。

图12是根据本发明的一个实施例的用于提高IMS中分辨率的设备的简化方框图。该设备包括耦合到IMS分离装置的可选离子压缩器，该IMS分离装置进一步耦合到另一可选离子压缩器。

图13A-13E示出了根据本发明的一个实施例的提高IMS分辨率的不同阶段(一些可选阶段)。在图13A中，脉冲离子引入IMS装置，然后，通过向装置施加恒定或可变的电场，根据离子的迁移率将其分离。接下来，在图13B中，可选的离子压缩器使离子变窄或压缩，电场反转。反转电场导致离子移回到分离阶段之前的位置，如图13C所示。在图13D中示出另一可选的离子压缩阶段。在图13B-13D之间没有IMS分离。如图13E所示，可以重复该过程，直到获得期望的分辨率。

虽然已经示出和描述了本发明的多个实施例，但是对于本领域技术人员来说，很明显，在不脱离本发明的更广泛方面的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，所附权利要求旨在覆盖所有这些变化和修改，因为其落入本发明的真实精神和范围内。