CN106373854B - 一种离子导引装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离子导引装置，包括沿某一空间轴延伸放置的两组电极、第一电源装置和第二电源装置；所述两组电极沿与所述空间轴垂直的方向扩展排布，并且每组电极内的每个电极至少有一个表面基本处于同一空间面上，且所述两组电极所处空间面不是同一空间面且不平行，从而形成与所述空间轴垂直的方向上的截面积逐渐减小的离子传输通道；所述第一电源装置用于在所述两组电极的至少一部分电极上施加射频电压；所述第二电源装置用于在所述两组电极的至少一部分电极上施加电压信号。本发明的离子导引装置的结构简单，便于加工装配和功能拓展，同时能够实现离子的高效传输和有效压缩。

Description

一种离子导引装置

技术领域

本发明涉及一种离子导引装置，特别是涉及一种采用渗透电压对离子进行轴向驱动的离子导引装置。

背景技术

众所周知，离子导引装置是质谱仪不可缺少的关键部件，其性能的好坏，极大地制约了整台质谱仪在灵敏度、质量范围、扫描速度等诸多方面的性能。从当前主流商业质谱仪采用的各种离子导引装置来看，四极杆和多极杆(通常为六极杆或八极杆)通常是最为常见的结构。四极杆作为离子导引装置，其优点是具有较好的离子束压缩效果，因而便于将离子高效地导入下一级离子光学器件。然而，相比多极杆而言，四级杆的离子接收面积较小，离子的传输效率较低。另外，四极杆和多极杆的工作气压通常较低，以保证射频电压产生的交流电场可以有效地束缚离子。同时，由于没有轴向的驱动电场，离子只能靠初始动能或气流的带动完成轴向的传输，因而离子在其内的驻留时间相对较长，影响了仪器的分析速度。

在美国专利US6107628中，Richard D.Smith等人公开了一种离子漏斗技术，其采用了一系列内径逐渐减小的环形电极，沿轴向堆叠起来，形成开口逐渐减小的漏斗结构。由于各相邻环形电极间施加反相的射频电压，同时各电极之间通过电阻串联在一起形成轴向分压结构，因而在该离子漏斗结构中形成了径向多极场和轴向电场来实现离子的轴向传输和径向压缩。该装置兼顾了四极杆的离子压缩功能和多极杆的离子接收面积大和传输效率高的优点，同时还能在极高的气压下工作。然而，该技术方案由于采用环形电极的堆叠结构，轴向上各电极存在分段，因而需要进行轴向的分压设计来实现离子的轴向驱动，使得该装置结构和电路连接较为复杂，不便于加工。另外，其抗样品污染能力较弱。

在另外一个美国专利US8299443B1中，Alexander A.Shvartsburg等人提出了一种平板式的离子漏斗装置，在上述离子漏斗装置的基础上，采用平板式的结构设计以及极其微小的电极尺寸和电极间隙(<200um)，来提高离子漏斗的工作气压以及放电电压。然而，该平板离子漏斗装置其基本工作原理和设计思想与上述的离子漏斗装置并无太大区别。

另外，在美国专利US8835839B1中，Gordon A.Anderson等人提出了一种无损离子操纵结构，该结构由依附在两个平面上的电极阵列组成，通过施加射频和直流电压，从而在该结构中实现对离子的各种操纵。该结构的灵活扩展性极其依赖于一组平行的平面电极结构。另外，其很难实现离子的压缩效果。

在美国专利US5847386中，Bruce A.Thomson等人提出了一种由杆电极组成的离子导引结构，通过改变杆电极的截面大小以及杆电极彼此头尾的间距来建立轴向驱动电场，同时还提出使用辅助电极来调整轴向电势分布。但该结构需要改变电极的截面来建立轴向电场，且涉及在两个方向上改变各杆电极头尾的间距，即形成该结构的入口截面和出口截面在两个方向上同时发生了改变，还需要依赖于辅助电极，使得其结构较为复杂。

类似地，在另外一篇美国专利US7868289B2中，Lisa Cousins等人提出了一种由平行的矩形截面的杆电极组成的离子导引装置，且杆电极的截面沿其长度方向逐渐缩小，同时该离子导引装置被一个附带的圆筒电极包围住，从而可以建立轴向的驱动电场。同样，该结构较为复杂，且依赖所述圆筒电极。

另外，在美国专利US8193489B2中，James L.Bertsch等人提出了一种将多极杆逐渐演变为多个四极杆的离子导引和压缩装置，然而其需要在各杆电极上施加一个沿其长度方向的直流电压降以建立轴向的驱动电场。

同时，在美国专利US6891157B2中，Robert Harold Bateman等人也提出了一种放置在平面上的平板电极组成的离子传输结构。该装置的特点在于通过组合不同的平板电极，可以实现复杂的离子传输路径，从而可以降低中性分子带来的噪音。然而，在此专利中并未提出通过在垂直于轴向的方向上施加电压梯度从而在轴向上产生渗透电压梯度以驱动离子延轴向传输的概念。另外，该装置的限制还在于极其依赖于平板电极，因而其电极间的电容较大，在使用射频电源对离子进行束缚时会有比较大的功率消耗。

综上所述，现有的离子导引和压缩技术的电极结构和电路连接均较为复杂，且不便于加工。因此，目前来看，使用简易的结构来完成高效率的离子传输和压缩是一个热点研究课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种离子导引装置，包含沿某一空间轴延伸放置的两组电极***组成的离子通道，且该离子通道在垂直于轴的平面上的截面积沿轴向逐渐减小，并通过在垂直于轴的方向上施加电压梯度从而产生轴向的电压梯度，以驱动离子沿轴向传输，其电极形状和装置结构简单，便于加工装配和功能拓展，同时能够实现离子的高效传输和有效压缩。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种离子导引装置，包括沿某一空间轴延伸放置的两组电极、第一电源装置和第二电源装置；所述两组电极沿与所述空间轴垂直的方向扩展排布，并且每组电极内的每个电极至少有一个表面基本处于同一空间面上，且所述两组电极所处空间面不是同一空间面且不平行，从而形成与所述空间轴垂直的方向上的截面积逐渐减小的离子传输通道；所述离子传输通道的离子入口开口较大，离子出口开口较小；所述第一电源装置用于在所述两组电极的至少一部分电极上施加射频电压，以在垂直于所述空间轴的至少一个方向上束缚所述离子传输通道内的离子；所述第二电源装置用于在所述两组电极的至少一部分电极上施加电压信号，以在垂直于所述空间轴的至少一个方向上形成电压分布来控制离子运动，并在所述空间轴方向上形成电压分布来沿所述空间轴驱动离子传输。

根据上述的离子导引装置，其中：所述空间轴为直线轴或曲线轴。

进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：所述空间轴为曲线轴时，所述离子入口处的轴线方向为第一轴向，所述离子出口处的轴线方向为第二轴向，所述第一轴向和第二轴向之间的夹角为小于10度，10～20度、20～30度、30～40度、40～50度、50～60度、60～70度、70～80度、80～90度、90～100度、100～110度、110～120度、120～130度、130～140度、140～150度、150～160度、160～170度和170～180度中的一种。

根据上述的离子导引装置，其中：所述两组平板电极中的电极采用平板电极或曲面电极。

根据上述的离子导引装置，其中：所述平板电极包括方杆电极、矩形平板电极、扇形平板电极和依附在绝缘基板上的薄层平板电极中的一种或组合。

更进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：所述绝缘基板是印刷线路板、聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中的一种。

进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：所述曲面电极为部分表面为曲面的电极或各面均为曲面的电极。

根据上述的离子导引装置，其中：所述空间面为平面和/或曲面。

根据上述的离子导引装置，其中：所述离子入口与所述离子出口的面积大小比例为1～10、10～100、100～1000和大于1000中的一种。

根据上述的离子导引装置，其中：所述第一电源装置对每组电极内的所有电极依次施加极性相反的射频电压。

根据上述的离子导引装置，其中：所述第二电源装置施加的电压信号为直流、方波、锯齿波、三角波以及交流电压中的一种或组合。

进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：所述方波的占空比范围为0～10％、10％～20％、20％～40％、40％～60％、60％～100％中的一个或多个。

进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：所述交流电压信号的频率在10Hz～100MHz之间。

根据上述的离子导引装置，其中：所述两组电极在垂直于所述空间轴方向上的扩展排布为平行扩展排布和/或非平行扩展排布。

根据上述的离子导引装置，其中：所述两组电极的所有电极沿轴向没有分段。

根据上述的离子导引装置，其中：还包括辅助电极，所述辅助电极放置在离子导引装置的两侧，所述第二电源装置对所述辅助电极施加电压信号，以在垂直于所述空间轴的方向上限制离子运动，并在所述离子通道内产生轴向电压梯度驱动离子传输。

进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：所述辅助电极与所述空间轴平行或不平行。

进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：所述辅助电极为平面电极或曲面电极。

根据上述的离子导引装置，其中：所述离子导引装置的工作气压范围为2×10⁵Pa～2×10³Pa、2×10³Pa～20Pa、20Pa～2Pa、2Pa～2×10^-1Pa、2×10^-1Pa～2×10^-3Pa和小于2×10^-3Pa中的一种或多种。

根据上述的离子导引装置，其中：所述离子导引装置的最优工作气压范围为0.1Pa～100Pa。

根据上述的离子导引装置，其中：所述两组电极沿垂直于所述空间轴的方向扩展形成为阵列式结构。

根据上述的离子导引装置，其中：所述两组电极***沿某一封闭曲线扩展形成为封闭的阵列式结构。

根据上述的离子导引装置，其中：包括多个离子注入口，用于将离子注入所述离子入口。

进一步地，根据上述的离子导引装置，其中：离子的注入方向为所述空间轴方向和垂直于所述空间轴方向中的一种或组合。

根据上述的离子导引装置，其中：所述离子导引装置作为质谱仪或离子迁移谱仪的前级离子导引装置、离子迁移率分析装置、离子压缩装置、离子储存装置、碰撞室和离子集束装置中的一种或组合。

如上所述，本发明的离子导引装置，具有以下有益效果：

(1)电极形状和装置结构简单，便于加工装配和功能拓展；

(2)能够实现离子的高效传输和有效压缩；

(3)能够应用于质谱和离子迁移谱等相关技术领域；

(4)能够应用于垂直引入式离子飞行时间质谱仪的离子束压缩，通过对离子束的高效压缩，降低离子的初始空间分布，以提高仪器的分辨率；

(5)在三重四极质谱仪以及其他质谱仪器中，便于实现偏轴离子光学设计，既能有效降低中性气体分子的干扰，提高仪器的信噪比，又能极大缩小仪器的体积。

附图说明

图1显示为本发明的离子导引装置的最佳实施例的结构示意图；

图2显示为本发明的离子导引装置的典型电压施加方式示意图；

图3显示为本发明的离子导引装置的离子出口处形成的近似四极场离子通道的结构示意图；

图4显示为本发明的离子导引装置内离子轨迹的侧向视图；

图5显示为本发明的离子仿真试验中检测器上检测到的狭缝开口方向上的离子束分布图；

图6显示为本发明中可独立控制横向电压分布时离子导引装置的电压施加方式示意图；

图7显示为本发明中调整横向电压分布时离子选择不同离子通道时的离子轨迹示意图；

图8显示为本发明的矩形平板电极组成的离子导引装置的结构示意图；

图9显示为本发明的扇形平板电极组成的离子导引装置的结构示意图；

图10显示为本发明的基于绝缘基板的薄层平板电极组成的离子导引装置的结构示意图；

图11显示为本发明的呈90°偏转结构的方杆电极组成的离子导引装置的结构示意图；

图12显示为本发明的呈180°偏转结构的方杆电极组成的离子导引装置的结构示意图；

图13显示为本发明的带有两侧辅助电极的离子导引装置的结构示意图；

图14显示为本发明的两侧辅助电极不与空间轴平行时的离子导引装置的结构示意图；

图15显示为本发明的横向扩展方向上为非平行结构的离子传导装置的结构示意图；

图16(a)显示为本发明的沿90度偏转的空间轴组成的一种离子导引装置的结构示意图；

图16(b)显示为本发明的沿90度偏转的空间轴组成的另一种离子导引装置的结构示意图；

图17(a)显示为本发明的沿180度偏转的空间轴组成的一种离子导引装置的结构示意图；

图17(b)显示为本发明的沿180度偏转的空间轴组成的另一种离子导引装置的结构示意图；

图18显示为本发明的离子仿真实验中离子在沿90度偏转的空间轴组成的离子导引装置内的离子偏转轨迹示意图；

图19显示为本发明的有多个离子注入来源时的阵列式电极结构的示意图；

图20显示为本发明中垂直于空间轴注入离子时的阵列式电极结构的示意图；

图21显示为本发明的有离子储存功能的阵列式电极结构的示意图；

图22显示为本发明的有离子迁移率分析功能的阵列式电极结构的示意图；

图23显示为本发明的有离子迁移率分析功能的封闭电极阵列结的构示意图。

元件标号说明

10 离子导引装置

101a 平板电极

101b 平板电极

102 空间轴

103 电极

104 离子入口

105 离子出口

106 狭缝

107 检测器

108 辅助电极

400 阵列式电极结构

401 离子注入口

402 离子流

403 离子出口通道

404 离子存储区域

410 封闭式电极结构

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的离子导引装置是一种对离子流进行传输、压缩、分流和碰撞解离等操作的离子导引装置及离子迁移率分析装置，可用于质谱仪、离子迁移谱仪等离子分析仪器。

具体地，本发明的离子导引装置包含沿某一空间轴延伸放置的两组电极***组成的离子通道，且该离子通道在垂直于轴的平面上的截面积沿轴向逐渐减小；通过在垂直于轴的方向上施加电压梯度从而产生轴向的电压梯度，以驱动离子沿轴向传输；其中，电极不需要轴向分段，非常易于加工和装配，同时也降低了电路设计的复杂程度；同时离子入口大、离子出口小，既保证了较大的离子接收面积，又可以实现非常好的离子压缩效果。因此，本发明的离子导引装置可用于质谱、离子迁移谱以及其联用装置，用于实现离子的传输、碰撞解离以及离子束的压缩和分流等用途。

实施例一

如图1所示为本发明的离子导引装置的最佳实施例的结构示意图。如图所示，该离子导引装置10包括沿空间轴102延伸放置的两组平板电极101a和101b，第一电源装置和第二电源装置。所述两组平板电极101a和101b沿与所述空间轴102垂直的方向扩展排布，并且每组平板电极内的每个电极103至少有一个表面基本处于同一空间面上，且所述两组平板电极101a和101b所处空间面不是同一空间面且不平行，即个两空间面之间有一非180度的夹角，从而形成与所述空间轴102垂直的方向上的截面积逐渐减小的离子传输通道。所述离子传输通道的离子入口104开口较大，离子出口105开口较小。需要说明的是，每组平板电极内的每个电极103至少有一个表面处于同一空间面上是本发明的最优实施例。但是，在上述基础上，每组平板电极内的每个电极103至少有一个表面在一定微小误差范围内处于同一空间面上也属于本发明的保护范围之内。

第一电源装置用于在所述两组平板电极的至少一部分电极上施加射频电压，以在垂直于所述空间轴102的至少一个方向上束缚所述离子传输通道内的离子；

第二电源装置用于在所述两组平板电极的至少一部分电极上施加电压信号，以在垂直于所述空间轴102的至少一个方向上形成电压分布来控制离子运动；同时由于所述离子传输通道在垂直于所述空间轴方向上的截面积沿所述空间轴逐渐减小，因此导致垂直于所述空间轴102方向上的电压分布在所述空间轴102方向上形成一定的电压分布，从而可以沿所述空间轴驱动离子传输。

优选地，空间面为平面和/或曲面。

优选地，离子入口与离子出口的面积大小比例为以下几种可能的情况，包括：a)1～10；b)10～100；c)100～1000；d)>1000。

优选地，第二电源装置施加的电压信号为直流、方波、锯齿波、三角波以及交流电压中的一种或组合。其中，所述方波的占空比可调，为以下范围中的至少一个，包括：a)0～10％；b)10％～20％；c)20％～40％；d)40％～60％，e)60％～100％。所述交流电压信号的频率在10Hz～100MHz之间。

优选地，所述两组电极的所有电极沿轴向没有分段。

优选地，所述离子导引装置作为质谱仪或离子迁移谱仪的前级离子导引装置、离子迁移率分析装置、离子压缩装置、离子储存装置、碰撞室和离子集束装置中的一种或组合。

优选地，所述离子导引装置的工作气压范围为2×10⁵Pa～2×10³Pa、2×10³Pa～20Pa、20Pa～2Pa、2Pa～2×10^-1Pa、2×10^-1Pa～2×10^-3Pa和小于2×10^-3Pa中的一种或多种。其中，离子导引装置10最适宜的工作气压范围为0.1Pa～100Pa之间。当离子经由上游离子光学器件引入离子入口104后，离子与中性气体相互碰撞，失去大量动能，因而迅速冷却。为了减小由于自由扩散引起的离子损失，如图2所示，第一电源装置对该离子导引装置10内的所有电极103施加一组极性相反的射频电压RF1，从而在电极103表面附近形成多极场，以阻止离子靠近电极103，从而大大减少了离子损失。此外，为了限制离子在垂直于空间轴102的方向上自由扩散，如图2所示，第二电源装置在电极103上施加直流电压，以在离子通道两侧建立电压势垒，限制离子向两侧运动。同时，由于该离子导引装置10沿该空间轴102形成的离子通道截面从离子入口104向离子出口105方向逐渐变小，因而由于在两侧电极103上施加的直流电压在离子通道内渗透形成的轴向电势强度也随之逐渐减小，即在离子通道内部形成了沿该空间轴102的轴向电势梯度。该轴向电势梯度用于驱动离子从离子入口104沿该空间轴102向离子出口105方向传输。与此同时，随着离子通道的截面逐渐减小，射频电压RF1在离子通道内形成的多极场场半径也逐渐减小，如图3所示，最终在离子出口处逐渐形成多个具有近似四极场分布的离子出口105。

如图4所示，在离子在传输过程中，随着多极场场半径的不断减小，离子轨迹也逐渐被越来越强的多极场压缩得越来越细。在离子光学仿真实验中，离子从场半径约0.5mm左右的离子出口105引出后，穿过开口大小为0.5mm的狭缝106，最后打在检测器107上。在狭缝106的开口方向上检测到的离子束斑尺寸半峰高宽度为0.13mm左右，如图5所示。

另外，为了进一步灵活控制离子的传输轨迹，如图6所示在所有电极103上都叠加一个可以独立控制的直流电压，从而在横向上形成可以独立控制的直流电势分布来限制离子对传输通道的选择。如图7所示，通过控制横向的直流电势分布可以自由选择离子通道的数目和路径，从而实现离子束的分流效果。这非常有利于降低空间电荷效应，从而改善离子束压缩尺寸和提高动态范围等。

另外，通过调整直流电压的强度可以改变离子的驻留时间，用以匹配整个仪器的扫描速度。在该实施例的另外一种操作方式中，还可以使用占空比可调的方波电源替换直流电源，一方面可以改变占空比来调整离子的驻留时间，另一方面使用方波电压还可以实现离子流的打包操作，从而将连续的离子流切割成一簇一簇的离子包，依次将离子包从离子出口105引出。另外，改变方波电压的占空比还可以调整每个离子包的时间宽度，用以匹配后级离子分析器件的扫描速度。因此，对于后级联接诸如飞行时间质量分析器、离子阱质量分析器、轨道阱质量分析器以及离子迁移管等脉冲式离子分析器的情况来说，这可以极大地提高离子的利用效率，使得分析仪器具有非常高的离子分析占空比。使用方波电源的另外一个好处还在于可以在使用相对短的器件长度的同时，通过延长离子的飞行路径，来实现更高的离子碰撞诱导解离效率。

此外，该实施结构的另外一个操作方式中，可以使用另外一组射频电压RF2的来替代所述直流电压，施加在两侧电极103上用于限制离子往两侧运动。同时，依据赝势理论，射频电压RF2会在离子导引装置内部渗透形成等效的轴向赝势电压分布，用于驱动离子沿轴向传输。该种操作方式优于使用直流电压的好处在于，射频电压RF2在离子通道的径向上可以形成射频的聚焦场，因而可以使离子远离电极表面而向中心会聚。这可以在一定程度上降低离子打到电极表面的风险。众所周知，直流电压形成的电场只在两侧的方向上是会聚的，而在基本垂直于电极表面的方向上是发散的，因而会加剧离子朝电极表面的运动，也就增加了离子打到电极表面上的风险，不利于离子的无损传输。

在该离子导引装置10的其他实施例中，两组平板电极101a和101b还可以是如图8、9和10中所示的形式。在不脱离本发明精神的前提下，任何可以形成离子导引装置10所示结构的电极形式都应该属于本发明的保护范围。如图9所示，采用平板扇形电极形成非线性式收缩离子通道截面的结构可以进一步增强轴向渗透电压的强度，非常有利于减小离子的驻留时间，且该结构在不增加电极长度的同时，有较大的离子入口，因而可以极大增大离子的接收面积。如图10所示，所述两组薄层平板电极依附在绝缘基板上(例如印刷线路板技术，适用于镀膜工艺的其他方式)组成所述结构的离子导引装置。其中，绝缘基板可以是印刷线路板、聚酰亚胺、陶瓷、玻璃中的一种。这种方法非常适合于加工阵列式的电极结构。关于阵列式的电极结构以及其带来的一些好处将在下文一一阐述。如图11和图12所示，采用方杆电极也可以构成离子导引装置，其好处在于可以极大地减小电极间的电容，因而大大降低对射频电源输出功率的要求。其中，方杆电极可组成多种角度的偏转结构，如图11中为90°的偏转结构，图12中为180°的偏转结构。

需要说明的是，两组电极101a和101b不光可采用平板电极，还可以采用曲面电极来实现其功能。其中，曲面电极可采用部分表面为曲面的电极和/或各面均为曲面的电极。

实施例二

图13所示为本发明的离子导引装置的另外一种实施方式，用于进一步加强轴向渗透电势梯度的效果。在该结构中，一组辅助电极108放置在离子导引装置的两侧。所述第二电源装置对所述辅助电极施加电压信号。通过在其上施加电压以限制离子往两侧运动，同时在离子通道内部建立轴向的渗透电势梯度以驱动离子传输。需要说明的是，在该实施例中所述第二电源装置可选地对所述两组电极施加电压信号。该结构的好处在于辅助电极有较大的覆盖面积，因而可以从两侧往离子导引装置内部渗透更强的电势梯度，因而能减小离子的驻留时间。另外，当辅助电极108不与空间轴平行，且如图14所示在离子入口端有较小的距离、在离子出口端有较大的距离时，其在离子导引装置内部形成非线性的电势梯度可以减小离子在离子通道内的驻留时间。同时，所述辅助电极108可以为平面电极，也可以为曲面电极。另外，其他符合本发明思想的辅助电极形式，包括使用弧面电极等，也应该在本发明的保护范围之内。

实施例三

与图1所示的两组电极在横向平行扩展排布不同的是，如图15所示，本发明的离子导引装置的另外一个实施例还包括在横向扩展方向上为非平行扩展排布结构的装置。该离子导引装置的电极***在横向上并非是平行的结构，而是自离子入口开始从两侧逐渐向中心轴靠拢。该实施例的好处在于，可以使用相对少的电极数目，同时兼顾大的离子接收面积和小且集中的离子出口。另外中间两组电极实质上可以形成场半径逐渐减小的四极杆结构，因而有可以始终保持更好的离子的聚焦效果，尤其是在离子入口附近区域，从而可以在一定程度上降低离子损失。

实施例四

与图1所示的空间轴为直线轴的实施例不同的是，本发明的离子导引装置的其他实施例还包括空间轴为曲线轴的结构，如图16(a)和图16(b)所示的空间轴偏转90度的电极结构以及如图17(a)和图17(b)所示的空间轴偏转180度的电极结构。该实施例的电压施加方式以及电极***基本单元的基本形式和先前实施例近似相同。采用曲线轴结构的好处在于可以实现离子轨迹的偏转，一方面可以利用偏轴结构降低中性气体分子的干扰，另外一方面可以实现更为紧凑的仪器设计机构。图18所示为仿真实验中离子在空间轴偏转90度的电极结构内的离子飞行轨迹。

需要说明的是，当空间轴为曲线轴时，所述离子入口处的轴线方向为第一轴向，所述离子出口处的轴线方向为第二轴向，所述第一轴向和第二轴向之间的夹角为小于10度，10～20度、20～30度、30～40度、40～50度、50～60度、60～70度、70～80度、80～90度、90～100度、100～110度、110～120度、120～130度、130～140度、140～150度、150～160度、160～170度和170～180度中的一种。

实施例五

在本发明的离子导引装置的其他实施方式中，还可以将电极结构在横向上进行扩展从而形成阵列式分布的电极结构400，如图19所示。在该实施例中，离子入口端可以接收来自上级器件的多个离子注入口401的离子。离子的注入方向为所述空间轴方向和垂直于所述空间轴方向中的一种或组合。图19所示即为沿空间轴方向注入离子；图20所示即为沿垂直于空间轴方向注入离子。

如图19所示，通过横向电压分布的设置，可以将离子流402会聚到同一个离子出口通道403，并传输到下一级。因为使用该方法可以将电极结构在横向上任意扩展，故包括非常大的离子接收面积。同时，通过灵活设计横向电压的分布，可以任意操纵离子对离子出口通道的选择。因此，该阵列式分布的电极结构400非常适合于有多个离子来源的仪器结构。

另外，在该实施例的其他操作方式中，还可以动态调节横向电压分布，以使得该阵列式分布的电极结构同时具有多种离子操纵功能，比如离子存储、离子迁移率分离和测量等用途。如图21所示，当阵列式的电极分布结构400的两侧部分施加有较低或者零横向直流电压梯度时，由于轴向渗透驱动电压不够克服射频电压产生的赝势垒或者无轴向驱动电压时，离子就会在两侧的离子存储区域404进行累积。当累积一定时间后，通过改变两侧的横向电压分布，可以使两侧累积的离子重新回到正常的预定离子出口通道403内，传输并引出到下一级。如图22所示，该阵列式分布的电极结构400还可以用作离子迁移率的分离和测量装置，从一侧注入的离子受到横向电势梯度的作用向另一侧迁移，同时不断沿轴向传输。由于在迁移过程中，轴向的电势逐渐开始不能克服射频电压产生的赝势垒，因此离子在轴向上开始处于稳定状态,从而使得离子无法沿轴向飞出。一旦离子迁移到另一侧时，此处轴向的渗透电势突然增大，因而离子得以从离子出口通道403沿轴向引出。

进一步而言，如图23所示，该阵列式分布的电极结构400还可以沿另外一条封闭曲线组成一个封闭的电极分布阵列410。通过动态调节各电极上的电压分布，可以实现离子在封闭的电极阵列410内沿该封闭曲线进行一圈以上的迁移，从而可以极大地增大离子的迁移距离，实现更高的离子迁移率分辨。和前述离子引出方式类似，当引出离子时，使得某一部分电极的轴向渗透电势增大到足以克服射频电压产生的赝势垒，从而将离子依次从离子出口通道403沿轴向引出。

综上所述，本发明的离子导引装置电极形状和装置结构简单，便于加工装配和功能拓展；能够实现离子的高效传输和有效压缩；能够应用于质谱和离子迁移谱等相关技术领域；能够应用于垂直引入式离子飞行时间质谱仪的离子束压缩，通过对离子束的高效压缩，降低离子的初始空间分布，以提高仪器的分辨率；在三重四极质谱仪以及其他质谱仪器中，便于实现偏轴离子光学设计，既能有效降低中性气体分子的干扰，极大提高仪器的信噪比，缩小仪器的体积。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而且具有高度的产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (25)

1.一种离子导引装置，其特征在于：包括沿某一空间轴延伸放置的两组电极、第一电源装置和第二电源装置；

所述两组电极沿与所述空间轴垂直的方向扩展排布，并且每组电极内的每个电极至少有一个表面基本处于同一空间面上，且所述两组电极所处空间面不是同一空间面且不平行，从而形成与所述空间轴垂直的方向上的截面积逐渐减小的离子传输通道；所述离子传输通道的离子入口开口较大，离子出口开口较小；

所述第一电源装置用于在所述两组电极的至少一部分电极上施加射频电压，以在垂直于所述空间轴的至少一个方向上束缚所述离子传输通道内的离子；

所述第二电源装置用于在所述两组电极的至少一部分电极上施加电压信号，以在垂直于所述空间轴的至少一个方向上形成电压分布来控制离子运动，并在所述空间轴方向上形成电压分布来沿所述空间轴驱动离子传输；以及在所有电极上都叠加一个独立控制的直流电压，从而在横向上形成独立控制的直流电势分布来限制离子对传输通道的选择。

2.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述空间轴为直线轴或曲线轴。

3.根据权利要求2所述的离子导引装置，其特征在于：所述空间轴为曲线轴时，所述离子入口处的轴线方向为第一轴向，所述离子出口处的轴线方向为第二轴向，所述第一轴向和第二轴向之间的夹角为小于10度，10～20度、20～30度、30～40度、40～50度、50～60度、60～70度、70～80度、80～90度、90～100度、100～110度、110～120度、120～130度、130～140度、140～150度、150～160度、160～170度和170～180度中的一种。

4.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述两组电极中的电极采用平板电极或曲面电极。

5.根据权利要求4所述的离子导引装置，其特征在于：所述平板电极包括方杆电极、矩形平板电极、扇形平板电极和依附在绝缘基板上的薄层平板电极中的一种或组合。

6.根据权利要求5所述的离子导引装置，其特征在于：所述绝缘基板是印刷线路板、聚酰亚胺、陶瓷和玻璃中的一种。

7.根据权利要求4所述的离子导引装置，其特征在于：所述曲面电极为部分表面为曲面的电极或各面均为曲面的电极。

8.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述空间面为平面和/或曲面。

9.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述离子入口与所述离子出口的面积大小比例为1～10、10～100、100～1000和大于1000中的一种。

10.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述第一电源装置对每组电极内的所有电极依次施加极性相反的射频电压。

11.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述第二电源装置施加的电压信号为直流、方波、锯齿波、三角波以及交流电压中的一种或组合。

12.根据权利要求11所述的离子导引装置，其特征在于：所述方波的占空比范围为0～10％、10％～20％、20％～40％、40％～60％、60％～100％中的一个或多个。

13.根据权利要求11所述的离子导引装置，其特征在于：所述交流电压信号的频率在10Hz～100MHz之间。

14.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述两组电极在垂直于所述空间轴方向上的扩展排布为平行扩展排布和/或非平行扩展排布。

15.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述两组电极的所有电极沿轴向没有分段。

16.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：还包括辅助电极，所述辅助电极放置在离子导引装置的两侧，所述第二电源装置对所述辅助电极施加电压信号，以在垂直于所述空间轴的方向上限制离子运动，并在所述离子传输通道内产生轴向电压梯度驱动离子传输。

17.根据权利要求16所述的离子导引装置，其特征在于：所述辅助电极与所述空间轴平行或不平行。

18.根据权利要求16所述的离子导引装置，其特征在于：所述辅助电极为平面电极或曲面电极。

19.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述离子导引装置的工作气压范围为2×10⁵Pa～2×10³Pa、2×10³Pa～20Pa、20Pa～2Pa、2Pa～2×10^-1Pa、2×10^-1Pa～2×10^-3Pa和小于2×10^-3Pa中的一种或多种。

20.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述离子导引装置的最优工作气压范围为0.1Pa～100Pa。

21.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述两组电极沿垂直于所述空间轴的方向扩展形成为阵列式结构。

22.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述两组电极***沿某一封闭曲线扩展形成为封闭的阵列式结构。

23.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：包括多个离子注入口，用于将离子注入所述离子入口。

24.根据权利要求23所述的离子导引装置，其特征在于：离子的注入方向为所述空间轴方向和垂直于所述空间轴方向中的一种或组合。

25.根据权利要求1所述的离子导引装置，其特征在于：所述离子导引装置作为质谱仪或离子迁移谱仪的前级离子导引装置、离子迁移率分析装置、离子压缩装置、离子储存装置、碰撞室和离子集束装置中的一种或组合。