离子过滤装置
阅读说明：本技术 离子过滤装置 (Ion filtering device ) 是由 大卫·J.·兰格里奇 詹森·李·维尔德古斯 马丁·雷蒙德·格林 丹尼尔·詹姆斯·肯尼 凯文· 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：公开了一种使用装置根据离子的离子迁移率来过滤所述离子的方法,所述方法包括多个电极和被布置成并且适于向所述多个电极施加电压的一个或多个电压源,所述方法包括：使用所述一个或多个电压源生成一个或多个局部分离区域,其中离子可根据其离子迁移率在每个局部分离区域内分离；以及使每个局部分离区域以一定速度沿所述装置轴向移动,使得对于每个局部分离区域,具有处于选定范围内的离子迁移率值的所述离子与所述局部分离区域一起沿所述装置轴向传输,而具有超出所述范围的较高和/或较低离子迁移率的离子脱离所述局部分离区域,其中脱离所述局部分离区域的任何离子从所述装置内被去除和/或以其它方式与处于所述选定范围内的那些离子保持分开。(Disclosed is a method of filtering ions according to their ion mobility using an apparatus, the method comprising a plurality of electrodes and one or more voltage sources arranged and adapted to apply voltages to the plurality of electrodes, the method comprising: generating one or more local separation regions using the one or more voltage sources, wherein ions can be separated within each local separation region according to their ion mobility; and moving each local separation region axially along the device at a speed such that for each local separation region, ions having an ion mobility value within a selected range are transported axially along the device with the local separation region, whilst ions having higher and/or lower ion mobilities outside said range exit the local separation region, wherein any ions exiting the local separation region are removed from the device and/or otherwise remain separated from those ions within the selected range.)
相关申请的交叉参考
本申请要求于2018年9月10日提交的第1814681.1号英国专利申请的优先权和权益。本申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及用于根据诸如离子迁移率的物理化学性质来过滤离子的方法和装置，且确切地说，涉及质谱法和包含此类装置的质谱仪的方法。
背景技术
已知通过以下方法来分析离子：根据诸如离子迁移率的物理化学性质来分离离子，并且然后检测分离的离子以使得不同物种的离子可以基于其不同的检测时间来进行区分。常规的线性场或行波离子迁移率分离器装置以脉冲方式进行操作，其中离子以离散包形式释放到装置中并且然后根据其离子迁移率沿装置进行分离。离子由此会在与其离子迁移率相关的特定漂移时间(从包释放测量所得)离开装置，且因此通过记录离开装置的离子，有可能为这些离子产生漂移时间(离子迁移率)质谱。此类装置中脉冲的频率受到最慢的离子物种离开装置所需时间的限制，这可能导致相对低的占空比(例如1％或更小)。可以通过在离子释放到装置中之前捕获离子来提升占空比，但这可接着引入空间电荷问题。
还已知多路复用的离子迁移率分离器，其中离子以较高的脉冲频率脉冲到装置中，使得来自不同脉冲的离子可以在装置内彼此重叠或彼此超越。较高的脉冲频率可以帮助提升占空比(和/或减少采用捕获的空间电荷效应)。但是，由于允许来自连续脉冲的离子进行重叠，因此记录的离开装置的离子所产生的信号可接着需要额外处理(反卷积)以获得有意义的漂移时间(离子迁移率)质谱。
在某些情况下，可只关注单个离子物种或相对较窄的离子迁移率范围，在此情况下，使用如上所述的常规离子迁移率分离器来分离所有离子可能效率相对较低。因此，还已知执行离子迁移率过滤，其中仅迁移率处于特定范围内的离子由装置进行传输。在此情况下，输出限于所关注的离子物种。过滤器通常可以使用连续波束或较短的捕获/释放周期进行操作，从而可以在较高占空比下进行操作而无需离子捕获或引入空间电荷效应。此外，过滤器的输出在时间上的打包化(packetized)通常明显小于分离器的输出。
当前可用的离子迁移率过滤器包含场辅助离子迁移率分离(field-assisted ionmobility separation；‘FAIMS’)或差分迁移率分离(differential mobilityseparation；‘DMS’)装置。然而，将了解，这些装置基于在高场和低场条件下的差分迁移率而分离，而非为真正的离子迁移率过滤器，且因此当用于基于离子迁移率进行过滤时可能有些不准确。此外，当前的FAIMS和DMS装置通常具有相对低的灵敏度。而且，DMS装置需要与驱动电场正交的层状气流，这可难以维持，使得DMS装置的实施方案可为相对复杂的。
因此，期望提供改进的装置，其用于根据离子迁移率和/或其它物理化学性质来过滤离子。
发明内容
从第一方面，提供了一种使用包括多个电极和被布置成并且适于向多个电极施加电压的一个或多个电压源的装置根据物理化学性质来过滤离子的方法，所述方法包括：
使用一个或多个电压源生成一个或多个局部分离区域，其中离子可根据物理化学性质在每个局部分离区域内分离；以及
使每个局部分离区域以一定速度沿装置轴向移动，使得对于每个局部分离区域，具有处于选定范围内的物理化学性质值的离子与所述局部分离区域一起沿装置轴向传输，而具有超出所述范围的较高和/或较低物理化学性质值的离子脱离局部分离区域，
其中脱离局部分离区域的任何离子从装置内被去除和/或以其它方式与处于选定范围内的那些离子保持分开。
从第二方面，提供了一种根据物理化学性质来过滤离子的装置，所述装置包括：
多个电极；以及
一个或多个电压源，其被布置成并且适于向多个电极施加电压，以在使用中生成一个或多个局部分离区域，其中离子可根据物理化学性质在每个局部分离区域内分离，并且
其中每个局部分离区域以一定速度沿装置轴向移动，使得对于每个局部分离区域，具有处于选定范围内的物理化学性质值的离子与所述局部分离区域一起沿装置轴向传输，而具有超出所述范围的较高和/或较低物理化学性质值的离子脱离局部分离区域，
其中脱离局部分离区域的任何离子从装置内被去除和/或以其它方式与处于选定范围内的那些离子保持分开。
本文描述的实施例提供了例如具有较高灵敏度和/或占空比的离子有效过滤，同时仍然允许相对低复杂度的实施方案(使得可以提供相对简单的装置结构)。这是通过生成一个或多个局部分离区域来实现的，所述局部分离区域沿着装置轴向平移，并且每个局部分离区域用于过滤(滤出)具有特定范围的所关注的物理化学性质的离子。
确切地说，选择每个局部分离区域沿装置轴向平移时的速度，以使将具有一定物理化学性质值(或值的范围)的离子与局部分离区域一起携带。因此，当局部分离区域沿装置轴向平移时，处于物理化学性质的选定范围内的离子与局部分离区域一起传输。
然而，对于每个局部分离区域，超出选定范围的离子将通过比局部分离区域行进快(且因此移动到局部分离区域的前面并从前面‘落下’)或通过比局部分离区域行进慢(且因此从局部分离区域背面‘落下’)而脱离局部分离区域。
然后使脱离局部分离区域的任何离子与具有期望物理化学性质值的离子保持分离，并因此与局部分离区域一起传输。
确切地说，装置的与局部分离区域相邻的区域，或在其中设置有多个局部分离区域的局部分离区域之间的区域，可以被布置成将从局部分离区域脱离的任何离子与由所述局部分离区域传输的离子保持分离。例如，这些区域可以被配置成从装置中去除那些离子和/或以其它方式将那些离子与具有期望的物理化学性质值的离子分开。以此方式，可以有效地过滤(滤出)具有期望的物理化学性质值的离子。因此，这些区域还使随每个局部分离区域传输的离子保持分离，例如，与由其中设置有多个局部分离区域的其它局部分离区域传输的离子分离。
例如，在实施例中，可以在装置内过滤离子，使得只有具有选定的物理化学性质值或值的范围的离子才被装置向前传输(例如，用于后续分析和/或检测)。因此，在实施例中，对于每个局部分离区域，具有处于选定范围内的物理化学性质值的离子穿过装置朝向离子出口轴向传输，而具有超出物理化学性质的选定范围的值的离子不会穿过装置传输并且被丢失。
在此情况下，装置的与局部分离区域相邻的区域可以被布置成使得从装置去除脱离局部分离区域的离子。例如，离子可以被驱向电极(并因此而丢失)，或被驱出(例如，径向地)装置。这可以各种可能的方式实现。例如，可以在这些区域中禁用限制RF电压和/或可以施加DC场来驱动离子朝向电极或穿过出口孔。
在其它实施例中，对于每个局部分离区域，具有处于选定范围内的物理化学性质值的离子作为第一离子包穿过装置朝向离子出口轴向传输，而同时具有较高和/或较低物理化学性质值并且脱离局部分离区域的任何离子作为一个或多个单独的离子包朝向离子出口传输。
例如，电压源可用于生成与局部分离区域相邻的一个或多个DC势阱，或在局部分离区域的边缘处的一个或多个DC势垒，使得脱离局部分离区域的任何离子接着被捕获并作为对应的一个或多个离子包朝向离子出口传输。
在此情况下，脱离局部分离区域并朝向离子出口分别传输的离子可能会在装置出口处被丢弃。替代地，这些离子可以向前传输(作为单独的离子包传输到过滤后的离子)。
在另一实施例中，脱离局部分离区域的离子可以从装置径向喷出。这些离子然后可以向前传输。例如，可以将离子喷射到径向相邻的离子导向器中，然后向前传输以进行检测和/或分析。可以沿装置设置狭槽或间隙以允许径向喷出离子。同样，可以在相邻电极之间喷出离子。
因此，对于每个局部分离区域，具有处于选定范围内的物理化学性质值的离子可以沿装置轴向传输，而具有超出物理化学性质的选定范围的值的离子从装置径向喷出以向前传输。在此情况下，轴向传输的离子可丢失(使得装置充当反向过滤器以去除选定范围内的离子)，或者也可向前传输穿过轴向离子出口(使得所有离子都被传输，但是其沿着不同的路径)。
在实施例中，物理化学性质是离子迁移率。即，在实施例中，离子基于其离子迁移率在每个局部分离区域内分离，并因此进行过滤。然而，将了解，通过基于不同离子特征适当地配置局部分离区域以分离离子，可以按期望根据任何合适的物理化学性质(包含例如，质量、质荷比、飞行时间、混合的质荷比和离子迁移率、差分离子迁移率(例如，如在FAIMS装置中))来过滤离子。
每个局部分离区域用于局部地分离离子(而不是如在更常规的离子迁移率分离器装置中那样沿装置整体分离离子)。即，在每个局部分离区域内局部地分离离子，每个局部分离区域具有有限的轴向范围。一般来说，将仅在单个局部分离区域中分离给定的离子。因此，例如，一旦离子脱离了局部分离区域，它就不会再被分离(例如，在后续局部分离区域中，其中提供了多个)，而是从装置中去除和/或与连同局部分离区域一起传输的离子保持分离。
每个局部分离区域可以例如包括用于根据离子的离子迁移率来分离离子的轴向DC梯度。轴向DC梯度可例如导致离子根据其离子迁移率在局部分离区域内分离。在提供轴向DC梯度的情况下，这通常可能导致离子沿与局部分离区域的移动相同的方向分离。
可以提供大体上均匀的DC梯度。然而，但无需如此，并且在实施例中，场可以在局部分离区域的长度上变化，例如以改变装置的特性。例如，所述场在局部分离区域的前边缘处可以较低，并且在后边缘处可以较高，这往往会增加与局部分离区域一起传输的离子的范围，并且还可以提供所关注的离子的额外聚焦(例如，通过减少扩散传播)。替代地，可以使用相反的配置来增加分辨率并传输较窄离子范围。
一般来说，可以在每个局部分离区域内提供任何合适且期望的场以实现期望的分离。
例如，不必提供轴向DC梯度，并且例如取决于期望的分离，可以使用各种其它合适的分离技术。例如，不是使用轴向DC梯度根据离子迁移率来分离离子，而是每个局部分离区域可以包括多个行波(即，移动的DC势垒或势阱)。在行波系统中，给定的离子仍将以与其离子迁移率相关的一定平均漂移速度行进，因此在所述情况下，装置的操作基本上相同。
此外，通过增加每个局部分离区域内的行波速度(使用“快速行波”)，有可能进入其中基于离子的质荷比和离子迁移率两者来分离离子的操作状态(使得分离离子所依据的物理化学性质是混合的质荷比和离子迁移率)。通过进一步增加行波速度，可以达到其中大体上基于质荷比(大体上不依赖离子迁移率)分离离子的状态。
装置通常是包含合适的漂移气体以实现期望的分离的气室。在实施例中，(逆向)气流也可以用于增强装置的分辨力。在其它实施例中，可以使用气流来驱动离子穿过装置，并使离子在局部分离区域内分离。
在实施例中，离子被径向限制在装置内。例如，在实施例中，可以使用RF电位或RF和DC电位的某种组合来径向限制离子。然而，也有可能在装置内不限制或定期(重新)限制离子。
在实施例中，所述方法包括至少向装置内的局部分离区域施加分辨场(例如四极分辨场)，使得仅具有一定质荷比或质荷比范围的离子被传输穿过装置。类似地，可以将其它质量或质荷比过滤(例如共振径向喷射、四极激发、低质量截止)应用于由局部分离区域引起的过滤顶部。在这些情况下，装置可用于通过物理化学性质(例如离子迁移率)和质量或质荷比同时进行过滤。
在实施例中，所述方法可以包括生成多个局部分离区域，其中每个局部分离区域用于轴向传输具有处于物理化学性质的相应范围内的物理化学性质值的离子。因此，在任何时刻，多个局部分离区域可以同时存在于用于对相应多个离子包进行过滤的装置内。
多个局部分离区域中的每一个可以用于滤出相同范围。但是，还预期，不同的局部分离区域可以用于对不同范围的物理化学性质进行过滤(通过向不同的局部分离区域提供不同的分离场，和/或通过使不同的局部分离区域以不同的轴向速度移动)。
在其中提供多个局部分离区域的实施例中，可以选择这些区域的速度及其间隔，以确保局部分离区域不会彼此超越。但是，也有可能允许局部分离区域彼此超越(尽管这可能需要额外处理才能对此进行跟踪)。
所述方法通常可以包括：当局部分离区域与离子入口重合时，注入包离子穿过装置的离子入口，使得包内的具有在选定范围内的物理化学性质值的离子与局部分离区域一起沿装置传输，而具有超出选定范围的值的离子脱离局部分离区域。因此，可以根据局部分离区域沿装置移动时的速率来选择或设置将待过滤的离子包注入到装置中的定时。
装置可用于在过滤操作模式和第二操作模式之间切换，在所述第二操作模式中，根据物理化学性质来分离离子，例如在所述装置作为离子迁移率分离器操作的情况下。例如，在第二操作模式中，可以遍布装置施加大体线性的漂移场，以使离子根据离子迁移率分离。类似地，在第二操作模式中，行波和/或气流可用于使离子根据离子迁移率分离。在第二操作模式中，大体上所有离子都可以传输穿过装置。
所述装置因此可以包括用于在这些操作模式之间进行切换的控制器或其它切换构件。所述方法可以包括选择过滤操作模式和/或在这些模式之间进行切换。
所述装置可以是线性装置，其中离子从所述装置一端处的离子入口轴向传递到所述装置另一端处的离子出口。但是，还预期，所述装置可以是循环装置。
所述装置可以包括堆叠式环状离子导向器，所述堆叠式环状离子导向器包括多个电极，每个电极具有孔口，在使用时离子穿过所述孔口传输。每个电极(和孔口)的大小可以大体上相同。然而，还预期，电极(孔口)的大小可以沿着装置的长度变化，例如以限定离子漏斗。在使用中，可以将AC或RF电压的相反相施加到连续电极(或电极组)，以将离子径向限制在装置内。
然而，各种其它布置当然也是有可能的。例如，在其它实施例中，装置可以包括分段式多极离子导向器，诸如分段式四极、六极、八极或其它更高阶的多极离子导向器。作为另一实例，装置可以替代地包括多个衬底，其中将电极图案化(印刷)到衬底上。
装置可以包括被布置成并且适于向电极供应AC或RF电压的装置。AC或RF电压任选地具有选自由以下各者组成的群组的振幅：(i)约<50V峰到峰；(ii)约50至100V峰到峰；(iii)约100至150V峰到峰；(iv)约150至200V峰到峰；(v)约200至250V峰到峰；(vi)约250至300V峰到峰；(vii)约300至350V峰到峰；(viii)约350至400V峰到峰；(ix)约400至450V峰到峰；(x)约450至500V峰到峰；以及(xi)>约500V峰到峰。
AC或RF电压可具有选自由以下各者组成的群组的频率：(i)<约100kHz；(ii)约100至200kHz；(iii)约200至300kHz；(iv)约300至400kHz；(v)约400至500kHz；(vi)约0.5至1.0MHz；(vii)约1.0至1.5MHz；(viii)约1.5至2.0MHz；(ix)约2.0至2.5MHz；(x)约2.5至3.0MHz；(xi)约3.0至3.5MHz；(xii)约3.5至4.0MHz；(xiii)约4.0至4.5MHz；(xiv)约4.5至5.0MHz；(xv)约5.0至5.5MHz；(xvi)约5.5至6.0MHz；(xvii)约6.0至6.5MHz；(xviii)约6.5至7.0MHz；(xix)约7.0至7.5MHz；(xx)约7.5至8.0MHz；(xxi)约8.0至8.5MHz；(xxii)约8.5至9.0MHz；(xxiii)约9.0至9.5MHz；(xxiv)约9.5至10.0MHz；以及(xxv)>约10.0MHz。
装置通常可以包括气室。装置可以维持在选自由以下各者组成的群组的压力：(i)<约0.0001mbar；(ii)约0.0001至0.001mbar；(iii)约0.001至0.01mbar；(iv)约0.01至0.1mbar；(v)约0.1至1mbar；(vi)约1至10mbar；(vii)约10至100mbar；(viii)约100至1000mbar；以及(ix)>约1000mbar。
本文描述的装置可以作为质谱仪和/或离子迁移率质谱仪的一部分而提供。类似地，本文公开的方法可以包括质量和/或离子迁移率的方法。因此，从另一方面，提供一种质谱仪和/或离子迁移率质谱仪，其包括大体如本文所描述的装置。
本文公开的质谱仪可以包括选自由以下各者组成的群组的离子源：(i)电喷雾电离(“ESI”)离子源；(ii)大气压光电离(“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)硅上解吸电离(“DIOS”)离子源；(viii)电子撞击(“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)高速原子轰击(“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)大气压基质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)撞击器离子源；(xxii)实时直接分析(“DART”)离子源；(xxiii)激光喷雾电离(“LSI”)离子源；(xxiv)超声喷雾电离(“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；(xxviii)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源；以及(xxix)表面辅助激光解吸电离(“SALDI”)离子源。质谱仪可以包括一个或多个连续或脉冲离子源。
质谱仪可以包括选自由以下各者组成的群组的一个或多个碰撞、碎裂或反应室：(i)碰撞诱导解离(“CID”)碎裂装置；(ii)表面诱导解离(“SID”)碎裂装置；(iii)电子转移解离(“ETD”)碎裂装置；(iv)电子捕获解离(“ECD”)碎裂装置；(v)电子碰撞或撞击解离碎裂装置；(vi)光诱导解离(“PID”)碎裂装置；(vii)激光诱导解离碎裂装置；(viii)红外辐射诱导解离装置；(ix)紫外辐射诱导解离装置；(x)喷嘴-撇渣器接口碎裂装置；(xi)源内碎裂装置；(xii)源内碰撞诱导解离碎裂装置；(xiii)热源或温度源碎裂装置；(xiv)电场诱导碎裂装置；(xv)磁场诱导碎裂装置；(xvi)酶消化或酶降解碎裂装置；(xvii)离子-离子反应碎裂装置；(xviii)离子-分子反应碎裂装置；(xix)离子-原子反应碎裂装置；(xx)离子-亚稳态离子反应碎裂装置；(xxi)离子-亚稳态分子反应碎裂装置；(xxii)离子-亚稳态原子反应碎裂装置；(xxiii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-离子反应装置；(xxiv)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-分子反应装置；(xxv)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-原子反应装置；(xxvi)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳态离子反应装置；(xxvii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳态分子反应装置；(xxviii)用于使离子反应以形成加合物或产物离子的离子-亚稳态原子反应装置；以及(xxix)电子电离解离(“EID”)碎裂装置。
质谱仪可以包括选自由以下各者组成的群组的一个或多个滤质器：(i)四极滤质器；(ii)2D或线性四极离子阱；(iii)Paul或3D四极离子阱；(iv)Penning离子阱；(v)离子阱；(vi)磁性扇区滤质器；(vii)飞行时间滤质器；以及(viii)Wien过滤器。
质谱仪可以包括用于对离子施以脉冲的装置或离子门；和/或用于将大体上连续的离子束转换成脉冲离子束的装置。
质谱仪可以包括选自由以下各者组成的群组的质量分析仪：(i)四极质量分析仪；(ii)2D或线性四极质量分析仪；(iii)Paul或3D四极质量分析仪；(iv)Penning阱质量分析仪；(v)离子阱质量分析仪；(vi)磁性扇区质量分析仪；(vii)离子回旋共振(“ICR”)质量分析仪；(viii)傅里叶变换离子回旋共振(“FTICR”)质量分析仪；(ix)被布置成生成具有四次对数电位分布的静电场的静电质量分析仪；(x)傅里叶变换静电质量分析仪；(xi)傅里叶变换质量分析仪；(xii)飞行时间质量分析仪；(xiii)正交加速度飞行时间质量分析仪；以及(xiv)线性加速度飞行时间质量分析仪。
从第三方面，提供了一种使用包括多个电极和被布置成并且适于向多个电极施加电压的一个或多个电压源的装置根据离子迁移率来过滤离子的方法，所述方法包括：
使用一个或多个电压源生成多个局部分离区域，其中离子可根据其离子迁移率在每个局部分离区域内分离；以及
使每个局部分离区域以一定速度沿装置轴向移动，使得对于每个局部分离区域，具有处于选定范围内的离子迁移率值的离子与所述局部分离区域一起沿装置轴向传输，而具有超出所述范围的物理化学性质的较高和/或较低离子迁移率值的离子脱离局部分离区域，
其中脱离局部分离区域的任何离子从装置内被去除和/或以其它方式与处于选定范围内的那些离子保持分开。
附图说明
现将仅借助于实例并参考附图描述各种实施例，在附图中：
图1示意性地展示了传统线性场离子迁移率分离装置背后的操作原理；
图2示意性地展示了传统行波离子迁移率分离装置背后的操作原理；
图3示意性地展示了根据实施例的离子过滤装置背后的操作原理，所述离子过滤装置包括用于对具有选定离子迁移率范围的离子进行过滤的局部分离区域；
图4展示了类似于图3所示的离子过滤装置的另一实施例，但是包括多个局部分离区域，用于同时对多个离子包进行过滤；
图5是展示装置端部处三个离子的离子位置分布的曲线图；以及
图6展示了质谱仪的实例，在所述质谱仪内可以采用本文所描述的离子过滤装置。
具体实施方式
图1展示了典型线性场IMS单元的电位能量图。整个装置上的电位呈线性下降，这产生了恒定的轴向场E。恒定场中离子的漂移速度与其迁移率K有关，公式为：
vd＝K E
在图1中，在时间t1，具有不同离子迁移率的三个离子(K1、K2、K3)以在单元入口处的相同初始位置注入单元中。根据上述方程，离子以与其迁移率成比例的漂移速度移动。因此，在时间t2，离子在空间上分离，其中较高迁移率离子(K1)穿过了最大的轴向距离，并且较低迁移率离子(K2、K3)穿过了较短的距离。在时间t3，最高迁移率离子K1现在已到达装置端部，并离开装置，而其它两个离子仍在穿过装置。
因此，此装置的输出是根据迁移率在漂移时间中分离的一连串离子群。因此，根据装置的分辨能力，各个离子物种在漂移时间质谱中被压缩为相对较窄的峰。
然后，图2示出了行波IMS单元的典型操作。在此情况下，不同于像图1那样沿着装置的长度施加恒定的轴向场，现在有多个DC势垒以一定速度沿着装置移动，从而产生将离子推向离子出口的一组行波。脉冲或波定期超越离子，其中迁移率较低的物种比迁移率较高的物种被更频繁地超越，使得离子因此根据其离子迁移率被分离。在常规IMS中，无论使用线性场还是行波场，通常都需要等到最慢离子穿过装置之后再引入新离子包，以防来自相邻包的高迁移率离子和低迁移率离子之间的潜在干扰。由于引入离子的门控时间通常仅是漂移时间的一小部分，因此所述装置可具有低占空比。可以通过在IMS装置上游捕获离子来提升占空比。然而，由于离子阱容量有限，这会引入空间电荷效应。此外，从本质上来说，来自IMS装置的输出在时间上高度打包化，这可能会对下游分析仪和检测系统产生有害影响。
还已知多路复用的IMS，其中离子以较高频率脉冲(门控)到IMS装置中，使得允许来自不同包的离子产生干扰。这增加了占空比，但是所得信号接着需要进行额外处理(反卷积)以获得IMS质谱。
此外，在某些情况下，不需要获得完整的IMS质谱，而仅关注单个物种或相对窄范围的离子。在此情况下，传统的IMS装置可能效率不高。
因此，在实施例中，提供了一种装置，所述装置可以在结构上类似于常规IMS装置，但是可以相对高的占空比在离子过滤模式下进行操作。在使用中，生成多个局部分离区域，其各自包括轴向DC场，并且各自以某一给定速度沿装置轴向行进。然后，当这些区域与装置的入口端重合时，可以将离子注入到装置中。当离子在DC场中的漂移速度与DC驱动区域的速度匹配时，离子将接着在DC驱动区域使装置向下移动时保留在所述DC驱动区域中，并因此传输到装置的出口端。另一方面，迁移率较高的离子将超越DC驱动场的区域，并且迁移率较低的离子将被DC驱动场超越。这些离子将因此脱离局部分离区域。
图3展示了其中沿着装置的一部分生成局部分离区域30的实施例的实例。在图3中，局部分离区域30是上方施加有线性DC电压降(因此恒定场E)的小区域，而在装置的其余部分中，离子不受限制。局部分离区域30以某种选定的速度移动越过装置，所述速度被选择为对具有特定迁移率的离子进行过滤(在此实例中，所述区域以中间迁移率离子(K2)的漂移速度移动，即以v＝K2.E的速度)。如图1所示，在时间t1，在装置启动时，三个离子(K1、K2、K3)被注入到局部分离区域30中。在时间t2，由于DC区域30和选定的离子(K2)以相同的平均速度移动，因此离子(K2)保留在局部分离区域30的中心，而较高和较低迁移率的离子(K1、K3)分别朝所述区域的前面和后面分开。在时间t3，高迁移率离子和低迁移率离子已经超过局部分离区域30的空间范围，因此从局部分离区域30脱离并从装置中丢失。当局部分离区域30在时间t4到达装置的出口时，只有选定的离子(K2)保留在所述区域中并且接着被传输。因此，原始离子包已被过滤以仅传输选定离子(K2)。
图4展示了与图3类似的系统，但是其中现在有同时横越漂移单元的多个局部分离区域。局部分离区域是在装置启动时定期创建的，填充有离子，并以上述选定的速度使装置向下移动。如果局部分离区域都具有相同的速度，则它们将无法赶上其它区域或被其它区域超过，并且由于局部分离区域被其中离子丢失到装置的区域分离，因此每个区域中离子的分离独立于其它区域。
因此，与常规线性场IMS装置(如图1所示)或行波IMS装置(如图2所示)相比，在本装置中，每个DC驱动区域内存在局部分离(而不是沿着装置长度分离的离子)。
因此，图4展示了单个时间例子的快照，其中装置由多个区域填入，所述多个区域具有根据其沿装置演进的不同离子群。如上所述，因为区域的速度被选择为与中间迁移率离子(K2)的漂移速度匹配，所以在装置的出口仅传输此离子。
应理解，此系统在某种程度上类似于多路复用的IMS，因为我们具有比常规IMS可能更高的脉冲频率。然而，尽管多路复用的IMS允许离子包重叠，且从而需要反卷积以获得IMS质谱，但是在本系统中，防止了每个DC驱动区域所携带的离子进行重叠(由中间区域)。
此系统的占空比将取决于导通/断开比(gate on/off ratio)。但是，作为实例，当连续波束传递到具有由相等长度的非透射区域隔开的给定长度的多个局部分离区域的装置时，占空比约为50％(尽管可以例如通过在注入或切换到并行装置之前进行捕获来进一步改进)。因此，本发明的脉冲频率是DC区域的漂移速度的函数。此系统的输出将类似于方波，因此打包化明显小于常规IMS的输出。
通过在不存在扩散的情况下考虑此类装置，有可能对分辨能力进行简单的计算。例如，存在一个长度为Lr的漂移区域，其漂移速度为vd，其中速度与选定离子的漂移速度匹配，即vd＝K2*E。装置的总长度为L，因此漂移时间td＝L/vd。
可以单独考虑上游捕获(其中离子释放到漂移区域的中心)或者连续波束(其中它们均匀填充初始漂移区域)的情况。
对于离子被捕获并注入到区域中心的情况，我们希望找到在漂移区域到达装置端部时刚好离开漂移区域的较高和较低迁移率值，那么这就是由过滤器传输的迁移率范围。因此，通过使所需的漂移距离与td*漂移速度相等，可以看出：
L1＝L+Lr/2＝td*K1*E
L3＝L-Lr/2＝td*K3*E
然后可以针对K1和K3求解这些表达式以得出：
K1＝(L+Lr/2)/td*E
K3＝(L-Lr/2)/td*E
且因此：
dK＝Lr/td*E
由于vd＝K2*E，因此我们可以重新布置以得出：
K2＝L/td*E
且因此，近似分辨能力K/dK为：
R＝L/Lr
因此，在不存在扩散的情况下的分辨能力仅仅是总长度除以区域长度的几何因数。(对于连续波束情况，在上面的推导中，我们用Lr代替Lr/2，这会使dK倍增并且分辨能力减半。)对于具有10mm漂移区域的200mm装置，阱填充的分辨能力上限为20，并且连续填充为10。
在实际的装置中，峰也会由于扩散而变宽，因此实际的分辨能力将低于上面的分析结果。例如，考虑上述系统，在2.25托的压力下，E＝1000V/m，选定离子K2＝0.0395m2/Vs，L＝0.2，Lr＝0.01。
RMS扩散由以下公式得出：
其中t是时间，K是迁移率，q是元电荷，T是温度且kb是波尔兹曼常数。
为了从较快/较慢离子峰到漂移区域的边缘的平均值(即传输的不想要的离子的0.1％)达到3*δ，对于捕获情况，分辨能力可以计算为～6.7。图5绘制了此系统在装置端部的离子位置分布(其中离子K1和离子K3的K值经计算得出峰值中心与漂移区域间隔3*δ)。
请注意，在常规IMS中，分辨率定义为K/dK，其中dK是K中峰值的FWHM。为了用作过滤器，可能需要较大分离，即，因为不保留离子洗脱时间的峰形。例如，在IMS质谱中将被充分分离的重叠峰在过滤器的情况下有可能导致混合传输。
扩散带来的另一限制是，如果峰变得足够宽以使峰的边缘离开漂移区域，则可引起所关注离子的传输损失。在以上实例中，离子K2δ是3.2mm，且因此从阱填充系统的10mm漂移区域预期一些损失(如参见图5，离子K2位置分布大于DC区域)。
从上面的分析表达式可以看出，为了提高分辨能力，可以增加整个单元的长度L，或者可以减小DC区域的长度Lr。还应了解，对于给定的系统，与连续波束输入相比，上游捕获可以提高分辨能力。考虑到扩散效应，可以采用增加IMS分辨率的常用方法，即增加长度L或场E。请注意，如果Lr太小，则由于扩散效应，所关注离子的传输可能会减少。可能还有各种实际考虑因素将对Lr设置下限。
对于连续波束的情况，占空比基本上和DC区域与终止区域的大小之比Lr/Lk有关。在上游捕获(定期捕获离子并将其注入到DC区域中)的情况下，可以实现100％的占空比。替代地，可以布置多个过滤器以并行操作，然后DC区域的定时被布置为使得离子将总是(或更经常地)填充在过滤器中的一个的入口端处的DC区域，从而增加连续波束情况下的占空比。
DC驱动场局部分离区域之间的区域可以被配置成从系统中去除离子，如上面的图3所示，使得不用传输不具有期望迁移率的离子。需要将DC区域分开的“终止”区域，否则高迁移率离子将在DC区域的前部下冲，而低迁移率离子可能会被后续DC区域扫除。
可以设想终止区域的各种实际实施方案。例如，可以禁用限制RF电压，而DC场可以将离子驱向电极。替代地，可以驱动离子穿过例如沿着装置向下运行的狭槽之类的出口孔，所述装置通常由RF保护。另一替代方案是，离子可能会被较大的行进DC势阱拖曳穿过终止区域，这些离子将被传输到装置端部，但在所述点处被丢弃或随后被丢弃。
不需要将离子在“终止”区域从装置中去除。例如，DC局部分离区域在每一端可具有势垒，使得被滤出的那些离子将接着在前/后势垒处累积。这些离子可以在离开装置后被丢弃，或者可以被传输(装置滤掉特定迁移率，但同时保留其它所有离子)。
同样地，可以在终止区域的中心提供DC阱，其将以相同的方式起作用。替代地，如果可以将离子在终止区域内从装置中滤出，例如穿过出口狭槽，那么也可以使用一种装置，所述装置对一个迁移率进行过滤，但保留其余范围。这些替代方案将允许作为反向过滤器操作(即，传输除特定迁移率外的所有事物)，或可在下游分析仪中分析或按需要(例如，捕获/激活等)进一步操控迁移率范围的其余部分。
在额外实施例中，我们将四极分辨DC施加到DC区域。在此情况下，所述装置将被构造为分段式四极。在DC区域中，我们将以常规方式将分辨DC施加到四极的相对片段，以获得期望的m/z分辨率。尽管四极的分析性能会随着压力的增加而降低，但仍然有可能在高压下获得相对低的m/z分辨率过滤。分辨四极DC可能在“终止”区域中被禁用，或者可能保留原状，或者可能增加(即，过度分辨)。将过度分辨的DC施加到“终止”区域是消除移动进入这些区域中的离子的另一可能方法。
在额外实施例中，装置可以被配置成将四极分辨DC施加到DC区域。这将允许同时通过(例如)迁移率和质荷比进行过滤。
尽管所述方法可应用于无限制系统或定期重新限制的系统，但可以对装置进行径向RF限制(例如SRIG或分段式多极)。限制可以是RF或RF和DC的某种组合。系统还可以是单轴的延伸系统，例如，狭槽而非隧道。例如，多个并行过滤器可以由带有恰当电压控制的上部/下部RF/DC衬垫的阵列产生。
可以通过除了上图3和图4中所示的DC斜坡以外的其它方法来完成区域中的分离。例如，可以使用行波(“T波”)来实现分离。尽管与线性场DC系统相比，T波系统的漂移速度与迁移率之间的关系不同，但给定的离子仍将以与其迁移率K相关的平均漂移速度行进，且因此装置的操作基本上相同。
例如，在行波装置中，具有足够高迁移率的离子由单个行波(例如，DC势垒)驱动，从而以行波的速度有效地移动。因此，如果局部分离区域的速度被选择为与所述局部分离区域内的行波速度匹配，则所述装置将充当低迁移率截断过滤器，其中未由单个行波携带的所有离子将具有比局部区域低的漂移速度，且因此被滤出。
在提供多个局部分离区域的情况下，例如图4所示，不同的区域可以具有不同的DC斜坡梯度，使得所述区域将(各自)针对不同迁移率进行过滤。对于MRM仪器，这可能特别有利，例如，因为可以将连续的DC区域布置为基于连续MRM母离子的迁移率而进行过滤。连续区域的漂移速度可为相同的，因此可以更改DC斜坡梯度以针对不同的迁移率进行过滤。但是，对于明显的迁移率变化，这可能需要施加非理想的DC斜坡梯度(低斜坡梯度会降低分辨率，高梯度可能会超出低场极限/导致发热)。因此，也有可能使不同的局部分离区域以不同的速度行进(从而允许针对不同迁移率以相同DC斜坡梯度进行过滤)。在此情况下，可以调整连续的DC区域之间的间距，以确保区域彼此之间不会彼此超越(尽管系统也可以被配置为使得区域可以彼此超越)。
DC场(或等效的分离场，例如T波)不必在整个局部分离区域保持恒定。例如，可以使用变化的场来更改装置的特性。例如，如果场在所述区域的前边缘处较低，且在所述区域的后边缘处较高，则这往往会增加由所述区域传输的迁移率范围。这也将导致所关注离子的某种聚焦，即扩散传播将减少。替代地，相反配置是可能的，在此情况下，离子往往会从所述区域掉出，这可以用于以传输为代价来提高分辨率。注意，在常规情况下，场松弛往往会在DC区域的边界处产生非恒定场，此修改将此特性扩展到整个区域或其大部分上。
尽管不如常规IMS装置那么大，但是装置的输出通常仍将在时间上略微打包化，例如对于Lr＝Lk的情况为约50/50。因此，可以布置一个或多个下游离子导向器，以减少或消除此打包化，从而在下游分析仪/检测器方面具有优点。
图6展示了根据实施例的结合有离子过滤装置4的质谱仪的实例。如所示出，从离子源(未示出)生成一组离子1，并将其传向离子过滤装置4。任选地，在将离子1传递到离子过滤装置4之前，可以将离子1存储在上游离子阱2中，并定期释放到离子过滤装置4中进行过滤。
在以本文所描述的方式过滤了离子之后，然后可使离子通过各种另外的离子导向和/或操纵组件8，所述组件可包含例如一个或多个离子导向器、碰撞单元、离子分离器、进一步的过滤装置等。然后将离子送入质量分析仪。例如，如图6所示，可以将离子传递到TOF质量分析仪中，其中离子从推动器电极10正交地脉冲到包含反射极11的TOF漂移区域13中，并被引导到合适的离子检测器12上。然而，尽管图1展示了TOF质量分析仪，但是应理解，可以采用任何合适的质量分析仪。
尽管上面已经关于离子迁移率分离描述了各种实施例，但是应理解，相同的操作原理可以基于不同的离子特征(例如，TOF、m/z、混合m/z和迁移率、FAIMS等)应用于分离。
类似地，尽管上文已经关于沿着装置的轴线施加的线性场描述了实施例，但是应理解，实施例也可以实施于循环装置中。
所述装置可以在此处公开的作为过滤器的操作和作为常规IMS的操作之间进行切换。
气流也可以用于使离子沿着装置分离和/或增加装置的有效分辨力。
因此，尽管已参考各种实施例描述本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不脱离所附权利要求书所阐述的本发明范围的情况下，可以对形式和细节作出各种改变。