用于利用交流波形进行离子迁移率分离的方法和设备技术

公开了用于离子操纵的方法和设备，包括使用由连续交流(AC)形成的行波(TW)来进行离子俘获、转移和迁移率分离。用于离子操纵的设备包括被耦合有第一多个连续电极和第二多个分段电极的表面。第二多个分段电极被布置成位于第一多个电极之间或与第一多个电极相邻的纵向组。施加到第一多个电极的相邻电极的RF电压相移约180°，以将离子约束在所述设备内。施加到第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形在所述相邻电极上相移1°‑359°，以使离子纵向移动通过用于分离的设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于利用交流波形进行离子迁移率分离的方法和设备相关申请的交叉引用本申请要求于2015年10月7日提交、标题为“METHODANDAPPARATUSFORCONTROLLINGIONSINAGASPHASE”的序列号No.62/238,291的美国临时申请的优先权，由此通过引用的方式将该美国临时申请的全部内容并入以提供其全部教导。关于联邦资助研究或发展的声明本专利技术是在由美国能源部授予的合同DE-AC0576RLO1830下借助政府支持完成的。政府享有本专利技术中的某些权利。
本公开的实施例涉及离子迁移率分离和相关的离子操纵。更具体而言，所公开的实施例涉及执行离子操纵，包括使用施加到一个或多个分段电极的连续交流(AC)电压波形或多个连续AC电压波形实现在移动离子俘获区域中的移动和离子迁移率分离。
技术介绍
离子迁移率谱(IMS)是一种用于分离和识别离子的技术。IMS可以用于分离结构异构体和解析大分子的构象特征。在包括代谢组学、糖组学和蛋白质组学的广泛的应用中，IMS还可以用于增强质谱(MS)。例如，在执行IMS时，含有不同离子的样品被注入到包含载气(也称为缓冲气体)的封闭单元的第一端。在该单元中，在施加的电场的影响下，离子从单元的第一端移动到单元的第二端。随后离子在单元的第二端处作为时间的函数的电流被检测到。由于施加的电场引起的加速度和由于与缓冲气体分子的碰撞而引起的减速的净影响使得样品离子实现了最大恒定速度(即最终速度)。IMS单元内的离子的最终速度与它们各自的迁移率成比例，迁移率与诸如质量、大小、形状和电荷的离子性质有关。在这些性质中的一个或多个上不同的离子使得离子在给定的电场下移动通过给定的缓冲气体时展现出不同的迁移率，因此具有不同的最终速度。结果，每个离子展现出从单元的第一端行进到单元的第二端的特性时间。通过测量样品内的离子的特性行进时间，可以识别离子。现已有许多用于化学和生物化学分析的IMS形式，包括恒定场漂移管离子迁移率谱(DT-IMS)、高场非对称离子迁移率谱(FA-IMS)、差分迁移率分析(DMA)和行波离子迁移率谱(TW-IMS)。这些形式在施加电场以分离IMS单元内的离子的方式上不同。然而，值得注意的是，由于产生分离离子的电场的电极结构在大小和复杂性上的实际限制，常规IMS装置在分离离子的能力(分离能力)方面受到限制。因此，存在对改进的用于离子迁移率分离的系统和方法的持续需求。
技术实现思路
在本公开的实施例中，提供了一种用于离子操纵的设备。该设备包括至少一个表面、第一多个连续电极、以及第二多个分段电极。第一多个连续电极耦合到至少一个表面，并且与射频(RF)电压源电连通。由RF电压源施加到第一多个电极中的相邻电极的RF电压在第一多个电极中的相邻电极上相移约180°。第二多个分段电极耦合到至少一个表面，并且被布置成位于第一多个电极之间或与第一多个电极相邻的纵向组。第二多个分段电极还与交流(AC)电压源电连通。由AC电压源施加到第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形在第二多个电极中的相邻电极上相移l°-359°。该设备的实施例可以以任何组合方式包括以下的一个或多个。在实施例中，该设备还包括多个保护电极，该多个保护电极位于至少一个表面上的第一和第二多个电极的外端上。该多个保护电极还与DC电压源电连通。当从DC电压源接收到恒定的DC电压时，多个保护电极产生将离子运动约束到朝向保护电极的电场。在该设备的实施例中，AC电压波形是正弦波。在该设备的实施例中，AC电压波形是多于一个AC电压波形的总和。在该设备的实施例中，施加到第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形在第二多个分段电极中的相邻电极上以重复模式相移。在该设备的实施例中，施加到第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形在第二多个电极中的相邻电极上以步进方式相移约45°、90°或120°。在该设备的实施例中，至少一个表面包括单一且非平面的表面。在该设备的实施例中，单一且非平面的表面是以下形状之一：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。在该设备的实施例中，至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。在该设备的实施例中，两个表面大致彼此平行。在该设备的实施例中，所施加的AC电压波形的频率选自10Hz-200kHz的范围，并且所施加的RF电压的频率选自100kHz-5MHz的范围。在该设备的实施例中，所施加的AC电压波形的频率选自1Hz到1kHz的范围。在该设备的实施例中，该设备的压力范围是从大气压至1毫托真空。在本公开的另一个实施例中，提供了一种用于离子操纵的设备。该设备包括至少一个表面和多个分段电极。多个分段电极耦合到至少一个表面上，并且被布置成一个或多个纵向组。多个分段电极还与交流(AC)电压源和射频(RF)电压源电连通。由AC电压源施加到多个电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形相移l°-359°。由RF电压源施加到多个电极中的相邻电极的RF电压相移约180°。该设备的实施例可以以任何组合方式包括以下中的一个或多个。在实施例中，该设备还包括多个保护电极，该多个保护电极位于至少一个表面上的多个电极的外端上。多个保护电极还与DC电压源电连通。当从DC电压源接收到恒定的DC电压时，多个保护电极产生将离子运动约束到朝向保护电极的电场。在该设备的实施例中，AC电压波形是正弦波。在该设备的实施例中，AC电压波形是多于一个AC电压波形的总和。在该设备的实施例中，所施加的AC电压波形在多个电极中的相邻电极上以重复模式相移。在该设备的实施例中，所施加的AC电压波形在多个电极中的相邻电极上以步进方式相移约45°、90°、120°或180°。在该设备的实施例中，至少一个表面包括单一且非平面的表面。在该设备的实施例中，单一且非平面的表面是以下形状中的一种：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。在该设备的实施例中，至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。在该设备的实施例中，两个表面大致彼此平行。在该设备的实施例中，所施加的AC电压波形的频率选自1kHz-200kHz的范围，并且RF电压选自100kHz-5MHz的范围。在该设备的实施例中，该设备的压力范围是从大气压至1毫托真空。在本公开的额外的实施例中，提供了一种离子操纵的方法。该方法包括提供至少一个表面。至少一个表面包括耦合到至少一个表面并且与射频(RF)电压源电连通的第一多个连续电极。至少一个表面还包括第二多个分段电极，该第二多个分段电极耦合到至少一个表面并且被布置成位于第一多个电极之间或与第一多个电极相邻的纵向组。第二多个分段电极还与交流(AC)电压源电连通。该方法还包括通过RF电压源向第一多个电极中的相邻电极施加RF电压，其中所施加的RF电压在第一多个电极中的相邻电极上相移约180°。该方法另外包括通过AC电压源在第二多个分段电极的纵向组内施加AC电压波形，其中所施加的AC电压波形在第二多个电极中的相邻电极上相移1°-359°。该方法的实施例可以以任何组合方式包括以下中的一个或多个。在实施例中，该方法还包括在位于至少一个表面上的第一和第二多个电极的外端上设置多个保护电极。多个保护电极还与DC电压源电连通。当从DC电压源接收到恒定的DC电压时，多个保护电极产生将离子运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于离子操纵的设备，包括：至少一个表面；第一多个连续电极，所述第一多个连续电极耦合到所述至少一个表面并且与射频(RF)电压源电连通，其中，由所述RF电压源施加到所述第一多个电极中的相邻电极的RF电压在所述第一多个电极中的所述相邻电极上相移约180°；以及第二多个分段电极，所述第二多个分段电极耦合到所述至少一个表面上，并且被布置成位于所述第一多个电极之间或与所述第一多个电极相邻的纵向组，所述第二多个分段电极还与交流(AC)电压源电连通，其中，由所述AC电压源施加到所述第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形在所述第二多个电极中的所述相邻电极上相移l°‑359°。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.07 US 62/238,2911.一种用于离子操纵的设备，包括：至少一个表面；第一多个连续电极，所述第一多个连续电极耦合到所述至少一个表面并且与射频(RF)电压源电连通，其中，由所述RF电压源施加到所述第一多个电极中的相邻电极的RF电压在所述第一多个电极中的所述相邻电极上相移约180°；以及第二多个分段电极，所述第二多个分段电极耦合到所述至少一个表面上，并且被布置成位于所述第一多个电极之间或与所述第一多个电极相邻的纵向组，所述第二多个分段电极还与交流(AC)电压源电连通，其中，由所述AC电压源施加到所述第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形在所述第二多个电极中的所述相邻电极上相移l°-359°。2.如权利要求1的设备，还包括多个保护电极，所述多个保护电极位于所述至少一个表面上的所述第一多个电极和所述第二多个电极的外端上，所述多个保护电极还与DC电压源电连通，其中，当从所述DC电压源接收到恒定的DC电压时，所述多个保护电极产生将离子运动约束到朝向所述保护电极的电场。3.如权利要求1的设备，其中，所述AC电压波形是正弦波。4.如权利要求3的设备，其中，所述AC电压波形是多于一个AC电压波形的总和。5.如权利要求1的设备，其中，施加到所述第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的所述AC电压波形在所述第二多个分段电极中的所述相邻电极上以重复模式相移。6.如权利要求5的设备，其中，施加到所述第二多个分段电极的纵向组内的相邻电极的所述AC电压波形在所述第二多个电极中的所述相邻电极上以步进方式相移约45°、90°或120°。7.如权利要求1的设备，其中，所述至少一个表面包括单一且非平面的表面。8.如权利要求7的设备，其中，所述单一且非平面的表面是以下形状中的一种：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。9.如权利要求1的设备，其中，所述至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。10.如权利要求9的设备，其中，所述两个表面彼此大致平行。11.如权利要求1的设备，其中，所施加的AC电压波形的频率选自10Hz-200kHz的范围，并且所施加的RF电压的频率选自100kHz-5MHz的范围。12.如权利要求1的设备，其中，所施加的AC电压波形的频率选自1Hz到1kHz的范围。13.如权利要求1的设备，其中，所述设备的压力范围是从大气压至1毫托真空。14.一种用于离子操纵的设备，包括：至少一个表面；多个分段电极，所述多个分段电极耦合到所述至少一个表面并且被布置成一个或多个纵向组，所述多个分段电极与交流(AC)电压源和射频(RF)电压源电连通；其中，由所述AC电压源施加到所述多个电极的纵向组内的相邻电极的AC电压波形相移l°-359°；并且其中，由所述RF电压源施加到所述多个电极中的相邻电极的RF电压相移约180°。15.如权利要求14的设备，还包括多个保护电极，所述多个保护电极位于所述至少一个表面上的所述多个电极的外端上，所述多个保护电极还与DC电压源电连通，其中，当从所述DC电压源接收到恒定的DC电压时，所述多个保护电极产生将离子运动约束到朝向所述多个保护电极的电场。16.如权利要求14的设备，其中，所施加的AC电压波形是正弦波。17.如权利要求16的设备，其中，所述AC电压波形是多于一个AC电压波形的总和。18.如权利要求14的设备，其中，所施加的AC电压波形在所述多个电极中的所述相邻电极上以重复模式相移。19.如权利要求18的设备，其中，所施加的AC电压波形在所述多个电极中的所述相邻电极上以步进方式相移约45°、90°、120°或180°。20.如权利要求14的设备，其中，所述至少一个表面包括单一且非平面的表面。21.如权利要求20的设备，其中，所述单一且非平面的表面是以下形状中的一种：曲面、圆柱形、螺旋形、漏斗形、半球形或椭圆形。22.如权利要求14的设备，其中，所述至少一个表面包括彼此间隔开的两个表面。23.如权利要求22的设备，其中，所述两个表面彼此大致平行。24.如权利要求14的设备，其中，所施加的AC电压波形的频率选自1kHz-200kHz的范围，并且所述RF电压选自1...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·必斯·加利梅拉，A·M·哈米德，Y·M·易卜拉欣，R·D·史密斯，
申请(专利权)人：巴特尔纪念研究院，
类型：发明
国别省市：美国,US