用于形成分隔开的真空室的隔离物

摘要

本发明涉及用于形成分隔开的真空室的隔离物，并提供了一种质谱系统，其包括相对于壳体可在打开位置和关闭位置之间移动的板。离子光学装置的至少一部分安装到所述板上。当所述板处于所述关闭位置时，壳体包围离子光学装置，并且隔离物形成分隔所述壳体内的多个真空室的气体阻隔。当所述板移动到所述打开位置时，由所述隔离物形成的所述气体阻隔被打破。

说明书

技术领域

本发明涉及用于形成分隔开的真空室的隔离物。

背景技术

质谱术是基于带电粒子的质量-电荷比确认样品的化学组成的分析技术。样品包含带电粒子，或者经过裂解形成带电粒子。通过使得粒子通过质谱仪中的电场和磁场，来计算粒子的荷质比。

图1示出了典型的三重四极质谱系统的离子光学装置100的实例。质谱仪的离子光学装置100具有三个主要模块：离子源101，其将样品中的分子转变成离子113；质量分析器103，其通过施加电场和磁场将离子113按其质量归类；检测器105，其测量某一指示量的值，由此提供用于计算各个离子存在丰度的数据。

在三重四极质谱仪的情况下，质量分析器103具有线性串联的三个四极杆。第一四极杆107和第三四极杆111用作质量过滤器。中间四极杆109被包括在碰撞腔中。此碰撞腔是仅仅具有RF的四极杆(非质量过滤)，使用Ar、He或N₂气引发来自第一四极杆107的选定前体离子的裂解(碰撞引发的解离)。所得的碎片被通过到第三四极杆111，在此其可以被充分过滤或扫描。

部件101-111(连同离子113在从离子源101行进到检测器105时通过的任何其它部件，诸如用于操纵离子113的透镜115，117，119)的任意组合可以被称为离子光学装置100。

质谱仪具有定性和定量两种用途，诸如确认未知化合物、确定化合物中元素的同位素组成、通过观察化合物的碎片确定化合物的结构、定量样品中化合物的含量、研究气相离子化学的基本原理(离子和中性粒子在真空中的化学)以及确定化合物的其它物理、化学或生物性能。

三重四极杆的使用允许研究对于结构阐明来说极其重要的碎片(产物离子)。例如，第一四极杆107可以被设定以“过滤”已知质量的药物离子，所述药物离子在中间四极杆109中裂解。第三四极杆111然后可以被设定来扫描整个m/z范围，提供关于所得到的碎片的尺寸的信息。由此，可以推导原始离子的结构。

通常期望沿离子光学装置100的长度具有压差。这可以通过将离子光学装置100的不同部分放置在具有不同压力的、分隔开的真空室中来实现。对于为什么期望这样的沿离子光学装置100的长度的压差，存在若干理由。

大多数分析器，诸如质量分析器103，最好工作在低压下。这是因为压力越低，意味着与其它气体分子的碰撞将越少，使得离子113从离子源101一路到达检测器105的几率越高。此外，用于操纵离子113的透镜115、117、119就像仿真模型预测的那样在低压下工作良好，而在较高压力下则工作不那么好。此外，在较低的压力下，高电压使得气体击穿的可能性较小。

另一方面，大多数离子源，诸如离子源101，最好在利用较高浓度或压力的待测分子(分析物)的情况下工作。分析物越多，被离子化的就越多，被测量的就越多。

因此，理想的是，在离子源101处具有较高的压力，在分析器103处具有较低的压力。沿离子光学装置的长度的多个分隔的真空室允许这样的压差。

因为气体被泵入到中间四极杆109碰撞腔中，并且压差防止了泵入碰撞腔的气体进入离子源113中，所以多个分隔的真空室也是有帮助的。进入离子源113的碰撞腔气体是不期望的，因为目标是提高所需要的纯分析物的压力，而不是提高碰撞腔气体的压力。

授予Mordehai的美国专利6,069,355描述了一种质谱仪，其具有三个分隔的真空室(在该专利的图1中标为111、112和113)，沿离子束的路径提供压差(参见该专利的图1和第三栏第10-13行)。但是，该专利使用了标准真空连接装置，使得访问或拆卸真空室内部的部件非常困难并且耗时，因此用于周期性维护的组装和拆卸都很困难。

授予Kuypers的美国专利5,753,795描述了一种装置，其使得访问和拆卸真空室内部的质谱仪部件更加容易。可卸下的高真空板组件(在该专利的图3中标为44)被设置来访问真空室(在该专利的图4中标为66)内部的质谱仪部件。但是，该专利仅能访问单个真空室。其没有对于如何访问或拆卸布置在数个分隔的真空室(诸如Mordehai的美国专利6,069,355中的三个真空室)的质谱仪部件提供任何教导。

通过多个真空室快速、方便的访问质谱仪部件是令人期望的。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种质谱系统，包括：壳体；板，其相对于所述壳体在打开位置和关闭位置之间可移动；离子光学装置，其至少一部分安装到所述板上，其中当所述板处于所述关闭位置时，所述离子光学装置被所述壳体和所述板包围；隔离物，其在所述板处于所述关闭位置时形成气体阻隔，所述气体阻隔在所述壳体内分隔开至少两个真空室，并且当所述板移动到所述打开位置时，由所述隔离物形成的所述气体阻隔被打破。

在另一个方面，本发明涉及一种用于操作质谱系统的壳体内的真空室的方法，包括如下步骤：相对于所述质谱系统的所述壳体关闭板，使得由隔离物形成气体阻隔，以创建所述壳体内的分隔开的至少两个真空室；将所述真空室中的压强抽低；利用所述质谱系统进行测量；使得所述真空室恢复压力；打开所述板，使得所述隔离物形成的所述气体阻隔被打破。

附图说明

现在将参考附图，仅仅出于举例说明的原因，描述本发明的进一步的优选特征，在附图中：

图1是示出了典型的三重四极质谱系统的离子光学装置的示意图。

图2是示出了本发明的实施方式的质谱系统的一部分的剖视轴侧图。

图3是包括图2的离子光学装置和隔离物的、但是在它们以板出于关闭位置的情况下出现时的等角图。

图4是图2的质谱系统的剖视图，包括了壳体、板和级间密封件，但是省略了离子光学装置和支架，以在板相对于壳体处于关闭位置时提供级间密封件的位置的更好图示。

图5示出了可以用作图2、3和4中所示的级间密封件的级间密封件的多件式实施方式。

图6示出了可以用作图2、3和4中所示的级间密封件的具有可膨胀部分的级间密封件的实施方式。

图7示出了图2-4中所示的离子光学装置的拆卸。

图8是示明当使用图2的质谱系统时操作真空室的布置的流程图。

具体实施方式

图2是示出了本发明的实施方式的质谱系统201的一部分的剖视轴侧图。离子光学装置203利用支架217和支架218安装到板209。图示了离子光学装置203的质量分析器的第一四极杆质量过滤器207(该第一四极质量过滤器207处于圆筒罩208内)和离子源205。在此图中，省略了离子光学装置203的中间四极杆碰撞腔、第三四极杆质量过滤器和检测器。

板209经由铰链213而与壳体211连接。板209相对于壳体211在打开位置和关闭位置之间移动时围绕铰链213旋转。当板209处于关闭位置时，壳体211包围离子光学装置203。在图2中，板209被示为相对于壳体211处于打开位置。

虽然板209被描述为通过围绕铰链213旋转板209来打开或关闭，但是板209也可以通过将其滑动到打开或关闭位置，或者其它本领域技术人员将想到的方式，来打开或关闭。

离子光学装置203的至少一部分被安装到板209上。但是，离子光学装置203的另一部分可以不安装到板209上。例如，离子源205和第一四极杆质量过滤器207可以被安装到板209上，而离子光学装置203的中间四极杆碰撞腔、第三四极杆质量过滤器和检测器105可以安装到另一板上，或者安装到壳体211上。

在其它实施方式中，不同的装置(诸如电子显微镜、用于电子显微镜的样品处理器、表面科学仪器和晶片加载器)可以被安装到板209上。电子子组件也可以被安装到板209上。

图2进一步示出了由支架217和级间密封件219形成的多件式隔离物215。图3也示出了如图2所示的多件式分隔物215，但是板209处于关闭位置。为了提供更好的图示，从图3的视图中省略了壳体211和板209。隔离物215形成位于离子源205和第一四极杆质量过滤器207之间的气体阻隔，使得这些部件处于位于壳体211内的分隔的真空室221和223内。当板209处于关闭位置时，隔离物215被相对于离子光学装置203的束轴301定向在大致横断(transverse)方向。当板209移动到诸如图2所示的打开位置时，由隔离物215形成的气体阻隔被打破。

图4是图2的质谱系统201的剖视图，包括了壳体211、板209和级间密封件219，但是省略了离子光学装置203和支架217，以提供在板209相对于壳体211处于关闭位置时级间密封件的位置的更好图示。可以看到级间密封件219包括沿着级间密封件219的边缘的内密封件403。内密封件403减小隔离物215的级间密封件219和支架217之间的任何间隙，由此减小可能通过该间隙的气体的量。形成在级间密封件219中的中心U形通道401允许离子光学装置203滑进或滑出。所示的级间密封件219与壳体211的内壁形成紧密配合。

一般而言，隔离物215可以是当板209处于关闭位置时形成气体阻隔来在壳体211内创建真空室221和223的任何结构。而且，级间密封件219可以是隔离物215的任意部分，或者级间密封件219可以甚至形成整个隔离物215。“级间密封件”帮助提供级之间或真空室之间的气体阻隔密封。

隔离物215可以由一个部件或多个部件来形成。在图2的实施例中，隔离物215包括级间密封件219与支架217的组合。在图4的实施例中，级间密封件219还包括独立的部件，即内密封件403。

如图3所示，隔离物215的支架217与离子光学装置203配合，并且支架217还与级间密封件219配合。类似地，如图4所示，级间密封件219与壳体211的内壁配合。

在其它实施方式中，隔离物215可以包括级间密封件219而不使用支架217，由此提供隔离物215的一件式实施方式。隔离物215的级间密封件219然后被直接与离子光学装置203和与壳体211的内壁配合。级间密封件219可以被固定到离子光学装置203，使得其在板209被打开时与壳体211的内壁分离。或者，级间密封件219可以被固定到壳体211的内壁，使得其在板209被打开时与离子光学装置203分离。级间密封件219可以利用本领域技术人员已知的任何方法(诸如，通过使用胶粘剂、软焊、焊接，或者通过将其与离子光学装置或壳体一起加工为一个部件)固定到离子光学装置203或壳体211的内壁。

图5示出了可以用作图2、3和4中所示的级间密封件的级间密封件219的多件式实施方式。所示的级间密封件219具有内密封件403以及外密封件501。内密封件403可以与支架217配合，或者直接与光学装置203配合，以帮助隔离物215成为气体阻隔。外密封件501可以类似地与壳体211的内壁配合，以帮助隔离物215成为气体阻隔。在其它实施方式中，内密封件403、外密封件501或这两者可以被从级间密封件219中省略。内密封件403、外密封件501或整个级间密封件219可以由胶粘剂或弹性材料制成。一般来说，密封件403和501可以由在板209处于关闭位置时改善真空室221和223之间的气体阻隔的任何材料或材料的组合制成。

图6示出了可以用作图2、3和4中所示的级间密封件的级间密封件219的另一实施方式。所示的级间密封件219具有可膨胀内密封件601以及可膨胀外密封件603。更一般地，这些可膨胀内密封件和外密封件可以是本领域技术人员理解的任何类型的隔离物的可膨胀部分。可膨胀密封件601和603在板209处于关闭位置并且壳体211处于真空下时改善壳体211的真空室221和223之间的气体阻隔。当可膨胀密封件601和603周围的压力减低(当壳体211的室221和223被抽气)时，可膨胀密封件601和603膨胀，以创建抵靠隔离物215的其它部分、壳体211的内壁或离子光学装置203的密封件。

密封件601和603(或者一般地称为可膨胀部分)是内部装有气体的袋。当这些袋的外部的压力小于袋内的气体的压力时，袋将膨胀。类似地，当这些袋的外部的压力增大时，袋收缩。在其它实施方式中，在袋内可以装气相以外的相态的材料，只要其响应于压力变化而膨胀和收缩。

当板209相对于壳体211打开，使得室211和223处于环境压力下时，可膨胀密封件601和603收缩，足以允许容易地将级间密封件241与离子光学装置203或隔离物215的其它部分分离。在其它实施方式中，隔离物215的可膨胀部分可以附装到隔离物215、壳体211的内壁或离子光学装置203上。在另一实施方式中，图6的整个级间密封件219或图3的整个隔离物215可以是可膨胀部分。可膨胀部分可以由气球或其它柔性材料制成。例如，其可以是填充有气体的囊状物。

隔离物215或级间密封件219或隔离物215的任何其它部分在打开和关闭板209时可以相对于离子光学装置203和板209保持固定，或者可以相对于壳体211的壁保持固定。在图2中，例如，隔离物215的级间密封件219在板209被移动到打开位置时相对于壳体的壁保持固定。在图2的实施例中，还可以说，隔离物215的一部分(级间密封件219)相对于壳体211的壁保持固定，并且隔离物215的一部分(支架217)相对于离子光学装置203和板209保持固定。相反，图3可以用于图示在隔离物215的级间密封件219在打开和关闭板209时相对于离子光学装置203将保持固定的情况下级间密封件219的位置。

应该注意，由隔离物215形成的气体阻隔不必是真空密封。其可以被设计成提供真空室221和223之间所需的任何程度的隔离。在一些应用中，隔离物215可以在室221和223中的一者保持环境压力的情况下允许室221和223之间的压差。隔离物215中甚至可以具有间隙，允许气体从一个真空室221通到另一个真空室223，只要其对于气体中的一些被用作阻隔。

在一些实施方式中，隔离物215可以是可选择性透过的，允许一些种类的气体在室221和223之间通过而阻挡其它种类的气体，或者允许不同种类的气体以不同速率通过。

为了实现这种气体阻隔，如本领域技术人员将理解的，级间密封件219可以由诸如橡胶、塑料、陶瓷或金属的材料制成。

虽然仅仅说明了形成两个室221和223的一个隔离物215，但是如本领域技术人员将理解的，可以使用多于一个的隔离物来创建两个或更多个室。例如，可以使用三个与隔离物215相同的隔离物，来在壳体211内创建四个分隔的室。然后，离子光学装置203可以穿过所有这些隔离物，以沿其长度经历四个不同的压力。

除了将离子源205和离子光学装置203的质量分析器部分的第一四极杆质量过滤器207分隔的隔离物215，第二隔离物可以将中间四极杆碰撞腔与第一四极杆质量过滤器207分隔。第三隔离物可以将中间四极杆碰撞腔与第三四极杆质量过滤器分隔。第四隔离物可以将第三四极杆质量过滤器与离子光学装置203的检测器分隔。由此，离子源205、第一四极杆质量过滤器207、中间四极杆碰撞腔、第三四极杆质量过滤器和检测器可以全部处于由四个隔离物形成的、分隔开的多个室中。

下面参考图8的流程图并结合图2-7，描述用于操作质谱系统201的壳体211内的真空室221和223的方法。

在步骤801，在板209处于打开位置的情况下，可以将级间密封件219布置成与壳体211的内壁接触(如图2所示)，或与支架217接触(如图3所示)，或者直接与离子光学装置203接触。级间密封件219的这样的布置可以由操作者手动完成。

在步骤803，将板209相对于质谱系统201的壳体211关闭，使得隔离物215形成气体阻隔，以在壳体211内创建分隔的真空室221和223。

如图2所示，当将板209相对于壳体211关闭时，隔离物215的支架217和级间密封件219一起滑动到离子光学装置203和壳体211的内壁之间的位置，从而形成气体阻隔。而且，图3更清楚地示出了当板209处于关闭位置时形成隔离物215的支架217和级间密封件219的位置。图4更清楚地示出了当板209处于关闭位置时级间密封件219和壳体211的内壁的位置。

在步骤805，将真空室221和223中的压强抽低。参考图2，真空泵225分别通过穿过壳体211的壁的真空泵吸端口227和229以差动方式抽空真空室221和223。

例如，真空泵225可以具有2.5立方米/小时的泵速，并且可以将真空室221的压强抽低到5.0×10^-4Torr的压强，将真空室223的压强抽低到5.0×10^-5Torr的压强。差动泵吸由此可以在需要时提供至少10倍或更大的真空室之间压强差。

在具有多个隔离物和多于两个的真空室的实施方式中，可以包括穿过壳体211的壁的更多的真空泵吸端口。

在步骤807，在真空室被抽空之后，可以使用质谱系统201对样品进行测量。

样品的测量可以通过如下来进行：利用离子源205对样品进行离子化，以将样品中的分子转换成离子。诸如氦气的气体也被泵入源205中。将大部分离子通过隔离物215中的孔。但是，任何将损害质量分析器性能的未离子化的气体被抽吸掉。然后，离子光学装置203的质量分析器部分通过施加电场和磁场根据离子的质量将其分类。离子光学装置203的检测器测量某一指示量的值，由此提供用于计算各个离子存在丰度的数据。

样品的测量可以用于确认未知化合物、确定化合物中元素的同位素组成、通过观察化合物的碎片确定化合物的结构、定量样品中化合物的含量、研究气相离子化学的基本原理(离子和中性粒子在真空中的化学)以及确定构成样品的化合物的其它物理、化学或生物性能。

当需要维护时，在步骤809，通过允许环境压强或接近环境压强下的空气通过真空泵吸端口227和229或通过可访问壳体211内部的其它通风口而进入室221和223，使得真空室221和223恢复压强。

在步骤811，板209被打开，使得由隔离物215形成的气体阻隔被打破。图2示出了隔离物215被分离成分开的支架217和级间密封件219部，分，以打破气体阻隔。

在步骤813，作为简单的工作，使用者手动地拆卸级间密封件219，如图7所示。由此，可以容易地访问或拆卸壳体211的真空室内部的质谱仪部件，以进行维护。

在前面的说明书中，参考本发明的具体示例性实施方式描述了本发明。因此，说明书和附图应被认为是示例性的，而不是限制性的。