專利名稱：針對質(zhì)譜儀的離子能量分散的減少的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于減少質(zhì)譜儀或其部件中的離子能量分散的方法和裝置。本發(fā)明 具體但不排他地可應(yīng)用于減少噴射進(jìn)入碎裂或碰撞室的離子的能量分散。
背景技術(shù)：
許多離子光學(xué)設(shè)備只能當(dāng)離子能量在一個(gè)有限的能量范圍內(nèi)時(shí)運(yùn)行良好。 例子包括靜電透鏡，其中色差導(dǎo)致散焦；RF多極或四極濾質(zhì)儀，其中當(dāng)離子通 過設(shè)備的有限長度時(shí)所經(jīng)歷的RF周期數(shù)是離子能量的函數(shù)；磁控光學(xué)系統(tǒng)， 其分散質(zhì)量和能量。反射鏡通常設(shè)計(jì)成提供能量聚焦以便補(bǔ)償一范圍的離子束 能量，但高階能量色差通常存在。
串聯(lián)質(zhì)譜測定法是一種眾所周知的技術(shù)，通過該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對樣品的軌 跡分析和結(jié)構(gòu)解釋。在第一步中對母離子進(jìn)行質(zhì)量分析/過濾以選擇感興趣的質(zhì) 荷比的離子，接著在第二步中通過例如用諸如氬之類的氣體碰撞使這些離子碎 裂。然后通常通過制作質(zhì)譜對所產(chǎn)生的碎裂離子進(jìn)行質(zhì)量分析。
實(shí)現(xiàn)母離子碎裂的碎裂設(shè)備的成功運(yùn)轉(zhuǎn)同樣受進(jìn)入其中的離子的能量分 散度所限制。例如，超過10-20eV的能量分散影響碎裂較高能量導(dǎo)致低質(zhì)量 碎片，而較低能量導(dǎo)致碎裂很少。
發(fā)明內(nèi)容
對照這樣的背景且根據(jù)本發(fā)明，提供一種在特定的和有限的質(zhì)荷比范圍之 上的減少離子能量分散的方法，該方法包括以下步驟(a)使用減速電極裝置
產(chǎn)生電場強(qiáng)度為E的電場；(b)引導(dǎo)能量分散的質(zhì)荷比范圍的離子進(jìn)入由減 速電極裝置產(chǎn)生的減速電場中；(c) 一旦基本上特定質(zhì)荷比范圍的所有離子都 已進(jìn)入減速電場，就在時(shí)間t去除減速電場；其中電場強(qiáng)度E與進(jìn)入電場的離
子的能量分散匹配，以便減少所述離子的能量分散。
這樣的技術(shù)可導(dǎo)致感興趣的特定質(zhì)荷比范圍的離子的能量分散量的顯著減少。
在這之前可任選地進(jìn)行另外一個(gè)能量散射的步驟，例如使用離子反射鏡。 代替地將靜電阱與靜電反射鏡一起使用，靜電反射鏡來回多次反射離子；在那 種情況下，當(dāng)感興趣的質(zhì)荷比范圍的離子在反射鏡之一附近時(shí)，通過短暫開關(guān) 該反射鏡的電壓，可實(shí)現(xiàn)離子能量的散焦。
可差動(dòng)地抽吸離子減速裝置。如果尋求將通常在相對較低壓工作、能噴射 單一質(zhì)荷比的離子的EST或其他裝置(例如3D離子阱、工作在共振噴射模式 的軌道阱等等)連接到在相對較高壓工作的碎裂或碰撞室，這就尤其有用。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種離子減速裝置用以減少特定但有限的質(zhì) 荷比范圍之上的離子的能量分散，包括用于產(chǎn)生電場強(qiáng)度為E的電場的減速 電極裝置，該減速電極裝置包括一個(gè)或多個(gè)減速電極；用于向所述的一個(gè)或多 個(gè)減速電極供給電壓的電壓源；以及配置成開關(guān)該電壓源的電壓控制器，以便 在將質(zhì)荷比范圍的有能量分散的離子引入到由減速電極裝置產(chǎn)生的減速電場 中且一旦實(shí)質(zhì)上特定質(zhì)荷比范圍的所有離子都已進(jìn)入減速電場之后，就在時(shí)間 t移除該減速電場；其中控制器和/或電壓源被配置成產(chǎn)生與進(jìn)入電場的離子的 能量分散相匹配的電場強(qiáng)度E以便于減少所述離子的能量分散。
優(yōu)選地所述裝置還包括置于離子減速裝置上游的離子能量散射裝置。
離子能量散射裝置可包括離子反射鏡組件，該組件具有用于將接收到離子 反射鏡組件內(nèi)的離子反射回去的離子反射鏡。減速電極裝置被安置于差動(dòng)抽吸 的外殼內(nèi)。在該情況下，該裝置還可進(jìn)一步包括在減速電極裝置下游的諸如八 極純RF裝置之類的多極RF裝置。
本發(fā)明也可擴(kuò)展到與上游的諸如EST之類的離子選擇裝置組合使用和/或 與下游的碎裂或碰撞室組合使用的裝置上。
本發(fā)明另外的部分提供質(zhì)譜測定方法，包括以下步驟在第一周期，將樣
品離子儲(chǔ)存在第一離子存儲(chǔ)裝置中，第一離子存儲(chǔ)裝置包括出口孔和空間分離
的離子輸運(yùn)孔；將所存儲(chǔ)的離子從出口孔噴射到獨(dú)立的離子選擇裝置內(nèi)；通過 第一離子存儲(chǔ)裝置的離子輸運(yùn)孔接收回至少一部分從第一離子存儲(chǔ)裝置噴射 出的離子或它的衍生物；以及將所接收的離子儲(chǔ)存到第一離子存儲(chǔ)裝置中。 可任選地此周期可重復(fù)多次以允許MS"。
因此本發(fā)明的這個(gè)方面采用了循環(huán)的裝置，在其中俘獲、可任選地冷卻和 從出口孔噴射離子。將這些離子(或它們的子集，在諸如碎裂、離子選擇等等之類的外部處理之后)返回離子存儲(chǔ)裝置，在那里它們通過第二個(gè)空間獨(dú)立的 離子輸運(yùn)孔(這種情況下作為進(jìn)口孔)重新進(jìn)入該離子存儲(chǔ)裝置。這種循環(huán)裝 置提供優(yōu)于上文介紹中標(biāo)識的現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)好處，現(xiàn)有技術(shù)替換地通過離子 阱中相同的孔采用了"往復(fù)"程序。首先，最小化將離子存儲(chǔ)和噴射到離子選擇 器中所需的裝置的數(shù)量。允許極高質(zhì)量分辨和動(dòng)態(tài)范圍的現(xiàn)代存儲(chǔ)和噴射裝置 造價(jià)昂貴且需要控制，因此本發(fā)明的裝置超越現(xiàn)有技術(shù)表現(xiàn)出顯著節(jié)省成本和 控制。其次，通過使用同一個(gè)(第一)離子存儲(chǔ)裝置將離子噴射到外部離子選 擇裝置中并從該外部離子選擇裝置中接收回離子，減少了MS階段的數(shù)量。這 又改善了依賴于MS階段的數(shù)量的離子輸送效率。通常，從外部離子選擇器中 噴射出的離子的特性與從離子存儲(chǔ)裝置中噴射出的離子的特性大不相同。尤其 當(dāng)離子從外部碎裂裝置返回到離子存儲(chǔ)裝置時(shí)，通過經(jīng)由專用的離子進(jìn)入端口 (第一離子傳輸孔)將離子裝入離子存儲(chǔ)裝置中，可在良好控制下實(shí)現(xiàn)這個(gè)過 程。這最小化了離子損失而又改善了該裝置的離子輸送效率。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，碎裂裝置安置在離子存儲(chǔ)裝置外面?？蛇x 地或代替地提供外部離子選擇裝置。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，碎裂裝置安置在這 樣的離子選擇裝置(但在其外部)和離子存儲(chǔ)裝置之間。
可提供離子源以向離子存儲(chǔ)裝置供應(yīng)連續(xù)的或脈沖的樣品離子流。在一個(gè) 優(yōu)選裝置中，可任選的碎裂裝置可改為置于這樣的離子源和離子存儲(chǔ)裝置之
間。在任一情況下，通過允許直接從離子源或衍生于MS的先前周期劃分出離
子子群(和可任選的對其的單獨(dú)分析)，可并行地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的MSn實(shí)驗(yàn)。這還
導(dǎo)致設(shè)備的占空比增加，且類似地也能改善設(shè)備的檢測限制。
盡管本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例可使用任意離子選擇裝置，但將它和靜電阱
(EST)組合使用是尤其適合和有利的。近年來，包含靜電阱(EST)的質(zhì)譜 儀已經(jīng)開始變得可購買。相對于四極質(zhì)量分析器/過濾器，EST的質(zhì)量精確度高 得多(可能百萬分之幾)，而相對于四極一正交加速TOF設(shè)備，EST的占空比 和動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)越得多。在本申請的框架內(nèi)，將EST視為普通種類的離子光學(xué)設(shè) 備，其中運(yùn)動(dòng)的離子在基本靜電場中至少沿一個(gè)方向多次改變它們的運(yùn)動(dòng)方 向。如果這多次反射被限制在有限體積內(nèi)以致離子軌道圍繞它們自身，那么所 得的EST被稱為"封閉"型。可在US-A-3,226,543 、 DE-A-04408489禾口 US-A-5，886,346中找到這種"封閉"型質(zhì)譜儀的例子。代替地，離子可以將一 個(gè)方向的多次改變和沿另一個(gè)方向的移動(dòng)結(jié)合以致其軌道不圍繞它們自身。這樣的EST通常被稱為"開放"型，可在GB-A-2，080,021、SU-A-1,716，922、SU-A-1, 725,289、 WO-A-2005/001878以及US-A-20050103992圖2中找到例子。
諸如US-A-6,300,625、 US-A-2005/0,103,992以及WO-A-2005/001878中所
描述的由一些靜電阱由外部離子源注滿，并向EST下游的外部探測器噴射離 子。諸如US-A-5,886，346中描述的其它的EST采用了諸如檢測鏡像電流之類的 技術(shù)以在不噴射的情況下檢測阱內(nèi)的離子。
靜電阱可用于精確質(zhì)量篩選外部噴射來的離子(例如像US-A-6,872，938和 US-A-6，013，913中所描述的一樣)。在這里，通過施加交流電壓和EST中的離 子振蕩共振選擇前體離子。此外，通過引入碰撞氣體、激光脈沖或其它在EST 內(nèi)實(shí)現(xiàn)碎裂，且后續(xù)的激發(fā)步驟是必須的，以實(shí)現(xiàn)對所產(chǎn)生碎裂的檢測(在 US-A-6，872,938和US-A-6,013,913的設(shè)置的情況下，這通過鏡像電流檢測完 成)。
然而，靜電阱并非沒有困難。例如，EST通常需要注入離子。例如，我們 更早的專利申請No. WO-A-02/078046和WO05124821A2描述了使用線性阱 (LT)以達(dá)到確保高相干包注入到EST裝置中所需的標(biāo)準(zhǔn)的組合。對于這樣 高性能、高質(zhì)量分辨率的設(shè)備，制造持續(xù)時(shí)間非常短的離子包(每個(gè)包含大量 離子)的需求意味著在這樣的離子注入設(shè)備中最佳的離子提取的方向通常與有 效率的離子捕獲方向不同。
此外，高級EST傾向于有嚴(yán)格的真空要求以避免離子損失，而和它們連接 的離子阱和碎裂機(jī)通常充滿氣體，因此這些裝置和EST之間的壓力差通常有5 個(gè)數(shù)量級。為避免在離子提取過程中碎裂，必須通過最小化壓力和氣體濃度(通 常地將它保持在10^—l(^mm'托以下)的乘積，然而為了有效地俘獲離子， 此乘積需要被最大化(通常超過0.2 — 0.5mm'托)。
因此在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)離子選擇裝置是EST時(shí)，使用有不 同的離子進(jìn)口和出口的離子存儲(chǔ)裝置允許同一離子存儲(chǔ)裝置以適當(dāng)?shù)姆绞教?供離子以注入到EST中，然而也允許離子流或離子長脈沖通過碎裂裝置從EST 返回而以良好控制的方式穿過第二離子輸運(yùn)孔或在某些實(shí)施例中第三離子輸 運(yùn)孔被裝載到第一離子存儲(chǔ)設(shè)備中。
即使是靜電阱構(gòu)成離子選擇裝置，也可使用任意形式的靜電阱。 一特別優(yōu) 選裝置涉及EST，其中由于EST電極的會(huì)聚效應(yīng)離子束截面保持受限，因?yàn)檫@ 改善了從EST的后續(xù)離子噴射的效率?？墒褂瞄_放型或封閉型EST 二者的任一個(gè)。多次反射允許不同質(zhì)荷比的離子之間的分離增大，從而可任選地選擇感 興趣的特定質(zhì)荷比、或簡單地比注入到離子選擇裝置中的更窄范圍的質(zhì)荷比。 可通過使用施加于專用電極的電脈沖偏轉(zhuǎn)不需要的離子來完成選擇，優(yōu)選地專 用電極置于離子反射鏡的飛行時(shí)間焦平面上。在封閉型EST的情況下，可能需
要多個(gè)偏轉(zhuǎn)脈沖來提供逐漸變窄的m/z選擇范圍。
可能以兩種模式使用碎裂裝置在第一種模式中，可以常規(guī)方式在離子碎 裂裝置中碎裂前體離子，而在第二種模式中，通過控制離子能量，前體離子能 穿越離子碎裂裝置而不碎裂。這樣可同時(shí)地或單獨(dú)地允許MSn和改善離子豐度 一旦已將離子從第一離子存儲(chǔ)裝置注入到離子選擇裝置中，能可控地將特定的 低豐度的前體離子從離子選擇裝置噴射出并存儲(chǔ)回第一離子存儲(chǔ)裝置中，而不 在碎裂裝置中被碎裂。這可以通過以不足以引起碎裂的能量使這些低豐度前體 離子通過碎裂裝置實(shí)現(xiàn)。通過使用脈沖減速場(例如形成在兩個(gè)有孔的平面電
極之間的縫隙)可對給定的m/z減少能量分散。當(dāng)離子在從質(zhì)量選擇器返回第
一離子存儲(chǔ)裝置的途中進(jìn)入減速電場時(shí)，更高能量離子超過低能量離子因而運(yùn)
動(dòng)到減速場中更深處。所有此特定m/z的離子進(jìn)入減速場后，該場關(guān)閉。所以 初始能量更高的離子比低能量離子經(jīng)歷更高的對地勢能下降，因此可使它們能 量相等。通過將勢能下降與從離子選擇器中出來時(shí)的能量分散相匹配，可實(shí)現(xiàn) 能量分散的顯著減少。從而可避免離子碎裂或代替地改善對碎裂的控制。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于質(zhì)譜儀的離子存儲(chǔ)裝置，包括離子出 口孔和空間分離的離子輸運(yùn)孔，離子存儲(chǔ)裝置被配置成在第一個(gè)周期中將所存 儲(chǔ)的離子噴射出離子出口孔，接收回穿過與其分離的離子輸運(yùn)孔的離子，以及 在其中存儲(chǔ)所接收的離子。本發(fā)明在這方面還可擴(kuò)展到包括這樣的離子存儲(chǔ)裝 置連同離子選擇裝置和/或離子碎裂裝置的質(zhì)譜儀。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種質(zhì)譜測量方法，包括將離子存儲(chǔ)
在第一離子存儲(chǔ)裝置中；將離子從第一離子存儲(chǔ)裝置噴射到離子選擇裝置；在 離子選擇裝置內(nèi)選擇離子的子集；從離子選擇裝置噴射離子；在碎裂裝置或第 二離子存儲(chǔ)裝置之一中俘獲至少一部分所選離子；以及分別將至少一部分在碎 裂裝置或第二離子存儲(chǔ)裝置的所述之一中所俘獲的離子或它們的產(chǎn)物沿著繞 過離子選擇裝置的離子返回路徑返回到第一離子存儲(chǔ)裝置中。
在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，提供了一種改善質(zhì)譜儀的檢測限制的方法，包 括從離子源產(chǎn)生樣品離子；在第一離子存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)樣品離子；將所存儲(chǔ)的離子噴射進(jìn)入離子選擇裝置；選擇選定質(zhì)荷比的離子并將其噴射出離子選擇 裝置；將從離子選擇裝置噴射出的離子存儲(chǔ)在第二離子存儲(chǔ)裝置中，而不使它 們穿過離子選擇裝置返回；重復(fù)前述步驟以便于增加存儲(chǔ)在第二離子存儲(chǔ)裝置 中的所述選定質(zhì)荷比的離子；以及將所增加的所述選定質(zhì)荷比的離子轉(zhuǎn)移回第 一離子存儲(chǔ)裝置以供后續(xù)分析。
當(dāng)樣品中的選定質(zhì)荷比的離子為低豐度時(shí)，這種技術(shù)允許改善設(shè)備的檢測 限制。 一旦足夠數(shù)量的這些低豐度前體離子已經(jīng)積累在第二離子存儲(chǔ)裝置中， 就可將它們注入回第一離子存儲(chǔ)裝置以在那里俘獲(再一次，繞過離子選擇裝 置)并作例如后續(xù)MSn分析。盡管優(yōu)選地離子通過第一離子輸運(yùn)孔離幵第一離 子存儲(chǔ)裝置，并通過第二單獨(dú)離子輸運(yùn)孔接收回第一離子存儲(chǔ)裝置中，在本發(fā) 明的這個(gè)方面中這不是必需的，且通過相同的孔噴射和俘獲是可行的。
可任選地，在移動(dòng)低豐度前體離子到第二離子存儲(chǔ)裝置以增加這些特定前 體離子的數(shù)目的同時(shí)，離子選擇裝置可繼續(xù)保持和更進(jìn)一步地凈化所選擇的其 它所需前體離子。當(dāng)足夠精細(xì)地選擇了這些前體離子時(shí)，可將它們從離子選擇 裝置噴射出并在碎裂裝置中碎裂以產(chǎn)生碎裂離子。然后可將這些碎裂離子轉(zhuǎn)移
到第一離子存儲(chǔ)裝置，接著可對這些碎裂離子執(zhí)行MSn或類似地將它們存儲(chǔ)在
第二離子存儲(chǔ)裝置中以便后續(xù)周期進(jìn)一步這樣充實(shí)所存儲(chǔ)離子的數(shù)量，以再次 增加設(shè)備對特定碎裂離子的檢測限制。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種改善質(zhì)譜儀的檢測限制的方法，
包括(a)從離子源產(chǎn)生離子；(b)在第一離子存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)樣品離子；
(C)將所存儲(chǔ)的離子噴射進(jìn)入離子選擇裝置；(d)選擇有分析興趣的離子并 將其噴射出離子選擇裝置；(e)將從離子選擇裝置噴射出的離子在碎裂裝置中
碎裂；(f)將選定質(zhì)荷比的碎裂離子存儲(chǔ)在第二離子存儲(chǔ)裝置中，而不使它們 返回穿過離子選擇裝置；(g)重復(fù)前述步驟(a)至(f)以便于增加存儲(chǔ)在第 二離子存儲(chǔ)裝置中的所述選定質(zhì)荷比的碎裂離子；以及(g)將所增加的所述 選定質(zhì)荷比的碎裂離子轉(zhuǎn)移回第一離子存儲(chǔ)裝置以供后續(xù)分析。
如上所述，可通過分開的離子輸運(yùn)孔或通過同一離子輸運(yùn)孔從第一離子存 儲(chǔ)裝置噴射離子以及將離子俘獲回第一離子存儲(chǔ)裝置。
對第一離子存儲(chǔ)裝置中的離子的質(zhì)量分析可在諸如上面參考的US-A-5,886,346中所述的軌道阱之類的單獨(dú)的質(zhì)量分析儀中進(jìn)行，或代替地可將離子 注入回離子選擇裝置以在其中進(jìn)行質(zhì)量分析。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種質(zhì)譜分析方法，包括在離子阱中 積累離子，將所積累的離子注入離子選擇裝置，選擇并噴射離子選擇裝置中的 離子的子集，以及將所噴射的離子的子集直接存儲(chǔ)回離子阱中而不經(jīng)過中間離 子存儲(chǔ)。
從下面關(guān)于一優(yōu)選實(shí)施例的描述中，本發(fā)明的其它優(yōu)選實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)將變 得顯而易見。
附圖簡述
可通過多種途徑實(shí)施本發(fā)明，而現(xiàn)在將僅作為示例參考附圖描述一個(gè)優(yōu)選 實(shí)施例，在附圖中
圖1以框圖形式示出實(shí)施本發(fā)明的質(zhì)譜儀的概觀。
圖2示出圖1的質(zhì)譜儀的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)，包括靜電阱和單獨(dú)的碎裂室；
圖3示出尤其適合用于和圖2的質(zhì)譜儀一起使用的靜電阱裝置的示意性表
示；
圖4示出具體化本發(fā)明的質(zhì)譜儀的第一個(gè)代替裝置。 圖5示出具體化本發(fā)明的質(zhì)譜儀的第二個(gè)代替裝置。 圖6示出具體化本發(fā)明的質(zhì)譜儀的第三個(gè)代替裝置。 圖7示出具體化本發(fā)明的質(zhì)譜儀的第四個(gè)代替裝置。 圖8示出具體化本發(fā)明的質(zhì)譜儀的第五個(gè)代替裝置。
圖9示出在注入到圖1、 2和4至8中的碎裂室之前用于增大離子能量分 散的離子反射鏡裝置。
圖IO示出在注入到圖1、 2和4至8中的碎裂室之前用于減少能量分散的 離子減速裝置的第一個(gè)實(shí)施例。
圖ll示出在注入到圖1、 2和4至8中的碎裂室之前用于減少能量分散的 離子減速裝置的第二個(gè)實(shí)施例。
圖12示出離子能量分散作為施加到圖10和11的離子減速裝置的電壓的 開關(guān)時(shí)間的函數(shù)的曲線；以及
圖13示出離子空間分散作為施加到圖10和11的離子減速裝置的電壓的 開關(guān)時(shí)間的函數(shù)的曲線。
優(yōu)選實(shí)施例詳述首先參考圖1，以框圖形式示出質(zhì)譜儀10。該質(zhì)譜儀IO包括用于產(chǎn)生要
進(jìn)行質(zhì)量分析的離子的離子源20。允許來自離子源20的離子進(jìn)入如例如 WO-A-05124821中描述的例如可為充氣RF多極或彎曲四極的離子阱30。離子 存儲(chǔ)在離子阱30中，且像例如在我們的未決申請No. GB0506287.2中所描述的 一樣會(huì)發(fā)生離子的碰撞冷卻，該申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
然后可將存儲(chǔ)在離子阱30中的離子向優(yōu)選為靜電阱40的離子選擇裝置脈 沖噴射。脈沖噴射產(chǎn)生窄的離子包。這些包被捕獲在靜電阱40中并在其中以 具體結(jié)合圖3所描述的方式經(jīng)歷多次反射。在每次反射上，或在特定次數(shù)反射 之后，不想要的離子被脈沖偏轉(zhuǎn)出靜電阱40，例如到探測器75或到碎裂室50。 優(yōu)選地離子探測器75置于靠近離子反射鏡的飛行時(shí)間焦平面的位置，其中離 子包的持續(xù)時(shí)間最小。因此，只有分析所關(guān)心的離子留在靜電阱40中。進(jìn)一 步的反射將繼續(xù)增大相鄰質(zhì)量之間的分離，以致可實(shí)現(xiàn)選擇窗口的進(jìn)一步變 窄。最終，可排除質(zhì)荷比接近所關(guān)心質(zhì)荷比m/z的所有離子。
在選擇過程完成之后，將離子從靜電阱40中轉(zhuǎn)移到在靜電阱40外部的碎 裂室50中。以充足的能量噴射在選擇過程的末期保留在靜電阱40中的分析所 關(guān)心的離子以使它們能在碎裂室50內(nèi)碎裂。
在碎裂室中碎裂之后，將離子碎片轉(zhuǎn)移回離子阱30中。在這里將它們存 儲(chǔ)以便在進(jìn)一步的周期中執(zhí)行下一個(gè)階段的MS。以這種方式，可實(shí)現(xiàn)MS/MS， 或?qū)嶋H上實(shí)現(xiàn)MS11。
圖1的裝置的可選的或另外的特征是從靜電阱所噴射的離子(因?yàn)樗鼈冊?選擇窗口外)可能在沒有碎裂的情況下通過碎裂室50。通常，這可通過在相對 低能量下加速這些離子使得它們沒有足夠能量在碎裂室中碎裂?？蓪⑦@些在給 定周期中的即時(shí)關(guān)心的選擇窗口之外的未碎裂離子從碰撞室50向上轉(zhuǎn)移到輔 助離子存儲(chǔ)裝置60。在后續(xù)周期中(例如，當(dāng)如上所述的對碎裂離子的進(jìn)一步 質(zhì)譜分析已經(jīng)完成時(shí))，可將第一實(shí)例中的從靜電阱40噴射的離子(因?yàn)樗?們在先前關(guān)心的選擇窗口之外)從輔助離子存儲(chǔ)裝置60轉(zhuǎn)移到離子阱30以便 單獨(dú)分析。
而且輔助離子存儲(chǔ)裝置60可用于增大特定質(zhì)荷比的離子的數(shù)量，尤其是 當(dāng)這些離子在要分析的樣品中具有相對較低的豐度時(shí)。這通過以非碎裂模式使 用碎裂裝置并設(shè)置靜電阱來僅通過所關(guān)心的特定質(zhì)荷比的豐度有限的離子。這 些離子被存儲(chǔ)在輔助離子存儲(chǔ)裝置60中，但可由在后續(xù)周期中使用類似標(biāo)準(zhǔn)從靜電阱40選擇和噴射的相同選定質(zhì)荷比的附加離子來增加。也可例如通過
使用以不同的m/z從阱40的多次噴射將多個(gè)m/z比的離子存儲(chǔ)在一起。
當(dāng)然，先前不需要的先驅(qū)離子，或所關(guān)心的但在樣品中具有低豐度且因此 首先需要增大數(shù)量的先驅(qū)離子，可以是后續(xù)MS"碎裂的主題。那樣，輔助離子 存儲(chǔ)裝置60可以首先將其內(nèi)容噴射到碎裂室50中，而不是將其內(nèi)容直接轉(zhuǎn)移 回離子阱30。
可在不同位置以不同方式進(jìn)行離子的質(zhì)量分析。例如，可在靜電阱40中 對存儲(chǔ)在離子阱中的離子進(jìn)行質(zhì)量分析(其細(xì)節(jié)在以下結(jié)合圖2陳述)。另外 或或者，可提供與離子阱30通信的獨(dú)立的質(zhì)量分析儀70。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖2，更具體地示出質(zhì)譜儀IO的優(yōu)選實(shí)施例。圖2中所示的離子 源20是脈沖激光源(優(yōu)選為其中離子通過來自脈沖激光源22的輻射產(chǎn)生的矩 陣輔助激光解吸附電離(MALDI)源)。然而，同樣可采用諸如大氣壓電噴源 之類的連續(xù)離子源。
在離子阱30和離子源20之間的是例如可為分段的僅限RF的充氣多極子 的預(yù)阱24。 一旦該預(yù)阱充滿，就通過透鏡裝置26將其中的離子轉(zhuǎn)移到在優(yōu)選 實(shí)施例中為充氣的僅限RF的線性四極的離子阱30中。將離子存儲(chǔ)在離子阱30 中直到RF關(guān)掉和橫跨連桿施加DC電壓。在公布為GB-A-2,415,541和 WO-A-2005/124821的我們共同待審的申請中具體陳述了這種技術(shù)，其全部細(xì) 節(jié)包含于此。
所施加的電壓梯度加速離子穿過可任選地包括設(shè)置為感測電荷的網(wǎng)格或 電極34的離子光學(xué)器件32。電荷感測網(wǎng)格34允許估計(jì)離子數(shù)量。需要對離子 數(shù)量進(jìn)行估計(jì)，這是因?yàn)槿绻刑嚯x子，那么所得的質(zhì)量偏轉(zhuǎn)變得難以補(bǔ)償。 因此，如果離子數(shù)量超過預(yù)定限值(如使用網(wǎng)格34所估計(jì)的)，可丟棄所有 離子，并可用來自脈沖激光22的成比例減少的脈沖數(shù)量和/或成比例縮短的累 積時(shí)間重復(fù)在預(yù)阱24中離子的累積?？刹捎帽热鏤S-A-5，572,022中所描述的 用于控制捕獲離子的數(shù)量的其它技術(shù)。
在加速穿過離子光學(xué)器件32之后，每個(gè)m/z的離子被聚焦成10ns和100 ns 之間的短包并進(jìn)入質(zhì)量選擇器40。如從下文中將變得顯而易見地，可采用不同 形式的離子選擇裝置。例如，如果該離子選擇裝置是靜電阱，則對本發(fā)明其特 定細(xì)節(jié)并不是關(guān)鍵的。例如，靜電阱(如果采用的話)可以打開或關(guān)閉，帶有 兩個(gè)或更多離子反射鏡或電氣部分且有旋轉(zhuǎn)或沒旋轉(zhuǎn)。目前，在圖3中示出了用來具體化離子選擇裝置40的靜電阱的一簡單的和優(yōu)選的裝置。該簡單裝置
包括兩個(gè)靜電反射鏡42、 44以及將離子保持在循環(huán)路徑或使它們偏轉(zhuǎn)出該路 徑的兩個(gè)調(diào)制器46、 48。這些反射鏡可由圓形板或平行板構(gòu)成。由于反射鏡上 的電壓為靜態(tài)，因此可以十分精確地維持它們，這樣對靜電阱40內(nèi)的穩(wěn)定和 質(zhì)量精度是有利的。
調(diào)制器46、 48通常是其上施加有脈沖或靜態(tài)電壓的一對緊密開口， 一般 在其兩側(cè)有用來控制彌散場的防護(hù)板。優(yōu)選上升和下降時(shí)間小于10-100 ns (在 峰值10%和90%之間測得)且幅值高至數(shù)百伏的電壓脈沖用于高分辨率地選擇 前體離子。優(yōu)選地，調(diào)制器46和48均置于相應(yīng)反射鏡42、 44的飛行時(shí)間焦 平面上，而該焦平面優(yōu)選但不是必須地與靜電阱40的中心重合。通常，通過 鏡像電流探測(一種公知的技術(shù)因此沒有進(jìn)一步描述)探測離子。
再返回圖2，在靜電阱40內(nèi)的反射和電壓脈沖次數(shù)足夠之后，僅有所關(guān)心 的窄質(zhì)量范圍留在靜電阱40中，因此完成前體離子選擇。然后將EST40中所 選擇的離子偏轉(zhuǎn)到不同于它們的輸入路徑和通向碎裂室50的路徑，或者該離 子將傳遞到探測器75。優(yōu)選地，這種到碎裂室的轉(zhuǎn)向通過結(jié)合以下圖9到圖 13進(jìn)一步詳細(xì)描述的離子減速裝置80進(jìn)行?？赏ㄟ^碎裂室50上的DC偏轉(zhuǎn)的 適當(dāng)偏壓調(diào)節(jié)碎裂室50內(nèi)的碰撞的最終能量。
優(yōu)選地，碎裂室50是帶有沿其分段產(chǎn)生的軸向DC場的分段的僅限RF的 多極子碎裂室。在碎裂室中的適當(dāng)?shù)臍怏w密度(以下詳述)和能量(通常在30 和50V/kDa之間)的情況下，通過該室將離子碎片重新傳送至離子阱30?；蛘?或同時(shí)，離子可被捕獲在碎裂室50中，然后可使用諸如電子轉(zhuǎn)移離解(ETD)、 電子捕獲離解(ECD)、表面感應(yīng)離解(SID)、光子感應(yīng)離解(PID)等等之 類的其它類型碎裂方法將離子碎裂。
一旦離子已經(jīng)再次存儲(chǔ)在離子阱30中，它們就已準(zhǔn)備好為了 MS"的下一 階段轉(zhuǎn)交給靜電阱40，或?yàn)榱速|(zhì)量分析轉(zhuǎn)交給靜電阱40，或者轉(zhuǎn)交給可以是 飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀或RF離子阱或FTICR或如圖2所示的軌道阱質(zhì)譜儀 的質(zhì)量分析儀70。優(yōu)選地質(zhì)量分析儀70具有它自己的自動(dòng)增益控制(AGC) 設(shè)備來限制或調(diào)節(jié)空間電荷。在圖2的實(shí)施例中，這通過軌道阱70的入口處 的靜電計(jì)網(wǎng)格90進(jìn)行。
可將一任選的探測器75置于靜電阱40的出口之一上。這可用于多種用途。 例如，該探測器可用于在離子從離子阱30直接到達(dá)的情況下精確控制預(yù)掃描期間的離子數(shù)目(即，自動(dòng)增益控制)。另外或或者，可使用該探測器探測在 所關(guān)心的質(zhì)量窗口之外的那些離子(換言之，至少在質(zhì)量分析的周期中來自離 子源的不需要離子)。作為另一替換，在如上所述的EST中的多次反射之后，
能以高分辨率探測靜電阱40中的所選擇的質(zhì)量范圍。再一個(gè)變體可涉及用適 當(dāng)?shù)暮蠹铀匐A段對諸如蛋白質(zhì)、聚合物和DNA之類的重單電荷分子的探測。 僅舉例來說，該探測器可以是具有單離子靈敏度和可用于弱信號探測的電子倍
增器或微溝道/微球體板?；蛘?，該探測器可為收集器且因此能測量非常強(qiáng)的信 號(在一峰中大概多于104個(gè)離子)?？刹捎靡粋€(gè)以上探測器以及根據(jù)例如從 先前的采集周期獲得的頻譜信息將離子包導(dǎo)向一個(gè)或另一個(gè)探測器的調(diào)制器。
圖4示出雖然與圖2的裝置有些特定差異但基本相似的裝置。同樣，相同 的參考標(biāo)記表示圖2和圖4的裝置共有的部分。
圖4的裝置還包括離子源20，它將離子提供給在圖4的實(shí)施例中是輔助離 子存儲(chǔ)裝置60的預(yù)阱。該預(yù)阱/輔助離子存儲(chǔ)裝置60的下游是離子阱30 (在 優(yōu)選實(shí)施例中是彎曲阱)和碎裂室50。然而，與圖2的該裝置相反，圖4的裝 置將碎裂室置于離子阱30和輔助離子存儲(chǔ)裝置60之間，即在離子阱的"源"側(cè)， 而不是像圖2中的位于離子阱和靜電阱之間。
在使用中，離子在離子阱30中積累然后通過離子光學(xué)器件32從其中正交 噴射到靜電阱40。離子光學(xué)器件32下游的第一調(diào)制器/偏轉(zhuǎn)器100將該離子從 離子阱30導(dǎo)向EST 40。離子沿著EST 40的軸反射，在該處進(jìn)行離子選擇之后， 它們被反射回離子阱30。為了在該過程中輔助離子引導(dǎo)，可使用可選的電氣扇 區(qū)(諸如螺旋形或圓柱形電容器)110。減速透鏡置于該電氣扇區(qū)110和到離 子阱30的返回路徑之間。減速可涉及如上所述的脈沖電場。
由于離子阱30中的低壓，返回到阱30的離子飛過它并在置于離子阱30 和輔助離子存儲(chǔ)裝置60 (例如，在離子阱30的離子源側(cè))之間的碎裂室50中 碎裂。然后其碎片被捕獲在離子阱30中。
如同圖2的情況一樣，軌道阱質(zhì)量分析儀70用于允許對在MS"的任一選 定階段從離子阱30中噴射出的離子進(jìn)行精確質(zhì)量分析。質(zhì)量分析儀70置于離 子阱的下游(例如，像EST 40 —樣在離子阱的同一側(cè))，且第二偏轉(zhuǎn)器120 通過第一偏轉(zhuǎn)器IOO將離子"門選"到EST 40中或質(zhì)量分析儀70中。
如同本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知的一樣，圖4中示出的其它部件是在該裝置 的不同級之間擔(dān)當(dāng)接口的純RF輸運(yùn)多極子。離子減速裝置還可置于離子阱30和碎裂室50之間(參見以下圖9-13)。
圖5示出圖2和圖4中所示的裝置的另一個(gè)替代裝置，而且相同的部件再 次用相同的參考數(shù)字來標(biāo)記。圖5的裝置類似于圖2的裝置之處在于離子由離 子源20產(chǎn)生，然后在被存儲(chǔ)到離子阱30中之前穿過(或繞過)預(yù)阱和輔助離 子存儲(chǔ)裝置60。如同圖4一樣，通過離子光學(xué)器件32將離子從離子阱30正交 噴射出去，并由第一調(diào)制器/偏轉(zhuǎn)器100偏轉(zhuǎn)到EST40的軸上。
不過，相比于圖4，作為EST40中的離子選擇的替代，離子替換地由調(diào)制 器/偏轉(zhuǎn)器100偏轉(zhuǎn)到電氣扇區(qū)110，并通過離子減速裝置80從該處偏轉(zhuǎn)到碎 裂室50。因此(相比于圖4)碎裂室50不在離子阱30的源側(cè)。在從碎裂室50 噴射之后，離子穿過彎曲輸運(yùn)多極子130、然后線性純RF輸運(yùn)多極子140返回 到離子阱30。在MSn的任一階段再次提供軌道阱或其它質(zhì)量分析儀70以允許 精確質(zhì)量分析。
圖6再次示出概念上基本與圖2的裝置等同的另一個(gè)替換裝置，除了 EST 40不是圖3所示的"封閉"類型阱，而是如以上介紹中所陳述的文獻(xiàn)中所描述的 開放型。
更具體地，圖6的質(zhì)譜儀包括將離子提供給預(yù)阱/輔助離子存儲(chǔ)裝置60 (還 示出另一個(gè)離子光學(xué)器件但未在圖6中標(biāo)記)的離子源20。預(yù)阱/輔助離子存 儲(chǔ)裝置60的下游是在圖6的裝置中又是彎曲離子阱30的另一個(gè)離子存儲(chǔ)裝置。 離子以垂直方向從彎曲阱30通過離子光學(xué)器件32向其中離子承受多次反射的 EST40噴射。調(diào)制器/偏轉(zhuǎn)器IOO朝向EST40的"出口"，這樣允許離子通過電 氣扇區(qū)110和離子減速裝置80被偏轉(zhuǎn)到偏轉(zhuǎn)器150或碎裂室50中。從這里， 離子再次通過不同于離子向EST 40遞送的出口孔的入口孔被噴射回離子阱30 中。圖6的該裝置還包括相關(guān)聯(lián)的離子光學(xué)器件，但為了清楚起見在該圖中沒 有示出。
在一個(gè)替代方案中，圖6的EST 40可采用平行反射鏡(例如參見 WO-A-2005 /001878)或細(xì)長電氣扇區(qū)(例如參見US-A-2005/0103992)?？墒?br>
用形狀更復(fù)雜的軌道或EST離子光學(xué)器件。
圖7又示出根據(jù)本發(fā)明各方面的質(zhì)譜儀的另一個(gè)實(shí)施例。如同圖4 一樣， 該質(zhì)譜儀包括將離子提供給像圖4中一樣是輔助離子存儲(chǔ)裝置60的預(yù)阱的離 子源20。該預(yù)阱/輔助離子存儲(chǔ)裝置60的下游為離子阱30 (在優(yōu)選實(shí)施例中為 彎曲阱)和碎裂室50。雖然在圖7的實(shí)施例中示出碎裂室50置于離子源20和離子阱30之間，但碎裂室50可置于離子阱30的任一側(cè)。如同先前的各實(shí)施 例，離子減速裝置80優(yōu)選地置于離子阱30和碎裂室50之間。
在使用時(shí)，離子通過離子入口孔28進(jìn)入離子阱30并在離子阱30中累積。 然后它們通過與入口孔28獨(dú)立的出口孔29垂直噴射到靜電阱40中。在圖7 所示的裝置中，出口孔在一般垂直于離子噴射的方向上是細(xì)長的(例如，出口 孔29為槽狀)。阱30內(nèi)的離子位置是受控的從而離子通過出口孔29的一側(cè) (如圖7所示的左側(cè))出去。可以用多種方式實(shí)現(xiàn)對離子阱內(nèi)離子位置的控制， 諸如通過對離子阱30末端的電極(未示出)施加不同的電壓。在一特定實(shí)施 例中，離子以緊密圓柱分布從離子阱30的中部噴射，而以更大角度的長得多 的圓柱分布被重新捕獲(由于系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)散和偏差)。
經(jīng)修改的離子光學(xué)器件32、位于離子阱30的出口的下游，且在其下游第一 調(diào)制器/偏轉(zhuǎn)器10(T將離子導(dǎo)向EST 40。離子沿著EST 40的軸反射。作為將 來自離子阱30的離子導(dǎo)向EST 40的替代，離子代替地由離子光學(xué)器件32、下 游的偏轉(zhuǎn)器100"偏轉(zhuǎn)到軌道阱質(zhì)量分析儀70等中。
在圖7的實(shí)施例中，離子阱30既作為減速器又作為離子選擇器工作。在 其中在所關(guān)心的離子從EST 40返回之后所關(guān)心的離子停留在離子阱30中的確 切點(diǎn)處，離子阱30上的提取(dc)電壓切斷而捕獲(rf)電壓接通。為了注入 至UEST40中和從EST 40中噴射，EST40內(nèi)最接近透鏡的反射鏡上的電壓以脈 沖的方式切斷。在所關(guān)心的離子被捕獲在離子阱30中之后，在離子阱30的任 一側(cè)它們向著其中碎裂離子產(chǎn)生然后被捕獲的碎裂室50加速。之后，可將碎 裂離子再次轉(zhuǎn)移到離子阱30。
通過從細(xì)長槽的第一側(cè)噴射離子并在或向該槽的第二側(cè)將它們捕獲回，從 離子阱30的噴射路徑與重新捕獲到該阱30的路徑不平行。如圖4和圖5的實(shí) 施例中所示一樣，這又可允許與EST 40的縱軸成一角度地將離子噴射到EST 40。
當(dāng)然，雖然在圖7中示出單槽狀出口孔29，其中離子向著該槽的第一側(cè)離 開但通過該槽的另一側(cè)從EST 40接收回，但可代替地采用兩個(gè)獨(dú)立但一般相 鄰的輸運(yùn)孔(在沿垂直于離子穿過它們行進(jìn)的方向可以是也可以不是細(xì)長的)， 其中離子通過這些輸運(yùn)孔的第一個(gè)離開但通過相鄰的輸運(yùn)孔返回到離子阱30 中。
實(shí)際上，不僅圖7的槽狀出口孔29可被細(xì)分為在一般垂直于噴射和注入期間離子行進(jìn)方向的方向上分隔開的獨(dú)立輸運(yùn)孔，而且圖7的彎曲離子阱30 自身也可被細(xì)分為獨(dú)立的分段。在圖8中示出這樣的裝置。
圖8的裝置與圖7的非常相似，即該質(zhì)譜儀包括將離子提供給作為輔助離 子存儲(chǔ)裝置60的預(yù)阱的離子源20。該預(yù)阱/輔助離子存儲(chǔ)裝置60的下游是離 子阱3(T (以下會(huì)詳細(xì)描述)和碎裂室50。如同圖7的裝置，圖8中的碎裂室 50可置于離子阱30、的任一側(cè)，雖然在圖8的實(shí)施例中示出碎裂室50在離子源 20和離子阱30'之間，離子阱30'和碎裂室50由可選的離子減速裝置80分隔開。
離子阱30的下游是將離子從離軸方向?qū)駿ST 40的第一調(diào)制器/偏轉(zhuǎn)器 100…。離子沿著EST40的軸反射。為了將離子從EST40噴射回離子阱30， 使用了EST 40中的第二調(diào)制器/偏轉(zhuǎn)器100"。作為將離子從離子阱30導(dǎo)向到 EST 40的替代，可代替地由偏轉(zhuǎn)器100…將離子偏轉(zhuǎn)到軌道阱質(zhì)量分析儀70 等。
在圖8的實(shí)施例中彎曲離子阱30、包括三個(gè)毗連的分段36、 37、 38。第一 和第三分段36、 38各具有一離子輸運(yùn)孔以使離子通過第一分段36中的第一輸 運(yùn)孔從離子阱30、噴射到EST40，而通過第三分段38中的第二、空間分離的輸 運(yùn)孔接收回離子阱3(T。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，可對離子阱3(T的每個(gè)分段施加相同 的RF電壓(使得在該意義上盡管有多個(gè)阱分段，離子阱30、仍可作為單個(gè)阱)， 但同時(shí)對每個(gè)部分施加不同的DC偏移量以使得離子不居中分布在彎曲離子阱 3(T的軸向。在使用使，離子存儲(chǔ)在離子阱3(T中。通過適當(dāng)調(diào)節(jié)施加到離子阱 分段36、 37、 38的DC電壓，使離子通過第一分段36離開離子阱3(T來離軸注 入EST 40中。離子返回到離子阱30、并通過第三分段38的孔進(jìn)入。
當(dāng)離子從EST 40重新捕獲時(shí)，通過將第一和第二分段36和37的DC電壓 保持在比施加到第三分段38的電壓更低的幅度，離子可沿著離子阱30'的彎曲 軸被加速(例如，30-50ev/kDa)以使得它們進(jìn)行碎裂。以這種方式離子阱30' 可作為阱和作為碎裂裝置工作。
然后通過相對于第一分段36上的電壓增大第二和第三分段37、39上的DC 偏移電壓，所得的碎裂離子被冷卻和擠壓到第一分段36中。
為優(yōu)化操作，碎裂裝置尤其需要注入其中的離子的能量分散被較好地限 定，例如在約10-20ev內(nèi)，因?yàn)檩^高的能量導(dǎo)致僅有低質(zhì)量碎裂而低能量幾乎 不提供碎裂。另一方面，許多現(xiàn)有的質(zhì)譜儀裝置以及本文的圖l到圖7的各實(shí) 施例中所描述的新型裝置導(dǎo)致到達(dá)碎裂室的離子的能量分散遠(yuǎn)超出所需的窄范圍。例如，在圖1到圖7的裝置中，在離子阱30中離子會(huì)由于其中的空間
分離、由于EST40中的空間電荷效應(yīng)(例如，在多次反射期間的庫侖膨脹)、 以及由于系統(tǒng)中的偏差的積累效應(yīng)而在能量上離散。
因此需要一些形式的能量補(bǔ)償。圖9到11示出用于實(shí)現(xiàn)該目的的離子減 速裝置的一部分的一些特定但為示意性的示例，而圖12和13示出針對施加到 這樣的離子減速裝置的各種不同參數(shù)的能量分散減少和空間離散。
為實(shí)現(xiàn)適當(dāng)水平的能量補(bǔ)償，需要增大離子能量分散。換言之，如上所述 優(yōu)選的假設(shè)單能離子束的束厚度比兩束這樣的假設(shè)單能離子束的分離小 10-20eV的期望能量差異。雖然通過將碎裂室50與離子阱30或EST 40從物理 上分離相當(dāng)?shù)木嚯x(使得離子能及時(shí)分散)當(dāng)然可以實(shí)現(xiàn)一定的能量分散度， 但這樣的裝置不是優(yōu)選的，因?yàn)樗龃罅速|(zhì)譜儀的總體尺寸，所以需要另外的 抽吸等。
代替地，優(yōu)選包括特定裝置來在不過度地增大碎裂室50和其上游的質(zhì)譜 儀的部件(離子阱30或EST 40)之間的距離的情況下允許故意的能量分散。 圖9示出一合適的裝置。在圖9中，示出形成圖2到圖7的高度示意性表示的 離子減速裝置80的可任選部分的離子反射鏡裝置。離子反射鏡裝置200包括 端接于平面鏡電極220中的電極210的陣列。離子從EST 40中注入到離子反 射鏡裝置中并被平面反射鏡電極220反射，從而導(dǎo)致在它們離開離子反射鏡裝 置和到達(dá)碎裂室50的時(shí)候離子的分散增大。引入能量分散的替代方法在圖11 中示出并在以下進(jìn)一步描述。
一旦例如通過圖9的離子反射鏡裝置200增大能量分散度，接著離子就被 減速。 一般地這通過對諸如圖10所示和標(biāo)記為250的減速電極裝置施加脈沖 DC電壓來實(shí)現(xiàn)。圖10的減速電極裝置250包括設(shè)置有其中夾置地電極280的 入口電極260和出口電極270的電極陣列。優(yōu)選地入口和出口電極與差動(dòng)抽吸 部分組合以便于逐漸減少處于相對低壓的(上游)離子反射鏡裝置200、處于 中間壓力的減速電極裝置250、和(下游)碎裂室50所需的相對高壓之間的壓 力。僅作為例子，離子反射鏡裝置200可處于約10'SmBar的低壓，減速電極裝 置250可具有約l(T5mBar到通過差動(dòng)抽吸升高為約l(T4mBar的低壓限制，以 及碎裂室50中大約10—3到10—2mBar的壓力范圍。為了在減速電極裝置250和 碎裂室50之間提供抽吸，可使用諸如最優(yōu)選為八極RF裝置的附加的純RF多 極子。這在圖11中示出并將在以下描述。為實(shí)現(xiàn)減速，透鏡260、 270上的DC電壓在電壓控制器(未示出)的控制 下進(jìn)行開關(guān)。這何時(shí)發(fā)生取決于所關(guān)心離子的特定質(zhì)荷比。具體地，當(dāng)離子進(jìn) 入減速電場時(shí)，高能量離子超過低能量離子且因此在減速場中移動(dòng)到更深深 度。在所有該特定m/z的離子進(jìn)入減速電場后，該電場切斷。所以，初始更高 能量的離子比低能量離子經(jīng)歷更高的對地電壓降，因此使它們的能量相等。通 過使該電壓降和從質(zhì)量選擇器離開時(shí)的能量分散相匹配，可實(shí)現(xiàn)能量分散的顯 著減少。
應(yīng)理解，該技術(shù)允許針對特定m/z的能量補(bǔ)償，而不是針對不同質(zhì)荷比的 廣泛范圍。這是因?yàn)橹挥袉蝹€(gè)質(zhì)荷比的離子會(huì)承受與它們的能量分散匹配的一 定量的減速。不同于所選質(zhì)荷比的任意離子當(dāng)然同樣承受一定程度的減速，但 在具有不同質(zhì)荷比的情況下，減速量則不會(huì)被初始能量分散平衡，例如高能離
子的減速和穿越距離將不會(huì)與低能離子的減速和穿越距離匹配。然而，已經(jīng)說 過，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解，這不會(huì)阻止不同質(zhì)荷比的離子向離子減速 裝置80的引入，僅有一感興趣特定質(zhì)荷比的離子會(huì)進(jìn)行適當(dāng)程度的能量補(bǔ)償 來為碎裂室50作適當(dāng)準(zhǔn)備。因此，離子可在離子減速裝置80的上游過濾(使 得僅有感興趣單個(gè)質(zhì)荷比的離子在質(zhì)譜儀的給定周期進(jìn)入)或者可在離子減速 裝置80下游使用濾質(zhì)儀。實(shí)際上，甚至有可能使用碎裂室50自身來丟棄不在 感興趣質(zhì)荷比和已被適當(dāng)能量補(bǔ)償?shù)碾x子。
圖11示出用于減速離子以及可任選地散焦它們的替代裝置。在這里，通 過當(dāng)某一感興趣質(zhì)荷比的離子在靜電反射鏡42、 44附近時(shí)(因?yàn)镋ST40工作 方式的原因，特定m/z的離子到達(dá)靜電反射鏡42、 44的時(shí)間是已知的)，脈 沖靜電反射鏡42、 44 (圖3)之一上的DC電壓在EST40內(nèi)實(shí)現(xiàn)散焦。對該靜
電反射鏡42或44施加適當(dāng)?shù)拿}沖導(dǎo)致反射鏡42、 44對那些離子具有散焦而 不是聚焦的效果。
一旦被散焦，接著可通過對偏轉(zhuǎn)器100/100V10(T施加適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)電場將離 子噴射出EST。然后，通過將初始能量分散與由減速電極裝置300限定的電場 上的電壓降相匹配，經(jīng)散焦的離子向如上結(jié)合圖10所說明的減速所選m/z的 離子的減速電極裝置300行進(jìn)。
最終，離子通過終端電極310離開減速電極裝置300，并穿過出口孔320 進(jìn)入八極純RF裝置330以提供如上所述的所需抽吸。所得的輸出束比圖10的 裝置的輸出束更加對稱。圖12和13分別示出特定質(zhì)荷比的離子的能量分散和空間離散作為施加到
離子減速電極的DC電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間的函數(shù)的曲線圖。
從圖12中，可以看出由本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的能量分散的減少可達(dá)20倍， 將屮/一50eV離散減少為+/—2.化￥的離散。利用本文描述的特定減速系統(tǒng)， 更長的開關(guān)時(shí)間產(chǎn)生更小尺寸的空間光斑而更大的最終能量分散。本文給出的 示例是為了示出還必須考慮除能量分散之外的束特性，而不是為了提出針對最 優(yōu)的最終能量分散的減速一定會(huì)產(chǎn)生最終束的空間離散的增大。
與其它能量散焦束一起使用的減速透鏡的其它設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生能量分散的更 大減少。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識到本發(fā)明有許多潛在的用途。本發(fā) 明特別提出的用途是提高產(chǎn)量和在碎裂過程中產(chǎn)生的碎裂離子的類型。如上所 述，針對有效的母離子碎裂，需要10-20eV的離子能量，顯然具有十/一50eV 能量分散的束中的許多離子在該范圍之外。具有太高能量的離子主要碎裂為難 以識別其母離子的低質(zhì)量碎片，同時(shí)更高比例的低能量離子完全不碎裂。在沒
有能量補(bǔ)償?shù)那闆r下，如果允許所有束進(jìn)入碎裂室，被導(dǎo)向碎裂室的具有十/ 一50eV能量分散的母離子束會(huì)產(chǎn)生高豐度的低質(zhì)量碎片，或如果僅允許具有最 高20eV能量的離子進(jìn)入(例如通過在進(jìn)入之前使用電勢壘)，大量離子將丟 失而該過程將會(huì)高度低效。伴隨著由于離子能量不夠可能有90%的束丟失或不 能碎裂，該低效將取決于束中的離子能量分布。
通過使用前述技術(shù)，如果需要在質(zhì)譜儀的給定周期使離子穿過碎裂室50 (或?qū)⑺鼈兇鎯?chǔ)其中)而保持完整時(shí)可避免離子在碎裂室中碎裂。或者，當(dāng)需 要執(zhí)行MS/MS或MSAn實(shí)驗(yàn)時(shí)可改善碎裂的控制。
所描述的離子減速技術(shù)的其它用途可在其它離子處理技術(shù)中出現(xiàn)。許多離 子光學(xué)設(shè)備僅能在離子具有有限范圍內(nèi)的能量時(shí)才能良好工作。示例包括其中 色差引起散焦的靜電透鏡、其中當(dāng)離子行進(jìn)在設(shè)備的有限長度時(shí)離子經(jīng)歷的RF 周期的數(shù)量是離子能量的函數(shù)的RF多極子或四極濾質(zhì)儀、以及分散質(zhì)量和能 量的磁控光學(xué)系統(tǒng)。反射鏡通常被設(shè)計(jì)為提供能量聚焦以補(bǔ)償離子束能量范 圍，但高階能量偏差通常存在，而諸如由本發(fā)明提供的能量補(bǔ)償束將減小這些 偏差的散焦效應(yīng)。此外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到這些僅僅是所描述技術(shù) 的可能用途的一種選擇。
現(xiàn)在返回到圖2和圖4-6的裝置， 一般來說，在這些圖中所示的充氣單元 的有效工作取決于碰撞條件的理想選擇且由碰撞厚度P。表征，其中P是氣壓而D是離子橫穿的氣體厚度(典型地，D是該單元的長度)。氮?dú)?、氦氣或?氣是碰撞氣體的示例。在本優(yōu)選實(shí)施例中，需要大概實(shí)現(xiàn)以下條件
在預(yù)阱24中，需要P'DX).05 mnv托，但優(yōu)選<0.2 mnv托。如我們的待審 專利申請No. GB0506287.2中所描述的一樣可用來捕獲離子多遍。
優(yōu)選離子阱30具有0.02和0.1 mm，托的P，D范圍，而該裝置也可廣泛多遍 使用。
碎裂室50 (使用碰撞感應(yīng)離解，CID)具有P'DX).5 mnv托的碰撞厚度和 優(yōu)選1 mm，托以上的碰撞厚度。
對所使用的任一輔助離子存儲(chǔ)裝置60，優(yōu)選碰撞厚度P'D在0.02和0.2 mnv托之間。相反，需要將靜電阱40保持在高真空，優(yōu)選為10'8托或更好。
圖2的裝置的典型分析時(shí)間如下
存儲(chǔ)在預(yù)阱24中通常為l-100ms;
轉(zhuǎn)移到彎曲阱30:通常為3-10ms;
EST40中的分析通常為l-10ms，為了提供超過10,000的選擇質(zhì)量分辨
率；
碎裂室50中碎裂，接著離子轉(zhuǎn)移回彎曲阱30:通常為5-20ms;
如果使用了第二離子存儲(chǔ)裝置60，則通過碎裂室50轉(zhuǎn)移到第二離子存儲(chǔ) 裝置60而不碎裂通常為5-10ms;以及
在質(zhì)量分析儀70中對軌道阱類型的分析通常為50-2000ms。
—般而言，同一 m/z的離子的脈沖持續(xù)時(shí)間應(yīng)該低于1 ms，優(yōu)選低于10 微秒，而最優(yōu)選的方式對應(yīng)于離子脈沖短于0.5微秒(針對m/z在約400到2000 之間)。或者和對其它m/z，發(fā)射脈沖的空間長度應(yīng)低于10m，且優(yōu)選低于50 mm,而最優(yōu)選的方式對應(yīng)于短于5-10 mm的離子脈沖。當(dāng)使用軌道阱和多次 反射TOF分析儀時(shí)尤其需要使用短于5-10 mm的脈沖。
雖然已經(jīng)描述了一些特定實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解可構(gòu)想各 種變體。
權(quán)利要求
1. 一種減少特定和有限質(zhì)荷比范圍上的離子的能量分散的方法，所述方法包括以下步驟(a)使用減速電極裝置產(chǎn)生具有電場強(qiáng)度E的電場；(b)將所述質(zhì)荷比范圍的具有能量分散的離子導(dǎo)向由所述減速電極裝置產(chǎn)生的所述減速電場；以及(c)一旦基本上所述特定質(zhì)荷比范圍的所有所述離子都已進(jìn)入所述減速電場，就在時(shí)間t去除所述減速電場；其中所述電場強(qiáng)度E與進(jìn)入所述電場的所述離子的能量分散匹配以減小所述離子的所述能量分散。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，還包括在將離子導(dǎo)向所述減速 電場的所述步驟(b)之前的步驟在能量上散射所述離子。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在能量上散射所述離子的所述 步驟包括將所述離子引導(dǎo)到離子反射鏡裝置、將離子反射出所述離子反射鏡裝 置內(nèi)的離子反射鏡、以及引導(dǎo)所述離子離開反射鏡裝置返回。
4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在能量上散射所述離子的所述步驟包括沿著細(xì)長的飛行路徑引導(dǎo)所述離子。
5. 如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括在減速電極裝置上差動(dòng)地抽吸以使得其入口處的壓力不同于其出口處的壓力。
6. 如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括在將離子引導(dǎo) 到所述減速電場之前從離子光學(xué)裝置或質(zhì)量分析裝置噴射離子。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述離子光學(xué)裝置或質(zhì)量分析 裝置包括適于在不同的時(shí)間噴射不同質(zhì)荷比的離子的裝置。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述離子光學(xué)裝置或質(zhì)量分析 裝置選自靜電阱(EST)、以共振噴射模式工作的軌道阱、三維(3D)阱、放 射性噴射的線性阱、軸噴射的線性阱、或飛行時(shí)間質(zhì)譜儀。
9. 如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括將能量分散已 被減少的所述離子引導(dǎo)到碎裂或碰撞室。
10. 如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括將能量分散 已被減少的所述離子引導(dǎo)到以下的一個(gè)或多個(gè)靜電透鏡、多極子、磁透鏡、 磁扇區(qū)、靜電扇區(qū)、四極濾質(zhì)儀、反射鏡、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、電磁阱或3D阱。
11. 如上述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在時(shí)間周期t之后切斷所述場的所述步驟包括在約25微秒或更短時(shí)間內(nèi)切斷所述場。
12. 如權(quán)利要求ll所述的方法，其特征在于，在時(shí)間周期t之后切斷所述 場的所述步驟包括在19到25微秒之間的時(shí)間內(nèi)切斷所述場。
13. —種用于減小特定和有限質(zhì)荷比范圍上的離子的能量分散的離子減速 裝置，包括用于產(chǎn)生具有電場強(qiáng)度E的電場的減速電極裝置，所述減速電極裝置包括一個(gè)或多個(gè)減速電極；用于提供電壓給所述一個(gè)或多個(gè)減速電極的電壓源；以及電壓控制器，配置成開關(guān)所述電壓源以在在將所述質(zhì)荷比范圍的具有能量分散的離子引導(dǎo)到由所述減速電極裝置產(chǎn)生的所述減速電場之后和一旦所述特定質(zhì)荷比范圍的所有所述離子基本都已進(jìn)入所述減速電場時(shí)的時(shí)間t去除所述減速電場；其中所述控制器和/或所述電壓源被配置成產(chǎn)生與進(jìn)入所述電場的所述離 子的能量分散相匹配以減少所述離子的所述能量分散的電場強(qiáng)度E。
14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，還包括置于所述離子減速裝 置上游的離子能量分散裝置。
15. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述離子能量分散裝置包括 離子反射鏡組件，具有用于將接收到所述離子反射鏡組件的離子反射回去的離 子反射鏡。
16. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述離子能量分散裝置包括 細(xì)長的飛行路徑。
17. 如權(quán)利要求13到16的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，所述減速電 極裝置置于差動(dòng)抽吸外殼內(nèi)。
18. 如權(quán)利要求17所述的裝置，其特征在于，還包括在所述減速電極裝置 下游的多極子RF裝置。
19. 如權(quán)利要求18所述的裝置，其特征在于，所述多極子RF裝置是八極 純RF裝置。
20. 如權(quán)利要求11到19的任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于，與其上游的離子選擇裝置組合。
21. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述離子選擇裝置選自靜電 阱(EST)、軌道阱、3D阱、輻射噴射的線性阱、軸向噴射的線性阱、飛行時(shí) 間質(zhì)譜儀的一個(gè)或多個(gè)。
22. 如權(quán)利要求11到21的任一項(xiàng)所述的裝置，與其下游的碎裂或碰撞室 組合。
23. 如權(quán)利要求11到22的任一項(xiàng)所述的裝置，與靜電透鏡、多極子、磁 透鏡、磁扇區(qū)、靜電扇區(qū)、四極濾質(zhì)儀、反射器、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、靜電阱、 3D阱的一個(gè)或多個(gè)組合。
全文摘要
公開了一種用于減少特定和有限質(zhì)荷比范圍上的離子的能量分散的方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的離子減速裝置。具有電場強(qiáng)度E的電場由減速電極裝置(250)產(chǎn)生。特定和有限質(zhì)荷比范圍的但具有能量分散的離子被引導(dǎo)到由減速電極裝置(250)產(chǎn)生的減速電場中。然后一旦基本上特定質(zhì)荷比范圍的所有離子已經(jīng)進(jìn)入該減速電場，就去除該減速電場。通過使電場強(qiáng)度E與進(jìn)入該電場的離子能量分散匹配，可減少所述離子的能量分散。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例采用在離子減速裝置上游的能量離散。例如，可使用離子反射鏡裝置(200)，將離子反射出在該離子鏡裝置(200)內(nèi)的離子反射鏡(220)以推動(dòng)能量散焦。
文檔編號H01J49/06GK101421817SQ200780012902
公開日2009年4月29日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月13日
發(fā)明者A·馬卡洛夫, D·E·格林菲爾德, M·蒙娜絲泰斯崎 申請人:塞莫費(fèi)雪科學(xué)(不來梅)有限公司