CN101151704B - 离子捕集的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及捕集离子的方法以及离子捕集装置。具体地，本发明应用于质谱仪中离子质量分析之前的离子阱中的离子气体辅助捕集。本发明提供了一种在离子捕集装置的目标离子阱中捕集离子的方法，该离子捕集装置包括安排的一系列的体使得离子可从一个体穿过到下一个体，这些体包括目标离子阱，由此使离子能够反复地穿过体使得它们还进入所述目标离子阱并从所述目标离子阱出来而不被捕集。电位可用于将离子从离子捕集装置的各端反射。选择地，势阱和/或气体辅助冷却可用于使离子稳定在目标离子阱中。

Description

离子捕集的方法和设备

本发明涉及捕集离子的方法和离子捕集(ion trapping)装置。具体地，本发明应用于质谱仪中离子质量分析之前的离子阱中的离子的气体辅助捕集。

可采用这种离子阱以便提供用于引入离子流的缓冲并准备足以用于特定质量分析器的具有空间、角和时间特性的分组。质量分析器的例子包括单或多反射飞行时间(TOF)、傅里叶变换离子回旋共振(FT ICR)、静电阱(例如，轨道阱(Orbitrap)类型的)或另外的离子阱。

图1示出具有离子阱的典型的质谱仪的框图。质谱仪包括生成并向单一离子阱提供待分析的离子的离子源，在离子阱中离子被收集直到期望的量的离子可用于随后的分析。第一检测器与离子阱相邻以便在控制器的指导下获得质谱。质谱仪总体上也在控制器的指导下工作。质谱仪一般位于真空室内，该真空室具有一个或多个泵以抽空其内部。

采用用于传输和存储离子的RF场的离子存储装置在诸如图1所示的质谱仪中已变得普遍。图2a示出在利用DC、RF和AC场的组合来捕集离子的线性离子阱装置中的四个电极的典型的布置。细长的电极沿z轴延伸，这些电极在x轴和y轴方向上是成对的。正如从图2a中看到的，四个细长的电极中的每一个沿z轴方向分成三段。

图2b和2c示出施加到电极上的典型的电位。利用DC和RF场的组合来完成存储装置中的捕集。将电极形成近似双曲线等电位的形状，并且它们形成有助于容纳进入的离子或在捕集装置中形成的离子的四极RF场。图2c示出将相似的RF电位施加到相对的电极使得x轴电极的电位的极性与y轴电极的相反。通过将升高的DC电位施加到每一个分段电极相对于较长的中心部分的短端部分来辅助这种捕集。这在RF场上叠加了势阱。

还可将AC电位施加到电极以形成有助于离子选择的AC场分量。

一旦离子被捕集，它稍后从离子阱的端部轴向地或通过设置在电极之一的中心的孔径垂直地喷射到质量分析器。

在美国专利第5,420,425号中进一步详细地描述了这种类型的离子阱。

可用气体填充离子阱，以通过离子在与气体的低能碰撞中损失其初始动能来辅助离子的捕集。在离子失去足够的能量后，它被捕集在离子阱内形成的势阱中。在第一次通过期间未被捕集的离子通常错过相邻的离子光学部件。

对于宽范围的质量和结构上的大多数离子，动能的大量损失发生在气压和离子行进距离的积(P×D)超过约0.2至0.5毫米托(mm Tor)时。大部分实际的3D和线性离子阱在约1毫托(mTorr)或更低的压力下工作。这需要长度是100至150mm的离子阱来提供足够长的路径长度以避免过度的离子损耗。然而，这种长的离子阱是不理想的，因为例如，它导致过度严格的制造要求。所以实际的离子阱需要在离子捕获效率和系统的长度之间折衷。与背景相比，并根据第一方面，本发明属于在目标离子阱中捕集离子的方法，包括：将离子引入离子捕集装置，该离子捕集装置包括安排成使得离子可从其中的一个体穿过到达下一个体的一系列的体，该体包括目标离子阱；使所述离子能够进入、穿过目标离子阱并从目标离子阱出来而不被捕集；并导引离子使得它们第二次进入目标离子阱。

本发明利用某些离子光学部件的条件下的实现，该折衷可通过提供穿过一系列的体的离子的多次通过来避免，其中在每次通过中离子损失很低。诸体中的一个内的捕集仅在离子动能变得很低使得离子不能再离开该体时的最后阶段发生。如果使用多个体，则需要最后存储离子于其中的体可被称为“目标离子阱”。

诸体旨在对应于分立的部件，例如，对应于离子阱、离子反射器、离子光学部件(仅用于在离子通过其中时导引它们)等。某些部件是组合的并包括一个以上的体。例如，目标离子阱可包括单一的体或可包括由电极分隔的一对捕集体。可开或关电极上的电压以形成单一的捕集体或一对捕集体。离子捕集装置可以是离子处理部件的较大的收集器的一部分，例如，它可以是包括离子源、另外的离子阱或存储器、离子光学部件等的装置的组件。

提供包括目标离子阱和其它体的离子捕集装置意味着离子可在穿过比目标离子阱的长度长的路径的同时损失能量。这得到大大低于0.2-0.5毫米托的P×D(其中D是目标离子阱的长度)。确保离子返回目标离子阱意味着可将离子收集在其中。

方便地，方法可包括反射所述离子使得它们第二次穿入目标离子阱，选择地第二次反射离子使得离子第三次穿过目标离子阱。这可通过将第一电位设置在离子捕集装置的第一端并将第二电位设置在离子捕集装置的第二端来实现，从而使离子在任一端处被反射以反复地穿过目标离子阱。由此离子反复地穿过离子捕集装置，提供了离子在其上损失能量的十分长的路径长度。这对于通常需要较长的停止路径(在极端的情况下，多达十次反射)的较重的肽和蛋白质尤其有用。

选择地，可将RF电位施加到离子捕集装置的端部，使离子由所谓的“伪电位”(pseudo-potential)或“有效电位”(effective potential)捕集。这种伪电位表现出高的质量依赖性，并可用于同时捕集正极性和负极性的两种离子。

为了保证离子被捕集在目标离子阱中，较佳的是将电位施加到离子捕集装置使得对于阳离子，目标离子阱，处于所有充气的体中的最低电位，从而形成势阱。由此，随着离子损失能量它们往往稳定在目标离子阱中。另一方面，离子捕集装置内每一通过具有可忽略的数量的碰撞的体(即，维持在相当好的真空下的体)不具有这些限制：它们的电位可比目标阱的电位低或高。

选择地，目标离子阱包括一系列的体的第一体和第二体，该方法包括：将电位施加到离子捕集装置使得电位在目标离子阱的任一端处升高从而形成势阱，并使得在所述离子捕集装置的任一端处形成势垒；将离子引入到所述离子捕集装置，其中它们随后由离子捕集装置的任一端处的所述势垒反射，从而反复地穿过目标离子阱同时它们失去能量，最后稳定在所述目标离子阱中；随后施加一电位以在所述第一体和第二体之间起作用从而将稳定在所述目标离子阱中的离子分裂成两组，一组被捕集在第一体中而另一组被捕集在第二体中。

这一方法提供可捕集两个或更多离子束的一种方便的方式。然后可分别处理离子束(例如，发送到不同的质谱仪)或可以相同的方式处理(例如，作为一对连续的分组发送到相同的检测器)。这种方法可提供检测器的改进的交叉校准和更好的定量分析。

第一体和第二体可彼此相邻。例如，目标离子阱可包括两个体，它们由置于其间的捕集电位分隔开。在离子阱周围延伸的电极可用于提供该电位。或者，第一体和第二体可由诸如离子导引器之类的另外的一个体或多个体分隔。在这种意义下，目标离子阱是组合的并包括两个分隔的离子阱。当分裂离子束时，可相对于第一体和第二体升高起划分作用的体的电位，从而在第一体和第二体中形成势阱。从第二方面，本发明属于一种在离子捕集装置的目标离子阱中捕集离子的方法，离子捕集装置包括安排的一系列的体使得离子可从一个体穿过到下一个体，这些体包括所述目标离子阱，该方法包括：将电位施加到离子捕集装置使得(i)电位在目标离子阱的任一端处升高，从而在目标离子阱中形成势阱，(ii)邻接目标离子阱的一个或多个体处于比目标离子阱高的电位，以及(iii)在离子捕集装置的任一端处形成势垒；以及将离子引入离子捕集装置，其中它们随后由离子捕集装置的任一端处的势垒反射，从而反复地穿过目标离子阱以随着其能量下降而稳定在所述势阱中。

选择地，该方法可进一步包括将一种气体引入诸体中的至少一个中从而导致离子的气体辅助捕集。这表示一种帮助离子能量损失使得它们稳定在目标离子阱中形成的势阱中的较佳的方法。0.1毫托至10毫托的压力范围是较佳的，0.5毫托至2毫托更佳。

选择地，该方法可进一步包括将一种气体引入与目标离子阱相邻的体中。较佳的是，将一种气体或多种气体以目标离子阱中的压力低于相邻的体的压力的方式引入到目标离子阱和相邻的体。

根据一个设想的实施例，该方法还可包括在将离子从离子存储器释放到离子捕集装置前将离子捕集在离子存储器中。选择地，该方法可包括在离子存储器中反复地捕集离子并将它们释放到离子捕集装置中从而连续地增加了最后稳定在目标离子阱中的离子的数量。

选择地，离子捕集装置具有广泛地对应于离子穿过一系列的体的来回运动的纵轴，且方法还包括将目标离子阱中捕集的离子从目标离子阱基本垂直地喷出。例如，可将离子喷射到诸如静电(轨道阱)类型分析器或单次或多次反射飞行时间质量分析器等质量分析器的入口。可使用弯曲的目标离子阱使从其垂直喷出的离子聚焦。

从第三方面，本发明属于一种离子捕集装置，包括：安排的一系列的体使得离子可从一个体穿过到下一个体，这些体包括目标离子阱；安排成承载电位的电极；以及安排成设置电极上的电位的控制器，使得(i)电位在目标离子阱的任一端处升高，从而在目标离子阱中形成势阱，(ii)邻接目标离子阱的一个或多个体处于比目标离子阱高的电位，以及(iii)在离子捕集装置的任一端处形成势垒。

选择地，离子捕集装置可包括对应于与目标离子阱相邻的体中之一的离子光学部件或可包括对应于与目标离子阱相邻的体中之一的离子反射器。

本发明还扩充到离子源和捕集装置，包括离子源、位于离子源的下游的可选的离子存储器，以及位于下游的如上所述的离子捕集装置。控制器被安排成设置离子存储器上的电位以捕集由离子源产生的离子，然后将捕集的离子释放到所述离子捕集装置中。因为离子源(例如，电喷雾)经常包含较高压力的区域(例如，具有差动抽吸和强迫离子通过它的电压的大气-真空接口)，这些区域事实上是离子捕集装置的一部分，使得它们形成诸体中的一个或多个，离子在稳定在目标离子阱中之前通过这些体多次反射。

本发明还延及包括如上所述的离子捕集装置或离子源和捕集装置的质谱仪。

为了使本发明更易于理解，对以下仅作为例子的附图进行了参考，附图中：

图1是质谱仪的框图；

图2a是线性四极离子阱的图示，图2b和2c示出用于离子阱的工作的DC、AC和RF电位；

图3a示出轨道阱类型的质谱仪，它包括根据本发明的一个实施例的离子捕集装置，而图3b示出设置在使用中的离子捕集装置上的电位；以及

图4a至4e示意性地示出根据本发明的离子捕集装置的五个实施例。

图3a中示出了轨道阱类型的质谱仪10，但不是按比例的。质谱仪10在布置上一般是线性的，且离子沿纵向轴(z)穿过。质谱仪10的前端包括离子源12。可根据需要从各种公知的类型中选择离子源12，例如，电喷雾、MALDI或任何其它已知类型。离子光学部件14与离子源12相邻，且其后连接线性离子阱16。另外的离子光学部件18位于线性离子阱16的另一边，其后连接以各个端处的门20和24为界的弯曲的四极线性离子阱22。从离子在随后用于质量分析的喷出之前聚集在这里的意义上来说，离子阱22是目标离子阱。离子反射器26被设置成与下游门24相邻。离子光学部件18、离子阱22和离子反射器26组成离子捕集装置，这些元件中的每一个对应于该装置的一个分立的体。

构造目标离子阱22使之在轨道阱质谱仪30的入口的方向上穿过设置在目标离子阱22的电极中的孔并穿过有助于使从离子阱22发出的离子束聚焦的另外的离子光学部件28垂直地喷出离子。

在工作中，在离子源12中生成离子，并通过离子光学部件14输送以临时聚集在离子阱16中。离子阱16含有1毫托的氦，使得离子在与气体分子的碰撞中失去一些动能。

在固定的时间延迟(为使得足够的离子聚集在离子阱16中而选择的)后或在离子阱16中检测到足够的离子后，离子从离子阱16喷出以穿过离子光学部件18并进入目标离子阱22。具有足够的能量的离子将穿过目标离子阱22进入离子反射器26，在离子反射器26中它们被反射以返回目标离子阱22。取决于离子的能量，它们可由门20反射，或者如果它们具有足够的能量以克服门20的电位并延伸到另一边则它们由离子阱16的较高的电位反射，这在下文中将详细解释。

将冷却气体引入到离子反射器26，从这里它将进入目标离子阱22。氮、氩、氦或任何其它适当的气体物质可用作冷却气体，但对于该实施例，氦用于离子阱16较佳而氮用于离子阱22较佳。这种布置导致在离子反射器26中有1毫托的氮，并且在目标离子阱22中有0.5毫托的氮，即，目标离子阱22中的压力低于反射器26中的压力。所采用的抽吸装置(由抽吸端口和箭头32指示)确保将离子阱16与目标离子阱22分离的离子光学部件18基本没有气体。

图3b示出沿从离子源12至离子反射器26的离子路径存在的电位。通过将适当的电压提供给离子源12、离子光学部件14和18、离子阱16和22、门20和24以及离子反射器26中的电极来形成这种电位。正如所看到的，离子在离子源12中以高电位开始，随后在目标离子阱22中电位一般降低到其最小值，从而在目标离子阱22中形成根据需要捕集离子的势阱。

事实上，在离子光学部件18中出现最低电位。因为在离子光学部件18中没有气体，所以离子仅飞过离子光学部件18而不损失能量。因此，将离子光学部件18的电位优化成确保在离子通过它时离子损失最小。在这种情况下，离子光学部件18的电位小于离子阱22的电位，使得在其间需要升高的电位以确保目标离子阱22中捕集的离子不会逃逸到离子光学部件18中。

由离子源12生成的离子沿电位梯度40前行，以便在势阱44中被捕集，势阱44在离子阱16中由位于其远端的较高的电位46和其近端处的电位降42形成。如此捕集的离子可在与离子阱16中的氦气碰撞中损失能量。离子阱16还可包括用于进行质量分析实验的检测器。

当足够的离子聚集在离子阱16中时，它们通过将电位46从由图3b的虚线所示的电位降低到由实线所示的电位来释放。离子一旦离开离子阱16并且它们在离子阱22中随后的存储过程完成时，电位46增加以与虚线一致。此后，阱16准备好再次填充。或者，可将整个离子阱16的DC偏置升高，由此防止离子再次进入离子阱16。还有可能使用只处于传输模式的离子阱16，即，具有恒定设置的由实线所示的电位46。

在48处示出离开离子阱16的离子的一般路径。离子穿过离子光学部件18和目标离子阱22以进入离子反射器26，在其经历与目标离子阱22和离子反射器26中的氮气碰撞时损失动能。

最后，离子将由设置在离子反射器26上的很大的电位反射。正如所看到的，离子反射器26中的电位被安排成按指数规律升高。一次反射的离子再次穿过目标离子阱22，因为其动能超过门20上的电位50，所以继续进入离子光学部件18以由离子阱16和离子光学部件18之间的陡峭的电位梯度52反射。如果离子阱22和离子反射器26中的能量损失足够小，则离子甚至能再次进入离子阱16，在与气体的碰撞中损失一些能量并由势垒42反射。因此，离子被送回到目标离子阱22，以便由设置在离子反射器26上的电位48再一次反射。离子穿过目标离子阱22反射回来，以便由设置在离子反射器26上的电位48再次反射。

在图3b中，第三次反射的离子再次穿过目标离子阱22，但现在在与气体分子的碰撞中损失很多能量使得它不能克服门20上的势垒50。因此，离子被反射回目标离子阱22。门24和到离子反射器26的入口的电位略高于目标离子阱22：离子由所得的电位梯度54反射，从而在门20和24之间形成的目标离子阱22的势阱内被捕集。

可利用从离子阱16的仅单次或连续的离子注入来在目标离子阱22中聚集离子。或者，可利用从离子阱16的两次或更多次的注入来在目标离子阱22中聚集更多的离子。这可通过设置在离子阱16的末端上的电位46的适当的选通来实现。

在目标离子阱22中一旦聚集了离子，就可以很多不同的方式来处理它们，例如：

1.可把离子送回离子阱16并进一步处理，例如，在其检测器上检测或分裂等(参见下文)。

2.离子可越过离子反射器26传送到更远的下游至另外的质量分析器或分裂器等。

3.离子可从目标离子阱22的轴向质量分析器跳动，例如，轨道阱30。

为了后一目的，可将电位50和54升高到由虚线峰值50′和54′指示的电位，以强制离子朝向阱22的中部。在这种“挤压”期间，在与目标离子阱22中的气体的碰撞中，离子能量的增加快速地消耗。

将聚集在目标离子阱22中的离子如箭头58所指示地通过电极之间的间隔或通过设置在电极中的孔向其曲率中心喷出。可利用WO05/124821A2中所述的方法来促进喷出，其内容整体结合于此。如上所述地聚束离子减小了穿过孔的离子束的宽度。目标离子阱22的曲率用于将离子聚焦在轨道质谱仪30的入口孔上，且离子光学部件28对该聚焦起辅助作用。

上述的实施例提供压力增益，因为多次反射使得目标离子阱22内维持的较低的气压能够提供相同的碰撞阻尼。这种压力增益约等于反射的数量，这进而约等于0.3至0.5除以每次通过从离子捕集装置中损失的离子的部分。任何离子捕集装置中的大部分离子损失在一般在分隔体的电极中设置的孔处。因此高传输离子光学部件对于优化性能很重要，尤其是关于孔限定的电极。对于同样参与离子冷却的其它捕集区域，如果这些区域的气体压力比目标离子阱22中的压力高，则压力增益能够更高。

较佳地，离子光学部件应能够传输能量变化很大的离子，诸如RF导引器和周期透镜。已在实验中发现，对于内切半径为r₀的RF多极可实现低的离子损耗，所述RF多极由具有超过r₀的0.3至0.4的内部半径且厚度大大小于r₀的孔分隔开。

例如，在上面的实施例中，线性阱16的长度通常是50至100mm，离子光学部件18的长度约是300mm，目标离子阱22的轴向长度约是20mm，并且离子反射器26的长度约是30mm。目标离子阱22含有0.5毫托的氮气，给出P×D＝0.01毫米托，离子反射器含有1毫托的氮气，给出P×D＝0.03毫米托。

设置在门20和24中的孔的内直径是2.5至3mm，而其厚度不大于1mm。线性离子阱16的内切直径是8mm，目标弯曲线性离子阱22的内切直径是2×r_clt＝6mm，且离子光学部件18的内切直径是5.5mm。

典型地，捕集发生在几毫秒的时间范围上。

总的说来，目标离子阱22中的低压有利于使脆弱的离子垂直安全地跳出，以及有利于在向轨道阱质量分析器30的路径上进行更有效的差动抽吸。为了避免离子在高能下分裂，要求P_clt*r_clt＜10^-3至10^-2毫米托(取决于离子的质量、电荷、结构和其它参数)。对于r_clt＝3mm，这意味着P_clt＜(0.3至3)×10^-3托。

已发现由以上实施例提供的压力增益提高了性能。以前在m/z 500以上在离子阱中观察到明显的性能损失：现在，直到m/z 2000也没有观察到性能损失。

上述的实施例仅是本发明的一个可能的实现。熟悉本领域技术的读者将意识到在不背离本发明的范围的情况下对本发明的改变是可能的。

例如，图4a至4e示出可使用的离子光学部件和离子阱的不同的布置。图4a示出连接目标离子阱62的离子光学部件60的简单的离子捕集装置。由离子源(未示出)生成离子，以在64处注入到离子光学部件60内。离子在离子捕集装置的端部被反射，如由箭头66和68所指示的。目标离子阱62包含用于实现气体辅助捕集的气体。将离子光学部件60保持为比离子目标阱62的电位高的电位。捕集在目标离子阱62的势阱中的离子可如70所指示地轴向地喷出或如72所指示地垂直地喷出。

图4b示出包括夹在两组离子光学部件82和84之间的目标离子阱80的离子捕集装置。离子光学部件84担当离子反射器。离子在86处注入，以如88和90处所指示的由离子光学部件82和84的端部反射。目标离子阱80包含气体。捕集的离子聚集在由目标离子阱80形成的势阱中，并可在92处垂直地喷出或如94所指示的经由离子光学部件84轴向地喷出。

图4c示出离子捕集装置，其中在100处注入的离子依次穿过离子光学部件102、充气的离子阱104、离子光学部件106和充气的离子阱108。在110处目标阱108的远端反射离子，并在112处离子阱104的远端反射离子。在由目标离子阱108设置的势阱中捕集的离子可在114处轴向地喷出或在116处垂直地喷出。

图4d示出离子捕集装置，其中在120处注入的离子穿过离子光学部件122、充气的离子阱124、离子光学部件126、充气的目标离子阱128和离子反射器130。离子在132处被离子反射器130反射并在134处被离子阱124的远端反射。可在136处从阱128垂直地喷出或在138处经由离子反射器130轴向地喷出在由目标离子阱128设置的势阱中捕集的离子。

除目标离子阱128和离子反射器130两者都填充气体外，图4e基本对应于图4d。因此，图4e的离子捕集装置与图3a所示的相同。重要的是注意，在本发明的所有实施例中，单次离子穿过目标离子阱22中的碰撞导致捕获离子束基本可忽略的部分，一般＜10％。应用本发明，与单次通过相比，捕获效率提高至少2-5倍。这将本发明与众多已知类型的单次和多次捕集装置相区别。

所述的捕集原理适用于任何类型的阱不管其构造如何，因此包括：电极或多级的扩充的组、直径恒定的或变化的孔、具有施加的RF和DC电位的螺旋或圆形电极、磁和电磁阱等。尽管气体辅助捕集的使用是较佳的，但也可采用诸如绝热捕集之类的其它装置。同样，可增加离子阱电位以在离子阱中实现离子云压缩。

在使用气体辅助捕集处，可自由地改变所使用的气体的选择，也可改变气体的维持的压力。需要时可采用反应性气体(诸如甲烷、水蒸气、氧等)或非反应性气体(诸如惰性气体、氮等)。

可设想所建议的捕集方法的其它使用。例如，图3a或4b的装置可用于增加从离子源12引入离子的捕集效率而不需要分别增加离子阱16或104的长度(以及由此的成本)。在这种情况下，首先可在目标阱22或108中捕集大部分离子，随后转移回离子阱16或104。

一般而言，可仅通过改变离子阱16和22上以及离子光学部件14和18上的DC偏移量而使离子从一个离子阱移动到另一个。在该意义上，术语“目标阱”应解释成意指其中利用碰撞冷却捕集离子的目标(与在质量分析前用于存储的最后的离子阱相对)。这还允许离子损失的诊断和最小化。例如，可将固定数量的离子从离子阱16转移到离子阱22，然后回到离子阱16，然后利用设置在离子阱16中的一个检测器或多个检测器测量。在转移到离子阱16和没有转移到离子阱16的情况下由相同的检测器收集的质谱的比较允许用于每一个质量峰的离子传输的精确的测量。

由多次通过捕集展开的另一种可能性是离子束的分裂。例如，如果两个离子阱具有完全相同的DC偏移量，并且没有分隔它们的势垒，则离子云将分布在这些阱之间。在离子阱之间形成势垒可将离子总体分裂为两部分。这在阱的每一个中采用不同的检测器时是有用的，因为它可允许每一个阱的较好的交叉校准和较好的定量分析。例如，可将离子总体的第一部分分裂成目标离子阱22的第一部分，并在由相关联的检测器检测前捕集在那里。然后可使用所测量的离子数量来预测存储在目标离子阱22的第二部分中的、可随后喷出到轨道阱30中的离子的精确数量。这允许将修正应用到在轨道阱30中所捕集的质谱中的质量校准。这在诸如MALDI之类的相对不稳定的源的情况下使用时是有优势的。

因为如果适当地设置电位则上述实施例中的离子阱中的任一个可用作目标离子阱，所以它还意味着可将离子阱中的每一个轴向地或垂直地连接到另一个质量分析器，如图4中虚线所示意性地示出。这种质量分析器较佳地是TOF、FT ICR、静电阱或任何离子阱类型，但还可采用四极质量分析器、离子迁移率光谱仪或磁扇(magnetic sector)。质量分析器可形成图3或4中所示的任何离子光学部件的整体部分。

以上是在捕集阳离子的上下文中描述的。然而，本领域的技术人员将意识到本发明容易地适用于捕集阴离子。尽管需要电位(具体的是极性)的适配，但这种适配是简单的，并在普通的技术人员的技术范围内。

事实上，本发明可用于同时捕集两种极性的离子，假如采用能够捕集两种极性的势垒。这种势垒可由RF场(类似于在离子阱中保持任何极性的离子的RF场)的“伪电位”(另外称为“有效电位”)形成。例如，可将RF电压施加到目标阱22的端部处的孔上，或者可在两个多极的偏移之间有RF电压等。

当离子在RF场中移动时，可将它们的运动视为重叠在平滑“平均”轨道上的RF场的频率下的高频脉动。正如由Landau和Lifshitz(Mechanics，Pergamon出版社，Oxford，UK，1969)所示出的，具有质量与电荷比m/q的离子沿这种“平滑”轨道的运动在某些条件(例如，当脉动相对较小时)下等价于伪电位中的运动：

$U_{\mathrm{eff}}(r,z)=\frac{1}{2\·m/q}\·\⟨{|\underset{\mathrm{\τ}}{\∫}\▿\mathrm{\φdt}|}^2\⟩$

其中<...>的意思是RF场的周期上取平均值，|...|的意思是向量的模量，而

Φ是RF电位的梯度。伪电位可用于形成与DC电位一样有效的势阱或势垒。伪电位与场梯度的平均值的平方成比例并与m/q成反比，所以可表现出强的质量依赖性。在需要质量选择时可有利地使用伪电位的强的质量依赖性。主要的差别在于伪势阱或势垒对带负电荷和正电荷的离子作用方式相同，因此允许同时捕集两种极性的离子。伪电位还可与DC电位结合。显然，伪电位还可用于捕集仅一种极性的离子。

在以上的实施例中，在需要离子捕集时，RF电压可在目标阱22的端孔处或者甚至是RF多极(例如，多极的DC偏移量的顶部)之间转换。作为一个例子，可仅利用DC势阱来将阳离子存储在目标阱22的一端附近。然后可将阴离子从另外的离子源或甚至从相同的离子源12(沿除目标阱22外的所有离子路径使电压极性反向)导入并存储在目标阱22的另一端附近。可从另外的离子源引入离子。此后，在目标阱22的两端之间接通RF，并去除DC势阱。两种极性的离子开始共用相同的捕集体并相互吸引导致离子-离子相互作用，例如WO2005/090978和WO2005/074004中所述的。

Claims (41)

1.一种在目标离子阱中捕集离子的方法，包括：

将离子引入离子捕集装置，所述离子捕集装置包括一系列的体，其安排成使得离子可从一个体穿过到下一个体，所述体包括所述目标离子阱；

使离子能够进入所述目标离子阱并从所述目标离子阱出来而不被捕集，并使离子能够进入与所述目标离子阱相邻的体，所述目标离子阱和所述相邻的体被限定孔的电极分隔开；以及

导引离子使得它们第二次进入所述目标离子阱。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括反射离子使得它们第二次进入所述目标离子阱。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括第二次反射离子使得离子第三次进入所述目标离子阱。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括将第一电位设置在所述离子捕集装置的一端，并将第二电位设置在所述离子捕集装置的另一端，从而导致离子在任一端处反射，并反复地穿过目标离子阱。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标离子阱的端部对应于离子捕集装置的端部。

6.一种在离子捕集装置的目标离子阱中的离子气体辅助捕集方法，所述离子捕集装置包括一系列的体，安排成使得离子可从一个体穿过到下一个体，所述体包括所述目标离子阱和与所述目标离子阱相邻的体，所述目标离子阱和所述相邻的体被限定孔的电极分隔开，所述方法包括：

用气体至少填充对应于所述目标离子阱的体；

将电位施加到所述离子捕集装置使得(i)所述电位在所述目标离子阱的任一端处升高，从而在所述目标离子阱中形成势阱，(ii)邻接所述目标离子阱的一个或多个充气的体中的任一个处于比所述目标离子阱高的电位，以及(iii)在所述离子捕集装置的任一端处形成势垒；以及

将离子引入所述离子捕集装置，在其中它们随后由所述离子捕集装置的任一端处的势垒反射，从而反复地穿过所述目标离子阱以随着其能量下降稳定在所述势阱中。

7.如以上权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括将一种气体引入所述体中的至少一个中，从而引起所述离子的气体辅助捕集。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将一种气体引入所述目标离子阱中。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将一种气体引入与所述目标离子阱相邻的体。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括将一种气体或几种气体引入所述目标离子阱和相邻的体使得所述目标离子阱中的压力低于所述相邻的体中的压力。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将电位施加到将所述目标离子阱和所述相邻的体分隔开的所述电极。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将RF电位施加到所述离子捕集装置以产生用于捕集离子的伪电位。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，包括施加适于同时捕集阳离子和阴离子的RF电位。

14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括将电位施加到所述离子捕集装置，使得所述目标离子阱处于充气体的最低电位。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括在0.1毫托(mTorr)至10毫托的压力范围内操作所述充气体。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，包括在0.5毫托至2毫托的压力范围内操作所述充气体。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在将离子从离子存储器释放到所述离子捕集装置之前将离子捕集在离子存储器中。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，将离子反复地捕集在所述离子存储器中，并将它们释放到所述离子捕集装置，从而连续地增加所述目标离子阱中的离子的数量。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括将电位施加到所述离子存储器的任一端以将离子捕集于其中，然后降低一端的电位，从而将离子从该端释放到所述离子捕集装置中。

20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，包括将电位施加到所述离子存储器，使其处于比所述离子捕集装置高的电位。

21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子捕集装置具有对应于离子穿过一系列的体的来回运动的纵轴，且所述方法还包括将所述目标离子阱中捕集的离子从所述目标离子阱垂直地喷出。

22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标离子阱包括所述体中的一个。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标离子阱包括所述一系列体的第一和第二体，所述方法包括：

将电位施加到所述离子捕集装置，使得所述电位在所述目标离子阱的任一端处升高从而形成势阱，并使得在所述离子捕集装置的任一端处形成势垒；

将离子引入到所述离子捕集装置，其中它们随后由所述离子捕集装置的任一端处的所述势垒反射，从而反复地穿过所述目标离子阱同时它们失去能量，以最后稳定在所述目标离子阱中；以及

随后施加一电位以在所述第一体和第二体之间起作用，从而将稳定在所述目标离子阱中的离子分裂成两组，一组被捕集在所述第一体中，而另一组被捕集在所述第二体中。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述第一体和第二体彼此相邻。

25.一种离子捕集装置，包括：

一系列的体，安排成使得离子可从一个体穿过到下一个体，其中所述体中的一些适于以气体填充，并且其中所述一系列的体包括目标离子阱和与所述目标离子阱相邻的体，所述目标离子阱和所述相邻的体被限定孔的电极分隔开；

安排成承载电位的诸电极；以及

控制器，安排成在所述诸电极上设定电位，使得同时(i)电位在所述目标离子阱的任一端处升高，从而在所述目标离子阱中形成势阱，(ii)邻接所述目标离子阱的适于以气体填充的一个或多个体处于比所述目标离子阱高的电位，以及(iii)在所述离子捕集装置的任一端处形成势垒。

26.如权利要求25所述的离子捕集装置，其特征在于，包括对应于与所述目标离子阱相邻的体中之一的离子光学部件。

27.如权利要求25所述的离子捕集装置，其特征在于，包括对应于与所述目标离子阱相邻的体中之一的离子反射器。

28.如权利要求25所述的离子捕集装置，其特征在于，所述控制器被安排成设置电位以产生用于捕集离子的伪电位。

29.如权利要求28所述的离子捕集装置，其特征在于，所述控制器用于设置电位以产生伪电位以同时捕集阳离子和阴离子。

30.如权利要求25所述的离子捕集装置，其特征在于，还包括用于将气体引入所述体中的至少一个的气体源。

31.如权利要求25所述的离子捕集装置，其特征在于，所述目标离子阱包括所述体中之一。

32.如权利要求25所述的离子捕集装置，其特征在于，所述目标离子阱包括所述一系列体中的第一体和第二体，且所述控制器被安排成允许一个延时以使离子稳定在所述目标离子阱的势阱中，然后设置在所述第一体和第二体之间作用的电位，从而形成两个势阱，所述第一体和第二体中各有一个势阱。

33.如权利要求32所述的离子捕集装置，其特征在于，所述第一体和第二体彼此相邻。

34.一种离子捕集控制系统，包括离子源、位于所述离子源的下游的离子存储器、以及位于所述离子存储器的下游的如权利要求25至33中的任一项所述的离子捕集装置。

35.如权利要求34所述的离子捕集控制系统，其特征在于，所述控制器被安排成设置离子存储器上的电位以捕集由离子源产生的离子，然后将捕集的离子释放到所述离子捕集装置中。

36.如权利要求35所述的离子捕集控制系统，其特征在于，所述控制器被安排成将电位设置于所述离子存储器的任一端以将离子捕集于其中，然后降低一端的电位从而将离子从该端释放到所述离子捕集装置。

37.如权利要求35所述的离子捕集控制系统，其特征在于，所述控制器被安排成每次将离子组释放到所述离子捕集装置时反复地捕集离子存储器中的离子，从而在所述目标离子阱中聚集多个离子组。

38.如权利要求34所述的离子捕集控制系统，其特征在于，所述控制器被安排成将电位施加到所述离子存储器，使得它处于比所述离子捕集装置高的电位。

39.如权利要求34所述的离子捕集控制系统，其特征在于，所述离子捕集装置具有对应于离子穿过一系列的体的来回运动的纵轴，且所述控制器被安排成将所述目标离子阱中捕集的离子从所述目标离子阱垂直地喷出。

40.一种质谱仪，包括权利要求25至33中的任一项所述的离子捕集装置。

41.一种质谱仪，包括权利要求34至39中的任一项所述的离子捕集控制系统。

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