CN101151705B - 关于质谱仪的改进 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括反应单元的质谱仪以及利用该质谱仪的方法。具体地，尽管不是排他地，本发明涉及串联质谱仪和串联质谱测定法。本发明提供利用具有纵轴的质谱仪的质谱测定法，包括导引离子以正向沿质谱仪纵轴行进以穿过中间离子存储器然后进入反应单元，在反应单元中处理离子，喷射处理的离子以沿纵轴返回行进以再次进入中间离子存储器，在偏离轴的方向上将处理的离子的一个或多个脉冲喷射到质量分析器。

Description

关于质谱仪的改进

本发明涉及包括反应单元的质谱仪以及利用该质谱仪的方法。具体地，尽管不是排他地，本发明涉及串联质谱仪和串联质谱测定法。一般而言，质谱仪包括用于由待分析的分子生成离子的离子源和用于将离子引导到质量分析器的离子光学部件。串联质谱仪还包括第二质量分析器。在串联质谱测定法中，通过利用第一质量分析器收集质谱，然后利用第一质量分析器从质谱中选择期望的前体离子，将选择的前体离子喷射到反应单元，这些前体离子在反应单元中分裂，将包括分裂的离子的离子输送到用于收集分裂离子的质谱的第二质量分析器来进行电离分子的结构说明。该方法可延伸到提供分裂的一个或多个另外的阶段(即，分裂离子的分裂等)。这一般称为MSⁿ，且n表示离子生成的数量。因此，MS²对应于串联质谱测定法

串联质谱仪可分为三种类型：

(1)空间连续，对应于传输质量分析器的组合(例如，磁扇、四极、飞行时间(TOF)，通常在中间具有碰撞单元)；

(2)时间连续，对应于独立的捕集质量分析器(例如，四极、线性、傅立叶变换离子回旋共振(FT-ICR)、静电阱)；以及

(3)时间和空间连续，对应于阱和传输质量分析器的合并。

大部分串联质谱仪具有沿公共轴互相连接的不同的质量分析的平台。这种连续的几何形状允许RF碰撞单元或另外的捕集平台的安装，但排斥了其它设备，诸如：

·另外的离子源(例如，用于引入校准离子或相反极性的离子)；

·用于引入激光辐射的窗口；

·用于离子的软着陆的表面(如WO03/105183中所述)；

·用于表面诱导解离(SID)的表面；或

·电子源(例如，用于引入电子以实现电子捕获解离(ECD)，参见WO02/078048和WO03/102545)。

WO02/48699提供了具有连续几何形状的串联质谱仪的例子。该质谱仪包括离子源、一系列的离子阱、这些离子阱中的一个用作碰撞单元，其后连接TOF分析器。利用离子运动的多次反转来进行串联质量分析和MSⁿ。这通过捕集离子、以反向释放它们、分裂、分裂物的捕集以及重复该循环以生成所需数量的离子生成来实现。然而，最后分裂物必须通过所有的离子阱返回以行进到连续排列的TOF分析器。

WO97/48120中描述了具有连续几何形状的串联质谱仪，尽管不常见。离子源生成垂直加速进入TOF分析器的离子。该离子由离子镜反射：离子中的某些由TOF收集，而某些延伸到位于TOF分析器之后的反应单元，在反应单元中可分裂离子。反射分裂的离子以沿相反路径返回到TOF分析器而由TOG检测器收集。反应单元可以三种方式之一来分裂离子：碰撞诱导解离(CID)、SID或光子诱导解离(PID)。尽管这种几何形状在反应单元的设计和操作方面提供了较大的灵活性，但因为垂直脉动的低占空比导致高的离子损耗，所以其用途是有限的。

与背景相比，并根据第一方面，本发明属于利用具有纵轴的质谱仪的质谱测定法的方法，包括以下连续的步骤：(a)在离子源中生成离子；(b)提取离子使得它们在相对于离子源的正向上沿质谱仪的纵轴行进；(c)当离子以正向沿纵轴行进时使离子进入然后离开中间离子存储器；(d)当离子以正向沿纵轴行进时使它们进入反应单元；(e)在反应单元内处理离子；(f)使处理的离子离开反应单元以在相对于离子源的反向上沿纵轴返回；(g)当离子以反向沿纵轴行进时使处理的离子再次进入中间离子存储器，并选择地将它们捕集于其中；(h)使处理的离子的一个或多个脉冲在偏离轴的方向上离开中间离子存储器；(i)使处理离子的一个或多个脉冲进入质量分析器；以及(j)利用质量分析器获得处理的离子的一个或多个脉冲的质谱。

已清楚诸如分裂物之类的处理离子的有效质量分析需要其发射与质量分析器的工作相匹配。由于大部分高性能质量分析器(例如，FT ICR、TOF、轨道阱等)具有固有的脉冲性质，必须在将离子作为离子脉冲注入到质量分析器前将离子存储一段时间。这可利用另外的离子存储器或将这一离子存储器结合到反应单元来实现。还清楚可重新构造相同的离子存储器，以便不仅将离子注入到质量分析器，而且在与离子入口的方向基本不同的方向上将离子注入到质量分析器(以下将更详细地描述)。除仪器布局简单外，在不需要时，该安排有利地避免了将离子引导到反应单元。

一般而言，关于相同m/z的离子的脉冲持续时间应适当地低于1ms，较佳的是低于10微秒。最佳的状态对应于短于0.5微秒的离子脉冲(这可用于大约在400至2000之间的m/z)。或者，特别是对于具有展开m/z的离子脉冲，发射脉冲的空间长度应小于1m，且较佳地是低于50mm。最佳的状态对应于约5-10mm或更短的离子脉冲。最佳的状态尤其有利于类似于轨道阱分析器和多反射TOF分析器的静电类型的质量分析器。

当然，“离子”不应理解为质谱仪内的所有离子。这与在传输期间将不可避免地损失某些离子，将不处理有些离子(即，在反应单元内不处理它们)，以及质量分析器未能检测有些离子的事实一致。然而，有一组离子将经历所有上述的步骤所以落入所采用的术语内。

质谱仪的纵轴不必是线性的，但应一般通过质谱仪延伸。例如，纵轴可在一个或多个部分弯曲，例如，蜿蜒的形状，以形成紧凑的质谱仪。

利用这一几何形状提供了对上述现有技术系统的问题和缺点的灵活的解决方案。有利的是，在反应单元中有效地反射离子使得它们从同一侧进入和离开。然而，离子被反射回来进入中间离子存储器，在中间离子存储器中使它们偏离轴喷射到质量分析器。当沿两轴向使离子传输进入和离开中间离子存储器，并偏离轴喷出时，中间离子存储器在穿过质谱仪的离子路径中提供一结。在喷射前可将离子捕集在中间离子存储器中。这种安排允许质量分析器的有效地自由选择，从而克服了WO97/48120对垂直加速TOF分析器有限的适用性。此外，本发明的优点不限于串联或MSⁿ谱测定法，并具有较宽的应用。

当本方法用于串联质谱测定法时，将离子传输到反应单元，在反应单元中根据诸如CID、ECD、SID和PID之类的任何已知的方案分裂离子。这可包括硬分裂，例如，将离子分裂到简单的元素和其氧化物、氢化物等。此外，反应单元的反射几何形状可形成用于简明ECD的电子源(例如，它只不过直接向下指向纵轴)和同样用于PID的激光器或用于SID的表面的自然装置。

此外，该方法还可在步骤(g)和(h)之间选择地包括以下步骤：使离子以反向沿纵轴离开中间离子存储器；选择地，提供另外的离子选择；反射离子使得它们以正向沿纵轴返回行进，使得离子再次穿过中间离子存储器然后进入反应单元；在反应单元中进一步处理离子；使处理的离子离开反应单元，以反向沿纵轴返回行进，以再次进入中间离子存储器。

处理和进一步的处理步骤可包括分裂、从而允许MS³谱测定法。引起另外多次反射可使离子返回反应单元，用于更多的分裂阶段，使得该方法可提供MSⁿ质谱测定法。

较佳的是，步骤(c)还包括在离子进入后在中间离子存储器中捕集离子然后使离子离开。在中间离子存储器中捕集离子可提供两种好处。第一，可在时间段上累积离子。第二，可挤压中间离子存储器中捕集的离子以形成紧凑的束。后一好处在接下来将离子喷射到质量分析器的情况中是特别有利的，尤其是离子束的聚焦是较佳的情况下，例如，从弯曲线性四极喷射到诸如轨道阱分析器之类的静电分析器。

中间离子存储器可以在传输模式中工作，使得以正向沿纵轴行进的离子直接穿过中间离子存储器。

尽管作为步骤(e)中离子处理的例子描述了分裂，但本发明还扩大到其它形式的处理。在本发明的某些实施例中，可将处理离子视为使离子反应，即，引起涉及离子的相互作用以引起这些离子的变化。除通过分裂引起离子的破裂外，离子的其它变化可包括其电荷状态的改变。在广义上，可将处理离子视为在反应单元中改变离子总体。这可以很多不同的方式来实现。例如，可去除离子总体的一部分，如通过质量分析使得仅期望的质量范围的离子返回到中间离子存储器或通过基于离子迁移率的选择。处理可包括将另外的离子引入到离子总体。这可以通过引入校准离子或引入相反极性的离子来完成。同样，处理可包括改变离子总体的能量散度。可独自地进行或以任意组合进行这些处理步骤。

选择地，在步骤(h)中捕集处理的离子包括“冷却”离子使得它们失去能量。有两种较佳的实现方式。第一种是碰撞冷却，其中将气体引入中间离子存储器使得离子在低能碰撞(足够低以避免进一步分裂离子)中失去能量。第二是通过其它公知的绝热冷却技术。

较佳地，该方法在步骤(b)和(c)之间还包括：在离子以正向沿纵轴行进时使它们进入然后离开离子阱。在该方法还包括在使离子以正向沿纵轴离开离子阱前在离子阱中捕集离子的情况下，这一安排特别有利。由此，在释放离子以在反应单元中处理前，可在离子阱中累积期望的数量的离子。可控制累积的离子的数量，例如，利用自动增益控制以保证获得优化数量的离子(期望尽可能多的离子以保证质谱中良好的统计和如果离子浓度太高则空间电荷的有害效应之间的折衷)。离子阱还可用于以组合或择一的方式收集质谱和选择地进行穿过该离子阱的离子的质量选择。当然，可在离子穿过离子阱任意次数的期间以这些方式中的任一种方式使用离子阱。在采用离子沿质谱仪多次通过的情况下，离子阱可用于在与由反应单元进行的反射相对的端处反射离子。

从第二方面，本发明属于具有纵轴的质谱仪，包括：离子源；用于沿纵轴导引由离子源生成的离子的离子光学部件；中间离子存储器，它位于离子源的下游并具有位于纵轴上的第一和第二孔以及偏离轴定位的第三孔，使得第一孔面向离子源；反应单元，它位于中间离子存储器的下游并具有面向中间离子存储器的第二孔的孔，其中反应单元用于处理离子；以及质量分析器，它与中间离子存储器相邻并具有面向中间离子存储器的第三孔的入口孔，且其中中间离子存储器用于将一个或多个离子脉冲从第三孔喷射到质量分析器。

如上所述，反应单元可用于处理离子。例如，反应单元可引起离子总体的变化，可使离子反应以引起离子的变化，或可引起离子的分裂。

以此布置，可在离子源中生成离子，以正向沿纵轴传输离子，以使离子穿过中间离子存储器的第一孔然后穿过中间离子存储器的第二孔，并穿过反应单元的孔。然后可使离子反射，使得它们以反向穿过反应单元的孔再次出现，然后通过第二孔再次进入中间离子存储器。然后可通过第三孔偏离轴喷射离子。

可通过任何适当的方法来设置孔。例如，孔可仅对应于其相关联部件的缺失端面。或者，它们可对应于在电极等中或电极等之间留下的间隙所设置的孔。

可从任何普通可用类型中自由地选择离子源，如电喷雾源、电子轰击源、化学电离源、大气压光致电离、MALDI(大气压、减压或真空下)、二次离子源或质量分析或分离的任何前面的阶段(例如，DC或场不对称离子迁移率频谱仪、行波谱仪等)。

可以很多方式来实现中间离子存储器。例子包括3D四极离子阱或存储器多极。在采用存储器多极的情况下，可利用RF电位来实现存储器，并且较佳的是用如GB0413852.5所述的RF开关来实现。无论选择哪一种，它必须能够轴向和偏离轴向喷射。较佳的是，垂直地进行偏离轴喷射，以将中间离子存储器的第三孔定位成允许垂直喷射。

选择地，中间离子存储器具有用于将气体引入中间离子存储器的相关联的气体源。气体可用于离子的气体辅助捕集。

在目前较佳的实施例中，中间离子存储器是弯曲的线性离子存储器。弯曲的线性阱的优点在于它允许离子脉冲的喷射(即，快速喷射)，而不需要进一步的成形。中间离子存储器的曲率可用于对从离子存储器通过第三孔垂直喷射的离子进行聚焦。即，可垂直于离子路径喷射离子使得它们朝向曲率中心行进或径向会聚。可选择地穿过一组离子光学部件将离子喷射到诸如轨道阱分析器之类的静电质量分析器。中间离子存储器的曲率和轨道阱分析器的定位可以使得离子在轨道阱分析器的入口孔处聚焦。

反应单元可采用很多不同的形式。反应单元可对应于充气的离子-分子反应器，或反应单元可具有用于将离子引入反应器单元的离子源。可从外部源(例如，亚稳原子源或放电或通过电场清除的具有带电核素的喷雾)释放气态或作为激发核素(分子或原子)的束的分子。这一反应单元可用于使输入离子改变、净化或分裂。为了分裂的目的，反应单元还可包括用于ECD的电子源、用于SID的表面、用于离子-离子反应的离子源(例如，以促进质子转移或电子转移解离ETD)、用于CID或任何频谱范围的光子束的特定的碰撞气体。当然，可采用具有以上特征的任何组合的混和单元。

尽管上面描述了诸如轨道阱质量分析器之类的静电质量分析器，但可采用其它类型的质量分析器。例如，质量分析器可对应于FT-ICR单元或TOF分析器。

选择地，质谱仪还可包括位于离子源和中间离子存储器之间并具有位于纵轴上的孔的离子阱。将孔定位成允许离子沿纵轴通过。该离子阱可包括另外的质量分析器。这允许收集前体离子的质谱。例如，离子阱可以是传输细长电极、磁扇或Wien过滤器、四极滤质器、具有共振或质量选择的离子选集的存储器RF多极、3D四极离子阱或线性阱。

较佳的是，质谱仪还包括用于进行任何上述方法的控制器。本发明还扩展到包括计算机程序指令的计算机程序，当由控制器执行计算机程序指令时，使得控制器进行上述方法中的任一种。本发明还扩展到其上存储有这种计算机程序的计算机存储介质。

根据又一方面，本发明属于具有纵轴的质谱仪，包括：沿所述轴引导离子的离子源；具有位于所述轴上的入口孔的反应单元；质量分析器；以及可在第一模式和第二模式之间转换的离子光学部件，在第一模式中将来自离子源的离子沿所述轴导引到所述反应单元并将在反应单元中产生的产物离子导引到用于分析的质量分析器，在第二中模式中来自离子源的离子从所述轴偏离并将该离子导引到用于分析的质量分析器而不进入反应单元。

根据本发明的再另一个方面，本发明属于具有纵轴的质谱仪，包括：沿所述轴引导离子的离子源；反应单元；具有位于所述轴上的入口孔的质量分析器；以及可在第一模式和第二模式之间转换的离子光学部件，在第一模式中来自离子源的离子从所述轴偏离并将该离子导引到反应单元并将在反应单元中产生的产物离子导引回所述轴并导引至质量分析器的入口孔，在第二模式中将来自离子源的离子沿所述轴导引到用于分析的质量分析器而不进入反应单元。

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是示出根据本发明的实施例的一般质谱仪的示意性图示；

图2是根据本发明的实施例的质谱仪的更详细的表示；

图3是图1和2的质谱仪中使用的充气单元形式的反应单元的图示；

图4是图1和2的质谱仪中使用的具有辅助离子源或中性原子或分子束或光子束的反应单元的图示；以及

图5是图1和2的质谱仪中使用的用于ECD的反应单元的图示。

图1中示出具有纵轴110的质谱仪100。质谱仪100的大多数部件位于纵轴110上。以离子源140开始并向下游行进，质谱仪100包括离子源140、第一质量分析器180(在本实施例中是离子阱)、中间离子存储器220和反应单元260。将第二脉冲质量分析器340设置成偏离轴并与中间离子存储器220相邻。图1的一般图示没有示出可用于导引质谱仪100的各部件之间的离子的离子光学部件。此外，图1没有示出用于在这些部件内导引和/或捕集离子的各部件的电极。控制器360用于在各部件的电极上设置电位并进行使质谱仪100按命令运行的其它的控制功能。控制器360经由接线375与各部件通信。

图1中还示出穿过质谱仪100的离子的通路。将分析物120引入离子源140，在其中将其电离以形成离开离子源140的分析物离子160。离子160然后进入离子阱180。在串联质谱仪的背景下描述该实施例，尽管应理解本发明具有更宽的应用。因此，离子阱180提供了能够在控制器360的指导下从离子160获得质谱的质谱仪。然后对离子160进行质量选择使得仅一定质量范围内的离子200a、b离开离子阱180。

有利地，质谱仪180可用于实现自动增益控制，即，保证积聚优化数量的离子。这种优化是期望尽可能多的离子以保证良好的实验统计和需要限制离子浓度以避免空间电荷效应之间的折衷。自动增益控制可用于控制中间离子存储器240、反应单元260或质量分析器340中充足离子。在US 5,107,109和US 6,987,261中描述了自动增益控制。

下一步了解以两种不同方式使用的质谱仪100。在第一种模式中，将离子200a传输到中间离子存储器220中，在其中捕集离子200a。一旦超过适当的延时，控制器360将离子240传输到反应单元260中。在第二种模式中，中间离子存储器220仅用作离子导引器(“传输模式”)。中间离子存储器220可填充气体，从而在离子200b穿过中间离子存储器220并进入反应单元260时通过碰撞冷却来减小离子200b的能量。

一旦离子240在反应单元260中控制器就处理离子240。处理可采取如下所述地任何数量的形式。处理的离子300通过控制器360返回到中间离子存储器220。在本实施例中，中间离子存储器240在偏离轴喷射离子320前捕集处理的离子300使得它们径向会聚。因此离子在从中间离子存储器220通过到质量分析器340时聚焦。或者，处理的离子300仅仅从轴110偏离以沿路径320至质量分析器340。然后控制器360利用质量分析器340从处理的离子收集一个或多个质谱。

图2再次在串联质谱仪的背景下更详细地示出本发明的一个实施例，该串联质谱仪包括由离子阱180提供的第一质量分析器和由轨道阱分析器340提供的第二质量分析器(静电分析器)。图2不是按比例的。

质谱仪100在布置上一般是线性的，且离子沿纵向轴110穿过。质谱仪100的前端包括提供分析物离子120的常规的离子源140。离子光学部件150与离子源140相邻，其后连接线性离子阱180。另外的离子光学部件190位于离子阱180另一边，其后连接以各个端处的门222和224为界的弯曲的四极线性离子阱220。该离子阱220提供中间离子存储器220。将离子光学部件226设置成与下游门224相邻以导引到或来自反应单元260的离子。

利用中间离子存储器220的曲率使得在偏离轴喷射离子时，离子径向会聚。在轨道阱质量分析器340的入口342方向上偏离轴喷射离子。穿过设置在中间离子存储器220的电极230中的孔228并穿过有助于使射出的离子束聚焦的另外的离子光学部件330来喷射离子。应注意，中间离子存储器220的弯曲的构造也有助于离子的聚焦。此外，一旦在中间离子存储器220中捕集离子时，可在门222和224上设置电位以使离子聚集在中间离子存储器220的中心。这同样有助于聚焦。弯曲的线性离子阱220固有地有用，因为它使得离子的脉冲快速地喷射到质量分析器340，且即便要求进一步的成型也是很少的。

在工作中，根据例如US20030183759或US 6,177,668，在离子源140中生成离子160并通过离子光学部件150传输以暂时积聚在离子阱180中。离子阱180包含1毫托的氦，使得离子160在与气体分子的碰撞中损失一些动能。

在固定的延时(使得足够的离子160积聚在离子阱180中所选择的)后或在离子阱180中检测到足够的离子160后，从离子阱180喷射离子200a以通过离子光学部件190行进进入到中间离子存储器220。离子200b将穿过中间离子存储器220进入反应单元260，其中在离子返回到中间离子存储器220之前处理离子。

将冷却气体引入中间离子存储器220。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180较佳而氮用于中间离子存储器220较佳。一般，在中间离子存储器220中采用1毫托的氮。由抽吸端口和箭头380指示的、所采用的抽吸装置确保其它组件基本没有气体并保持所需的高真空。如共同待审批专利申请GB0506287.2中所述，实现了离子进入中间离子存储器220的转移。

现在将更详细地描述质谱仪100的各部分。

离子源140可以是普通可用的类型中的任一种。例如，电喷雾、大气压光致电离或化学电离、大气压/减压/真空MALDI、电子轰击(EI)、化学电离(CI)、二次离子或者质量分析或离子选择的任何前面的阶段(例如，DC或场不对称离子迁移率频谱仪、行波谱仪)都是适当的选择。

也可从很多选择件中选择离子阱180。技术人员将意识到可根据将进行的实验来进行选择。选择件包括传输细长电极、磁扇或Wien过滤器、四极滤质器、具有共振或质量选择的离子选择的存储器RF多极、3D四极离子阱或具有径向或轴向喷射的线性阱。

中间离子存储器220中使用的适当类型的离子阱/离子存储器包括3D四极离子阱、没有RF开关的存储器RF多极、根据US 5,763,878或US20020092980A1的存储器多极、根据GB0413852.5的具有RF开关的存储器RF四极、环形阱、层叠阱或静态阱。

中间离子存储器220可以多种方式工作。例如，中间离子存储器220可以以离子捕获模式工作(操作离子阱的常规的方式)。或者，中间离子存储器220可以以离子传输模式工作以允许离子到达反应单元260并在其返回时以捕获模式工作。另一种选择是对于离子阱180和反应单元260之间的多次离子反射的，中间离子存储器220以传输模式工作，然后，在预定数量的反射后转换成捕获模式。每一次反射可包括在离子阱180或反应单元260中的不同类型的处理。

在离子阱180用于捕集离子时，质量分析器340中的质谱测量法的每一周期从离子阱180向中间离子存储器220的多次离子喷射可积聚较大的离子总体。

在图2的实施例中，弯曲或直的充气四极220具有施加到其电极上的可开关的RF电位和门222和224上的随时间变化的电压。改变这些电位和RF偏移以从一个工作状态转换到另一个：足够高的电位反射离子束由此阻断其进一步的传播。同样，在离子喷射前可升高这些电位以压缩离子束。通过关断RF并在电极之间施加DC梯度来使离子穿过电极230中的孔228喷射到质量分析器340。

质量分析器340可以是任何类型的FT-ICR单元、TOFMS或类似于轨道阱分析器的静电阱。

现在将参考示出示范性实施例的图3、4和5更详细地描述反应单元260。反应单元260可采用在反应单元260内的离子总体上有效工作的很多形式中的一种，以在某些方面改变总体。离子自身可以变化(例如，通过分裂或反应)，可增加离子(例如，校准物)，可去除离子(例如，通过质量选择)，或可改变离子的性质(例如，其动能或内能等)。因此，反应单元260可以是多种可能性中的任一个以满足这些功能。

图3示出用于高能CID的以充气碰撞单元形式的反应单元260连同适用于将离子导引进入反应单元260和从反应单元260中出来的离子光学部件226。反应单元260内的离子的进入和保留由门电极262控制。通过捕集RF四极264来辅助反应单元260内的捕集。位于与门电极262相对的端处的阱电极266结束了捕集装置。气体源268用于将气体引入到反应单元260。

在工作中，在离子阱180中对以低能穿过中间离子存储器220传输的离子进行质量选择，然后由离子光学部件226将其加速到约30-50eV/kDa的能量。然后离子进入反应单元260，在反应单元260中它们与气体分子碰撞并分裂。在反应单元260中捕集分裂的离子。较佳的是，操作反应单元260使得气压P(mbar)和离子渗透深度L(mm)的乘积超过0.1mbar mm，最佳的是1mbar mm。通过DC电压(在门电极262和阱电极266上的)的适当的处理而从反应单元260喷射分裂的离子和任何前体离子。然后在将这些离子传输到质量分析器340之前，将这些离子捕集在中间离子存储器220中。

以反射模式工作允许以下两种应用。第一，前体离子的高能分裂，包括所有离子的平行分裂。在分裂前，在离子阱180中利用质量选择排斥某些背景峰或宽范围的质谱。第二，利用离子阱180和质量分析器340对低质量亚铵(immonium)离子和前体离子的分析进行扫描。

图3的反应单元260还可用作充气的离子-分子反应器。在该方法中，将离子以低能引入反应单元260。捕集的离子参与反应(例如，电荷交换)，同时与碰撞气体一起引入活性反应物。反应气体的例子包括甲烷、水蒸汽(inc.deuteriated)、烷基溴、醇、醚、酮、胺(例如，三乙胺)等。另一种应用是具体地将标记同位素气体与特定的例子官能团(例如，磷酸盐)反应以标记具有该官能团的离子。可以对标记的离子作出用于随后分裂的记号，立即用于质量分析器340中的分析或随后在离子阱180中分析。在两种应用中，可由反应单元内捕集的持续时间和反应物的压力来调节反应的程度。还可采用低压放电以提供活化和分裂。

图4示出由离子光学部件226(RF八极)馈入反应单元260。反应单元260具有以一端处的门电极262和另一端处的阱电极266为边界的捕集RF四极264。还提供了气体源268连同离子源270。该离子源270可用于将相同极性的另一种离子引入到已经捕集在反应单元260中的离子中。或者，离子源270可用于引入相反极性的离子(“反应离子”)。较佳的是，顺序地引入每种极性的离子：例如，首先正离子，然后负离子。通过向门电极262和阱电极266施加适当的RF电位来将两种极性的离子捕集在反应单元260中。可传输两种极性的离子以在离子阱180中或中间离子存储器220中反应(或者它们在反应单元260中反应)。这种反应的例子是电子转移解离ETD(J.E.P.Syka，J.J.Coon，M.J.Schroeder，J.Shabanowitz，D.F.Hunt，Proc.Nat.Acad.Sci.，101(2004)9528-9533)。

反应可包括一个以上的阶段。例如，正前体离子在与负反应离子反应中可产生负产物离子。这些负产物离子进而可通过与由适当转换的离子源270释放的正反应离子反应来转换成另一种正产物。由此，可进行多阶段反应。连同其它优点，这允许所得离子的电荷状态的增加，因此允许对于由MALDI产生的一般的单电荷离子的ECD或ETD。

也可从质谱仪的最初的离子源释放反应离子，例如，通过转换整个离子源的极性和离子路径。这允许期望的反应离子的质量选择。在极性转换期间，前体离子仍存储在反应单元260中因此不受影响。为了加速极性转换，较佳的是在离子源内连续生成两种极性的离子(例如，通过在相反的极处具有两个喷雾器)，并在任何给定时间仅传输一种极性。

可使用产生任何类型的束的发射器来代替离子源270：激发的(例如，亚稳的)或冷却的分子或原子或簇等、任何谱范围的光子。在这种情况下，不仅可沿轴引导它们，而且可与轴成一角度。这些束可以是脉冲的或连续的。在光子束的例子中，毫微微秒UV光或可见光或IR脉冲串、真空UV或毫微秒UV脉冲是最佳的。

图5示出用作用于硬分裂的碰撞单元以提供生物分子离子的元素分析的反应单元260。经由离子光学部件226(例如，RF八极)向反应单元260供给离子。反应单元260利用以门电极262和阱电极268为边界的捕集RF四极264捕集离子。可通过气体源268来提供气体。反应单元260还可设置有激光源272。

通过使离子经受由激光源272提供的高强度激光脉冲来实现较佳地直到简单元素或其氧化物、氢化物等的硬分裂。或者，可使用辉光放电来引起硬分裂。在由光子照射的同时，可将离子存储在RF四极264中。可采用低质量离子通过由永久磁铁274提供的另外的轴向磁场来改进存储的离子的质量范围。

图5的反应单元260可通过用电子源来代替激光源272而适用于ECD。电子源272可用于将低能电子引入反应单元260以引起ECD。然而，RF捕集场的存在是不合需要的，因为它将电子激发成高能而这在本质上改变了离子分裂的方式。为了克服该问题，利用由永久磁体274提供的磁场将离子捕集在反应单元260中。一旦ECD完成，电场可用于辅助捕集离子和/或实现从反应单元260喷出离子。

在另一个实施例中，反应单元260包括DC或场不对称离子迁移率频谱仪。较佳的是，这种反应单元包括在分隔管的两侧上的仅RF线性离子阱。在任一情况下，频谱仪以两通路工作：首先，从入口阱向后阱，然后反向。在一个或两通路中，仅允许具有特定迁移率或电荷状态的离子通过(即，频谱仪用作过滤器)。第二通路还可用于分裂第一通路上选择的离子，这通过显著地增加后阱相对于入口阱的DC偏移(例如，每选择的m/z的KDa超过30-50V)来实现。

反应单元260还可用于SID。例如，可操作图3反应单元260使得阱电极266提供碰撞表面以通过SID实现分裂。例如，已知各种有机分子的自组装单分子层具有良好的分裂效率。该SID与利用捕集RF四极264和碰撞冷却(经由气体源268)的离子的捕集的结合保证离子较好地传输回中间离子存储器220和碰撞能量的选择方面的较好的灵活性。或者，阱电极266可用作用于离子软着陆和预备质谱仪的表面，如WO03/105183中所述。在这种情况下，可将离子沉积在阱电极266上，同时通过在质量分析器340中的同时分析或通过分析从表面释放的离子(例如，通过激光器)来进行质量控制。

同样，反应单元260可包括另外的质量分析器。当然，可采用上述对反应单元260有作用的特征的各种组合。

正如本领域的技术人员所意识到的，可在不背离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下可对上述的实施例进行各种修改。

例如，可选择包括第一质量分析器180。这部分仅仅是不具有质量分析功能的离子阱，或者可完全省略该部分。

Claims (50)

1.一种利用具有纵轴的质谱仪的质谱测定法，包括以下连续的步骤：

(a)在离子源中生成离子；

(b)提取离子，使得它们在相对于所述离子源的正向上沿所述质谱仪的所述纵轴行进；

(c)在离子以正向沿所述纵轴行进时使离子进入、然后离开中间离子存储器；

(d)在离子以正向沿所述纵轴行进时使它们进入反应单元；

(e)在所述反应单元内处理离子；

(f)使处理后的离子离开所述反应单元以在相对于所述离子源的反向上沿所述纵轴返回；

(g)使处理后的离子在它们以反向沿所述纵轴行进时再次进入所述中间离子存储器；

(h)使处理后的离子的一个或多个脉冲在偏离轴的方向上离开所述中间离子存储器；

(i)使所述处理后的离子的一个或多个脉冲进入质量分析器；以及

(j)利用所述质量分析器获得所述处理后的离子的一个或多个脉冲的质谱。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)还包括在离子进入之后在所述中间离子存储器中捕集离子然后使离子离开。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在步骤(e)中处理离子包括在所述反应单元中改变离子总体。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在步骤(e)中处理离子包括去除离子总体中的一部分。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的处理包括利用质量选择去除离子总体中的一部分。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的处理包括将另外的离子引入离子总体。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的处理包括改变离子总体中的至少一部分的电荷。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的处理包括改变离子总体的能量散度。

9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的处理包括分裂离子总体中的至少一部分。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的分裂包括：与气体分子碰撞；与表面碰撞；与反应性稳定分子碰撞；与亚稳分子或原子碰撞；与相反电荷的离子碰撞；或由频谱从真空UV至IR的光子束照射，照射时间从阿秒至连续。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的分裂不包括电子捕获解离。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤(e)中的分裂包括电子捕获解离。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括在不利用磁场的情况下在所述反应单元中捕集离子同时通过电子捕获解离分裂。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(e)包括在所述反应单元中捕集离子。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，包括在所述反应单元中的两个或多个捕集区中捕集离子。

16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，包括在所述两个或多个捕集区之间传输的同时根据离子的迁移率、m/z或差分离子迁移率来分离离子。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(f)包括通过处理设置在所述反应单元上的DC电压来喷射所述处理后的离子。

18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在所述步骤(h)中在所述中间离子存储器中捕集所述处理后的离子。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，通过冷却离子使得它们失去能量来捕集所述处理后的离子。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，包括通过碰撞冷却或绝热冷却来冷却离子。

21.如权利要求18至20中的任一项所述的方法，其特征在于，包括在对应于所述中间离子存储器的弯曲线性阱中捕集离子。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，包括在步骤(h)中使所述处理后的离子的一个或多个脉冲沿偏离轴的方向离开所述中间离子存储器，使得所述一个或多个脉冲垂直于纵轴行进以径向会聚。

23.如权利要求17至20中的任一项所述的方法，其特征在于，包括将离子喷射为具有小于1毫秒、10微秒或0.5微秒之一的持续时间的脉冲。

24.如权利要求17至20中的任一项所述的方法，其特征在于，包括将离子喷射为具有小于1m、50mm、10mm或5mm之一的空间长度的脉冲。

25.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括将气体引入所述反应单元其压力使得气压与所述反应单元长度的乘积不超过1mbar·mm。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述乘积不超过0.2mbar·mm。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述乘积不超过0.1mbar·mm。

28.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括质量选择的步骤。

29.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(g)和(h)之间还包括以下步骤：

使离子以反向沿所述纵轴离开所述中间离子存储器；

反射离子使得它们以正向沿所述纵轴行进回来，使得离子再次穿过所述中间离子存储器然后进入所述反应单元；

在所述反应单元中进一步处理离子；

使处理后的离子离开所述反应单元，以反向沿所述纵轴行进回来再次进入所述中间离子存储器。

30.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)和(c)之间还包括：在离子以正向沿所述纵轴行进时使它们进入然后离开离子阱的步骤。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括在使离子以正向沿所述纵轴离开所述离子阱前在所述离子阱中捕集离子。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，还包括获得在所述离子阱中捕集的离子的质谱。

33.如权利要求30-32中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括将所述离子阱用作滤质器，使得仅允许在期望质量范围之内的离子以正向沿所述纵轴离开所述离子阱。

34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，包括利用所述离子阱来实现自动增益控制。

35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，包括在离子穿过所述离子阱的一次以上的通过中将所述离子阱用作滤质器。

36.一种具有纵轴的质谱仪，包括：

离子源；

用于沿所述纵轴导引由所述离子源生成的离子的离子光学部件；

中间离子存储器，它位于所述离子源的下游并具有位于所述纵轴上的第一和第二孔以及偏离轴定位的第三孔，使得所述第一孔面向所述离子源；

反应单元，它位于所述中间离子存储器的下游并具有面向所述中间离子存储器的第二孔的孔，其中所述反应单元用于处理离子；以及

质量分析器，它与所述中间离子存储器相邻并具有面向所述中间离子存储器的第三孔的入口孔，

且其中所述中间离子存储器用于将一个或多个离子脉冲从所述第三孔喷射到所述质量分析器。

37.如权利要求36所述的质谱仪，其特征在于，所述中间离子存储器具有用于将气体引入到所述中间离子存储器的相关气源。

38.如权利要求36或37所述的质谱仪，其特征在于，所述中间离子存储器是弯曲的线性离子存储器，所述中间离子存储器的曲率使从所述离子存储器穿过所述第三孔径向会聚喷射的离子聚焦。

39.如权利要求37所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元是充气的离子-分子反应器。

40.如权利要求36或37所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元具有用于将离子引入所述反应单元的离子源。

41.如权利要求36或37所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元是分裂单元。

42.如权利要求41所述的质谱仪，其特征在于，所述分裂单元是用于碰撞诱导解离的充气的碰撞单元。

43.如权利要求41所述的质谱仪，其特征在于，所述分裂单元还包括用于表面诱导解离的表面。

44.如权利要求41所述的质谱仪，其特征在于，所述分裂单元被安排成通过与反应性稳定分子碰撞；与亚稳分子或原子碰撞；与相反电荷的离子碰撞；或由从真空UV至IR的频谱范围的光子束从阿秒至连续地照射来分裂离子。

45.如权利要求41所述的质谱仪，其特征在于，所述分裂单元不包括用于电子捕获解离的电子源。

46.如权利要求41所述的质谱仪，其特征在于，所述分裂单元还包括用于电子捕获解离的电子源。

47.如权利要求46所述的质谱仪，其特征在于，不包括用于在所述反应单元中捕集离子的磁体。

48.如权利要求36或37所述的质谱仪，其特征在于，还包括位于所述离子源和所述中间离子存储器之间并具有位于所述纵轴上的孔的离子阱。

49.如权利要求48所述的质谱仪，其特征在于，所述离子阱包括质量分析器。

50.如权利要求36或37所述的质谱仪，其特征在于，还包括用于执行权利要求1至35中的任一项所述的方法的控制器。

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