CN101188183A - 质量分析装置和质量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明的质量分析计和质量分析装置由导入用离子源生成的离子并且施加RF电压的四重极棒电极和检测所排出的离子的检测机构构成，其特征在于：在棒轴向形成质量依存的电势，从电势的极小点附近质量选择地向轴向排出离子；此外，通过在插入棒电极之间的插入电极上施加静电电压和RF电压，形成质量选择的电势。根据本发明，实现排出效率高、排出能量低的线性阱。

Description

质量分析装置和质量分析方法

技术领域

本发明涉及质量分析装置及其工作方法。

背景技术

线性阱在内部能进行MSⁿ分析，在蛋白质组分析中广泛应用。以下说明在现有技术中如何进行被线性阱捕获的离子进行质量选择的离子排出。

作为线性阱中的质量选择的离子排出的例子，记载在美国专利第5,420,425号中。从轴向入射的离子在线性阱内积蓄后，根据需要进行离子选择或离子分解。然后，在相对的一对四重极棒电极之间施加辅助交流电场，能使特定质量离子在径向共振激励。通过扫描捕获RF电压，质量选择地向径向排出离子。将由径向的四重极电场形成的调和伪电势用在质量分离中，质量分辨率高。

此外，作为线性阱的质量选择排出的例子，记载在美国专利第6,177,668号中。在积蓄了从轴向入射的离子后，根据需要进行离子选择和离子解离。然后，在相对的一对四重极棒电极之间施加辅助交流电场，在径向激励离子。利用四重极棒电极和终端电极之间产生的弥散场(fringing field)，将在径向共振激励的离子向轴向排出。对辅助交流电场的频率或捕获RF电压的振幅值进行扫描。由径向的四重极电场形成的调和伪电势在质量分离中使用，质量分辨率高。

此外，作为线性阱的质量选择排出的例子，记载在美国专利第5,783,824号中。积蓄从轴向入射的离子。在四重极棒电极之间插入叶片电极，通过叶片电极和四重极棒电极之间的DC偏压，在线性阱轴上形成调和电势。然后，通过在叶片电极之间施加辅助交流电场，共振激励离子，质量选择地向径向排出离子。对DC偏压或辅助交流电压的频率进行扫描。

在美国专利第6,852,972号中记载了从三维离子阱以低能量排出离子的方式。在从三维离子阱排出离子时，在端盖之间施加DC电压并扫描RF电压，据此将从高质量的离子到低质量的离子，依次质量选择地排出的方法。由于从能量极小点附近排出离子，排出能量扩展是室温水平。

此外，在美国专利第5,847,386号中记载了在四重极棒电极之间插入电极，在轴向形成电场，来控制离子动作的方法。利用四重极棒电极和插入电极之间的电位差，进行离子的排出时间的短时间化或捕获。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供能进行把排出能量的分散抑制在室温水平(数10meV水平)的质量选择排出的线性阱。线性阱与现有的三维离子阱相比，具有捕获效率高、电荷容量大等优异的性质，可与其它质量分析计组合使用。而在飞行时间型质量分析计、轨道阱型质量分析计、四重极型质量分析计等中，对于入射离子的能量扩展的允许范围非常窄。因此，如果保持能量扩展到允许范围以上地进行离子入射，就会导致离子透过率的减少、质量分解度的降低。因此，如果把排出能量的分散抑制在室温水平，线性阱就能高效地与飞行时间型质量分析计、轨道阱型质量分析计、四重极型质量分析计等入射离子能量扩展的允许范围窄的质量分析计结合。

在美国专利第5,420,425号的情况下，离子向径向排出。在四重极棒电极上施加的kV级的电压在排出时被施加，排出能量扩展为数100eV以上。

在美国专利第6,177,668号的情况下，在离子的排出中使用共振激励。在这些方法中，是对排出离子有选择地提供能量来超越势垒的方式，所以必然对排出离子付与能量，从室温水平有意地使能量扩展。

在美国专利第 6,852,972号中记载了三维离子阱，但完全没有涉及质量选择地从线性阱排出离子的记述和暗示。

在美国专利第5,847,386号中记载了不依存于质量地在DC电势下进行离子控制，但完全没有涉及质量选择地进行离子排出的记述和暗示。

本发明的课题在于，提供能进行把排出能量的分散抑制在室温水平(数10meV水平)的质量选择的排出的线性阱。

本发明的质量分析计和质量分析装置由导入用离子源生成的离子并且施加RF电压的四重极棒电极和检测所排出的离子的检测机构构成，其特征在于：

1)具有在棒轴向形成质量依存的电势的部件，从该电势的极小点附近质量选择地向轴向排出离子；

2)此外，该电势形成部件为了形成质量选择的电势，在插入于棒电极之间的插入电极上施加静电电压和RF电压。

根据本发明，实现了能进行把排出能量的分散抑制在室温水平(数10meV水平)的质量选择的排出的线性阱。

附图说明

图1A和图1B是本实施方式的实施例1。

图2是实施例1的测定序列。

图3是实施例1的测定序列。

图4是本实施方式的效果的说明图。

图5A～5D是本实施方式的效果的说明图。

图6是本实施方式的实施例2。

图7是本实施方式的实施例3。

具体实施方式

(实施例1)

图1A和1B是实施本方式的线性阱的质量分析的结构图。图1A是装置全体图，图1B是装置的径向剖视图。由电喷雾离子源、大气压化学离子源、大气压光离子源、大气压基质辅助激光解吸离子源、基质辅助激光解吸离子源等的离子源1生成的离子通过细孔2，被导入差动排气部5中。差动排气部用泵30排气。通过差动排气，离子通过细孔3而被导入分析部6。分析部用泵31排气，维持在10^-4Torr以下(1.3×10^-2Pa以下)。通过了由离子透镜、四重极过滤器、线性阱等构成的离子输送部4的离子通过细孔17而被导入线性阱部7。对线性阱部7导入缓冲气体(未图示)，维持在10^-4Torr～10^-2Torr(1.3×10^-2Pa～1.3Pa)。被导入的离子被由入口侧端电极11、四重极棒电极10、插入四重极棒电极之间的插入电极13、和出口侧端电极12夹着的区域所捕获。在插入电极上施加DC电压41和RF电压40(以后只记载为DC电压、RF电压时，定义为该电压)。被该区域捕获的离子使RF电压40的振幅或频率或DC电压值的至少一个发生变化，特定质量数的离子向轴向被排出。插入电极的形状是在出口一侧比在离子的入口一侧在径向宽度大的形状。作为一个例子，这里表示曲线状的插入电极的例子。在图中表示了曲线状的插入电极，但是此外，也可以通过仿真来将电极形状优化为高效地在轴向引出离子的形状。排出的离子通过细孔20后，向飞行时间型质量分析部25导入。向飞行时间型质量分析部25导入的离子由推出加速电极21以特定周期在正交方向加速，由引出加速电极22加速后，在由反射电极23反射，由MCP(微通道板)等构成的检测器24检测。根据从推出加速到检测的时间可以知道质量数，而根据信号强度可以知道离子强度，所以能取得质量谱。

虽然也有在在四重极棒电极10的偏移电位上，通过前后的电极电压来施加±数100V电压的方案，但是以下在记述四重极棒电极10的各部电极的电压时，定义为使四重极棒电极10的偏移电位为0时的值。在四重极棒电极10上施加振幅(100V～5000V、频率500kHz～2MHz)左右的高频电压(捕获RF电压)。这时，相对的四重极棒电极(图中(10a、10c)和(10b、10d)，以下按照该定义)施加同相位的捕获RF电压，而在相邻的四重极棒电极(图中(10a、10b)、(10b、10c)、(10c、10d)和(10d、10a)，以下按照该定义)上施加相反相位的捕获RF电压。通过向上述的四重极棒电极施加RF电压，在与四重极棒轴向垂直的方向(以下定义为径向)产生伪电势。因此，产生向轴中心方向的收敛电势。因此，离子的径向分布变为从中心轴开始1～2mm以内。

以下就正离子测定的典型的施加电压进行说明。图2表示测定序列。以4个序列进行测定。在离子积蓄时间中，把入口侧端电极设定为20V、把插入电极设定为20V(只是DC电压)。由于在四重极电场的径向通过捕获RF电压形成了伪电势，而在四重极电场的中心轴方向则在出口端方向形成了DC电势，所以通过细孔17的离子被出口侧端电极12周边所捕获。在RF准备时间中仅有轴向的电势DC电场，电势极小点不依存于离子的质量地位于出口端附近，所以几乎全部的离子被出口端附近所捕获。捕获时间的长度为1ms～1000ms左右，极大地依存于向线性阱的离子导入量。如果捕获时间过长，离子量就增加，在线性阱内部发生称作空间电荷的现象。如果产生空间电荷，就在后面描述的质量扫描时，发生谱质量数的位置移动的问题。相反，如果离子量过少，就产生统计误差，无法取得具有充分的S/N的质量谱。为了选择适当的捕获时间，用任意的装置监视离子量并自动调整捕获时间的长度也是有效的。

接着在RF准备时间中使对插入电极施加的RF电压振幅从0增加到10～100V左右。RF电压的频率设定为300kHz～3MHz左右。据此，在轴向形成基于RF的伪电势。作为插入电极的一个例子，以下表示插入4个离中心轴距离d由式1表示的板状的插入电极时的计算结果。

$d=1.6+22.4{\left(\frac{f}{L}\right)}^3\mathrm{mm}$ [式1]

(f：轴向的距离(0～22mm)  L：插入电极的轴向长度＝四重极棒长度22mm)

图4表示振幅值为20V、频率为1MHz时上述RF电压形成的伪电势。作为伪电势Ψ，使用式1来表示。

$\mathrm{\Ψ}=\frac{e}{4m{\mathrm{\Ω}}^2}{E}^2$ [式2]

(e：电子素量，m：离子质量，Ω：RF电压的各频率，E：RF电压的形成的电场强度振幅)

从该数学式知道相同RF电场产生的伪电势与质量成反比。在RF准备时间中，轴向的电势(图4的伪电势和DC电势的合成电势)的极小点不依存于离子的质量，位于出口端附近，所以全部的离子被出口端附近所捕获。

接着在DC准备时间中，把施加在插入电极上的DC电压值从+20V向-20V变化。图5A表示根据这时的DC电压、RF电压所合成的电势。在DC准备时间中，轴向的电势的极小点不同，所以根据质量分布在轴向的不同位置而被捕获。

最后在排出时间中，使出口端电极从+20V向0V左右变化。据此，只有端部附近的离子向轴向排出。从刚才的图5A开始，低质量的离子(m/z 100)在端部附近具有极小点，所以被离子排出。

此外，把施加在插入电极上的DC电压从-20V向0V扫描(图2中实线)，或者把施加在插入电极上的RF振幅从20V向高的方向扫描(图2中虚线)，或者使RF频率从高向低变化(图3)，依次把从低质量到高质量的离子的电势极小点向出口端附近移动。

因此，离子以从质量低到高的方式质量选择地被排出。作为一个例子，图5A～5D表示施加在插入电极上的RF振幅从20V向高的方向扫描时的电势计算结果。当RF振幅提高到35V时，m/z 200的离子被排出。此外，可知通过进一步增加RF振幅，离子依次从低质量到高质量在轴向被排出。以上就正离子的测定进行了说明，但是在负离子的测定时，把全部DC电压的极性颠倒就可以了。

与基于共振激励的排出方式不同，本发明从电势的极小点附近依次排出离子，所以能量分布极小。因此，此后由透镜进行的收敛容易进行，通过质量分解度高的飞行时间型质量分析计、轨道阱型质量分析计等的电场，能以高效率向傅立叶变换型质量分析计或傅立叶变换型离子回旋共振质量分析计导入。关于与线性阱的组合的优点，说明与正交型飞行时间型质量分析计的组合的例子。正交型飞行时间型质量分析计具有质量分辨率高的优异性能。可是，灵敏度和高质量一侧的检测范围为矛盾关系。即存在如果要计测高质量一侧的离子，低质量一侧的检测效率就下降的问题。可是，如果使用本发明的线性阱，在低质量一侧的测定时，能使用短的测定周期，在高质量一侧的测定时，能使用长的测定周期。这样，使加速周期按照质量以30～30μs左右的幅度变化。据此，可以对整个质量范围以高频率且高分辨率地进行离子检测。

(实施例2)

图6是实施本方式的线性阱的质量分析装置的结构图。在从离子源到线性阱的过程和从线性阱质量选择地排出离子的过程中，与实施例1相同样因此省略。在实施例2中，直接用检测器测定从线性阱质量选择地排出的离子。检测器由电子倍增管构成。与实施例1相比，具有简便、低成本的结构的效果。而取得的质量分辨率不像实施例1那样高。

(实施例3)

图7是是实施本方式的线性阱的质量分析装置的结构图。在从离子源到线性阱的过程和从线性阱质量选择地排出离子的过程中，与实施例1相同样因此省略。在实施例3中，通过把使用透镜71、72、电子源73的电子向离子阱导入，能进行电子捕获解离和电子脱离解离。为了高效导入电子，可以用磁铁70形成线性阱轴向的20～200mT左右的磁场。此外，通过用0.1mmΦ程度的细钨丝形成电子源73，能防止离子导入时的通过损失。此外，也能从离子出口端部12进行离子的导入方向。这时，切换离子导入部和离子检测部的偏转透镜成为必要(未图示)。此外，排出后的离子像实施例1中那样，可以通过质量分辨率高的飞行时间型质量分析计、轨道阱型质量分析计等的电场，向傅立叶变换型质量分析计或傅立叶变换型离子回旋共振质量分析计导入并以高效率检测。

在实施例1～3中在公共的轴向上施加的电极形状不局限于这次列举的形状和个数。此外，在实施例中，表示了棒电极为四重极的情况，但也可以是如果是具有多个棒电极的多重极电极。在任何情况下，在本发明中，通过施加在这些电极上的电压，在四重极棒电极的中心轴附近的轴向把DC电势和RF电场重叠，由RF电场形成的伪电势的大小依存于离子质量，据此进行离子的质量分离。

此外，在实施例中，通过只使施加在插入电极上的RF频率、RF电压、DC电压的任意一个参数变化来进行质量扫描，但是也能同时使这些参数变化来进行质量扫描。

Claims (17)

1.一种质量分析装置，其特征在于，包括：

施加用于导入由离子源生成的离子的RF电压的多重极棒电极；

在所述多重极棒电极的轴向形成质量依存的电势的电势形成部件；

检测从所述多重极棒电极排出的离子的检测机构；

向所述电势形成部件施加电压的电压施加部件；

所述电压施加部件施加电压，以使得从形成的电势的极小点附近，质量选择地向轴向排出离子。

2.根据权利要求1所述的质量分析装置，其特征在于：

所述电势形成部件是插入到所述多重极棒电极的插入电极，所述电压施加部件施加静电电压和RF电压。

3.根据权利要求1所述的质量分析装置，其特征在于：

所述电压施加部件使所述静电电压、RF电压振幅、RF电压频率的至少一个发生变化，质量选择地向轴向排出离子。

4.根据权利要求2所述的质量分析装置，其特征在于：

所述插入电极呈使形成的RF电场强度在所述多重极棒电极的出口端部附近变为极小的形状。

5.根据权利要求1所述的质量分析装置，其特征在于：

所述检测机构是飞行时间型质量分析计。

6.根据权利要求1所述的质量分析装置，其特征在于：

所述检测机构是利用了电场的傅立叶变换型质量分析计。

7.根据权利要求1所述的质量分析装置，其特征在于：

所述检测机构是傅立叶变换型离子回旋共振质量分析装置。

8.根据权利要求1所述的质量分析装置，其特征在于：

所述检测机构是电子倍增管。

9.根据权利要求5所述的质量分析装置，其特征在于：

所述飞行时间型质量分析计随着从线性阱排出的离子的质量而改变加速周期。

10.根据权利要求1所述的质量分析装置，其特征在于：

还具有对所述多重极棒电极的轴向照射电子的电子照射部件，在所述多重极棒电极的内部对导入的离子进行电子捕获解离或电子脱离解离。

11.根据权利要求10所述的质量分析装置，其特征在于：

还具有在所述多重极棒电极的轴向施加磁场的磁场施加部件。

12.一种质量分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

把离子导入由多重极棒电极形成的线性阱；

在所述多重极棒电极的轴向形成质量依存的电势；

从所述形成的电势的极小点附近，在所述多重极棒电极的轴向质量选择地排出所捕获的离子；

检测所排出的离子。

13.根据权利要求12所述的质量分析方法，其特征在于：

通过对插入所述多重极棒电极的插入电极施加静电电压和RF电压，以形成质量依存的电势。

14.根据权利要求12所述的质量分析方法，其特征在于：

使对插入所述多重极棒电极的插入电极施加的静电电压、RF电压振幅、RF电压频率的至少一个发生变化，以排出离子。

15.根据权利要求12所述的质量分析方法，其特征在于：

形成所述的质量依存的电势，以使其在所述多重极棒电极的出口附近变为极小。

16.根据权利要求12所述的质量分析方法，其特征在于：

对排出的离子，质量依存地使飞行时间型质量分析计的加速周期变化地进行检测。

17.根据权利要求12所述的质量分析方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在所述线性阱的轴向施加磁场；在所述多重极棒电极的轴向导入电子。

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