CN101385116B - 使用动态压力离子源的质谱仪 - Google Patents

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Abstract

使用动态压力离子源的质谱仪。一种质谱仪，包括：脉冲离子源；第一离子陷阱(10)，用于俘获由该脉冲离子源产生的离子以及用于定位随后从该第一离子陷阱弹射的俘获离子。冷却气体脉冲被引入第一离子陷阱(10)以达到适于使该第一离子陷阱(10)能够俘获离子的峰值压力。涡轮分子泵(17)在该俘获离子从该第一离子陷阱(10)弹射朝向第二离子陷阱(20)用于分析之前降低冷却气体的压力。该脉冲离子源包括样品板(14)，该样品板形成该第一离子陷阱(10)的端壁。

Description

使用动态压力离子源的质谱仪 
技术领域
本发明涉及质谱仪；具体而言涉及具有诸如基质辅助激光解吸电离(MALDI)离子源的脉冲离子源的质谱仪。 
背景技术
MALDI离子源已经广泛用于生物化学分析。典型地，MALDI离子源包括样品，该样品与辐射吸收材料混合以形成沉积于样品板表面上的基质；这在激光脉冲照射基质之后辅助样品的电离。 
已知仪器包括MALDI离子源与飞行时间(TOF)质谱仪组合；然而，这种仪器仅能执行简单质谱(MS)分析。为了将MALDI离子源与其他更加通用类型的质量分析器结合，或者为了研发适用于实施级联质量分析的混合系统，在过去十年中已经研发出不同类型的MALDI-MS界面。一般而言，由诸如MALDI离子源的脉冲离子源产生的离子具有正比于其质量的能量，且质量最大的离子具有最广的能量分布。例如，假设离子质量为10,000Da并具有1200msec-1最大速度，该离子可具有高达75eV的动能。在设计脉冲离子源例如MALDI离子源与质量分析器之间的界面时，这种高能量的离子导致问题。 
美国专利No.6,576,893描述了一种通过施加脉冲延迟电压，经由高真空静电透镜，将MALDI离子源产生的离子脉冲引入离子陷阱的方法。该方法可使大质量的离子在离子陷阱本身内进行质量分析，或者从该离子陷阱弹射用于在TOF分析器中进行后续分析。尽管脉冲延迟电压有效地减小离子的动能，不过无法减小离子由于电离过程而获得的内能，且这导致被俘获的离子的不期望碎裂。 
美国专利No.6,331,702描述了一种不同的技术，由MALDI离子源产生的离子通过包含多极离子导向器的离子路径而传输到正交TOF分析器。该离子导向器作为MALDI离子源和质量分析器之间的界面并有效地将脉冲离子转换成准连续离子束。对于四极分析器或者快速脉冲正交TOF，准连续离子束是必需的。相反，将离子连续引入四极离子陷阱是困难的。 
质量大的蛋白质离子(例如质量超过10,000Da的离子)具有大的动能，该动能在离子可以被接受进入多极离子导向器之前必需显著降低。这要求在离子路径内提供冷却气体来冷却离子并由此降低其能量。然而，为了实现这一点，冷却气体需要维持在较高的压力，通常高于10-2mbar，且这会在离子导向器内产生诸如放电的问题。为了克服这个问题，采用差分泵抽，使得可以在离子导向器中使用比源区域低的气压，但是这增加了系统的复杂性和成本。再者，即使在低至10-2mbar的压力，离子在离子导向器内的轴向运动被有效地暂停，显著降低了离子传输到分析器用于分析的效率。美国专利申请No.2005/0092912描述了设置一轴向电场，该轴向电场用于沿离子导向器加速离子以改善传输效率，但是这进一步增加了系统的复杂性和成本。 
EP 0964427A2、美国专利No.5,965,884和美国专利No.6,946,653也描述了使用环境气体来减小由MALDI离子源产生的离子的动能和内能。由于无法将有效的静电透镜系统结合到存在高压的源区，因此难以实现高效率的传输。此外，源的脉冲性质未保留，因此这种技术无法用于离子陷阱质量分析。 
文章″Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Using a NewTandem Quadrupole Ion Storage Trap，Time of Flight MassSpectrometer″P.Kofer，Rapid Communications in Mass SpectrometryVol.10，658-662，1996描述了使用脉冲气体冷却在双曲面三维离子陷阱中由MALDI离子源产生的离子。这种情况下，MALDI样品沉积在样品探针的末端上，该样品探针安装在双曲面三维离子陷阱的入口端盖电极内。然而，这种布置不让人满意，因为它限制了用于分析的样品的体积和空间分布，且具体地，阻止了在同一时期分析多个样品。此外，离子陷阱的环电极和端盖电极的表面沾污可能发生，这降低了离子陷阱的分析性能。 
发明内容
本发明的目的是提供一种至少减轻前述问题的，具有脉冲离子源例如MALDI离子源的质谱仪。更具体而言，本发明的目的是减小由脉冲离子源产生的离子的动能和内能，使得离子可以高效地传输到并被俘获在质谱仪的离子陷阱内用于质量分析。 
根据本发明一个方面，提供了一种质谱仪，包括： 
脉冲离子源； 
第一离子陷阱，用于俘获由该脉冲离子源产生的离子以及用于定位随后从该第一离子陷阱弹射的俘获离子； 
进气装置，将冷却气体脉冲引入所述第一离子陷阱以达到适于使该第一离子陷阱能够俘获所述离子的峰值压力； 
泵装置，用于在该俘获离子从该第一离子陷阱弹射之前降低所述冷却气体的压力；以及 
第二离子陷阱，用于接收和分析从该第一离子陷阱弹射的离子， 
所述脉冲离子源包括平坦样品板，样品沉积于该平坦样品板上且该平坦样品板形成该第一离子陷阱的端壁，所述脉冲离子由此产生于该第一离子陷阱内部。 
降低的气压是有益的，因为这使得俘获离子可以迁移到第一离子陷阱的低能区域，离子可以在较短时间跨度内从该低能区域弹射。因此，该措施可以改善俘获离子从第一离子陷阱传输到第二离子陷阱的效率。降低的气压还使得可以在第二离子陷阱内执行质量分析，该第二离子陷阱共享同一真空腔而不需使用差分泵抽。 
所述泵装置可以是真空泵，例如涡轮分子泵。 
所述进气装置可包括例如电磁阀的电磁驱动阀或者压电驱动阀。通常，所述进气装置在5×10-2mbar至1mbar范围的峰值压力下将所述冷却气体脉冲引入所述第一离子陷阱，且所述泵装置将所述压力降低至小于5×10-3mbar的压力。 
所述阀开启的时间段优选地小于由所述泵装置获得的抽空时间常数，优选地小于5ms。 
优选地，在激励所述进气装置和随后激励所述脉冲离子源之间存在预置延迟。 
在优选实施例中，所述脉冲离子源为MALDI离子源。 
所述第一离子陷阱可以为多极(优选四极)线性离子陷阱，该多极线性离子陷阱具有绕该离子陷阱的纵轴对称布置的多个极。 
在本发明的优选实施例中，所述多极线性离子陷阱可包括位于所述第一离子陷阱的后端的栅电极，所述栅电极被选择性偏置以反射或弹射离子。 
所述栅电极可以被偏置以在该第一离子陷阱内形成轴向直流势阱，由此在所述俘获离子从所述第一离子陷阱弹射之前在该第一离子陷阱内定位所述俘获离子的云。所述多极线性离子陷阱可以为分段多极(例如四极)线性离子陷阱，其中每一极包括与所述第一离子陷阱的后端相邻的较短段，每个所述较短段被偏置以增强所述轴向直流势阱。备选地，环电极可设置于所述栅电极和多极线性离子陷阱的极之间的，该环电极被偏置以增强所述轴向直流势阱。 
采用这种偏置布置，随着冷却气体的压力通过所述泵装置降低，俘获离子可以在该多极线性离子陷阱内轴向迁移，停止在所述直流势阱的底部，俘获离子可以在该底部聚集以形成短的卵形离子云，该离子云可以从该第一离子陷阱弹射。所述栅电极可以被偏置以使离子受到朝向栅电极的静电加速力，使离子从第一离子陷阱弹射朝向第二离子陷阱。 
在本发明另一优选实施例中，所述第一离子陷阱为圆柱形离子陷阱，该圆柱形离子陷阱包括具有纵轴的环电极，其中所述平坦样品板在该离子陷阱的前端形成该离子陷阱的所述端壁，以及栅电极在该离子陷阱的后端形成该离子陷阱的端壁。 
对于圆柱形离子陷阱的情形，直流偏置装置可布置成在所述平坦样品板和所述栅电极之间建立偶极电场以致使俘获离子弹射离开该第一离子陷阱，且所述第二离子陷阱布置成建立另一偶极电场用以延迟弹射离子。 
该第二离子陷阱为能够接收弹射离子并对接收的离子进行质量分析的任何形式，并包括四极线性离子陷阱，该四极线性离子陷阱可以是分段四极线性离子陷阱或双曲面三维离子陷阱。 
该第一离子陷阱和第二离子陷阱均为线性离子陷阱，其可以是分段线性离子陷阱。在一些实施例中，第一离子陷阱和第二离子陷阱串联布置于公共纵轴上，而在其他实施例中，第一离子陷阱和第二离子陷阱并行布置于相互平行的轴上，且用于弹射俘获离子的装置布置成沿与所述平行轴正交的方向将离子从第一离子陷阱弹射到第二离子陷阱。第一离子陷阱和/或第二离子陷阱可具有由承载导电轨迹的印刷电路板形成的隧道结构，在使用时高频驱动电压和直流偏置电压施加到该导电轨迹。 
附图说明
现在参考附图示例性地描述本发明的实施例，附图中： 
图1为本发明的质谱仪的示意性纵向断面图。 
图2说明在俘获和弹射离子时图1的质谱仪的第一和第二离子陷阱内的轴向直流电势的变化。 
图3(A)和(B)为本发明其他质谱仪的示意性纵向断面图。 
图4为本发明的另一质谱仪的示意性纵向断面图。 
图5说明相对于施加到参考图4所述圆柱形离子陷阱的环电极的矩形波形驱动电压和正弦波形驱动电压的激光辐射脉冲的优化时序。 
图6和图7为本发明的又一质谱仪的示意性纵向断面图。 
具体实施方式
参考图1，质谱仪包含收纳在真空壳体3内的电离区1和质量分析区2。将理解，所有下述实施例包括真空壳体，不过为了简化而仅在图1中说明。电离区1包括用于俘获由脉冲离子源产生的离子的第一离子陷阱10，质量分析区2包括有效地接收和分析从第一离子陷阱10弹射的离子的第二离子陷阱20。质量分析区2还包括用于检测从第二离子陷阱20弹射的离子的离子检测器D。 
在本发明该实施例中，第一离子陷阱10为四极线性离子陷阱，而第二离子陷阱20为包括环电极21和两个端盖电极22、23的双曲面三维离子陷阱。 
两个离子陷阱10、20串联布置在公共纵轴X-X上。该四极线性离子陷阱包括四个相互平行的极11，该四个极11绕纵轴对称布置。在使用时，极11被供给由驱动单元12产生的高频矩形波形数字驱动电压，该驱动单元12为高压数字开关电路的形式。将理解，可以备选地使用任何其他合适形式的高频驱动电压，例如正弦波形驱动电压。正弦波形驱动电压可具有在射频到音频(适于具有非常大的质量电荷比的离子)范围的频率。将在下文中更详细地描述，该驱动电压产生高频四极电场，该电场有效地将自由基离子运动限制在离子陷阱内部。 
按照类似方式驱动第二离子陷阱20，但是可设置更多的受控扫描功能用于质量分析。 
电离区1包括含有脉冲激光器13的脉冲离子源，该脉冲激光器13布置成通过合适的光学系统将激光辐射脉冲引导在样品S上以由此产生离子脉冲。样品S沉积在导电样品板14上，样品板14形成第一离子陷阱10的端壁。因此，由样品S的脉冲辐射产生的离子实际上形成于离子陷阱内部，这样得到增大的俘获效率。使用电机驱动的X-Y操作台(未示出)，相对于激光束来合适地定位样品板14。这种布置使得可以分别分析沉积在样品板上的多个样品而无需重新装载样品。 
在本发明的该具体实施例中，脉冲离子源为优选的MALDI离子源，样品材料与辐射吸收材料混合以形成基质，该基质沉积在样品板14上以暴露于激光辐射的脉冲。这种布置辅助电离过程。备选地，可以使用其他已知形式的脉冲离子源，例如，脉冲二次离子发射、快速原子轰击以及电子感应电离源。 
电离区1还包括：电磁驱动电磁阀15(或者备选地，压电驱动阀)，通过靠近离子陷阱的前端的入口管16将冷却气体(例如，Ar或He气体)的高压脉冲局部地注入到第一离子陷阱10的内部；以及高速泵17，例如涡轮分子泵，随后将离子陷阱内的冷却气体的压力降低到小于5×10-3mbar的压力。气体在电磁阀15和第一离子陷阱10之间行进的距离应尽可能短。管16的长度应小于管直径的20倍，使得注入气体可以快速地泵抽，得到更短的压力衰减拖尾。 
第一离子陷阱10具有位于离子陷阱的后端的圆锥形栅电极18。将描述，栅电极18是用于将离子弹射离开离子陷阱，但也用于辅助俘获过程。 
直流电压源(未示出)相对于极11上的平均轴向直流电势将样品板14偏置在第一直流电势，并相对于极上的平均轴向直流电势将栅电极18偏置在第二直流电势。当离子被俘获在第一离子陷阱内时，根据俘获离子分别为带正电荷离子或者带负电荷离子，第一和第二直流电势均比极上的平均直流电势具有更正或更负的电势。因此，对于带正电荷离子的情形，平坦样品板14和栅电极18均被偏置在比极11上的平均直流电势更正的直流电势。直流偏置电压可以在几十伏到几百伏的范围，取决于待俘获的离子的质量范围以及线性离子陷阱10的长度，且栅电极18上的直流电势优选但不一定小于样品板14上的直流电势。平坦样品板14、栅电极18和极11上的直流电势设置成在第一离子陷 阱10的纵轴上形成势阱，该势阱的底部邻近栅电极18，如图2的曲线21所示。 
已经解释，由脉冲离子源产生的大质量离子(例如，质量超过10,000Da的离子)通常具有高的动能，通常高达100eV，且在离子可以被高效地俘获在第一离子陷阱10内之前，该能量必需降低。为此，冷却气体的高压脉冲通过管16注入离子陷阱。这导致脉冲离子的快速冷却，其动能和内能随之降低，使得离子在施加到极11的矩形波形数字驱动电压产生的四极电场的影响下被俘获在第一离子陷阱10内。 
为了俘获离子，特别是更高能量的大质量离子，冷却气体脉冲应具有高的峰值压力，该峰值压力随后通过泵抽而迅速降低，使得离子可以容易地迁移到第一离子陷阱内的合适位置用于后续弹射。 
为了快速地增大气压，高压气体供给到阀15的入口。通常使用一个大气压以上的氦气或氩气气体。用于保持阀15开启的电激励脉冲可以仅100μs短，且可以具有比连续保持阀开启所需的电压大十倍的电压。实际阀开启时间将取决于阀头恢复时间，但是应小于真空系统的抽空时间常数，且通常小于5ms。入口阀15开启时，在真空系统内产生的气压迅速增大。理论上，真空系统将在抽空时间常数之后达到平衡压力。该抽空时间常数定义为离子陷阱腔的体积除以有效泵抽速度。例如，假设真空腔体积为1升且该腔的有效泵抽速度为50升每秒，则抽空时间常数为20ms。该时间间隔为从入口阀15开启的时间到平衡压力所需的时间。位于阀入口的高压头可导致压力远高于10-1mbar，且如果入口阀15将连续地保持开启，这将阻止涡轮分子泵运行。然而，远在达到平衡压力之前，入口阀15闭合(通常小于5ms之后)，因此暴露于高的初始压力的第一离子陷阱腔的唯一区域为位于气体入口管16紧邻区域，且入口阀15闭合时，该压力将立即开始下降。 
抽空时间常数为20ms时，离子陷阱腔内的压力将在约60ms内从5×10-2mbar下降至低于1×10-3mbar。将理解，该时间估算未考虑离子陷阱腔内的详细结构，也没有考虑吸附/解吸的影响，因此实际上会需要更长的时间间隔。然而，所述操作程序确实可以产生短的高压气体脉冲，使得离子陷阱内由脉冲离子源产生的高动能离子迅速冷却，而不需要任何差分泵抽。在冷却气体脉冲已经注入真空系统内之后，在脉冲离子源被激励之前会存在延迟(通常10ms)，从而使得气压增大。通常要花60ms 以上泵抽降低气压，因此可以在该时间段内将激光脉冲序列引导在样品S上，从而在同一分析周期内产生附加离子用于分析。 
随着冷却气体的压力通过泵抽降低，俘获离子能够朝前述势阱的底部迁移，俘获离子可以在该位置聚集以形成短的卵形离子云，且俘获离子可以随后从该低能区域弹射。 
在任何离子弹射离开第一离子陷阱10之前，供给到第二离子陷阱20的矩形波形数字驱动电压被完全切断，或者设置在比由待分析离子的质量范围决定的水平低的降低水平，从而使得弹射离子进入第二离子陷阱20的俘获体积。就此而言，使用由开关电路产生的高频矩形波形数字驱动电压是有利的，因为开关电路可以容易地切断。 
为了将俘获离子弹射离开第一离子陷阱10，栅电极18被偏置于比极11上的平均直流电势正值更小(对于带正电荷离子)或者负值更小(对于带负电荷离子)的直流电势。图2的曲线22示出在弹射过程中沿着第一离子陷阱的轴的直流电势变化，且从曲线22看出，栅电极18上的直流电势远低于(通常低几十到几百伏)极11上的直流电势，由此使俘获离子受到朝向栅电极18的加速力，导致俘获离子快速地从第一离子陷阱弹射。 
对于质量为10,000Da的分析离子，弹射离子到达第二离子陷阱的中心所需时间为40至50μs，且质量比这更大或更小的离子分别需要更长或更短的时间。如图2的曲线22所示，第二离子陷阱20的入口端盖电极22上的直流电势设置成使弹射离子在第二离子陷阱受到减速力(retarding force)。第二离子陷阱20纵轴上的直流电势变化可以调节成具有大致上反二次形式，如图2所示，且先进入第二离子陷阱的更轻更快的离子被减速，使得更重更慢的离子能够赶上，由此加宽第二离子陷阱内可以俘获的离子的质量范围以及改善传输效率。当基本上所有弹射离子到达第二离子陷阱20的中心时，高频矩形波形数字驱动电压又接通，或者恢复到其正常水平，形成赝势阱用于俘获所传输的离子。这在图2中用曲线23表示。 
当供给冷却气体以及被泵抽离开第一离子陷阱10时，部分冷却气体会扩散到第二离子陷阱20内。当离子从第一离子陷阱10传输到第二离子陷阱20时，第二离子陷阱20内冷却气体的压力会达到约1×10-3mbar的压力，这完全适于冷却离子和实施质量分析程序。这些质量分 析程序包括前驱体隔离、碰撞感应解离和质量相关的弹射，并且对于本领域普通技术人员来讲是公知的。 
参考图1所述的第一离子陷阱10具有单组的极11，且证明难以满意地调整沿着离子陷阱轴的直流电势的变化，除非极11较短。 
图3(A)示出减轻这一问题的本发明备选实施例；在所有其他方面，其操作大致上与参考图1所述的实施例相同。图3(A)所示的许多部件与图1所示相同且使用相同参考符号。 
参考图3(A)，每个极11被分段，包括较长段11’和邻近栅电极18的较短段11”。 
在本实施例中，高频矩形波形数字驱动电压通过电容性耦合30供给到极的两个段11’、11”，且直流电压源31供给直流偏置电压到较短段11”，相对于较长段11’上和栅电极18上的轴向直流电势降低该段上的轴向直流电势，由此形成较短的离子群可以俘获于其中的较窄势阱。当离子群弹射离开第一离子陷阱10时，栅电极18上的直流电势减小低于较短段11”上的直流电势，使得离子群快速加速离开第一离子陷阱10朝向第二离子陷阱20。 
使用分段线性离子陷阱的另一优点为显著减小弥散场效应，使得更容易除去不需要的离子。在冷却气体的压力降低至低于10-3mbar的压力时，通过施加合适的质量选择弹射过程，不需要的离子可以弹射离开该离子陷阱。这会涉及施加四极直流电压到极，同时高频驱动电压的幅值和或频率被调节从而仅保持选定质量电荷比的离子，用于在第二离子陷阱20中的后续分析，并由此实现可接受的质量分辨率用于前驱体离子选择(多达几百)。备选地，该质量选择性弹射过程涉及利用例如已知“SWIFT”或“FNT”技术来使用宽带补充驱动电压。 
在不同实施例中，如图3(B)所示，第一离子陷阱10包括置于极11和栅电极18之间的环电极32。直流电压源31使用直流电势来偏置环电极32，该直流电势比极11上的平均轴向直流电势低几伏，在环电极32的中心形成轴向势阱。已经被冷却气体冷却的离子将稳定地迁移到该点并沿轴向被直流势阱俘获，受到供给到极11的高频驱动电压产生的弥散四极电场径向约束，且这些离子将停留在该势阱内，直到通过上文已经描述的方式减小栅电极18上的直流电势而弹射离开第一离子陷阱10。 
图4示出本发明另一实施例。同样，图4所示的许多部件与图1和3所示相同且使用相同参考符号。在本实施例中，圆柱形离子陷阱40替代参考图1和3所述实施例的线性离子陷阱10。 
圆柱形离子陷阱40包括被施加合适的高频驱动电压的圆柱形环电极41，该高频驱动电压可以是高频矩形波形数字驱动电压或者备选地正弦波形驱动电压。 
如前所述，样品板14在离子陷阱40的前端形成端壁，且在本实施例中，栅电极18在离子陷阱40的后端形成端壁。此外，脉冲离子源为MALDI离子源，且在本实施例中，激光脉冲沿着第一和第二离子陷阱的纵轴X-X被引导在样品S上。备选地，激光脉冲可以通过形成于圆柱形环电极41内的合适窗口而引导在样品上。还设置有样品掩模42。将暴露于激光脉冲的样品S的一部分与样品掩模42内的开口43对齐，而样品S的其他部分不暴露于激光脉冲且不暴露于由于电离过程产生的离子。激光脉冲的时序优选地相对于施加到圆柱形环电极41的驱动电压的波形具有预定相位关系。如图5所示，用于产生带正电荷离子的优化时序是当驱动电压的相位为270°至350°时，如箭头51所示，而用于产生带负电荷离子的优化时序是当驱动电压的相位为90°至170°时，如箭头52所示，这些相位是参照在每个波形的上升沿上的零点出现的0°相位。如前所述，冷却气体的脉冲通过管16注入第一离子陷阱40的内部，且冷却气体的压力随后通过泵抽而降低。此外，样品S的脉冲辐射和冷却气体的注入的时序被同步，冷却气体注入之后具有短的延迟。因此，离子云被俘获在第一离子陷阱40的中心。 
为了弹射俘获离子，偶极电场快速形成于样品板14和栅电极18之间，使得俘获离子受到沿第二离子陷阱20方向的加速力。同时，相反极性的偶极电场形成于第二离子陷阱20的两个端盖电极22、23之间，进入第二离子陷阱20的俘获体积的离子因此被延迟并暂停于离子陷阱中心附近。当离子如此传输时，施加到两个离子陷阱的高频驱动电压被切断或者设置在降低的电平。附加静电透镜44设置于第一和第二离子陷阱40、20之间，从而在离子传输时聚焦离子。 
通过恰当地偏置第一离子陷阱40的样品板14、栅电极18和环电极41以及第二离子陷阱20的两个端盖电极22、23和环电极21，可以调整轴X-X上的轴向直流电势的变化，且这可以用于影响离子传输的 特性，改善在离子陷阱之间传输离子的效率和/或增大传输离子的质量范围。 
PCT/CA2005/00086描述了一种具有由承载导电轨迹的印刷电路板(PCB)形成的隧道结构的离子陷阱布置，该离子陷阱布置可以用于产生离子俘获、该布置的俘获部分和分析部分之间的离子传输、以及离子分析所需的电场。 
图6示出基于这种布置的本发明另一实施例。 
参考图6，质谱仪包括串联布置在公共纵轴X-X上的第一线性离子陷阱61和第二线性离子陷阱71。 
如前所述，两个离子陷阱61、71具有隧道结构，该隧道结构是由承载导电轨迹的PCB 62形成，该导电轨迹被施加适当的高频驱动电压和直流偏置电压。如前所述，第一离子陷阱61用于俘获由脉冲离子源产生的离子，第二离子陷阱71用于接收和分析从第一离子陷阱61弹射的离子。此外，该脉冲离子源为优选的MALDI离子源。激光脉冲被引导沿着X-X轴并通过合适的透镜系统69聚焦在沉积于样品板65上的样品S上，该样品板65在第一离子陷阱61的前端形成端壁。 
两个线性离子陷阱61、71通过具有孔的栅电极63分隔。按照参考先前实施例已经描述的方式，借助于通过管67导入第一离子陷阱61内部的脉冲冷却气体，由脉冲离子源产生的离子被俘获在第一离子陷阱61内。如前所述，冷却气体的压力通过泵抽而降低。 
在施加有合适的高频驱动电压和直流偏置电压时，导电轨迹能够产生俘获多极电场用于沿径向限制离子，并产生直流电场用于在隧道结构内轴向俘获或传输离子。由此，俘获在第一离子陷阱61内的离子按已知方式容易传输到第二离子陷阱71用于分析。第二离子陷阱71包括离子检测器64，该离子检测器沿与X-X轴正交的方向通过质量选择性弹射技术来检测从第二离子陷阱71弹射的离子。 
图7示出本发明备选实施例，其具有与参考图6所述相似的隧道结构。该实施例具有与图6所述实施例的相同部件，这些部件使用相同参考符号。 
该实施例与图6的实施例不同之处在于，第一和第二离子陷阱61、71并行地布置在相互平行的轴X-X、Y-Y上。如前所述，借助于通过管67导入离子陷阱内部的脉冲高压冷却气体，第一离子陷阱61用于 俘获由脉冲离子源(也是MALDI离子源)产生的离子。此外，样品板65形成第一离子陷阱61的端壁，且激光脉冲沿X-X轴被聚焦在样品S上。沿着与轴X-X和Y-Y正交的方向，俘获离子弹射离开第一离子陷阱61，并通过合适的狭缝或孔传输到第二离子陷阱71内用于分析。这可以通过在第一离子陷阱61内使用偶极加速并在第二离子陷阱71内使用偶极延迟，按照参考图3所述弹射过程相似的方式来实现。在本实施例中，通过施加合适脉冲电压到PCB结构上的导电轨迹来产生所需的横向电场。如参考图6所述的实施例的情形，第二离子陷阱71包括离子检测器64，该离子检测器沿与轴X-X和Y-Y正交的方向通过质量选择性弹射技术来检测从第二离子陷阱71弹射的离子。此外，如果第一离子陷阱61内的冷却气体的压力通过泵抽降低到恰当水平，使用质量选择性共振弹射可以将选定质量范围内的粒子传输到第二离子陷阱71，由此可以实施级联质量分析。 
一般而言，所述实施例采用脉冲离子源与动态气压结合，该动态气压可以高效地冷却离子并提高离子传输时的离子迁移率，由此降低或消除对于会增加仪器成本和复杂性的差分泵抽的需要，并改善离子会被俘获在第一离子陷阱的效率以及随后弹射俘获的离子，用于第二离子陷阱内的质量分析。尽管已经参考带正电荷离子描述了本发明一些实施例，但本领域技术人员显而易见的是，通过简单地反转极性即可容易地实施带负电荷离子的情况。 

Claims (25)

1.一种质谱仪，包括：
脉冲离子源；
第一离子陷阱，用于俘获由所述脉冲离子源产生的离子以及用于定位随后从所述第一离子陷阱弹射的俘获离子；
进气装置，将冷却气体脉冲引入所述第一离子陷阱以达到适于使所述第一离子陷阱能够俘获所述离子的峰值压力；
泵装置，用于在所述俘获离子从所述第一离子陷阱弹射之前降低所述冷却气体的压力；以及
第二离子陷阱，用于接收和分析从所述第一离子陷阱弹射的离子，
所述脉冲离子源包括平坦样品板，样品沉积于所述平坦样品板上且所述平坦样品板形成所述第一离子陷阱的端壁，由所述脉冲离子源产生的所述脉冲离子由此产生于所述第一离子陷阱内部，并且所述进气装置包括电磁驱动阀或者压电驱动阀，所述电磁驱动阀或者压电驱动阀的开启时间小于由所述泵装置获得的抽空时间常数。
2.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述脉冲离子源包括激光器和用于将激光辐射脉冲引导在所述样品上的装置。
3.如权利要求2所述的质谱仪，其中所述脉冲离子源为MALDI离子源。
4.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述阀的开启时间小于5ms。
5.如权利要求1所述的质谱仪，其中所述泵装置为涡轮分子泵。
6.如权利要求1-5任一项所述的质谱仪，其中所述进气装置在5×10-2mbar至1mbar范围的峰值压力下将所述冷却气体脉冲引入所述第一离子陷阱。
7.如权利要求6所述的质谱仪，其中所述泵装置将所述压力降低至小于5×10-3mbar的压力。
8.如权利要求7所述的质谱仪，其中在激励所述进气装置和随后激励所述脉冲离子源之间存在预置延迟。
9.如权利要求8所述的质谱仪，其中所述第一离子陷阱为多极线性离子陷阱。
10.如权利要求9所述的质谱仪，其中所述多极线性离子陷阱包括位于所述第一离子陷阱的后端的栅电极，所述栅电极被选择性偏置以反射或弹射离子。
11.如权利要求10所述的质谱仪，其中所述栅电极被偏置以在所述第一离子陷阱内形成轴向直流势阱，由此在所述俘获离子从所述第一离子陷阱弹射之前在所述第一离子陷阱内定位所述俘获离子的云。
12.如权利要求11所述的质谱仪，其中所述多极线性离子陷阱为分段多极线性离子陷阱，其中每一极包括与所述第一离子陷阱的所述后端相邻的较短段，每个所述较短段被偏置以增强所述轴向直流势阱。
13.如权利要求11所述的质谱仪，包括位于所述栅电极和所述第一离子陷阱的极之间的环电极，所述环电极被偏置以增强所述轴向直流势阱。
14.如权利要求13所述的质谱仪，其中所述多极线性离子陷阱为四极线性离子陷阱。
15.如权利要求8所述的质谱仪，其中所述第一离子陷阱为圆柱形离子陷阱，所述圆柱形离子陷阱包括具有纵轴的环电极，其中所述平坦样品板在所述圆柱形离子陷阱的前端形成所述圆柱形离子陷阱的所述端壁，以及栅电极在所述圆柱形离子陷阱的后端形成所述圆柱形离子陷阱的端壁。
16.如权利要求15所述的质谱仪，其中当供给到所述环电极的高频驱动电压的相位对于带负电荷离子在90°至170°范围以及对于带正电荷离子在270°至340°范围时，所述脉冲离子源被激励，其中所述相位是相对于所述驱动电压波形的上升沿上的过零时间来表述。
17.如权利要求16所述的质谱仪，其中在弹射之前，离子被定位以在所述圆柱形离子陷阱的几何中心形成离子云。
18.如权利要求13所述的质谱仪，其中所述栅电极被偏置以使离子受到朝向所述栅电极的静电加速力，致使离子从所述第一离子陷阱弹射朝向第二离子陷阱。
19.如权利要求17所述的质谱仪，包括直流偏置装置，所述直流偏置装置布置成在所述平坦样品板和所述栅电极之间建立偶极电场以致使俘获离子弹射离开所述第一离子陷阱，且所述第二离子陷阱布置成建立另一偶极电场用以延迟弹射离子。
20.如权利要求19所述的质谱仪，其中所述第二离子陷阱为双曲面三维离子陷阱或者四极线性离子陷阱。
21.如权利要求14所述的质谱仪，其中所述第一离子陷阱和第二离子陷阱均为线性离子陷阱。
22.如权利要求21所述的质谱仪，其中所述第一离子陷阱和第二离子陷阱串联布置于公共纵轴上。
23.如权利要求21所述的质谱仪，其中所述第一离子陷阱和第二离子陷阱并行布置于相互平行的轴上，且用于弹射俘获离子的装置布置成沿与所述平行轴正交的方向将离子从第一离子陷阱弹射到第二离子陷阱。
24.如权利要求23所述的质谱仪，其中所述第一离子陷阱和/或所述第二离子陷阱具有由承载导电轨迹的印刷电路板形成的隧道结构，在使用时射频驱动电压和直流偏置电压施加到所述导电轨迹。
25.如权利要求24所述的质谱仪，其中所述第一离子陷阱和/或第二离子陷阱是由开关电路产生的矩形波形数字驱动电压来驱动。
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