CN101421817B - 减少质谱仪的离子能量分散的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于减少特定和有限质荷比范围上的离子的能量分散的方法，以及实现该方法的离子减速装置。具有电场强度E的电场由减速电极装置(250)产生。特定和有限质荷比范围的但具有能量分散的离子被引导到由减速电极装置(250)产生的减速电场中。然后一旦基本上特定质荷比范围的所有离子已经进入该减速电场，就去除该减速电场。通过使电场强度E与进入该电场的离子能量分散匹配，可减少所述离子的能量分散。本发明的优选实施例采用在离子减速装置上游的能量离散。例如，可使用离子反射镜装置(200)，将离子反射出在该离子镜装置(200)内的离子反射镜(220)以推动能量散焦。

Description

减少质谱仪的离子能量分散的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于减少质谱仪或其部件中的离子能量分散的方法和装置。本发明具体但不排他地可应用于减少喷射进入碎裂或碰撞室的离子的能量分散。 

背景技术

许多离子光学设备只能当离子能量在一个有限的能量范围内时运行良好。例子包括静电透镜，其中色差导致散焦；RF多极或四极滤质仪，其中当离子通过设备的有限长度时所经历的RF周期数是离子能量的函数；磁控光学系统，其分散质量和能量。反射镜通常设计成提供能量聚焦以便补偿一范围的离子束能量，但高阶能量色差通常存在。 

串联质谱测定法是一种众所周知的技术，通过该技术可以实现对样品的轨迹分析和结构解释。在第一步中对母离子进行质量分析/过滤以选择感兴趣的质荷比的离子，接着在第二步中通过例如用诸如氩之类的气体碰撞使这些离子碎裂。然后通常通过制作质谱对所产生的碎裂离子进行质量分析。 

实现母离子碎裂的碎裂设备的成功运转同样受进入其中的离子的能量分散度所限制。例如，超过10-20eV的能量分散影响碎裂：较高能量导致低质量碎片，而较低能量导致碎裂很少。 

发明内容

对照这样的背景且根据本发明，提供一种在特定的和有限的质荷比范围之上的减少离子能量分散的方法，该方法包括以下步骤：(a)使用减速电极装置产生电场强度为E的电场；(b)引导能量分散的质荷比范围的离子进入由减速电极装置产生的减速电场中；(c)一旦基本上特定质荷比范围的所有离子都已进入减速电场，就在时间t去除减速电场；其中电场强度E与进入电场的离子的能量分散匹配，以便减少所述离子的能量分散。 

这样的技术可导致感兴趣的特定质荷比范围的离子的能量分散量的显著减少。 

在这之前可任选地进行另外一个能量散射的步骤，例如使用离子反射镜。代替地将静电阱与静电反射镜一起使用，静电反射镜来回多次反射离子；在那种情况下，当感兴趣的质荷比范围的离子在反射镜之一附近时，通过短暂开关该反射镜的电压，可实现离子能量的散焦。 

可差动地抽吸离子减速装置。如果寻求将通常在相对较低压工作、能喷射单一质荷比的离子的EST或其他装置(例如3D离子阱、工作在共振喷射模式的轨道阱等等)连接到在相对较高压工作的碎裂或碰撞室，这就尤其有用。 

根据本发明的另一方面，提供一种离子减速装置用以减少特定但有限的质荷比范围之上的离子的能量分散，包括：用于产生电场强度为E的电场的减速电极装置，该减速电极装置包括一个或多个减速电极；用于向所述的一个或多个减速电极供给电压的电压源；以及配置成开关该电压源的电压控制器，以便在将质荷比范围的有能量分散的离子引入到由减速电极装置产生的减速电场中且一旦实质上特定质荷比范围的所有离子都已进入减速电场之后，就在时间t移除该减速电场；其中控制器和/或电压源被配置成产生与进入电场的离子的能量分散相匹配的电场强度E以便于减少所述离子的能量分散。 

优选地所述装置还包括置于离子减速装置上游的离子能量散射装置。 

离子能量散射装置可包括离子反射镜组件，该组件具有用于将接收到离子反射镜组件内的离子反射回去的离子反射镜。减速电极装置被安置于差动抽吸的外壳内。在该情况下，该装置还可进一步包括在减速电极装置下游的诸如八极纯RF装置之类的多极RF装置。 

本发明也可扩展到与上游的诸如EST之类的离子选择装置组合使用和/或与下游的碎裂或碰撞室组合使用的装置上。 

本发明另外的部分提供质谱测定方法，包括以下步骤：在第一周期，将样品离子储存在第一离子存储装置中，第一离子存储装置包括出口孔和空间分离的离子输运孔；将所存储的离子从出口孔喷射到独立的离子选择装置内；通过第一离子存储装置的离子输运孔接收回至少一部分从第一离子存储装置喷射出的离子或它的衍生物；以及将所接收的离子储存到第一离子存储装置中。 

可任选地此周期可重复多次以允许MSⁿ。 

因此本发明的这个方面采用了循环的装置，在其中俘获、可任选地冷却和从出口孔喷射离子。将这些离子(或它们的子集，在诸如碎裂、离子选择等等 之类的外部处理之后)返回离子存储装置，在那里它们通过第二个空间独立的离子输运孔(这种情况下作为进口孔)重新进入该离子存储装置。这种循环装置提供优于上文介绍中标识的现有技术的多个好处，现有技术替换地通过离子阱中相同的孔采用了“往复”程序。首先，最小化将离子存储和喷射到离子选择器中所需的装置的数量。允许极高质量分辨和动态范围的现代存储和喷射装置造价昂贵且需要控制，因此本发明的装置超越现有技术表现出显著节省成本和控制。其次，通过使用同一个(第一)离子存储装置将离子喷射到外部离子选择装置中并从该外部离子选择装置中接收回离子，减少了MS阶段的数量。这又改善了依赖于MS阶段的数量的离子输送效率。通常，从外部离子选择器中喷射出的离子的特性与从离子存储装置中喷射出的离子的特性大不相同。尤其当离子从外部碎裂装置返回到离子存储装置时，通过经由专用的离子进入端口(第一离子传输孔)将离子装入离子存储装置中，可在良好控制下实现这个过程。这最小化了离子损失而又改善了该装置的离子输送效率。 

在本发明的一个优选实施例中，碎裂装置安置在离子存储装置外面。可选地或代替地提供外部离子选择装置。在某些优选实施例中，碎裂装置安置在这样的离子选择装置(但在其外部)和离子存储装置之间。 

可提供离子源以向离子存储装置供应连续的或脉冲的样品离子流。在一个优选装置中，可任选的碎裂装置可改为置于这样的离子源和离子存储装置之间。在任一情况下，通过允许直接从离子源或衍生于MS的先前周期划分出离子子群(和可任选的对其的单独分析)，可并行地实现复杂的MSⁿ实验。这还导致设备的占空比增加，且类似地也能改善设备的检测限制。 

尽管本发明的优选实施例可使用任意离子选择装置，但将它和静电阱(EST)组合使用是尤其适合和有利的。近年来，包含静电阱(EST)的质谱仪已经开始变得可购买。相对于四极质量分析器/过滤器，EST的质量精确度高得多(可能百万分之几)，而相对于四极—正交加速TOF设备，EST的占空比和动态范围优越得多。在本申请的框架内，将EST视为普通种类的离子光学设备，其中运动的离子在基本静电场中至少沿一个方向多次改变它们的运动方向。如果这多次反射被限制在有限体积内以致离子轨道围绕它们自身，那么所得的EST被称为“封闭”型。可在US-A-3,226,543、DE-A-04408489和US-A-5,886,346中找到这种“封闭”型质谱仪的例子。代替地，离子可以将一个方向的多次改变和沿另一个方向的移动结合以致其轨道不围绕它们自身。这 样的EST通常被称为“开放”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图2中找到例子。 

诸如US-A-6,300,625、US-A-2005/0,103,992以及WO-A-2005/001878中所描述的由一些静电阱由外部离子源注满，并向EST下游的外部探测器喷射离子。诸如US-A-5,886,346中描述的其它的EST采用了诸如检测镜像电流之类的技术以在不喷射的情况下检测阱内的离子。 

静电阱可用于精确质量筛选外部喷射来的离子(例如像US-A-6,872,938和US-A-6,013,913中所描述的一样)。在这里，通过施加交流电压和EST中的离子振荡共振选择前体离子。此外，通过引入碰撞气体、激光脉冲或其它在EST内实现碎裂，且后续的激发步骤是必须的，以实现对所产生碎裂的检测(在US-A-6,872,938和US-A-6,013,913的设置的情况下，这通过镜像电流检测完成)。 

然而，静电阱并非没有困难。例如，EST通常需要注入离子。例如，我们更早的专利申请No.WO-A-02/078046和WO05124821A2描述了使用线性阱(LT)以达到确保高相干包注入到EST装置中所需的标准的组合。对于这样高性能、高质量分辨率的设备，制造持续时间非常短的离子包(每个包含大量离子)的需求意味着在这样的离子注入设备中最佳的离子提取的方向通常与有效率的离子捕获方向不同。 

此外，高级EST倾向于有严格的真空要求以避免离子损失，而和它们连接的离子阱和碎裂机通常充满气体，因此这些装置和EST之间的压力差通常有5个数量级。为避免在离子提取过程中碎裂，必须通过最小化压力和气体浓度(通常地将它保持在10^-3—10^-2mm·托以下)的乘积，然而为了有效地俘获离子，此乘积需要被最大化(通常超过0.2—0.5mm·托)。 

因此在本发明的一个优选实施例中，当离子选择装置是EST时，使用有不同的离子进口和出口的离子存储装置允许同一离子存储装置以适当的方式提供离子以注入到EST中，然而也允许离子流或离子长脉冲通过碎裂装置从EST返回而以良好控制的方式穿过第二离子输运孔或在某些实施例中第三离子输运孔被装载到第一离子存储设备中。 

即使是静电阱构成离子选择装置，也可使用任意形式的静电阱。一特别优选装置涉及EST，其中由于EST电极的会聚效应离子束截面保持受限，因为这改善了从EST的后续离子喷射的效率。可使用开放型或封闭型EST二者的任 一个。多次反射允许不同质荷比的离子之间的分离增大，从而可任选地选择感兴趣的特定质荷比、或简单地比注入到离子选择装置中的更窄范围的质荷比。可通过使用施加于专用电极的电脉冲偏转不需要的离子来完成选择，优选地专用电极置于离子反射镜的飞行时间焦平面上。在封闭型EST的情况下，可能需要多个偏转脉冲来提供逐渐变窄的m/z选择范围。 

可能以两种模式使用碎裂装置：在第一种模式中，可以常规方式在离子碎裂装置中碎裂前体离子，而在第二种模式中，通过控制离子能量，前体离子能穿越离子碎裂装置而不碎裂。这样可同时地或单独地允许MSⁿ和改善离子丰度：一旦已将离子从第一离子存储装置注入到离子选择装置中，能可控地将特定的低丰度的前体离子从离子选择装置喷射出并存储回第一离子存储装置中，而不在碎裂装置中被碎裂。这可以通过以不足以引起碎裂的能量使这些低丰度前体离子通过碎裂装置实现。通过使用脉冲减速场(例如形成在两个有孔的平面电极之间的缝隙)可对给定的m/z减少能量分散。当离子在从质量选择器返回第一离子存储装置的途中进入减速电场时，更高能量离子超过低能量离子因而运动到减速场中更深处。所有此特定m/z的离子进入减速场后，该场关闭。所以初始能量更高的离子比低能量离子经历更高的对地势能下降，因此可使它们能量相等。通过将势能下降与从离子选择器中出来时的能量分散相匹配，可实现能量分散的显著减少。从而可避免离子碎裂或代替地改善对碎裂的控制。 

根据本发明的第二方面，提供了用于质谱仪的离子存储装置，包括离子出口孔和空间分离的离子输运孔，离子存储装置被配置成在第一个周期中将所存储的离子喷射出离子出口孔，接收回穿过与其分离的离子输运孔的离子，以及在其中存储所接收的离子。本发明在这方面还可扩展到包括这样的离子存储装置连同离子选择装置和/或离子碎裂装置的质谱仪。 

根据本发明的另一个方面，提供了一种质谱测量方法，包括：将离子存储在第一离子存储装置中；将离子从第一离子存储装置喷射到离子选择装置；在离子选择装置内选择离子的子集；从离子选择装置喷射离子；在碎裂装置或第二离子存储装置之一中俘获至少一部分所选离子；以及分别将至少一部分在碎裂装置或第二离子存储装置的所述之一中所俘获的离子或它们的产物沿着绕过离子选择装置的离子返回路径返回到第一离子存储装置中。 

在本发明的又一个方面中，提供了一种改善质谱仪的检测限制的方法，包括：从离子源产生样品离子；在第一离子存储装置中存储样品离子；将所存储 的离子喷射进入离子选择装置；选择选定质荷比的离子并将其喷射出离子选择装置；将从离子选择装置喷射出的离子存储在第二离子存储装置中，而不使它们穿过离子选择装置返回；重复前述步骤以便于增加存储在第二离子存储装置中的所述选定质荷比的离子；以及将所增加的所述选定质荷比的离子转移回第一离子存储装置以供后续分析。 

当样品中的选定质荷比的离子为低丰度时，这种技术允许改善设备的检测限制。一旦足够数量的这些低丰度前体离子已经积累在第二离子存储装置中，就可将它们注入回第一离子存储装置以在那里俘获(再一次，绕过离子选择装置)并作例如后续MSⁿ分析。尽管优选地离子通过第一离子输运孔离开第一离子存储装置，并通过第二单独离子输运孔接收回第一离子存储装置中，在本发明的这个方面中这不是必需的，且通过相同的孔喷射和俘获是可行的。 

可任选地，在移动低丰度前体离子到第二离子存储装置以增加这些特定前体离子的数目的同时，离子选择装置可继续保持和更进一步地净化所选择的其它所需前体离子。当足够精细地选择了这些前体离子时，可将它们从离子选择装置喷射出并在碎裂装置中碎裂以产生碎裂离子。然后可将这些碎裂离子转移到第一离子存储装置，接着可对这些碎裂离子执行MSⁿ或类似地将它们存储在第二离子存储装置中以便后续周期进一步这样充实所存储离子的数量，以再次增加设备对特定碎裂离子的检测限制。 

因此，根据本发明的另一方面，提供了一种改善质谱仪的检测限制的方法，包括：(a)从离子源产生离子；(b)在第一离子存储装置中存储样品离子；(c)将所存储的离子喷射进入离子选择装置；(d)选择有分析兴趣的离子并将其喷射出离子选择装置；(e)将从离子选择装置喷射出的离子在碎裂装置中碎裂；(f)将选定质荷比的碎裂离子存储在第二离子存储装置中，而不使它们返回穿过离子选择装置；(g)重复前述步骤(a)至(f)以便于增加存储在第二离子存储装置中的所述选定质荷比的碎裂离子；以及(g)将所增加的所述选定质荷比的碎裂离子转移回第一离子存储装置以供后续分析。 

如上所述，可通过分开的离子输运孔或通过同一离子输运孔从第一离子存储装置喷射离子以及将离子俘获回第一离子存储装置。 

对第一离子存储装置中的离子的质量分析可在诸如上面参考的US-A-5,886,346中所述的轨道阱之类的单独的质量分析仪中进行，或代替地可将离子注入回离子选择装置以在其中进行质量分析。

根据本发明的又一个方面，提供了一种质谱分析方法，包括：在离子阱中积累离子，将所积累的离子注入离子选择装置，选择并喷射离子选择装置中的离子的子集，以及将所喷射的离子的子集直接存储回离子阱中而不经过中间离子存储。 

从下面关于一优选实施例的描述中，本发明的其它优选实施例和优点将变得显而易见。 

附图简述 

可通过多种途径实施本发明，而现在将仅作为示例参考附图描述一个优选实施例，在附图中： 

图1以框图形式示出实施本发明的质谱仪的概观。 

图2示出图1的质谱仪的优选实现，包括静电阱和单独的碎裂室； 

图3示出尤其适合用于和图2的质谱仪一起使用的静电阱装置的示意性表示； 

图4示出具体化本发明的质谱仪的第一个代替装置。 

图5示出具体化本发明的质谱仪的第二个代替装置。 

图6示出具体化本发明的质谱仪的第三个代替装置。 

图7示出具体化本发明的质谱仪的第四个代替装置。 

图8示出具体化本发明的质谱仪的第五个代替装置。 

图9示出在注入到图1、2和4至8中的碎裂室之前用于增大离子能量分散的离子反射镜装置。 

图10示出在注入到图1、2和4至8中的碎裂室之前用于减少能量分散的离子减速装置的第一个实施例。 

图11示出在注入到图1、2和4至8中的碎裂室之前用于减少能量分散的离子减速装置的第二个实施例。 

图12示出离子能量分散作为施加到图10和11的离子减速装置的电压的开关时间的函数的曲线；以及 

图13示出离子空间分散作为施加到图10和11的离子减速装置的电压的开关时间的函数的曲线。 

优选实施例详述

首先参考图1，以框图形式示出质谱仪10。该质谱仪10包括用于产生要进行质量分析的离子的离子源20。允许来自离子源20的离子进入如例如WO-A-05124821中描述的例如可为充气RF多极或弯曲四极的离子阱30。离子存储在离子阱30中，且像例如在我们的未决申请No.GB0506287.2中所描述的一样会发生离子的碰撞冷却，该申请的内容通过引用结合于此。 

然后可将存储在离子阱30中的离子向优选为静电阱40的离子选择装置脉冲喷射。脉冲喷射产生窄的离子包。这些包被捕获在静电阱40中并在其中以具体结合图3所描述的方式经历多次反射。在每次反射上，或在特定次数反射之后，不想要的离子被脉冲偏转出静电阱40，例如到探测器75或到碎裂室50。优选地离子探测器75置于靠近离子反射镜的飞行时间焦平面的位置，其中离子包的持续时间最小。因此，只有分析所关心的离子留在静电阱40中。进一步的反射将继续增大相邻质量之间的分离，以致可实现选择窗口的进一步变窄。最终，可排除质荷比接近所关心质荷比m/z的所有离子。 

在选择过程完成之后，将离子从静电阱40中转移到在静电阱40外部的碎裂室50中。以充足的能量喷射在选择过程的末期保留在静电阱40中的分析所关心的离子以使它们能在碎裂室50内碎裂。 

在碎裂室中碎裂之后，将离子碎片转移回离子阱30中。在这里将它们存储以便在进一步的周期中执行下一个阶段的MS。以这种方式，可实现MS/MS，或实际上实现MSⁿ。 

图1的装置的可选的或另外的特征是从静电阱所喷射的离子(因为它们在选择窗口外)可能在没有碎裂的情况下通过碎裂室50。通常，这可通过在相对低能量下加速这些离子使得它们没有足够能量在碎裂室中碎裂。可将这些在给定周期中的即时关心的选择窗口之外的未碎裂离子从碰撞室50向上转移到辅助离子存储装置60。在后续周期中(例如，当如上所述的对碎裂离子的进一步质谱分析已经完成时)，可将第一实例中的从静电阱40喷射的离子(因为它们在先前关心的选择窗口之外)从辅助离子存储装置60转移到离子阱30以便单独分析。 

而且辅助离子存储装置60可用于增大特定质荷比的离子的数量，尤其是当这些离子在要分析的样品中具有相对较低的丰度时。这通过以非碎裂模式使用碎裂装置并设置静电阱来仅通过所关心的特定质荷比的丰度有限的离子。这些离子被存储在辅助离子存储装置60中，但可由在后续周期中使用类似标准 从静电阱40选择和喷射的相同选定质荷比的附加离子来增加。也可例如通过使用以不同的m/z从阱40的多次喷射将多个m/z比的离子存储在一起。 

当然，先前不需要的先驱离子，或所关心的但在样品中具有低丰度且因此首先需要增大数量的先驱离子，可以是后续MSⁿ碎裂的主题。那样，辅助离子存储装置60可以首先将其内容喷射到碎裂室50中，而不是将其内容直接转移回离子阱30。 

可在不同位置以不同方式进行离子的质量分析。例如，可在静电阱40中对存储在离子阱中的离子进行质量分析(其细节在以下结合图2陈述)。另外或或者，可提供与离子阱30通信的独立的质量分析仪70。 

现在转到图2，更具体地示出质谱仪10的优选实施例。图2中所示的离子源20是脉冲激光源(优选为其中离子通过来自脉冲激光源22的辐射产生的矩阵辅助激光解吸附电离(MALDI)源)。然而，同样可采用诸如大气压电喷源之类的连续离子源。 

在离子阱30和离子源20之间的是例如可为分段的仅限RF的充气多极子的预阱24。一旦该预阱充满，就通过透镜装置26将其中的离子转移到在优选实施例中为充气的仅限RF的线性四极的离子阱30中。将离子存储在离子阱30中直到RF关掉和横跨连杆施加DC电压。在公布为GB-A-2,415,541和WO-A-2005/124821的我们共同待审的申请中具体陈述了这种技术，其全部细节包含于此。 

所施加的电压梯度加速离子穿过可任选地包括设置为感测电荷的网格或电极34的离子光学器件32。电荷感测网格34允许估计离子数量。需要对离子数量进行估计，这是因为如果有太多离子，那么所得的质量偏转变得难以补偿。因此，如果离子数量超过预定限值(如使用网格34所估计的)，可丢弃所有离子，并可用来自脉冲激光22的成比例减少的脉冲数量和/或成比例缩短的累积时间重复在预阱24中离子的累积。可采用比如US-A-5,572,022中所描述的用于控制捕获离子的数量的其它技术。 

在加速穿过离子光学器件32之后，每个m/z的离子被聚焦成10ns和100ns之间的短包并进入质量选择器40。如从下文中将变得显而易见地，可采用不同形式的离子选择装置。例如，如果该离子选择装置是静电阱，则对本发明其特定细节并不是关键的。例如，静电阱(如果采用的话)可以打开或关闭，带有两个或更多离子反射镜或电气部分且有旋转或没旋转。目前，在图3中示出了 用来具体化离子选择装置40的静电阱的一简单的和优选的装置。该简单装置包括两个静电反射镜42、44以及将离子保持在循环路径或使它们偏转出该路径的两个调制器46、48。这些反射镜可由圆形板或平行板构成。由于反射镜上的电压为静态，因此可以十分精确地维持它们，这样对静电阱40内的稳定和质量精度是有利的。 

调制器46、48通常是其上施加有脉冲或静态电压的一对紧密开口，一般在其两侧有用来控制弥散场的防护板。优选上升和下降时间小于10-100ns(在峰值10％和90％之间测得)且幅值高至数百伏的电压脉冲用于高分辨率地选择前体离子。优选地，调制器46和48均置于相应反射镜42、44的飞行时间焦平面上，而该焦平面优选但不是必须地与静电阱40的中心重合。通常，通过镜像电流探测(一种公知的技术因此没有进一步描述)探测离子。 

再返回图2，在静电阱40内的反射和电压脉冲次数足够之后，仅有所关心的窄质量范围留在静电阱40中，因此完成前体离子选择。然后将EST40中所选择的离子偏转到不同于它们的输入路径和通向碎裂室50的路径，或者该离子将传递到探测器75。优选地，这种到碎裂室的转向通过结合以下图9到图13进一步详细描述的离子减速装置80进行。可通过碎裂室50上的DC偏转的适当偏压调节碎裂室50内的碰撞的最终能量。 

优选地，碎裂室50是带有沿其分段产生的轴向DC场的分段的仅限RF的多极子碎裂室。在碎裂室中的适当的气体密度(以下详述)和能量(通常在30和50V/kDa之间)的情况下，通过该室将离子碎片重新传送至离子阱30。或者或同时，离子可被捕获在碎裂室50中，然后可使用诸如电子转移离解(ETD)、电子捕获离解(ECD)、表面感应离解(SID)、光子感应离解(PID)等等之类的其它类型碎裂方法将离子碎裂。 

一旦离子已经再次存储在离子阱30中，它们就已准备好为了MSn的下一阶段转交给静电阱40，或为了质量分析转交给静电阱40，或者转交给可以是飞行时间(TOF)质谱仪或RF离子阱或FT ICR或如图2所示的轨道阱质谱仪的质量分析仪70。优选地质量分析仪70具有它自己的自动增益控制(AGC)设备来限制或调节空间电荷。在图2的实施例中，这通过轨道阱70的入口处的静电计网格90进行。 

可将一任选的探测器75置于静电阱40的出口之一上。这可用于多种用途。例如，该探测器可用于在离子从离子阱30直接到达的情况下精确控制预扫描 期间的离子数目(即，自动增益控制)。另外或或者，可使用该探测器探测在所关心的质量窗口之外的那些离子(换言之，至少在质量分析的周期中来自离子源的不需要离子)。作为另一替换，在如上所述的EST中的多次反射之后，能以高分辨率探测静电阱40中的所选择的质量范围。再一个变体可涉及用适当的后加速阶段对诸如蛋白质、聚合物和DNA之类的重单电荷分子的探测。仅举例来说，该探测器可以是具有单离子灵敏度和可用于弱信号探测的电子倍增器或微沟道/微球体板。或者，该探测器可为收集器且因此能测量非常强的信号(在一峰中大概多于10⁴个离子)。可采用一个以上探测器以及根据例如从先前的采集周期获得的频谱信息将离子包导向一个或另一个探测器的调制器。 

图4示出虽然与图2的装置有些特定差异但基本相似的装置。同样，相同的参考标记表示图2和图4的装置共有的部分。 

图4的装置还包括离子源20，它将离子提供给在图4的实施例中是辅助离子存储装置60的预阱。该预阱/辅助离子存储装置60的下游是离子阱30(在优选实施例中是弯曲阱)和碎裂室50。然而，与图2的该装置相反，图4的装置将碎裂室置于离子阱30和辅助离子存储装置60之间，即在离子阱的“源”侧，而不是像图2中的位于离子阱和静电阱之间。 

在使用中，离子在离子阱30中积累然后通过离子光学器件32从其中正交喷射到静电阱40。离子光学器件32下游的第一调制器/偏转器100将该离子从离子阱30导向EST40。离子沿着EST40的轴反射，在该处进行离子选择之后，它们被反射回离子阱30。为了在该过程中辅助离子引导，可使用可选的电气扇区(诸如螺旋形或圆柱形电容器)110。减速透镜置于该电气扇区110和到离子阱30的返回路径之间。减速可涉及如上所述的脉冲电场。 

由于离子阱30中的低压，返回到阱30的离子飞过它并在置于离子阱30和辅助离子存储装置60(例如，在离子阱30的离子源侧)之间的碎裂室50中碎裂。然后其碎片被捕获在离子阱30中。 

如同图2的情况一样，轨道阱质量分析仪70用于允许对在MSⁿ的任一选定阶段从离子阱30中喷射出的离子进行精确质量分析。质量分析仪70置于离子阱的下游(例如，像EST40一样在离子阱的同一侧)，且第二偏转器120通过第一偏转器100将离子“门选”到EST40中或质量分析仪70中。 

如同本领域普通技术人员熟知的一样，图4中示出的其它部件是在该装置的不同级之间担当接口的纯RF输运多极子。离子减速装置还可置于离子阱30 和碎裂室50之间(参见以下图9-13)。 

图5示出图2和图4中所示的装置的另一个替代装置，而且相同的部件再次用相同的参考数字来标记。图5的装置类似于图2的装置之处在于离子由离子源20产生，然后在被存储到离子阱30中之前穿过(或绕过)预阱和辅助离子存储装置60。如同图4一样，通过离子光学器件32将离子从离子阱30正交喷射出去，并由第一调制器/偏转器100偏转到EST40的轴上。 

不过，相比于图4，作为EST40中的离子选择的替代，离子替换地由调制器/偏转器100偏转到电气扇区110，并通过离子减速装置80从该处偏转到碎裂室50。因此(相比于图4)碎裂室50不在离子阱30的源侧。在从碎裂室50喷射之后，离子穿过弯曲输运多极子130、然后线性纯RF输运多极子140返回到离子阱30。在MSⁿ的任一阶段再次提供轨道阱或其它质量分析仪70以允许精确质量分析。 

图6再次示出概念上基本与图2的装置等同的另一个替换装置，除了EST40不是图3所示的“封闭”类型阱，而是如以上介绍中所陈述的文献中所描述的开放型。 

更具体地，图6的质谱仪包括将离子提供给预阱/辅助离子存储装置60(还示出另一个离子光学器件但未在图6中标记)的离子源20。预阱/辅助离子存储装置60的下游是在图6的装置中又是弯曲离子阱30的另一个离子存储装置。离子以垂直方向从弯曲阱30通过离子光学器件32向其中离子承受多次反射的EST40喷射。调制器/偏转器100朝向EST40的“出口”，这样允许离子通过电气扇区110和离子减速装置80被偏转到偏转器150或碎裂室50中。从这里，离子再次通过不同于离子向EST40递送的出口孔的入口孔被喷射回离子阱30中。图6的该装置还包括相关联的离子光学器件，但为了清楚起见在该图中没有示出。 

在一个替代方案中，图6的EST40可采用平行反射镜(例如参见WO-A-2005/001878)或细长电气扇区(例如参见US-A-2005/0103992)。可使用形状更复杂的轨道或EST离子光学器件。 

图7又示出根据本发明各方面的质谱仪的另一个实施例。如同图4一样，该质谱仪包括将离子提供给像图4中一样是辅助离子存储装置60的预阱的离子源20。该预阱/辅助离子存储装置60的下游为离子阱30(在优选实施例中为弯曲阱)和碎裂室50。虽然在图7的实施例中示出碎裂室50置于离子源20和 离子阱30之间，但碎裂室50可置于离子阱30的任一侧。如同先前的各实施例，离子减速装置80优选地置于离子阱30和碎裂室50之间。 

在使用时，离子通过离子入口孔28进入离子阱30并在离子阱30中累积。然后它们通过与入口孔28独立的出口孔29垂直喷射到静电阱40中。在图7所示的装置中，出口孔在一般垂直于离子喷射的方向上是细长的(例如，出口孔29为槽状)。阱30内的离子位置是受控的从而离子通过出口孔29的一侧(如图7所示的左侧)出去。可以用多种方式实现对离子阱内离子位置的控制，诸如通过对离子阱30末端的电极(未示出)施加不同的电压。在一特定实施例中，离子以紧密圆柱分布从离子阱30的中部喷射，而以更大角度的长得多的圆柱分布被重新捕获(由于系统内的发散和偏差)。 

经修改的离子光学器件32`位于离子阱30的出口的下游，且在其下游第一调制器/偏转器100``将离子导向EST40。离子沿着EST40的轴反射。作为将来自离子阱30的离子导向EST40的替代，离子代替地由离子光学器件32`下游的偏转器100``偏转到轨道阱质量分析仪70等中。 

在图7的实施例中，离子阱30既作为减速器又作为离子选择器工作。在其中在所关心的离子从EST40返回之后所关心的离子停留在离子阱30中的确切点处，离子阱30上的提取(dc)电压切断而捕获(rf)电压接通。为了注入到EST40中和从EST40中喷射，EST40内最接近透镜的反射镜上的电压以脉冲的方式切断。在所关心的离子被捕获在离子阱30中之后，在离子阱30的任一侧它们向着其中碎裂离子产生然后被捕获的碎裂室50加速。之后，可将碎裂离子再次转移到离子阱30。 

通过从细长槽的第一侧喷射离子并在或向该槽的第二侧将它们捕获回，从离子阱30的喷射路径与重新捕获到该阱30的路径不平行。如图4和图5的实施例中所示一样，这又可允许与EST40的纵轴成一角度地将离子喷射到EST40。 

当然，虽然在图7中示出单槽状出口孔29，其中离子向着该槽的第一侧离开但通过该槽的另一侧从EST40接收回，但可代替地采用两个独立但一般相邻的输运孔(在沿垂直于离子穿过它们行进的方向可以是也可以不是细长的)，其中离子通过这些输运孔的第一个离开但通过相邻的输运孔返回到离子阱30中。 

实际上，不仅图7的槽状出口孔29可被细分为在一般垂直于喷射和注入 期间离子行进方向的方向上分隔开的独立输运孔，而且图7的弯曲离子阱30自身也可被细分为独立的分段。在图8中示出这样的装置。 

图8的装置与图7的非常相似，即该质谱仪包括将离子提供给作为辅助离子存储装置60的预阱的离子源20。该预阱/辅助离子存储装置60的下游是离子阱30`(以下会详细描述)和碎裂室50。如同图7的装置，图8中的碎裂室50可置于离子阱30`的任一侧，虽然在图8的实施例中示出碎裂室50在离子源20和离子阱30`之间，离子阱30`和碎裂室50由可选的离子减速装置80分隔开。 

离子阱30的下游是将离子从离轴方向导向EST40的第一调制器/偏转器100```。离子沿着EST40的轴反射。为了将离子从EST40喷射回离子阱30，使用了EST40中的第二调制器/偏转器100``。作为将离子从离子阱30导向到EST40的替代，可代替地由偏转器100```将离子偏转到轨道阱质量分析仪70等。 

在图8的实施例中弯曲离子阱30`包括三个毗连的分段36、37、38。第一和第三分段36、38各具有一离子输运孔以使离子通过第一分段36中的第一输运孔从离子阱30`喷射到EST40，而通过第三分段38中的第二、空间分离的输运孔接收回离子阱30`。为实现这个目的，可对离子阱30`的每个分段施加相同的RF电压(使得在该意义上尽管有多个阱分段，离子阱30`仍可作为单个阱)，但同时对每个部分施加不同的DC偏移量以使得离子不居中分布在弯曲离子阱30`的轴向。在使用使，离子存储在离子阱30`中。通过适当调节施加到离子阱分段36、37、38的DC电压，使离子通过第一分段36离开离子阱30`来离轴注入EST40中。离子返回到离子阱30`并通过第三分段38的孔进入。 

当离子从EST40重新捕获时，通过将第一和第二分段36和37的DC电压保持在比施加到第三分段38的电压更低的幅度，离子可沿着离子阱30`的弯曲轴被加速(例如，30-50ev/kDa)以使得它们进行碎裂。以这种方式离子阱30`可作为阱和作为碎裂装置工作。 

然后通过相对于第一分段36上的电压增大第二和第三分段37、39上的DC偏移电压，所得的碎裂离子被冷却和挤压到第一分段36中。 

为优化操作，碎裂装置尤其需要注入其中的离子的能量分散被较好地限定，例如在约10-20ev内，因为较高的能量导致仅有低质量碎裂而低能量几乎不提供碎裂。另一方面，许多现有的质谱仪装置以及本文的图1到图7的各实施例中所描述的新型装置导致到达碎裂室的离子的能量分散远超出所需的窄 范围。例如，在图1到图7的装置中，在离子阱30中离子会由于其中的空间分离、由于EST40中的空间电荷效应(例如，在多次反射期间的库仑膨胀)、以及由于系统中的偏差的积累效应而在能量上离散。 

因此需要一些形式的能量补偿。图9到11示出用于实现该目的的离子减速装置的一部分的一些特定但为示意性的示例，而图12和13示出针对施加到这样的离子减速装置的各种不同参数的能量分散减少和空间离散。 

为实现适当水平的能量补偿，需要增大离子能量分散。换言之，如上所述优选的假设单能离子束的束厚度比两束这样的假设单能离子束的分离小10-20eV的期望能量差异。虽然通过将碎裂室50与离子阱30或EST40从物理上分离相当的距离(使得离子能及时分散)当然可以实现一定的能量分散度，但这样的装置不是优选的，因为它增大了质谱仪的总体尺寸，所以需要另外的抽吸等。 

代替地，优选包括特定装置来在不过度地增大碎裂室50和其上游的质谱仪的部件(离子阱30或EST40)之间的距离的情况下允许故意的能量分散。图9示出一合适的装置。在图9中，示出形成图2到图7的高度示意性表示的离子减速装置80的可任选部分的离子反射镜装置。离子反射镜装置200包括端接于平面镜电极220中的电极210的阵列。离子从EST40中注入到离子反射镜装置中并被平面反射镜电极220反射，从而导致在它们离开离子反射镜装置和到达碎裂室50的时候离子的分散增大。引入能量分散的替代方法在图11中示出并在以下进一步描述。 

一旦例如通过图9的离子反射镜装置200增大能量分散度，接着离子就被减速。一般地这通过对诸如图10所示和标记为250的减速电极装置施加脉冲DC电压来实现。图10的减速电极装置250包括设置有其中夹置地电极280的入口电极260和出口电极270的电极阵列。优选地入口和出口电极与差动抽吸部分组合以便于逐渐减少处于相对低压的(上游)离子反射镜装置200、处于中间压力的减速电极装置250、和(下游)碎裂室50所需的相对高压之间的压力。仅作为例子，离子反射镜装置200可处于约10^-8mBar的低压，减速电极装置250可具有约10^-5mBar到通过差动抽吸升高为约10^-4mBar的低压限制，以及碎裂室50中大约10^-3到10^-2mBar的压力范围。为了在减速电极装置250和碎裂室50之间提供抽吸，可使用诸如最优选为八极RF装置的附加的纯RF多极子。这在图11中示出并将在以下描述。

为实现减速，透镜260、270上的DC电压在电压控制器(未示出)的控制下进行开关。这何时发生取决于所关心离子的特定质荷比。具体地，当离子进入减速电场时，高能量离子超过低能量离子且因此在减速场中移动到更深深度。在所有该特定m/z的离子进入减速电场后，该电场切断。所以，初始更高能量的离子比低能量离子经历更高的对地电压降，因此使它们的能量相等。通过使该电压降和从质量选择器离开时的能量分散相匹配，可实现能量分散的显著减少。 

应理解，该技术允许针对特定m/z的能量补偿，而不是针对不同质荷比的广泛范围。这是因为只有单个质荷比的离子会承受与它们的能量分散匹配的一定量的减速。不同于所选质荷比的任意离子当然同样承受一定程度的减速，但在具有不同质荷比的情况下，减速量则不会被初始能量分散平衡，例如高能离子的减速和穿越距离将不会与低能离子的减速和穿越距离匹配。然而，已经说过，本领域普通技术人员容易理解，这不会阻止不同质荷比的离子向离子减速装置80的引入，仅有一感兴趣特定质荷比的离子会进行适当程度的能量补偿来为碎裂室50作适当准备。因此，离子可在离子减速装置80的上游过滤(使得仅有感兴趣单个质荷比的离子在质谱仪的给定周期进入)或者可在离子减速装置80下游使用滤质仪。实际上，甚至有可能使用碎裂室50自身来丢弃不在感兴趣质荷比和已被适当能量补偿的离子。 

图11示出用于减速离子以及可任选地散焦它们的替代装置。在这里，通过当某一感兴趣质荷比的离子在静电反射镜42、44附近时(因为EST40工作方式的原因，特定m/z的离子到达静电反射镜42、44的时间是已知的)，脉冲静电反射镜42、44(图3)之一上的DC电压在EST40内实现散焦。对该静电反射镜42或44施加适当的脉冲导致反射镜42、44对那些离子具有散焦而不是聚焦的效果。 

一旦被散焦，接着可通过对偏转器100/100`/100``施加适当的偏转电场将离子喷射出EST。然后，通过将初始能量分散与由减速电极装置300限定的电场上的电压降相匹配，经散焦的离子向如上结合图10所说明的减速所选m/z的离子的减速电极装置300行进。 

最终，离子通过终端电极310离开减速电极装置300，并穿过出口孔320进入八极纯RF装置330以提供如上所述的所需抽吸。所得的输出束比图10的装置的输出束更加对称。

图12和13分别示出特定质荷比的离子的能量分散和空间离散作为施加到离子减速电极的DC电压的转换时间的函数的曲线图。 

从图12中，可以看出由本发明的实施例实现的能量分散的减少可达20倍，将+/—50eV离散减少为+/—2.4eV的离散。利用本文描述的特定减速系统，更长的开关时间产生更小尺寸的空间光斑而更大的最终能量分散。本文给出的示例是为了示出还必须考虑除能量分散之外的束特性，而不是为了提出针对最优的最终能量分散的减速一定会产生最终束的空间离散的增大。 

与其它能量散焦束一起使用的减速透镜的其它设计会产生能量分散的更大减少。因此，本领域普通技术人员会认识到本发明有许多潜在的用途。本发明特别提出的用途是提高产量和在碎裂过程中产生的碎裂离子的类型。如上所述，针对有效的母离子碎裂，需要10-20eV的离子能量，显然具有+/-50eV能量分散的束中的许多离子在该范围之外。具有太高能量的离子主要碎裂为难以识别其母离子的低质量碎片，同时更高比例的低能量离子完全不碎裂。在没有能量补偿的情况下，如果允许所有束进入碎裂室，被导向碎裂室的具有+/-50eV能量分散的母离子束会产生高丰度的低质量碎片，或如果仅允许具有最高20eV能量的离子进入(例如通过在进入之前使用电势垒)，大量离子将丢失而该过程将会高度低效。伴随着由于离子能量不够可能有90％的束丢失或不能碎裂，该低效将取决于束中的离子能量分布。 

通过使用前述技术，如果需要在质谱仪的给定周期使离子穿过碎裂室50(或将它们存储其中)而保持完整时可避免离子在碎裂室中碎裂。或者，当需要执行MS/MS或MS＾n实验时可改善碎裂的控制。 

所描述的离子减速技术的其它用途可在其它离子处理技术中出现。许多离子光学设备仅能在离子具有有限范围内的能量时才能良好工作。示例包括其中色差引起散焦的静电透镜、其中当离子行进在设备的有限长度时离子经历的RF周期的数量是离子能量的函数的RF多极子或四极滤质仪、以及分散质量和能量的磁控光学系统。反射镜通常被设计为提供能量聚焦以补偿离子束能量范围，但高阶能量偏差通常存在，而诸如由本发明提供的能量补偿束将减小这些偏差的散焦效应。此外，本领域普通技术人员将认识到这些仅仅是所描述技术的可能用途的一种选择。 

现在返回到图2和图4-6的装置，一般来说，在这些图中所示的充气单元的有效工作取决于碰撞条件的理想选择且由碰撞厚度P·D表征，其中P是气压 而D是离子横穿的气体厚度(典型地，D是该单元的长度)。氮气、氦气或氩气是碰撞气体的示例。在本优选实施例中，需要大概实现以下条件： 

在预阱24中，需要P·D>0.05mm·托，但优选<0.2mm·托。如我们的待审专利申请No.GB0506287.2中所描述的一样可用来捕获离子多遍。 

优选离子阱30具有0.02和0.1mm·托的P·D范围，而该装置也可广泛多遍使用。 

碎裂室50(使用碰撞感应离解，CID)具有P·D>0.5mm·托的碰撞厚度和优选1mm·托以上的碰撞厚度。 

对所使用的任一辅助离子存储装置60，优选碰撞厚度P·D在0.02和0.2mm·托之间。相反，需要将静电阱40保持在高真空，优选为10^-8托或更好。 

图2的装置的典型分析时间如下： 

存储在预阱24中：通常为1-100ms； 

转移到弯曲阱30：通常为3-10ms； 

EST40中的分析：通常为1-10ms，为了提供超过10,000的选择质量分辨率； 

碎裂室50中碎裂，接着离子转移回弯曲阱30：通常为5-20ms； 

如果使用了第二离子存储装置60，则通过碎裂室50转移到第二离子存储装置60而不碎裂：通常为5-10ms；以及 

在质量分析仪70中对轨道阱类型的分析：通常为50-2000ms。 

一般而言，同一m/z的离子的脉冲持续时间应该低于1ms，优选低于10微秒，而最优选的方式对应于离子脉冲短于0.5微秒(针对m/z在约400到2000之间)。或者和对其它m/z，发射脉冲的空间长度应低于10m，且优选低于50mm，而最优选的方式对应于短于5-10mm的离子脉冲。当使用轨道阱和多次反射TOF分析仪时尤其需要使用短于5-10mm的脉冲。 

虽然已经描述了一些特定实施例，本领域普通技术人员容易理解可构想各种变体。

Claims (23)

1.一种减少特定和有限质荷比范围上的离子的能量分散的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)使用减速电极装置产生具有电场强度E的电场；

(b)将所述质荷比范围的具有能量分散的离子导向由所述减速电极装置产生的所述减速电场；以及

(c)一旦所述特定质荷比范围的所有所述离子都已进入所述减速电场，就去除所述减速电场；

其中所述电场强度E与进入所述电场的所述离子的能量分散匹配以减小所述离子的所述能量分散。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在将离子导向所述减速电场的所述步骤(b)之前的步骤：

在能量上散射所述离子。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在能量上散射所述离子的所述步骤包括将所述离子引导到离子反射镜装置、将离子反射出所述离子反射镜装置内的离子反射镜、以及引导所述离子离开反射镜装置返回。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在能量上散射所述离子的所述步骤包括沿着细长的飞行路径引导所述离子。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在减速电极装置上差动地抽吸以使得其入口处的压力不同于其出口处的压力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在将离子引导到所述减速电场之前从离子光学装置或质量分析装置喷射离子。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述离子光学装置或质量分析装置包括适于在不同的时间喷射不同质荷比的离子的装置。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述离子光学装置或质量分析装置选自静电阱(EST)、以共振喷射模式工作的轨道阱、三维(3D)阱、放射性喷射的线性阱、轴喷射的线性阱、或飞行时间质谱仪。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将能量分散已被减少的所述离子引导到碎裂或碰撞室。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将能量分散已被减少的所述离子引导到以下的一个或多个：静电透镜、多极子、磁透镜、磁扇区、静电扇区、四极滤质仪、反射镜、飞行时间质谱仪、电磁阱或3D阱。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，切断所述场的所述步骤包括在25微秒或更短时间内切断所述场。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，切断所述场的所述步骤包括在19到25微秒之间的时间内切断所述场。

13.一种用于减小特定和有限质荷比范围上的离子的能量分散的离子减速装置，包括：

用于产生具有电场强度E的电场的减速电极装置，所述减速电极装置包括一个或多个减速电极；

用于提供电压给所述一个或多个减速电极的电压源；以及

电压控制器，配置成开关所述电压源以在在将所述质荷比范围的具有能量分散的离子引导到由所述减速电极装置产生的所述减速电场之后和一旦所述特定质荷比范围的所有所述离子都已进入所述减速电场时去除所述减速电场；

其中所述控制器和/或所述电压源被配置成产生与进入所述电场的所述离子的能量分散相匹配以减少所述离子的所述能量分散的电场强度E。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括置于所述离子减速装置上游的离子能量分散装置。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述离子能量分散装置包括离子反射镜组件，具有用于将接收到所述离子反射镜组件的离子反射回去的离子反射镜。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述离子能量分散装置包括细长的飞行路径。

17.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述减速电极装置置于差动抽吸外壳内。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括在所述减速电极装置下游的多极子RF装置。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述多极子RF装置是八极纯RF装置。

20.如权利要求13所述的装置，其特征在于，与其上游的离子选择装置组合。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述离子选择装置选自静电阱(EST)、轨道阱、3D阱、辐射喷射的线性阱、轴向喷射的线性阱、飞行时间质谱仪的一个或多个。

22.如权利要求13所述的装置，与其下游的碎裂或碰撞室组合。

23.如权利要求13所述的装置，与静电透镜、多极子、磁透镜、磁扇区、静电扇区、四极滤质仪、反射器、飞行时间质谱仪、静电阱、3D阱的一个或多个组合。

Images