CN102099892A - 用于共点成像的tof质谱仪及其相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过优化用于具有特定质荷比的离子的聚焦的电场来改善具有该特定质荷比的离子的聚焦。特别地，离子的共点聚焦可通过随着具有不同质荷比的离子穿过透镜而调整向离子光学透镜(50)施加的用于这些离子的电压来改善。在一个实施例中，数模转换器(32)和放大器(34)通过高电压电容(36)AC耦合至高电压DC供电单元(38)。数模转换器(32)生成低电压波形，该电压波形通过放大器(34)放大，然后添加到高电压供电单元(38)的输出，从而生成期望的电压波形，并随着离子穿过透镜而向离子光学透镜(50)施加。

Description

用于共点成像的TOF质谱仪及其相关方法

本发明涉及TOF(飞行时间)质谱仪及其相关方法。特别地，本发明涉及用于执行样本的成像的TOF质谱仪及其相关方法。

TOF质谱分析方法是一种通过使离子加速并测量其到检测器的飞行时间来测量离子的质荷比的分析技术。

两种已知的TOF质谱分析的方法为：矩阵辅助激光解吸/电离TOF质谱分析(“MALDI TOF”质谱分析)和串联TOF质谱分析(“TOF-MS/MS”质谱分析)。例如，这两种方法用来鉴别生物系统中的大分子化合物。

在MALDI TOF质谱分析中，使激光脉冲聚焦到样本(如生物材料)和光吸收矩阵的混合物上的一个小的“激光光斑”，从而由样本产生离子脉冲。通过脉冲提取系统远离样本加速离子脉冲，由此将脉冲电场施加到离子源中的样本。通过一个飞行时间质谱分析仪来检测并分析离子脉冲，从而能确定来自样本的离子的质荷比。激光、脉冲提取以及样本和光吸收矩阵的混合物可被称为MALDI离子源。

在TOF-MS/MS质谱分析中，在检测并分析离子之前，使离子碎裂。例如，可通过亚稳衰变或通过碰撞引发的离解来使离子碎裂。TOF-MS/MS质谱分析是有用的，因为其允许对先驱离子(未碎裂的离子)和产物离子(碎裂的离子)两者的分析。TOF-MS/MS质谱分析可与MALDI TOF质谱分析结合使用。换言之，MALDI离子源可用于在检测离子之前使离子碎裂的质谱仪中。

众所周知，使用具有单个检测器的MALDI TOF质谱仪来形成这样的图像，即，该图像示出了一个样本中具有不同质荷比的化合物的空间分布。这通过在激光光斑下移动样本来实现，从而使检测器收集多重光谱，每个光谱均由位于样本上的不同位置处的激光光斑聚集而成。这样，样本的图像由对应于样本上不同位置的图像的各个像素形成。

本发明人已注意到，通过移动样本使用MALDI TOF质谱仪形成图像有两个缺点。第一，图像的空间分辨率受激光光斑的尺寸限制，因为MALDI TOF质谱仪的单个检测器不能检测到关于激光光斑内的化合物的空间分布的信息。第二，使样本能成像的速度取决于检测器在每个样本位置处收集光谱所花费的时间或图像的每个像素的时间。

能用于形成样本的图像的另一个方法是使用MALDI TOF质谱仪来使样本共点地成像(stigmatically image)。该方法包括：使用脉冲激光由样本上的激光光斑提取离子，并使离子共点地聚焦到空间检测器上，从而使得入射到检测器上的离子的位置与样本上(激光光斑内)的离子的位置相对应。空间检测器(也被称为成像检测器)能够测量离子入射到其上的时间和位置，从而能由共点地聚焦的离子形成图像。

本发明人已发现，很难甚至不可能取得清晰或准确的图像，因为TOF质谱仪中的离子光学器件并未使离子脉冲中的所有离子空间地聚焦。特别地，本发明人已发现，在离子脉冲中入射到检测器上的多个离子的位置并非与由其产生离子的样本上的位置相对应。换言之，本发明人注意到，共点成像系统中的离子的空间聚焦很差，因此，例如，所得到的图像并未准确地传达与样本成分相关的空间信息。

特别地，本发明人已注意到，用在离子源中以通过提供离子的时间聚焦来改善特定质量(优化质量)的质量分辨率的脉冲提取导致除优化质量以外的其他质量的图像的象散。事实上，本发明人已观察到，象散的程度随着质量进一步远离优化质量而增大。

本发明旨在提供一种解决和/或改善一些或所有上述问题的TOF质谱仪及其相关方法。特别地，本发明涉及改善离子脉冲在用于样本成像的TOF质谱仪中的空间聚焦。

关于这一点，区分时间上的使离子聚焦(其影响峰宽和质量分辨率并且旨在离子源中的脉冲提取)和空间上的使离子聚焦(空间聚焦，其影响图像的清晰度并且是本发明的主题)是十分重要的。除非另作说明，本文中所提及的“聚焦(focus)”或“使...聚焦(focussing)”均是指空间聚焦。

最一般地，本发明提出，能在脉冲提取离子源之后用电场来使离子脉冲聚焦，其中，随着离子脉冲穿过电场而调整(即改变)电场。本发明提出，当离子脉冲穿过电场时，对电场的调整能使不同质量(严格地说，是不同质荷比)的离子聚焦，从而降低象散。

虽然术语“离子脉冲”为本领域的技术读者所熟悉，但其完整意思是经过一段特定时间，由样本生成(提取)一组离子。典型地，这与来自样本的离子的脉冲提取中的单个脉冲的持续时间相对应。例如，可在一微秒的时间内由样本生成这些离子。一种特别优选的由样本生成离子脉冲的方法为脉冲激光解吸(如MALDI)。

根据本发明的第一方面，提供了一种根据权利要求1所述的TOF质谱仪。

因此，适当地，当离子脉冲存在于电场中或通过电场时，调整用于使离子脉冲聚焦的电场。

本发明人已发现，通过电场使离子脉冲中的任何给定离子聚焦可通过优化用于该特定离子的电场来改善。特别地，本发明人已发现，通过优化用于特定质荷比的电场，可改善离子脉冲中的具有该特定质荷比的离子的聚焦。在TOF质谱仪中，离子脉冲中的离子的飞行时间取决于该离子的质荷比。特别地，离子到TOF质谱仪中的离子光学透镜(因此到由离子光学透镜提供的电场)的飞行时间取决于质荷比。本发明人已发现，通过随着离子脉冲穿过电场而(动态地)调整电场，可优化随着离子在不同时间穿过电场而用于使离子脉冲中的不同离子(质荷比)聚焦的电场。从离子轨迹仿真中已发现这种离子的动态聚焦可降低象散并提高图像清晰度。

因此，当离子脉冲穿过电场时，电场调整装置可调整由离子光学透镜提供的电场。

适当地，离子脉冲穿过离子光学透镜，因此适当地，电场调整装置随着离子脉冲穿过离子光学透镜而调整电场。

离子光学透镜位于离子源和空间检测器之间。适当地，离子光学透镜位于离子源和空间检测器之间的离子轨道(离子光轴)上。在实施例中，离子光学透镜距离子源足够得远，以允许将不同质量的离子充分地分开，从而使一种质量的聚焦不会干扰不同质量的聚焦。另一个考虑是，电场的改变应发生在实际的时标上(换言之，能由适当的电子器件产生)。适当地，离子光学透镜比空间检测器更靠近离子源。

在光谱仪是TOF-MS/MS的情况下，离子光学透镜适当地位于发生碎裂的位置(如用于亚稳衰变的飞行管或用于CID的碰撞气室)之前。这是因为，碎片离子的轨迹本质上必须与先驱离子的轨迹相同，以保持共点图像。碎片离子的能量取决于碎片质量(其是母能量(parent energy)乘以碎片质量与母质量之比)，因此离子光学透镜的效果将取决于碎片质量，即使碎片离子和先驱离子一起穿过离子光学透镜。

因此，在光谱仪是TOF-MS/MS的情况下，优选地，离子光学透镜位于碎裂区之前。适当地，碎裂区为飞行管或碰撞室。

离子光学透镜典型地位于距离子源(适当地，距样本)至少50mm处，优选地至少100mm处，更优选地至少150mm处。越靠近样本，则要求调整离子光学透镜像场的速度更快，且透镜的有效长度更短。适当地，离子光学透镜位于距离子源(适当地，距样本)不超过400mm处，优选地不超过300mm处，最优选地不超过210mm处。距样本更远允许离子光学透镜像场的更慢改变和更大的透镜，但是，对于MS/MS尤其可降低离子光学器件的功效(如影响敏感度)。优选地，离子光学透镜位于距离子源(适当地，距样本)50mm到400mm的范围内，更优选地，100mm到300mm的范围内，最优选地，150mm到210mm的范围内。一个特别优选的位置是距离子源(适当地，离样本)大约180mm。

空间检测器可为线性空间检测器(例如用于线性TOF-MS成像)。线性检测器为平行于质谱仪的离子光轴设置的检测器。典型地，线性检测器位于离子光轴上，但是线性检测器可偏离离子光轴。

空间检测器可为反射空间检测器(例如用于反射TOF-MS成像)。反射检测器设置成检测离子脉冲中的已反射(如通过离子镜或反射器)的离子。

空间检测器适当地包括用于测量入射到检测器的离子的位置的装置。检测到的离子位置可用于形成样本的图像。因此，空间检测器也可被称为成像检测器。

适当地，空间检测器测量离子在x和y方向上的位置。适当地，由这些测量形成的图像为二维(2D)图像。

适当地，光谱仪包括用于基于时间和检测到的离子的位置来确定TOF和空间分布的处理装置。适当地，所述处理装置能基于测量到的值生成图像。典型地，TOF和空间分布用附设至检测器的输出的电子器件来确定。

因此，第一方面的TOF质谱仪适于优化离子脉冲的聚焦以通过空间检测器进行检测。特别地，实施例改善了由空间检测器形成的图像的清晰度。通过本发明的实施例实现的改善的聚焦(低象散)在要求样本的精确成像的情况下是非常有益的。

空间检测器形成的图像的清晰度可取决于检测器的空间分辨率。特别地，空间检测器的“像素”的数量和/或“像素密度”(每单位面积的像素的数量)可影响检测器的空间分辨率。在此语境中，“像素”是检测器上的能检测到离子的离散位置，并且它们的位置不同于在检测器上的其他离散位置检测到的离子。

空间检测器可为延迟线检测器。延迟线检测器可包括两条以上的导线(wire)。适当地，每条导线均布置成在x或y方向上提供检测。例如，在延迟线检测器具有两组导线的情况下，可在两条导线的四端获得光谱。延迟线检测器的空间分辨率由延迟线导线沿每个轴的圈数来决定。典型地，延迟线检测器将具有几十圈，因此，对于两个轴，可同时获得几百个像素(适当地，仅使用四个瞬态记录器)。

空间检测器可具有多个阳极。例如，这可用分段阳极来实现。与延迟线检测器相比，多阳极检测器仅具有少量的像素，这是由于需要同时从每个阳极获得光谱。

优选地，通过电场调整装置的作用来使横向(lateral)空间分布聚焦，从而适当地在检测器处获得改善的横向空间分布。也就是说，使垂直于离子脉冲传播方向(即垂直于轴向方向)的平面中以及样本表面的平面中的空间分布聚焦。因此，在实施例中，由空间检测器测量到的离子在x和y方向上的位置使得图像更清晰。

离子光学透镜的性能应适合于所使用的空间检测器，反之亦然。例如，如果使用一个具有大量的像素的空间检测器(如延迟线检测器)，则离子光学透镜必须对应地提供低的象散水平，从而能获得好的清晰图像。

适当地，空间检测器为能测量入射到检测器离子的飞行时间的TOF检测器。

电场调整装置适当地随着离子脉冲穿过电场而调整电场的强度(即改变电场的强度)。适当地，调整电场的强度包括增大电场的强度；此外或可替代地，改变电场的形状和/或尺寸。

优选地，通过向离子光学透镜施加电压而由离子光学透镜提供电场。适当地，电场调整装置提供这种电压。优选地，电场调整装置向离子光学透镜提供可变电压(从而导致由离子光学透镜提供的电场的变化)。

电场调整装置优选地包括电压波形发生器，以当离子脉冲穿过由离子光学透镜提供的电场时，向离子光学透镜施加电压波形。这样，由离子光学透镜提供的电场可通过施加的电压波形来控制。因此，适当地，电场调整装置适于向离子光学透镜施加电压波形，以调整电场。“电压波形”的意思是随着时间改变的电压(但是其不需要连续地改变)。

适当地，电压波形发生器可产生任何类型的电压波形。例如，电压波形可为线性波形、指数波形、阶梯状(即逐步增大和/或减小)波形或振荡波形。已发现线性波形，且特别是增大的线性波形(“斜面”)在获得改善的聚焦和降低的象散方面是特别有效的。

TOF质谱仪，且优选地电场调整装置可包括用于控制电压波形发生器的控制装置。例如，该控制装置可为处理单元。该控制装置可为计算机。该控制装置优选地控制电压波形发生器以改善通过离子光学透镜的离子的聚焦，从而适当地降低象散。

本发明人已发现：与对于质荷比较小的离子相比，对于质荷比较大的离子，通过向离子光学透镜施加较大的电压，可通过离子光学透镜实现离子脉冲中的离子的更好聚焦。因此，通过随着离子脉冲穿过电场而增大通过电压波形发生器向离子光学透镜施加的电压，可通过离子光学透镜实现改善的离子的聚焦。电场调整装置适当地适于随着离子脉冲穿过电场而控制通过电压波形发生器向离子光学透镜施加的电压的大小。适当地，电场调整装置适于随着离子脉冲穿过电场而增大电压(即电压的大小)。这是特别有效的，因为离子到离子光学透镜的飞行时间随着离子的质荷比而增大。因此，随着离子脉冲穿过电场，增大向离子光学透镜施加的电压具有向具有较大质荷比的离子施加较大的电压(以及向具有较小质荷比的离子施加较小的电压)的效果。控制电压的大小的功能，且特别是增大电压可由控制装置提供。

适当地，控制电压的大小，以提供增大1-50％，优选地1-20％，更优选地1-10％。自然地，大小的改变程度取决于待检测的质荷比的范围。例如，可向离子光学透镜施加5200V的电压，以使质荷比为1050Da的离子的空间分布聚焦，而向离子光学透镜施加5540V的电压，以使质荷比为2450Da的离子的空间分布聚焦。适当地，向离子光学透镜施加的电压在4500-6000V的范围内变化(优选地，增大)，优选地，在4750-5750V的范围内，最优选地在5000-5600V的范围内。

适当地，电压波形发生器可产生至少1000伏特的电压，更优选地，至少3000伏特，更优选地至少5000伏特。

控制装置可包括用于存储通过电压波形发生器向透镜施加的一个以上的电压波形的存储器。电压波形发生器可具有用于从存储器恢复(retrieve)(或设置成用于从存储器恢复)电压波形的装置(例如从而控制装置可向透镜施加恢复的电压波形)。例如，存储的电压波形(s)可通过一种校准方法而已到达质谱仪。下面将更详细地描述这种校准方法。

控制装置可包括用于计算通过电压波形发生器向透镜施加的电压波形的计算装置。

可基于计算出的离子到离子光学透镜的飞行时间例如通过计算装置来计算电压波形。例如，对于质荷比为m/z的离子，飞行时间T_tof(在无场区域中)可由以下等式给出：

T_tof＝L(m/2zeV)^1/2

其中，L是距离子源的距离，并且V是由离子源中的离子获得的额定能量。这个等式可用于计算电压波形。如从以上等式所看出的，对于具有较大质荷比的离子来说，离子到离子光学透镜的飞行时间更长。

此外或可替代地，电压波形可基于离子轨迹仿真来计算，如使用SIMION(TM)8离子轨迹模型软件。

控制装置可耦合至离子源。适当地，控制装置耦合至离子源，从而使电压波形的控制至少部分地取决于离子源的一个以上的属性。例如，控制装置可耦合至离子源，从而在生成离子脉冲之后的预定时间(如脉冲提取的时间)向离子光学透镜施加电压波形。

将控制装置耦合至离子源是有利的，因为离子到离子光学透镜的飞行时间可关于离子源的属性或构造而变化。因此，通过调整向离子光学透镜施加的电压波形，从而使对电压波形的控制至少部分地取决于离子源的一个以上的属性，根据这些属性可适当地实现优选聚焦(降低象散)。

电场调整装置可布置成在一个短时标上调整由离子光学透镜提供的电场，如小于10μs，优选地小于5μs，更优选地小于1μs。这是因为离子脉冲典型地非常迅速地穿过透镜，如在几微秒的过程内。因此，上述电压波形发生器可适当地布置成产生对应持续时间(如小于100μs，优选地小于10μs)的电压波形。

电场调整装置(适当地，电压波形发生器)可包括高压开关。该高压开关可布置成生成电压波形。可向离子光学透镜施加由高压开关生成的电压波形，例如，可直接地或经由无源元件向透镜施加。适当地，该高压开关适于在少于50μs，优选地少于10μs，最优选地少于5μs内向离子光学透镜施加高电压(适当地，包括电压波形)。

电场调整装置(适当地，电压波形发生器)可包括数模转换器。该数模转换器可布置成生成电压波形。由数模转换器生成的电压波形可为在向离子光学透镜施加之前被放大的中间电压波形。使用数模转换器生成电压波形是有利的，因为数模转换器可使用数字信号来生成任何期望的形状的电压波形(使用单独的模拟元件则难以实现)。

可替代地或此外，电场调整装置(适当地，电压波形发生器)可包括产生幅度随时间上升或下降的电压(或电流)的电路。优选地，该电路为RC电路(包括电阻和/或电容的电路)。RC电路可为无源的。该RC电路可布置成生成电压波形。由RC电路生成的电压波形可为在通过电压波形发生器向透镜施加之前被放大的中间电压波形。

电场调整装置(适当地，电压波形发生器)可包括放大器。该放大器可用于放大(或布置成用于放大)例如来自可包括上述数模转换器或RC电路的中间电压波形发生器的中间电压波形。此布置是非常方便的，因为其能(在低电压下)更容易地生成期望的形状的中间波形，然后将该中间波形放大到更高的电压，而不是在高电压下生成期望的形状的电压波形。例如，可能需要超过5000V的电压来使离子束聚焦，但在更低的电压下，更容易提供该电压波形。

该放大器可包括电容和DC电源。电容可用于将中间电压波形发生器AC耦合至直流电源。AC耦合此前已在质谱仪中起其他作用(如用于生成提取脉冲)，且已证实是一种可靠的方法。

TOF质谱仪可包括任何适合的离子光学元件，一种离子光学元件是用于与离子脉冲相互作用的元件。离子光学元件的实例为偏转器(deflector)。一个以上的离子光学元件可包括用于供离子脉冲穿过的孔。离子光学元件的孔可大于在使用质谱仪时穿过该质谱仪的离子脉冲的尺寸。孔的宽度与离子脉冲的宽度(即离子脉冲在垂直于离子脉冲的运动方向上的尺寸)之比在使用该质谱仪时可至少为5∶1，更优选地至少为7∶1，更优选地至少为10∶1。已发现，像这样的大比值倾向于降低通过质谱仪的离子脉冲的聚焦的象散。

该离子光学透镜可为单透镜。单透镜是一种特别适于使离子脉冲聚焦的透镜。

离子源可布置成通过任何合适的机构由样本生成离子脉冲，如通过释放、解吸和/或电离。该离子源适当地包括脉冲激光。离子源优选地为MALDI(矩阵辅助激光解吸/电离)离子源。该离子源可为激光解吸离子源(即无矩阵)。该离子源也可以为SIMS(次级离子质谱分析)离子源。但是，无论离子如何生成，离子源都为脉冲提取离子源，即包括脉冲提取透镜。

TOF质谱仪可包括反射器。该反射器可用于修正离子脉冲的动能分布和/或延长离子到透镜和/或检测器的飞行时间。使用反射器的一个好处在于，与线性TOF质谱仪相比，其产生更高的质量分辨率(因此更好的质量精确度)，虽然最大质量范围较低。使用反射器的另一个好处在于，其可用于TOF MS/MS质谱分析(其中，使离子碎裂，参见下文)。

TOF质谱仪可为TOF MS/MS质谱仪。TOF MS/MS质谱仪适当地包括用于使离子脉冲中的离子碎裂的碎裂区。例如，该碎裂区可用于通过亚稳衰变或碰撞引发的解离来使离子碎裂。该碎裂区可包括用于离子的碰撞引发的碎裂的碰撞室。可替代地或此外，该碎裂区可包括飞行管。TOFMS/MS质谱分析法能够分析产物离子(碎裂的离子)和/或先驱离子(未碎裂的离子)。

但是，在一些实施例中，TOF质谱仪不是MS/MS质谱仪。

随着离子脉冲穿过电场，对电场的调整可使得由透镜提供用于离子脉冲中的第一离子的第一电场，且此后由透镜提供用于离子脉冲的第二离子的第二电场。电场的调整可进一步使得由透镜提供用于离子脉冲中的第三离子的第三电场。在实施例中，此后提供用于第四离子的第四电场。可能地，可为离子脉冲中的任何数量的离子提供不同的电场。

离子脉冲中的离子典型地具有不同的质荷比。特别地，第二离子可具有比第一离子大的质荷比，第三离子可具有比第二离子大的质荷比等等。因此，第二离子将在第一离子之后到达离子光学透镜。第三离子在第二离子之后到达等等。典型地，对于每种质荷比都会有多个离子。为了优化离子的“动态”聚焦，适当地，第二电场具有不同于第一电场的强度和/或形状。提供的电场的强度可随着离子穿过电场而增大，例如，从而第二电场具有比第一电场高的强度等等。这样，可为具有更高质荷比的离子提供更强的电场。如上所述，本发明人已发现这改善了离子的共点成像。

根据本发明的第二方面，提供了一种使离子脉冲在TOF质谱仪中空间地聚焦的方法，本方法包括：由样本生成离子脉冲；提供电场以使离子脉冲地空间聚焦；以及检测通过电场聚焦的离子脉冲，其中，随着离子脉冲穿过电场而调整电场。

第二方面的方法可在第一方面的TOF质谱仪上实施。本方法可包括与第一方面的TOF质谱仪相关的任何一个以上的方法步骤。这些方法步骤的优点与第一方面的TOF质谱仪的优点相对应。

适当地，本方法包括形成样本的图像的步骤。

因此，本发明提供了一种改善的共点成像的方法，其中，使用“动态”空间聚焦来降低或减小象散。

根据第三方面，提供了一种TOF质谱仪，具有：脉冲提取离子源，用于由样本生成离子脉冲；离子光学透镜，用于随着离子脉冲穿过离子光学透镜使离子脉冲聚焦；空间检测器，用于检测通过离子光学透镜聚焦的离子脉冲；电压波形发生器，用于随着离子脉冲穿过离子光学透镜向离子光学透镜施加电压波形。

第三方面的TOF质谱仪可具有与第一方面的TOF质谱仪相关的任何一个以上的特征。特别地，电压波形发生器可具有与结合第一方面所述的电压波形发生器相关的任何一个以上的特征。

第二方面的方法可在第三方面的TOF质谱仪上实施。

根据本发明的第四方面，提供了一种电场调整装置，用于与TOF质谱仪中的离子光学透镜一同使用，以随着离子脉冲穿过离子光学透镜而调整由离子光学透镜提供的电场。该电场调整装置可具有第一和第三方面的电场调整装置的任何一个以上的特征。

根据本发明的第五方面，提供了一种将TOF质谱仪翻新和/或改变成根据第一方面(或第三方面)的TOF质谱仪的方法。本方法适当地包括安装根据第四方面的电场调整装置。

根据本发明的第六方面，提供了一种校准TOF质谱仪的方法，本方法包括随着离子脉冲穿过离子光学透镜鉴别将向TOF质谱仪的离子光学透镜施加的电压波形，以使离子脉冲中的离子空间地聚焦。本方法可用于根据第一方面(或第三方面)的TOF质谱仪。

本方法可包括将电压波形存储在存储器(如上述控制装置的存储器)中的步骤。

鉴别电压波形可包括鉴别电压的步骤，当向离子光学透镜施加该电压时，实现了具有特定质荷比的离子的令人满意的聚焦。对于具有不同质荷比的离子，可鉴别多个这样的电压。可基于这多个电压来鉴别电压波形。在通过空间检测器监测由特定质荷比的离子形成的图像的清晰度同时，可通过调整向离子光学透镜施加(例如，通过上述控制装置)的电压来鉴别这多个电压中的每个。

根据本发明的第七方面，提供了一种可变电场的应用，以使离子脉冲中的离子在TOF质谱仪中空间地聚焦。

本发明的任何一个方面的所有可选和/或优选特征都可应用于任何一个其他方面。本发明的任何一个方面都可与任何一个以上的其他方面结合。

下面结合附图讨论与我们的提议相关的实施例和实验，附图中：

图1为TOF质谱仪的一部分的示意图；

图2a-图2c示出了TOF质谱仪中的离子的仿真轨迹；

图3示出了入射到TOF质谱仪中的线性检测器上的质荷比为1800Da的离子的仿真轨迹；

图4示出了入射到TOF质谱仪中的线性检测器上的质荷比为1050Da的离子的仿真轨迹；

图5a为将优化聚焦电压(V)与离子的质荷比相比较的图表；

图5b为将优化聚焦电压(V)与离子到透镜的飞行时间(ns)相比较的图表；

图6示出了施加到聚焦透镜的电压波形；

图7示出了入射到TOF质谱仪中的线性检测器上的质荷比为1050Da的离子的仿真轨迹；

图8示出了用于向聚焦透镜施加电压波形的电压波形发生器；

图9示出了用于向聚焦透镜施加电压波形的另一个电压波形发生器；

图10示出了入射到TOF质谱仪中的反射检测器上的质荷比为1800Da的离子的仿真轨迹；

图11示出了入射到TOF质谱仪中的反射检测器上的质荷比为1050Da的离子的仿真轨迹；

图12示出了入射到TOF质谱仪中的反射检测器上的质荷比为1050Da的离子的仿真轨迹；

图13示出了入射到TOF质谱仪中的反射检测器上的质荷比为525Da的碎裂的离子的仿真轨迹；以及

图14a-图14c示意性地示出了作为本发明的实施例的多个成像TOF质谱仪。

对于单个带电的离子，本文中所引用的所有质荷比均以道尔顿为单位。

图1示出了(一部分)TOF质谱仪1，其具有样本10、提取透镜20、出口孔30、棱镜组件40、离子光学(空间聚焦)透镜50和偏转器60。质谱仪1具有离子光轴2，该离子光轴在图1中通过穿过离子光学元件10、20、30、40、50和60的中心的黑线来表示。本质谱仪还包括沿离子光轴位于偏转器60之后的空间检测器(未示出)。

在使用时，激光脉冲通过棱镜组件40指向样本10。在通过穿过提取透镜20和出口孔30的脉冲静电场的适当延迟(典型地，大于100ns且小于1ms)后，提取由样本生成的离子脉冲。在被离子光学透镜50空间聚焦之后，使用偏转器60修正任何微小的轨迹，离子脉冲继续进入TOF质谱仪。

离子光学元件10、20、30、40、50和60具有远大于离子脉冲的直径的孔；当使用质谱仪1时，所述离子脉冲穿过上述孔。已发现，这些大孔特别适于离子的共点成像。

图2a-图2c示出了质谱仪1中的离子仿真轨迹。此处所说明的所有仿真数据均由SIMION(TM)8离子轨迹模型软件生成。

图2a示出了在样本10的表面处生成的离子脉冲中的离子仿真轨迹。离子脉冲由持续时间约为5ns的激光脉冲生成，该离子脉冲在样本10上被聚焦为直径300μm的激光光斑。该激光光斑集中在质谱仪1的光轴2上。

在图2a的仿真中，具有初始能量0.5eV的离子从样本10中射出。离子在三个方向上从样本10中射出，一个平行于质谱仪的光轴，其他两个分别与光轴形成+/-30°。在每个方向上射出的离子当其离开样本时，具有350米/秒和650米/秒的初始速度(也被称为“喷射”速度)。

图2b示出了图2a中的离子穿过提取透镜20中的孔的仿真轨迹。所述提取透镜的孔为4mm。提取透镜直径与激光光斑直径(300μm)的比值至少为12∶1。提取透镜直径与穿过提取透镜20的离子脉冲的仿真直径的比值至少为7∶1。提取透镜孔与离子脉冲直径之间这样的大比值对于生成具有降低的象散的图像特别有益。

图2c示出了穿过离子光学透镜50的离子仿真轨迹。在此仿真中，离子光学透镜50为单透镜。离子光学透镜50提供聚焦离子脉冲中的离子的电场，以使来自样本10上各点的离子聚焦到线性检测器上的相应点上(下面参照图3讨论)。换言之，离子光学透镜30将离子束共点地聚焦到线性检测器上。聚焦透镜50中的孔直径为10mm，该孔直径与穿过该孔的离子脉冲的直径的比值至少为7∶1。再次地，已发现聚焦透镜孔和离子脉冲直径之间这样的大比值对生成具有低象散的图像特别有益。

图3示出了具有1800Da质荷比的离子在被光学透镜50聚焦后入射在线性检测器70上的仿真轨迹65。“线性检测器”的意思是一个设置在质谱仪1的离子光轴2上的检测器。

线性检测器70为一个具有多个“像素”(位于线性检测器70之上，可独立地检测到离子)的空间检测器，因此，线性检测器70能够通过被离子光学透镜50共点聚焦的离子形成图像。在这种情况下，线性检测器70可为延迟线检测器或多阳极检测器。

在图3所示的仿真中，对于1800Da的质荷比，通过适当结合脉冲提取延迟和场强来优化使用提取透镜20的来自样本10的离子的脉冲提取。对于质荷比为1800Da的空间聚焦，通过向离子光学透镜50施加一个5420V恒定电压来优化离子光学透镜50。从图3能够看出，因为对于1800Da的质荷比，来自样本1和来自聚焦透镜30的离子的脉冲提取都得以优化，所以具有1800Da质荷比的离子急剧地聚焦到线性检测器70上。

图4示出了质荷比为1050Da的离子在被光学透镜50聚焦后入射在线性检测器70上的仿真轨迹74。如图3所示的仿真，对于1800Da的质荷比，来自样本10和来自离子光学透镜50的离子的脉冲提取都得以优化。再次地，对于1800Da的质荷比，通过向离子光学透镜50施加一个5420V恒定电压，该透镜得以优化。因此，图4中所示的离子的质荷比明显不同于1800Da的质荷比，对于1800Da的质荷比，来自样本10和来自离子光学透镜50的离子的脉冲提取都得以优化。

如图4中示出的仿真轨迹，来自样本上各点的质荷比为1050Da的离子在线性检测器70上空间分布，该分布取决于离子从样本10中解吸(喷射)的角度。换言之，质谱仪1的离子光学元件对于质荷比为1050Da的离子是散光的；对于这些离子，线性检测器70形成的图像将因此模糊不清。质谱仪1的离子光学元件对于质荷比显著高于1800Da的离子来说也是散光的。

先前降低离子脉冲聚焦中的象散的尝试均是基于调整离子的脉冲提取。然而，从图3和图4中可以看出，对于具有显著不同质荷比的离子来说，对具有质荷比的离子优化脉冲提取，不能获得好的共点聚焦。

发明人已经发现，可通过优化用于具有特定质荷比的离子的聚焦的电场来改进具有该特定质荷比的离子的聚焦。特别地，发明人发现对于具有不同质荷比的离子，可通过调整向离子光学透镜50施加的电压来改进离子的共点聚焦。

在TOF质谱仪中，离子脉冲中的离子的飞行时间取决于该离子的质荷比。特别地，在TOF质谱仪中，离子到离子光学透镜(即到由该离子光学透镜提供的电场)的飞行时间取决于质荷比。

表1示出了对于具有不同质荷比的离子，到离子光学透镜的飞行时间和优化聚焦电压的仿真数据。所述仿真数据对于质谱仪1生成，该质谱仪1具有为了质荷比为1800Da的离子而优化的脉冲提取。“优化聚焦电压”是这样的电压：当向离子光学透镜50施加该优化聚焦电压时，能为具有给定质荷比的离子提供最佳聚焦。

表1中的飞行时间值和优化聚焦电压由仿真计算得出。然而，飞行时间值也可由其他方法算出。例如，电压可通过校准质谱仪1得到(例如，对于具有特定质荷比的离子，通过调整向离子光学透镜50施加的电压，同时监测由线性检测器70形成的图像的适当的清晰度来得到)。

表1：仿真数据示出了质谱仪中具有不同质荷比的离子到透镜的飞行时间和优化聚焦电压；对于质荷比为1800的离子，所述质谱仪的脉冲提取得以优化。

图5a为将优化聚焦电压(V)(“共点透镜电势”)与离子质荷比相比较的图表；使用图1中所示的数据产生图5a中示出的图表。实线示出了优化共点聚焦电压对质荷比的计算出的依赖性。

图5b为将优化聚焦电压(V)(“共点透镜电势”)与离子到透镜的飞行时间(“到透镜的TOF”)相比较的图表。使用图1中所示的数据产生图5b中示出的图表。实线示出了优化共点聚焦电压对到透镜的飞行时间的计算出的依赖性。

从表1以及图5a和图5b中可看出，离子的飞行时间和优化共点聚焦电压均随着离子的质荷比而增大。因此，为了取得优化聚焦(即降低的象散)，稍后穿过透镜的离子将具有更大的质荷比，并将需要更大的向离子光学透镜50施加的电压。

图6示出了随着离子脉冲穿过离子光学透镜50向离子光学透镜50施加的电压波形。图6中示出的电压波形是使用表1中给出的值而计算出的，因此，向离子光学透镜50施加的电压将得到优化，从而使得当具有不同质荷比的离子在不同的时间穿过透镜时共点地聚焦。

图6示出了计算出的向离子光学透镜50施加的波形。计算出的波形是一个简单的斜面，即，一个线性增大的电压波形。该波形以3.5μs时间处5200V的DC电压开始(即在样本处生成离子脉冲3.5μs后)。然后，该DC电压经过2μs的周期斜升到5550V(以175V/μs的线性增长率)。

图7示出了质荷比为1050Da的离子在被离子光学透镜50聚焦后入射在检测器70上的仿真轨迹76。如图4中所示的仿真轨迹一样，对于1800Da的质荷比，来自样本10的离子的脉冲提取得以优化。然而，在这种情况下，向离子光学透镜50施加图6所示的电压波形。从图7中可以看出，由于图6的电压波形设置成当离子脉冲穿过离子光学透镜50时适合用于聚焦离子脉冲中的各离子的电压，因此质荷比为1050Da的离子实现了良好聚焦(即降低的象散以及因此降低的模糊度)。将图7与其中质荷比为1050的离子并未实现良好的聚焦的图4所示的仿真数据相比较(因为向离子光学透镜50施加的电压是恒定的，因此仅对质荷比为1800Da的离子进行优化)。

图6所示的电压波形为一个简单的斜坡。然而，可对电压波形进行计算以更加精确地反映表1所示的数据(例如，其可为非线性波形)。这可进一步改进通过离子光学透镜50的离子聚焦。

图8示出了用于向离子光学透镜50施加电压波形的电压波形发生器31a。该电压波形发生器31a包括数模转换器32、放大器34、高压电容36和高压DC电源单元38。数模转换器32和放大器34通过高压电容36与高压直流电源单元38(5.2kV)AC耦合。数模转换器32产生低(中间)电压波形(在2μs内，0到3.5V)，该电压波形被放大器34放大(通过因子100)，然后添加到高压电源单元38的输出从而产生图6中的电压波形。

图9示出了用于向离子光学透镜50施加电压波形的另一电压波形发生器31b。在波形发生器31b中，DAC32用于生成低(中间)电压波形(在2μs内，2.6V到2.775V)，该电压波形被高压放大器35放大(通过因子100)从而产生图6中的电压波形。

所述质谱仪可包括反射器。该反射器为离子镜，其将背朝离子源的离子脉冲中的离子反射到反射检测器(检测器设置来检测反射的离子)。使用反射器的一个优点是：虽然具有较低的最大质量范围，反射器生成的质量分辨率高于使用线性检测器(因此，质量精确度更佳)。

该反射器也可用于TOF MS/MS质谱仪。TOF MS/MS质谱仪包括碎裂区，该碎裂区用于使离子脉冲中的离子碎裂(例如，通过离子的亚稳衰变或通过碰撞引发的碎裂)。

图10、图11、图12和图13示出了离子的仿真轨迹，其中，质谱仪1包括反射器60和反射检测器80。所述反射器包括反射偏转器65和反射前板90。所述反射检测器80设置来检测反射器反射的离子。反射检测器80为一个空间检测器。离子光学透镜50设置在反射器60之前。

图10示出了质荷比为1800Da的离子的仿真轨迹78，所述离子由反射器反射并撞击反射检测器80。如图3和4中的仿真，对于1800Da的质荷比，来自样本10和离子光学透镜50的离子的脉冲提取得以优化。对于1800Da的质荷比，通过向离子光学透镜50施加一个5750V的恒定电压，该透镜得以优化。从图10中可以看出，质荷比为1800Da的离子急剧地聚焦到反射检测器80上。

图11示出了质荷比为1050Da的离子的仿真轨迹81，所述离子由反射器反射并撞击反射检测器80。如图10中的仿真，对于1800Da的质荷比，来自样本10和离子光学透镜50的离子的脉冲提取得以优化。对于1800Da的质荷比，通过向离子光学透镜50施加一个5750V的恒定电压，该透镜得以优化。从图11中可以看出，质荷比为1050Da的离子并不能良好聚焦(因为离子光学透镜50没有对于1050Da的质荷比而优化)。

图12示出了质荷比为1050Da的离子的仿真轨迹82，所述离子由反射器反射并撞击反射检测器80。如图10和图11的仿真，对于1800的质荷比，来自样本10的离子的脉冲提取得以优化。然而，在此仿真中，向离子光学透镜50施加与图6中所示的电压波形相似的电压波形(但是具有不同电压)。

在图12的仿真中，质荷比为1050Da的离子实现了良好聚焦(即降低的象散以及因此降低的模糊度)，因为图6的电压波形设置为当离子脉冲穿过离子光学透镜50时适合用于聚焦离子脉冲中的各离子的电压。将图12的仿真中的良好离子聚焦与图11中所示的仿真相比较，其中，质荷比为1050Da的离子在图11中的仿真并未取得良好聚焦(因为向离子光学透镜施加的电压是恒定的，仅对质荷比为1800Da的离子进行优化)。

图13示出了TOF质谱仪中，入射在空间检测器80上的质荷比为525Da的碎片离子的仿真轨迹84。在此仿真中，质荷比为525的离子是通过图12的仿真的离子生成的碎片离子(质荷比为1050Da)，所述离子在反射之前被解离。因此，图13描述了MS/MS试验。在此仿真中，向离子光学透镜50施加5600V的电压，以实现碎片离子的良好聚焦。

图14a、图14b和图14c示意性地示出了有关本发明若干个实施例中的离子源和检测器的离子光学透镜的位置。

图14a示出了一个线性TOF-MS谱仪100，包括：脉冲离子源102和空间检测器104。与离子源102分隔开的是离子光学透镜106(“共点透镜”)，所述透镜与电场调整装置108相连。电场调整装置108包括电压波形发生器，其用于随着离子脉冲穿过离子光学透镜106而向离子光学透镜106施加电压波形。

图14b示出了一个TOF-MS 120，其包括与图14a的TOF-MS相同的离子源102、离子光学透镜106、空间检测器104以及电场调整装置108。此外，还有反射器122。

图14c示出了一个反射TOF-MS/MS谱仪140，除了另有一个可使母离子碎裂的碎裂区142以外，其包括与图14b的反射TOF-MS相同的元件。离子光学透镜106位于离子源102与碎裂区142之间。

本领域普通技术人员在阅读了上述说明之后，在不背离所公开的广义构思的情况下，将能够实现各种更改、改变和等同物的删减。因此，如参照说明和附图所解释的，旨在使在此所授予的专利的范围仅受所附权利要求限制，而不受在此所描述的实施例限制。

Claims (20)

1.一种TOF质谱仪，具有：

脉冲提取离子源，用于由样本生成离子脉冲；

空间检测器，用于检测所述离子脉冲中的离子和所述离子撞击所述检测器的位置；以及

离子光学透镜，位于所述离子源和所述空间检测器之间，用于提供电场，以随着所述离子脉冲穿过所述电场而使所述离子脉冲中的离子聚焦；

其中，所述TOF质谱仪包括用于随着所述离子脉冲穿过所述电场而调整所述电场的电场调整装置。

2.根据权利要求1所述的TOF质谱仪，其中，所述空间检测器为延迟线检测器或具有多个阳极。

3.根据权利要求1或2所述的TOF质谱仪，其中，所述电场调整装置包括用于随着所述离子脉冲穿过由所述离子光学透镜提供的所述电场而向所述离子光学透镜施加电压波形的电压波形发生器。

4.根据权利要求3所述的TOF质谱仪，其中，所述质谱仪包括用于控制所述电压波形发生器的控制装置，所述控制装置可选地具有用于随着所述离子脉冲穿过所述电场而增大由所述电压波形发生器向所述离子光学透镜施加的电压的装置，和/或具有用于控制所述电压波形发生器的装置以向所述离子光学透镜施加线性波形、指数波形、阶梯状波形或振荡波形中的任何一种或更多种。

5.根据权利要求4所述的TOF质谱仪，其中，所述控制装置包括用于存储将由所述电压波形发生器向所述离子光学透镜施加的电压波形的存储器，和/或包括用于计算将由所述电压波形发生器向所述离子光学透镜施加的电压波形的计算装置。

6.根据权利要求4或5所述的TOF质谱仪，其中，所述控制装置耦合至所述离子源，从而使对所述电压波形的控制至少部分地取决于所述离子源的一种以上的属性。

7.根据前述权利要求中任一项所述的TOF质谱仪，其中，所述质谱仪包括具有供所述离子脉冲穿过的孔的离子光学元件，当使用所述质谱仪时，所述孔的宽度与所述离子脉冲的宽度之比至少为5∶1。

8.根据前述权利要求中任一项所述的TOF质谱仪，其中，所述电场调整装置具有用于随着所述离子脉冲穿过所述电场而调整由所述离子光学透镜提供的所述电场的强度和/或形状的装置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的TOF质谱仪，其中，所述离子光学透镜为单透镜；所述离子源从激光解吸(无矩阵)、MALDI以及SIMS(次级离子质谱分析)离子源中选出；并且所述质谱仪包括反射器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的TOF质谱仪，其中，所述TOF质谱仪为TOF MS/MS质谱仪。

11.根据前述权利要求中任一项所述的TOF质谱仪，其中，所述电场调整装置布置成在小于1秒的时间段内调整由所述离子光学透镜提供的所述电场。

12.一种使离子脉冲在TOF质谱仪中空间地聚焦的方法，所述方法包括：由样本生成离子脉冲；

提供电场，以使所述离子脉冲空间地聚焦；以及

检测通过所述电场聚焦的所述离子脉冲，其中，随着所述离子脉冲穿过所述电场而调整所述电场。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括生成所述样本的图像的步骤。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，由离子光学透镜提供所述电场，并且随着所述离子脉冲穿过所述电场而通过向所述离子光学透镜施加电压波形来调整所述电场；从而使向所述离子光学透镜施加的电压随着所述离子脉冲穿过所述电场而增大。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，在小于1秒的时间段内调整所述电场。

16.一种TOF质谱仪，具有：

脉冲提取离子源，用于由样本生成离子脉冲；

离子光学透镜，用于随着所述离子脉冲穿过所述离子光学透镜而使所述离子脉冲聚焦；

空间检测器，用于检测通过所述离子光学透镜聚焦的离子并且测量所述离子撞击所述检测器的位置；以及

电压波形发生器，用于随着所述离子脉冲穿过所述离子光学透镜而向所述离子光学透镜施加电压波形。

17.一种可变电场的应用，以使离子脉冲中的离子在TOF质谱仪中空间地聚焦。

18.一种电场调整装置，用于与根据权利要求1至11中任一项所述的TOF质谱仪中的离子光学透镜一同使用，以随着离子脉冲穿过所述离子光学透镜而调整由所述离子光学透镜提供的电场。

19.一种将TOF质谱仪改变成根据权利要求1至11中任一项所述的质谱仪的方法，包括安装根据权利要求18所述的电场调整装置的步骤。

20.一种校准TOF质谱仪的方法，所述方法包括随着离子脉冲穿过离子光学透镜而鉴别将向所述质谱仪的离子光学透镜施加的电压波形，以使所述离子脉冲中的离子空间地聚焦。

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