CN102782801A - 质谱分析装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种质谱仪具有施加时变电压分布以加速离子团的滤质器。该电压分布被选择为具有向每个离子种类给予动能和速度的函数形式，质荷比越大，该动能越大，质荷比越大，该速度越小。在离子检测器中检测离子，该离子检测器基于离子的动能并且考虑该电压分布的函数形式来区分不同的离子种类。合适的电压分布包括诸如正弦、三角形和锯齿之类的周期性函数，其使得能够在窄带放大级的情况下执行滤质器中的驱动脉冲的放大，其构造是简单和便宜的。

Description

质谱分析装置和方法

技术领域

本发明涉及质谱仪和质谱分析的方法。

背景技术

质谱仪能够将中性分析物分子电离以形成充电的母离子，充电的母离子然后可以断裂以生成一片更小的离子。以逐渐高的质/荷（m/z）比依次收集得到的离子以输出所谓的质谱，质谱可以用于对原始的分子“形成指纹”以及提供很多其它信息。一般说来，质谱仪提供高灵敏度、低检测限制和各种应用。

存在质谱仪的许多常规配置，包括磁扇区类型、四极类型和飞行时间类型。

在飞行时间质谱仪中，给予所有离子种类相同的动能而不管质荷比如何。这是通过在提取栅电极和加速器栅电极之间形成的电场中加速离子团来完成的。加速量由这两个电极之间的电压差指示。例如，加速器电极可以被保持在高于提取栅电极电压的V=10kV。表达所有离子种类被给予相同动能的事实的另一种方式是说，较轻、较高电荷状态的离子被加速到较高的速度，而较重、较低电荷状态的离子被加速到较低的速度，即速度与质荷比成反比，更精确地说，根据以下等式，与质荷比m/z的平方根成反比：

$\frac{1}{v}=\frac{1}{\sqrt{2V}}\sqrt{\frac{m}{z}}$

其中v是速度，V是提取电极和加速器电极之间的电压，m是离子种类的质量，以及z是它的电荷。

近年来，本发明人之一已经开发了一种新类型的质谱仪，其根据不同的基本原理工作，如US7247847B2[1]中所述，其内容通过引用合并于此。US7247847B2的质谱仪将所有离子种类加速到标称上相等的速度，而不管它们的质荷比如何，以提供所谓的恒速或等速质谱仪。

为了将所有离子种类加速到标称上相等的速度而不管它们的质荷比如何，US7247847B2的质谱仪具有专门设计的滤质器，在滤质器中，利用指数电压脉冲驱动电极，如图1示意地示出的。因此进入电极区域的离子团体验与时间有关的瞬时电压V_t，该电压根据公式V_t=V₀expt/τ随时间指数地增大，其中V₀是t=0处的电压以及τ是指数时间常数。这与飞行时间设计形成对比，在飞行时间设计中，加速电压V是恒定的，即非时变的。US7247847B2参考滤质器以提供“指数箱”，用于将离子团的离子加速到基本上相等的速度。滤质器（有时被称为分析器）包括电极布置和驱动电路，该驱动电路被配置为向电极布置施加指数电压分布。

图2示出了在US7247847B2中公开的驱动电路100的示意图。驱动电路包括三个主功能部分。这些是低电压波形发生器102、宽带放大器104和升压变压器106。低电压波形发生器102和宽带放大器104用于生成指数脉冲形状，并且升压变压器106是实现用于驱动质谱仪电极的高电压所必需的。

虽然在US7247847B2中公开的驱动电路根据需要运行，但是建立相对复杂并且昂贵。具体地，由于指数电压脉冲具有遍布宽的频率范围的功率，因此生成指数电压脉冲的要求需要放大级具有高带宽。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种质谱仪，包括：离子源，被配置为根据需要提供离子团，每个离子团包括具有相应的质荷比的多个离子，具有共同的质荷比的那些离子被称为离子种类；滤质器，包括被布置为从该离子源接收该离子团的电极布置和可操作用于向该电极布置施加电压分布的驱动电路，其中该电压分布具有向每个离子种类给予动能和速度的函数形式，质荷比越大，该动能越大，质荷比越大，该速度越小；和离子检测器，被布置为接收从该滤质器输出的离子，以及可操作用于基于离子的动能并且考虑该电压分布的函数形式来区分不同的离子种类。

在实现此设计中，发明人已经忽略了US7247847B2的恒速或等速“规则”，但是保留了来自于该设计的在滤质器中通过动能分离离子种类的概念，这使得使用与在US7247847B2中的相同的检测器方法，唯一的差别是必须解决用于在将检测到的信号映射到质荷比时在滤质器中加速离子的电压分布的函数形式。具体地，与恒速方法的偏离不与分辨率的任何固有损耗有关。换句话说，具有以速度以及动能扩展离子种类的滤质器不导致分辨率的任何固有损耗。新的设计原理的重要结果是，在滤质器中自由地使用各种函数形式的电压分布，以及不再依赖从恒速“规则”得出的指数形式。

通常，在滤质器中使用来加速离子的电压分布将单调地变化。例如，电压分布可以是线性的。

电压分布还可以是周期性函数，在这种情况下，控制器用于控制离子源和滤质器，以使得离子源在周期性函数中的定义的位置处，例如在过零点、最大值、最小值、拐点或该函数的一些其它特征处，或在以函数的周期的绝对时间或度定义的从这样的特征参考的任何偏移处，将离子团注入到滤质器中。

例如，周期性函数可以是正弦函数，并且提供控制器以控制离子源和滤质器，以使得当电压分布处于或接近于正弦函数的转折点时，离子源将离子团注入到滤质器中。

合适的周期性函数的其它示例是三角函数（交替的正负线性梯度的部分）或锯齿函数（由理想地无穷大梯度的锐的瞬态连接的重复的正梯度部分）。实际上，当由控制器使用以进行合适的选通以保证离子源将离子团注入到滤质器中时，三角函数或锯齿函数都适合于实现线性梯度电压分布，以使得离子团的离子体验周期性函数的单个梯度部分。

驱动电路可以包括与放大设备结合的电压源。

本发明还提供一种质谱分析的方法，该方法包括：产生离子团，每个离子团包括具有相应的质荷比的多个离子；将相应的离子团注入到由电极布置限定的滤质器区域中；以及向该电极布置施加电压分布，其中该电压分布具有向每个离子种类给予动能和速度的函数形式，质荷比越大，该动能越大，质荷比越大，该速度越小；以及通过基于离子的动能并且考虑该电压分布的函数形式区分不同的离子种类，来检测由该电压分布加速的离子。

正弦函数是特别优选的由滤质器施加的电压分布，因为在实践中容易使得源合成正弦电压分布，同时在-π/2和0之间，具体地在-π/2和-π/4之间的正弦波的片段的函数形式相当密切地近似V_t=V₀expt/τ形式的指数脉冲。正弦电压分布容易合成，因为根据定义它是由仅仅单个频率分量构成的，当然具有无穷小的带宽。这使得可以使用非常简单和便宜的驱动电路用于滤质器电极，实质上仅仅是振荡器，其可以例如由简单的调谐电路提供，后面是用于增大电压的升压变压器。

还要注意，施加于滤质器电极的电压脉冲不需要选通离子团进出滤质器，因为这可以用其它方式来完成，因此可以克服设计需要确保仅仅正弦波的片段对离子作用的问题。即，离子源可以在期望的时间将离子团注入到滤质器中，并且离子团将被加速以在由电压脉冲的函数形式定义的时间量之后离开滤质器，因此不需要脉冲中的锐的截止。

以这种方式使用“正弦箱”滤质器意味着质谱仪接近于“指数箱”的等速原理工作，因为所有离子种类将被加速到大约相似的（而不是相等的）速度，但是在速度和质荷比之间也将存在一些弱的依赖性。

相同的选通方法可被用在使用重复的波形的其它实施例中。例如，如果期望上升的线性分布作为有效的函数形式，则电压分布可以是三角形的（即，帐篷或帽子），其中仅仅三角函数的正梯度部分的片段通过离子团注入的合适的选通来选择。

换句话说，选通方法使得能够利用诸如正弦、三角形或锯齿之类的不间断的周期电压分布驱动滤质器，其中函数的任何期望的部分可被选择为施加于离子团的有效部分。

根据本发明的与“正弦箱”方法有关的一个实施例，提供了一种质谱仪，包括：离子源，被配置为根据需要提供离子团，每个离子团包括具有相应的质荷比的多个离子；离子检测器，被布置为接收离子；滤质器，包括被布置在该离子源和该离子检测器之间以限定滤质器区域的电极布置和可操作用于向该电极布置施加电压分布的驱动电路；和控制器，可操作用于控制该离子源和该滤质器，以使得该离子源在该正弦电压分布处于或接近于转折点时，即，对于基于正离子的质谱仪，为-π/2相位处的最小值，或者对于基于负离子的质谱仪，为+π/2相位处的最大值，将离子团注入到该滤质器区域中，由此离子被加速到大致相等的速度而不管它们的质荷比如何。

在优选实施例中，该控制器可操作用于控制该离子源和该滤质器，以使得该离子团在该正弦函数已经到达它的拐点的时间之前，即，对于基于正离子的质谱仪，该拐点在0相位处，或者对于基于负离子的质谱仪，该拐点在π相位处，优选地在所述转折点和所述紧接着随后的拐点之间的时间的一半之前，即，对于基于正离子的质谱仪，在正弦电压分布已经到达-π/4的相位的时间之前，或者对于基于负离子的质谱仪，在正弦电压分布已经到达3π/4的相位的时间之前，离开该滤质器，因为正是正弦函数的这些片段最密切地近似指数函数。

驱动电路可以包括正弦波源，其可以是模拟电路或数字电路，优选地与诸如升压变压器或电压放大器之类的合适的放大设备结合。

使用“正弦箱”方法，还提供了一种质谱分析的方法，该方法包括：产生离子团，每个离子团包括具有相应的质荷比的多个离子；在受控的时间处将相应的离子团注入到由电极布置限定的滤质器区域中；以及向该电极布置施加电压分布，其中所述用于将离子团注入到滤质器区域中的受控的时间是在该正弦电压分布处于或接近于转折点时，即，对于基于正离子的质谱仪，为-π/2相位处的最小值，或者对于基于负离子的质谱仪，为+π/2相位处的最大值，以使得经过滤质器区域的离子团被加速到大致相等的速度而不管它们的质荷比如何。

在优选实施例中，该控制器可操作用于控制该离子源和该滤质器，以使得该离子团在该正弦函数已经到达它的拐点的时间之前，即在0或π相位处，优选地在所述转折点和所述紧接着随后的拐点之间的时间的一半之前，即，对于基于正离子的质谱仪，在正弦电压分布已经到达-π/4的相位的时间之前，或者对于基于负离子的质谱仪，在正弦电压分布已经到达3π/4的相位的时间之前，离开该滤质器区域，因为正是正弦函数的这些片段最密切地近似指数函数。

所述注入和施加步骤优选地被执行以使得该离子团在该正弦函数已经到达它的拐点的时间之前，即对于基于正离子的质谱仪，为-π/2相位处，或者对于基于负离子的质谱仪，为+π/2相位处，优选地在所述转折点和所述紧接着随后的拐点之间的时间的一半之前，即，对于基于正离子的质谱仪，在正弦电压分布已经到达-π/4的相位的时间之前，或者对于基于负离子的质谱仪，在正弦电压分布已经到达3π/4的相位的时间之前，离开该滤质器区域，因为正是正弦函数的这些片段最密切地近似指数函数。

附图说明

为了更好地理解本发明并且显示如何实现本发明，现在通过示例方式参考附图，其中：

图1示出了用在现有技术滤质器中的指数电压脉冲；

图2示出了适合于产生指数脉冲的现有技术驱动电路的示意图；

图3示出了根据本发明的第一实施例的质谱仪的框图；

图4示出了第一实施例的质谱仪的示意性剖视图；

图5是在第一实施例的滤质器中的加速之前和之后的离子团的示意性图；

图6示出了根据本发明的第二实施例的质谱仪的框图；

图7示出了第二实施例的质谱仪的示意性剖视图；

图8是在第二实施例的滤质器中的加速之前和之后的离子团的示意性图；

图9A是对于现有技术、第一实施例和第二实施例的作为离子质量数的函数的离子从滤质器的离开速度的曲线；和

图9B是作为离子质量数的函数的离子能量的相应曲线。

具体实施方式

图3示出了本发明的实施例的驱动电路41的示意性，驱动电路41可以用于控制如在US7247847B2中公开的等速类型的所谓的恒速质谱仪。图3所示的元件包括离子源12、检测器16和驱动电路41，全部电连接到控制器114。控制器114用于至少控制离子源12和驱动电路41。控制器也可以用于控制或从检测器16接收数据。控制器经由一系列控制线116电连接到离子源12、驱动电路41和检测器16的每一个。

驱动电路41包括用于产生正弦波的低电压波形发生器108。例如，波形发生器可以是振荡器。波形发生器电连接到升压变压器110以增大波形发生器108的输出电压。虽然图3所示的驱动电路41的示意图包括用于增大低电压正弦波发生器108的输出电压的升压变压器110，但是应当理解，可以使用高电压放大器，例如高电压运算放大器实现相同的结果。

本发明的驱动电路41替换在US7247847B2中公开的驱动电路。由US7247847B2中的驱动电路生成的波形是一系列离散的指数脉冲。但是，在本发明中，驱动电路41生成连续的正弦信号。因此，控制器114用于同步质谱仪的各个元件，如下所述。

驱动电路41可以用来提供硬连接的固定的正弦信号。控制器114用于检测正弦信号，以使得离子源12和检测器16可以与正弦信号同步，如下所述。可替换地，正弦信号的频率和幅度可以由例如控制器114调整。

控制器114用于至少控制离子源12和驱动电路41。这可以通过使用许多控制线，串行的或并行的控制线，来实现，它们用于切换与离子源12和驱动电路41的电极的接触以提供所需的电源电压。可替换地，控制电路可以向图4所示并且如下所述的离子源12的电极的每一个提供电压。如果控制器用于控制检测器16，则它可以用于控制检测器电极和检测器阵列56。

图4示出了可以使用图3所示的驱动电路41驱动的质谱仪的示意性剖视图。将理解，这恰好是可以使用本发明的驱动电路41控制的质谱仪的示例，并且可以同样使用需要时变电压分布的其它质谱仪。

将就气体的光谱来描述质谱仪，但是本发明同样可应用于非气体分析物。

质谱仪10具有主要由不锈钢部分形成的主体20，不锈钢部分通过由O形环（未示出）封闭的法兰接头22连接在一起。

主体20是细长的和中空的。在主体20的一端提供气体入口24。在主体20的内部两端、气体入口24的下游提供具有网眼（mesh）构造的第一离子排斥器电极26。网眼构造对于通过气体入口24引入的气体是高度渗透的，但是用于在被施加合适的电压时排斥离子。

包括电子源细丝28、电子束电流控制电极30和电子收集器32的离子化器位于第一离子排斥器电极26的下游。电子源细丝28和电流控制电极30位于主体20的内部的一侧，以及电子收集器32位于主体20的内部的与它们相对的另一侧。这些特征以传统的方式工作，即，通过施加合适的电流和电压，电子由源细丝28产生、由控制电极30准直、并且以流行进穿过主体20到收集器32。

以单透镜（Einzel lens）34的形式的离子准直器位于离子化器的下游。单透镜在本领域中已知用于准直离子束[2]。透镜34的下游是位于仅仅主体20的一侧的第二离子排斥器电极36和环形并且延伸跨过主体20并且具有用于使离子通过的孔隙的离子收集器电极38。离子收集器电极38和主体10二者接地。

可以一起考虑上述特征以包括以适合于根据它们的质荷比被加速的形式提供离子的离子源12。离子源12的电极端子的每一个由控制器114控制。可替换地，所有电极端子可以被固定到它们的各个电压上，除将仍然由控制器114控制以将离子源12的操作与滤质器14同步的电极36之外，如下所述。

位于收集器电极38的下游的是包括电极布置的滤质器14。滤质器14在离子收集器电极38和时变脉冲电极40之间延伸长度d。时变脉冲电极40是环形的并且具有用于使离子通过的孔隙。提供驱动电路41用于向使用控制器114控制的时变脉冲电极40施加时变电压分布。控制器114与驱动电路41永久通信，以使得以如下所述的方式，离子源12的操作与滤质器14的操作同步。

在主体10的限定滤质器14的外壁的一部分中提供出口42。出口42允许真空系统的连接，通过该真空系统，质谱仪10的内部的压力可以被减小到通常不高于1.3Pa（～10e^-3托）的所需的工作压力。但是，质谱仪10的内部的压力可以被减小到1.3×10^-2Pa（～10e^-5托），其可用于质谱仪。出口42可以可替换地位于主体20的末端，在气体入口24附近。

一般地说，此实施例和其它实施例的优点是，与例如飞行时间质谱仪相比，设备仅仅需要离子的短的飞行路径，即短的离子源和离子检测器之间的距离。从而，设备可以在相对低真空的情况下，即在相对高的压力下工作，这对便携式设备特别有益。

在US7247847B2中，术语“指数箱”用于指代滤质器14，因为使用一列或一系列脉冲驱动滤质器14，每个脉冲具有指数上升部分，以急剧的截止终止于零电压。但是，由于在本发明中，将使用连续的正弦波驱动滤质器14，因此滤质器14将被称为“正弦箱”。正弦箱14的尺寸可以由离子收集器电极38和时变脉冲电极40之间的长度d和由这些电极包围的面积定义。

正弦箱的时变脉冲电极40连接到驱动电路41的输出112。如上所述，控制器114与驱动电路41通信，以使得离子源12可以与滤质器14同步。

在时变脉冲电极40电极以外，质谱仪10终止于离子检测器16。一对排斥器电极52、54位于时变脉冲电极40的下游。第一电极52位于离子路径的该侧，并且第二电极54位于质谱仪的端壁，有效地在该离子路径中。两个电极52、54基本上是正交的，并且一起形成离子分散器。在检测器箱58中提供检测器阵列56。箱58在接地的主体10的外部，并且具有使得离子从主体10通过到检测器阵列56的孔隙。检测器阵列56位于与第一排斥器电极52相对之处。离子检测器阵列在本领域中是已知的[3,4]。

使用控制器114控制施加于检测器16和阵列检测器56的电极的每一个的电压。可替换地，可以由控制器114提供对于检测器16的电极的每一个的实际驱动电压。由于每个电极的电压是固定的，因此优选的是控制器不用来控制电极。但是，在这种情况下，阵列检测器可以由控制器114控制，以使得它的操作可以与正弦箱同步。

电极全部安装在电极支架43上，电极支架43由诸如陶瓷或高密度聚乙烯（HDPE）之类的合适的绝缘体材料制造。

现在将描述与驱动电路41结合的质谱仪10的操作。

将要被分析的气体以低压力经由气体入口24被吸收入质谱仪10的内部。图中没有显示气体压力减小的手段，但是存在许多可用的已知技术，诸如膜、毛细管漏孔、针形阀等等的使用。气体穿过第一离子排斥器电极26的网眼。

气体然后由来自于电子源细丝28的电子流离子化，以生成正离子束。在电子收集器32处收集电子，电子收集器32是相对于电流控制电极30被设置在正电压的电极，以给予离子源的轴（由图4中的虚线所示）附近的电子大约70eV的能量。这一般被认为是大约电子碰撞离子化的最佳能量，因为大多数分子可以在此能量处被离子化，但是它不会大到生成不希望的碎裂电平。施加于电子收集器32的精确的电压通常将通过实验设置，但是可能将具有140V的量级。应当理解，存在许多可能的电子碰撞离子化源的设计，并且实际上存在其它引起离子化的方法。

不通过电子流离子化的任何气体将穿过质谱仪10并且通过连接到出口42的真空系统泵浦出去。法兰连接是合适的。

上面提到的虚线还指示离子通过质谱仪10。正电压施加于第一离子排斥器电极26，以排斥该（正）离子并且引导它们通过单透镜34以便生成窄的、并行的离子束。正电压施加于第二离子排斥器电极36，以使得离子束通过第二离子排斥器电极36偏转。在离子收集器电极38处收集沿着图4中的标有“A”的点路径的偏转后的离子，离子收集器电极38接地以防止空间电荷的积累。

为了使得离子进入滤质器，第二离子排斥器电极36上的电压被周期性地设置为0V以使得小团离子未偏转，以使得它们通过离子收集器电极38中的孔隙进入正弦箱14。以这种方式，第二离子排斥器电极36和离子收集器电极38形成用于产生离子团的脉冲发生器。此脉冲发生与驱动电路41的输出信号同步。为了保证进入正弦箱的离子与正弦信号同步，使用控制器114。

正弦波与指数函数的数学比较显示，正弦波的最密切类似指数上升的区域或片段是-π/2到0的相位之间，更具体地在-π/2和-π/4之间的区域或片段。因此，正离子团需要在正弦驱动信号在-π/2的相位或至少接近于-π/2的相位时被注入到正弦箱中。如上所述，控制器与驱动电路41通信，以使得0电压施加于电极36（离子源12的一部分），以使得正离子团在正弦驱动信号处于-π/2的相位时的点进入正弦箱。

将理解，实际上在正弦驱动信号处于-π/2时，可能不能将离子团注入在滤质器14中。通过在接近于此点（也被称为正弦电压分布中的最小值）注入离子团，它可能在最小值时间之前和之后的最小值的10度之内，优选地在5、4、3、2或1度之内。

最大电压被指定为V_max。（由于在这种情况下离子是带正电的，因此正弦波将是负向的。在带负电的离子的情况下，将需要是正向的。）由时变电压脉冲产生的增大的电场对离子的作用是以增大的速率向时变脉冲电极40加速它们。具有最小的质量的离子具有最低的惯性并且将被更快地加速，如同带有最大的电荷的离子一样，以使得具有最低的m/z率的离子将经受最大的加速。相反地，具有最大的m/z率的离子将经受最小的加速。在t秒之后，所有离子已经行进了距离d并且通过时变脉冲电极40。因此，离子根据它们的m/z率在空间上分离，最轻的离子领先，因为这些已经经受了最大的加速并且因此已经最快地行进了距离d。因为离子具有不同的质量，所以它们具有不同的动能。

在US7247847B2中，使用指数，因此理论上所有离子将具有相等的速度。但是，由于用在本发明中的正弦信号将偏离指数，因此离子将不会全部处于相等的速度。然而，动能的散布将被给予不同的质量的离子，因此离子种类基于它们的不同的动能在检测器处是可区分的，在构思上与US7247847B2的等速设计的方式相同。

动能由公知的公式E=mv²/2给出，因此动能不像在等速设计中那样简单地与质量成比例，由于滤质器不向离子施加指数电压脉冲，而是从正弦信号的单调片段导出的电压脉冲。为了加速离子团施加的正弦信号片段从由控制器指示的操作定时知道。从已知的电压脉冲形状，可以推出离子种类（即，m/z率）和从滤质器的离开动能（和速度）之间的函数关系。因此，像现有技术的指数箱一样，正弦箱14使得能够基于在滤质器中给予离子的动能根据它们的m/z率区分离子。

与离子通过其呈现相等的速度的指数箱不同，离子在速度散布的情况下离开正弦箱的事实仅仅改变m/z率和动能之间的函数关系，但是由于此函数关系从已知的电压函数是已知的，因此在检测器处可以完全考虑它而不损失任何分辨率。换句话说，与指数箱设计的等速原理的偏离基本上不与分辨率的任何损失相关联。但是，在概念上，正弦箱设计的工作原理仍然更类似于指数箱设计，因为在这两种情况下，离子种类在动能方面分离和区分开来。正弦箱和指数箱设计二者在概念上仍然不同于飞行时间质谱仪，飞行时间质谱仪基于根据由滤质器施加的速度差别来分离和区分离子种类，其使得能够基于漂移管中的足够分离之后的到达时间在检测器处区分离子种类。

需要被施加于各个电极的电压的精确值取决于在质谱仪10中采用的准确的几何形状。合适的电压的集合的示例如下：

离子排斥器电极+10V

电子收集器    +140V

单透镜I       +5V

      II      +3V

      III     +4V

离子排斥器电极+60V

一旦离子已经离开正弦箱，它们就必须根据它们的m/z率被检测，因此可以导出气体的质谱。

因为正弦箱14通过给予离子不同的动能来根据它们的m/z率加速它们，所以离子检测器16可以通过基于它们的动能区分离子来工作。此方法不同于采用离子检测器的传统的飞行时间质谱仪中的方法，该离子检测器基于离子的不同的速度由此基于到达时间来区分不同的质量的离子。

图4所示的离子检测器16如下操作：

稳定的正电压施加于产生弯曲电场的排斥器电极52、54。因为离子离开正弦箱14，所以它们进入此弯曲场，该弯曲场用于使离子向检测器阵列56偏转，离子在检测器阵列56处被检测到。偏转量，由此离子通过此场的轨迹，将通过离子的能量来确定，因此它们将根据它们的m/z率分散在检测器阵列56上。排斥器电极52、54的几何布置和施加于它们的电压一起确定可以被检测的m/z率的范围和实现的分辨率。以传统方式从检测器阵列信号获得质谱。

要被施加于排斥器电极52、54的合适的电压为+400V的量级。但是，施加于排斥器电极52、54所需的电压取决于它们的准确的尺寸、形状和在工作设备中的位置。+300V和+500V之间的值可以用在不同的情况。因此+400V的图应当被看作仅仅是说明性的。此外，如果极性反转，则将当然使用负值。

虽然可以利用此离子检测器16对于单个离子团获得结果，但是可以积累连续的团以便提高信噪比，从而提高质谱仪的灵敏度。可替换地，此离子检测器可以用于获得时间分辨的数据。

图5示意地示出了正弦箱14的原理。离子团44在具有零施加电压的离子收集器电极38处进入正弦箱。离子然后行进到时变脉冲电极40，由驱动电路41向时变脉冲电极40施加时变电压分布46（在这种情况下，由于离子为正的，因此正弦波是负向的，如前所述）。在经过时变脉冲电极之后，离子在空间上分离，其中最重的离子48（最大的m/z率）在后面，并且最轻的离子50（最低的m/z率）在前面。

将理解，将使用正弦波不断地驱动时变电压电极40，如上所述。但是，将仅仅使得离子团在正弦波信号的特定点进入正弦箱。在此示例中，在图5中在电压分布46上示出了将使得离子团进入正弦箱的时间，如上所述。这通常在正弦波的-π/2的相位或最小值处。

在US7247847B2中，用于驱动滤质器的指数脉冲是一系列离散的脉冲，使用锐的截止终止每个脉冲。由于在本发明中使用正弦波，因此不存在锐的截止。因此，质谱仪、驱动电路41和控制器114应当被操作以使得在正弦波到达0相位之前被注入到滤质器中的离子团中的所有离子已经离开（即脱离或离去）检测器16。为了防止与用在US7247847B2中的指数驱动信号的进一步偏离，优选的是在正弦波到达-π/4的相位之前离子团中的所有离子离开离子过滤器。

在以上的详细描述中，我们已经假定了正在考虑正的离子质谱仪，除非离子的符号已被明确地提及。应当理解，即使通常较少采用负离子质谱分析，本发明的原理也可以同样很好地应用于负离子。在这种情况下，这里描述的电场的极性将需要被反转，这实际上意味着离子团需要在+π/2或接近于+π/2的相位处被注入到滤质器中并且应当在相位+π（而不是0）之前，更优选地在相位+3π/4（而不是-π/4）之前离开。

将理解，虽然上面已经描述了仅仅单个正弦源，但是可以期望使用较高频率，具体地具有基本频率或基频的整数倍的一个或多个附加的正弦源，其中不同的频率分量叠加并且共同应用于滤质器电极。这可以使得能够在给定时间片段内实现与指数更接近的函数近似，同时仍然保持对于每一个频率分量使用简单的低成本的窄带宽的放大的能力。

图6示出了本发明的另一个实施例的驱动电路41的示意图。使用相同的参考数字识别与图3所示的元件共同的图6所示的元件。驱动电路41的与图3共同的元件具有相同的功能。

在图6中，驱动电路41包括运算放大器积分器或积分器118和放大器120。本实施例的驱动电路41替换在US7247847B2中公开的驱动电路。在本发明的本实施例中，驱动电路41生成线性增大的电压信号，或简称为线性电压信号。因此，控制器114用于同步质谱仪的各个元件。

驱动电路41用于通过向积分器118的输入施加负电压以生成单调增大的电压信号来控制积分器118。将理解，可以使用正驱动信号实现单调减小的电压信号。施加于积分器118的输入信号的幅度可以用来改变输出信号的变化率。积分器还可以包括重置，因此来自于积分器118的输出信号可以在积分器118已经达到饱和之前或在积分器118已经达到饱和时被重置。重置可以是与积分器118的反馈电容器并联连接的压控开关的形式。

控制器114用于将离子源12和检测器16与线性电压信号同步。换句话说，在积分器118被重置并且信号施加于积分器118的输入之后，控制器114用于至少控制离子源12和驱动电路41。

在此实施例中，术语线性箱用于描述与上面用来描述第一实施例的术语正弦箱和用于描述现有技术的“等速”类似的滤质器。

对于线性箱14中的施加于电极40的线性电压信号，离开线性箱14的离子通常将具有速度的散布。重要的特征是离子种类仍然具有给予它们的动能，动能遵循从轻离子到重离子的定义的函数关系，其中较重的离子具有比较轻的离子更多的动能，或者更准确地包括电荷状态，较高的m/z率的离子具有比较低的m/z率的离子更多的动能。

积分器118的组件将是已知的，并且施加于积分器118的输入的电压将被控制器114控制，因此可以使用已知的计算确定积分器的输出。因此，可以确定施加于线性箱14的电压信号的形状和值。由于电压信号的形状是已知的，因此可以计算给予特定质量的离子的能量，因此计算它们的质量。例如，可以使用数字积分。如上所述，一旦离子已经离开线性箱，它们就根据它们的m/z率被检测到，因此可以导出分析物的质谱。因为线性箱14通过给予离子不同的能量来根据它们的m/z率加速它们，所以离子检测器16可以通过基于离子的动能区分离子来工作。

图7是采用与图4所示的实施例不同类型的离子检测器16的质谱仪的示意性横截面。第一检测器电极60位于指数脉冲电极40的下游，指数脉冲电极40是环形的，具有用于使离子通过的孔隙。此电极60用作能量选择器。在此之后，第二检测器电极62位于离子路径中。这实际上是单个元件检测器，并且可以例如是法拉第杯。提供电压电源63以用于向第一检测器电极60和第二检测器电极62施加电压。

在使用中，第一检测器电极60和第二检测器电极62被设置为V_t+V_r伏的电势，其中V_t是上面定义的时变电压分布，以及V_r是为了排斥或反射具有小于V_r电子伏特的能量的离子而选择的偏压。因此，仅仅具有等于或大于V_r电子伏特的能量的离子穿过第一检测器电极60并且到达第二检测器电极用于检测。可替换的布置省略了第一检测器电极，因此紧接在检测非排斥的离子之前在第二检测器电极处排斥离子。

为了获得质谱数据的集合，V_r最初被设置为零，因此团中的所有离子被检测到。对于下一团，稍微增大V_r以反射最低能量的离子，并且允许检测到其余离子。重复此处理，其中对于每一个团逐渐增大V_r，直到该场是使得所有离子被反射并且没有离子被检测到。然后可以操作对于每一个团检测到的信号的数据集以输出离子电流相对于m/z率的曲线，即质谱。

可替换地，可以通过从排斥所有离子的V_r的高的值开始执行离子检测。然后对于每一个连续的离子团减小V_r，直到V_r为零，并且检测团中的所有离子。实际上，只要在与全范围的离子能量对应的许多不同的值内扫描V_r，就能够以任何任意序列执行检测过程。所需要的是在检测过程期间覆盖所考虑的完整范围的离子能量。可以通过改变进行的具有不同的V_r值的测量的数目来根据需要改变此离子检测器的分辨率。在给定的离子能量范围内的较大的测量数目给出较好的分辨率。此外，还可以将离子检测器设置为特定的电压或窄的电压范围，以便集中于一个或多个窄的m/z区域。

图8示意地示出了在由图6所示的驱动电路41驱动时的线性箱14的原理。离子团44在具有零施加电压的离子收集器电极38处进入线性箱。离子然后行进到时变脉冲电极40，通过驱动电路41向时变脉冲电极40施加线性电压分布46。在经过线性脉冲电极之后，离子在空间上分离，其中最重的离子48（最大的m/z率）在后面，并且最轻的离子50（最低的m/z率）在前面。

在线性箱实施例的变型中，可以将线性波形生成为具有恒定幅度、短的持续时间和增大的重复频率的调频脉冲串。重复频率线性地增大。此类型的脉冲系列或脉冲序列给出了完全等效于线性脉冲的效果，因为脉冲的时间平均值对应于线性函数。另一个变型将是提供具有恒定的重复频率和线性增大的脉冲幅度的脉冲序列，其也将提供线性函数。调频的脉冲串适合于用来产生周期性的波形，诸如上述锯齿和三角函数。调频的脉冲串也可以用于依照要求产生其它函数形式以实现本发明的进一步的实施例。应当注意，先前已经参考US7247847B2[1]的现有技术指数箱设计提议了调频的脉冲串方法。

在本发明的实施例中，驱动电路41已被描述为在正弦或线性箱14的出口处驱动电极40并且在连接到0伏特的线性箱14的入口处驱动电极38。但是，将理解，可以将这两个反转，以使得驱动电路41在正弦或线性箱的入口处驱动电极38，并且在连接到0伏特的正弦或线性箱14的出口处驱动电极40。将理解，在这种情况下，驱动电压将需要具有与先前的实施例相比反转的极性，以便保持该箱中正确的场梯度。从而离子被推向检测器而不是被拉（即吸引）向它。

还将理解，进一步的实施例是可能的，其中图4的检测器方案用于线性箱实施例以及图7的检测器方案用于正弦箱实施例。

图9A和9B是示出了线性箱实施例、正弦箱实施例和US7247847B2[1]的指数箱的相对性能的图。图9A是假定单个电子电荷q=1.602×10^-19C时作为离子质量数N的函数的离子从滤质器离开的速度V以m/s的曲线。图9B是还假定单个电子电荷时作为离子质量数N的函数的滤质器的出口处以eV的离子能量E的相应曲线。所有示例采取电极38和40之间的如图4和7所示的d=5×10^-2m的电极间隔距离。图9A和9B中的指数箱特征分别由实线V_exp、E_exp示出。图9A和9B中的正弦箱特征分别由长虚线V_sin、E_sin示出。图9A和9B中的线性箱特征分别由短虚线V_lin、E_lin示出。对于指数示例，采取时间常数为τ=1×10^-6s^-1。对于线性示例，采取斜坡率为R=1.15×l0⁸V/s。对于正弦示例，采取波频率为ω=1.6×10⁵Hz和波幅度v₀=2000V。在两个图中，曲线被归一化到质量数20，以便于视觉比较。在附录A和B中提供对于正弦和线性电压分布的速度作为质荷比的函数的等式的各个推导，这些是在图9A中绘制的函数。在图9B中绘制的函数直接遵循熟悉的动能、质量和速度之间的关系，即E=1/2mv²。

指数箱特征显示了，滤质器将所有离子种类加速到相等的速度，并且给予离子种类的动能随着质量数线性地缩放，因为当然动能与质量成比例，并且速度全部都相同。相反，正弦和线性电压脉冲生成更复杂的函数关系，其一般彼此类似，因为低质量的离子被加速到比高质量的离子更高的速度（图9A），并且低质量的离子被给予比高质量的离子更低的动能（图9B）。重要的是，线性和正弦电压分布二者给定了能量作为质量数的函数的单调函数，以使得在离子检测器处，到达能量唯一地与质量数（或或更一般地，质荷比）相关联。但是，能量分辨率由此质量分辨率不如指数箱那样好，从E(N)曲线的较小的梯度可以得到佐证。在这方面将线性与正弦曲线相比较，正弦箱比线性箱提供更大的梯度，即更好的能量或质量分辨率。

产生正弦电压函数也将一般可利用比线性电压函数更简单的电子设备来实现，虽然二者比指数电压函数实现起来都简单得多。

在正弦电压分布的情况下，离子将最有效地被注入到滤质器中，以被定时到与正弦函数的最小值一致。注入可以发生在每个循环上或在每第n个循环，例如每第二或第三个循环，发生一次，其中n是整数。在线性电压分布的情况下，可以使用周期性的锯齿，或具有脉冲之间的任何期望的长度的停留时间的锯齿，其可以相等以提供同步、周期性函数或异步。离子的注入将最有效地发生在每个线性斜坡电压的基点处。锯齿确实具有比正弦信号的优点在于，在正弦信号期间的时间的四分之三是离子不能被加速同时等待正弦信号返回到它的最小值的停滞时间。正弦信号的使用的部分是从最小值到拐点（后面的循环的四分之一）。相反，在信号在斜坡的顶部立即下降回到斜坡的底部的情况下，锯齿可以不具有停滞时间。因而锯齿本征地具有四倍于相比较的正弦信号的离子团吞吐量，并且与在现有技术US7247847B2[1]中预期的重复的指数电压分布相同。

附录A：使用正弦电压分布的加速

被置于两个电极之间的电场E中的质量m和荷+q的离子将经受加速，由下式给出：

$\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{\mathrm{qE}}{m}---1$

其中s是离子在时间t中行进的距离。

如果两个电极分开距离d并且在任何时刻施加在电极之间的电压是V_t，则加速的表达式变为：

$\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{{\mathrm{qV}}_t}{\mathrm{md}}$

如果施加于电极的电压在函数上是正弦，具有幅度V₀和频率ωrad/s，以使得在t=0时V_t=0，并且V_t一直为正，则：

V₁＝V₀[1-cos(ωt)]

并且离子的加速可以被表示为：

$\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{q{V}_0}{\mathrm{md}}[1-\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)]---2$

瞬时速度v_t然后可以通过对等式2积分来获得，如下：

$v_t=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{qV}}_0}{\mathrm{md}}[t-\frac{\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)}{\mathrm{\ω}}]+C---3$

其中C是积分常数。

如果离子的速度在t=0时为零，则从等式3，C=0。

重排等式3并且使得C=0对于离子在时间t的速度给出表达式：

$v_t=\frac{{\mathrm{qV}}_0}{\mathrm{md\ω}}[\mathrm{\ωt}-\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)]---4$

行进的距离s然后可以通过进一步积分得到：

$s=\frac{{\mathrm{qV}}_0}{\mathrm{md\ω}}[\frac{{\mathrm{\ωt}}^2}{2}+\frac{\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}{\mathrm{\ω}}]+C^{\′}---5$

其中C是第二积分常数。

重排等式5给出：

$s=\frac{q{V}_0}{\mathrm{md}{\mathrm{\ω}}^2}[\frac{{\mathrm{\ω}}^2{t}^2}{2}+\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)]+C^{\′}---6$

通过定义，因此从等式5，在t=0时，s=0。

$C^{\′}=\frac{-q{V}_0}{\mathrm{md}{\mathrm{\ω}}^2}---7$

将7代入6中对于离子在时间t后行进的距离给出表达式：

$s=\frac{q{V}_0}{\mathrm{md}{\mathrm{\ω}}^2}[\frac{{\mathrm{\ω}}^2{t}^2}{2}+\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-1]---8$

通过用麦克劳林级数的开头5项替代cos(ωt)来展开等式8给出：

$s=\frac{q{V}_0}{\mathrm{md}{\mathrm{\ω}}^2}[\frac{{\mathrm{\ω}}^2{t}^2}{2}-1+(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{t}^2}{2}+\frac{{\mathrm{\ω}}^4{t}^4}{24}-\frac{{\mathrm{\ω}}^6{t}^6}{720}+\frac{{\mathrm{\ω}}^8{t}^8}{40320})]---9$

重排等式9给出：

$s=\frac{{\mathrm{qV}}_0}{{\mathrm{md\ω}}^2}[\frac{{\mathrm{\ω}}^4{t}^4}{24}-\frac{{\mathrm{\ω}}^6{t}^6}{720}+\frac{{\mathrm{\ω}}^8{t}^8}{40320}]---10$

然后，到第一近似（忽略高次项）：

$s=\frac{q{V}_0}{\mathrm{md}{\mathrm{\ω}}^2}\·\frac{{\mathrm{\ω}}^4{t}^4}{24}$

重排给出：

$s=\frac{q{V}_0{\mathrm{\ω}}^2}{24\mathrm{md}}{t}^4---11$

在时间t_e，此时离子到达负电荷更多的电极，离子行进的距离将是d，即电极分开的距离。

因此在等式11中用d替代s给出：

$d=\frac{q{V}_0{\mathrm{\ω}}^2}{24\mathrm{md}}{t}_e^4---12$

重排12给出对于离开时间t_e的表达式：

$t_e={\left[\frac{{24\mathrm{md}}^2}{q{V}_0{\mathrm{\ω}}^2}\right]}^{\frac{1}{4}}---13$

将对于离开时间的表达式（等式13）带入速度等式（4）中给出对于离开速度v_e的下述表达式：

$v_e=\frac{q{V}_0}{\mathrm{md\ω}}[{\left(\frac{24{\mathrm{\ω}}^{2}m{d}^2}{q{V}_0}\right)}^{\frac{1}{4}}-\sin {\left(\frac{24{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{md}}^2}{{\mathrm{qV}}_0}\right)}^{\frac{1}{4}}]$

附录B：使用线性电压分布的加速

被置于两个电极之间的电场E中的质量m和荷+q的离子将经受加速，由下式给出：

$\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{\mathrm{qE}}{m}---1$

其中s是离子在时间t中行进的距离。

如果两个电极分开距离d并且在任何时刻施加在电极之间的电压是V_t，则加速的表达式变为：

$\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{{\mathrm{qV}}_t}{\mathrm{md}}$

如果施加于电极的电压最初是零并且随时间按速率R线性地增大，则：

V₁＝Rt

并且对于离子的加速的表达式变为：

$\frac{d^{2}s}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{\mathrm{qRt}}{\mathrm{md}}---2$

瞬时速度v_t然后可以通过对等式2积分来获得，如下：

$v_t=\frac{\mathrm{ds}}{\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{qRt}}^2}{2\mathrm{md}}+C---3$

其中C是积分常数。

如果离子的速度在t=0时为零，则从等式3，C=0，给出：

$v_t=\frac{q{\mathrm{Rt}}^2}{2\mathrm{md}}---4$

行进的距离s然后可以通过进一步积分得到：

$s=\frac{{\mathrm{qRt}}^3}{6\mathrm{md}}+C^{\′}---5$

其中C’是第二积分常数。

通过定义，因此从等式5，C’=0，在t=0时，s=0，给出：

$s=\frac{{\mathrm{qRt}}^3}{6\mathrm{md}}---6$

在时间t_e，此时离子到达负电荷更多的电极，离子行进的距离将是d，即电极分开的距离。

在等式6中，用d替代s，并且用t_e替代t，因此给出：

$d=\frac{\mathrm{qR}{t_e}^3}{6\mathrm{md}}---7$

在7中代入4给出：

$d=v_e\frac{t_e}{3}---8$

其中v_e是在t_e时间时的离子速度。

重排8给出：

$t_e=\frac{3d}{v_e}---9$

在4中代入9给出：

$v_e=\frac{9\mathrm{qRd}}{2m{v}_e^2}$

重排给出：

$\frac{m}{q}=\frac{9\mathrm{Rd}}{2v_e^3}---10$

显示出，质/荷比与离开速度的立方成反比。

参考文献

[1]US7247847B2

[2]"Enhancement of ion transmission at low collision energiesvia modifications to the interface region of a 4-sector tandemmass-spectrometer",Yu W.,Martin S.A.,Journal of the AmericanSociety for Mass Spectroscopy,5(5)460-469May 1994

[3]"Advances in multidetector arrays for mass-spectroscopy-ALINK(JIMS)Project to develop a new high-specification array",Birkinshaw K.,Transactions of the Institute of Measurement andControl,16(3),149-162,1994

[4]"Focal plane charge detector for use in mass spectroscopy",Birkinshaw K.,Analyst,117(7),1099-1104,1992

Claims (18)

1.一种质谱仪，包括：

离子源，被配置为根据需要提供离子团，每个离子团包括具有质荷比的多个离子，具有共同的质荷比的那些离子被称为离子种类；

滤质器，包括被布置为从该离子源接收该离子团的电极布置和可操作用于向该电极布置施加电压分布的驱动电路，其中该电压分布具有向每个离子种类给予动能和速度的函数形式，质荷比越大，该动能越大，质荷比越大，该速度越小；和

离子检测器，被布置为接收从该滤质器输出的离子，以及可操作用于基于离子的动能并且考虑该电压分布的函数形式来区分不同的离子种类。

2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中该电压分布单调地变化。

3.根据权利要求1所述的质谱仪，其中该电压分布是线性的。

4.根据权利要求1所述的质谱仪，其中该电压分布是周期性函数，以及提供控制器来控制该离子源和该滤质器，以使得该离子源在该周期性函数的定义的位置处将离子团注入到该滤质器中。

5.根据权利要求4所述的质谱仪，其中该周期性函数是正弦函数，并且该控制器可操作用于使得该离子源在该电压分布处于或接近于该正弦函数的转折点时将离子团注入到该滤质器中。

6.根据权利要求5所述的质谱仪，其中该控制器可操作用于控制该离子源和该滤质器，以使得该离子团在该正弦函数已经到达所述转折点之后的拐点的时间之前离开该滤质器。

7.根据权利要求6所述的质谱仪，其中所述离子团在所述转折点和所述拐点之间的时间的一半之前离开该滤质器。

8.根据权利要求5、6或7所述的质谱仪，其中所述转折点是在-π/2相位处的最小值，并且其中所述离子是正离子。

9.根据权利要求5、6或7所述的质谱仪，其中所述转折点是在+π/2相位处的最大值，并且其中所述离子是负离子。

10.一种质谱分析的方法，该方法包括：

产生离子团，每个离子团包括具有质荷比的多个离子，具有共同的质荷比的那些离子被称为离子种类；

将相应的离子团注入到由电极布置限定的滤质器区域中；

向该电极布置施加电压分布，其中该电压分布具有向每个离子种类给予动能和速度的函数形式，质荷比越大，该动能越大，质荷比越大，该速度越小；和

通过基于离子的动能并且考虑该电压分布的函数形式区分不同的离子种类，来检测由该电压分布加速的离子。

11.根据权利要求10所述的方法，其中该电压分布单调地变化。

12.根据权利要求10所述的方法，其中该电压分布是线性的。

13.根据权利要求10所述的方法，其中该电压分布是周期性函数，并且该离子团在该周期性函数的定义的位置处被注入到该滤质器中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中该周期性函数是正弦函数，并且该离子团在该电压分布处于或接近于该正弦函数的转折点时被注入到该滤质器中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中执行该注入和施加步骤以使得该离子团在该正弦函数已经到达所述转折点之后的拐点的时间之前离开该滤质器区域。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述离子团在所述转折点和所述拐点之间的时间的一半之前离开该滤质器区域。

17.根据权利要求14、15或16所述的方法，其中所述转折点是在-π/2相位处的最小值，并且其中所述离子是正离子。

18.根据权利要求14、15或16所述的方法，其中所述转折点是在+π/2相位处的最大值，并且其中所述离子是负离子。

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