CN102939638B

CN102939638B - 开口阱质谱仪

Info

Publication number: CN102939638B
Application number: CN201080065023.0A
Authority: CN
Inventors: 阿纳托利·韦列奇科夫
Original assignee: Leco Corp
Current assignee: Leco Corp
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: DE112010005323B8; US20130056627A1; GB201003447D0; WO2011107836A1; JP5807023B2; JP6223397B2; CN102939638A; US20160240363A1; DE112010005323T5; JP2013528892A; JP2016006795A; US9673036B2; US9312119B2; DE112010005323B4; GB2478300A

Abstract

针对利用宽且发散的离子包的操作公开了一种开口静电阱质谱仪。检测器上的信号由对应于各种离子循环（称为多重谱）的信号构成。使用多重谱内的相对强度的可再现分布，可以针对较稀疏的谱（例如，通过级联质谱仪的裂解单元、经过离子迁移率和差分离子迁移率分离器的谱）对信号进行解扰。针对具体的脉冲离子源和脉冲转换器（例如，正交加速器、离子导向器和离子阱）提供各种实施例。本方法和设备提高了脉冲转换器的占空比，改进了开口阱分析仪的空间电荷容限，并且扩展了飞行时间检测器的动态范围。

Description

开口阱质谱仪

技术领域

本发明总体上涉及质谱分析、静电阱和多通飞行时间质谱仪的领域，更具体地说，本发明涉及包含具有非固定飞行路径的开口静电阱（open electrostatic trap）的设备及使用方法。

定义

本申请提出在本文中命名为“开口静电阱”的新型设备和方法。其特征与传统静电阱（E阱）和多通飞行时间（M-TOF）质谱仪两者的特征类似。在所有这三种情况中，脉冲离子包在静电分析仪内经历多次同步振荡（反射或转弯）。这些技术之间的差异通过静电场的布置、通过离子轨迹和通过检测原理来限定。在传统E阱中，场在所有三个方向上都捕获离子，并且离子可以被不确定地捕获。在M-TOF中，离子包沿着固定的飞行路径穿过静电分析仪传播到检测器。在开口E阱中，离子在被限制在至少一个方向上的同时也穿过分析仪传播，但是飞行路径不固定—在离子到达检测器前，它在某一跨度ΔΝ内可以包含整数N个振荡。这样形成的单个m/z核素的多信号组在本文中被称为“多重谱（multiplet）”。然后，在依赖于多重谱内的与质量无关的振幅分布和峰值定时的同时，这样形成的部分重叠的谱被重构。

背景技术

TOF和M-TOF ：飞行时间质谱仪（TOF MS）被广泛地用于分析化学中，用于各种混合物的识别和定量分析。对于实际应用，这样的分析的灵敏度和分辨率是重要的关注事项。为了提高TOF MS的分辨率，由Mamyrin等人提出的US 4,072,862（通过引用并入本文）公开了一种用于改进与离子能量有关的飞行时间聚焦的离子镜。为了提高TOF MS的灵敏度，由Dodonov等人提出的W09103071（通过引用并入本文）公开了一种提供将连续离子流有效地转换为脉冲离子包的正交脉冲注入的方案。很久以前就认识到用飞行路径来度量TOF MS的分辨率。

为了在保持适度的物理长度的同时提高飞行路径，已经提出了包含多反射（MR-TOF）和多转弯（MT-TOF）质谱仪的多通飞行时间质谱仪（M-TOF MS）。由Nazarenko等人提出的SU1725289（通过引用并入本文）介绍了一种使用二维无格栅和平面离子镜的折叠路径MR-TOF MS的方案。反射镜几何结构和电势被设置为提供同步离子振荡。离子经历平面反射镜之间的多次反射，同时在所谓的偏移方向（这里为Z轴）上缓慢地向检测器漂移。通过改变离子注入角度来调整循环的数量和分辨率。但是，通过飞行时间检测原理，该技术假定固定的飞行路径，并且离子反射的数量被限制为很小，从而避免相邻反射之间的重叠。

通过引用并入本文的GB2403063和US5017780公开了在二维MR-TOF内的一组周期性透镜，以将离子包沿着主锯齿形轨迹限制。该方案提供固定的离子路径并允许使用数十次的离子反射而没有空间上的重叠。但是，使用周期性透镜会不可避免地导致飞行时间偏离，这会强制限制离子包的空间大小。为了提高离子脉冲注入平面MR-TOF的效率，通过引用并入本文的WO2007044696提出了使用双正交注入的方案。尽管改进了，脉冲转换的占空比（duty cycle）仍然保持在1%以下。在正交加速之前的气体射频（RF）离子导向器内的速度调制将占空比提高了5至10倍。

在2006年5月西雅图召开的第五十四届关于质谱仪技术的ASMS会议上的Kozlov等人的论文“Space Charge Effects in Multi-reflecting Time-of-flight MassSpectrometer”描述了针对离子累积和脉冲注入到MR-TOF而使用轴向阱。该方案将占空比提高到几乎1，并允许致密的离子包通过并进入MR-TOF分析仪。但是，由于空间电荷效应，阱和MR-TOF分析仪两者均在1E+6到1E+7离子/秒（i/s）之上的离子流处快速地饱和。这比在ESI、PI和APCI源的情况中提供高达1E+9i/s、在El源的情况中提供高达1E+10 i/s以及在ICP离子源的情况中提供高达1E+11 i/s的现代离子源所能传送的要小得多。空间电荷饱和限制LC-MS和LC-MS-MS分析的动态范围，特别是在要求高速的数据获取（>每秒10个谱）时。

对上文进行总结：由于在不劣化分析仪参数的情况下，现有技术的MR-TOF质谱仪不能从现代离子源接收1E+7 i/s以上的大离子流，因此现有技术的MR-TOF质谱仪增强了分辨率，但具有有限的占空比（并且因此具有有限的灵敏度）和有限的动态范围。

具有TOF检测器的E阱MS：在这种混合—E阱/TOF技术中，离子被脉冲注入到捕获静电场中并沿着相同的离子路径经历重复的振荡。在对应于大量循环的一定延迟后，离子包被脉冲喷射到TOF检测器上。在GB2080021的图5中和US5017780中（通过引用并入本文），离子包在同轴无格栅反射镜之间被反射。由于离子重复相同的轴向轨迹，因此该方案被称为I路径M-TOF。混合M-TOF/E阱的另一种类型在具有静电区的多-转弯MT-TOF内实现。静电区之间的离子轨迹的回路（looping）由Ishihara等人在US6300625中和“A Compact Sector-Type Multi-Turn Time-of-Flight Mass Spectrometer MULTUM-2”,NuclearInstruments and Methods Phys.Res.,A 519(2004)331-337（通过引用并入本文）中进行了描述。在所有混合E阱/TOF方法中，为了避免谱重叠，被分析的质量范围与循环的数量成反比地缩小。

具有频率检测器的E阱MS：为了克服质量范围限制，I-路径M-TOF已经被转换为I-路径静电阱，其中，离子包没有被喷射到检测器上，而是如US6013913A、US5880466和US6744042（通过引用并入本文）中提出的那样，采用图像电流检测器来感测离子振荡的频率。这样的系统被称为I-路径E阱或傅里叶变换（FT）I-路径E阱。该I-路径E阱遭受慢的振荡频率和非常有限的空间电荷容量。低振荡频率（对于1000amu的离子，低于100kHz）和低空间电荷容量（每次注入1E+4的离子）的结合严重地限制了可接受的离子流或者导致强空间电荷效应，诸如离子包的自聚群和峰值合并。

在通过引用并入本文的US5886346中，Makarov提出具有图像电荷检测器的静电轨道阱（）（商标“Orbitrap”）。该轨道阱是具有超对数场的柱形静电阱。为了将离子限制在径向方向上，脉冲注入离子包围绕中心主轴电极旋转，并在接近理想的线性场（二次电势分布）中振荡，该线性场提供具有与离子能量无关的周期的谐波轴向离子振荡。图像电荷检测器感测离子轴向振荡的频率。Orbitrap与所谓的C-trap（具有弯曲轴并具有径向离子注入的RF线性阱）的结合提供了更大的每单个离子注入的空间电荷容量（SCC）：SCC=3E+6离子/注入（Makarov等人，“Performance Evaluation of a High-Field Orbitrap MassAnalyzer”JASMS.,v.20(2009)#8,pp 1391-1396，通过引用并入本文）。但是，轨道阱会遭受慢的信号获取。使用图像检测器的信号获取花费大约1秒钟来获得具有在m/z=1000处的100,000分辨率的谱。慢的获取速度与C-trap的空间电荷限制的结合在最不利的情况中将质谱仪的占空比限制为0.3%。

这样，在达到高分辨力的尝试中，现有技术的具有图像电荷检测的静电阱和多通飞行时间质谱仪将接受的离子流限制到1E+7i/s以下，这在最不利的情况中将有效占空比限制到0.3至1%以下。

本发明的至少一个方面的目的在于至少消除或缓解一个或多个前述问题。

本发明的至少一个方面的进一步的目的在于改进质谱仪的离子流吞吐量和占空比，该质谱仪具有在大约100,000的范围内的高分辨力。

发明内容

发明人已经实现了新型的质谱仪，即，在本文中所称的“开口静电阱”，与现有技术E阱和M-TOF相比，其改进了质谱仪的参数（分辨率、灵敏度和动态范围）的组合。与多通TOF类似，开口静电阱（E阱）采用相同类型的分析仪的静电场，其中，在从脉冲源行进到检测器时，离子包经历多次振荡（在离子镜之间的反射或静电区内的回路循环（loop cycle））。与多通TOF相反，E阱不采用将离子包限制在所谓的漂移方向（在本申请中总是Z方向）上的手段。脉冲离子源与离子检测器之间的离子路径由整数N个离子振荡构成，其中，数字N不是固定的，而是可以在某一跨度ΔΝ内改变。谱解码利用现有已知的关于每个多重谱组内的测量强度分布和喷射定时的信息。

考虑m/z核素的多样性，在开口E阱中的信号由来自整数（N+-ΔN/2）次的反射的部分重叠信号（即本文所称的“多重谱”）构成，其产生额外的复杂性的是谱解码。另一方面，离子包在漂移Z方向上的扩展扩大了分析仪的空间电荷容量与检测器的动态范围。该方法允许扩展脉冲转换器的长度和喷射频率，并且这种方法基本上提高了脉冲转换的占空比，并且，因此，提高了具有非固定飞行路径的开口静电阱的灵敏度。

该方法主要可应用于级联式质谱仪，并可应用于具有在MS分析之前的离子分离的各种级联的形式。因此，谱内容是稀疏的（通常低于谱空间的1%），这允许由多个重叠信号来重构谱。在仅使用MS的分析的情况中，与相关的迁移性m/z过滤一样，通过将非重叠信号记录在辅助检测器上，通过使用前方时间分离，或通过化学噪声抑制，来帮助信号解码。

针对比如正交加速器、射频和静电脉冲离子导向器以及射频离子阱的若干具体的脉冲转换器和脉冲离子源来描述该方法。

发明人知道任何现有技术都没有在静电场、射频场或磁场中采用开口阱分析的原理。出于这一原因，可以在最广泛的意义上作为用开口同步阱的多重谱记录的方法而制作出本发明。简短的阐述基于较早提供的开口离子阱和多重谱信号（multiplet signal）的定义。

根据本发明的第一方面，提供一种质谱分析的方法，该方法包括下述步骤：

(a)使离子包通过提供同步离子振荡的静电场、射频场或磁场；

(b)记录与整数个离子振荡循环的跨度相对应的飞行时间谱（多重谱）；以及

(c)由包含多重谱的信号重构质谱，

其中，重构的质谱能够用于质谱分析。

根据本发明的第二方面，提供一种质谱分析的方法，该方法包括下述步骤：

(a)形成来自被分析的样品的多种核素的离子包；

(b)设置静电场，该静电场提供在至少两个方向上的空间离子捕获和沿着中心离子轨迹的同步离子运动；

(c)注入所述离子包，以便离子通过所述静电场，其中，所述离子包能够形成多次离子振荡；

(d)针对跨度ΔN内的整数N个离子循环，在检测器平面处检测离子并测量离子包飞行时间（多重谱）；以及

(e)由包含多重谱的所检测到的信号重构质谱，

其中，重构的质谱能够用于质谱分析。第二方面承认静电阱是最实用的。

优选地，所述静电场可以包含在局部正交的Z方向上延伸的X-Y平面中的基本上二维（2D）的静电场。优选地，到所述静电场的所述离子注入可以被设置为与轴X成倾斜角α，以针对每单个振荡循环形成在Z方向上的平均偏移。或者，所述静电场可以包含三维场。优选地，为了提高方法的分辨力，所述离子注入步骤可以被调整为在检测器平面X=X_D处提供离子包时间聚焦。更优选地，所述电场可以被调整为在检测器平面X=X_D处保持时间聚焦。

所述2D静电场存在多种可能的结构。优选地，所述静电场可以包含下面的组中的至少一个场：（i）静电离子镜的反射和空间聚焦场；（ii）静电区的偏转场。优选地，所述基本上二维的静电场可以具有下面的组中的一种对称性：（i）平面对称性，其中，E阱电极是平行的，并且在Z方向上直线地延伸；以及（ii）柱形对称性，其中，E阱电极为圆形，并且各场沿着圆形Z轴延伸，从而形成环形场体积（field volume）。各种可能的场结构可以通过所述X、Y或Z轴的可能的弯曲来扩展，其中，轴弯曲的平面可以相对于中心离子轨迹大致倾斜，正如由本发明人在共同未审的专利申请“Electrostatic Trap”中所描述的。

谱解码强烈地依赖于多重谱内的峰值的数量ΔΝ。优选地，多重谱跨度可以通过在离子注入步骤处的离子包的角度和空间扩展来控制，也可以通过在所述离子阱内在Z方向上的另外的转向和聚焦来控制。优选地，可以调整那些参数，从而使得在检测器区域，在Z方向上的离子包空间扩展可以大于每单个离子循环的Z₁偏移。优选地，在离子注入步骤的离子包的角度和空间扩展可以独立于离子m/z来设置，以提供多重谱内的与m/z无关的强度分布，并且，其中，多重谱内的所述强度分布在校准实验（experiment）中确定，以辅助质谱重构的步骤。或者，依赖于时间的Z聚焦可以用于改变与离子m/z相对的跨度ΔΝ，并且这种方法降低了重叠峰值的数量。优选地，所述聚焦可以至少在两种设置中交替，并且为了辅助多重谱解码，数据可以被记录在至少两个同步组中。

多个其它参数可以被调整以控制多重谱内的振荡的数量N和信号的跨度ΔN，诸如：开口阱长度、检测器长度和静电阱调谐。优选地，离子注入与离子检测之间的离子循环的数量N可以是下面的组中的一个：（i）从3到10；（ii）从10到30；（iii）从30到100；以及（iv）100以上。优选地，在多重谱内记录的信号的数量ΔN可以是下面的组中的一个：（i）1；（ii）从2到3；（iii）从3到5；（iv）从5到10；（v）从10到20；（vi）从20到50；以及（vii）100以上。优选地，根据被分析的m/z核素的数量，离子注入的倾斜角α可以被调整，从而出于调整检测器信号的相对总数（population）的目的来控制多重谱跨度ΔN，其是下面的组中的一个：（i）从0.1%到1%；（ii）从1%到5%；（iii）从5%到10%；（iv）从10%到25%；以及（v）从25%到50%。

优选地，为了控制多重谱内的峰值的数量，并且出于扩展检测器的动态范围的目的，所述检测步骤可以包括下述步骤：针对单个离子振荡循环，对离子包的一部分进行采样，以便针对任何离子m/z核素产生多个多重谱信号。优选地，为了在多重谱之间提供与m/z无关的强度分布并辅助质谱重构的步骤，可以独立于离子m/z来设置到检测器上的采样离子的所述部分，并且所述多重谱分布在校准实验中被确定。

为了在没有损耗的情况下检测所有的注入的离子，保持检测器Z长度Z_D大于每单个离子循环的平均偏移Z₁是有利的。优选地，检测器可以是双面的。更优选地，通过在检测器的前方使用减速场，可以调整离子包的时间焦平面以匹配检测器表面。优选地，为了辅助将离子收集到检测器上，可以在检测之前引入另外的转向或弱聚焦步骤，以便在绕过检测器边缘（rim）和减速器边缘的同时将大部分离子引导到有效的检测器表面。优选地，可以通过在表面上的离子-电子转换来辅助离子检测步骤，其中，这样的表面可以具有可忽略的边缘。

由于信号多样性（多重谱）和信号解码已经被并入到该方法中，因此该方法允许在实现该方法的各种增强的同时提高多重谱内的峰值的数量的其它步骤。优选地，喷射的离子包的Z长度可以被设置为比每单个离子循环的平均偏移Z₁长。这允许提高脉冲转换器的占空比，并因此将提高该方法的灵敏度。为了进一步提高灵敏度，离子注入步骤可以以比最大m/z离子核素到检测器的飞行时间短的周期设置。优选地，入射离子流可以被调制成具有与注入脉冲串的持续时间匹配的时间段的准连续流。作为例子，离子流调制可以包含离子捕获和从气体射频离子导向器的脉冲释放的步骤。

在一组方法中，另外的信号可以被用于提供用于包含多重谱的谱的解码的任何另外的信息。优选地，为了对多重谱和时间偏移重叠进行解码，可以至少在两个具有各种注入脉冲的序列的交替的组中获取谱。为了对强重叠的谱进行解码，该方法还可以包含另外的步骤：在避免多重谱的同时，以更少数量的振荡在中间检测器处记录离子包的一部分的飞行时间。优选地，离子包可以被分成在相反的Z方向上向两个检测器行进的两个组。优选地，离子包的分离可以被布置在一组双极性线间。更优选地，该分离可以是与时间相关的，以将离子包的倾斜角作为离子质荷比的函数来调整。优选地，离子包分离可以被布置为用于针对离子包的一部分的Z偏移方向的回复，例如，用于上升飞行路径或用于谱过滤。

信号解码的成功强烈地依赖于谱复杂性，并且该方法主要被建议与级联式质谱学和其它离子分离方法比如离子迁移率和差分离子迁移率一起使用。优选地，该方法可以包括在离子脉冲注入到所述静电场的步骤之前根据其迁移率或差分迁移率的离子时间分离的另外的步骤。可选地，在迁移率分离步骤之后可以跟随离子裂解。或者，该方法可以包含针对级联MS-MS分析的离子裂解的步骤和母（parent）m/z分离的步骤。在另一个选择中，该方法可以包含在离子注入到所述静电场中的步骤之前的离子捕获和粗飞行时间分离的另外的步骤。这样的分离扩展了多重谱组并改进了谱解码步骤。优选地，离子注入到所述静电场可以被布置为比最重的m/z离子核素到检测器的飞行时间更快，以提高在上述级联中的静电阱的响应时间。为了实现IMS-CID-MS和MS-MS方法，在高分辨率检测器上获取片段谱可以通过在避免多重谱的同时在辅助检测器上获取母谱来得以补充。

优选地，为了加速开口E阱分析，该方法还包含通过制造一组对准的狭缝来使所述静电场体积倍增的步骤；并且还包含将离子包从单个或多个离子源分布到用于并行的独立的质量分析的所述静电场体积中的步骤。

在一组优选方法中，将离子注入到所述静电场中的所述步骤包含对在Z方向上传播的连续或准连续离子束的脉冲正交加速。优选地，所述脉冲正交场可以被调整以在检测器平面X=X_D处提供时间聚焦。优选地，可以通过改变在所述正交加速脉冲场的入口处的所述离子束的能量来控制反射的次数。优选地，所述正交加速场区域在Y方向上被移位，并且其中，通过脉冲Y偏转，离子包返回到中心离子轨迹的X-Z平面上。或者，为了避免加速器对反射离子包的干扰，加速场可以被倾斜，在第一次反射后离子包被转向，并且两个倾斜转向角被选择以相互补偿飞行时间失真。

优选地，为了增强该方法的灵敏度，所述正交加速场的长度可以比每单个离子循环的偏移Z₁大。更优选地，正交加速脉冲之间的周期可以比最重的离子核素到检测器的飞行时间短，以便提高分析灵敏度。优选地，所述正交加速的步骤被设置在平行板之间并穿过一个板的窗口。优选地，所述板可以被加热以避免在表面上形成非导电性薄膜。为了在没有离子束离焦的情况下保持长的加速区域，通过射频场来辅助将离子传送到所述正交加速的区域中。或者，为了辅助将离子传送到加速区域中，所述正交加速可以被布置在静电离子导向器的静电周期性聚焦场之间。

优选地，为了提高灵敏度，该方法还包含在正交脉冲加速的步骤之前调节气体射频（RF）离子导向器内的离子流的步骤。优选地，该方法还可以包含离子累积和从所述RF离子导向器中提取出脉冲离子的步骤，其中，所述提取与所述正交加速脉冲同步。

在一组方法中，所述离子注入的步骤包含在存在气体的离子阱的射频场中的离子捕获的步骤。优选地，所述离子捕获的步骤可以发生在从大约10到1000Pa的气压处。更优选地，为了设置离子击中衰减，可以选择捕获时间以将气压与捕获时间的乘积保持在大约0.1Pa*sec之上。

优选地，所述捕获射频场的区域可以基本上沿着Z轴或沿着Y轴延伸，并且离子喷射被布置为通过一个捕获电极中的窗口。或者，离子捕获可以被布置在沿着X方向对准的RF离子导向器的阵列内，并通过使用辅助电极形成的静电阱来给予辅助。优选地，将离子脉冲喷射出阱的方法还可以包含通过位于第一时间焦平面中的双极性线的场来进行离子包分离和转向的步骤。

本发明可以应用于广泛的离子化方法。在一组方法中，所述离子包形成的步骤可以包含下面组中的一个步骤：（i）MALDI离子化；（ii）DE MALDI离子化；（iii）SIMS离子化；（iii）从裂解单元的脉冲提取；以及（iv）具有脉冲提取的电子碰撞离子化。即使离子源条件快速改变，开口离子阱分析的方法也提供确定开始脉冲的确切定时的机会。

一种方法还包含在脉冲离子源内形成离子包的步骤，该脉冲离子源以与E阱中的离子飞行时间可比较的时间尺度变化。该组还包含通过在信号多重谱内的时间图形来识别离子生成脉冲的时间的步骤；并且，所述离子包形成的步骤包含下面组中的一个步骤：（i）通过粒子脉冲或光脉冲对被分析的扫描表面进行轰击；（ii）对气溶胶粒子进行随机的离子化；（iii）对超快分离装置的样品出口进行离子化；以及（iv）对快速倍增的离子源内的样品进行离子化。

根据本发明的第三方面，提供一种对开口同步离子阱中的多重谱进行解码的算法，该算法包括下述步骤：

(a)校准参考谱中的多重谱I（N）内的强度分布；

(b)检测原始谱的峰值，以及用关于其形心T_OF、强度I和峰值宽度dT的数据构成峰值列表；

(c)构造与原始峰值T_OF值和猜测的反射数N相对应的每单次反射的候选飞行时间t＝T_OF/N的矩阵；

(d)选择与多次击中相对应的可能的t值，并且，收集相应的T_OF值的组，即，假想的多重谱；

(e)通过分析假想的多重谱内的T_OF和强度I（N）的分布来检验该组内的峰值有效性；

(f)检查各组之间的T_OF重叠，并且，丢弃重叠峰值；

(g)使用组的有效峰值来恢复T（归一化飞行时间）和强度I（T）的正确假定；以及

(h)计算出丢弃的位置的数目，以恢复预期的强度I（T）。

振荡数N及其跨度ΔN可以在设置开口E阱中的实验条件的阶段改变，从而调整多重谱信号内的参数N和ΔN。优选地，离子振荡的数量N可以是下面的组中的一个：（i）从3到10；（ii）从10到30；（iii）从30到100；以及（iv）100以上。优选地，在多重谱信号内的宽度ΔN可以是下面的组中的一个：（i）1；（ii）从2到3；（iii）从3到5；（iv）从5到10；（v）从10到20；（vi）从20到50；以及（vii）100以上。优选地，根据被分析的m/z核素的数量，出于调整信号的相对总数的目的来调整多重谱跨度ΔN，该相对总数是下面的组中的一个：（i）从0.1%到1%；（ii）从1%到5%；（iii）从5%到10%；（iv）从10%到25%；以及（v）从25%到50%。

根据本发明的第四方面，提供一种具有多重谱获取的同步开口离子阱质谱仪。

该配制依赖于较早提供的开口离子阱和多重谱的定义。离子阱可以是静电的、射频的或磁的。但是，认识到静电阱是最实用的。

根据本发明的第五方面，提供一种静电开口阱质谱仪（E阱），其包括：

(a)离子化装置，用于由被分析的样品的中性核素形成离子核素脉冲离子源或者脉冲转换器，用于由所述离子形成离子包；

(b)脉冲离子源或者脉冲转换器，用于由所述离子形成离子包；

(b)基本上在Z方向上延伸的静电阱电极组，用于形成在局部正交的X-Y平面上的基本上二维的静电场；

(c)所述阱电极的形状及其电势被调整，以提供循环的离子振荡和所述离子包在所述X-Y平面上的空间限制，以及沿着中心离子轨迹的同步离子运动；

(d)所述脉冲离子源或者脉冲转换器被设置为以与X轴成倾斜角α注入离子包，以便离子通过所述静电场，同时形成所述X-Y平面内的多次振荡和每单个离子振荡的沿着Z方向的平均偏移Z₁；

(e)位于x＝x_D平面的检测器，用于在整数N个离子振荡之后测量离子包飞行时间，在某一跨度ΔN内改变，从而针对任何m/z离子核素形成信号“多重谱”；以及

(f)用于由包含多重谱的检测器信号重构质谱的装置。

公开的开口静电阱可以使用各种电极组实现。优选地，所述静电阱电极包含下面组中的一个电极组：（i）至少两个静电离子镜；（ii）至少两个静电偏转区；（iii）至少一个离子镜和至少一个静电区。优选地，所述基本上二维的静电场可以具有下面的组中的一种对称性：（i）平面对称性，其中，E阱电极是平行的，并且在Z方向上直线地延伸；以及，（ii）柱形对称性，其中，E阱电极为圆形的，并且场沿着圆形Z轴延伸，从而形成环形场体积。优选地，所述X轴、Y轴或Z轴可以是大致弯曲的。在一个具体实施例中，所述E阱可以由两个平行离子镜形成，由无场空间隔开，并且其中，所述反射镜沿着圆形Z轴被折为环形。在另一个具体实施例中，所述E阱还包含至少一个沿着圆形Z轴被折为环形的静电区。最优选的分析仪实施例包含由无场空间分开的两个平行的环形离子镜。该环形实施例在保持大的Z周长的同时进行空间折叠来提供小型分析仪。优选地，每个所述离子镜都可以包含至少一个加速透镜和至少四个用于提供空间离子聚焦、至少第二阶空间和角度等时性（isochronicity）和至少第三阶能量等时性的电极。

一个实施例包含位于所述脉冲转换器与所述检测器之间的空间聚焦装置，该空间聚焦装置用于控制多重谱内的峰值数量ΔN和离子包Z发散度。优选地，为了控制与离子m/z相对的多重谱的数量，所述空间聚焦装置可以被附着到具有时间变量信号的发生器。或者，恒定静电聚焦可以被用于提供多重谱内的与m/z无关的强度分布。优选地，本实施例还可以包含位于所述脉冲转换器与所述离子检测器之间的离子包转向装置。该转向将允许控制倾斜角，从而控制多重谱内的数量N和ΔN。

一组实施例的目的在于通过优化检测器来提高灵敏度。在一个实施例中，检测器Z长度可以大于每单个离子循环的平均偏移Z₁。优选地，该检测器可以是双面的，并且其中，通过检测器之前的减速场来将时间焦平面调整为与检测器表面匹配。优选地，为了在绕过检测器边缘和可选的减速器边缘的同时将大部分离子引导到有效的检测器表面，本实施例还可以包含在所述检测器之前的转向和聚焦装置。优选地，一个实施例还包含对每单个离子循环的离子包的一部分进行采样的离子-电子转换器；其中，二次电子从所述离子转换器的两侧被采样；并且其中，该转换器包含用于将时间焦平面与转换器表面平面相匹配的减速器。

多个实施例中公开了各种脉冲离子源或脉冲转换器。在一组实施例中，所述脉冲离子源包含下面的组中的一个：（i）MALDI源；（ii）DE MALDI源；以及（iii）SIMS源；（iii）具有脉冲提取的裂解单元；（iv）具有脉冲提取的电子碰撞源。在一个实施例中，出于快速表面分析的目的，所述脉冲离子源包含使用在分析表面上被扫描的轰击斑来通过粒子脉冲或光脉冲对被分析的表面进行轰击。优选地，轰击脉冲之间的周期可以被设置为比最重的离子核素的飞行时间短得多。优选地，然后，使用信号多重谱内的时间图形来识别离子生成脉冲的时间。

在另一组实施例中，所述脉冲转换器包含正交加速器，该正交加速器用于将基本上沿Z方向传播的连续或准连续离子束转换为基本上沿X方向加速的离子包。优选地，所述正交加速器可以包含具有用于离子提取的狭缝的平行板电极。或者，所述转换器包含在任一气体条件的RF离子导向器，用于离子衰减，可选地，用于离子累积。再或者，所述脉冲转换器可以包含在真空条件的RF离子导向器，以与前方的气体RF离子导向器传递离子。再或者，该正交加速器可以包含用于离子径向限制的静电离子导向器。优选地，所述连续或准连续离子束的离子能量可以被控制，以调整在所述E阱中的离子反射的数量。优选地，与中心离子轨迹的X-Z平面相比，所述正交加速器可以在Y方向上被移位，然后一组脉冲偏转器将离子包返回到中心平面上。该布置防止离子在E阱内被反射后击中加速器。或者，正交加速器可以被设置为与Z轴成小的倾斜角α，并且经过E阱分析仪中的第一次反射后，离子被转向，从而提供对由于倾斜和转向而导致的飞行时间偏离的相互补偿。优选地，倾斜和转向的角度考虑到了在平板加速器或静电离子导向器加速器的情况中连续离子束的有限能量或在气体RF离子阱情况中接近零的离子能量所导致的离子轨迹倾斜角。在减小用于紧凑的轨迹折叠的E阱分析仪内的离子轨迹倾斜角的同时，该布置将在正交加速器与转向装置之间提供更宽的Z空间。

一组实施例公开了用于提高E阱灵敏度的正交加速器的改进。优选地，所述离子源或脉冲转换器的Z长度可以设置为比每单个离子循环的平均偏移Z₁长。补充地，所述脉冲源或脉冲转换器以比最重的m/z离子核素到检测器的飞行时间短的周期被供能。优选地，正交加速器可以与前方的RF气体离子导向器组合。更优选地，所述导向器可以以准连续离子束的形式累积和释放离子。更优选地，所述准连续离子束的推进可以与频繁的正交脉冲同步，该正交脉冲具有比在E阱中的最重的m/z离子的飞行时间短得多的周期。更优选地，可以针对足够长的持续时间来获取谱，以检测由所述脉冲串输入的离子的集合。

本发明主要可应用于级联式质谱仪，其中，质谱本质上是稀疏的。一个实施例还包含下面组中的至少一个母离子分离器：（i）质量-电荷分离器；（ii）离子迁移率分离器；（iii）差分离子迁移率分离器；以及（iv）后面跟随裂解单元的上述离子分离器中的任何一个。或者，为了改进谱解码，该实施例还可以在正交加速器之前包含RF离子阱和粗飞行时间分离器或者离子迁移率分离器。该加速器改进了在开口E阱谱中的多重谱分离。优选地，为了改进E阱灵敏度和谱解码，可以将离子注入到所述E阱之间的周期布置为比最重的m/z离子核素到检测器的飞行时间更快。

附图说明

仅通过举例的方式，并参考如下的附图，现在将描述本发明的各种实施例以及仅出于图示目的而给出的布置。

图1描绘了在离子源与检测器之间具有固定飞行路径的现有技术的平面多反射质谱仪（MR-TOF）。

图2描绘了具有一组周期性透镜以确保用于发散离子包的长的恒定的离子路径的现有技术的平面MR-TOF。

图3示出了本发明的方法，其中，离子包穿过开口E阱并且由于离子振荡循环中的跨度而形成信号多重谱。

图4呈现计算例中的多重谱的飞行时间，并示出多重谱信号解码的原理；表格中的粗体字对应于每单次反射的重复计算的飞行时间（组的击中）；

图5示出在检测器附近的离子轨迹，并示出具有空间离子聚焦和离子减速的检测器实施例；

图6示出具有正交加速器的E阱的X-Z切割，并示出通过后面跟随离子转向的加速器倾斜来清除离子路径的方法；

图7示出具有正交加速器的E阱的X-Y切割，并示出通过后面跟随脉冲转向的加速器Y位移来清除离子路径的方法；

图8示出由于多重谱的形成和由于加速器的频繁脉冲而导致的多个信号峰值的外观；

图9示出具有由准连续离子流形成的正交加速的一个E阱实施例；

图10示出具有毫秒时间尺度的上游离子捕获和离子分离的一个实施例，并示出前方的离子分离怎样减少峰值重叠并因此改进谱解码；

图11示出具有时间变量脉冲离子源的一个E阱实施例；

图12示出具有RF离子阱并具有B-N分离器的一个实施例；

图13示出具有RF离子阱的另一个E阱实施例；

图14描绘了开口E阱的示例几何结构；以及

图15示出使用磁场和射频场的开口离子阱。

具体实施方式

原型

参考图1，通过引用并入本文的现有技术SU 1,725,289，平面MR-TOF11包含脉冲离子源12、快速响应检测器13和构成条状电极14到19的两个平行平面和无格栅离子镜。

在操作中，静电无格栅离子镜在X方向上反射离子包，同时提供在Y方向上的空间离子聚焦以及在X方向上的同步离子振荡。脉冲离子源12生成具有非常低的发散度的离子包，并以相对于X轴的倾斜角引导这些离子包。在Z方向上偏移的同时，离子包在离子镜之间反射，这种方式会形成竖锯状离子轨迹，直到离子包击中检测器13。出于提高分辨能力（分辨率）的目的，与单次反射TOF质谱仪相比，沿着竖锯状轨迹的飞行路径被延伸。为了避免离子包在Z方向上扩展并且确保固定数量的反射，现有技术假定离子包是低发散的并且期望反射次数被限制为非常小。

参考图2，通过引用并入本文的现有技术GB 2,403,063和US5,017,780，平面MR-TOF 21包含脉冲离子源22、快速响应（TOF型）检测器23、通过无场空间24分开的两个平行平面无格栅离子镜25，以及一组周期性透镜27。每个离子镜都由基本上在Z方向上延长的至少四个矩形电极构成。

在操作中，脉冲离子源（或脉冲转换器）22生成离子包并将它们沿着竖锯状轨迹26向检测器23发送。离子在X方向上被离子镜25反射，同时慢慢地在Z方向上漂移。离子镜被优化以提供在Y方向上的空间聚焦，以及关于初始空间、角度和能量扩展的高阶同步性质。这一组周期性透镜27限制离子包在Z方向上扩展，并沿着预定竖锯状离子路径加强离子限制。在小的包发散度时，反射次数可以被增加到数十个。反射次数被仪器尺寸和MR-TOF的接收角度所限制。

图2的现有技术的下侧处于限制脉冲转换器的效率的分析仪的小空间接收角度中。例如，如果使用众所周知的正交离子注入，那么正交加速器的长度应当小于10mm，而典型脉冲周期为1ms。因此该加速器的占空比低于1%，其限制了仪器的灵敏度。一旦每次喷射的离子包包含多于1000离子时，将离子包限制在几个mm尺寸内导致离子包谱中的空间电荷畸变。这样，对于每一种质量核素，最大处理离子流小于1E+6个离子/秒。这基本上低于可以通过现代离子源生成的：在Electrospray（ESI）、APPI和APCI的情况中的1E+9离子/秒；在EL和辉光放电（GD）的情况中的1E+10；以及，在ICP离子源的情况中的1E+11。

本发明的目的在于提高质谱分析的接受率和空间电荷吞吐量。本目的通过布置分析仪和检测器从而检测来自各种广泛重叠的循环轨迹的离子，并且通过提供从源自于可变次数的反射的信号（称为多重谱）来恢复质谱的方法来达到。

具有多重谱的开口E阱

本发明的开口静电阱可以被形成具有各种各样的分析仪拓扑，以及各种类型的分析仪子单元，诸如，如下面图15所示的离子镜、静电区、无场空间、偏转器。为了清晰明了，描述的核心将会是使用平面多反射分析仪的例子来教导开口阱方法和设备。

参考图3，本发明的开口静电阱（E阱）质谱仪的一个优选实施例31包含脉冲源32、具有解码装置37的快速响应检测器33、通过漂移空间34分开的一对平面无格栅离子镜35。可选地，该优选实施例包含在脉冲源32与检测器33之间的聚焦和转向装置38。可选地，该优选实施例包含在离子源32与检测器33之间的路径中的单个长焦透镜39。

在操作中，并出于图示本发明的一般方法的目的，离子镜与现有技术的MR-TOF类似地被布置。两个平面无格栅离子镜被平行地对准，并且通过无场区域隔开。相对于对称的X轴、Y轴和Z轴将反射镜设置为对称的。每个反射镜由至少4个具有矩形窗口并基本上在Z方向上延长的电极构成，从而基本上形成二维静电场。优选地，每个反射镜都包含吸引透镜。类似于现有技术，在离子镜中的场被调整，以提供在Y方向上的空间离子聚焦和关于X方向上的离子能量、Y方向上的空间和角度束发散度的同步性质，以及对至少第二阶的泰勒扩散的交叉项偏离的补偿，从而使时间-能量聚焦为至少第三阶。

离子包32’被以相对于X轴的平均角度α从脉冲源32脉冲注入到漂移空间34中，并且跟随位于X-Z中间平面内由特征轨迹36、36’和36”呈现的竖锯状轨迹。经过多次反射，离子到达了快速响应（TOF型）检测器33上，该检测器通常是微通道板（MCP）或二次电极倍增器（SEM）。脉冲源32被布置为在对称的Z轴处提供中间时间聚焦，从而反射镜35被调谐以在离子每次穿过对称Z轴时提供时间聚焦。请注意，在不将任何额外的限制施加到该方法和设备上的同时，将具有X=X_D的检测器X-Z平面移动到无场空间中的任何位置都是可行的。源发射度dZ*dα，即：初始空间dZ和角度dα扩展的乘积，大到足够导致脉冲源32与检测器33之间的离子反射的数量N中的不确定度ΔN。假定的离子源的大发射度也通过示出脉冲源32的Z尺寸的图标39和离子注入向量36、36’和36”来图示。结果，离子将跟随具有平均反射次数N和具有ΔN跨度（即，反射次数的扩展）的轨迹。虽然很明显的是所有可能的轨迹将由一系列整数次的反射（这里为4次、5次和6次反射）构成，但图中示出具有4次和6次反射镜反射的示例轨迹36、36’和36”。分析仪不区分任何具体次数的反射。任意单个离子核素都将导致每任意m/z离子核素的包含ΔN个峰值的多重谱信号。每单个离子m/z核素的这样的峰值的集合称为“多重谱”。沿着具有N次离子反射的离子轨迹的每一种离子核素的飞行时间可以被表示为T_OF=Ts+NT，其中Ts是从离子源到中间聚焦平面32’的飞行时间，T是每单次反射的飞行时间。显然，来自各种轨迹的信号产生了整数次反射的集合（多重谱），并且，如下面所讨论的，这些信号可以潜在地被解码以恢复对应于固定次数的反射的飞行时间谱或频率谱，然后可以被校准为质谱。在多重谱内的峰值的数量ΔN可以例如通过调整源32或聚焦透镜39的参数来得以控制。

一种很好地描述的分析重复信号的方法采用傅立叶变换。但是，直接傅立叶分析（straight forward Fourier analysis）将提供低精确度并且将在频率谱中生成更高的谐波。

参考图4，本发明的一种示例性谱解码策略使用模型计算来呈现。在图4A中的表格呈现模型飞行时间T_0F=T*N，其与等于40、44和50us的每单次反射的三个示例性飞行时间T（列中）和从20到25的反射次数（行中）相对应。具有T_OF值的峰值列表表示原始多重谱。飞行时间T_OF与N的关系，以及作为T的函数也被绘制在图4B中的曲线图中。

参考图4C，呈现示例性解码矩阵。各单元对应于与每一个谱T_OF值相对应的每次反射的飞行时间的t假想（行中）和猜测的反射次数N（列中）。通过采集一致的t假想，我们发现t=40、44和50在表格中出现了6次，而其它假想只出现单次。这允许过滤掉错误的假想。还应当注意，T_OF=880、1000和1100us出现两次，但是小于多重谱中所期望的ΔN（这里为6）。这允许过滤掉重叠的峰值，即，T_OF值与不同的T有关。通过分析多重谱内的形心分布（centroiddistribution）和强度（组有效性的步骤）可以来辅助另外的过滤。

归纳示例计算，本发明的一个谱解码算法包含下列步骤：（a）注入参考样品并校准多重谱I(N)内的强度分布；（b）针对被分析的样品，与多重谱一起记录原始（编码）谱；（c）检测原始谱中的峰值，并使用关于这些峰值的形心T_OF、强度I和峰值宽度dT的数据构成峰值列表；（d）构建对应于行中的原始峰值T_OF值和列中的猜测的反射次数N的每单次反射的候选飞行时间t=T_OF/N的矩阵；（e）选取对应于多次冲击的可能的t并采集对应T_OF值的组，即，假想的多重谱；（f）通过分析假想的多重谱内的强度I(N)和T_OF的分布来检验组内的峰值有效性；（g）检查组间的T_OF重叠，并以最简单的算法丢弃重叠的峰值；（g）使用组中的有效峰值来恢复T的校正假想（归一化飞行时间）和强度I(T)；以及（h）根据丢弃位置的数量来恢复期待的强度I(T)。

显然，所述示例算法可以以很多方式修改：通过分析异常宽度、异常移位或异常强度峰值；使用局部解析的重叠峰值的反卷积；使用概率对待组，等。原则点在于：（a）存在用于恢复质谱的信息；以及（b）只要在原始多重谱中的相对峰值总数相对较低，解码算法就会成功—用于解码的估计的上限是30至50%。

优选地，根据非固定的离子轨迹，相对于传统TOF MS来修改检测器。参考图5A，出于提高E阱灵敏度的目的，本发明的E阱质谱仪的一个优选实施例包含比每单次离子反射的平均离子偏移Z₁长的检测器。优选地，该检测器位于E阱分析仪的X-Z对称轴上。优选地，该检测器是双面的，以检测来自两侧的离子。

参考图5B，一种具体的检测器包含在收集器的两侧上的两组人字形配置的微通道板（MCP）。或者，该检测器包含配备有收集二次电子的侧面检测器的离子-电子转换表面。该转换器可以是部分透明的，以便收集每单个振荡的离子包的一部分。这样的方法对于扩展快速（纳秒）TOF检测器的动态范围是有用的。

在操作中，不管离子包的适度的角度发散，可以认为到达的离子的轨迹在检测器附近几乎平行。离子可以从两侧击中检测器或转换器。假定对脉冲源和E阱进行适当调谐，离子包被飞行时间聚焦在Z轴处。在MR-TOF技术中，已知若干个交叉项偏离在每一个第二转弯处被补偿。然后，检测器的一侧会提供具有更高分辨率的谱，该谱应当在谱解码中被考虑。

该图示强调检测的两个问题：（a）离子将在检测器边缘处丢失；并且（b）检测器的有限厚度将使表面位置与时间焦平面不匹配。在示例计算中，检测器厚度=3mm，并且离子能量扩展=3%。焦平面与检测器平面之间的不匹配将导致离子包的大约0.1mm的扩展。对于E阱中的典型的20m飞行路径，这一点会将时间分辨率限制为200,000并且把质量分辨率限制为100,000。对于更高的分辨率，优选的是，对这样的时间扩展进行补偿。

参考图5C，平面不匹配的问题可以通过在检测器或转换器之前使用离子束减速器53来得以解决。作为例子，具有20%能量下降的30mm长的减速将使有效飞行路径延长3mm，这足够补偿检测器的厚度。如果使用薄板转换器，还可以减少不匹配。为了避免离子在检测器边缘上丢失，建议在离子源与检测器之间的路径中存在聚焦或转向装置52。具体示出的例子示出了移位要不然会击中检测器边缘的离子的偏转组。或者，长聚焦透镜具有Z₁的宽度，即，等于单个周期位移。这样的透镜位于检测器上游的若干周期。长聚焦透镜将对飞行时间分辨率具有次要的影响，但是将允许使用小检测器并且将减少在边缘上的离子损失。请注意，期望离子在大量反射中以某一扩展ΔN到达透镜，即，弱透镜不影响信号记录的多重谱原理。

具有正交加速器的开口E阱

参考图6A，E阱质谱仪的一个优选实施例61包含延长的脉冲转换器，该转换器具有比每单次离子反射的平均离子位移Z₁长的长度Zs。一种具体的脉冲转换器为包含静电加速台65、以及连接到脉冲发生器67的一对电极63和64的正交加速器。

在操作中，连续或准连续离子束基本上沿着Z轴被馈送。该离子束被加速到电势U_Z。一旦离子束填充了平行电极63和64之间的间隙，则提取脉冲被施加以通过电极64的网或狭缝正交地（即，在X方向上）加速离子。在通过静电加速台65后，离子被电势U_X加速。离子轨迹66以倾斜角α=sqrt（U_Z/U_X）自然地倾斜，即，倾斜角可以被调整，例如，通过改变连续离子束的能量或通过相对于Z轴倾斜正交加速器以使后续的离子包转向通过该加速器。这样的组合对离子包的时间扩展提供倾斜和转向影响的补偿。

正交加速器的占空比，即，从连续离子束62到离子包的转换效率，依赖于加速器的长度Z_S、离子能量U_Z和脉冲周期T_S。在现有技术MR-TOF中，10mm长加速器的占空比小于1%。在本发明中，加速器长度可以随着占空比按比例地增加而至少长5至10倍。

源的延长引入了源与检测器之间的Z距离的改变，并且因此导致反射次数N中的额外的扩展ΔΝ（即，独立地形成多重谱）。但是，由于检测器已经记录了宽的多重谱（由于离子包的角度扩展），因此这样的多重谱的额外扩展已经不再是障碍了，并且由于源延长导致的多重谱分布的额外扩展不会影响开口静电阱操作原理，但是其得到了多个优点，诸如：脉冲源的改进的空间电荷容量和提高的效率，离子包在空间中的扩展，并因此提高了分析仪的空间电荷容量，从而由于将强信号分离为多重谱而提高了检测器的动态范围。

如在共同未审的申请“Ion Trap Mass Spectrometer”所描述的，通过RF离子导向器的RF场或者通过静电离子导向器的周期性静电聚焦，正交加速器可以使用在加速器内的Z和Y方向上的空间横向离子限制。优选地，横向限制场在离子正交加速之前被关闭。横向离子限制允许在不添加连续离子束的发散或空间扩展的情况下扩展加速器Z长度。其还允许降低在Z方向上的离子能量，并且这种方式提高了加速器的占空比。

参考图7，为了避免脉冲离子源72与离子轨迹之间的空间干扰，脉冲源72在Y方向上被移位，并且配备有两组偏转板73和74，以使离子包返回到中间平面X-Z（即，在图中的对称轴X）上。脉冲偏转器保持开启，直到最重的离子核素通过偏转器74。离子被偏转器73转向，以跟随倾斜的轨迹76’，然后被偏转器74返回脉冲转向以跟随轨迹76。最轻的离子核素可以被反射镜75反射，并且将过早地回到偏转器74。为了确保足够的m/z范围（80：1以上），离子路径76’可以比每单次离子反射的路径短8至10倍，例如，对于1m长的分析仪，路径76’应当保持在10至12cm的范围中。然后，轨迹77应当倾斜大约8至10度，以提供15mm的Y位移。这样的双转向的时间失真被补偿到第一阶，并且对于dY=1mm的束厚度，束空间扩展被估计为0.01mm，这将仪器的分辨率在20m的飞行路径处被限制为高达1E+6。

参考图6B，或者，为了避免加速器与反射离子包的干扰，加速器67向Z轴倾斜角度θ，并且在第一次离子反射后，包离子被偏转器68转向角度θ。相等角度的倾斜和转向相互补充了时间失真。可以看出时峰（time front）（由虚线示出）变成平行于Z轴对准。结果轨迹角度变为α-2θ，其中，α是相对于加速器轴的离子包的倾斜角，α＝sqrt(E_X/E_Z)。优选地，偏转器68的中间板被偏置，以调整空间聚焦的强度。与传统非倾斜正交加速器相比，图6B的布置扩展了加速器可用的空间，同时保持了在E阱中的离子轨迹的小的倾斜角。由于离子发散角△α＝△E_Z/2α*E_X在较大轴向能量E_z处和在穿过加速器的相应的较大初始倾斜角α＝sqrt(E_X/E_Z)处下降，该布置也降低了由连续离子束的轴向能量扩展所导致的在Z方向上的离子包角度发散。虽然与图7的布置相比，图6B的布置限制了加速器Z长度，但是对质量范围和加速器67的脉冲频率没有施加任何限制。

具有频繁脉冲的开口E阱

优选地，源以比最重的离子核素的飞行时间短得多的脉冲周期被操作。提升脉冲频率将成比例地提高脉冲转换器的效率（占空比）、转换器和开口E阱分析仪的空间电荷容量、检测器的动态范围和开口E阱的响应速度。但是，这样的频繁的源脉冲导致原始谱的更高的复杂性。单个多重谱谱及时移动，并且原始谱将包含时间偏移的多重谱之和。为了清晰明了，让我们将快速脉冲的影响与多重谱形成的影响分开。

参考图8A，针对传统飞行时间（TOF）质谱仪的情况，示出频繁开始脉冲的原理。曲线图81至83的左边组对应于由数据获取（DAS）脉冲82触发的每个波形获取的单个开始脉冲81。然后，TOF信号83将针对每个m/z分量具有一个峰值。多开始TOF情况由曲线图84至86的右边组来呈现，其中，针对每单个波形获取85施加图84中的八个开始信号。每个开始信号将离子注入到TOF光谱仪中，并且八个相应峰值出现在TOF谱86中。由于示出的时间循环的周期性重复，后两个信号将在下一个循环中出现，这由开始和峰值数示出。在多个循环的总和后，示例性的总和的谱86将在谱的开始处具有峰值#7和#8。

参考图8B，针对具有频繁的源脉冲的开口E阱的情况，示出谱视图和峰值定时。为了清晰明了，多重谱与频繁脉冲的影响被分开，并且三种假想谱示出TOF谱87、具有频繁开始脉冲的TOF谱88和具有多重谱的E阱谱89的情况。在所有的谱中，峰值由实线和虚线来编码，以区分两种m/z分量。在TOF谱87中，飞行路径是固定的，即，反射次数恒定不变（N=常数）。飞行时间被定义为T_OF=N*T(m/z)，其中，N=常数，并且T是每单次反射的与m/z相关的飞行时间。在频繁源脉冲的情况中，TOF谱88包含具有飞行时间的多个峰值T_OF=N*T(m/z)+ΔT*s，其中，N=常数，ΔΤ是开始脉冲之间的间隔，并且s是从0到5变化的脉冲串中的脉冲数。在E阱谱89中，每个质量分量通过由六个峰值（即，ΔΝ=6）形成的示例性多重谱来呈现。多重谱序列内的强度分布被示出为与m/z无关。飞行时间被定义为T_OF=N*T(mz)，其中N从20变化到25。

在具有频繁脉冲的开口E阱中，峰值多样性是由多重谱形成和快速脉冲两者导致的。图90呈现飞行时间与反射次数N的关系，其被描述为T_OF=N*T(m/z)+ΔT*s，其中，N从20变化到25，对于两种m/z分量，T=44us（虚线和黑色菱形）以及T=50us（虚线和浅正方形），ΔT=100us，并且s从0变化到5。在该图90中，两个m/z分量形成具有不同斜角的斑点图案。结果，峰值重叠会在某些随机飞行时间时发生，而在其它飞行时间将被避免。因此，这样的谱可以被解码以针对两种质量分量来提取关于T的信息。

在现有技术TOF MS中已知快速脉冲。让我们示出与现有技术相比本发明的编码-解码方法的不同之处。在具有Hadamard变换的TOF MS US 6,300,626（通过引用并入本文）中，脉冲离子源以高重复率的准随机序列被操作。该方法采用具有二进制编码遗漏的开始脉冲的常规序列，并且因此而形成的重叠谱使用关于已知脉冲序列的信息来被重构。该方法采用对出现在错误位置的峰值进行自动（数学上地定义的）减法。由于峰值强度从一个开始到另一个开始自然地波动，因此该减法将生成额外的噪声。与Hadamard TOF MS相反，由于重叠的峰值被丢弃，因此本发明的方法不生成额外的噪声。在通过引用并入本文的WO2008,087,389中，其提出使正交加速器产生比TOF分析仪中最重的离子核素的飞行时间更快的脉冲，并记录对应于开始脉冲之间的周期的短谱。为了找到重叠峰值，脉冲周期在设置之间改变。脉冲频率的加速要求成比例地增加移动数。与WO2008,087,389相反，在本发明中，不需要频率变化。此外，对应于开始脉冲串的长谱的记录改进了谱解码。

具有频繁脉冲的多重态的组合导致复杂得多的原始谱，比如90，但是，该组合提供对MS分析的多种增强：

（1）正交加速器的延长和快速脉冲两者都提高占空比、E阱的动态范围、E阱的空间电荷容量、以及检测器的动态范围—全部与增益系数G=ΔN*s成比例，即，与峰值数量的多样性成比例；

（2）开口E阱接收离子包的更宽角度发散，并且这种方式与系数ΔΝ成比例地提高了脉冲转换器的效率；

（3）开口E阱不采用周期性透镜，并与现有技术MR-TOF相比，改进了飞行时间偏离；该优点可以被转换为缩短飞行路径，因此实现更快的脉冲和更高的灵敏度；

（4）使用频繁脉冲加速了E阱响应时间，当采用用于MS-MS或IMS-MS的E阱时，这是有利的；

（5）多重态的形成允许开始时间的精确解码；该优点可以被应用于下面描述的具有时间变量离子源的MS分析。

该方法有两个明显的缺点：

（1）额外的谱解码步骤会减慢质谱分析。

（2）编码和解码会限制被分析的混合物的复杂度或者分析的动态范围。

慢的谱解码可以通过能够几千倍地加速大量计算的多芯计算板（比如视频板）来解决。优选地，这样的多芯处理被并入到数据获取板中，这将减轻对总线传输率的要求并且将允许更快的谱获取。第二种限制已经在模型模拟中被评估了，该模型模拟中示出原始E阱谱可以被解码，直到峰值的重叠度（原始谱总数）在~30%以下。为了完全恢复E阱正交加速器的占空比，灵敏度增益G=ΔN*s应当为大约30。这样，质谱复杂度（在多重态和快速脉冲之前）应当保持在1%以下，以允许质谱恢复。

确切的说，由于化学背景峰值的极大的数量，质谱复杂度的1%的限制可以影响例如LC-MS分析。但是，以期望的100,000分辨率级别，已知化学噪声发生在与主峰值相关的大约1E-5级别。这样，提出的编码-解码方法可以允许与Orbitrap或高分辨率LC-TOF中的一个动态范围匹配的1E+5的动态范围。与那些仪器相比，估计E阱提供可以被用于例如快速谱获取的灵敏度和速度的更佳的组合。尽管如此，还是希望对开口E阱分析进行化学噪声抑制，例如FAIMS、离子迁移率-质量相关过滤、针对多个充电的离子的获取的单电荷抑制、通过加热和离子存储进行的化学噪声簇的分解等。还希望将开口E阱分析与下面描述的前方离子分离或离子流压缩（两者均降低在开口E阱中的编码谱的复杂性）的方法结合。

不期望质谱复杂度的1%的限制影响诸如此类的质谱分析：（a）元素分析；（b）具有GC-MS的环境分析；（c）MS或IMS作为第一阶段分离器且开口E阱作为第二阶段MS的串联质谱。

多种策略可以被用于增强解码步骤，例如，通过：（a）在两种设置之间交替脉冲源频率，并获取两个独立组的数据；（b）调整倾斜角α，这种方式调整多重态内的反射次数的跨度ΔΝ，并获取数据的两种设置；（c）在两个检测器之间的离子包的分离，其中，一个检测器位于特别小的Z距离，以最小化或避免多重态的形成；（d）在短的Z距离处采样到电子转换表面上的离子的一部分；以及（e）稍后讨论的策略采用前方的离子分离或时间压缩。

使用上游离子流压缩

参考图9，E阱质谱仪的一组实施例包含：生成准连续离子流93的调制装置92、正交加速器94、一对平面无格栅离子镜95、辅助检测器99、主检测器97和谱解码装置98。

在一个具体实施例中，时间调制装置92包含具有离子储存和脉冲喷射的气体射频（RF）离子导向器。或者，调制装置92包含具有辅助电极的气体RF离子导向器，该辅助电极通过轴向DC场或通过行波来控制导向器内的轴向速度。再或者，针对离子m/z的宽跨度，装置92利用通过RF势垒的质量相关离子释放来将离子到达时间压缩到正交加速器94。

在操作中，调制装置将进入的连续离子流（未示出）转换为具有短于调制周期的时间段的准连续离子流93。离子进入正交加速器94并以高重复率注入离子镜95之间，以跟随竖锯状轨迹96。加速器由一串开始脉冲驱动。该串的持续时间对应于加速器内的准连续脉冲（burst）的持续时间。各个开始脉冲之间的周期被调整为足够短，以提供正交加速器的近似1的占空比。脉冲越短，在串中的开始脉冲的数量就越小。最终，考虑与传统MR-TOF相比的正交加速器的扩展的Z长度，可以用单个开始脉冲获得近似1的占空比。该方法提高了开口E阱的灵敏度，同时降低了由于频繁脉冲导致的离子峰值的数量。

在一个实施例中，为了压缩加速器内的准连续流，调制器被布置为以离子m/z的逆序列喷射离子。这样的调制器可以采用与DC推进相反的质量相关RF势垒，或者可以采用具有在RF离子阱内的质量相关共振激励的DC势垒，两者在MS领域中都是已知的。由于从调制器到加速器的传送时间与离子m/z的平方根成比例，因此该方法允许将宽m/z跨度的离子同时传送到Z扩展的加速器中。然后，单个开始脉冲可以将离子注入到E阱中，这将降低编码谱复杂性和重叠峰值的数量，同时实现加速器的近似1的占空比。

可选地，辅助检测器99在足够靠近的位置处对离子包的一小部分进行采样，以防止来自相邻的注入脉冲的重叠和多重态。主检测器离正交加速器远得多，并且接收对应于宽扩展的多重态和来自多个时间偏移脉冲的离子包，以提高谱分辨率。来自辅助检测器99的信号被用来辅助主信号解码。

使用上游时间分离装置

参考图10A，一组E阱实施例101包含：离子阱102、第一分离装置103、正交加速器104、具有平面离子镜的静电E阱分析仪105、可选的时间门106、主检测器107、解码装置108和可选的辅助检测器109。装置103将离子流分开，从而在1到10ms的循环内连续地释放离子，并且根据m/z或与m/z值相关联的离子迁移率来对离子进行分组。

在另一种可选的实施例中，前方的分离装置103包含下面列表中的一个分离器：（i）离子迁移率光谱仪（IMS），其根据离子迁移率来分离离子包；（ii）线性TOF质谱仪，其布置在真空RF离子导向器内，并在低（几十eV）离子能量下操作，以将分离时间扩展到几个毫秒；（iii）具有与静电延迟电势相反的移动射频波的离子RF通道；（iv）具有质量选择离子释放的RF离子阱。在所有的实施例中，第一分离装置按照离子m/z的顺序粗略地生成离子的时间序列。几十的分辨率对于下面描述的方法可能足够了。

在操作中，离子根据其m/z或离子迁移率值以时间序列进入正交加速器104。在任意给定时刻，只有窄的质量或迁移率部分的离子被注入到了反射镜105之间。该加速器以高频率被操作，并且宽的多重态被记录在主检测器107上。以对应于分离装置103中的整个分离循环的长谱的形式来记录数据。优选地，多个长波形被求和。优选地，离子包的一部分在没有峰值重叠的情况下被记录在辅助检测器109上，以辅助检测器107上的主信号的解码。

参考图10B，对应于分离装置103的全长来获取长谱。结果，避免了显著不同的质量的核素之间的重叠。数据解码应当采用关于分离装置103的开始时间的信息。如果使用时间分离，那么从分离循环的起点开始的总的峰值时间是T_OF=T(m/z)*N+T₀(m/z)，其中T(m/z)是每单次反射的与m/z相关的时间，N是在E阱中的反射次数，T₀(m/z)是离子包穿过分离装置103的与m/z相关的时间。如果不使用时间分离，那么T₀=0。当比较由公式表示的曲线图上的两种情况时，显然的是，在具有前方的分离的长谱中的暂时峰值重叠的程度比其它的没有前方的分离的情况小得多。这允许在脉冲频率中使用更大的增益或更优的谱解码。

谱解码后，将出现每个具体m/z的时间分布，其可以被用来表征装置103中的分离。作为例子，可以获得这样的信息以确定针对所有核素的离子迁移率。快速时间分离和快速响应的这一特征可以被应用于级联MS、IMS-CID-MS的多个其它方法，用于快速表面扫描和需要跟踪具有快速脉冲开口E阱的短事件的其它实验。

在另一个具体实施例中，基于与相关联的离子迁移率-m/z过滤一起布置的电荷状态过滤，可选的时间门106被应用于化学噪声过滤。在这种情况中，前方的分离装置103为离子迁移率光谱仪，并且离子根据离子迁移率K以时间序列到达加速器。由于K-q/σ，（其中σ是与质量m和电荷q相关的离子横截面），暂时迁移率部分包含具有不同的电荷q和不同m/q的离子。在迁移率部分内，较低的电荷状态将具有较低的m/q值。通过滤掉与迁移率相关联的较低的m/q，可以去除例如构成大部分化学噪声的单独充电的离子。优选地，离子时间门106被设置为非常靠近加速器104，例如，以至于在被离子镜105单次反射后，离子到门106的飞行时间短于开始脉冲之间的周期。然后，时间门将区分来自相邻的开始脉冲的离子。然后，主检测器107将检测多次充电的分析物离子，例如在具有强抑制化学背景的蛋白质组分析中的肽离子。这将增强谱解码并将提高LC-MS分析的动态范围。

时间相关离子源

参考图11，一组E阱实施例111包含时间变量离子源（在这里由被分析的样品板112的例子呈现）、空间扫描装置113，以及比如快速离子包、脉冲辉光放电或光脉冲的轰击粒子的脉冲源114。该实施例还包含：具有平面离子镜的静电E阱分析仪115、可选的时间门116、主检测器117、解码装置118和可选的辅助检测器119。关于空间扫描和轰击脉冲的时间的信息被馈送到解码装置118。本实施例针对快速表面分析而设置。

在操作中，离子以预设的时间序列生成并注入到E阱中。最重要的是离子化脉冲之间的周期基本上比最重的m/z离子穿过E阱的飞行短得多。针对每一次整个表面扫描实验都获取长谱。优选地，谱被记录在数据登记制度（regime）中，其中，飞行中的数据系统确定信号的形心和积分（integral），然后在没有中断或谱求和的情况下，将数据流记录在PC存储器上。E阱被设置以形成多重态，即，对应于每单个开始脉冲和每单个离子m/z分量的各种数量的离子反射的信号。多重态峰值在谱解码阶段被提取，并且对于每个多重态，开始脉冲的提取定时基于下述来识别：（a）多重态峰值的同时发生；（b）多重态内的校准强度分布；（b）所有开始脉冲的已知定时；（c）在元素分析的情况中的确切离子质量的有限选择。

在另一个实施例中，该方法被用于按层的表面分析，其中，信号时间变化将对应于样品深度。在另一个实施例中，该方法被用于气溶胶分析。期望单个气溶胶粒子在随机发生的离子化事件内会被离子化。在多个方法变型中，气溶胶可以被射频场的偏振力或局部聚焦的光束所限制。离子化脉冲可以被布置在预定序列处，或者可以被粒子散射光所触发。在所有的变型中，基于多重态信号的测量定时，采用开始脉冲确切定时的自动确定的相同原理。

离子阱转换器

期望离子阱转换器提供近似1的占空比。各种实施例对应于不同类型的阱转换器、其对准，并对应于离子包转向和分离的不同方案。

参考图12，E阱的优选实施例121采用在Z方向上延伸的直线离子阱转换器123。该转换器包含具有连接到射频（RF）信号的窗口的顶电极T、连接到脉冲电压的中间电极M和底电极B。该实施例还包含上游气体离子导向器122、双偏转器124和可选分离器125（或者是一组双极性线（B-N），或者是一组多段偏转器板）。E阱包含平面离子镜127、主检测器128和辅助检测器129。为了清除离子路径，离子阱转换器123在Y方向上被移位，并且通过脉冲双偏转器124，离子被返回到E阱的X-Z对称平面上。

在操作中，捕获离子导向器122使准连续离子流通过并进入到阱转换器123中。离子被RF场径向限制，并被阱123的远端的静电插头（未示出）所排斥。优选地，弥散场穿透侧窗W，并提供轴向静电阱。在大约100Pa的气压处大约1至3ms的时间后，离子被碰撞衰减并被限制在阱的中心部分。在中间电极M上的RF信号周期性地被关闭，并且在小的延迟（数百纳秒）后，提取脉冲被施加到侧电极N和B，以提取X方向上的离子包。在中间时间聚焦的平面（这里为Z对称轴）中，B-N分离器125将离子包分离成两个部分126’和126，每一个部分都相对于X轴以小的倾斜角倾斜，并分别向辅助检测器129和主检测器128引导。检测器129设置得靠近加速器，以避免多重态。来自检测器129的介质分辨率信号被用于分析具有丰富内容的谱，并且还用于提供在主高分辨率检测器128上的谱解码的峰值的列表。

在一种操作模式中，阱123是在低于0.1Pa的气压下的真空RF阱。离子以若干电子-伏特（eV）的能量注入到阱中，并被阱123的远端处的排斥装置所反射。在填充了阱后，在中间电极M上的RF信号被关闭，并且提取脉冲被施加到侧电极T和B。提取的离子包沿着Z方向保持小的能量，并且，在X方向上的静电加速之后，离子包相对于X轴以小的倾斜角出现倾斜。请注意，从远端反射的离子将沿着Z轴保持相反的方向。甚至在没有使用B-N分离器125的情况下，该阱也自然地形成两个分离的离子包组126'和126。与前述的模式相比，该操作模式允许阱的更快的脉冲，其中，以毫秒发生气体离子衰减。除此之外，低能量（几个eV）可以传播通过真空阱，与传统的正交加速器相比提高了占空比，并且，还允许更小的倾斜角，这样的方式提高了离子反射次数，从而，提高了小型分析仪内的分辨率。

参考图13，另一个实施例131包括离子阱转换器132、转向装置133、转向装置134、在Z方向上延长的两个平行平面和无格栅离子镜135、主检测器137以及辅助检测器138。

在一个具体实施例132A中，阱132包括具有在X方向上的径向离子喷射和在Y方向上对准的RF电极（如图所示）的直线RF离子导向器。中间电极与“RF”信号连接，然而外部电极与供应源139A的脉冲“推拉”电压连接。可选地，该实施例利用了在Z方向上倍增的这样的径向喷射阱的阵列。

在另一个具体实施例132B中，阱132是单径向喷射阱或者轴向喷射阱的线性阵列，如图所示。该阵列包括基本上在X方向上对准的RF电极的至少两行（优选地，例如，通过EDM技术，被制成块），以及正交对准的辅助电极组，该辅助电极组与静态“阱”电势和供应源139B的切换“推拉”脉冲连接。阱阵列优选地在Z方向上被对准。较不优选地，阱阵列在Y方向上被对准。

在操作中，从具有调制装置的离子导向器提供准连续离子流（二者都未示出）。离子在约100Pa气压的存在径向RF场的情况下衰减，并且被限制在组合的RF和静电阱内。周期性地，针对足够用于气体衰减的每1至3ms，阱沿着X方向喷射离子包。为了清除离子路径，离子被偏转器133转向并由偏转器134返回转向，同时在E阱分析仪中对于离子Z漂移以某一倾斜角离开。上述的双偏转部分地补偿了时峰（time-front）的倾斜。或者，阱132以角度α向Z轴倾斜，以在Z方向上使离子移位，并且，在几次离子反射中的一次之后，离子包以稍微较小的角度被偏转器134返回转向了。由于离子阱132A和132B具有适度的Z宽度，所以期望转向对离子包时间扩展具有有限的影响。

优选地，偏转器134包括具有对应于几次离子反射的长焦距的宽孔径“Einzel”透镜。通过辅助检测器138而避免采样的离子将到达主检测器137。离子在N次反射之后到达。跨度ΔΝ取决于离子包的初始发散度和能量扩展，从而取决于可选的聚焦装置134的调整。在一个具体的操作模式中，聚焦装置134被调整为使多重谱内的扩展ΔΝ最小。在另一种操作模式中，为了提高分析仪的空间电荷容量，聚焦装置134被调整为保持谱中的至少3至4个多重谱。在一种操作模式中，聚焦装置134在两个上述模式之间切换，并且，获取两组谱来辅助信号解码。在另一种操作方法中，偏转器133中的偏转角随着时间改变，从而减少较重的质量核素的偏转，并且，这种方式减少了多重谱信号之间的信号重叠。

开口E阱几何结构

开E阱可以利用各种电极几何结构和分析仪静电场的各种拓扑，如在通过引用并入本文中的共同未审的申请“Ion Trap Mass Spectrometer”中所述的。参考图14，为了形成二维静电场，电极子集可以如实施例141和144中一样是离子镜，或者静电区142和45，或者上述二者143和146的组合，这些场可以沿着Z轴直线地延伸（如针对实施例141至143所示），或者，绕圆形Z轴折成环形，如实施例144至146中一样。离子镜沿着反射轴X限制离子，并且，由于空间聚焦，允许沿着Y轴的不确定的离子限制。由于沿着弯曲的轨迹的空间聚焦，这些区限制离子沿着X-Y平面中的主离子轨迹。静电区能够补偿所有的第一阶飞行时间偏离，然而，离子镜（甚至与这些区的组合）允许补偿所有的高达第二阶的偏离和第三阶偏离中的一些。

各种各样的纯二维场可以通过下述方式来形成：把X、Y或Z轴中的任何一个弯曲成圆，并且，相对于主离子轨迹的平面倾斜圆平面。这种阱通常形成圆形或环形电极表面。在上述实施例141至146中，纯二维场并不提供在漂移Z方向上的任何场，即，离子速度的Z分量保持不变。因此，这种场允许在Z方向上的自由离子传播，即，使阱开口。

公开的方法还可应用于全捕获静电阱，即，把离子不确定地限制在所有的三个方向上，如轨道阱一样。离子逃逸通过下述方式来提出：通过使用离子-电子转换表面的半透明组，把离子包的一部分排出。这种表面可以被弯曲为按照3-D阱中的等势线的弯曲。

描述的阱几何结构允许倍增（multiplexing），即，在相同的电极组内，制造多个对准的狭缝组，从而形成作为多个分析仪操作的多个捕获体积。可以通过狭缝的线性阵列或旋转阵列来形成倍增。各种分析仪可以与单离子源或脉冲转换器连接。于是，相同离子流的部分或时间片段可以在多个分析仪内被并行地分析。或者，多个离子源或脉冲转换器被用于每个分析仪的单独注入。所述多个源可以是相似的，仅仅用于提高响应时间或分析的吞吐量（throughput）。作为例子，在表面分析中，多个斑点可以同时被扫描，并且，斑点格栅被扫描。或者，不同类型的源被用于获得补充信息。作为例子，各通道可以被用于母质量的并行分析和用于探索离子裂解的多个通道。通道可以被用于校准目的等。

其它类型的开口阱

具有多重谱记录的开口阱分析的一般方法可以被用于其它类型的静电离子阱。作为例子，通过引用并入本文中的SU 19853840525的具有超对数场的轨道飞行时间质谱仪沿着螺旋轨迹设置循环的离子运动。离子包在角度方向上移位和扩展，从而难以设置预定的离子路径。然而，如果在离子路径上使用离子转换表面，那么可以针对每个循环检测离子，以形成多重谱。在另一个例子中，通过应用并入本文中的WO2009001909的三维静电离子阱提供在一个方向上具有有限的稳定性的离子循环运动。通过在经过阱后检测离子，可以形成多重谱信号。类似地，在通过引用并入本文中的DE 102007024858的三维静电阱中，离子可以以足够大的倾斜角被注入，以形成通过阱的离子通道，其中，大量的离子反射在某一跨度内，从而形成多重谱信号。在这些示例的高度同步的阱中，离子包可以被选择性地激发到更大振幅的离子振荡，这样的方式针对离子m/z的有限跨度而顺序地记录信号，从而将会简化信号解码。

参考图15，具有多重谱记录的开口阱分析的一般方法可以被用于其他类型的非静电离子阱，比如磁阱151和射频离子阱152。在这两种情况中，离子在一个Z方向上传播通过阱，同时在正交平面X-Y上经历同步离子振荡。一旦离子到达远Z端的检测器区域，它们就形成对应于整数N个振荡的尖锐信号。自然地发生轴向速度Vz的扩展很可能导致反射次数N的扩展，从而导致多重谱信号。在磁场阱151中，离子优选地通过以恒定的动量的离子注入（例如，通过短加速脉冲）来被激发，以提供与质量无关的旋转半径。在RF直线阱152中，离子优选地通过单个偶极来被激发到较大的轨道，也为所有的m/z分量提供相同的动量，这样有助于把较重的离子激发到更大的振幅，尽管RF阱与1/(m/z)成比例。

最优选的实施例

静电开口阱质谱仪的最优选的实施例包括环形静电开口阱144，如图14一样，其由两个平行离子镜构成。优选地，离子镜包括径向偏转电极。环形E阱针对每一种包装尺寸提供特别长的漂移尺寸。作为例子，紧凑的300mm直径E阱分析仪几乎具有1m的周长。以离子轨迹的典型的3度的倾斜角且以约700mm盖-盖距离（cap-to-cap distance），有效飞行路径达到约20m。优选地，离子镜包括至少四个电极和用于至少第三阶时间和至少第二阶空间等时性的吸引透镜。优选的实施例还包括如图9所示的上游累积离子导向器、以及正交加速器61，该正交加速器61具有如图6中一样的扩展的Z长度，并且如图7中一样在径向（Y）方向上移位。优选地，加速器被快速脉冲，如图8所示，以提供近似1的占空比的脉冲转换。

与现有技术的TOF MS相比，开口E阱提供分辨率（十万以上）、几乎1的占空比、分析的扩展空间电荷容量（高达E+8离子/秒）、以及TOF型检测器的改进的动态范围的更佳组合。该实施例很适合于仅MS、IMS-MS和MS-MS分析。下面的是附加的谱解码，同时考虑频繁的开始脉冲和多重谱形成。可以用多芯处理器来加速解码，优选地，把解码并入到数据获取板。

虽然参考优选实施例描述了本发明，但是，对于本领域的技术人员来说，显而易见的是，在不脱离所附权利要求所阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种形式和细节的修改。

Claims

1.一种质谱分析的方法，包括下述步骤：

(b)记录与整数个离子振荡循环的跨度相对应的飞行时间谱，即，多重谱；以及

(c)由包含多重谱的信号重构质谱，

其中，重构的质谱能够用于质谱分析。

2.一种质谱分析的方法，包括下述步骤：

(a)形成来自被分析的样品的多种核素的离子包；

(b)设置静电场，该静电场提供在至少两个方向上的空间离子捕获和沿着中心离子轨迹的同步离子运动，所述静电场包括在局部正交的Z方向上延伸的X-Y平面上的二维的静电场；

(d)针对跨度ΔN内的整数N个离子振荡循环，在检测器处检测离子并测量离子包飞行时间谱，即，多重谱；以及

(e)由包含多重谱的所检测到的信号重构质谱，

其中，重构的质谱能够用于质谱分析。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述离子包的注入被设置为与轴X成倾斜角α，以针对每单个离子振荡循环在Z方向上形成平均偏移Z₁。

4.如权利要求2或3所述的方法，还包括在Z方向上的空间离子聚焦的步骤；以及还包括在注入所述离子包的步骤处调整注入的离子包的角度和空间扩展的步骤；并且，其中，所述在Z方向上的空间离子聚焦和离子包调整二者都被设置为：控制多重谱内的跨度和强度分布，使得该跨度和强度分布与m/z无关且在校准实验中被确定，或者，为了减少重叠的信号峰值的数目，该跨度和强度分布与m/z相关。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述方法的参数被调整为，把多重谱内的峰值的跨度ΔN保持为下述组之一：(i)1；(ii)2至3；(iii)3至5；(iv)5至10；(v)10至20；(vi)20至50；以及(vii)100以上。

6.如权利要求2所述的方法，其中，所述检测离子的步骤包括下述步骤：针对每单个振荡，对离子包的一部分进行采样，以便针对每一种离子m/z核素产生多重谱信号；并且，所采样的离子部分的值被设定为提供多重谱内的与m/z无关的强度分布。

7.如权利要求2所述的方法，其中，为了提高注入所述离子包的步骤的占空比的目的，所述方法包括下述组中的至少一个步骤：(i)把注入的离子包的Z长度设定为比每单个离子循环的平均偏移Z₁长；(ii)把所述检测器的Z长度设定为比每单个离子循环的平均偏移Z₁长；(iii)以比最大的m/z离子核素在静电场内的飞行时间短的周期设定所述离子包的注入，同时获取与一串所述离子包的注入相对应的长信号；以及(iv)在注入所述离子包的步骤之前使用离子累积装置。

8.如权利要求2所述的方法，还包括下述组中的离子前方分离的一个步骤：(i)母离子质量-电荷分离和裂解的步骤；(ii)根据离子的迁移率或者差分迁移率的离子分离；(iii)离子迁移率分离及其随后的在所述静电场内的相关联的m/z过滤的步骤；以及(iv)离子捕获和粗的飞行时间分离及其随后的具有小于最大的m/z离子核素在所述静电场内的飞行时间的周期的离子注入的步骤。

9.如权利要求2所述的方法，还包括在同一组电极内使所述静电场体积倍增的步骤；并且，还包括把离子包从单个或多个离子源分布到所述静电场体积中以便并行的独立的质量分析的步骤。

10.如权利要求2所述的方法，其中，注入所述离子包的步骤包括在连续或准连续的离子束中的X方向上的在正交加速器中的脉冲正交加速的步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中，通过下述组中的至少一个步骤来增强所述正交加速的步骤：(i)通过调整所述连续的离子束的能量来控制所述静电场中的离子循环的数目；(ii)设定与每单个离子循环的偏移Z₁相对的所述正交加速器的较大长度；(iii)使所述正交加速器在Y方向上移位，并且，把离子包返回到所述静电场的X-Z平面上；(iv)设置与最重离子核素的飞行时间相对的加速脉冲之间的较短周期；(v)累积离子并脉冲注入准连续的离子束及其随后的一串频繁的加速脉冲；以及(vi)通过周期性静电场或通过射频场，在横向方向上把所述离子束限制在所述加速器内。

12.如权利要求2所述的方法，还包括在以与所述静电场内的离子飞行时间可比较的时间尺度改变的脉冲离子源内的形成离子包的步骤；还包括通过信号多重谱内的时间图形来识别离子产生脉冲的时间的步骤；并且，其中，所述离子包形成的步骤包括下述组中的一个步骤：(i)用粒子脉冲或光脉冲轰击被分析的扫描表面；(ii)对气溶胶粒子进行随机的离子化；(iii)对超快分离装置的样品出口进行离子化；以及(iv)对快速倍增的离子源内的样品进行离子化。

13.一种对开口同步离子阱中的包含多重谱的谱进行解码的方法，所述多重谱是针对跨度ΔN内的整数N个离子振荡循环的离子包飞行时间谱，所述方法包括下述步骤：

(a)校准参考谱中的多重谱(N)内的强度分布；

(c)构造与原始峰值T_OF值和猜测的反射次数N相对应的每单次反射的候选飞行时间t＝T_OF/N的矩阵；

(d)选择与多次击中相对应的可能的t值，并且，采集相应的T_OF值的组，即，假想的多重谱；

(e)通过分析假想的多重谱内的T_OF和强度I(N)的分布来检验该组内的峰值有效性；

(f)检查各组之间的T_OF重叠，并且，丢弃重叠峰值；

(g)使用组的有效峰值来恢复归一化飞行时间(T)和强度I(T)的正确假定；以及

(h)计算出丢弃的位置的数目，以恢复预期的强度I(T)。

14.一种开口静电阱(E阱)质谱仪，包括：

(a)脉冲离子源或者脉冲转换器，用于由离子形成离子包；

(b)在Z方向上延伸的静电阱电极的组，用于形成在正交的X-Y平面上的二维的静电场；

(c)所述静电阱电极的形状及其电势被调整，以提供周期的离子振荡和所述离子包在所述X-Y平面上的空间限制，以及沿着中心离子轨迹的同步离子运动；

(d)所述脉冲离子源或者脉冲转换器被设置为以与X轴成倾斜角α注入离子包，以便离子通过所述静电场，同时形成所述X-Y平面内的多次振荡和每单个离子振荡的在Z方向上的平均偏移Z₁；

(e)位于X＝X_D平面的检测器，用于在整数N个离子振荡之后测量离子包飞行时间谱，在某一跨度ΔN内改变，从而针对任何m/z离子核素形成信号多重谱；以及

(f)用于由包含多重谱的检测器信号重构质谱的装置。

15.如权利要求14所述的静电阱质谱仪，其中，所述静电阱电极的组包括下述组中的一个电极组：(i)至少两个静电离子镜；(ii)至少两个静电区；以及(iii)至少一个离子镜和至少一个静电区。

16.如权利要求14或15所述的静电阱质谱仪，其中，所述X、Y或Z轴是弯曲的；轴弯曲的平面相对于中心离子轨迹是倾斜的；并且，所述静电阱电极的组具有下述组中的一种对称性：(i)平面对称性，其中，所述静电阱电极是平行的，并且在Z方向上直线地延伸；以及(ii)柱形对称性，其中，所述静电阱电极是圆形的，并且，各场沿着圆形Z轴延伸以形成环形场体积。

17.如权利要求14所述的静电阱质谱仪，其中，通过下述组中的至少一种手段来提高所述静电阱的灵敏度：(i)把所述检测器的Z长度设置为大于每单个离子循环的平均偏移Z₁；(ii)把所述脉冲转换器的Z长度设置为大于每单个离子循环的平均偏移Z₁；(iii)以比最重m/z离子核素到检测器的飞行时间短的周期对所述脉冲转换器供能；以及(iv)把累积离子导向器置于所述脉冲转换器之前。

18.如权利要求14所述的静电阱质谱仪，还包括针对每单个离子循环对离子包的一部分进行采样的离子-电子转换器，其中，从所述离子-电子转换器的两侧对二次电子进行采样；并且，所述离子-电子转换器包括用于使时间焦平面与所述离子-电子转换器的表面平面匹配的减速器。

19.如权利要求14所述的静电阱质谱仪，其中，所述脉冲转换器包括正交加速器；其中，与中心离子轨迹的X-Z平面相比，所述正交加速器在Y方向上移位；并且，所述正交加速器包括下述组中的一种装置：(i)具有用于脉冲离子提取的窗口的平行板；(ii)与上游气体RF离子导向器连通的处于真空条件的RF离子导向器；(iii)处于气体条件的线性RF离子阱；以及(iv)静电离子导向器。

20.如权利要求14所述的静电阱质谱仪，还包括下述组中的至少一个离子分离器：(i)质量-电荷分离器；(ii)离子迁移率或差分离子迁移率分离器；以及(iii)后面跟随裂解单元的上述离子分离器中的任何一个。

21.如权利要求14所述的静电阱质谱仪，还包括射频离子阱和在具有频繁的脉冲提取的正交加速器之前的粗飞行时间分离器或离子迁移率分离器，以与最重m/z离子核素的到检测器的飞行时间相比更短的周期设置该频繁的脉冲提取。