CN105097414A - 从四极离子阱的离子喷射 - Google Patents

从四极离子阱的离子喷射 Download PDF

Info

Publication number
CN105097414A
CN105097414A CN201510253332.5A CN201510253332A CN105097414A CN 105097414 A CN105097414 A CN 105097414A CN 201510253332 A CN201510253332 A CN 201510253332A CN 105097414 A CN105097414 A CN 105097414A
Authority
CN
China
Prior art keywords
trap
ion
voltage
amplitude
power supply
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201510253332.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105097414B (zh
Inventor
C·A·霍克
D·格林菲尔德
R·黑明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Original Assignee
Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH filed Critical Thermo Fisher Scientific Bremen GmbH
Publication of CN105097414A publication Critical patent/CN105097414A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105097414B publication Critical patent/CN105097414B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/426—Methods for controlling ions
    • H01J49/427—Ejection and selection methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0027—Methods for using particle spectrometers
    • H01J49/0031—Step by step routines describing the use of the apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0468—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components with means for heating or cooling the sample
    • H01J49/0481—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components with means for heating or cooling the sample with means for collisional cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/063—Multipole ion guides, e.g. quadrupoles, hexapoles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/28—Static spectrometers
    • H01J49/282—Static spectrometers using electrostatic analysers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/422—Two-dimensional RF ion traps
    • H01J49/4225—Multipole linear ion traps, e.g. quadrupoles, hexapoles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/424—Three-dimensional ion traps, i.e. comprising end-cap and ring electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons
    • H01J49/4205—Device types
    • H01J49/4245—Electrostatic ion traps

Abstract

一种从四极离子阱喷射待分析的离子的方法，其中俘获场通过施加到该阱的一个或多个电极上的一个或多个RF电压产生，该方法包括以下步骤：冷却该四极离子阱内的这些待分析的离子直到这些离子热化；减小施加到该四极离子阱上的一个或多个RF电压的幅值，并且在该一个或多个RF电压已经达到过零点之后施加这些减小幅值的RF电压持续半周期；断开施加到该四极离子阱上的这些RF电压；并且从该四极离子阱喷射这些待分析的离子。

Description

从四极离子阱的离子喷射
发明领域
本发明涉及用于向飞行时间质量分析仪、离子阱质量分析仪或傅里叶变换质量分析仪提供脉冲离子包的离子喷射器的领域。具体来说，本发明涉及离子喷射器，这些离子喷射器包括四极离子阱。
发明背景
用射频(RF)电势操作的四极离子阱(也被称作保罗(Paul)阱)用于质谱分析以便积聚离子并且将脉冲离子包喷射到质量分析仪中。适合的质量分析仪包括飞行时间(TOF)、静电阱(EST)以及傅里叶变换质谱仪(FT-MS)。TOF质谱仪包括线性TOF、反射TOF以及多反射TOF。EST质谱仪包括轨道阱，如金登(Kingdon)阱，其一种类型由申请人以OrbitrapTM销售并且利用镜像电流离子检测和傅里叶变换信号处理。FT-MS质谱仪包括Orbitrap质量分析仪和离子回旋共振质量分析仪。
在许多情况下，四极离子阱必须在一段短持续时间内喷射离子包，该包含有具有广泛范围的质荷比(m/z)的离子。脉冲持续时间应在m/z的整个范围上均匀地小。
在四极离子阱中，离子被RF场约束，这些RF场由施加到一个或多个阱电极上的RF电势诱发。在3D四极离子阱中，一个或多个RF电势施加到环形电极和两个端盖电极中的一者或多者上。典型地在线性四极离子阱中，四个大体上平行的杆电极施加有两个相反极性的RF波形，一个波形施加到每一对相对杆上。
用于喷射到质谱仪的四极离子阱通常用引入到阱体积中的气体操作，并且离子与气体分子之间的碰撞致使离子随每次碰撞而逐渐地损失能量并且由此冷却到大致气体温度，该气体温度可以是室温或在低温阱中更低，并且离子被称为热化。这用以减小速度在喷射的方向上的扩散，并且因此减小具有相同m/z的离子到达质谱仪并且在一些情况下其检测器的时间范围。此时间范围直接限制例如TOF质谱仪的质量分辨力并且因此应尽可能小。
一旦离子已经经历与气体的足够碰撞以充分冷却所希望的质量范围内的所有离子，离子从四极离子阱喷射。在3D四极离子阱中，离子通过端盖之一中的小孔口喷射。在线性离子阱中，离子或者从线性阱的一端大体上沿着其轴喷射(轴向喷射)，或者正交于阱轴通过杆电极之间的间隙之一喷射，或者通过杆电极之一中形成的槽缝喷射(正交喷射)。正交喷射是优选的，因为那么离子包在喷射的方向上更小。为了喷射离子，或者除了RF俘获电势之外跨过该阱施加喷射电势，或者关闭RF俘获电势并且施加喷射电势。
在一些情况下，当一个或多个RF俘获电势达到过零点时，关闭其。如在此关于施加的RF电势所用的，术语“过零点”是指(时变的)RF电势或者在从正电势过渡到负电势期间或者在从负电势过渡到正电势期间瞬时地在零电势下的时间。在两个RF电势施加到离子阱上时，那些电势典型地在彼此反相下。因此，当一个RF电势达到过零点时，另一个RF电势也如此，但一个RF电势是从正电势过渡到负电势并且另一个RF电势是从负电势过渡到正电势。
喷射的离子被引入到质量分析仪中，并且在分析仪内沿着分析仪飞行路径行进。具有不同m/z的离子沿分析仪飞行路径行进，或者在不同时间中穿越一段距离到检测器，或者在分析仪内经历不同频率的振荡运动。分析仪飞行路径可以是线性的，包括线性部分，或可以是弯曲的或包括弯曲部分。为了沿着分析仪飞行路径行进，离子必须沿着注入轨迹注入到分析仪中。如在此所用的，术语“分析仪注入轨迹”是指离子为了进入分析仪必须遵循以便它们随后沿着分析仪飞行路径行进的注入轨迹。技术人员应理解，分析仪注入轨迹和分析仪飞行路径是有限体积的空间，尽管它们可以表示为线，但离子在其内行进。
美国专利5,569,917描述了同时施加类似幅值的相反极性引出电势到3D四极离子阱的两个端盖上以便以准直束喷射离子。该束然后进行后加速以用于TOF质谱仪中。
美国专利6,380,666描述了同时施加不同幅值的相反极性引出电势到3D四极离子阱的两个端盖上，而不进行后加速。
美国专利6,483,244描述了一种3D四极离子阱和一种具有开关的电子安排，其中RF俘获电压快速变为零并且在与RF电势终止的几乎同时施加引出电压到端盖电极上。在此安排中，RF俘获电压可以通过操作开关而在RF周期的任何所选择的部分处终止。在终止RF俘获电势时，实际上存在于离子阱的环形电极上的RF俘获电势接近零，时间常数由阱的电极之间的电容和开关的内电阻确定。此时间常数足够小以防止离子从离子俘获区逸出。然而，在其最大跨度时突然停止RF电压的问题由于阱的电极的相当大的电容而仍保持未解决。
美国专利7,250,600描述了一种3D四极离子阱，其中RF俘获电势以一种方式终止，该方式最小化在施加喷射电势时阱内的离子的空间扩散。阱内的离子在阱内的RF场的影响下移动，作为施加到阱环形电极上的RF电势的相的函数从阱内的较大体积的空间移动到较小体积。RF俘获电势在既定极性的离子正汇聚或已经汇聚到较小体积时终止，并且离子从阱从阱内的较小体积喷射，由此最小化喷射的离子的起始位置的变化。RF俘获电势在过零点时，即在时变的电势瞬时地在零电势下的时刻终止。由于连接到阱的不同电子组件，因此RF电势在此安排中可以不被立即终止，并且在尝试终止RF电势与施加喷射脉冲之间提供时间延迟。据解释，在此时间段期间，离子不经历俘获效应并且可以自由移动并且分散，并且具有大的时间延迟是不推荐的。
美国专利7,256,397描述了一种3D四极离子阱，其中施加到环形电极上的RF俘获电压在预定相终止，并且在预定时间段之后跨过端盖电极施加喷射电势，该预定相和该预定时间段被选择成使得环形电极上的实际电势在该预定时间段之后无关于当RF电压终止时的其幅值而相同。通过此方式，可以发现施加喷射电势的时间，使得环形电极上的实际电压无关于俘获的m/z范围(它由施加的RF俘获电势的幅值确定)而相同，并且时间延迟最小化，在该时间延迟期间无四极场存在于阱内并且在该时间延迟中离子可以分散。
美国专利申请2014/0008533描述了一种3D四极离子阱，其中单相RF俘获电压施加到两个端盖电极上，并且在离子云空间收缩的过零点之前不久减小。DC引出电势然后施加到这两个端盖电极中的至少一者上。
美国专利5,763,878描述了一种线性多极离子阱，具有离子的正交喷射。该多极杆可以具有不同形式，包括六极杆、四极杆以及变形的四极杆安排。对于离子喷射，RF俘获电势在过零点时终止，并且喷射电势施加到不同电极上以在阱的一部分内产生大致均匀的场。
美国专利7,498,571和8,030,613描述了一种电路，该电路包括切换分流器以使RF电压驱动器的二次绕组短路以快速切断RF俘获电势。DC喷射电势可以然后在有或无时间延迟的情况下施加以便从线性四极阱轴向或正交喷射。RF俘获电势在过零点时快速切断。
当引出场Ex施加到离子阱上时，阱体积内诱发的电势必然存在变化，对于具有所选择的极性的离子，在喷射的方向上存在电势梯度。因此，阱内的不同空间位置处的离子(它们在电势梯度上的不同位置处)在行进到质量分析仪的入口时将经历不同电势变化。当离子到达质量分析仪时，离子阱内的在引出轴x的方向上的空间扩散δx产生动能扩散，δK＝q.Ex.δx，其中q是离子上的电荷。如上文所描述的，离子引出的现有技术方法已经考虑到减小阱内的离子在喷射时的空间扩散，尤其如美国专利7,250,600中所描述，并且这减小到达质量分析仪的离子的动能扩散。
然而，可以形成时间或飞行时间焦点，其中在施加离子喷射场时最远离质量分析仪的离子经历最大电势降并且因此具有最高动能，随后赶上在施加离子喷射场时最靠近质量分析仪的离子。时间焦点可以形成为与质谱仪内的所希望的位置一致，并且可以成像到例如另一个位置上，如TOF质谱仪中的检测器平面。在形成时间焦点时，离子在时间焦点下的时间扩散并不由离子阱内的在引出轴x的方向上的初始空间扩散δx主导，而实际上主要由阱中的离子在引出轴的方向上的初始速度扩散δvx确定。
典型地，在施加引出场时离子具有从-δvx/2到+δvx/2范围内的速度扩散。如果第一离子具有速度-δvx/2，它行进离开质谱仪持续一段时间段，那么它花费时间δt＝m.δvx/q.Ex来行进离开、转向并且回到其初始位置。同时，具有速度+δvx/2的从相同位置开始的第二离子已经向质谱仪前进。这两种离子之间的时间差δt无法被补偿，因为实际上由于具有相同能量并且来源于同一点的离子不具有它们可以被彼此区分的特征，并且δt表示离子在时间焦点下的主要时间扩散。时间差δt被称为转向时间(出于明显原因)。此时间扩散直接限制可以由质谱仪获得的质量分辨力，根据tTOF/2.δt，例如对于TOF质谱仪，其中tTOF是从喷射器内的离子起点到光谱仪的检测器的总飞行时间。
因此，在形成时间焦点时，令人希望的是不以一种方式引出离子，如以上提到的一些现有技术中所传授的，该方式最小化离子阱内的离子的空间扩散δx，但反而最小化在喷射时阱内的离子的速度扩散δvx。
美国专利7,897,916中已经建议，如果在施加引出场时RF俘获场尚未稳定化，那么可能诱发离子的额外速度扩散，并且重要的是快速终止RF俘获场到极低水平以便最小化此效应。然而，如已经讨论的，如果RF俘获场在除当RF电势在过零点时之外的任何时间终止，那么实际上难以抑制其。
在含有缓冲气体的RF四极离子阱中，在离子已经由于与气体分子碰撞而热化时，对于广泛范围的m/z，已知离子系综与施加到阱电极上的RF电势同相振荡。相空间体积是守恒的，并且当离子在一个方向上在其最小幅度上被约束时，它们在那个方向上具有其最大速度扩散(离子轨迹彼此跨接)。相反地，当离子在一个方向上在其最大空间幅度下时，它们在那个方向上具有最小速度扩散。在线性四极离子阱中，当x杆上的RF电势在最大正电压下时，正极性的离子在x上在其最大空间幅度下，并且此时离子在x上具有其最小速度扩散。然而，尽管这是喷射离子以提供x方向上的最低速度扩散的最令人希望的时刻，但施加到杆上的RF电势在那时在最大值下，该最大值可以是数千伏特，并且如已经描述的，当电压在最大值下时由于阱电极的电容而实际上难以快速终止杆电极上的电势。
欧洲专利1302973描述了与正交喷射器和TOF质谱仪组合的一种3D四极离子阱。离子从四极离子阱喷射，该四极离子阱含有缓冲气体(有时被称为碰撞气体)以通过多次碰撞冷却离子，并且离子行进到更高真空的区域中以进行后续正交加速。高加速电势仅施加到正交喷射器上，并且这减少样品分子离子与气体分子之间的高能碰撞的数目，由此减少样品离子的解离。准入到质谱仪内的离子的m/z范围由在从阱喷射的方向上的速度扩散限制，并且描述了两种用于减小离子的速度扩散的方式：(1)在喷射时间期间增大阱内的喷射场；(2)改变阱与正交喷射器之间的区域中的电场。由于使用正交引出器，因此在从阱喷射的方向上的速度扩散不影响TOF质谱仪的质量分辨率，相反，光谱仪中在飞行时间的方向上的速度扩散是一种限制因素。未描述用于限制此的方式。
美国专利7,897,916描述了一种线性四极离子阱，其中通过杆电极之一中的狭缝将离子正交喷射到TOF质量分析仪。在一个实施例中，该阱直接接合到TOF质量分析仪；在另一个实施例中，该阱向正交喷射器供应离子，该正交喷射器将离子传送到TOF质量分析仪中。该离子阱用一种所谓的“数字驱动”来驱动，其中施加到电极上的电势不是正弦的，而是快速切换的DC电势，在负与正值之间切换，每个值的时间相等，从而提供具有50％占空比的方波驱动。恰在喷射之前增加切换方波的时间段，并且然后在之后不久施加引出脉冲。俘获电势可以被安排成使得一个相施加到一对相对的杆电极上，并且相反的相供应到另一对相对的杆电极；或可替代地可以仅使用一个相，该相连接到仅一对相对的杆电极上，并且另一对相对的杆电极在0V下直到引出脉冲施加到其上。在后一种情况下，在喷射相期间，切换的俘获电势连续施加到该对杆电极上，仅在喷射之前增加切换时间段。离子的喷射与离子在所希望的方向上的能量扩散在最小值下的相匹配。所希望的方向视实施例而变化：在离子直接从阱喷射到TOF质谱仪时，所希望的方向在从阱喷射的方向上，因为这是TOF质谱仪中的飞行时间的方向；在离子从阱喷射到正交喷射器时，所希望的方向正交于从阱喷射的方向，以大体上与TOF质谱仪中的飞行时间的方向对齐。由于使用阶梯式DC俘获电势，因此四极离子阱内的电场在离子喷射的时间段期间是恒定的，即使在高幅值下。然而使用方波或矩形波具有实际困难，因为它必然包括大电压的极快速突然切换。此方法的实际实现是困难的，因为RF电压的任何突然切换涉及使由阱的电极形成的电容再充电。不同于RF储槽中的正弦波形的情况，储存在电容中的电能不被电磁线圈回收而必须被耗散。电压‘振铃’也极难以避免。
鉴于上述，已经作出本发明。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种从四极离子阱喷射待分析的离子的方法，其中俘获场通过施加到该阱的一个或多个电极上的一个或多个RF电压产生，该方法包括以下步骤：(a)冷却该四极离子阱内的这些待分析的离子直到这些离子热化；(b)减小施加到该四极离子阱上的一个或多个RF电压的幅值，并且施加该一个或多个减小幅值的RF电压持续从该一个或多个RF电压已经达到过零点起的实质上半周期；(c)在该半周期之后断开施加到该四极离子阱上的这些RF电压；步骤(a)到(c)按该顺序执行；并且(d)与步骤(c)同时或在其之后从该四极离子阱喷射这些待分析的离子。
根据本发明的另一个独立方面，提供了一种用于质量分析仪的离子喷射器系统，包括四极离子阱，该四极离子阱用于含有一种缓冲气体；RF电源，该RF电源具有电连接到该四极离子阱的一个或多个电极的一个或多个输出端；喷射电源，该喷射电源具有电连接到该四极离子阱的一个或多个电极的一个或多个输出端；以及控制器，该控制器电连接到该RF电源和该喷射电源，该控制器被安排成：(a)控制该RF电源以第一幅值向该离子阱的一个或多个电极供应一个或多个RF电压持续第一时间段，其中该第一时间段足以使该四极离子阱内的离子由于与该缓冲气体碰撞而变得热化；(b)控制该RF电源在该第一时间段之后向该四极离子阱的一个或多个电极供应第二幅值的一个或多个RF电压持续从该一个或多个RF电压已经达到过零点起的实质上半周期，该第二幅值小于该第一幅值；(c)控制该RF电源在该半周期之后断开施加到该四极离子阱上的这些RF电压；该控制器被安排成按该顺序执行(a)到(c)；并且(d)与在(c)中断开施加到该四极离子阱上的这些RF电压同时或在其之后控制该喷射电源向该四极离子阱供应一个或多个喷射电压。
令人希望的是以一种方式从该四极离子阱喷射离子，该方式最小化在优选的方向上的速度扩散。在该四极离子阱直接将离子喷射到该分析仪中的实施例中，优选的方向可以大体上在分析仪注入轨迹的方向上。可替代地，在该四极离子阱将离子喷射到正交喷射器中，并且离子从该正交喷射器喷射到该质量分析仪中的实施例中，该优选的方向可以实质上正交于该分析仪注入轨迹。如将了解，离子在它们离开该四极离子阱之后可以经由一个角度偏转，使得它们然后沿着注入轨迹进入分析仪，或使得它们进入正交喷射器，在该情况下，该优选的方向可以与该注入轨迹的一个角度而倾斜或对应地与该注入轨迹的正交线的一个角度而倾斜。
然而，如上文已经描述，当一个或多个施加的RF俘获电势在最大幅值下时，即当该一个或多个RF俘获电势不在过零点下时，四极离子阱内的热化的离子具有最小速度扩散。这些RF俘获电势的最大幅值可以是数千伏特，并且如上所述，由于这些阱电极和相关电子电路的电容，因此在极短时间标度(即远小于一个RF周期)内将这些电势减小到接近零是不切实际的。本发明克服了这些限制。
离子在该四极离子阱内通过与引入到该四极离子阱中的缓冲气体碰撞而冷却直到热化，这些离子通过碰撞过程损失能量给气体直到这些离子被冷却到大致气体温度。在10-4-10-2mBar之间的气体压力下，到实现热化的时间在该RF电源的104-102个RF周期之间，还取决于这些离子的质量和该气体的质量。在热化后，这些离子获得接近1.5kbT的平均动能δε，其中T是缓冲气体温度并且kb是玻尔兹曼常数。在RF四极阱中的热化条件下，已知离子系综与该RF电压同相振荡。当该RF电压在最大幅值下时，瞬时空间扩散δx视施加的电压的极性和这些离子的极性而达到其最大或最小值。因此，速度扩散δv取两个不同值，根据相体积守恒定律保持δxδv乘积恒定。为了避免当在RF俘获电势的最大幅值下时在终止其方面的前述困难，这些RF俘获电势可以在过零点下终止。然而，该离子系综内的这些离子在这些过零点下具有增加的速度扩散，额外速度扩散与从最小δx向最大δx或在相反方向上的转变相关。在这些过零点，这些离子的平均能量超过热能三倍(对于高m/z)或甚至更大(对于较低m/z)。
根据本发明，减小该一个或多个RF俘获电势的幅值持续在过零点之后(即从该一个或多个RF俘获电势越过零点起)的半周期。在此半周期之后，优选地在此半周期之后实质上即刻，当该一个或多个RF俘获电势达到下一个过零点时，断开这些电势。出人意料地，这些RF俘获电势的幅值持续半周期的减小导致该四极离子阱内的离子轨迹被修改，使得在该半周期之后这些离子在其速度扩散方面具有最小值。本发明的方法减缓了所述半周期期间的速度变化，并且因此有效地将该离子系综获取最小速度扩散的时间转移到稍晚的时刻，该时刻与下一个过零点一致。当该一个或多个RF俘获电势在下一个过零点下并且可以容易被终止并且引出场可以被施加时，实现最小速度扩散。在一些实施例中，该引出场可以在这些RF俘获电势已经达到该过零点之前不久施加，只要引出的离子在这些RF俘获电势已经达到该过零点之后离开该阱即可。由于持续半周期的RF电压幅值减小，因此该阱内的马蒂厄稳定性方程的Q参数减小持续一段时间段，并且离子扩散的演变变得更慢。因此，稍晚达到最大空间扩散和最小速度扩散。重要的是，在该半周期时间段期间对于修改的Q参数未实现新的热平衡，并且这因为在此时间期间并未发生充足数目的碰撞而实现，由于该阱中使用的气体压力。典型具有较高Q值的较小相体积在该半周期时间段期间是实际上守恒的直到引出。
通过选择该过零点以起始RF幅值减小，所引出的离子在优选的方向上具有最小速度扩散，并且该优选的方向(x或y)可以进行选择。具有不同m/z比的离子的混合物通常存在于RF离子阱中并且全部同时被引出。有利地，具有广泛范围的m/z的离子几乎同时保持其最小速度扩散，即当该一个或多个RF俘获电势达到下一个过零点时，在减小该一个或多个RF电压的幅值之后半周期。这允许减少储存在该RF四极阱中的所有类型的离子物质的换向时间，马蒂厄方程Q参数从Qmin≈0.01跨越到Qmax≈0.901，最小值对应于有质动力的实际最小值，并且最大值对应于稳定区域的低质量限制。
在该四极离子阱是线性阱时，它优选地包括与一条轴大体上平行延伸的四个电极，该四个电极包括两对相对电极；第一对相对的电极具有第一RF电压施加到其上并且第二对相对的电极具有第二RF电压施加到其上，该第一与第二RF电压具有相反极性。在该四极离子阱是3D阱时，它优选地包括环形电极和两个端盖电极。对于此类3D阱，可以使用三种替代操作方法。在第一种方法中，该环形电极可以具有第一RF电压施加到其上并且这些端盖电极具有第二RF电压施加到其上，该第一与第二RF电压具有相反极性。在第二种方法中，该环形电极可以具有第一RF电压施加到其上并且这些端盖电极具有稳态电压施加到其上。在第三种方法中，该环形电极具有稳态电压施加到其上并且两个端盖具有第一RF电压施加到其上。所施加的该一个或多个RF电压优选地是以正弦方式随时间变化的电压。在一个替代实施例中，但具有更大实际难度，该一个或多个RF电压可以根据任何其他波(包括方波或矩形波形式)随时间变化。
在本发明的方法中，在两个RF电压施加到该四极离子阱的电极上时，减小一个或多个RF电压的幅值的步骤可以包括：(1)将该第一和该第二RF电压两者的幅值减小d倍；或(2)将该第一和该第二RF电压中的仅一者的幅值实质上减小到零。因此，该减小幅值的一个或多个RF电压的总幅值是非零的(即当减小时，该一个或多个RF电压的幅值的总和是非零的)。将该第一和该第二RF电压中的仅一者的幅值实质上减小到零等效于将该第一和该第二RF电压两者的幅值减小0.5倍(即d＝0.5)，因为离子运动由施加的电压的差而不是绝对值确定。可替代地，在本发明的方法中，在两个RF电压施加到该四极离子阱的电极上时，减小一个或多个RF电压的幅值的步骤可以包括：(3)将该第一RF电压的幅值改变e倍并且该第二RF电压的幅值改变f倍，对这些幅值的改变使得(e+f)/2小于1。量(e+f)/2＝d有效以及以此方式改变这些RF电压两者的幅值等效于减小这些RF电压两者的幅值因数d有效。因此，在提供一种用于质量分析仪的离子喷射器系统的实施例中，该控制器被安排成控制该RF电源在该第一时间段之后以第二幅值供应该第一RF电压并且以第三幅值供应该第二RF电压，该第二幅值是该第一幅值的e倍并且该第三幅值是该第一幅值的f倍，其中(e+f)/2小于1。
可替代地，在仅一个RF电压施加到该四极离子阱上时，减小一个或多个RF电压的幅值的步骤可以包括将该第一RF电压的幅值减小d倍。如上文所提及，该RF电压的总幅值将保持非零。
优选地，d在0.3到0.7范围内。更优选地，d在0.4到0.6范围内。再更优选地，d在0.45到0.55范围内。优选地，(e+f)/2位于0.3到0.7范围内。更优选地，(e+f)/2位于0.4到0.6范围内。再更优选地，(e+f)/2位于0.45到0.55范围内。
在该四极离子阱是包括与一条轴大体上平行延伸的四个电极的线性阱时，该线性离子阱的这些电极可以不完全平行，即这些阱电极可以逐渐变细或可以朝向彼此或远离彼此弯曲，因为它们与该轴大体上平行延伸(如例如WO2008/081334中所示出)，并且该轴可以不遵循一条直线路径，即该阱轴可以是弯曲的(如例如WO2008/081334中所描述)。本发明可以应用于此类线性离子阱。如在此所用，与一条轴大体上平行延伸的电极包括逐渐变细或朝向或远离彼此弯曲的电极，因为它们与该轴大体上平行延伸；和/或包括与一条弯曲轴大体上平行延伸的电极。
适宜的是相对于接地在第一稳定偏移电势下操作该四极离子阱同时该阱用离子填充，并且然后在离子喷射之前将该偏移改变为第二偏移电势。在此情况下，该离子阱的所有电极都具有相同偏移电势施加到其上。以此方式，该离子阱可以在负载离子期间接近接地电势或在接地电势下操作，然后该阱内所含有的这些离子可以在势能方面相对于质量分析仪提升，并且然后在从该阱喷射之后这些离子加快达到适用于该质量分析仪中的动能。因此，步骤(c)可以包括将所有这些阱电极切换到相同电势，并且该电势可以是距该第一偏移电势数kV。
待分析的离子通过施加一个或多个喷射电压到该阱的电极而从该四极离子阱喷射。在该四极离子阱是包括与一条轴大体上平行延伸的四个电极的线性离子阱，该四个电极包括两对相对电极时，喷射电压可以施加到这些电极中的仅一些或所有四个上。在该四极离子阱是包括环形电极和两个端盖电极的3D阱时，这些喷射电压可以施加到一个或两个端盖电极上。另外，电压可以施加到该环形电极上。可能希望在一段时间延迟之后施加该一个或多个喷射电压，以确保在施加该一个或多个喷射电压之前，这些RF电压已经达到0V在既定电压容差内，即该终止RF电压的任何过冲或下冲已经衰变到在预定电压容差内。在此情况下，优选地，该一个或多个喷射电压在一段时间延迟之后施加，以确保在施加该一个或多个喷射电压之前阱电极的电压已经稳定到实质上稳态。优选地，该时间延迟少于这些RF电压的振荡周期的30％。
在这些离子直接喷射到分析仪中的实施例中，优选地，这些待分析的离子以一条喷射轨迹从该四极离子阱喷射，并且步骤(b)中的该过零点被选择成使得这些待分析的离子具有的在喷射方向上的速度扩散小于正交于该喷射方向的方向上的速度扩散。优选地，从该阱喷射的这些离子由飞行时间质量分析仪或由静电阱质量分析仪接收。
在从该阱喷射的这些离子被接收于正交喷射器中的实施例中，优选地，这些待分析的离子在喷射方向上从该阱喷射，该喷射方向大体上正交于分析仪注入轨迹，并且步骤(b)中的该过零点被选择成使得这些待分析的离子具有的在该分析仪注入轨迹的方向上的速度扩散小于在该喷射方向上的速度扩散。优选地，待分析的离子然后从该正交喷射器喷射到飞行时间质量分析仪或静电阱质量分析仪中。
优选地，该质量分析仪执行质量分析步骤以提供关于具有一个或多个质荷比的离子的数目的信息。优选地，该信息包括质谱。
本发明可以通过以下来实施：四极离子阱；RF电压供应器，具有一个或多个输出端；喷射电压供应器，具有一个或多个输出端；以及控制器，该控制器被安排或编程以控制这些RF电压供应器和这些喷射电压供应器遵循本发明的方法。该控制器可以包括计算机。本发明的另一个方面因此提供了一种计算机程序，该计算机程序具有用于执行本发明的方法的程序代码模块(即当该程序在计算机上执行时)。根据本发明的设备可以包括一种离子喷射器系统，包括四极离子阱；质量分析仪；以及任选地安置在该四极离子阱与该质量分析仪之间的正交喷射器。其他离子光学装置可以放置在该离子喷射器系统的上游以执行不同离子处理步骤。
本发明提供了一种离子包，包括在喷射之前即刻在优选的方向上具有较低速度扩散的离子。在喷射后，此类喷射的离子包可以使得更高质量分辨力由于减小的初始速度扩散而能够在后续质量分析步骤中实现。有利地，这些离子可以在一种方法中从该阱喷射，在该方法中，一个或多个RF俘获电压当它们达到过零点时终止，克服了现有技术安排所遭受的实际困难，在这些现有技术安排中，实际上极难以当RF俘获电压在其最大幅值下时快速终止其。
本发明的其他优选的特征和优势陈述于说明书和随附在此的从属权利要求中。
附图说明
图1示出了用于本发明的线性四极离子阱的一幅示意性透视图。
图2示出了根据本发明的方法相对于时间绘制的电压波形的实例，描绘适用于从四极阱喷射在喷射的方向上具有减小的速度分布的正离子的本发明的三个不同实施例。图2A还包括一幅示意图，描绘线性阱的一个实施例的离子喷射的定向和所施加的电压。
图3是R对Q的一幅图，其中R是喷射方向上的离子的有效温度与缓冲气体温度的比率，并且Q是四极离子阱的马蒂厄稳定性参数。该图对于一系列值d提供了数据，其中d＝V1/V0。
图4A是电压波形对时间的一幅图，还示出具体相下的点。图4B示出了如图1中所描绘的线性四极离子阱内的带正电荷的热化离子在X上的相空间，该线性四极离子阱具有图4A的电压波形施加到电极上。图4B的相空间图对应于离子在图4A中标注的各相下的参数。
图5是在X上的相空间图，示出在转变过程开始时的时间段t1之后(虚线椭圆形)和在更远的时间段之后一个RF时间段t2的一半之后(实心椭圆形)的时刻，离子系综的相空间密度函数的水平线。
图6是根据本发明的一个实施例适用于提供RF俘获电压和喷射电压的电子安排的一幅简化示意图。该图还包括一幅示意图，描绘适合用于电子安排情况的线性阱的定向以及施加的电压。
图7示出了图6中示意性地描绘的电子安排的测量的输出，是施加的电压V对时间的一幅图。图7示出了重叠的三种不同幅值的波形(A，B，C)，例示能够由电子安排产生的三种不同俘获条件作为实例。
发明详细说明
本发明的不同实施例现将借助于以下实例和附图进行描述。
图1示出了用于本发明的线性四极离子阱的一幅示意性透视图。阱100包括四个电极101，102，103，104。电极101和102在X方向上相对于彼此，并且电极103、104在Y方向上相对于彼此。电极101和102垂直于电极103和104定向。电极101、102、103、104被示出为平板，各自具有与轴Z平行定向的长度，但可以是圆杆，各自具有与轴Z平行的一条轴。可替代地，电极可以包括面朝向轴Z的双曲线表面。涵盖其他电极形状。电极101具有槽缝120，用于在X方向上从阱100朝质谱仪160喷射离子121，该质谱仪可以是例如TOF质谱仪或FT质谱仪或EST质谱仪。
离子阱用缓冲气体在中压10-4-10-2mBar下填充，该缓冲气体通常是氮气、氦气或任何其他化学惰性气体。在离子积聚、储存以及冷却期间，相对电极对101，102以及103，104通过射频电压RF1和RF2激活，这些电压通常具有相同频率f和幅值V0但相对于彼此同相转移180度。典型的RF幅值可以是400-1000V并且频率是0.5-5MHz。
在现有技术实施例中，在某一时刻下，断开RF发生器130和140，并且从DC电压发生器150施加快速双极电压脉冲到电极101和102。离子通过电场在正X方向上加速，并且通过电极101中的狭缝孔口120离开离子阱。在本发明中，使用一种不同喷射方法。
电极101，102电连接到RF驱动电路130，该RF驱动电路供应电压RF2；并且还经由开关151连接到引出电压供应器150。当使开关151导电时，引出电压供应器150在电极101和102上供应电压V喷射。电极103，104电连接到RF驱动电路140，该RF驱动电路供应电压RF1。阱100还在阱的每个端部处包括俘获电极以将离子约束在俘获体积105内并且防止其在大体上沿着Z轴的方向上逸出，但为了清楚起见，这些电极和其相关电压供应器在图中被省略。电压RF1和RF2是随时间周期性变化的电压(优选地正弦地)，并且具有相反相。
在使用中，阱100具有准入于俘获体积105内的碰撞或缓冲气体，并且RF驱动电路130和140接通以向阱电极101，102，103，104提供RF俘获电势。开关151是不导电的，使得无引出电压供应到阱电极101和102。待分析的离子(在此实例中包括正离子)准入到俘获体积105并且同时通过由俘获电势产生的俘获场保持在阱内，经历与缓冲气体分子的碰撞，损失过量能量。在离子已经热化，即在俘获场的影响下实质上进入与缓冲气体的热平衡后，在离子准入到阱之后的一段时间延迟t1之后，喷射方法可以开始。
现还参看图2A，根据本发明的一个优选实施例，在时间延迟t1之后，就在由RF驱动电路130供应的电压RF2达到过零点并且即将转到正电压时，断开RF驱动电路130，并且电极101和102保持在RF接地电势(RF0V)下。使RF驱动电路140继续操作，电压RF1在时间t1下从过零点过渡并且在时间段t2期间变负持续另一个半周期。在时间段t2已经消逝之后，也再次在过零点断开RF驱动电路140，并且电极103和104保持在RF接地电势下。在实质上同时，通过使开关151导电而切换引出电压供应器150，以便施加引出电势到电极101和102。引出电势实际上在时间段t2已经消逝之后极短时间、优选地在半RF周期内出现于电极101和102上。任选地，在断开RF驱动电路140与开启引出电压供应器150之间可以存在一段小延迟t3(图中未示出)，以便确保电极103和104上的电势已经完全确定，但时间段t3应少于一个RF周期的30％。引出电势还可以在时间段t2结束之前不久施加，然而喷射的离子束必须在RF场完全停止之后到达喷射槽缝120。
电压供应器150供应电压V喷射，使得电极101具有负喷射电势施加到其上，并且电极102具有正喷射电势施加到其上。在此实施例中，电极103和104在离子喷射期间保持在RF接地电势下。待分析的正离子121从阱100喷射通过槽缝120，并且行进到质谱仪160。在此实施例中，离子直接喷射到用于质量分析仪的一条注入轨迹中，并且在从离子阱喷射的方向上具有减小的速度扩散。
本发明的另一个实施例可以按类似于刚才描述的方式的方式、但根据图2B使用。在此情况下，在时间延迟t1之后，在过零点下断开RF驱动电路140，并且电极103和104保持在RF接地电势(RF0V)下。使RF驱动电路130继续操作，电压RF2在时间t1下从过零点过渡并且在时间段t2期间变正持续另一个半周期。在时间段t2已经消逝之后，也再次在过零点断开RF驱动电路130，并且电极101和102瞬时保持在RF接地电势下。在实质上同时，通过开关151切换引出电压供应器150，以便施加引出电势到电极101和102。电压供应器150供应电压V喷射，使得电极101具有负喷射电势施加到其上，并且电极102具有正喷射电势施加到其上。待分析的正离子从阱100喷射通过槽缝120，并且行进到质谱仪160。在此实施例中，离子直接喷射到用于质量分析仪的一条注入轨迹中，并且在从离子阱喷射的方向上具有减小的速度扩散。
本发明的一个替代实施例可以根据图2C使用。在此情况下，在时间延迟t1之后，从过零点起并且其后持续半周期，RF驱动电路130和140对应地提供减小幅值的RF驱动电压RF2和RF1，峰值到峰值电压从V0改变为V1，其中V1＝d×V0(0<d<1)。在另一个时间段t2已经消逝之后，断开两个RF驱动电路，并且电极101，102，103，104瞬时保持在RF接地电势下。在实质上同时，通过使开关151导电而切换引出电压供应器150，以便施加引出电势到电极101和102。电压供应器150供应电压V喷射，使得对于待分析的正离子，电极101具有负喷射电势施加到其上，并且电极102具有正喷射电势施加到其上。待分析的离子从阱100喷射通过槽缝120，并且行进到质谱仪160。在此实施例中，离子直接喷射到分析仪注入轨迹中，并且在从离子阱喷射的方向上具有减小的速度扩散。
关于图2A，2B以及2C描述的实施例都被安排成喷射正极性的离子，使得那些离子在喷射的方向上具有最小速度分布。如果喷射负极性的离子，那么电压RF1和RF2的极性反转并且在喷射后，电极102具有负喷射电势施加到其上，并且电极101具有正喷射电势施加到其上。
时间段t1和t2之后的在转变过程相对应地开始和结束的时刻、以及喷射电压施加的时刻被准确界定直到RF时间段的一部分。由于对提供RF和脉冲喷射电压的电子电路的限制，因此从全RF幅值向减弱的RF幅值转变、切断RF、以及使喷射电压从零上升到V喷射花费一些时间，该时间通常不超过一个RF时间段。时间段t1和t2之后的时刻在此被视为当所述变化开始时的时刻。
关于图2A和2B描述的实施例具有如下额外优点，它们需要完全终止RF电压但不改变为较低非零幅值。这更容易实现，其条件是两个RF发生器是个别的但同相同步，例如用一个初级变压器线圈激活。在过零点下快速终止RF电压的方法可以按不同方式实施，包括例如US7498571、US8030613或WO2005/124821中描述的那些。
本发明还可以用于一种安排中，其中正交喷射器放置在四极离子阱与质谱仪之间。在此情况下，离子从四极离子阱喷射，在大体上正交于从四极离子阱喷射的方向的方向上具有最低速度扩散，使得最低速度扩散处于分析仪注入轨迹的方向上。如果正极性离子待喷射但正交于喷射的方向具有最小速度分布，那么仅电压RF1和RF2的极性反转。
如关于图2A所描述，在关于图2B和2C描述的实施例两者中，在时间延迟t2之后并且在开启引出电压供应器150之前可以任选地存在一段小延迟t3(图中未示出)，以便确保电极上的电势已经完全确定，但时间段t3应远短于一个RF周期。
V1可以选自范围0.3V0到0.7V0，其中0.45V0是特别优选的值。本发明人已经发现，当离子在喷射方向上在其最大空间幅度下时，喷射方向上的离子的有效温度降到低于缓冲气体的温度，并且通过利用本发明，大致此较低有效温度的离子可以从四极离子阱喷射。
图3是R对Q的一幅图，其中R是优选的方向上的离子的有效温度与缓冲气体温度的比率，并且Q是四极离子阱的马蒂厄稳定性参数。该图对于一系列值d提供了数据，其中d＝V1/V0。可以看出，对于广泛范围的稳定性值Q，优选的方向上的离子的有效温度等于或低于缓冲气体的温度，表明具有广泛范围的m/z的热化离子可以使用本发明同时从阱喷射。0.4-0.5的d值产生具有最低有效温度的喷射离子。发现对于这些d值实现的最低有效温度在最高Q值下。有效温度通过式Teff＝m<v2>/kb界定，其中尖角括号表示在离子系综上的平均，并且v是在优选的方向上的速度分量。对于广泛范围的马蒂厄参数Q，范围0.3<d<0.6中的衰减系数的值对应于低于缓冲气体的温度的有效温度。发现最优衰减参数是约0.45。
图4A是电压波形的一幅图，还示出具体相下的点。图4B示出了如图1中所描绘的线性四极离子阱内的带正电荷的热化离子在X上的相空间，该线性四极离子阱具有图4A的电压波形施加到电极上。图4B的相空间图对应于离子在图4A中标注的各相下的参数。图4B的相空间图展示了RF四极离子阱中的离子系综在与缓冲气体呈动态平衡的状态下的典型相体积分布。实线和虚线1-4示意性地示出了概率密度函数在坐标x和v＝dx/dt上的等高线。最大空间扩散(分布1)在RF相中获得，其特征是具有RF电压RF1和RF2的最大跨度，在x方向上分离的电极上的电压(根据图1是RF2)对于离子是延迟的，即在带正电荷的离子的情况下是正或对于带负电荷的离子是负。在RF相中，当电压的极性反转时，空间扩散达到其最小值，如线2所示出。速度扩散因此大于该相中的。在中间相和中，RF电压穿过零线。这些相对应于从最大空间扩散向最小空间扩散转变反之亦然离子系综的特征在于额外集体速度，相对应地如线3和4所示出。
针对阱内的不同质量离子(m/z，其中z＝1)，并且在对应于关于图4提及的不同相条件的不同时刻下，表1提供了R，离子的有效温度与缓冲气体温度的比率的值。所列表的值是针对具有r0＝2.2mm并且在V0＝800V，f＝2.8MHz下操作的线性四极离子阱。
表1.
表1显示，对于在过零点下喷射的离子，如在现有技术安排(即在无本发明的益处的情况下)中，离子具有比缓冲气体温度大3.0倍与4.3倍之间的有效温度。相比之下，当使用本发明时，在衰减参数d＝0.5下，相同离子具有是缓冲气体温度的0.90倍与0.49倍之间的有效温度。本发明因此视离子的质量而得到3.3-8.6倍的有效温度改进。该表还显示，通过本发明，离子在过零时刻获得与它们在下当RF电压在其最大幅值下时所具有几乎相同的温度，表明持续半周期的减小的RF电压幅值导致离子保持其最小温度。
图5示出了在转变过程开始时的时刻t1(虚线椭圆形)和在一个RF时间段的一半之后的时刻t2(实心椭圆形)，离子系综的相空间密度函数的水平线。在时刻t1，离子具有对应于如图4中所示出的相的分布。在转变过程t1<t<t2期间离子系综的演变取决于衰减参数值d。衰减参数值d＝0对应于在时刻t1完全停止RF电压，使得离子不经历电力并且继续以它们在时刻t1具有的速度进行运动。相反情况d＝1对应于未有效地施加衰减，并且在一半的时间段之后相空间密度函数变得与RF相中一致。根据本发明的衰减参数的中间值d＝0.5将相空间密度引入到具有实质上更小速度扩散以及空间坐标与相对应的速度之间的小相关性的状态。如已经指出，d的优选的范围是在0.45与0.55之间。
图6是根据本发明的一个实施例适用于提供RF俘获电压和喷射电压的电子安排的一幅简化示意图。两折斩波器发生器G驱动初级线圈P。次级线圈集合包括一对三折线圈L1和L2，它向离子阱提供了RF极性RF1和RF2两者，其之间有180度相移。三折线圈L1和L2中的每一者是强磁性耦合的，但与另一个三折线圈解耦。线圈L1和L2与相对应的阱的电极的电容一起构成LC储槽。
两个线圈(一个来自L1并且一个来自L2)与半波整流器结合，该半波整流器包括高电压二极管D1和D2。当二极管中的至少一者正向偏置时，使电容器C周期性带电到RF峰值电压。衍生的电压用以控制输出RF幅值。高电压开关S与电容器C平行连接。开关用一个或多个MOSFET晶体管建构并且由电压Us控制，该电压在时间段t1期间在离子的积聚和冷却期间保持零(开关是不导电的)。在时间段t1已经消逝之后，它如图2A中所示与RF相同步，控制电压Us变正并且将开关S变成导电模式。相RF2相对于高电压接地(HVGND)变正，并且二极管D2允许三折线圈L2被切短，因此抑制RF2的之后的正半时间段。另一个相RF1保持负的持续另一个半时间段，使得二极管D1保持反向偏置，并且开关S对线圈L1不具有效应直到时间段t2已经消逝。当二极管D1变得正向偏置并且转而切短线圈L1时，RF1的相以其储存的能量执行半时间段摆幅直到时间段t2已经消逝。在时间段t2之后，两个RF电压都变为零。
最终，两个喷射电压脉冲发生器V喷射施加相反极性的喷射电压到L2的相对应的线圈，在RF2与RF2'之间产生电压差，该电压差驱动储存的离子从阱中出去。
在喷射之后，控制电压Us可以切换回到零，因此允许RF能量积聚于LC储槽中，这些LC储槽由线圈L1和L2以及相对应的阱的电极的电容构成。离子阱然后能够储存离子持续另一个工作周期。如上文所描述的示意性解决方案允许积聚、冷却以及喷射带正电荷的离子。在带负电荷的离子的情况下，当开启开关S(使其导电)时的时刻t1应转移RF时间段的一半，并且应使用具有反转的极性的喷射电压发生器。
图7示出了图6中示意性地描绘的电子安排的测量的输出，是施加的电压V对时间的一幅图。图7示出了重叠的三种不同幅值的波形(A，B，C)，例示能够由电子安排产生的三种不同俘获条件作为实例。在时间段t1之后，电压RF2终止到0V，并且RF1在另一个时间段t2期间持续半周期。在时间段t2之后，终止RF1，并且施加喷射电压V喷射。
如在此(包括在权利要求书中)所用，除非上下文另外指示，否则在此术语的单数形式应理解为包括复数形式，反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示，否则在此(包括在权利要求书中)一个单数参考物，如“一个(a)”或“一个(an)”意指“一个或多个”。
遍及本说明书的描述和权利要求书，词“包含”、“包括”、“具有”和“含有”以及这些词的变化形式(例如“包含着(comprising)”和“包含了(comprises)”等)意指“包括但不限于”，并且并不打算(并且并不)排除其他组件。
应了解，可以对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍属于本发明的范围内。除非另外说明，否则本说明书中所披露的每个特征可以被用于相同、等效或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另外说明，否则所披露的每个特征仅是一系列通用等效或类似特征的一个实例。
在此提供的任何和所有实例或示范性语言(“举例来说”、“如”、“例如”以及类似语言)的使用预期仅更好地展示本发明，并且除非另外要求，否则并不指示本发明的范围上的限制。本说明书中的任何语言都不应理解为指示实践本发明所必需的任何非所要求的元件。
还应了解，本发明不限于所明确披露的特征的特定组合，而且包括独立地描述并且技术人员可以一起实施的任何特征组合。

Claims (50)

1.一种从四极离子阱喷射待分析的离子的方法，其中俘获场通过施加到该阱的一个或多个电极上的一个或多个RF电压产生，该方法包括以下步骤：
(a)冷却该四极离子阱内的这些待分析的离子直到这些离子热化；
(b)减小施加到该四极离子阱上的一个或多个RF电压的幅值，并且施加该一个或多个减小幅值的RF电压持续从该一个或多个RF电压已经达到过零点起的实质上半周期；
(c)在该半周期之后断开施加到该四极离子阱上的该一个或多个RF电压；步骤(a)到(c)按该顺序执行；并且
(d)与步骤(c)同时或在其之后从该四极离子阱喷射这些待分析的离子。
2.如权利要求1所述的方法，其中该四极离子阱是包括与一条轴大体上平行延伸的四个电极的线性阱，该四个电极包括两对相对的电极；第一对相对的电极具有第一RF电压施加到其上并且第二对相对的电极具有第二RF电压施加到其上，该第一与第二RF电压具有相反极性。
3.如权利要求1所述的方法，其中该四极离子阱是包括环形电极和两个端盖电极的3D阱，该环形电极具有第一RF电压施加到其上并且这些端盖电极具有第二RF电压施加到其上，该第一与第二RF电压具有相反极性。
4.如权利要求1所述的方法，其中该四极离子阱是包括环形电极和两个端盖电极的3D阱，该环形电极具有第一RF电压施加到其上并且这些端盖电极具有稳态电压施加到其上。
5.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中步骤(b)包括将该第一和该第二RF电压两者的幅值减小d倍。
6.如权利要求4所述的方法，其中步骤(b)包括将该第一RF电压的幅值减小d倍。
7.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中步骤(b)包括将该第一和该第二RF电压中的仅一者的幅值实质上减小到零。
8.如权利要求5或权利要求6所述的方法，其中d在0.3到0.7范围内。
9.如权利要求8所述的方法，其中d在0.4到0.6范围内。
10.如权利要求9所述的方法，其中d在0.45到0.55范围内。
11.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中步骤(b)包括将该第一RF电压的幅值改变e倍并且将该第二RF电压的幅值改变f倍，其中(e+f)/2小于1。
12.如权利要求11所述的方法，其中(e+f)/2位于0.3到0.7范围内。
13.如权利要求12所述的方法，其中(e+f)/2位于0.4到0.6范围内。
14.如权利要求13所述的方法，其中(e+f)/2位于0.45到0.55范围内。
15.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中步骤(c)包括将所有这些阱电极切换到相同电势。
16.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中步骤(d)包括施加一个或多个喷射电压到该离子阱的一个或多个电极上。
17.如权利要求16所述的方法，其中该一个或多个喷射电压在从断开该一个或多个RF电压起的一段时间延迟之后施加，以确保在施加该一个或多个喷射电压之前阱电极的电压已经稳定到实质上稳态。
18.如权利要求17所述的方法，其中施加到该阱上的该一个或多个RF电压以振荡周期随时间变化，并且该时间延迟少于该振荡周期的30％。
19.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中步骤(a)包括在缓冲气体存在下将这些离子约束在该阱内持续一段时间，这些离子通过碰撞过程损失能量给气体直到这些离子被冷却到大致该气体温度。
20.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中这些待分析的离子在喷射方向上从该阱喷射，该喷射方向与分析仪注入轨迹大体上平行，并且步骤(b)中的该过零点被选择成使得这些待分析的离子具有的在该喷射方向上的速度扩散小于在正交于该喷射方向的方向上的速度扩散。
21.如权利要求20所述的方法，其中从该阱喷射的离子由飞行时间质量分析仪或由静电阱质量分析仪接收。
22.如权利要求1到19中任一项所述的方法，其中这些待分析的离子在喷射方向上从该阱喷射，该喷射方向大体上正交于分析仪注入轨迹，并且步骤(b)中的该过零点被选择成使得这些待分析的离子具有的在该分析仪注入轨迹的方向上的速度扩散小于在该喷射方向上的速度扩散。
23.如权利要求22所述的方法，其中从该阱喷射的离子被接收于正交喷射器中并且在该分析仪注入轨迹的方向上从该正交喷射器喷射。
24.如权利要求23所述的方法，其中从该正交喷射器喷射的离子由飞行时间质量分析仪或由静电阱质量分析仪接收。
25.如权利要求21或权利要求23所述的方法，其中由该质量分析仪接收的这些离子经历质量分析步骤以提供关于具有一个或多个质荷比的离子的数目的信息。
26.如权利要求25所述的方法，其中该信息包括质谱。
27.如以上任何一项权利要求所述的方法，其中施加到该阱上的该一个或多个RF电压以正弦方式随时间变化。
28.如权利要求1到26中任一项所述的方法，其中施加到该阱上的该一个或多个RF电压根据方波随时间变化。
29.一种用于质量分析仪的离子喷射器系统，包括四极离子阱，该四极离子阱用于含有缓冲气体；RF电源，该RF电源具有电连接到该四极离子阱的一个或多个电极的一个或多个输出端；喷射电源，该喷射电源具有电连接到该四极离子阱的一个或多个电极的一个或多个输出端；以及控制器，该控制器电连接到该RF电源和该喷射电源，该控制器被安排成：
(a)控制该RF电源以第一幅值向该离子阱的一个或多个电极供应一个或多个RF电压持续第一时间段，其中该第一时间段足以使该四极离子阱内的离子由于与该缓冲气体碰撞而变得热化；
(b)控制该RF电源在该第一时间段之后向该四极离子阱的一个或多个电极供应第二幅值的一个或多个RF电压持续从该一个或多个RF电压已经达到过零点起的实质上半周期，该第二幅值小于该第一幅值；
(c)控制该RF电源在该半周期之后断开施加到该四极离子阱上的这些RF电压；该控制器被安排成按该顺序执行(a)到(c)；并且
(d)与(c)同时或在其之后控制该喷射电源向该四极离子阱供应一个或多个喷射电压。
30.如权利要求29所述的离子喷射器系统，其中该四极离子阱是包括与一条轴大体上平行延伸的四个电极的线性阱，该四个电极包括两对相对的电极；第一对相对的电极连接到该RF电源的第一输出端并且第二对相对的电极连接到该RF电源的第二输出端，该RF电源的第一与第二RF输出端被安排成提供相反极性的电压。
31.如权利要求29所述的离子喷射器系统，其中该四极离子阱是包括环形电极和两个端盖电极的3D阱，该环形电极连接到该RF电源的第一输出端并且这些端盖电极连接到该RF电源的第二输出端，该RF电源的第一与第二RF输出端被安排成提供相反极性的电压。
32.如权利要求29所述的离子喷射器系统，其中该四极离子阱是包括环形电极和两个端盖电极的3D阱，该环形电极连接到该RF电源的第一输出端并且这些端盖电极连接到稳态电压电源。
33.如权利要求30或权利要求31所述的离子喷射器系统，其中在(b)中，该控制器被安排成控制该RF电源在该第一时间段之后以第二幅值供应该第一和该第二RF电压两者，该第二幅值是该第一幅值的d倍。
34.如权利要求32所述的离子喷射器系统，其中在(b)中，该控制器被安排成控制该RF电源在该第一时间段之后以第二幅值供应该第一RF电压，该第二幅值是该第一幅值的d倍。
35.如权利要求30或权利要求31所述的离子喷射器系统，其中在(b)中，该控制器被安排成控制该RF电源在该第一时间段之后以第二幅值供应仅第一RF电压，该第二幅值是实质上零，并且以该第一幅值供应第二RF电压。
36.如权利要求33或权利要求34所述的离子喷射器系统，其中d在0.3到0.7范围内。
37.如权利要求33或权利要求30所述的离子喷射器系统，其中d在0.4到0.6范围内。
38.如权利要求29或权利要求34所述的离子喷射器系统，其中d在0.45到0.55范围内。
39.如权利要求30或权利要求31所述的离子喷射器系统，其中在(b)中，该控制器被安排成控制该RF电源在该第一时间段之后以第二幅值供应该第一RF电压并且以第三幅值供应该第二RF电压，该第二幅值是该第一幅值的e倍并且该第三幅值是该第一幅值的f倍，其中(e+f)/2小于1。
40.如权利要求39所述的离子喷射器系统，其中(e+f)/2在0.3到0.7范围内。
41.如权利要求40所述的离子喷射器系统，其中(e+f)/2在0.4到0.6范围内。
42.如权利要求41所述的离子喷射器系统，其中(e+f)/2在0.45到0.55范围内。
43.如权利要求29到42中任一项所述的离子喷射器系统，其中在(c)中，该控制器被安排成控制该RF电源断开施加到该四极离子阱上的这些RF电压并且将所有这些阱电极切换到相同电势。
44.如权利要求29到43中任一项所述的离子喷射器系统，其中该控制器被安排成控制该喷射电源在从断开该一个或多个RF电压起的一段时间延迟之后供应一个或多个喷射电压，以确保在施加该一个或多个喷射电压之前阱电极的这些电压已经稳定到实质上稳态。
45.如权利要求44所述的离子喷射器系统，其中该时间延迟少于该RF电源的振荡周期的30％。
46.如权利要求29到45中任一项所述的离子喷射器系统，其中该缓冲气体在10-5-10-2mBar之间的压力下，并且该第一时间段在该RF电源的104-102个RF周期之间。
47.如权利要求29到46中任一项所述的离子喷射器系统和质量分析仪，该质量分析仪被安排成接收从该四极离子阱喷射的离子。
48.如权利要求47所述的离子喷射器系统和质量分析仪以及正交喷射器，该正交喷射器安置在该四极离子阱与该质量分析仪之间。
49.如权利要求47或48所述的离子喷射器系统和质量分析仪，其中该质量分析仪包括飞行时间质量分析仪或静电阱质量分析仪。
50.如权利要求29到49中任一项所述的离子喷射器系统，其中该控制器包括计算机。
CN201510253332.5A 2014-05-21 2015-05-18 从四极离子阱的离子喷射 Active CN105097414B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1409074.0 2014-05-21
GBGB1409074.0A GB201409074D0 (en) 2014-05-21 2014-05-21 Ion ejection from a quadrupole ion trap

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105097414A true CN105097414A (zh) 2015-11-25
CN105097414B CN105097414B (zh) 2017-04-19

Family

ID=51135256

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510253332.5A Active CN105097414B (zh) 2014-05-21 2015-05-18 从四极离子阱的离子喷射

Country Status (4)

Country Link
US (2) US9312114B2 (zh)
CN (1) CN105097414B (zh)
DE (1) DE102015006595B4 (zh)
GB (2) GB201409074D0 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108198741A (zh) * 2017-11-27 2018-06-22 上海裕达实业有限公司 一种辅助调节电压ac的施加方式
CN109643634A (zh) * 2016-09-06 2019-04-16 英国质谱公司 四极装置
CN111834194A (zh) * 2019-04-15 2020-10-27 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 具有改进的四极杆鲁棒性的质谱仪
CN111986979A (zh) * 2019-05-21 2020-11-24 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 改进的电极布置

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201409074D0 (en) * 2014-05-21 2014-07-02 Thermo Fisher Scient Bremen Ion ejection from a quadrupole ion trap
EP3359960B1 (en) 2015-10-07 2020-12-23 Battelle Memorial Institute Method and apparatus for ion mobility separations utilizing alternating current waveforms
US9865446B2 (en) * 2016-05-26 2018-01-09 Thermo Finnigan Llc Systems and methods for reducing the kinetic energy spread of ions radially ejected from a linear ion trap
EP3958290A1 (en) 2017-06-02 2022-02-23 Thermo Fisher Scientific (Bremen) GmbH Hybrid mass spectrometer
GB2563077A (en) 2017-06-02 2018-12-05 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Mass error correction due to thermal drift in a time of flight mass spectrometer
GB2563604B (en) 2017-06-20 2021-03-10 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Mass spectrometer and method for time-of-flight mass spectrometry
US10692710B2 (en) * 2017-08-16 2020-06-23 Battelle Memorial Institute Frequency modulated radio frequency electric field for ion manipulation
WO2019070324A1 (en) 2017-10-04 2019-04-11 Battelle Memorial Institute METHODS AND SYSTEMS FOR INTEGRATING ION HANDLING DEVICES
GB2573485B (en) 2017-11-20 2022-01-12 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Mass spectrometer
GB2601917B (en) 2017-11-20 2022-10-19 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Mass spectrometer
GB201802917D0 (en) 2018-02-22 2018-04-11 Micromass Ltd Charge detection mass spectrometry
US11670495B2 (en) 2019-05-21 2023-06-06 MOBILion Systems, Inc. Voltage control for ion mobility separation
GB2584129B (en) 2019-05-22 2022-01-12 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Ion trap with elongated electrodes
WO2021207494A1 (en) 2020-04-09 2021-10-14 Waters Technologies Corporation Ion detector
GB2600985A (en) 2020-11-16 2022-05-18 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Mass spectrometer and method of mass spectrometry
GB202114780D0 (en) 2021-10-15 2021-12-01 Thermo Fisher Scient Bremen Gmbh Ion transport between ion optical devices at different gas pressures

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1926657A (zh) * 2004-02-26 2007-03-07 岛津欧州研究所 串联离子阱飞行时间质谱仪
EP1367631B1 (en) * 2002-05-30 2008-02-13 Hitachi High-Technologies Corporation Mass spectrometer
CN102067275A (zh) * 2008-06-20 2011-05-18 株式会社岛津制作所 质量分析装置
CN102782801A (zh) * 2010-03-03 2012-11-14 爱利卡技术有限公司 质谱分析装置和方法
US20120326026A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 Science & Engineering Services, Inc. Portable ion trap mass spectrometer with metal hydride container as source of hydrogen buffer gas

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3767914A (en) * 1971-05-17 1973-10-23 Bendix Corp Continuous injection mass spectrometer
DE19511333C1 (de) 1995-03-28 1996-08-08 Bruker Franzen Analytik Gmbh Verfahren und Vorrichtung für orthogonalen Einschuß von Ionen in ein Flugzeit-Massenspektrometer
US5569917A (en) 1995-05-19 1996-10-29 Varian Associates, Inc. Apparatus for and method of forming a parallel ion beam
GB9802111D0 (en) 1998-01-30 1998-04-01 Shimadzu Res Lab Europe Ltd Time-of-flight mass spectrometer
CA2355193C (en) 1998-12-21 2006-10-17 Shimadzu Research Laboratory (Europe) Ltd. Method of fast start and/or fast termination of a radio frequency resonator
JP3990889B2 (ja) 2001-10-10 2007-10-17 株式会社日立ハイテクノロジーズ 質量分析装置およびこれを用いる計測システム
JP3800178B2 (ja) * 2003-01-07 2006-07-26 株式会社島津製作所 質量分析装置及び質量分析方法
JP3912345B2 (ja) * 2003-08-26 2007-05-09 株式会社島津製作所 質量分析装置
GB2415541B (en) 2004-06-21 2009-09-23 Thermo Finnigan Llc RF power supply for a mass spectrometer
GB0624679D0 (en) * 2006-12-11 2007-01-17 Shimadzu Corp A time-of-flight mass spectrometer and a method of analysing ions in a time-of-flight mass spectrometer
GB0626025D0 (en) * 2006-12-29 2007-02-07 Thermo Electron Bremen Gmbh Ion trap
US7842918B2 (en) * 2007-03-07 2010-11-30 Varian, Inc Chemical structure-insensitive method and apparatus for dissociating ions
JP5533612B2 (ja) * 2010-12-07 2014-06-25 株式会社島津製作所 イオントラップ飛行時間型質量分析装置
DE102012013038B4 (de) * 2012-06-29 2014-06-26 Bruker Daltonik Gmbh Auswerfen einer lonenwolke aus 3D-HF-lonenfallen
GB201409074D0 (en) * 2014-05-21 2014-07-02 Thermo Fisher Scient Bremen Ion ejection from a quadrupole ion trap

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1367631B1 (en) * 2002-05-30 2008-02-13 Hitachi High-Technologies Corporation Mass spectrometer
CN1926657A (zh) * 2004-02-26 2007-03-07 岛津欧州研究所 串联离子阱飞行时间质谱仪
CN102067275A (zh) * 2008-06-20 2011-05-18 株式会社岛津制作所 质量分析装置
CN102782801A (zh) * 2010-03-03 2012-11-14 爱利卡技术有限公司 质谱分析装置和方法
US20120326026A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 Science & Engineering Services, Inc. Portable ion trap mass spectrometer with metal hydride container as source of hydrogen buffer gas

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109643634A (zh) * 2016-09-06 2019-04-16 英国质谱公司 四极装置
US11201048B2 (en) 2016-09-06 2021-12-14 Micromass Uk Limited Quadrupole devices
CN109643634B (zh) * 2016-09-06 2022-01-04 英国质谱公司 四极装置
CN108198741A (zh) * 2017-11-27 2018-06-22 上海裕达实业有限公司 一种辅助调节电压ac的施加方式
CN111834194A (zh) * 2019-04-15 2020-10-27 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 具有改进的四极杆鲁棒性的质谱仪
CN111834194B (zh) * 2019-04-15 2023-08-04 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 具有改进的四极杆鲁棒性的质谱仪
CN111986979A (zh) * 2019-05-21 2020-11-24 塞莫费雪科学（不来梅）有限公司 改进的电极布置

Also Published As

Publication number Publication date
GB2527898A (en) 2016-01-06
DE102015006595A1 (de) 2015-11-26
US9548195B2 (en) 2017-01-17
CN105097414B (zh) 2017-04-19
GB2527898B (en) 2016-06-22
GB201507354D0 (en) 2015-06-17
GB201409074D0 (en) 2014-07-02
US9312114B2 (en) 2016-04-12
US20160225603A1 (en) 2016-08-04
DE102015006595B4 (de) 2020-01-30
US20150340220A1 (en) 2015-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105097414A (zh) 从四极离子阱的离子喷射
US11764052B2 (en) Ion injection into an electrostatic linear ion trap using Zeno pulsing
US11705320B2 (en) Multi-pass mass spectrometer
US8581185B2 (en) Ion storage device with direction-selective radial ejection
CN103493173B (zh) 质量分析器和质量分析方法
WO2020002940A1 (en) Multi-pass mass spectrometer with high duty cycle
US9029764B2 (en) Mass spectrometric ion storage device for different mass ranges
Schmöger et al. Deceleration, precooling, and multi-pass stopping of highly charged ions in Be+ Coulomb crystals
EP2665085A3 (en) Apparatus and method for controlling ions
JP2014059967A (ja) マスイメージング装置及びマスイメージング装置の制御方法
EP2958134B1 (en) Ion injection device for a time-of-flight mass spectrometer
US20230411139A1 (en) Systems and methods for ion injection into an electrostatic trap
US20220319828A1 (en) Ion trap
US20200373146A1 (en) Ion Trap with Elongated Electrodes
Höltkemeier Sympathetic cooling of ions in a hybrid atom ion trap
GB2603585A (en) Ion trapping scheme with improved mass range

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant