CN105529240A - 利用宽质量范围空间聚焦的飞行时间质谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞行时间质谱仪的测量方法，该质谱仪通过对表面吸附的分析物质进行脉冲电离来工作，并利用对离子加速开始时间延迟的方式改善质量分辨率；特别利用了在延迟的开始时间后随时间变化的离子加速电压，以获得宽质量范围内的恒定质量分辨率。由于变化的加速度会导致与飞行方向成直角的离子束增宽，而这种增宽会随着离子的质量增加，因此本发明的目的在于，在额外的透镜(其电压也随时间变化)的帮助下，对离子束的增宽进行补偿以达到所需程度。

Description

利用宽质量范围空间聚焦的飞行时间质谱仪

技术领域

本发明涉及飞行时间质谱仪的测量方法，该质谱仪通过对表面吸附的分析物质进行脉冲电离来工作，并利用对离子加速开始时间延迟的方式改善质量分辨率；特别利用了在延迟的开始时间后随时间变化的离子加速电压，以获得广泛质量范围内的恒定质量分辨率。

由于变化的加速电压会导致与飞行方向成直角的离子束增宽，而这种增宽会随着离子的质量增加，因此本发明的目的在于，在额外的离子光学透镜(其电压也随时间变化)的帮助下，对于离子束的增宽进行补偿以达到所需程度。

背景技术

飞行时间质谱仪通常通过脉冲电离表面吸附的分析物质来工作；尤其常见的方法是借由基质辅助激光解吸(MALDI)进行样本电离。激光焦点处将生成等离子云，该等离子云扩散，因此产生等离子颗粒的速度分布，所述分布越宽，等离子粒子(离子和分子)距离表面越远。速度分布意味着，可通过临时延迟离子加速的开始时间来提高质量分辨率。速度较高的离子仅穿过加速电场的一部分，因此获得较低的额外加速度，所以，原本较慢的离子就可在临时聚焦处赶上它们。遗憾的是，不同质量的离子，其焦点并不完全相同。但是，如果在延迟的开始时间后使用随时间变化的离子加速电压，尤其在电压持续升高或降低的情况下(取决于极性)，则可使不同质量的离子的焦点彼此靠近。结合Mamyrin反射器，可以获得较高的质量分辨率，该分辨率在大质量范围中大约保持恒定(参考文档DE19638577C1、GB2317495B或US5,969,348A，J.Franzen，1996年)。

发明内容

样品支撑盘前面空间中的加速电场在加速电极的圆孔中产生透镜效应，因此使离子束稍微散焦。由于低质量的快速离子会快速离开该加速空间，因此，不断增加的加速电场强度对质量大的慢速离子产生比对质量小的较快离子更大的影响。这会导致与飞行方向成直角的离子束增宽，而这种增宽会随着离子的质量增加。就此，本发明目的在于，在额外的离子光学透镜(其电压也随时间变化)的帮助下，对离子束的增宽进行补偿以达到所需程度。透镜可以是单透镜，或是加速透镜。

对于非常宽的质量范围内的离子，可在离子通过第一段飞行路径、反射器和第二段飞行路径时，通过使用该额外透镜聚焦将离子束保持在大约四毫米(或更小)的直径范围内。

对于某些其他工作模式，稍微高于该最小值的直径最理想。例如，在发射器中离子飞行得非常缓慢的离子反向点上，如果离子束太窄，则质量分辨率可能由于空间电荷效应而降低。或者离子检测器可能由于在一些点上过高的离子密度而饱和。因此可通过适当的对可变透镜电压的函数变化实现最佳质量分辨率和动态测量范围。在任何情况下，与具有静态透镜电压的工作模式相比，离子束的直径都明显减小。

通常情况下，在宽质量范围内对离子束直径的减小和均化可产生更好的离子可定量性，因为如果没有进行这些步骤，离子束将增宽太多，使该离子束在大质量范围内不能够由反射器和/或检测器的几何构造完全接受或接收。外部离子，尤其是m/z高的离子，将无法得到测量，因此也会削弱灵敏度。

附图说明

图1显示了MALDI飞行时间质谱仪的简略示意图。与加速电极(2)一起处于20到30千伏的高压中的样品支撑盘(1)上的样品受到紫外脉冲激光器(11)中发出的纳秒光脉冲(12)的轰击。每次都会生成在样品支撑盘(1)和电极(2)之间最初的无场空间中不受干扰地扩散的等离子体。在数十分之一微秒的延迟后，调整加速电极(2)上的电压，从而使离子加速，以此实现使相同质量的离子在可随意漂移的位置上临时聚焦，例如聚焦到位置(14)，以作为时间延迟和加速电压的函数。大多数加速发生在加速电极(2)和基电极(3)之间，基电极在常规操作中处于地电位。单透镜(4、5、6)聚焦稍微发散的离子束(7)，该离子束在第一段直线飞行路径之后进入Mamyrin型反射器(8)，在此被反射并在第二段飞行路径(9)之后撞击到离子检测器(10)上。对于线性模式操作，可关闭反射器(8)，并在未反射的情况下在第二检测器(13)中测量离子电流。

图2也是一个示意图，但是更加详细地表示出图1中飞行时间质谱仪的离子源。在图2中，画出等势线来举例说明了加速电压脉冲期间的情况。

图3是支撑盘(1)和(2)之间加速电压的图表，作为对样品支撑盘(1)上高压的参考。时间延迟t_v之后接通加速电压；在此示例中，稍后增加该加速电压，从而对所有质量的离子的实现大致相同的质量分辨率。

图4是根据本发明变化的透镜电压的图表。时间延迟t_L之后，在此示例中增加透镜电压。

图5描绘出作为针对不同工作模式的离子质量的函数、与飞行方向成直角的离子束直径。底部曲线(22)显示永久接通加速电压时的直径，即不发生延迟加速。顶部曲线(20)显示，在延迟接通之后、但透镜电压恒定时，离子束直径随着加速电压的增加而增加。中间曲线(21)代表直径在透镜电压额外变化的情况下的表现，如图4的示意图中示例所示。离子束直径可保持在明显低于四毫米的值，这对于反射器和/或检测器的接受区域而言足够窄，因而没有(或至少少有)离子得不到测量。

具体实施方式

图1和2中显示了MALDI飞行时间质谱仪(MALDI-TOF)的简略示意图和相应离子源的详细视图。与加速电极(2)最初一起处于大约20到30千伏的恒定高压中的样品支撑盘(1)上的样品受到紫外脉冲激光器(11)中发出的1到10纳秒的纳秒光脉冲(12)的轰击。每个激光脉冲都会在碰撞位置产生一个微小的等离子云，该等离子云在样品支撑盘(1)和加速电极(2)之间最初的无场空间不受阻碍地扩散。例如，在数十分之一微秒的延迟t_v后，接通加速电极(2)上的电压，从而加速离子，以此实现使相同质量的离子在可选位置上，例如在位置(14)上，通过已知的方式临时聚焦，。但是，大多数加速通常不是发生在样品支撑盘(1)和加速电极(2)之间，而是发生在加速电极(2)和基电极(3)之间，基电极在常规操作中处于地电位。但是，这点在本发明中并不重要。加速电极(2)任意一侧的不同场强都会在加速电极(2)的小孔中产生透镜效应，导致离子束变得稍微发散。单透镜(4、5、6)将稍微发散的离子束(7)聚焦，该离子束在第一段直线飞行路径之后进入Mamyrin型反射器(8)，在此被反射并在第二段飞行路径(9)之后撞击到离子检测器上(10)。

可通过时间延迟和加速电压的振幅随意选择离子临时聚焦的位置(14)。通常选择如图1所示距离离子源不是很远的位置。相同质量的离子同时通过该临时聚焦的位置(14)，但是所具有的能量稍有不同，临时聚焦的位置通过聚能反射器(8)在检测器(10)上成像，以便再次临时聚焦。

遗憾的是，对于不同质量的离子，离子第一次临时聚焦的位置(14)并不完全相同。事实上，焦距稍微取决于离子的质量。为了使所有质量的离子的临时聚焦位置大致相同，可执行一种工作模式，其中加速电压在延迟离子加速开始时间后不断变化。图3的图表中举例描述了样品支撑盘(1)和加速电极(2)之间加速电压的暂时变化。这可确保离子临时聚焦的焦距在较宽的质量范围内保持恒定，并按照预期获得质量解析率在大质量范围内也保持较高水平的结果。

如已提及的，由于加速电极(2)任意一侧的场强都不同，因此加速电极(2)的圆孔就像一个透镜。这就导致离子束(7)变得稍微发散。由于低质量的快速离子会快速离开该加速空间，因此，不断增加的加速电场强度对质量大的慢速离子产生了比对于质量小的较快离子要更大的影响。这会导致与飞行方向成直角的离子束增宽，而这种增宽会随着离子的质量增加；如图5的图表中的曲线(20)所示。

就此，本发明目的在于，通过临时改变单透镜(4、5、6)的中间部件(5)的电压(在此以示例的方式应用)，对离子束取决于质量的增宽进行补偿以达到所需程度。光谱采集期间，透镜电压作为飞行时间和质量的函数而变化。如图1和2所示，透镜可以是单透镜，也可使用加速透镜，加速透镜的两侧电位不同，并代表整个加速系统的一部分。单透镜的透镜电压仅适用于中心光阑。图4的示意图中显示了透镜电压临时变化的示例。变化开始于透镜的时间延迟t_L之后。特别地，透镜的时间延迟t_L，可与用于加速电压的时间延迟t_V相同。获得质谱图之后，透镜电压再次回到初始值，准备下一次激光脉冲。

可选择不同函数用于透镜电压的改变。电学上易于产生呈指数的变化，例如

$U_L=V_1+W_1\×\{1-\exp (-\frac{t-t_L}{t_1})\},$

其中，透镜电压U_L在时间t_L时以基极电压V₁开始，并在时间常数t₁时接近极限值(V₁+W₁)。如已提及的，时间t_L可与时间延迟t_V相同。图4的时间图表中示出了这种类型的曲线。

所使用的飞行时间质谱仪可使用基质辅助激光解吸进行离子电离，具有用于延迟开始时间和变化的离子加速电压的电源，还具有用于离子束空间聚焦的透镜，因此，所使用的飞行时间质谱仪必须具有用于透镜的电源，该电源在质谱采集期间，能以很短的微秒级时间尺度提供变化的电压。

此处应当注意的是，不断变化的透镜电压需要对质谱仪进行新的质量校准，因为已改变的透镜电压会影响透镜中的离子驻留时间的改变。这种调整对于该领域的从业者所掌握的日常技能来说非常容易，因此此处无需进一步说明。

图5中的示意图显示了使用SIMIONTM程序通过模拟产生的、作为三种工作模式的离子质量的函数的离子束的直径。底部曲线(22)显示了在未应用延迟加速的情况下，正确设置透镜电压时，所获得的离子束直径的走向。顶部曲线(20)显示，在延迟接通加速电压之后但透镜电压恒定时，离子束直径随着加速电压的增加而增加。与之相反，透过优化透镜电压变化获得的中间曲线(21)通过在离子束通过第一段飞行路径、反射器和第二段飞行路径时，使用此额外透镜进行聚焦，将所有质量的离子的离子束直径都保持在明显小于四毫米。这种设置对于在离子源中产生许多自发衰变的离子的应用非常有用(源内衰变：ISD)。

对于一些工作模式，(稍微)大于该最小值的离子束直径最理想。例如，如果在反射器中离子飞行非常缓慢的离子反向点存在高离子电流，则空间电荷效应可能导致离子相互干扰，从而导致质量分辨率降低。另一方面，例如多通道片这样的等离子检测器可能由于在特定点上的离子密度过高而超负荷。在这种情况下，可通过改变可变透镜电压的临时特性，实现最优质量分辨率、动态测量范围和/或灵敏度。不管怎样，与图5中的曲线(20)所示出的、在没有临时改变透镜电压的情况下从一种工作模式中得出的离子束直径相比，上述方法可实现明显的改进。

在一些商业飞行时间质谱仪中，可通过立体角聚焦，在反射器中将稍微发散的离子束反射到离子检测器上(参考文档US6,740,872B1或GB2386750B；A.Holle,2001年)。为此，反射器中靠近离子反向点的等势面轻度弯曲。但是，聚焦仅理想地适用于有限直径的离子束。根据本发明进行的透镜电压变化设置在此可用于以理想方式照亮反射器。可通过测量已改变的条件下的质量分辨率和灵敏度找到最优设置。

飞行时间质谱仪也可在没有反射器(或关闭反射器)的情况下在线性模式中工作。在图1中，提供了第二离子检测器(13)用于这种工作模式，当反射器(8)的工作电压切断时，离子束运动到此第二检测器上。根据本发明进行的透镜电压的改变，在此可用于以最佳方式为所有质量的离子照亮离子检测器。

为了对所选母离子的子离子进行测量，也配备了许多具有反射器的飞行时间质谱仪。通过“母离子选择器”(未显示)在第一个临时聚焦位置(14)选择母离子。它是一个快速的偏转器，可偏转除所选母离子之外所有质量的离子，并将其从离子路径移除。同时，根据本发明改变的透镜电压可提高质量分辨率和灵敏度。

Claims (10)

1.一种使用基质辅助激光解吸进行离子电离的飞行时间质谱仪，所述飞行时间质谱仪具有用于延迟离子加速电压开始时间和改变离子加速电压的电源，还具有用于空间聚焦离子束的透镜，

其中，

所述透镜的电源在质谱采集期间提供可变电压。

2.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪，其中，所述透镜为单透镜或额外的加速透镜。

3.根据权利要求1或2所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子束在线性工作模式下直接指向检测器，或通过在反射器中经过重新定向间接指向检测器。

4.一种在使用基质辅助激光解吸进行离子电离的飞行时间质谱仪中生成狭窄离子束的方法，所述方法通过延迟离子加速电压的开始时间并随后改变离子加速电压，并且借助离子光学透镜进行离子束的空间聚焦，

其中，

作为飞行时间的函数，通过暂时改变施加于离子光学透镜的电压，使离子在与飞行方向成直角处聚焦。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，选择透镜电压依赖于飞行时间的函数，以便反射器和/或检测器能够接受或接收离子束，而不会由于几何结构造成任何丢失。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述透镜电压依赖于飞行时间的函数在时间延迟t_V之后是指数函数

其中，透镜电压U_L在开始时间t_L以基极电压V₁开始，并在时间常数t₁时接近极限值(V₁+W₁)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过所述电压V₁和W₁、所述时间常数t₁和所述透镜电压变化的开始时间t_L优化质量分辨率和/或灵敏度。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述透镜电压改变的开始时间t_L与离子加速的所述时间延迟t_V相同。

9.根据权利要求4至8中任意一项所述的方法，其中，所述时间延迟为数十分之一微秒。

10.根据权利要求4至9中任意一项所述的方法，其中，离子光学透镜上的所述电压这样变化，即，使离子束直径在大约1000到17000原子质量单位之间的范围内小于五毫米。