CN106062919B - 使用微型质谱仪进行样本定量 - Google Patents

Abstract

本发明一般涉及使用微型质谱仪进行的样本分析。在某些实施例中，本发明提供涉及产生第一分析物的离子及第二分析物的离子的方法。那些离子通过不连续样本引入接口以所述不连续样本引入接口在传递期间保持打开的方式被传递到质谱仪的第一离子阱中。所述不连续样本引入接口闭合且所述离子被顺序传递到所述质谱仪的第二离子阱，在所述第二离子阱中对所述离子进行顺序分析。

Description

使用微型质谱仪进行样本定量

相关申请案

本申请主张2014年6月17日申请的美国临时申请案序列号62/013,005及2013年8月13日申请的美国临时申请案序列号61/865,377的权益及优先权，所述申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。

政府支持

本发明是在政府支持下在由美国国家卫生研究院(National Institutes ofHealth)授予的GM106016下进行。政府在本发明中享有一定权利。

技术领域

本发明一般涉及使用微型质谱仪进行样本定量。

背景技术

在商业HPLC-MS系统中，三重四级杆质谱仪通常用于测量分析物的特性片段(fragment)峰值的相对强度及其用于定量的内标(MRM，多反应监视)。然而，三重四级杆质谱仪是大型实验台工具，其不适合于床边诊断，从而需要大量实验室空间。另外，此类系统要求高级专家来操作。

微型质谱仪克服标准实验台三重四级杆质谱仪的那些问题，实现了床边诊断。高等人在分析化学，2006，78，5994到6002(Gao et al.(Anal Chem,2006,78,5994-6002))、分析化学，2008，80，7198到7205(Gao et al.(Anal Chem,2008,80,7198-7205))及李等人在分析化学，2014，86(6)，第2909到2916页(Li et al.(Anal.Chem.2014,86(6),pp 2909-2916))中描述了示范性微型质谱仪，其中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。为了小型化泵送系统，微型质谱仪配备有不连续样本引入接口，其为周期性地向外部环境闭合微型质谱仪的离子阱的接口，通常处于大气压或略微减小的压力。欧阳等人在美国专利号8,304,718(Ouyang et al.(U.S.patent number 8,304,718))中描述了不连续样本引入接口，其中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。不连续样本引入接口允许系统的泵在离子引入之后将离子阱内的真空压力减小到合适的水平以用于执行离子的质量分析。此系统配置允许微型质谱仪保留MS/MS能力且允许使用比商业系统中的泵送系统的容量小100倍的容量的微型泵送系统分析喷射的离子。对于每一扫描，将不连续样本引入接口打开大约15ms且将具有离子的空气引入到真空中。歧管中的压力增加(到～500mtorr)但离子可仍被有效地捕获在离子阱中。在闭合不连续样本引入接口之后，在大约500毫秒(ms)的时间内减小歧管压力且随后在大约或低于3毫托(mtorr)下执行MS或MS/MS分析。

使用小型泵送系统以扫描速度为代价实现良好的灵敏性，所述扫描速度对于微型质谱仪是1到2秒(s)/扫描，与对于商业三重四级杆质谱仪是100ms/扫描形成对比。这对于床边系统不具有相当大的影响，对于床边系统，30秒的总分析时间是可接受的。然而，其潜在地导致定量中的高度不精确性。在商业实验台仪器的情况下，使用100ms的时间差执行分析物及内标强度的测量。尽管绝对强度可随时间剧烈地漂移，但以相对小的变化获得分析物与内标的比率。对于配备有不连续样本引入接口的微型质谱仪，以一秒的最小时间差执行分析物及内标强度的测量，其导致定量中的不精确性。

发明内容

本发明提供配备有不连续样本引入接口的微型质谱仪，其经配置以实现与商业三重四级杆质谱仪相同的工作循环(即，100ms/扫描)。以此方式，在与商业三重四级杆质谱仪相比不牺牲工作循环的情况下实现微型质谱仪的益处，且实现准确的分析物定量。

使用至少两个离子阱实现本发明的各方面。分析物的离子及内标的离子被产生且同时被传递穿过不连续样本引入接口且被传递到微型质谱仪的第一离子阱中。所述第一离子阱用于同时捕获所述分析物的离子及内标的离子且将它们顺序地发送到第二离子阱以用于在一个扫描循环内进行MS/MS测量。通过此设置，可在100ms内使用第二离子阱的两个扫描测得片段强度且重要的是，在相同的电离条件下同时产生所述测量中涉及的分析物及内标的离子且其同时被传递穿过不连续样本引入接口且在第一离子阱中被捕获。所述设置导致定量准确度中的显著提高。

在某些方面，本发明提供用于分析多个分析物的方法。那些方法涉及产生第一分析物的离子及第二分析物的离子。所述分析物可源自呈任何形式的样本，例如固体、液体、气体或其组合。那些离子通过不连续样本引入接口被传递到质谱仪的第一离子阱中。在某些实施例中，不连续样本引入接口在所述传递的期间保持打开，而在其它实施例中，所述不连续样本引入接口在离子传递过程期间在打开与闭合之间循环。所述不连续样本引入接口闭合且离子被顺序地传递到质谱仪的第二离子阱，在其中对所述离子进行顺序分析。顺序传递可选择性地基于质量，即，质量选择性地传递。传递的次序不一定基于m/z。混合物中的离子中的任一者可在用于MS/MS的任何时间被质量选择性地传递到第二离子阱中。在某些实施例中，同时发生通过不连续样本引入接口将所述第一和第二分析物的离子传递到第一离子阱中。所述第一和第二分析物可为任何分析物，且在示范性实施例中，所述分析物是样本及内标。在某些实施例中，所述第一和第二离子在单一扫描循环内被传递到第二离子阱。在某些实施例中，分析包含进行MS/MS测量。在某些实施例中，所述离子在第二离子阱中被分段且片段离子随后被质量分析。在某些实施例中，所述分段发生在从第一离子阱到第二离子阱的离子传递期间且片段离子在第二离子阱中被质量分析。

所述方法不限于使用任何特定离子阱或离子阱的组合。在某些实施例中，第一离子阱是线性四级杆离子阱且第二离子阱是矩形离子阱(RIT)。在其它实施例中，所述第一和第二离子阱两者都是矩形离子阱。在某些实施例中，所述阱经布置以使得来自所述阱的离子从第一阱轴向喷出到第二阱中。离子随后可从第二阱轴向或径向喷出到离子检测器。

此项技术中已知的任何技术可用于产生离子。利用大气压处的电离源的示范性离子产生技术包含电喷雾电离(ESI；芬恩等人，科学，246:64-71，1989；及山下等人，物理化学期刊，88:4451-4459，1984)(ESI；Fenn et al.,Science,246:64-71,1989；and Yamashitaet al.,J.Phys.Chem.,88:4451-4459,1984)；大气压电离(APCI；卡罗尔等人，分析化学，47:2369-2373，1975)(APCI；Carroll et al.,Anal.Chem.47:2369-2373,1975)；及大气压矩阵辅助式激光去吸附电离(AP-MALDI；莱克等人，分析化学，72:652-657，2000；及田中等人，快速通信质谱分析，2:151-153，1988)(AP-MALDI；Laiko et al.Anal.Chem.,72:652-657,2000；and Tanaka et al.Rapid Commun.Mass Spectrom.,2:151-153,1988)。这些参考中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。

利用直接原位电离/取样方法(即，在电离之前不要求对样本进行处理的方法)的示范性离子产生技术包含纸喷雾(欧阳等人，美国专利申请公开案号2012/0119079；及王等人，应用化学国际版本，49，877到880，2010)(Ouyang et al.,U.S.patent applicationpublication number 2012/0119079；and Wang et al.Angewandte ChemieInternational Edition,49,877-880,2010)；去吸附电喷雾电离(DESI；高津等人，科学，306:471-473，2004及美国专利号7,335,897)(DESI；Takats et al.,Science,306:471-473,2004 and U.S.patent number 7,335,897)；实时直接分析(DART；科迪等人，分析化学，77:2297-2302，2005)(DART；Cody et al.,Anal.Chem.,77:2297-2302,2005)；大气压或低压电介质阻挡放电电离(DBDI；Kogelschatz，等离子体化学方法及等离子体处理，23:1-46，2003，及PCT国际公开案号WO 2009/102766)(DBDI；Kogelschatz,Plasma Chemistryand Plasma Processing,23:1-46,2003,and PCT international publication numberWO 2009/102766)，电喷射辅助式激光去吸附/电离(ELDI；希尔等人，质谱分析中的快速通信期刊，19:3701到3704，2005)(ELDI；Shiea et al.,J.Rapid Communications in MassSpectrometry,19:3701-3704,2005)，及使用润湿多孔材料的电离(PCT国际申请案号PCT/US10/32881及王等人，应用化学国际版本2010，49，877)(PCT international applicationnumber PCT/US10/32881 and Wang et al.,Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,877)。这些参考中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。

虽然主要在微型质谱仪的情形下论述本发明的方法，但本发明的方法不限于微型质谱仪且可与商业实验台质谱仪一起使用。类似地，本发明的方法不要求使用不连续样本引入接口。

在另一方面中，本发明提供涉及在微型质谱仪中分析样本及内标的方法。那些方法涉及：产生样本离子及内标离子；将所述样本及内标离子同时通过不连续样本引入接口传递到微型质谱仪的第一离子阱中；闭合不连续样本引入接口；将所述样本及内标离子顺序地传递到所述微型质谱仪的第二离子阱；及在所述第二离子阱中顺序地分析所述样本及内标离子。

本发明的另一方面提供用于在配备有不连续样本引入接口的微型质谱仪内量化分析物的方法。那些方法涉及：将来自分析物的离子及来自内标的离子通过不连续样本引入接口传递到微型质谱仪中；分析所述分析物的离子及内标的离子，其中在彼此小于一秒内分析所述分析物的离子及内标的离子；及量化所述分析物。所述分析物可源自呈任何形式的样本，例如固体、液体、气体或其组合。在某些实施例中，量化包含获得所述分析物与所述内标的比率。

本发明的另一方面提供用于分析多个分析物的方法，所述方法涉及：通过不连续样本引入接口传递第一分析物及第二分析物；闭合所述不连续样本引入接口；产生所述第一分析物的离子及所述第二分析物的离子，所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子被传递到质谱仪的第一离子阱中；将所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子顺序地传递到所述质谱仪的第二离子阱；及在所述第二离子阱中顺序地分析所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子。在此类实施例中，电离源在所述不连续样本引入接口之后。在例如欧阳等人(美国专利号8,785,846及美国专利申请公开案号2014/0138540)(Ouyang et al.(U.S.patent number 8,785,846 and U.S.patent applicationpublication number 2014/0138540))中描述了此系统设置，其中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。在某些实施例中，所述第一分析物和第二分析物被包含在可操作地与不连续样本引入接口相关联的容器中。可将所述容器维持在大气压或低于大气压处。在某些实施例中，将所述容器维持在低于大气压的压力下。以上所描述的电离技术中的任一者可以用于产生步骤中。在某些实施例中，所述产生步骤利用电介质阻挡放电电离源。在某些实施例中，质谱仪是微型质谱仪。

附图说明

图1A是微型质谱仪的现有技术系统配置和操作模式的示意图。

图1B是图表，其说明在现有技术系统的情况下，在DAPI闭合之后，歧管压力在大约500ms的时间内减小且随后在大约或低于3mtorr下执行MS或MS/MS分析。使用小型泵送系统以1到2s/扫描的扫描速度为代价实现良好的灵敏性。

图1C是来自现有技术商业三重四级杆的图表，其展示通过在牛全血(100ng/ml)中对可铁宁(177/180→80)及康定-d3(内标)的多反应监视而测得的强度。

图2A是展示用于本发明的方法的系统配置的示意图。

图2B是图表，其说明在本发明的系统的情况下，在DAPI闭合之后，在100ms内使用RIT的两个扫描测得的片段强度。

图3A是展示用于本发明的系统中的两个离子阱的实施例的配置的示意图。

图3B是展示用于DAPI、LIT及RIT的同步控制信号的示意图。

图4是展示耦合在具有矩形离子阱的微型质谱仪中的不连续大气压接口的示意图。

图5A到图5B展示允许沿着z轴及DC捕获电压注入/喷出离子的矩形离子阱；

图6A到图6B展示具有用于沿着x轴及DC捕获电压进行离子注入/喷出的狭缝的矩形离子阱；

图7A到图7B展示具有三个RF区段及DC捕获电压的矩形离子阱；

图8A到图8B展示具有三个RF区段及端板及DC捕获电压的矩形离子阱；

图9示意性地展示质量分析系统中的图2中展示的类型的矩形离子阱；

图10展示使用图5的系统所获得的苯乙酮的质谱；

图11展示通过图5的系统中的CID所获得的苯乙酮的母代m/z 105离子及片段离子m/z 105的质谱；

图12展示在获得质量m/z 111的离子的不同时间的二氯苯的电离的效果；

图13展示使用矩形离子阱的RF及DC电压映射的稳定性图(以下界定)；

图14A到图14B展示通过图1的矩形离子阱的端电极中的孔沿着z轴的质量选择性离子喷出的AC及RF电压；

图15展示使用x电极之间应用的AC通过端电极中的缝隙的质量选择性喷出的矩形离子阱；

图16展示使用x或y电极之间应用的AC通过端电极中的狭缝的质量选择性喷出的矩形离子阱；

图17展示通过将AC扫描电压施加到x电极通过x RF电极上的狭缝扫描离子的矩形离子阱；

图18展示通过将AC扫描电压施加到对应电极通过x或y RF电极上的狭缝扫描离子的矩形离子阱；

图19展示具有允许在任何方向上喷出离子的RF及端电极中的狭缝的矩形离子阱；

图20展示具有每一电极中的越过的狭缝的立方体矩形离子阱，借此在选定对电极之间施加RF及AC电压允许x、y或z方向上的离子喷出；

图21展示矩形离子阱及施加的DC电压的串联组合；

图22示意性地展示相同大小的离子阱的串联阵列；

图23A到图23E示意性地展示三个串联连接的矩形离子阱的各种操作模式；

图24示意性地展示不同大小的矩形离子阱的串联阵列；

图25是展示矩形离子阱的并联阵列的透视图；

图26是展示对离子群体执行一连串操作的矩形离子阱并联阵列的透视图；

图27是展示串联布置的两个矩形离子阱并联阵列的透视图；

图28是用于离子移动性测量的并联阵列的透视图；

图29示意性地展示用于非RF扫描多过程分析的可变大小的矩形离子阱的并联阵列；

图30示意性地展示用于非RF扫描多过程分析的可变大小的矩形离子阱的另一并联阵列；及

图31是布置在三维阵列中的矩形离子阱的透视图。

图32A展示DAPI MS仪器的MS/MS分析与一个LIT及双LIT的比较。

图32B展示用于MS/MS分析的DAPI-RIT-RIT配置。

图32C展示到达离子检测器的阿米替林离子m/z 278测得的信号强度随排斥电压而变。

图32D展示由RIT-2针对质子化的可卡因m/z 304及甲基苯丙胺m/z 150(每一者从RIT-1质量选择性地传递到RIT-2)、通过含有仅lμg/mL可卡因或仅500ng/mL甲基苯丙胺的甲醇溶液的ESI、80mV及168kHz的AC激励(RIT-1中q＝0.45，RIT-2中用于捕获离子的低质量截止＝67)而产生的离子记录的MS光谱。

图33A展示用于测试DAPI-RIT-RIT配置的仪器设置。使用两个离子检测器组合件。还可直接通过具有径向喷出的RF扫描监视RIT-1中捕获的离子，对于所述RF扫描，共用网端电极上的DC电压升高(>10V)以防止轴向喷出。歧管压力在DAPI的20ms打开下增加到大约500mtorr，所述DAPI使用500μm内径、30cm长的毛细管作为流约束。使用DAPI打开之后大约500ms的延迟以允许歧管压力向下泵送到大约3mtorr以用于MS或MS/MS分析。两个RIT之间的网电极是由具有65％的敞开面积及0.0075”的电线厚度的防腐304不锈钢编织电线织物制成。

图33B展示类似于图33A中展示的仪器设置的仪器设置。在此设置中，500μm内径、35cm长的毛细管用作流约束以紧接在质量选择性离子传递之前引入空气将分水器压力从3mtorr增加到10mtorr。

图33C展示在由双相RF驱动的RIT-RIT中的质量选择性离子传递期间沿着中轴线的DC电势。

图33D展示具有单一离子检测器组合件的DAPI-QLIT-RIT设置。

图34A展示针对阿米替林及阿米替林-d6(甲醇中，通过nanoESI电离)记录的MS频谱，施加在y电极上的1.015MHz的单相RF、施加在x电极之间的偶极AC以用于在80mVp-p下在165KHz处的谐振喷出。

图34B展示用于检测来自RIT-1的离子的轴向喷出的仪器设置。额外网电极(参看图的放大右图)插在离子检测器的前方以施加排斥电势。从RIT-1轴向喷射出的离子的动能需要充分高以克服到达离子检测器的势垒。通过改变排斥电势，剖析离子的KE。

图35A到图35E：COMSOL(版本4.3a，COMSOL AB，斯德哥尔摩，瑞典)用于解决本文中研究的双LIT配置的电场。对于伸展几何形状(图35B)的RIT-RIT(图35A)，在施加200V的单相RF(图35C，上图)时，沿着中轴线的电势可以高达128V的振幅振荡。图35C(下图)展示在x及y电极对之间施加的平衡双相RF的情况下，中心电势较低但可仍高达57V。对于具有对称配置的QLIT(图35D)，中心电势仍可在单相RF(图35E，左图)的情况下较高，但在施加平衡双相RF时保持为0V(图35E，右图)。

图36图A展示由RIT针对从QLIT在没有质量选择的情况下传递的离子记录的MS频谱。质子化的半胱胺酸m/z 241(图36，图B)克仑特罗m/z 277(图36，图C)、阿米替林-d6m/z284(图36，图D)、双甲脒m/z 294(图36，图E)，及可卡因m/z 304(图36，图F)，每一化合物的前驱物离子从QLIT被质量选择性地传递到RET，在RIT中分段且被MS分析。80mV及169kHz的AC激励，QLIT中q＝0.45；RIT中捕获离子的q＝～0.2，RIT中CID的q＝～0.2。

图37图A-图E展示甲醇溶液中的克仑特罗(1μg/mL)、阿米替林-d6(1μg/mL)、双甲脒(200ng/mL)、半胱胺酸(500ng/mL)及可卡因(500ng/mL)被nanoESI电离。通过DAPI引入所述离子且在QLIT中捕获。图37的图A展示通过将共用网电极上的电势降低到-2.3V可在不进行质量选择的情况下将所有离子传递到RIT。使用RIT在径向喷出的情况下使用后续MS分析记录MS频谱。图37的图B到E展示在所有离子被捕获在QLIT中时，每一窄m/z范围中的前驱物离子可被质量选择性地传递到RIT。在QLIT及RIT的DC偏移之间的差异小于10V时，将不发生显著分段。后续MS分析可产生如图37的图B到F中所展示的前驱物离子的MS光谱。还可在RIT中对这些离子中的每一者执行MS/MS分析，在图36的图A到F中展示结果。

图38A展示在质量选择性离子传递期间使用CID的MS/MS的仪器设置。图38B到38D展示针对在-15V(图38B)、-21V(图38C)及-40V(图38D)下的RITDC偏移下的质子化的阿米替林m/z 278的质量选择性传递记录的MS/MS频谱。用于从QLIT进行轴向喷出的AC激励为80mV及169kHz，QLIT中q＝0.45；RIT中捕获离子的q＝0.2。

图39展示针对质子化的阿米替林m/z 278及阿米替林-d6 284(其被同时引入到QLIT但以100ms的间隔被顺序地质量选择性地传递到RIT)记录的MS频谱。测得的强度用于绘制图40中的变化信号的趋势。以120ng/mL具有阿米替林及阿米替林-d6的甲醇溶液的纸喷雾，4.3kV的喷雾电压。用于从QLIT进行质量选择性传递的80mV 169kHz的AC激励，q＝0.45。RIT中捕获离子的q＝0.2。

图40展示由RIT针对顺序地质量选择性地传递的阿米替林m/z 278及阿米替林-d6，m/z 284测量的信号强度。以120ng/mL具有阿米替林及阿米替林-d6的甲醇溶液的纸喷雾，4.3kV的喷雾电压。用于从QLIT进行质量选择性传递的80mV 169kHz的AC激励，q＝0.45。RIT中捕获离子的q＝0.2。

具体实施方式

串联质谱(MS/MS)是化学分析中的必不可少的工具，这归因于它的阐明化学结构、抑制化学噪声及以高精度定量的能力。通常已经通过隔离目标前驱物离子(同时浪费其它离子)接着是产生产物离子的分段而应用MS/MS分析。在以下实例中，探索双线性离子阱的配置以开发高效率MS/MS分析。在第一线性离子阱中捕获的离子被轴向地质量选择性地传递到第二线性离子阱以进行MS/MS分析。顺序地分析同时被引入到质谱仪中的来自多个化合物的离子。此开发实现对样本的高度有效的使用并且还显著提高具有不连续样本引入接口的离子阱质谱仪的分析速度及定量精度，对于具有原位电离源的微型系统尤其如此。

本发明一般涉及使用微型质谱仪进行样本定量。在例如高等人(分析化学，2006，78，5994到6002)(Gao et al.(Anal Chem,2006,78,5994-6002))、高等人(分析化学，2008，80，7198到7205)(Gao et al.(Anal Chem,2008,80,7198-7205))、欧阳等人(“用于微型质谱仪的大气压接口”，匹兹堡分析、化学方法及应用光谱学会议，奥兰多、佛罗里达州，美国，2012)(Ouyang et al.(“Atmospheric Pressure Interface for Miniature MassSpectrometers”,The Pittsburgh Conference on Analytical,Chemistry and AppliedSpectroscopy,Orlando,FL,US,2012))、欧阳等人(“用于人类健康及安全性的质谱分析”，匹兹堡分析、化学方法及应用光谱学会议，奥兰多、佛罗里达州，美国，2012)(Ouyang etal.(“Mass Spectrometry for Human Health and Security”,The PittsburghConference on Analytical,Chemistry and Applied Spectroscopy,Orlando,FL,US,2012))、欧阳等人(“个人质谱仪的概念验证开发”，第60届质谱分析及联合话题ASMS会议，2012)(Ouyang et al.(“Proof-of-Concept Development of a Personal MassSpectrometer”,60th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics,2012))及李等人(分析化学2014 86(6)，第2909到2916页)(Li et al.(Anal.Chem.2014 86(6),pp 2909-2916))中描述了示范性微型质谱仪，其中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。与用于具有数千瓦功率的实验室规模仪器的泵送系统相比，微型质谱仪一般具有18W的泵送系统，其仅具有5L/min(0.3m³/hr)的隔膜泵及11L/s的涡轮泵。

在某些方面，本发明提供用于分析多个分析物的方法。那些方法涉及产生第一分析物的离子及第二分析物的离子。所述分析物可源自呈任何形式的样本，例如固体、液体、气体或其组合。所述样本可为哺乳动物组织或体液样本(例如，人体组织或人体流体样本，例如血液、电浆、尿液、唾液、痰液、脊髓流体、乳汁等)、环境样本或农业样本(例如食物样本)。那些离子通过不连续样本引入接口以不连续样本引入接口在所述传递期间保持打开的方式被传递到质谱仪的第一离子阱中。所述不连续样本引入接口闭合且离子被顺序地传递到质谱仪的第二离子阱，在其中对所述离子进行顺序分析。

图1A中展示配备有不连续样本引入接口的微型质谱仪的现有技术设置。此系统保留MS/MS能力且允许使用比商业系统中的泵送系统的容量小100倍的容量的微型泵送系统分析喷射的离子。对于每一扫描，将不连续样本引入接口打开大约15ms且将具有离子的空气引入到真空中。歧管中的压力增加(到～500mtorr)但离子可仍被有效地捕获在离子阱(图1A中示范为矩形离子阱(RIT))中。在闭合不连续样本引入接口之后，在大约500ms的时间内减小歧管压力且随后在大约或低于3mtorr下执行MS或MS/MS分析(图1B)。使用小型泵送系统以扫描速度为代价实现良好的灵敏性，该扫描速度对于此系统是1到2s/扫描，与对于三重四级杆质谱仪是100ms/扫描形成对比。然而，其潜在地导致定量中的高不精确性。在商业仪器的情况下，使用100ms的时间差执行分析物及内标(IS)强度的测量。尽管绝对强度可随时间剧烈地漂移(图1C)，但获得具有相对小的变化的分析物与内标的比率。对于具有DAPI-RIT配置的微型质谱仪，以1秒的最小时间差执行分析物及内标强度的测量(图1B)，其导致定量中的不精确性。

本发明解决所述问题且提供配备有不连续样本引入接口的微型质谱仪，其经配置以实现与商业三重四级杆质谱仪相同的工作循环(即，100ms/扫描)。图2A说明本发明的示范性实施例。对于本发明的系统，在不连续样本引入接口与RIT之间添加额外的离子阱，例如四级杆类型的线性离子阱(LIT)。该LIT能够同时捕获所述分析物及内标的离子且将它们顺序地发送到所述RIT以用于在一个扫描循环内进行MS/MS测量(图2B)。在100ms内使用所述RIT的两个扫描测得片段强度(图2B)，且重要的是，在相同的电离条件下同时产生所述测量中涉及的分析物及内标的离子且其同时被传递穿过不连续样本引入接口且在所述LIT中被捕获。可预期定量准确度中的显著提高。

图3A到图3B展示本发明的系统配置的示范性实施方案。r0＝5mm且长度为40mm的四级杆用作LIT。分析物及内标的质量选择性传递是基于轴向质量选择性扫描技术，其先前已经用于SCIEX离子阱质谱仪中，例如在海格(质谱分析中的快速通信，2002，16，512到526)(Hager(Rapid Communications in Mass Spectrometry,2002,16,512-526))及古纳(分析化学，2011，83，6363到6367)(Guna(Anal Chem,2011,83,6363-6367))中所描述，其中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。在一对RF电极之间施加一连串波形以促进分析物及内标的离子的隔离及激励。在不连续样本引入接口打开时(图3B中的步骤1)，施加具有以分析物离子的m/z值为中心的宽隔离窗口(～Δm/z 50)的SWIFT(所存储的波形的逆傅里叶变换)。此有助于通过最小化空间电荷效应而提高分析物及内标的离子的捕获效率(通常Δm/z<10)。在不连续样本引入接口闭合之后，在冷却周期期间施加具有更窄的隔离窗口(～Δm/z10到15)的另一SWIFT(步骤2)以进一步最小化在稍后的离子传递步骤期间来自其它离子的电势干扰。增加透镜I上的DC电势(图3A)以朝向透镜II推送捕获的离子且随后在LIT的一对RF电极之间施加谐振AC(步骤3)以将分析物离子轴向地从LIT喷出到RIT，其中使用MS/MS对它们进行分析(步骤4)。随后再次施加具有被调整得较低的频率的第二谐振AC(步骤5)以喷出IS离子进行MS/MS分析(步骤6)。

虽然使用分析物及内标进行示范，但本发明的方法不限于那两个分子且可使用任何分析物执行。另外，可使用两个以上分析物执行本发明的方法，例如3个、4个、5个、10个、20个等。另外，虽然所示范的离子阱是线性四级杆型离子阱及矩形离子阱，但本发明的方法不限于那些离子阱。所述方法不限于使用任何特定离子阱或离子阱的组合。

此项技术中已知的任何技术可用于产生离子。利用大气压处的电离源的示范性离子产生技术包含电喷雾电离(ESI；Fenn Fenn等人，科学，246:64-71，1989；及山下等人，物理化学期刊，88:4451-4459，1984)(ESI；Fenn et al.,Science,246:64-71,1989；andYamashita et al.,J.Phys.Chem.,88:4451-4459,1984)；大气压电离(APCI；卡罗尔等人，分析化学，47:2369-2373，1975)(APCI；Carroll et al.,Anal.Chem.47:2369-2373,1975)；及大气压矩阵辅助式激光去吸附电离(AP-MALDI；莱克等人，分析化学，72:652-657，2000；及田中等人，快速通信质谱分析，2:151-153，1988)(AP-MALDI；Laiko et al.Anal.Chem.,72:652-657,2000；and Tanaka et al.Rapid Commun.MassSpectrom.,2:151-153,1988)。这些参考中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。

利用直接原位电离/取样方法(即，在电离之前不要求对样本进行处理的方法)的示范性离子产生技术包含纸喷雾(欧阳等人，美国专利申请公开案号2012/0119079；及王等人，应用化学国际版本，2010，49，877到880)(Ouyang et al.,U.S.patent applicationpublication number 2012/0119079；and Want et al.Angewandte ChemieInternational Edition,2010,49,877-880)去吸附电喷雾电离(DESI；高津等人，科学，306:471-473，2004及美国专利号7,335,897)(DESI；Takats et al.,Science,306:471-473,2004 and U.S.patent number 7,335,897)；实时直接分析(DART；科迪等人，分析化学，77:2297-2302，2005)(DART；Cody et al.,Anal.Chem.,77:2297-2302,2005)；大气压或低压电介质阻挡放电电离(DBDI；Kogelschatz，等离子体化学方法及等离子体处理，23:1-46，2003，及PCT国际公开案号WO 2009/102766)(DBDI；Kogelschatz,Plasma Chemistryand Plasma Processing,23:1-46,2003,and PCT international publication numberWO 2009/102766)，电喷射辅助式激光去吸附/电离(ELDI；希尔等人，质谱分析中的快速通信期刊，19:3701到3704，2005)(ELDI；Shiea et al.,J.Rapid Communications in MassSpectrometry,19:3701-3704,2005)，及使用润湿多孔材料的电离(美国专利申请公开案号2012/0119079及PCT国际申请案号PCT/US10/32881及王等人，应用化学国际版本2010，49，877)(U.S.patent application publication number 2012/0119079 and PCTapplication number PCT/US10/32881 and Wang et al.,Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,877)。这些参考中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。

虽然主要在微型质谱仪的情形下论述本发明的方法，但本发明的方法不限于微型质谱仪且可与商业实验台质谱仪一起使用。类似地，本发明的方法不要求使用不连续样本引入接口。

不连续样本引入接口

在某些实施例中，本发明的装置与不连续样本引入接口一起使用。在欧阳等人(美国专利号8,304,718及PCT申请案号PCT/US2008/065245)中描述了不连续样本引入接口，其中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。

图4中展示示范性不连续样本引入接口。不连续样本引入接口的概念是在离子引入期间打开其通道且随后在每一扫描期间闭合通道以用于后续质量分析。不连续样本引入接口与传统的连续不连续样本引入接口相比可允许具有更大的流导的离子传递通道。歧管内部的压力在通道打开时暂时显著增加以实现最大离子引入。可以切断所有高电压，并且仅接通低电压RF以用于在此周期期间捕获离子。在离子引入之后，闭合通道并且压力可以在一段时间内减小，以当高电压可接通并且可在高电压下扫描RF以用于质量分析时到达用于进一步离子操控或质量分析的最佳压力。

不连续样本引入接口以经控制的方式打开及关闭空气流。真空歧管内部的压力在大气压接口(API)打开时增加且在其闭合时减小。不连续样本引入接口与捕获装置(其可为质量分析器或中间阶段存储装置)的组合允许使用给定泵送能力将离子包最大地引入到系统中。

在新的不连续引入模式中，大得多的开口可以用于API中的压力约束组件。在API打开的较短时间段期间，在低RF电压下以捕获模式操作离子捕获装置以存储进入的离子；同时切断其它组件(例如转换二次发射电极(conversion dynode)或电子倍增管)上的高电压以避免在较高压力下破坏那些装置和电子器件。随后可闭合API以允许歧管内部的压力下降回到用于质量分析的最佳值，此时在阱中对离子进行质量分析或将离子传递到真空系统内的其它质量分析仪以用于质量分析。以不连续方式操作API而实现的此二压力操作模式以给定的泵送能力使离子引入最大化以及优化用于质量分析的条件。

设计目标是在保持质量分析仪的最佳真空压力的同时具有最大开口，所述真空压力取决于质量分析仪的类型而介于10^-3Torr到10^-10Torr之间。在大气压力接口中的开口越大，递送到真空系统并因此到质量分析仪中的离子电流越高。

在本文中描述不连续样本引入接口的示范性实施例。所述不连续样本引入接口包含用于在大气压下且在真空中打开及关闭硅酮管连接区中的路径的夹管阀。通常闭合的夹管阀(390NC24330，ASCO阀公司(ASCO Valve Inc.)，新泽西州弗洛勒姆帕克(FlorhamPark,NJ))用于控制真空歧管到大气压力区中的开口。两个不锈钢毛细管连接到硅酮塑料管件上，其打开/闭合状态受到夹管阀控制。连接到大气的不锈钢毛细管是流动约束元件，并且其ID是250μm，OD是1.6mm(1/16”)并且长度是10cm。真空侧的不锈钢毛细管的ID是1.0，OD是1.6mm(1/16”)并且长度是5.0cm。塑料管的ID是1/16”，OD是1/8”并且长度是5.0cm。两个不锈钢毛细管均接地。微型质谱仪的泵送系统由泵送速度为5L/min(0.3m3/hr)的两级隔膜泵1091-N84.0-8.99(KNF纽博格公司(KNF Neuberger Inc.)，新泽西州特伦顿(Trenton,NJ))和泵送速度为11L/s的TPD011混合动力涡轮分子泵(菲弗真空公司(Pfeiffer VacuumInc.)，新罕布什尔州纳舒厄(Nashua,NH))组成。

当一直向夹管阀提供能量并且塑料管一直打开时，流导高到使真空歧管中的压力在隔膜泵操作的情况下超过30Torr。离子传递效率测得为0.2％，其与具有连续API的实验室规模质谱仪相当。然而，在这些条件下，TPD 011涡轮分子泵无法开启。当解除向夹管阀提供能量时，塑料管受挤压闭合，并且随后可以开启涡轮泵以将歧管的最终压力抽吸到在1×10⁵Torr的范围内。

用于使用离子阱执行质量分析的操作顺序通常包含(但不限于)离子引入、离子冷却以及RF扫描。在最初使歧管压力被抽吸减小之后，实施扫描功能以在打开与闭合模式之间切换以进行离子引入和质量分析。在电离时间期间，使用24V DC来向夹管阀提供能量，并且API打开。矩形离子阱(RIT)端电极上的势能在此周期期间也设定成接地。发现夹管阀的最小响应时间是10ms，并且使用介于15ms与30ms之间的电离时间来表征不连续API。在API闭合之后实施介于250ms与500ms之间的冷却时间来允许压力降低并且允许离子经由与背景空气分子的碰撞来冷却。随后开启电子倍增管上的高电压，并且扫描RF电压以用于质量分析。在不连续API的操作期间，可以使用小型10(Mini10)上的微型皮拉尼真空计(MKS925C，万机仪器公司(MKS Instruments,Inc.)，美国马萨诸塞州威明顿(Wilmington,MA))来监视歧管中的压力变化。

矩形离子阱

例如在欧阳等人(美国专利号6,838,666)(Ouyang et al.(U.S.patent number6,838,666))中描述了矩形离子阱，其内容以全文引用的方式并入本文中。图5到图8说明四个矩形离子阱几何形状及施加到电极板以视具体情况捕获及分析离子的DC、AC及RF电压。捕获体积由zx及zy平面中的间隔的平坦或板RF电极的11、12及13、14的一对x及y来界定。通过将DC电压施加到安置在由x、y对的板(图5和图6)界定的体积的末端处的xy平面中的经间隔平坦或板端电极16、17，或通过在区段18、19(各自包括多对平坦或板电极1la、12a及13a、13b(图7))中与RF一起施加DC电压，而在z方向上捕获离子。除了RF区段之外，还可添加平坦或板电极16、17(图8)。在图5B、图6B、图7B及图8B中说明每一几何形状的DC捕获电压。通过由施加到所述板的RF电压产生的四级RF场在x、y方向上捕获离子。如目前将描述，离子可沿着z轴穿过形成于端电极中的空隙或沿着x或y轴穿过形成于x或y电极中的空隙而喷出。通过在样本气体在捕获体积内时将其电离(例如，通过电子冲击离子化)，待分析或激发的离子可形成于所述体积内，或所述离子可在外部被电离且被注射到离子阱中。所述离子阱一般在缓冲气体的辅助下操作。因此，在离子被注射到离子阱中时，它们由于与缓冲气体碰撞而失去动能且被DC势阱捕获。虽然是通过施加RF捕获电压捕获所述离子，但AC及其它波形可施加到电极以促进以质量选择性方式隔离或激励离子，如下文更详细地描述。为执行轴向喷出扫描，在将AC电压施加到端板的同时扫描RF振幅。轴向喷出取决于使用圆棒电极(美国专利第6,177,668号)控制从线性阱的轴向喷出的相同原理。为了执行正交离子喷出扫描，扫描RF振幅且将AC电压施加在包含孔隙的一组电极上。可扫描AC振幅以促进喷出。用于施加及控制RF、AC及DC电压的电路是众所周知的。

在RIT中捕获的离子可在改变DC电压时沿着z轴漂移离开捕获以便移除RIT末端处的电势屏障。在图5的RIT配置中，RIT末端处的RF场的扭曲可在例如隔离、碰撞诱发的分解(CID)或质量分析等过程期间对捕获的离子导致不合意的效应。如图7A及图8A中所展示的将两个端RF区段18及19添加到RIT将帮助产生用于中心区段的均匀RF场。在所述三个区段上施加的DC电压建立DC捕获电势且将离子捕获在中心区段中，其中对中心区段中的离子执行各种过程。在其中需要离子隔离或离子聚焦的情况下，端电极16、17可如图8中所展示而安装。因此，图5到图8及待描述的其它图仅指示来自合适的电压源的施加电压。

为了演示矩形离子阱的性能，建构分析系统且使用由加利福尼亚州圣何塞市的美国热电公司(Thermo Finnigan,San Jose,Calif)出售的ITMS系统中的矩形离子阱(RIT)进行测试。所述RIT是图6中说明的类型且在图9中示意性地展示完整的系统。具有在x方向上(x₀)的狭缝的两个电极与y方向上(y₀)的两个电极之间的一半距离是5.0mm。x及y电极及z电极之间的距离是1.6mm。x及y电极的长度是40mm。x电极中的狭缝是15mm长及1mm宽且居中定位。以1.2MHz的频率施加且在y电极与接地之间施加RF电压。在两个x电极11、12之间施加AC偶极场。将正DC电压(50V到200V)施加到z电极16、17(图6)以沿着z方向在RIT内捕获正离子。将作为缓冲气体的氦添加到3×10^-5Torr的指示压力。

在实验中，待分析的挥发性化合物泄漏到真空腔室中达到2×10^-6Torr的指示压力。从细丝21发射的电子注射到RIT中以电离挥发性化合物，且通过电子冲击(EI)电离在RIT内部形成离子。通过所施加的RF及DC场捕获离子。在冷却周期之后，RF逐渐上升且通过x电极上的缝隙喷出离子且通过配备有转换二次发射电极23的电子倍增管22进行检测。图10展示实验中记录的苯乙酮的质谱。所述频谱展示相对大量的分子及通常在其它类型的质谱仪中对于此化合物看到的片段离子。

还测试RIT的MS/MS能力。使用RF/DC隔离来隔离苯乙酮的片段离子m/z 105且随后通过施加0.35V振幅及277KHz频率的AC场进行激发。在图11中展示母离子的隔离及MS/MS产物离子频谱。

使用可观测的空间电荷效应(“频谱范围”)的开始作为准则来测试捕获能力，借此估计捕获的离子的数目。在离子的数目超过空间电荷的频谱范围时，频谱的分辨率变得显著地较差。为表征RIT的频谱范围，使用0.1ms、1ms及10ms的电离时间电离二氯苯(0.1是可使用ITMS电子控制器设定的最短电离时间；在使用长于10ms的电离时间时，信号强度超出检测器的极限)。在RIT中对捕获的离子进行质量分析以产生频谱。m/z 111的峰形状用于比较每一电离时间的质量分辨率，如图12中所展示。在电离从0.1ms到10ms改变100倍时，所述峰的FWHM不改变，这意味着频谱范围(下文界定)尚未到达电子倍增管的动态范围的极限。

可通过以下等式估计捕获的离子的质荷比、RIT的几何形状及所施加的RF及DC电压之间的关系：

其中A₂是电场的多极扩展表达式中的四级杆扩展系数，V_RF及U_DC是在x及y电极之间施加的RF及DC电压的振幅，a_x及q_x是马蒂厄参数，x₀是到x电极的距离的中心，且Ω是所施加的RF的频率。可通过以下等式估计长期频率Ω_u(u＝x或y)：

其中

在图13中展示RIT的稳定性图。

如从前述等式所看到，通过将预定频率的RF电压施加到RF电极，且DC电压的范围还取决于离子阱的尺寸。所捕获的离子可被隔离、喷出、质量分析及监视。通过将RF/DC电压施加到xy电极对而执行离子隔离。RF振幅确定隔离窗口的中心质量，且RF与DC振幅的比率确定隔离窗口的宽度。隔离离子的另一方法将是通过施加合适的RF及DC电压且随后施加含有除了待隔离的离子之外的所有离子的长期频率的宽带波形而在较广质量范围上捕获离子。在预定时间周期内在两个相对(通常x或y)电极之间施加所述波形。所关注的离子不受影响，而所有其它离子被喷出。可从等式3确定任何给定m/z值的任何离子的长期频率且可通过改变RF振幅来改变所述长期频率。可通过施加具有等于在两个相对的RF电极之间施加的待激发的特定离子的长期频率的频率的AC信号而激发所捕获的离子。具有此长期频率的离子在阱中被激发且可将捕获场分段或逸出捕获场。可通过将AC信号施加到端电极而部署类似过程。可在任何两个相对的电极之间施加DC电压脉冲且较宽质量范围的所捕获的离子可从RIT喷出。

RIT可用于执行各种质量分析模式，如以下部分中所描述：

a)非扫描离子监视

通过使用最简单的配置，如图5中所展示，可通过执行离子隔离及RF振幅调整而实现单一离子监视或多离子监视。可通过使用RF/DC(质量选择性稳定性)或上文描述的波形方法而实现所关注的离子的隔离，i)对于单一离子监视，所关注的离子被隔离且随后通过降低用于检测的DC捕获场而允许在z方向上漂移离开RIT或它们可被脉冲出或AC激发出；ii)对于多离子监视，使用上文描述的单一离子监视方法的多个实例按顺序监视若干m/z值的离子；iii)对于MSⁿ质量分析，隔离具有所关注的m/z值的离子，通过经由CID施加AC电压及片段而激发所述离子。可通过单一离子监视或多离子监视对产物离子进行质量分析。

b)通过端电极上的孔隙扫描离子

可使用具有图15中展示的几何形状的RIT实施质量不稳定性扫描。i)在x(或y)电极之间施加AC信号，且在扫描RF的同时被扫描(图14B)。离子根据它们的m/z值(低到高)在适当的方向上被质量选择性地喷出(图14A)。端板16中的开口应为缝隙26(图15)，该缝隙26沿着x轴以允许通过AC信号振荡的离子沿着x轴被有效地喷出，ii)RIT的端板中的双狭缝27、28(十字形)(图16)允许在x或y电极或这两者之间施加AC。通过选择施加AC的电极对(x或y)而选择从RIT喷出的离子束的定向(沿着x或y轴)。在其中喷出的离子云形状需要与下一装置(例如另一RIT)的开口匹配的情况中，此选择是适当的。如果将不同频率的AC电压施加到x及y电极，那么从所述狭缝喷出两个不同质量的离子。

c)通过RF电极中的狭缝扫描离子

i)通过在x(或y)电极上添加开口或狭缝29且在这两个电极之间施加具有选定频率的AC电压，可通过扫描RF振幅通过所述狭缝质量选择性地喷出离子(图17)。通常，还可扫描AC电压的振幅以实现更好的分辨率。

ii)图18中展示的RIT在x及y电极两者上都有狭缝29及31。可通过选择施加AC信号的电极对x或y或这两者而选择喷射方向。可从所述狭缝中的每一者喷出不同质量的离子。

d)通过任何方向上的电极扫描离子

图19中展示的RIT装置组合上文描述的配置的特征且允许沿着x、y或z轴中的任一者的离子注入及质量选择性或非选择性喷出。此类型的RIT可通过将DC脉冲或AC信号施加到对应的电极而沿着x、y或z方向中的任一者传递离子。选择规则如上文所描述。在图20中展示具有电极中的每一者上的对称特征的替代性几何形状(立方体)。i)相位相差120度的RF信号可施加到立方体装置中的每对电极(图20)以建立(旋转的)3D RF捕获场，ii)可通过选择向其添加RF或DC的电极对而选择性地改变RF捕获平面及DC捕获轴。可通过将AC或DC信号添加到对应电极而施加使用AC及DC的喷出模式。此装置可充当离子传递操作中的方向切换器，iii)替代性捕获模式：任何两对电极可电连接到相同的RF信号以形成类似于圆柱离子阱中的“立方体捕获”，且其它对可通过接地或供应有相位相差180度的RF而类似一对端盖而作用。

e)可多边地组合矩形离子阱以构建各种装置。

i)在图21中展示RIT的典型串联布置。所述布置使用两个RIT、区段II及IV，以及RF捕获区段I及III，及通过其引入离子的端板31，及具有狭缝33的端板32。示意性地展示施加到电极的DC捕获电压34及36。在模式I中，以可在区段II及区段IV中捕获离子的方式设置DC势阱。在模式II中，允许区段II中的离子传递到区段IV。区段III用于最小化区段II及IV之间的干扰，其中对所述离子执行不同的操作。作为一个实例，可在区段II中累积离子(质量选择性地或非选择性地)，同时可在区段IV中执行各种操作，比如隔离、CID、离子/离子或离子分子反应，及质量选择性喷出。

ii)图22展示布置在串联配置中以类似具有类似三重四级杆质谱仪的性质的串联质谱仪而作用的相同大小的RIT。通过以相同方式改变DC电势而将离子从一个RIT传递到下一RIT，如图21中所展示。

iii)图23A到图23E展示关于离子/离子反应的三个RIT 41、42及43的若干操作模式。使用短RIT 46、47替代端板透镜以用于离子传递而增加离子传递效率。图23A展示分别从外部离子源A、B及C注射到RIT 41、42及43中的离子，其中通过将DC捕获电压施加到端板44短RF区段46、47且将RF电压施加到RIT 41、42及43而从离子源注射离子且各自累积(图23A)。通过改变DC捕获电压(如所展示)，RIT 41中捕获的离子被传递到RIT 42，在RIT 42中它们可反应(图23B)。图23C说明用于将累积的离子从RIT 41、43传递到RIT 42中的DC电压。图23D及图23E展示用于分别将离子从RIT 42传递到RIT 41且从RIT 42传递到RIT 43的DC电压。如可注意到，这些操作模式具有显著不同于常规的串联配置(例如三重四级杆)的特征的特征。可在任何阶段中在所述结构中引入离子；在任何阶段中捕获的离子可被隔离或激发以产生片段；在任何阶段中捕获的离子可在两个方向(向前及向后)上被传递到其它者以与其它离子或中性物反应。

iv)不同大小的三个RIT(图24)以恒定振幅的单一RF信号操作。两组波形(一个用于离子隔离且一个用于离子激发)在不同时间施加到所有x或y电极以执行所要的操作。基于用于隔离母离子的所要的q而选择第一RIT的大小。用于计算所述大小的等式是：

其中x₀(y₀)是x(y)电极之间的一半距离。

还基于此q计算用于离子隔离的波形I。在离子被注射到RIT 51中且冷却之后，施加波形I且隔离所要的m/z的母离子；调整沿着束轴的DC电势，使得母离子被传递到第二RIT52中。基于母离子m/z值及用于CID的所要的q而选择RIT 52的大小，或还基于此q计算用于CID的离子/分子反应及波形II。通过施加波形II或与分子或其它离子反应以产生产物离子而将母离子分段；在调整DC电势时将产物离子传递到RIT 53。基于待隔离及监视的产物离子的m/z而计算第三RIT的大小。用于隔离的q可与用于RIT 51的q相同，因此相同的波形可用于RIT 53中的隔离；基于所述q及待隔离/监视的离子的m/z值而计算RIT 53的大小。喷出经隔离的离子以用于外部检测。此类型的串联阵列在不需要专用电子器件扫描RF电压的情况下使用RIT提供分析过程，例如MSⁿ。RIT I及III中的隔离还可使用适当的q值下的RF/DC隔离来实现。

v)由于它们的矩形形状及在x及y方向以及z方向上喷出离子的能力，有可能具有并联阵列以及串联阵列及组合串联与并联阵列。图25展示从单一样本在z方向上注射到所有并联阵列的RIT中、冷却及随后被质量分析的离子。所捕获及检测的离子的总数与RIT的数目及多通道RIT阵列质量的灵敏性成比例。来自不同样本的离子可被注射到不同RIT中且每一RIT可充当独立的质量分析器。未展示的个别检测器可用于每一通道，或在空间上处理解析的信号的成像检测器可用于检测喷出的离子。多个样本中的分析物可同时被电离及质量分析以实现对大量样本的高处理量分析。还可使用相同并联阵列通过允许离子在最终质量分析及检测之前以气相经过各种选择性过程而执行高选择性分析。如图26中所展示，注射到RIT 1中的离子可被质量选择性地隔离，随后通过电极中的狭缝传递到RIT 2中以用于离子/分子反应，通过电极中的狭缝传递到RIT 3中以用于离子/离子反应且随后通过电极中的狭缝喷出而进行质量分析。显然，所述装置可具有更多通道以允许高选择性模式中的更多过程以及高灵敏性模式中的更强信号及高处理量模式中同时分析更多样本。图27展示串联连接的并联阵列的组合。

在x或y方向上将离子群体传递到邻近阱中的能力允许将给定质/荷比的离子放置在三维离子捕获阵列内的任何地方。定位化学上不同物质的空间位置的能力允许多种潜在应用，包含(i)通过离子/表面反应及离子软着陆而到邻近表面的图案传递；(ii)离子湮没实验，其中在减小电极电势之前相反电荷的离子存储在邻近元件中以允许反应性混合；(iii)由三个空间维度及一个质量/电荷尺寸组成的高密度信息存储。

vi)在使用DC脉冲将离子从一个RIT传递到另一RIT时，如图28中所展示，从第一RIT喷出的离子可仅在非常特定的窄RF相位窗口期间进入第二RIT。在同时离开第一RIT的出口缝隙的离子可归因于用于与He碰撞的碰撞横截面中的差异而不同时到达第二RIT的入口缝隙。通过小心地选择喷出RF相位、RIT之间的距离或He的压力，将归因于不同的离子移动性而在空间中分离具有不同横截面的离子，且其中的一些可被捕获在第二RIT中且其它可不被捕获。通过比较第一RIT中的离子及第一RIT中捕获的离子，可估计所述离子的横截面。

vii)正如串联RIT的情况，不同大小的并联RIT可以处于恒定振幅的单一RF信号操作。可使用等式1计算RIT大小，使得在用于离子隔离的相同q值下操作将在每一RIT中监视的离子。如图29中所展示，处于相同q的具有陷波的单一波形施加到所有RIT且具有对应的m/z值或m/z值范围的离子被隔离且被捕获在每一RIT中。捕获的离子稍后沿着x/y或z方向喷出以进行检测。替代性离子隔离方法是RF/DC隔离。图30展示并联阵列的替代性布置。作为沿着z轴传递离子的替代，沿着y轴传递离子且顺序地经历图24的串联阵列中说明的过程。

构建RIT阵列的另一方式是使用立方体离子阱作为RIT之间的接合点(图31)。来自一个RIT的离子可被传递到立方体阱中、被存储且随后被传递到下一RIT中。在相同配置下，通过施加DC脉冲或AC波形，注射到立方体阱中的离子可在六个方向中的任一者上传递。可使用立方体阱连接不同大小的RIT以形成各种阵列。

前述仅是可如何使用及组合RIT以执行离子的分析及操纵的实例。板配置促进及简化离子阱的制造。离子阱的简单矩形配置准许矩形离子阱的多边组合。

以引用的方式并入

已经贯穿本发明作出对其它文献(例如专利、专利申请案、专利公开案、杂志、书籍、论文、网络内容)的参考及引用。所有此类文献在此以全文引用的方式并入本文中以用于所有目的。

等效物

除本文展示且描述的之外，所属领域的技术人员将从本文献的完整内容对本发明的各种修改及许多其他实施例显而易见，包含对在本文中引用的科学和专利文献的参考。本文中的标的物含有重要信息、范例和指南，其可适于本发明在其各种实施例及其等效物中的实践。

实例

串联质谱分析(MS/MS)(斯勒诺等人，质谱分析日志，2004，39，1091到1112)(Slenoet al.,Journal of Mass Spectrometry,2004,39,1091-1112)已经广泛用于分析具有复杂基质的样本中的化学及生物化合物。前驱物离子被隔离及分段，其中对产物离子进行质量分析。离子阱是可执行多阶段MS/MS分析的常用质量分析器。在当前商业质谱仪中，可针对每一化合物以大约100ms的扫描时间快速执行MS/MS分析；然而，样本使用是低效的，这是因为在隔离过程期间浪费除目标前驱物离子之外的离子。对于微型质谱分析(MS)系统(欧阳等人，分析化学年度评审，2009，2，187到214)(Ouyang et al.,Annual Review ofAnalytical Chemistry,2009,2,187-214)，MS/MS更是起着不可或缺的作用且MS/MS过程的效率提高还可具有更显著的影响。用于原位或现场分析的样本制备及色谱分离应被高度简化或完全消除，如最近开发的微型MS系统(亨德里克斯等人，分析化学，2014，86，2900到2908；及李等人，分析化学，2014，86，2909到2916)(Hendricks et al.,AnalyticalChemistry,2014,86,2900-2908；and Li et al.,Analytical Chemistry,2014,86,2909-2916)以及原位电离(库克斯等人，科学，2006，311，1566到1570；及蒙歌等人，化学评论，2013，113，2269到2308)(Cooks et al,Science,2006,311,1566-1570；and Monge et al,Chemical Reviews,2013,113,2269-2308)源所展示。然而，有必要使用MS/MS来区分异构体及同量异位素，且还可显著提高检测极限(LOD)及定量极限(LOQ)(李等人，分析化学，2014，86，2909到2916)(Li et al.,Analytical Chemistry,2014,86,2909-2916)，其中通过MS/MS过程移除化学噪声(库克斯等人，科学，1983，222，273到291)(Cooks et al.,Science,1983,222,273-291)。通过使用特性分段图案确认化学识别，不具有超高质量准确度或分辨率的微型质谱仪还可潜在地保留较高的特异性。

当前，不连续大气压接口(DAPI；高，分析化学，2008，80，4026到4032；高等人，质谱分析国际期刊，2009，283，30到34；及许等人，分析化学，2010，82，6584到6592)(DAPI；Gao,Analytical Chemistry,2008,80,4026-4032；Gao et al.,International Journal ofMass Spectrometry,2009,283,30-34；and Xu et al.,Analytical Chemistry,2010,82,6584-6592)已经用于实现大气压电离及原位电离源与微型线性离子阱(LIT)质谱仪的耦合(亨德里克斯等人，分析化学，2014，86，2900到2908；李等人，分析化学，2014，86，2909到2916；及高等人，质谱分析国际期刊，2009，283，30到34)(Hendricks et al.,AnalyticalChemistry,2014,86,2900-2908；Li et al.,Analytical Chemistry,2014,86,2909-2916；and Gao et al.,International Journal of Mass Spectrometry,2009,283,30-34)。以大约每1.5s使用DAPI的大约20ms的开口以脉冲方式引入离子，其允许在高压下注射离子且在LIT中捕获离子且在500ms到800ms内压力下降回到毫托水平之后进行分析(图32A)。DAPI-LIT系统的所需的泵送能力高度减小，同时还减小MS及MS/MS分析的效率及扫描速度。可通过使用与DAPI操作同步的脉冲离子源而使归因于低工作循环(例如，每1s或更长时间的20ms的离子引入)引起的样本的浪费减到最少(许等人，分析化学，2010，82，6584到6592)(Xu et al.,Analytical Chemistry,2010,82,6584-6592)。然而，对于样本中的多个分析物的MS/MS分析，整个过程可花费显著长的时间。

在以下实例中，使用双LIT配置在单一离子引入的情况下执行多个MS/MS分析而发现以上问题的解决方案(图32A)。较广质荷比(m/z)范围中的离子被捕获在第一LIT中且多个m/z范围的前驱物离子可被顺序地质量选择性地传递到第二LIT以用于MS/MS分析。在当前实例中，m/z值的前驱物离子被轴向地质量选择性地传递到第二LIT以用于MS/MS分析，而其它离子仍被捕获在第一LIT中以用于后续质量选择性传递及MS/MS分析。对于所述概念的实施，还组合先前针对两种常用的商业离子阱仪器而开发的轴向(海格，质谱分析中的快速通信，2002，16，512到526)(Hager,Rapid Communications in Mass Spectrometry,2002,16,512-526)及径向(施瓦兹等人，美国质谱学会期刊，2002，13，659到669)(Schwartz etal.,Journal of the American Society for Mass Spectrometry,2002,13,659-669)质量选择性离子喷出方法，以演示高效率MS/MS分析。

实例1：仪器使用、结果及论述

先前用于开发一连串微型质谱仪(亨德里克斯等人，分析化学，2014，86，2900到2908；李等人，分析化学，2014，86，2909到2916；高等人，分析化学，2006，78，5994到6002；及高等人，分析化学，2008，80，7198到7205)(Hendricks et al.,Analytical Chemistry,2014,86,2900-2908；Li et al.,Analytical Chemistry,2014,86,2909-2916；Gao etal.,Analytical Chemistry,2006,78,5994-6002；and Gao et al.,AnalyticalChemistry,2008,80,7198-7205)的矩形离子阱(RIT；欧阳，分析化学，2004，76，4595到4605)(RIT；Ouyang,Analytical Chemistry,2004,76,4595-4605)用于此双LIT概念(图32A及图33A)的初始测试。所述两个RIT中的每一者具有在X方向上有5.0mm且在y方向上有4.0mm的电极间距离的伸展几何形状。不锈钢网用作这些RIT之间的共用端电极。先前报告的测试系统(许等人，分析化学，2010，82，6584到6592)(Xu et al.,AnalyticalChemistry,2010,82,6584-6592)经过修改以用于实验表征。到邻近RF电极的每一端电极之间的距离都是2mm。从硼硅玻璃毛细管(0.85mm内径及1.5mm外径)拉出的成批加载喷雾器用于nanoESI。所有化学品是市售的且在不提纯的情况下使用。阿米替林-d6购自CDN同位素(潘特克莱尔，魁北克，加拿大(Pointe-Claire,Quebec,Canada))。所有其它化学品是从西格玛-阿尔德里奇(圣路易斯，密苏里州)(Sigma-Aldrich(St.Louis,MO))获得。

1015kHz及995kHz的单相RF分别施加在RIT-1及RIT-2的y电极上。在DAPI打开周期期间在RET-1中捕获离子且随后使用以下两个方法执行朝向RIT-2的轴向质量选择性喷出：通过偶极AC的具有谐振喷出的RF扫描(海格，质谱分析中的快速通信，2002，16，512到526)(Hager,Rapid Communications in Mass Spectrometry,2002,16,512-526)，或使用稳定RF的AC激励。针对RF电压、AC激励频率(q值)及振幅以及共用网端电极上的DC电压执行宽范围中的调整。

随后使用图33B中展示的设置来表征从RIT-1的轴向质量选择性离子喷出。观测到使用AC激励的有效轴向离子喷出且记录了MS光谱，在图34A中针对由nanoESI电离(电喷雾电离；维尔姆，分析化学，1996，68，1到8)(electrospray ionization；Wilm,AnalyticalChemistry,1996,68,1-8)的甲醇中的阿米替林(3μg/mL)及阿米替林-d6(2μg/mL)展示一个实例。

随后在RIT的网端电极与离子检测器组合件之间添加网电极以施加排斥电压，如图34B中所展示，从而控制从RIT-1喷出的离子的动能(KE)。测量随排斥电压而变的阿米替林m/z 277的信号强度，反映出高达70eV的宽动能(KE)分布(图32C)。

已知LIT的中轴线处的场随着施加在LIT上的不平衡RF电压而振荡，其引起轴向喷出的离子的KE的宽分布。随后在RIT-1上施加双相RF。KE特征展示轴向喷出的离子的低于10eV的窄得多的分布(图32C)。

在另一配置中，使用碰撞冷却。为此，随后使用第二DAPI紧接在离子喷出之前引入10ms的气流以将歧管压力从3mtorr增加到10mtorr。148kHz(q＝0.4)下的80mV的AC激励用于从RIT-l质量选择性地喷出离子，接着在压力在大约100ms内减小到3mtorr之后进行RIT-2中的MS分析。观测到RIT-2中的传递的离子的捕获。在某些时间，还观测到分段，如通过针对质子化的可卡因m/z 304及甲基苯丙胺m/z150记录的MS频谱所示(图32D)。所述碰撞有助于减小离子的动能并且还促进在高压下有效的碰撞诱发的分解(CID)。离子的完全传递可花费80ms。对于实际实施方案，在质量选择性传递期间的前驱物离子的分段表示由于RIT-2不需要CID的操作而形成的优势。

为进一步减小轴向喷出的离子的KE，先前用于开发QTrap仪器(爱博才思有限公司，多伦多，加拿大；海格，质谱分析中的快速通信，2002，16，512到526)(ABSciex,Ltd,Toronto,CA；Hager,Rapid Communications in Mass Spectrometry,2002,16,512-526)的对称配置的LIT(QLIT)用于取代伸展几何形状的RIT-1(图33C到图33D)。所述QLIT是使用圆电极(r＝4.17)构建且具有r0＝4.0mm的对称配置。执行模拟以用于比较RIT-RIT及QLIT-RIT配置的电场(图35A到图35E)。预期使用平衡双相RF操作的QLIT的最窄的KE分布。使用AC激励的QLIT-RIT配置实际上实现完整前驱物离子的质量选择性传递而不需要高压。如图36的图A到图F及图37的图A到图F中的用于分析甲醇溶液中的克仑特罗(1μg/mL)、阿米替林-d6(1μg/mL)、双甲脒(200ng/mL)、半胱胺酸(500ng/mL)及可卡因(500ng/mL)的混合物所展示，来自这些化合物的前驱物离子中的每一者可以最小分段被质量选择性地传递(图37的图A到图F)且随后在RIT中分段并被质量分析(图36的图B到图F)。

通过DAPI引入20ms的离子，在LIT中捕获并冷却500ms。来自每一化合物的前驱物离子的MS/MS分析花费大约100ms，包含用于从QLIT质量选择性传递到RIT的30ms、CID进行分段的20ms及用于片段离子的MS分析的大约50ms。在针对每一扫描循环执行五个MS/MS分析的情况下，每一MS/MS分析的平均分析速度是0.2s，其与使用连续大气压接口操作的商业仪器相当。本文中的系统具有较大的歧管并且还具有用于实验室规模质谱仪的泵送系统，即，具有30m3/h转动叶片泵(UNO-030M，普费尔真空公司，新汉普郡(UNO-030M,PfeifferVacuum Inc.,New Hampshire))及345L/s涡轮泵(TurboVac 361，Leybold真空，德国(TurboVac 361,Leybold Vacuum,Germany)).10。在DAPI打开的情况下进行的扫描可在每一扫描的0.6s处反复地运行。对于具有小型泵送系统的微型DAPI-RIT系统(李等人，分析化学，2014，86，2909到2916；及高等人，分析化学，2008，80，7198到7205)(Li et al.,Analytical Chemistry,2014,86,2909-2916；and Gao et al.,Analytical Chemistry,2008,80,7198-7205)，扫描周期通常是一个MS/MS分析要1.5s。在实施了DAPI-LIT-LIT配置的情况下，可通过等式1估计n个分析物中的每一者的MS/MS分析的平均时间：

平均时间每

在每一分析循环内实施10次或更多的MS/MS扫描的情况下，微型仪器的分析效率与当前实验室规模离子阱仪器相当或显著更高。

如先前在RIT-RIT配置下观测到的，还以可控制的方式在QLIT-RIT的情况下探索在质量选择性传递期间的分段。如图38A中所展示，使用第二DAPI且歧管压力紧接在质量选择性轴向传递之前的10ms打开下升高到10mtorr。如图38B到图38D中针对质子化的阿米替林m/z 278所展示，可通过改变QLIT及RIT的DC浮动电压之间的电势差而良好地控制在质量选择性传递期间的分段的程度。

在离子引入的单一脉冲下进行多MS/MS分析的一个额外的显著优点是用于定量分析的精度的潜在提高。在DAPI-RIT配置的小型12系统的先前评估中，已经表明信号的稳定性对于定量精度是关键的，这是因为分析物及其内标(IS)的MS/MS分析是在具有1s到2s的间隔的两个完全分离的扫描中执行的。通过DAPI的两个离子引入之间的离子电流的波动将导致测得的分析物与IS比率(A/IS)中的较大误差。通过在单一扫描中使用多MS/MS分析，可同时收集分析物及IS离子且在短至0.1s的时间间隔下顺序地进行MS/MS分析。

为了验证此概念，在三角形纸质衬底上滴下含有阿米替林及IS阿米替林-d6(各自浓度为120ng/mL)的40μL的甲醇溶液以用于纸喷雾电离。对于每一扫描循环，所有离子首先被捕获在QLIT中，质子化的阿米替林m/z 278首先被传递到RIT且在0.1s之后，质子化的阿米替林m/z 284也被传递到RIT。随后通过RIT执行MS分析且测得m/z 278及284的强度(图39)以计算每一扫描循环的A/IS比率。如图40中所展示，在纸喷雾的情况下离子信号强度可显著变化，这归因于溶剂的蒸发(李等人，分析化学，2014，86，2909到2916；及任等人，色谱学，2013，76，1339到1346)(Li et al.,Analytical Chemistry,2014,86,2909-2916；andRen et al.,Chromatographia,2013,76,1339-1346)。然而，由于分析物及IS离子始终在DAPI的相同打开周期中同时被取样，所以分析物及IS的信号强度彼此被良好跟踪且由此获得A/IS比率的良好精度(RSD<15％)。

本文中的数据展示本文中描述的双LIT配置实现在单一离子引入的情况下进行多个MS/MS过程。所述开发对使用不连续样本引入接口的MS系统的分析性能具有直接影响，尤其对于与环境或大气压电离源耦合的微型仪器。扫描速度及定量精度得到显著提高。样本消耗中的效率高度增加，这对于执行复杂混合物的分析的微型及实验室规模MS系统两者来说都具吸引性。用于实施此概念的理想配置使用具有大捕获能力的第一LIT用于克服空间电荷效应，且使用相对小但具有高分辨率及质量准确度的第二LIT用于MS/MS分析。

Claims (28)

1.一种用于分析多个分析物的方法，所述方法包括：

产生第一分析物的离子和第二分析物的离子；

通过不连续样本引入接口将所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子同时传递到微型质谱仪的第一离子阱中，其中所述不连续样本引入接口在所述传递的期间保持打开；

闭合所述不连续样本引入接口；

将所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子在一个扫描循环内顺序地传递到所述质谱仪的第二离子阱；及

在所述第二离子阱中顺序地分析所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一分析物是样本且所述第二分析物是内标。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一离子阱是线性四级离子阱。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二离子阱是矩形离子阱。

5.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子是通过利用在大气压及温度下操作的电离源的技术。

6.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子是通过利用直接原位电离/取样技术的技术。

7.根据权利要求1所述的方法，其中分析所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子包括进行MS/MS测量。

8.一种用于在微型质谱仪中分析样本和内标的方法，所述方法包括：

产生样本离子和内标离子；

通过不连续样本引入接口将所述样本离子和所述内标离子同时传递到微型质谱仪的第一离子阱中；

闭合所述不连续样本引入接口；

将所述样本离子和所述内标离子在一个扫描循环内顺序地传递到所述微型质谱仪的第二离子阱；及

在所述第二离子阱中顺序地分析所述样本离子和所述内标离子。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一离子阱是线性四级离子阱。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二离子阱是矩形离子阱。

11.根据权利要求8所述的方法，其中产生所述样本离子和所述内标离子是通过利用在大气压和温度下操作的电离源的技术。

12.根据权利要求8所述的方法，其中产生所述样本离子和所述内标离子是通过利用直接原位电离/取样技术的技术。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述直接原位电离/取样技术是纸喷雾电离。

14.根据权利要求8所述的方法，其中分析所述样本离子和所述内标离子包括进行MS/MS测量。

15.一种用于使用配备有不连续样本引入接口的微型质谱仪来量化分析物的方法，所述方法包括：

通过不连续样本引入接口将来自分析物的离子和来自内标的离子同时传递到微型质谱仪的第一离子阱中；

闭合所述不连续样本引入接口；

将样本和内标离子在一个扫描循环内顺序地传递到所述微型质谱仪的第二离子阱；

分析所述分析物的离子和所述内标的离子，其中在彼此小于一秒内分析所述分析物的离子和所述内标的离子；及

量化所述分析物。

16.根据权利要求15所述的方法，其中量化包括获得所述分析物与所述内标的比率。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述分析物来源于样本，所述样本的形式选自由固体、液体和气体组成的群组。

18.一种用于分析多个分析物的方法，所述方法包括：

通过不连续样本引入接口传递第一分析物和第二分析物；

闭合所述不连续样本引入接口；

产生所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子，所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子被同时传递到微型质谱仪的第一离子阱中；

将所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子在一个扫描循环内顺序地传递到所述微型质谱仪的第二离子阱；及

在所述第二离子阱中顺序地分析所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一分析物和所述第二分析物被容纳在与所述不连续样本引入接口可操作地关联的容器中。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述容器处于低于大气压的压力下。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述产生所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子的步骤利用电介质阻挡放电电离源。

22.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一分析物是样本而所述第二分析物是内标。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一离子阱是线性四级离子阱。

24.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二离子阱是矩形离子阱。

25.根据权利要求18所述的方法，其中分析所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子包括进行MS/MS测量。

26.根据权利要求18所述的方法，其中所述不连续样本引入接口在所述传递的期间保持打开。

27.一种用于分析多个分析物的方法，所述方法包括：

产生第一分析物的离子和第二分析物的离子；

通过不连续样本引入接口将所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子同时传递到微型质谱仪的第一离子阱中，其中所述不连续样本引入接口在所述传递的期间保持打开；

闭合所述不连续样本引入接口；

将所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子在一个扫描循环内顺序地传递到所述微型质谱仪的第二离子阱，其中所述第一分析物的离子和所述第二分析物的离子在所述传递的期间被分段以产生在所述第二离子阱中接收的所述第一分析物的片段离子和所述第二分析物的片段离子；及

在所述第二离子阱中顺序地分析所述第一分析物的片段离子和所述第二分析物的片段离子。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一分析物是样本而所述第二分析物是内标。