CN107154336B - 离子束质量预分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于分离离子的设备，其包含具有在第一端与第二端之间延伸的长度的电极布置。所述第一端经配置以将离子束引入所述布置的离子发射空间中。电子控制器将RF电位及DC电位施加到所述电极布置的电极，以用于产生有质动力RF电场及非质量DC电场。控制所述电位的所述施加以使得所述有质动力RF电场的强度与所述非质量DC电场的强度的比率沿所述电极布置的所述长度变化。所述所产生的电场支持提取沿所述电极布置的所述长度的相应的不同位置处的具有不同m/z值的离子。以具有离所述第一端的增大的距离的m/z比的增大及减小顺序次序中的一个来提取离子。

Description

离子束质量预分离器
技术领域
本发明大体上涉及质谱法的领域。更确切地说，本发明涉及供与产生连续离子流的离子源一起使用的离子束质量预分离器。
背景技术
连续通量电喷射或等离子体离子源可产生每秒1011-1012个电荷，其中达每秒1010或更多个电荷经预期进入质量分析器。以此方式产生的离子可基于其质荷比(m/z)来分离，且接着经检测以获得每一m/z比的离子数的测量。此分析的结果通常以质谱的形式呈现。
为了将灵敏度最大化，在离子源中产生的所有离子应在检测器处检测。不幸的是，由于多种原因，此理想情况实际上并不能实现。举例来说，例如四极质量分析器或扇形磁场的常规依序质量分析器用作扫描质量过滤器，所述质量过滤器一次仅在较窄m/z比范围内发射离子，且扫描所关注的全质量范围。舍弃具有超出在任何给定时间所发射的范围的m/z比的离子，而不促进所检测的离子信号，且其结果是减小分析性吞吐量。
全景质量分析器(例如，飞行时间、轨道截获或傅里叶变换离子回旋共振)能够在较宽广质量范围上检测，且这已经促进其在生命科学质谱法中的较广泛接受性。但是，所分析混合物的高复杂度需要额外的分析选择率，所述额外分析选择率通常经由添加质量过滤器来执行以便仅在较窄质量范围上集中。质量过滤经常伴随着离子出于识别及定量的目的在那个范围的分段及片段的测量(故称为MS/MS模式)。此类仪器产生高分辨率、高质量精确性分段频谱且已经根据靶向及非靶向分析的各种方法而使用。当然，当同时分析所有片段时，一次一个地选择不同的前体化合物，且因此需要相对较多时间来获得低强度前体的高质量频谱。结果，此类系统的实际吞吐量保持为低。
也已经提出基于多信道MS/MS的其它解决方案，其中多个并列质量分析器中的每一者用于选择一个前体化合物且扫描出其片段到个别检测器。此类系统的实例包含：美国专利第5,206,506号或美国专利第7,718,959中所公开的离子阱阵列；美国专利第6,762,406号中所公开的多个阱；及美国PG公开案第2008/0067349号中公开的多个TOF。此类阵列加速分析但这通常以阵列的每一特定元素的样本流的不良利用的代价来实现，因为阵列的每一元素经连续地或从其自身的来源所满足。
在不同的方法中，通过将离子束分离成数据包或多个前体离子种类的群组而实现经改善的吞吐量，每一群组含有值窗内的m/z值或另一物理-化学性质(例如，横截面)的离子，且在不损耗其它群组的情况下分段每一群组，或同时及分别地分段多个群组。此并列选择最大程度地潜在地支持分析物的利用。已经提出若干个配置，包含：存储较宽广质量范围的离子的扫描装置(例如，如PCT公开案第WO 03/103010号中公开的3D离子阱，或如美国专利第7,157,698号中公开的具有径向喷射的线性阱)；脉冲式离子迁移谱仪(如PCT公开案第WO 00/70335号，美国2003/0213900，美国专利第6,960,761号中所公开，例如，所谓的时间一致同时分段，TAPF)；减缓线性(WO 2004/085992)或多反射TOF质谱仪(WO 2004/008481)；或甚至扇形磁场仪器。
在所有情况下，将离子的第一阶段基于m/z或横截面分离成不同离子群之后为快速分段，例如，在碰撞单元中(较佳地具有轴梯度)或经由脉冲式激光。随后，在比扫描持续时间快得多的时标上分析片段(较佳地由TOF分析器分析)，尽管性能被针对每一扫描而分配的极限制的时间(通常，50-200μs)限定。
实际上，所有此类并列选择方法具有以下缺点中的一个或全部：相对低分辨率的前体选择；截获装置的不充足空间电荷容量(其经常否定并列分离的所有优点)；离子群的繁琐控制；分段分析的相对低的分辨力；及分段分析的低质量精确性。
已经提出各种方法以从并列选择解耦分段分析。在WO 2013/076307中，Makarov论述基于从线性四极RF阱选择性地正交喷射离子的离子分离器，所述离子分离器连续地充满离子。使用扫描频率的质量选择性正交交流电(AC)励磁将离子从RF阱释放。分离器可使用达每秒约108电荷的输入离子流来操作。不幸的是，由于聚集在RF阱中的空间电荷，分辨力明显下降。
美国专利第8,581,177号解决在并列选择中与截获器件的离子存储局限性相关联的问题。具体地说，高容量离子存储/离子迁移率仪器经安置为离子源入口与质谱仪之间的接口。高容量离子存储仪器被配置为多个连续安置的离子限制区域的二维(2D)阵列，所述二维(2D)阵列使得装置内的离子能够在阵列上扩散，容纳用于质量分析的离子的每一限制区域仅为所关注的整个质量范围的一部分。可随后将离子扫描出每一限制区域且进入第二离子接口仪器的相应限制单元(通道)。调整或移除预定电压以便消除相邻限制单元之间的电位障碍以便促使离子到下一(相邻)限制单元，且重复此操作直到最终在分析器处接收到离子为止。离子因此以依序方式从一个限制单元输送到下一限制单元，并且因此，有可能仅以基于原始离子迁移率分离的预定次序来分析每一离子群。具体地说，美国专利第8,581,177号中所提出的方法不支持以点播方式分析被限制的离子群的方法。
在美国2015/0287585A1中克服此限制，其中独立可操作的存储单元的离子存储阵列允许以按需方式分析此类被限制的离子群。但是，还经由使用在分离之前需要存储的脉冲式离子迁移率装置来实施将离子分离到存储单元中。
不幸的是，上文所提到的所有方法皆基于在分离器之前使用截获装置或与分离器成一体以提供其操作的高工作周期，且周期时间由分离器的周期时间来定义。如上文所提及，现代离子源在真空中产生数百到数千pA范围内的离子电流，即，>109到1010基本电荷/秒。假定扫描所关注的整个质量范围的全周期为5ms，那么此类截获装置应能够聚集至少5,000,000-50,000,000个基本电荷且仍允许有效的前体选择。
因此提供避免如先前技术的装置中可发生的高空间电荷积累在分离器中的系统和方法将为有利的。
发明内容
在质谱系统中，连续的输入离子流经预先分离成N个所提取的离子束或离子细束，每一不同细束包括具有不同预定范围的质荷比(m/z)的离子。将所述细束提供到视情况包含依序质量分析器(例如，四极质量过滤器)的检测系统。有利的是，此依序质量分析器可进一步从每一离子细束过滤相对于连续输入离子流的m/z范围较小的m/z范围。可设想不同的实施方案。在一个实施方案中，使用N个个别质量分析器同时分析所述细束，每一质量分析器分析小N倍的质量范围，因此将传入离子电流的利用率增大达N的因数(离子电流在质量范围上的均匀分布的最简单情况下)。在替代实施方案中，细束中的离子存储于N个单独离子存储单元或阱(例如，射频(RF)阱)中，随后所述离子流入共同质量分析器中，一次一个m/z。在此方法中，质量分析器一次一个地扫描不同预定m/z范围中的每一者，同时具有不同范围内的m/z比的离子继续存储且聚集在阱阵列的阱中。
根据至少一个实施例的方面，提供用于空间地且以质荷比(m/z)的顺序次序来分离离子的设备，所述设备包括：电极布置，其具有在其第一端与其第二端之间的轴向方向上延伸的长度，所述第二端与所述第一端相对，且所述第一端经配置以将离子束引入电极布置的离子发射空间中，离子束包括具有第一m/z比范围内的m/z比的离子；及电子控制器，其与电极布置电连通且经配置以将RF电位及DC电位应用到电极布置的至少一个电极以用于产生有质动力RF电场及非质量DC电场，使得有质动力RF电场的强度与非质量DC电场的强度的比率沿电极布置的长度而变化，其中所产生的电场支持提取具有沿电极布置的长度的相应不同位置处的具有从第一端增加的距离的增大及减小顺序次序的m/z比中的一者的不同m/z值的离子。
根据至少一个实施例的方面，提供质谱仪系统，其包括：连续通量离子源，以用于产生包括具有第一质荷比(m/z)范围的离子的离子束；离子流分离器，其经安置与离子源流体连通，且包括：电极布置，其具有在其第一端与其第二端之间的轴向方向上延伸的长度，所述第二端与所述第一端相反，且所述第一端经配置以将离子束从连续通量离子源引入电极布置的离子发射空间中；及电子控制器，其与电极布置电连通且经配置以将RF电位及DC电位应用到电极布置的至少一个电极以用于产生有质动力RF电场及非质量DC电场，使得有质动力RF电场的强度与非质量DC电场的强度的比率沿电极布置的长度而变化，且具有不同m/z比的离子从沿电极布置的长度的不同相应位置处的电极布置离开并形成多个单独离子细束，每一离子细束主要由具有不同的第二m/z比范围内的m/z比的离子组成，且每一第二m/z比范围在第一m/z比范围内；及至少一个质量分析器，其与离子流分离器进行流体连通以用于分别接收单独离子细束中的每一个。
根据至少一个实施例的方面，提供一种用于空间地且以顺序次序的质荷比(m/z)来分离离子的方法，所述方法包括：使用连续的通量离子源，产生具有预定的第一m/z比范围内的质荷比(m/z)来产生离子束；将离子束引入安置于离子源与至少一个质量分析器之间的离子流分离器中，所述离子流分离器具有在轴向方向上延伸的长度；将RF电位及DC电位应用到离子流分离器的至少一个电极，借此建立有质动力RF电场及非质量DC电场，应用RF电位及DC电位使得有质动力RF电场的强度与非质量DC电场的强度的比率沿离子流分离器的长度而变化；提取具有沿离子流分离器的长度的不同相应位置处的不同m/z比的离子，所提取的离子形成多个单独离子细束，每一离子细束主要由具有不同第二m/z比范围内的m/z比的离子组成，且每一第二m/z比范围在第一m/z比范围内；及使用至少一个质量分析器，分别接收多个单独离子束中的每一个以用于以综合方式执行所引入离子束的分析。
附图说明
现将仅通过举例及参考附图的方式来描述本发明，其中类似参考标号指示贯穿若干图的类似元件，且其中：
图1为根据具有共同质量分析器的实施例的系统的简化框图。
图2为根据具有个别质量分析器的阵列的实施例的系统的简化框图。
图3为根据具有存储阵列及个别质量分析器的阵列的实施例的系统的简化框图。
图4为展示根据实施例的离子流分离器的主要组件的简化图。
图5展示图4的离子流分离器的电极布置的简化端视图。
图6展示离子流分离器中的随Y的变化而变化的有效电位的曲线。
图7为说明从根据实施例的离子分离器提取具有m1＝100Th到m2＝500Th范围内的不同质荷比的离子的简化图。
图8A说明用于产生沿四极的非恒定提取电场的第一电极布置。
图8B说明用于产生沿四极的非恒定提取电场的第二电极布置。
图8C说明用于产生沿四极的非恒定提取电场的第三电极布置。
图9说明图4的具有扫描质量分析器的汇接布置的离子流分离器，离子输送装置安置于其间。
图10说明安置于汇接布置中的图4的两个离子流分离器。
图11A为展示图11B中展示的随电极布置的电极片段号变化而变化的DC的曲线。
图11B为根据实施例用于分离离子的替代电极布置的简化侧视图。
图11C为图11B的电极布置的简化端视图。
图11D说明具有增加的离子发射距离的马修(Mathieu)稳定性图中的工作线演进成图11B及11C中所展示的电极布置。
图12A为展示图12B中展示的随电极布置的电极片段号变化而变化的RF的曲线。
图12B为根据实施例用于分离离子的替代电极布置的简化侧视图。
图12C为图12B的电极布置的简化端视图。
图13A为根据实施例用于分离离子的替代电极布置的简化侧视图。
图13B为图13A的电极布置的简化端视图。
图14A为展示图14B中展示的随电极布置的电极片段号变化而变化的RF的曲线。
图14B为根据实施例用于分离离子的替代电极布置的简化侧视图。
图14C为图14B的电极布置的简化端视图。
具体实施方式
呈现以下描述以使所属领域的技术人员能够制作并使用本发明，并且在特定应用和其要求的情况下提供以下描述。所属领域的技术人员将易于清楚对所公开的实施例的各种修改，并且在不脱离本发明的范围的情况下，本文中本所定义的一般原理可应用于其它实施例和应用。因此，本发明并非意图限于所公开的实施例，而应符合与本文中所公开的原理和特征相一致的最广泛范围。此外，应理解本文所使用的措词和术语是出于描述的目的且不应被视为是限制性的。本文中使用“包含”和“包括”或“具有”及其变体意图涵盖其后列出的项目及其等效物以及额外项目。
参看图1，展示根据实施例的系统100的简化框图。离子源102产生包括具有质荷比(m/z)在m0到mN范围内的离子的连续离子流103。离子流分离器104将连续离子流103划分成N个部分(即，所提取的独立离子束或细束105-1到105-N)，所述N个部分连续地存储于N个独立离子存储单元106-1到106-N中。如图1中所展示，预定第一m/z比范围m0到m1中的离子存储于第一离子存储单元106-1中，预定第二m/z比范围m1到m2中的离子存储于第二离子存储单元106-2中，且预定第N m/z比范围mN-1到mN中的离子存储于第N离子存储单元106-N中。离子门108-1到108-N为第一集合使得门108-1清空存储单元106-1，借此允许预定的第一m/z比范围m0到m1中的离子进入质量分析器110。通过举例的方式，质量分析器110为依序质量分析器，所述依序质量分析器的发射率在m/z比范围m0到m1中经扫描。当分析这些离子时，m/z比在m1至mn范围内的离子继续聚集于离子存储单元106-2至106-N，而不是仅被舍弃。接下来，门108-1关闭且门108-2打开使得清空离子存储单元106-2，借此允许预定的第二m/z比范围m1至m2中的离子进入依序质量分析器110，所述依序质量分析器110现从m/z比范围m1至m2过滤所关注的m/z。当分析这些离子具有或不具有后续分段时，m/z比范围m0至m1及m2至mN中的离子继续聚集，且还可恢复到m1至m2的m/z范围的聚集。重复所述过程直到清空离子存储单元106-N为止，在此之后，整个周期112重复以离子存储单元106-1开始。任选地，不是以顺序次序106-1、106-2...106-N，而是取决于其内容来清空离子存储单元的。举例来说，针对不同时间长度填充不同存储单元，且可在质量分析周期112的某些重复期间跳过一些存储单元的清空。以此方式，可比相对较高丰度离子更长的时间段聚集相对较低的丰度离子，及/或可控制空间电荷效应等。可使用对整个质量的分析范围预扫描而确定填充及喷射的此调度，如此项技术中已知。
现参看图2，展示根据实施例的系统200的简化框图。离子源102产生包括具有质荷比(m/z)在m0到mN范围内的离子的连续离子流103。离子流分离器104将连续离子流103划分成N个部分(即，所提取的独立离子束或细束105-1到105-N)，使用平行布置的N个个别质量分析器202-1至202-N来分析所述N个部分，第k分析器仅扫描mk-1与mk之间的质量范围，借此将传入离子电流的利用率增大达N的因数(离子电流在质量范围上的均匀分布的最简单情况下)。通过实例的方式，个别质量分析器202-1至202-N为依序质量分析器。
现参看图3，展示根据实施例的系统300的简化框图。离子源102产生包括具有质荷比(m/z)在m0到mN范围内的离子的连续离子流103。离子流分离器104将连续离子流103划分成N个部分(即，所提取的独立离子束或细束105-1到105-N)，所述N个部分连续地存储于N个独立离子存储单元106-1到106-N中。控制离子门108-1至108-N以清空相应的离子存储单元106-1至106-N，借此将N个离子部分提供到N个独立质量分析器202-1至202-N。通过实例的方式，独立质量分析器202-1至202-N为依序质量分析器。可操作系统300使得直接使用相应质量分析器分析具有相对较高离子丰度的细束，且具有相对较低离子丰度的细束在使用相应质量分析器分析之前首先聚集于相应的离子存储单元中。
图4为说明离子流分离器104的操作的原理的示意图。离子源102产生含有具有广泛范围的质荷比的离子的连续离子流103。假定离子带正电，但可替代地为带负电离子，或带正电及带负电离子的混合物可在离子流分离器104中分离。离子流分离器104包括电极布置400(一般展示于图4中的点划线内)及与电极布置400电连通的电子控制器402。离子流103进入RF多极电极之间的中央离子发射空间404，所述RF多极电极在此特定及非限制性实例中为线性四极离子导向器200。在电子控制器402的控制下，线性四极离子导向器200产生有质动力电位障碍Ψ(m)＝C/m，其中常数C取决于RF振幅、RF频率及离子导向器的几何结构。同样在电子控制器402的控制下，DC偏压提取电极202至208关于四极离子导向器200负偏压，分别为(-U1)至(-U4)。DC电压的绝对值沿离子传播的方向增大(图4中从左到右)：U1<U2<U3<U4。选择电位U1以克服高度Ψ(m4)的有质动力电位障碍以使得具有m/z≥m4的离子不限于与具有DC电位U1的电极202相邻的四极200的第一区段中，且在图4中的“A”处横向射出。四极200的第一区段为沿其第一与第二末端之间的四极200的长度而定义的多个分散“提取区域”中的一个。由此，剩余离子更远地传播到四极离子导向器200的第二区段(下一分散的提取区域)中，所述四极离子导向器200的第二区段与具有经选择以克服电位障碍Ψ(m3)的所施加DC电位U2的电极204相邻。具有m3≤m/z<m4的离子在图4中的“B”处横向射出。类似地，具有m2≤m/z<m3的离子在图4中的“C”处横向射出且具有m1≤m/z<m2的离子在图4中的“D”处横向射出。以此方式，具有m/z≥m1的所有离子被分成具有不同m/z比范围的群组。最终，具有m0≤m/z<m1的最轻离子在图4中的“E”处从远端离开四极200。任选的补偿电极210至216具有与电极202至208相反的正DC偏压，所述正DC偏压补偿沿四极200的轴线的DC梯度。或者，电极210至216可用于在四极的相反侧将带负电离子从离子流103射出，并且根据其m/z而分离。
如图4中所展示，DC偏压的提取电极202至208具有狭缝(即，一对经一致DC偏压的电极之间的间隙)或另一合适的孔隙或开口以支持所提取的离子转移到相应的离子存储单元106-1至106-N或质量分析装置202-1至202-N，或额外离子流分离器104。任选地，质量分析装置选自合适的装置，例如，四极质量过滤器、飞行时间质量分析器或轨道截获分析器。
现参看图5，展示沿图4的线I—I截取的离子流分离器104的电极布置400的横截面视图。线性四极离子导向器200包括成相反对布置的电极500、502、504及506。具体地说，电极500至506提供有RF振幅，其中对500/504及502/506具有转换180度的RF相。DC偏压的提取电极202(具有中心孔隙)经负偏压电压U1且任选的补偿电极210经正偏压电压+U1。轴线X为四极200的纵向轴线，所述纵向轴线与图5的平面正交。随着所射出离子103以X的正方向传播到四极中，电压U的绝对值逐渐或逐步单调增大正在增大的X。举例来说，再次参看图4，电压U从U1逐步增大到U2再到U3且最后增大到U4。具有特定m/z比的离子以Y的正方向(提取方向)射入电极500与502之间的空间，且当电压U克服特定的m/z比值的RF有质动力电位时，射出经DC偏压的提取电极202中的孔隙。
现参看图6，展示具有m/z＝524的离子的RF有质动力电位(虚线，1MHz的RF振幅400V峰间值)随位置(Y方向)的变化而变化的曲线。图6中的实线展示RF有质动力电位与DC提取电位的总和U＝32V，在此电位上，电位障碍在右边消失且因此允许具有m/z＝524的离子沿正Y方向通过电极500与502之间的空间且经由电极202中的孔隙而从RF四极200提取。
任选地，可使用多于或少于四个的多个DC偏压的提取电极(且任选的补偿电极)，使得可沿四极200的长度定义多个分散的提取区域以用于产生对应数目个适用于所要应用的所提取的离子束。进一步任选地，可使用除四极外的多极布置，例如，六极或八极。进一步任选地，提供经DC偏压的提取电极为通过定义提取离子所通过的间隙的空间来分离的提取电极对。进一步任选地，超过一个电子控制器用于将电势施加到电极布置400的电极。本领域的技术人员将容易理解已经在图4中省略各种离子光学组件、真空腔室、电极支架、绝缘体、壳体等，所述组件对于实现对离子流分离器104的操作原理的理解为不必要的。
图7展示与电极布置400类似但具有增大数目个提取电极片段702的电极布置700的简化图。在图7中所展示的实例中，已经沿四极组合件704的长度定义九个分散的提取区域，使得沿X1与X2之间的四极704的X方向提取具有从m1＝100Th到m2＝500Th范围内的不同质荷比的离子。出于说明性目的，仅展示具有m/z为50Th的倍数的离子。根据等式(1)分布提取DC电位U：
其中U1为有质动力电位障碍克服具有质荷比m1的离子的DC电压。由于提取DC电位分布与待提取离子的m/z比m*成反比，所提取的质量m*(X)因此经线性分布于X2与X1之间。
图8A至8C说明根据本发明的实施例的适用于在离子流分离器中建立DC电场的若干替代电极布置。
在图8A中所展示的实施例中，多个提取电极片段800经布置与四极802相邻。每一提取电极片段具有施加于其上的范围在最接近离子引入端的-U1与相反端-U2之间的不同电压。所说明的布置可用于提供提取电极800上的电压的线性或非线性的增大，例如，使用电阻式分压器804。任选地，每一提取电极片段的大小可相对小以产生准连续的电场分布，或相对大以产生逐步电场分布。进一步任选地，如果提取电极由电阻性材料制成，那么提取电极自身可执行分压器的功能。
在图8B中所展示的实施例中，单步级(状)提取电极806经布置与四极802相邻。电压U0经施加到电极806，但电极806逐渐或逐步改变到四极802的距离，以使得DC电场穿入沿四极802单调改变。
图8C中所展示的实施例为图8A和8B中所描绘的实施例的组合。更具体来说，多个提取电极片段808经布置与四极802相邻。每一提取电极片段具有施加于其上的范围在最接近离子引入端的-U1与相反端-U2之间的不同电压。所说明的布置可用于提供提取电极上的电压的线性或非线性的增大，例如，使用电阻式分压器810。另外，电极808与四极802之间的距离逐渐或逐步改变，以使得DC电场穿入沿四极802单调改变。任选地，每一提取电极片段的大小可相对小以产生准连续的电场分布，或相对大以产生逐步电场分布。进一步任选地，如果提取电极由电阻性材料制成，那么提取电极自身可执行分压器的功能。
图9为展示相对于扫描分析四极110布置的离子流分离器104的简化图。离子流103经引入到离子流分离器104的四极200内的中央空间中，且基于离子质荷比经分成多个经提取离子束(细束)，如上文参看图1至8所论述。在位置A至D处沿四极200的X方向提取细束，且沿Y方向提取细束穿过经DC偏压提取电极202至208，且在独立的充满气体的离子单元或阱106-1至106-4中分别冷却并且捕获。隔膜(门)108-1至108-4上的电压分别控制离子阱106-1至106-4内的离子的截获。最初，门108-1至108-4为正偏压，使得所有离子细束聚集于相应的离子阱106-1至106-4内。随后通过移除施加于其上的正电压一次一个地打开门108-1至108-4。所存储的离子按时间顺序离开子阱106-1至106-4中的每一个，穿入离子输送装置900，并且转移到分析四极110的入口。通过特定的及非限制性实例的方式，离子输送装置为“移动闩锁”900，即RF-AC离子转移装置，例如由Kovtoun在美国2012/0256083中所描述，其全部内容以引用的方式并入本文中。离子单元/阱导向器可具有容纳或赶出所聚集离子的额外装置。可通过使用此项技术中已知的各种方法来实现上述内容，例如，具有连续DC梯度的电阻性涂层或与主要杆相邻的阻力叶片。
如上文所描述，各种离子流分离器电极配置能够将由RF振幅及频率的选择限制的质量范围内的离子分离。需要足够高的RF振幅及足够低的频率来处置具有最高m/z值的离子并将其限于RF四极200中。另一方面，有质动力电位障碍变得对于具有最低m/z值的离子来说太高，且这些离子可在提取其的时候在残余气体的碰撞期间变成分段式，或其提取可需要不可接受高的DC电压。
通过连续操作两个或多于两个离子流分离器，以上提及的局限性可克服，且工作质量范围可有效地扩展，以使得后续离子流分离器从先前离子流分离器的远端接收那些离子，所述离子的m/z比比可使用先前分离器中的最大DC电场所提取的离子的m/z比更小。超过两个离子流分离器可安置于此汇接布置中，每一后续四极区段具有逐渐减小的RF振幅及/或增大的RF频率。
图10中说明此汇接布置，其展示包括两个独立布置的电极400A及400B的系统1000。电极400A将在m/z比范围m5至m8中的离子与源极102产生的离子流103分离。不由第一电极布置400A的位置A至D处的电极202A至208A中的任一个来提取具有m/z比小于m5的离子。实际上，这些相对较低m/z比的离子在位置F处离开第一电极布置400A且经接收于第二电极布置400B内，所述第二电极布置400B随后在位置G至J处将m/z比范围m1至m4中的相对较低m/z比的离子分离。m/z比小于<m1的剩余离子在位置K处离开第二电极布置400B。当然，如果需要对m/z比小于<m1的离子执行进一步分离，那么可添加电极布置的额外区段。为了清楚起见，仅离子流分离器的电极布置400A及400B已经在图10中说明。
图11至14说明根据本发明的实施例的可用于离子流分离器中的替代电极配置，且具体来说所述替代电极配置并不包含独立的DC偏压的提取电极或补偿电极。
参看图11B及11C，分别展示用于根据实施例的离子流分离器的电极布置1100的简化侧视图及端视图。电极布置1100包含经分段电极1102至1108的四极布置。又参看图11A，电极布置1100在四极(参数共振)模式中操作，沿离子发射方向逐片段施加逐步增大的分解DC电平，使得首先射出最高m/z的离子(最低q)且最后射出最低m/z的离子。离子通过经分段电极1106的片段中的狭缝1110射出。如图11B中所说明，通过施加较小迟延电压U，或通过引入这些电极之间的几何不对称性来避免与相反的经分段电极1102的片段的碰撞。
对于四极质量过滤器，可基于Matthieu稳定性图来预测喷射的“a”及“q”，沿“工作线”来分布不同的m/z值。图11D展示随着离子深入移动至电极布置1100中的工作线的演变。所提出的布置射出对应于具有稳定性的三角形的左边缘的工作线的交叉点的离子。在美国专利7,196,327中，Thomson及Loboda论述具有空间分辨率的质谱仪，所述质谱仪包括具有从离子进口端向相对端汇聚的杆的RF四极，以使得有效半径r0沿四极的长度逐渐减小。具有特定质荷比的离子将在距进口端特定距离处被射出，其中其参数q超出稳定性限制q≈0.908(即，稳定性三角形的右边缘上)。与所提出的解决方案相比较，此方法的缺点为四极阱以高Q值来操作，这引起所射出离子的较宽能量散播。同样重要的是，变化的r0使得将此设计与阱阵列接合为困难的，如阱应皆变得不同以匹配变化的r0。
图12B及12C分别为根据实施例的离子流分离器的电极布置1200的简化侧视图及端视图。电极布置1200包含仅RF(无DC)施加于其上的经分段电极1202至1208的四极布置。另外，如仅在图12C中所展示，电极1210至1216用于跨越电极对应用AC两极励磁，借此实现杆1204与1206之间的离子喷射。或者，在对接杆之间应用AC两极励磁，借此使得喷射通过如线性阱中的杆中的一者而发生。以固定频率应用AC及RF，并且因此激发某一q0的离子。AC振幅及相位也是固定的。
现又参看图12A，逐片段应用逐步增加的RF电平产生特定m/z的增大的q。由于具有此m/z的离子达到励磁的q0，其射出，因此首先射出最小质量的离子，因为其看见最低伪电位的障碍，且最后射出最大质量的离子，以使得RF/(q0*m/z)＝常数。不存在DC产生所提取离子的减小的喷射能量。替代布置可具有沿电极布置1200减小的RF，因此允许使用低q0且因此更低的喷射能量。
现参看图13A及13B，分别展示根据实施例的离子流分离器的电极布置1300的简化侧视图和端视图。电极布置1300包含电极1302至1308的四极布置。单调递增的有吸引力的DC经应用于电极1304及1306，而相同量值的相反正负号的DC经应用于电极1302及1308。四极RF应用于所有四个杆1302至1308。随着DC电压沿电极1302至1308的长度增大，在某一点其超出由将离子保持于四极内的RF电压引起的最大伪电位。与图4至9的实施例类似，离子随后在由其m/z比确定的相应位置离开电极布置1300，但具有由定义RF的相同杆所定义的DC分布。可设想用于沿电极布置1300的长度增大DC电位的各种方法。举例来说，可使用电阻式涂层杆1302至1308制造电极布置1300。
现参看图14B及14C，分别展示根据实施例的离子流分离器的电极布置1400的简化侧视图和端视图。电极布置1400包含经分段RF电极1402至1408的四极布置及DC电极1410至1416的布置。如图14A中所展示，逐片段应用单调递增的RF使得首先射出最大m/z比的离子，因为其看见最低伪电位的障碍，且最后射出最小m/z比的离子。DC+与DC-之间的电压差沿四极轴线保持常数，但也增大了具有不同RF电平的片段上的DC以补偿由步进RF电平产生的片段之间的伪电位障碍。片段间的DC梯度可相对小因为离子靠近轴线移动，在此处伪电位场实际上较小。或者，片段之间的DC梯度可引入RF梯度的顶部上。必须通过引入外部DC电极上的补偿性DC梯度以保持RF片段与DC板之间的DC差恒定或仅仅是通过倾斜或塑形外部DC电极来补偿此DC梯度。
出于说明的目的，已经呈现本发明的方法及实施例的前述描述。前述描述并不意图为详尽的或将本发明限于所公开的精确步骤及/或形式，并且显然鉴于以上教示可能做出许多修改和变化。预期本发明的范围由此处附加的权利要求书和所有等效物定义。
上文所描述的实施例提供与汇接质谱仪组合的最大益处，所述组合例如包含四极质量过滤器，碰撞单元及飞行时间或轨道截获或FT ICR或另一四极质量过滤器的混合型布置，或包含线性离子阱及上文的分析器中的任一个的混合型布置，或其任何组合。将分析过程从针对此分析积累离子群的过程去耦为所提出方法的主要优点且这允许以基本上与所关注的离子强度无关的最大速度来运行下游质量分析器。这使得多个高级获取方法成为可能，例如数据相关获取、非数据相关获取、痕量分析、肽定量、多残留分析、蛋白质的自顶向下及自中向下分析等。

Claims (15)

1.一种用于在空间上且按质荷比(m/z)的顺序次序来分离离子的设备，所述设备包括：
电极布置，其具有沿着其第一端与其第二端之间的纵向轴线X延伸的长度，所述第二端与所述第一端相反，且所述第一端经配置以将离子束引入电极布置的离子发射空间中，所述离子束包括具有m/z比在第一m/z比范围内的离子；及
电子控制器，其与所述电极布置电连通并且经配置以将RF电位及DC电位施加到所述电极布置的至少一个电极以用于产生有质动力RF电场及非质量DC电场，该有质动力RF电场朝向所述电极布置的纵向轴线X径向地推动离子，该非质量DC电场在与纵向轴线X正交的方向Y上将离子推出所述电极布置的离子发射空间，使得所述有质动力RF电场的强度与所述非质量DC电场的强度的比率沿所述电极布置的所述长度变化，
其中所产生的DC电场支持在沿所述电极布置的所述长度的相应不同位置处以具有离所述第一端增大的距离的m/z比的增大及减小的顺序次序中的一个来提取具有不同m/z值的离子。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极布置包括四极电极组合件，其包括四个非分段杆状电极的大体上平行布置，且其中所述电子控制器经配置以将所述RF电位施加到所述非分段杆状电极中的至少一些。
3.根据权利要求2所述的设备，其包括经安置与所述四极电极组合件的第一侧相邻以用于控制所述电极布置的所述离子发射空间内的所述DC电场的至少一个DC偏压的提取电极，所述至少一个DC偏压的提取电极定义所述四极电极组合件的多个分散提取区域，其中每一分散提取区域支持提取所述离子束的子集，每一子集形成具有m/z比在不同的预定m/z比范围内的离子细束。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少一个DC偏压的提取电极包括多个DC偏压的提取电极。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述四极电极组合件及所述多个DC偏压的提取电极的每一DC偏压的提取电极之间的间距基本上相同，且其中所述电子控制器经配置以将所述DC电位作为在沿所述电极布置的从所述第一端到所述第二端的所述长度的方向上从一个DC偏压的提取电极到下一电极单调增大的一系列不同DC电位施加到所述多个DC偏压的提取电极。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述四极电极组合件与所述多个DC偏压的提取电极的每一DC偏压的提取电极之间的间距在沿所述电极布置的从所述第一端到所述第二端的所述长度的方向上从一个DC偏压的提取电极到下一电极单调减小，且其中所述电子控制器经配置以将相同的DC电位施加到所述多个DC偏压的提取电极的所述DC偏压的提取电极的全部。
7.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少一个DC偏压的提取电极包括一个边缘具有多个突出部分的成形电极，其中所述四极电极组合件与每一突出部分之间的间距沿所述电极布置的从所述第一端到所述第二端的所述长度单调减小，且其中所述电子控制器经配置以将所述DC电位施加到所述成形的电极。
8.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少一个DC偏压的提取电极由电阻性材料制成且所述电子控制器经配置以将所述DC电位施加到所述至少一个DC偏压的提取电极以使得所述DC电位在从所述第一端到所述第二端的方向上增大。
9.根据权利要求2所述的设备，其中所述非分段杆状电极中的至少一个由电阻性材料制成且所述电子控制器经配置以将所述DC电位施加到所述非分段杆状电极中的所述至少一个以使得所述DC电位在从所述第一端到所述第二端的方向上增大。
10.根据权利要求3所述的设备，其包括经安置与和所述四极电极组合件的与所述第一侧相反的第二侧面相邻的多个DC偏压的补偿电极，所述多个DC偏压的补偿电极的至少一个DC偏压的补偿电极与每一分散提取区域对准。
11.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少一个DC偏压的提取电极包括至少一对DC偏压的提取电极，所述DC偏压的提取电极与彼此隔开以定义其间的间隙，通过所述间隙从所述离子发射空间提取所述离子。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极布置包括四极电极组合件，其包括四个分段杆状电极的大体上平行布置，且其中所述电子控制器经配置以将所述RF电位施加到所述分段杆状电极中的至少一些的片段。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述四个分段杆状电极中的一个的所述片段具有延伸穿过其以用于支持所述离子的提取的孔隙，且其中所述电子控制器经配置以将所述DC电位作为在从所述第一端到所述第二端的方向上从一个片段到下一片段单调增大的一系列DC电位施加到所述杆状电极中的所述一个的所述片段。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极布置包括离子隧道，所述离子隧道包括布置于具有在堆叠方向上延伸的所述离子发射空间的所述堆叠布置中的多个环形电极。
15.一种用于在空间上且按质荷比(m/z)的顺序次序来分离离子的方法，所述方法包括：
使用连续通量离子源，产生具有质荷比(m/z)在预定的第一m/z比范围内的离子束；
将所述离子束引入安置于所述离子源与至少一个质量分析器之间的离子流分离器中，所述离子流分离器具有沿着纵向轴线X延伸的长度；
将RF电位及DC电位施加到所述离子流分离器的至少一个电极，借此建立有质动力RF电场及非质量DC电场，该有质动力RF电场朝向所述离子流分离器的纵向轴线X径向地推动离子，该非质量DC电场在与纵向轴线X正交的方向Y上将离子推出所述离子流分离器的离子发射空间，施加所述RF电位及所述DC电位使得所述有质动力RF电场的强度与所述非质量DC电场的强度的比率沿所述离子流分离器的所述长度变化；
提取具有沿所述离子流分离器的所述长度的不同相应位置处的不同m/z比的离子，所经提取的离子形成多个独立离子细束，每一离子细束主要由具有m/z比在不同的第二m/z比范围内的离子组成，且每一第二m/z比范围在所述第一m/z比范围内；及
使用所述至少一个质量分析器，分别接收所述多个独立离子束中的每一个以用于以综合方式执行所述引入的离子束的分析。
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