CN107342209B - 质谱系统的迁移率分离器的离子存储装置 - Google Patents

质谱系统的迁移率分离器的离子存储装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于根据迁移率和质荷比进行离子组合分离的方法和仪器。质谱系统包括离子源、迁移率分离器和质量分析器，其中迁移率分离器包括：(i)填充有气体的漂移区域，其具有实质上恒定的直流电场或行进电场；以及(ii)离子存储装置，其邻近所述漂移区域的入口或位于所述漂移区域的入口中。所述离子存储装置包括电场梯度和气流，其中所述电场梯度和所述气流为所述离子存储装置中的离子提供相反的力，使得离子被俘获于所述离子存储装置内部的迁移率相关位置处。

Description

质谱系统的迁移率分离器的离子存储装置
技术领域
本发明涉及用于分别根据离子迁移率和质荷比来进行离子迁移率和质谱的组合测量或离子的组合分离的方法和装置。
背景技术
在来自存在于样本内的分子的离子源中，通常会形成几种离子种类(比如，单体和二聚物)以及同一物质的若干分子构型(同分异构体)的离子。每个离子种类具有特有的迁移率。电荷相关质量m/z相同但碰撞截面不同的同分异构离子在相同的温度、压力和组成的气体中具有不同的迁移率。最小几何碰撞截面的同分异构体具有最大的迁移率，并因此具有穿过气体的最高漂移速度vd。与紧密折叠的蛋白质相比，未折叠的蛋白质离子经历更多的碰撞。因此，未折叠的或部分折叠的蛋白质离子遭遇更多的碰撞，并且比相同质量的紧密折叠的离子晚到达漂移区域的终点。但是结构同分异构体(例如，具有位于不同部位处的糖基、脂质或磷酰基的蛋白)也具有不同碰撞截面，这允许通过测量它们的迁移率就能对其进行区分。
美国专利No.5,905,258(Clemmer等人)公开了一种混合离子迁移率和包括耦接至迁移率分离器的离子源的飞行时间质谱仪，其中迁移率分离器将根据迁移率在时间上分离(separated in time)的离子直接馈送到飞行时间质量分析器的离子加速区域。离子在离子源中生成，并且被传输至迁移率分离器。通过将离子脉冲注入到漂移区域中来操作迁移率分离器，其中，该漂移区域中填充有气体并且包括沿其轴线的实质上恒定的(均匀的)电场。离子脉冲由门栅装置生成，该门栅装置位于漂移区域入口处，并且仅仅在通常少于几百微秒的短时间间隔内就能够将离子注入到漂移区域中。被注入的离子被恒定电场吸引而穿过气体。每种离子种类与气体摩擦产生与电场强度E成比例的恒定漂移速度vd，其中E:vd＝μ·E。比例系数μ被称为离子种类的“离子迁移率系数”。迁移率μ是气体温度、气体压力、气体类型、离子电荷以及特别是离子中性碰撞截面的函数。
这种漂移类型的迁移率分离器可以在约10Pa和大于大气压之间的压力下进行工作。在10Pa和2000Pa之间的低压下，漂移区域的长度通常为一米至四米，并且电场强度介于1千伏特/米至3千伏特/米之间。离子的漂移时间通常约为1毫秒至100毫秒。与在大气压下进行工作的迁移率分离器相反，在低压下通过与漂移气体或漂移气体中所含的杂质产生反应而形成的复合离子非常少，可以忽略不计。这个事实使得低压离子迁移率质谱法能够精确地确定离子中性碰撞截面。此外，低压离子迁移率质谱仪可以与在真空下工作的质量分析器更容易地耦接。
将迁移率分辨率定义为R＝μ/Δμ＝vd/Δvd，其中，Δμ是半高处的离子信号的宽度，Δvd是对应的速度差。具有恒定漂移电场的迁移率分离器的迁移率分辨率R主要受电场强度、离子电荷状态、温度和离子注入的持续时间的影响。诸如空间电荷和电场不均匀性的其它影响通常往往可以忽略不计。
图1示出了具有漂移管(4)和作为门栅装置的Bradbury-Nielsen栅格(2)的漂移型迁移率分离器。Bradbury-Nielsen栅格(2)包括具有正/负直流(DC)电压的双极栅格。来自离子源(未示出)的离子(1)被引导到双极Bradbury-Nielsen栅格(2)，并在Bradbury-Nielsen栅格(2)处放电后停在该处。如果Bradbury-Nielsen栅格(2)的双极DC电压关断，则部分离子被传输通过Bradbury-Nielsen栅格(2)并进入到漂移管(4)中。在漂移期间，离子种类(9a，9b，9c)根据其不同的漂移速度而在时间上分离。漂移管电极(8)通常具有较宽内径，并且允许注入的离子(9a，9b，9c)通过在气体中扩散而径向膨胀。分离的离子种类(9a，9b，9c)被引导到下游质量分析器(5)。使用Bradbury-Nielsen栅格(2)作为门栅装置的缺点是只有离子群(1)中的较少部分被传输到漂移管(4)的入口、被注入到漂移管(4)中并被进一步分析。
通过将离子俘获到位于漂移管前面的离子存储装置中并将离子从离子存储装置注入到漂移管中，这可以实现更高的离子利用率，从而获得更好的灵敏度。美国专利No.5,905,258中公开了在漂移型迁移率分离器的入口处的离子俘获。
美国专利No.6,818,890(Smith等人)公开了一种具有位于漂移管的入口处的特定离子存储装置的漂移型迁移率分离器。图2示出了这种漂移型迁移率分离器的原理图。特定的离子存储装置是射频(RF)离子漏斗(6)。从离子源传输至漂移管(4)的入口的离子群(7)被俘获于RF离子漏斗(6)中，并且在通常小于1毫秒的短时间间隔内脉冲输出到漂移管(4)中。在RF离子漏斗(6)的俘获区域内，电极(8)以RF和DC电压的叠加来进行工作。RF电压使离子远离电极(8)，并且DC电压将离子推向漏斗的开口。离子可在先前注入的离子漂移穿过漂移管(4)期间在RF离子漏斗(6)中集聚。通过调节DC电压和/或RF电压，可以关闭或打开RF离子漏斗(6)，以将离子从RF离子漏斗(6)释放到漂移区域(4)中。在漂移期间，离子种类(9a，9b，9c)根据其不同的漂移速度而在时间上分离。漂移管电极(8)通常具有较宽内径，并允许离子(9a，9b，9c)通过在气体中扩散而径向膨胀。第二RF离子漏斗(未示出)可以位于漂移管(4)的末端，以便将径向膨胀和分离的离子(9a，9b，9c)重新聚焦在漂移管(4)的轴线上。分离的离子种类(9a，9b，9c)被引导到下游质量分析器(5)。
美国专利No.6,639,213(Gillig等人)公开了几种漂移型迁移率分离器，其通过使用周期性聚焦DC电场来将迁移的离子保持在围绕行进的轴线的小半径内，用以使迁移离子的空间扩散最小化。周期性聚焦DC电场在时间上是实质上恒定的。
美国专利No.6,791,078(Giles等人)公开了一种不同类型的迁移率分离器。与在整个漂移区域上使用恒定电场的漂移型迁移率分离器不同，行波迁移率分离器由堆环RF离子导向器构成，该RF离子导向器将具有特定波高、速率和速度的瞬态DC电压的重复序列施加至环形电极。
来自离子源的离子被传输到行波迁移率分离器的入口处的离子存储装置。与漂移型迁移率分离器类似，通过将离子脉冲注入到漂移区域中来使行波迁移率分离器进行工作。瞬态DC电压产生行进电场，其推动注入的离子穿过填充有气体的漂移区域。离子漂移穿过漂移区域所需的漂移时间取决于离子的迁移率以及波高、速率、速度以及气压。具有高迁移率的离子种类能够更好地跟上行波，并且被推动得更快地穿过漂移区。具有低迁移率的离子种类更频繁地被行波顶起，必须等待后续行波以将它们向前推，这导致更长的漂移时间。根据不同离子的迁移率而随时间分离的不同离子种类被引导到下游质量分析器(其通常是具有正交离子注入的飞行时间质量分析器)。
行波迁移率分离器的分辨率受行波高度、速率、速度、气压以及离子注入的持续时间的影响。
目前仍然需要用于有效地对离子进行俘获并将其注入到漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域中的方法和装置，特别是在离子源提供较高的离子流并且由此可在俘获区域中形成较高空间电荷的情况下如此。在根据本发明的装置中，在不牺牲迁移率分离器的迁移率分辨率的情况下，注入的离子的数量应当比根据现有技术的装置中的注入的离子的数量要多。
发明内容
根据本发明的第一方面，质谱系统包括离子源、迁移率分离器和质量分析器。迁移率分离器包括：(i)填充有气体的漂移区域，其沿着轴线延伸，并且具有以下电场：实质上恒定的直流电场、周期性聚焦直流电场或行进电场；以及(ii)离子存储装置，其邻近所述漂移区域的入口或位于所述漂移区域的入口中。离子存储装置包括电场梯度和气流，其中，电场梯度和气流沿漂移区域的轴线延伸，并且对从离子源传输至离子存储装置的离子施加相反的力。迁移率分离器通常位于离子源和质量分析器之间。
优选地，迁移率分离器中的离子存储装置和/或漂移区域包括电极组和用于对相邻电极施加不同相位的RF电势的RF生成器。通过对电极供应RF电势而生成的RF电场产生多极RF电场，多极RF电场将离子限制在离子存储装置和/或漂移区域中。电极组可以包括分段杆状电极和分段的一叠环状同轴电极中的一种。优选地，该电极组产生实质上将离子限制在漂移管的轴线附近的四极RF电场。在这种情况下，环状同轴电极可以被分成四个象限，在这些象限中可以对相邻象限施加相位相反的RF电势。
优选地，漂移区域沿轴线的长度比离子存储装置沿轴线的长度大。漂移区域可以比离子存储装置大两倍甚至10倍。优选地，漂移区域长于20cm并且通常短于150cm。漂移区域中的压力通常在10Pa和2000Pa之间。离子存储装置的长度可以高达10cm或甚至更长。漂移区域可以具有线状或环状的几何形状。
离子存储装置可以邻近迁移率分离器的入口或位于迁移率分离器内。可以将气流引向漂移区域的出口。更优选地，引导气流远离漂移区的出口。
质量分析器可以是具有以下配置之一的飞行时间仪器：正交离子注入、静电离子阱、RF离子阱、四极滤质器或离子回旋频率。离子源可以是以下离子源中的一个：电喷雾离子源(ESI)、基质辅助激光解吸/电离源(MALDI)、电子轰击(EI)离子源或化学电离(CI)离子源。质谱系统还可以包括位于迁移率分离器和质量分析器之间的破碎池以及位于迁移率分离器和破碎池之间的滤质器。
根据本发明的第二方面，一种用于操作质谱系统的方法包括步骤：(a)在离子源中生成离子；(b)将离子从所述离子源传输至离子存储装置，所述离子存储装置邻近迁移率分离器的入口或者位于迁移率分离器的入口内部，所述离子存储装置包括沿所述迁移率分离器的轴线的电场梯度和气流；(c)通过设置所述电场梯度和所述气流来沿所述轴线对离子施加相反的力，从而沿所述轴线将离子俘获在取决于离子迁移率的位置处；(d)调整所述电场梯度和/或所述气流以将被俘获的离子释放到所述迁移率分离器的漂移区域中，所述漂移区域包括以下电场：实质上恒定的直流电场、周期性聚焦直流电场或行进电场；(e)在所述漂移区域中，使离子根据其迁移率而在时间上分离；以及(f)在下游的质量分析器中，对根据迁移率分离的离子中的至少一些进行分析。在离子源中持续生成离子的情况下，在步骤(d)以前停止离子的传输。
在一个实施例中，电场梯度驱动离子向上游远离迁移率分离器的出口，并且气流拖曳离子向下游朝向迁移率分离器的出口，使得低迁移率的离子比高迁移率的离子在沿所述轴线的更下游处被俘获。具有最低迁移率的离子种类被俘获于靠近漂移区域处，并且具有最高迁移率的离子种类被俘获于较远离漂移区域的位置处。在漂移型迁移率分离器和行波迁移率分离器的漂移区域中进行分离期间，离子种类的空间顺序不得不被反转，这可能在一定程度上降低可实现的迁移率分辨率。
在另一实施例中，在步骤(c)中，电场梯度驱动离子向下游朝向迁移率分离器的出口，并且气流拖曳离子向上游远离迁移率分离器的出口，从而使得高迁移率的离子比低迁移率的离子在沿所述轴线的更下游处被俘获。术语“沿轴线的更下游”是指更靠近迁移率分离器的出口。在步骤(d)中，可减少朝向上游的气流和/或可增大电场梯度以将所俘获的离子释放到迁移率分离器的漂移区域中。
在电场梯度不是脉冲模式而是在例如数十毫秒内缓慢增加的情况下，首先释放较高迁移率的离子种类，然后释放较低迁移率的离子种类，使得将不同离子种类注入到漂移区域的注入时间可以得到控制。对于使用脉冲操作模式无法分离的离子种类，这种工作模式可提供更高的分辨率。可以随时间而对电场梯度和/或气流的速度进行线性或非线性地扫描。也可以调整所扫描的或脉冲模式的注入，以使得并非所有的离子种类都被注入到漂移区域(高/低通滤波器)中。
可选地或附加地，可以在步骤(d)中接通另一个可调节的电场，该另一个可调节的电场对离子进行驱动，使离子从离子存储装置向下游移动至迁移率分离器的漂移区域。优选地，该另一个可调节的电场是漂移区域的恒定的直流电场、周期性聚焦直流电场或行进电场。在接通所述另一个可调节的电场时，切断气流和/或电场梯度。
与现有技术已知的俘获技术相比，根据本发明的方法和装置能够在单次注入时将更多的离子注入到漂移区域中，而不会使迁移率分辨率降低。根据本发明，离子种类被俘获于离子存储装置中的迁移率相关位置处。由于俘获的离子种类的空间扩散与根据现有技术的初始空间扩展相比二者相当，甚至俘获的离子种类的空间扩散比根据现有技术的初始空间扩展更小，所以漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器使用本发明的俘获技术可实现与使用现有技术的俘获技术而实现的迁移率分辨率相当甚至更好的迁移率分辨率。
此外，与现有技术相比，根据本发明的离子存储装置显示了更大的空间电荷容量，这是因为离子种类被俘获在迁移率相关位置处而使得俘获体积得以扩展。
本发明提供了用于根据离子迁移率和质荷比进行离子组合分离的方法和装置，其中可以通过在迁移率分离器的上游处运行的TIMS装置来改变迁移率分离器的参数(比如，分辨率、占空比或所分析的迁移率的范围)。
附图说明
图1示出了根据现有技术的混合型迁移率质谱系统的原理图。该质谱系统包括漂移型迁移率分离器的充有气体的漂移管(4)，在漂移区域(4)的入口处具有Bradbury-Nielsen栅格(2)。在传输区域(3)和漂移区域(4)中，由电极(8)产生的电场驱动来源于离子源的离子穿过这两个区域(3,4)。通过对Bradbury-Nielsen栅格(2)施加双极DC电压，从离子源(未示出)传输到传输区域(3)的离子(1)在Bradbury-Nielsen栅格(2)处放电一段较长的时间。在将双极DC电压切断一个较短的时间段的情况下，离子脉冲进入到漂移区域(4)中。漂移区域(4)通常由通过绝缘体而彼此相互分离的电极(8)组成。由各个电阻器构成的分压器为电极(8)提供在漂移区域(4)中产生均匀电场的DC电势。不同迁移率的离子种类(9a，9b，9c)受均匀电场推动而穿过漂移区域(4)，并根据它们的迁移率而彼此分离。分离的离子种类(9a，9b，9c)依次被引导至下游质量分析器(5)。
图2示出了根据现有技术的另一种混合型迁移率质谱系统，其包括位于漂移区域(4)的入口处的作为离子存储装置的RF离子漏斗。从离子源(未示出)处传输的离子(7)被俘获于RF离子漏斗(6)中，并且被脉冲输出到漂移区域(4)中。
图3示出了在美国专利No.7,838,826(Park)中公开的“俘获离子迁移率质谱仪(TIMS)”的典型电极结构。
图4示出了根据本发明的第一实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并且用作迁移率分离器的离子存储装置。离子沿着电场梯度而被俘获到沿着分离轴线的迁移率相关位置处。
图5示出了根据本发明的第二实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并且用作迁移率分离器的离子存储装置。离子沿着电场梯度以与图4所示实施例中的空间顺序相反的空间序列的形式而被俘获于迁移率相关位置处。
图6示出了本发明的第三实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并用作迁移率分离器的离子存储装置。气体(38)被引入到漂移区域(4)的出口处并缓慢地流过漂移管(4)，并且离开出口流向俘获区域(32)。来自离子源(未示出)的离子(39)被夹带在附加气流(34)中，而该附加气流(34)被径向引入到俘获区域(32)和漂移区域(4)之间的位置处。俘获在RF通道(32)中的离子种类(39)的空间顺序与被注入在漂移区域(4)中并在其中分离后的离子种类的空间顺序相对应。
图7示出了本发明的第四实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并用作迁移率分离器的离子存储装置。气体(48)被引入到漂移区域(4)的出口处并缓慢地流过漂移管(4)，并且离开出口流向俘获区域(42)。来自离子源(未示出)的离子由气流(44)夹带，并沿轴向被引入到俘获区域(42)中。俘获在RF通道(42)中的离子种类(49)的空间顺序与被注入到漂移区域(4)中并在其中分离之后的离子种类的空间顺序相对应。
具体实施方式
本发明涉及将迁移率分离器和质量分析器进行组合的混合型质谱系统以及用于操作该质谱系统的方法。迁移率分离器是具有恒定电场的漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器。
图3显示了在美国专利No.7,838,826(Park)中公开的“俘获离子迁移率质谱仪(TIMS)”的典型电极结构。本发明的装置优选地在漂移型迁移率分离器或行波分离器的入口处将TIMS装置用作为离子存储装置。这些离子存储装置的长度可以达到十厘米以上。
TIMS装置的电极形成了第一RF漏斗(51)、具有四极RF电场的RF通道(52)和第二RF漏斗(53)。漏斗(51,53)由具有直径渐减的孔的电极构成。通过向相邻电极施加两相RF电压，形成了能够将离子引导至RF通道(52)中的赝电场。RF通道(52)的电极被分别分成四个象限(57,58)。通过向相邻象限施加相反相位的RF电压，在RF通道(52)内生成能够将离子保持在轴线附近的四极RF电场(59)。然而，原则上，四极电场可以被替换为任何多极电场。同时，通过向电极施加DC电压，可以沿着RF通道(52)的轴线生成电场梯度分布。
TIMS装置可用作离子存储装置，在其中离子种类被俘获于沿着TIMS装置的轴线的位置(该位置取决于被俘获的电子种类的迁移率)处。在操作中，气流驱动RF通道(52)中的离子对抗反作用电场梯度。从离子源传输到TIMS装置的离子群被分离成沿着电场梯度的若干离子束，其中每个离子束具有相同的迁移率。通过改变例如电场梯度，可以从TIMS装置释放被俘获的离子种类并将其注入到迁移率分离器中。
图4示出了根据本发明的第一实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并且用作迁移率分离器的离子存储装置。
离子存储区域包括第一RF漏斗(11)、管状RF通道(12)和第二RF漏斗(13)。如图3中所示的通道(52)的那样，RF通道(12)由四极电极形成，通过向该四极电极叠加轴向DC电场其能够生成径向四级RF电场。夹带在气流(16)中的离子进入TIMS装置，并通过RF通道(12)的四极RF电场而被集中在轴线上。图4的下部示出了沿着RF通道(12)的轴线的电场分布E(z)。沿轴线的电势P(z)的二次增加可以例如形成线性斜坡。然而，斜坡处的电场作为位置的函数来说不一定是线性的。
层流气流(16)驱动离子对抗电场分布E(z)的电场梯度(斜坡)，由此离子种类在空间上被分隔成具有相同迁移率的若干离子束。低迁移率的离子种类由于斜坡末端处的较高电场而停止，而高迁移率的离子种类已经停在了斜坡的起始处。在离子被俘获于RF离子通道(12)期间，离子束的空间扩散通常仅约为1毫米至2毫米。作为示例，气流的速度可以为50米/s至150米/s，并且最大场强E(z)可以达到30伏特/厘米至90伏特/厘米。气流(16)被向下游引导至漂移区域(4)的出口，并且在离开第二个RF漏斗(13)处的迁移率分离器之后再进入漂移区域(4)。
切断或减小电场梯度甚至反转电场梯度，将俘获的离子种类(19)吹入到漂移区域(4)中。该装置传送的离子束比图1和图2的装置所传送的离子束小得多。然而，在被俘获的离子在漂移区域(4)中漂移期间，被俘获的离子种类(19)的空间顺序被反转，由此具有高迁移率的较快离子肯定会超过具有较低迁移率的较慢离子。由于需要漂移区域(4)的一部分来反转被俘获的离子种类(19)的空间顺序，所以迁移率分离器没有达到最大迁移率分辨率。此外，离子束在移动期间由于空间电荷效应而可能彼此相互影响，这再次降低了离子迁移率分辨率。根据不同迁移率而在时间上分离的离子种类在通过漂移区域(4)后依次被引导到下游质量分析器(5)。
图5示出了根据本发明的第二实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并且用作迁移率分离器的离子存储装置。与图4的实施例相比，离子是沿着电场梯度以反转的空间顺序而被再次俘获于迁移率相关位置处的。
来自离子源(未示出)的离子夹带在流入气体(28)中，并被俘获在RF通道(22)中。气体离开区域(21)成为流出气体(27)。在区域(21)中，电极被形成为漏斗，以在RF通道(22)中产生不受干扰的气流。图5的下部示出了沿着RF通道的轴线的电场分布E(z)。气流(26)驱动离子(29)对抗电场分布E(z)的电场梯度(斜坡)。气流(26)被引导离开漂移区域(4)的出口，而电场梯度却将离子推向漂移区域(4)的出口。高迁移率的离子种类在斜坡起始处停止，而低迁移率的离子种类则由于斜坡末端的较高电场而停止。在漂移区域(4)中进行分离的过程中，离子种类(29)在沿电场梯度俘获期间的空间顺序被保持。
通过减少或停止气流(27,28)或通过增加电场梯度的场强，将俘获的离子种类(29)以离子束的形式喷射到长漂移区域(4)中。在漂移区域(4)中随时间分离的离子种类随后被引导到质量分析器(5)，并根据其质荷比对其进行分析。
图6示出了本发明的第三实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并且用作迁移率分离器的离子存储装置。
与图5中示出的实施例相比，本实施例中的气流系统稍有不同。气体(38)被引入到漂移区域(4)的出口处并缓慢地流过漂移管(4)，并且离开该出口流向俘获区域(32)。俘获区域(32)中的气体速度增大了，这是因为俘获区域(32)中的电极直径相比于漂移区域(4)中的电极直径减小了。来自电源(未示出)的电子夹带在附加电流(34)中，附加电流(34)被径向引至俘获区域(32)和漂移区域(4)之间的位置处。图6的下部示出了沿着俘获区域(32)的轴线的电场分布E(z)。气流(36)驱动离子(39)对抗电场分布E(z)的电场梯度(斜坡)。俘获在RF通道(32)中的离子种类(39)的空间顺序与被注入到漂移区域(4)中并在其中进行分离之后的离子种类的空间顺序相对应。可以通过增加电场梯度的场强或减少气流(37,38)来将离子束(39)释放到漂移区域(4)中。在漂移区域(4)中在时间上分离的离子种类随后被引导到质量分析器(5)，并根据其质荷比对其进行分析。
图7示出了本发明的第四实施例。TIMS装置的电极结构位于漂移型迁移率分离器或行波迁移率分离器的漂移区域(4)的入口处，并且用作迁移率分离器的离子存储装置。
气体(48)被引入到漂移区域(4)的出口处并缓慢地流过漂移管(4)，并且离开出口流向俘获区域(42)。俘获区域(42)中的气体速度增大了，这是因为俘获区域(42)中的电极直径相比于漂移区域(4)中的电极直径减小了。来自离子源(未示出)的离子被气流(44)夹带并被轴向地引入到俘获区域(42)中。美国专利No.6,818,890(Smith等人)公开的射频沙漏形漏斗通过交替地提供多相位的射频电压和DC驱动力来将离子从气流(44)传输到RF通道(42)中。俘获在RF通道(42)中的离子种类(49)的空间顺序与被注入到漂移区域(4)中并在其中进行分离之后的离子种类的空间顺序相对应。可以通过增加电场梯度的场强或减少气流(47,48)来将离子束(49)释放到漂移区域(4)中。在漂移区域(4)中在时间上分离的离子种类随后被引导到质量分析器(5)，并根据其质荷比对其进行分析。
与图1和图2中所示的俘获装置相比，图5至图7的实施例中所示的离子存储装置将更小的离子束和更多的离子同时释放到漂移区域(4)中，其中已经在空间上对所述离子束进行了排列，使得其空间顺序与在漂移区(4)中分离后的离子种类所具有的空间顺序相同。因此，与现有技术的仪器相比，本发明的装置在灵敏度以及迁移率分辨率上均提高了。此外，本发明的装置的俘获体积增加了，因此空间电荷的影响降低了。
根据本发明，可以通过以下等式来计算离子束在存储期间的空间扩散：
其中，FWHMz是被俘获的离子种类的空间分布，K是离子迁移率系数，L是离子存储装置的轴向长度，q是离子种类的电荷，T是气体温度，kb是玻尔兹曼常量，vg是气体速度。图1和图2所示的现有技术仪器目前正在使用介于100微秒至500微秒之间的典型的栅格宽度。假定离子种类在漂移型分离器或行波分离器中以约50m/s的速度移动，则离子种类在通过栅格之后进入到漂移区域中时发生了5mm至25mm的估算的初始空间扩散。对于根据本发明的典型离子存储装置，可以估计出在长度为5cm、压力为3mbar的离子存储装置中气体流动的气流速度为50m/s。在最低限度上，所注入的离子种类的初始空间分布将变小四倍。
对于向漂移管两端施加3000伏且离子种类漂移时间为50毫秒的漂移型迁移率分离器，由于栅格宽度的影响，500微秒的栅格宽度的迁移率分辨率比扩散极限小约30％(对于Δ脉冲，R＝102；在使用栅格宽度的情况下，R＝71)。栅格宽度改善四倍可以生成非常接近Δ脉冲的99的分辨能力。本发明的另外的优点在于，尽管迁移率分辨率与扩散限制结果密切匹配，但是所有俘获的离子可以在单次注入中脉冲进入漂移管，从而增加占空比。此外，如果适时地对注入时的电场进行扫描从而生成附加的时间分离，则分辨率会增大，甚至会增大到扩散极限以上。
图1、图2和图4至图7中示出的质量分析器可以是具有以下配置之一的一种飞行时间仪器：正交离子注入、静电离子阱、RF离子阱、离子回旋频率和四极滤质器。离子源可以是以下离子源中的一种：电喷雾离子源(ESI)、基质辅助激光解吸/电离源(MALDI)、电子轰击(EI)离子源和化学电离(CI)离子源。质谱系统还可以包括位于迁移率分离器和质量分析器之间的破碎池以及位于迁移率分离器和破碎池之间的滤质器。

Claims (20)

1.一种质谱系统，包括：
离子源，配置为生成离子；
迁移率分离器，所述迁移率分离器包括：
(i)填充有气体的漂移区域，其沿着轴线延伸，配置为使离子根据其迁移率而在时间上分离，并且具有以下电场中的一种：实质上恒定的直流电场、周期性聚焦直流电场或行进电场；以及
(ii)离子存储装置，其邻近所述漂移区域的入口或位于所述漂移区域的入口中，配置为沿所述漂移区域的轴线将离子俘获在取决于离子迁移率的位置处、和将被俘获的离子释放到所述漂移区域中；以及
质量分析器，
其中，所述离子存储装置包括电场梯度和气流，所述电场梯度和所述气流沿所述漂移区域的轴线延伸，并且对从所述离子源传输至所述离子存储装置的离子施加相反的力。
2.根据权利要求1所述的质谱系统，其中，所述迁移率分离器位于所述离子源和所述质量分析器之间。
3.根据权利要求1所述的质谱系统，其中，所述迁移率分离器的所述离子存储装置和/或所述漂移区域包括电极组和射频生成器，其中所述射频生成器用于向相邻电极施加不同相位的射频电势。
4.根据权利要求3所述的质谱系统，其中，所述电极组是分段杆状电极和分段的一叠环状同轴电极中的一种。
5.根据权利要求1所述的质谱系统，其中，所述漂移区域沿轴线的长度比所述离子存储装置沿轴线的长度大。
6.根据权利要求5所述的质谱系统，其中，所述漂移区域的长度大于20cm。
7.根据权利要求1所述的质谱系统，其中，所述漂移区域中的压力介于10Pa和2000Pa之间。
8.根据权利要求1所述的质谱系统，其中，所述离子存储装置邻近所述迁移率分离器的入口或者位于所述迁移率分离器内，并且所述气流被引导朝向所述漂移区域的出口。
9.根据权利要求1所述的质谱系统，其中，所述离子存储装置邻近所述迁移率分离器的入口或者位于所述迁移率分离器内，并且所述气流被引导远离所述漂移区域的出口。
10.根据权利要求1所述的质谱系统，其中，所述质量分析器是具有以下配置之一的飞行时间仪器：正交离子注入、静电离子阱、射频离子阱、离子回旋频率和四极滤质器。
11.根据权利要求10所述的质谱系统，还包括位于所述迁移率分离器和所述质量分析器之间的破碎池。
12.根据权利要求11所述的质谱系统，还包括位于所述迁移率分离器和所述破碎池之间的滤质器。
13.一种用于操作质谱系统的方法，包括以下步骤：
(a)在离子源中生成离子；
(b)将离子从所述离子源传输至离子存储装置，所述离子存储装置邻近迁移率分离器的入口或者位于迁移率分离器的入口内部，所述离子存储装置包括沿所述迁移率分离器的轴线的电场梯度和气流；
(c)通过设置所述电场梯度和所述气流来沿所述轴线对离子施加相反的力，从而沿所述轴线将离子俘获在取决于离子迁移率的位置处；
(d)调整所述电场梯度和/或所述气流以将被俘获的离子释放到所述迁移率分离器的漂移区域中，所述漂移区域包括以下电场中的一种：实质上恒定的直流电场、周期性聚焦直流电场或行进电场；
(e)在所述漂移区域中，使离子根据其迁移率而在时间上分离；以及
(f)在下游的质量分析器中，对根据迁移率分离的离子中的至少一些进行分析。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在步骤(c)中，所述电场梯度驱动所述离子向下游朝向所述迁移率分离器的出口，并且所述气流拖曳所述离子向上游远离所述出口，使得高迁移率的离子比低迁移率的离子在沿所述轴线的更下游处被俘获。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在步骤(d)中，减少朝向上游的气流和/或增大所述电场梯度以将所俘获的离子释放到所述迁移率分离器的漂移区域中。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，在步骤(d)中，接通另一个电场，并驱动所述离子从所述离子存储装置向下游朝向所述迁移率分离器的漂移区域。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述另一个电场是所述漂移区域的实质上恒定直流电场或行进电场。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在接通所述另一个电场时，切断朝向上游的气流和所述电场梯度。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，在步骤(c)中，所述电场梯度驱动所述离子向上游远离所述迁移率分离器的出口，并且所述气流拖曳所述离子向下游朝向所述出口移动，使得低迁移率的离子比高迁移率的离子在沿所述轴线的更下游处被俘获。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述离子在所述离子源中持续生成，并且在步骤(d)以前停止离子的传输。
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