CN107799383B

CN107799383B - 静电阱质量分析器的操作方法

Info

Publication number: CN107799383B
Application number: CN201710755958.5A
Authority: CN
Inventors: C·R·威斯布洛德; M·W·森柯; J·D·坎特巴里; J·E·P·赛卡
Original assignee: Thermo Finnigan LLC
Current assignee: Thermo Finnigan LLC
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: US10424475B2; CN107799383A; US20180061625A1; EP3291282A1; US20190122879A1; US10192730B2; EP3291282B1

Abstract

一种操作静电捕集质量分析器的方法，包括：将离子样本引入所述质量分析器的捕集区，其中所述捕集区内的捕集场使得所述离子相对于该捕集区的中心纵轴表现出径向运动，同时在由所述中心纵轴限定的维度中经历谐波运动，特定离子的谐波运动的频率是其质荷比的函数；将调制场叠加到所述捕集区内的捕集场上，该调制场用于将所述离子的谐波运动能量增大或减小根据谐波运动的频率而变化的量；以及通过测量代表由所述离子的谐波运动引起的镜像电流的信号来获取所述捕集区中的所述离子的质谱。

Description

静电阱质量分析器的操作方法

发明领域

本发明总体涉及质谱和质谱仪，更具体地涉及静电阱质量分析器的操作以及采用静电阱质量分析器的质谱仪系统的操作。

发明背景

静电阱是离子光学装置的一个类别，其中移动的离子在实质性静电场中经历多次反射或偏转。与用于在RF场离子阱中捕集不同，静电阱中的捕集仅对移动的离子是可能的。因此，需要高真空以确保这种移动以由于数据采集时间T_m上的碰撞所致的最小离子能损失而发生。自2005年商业化引入以来，属于静电阱质量分析器类别的ORBITRAP^TM质量分析器作为一种有用的质谱分析工具已获得广泛认可。简言之，ORBITRAP^TM质量分析器可从美国马萨诸塞州沃尔瑟姆赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)购得，这是一种静电阱质量分析器，该分析器实质上是从早期的Kingdon离子阱改进而来。图1A和1B(下文进一步讨论)提供了ORBITRAP^TM质量分析器的示意图。图1A-1B所示的这类静电捕集质量分析器以及包含这种质量分析器的质谱仪系统的主要优点是，它们提供精确的质荷比(m/z)测量和高m/z分辨率，与使用傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)质谱分析仪器可实现的效果类似但不需要高强度磁体。ORBITRAP^TM质量分析器以及采用这种质量分析器的质谱仪的结构和操作细节在Makarov的《静电轴向谐波轨道捕集：一种高性能的质量分析技术》(Electrostatic Axial Harmonic Orbital Trapping：A High-Performance Techniqueof Mass Analysis)分析化学杂志(Anal.Chem.)2000年第72(6)卷第1156-1162页、以及在发明人姓名为Makarov的5,886,346号美国专利以及在发明人姓名为Makarov等人的6,872,938号美国专利中有过描述。

在FT-ICR和ORBITRAP^TM质量分析器两者中，离子被迫在所述分析器内进行集体振荡运动，从而在相邻检测电极中感生相应的振荡镜像电荷，因此能够实现离子的检测。用于检测的振荡运动可能为各种形式，例如包括FT-ICR情况下的圆周振荡运动，以及在图1A-1B中示意性所示的这类质量分析器或采用这种质量分析器的质谱仪的情况中的围绕中央电极轨道运行同时的轴向振荡运动。振荡镜像电荷转而又在与检测电极连接的电路中感生振荡镜像电流和对应的电压，其随后通常被放大、数字化并存储在计算机内存中，其被称为暂态(也即时域中的短暂信号)。振荡离子在与离子的质荷比(m/z)值相关的频率下感生振荡镜像电荷和振荡电流。给定质荷比(m/z)值的每个离子将在相应的给定频率下振荡，使其对所述给定频率下通常为周期波形式的集体离子镜像电流贡献信号。所述暂态的总检测镜像电流即为所有出现频率下的镜像电流的合成和(即周期信号之和)。该暂态的频谱分析(如傅里叶变换)产生与检测到的特定振荡离子相关的振荡频率；从这些频率中，可以通过已知方程确定离子的m/z值(即质谱)，方程的参数由先前的校准实验确定。

更具体地说，ORBITRAP^TM质量分析器包括外部桶状电极和沿着轴的中心纺锤状电极。参考图1A，以纵向剖视图示意性示出了包括ORBITRAP^TM质量分析器的质谱仪系统的一部分。质谱仪系统1包括离子注入装置2和静电轨道捕集质量分析器4。在此例中，离子注入装置2是弧形多极弧线阱(称为“C-Trap”)。离子以脉冲从C-Trap径向喷射至Orbitrap。有关弧形阱(或C-Trap)装置及其与静电阱的耦合的详细信息，请参阅6,872,938、7,498,571、7,714,283、7,728,288和8,017,909号美国专利，每项专利的全部内容均通过引用方式整体并入本文。C-Trap可从离子源3接收和捕集离子，该离子源可以是任何已知类型的源，诸如电喷雾(ESI)离子源、基质辅助激光解吸电离(MALDI)离子源、化学电离(CI)离子源、电子电离(EI)离子源等。其他未示出的离子处理组件诸如离子导向组件、质量过滤组件、线性离子捕集组件、离子碎片化组件等，可以可选地被包括(并且经常被包括)在离子源3和C-Trap 2之间或在C-Trap和质谱仪其他部分之间。未示出的质谱仪的其他部分为常规的，诸如附加离子光学器件、真空泵送系统、电源等。

可以采用其他类型的离子注入装置来代替C-Trap。例如，前述6,872,938号美国专利教示了注入组件的使用，该注入组件包含具有入口段、出口段、与入口段相邻的入射透镜以及与出口段相邻的出射透镜的分段四极线性离子阱。通过在两个透镜以及每一段的连杆上适当地施加“直流”(DC)电压，可在出口段内的轴向方向上形成临时轴向势阱。阱内部的压力选择方式为：离子在其首次通过所述阱期间失去足够的动能，以使它们在轴向势阱的底部附近积聚。随后将适当的电压脉冲施加到出射透镜并结合中心纺锤电极上的电压斜升，使离子通过出射透镜电极从阱中轴向排空，并进入静电轨道捕集质量分析器4。

该静电轨道捕集质量分析器4包含中心纺锤形电极6和分为8a和8b两个半部的周围外电极。图1B为内电极和外电极的放大剖视图。该内纺锤电极6与外电极8a和8b两个半部之间的环形空间17是离子在其中绕轨道运行和振荡的容积，而且该空间包含测量室，在该测量室中此容积内的离子的运动可感生测量信号，用以确定离子m/z比和相对丰度。内电极和外电极(电极6和8a、8b)被特殊成形为使得，当被提供适当的电压时将产生相互作用的相应电场，从而在测量室17内生成所称的“四对数势(quadro-logarithmic potential)”U(有时也称为“超对数势”)，其通过以下方程以圆柱坐标(r，z)描述：

其中a、b、c、d是由轨道捕集分析器电极的维度和对该轨道捕集分析器电极所施加电压确定的常数，其中在对应于电极结构和测量室17的对称赤道平面7的轴向位置处取z＝0，如图1B所示。取决于轴向位移的“四对数势”部分(即沿纵轴9确定轴向维度上的运动的部分z)的“底部”或零轴向梯度点出现在赤道平面7处。此势场具有沿轴向(Z)方向的谐波势阱，其允许如果离子没有足够的动能来逃逸，则它在势阱内被轴向捕集。应当注意的是，方程1表示电势的理想函数形式，而任何特定物理装置中的实际势将包括z和r两者中的高阶项。

所捕集离子的运动与三个特征振荡频率相关联：围绕中心电极6的旋转频率、标称旋转半径的径向振荡频率以及沿z-轴的轴向振荡频率。为了检测振荡的频率，给定m/z的离子的运动需要具有相干性。对于相同m/z的离子，径向和旋转振荡仅部分具有相干性，因为平均轨道半径的差异和径向振荡的大小对应于不同的轨道和径向频率。当离子以轴向谐波势移动时，最容易引起轴向振荡的相干性，故轴向振荡频率与振荡幅度无关，且仅取决于m/z，因此仅使用轴向振荡频率来确定质荷比。如上所述，外电极形成在8a、8b两部分中，如图1B所示。根据以下方程2，离子在场的势阱中在轴向方向上以频率ω(谐波运动)进行正弦曲线振荡：

其中k为常数。外电极的一个或两个部分8a、8b被用于在离子轴向往复振荡时检测镜像电流。因此，从时域到频域的感生离子镜像电流信号的傅里叶变换能以常规方式产生质谱。这种检测方式使较高质量分辨率成为可能。

具有多种m/z值的离子在C-阱内被捕集，于偏移离子入口孔5(位于从分析器的赤道平面7偏移的轴向位置处)处，以时间上和空间上均较短的离子包从C-阱注入至静电轨道捕集质量分析器4内，以便实现“注入激发”，由此离子包的离子立即在质量分析器内以四对数势开始振荡。离子在两个外电极8a和8b之间轴向振荡，同时还围绕内电极6轨道运行。离子的轴向振荡频率取决于离子包内所含离子的m/z值，因此具有不同m/z的离子包中的离子开始以不同的频率振荡。

两个外电极8a和8b用作检测电极。质量分析器中的离子的振荡导致在电极8a和8b中感生镜像电荷，且连接电路中的所得镜像电流被拾取为信号并由放大器10(图1A，连接至所述两个外电极8a和8b)放大，然后由数字转换器12予以数字化。所得的数字化信号(即暂态)随后由信息处理器14接收并存储在存储器中。存储器可以是信息处理器14的一部分，也可独立，优选地为信息处理器14的一部分。例如，该信息处理器14可包含计算机，该计算机运行具有设计用于处理所述暂态的程序代码的元素的程序。所述计算机14可被连接到输出装置16，该输出装置可以包含以下一者或多者：输出视觉显示单元、打印机、数据写入器，诸如此类。

由信息处理器14接收的暂态代表由在质量分析器中以不同频率振荡的不同m/z值的离子所产生的镜像电流的混合。一个m/z的离子的暂态信号是周期性的，如图2A所示，其示出针对单频(m/z)分量的几个振荡的“象征性”近似正弦暂态21。当组合几个不同的频率时所获得的代表性暂态22如图2B所示。离子的m/z值决定周期函数的周期(和频率)。与具有质荷比(m/z)₁的离子的振荡对应的单频分量的单暂态信号(STS)近似为：

其中A为阱中具有质荷比(m/z)₁的离子的丰度(数量)的量度，ω为频率，t为时间，

为初始相位(t＝0处)。此方程仅为近似情况，因为它并未考虑随时间产生的振幅衰减及相干性损失。

信息处理器14对所接收的暂态进行傅里叶变换。可采用离散傅里叶变换的数学方法将时域中的暂态(例如图2B中的曲线22)转换为频域中的频谱，该暂态包括由测得离子中存在的m/z混合而产生的周期性暂态信号的混合。如果需要，在这一阶段或之后，通过直接计算可将频域频谱转换为m/z域。离散傅里叶变换产生一个频谱，该频谱对于每个频率或m/z值都有一个轮廓点，且这些轮廓点在检测到离子信号(即对应m/z的离子存在于分析器中)的那些频率或m/z位置处形成峰。

在数学上，傅里叶变换针对每个轮廓点(频率)输出复数。该复数包括幅度和相位角(常简称为相位)。或者，每个频率点处的复数可描述为包括实分量Re和虚分量Im。实分量Re和虚分量Im的集共同组成所称的复频谱。通常情况下，实分量和虚分量是非对称的，因为暂态开始时的信号的初始相位不为零。由于不对称的峰导致不希望的低频谱分辨率，因此对质谱暂态的常规傅里叶变换处理已用到所称的幅度谱，而非单独基于实分量或虚分量的频谱。因此，在静电阱暂态信号的常规傅里叶变换处理中，相位角信息经常被忽略。为了提高质谱的分辨率，发明人姓名为Lange的8,853,620号美国专利教示了增强质谱的产生方法，在由傅里叶变换产生复频谱的实分量和虚分量之后，通过组合所称的“正频谱”(在多个实例中，其可是功率谱、幅度谱或其估计谱中的任何一个)及“吸收谱”，该吸收谱是应用适当相位校正(该校正使校正后的相位在峰中心处为零)后的复频谱的实分量或虚分量，经计算可得出该增强质谱。

无论用于将测得的暂态信号转换为质谱的数学处理有多么复杂，图1A-1B所示类型的静电轨道捕集质量分析器或任何其他静电捕集质量分析器的质量分辨率可受阱内的空间电荷的积聚抑制。如同任何离子阱质量分析器，存在有限量的电荷，其可以注入到图1A-1B所示类型的静电轨道捕集质量分析器中，同时仍可达到给定的性能水平。在非常普遍的意义上，阱内电荷密度的逐渐积聚会在测量腔17内产生对电场的扰动，导致场的形式与由方程1给出的理论形式存在局部偏差。更具体地说，由空间电荷密度的增加所致的离子之间的相互作用可能导致不同m/z比的离子种类之间发生动量和能量的离子间转移。动量转移可能导致相同m/z值的离子之间的z轴振荡相位相干性遭到破坏，从而导致暂态信号变宽及弱化，质谱峰聚结以及随之发生的频谱分辨率损失。能量转移可能导致一些离子与电极中的一个或另一个过早地碰撞，进而造成信号损失。

与三维射频(RF)四极离子阱相比，图1A、1B所示静电阱质量分析器内电极的几何构型更有利于空间电荷的分散。这是因为在图1A、1B所示的质量分析器中，每个m/z值的离子以电弧的形式部分地成角度地分散，位置在测量室17内的纺锤电极6周围，而不是局限于局部中心容积(如在多极离子阱中)。不过，平行于z轴的空间电荷分散是有限的，因为所有m/z种类的z轴振荡振幅大致相同，如图3A中的圆柱体36示意性指示。这种现象可导致z轴振荡极值处达到不可接受的高离子密度，平行于z轴的运动在该位置会为所有离子反转方向。这些“转向”区域处的积聚的离子密度可导致具有几乎相同的m/z比的离子种类发生同步移动的情况，从而导致所得质谱中的峰聚结以及随之发生的质谱分辨率损失。多项先进的分析应用需要高分辨率和高信噪比。因此，发明人认识到需要通过以减少捕集容积内离子密度局部积聚的方式，利用可用的静电捕集容积来改善这些性能特征，因为这些特征与一些静电阱相关。本发明可满足这些需求。

发明内容

根据本教示，在所提供的方法中，离子根据其完整的质荷(m/z)比沿着可用阱的z轴振幅以编程方式扩展，从而最小化所有离子的时间重叠并降低z轴振荡极值处的离子密度的积聚。因此，本发明提供一种可用捕集容积的有计划利用，以便针对ORBITRAP^TM质量分析器内的离子捕集和检测的持续时间最小化空间电荷和离子间的相互作用。已经发现对z轴振幅的编程提供图1A-1B所示类型的静电轨道捕集质量分析器的显著性能增强，并且可适用于其他三维静电阱装置。一个其他主要类别的三维静电阱装置由各种所称的Cassinian静电离子阱装置(也称为“Cassinian阱”装置)表示，如在发明人姓名为

的7,994,473号美国专利中描述的，所述专利的全部内容通过引用完整并入本文。ORBITRAP^TM质量分析器采用的静电阱包括外电极和单个内纺锤电极，而所述Cassinian阱装置则采用外电极和两个或更多个内纺锤电极。因此，各种Cassinian阱装置及其衍生装置可统称为“高阶Kingdon”阱装置。

根据本发明的一些实施例，将离子提供给静电阱，并根据增强型傅里叶变换(eFT)的方法记录和分析初始暂态信号，以便恢复与该暂态的各种振荡分量频率关联的相位信息，其中每个振荡分量与相应的m/z比相关。相位信息也可从其他所称的“定相(phasing)”方法导出，其中相位信息在变换过程期间恢复。导出的相位信息随后在以编程方式向静电阱的外电极施加补充AC多频波形期间使用，在此期间根据编程，对应于各种m/z比的振荡被增强(激发)至更高能量或减弱(去激发)至更低能量。施加补充或辅助多频波形将多频振荡调制场叠加到捕集区内的主捕集静电场上，其中所述调制场用于将离子的谐波运动能量增加或减少根据谐波运动的频率而变化的量。为了提供适当的激发和去激发，所述补充AC波形根据每个m/z比的z轴振荡频率在频率和幅度上变化。此外，各种补充AC频率可与离子z轴振荡同相施加，依据从先前的eFT分析导出的相位信息，或者通常依据由其他数学变换技术导出的相位分析。

对于被激发的离子，振荡的激发产生更宽的z轴振荡范围；对于去激发的离子，去激发产生更窄的z轴振荡范围。z轴周围离子的平均轨道半径也可分别同时增大或减小。振荡幅度和可能地轨道半径的这种编程控制更有效地将离子电荷扩展到更多的可用捕集容积，从而抵消了空间电荷密度在捕集容积内积聚的有害影响。

根据本发明的一个方面，提供一种操作静电捕集质量分析器的方法，所述方法包括：将离子样本引入质量分析器的捕集区域，其中该捕集区域内的捕集场使得离子相对于捕集区域的中心纵向轴线表现出径向运动，同时在由中心纵向轴线限定的维度中经历谐波运动，特定离子的谐波运动的频率是其质荷比的函数；将调制场(其可以是周期性调制场、多频调制场或简单脉冲)叠加到该捕集区内的捕集场上，所述调制场用于将离子的谐波运动幅度增大或减小根据谐波运动的频率而变化的量；以及通过测量表示由离子的谐波运动引起的镜像电流的信号来获取捕集区域中的离子的质谱。

附图说明

通过仅以实例方式给出的以下说明，并参考附图(未按比例绘制)，本发明的上述和多个其他方面将变得显而易见。其中：

图1A为包括静电阱质量分析器(特别是ORBITRAP^TM静电阱质量分析器)的质谱仪系统的一部分的示意描绘；

图1B为图1A的静电阱质量分析器的放大剖视图；

图2A是对于单频分量的几个振荡的“理想”暂态的描述，涉及特定质荷(m/z)比的离子，可在图1A的静电阱质量分析器的操作期间进行测量；

图2B是对于有限数量的频率分量的几个振荡的暂态的描述，分别涉及不同的m/z比，可在图1A的静电阱质量分析器的操作期间进行测量；

图3A是在图1A和图1B所示类型的常规操作的静电阱质量分析器内各种m/z比的离子的轴向振荡范围的示意描绘；

图3B是在图1A和图1B所示类型的根据本教示操作的静电阱质量分析器内两种各不相同的m/z比的离子的轴向振荡范围的示意描绘；

图4A是根据本教示的静电阱质量分析器的第一种操作方法的流程图；

图4B是根据本教示的静电阱质量分析器的第二种操作方法的流程图；

图5A是根据本教示的一些实施例，将补充波形发生器与静电阱进行电连接的第一种配置的示意图；

图5B是根据本教示的一些实施例，将补充波形发生器与静电阱进行电连接的第二种配置的示意图；

图5C是根据本教示的一些实施例，将补充波形发生器与静电阱进行电连接的第三种配置的示意图。

具体实施方式

提供以下说明是为了使本领域的任何技术人员都能制造和使用本发明，并且以下说明是在特定应用及其要求的上下文中提供。对所描述的实施例之各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且本文中定义的一般原则也可应用于其他实施例。因此，本发明并不局限于所示出的实施例，而是被赋予与本文所示出和描述的特征及原则相一致的最宽范围。参考附图并结合以下说明，本发明的特定特征和优点将变得更为明显。

在质量分析器4操作期间(如图1A和1B所示)，目前使用固定离子注入方案执行离子注入，由此离子进入阱的入口点位于从阱的赤道平面7偏移的离子注入孔5处。通过这样的配置，注入孔的z位移决定进入和维持稳定轨道的所有离子的z轴振荡幅度。所有捕集的m/z离子种类的轴向运动因而具有类似的z轴振荡幅度，由此空间电荷和离子间相互作用并不理想，并且对动态范围、同位素峰比和峰聚结等性能方面会造成负面影响。在图3A中，用于基本上所有离子(基本上所有m/z比)的注入后z轴离子振荡范围由圆柱体36表示(注意，该圆柱表示仅为示意性的-任何m/z比的离子占有区域都要比圆柱面更复杂)。发明人已经意识到，这种常规的操作模式会致使可用捕集容积的低效利用，并导致静电阱内的随之发生的不均匀的空间电荷密度。

与ORBITRAP^TM质量分析器(具有如图1A和1B示意性所示的配置)相关的早期文献(例如5,886,346号美国专利和Makarov的《静电轴向谐波轨道捕集：一种高性能的质量分析技术》分析化学杂志(Electrostatic Axially Harmonic Orbital Trapping：A High-Performance Technique of Mass Analysis，Anal.Chem.)2000年第72(6)卷第1156-1162页)，描述了所称的“质量选择不稳定性”(MSI)操作模式。根据称为“参数共振”的第一种MSI模式，在内电极6和外电极8a、8b之间施加补充RF正弦电压。在这种操作模式中，描述所述阱内z轴离子运动的方程是众所周知的Mathieu方程。在称为“共振激发”的替代MSI模式中，补充正弦电压以特定质量的共振轴向频率被施加到两个外电极半部8a、8b之一，该特定质量的轴向运动要被激发。与参数共振MSI方法类似，这种共振激发的离子会被轴向弹出。

在发明人姓名为Makarov等人的6,872,938号美国专利中(所述专利通过引用并入本文)，参数共振和共振激发的概念被扩展为包括离子激发而不含弹出以及去激发。根据6,872,938号美国专利的教示内容，通过亚稳解离过程(MSD)所生成的碎片离子可以在静电阱质量分析器中通过使用去激发接着以随后激发来进行分析。从其产生所述碎片的能量前体离子在注入所述静电阱之前被激活，随后允许其在该静电阱内解离。在解离之前，通过以适当的频率(诸如所述前体离子的无阻尼轴向振荡的频率的两倍)施加补充正弦电压波形来选择性地去激发前体离子的轴向运动。通常，所述补充波形包含射频(RF)波形。所述补充正弦电压的施加降低选定离子的轴向振荡的幅度，使得仅有选定前体离子被引入并限制在所述离子阱的赤道平面7上。所述前体离子在这种状态下保持足够长的时间，以允许亚稳衰减发生。随后通过宽带补充波形的施加来激发剩余前体离子以及由MSD产生的任何碎片离子的所述z轴振荡。

描述上述参数共振和共振激发技术目的在于通过共振弹出进行质谱扫描，或检测静电阱内解离所产生的碎片离子。由于容易利用其他装置进行质谱扫描和离子碎片化，因此参数共振和共振激发的这些技术尚未广泛用在静电阱质量分析器的操作中。但是，本发明人已经认识到可以更有利地采用共振激发和去激发技术，以便至少部分地分离不同m/z比的离子的离子占有区域，从而减少所述阱内电荷密度的局部积聚。离子密度的降低在所述z轴振荡极值处尤其有效，因为这些z轴振荡极值会由此根据m/z沿z轴分散。因此，通过离子密度的再分配更有效地利用可用的捕集容积。

鉴于以上观察，图4A是根据本教示内容在质谱仪系统内操作静电阱质量分析器的方法40的流程图。如果补充激发(或去激发)电压波形的形式可从先前实验简单计算得出或者已知，则可以在步骤44b处开始执行方法40，在该步骤处可以计算所述电压波形或者可以检索与该电压波形相关的预定或先前存储的信息。否则，可以在步骤41处开始执行所述方法40。如果在步骤44b处检索到预定或先前存储的信息，则可能已经通过所述方法40的先前的执行导出此类信息，其中先前的离子样本是一组校准离子。如果在步骤44b处计算补充电压激发波形，则在一些情况下，该波形可被计算为为多频电压波形，其中各种周期性分量的频率或幅度(或两者)分别从选定的频率范围和选定的振幅范围中酌情选择。例如，所述选定的频率范围(从中选择频率以包括在所述补充多频波形中)可能对应于特定实验中待检测的m/z比的范围。

在所述方法40的步骤41中，通过从所述阱的赤道平面偏移的孔(例如孔5)将第一个离子包提供给所述静电阱质量分析器。所述离子可以通过任何已知的电离技术产生，例如通过热喷雾电离、电喷雾电离、电子电离、化学电离、基质辅助激光解吸电离、光感生电离等。所述电离可以通过质谱仪系统的离子源组件进行。在注入之前，离子群可以积聚在质谱仪系统的积聚离子阱组件内。积聚的离子中的至少一些随后作为离子包提供给静电阱，该离子包通过施加电压脉冲在空间上和时间上紧密成束，该电压脉冲释放作为离子包的积聚离子。通过从该静电阱的赤道对称平面偏移的离子注入孔执行将离子注入到所述静电阱中，使得注入时会在静电阱内立即开始离子振荡(即根据所称的“注入激发”技术)。

在方法40的后续步骤42中(图4A)，允许各种m/z比的离子包的离子在静电离子阱内振荡，并且由检测电极来测量跟踪所有离子种类的组合离子振荡的镜像电流，并将该镜像电流以已知方式记录为暂态信号。在步骤43中，使用如8,853,620号美国专利所教示的增强型傅里叶变换(eFT)方法或者替代地任何等效数学方法，从所测得和记录的暂态信号计算得出初步质谱。根据eFT方法，首先以常规方式(例如通过快速傅里叶变换)计算傅里叶变换，以便在频域中产生复频谱的实分量和虚分量。随后频谱(或质谱，通过变量的简单变换)被计算为组合所称的“正频谱”(在许多情况下，其可以是功率谱、幅度谱或其估计谱中的任何一个)及“吸收谱”，该吸收谱是应用适当的相位校正(该校正使校正后的相位在峰中心处为零)后的复频谱的实分量。导出的频谱(或质谱)通常包括多个峰，其中所述频域中的每个此类峰的位置提供关于所述静电阱内相应m/z比的离子种类的振荡频率的信息。所确定的相位校正提供关于所述各种离子种类(对应于所述频谱中的相应峰)的振荡之间的相对相位偏移的信息，以及通过推断相位与频率(从而m/z)的函数关系得出的信息。

在方法40的后续步骤44a中(图4A)，在先前步骤43中导出的相位和频率信息被用于计算要施加到所述静电阱的电极(例如，在之后的步骤48中)的补充或辅助周期性电压波形的频率。该补充或辅助电压波形可由一组叠加(多路复用)分量周期波形组成，每个分量波形包含与相应m/z比的离子种类的振荡频率(通常，如上所述z轴振荡的频率)对应的频率的相应周期波形。每个波形分量频率与跟其对应的离子种类的振荡频率相关联。所述波形分量频率和离子种类振荡频率可以是相同的；但在某些情况下，该波形分量频率可以是所述离子种类振荡频率的整数倍或非常接近所述离子种类振荡频率的整数倍，例如该离子振荡频率的两倍。每个波形分量的相位可以是使得当被施加时，电压波形分量的周期性振荡主要与对应离子种类的振荡“同相”地添加至离子运动；不过，可采用所述离子振荡和波形分量之间的某种其他预定相位关系。可以根据在步骤43中生成的相位信息来确定波形分量相位。每个波形分量的振幅对应于施加到所述对应离子种类的振荡的激发或去激发的程度。根据一些实施例，激发波形可能不是周期性的，而是可包括简单的脉冲，因为脉冲可被视为包括可激发包含多个m/z值的离子的振荡的分量频率的连续范围。在这种情况下，可以跳过步骤44a。

如果不可能或难以如上所述多路复用各种波形分量，则可以在其各自的时间段内施加每个波形分量。然后将顺序地而非以叠加方式施加所述波形分量。在这种替代的操作类型中，在特定的相应段施加时间将每个波形分量施加至所述电极。确定每个此类段施加时间，使得所施加的周期波形分量的相位与对应离子种类的振荡的相位相关联。通常，每个段施加时间是使得所施加的该段波形分量与对应离子种类的振荡“同相”；不过，可采用所述离子振荡和波形分量之间的某种其他预定相位关系。在这种替代的操作模式中，可以根据步骤43中所生成的相位信息来确定所述波形段施加时间。

如果方法40的特定执行(步骤45)涉及校准实验，可能使用包括校准化合物的样本，那么步骤43中生成的补充电压波形信息可被保存以供之后的分析(步骤52)使用，并且该方法可在步骤53处终止。否则，可以继续执行步骤46，在该步骤中，将来自与第一个离子包相同的通用离子群的新离子包注入到静电阱中。将注入时间设置为“时间零点”(t＝0，以t₀表示)，以用于确定要在后续向阱电极供应补充或辅助电压波形(在之后的步骤48中)期间施加的相位偏移。以与第一次注入(步骤41)相同的方式进行第二次注入。

在方法40的可选步骤47中(图4A)，补充或辅助宽带去激发电压波形被施加至静电阱质量分析器的电极，以便将所有离子的z轴振荡完全去激发至已知起始状态，其中所述离子暂时限制于赤道平面。接着此步骤之后，使用计算得出的补充激发电压波形(步骤44a)或预定的补充激发电压波形(步骤44b)或者替代地简单的脉冲函数，将z轴振荡后续激发到期望的振荡幅度分布(在步骤48中)。所述期望的振荡幅度分布是减小阱内的总电荷密度，从而改善阱性能以及从阱获得的质谱的质量的分布。电压波形的每个分量用于将频率相近的离子种类的z轴振荡激发至较高振幅，或者替代地将仅频率相近的离子种类的z轴振荡“去激发”至较低振幅。此类去激发仅适用于先前可选的宽带去激发步骤(步骤47)尚未被执行的情况。所述电压波形的分量与任何特定m/z在频率上越接近，与该m/z的运动的耦合效应就越强。但所有施加的波形频率分量都或多或少地耦合至所有离子的运动。

施加激发波形以将离子种类激发至更高平均动能水平扩大该离子种类的z轴振荡范围，并且还可增大或减小绕纺锤电极的平均轨道半径。相反，施加激发波形以实现去激发缩小该离子种类的z轴振荡范围，并且还可减小或增大该离子种类的平均轨道半径。此外，施加此类激发和去激发波形还可增大或减小围绕该种类的平均轨道半径的轨道半径扩展。可以通过以与对应离子种类的振荡相同的频率和同相正交(in phase quadrature with)施加电压波形分量，实现激发；可以通过以相对于离子种类振荡的某个其他相位或频率关系施加电压波形分量，例如异相、同相正交或者该离子振荡频率的两倍，实现去激发。

现在参考图3B，其中示出了图1A和图1B所示类型以及根据本教示操作的静电阱质量分析器内两种各不相同的m/z比的离子的轴向振荡范围示意描绘。在图3B中，只有极值以在宽带谱中观察到的最高m/z(以圆柱体38表示)和最低m/z(以圆柱体34表示)来表示。发现，作为m/z的函数，z振幅最大值的扩展减少阱容积内空间电荷密度的局部积聚，特别是在z轴振荡极值处，否则所有离子的振荡极值会几乎一致。通过施加补充波形所提供的振荡幅度的分散提高了所得频谱的质量。

补充或辅助场可以以各种方式施加到电极，如图5A、5B和5C所示。在图5A-5C的每幅图中，元件11为电压波形源，其可包括诸如数字波形发生器、电源、放大器等的各种电子和电气组件。其他电气组件在图5A-5C中未示出，例如用于维持和控制内电极和外电极之间的直流电压差的电源和控制器、测量镜像电流的组件等。还应注意，在每幅图中，电极8a和8b中的每一个在三维上是圆柱对称的，因此，每个这样的电极由单片(即，非两片)形成。在图5A中，补充或辅助电压跨两个外电极8a、8b提供，这种配置预期用于主要共振激发如前所述的轴向(z轴)振荡。在图5B中，补充或辅助电压施加在内纺锤电极6和一对外电极8a、8b之间，这种配置也预期用于共振激发轴向振荡以及根据m/z径向分散离子。在图5C中，补充或辅助电压施加在内纺锤电极6和仅一个外电极(电极8a或电极8b)之间。

回到方法40(图4A)的讨论，步骤49是与在前步骤42类似的另一个暂态信号测量和记录步骤，除了在步骤49中，测量是由与整个捕集容积中更有利的离子分散相对应的离子振荡组成，如步骤49中，通过施加补充或辅助波形所提供。随后，使用任何合适的变换或计算技术，但优选使用上述增强型傅里叶变换技术，在步骤51中计算最终质谱。相对于在步骤43中计算出的初步质谱，在步骤51中计算出的质谱可被认为是精细质谱。可根据需要使用相应的离子包来重复步骤46至51。在计算出的频谱m/z中的报告的m/z峰的幅度可以依照(通常与之相反)它们相对应的z轴振荡幅度进行调整，使得由相同量的离子净电荷所产生的不同m/z峰具有相同或几乎相同的幅度。

图4B是根据本教示操作静电阱的第二种方法(方法60)的流程图。方法60(图4B)适用于在静电阱4的赤道平面7上注入离子(参见图1B)，与前述方法40(图4A)相反，后者适用于通过从赤道平面偏移的孔(例如孔5)进行离子注入。在步骤61中，检索预定的补充激发波形。根据一些实施例，激发波形可以是周期性的，并且可以包括相应频率的一组周期性分量。根据其他一些实施例，激发波形可以不是周期性的，而是可包括简单的脉冲，因为脉冲可被视为包括可激发包含多个m/z值的离子的振荡的分量频率的连续范围。在此类后者情况下，可以跳过步骤61。在步骤62中，暂停施加任何先前的补充波形。在步骤63中，在阱的赤道平面上将离子包引入静电阱中。由于赤道平面有效地定义了关于z轴振荡的谐波势阱的底部，因此所有注入的离子在赤道平面内暂时停留在绕纺锤电极6的轨道中。接下来，在步骤64中，施加补充激发波形，如前所述，使得各种离子以作为它们各自频率和m/z比的函数的z轴振荡极值沿z轴发展振荡运动。在步骤65中，测量暂态信号，并且在步骤66中，以已知方式使用暂态信息来计算质谱。然后可根据需要多次重复步骤62-66，以便重复对给定样本成分的质谱分析或执行对不同样本成分的质谱分析。

在上文中，已经参照图1A-1B中示意性示出的ORBITRAP^TM质量分析器描述了本发明。本发明也适用于其他形式的静电阱质量分析器的操作，其中离子经历数学上正交的振荡运动分量，并且其中至少一个此类分量的振荡频率与其他振荡分量无关。例如，本发明也适用于如上所述的高阶Kingdon阱的操作，其包括Cassinian静电离子阱质量分析器。

一般而言，Cassinian静电离子阱包括具有离子排斥电势的外电极和具有离子吸引势的至少两个内电极，其中外电极和内电极以在一个空间方向上形成谐波电势，并且垂直于该空间方向，形成离子在稳定的径向轨迹上移动的电势的方式成形和排列。例如，如7,994,473号美国专利中所述的已知Cassinian静电离子阱包括维持在第一电势处的外电极以及两者均维持在相同第二电势处的两个纺锤形内电极。外电极和内纺锤电极共同在电极之间产生电势U，其形式为方程4：

其中，x、y、z为笛卡尔坐标，U₀为与外电极和内电极之间的电压成比例的势的偏移，U_C为比例因子，并且其中a、b和k为参数(常数)。外电极和这两个纺锤形内电极被成形和排列成使得外电极的内表面和纺锤形内电极的表面各自对应于上述电势的等势面。因此，每个纺锤电极被成形有一直径，该直径在其中心区域处最大并且朝向两端逐渐减小。参数a和b与电极系统的径向几何相关。不为零的参数b对应于每个纺锤的轴与中心z轴之间的距离。参数k确定离子沿z轴的谐波运动，并且也与外电极和内电极之间的电压成比例。具体地说，参数k、离子质量m和离子的电荷z确定沿z方向的谐波振荡的振荡频率ω：

如前述7,994,473号美国专利中所指出，从这种Cassinian静电离子阱获得质量相关数据的一种方法是测量沿z方向的离子振荡频率。在Cassinian静电离子阱内振荡的每个离子包在离子检测器中感生周期性信号，该信号作为时间的函数经电子放大并进行测量。所述离子检测器包括检测元件，例如检测线圈，离子包在其中飞过时会感生电压；或者检测电极，例如外电极或内电极的段，离子包在其中飞过时会感生镜像电荷。因此，类似于在ORBITRAP^TM轨道捕集静电阱的操作期间采用的数据采集程序，可使用傅里叶变换(或其他数学变换)将测量的z轴振荡的时间信号转换为频谱，其可以通过z轴振荡频率的已知质量依赖关系被转换为质谱。

前述7,994,473号美国专利教示，可以通过将离子引入两个内电极之间的对称平面(中间y-z平面)，来将离子优选地引入到上述类型的Cassinian静电离子阱中。在引入时，此类离子平行于至少y轴开始振荡。此外，如果离子在并未处于z轴谐波势的最小值处的z轴坐标处被引入中间y-z平面中，则它们也将立即沿z轴开始振荡。不过，如果离子可以直接在谐波势的势最小值处被准连续地引入，则离子根据它们在z方向的初始能量沿z轴仅以小幅度移动。在离子以这种方式被引入并存储在势最小值中之后，它们被激发至谐波振荡，例如通过沿z轴使用高频电偶极场。

在ORBITRAP^TM静电轨道捕集质量分析器中，离子经历复杂的运动，所述复杂的运动可以被表示为在绕中心纺锤电极的轨道运动上的径向振荡以及z轴轴向振荡的叠加，该中心纺锤电极的长维度限定了z轴。当离子注入到Cassinian静电离子阱质量分析器(其具有如上所述的一个外电极和长轴平行于z轴的两个内纺锤电极)的中间y-z平面中时，离子经历复杂的运动，所述复杂的运动可以被描述为x-y平面内(但限制为靠近y-z平面)的径向振荡在z轴轴向振荡上的叠加。7,994,473号美国专利还教示了切向离子注入，其中x-y运动采取绕纺锤电极的轨道形式，或者绕纺锤电极轨道运行。同一专利还教示了一种更复杂的装置，其具有一组四个纺锤电极，离子可绕这些电极以三叶草形进行轨道运行。

在ORBITRAP^TM静电轨道捕集质量分析器和Cassinian静电离子阱质量分析器两者中，z轴振荡在数学上与其他振荡分离，并可在数学上处理为平行于z轴的简谐振荡，其中z轴谐波势的表观最小值出现在所述装置的对称中心平面处。在所述任一装置的操作中，为了获得可用于质量分析目的的m/z相关数据，更有利地使用与z轴平行的这一表观简谐运动。在ORBITRAP^TM静电轨道捕集质量分析器或Cassinian静电离子阱质量分析器的操作中，离子注入可在位于或远离表观z轴势最小值(通常对应于所述装置的对称中间平面)处受到影响。如果离子注入远离最小值发生，则立即开始z轴振荡。如果离子注入发生在最小值附近，则z轴运动最初会大部分或完全被抑制，但随后可通过施加补充激发电压或电压波形而被激发。在所述任一类型的静电阱的操作期间，与z轴势最小值处相较，z轴振荡的极值处(所谓的“转向点”，其在双纺锤阱中间隔大约20毫米，如7,994,473号美国专利指出)的离子密度更大。

目前的轨道捕集静电阱以及采用此类阱的质量分析器(如ORBITRAP^TM质量分析器)是从早期的Kingdon阱扩展和改进而来。由于ORBITRAP^TM质量分析器和Cassinian阱质量分析器的操作之间存在上述相似之处，各种已知的Cassinian阱及其衍生装置可被称为“高阶Kingdon”阱。此外，由于这些操作上的相似性，本文教示的新颖操作方法也适用于任一种类的质量分析器，该方法通过将一个(或多个)补充调制场叠加到主捕集场来对z轴振荡幅度进行编程。7,994,473号美国专利教示，补充场的施加可以通过提供多段形式的外电极或内电极(或两者)来实现，而不是提供作为相应整体片的内电极和外电极，所述多段被成形、排列和提供有电压以使得产生合适电势。因此，图5A-5C所示的补充电连接虽然严格可适用于ORBITRAP^TM质量分析器的操作，但也可根据需要并如对本领域普通技术人员来说显而易见地进行修改，以便向采用高阶Kingdon阱的质量分析器提供所需的补充电压。例如，图5A-5C中的每一个中仅示出单个纺锤电极，高阶Kingdon阱的多个纺锤优选地将共同被电连接。作为另一个实例，虽然7,994,473号美国专利仅特别示出Cassinian阱的外电极作为单个整体片，但本领域的普通技术人员可以容易地想象出外电极可以被分成两个半部，类似于外电极在图5A-5C中所示的方式，从而使得补充电压波形可以跨两个半部被施加，同时共同捕集电压正在被共同施加至两个半部。

本申请中包括的讨论旨在用作基本描述。尽管已经根据所示出和描述的各种实施例描述了本发明，但是，本领域的普通技术人员很容易认识到实施例可能存在变化，并且这些变化将不超出本发明的精神和范围。读者应当了解，具体的讨论可能无法明确地描述所有可能的实施例；可能隐含多项替代方案。因此，在不脱离本发明的范围和实质的情况下，本领域的普通技术人员可以做出多项修改。描述和术语均并非旨在限制本发明的范围。本文提及的任何专利、专利申请、专利申请公开号或其他文献各自的全部内容均完整并入本文作为参考，视同本文所述。

Claims

1.一种操作静电捕集质量分析器的方法，包括：

将来自离子群的离子样本引入所述质量分析器的捕集区，其中所述捕集区内的既定捕集场使得所引入的离子样本中的离子被引起相对于该捕集区的中心纵轴表现出径向运动，同时在由所述捕集区的中心纵轴限定的z维度中经历谐波运动，特定离子的谐波运动的频率是其质荷比的函数；

将包含从频率范围随机选择的多个频率的多频周期性调制场叠加到所述捕集区内的捕集场上，所述多频周期性调制场用于将所述离子的谐波运动能量增大或减小根据谐波运动的频率而变化的量；以及

通过测量代表由所述离子的谐波运动引起的镜像电流的信号来获取所述捕集区中的离子的质谱，其中获取所述捕集区中的离子的质谱包括测量暂态信号，所述暂态信号包括所述捕集区内的离子样本的所有离子种类的单暂态信号，所述所有离子种类包括具有增大或减小的谐波运动轴向振荡范围的离子种类。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个频率中的每个频率与相应幅度相关联，其中所述幅度为随机选择的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中将所述离子样本引入所述捕集区包括将该离子样本引入到Cassinian阱质量分析器的捕集区中。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述捕集区包含：

具有内表面的外电极；和

两个纺锤形内电极，这两个内电极具有相应的纺锤轴和相应的纺锤外表面，其中所述纺锤轴与所述纵轴平行且等距离，

其中所述外电极的内表面和所述纺锤电极的外表面被布置和成形为使得对应于所述捕集场的捕集势具有以下面公式表达的形式：

其中x、y和z为笛卡尔轴，z为纵轴，x-y平面为所述捕集区的镜像对称平面，且U₀、U_C、a、b和k为常数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中通过以下方式来执行所述多频周期性调制场到所述捕集场上的叠加：

在两个纺锤形内电极和外电极之间施加周期性电压波形，其中所述纺锤形内电极之间没有势差。

6.根据权利要求4所述的方法，其中所述外电极包含两个分离的外电极段，并且通过以下方式来执行所述多频周期性调制场到所述捕集场上的叠加：

在两个纺锤形内电极和所述外电极段之一之间施加周期性电压波形，其中所述纺锤形内电极之间没有势差。

7.根据权利要求4所述的方法，其中所述外电极包含两个分离的电极段，并且通过在所述分离的外电极段之间施加周期性电压波形来执行所述多频周期性调制场到所述捕集场上的叠加。

8.根据权利要求1所述的方法，其中将所述离子样本引入所述捕集区包括将所述离子引入到由以下限定的捕集区：

内纺锤电极，该电极具有围绕所述纵轴呈轴对称的外表面，且该外表面围绕垂直于所述纵轴的中心赤道平面对称；和

一对外电极，该对外电极被布置在所述赤道平面任一侧并具有相应的内表面，

其中所述内纺锤电极的外表面和所述外电极的内表面被成形为使得对应于所述捕集场的捕集势是四对数势，该四对数势通过在所述内纺锤电极和所述外电极之间施加静电电压差而形成。

9.根据权利要求8所述的方法，其中通过以下方式来执行所述多频周期性调制场到所述捕集场上的叠加：

跨所述一对外电极或在所述内纺锤电极与所述外电极之一之间施加周期性电压波形。

10.根据权利要求8所述的方法，其中通过以下方式来执行所述多频周期性调制场到所述捕集场上的叠加：

在所述内纺锤电极和所述两个外电极之间施加周期性电压波形，其中所述外电极之间没有势差。

11.根据权利要求1所述的方法，其中将所述离子样本引入所述捕集区包括将所述离子引入到由以下限定的捕集区：

12.根据权利要求11所述的方法，其中通过以下方式来执行所述多频周期性调制场到所述捕集场上的叠加：

跨所述一对外电极、在所述内纺锤电极与所述外电极之一之间或者在所述内纺锤电极与所述两个外电极之间施加多频周期性电压波形。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述多频周期性电压波形的多个分量频率和所述多频周期性电压波形的多个相位偏移是从对由所述静电捕集质量分析器响应于先前从所述离子群中将不同离子样本引入到所述捕集区而产生的先前信号的分析来确定的，每个相位偏移与所述分量频率中的相应的一个分量频率相关联。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多频周期性电压波形的多个分量频率由所述先前信号的变换确定，且所述多频周期性电压波形的多个相位偏移由施加到所述先前信号的变换的虚分量和实分量的相位校正来确定。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述多频周期性电压波形的多个分量频率和所述多频周期性电压波形的多个相位偏移是从对由所述静电捕集质量分析器响应于在将所述多频周期性调制场叠加到所述捕集场上之前将所述离子样本引入到所述捕集区而产生的先前信号的分析来确定的，每个相位偏移与所述分量频率中的相应的一个分量频率相关联。

16.根据权利要求12所述的方法，其中所述多频周期性电压波形的多个分量频率和所述多频周期性电压波形的多个相位偏移是从对由所述静电捕集质量分析器响应于在将所述多频周期性调制场叠加到所述捕集场上之前将一组校准离子引入到所述捕集区而产生的先前信号的分析来确定的，每个相位偏移与所述分量频率中的相应的一个分量频率相关联。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述多频周期性电压波形的多个分量频率由所述先前信号的傅里叶变换来确定，且所述多频周期性电压波形的多个相位偏移由施加到所述先前信号的傅里叶变换的虚分量和实分量的相位校正来确定。

18.根据权利要求1所述的方法，其中将所述多频周期性调制场叠加到所述捕集场上使得所述质谱，相比于在未将该多频调制场叠加到所述捕集区内捕集场上的情况下使用所述质量分析器获得的所述离子样本的质谱，谱分辨率得到提高。

19.根据权利要求1所述的方法，其中将所述多频周期性调制场叠加到所述捕集场上使得该多频调制场用于基本上消除所述维度z中所有所述离子的谐波运动，并且其中所述方法进一步包括，在获得所述离子的质谱之前：

将第二多频周期性调制场叠加到所述捕集区内的捕集场上，所述第二多频周期性调制场用于将所述离子的谐波运动能量增大根据谐波运动的频率而变化的量。