CN110391130B - 到静电阱的离子注入 - Google Patents

Abstract

将离子注入到静电阱中。将喷出电位应用于离子存储装置，以致使存储于所述离子存储装置中的离子朝向所述静电阱喷出。将一个或多个注入电位应用于与所述静电阱相关联的电极，以致使从所述离子存储装置喷出的所述离子被所述静电阱捕获。其中应用所述喷出电位和应用所述一个或多个注入电位的步骤各者在相应的不同时间处起始，基于待被所述静电阱捕获的离子的所要质荷比值来选择时间差；并且其中产生具有预定频率的RF电位，并且使用所述RF电位的所述预定频率测量应用所述喷出电位和应用所述一个或多个注入电位的所述步骤的相应起始时间之间的所述差。

Description

到静电阱的离子注入

本申请是申请日为2017年05月22日、中国国家申请号为201710362723.X、题为“到静电阱的离子注入”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种将离子从离子存储装置和对应的质谱仪注入到静电阱中的方法。

背景技术

使用静电阱作为质量分析器(例如轨道捕集质量分析器(以商品名为Orbitrap(TM)出售))已提供具有高动态范围的高分辨率质谱。此类型的质谱法(确切地说，利用轨道捕集质量分析器)日渐用于检测小有机分子以及大的完整蛋白质和天然蛋白质复合物。

此类型的质量分析器以较宽质荷比(m/z)比范围的极值捕集分子物质的固有能力可取决于到静电阱中的离子注入的质量。为帮助理解注入过程，考虑如何操作此类型的现有质量分析器是有用的。

参考图1，描绘使用轨道捕集质量分析器的已知质谱仪的示意图。此质谱仪由赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)公司以商品名Exactive Plus(TM)出售。质谱仪包括：大气压电离离子源10；源注入光学件20；弯曲平杆(flatapole)离子导向器30；转移多极离子光学装置40；曲线型线性阱(CLT或C阱)50；Z透镜60；轨道捕集质量分析器70；较高能量碰撞解离(HCD)碰撞室80；和收集器90。源注入光学件20包括：毛细管21；S透镜22；S透镜出射透镜23；注入平杆离子光学装置24；和平杆间透镜25。还提供：平杆出射透镜35；对切透镜36；C阱入射透镜53；和C阱出射透镜55。

如众所周知的，轨道捕集质量分析器70是轴向对称的并且包括被一对钟形外部电极75包围的纺锤形中心电极(CE)72。质量分析器内的电场用以捕获和限制其中的离子，使得捕集的离子在绕中心电极的轨道上运行时经历在分析器的轴向方向上的重复振荡。提供偏转器电极65以使入口孔隙邻近于轨道捕集质量分析器70，从而将离子偏转到入口中。离子以高能量(通常为1到2keV/电荷)从CLT 50注入到轨道捕集质量分析器70中，以达成动态捕集。如果注入以此类能量在数百微秒内发生，那么所述过程可持续数百个离子反射。在静电阱外部无任何碰撞冷却的情况下，离子稳定性可打折扣。为实现高效离子捕集，在注入槽附近的离子包的时间展宽应短于静电阱中的轴向离子振荡的周期的一半。因此，使用短注入时间，这产生对离子捕获的严格要求。虽然在此实例中的质量分析器是轨道捕集类型的，但类似考虑因素适用于到其它静电阱中的离子注入，这通常对离子注入和捕获具有严格要求。

在图1中所示的实例中，到轨道捕集质量分析器70的注入涉及C阱50。用于分析的离子在正交于所述离子从转移多极离子光学装置40进入C阱50的方向上从C阱50喷出。这通过使应用于C阱的棒的RF电位斜降并且将提取电压脉冲应用到电极来实现。C阱50的初始曲度和后续透镜(Z透镜60)致使离子束在入口上会聚到轨道捕集质量分析器70。Z透镜60还提供差分泵抽槽(以静电方式使离子偏转远离气体喷射，进而消除到分析器中的气体残留)并且致使离子束到轨道捕集质量分析器70的入口中的空间聚焦。

离子从C阱50的快速脉冲致使每一质荷比的离子作为仅数毫米长的短包到达轨道捕集质量分析器70的入口。对于每一质荷比物质的离子，这对应于针对数百道尔顿/电荷的质荷比仅数百纳秒的飞行时间的扩展。此类持续时间显著短于静电阱70中的轴向离子振荡的周期的一半。当离子在偏离其中纬线的位置处注入到轨道捕集质量分析器70中时，这些包在无需任何额外激励循环的情况下起始相干轴向振荡。

注入还可依赖于在注入事件期间应用于偏转器电极65和CE 72的动态波形。这些可统称为CE注入波形。在注入事件期间进入分析器的离子物质经历捕集区内部(在CE72和外部电极75之间)的动态电场，并且同时在轴向振荡的数个初始周期期间以减小的半径在环绕CE 72的轨道上运行。这是被称为动态挤压的过程。在注入时，应用于CE 72的电位以斜变方式变化，例如对于正离子的捕集具更大负值，并且对于负离子的捕集具更大正值。CE处的此动态电位减小在注入事件期间捕集区中的离子的径向位置，并且造成静电阱内的离子捕集和后续检测。

此注入的详细论述还提供于第WO-02/078046号国际专利公开案中，并且此文献的内容以引用的方式并入本文中。对于图1中所示的质谱仪，检测具有介于50汤姆森(Th，等效于道尔顿/元电荷)和6000Th之间的m/z比的离子通常是可能的。改进(且在可能的情况下，优化)m/z比的范围以可被容易地检测是合乎需要的。然而，达成此类改进仍具挑战性。

发明内容

针对此背景技术，提供一种将离子注入到根据权利要求1的静电阱和如在权利要求23中定义的质谱仪中的方法。在附属权利要求项中详述本发明的进一步特征。所述质谱仪可操作以执行对已通过所述注入离子的方法捕获于静电阱中的离子的质量分析。注入事件包括两个主要部分：(a)将喷出电位应用于离子存储装置；以及(b)将一个或多个注入电位应用于电极，所述电极可与静电阱(优选地，所述静电阱是轨道捕集类型的)相关联。喷出电位致使存储于离子存储装置中的离子朝向静电阱喷出。一个或多个注入电位致使从离子存储装置喷出的离子被静电阱捕获。确切地说，不同振幅的同步注入电位可同时应用于与静电阱相关联的多个电极(例如偏转器和中心电极)。离子存储装置有利地是线性离子阱以及优选地曲线型线性阱(被称为CLT或C阱)，尤其是在使用轨道捕集类型的静电阱时。

常规地，(a)和(b)同时起始。有利地，本发明在不同时间起始(a)和(b)。有利地基于被静电阱捕获的离子的所要质荷比值(其可被一或多个质荷比范围涵盖)来选择所述起始时间(或至少，所述起始时间在方向和/或幅值方面的差)。换句话说，为捕获包含具有特定质荷比范围的离子的离子，可选择以下任一项：(a)可在(b)之前起始；或(b)可在(a)之前起始，并且从这两个选项的选择取决于所述特定质荷比范围。在另一种意义上，起始(a)和起始(b)之间的时间长度可取决于特定质荷比范围。

通过使用此技术，检测具有低至35Th或高达20000Th(或更高)的m/z比的离子是可能的，这与针对现有操作模式的范围相比是显著更宽的范围，在范围的两端具有改进。此外，可出于优化的离子检测来有利地调整质谱仪的m/z范围。以此方式，谱中的最高和较低m/z比的比可高达40:1并且可能更高。举例来说，可基于在喷出和注入电位之间的不同延迟时间处进行的静电阱中的多个“微扫描”(即，从到静电阱中的相应的多个离子注入)来产生质谱，以便达成更高范围的m/z比。换句话说，每一扫描是基于不同延迟时间并且提供不同m/z比范围的离子的质谱。此类谱的总和进而提供与每一个别扫描相比更高m/z比范围的“复合”质谱。

已发现，在被静电阱捕获的离子的所要质荷比范围涵盖低于阈值质荷比(例如，约100汤姆森)的范围的情况下，(b)应有利地在(a)之前起始。此时间差的持续时间(幅值)可至少为与一个或多个注入电位相关联的感应(沉降)时间周期的持续时间(幅值)。感应周期可为约1μs，因此(b)可在(a)之前约3μs起始。优选地，(b)可以介于1μs到5μs、2μs到4μs之间或为约3μs的时间差在(a)之前起始。

相反地，如果被静电阱捕获的离子的所要质荷比范围涵盖高于极限质荷比(例如，约8000汤姆森)的范围，那么(a)应有利地在(b)之前起始。也就是说，应用一个或多个注入电位的起始相对于应用喷出电位的起始经延迟。此时间差的持续时间可基于以下各项中的一个或多个：与喷出电位相关联的时间周期；与一个或多个注入电位相关联的时间周期；以及与离子在离子存储装置和静电阱之间的飞行时间(尤其是具有至少极限质荷比的质荷比的离子的飞行时间)相关联的时间周期。确切地说，所述时间差可大于离子在离子存储装置和静电阱之间的飞行时间，但小于离子在离子存储装置和静电阱之间的飞行时间(通常，针对约8000和更高的m/z的离子为至少15μs)和相关联于一个或多个注入电位的放电时间常量(例如，约10μs)的总和。因此，可在实践中使用介于15μs到25μs之间(例如，约20μs)的时间差。然而，可能针对捕集最高m/z离子使用(b)在(a)之后的较长延迟，例如介于25μs和50μs之间的时间差。

举例来说，在静电阱是轨道捕集类型的情况下，其包括中心电极和同轴外部电极。同轴外部电极通常包括一对钟形外部电极。接着，应用一个或多个注入电位的步骤可包括将捕集注入电位应用于中心电极和/或偏转器。此电位可为从第一注入电位电平到第二较低注入电位电平的斜变电位。第二电位电平可为零电位。为了捕集正离子，到中心电极的捕集注入电位优选地是从第一负电位电平改变到较低(即，具更大负值)电位电平的斜变电位。举例来说，第一电位电平可在从-3.2kV到-3.7kV的范围内，并且第二较低电位可为约-5kV。为了捕集负离子，这些极性将反转(即，将正电位应用于中心电极)。第二电位电平优选地是应用于中心电极的最终电位：即，在检测静电阱中的离子期间在注入过程之后应用于电极的电位。中心电极上的电位从第一电位电平斜边到第二电位电平的持续时间可在5μs到200μs(例如5μs到100μs，但优选地5μs到50μs)的范围内。

可通过减小应用于离子存储装置的电极的电位的幅值来应用喷出电位，使得存储于离子存储装置中的离子朝向静电阱喷出。减小应用于离子存储装置的电极的电位的幅值有利地包括切断电位，例如应用于离子存储装置的一个或多个电极的RF电位，例如应用于多极棒电极的RF电位。替代地或优选地另外，可通过将提取电位以优选地应用于一个或多个电极的一个或多个DC电位的形式应用于离子存储装置的一个或电极来应用所述喷出电位。在一个实施例中，相反极性的DC电位可应用于离子存储装置的至少两个电极，从而提供离子存储装置中的离子的推挽以将所述离子从所述装置喷出。应用于离子存储装置的喷出电位的持续时间可在5μs到40μs(优选地10μs到20μs)的范围内。

一个或多个注入电位可包括应用于离子存储装置和静电阱之间的离子偏转器的偏转注入电位。这可致使离子朝向静电阱行进(以及/或聚焦于所述静电阱的入口孔隙上)。另外或替代地，一个或多个注入电位可包括应用于静电阱的电极的捕集注入电位。

在其中静电阱是轨道捕集静电阱的实施例中，捕集注入电位可应用于静电阱的中心电极，所捕获的离子在环绕所述中心电极的轨道上运行。可同时起始捕集注入电位和偏转注入电位的应用。这从简化角度是有利的。在其不同时起始的情况下，相对于应用喷出电位的时间差是指首先起始捕集注入电位和偏转注入电位。

附图说明

本发明可以通过多种方式实践，并且现将仅借助于实例且参考附图来描述优选实施例，在附图中：

图1描绘使用轨道捕集质量分析器的已知质谱仪的示意图；

图2a说明根据一个实施例的应用于图1的质谱仪的部分的注入和喷出电位的信号波形；

图2b说明根据另一实施例的应用于图1的质谱仪的部分的注入和喷出电位的信号波形；

图3描绘根据实施例的控制系统的示意性框图；

图4示出具有低质荷比范围的离子物质的实例质谱，其中(a)使用现有方法以及(b)使用实施例；

图5示出具有高质荷比范围的离子物质的第一实例质谱，其中(a)使用现有方法以及(b)使用根据第一方法的实施例；以及

图6示出具有高质荷比范围的离子物质的第二实例质谱，其中(a)使用现有方法以及(b)使用根据第二方法的实施例。

具体实施方式

下文的论述参考图1中所描绘的的已知质谱仪。然而，将理解，本文中所描述的技术适用于广泛范围的其它质谱仪，其可使用不同类型的质量分析器和不同方式来将离子注入到质量分析器中。本文中所描述的方法尤其适用于具有上游离子存储装置的静电阱，使得从离子存储装置到静电阱的注入涉及从离子存储装置的喷出。本发明可找到在其中取决于离子的m/z存在在离子从离子存储装置喷出之后到达静电阱处的时间差的实施例中的应用。本发明另外(或替代地)可找到在其中存在与一个或多个注入电位相关联的感应(沉降)时间周期的实施例中的应用。

已发现，从C阱50到轨道捕集质量分析器70的离子喷出的常规参数可致使损失低质荷比(m/z)比和/或高m/z比的离子。如现将解释，这可出于不同原因而发生。

为何可能损失高m/z比的离子的一个原因如下。已允许建模来确定给定m/z比的离子从C阱50到轨道捕集质量分析器70的入口的飞行时间。如上文所解释，通过减小应用于离子的棒电极的RF电位并且应用提取电压脉冲(通常为应用于C阱50的相应电极的推挽式电压)，从C阱50喷出离子。所述建模已示出在此类喷出(清除事件)之后，较高m/z比的离子(例如具有8000或更大m/z比的离子)在大约15μs后到达静电阱入口。

动态中心电极(CE)注入波形(常规地与C阱喷出事件的喷出电位同时起始)引起CE72上减小的电位，并且因此减小的场强度在注入期间应用于CE 72以提供离子捕集(同时增加的动态电位应用于偏转器电极65)。对于正离子，随时间而变的增加的偏转器电压可将离子引导到注入槽中，并且较低电压(具更大负值的电压)应用于CE 72以在注入期间减小离子的轨道半径。偏转器上增加的电压可补偿下陷到偏转器区中的负场的效应，使得注入点处的偏转场仍为几乎恒定的并且独立于应用于CE 72的时变负电位。减小的场强度意谓，比低m/z离子稍晚到达静电阱中的高m/z比离子经历来自CE 72上的电位的其振幅已经显著地减小的场。因此，可用于捕集这些较高m/z离子的剩余动态场减小。捕集此类离子的效率因而减小，这是由于在静电阱中捕集离子需要动态场。

在图1中所示的类型的轨道捕集静电阱的情况下，使用以下各项产生CE注入波形：用于CE 72的耦合电阻器R_CE＝1MΩ，并且用于偏转器电极65的R_DEFL＝2.5MΩ；以及CE 72和偏转器电极65固有的接地电容分别为C_CE≈10pF和C_DEFL≈5pF。因此，以指数方式变化的电场(由CE注入波形产生)的时间常数R_CEC_CE和R_DEFLC_DEFL分别为约10μs和约12.5μs。鉴于这些时间常数，变化的场的初始振幅减小5倍，并且到这些离子进入外部检测电极75和CE 72之间的区时，仅20％的剩余动态场可用于捕集这些较高m/z物质。由于CE注入波形和所得场在幅值上以指数方式减小，因此捕集效率与随时间的电压改变速率(或场强度)成比例地进一步减小。

现在考虑对为何可能损失低m/z比的离子的解释。应用于CE 72的快速改变的注入波形可具有感应周期。此感应周期在轨道捕集质量分析器70的更为新近的设计中对于CE72可为约1μs，其取决于用于此波形的应用的电子装置。此长感应周期可意谓，具有低m/z比(小于或不大于100Th)的离子将经历低动态捕获场(如果存在的话)。这些离子接着将在注入事件期间从静电阱逸出。

因而已证实，原则上，具有低m/z比的离子和具有高m/z比的离子两者的损失是归因于已从上游离子存储装置(例如C阱50)喷出(归因于存储装置内限制离子的场的改变)的离子到达静电阱中的时序失配，以及由与静电阱相关联的一个或多个电极产生的动态捕获场(例如偏转场和/或注入场)。此时序失配由现有方法造成，现有方法起始应用电位以同时产生或调整这些喷出和捕获场。改变或应用那些场的时间的调整可影响在静电阱内捕获特定m/z比范围的离子的能力。

一般来说，可考虑一种将离子注入到静电阱中的方法，所述方法包括：将喷出电位应用于离子存储装置，以致使存储于离子存储装置中的离子朝向静电阱喷出；以及将一个或多个注入电位应用于一个或多个电极，以致使从离子存储装置喷出的离子被静电阱捕获。接着，应用喷出电位和应用一个或多个注入电位的步骤各自在相应的不同时间处有利地起始。有利地基于被静电阱捕获的离子的所要质荷比值来选择所述时间。

换句话说，优选地控制以下项之间的差：应用喷出电位的步骤起始的时间；与应用一个或多个注入电位的步骤起始的时间。具体地说，可基于被静电阱捕获的离子的所要质荷比范围来选择此差的幅值、方向或这两者。所述差(实际上为延迟)可基于所要m/z范围经编程，所述m/z范围可为用户定义的并且作为输入提供。

此一般方法可实施为计算机程序或者可编程或经编程逻辑，经配置以在由处理器操作时执行本文中所描述的任何方法。计算机程序可存储在计算机可读媒体上。还可考虑一种质谱仪，其包括：离子存储装置，经配置以接收离子以用于分析(例如，当接收电位应用于所述装置时)，存储所接收的离子(例如，当存储电位应用于所述装置时)以及喷出所存储的离子(例如，当例如上文所描述的喷出电位应用于所述装置时)；静电阱，其经布置以接收从离子存储装置喷出的离子；以及控制器，其经配置以将电位应用于质谱仪的部分。静电阱优选地为如本文中所描述的轨道捕集类型。控制器可经配置以根据本文中所描述的任何方法步骤(单独或组合地)进行操作。其可具有经配置以执行这些方法步骤中的任何一个或多个的结构特征(以下各项中的一个或多个：一个或多个输入；一个或多个输出；一或多个处理器；逻辑；以及电路)。控制器可包括用于执行经配置以执行本文中所描述的方法中的任一个的计算机程序或者可编程或经编程逻辑的计算机或处理器。控制器可包括用以起始喷出电位和一个或多个注入电位的触发电路。控制器可包括用于实施将喷出电位应用于离子存储装置与将一个或多个注入电位应用于静电阱的电极的相应起始时间之间的时间差的可编程延迟发生器和/或时钟。与被静电阱捕获的离子的质荷比的值有关的信息可输入到控制器。此类输入信息可与用于实施电位起始时间之间的时间差的可编程延迟发生器和/或时钟一起使用。

现在更深度地考虑针对离子注入的延迟选择的细节。现参考图2a，说明根据实施例的应用于图1的质谱仪的部分的注入和喷出电位的信号波形。这些波形意图说明到轨道捕集质量分析器70中的“经延迟”离子注入的原理。预触发信号101的上升边缘触发应用于CE 72的电压波形105减小到(比如)-3.7kV的起始电压。这在CLT脉冲触发信号102应用到CLT 50以起始应用于CLT的电压脉冲103(即，应用于CLT 50以从CLT50喷出离子的喷出电位)之前发生。接下来，注入脉冲发生器触发信号104的上升边缘致使CE注入波形105在离子注入期间(从-3.7kV)进一步斜降到-5kV。与CE注入波形105同步地，偏转器注入波形106应用于偏转器电极65。应注意，偏转器注入波形106是正向脉冲，用以缓解归因于在注入期间应用于CE 72的负向脉冲引起的注入槽中的场下陷效应。

如在图上所示，两者都从注入脉冲触发信号104起始的应用于CE 72的注入波形105和应用于偏转器电极65的注入波形106在时间上相对于同步脉冲102偏移了注入延迟周期110，这会触发喷出电位103应用于C阱50。所述波形示出为重复的，这是由于一般每单个实验获取多个谱。图式的左手侧波形和右手侧波形对应于在CLT触发102与CE触发104之间的相同延迟时间110处取得的两个不同谱。在此上下文中的术语“经延迟”仅指在时间上的偏移，这是因为CE注入波形105和偏转器注入波形106可在CLT喷出脉冲103之后起始或反过来也如此。波形105和106可在本文中统称为注入波形。如果注入波形105、106在CLT喷出脉冲103之后起始，那么这被称为正延迟。

如果注入波形在CLT喷出脉冲103之前起始，那么这被称为负延迟。接下来参考图2b，说明根据另一实施例的在喷出电位之前应用于图1的质谱仪的注入电位的信号波形。在图2b的波形与图2a的波形相同的情况下，使用相同参考编号。对于此实施例，注入延迟周期120为负，这是因为CE触发波形114在CLT触发脉冲102之前。因此，CE注入波形115和偏转器注入波形116在CLT喷出脉冲103之前起始。图2b中所示的负注入延迟周期120的幅值小于图2a中所示的正注入延迟周期110的幅值。

应注意，偏转器电极65和CE 72之间的距离(以及因此，飞行时间(TOF)间隔)比CLT50和偏转器电极65之间的距离(以及因此TOF间隔)小得多。鉴于此，最简单的是同时触发偏转器注入波形106、116和CE注入波形105、115，但可在替代性方法中考虑这两个信号之间的一定偏移。举例来说，CE注入波形105、115可在偏转器注入波形106、116之后不久起始。

控制器因而用以适当地管理和同步化信号时序。接下来参考图3，描绘根据实施例的控制系统的示意性框图。此控制系统包括现场可编程门阵列(FPGA)控制器200，其提供输出到：CLT RF板240，其将电位应用于CLT 250；以及CE脉冲发生器板220，其供应电位到中心电极和偏转器230。此图式的CLT 250等效于图1的CLT 50，并且图3的中心电极和偏转器230等效于图1的CE 72和偏转器电极65。FPGA控制器200使用高精确度时钟在单独的信道上产生CLT触发205和经延迟CE注入触发210。可在控制器200处编程CE注入触发210的延迟。CLT触发205处置CLT RF板240上的逻辑并且与从CLT 250的离子喷出同步，同时CE注入触发210起始应用于中心电极和偏转器230的注入波形并且提供到静电离子阱中的离子注入。

以此方式，使用FPGA控制器200的机载高精确度时钟达成CLT触发信号102与注入波形105和/或106的同步。波形相对于彼此的时间偏移可能够触发到静电场区中的离子注入，使得CE注入波形105处于最佳水平，并且静电阱的场强度改变速率对于所要质荷比的离子为高。鉴于上文所论述的关于损失所注入的离子的原因的考虑因素，可基于捕获所要的离子的m/z比范围来选择延迟(或时移)的幅值和/或方向。在具有低m/z比(不大于或小于100Th)的离子的情况下，如应用于CLT 50的RF波形的周期所计数，在切断应用于CLT 50的RF波形以及应用提取电压(离子清除)之前大约3μs启用CE注入波形105(和偏转器注入波形106)。通常，应用于CLT 50的RF处于3MHz的频率下，因此计数10个RF周期提供3μs的延迟。如上所述，此延迟被称为“负”，这是因为在CLT喷出脉冲103之前应用CE注入电位105。如上文所论述，此时移与应用于CE 72的注入波形的感应周期有关。

在具有较高m/z比(至少或大于8000Th)的离子的情况下，在切断应用于CLT 50的RF波形(离子清除)之后约20μs启用CE注入波形105(和偏转器注入波形106)，并且此延迟被称为“正”。到应用波形105和106时切断应用于CLT 50的RF，因此由FPGA控制器200上的延迟发生器来实施正延迟。时移的幅值与这些m/z比的离子从CLT 50到静电阱70的入口的飞行时间以及偏转器电极65和/或CE 72处以指数方式变化的电位(或所产生的电场)的时间常数有关。

例如在Lange等人的《用于轨道阱质谱法的增强的傅里叶变换(Enhanced Fouriertransform for Orbitrap mass spectrometry)》(国际质谱学杂志(InternationalJournal of Mass Spectrometry)，2015年2月1日，第377卷，第338到344页)中所论述，可达成注入到轨道捕集质量分析器70中的离子信号的相位校正，以实现增强的傅里叶变换以及更先进的信号处理方法。

参考上文所论述的一般术语，可考虑到的一种方法为被静电阱捕获的离子的所要质荷比范围何时涵盖低于(或不大于)阈值质荷比的范围。在所述情况下，时间经选择以使得应用一个或多个注入电位的步骤在应用喷出电位的步骤之前。优选地，阈值质荷比是100Th，但其也可为例如70、75、80、90、110、120、130、140或150。

可另外(或替代地)考虑到的另一方法为被静电阱捕获的离子的所要质荷比范围何时涵盖高于极限质荷比的范围。接着，时间可经选择以使得应用喷出电位的步骤在应用一个或多个注入电位的步骤之前。极限质荷比优选地为8000Th，但也可为例如7000Th、9000Th或10000Th。

应用喷出电位的步骤起始的时间(延迟的持续时间)与应用一个或多个注入电位的步骤起始的时间之间的差的幅值是至少1μs、2μs、3μs、4μs、5μs、10μs、15μs、20μs或25μs。另外或替代地，差的幅值可不大于1μs、2μs、3μs、4μs、5μs、10μs、15μs、20μs或25μs。举例来说，应用一个或多个注入电位可在应用喷出电位的步骤之前至少和/或不大于以下各项中的一个：1μs、2μs、3μs、4μs或5μs，例如处于以下各项的范围中的一个内的时间差：1μs到5μs，1μs到4μs，或2μs到4μs。应用喷出电位可在应用一个或多个注入电位的步骤之前至少和/或不大于以下各项中的一个：10μs、15μs、20μs或25μs。

应用喷出电位的步骤起始的时间与应用一个或多个注入电位的步骤起始的时间之间的差的幅值有利地基于以下各项中的一个或多个：与喷出电位相关联的时间周期；与一个或多个注入电位相关联的时间周期；以及与离子在离子存储装置和静电阱之间的飞行时间相关联的时间周期。举例来说，与一个或多个注入电位相关联的时间周期可为与注入电位中的一个所应用于的电极相关联的感应周期。接着，差的幅值可为至少和/或不大于与一个或多个注入电位(尤其对于具有低于阈值的质荷比的离子)相关联的感应周期的1倍、2倍、3倍、4倍、5倍或10倍。

另外或替代地，差的幅值可基于(至少或大于)以下各项中的一个或多个：与一个或多个注入电位相关联的放电时间常量；以及离子在离子存储装置和静电阱之间的飞行时间(尤其对于具有高于极限质荷比的质荷比的离子)。确切地说，差的幅值可大于(或至少)离子在离子存储装置和静电阱之间的飞行时间，但小于(或不大于)离子在离子存储装置和静电阱之间的飞行时间与相关联于一个或多个注入电位的放电时间常量的总和。与一个或多个注入电位相关联的放电时间常量可取决于与一个或多个注入电位应用于的电极相关联的至少一个电阻和至少一个电容(例如，电阻与电容的乘积)。另外或替代地，可例如使用数字电路对放电时间常量进行编程或调整。数字电路可包括现场可编程门阵列(FPGA)电路。可基于以下各项中的一个或多个来调整放电时间常量：用户定义的质荷比范围；以及最低和/或最高质荷比限值。以此方式，可使用具有较大放电时间常量的注入波形执行轨道捕集质量分析器70中较高m/z离子(例如，至少或大于8000Th)的捕集和检测。

可在一些实施例中替代地使用此方面(放电时间常量的变体)以在不同时间处应用喷出电位和一个或多个注入电位。因此，在另一方面中，本发明提供一种将离子注入到静电阱中的方法，所述方法包括：将喷出电位应用于离子存储装置，以致使存储于离子存储装置中的离子朝向静电阱喷出；以及将一个或多个注入电位应用于一个或多个电极，以致使从离子存储装置喷出的离子被静电阱捕获；且其中可基于由静电阱捕获的离子的所要质荷比值调整与一个或多个注入电位相关联的放电时间常量，所述所要质荷比值例如以下各项中的一个或多个：用户定义的质荷比范围；以及最低和/或最高质荷比限值。

以此方式，与质量分析器中较低m/z离子(例如，不大于或小于第二阈值，比如约100Th)的捕集和检测，可使用具有相对较大放电时间常量的注入波形执行质量分析器中较高m/z离子(例如，至少或大于第一阈值水平，比如约8000Th)的捕集和检测。可使用具有相对较小放电时间常量的注入波形执行此类较低m/z离子的捕集和检测。第一阈值和第二阈值优选地为不同的(如上所述)，但其也可为相同的。在第一阈值和第二阈值不同的情况下，可使用具有相对较大放电时间常量、相对较小放电时间常量或介于相对较大放电时间常量与相对较小放电时间常量之间的放电时间常量(例如，约10μs)的注入波形执行介于第一阈值与第二阈值之间的m/z的离子。

应用于一个或多个捕集电极(例如，应用于轨道捕集静电阱的中心电极)的注入波形的放电时间常量通常与应用于与静电阱相关联的一个或多个偏转电极(以用于在注入过程期间将离子偏转到阱中)的注入波形的放电时间常量相同。替代地，放电时间常数可为不同的。放电时间常量(或多个放电时间常数)可低至5μs、10、μs、15μs和25μs。放电时间常量(或多个放电时间常数)可不大于(或小于)10μs、15μs和25μs或40μs。举例来说，对于较高m/z离子(大于或至少第一阈值)，放电时间常量可为约15μs、25μs或40μs(或在介于这些值中的任何两个之间的范围内，例如在15μs到40μs、或15μs到25μs、或25μs到40μs的范围内，或至少或大于这些值中的任一个，例如大于15μs、大于25μs、或大于40μs)。对于较低m/z离子(小于或不大于第二阈值)，放电时间常量可为约5μs或10μs(或在介于这些值之间的范围内，即在5μs到10μs的范围内，或小于或不大于这些值，例如小于10μs、或小于5μs)。本文中关于与放电时间常量有关的此方面所描述的特征中的任一个也可与本发明的任何其它方面组合。

在优选实施例中，静电阱包括中心电极和同轴外部电极，例如其中静电阱是轨道捕集类型的。接着，应用一个或多个注入电位的步骤优选地包括将捕集注入电位应用于中心电极。在捕集正离子的此情况下，捕集注入电位可为从第一(负)注入电位电平到第二较低(具更大负值)注入电位电平的斜变电位。在捕集负离子的情况下，捕集注入电位可为从第一(正)注入电位电平到第二较高(具更大正值)注入电位电平的斜变电位。另外或替代地，可在离子存储装置和静电阱之间提供离子偏转器。接着，应用一个或多个注入电位的步骤可包括将偏转注入电位应用于离子偏转器，以致使离子朝向静电阱行进(任选地，聚集于静电阱的入口孔隙上)。应用一个或多个注入电位的步骤优选地包括将捕集注入电位应用于静电阱的电极。在静电阱是轨道捕集静电阱的情况下，捕集注入电位可应用于静电阱的中心电极，所捕获的离子在环绕所述中心电极的轨道上运行。在优选的情况下，应用偏转注入电位和捕集注入电位两者。接着，应用捕集注入电位和应用偏转注入电位的步骤任选地同时起始。

应用喷出电位的步骤任选地包括减小应用于离子存储装置的一个或多个电极的电位(例如，用以将离子存储在所述装置中的RF电位)的幅值，优选地切断所述电位，具体来说，以使得存储于离子存储装置中的离子朝向静电阱喷出。优选地，应用喷出电位包括：与减小或切断用以将离子存储于离子存储装置中的电位同时地，将提取电位(优选地DC电位)应用于离子存储装置的一个或多个电极以从所述装置朝向静电阱提取离子。应用于离子存储装置的电极的电位的幅值可减小到零。在优选实施例中，离子存储装置是曲线型线性阱。

在一些实施例中，通过将喷出触发信号应用于控制喷出电位的应用的喷出开关，来起始应用喷出电位的步骤。另外或替代地，通过将一个或多个注入触发信号应用于控制更多个注入电位中的一个的应用的至少一个注入开关，来起始应用一个或多个注入电位的步骤。在一些实施例中，产生具有预定频率的RF电位，例如作为用于限制离子存储装置内的离子的电位。接着，任选地使用RF电位的预定频率，例如通过计数RF电位的周期，来测量应用喷出电位和应用一个或多个注入电位的步骤的相应起始时间之间的差。由于RF电位是高的稳定频率(至少2MHz或3MHz)电位，因此可以此方式准确地测量至少1μs的周期。另外或替代地，可通过时钟测量应用喷出电位和应用一个或多个注入电位的步骤的相应起始时间之间的差。

静电阱优选地可操作以例如通过对阱中的离子振荡(其频率取决于离子的质荷比)的图像电流检测以及用以提供离子的质谱的对所检测信号的信号处理(例如傅里叶变换)，来执行对已捕获于静电阱中的离子的质量分析。在其中例如在轨道捕集质量分析器中，静电阱包括中心电极和同轴外部电极的实施例中，同轴外部电极优选地分成如所属领域中已知地用以例如在Orbitrap(RTM)质量分析器中所实施的检测振荡离子的图像电流的至少两个部分。

现将借助于特定实例来论述所描述的方法的优点。接下来参考图4，示出具有低质荷比范围的离子物质的实例质谱，其中(a)使用现有方法以及(b)使用实施例。这些质谱意图示出使用(a)标准方法(在注入波形105和106与应用于C阱50的同步脉冲102之间没有延迟)以及(b)当应用3μs负延迟(即，在喷出电位应用于存储装置之前应用注入电位)时，捕集具有较低m/z比的离子的效率。根据图1的质谱仪用于这些测试。此两个质谱的比较示出，在CLT同步脉冲102与CE注入波形105和106之间使用负延迟产生对于谱的较低质量部分的显著信噪比改进，以及确切地说，对于m/z 74.10下的亚胺离子，5倍的信噪比改进。

接下来参考图5和6，示出具有高质荷比范围的离子物质的实例质谱，其中(a)使用现有方法以及(b)使用实施例。这些图意图示出归因于在CLT同步脉冲102与注入波形105和106之间引入可编程延迟所引起的对于具有较高m/z比的离子的信噪比改进。在根据图1的质谱仪的天然MS模式中，使用包含两个非共价键结的七聚环的GroEL蛋白质复合物(分子量为801kDa)执行这些实验，从而导致14聚体(mer)复合物的形成。此蛋白质复合物进一步在HCD室80中经碰撞活化，从而产生13聚体和12聚体物质两者的反复合物。在HCD室80的区中应用-200V的直流电压偏压。在图5中，在C阱50中使用1.4×10^-4毫巴(1.4×10^-2Pa)的压力，并且在图6中，在C阱50中使用7.7×10^-5毫巴(7.7×10^-3Pa)的压力。在图5和图6两者中，使用现有的标准方法(在注入波形103和104与应用于C阱50的同步脉冲105之间没有延迟)产生第一质谱(a)。在图5中，使用CLT同步脉冲102与注入波形105和106之间的25μs正延迟产生第二质谱(b)。在图6中，使用CLT同步脉冲102与注入波形105和106之间的20μs正延迟产生第二质谱(b)。

在图5中，观察到处于12K的m/z比的前体信号。观察到分别处于18K和34K的m/z比的13聚体和12聚体反复合物的电荷状态包络。在图6中，检测到处于2200的m/z比的具有较低信噪比的喷出的亚单位信号。同样观察到分别处于18K和34K的m/z比的13聚体和12聚体反复合物的电荷状态包络。在两种情况下，如通过分别地与图5(a)和6(a)中的质谱中的13聚体信号进行比较所证明，显著地改进了13聚体反复合物的电荷状态包络的信噪比。此外，使用“经延迟”离子注入方法，获取处于超过50的信噪比的12聚体反复合物的电荷状态包络的信号。这同样可在图5(b)和6(b)中观察到。如在图5(a)和6(a)中所示，在标准条件下可能检测不到这些高m/z物质。

从以上描述可见，本发明可有利地使用静电阱实现对较低m/z(例如小于或不大于100Th或80Th)离子和较高m/z(例如至少或大于8000Th、12000Th、16000Th或20000Th)离子两者的高效检测。因此，静电阱(例如Orbitrap(RTM)质量分析器)可有效地用于小分子和大分子集合体的质谱法。与现有技术方法相比，可达成较高信噪比的检测。离子注入可针对捕获和/或分析所要的离子的质量范围进行调整和优化。举例来说，可使用起始应用于离子存储装置的喷出电位与起始应用于静电阱的一个或多个注入电位之间的可编程延迟，这可响应于用户定义的m/z范围。谱中最高和较低m/z的比可在40:1的范围内。

尽管已描述特定实施例，但所属领域的技术人员将了解，各种修改和改变都是可能的。确切地说，可使用具有不同类型的静电阱和/或离子存储装置的质谱仪的不同配置。构成低和/或高m/z范围的阈值或限值可取决于静电阱和/或离子存储装置的类型而变化。此外，用以实现从离子存储装置喷出和/或注入到静电阱的特定信号可改变。所应用的喷出波形与注入波形之间的延迟的幅值可取决于一系列因素(包含在静电阱中捕获离子所要的离子的m/z比值)而变化。静电阱优选地操作为质量分析器，但并非必须如此，并且另外或作为替代方案，其可用于其它目的。

因此将了解，可对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍落入本发明的范围内。除非另外说明，否则本说明书中所揭示的每一特征可替换为用于相同、等效或类似目的的替代性特征。因此，除非另外说明，否则所揭示的每一特征仅为通用系列的等效或类似特征的一个实例。

如在本文中(包含在权利要求书中)所用，除非上下文另外指示，否则本文中术语的单数形式应理解为包含复数形式，并且反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示，否则本文中(包含在权利要求书中)的单数参考(例如“一”或“一个”)(例如，一个模/数转换器)表示“一个或多个”(例如，一个或多个模/数转换器)。贯穿本发明的说明书和权利要求书，词语“包括(comprise)”、“包含(including)”、“具有(having)”和“含有(contain)”以及所述词语的变型，例如“包括(comprising/comprises)”或类似者意谓“包含但不限于”，并且并不意图(并且不会)排除其它组件。

本文中所提供的任何和所有实例或示范性语言(“如”、“例如”、“举例来说”以及类似语言)的使用仅意图更好地说明本发明，并且除非另外主张，否则并不指示对本发明的范围的限制。本说明书中的任何语言均不应理解为指示实践本发明所必需的任何未主张要素。

除非另外规定或上下文另外要求，否则本说明书中描述的任何步骤可按任何次序执行或同时执行。

本说明书中所揭示的全部特征可以任何组合来组合，但其中此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合除外。确切地说，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面且可按任何组合使用。同样，可单独地使用(不以组合形式)以非必需组合形式描述的特征。

Claims (28)

1.一种将离子注入到静电阱中的方法，其包括：

将喷出电位应用于离子存储装置，以致使存储于所述离子存储装置中的离子朝向所述静电阱喷出；以及

将一个或多个注入电位应用于与所述静电阱相关联的电极，以致使从所述离子存储装置喷出的所述离子被所述静电阱捕获；且

其中应用所述喷出电位和应用所述一个或多个注入电位的步骤各者在相应的不同时间处起始，基于待被所述静电阱捕获的离子的所要质荷比值来选择时间差；并且其中产生具有预定频率的RF电位，并且使用所述RF电位的所述预定频率测量应用所述喷出电位和应用所述一个或多个注入电位的所述步骤的相应起始时间之间的所述差，其中通过对所述RF电位的周期进行计数来测量应用所述喷出电位和应用所述一个或多个注入电位的所述步骤的相应起始时间之间的所述差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述静电阱是轨道静电阱。

3.根据权利要求2所述的方法，其中将所述一个或多个注入电位应用于与所述静电阱相关联的电极包括将一个或多个注入电位应用于所述轨道静电阱的中心电极。

4.根据权利要求3所述的方法，其中将所述一个或多个注入电位应用于与所述静电阱相关联的电极还包括将一个或多个注入电位应用于与所述轨道静电阱相关联的偏转器电极。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述注入电位被同步应用于所述轨道静电阱的中心电极以及与所述轨道静电阱相关联的偏转器电极。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中在所述离子存储装置和所述轨道静电阱之间提供包括所述偏转器电极的离子偏转器，并且其中应用注入电位的步骤包括将偏转注入电位应用于所述离子偏转器，以致使所述离子朝向所述轨道静电阱行进。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述RF电位具有至少2 MHz的频率。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述RF电位是用于限制所述离子存储装置内的离子的电位。

9.根据权利要求1所述的方法，其中基于待被所述静电阱捕获的离子的所述所要质荷比值，选择应用所述喷出电位的所述步骤起始的所述时间和应用所述注入电位的所述步骤起始的所述时间之间的所述差的幅值和方向中的一个或两个。

10.根据权利要求1或权利要求9所述的方法，其中待被所述静电阱捕获的离子的所述所要质荷比值包含低于阈值质荷比的值，所述时间差经选择以使得应用所述一个或多个注入电位的所述步骤的所述起始在应用所述喷出电位的所述步骤的所述起始之前。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述阈值质荷比是100汤姆森。

12.根据权利要求1或权利要求9所述的方法，其中待被所述静电阱捕获的离子的所述所要质荷比值包含高于极限质荷比的值，所述时间差经选择以使得应用所述喷出电位的所述步骤的起始在应用所述一个或多个注入电位的所述步骤的所述起始之前。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述极限质荷比是8000汤姆森。

14.根据权利要求1-5、9、11、13中任一项所述的方法，其中应用所述喷出电位的所述步骤起始的所述时间和应用所述一个或多个注入电位的所述步骤起始的所述时间之间的所述差的幅值是以下各项中的一个：至少3 µs；至少10 µs；至少15 µs；至少20 µs；以及至少25 µs。

15.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中应用所述喷出电位的所述步骤起始的所述时间和应用所述一个或多个注入电位的所述步骤起始的所述时间之间的所述差的幅值是基于以下各项中的一个或多个：与所述喷出电位相关联的时间周期；与所述一个或多个注入电位相关联的时间周期；以及与离子在所述离子存储装置和所述静电阱之间的飞行时间相关联的时间周期。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述差的所述幅值是与所述注入电位相关联的感应周期的至少3倍。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述差的所述幅值是基于：与所述注入电位相关联的放电时间常量；以及/或离子在所述离子存储装置和所述静电阱之间的飞行时间。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述差的所述幅值大于离子在所述离子存储装置和所述静电阱之间的所述飞行时间，但小于离子在所述离子存储装置和所述静电阱之间的所述飞行时间与相关联于所述注入电位的所述放电时间常量的总和。

19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中与所述注入电位相关联的所述放电时间常量取决于与所述注入电位所应用于的所述中心电极和所述偏转器电极中的每一个相关联的至少一个相应的电阻和至少一个相应的电容。

20.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其中能使用数字电路对与注入波形相关联的所述放电时间常量进行编程或调整。

21.根据权利要求3所述的方法，其中所述轨道静电阱包括所述中心电极和同轴外部电极，并且其中应用注入电位的所述步骤包括将捕集注入电位应用于所述中心电极。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述捕集注入电位是从第一注入电位电平到第二较低注入电位电平的斜变电位。

23.根据权利要求1-5、9、11、13、16-18、21-22中任一项所述的方法，其中应用所述喷出电位的所述步骤包括减小应用于所述离子存储装置的一个或多个电极的电位的幅值，使得存储于所述离子存储装置中的所述离子朝向所述静电阱喷出。

24.根据权利要求23所述的方法，其中应用所述喷出电位的所述步骤包括切断应用于所述离子存储装置的一个或多个电极的RF电位，并且将DC提取电位应用于所述离子存储装置的一个或多个电极，使得存储于所述离子存储装置中的所述离子朝向所述静电阱喷出。

25.根据权利要求1-5、9、11、13、16-18、21-22、24中任一项所述的方法，其中所述离子存储装置是曲线型线性阱。

26.根据权利要求1-5、9、11、13、16-18、21-22、24中任一项所述的方法，其中通过将喷出触发信号应用于控制所述喷出电位的应用的喷出开关，来起始应用喷出电位的所述步骤，并且/或者其中通过将一个或多个注入触发信号应用于控制所述注入电位的应用的至少一个注入开关，来起始应用一个或多个注入电位的所述步骤。

27.一种计算机可读介质，存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令经配置以在由处理器操作时执行根据任一前述权利要求所述的方法。

28.一种质谱仪，其包括：

离子存储装置，其经配置以接收离子用于分析，存储所述所接收的离子以及喷出所述所存储的离子；

静电阱，经布置以接收从所述离子存储装置喷出的所述离子；以及

控制器，其经配置以根据如权利要求1到26中任一权利要求所述的方法将电位应用于所述质谱仪。

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