CN113345792A - 飞行时间质谱仪和质谱分析方法 - Google Patents

Abstract

一种飞行时间(ToF)质谱仪，包括：脉冲离子注入器，用于形成沿离子路径行进的离子束；检测器，用于检测离子束中的离子，所述离子根据其m/z值间或到达检测器；离子聚焦装置，位于所述离子注入器与所述检测器之间，用于沿与离子路径正交的至少一个方向聚焦离子束；以及可变电压源，用于向所述离子聚焦装置供应至少一个可变电压，所述可变电压取决于离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量。提供了对应的质谱分析方法。电荷状态和/或离子量可以从预扫描中获取或预测。基于离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量的光谱仪的调谐可以在飞行中进行。

Description

飞行时间质谱仪和质谱分析方法

技术领域

本公开涉及飞行时间质谱技术领域。本公开的方面涉及飞行时间质谱仪和飞行时间质谱分析的方法。

背景技术

飞行时间(ToF)质谱仪被广泛用于根据离子沿着飞行路径的飞行时间来确定离子的质荷比(m/z)。在ToF质谱仪中，短脉冲离子由脉冲离子注入器产生以形成离子束，该离子束沿规定的离子飞行路径被引导通过真空空间到达离子检测器。每个离子脉冲中的这些离子基于它们沿飞行路径的飞行时间而分离，这取决于离子的m/z，并且以时间分隔的不同m/z的短离子包形式到达检测器。检测器检测离子的到达时间以及到达离子的丰度，并且将此数据存储在数据获取系统中。可以从获取的ToF数据生成质谱。

改进的m/z分辨率(也称为质谱)是质谱仪广泛应用的重要属性，特别是在比如蛋白质组学和代谢组学等生物科学领域。假设离子聚焦特性保持恒定，则ToF质谱仪中的质量分辨率会随着离子飞行路径的长度成比例增加。因此，需要ToF质谱仪内的飞行路径扩展以增加离子的飞行分离时间，从而改善区分离子之间较小的m/z差异的能力。

已知各种利用离子的单次或多次反射来扩展离子在质谱仪内的飞行路径而不会大大增加质谱仪的整体尺寸的布置。示例在US9136100、SU1725289、GB2478300、GB2403063、WO2008/047891和US9136101中公开。

令人遗憾的是，离子能量的分布和空间电荷的相互作用会导致离子在飞行中扩散，这在较长的飞行系统中会导致离子从分析仪中丢失或以异常的飞行时间到达检测器。

在US8212209和US2016/0111271A1中已经提出时间依赖的透镜电压用于ToF质谱仪以解决散光聚焦和离子束扩束问题。

发明内容

在上述背景下，提供了本公开。

本公开的方面解决了带有多个带电离子的包在飞行中的分散较少，因此由于更大的电荷密度它们可能会遭受更强的空间电荷效应的问题。类似地，由于较大的电荷密度，由大量离子组成的离子包可能会遭受空间电荷效应。这样的空间电荷效应会降低质谱仪的质量分辨率和/或不利地影响离子传输。

本公开在一个方面提供了根据权利要求1的飞行时间质谱仪。本公开在另一方面提供了根据权利要求24的飞行时间质谱分析方法。本公开的其他方面在另外的权利要求中陈述并且在下面描述。

本公开提供的一种飞行时间质谱仪，包括：脉冲离子注入器，用于形成沿离子路径行进的离子束；检测器，用于检测离子束中的离子，这些离子根据其m/z值时不时地到达所述检测器；离子聚焦布置，其位于所述离子注入器与所述检测器之间，用于沿与所述离子路径正交的至少一个方向聚焦所述离子束；和可变电压源，用于向所述离子聚焦布置提供至少一个可变电压，所述至少一个可变电压取决于所述离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量。

本公开提供的一种飞行时间质谱分析方法包括：从脉冲离子注入器形成沿离子路径行进的离子束；检测所述离子束中的离子，这些离子根据其m/z值时不时地到达检测器；使用位于所述离子注入器与所述检测器之间的离子聚焦布置，在与所述离子路径正交的至少一个方向上聚焦所述离子束；以及从可变电压源向所述离子聚焦布置供应至少一个可变电压，其中所述可变电压取决于所述离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量。

本公开的飞行时间质谱仪可以用于执行本公开的方法。因此，飞行时间质谱仪的特征如作适当变动也适用于所述方法。

根据本公开，施加至所述离子聚焦布置的电压可以被优化为期望检测的至少一种离子种类的离子的电荷状态和/或量。因此，施加的电压可以是离子束中的至少一种离子种类的离子的电荷状态和/或量的函数。电压可以仅是电荷状态的函数，或仅是离子量的函数，或至少一种离子种类的离子的电荷状态和量这两者的函数。例如，如果希望检测到在飞行中分散较少的多电荷离子，电压可以被调整至增加离子在正交于离子路径的至少一个方向上的空间分散的值，从而减少多电荷离子包固有的空间电荷的影响。术语多电荷离子是指电荷状态大于1的离子，例如2+、3+、4+......或2-、3-、4-......等。当施加到离子聚焦布置的电压被优化用于检测单电荷离子时，相对于多电荷离子的空间分散，可变电压可以增加束中多电荷离子的空间分散。同样，为了优化对由大量离子组成的离子包(即质谱中的高峰值强度)的检测，电压可以类似地调整为通过增加离子束的空间分散(dispersion)来减少空间电荷的影响。以这种方式，对于具有多电荷状态和/或大量离子的一个或多个种类，可以提高质量分辨率和/或离子传输。例如，如果一种离子的电荷状态高于阈值，诸如至少2或3或4或5或10或20(例如，+2或+3或+4或+5…或+10或大于10+)，可以调整可变电压。例如，如果某种离子的量高于阈值(例如，峰的信号/噪声(S/N)值或强度高于阈值，这可能会引起(优选已确定会引起)不希望的空间电荷效应)，可以调整可变电压。

可以通过不同方式获得离子种类的电荷状态。电荷状态可以是电荷状态的近似值或精确值。电荷状态可以是预测的或测量的电荷状态。可以例如根据用于产生离子的样品类型的先验知识来预测离子的电荷状态。可以根据测得的前体电荷状态预测MS2中产物离子的电荷状态。可以例如通过分析由检测器获取的质谱来测量离子的电荷状态。常规使用的算法(诸如，THRASH和高级峰值检测)可以用于从光谱中确定离子的电荷状态。电荷状态可以从不同同位素种类的质量间距或同一离子的不同电荷状态的间距推断出来。可以以不同的方式获得某种离子的离子量，例如，根据检测器获取的在质谱中测得的离子种类的峰值强度。因此，在一些实施例中，首先获取预扫描(即质谱)以获得关于离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量的数据。然后将数据用于相应地控制可变电压电源。

飞行时间质谱仪通常还包括控制器，该控制器被配置成使用关于离子束中的至少一种离子种类的至少一种电荷状态和/或量的数据(在此分别称为电荷状态数据和峰值丰度数据)以控制可变电压电源。控制器通常使用控制信号来控制可变电压电源。控制器通常包括计算机。通常将计算机编程为根据离子束中的至少一种离子种类的至少一种电荷状态和/或量的数据来控制可变电压供应。控制器可以被配置为从在MS1分析中获取的母离子的至少一种电荷状态来预测MS2分析中的产物离子的至少一种电荷状态。可以根据质谱分析、例如使用THRASH或高级峰值检测在MS1分析中获取母离子的电荷状态。例如，可以使用有关母离子碎裂行为的碎裂知识或规则来预测产物离子的电荷状态。控制器，例如其计算机，可以通信地耦合到检测器，使得由检测器获取的关于离子束中的至少一种离子种类的至少一种电荷状态和/或量的数据可以被控制器用于控制可变电压电源。

电压源可以被配置为基于由检测器和/或用于测量离子束中的电荷的电荷测量装置获取的电荷状态数据和/或峰值丰度数据来改变供应至离子聚焦布置的电压。电荷测量装置优选地位于离子聚焦布置的上游，并且可以位于离子路径中或附近。电荷测量装置可以包括例如位于离子路径中的栅格或位于离子路径附近的图像电流测量装置。

电压源可以被配置为从离子注入器对离子脉冲进行一次m/z扫描到随后从离子注入器对另一离子脉冲的扫描而改变供应至离子聚焦布置的电压。扫描包括在单个脉冲中检测离子。即，电压可以在每次扫描之间变化。

电压源可以被配置为在从离子注入器对离子脉冲进行m/z扫描内改变被供应至离子聚焦布置的电压。即，电压可以在单次扫描内变化。例如，电压可以与离子种类到达离子聚焦布置同步地变化。

电压源可以被配置为基于通过从离子注入器对离子脉冲的预扫描(即对相同样品的离子的预扫描)获取的离子束中的离子的电荷状态数据和/或峰值丰度数据来改变供应至离子聚焦布置的电压。

电压源可以被配置为基于关于在从离子注入器对离子脉冲进行m/z扫描期间，从飞行中的离子获取的离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据来改变供应至离子聚焦布置的电压。至少一个可变电压可以以时间相关的方式可变，所述时间相关的方式与不同电荷状态和/或不同空间电荷的离子在聚焦布置处的到达时间相关。

基于至少一种离子种类的离子的电荷状态和/或数目施加的电压可以通过校准程序来确定。例如，可以将一种或多种校准混合物电离以提供一种或多种离子校准混合物，所述一种或多种离子校准混合物通过光谱仪进行质量分析，即由检测器根据m/z进行检测。校准混合物通常包含形成已知m、z和m/z离子的不同分子种类的已知混合物。校准混合物的一个示例是可从Thermo Fisher Scientific^TM获得的Pierce^TM FlexMix^TM校准溶液，该溶液是16种高纯度可电离组分(质量范围：50至3000m/z)组成的混合物，这些组分被设计成用于正离子和负离子电离校准，主要提供单电荷离子。用于提供多电荷离子的校准溶液可以包含例如蛋白质混合物；校准溶液中常用的蛋白质包括泛素、肌红蛋白、细胞色素C和/或碳酸酐酶，但是根据需要，可以在校准混合物中使用许多其他蛋白质和/或肽。例如，Pierce^TM保留时间校准混合物包含15种已知肽的混合物。校准混合物优选地包含产生具有不同质量、电荷状态和丰度(峰值强度)的范围的离子的分子种类，尤其是覆盖将由光谱仪分析的样品中预期的大多数质量、电荷状态和离子丰度的范围的分子。因此，离子校准混合物对于至少两种不同种类的离子，优选至少五个或至少10种不同种类的离子包含至少不同的电荷状态和/或离子量。

校准程序可以包括在施加到离子聚焦布置的不同电压下进行的离子的一种或多种校准混合物的质量分析(记录质谱)，以确定不同离子质量(m)、电荷状态(z)和峰值强度下光谱中记录的m/z值和峰值强度对电压变化的依赖性。由此产生多维数据集。由此可以获得对于给定的m、z和/或强度的离子施加到离子聚焦布置的最佳电压。在本公开的一些方面，可以执行使用一种或多种校准混合物的附加或替代校准程序，其中对于离子注入器(离子阱)中的压力和/或电压变化，确定所记录的m/z值和峰值强度的依赖性。前述依赖性可以通过函数(例如，平滑函数，诸如样条曲线)来近似。包含计算机的控制器可以确定这样的功能。这些函数可以用于根据电荷状态、离子数等来调节可变电压等。近似函数可以用于例如在保存光谱之前校正获取的质谱。优选地，可以通过这样的函数(例如样条)来近似确定的多维依赖性，并且在保存它们之前将其用于所获取质谱的在线校正。

因此，一方面，本公开内容提供了一种所述的质谱分析方法，其中至少一个可变电压对离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量的依赖性已经由校准确定，其中，所述校准包括检测具有供应至离子聚焦布置的变化电压的一种或多种离子校准混合物，以便确定不同电荷状态和/或离子量下检测到的m/z值和/或峰值强度对可变电压的依赖性。

离子的至少一个种类的电荷状态可以包括多电荷状态，并且电压源可以被配置为改变供应至离子聚焦布置的电压，以将多电荷状态的离子的空间分散归一化为单电荷离子的空间分散。换句话说，可以调节供应至离子聚焦布置的电压，以使得多电荷离子种类的空间分散与用于单电荷离子的平均空间分散基本相同。

在一些实施例中，至少一种电荷状态可以是单个离子种类的电荷状态。在一些其他实施例中，至少一种电荷状态可以是不同离子种类的多种电荷状态。至少一种电荷状态可以包括多个不同离子种类的代表性电荷状态。例如，代表性电荷状态可以是具有不同电荷状态的多个不同离子种类的平均电荷状态。这样，所施加的电压可以是在具有不同电荷状态的许多不同离子种类的最佳电压之间的折衷。类似地，在某些实施例中，离子的至少一个量可以是单个离子种类的离子的量。在某些其他实施例中，离子的至少一个量可以是不同离子种类的离子的多个量。离子的至少一个量可以包括多种不同离子种类的代表性离子的量。例如，离子的代表性量可以是在离子束中存在不同量的离子(不同丰度)的多个不同离子种类的平均离子量。这样，所施加的电压可以是对于具有不同丰度的许多不同离子种类的最佳电压之间的折衷。

离子束可以沿离子路径经历一或多次反射，优选多次反射。在一些多次反射实施例中，离子束路径可以遵循锯齿形路径。离子路径可以位于平面中，并且聚焦布置可将离子束沿位于平面内的方向(正交于离子路径)和/或沿平面外的方向聚焦。飞行时间质谱仪因此优选地进一步包括至少一个离子镜，该至少一个离子镜被配置为沿离子路径反射离子束。飞行时间质谱仪还优选地还包括多个离子镜，所述多个离子镜被配置成沿离子路径多次反射离子束。因此，飞行时间质谱仪可以是单反射或多反射飞行时间质谱仪。

在一些实施例中，飞行时间质谱仪可以包括两个离子镜，所述两个离子镜在方向X上彼此间隔开并且彼此相对，每个镜基本上沿漂移方向Y伸长，漂移方向Y与方向X正交，被配置为在离子束沿漂移方向Y漂移的同时通过在离子镜之间在X方向上多次反射离子束来提供锯齿形离子路径。这种间隔开的镜可以彼此平行或不平行(即倾斜)。离子路径可以位于X-Y平面内，并且聚焦布置可以用于使离子束沿位于X-Y平面内的方向和/或沿平面外的方向聚焦。脉冲离子注入器可以以与所述X方向成非零倾角将离子脉冲注入到所述离子镜之间的空间中，所述离子由此形成沿着锯齿形离子路径并且在所述离子镜之间沿所述方向X经历反射N次的离子束，同时沿所述漂移方向Y漂移。N是至少为2的整数。因此，离子束在离子镜之间沿方向X至少经历2次反射，同时沿漂移方向Y漂移。优选地，离子镜中沿着从离子注入器到检测器的离子路径的离子反射的次数N至少为3、或至少为10、或至少为30、或至少为50或至少为100。离子镜中沿着从离子注入器到检测器的离子路径的离子反射的次数N为2到100、3到100或10到100，或超过100，例如以下组中的一个：(i)3到10；(ii)10到30；(iii)30到100；(iv)超过100。注入质谱仪中的离子优选地在离子镜之间沿X方向来回反复反射，同时这些离子沿离子镜延伸的Y方向(在+Y方向上)向下漂移。在某些实施例中，在多次反射(通常为N/2)之后，离子可以沿Y的漂移速度反转，因此它们在离子镜之间沿X方向来回反复反射，同时这些离子沿Y方向(在-Y方向上)向后漂移回，之后被检测器检测。离子镜的这种布置在US9136101中公开，其全部内容合并于此。

离子聚焦布置通常包括或者是至少一个离子聚焦透镜。因此，电压源用于向至少一个离子聚焦透镜供应至少一个可变电压。至少一个离子聚焦透镜可以选自以下类型的透镜：透轴(trans-axial)透镜、单透镜(Einzel lens)和多极透镜。至少一个离子聚焦透镜可以位于在(一个或多个)离子镜中进行第一次反射之前。在这样的实施例中，飞行时间质谱仪可以仅具有单个离子镜。更一般，在这些类型的实施例中，光谱仪可以包括沿被配置为反射离子束的离子路径的至少一个离子镜，其中，至少一个离子聚焦透镜位于在至少一个离子镜中进行第一次反射之前。至少一个离子聚焦透镜可以位于在离子镜中进行第一次反射之后和第五次反射之前。在这样的实施例中，飞行时间质谱仪具有多个离子镜(例如，两个相对的离子镜)，所述多个离子镜被配置为多次反射离子束，使得这些束在离子镜中经历多次反射，优选地五次或更多次反射。

优选地，离子聚焦透镜、或具有一个以上的聚焦透镜的透镜包括透轴透镜，其中所述透轴透镜包括一对相对的透镜电极，所述一对相对的透镜电极被定位在这些束的任一侧、例如在方向Z上定位在这些束的任一侧，其中Z垂直于方向X和Y，方向X和Y限定离子路径的平面。优选地，所述相对的透镜电极中的每一个包括圆形、椭圆形、准椭圆形或弧形电极。在一些实施例中，所述一对相对的透镜电极中的每一个包括电极阵列，所述电极阵列被电阻器链分隔以模拟由具有弯曲边缘的电极产生的场曲率。在一些实施例中，所述相对的透镜电极各自被放置在电接地组件内。在一些实施例中，所述透镜电极各自被放置在偏转器电极内但是与偏转器电极隔离。每个偏转器电极可以放置在电接地组件内。所述偏转器电极可以优选地具有外部梯形形状，所述外部梯形形状充当所述离子束的偏转器。在一些实施例中，所述离子聚焦透镜包括多极杆组件。在一些实施例中，所述离子聚焦透镜包括单透镜(一系列电偏置的孔)。

在一些优选的实施方式中，所述离子聚焦布置可以包括一个以上的聚焦透镜。例如，所述离子聚焦布置可以包括第一聚焦透镜和与第一聚焦透镜间隔开的第二聚焦透镜。第一和第二聚焦透镜可以具有不同的可变电压，通过可变电压源施加到所述第一和第二聚焦透镜上。例如，第一聚焦透镜可以是在与离子路径正交的方向上的发散透镜，并且第二聚焦透镜可以是在与离子路径正交的方向上的会聚透镜，第二聚焦透镜在第一聚焦透镜的下游。在一些实施例中，所述离子聚焦布置包括：第一聚焦透镜，其定位在离子镜中进行第一次反射之前，特别地，其中所述第一聚焦透镜是发散透镜；以及第二聚焦透镜，其定位在离子镜中进行第一次反射之后，用于聚焦离子束，其中所述第二聚焦透镜是会聚透镜(即，对离子束宽度具有会聚作用，离子束宽度正交于离子路径)。

飞行时间质谱仪还可以包括位于所述离子注入器上游的离子碎裂装置，例如碰撞诱导解离(CID)细胞或电子转移解离(ETD)细胞或其他解离细胞，用于执行离子的MS2分析，其中，所述电压源被配置为基于关于产物离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据来改变在MS2分析中供应至所述离子聚焦布置的电压，所述数据源自在所述MS2分析之前进行的离子的MS1分析。以这种方式，在MS2(产物离子)扫描中聚焦和离子束分散的调整可以基于从先前的MS1(前体离子)扫描获取的电荷状态或丰度数据。

脉冲离子注入器可以包括具有离子脉冲发射的离子阱、正交加速器、MALDI源、次级离子源(SIMS源)或用于ToF质谱仪的其他已知脉冲离子注入器。优选地，离子注入器包括脉冲离子阱，更优选地是线性离子阱，如直线离子阱或弯曲线性离子阱(C-Trap)。

脉冲离子注入器通常直接或间接地经由一个或多个离子光学装置(例如，离子导向器、离子透镜、滤质器、碰撞池等中的一个或多个)从离子源接收离子。离子源将样品电离以形成离子。合适的离子源是本领域众所周知的。在一些实施例中，离子注入器本身可以是离子源(例如，MALDI源)。离子源可以使多个样品种类电离以形成离子，例如来自色谱仪的分离样品种类。这些离子可以通过离子源的非穷举列表中的任一种从样品生成：电喷雾电离(ESI)、大气压化学电离(APCI)、大气压光电离(APPI)、具有辉光放电的大气压气相色谱法(APGC)、AP-MALDI、激光解吸(LD)、入口电离、电喷雾解吸电离DESI、激光烧蚀电喷雾电离(LAESI)、感应耦合等离子体(ICP)、激光烧蚀感应耦合等离子体(LA-ICP)源等。这些离子源中的任一个可与离子源上游的以下非穷举列表的样品分离中的任一个连接：液相色谱(LC)、离子色谱(IC)、气相色谱(GC)、毛细管区带电泳(CZE)、二维GC(GCxGC)、二维LC(LCxLC)等。

脉冲离子注入器产生离散的离子脉冲，即，注入非连续的离子脉冲，而不是连续的离子流。如ToF质谱技术领域中已知的，脉冲离子注入器形成短离子脉冲，所述短离子脉冲包括来自样本/离子源的至少一部分所述离子。通常，加速电压被施加至离子注入器以将离子注入到镜中，所述电压可以是数kV，诸如1kV、2kV、3kV、4kV或5kV、或更高。

离子聚焦布置可以至少部分地定位在相对的离子镜之间。在一些实施例中，离子聚焦布置完全地定位在离子镜之间(即，在离子镜之间的空间中)，而在其它实施例中，离子聚焦布置部分地定位在离子镜之间，并且部分地位于离子镜之间的空间之外。例如，离子聚焦布置的一个透镜可以定位在离子镜之间的空间之外，而离子聚焦布置的另一个透镜定位在离子镜之间。

检测器可以包括本领域已知的用于ToF质谱的合适的离子检测器。示例包括二次电子倍增器(SEM)检测器或微通道板(MCP)检测器，或含有与闪烁体/光电检测器组合的SEM或MCP的检测器。

(一个或多个)离子镜可以包括任何已知类型的长形离子镜。(一个或多个)离子镜是或通常是静电离子镜。(一个或多个)镜可以是栅格的，或者(一个或多个)镜可以是无栅格的。优选地，(一个或多个)镜是无栅格的。(一个或多个)离子镜通常是(一个或多个)平面离子镜，尤其是(一个或多个)静电平面离子镜。在一些实施例中，两个平面离子镜在例如漂移方向Y上的大部分或全部长度上彼此平行。在一些实施例中，离子镜在漂移方向Y上的较短长度上可能不平行(例如US 2018-0138026 A中所述，在其最靠近离子注入器的入口端)。离子镜通常在漂移方向Y上具有基本相同的长度。优选地，离子镜被无电场的空间区域隔开。离子光学镜彼此相对。相对的镜意味着镜被定向成使得被引导到第一镜的离子被从第一镜反射到第二镜，并且进入第二镜的离子被从第二镜反射到第一镜。因此，相对的镜具有电场分量，所述电场分量大体上沿相反的方向定向并且彼此相对。每个平面镜优选地由多个平行伸长的条状电极制成，所述电极通常在Y方向上伸长。镜的这种结构在本领域中是已知的，例如在SU172528或US2015/0028197中描述的。可以将离子镜的长形电极设置为已安装的金属条或PCB基座上的金属轨道。长形电极可以由具有低热膨胀系数的金属制成，如因瓦合金(Invar)，从而飞行时间可以抵抗仪器内温度的变化。离子镜的电极形状可以被精确加工或通过线腐蚀制造获得。离子镜长度(第一级和第二级的总长度)在本发明中不受特别限制，但是优选的实际实施例的总长度在300-500mm的范围内，更优选在350-450mm的范围内。

两个离子镜均可以主要在一个方向Y上伸长。伸长可以是线性的(即，笔直的)，或者伸长可以是非线性的(例如，弯曲的或包括近似曲线的一系列小台阶)，如将进一步描述的。每个离子镜的伸长形状可以相同的或不同的。优选地，每个镜的伸长形状是相同的。优选地，镜是一对对称的镜。在伸长是线性的情况下，镜可以彼此平行，但是在一些实施例中，镜可能彼此不平行。

如本文所述，两个镜彼此对准，使得其位于X-Y平面中，并且使得两个镜的伸长尺寸大体上位于漂移方向Y上。这些镜间子在X方向上隔开并且彼此相对。可以将离子镜之间的距离或间隙方便地设置为根据漂移距离而恒定，即根据Y(镜的伸长尺寸)而恒定。以这种方式，将离子镜彼此平行地布置。然而，在一些实施例中，镜之间的距离或间隙可被设置为根据漂移距离而变化，即根据Y而变化，两个镜的伸长尺寸将不会精确地位于Y方向上，为此这些镜被描述为大致沿漂移方向Y伸长。因此，可以将大致沿漂移方向Y伸长理解为主要或基本上沿漂移方向Y伸长。在本发明的一些实施例中，至少一个镜的伸长尺寸在其长度的至少一部分上可以与方向Y成角度。

在表面检查下，离子镜本身的机械结构似乎可以保持恒定的X上的相距(根据Y而变化)，而平均反射表面实际上可以位于不同的X上的相距(根据Y而变化)处。例如，一个或多个相对的离子镜可以由设置在绝缘线圈架(如印刷电路板)上的导电迹线形成，并且一个这样的离子镜的圈架可以沿着整个漂移长度与相对的离子镜保持恒定的相距，而设置在圈架上的导电迹线与相对的离子镜中的电极之间的距离可能不是恒定的。即使将两个离子镜的电极布置成沿着整个漂移长度间隔开恒定的距离，一个或两个离子镜内的不同电极也可能会沿着漂移长度偏置不同的电势，从而导致镜的相对平均反射表面之间的距离沿着漂移长度而变化。因此，相对的离子光学镜之间在X方向上的距离沿着镜长度的至少一部分在漂移方向上变化。

在一些实施例中，本发明的质谱仪包含离子镜之间的空间中的一个或多个补偿电极，以使例如由镜的对准误差引起的飞行时间像差的影响最小化，例如如US9136102中所描述的，其全部内容被并入本文。补偿电极在离子镜之间的空间内或附近沿漂移方向的至少一部分延伸。在一些实施例中，补偿电极产生电场分量，所述电场分量与在漂移方向上沿着离子光学镜长度的至少一部分沿+Y方向的离子运动相反。当离子沿漂移方向移动时，电场的这些分量优选地对这些离子提供或贡献返回力。相对于多反射质谱仪的离子镜，一个或多个补偿电极可以具有任何形状和大小。在优选的实施例中，一个或多个补偿电极包括平行于面对离子束的X-Y平面的延伸表面，电极在+/-Z上偏离离子束飞行路径移位，即每一个或多个电极优选地具有与X-Y平面基本平行的表面，并且优选地，有两个这样的电极位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧。在另一个优选实施例中，一个或多个补偿电极沿着漂移长度的实质部分在Y方向上伸长，每个电极位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧。在这个实施例中，优选地，一个或多个补偿电极沿着实质部分在Y方向上伸长，所述实质部分是下列中的至少一个或多个：1/10；1/5；1/4；1/3；1/2；3/4。在一些实施例中，一个或多个补偿电极包括沿着漂移长度的实质部分在Y方向上伸长的两个补偿电极，所述实质部分是以下中的至少一个或多个：总漂移长度的1/10；1/5；1/4；1/3；1/2；3/4，一个电极在+Z方向上偏离离子束飞行路径移位，另一个电极在-Z方向上偏离离子束飞行路径移位，因此两个电极位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧。然而，预期了其它几何形状。优选地，补偿电极在使用中被电偏置，使得离子的总飞行时间基本上与离子的入射角无关。由于离子行进的总漂移长度取决于离子的入射角，因此离子的总飞行时间基本上与行进的漂移长度无关。

补偿电极可以被电势偏置。在使用一对补偿电极的情况下，所述一对电极中的每个电极可以被施加相同的电势，或者两个电极可以被施加不同的电势。优选地，在存在两个电极的情况下，电极对称地位于在相对的离子镜之间延伸的空间的任一侧，并且两个电极均以基本相等的电势被电偏置。在一些实施例中，一对或多对补偿电极的一对中的每个电极以相同的电势被偏置，并且所述电势相对于本文中被称为分析仪参考电势的电势可以为零伏。通常，分析仪参考电势将是接地电势，但是应当理解，分析仪的电势可以任意升高，即整个分析仪的电势可以相对于地面上下浮动。如本文中所使用的，零电势或零伏特被用于表示相对于分析仪参考电势的零电势差，并且术语非零电势被用于表示相对于分析仪参考电势的非零电势差。通常，将分析仪参考电势例如施加到屏蔽件(如用于终止离子镜的电极)，并且如本文所定义的，所述分析仪参考电势是在除了构成离子镜的电极之外不存在所有其它电极的情况下，在相对的离子光学镜之间的漂移空间中的电势。

在某些实施例中，提供了两对或更多对相对的补偿电极。在这种实施例中，其中每个电极以零伏被偏置的多对补偿电极进一步被称为非偏置补偿电极，而施加有非零电势的其它几对补偿电极进一步被称为偏置补偿电极。通常，非偏置补偿电极终止来自偏置补偿电极的场。在一个实施例中，至少一对补偿电极的表面在X-Y平面中具有轮廓，使得所述表面在靠近镜的一个或两个端部的区域中朝向每个镜延伸的距离大于其在这些端部之间的中央区域中延伸的距离。在另一个实施例中，至少一对补偿电极具有在X-Y平面中具有轮廓的表面，使得所述表面在靠近镜的一个或两个端部的区域中朝向每个镜延伸的距离小于其在这些端部之间的中央区域中延伸的距离。在这种实施例中，一对或多对补偿电极优选地在长形镜的一端从邻近离子注入器的区域沿着漂移方向Y延伸，并且补偿电极在漂移方向上的长度与延伸镜的长度基本相同，并且所述补偿电极定位在镜之间的空间的任一侧。在替代性实施例中，如上文描述的补偿电极表面可以由多个离散的电极组成。

优选地，在本发明的所有实施例中，补偿电极不包括离子光学镜，在所述离子光学镜中，离子束遭遇至少与离子在漂移方向上的动能一样大的势垒。然而，如已经陈述并且将进一步描述的，所述补偿电极优选地产生电场分量，所述电场分量与在漂移方向上沿着离子光学镜长度的至少一部分沿+Y方向的离子运动相反。

优选地，一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由相对的离子镜产生的至少一些飞行时间像差。在存在一个以上的补偿电极的情况下，补偿电极可以以相同的电势被偏置，或者可以以不同的电势被偏置。在存在一个以上的补偿电极的情况下，一个或多个补偿电极可以以非零电势被偏置，而其它补偿电极可以保持在另一电势，所述另一电势可以为零电势。在使用中，一些补偿电极可以用于限制其它补偿电极的电场的空间范围。

在一些实施例中，一个或多个补偿电极可以包括涂覆有电阻材料的板，所述电阻材料在板的沿Y方向的不同端部处被施加不同的电势，从而产生其表面具有随漂移方向Y而变化的电势的电极。因此，可以将电偏置的补偿电极保持在一个电势不变。优选地，一个或多个补偿电极在使用中被电偏置，以便补偿由于相对的离子镜的对准误差或制造公差而在漂移方向上产生的飞行时间偏移，并且使得系统的总飞行时间偏移基本上与这种未对准或制造无关。

施加到补偿电极的电势可以保持恒定或可以随时间变化。优选地，施加到补偿电极的电势在时间上保持恒定，同时离子行进通过多反射质谱仪。施加到补偿电极的电偏压可以使得离子在补偿电极附近通过，从而被偏压以进行减速或加速，补偿电极的形状因此相应地变化，将进一步描述这一示例。如本文所述，施加到补偿电极的术语“宽度”是指偏置补偿电极在+/-X方向上的物理尺寸。应当理解，当分别对离子镜和/或补偿电极进行电偏压时，存在由离子镜提供的电势(即电势)和电场和/或由补偿电极提供的电势和电场。

定位在离子镜之间的空间中或附近的偏置补偿电极可以位于X-Y平面中的两个或多个非偏置(接地)电极之间，所述非偏置电极也定位在离子镜之间的空间中或附近。非偏置电极的形状可以与偏置补偿电极的形状互补。

在一些优选实施方式中，相对的离子光学镜之间的空间在漂移长度的每个端部处在X-Z平面中开口。X-Z平面中开口是指镜不受X-Z平面中的电极限制，所述电极完全或基本上跨越镜之间的间隙。

附图说明

图1示意性地示出了根据本公开明的实施例的飞行时间质谱仪。

图2示意性地示出了提取离子阱的形式的离子注入器的实施例。

图3示意性地示出了离子注入光学器件布局的实施例。

图4示意性地示出了离子镜电极配置和施加的电压。

图5示意性地示出了具有圆形(A)和椭圆形(B)形状的成形离子聚焦透镜，以及集成在棱镜状偏转器(C)中的透镜。

图6示意性地示出了离子聚焦透镜的替代结构。

图7示出了离子聚焦透镜在不同分散能量范围内的电压变化。

图8示出了不同离子电荷状态下最佳透镜电压的变化。

图9A示出了示意性表示质谱分析方法的流程图，其中使用关于至少一种离子种类的离子的电荷状态和/或数目的预测或测量数据来调节离子聚焦透镜电压。

图9B示出了示意性地表示串联(MS2)质谱分析的流程图，其中根据来自MS1扫描的母离子的电荷状态来预测产物离子的电荷状态，并且针对产物离子电荷状态在MS2中调整透镜电压。

图10示出了许多不同蛋白质的产物离子模态电荷状态与前体离子电荷状态之间的关系。

图11示意性地示出了具有中间离子聚焦透镜的单反射飞行时间质谱仪。

图12示出了在1x10^-3毫巴N₂缓冲气体中不同时间的m/z离子的模拟碰撞冷却。

图13示出了最佳聚焦透镜电压变化随离子注入的时间的变化。

图14示出了平面外透镜的最佳电压的模拟m/z依赖性。

图15示出了施加到平面外透镜的电压随离子注入的时间的变化。

具体实施方式

现在将参照附图描述根据本公开的各方面的质谱仪和质谱分析方法的各种实施例。这些实施例旨在说明本公开的各种特征，而并非旨在限制本公开的范围。应了解，可对这些实施例作出变化，但这些变化仍属于随附权利要求的范围内。

商业上需要飞行时间分析仪中的扩展飞行路径以提供高质量的分辨率(例如，>50K)，同时保持高离子传输、质量范围和对空间电荷的耐受性。实现空间电荷耐受性的一个问题是控制分析仪中离子束的发散度，其随离子数(离子量)以及离子电荷状态的变化而变化，因为与相同质量/电荷比的轻的单电荷离子相比，重的多电荷离子在热能作用下在与电子束方向正交的方向上具有较低的速度。因此，多电荷离子在正交漂移维度上的速度分布比相同m/z的轻的单电荷离子低。平面外速度分散也有所不同。平面外速度分散可以由平面外透镜至少部分地控制。束流的分散也可能随m/z的变化而变化，受到RF离子源条件和离子冷却限制的具体影响，尤其是当离子源中的时间有限或气压可用于加热更高质量的离子时，尤其如此。

本公开一方面提供了离子束特性的电荷状态校正。本公开的一个元素是质谱仪，其结合离子聚焦布置以校正由电荷状态的差异引起的离子束特性的变化。这可以通过向离子聚焦布置或离子源施加变化的电压来实现。另一个要素是控制离子聚焦布置以针对质谱仪可能遇到的不同电荷状态分布进行优化的方法。在离子分析之前，需要有关样品离子的电荷状态分布的信息以优化电压设置。在某些情况下，可以通过了解样品和/或应用轻松推断出此信息，例如，在光谱仪与一种或多种电荷状态滤波器(例如，离子迁移率分离器)一起使用时，使得仅已知电荷的离子状态被传送到质谱仪。在某些情况下，质谱仪可以执行预扫描以确定离子电荷状态，然后使用电荷状态信息执行更优化的分析，以将聚焦电压更改为一个或多个最佳值，以在针对一种或多种不同电荷状态优化的条件下获取质谱。

多电荷离子引起的一个问题是，与单电荷离子相比，热能产生的离子速度要低得多。这自然会导致飞行时间分析仪中的离子束发散降低，这虽然表面上具有吸引力，但对于多电荷离子而言，空间电荷效应可能更为严重。低束发射的影响加剧负空间电荷效应，这些负空间电荷效应随着每个离子的电荷数目增加而发生。

对于Grinfeld等人在US9136101B2中公开的会聚镜飞行时间质量分析仪，束发散在沿着相对离子镜的长度的漂移方向上是最关键的。在此，在一个实施例中，建议增加离子聚焦布置，其包括离子聚焦透镜，也称为漂移聚焦透镜，以控制该维度上的束发散。

图1中示意性地示出了根据本公开的实施例的多反射质谱仪2。从未示出的离子源(例如电喷雾离子源或其他离子源)产生的一定量的离子被引导并捕获在脉冲离子注入器4中。在一些实施例中，可以在脉冲离子注入器4之前例如使用上游四极滤质器对离子进行质量选择。通过从脉冲离子注入器4提取捕获的热离子的脉冲来形成沿着路径5的离子束。光束例如在方向Y(所谓的漂移方向)上具有小于0.5mm的宽度。通过向离子注入器4的电极(例如拉/推电极)施加适当的提取电压以将离子加速出离子阱，以高能量(例如，在本实施例中为4kV)将离子脉冲注入到两个相对的长形镜6、8之间的空间中。

在该实施例中，脉冲离子注入器4是离子阱。特别地，离子阱是线性离子阱，如直线离子阱(R-Trap)或弯曲线性离子阱(C-trap)。离子阱也是四极离子阱。图2示出了适合用作离子注入器4的直线离子阱的实施例。离子阱是线性四极离子阱，其可以接收由离子源(未示出)产生并由接口离子光学布置(例如，包括一个或多个离子导向器等)递送的离子，如本领域中公知的。离子阱由四极电极组构成。内切圆半径为2mm。通过分别施加到相对的长形四极电极对41、42和44、44^/上的反向RF电压(在4MHz下为1000V)径向限制离子；并通过直流(DC)孔电极(46、48)中的每一个上的小直流电压(+5V)轴向限制离子。离子通过DC孔电极46中的孔被引入离子阱中，并且通过与离子阱中存在的背景气体(<5x10^-3毫巴)碰撞冷却而热化。在将冷却的离子提取到质谱分析仪的离子镜中之前，将陷阱电势升高到4kV，然后通过将-1000V施加到拉动电极42并将+1000V施加到推动电极(41)来施加提取场，导致正离子沿箭头A所示的方向通过拉动电极上的狭缝(47)排入分析仪。可替代地，可以用本领域已知的弯曲线性离子阱(C-trap)代替所示的直线四极离子阱。

除了离子阱4之外，优选具有多个另外的离子光学元件(“注入光学器件”)以控制将离子注入离子镜6、8中。这种离子注入光学器件可以被视为离子聚焦布置的一部分。在图1所示的实施例中，平面外聚焦透镜54、58(即沿X-Y平面外的方向聚焦，换句话说沿Z方向聚焦)沿着离子注入器4与第一镜6之间的离子路径定位。这种平面外聚焦透镜可以包括长形的孔，并且改善离子到离子镜中的传输。其次，当离子束进入离子镜时，离子束在X方向上的入射角的一部分(例如一半)可以由离子阱相对于X方向的角度来提供，角度的其余部分(例如另一半)可以由定位在注入器4前面的至少一个偏转器56(所谓的注入偏转器)所引起的偏转提供。在该实施例中，平面外聚焦透镜54、58位于注入偏转器56之前和之后。注入偏转器通常定位在离子镜中的第一次反射之前。注入偏转器可以包括至少一个注入偏转器电极(例如，定位在离子束上方和下方的一对电极)。以这种方式，离子的等时平面将与分析仪正确对齐，而不会因相应的飞行时间误差而例如错位2度。这种方法在US 9,136,101中进行详细描述。注入偏转器56可以是图5C所示类型的棱镜型偏转器，具有或不具有漂移聚焦透镜。

在一些实施例中，注入角的全部或大部分可以由注入偏转器56提供。另外，将理解，可以使用(例如串联)一个以上的注入偏转器来实现所需的注入角度(即，可以看出，所述系统可以包含至少一个注入偏转器，任选地两个或更多个注入偏转器)。图3示意性地示出了注入光学方案的示例实施例以及合适的施加电压。离子注入器4是线性离子阱，向4kV阱施加上述的+1000V推动电压和-1000V拉动电压，以提取离子束。然后，由箭头所示的离子束依次通过离子光学器件，所述离子光学器件包括第一接地电极52、保持在+1800V的第一透镜54、棱镜型的离子偏转器56(+70V)、保持在+1200V的第二透镜58和最后一个接地电极60。第一透镜54和第二透镜58是用于提供平面外聚焦的光圈透镜(矩形单透镜)。偏转器56提供离子束相对于X轴线的倾斜角。

两个离子镜6、8在X方向上彼此间隔开并且彼此相对，每个镜通常沿漂移方向Y伸长，漂移方向Y正交于X方向。如上所述，脉冲离子束以相对于X方向倾斜的角度被注入相对离子镜6、8之间的空间中，从而使离子在Y方向上具有速度分量。从而，离子束沿着在X方向上在离子镜之间反射多次而呈锯齿状的离子路径5，同时离子束在漂移方向Y(+Y方向)上漂移。离子镜6、8不是绝对平行的而是彼此稍微成一定角度(即，它们沿漂移方向Y会聚)，使得在经过一定数量的反射(通常为N/2，其中N是离子注入与检测之间的反射总数)，离子沿Y方向以其漂移速度反向并且沿Y方向(-Y方向)向后漂移，同时在被位于离子注入器4附近的检测器14检测之前，同时继续在镜之间沿X方向来回反射。会聚离子镜的这种布置在US9136101中公开，其全部内容合并于此。通过这种类型的质谱仪，实际上可以获得10米或以上的总飞行路径。US9136101中描述的所谓补偿电极，用于补偿飞行时间像差优选地与图1所示的实施例一起使用(但是为清楚起见未在图中示出)。

优选地，ToF质谱仪是高分辨率质谱仪。例如，高分辨率质谱仪在m/z 400下的质量分辨率可能大于50,000、70,000或100,000。ToF质谱仪优选地具有高的质量精度，例如，其精度小于5ppm，或者在外部校准下为3ppm。

当离子束中的不同离子种类从离子注入器4行进到离子检测器14时，这些不同离子种类根据它们的m/z而分离，使得它们以其m/z的升序到达检测器。检测器优选为快速时间响应检测器，如具有用于电子聚焦的磁场和电场的多通道板(MCP)或打拿极电子倍增器。离子检测器14检测不同m/z的离子种类的到达，并且提供与每个种类的离子数目成比例的信号。数据获取系统(DAQ)30(包括具有至少一个处理器(未示出)的计算机)被连接到检测器14，以从检测器接收信号，并且能够确定离子的飞行时间，从而确定要产生的质频。DAQ30可以包括用于存储来自检测器的数据、质谱等的数据存储单元(存储器)。

合适的离子镜(如6和8)是现有技术(例如US 9136101)中公知的。图4中示意性地示出了离子镜的配置的示例，其中离子镜6包括在X方向上间隔开的多对相对的长形电极(如五对长形电极)的镜子，离子镜的第一对电极6a被设置为接地电势。在每对电极中，一个电极定位在离子束上方，另一个电极定位在离子束下方(即，沿Z方向，使得在图中仅可见每对电极中的一个电极)。图4中示出了用于电极组(6a-6e)的提供具有时间聚焦的反射电势的电压的示例，其中施加的电压适合用于聚焦4keV正离子。对于负离子，极性可以颠倒。当离子束进入第一镜6时，通过由镜6的第一电极对6a产生的透镜作用而聚焦在平面外尺寸上，并通过镜的其余电极6b-6e被反射到时间焦点。作为一个示例，镜之间的可用空间(即，每个镜的第一电极(6a、8a)之间在X方向上的距离)为300mm，并且分析仪的总有效宽度(即，镜内的离子的平均转折点之间在X方向上的有效距离)为～650mm。总长度(即在Y方向上)为550mm，以形成适当紧凑的分析仪。

在第一离子镜6中进行第一次反射之后，离子束到达聚焦透镜12形式的离子聚焦布置，该聚焦透镜将离子束聚焦在漂移方向Y上，即基本正交于离子路径。因此，在该实施例中，聚焦透镜12可以被称为漂移聚焦透镜。聚焦透镜12位于镜之间的空间的中央，即，在方向X上在镜之间的中间，优选地在时间上聚焦。这个实施例中的聚焦透镜12是包括一对相对的透镜电极的透轴透镜，所述一对相对的透镜电极在方向Z(垂直于方向X和Y)上定位在离子束的任一侧。具体地，聚焦透镜12包括定位在离子束上方和下方的一对准椭圆板12a、12b。透镜可以是纽扣形透镜。在该实施例中，板为7mm宽(X方向)和24mm长(Y方向)。在各种实施例中，一对相对的透镜电极可以包括圆形、椭圆形、准椭圆形或弧形电极。聚焦透镜12可以根据施加到其上，即施加到透镜电极12a、12b的电压，对离子束空间分散具有会聚或发散的作用。通过由控制器34控制的可变DC电压源32将电压施加到聚焦透镜12，即，施加到形成聚焦透镜12的一对电极。控制器34包括计算机和相关的控制电子设备。DAQ 30的计算机和控制器34的计算机可以使用相同的计算机，或者可以使用不同的计算机。控制器34的计算机运行计算机程序，该计算机程序在由计算机的一个或多个处理器执行时使计算机(和相关的控制电子设备)控制质谱仪以执行根据本发明的方法。计算机程序被存储在计算机可读介质上。控制器34(例如其计算机)进一步通信地连接到数据获取系统30。如上所述，数据获取系统30的计算机和控制器34的计算机可以使用相同的计算机。

US 2014/175274A中描述了在离子束上方和下方放置按钮形电极(例如圆形、扁形、椭圆形或准椭圆形)以在多匝ToF仪器中产生漂移聚焦的想法，尽管是以一种周期性的方式并在轨道几何结构内构造，所述文献的内容通过引用整体并入本文。这种透镜是“透轴透镜”的形式(参见P.W Hawkes和E Kasper,《电子光学原理(Principles of ElectronOptics)》,第2卷,学术出版社(Academic Press)，伦敦，1989，所述文献的内容通过引用整体并入本文)。这种透镜的优点是具有宽的空间接受度，这对于控制长形的离子束很重要。

透镜必须足够宽，以容纳离子束，并且使得透镜侧面的3D场扰动不会损坏聚焦特性。透轴透镜的电极之间的空间同样应该在最小化这些3D扰动和容纳离子束高度之间做出折衷。实际上，透镜电极之间的4-8mm的距离可能是足够的。从圆形(纽扣)透镜到窄椭圆形透镜的透镜曲率变化是可能的。与较宽的弧度或整圆相比，具有短弧度的准椭圆结构降低了飞行时间像差，因为穿过其的路径更短，但所述准椭圆结构需要更强的电压，并且在极端情况下会开始引起相当大的平面外透镜。这一效果可以用于控制单个镜头中的漂移和平面外分散的某种组合，但会限制对每个属性的控制范围。作为辅助，可以通过离子阱拉动/推动电极的曲率来利用已经施加强场的区域(如离子阱4的离子提取区域)以引起或限制离子束的漂移发散。这样的示例是US 2011-284737 A中描述的商业弯曲线性离子阱(C-trap)，所述文献的内容通过引用整体并入本文，在所述商业弯曲线性离子阱中，将长形的离子束聚焦到一个点以帮助注入到Orbitrap^TM质谱分析仪中。

图5示出了漂移聚焦透镜的不同实施例(A、B)，所述漂移聚焦透镜包括圆形透镜板(电极)20和准椭圆形透镜板22，以及每个板的接地环绕电极24。透镜电极20、22与接地环绕电极24绝缘。还示出了(C)将透镜22(在这种情况下为准椭圆形(椭圆形或近椭圆形)，但也可以是圆形等)集成到偏转器中，在这个实施例中，所述偏转器包括布置在离子束上方和下方的梯形棱柱状电极结构26，其通过以恒定的场角而非曲线呈现入射离子而充当偏转器。偏转器结构包括布置在离子束上方的梯形或棱柱状电极和布置在离子束下方的另一个梯形或棱柱状电极。透镜电极22与偏转器(即梯形棱柱状电极)绝缘，透镜电极定位在偏转器中，继而与接地环绕电极24绝缘。将透镜放置在具有宽的空间接受度的偏转器结构内是节省空间的设计。

图6中示出了合适的透镜的其它可能的实施例，例如：安装的电极30(例如，安装在印刷电路板(PCB)32上)的阵列(A)，所述阵列由电阻器链隔开以模拟由定形电极产生的场曲率；用于产生四极或准四极场的多极杆组件(B)，如具有准四极配置并显示相对杆电压(V)的基于12杆的透镜；以及基于光圈的镜头，如普通的光圈单镜头结构(C)。如图5和图6所示的聚焦透镜的这种实施例可以适用于ToF质谱仪的所有实施例。

聚焦透镜12的最佳位置可以在离子反射系统中进行第一次反射之后但是在第四次或第五次反射之前，即，它位于系统中相对较早的位置，该系统具有>20次反射。聚焦透镜的最佳位置可以在第一次反射之后但是在第二次或第三次反射之前(特别是在第二次之前)。

图1示出了会聚镜ToF质谱仪的配置，其中聚焦透镜12位于第一次离子反射之后，在这种情况下被并入漂移能量减小偏转器16中。可能优选的是，在第一次反射之后安装的聚焦透镜12还并入离子偏转器16，例如图5所示的棱镜类型的离子偏转器(实施例C)。可以谐调所述偏转器以将注入角调整到期望的水平和/或校正由离子镜中的机械偏差引起的任何离子束偏转。此外，镜制造或安装过程中的误差会在每次反射时引起较小的飞行时间误差，因为离子束一侧的离子比另一侧的离子具有更短的飞行路径，并且优选地通过在如上所述的离子镜之间的空间内增加两个补偿来校正这些离子。

在一些实施例中，已经发现可以使用安装在离子注入器4和第一反射之间并以发散方式操作的附加聚焦透镜(在与聚焦透镜12相同的漂移(Y)方向上聚焦)，因为它可以在离子束到达聚焦透镜12之前对离子束发散进行一些控制。这样的附加聚焦透镜可以如上所述安装在离子注入偏转器56内，并且在图3的注入光学方案中示出。因此，在某些实施例中，离子聚焦布置可以包括：第一聚焦透镜，其定位在离子镜中的第一次反射之前，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，其中所述第一聚焦透镜优选地是发散透镜；以及第二聚焦透镜12，其定位在离子镜中进行第一次反射之后，用于在漂移方向Y上聚焦离子束，该第二聚焦透镜在束上的散度可能比第一聚焦透镜小或可能正会聚。可以将附加漂移聚焦透镜构造成与聚焦透镜12一样，例如，构造成如图5所示的具有圆形、椭圆形或准椭圆形形状的透轴透镜，或如图6所示的其它类型的透镜中的一个。然而，附加聚焦透镜通常将施加与聚焦透镜12不同的电压，因为它作用于不同的离子束宽度并提供不同的聚焦特性。

离子束被一对透镜54、58聚焦在平面外(X-Y平面外)的尺寸中，并且被引导到两个相对的离子镜6、8的第一离子镜6中。在第一次反射之后，离子遇到组合的偏转器/聚焦透镜12、16，从而偏转器16最小化注入角(以使镜长度内的离子反射次数最大化)，并且透镜12将离子束聚焦在Y(漂移)方向。透镜12可以根据期望精确检测的离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态来调节离子束的聚焦。透镜12优选地将多电荷离子的束空间分散归一化为单电荷离子的束空间分散。在穿过聚焦透镜12之后，束随后进入第二离子镜8，此后，离子在沿着漂移长度向下移动时，经过多次反射在两个镜之间来回传递。最终，会聚镜(和图1中的附加ToF补偿电极(未显示))沿漂移方向反射回离子，最终将离子聚焦在位于离子注入器4附近的离子检测器14上。

图1中所示系统的仿真表明，在最大束宽度发散点处，即在漂移方向Y上的反射点处，单电荷离子在漂移方向Y上的宽度达到半最大值全宽度(FWHM)的28mm，但是10+个离子的宽度仅为7mm；这导致空间电荷容差大大降低。这样可以通过向聚焦透镜12的电极施加+70V来纠正，而对于单电荷离子，则为0V，假设通过设计将没有透镜的分析仪特性谐调为离子的单电荷热分布，因此可以保留空间电荷容差。

因此，本公开提供了以取决于分析物的电荷状态的方式来谐调聚焦透镜12的电压。例如，对于相对较高的电荷状态(多电荷状态)，可以减小施加到会聚聚焦透镜的电压的大小(会聚电压)，或者与相对较低的电荷状态(例如，单电荷状态)相比，相对较高的电荷状态可以增加发散聚焦透镜上的电压(发散电压)，以便对于具有较高电荷状态的离子，束保持最佳或接近最佳发散状态。施加至平面外聚焦透镜54、58的电压的变化也将具有维持与漂移方向正交的最佳离子束分散的值。但是，对于图1中所示的系统，此维度上的聚焦不太关键，其中该平面上的分散相对较窄，但可能具有潜在的意义。因此，可变电压可以被施加到离子聚焦布置，该离子聚焦布置在与离子路径正交的方向中的一个或两个方向上聚焦离子束。由于离子束分散在飞行时间光谱仪中是由透镜(例如，图1中的漂移控制透镜12和平面外透镜54、58)控制的，因此，有益的是将这些透镜上的电压改变为最佳校正这些属性的变化。

对图1中所示的质谱仪进行建模(使用MASIM 3D仿真软件)，并且模拟具有变化的分散能量的离子轨迹。对于一系列不同的分散能量，将离子漂移聚焦透镜12的电压被谐调到最佳值，结果如图7所示(竖直轴线上的最佳透镜电压相对于水平轴线上相对于热化的单电荷正离子的分散速度的曲线)。在此模型中，大约2倍速度的范围是可校正的(4倍热能)，但是当透镜处的高分散束的宽度超过透镜的空间接受度时，存在限制。由于离子的电荷状态直接与分散速度对应，因此可以大致确定不同电荷状态下最佳透镜电压的变化，并且该透镜电压(竖直轴线)随离子电荷状态(水平轴线)的变化在图8中所示。实际上，对光谱仪本身的透镜电压进行校准比使用模拟得出的值更可取。

本公开内容使得能够针对分析仪可能遇到的电荷状态分布中可能存在的不同电荷状态来控制和优化离子聚焦。在优化离子聚焦设置之前，需要对离子分析之前样品的离子电荷状态分布有所了解。在某些情况下，这可以根据样品和/或应用的类型的知识或质谱仪(其中它包括电荷状态滤波器，例如脉冲离子注入器上游的离子迁移装置)来进行推断或预测，使得仅将已知电荷状态的离子输送至ToF质谱仪，或者在进行一次或多次分析扫描之前进行预扫描以确定离子电荷状态。

在图9A中示出了根据本公开的方法的实施例的流程图。在图1所示的质谱仪实施例中，控制器34使用关于离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据来控制可变电压源32并且选择要施加到离子聚焦透镜12的电压。可以通过不同方式获得多种离子的电荷状态。电荷状态可以是电荷状态的近似值或精确值。可以例如根据用于产生离子的样品类型的先验知识来预测离子的电荷状态。因此，用户可以根据要从特定样品生成的离子的一种或多种电荷状态、或样品类型(例如样品来源(例如血液)、分子种类(例如代谢产物)、分子类别(例如蛋白质)等)将信息输入到控制器(即通过用户界面输入到控制器计算机)，使得控制器就可以根据样品类型预测预期的电荷状态。因此，在图9A所示的步骤90中，控制器获得预测的电荷状态数据。可替代地，可以在预扫描中测量离子的一种或多种电荷状态，例如，通过对由检测器和数据获取系统30获取的一个或多个质谱进行分析。数据获取系统30可以使用诸如THRASH和高级峰值检测的常规使用的算法来从由检测器获取的数据生成的质谱中确定离子的电荷状态。控制器因此在步骤92中获得测量的电荷状态数据。可以替代地或附加地获得测量的电荷状态数据，以预测电荷状态数据，例如以验证或修改预测的电荷状态数据。可以以不同的方式来获得离子种类的离子量，例如，通过数据获取系统30从在预扫描中从检测器获取的一个或多个质谱图中所测量的离子种类的峰值强度中获得离子的量。因此，在一些实施例中，首先由检测器和数据获取系统获取预扫描(即初步质谱)，以在步骤92中获得关于离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量的数据。

控制器34通信地连接到数据获取系统30，使得在步骤94中控制器可以使用所获取的关于电荷状态和/或离子丰度的数据来控制可变电压源32。附加地或可替代地，在该步骤中，控制器可以使用关于电荷状态和/或离子丰度的用户输入数据来控制可变电压源32。控制器34使用控制信号来控制可变电压源32。控制器包括计算机，该计算机用程序编程以根据关于离子束中的至少一种离子种类的至少一种电荷状态和/或的量的数据来控制可变电压供应。例如，在一些实施例中，当关于电荷状态的数据表明仅存在单电荷离子和/或应使用针对单电荷离子优化的离子束条件获取质谱时，控制器34会根据程序控制可变电压源32向离子聚焦透镜12施加第一电压(V₁)。当关于电荷状态的数据指示存在多电荷离子，和/或应使用针对多电荷离子优化的离子束条件获取质谱时，控制器34控制可变电压源32改变施加至聚焦透镜12的电压从第一电压(V₁)到不同于V₁的第二电压(V₂)。

以此方式，取决于离子束中离子的一种或多种电荷状态，可以从可变电压源32向聚焦透镜施加多个不同的电压。例如，第一电压(V₁)可以被施加至聚焦透镜12以用于单电荷离子，第二电压(V₂)被施加以用于电荷+2至+5的多电荷离子，第三电压(V₃)被施加以用于电荷+6到+10的多电荷离子，等等。在一些实施例中，不同的电压可以被施加以用于每一不同的电荷状态，例如电压V₁用于电荷+1、电压V₂用于电荷+2、电压V₃用于电荷+3、...等等。在一些实施例中，不同的电压可以被施加以用于不同的电荷状态范围，例如电压V₁用于电荷状态+1、电压V₂用于电荷+2到+4、电压V₃用于电荷+5到+7、...等等。

除了由较高电荷状态引起的效应外，强离子峰或相邻的强离子峰会在光谱仪内引起空间电荷效应，这些空间电荷效应增加离子束分散并且因此也可以通过离子聚焦透镜、尤其是漂移聚焦透镜上的电压变化来至少部分地校正。如同电压随电荷状态的变化一样，有必要预先了解强离子峰(数据包)或峰簇在它们接近相关聚焦透镜时的情况，以便可以调节电压。如上所述，这可以通过预扫描来完成，或者在某些实施例中，可以使用具有电极的感应电荷或电流检测设备来完成，该电极优选地定位于聚焦透镜上游的离子束附近，优选地位于离子首次聚焦处的离子源附近，因为这样可以最大程度地提高检测装置的分辨率和信号强度。在图1所示的光谱仪中，该电极最好放置在离子注入器4和第一平面外透镜54之间，因为首次聚焦位于此处，并且可用于检测和电压响应的时间被最大化。作为示例，强离子峰或包(例如约100-1000s离子)将在电荷检测器上感应出可检测的电流，从而产生可触发透镜电压变化的信号，以校正离子包的空间电荷。

因此，在一些实施例中，当关于离子种类的离子的数目的数据表明该数目低于计算机程序设置的第一阈值和/或应使用针对该离子种类的离子优化的离子束条件来获取质谱时，根据该程序，控制器34控制可变电压源32以将第一电压(V₁)施加到离子聚焦透镜12。当关于离子种类的离子的数目的数据表明该数目高于第一阈值和/或应该使用针对该离子种类的离子优化的离子束条件来获取质谱时，控制器34控制可变电压源32将施加到聚焦透镜12的电压从第一电压(V₁)改变为不同于V₁的第二电压(V₂)。当关于离子种类的离子的数目的数据表明该数目高于第一阈值和/或应该使用针对该离子种类的离子优化的离子束条件来获取质谱时，控制器34控制可变电压源32将施加到聚焦透镜12的电压从第一电压(V₁)改变为不同于V₁的第二电压(V₂)。在一些实施例中，可以针对不同范围的离子数施加不同的电压，例如，对于范围为I₁至I₂的离子数施加电压V₁、对于高于I₂至I₃的离子数施加电压V₂、对于高于I₃至I₄的离子数施加电压V₃……等等。

可变电压源32施加到离子聚焦透镜的电压可以是离子束中的至少一种离子种类的离子的电荷状态和量的函数。因此，施加到透镜的电压V可以由V＝f(z，I)给出，其中f(z，I)是取决于项z和I的函数，其中项z和I分别表示电荷状态(z)和离子量(I)。

基于离子束中的至少一种离子种类的离子的电荷状态和/或数目而施加的电压值可以通过校准程序来确定。在一实施例中，可以将一种或多种校准混合物电离以提供一种或多种离子校准混合物，其通过光谱仪进行质量分析。校准混合物包含形成离子的分子，通常已知为m/z。校准混合物的示例是可从Thermo Fisher Scientific^TM获得的Pierce^TMFlexMix^TM校准溶液，其是16种高纯度可电离组分(质量范围：50至3000m/z)的混合物，这些组分被设计用于正电离和负电离校准，主要提供单电荷离子。用于提供多电荷离子的校准溶液可以包含例如蛋白质混合物；校准溶液中常用的蛋白质包括泛素、肌红蛋白、细胞色素C和/或碳酸酐酶，但是根据需要，可以在校准混合物中使用许多其他蛋白质和/或肽。例如，Pierce^TM保留时间校准混合物包含15种已知肽的混合物。在校准过程期间，在施加到离子聚焦布置12的不同电压下对一种或多种离子校准混合物进行质量分析(记录质谱)，以确定记录的m/z值和峰值强度对不同离子质量(m)、电荷状态(z)和峰值强度的电压变化的依赖性。因此，对于给定的m、z和/或峰值强度(离子数)，可以确定要施加到离子聚焦布置12的最佳电压。在本公开的一些方面，可以执行使用一种或多种校准混合物的附加或替代校准程序，其中对于离子注入器(离子阱)4中的压力和/或电压变化，确定所记录的m/z值和峰值强度的依赖性。所记录的m/z值和峰值强度(在离子聚焦布置电压、注入器压力和/或注入器电压上)的这种依赖性可以通过函数(例如，平滑函数，例如样条)来近似。近似函数也可以用于例如在保存光谱之前对获取的质谱进行获取后校正。优选地，可以通过这样的函数(例如样条)来近似确定的多维依赖性，并且在保存它们之前将其用于所获取质谱的在线校正。

在离子聚焦透镜上使用经过调整的优化电压，对于用于设定电压的至少一个种类的离子的特定电荷状态和/或数目，可以在最佳离子束条件下获得质谱，如图9A中的步骤96所示。在使用优化的电压获取所需数目的质谱后，如果需要获取进一步的优化质谱，而不是针对离子束中的至少一个种类的离子的其他电荷状态和/或数目进行优化，控制器可以返回到步骤94，以将施加到离子聚焦透镜的电压调整为不同的值，以针对离子的特定的另外的电荷状态和/或数目优化离子束条件，并且可以获取另外的一个或多个质谱，等等。当不需要其他光谱时，该方法结束。

在另一实施例中，如图1中总体上所示，质谱仪还包括位于离子注入器4上游的离子碎裂装置，例如碰撞诱导解离(CID)池或其他解离池，以能够进行离子的MS2分析。滤质器(诸如，四极滤质器)也位于离子碎裂装置的上游，用于选择要被碎裂的特定m/z的离子。在MS2中，控制器34可以被配置为基于关于在MS2分析之前进行的离子的MS1分析得出的产物离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据，控制电压源以改变供应至离子聚焦布置的电压。以这种方式，在MS2(产物离子)扫描中的聚焦和离子束分散的调整可以基于从先前的MS1(前体离子)扫描获取的电荷状态和/或丰度数据。控制器计算机可以被配置为例如使用碎裂知识或关于母离子碎裂行为的规则，根据在MS1分析中获取的母离子的至少一种电荷状态来预测MS2分析中产物离子的至少一种电荷状态。

因此，在特定实施例中，本公开提供了一种用于串联(MS2)质谱分析方法，其中母离子的电荷状态是在MS1扫描期间确定的，如通过诸如THRASH和高级峰值检测的算法常规地执行的。对于MS2扫描，产物离子的电荷状态将取决于母离子的电荷状态，以及其他因素，例如解离方法和条件(归一化碰撞能、气体选择等)。广泛关系可用于帮助推断可能的产物离子电荷状态，并相应地设置聚焦透镜电压以对电荷状态进行校正。这种方法的简单流程图如图9B中所示。在步骤110中，执行前体离子的MS1扫描。使用电荷状态检测算法分析MS1扫描，以确定前体离子之间存在的电荷状态分布。在步骤120中，质谱仪然后使用滤质器选择用于MS2分析的特定前体离子种类。根据所确定的前体离子的电荷状态，在步骤130中，控制器的计算机预测产物离子的电荷状态，即电荷状态分布，并且在步骤140中，控制器将通过可变电压供应施加到离子聚焦布置(电荷状态校正装置)的电压调整为一个最佳值，该最佳值是针对产物离子的电荷状态分布来确定的。在步骤150中，质谱仪使用在先前步骤140中设置的离子聚焦布置的电压设置来获取MS2扫描。然后在步骤160中由控制器的计算机做出决定，以便如果还有其他前体需要通过MS2分析进行分析，则选择另一前体，并且该方法从步骤120再次进行，并且如果没有剩余的前体要由MS2分析，则该方法终止或返回步骤110，准备获取新的MS1质谱。

预测前体离子与产物(碎裂)离子之间的电荷状态关系并不总是那么容易。显然，只有高电荷的前体才能产生高电荷的碎裂离子，且直观的是，前体电荷越大，碎裂离子的电荷状态分布就会向上移动。Madsen等人(Anal.Chem.(分析化学)，2009，81(21)，第8677-8686)表明，随着前体电荷状态的增加，产物离子既增加了模态电荷状态又扩大了电荷状态分布。但是，观察到该趋势随蛋白质离子的不同而变化，如图10所示的用于泛素，肌红蛋白，细胞色素C和碳酸酐酶的蛋白质离子。然而，根据前体离子电荷状态的简单函数简单地调谐离子聚焦布置可能是有益的。例如，基于图10中的数据，线性趋势0.45x将拟合。但是，理想的是针对特定样本和条件优化功能。

可变电压源与控制器一起可以被配置成将供应至离子聚焦布置的电压从一次m/z扫描改变为随后的m/z扫描(即在扫描一个离子脉冲和随后扫描另一个离子脉冲之间)。以此方式，较早的扫描可以用于导出离子的至少一个种类的电荷状态和/或丰度数据，其用于在较晚的扫描中控制施加到离子聚焦布置的电压。较早的扫描可能是紧接在前的扫描到较晚的扫描，或者可能是较早的两个、三个或更多扫描。在一种方法中，电压源被配置为基于从离子注入器对离子脉冲进行预扫描而获得的离子束中的离子的电荷状态数据和/或空间电荷数据(有关不同种类的离子数的数据)，来改变供应至离子聚焦布置的电压。

可变电压源与控制器一起可以被配置为基于关于由检测器获取的和/或在一些实施例中使用用于测量离子束中的电荷的电荷测量装置获取的离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据，来改变供应至离子聚焦布置的电压。电荷测量装置可以位于离子聚焦布置的上游，并且可以位于离子路径中或附近。电荷测量装置可以包括例如位于离子路径中的栅格或位于离子路径附近的图像电流测量装置。因此，可以将电压源配置为在来自离子注入器的单个离子脉冲的m/z扫描内改变供应至离子聚焦布置的电压。换句话说，电压源可以被配置为基于关于在从离子注入器对离子脉冲进行m/z扫描期间，从飞行中的离子获取的离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据来改变供应至离子聚焦布置的电压。通过上游电荷测量获取离子束中给定离子种类的数据，并且该数据被提供至控制器，以在给定离子种类的离子到达离子聚焦布置时调节由可变电压源供应到离子聚焦布置的电压。因此，至少一个可变电压可以以时间相关的方式可变，该时间有关的方式与具有不同电荷状态和/或不同空间电荷的离子在离子聚焦布置处的到达时间相关，即与不同离子种类在离子聚焦布置处的到达同步地变化。

针对具有多电荷状态的至少一个种类施加至离子聚焦布置的电压可以是将多电荷状态的离子的空间分散归一化为单电荷离子的空间分散。换句话说，可以调节供应至离子聚焦布置的电压，以使得多电荷离子种类的空间分散与用于单电荷离子的平均空间分散基本相同。

可变电压源与控制器一起可以被配置为基于离子束中单个离子种类的电荷状态将电压施加到离子聚焦布置。在一些其他实施例中，可变电压源与控制器一起可以被配置为基于离子束中的不同离子种类的多种电荷状态，例如基于不同电荷状态的多个不同离子种类的代表性电荷状态值而施加电压。例如，代表性电荷状态可以是具有不同电荷状态的多个不同离子种类的平均电荷状态。这样，所施加的电压可以是在具有不同电荷状态的许多不同离子种类的最佳电压之间的折衷。类似地，在某些实施例中，其中可变电压源与控制器一起被配置为基于离子的至少一个量将电压施加到离子聚焦布置，离子的至少一个量可以是单个离子种类的离子的量。在某些其他实施例中，离子的至少一个量可以是不同离子种类的离子的多个量。离子的至少一个量可以包括多种不同离子种类的代表性离子的量。例如，离子的代表性量可以是在离子束中存在不同量的离子(不同丰度)的多个不同离子种类的平均离子量。这样，所施加的电压可以是对于具有不同丰度的许多不同离子种类的最佳电压之间的折衷。

应该理解的是，图1所示的质谱仪设计仅仅是飞行时间质谱仪的一个示例，本公开的教导可以与飞行时间质谱仪一起使用。通常，本公开内容可广泛应用于其他类型，包括更常见或更简单的飞行时间仪器，只要它们包括至少一个离子聚焦透镜即可。例如，本公开内容适用于如图11中示意性示出并且在US9136100中公开的单反射飞行时间质谱仪。脉冲离子源200产生离子，并且离子束穿过位于离子源200和离子镜204之间的两个中间透镜202(除了靠近离子源的透镜)，用于控制在正交于离子束路径的y和z方向上的离子束分散。在离子镜中反射后，离子由离子检测器206检测。透镜202可以具有由可变电压源供应的电压，使得它们可以如本文所述地被调节，以基于至少一种离子种类的离子的电荷状态和/或数目来优化离子束性能，或者实际上通常基于空间电荷、温度、m/z等来优选离子束性能。本文所述的透轴型聚焦透镜特别适用于图1所示的会聚镜质谱仪。对于常见的单圈飞行时间质谱仪，如在US9136100中描述的单个透镜(例如单透镜)可以被用于根据离子种类的离子的电荷状态和/或数目来提供对电子束分散的调节。

在某些质谱仪中，总束发散度可以至少部分地由离子注入器中离子的初始空间分布确定，该初始空间分布通常也是电荷状态的函数，并且可以通过例如改变阱条件来控制，例如根据存在的离子的一种或多种电荷状态调节捕获电压以很好地改变轴向电势。例如，一个或多个捕获电压可以以取决于不同电荷状态的方式改变。因此，上述应用的变化基于认识到，用作离子注入器的RF离子阱中的空间电荷效应也可能是可能需要控制聚焦电压以实现最佳束特性的因素，因为离子阱中初始离子云的大小和有效温度是变化的。但是，对于飞行时间质量分析仪，通常优选地是：这不是一个因素，因为允许离子云扩展通过增加离子阱的周转时间来影响分辨率。线性阱中离子的初始轴向分布取决于轴向直流电势阱。对于图2中所示的线性离子阱，这由施加到端孔的DC电压控制。由于多电荷离子比单电荷离子受直流电势阱的影响更大，因此它们受到更大的压缩，从而在离子阱中遭受更大的空间电荷影响。因此，在本公开的另一方面，用于形成离子束的离子注入器是具有DC电势阱以捕获由一个或多个电极提供的离子的RF离子阱，并且可变电压源可以向一个或多个电极提供至少一个电压，该电压取决于离子阱中离子的至少一个种类的电荷状态，从而根据预期的离子电荷状态很好地调节DC电势。

离子聚焦透镜的上述应用的另一种变化是控制施加到透镜的电压，以补偿与较低质量的离子相比，由于较高质量的离子在离子阱注入器4中未适当冷却而引起的离子能量变化。通常，在被提取到质量分析仪中之前，通过在离子阱中的碰撞冷却在用作离子注入器的离子阱中将离子加热。但是，较高m/z离子的有效冷却需要高的背景气压，这可能会在分析仪本身中产生过大的压力，从而阻碍离子传输，或由于从阱中提取的高能碰撞而导致分析物离子碎裂。较高的m/z离子可能会遇到进一步的困难，因为它们的较大尺寸会增加飞行中意外碰撞的可能性。在扫描频率>100Hz下操作的仪器中，实际上根本无法获得理想的低压冷却所需的长冷却时间。如果没有足够的时间或压力来加热所需质量范围内的离子，则该质量范围内的离子分散会发生变化。但是，通过能够改变聚焦透镜电压来补偿分散的变化，对于在整个所需质量范围内保持性能非常有用。用离子质量控制聚焦透镜电压也可以允许使用更短的冷却时间，从而可以更快地进行仪器操作。因此，可以以与时间相关的方式改变由可变电压源施加到离子聚焦布置的电压，该方式与变化的m/z的离子的到达时间相关。聚焦透镜电压的这种调节可以被施加，即除了针对束中的至少一个离子种类的离子的电荷状态分布和/或数目所建议的聚焦电压的调节之外，还可以施加聚焦透镜电压的这种调节。因此，聚焦电压的调节可以是至少一个离子种类的电荷状态和/或数目、以及离子质量(离子聚焦布置处的到达时间)的函数。

在模拟示例中，离子阱被布置有1x10^-3毫巴的氮气缓冲气体，并且离子以1eV的能量注入其中。冷却时间超过1毫秒(ms)的能量如图12中所示。如果随后在冷却1ms后从阱中提取离子，则m/z 100-2000质量范围将在7-30μs内到达漂移控制透镜。关于离子到达时间应用模拟的漂移镜最佳值与能量的关系给出了与时间有关的电压，如图13中所示。在实际情况下，使用具有线性趋势的近似电压是合理的，因为产生这种快速电压变化的最有效方法是使用基于晶体管的开关以及适当的电阻和电容在2个电压电平(在这种情况下为0至-50V)之间切换以将上升时间控制在约25μs。可替代地，可以使用函数发生器来提供更好的校准拟合。该动态电压的时序和梯度也可以改变以适合预期的离子电荷状态分布。

在RF离子阱中，稳定m/z范围的低m/z端处的离子比高m/z离子占据的体积小。因此，理想地，施加到质谱仪的聚焦透镜的最佳电压将具有与所述初始空间分布相关的某些m/z依赖性，如示出的。在图1所示的ToF质谱仪中，离子注入器4是线性RF离子阱，其中离子沿着长轴被DC电势阱捕获，该DC电势阱与质谱仪中的漂移方向Y对齐。这意味着沿着该漂移方向应该没有多少与m/z有关的初始空间差异(超过与m/z的电荷状态分布有关的小分子)，因此向漂移控制电极施加校正电压几乎没有好处。然而，平面外透镜54、58在其来自离子阱源的最佳电压方面具有相当大的m/z依赖性，并且模拟结果在图14中示出。基于此，施加至第二面外透镜58的电压函数如图15所示。再次，出于实用的电子设计的原因，优选地将其大致保持线性，其中在适当的时间常数的两个电平之间切换电压。

以下编号的条款定义了本发明的各种实施例。

1.一种飞行时间质谱仪，包括：

脉冲离子注入器，用于形成沿离子路径行进的离子束；

检测器，用于检测离子束中的离子，这些离子根据其m/z值时不时地到达所述检测器；

离子聚焦布置，其位于所述离子注入器与所述检测器之间，用于沿与所述离子路径正交的至少一个方向聚焦所述离子束；和

可变电压源，用于向所述离子聚焦布置供应至少一个可变电压，所述至少一个可变电压取决于所述离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量。

2.根据条款2所述的飞行时间质谱仪，其中，所述电压源被配置为基于关于由所述检测器和/或用于测量所述离子束中的电荷的电荷测量装置获取的在所述离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据来改变供应至所述离子聚焦布置的电压。

3.根据条款1或2所述的飞行时间质谱仪，还包括控制器，所述控制器被配置为使用关于所述离子束中的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量的数据来控制所述电压供应。

4.根据条款3所述的飞行时间质谱仪，其中，所述控制器被配置为从在MS1分析中获取的母离子的至少一种电荷状态来预测MS2分析中的产物离子的至少一种电荷状态。

5.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为从所述离子注入器对离子脉冲进行一次m/z扫描到随后从所述离子注入器对另一离子脉冲的扫描而改变供应至所述离子聚焦布置的所述可变电压。

6.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为基于关于通过从所述离子注入器对离子脉冲的预扫描获取的所述离子束中的离子的电荷状态的数据和/或量的数据来改变供应至所述离子聚焦布置的所述可变电压。

7.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为在从所述离子注入器对离子脉冲进行m/z扫描内改变被供应至所述离子聚焦布置的所述可变电压。

8.根据条款7所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为基于关于在从所述离子注入器对离子脉冲进行m/z扫描期间，从飞行中的离子获取的所述离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态和/或量的数据来改变供应至所述离子聚焦布置的电压。

9.根据条款7或8所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一个可变电压以时间相关的方式可变，所述时间相关的方式与不同电荷状态和/或不同空间电荷的离子在聚焦布置处的到达时间相关。

10.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子的电荷状态包括多电荷状态，并且所述可变电压源被配置为改变供应至所述离子聚焦布置的可变电压以将所述多电荷状态的离子的空间分散归一化为单电荷离子的空间分散。

11.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一种电荷状态是单一离子种类的电荷状态。

12.根据条款1至10中任一项所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一种电荷状态是不同离子种类的多种电荷状态。

13.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一种电荷状态是多种不同离子种类的代表性电荷状态。

14.根据条款13所述的飞行时间质谱仪，其中，所述代表性电荷状态是所述多个不同离子种类的平均电荷状态。

15.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，还包括至少一个离子镜，所述至少一个离子镜被配置为沿所述离子路径反射所述离子束。

16.根据条款15所述的飞行时间质谱仪，还包括多个离子镜，所述多个离子镜被配置为沿所述离子路径多次反射所述离子束。

17.根据条款16所述的飞行时间质谱仪，还包括两个离子镜，所述两个离子镜在方向X上彼此间隔开并且彼此相对，每个镜基本上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交，被配置为在所述离子束沿所述漂移方向Y漂移的同时通过在所述离子镜之间在所述X方向上多次反射所述离子束来提供锯齿形离子路径。

18.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子路径位于平面中，并且所述离子聚焦布置用于将离子束沿所述平面内的方向聚焦。

19.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子路径位于平面中，并且所述离子聚焦布置用于使所述离子束沿平面外的方向聚焦。

20.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子聚焦布置包括至少一个离子聚焦透镜，并且所述电压源用于向所述至少一个离子聚焦透镜供应至少一个可变电压，其中，所述至少一个离子聚焦透镜选自以下项：透轴透镜、单透镜和多极透镜。

21.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，包括沿所述离子路径的至少一个离子镜，所述离子镜被配置为反射所述离子束，其中所述至少一个离子聚焦透镜位于在所述至少一个离子镜中进行第一次反射之前。

22.根据条款21所述的飞行时间质谱仪，包括多个离子镜，所述多个离子镜被配置为多次反射所述离子束，其中所述离子聚焦布置的至少一个离子聚焦透镜位于第一次反射之后且在所述离子镜中进行第五次反射之前。

23.根据任一前述条款所述的飞行时间质谱仪，还包括在所述离子注入器上游的离子碎裂装置，用于执行离子的MS2分析，其中，所述电压源被配置为基于关于产物离子的至少一个种类的电荷状态的数据来改变在MS2分析中供应至所述离子聚焦布置的电压，所述数据源自在所述MS2分析之前进行的离子的MS1分析。

24.一种质谱分析方法，所述质谱分析方法包括：

从脉冲离子注入器形成沿离子路径行进的离子束；

检测所述离子束中的离子，这些离子根据其m/z值时不时地到达检测器；

使用位于所述离子注入器与所述检测器之间的离子聚焦布置，在与所述离子路径正交的至少一个方向上聚焦所述离子束；以及

从可变电压源向所述离子聚焦布置供应至少一个可变电压，其中所述可变电压取决于所述离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/或量。

25.根据条款24所述的质谱分析方法，其中，所述至少一个可变电压对所述离子束中的离子的至少一个种类的离子的电荷状态和/量的依赖性已经由校准确定，其中，所述校准包括检测具有供应至所述离子聚焦布置的变化电压的一种或多种离子校准混合物，以便确定不同电荷状态和/或不同量的离子下检测到的m/z值和/或峰值强度对所述可变电压的依赖性。

术语质量和m/z在本文中可互换地使用，因此对一个的引用包括对另一个的引用。

如本文所使用(包含在权利要求书中)，除非上下文另外指示，否则本文中的术语的单数形式应被解释为包含复数形式，且反之亦然。例如，除非上下文另外指示，否则本文中(包含权利要求书中)的单数形式，如“一个(a)”或“一种(an)”，是指“一个或多个”。

遍及本说明书的描述和权利要求书，词“包括(comprise)”、“包含(including)”、“具有(having)”和“含有(contain)”和这些词的变化(例如“包括(comprising、comprises)”等)意味着“包含(但不限于)”，且并不意图(且并不)排除其它组件。

应理解，可以在不落入由权利要求书限定的本发明的范围内的情况下对本发明的前述实施例进行变型。除非另外说明，否则本说明书中所公开的每个特征都可以替换为用于相同、同等或类似目的的替代特征。因此，除非另外说明，否则所公开的每个特征仅是一系列的等价或相似的属性特征的一个示例。

除非另外声明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(“例如(forinstance)”、“如(such as)”、“例如(for example)”和类似语言)的使用仅旨在更好地说明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的要素为实践本发明所必需的。

Claims (25)

1.一种飞行时间质谱仪，包括：

脉冲离子注入器，用于形成沿离子路径行进的离子束；

检测器，用于检测离子束中的离子，所述离子根据其m/z值间或到达所述检测器；

离子聚焦装置，其位于所述离子注入器与所述检测器之间，用于沿与所述离子路径正交的至少一个方向聚焦所述离子束；和

可变电压源，用于向所述离子聚焦布置供应至少一个可变电压，所述至少一个可变电压取决于所述离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态。

2.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪，其中，所述电压源被配置为基于关于由所述检测器和/或用于测量所述离子束中的电荷的电荷测量装置获取的在所述离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态的数据来改变供应至所述离子聚焦装置的电压。

3.据权利要求1或2所述的飞行时间质谱仪，还包括控制器，所述控制器被配置为使用关于所述离子束中的至少一个种类的电荷状态的数据来控制所述电压供应。

4.根据权利要求3所述的飞行时间质谱仪，其中，所述控制器被配置为从在MS1分析中获取的母离子的至少一种电荷状态来预测MS2分析中的产物离子的至少一种电荷状态。

5.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为从所述离子注入器对离子脉冲进行一次m/z扫描到随后从所述离子注入器对另一离子脉冲的扫描而改变供应至所述离子聚焦装置的所述可变电压。

6.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为基于通过从所述离子注入器对离子脉冲的预扫描获取的所述离子束中的离子的电荷状态数据来改变供应至所述离子聚焦装置的所述可变电压。

7.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为在从所述离子注入器对离子脉冲进行m/z扫描内改变被供应至所述离子聚焦装置的所述可变电压。

8.根据权利要求7所述的飞行时间质谱仪，其中，所述可变电压源被配置为基于关于在从所述离子注入器对离子脉冲进行m/z扫描期间，从飞行中的离子获取的所述离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态的数据来改变供应至所述离子聚焦装置的电压。

9.根据权利要求7或8所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一个可变电压以时间相关的方式可变，所述时间相关的方式与不同电荷状态的离子在聚焦装置处的到达时间相关。

10.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子的电荷状态包括多电荷状态，并且所述可变电压源被配置为改变供应至所述离子聚焦装置的可变电压，以将所述多电荷状态的离子的空间分散归一化为单电荷离子的空间分散。

11.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一种电荷状态是单一离子种类的电荷状态。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一种电荷状态是不同离子种类的多种电荷状态。

13.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述至少一种电荷状态是多种不同离子种类的代表性电荷状态。

14.根据权利要求13所述的飞行时间质谱仪，其中，所述代表性电荷状态是所述多种不同离子种类的平均电荷状态。

15.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，还包括至少一个离子镜，所述至少一个离子镜被配置为沿所述离子路径反射所述离子束。

16.根据权利要求15所述的飞行时间质谱仪，还包括多个离子镜，所述多个离子镜被配置为沿所述离子路径多次反射所述离子束。

17.根据权利要求16所述的飞行时间质谱仪，还包括两个离子镜，所述两个离子镜在方向X上彼此间隔开并且彼此相对，每个离子镜基本上沿漂移方向Y伸长，所述漂移方向Y与所述方向X正交，所述离子镜被配置为在所述离子束沿所述漂移方向Y漂移的同时通过在所述离子镜之间在所述X方向上多次反射所述离子束来提供锯齿形离子路径。

18.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子路径位于平面中，并且所述离子聚焦装置用于沿所述平面内的方向聚焦所述离子束。

19.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子路径位于平面中，并且所述离子聚焦装置用于沿离开所述平面的方向聚焦所述离子束。

20.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，其中，所述离子聚焦装置包括至少一个离子聚焦透镜，并且所述电压源用于向所述至少一个离子聚焦透镜供应至少一个可变电压，其中，所述至少一个离子聚焦透镜选自以下项：透轴透镜、单透镜和多极透镜。

21.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，包括沿所述离子路径的至少一个离子镜，所述离子镜被配置为反射所述离子束，其中所述至少一个离子聚焦透镜位于在所述至少一个离子镜中进行第一次反射之前。

22.根据权利要求21所述的飞行时间质谱仪，包括多个离子镜，所述多个离子镜被配置为多次反射所述离子束，其中所述离子聚焦装置的至少一个离子聚焦透镜位于第一次反射之后且在所述离子镜中进行第五次反射之前。

23.根据任一前述权利要求所述的飞行时间质谱仪，还包括在所述离子注入器上游的离子碎裂装置，用于执行离子的MS2分析，其中，所述电压源被配置为基于关于产物离子的至少一个种类的电荷状态的数据来改变在MS2分析中供应至所述离子聚焦布置的电压，所述数据源自在所述MS2分析之前进行的离子的MS1分析。

24.一种质谱分析方法，所述质谱分析方法包括：

从脉冲离子注入器形成沿离子路径行进的离子束；

检测所述离子束中的离子，所述离子根据其m/z值间或达检测器；

使用位于所述离子注入器与所述检测器之间的离子聚焦装置，在与所述离子路径正交的至少一个方向上聚焦所述离子束；以及

从可变电压源向所述离子聚焦布置供应至少一个可变电压，其中所述可变电压取决于所述离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态。

25.根据权利要求24所述的质谱分析方法，其中，所述至少一个可变电压对所述离子束中的离子的至少一个种类的电荷状态的依赖性已经由校准确定，其中，所述校准包括检测具有供应至所述离子聚焦装置的变化电压的一种或多种离子校准混合物，以便确定不同电荷状态下检测到的m/z值和/或峰值强度对所述可变电压的依赖性。

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