CN114068283B - 双极性离子管理 - Google Patents

Abstract

本申请公开了双极性离子管理。一种质谱仪包含：离子源，该离子源被配置成对样品进行电离以产生离子；质量分析仪，该质量分析仪被配置成基于该离子的质荷比分离该离子；检测器，该检测器被配置成检测离子；离子光学器件组件，该离子光学器件组件被配置成沿着从该离子源到该质量分析仪到该检测器的路径的至少一部分引导离子；以及控制器。该控制器被配置成在第一时间将该源从第一极性源电压切换到第二极性源电压；并且在第二时间将该检测器或该离子光学器件组件从第一电压切换到第二电压，该第二时间从该第一时间偏移，该第一电压是第一极性检测器电压或第一极性离子光学器件电压，并且该第二电压是第二极性检测器电压或第二极性离子光学器件电压。

Description

双极性离子管理

技术领域

本公开总体上涉及包含双极性离子管理的离子色谱领域。

背景技术

质谱法可能涉及对正离子或负离子的分析。通常，离子极性的改变可能涉及离子光学器件电位、分析仪电压、检测器电压和离子源设置的改变。在此类改变之后重建稳定的离子束需要时间。从上述内容可以理解，需要改进系统和方法来减少极性切换所需的时间，使得更多时间可用于离子分析。

发明内容

在第一方面中，一种质谱仪可以包含离子源，所述离子源被配置成对样品进行电离以产生离子；质量分析仪，所述质量分析仪被配置成基于所述离子的质荷比分离所述离子；检测器，所述检测器被配置成检测离子；离子光学器件组件，所述离子光学器件组件被配置成沿着从所述离子源到所述质量分析仪到所述检测器的路径的至少一部分引导离子；以及控制器。所述控制器可以被配置成在第一时间将所述源从第一极性源电压切换到第二极性源电压；并且在第二时间将所述检测器或所述离子光学器件组件从第一极性电压切换到第二极性电压，所述第二时间从所述第一时间偏移。所述第一极性电压可以是所述第一极性检测器电压或所述第一极性离子光学器件电压，并且所述第二极性电压可以是所述第二极性检测器电压或所述第二极性离子光学器件电压。

在第一方面的各种实施例中，所述控制器还可以被配置成通过从第一电压改变到过驱动电压并且当电压输出达到所述第二电压时改变到所述第二电压来切换所述源或所述离子光学器件电压。所述第一电压是所述第一极性源电压或所述第一极性离子光学器件电压，并且所述第二电压是所述第二极性源电压或所述第二极性离子光学器件电压。所述第一电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度大于所述第一电压与所述第二电压之间的所述差值的所述幅度。在特定实施例中，所述第一极性源电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度可以比所述第一极性源电压与所述第二极性源电压之间的所述差值的所述幅度大至少10％，诸如至少大20％。

在第一方面的各种实施例中，所述第二时间可以从所述第一时间至少偏移从所述源到所述检测器的离子飞行时间。

在所述第一方面的各种实施例中，所述控制器还可以被配置成在第三时间将至少一个质量分析仪从第一极性分析仪电压切换到第二极性分析仪电压，所述第三时间从所述第一时间偏移至少偏移从所述源到所述质量分析仪的离子飞行时间。在特定实施例中，所述第三时间可以基本上与所述第二时间相同。

在第一方面的各种实施例中，所述离子光学器件组件可以包含透镜或离子导向器。

在第一方面的各种实施例中，所述质量分析仪可以包含离子阱或质量过滤器。

在第二方面中，一种方法可以包含分析第一极性的第一离子；在第一时间将源从第一极性源电压切换到第二极性源电压；在第二时间将至少一个离子光学器件组件或质量分析仪从第一电压切换到第二电压，所述第二时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述离子光学器件组件或所述质量分析仪的离子飞行时间；以及分析所述第二极性的第二离子。所述第一电压可以是所述第一极性离子光学器件电压或所述第一极性质量分析仪电压，并且所述第二电压可以是所述第二极性离子光学器件电压或所述第二极性质量分析仪电压。

在第二方面的各种实施例中，切换所述源电压、所述离子光学器件电压或所述质量分析仪电压可以包含从第一电压改变到过驱动电压并且当电压输出达到所述第二电压时改变到所述第二电压。所述第一电压可以是所述第一极性源电压、所述第一极性离子光学器件电压或所述第一极性质量分析仪电压，并且所述第二电压可以是所述第二极性源电压、所述第二极性离子光学器件电压或所述第二极性质量分析仪电压。所述第一电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度可以大于所述第一电压与所述第二电压之间的所述差值的所述幅度。在特定实施例中，所述第一极性源电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度可以比所述第一极性源电压与所述第二极性源电压之间的所述差值的所述幅度大至少10％，诸如至少大20％。

在所述第二方面的各种实施例中，所述第二时间可以从所述第一时间至少偏移从所述源到所述离子光学器件组件或所述质量分析仪的离子飞行时间。

在第二方面的各种实施例中，所述离子光学器件组件可以包含透镜或离子导向器。

在第二方面的各种实施例中，所述质量分析仪可以包含离子阱或质量过滤器。

在第三方面，一种方法可以包含分析第一极性的第一离子；在第一时间将源从第一极性源电压切换到第二极性源电压；在第二时间将检测器从所述第一极性检测器电压切换到所述第二极性检测器电压，所述第二时间从所述第一时间偏移；以及分析所述第二极性的第二离子。

在第三方面的各种实施例中，切换所述源电压或所述检测器电压可以包含从第一电压改变到过驱动电压并且当电压输出达到所述第二电压时改变到所述第二电压。所述第一电压可以是所述第一极性源电压或所述第一极性检测器电压，并且所述第二电压可以是所述第二极性源电压或所述第二极性检测器电压。所述第一电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度可以大于所述第一电压与所述第二电压之间的所述差值的所述幅度。在特定实施例中，所述第一电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度比所述第一电压与所述第二电压之间的所述差值的所述幅度大至少10％，诸如至少大20％。

在第三方面的各种实施例中，所述第二时间可以从所述第一时间至少偏移从所述源到所述检测器的离子飞行时间。

在第三方面的各种实施例中，所述方法还可以包含在第三时间将至少一个离子光学器件组件从第一极性离子光学器件电压切换到第二极性离子光学器件电压。所述第三时间可以从所述第一时间至少偏移从所述源到所述离子光学器件组件的离子飞行时间。在特定实施例中，所述离子光学器件组件包含透镜或离子导向器。在特定实施例中，所述第三时间与所述第二时间相同。

在第三方面的各种实施例中，所述方法还可以包含在第四时间将至少一个质量分析仪从第一极性分析仪电压切换到第二极性分析仪电压。所述第四时间可以从所述第一时间至少偏移从所述源到所述质量分析仪的离子飞行时间。在特定实施例中，所述质量分析仪可以包含离子阱或质量过滤器。在特定实施例中，所述第四时间可以与所述第二时间相同。

附图说明

为了更完整地理解本文所公开的原理和其优点，现在参考结合附图进行的以下描述，在附图中：

图1是根据各个实施例的示例性质谱系统的框图。

图2是示出用于在质谱仪中切换离子极性的时间的时序图。

图3是示出根据各种实施例的用于在质谱仪中切换离子极性的方法的流程图。

图4是示出根据各种实施例的用于在质谱仪中切换离子极性的修改时序的时序图。

图5是示出根据各种实施例的用于切换离子源极性的方法的流程图。

图6是示出根据各种实施例的离子源极性的切换的图式。

应当理解的是，附图不一定按比例绘制，附图中的对象彼此之间的关系也不一定按比例绘制。附图是旨在使本文公开的设备、系统和方法的各个实施例清楚且易于理解的描绘。适当的时候，贯穿附图，将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。而且，应当理解的是，附图不旨在以任何方式限制本发明教导的范围。

具体实施方式

本文描述了用于离子分离的系统和方法的实施例。

本文所使用的章节标题仅仅是出于组织的目的并且不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。

在对各个实施例的这种详细描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对所公开的实施例的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解，可以在有或没有这些具体细节的情况下实践这些各个实施例。在其它情况下，结构和装置以框图形式示出。此外，本领域的技术人员可以容易地理解，呈现和执行方法的特定顺序是说明性的，并且设想的是，可以改变所述顺序并且所述顺序仍然保持处于本文所公开的各个实施例的精神和范围内。

本申请中所引用的所有文献和类似材料，包含但不限于专利、专利申请、论文、书籍、专著和互联网网页，出于任何目的通过引用整体明确地并入。除非另外描述，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本文所描述的各个实施例所属领域的普通技术人员通常所理解的含义。

应当理解，在本发明教导中讨论的温度、浓度、时间、压力、流速、横截面积等之前存在隐含的“约”，使得轻微的和非实质性的偏差都处于本发明教导的范围内。在本申请中，除非另外特别说明，否则单数的使用包含复数。而且，“包括(comprise或comprises或comprising)”、“含有(contain或contains或containing)”和“包含(include或includes或including)”的使用不旨在是限制性的。应当理解，上述的总体说明和以下详细说明二者均仅为示例性和解释性的并且不限制本发明教导。

如本文所使用的，“一个/种(a/an)”也可以指“至少一个”或“一个或多个”。而且，“或”的使用是包含性的，使得当“A”为真、“B”为真或“A”和“B”二者均为真时，短语“A或B”为真。此外，除非上下文另外要求，否则单数术语应该包含复数含义，并且复数术语应该包含单数含义。

“系统”阐述了一组真实或抽象的组件，包括整体，其中每个组件与整体内的至少另一个组件交互或相关。

质谱平台

质谱平台100的各个实施例可以包含如图1的框图中所示的组件。在各个实施方式中，图1的元件可以被合并到质谱测定平台100中。根据各个实施方式，质谱测定仪100可以包括离子源102、质量分析仪104、离子检测器106和控制器108。

在各个实施方式中，离子源102从样品中生成多个离子。离子源可以包括但不限于：基质辅助激光解吸/电离(MALDI)源、电喷雾电离(ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、大气压光电离源(APPI)、电感耦合等离子体(ICP)源、电子电离源、化学电离源、光电离源、辉光放电电离源、热喷雾电离源等。

在各个实施方式中，质量分析仪104可以基于离子的质荷比来分离离子。例如，质量分析仪104可以包括四极杆滤质器分析仪、四极杆离子捕集分析仪、飞行时间(TOF)分析仪、静电阱(例如，轨道捕集(trap，阱))质量分析仪、傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)质量分析仪等。在各个实施方式中，质量分析仪104还可以被配置成使用碰撞诱导解离(CID)、电子转移解离(ETD)、电子捕获解离(ECD)、光诱导解离(PID)、表面诱导解离(SID)等来使离子分裂，并且基于质荷比进一步分离经分裂的离子。

在各个实施方式中，离子检测器106可以检测离子。例如，离子检测器106可以包括电子倍增器、法拉第杯等。可以通过离子检测器检测离开质量分析仪的离子。在各个实施方式中，离子检测器可以是定量的，使得可以确定离子的精确计数。

在各个实施方式中，控制器108可以与离子源102、质量分析仪104和离子检测器106通信。例如，控制器108可以配置离子源102或启用/禁用离子源102。此外，控制器108可以将质量分析仪104配置成选择要检测的特定质量范围。此外，控制器108可以调整离子检测器106的灵敏度，诸如通过调整增益。此外，控制器106可以基于被检测离子的极性来调整离子检测器106的极性。例如，离子检测器106可以被配置成检测正离子或被配置成检测负离子。

离子极性切换

质谱仪的离子极性的快速切换对于维持复杂测定的高速分析是重要的。这对于具有高速分析仪的仪器(诸如三重四极质谱仪，triple quadrupole mass spectrometer)特别重要，其中可以在毫秒时间尺度上分析单个跃迁。

从一种极性切换到另一种极性所花费的时间不仅可以由电子器件控制离子光学元件上的电压的速度确定，而且可以由一些其它因素(诸如ESI喷雾稳定性和通过系统的离子飞行时间)确定。

例如，当源高压电源的极性已经稳定到新值时，电化学喷雾可能需要附加时间来建立自身以开始以全强度产生新极性的离子。当这种情况发生时，先前极性的离子仍然可以继续运动通过系统。即使检测器和其它电子器件准备处理新极性的离子，也必须插入等待周期以确保先前极性的离子实际上始终通过系统。该等待周期取决于几个因素，包含质量分析仪的特性、离子的质荷比和特定电压设置。结果，延迟可以长达几毫秒。

图2是示出通过将离子极性从正离子切换到负离子而产生的时间延迟的时序图。线202表示源电压，线204表示分析仪和检测器电压，线206表示来自系统中的正离子的离子信号，并且线208表示来自负离子的离子信号。

在时间210处，可以为第一极性配置系统。在时间212处，可将源电压、分析仪电压和检测器电压切换到第二极性。时间214可以表示电子器件从第一极性切换到第二极性所需的时间。在216处，可以完成电子器件稳定。然而，在电喷雾离子化电离稳定之前仍然需要时间218。此外，时间220可以表示离子从源行进到检测器所需的飞行时间。最后，在时间222处，稳定的负离子流可以到达检测器。时间222可以表示对负离子的连续分析。时间224表示由极性切换引入的从数据收集由于检测器极性切换而结束时的切换时间212至重新建立到检测器稳定离子流并且数据收集可以重新开始时的时间222的整个延迟。

在各种实施例中，可以通过利用上游元件与下游元件之间的飞行时间来减少切换时间。可以切换上游元件，同时可以继续为在切换之前通过上游元件的第一极性的离子收集数据。当切换上游元件所需的时间大于切换下游元件所需的时间时，切换所损失的时间可以减少与元件之间的离子飞行时间一样多。

图3和4示出了用于缩短检测正离子结束与检测负离子开始之间的稳定时间的示范性方法。在图3的302处，在第一时间切换源极性，在304处，可以在第二时间切换分析仪极性，并且在306处，可在第三时间切换检测器极性。

在各种实施例中，第二时间和第三时间可以从第一时间延迟不大于离子从源行进到检测器所需的飞行时间的时间量。这可以允许已经由源产生的第一极性的离子继续通过系统到达检测器，在所述检测器中，它们可以被分析和测量。

在308处，一旦源电压稳定，就可以建立稳定的电喷雾。在310处，可以分析第二极性的离子，并且在312处，第二极性的离子可以到达检测器。

图4示出了图3中概述的方法的相对时序。线402表示源电压，线404表示分析仪和检测器电压，线406表示来自系统中的正离子的离子信号，并且线408表示来自负离子的离子信号。

在时间410处，系统可以分析第一极性的离子，诸如此实例中的正离子。在时间412处，源电压可以切换到第二极性，诸如此实例中为负离子。在时间414期间，在极性改变之前在源中产生的正离子可以继续行进通过分析仪到达检测器。在416处，分析仪电压和检测器电压可以切换到第二极性(负)。在418处，可以重新建立电喷雾以产生负离子。优选地，用于分析仪和其它离子光学器件的电压可以直到418才稳定。时间420是负离子从稳定喷雾到达检测器所花费的时间。在时间420期间，在422处检测器电压可以完成稳定，并且在424处一旦稳定离子束已经到达检测器就可以开始数据收集。使用该方法，与图2的稳定时间224相比，可以减少没有数据收集发生时的稳定时间426。

图3和4所示的方法可应用于元件的其它组合。例如，在一些情况下，改变碰撞室(collision cell)条件可能比改变其它组件的条件花费更长的时间，并且可以将切换所损失的时间减少从碰撞室到检测器的飞行时间。通常，最慢的切换组件可以首先开始切换，并且下游元件可以在延迟之后切换。最慢的切换元件上游的元件可以连同最慢的切换元件一起切换，或者稍后切换，只要它们足够早地完成切换以在其就绪时提供最慢切换元件离子。

图5和6示出了减少离子源的稳定时间的方法。这在其中源极性切换之后建立离子信号是总体稳定时间的主要因素的情况下是有益的。通常情况下，电源电压的变化率取决于所需的切换范围。在502处，源电源可以从第一极性电压切换到过驱动电压。转到图6，在触发602处，电源输出604可以从目标电压606切换到比第二极性所需的目标电压610变化更大的目标电压608。电压606与电压608之间的幅度612可以超过幅度614达一定的量616。在各种实施例中，量616可以为幅度614的至少10％，甚至幅度614的至少约20％。

返回到图5，电源可以在第二触发处切换到第二极性电压，如504所示。在图6中，当已达到过驱动电压或第二极性电压时，可以发起此第二触发(触发618)。此时，如图5的506所示，可以控制电源电压以维持第二极性的稳定离子束。如图6所示，当电源的电压由反馈回路控制以获得期望的输出电压时，这可能涉及电压略微欠冲(undershooting)。当使用过驱动方法时，电源的输出电压达到指定极限的时间可以减少约25％至约50％或更多。

在各种实施例中，图5和6所示的过驱动方法可以应用于其它组件，诸如离子导向器、透镜、检测器、离子阱、质量过滤器等。一般来说，供应到装置的电压或电流可以切换到过驱动电压，并且随后一旦已达到过驱动电压或第二极性电压就切换到第二极性电压。在各种实施例中，变化率可以是起始电压与目标电压之间的差值的幅度的函数。因此，当首先切换到过驱动电压时，电压或电流可以更快地达到第二极性电压。第二极性电压与过驱动电压之间的差值的幅度可以是需要精确地控制电压或电流的精确度的函数。

虽然结合各个实施例对本发明教导进行了描述，但是本发明教导不旨在受限于这种实施例。相反，本发明教导涵盖各种替代方案、修改和等同物，如本领域的技术人员将理解的。

此外，在描述各个实施例时，本说明书可能已经以特定的步骤序列的方式呈现了方法和/或过程。然而，在方法或过程不依赖于本文所阐述的特定步骤顺序的程度上，所述方法或过程不应限于所描述的特定步骤序列。如本领域的普通技术人员将理解的，其它步骤序列也是可能的。因此，本说明书中所阐述的特定步骤顺序不应被解释为对权利要求的限制。另外，针对方法和/或过程的权利要求书不应限于以书写的次序执行其步骤，并且所属领域技术人员可以易于了解的是顺序可以变化并且仍保持在各种实施例的精神和范围内。

结果

测试在负载为98μA和111pF的电源上进行。在切换时间时将目标电压设置为期望输出电压(无过驱动)与最初将目标电压设置为超过期望输出电压(过驱动)之间进行比较。在没有过驱动的情况下，输出电压在4.06ms内达到指定极限。在过驱动的情况下，输出电压在2.08ms内达到指定极限。

Claims (17)

1.一种质谱仪，其包括：

离子源，所述离子源被配置成对样品进行电离以产生离子；

质量分析仪，所述质量分析仪被配置成基于所述离子的质荷比分离所述离子；

检测器，所述检测器被配置成检测离子；

离子光学器件组件，所述离子光学器件组件被配置成沿着从所述离子源到所述质量分析仪到所述检测器的路径的至少一部分引导离子；以及

控制器，所述控制器被配置成

在第一时间将所述源从第一极性源电压切换到第二极性源电压；以及

在第二时间将所述检测器或所述离子光学器件组件从第一电压切换到第二电压，所述第二时间从所述第一时间偏移，所述第一电压是第一极性检测器电压或第一极性离子光学器件电压，并且所述第二电压是第二极性检测器电压或第二极性离子光学器件电压，

其中所述控制器还被配置成通过从第一电压改变为过驱动电压并且当电压输出达到所述第二电压时改变为所述第二电压来切换所述源或所述离子光学器件电压，所述第一电压是所述第一极性源电压或所述第一极性离子光学器件电压，并且所述第二电压是所述第二极性源电压或所述第二极性离子光学器件电压，所述第一电压与所述过驱动电压之间的差值的幅度大于所述第一电压与所述第二电压之间的差值的幅度。

2.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述第一极性源电压与所述过驱动电压之间的差值的幅度比所述第一极性源电压与所述第二极性源电压之间的差值的幅度大至少10％。

3.根据权利要求2所述的质谱仪，其中所述第一极性源电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度比所述第一极性源电压与所述第二极性源电压之间的所述差值的所述幅度大至少20％。

4.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述第二时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述检测器的离子飞行时间。

5.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述控制器还被配置成在第三时间将至少一个质量分析仪从第一极性分析仪电压切换到第二极性分析仪电压，所述第三时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述质量分析仪的离子飞行时间。

6.根据权利要求5所述的质谱仪，其中所述第三时间基本上与所述第二时间相同。

7.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述离子光学器件组件包含透镜或离子导向器。

8.根据权利要求1所述的质谱仪，其中所述质量分析仪包含离子阱或质量过滤器。

9.一种用于双极性离子管理的方法，其包括：

分析第一极性的第一离子；

在第一时间将离子源从第一极性源电压切换到第二极性源电压；

在第二时间将至少一个离子光学器件组件或质量分析仪从第一电压切换到第二电压，所述第二时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述离子光学器件组件或所述质量分析仪的离子飞行时间，所述第一电压是第一极性离子光学器件电压或第一极性质量分析仪电压，并且所述第二电压是第二极性离子光学器件电压或第二极性质量分析仪电压，

其中切换所述源电压、所述离子光学器件电压或所述质量分析仪电压包含从第一电压改变为过驱动电压并且当电压输出达到所述第二电压时改变为所述第二电压，所述第一电压是所述第一极性源电压、所述第一极性离子光学器件电压或所述第一极性质量分析仪电压，并且所述第二电压是所述第二极性源电压、所述第二极性离子光学器件电压或所述第二极性质量分析仪电压，所述第一电压与所述过驱动电压之间的差值的幅度大于所述第一电压与所述第二电压之间的差值的幅度；以及

分析第二极性的第二离子。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一极性源电压与所述过驱动电压之间的差值的幅度比所述第一极性源电压与所述第二极性源电压之间的差值的幅度大至少10％。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述离子光学器件组件或所述质量分析仪的离子飞行时间。

12.一种用于双极性离子管理的方法，其包括：

分析第一极性的第一离子；

在第一时间将离子源从第一极性源电压切换到第二极性源电压；

在第二时间将检测器从第一极性检测器电压切换到第二极性检测器电压，所述第二时间从所述第一时间偏移，

其中切换所述源电压或离子光学器件电压包含从第一电压改变为过驱动电压并且当电压输出达到第二电压时改变为所述第二电压，所述第一电压是所述第一极性源电压或所述第一极性检测器电压，并且所述第二电压是所述第二极性源电压或所述第二极性离子光学器件电压，所述第一电压与所述过驱动电压之间的差值的幅度大于所述第一电压与所述第二电压之间的差值的幅度；

分析第二极性的第二离子。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一电压与所述过驱动电压之间的所述差值的所述幅度比所述第一电压与所述第二电压之间的所述差值的所述幅度大至少10％。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述检测器的离子飞行时间。

15.根据权利要求12所述的方法，其还包括在第三时间将至少一个离子光学器件组件从第一极性离子光学器件电压切换到第二极性离子光学器件电压，所述第三时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述离子光学器件组件的离子飞行时间。

16.根据权利要求12所述的方法，其还包括在第四时间将至少一个质量分析仪从第一极性分析仪电压切换到第二极性分析仪电压，所述第四时间从所述第一时间至少偏移从所述源到所述质量分析仪的离子飞行时间。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述质量分析仪包含离子阱或质量过滤器。

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