CN115346855A

CN115346855A - 混合质谱装置

Info

Publication number: CN115346855A
Application number: CN202210497003.5A
Authority: CN
Inventors: 罗兰·莱曼; 尤里·卡林依特成科
Original assignee: Jena Analytical Instruments Co ltd
Current assignee: Jena Analytical Instruments Co ltd
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2022-11-15
Also published as: EP4089713A1; US20220367169A1

Abstract

本发明涉及一种混合质谱装置。用于分析分析物样品的质谱装置(100)包括：离子源(1)，可以从该离子源(1)获取来自分析物样品的一定量的分析物离子以用于提供离子束(7，11)；质量分析仪(9)，用于将离子束(7，11)的分析物离子基于其质荷比进行过滤；第一检测器单元(A)，用于分析离子束(7，11)的离子；以及，第二检测器单元(B)，其基于飞行时间原理并且包括用于分析离子束(7，11)的离子的第二检测器(15)。本发明还涉及一种通过根据本发明的质谱装置(100)分析分析物样品的方法。

Description

混合质谱装置

技术领域

本发明涉及一种用于分析分析物样品的质谱装置以及一种通过质谱装置分析分析物样品的方法。

背景技术

如今，借助质谱法对分析物样品进行分析和/或表征已广泛用于各种领域。从现有技术已经变得已知许多不同类型的质谱仪，例如扇形场、四极或飞行时间质谱仪，或者还有具有电感耦合的等离子体的质谱仪。各种质谱仪的操作模式已在许多出版物中进行了描述，因此此处不再详细说明。

在质谱仪中，分析物样品的分子或原子首先被转移到气相中并被电离。对于电离，现有技术中已知的各种方法是可用的，例如电感耦合等离子体电离(ICP)、碰撞电离、电子碰撞电离、化学电离、光电离、场电离或所谓的快速原子轰击、基质-辅助激光解吸/电离或电喷雾电离。

在电离后，离子通过分析仪(也称为质量分析仪)，其中，将离子根据它们的质荷比m/z进行分离。不同类型的分析仪和操作模式基于例如静态或动态电场和/或磁场的应用或基于不同离子的不同飞行时间。特别地，不同类型的质量分析仪包括分析仪的单一、多重或混合排列，例如四极、三重四极、飞行时间(TOF)、离子阱、轨道阱或磁扇区。

最后，分离的离子被导向检测器，其例如是光离子倍增器、离子电子倍增器、法拉第集电极、戴利检测器、微通道板或通道倍增器中的一种。

通常，质谱仪的组件根据所涉及的目的被组合，并涉及在质谱装置的末端区域选择最适合的检测器以检测目标离子。在混合质谱装置的情况下，这种检测器可以布置在单个质量分析仪或多于一个质量分析仪之后。混合质谱设备将不同类型质谱仪提供的不同性能特征组合在一个单个设备中。混合质谱设备例如已知的形式有四极和TOF质量分析仪(Q/TOF)、四极和离子阱(Q-Trap)、线性离子阱和轨道阱(LTQ-Orbitrap)或四极和轨道阱质量分析仪。

电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)例如涉及在由光谱仪对所得元素离子进行量化之前，通过等离子体源对测试样品进行完全原子化和随后的电离。在这方面，经常使用四极质量过滤器，这是由于其出色的动态范围和灵敏度，而且还由于它们的稳健性和高分析速度。然而，一些应用(例如纳米颗粒的检测、激光消融或组织成像)需要通过基于飞行时间(TOF)或四极飞行时间(Q/TOF)的设备获得的平行质谱，这提供了相对更高的检测速度和同时的质量范围覆盖。另一方面，与仅基于四极的质谱设备相比，这样的设备包括显著较低的动态范围、较低的灵敏度和增加的系统成本。因此，期望将两种不同类型的质谱设备的优点组合起来以提高分析能力。

发明内容

今天，这是通过利用各种混合手段的某些方面和特征的能力或通过利用两个单独的设备来实现的。这些解决方案或者无法从混合手段背后的整个想法中受益，或者效率低下且成本高昂。因此，本发明的目的是提供一种允许对分析物样品进行全面表征的混合质谱设备。

该目的通过一种质谱装置和一种操作根据本发明的质谱装置的方法来实现。

关于质谱装置，该目的通过一种用于分析分析物样品的质谱装置来实现，该质谱装置包括：离子源，可以从该离子源获取来自分析物样品的一定量的分析物离子以提供离子束；质量分析仪，用于将离子束的分析物离子基于其质荷比进行过滤；第一检测器单元，用于分析离子束的离子；以及，第二检测器单元，其基于飞行时间原理，且包括第二检测器，用于分析离子束的离子。

本发明因此提供了一种混合质谱设备，该设备包含两个不同且分离的检测器单元，其有利地可以用于不同的目的。这样，在一个单个仪器中组合针对关于样品表征的不同方面使用两种不同的独立质谱设备，从而节省空间和成本，并产生高度紧凑和多功能的仪器。

关于本发明，可以使用几种不同类型的离子源，例如，离子源可以是电感耦合等离子体离子源，包括微波发生器(特别是包括介电谐振器的微波发生器，例如，如在DE202020106423U1、US2016/0026747A1或WO2017/176131A1中描述)的离子源、火花源、激光源或辉光放电源。

在质谱装置的一个实施例中，第一检测器单元包括四极检测器。四极检测器特别有利，因为它是完全可调的并且包括高灵敏度和动态范围。相反，用作第二检测器单元的TOF检测器其特征在于高采集速度。因此，这种组合组合了两种类型的检测器单元的优点。

在质谱装置的另一个实施例中，第二检测器是过滤器或检测器中的四极。这种四极离子过滤器在Q/TOF质谱设备的领域中是已知的。因此，第二检测器单元是Q/TOF检测器单元。

在一个实施例中，质量分析仪是四极质量分析仪。质量分析仪优选地布置在离子源与第一和第二检测器单元之间，使得离子束通过质量分析仪而与哪个检测器单元用于后续检测无关。

关于质量分析仪，有利的是，质量分析仪包括位于质量分析仪前面的至少一个传递光学器件，尤其是Brubaker预过滤器或Brubaker透镜，并用于将离子束的离子引导到质量分析仪，由此提高离子束的离子通过质量分析仪的传输率。

更有利的是，质谱装置包括至少两个质量分析仪。一个质量分析仪可以布置在离子源与第一和第二检测器单元之间。另一个质量分析仪可以布置在第一质量分析仪和第二检测器单元的第二检测器之间，例如，飞行时间质量分析仪。该质量分析仪也可以是第二检测器单元的一部分。然而，另一个质量分析仪可以布置在第一质量分析仪和第一检测器单元的第一检测器之间，其也可以是第一检测器单元的一部分。

进一步优选的是，布置在离子源与第一和第二检测器单元之间的第一质量分析仪以及布置在第一质量分析仪和第一检测器之间的附加质量分析仪都是四极质量分析仪，并且第一和第二检测器都是四极检测器。这样，可以进一步提高关于第一检测器单元的测量灵敏度。

此外，第二检测器单元可以包括布置在第一质量分析仪和第二检测器单元之间的飞行时间质量分析仪。

一个实施例包括第一检测器单元平行于第一平面布置并且第二检测器单元平行于第二平面布置，第一平面和第二平面彼此具有预定角度，并且其中，质谱装置被配置为将从质量分析仪接收的离子束引导至第一或第二检测器单元。

在另一个实施例中，质谱装置还包括至少一个第一引导光学器件，例如，离子导向器或离子光学器件，其被布置和/或配置为将从质量分析仪接收的离子束引导至平行于第一平面的第一流动方向和/或沿着平行于第二平面的第二流动方向引导。

进一步的实施例可以包括引导光学器件包括至少第一和第二引导光学器件单元，第一引导光学器件单元被配置为将从质量分析仪接收的离子束引导到第一流动方向，并且第二引导光学器件单元被配置为将从质量分析仪接收的离子束引导到第二流动方向。

引导光学器件可以包括能够在两个非平行平面之间偏转一定量的离子的任何布置，例如离子镜、反射器、偏转器、四极离子偏转器、静电能量分析仪、磁离子光学器件或离子多导。然而，有利的是，引导光学器件包括至少一个电极和/或透镜装置或离子镜。例如，电极布置可以体现为推和/或拉电极的形式，并且透镜装置可以体现为基于电场和/或磁场操纵。另一方面，在离子镜的情况下，参考美国专利号6,614,021、US 5,559,337、US 5,773,823、US 5,804,821、US 6,031,579、US 6,815,667、US 6,630,665或US 6,6306,651。

关于引导光学器件，进一步有利的是，质谱装置，特别是引导光学器件，还包括用于在离子束被引导至或导向第一流动方向的第一状态和离子束被引导到第二流动方向的第二状态之间切换引导光学器件的至少一个组件的切换装置。例如，可以例如通过施加到至少一个组件的开关电压切换电场或磁场。

优选地，引导光学器件布置在质量分析仪(尤其是第一质量分析仪)与第一和第二检测器单元之间。因此，引导光学器件被布置成使得它接收来自质量分析仪的离子束并将离子束重定向到第一或第二流动方向。

进一步优选的是，第一和第二检测器单元分别布置在第一和第二流动方向上。因此，引导光学器件被体现为将离子束引导至第一或第二检测器单元。

关于第一和第二检测器单元以及第一和第二流动方向的布置，几种不同的选择是可行的，它们都落入本发明的范围内。

在一个实施例中，第一平面且因此第一流动方向平行于质量分析仪的纵轴。

在另一个实施例中，第一平面和第二平面且因此第一和第二流动方向彼此正交。然而，也可以提供第一和第二流动方向之间的其他角度。特别地，第一和第二流动方向也可以彼此反平行。

一个实施例包括，该装置还包括布置在质量分析仪与第一和第二检测器单元之间的至少一个碰撞池。

在另一个实施例中，质谱装置还包括至少一个第二引导光学器件，该第二引导光学器件被布置成将由离子源提供的沿第一初始流动方向流动的离子束转向以沿第二初始流动方向流动，初始第一和第二流动方向彼此之间具有预定角度，尤其是正交的角度，以便最小化装置的有效占地面积。第二初始流动方向优选地平行于质量分析仪的纵轴。关于该实施例，参考WO2012/100299A1。

本发明的目的还通过根据本发明的质谱装置分析分析物样品的方法来实现，该方法包括以下步骤：

-用第一检测器单元记录至少一个第一质谱，以及

-用第二检测器单元记录至少一个第二质谱，以及

-特别是通过组合而分析第一和第二质谱。

可以交替地或根据当前目的或需要而记录使用第一和第二检测器单元记录的第一和第二光谱。几种可能性对于组合不同检测器的光谱是可行的，它们都落入本发明的范围内。

例如，TOF检测器可用于记录感兴趣的全质量范围的光谱，然后是特定较小质量范围的高分辨率、高灵敏度和/或高动态范围光谱，或相反。

两个分离的、独立和交错的工作检测器单元的这种组合支持多种分析物样品(例如，复杂样品，特别是没有先验知识的样品)的全面表征、纳米颗粒检测、激光消融或组织成像。可以使用不同的检测器单元检测不同的物质。TOF检测器可用于检测分析物样品中的同位素，而第一检测器单元可用于不同的目标。可以在使用前确定不同检测器单元的记录方案。另一方面，在使用期间也可以修改或定义选择一个特定检测器单元的规则。还可以提供用于在某个时间点选择两个检测器单元之一的算法，特别是这样的算法可以是自学习算法。

应当注意，结合该装置描述的实施例经过必要修改后也适用于该方法，反之亦然。

附图说明

将基于图1至图3b进一步说明本发明及其优选实施例。

图1示出了传统的四极质谱设备；

图2a和图2b示出了根据本发明的装置的优选实施例，对于其而言，第一和第二流动方向彼此正交；以及

图3a和图3b示出了根据本发明的装置的优选实施例，对于其而言，第一和第二流动方向彼此反平行。

在附图中，相同的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中，示出了用于分析分析物样品的传统的基于四极的质谱装置100。装置100包括离子源1，可以从该离子源1获取来自分析物样品的一定量的分析物离子，以用于提供初始离子束7。装置100还包括用于将分析物样品转移到质谱设备1的分析部分内的接口装置，包括采样锥2和截取锥3。截取锥具有截取锥体4和用于引入物质或混合物的通道5，例如，如在US 7,329,863 B2和US 7,119,330 B2中所描述的。然而，通道5的存在是可选的，并且对于实现本发明的基本思想决不是必需的。

设备100还包括至少一个第二引导光学器件6，该第二引导光学器件6被布置为将由离子源1提供的沿第一初始流动方向if₁流动的离子束7转向以沿第二初始流动方向if₂流动。本实施例的两个初始流动方向if₁、if₂示例性地彼此正交，而第二初始流动方向if₂平行于质量分析仪9的纵轴L，质量分析仪9在此以四极质量分析仪的形式体现。在质量分析仪9之前，布置了将离子束11引导到质量分析仪9中的brubaker预过滤器8。呈四极检测器形式的检测器单元10布置在质量分析仪9的端部区域中。

在其朝向检测器单元10的途中，离子束7、11通过不同的真空级16、17、18，并且在图2a至图3b的情况下还通过19。

本发明现在提供一种质谱装置100，其中，组合了两个分开的且独立且交错的检测器单元A和B。在不减少对附图中包括的特定实施例的保护范围的情况下，以下附图涉及包括四极检测器10的第一检测器单元A和包括TOF检测器15的第二检测器单元B的情况，允许执行基于四极或TOF的检测或两者都以准平行的方式。质量分析仪9示例性地体现为四极质量分析仪的形式，其前面是brubaker预过滤器8，类似于图1的情况。

图2a和图2b涉及第一检测器单元A和第二检测器单元B彼此正交布置的优选实施例。第一检测器单元A包括与图1的情况类似的四极检测器10。第二检测器单元B包括用于引导离子束11的推/拉电极13的布置、定义了反射部分的TOF质量分析仪14和TOF检测器15，TOF检测器15也可以例如以四极检测器的形式体现，从而产生Q/TOF检测器单元形式的第二检测器单元B。

第一检测器单元A平行于第一平面E₁布置，且第二检测器单元B平行于第二平面E₂布置，第一平面E₁和第二平面E₂彼此正交。第一平面E₁平行于第一初始流动方向if₁和质量分析仪8的纵轴。

对于图2a中所示的实施例，装置100还包括第一引导光学器件C，其包括电极12，用于在第一流动方向f₁或第二流动方向f₂上引导离子束11。这种引导光学器件c对于本发明来说不是必需的。相反，也可以通过作为例如图2a所示的推/拉电极13的装置100的其他组件(例如，第一检测器单元A和第二检测器单元B的组件)来实现离子束11朝向第一检测器单元A和/或第二检测器单元B的引导。另一方面，引导光学器件C也可以包括多个不同的电子和/或透镜或者也可以包括至少一个离子镜。

与图2a相反，图2b中所示的装置100包括：一个质量分析仪9，相当于图1或图2a的情况；以及，附加的质量分析仪26，其布置在第一质量分析仪9和第一检测器10之间。从第一质量分析仪9接收的离子束11通过引导光学器件C，引导光学器件C还包括第一离子光学器件25，用于将离子束11注入区域29。从区域29，尤其是推/拉区域，离子或者作为被第一检测器单元A检测到的离子束27被转移至第二质量过滤器26，或者作为离子束28被转移至包括TOF质量分析仪14的第二检测器单元B。

图3a和图3b涉及根据本发明的装置100的优选实施例，对于其而言，第一流动方向f₁和第二流动方向f₂彼此反平行。除了图1至图2b中所示的设备100，图3a中所示的设备100另外包括可选的碰撞池20，该碰撞池20具有用于受控注入碰撞或反应气体或至少两种气体的混合物的气体控制管线21。与图2a和图2b所示的情况相反，在图3a的情况下，第一流动方向f₁和第二流动方向f₂彼此反平行。

图3b中所示的实施例类似于图3a所示的实施例。然而，此处的引导光学器件C还包括：将离子束11从碰撞池20或质量分析仪9转移到区域29的离子光学器件30；以及，用于例如通过施加开关电压将离子束8的离子引导到第一流动方向f₁且因此引导到第一检测器单元10的电极布置31。

尽管图中所示的所有优选实施例都涉及Q/TOF检测器单元形式的第二检测器单元B，但本发明决不限于第二检测器单元B的这种配置。类似地，本发明也不限于包括四极检测器的第一检测器单元A。

然而，对于基于Q/TOF的设备与基于四极的设备组合的这种情况，本发明使得能够将第一检测器单元A集成到包括基于TOF的第二检测器单元B的推拉区域29的区域中使得从质量分析仪9或碰撞池20接收的离子束11的离子被导向第一检测器10或第二检测器15。这样，设置组合设备的成本及其复杂性可以大大降低。原则上，第一检测器单元A可以被集成到基于TOF的第二检测器单元B中而不影响其特性，这意味着可以在组合的混合设备100中完全保持基于四极和TOF的设备的特性。

本发明的优点是，在一个单个设备100内，使用第一检测器10或第二检测器15的质谱的交错记录成为可能，特别是取决于从样品中获得的信息。例如，在样品电离(或原子化)之后，可以记录第一基于Q/TOF的质谱，以揭示样品中所含离子动态范围的总体质量范围信息。在一个或多个后续步骤中，可以记录基于四极的质谱，以分析低丰度离子群或具有非常严格量化要求的离子。两个光谱也可以合并为最终光谱。另一种操作模式也可以从基于第一检测器单元a的分析，即基于四极的分析开始，其然后可以触发也记录基于TOF的光谱以获取高级信息或获得预设决策树以进一步进行。然而，其他可能的操作模式包括用两个不同的检测器10、15分析样品的不同成分，例如，通过第二检测器15分析颗粒和通过第一检测器10分析均匀溶解的成分，或者使用第二检测器分析同位素分布模式和使用第一检测器10分析其他目标。

总之，根据本发明的装置100和方法提供了优于现有技术设备的几个优点：可以记录具有与经典的基于四极的质谱设备相等的灵敏度和鲁棒性的质谱，且同时采集与样品中包含的所有元素相关的光谱。可以根据应用有利地组合基于四极和TOF的设备的不同采集速度、灵敏度和动态范围，这也导致更高的整体测量速度。

附图标记

1 离子源

2 采样锥

3 截取锥

4 截取锥体

5 截取锥中的通道

6 第二引导光学器件

7 离子束轨迹

8 Brubaker预过滤器

9 质量分析仪

10 第一检测器

11 离子束

12 推/拉电极

13 电极排列

14 TOF质量分析仪反射部分

15 TOF检测器

16-19 各种真空级

20 碰撞池

21 气体管线

25 离子光学器件或电极

26 第二质量分析仪

27 引导至第一检测器的离子束

28 引导至第二检测器的离子束

29 区域

30 离子光学器件

31 电极

100 质谱装置

A 第一检测器单元

B 第二检测器单元

C 引导光学器件

Claims

1.一种用于分析分析物样品的质谱装置(100)，包括：

离子源(1)，能够从所述离子源(1)获取来自所述分析物样品的一定量的分析物离子，以用于提供离子束(7，11)，

质量分析仪(9)，所述质量分析仪(9)用于将所述离子束(7，11)的分析物离子基于其质荷比进行过滤，以及

第一检测器单元(A)，所述第一检测器单元(A)用于分析所述离子束(7，11)的离子，

其特征在于

所述装置(100)还包括第二检测器单元(B)，所述第二检测器单元(B)基于飞行时间原理，且包括用于分析所述离子束(7，11)的离子的第二检测器(15)。

2.根据权利要求1所述的质谱装置(100)，

其中，所述第一检测器单元(A)包括四极检测器(10)。

3.根据权利要求1或2所述的质谱装置，

其中，所述第二检测器(15)为四极检测器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的质谱装置(100)，

其中，所述质量分析仪(8)为四极质量分析仪。

5.根据前述权利要求中任一项所述的质谱装置(100)，

包括至少两个质量分析仪(8、26)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的质谱装置(100)，

其中，所述第一检测器单元(A)平行于第一平面(E₁)布置，且所述第二检测器单元(B)平行于第二平面(E₂)布置，所述第一平面(E₁)和所述第二平面(E₂)彼此之间具有预定角度，以及

其中，所述质谱装置(100)被配置为将从所述质量分析仪(8)接收的离子束(11)引导至所述第一检测器单元(A)或第二检测器单元(B)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的质谱装置(100)，

还包括至少一个第一引导光学器件(C)，被布置和/或配置为沿着平行于所述第一平面(E₁)的第一流动方向(f₁)和/或沿着平行于所述第二平面(E₂)的第二流动方向(f₂)引导从所述质量分析仪(8)接收的离子束(11)。

8.根据权利要求7所述的质谱装置(100)，

其中，所述引导光学器件(C)包括至少一个电极(12、13、25、30、31)和/或透镜装置或离子镜。

9.根据权利要求7或8所述的质谱装置(100)，

其中，所述质谱装置(100)还包括切换装置，用于在第一状态和第二状态之间切换所述引导光学器件(C)的至少一个组件，在所述第一状态中，所述离子束(11)被引导或指导到所述第一流动方向(f₁)，在所述第二状态中，所述离子束(11)被引导向所述第二流动方向(f₂)。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的质谱装置(100)，

其中，所述引导光学器件(C)被布置在所述质量分析仪(9)与所述第一检测器单元(A)和所述第二检测器单元(B)之间。

11.根据权利要求6-9中任一项所述的质谱装置(100)，

其中，所述第一平面(E₁)平行于所述质量分析仪(9)的纵轴(L)。

12.根据权利要求6-9中任一项所述的质谱装置(100)，

其中，所述第一平面(E₁)和所述第二平面(E₂)相互正交。

13.根据前述权利要求中任一项所述的质谱装置(100)，

其中，所述装置(100)还包括布置在所述质量分析仪(9)与所述第一检测器单元(A)和所述第二检测器单元(B)之间的至少一个碰撞池(20)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的质谱装置(100)，

还包括至少一个第二引导光学器件(6)，其被布置为将由所述离子源(1)提供的沿第一初始流动方向(if₁)流动的离子束(7)转向以沿第二初始流动方向(if₂)流动，所述第一初始流动方向(if₁)和所述第二初始流动方向(if₂)彼此之间具有预定的角度，尤其是正交的角度，以便最小化所述装置(100)的有效占地面积。

15.一种用于通过根据前述权利要求中至少一项所述的质谱装置(100)分析分析物样品的方法，包括以下步骤：

-利用所述第一检测器单元(A)记录至少一个第一质谱，以及

-利用所述第二检测器单元(B)记录至少一个第二质谱，以及

-特别是通过组合而分析所述第一质谱和所述第二质谱。