CN116888706A - 一种用于质谱分析的在仅射频约束场中产生高产量离子的系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种组合的离子放电管和离子导向系统。离子放电管包括阴极管和阳极表面。放电管充当阴极，而阳极可以是多种不同的结构。在一个实施例中，放电管设置在四级离子导向器内，其中离子导向器的壁是阳极。在其他实施例中，放电管放置在四极杆的杆的内部，并且杆的内壁或单独的板充当阳极。在所有结构中，离子都由放电管形成，并且离子引入到离子导向器的射频约束中，以增加离子转移效率。

Description

一种用于质谱分析的在仅射频约束场中产生高产量离子的 系统

技术领域

本发明总体上涉及用于产生高产量离子并将离子捕获在仅射频离子导向器(RFonly ion guide)中的离子源的装置和方法。

背景技术

质谱仪(MS)用于测定化合物的分子量和结构信息。通过对分子进行电离，并测量分子在真空中对电场和磁场的轨迹响应来测量分子的质量。根据离子的质荷比(m/z)值来测量离子的质量。为了实现这一点，将待表征的样品进行电离，然后将所述样品注入质谱仪中。质谱仪的灵敏度部分地直接取决于离子源产生高产量的所需感兴趣离子的效率。

在等离子体放电电离源中，发生电子激发，导致形成负离子(M-)、正离子(M+)、亚稳态中性粒子(M*)、快/慢自由电子(e-)和可见光(光子)。这种方法被认为是质谱仪(MS)应用中产生M-和M+离子所需的丰富气相环境(离子源)。大量离子从离子源到质量分析器的提取和运输反映了现代质谱分析的灵敏度和高检测能力。

由于质谱仪通常在真空中运行(根据质量分析器的类型，保持低于104托(Torr))，因此必须将高压离子源中产生的带电粒子输送到真空中进行质量分析。通常，在加压源中产生的一部分离子被夹带在背景气体(bath gas)中并被输送到真空中。要有效地做到这些存在许多挑战。

转移离子的一种方法是使用离子导向器。多极离子导向器已经用于通过真空或部分真空将离子有效地转移到质量分析器中。特别地，多极离子导向器已经配置为将离子从质谱仪的较高压力区域传输到较低压力区域，然后传输到分析器可操作的真空区域。

已证明使用射频多极离子导向器(包括四极离子导向器)是通过真空系统传输离子的有效方法。射频多极离子导向器通常配置为一组(通常为4、6或8个)围绕中心轴线对称地间隔开的导电杆，每个杆的轴线都平行于中心轴线。进入离子导向器的离子经历射频RF约束场，并倾向移动到离子导向器的中心轴线。在高压下操作的离子导向器中，离子易于与背景气体碰撞，由于碰撞，因此离子损失了部分平移能量和径向能量。这种现象称为碰撞聚焦，使离子更有效地聚集到离子导向器的中心线，从而高密度地传输到出口。

在本系统中，离子源和离子导向器结合在一个系统中，以快速释放离子，从而提高离子传输的效率。

发明内容

本设备是在几托压力下运行的高效离子源。从离子源产生的离子立即被引入到离子导向器中或在离子导向器中产生。由于将离子引入到射频RF场的零场线中或零场线的周围，因此，离子将在零场线中或零场线的周围被捕获，并且可以传输到质谱仪设备的低压区域。仅射频离子导向器也是离子/分子反应的合适环境。存在许多优点，即：通过将合适的试剂引入设备中来淬灭亚稳态分子的能量。机制被称为潘宁电离(penning ionization)，如下所示：

A*+Re→Re⁺+A

由这个过程产生的离子在射频RF场的边界内可能是不稳定的，或者是容易由质量分析器过滤的。

离子导向器可充当反应室，在所述反应室中发生离子/分子反应，以通过软电离(soft ionization)产生离子。离子化学被认为是最软的电离过程，在该电离过程中，电子或电荷转移或任何其他允许的化学反应都可以在离子和分析物伴体(analyte partner)之间发生，并释放出微小的能量。此能量不足以引起任何结构变化，因此分子离子的结构保持完整和稳定。

离子导向器还可以充当碰撞室，在碰撞室中，离子通过加速获得能量，并经历分裂或去簇过程，从而形成更完整的感兴趣的离子。

附图说明

本文的实施例将在下文中结合附图进行描述，所提供的附图是为了说明而非限制权利要求的范围，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1示出了用于本发明的离子源的一个实施例；

图2A示出了带有圆形杆的四极离子导向器的RF场和零场线；

图2B示出了带有方形杆的四极离子导向器的RF场和零场线；

图3示出了本系统的一个实施例，其中离子放电直接引入到离子导向器的中心零场中；

图4示出了本发明的另一个实施例，其中阴极直接插入离子导向器的中心区域；

图5示出了本发明的第三实施例，其中充当阴极的放电管直接插入到离子导向器中，并且所述离子导向器中的内透镜充当放电管的阳极；

图6示出了本发明的另一个实施例，其中放电管直接插入离子导向器的杆中，并且杆的主体充当放电管的阳极；

图7示出了本发明的另一个实施例，其中放电管直接插入离子导向器的中空杆中，并维持在托(Torr)水平的压力下；

图8示出了本发明的另一个实施例，其中放电管直接插入维持在托水平的压力下的离子导向器的中空杆中，并且提供额外的阳极板以形成离子放电；

图9示出了本发明的另一个实施例，其中整个放电管直接插入维持在托水平的压力下的离子导向器的中空杆中；

图10示出了本发明的另一个实施例，其中等离子体在离子导向器的中空空间内形成；

图11示出了本发明的另一实施例，其中将放电管的离子直接引入零场处的离子导向器的毫托(mTorr)区域；

图12示出了本发明的另一个实施例，其中使用多个放电管将离子直接引入零场处的离子导向器；

图13示出了本发明的另一个实施例，其中将来自放电的离子直接引入到在零场处的具有多个放电管离子导向器中，以及

图14示出了本发明的另一个实施例，其中将来自放电的离子直接引入到在零场处的具有多个放电管的离子导向器中，以及

图15示出了本发明的另一个实施例，其中放电管安装在离子导向器的两个区段之间并且在托水平的压力区域中。

具体实施方式

图1示出了用于本发明的离子源的一个实施例。在此实施例中，使用放电源100作为通常维持在几托压力下的离子源。此离子源包括阳极管110和阴极管120，以在管状离子源130内形成放电。等离子体可以包括电子、离子、亚稳态中性粒子和光子。光子、自由电子和中性粒子是不需要的物质，不应该干扰质谱仪(MS)的操作。只有负离子和正离子是所需要的。因此，可以提供阻挡器140来移除光子和电子。从管120的一端160进入的气流150将离子引导至离子导向器，而电子阻挡器140阻止其他物质的流动。如此，夹杂在中性流中的离子能够有效地从放电管中提取出来。然后通过适当尺寸的孔145将离子158立即引入至仅射频离子导向器的射频RF约束场中，使得离子导向器的压力维持低于离子源的压力(参见图2)。绝缘体170和175使放电管与系统的其他部分绝缘。离子仅仅通过从高压力区域10到孔145的相对侧的低压力区域12的流动而被输送到RF约束场中。在约束场中，离子要么被捕获要么连续传输，同时在RF场的作用下发生碰撞聚焦，即与背景气体碰撞。因此，MS的灵敏度显著提高。

仅射频离子导向器是通过将合适的试剂引入设备中来淬灭亚稳态分子能量的最合适的环境。机制被称为潘宁电离，如下所示：

A*+Re→Re⁺+A

由这个过程产生的离子在RF场的边界内可能是不稳定的，或者是容易由质量分析器过滤的。离子导向器可以充当发生离子/分子反应过程的反应室。这也可以用作碰撞室，其中离子通过轴向加速、径向激发、近乎不稳定的能量增加或微观运动获得能量，从而经历分裂或去簇过程。

四极系统的RF场的示例如图2A和图2B所示。尽管如此，射频也可以使用其他装置来产生，例如柔性极(Flexapole)或八极装置(或其他数量的极)。图2A的四极杆由四个平行的金属杆201、202、203、204组成。类似地，图2B的四极杆由四个具有正方形横截面的平行的金属片206、207、208、209组成。每对相对的杆都是电连接在一起的。对于给定的电压比，只有特定质荷比的离子才会到达检测器；其他离子则由于轨迹不稳定而与杆碰撞。这允许选择具有特定m/z的离子，或者允许操作者通过连续改变所施加的电压来扫描m/z值的范围。可以使用线性排列的四极杆。第一(Q1)四极杆200充当质量过滤器和碰撞室，其使用Ar、He或N2气体(约103托，约30eV)对来自Q1的选定的母离子进行碰撞以诱导解离。

RF场220在杆之间产生。零场指的是极的中心轴线处的区域。可以为系统的横截面定义x和y轴，并将沿杆的长度定义z轴。横截面中的零场线是图2A中所示的241和242，以及图2B中的251和252。在本发明中，离子直接注入零场线或尽可能靠近零场线。这样可以在RF场中捕获离子并提供对离子的有效利用，从而提供了高灵敏度的系统。

图3示出了本系统的一个实施例，其中放电100的离子引入到离子导向器200的中心零场240。离子导向器200包括配置有预定径向直径的多极离子导向器。该离子导向器可以具有入口透镜310、出口透镜312和绝缘体316。在所示的优选实施例中，从离子源转移的离子直接进入四极离子导向器的零场240。这提供了有效的离子捕获效率，其落在由施加到四极杆的电势设定的稳定窗口内。

通过引入补充气体155，例如Ar、He、N2等，放电管100维持在几托的压力下。离子导向器由放电管100的孔145的泄漏进行加压，并通过真空泵190维持在几毫托。分析物可以从入口-1 160直接引入，或者通过诸如GC(气相色谱仪)的其他设备引入、电离，然后引入离子导向器。具有如图2A中的四个相等间距的杆201、202、203、204的四极杆在围绕中心轴线在预定半径处构成离子导向器。替代地，在放电管中产生的离子通过入口-2 180引入到离子导向器和分析物中。在引入MS 300之前，分析物将通过离子/分子反应进行电离。

由于离子被注入到零电场线240中，因此离子的轨迹在MS内部基本上是平行和准直的。通过入口-2 180引入适当的试剂，可以猝灭亚稳态中性粒子。可以提供轴向场360以将离子从离子导向器转移到MS设备的下一级。可以设置入口电压，以便将离子向前推到离子导向器的出口。

入口-2 180允许任何其他气体进入。例如，在二次碰撞过程中引入分析物并对所述分析物进行电离，其中离子从电离的气体转移到入口气体(例如，分析物)，这是稳定的，因为没有直接对离子施加能量。

图4示出了本发明的第二实施例，其中阴极管120直接插入到离子导向器200的中心。在杆之间施加射频(RF)，例如1MHz正弦波电压。相邻的杆上的电位相差180°。四极轴的相对两侧的杆是电连接的，即四极杆形成两对杆。四极杆具有入口端和出口端。

将离子引入第一离子导向器200，并使离子沿着四极杆的轴线行进到出口端，以进入第二离子导向器210。第一离子导向器处于比另一个离子导向器更高的压力下，因此，存在从第一离子导向器到第二离子导向器的携带离子的流动。图4的两个离子导向器在第一离子导向器中以相对较高的压力接收离子，聚焦离子并将所述离子传输到处于相对较低压力的第二离子导向器。可能存在更多数量的离子导向阶段。离子导向杆201、202充当放电管120的阳极。离子导向杆的任一个都可以充当离子放电管的阳极。

第一离子导向器200通过引入诸如Ar、He、N2等补充气体而维持在几托的压力下。第二离子导向器210由放电管的泄漏进行加压，并维持在几毫托。分析物可以直接从入口-1160引入或通过使用GC直接引入，所述分析物然后在离子导向器-1200的RF约束场内进行电离，然后在引导到MS 300之前引入到离子导向器-2 210中。替代地，将放电管中产生的离子引入离子导向器，并通过入口-2 255引入分析物。分析物将通过离子导向器-2 210中的离子/分子反应进行电离。可以为离子导向器提供轴向场，用于离子的离开。将管120设置在离子导向器1 201的正内部，并且由等离子体产生的电流被隔离，使得该电流不会对离子导向器造成影响。在此设备中，离子可以在杆内加速。可以去除不感兴趣的离子。

图5示出了本发明的第三实施例，其中阴极120直接插入到离子导向器200中，并且所述离子导向器200中的内透镜245充当放电管120的阳极。通过引入补充气体155，例如Ar、He、ISh等，离子导向器-1 200保持在几托的压力下。离子导向器-2 210由放电管的泄漏进行加压，并维持在几毫托。分析物可以从入口-1 160直接引入或者通过连接到GC的出口引入，并且在离子导向器-1 200的RF约束场内进行电离，然后在引导到MS 300之前引入到离子导向器-2 210中。替代地，在放电管中产生的离子通过入口-2 255引入到离子导向器和分析物中。分析物将通过离子导向器-2 210中的离子/分子反应进行电离。可以为离子导向器提供轴向场，以用于离子的离开。

图6示出了本发明的第四实施例，其中阴极管120直接插入到第一离子导向器200的杆201中，并且其中杆201的主体201a充当放电管的阳极。杆上存在让离子从杆中流出的开口。开口尺寸确定为使得开口两侧的压力保持在期望的条件下。通过引入补充气体，例如Ar、He、ISh等，离子导向器-1 200保持在几托压力下。离子导向器-2 210由放电管的泄漏进行加压，并维持在几毫托。分析物可以从入口-1 160直接引入或者通过连接到GC的出口引入，并且在离子导向器-1 200的RF约束场内进行电离，然后在引导到MS 300之前引入到离子导向器-2 210中。替代地，在放电管120中产生的离子通过入口-2 255引入到离子导向器和分析物中。分析物将通过离子导向器-2 210中的离子/分子反应进行电离。施加于离子导向器的杆偏置(rod offset)决定了引入MS 300的离子的极性。离子受到杆偏置的吸引和排斥。例如，如果需要负离子，则杆偏置设置为正。

位于两个离子导向器200、210之间的透镜245配置为不仅使得下游的离子导向器的入口处的边缘电场最小化，而且使得上游的离子导向器的出口端处的边缘电场最小化。透镜245可以是平板入口透镜，其具有定位于中心线上的孔口，所述孔口沿着轴线尽可能靠近多极离子导向杆的入口面，以最小化边缘效应。出口透镜312控制第二离子导向器210内部的压力。

分析物离子可通过与气体碰撞而冷却，并通过射频四极场向离子阱的轴线聚焦。替代地，可以通过电子捕获解离、电子转移解离、光解离、亚稳态活化解离或任何其他已知的现有技术解离方法来诱导分裂。离子可以通过质量选择稳定性或任何已知的现有技术的四极离子选择方法来选择。

图7示出了本发明的另一个实施例，其中阴极120直接插入到维持在托水平的压力下的离子导向器200的中空杆201中。杆201的主体201a充当放电管的阳极。为离子导向器提供的轴向场365决定了传输到MS 300的离子所需的极性的选择。简单地改变轴向场的DC极性就可以选择所需的离子。此处，杆维持在托水平的压力下，杆之间的压力为毫托水平。透镜312预先设计成对离子进行分离。以此方式，从源产生的所有离子都用于提高灵敏度。

图8示出了本发明的另一个实施例，其中阴极120直接插入维持在几托压力的离子导向器200的中空杆201中，并提供了额外的阳极板420。在这种情况下，杆的主体不用于阳极，而是引入新的阳极。此实施例在控制离子流方面提供了更大的灵活性。杆中存在开口，以让离子离开杆并进入RF场的零场区域。轴向场

图9示出了本发明的另一个实施例，其中整个放电管100直接插入到维持在几托压力的离子导向器200的中空杆201中。在这种情况下，放电管的外管110充当阳极。管壁中的开口允许离子移动到RF场中。

图10示出了本发明的另一个实施例，其中通过前面描述的方法在离子导向杆的中空空间内形成等离子体。端盖组320为阳离子和阴离子的分离提供了必要的轴向场。在这种情况下，端盖不是提供轴向场，而是对离子和阳离子进行分离。产生离子场来引导粒子。在此实施例中，端盖实现了电荷分离。

图11A和图11B示出了本发明的另一个实施例，其中放电100的离子直接引入到在零场542处的毫托离子导向器中。端盖320可以充当离子极性的隔离物。增加轴向场以帮助分离和运输所需的离子。在这种情况下，放电管设置在RF的零场。可以有轴向场。请详细说明。

图12示出了本发明的另一个实施例，其中放电管100的离子直接在零场处引入到离子导向器，该离子导向器具有多于一个放电管。在这种情况下，可以存在一个以上的离子源，这些离子源的入口在160和162处。

图13示出了本发明的另一个实施例，其中放电管100的离子直接在零场处引入到离子导向器中，该离子导向器具有多个放电管，所述多个放电管具有入口160、161、162、163、164，并且根据需要可以使用任意数量的入口。

图14示出了本发明的另一个实施例，其中来自放电的离子直接在零场处引入到具有多个放电管的离子导向器。在这种情况下，这些管设置在相对的壳体中。

图15出了本发明的另一个实施例，其中放电管100安装在托压力区域的两个区段之间。离子源配置为完全位于真空泵级380中。这在离子导向器内产生负离子和正离子。杆偏置决定了传输到MS 300中的离子的极性。通过改变MS的极性，可以很容易地选择阳离子或阴离子进行分析。整个系统处于低压(毫托)。来自放电管100的流动完全由入口流150导向。然后，通过施加不同的压力，可以决定每个离子的去向。可以利用由等离子体产生的正离子102和负离子103进行流动。这种情况提高了离子进入四极离子阱的传输效率，并允许重新捕获从三维离子阱中发射出的离子。

Claims (14)

1.用于质谱仪(MS)的在仅射频RF约束场中产生高产量离子的系统，包括：

a)由阴极管和阳极表面组成的离子放电管，其中阴极管具有提供分析物的第一入口、提供补充气体的第二入口和出口、以及施加在离子放电管以产生离子流的高压源；

b)第一离子导向器，其是具有杆组并具有AC电压电极或DC电压电极的多极离子导向器，所述第一离子导向器配置有预定的径向直径、出口透镜和绝缘体组，并且具有入口孔和出口孔，其中入口孔与离子放电管的出口对准，并且其中，第一离子导向器的射频RF场具有一组沿着x轴、y轴和z轴的零场线，x轴和y轴是第一离子导向器的横截面的中心线，以及z轴是沿着杆的长度；

c)还具有在第一离子导向器上的第三入口，以将分析物注入到第一离子导向器中，并且由此通过第三入口引入适当的试剂来猝灭亚稳态中性粒子；

d)其中多极离子导向器由离子放电管的出口的泄漏进行加压，以通过真空泵维持在几毫托，其中分析物和背景气体在阴极管的第一入口和第二入口被引入，并且离子流注入到零场线的组中或所述零场线的组附近，并且其中分析物在引入MS之前通过离子-分子反应被电离，并且由于离子被注入到零场线的组中，因此离子的轨迹在MS内部基本上是平行和准直的。

2.根据权利要求1所述的系统，其中多极离子导向器包括四极杆或柔性极杆或八极杆。

3.根据权利要求1所述的系统，其中阴极管放置在第一离子导向器的杆组之间的中心空间中，以将离子沿着第一离子导向器的z轴直接注入到零场线中，并且其中杆组的外表面充当离子放电管的阳极表面。

4.根据权利要求1所述的系统，其中阴极管放置在第一离子导向器的杆组之间的中心空间中，以将离子沿着第一离子导向器的z轴直接注入到零场线中，并且其中第一离子导向器和第二离子导向器之间的内透镜充当阳极表面。

5.根据权利要求1所述的系统，其中阴极管放置在第一离子导向器的杆组的接收杆的内部，并且接收杆的内表面充当阳极表面，其中接收杆具有开口以允许离子流离开接收杆并进入射频RF场，并且其中背景气体的流动配置为将离子流注入射频RF场的零场线中。

6.根据权利要求1所述的系统，其中阴极管放置在第一离子导向器的接收杆的内部，并且阳极表面是放置在接收杆的内部的板，并且其中接收杆具有开口以允许离子流离开接收杆并进入所述射频RF场，并且接收杆还具有轴向场以控制射频RF场中的离子流。

7.根据权利要求1所述的系统，其中阴极管放置在接收杆的内部，并且阳极表面是围绕阴极管设置的环形管，其中接收杆具有开口以允许离子流进入第一离子导向器的零场线，并且其中端盖组配置为控制射频RF场中的离子流。

8.根据权利要求7所述的系统，还具有放置在第二接收杆中的第二阴极管，并且第二阳极表面是设置在第二阴极管周围的第二环形管，并且其中第二接收管具有第二开口，以允许离子流进入在零场线处的离子导向器。

9.根据权利要求1所述的系统，还具有第二离子导向器，所述第二离子导向器通过具有内孔的内透镜与离子导向器分离，所述内孔配置使为第一离子导向器保持在比第二离子导向器更高的压力，其中阴极管插入到第一离子导向器中，并且阳极表面是内透镜，并且其中离子流设置在零场线上，并且内透镜配置为控制从第一离子导向器到第二离子导向器的离子流。

10.根据权利要求9所述的系统，还具有轴向场以控制从第一离子导向器到第二离子导向器或者到MS的离子流，其中入口电压设置为将离子推向第一离子导向器的出口孔。

11.根据权利要求1所述的系统，具有至少一个离子放电管，所述离子放电管径向放置在第一离子导向器的两个相邻杆之间，以将径向的离子流注入第一离子导向器的横截面中的零场线。

12.根据权利要求11所述的系统，还具有至少一个对向的离子放电管，所述对向的离子放电管径向放置在第一离子导向器的两个相邻杆之间，以将对向的径向离子流注入到第一离子导向器的横截面中的零场线中，并且所述对向的径向离子流与由至少一个离子放电管产生的径向离子流的方向相反，由此径向离子流和对向的径向流在第一离子导向器的z轴上的零场线上相互撞击。

13.根据权利要求1所述的系统，具有至少一个径向放置在第一杆和第二杆之间的第一离子放电管；至少一个放置在第二杆和第三杆之间的第二离子放电管；至少一个放置在第三杆和第四杆之间的第三离子放电管，以及至少一个放置在第一离子导向器的第四杆和第一杆之间的第四离子放电管，所述第四离子放电管是四极的。

14.根据权利要求9所述的系统，其中离子放电管放置在第一离子导向器和第二离子导向器之间的真空泵级中，并且其中杆偏置系统控制第一离子导向器和第二离子导向器内的离子流。