CN1828819A

CN1828819A - 用于离子断裂截止的装置和方法

Info

Publication number: CN1828819A
Application number: CNA2005100874001A
Authority: CN
Inventors: 亚历克斯·莫迪凯
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2006-09-06
Also published as: EP1696467A3; US20060192112A1; EP1696467B1; US7166837B2; EP1696467A2

Abstract

本发明公开了一种用于隔离、断裂和扫描离子的质量分析器。该质量分析器包括离子阱，该离子阱具有第一电极、与第一电极相邻的第二电极、插入在第一电极和第二电极之间的第三电极、电连接到第一电极和第二电极的第一RF源、以及电连接到第三电极的第二RF电压源。第二RF电压源提供了第二电场，用于使离子断裂并扩大器件的断裂截止的潜在应用，这允许分析肽和其他复杂的分子。该质量分析器可以独立使用或者与质谱分析系统组合使用。本发明也公开了离子断裂和截止的方法。

Description

用于离子断裂截止的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于离子断裂截止的装置和方法。

背景技术

质谱分析系统是一种分析设备，其通过根据分子离子的质荷比(m/z)来将它们分离，从而确定化合物的分子量。通过诱使失去电荷或者获得电荷而生成离子，然后探测出这些离子。质谱分析系统一般包括：用于生成离子的电离源(即，电喷雾电离(EI)、大气光电离(APPI)、大气化学电离(APCI)、化学电离(CI)、快原子轰击、基质辅助激光解吸附电离(MALDI)等)；用于分离并分析离子的滤质器或质量分析器(即，四极、磁区、飞行时间、离子阱等)；以及离子探测器，例如电子倍增器或闪烁计数器，用于探测并描绘离子的特征。

20世纪早期发明的第一种质量分析器使用磁场来根据离子的质荷比分离离子。现在，已发展了多种电离源来使质量分析器满足各种化学分子的需求。一类质量分析器是离子阱质量分析器。离子阱质量分析器通过使用两个或多个RF环状电极来捕捉具有特定质荷比的离子。离子阱质量分析器和四极质量分析器大约同时被开发出来，并且这两种质量分析器背后的物理原理非常类似。这些质量分析器相对便宜，能提供较好的精度和分辨率，并且可以串接使用来提高分离。离子阱质量分析器的典型质量范围和分辨率为(范围：m/z 2000；分辨率：1500)。离子阱的其他优点包括体积小、设计简单、成本低、对于正离子和负离子易于使用。因此，离子阱质量分析器已变得相当流行。然而，离子阱也遇到一些具体的问题。例如，当前商用版本的范围有限，以及碰撞能量较低和离子断裂问题。

为了解决上述问题，已开发了断裂的MS/MS、2维(2D)和3维(3D)分析技术和方法。通常，在3D离子阱质谱分析中，通过将主RF电压设置为相对高的值来增加伪电势捕捉阱(pseudo-potential trappingwell)的深度，并且也通过施加与离子运动的基本频率其振的补充场(supplemental field)，从而实现断裂。用于断裂的RF幅度值可以表示为无量纲参数q。一般来说，q可以从0变化到0.908，并且从各种推导方程可以确定离子阱内的最低稳定质量。RF场中的最低稳定质量称作断裂截止限制(fragmentation cut-off limit)。所有质量低于该断裂截止限制的碎片离子在RF离子阱中都是不稳定的，并且是不可分析的。断裂截止是离子阱正面临的问题，并且已限制了离子阱的整个潜在效率和灵活性。

因此，期望通过极大地减少离子阱系统的断裂截止，从而减轻该问题。另外，也希望扩展可以使用离子阱分析的分子的类型和范围。例如，希望降低断裂截止，从而可以使用并开发低分子量断裂信息，来对各种小分子和肽进行排序和描述特征。另外，还希望能够分离、捕捉并扫描各种大小的分子，而不必将它们在质量分析仪和/或碰撞池(collision cell)之间移动。本发明已消除了这里提到的这些和其他问题。

发明内容

本发明涉及用于提供减少质谱分析系统中的离子断裂问题的装置和方法。本发明的质谱分析系统包括电离源、质量分析器/滤质器和离子探测器。本发明的质量分析器包括离子阱，该离子阱具有第一电极、与第一电极相邻的第二电极、插入在第一电极和第二电极之间的第三电极、与第一电极和第二电极电连接的第一RF源、以及与第三电极电连接的第二RF源。

本发明还提供了离子阱。本发明的离子阱包括下述离子阱：该离子阱具有第一电极、与第一电极相邻的第二电极、插入在第一电极和第二电极之间的第三电极、与第一电极和第二电极电连接的第一RF源、以及与第三电极电连接的第二RF源。

本发明的方法包括：电离试样；施加来自第一RF源的第一RF场或者来自第二RF源的第二RF场来捕捉离子阱中的离子；施加来自第二RF源的第二RF场来断裂离子阱中的离子；以及施加并扫描来自第一RF源的第一RF场，以将断裂的离子驱出离子阱来探测。

附图说明

下面参考下列附图对本发明进行了详细的描述：

图1示出了质谱分析系统的一般框图。

图2示出了本发明的第一实施方式。

图3示出了本发明的操作的各种模式的轨迹图。

图4示出了MS/MS模式中本发明第二实施方式的立体图。

图5示出了在不同时间被施加到本发明的各种DC电势的轨迹图。

具体实施方式

在详细描述本发明之前，必须注意，在本说明书和所附权利要求中，除非明确指出，否则未加数量限制的名词都包括多个指示物。从而，例如对“电极”的引用包括多于一个的“电极”。对“环状电极”的引用包括多于一个的“环状电极”。在说明和要求本发明中，将根据下面阐明的定义来使用下面的术语。

术语“相邻”意思是接近、邻近或邻接。相邻的某物也可以是与另一个组件接触，围绕另一个组件，被从其他组件隔开，或者包含其他组件的一部分。例如，与环状电极相邻的电极可以是与该环状电极邻近地被隔开、可以接触该环状电极、可以围绕该环状电极或者被该环状电极围绕、可以包含该环状电极或者被该环状电极包含、可以与该环状电极邻接或者可以接近该环状电极。

术语“2维(2-D)离子阱”指这样的陷阱，在该陷阱中，离子被聚焦在沿所限定的线的方向上的二维空间中。例如，一类2-D离子阱是线性陷阱。对该定义应当作广义的解释，以包括本领域中任何其中离子以类似方式被限定在空间中的器件。

术语“3维(3-D)离子阱”指产生3维空间中的捕捉场的离子捕捉器件。换言之，离子被捕捉到空间中的点。对该定义应当作广义的解释，以包括本领域中任何已知或使用过的其中离子可以被捕捉到空间中的点的器件。

术语“电极”指任何电极、电极器件、或者用来创建可以用来收集或者捕捉离子的电场的器件。然而，该术语可以作广义解释，以也包括可以包括电极或环状电极的任何器件或装置。电极也可以包括端帽(endcap)，或者其他已知并被用在2-D和3-D离子阱中的类似类型的器件。

术语“电极组”指两个或多个电极。

术语“探测器”指可以探测离子的任何器件、装置、机器、组件或系统。探测器可以包括或者可以不包括硬件和软件。在质谱仪中，公共探测器包括质量分析器和/或被耦合到质量分析器。

术语“电极”指可以应用到本发明的具体一类电极。

术语“离子源”或者“源”指产生被分析离子的任何源。

术语“段(section)”指可以包括质量分析器的限定部分的一个或多个电极。段一般可以包括两个或多个形成这样结构的电极，该结构可以用来创建电场或磁场，这些电场或磁场可以应用来沿限定的方向操纵或移动离子。

术语“杆”指任何数量的固体结构，这些结构可以是导电的，并且可以用来创建操纵离子的电场或磁场。

下面参考附图描述本发明。这些附图不是按比例的，具体地说，为了清楚地呈现，可能放大了某些大小。

图1示出了质谱仪系统的一般框图。该框图不是按比例的，并且以一般的格式画出，这是因为本发明可以用于各种不同类型的质谱分析系统。本发明的质谱分析系统1包括离子源3、质量分析器5和探测器7。

离子源3可以置于许多位置或地点。另外，各种离子源可以用于本发明。例如，电喷雾电离(EI)、化学电离(CI)、大气压光电离(APPI)、大气压化学电离(APCI)、基质辅助激光解吸附电离(MALDI)、大气压基质辅助激光解吸附电离(AP-MALDI)等，或者可以用于本分明的本领域公知的其他离子源。具体地说，可以产生离子的任何源可以被应用到本发明。这些源可以是本领域已知的，或者可以被开发出来。

质量分析器5可以包括任何数目的用于捕捉离子的本领域已知的器件。例如，质量分析器可以包括离子阱，2-D或3-D离子阱、MS/MS模式的离子阱或者类似器件、或者这些能够捕捉离子的器件的组合。

探测器7一般置于离子源3和质量分析器5的下游。探测器可以包括任何数目本领域已知的探测器。例如，探测器7可以包括能够产生输出信号的任何器件，其中输出信号指示被研究的分析物。探测器可以包括但不限于产生被放大或者诱使由运动电荷所产生的电流的二次电子(secondaryelectron)的器件。这些类型探测器中的某些包括电子倍增器和荧光计数器。

图2示出了本发明的第一实施方式。该图不是按比例的，而仅仅是为了说明和解释目的。本发明的质量分析器5可以包括离子阱。本发明的离子阱包括第一电极9、第二电极10和第三电极4。第一电极9与第二电极10相邻。第一电极9和第二电极10可以包括多个电极、标准电极和/或这些设计的组合。第三电极4可以是环形的，被插入在第一电极9和第二电极10之间并与它们隔开。第一电极9和第二电极10可以包括任何数目的形状和大小。它们也可以包括任何数目的用于创建电场的本领域已知的金属材料和非金属材料。电极9和10能够创建用于捕捉离子阱的离子腔12内的离子的电场或磁场是重要的。

第三电极4与第一RF电压源14电连接。第一电极9和第二电极10与第二RF电压源16电连接。可选的辅助波形发生器13也可以与电极9和10以及第二RF电压源16电连接。另外，诸如氦或者类似气体之类的碰撞气体可以注入到离子阱腔12中。各种本领域已知的碰撞气体或气体混和物可以应用到本发明。另外，各种辅助波形发生器也可以应用到本发明。

值得注意的是，图2不是本发明的电示意图，而是示出了适于本发明的不同场和波形的混和应用。应当注意，第三电极4与第一RF电压源14电连接，而第一电极9和第二电极10与第二RF电压源16电连接。这允许创建可以用于操纵和捕捉离子的第二场。在某些实施方式中，该场可以是四极场。然而，本发明并不只限于这种实施方式。其他场和设计也可以应用到本发明。另外，第二RF电压源16的频率可以比第一RF电压源14的高。离子阱内的第二场由第二RF电压源16产生，而在扫描阶段期间，第一场由第一RF电压源14产生。仅仅在断裂期间的开始和结束时的非常短的时间中(例如，1ms)，这两个场可以共存，以将捕捉到的离子从一个捕捉场环境传送到另一个。本发明通过在离子阱内提供分离的捕捉场，以稳定低于原始断裂截止的离子的轨迹，从而解决了断裂截止问题。第二场具有针对该断裂优化了的频率和电压，而主RF场具有更适于宽质量范围捕捉和扫描的频率。两个捕捉场仅仅可以在非常短的时间中共存，以将离子从一个场传送到不同的捕捉场。这给本发明的离子阱提供了灵活性，使其能够处理在较大断裂截止范围中的各种类型的化学分子。应当注意，本发明的每个RF场可以由分离的RF发生器驱动。其他捕捉场和RF发生器也可以应用到本发明。本发明提供了一种方法，来极大地减少观察到的离子阱操作的断裂(基于主要的主RF值)截止，所以断裂信息可以用来更完整地对生物化学试样和其他类型的衍生物进行排序。

在四极的情形中，可以将针对每个捕捉场的断裂截止的方程写为：

m_{0} = \frac{2 e V_{o}}{q_{o} z_{o}^{2} v_{o}^{2}}

m_{a} = \frac{2 e V_{a}}{q_{a} z_{o}^{2} v_{a}^{2}}

其中，v_o和Vo为主四极场的频率和幅度；v_a和V_a为额外的第二四极场的频率和幅度。这些场中的伪势阱的方程由下述公式给出：

D_{o} = \frac{e V_{o}^{2}}{4 m z_{o}^{2} v_{o}^{2}}

D_{a} = \frac{e V_{a}^{2}}{4 m z_{o}^{2} v_{a}^{2}}

假定由第二场限定的断裂伪势阱深度D_a与原始的主场内的伪势阱深度D_o相同，以在母体离子(precursor ion)的断裂期间提供相同的捕捉电平，即，D_o＝D_a。在这种情形中，第二四极场的幅度和频率应当与主场的幅度和频率成正比地增加。在上面的方程中，将q参数的上稳定值替换为q_o＝0.98、q_a＝0.98；并且假定V_a＞V_o，则可以确定m_a＜m_o，即，额外的四极场的断裂截止与第二场的频率成反比，并且小于原始断裂截止。例如，如果V_a＝3V_o，则估计出的断裂截止为M_n＝M_o/3，其比原始断裂截止小3倍。本发明和技术已应用到了多种离子阱。图2示出了本发明的离子阱的基本思想。也可以有更复杂的系列、组合或者应用。例如，也可以应用各种MS/MS、离子阱组合、2D和3D离子阱。下面提供对这些器件的更广泛的描述。

现在参考图4，针对3D离子阱描述的相同原理适于2D离子阱。然而，在2D离子阱的情形中，更加便于将具有不同频率的场物理分离并在这些场区域之间传送离子，而不是和在上述3D离子阱的情形中一样将这些场在开和关之间切换。在一种实施方式中，2D离子阱可以由六个分离段41、42、43、44、45、46组装而成，其中每个段都包括一组电极。段45提供第一组捕捉电极，并且段42属于第二组捕捉电极。根据本发明，这两组电极被连接到两个不同的RF发生器，这两个不同的RF发生器创建两个具有基本不同的振荡频率的捕捉场。因此，段42和45分别与第一RF电压源47和第二RF电压源48电连接。第一RF电压源47和第二RF电压源48提供具有基本不同的频率的RF电压。段41、43、44和46可以用作防护段(guard section)，并且可以电容耦合或者连接到RF电压源47和48，以分别在段42和45内提供基本统一的场。

应当注意，段46和41可以包括端帽形式的电极。理论上说，在这种布置中，段42、43、44、45应当为一个或多个环状电极的形式。然而，在本实施方式中，可以应用两个不同的捕捉场RF发生器。例如，段41、42和43将连接到第一RF发生器47，而段44、45、46将连接到第二RF发生器48。在本发明工作期间，在断裂和扫描/捕捉操作期间，离子将被不同的场捕捉到。也可以认识到，在许多情形中，捕捉场应当是四极2D或3D几何形状。然而，这并不是本发明必需的，其他设计也可以。

这样，可以在离子阱中操纵离子来如稍后所述那样存储断裂并在段42和45之间扫描。例如，使用各个段41、42、43、44、45和46上的各种DC电压，从而可以将离子从一个段传送到另一个段。在图5中，与DC电势沿2D离子阱的中心轴50的曲线一起示出了实现这种离子转变的适当的电压。子图51示出了DC电势沿2D离子阱的中心轴50的分布，这对应于所有离子都在段45内被传送并被捕获的情形。

子图53示出了在将离子从段45传送回段42时DC电势沿2D离子阱的中心轴50的分布，这对应于新的最小电势。根据本发明，离子首先被引入并积聚在段42内。RF发生器47在段42内提供捕捉场。在最初的积聚步骤之后，通过利用辅助RF发生器47a施加选择波形，从而根据感兴趣的离子的质荷比将它们隔离。然后，离子被传送到段45内的由第二RF电压源48提供的较高频率场的区域。然后，可以利用辅助第一RF电压源48a施加共振断裂波形。此后，断裂的和剩余的母体离子可以被传送回段42，并且通过杆49内的缝隙49a被扫描出去。例如，这是通过质量不稳定扫描技术实现的。这种技术在本领域中是已知的。可以认识到，离子也可以在段45中被积聚、隔离、然后被断裂，并且然后被传送到扫描段42以进行探测。或者，也可以将离子沿轴向脉动到不同的串接质量分析器中，例如，飞行时间质量分析器。

取决于具体要求的任务，可以对该方法作出其他修改。例如，段45的多个杆中的一个也可以具有开口，用作离子出口。这可以类似于如段42中所示的杆49来构造。在这种情形中，取决于所分析的离子的质荷比和段42和45内的捕捉场的频率，可以在段42或45中执行离子探测、隔离和断裂。另外，段45可以具有扭曲的几何形状或设计(不同于纯四极设计)。例如，可以使用各种杆段或设计来创建八极场，以在降低离子损耗的情况下增加离子断裂效率。由于这种断裂和探测一般要求不同的场区域，所以可以专门针对离子断裂来对断裂捕捉场内的八极场组件的数量进行优化。

另外，也可以使用额外的段，用于设计不同的RF捕捉场。也应当认识到，也可以使用少于六个的段。例如，用于2D离子阱的双捕捉场。然而，采用这种类型的设计可能影响场的同质性。捕捉场的频率也可以被设计为同步或者是多重格式。本发明不仅提供对断裂限制的改进，而且增加断裂能级。较高的断裂能量提供分析物的额外结构信息，并且也增加可以被分析的分析物的范围。例如，这也带来了使先前不能被断裂的更稳定的离子断裂的可能性。

已经描述了本发明的装置，现在描述操作方法。图3示出了本发明一种实施方式的操作时序图。根据该图，在电离时间间隔31中，离子被创建并被注入到3-D离子阱中，同时第一RF电压源14产生RF场，并将其维持在捕捉电平32。第二RF电压源16可以被断开，如图3中零轨迹电平33所示(参见图)。在隔离时间段34期间的最初离子积聚之后，离子可以被隔离，以只将感兴趣的具有特定m/z比值的离子捕捉在离子阱内。这可以通过许多本领域中已知的技术来实现。在时间间隔34期间，第二RF电压源16可以被断开。这在图3中由零轨迹电平35示出。然后，第二RF电压源16可以用来生成如标号36所示的隔离波形。由RF电压源14产生的第一场的幅度V_o可以改变，以实现如标号32a所示的隔离。在下一时间间隔37期间，执行母体离子的断裂。根据本发明，现在第二RF电压源16被接通，所以幅度V_a跳变到最初断裂电平38。优选在第一和第二RF场之间有短时间重叠的情况下(在图3中未示出重叠)，主RF场被切断。在该断裂间隔期间第一RF电压源的接近零的电压由标号32b指示。大约在同时，第二RF电压源16被激活，以生成如标号36a所示的断裂共振波形。在断裂过程期间，可以稍稍调整由第二RF电压源产生的电压的电平，以确保母体离子的一致和可再现断裂。这种慢变在图3中由看起来象穹顶的轨迹38a示出。

在另一种实施方式中，第二RF电压源16可以维持基本稳定在电平38处的场(在图3中未示出)。第二RF电压源16的场的频率相对于由第一RF电压源14产生的场的频率较高，因此，如上所述，断裂截止较低。在断裂期的结束处38b，第一RF电压源被恢复到比该断裂截止(m_a)的对应值稍低的值。此后，第二RF场很快(大约1ms后)被断开，如38c所示，并且在时间间隔39期间，断裂的离子被扫描出去并被探测。例如，可以采用质量不稳定性技术实现扫描，其中第一RF电压源14的场如轨迹32c所示倾斜上升，而第二RF电压源16产生具有正弦波函数36b的场，其相继使断裂的离子离开离子阱而注入到探测器5(图中未示出)。在扫描期间，第二RF电压源16再次被断开，如图3的零轨迹38d所示。

应当理解，尽管已结合其具体实施方式描述了本发明，但是前述描述以及随后的示例是要说明而不是要限制本发明的范围。本发明所属技术领域中的技术人员将清楚在本发明的范围内的其他方面、优点和修改。

在这里所提到的之前和之后的所有专利、专利申请和公开都整体结合于此作为参考。

Claims

1.一种质谱分析系统，包括：

(a)用于产生离子的电离源；

(b)在所述电离源下游的质量分析器，用于隔离、断裂和扫描由所述电离源产生的离子，所述质量分析器包括离子阱，该离子阱具有第一电极、与所述第一电极相邻的第二电极、插入在所述第一电极和所述第二电极之间的第三电极、电连接到所述第一电极和所述第二电极的第一RF源、以及电连接到所述第三电极的第二RF源；和

(c)在所述质量分析器下游的探测器，用于探测来自所述质量分析器的离子。

2.如权利要求1所述的质谱分析系统，包括2维质量分析器。

3.如权利要求1所述的质谱分析系统，包括3维质量分析器。

4.如权利要求1所述的质谱分析系统，还包括辅助波形发生器。

5.如权利要求4所述的质谱分析系统，其中，所述辅助波形发生器与所述第二RF电压源电连接。

6.如权利要求5所述的质谱分析系统，其中，所述辅助波形发生器与所述第一电极和所述第二电极电连接。

7.如权利要求1所述的质谱分析系统，其中，所述第三电极包括环。

8.如权利要求1所述的质谱分析系统，还包括段。

9.如权利要求8所述的质谱分析系统，其中，所述模块化段包括至少一个杆。

10.一种用于质谱分析系统的质量分析器，包括离子阱，该离子阱具有第一电极、与所述第一电极相邻的第二电极、插入在所述第一电极和所述第二电极之间的第三电极、电连接到所述第一电极和所述第二电极的第一RF源、以及电连接到所述电极的第二RF源，用于提供离子隔离、扫描和断裂。

11.如权利要求10所述的质量分析器，包括2维质量分析器。

12.如权利要求10所述的质量分析器，包括3维质量分析器。

13.如权利要求10所述的质量分析器，还包括辅助波形发生器。

14.如权利要求13所述的质量分析器，其中，所述辅助波形发生器与所述第二RF电压源电连接。

15.如权利要求14所述的质量分析器，其中，所述辅助波形发生器与所述第一电极和所述第二电极电连接。

16.如权利要求10所述的质量分析器，其中，所述第三电极包括环。

17.如权利要求10所述的质量分析器，还包括段。

18.如权利要求17所述的质量分析器，其中，所述段包括至少一个杆。

19.一种在质谱分析系统中捕获、断裂和扫描离子的方法，包括：

(a)电离试样；

(b)施加来自第一RF电压源的第一RF场，以在质量分析器中捕捉离子；

(c)施加来自第二RF电压源的第二RF场，以在所述质量分析器中断裂离子；和

(d)扫描所述断裂的离子。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述质量分析器包括离子阱。

21.如权利要求19所述的方法，其中，所述试样电离步骤是使用从下述组中选择出的离子源实现的，所述组包括：离子阱、大气压光电离源、电喷雾电离源、大气压化学电离源、多模式源和化学电离源。

22.如权利要求19所述的方法，还包括探测所述离子。