专利名称：串联离子阱飞行时间质谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及离子阱和飞行时间质谱仪，更具体地，涉及一种将离子从阱射入飞行时间质谱仪的方法。
背景技术：
飞行时间(TOF)质谱仪按照从离子源到检测器的飞行时间的差异，来区分不同质荷比的离子。因此，TOF方法本质上需要从中可以以脉冲输出具有相同初始位置和能量的离子这样的离子源。实际上，由于离子源内离子固有的热能量分布和位置分布，这是不可能的。现代ToF质谱仪使用从脉冲源(pulsar)区域脉冲输出的高电压来加速离子。在发射之前，离子云占据相当大的体积，并且具有相当大的能量分布。在射出脉冲源之后，部分地由于初始位置差异，以及部分地由于初始速度分布，相同质荷比的不同离子具有不同的能量。这两个因素在离子到达检测器的时间中引入分布，从而限制了ToF质量测量的分辨率。由位置分布引入的离子的能量分布可以由能量会聚设备(例如反射器，reflectron)来校正。由速度分布导致的能量分布不能够由静电场的任何组合来校正，并且作为限制ToF质量分辨率的主要因素。例如，假设两个相同质荷比(m/z)的离子位于离子阱的相同点处，但是具有不同速度。两个离子具有相同的绝对速度V，但是第一离子的速度朝向ToF，而第二离子具有相反方向的速度。当施加引出场时，两个离子具有相同的加速度a＝E/(m/z)，其中，E是引出电场的强度。在第一离子向ToF运动时，第二离子沿相反方向运动，直到它的速度变为零，然后反向。在时间δt＝2V/a之后，第二离子到达原始位置，具有与第一离子在发射开始时相同的速度。此时，不能够将第二离子与第一离子区分。从发射开始到第二离子反向所经过的时间δt被称为“转向时间”。第一离子在时间δt之前就启动了，并且到达检测器更早些。ToF中的质量测量主要是基于离子到达检测器的时间的测量，因此相同m/z的两个离子在时间差δt内到达检测器，并且这不能够通过任何静电场配置来校正。在实际设备中，离子总是具有热速度分布δV，并且由于热分布而导致的转向时间δt使ToF谱的分辨率限制在理论值R＝Ttof/2δt，其中，Ttof是总飞行时间。在300K处每个自由度的热能量分布等于0.013eV。例如，对于质量为1000Da的单电荷离子，相应的速度分布等于100m/s。当在10mm距离上施加10kV加速电压时，总转向时间等于δt＝1.1ns。假设总飞行轨道是4m，飞行时间等于91μs。因此，在这种情况下，由于转向时间而引起的理论分辨率极限是41.000。
在质谱仪的技术中已知，离子阱可以给ToF质谱仪提供改进的离子源[1]。通过离子与轻缓冲气体的动量消耗(dissipate)碰撞，离子云可以聚集在阱的中心附近，达到小于1mm的大小。认为在这种云中离子的动力学分布接近热分布。离子捕获的现代方法是基于向离子阱的一个或多个电极所施加的谐波周期电压(捕获RF)。这种RF的电压电源包含高Q谐振器，高Q谐振器在离子捕获周期期间保持RF场的所有能量。通常内部大小10mm的离子阱设备为了离子捕获可能需要高至10kVo-p的电压。为了优化发射条件，在将离子射入TOF时应该切断RF电压[2]。实际上，由于RF谐振器中存在巨大的能量，这是非常难的。应该在RF切断之后几μs内施加引出脉冲，否则离子将消失在电极上。因此在施加引出脉冲时在捕获体积内仍然存在残留“减幅振荡(ringing)”RF。这种减幅振荡由于在发射期间引入了难以预测的加速场，降低了TOF质谱的精确度和分辨率。假设残留RF减幅振荡仅仅只是原始电压的0.1％，振荡电压的幅度是几伏特。由该电压差引入的离子的能量分布在几电子伏特的量级上，比在300K处离子的热能量分布大两个量级。本发明的目的是通过消除在离子从离子阱射出期间由残留RF引入的离子能量分布，在分辨率和质量精确度方面改进TOF质量分析的性能。
现有技术已经在大量专利中讨论了使用离子阱作为TOF的离子源。在美国专利5,569,917[3]中公开了一种3D离子阱，对离子进行发射和后加速使之进入TOF飞行轨道。在该专利中描述的方法使用相对较低的引出电压(小于500V)，因此不能够有效地消除转向时间。Kawato在美国专利6,380,666[4]中公开了从3D离子阱进行引出的改进方法。该方法使用高电压脉冲(5kV和更高)以及引出电极上的电压的特殊组合来进行引出，来实现几乎平行的离子束。这两个专利都提到在发射过程期间RF不存在，但是没有教导实际中这怎样可以实现。在EP 1 302 973 A2[5]中描述了离子从阱射入脉冲源并且正交(相对于引出飞行轨道)后加速进入TOF。在这种情况下，沿离子引出方向的转向时间不会影响TOF分辨率。可以使用相对较低的电压来引出离子，而在离子到达脉冲源之后施加HV脉冲。应该优化这种发射方法，以便给出沿正交方向的最小速度，因为该速度决定了离开脉冲源的正交加速的转向时间。在引用的专利申请[5]的方法中未使用这种优化。显而易见的是，如果在发射过程期间阱内的正弦RF仍然运转，这种优化几乎是不可能的。
近几年来，开始致力于增加可以存储在阱内并且用于质量分析的离子的数量。已知典型的3D阱可以保持多达107个离子，但是只有3D阱内基本电荷的总量小于几千，才可以使用辅助AC信号对离子进行高分辨率操作。考虑典型的100ms的阱内离子操作时间，具有每秒10,000个电荷的总吞吐量或0.0016pA的分析电流。这种吞吐量对于多数应用是不可接受的，因为现代离子源可以提供几nA的总离子电流。对于线性离子阱(LIT)，空间电荷的影响非常小。LIT的电极结构是基于四极结构，其中四个平行电极沿着相同轴延伸。在这种离子阱中，离子由周期高频率(典型的是0.5-3MHz)电场限定在径向上。由施加到LIT的入口电极和出口电极的DC电压限制离子沿轴的运动。在平衡条件下，在这种阱内的离子易于沿z轴以烟状(cigar-like)云的形式聚集。假设云的径向大小与3D阱中相同(典型地是0.2-1.0mm)，并且云的长度是10mm，则离子的总量至少是空间电荷变明显之前的10倍[6]。
在大量专利中讨论了结合TOF使用线性离子阱的问题。D.Douglas在WO 99/30350[7]中描述了一种串联LIT-TOF仪器，其中在LIT中操作离子，然后沿阱的轴释放离子。脉冲源与离子阱共轴，并且离子在到达脉冲源时被脉冲输入到TOF。TOF轴与LIT轴正交，并且为了实现高分辨率，应该使沿正交方向(关于LIT轴)的离子的速度分布最小化。这可以通过使用较小的膜片(disphragm)对来自LIT的离子束进行准直来实现。总而言之，该方法受离子的质量区别的影响。同时，当施加引出脉冲时，脉冲输出区域仅包含特定质量范围的离子，即已经到达且尚未消失的离子。一次仅可以将质量范围的有限部分引出到TOF。通过获得多个子范围的质谱，可以分析较宽质量范围的离子。每个子范围的分析需要利用离子重新填充离子阱并且重复所有操作。结果，这种仪器具有较低的吞吐量。
J.Franzen在美国5,763,878[8]中描述了一种使来自线性阱的离子直接射入ToF的离子轨道的方法。根据该方法，离子从离子源进入LIT，通过与缓冲气体的碰撞冷却下来，并且沿阱的轴聚集。LIT的电源电压能够提供至少两个电压配置，一个用于离子捕获，另一个用于引出。当施加引出电压时，沿与阱的轴正交的方向脉冲输出离子。它们在杆(rod)之间穿过，并且出现在ToF的飞行轨道上。该方法提出在引出时完全切断RF并且由阱的电极上的DC电压的特定组合代替。该专利并没有教导怎样切断RF场，但是提到该问题是困难的实际问题。也没有描述电极上的最佳电压配置和引出的时序。
近来，提出了一种具有所谓“数字驱动”的3D离子阱[9]。在该设备中，环形电极的电压每个周期从正离散DC电平切换到负离散DC电平。计算机以高精确度控制切换时间，并且能够产生任意给定的切换序列。已经发现，通过周期性地仅在两个离散DC电平(正和负)之间切换，其中每个电平具有相等时间，可以在这种阱内捕获较宽质量范围的离子。这种波形被称为具有50％占空比的方波。使用这种捕获方法[10]可以进行所有传统模式的离子阱操作。迄今为止尚未描述数字离子阱与TOF分析的组合方法以及这种串联的益处。
发明内容
根据本发明，提供一种串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，所述离子阱具有与所述飞行时间质谱仪的飞行轨道正交的直线中心轴，并且包括一组电极，至少一个所述电极具有用于向所述飞行时间质谱仪发射离子的开口；一组DC电压电源以及一定数目的快速电子开关，所述DC电源用于提供离散DC电平，所述快速电子开关能够使所述DC电源与所述离子阱的至少两个所述电极连接和断开；中性气体，填充所述离子阱的体积，以便减少被捕获离子的动能使之平衡；数字控制器，提供用于离子捕获、操作离子和冷却的切换过程，并且包括从所述离子阱向所述飞行时间质谱仪发射所有离子的一个状态。
根据本发明，还提供一种从线性离子阱引出离子的方法，所述离子阱由一组数字开关驱动，所述方法包括以下步骤通过在所述离子阱的电极上在一组捕获状态之间切换，在所述离子阱中捕获所述离子；通过与缓冲气体碰撞来使所述捕获的离子冷却以平衡；以及在预先选定的时间从预先选定的捕获状态切换到最终的发射状态。
本发明实现了数字离子阱与TOF的组合，提供了具有改进性能的串联质谱仪。可以通过优化离子射入TOF的条件来提高例如分辨率和质量精确度的TOF质量分析的品质，而这仅在发射过程期间场是恒定的时才是可能的。为了实现这种条件，发明人建议使用具有数字驱动的离子阱，使得在施加引出脉冲时，阱内的电压以高精确度保持恒定。因此，可以优化引出电压和切换时间，使得离子云离开离子阱，具有优化相位空间分布，用于进一步处理。进一步处理可以包括使用TOF的质量分析或者TOF质谱仪的后加速阶段，或者可以是需要离子脉冲的任意其它离子光学设备。在任何情况下，可以针对每个特定目的来优化离子位置和速度的分布。在离子射出阱之后，捕获波形返回到原始状态，以允许下一个周期的离子引入、操作和质量分析。
在优选实施例中，本发明包括离子源，具有包括存储和脉冲输出离子引导的传输离子光学设备；线性离子阱，填充了m托量级或更高压力的中性气体；以及飞行时间分析仪。离子阱由与所有四个主电极相连的数字开关驱动，以便提供包括至少2个离散DC电平的周期性捕获电势。具有相等正和负DC电平的方波优选地作为最简单的捕获波形，以可以捕获较宽质量范围的离子。来自离子源的离子被发射到线性离子阱中，并且从阱的中心轴附近的低场区域注入捕获体积。在阱中按照希望的方式来操作离子。这些操作可以包括多个阶段，包括冷却、通过去除具有其它质荷比的所有离子分离选定离子种类以及通过使用现有技术中的任意公知方法来解离离子，例如碰撞诱导解离(CID)、表面诱导解离(SID)、电子辅助解离、光子诱导解离等。最终，剩下的离子通过与轻缓冲气体的碰撞冷却下来，并且以烟状云的形式聚集在阱的中心轴附近。在适当的时候，捕获方波的周期变为更长的值，并且在此之后立即施加引出脉冲。线性离子阱的至少一个电极具有开口，离子通过该开口射出阱。数字信号发生器(DSG)可以在应用周期改变(切换状态)之前控制阱电极上的实际电压状态。调节切换状态，即最后状态的开始和引出脉冲的开始之间的持续时间(发射之前的最后状态的持续时间)，以便产生离子的最佳分布，以用于在TOF质量分析仪中进一步处理。在优选实施例中，TOF具有与线性离子阱的轴正交的飞行轨道，并且具有离子镜(反射器)。
在第一优选实施例中，离子从阱射入脉冲源，脉冲源与离子阱的轴平行，并且与TOF轴正交。当离子到达脉冲源时，向脉冲源的电极施加高电压脉冲，以便使离子加速进入TOF的离子轨道。脉冲源中的加速电压尽可能地高，以便减少离子的转向时间。在TOF中由离子镜使离子反向，并且会聚到检测器，使得相同质荷比的离子的到达时间尽可能地彼此接近。可以将较宽的多通道板用作检测器。离子到达检测器则在电路中产生电脉冲，由记录系统寄存这些脉冲。具有高采样速率(1G样本/s或更高)以及高动态范围(12比特或更高)的数字转换器是优选的。
在另一个优选实施例中，离子从阱射出，直接进入TOF的飞行轨道，所述飞行轨道相对于离子阱轴正交，并且几乎与离子的发射飞行轨道共轴。可以在发射离子的飞行轨道和TOF飞行轨道之间引入较小角度，以便使离子偏转进入检测器。TOF和检测器系统的操作与前一种情况的相同。离子阱的电源与前一种情况的不同之处在于在引出离子时施加的电压。在这种情况下，离子直接射入飞行轨道，并且引出电压应该尽可能地高。引出电极的电源允许至少3个DC电平用于离子捕获的正和负电压以及用于引出的高电压。需要附加的开关，用于保护相对低压的捕获电路免受高引出电压的影响。
在另一个优选实施例中，通过在正和负DC电平之间切换，仅驱动线性离子阱的一组杆(rod)(Y电极)，来实现离子的捕获。用于引出的高电压开关与另一对杆(X电极)相连，这一对杆中至少一个具有用于向TOF发射离子的开口。这种电源被称为“双极”数字捕获波形。这种配置的优势是可以使高电压和捕获电源电压彼此分离，这简化了电子装置，并且减少了仪器的整体成本。作为这种分离的结果，在发射期间不切断Y电极上的数字驱动波形。仅仅使切换周期变得更长，以在高电压脉冲的辅助下使所有离子从阱中发射。
通过下面的描述，结合附图，可以更好地理解本发明的上述和其它优点，图中图1是优选实施例的IT-TOF串联仪器的方框图。
图2是基于3D离子阱的、具有传统RF并且直接射入TOF的离子轨道的现有技术的IT-TOF串联。
图3是四极线性离子阱电极几何布置和使用传统RF电源用于离子捕获的电源电压。图3A是电极布置的3D视图。图3B是在入口和出口上具有遏制膜片的LIT的X-Z面的横截面图。图3C是包括3个四极分段的分段LIT的X-Z面的横截面图。图3D是具有双曲线电极和发射开口以及沿径向方向的用于离子捕获的传统RF电源的LIT的X-Y面的横截面。
图4是以向TOF的脉冲源进行发射的线性离子阱为基础的、第一优选实施例的IT-TOF串联的横截面图。
图5是以直接向TOF的飞行轨道进行发射的线性离子阱为基础的、第二优选实施例的IT-TOF串联的横截面图。
图6是切换到更长的周期之前和之后的数字驱动的时域。
图7是具有数字驱动的线性离子阱的电极上用于捕获和引出的电压的表。
图8是在具有方波数字驱动的线性离子阱中在平衡条件下的离子云的动能的相位依赖性。图8A是Y电极上的电压波形。图8B是Y方向的动能的汇集平均值。图8C是X方向的动能的汇集平均值。
图9是在方波数字驱动的相位0.25处(Y电极上的正电压的中间)Y方向的离子的相位空间分布。
图10是正电荷离子射入脉冲源之前和期间的离子阱的电极上的电压波形。图10A是阱的Y电极上的电压。图10B是左X电极上的电压。图10C是右X电极上的电压(具有发射开口的电极)。
图11是用于引出的电源电压和在引出期间在不同时间处的600Da离子的位置。
图12是在到达TOF时脉冲源区域时(在开始引出之后10μs)离子300Da、600Da和1200Da的位置的分布。
图13是在到达脉冲源区域时(在开始引出之后10μs)沿Y方向的离子的相位空间分布。
图14是在方波数字驱动的相位0.75处(在Y电极上的负脉冲的中间)X方向的离子的相位空间分布。
图15是单电荷600Da离子射入TOF质谱仪的离子轨道的仿真结果。示出了包括1000个离子的离子云在开始发射之后不同时间处的位置。
图16是在X相位空间在第一级焦点中的600Da离子的相位空间分布。
图17是在发射开始之后750ns处不同质量的离子(单电荷)的位置。
图18是仅在Y电极上具有数字捕获电压并且在X电极上施加引出脉冲的四极线性离子阱。
具体实施例方式
参考图1，图1是包括离子源(用于将离子发射到离子阱和飞行时间质谱仪的装置)的串联IT-TOF质谱仪的方框图。离子源位于离子阱外部。可以利用现有技术中任意公知的方法在离子源中产生离子。具体地，电喷雾离子源和MALDI最常用于使生物种类的分子电离。离子源可以工作在高压下，并且在RF离子引导的辅助下，离子从离子源聚集，并且通过差动泵的区域，进入离子阱。在阱内部操作离子，并且为使用TOF的质量分析做好准备。
可以以3D阱为基础来构建IT-TOF串联。图2中示出了其中离子从阱直接射入TOF飞行轨道的这种仪器的配置。然而，这种配置具有较低的引入效率质量区分度和较低的3D阱电荷容量。优选实施例是基于使用线性离子阱(LIT)的。图3A示出了四极LIT的电极几何布置。由与阱的中心轴(z轴)平行延伸的4个主要捕获电极构成这种离子阱。电极优选地具有与2D四极场的等电位面形状(图3D)相对应的双曲线横截面。所有4个电极都关于彼此对称，并且位于与z轴相同距离处。这种电极配置能够创建最接近四极场的电场。可以修改电极的形状和位置，以便针对一些应用来创建四极场的失真，并且本发明的范围包括这些修改。如果将周期捕获电势施加到电极上，则在这种电极布置中可以捕获特定质量范围的离子。同时，离子可以沿轴离开捕获体积。为了避免发生离子离开，LIT具有额外的电极，用于在阱的入口和出口处创建势垒。在最简单的情况下，在离子阱的入口和出口处的膜片电极可以创建DC势垒，以避免离子沿z轴离开阱(图3B)。可选地，可以使用具有依次共轴排列的3个四极分段的分段结构来设计线性离子阱(图3C)。在这种情况下，由入口和出口部分(相对于中间部分)上的DC电压偏移来创建势垒。在以上两种情况下，离子云被限定在四极的中间部分，并且对于进一步的讨论，沿z轴的离子运动是不相关的。
参考图4，图4是其中离子从阱射入脉冲源体积的LIT-TOF的横截面视图，其中离子从脉冲源体积加速进入TOF飞行轨道。由具有双曲线横截面的4个延伸的电极401、403(X电极)以及402、404(Y电极)创建离子阱。一个电极401具有用于将离子射入脉冲源区域的开口。脉冲源由平板405和半透明平面栅格(mesh)406创建。高电压开关407和408与这些电极相连，并且能够在适当时候产生快速上升的电压脉冲。由一组电子开关409在数字信号发生器(DSG)的控制之下操作离子阱。这些开关能够在10-50ns内使一组DC电源+V、-V、V1、V2与离子阱的电极连接或断开。数字信号发生器能够根据需要计算实际使用和任意的切换序列。该仪器如下操作。在离子源中形成离子，并且沿z轴将其注入离子阱，到阱中心附近。通过根据如下方式从阱电极周期性断开和连接+V和-V电源电压使离子捕获在阱中在任意给定时间，阱的Y电极具有相同的极性，并且X电极也具有相同的极性，但是X电极具有与Y电极相反的符号。正电压和负电压的持续时间相等。通过与缓冲气体的碰撞使离子冷却下来，到阱的中心。在适当时间，使+V和-V电源都与X电极断开。同时电源V1和V2相应地与电极401和403相连。这些电源电压与电极相连，直到感兴趣的所有离子将沿X方向向脉冲源离开离子阱才断开，对于优选地是正的+V电源电压(对于正电荷离子)的Y电极的电源电压也是如此。由DSG控制X电极上的电压切换的时间，并且可以调节该时间，以便实现最佳性能。脉冲源的电极与略小于施加引出电压时的阱中心电压的同一个电压V4相连，使得在到达脉冲源时离子继续沿X轴漂移并且沿Y方向扩展。高电源电压V5和V6在适当时候同时与脉冲源的电极相连，并且离子加速进入TOF的飞行轨道。在离子镜(反射器)中，离子返回并且以如下方式会聚在检测器平面上相同质荷比的离子的到达时间尽可能地接近。快速数字转换器被用于记录来自检测器的信号，从而产生质谱。
图5示出了其中离子从阱直接射入TOF飞行轨道的LIT-TOF串联的第二优选实施例的横截面图。该配置不具有脉冲源，并因此需要高电源电压V1和V2与阱电极相连，用于发射离子。电子设备包括额外开关，以保护捕获电路不受高电压的影响。该仪器与前一情况类似地进行操作，但是具有以下修改。在离子云的足够冷却之后，X电极上的引出电源电压与+V和-V电源断开，而与高电源电压V1和V2相连。Y电极上的电源电压在引出之前优选地为负(对于正电荷离子)。在引出之前，正电源电压+V与Y电极相连，并且保持连接的时间足以使离子离开阱。由DSG控制并且调节在Y电极上的最后电压切换之后经过的时间和X电极上高电压脉冲的开始，以实现仪器在TOF分辨率、质量精确度或灵敏度方面的最佳性能。
对于优选实施例的进一步讨论，离子阱内离子云的准备是重要的。现代离子阱在高压条件(1-0.1m托)下工作。典型地，使用He缓冲气体，以便给离子提供动量消耗碰撞。这种碰撞有助于在离子引入过程期间去除过量的动能，并且提供使离子云冷却的手段。在一些配置中，使用重气体(Ar、Xe、…)的脉冲引入，以便在离子分裂步骤期间提供更多的能量碰撞。准备步骤可以包括以下多个阶段离子冷却、通过从阱中去除其它质荷比离子选择感兴趣离子、以及选定离子的分裂。可以通过本领域公知的多种方法来实施分离和分裂。对于所有离子云的准备方式，离子阱操作都是非常复杂的。可以多次修改捕获波形(电压和/或频率)，包括慢扫描和向阱电极施加附加的低电压AC信号。最终，在离子阱内使离子冷却下来并且准备好被引出到TOF。
尽管由TOF属性本身确定最终质量分析的分辨率和质量精确度，但是离子从阱射出的过程是其中最重要的因素。本发明的核心是创建离子从阱射出的最佳条件，使得对于任意给定的TOF质谱仪，分辨率可以达到最大的可能值。这通过在发射期间在阱内自始至终创建静电场的条件来实现，可以对离子阱使用“数字驱动”。在专利申请[9]中描述了这种驱动方法，其全部内容一并在此作为参考。与传统的正弦RF电源不同，具有数字驱动的离子阱电极上的电压在离散DC电平之间切换。在最简单的情况下，在每个电平具有相同持续时间的正和负两个电平之间切换电压(具有50％占空比的方波)。可以在数字控制器的辅助之下实现周期的精确控制。使用该方法，可以在任意给定时间将波形的周期切换为更长的周期。图6示出了离子阱的一个电极上的电压的时间依赖性，其中通过每500ns在两个电平+1000V和-1000V之间切换(给出了1μs总周期)来驱动电极。在特定时间处(在图6上是等于10μs的时间处)，方波的周期变为10μs。电极上的电压电平在小于10-50ns内达到恒定值，并且保持又一个5μs。在该时间期间，可以将离子引出到TOF。除了引出脉冲的上升沿之外，离子阱电极上的电压以高精确度保持恒定，可以使上升沿短于10ns。在完全静电场的条件下(“冻结场”)在阱内发生发射过程。这提供了优化发射过程以实现用于进一步处理的最佳条件的手段。在本部分稍后提供两个优选实施例的TOF质谱仪的这种优化。
图7示出了优选实施例的LIT的电极上用于离子捕获和引出的电压的表。在离子捕获模式期间，X电极对上的电压在每个周期从正+V切换到负-V值。电极对Y的电压同时被切换到与X电极相反的符号。在图7中LIT电极上用于离子捕获的电源电压被示为“捕获+”和“捕获-”。通过使用该简单的捕获方法，可以捕获较宽范围的离子。通过使用具有多个DC电平的数字开关来驱动LIT的每个电极和/或通过在每个电极的波形之间引入延迟，可以实现更复杂的捕获波形。本发明的范围包括这种离子捕获方法。在适当时候将引出电压V1和V2施加到X电极(左和右电极上为不同电压)。为了直接射入TOF飞行轨道，这些电压优选地为高(5kV以上)，以便减少转向时间。为了射入脉冲源，这些电压可以与捕获电压具有相同的量级(从200V至2000V)。图7中在发射期间LIT电极上的电源电压被示为“发射”配置。
优选实施例的进一步讨论是基于发射过程的优化的。为此，详细研究离子位置和速度的分布。在充分冷却时间之后，离子沿轴以烟状云的形式聚集在离子阱的中心附近。由于RF捕获的本质特征，离子沿径向的能量分布是相位依赖的。通过使用在温度323K处、在存在He缓冲气体下捕获的大量离子的仿真，来研究该现象。图8示出了由方波在频率1Mz和电压电平+/-1000V下驱动的内切半径ro＝5mm的线性离子阱中质量1000Da的单电荷离子的平均动能的依赖性。为了方便，在图8的上图中示出了一个周期上Y电极上的电压。可见，径向的能量分布是相位依赖的，并且具有两个最小值，分别在电压波形的正和负相位的中间。在323K处热能量分布等于kT/2＝0.0139eV。对于X运动，在相位0.75处(Y电极上的负电压中间)达到此能量分布值，对于Y运动，在相位0.25处(Y电极上的正电压中间)达到此能量分布值。定性地，对于实际的最小和最大能量值稍稍有不同的不同质荷比的离子，平均动能的相位依赖性是普适的。
为了使离子的速度分布最小化，在射入TOF之前，应该在能量分布最小时施加引出脉冲。例如，对于引出到脉冲源的IT-TOF(图4)，最佳相位应该是0.25，因为它给出了沿Y方向(从脉冲源进入TOF的加速方向)的最小分布。在图9中示出了在相位0.75处Y方向的离子云的相位空间分布。可以将其用作离子射入脉冲源的仿真的初始条件。利用如图10所示的离子阱电极上的电压，来仿真发射过程。Y电极的切换周期从1μz改变为10μs。在图10中，发生改变的时间与t＝0相对应。优选地，Y电极上的正电压应该用于发射正电荷离子。X电极上的电压被切换到负DC电平，与在捕获模式中一样。此后一段时间Δt处，负电源与X电极断开，并且不同的电源电压V1和V2分别与左和右X电极相连。在图10中，这些电压等于500V和0V。可以调节持续时间Δt，以便实现最佳性能。对于Y方向(进一步加速进入TOF的方向)的离子的最小速度分布，使Δt等于引出前切换周期的四分之一是有用的。在图10的示例中，该时间等于250ns。使V1和V2与X电极相连的时间也被称为发射开始。
图11示出了第一优选实施例的LIT和脉冲源区域的横截面。示出了从发射开始之后不同时间处质量为600Da的单电荷离子的离子云位置。在发射期间，离子云经历沿Y和X方向的多个压缩和解压缩。当到达脉冲源时(7μs之后)，离子云开始沿两个方向扩展(就像在无场区域中一样)。不同质荷比的离子在不同时间到达脉冲源。这是基于引出到外部脉冲源的方法的常见问题。当施加引出脉冲时，在脉冲源内仅存在有限质量范围的离子。对于当前的几何形状，图12示出了当到达脉冲源时(发射开始之后10μs)质量300Da、600Da和1200Da的单电荷离子的位置。这正是向脉冲源的相对电极施加另一个引出脉冲(高电压)以便使离子加速进入TOF的飞行轨道的时间。图13示出了在10μs处在脉冲源区域内离子的相位空间分布。600Da离子的速度分布小于300m/s。在10kV的加速电压下，估计转向时间为6.2ns。在100μs的典型飞行时间下，这给出了16.000的TOF谱最大分辨率。尽管此处未尝试，通过在阱电极上使用不同引出电压并且在离子阱和脉冲源之间使用传统离子光学设备，可以进一步优化速度分布和TOF分辨率。
对于直接射入TOF飞行轨道(X方向)的配置，施加引出脉冲的时刻应该接近0.75相位，因为它提供了离子沿X方向的最小速度分布。在图14中示出了在相位0.75处(Y电极上的负电压中间)离子在X相位空间中初始位置的相位空间分布。在该具体示例中，引出电压应该从在Y电极上的负脉冲开始之后250ns(四分之一周期)时施加。就在发射之前，将方波的周期从1μs(频率1MHz)切换为10μs(频率100kHz)。使Y电极上的负电压保持又一个5μs，这足以使所有离子射出阱。线性离子阱的每个电极上的实际波形与图10所示的类似，但是具有以下的差异就在发射开始之前，Y电极上的电压为负，X电极上的电压为正，并且引出电压更高。图15示出了在引出开始之后在不同时间处600Da的离子云的位置。在距离阱中心22.85mm处(发射开始之后550ns)，离子云具有第一级焦点。图16示出了第一级焦点中离子位置的分布。第一级焦点中离子云的宽度是60μm，并且平均速度是54km/s。可以将云的该焦点看作TOF质谱仪的虚拟源。在经过焦点之后，离子云开始再次扩展，但是在TOF的离子镜(反射器)中，离子返回并且会聚到检测器。假设构造反射器使得其将离子云会聚到至少不比虚拟源的大小更糟的大小，则具有典型3m飞行轨道的质谱的分辨率等于3m/(2*60μm)＝25.000。这种分辨率被认为对于TOF质量分析足够高。因此，所提出的方法可以实现高分辨率的TOF质谱仪。TOF质谱的质量精确度被认为具有相同的量级，因为不同质荷比的离子在相同的静电“冻结场”条件下发射，并因此除了热能量分布之外，具有基本相等的能量。
值得一提的是，可以通过调节引出电压以及通过在从离子阱到TOF的离子飞行轨道上使用传统的离子光学设备，来进一步优化分辨率。这种方法在现有技术中已知，并且被包含在本发明的范围内。
图18示出了在第三优选实施例中使用的线性离子阱的横截面和使用数字切换方法的电源电压。在这种情况下，通过仅在阱的Y电极上在两个离散DC电平之间切换，来实现离子的捕获。用于引出的高电源电压通过电子开关与阱的X电极相连，电子开关由DSG控制并且仅在发射时相连。在正常的捕获和冷却期间，X电极上的电压恒定(零)。图18示出了用于产生激励波形的附加AC电源。在射入TOF之前准备离子云期间需要该电源以用于离子分离和激活。这种配置的优点在于使捕获开关与高电压开关分离。因此这种配置不需要额外的开关来保护捕获电路免受高电压的影响。这种配置是所提出方法的最简单的实际实现方式。
参考文献[1]L.He，Y.-H.Liu，Y.Zhu & D.M.Lubman，Detection ofOligonucletides by External Injection into Ion Trap Storage/ReflectronTime-of-Flight Device，Rapid Comm.Mass Spectrom.，vol.11，pp.1440-1448(1997). V.M.Doroshenko & R.J.Cotter，A Quadrupole IonTrap/Time-of-flight Mass Spectromer with a Parabolic Reflectron，Journal of Mass Spectrom.，vol.33，pp.305-318(1998). Buttrill S.E.，Morderhai A.V，Apparatus for and method of forming aparallel ion beam，美国专利5,569,917，October 29，1996. Kawato E.，Time-of-flight mass spectrometer，美国专利6,380,666，April 30，2002. A.Okumura et al.，Mass spectrometer and measurement system andmethod for TOF mass spectrometry，欧洲专利申请EP 1 302 973 A2，23.05.2002. Scwartz J.C.et al.，ATwo-Dimensional Quadrupole Ion Trap MassSpectrometer，JASMS，v.13，2002，p.659. Douglas D.，Campbell J，Collings B.，Method of analysing ions inapparatus including a time-of-flight mass spectrometer and a linear iontrap，国际专利申请WO 99/30350，17 June 1999. J.Franzen，Method and device for orthogonal ion injection into atime-of-flight mass spectrometer，美国专利5,763,878，Jun.9，1998. Li Ding和M.Sudakov，国际专利申请WO 03041107. Li Ding，M.Sudakov & S.Kumashiro，A Simulation Study of thedigital ion trap mass spectrometer，Int.Journal of Mass Spectrometry，v.221，pp.117-139，(2002).
权利要求
1.一种串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，所述离子阱具有与所述飞行时间质谱仪的飞行轨道正交的直线中心轴，并且包括一组电极，至少一个所述电极具有用于向所述飞行时间质谱仪发射离子的开口；一组DC电压电源以及一定数目的快速电子开关，所述DC电源用于提供离散DC电平，所述快速电子开关能够使所述DC电源与所述离子阱的至少两个所述电极连接和断开；中性气体，填充所述离子阱的体积，以便减少被捕获离子的动能使之平衡；数字控制器，提供用于离子捕获、操作离子、冷却的切换过程，并且包括从所述离子阱向所述飞行时间质谱仪发射所有离子的一个状态。
2.根据权利要求1所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述电极组包括彼此对称布置的、并且相对于离子阱轴平行布置的4个延伸电极。
3.根据权利要求2所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，具有用于发射离子的开口的所述至少一个电极具有实质上为双曲线形状的表面，所述开口的中心相对于所述双曲线的顶点对称。
4.根据权利要求1所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述中性气体具有小于感兴趣离子的质量的分子质量，并且由所述中性气体填充所述离子阱，使气压在0.01m托至1m托范围内。
5.根据权利要求1所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述数字控制器包括数字处理器，能够计算任意切换序列；以及控制装置，用于根据所述任意切换序列来控制所述数目的所述快速电子开关组。
6.根据权利要求1所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述切换过程包括最终步骤，在最终步骤期间，周期性地在一组状态之间切换所述离子阱的所述电极上的电压，并且在足以使离子冷却的时间之后，将所述离子阱的所述电极上的电压切换到最终的所述状态，用于从所述离子阱发射所述离子。
7.根据前述权利要求之一所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，还包括脉冲源，所述飞行时间质谱仪具有与所述发射离子的面正交的飞行轨道。
8.根据权利要求7所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述脉冲源包括两个平行的平板电极，其中之一是半透明栅格，每一个所述平行平板都与所述发射离子的面平行。
9.根据权利要求7所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述脉冲源通过由控制器控制的一组快速电子开关与高电压电源相连。
10.根据权利要求1至6之一所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述飞行时间质谱仪的飞行轨道与离子的发射轨道共轴。
11.根据权利要求1至6之一或权利要求10所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述电极组的相对电极对(Y对)与能够以重复频率切换的所述数目的所述快速电子开关的第一子集相连，并且所述电极组的另一相对放置的电极对(X对)中至少一个与具有更高额定电压的所述数目的所述快速电子开关的第二子集相连，快速电子开关的所述第二子集使所述DC电压电源与所述X电极相连，用于发射所述离子。
12.根据权利要求11所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，所述数目的所述快速电子开关的所述第一子集包括2个串联的高重复开关，用于在正和负电压之间切换，以给所述电极组的所述Y电极对提供矩形波形。
13.根据权利要求11所述的串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，提供给所述电极的电压值高于4kV或者低于-4kV。
14.一种从线性离子阱引出离子的方法，所述离子阱由一组数字开关驱动，所述方法包括以下步骤通过在所述离子阱的电极上在由一组电压状态限定的一组捕获状态之间切换，在所述离子阱中捕获所述离子；通过与缓冲气体碰撞来使所述捕获的离子冷却以平衡；以及在预先选定的时间从预先选定的捕获状态切换到最终的发射状态。
15.根据权利要求14所述的从线性离子阱引出离子的方法，其中，所述捕获状态组包括两个状态，每个所述状态持续设定周期的一半。
16.根据权利要求14所述的从线性离子阱引出离子的方法，其中，所述缓冲气体在从0.01m托至1m托的气压范围下填充所述离子阱。
17.根据权利要求15所述的从线性离子阱引出离子的方法，其中，所述设定周期在0.3微秒至1.0微秒的范围内。
18.根据权利要求14所述的从线性离子阱引出离子的方法，其中，最终捕获状态在所述发射状态之前具有近似为设定周期的四分之一的持续时间。
19.一种串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，实质上如参考附图中图1和图4至18所述。
20.一种从线性离子阱引出离子的方法，实质上如参考附图中图1和图4至18所述。
全文摘要
一种串联线性离子阱和飞行时间质谱仪，其中，离子阱具有与质谱仪的飞行轨道正交的直线中心轴。离子阱包括一组电极(401、403、402、404)，至少一个所述电极具有用于向质谱仪发射离子的开口；一组DC电压电源(+V、－V、V1、V2)，用于提供离散DC电平，以及一定数目的快速电子开关(409)，用于使DC电源与至少两个所述电极连接/断开；中性气体，填充离子阱；以及数字控制器，提供用于离子捕获、操作离子、冷却的切换过程，并且包括从离子阱向质谱仪发射所有离子的状态。
文档编号H01J49/42GK1926657SQ200580005746
公开日2007年3月7日 申请日期2005年2月23日 优先权日2004年2月26日
发明者迈克尔·苏达科夫, 丁力 申请人:岛津欧州研究所