质谱仪中分段四极边界处的有效电势匹配的制作方法
相关申请
本申请要求于2018年12月13日提交的美国临时申请号62/779,167、名称为“质谱仪中分段四极边界处的有效电势匹配”的优先权，其全文通过引用并入本公开。
本教导总的涉及质谱仪中有效传输离子的方法和系统。
背景技术：
质谱(ms)是一种用于确定物质元素组成的分析技术，具有定量和定性应用。例如，质谱可用于鉴定未知化合物、确定分子中元素的同位素组成、通过观察特定化合物的碎片来确定其结构，以及用于量化样品中特定化合物的量。
典型的质谱仪系统通常至少包括以下三个组件：离子源、质量分析器和检测器。一般而言，将待分析的化合物以液体或气体形式引入系统中，离子源操作使化合物离子化，例如，通过添加或减去电荷使化合物的中性分子变成带电离子。质量分析器通过使用电场和/或磁场，在质谱仪内根据离子的质荷比(m/z)操纵和分离离子。
如果已知给定离子的电荷，则可根据接触或通过检测器的离子确定该离子的分子量，从而确定中性分析物分子。例如，当离子经过或撞击检测器表面时，检测器可记录感应电荷或电流。在另一实例中，检测器可基于质量分析器在扫描中的位置(例如，离子的质量电荷比(m/z))在扫描过程中产生信号，从而根据m/z产生离子质谱。
已经开发了多种类型的质谱仪，每种质谱仪都有自己的优点、缺点和分析应用。例如，离子阱质谱仪使用多极杆电极结构形成捕集室(例如“离子阱”)，通过静电场和电动力场容纳离子。这种多极质量过滤器的一个例子是线性2d四极离子阱质谱仪。这种质谱仪的工作原理是将高频(例如射频(rf))电压叠加到四个杆电极的直流(dc)电压上，形成一个四极电动力场，以径向限制离子。轴向上，使用端侧透镜提供的直流电压屏障限制离子。被捕获的离子通过与背景气体分子的碰撞而冷却，并以质量选择性的方式轴向喷射，例如，通过主射频驱动器的振幅的变化，使得m/z越来越高的离子与施加在两个相对的杆之间的偶极辅助信号相互作用。当这些离子由于偶极激发信号变得更加活跃时，它们可以逃出离子阱并根据其质量和电荷依次到达检测器。
一般来说，四极质量过滤器(qmf)由四个平行的导电杆或细长电极组成，这些导电杆或细长电极的中心形成正方形的角，其相对的极杆电连接。最常见的是，电势(u-vcosωt)施加在极杆之一和地上，电势-(u-vcosωt)施加在另一极杆和地之间。用mathieu方程描述离子在x和y方向上沿这些质量过滤器的运动，其解表明，在特定的质荷比范围内的离子可以从质量过滤器的输出端沿z轴传输。例如，见保罗的美国专利号2,939,952，其全文通过引用并入本公开。
四极场可由具有双曲线横截面x2-y2＝r02的四个电极创建，其中r0(场半径)是每个电极最内侧部分之间的内切圆的半径。在实践中，经常使用圆柱形(或圆形)电极，因为它们更容易制造和对准，四极杆组的几何形状通过r/r0比例来表征，其中r是杆半径，r0是接触电极尖端的内切圆的半径。
许多现代质谱仪系统采用多个四极杆组，其中一些用作qmf级(例如，q0级、q1级和q3级)，另一些则负责其他离子处理(例如，q1和q3之间的离子引导器(有时指定为q0)和碰撞单元(有时指定为q2))。例如，在串联质谱(ms/ms)中，从离子源产生的离子被捕获并在q0离子引导级中定向，然后在第一级(例如q1质量过滤级)中选择质量以获得前体离子。前体离子可在第二阶段(例如，q2碰撞阶段)中碎裂以产生产物离子，之后产物离子以质量选择性方式(例如，在接收来自q2的产物和/或前体离子的q3质量分析器阶段)轴向喷射到检测器上。各个阶段通常由透镜彼此分开，透镜也可以采用四极形式。一种常见的形式是短或短粗(st)四极杆组，也称为布鲁巴克(brubaker)透镜，当放置在q1之前时，通常在本公开中指定为预过滤器st1。此外，每个四极级本身也可以分割成两个或更多个的四极元件。
然而，由于边缘场可能存在于系统中四极元件之间的每个边界处(例如，在分段的q0四极内或在st1/q1边界处)，因此可能发生不期望的离子反射，并可能导致反射离子被困在上游四极内。此类反射可导致不稳定的离子束、增加的离子传输时间和/或质量辨别能力降低(例如，信号丢失或串扰)。对于更高强度的离子流(例如，对于更大的取样孔)，这类问题进一步恶化，因为相同电荷的离子之间斥力的增加导致离子束的更大径向扩散，从而使更多的离子受到边缘场的影响。
因此，需要减少ms系统中四极元件之间边界处的不期望的反射。
技术实现要素：
公开了用于减少质谱仪中多极分段之间离子反射的方法和装置。然而，在传统的相邻四极杆组之间的边界区域存在的边缘场可以不希望地引起离子返回朝向上游杆组的反射，根据本文所述的方法和系统配置的杆组通过将上游杆组的有效电势设置为大于或等于下游杆组的有效电势来减少反射并提高离子束的传输/稳定性。如下文所述，可以通过调整相对于彼此施加到每个杆组的rf信号的幅度和/或通过修改杆组的相对场强(例如，通过改变四极中的一个相对于四极中另一个的场半径)来减小由边缘场引起的斥力。
根据本教导的各个方面，提供了一种减少质谱仪中的多极分段之间的离子反射的方法，产生包含多个离子的离子束；引导所述离子束通过所述质谱仪的至少两个多极分段，其中，每个多极分段包括中心开口和一组间隔开的杆状电极，离子能够沿着纵轴通过所述中心开口，并且其中所述多极分段被沿着所述纵轴的至少一个边界区域彼此分离，离子通过所述边界区域从上游分段被吸引到下游分段；以及向上游分段和下游分段的每个杆状电极施加电信号以设置每个分段的有效电势，使得上游杆组的有效电势大于或基本等于下游杆组的有效电势，从而减少通过所述边界区域的的离子的反射。
在某些方面，每个多极分段具有场半径，所述场半径由各个电极最内侧部分之间的内切圆限定，其中所述多极分段被配置成使得所述上游分段的场半径小于所述下游分段的场半径。在一些具体的方面，所述上游多极分段和所述下游多极分段中的每一个是具有四个圆柱形电极的四极杆组，每个四极杆组的几何形状通过比例r/r0表征，其中r是所述杆的半径，r0是接触所述电极的尖端的内切圆的半径，并且其中所述上游四极杆组的r0至少比所述下游四极杆组的r0小5％。此外，在某些方面，所述上游杆组的杆的杆半径rup小于所述下游杆组的杆的杆半径rdown。例如，所述上游杆组的杆的杆半径rup至少比所述下游杆组的杆的杆半径小5％和/或使得每个杆组与另一个杆组具有基本相同的比例r/r0。
在一些实施例中，所述上游多极分段和下游多极分段中的一个相对于所述上游多极分段和下游多极分段中的另一个绕所述纵轴圆周旋转。例如，所述上游多极分段和下游多极分段中的一个相对于另一个绕圆周旋转至少5度。在一些实现中，所述上游多极分段和下游多极分段中的一个相对于另一个在约25度到约45度的范围内圆周旋转。另外或者，所述上游分段的每个杆状电极沿着中心轴延伸，并且所述上游分段的每个杆状电极的中心轴不平行于所述纵轴。
本教导适用于由边界区域分隔的各种相邻四极。例如，上游多极分段可以是分段的q0离子引导器的一部分。在替代方面中，所述上游多极分段是布鲁巴克预过滤器。
在某些方面，选择施加到上游分段和下游分段的每个杆状电极上的电信号，使得上游分段的q值等于或大于下游分段的q值。
本发明还提供了一种质谱仪，包括：沿着所述质谱仪的纵轴彼此相邻的至少两个多极分段，使得存在边界区域，离子通过所述边界区域从上游分段传输到下游分段，每个多极分段还包括围绕所述纵轴布置的一组间隔开的杆状电极，并且具有由各个电极的最内侧部分之间的内切圆限定的场半径，以及一个或多个电源，被配置为向所述上游分段和下游分段的每个杆状电极提供电信号，其中所述上游杆组的有效电势大于或基本等于所述下游杆组的有效电势，以减少通过所述边界区域传输的离子的反射。
在某些方面，所述上游多极分段的场半径小于所述下游分段的场半径。例如，在一些方面中，所述上游多极分段和所述下游多极分段中的每一个包括四极杆组，所述四极杆组具有四个圆柱形电极，每个四极杆组的几何形状通过比例r/r0表征，其中r是所述杆的半径，r0是接触所述电极的尖端的内切圆的半径，并且其中所述上游四极杆组的r0至少比所述下游四极杆组的r0小5％。此外，在某些相关方面，上游杆组的杆的杆半径rup小于下游杆组的杆的杆半径rdown。例如，上游杆组的杆的杆半径r至少比所述下游杆组的杆的杆半径r小5％，和/或使得每个杆组与另一个杆组具有基本相同的比例r/r0。
另外或可选地，在一些方面，所述上游多极分段和下游多极分段中的一个相对于所述上游多极分段和下游多极分段中的另一个绕所述纵轴圆周旋转。例如，所述上游多极分段和下游多极分段中的一个相对于另一个绕圆周旋转至少5度。在某些方面中，所述上游多极分段和下游多极分段中的一个相对于另一个在约25度到约45度的范围内圆周旋转。另外或可选地，在某些方面，所述上游分段的每个杆状电极沿着中心轴延伸，并且所述上游分段的每个杆状电极的中心轴不平行于所述纵轴。
在某些方面，选择施加到上游分段和下游分段的每个杆状电极上的电信号，使得上游分段的q值等于或大于下游分段的q值。
申请人教导的这些和其他特点在此阐述。
附图说明
参考附图，通过以下进一步的描述，本发明的上述和其他目的及优点将得到更充分的理解。本领域技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明目的。附图并不打算以任何方式限制申请人教导的范围。
图1是根据本教导的各个方面的质谱仪系统的示意图。
图2a是本领域已知的常规第一级四极质量过滤器(本文中指定q1)的示意图。
图2b是本领域已知的q1(本文中指定为st1)上游的常规brubaker预过滤器的示意图。
图2c是当离子从图2b的st1传输到图2a的q1时离子轨迹的模拟，其中q1在仅射频传输模式下运行。
图2d是当离子从图2b的st1传输到图2a的q1时离子轨迹的模拟，其中q1在rf/dc质量过滤器模式下运行。
图3a是根据本教导的各个方面的示例性st1/q1对的示意性横截面图示。
图3b是图3a的st1/q1对的示意性立体图。
图3c是离子传输通过图3a-图3b的st1/q1之间的边界区域时的离子轨迹的模拟，其中q1在仅rf传输模式下运行。
图3d是离子传输通过图3a-图3b的st1/q1之间的边界区域时的离子轨迹的模拟，其中q1在rf/dc质量过滤器模式下运行。
图4a是根据本教导的各个方面的另一示例性st1/q1对的示意性横截面图示。
图4b是图4a的st1/q1对的示意性立体图。
图4c是离子传输通过图4a-图4b的st1/q1之间的边界区域时的离子轨迹的模拟，其中q1在仅rf传输模式下运行。
图4d是离子传输通过图4a-图4b的st1/q1之间的边界区域时的离子轨迹的模拟，其中q1在rf/dc质量过滤器模式下运行。
图4e是离子传输通过图4a-图4b的st1/q1之间的边界区域时的离子轨迹的另一个模拟，其中q1在与图4c中不同的操作条件下以仅rf传输模式运行。
图4f是离子传输通过图4a-图4b的st1/q1之间的边界区域时的离子轨迹的另一个模拟，其中q1在不同于图4d的操作条件下以rf/dc质量过滤器模式运行。
图5a是在图4e的模拟条件下，在st1的各种旋转角度下的透射离子和反射离子的曲线图。
图5b是在图4f的模拟条件下，在st1的各种旋转角度下的透射离子和反射离子的曲线图。
图6a是根据本教导的各个方面的另一示例性st1/q1对的示意性立体图。
图6b是根据本教导的各个方面的另一示例性st1/q1对的示意性立体图。
图7a描绘了总离子电流作为穿过如图2a-2b所示的传统st1/q1的m/z791的离子的st1偏移电压的函数。
图7b描绘了总离子电流作为穿过如图6a中根据本教导的各个方面示意性地描绘的st1/q1的m/z791的离子的st1偏移电压的函数。
图8a描绘了总离子电流作为穿过如图2a-2b所示的传统st1/q1的m/z791的离子的固定st1偏移电压的函数。
图8b描绘了总离子电流作为穿过如图6a中根据本教导的各个方面示意性地描绘的st1/q1的m/z791的离子的固定st1偏移电压的函数。
图9a描绘了m/z791的离子在通过如图2a-2b所示的传统st1/q1开始传输时在固定st1偏移电压下的质谱。
图9b描绘了m/z791的离子在通过如图6a中根据本教导各个方面示意性地描绘的st1/q1开始传输时在固定st1偏移电压下的质谱。
图10a描绘了m/z791的离子在通过如图2a-2b所示的传统st1/q1连续传输一段时间后，在固定st1偏移电压下的质谱。
图10b描绘了描绘了m/z791的离子在通过如图6a中根据本教导的各个方面示意性地描绘的st1/q1连续传输一段时间后，在固定st1偏移电压下的质谱。
具体实施方式
应当理解，为清楚起见，以下讨论将阐述申请人教导的实施例的各个方面，同时在方便或适当的情况下省略某些具体细节。例如，替代实施例中类似或类似特征的讨论可以稍微简化。众所周知的想法或概念也可以为简洁起见，不进行任何详细讨论。本领域技术人员将认识到，申请人的教导的一些实施例可能不需要在每个实施中具体描述的某些细节，本文所述的这些细节仅用于提供对实施例的透彻理解。类似地，可以理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以容易地根据公知常识替换或更改所描述的实施例。以下对实施例的详细描述不应被视为以任何方式限制申请人的教导的范围。如本文所使用的，术语“大约”和“基本上相等”是指例如通过现实世界中的测量或处理过程可以发生的数字量的变化；由于这些程序中的无意的误差；通过成分或试剂的制造、来源或纯度的差异；诸如此类。通常，如本文所使用的术语“大约”和“基本上”意指大于或小于由所描述的值的1/10所描述的值或值的范围，例如，±10％。例如，大约30％或基本上等于30％的浓度值可意味着27％与33％之间的浓度。这些术语还指本领域技术人员将承认为等效的变化，只要这些变化不包括现有技术实践的已知值。
然而，存在于相邻四极杆组之间的边界区域的边缘场可不希望地导致离子从边界区域朝上游杆组反射回去，根据本公开所述的方法和系统配置的相邻四极杆组减少反射并提高离子束的传输/稳定性，使得上游杆组的有效电势大于或等于下游杆组的有效电势。如下面详细讨论的，可以通过调整相对于彼此施加到每个杆组的rf信号的幅度和/或通过修改杆组的相对场强(例如，通过改变一个四极相对于另一个四极的场半径)来减小由边缘场引起的斥力。
虽然本公开所述的系统、装置和方法可与许多不同的质谱仪系统结合使用，在图1中示意性地示出了根据本教导用于此类用途的示例性质谱仪系统100。应当理解，质谱仪系统100仅表示根据本公开所述系统、装置和方法的实施例使用的一种可能的质谱仪系统。此外，具有其他配置的其他质谱仪系统也都可以根据本公开所述的系统、装置和方法使用。如图1所示的示例性实施例中示意性地示出的，质谱仪系统100通常包括
如图1所示，示例性质谱仪系统100可包括离子源102、位于第一真空室112内的碰撞聚焦离子引导器q0、位于第二真空室114内的一个或多个质量分析器，以及检测器116。尽管示例性第二真空室114被描绘为容纳三个四极(即，细长杆组质量过滤器q1、碰撞单元q2和质量过滤器q3)，但是应当理解，根据本教导的系统中可以包括更多或更少的质量分析器或离子处理元件。为方便起见，细长杆组q1、q2和q3在本文中通常被称为四极(即，它们具有四个杆)，尽管细长杆组可以是其他合适的多极配置。例如，碰撞单元q2可以是六极、八极等。还将认识到，质谱仪系统可以包括三重四极、线性离子阱、四极飞行时间、轨道阱(orbitrap)或其他傅里叶变换质谱仪系统中的任何一个，全部作为非限制性示例。
将参考图1进一步详细讨论示例性质谱仪系统100的各个阶段。首先，示例性离子源102通常被配置为从待分析的样品产生离子，并且可以包括根据本教导修改的任何已知的或以后开发的离子源。适合与本教导一起使用的离子源的非限制性实例包括大气压化学离子化(apci)源、电喷雾离子化(esi)源、连续离子源、脉冲离子源、电感耦合等离子体(icp)离子源、基质辅助激光解吸/离子化(maldi)离子源，辉光放电离子源、电子碰撞离子源、化学电离源或光离子化离子源等。
在质谱仪系统100的运行过程中，离子源102产生的离子可以被提取到相干离子束中，其中的离子由布置在一个或多个真空室中的一个或多个质量分析器连续处理，所述真空室被抽真空到本领域已知的亚大气压。由离子源102产生的离子最初通过取样孔板104中的孔吸入。如图所示，离子通过位于孔板104和分离器106之间的中压室110(例如，通过机械泵(未示出)抽真空至约1托至约4托范围内的压强)，然后通过入口孔112a传输以进入碰撞聚焦离子引导器q0，从而产生窄且高度聚焦的离子束。在各种实施例中，离子可穿过一个或多个附加真空室和/或四极(例如，
如图1所示，在一些实施例中，系统100包括相邻成对的四极杆组之间的各种短杆组(这里通常称为指定的预过滤器st1、后过滤器st2、预过滤器st3)，以促进离子在它们之间的传输。在本领域中也按照美国专利no.3,129,327的发明者被称为brubaker透镜，这些短杆组中的每一个通常包括四个短的圆柱形电极，布置在四极质量过滤器的入口和/或出口处，每个杆与qmf的杆共线安装。通常，brubaker预过滤器中的每个短杆电容性地耦合到qmf的相应杆，使得施加到qmf杆的交流电势的仅一部分施加到每个相应的短杆。因为下游qmf杆的分辨dc(即，±u，如下文所述)不应用于brubaker透镜，将离子施加到由qmf的分辨dc引起的dc场中存在延迟，使得离子通常不会沿着y坐标通过不稳定区域(当分辨电压的极性为负(-u)时)。总之，brubaker预过滤器通常用作传输通过其中的离子的高通过滤器，并且在离子从一个元件传输到另一个元件时导致由边缘场引起的散焦减少，从而提高离子到下游qmf的传输效率。尽管标准brubaker预过滤器的传输效率有所提高，但是传统预过滤器与其下游qmf之间存在的边缘场仍然会由于边界区域中存在的甚至最小化的边缘场的反射而导致显著的传输损耗。下面将参考图2c-2d详细讨论，这种反射离子可以在短杆组内被中和和/或被捕获在其中。然而，通过根据本教导的各个方面调整跨越边界区域的有效电势，可以操作短杆组以相对于传统的预过滤器/qmf配置进一步减少这种反射和捕获的发生，从而对于本文公开的系统和方法，进一步提高传输效率、离子束稳定性、和/或消除清空捕获在上游四极内的任何离子的必要。实际上，再次参考图1，每个四极段(例如，q1、q2或q3)以及散布在qmf之间的st透镜呈现一个电势边界，当离子通过质谱仪系统100时，在该边界处可能发生不期望的离子反射，应当理解，参考图1的st1和q1之间的边界区域例示的本教导也适用于例如任何四极之间的边界区域以及包括相邻杆组的分段q0。
离子从q0传输通过透镜iq1的出射孔112b后，通过st1进入相邻的四极杆组q1，该四极杆组可位于真空室114中，真空室114可被抽真空至比离子引导室112的压强低的压强，例如，由于涡轮分子泵(未显示)提供的抽吸。作为非限制性示例，真空室114可保持在小于约1×10-4托的压强(例如，约5×10-5托)，但其他压强可用于此目的或其他目的。如本领域技术人员将理解的，四极杆组q1可作为常规传输rf/dc四极质量过滤器来操作，其可用于选择感兴趣的离子和/或感兴趣的离子的范围。举例来说，四极杆组q1可具有适于在质量分辨模式下操作的rf/dc电压。如应该理解的，考虑到q1的物理和电特性，可以选择施加的rf和dc电压的参数，使得q1建立所选择的m/z比例的传输窗口，使得这些离子可以在很大程度上不受干扰地穿过q1。然而，m/z比例落在窗口外的离子，在四极内不能获得稳定的轨迹，并且可以防止它们穿过四极杆组q1。应当理解，该操作模式只是q1的一种可能的操作模式。举例来说，q1与q2之间的透镜iq2可维持在比q1高得多的偏移电势，使得四极杆组q1可作为离子阱操作。以这种方式，施加到入射透镜iq2的电势可以被选择性地降低(例如，质量选择性地扫描)，使得捕获在q1中的离子可以被加速进入q2中，例如，q2也可以作为离子阱操作。
通过四极杆组q1的离子可以通过后过滤器st2(与st1类似，st2也是一组仅射频短杆，但可提高离开四极杆的离子的传输)和透镜iq2，并进入相邻的四极杆组q2，如图所示，四级杆组q2可布置在加压隔室中，并可配置作为碰撞室在约1mtorr至约30mtorr的压强范围内操作，当然其他压强可用于此目的或用于其他目的。可通过气体入口(未示出)提供合适的碰撞气体(例如氮气、氩气、氦气等)，以使离子束中的离子热化和/或碎裂。在一些实施例中，对四极杆组q2以及入口透镜iq2和出口透镜iq3施加合适的rf/dc电压可以提供可选的质量过滤。
通过q2传输的离子可以传输进入相邻的四极杆组q3，该四极杆组q3的上游由iq3和st3限定(其功能基本上类似于预过滤器st1，但用于q3)，下游由出射透镜115限定。如本领域技术人员所理解的，四极杆组q3可在相对于q2的操作压强降低的情况下操作，例如，小于约1×10-4托(例如，约5×10-5托)，当然其他压强可用于此目的或其他目的。如本领域技术人员将理解的，q3可以多种方式操作，例如作为扫描rf/dc四极或作为线性离子阱。在通过q3进行处理或传输通过q3之后，可以通过出射透镜115将离子传输到检测器116中。然后，鉴于本文所述的系统、装置和方法，可以以本领域技术人员已知的方式操作检测器116。如本领域技术人员将理解的，根据本文的教导修改的任何已知检测器可用于检测离子。
图1的示例性质谱仪系统100还包括一个或多个电源108a、108b，其可由控制器109控制，以便将具有rf、ac和/或dc分量的电势施加到四极杆、各种透镜以及辅助电极上，用于根据特定ms应用配置质谱仪系统100的元件以用于各种不同的操作模式。应当理解，控制器109还可以链接到各种元件，以便对所执行的时序序列提供联合控制。因此，控制器109可以被配置成以协调方式向供应各种组件的电源108a、108b提供控制信号，以便如本文中另外讨论的那样控制质谱仪系统100。举例来说，控制器109可包括用于处理信息的处理器、用于存储质谱数据的数据存储器以及要执行的指令。应当理解，尽管控制器109被描绘为单个组件，但是一个或多个控制器(无论是本地的还是远程的)可以被配置成使质谱仪系统100按照本文所描述的任何方法操作。另外，在一些实施方式中，控制器109可操作地与诸如显示器(例如，阴极射线管(crt)或液晶显示器(lcd)，用于向计算机用户显示信息)和/或输入设备(包括字母数字键和其他键和/或光标控制，用于向处理器传送信息和命令选择)相关联。与本教导的某些实现一致，控制器109执行例如包含在数据存储器中的一个或多个指令的一个或多个序列，或从另一计算机可读介质(例如，存储设备(例如，盘))读入存储器。一个或多个控制器可以采用硬件或软件形式，例如，控制器109可以采用适当编程的计算机的形式，其具有存储在其中的计算机程序，该计算机程序被执行以使质谱仪系统100如本文中另外描述的那样操作，尽管本教导的实现不限于硬件电路和软件的任何特定组合。例如，与控制器109相关联的各种软件模块可以执行可编程指令以执行下面参考图4描述的示例性方法。
现在参考图2a，四极质量过滤器的示意图描绘了质量过滤器q1，其包括四个平行杆电极q1a-q1d，其布置在从入口端(例如，朝向离子源)延伸到出口端(例如，朝向q2)的中心纵轴(z)周围并平行于中心纵轴(z)。如横截面所示，杆q1a-q1d包括具有与中心轴(z)等距布置的圆柱形(即，如图2a所示的半径r的圆形横截面)的杆，其中每个杆q1a-q1d在尺寸和形状上彼此相等。每个杆q1a-q1d和中心轴(z)之间的最小距离由距离r0确定，这样每个主杆q1a-q1d的最内侧表面与穿过中心纵轴(z)的杆对中的另一个杆的最内侧表面之间分开的最小距离为2r0。应理解，尽管杆q1a-q1d被描绘为圆柱形，但杆q1a-q1d的横截面形状、尺寸和/或相对间距可如本领域所知而变化。例如，在一些方面中，杆q1a-q1d可根据公式x2-y2＝r02表现为径向内双曲面，其中r0(场半径)是电极之间内切圆的半径，以便产生四极场。
杆q1a-q1d是导电的(即，它们可以由任何导电材料制成，例如金属或合金)，并且可以耦合到电源系统(包括图1的一个或多个电源108a、108b)，使得一个或多个电信号可以单独或组合地施加到每个杆q1a-q1d。具体地，杆q1a-q1d通常包括两对杆(例如，第一对杆包括杆q1a和q1c，第二对杆包括杆q1b和q1d)，每对杆布置在中心轴(z)的相对侧上，并且可以向其施加相同的电信号。例如，在如图2a所示的一些方面中，电力系统可包括电耦合到第一对杆q1a、q1c以向其施加相同电势的电源108a和电耦合到第二对杆q1b、q1d以向其施加不同电信号的电源108b。如图2a所示，在一些实施方式中，示范性电力系统可以向第一对杆q1a、q1c施加的电势为杆偏移电压(ro)+[u-vq1cosωt]，其中u是直流电信号的幅度，vq1是交流信号或射频信号的零至峰值幅度，ω是交流信号或射频信号的角频率，t是时间。类似地，示例性电力系统可向第二对杆q1b、q1d施加的电势为ro-[u-vq1cosωt]。在该示例性配置中，施加到第一对杆q1a、q1c和第二对杆q1b、q1d的电信号在dc信号的极性(即u的符号)上不同，而电信号的射频部分将彼此180°异相。因此，本领域技术人员将理解，四极杆组q1在一些方面可被配置为四极质量过滤器，其通过dc/rf比例的适当选择选择性地传输选定m/z范围的离子。例如，考虑到仅应用于四根主杆q1a-q1d的直流电信号(即，±u)，注入如图2a所示的四极杆组q1中的阳离子将基于对第一对电极q1a、q1c施加的正直流电压而在x-z平面中经历稳定力(朝向中心轴z)，而根据第二对电极q1b，q1d上施加的负直流电压，阳离子会在y-z平面中受到不稳定力。仅考虑射频信号的影响，当施加到杆对的射频信号随时间变化时，阳离子将依次被各种杆对q1a、q1c和q1b、q1d吸引和排斥。因为低m/z的阳离子更容易跟随场的交变分量，低m/z的阳离子将容易与射频信号保持同相位，从场中获得能量，并以越来越大的振幅振荡，直到它们遇到杆q1a-q1d之一并放电。现在，考虑到组合的直流信号和射频信号的影响，将理解x-z平面中的场将起高通质量过滤器的作用，因为只有高m/z的离子将被传输到四极的另一端而不撞击第一对电极q1a，q1c。另一方面，在y-z平面上，由于负直流电压的散焦/吸引效应，高m/z的阳离子将不稳定，但如果将其振幅设置为每当阳离子偏差增大时校正轨迹，则一些低m/z的离子可能会被射频分量稳定。因此，y-z平面中的场可以说起到低通质量过滤器的作用，因为只有m/z较低的离子将被传输到四极杆组q1的另一端，而不会撞击第二对杆q1b，q1d。
如上所述，并且本领域已知，通过适当选择施加到四极杆组q1的电信号的rf/dc比例，上述在x-z平面和y-z平面中的两个效应共同提供了能够分辨单个原子质量的质量过滤器，如以下参数的示例性插入的马修(mathieu)稳定性图所示：
其中，e是电子的电荷，u是直流电压的幅值，v是施加的从零到峰值的射频电压，m是离子的质量，r0是杆q1a-q1d之间的有效半径，以及ω是施加的射频角频率。应注意的是，参数a和q分别与直流电压u和射频电压v成比例，在马修稳定性图中，在稳定顶点q＝0.706，在稳定边界q＝0.908。
如上所述，示例性质谱仪系统100包括由控制器109控制的一个或多个电源，以便向各种组件的电极施加具有射频(rf)、交流(ac)和/或直流(dc)分量的电势，以协调方式和/或针对各种不同的操作模式配置质谱仪系统100的元件，如本文中另外讨论的。例如，应当注意，除了上文参考等式(1)和(2)描述的质量过滤器模式之外，q1还可以可选地在传输仅rf的模式下操作，其中电信号被施加到四极杆组q1的各个杆而不需要dc分辨电压。也就是说，dc信号(u)被设置为0伏，使得来自等式(1)的参数a变为零。在这些条件下，具有峰间振幅(vq1)和角频率(ω)的仅射频信号被施加到各种杆q1a-q1d，质量扫描线变得水平，使得进入四极杆组q1的、稳定在qmax＝0.908及以下的离子将选择性地传输到q2。
现在参考图2b，描绘了预过滤器st1的示意图。如本领域的常规方式，图2b中描绘的预过滤器st1也包括四个平行的杆电极st1a-st1d，它们基本上类似于杆q1a-q1d，只是它们沿中心轴(z)的长度通常较短。实际上，在传统系统中，杆st1a-st1d具有相同的横截面形状和尺寸(即半径为r的圆柱体)，并且与q1的杆共线，使得每个杆st1a-st1d的纵轴与杆q1a-q1d的纵轴对准，例如，两个杆st1b、st1d布置在y轴上，两个杆st1a、st1c布置在x轴上。类似地，在常规预过滤器中，每个杆st1a-st1d和中心轴(z)之间的最小距离通常与q1的最小距离(r0)相同。
尽管杆st1a-st1d是导电的，并且也可以耦合到一个或多个单独的电源108c、108d，如图2b所示，使得一个或多个电信号可以单独或组合地施加到每个杆st1a-st1d，传统预过滤器的杆st1a-st1d通常电容性地耦合到q1的相应杆q1a-q1d，使得施加到qmf杆的交流电势(即vq1)的一部分也施加到相应的短杆st1a-st1d。出于本文的目的，vst1表示施加到预过滤器st1的ac或rf信号的零到峰值幅度，ω是ac或rf信号的角频率，t是时间。通常情况下，杆st1a-st1d没有被施加直流分辨电压，如缺少u项所示。因此，如图2b所示，杆st1a-st1d通常包括两对杆(例如，第一对包括短杆st1a和st1c，第二对包括短杆st1b和st1d)，每对杆布置在中心轴(z)的相对侧上，并且可以向其施加相同的电信号。也就是说，例如，如图2b所示，电力系统可以包括电耦合到第一对杆st1a、st1c的电源108c，以便向其施加相同的电势(即-vst1cosωt)，以及电耦合到第二对杆st1b、st1d的电源108d，用于向其施加不同的电信号(即，vst1cosωt)。在该示例性配置中，施加到第一对杆st1a、st1c和第二对杆st1b、st1d的rf电信号为彼此180°异相，使得预过滤器st1杆组通常在传输仅rf模式下操作，其中来自等式(1)的参数a变为零，并且预过滤器通常有效地将离子传输到q1，这些离子在qmax＝0.908以下时在st1内稳定。
尽管通过延迟直流场的开始，在图2a-2b中对预过滤器st1和质量过滤器q1的组合的传统描述可以有效地减少离子穿过st1和q1之间的边界区域时的一些传输损耗，但是该边界区域仍然可以在预过滤器st1内引起离子的显著反射和俘获。现在将参考图2c-2d讨论来自传统st1-q1边界区域的这种传输损耗的描述，图2c-2d描绘了simion8.1模拟的m/z1952的多个离子从st1(左)到q1(右)穿过边界的轨迹。如图所示，st1和q1的杆是共线的，并且设置间距使得r0＝4.21mm(通常，当使用圆柱形杆而不是具有双曲横截面的杆时，比例r/r0被设置为约1.126以最小化高阶非线性项的影响)。对于该模拟，透镜iq1(也称为iqa)保持在-2vdc，st1的短杆各自被施加-10伏的直流电压，q1的ro为-1.5伏的直流电压，透镜iq2(也称为iqb)保持在-2伏的直流电压。在图2c中，如上文所讨论的，q1在仅rf传输模式下操作(即，u＝0伏，使得参数a＝0.0)，而在图2d中，还施加±u的分辨直流电压，使得参数a＝0.236。在这个传统操作条件的模拟中，st1上的射频幅度是q1上射频幅度的67％。在m/z1952的离子的这些模拟条件下，质量分析器q1的q值为0.706(即，在m/z1952的离子的稳定性图的顶点处)，预过滤器st1的q值为0.47(即，根据式(2)q1的q值的67％)。如该模拟所示，对于a＝0和a≠0(即q1分别在仅rf传输模式和rf/dc质量过滤器模式下工作时)，都存在大量的反射离子轨迹。
此外，这些模拟表明，反射离子轨迹的出现随着径向振幅的增加而增加，因此很明显，由于空间电荷的增加，增加的束径将导致更多的离子反射回到预滤区和/或被困在预过滤区中。因此，当较高强度的离子束通过iq1中的较大孔径进入st1时，空间电荷效应(例如，离子排斥、束在径向上的扩散)将导致进一步的有害效应(例如，离子流的不稳定性、质量峰值强度的改变、传输剖面的畸变、改变的峰宽)，因为在预过滤器st1和质量滤器q1的边界处存在的轴向场梯度加剧了反射和不希望的俘获。
如上所述，人们认为在边界区域产生这种反射的原因是由于四极内的有效电势不匹配，并且当离子在st1和q1之间传输时会经历这种不匹配。因此，在各个方面，本申请者给出的教导提供了一种方法和系统，相对于传统系统更好地匹配相邻四极的有效电势，并且实质上减少边界区域处的边缘场的影响，从而改进传输并防止离子在上游预过滤器内被不希望的捕获。例如，通过调整相对于彼此施加到每个杆组的rf信号的幅度和/或通过修改杆组的相对场强(例如，通过改变四极中的一个相对于另一个的场半径)，上游杆组的有效电势被配置为大于或等于下游杆组的有效电势，使得当离子接近或穿过四极之间的边界区域时所经历的排斥力减小。此外，防止离子被困在预过滤器中将产生更稳定的离子束，导致更准确的多反应监测(mrm)分析，并允许更快的实验占空比，因为q1和q3预过滤器都不需要清空步骤。
相对于传统系统，根据本教导的方法中的系统和方法更好地匹配相邻四极的有效电势，其中四极的有效电势定义为(道格拉斯等人，ijms377(2015)345-354)：
其中r0是四极的场半径，mi是感兴趣的质量，ω0是角驱动频率，
v0是射频振幅，u0是分辨直流，e是电子电荷。
当四极操作在仅射频传输模式下(即，当u＝0伏，参数a＝0.0时)，等式(3)简化为：
在不受任何特定理论约束的情况下，申请人认为，当veff,q1>veff,st1时，四极之间的边界处会发生反射，有效电势随着与纵轴(z)的径向距离的增加而增加，并且随着质量和射频振幅的增加而增加。随着径向振幅的增加，从st1行进到q1的离子在边界区域处感受到有效电势的增加，这转化为斥力，使离子向st1反射。因此，根据本教导的各个方面，通过配置上游四极和下游四极的组合使得下游四极(例如q1)的有效电势与上游四极(例如st1)的有效电势匹配(或小于)来配置四极以减少反射，如下所示：
veff,q1≤veff,st1(5)
等价于：
简化为：
公式(7)可以重新整理为：
或者，公式(7)可以重新整理为：
图2c-2d中所示的在仅射频传输模式下操作的预过滤器st1和四极q1的常规配置不符合公式(9)，因为st1上的射频幅度是q1上射频幅度的67％(v0,st1＝0.67*v0,q1)，而st1和q1的杆与中心轴的间距相等(r0,st1＝r0,q1＝4.21毫米)。但是，鉴于本公开的教导，本领域技术人员应当理解，通过调整相对于彼此施加到每个杆组的rf信号的幅度和/或通过修改杆组的相对场强度(例如，通过改变四极中的一个相对于另一个的场半径)，根据本教导的st1/q1接口处的边界区域可以表现出显著减少的反射，从而改变四极有效电势的差异。尽管实际考虑可能会限制根据本教导对传统ms系统的修改，但等式(8)和等式(9)表明，当通过i)、相对于r0,q1减小r0,st1；ii)、相对于v0,q1增大v0,st1；或iii)、i)和ii)的组合，使得各个等式的左侧和右侧相等时，可以更好地匹配有效电势。例如，减小r0,st1的限制将由在q＝0.908处的lmco设定，即，如果r0,st1太小，则新的场半径和施加的rf振幅可能导致对几乎任何m/z的离子都有q>0.908，使得基本上所有的离子轨迹在预过滤器st1内变得不稳定。同样，由于st1通常电容耦合到q1，因此v0,st1小于v0,q1(例如，在图2c-2d中，v0,st1＝0.67*v0,q1)，根据本教导相对于v0,q1大幅增加v0,st1，如果r0,st1＝r0,q1，可能需要从不同的(昂贵的)电源获得st1的短杆的rf信号，如在图2a-2b中描绘的传统st1/q1结构配置中那样。
现在参考图3a-3b，以横截面和立体图示意性地示出根据本教导的一些方面具有四极有效电势的改进匹配的预过滤器st1和质量过滤器q1的示例性配置。如图3a-3b所示，上游预过滤器st1包括布置在中心轴(z)附近并平行于中心轴(z)的四个圆柱形杆电极st1a-st1d，而下游质量过滤器q1包括也布置在中心轴(z)附近并平行于中心轴(z)的四个较长的圆柱形杆电极。如图3a所示，杆st1a-st1d和q1a-q1d中的每一个的纵轴布置在x轴或y轴上。如图3b中最佳示出的，边界区域形成在st1的远侧下游端和q1的近侧上游端之间。然而，如上文参考图2a-2b所述，传统的st1/q1对表现出相同横截面形状、尺寸和有效半径(r0)的共线杆。图3a-3b的平行的短杆st1a-st1d共同定义了相对于下游四极q1的有效半径(r0,q1)更小的有效半径(r0,st1)。也就是说，杆st1a-st1d的内表面布置得比杆q1a-q1d的内表面更靠近中心纵轴(z)，从而改变杆组的相对场强并最终，相对于q1的有效电势，增加了上游杆组st1的有效电势(参见等式(5)和(8))。根据本公开的教导，本领域技术人员将理解，可以通过各种配置来实现有效的电势匹配，尽管在一些示例性实施方式中，上游杆组st1的场半径可以比q1的场半径小5％，比q1的场半径小10％，比q1的场半径小20％，所有这些都是非限制性的例子。此外，还可以观察到每个圆柱形短杆的st1a-st1d的半径(rst1)也相对于杆q1a-q1d的半径减小，以便保持每个杆组的杆的比例r/r0近似相同，如上所述，这通常是为了最小化由圆柱形杆状成的四极的高阶非线性项的影响。
杆st1a-st1d是导电的，并且还可以耦合到一个或多个电源(未示出)，使得一个或多个电信号可以单独或组合地施加到各个杆st1a-st1d。或者，杆st1a-st1d可以电容性地耦合到相应的杆q1a-q1d，使得施加到q1杆的交流电势的一部分也被施加到相应的短杆st1a-st1d。按照惯例以及每个杆上的正负号所示，施加在每个杆上的交流信号与同一组内的相邻杆180°异相，使得每个杆组包括两对杆，布置在中心轴的相对侧并且向其施加相同信号。例如，在st1内，杆st1a、st1c形成短杆的第一对，杆st1b、st1d形成第二对，而在q1内，杆q1a、q1c形成第一对，杆q1b、q1d形成第二对。还可以观察到，x轴上的杆st1a、st1c/q1a、q1c表现出彼此相同的相位，而y轴上的杆st1b、st1d/q1b、q1d表现出彼此相同的相位(该相位与x轴上的杆的相位相反)。此外，与图2a中所示的常规质量过滤器q1一样，当q1在质量过滤器模式下运行时，图3a-3b的电力系统可向杆q1a、q1c施加的电势为ro+[u-vq1cosωt]，向杆q1b、q1d施加的电势为ro-[u-vq1cosωt]。当然，除了u>0伏直流的模式(即参数a≠0)之外，q1也可在仅rf传输模式下操作，其中施加到q1的杆上的电信号不包括dc分辨电压(即，等式(1)中的参数a变为零)。最后，尽管杆st1a-st1d可全部保持在给定杆偏压(例如，在图2c-2d的模拟中，ro＝-10伏直流)，但是没有向短杆st1a-st1d施加分辨直流电压(即，u＝0伏直流)。如上所述并由等式(4)建议，通过相对于施加到q的射频信号的幅度(v0,q1)增加施加到st1的射频信号的幅度(v0,st1)，st1的有效电势可以相对于q1的有效电势额外地或可选地增加。
图3c证明，相对于图2a-2c描绘的传统系统，图3a-3b的示例性st1/q1对内的边界区域处的反射减少。图3c描绘了simion8.1模拟的m/z1952的多个离子从st1(左)到q1(右)穿过边界的轨迹。然而，图3c中的杆st1a-st1d的间隔使得相对于q1的场半径(r0,q1＝4.21mm，如图2c的模拟)，st1的场半径减小(r0,st1＝3.51mm，对比图2c中为4.21mm)。与先前的模拟一样，图3c的模拟保持透镜iqa为-2伏直流，st1的短杆为-10伏直流，q1的ro为-1.5伏直流，透镜iqb为-2伏直流。在图3c中，如上所述，q1在仅rf传输模式下操作(即，u＝0伏直流，参数a＝0.0)，st1上的rf幅度增加到q1上的rf幅度的69.5％(在图2c中，v0,st1＝0.67*v0,q1)。在这些m/z1952的离子的模拟条件下，预过滤器st1和质量分析器q1的q值均为0.706。这是st1的q值从图2c中的0.47增加，这是由于v0,st1的相对增加和r0,st1的相对减少，如等式(2)所示。应当理解，在图3c的条件下，st1和q1的有效电势的匹配在于等式(8)的左侧和右侧基本相等：3.51mm≈4.21mm*(0.695)1/2。在比较图2c和图3c时，当a＝0且有效电势匹配时，相对于在图2c的模拟中使用的常规操作配置，反射离子轨迹的数目显著减少(实际上，几乎消除)。
执行与图3c相同的模拟以生成图3d，除了通过向杆q1a-q1d施加±u的分辨直流电压以使得参数a＝0.236(参见等式(1))，q1运行在rf/dc质量过滤器模式之外，如本领域所知。通过比较图3c和3d可以看出，分辨直流电压的施加修改了边缘场，使得当参数a＝0时尽管图2c和图3c之间表现出显著减少，但仍再次发生实质性反射。然而，在参数a>0的情况下，申请人已经发现st1和q1杆组之间围绕x-y平面的相对旋转可以有效地减轻当q1切换到rf/dc质量过滤器模式下操作时在st1内发生的离子反射和/或俘获。
现在参考图4a-4b，描述了根据本教导的st1和q1的另一示例性配置。如图所示，st1/q1杆组与图3a-3b中所示的杆组相似，但杆组st1已在x-y平面内围绕中心轴(z)旋转一个角度α，使得各个杆st1a-st1d的纵轴不再位于x轴或y轴上。同样，杆st1a-st1d和q1a-q1d是导电的，并且还可以耦合到一个或多个电源(未示出)，使得一个或多个电信号可以单独地或组合地施加到各个杆st1a-st1d，如上文参考图3a-3b所讨论的。
在图4c-4f中证明了，相对于图2a-2d的常规系统和图3a-3d的示例性非旋转实施例，图4a-4b的示例性st1/q1对中的边界区域对离子传输的影响。首先参考图4c，在与图3c类似的条件下描绘了simion8.1模拟的m/z1952的多个离子从st1(左)到q1(右)穿过边界的轨迹。然而，在图4c中，预过滤器st1已经围绕st1和q1的中心纵轴旋转45°，并且杆st1a-st1d的间隔使得场半径(r0,st1)为3.495mm(即略小于图3c中的3.51mm)，小于q1(图2c、3c和4c中r0,q1＝4.21mm)。透镜和杆的直流偏压在图2c、3c和4c中是相同的。在图4c中，如上所述，q1在仅rf传输模式下操作(即，u＝0伏直流，参数a＝0.0)，st1上的rf幅度增加到q1上的rf幅度的68.9％(在图2c中，v0,st1＝0.67*v0,q1；在图3c中，v0,st1＝0.695*v0,q1)。应注意，尽管图3c和图4c之间的st1场半径和st1rf幅度不同，根据等式(2)，对于m/z1952的离子，预过滤器st1和质量分析器q1的q值均为0.706。同样，相对于图3c减少v0,st1和相对于图3c增大r0,st1，导致匹配的有效电势，即等式(8)的左侧和右侧保持基本相等：3.495mm≈4.21mm*(0.689)1/2。在仅rf传输模式中比较图2c、图3c和图4c时，观察到反射离子轨迹的数量在图3c和图4c中显著减少，即，此时相对于在图2c的模拟中使用的常规操作配置，有效st1/q1电势匹配。尽管相对于图3c的非旋转st1实施例，在图4c的旋转st1实施例中反射的离子更多，但是与图2c中例示的常规系统相比，图4c的st1仍然表现出反射离子的显著减少。然而，如图4d所示，在向杆q1a-q1d施加±u的分辨dc电压使得图4c的q1在rf/dc质量过滤器中操作(参数a＝0.236)时，仅描绘单个模拟离子在边界区域被反射。也就是说，在比较图2d、3d和4d时，图4d在参数a>0的情况下表现出明显较少的反射。在不受任何特定理论约束的情况下，相信由st1的相对旋转产生的边缘直流场的径向分量导致被反射的离子进入不稳定的离子轨迹并在st1内中和，从而防止对后续离子传输的干扰。
如上关于等式(8)和(9)所述，通过修改杆组的相对场强(例如，通过相对于q1的场半径减小st1的场半径)和/或通过相对于施加到q1的rf信号的幅度(v0,q1)增加施加到st1的rf信号的幅度(v0,st1)，根据本教导的各个方面，st1的有效电势可以被设置成等于或大于q1的等效电势的值。尽管图3c-d和4c-d所示的模拟结果使杆组st1和q1的有效势能相匹配(即，veff,q1≈veff,st1)，应当理解，本教导考虑将上游组st1的有效电势进一步增加到大于q1的有效电势的值。例如，现在参考图4e-4f，证明了在veff,q1<veff,st1的情况下，边界区域对离子传输的影响。首先参考图4e，在与图4c相同的条件下描绘了m/z1952的多个离子从st1(左)到q1(右)穿过边界的simion8.1模拟轨迹，除了st1上的rf振幅增加到q1上rf振幅的75.9％(而在图4c中v0,st1＝0.689v0,q1)。根据等式(2)，预过滤器st1的q值因此增加到0.78，而质量过滤器q1的q值保持在0.706，同样，与图4c的结果相比，v0,st1的相对增加导致在等式(8)的左侧的场半径(r0,st1)小于右侧：3.495mm<4.21mm*(0.759)1/2，从而满足等式(5)veff,q1<veff,st1。在比较图2c、图3c、图4c和图4e(仅rf传输模式)时，可以观察到，在图4e的示例性配置中，其中q1的有效电势小于st1的有效电势，反射离子轨迹的数量显著减少(实际上，几乎消除)，因为只有单个离子被示出为被反射。特别是st1的有效势能进一步增加(通过相对于v0,q1增加v0,st1)消除了图4c中在a＝0的情况下所示的许多反射。此外，当添加分辨直流(dc)电压以使参数a＝0.236时，在图4f的模拟中看不到反射离子。
尽管图4c-4f说明了以45°的单个st1旋转角α调整st1和q1的相对有效电势的效果，根据本教导的各个方面的系统和方法可以具有相邻四极之间的相对旋转角的一定范围。事实上，申请人已经发现，当q1在仅rf传输模式(即参数a＝0)和rf/dc质量过滤器模式(即参数a≠0)下运行时，从大约25°到大约45°的范围中的旋转角提供了特别改进的结果。参考图5a，提供了在st1的各种旋转角下的传输离子和反射离子的图，除此以外在图4e的模拟条件下操作，其中q1处于仅rf传输模式(例如，r0,st1＝3.495mm；r0,q1＝4.21mm；v0,st1＝0.759*v0,q1；qst1＝0.78，qq1＝0.706，a＝0.0)。如图5a所示，对于0°和大约45°之间的旋转角，几乎100％的m/z1952离子从st1传输(实心形状)到q1(并且从q1的下游端离开，朝向q2)，而不管它们在进入st1时相对于中心轴的初始位移(圆＝0.1mm初始位移；三角形＝0.2mm；正方形＝0.3mm)。此外，即使初始位移高达大约45°，也几乎没有反射离子(空心形状)。在大于45°的角，图5a示出在约90°的旋转角下传输离子的数目从约100％减少到约50％，具有较大初始位移的离子的传输在较早的旋转角受到较大程度的影响。同样，当旋转角从45°增加至90°时，反射离子的比例通常增加。注意，对于任何旋转角，传输离子和反射离子的总百分比加起来可能达不到100％，例如，由于离子在q1内被中和。
另一方面，图5b描绘了st1的旋转角度范围为0°至90°的传输离子(实心圆)和反射离子(空心圆)的图，但在图4f的模拟条件下运行，其中q1在rf/dc质量过滤器模式下运行(例如，r0,st1＝3.495毫米；r0,q1＝4.21毫米；v0,st1＝0.759毫米；qst1＝0.78，qq1＝0.706，a＝0.236)。如图所示，离子较大的初始位移(圆＝0.1mm；三角形＝0.2mm；正方形＝0.3mm)减少了通过q1(朝向q2)的传输，其中在0°旋转时传输初始位移为0.3mm的离子的约60％，在0°旋转时传输初始位移为0.2mm的离子的约70％，在0°旋转时传输初始位移为0.1mm的离子的约90％。从每个初始位移传输的离子百分比对于直到大约45°的角度基本上保持不变(或略有增加)，迅速减小，然后在角度大于大约60°时保持在大约10-20％。如图5b中的空心的圆、三角形和正方形所示，取决于初始位移，在0°时约15-30％的离子被反射，当角度在25°和45°之间时，其减小到约0％，并且对于大于45°的角度又上升到大约10％。总的来说，这些图表明在大约25°到大约45°范围的相对旋转的角度使传输最大化，同时使st1/q1两种典型操作模式的反射最小化：i)仅rf传输模式中的st1和仅rf传输模式中的q1，以及ii)仅rf传输模式中的st1和rf/dc质量过滤器模式中的q1。
尽管上述模拟证明，根据本教导的预过滤器st1和质量过滤器q1的组合相对于传统st1/q1配置显著减少(并且在一些实例中几乎消除)边界区域处的反射的发生，申请人基于观察在包括或不包括清空st1的步骤的情况下通过其st1/q1组合的传输情况还发现，一些反射离子仍然可以被捕获在预过滤器st1中，如下面参考图7-10所讨论的。根据本教导的进一步方面，申请人还发现，可以进一步调整st1杆的配置，使得在边界区域反射的离子倾向于在st1内被中和(而不是被捕获在其中)和/或不能实质性地影响后续在其中通过的离子的传输。实际上，如上所述，反射离子被消除可能是优选的，因为由捕获在st1内的离子的浓度增加所引起的空间电荷效应可导致进一步的有害效应(例如，离子电流的不稳定性、改变的质量峰强度、传输情况(profile)的失真)。特别地，相信st1的有效电势中朝向下游元件的轴向梯度有利于在边界区域反射的任何离子被重定向朝着q1返回并且在边缘场中丢失。或者，在不受任何特定理论约束的情况下，st1有效电势的朝向st1上游端的轴向梯度可有利于在边界区域反射的任何离子集中在st1上游端(例如，相邻的iq1)，使穿过其中的离子在到达st1/q1之间的边界区域之前能够稳定。现在将参考图6a-6b描述根据该附加发现的示例性实现。其中杆st1a-st1d的非平行配置大大减少了任何反射离子影响离子束的稳定性的情况的发生。首先参考图6a，短杆组st1和质量过滤器q1类似于图4a-4b中描绘的那些(例如，平均值r0,st1<r0,q1，st1绕中心纵轴相对于q1旋转45°)，但不同之处在于杆st1a-st1d的中心轴不平行于st1/q1的纵轴(z)，使得有效电势沿st1的长度变化。相反，每根杆st1a-st1d从中心纵轴(z)向外展开，使得st1入口端的场半径小于st1出口端的场半径。换言之，根据等式(4)，st1入口处的场大于出口处的场，从而沿st1的长度产生朝向下游元件的轴向梯度。在这种实现中，预过滤器的入口和出口处的q值定义如下：
和
当它们结合起来的时候
其中，a2根据圆形电极和双曲线形电极之间的差异考虑了四极场的多极贡献。
如上所述，如果r0,entrance太小使得场半径和施加的rf幅度导致对于几乎任何m/z的离子都有q>0.908，则基本上所有的离子轨迹都可能在预过滤器st1内变得不稳定。因此，在根据本教导的特定实施例中，优选地选择场半径和δr0,st1使得预过滤器st1的入口处的最大q值为0.908，并且预过滤器st1的出口处的最小q值为0.706。在此类实施例中，st1中朝向下游元件的有效电势的轴向梯度有利于在边界区域反射的任何离子朝着q1返回并最终被边缘场扫走。
现在参考图6b，短杆组st1和质量过滤器q1与图6a-6b中所示的短杆组st1和质量过滤器q1相似(例如，平均值r0,st1<r0,q1，st1绕中心纵轴相对于q1旋转45°)，但不同之处在于r0,st1,entrance<r0,st1,exit。因此，st1的出口端的场半径小于st1的入口端的场半径，从而在st1中产生朝向上游端的轴向梯度。如上所述，相信这样的轴向梯度有利于在边界区域反射的任何离子集中在st1的上游端(例如，与iq1相邻)，使得穿过st1前端被俘获离子的后续离子的轨迹在到达st1/q1之间的边界区域之前稳定。
参考图7-10中的下列数据，可以更充分地理解申请人的教导，其用于证明但不限制本教导。如下所述，这些图证明了相对于本领域已知的常规st1/q1配置，根据本教导的各个方面的方法和系统在离子束稳定性和精确质量峰强度和峰宽方面的示例性改进。图7a、图8a、图9a和图10a使用qtrap6500+(由sciex销售)进行，使用传统的st1/q1配置，如上文关于图2a-2b所述(例如，r0,st1＝r0,q1＝4.17毫米；qst1＝0.47，qq1＝0.706，st1的杆与q1的杆同轴)。图7b、图8b、图9b和图10b是用改进的qtrap6500+生成的，该改进的qtrap6500+具有上文关于图6a讨论的st1/q1配置(例如。，r0,st1,average＝3.52；r0,st1,entrance＝3.42；r0,st1,exit＝3.62；r0,q1＝4.17毫米；qst1,entrance＝0.85；qst1,exit＝0.76，qq1＝0.706，st1相对于q1旋转45°)。实验离子为m/z791，st1和q1的射频信号为940khz，选择射频信号的幅度达到上述q值。清空步骤是通过在0.2da或31ms(30ms扫描时间加1ms暂停时间)内将q1降至m/z10来完成的，以便允许捕获在预过滤器中的任何离子径向分散。离子通过直径为0.72mm的取样孔进入双qjet离子光学器件(2.6托)，然后通过q0离子光学器件级(6毫托)的iq0孔进入真空。然后离子通过iq1孔进入高真空级(8e-6托)。离子通过iq1孔后，传输通过前置滤光器(st1)、质量过滤器(q1)、后置过滤器(st2)到达180°弯曲的碰撞单元(q2)。在离开碰撞单元时，离子通过另一个预过滤器(st3)并进入第二质量过滤器(q3)。然后，当离子离开质量过滤器并通过出口透镜时，使用hed/magnum5907检测系统对离子进行检测。
现在具体参考图7a，针对图2a-2b所示的常规配置描绘了，当st1直流偏移电压从-50伏直流扫描到-8伏直流时在有清空步骤和没有清空步骤的情况(分别用圆圈和三角形表示)下的总离子电流(tic)。如图所示，清空步骤对所描绘的传输情况具有显著影响，从而指示st1内存在捕获离子。然而，在上面描述改进的st1/q1配置(在图6a中示意性地示出)的图7b中，观察到具有和不具有清空步骤的传输情况几乎没有差异。
现在参考图8a-8b，在与图7a-7b相同的条件下(但直流偏移电压是固定的)，tic被描绘为时间的函数。对于传统配置(图8a)，向st1施加-19.6负直流的直流偏移电压。对于改进的st1/q1配置(图8b)，在st1的-57伏直流的直流偏移电压下生成tic数据。如图8a所示，传统配置导致不稳定的离子电流，该离子电流基于是否利用清空步骤而显著变化。在图8b中没有观察到这样的不稳定性，这再次表明上述改进的st1/q1配置(并且在图6a中示意性地示出)有效地防止任何捕获离子干扰离子电流稳定性。
为了进一步测试对离子传输的影响，在开始传输时(即，图8a-8b中从0到0.1分钟)和在连续分钟长度传输结束时(即，图8a-8b中从0.9到1.0分钟)立即生成m/z791的质谱。)。首先参考图9a，基于在开始传输时是否立即利用清空步骤，传统配置仅导致的峰强度的微小差异，其差异可在统计上不显著。图9b描绘了相同时间段上的光谱，但是使用上述改进的st1/q1配置(在图6a中示意性地示出)，示出了几乎相同的光谱(和强度)，而不管是否存在清空步骤。然而，在连续传输过程中，光谱中的差异在随后变得更加明显。如图10a所示，在图9a所示的传输期间，随着离子浓度相对于更早的时间在st1中累积，传统配置导致在有或没有清空步骤的情况下在峰强度和峰宽方面有更显著的差异。然而，具有改进的st1/q1配置的图10b再次描绘了在相同时间段上几乎相同的光谱形状(和强度)，而不管是否存在清空步骤，从而表明在连续传输(如果有的话)的过程中捕获在st1中的离子对通过st1的传输没有实质性影响。
本领域技术人员将知道或能够仅使用常规实验确定本文所述实施例和做法的许多等价方式。举例来说，各种组件的尺寸和应用于各种组件的特定电信号(例如，幅度、频率等)的具体值仅仅是示例性的，并不意在限制本教导的范围。因此，应当理解，本发明不限于本文所公开的实施例，而是根据以下权利要求理解，在法律所允许的宽度范围内解释这些权利要求。
本文中使用的章节标题仅用于组织目的，不得解释为限制。虽然结合各种实施例来描述申请人的教导，但并不打算将申请人的教导局限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，申请人的教导包括各种替换、修改和等同。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！