專利名稱：使用動(dòng)態(tài)壓力離子源的質(zhì)譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)譜儀；具體而言涉及具有諸如基質(zhì)輔助激光解吸電 離(MALDI)離子源的脈沖離子源的質(zhì)譜儀。
背景技術(shù)：
MALDI離子源已經(jīng)廣泛用于生物化學(xué)分析。典型地，MALDI離 子源包括樣品，該樣品與輻射吸收材料混合以形成沉積于樣品板表面 上的基質(zhì)；這在激光脈沖照射基質(zhì)之后輔助樣品的電離。
已知儀器包括MALDI離子源與飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀組合； 然而，這種儀器僅能執(zhí)行簡(jiǎn)單質(zhì)語(yǔ)(MS)分析。為了將MALDI離子 源與其他更加通用類型的質(zhì)量分析器結(jié)合，或者為了研發(fā)適用于實(shí)施 級(jí)聯(lián)質(zhì)量分析的混合系統(tǒng)，在過(guò)去十年中已經(jīng)研發(fā)出不同類型的 MALDI-MS界面。 一般而言，由諸如MALDI離子源的脈沖離子源產(chǎn) 生的離子具有正比于其質(zhì)量的能量，且質(zhì)量最大的離子具有最廣的能 量分布。例如，假設(shè)離子質(zhì)量為10，000Da并具有1200 msec"最大速度， 該離子可具有高達(dá)75eV的動(dòng)能。在設(shè)計(jì)脈沖離子源例如MALDI離子 源與質(zhì)量分析器之間的界面時(shí)，這種高能量的離子導(dǎo)致問(wèn)題。
美國(guó)專利No. 6,576,893描述了一種通過(guò)施加脈沖延遲電壓，經(jīng)由 高真空靜電透鏡，將MALDI離子源產(chǎn)生的離子脈沖引入離子陷阱的方 法。該方法可使大質(zhì)量的離子在離子陷阱本身內(nèi)進(jìn)行質(zhì)量分析，或者 從該離子陷阱彈射用于在TOF分析器中進(jìn)行后續(xù)分析。盡管脈沖延遲 電壓有效地減小離子的動(dòng)能，不過(guò)無(wú)法減小離子由于電離過(guò)程而獲得 的內(nèi)能，且這導(dǎo)致被俘獲的離子的不期望碎裂。
美國(guó)專利No. 6，331，702描述了一種不同的4支術(shù)，由MALDI離子 源產(chǎn)生的離子通過(guò)包含多極離子導(dǎo)向器的離子路徑而傳輸?shù)秸籘OF 分析器。該離子導(dǎo)向器作為MALDI離子源和質(zhì)量分析器之間的界面并 有效地將脈沖離子轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)連續(xù)離子束。對(duì)于四極分析器或者快速脈 沖正交TOF，準(zhǔn)連續(xù)離子束是必需的。相反，將離子連續(xù)引入四極離 子陷阱是困難的。
質(zhì)量大的蛋白質(zhì)離子(例如質(zhì)量超過(guò)IO，OOO Da的離子)具有大的 動(dòng)能，該動(dòng)能在離子可以被接受進(jìn)入多極離子導(dǎo)向器之前必需顯著降 低。這要求在離子路徑內(nèi)提供冷卻氣體來(lái)冷卻離子并由此降低其能量。 然而，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，冷卻氣體需要維持在較高的壓力，通常高于 l(T2 mbar，且這會(huì)在離子導(dǎo)向器內(nèi)產(chǎn)生諸如放電的問(wèn)題。為了克服這 個(gè)問(wèn)題，采用差分泵抽，使得可以在離子導(dǎo)向器中使用比源區(qū)域低的 氣壓，但是這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。再者，即使在低至l(T2 mbar 的壓力，離子在離子導(dǎo)向器內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)被有效地暫停，顯著降低了 離子傳輸?shù)椒治銎饔糜诜治龅男省Ｃ绹?guó)專利申請(qǐng)No. 2005/0092912 描述了設(shè)置一軸向電場(chǎng)，該軸向電場(chǎng)用于沿離子導(dǎo)向器加速離子以改 善傳輸效率，但是這進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本.
EP 0964427 A2 、美國(guó)專利No. 5,965,884和美國(guó)專利No. 6,946,653 也描述了使用環(huán)境氣體來(lái)減小由MALDI離子源產(chǎn)生的離子的動(dòng)能和 內(nèi)能。由于無(wú)法將有效的靜電透鏡系統(tǒng)結(jié)合到存在高壓的源區(qū)，因此 難以實(shí)現(xiàn)高效率的傳輸.此外，源的脈沖性質(zhì)未保留，因此這種技術(shù) 無(wú)法用于離子陷阱質(zhì)量分析。
文章"Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Using a New Tandem Quadrupole Ion Storage Trap, Time of Flight Mass Spectrometer" P. Kofer， Rapid Communications in Mass Spectrometry VoUO， 658-662， 1996描述了使用脈沖氣體冷卻在雙曲面三維離子陷阱 中由MALDI離子源產(chǎn)生的離子。這種情況下，MALDI樣品沉積在樣 品探針的末端上，該樣品探針安裝在雙曲面三維離子陷阱的入口端蓋 電極內(nèi)。然而，這種布置不讓人滿意，因?yàn)樗拗屏擞糜诜治龅臉悠?的體積和空間分布，且具體地，阻止了在同一時(shí)期分析多個(gè)樣品。此 外，離子陷阱的環(huán)電極和端蓋電極的表面沾污可能發(fā)生，這降低了離 子陷阱的分析性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種至少減輕前述問(wèn)題的，具有脈沖離子源 例如MALDI離子源的質(zhì)譜儀。更具體而言，本發(fā)明的目的是減小由脈 沖離子源產(chǎn)生的離子的動(dòng)能和內(nèi)能，使得離子可以高效地傳輸?shù)讲⒈?俘獲在質(zhì)i普儀的離子陷阱內(nèi)用于質(zhì)量分析。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，提供了一種質(zhì)譜儀，包括 脈沖離子源；
第一離子陷阱，用于俘獲由該脈沖離子源產(chǎn)生的離子以及用于定 位隨后從該第一離子陷阱彈射的俘獲離子；
進(jìn)氣裝置，用于在適于使該第一離子陷阱能夠俘獲所述離子的峰 值壓力下將冷卻氣體脈沖引入所述第 一 離子陷阱；
泵裝置，用于在該俘獲離子從該第一離子陷阱彈射之前降低所述 冷卻氣體的壓力；以及
第二離子陷阱，用于接收和分析從該第一離子陷阱彈射的離子，
所述脈沖離子源包括平坦樣品板，樣品沉積于該平坦樣品板上且 該平坦樣品板形成該第一離子陷阱的端壁，所述脈沖離子由此產(chǎn)生于
該第一離子陷阱內(nèi)部。
降低的氣壓是有益的，因?yàn)檫@使得俘獲離子可以遷移到第一離子 陷阱的低能區(qū)域，離子可以在較短時(shí)間跨度內(nèi)從該低能區(qū)域彈射。因 此，該措施可以改善俘獲離子從第一離子陷阱傳輸?shù)降诙x子陷阱的 效率。降低的氣壓還使得可以在第二離子陷阱內(nèi)執(zhí)行質(zhì)量分析，該第 二離子陷阱共享同一真空腔而不需使用差分泵抽。
所述泵裝置可以是真空泵，例如渦輪分子泵。
所述進(jìn)氣裝置可包括例如電磁閥的電磁驅(qū)動(dòng)閥或者壓電驅(qū)動(dòng)閥。 通常，所述進(jìn)氣裝置在5xl(T2 mbar至1 mbar范圍的峰值壓力下將所 述冷卻氣體脈沖引入所述第一離子陷阱，且所述泵裝置將所述壓力降 低至小于5xl(T3 mbar的壓力。
所述閥開啟的時(shí)間段優(yōu)選地小于由所述泵裝置獲得的抽空時(shí)間常 數(shù)，優(yōu)選地小于5 ms。
優(yōu)選地，在激勵(lì)所述進(jìn)氣裝置和隨后激勵(lì)所述脈沖離子源之間存 在預(yù)置延遲。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述脈沖離子源為MALDI離子源。 所述第一離子陷阱可以為多極(優(yōu)選四極)線性離子陷阱，該多
極線性離子陷阱具有繞該離子陷阱的縱軸對(duì)稱布置的多個(gè)極。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述多極線性離子陷阱可包括位于所
述第一離子陷阱的后端的柵電極，所述柵電極被選擇性偏置以反射或
彈射離子。
所述柵電極可以被偏置以在該第一離子陷阱內(nèi)形成軸向直流勢(shì) 阱，由此在所述俘獲離子從所述第一離子陷阱彈射之前在該第一離子 陷阱內(nèi)定位所述俘獲離子的云。所述多極線性離子陷阱可以為分段多 極(例如四極)線性離子陷阱，其中每一極包括與所述第一離子陷阱 的后端相鄰的較短段，每個(gè)所述較短段被偏置以增強(qiáng)所述軸向直流勢(shì) 阱。備選地，環(huán)電極可設(shè)置于所述柵電極和多極線性離子陷阱的極之 間的，該環(huán)電極被偏置以增強(qiáng)所述軸向直流勢(shì)阱。
采用這種偏置布置，隨著冷卻氣體的壓力通過(guò)所述泵裝置降低， 俘獲離子可以在該多極線性離子陷阱內(nèi)軸向遷移，停止在所述直流勢(shì) 阱的底部，俘獲離子可以在該底部聚集以形成短的卵形離子云，該離 子云可以從該第一離子陷阱彈射。所述柵電極可以被偏置以使離子受 到朝向柵電極的靜電加速力，使離子從第一離子陷阱彈射朝向第二離 子陷阱。
在本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一離子陷阱為圓柱形離子陷 阱，該圓柱形離子陷阱包括具有縱軸的環(huán)電極，其中所述平坦樣品板 在該離子陷阱的前端形成該離子陷阱的所述端壁，以及柵電極在該離 子陷阱的后端形成該離子陷阱的端壁。
對(duì)于圓柱形離子陷阱的情形，直流偏置裝置可布置成在所述平坦 樣品板和所述柵電極之間建立偶極電場(chǎng)以致使俘獲離子彈射離開該第 一離子陷阱，且所述第二離子陷阱布置成建立另一偶極電場(chǎng)用以延遲 彈射離子。
該第二離子陷阱為能夠接收彈射離子并對(duì)接收的離子進(jìn)行質(zhì)量分 析的任何形式，并包括四極線性離子陷阱，該四極線性離子陷阱可以 是分段四極線性離子陷阱或雙曲面三維離子陷阱。
該第一離子陷阱和第二離子陷阱均為線性離子陷阱，其可以是分 段線性離子陷阱。在一些實(shí)施例中，第一離子陷阱和第二離子陷阱串 聯(lián)布置于公共縱軸上，而在其他實(shí)施例中，第一離子陷阱和第二離子 陷阱并行布置于相互平行的軸上，且用于彈射俘獲離子的裝置布置成 沿與所述平行軸正交的方向?qū)㈦x子從第一離子陷阱彈射到第二離子陷 阱。第一離子陷阱和/或第二離子陷阱可具有由承載導(dǎo)電軌跡的印刷電 路板形成的隧道結(jié)構(gòu)，在使用時(shí)高頻驅(qū)動(dòng)電壓和直流偏置電壓施加到 該導(dǎo)電軌跡。


現(xiàn)在參考附圖示例性地描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中 圖1為本發(fā)明的質(zhì)譜儀的示意性縱向斷面圖。 圖2說(shuō)明在俘獲和彈射離子時(shí)圖1的質(zhì)譜儀的第一和第二離子陷 阱內(nèi)的軸向直流電勢(shì)的變化。
圖3 (A)和(B)為本發(fā)明其他質(zhì)譜儀的示意性縱向斷面圖。
圖4為本發(fā)明的另一質(zhì)譜儀的示意性縱向斷面圖。
圖5說(shuō)明相對(duì)于施加到參考圖4所述圓柱形離子陷阱的環(huán)電極的
圖6和圖7為本發(fā)明的又一質(zhì)譜儀的示意性縱向斷面圖
具體實(shí)施例方式
參考圖1,質(zhì)譜儀包含收納在真空殼體3內(nèi)的電離區(qū)1和質(zhì)量分析 區(qū)2。將理解，所有下述實(shí)施例包括真空殼體，不過(guò)為了簡(jiǎn)化而僅在圖 1中說(shuō)明。電離區(qū)1包括用于俘獲由脈沖離子源產(chǎn)生的離子的第一離子 陷阱10，質(zhì)量分析區(qū)2包括有效地接收和分析從第一離子陷阱IO彈射 的離子的第二離子陷阱20。質(zhì)量分析區(qū)2還包括用于檢測(cè)從第二離子 陷阱20彈射的離子的離子檢測(cè)器D,
在本發(fā)明該實(shí)施例中，第一離子陷阱IO為四極線性離子陷阱，而 第二離子陷阱20為包括環(huán)電極21和兩個(gè)端蓋電極22、 23的雙曲面三 維離子陷阱。
兩個(gè)離子陷阱10、 20串聯(lián)布置在公共縱軸X-X上。該四極線性離 子陷阱包括四個(gè)相互平行的極ll,該四個(gè)極ll繞縱軸對(duì)稱布置。在使 用時(shí)，極11被供給由驅(qū)動(dòng)單元12產(chǎn)生的高頻矩形波形數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓， 該驅(qū)動(dòng)單元12為高壓數(shù)字開關(guān)電路的形式。將理解，可以備選地使用 任何其他合適形式的高頻驅(qū)動(dòng)電壓，例如正弦波形驅(qū)動(dòng)電壓。正弦波 形驅(qū)動(dòng)電壓可具有在射頻到音頻(適于具有非常大的質(zhì)量電荷比的離 子)范圍的頻率。將在下文中更詳細(xì)地描述，該驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生高頻四 極電場(chǎng)，該電場(chǎng)有效地將自由基離子運(yùn)動(dòng)限制在離子陷阱內(nèi)部。
按照類似方式驅(qū)動(dòng)第二離子陷阱20，但是可設(shè)置更多的受控掃描 功能用于質(zhì)量分析。
電離區(qū)1包括含有脈沖激光器13的脈沖離子源，該脈沖激光器13 布置成通過(guò)合適的光學(xué)系統(tǒng)將激光輻射脈沖引導(dǎo)在樣品S上以由此產(chǎn) 生離子脈沖。樣品S沉積在導(dǎo)電樣品板14上，樣品板14形成第一離 子陷阱10的端壁。因此，由樣品S的脈沖輻射產(chǎn)生的離子實(shí)際上形成 于離子陷阱內(nèi)部，這樣得到增大的俘獲效率。使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X-Y操 作臺(tái)(未示出)，相對(duì)于激光束來(lái)合適地定位樣品板14.這種布置使得 可以分別分析沉積在樣品板上的多個(gè)樣品而無(wú)需重新裝載樣品。
在本發(fā)明的該具體實(shí)施例中，脈沖離子源為優(yōu)選的MALDI離子 源，樣品材料與輻射吸收材料混合以形成基質(zhì)，該基質(zhì)沉積在樣品板 14上以暴露于激光輻射的脈沖。這種布置輔助電離過(guò)程。備選地，可 以使用其他已知形式的脈沖離子源，例如，脈沖二次離子發(fā)射、快速 原子轟擊以及電子感應(yīng)電離源。
電離區(qū)1還包括電磁驅(qū)動(dòng)電磁閥15(或者備選地，壓電驅(qū)動(dòng)閥)， 通過(guò)靠近離子陷阱的前端的入口管16將冷卻氣體(例如，Ar或He氣 體)的高壓脈沖局部地注入到第一離子陷阱10的內(nèi)部；以及高速泵17, 例如渦輪分子泵，隨后將離子陷阱內(nèi)的冷卻氣體的壓力降低到小于 5xl(T3 mbar的壓力。氣體在電磁閥15和第一離子陷阱10之間行進(jìn)的 距離應(yīng)盡可能短。管16的長(zhǎng)度應(yīng)小于管直徑的20倍，使得注入氣體 可以快速地泵抽，得到更短的壓力衰減拖尾。
第一離子陷阱10具有位于離子陷阱的后端的圓錐形柵電極18。將 描述，柵電極18是用于將離子彈射離開離子陷阱，但也用于輔助俘獲 過(guò)程。
直流電壓源(未示出)相對(duì)于極11上的平均軸向直流電勢(shì)將樣品 板14偏置在第一直流電勢(shì)，并相對(duì)于極上的平均軸向直流電勢(shì)將柵電 極18偏置在第二直流電勢(shì)。當(dāng)離子被俘獲在笫一離子陷阱內(nèi)時(shí)，根據(jù) 俘獲離子分別為帶正電荷離子或者帶負(fù)電荷離子，第一和第二直流電 勢(shì)均比極上的平均直流電勢(shì)具有更正或更負(fù)的電勢(shì)。因此，對(duì)于帶正 電荷離子的情形，平坦樣品板14和柵電極18均被偏置在比極11上的 平均直流電勢(shì)更正的直流電勢(shì)。直流偏置電壓可以在幾十伏到幾百伏 的范圍，取決于待俘獲的離子的質(zhì)量范圍以及線性離子陷阱10的長(zhǎng)度， 且柵電極18上的直流電勢(shì)優(yōu)選但不一定小于樣品板14上的直流電勢(shì)。 平坦樣品板14、柵電極18和極11上的直流電勢(shì)設(shè)置成在第一離子陷
阱10的縱軸上形成勢(shì)阱，該勢(shì)阱的底部鄰近柵電極18，如圖2的曲線 21所示。
已經(jīng)解釋，由脈沖離子源產(chǎn)生的大質(zhì)量離子(例如，質(zhì)量超過(guò) 10,000 Da的離子)通常具有高的動(dòng)能，通常高達(dá)100eV，且在離子可 以被高效地俘獲在第一離子陷阱10內(nèi)之前，該能量必需降低。為此， 冷卻氣體的高壓脈沖通過(guò)管16注入離子陷阱。這導(dǎo)致脈沖離子的快速 冷卻，其動(dòng)能和內(nèi)能隨之降低，使得離子在施加到極ll的矩形波形數(shù) 字驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生的四極電場(chǎng)的影響下被俘獲在第一離子陷阱10內(nèi)。
為了俘獲離子，特別是更高能量的大質(zhì)量離子，冷卻氣體脈沖應(yīng) 具有高的峰值壓力，該峰值壓力隨后通過(guò)泵抽而迅速降低，使得離子 可以容易地遷移到第一離子陷阱內(nèi)的合適位置用于后續(xù)彈射。
為了快速地增大氣壓，高壓氣體供給到閥15的入口。通常使用一 個(gè)大氣壓以上的氦氣或氬氣氣體。用于保持閥15開啟的電激勵(lì)脈沖可 以僅IOOjis短，且可以具有比連續(xù)保持閥開啟所需的電壓大十倍的電 壓。實(shí)際閥開啟時(shí)間將取決于閥頭恢復(fù)時(shí)間，但是應(yīng)小于真空系統(tǒng)的 抽空時(shí)間常數(shù)，且通常小于5ms。入口閥15開啟時(shí)，在真空系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生 的氣壓迅速增大。理論上，真空系統(tǒng)將在抽空時(shí)間常數(shù)之后達(dá)到平衡壓 力。該抽空時(shí)間常數(shù)定義為離子陷阱腔的體積除以有效泵抽速度。例如， 假設(shè)真空腔體積為1升且該腔的有效泵抽速度為50升每秒，則抽空時(shí)間 常數(shù)為20 ms。該時(shí)間間隔為從入口閥15開啟的時(shí)間到平衡壓力所需的 時(shí)間。位于閥入口的高壓頭可導(dǎo)致壓力遠(yuǎn)高于10" mbar，且如果入口閥 15將連續(xù)地保持開啟，這將阻止渦輪分子泵運(yùn)行。然而，遠(yuǎn)在達(dá)到平衡 壓力之前，入口閥15閉合(通常小于5ms之后)，因此暴露于高的初始 壓力的第一離子陷阱腔的唯一區(qū)域?yàn)槲挥跉怏w入口管16緊鄰區(qū)域，且入 口閥15閉合時(shí)，該壓力將立即開始下降。
抽空時(shí)間常數(shù)為20 ms時(shí)，離子陷阱腔內(nèi)的壓力將在約60 ms內(nèi)從 5xl0-2mbar下降至低于lxi(r3mbar。將理解，該時(shí)間估算未考慮離子陷 阱腔內(nèi)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有考慮吸附/解吸的影響，因此實(shí)際上會(huì)需要更 長(zhǎng)的時(shí)間間隔。然而，所述操作程序確實(shí)可以產(chǎn)生短的高壓氣體脈沖， 使得離子陷阱內(nèi)由脈沖離子源產(chǎn)生的高動(dòng)能離子迅速冷卻，而不需要任 何差分泵抽。在冷卻氣體脈沖已經(jīng)注入真空系統(tǒng)內(nèi)之后，在脈沖離子源 被激勵(lì)之前會(huì)存在延遲(通常10 ms )，從而使得氣壓增大。通常要花60 ms
以上泵抽降低氣壓，因此可以在該時(shí)間段內(nèi)將激光脈沖序列引導(dǎo)在樣品s 上，從而在同一分析周期內(nèi)產(chǎn)生附加離子用于分析。
隨著冷卻氣體的壓力通過(guò)泵抽降低，俘獲離子能夠朝前述勢(shì)阱的底 部遷移，俘獲離子可以在該位置聚集以形成短的卵形離子云，且俘獲離 子可以隨后從該低能區(qū)域彈射。
在任何離子彈射離開第一離子陷阱10之前，供給到第二離子陷阱 20的矩形波形數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓被完全切斷，或者設(shè)置在比由待分析離子的 質(zhì)量范圍決定的水平低的降低水平，從而使得彈射離子進(jìn)入第二離子陷 阱20的俘獲體積。就此而言，使用由開關(guān)電路產(chǎn)生的高頻矩形波形數(shù)字 驅(qū)動(dòng)電壓是有利的，因?yàn)殚_關(guān)電路可以容易地切斷。
為了將俘獲離子彈射離開第一離子陷阱10，柵電極18被偏置于比 極ll上的平均直流電勢(shì)正值更小(對(duì)于帶正電荷離子)或者負(fù)值更小(對(duì) 于帶負(fù)電荷離子)的直流電勢(shì)。圖2的曲線22示出在彈射過(guò)程中沿著第 一離子陷阱的軸的直流電勢(shì)變化，且從曲線22看出，柵電極18上的 直流電勢(shì)遠(yuǎn)低于(通常低幾十到幾百伏)極ll上的直流電勢(shì)，由此使 俘獲離子受到朝向柵電極18的加速力，導(dǎo)致俘獲離子快速地從笫一離 子陷阱彈射。
對(duì)于質(zhì)量為10，000Da的分析離子，彈射離子到達(dá)笫二離子陷阱的 中心所需時(shí)間為40至50fis,且質(zhì)量比這更大或更小的離子分別需要更 長(zhǎng)或更短的時(shí)間。如圖2的曲線22所示，第二離子陷阱20的入口端 蓋電極22上的直流電勢(shì)設(shè)置成使彈射離子在第二離子陷阱受到減速力 (retarding force )。第二離子陷阱20縱軸上的直流電勢(shì)變化可以調(diào)節(jié) 成具有大致上反二次形式，如圖2所示，且先進(jìn)入第二離子陷阱的更 輕更快的離子被減速，使得更重更慢的離子能夠趕上，由此加寬第二 離子陷阱內(nèi)可以俘獲的離子的質(zhì)量范圍以及改善傳輸效率。當(dāng)基本上 所有彈射離子到達(dá)第二離子陷阱20的中心時(shí)，高頻矩形波形數(shù)字驅(qū)動(dòng) 電壓又接通，或者恢復(fù)到其正常水平，形成贗勢(shì)阱用于俘獲所傳輸?shù)?離子。這在圖2中用曲線23表示。
當(dāng)供給冷卻氣體以及被泵抽離開第一離子陷阱10時(shí)，部分冷卻氣 體會(huì)擴(kuò)散到第二離子陷阱20內(nèi)。當(dāng)離子從第一離子陷阱10傳輸?shù)降?二離子陷阱20時(shí)，第二離子陷阱20內(nèi)冷卻氣體的壓力會(huì)達(dá)到約lxl(T3 mbar的壓力，這完全適于冷卻離子和實(shí)施質(zhì)量分析程序。這些質(zhì)量分
程序包括前驅(qū)體隔離、碰撞感應(yīng)解離和質(zhì)量相關(guān)的彈射，并且對(duì)于 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講是公知的。
參考圖1所述的第一離子陷阱10具有單組的極11，且證明難以滿
意地調(diào)整沿著離子陷阱軸的直流電勢(shì)的變化，除非極ll較短。
圖3 (A)示出減輕這一問(wèn)題的本發(fā)明備選實(shí)施例；在所有其他方 面，其操作大致上與參考圖1所述的實(shí)施例相同。圖3(A)所示的許 多部件與圖1所示相同且使用相同參考符號(hào)。
參考圖3(A),每個(gè)極11被分段，包括較長(zhǎng)段ll，和鄰近柵電極 18的較短段ll，，。
在本實(shí)施例中，高頻矩形波形數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓通過(guò)電容性耦合30供 給到極的兩個(gè)段ll，、 11"，且直流電壓源31供給直流偏置電壓到較短 段11"，相對(duì)于較長(zhǎng)段ll，上和柵電極18上的軸向直流電勢(shì)降低該段上 的軸向直流電勢(shì)，由此形成較短的離子群可以俘獲于其中的較窄勢(shì)阱。 當(dāng)離子群彈射離開第一離子陷阱10時(shí)，柵電極18上的直流電勢(shì)減小 低于較短段ll"上的直流電勢(shì)，使得離子群快速加速離開第一離子陷阱 10朝向笫二離子陷阱20。
使用分段線性離子陷阱的另 一優(yōu)點(diǎn)為顯著減小彌散場(chǎng)效應(yīng)，使得 更容易除去不需要的離子。在冷卻氣體的壓力降低至低于10-3mbar的 壓力時(shí)，通過(guò)施加合適的質(zhì)量選擇彈射過(guò)程，不需要的離子可以彈射 離開該離子陷阱。這會(huì)涉及施加四極直流電壓到極，同時(shí)高頻驅(qū)動(dòng)電 壓的幅值和或頻率被調(diào)節(jié)從而僅保持選定質(zhì)量電荷比的離子，用于在 第二離子陷阱20中的后續(xù)分析，并由此實(shí)現(xiàn)可接受的質(zhì)量分辨率用于 前驅(qū)體離子選擇(多達(dá)幾百)。備選地，該質(zhì)量選擇性彈射過(guò)程涉及利 用例如已知"SWIFT"或"FNT"技術(shù)來(lái)使用寬帶補(bǔ)充驅(qū)動(dòng)電壓。
在不同實(shí)施例中，如圖3 (B)所示，第一離子陷阱10包括置于 極11和柵電極18之間的環(huán)電極32。直流電壓源31使用直流電勢(shì)來(lái)偏 置環(huán)電極32，該直流電勢(shì)比極ll上的平均軸向直流電勢(shì)低幾伏，在環(huán) 電極32的中心形成軸向勢(shì)阱。已經(jīng)被冷卻氣體冷卻的離子將穩(wěn)定地遷 移到該點(diǎn)并沿軸向被直流勢(shì)阱俘獲，受到供給到極ll的高頻驅(qū)動(dòng)電壓 產(chǎn)生的彌散四極電場(chǎng)徑向約束，且這些離子將停留在該勢(shì)阱內(nèi)，直到 通過(guò)上文已經(jīng)描述的方式減小柵電極18上的直流電勢(shì)而彈射離開第一 離子陷阱10。 圖4示出本發(fā)明另一實(shí)施例。同樣，圖4所示的許多部件與圖1 和3所示相同且使用相同參考符號(hào)。在本實(shí)施例中，圓柱形離子陷阱 40替代參考圖1和3所述實(shí)施例的線性離子陷阱10。
圓柱形離子陷阱40包括被施加合適的高頻驅(qū)動(dòng)電壓的圓柱形環(huán) 電極41，該高頻驅(qū)動(dòng)電壓可以是高頻矩形波形數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓或者備選 地正弦波形驅(qū)動(dòng)電壓。
如前所述，樣品板14在離子陷阱40的前端形成端壁，且在本實(shí) 施例中，柵電極18在離子陷阱40的后端形成端壁。此外，脈沖離子 源為MALDI離子源，且在本實(shí)施例中，激光脈沖沿著第一和第二離子 陷阱的縱軸X-X被引導(dǎo)在樣品S上。備選地，激光脈沖可以通過(guò)形成 于圓柱形環(huán)電極41內(nèi)的合適窗口而引導(dǎo)在樣品上。還設(shè)置有樣品掩模 42。將暴露于激光脈沖的樣品S的一部分與樣品掩模42內(nèi)的開口 43 對(duì)齊，而樣品S的其他部分不暴露于激光脈沖且不暴露于由于電離過(guò) 程產(chǎn)生的離子。激光脈沖的時(shí)序優(yōu)選地相對(duì)于施加到圓柱形環(huán)電極41 的驅(qū)動(dòng)電壓的波形具有預(yù)定相位關(guān)系。如圖5所示，用于產(chǎn)生帶正電 荷離子的優(yōu)化時(shí)序是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的相位為270°至350°時(shí)，如箭頭51 所示，而用于產(chǎn)生帶負(fù)電荷離子的優(yōu)化時(shí)序是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的相位為90° 至170°時(shí)，如箭頭52所示，這些相位是參照在每個(gè)波形的上升沿上的 零點(diǎn)出現(xiàn)的0。相位。如前所述，冷卻氣體的脈沖通過(guò)管16注入第一離 子陷阱40的內(nèi)部，且冷卻氣體的壓力隨后通過(guò)泵抽而降低。此外，樣 品S的脈沖輻射和冷卻氣體的注入的時(shí)序被同步，冷卻氣體注入之后 具有短的延遲。因此，離子云被俘獲在第一離子陷阱40的中心。
為了彈射俘獲離子，偶極電場(chǎng)快速形成于樣品板14和柵電極18 之間，使得俘獲離子受到沿第二離子陷阱20方向的加速力。同時(shí)，相 反極性的偶極電場(chǎng)形成于第二離子陷阱20的兩個(gè)端蓋電極22、 23之 間，進(jìn)入第二離子陷阱20的俘獲體積的離子因此被延遲并暫停于離子 陷阱中心附近。當(dāng)離子如此傳輸時(shí)，施加到兩個(gè)離子陷阱的高頻驅(qū)動(dòng) 電壓被切斷或者設(shè)置在降低的電平。附加靜電透鏡44設(shè)置于第一和第 二離子陷阱40、 20之間，從而在離子傳輸時(shí)聚焦離子。
通過(guò)恰當(dāng)?shù)仄玫谝浑x子陷阱40的樣品板14、柵電極18和環(huán)電 極41以及第二離子陷阱20的兩個(gè)端蓋電極22、 23和環(huán)電極21，可以 調(diào)整軸X-X上的軸向直流電勢(shì)的變化，且這可以用于影響離子傳輸?shù)?br> 特性，改善在離子陷阱之間傳輸離子的效率和/或增大傳輸離子的質(zhì)量 范圍。
PCT/CA2005/00086描述了 一種具有由承栽導(dǎo)電軌跡的印刷電路 板(PCB)形成的隧道結(jié)構(gòu)的離子陷阱布置，該離子陷阱布置可以用 于產(chǎn)生離子俘獲、該布置的俘獲部分和分析部分之間的離子傳輸、以 及離子分析所需的電場(chǎng)。
圖6示出基于這種布置的本發(fā)明另一實(shí)施例。
參考圖6，質(zhì)譜儀包括串聯(lián)布置在公共縱軸X-X上的第一線性離 子陷阱61和第二線性離子陷阱71。
如前所述，兩個(gè)離子陷阱61、 71具有隧道結(jié)構(gòu)，該隧道結(jié)構(gòu)是由 承栽導(dǎo)電軌跡的PCB 62形成，該導(dǎo)電軌跡凈皮施加適當(dāng)?shù)母哳l驅(qū)動(dòng)電壓 和直流偏置電壓。如前所述，第一離子陷阱61用于俘獲由脈沖離子源 產(chǎn)生的離子，第二離子陷阱71用于接收和分析從第一離子陷阱61彈 射的離子。此外，該脈沖離子源為優(yōu)選的MALDI離子源。激光脈沖被 引導(dǎo)沿著X-X軸并通過(guò)合適的透鏡系統(tǒng)69聚焦在沉積于樣品板65上 的樣品S上，該樣品板65在第一離子陷阱61的前端形成端壁。
兩個(gè)線性離子陷阱61、 71通過(guò)具有孔的柵電極63分隔。按照參 考先前實(shí)施例已經(jīng)描述的方式，借助于通過(guò)管67導(dǎo)入第一離子陷阱61 內(nèi)部的脈沖冷卻氣體，由脈沖離子源產(chǎn)生的離子被俘獲在笫一離子陷 阱61內(nèi)。如前所述，冷卻氣體的壓力通過(guò)泵抽而降低。
在施加有合適的高頻驅(qū)動(dòng)電壓和直流偏置電壓時(shí)，導(dǎo)電軌跡能夠 產(chǎn)生俘獲多極電場(chǎng)用于沿徑向限制離子，并產(chǎn)生直流電場(chǎng)用于在隧道 結(jié)構(gòu)內(nèi)軸向俘獲或傳輸離子。由此，俘獲在第一離子陷阱61內(nèi)的離子 按已知方式容易傳輸?shù)降诙x子陷阱71用于分析。笫二離子陷阱71 包括離子檢測(cè)器64，該離子檢測(cè)器沿與X-X軸正交的方向通過(guò)質(zhì)量選 擇性彈射技術(shù)來(lái)檢測(cè)從第二離子陷阱71彈射的離子。
圖7示出本發(fā)明備選實(shí)施例，其具有與參考圖6所述相似的隧道 結(jié)構(gòu)。該實(shí)施例具有與圖6所述實(shí)施例的相同部件，這些部件使用相 同參考符號(hào)，
該實(shí)施例與圖6的實(shí)施例不同之處在于，第一和第二離子陷阱61、 71并行地布置在相互平行的軸X-X、 Y-Y上。如前所述，借助于通過(guò) 管67導(dǎo)入離子陷阱內(nèi)部的脈沖高壓冷卻氣體，第一離子陷阱61用于
俘獲由脈沖離子源(也是MALDI離子源)產(chǎn)生的離子。此外，樣品板 65形成第一離子陷阱61的端壁，且激光脈沖沿X-X軸被聚焦在樣品S 上。沿著與軸X-X和Y-Y正交的方向，俘獲離子彈射離開第一離子陷 阱61，并通過(guò)合適的狹縫或孔傳輸?shù)降诙x子陷阱71內(nèi)用于分析。這 可以通過(guò)在第一離子陷阱61內(nèi)使用偶極加速并在第二離子陷阱71內(nèi) 使用偶極延遲，按照參考圖3所述彈射過(guò)程相似的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本 實(shí)施例中，通過(guò)施加合適脈沖電壓到PCB結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電軌跡來(lái)產(chǎn)生所 需的橫向電場(chǎng)。如參考圖6所述的實(shí)施例的情形，第二離子陷阱71包 括離子檢測(cè)器64，該離子檢測(cè)器沿與軸X-X和Y-Y正交的方向通過(guò)質(zhì) 量選擇性彈射技術(shù)來(lái)檢測(cè)從第二離子陷阱71彈射的離子。此外，如果 第一離子陷阱61內(nèi)的冷卻氣體的壓力通過(guò)泵抽降低到恰當(dāng)水平，使用 質(zhì)量選擇性共振彈射可以將選定質(zhì)量范圍內(nèi)的粒子傳輸?shù)降诙x子陷 阱71，由此可以實(shí)施級(jí)聯(lián)質(zhì)量分析。
一般而言，所述實(shí)施例采用脈沖離子源與動(dòng)態(tài)氣壓結(jié)合，該動(dòng)態(tài) 氣壓可以高效地冷卻離子并提高離子傳輸時(shí)的離子遷移率，由此降低
或消除對(duì)于會(huì)增加儀器成本和復(fù)雜性的差分泵抽的需要，并改善離子 會(huì)被俘獲在第一離子陷阱的效率以及隨后彈射俘獲的離子，用于第二 離子陷阱內(nèi)的質(zhì)量分析。盡管已經(jīng)參考帶正電荷離子描述了本發(fā)明一 些實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，通過(guò)簡(jiǎn)單地反轉(zhuǎn)極性即 可容易地實(shí)施帶負(fù)電荷離子的情況。
權(quán)利要求
1. 一種質(zhì)譜儀，包括:脈沖離子源；第一離子陷阱，用于俘獲由所述脈沖離子源產(chǎn)生的離子以及用于定位隨后從所述第一離子陷阱彈射的俘獲離子；進(jìn)氣裝置，用于在適于使所述第一離子陷阱能夠俘獲所述離子的峰值壓力下將冷卻氣體脈沖引入所述第一離子陷阱；泵裝置，用于在所述俘獲離子從所述第一離子陷阱彈射之前降低所述冷卻氣體的壓力；以及第二離子陷阱，用于接收和分析從所述第一離子陷阱彈射的離子，所述脈沖離子源包括平坦樣品板，樣品沉積于所述平坦樣品板上且所述平坦樣品板形成所述第一離子陷阱的端壁，所述脈沖離子由此產(chǎn)生于所述第一離子陷阱內(nèi)部。
2. 如權(quán)利要求1所述的質(zhì)譜儀，其中所述脈沖離子源包括激光器和 用于將激光輻射脈沖引導(dǎo)在所述樣品上的裝置。
3. 如權(quán)利要求2所述的質(zhì)譜儀，其中所述脈沖離子源為MALDI離 子源。
4. 如權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譖儀，其中所述泵裝置為真 空泵。
5. 如權(quán)利要求4所述的質(zhì)諉儀，其中所述泵裝置為渦輪分子泵。
6. 如權(quán)利要求l至5任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述進(jìn)氣裝置包 括電磁驅(qū)動(dòng)閥。
7. 如權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述進(jìn)氣裝置包 括壓電驅(qū)動(dòng)閥。
8. 如任一前述權(quán)利要求所述的質(zhì)謙儀，其中所述進(jìn)氣裝置在5xl(T2 mbar至1 mbar范圍的峰值壓力下將所述冷卻氣體脈沖引入所述第一離 子陷阱。
9. 如權(quán)利要求8所述的質(zhì)譜儀，其中所述泵裝置將所述壓力降低至 小于5xl(T3 mbar的壓力。
10. 如權(quán)利要求6或7所述的質(zhì)譜儀，其中所述閥開啟的時(shí)間段小 于由所述泵裝置獲得的抽空時(shí)間常數(shù)。
11. 如權(quán)利要求IO所述的質(zhì)譜儀，其中所述時(shí)間段小于5ms。
12. 如權(quán)利要求l至ll任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中在激勵(lì)所述進(jìn) 氣裝置和隨后激勵(lì)所述脈沖離子源之間存在預(yù)置延遲。
13. 如權(quán)利要求1至12任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第一離子 陷阱為多極線性離子陷阱。
14. 如權(quán)利要求13所述的質(zhì)譜儀，其中所述多極線性離子陷阱包括 位于所述第一離子陷阱的后端的柵電極，所述柵電極被選擇性偏置以反 射或彈射離子。
15. 如權(quán)利要求14所述的質(zhì)譜儀，其中所述柵電極被偏置以在所述 第一離子陷阱內(nèi)形成軸向直流勢(shì)阱，由此在所述俘獲電子從所述第一離 子陷阱彈射之前在所述第 一 離子陷阱內(nèi)定位所述俘獲離子的云。
16. 如權(quán)利要求15所述的質(zhì)譜儀，其中所述多極線性離子陷阱為分 段多極線性離子陷阱，其中每一極包括與所述第一離子陷阱的所述后端 相鄰的較短段，每個(gè)所述較短段被偏置以增強(qiáng)所述軸向直流勢(shì)阱。
17. 如權(quán)利要求15所述的質(zhì)譖儀，包括位于所述柵電極和所述第一 離子陷阱的極之間的環(huán)電極，所述環(huán)電極被偏置以增強(qiáng)所述軸向直流勢(shì) 阱。
18. 如權(quán)利要求13至17任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述多極線 性離子陷阱為四極線性離子陷阱。
19. 如權(quán)利要求l至12任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第一離子 陷阱為圓柱形離子陷阱，所述圓柱形離子陷阱包括具有縱軸的環(huán)電極， 其中所述平坦樣品板在所述離子陷阱的前端形成所述離子陷阱的所述端 壁，以及柵電極在所述離子陷阱的后端形成所述離子陷阱的端壁。
20. 如權(quán)利要求19所述的質(zhì)譜儀，其中當(dāng)供給到所述環(huán)電極的高頻 驅(qū)動(dòng)電壓的相位對(duì)于帶負(fù)電荷離子在90°至170。范圍以及對(duì)于帶正電荷 離子在270°至340°范圍時(shí)，所述脈沖離子源被激勵(lì)，其中所述相位是相 對(duì)于所述驅(qū)動(dòng)電壓波形的上升沿上的零點(diǎn)時(shí)間來(lái)表述。
21. 如權(quán)利要求19或20所述的質(zhì)譜儀，其中在彈射之前，離子被 定位以在所述圓柱形離子陷阱的幾何中心形成離子云。
22. 如權(quán)利要求14至17任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述柵電極 被偏置以使離子受到朝向所述柵電極的靜電加速力，致使離子從所述第 一離子陷阱彈射朝向第二離子陷阱。
23. 如權(quán)利要求19至21任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，包括直流偏置裝 置，所述直流偏置裝置布置成在所述平坦樣品板和所述柵電極之間建立 偶極電場(chǎng)以致使俘獲離子彈射離開所述第一離子陷阱，且所述第二離子 陷阱布置成建立另 一偶極電場(chǎng)用以延遲彈射離子。
24. 如權(quán)利要求l至24任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第二離子 陷阱為雙曲面三維離子陷阱或者四極線性離子陷阱。
25. 如權(quán)利要求24所述的質(zhì)譜儀，其中所述四極線性離子陷阱具有 分段的極。
26. 如權(quán)利要求1至18任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第一離子 陷阱和第二離子陷阱均為線性離子陷阱。
27. 如權(quán)利要求l至26任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第一離子 陷阱和笫二離子陷阱串聯(lián)布置于公共縱軸上。
28. 如權(quán)利要求1至26任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第一離子 陷阱和第二離子陷阱并行布置于相互平行的軸上，且用于彈射俘獲離子的裝置布置成沿與所述平行軸正交的方向?qū)㈦x子從第一離子陷阱彈射到 第二離子陷阱。
29. 如權(quán)利要求1至28任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第一離子 陷阱和/或所述第二離子陷阱具有由承栽導(dǎo)電軌跡的印刷電路板形成的隧 道結(jié)構(gòu)，在使用時(shí)射頻驅(qū)動(dòng)電壓和直流偏置電壓施加到所述導(dǎo)電軌跡。
30. 如權(quán)利要求l至29任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，包括位于所述第一 離子陷阱和第二離子陷阱之間的環(huán)或圓錐形靜電透鏡。
31. 如權(quán)利要求1至30任意一項(xiàng)所述的質(zhì)譜儀，其中所述第一離子 陷阱和/或第二離子陷阱是由開關(guān)電路產(chǎn)生的矩形波形數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)驅(qū) 動(dòng)。
32. —種參考附圖大致上如說(shuō)明書所描述的質(zhì)譜儀。
全文摘要
使用動(dòng)態(tài)壓力離子源的質(zhì)譜儀。一種質(zhì)譜儀，包括脈沖離子源；第一離子陷阱(10)，用于俘獲由該脈沖離子源產(chǎn)生的離子以及用于定位隨后從該第一離子陷阱彈射的俘獲離子。冷卻氣體脈沖在適于使該第一離子陷阱(10)能夠俘獲離子的峰值壓力下將引入第一離子陷阱(10)。渦輪分子泵(17)在該俘獲離子從該第一離子陷阱(10)彈射朝向第二離子陷阱(20)用于分析之前降低冷卻氣體的壓力。該脈沖離子源包括樣品板(14)，該樣品板形成該第一離子陷阱(10)的端壁。
文檔編號(hào)H01J49/42GK101385116SQ200680053293
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
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