開口阱質(zhì)譜儀的原理及設(shè)計(jì)

今天為大家介紹一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明授權(quán)專利——開口阱質(zhì)譜儀。該專利由萊克公司申請(qǐng)，并于2016年10月12日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說明

本發(fā)明總體上涉及質(zhì)譜分析、靜電阱和多通飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及包含具有非固定飛行路徑的開口靜電阱（open electrostatic trap）的設(shè)備及使用方法。

發(fā)明背景

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（TOF MS）被廣泛地用于分析化學(xué)中，用于各種混合物的識(shí)別和定量分析。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，這樣的分析的靈敏度和分辨率是重要的關(guān)注事項(xiàng)。為了提高TOF MS的分辨率，由Mamyrin等人提出的US 4 ，072 ，862（通過引用并入本文）公開了一種用于改進(jìn)與離子能量有關(guān)的飛行時(shí)間聚焦的離子鏡。為了提高TOF MS的靈敏度，由Dodonov等人提出的W09103071（通過引用并入本文）公開了一種提供將連續(xù)離子流有效地轉(zhuǎn)換為脈沖離子包的正交脈沖注入的方案。很久以前就認(rèn)識(shí)到用飛行路徑來度量TOF MS的分辨率。

為了在保持適度的物理長(zhǎng)度的同時(shí)提高飛行路徑，已經(jīng)提出了包含多反射（MRTOF）和多轉(zhuǎn)彎（MT-TOF）質(zhì)譜儀的多通飛行時(shí)間質(zhì)譜儀（M-TOF MS）。由Nazarenko等人提出的SU1725289（通過引用并入本文）介紹了一種使用二維無格柵和平面離子鏡的折疊路徑MR-TOF MS的方案。反射鏡幾何結(jié)構(gòu)和電勢(shì)被設(shè)置為提供同步離子振蕩。離子經(jīng)歷平面反射鏡之間的多次反射，同時(shí)在所謂的偏移方向（這里為Z軸）上緩慢地向檢測(cè)器漂移。通過改變離子注入角度來調(diào)整循環(huán)的數(shù)量和分辨率。但是，通過飛行時(shí)間檢測(cè)原理，該技術(shù)假定固定的飛行路徑，并且離子反射的數(shù)量被限制為很小，從而避免相鄰反射之間的重疊。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了新型的質(zhì)譜儀，即在本文中所稱的“開口靜電阱”，與現(xiàn)有技術(shù)E阱和M-TOF相比，其改進(jìn)了質(zhì)譜儀的參數(shù)（分辨率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍）的組合。與多通TOF類似，開口靜電阱（E阱）采用相同類型的分析儀的靜電場(chǎng)，其中，在從脈沖源行進(jìn)到檢測(cè)器時(shí)，離子包經(jīng)歷多次振蕩（在離子鏡之間的反射或靜電區(qū)內(nèi)的回路循環(huán)（loop cycle））。與多通TOF相反，E阱不采用將離子包限制在所謂的漂移方向（在本申請(qǐng)中總是Z方向）上的手段。脈沖離子源與離子檢測(cè)器之間的離子路徑由整數(shù)N個(gè)離子振蕩構(gòu)成，其中，數(shù)字N不是固定的，而是可以在某一跨度ΔΝ內(nèi)改變。譜解碼利用現(xiàn)有已知的關(guān)于每個(gè)多重譜組內(nèi)的測(cè)量強(qiáng)度分布和噴射定時(shí)的信息。

該方法主要可應(yīng)用于級(jí)聯(lián)式質(zhì)譜儀，并可應(yīng)用于具有在MS分析之前的離子分離的各種級(jí)聯(lián)的形式。因此，譜內(nèi)容是稀疏的（通常低于譜空間的1%），這允許由多個(gè)重疊信號(hào)來重構(gòu)譜。在僅使用MS的分析的情況中，與相關(guān)的遷移性m/z過濾一樣，通過將非重疊信號(hào)記錄在輔助檢測(cè)器上，通過使用前方時(shí)間分離，或通過化學(xué)噪聲抑制，來幫助信號(hào)解碼。

針對(duì)比如正交加速器、射頻和靜電脈沖離子導(dǎo)向器以及射頻離子阱的若干具體的脈沖轉(zhuǎn)換器和脈沖離子源來描述該方法。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種質(zhì)譜分析的方法，該方法包括下述步驟：使離子包通過提供同步離子振蕩的靜電場(chǎng)、射頻場(chǎng)或磁場(chǎng)；記錄與整數(shù)個(gè)離子振蕩循環(huán)的跨度相對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間譜（多重譜）；以及由包含多重譜的信號(hào)重構(gòu)質(zhì)譜。

其中，重構(gòu)的質(zhì)譜能夠用于質(zhì)譜分析。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種質(zhì)譜分析的方法，該方法包括下述步驟：形成來自被分析的樣品的多種核素的離子包；設(shè)置靜電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)提供在至少兩個(gè)方向上的空間離子捕獲和沿著中心離子軌跡的同步離子運(yùn)動(dòng)；注入所述離子包，以便離子通過所述靜電場(chǎng)，其中，所述離子包能夠形成多次離子振蕩；針對(duì)跨度ΔN內(nèi)的整數(shù)N個(gè)離子循環(huán)，在檢測(cè)器平面處檢測(cè)離子并測(cè)量離子包飛行時(shí)間（多重譜）；以及由包含多重譜的所檢測(cè)到的信號(hào)重構(gòu)質(zhì)譜。

一個(gè)實(shí)施例包含位于所述脈沖轉(zhuǎn)換器與所述檢測(cè)器之間的空間聚焦裝置，該空間聚焦裝置用于控制多重譜內(nèi)的峰值數(shù)量ΔN和離子包Z發(fā)散度。優(yōu)選地，為了控制與離子m/z相對(duì)的多重譜的數(shù)量，所述空間聚焦裝置可以被附著到具有時(shí)間變量信號(hào)的發(fā)生器?；蛘?，恒定靜電聚焦可以被用于提供多重譜內(nèi)的與m/z無關(guān)的強(qiáng)度分布。優(yōu)選地，本實(shí)施例還可以包含位于所述脈沖轉(zhuǎn)換器與所述離子檢測(cè)器之間的離子包轉(zhuǎn)向裝置。該轉(zhuǎn)向?qū)⒃试S控制傾斜角，從而控制多重譜內(nèi)的數(shù)量N和ΔN。

在另一組實(shí)施例中，所述脈沖轉(zhuǎn)換器包含正交加速器，該正交加速器用于將基本上沿Z方向傳播的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)離子束轉(zhuǎn)換為基本上沿X方向加速的離子包。優(yōu)選地，所述正交加速器可以包含具有用于離子提取的狹縫的平行板電極?；蛘撸鲛D(zhuǎn)換器包含在任一氣體條件的RF離子導(dǎo)向器，用于離子衰減，可選地，用于離子累積。再或者，所述脈沖轉(zhuǎn)換器可以包含在真空條件的RF離子導(dǎo)向器，以與前方的氣體RF離子導(dǎo)向器傳遞離子。再或者，該正交加速器可以包含用于離子徑向限制的靜電離子導(dǎo)向器。優(yōu)選地，所述連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)離子束的離子能量可以被控制，以調(diào)整在所述E阱中的離子反射的數(shù)量。優(yōu)選地，與中心離子軌跡的X-Z平面相比，所述正交加速器可以在Y方向上被移位，然后一組脈沖偏轉(zhuǎn)器將離子包返回到中心平面上。該布置防止離子在E阱內(nèi)被反射后擊中加速器?；蛘?，正交加速器可以被設(shè)置為與Z軸成小的傾斜角α，并且經(jīng)過E阱分析儀中的第一次反射后，離子被轉(zhuǎn)向，從而提供對(duì)由于傾斜和轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致的飛行時(shí)間偏離的相互補(bǔ)償。優(yōu)選地，傾斜和轉(zhuǎn)向的角度考慮到了在平板加速器或靜電離子導(dǎo)向器加速器的情況中連續(xù)離子束的有限能量或在氣體RF離子阱情況中接近零的離子能量所導(dǎo)致的離子軌跡傾斜角。在減小用于緊湊的軌跡折疊的E阱分析儀內(nèi)的離子軌跡傾斜角的同時(shí)，該布置將在正交加速器與轉(zhuǎn)向裝置之間提供更寬的Z空間。

本發(fā)明主要可應(yīng)用于級(jí)聯(lián)式質(zhì)譜儀，其中，質(zhì)譜本質(zhì)上是稀疏的。一個(gè)實(shí)施例還包含下面組中的至少一個(gè)母離子分離器：（i）質(zhì)量-電荷分離器；（ii）離子遷移率分離器；（iii）差分離子遷移率分離器；以及（iv）后面跟隨裂解單元的上述離子分離器中的任何一個(gè)。或者，為了改進(jìn)譜解碼，該實(shí)施例還可以在正交加速器之前包含RF離子阱和粗飛行時(shí)間分離器或者離子遷移率分離器。該加速器改進(jìn)了在開口E阱譜中的多重譜分離。優(yōu)選地，為了改進(jìn)E阱靈敏度和譜解碼，可以將離子注入到所述E阱之間的周期布置為比最重的m/z離子核素到檢測(cè)器的飛行時(shí)間更快。