专利名称：离子阱和在离子阱中解离离子的方法
技术领域：
本发明涉及一种离子阱和一种用于在离子阱中解离离子的方法，具体地，涉及一种四极离子阱，且涉及一种使用四极离子阱的串联质量分析。
背景技术：
可以通过采用离子阱分析仪来实现串联质量分析，其中离子阱分析仪可以具有磁回旋加速器(FTICR MS)或高频四极离子阱的形式。在串联质谱仪中，在捕获体积内选择并且分离具有特定质荷比的前体离子。然后使用多种已知激活方法之一，包括碰撞诱导解离(CID)、表面诱导解离(SID)、红外多光子解离(IRMPD)和电子捕捉解离(ECD)，来进行解离过程。使用质量扫描测量该过程产生的产物离子，以获得MS2谱。如果从产物离子中进一步选择前体离子并且重复解离过程，则随后的质量扫描将给出MS3谱。可以重复这种时域过程以产生MSn谱。串联质谱仪的能力非常重要，因为通过检测和分析特定的产物离子，MSn谱可以消除化学噪声，而同时增加了识别原始离子的化学结构的信心。这种串联质量分析在阐明和排序例如蛋白质和DNA的复杂分子结构中也是有效的。
在上述解离方法中，ECD是最新开发的，并且ECD提供了更广泛的序列信息。对于肽和蛋白质排序，ECD导致主链键裂(backbone bondcleavage)，以形成一系列c型和z型离子。这与通常使用的CID是相对的，CID仅能够分裂弱的肽键以形成b型和y型离子，导致易变的翻译后修饰的丧失。
然而，仅使用FTICR质谱仪才可以实现ECD。尽管四极离子阱被用于使用CID和IRMPD的串联质量分析，用于打碎蛋白质或肽离子，但是四极离子阱迄今为止并不能成功地合并ECD。可能是由于以下原因1.对于ECD，电子的动能必须非常低，通常为大约0.2eV。将这种低能量电子从电子源转移到离子捕获区域是非常难的。在采用强磁场的FTICR中，低能热发射电子总是被会聚，并且由磁场线引导，直到它到达捕获区域。在使用强时变电场来限定离子的四极离子阱的情况下，电场使注入的电子加速或者减速。如果使用正弦RF电压来产生捕获电场，则几乎不存在其中可以注入电子并且电子以所需动能到达离子阱中心的任何实际时间窗口。注入的电子被加速到更高的能量或者简单地由电场发射。由于这些高能量电子撞击而引起的分裂屏蔽了从ECD获得的有用信息，并且难以在RF捕获电压具有正确的相位时选通电子注入以与窄时间窗口一致。
2.根据ECD的当前理论模型，电子捕捉解离的机制需要产生并保持前体离子的所谓Rydberg状态。然而，四极离子阱中的高电场易于破坏Rydberg状态，使得从Rydberg轨道去除电子使之成为连续能谱。即使在离子阱的中心区域中(离子云可以占据直径在2mm以上的空间)，场强仍然会使得中间激励状态消失，因此降低ECD的效率。
3.通常在离子阱中使用缓冲气体以引起碰撞冷却。缓冲气体压力通常为大约1O-3mBar压力，并且在捕获的离子和缓冲气体之间会发生每毫秒几百次碰撞。在离子阱中与缓冲气体的这种碰撞也会破坏Rydberg状态，因此降低ECD的效率。
然而，由于与FTICR仪器相比，四极离子阱质谱仪构造更加廉价，所以在四极离子阱中实现ECD提供了更具吸引力的方法。在美国专利6,653,662B2中，Jochen Franzen公开了在3D RF四极离子阱中实现ECD的过程。该方法包括通过具有RF电压的离子阱电极中的孔来注入电子，由此在RF周期期间使电子源保持为离子阱的中心处实现的最高正电势。利用该方法，电子可以到达阱的中心，在满足ECD的低能量要求的同时，与存储的离子互相作用几纳秒的时间。尽管该方法克服了上述的第一问题，但是它导致非常窄的电子束可以辐射捕获离子的时间窗口。可以预期注入的电子将由整个离子云的势阱捕获，从而在连续的RF周期上存活并且积累。然而，这种预期既没有理论依据，也没有实验依据。
ECD被用于解离多电荷正离子，并且是电子诱导解离的一个示例。在电子诱导解离的另一个示例中，使电子注入离子阱以通过所谓电子逸出解离来解离负离子。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种在离子阱中解离离子的方法，包括步骤在离散的电压电平之间切换捕获电压，以产生用于在离子阱的捕获区域内捕获前体离子和产物离子的数字捕获场；以及在捕获电压处于选定的所述电压电平的同时将电子注入所述离子阱，使得注入的电子以适于发生电子诱导解离的动能到达捕获区域。
根据本发明的另一个方面，提供了一种离子阱，包括开关装置，用于在离散的电压电平之间切换捕获电压，以产生用于在离子阱的捕获区域内捕获前体离子和产物离子的数字捕获场；电子源；以及控制装置，用于在捕获电压处于所述电压电平中选定之一的同时使源电子注入所述离子阱，使得注入的电子以适于发生电子诱导解离的动能到达捕获区域。
本发明可以扩展其中低能量电子可以到达离子阱中的离子云以进行有效的离子电子互相作用的时间窗口。本发明还可以在解离过程期间在使离子保持在捕获区域中的同时降低电场强度。
可以降低捕获区域中缓冲气体的压力，以便在ECD过程期间保持所需的离子的中间状态。
为了扩展ECD的时间窗口，必须修改传统的正弦RF捕获波形。GB1346393公开了一种由周期矩形或梯形波形驱动的四极质谱仪。WO0129875还公开了一种数字离子阱驱动方法，其中由在高和低电压电平之间切换的电压来驱动捕获场。该捕获方法提供了将电子注入捕获区域并使它们与捕获的离子互相作用的机会。
在本发明的优选实施例中，离子阱包括用于产生磁场以将注入的电子引导到捕获区域的装置。
现在仅作为示例来参考附图描述本发明的实施例，图中图1示出了会发生ECD的四极离子阱；图2示出了在ECD过程期间施加到离子阱的RF驱动电压的波形(标号1)和施加到电子发射器的脉冲选通电压的波形(标号2)；图3是示出了电子注入3D离子阱的仿真，其中，初始电子能量是1eV，并且在到达离子阱的中心区域时减少为0.2～0.7eV；图4示出了具有三个离散电压电平的RF驱动电压的波形；图5示出了用于实现图4的三电平驱动电压的切换电路；图6(a)和6(b)示出了施加磁场以有助于电子注入，其中图6(a)示出了以减少的能量通过端盖电极中的孔被注入的电子束，图6(b)示出了通过环形电极中的孔被引入的电子束；图7示出了会发生ECD的线性四极离子阱；图8示出了施加到线性离子阱的X和Y电极的RF驱动电压的波形；图9(a)示出了在线性四极离子阱中的ECD的实现，图9(b)示出了沿线性四极离子阱的轴的DC电压变化。
具体实施例方式
附1示出了本发明的一种实施方式，其中，3D离子阱的环形电极7与一对开关1、2相连。开关1、2是如图1所示串联在一起的电子开关。在该实施例中，开关1与高电平DC电源4相连，开关2与低电平DC电源5相连。交替地闭合和断开开关，以产生施加到四极离子阱的环形电极7的矩形波形的驱动电压。四极离子阱在发射端盖电极8中具有至少一个孔，离子可以通过该孔经过引出电极9被发射到离轴检测器10。离轴检测器10包括转换倍增极10a和电子倍增器10b。当激活ECD过程时，切断检测器10上的高电压偏置，并且打开电子发射器11。通过控制施加到门12的脉冲选通电压来产生脉冲电子束15。图2的波形1示出了施加到环形电极7的驱动电压的时序，而图2的波形2示出了施加到选通电极12的脉冲选通电压的时序。还由虚线3示出了捕获的离子所聚集的离子阱中心处的电势。参考图1，当环形电极7上的电压经历负向偏移(excursion)时(例如在-500V)，产生电子束15。在r0＝1.414z0的离子阱的情况下(其中r0是径向尺度，z0是轴向尺度)，如图1所示，离子阱中心处的电势是-250V。电子发射器11同样偏置在-250V电压处，并且当电子接近端盖电极8中的孔时它们被加速到250eV，从而使得它们更易于通过孔。在电子进入了离子阱之后，由“静态”四极场使电子减速。这是因为电子运动与一个波形偏移所需的微秒时间间隔相比相对较快。在几纳秒内，电子到达离子阱的中心区域，但是丧失了大部分动能，并可以由捕获的多电荷离子捕捉。图3示出了按照上述方式注入离子阱的4个电子的仿真。由-249V的发射器11产生的电子最初具有1eV的初始动能，并且相对于离子阱轴的初始角度直至88度(即几乎所有可能的角度)。发射点范围的半径在0和0.6mm之间。一旦电子进入离子阱，它们就被沿横向强烈地会聚。
通过端盖电极8比通过环形电极7更容易注入电子。这是因为在后一种情况下，未在所有横向上会聚电子，即仅在离子阱的轴向上会聚电子，而在与阱轴垂直的方向上未会聚电子。
应用上述数字捕获电压可以扩展其中可以发生ECD的时间窗口，因此电子束的选通变为相对简单。因此，不再需要通过施加了捕获电压的电极来注入电子，以便避免高能量电子到达捕获中心并且击中离子云，如美国专利No.6,653,662所教导的。然而，通过环形电极7注入也具有一些优点，如下所述。
多种现有技术实施方式表明ECD产物离子强度并不与对电子的暴露时间成正比地增加。过度暴露会减少产物信号的强度，因为母离子峰远高于产物离子的峰。这是由于产物离子由随后的电子捕捉使之中和。然而，如果施加适当的激励波形，可以从离子电子相互作用区域中去除产物离子。如果如上所述，通过四极离子阱的环形电极注入电子，则电子沿z方向被压缩，并且到达x-y平面中心的离子云。可以通过在端盖电极两端施加偶极反馈(tickling)电压，从该平面选择性地去除离子。当选择了前体离子的质荷比时，可以容易地利用向前体离子的现实(secular)频率分配的陷波频率来产生陷波滤波的宽带激励波形。当将激励波形施加到端盖电极时，将从发生电子辐射的中心平面去除除前体离子之外的所有离子。通过这种方式，将从离子阱的中心去除通过ECD过程产生的产物离子，因此使之免受级联衰变，并且可以聚集有用的产物离子。
即使在通过端电极中的孔注入电子时，也可以通过检查图3认识到避免级联衰变的可选方法。在图3的仿真中，发射器的电势被设置在-249V并且初始电子动能是1eV，最大电子动能(250eV)刚刚够电子到达离子阱的中心。如果电子动能被设置为更低的值，例如使电子发射器的电势为更低的负值，则电子将在到达离子阱中心之前转向。在这种情况下，尽管在转向点处电子的动能低到足以使ECD发生，但是电子束和离子云不重叠，因此不会发生反应。然而，当将较小的偶极AC电压施加到端盖电极时，可以选择性地激励前体离子。由前体离子形成的离子云然后沿z轴扩展，并且进入与电子束重叠的区域。这将提供离子和电子具有发生ECD的有利低能量的互相作用区域。产物离子不会被激励，并因此冷却下来，运动到离子阱的中心，从而避免进一步与电子作用。
选择用于电子辐射的每个连续期优选地应该至少与无辐射期一样长。这产生了其中可以发生ECD的相对较宽的时间窗口，并且导致相对较低的绝对捕获电压值，因为整个周期上的平均DC电势通常为零，以便提供最宽的质量捕获范围。当在ECD过程期间使用更低的捕获电压时，会有保持Rydberg状态的更好时机。因此，当矩形波形电压更低并且针对离子电子互相作用选择波形的更长偏移时，可以提高ECD效率。
为了进一步降低ECD发生的场强，同时保持足够的捕获力，可以使用3电平数字波形。图4示出了这种波形，并且图5示出了可以用于产生这种波形的切换电路。在该可选实施例中，开关51与高电平DC电源54相连，开关53与低电平DC电源56相连。附加的开关52连接在中间电平DC电源55和电源54、56的结点之间。中间电平DC电源55可以具有在0至-1OOV的范围内的电压。当依次闭合和断开三个开关时，产生的输出电压具有如图4所示的阶梯波形。在每次中间电平偏移42期间，电子束被激活并且注入阱中。由于在离子阱的捕获区域内电场非常低，所以在解离开始之前，将不会破坏所产生的激励离子的中间状态。
除非在捕获区域内存在用于降低电子能量的足够的减速场，否则电子必须以非常低的动能注入捕获区域，以便发生ECD。将低能量电子束会聚到离子阱的中心是非常难的，所以多数电子不会到达与捕获的离子发生互相作用的离子阱中心。
为了解决该问题，将磁场施加到离子捕获区域。计算显示，小于150高斯的磁场将足以将热阴极产生的电子束限定为1mm直径内的束。这容易地使电子束与离子阱内的离子云重叠并互相作用。如图6a所示，可以由环绕离子阱的线圈60产生磁场。匝数和电流的积是大约2000A。产生的磁场强度对离子捕获的影响可忽略，并且可以在前体分离和质量扫描期间切断。
也可以将磁场用于会聚通过环形电极中的孔注入的电子束。利用这种方式，可以降低在x-y平面中心处沿x方向的发散度，并且提高ECD的效率。图6b示出了用于产生这种磁场的布置。如图所示，Helmholtz类型的线圈61和62被用于在离子捕获区域内产生磁场。
也可以通过切换电路来驱动线性四极离子阱，并且在WO 0129875中公开了该内容。与3D离子阱的情况相同，数字驱动的线性离子阱也提供了发生ECD的机会。图7中示出了驱动线性离子阱的一种方式。一对开关73与一对X电极72相连，并且另一对开关74与一对Y电极71相连。当开关对73、73交替地在高电压电平VH和低电压电平VL之间操作时，每一个都将矩形波形输出到相应的电极对72、71。可以将附加电路75用于在捕获体积内产生偶极场，以引起质量选择分离、CID和质量扫描所需的离子的共振激励。图8示出了施加到X和Y电极对的矩形波形的三个示例。在第一示例(a)中，两个矩形波电压1和2为反相。在捕获体积内产生的四极场3也具有矩形波形。在这种条件下，使用在现有技术中已经公开的方法，可以捕获和选择离子；然而，如果电子沿线性离子阱的轴行进，则电子易于被偏转。在第二示例(b)和第三示例(c)中，产生施加到X电极和Y电极的矩形波电压，其具有相对相移而不是反相。这使得捕获体积内的电场具有阶梯波形6或9，其中波形包括至少一个零场偏移。在配置(b)中，零场偏移在每个周期期间仅在X和Y电极都与较高的电压电平相连时发生一次。在配置(c)中，零场偏移在每个周期期间发生两次，一次在X和Y电极都与较高的电压电平相连时，一次在X和Y电极都与较低的电压电平相连时。在零场偏移期间，具有较低动能的电子可以沿X或Y方向无加速或偏转地沿轴行进。在沿阱轴的磁场的辅助之下，预期电子束与离子云重叠，使得ECD能够发生。配置(b)可以提供比配置(c)更大的ECD时间窗口；然而，因为使用了非对称矩形波形(占空周期＞0.5)，阱轴上的平均电势不再是零伏特。这会在设计线性离子阱两端的DC遏止电势时引起一些困难。利用配置(c)，平均DC电压是零伏特，因此可以使用施加DC遏止场的传统方法。两对电极都处于较高电压电平的时间间隔(在时间轴上用阴影块10标记)最好用于注入电子束。在图9a和9b中简要地示出了该实施例。
图9a示出了ECD用的与电子源结合的线性离子阱的示意图。在该配置中，线性离子阱具有前面部分93、主要部分91和后面部分92。可以经过门94和前面部分93引入离子，这些离子进入主要部分91，最终形成线性离子云90。图9b示出了在电子注入时刻沿离子阱的轴的DC电势，并且该时刻与图8b和8c中的时间间隔10相对应。在这些偏移期间，来自源11的电子从右手端入口95注入并进入阱部分92、91和93。在左手端，电子被反射，并且重新进入互相作用区域。因为预期电子在捕获体积内以非常低的能量沿阱轴行进，所以使用磁场来引导电子束。由一对Helmholtz线圈96和97来产生该磁场。必须调节线圈的位置，以调整磁场，使之与线性离子阱的轴平行。如上针对3D离子阱所述，可以使用AC偶极场来从产物离子中分离前体离子，以避免产物离子与电子束重叠。这可以避免产物离子的级联中和，从而提高ECD效率。
在ECD发生之前，需要脉冲气体注入来使离子运动冷却下来。具有恒定高压的缓冲气体会降低ECD的效率，因此不推荐该气体。将缓冲气体引入捕获区域的脉冲阀的时序必须与ECD时序同步(波形改变、电子选通和线圈充电)，以在ECD开始之前具有足够的抽空时间。
在线性离子阱的情况下，离子动能的大幅度衰减发生在具有相对较高气压的一个线性离子阱中，而ECD发生在气压较低的下游线性离子阱中。两个离子阱之间的孔可以用于保持气压差。
尽管描述了在施加数字捕获波形的一个选定电压电平期间注入电子，ECD不必仅在这部分波形偏移期间发生。在磁场的辅助下，注入的低动能电子可以在连续的波形偏移期间被捕获，并且继续与前体离子作用。对于3D离子阱，当图4中的电压电平42被用于注入低动能电子时存在这种机会。当环形电极上的电压步进到下一个电平时，由电场沿z轴方向捕获电子，并且由磁场沿径向捕获电子。对于线性离子阱，如果在偏移期间(如图8(c)中的阴影区域11所示，就在增加线性离子阱的轴向电势的转换之前)注入电子，则同样存在这种机会。
在本发明的可选实施例中，代替直接电子捕捉解离(ECD)，使用低动能电子的解离可以包括两级过程，其中，首先在离子阱的离子捕获区域内由气体分子捕捉电子，然后将电子转移到前体离子以引起解离。
此处公开的方法仅作为示例。可以设计各种配置，以利用由数字捕获电压驱动的3D或线性离子阱来执行ECD。例如，电子源可以被设置为离轴，或者被设计具有环形或中空形状，使得激光束能够撞击在离子云上，如电离或解离目的所需。根据本发明并入了ECD的离子阱可以是单独的质谱仪，或者可以组成串联质谱仪的一部分，就像在离子阱飞行时间混合系统中一样。
权利要求
1.一种在离子阱中解离离子的方法，包括步骤在离散的电压电平之间切换捕获电压，以产生用于在离子阱的捕获区域内捕获前体离子和产物离子的数字捕获场；以及在捕获电压处于选定的所述电压电平的同时将电子注入所述离子阱，使得注入的电子以适于发生电子诱导解离的动能到达捕获区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在电子进入离子阱之后，将注入电子的初始动能减小为适于发生电子诱导解离的所述动能。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在两个离散电压电平之间切换所述捕获电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，电子具有实质上适于电子诱导解离的相对较低的初始动能，并且在捕获电压处于零伏特或接近零伏特的同时被注入所述捕获区域。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，捕获电压具有三个离散电压电平，并且在捕获电压具有最低的绝对电压值的同时将电子注入所述捕获区域。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法，包括使用磁场来将注入的电子引导到捕获区域。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，使用被设置为由脉冲电流激励的电线圈来产生所述磁场。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，离子阱是3D四极离子阱，并且电子通过离子阱的端盖电极中的孔而注入捕获区域。
9.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，离子阱是3D四极离子阱，并且电子通过离子阱的环形电极中的孔或缝隙而注入捕获区域。
10.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，离子阱是线性四极离子阱。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，沿离子阱的纵轴从捕获区域的一端注入电子。
12.根据权利要求1至11之一所述的方法，包括在解离之前或之后，将气体脉冲引入离子阱的捕获区域，以引起离子的碰撞冷却。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用能够使气压快速降至10-4mbar以下的脉冲阀和真空泵，将所述气体脉冲引入捕获区域。
14.根据权利要求1至13之一所述的方法，包括向选通装置施加脉冲选通电压，以控制从电子源引出电子，用于注入到所述捕获区域，并且使所述脉冲选通电压的施加与将所述捕获电压切换到所述选定电压电平的步骤同步。
15.根据权利要求1至7之一所述的方法，包括向离子阱施加宽带偶极信号，以从离子阱的中心区域去除产物离子。
16.根据权利要求1至7之一所述的方法，包括向离子阱施加AC偶极信号，以选择性地激励前体离子。
17.根据权利要求1至16之一所述的方法，其中，捕获的前体离子包括多电荷前体离子，并且注入的电子具有小于1eV的动能，并且能够诱导所述多电荷离子的电子捕捉解离。
18.根据权利要求1至16之一所述的方法，其中，捕获的前体离子包括多电荷前体离子，并且所述方法包括步骤将气体引入离子阱的捕获区域，使得由气体的分子捕捉注入的电子，然后将电子转移到前体离子以引起解离。
19.一种离子阱，包括开关装置，用于在离散的电压电平之间切换捕获电压，以产生用于在离子阱的捕获区域内捕获前体离子和产物离子的数字捕获场；电子源；以及控制装置，用于在捕获电压处于所述电压电平中选定之一的同时使源电子注入所述离子阱，使得注入的电子以适于发生电子诱导解离的动能到达捕获区域。
20.根据权利要求19所述的离子阱，其中，所述开关装置被设置为在两个离散电压电平之间切换所述捕获电压。
21.根据权利要求19所述的离子阱，其中，所述电子具有实质上适于发生电子诱导解离的相对较低的初始动能，并且在捕获电压处于零伏特或接近零伏特的同时将电子注入所述捕获区域。
22.根据权利要求21所述的离子阱，其中，所述开关装置被设置为在三个离散电压电平之间切换所述捕获电压，并且所述控制装置被设置为在捕获电压具有最低的绝对电压值的同时使所述电子注入捕获区域。
23.根据权利要求19至22之一所述的离子阱，包括用于产生磁场以将注入的电子引导到捕获区域的装置。
24.根据权利要求23所述的离子阱，其中，用于产生磁场的所述装置包括电线圈和用于利用脉冲电流来激励线圈的装置。
25.根据权利要求19至24之一所述的离子阱，具有3D四极离子阱的形式，其中，电子通过离子阱的端盖电极中的孔或缝隙而注入捕获区域。
26.根据权利要求19至24之一所述的离子阱，具有3D四极离子阱的形式，其中，电子通过离子阱的环形电极中的孔或缝隙而注入捕获区域。
27.根据权利要求19至24之一所述的离子阱，具有线性四极离子阱的形式。
28.根据权利要27所述的离子阱，其中，沿离子阱的纵轴从捕获区域的一端注入电子。
29.根据权利要求19至27之一所述的离子阱，包括气体源，用于在解离之前或之后，将气体脉冲引入捕获区域，以引起离子的碰撞冷却。
30.根据权利要求29所述的离子阱，其中，气体源包括能够使气压快速降至10-4mbar以下的脉冲阀和真空泵。
31.根据权利要求19至30之一所述的离子阱，其中，所述控制装置包括选通装置；装置，用于向所述选通装置施加脉冲选通电压，以控制从所述电子源引出电子；以及装置，用于使所述脉冲选通电压的施加与将所述捕获电压切换到选定电压电平同步。
32.根据权利要求19至24之一所述的离子阱，包括装置，用于向离子阱施加宽带偶极信号，以从离子阱的中心区域去除产物离子。
33.一种在离子阱中解离离子的方法，实质上如参考附图所述。
34.一种离子阱，实质上如参考附图所述。
35.一种串联质谱仪，包括根据权利要求19至32以及权利要求34之一所述的离子阱。
全文摘要
一种四极离子阱，包括开关(3)，用于在离散的电压电平V
文档编号H01J49/42GK1922711SQ200580005744
公开日2007年2月28日 申请日期2005年2月23日 优先权日2004年2月24日
发明者丁力 申请人:岛津欧州研究所