具有同步弯曲离子界面的多反射飞行时间质谱仪的制作方法

专利名称：具有同步弯曲离子界面的多反射飞行时间质谱仪的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及质谱分析的领域，并且更具体地说，涉及质谱仪 设备，包括多反射飞行时间质谱仪(MR TOF MS)和一种使用方法。
背景技术：
飞行时间质镨仪(MR TOF MS )日益普及-作为独立仪器和作为 与另一个TOF (TOF-TOF)、与四重滤波器(Q-TOF)、或与离子 阱(ITMS-TOF)的质镨仪测定法级联的一部分。它们提供高速、灵 敏性、质量分辨率(下文叫做分辨率)及质量精度的独特组合。对于 复杂混合物的分析，典型地对于在生物技术和药品中的用途，希望甚
至更高的分辨率和质量精度。
多反射(multi-reflecting)和多轮次(multi-turn)方案的引入
最近已经导致飞行时间质谱仪的分辨率的实质改进。
在继续之前，有用的是定义贯穿本文使用的某些术语。如这里使 用的那样，"平面多反射飞行时间质量分析仪(planar multi-reflecting time-of-flight mass analyzer)"是一种包括两个细长离子反射镜的装 置，该离子反射镜优选地是无栅格的。离子在离子反射镜之间反射， 同时在离子反射镜的细长方向("漂移方向")上緩慢地漂移。
"象差(aberration)，，是指对于由初始离子参数的散布引起的空 间或飞行时间偏差的膨胀系数。
"一阶聚焦"与输出参数(所述装置的输出处)对输入参数的线性 变化的一阶导数的补偿相对应。 一阶膨胀系数常常称作"线性系数"或 "一阶导数"。 一阶聚焦可以包括下面讨论的"关于离子能量的一阶飞 行时间聚焦"、"关于空间坐标的一阶飞行时间聚焦"、"一阶空间聚 焦"、及"一阶空间按能量聚焦"。
"关于离子能量的一阶飞行时间聚焦"与飞行时间T对离子能量k 的导数，即dT/dk=T|k=0，的补偿相对应。进行这样的补偿的装置称 作"能量同步(energy isochronous )，，。
"关于空间坐标的一阶飞行时间聚焦"出现在"空间同步"装置中， 并且与如下相对应dT/dx=T|x=0、 dT/dy=T|y=0、 dT/da=T|a=0及 dT/dp=T|P=0。装置可以在一个垂直方向上是空间同步的，例如只有 T|x=0和T|a=0。
"空间坐标，，通常是指参考对于离子路径的两个角度a和p及垂直 坐标x和y，该垂直坐标x和y在与离子路径相垂直的方向上测量， 并且在某些情况下在同步平面内。
也仅仅称作"聚焦，，的"一阶空间聚焦"与输出空间坐标和角度关 于通常注释为x|x=0、 x|a=0、 a|a=0、 a|x=0、等等，的一阶导数的 补偿相对应。
也指示为"彩色"聚焦的"一阶空间按能量聚焦"与所谓的"消色" 装置相对应，是指输出空间坐标(和角度)关于离子能量变化的一阶 导数-xlk-O、 y|k=0、 a|k=0、及Plk-0的补偿。
"二阶象差，，是二阶导数，它们定义为模拟的，而且也指交叉项象 差。"二阶象差"的几个例子包括下面讨论的"关于离子能量的二和三 阶飞行时间象差"、"关于空间坐标的二阶飞行时间象差"、"二阶空间 象差"、及"二阶彩色象差"。
"关于离子能量的二和三阶飞行时间象差"分别是指 d2T/dk2=T|kk和d3T/dk3=T|kkk。 "二阶能量同步"是指T|k=0和
T|kk=0。
"关于空间坐标的二阶飞行时间象差"，即"二阶空间同步"，可以 与一个平面相对应，这是指所有T|x=T|a=T|xx=T|aa=T|xa=0。
"二阶空间象差"与x|xx、 x|xa、 x|aa、等等相对应。
"二阶彩色象差"与X|ak、 a|ak、 x|xk、 a|xk、等等相对应。
"空间同步装置"是指在装置的出口处，存在有所谓的"同步平 面"，即其中由位于装置前面的某一"基准平面"测得的离子飞行时间 对于离子轨迹的坐标和角度都线性独立的平面。在描述中，术语"同 步"是指空间同步。
"消色装置(achromatic device)"是在离子光学中使用的标准术 语。它是指装置对于离子能量没有线性坐标和角度分散。换句话说， 在装置出口处的离子坐标和角度在线性近似中不依赖于离子能量。由 一般离子光学[H.Wollnik， Optics of Charged Particles (充电粒子的光 学)，Acad， Press, Orlando, 1987，知道消色装置是具有都与中央离子 路径相垂直的基准平面和同步平面的自动空间同步装置。
"空间聚焦，，是指初始宽(平行、会聚或发散)离子束或簇进入小 尺寸"交叉"的几何聚焦。
"脉动转换器(pulsed converter)"是指把连续或准连续离子流 转换成离子包的装置。例子包括正交加速器或具有轴向或径向脉动离 子射出的离子阱。
"能量滤波性能，，是传送在有限能量范围内的离子、同时拒绝所有 其它离子的能力。如下面在本发明的详细描述中进一步详细描述的那 样，由于弯曲装置在内部某处创建能量分散，所以它们允许通过在通 常与几何聚焦的平面相重合的适当平面，即"交叉"平面，中设置挡块 (缝隙或孔径)而滤除能量范围。
"Matsuda板"是终止静电扇区场的电极，并且与弯曲离子路径的 平面平行地对准。板用来调节在与离子路径平面相正交的方向上的静 电等位线的曲率，即所谓的"环形因数"。
多轮次仪器的最近例子-MULTUM[Toyoda等，J.Mass Spectrom.
V.38，弁ll(2003)，pp.ll25-11421由四个静电扇区建造，以8字形布置离 子轨迹。该方案提供关于离子能量k、离子空间坐标x、 y及对应角度 a和(3的一阶飞行时间聚焦(T|k=T|x=T|a=T|y=T|P=0 )。对于亚毫米 尺寸的离子包和在1。/。以下的能量散布下表现出高分辨率-超过 300,000。为了达到高分辨率，离子通过500个封闭循环，其按比例减 小质量范围。
多反射仪器布置在两个同轴和无栅格离子反射镜之间 [H.Wollnik， Nucl.Instr.Meth.， A258(1987)289。关于离子能量和空间 坐标实现一阶飞行时间聚焦(T|k=T|x=T|a=T|y=T||3=0)。然而，方 案的最终参数由脉动离子注入限制。至少一个反射镜电压被切换，以 使离子进出分析仪。典型分辨率停留在50,000左右[A.Casares等，Int. J. of Mass Spectrom.206(2001)267。如在以前情况下那样，多反射自动 地限制可接受质量范围。
现有技术的大多数多反射和多轮次仪器不提供全质量范围，因为 离子轨迹封闭成环路。为了解决质量范围的问题，Nazarenko等[苏联 专利No.l725289]在1989年建议一种具有线锯形离子路径的平面多反 射飞行时间(MRTOF)分析仪。离子在两个平行且无栅格静电反射 镜之间反射，同时緩慢地在离子反射镜的细长方向x-"漂移方向"上漂 移。该方案避免离子轨迹的重复，并且这种方式保证TOFMS的全质 量范围。然而，离子包的逐渐膨胀引起离子轨迹在相邻反射处的空间 重叠。
为了避免离子包空间发散，本发明人通过在平面MR TOF MS 的离子反射镜之间引入周期透镜，进一步改进了由Anatoli Verentchikov等在2004年6月18日提交的共同授予PCT国际公报 WO 2005/001878 A3中所公开的MR TOF方案。透镜通过在穿过这 些连续透镜之后的周期性重新聚焦而保证沿中心线锯形离子轨迹的 离子限制(x|a=a|x=0)。
为了改进分析仪的象差，本发明人也建议使用优化几何形状的平 面离子反射镜。发现4是反射镜电极的最小足够数量以同时提供參在两次反射之后离子包的周期空间聚焦(y|P=p|y=0);
*关于离子空间坐标和能量的二阶飞行时间聚焦
(T|k=T|y=T|P=0; T|kk=T|yy=T||3p=T|ky=T|kp=T|yP=0 );及 关于离子能量的三阶飞行时间聚焦(T|kkk=0)。 模拟建议分析仪象差在7%的能量散布下和对于几亳米的离子 包尺寸允许超过100,000的分辨率。根据模拟，分辨率由两个主要剩 余因素-在进入MR TOF MS中的离子注入级出现的象差和在脉动离 子源中或在连续离子源下游定位的脉动转换器中出现的象差-而限制。 如这里使用的那样，"脉动转换器，，是指正交加速器或脉冲射出离子 阱。
让我们考虑限制MR TOF MS的第一个因素-在进入MR TOF MS中的离子注入处发生的象差。早先，在PCT国际^>才艮WO 2005/001878 A3中，发明人建议使用外部离子源和穿过反射镜边沿的 区注入离子。这样的注入不可避免地按如下引入多个时间象差和离子 包的空间分散
静首先，离子以角度引入，并且必须在MRTOFMS内定向以跟 随中央离子轨迹。该定向引起时间波前的倾斜。
,第二，注入离子包出现得靠近其中静电场失真的反射镜边沿， 这因而可以引起时间象差。然而，如下面关于图IA-IC描述的那样， 这借助于现有源和探测器是不实际的。
*第三，离子源的远程布置把中间时间聚焦平面移离它们在MR TOF轴线处的最佳位置，并因而包括离子包的初始参数并且降级MR TOF MS的整体分辨率。
当使用内部离子源或脉冲转换器时，出现类似的、尽管较不显著 的问题。加速器的和探测器的真实尺寸导致具有以后离子定向的离子 的倾斜引入。离子包定向保持时间象差的主要源。
让我们考虑限制MR TOF MS分辨率的第二个因素-在脉动离子 源中出现的时间和能量散布。如果只假定源项，则分辨率R极限可按 如下表达为TOF MS的能量容差(Ak/k )、TOF MS的相位空间(L*V )、
及在脉动离子源中的离子束的相位空间(Ax*AV)的函数 RS(Ak/k)*(L*V)/(Ax*AV) (1)
其中L是有效离子路径，V是平均离子速度及k是在TOF MS 中的平均离子能量；Ax和AV是在离子加速以前的源中的离子的空间 和速度散布，并且Ak是在加速之后的离子能量散布。
多反射质镨仪提供延伸的飞行路径L，这改进分辨率和软化对于 离子束初始参数的影响。还有，在源中的离子包的初始参数定义离子 包的时间和能量散布，这是对于MR TOF分辨率的第二个主要限制 因素。
当使用离子阱转换器时，初始离子参数的影响变得特别显著。这 样的阱是有吸引力的，因为知道它们提供连续束到清晰离子包的完全
(100% )转换[B. Kozlov等，ASMS 2005， www.asms.orgl 。当使用其 中注入脉冲是稀疏的并因而可选择离子源的工作循环(像正交加速
(OA))变得非常低的MR TOF MS时，阱转换器特别有吸引力。 然而，阱中的离子与OA相比并且比特征在于显著较大时间散布的离 子包热得多。
在TOFMS的过去历史中，在改进以上公式(1)的各个因素的 同时，分辨率已经逐步改进。借助于离子反射镜的引入[美国专利No. 4,072,862、苏联专利No.198034和Sov丄Tech.Phys. 41(1971)1498, Mamyrin等，Mamyrin和合作者改进了 TOF质镨仪的能量容差 Ak/k，并且达到关于离子能量的二阶飞行时间聚焦(T|k=0和T|kk=0 )。 类似地，为了补偿在一阶中的离子能量散布(T|k=0) ， Poschenrieder 建i义由静电扇区建造的TOF MS[W.P.Poschenrieder， Int，J.Mass Spectrom and Ion Physics, v.9(1972)p357國373。在气体填充离子波导 管中离子的碰撞緩冲的引入允许离子束的初始参数的改进，即减小初 始空间和速度散布Ax和AV[美国专利No.4，963，736。离子波导管已经 用来改进在正交加速器前面的离子束特性[A.V. Tolmachev， I.V.Chernushevich, A.F.Dodonov， K.G.Standing, Nucl.Instrum.Meth.， B124(1997)H2。
在掠过束的同时，束的相位空间也已经减小，如在正交加速器
(OA)的情况下那样。连续离子束膨胀，并且然后聚焦成几乎平行 的束。束的一部分通过缝隙选择。作为结果，通过缝隙的连续离子束 的典型参数是l mmxl deg，这比直接通过緩冲四重离子波导管的离 子束的参数好约3倍。沿TOF轴线的离子能量散布与在室温下的离 子能量散布相比变得低3倍。
减小离子包的相位空间的另 一 种策略在早先引用的 Poschenrieder的论文中描述。所谓离子包的转圏时间通过升高抽取静 电场的强度而减小。这不可避免地升高离子包的能量散布。过大能量 散布在具有弯曲轴线的静电能量滤波器中滤除。能量滤波器本身建议 作为飞行时间分析仪。扇区场与漂移区的组合允许关于离子能量和关 于离子空间散布和发散的一阶飞行时间聚焦。然而，如以前强调的那 样，为了达到高分辨率，扇区TOF分析仪的接受应该实质地减小-能 量和空间散布应该比在平面MR TOF中4氐一个数量级。
总结以上，多反射平面飞行时间分析仪适于高分辨率和全质量范 围测量。离子源对于MR TOF特别有吸引力，因为它们提供离子束 的有效脉动转换而与在MR TOF中的稀疏脉动无关。分辨率主要由 在离子反射镜边沿周围的离子注入限制。第二限制因素是在离子源中 的离子包的相位空间，特别是当使用离子阱转换器时。有对于同时改 进多反射TOF质语仪的分辨率和灵敏度的需要。

发明内容
根据本发明的 一种实施，提供一种多反射飞行时间质谱仪设备， 它包括脉动离子源，用来产生离子包；平面多反射飞行时间分析仪， 用来按质荷比分离所述离子包的离子；离子接收器，用来接收分离的 离子；及至少一个空间同步离子传送界面，位于离子源与离子接收器 之间，其中所述空间同步离子传送界面具有弯曲轴线。
根据本发明的另一种实施， 一种飞行时间质谱仪设备包括气体 填充离子阱，用来产生离子包，离子阱包括射频信号所施加到其上的
至少一个电极，其中离子包在所述射频信号的切换之后的预定延迟之
后从所述离子阱抽取；能量滤波器，用来传送在有限能量范围内的离 子；飞行时间质量分析仪，用来根据离子的质荷比分离离子；离子接 收器，用来接收分离的离子；及空间同步能量滤波器，定位在所述离 子阱与所述离子接收器之间，用来传送在有限能量范围内的离子。
根据本发明的另一种实施，一种混合飞行时间质量分析仪设备包 括静电扇区的至少一个空间同步集；至少一个离子反射镜；及离子 接收器，其中离子反射镜补偿所述静电扇区集的至少一个二阶飞行时 间象差。
根据本发明的另一种实施， 一种设备包括离子源，用来产生离 子；线性离子阱，具有延迟离子抽取用于离子累积和离子包的形成； 平面多反射飞行时间分析仪，具有带有周期透镜的漂移空间；离子接 收器；及至少一个空间同步C形圓柱界面，位于线性离子阱与离子接 收器之间。
根据本发明的另一种实施， 一种多反射飞行时间质谱仪设备包 括脉动离子源，用来产生离子包；多反射飞行时间分析仪，用来按 质荷比分离所述离子包的离子，多反射飞行时间分析仪包括至少一个 反射镜；离子接收器，用来接收分离的离子；及至少一个空间同步离 子传送界面，位于所述离子源与所述离子接收器之间，其中所述至少 一个空间同步离子传送界面包括具有弯曲轴线的至少一个静电扇区。
本领域的技术人员通过参考如下说明书、权利要求书、及附图， 将进一步理解本发明的这些和其它特征、优点及目的。


在附图中
图1A-1C表明进入现有技术的平面MR TOF MS的离子注入的 示意图2表示借助于弯曲离子界面进入平面MR TOF分析仪的离子 注入的示意图。该图呈现本发明第一方面的一般视图3A表示对于进入和离开平面MR TOF分析仪的离子注入建
议的本发明的同步C形界面的一个具体实施例；
图3B表示对于进入平面MR TOF分析仪的离子注入建议的本发
明的同步Q形界面的另 一个具体实施例；
图4A表示用于C形扇区界面的离子光学方案和离子轨迹，并且
也用来解释弯曲界面的能量过滤性能-本发明的第二方面； 图4B表示用于C形扇区界面的几何细节； 图4C表示使两个C形界面以交叉构造布置的具体实施例； 图5A表示由两个不同圆柱形扇区建造的并且提供180度全离子
偏转的同步弯曲离子界面的具体实施例；
图5B表示使两个对称部分空间分离的n形同步界面的具体实施
例；
图5C表示由两个相同圆柱形扇区和两个透镜建造的同步弯曲离 子界面的具体实施例；该界面提供90度全离子偏转；
图6A表示对于由布置成对称的4个板式偏转器建造的同步界面 的示意图6B表示在平面离子反射镜的短边周围的离子通路的示意图； 图6C表示在具有偏转器的选择性脉动操作的平面离子反射镜的
长边周围的离子通路的示意图7A表示布置在平面MR TOF分析仪外的Q形同步能量滤波器
的实施例；
图7B表示布置在平面MR TOF分析仪外的a形同步能量滤波器 的实施例；
图8A呈现具有正交加速器的脉冲转换器的示意侧视图8B呈现从另一侧表示的OA转换器的示意图。该图也表示电
极内间隙的膨胀和离子束参数的细节；
图9呈现由具有轴向离子射出的线性离子阱制成的离子脉冲转
换器的示意图IOA呈现具有径向离子注入的直线离子阱的示意侧视图IOB表示在离子累积和冷却的阶段处图IOA的直线阱；
图10C表示在RF电压的切换或斜坡下降的阶段处图10A的直
线阱；
图IOD表示在离子注入的阶段处图10A的直线阱。它也呈现用 来表明本发明第三方面的方块图11呈现本发明的优选实施例的示意图，包括具有延迟抽取的 离子阱、同步C形能量滤波器及具有周期透镜的MR TOF分析仪。 该图也表明本发明的第三方面；
图12A和12B表明本发明的第四方面。它也呈现由弯曲圆柱形 扇区界面互连的两个平面离子反射镜的具体实施例；
图13呈现由弯曲同步界面互连的两个平面MRTOF分析仪的示
意图14呈现具有对于在母离子的平面MRTOF分离器的进入和出 去离子注入采用的弯曲界面的级联TOF-TOF仪器的示意图；及
图15呈现级联TOF-TOF仪器的示意图，其中脉动阱转换器也 用作碎裂单元，并且对于在离子阱/碎裂单元与平面MR TOF分析仪 之间的离子同步传送釆用弯曲界面。
具体实施例方式
如以上强调的那样，多反射平面飞行时间分析仪为高分辨率和全 质量范围测量而设计。它们在与离子阱脉动转换器的组合中特别有吸 引力。然而，平面MRTOFMS的分辨率主要由在离子反射镜边沿周 围的离子注入限制。第二限制因素是在源中的离子包的相位空间，特 别是在使用离子阱转换器的情况下。
现有技术平面MR TOF MS表示在图1A中。平面MR TOF MS 分析仪11包括两个细长平面无栅格离子反射镜12和周期透镜14块。 离子在反射镜之间沿由反射镜12周期反射的线锯(jig-saw)路径运 动。离子对于反射镜的入射角("漂移角")典型地是约l度。透镜14 重新聚焦离子，并因而保持它们沿倾斜l度的中央路径约束。较小漂
移角允许飞行路径相对于分析仪的物理长度的实质延长-在1度的漂
移角下它们的比值达到50。离子反射镜和透镜设计的细节在PCT国 际7>才艮WO 2005/001878 A3中描述。在通过分析仪一次之后，离子由 偏转器15再送回分析仪。通过小角度(比如2度)的偏转反转离子 漂移的方向，因而进一步加倍离子飞行路径同时保持全质量范围。如 有必要，透镜16可切换到偏转模式，以把离子再次送回分析仪中。 这允许升高飞行路径，并因而以收缩接受质量范围为代价显著升高分 析仪的分辨率("变焦模式")。
参照图1A，典型的现有技术平面MRTOFMS包括外部布置的 脉动离子源17和外部离子探测器18。从外部离子源进入MRTOF分 析仪的离子注入和到外部探测器上的离子注入都引入显著缺陷-离子 穿过离子反射镜12的边沿区13或'边缘，静电场。这些边缘场出现在 离子反射镜的边沿附近，并且它们具有与在反射镜内的2D平面场不 同的3D结构。3D场的聚焦和飞行时间性能与在2D场中的那些不同。 边缘场千扰离子运动，并且不可避免地散布离子束并因而显著降低分 析仪的质量分辨率。
离子源的外部位置也意味着另一个缺点-离子必须通过从源到分 析仪的长漂移空间。在这种情况下，在离子源17之后的初级时间焦 点的位置19出现远离其最佳位置20 (在离子反射镜12之间的中部 中)。为了补偿长漂移空间，MRTOF分析仪的调谐变化，这降低分 析仪性能并且使在质量变焦模式中的调谐复杂。
参照图1B，边缘场的问题可通过把离子进入角增大到约10度而 部分解决。离子远离反射镜边沿注入。然而，在这种情况下，离子必 须定向回到分析仪内的漂移角，例如通过偏转器16。离子偏转导致跨 过离子束的时间波前的倾斜，并因而导致分析仪分辨率的显著降低。 对于1 mm宽束和10度定向，波前的倾斜达到0.15 mm。对于在MR TOF MS中的30 m飞行路径，仅定向就把分辨率限制到10,000。而 且，在这样一种大角度下的注入没有解决初级时间焦点19的远程位 置远离所希望的点20的问题。
参照图1C，在一种可选择注入方案中，脉动离子源17和探测器 18可插入在离子反射镜12之间的无场空间中。这解决边缘场的问题， 并且初级时间焦点位置可布置成靠近其希望位置。然而，离子探测器
的(特别是离子源的)任何合理物理尺寸同样要求跟随有离子定向的 倾斜离子注入。典型的定向角依据分析仪和离子源尺寸可减小到约 2-3度。还有，这样的离子定向把分辨率限制在50,000的水平。
如果使用实质更大的漂移角，则可避免定向。然而，它意味着飞 行路径相对于分析仪的物理长度小得多的节省。而且，如果釆用边沿 偏转(在偏转器15中)，则在偏转阶段处会拾取相同的象差。在飞 行路径中的增益通常超过注入象差的影响，所以在大角度下的注入不 认为是最佳解决方案。
总之，进入现有技术平面MR TOF MS中的离子注入引起多个 飞行时间象差，或者与通过两维离子反射镜的边缘(边沿)场有关、 或者与必须沿中央轨迹定向离子的离子偏转有关。
本发明人已经认识到，如果使用具有弯曲离子轴线的同步离子界 面，还叫做'弯曲界面，，则可改进平面MR TOF MS的分辨率。本发 明建议是同步的并且良好适于进出MR TOF MS的离子传送的多个偏 转系统。这样的系统通过减小两个主要限制因素-注入象差和离子源项 的影响，可改进MRTOFMS的分辨率。注入象差4皮减小，因为离子 绕过边沿和绕过离子反射镜的边缘场。离子源项通过在界面内的能量 滤波可减小。优选地，本发明的设备构造成，离子包注入在离子反射 镜之间在离反射镜边沿的足够距离处，以避免边缘场的影响。最小距 离取决于注入角、束宽度及所要求的分辨率。距离对于反射镜窗口尺 寸的比值是至少约0.5至1，优选地从1至1.5，并且甚至更优选地从 1.5至2。优选地，注入角小于5度，小于3度，或更优选地小于l度。 如下面描述的那样，界面可以提供成在希望的位置和角度下注入离子 包。
弯曲界面和平面MR TOF MS的组合系统与单独任一种个别系 统相比显得协同便利。如果弯曲界面单独用作TOFMS分析仪，则它
会限制分析仪的分辨率或接收。組合系统提供更高阶飞行时间聚焦。 即使使用弯曲界面的大空间接收，其效果也表现适中(比传统离子引
入到平面MRTOFMS分析仪中的象差低)。
根据本发明的第一方面，具有弯曲离子轴线的同步界面与平面 MR TOF分析仪组合地釆用，以便在进出分析仪的路途上绕离子反射 镜的边沿传送离子。
在优选实施例中，所述界面并入到MR TOF分析仪结构中，以 便使离子绕过离子反射镜的边沿和边缘场。注意，所述界面可在各种 平面中取向，以便或者绕过离子反射镜的长边或者绕过其短边。
可选择地，所述界面被脉动操作。例如，离子在界面的一种稳定 电压i殳置下注入，并且然后界面的至少一个电压为了在MR-TOF分 析仪中的离子分离被切断。
本发明人已经找到与MR TOF MS分析仪良好兼容的多个弯曲 界面，因为它们是时间和空间聚焦装置。为了不降低平面MR TOF 分析仪的分辨率，弯曲界面应该是至少空间同步的。换句话说，离子 包的空间和角散布至少在线性近似中不应该引入时间散布。
另一种能量同步特征(关于离子能量的飞行时间聚焦)是所希望 的，但不必在弯曲界面中，因为线性和二阶时间按能量象差可在MR
TOF分析仪本身中补偿。而且，如这里使用的那样，术语'同步界面，
主要是指4空间同步界面，。
弯曲离子界面可以由偏转器和静电扇区建造。扇区场可具有各种 对称性(圆柱形的、球形的、环形的)，并且可由Matsuda板(调节 环形因数)以及由自由空间、缝隙及透镜而赠送。圆柱形扇区的立体 图表示在图12B中。
在空间同步静电扇区系统的现有技术中有多个例子，像254度圆 柱形扇区(计入边缘场效果的270度)或在早先引用的MULTUM装 置中的扇区场的组合。然而，就本发明人所知，这些系统还没有与用 于飞行时间质量频谱测量的离子反射镜，并且特别是与平面MRTOF 分析仪， 一道使用。除此之外，现有技术扇区系统的大部分显得对于
绕离子反射镜边沿的离子注入不便，并且它们的大多数不具有用来安 装能量滤波缝隙的便利进口 。本申请包含具有弯曲轴线的选择和新设
计的同步界面的多个例子。包括三个圆柱形扇区的c形系统设计和挑 选为弯曲界面的优选实施例。本申请也呈现两和四偏转器注入系统的
例子、以及a和Q形扇区系统的例子。建议各种扇区系统在不同的偏转 角下实现同步偏转a和Q形系统保持初始离子方向；具有中间透镜的 两扇区系统偏转与初始方向大体正交的束；C形界面反转初始离子方 向。
弯曲界面主要建议用于来自离子源和进入MR TOF分析仪的离 子注入。 一般地说，另一个质i普仪的任何碎裂单元或输出可以认为是 用于MR TOF MS的脉动离子源。类似地，对于来自MRTOF分析 仪和到外部离子探测器或诸如质语测量的碎裂单元或另一阶段之类 的任何其它外部装置上离子注入，可采用弯曲界面。可采用输入和输 出界面的组合。
本发明与多种内在脉动离子源(像MALDI、具有延迟抽取的 MALDI、脉动电子碰撞电离、SIMS、等等)相兼容。本发明也适于 多种脉冲转换器，像正交加速器(OA)或各种离子阱-具有径向和轴 向离子注入。在像OA和线性离子阱(LIT)之类的延长转换器的情 况下，圆柱形扇区适于通过细长离子包。
本发明特别良好地适于具有离子阱转换器的MRTOFMS。离子 阱在稀疏TOF脉冲之间保持累积离子，因而改进灵敏度。然而，不 良的初始离子参数-在离子阱中的空间和速度散布，可能限制MR TOF MS的分辨率。
根据本发明的第二方面，具有弯曲离子轴线的同步界面建议用于 在平面多反射TOF质谱仪之前或者之后的能量滤波。在界面内故意 引入的能量滤波是改进离子包的特性，特别是对于具有包括时间和能 量散布的离子源。在描述单个弯曲界面的细节的同时，考虑能量滤波 能力。
优选地界面分裂成多个偏转元素，主要安排用于能量滤波缝隙的 便利位置或在紧凑包装中实现便利偏转角。缝隙的优选位置是在平面 中，其特征在于离子空间交叉和足够的能量分散。缝隙可以是固定的 或可调节的。外部或并入空间聚焦透镜可用来调节空间交叉的平面， 以便改进能量滤波。
在一个实施例中，弯曲界面可以外部布置，仅仅添加能量滤波特
征。优选地，界面嵌入在MR TOF分析仪结构中，以便绕过反射镜 边沿。
在一组离子源中，自然发生的能量散布在不希望的条件下可能变 得过大，并且应该滤波以允许高分辨率测量。能量滤波应该改进脉动 离子源，像脉动电子碰撞、MALDI和延迟抽取MALDI、 SIMS 、 LIMS 、 等等。
在另一组离子源中，所述自然能量散布是中等的。然而，加速场 的较高强度优选地用来减小所谓的折返时间。能量散布的相关增大因 为在界面中的能量滤波不再是担心。这样的改进对于像具有轴向和径 向脉动离子抽取的离子阱和正交加速器(OA)之类的离子脉动转换
器是所希望的。
当使用离子阱源时，能量滤波的优点变得特别明显。离子阱源主 要因为离子包的巨大相位空间，目前不当作用于TOFMS的脉动转换 器。来自离子阱的离子比来自正交加速器的那些要热得多。在本发明 的同步界面中的能量滤波允许对于从离子阱射出的离子包的参数的 改进，这使得阱转换器对于MR TOF甚至更有吸引力。直截了当的 方法是升高抽取场的强度，以便减小折返时间。
根据本发明的第三方面，在离子阱外的延迟抽取与在具有弯曲离 子路径的空间同步界面中的能量滤波和与在任何TOF分析仪中的以 后质量分析相结合，以改进在离子阱之后的离子包参数。优选地，TOF 分析仪被优化，以便补偿在能量滤波器中的飞行时间象差。
优选实施例包括直线离子阱、圆柱形静电扇区及在漂移空间中具 有周期透镜集的平面MR TOF分析仪。优选地，阱跨过在MR TOF 中的线锯形离子轨迹的平面。抽取脉冲在切断在阱上的RF信号之后
的某一预定延迟(处于微秒时间级)之后施加。在延迟期间的离子膨
胀使得初始离子参数-在TOF方向上的离子位置和速度-相关。非相关 速度散布被减小，但抽取离子包的能量散布变大。在能量滤波之后除 去过大的能量散布，并且高分辨质量测量在MR TOF MS中成为可能。 在一个具体实施例中，RF信号和脉冲施加到所述阱的不同电极上。
能量滤波也允许更短的累积时间(当离子緩冲不完全时)和在离 子阱转换器中使用较大气体压力(这引起在脉动抽取处的离子散开和 较低能量离子的'晕圏，)。两种措施都允许改进仪器的重复率和动态 范围。能量滤波也使仪器较小依赖于离子源变化，即提供在离子源与 分析仪性能之间的去耦合。
根据本发明的第四方面，飞行时间质量分析仪包括至少 一个空间 同步静电扇区和至少一个离子反射镜，从而离子反射镜补偿关于离子 能量的至少高达二阶的飞行时间象差。优选地，至少一个反射镜是无 栅格的，并且是可调节的以补偿与离子包的空间散布相关的至少一个 二阶扇区的象差。这样一种组合形成一种新颖类别的飞行时间分析 仪，该飞行时间分析仪的特征在于高性能和设计的灵活性。
有意义的是，静电扇区装置本身通常只在线性近似方面是能量和 空间同步装置。当要求高分辨率时，二阶象差设置对于扇区装置的接 收的极限。然而， 一旦扇区与无栅格离子反射镜组合，就可以设计没 有关于空间散布和离子能量的二阶飞行时间象差的混合系统。反射镜 在扇区中可补偿二阶和甚至至少部分地补偿三阶飞行时间象差。换句 话说，整体性能，包括混合TOF的飞行时间分辨率、能量接收及空 间接收可与在平面MRTOFMS中的那些相比较。同时，弯曲扇区提 供系统设计的灵活性、以及早先强调的更容易离子引入的优点和能量 滤波的能力。
也有意义的是，静电扇区与无栅格离子反射镜的组合能够实现高 阶空间聚焦，并且也能够实现无散光成像(stigmatic imaging)。这 样的特征对于成像飞行时间质谱测量是重要的，并且对于其中离子通 过小孔径传送的级联质谙仪的设计也是有用的。
在优选实施例中，至少一个c形和圆柱形界面被采用，以在平
面和无栅格离子反射镜之间传送离子。然而，新颖类别的混合分析仪 不限于具体类型的静电扇区或平面类型的离子反射镜。
这个优选实施例在几个具体实施例的例子上表明。在一个具体实 施例中，空间同步扇区界面被用来在对准成多级组件的至少两个平行
MR TOF分析仪之间传送离子。同步扇区用来在地板之间通过离子。 在另一个具体实施例中，提议一种具有总共180度偏转的同步圆柱形 扇区以在两个平行离子反射镜之间通过离子-一个反射镜置于另一个 的顶部上。该设置打开进出平面离子反射镜的离子进口。
两个具体实施例都使离子路径每真空腔室尺寸最大。多个平行反
射镜可通过在相同电极内加工多个窗口便利和便宜地制造。扇区优选 地制成圆柱形的，而在漂移方向上的离子限制在周期透镜中实现。
多个系统可使用同步扇区和离子反射镜而被合成。扇区可以用来 反转在平面MRTOF MS中的离子漂移运动的方向。扇区可用来在不 同分析仪(脉动和表态静态操作的)之间传送离子。对于级联质谱分 析，可采用空间聚焦和同步混合系统。对于在离子源的小尺寸孔径之 间的离子传送、碎裂单元、及第二级质量分析仪，密集的离子聚焦显 得有用。离子反射镜的圆柱形和平面对称性都是可用的。
此外，本发明公开了在采用至少一个平面MR TOF分析仪中的 级联仪器内使用弯曲和同步界面的多种途径。
在一个具体实施例中，弯曲界面布置在平面MR TOF分析仪与 以后的CID单元之间。为了在MR TOF分析仪外的便利离子取样和 为了调节在用来调整碎裂程度的单元进口处的离子能量，使用弯曲界 面。本发明可应用于具有所有父离子的所谓平行分析的级联 TOF-TOF，如在由Anatoli Verentchikov在2005年1月11日提交的 共同授予美国专利申请7>才艮No. 2005/0242279中描述的级联 TOF-TOF，该专利申请公报的整个公开通过参考包括在这里。
在另一个具体实施例中，离子阱源也作为碎裂单元工作。对于母 离子选择和部分离子的质量分析都采用相同的MR TOF分析仪，如
在由Anatoli Verentchikov等在2004年6月18日提交的共同授予PCT 国际 >报WO 2005/001878 A3中描述的那样，该国际公报的整个公开 通过参考包括在这里。在所述阱与MR TOF分析仪之间的弯曲界面 携带多个功能。它改进离子包的特性，允许进出MR TOF分析仪的 离子的便利通过，及也调节在碎裂步骤处的离子能量。
本发明的所有方面适用于其它级联质语仪，像TOF-TOF、 IT MS-TOF、及Q-TOF。本发明在与在前端处的各种分离方法的组合中 也是可用的，像色^普法和电泳-LC-TOF、 CE-TOF、及多级分离、离 线和在线。
参照图2，为了改进MRTOFMS的性能，本发明人提出使用具 有用来使离子绕过离子反射镜12的边沿的弯曲离子路径的同步离子 传送界面。根据本发明的第一方面，优选实施例包括如下互连元件 脉动离子源17、具有弯曲离子路径的同步离子传送界面21、及具有 周期透镜14的平面MRTOF分析仪11。界面21传送沿路径22离开 源17的离子，并且在漂移角下沿路径23把它们注入到在MR TOF 分析仪ll的离子反射镜12之间的空间中。界面有助于离子绕过离子 反射镜12的边沿静电场的边沿区13。为了不降低分析仪的分辨率， 界面设计成是至少空间同步的。
对于图2现在将描述术语'空间同步，。让我们考虑以相同能量从 脉动离子源17开始并且跨过某一'基准平面，24同时具有某一横向空 间和角度散布的离子。对于离子阱转换器，这样的基准平面与中央离 子路径相垂直。对于OA转换器，基准平面与连续离子束的方向相平 行，并因而相对于中央离子路径倾斜。如果从基准平面24到某一'同 步平面，25的飞行时间(对于一定离子能量)至少在线性近似中不依 赖于在基准平面处的初始横向坐标和角度，则界面叫做空间同步的。
为了适合MR TOF的要求，同步平面25应该位于离子反射镜 12之间，并且优选地与这些反射镜相平行。这意味着，这样的同步平 面在MR TOF分析仪的漂移角下关于中央离子路径23的方向应该倾 斜。换句话说，界面不必是"消色的"。
优选地，尽管不必，所述界面是能量同步的。这意味着，在界面
21前面的主要时间焦点26重新聚焦成在界面后面的点27。优选地， 出口时间焦点布置得靠近其在离子反射镜12中部中的最佳位置。焦 点的精确对准是不必要的，因为通过调谐MR TOF分析仪的离子反 射镜可进行调节。类似地，离子反射镜调节可补偿在界面的二阶时间 对能量象差，并且补偿在与图面垂直的平面中的二阶空间象差。
注意，界面可在各种平面中取向，以便绕过离子反射镜的长边或 绕过其短边。在后一种情况下，轨迹位移最小，但界面本身的物理宽 度可能成为担心。选择性地，界面被脉动操作。例如，在界面的一种 稳定电压设置下注入离子，并且然后为了在MR TOF分析仪中的离 子分离，切断界面的至少一个电压。
参照图3A，根据本发明的第一方面，具有同步界面的MRTOF MS的优选实施例包括具有周期离子透镜14的MR TOF分析仪11、 外部布置的脉动离子源17、离子探测器18及两个相同弯曲同步离子 界面31和32。每个界面包括三个圓柱静电扇区分析仪-两个45度分 析仪(33)和一个90度分析仪(34)，由漂移空间分离。界面和其 设计的离子光学的详细描述在下面给出。界面允许关于离子空间散 布、发散及能量散布的一阶飞行时间聚焦。界面的几何离子聚焦由2D 静电透镜35调谐。界面31允许在小漂移角(约l度)下沿中央(平 均)路径37进入分析仪的离子注入，从而界面的空间同步平面与离 子反射镜相平行。能量同步界面31形成在所述界面外、且紧挨着其 的时间焦点36。
在操作中，脉动离子源17产生时间焦点在点19处的离子包。包 定向成与在平面MR TOF 11中的离子反射镜的对称平面相正交。界 面31传送空间同步的离子。同步平面借助于下面描述的手段调节成 与MR TOF的对称平面相平行。优选地，关于离子能量的出口时间 焦点36位于靠近用于MR TOF的最佳调谐的对称平面附近的某处。 离子绕离子反射镜12的边沿和边缘场13传送，并且注入到分析仪ll 中。因为采用的偏转平面，圆柱形界面具有小横向尺寸。例如，在界
面31与第一透镜轴线之间的1 cm距离是合理的，这允许离子通过而 没有在进口透镜处的离子偏转。如在现有技术中那样，离子沿通过周 期透镜14的中心对准的线锯形离子轨迹通过。漂移方向被反转(这 里从上向下)最后(上部)透镜15中定向的小角度，并且离子定向 穿过分析仪和指向出口同步界面32，且然后定向到探测器18上。结 果，弯曲界面31和32允许离子绕过反射镜边沿而不引入显著的时间 象差。如早先描述的那样，在扇区场中发生的二阶象差的大部分可由 离子反射镜调节而补偿。
图3B表示包括以Q形方式布置的四个相同静电扇区场38的同步 界面的另一个实施例。静电扇区38 (也叫做偏转器)能是圆柱形的或 环形的。在对称布置的扇区对之间的漂移距离39可在宽范围内变化， 为了进入MR TOF分析仪中的离子注入的方便。Q形构造的更详细描 述在下面给出。图3B表明其中脉动离子源布置在分析仪空间外并且 离子探测器放置在离子反射镜之间的情形。类似于以前实施例，图3B 的设计避免离子通过离子反射镜12的边缘场13，并且减小MRTOF MS的整体时间散布。
具有弯曲离子路径的所述界面能够能量滤波。同步弯曲界面的能 量滤波能力当作分离-本发明的第二方面。在界面内故意引入的能量滤 波改进离子包的特征，特别是对于包括时间和能量散布的离子源。让 我们考虑各个弯曲界面的能量滤波能力，同时检查它们的离子光学性 能。
参照图4A，让我们更详细地考虑180度偏转界面(所谓的C形 界面)的离子光学性能。界面包括两个45度圆柱形扇区33，对称地 布置在90度圆柱形扇区34的两侧。第一45度扇区创建空间(即， 坐标和角度)能量散布，这由具有不同能量的三个离子束的轨迹表明 在图4A中。在扇区之间的漂移空间的长度被优化，从而不同能量的 离子束在90度偏转器的中部变得平行，即角度能量分散在此消失。 例如，在所有扇区中的离子偏转的50mm半径处，考虑的漂移距离是 约36 mm。由于装置的对称性并且在界面的中部中的平行束的情况下
(零角度分散)，离子轨迹成为对称的，即退出离子轨迹变得独立于 离子能量。这也意味着，系统是空间消色的，即它不引入任何坐标或
角度线性能量分散。由一般离子光学，知道[H.Wollnik， Optics of Charged Particles, Acad, Press, Orlando，1987在空间消色系统中，在 与离子中央路径相垂直的一对平面(在装置前面的一个'基准，和在来 自系统的出口处的另一个'同步，)在线性近似中独立于初始离子坐标 和角度。这是具有与中央(平均)离子路径相垂直的同步平面的空间 同步装置的定义。
由于扇区场提供几何聚焦，对于一定能量离子的离子束交叉42 创建在扇区之间的漂移空间中。对于MR TOF分析仪的典型接收(即 由分析仪接受的相位空间散布)-在偏转平面中的约2 mm宽度和约 0.4度角散布-束交叉位置实际上与初始平行离子束41的聚焦点相重 合。在任何交叉位置42处，通过放置窄缝隙孔径43可进行离子的能 量滤波。对于离子束的刚刚给出的相位空间，具有50mm偏转半径的 C形界面提供能量分辨率约2%。
两维静电透镜35放置在界面前面，用来调谐交叉的位置。这个 透镜也有助于使退出离子束37基本上平行。这个透镜的变化激励不 破坏第一阶的所述界面的同步特性。
描述的C形界面是圆柱形的，即具有两维几何形状。装置的深 度(与图面相垂直)不限于离子光学要求并且不限于平面MR TOF 分析仪的几何形状。界面可接受在正交方向上延长的离子束。它不扭 曲界面的离子光学性能，因为延长与束偏转的平面相垂直。这使得界 面与在下面文本中描述的各种延长离子源，像正交加速器或线性离子 阱脉动转换器，相兼容。
图4B表示关于C形界面的几何构造的更多细节。每个扇区的离 子进口和出口由'边缘场屏蔽孔径，44终止。可选择地，扇区的顶部和 底部侧由所谓的'Matsuda板，(未示出)屏蔽。漂移电位施加到屏蔽 孔径上，施加到Matsuda板上，及施加到围绕漂移空间的屏蔽上。
图4B也表示用于初始平行离子束的时间波前(跨过离子轨迹的
白线)的变换。这些波前与在到装置的进口处的离子路径41相垂直， 并且它们与在界面后面的离子路径37几乎正交。更重要地，波前与 平面MR TOF分析仪的对称轴线相平行，而且也与探测器的平面相 重合，这使得整个系统空间同步。
可以预料，几何形状与理想的小偏差会引起离子波前倾斜。离子 轨迹的和时间波前倾斜的微小调节可按如下方式进行。通过把辅助弱 电压施加到最后45-偏转器的电极之一上或通过改变其弯曲角度，可 稍微改变偏转的总角度，例如到179度，如图3A中所示。例如通过 稍微改变Matsuda板的电位或可选择地通过应用环形扇区偏转器而 不是圆柱形扇区偏转器，可补偿在这种情况下发生的时间波前的倾 斜。
参照图4C，可釆用多于一个界面，例如， 一个用于进入平面 MR TOF分析仪的离子注入并且另一个用于从分析仪出去的离子注 入。在一个具体实施例中，两个C形界面如图3A中所示"背对背"地 布置，或者可选择地，如图4C中所示具有交叉离子轨迹。
图5A-5C呈现由静电扇区建造的几种其它类型的弯曲同步界面。
图5A表示基于两个圓柱形扇区场的180度偏转界面的具体实施 例。为了实现空间消色性(这自动地导致空间同步性能)， 一个圓柱 形扇区(51)具有偏转角24度，并且第二个(52)具有偏转角156 度。类似于在图4A-4C中表示的界面，单色离子束的空间交叉42位 于扇区之间。透镜35可以用来调节在可选的能量滤波缝隙43的位置 的交叉位置。因为扇区51的较小偏转角度，图5A的界面的能量分辨 率比图4A-4C的界面的分辨率小约两倍。
图5B表示由以Omega (Q)形布置的四个扇区建造的同步界面 的具体实施例。在一种具体情况下，界面包括是圓柱形的四个相同135 度扇区38，但稍微环形场通过采用Matsuda板而布置。在其它情况 下，角度可以稍微变化，从而环形因素具有几乎圆柱形扇区。最重要 地，系统应该保持对称性，并且在中部具有零角度分散。输出离子轴 线与输入轴线相重合。采用在第一扇区前面的透镜53，以调节初始平
行离子束的交叉平面42。为了最好的离子传送和最好的能量滤波，交 叉平面应该与在界面中部中的能量缝隙43的位置相匹配。借助于透 镜54使出去离子束基本平行。
图5C表示具有90度偏转的又一个同步界面的设计。界面也具 有对称几何形状，并且包括两个45度圓柱形或环形扇区55和位于这 些扇区之间的两个透镜56。透镜被调谐，从而角度能量分散在两个扇 区之间的中部中消失。扇区之间的距离被挑选，从而单色离子束交叉 位置42是在扇区之间的中部处，并且与能量滤波缝隙43的位置相重 合。
以上描述的界面显示了调节整体偏转角的能力。图5B的Q形界 面保留初始离子方向。图4A-4C的C形界面和图5A的界面移动束轴 线，并且也把束偏转180度。图5C的界面提供90度整体回转。界面 的其它偏转角是可能的，同时保留同步性能。准确偏转角度可被精调， 如对于C形界面的例子已经描述的那样。总的来说，各种解决方案允 许整体MR TOF MS的和其它混合系统的灵活几何设计。
考虑界面的例子表明在MR TOF MS中应用的同步弯曲界面的 多个一般性优点
界面能够以最小空间失真传送离子包。它们把平行束转换成大 约具有相同尺寸的基本平行束。束在界面内可重新聚焦几次，这有助 于离子束限制。
，所述界面的接受不低于MRTOF分析仪的接受，即界面不限制 整个仪器的接受。
，所述界面如下面将描述的那样可以用于离子束聚焦、离子束定 向及对于倾斜时间波前的微小调节。
,所述界面用作差动泵吸的理想节流阀。长通道与口径数目成比 例地限制气体流动。例如，具有1 cm宽间隙和20 cm离子路径的扇 区与50 nm缝隙相类似地限制气体流动。
,所述界面通常能够能量滤波。
参照图6A，使用平面偏转器而不是扇区偏转器，优选地使用四
个对称布置的平面偏转器61，可设计用于进入MR TOF分析仪中的 离子束注入的具有弯曲轴线的同步界面。每个偏转器包括创建偏转场 的一对平行平面电极、和在偏转电极两侧处的两对屏蔽电极。图6A 也表示偏转场的等位线。偏转方案有些类似于在图5B中的Q形界面 中的偏转方案。另一方面，板系统看起来机械地较简单。另一方面， 其离子光学性能较次。平面偏转器的几何尺寸防止偏转到比约20度 大的角度。为此原因，在偏转器布置内创建的空间分散可能太低，而 不能提供足够的能量滤波。而且，限制束位移，二阶象差较高，及该 方案与扇区分析仪相比较不优选。
参照图6B和图6C，经板界面的离子束注入能以两种方式进行。 在一种方式中，界面的偏转平面与在MR TOF分析仪内的线锯形离 子运动的XZ平面相重合(图6B)。另一种方式，界面的偏转XY的 平面与XZ平面相垂直(图6C)。后者要求离子束的较小位移，但引 入与偏转器本身的宽度有关的另外担心。这是良好的例子，其中界面
的脉动操作有帮助。离子在一稳压下注入，并且然后切断在分析仪内 的最后偏转器，以为了 MR-TOF分析仪中的离子分离。
参照图7A和图7B，对于绕过离子反射镜的边沿的离子不必使 用具有弯曲离子束轴线的同步界面。它可用来仅滤波由脉动离子源创 建的离子能量散布。如以后将讨论的那样，这样的滤波允许减小在离 子源中的折返时间而没有MR TOF分辨率的降低。像在图4A-4C和 5A-5C中表示的那些之类的多个界面几何形状适于能量滤波。图7A 和7B呈现也设计成保留离子初始方向的两种类型的同步和滤波界 面。Q形滤波器表示在图7A中，或者a形滤波器表示在图7B中。
再参照图7A和7B，界面的故意引入的能量滤波性能用来改进 离子包的特性，特别是对于包括有时间和能量散布的离子源。
在一组离子源中(未表示)，自然出现的能量散布在不利条件下 可能变得过大。例如，出自电子电离(EI)源的脉动离子抽取当使用 较宽电子束时，可能引入过大能量散布。在矩阵辅助激光解吸 (MALDI)离子源中，离子能量亏损取决于离子对矩阵碰撞，这又强烈地取决于激光能量的较小变化以及取决于矩阵晶体化。激光电离 源的特征在于等离子体形成，并且在于过大能量散布。过大能量散布
应该滤除，以允i午在MRTOFMS中的高分辨率测量。
在另一组离子源中，自然能量散布是中等的。然而，可应用较高 强度的加速场以改进所谓的折返时间，同时能量散布的相关增大在界 面中被过滤。这样的改进对于像正交加速器(OA)之类的离子脉动 转换器和特别是具有轴向和径向脉动离子抽取的离子阱是希望的。对 于宽范围的连续或准连续离子源，包括电喷(ESI)、大气压力化学 电离(APCI)、大气压力光致电离(APPI)、电子碰撞(EI)、化 学电离(CI)、感应耦合等离子体、具有碰撞緩沖的矩阵辅助激光解 吸-电离(MALDI)，可以采用转换器。转换器也允许在任何碎裂单 元之后形成离子脉冲，特别是级联质i普仪的气体填充碎裂单元。
参照图8A和8B，对于正交加速器81表示两个示意侧视图。连 续或准连续的离子束来自源82。优选地，正交加速器借助于冷离子束 操作。在源82的离子波导管中的碰撞冷却之后制备这样的离子束。 束83然后在离子光学系统84内膨胀以减小离子束发散。在缝隙85 处切除束的显著部分(通常2/3)之后，离子束的相位空间减小到在 10-30 eV离子能量下的约l度xl mm。几乎平行的离子束86以中等 能量引入到场自由间隙87中，该场自由间隙87形成在Push板86与 具有用于离子抽取的窗口的电极89之间。定期地，緩慢通过离子86 通过施加到Push板86上的至少一个脉冲88a在正交方向上射出。离 子包90被射出加速的DC级，同时保持与初始离子束86的方向相平 行。
参照图8B，尽管离子束冷却(这通过离子束膨胀和通过在缝隙 上掠过束而布置)，但TOF分辨率仍由离子束的初始参数-跨过加速 器间隙87的速度AV和空间AX散布-限制。在加速之后离子包90的 折返时间AT和能量散布Ak定义为zH^AVm/Ee和Al^AxE，其中E 是加速场的强度。通常离子能量散布在TOF MS的能量容差下面被调 节，这把极限置于加速场的强度上。当使用本发明的能量滤波器时，
过大能量散布不再是担心，并且人们通过施加较强的加速场E可以改 进折返时间。
图9呈现另一种脉动转换器的例子-具有轴向离子射出的线性离 子阱91，它在[Kozlov等ASMS 2005 (輕w.asms.org) j中描迷。阱 布置在气体填充离子波导管93内。径向离子限制通过在波导管93的 主要部分内和在小出口部分95内形成射频(RF)场而布置。轴向DC 井布置成捕获在离子波导管的出口处的离子。在曲线97中表示的DC 轮廓通过把停滞电势施加到出口孔径96上以及把吸引DC电势施加 到离子波导管的小段95上而形成。
离子沿离子波导管轴线注入。波导管在1至3 mTorr的气体压 力下操作，这保证离子在DC井中在1至3 ms时间内的离子緩冲和捕 获。注入和捕获以接近100。/。效率下发生。在完全离子緩沖之后，束 尺寸成为在lmm以下。脉动场施加到抽取离子上。为了形成均匀的 抽取场，Push脉冲施加到推环94上，并且较小Pull脉冲施加到出口 孔径96上。可选择地，使用在杆之间具有电场透过的辅助电极形成 捕获和抽取场。
如在任何类型的离子阱中那样，离子云至少是室温或更热。结果， 速度散布与OA相比约3倍大。离子阱源用作用于TOF MS的脉沖转 换器不广泛，主要因为离子包的巨大相位空间。同样，该情形可通过 使用本发明的同步能量滤波而改进。较强的场可减小折返时间，而过 多的能量由弯曲界面滤除。
能量滤除也允许较短累积时间(当离子緩冲不完全时)和在离子 阱转换器中使用较大气体压力(这引起在脉动抽取处的离子散开和较 低能量离子的'晕圏，)。两种措施都允许改进仪器的重复率和动态范 围。能量滤波也使仪器较小依赖于离子源变化，即提供在离子源与分 析仪性能之间的去耦合。
图10A-10D呈现离子脉冲转换器的又一个例子-具有径向离子注 入的直线离子阱101。通过在形成靠近轴线的四极场的平行板103、 104及105之间施加RF信号形成限制射频场。在一个具体实施例中，
可施加非对称RF场，例如仅施加到侧板104上。长DC井通过把停 滞DC电位(除RF信号之外)施加到离子阱的终止段102上而形成， 具有相同的RF信号但具有不同的DC偏移。阱在近似1至3 mTorr 气体压力下填充。离子沿轴线被注入，并且最终(在1-3 ms中)限制 在长DC井中。类似地脉沖电压施加到顶部板105和底部板103上， 以穿过在顶部板中的缝隙射出离子。
根据本发明的第三方面，在阱外的延迟抽取与在空间同步界面中 的能量滤波和与在任何TOF分析仪中的以后质量分析相结合。任何 类型的离子阱转换器是可用的，包括具有径向和轴向离子射出的线性 离子阱的上述例子。离子包在射出之前膨胀。非相关折返时间变得较 低，同时过多能量散布在能量滤波器中被除去。
再参照图10A-10D,所述直线阱特别良好地适于本发明的第三方 面的实施，即适于跟随有能量滤波的来自阱的延迟离子抽取。电压动 力学的图表示在图10B-D中。RF信号施加到在离子注入和緩冲处的 侧板104上(图10B )。然后RF信号被切断或迅速跳下(图10C )， 例如通过移动RF电路远离谐振。在预定延迟脉冲之后，脉冲电压施 加到顶部板105和底部板103上，以形成几乎同源的抽取场(图IOD)。 离子射出到优选地由两维透镜106终止的无栅格DC加速级中。然后 过大能量在任何同步能量滤波器107中被滤除，并且传送的离子包在 TOF分析仪108中被质量分离。在一个具体实施例中，扇区分析仪本 身可用作飞行时间分析仪。然而，优选地，这样一种TOF分析仪应 该采用无栅格离子反射镜109，以补偿能量滤波器的二阶空间和能量 象差。
参照图11，本发明第三方面的优选实施例111包括具有延迟抽 取的直线离子阱112、 C形圆柱形界面113及平面MR TOF分析仪 116。它也可以包括可选择的第二同步界面114和外部离子探测器(接 收器)115。线性阱112的长边跨过在MR TOF MS中的线锯形离子 轨迹的平面取向(这里垂直于图面)。抽取脉冲在切断在阱上的RF 信号之后的某一预定延迟(处于微秒时间级)之后施加。非相关速度
散布被减小。过大的能量散布在能量分析仪中被滤除。离子包沿稍微
倾斜的轨迹117被射出，以与具有周期透镜的平面MR TOF分析仪 的漂移角对准。在具体实施例中，离子在最后透镜中被反射。这反转 了漂移运动，并且加倍分析仪的飞行路径。在MR TOF分析仪中的 时间分离之后，离子沿轨迹118来到，经界面114同步地传送，及撞 击TOF探测器115。
根据本发明的第四方面，具有弯曲离子路径的至少一个空间同步 界面被用来在平面多反射飞行时间分析仪的部分之间传送离子。多个 这样的混合分析仪可包括静电扇区和无栅格离子反射镜，而不包括高 阶飞行时间聚焦。
注意，离子反射镜不必是平面的，并且不必包括离子透镜。
参照图12A,在一个具体实施例121中，建议具有180度偏转的 同步圆柱形界面122在两个平行离子反射镜( 一个反射镜123位于另 一个124的顶部上)之间传送离子。该设置打开远离在反射镜中的边 缘场进出平面离子反射镜的离子进口。示范的离子源l"表示成与下 部反射镜124相对。
图12B表示相同实施例121的三维^L图，也表示在MR TOF分 析仪的后侧处的离子探测器127。
参照图13，在另一个具体实施例131中，采用弯曲和空间同步 界面132以在对准成多级组件的至少两个平行MR TOF分析仪l33 和134之间传送离子。同步弯曲界面用来使离子在地板之间通过。
两个以上实施例都使离子路径每真空腔室尺寸最大。多个平行反 射镜可通过在相同电极内加工多个窗口 ^更利和^f更宜地制造。
同步界面也可用来反转离子漂移运动(未表示)的方向。它可用 来在被脉动和静态操作(未表示)的同时在不同分析仪之间、或在级 联质谱分析(下面描述)的多级之间传送离子。弯曲扇区优选地为了 较简单制造和对准制成圆柱形的。
有意义的是，基于静电扇区的系统通常仅在第一近似中是能量同 步的。它们的大多数也仅在线性近似中是空间同步的。本发明强调这
样的事实对于任何空间同步扇区，在平面和无栅格离子反射镜内可 补偿二阶时间象差。当考虑到补偿关于能量的一阶时间偏差的离子反 射镜的能力时，混合系统的设计甚至可更灵活，这放松对扇区场设计 的限制。换句话说，不期望扇区场包括混合系统的参数。包括混合 TOF的飞行时间分辨率、能量接受及空间接受的整体性能可与平面 MRTOFMS相比较。同时，弯曲扇区提供系统设计的灵活性、以及 早先强调的较容易离子引入和能量滤波能力的优点。当使用圆柱形扇 区时，混合系统显得具有与MRTOF分析仪可比较的机械复杂性。 类似地，无栅格离子反射镜可以补偿扇区装置的二阶彩色空间象差。
另外，弯曲和同步界面可以以多种方式用在基于平面MR TOF 分析仪的级联仪器内。
参照图14，在一个具体实施例中，级联MS-MS 141包括顺序互 连的线性离子阱脉动转换器146、同步弯曲界面147、 MR TOF MS 分析仪143、出口同步离子界面142、 CID碎裂单元144及第二质量 分析仪145。两个弯曲界面都是同步的，并且不干扰飞行时间分离。 MR TOF和界面的组合提供空间聚焦，并且有助于通过CID单元的 进口孔径的离子传送。两个界面也都用作用来限制在分析仪143与离 子源146和CID单元144的中间真空级之间的气体流动的节流通道。 出口界面142也用来调节进入CID单元的离子的能量，并且这样调节 碎裂程度。优选地，第二分析仪145是飞行时间分析仪。
优选地，CID单元144制得较短(几cm长)，填充到较高气体 压力(约50mTorr)，及也具有用来加速离子轴向传送的装置。这样 的单元证明提供在几十微秒内的快速离子传送。第一平面MR TOF 143提供在毫秒时间级中的母离子的延长时间分离、第二(快速TOF2 分析仪145)是在孩i秒时间级中的。这样的布置在由Anatoli Verentchikov在2005年1月11日提交的共同授予美国专利申请公报 No. 2005/0242279 Al中公开，这设置使用所谓嵌套时间级体系的所谓 平行TOF-TOF分析。这个公开申请的整个公开通过参考包括在这里。
参照图15，在本发明的级联MS-MS 151的另 一个具体实施例中， 离子阱源154也作为碎裂单元工作。对于母离子选择和碎片离子的质 量分析都采用相同的MR TOF分析仪153。在阱与MR TOF分析仪 之间的弯曲界面152完成多个功能。它改进离子包的特性，改进离子 传送，改进飞行时间分离，限制气体流动，也调节在碎裂步骤处的离 子能量。
在操作中，来自离子源的离子束在离子阱转换器154中被累积和 緩冲。优选地，阱转换器是如在图9中描述的具有轴向离子注入的气 体填充线性离子阱。施加到辅助电极上的脉冲把离子射出到阱外。离 子传送过弯曲界面152，并且然后在平面多反射TOF MS 153中被质 量分离。对于第一循环，离子运动如由离子轨迹156表示的那样在最 后透镜155中完全反向。离子包穿过分析仪返回，进入界面152，然 后由反向箭头157表示的那样进入单元154。离子选择器(未表示) 用在离子路径中的某处，以选择单一质荷比离子种类。只有那些种类 准许返回到单元中。所希望的能量范围在弯曲界面中选择。被选择离 子被减速，并且准许进入离子阱154中，该离子阱154现在用作具有 碰撞诱导分解(CID)的气体填充碎裂单元。如果注入能量足够，则 注入离子形成包含碎片的信息集。碎片离子在以后的气体碰撞中被緩 冲，并且准备用于进入同一分析仪中的二次注入。这时，质量分离离 子通过使用在最后偏转器155中的完全角度偏转引导到离子探测器 上。碎片离子包经出口界面158行进，并且撞击探测器159。
所述仪器提供在相同分析仪和相同阱/CID单元内的级联MS分 析。弯曲界面用作用于同步离子和高效引入和引出MRTOF分析仪 的便利装置。它也用来改进离子阱源的特性，用来限制各级之间的气 体通量，甚至它也用于离子注入能量的校正，由此控制离子碎裂的程 度。
本发明的所有方面适用于多种级联仪器在前端处具有各种分离 方法的级联，像色i普法和电泳-LC-TOF、 CE-TOF。其它类型的级联 是双重质i普系统，像Q-TOF和TOF-TOF。
以上描述仅认为是优选实施例的描述。对于本领域的技术人员和 制造或使用本发明的那些人将想到本发明的修改。因此，要理解，在 图中表示的和以上描述的实施例仅用于说明目的，并且不打算限制本 发明的范围，本发明的范围由包括等效物条义的如下权利要求书限 定，如根据专利法的原理解释的那样。
权利要求
1.一种多反射飞行时间质谱仪设备，包括脉动离子源，用来产生离子包；平面多反射飞行时间分析仪，用来按质荷比分离所述离子包的离子；离子接收器，用来接收分离的离子；及至少一个空间同步离子传送界面，位于所述离子源与所述离子接收器之间，其中所述至少一个空间同步离子传送界面具有弯曲轴。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中所述多反射飞行时间分析仪 包括无栅格离子反射镜。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述多反射飞行时间分析仪 包括无场区和在所述无场区中的至少两个聚焦透镜，用于离子束在漂 移方向上的周期性再聚焦。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面是消色的。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面具有同 步平面，与如下至少一个对准所述多反射飞行时间分析仪的对称平面和所述离子接收器的平面。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中，所述同步平面具有在所述 至少一个界面内可调节的取向。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面是能量 同步的。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述多反射飞行时间分析 仪补偿源自所述界面中的至少一种二阶飞行时间象差。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述多反射飞行时间分析 仪补偿源自所述界面中的至少 一种空间象差。
10. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面嵌在 所述多反射飞行时间分析仪中，以使离子绕过所述分析仪的至少 一 个离子反射镜的边沿和边缘场。
11. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面包括如下至少一个静电圆柱形扇区、静电环形扇区及静电球形扇区。
12. 根据权利要求11所述的设备，其中，所述至少一个界面包括 静电透镜。
13. 根据权利要求11所述的设备，其中，所述至少一个界面包括 Matsuda板。
14. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面包括 至少一个静电平面偏转器。
15. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面布置 成基本保留离子轨迹的初始方向。
16. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面布置 成把离子轨迹旋转成基本正交的。
17. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面布置 成基本反转离子轨迹的方向。
18. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面的至 少一个电压是J3^动的。
19. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面包括 用于可控离子能量滤波的装置。
20. 根据权利要求19所述的设备，其中，所述用于可控离子能量 滤波的装置包括缝隙。
21. 根据权利要求20所述的设备，其中，所述缝隙是可调节的。
22. 根据权利要求20所述的设备，其中，所述用于可控离子能量 滤波的装置还包括空间聚焦透镜，用来调节在所述缝隙处的离子轨迹 的横交平面。
23. 根据权利要求19所述的设备，其中，所述脉动离子源采用抽 取电场，该抽取电场具有的强度被调节以形成具有超过所述至少一个 界面的准许能量散布的能量散布的离子包。
24. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述平面多反射飞行时间分析仪包括无场区和在无场区中的至少一个偏转器以反转离子漂 移运动。
25. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述离子接收器包括如 下之一飞行时间离子探测器；用于离子沉积的表面；级联质镨仪的 碎裂单元；用来碎裂离子和把它们释放回所述多反射飞行时间分析仪 中的离子阱；及用于在时间嵌套数据获得体系中的平行MS-MS分析 的快速传送碎裂单元。
26. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面布置 成在所述多反射飞行时间分析仪的各部分之间传送离子包。
27. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个界面布置 成在至少两个多反射飞行时间分析仪之间传送离子包。
28. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述脉动离子源包括从 如下组中选择的内在脉动离子源MALDI离子源、具有延迟离子抽 取的MALDI、脉动电子碰撞离子源、SIMS脉动离子源、及激光解吸 离子源。
29. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述脉动离子源包括脉 冲转换器和从如下组中选择的一个连续或准连续离子源ESI、 APCI、 APPI、 CI、 EI、 ICP、及级联质镨仪的碎裂单元。
30. 根据权利要求29所述的设备，其中，所述脉冲转换器从如下 组中选择Paul三维离子阱、具有轴向射出的气体填充线性离子阱、 具有径向射出的气体填充线性离子阱、正交加速器及跟随有正交加速 器的离子阱。
31. —种飞行时间质谱仪设备，包括气体填充离子阱，用来产生离子包，所述离子阱包括射频信号所 施加到其上的至少一个电极，其中所述离子包在所述射频信号的切换 后的预定延迟之后从所述离子阱抽取；飞行时间质量分析仪，用来根据离子的质荷比分离离子；离子接收器，用来接收分离的离子；及空间同步能量滤波器，定位在所述离子阱与所述离子接收器之间，用来传送有限能量范围之内的离子。
32，根据权利要求31所述的设备，还包括用来产生离子并把离子 馈送到所述离子阱中的离子化器。
33. 根据权利要求31所述的设备，其中，所述飞行时间质量分析 仪包括离子反射镜，其补偿关于离子能量的至少二阶飞行时间象差。
34. 根据权利要求31所述的设备，其中，所述飞行时间质量分析 仪包括离子反射镜，其是无栅格的且是可调节的以补偿在所述能量滤 波器中发生的、且与离子坐标有关的至少一种象差；所述象差包括在 如下组中那些的至少之一关于空间坐标的飞行时间象差、空间象差、 及彩色象差。
35. —种混合飞行时间质量分析仪设备，包括 静电扇区的至少一个空间同步集； 至少一个离子反射镜；及离子接收器，其中，所述离子反射镜补偿所述静电扇区集的至少一个二阶飞行 时间象差。
36. 根椐权利要求35所述的设备，其中，所述至少一个离子反射 镜是无栅格离子反射镜。
37. 根据权利要求36所述的设备，其中，所述至少一个离子反射 镜补偿所述静电扇区集的、且与离子的空间坐标有关的至少一个二阶 象差；所述象差的組包括关于空间坐标的飞行时间象差、空间象差、 及彩色象差。
38. 根据权利要求35所述的设备，其中，所述离子接收器相对于 成像飞行时间质镨测量是位置敏感的。
39. —种设备，包括 离子源，用来产生离子；线性离子阱，具有延迟的离子抽取用于离子累积和离子包的形成；平面多反射飞行时间分析仪，具有带有周期透镜的漂移空间； 离子接收器；及至少一个空间同步c形圆柱界面，位于所述线性离子阱与所述 离子接收器之间。
40. —种多反射飞行时间质镨仪设备，包括 脉动离子源，用来产生离子包；多反射飞行时间分析仪，用来按质荷比分离所述离子包的离子；离子接收器，用来接收分离的离子；及至少一个空间同步离子传送界面，位于所述离子源与所述离子接收器之间，其中所述至少一个空间同步离子传送界面包括具有弯曲轴 的至少一个静电扇区。
41. 根据权利要求40所述的设备，其中，所述至少一个静电扇区 包括如下至少之一静电圆柱形扇区、静电环形扇区、及静电球形扇 区。
42. 根据权利要求40所述的设备，其中，所述多反射飞行时间分 析仪是平面多反射飞行时间分析仪。
全文摘要
本发明一般涉及多反射飞行时间质谱仪(MR TOF MS)。为了改进平面MR TOF MS分析仪(11)的质量分辨率，空间同步和弯曲界面(21)可以用于进出MR TOF MS分析仪(11)的离子传送。一个实施例包括在无场空间中具有周期透镜(14)的平面MR TOF MS(11)、用来把离子流动转换成脉冲的线性离子阱(17)及由静电扇区制成的C形同步界面。界面(21)允许绕离子反射镜(12)的边沿和边缘场(13)传送离子而不引入显著时间散布。界面(21)也可以提供离子包的能量滤波。通过使用来自离子阱的延迟离子抽取可以减小离子阱转换器(17)的非相关折返时间，并且过大离子能量在弯曲界面(21)中过滤。
文档编号H01J49/40GK101171660SQ200680015367
公开日2008年4月30日 申请日期2006年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者米克海尔·雅沃尔, 阿纳托利·N·维雷恩特奇科夫 申请人:莱克公司