专利名称：飞行时间质谱仪和在飞行时间质谱仪中分析离子的方法
技术领域：
本发明涉及一种飞行时间(ToF)质谱仪和一种在ToF质谱仪中分析离 子的方法。特别地，本发明涉及一种具有分段式线性离子存储装置的ToF 质谱仪。
背景技术：
包括四极质量过滤器-ToF质谱仪和四极离子阱ToF质谱仪的ToF质 谱仪目前已经广泛应用于质谱分析领域。商业上可用的ToF仪器提供了可 达约20 k的分辨能力和3至5 ppm的最大质量精度。通过比较，FTICR (傅 里叶变换离子回旋共振(Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance))仪器能 够实现高得多的、至少100k的分辨能力。这种高分辨能力的主要优点是 改善质量测量精度。这对可靠地识别所分析的化合物是必要的。
然而，尽管它们具有很高的分辨能力，但是与ToF仪器相比，FTICR 仪器具有许多缺点。首先，每秒能够记录的谱数量低，并且其次，需要至 少100个离子来记录适当强度的谱峰。这两个缺点意味着需要对探测极限 妥协。FTICR仪器的第三个缺点是需要超导磁体。这意味着该仪器的容积 大，并且具有相关的高的采购成本和高的运转成本。因此，存在改善由ToF 质谱仪提供的分辨能力的强烈需求。
先驱离子的隔离期间的高的分辨能力对于同位素纯MS/MS子离子谱 的产生，以及对于同量异位干扰离子的消除是很重要的。低的检测极限是 重要的，例如在类蛋白体领域，以允许在存在大量蛋白质的情况下检测弱 表达蛋白质，并且在许多其它应用领域中，用于检测低浓度的样品。
当用液相色谱(LC)提供样品时，每秒产生大量谱的能力是需要的， 其中单独的分离的化合物在只持续几秒的短的脉冲或聚束内传递到质谱 仪。为了在每种化合物从LC柱(LC column)流出时获得关于它的最多信 息，需要以高的速率产生高质量的谱。在样品直接注入而不进行色谱分离的情况中，具有产生大量谱的能力也是有用的，以降低整个分析时间，提 高生产率。
所希望的是在每个己获得的谱内实现高的动态范围，使得该谱提供高 保真度数据(良好的统计值和高的信噪比)，而不需要积聚相当的谱。避免 这种积聚的需求等同于增加有效的复现率，并再次提高生产率。
由于下述原因，大的质量范围(最高和最低可检测的质量之比)也是有 好处的
为了获得最高的质量精度，对该谱来说，需要包含至少一个内部校准 峰。大的质量范围使得未知峰能够位于相应的较宽的质量范围内，而不需 要为每一种分析物提供定制校准物。
'单发射(single shot)'宽质量范围能力的第二个好处在于肽、肽离 子片段的MS/MS分析，使得仅肽链中的相邻缩氨酸之间的键断裂。产生 了一系列的峰，从而能够识别肽的缩氨酸序列。这些峰可以具有宽的m/z 值分布，且由于蛋白质的独特标识的概率取决于所检测的峰的数量，因此 具有宽的可用质量范围是有利的。
离子阱中的离子的基本行为可以由Mathieu参数a和q描述。如果 Mathieu参数q〈0.4，则能够将离子运动视为谐波'伪势阱，内的长期运 动，其中该'伪势阱'的深度与俘获的波形的振幅和Mathieu参数q的乘 积成比例。如果离子阱中存在缓冲气体，则在短暂的冷却周期之后，所俘 获的离子将它们的动能传递给缓冲气体，并且停留在伪势阱的中间(势最低 的区域中)处。
这种由于冷却导致的定位使得离子云在"速度-位置"相空间中占据的 区域减少。更具体地，离子云沿横向于离子阱的纵轴的方向物理尺寸减小 且速度分布减少。因此，当离子云从离子阱中喷出时，离子云发射度降低， 且这会对相关的TOF分析器的性能有好处。特别地，由具有质量M的离 子组成的平衡离子云的均方根速率(RMSV)Vth(M)由下式给出其中Kb为波尔兹曼常数，m。为单位质量，且离子云的温度T由缓冲气体 的温度决定，并且从离子阱喷出的离子的'周转时间'AT咖a,nd由下述
表达式与RMSV相联系。
当丫为单位质量值与单位改变值之比且为9.97997 x 107时，
<formula>formula see original document page 16</formula>因此，具有减小的RMSV的离子云也会具有减小的A:TtumM,d，并且
这导致分辨能力的改善，因为AT^^r,d为大多数类型的ToF分析器的质 量分辨能力设定了极限。
更具体地，ToF分析器的分辨能力由下述表达式给出<formula>formula see original document page 16</formula>
其中r,为飞行时间，且Ar为与ToF谱中的单个质量电荷比相关的峰的半 高全宽(FWHM)。
根据下述表达式，ATtumarcund对AT的整个值有贡献<formula>formula see original document page 16</formula>
通常是这样的情况，即AT,j誦d为与AT她咖、ATchr。—ab和ATsph—化相
似的值，并且因此即使由于RMSV的减小而导致的AT自^,d的适度减小 也能提供一定程度的分辨能力的改善。
并且，因为离子云沿横向提取方向具有减小的物理尺寸，所以当通过 施加提取电压使离子从离子阱喷出时，它们具有降低的能量分布(以及由此
降低的AT^。一ab )，并且这也导致了分辨能力的改善。
通常，当俘获场由高Q共振LC电路产生时，难以终止该俘获场。结
果，在施加提取场之前，离子云被提供了太多的时间进行膨胀。在wo2005/083742中描述了一种克服这些问题的方法。其描述了通过采用多个 快速电子开关来提供俘获场，从而允许以相对于俘获波形的相位高度精确 的方式来终止俘获场，并且随即在小的预定延迟之后，转换为所有的离子 从离子阱向飞行时间质谱仪移动的状态。
与传统的3D离子阱相关的问题是它们具有低的电荷量。这是因为与 3D离子阱相关的四极场向离子压向空间中的单点，并且因此离子云将占 据以该点为中心的小的容积空间。这种受限的电荷量是(动态范围'和设 备的离子吞吐量的折衷。当动态范围低时，每个质量谱中的离子的数量将 受限制，并且因此可能需要在延长的时间内积聚大量的单独的谱，以实现 好的保真度。这种积聚过程增加了分析时间，还限制了进行快速色谱分离 的能力。
与低的动态范围相关的另一个缺点是能够从ToF分析器获得的质量精 度可能受到影响。为了获得最高的质量精度，每个质谱应当包括内部校准 峰，这些已知m/z值的峰可以用来校正质量轴的小的偏移，该偏移例如是 由电源的短期漂移和不稳定性造成的。这种校准方法只有在单个谱中的峰 具有足够的强度以精确地确定峰位置时才能产生成功的结果。
当考虑由特定场结构产生的离子阱的电荷量时，'临界电荷'的概念 是有用的。典型的3D离子阱的临界电荷可以表示为
<formula>formula see original document page 17</formula>K为波尔兹曼常数，T为温度，f。为介电常数，且q为单位电荷。项az提 供了离子云沿z方向的半径的度量，其为该离子云沿径向的半径dr的一半。
Qcrit」d表示在空间电荷效应开始起作用之前能够载入离子阱中的电荷量。 当载入电荷Q超过临界电荷QcHt—3d时，除了施加的四极场，离子开始经历 由于离子云中的其它离子的存在而导致的相互作用势(空间电荷效应)。当 离子阱以大于临界电荷密度进行操作时，平衡电子云的尺寸由空间电荷而 不是离子云的温度来表示。此外，临界电荷表明离子层化现象的开始。
应当注意，临界电荷比设备的最大存储电荷量小很多。在传统的3D离子阱的情况中，Qe《3d取决于离子云的尺寸，该尺寸由q决定。在IT-ToF
仪器中，所有感兴趣的m/z值必须保持在由离子云必须通过以到达ToF分 析器的排出孔的尺寸所限定的一定界限内。必须采用的俘获条件由希望在 质谱中观察到的上方m/z值确定。
二维四极场的相应的临界电荷由下式给出
<formula>formula see original document page 18</formula>
与Qc^—3d不同，Qe(2d不依赖于离子云尺寸参数CTx和CJy，且因此独立
于离子m/z值。
另一个差别在于Q^一2d可以通过增加离子云沿z方向的长度(L)而增 力口。然而，在实际中，L由能够被ToF分析器接收的Z方向发射度(己知为'接 收度')所限制。实际限制为L"0 mm。在该情况中，可以釆用上述等式 计算临界电荷为比2D四极场情况大大约25倍(假设排出孔的尺寸和俘获条 件相似)。因此，与3D四极场相比，2D四极场提供了动态范围和离子吞吐 量的大大增加。
与3D四极场相比，2D四极场作为ToF的离子源具有其它多个优点。在 宽的质量范围内，离子能够以比3D四极场更高的效率引入2D四极俘获场。 离子可以沿着与伪势阱最小值相一致的轴线被有效地引导。然而，从轴向 延展的离子云获得的、并在2D四极场内冷却的发射度比由某些类型的ToF 分析器接收的更大。
已知的LIT-ToF系统在离子引导期间具有离子损失机制(例如参见US 5763878)。在2D四极场和先前的及进行中的离子光学传输装置/元件之间的 边缘场区域可能会损失大量的离子。传递进入设备中的离子的效率将取决 于边缘场的形式和将被分析的离子的质量范围。
3D离子阱-ToF仪器在MS模式下具有每秒约10个谱的最大获取率，且 在MS/MS模式下具有每秒约5个谱的最大获取率。与在US 5763878中所描 述的LIT-ToF设备的比较表明每秒10000个谱的获取率是可能的。然而，以 这样的速率，由于所俘获的离子给出没有足够时间进行冷却，所以通过采用线性离子阱提供的优势不能被实现。此外，还将损失大比例的俘获离子。 而且，这样的高获取率在大多数应用中是不必要的，并且所表明的离子吞
吐量比大多数离子源实际能够提供的离子吞吐量高。LIT中的10mm长的离 子云能够将约105个离子传递至ToF分析器。以104个谱/秒的获取速率，每 秒总共l(^个离子的电流被传输进入ToF分析器，并且这种高的电流等同于 160pA的连续电流，并表示能够由电喷离子源传递的饱和电流。为了有效 地冷却离子，以确保从ToF分析器获得最佳性能，每秒100个谱的最大分析 速率更合理，且这足以满足大多数需要。
当在3D离子阱中进行MS/MS分析时，MS分析的每一个阶段被顺序进 行。这被称为'时间级联(tandem in time)，分析。对于MS/MS分析的每 一个阶段，都有必要执行下面的步骤冷却、隔离、冷却、激励、冷却。 这些过程是非常耗时的。所花费的总时间将取决于在隔离步骤中所要求的 分辨率，然而通常总周期时间约为200ms。这强加了每秒约5MSZ个谱或每 秒约2M^个谱的限制。低的获取率被3D离子阱的电荷量的限制所影响。 依赖于离子在m/z方面如何分布，3D离子阱的隔离限制约为10000个离子。 然而，在隔离步骤之后将保留的所感兴趣的离子通常可约为初始数量的 5%。因此，在典型的MS2试验中，离子吞吐量通常仅为每秒2500个离子， 且典型的MS3试验中，离子吞吐量将低至每秒50个离子。因此，对离子阱 丁oF仪器存在一种需求，即改善离子吞吐速率和谱获取速率，特别是对MS2 和MSS分析模式。
发明内容
根据本发明，提供了一种飞行时间质谱仪，包括供给釆样离子的离 子源；具有纵轴的分段式线性离子存储装置，用于接收由离子源供给的采 样离子；用于向该存储装置供给下述电压的电压供给装置(i)俘获电压，
在冷却气体的帮助下，所述俘获电压对于俘获在该存储装置的轴向延展区 域中的采样离子或从所述采样离子衍生出的离子是有效的，所述轴向延展 区域包括该存储装置的两个或多个彼此相邻的段构成的组的俘获容积空 间，并且对于使随后在所述轴向延展区域中被俘获的离子在所述轴向延展 区域的提取区域中被俘获以形成离子云来说是有效的，所述提取区域比所述轴向延展区域短，和(ii)提取电压，用于沿正交于该存储装置的所述纵轴 的提取方向从所述提取区域喷出离子云；以及飞行时间质量分析器，用于 对从所述提取区域喷出的离子进行质量分析。
在本发明的优选实施例中，所述提取区域包括所述段构成的组中的一 个单独段的俘获容积空间。
优选地，电压供给装置被设置为向所述存储装置供给RF俘获电压，以 形成沿该存储装置的相邻段和在该存储装置的相邻段之间基本为均匀的 四极俘获场，以使离子在相邻段之间通过，而基本上没有离子损失。
进一步优选地，所述分段式存储装置的相邻段具有基本相同的径向尺寸。
在优选实施例中，该质谱仪包括离子云处理装置，该离子云处理装置 用于在施加所述提取电压之前降低沿横向于所述纵轴的方向的所述离子 云中的离子的物理尺寸和/或速度分布。这具有在离子云从提取区域喷出时 降低该离子云的发射度的效果。离子云处理装置可以被设置为增加施加至 提取段的俘获电压(所谓的"脉冲压缩")，和/或在所述俘获电压的终止 和所述提取电压施加之间强加延迟。
在优选实施例中，该存储装置的其它段可以用作存储段和/或分裂段和 /或过滤段。
根据本发明，还提供了一种采用飞行时间质谱仪分析离子的方法，包 括步骤在具有纵轴的分段式线性离子存储装置中接收采样离子；将俘获 电压施加至所述存储装置，该俘获电压在冷却气体的帮助下，对于俘获所 述存储装置的轴向延展区域中的采样离子或从所述采样离子衍生出的离 子是有效的，所述轴向延展区域包括该存储装置的两个或多个彼此相邻的 段构成的组的俘获容积空间，并且对于使随后在所述轴向延展区域中被俘 获的离子在所述轴向延展区域的提取区域中被俘获以形成离子云是有效 的，所述提取区域比所述轴向延展区域短；将提取电压施加至该存储装置，
以使所述离子云沿正交于该存储装置的所述纵轴的提取方向从所述提取
区域喷出；以及采用飞行时间质量分析器分析所述喷出的离子。
在优选实施例中，该方法包括下述步骤，即将RF俘获电压供给至所述 存储装置，以形成沿所述存储装置的相邻段和在所述存储装置的相邻段之间基本均匀的四极俘获场，以使离子能够在相邻段之间通过，而基本上没有损失。优选地，四极俘获场沿着该存储装置的整个长度基本为均匀的。
根据本发明，还提供了一种飞行时间质谱仪，包括供给采样离子的离子源；具有纵轴的分段式线性多极离子存储装置，用于接收由离子源供给的采样离子；用于向该存储装置供给下述电压的电压供给装置-
(i) RF俘获电压，产生沿所述存储装置的相邻段和在所述存储装置的
相邻段之间基本均匀的多极俘获场，以使离子能够在相邻段之间通过，而
基本上没有离子损失；
(ii) DC俘获电压，在冷却气体的帮助下，其对于俘获所述存储装置的提取区域中的采样离子或从所述采样离子衍生出的离子以形成离子云是有效的；和
(iii) 提取电压，用于沿正交于所述存储装置的所述纵轴的提取方向从所述提取区域喷出离子云；以及
飞行时间质量分析器，用于对从所述提取区域喷出的离子进行质量分析。
根据本发明，还进一步提供了一种操作飞行时间质谱仪的方法，包括下述步骤在具有纵轴的分段式线性多极离子存储装置中接收采样离子；施加RF俘获电压，以产生沿所述存储装置的相邻段和在所述存储装置的相邻段之间基本均匀的多极俘获场，以使离子能够在相邻段之间通过，而基本上没有离子损失；
施加DC俘获电压，其在冷却气体的帮助下，对于俘获所述存储装置的提取区域中的采样离子或从所述采样离子衍生出的离子以形成离子云是有效的；以及
施加提取电压，用于沿正交于所述存储装置的所述纵轴的提取方向从所述提取区域喷出离子云，并采用飞行时间质量分析器分析喷出的离子。
根据本发明，还提供了一种飞行时间质谱仪，包括供给采样离子的离子源；具有纵轴的分段式线性离子存储装置，用于接收由离子源供给的采样离子；用于向该存储装置供给RF多极俘获电压的电压供给装置，其用于向该存储装置的段选择性地供给DC电压，以使采样离子或从采样离子衍生出的离子在该存储装置的不同轴向延展区域之间移动，其中离子在所述不同轴向延展区域选择性地经历MS处理，并且电压供给装置用于使经过处理的离子在该存储装置的提取段的俘获容积空间中被俘获，并且所述电压供给装置用于向提取段供给提取电压，以沿正交于该存储装置的所述纵轴的提取方向将所俘获的离子喷出；和
飞行时间分析器，用于对从所述提取区域喷出的离子进行质量分析。
现在将仅以举例的方式，参照附图描述本发明的各实施例，在附图中
图l示出本发明优选实施例的ToF质谱仪的横截面视图2示出用在本发明一个实施例中的分段式线性离子存储装置的横截面视图3示出用在本发明可选实施例中的分段式线性离子存储装置的横截面视图4示出在该质谱仪的第一操作模式中，在MS试验的全循环的每个阶段期间提供至图2的分段式装置中的每一段的DC偏压；
图5示出采用2对数控开关将俘获波形施加至分段式装置的结构；图6示出采用单对开关的可选的转换结构；
图7示出采用通过电容器连接至分段式装置的2对开关的可选的转换结构；
图8示出施加至分段式装置的典型的RF俘获波形；
图9示出具有在X和Y杆之间施加的DC电压的典型RF俘获波形；
图10示出施加至分段式装置的提取段的X和Y杆、以引起离子从提
取段喷出的电压；
图11示出向分段式装置的提取段施加提取电压的转换结构；
图12示出向分段式装置的提取段施加提取电压的可选的转换结构；
图13示出在该设备的第二操作模式中，在MS试验的全循环的每个
阶段期间提供至图2的分段式装置中的每一段的DC偏压；
图14示出在该设备的第三操作模式中，在MS试验的全循环的每个
阶段期间提供至图2的分段式装置中的每一段的DC偏压；
图15示出a-q图。边界内的无阴影区域对应于将被隔离的选定m/z比的离子；
图16示出隔离图15的无阴影区域中的离子所必需的宽带信号的频谱
图17示出与施加至该装置的段、以在该段中的离子所希望的q值处
引起共振激发的双极信号相关的示意性俘获波形；
图18示出由相关的双极信号施加俘获波形的转换结构；
图19示出叠加在施加至该装置的段上的RF俘获波形上的单频双极；
图20示出用来显示单频双极激发过程的另一 a-q图21(a)示出在脉冲压縮过程期间施加至提取段的俘获波形；
图21(b)和21(c)示出在脉冲压縮过程期间施加至X和Y杆的、作为时
间函数的各个电压；
图22示出在该设备的第四操作模式中，在MS/MS试验的全循环的每
个阶段期间施加至图2的分段式装置中的每一段的DC偏压；
图23示出在该设备的第五操作模式中，在MS/MS试验的全循环的每
个阶段期间施加至图2的分段式装置中的每一段的DC偏压；
图24示出施加至X和Y杆之间以允许隔离/过滤段中的离子的、具
有DC偏移量的RF俘获波形；
图25示出用来表示离子的质量选择性过滤的另一 a-q稳定性图26示出在X和Y杆之间引入有效的DC偏移量的、具有改进的占
空比的俘获波形；
图27示出具有反映图26的偏移量的移位边界的a-q稳定性图；图28示出当扫描RF波形的频率时施加至分度的X和Y杆的波形；图29示出在该设备的第六操作模式中，在MS/MS试验的全循环的每
个阶段期间施加至图3的分段式装置中的每一段的DC偏压；
图30示出在该设备的第七操作模式中，在Msn式验的全循环的每个
阶段期间施加至图3的分段式装置中的每一段的DC偏压；图31为具有双曲率形状的杆的分段式装置的一段的图示；图32(a)和32(b)示出采用平板电极形成的分段式装置的多个段；图33示出由具有下部电极的圆板电极形成的离子阱，其中下部电极
具有提取狭槽；图34示出具有线性和圆形结构的重叠电极的PCB平板电极，并示出用于在线性操作模式中激励所述电极的相关联的开关；
图35示出具有线性和圆形结构的重叠电极的PCB平板电极，并示出用于在圆形模式中进行激励的相关联的开关。
具体实施例方式
现在参照附图，图1示出了本发明实施例的ToF质谱仪的示意图。
该质谱仪1包括离子源2、具有用于接收由离子源2提供的离子的进口端I和出口端O的分段式线性离子存储装置10、靠近出口端O设置的用于探测射出出口端0的离子的探测装置20、具有探测装置41的ToF质量分析器40和离子聚焦元件30。
该质谱仪还包括用于向离子存储装置10的段供给电压的电压供给单元50和用于控制电压供给单元的控制单元60。在本实施例中，ToF质量分析器40包括反射器(reflectron);然而，可以替换采用其它任何合适形式的ToF分析器；例如，具有多通道结构的分析器。
图2和3示出分段式线性离子存储装置10的不同实施例的纵向截面图。图2中所示出的装置具有9个分立的段11至19，然而，图3中所示出的装置具有13个分立的段，包括位于段12和13之间的三个附加段12a、12b和12c，以及段18和19之间的附加段18a。
在优选实施例中，装置10为四极装置。可选择地，虽然较少希望这样，但可以采用不同的多极装置，例如六极装置或八极装置。在接下来的实施例中，将假设装置10为四极装置。在四极装置的情况中，每个段可以包括对称设置在公共纵轴周围的四个极(如，杆)，尽管如下文将更详细地描述的，可替换地可以采用由一系列平板电极形成的结构。
在操作中，电压供给单元50向段供给RF俘获电压，以在段的俘获容积空间内产生二维四极俘获场。实际上，俘获场产生了伪势阱，该阱的底部集中在纵轴上。用这种方法，具有预定质荷比范围的离子能够沿径向方向被俘获，其中该范围由俘获电压的特性决定，如由上述Mathieu参数a、q所表示的，俘获场趋向于限制离子积聚在势阱底部处的纵轴上或其附近。
电压供给单元50还被选择性地设置为向装置的段供给DC偏压。如下文将更详细地描述的，依赖于所要求的操作模式，选择性地供给至段的DC电压可以实现不同的操作功能。
例如，供给至段的DC电压可以用来产生沿着该装置的DC势梯度，
导致离子在其沿着该势梯度移动时在段之间通过。供给至段的DC电压还
可以用来在单个段的俘获容积空间内或者在两个或多个彼此相邻的段构
成的组的俘获容积空间内产生DC势阱。
在优选实施例中，供给至该装置10的段的DC电压在两个或多个彼此相邻的段构成的组的俘获容积空间内产生了相对宽的DC势阱。DC势阱被设置成在该组的一个(或者可能多于一个)段的俘获容积空间内比在该组的其它段的俘获容积空间内更深。最初，离子在由段构成的整个组的俘获容积空间限定的装置10的相对宽的轴向延展区域中被俘获，并且在俘获离子由于与冷却气体碰撞而失去动能时，它们逐渐下落到势阱的底部，并且由此被沿轴向限制在装置IO的形成离子云的相对狭窄的区域内。
在特定的优选实施例中，离子云以这种方式在该装置的提取段(图1中的段17)的俘获容积空间内形成，并随后在施加至该段的提取电压的作用下，沿正交于纵轴的提取方向从该段喷出。随后采用ToF分析器40分析所喷出的离子。
通过这种测量，改善具有宽质量范围(例如，最大和最小质量之间是十倍的关系)的离子在装置10内被冷却以形成离子云的效率，带来离子吞吐量的增加和灵敏度及动态范围的改善。
已经发现，有利的是，将四极俘获场设置为沿装置10的相邻的段且在相邻的段之间为大致均匀的，以使宽的质量范围内的离子能够在所述段之间通过，而基本上不损失离子，这再次带来动态范围的改善和离子吞吐量的增加。
由电压供给单元50在控制单元60的控制下供给的电压可以使装置10的段或段构成的组选择性地实现一个或多个范围的不同的操作功能，包括俘获、存储、隔离、分裂、过滤和提取离子，如由质谱仪l的特定操作模式所要求的那样。
通过恰当地选择DC电压，能够使离子在装置10的可以进行不同操作功能的不同区域之间轴向移动，并且对于相同的段或段构成的相同的组能够在不同的操作阶段实现不同的操作功能，并且对于不同的段或段构成的不同的组能够在同一时间实现不同的操作功能。
分段式装置10可以被设置为使得不同的段或段构成的不同的组位于不同的真空室中，在不同的压力下被保持并由位于段之间的间隙内的孔板分离，每个段和相关的孔具有分立的电压供给单元。
分段式装置10可以被设置为使得所有的段都在相同的频率、电压和相位下工作；可选择地，至少一个段可以在不同的频率、电压和相位下工作，但可以在任意时间转换为在与其它段相同的条件下工作。
应当理解，控制单元60可以如此构造，使得质谱仪具有单一操作模式；可选择地，质谱仪可以选择性地以多个不同操作模式中的任一种进行操作。
现在将描述优选操作模式的例子。
现在参照图4描述该装置的第一操作模式。在该操作模式中，该质谱仪能够产生具有可变占空比的MS谱。例如，可以采用以连续射束形式供给至段ll(入口段)的离子产生单ToF谱。
如图4所示，在步骤101中， 一组合适的DC和RF俘获电压被施加至装置10的所有段。以下参照图5-9描述如何精确地将所述电压施加至所述段。所施加的电压例如是允许离子通过段11进入，以沿着该装置的整个长度通过(通过所有段11-19)，穿出段19，以由离子探测装置20检测。这是因为由电压供给单元50供给至所述段的DC电压沿着装置10的轴向长度逐渐降低，导致离子在其沿着如此产生的电势梯度移动时在段之间通过。在预定持续时间内在探测装置20检测的离子电流积聚并存储在控制单元60中。
下一步骤为在合适的固定持续时间之后发生的步骤102。在该步骤中，RF俘获电压延续步骤101，没有改变，但DC电压被调整为允许离子进入装置10，以在段15-18内产生的势阱内被初始俘获。冷却缓冲气体(如，惰性气体，例如He)被设置在装置IO的所有段内。当在段15-18中俘获的离子与缓冲气体碰撞时，它们失去动能，且这将导致所俘获的离子最终积聚在轴向DC势最低的位置处，在该情况中是在提取段17中。
在经过根据在步骤101中测量的积聚离子电流确定的持续时间之后，在步骤103中示出的DC电压施加至装置10。段11上的电压比所有剩余段上的电压高很多，且这阻止其它离子通过段11进入装置10。先前在段
15-18中积聚的离子被给出了额外的时间与缓冲气体碰撞，并且这确保了最大量的离子被限制在提取段17内。在几毫秒之后，提取段17中的离子将与缓冲气体达到热平衡。
在步骤104中，DC电压被调整为将段17中的离子云轴向限制在该段的中间部分内，且在离子云从提取段喷出时，这将降低该段内的离子云的发射度。
在步骤104之后，提取电压(未示出)被施加至段17，以沿正交于分段式装置10的纵轴的提取方向从段17提取离子，用于由ToF分析器进行分析。此外，参照图10-12，将简短地描述提取电压的精确施加过程。随后可以重复步骤101-104，以从段17中提取其它离子，用于由ToF分析器进行分析。
通过用探测装置20测量进入离子束电流并采用离子电流的该测量值调整装置10的占空比，这种特殊操作模式阻止了分段式装置10的电荷过载。这种方法是可取的，因为如果装置10的电荷过载发生了，则高m/z比的离子将优先被辨别出，或者甚至可能完全损失掉。与整个周期时间相比，采用这种方法可实现的占空比取决于步骤102的持续时间。
在该操作模式中，当离子束电流高时，占空比将相应地降低。
图5-7示出了用来将RF俘获波形施加至分段式装置的可替换的转换结构。 '
在图5中，采用分别连接至装置10的四极段的X极53和Y极54的两对数控幵关51、 52来施加俘获波形。这将在该段内产生RF俘获波形。可选择地，可以采用图6中具有连接至Y杆54的一对开关51的结构产生RF俘获波形。X杆接地。
如图5所示的转换结构产生的典型的RF波形在图8中示出。其示出了具有50%占空比的方波。该波形的振幅和周期TRF根据将在该段内俘获的离子的m/z范围进行选择。从中可以看出，图8的RF俘获波形没有参照地电位的DC成分。
在WO 01/29875 (Ding)提供了采用数控开关产生RF俘获波形的进一步详细描述。
图7示出了能够用来在装置10的段之间，或者在装置10的一个段内
的X和Y杆之间引入DC偏移量的转换结构。
在该情况中，开关51， 52经由电容器56连接至X和Y杆53, 54。该电路还包括用于在段之间引入DC偏移量，或者在装置IO的一个段内的X和Y杆53,54之间引入DC偏移量的元件55。
图9示出了采用所施加的DC偏移电压而产生的RF俘获波形。在该例子中，相同的电压施加至X和Y杆。对于装置10中的每个段，DC偏移量可以相同或不同，并且例如被设定为轴向俘获段构成的组内的离子云，俘获该组中一个段内的离子云，或已引入轴向场，以使离子从入口段11行进至装置10的出口段19。
现在将参照图10-12描述提取电压向分段式装置10的施加过程。图10示出了在提取步骤期间施加至提取段17的X和Y杆的电压。在t=0和1=1^—之间，离子由施加至提取段17的X和Y杆的RF俘获波形限定在段17中。在时间t-Td^y.！(其对应于RF周期的特别有利的相位)时，俘获电压被终止；X杆上的电压设为零，且Y杆上的电压设为V^V"勿。在时间t^Td勿-,和t4d勿-2之间，所述杆被保持在这些电压上。
在t-Tde—2时，Y杆上的电压被设为不同的DC电压，V=Vy.extrart。同
时，提取电压+Vxwt和—Vx.e咖et分别施加至Xl和X2杆。这导致所有的
离子通过X2杆从提取段17喷出。在t-T。ff时，所有杆上的电压设为零，以停止提取。
在^Td匈.,和^Td勿.2之间引入的延迟在施加提取电压之前有效地引起沿横向于纵轴的方向的速度分布的减少。在该情况中，由离子云在"速度-位置"相空间中占据的面积基本未变；即，离子云的沿提取方向的物理尺寸增加，因为离子云不再被RF场所限制，且它在相对较弱的恒定四极场中膨胀。相应地，离子云的初始相空间椭圆从最初竖直的转换为拉长并倾斜的，且离子的位置和速度相互关联。由于相空间椭圆的面积在离子云膨胀期间保持为常数，则沿X方向的速度分布必须相应地减少。
中间电压在延迟周期期间可以被施加至X和Y杆，以操作提取段17中的离子云，并进一步减少沿X方向的速度分布。通过以这种方式减少速度分布，则能够改善该质谱仪的整体分辨能力。可选择地，在延迟周期期间可以施加不同的电压，以对将被提供至ToF分析器的所提取的离子束进行空间聚焦。
典型地，提取电压至少为5kV，并具有约50ns的上升时间。
图ll示出了用于施加参照图IO描述的提取电压的可能的电路。如参
照图5-7所描述的，开关51和52将RF俘获波形分别时间至X杆53和
Y杆54。开关61， 62将延迟和提取电压施加至Y杆，且开关63和64将
提取电压分别施加至杆X2和XI 。
图12示出了用于将提取电压施加至提取段17的可选择电路。该电路
采用连接至高带宽升压变压器66的低电压开关65，以提供提取电压。变
压器66的次级绕组优先缠绕成双线结构。
除了应用于上述第一方法之外，施加俘获/DC电压和提取电压的这些
方法还可以应用到以下将描述的其它操作模式。
图13示出了装置10的第二操作模式。该方法可以实现100%占空比。在步骤201中， 一组合适的DC和RF俘获电压施加至装置IO的所有
段。这些电压允许离子通过入口段11进入装置10，并被初始限制在段12
至18内形成的宽DC势阱内。当在段12-18中俘获的离子与缓冲气体碰撞
时，它们失去动能，且这将使它们积聚在DC势阱的底部，在该情况中为
在段12中。
在步骤202中，所施加的DC和RF电压被调整。所调整的电压使得在步骤201中在段12内俘获的离子移动进入段15-18;也就是说，它们沿着由所调整的电压形成的电势梯度移动，同时采样离子还能通过入口段11进入装置10。
在步骤203中，所施加的电压被再次调整。所施加的电压对于使在步骤202中被传递至段15-18的离子在这些段中被初始俘获是有效的。如与在步骤201中一样，所俘获的离子与缓冲气体碰撞，并失去动能，最后在具有最低DC势的段中结束，在该情况中，为在提取段17中结束，其中它们将最终与缓冲气体达到热平衡。在这些离子在段15-18中被俘获并最终在段17中被俘获时，更多的采样离子通过入口段11进入装置10并在段12中被俘获。
步骤204类似于图4的步骤104。在该步骤中，电压被调整为将离子云轴向限定在提取段17内，限定在段17的中间部分内。该步骤降低了段17内的离子云在其从提取段喷出时的发射度。
在步骤204之后，提取电压(如上所述)被施加至提取段17。步骤201-204和提取步骤连续循环进行。
该操作方法在入射离子束电流高时是特别有用的，因为在该情况中，与完成循环和获取质谱的总体时间相比，填充装置10所需要的时间可以较短。
然而，如果进来的离子束电流超过了装置10的最大电荷吞吐能力，则装置10的电荷量将过多，且由于电荷过载导致的有害影响将产生。
图14示出了装置10的第三操作模式。该操作方法采用先驱离子隔离步骤提供高分辨能力，具有高效率。
在步骤301中， 一组合适的DC和RF俘获电压施加至装置10的所有段。这些电压允许离子通过入口段11进入装置10，并被初始俘获在段12-18中。
在步骤302中，所施加的电压为阻止任何其它离子进入装置10，同时允许初始在段12-18中俘获以与缓冲气体碰撞，并将动能传递给缓冲气体。与先前的方法一样，这种动能损失将使所俘获的离子积聚在DC势最低的位置，在该情况中为在段15中。最终在段15中俘获的离子将与该段中的缓冲气体的达到热平衡。
在步骤303中，所施加的电压对通过喷射出不想要的离子来隔离段15中所希望的m/z范围的先驱离子是有效的。这种隔离可以釆用在下文参照图15和16更详细地描述的宽带双极激励来执行。
在步骤304中，所施加的电压对于在段15中俘获在步骤303中所选择(或隔离)的先驱离子是有效的。此外，先驱离子将与缓冲气体碰撞，以失去动能，并积聚在段15中的DC势最低的位置处。与在步骤302中一样，在缓冲气体和先驱离子之间最终将达到热平衡。
在步骤305中，所施加的电压对于通过向段15施加单频双极激励而分裂段15中的经过冷却的先驱离子是有效的，并且对于引起共振碰撞诱导解离(CID)是有效的。引起这样的分裂所需要的电压将在下文参照图17至20详细描述。
在步骤306中，所施加的电压对使在段15中俘获的分裂离子在段15-17之间传递并在这些段内被俘获是有效的。如同参照其它步骤所描述的，所俘获的离子将与缓冲气体碰撞。它们将失去动能，并最终积聚在轴向DC势最低的位置处。在这种情况中，它们将积聚在段17，即提取段中。
步骤307与图13的步骤204和图1的步骤104类似，所施加的电压使离子轴向限制在提取段17中。这降低了段17中的离子云的发射度。
在步骤308中，所施加的电压对于压縮提取段17中的离子云、使得它在沿横向于离子阱的纵轴的方向的"速度-位置"相空间中占据减小的面积。该过程被称为"脉冲压縮"，将在下文参照图21(a)-21(c)更加详细地描述。
在步骤309中，提取电压施加至提取段17。
在所有的步骤302-309中，施加至入口段11的电压为在进行所述步骤的同时阻止其它采样离子进入装置10。步骤301-309能够被连续循环。
这种"时间级联"分析方法提供了高分辨能力，具有高效率。然而，它是一种相对慢的方法，并被限制为约5-10MSH普/秒。
如上所述，现在将提供宽带双极激励的简单说明。
图15示出了 a-q稳定性图。这些在现有技术中都是已知的。采用宽带激励，能够在该图的阴影区域内喷射所有的离子，并在非阴影区域内隔离特定m/z比的离子。该非朗影区域为稳定带，并包含想要的先驱离子。
图16示出了施加至装置10的段15的宽带信号的频谱以隔离想要的先驱离子。将被施加至段15的实际信号可以从该频谱的反傅里叶变换导出。典型地，宽带信号被施加几毫秒，并且对于将不想要的离子从该段喷射出并在该段中隔离想要的先驱离子来说是有效的。
图17至20用来展示用来产生CID(碰撞诱导解离)的单频双极激励。单频双极激励施加至装置10的段，以激励(喷射出)特定m/z范围的离子。
图17示出了在它们施加至装置10的段时的RF俘获波形(TRF)和双极波形。双极波形的影响是激励和/或喷射出所述波形所施加的段内的特定m/z比的离子。优选地，双极波形的周期被选择为RF俘获波形的四分之一波长的整数倍。这在图17中示出，其中两个波形具有2.75的频比，且
所述波形在正好11个RF俘获波形周期和4个双极波形周期之后返回原始 相位。
图18展示出优选的数字转换结构，该结构示出如何将RF和双极波形 供给装置10的段。在该例子中，双极波形(由正弦波发生器70产生)和俘 获波形叠加，并施加至该段的X杆53。典型地，这采用具有盘绕成双线 结构的次级绕组的隔离变压器进行。
图19示出了在它采用图18的转换结构施加至该段波形的X杆53时， 叠加电压(俘获波形和双极激励)的实际形式。
根据下述表达式，RF波形和双极波形的频率之间的比决定了 (3值， 在该值处，离子将响应于所施加的电压而共振
其中f为RF波形的频率，且ws为双极波形的频率。可以对两个波形的频 率进行扫描，使得(3被保持在常数值，以扫描离子被激励所在的m/z值。 这将激励具体m/z范围的离子。在第三操作模式中，这将是已经包含在装 置10的段15中的先驱离子的m/z范围。
图20示出了第二 a-q图，其中稳定区域(包含在虚线内)由三条不同的 P线，卩=0.25、 0,5禾n 0.75所横断。这些线在0.2692, 0.5和0.65677值处分 别与q轴相交。当P被保持在常数值(如上所述)时，想要的m/z范围中的 所有离子将在相同的q值被喷射出。
例如，采用如图17所示的波形，频比为2.75，且对该频率进行扫描 时，具有增加的m/z值的离子将以0.64639的q值被喷射出/激励。
所施加的双极激励使施加该信号的段内的先驱离子进行振荡。通过控 制所施加的双极信号的振幅、以及压力和持续时间，则可以使离子经历 CID，而不将离子从该段中喷出。
现在将参照图21(a)-21(c)描述施加给段17以引起"脉冲"压缩的电压。
如这些图中所示，数字俘获波形电压的振幅V立刻增加，由此加深了由俘获波形产生的伪势阱。这具有减小离子云沿横向于纵轴的方向、包括 提取方向的物理尺寸的效果。更具体地，离子云的物理尺寸由标准偏差 表示
<formula>formula see original document page 33</formula>
其中T为离子云温度，r。为该段的径向尺寸，且D为有效俘获势的幅度
<formula>formula see original document page 33</formula>
其中q。为单位电荷，q为Mathieu参数，且V假设具有50%占空比的方 波的俘获电压的幅度。因此，可以看出， 通过增加幅度V而减小。在 提取电压施加至提取段时，^的这种减小导致离子云中离子的能量分布减 少，减小了Ar，并因此改善了分辨能力。 由于
<formula>formula see original document page 33</formula>
则俘获频率Q必须与V^成比例地增加，以在提取段17中保持离子的给定 质荷比范围。
如这些图中所示，俘获电压的大小在一系列步骤中逐渐增加。这防止 了将能量重新引入至先前冷却的离子云。如同已经说明的那样，频率和电 压应当一起增加(参见图21(a)中的AV和对应的Tl-T4)，以确保q不变。 例如，如果电压在一系列尺度相同的步骤中增加，则频率应当根据该电压 增加值的平方根进行增加。采用数字波形，能够在一个不具有中间步骤的 陡然步骤中增加俘获波形的大小。然而，这种方法会导致离子损失，特别 是在m/z范围内的最高/最低值处。因此，所描述的步进方法是优选的。如 同已经描述的那样，脉冲压缩技术具有的有益效果是，它降低了离子云在它从装置10的提取段喷出时的发射度，改善了 ToF质谱仪的整体性能。
图22示出了该装置的第四操作模式。该操作模式为与关于图14所描 述的第三操作模式类似的MS/MS模式，但该模式还允许离子在段2和3 中被俘获，同时离子在段15-18中积聚和/或被处理。
在步骤401中施加的DC电压类似于在图13的步骤201中施加的电 压，并且该电压允许离子被初始限制在段12至16中，并且随后由于通过 与缓冲气体碰撞而导致的动能损失而积聚在轴向DC势最低的段中。在该 步骤中，轴向DC势最低的段为段12。
在步骤402中施加的DC电压类似于在图13的步骤202中施加的电 压。所施加的电压允许在步骤401期间积聚在段12中的离子被传递至段 13-18，同时继续允许新的采样离子进入装置IO，以在段12中被俘获。段 13至18中的离子通过与缓冲气体碰撞而失去动能，且最后在最低轴向势 的段中，即段15中被俘获。
在步骤403中，所施加的电压继续将在段12和13中进入装置10的 离子俘获(因此这些段处于相同的轴向势)，同时使段15中的离子被轴向限 制在该段的中间部分中。最后被轴向限制在段15内的离子将与缓冲气体 达到热平衡。
在步骤404中，所施加的电压对在提供段15中的离子的宽带隔离、 以隔离在想要的m/z范围中的先驱离子的同时继续允许采样离子进入装置 10并被存储在段12和13中来说是有效的。这种先驱隔离过程已经在上文 参照图15和16进行了描述。
在步骤405中，所施加的电压对在冷却段15中的隔离先驱离子的同 时继续允许釆样离子进入装置10并被存储在段12和13中来说是有效的。 最终，先驱离子将被充分冷却(通过碰撞)，以与缓冲气体处于热平衡。
在步骤406中，所述电压允许离子继续进入装置10并在段12和13 中被俘获。施加至段15的电压包括单频双极激励(如上所述)。这导致先驱 离子以一定的振幅和引起CID的持续时间进行振荡。由这种解离产生的分 裂离子随后在段15中被俘获。
在这个阶段，步骤403至406可以被重复(一次或多次)，以提供MSn能力。在步骤407中，段ll、 12和13上的电压允许离子继续进入该装置并 在段12和13中被俘获。剩余段上的电压将离子从段15传递进入段15-17。 段15-17中的离子将通过与缓冲气体碰撞而失去动能，并将最终积聚在轴 向DC势最低的区域中，在该情况中，为在段17中。
在步骤408中，所施加的电压允许离子继续进入装置10并在段12和 13中被俘获，同时使段17中的离子被轴向限制在段17的中间部分中。最 终，被轴线限制的离子将与缓冲气体达到热平衡。该步骤与步骤403非常 相似，唯一的差别在于待分析的离子所存储的段不同。
在步骤409中，所施加的电压允许离子继续进入装置IO并在段12和 13中被俘获。所施加的电压对于采用如上所述的脉冲压縮技术沿提取方向 压縮段17中的分裂离子来说也是有效的。
在步骤410中，所施加的电压允许离子继续进入装置10并在段12和 13中被俘获，并且允许段17中的冷却离子被提取，用于为时间分析器中 的分析而进行提取。
图23示出了该装置的第五操作模式。
该操作模式提供了具有100%占空比的先驱离子隔离，并给了具有高 效率的高分辨能力。然而，它相对较慢，且被限制至5-10MS/秒。
在步骤501， 502和503中，所施加的电压分别对应于如上所述的图22 的步骤401， 402和403中所施加的电压。
在步骤504中，所施加的电压对于在向段15提供电压以有效地隔离 段15中的特定m/z范围的离子的同时继续允许采样离子进入装置10并在 段12和13中被俘获来说是有效的。以下将参照图24-26更详细地描述这 种隔离电压。该隔离电压对于隔离段15中的想要的m/z比的先驱离子， 同时从段15中喷射出所有其它离子来说是有效的。
在步骤505中，所施加的电压对应于如上所述的图22的步骤405中 所施加的电压。
在步骤506中，所施加的电压对下述情况来说是有效的，即继续允许 采样离子进入装置10并被存储在段12和13中，同时将单频双极激励和 俘获电压的频率扫描施加至段15，以在选择范围的下限处向上扫描至所希 望的m/z值(在该值以下喷射离子)，且随后沿相反的方向扫描，以在所希望的m/z值之上喷射离子，由此在所希望的m/z范围中提供先驱隔离。以 下将参照图27更加详细地描述这种频率扫描程序。
在步骤507-512中，所施加的电压分别对应于在如上所述的图22的步 骤405-410中所施加的电压，并具有相同的效果。
图24示出了典型的波形，该波形可以被施加至装置10的段15的X 和Y杆，以允许在如上所述的第五操作模式的步骤504中，在段15中隔 离特定m/z比之内的采样离子。与图9示出的波形相同，DC偏移电压与 RF俘获波形一起施加。然而，在这种情况中，所施加的DC偏移量在X 杆上是正的，在Y杆上是负的，而在图9中，正的DC偏移量施加至X和 Y杆。通常，采用与图7所示的转换电路相同的转换电路施加图24的DC 偏移波形，尽管，当然也可以采用其它类型的转换结构来提供该波形。
采用图24的波形，特定m/z范围中的离子能够被隔离在段15内。参 照图25，展示了这如何被实现。所施加的DC偏移电压的大小决定了扫描 线的斜率，且由此决定了与a-q图的边界相交的点。aAp0.41和a/q-0.28的 扫描线以示例的方式在图25中示出。选择所施加的DC电压的大小(并因 此选择a/q值)允许该段的分辨能力被确定。
段15中的想要的m/z范围内的离子能够采用DC偏移电压以下述两 种方式进行隔离。首先，所施加的DC电压是这样的，以将想要的m/z范 围内的离子移动至a-q稳定性图的顶端(即，由稳定边界和上述线a/q=0.41 界定的区域中)。.所有的其它不想要的离子现在将停留在稳定区域的外部， 并从段15中损耗，如，通过喷射或与杆的碰撞。
可选择地，所施加的DC电压将离子移至a-q图的由稳定边界和线 a/q=0.28上方所界定的区域。随后RF俘获波形可以被扫描至较低频和较 高频，以隔离在想要的m/z范围内的离子。
图24的波形还可以用于离子的质量过滤，其中离子还没有在装置10 的段内被俘获，而是行进通过该装置的特定段。当施加该波形，以产生过 滤时，只有在a-q稳定性图顶端的离子才会通过该段，其余的离子是不稳 定的，且不会进入相邻的段。能够穿出过滤段的离子的m/z范围由a-q图 中的扫描线的倾斜度决定。与传统的四极质量过滤器不同，所施加的DC 电压的值不取决于所想要的m/z范围。所想要的m/z范围根据给定RF幅度的频率来选择。
在图23的步骤504中，采用DC偏移波形隔离在段15中的离子被保 持在段15中。这是因为施加至段15两侧上的段14和16的电压更高(见图 23)，并且因此被隔离的离子保持在段15中，因为其位于轴向势比相邻段 低的位置处。当然，如果施加在相邻段上的DC电压比己经发生隔离/过滤 的段上的电压低，则被隔离的离子能够穿过它们被隔离所在的段，进入相 邻的段，并且如果所施加的电压能够使得离子趋于迁移到轴向势最低的 段，则所述被隔离的离子还进一步进入相邻的段。
除了采用如上所述的分立的DC电源，还存在引入DC偏移量的可选 择方式。这种可选择方法采用占空比的修正来在X和Y杆之间引入有效 的DC偏移量。具有这样的修正的占空比的波形如图26所示。RF禾C1DC 分量的有效值Veff和Ueff分别由下式给出
<formula>formula see original document page 37</formula>
如果这种占空比方法用来隔离/过滤离子，则它对a-q稳定性图还有附 加作用。这种作用在图27被展示。如该图所示，当周期性的俘获波形的 占空比改变时，稳定区域的边界移动。尽管这种占空比修正方法对于实现 由稳定边界的移动导致的附加作用来说相对容易，但这种漂移必须被考虑 到。
图28展示出如上所述在步骤506期间施加至段15的X和Y杆的波 形(由前向和反向频率扫描所隔离)。如该图所示，RP俘获波形的频率从 初始周期T^^F被扫描，并以常量A:TRf增加，在经过固定数量的RF循
环N丽e之后，直到到达最后周期Tend.Rf。在图28中，T咖.RF为1.29ps，
且Tend.RF为1.82ps。在这种情况中，以Nwave=23对5个步骤的波形进行 计算。如果波形振幅为500V，则这将扫描500汤普森(Th)至1000汤普森 (Thompson)的m/z范围。可以采用隔离窄m/z范围，例如，0.1汤普森的m/z范围内的离子的 这种类型的波形进行前向和反向m/z扫描。
图29示出了装置10的第六操作模式。该操作模式采用图3中所示的 装置10的实施例，具有13个段。该模式对离子在它们进入装置10时提 供质量选择性过滤并且随后在该装置的其它段中分裂(通过CID)被过滤的 离子来说是有效的。该方法提供了空间级联分析，并允许每秒获得大数量 的MS/MS谱，通常50-100谱/秒是可能的。所述方法还允许自动电荷控 制(类似于参照图4中所展示的第一模式所描述的情况)。
在步骤601中，所施加的电压允许离子进入装置10。所述离子在段 12中被过滤(如上所述进行过滤)，并且只有在预选择的m/z范围内的先驱 离子才能穿过段12，以被加速进入具有较低轴向势的段12b。段12b上的 电压对于使先驱离子与缓冲气体碰撞并经历上述的CID过程来说是有效 的。作为CID过程的结果，产生了分裂离子。施加至段12c-19的电压在 段12c-19上提供了逐步降低的轴向势。这允许射出段12b的分裂的离子通 过段12c-19，以在它们射出段19之后由装置20检测。
在步骤602中，施加至段11和12的电压对允许离子进入装置10并 在段12中过滤离子来说是有效的。只有在预选择的m/z范围内的离子才 能穿过段12进入具有较低轴向势的段12b中。此外，段12b处的电压对 于在段12b中引起预选择的过滤离子的CID来说是有效的。段13-18上的 电压为允许离开段12b的离子在段13-19中被俘获。步骤602的精确的持 续时间根据由探测装置20在步骤601中检测的离子电流来决定。(这类似 于参照第一操作模式的步骤102-103所描述的过程)。
在步骤603中，所施加的电压对下述情况是有效的，即防止任何其它 采样离子进入装置10，并允许段13-18a中的分裂离子与在这些段中的缓 冲气体进行碰撞，以失去动能，并最终积聚在轴向DC势最低的段中，在 这种情况中，是在段17中。最终，在段17中俘获的离子将与缓冲气体达 到热平衡。
在步骤604中，所施加的电压对于在使段17中的分裂离子被轴向限 制在段17的中间区域内的同时阻止其它采样离子进入装置10来说是有效 的。在步骤605中，所施加的电压对在采用上述脉冲压縮技术沿提取方向 压縮段17中的分裂离子的同时防止其它采样离子进入装置IO来说是有效 的。
在步骤606中，所施加的电压防止其它釆样离子进入装置10，并允许 在段17中被冷却的离子被从段17中提取，用于在飞行时间分析器中进行 分析。
图30示出了装置10的第七操作模式。与上述第六模式相同，该模式 也采用如图3所示的13个段装置。通过包括两个先驱离子选择步骤以及 每个过滤步骤之后的CID分裂，该模式提供了 MSS分析。这也是'空间 级联'分析方法，并允许以50-100 MS3谱/秒的速率迸行MS"分析，这不 需要扫描速率的任何降低。与第六模式相同，该模式还允许自动变化控制。
在步骤701中，所施加的电压对于允许进入装置10的离子从段11通 到段19来说是有效的(因为每个段具有比先前段更低的轴向势)。射出段 19的离子在装置10的末端处由探测装置20检测。
在步骤702中，施加至段11和12的电压对允许离子进入装置10并 在段12中过滤被容许的离子。只有在预选择的m/z范围内的离子才能穿 过段12进入具有较低轴向势的段12b中。段12b上的电压对引起段12b 中的离子CID、产生MS2离子来说是有效的。所施加的电压使分裂的(MS2) 离子穿过段12b进入段13。段13上的电压对于过滤进入该段的离子来说 是有效的。只有在预选择的m/z范围内的离子才能穿过段13。被过滤的离 子穿过段13，并进入具有更低轴向势的段15中。段15上的电压对于引起 进入该段的离子的CID、导致MS3离子形成来说是有效的。如此形成的 MS3离子随后在段15-18a中被俘获。
在步骤703中，所施加的电压防止其它离子进入装置10，并允许段 13-18a中的MS3离子与这些段内的缓冲气体碰撞，而失去动能，且最后 积聚在轴向DC势最低的段中。在这种情况中，是积聚在段17中。最终， 在段17中俘获的M^离子将与缓冲气体达到热平衡。
在步骤704-706中施加的电压分别对应于在图28中所展示的并如上描 述的第六模式的步骤604-606中所施加的电压，并具有相同的效果。
在上述所有七个操作模式中，分段式装置IO优选为分段式四极装置。这样的具有双曲线形状的杆的段如图31中所示。该段具有双曲线形状的X
和Y杆53和54。 X和Y杆为电极，且它们通常例如由导电材料通过精 确的磨削制成。可选择地，所述电极可以由电绝缘材料，如陶瓷或玻璃， 优选为具有涂敷至其表面的导电涂层的零膨胀玻璃制成。实现该段所要求 的精确对准使得该段的制造成本相对昂贵。
双曲线形状电极具有由下述等式的正根和负根描述的表面
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其中r。为该段的径向尺寸。 则该段内的四重势由下式给出
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在上述模式的正常的操作过程中，离子可以在相邻的段之间通过多 次，并且所希望的是在它们在段之间通过时，最小化离子的任何潜在的损 失。如果相邻段之间和其上的场不均匀，则离子在它们在段之间通过时可 能会在边缘场(相邻段之间的间隙中的场)附近损失。这是因为，如果边缘 场不同于段内的四极场，则被提供用来在段之间传递离子的轴向动能将被 转化成离子的径向动能，且这将导致离子损失。为了防止这种离子损失，
优选是以某种方式构造装置10。如果装置IO完全由图31所示的段构成的 组成，如果每个段的r。基本相同，则沿着整个装置的四极场将基本为均匀 的(且边缘场被最小化)。可选择地，如果r。不同，则每个段上的电压可以 被调整，使得相邻段之间和其上的场基本为均匀的。在离子在段之间通过 时，这也将最小化离子损失。
当然，由于要求精确的对准，这种类型的装置的制造将相对昂贵。可 选择地，能够采用平板电极来构造装置IO的一个或多个段。
这样的段可以被设计并操作为使得段内的场基本为四极场，并使得该场在相邻段之间基本为均匀的，其中所述相邻段中一个或两个由平板电极 形成。
Ding等(WO2005/119737)描述了一种结构，结构具有设置成正方形的 4个导电表面，可以操作所述导电表面，以在该正方形内提供基本为四极 场的场。
采用板电极是优选的，因为与制造双曲线形状电极相比，制造精确的 平基板较简单且较便宜。绝缘基板可以为形成在精密陶瓷或玻璃上的印刷 电路板，其中所述陶瓷或玻璃优选具有低的热膨胀系数，其上可以涂敷有 金属涂层，并具有使每个电极以这种方式被"印刷"的埋线(underwired) 电连接。
例如，图32(a)和(b)示出采用板71和72形成的这样的段。每个板中 具有5个10mm宽的电极73-77。通常，为了基本上重现由如图31所构造 的、r。-5mm的段产生的四极场，各板之间的间隔应当为10mm。为了达到 与图31的段相同的场强度，所施加的最高电压比施加至图31的段的电压 大5.6倍。板71、 72内的实际势包含其它(更高阶和/或更低阶)分量以及四 极分量。然而，施加至板电极73-77的电压可以被控制，以最小化非四极 分量，且以这种方式，所述板内的场基本上为四极，并将与相邻段内的场 充分匹配，以最小化离子在相邻段之间通过时的离子损失。
在图32(b)中，在板71的最上面的电极75中存在狭缝80。当在采用 板71、 72作为装置10中的提取段15时，这是提取狭缝。
提供DC波形和RF俘获波形DC的板电极73-77的控制电路可以与电 极73-77位于相同的基板上。这部分基板可以通过传统的印刷电路板方法 进行制造，且可以位于设置电极的真空区域的外面，同时真空密封形成在 该基板的周围，该真空密封例如采用真空兼容环氧树脂。可选择地，控制 电路可以被独立地提供，并连接至采用柔性PCB的板电极，而真空密封 形成在PCB板周围。
在装置10的段中采用平板具有的其它好处在于可以在该板上方便地 形成复杂的电极图案。例如，图33示出了一对圆形板71，72，其中电极作 为一系列同心圆形成在所述板上。在下部板72中有提取狭缝80，离子可 以通过该提取狭缝从段中提取，用于质量分析。式在段中形成离子云。通过将离子云 形成环形形式，该离子云的发射度大体上被降低，并且这种类型的电极结
构在用作将离子提供至ToF分析器的段中是有用的。然而，采用这种类型
的电极结构存在不足。该不足在于离子不能被从外部离子源中有效地引入 仅具有该电极结构的段中。这种不足可以通过采用具有如图34中所示的 电极结构的板而被克服。
在本实施例中，PCB板具有允许线性俘获的电极以及允许环形俘获 的电极。电极73-79为线性电极，且电极81-83为环形电极。开关91， 92 至电极的、用于线性操作的各种连接也在该图中示出。以环形模式操作的 开关为如图35所示的开关93， 94。釆用Ding等的WO 01/29875中描述的 方法，可以实现图34和35的环形/线性模式之间的快速切换。
离子被允许进入由板71、 72形成的段内，并且通过控制线性电极上 电压，离子云沿着该段的纵轴聚集(基本为1D离子云)。如上所述，离子 可以被从外部离子源有效地引入具有这种电极结构的段。随后线性电极 73-79关断，且环形电极81-83接通。这将使离子云从基本上1D轴向延展 的离子云转换成基本上2D离子云。在这种特定情况中，环形电极81-83 形成环形形状的2D离子云。当然，电极81-83可以以可替换的2D结构形 成，以产生可替换的2D形状的离子云。
环形形状的离子云具有与纵向离子云相同的电荷量，但是其将占据比 纵向离子云小约;rx的空间区域。这将降低离子云的发射度。
环形电极81-83的直径决定了将产生的环形离子云的直径。例如，为 了产生具有5mm直径的环形形状离子云，环形电极的宽度应当为2.5mm， 且板71和72之间的间距应当为约2.5mm。在形成环形形状离子云之后， 可以施加提取电压，以通过出口狭缝80提取离子，用于分析。在施加提 取电压之前，和在形成2D离子云之前和/或之后，可以采用上述'延迟' 和/或"脉冲压縮"技术。
将施加至具有这种特定板/电极结构的段上的提取电压比必须施加至 具有双曲线形状电极和r。-5ww的段上的提取电压小4倍。很明显，这是 想要得到的减小，且因此优选采用由板71、 72形成的段作为提取段15。
权利要求
1.一种飞行时间质谱仪，包括离子源，用于供给采样离子；具有纵轴的分段式线性离子存储装置，用于接收由离子源供给的采样离子；电压供给装置，用于向该存储装置供给下述电压(i)俘获电压，在冷却气体的帮助下，有效地俘获在所述存储装置的轴向延展区域中的采样离子或从所述采样离子衍生的离子，所述轴向延展区域包括所述存储装置的两个或更多个彼此相邻的段构成的组的俘获容积空间，并且所述俘获电压有效地使随后在所述轴向延展区域中被俘获的离子在所述轴向延展区域的提取区域中被俘获，以形成离子云，所述提取区域比所述轴向延展区域短，和(ii)提取电压，用于使离子云沿正交于所述存储装置的所述纵轴的提取方向从所述提取区域喷出，以及飞行时间质量分析器，用于对从所述提取区域喷出的离子进行质量分析。
2. 如权利要求1所述的质谱仪，其中所述提取区域包括所述段构成的组的单个段的俘获容积。
3. 如权利要求1或2所述的质谱仪，其中所述电压供给装置被设置为 向所述存储装置供给RF俘获电压，以形成沿着所述存储装置的相邻段和 在所述存储装置的相邻段之间基本上均匀的四极俘获场，以使离子能够在 相邻段之间通过，而基本上没有离子损失。
4. 如权利要求3所述的质谱仪，其中所述分段式存储装置的相邻段具 有基本相同的径向尺寸。
5. 如前述权利要求中任一项所述的质谱仪，进一步包括离子云处理装 置，所述离子云处理装置用于在施加所述提取电压之前减小沿横向于所述 纵轴的方向的所述离子云中的离子的物理尺寸和/或速度分布。
6. 如权利要求5所述的质谱仪，其中所述离子云处理装置有效地在施 加所述提取电压之前促使所述离子云形成在所述纵轴上。
7. 如权利要求5或6所述的质谱仪，其中所述提取区域包括所述段构 成的组的一个或多个提取段的俘获容积空间，且所述离子云处理装置被设 置用于使所述电压供给装置增加施加至所述提取段的俘获电压。
8. 如权利要求7所述的质谱仪，其中所述增加包括一系列分步的陡然 增加。
9. 如权利要求5至8中的任一项所述的质谱仪，其中所述提取区域包 括所述段构成的组的一个或更多个提取段的俘获容积空间，并且所述离子 云处理装置被设置为使所述电压供给装置终止向所述提取段施加的俘获 电压，并在所述俘获电压的终止和所述提取电压的施加之间强加延迟。
10. 如权利要求9所述的质谱仪，其中所述电压供给装置被设置为在 所述延迟期间向所述提取段施加中间电压。
11. 如权利要求5至10中的任一项所述的质谱仪，其中所述俘获电压 还能够有效地轴向压縮所述提取区域内的所述离子云。
12. 如权利要求2至11中的任一项所述的质谱仪，其中所述提取区域 包括所述段构成的组的提取段的俘获容积空间，并且所述提取段包括第一 电极装置和第二电极装置，所述第一电极装置在被供给第一所述俘获电压 时使离子能够在提取区域内形成基本一维的轴向延展的离子云，所述第二 电极装置在被供给第二所述俘获电压时能够有效地转换所述基本一维的 轴向延展的离子云以沿正交于所述提取方向的基本中间平面形成基本二 维的离子云。
13. 如权利要求12所述的质谱仪，其中所述基本二维的离子云为环形 形状离子云。
14. 如权利要求12或13所述的质谱仪，包括离子云处理装置，所述 离子云处理装置用于在施加所述第二俘获电压之前和/或之后，和在施加所 述提取电压之前，降低沿横向于所述纵轴的方向的离子云中的离子的物理 尺寸和/或速度分布。
15. 如权利要求1至14中的任一项所述的质谱仪，其中所述存储装置 具有入口端、出口端和位于所述出口端处的离子检测装置，并且所述电压 供给装置被设置为允许采样离子从所述入口端通过所述存储装置到达所 述出口端，用于由所述离子检测装置检测，并随后俘获来自所述离子源且被接收在所述存储装置内的离子，并且防止其它离子在由所述离子检测装 置检测的离子电流所确定的时间间隔之后进入所述存储装置。
16. 如前述权利要求中的任一项所述的质谱仪，其中所述俘获电压能 够有效地将采样离子俘获在所述存储装置的入口端和所述存储装置的所 述轴向延展区域之间的存储装置的离子存储区域中，并且随后在离子存储 区域中同时俘获其它采样离子的同时使离子从所述离子存储区域通入所 述存储装置的另一区域中。
17. 如权利要求16所述的质谱仪，其中所述离子存储区域包括所述存 储装置的单个段的俘获容积空间。
18. 如权利要求16或17所述的质谱仪，其中所述另一区域为所述轴向延展区域。
19. 如权利要求16至18中的任一项所述的质谱仪，其中由所述电压 供给装置供给至所述存储装置的电压使离子在所述离子存储区域外部的 一个或多个区域中经历分裂和/或隔离，同时将其它采样离子在所述离子存 储区域中同时俘获。
20. 如权利要求1至18中的任一项所述的质谱仪，其中所述俘获电压 有效地将离子俘获在所述存储装置的分裂区域中，并且所述电压供给装置 被设置为将分裂电压供给至所述存储装置，以使在分裂区域中被俘获的离 子分裂。
21. 如权利要求20所述的质谱仪，其中所述分裂电压包括对通过共振 激励使在选定的质荷比范围内的离子分裂有效的双极激励电压。
22. 如权利要求21所述的质谱仪，其中所述双极激励电压有效地通过 碰撞诱导解离(CID)使离子分裂。
23. 如权利要求22所述的质谱仪，其中所述双极激励电压有效地通过 使离子从所述存储装置的一个或多个段加速进入处于较低轴向势处的相 邻的一个或多个段中而引起CID。
24. 如权利要求20至23中的任一项所述的质谱仪，其中所述分裂区 域与所述提取区域分隔开，并且所述分裂电压在所述分裂区域的整个容积 内大致形成四极俘获场。
25. 如权利要求20至24中的任一项所述的质谱仪，其中所述电压供给装置被设置为将隔离电压供给至所述存储装置，以隔离选定质荷比范围 中的分裂先驱离子。
26. 如权利要求25所述的质谱仪，其中所述隔离电压为对于隔离所述 选定质荷比范围中的先驱离子有效的宽带隔离电压。
27. 如权利要求25所述的质谱仪，其中所述隔离电压有效地进行前向 和反向频率扫描，以将离子喷射至所述选定质荷比范围的两侧中的任一
28. 如权利要求25至27中的任一项所述的质谱仪，其中所述隔离电 压被施加至所述存储装置与所述提取区域隔开的段，并大致在所述隔离电 压所施加的段的整个容积空间内形成四极俘获场。
29. 如权利要求18至27中的任一项所述的质谱仪，其中所述电压供 给装置被设置为使离子在离子分裂和/或隔离之前进行质荷比过滤。
30. 如权利要求18至29中的任一项所述的质谱仪，其中所述电压供给装置被设置为在离子分裂之前在所述存储装置的第一过滤区域中进行 离子过滤，并在离子分裂之后且在离子在所述轴向延展区域中被俘获之前 在所述存储装置的第二过滤区域中进行进一步的离子过滤。
31. 如权利要求30所述的质谱仪，其中所述第一过滤区域和所述第二 过滤区域中的每个都由所述存储装置的单个段限定。
32. 如权利要求30或31所述的质谱仪，其中所述分裂电压有效地在 离子在所述轴向延展区域中被俘获之前进行进一步的离子分裂。
33. 如权利要求30至32中的任一项所述的质谱仪，其中过滤和分裂在所述存储装置的各个区域中同时进行。
34. 如权利要求20至33中的任一项所述的质谱仪，其中所述分裂电 压对于进行重复的离子分裂以提供MS"能力是有效的。
35. 如权利要求1至20中的任一项所述的质谱仪，其中所述电压供给 装置被设置为在离子在所述存储装置的所述轴向延展区域中被俘获之前 进行离子过滤。
36. 如权利要求1至35中的任一项所述的质谱仪，其中所述分段式线性离子存储装置包括分段式线性四极离子存储装置。
37. 如权利要求1至36中的任一项所述的质谱仪，其中所述俘获电压包括数控矩形波形电压。
38. 如权利要求36或37所述的质谱仪，其中所述存储装置的至少一 个段由平板电极构造成。
39. —种采用飞行时间质谱仪分析离子的方法，包括步骤 在具有纵轴的分段式线性离子存储装置中接收采样离子； 将俘获电压施加至所述存储装置，所述俘获电压在冷却气体的帮助下，能够有效地俘获所述存储装置的轴向延展区域中的采样离子或从所述 采样离子衍生出的离子，所述轴向延展区域包括所述存储装置的两个或多 个彼此相邻的段构成的组的俘获容积空间，并且能够有效地使随后在所述 轴向延展区域中被俘获的离子在所述轴向延展区域的提取区域中被俘获， 以形成离子云，所述提取区域比所述轴向延展区域短；将提取电压施加至所述存储装置，以使所述离子云沿正交于所述存储 装置的所述纵轴的提取方向从所述提取区域喷出；以及采用飞行时间质量分析器分析所述喷出的离子。
40. 根据权利要求39所述的方法，进一步包括步骤将RF俘获电压施加至所述存储装置，以形成沿所述存储装置的相邻 段和在所述存储装置的相邻段之间基本均匀的四极俘获场，以使离子能够 在相邻段之间通过，而基本上没有离子损失。
41. 根据权利要求40所述的方法，其中所述四极俘获场沿着所述存储 装置的整个长度是基本均匀的。
42. 根据权利要求39至41中的任一项所述的方法，进一步包括步骤 在施加所述提取电压之前，减小所述离子云沿横向于所述纵轴的方向的物 理尺寸和/或速度分布。
43. 根据权利要求42所述的方法，其中所述减小步骤对于在施加所述 提取电压之前促使所述离子云形成在所述纵轴上是有效的。
44. 根据权利要求42或43所述的方法，其中所述提取区域包括所述 段构成的组中一个或更多个提取段的俘获容积空间，并且所述减小步骤包 括增加施加至所述提取段的俘获电压。
45. 根据权利要求44所述的方法，其中增加所述俘获电压的所述步骤 被执行为一系列分步的陡然增加。
46. 根据权利要求41至44中的任一项所述的方法，其中所述提取区域包括所述段构成的组中一个或更多个提取段的俘获容积空间，并且所述 减小步骤包括终止向所述提取段施加的俘获电压，以及在所述俘获电压的 终止和所述提取电压的施加之间强加延迟。
47. 根据权利要求46所述的方法，包括在所述延迟期间将中间电压施 加至所述提取段的步骤。
48. 根据权利要求39至47中的任一项所述的方法，其中所述提取区 域包括所述段构成的组中一个或更多个提取段的俘获容积空间，并且包括步骤向所述提取段的第一电极装置施加第一俘获电压，从而使离子在所述 提取区域内形成基本一维的轴向延展的离子云，以及向所述提取段的第二电极装置施加第二俘获电压，从而使所述基本一 维的轴向延展的离子云沿正交于所述提取方向的基本中间平面形成基本 二维的离子云。
49. 根据权利要求48所述的方法，其中所述施加所述第二俘获电压的 步骤对于形成环形形状离子云是有效的。
50. 根据权利要求48或49所述的方法，进一步包括步骤 在施加所述第二俘获电压之前和/或之后，降低沿横向于所述纵轴的方向的离子云中的离子的物理尺寸和/或速度分布。 .
51.根据权利要求39至50中的任一项所述的方法，进一步包括步骤允许采样离子从所述存储装置的入口端通过所述存储装置到达所述 存储装置的出口端，用于由位于所述存储装置的所述出口端处的离子检测 装置检测；随后施加所述俘获电压，以在所述存储装置中俘获所述离子，并且防 止其它离子在由所述离子检测装置检测到的离子电流所确定的时间间隔 之后进入所述存储装置。
52.根据权利要求39至52中的任一项所述的方法，进一步包括步骤: 将采样离子俘获在所述存储装置的入口端和所述存储装置的所述轴 向延展区域之间的所述存储装置的离子存储区域中，并且随后在离子存储 区域中同时俘获其它采样离子的同时使离子从所述离子存储区域通入所述存储装置的另一区域中。
53. 根据权利要求51所述的方法，其中由所述电压供给装置供给至所 述存储装置的所述电压能够有效地在将其它采样离子在所述离子存储区 域中同时俘获的同时，使离子在所述离子存储区域外部的一个或多个区域 中经历分裂和/或隔离。
54. 根据权利要求39至52中的任一项所述的方法，包括将离子在所 述存储装置的分裂区域中俘获，并使在分裂区域中俘获的离子分裂。
55. 根据权利要求54所述的方法，包括步骤将双极激励电压供给至 所述存储装置，以使在选定质荷比范围中的离子分裂。
56. 根据权利要求55所述的方法，包括步骤将所述双极激励电压供 给至所述存储装置，以通过碰撞诱导解离(CID)使离子分裂。
57. 根据权利要求53至56中的任一项所述的方法，包括步骤隔离 在选定质荷比范围中的分裂先驱离子。
58. 根据权利要求55所述的方法，其中所述隔离先驱离子的步骤包括 向所述存储装置施加宽带隔离电压。
59. 根据权利要求57所述的方法，其中所述隔离先驱离子的步骤包括 进行前向和反向频率扫描，以将离子喷射至所述选定质荷比范围的两侧中 的任一侧。
60. 根据权利要求52至59中的任一项所述的方法，包括步骤在离 子分裂和/或隔离之前过滤离子。
61. 根据权利要求53至60中的任一项所述的方法，包括步骤在离子分裂之前在所述存储装置的第一过滤区域中过滤离子，并在它们的分裂 之后且在离子在所述轴向延展区域中被俘获之前在所述存储装置的第二 过滤区域中进一步过滤离子。
62. 根据权利要求61所述的方法，其中所述分裂电压对于在离子在所 述轴向延展区域中被俘获之前进行进一步的离子分裂是有效的。
63. 根据权利要求61或62所述的方法，其中过滤和分裂在所述存储 装置的各个区域中同时进行。
64. 根据权利要求53至63中的任一项所述的方法，包括进行重复的 离子分裂以提供MSn能力。
65. 根据权利要求39至59中的任一项所述的方法，包括步骤在离 子在所述轴向延展区域中被俘获之前过滤离子。
66. —种飞行时间质谱仪，包括离子源，用于供给采样离子；具有纵轴的分段式线性多极离子存储装置，用于接收由离子源供给的采样离子；电压供给装置，用于向所述存储装置供给下述电压(i) RF俘获电压，用于形成沿所述存储装置的相邻段和在所述存 储装置的相邻段之间基本均匀的多极俘获场，以使离子能够在相邻段之间 通过，而基本上没有离子损失；(ii) DC俘获电压，在冷却气体的帮助下，所述DC俘获电压对 于俘获在所述存储装置的提取区域中的采样离子或从所述采样离子衍生 出的离子以形成离子云是有效的；禾口(iii) 提取电压，用于沿正交于所述存储装置的所述纵轴的提取方 向从所述提取区域喷出离子云，以及飞行时间质量分析器，用于对从所述提取区域喷出的离子进行质量分析。
67. 如权利要求66所述的质谱仪，其中所述提取区域包括所述存储装 置的单个段的俘获容积空间。
68. 如权利要求66或67所述的质谱仪，其中所述分段式存储装置的每个段的径向尺寸基本相同。.
69. 如权利要求66至67中任一项所述的质谱仪，进一步包括离子云 处理装置，所述离子云处理装置用于在施加所述提取电压之前降低沿横向 于所述纵轴的方向的所述离子云中的离子的物理尺寸和/或速度分布。
70，如权利要求69所述的质谱仪，其中所述离子云处理装置对于在施 加所述提取电压之前促使所述离子云形成在所述纵轴上是有效的。
71. 如权利要求69或70所述的质谱仪，其中所述提取区域包括所 述存储装置的一个或更多个提取段的俘获容积空间，且所述离子云处理装 置被设置为使所述电压供给装置增加施加至所述提取段的俘获电压。
72. 如权利要求71所述的质谱仪，其中所述增加包括一系列分步的陡然增加。
73. 如权利要求69至72中的任一项所述的质谱仪，其中所述提取区 域包括所述存储装置的一个或更多个提取段的俘获容积空间，并且所述离 子云处理装置被设置为使所述电压供给装置终止向所述提取段施加的俘 获电压，并在所述俘获电压的终止和所述提取电压的施加之间强加延迟。
74. 如权利要求73所述的质谱仪，其中所述电压供给装置在所述延迟 期间向所述提取段施加中间电压。
75. 如权利要求69至74中的任一项所述的质谱仪，其中所述俘获电 压对于轴向压縮所述提取区域内的所述离子云也是有效的。
76. 如权利要求67至75中的任一项所述的质谱仪，其中所述提取区 域包括所述存储装置的提取段的俘获容积空间，并且其中所述提取段包括 第一电极装置和第二电极装置，所述第一电极装置在被供给第一所述俘获 电压时使离子能够在提取区域内形成基本一维的轴向延展的离子云，所述 第二电极装置能够在被供给第二所述俘获电压时有效地转换所述基本一 维的轴向延展的离子云以在正交于所述提取方向的中间平面中形成基本 二维的离子云。
77. 如权利要求76所述的质谱仪，其中所述基本二维的离子云为环形 形状离子云。
78. 如权利要求76或77所述的质谱仪，包括离子云处理装置，用于 在施加所述第二俘获电压之前和/或之后，降低沿横向于所述纵轴的方向的 离子云中的离子的物理尺寸和/或速度分布。
79. 如权利要求66至78中的任一项所述的质谱仪，其中所述存储装 置具有入口端、出口端和位于所述出口端处的离子检测装置，并且所述电 压供给装置被设置为允许采样离子从所述入口端通过所述存储装置到达 所述出口端，用于由所述离子检测装置检测，并随后俘获来自所述离子源 且被接收在所述存储装置内的离子，并且防止其它离子在由所述离子检测 装置检测的离子电流所确定的时间间隔之后进入所述存储装置。
80. 如权利要求66至78中的任一项所述的质谱仪，其中所述俘获电 压能够有效地将采样离子俘获在位于所述存储装置的入口端和所述存储 装置的所述轴向延展区域之间的所述存储装置的离子存储区域中，并且在随后在离子存储区域中同时俘获其它采样离子的同时使离子从所述离子 存储区域通入所述存储装置的另一区域中。
81. 如权利要求80所述的质谱仪，其中所述离子存储区域包括所述存 储装置的单个段的俘获容积空间。
82. 如权利要求80或81所述的质谱仪，其中所述另一区域为所述轴 向延展区域。
83. 如权利要求80至82中的任一项所述的质谱仪，其中由所述电压 供给装置供给至所述存储装置的电压使离子在所述离子存储区域外部的 一个或多个区域中经历分裂和/或隔离，同时将其它采样离子在所述离子存 储区域中同时俘获。
84. 如权利要求66至81中的任一项所述的质谱仪，其中所述俘获电压对于将离子俘获在所述存储装置的分裂区域中是有效的，并且所述电压 供给装置被设置为将分裂电压供给至所述存储装置，以使在分裂区域中俘 获的离子分裂。
85. 如权利要求83或84所述的质谱仪，其中所述分裂电压包括对于 使在选定质荷比范围中的离子分裂有效的双极激励电压。
86. 如权利要求85所述的质谱仪，其中所述双极激励电压对于通过碰 撞诱导解离(CID)实现所述离子分裂是有效的。
87. 如权利要求84至86中的任一项所述的质谱仪，其中所述电压供 给装置被设置为将隔离电压供给至所述存储装置，以隔离在选定质荷比范 围中的分裂先驱离子。.
88. 如权利要求87所述的质谱仪，其中所述隔离电压为对于隔离在所 述选定质荷比范围中的先驱离子有效的宽带隔离电压。
89. 如权利要求87所述的质谱仪，其中所述隔离电压对于进行前向和 反向频率扫描以将离子喷射至所述选定质荷比范围的两侧中的任一侧是 有效的。
90. 如权利要求82至89中的任一项所述的质谱仪，其中所述电压供 给装置被设置为在离子分裂之前在所述存储装置的第一过滤区域中进行 离子过滤，并在离子分裂之后在所述存储装置的第二过滤区域中进行进一 步的离子过滤。
91. 如权利要求89所述的质谱仪，其中所述第一过滤区域和所述第二过滤区域中的每一个由所述存储装置的单个段限定。
92. 如权利要求83至91中的任一项所述的质谱仪，其中所述分裂电 压对于进行重复的离子分裂以提供MSn能力是有效的。
93. 如权利要求66至92中的任一项所述的质谱仪，其中所述分段式 存储装置包括分段式线性四极离子存储装置。
94. 一种操作飞行时间质谱仪的方法，包括下述步骤 在具有纵轴的分段式线性多极离子存储装置中接收采样离子；施加RF俘获电压，以形成沿所述存储装置的相邻段和在所述存储装 置的相邻段之间基本均匀的多极俘获场，以使离子能够在相邻段之间通 过，而基本上没有离子损失；施加DC俘获电压，其在冷却气体的帮助下，对于俘获在所述存储装 置的提取区域中的采样离子或从所述采样离子衍生出的离子以形成离子 云是有效的；以及施加提取电压，用于沿正交于所述存储装置的所述纵轴的提取方向从 所述提取区域喷出所述离子云，并采用飞行时间质量分析器分析喷出的离 子。
95. —种飞行时间质谱仪，包括 离子源，用于供给采样离子；具有纵轴的分段式线性离子存储装置，用于接收由离子源供给的采样 离子；电压供给装置，用于向所述存储装置供给RF多极俘获电压，其用于 有选择地向所述存储装置的段供给DC电压，以使采样离子或从采样离子 衍生出的离子在所述存储装置的不同轴向延展区域之间移动，其中离子在 所述不同轴向延展区域选择性地经历MS处理，且所述电压供给装置用于 使经过处理的离子在所述存储装置的提取段的俘获容积空间中被俘获，并 且，所述电压供给装置用于向提取段供给提取电压，以沿正交于所述存储 装置的所述纵轴的提取方向将所俘获的离子喷出；以及飞行时间分析器，用于对从所述提取区域喷出的离子进行质量分析。
96. 如权利要求95所述的质谱仪，其中所述RF多极俘获电压沿所述存储装置的相邻段和在所述存储装置的相邻段之间基本上是均匀的，以使 离子能够在相邻段之间移动，而基本上没有离子损失。
97. 如权利要求96所述的质谱仪，其中所述MS处理选自分裂、隔离、过滤和存储。
98. 如权利要求97所述的质谱仪，其中不同的MS处理在所述存储装 置的不同轴向延展区域中同时进行。
99. 如权利要求98所述的质谱仪，其中每个轴向延展区域包括两个或 更多个彼此相邻的段构成的组或单个段。
100. —种分段式线性离子存储装置，用在如权利要求1至38中的任 一项、或权利要求66至93中的任一项、或权利要求95至99中的任一项 所述的飞行时间质谱仪中。
101. —种在此基本参照附图描述的质谱仪。
102. —种在此基本参照附图描述的操作质谱仪的方法。
全文摘要
公开了一种飞行时间质谱仪(1)，包括离子源、用于接收由离子源供给的采样离子的分段式线性离子装置(10)和用于分析从分段式存储装置喷出的离子的飞行时间质量分析器。俘获电压被施加至分段式存储装置，以将离子初始俘获在两个或更多个相邻的段构成的组中，且随后将他们俘获在分段式存储装置中的比段构成的组短的区域中。俘获电压对于提供沿装置(10)的长度均匀的俘获场也是有效的。
文档编号H01J49/42GK101601119SQ200780050597
公开日2009年12月9日 申请日期2007年12月7日 优先权日2006年12月11日
发明者罗杰·贾尔斯, 赫尔曼·沃尔尼克, 迈克尔·苏达科夫 申请人:株式会社岛津制作所