专利名称：差压双离子阱质量分析仪及其使用方法
技术领域：
本发明通常涉及质谱仪，尤其是涉及用在质谱仪系统中的差压，二维双离子阱质量分析仪。
背景技术：
二维四极离子阱质量分析仪(也称为线性离子阱)在质谱学领域是公知的，并且已经成为用于分析各种化合物的重要且广泛使用的工具。如通常所述，二维离子阱由一组四个伸长的电极组成，其中在该电极上施加预定相位关系的射频(RF)俘获电压，以将离子 径向约束在阱内部。离子的轴向约束受棒电极和/或纵向位于棒电极外部的电极的端部施加恰当直流(DC)偏差的影响。该俘获离子的质谱可以通过从阱内部按照质量顺序地向相关联的检测器发射离子来获得，其中可以沿如Bier等在美国专利No. 5420425中描述的与离子阱的中心纵轴垂直的径向或，如Hager在美国专利No. 6177668中描述的与中心纵轴平行的轴向。该二维离子阱的加大的离子体积、较强的俘获能力、以及较高的俘获效率都提供了显著的性能优势(与传统的三维离子阱相比)，这包括增强了的灵敏性、以及执行增加了数量的多阶段的离子选择和碎裂的能力。离子阱质量分析仪的成功运行需要向阱内增加缓冲气体(典型的是氦气)。缓冲气体(在现有技术中名称不一，也可以称为阻尼或碰撞气体)用作两个主要目的。首先，该缓冲气体通过碰撞减少离子的动能。该动能的减少是主要的，其不仅用于俘获射入阱内的离子，而且也在质量分析前动态地冷却(阻尼)和在空间上(轴向和径向)集中离子云，这样产生了有利的质谱分辨率和灵敏性。第二，缓冲气体的存在可以通过碰撞激活解离(CAD)来有效的碎裂离子，用于级联的质谱(MS/MS或MSn)分析。但是，公知的是在离子分离期间将离子和缓冲气体碰撞，以及按质量顺序地发射过程对于质谱性能是有害的，即减小分辨率以及有助于限制质量精度的化学质量偏移。仪器设计者试图通过选择缓冲气体的压力(典型的在1-5毫托之间)来减少这些有害的影响，其中该缓冲气体的压力提供了足够的俘获/冷却和碎裂作用，并且降低了对分辨率和质量精度的负面影响。虽然该“折衷压力”的方法产生了大体上令人满意的仪器性能，但是最近人们对倾向低压的运行模式产生了兴趣。公知的是，可以通过在Mathieu参数q值稍低于稳定限制值.908处共振地发射离子会实现较高的分辨率。也可以用该分辨率的增益换取更快的扫描速度，即可以更快速的获得质谱，该质谱具有的分辨率和利用标准技术获得的分辨率相等，由此增加采样的产量和/或增加完成的MSn周期的数量。并且，在降低的q值处发射会提供其他优势，包括扩展的质量范围的扫描和使用高阶共振的可能性，以增加发射率和/或提供较高的荷质比(m/z)的分辨率。注意，化学依赖型质量偏移的间题会对使用减小的q共振发射产生潜在的障碍，其中该间题在某些离子阱和某些条件下，会在降低q发射值时显著增加。Kawato等的美国专利No. 6960762虽然没有专门提及降低的q共振发射，但是其描述了一种与传统的三维离子阱的配合，其中设计该三维离子阱用于避免在存在的缓冲气体中产生的缺陷。在Kawato等的装置中，缓冲气体被可控地加入(通过脉冲阀)离子阱内，以将压力升高至使离子俘获最优的值。在离子已经射入阱中之后，减小或终止惰性气体的流动，离子阱的内部压力随后降低至一个值，用于优化按质量顺序的扫描。通过在两个压力之间切换，Kawato等的装置意在实现很好的捕获效率和扫描分辨率。但是，重复改变和稳定离子阱的压力所需的时间显著延长了整个质量分析的周期时间并降低了采样输出量，尤其是在使用高容量的离子阱时。至少一篇现有技术中的参考文献公开了一种双阱质谱仪的结构，其中阱中的压力对于不同的功能单独优化。Zerega等(“A Dual Quadrupole Ion Trap MassSpectrometer”，Int. J. Mass Spectrometry 190/191 (1999) 59-68)描述了一种双离子讲质谱仪，其由运行在大约10_4托压力的第一三维四极离子阱(称为“准备单元”)组成，该第 一三维四极离子阱耦合至在大约10_7托压力运行的第二三维四极离子阱(称为“质量分析单元”)。在该质谱仪中，在准备单元内部产生离子，并通过与惰性气体原子的碰撞来冷却，从而减少离子云占据的体积。然后，离子从准备单元(通过关断约束电压和向端帽施加恰当的DC电压)通过一个端帽中的小孔发射出来，并经过质量分析单元，在这里，它们通过入口孔被允许进入单元的内部体积。基于通过轨迹分析对俘获离子进行的长时运动频率的测量，通过复杂的技术确定质量分析单元中俘获的离子的荷质比，其中离子在阱内被约束预定时间，然后(通过出口孔)发送至检测器，用于在阱的内部和检测器之间产生代表离子的飞行时间的离子信号。该技术需要将离子信号作为约束时间的函数来分析，因此，必须执行几个质量分析周期以获得完整的质谱。Zerega等文章公开的质量分析技术的复杂度，以及需要执行几个质量分析周期以产生质谱，使得该装置在商业用途中受冷落。
发明内容
如粗略描述的，根据本发明实施例的双阱质量分析仪包括在不同压力运行且相邻放置的第一和第二二维四极离子阱。第一离子阱具有内部体积，其保持在较高压力，例如在氦气的5. OX 10_4至I. OX 10_2托的范围中，从而提高有效的离子俘获，动态/空间冷却，以及经由CAD过程的碎裂。冷却的(以及可选择地碎裂的)离子通过至少一个离子光学元件被传输至第二离子阱的内部，其中与第一离子阱的压力相比，该第二离子阱保持在明显较低的缓冲气体的压力中(例如，在氦气的1·0Χ10_5至2·0Χ10_4托的范围)。第二离子阱中的低压有助于获得高分辨率的质谱和/或使用高扫描率，且保持可比的m/z的分辨率，并且可以利用减小的q共振发射，而不引起具有不可接受水平的化学依赖型质量偏移。另外，低压区域也允许使用较高分辨率的离子分离。在双阱质量分析仪的特殊实现方式中，第一和第二离子阱位于共同的真空腔室中，且可以通过泵限制保持阱之间的压差，其中该泵限制可以采取将两个阱分离的阱间平板透镜的孔的形式。缓冲气体，例如氦，可以通过导管加入第一离子阱的内部，以提供理想的缓冲气体压力。第一和第二离子阱都具有传统的分部分的双曲棒结构，并且第二离子阱的棒电极对的中心部可以具有槽，以允许离子发射至检测器用于获得质谱。单个的共用射频(RF)控制器可以用于向两个离子阱的电极施加RF电压。通过在棒电极部分和/或阱间透镜以及轴向位于第一离子阱前端部和第二离子阱后端部外部的透镜上施加恰当的DC电压，来实现离子阱内的离子的轴向约束和阱间的离子传输。前述的双阱质量分析仪可以在多种不同的模式下运行。在一种模式中，在第一离子阱中俘获和冷却离子，并将其传输至第二离子阱用于质量分析(这里的术语“质量分析”用于代表测量俘获的离子的荷质比)。在另一模式中，在第一阱中俘获和冷却离子，并且通过从第一阱中发射所有在感兴趣的荷质比范围之外的离子来选择(分离)用于碎裂的母离子。根据CAD技术，然后母离子被动态激活，并和缓冲气体进行能量碰撞以产生子离子。然后，子离子被传输至第二离子阱用于质量分析。另一个运行方式利用了第二离子阱的高分辨率分离的电势。在该模式中，在第一离子阱中俘获和冷却离子，然后传输至第二离子阱。然后，通过发射所有在感兴趣的荷质比范围之外的离子，而在第二离子阱中分离母离子。由于第二离子阱内的低压，那么与在高压受到的影响相比，分离会受到高分辨率和高效率(母离子损失减少)的影响，使得选择母离子种类具有更大的专一性。然后，将母离子回送至第一离子阱，之后通过前述的CAD技术，碎裂母离子。然后最终获得的子离子被送入第二离子阱，用于质量分析。在该运行模式的变形中，在从第二离子阱传输至第一离子阱期间， 母离子被加速至很高的速度(通过在棒电极和/或阱间透镜施加恰当的DC电压)来产生碎裂方式，以接近传统的三级四极质量滤波仪的碰撞单元中出现的碎裂方式。其它公知的解离或反应技术，包括但不限于光致解离，电子传输解离(ETD)，电子捕获解离(ECD)，以及质子传输反应(PTR)可以用以代替CAD技术或者附加于CAD技术以产生子离子。然后，子离子被回送至第二离子阱用于质量分析。本发明的前述和其它实施例通过提供具有较高和较低电压区域的质量分析仪，以及在高压区域执行倾向较高压力的功能(冷却和碎裂)，以及在低压区域执行倾向低压的功能(分离和按质量顺序扫描)，来避免和减少现有技术中离子阱的质量分析的限制。
在附图中图I是根据本发明实施例的质谱仪的示意性图示，其包括差压双离子质量分析仪；图2是用于描述差压双离子阱质量分析仪的组件的示意性图示；图3是描述用于运行图2的差压双离子阱质量分析仪的第一方法的步骤的流程图；图4是描述用于运行图2的差压双离子阱质量分析仪的第二方法的步骤的流程图，其中在第一离子阱中将离子分离和碎裂；以及图5是描述用于运行图2的差压双离子阱质量分析仪的第三方法的步骤的流程图，其中在第二离子阱中将离子分离，在第一离子阱中将离子碎裂。
具体实施例方式图I描述了根据本发明实施例的质谱仪100的组件，其中实现了差压双离子阱质量分析仪。可以理解质谱仪100的某些特征和结构通过示意性示例提供，并不能理解为将该差压双离子阱质量分析仪限制为特定环境中的实施方式。离子源，其可以采用电喷洒离子源105的形式，用于从分析材料中产生离子，例如从液相色谱仪(未描述)的洗出液中产生离子。离子从离子源腔室110穿过几个逐步低压的中间腔室120，125和130传输至差压双离子阱质量分析仪140所在的真空室135，其中用于电喷洒源的离子源腔室典型地保持在或接近大气压。从离子源105至质量分析仪140的离子的有效传输由多个离子光学组件提供帮助，该光学组件包括四极RF离子导引145和150，八极RF离子导引155，吸极160和静电透镜165和170。离子可以通过离子传输管175在离子源腔室110和第一中间腔室120之间传输，其中该离子传输管被加热以将剩余溶剂气化并打破溶剂分析物族。中间腔室120，125和130以及真空腔室135通过一系列恰当的泵抽空，以将压力保持在理想的值。在一个示例中，中间腔室120与机械泵的端口 180通信，中间腔室125和130以及真空腔室130和多级，多端口涡轮分子泵的相应端口 185，190和195通信。质谱仪100的各种组件的运行由控制和数据系统(未描述)引导，该控制和数据系统典型地由通用和专门的处理器的组合，专用电路，以及软件和硬件指令组成。控制和数据系统也提供数据采集和后采集数据处理服务。 虽然质谱仪100被描述为构造成电喷洒离子源，但是应当注意双离子阱质量分析仪140可以和任意数量的脉冲或连续离子源(或其组合)结合使用，其中该脉冲或连续离子源包括但不限于基质辅助激光解吸附离子化(MALDI)源，大气压化学电离(APCI)源，大气压光电离(APPI)源，电子电离(EI)源，或化学电离(Cl)离子源。图2是根据本发明实施例的双离子阱质量分析仪140的主要组件的示意性描述。双离子阱质量分析仪140包括彼此相邻放置的第一和第二四极阱205和210。由于从下述讨论来看显而易见，因此，第一四极离子阱205被称为高压阱(HPT)，第二四极离子阱210被称为低压阱(LPT)。注意，这里用于描述HPT 205和LPT 210相对位置的术语“相邻”意在代表HPT 205和LPT 210紧密放置，但不排除在两个阱之间放置一个或多个离子光学元件，实际上，优选实施例需要该离子光学元件。在文献中(参见，例如，前述的美国专利No. 5420425，以及Schwartz等的“ATwo-Dimensional Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometer，，, J. Am. Soc. Mass Spectrom,13 :659(2002))已经专门讨论了二维四极离子阱中棒电极的几何结构和位置，因此这里不需要详细的描述这些方面，从而省略。如通常所述，可以从围绕阱内部放置的四个棒电极构造二维四极离子阱。棒电极布置为两对，每对沿阱的中心纵轴相对。为了精确估计施加RF电压时的纯四极场，那么每个棒形成为具有面向阱内部的截钉双曲面。在其他实现方式中，圆形(圆的)或平面(平的)电极可以替代双曲电极，用于减少制造的复杂度和费用，虽然这些设备通常提供更有限的性能。在优选的实施方式中，每个棒电极分为三个电绝缘的部分，每部分由位于中心部侧面的前端部和后端部组成。将棒电极分为各个部分以便将不同的DC电势施加于每个部分，使得离子主要保留于在阱的一部分长度上延伸的体积内。例如,通过相对于中心部来说,升高施加于端部的DC电势，使得正离子集中在阱内部的中心体积(其大概和棒电极的中心部纵向共范围)。为了清楚起见，在图2中仅描述了用于HPT 205和LPT 210的单个的电极对。HPT205包括棒电极215，其中每个棒电极分为前端部220，中心部225和后端部230。类似地，LPT 210包括棒电极235，其中每个棒电极分为前端部240，中心部245和后端部250。棒电极235的中心部245以本领域中公知的方式具有槽，以允许离子在分析扫描期间穿过槽径向发射至检测器255。公知的是，棒电极中存在槽则在俘获场中引入了某些较高阶的场分量，其对于仪器性能会具有不好的影响。这些影响可以通过蚀刻(增加电极之间的间隔)电极对中的一个，修改电极表面的几何形状，或者使施加至电极的RF电压不平衡，来避免或降低。典型地，棒电极中仅有两个具有槽(即，一对相对电极中的两个电极)，但是LPT 210的某些实现方式可以利用在所有四个棒电极中都形成槽的设计。电极215的中心部225不需要具有槽，这是因为HPT 205不用于分析扫描，因此，HPT 205能够产生基本为纯的的四极俘获场；但是，理想的是在HPT 205中利用电极的几何结构和间隔，这会导致从基本是纯的的四极场偏离，例如用于引入较高阶的场，其可以提高或保持共振活化效率，从而通过用于较低和较高m/z离子发射的单独的X和y分离波形来提高分离分辨率，和/或降低制造成本(例如，通过将圆形棒电极替换双曲形电极，其中该双曲形电极制造起来更困难和昂贵)。这样，HPT 205的最佳电极设计取决于功能，性能和成本的考虑。虽然通过径向(也称为正交)发射来构造成分析扫描的LPT 210的优选实施例， 但是，双离子阱质量分析仪的其它实施例也可以用Hager在美国专利No. 6177668中教导的方式来构造LPT 210，用于轴向扫描的分析扫描。在该结构中，检测器轴向地位于LPT的外部，而不是和优选实施例一样径向地位于LPT的外部。双离子阱质量分析仪140进一步包括分别位于HPT 205前面，HPT 205和LPT 210之间，和LPT 210后面的前透镜260，阱间透镜265，和后透镜270。透镜结构用于执行各种功能，包括将离子送入HPT 205，在HPT 205和LPT 210之间传输离子，以及辅助轴向约束阱内的离子。每个透镜可以采用具有孔的导电板的形式，其中可控幅值的DC电压施加于该导电板。正如下面要详细讨论的，前透镜260的孔275和阱间透镜265的孔280具有较小的直径(典型地，分别为O. 060"和O. 080")，以使得HPT 205内部的压力较LPT 210内的压力有显著提升，且位于质量分析仪140外部的真空腔室135。后透镜270的孔285典型地与其它透镜的孔相比具有相当大的直径(例如，O. 500")，以有助于将LPT 210内的压力值保持接近质量分析仪140的外部区域。其它恰当的透镜结构也可以替代这里描绘和描述的平板透镜结构。更具体地，阱间透镜265可以包含其它实现方式，即RF透镜，多元件透镜系统，或短的多极透镜。进一步注意到，透镜中的一个或多个可以和其它物理结构组合，以提供泵的限制的理想程度。通常为管状的外壳290和前透镜260，阱间透镜265和后透镜270结合并密封，以形成HPT 205和LPT 210的外壳。该配置通过将两个阱之间以及每个阱和外部之间的通信限制为穿过各个孔而出现的流量，从而在HPT 205和LPT 210内形成理想的压力。外壳290可以具有延长的孔，以允许发射的离子传至检测器255。虽然外壳290被描述为围绕HPT205和LPT 210延伸的整体结构，但是双阱质量分析仪140的其它实现方式也可以利用一种结构，其中在两个或多个部分中形成外壳(例如，容纳HPT 205的第一部分和容纳LPT 210的第二部分，或者容纳HPT 205和LPT 210的第一部分和仅容纳HPT 205的第二部分)。该结构有助于经一步调整泵的电导。通过穿透侧壁290的导管292，向HPT 205的内部增加缓冲气体，典型地是氦气。在HPT 205和LPT 210内保持的压力取决于缓冲气体的流速，透镜孔275、280和285的尺寸，真空腔室135的压力，外壳290的结构(包括在这里形成的任意孔)和真空腔室135的泵端口的相关的泵速度195。在典型的双阱质量分析仪140的实施方式中，将HPT 205内的压力值保持在氦气的5. O X 10_4至I. O X 10_2托的范围中，并且LPT210内的压力值保持在氦气的1.0\10_5至3.0父10_3托的范围中。更优选地(正如目前设想的)，HPT205的压力可以为氦气的1.0\10_3至3.0父10_3托的范围，并且1^的压力为氦气的1.0X10_4至1.0X10_3托的范围。在这种方式中，对于冷却和碎裂功能(在HPT阱205中)，以及分离和分析扫描(在LPT阱210中)，分别优化这些压力。应当注意，前述压力范围仅通过示例提供，不应当理解为将本发明的保护范围限制为在任何特定的压力或范围或压力下运行。通过RF/AC控制器295将振荡电压，包括主RF(俘获)电压和辅助AC电压(用于共振发射、分离和CAD)施加于HPT 205和LPT 210的电极。为了减少仪器的复杂度和制造成本，HPT 205和LPT 210可以布线为与共用的RF/AC控制器平行，使得相同的振荡电压施加于两个阱上。但是，在某些应用中理想的是在阱中同时执行不同的功能。例如，人们希望在LPT对于先前积累的离子组执行分析扫描时，在HPT 205中通过积累和冷却引入的离子来增加占空比。这些应用需要向HPT 205和LPT 210应用不同的RF/AC电压，这需要为两个阱使用单独的RF/AC控制器。DC电压通过DC控制器297和298分别施加于HPT 205和 LPT 210的电极。如上面所讨论的，公知的是向阱的端部和中心部施加不同的DC偏置电压，用于在一个在阱的一部分长度上延伸的体积内集中离子，其中该体积例如为与中心部对应的中心体积。应当理解，与图I中描述的结构相比，双阱质量分析仪的其它实现方式可以切换LPT和HPT的位置。在该实现方式中，从离子源到达的离子首先通过LPT传至HPT，其中这些离子以下面结合图3-5描述的方式在返回LPT用于质量分析(或分离)之前，将被俘获和动态冷却(以及可选择地碎裂)。图3-5说明了运行双离子阱质量分析仪140的各种方法，其中这些方法用于分析物的质量分析。应当理解，这些方法作为本发明的质量分析仪如何被有利使用的示例来提供，不应当理解为将本发明限制于运行的特殊模式。初始参照图3的步骤310，在HPT 205的内部体积中积累在离子源105中产生且通过各种离子光学组件传输的离子。可以通过调整施加于前透镜260的DC电压来完成将离子送入HPT 205。在HPT 205内已经积累充分多的离子之后(注意积累时期的持续时间可以由恰当的自动增益控制技术确定)，改变施加于前透镜260的DC电压以防止HPT 205中进入额外的离子。如本领域公知的，通过将使用施加于棒电极215的RF电压的径向约束(更具体地，通过向两对棒施加相位相反的振荡电压)和使用施加于端部220和230、中心部225、前透镜260和阱间透镜265的轴向约束组合，来实现在HPT 205内俘获积累的离子。施加于后端部230和/或阱间透镜265的DC电压产生用于放置离子从HPT 205移动至LPT 210的电势势垒。在HPT 205内将俘获的离子保留充足的时间以通过与缓冲气体碰撞来影响离子的冷却，该时间典型地是1-5毫秒的数量级。应当注意，双离子阱质量分析仪140的差压结构就其在不引起非有意碎裂的情况下捕获和俘获易碎离子(例如，通过电子电离产生的η-烷烃的离子)的能力来说，与现有技术相比具有很大的优势。到达离子阱入口的离子典型地具有动能扩散，其超过了当离子在正常的缓冲气体压力运行时，一个离子穿过线性阱的长度并返回期间碰撞去除的动能量。这导致发射的一部分离子“跳出”传统的离子阱的内部，由此减少了发射效率并降低了质量分析可用的离子数。在传统的离子阱中，可以通过增加缓冲气体的压力来提高发射效率，但是，如前面讨论的，在较高的缓冲气体的压力下运行会对分析扫描和分离分辨率产生负面影响。也可以通过使发射的离子加速以使每次碰撞损失更多能量来提高发射效率。但是，使离子加速至具有更高的动能也会产生易碎离子的更不理想的碎裂。双离子阱质量分析仪140的设计，允许在HPT 205中使用高缓冲气体的压力以有助于很好的去除碰撞能量以及随后的捕获效率，而不牺牲分析扫描分辨率或速度，其中该双离子阱质量分析仪有效地将HPT 205和LPT 210中的离子捕获和分析扫描功能分割。在积累和冷却步骤之后，在步骤320，冷却的离子被传输至LPT 210的内部体积。通过改变施加于讲间透镜265 (以及可能施加于棒电极215的一个或多个部分和/或棒电极235)的DC电压以去除两个阱之间的电势势垒并在LPT 210内产生势阱，从而执行两个阱之间的离子传输。然后，离子从HPT 205的内部通过孔275流入LPT 210的内部。通常理想的是，执行传送步骤，而不实质增加离子的动能和/或不引起它们经历导致碎裂的能量碰撞。通过施加于棒电极235的RF电压和施加于端部240和250,中心部245,讲间透镜265和后透镜270的DC电压，来分别影响LPT 210内离子的径向和轴向约束。 在步骤330中，在离子已经被传输至LPT 210并被LPT 210俘获后，通过按照质量顺序地向检测器255发射离子来执行分析扫描，以获得质谱。通过在带槽的棒电极对(例如，棒电极235)上施加振荡共振激励电压并使施加于棒电极的主RF(俘获)电压的幅值斜线上升，而在二维四极离子阱中传统地执行按质量顺序地发射。离子和相关联的且在它们的荷质比数量级上的激励场相共振。共振激励的离子在它们的轨迹幅值上逐渐增加，这最终超过了 LPT 210的内尺寸，并使得离子被发射至检测器255，这相应地产生了代表发射的离子数的信号。该信号被传输至数据系统，用于进一步处理以产生质谱。Mathieu参数q值取决于共振激励电压的频率，其中离子在该q值共振发射。如背景技术部分所讨论的，当前的兴趣在于在较低的q值处共振发射离子用以在延长m/z扫描范围时获得较高的分辨率和/或加快扫描速度。离子可以在任何低于质量不稳定限值的运行有效q值处共振发射(例如在O. 05和O. 90之间)，但是减小的q共振发射将更有利于发生在O. 6彡q彡O. 83。公知的是(参见，例如Franzen的美国专利No. 6297500和6831275)分辨率的进一步增强或者扫描速度的增加可以通过选择用于共振发射的q值来获得，其中在该q值存在共振，一些q值处于俘获RF电压频率的整分数的频率(例如，在q=O. 64时，共振频率是俘获的RF电压频率的1/4)。本发明的双离子阱质量分析仪通过在LPT 210的低压环境内执行分析扫描来实际利用减小的q共振发射，由此在扫描过程避免多个离子-缓冲气体碰撞，这会导致分辨率降低，以及化学质量偏移可能在较高水平。应当理解，虽然这里提及在较低的q值执行分析扫描，但是步骤330也可以以更传统的方式在较高的q值(例如，q = O. 88)执行步骤330，而不脱离本发明的保护范围。并且，本发明的一些实施例会在轴向方向，而不是径向按质量顺序地发射离子。图4是描述一种方法的步骤的流程图，其中该方法利用双离子阱质量分析仪140执行MS/MS分析。在步骤410中，在HPT 205内以和结合图3流程图的步骤310所讨论的基本相同的方式积累和冷却离子。接下来，在步骤420，荷质比在感兴趣的范围内的母离子在HPT 205中被隔离。例如，利用数据依赖型过程，借助预定的标准分析之前获得的质谱，从而自动确定感兴趣的荷质比的范围。以现有技术中公知的方式，通过向棒电极215施加宽带激励信号，从而实现母离子分离，其中该宽带激励信号具有与母离子的长时运动频率对应的频率陷波。这会使得质荷比在感兴趣的范围外部的所有离子被动态激励且从HPT 205中去除(通过棒电极215之间的空隙发射，或者通过击打电极表面)，而在HPT 205中还保留母离子。在步骤430，之前在步骤420中选择的母离子被碎裂以产生子离子。碎裂可以通过现有技术中的CAD技术完成，其中向棒电极215施加激励电压以动态激励母离子，并使得它们和缓冲气体进行能量碰撞，其中该激励电压具有和母离子的长时运动频率匹配的频率。可以使用CAD技术的变形替代传统的CAD，其中CAD技术的变形也称为q脉冲解离(PQD)并在Schwartz的美国专利文献No. 6979743中描述过。在PQD技术中，在动态激励以提供更多能量碰撞激活之前或期间，RF俘获电压升高，然后在激励电压终止后很短的延迟时间之后降低，用于在阱中保持较低质量的子离子。在步骤430中，可以使用其它恰当的解离技术，包括光致解离，电子捕获解离(ECD)和电子传输解离(ETD)。子离子可以在HPT 205中冷却预定时间以减少动能并将它们集中至阱的中心线。注意，步骤420和430可以重复一次或多次以执行多阶段的分离和碎裂从而执行MSn分析，例如感兴趣的子离子可以在HPT 205 中进一步分离以及碎裂从而进行MS3分析。接下来，在步骤440，在步骤430中形成的子离子以和结合图3步骤320所述的基本相同的方式被传输至LPT 210。在步骤450，如结合步骤330所述，LPT 210执行子离子的分析扫描，以产生子离子的质谱。图5是描述另一方法的步骤的流程图，其中该方法利用双离子阱质量分析仪140执行MS/MS分析。与图4的方法相对，在LPT 210中而不是HPT 205中执行母离子的分离。在步骤510中，在HPT 205中首先以和结合图3步骤310所述的相同的方式积累和冷却离子。然后，如结合步骤320所述，在步骤520，将冷却的离子传输至HPT 210。在步骤530，母离子在LPT 210中分离。可以通过将具有陷波的宽带信号施加于棒电极235，完成LPT 210中母离子的分离，其中频率陷波与感兴趣的荷质比范围内的长时运动频率对应。应当认为，较低的缓冲气体的压力允许使用分离波形，其中当保持有利数量的离子时，频率陷波的宽度可以较窄，由此提供更大的母离子的m/z的灵敏度。因此，由于LPT 210较低的缓冲气体压力，可以在LPT 210中实现较高的分离分辨率。然后，在步骤540，将在步骤530中分离的母离子回送至HPT 205。通过改变施加于阱间透镜265 (以及可能施加于棒电极215的一个或多个部分和/或棒电极235)的DC电压，用以去除两个阱之间的电势势垒并在HPT205内产生势阱，从而影响从LPT 210至HPT205的离子传输。然后，离子通过孔280从LPT 210的内部传输至HPT 205的内部，并被俘
-M-犾。接下来，在步骤550中，按照结合图4的步骤430所述，在HPT 205内俘获的母离子通过恰当的解离技术碎裂以产生子离子。应当注意，在HPT 205中，而不是在LPT 210中执行碎裂，这是因为LPT 210中缓冲气体的压力不足以用于有效的基于碰撞的解离方法。对于不依赖于和缓冲气体原子或分子碰撞的解离方法(例如光致解离)来说，可以在LPT 210中执行碎裂，省略将分离的母离子回送至HPT 205的需要。步骤520至550可以重复一次或多次，以执行多级分离和碎裂，例如，感兴趣的子离子可以传输至LPT 210并在LPT 210中分离，然后回送至HPT 205并被碎裂以进行MS3分析。在上述CAD技术的变形中，在步骤550中，可以通过在传输步骤540期间将离子加速至高速来完成碎裂。通过提高LPT 210的前端部240，阱间透镜265，和HPT 205的后端部230相对于HPT 205剩余电极的DC电势来完成用于正分析离子的碎裂(并且，通过升高施加于前透镜260的DC电势来确保离子保持在HPT 205内的轴向约束)。在HPT 205中，加速的离子在高速与缓冲气体碰撞，产生碎裂，该碎裂与在三级四极质谱仪或类似仪器的碰撞单元中出现的碎裂类似。对于该碎裂模式来说，有利地是在HPT 205中使用更大量的缓冲气体，例如氮气(28amu)或氩气(40amu)，这将使得每次碰撞吸收更多的内部能量。应当注意，氮气和氩气的高压(典型地在2X10_5托以上)在传统的离子阱中是不受欢迎的，这是因为该情况会危害m/z分析过程的性能。本发明实施例的双阱结构在不危害m/z扫描性能的情况下，允许使用用于CAD的较重的缓冲/目标/碰撞气体。再次，在HPT 205中形成的子离子可以冷却预定的时间以减少动能并将它们集中至阱中心线。在步骤560，将在步骤550中形成的子离子以和结合图3步骤320所述的相同 的方式传输至LPT 210。在步骤570，如结合步骤330所述，LPT 210执行子离子的分析扫描，以产生子离子的质谱。虽然由结合图4和5所述的MS/MS方法来在HPT 205中执行碎裂，但是也存在某些解离技术，例如光致解离，其能在低压环境中更有效实施。对于具有该特性的解离技术来说，有利地是在LPT 210而不是在HPT 205中执行碎裂步骤。前面描述的双离子质量分析仪的实施例假设LPT具有一组检测器，并且离子在用于获取质谱的分析扫描期间，被按照质量顺序地发射至检测器。在替换实施例中，一些或所有发射的离子被引至下游质量分析仪(其可以采用例如，Orbitrap质量分析仪，傅立叶变换/离子回旋共振(FTICR)分析仪，或者飞行时间(TOF)质量分析仪)，其中通过传统的方法获得被发射的离子的质谱(或它们的碎片，如果在LPT和下游质量分析仪之间插入碰撞或反应单元)。可以利用在Makarov等的PCT公开文本No. W02004/083805中所述的一种平面离子导引/碰撞单元，以从LPT向下游质量分析仪有效传输离子，并将从HPT中心电极部中的槽出现的带状离子束集中至狭窄的圆形束上，其中该圆形束可以更容易的施加于下游质量分析仪的入口。可以理解，虽然已经结合详细的描述，描述了本发明，但是前面的描述意在说明但并不限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由后附的权利要求限定。其它方面，优点，和变形落在下述权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种质谱仪，包括 用于从分析物中产生离子的离子源； 用于向双阱质量分析仪中传输离子的离子光学装置，所述双阱质量分析仪包括 第一二维四极离子阱，其具有内部区域，该内部区域在质谱仪运行期间保持在第一压力，所述第一离子阱构造成接收、约束和冷却离子； 与所述第一离子阱相邻放置且具有内部区域的第二二维四极离子阱，该内部区域在质谱仪运行期间保持在基本低于第一压力的第二压力，所述第二离子阱构造成接收和约束从第一二维离子阱传输的离子，并按照质量顺序地将离子发射至检测器以产生质谱；以及 至少一个放置在第一和第二离子阱之间，并构造成控制在其之间传输离子的离子光学元件。
2.如权利要求I所述的质谱仪，其中所述第一离子阱进一步构造成将离子碎裂为子离子，然后所述子离子被传输至第二离子阱用于质量分析。
3.如权利要求2所述的质谱仪，其中在碎裂之前，在第一离子阱中分离母离子。
4.如权利要求2所述的质谱仪，其中在第二离子阱中分离母离子，并回送至第一离子阱用于碎裂。
5.如权利要求4所述的质谱仪，其中在从第二离子阱向第一离子阱传输期间，将母离子加速至高速，以使得母离子和第一离子阱中的缓冲气体的分子或原子进行能量碰撞。
6.如权利要求1-5中任一项所述的质谱仪，其中第一离子阱构造成通过碰撞活化解离来碎裂离子。
7.如权利要求I所述的质谱仪，其中第一压力在氦气的I.OX 10_3至3. OX IO-3托之间。
8.如权利要求I所述的质谱仪，其中第二压力在氦气的I.OX 10_4至1.0X 10_3托之间。
9.如权利要求I所述的质谱仪，其中第一和第二离子阱位于公共的真空室中。
10.如权利要求I所述的质谱仪，其中至少一个离子光学元件包括具有孔的静电平板透镜，所述孔提供泵限制，以使得在第一和第二离子阱之间存在压差。
11.如权利要求I所述的质谱仪，其中离子被从第二离子阱中沿径向方向按照质量顺序地发射。
12.如权利要求I所述的质谱仪，其中离子在q值为O.6至O. 83之间处被按照质量顺序地发射。
13.如权利要求I所述的质谱仪，进一步包括放置在第一离子阱前面的前透镜，以及放置在第二离子阱后面的后透镜。
14.如权利要求I所述的质谱仪，其中离子在q值为O.05至O. 9之间处被按照质量顺序地发射。
15.—种质谱仪,包括 用于从分析物中产生离子的离子源； 用于向双阱质量分析仪中传输离子的离子光学装置，所述双阱质量分析仪包括 第一二维四极离子阱，其具有内部区域，该内部区域在质谱仪运行期间保持在第一压力，所述第一离子阱构造成接收、约束和冷却离子； 与所述第一离子阱相邻放置且具有内部区域的第二二维四极离子阱，该内部区域在质谱仪运行期间保持在基本低于第一压力的第二压力，所述第二离子阱构造成接收和约束从第一二维离子阱传输的离子，并按照质量顺序地将离子发射至检测器以产生质谱；以及至少一个放置在第一和第二离子阱之间，并构造成控制在其之间传输离子的离子光学元件；以及 放置用于接收从第二二维四极离子阱发射的离子的第二质量分析仪，或者碎裂从发射的离子中获得的离子，以及构造成获得发射的离子或子离子的质谱。
16.如权利要求I或15所述的质谱仪，其中所述第一离子阱进一步构造成将离子碎裂为子离子，然后所述子离子被传输至第二离子阱用于质量分析，其中第二离子阱构造成通过光致解离来碎裂离子。
全文摘要
一种双离子阱质量分析仪包括相邻放置且分别保持较高和较低压力的第一和第二二维离子阱。可以在第一阱中执行倾向高压的功能(冷却和碎裂)，在第二阱中执行倾向低压的功能(分离和分析扫描)。可以在第一和第二阱之间通过具有小孔的平板透镜传输离子，其中该小孔提供了泵的限制，并允许在两个阱中保持不同的压力。该双离子阱质量分析仪的差压环境有助于在不牺牲离子捕获和碎裂效率的情况下，使用高分辨率的分析扫描模式。
文档编号H01J49/04GK102779716SQ20121024562
公开日2012年11月14日 申请日期2007年12月12日 优先权日2006年12月13日
发明者斯科特·T·夸姆比, 杰·C·施瓦兹, 约翰·E·p·西卡 申请人:塞莫费尼根股份有限公司