具有微分离子迁移率谱仪和质谱仪的离子分析装置及使用方法
【专利说明】具有微分离子迁移率谱仪和质谱仪的离子分析装置及使用方法
[0001]本申请是国际申请号为PCT/GB2010/000873、申请日为2010年4月30日、中国国家申请号为201080019355.5、发明名称为“具有微分离子迀移率谱仪和质谱仪的离子分析装置及使用方法”的发明专利申请的分案申请
技术领域
[0002]本发明涉及微分离子迀移率分析以及质谱仪，尤其涉及微分迀移率光谱测定法与质谱测定法的一起使用。
【背景技术】
[0003]微分离子迀移率光谱测定法(DMS)是一种基于离子迀移率光谱测定法(MS)原理的技术。在IMS中，轴向均勾电场引导离子穿过恒压下的气体介质。使带电核素(chargedspecies)加速的电场驱动力与由离子和气体分子之间的碰撞引起的阻尼力的结合作用导致在施加的电场方向上离子的平均漂移速度。
[0004]离子迀移率被定义为注入頂S单元(cell)的离子组的平均漂移速度与施加的电场的比率，K = uav/E。因此，离子穿过给定长度的漂移时间由施加的电场和迀移率确定；后者反映了离子的碰撞截面以及离子与包含气体介质的分子之间的相互作用的性质。具有不同碰撞截面并且依赖于与气体介质相互作用的性质的离子，将分解为以不同的平均速度漂移穿过单元的组。MS中的分离主要依赖于离子的体积/电荷比的变化。
[0005]近来頂S的发展主要由涉及结合使用质谱测定法(MS)确定分子质量的高分子结构说明的应用所驱动。在确立IMS作为复杂样品分析中不可缺少的工具的附加特征是化合物(即，具有相同m/z比率的化合物)同质异位形式的分离，以及在质谱中观察到的信噪比的增强。
[0006]在所谓頂S-MS联用仪器中，将离子迀移率漂移单元附连到质谱仪的前端，位于质谱仪的真空罩的外部，并且在环境压力下操作。因此，将迀移率分离限制到大气压电离源中产生的离子。大气压MS因扩散造成离子束扩张而经受离子传输到质谱仪的真空罩中的低效率，当离子必须穿过小孔(通常直径为0.2 — 0.5mm)时，这会不利地影响在MS界面处的米样效率。
[0007]尽管事实是在较低压力下扩散变得更有优势，并且离子损失会变得显著，但是，可以在MS器件之后插入离子光学器件以再聚集离子。这允许低压和真空頂S的发展，从而大大延伸了可用于复杂混合物分析的IMS仪器和技术的范围。除了可用的大气压电离源，中压MS单元实际上可与任何真空离子源兼容。基于离子迀移率的离子分离在低至0.1毫托(mtorr)的压力下进行。由于利用环境压力IMS，可将离开頂S漂移单元和离子光学器件的离子提供到质谱仪的前端。
[0008]离子迀移率K，随着施加的电场和压力的变化而非线性变化。通常，该相关性近似于迀移率K在参数E/N的偶数次幂下的级数展开，其中E是电场，N是每Eq.⑴的气体密度量[E.A Mason, E.ff.McDaniel,气体中的离子传输性质(Transport Properties of 1nsin Gases) ；ffiley, 1988]:
[0009]K(E/N) = K(O) [1+α 2(E/N)2+a 4(E/N)4+…] (I)
[0010]零电场极限下的离子迀移率K(O)，用于定义阈值，低于该阈值，平均漂移速度的值随电场线性换算，即，离子迀移率K(O)是常数，速度直接与电场成比例，uAV= Κ(0)Ε。通常，在零电场极限下操作在大气压下操作的漂移单元，且与在E/N的值会延伸到K的非线性范围中的减小的压力下操作的漂移单元相比，引导离子穿过气体所需的电场梯度要大。使用Eq.(I)以及对应的迀移率系数或阿尔法(alpha)系数对离子进行分类，这确定了 K关于E/N的关系式。对于A型离子，α2>0，α4>0，且迀移率随E/N增加。对于C型离子，影响相反，迀移率随Ε/Ν降低且α2〈0，α4<0ο对于B型离子，获得更复杂的行为，其中α 2>0，α 4〈0。引入汤森(Townsend)单位Td，来阐述K对参数比E/N的相关性揭示离子迀移率中离子-分子相互作用的基本特征，ITd = 10 21Vm2。
[0011]自从关于漂移单元頂S进行早期研究以来，已经发展了几种基于离子种类的迀移率性质分离离子的技术。尤其，微分迀移率光谱测定法(DMS) [1.A.Buryakov等，Int.J.Mass Spectrom, 1n Processes 1993，128，143]，也已知作为场不对称离子迁移率光谱测定法(FAIMS) [R.ff.Purves 等,Rev, Sc1.1nstrum.1998, 69, 4094]，取决于离子迁移率 K，关于施加的电场和气体密度量E/N的相关性。与頂S相对，DMS中的离子被输送到气体流中，并在周期不对称波形下振荡，该周期不对称波形在高场和相反的低场之间交替。垂直于气体流动的方向施加电场。依靠高和低迀移率之间的差，离子经历每个波形周期的平均净位移。这导致离子漂移日益增多的偏轴(off-axis)以及对限定气体流动的电极放电。可以通过DC电压补偿位移，并且可以成功的将给定迀移率相关性的离子传输穿过器件。通过以固定幅值和波形频率扫描补偿电压以及收集传输的离子形成光谱，通过使用静电计或者将离子引入质谱仪的前端来收集传输的离子。
[0012]已经发展了两种主要的DMS系统，依据它们在横向气体流动的方向上聚焦离子的能力。在第一种类型中，由在同轴设置的不同半径的两个同心圆柱体之间限定的气体流承载离子。通常将不对称波形和补偿电压施加到内电极。在两个圆柱形电极之间建立的对数场具有横向聚焦离子并在增加的波形幅值下保持高传输的能力[R.Guevremont, R.ff.Purves, Rev.Sc1.1nstrum.1999, 70, 1370]。在第二种构造中，聚焦离子以在两个平行的板之间振荡，其中一个承载不对称的周期波形和补偿电压，而相对的电极保持接地电势下。板之间形成的偶极子场不具有聚焦性质，并且在电极上损失的离子量大约与不对称波形的幅值成比例。与传输变得有选择性，即，某种类型的离子只能用指定波形传输的圆柱形设计相对，穿过这种偶极子场的传输有可能用于所有类型的离子，该类型是依靠K关于E/N的非线性相关类型分类的类型。
[0013]本发明人已经发现，到目前为止，由于与该相对新的技术相关的许多缺点而限制了 DMS的性能和应用。尤其，不像頂S，文献中描述的DMS器件专门在环境或亚环境压力下操作，并且从外部连接到质谱仪的真空罩。
[0014]通常，由MS的入口(例如，毛细孔或临界孔)提供的抽吸比率在IL min 1的范围内，已经发现这对于慢慢穿过DMS或者FA頂S器件的板之间的间隙抽吸空气是适宜的比率。这为发生分离提供必需的层流条件。
[0015]不过，在固定的流动率下操作的缺点是预先确定的离子穿过DMS的滞留时间不能容易的调节以增强仪器性能。在DMS电极之间的分离间隙也是固定的情况中，这尤其是真的。在环境压力下或者在环境压力附近操作DMS并建立足够用于诱导分离的高场条件(?10Td)要求在电极之间的最小的可能分离距离，这限制了系统的采样效率并危及灵敏度。尤其，通过穿过DMS的狭窄间隙的静电喷雾的离子的MS的采样变得有问题。而且，实验论证了，传输的离子电流不会超过?ΙΟρΑ，这显著低于在静电喷雾电离源中产生的离子电流[Shvartsburg 等，J.Am.Soc Mass Spectrom.2005，16，2-12]。总之，由于 DMS 造成的离子损失以及离子流动的限制，在MS中可用于分析的离子量少得多。
[0016]到目前为止，将DMS器件耦合到大气压力“软”电离源，尤其耦合到在相对低的流动率?IyL min 1下操作的静电喷雾电离源。除非允许充足的挥发发生，否则当以较高的流动率喷涂使DMS的性能显著退化时，该限制主要由较大的液滴(droplet)的形成物造成。由于这种器件在环境条件下的操作不能达到预期的性能，要将DMS用作为MS平台中的前端的高处理能力LCMS分析所需的的这种高流动率的适应仍然是目标。
[0017]而且，将DMS器件在环境压力下的操作限制到干净的样品和不包含不挥发盐的液相色谱(LC)缓冲器。直接分析“脏”样本例如生物流体会很快危及DMS性能。已经发展了耐用(robust)电离源，与用于帮助LC分离的不挥发缓冲器一起，容许这些类型的样品，但是，它们仍然与连接到MS的DMS界面不兼容。
[0018]目前DMS技术的另一限制是不良的分解，根据补偿电压由峰值宽度测量，其被限制到?20而且显得明显低于漂移单元頂S中所得到的。到目前为止，操作DMS的E/N的窄范围危害了改进分解的方法。
[0019]在US2003/0020012描述的FA頂S器件中，由样本产生的母离子以正常方式经过质量分析，振荡单元产生的碎片离子经过FAIMS分离。这要求FAIMS器件中的压力与振荡单元操作压力兼容。特别地，母离子有选择的传输穿过在低压室中的第一质量分析仪，射入在以增加的压力操作的第二压力室中(第二压力室位于低压室中)操作的振荡单元，其中在振荡单元中发生母离子的碎裂。
[0020]随后，为了质量分析的第二阶段而从第二压力室返回低压室中的离子射入之前通过FA頂S器件过滤碎片离子。
[0021]该几何结构只是用于分离具有m/z的相等比率的碎片离子(等压离子)，当在第二质量分析仪中测量时，其会另外表现为单一光谱线。因此，碰撞单元的工作压力限制了在FAIMS器件中建立的压力范围。实际上，提供到第二压力室的专用碰撞气体供应决定FA頂S器件的压力。因此，工作压力的范围是不可用的，并由此可达到的E/N比率范围是狭窄的。
[0022]在E.G.Nazarov 等，Anal in Chem.2006, 78，7697 描述的另一 DMS 配置中，离子输送穿过平面电极系统，其中可以通过流量控制器、针状阀和小型栗构成的系统调节DMS内的压力。DMS位于质谱仪外部，并且顺利传输穿过平面电极之间的间隙的离子经DC偏置而偏移到2mm入口孔中并朝向质谱仪的进入孔。使用该系统，在0.4-1.55atm(405-1570.5mbar)的范围内研究压力的影响。发现0.6-0.8atm的压力提供减少的二聚作用以及高分解。本发明人注意到离子从DMS到质谱的传输在相当大的程度上取决于气体流动，并且减少横穿MS界面的压力差对灵敏度具有显著的影响。因此，减小压力以低于Nazarov等研究的压力，对离子从DMS穿过MS的入口毛细管或者孔的输送效率会具有相反的影响。
[0023]因此，目前，在环境压力和/或接近环境压力下操作DMS和FA頂S器件，并且将E/N的值限制在?10Td(ITd = 10 21Vm2)，其相当于?1220V穿过0.5mm间隙，以?Iatm =1013.25mbar以及300K。这里，压力下降落现象把上限强加于波形的幅值，因此限制E/N比率可达到的范围。而且，从DMS到MS的离子迀移效率低。
【发明内容】
[0024]最一般地，本发明提出DMS器件(例如，使用不对称波形以过滤离子而的一种器件)应该位于质谱仪外壳的初始抽吸阶段。而且，一种方案是应该将特定压力和波形频率施加到DMS器件以实现良好的分解能力以及离子传输。而且，另一方案是应该使用多极DMS器件并且应该将偶极子场与施加到多极以实现离子的径向聚集的高阶场结合使用。
[0025]在第一方面，本发明提供一种离子分析仪器，包括:
[0026]用于从样本生成离子的电离源；以及
[0027]离子