用于将离子注射到静电离子阱中的方法和设备与流程

本发明涉及质谱分析的领域。具体而言，本发明涉及将离子注射到静电离子阱(electrostatic ion trap，EST)中。本发明提供涉及此类离子注射的方法和设备。

背景技术：

静电离子阱(本文中简单地被称为静电阱(electrostatic trap，EST))采用静电场来捕获离子。EST的实例包含Kingdon阱、Knight阱和商业Orbitrap(TM)质量分析仪。EST的其它实例包含多种类型的反射器静电离子阱，包含平坦几何形状的那些，或具有“赛道”配置的EST，其中离子是围绕电路多次偏转的。EST在质谱分析中越来越地被用作高分辨率、精确质量(high-resolution,accurate-mass，HRAM)分析仪，如基于Orbitrap质量分析仪的仪器的显著增多所证明的。检测到捕获在EST中的离子的振荡并且例如通过傅立叶变换确定离子的振荡频率和/或质荷比(m/z)。

与EST相关联的特定挑战是将离子有效地注射到EST中。Orbitrap质量分析仪利用仅射频直线或曲线线性阱(后者被称为C阱)作为离子存储装置，离子从离子存储装置中注入到EST中，如US 6,872,938中所描述。线性阱经操作以提供将离子脉冲式注射到EST中并且线性阱是使用如US 7,498,571中所描述的电路系统实施的。从线性阱中轴向或径向射出离子是可能的，其中实际上径向射出倾向于提供离子到EST中的更好的空间集中。在US 7,425,699中描述了具有脉冲式离子阱的所谓的衬里下游的离子注射的实施例，所述脉冲式离子阱用于能量提升但是并不充当离子导引件，因为实际上在内部不具有任何场。此外，衬里并不产生离子的飞行时间集中或聚集。

在US 8,796,619中描述了一种用于轨道捕获EST的离子注射系统，其中离子是经由脉冲式离子提取透镜从离子存储装置中释放的。然而，在从离子存储 装置释放离子与应用提取电压脉冲之间不存在时间上的分离，并且在注射之后系统并不产生离子的时间压缩。

已经提出与EST一起使用的离子注射的其它方法，例如，从正交加速器的注射(US 6,888,130)，从3D离子阱的注射(US 8,901,491)，从气体填充的线性阱通过来自射频离子导引件的随后的正交加速度的注射(WO 2011/086430)以及经由位于Kingdon离子阱的壁中的钻探孔中的Kingdon离子导引件的注射(US 8,907,271)。

另一所提出的方法是通过随后的激励提供到EST中的连续离子注射，如WO 2008/063497和WO 2012/092457中所描述。

所设想的其它方法可包含从离子阱中的质量依赖性射出，如WO 2007/027764和US 7,582,864中所描述，其中具有轴向射出的不平衡的线性阱可与正交加速器组合。

应注意采用从气体填充阱到EST的直接射出的所有方法在从阱中提取离子期间都往往会遭受大分子离子(例如，蛋白质)的片段。此外，需要在较小空间中提供有效的差动泵送从防止气体残留物到达EST。

因此所希望的是在将离子注射到EST中时避免这些缺点。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供一种将离子注射到静电阱中的方法，所述方法包括：

在离子源中产生离子；

将离子从离子源传输到离子源下游的离子存储装置；

从离子存储装置将离子释放到离子存储装置下游的离子导引件；以及

从离子导引件到静电阱中加速离子。

在将离子释放到离子导引件中之后，离子保持在离子导引件中一段时间直至离子被加速离开离子导引件进入到EST中，即，在离子从离子存储装置释放到离子导引件中与来自离子导引件的离子的加速度之间存在延迟。离子从离子导引件加速到静电阱中以用于质量分析。优选地，在离子从离子导引件离开时离子的平均速度基本上高于离子离开离子存储装置时离子的平均速度。在距离 离子导引件的出口处离子的平均离子速度优选地至少1.5倍高于、或至少2倍高于、或至少5倍高于、或至少10倍高于离子离开离子存储装置时的平均离子速度。

一旦离子在静电阱(electrostatic trap，EST)中，将了解质谱分析的方法可通过对静电阱中的离子进行质量分析来执行，例如，产生质谱。所述方法因此包括：在离子源中产生离子；将离子从离子源传输到离子源下游的离子存储装置；从离子存储装置将离子释放到离子存储装置下游的离子导引件；从离子导引件到EST中加速离子；以及在EST中对离子进行质量分析。

本发明还提供用于执行所述方法的设备。

在另一方面，本发明提供一种用于将离子注射到静电阱中的设备，所述设备包括：

离子源，其用于产生离子；

离子存储装置，其位于离子源的下游以用于接收已经产生于离子源中的离子；以及

离子导引件，其位于离子存储装置的下游以用于接收已经由离子存储装置释放的离子并且用于将接收到的离子加速到离子导引件下游的静电阱中；

其中为了对离子进行加速所述离子导引件配备有脉冲发生器，所述脉冲发生器经配置以在离子导引件中提供电压脉冲以用于从离子导引件的入口处的离子的平均速度增大离子导引件的出口处的离子的平均速度。离子存储装置优选地经配置以缓慢地将离子释放到离子导引件中。优选地在将离子释放到离子导引件中与将电压脉冲提供到离子导引件以用于加速离子使其离开离子导引件进入到EST中之间存在延迟。

在再一方面中，本发明提供一种用于将离子注射到静电阱中的设备，所述设备包括：

离子源，其用于产生离子；

离子存储装置，其位于离子源的下游以用于接收已经产生于离子源中的离子；

离子导引件，其位于离子存储装置的下游以用于接收已经由离子存储装置释放的离子并且用于将接收到的离子加速到离子导引件下游的静电阱中；以及

脉冲发生器，其经配置以在离子导引件中提供电压脉冲以用于与离子导引件的入口处的离子的平均速度相比增大离子导引件的出口处的离子的平均速度；

其中将离子加速到静电阱中发生在与从离子存储装置的离子的释放相同的方向上，所述方向基本上与静电阱中的质量分离的方向z正交。

在又一方面，本发明提供一种用于将离子注射到静电阱中的设备，所述设备包括：

离子源，其用于产生离子；

离子存储装置，其位于离子源的下游以用于接收已经产生于离子源中的离子；以及

螺旋形轨道离子导引件，其位于离子存储装置的下游以用于接收已经由离子存储装置释放的离子并且用于将接收到的离子加速到离子导引件下游的静电阱中；

其中将离子加速到静电阱中发生在与从离子存储装置的离子的释放的方向基本上正交的方向上，并且基本上平行于静电阱中的质量分离的方向z。同样对于此方面，所述离子导引件优选地配备有脉冲发生器，所述脉冲发生器经配置以在离子导引件中提供电压脉冲以用于从离子导引件的入口处的离子的平均速度增大离子导引件的出口处的离子的平均速度。离子存储装置优选地经配置以缓慢地将离子释放到离子导引件中。优选地在将离子释放到螺旋形离子导引件中与将电压脉冲提供到螺旋形离子导引件以用于加速离子使其离开离子导引件进入到EST中之间存在延迟。

在另一方面，本发明提供一种用于对离子进行质量分析的质谱仪，所述质谱仪包括：用于注射离子的设备；以及用于接收通过离子导引件加速的离子且对离子进行质量分析的静电阱。

EST优选地是轨道EST，例如，Orbitrap质量分析仪。

本发明的多个优选特征描述于所附权利要求书中。

现在将描述本发明的进一步的特征，包含用于实施本发明的优选实施例。

本发明避免在从气体填充的离子阱到EST的离子提取期间大分子离子的片段和气体残留物的问题，同时提供用于EST中的高性能分析的必需注射条件 (例如，集中的、相干的离子包)。分子离子的减小片段归因于从气体填充的存储装置到真空的离子导引件中的更温和的提取，在将离子从离子存储装置释放到离子导引件中之后，离子导引件通过延迟的脉冲式加速度聚拢离子并且将离子集中到EST中。本发明可以使用与现有技术相比通常较慢的电子元件和较小的电压脉冲实施。由于注射装置与EST之间的几何形状并非与现有技术一样紧密，所以简化的差分泵送布置是可能的。

静电阱可以是上文所述的任何EST，例如，轨道EST或反射器EST(包含具有平坦镜面的那些)或赛道EST，但是具体是轨道静电阱，例如，Kingdon阱、Orbitrap质量分析仪或如本文所述的EST。轨道EST是其中离子在EST的纵轴的方向上振荡(即，执行来回运动)的EST，其同时经历轨道运动(通常是围绕纵轴z轨道运行)优选地围绕EST的一个或多个内部电极(如例如在Orbitrap质量分析仪中)或同时经历EST的两个或更多个内部电极之间的间隙中的径向运动(如例如在Cassinian阱中)。离子在纵轴z的方向上根据离子的m/z由于离子的纵向振荡频率(即，沿着z)取决于它们的m/z而分离。EST包括一个或多个检测电极以检测EST内的离子振荡。轨道EST可以包括单个内部电极(例如，如在Orbitrap质量分析仪中的主轴形状的)或可以包括多个内部电极(例如，如在US 7,994,473中所描述的)。EST可以是在US 7,994,473以及在C.Int.J.Mass Spectrom.第287卷、第114-118页，2009中所描述的一个(被称为Cassinian阱)。将通过轨道EST的实例说明本发明的其它特征，该实例具体是Orbitrap质量分析仪，但是应理解本发明不限于此类实例。然而，本发明确实在将离子注射到轨道EST中具有特定适用性，该轨道EST例如，Orbitrap质量分析仪、Kingdon阱或Cassinian阱。

如本领域中已知离子产生于离子源中。离子源的本质不受特定限制并且适当地可以使用任何已知的来源用于质谱分析。离子源可以是连续式或脉冲式离子源。具体而言，离子源可以是大气压离子(atmospheric pressure，API)源。离子源可以例如是电喷射离子源或MALDI离子源。离子可以是产生于SIMS离子源中的次级离子。所产生的离子随着它们被注射到EST中通常具有一系列m/z以用于质量分析。

离子可以从离子源被直接地传送到离子存储装置中，或者更优选地，离子 可以从离子源下游经由定位在离子存储装置上游(即，定位在离子源与离子存储装置之间的中间)的至少一个离子光学装置传送。上游离子光学装置的不同配置的实例可以包含以下布置。在某些实施例中，产生于离子源中的离子可通过定位在离子源与离子存储装置之间的至少一个上游离子导引件传送到离子存储装置。至少一个上游离子导引件可以包括至少一个多极离子导引件和/或至少一个堆叠环离子导引件(stacked ring ion guide，SRIG)。举例来说，SRIG可从离子源中捕获离子并且将离子传送到一个或多个多极离子导引件，该导引件继而可将离子传送到离子存储装置。替代地，多极离子导引件(例如，四极、六极或八极)可从离子源捕获离子并且将离子传送到一个或多个其它多极离子导引件，该多极离子导引件继而可将离子传送到离子存储装置。

离子可根据一个或多个物理化学特性(例如，质量、m/z、离子移动性等)在离子存储装置的上游经受分离。离子可在进入离子存储装置之前经受质量分析的一个或多个阶段。可以采用随后的实施例使得离子从质量分析或过滤的先前阶段传递到离子存储装置。质量过滤器可提供在离子存储装置的上游(即，定位在离子源与离子存储装置之间的中间)，使得离子在存储在离子存储装置之前可以得到质量过滤，即，限制在它们的m/z范围中。以此方式，仅选定的所关注的离子可以进入并且存储在离子存储装置中。质量过滤器可以是四极质量过滤器，或质量解析离子阱，如本领域中已知的。另外或替代地，离子可经受定位在离子存储装置上游的离子移动性分离器(ion mobility separator，IMS)的分离。IMS可定位在质量过滤器所在处的上游或下游。碰撞室可定位在离子存储装置的上游以启用MS²方法。

离子存储装置可以是任何适当的离子存储装置。离子存储装置可以是线性或3D离子阱。离子阱可以是多极，尤其是四极离子阱，即，线性四极(2D)离子阱或3D四极离子阱。离子存储装置可以配置有在离子存储装置的轴向方向上间隔开的多个平行环电极，例如，通过射频的应用。离子存储装置可以是离子阱，例如，如上文所述，仅射频离子阱。在尤其优选的实施例中，离子存储装置是射频离子阱，尤其是射频线性离子阱。

在一些实施例中，离子存储装置可以被配置成碰撞室以对进入离子存储装置的离子进行分段。离子分段可随后被释放到离子导引件中以用于随后射出到 EST。

离子优选地存储在离子存储装置中直至它们需要被释放到离子导引件中。离子在离子存储装置中的滞留时间通常介于500微秒到10毫秒的范围中。离子存储装置优选地包含气体以辅助存储离子。适当的气体可以是氮气、氩气或氦气，其中如本领域中已知气体的选择取决于待存储的离子的本质。离子优选地在离子存储装置中冷却，即，以通过与气体发生碰撞而减少它们的能量。离子优选地存储在离子存储装置中达到足以允许离子冷却到所希望的程度的周期。优选地，气体填充离子存储装置中的压力介于大约5x 10^-4毫巴到大约1x10^-2毫巴的范围，更优选地从大约1x 10^-3毫巴到大约1x 10^-2毫巴，并且并且最优选地从1x 10^-3毫巴到5x 10^-3毫巴。

离子优选地从离子存储装置缓慢地释放到离子导引件，例如，在小于1V的能量下。离子优选地在数百微秒后释放。离子优选地得到释放使得清空离子存储装置中的所有离子的时间花费至少10微秒或至少20微秒或至少50微秒，但是优选地花费小于1000微秒、或小于500微秒、或小于200微秒或小于100微秒。举例来说，清空离子存储装置中的所有离子的时间可以在10到1000微秒的范围中，或10到500微秒，或10到200微秒，或10到100微秒，或20到1000微秒，或20到500微秒，或20到200微秒，或20到100微秒，或50到1000微秒，或50到500微秒，或50到200微秒，或50到100微秒，或100到1000微秒，或100到500微秒，或100到200微秒。离子释放的优选时间范围是10到100微秒。

优选地将时间依赖性电压应用于离子存储装置中以将离子释放到离子导引件中。优选地通过在离子存储装置内应用轴向直流电场梯度使离子从离子存储装置中释放，例如，在0.1-10V/m的范围内，即在离子存储装置的轴向方向上。轴向场梯度优选地应用于如上文所述的周期以清空离子存储装置中的离子，即，将直流电压应用为脉冲达适当的周期。轴向直流场通常经由电极提供并且可以如本领域中已知的提供，例如，经由一个或多个辅助电极(例如，在离子存储装置外部但是邻近于离子存储装置)或通过用分段(RF)电极配置离子存储装置且将直流电压应用到区段，例如，经由电阻分压器。

如所描述，离子从离子存储装置缓慢地释放到离子导引件以用于将离子加 速到EST中。离子导引件优选地定位在紧接着离子存储装置的下游以便最小化它们之间的距离。离子导引件优选地是不含气体的，这与优选地气体填充的离子存储装置相反。不含气体意味着气体的来源非有意地准入到离子导引件中。因此离子导引件中的压力低于在之前的离子存储装置中的。离子导引件中的压力优选低于或等于10^-3毫巴，通常在10^-5-10^-3毫巴的范围中。离子导引件优选地是非捕获离子导引件，即，优选地在离子导引件中离子不受轴向限制但是仅受径向限制，使得离子导引件在轴向方向上是单通离子导引件(即不含轴向方向上的离子的反射)。因此，离子导引件中的离子的驻留时间通常显著小于之前离子存储装置中的离子的驻留时间。离子导引件中的离子的驻留时间通常介于10微秒到1000微秒的范围中。

一般而言，离子导引件是用于在一个方向上传输离子同时在至少一个其它方向上限制它们的运动的离子光学装置。离子导引件可以是射频离子导引件或静电离子导引件。离子导引件可以是线性多极离子导引件或堆叠环离子导引件，例如，优选地是射频多极或堆叠环离子导引件且更优选地是线性射频多极离子导引件。多极离子导引件可以是例如，四极、六极或八极离子导引件。在另一优选实施例中离子导引件可以是螺旋形或螺旋状轨道离子导引件(本文中是螺旋形离子导引件)，其中离子在螺旋形路径上围绕离子导引件轴随着它们行进穿过导引件得到导引(以距离导引件轴的恒定或变化的距离)。因此，在螺旋形离子导引件中，离子通过轴向和旋转运动两者而移动。螺旋形离子导引件可以包括多匝静电区段导引件，例如，由至少一对同轴电极形成。在螺旋形离子导引件的情况下，可能有必要在小于100微秒的时段中将离子从离子存储装置释放到离子导引件中。优选的是离子从离子导引件轴向加速。在EST中来自离子导引件的此类轴向加速度可以在与质量分离的方向z正交或平行的方向上，或者可以介于正交和平行之间成角度地，如在下文中进一步描述的。

在时间延迟之后，一旦所需的离子(即，需要注射到EST中的离子)已经开始从离子存储装置进入离子导引件，优选地离子的脉冲式加速度将它们提取到EST。时间延迟通常介于10微秒到100倍的微秒(例如，最多1000，或最多900，或最多800，或最多700，或最多600，或最多500，或最多400，或最多300，或最多200，或最多100微秒)的范围中。此时间延迟应该是足够长的 以允许离子彻底地离开离子存储装置，但是仍然是足够短的以避免由于从离子导引件达到出口而引起的离子损失。优选地，对于所关注的最低m/z的离子，时间延迟应该不超过穿过离子导引件的飞行时间的90％。通常，此飞行时间与图1的导引件相比对于图2的导引件较短。在下端上，延迟受到从离子存储装置中提取离子的速度的限制，该速度通过提取电场的强度来调节。此强度(并且因此提取的速度)受到离子的随着它们被拉动经过离子存储装置内的气体的不希望的片段的限制。因此，离子以脉冲式方式(朝向EST)从离子导引件中提取出来或喷出。出于此目的，轴向直流电场梯度，优选地在10³-10⁴V/m的范围内，优选地应用于离子导引件内使得离子的能量增大取决于它们在导引件内的初始位置(即，当首先应用直流场时它们在导引件内的位置)。以此方式，离子被加速离开离子导引件作为脉冲到达EST，并且对于任何给定m/z的离子，此类离子的包在离子导引件的出口处与在导引件的入口处相比基本上较短(在时间或空间上)。此外，在距离离子导引件的出口处离子的平均离子速度基本上高于离子导引件的入口处的平均离子速度。本文中是根据术语“速度”的通常意义使用它的，也就是说它意味着速度或绝对速度，除非指示运动方向。因此，术语“平均离子速度”意味着平均离子速度或绝对速度。优选地，在距离离子导引件的出口处离子的平均离子速度至少是1.5倍高于、或至少2倍高于、或至少5倍高于、或至少10倍高于在离子导引件入口处的平均离子速度。重要的是，随着包进入EST每个离子包的(即，每个m/z的)持续时间基本上短于在离子的包进入离子导引件时的持续时间。

优选地，在应用轴向直流场梯度的同时，切断该(或任何)射频场。轴向直流场梯度优选地应用为来自脉冲发生器的脉冲(即，通过应用直流电压脉冲)。脉冲发生器可以包括本领域中已知的任何适当的脉冲电子元件，例如，MOSFET晶体管。轴向直流场梯度的上升时间优选地在10-1000纳秒的范围内。离子导引件中的直流场通常经由电极提供，即，优选地连接到脉冲发生器。轴向直流场梯度可以从脉冲发生器经由一个或多个辅助电极(例如，外部的但是邻近于离子导引件)提供或通过用分段(RF)电极配置离子导引件且将直流应用到区段，例如，经由如本领域中已知的电阻分压器。离子优选地从离子导引件中以介于EST中的1％到30％的最终离子能量的范围中的能量加速。较高能量是可 能的但是优选地避免较高能量以最小化离子损失。举例来说，如果EST中的离子的最终能量处于2到4kV的范围(这是对于Orbitrap质量分析仪典型的)，那么在达到EST中的最终能量之前，离子优选地从离子导引件中以在最多大约1200V(或最多大约1000V)的范围中的能量加速，例如，1V到1200V或1V到1000V，更通常地50到1200V或100到1000V，更优选地200到1000V，最优选地500到1000V。

优选地，通过离子导引件加速的离子的能量扩展度显著小于EST内的离子的最终能量。更优选地，离子的能量扩展度不超过10-30％，例如，不超过EST内的离子的最终能量的10％或不超过20％或不超过30％。

离子导引件朝向EST加速离子并且在所希望的位置处集中离子，例如，在到EST的入口处或在EST内。优选地，离子的飞行时间的最小扩展的实际位置(即，焦点)被调节成驻留在EST内部。额外的离子光学器件，例如，离子透镜，可以在离子导引件的下游采用以调节离子的焦点的位置。

在离子导引件中，离子优选地以基本上小于在EST中的离子检测期间在z方向上的速度的初始速度在z方向上移动(即，在加速度之前)，直至离子接收朝向EST的脉冲式加速度。在一种类型的实施例中，在EST中离子导引件轴x(即，在其轴向方向上)基本上与质量分离的方向z(本文中还被称为EST的纵向方向或轴)正交对齐，并且这种类型的实例利用射频线性离子导引件。在另一类型的实施例中，离子导引件轴基本上平行于质量分离的方向(在EST中是z)对齐，并且此另一类型的实例利用螺旋形离子导引件。在两种情况中，在加速度之前的z方向上的初始速度相对于最终总速度保持较小。

离子从离子存储装置的释放优选地在基本上与方向z正交的方向上。离子从离子导引件到EST的提取可以多种优选方式实施。优选地，应用从离子导引件的(脉冲式)加速度：

a)在与从离子存储装置释放离子相同的方向上，其也基本上与z正交(例如，其中离子导引件是射频线性离子导引件)；或者

b)基本上与离子从离子存储装置释放的方向正交并且基本上平行于z。

在使用螺旋形离子导引件的实施例中，可能存在减小离子在EST的z方向上的速度的离子导引件内的电位阶跃，优选地不影响它们的旋转运动。优选地， 螺旋的阶跃(即，间距)在离子导引件内减小以位于光束直径的范围的1-2倍中。螺旋形离子导引件优选地布置成其轴在与质量分离的方向(即，EST的z轴)相同的方向上(即，平行)并且优选地与质量分离的方向同轴。离子可以轴向方向上的固定半径被加速离开螺旋形离子导引件(即，优选地在EST的z方向上)。也就是说，离子可以相对于离子导引件轴的固定半径加速离开螺旋形离子导引件，其优选地也在方向或轴z上。离子优选地通过应用直流脉冲以产生如上文所述的轴向场梯度加速离开螺旋形离子导引件。来自螺旋形离子导引件的离子的脉冲式加速度优选地基本上与从离子存储装置提取的方向正交并且平行于z。直流脉冲优选地朝向EST的中心加速离子，由此离子变得聚集到较短包中，即，每个m/z的离子聚集到一个较短包中。在所有所需的离子加速离开螺旋形离子导引件之后，可以在离子导引件中应用另一直流轴向场梯度(优选地不同于第一直流轴向场梯度，更优选地是与第一直流轴向场梯度相比更高的梯度)，在离子在EST中得到检测的同时所述场梯度保持，即，在离子在EST中的检测的持续时间期间。另一直流轴向场优选地经选择使得EST内的理想电场的扰动(即，在离子运动的空间中)得到最小化。以此方式，离子被迫使在EST内沿着z继续谐波振荡(或至少来自谐波运动的偏差由此得到最小化使得在方向z上的EST内的离子振荡保持为尽可能接近谐波)。

一旦离子的群已经离开离子存储装置(并且进入离子导引件)，则应用于离子导引件以使离子加速离开导引件的电压脉冲使得离子变得在它们通过EST的一个或多个检测电极附近时聚集(集中)到在EST的z方向上足够窄的包中以便维持EST中的检测期间的离子包的相干性(并且减少散相)。关于每个m/z，离子优选地集中以形成离子包。直流轴向场脉冲可提供离子导引件中的线性电位分布或高阶电位分布(例如，二次电位分布)。在线性电位分布的情况下，从离子导引件的中心到导引件的下游的任何所希望的点的最佳聚集通常发生的前提是从导引件的出口到该点(x＝x₀)的离子的飞行时间基本上等于从离子束中心(x_c)到x₀的离子的飞行时间。一般而言，导引件中的电位分布可以通过U＝C*(x-x₀)ⁿ给出，其中C是常数，x是沿着离子导引件轴的位置(x₀是导引件的出口)并且n是整数。线性电位分布的情况对应于n＝1。在n>1时引起x₀之后的相对较短飞行时间并且在n<1时引起x₀之后的相对较长的TOF。

通过在EST之前在离子束中提供较小弯曲可以避免或减小从离子存储装置到EST的气体的残留物，由此分离它与气体束。

可以看出在注射到测量沿着方向z的离子分离(根据离子的m/z)的EST中之前，离子从存储装置释放到离子导引件中，在该离子导引件中离子以较低速度在方向z上移动，随后接收将它们作为方向z上的短离子包注射到静电阱中的脉冲式加速度。

在通过来自离子导引件的加速度将离子注射到EST中之后，离子在EST中振荡并且EST检测沿着方向z的离子运动并且基于沿着方向z的离子运动测量质荷比(m/z)。

附图说明

图1示意性地示出了采用射频线性离子导引件以将离子注射到EST中的本发明的第一实施例。

图2示意性地示出了采用用于将离子注射到EST中的螺旋形构件的本发明的第二实施例。

图3示意性地示出了在图2中所示的箭头A的方向上观看的EST可见的图2实施例中的离子导引件的截面视图。

图4示意性地示出了在导引件30和EST 60上延伸的沿着轴z的图3实施例中的电位分布。

具体实施方式

为了确保本发明的更详细的理解，现在将借助于实例且参考附图描述多个实施例。

在第一类型的实施例中，优选的是将离子存储在气体填充线性阱中并且随后将离子作为慢速流释放到优选地与分散在EST中的离子的方向z正交的射频或静电离子导引件中(即，根据EST中的m/z离子沿着其间隔开的方向)。一旦离子群已经离开阱，则将电脉冲应用于导引件，使得当离子接近EST的检测电极通过时离子变得聚集到在方向z上足够窄的包中。

参考图1，示意性地示出了具有线性离子存储/离子导引件几何形状的第一 优选实施例。离子被从离子源或质量分析10的先前阶段引入到离子存储装置20中，该离子存储装置优选地是仅射频线性离子阱。此阱填充有例如在优选地从1x10^-3到5x 10^-3毫巴的压力下的氮气或氩气等气体。一旦所需的离子群存储在阱20中，则通常以数百微秒的时间标度通过阱20内的轴向场梯度的使用缓慢地将离子释放到仅射频线性离子导引件30中。离子优选地在小于1V的能量下从阱20释放到线性导引件30中。

一旦所有所关注的m/z的离子已经进入线性导引件30，即，在它们从离子存储装置中缓慢释放之后的时间延迟之后，射频场优选地在导引件30中切断并且脉冲发生器(未图示)提供应用于导引件的轴向电场脉冲，以对离子进行脉冲使其离开导引件30进入到EST 60中，其中离子在能量上的增大取决于它们在导引件内的初始位置。因此，在离子从离子导引件离开时离子的平均速度基本上高于离子进入离子导引件时离子速度的平均值。直流轴向电场梯度可通过外部辅助电极(即，在导引件外部)的使用而形成，例如，所述电极可与离子导引件轴成角度或在离子导引件轴的方向上分段，或者通过布置射频线性导引件30以具有包括多个区段的多极电极。如本领域中已知的，来自脉冲发生器的电压脉冲可经由电容或电容/电阻分压器被馈送到电极的所有区段。在示出的实施例中，分段辅助电极32提供轴向场梯度。

轴向电场梯度提供离子到轨道类型的EST 60(例如，Orbitrap质量分析仪)的入口的集中。重要的是，对于形成相应的离子包的相同m/z的离子，在离子包进入EST时离子包的持续时间(即，特定m/z的每个包的持续时间)基本上短于当离子的包在从离子存储装置释放之后进入离子导引件时的持续时间。离子在径向方向上的空间发散由包括透镜的离子光学器件40补偿。离子注射最后通过离子偏转器50的使用得到促进，使得离子在EST内围绕中央电极63开始它们的轨道飞行65同时在方向z上来回振荡，方向z垂直于页面的平面。离子沿着方向z根据它们的m/z分散，这是因为不同m/z的离子在方向z上具有不同振荡频率。

从图1中可以看出在第一优选实施例中，从离子阱20释放的离子在与方向z正交的方向x上，并且从离子导引件30到EST 60的离子的脉冲式提取在与从离子阱20释放的离子相同的方向x上，即，与z正交。

通过由离子光学器件40引入稍微弯曲的离子束可以避免从离子阱20到EST 60的直接视线气体残留物，由此从气流中分离离子束。此外，离子导引件30和离子光学器件40可容纳在易受差分泵送的区域中。

在用于加速离子的离子导引件30中的线性电位分布的情况下，从导引件的中心到下游任何所希望的点的最佳聚集发生的前提是来自导引件的出口的点(x＝x₀)的飞行时间(time-of-flight,TOF)基本上等于从离子束中心到x₀的TOF。一般而言，导引件30中的电位分布通过以下公式给出：U＝C*(x-x₀)ⁿ，其中C是常数，x是离子导引件中的轴向位置并且n是整数。线性电位的情况对应于n＝1。n>1的情况将引起x₀之后的相对较短的TOF，并且n<1将引起相对较长的TOF。

通过提供光学器件40中的加速度，TOF的最小扩展的实际位置(即，焦点)可以调节成驻留在EST 60内部。一般而言，引入在导引件30内的能量扩展度应该显著小于EST内的离子的最终能量，优选地不超过最终能量的10％到30％。实际上，对于具有离子振荡的轴向幅度的EST，在5到10mm的检测期间，离子导引件30通常是0.05到0.2m长。

对于具有两个检测电极的标准Orbitrap质量分析仪，针对离子的焦点的优选位置接近EST的中心。如果离子由在座标z＝h处的注射所激发(通常是在检测期间离子振荡的幅度)，那么如US 7,714,283中所描述，存在通过以下公式近似给出的额外的有效路径长度ΔL：

其中是旋转的角速度并且ω是轴向振荡的角速度。在使用多个检测电极的情况下，如US 7,714,283的图5到7中所示，例如引入在离子导引件30内的能量扩展度应该足够较小以允许将离子在进入到EST中的路上的TOF扩展度限制在基本上低于沿着这些电极中的每一个的长度的TOF以下(实际上，<5-20％)。此条件对于离子包的相干性是必需的并且其违反将引起灵敏度的损失并且，在一些情况下，引起分辨率的损失(由于它增大了信号的自然衰减对包的去定相的影响)。

图2示出了离子注射的螺旋形运动类型的第二优选实施例，其中离子导引件30在这种情况下是定位在EST 60外部的多转式静电区段。图3示意性地示 出了图2实施例中的离子导引件的在箭头A的方向上观看的截面视图。一般而言，给予图2和3中的相同或类似组件与图1中相同的编号。参考图2和3，导引件30包括通常圆柱形形式的一对同轴电极组80和90。如图3中所示，电极组中的每一个对应地包含至少两个电极81/82和91/92。每个电极组的所述至少两个电极81/82和91/92是轴向间隔开的。在一些其它实施例中，可以使用一个以上同轴电极组的对。在一些其它实施例中，两个以上电极可以用于每个电极组中。导引件30还包括入口单元70，离子穿过所述入口单元进入导引件30。入口单元70位于替代从外部圆形电极91中取出的区段处并且允许离子束经由单元70中的入口孔71进入电极组的电极81和91之间的空间。单元70可以被布置成具有在其侧面上的场维持元件，以便减小电极组之间的空间中的电位扰动。

离子以与图1中相同的方式从离子阱20中释放，然而在此实施例中由于装置30中的高离子能量所以优选的是以小于100微秒从阱20中完全射出离子。随着离子以相对于轴z的较小角度进入电极组之间的空间，它们开始沿着螺旋形或螺旋状轨道围绕中央电极组80以随着它们完成它们的第一次旋转将它们从入口单元70的侧面清除的阶跃旋转。随着离子前进到从单元70移开，优选地在电极81和91之间的间隙的大约1-2倍处，它们经受形成于内部电极组80的第一电极81和第二电极82之间的以及外部电极组90的第一电极91和第二电极92之间的电位阶跃，使得它们在方向z上的速度变得减小而不影响离子的旋转移动。这类似于参考US 5,886,346的图3中描述的阶跃。这允许离子束螺旋的阶跃或间距显著减小，优选地减小到离子束直径的1到2倍，并且允许沿着方向z在仅若干毫米内存储许多微秒的工作循环。这在图3中通过离子轨道100图示，其中圆点示出了飞行离开图式的平面的离子并且叉号示出了飞行到图式的平面中的离子。

静电区段导引件30的出口耦接到EST 60，EST 60在这种情况下优选地是如图所示的Orbitrap质量分析仪，其具有两个外部检测电极61、62和中心主轴形状的电极63。在图3中通过线110和111且在图4中通过线120示出了随着离子注射存在于EST中的典型代表性等电位。从图2和3中可以看出在第二优选实施例中从离子阱20的离子的释放在与方向z正交的方向x上，并且从离 子导引件30到EST 60的离子的脉冲式提取在方向z上，即，与离子从离子阱20中释放的方向正交。

如US 5,886,346中所描述的，离子从静电区段导引件30中不在阱中心沿着收紧的半径注射到EST 60中，但是实际上以固定半径并且仅在轴向方向z上(质量分离的方向)。这通过将电压脉冲(例如，来自外部脉冲发生器的电容式耦合的电压)应用到图3中的每个电极组的第一电极81和91而实现，使得电位分布从121变化到122，如图4中所示。随着离子开始朝向EST的中心(以轴y的位置示出)移动，每个m/z变得聚集到较短包101中。在离子在它们的第一振荡的末尾返回到第二电极82和92时，电极82和92上的电压都发生改变使得电位分布同样变为图4中的123(例如，同样通过应用电压脉冲，但是在这种情况下是直流耦合的电压，因为在EST 60中的离子检测的整个持续时间需要保持高切换(开启))。由于离子的返回到导引件30的时间强烈地取决于m/z，所以延迟将电位切换到123可用于限定待在EST中捕获的质量范围，例如，在最简单的情况中，其中最大m/z对最小m/z大约是10(例如，最重的m/z接近阱中心，而最轻的m/z已经在朝向导引件30的方向上返回)。此质量范围可通过在第一电极81/91和第二电极82/92上利用同步时间依赖性电压而显著扩展，使得在注射期间若干百分比的电压改变允许较轻m/z的离子(其首先到达那些第一和第二电极之间的间隙)与较重m/z的离子相比在z方向上接收较小的速度的增大。电极82和92上的最终电压的选择的方式为使得EST中的离子运动的区域中的理想场的扰动通过电位分布123而得到最小化。因此，离子被迫使在EST内在方向z上继续来回振荡(同时围绕中央电极63绕轨道运行)直至离子检测已经结束，其中聚集到包中增强了沿着z的轴向振荡的相干性。以此方式，离子振荡与谐波振荡的偏差得到最小化，即，轴向方向z上的离子振荡保持为尽可能接近谐波。

应了解，可以对本发明的上述实施例作出变化，但这些变化仍属于本发明的范围内。除非另外说明，否则本说明书中所揭示的每个特征可以被用于相同、等效或类似目的的替代性特征替换。因此，除非另外说明，否则所揭示的每个特征仅为一系列通用等效或类似特征的一个实例。

本文中提供的任何和所有实例或示例性语言(“举例来说”、“如”、“例如” 以及类似语言)的使用意图仅更好地示出本发明，并且除非另外要求，否则并不指示本发明的范围上的限制。本说明书中的任何语言都不应该被解释为指示实践本发明所必需的任何未主张要素。

如本文所使用(包含在权利要求书中)，除非上下文以其它方式指示，否则本文中的术语的单数形式将被解释为包含复数形式，且反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示，否则在本文中(包含在权利要求书中)一个单数参考物，如“一个(a)”或“一个(an)”意指“一个或多个”。

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本说明书中描述的任何步骤可按任何次序执行或同时执行，除非另外规定或上下文另外要求。

本说明书中所揭示的全部特征可以任何组合形式组合，但此类特征及/或步骤中的至少一些会互斥的组合除外。具体而言，本发明的优选的特征适用于本发明的所有方面且可以任何组合形式使用。同样，可单独地使用(不以组合形式)以非必需组合形式描述的特征。