用于离子分离的系统和方法与流程

本发明大体上涉及质谱法领域，包含用于离子分离的系统和方法。

背景技术：

例如四极质谱仪等过滤型质谱法装置经受降低的效率(工作循环)，因为它们每次发射单一m/z比的离子，同时其余部分浪费。当执行复杂样本的分析时，通过在离子之间切换可以同时以多个分析物(N个)为目标，且工作循环限于1/N。虽然通过仅以对应于在给定时刻的离子洗提的转变为目标可以做出改进，但当多个离子同时洗提时或当滞留时间不可预测时，调度这些实验可能是困难的。在一个四极每次分析仅一个m/z目标的同时，在阱中积聚宽范围的离子且基于m/z将其选择性喷出到所述四极有可能避免丢失或遗失离子。然而，质量解析离子阱受限于每秒大约10⁷到大约10⁹个离子之间，这显著低于现有离子源的亮度，现有离子源可每秒产生大约10¹⁰个离子或更多。因此，与其中四极在多种m/z比之间循环的正常流过机制相比，无法处置整个负载将抵消潜在的增益。

从前述内容将了解，存在对用于在将离子发送到过滤型质谱法装置之前分离离子的改进系统和方法的需要。

技术实现要素：

在第一方面中，一种用于分析样本的系统可包含：源，其经配置以从所述样本的构成组分产生离子；迁移率分离器，其经配置以基于在气体中的迁移率而分离从所述源接收的离子；多个离子通道，其邻近于所述迁移率分离器而布置以使得来自所述迁移率分离器的离子根据所述离子的相应迁移率而被引导到不同通道；以及质量分析器，其经配置以确定所述离子的质荷比。所述迁移率分离器可提供第一方向上的气流和沿着第二方向的电场梯度，以使得离子在所述第一方向上移动且根据其迁移率在所述第二方向上漂移，以使得基于所述离子的相应迁移率来分拣所述离子。

在所述第一方面的各种实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的角度可在约45°与约135°之间。在具体实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的角度可在约70°与约110°之间。在具体实施例中，所述第一方向和所述第二方向可正交。

在所述第一方面的各种实施例中，所述离子通道可选自由以下各者组成的群组：RF离子导引件、离子阱、DC离子透镜，和其组合。

在所述第一方面的各种实施例中，所述系统可进一步包含经配置以将离子从所述多个离子通道输送到所述质量分析器的转移导引件。

在所述第一方面的各种实施例中，个别离子通道可由多个杆界定。在具体实施例中，个别离子通道可具有一或多个曳力叶片。在具体实施例中，所述多个离子通道可包含多个导引杆对。个别的导引杆可沿着离子通道长度延伸，导引杆对的导引杆可在正交于所述离子通道长度的第一分离方向上分离，且所述导引杆对在正交于所述离子通道长度和所述第一分离方向的第二分离方向中分离。邻近离子通道可共享位于所述邻近离子通道之间的导引杆对。所述多个曳力叶片对可经布置以使得个别的曳力叶片对沿着所述第二分离方向定位于邻近导引杆对之间，以使得个别离子通道具有唯一的曳力叶片对。

在所述第一方面的各种实施例中，所述多个离子通道可包含约3个离子通道与约50个离子通道之间。在具体实施例中，所述多个离子通道可包含约5个离子通道与约20个离子通道之间。在具体实施例中，所述多个离子通道可包含约7个离子通道与约15个离子通道之间。

在所述第一方面的各种实施例中，所述迁移率分离器中的电场梯度可为大体上均匀的电场梯度。在所述第一方面的各种实施例中，所述电场梯度可为非均匀的电场梯度。在所述第一方面的各种实施例中，所述电场梯度可由一系列离散电极、一或多个连续电阻性元件或其组合产生。

在所述第一方面的各种实施例中，所述迁移率分离器内的气体压力可在约1托到约20托之间。在具体实施例中，所述迁移率分离器内的所述气体压力可在约3托到约6托之间。在所述第一方面的各种实施例中，所述迁移率分离器内的气体流量可在约15slm与约30slm之间。在所述第一方面的各种实施例中，所述迁移率分离器内的气体速度可在约100m/s与约300m/s之间。在具体实施例中，所述迁移率分离器内的所述气体速度可在约150m/s与约200m/s之间。

在所述第一方面的各种实施例中，所述系统可进一步包含定位于所述迁移率分离器与所述多个离子通道之间的透镜阵列，所述透镜阵列经配置以将离子导引到相应离子通道中。

在第二方面中，一种用于基于离子的离子迁移率而分离离子的离子迁移率装置可包含：迁移率单元，其具有气体入口和沿着第一方向与所述入口相对的气体出口，以使得在所述气体入口处引入的气流将在第一方向上流动到所述气体出口。所述迁移率单元可进一步具有离子入口和多个离子出口孔，所述离子出口孔沿着第二方向与所述离子入口相对且从所述离子入口偏移且沿着所述第一方向彼此间隔开。所述离子迁移率装置可进一步包含多个电极，其经配置以在所述第二方向上产生电场梯度，以使得进入所述迁移率单元的离子在所述第一方向上与所述气体一起流动且根据其在所述气体中的迁移率在所述第二方向上漂移。所述离子迁移率装置可进一步包含多个离子通道，其彼此平行地布置且邻近于所述迁移率单元布置在所述多个离子出口孔处。所述离子通道可经配置以从所述迁移率单元接收离子以使得进入个别通道的离子具有的离子迁移率范围不同于进入邻近离子通道的离子的离子迁移率范围。

在所述第二方面的各种实施例中，所述迁移率单元内的气体压力可在约1托到约20托之间。在具体实施例中，所述迁移率单元内的气体压力可在约3托到约6托之间。

在所述第二方面的各种实施例中，所述迁移率单元内的气体流量可在约15slm与约30slm之间。在所述第二方面的各种实施例中，所述迁移率单元内的气体速度可在约100m/s与约300m/s之间。在具体实施例中，所述迁移率单元内的气体速度可在约150m/s与约200m/s之间。

在所述第二方面的各种实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的角度可在约45°与约135°之间。在具体实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的角度可在约70°与约110°之间。在具体实施例中，所述第一方向和所述第二方向可正交。

在所述第二方面的各种实施例中，所述离子通道可选自由以下各者组成的群组：RF离子阱、离子导引件、DC离子透镜，和其组合。在所述第二方面的各种实施例中，个别离子通道可由多个杆界定。在所述第二方面的各种实施例中，个别离子通道可具有一或多个曳力叶片。在具体实施例中，所述多个离子通道可包含多个导引杆对和多个曳力叶片对。个别的导引杆可沿着离子通道长度延伸，其中导引杆对的导引杆在正交于所述离子通道长度的第一分离方向上分离，且所述导引杆对在正交于所述离子通道长度和所述第一分离方向的第二分离方向中分离。邻近离子通道可共享位于所述邻近离子通道之间的导引杆对。所述多个曳力叶片对可经布置以使得个别的曳力叶片对沿着所述第二分离方向定位于邻近导引杆对之间，以使得个别离子通道具有唯一的曳力叶片对。

在所述第二方面的各种实施例中，所述多个离子通道包含约3个离子通道与约50个离子通道之间。

在具体实施例中，所述多个离子通道可包含约5个离子通道与约20个离子通道之间。在具体实施例中，所述多个离子通道可包含约7个离子通道与约15个离子通道之间。

在所述第二方面的各种实施例中，所述电场梯度可由一系列离散电极、一或多个连续电阻性元件或其组合产生。

在所述第二方面的各种实施例中，所述离子迁移率装置可进一步包含定位于所述离子出口孔与所述多个离子通道之间的透镜阵列。所述透镜阵列可经配置以将离子导引到相应离子通道中。

在第三方面中，一种用于识别样本的组分的方法可包含：将样本提供到离子源，且从所述样本的构成组分产生多个离子；将所述离子引导到迁移率分离器中，所述迁移率分离器具有第一方向上的气流和沿着第二方向的电场梯度，以使得所述离子在所述第一方向上移动且根据其迁移率在所述第二方向上漂移；以及将所述离子分离到多个离子通道中以使得进入个别通道的离子具有的离子迁移率范围不同于进入邻近离子通道的离子的离子迁移率范围。所述方法可进一步包含：将来自个别离子通道的离子引导到质量分析器中；以及使用所述质量分析器来确定所述离子的质荷比。

在所述第三方面的各种实施例中，所述迁移率分离器内的气体压力可在约1托到约20托之间。在具体实施例中，所述迁移率分离器内的所述气体压力可在约3托到约6托之间。在所述第三方面的各种实施例中，所述迁移率分离器内的气体流量可在约15slm与约30slm之间。在所述第三方面的各种实施例中，所述迁移率分离器内的气体速度可在约100m/s与约300m/s之间。在具体实施例中，所述迁移率分离器内的所述气体速度可在约150m/s与约200m/s之间。

在所述第三方面的各种实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的角度可在约45°与约135°之间。在具体实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的角度可在约70°与约110°之间。在具体实施例中，所述第一方向和所述第二方向可正交。

在所述第三方面的各种实施例中，所述离子通道可选自由以下各者组成的群组：离子阱、离子导引件，和四极质量过滤器。在所述第三方面的各种实施例中，个别离子通道可由多个杆界定。在具体实施例中，个别离子通道可具有一或多个曳力叶片。

在具体实施例中，所述多个离子通道可包含多个导引杆对和多个曳力叶片对。所述多个导引杆对可包含沿着离子通道长度延伸的个别导引杆。导引杆对的导引杆可在正交于所述离子通道长度的第一分离方向上分离，且所述导引杆对可在正交于所述离子通道长度和所述第一分离方向的第二分离方向中分离，以使得邻近离子通道共享位于所述邻近离子通道之间的导引杆对。所述多个曳力叶片对可经布置以使得个别的曳力叶片对沿着所述第二分离方向定位于邻近导引杆对之间，以使得个别离子通道具有唯一的曳力叶片对。

在所述第三方面的各种实施例中，所述多个离子通道可包含约3个离子通道与约50个离子通道之间。在具体实施例中，所述多个离子通道可包含约5个离子通道与约20个离子通道之间。在具体实施例中，所述多个离子通道可包含约7个离子通道与约15个离子通道之间。

在所述第三方面的各种实施例中，所述电场梯度可由一系列离散电极、一或多个连续电阻性元件或其组合产生。

附图说明

为了更完整地理解本文所揭示的原理以及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，在附图中：

图1为根据各种实施例的示范性质谱系统的框图。

图2是根据各种实施例的用于分离离子的示范性方法的流程图。

图3是说明根据各种实施例的示范性离子迁移率分离器的框图。

图4是说明根据各种实施例的示范性离子通道阵列的框图。

图5A、5B和5C是根据各种实施例的用于跨越离子迁移率分离器产生电场梯度的示范性电极布置。

图6和7是示范性离子迁移率分离器内的离子模拟的说明。

应理解，图式不一定按比例绘制，图式中的对象也不一定关于彼此按比例绘制。图式是意图引入本文中所揭示的设备、系统和方法的各种实施例的清晰性和对其的理解的描绘。在可能的情况下，将在整个附图中使用相同的参考数字来指代相同或类似的部分。此外，应了解，附图并不打算以任何方式限制本发明教示的范围。

具体实施方式

本文中描述用于离子分离的系统和方法的实施例。

本文所用的章节标题仅用于组织目的并且不应理解为以任何方式限制所描述的主题。

在各种实施例的此详细描述中，出于解释的目的，阐述许多特定细节以提供所揭示的实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将了解，这些各种实施例可以在具有或不具有这些特定细节的情况下实践。在其它情况下，结构和装置以框图形式示出。此外，所属领域的技术人员可以容易地了解，用以呈现和执行方法的具体顺序为说明性的，且预期顺序可以改变且仍保持在本文中所揭示的各种实施例的精神和范围内。

本申请中引用的所有文献和类似材料(包括(但不限于)专利、专利申请、文章、书籍、论文和因特网网页)出于任何目的明确以全文引用的方式并入。除非另外描述，否则本文所用的所有技术和科学术语具有与本文所描述的各种实施例所属的领域的一般技术人员通常所了解相同的含义。

应了解，在本教导中论述的温度、浓度、时间、压力、流动速率、横截面面积等之前存在隐含的“约”，使得略微和非大幅的偏差在本教导的范围内。在本申请案中，除非另外明确陈述，否则单数的使用包含复数。此外，“包括(comprise/comprises/comprising)”、“含有(contain/contains/containing)”以及“包含(include/includes/including)”的使用并不意图为限制性的。应理解，以上大体描述和以下详细描述均仅是示例性和说明性的且并不限制本发明教示。

如本文所用，“一(a/an)”也可指“至少一个”或“一或多个”。此外，“或”的使用是包括性的，使得当“A”真实、“B”真实，或“A”和“B”都真实时，短语“A或B”真实。此外，除非上下文另外需要，否则单数术语应包括复数并且复数术语应包括单数。

阐述一组组分的“系统”(真实或抽象)包含一个整体，其中每一组分与整体内的至少一个其它组分相互作用或与其相关。

质谱平台

质谱平台100的各种实施例可包含如图1的框图中显示的组件。在各种实施例中，图1的元件可并入到质谱平台100中。根据各种实施例,质谱仪100可包含离子源102、质量分析器104、离子检测器106和控制器108。

在各种实施例中，离子源102从样本产生多个离子。离子源可包含(但不限于)矩阵辅助激光解吸附/电离(MALDI)源、电喷雾电离(ESI)源、大气压化学电离(APCI)源、大气压光致电离源(APPI)、电感耦合等离子体(ICP)源、电子电离源、化学电离源、光致电离源、辉光放电电离源、热喷雾电离源等等。

在各种实施例中，质量分析器104可基于离子的质荷比分离离子。举例来说，质量分析器104可包含四极质量过滤器分析器、四极离子阱分析器、飞行时间(TOF)分析器、静电阱(例如，轨道阱)质量分析器、傅里叶变换离子回旋共振(FT-ICR)质量分析器等等。在各种实施例中，质量分析器104还可经配置以使用碰撞引发分解(CID)、电子转移分解(ETD)、电子俘获分解(ECD)、光引发分解(PID)、表面引发分解(SID)等等将离子分段，且进一步基于质荷比分离经分段离子。

在各种实施例中，离子检测器106可检测离子。举例来说，离子检测器106可包含电子倍增器、法拉弟杯等等。离开质量分析器的离子可由离子检测器检测到。在各种实施例中，离子检测器可定量,使得可确定离子的准确计数。

在各种实施例中，控制器108可与离子源102、质量分析器104和离子检测器106通信。举例来说，控制器108可配置离子源或启用/停用离子源。另外，控制器108可配置质量分析器104以选择待检测的特定质量范围。此外，控制器108可例如通过调节增益而调节离子检测器106的灵敏度。另外，控制器108可基于正检测的离子的极性调节离子检测器106的极性。举例来说，离子检测器106可经配置以检测正离子或经配置以检测负离子。

低压离子迁移率分离

图2是说明根据离子的迁移率分离离子以便增加例如图1中的质谱平台100等质谱平台的效率的示范性方法200的流程图。

在202，可将样本提供到系统。在各种实施例中，所述样本可为来自液相层析柱的流出物、来自气相层析柱的流出物、直接注入样本(液体或气体)或嵌入实心基质中的样本。

在204，系统可从所述样本产生离子。所述样本可进入离子源以产生离子。所述离子源可利用各种能源，例如电、光、等离子、化学、电子、热或类似物来电离所述样本或所述样本的组分。

在206，离子可从源移动到迁移率分离器中。在各种实施例中，迁移率分离器可包含第一方向上的气流和第二方向上的电场。在各种实施例中，离子可由于气体的流动而在第一方向上以大体上类似的速度移动。然而，在第二方向上的速度会受到与气体离子的碰撞的影响，且因此较大离子(具有较大碰撞横截面)将在第二方向上更缓慢地移动，从而导致沿着第一方向的离子的分离随着在第二方向上的运送时间而变。即，在第二方向上更缓慢地移动的较大离子将在它们在第二方向上横穿迁移率分离器所花费的时间中在第一方向上进一步移动，而较小离子将跨越迁移率分离器较快地移动，且因此行进的距离将较小。以此方式，进入离子通道的离子可具有到进入邻近离子通道的离子的离子迁移率上的不同范围。

在208，可分离离子且将离子递送到沿着迁移率分离器的第一方向布置的多个离子通道中。较小离子可进入相对于离子入口沿着第一方向以较小距离定位的离子通道，而较大离子可进入相对于离子入口沿着第一方向以较大距离定位的离子通道。随着离子进入迁移率分离器，可基于其离子迁移率而在离子通道中积聚。

在各种实施例中，离子通道可包含离子阱、RF离子导引件、DC离子透镜或其组合。在具体实施例中，离子通道可包含各自由多个杆界定的离子阱。另外，每一离子阱可包含一或多个曳力叶片。在某些实施例中，离子阱阵列中的邻近离子阱可共享一对杆。

在210，离子可从离子通道/阱中的一者喷出且发送到质量分析器。在替代实施例中，离子在到达质量分析器之前可经受其它过程，例如基于质荷比的分离、分段或类似过程。在各种实施例中，其它迁移率的离子可继续在其相应阱中积聚。另外，离子可循序地从多个离子通道/阱喷出，以使得可分析离子。

在212，质量分析器可确定离子或者离子的片段(如果离子在质量分析器之前经受分段)的质荷比。

图3是说明迁移率分离器300的框图。迁移率分离器300可包含由例如大体上矩形区等区组成的迁移率单元302，其中气流304在第一方向上从一个末端处的气体入口306移动到相对末端处的气体出口308。另外，可在第二方向上施加电场梯度310。在各种实施例中，第一方向和第二方向可形成的角度在约45°与135°之间，例如在约70°与约110°之间。在具体实施例中，第一方向和第二方向可彼此正交(成直角、垂直)。

在各种实施例中，迁移率单元302内的气体压力可在约1托与约20托之间，例如约3托与约6托之间。在各种实施例中，气流可在约15slm与约30slm之间。在各种实施例中，迁移率分析器单元302内的气体速度可在约100m/s与约300m/s之间，例如约150m/s与约200m/s之间。

离子源312可接近离子入口314而定位，且离子通道316阵列可接近离子出口孔318阵列而定位。离子出口孔318可在第二方向上与离子入口314相对而定位，且可从离子入口314偏移且在第一方向上彼此间隔开。从离子源312进入迁移率单元302的离子320a到320e可分离到离子出口孔318中，且根据其在迁移率单元302内的离子迁移率而被引导进入离子通道316阵列。在各种实施例中，离子320a到320e可沿着第一方向以大体上相同速度流动，且可根据其碰撞横截面而在第二方向上移动。因此，具有较大碰撞横截面的离子320e可相对于具有较小碰撞横截面的离子320a在第二方向上更缓慢地移动，原因是与气流中的分子的大量的碰撞。由于在第二方向上的更慢移动，离子320e可在其跨越迁移率单元302的运送期间沿着第一方向进一步移动。以此方式，具有连续较大碰撞横截面的离子可被分拣到离子通道316阵列中，以使得离子通道中的离子具有与邻近离子通道中的离子不同的离子迁移率范围。

在各种实施例中，透镜阵列(未图示)可定位在离子出口孔318与离子通道316之间。所述透镜阵列可经配置以例如通过朝向通道的中心线聚焦离子而将离子导引到相应通道中。

在各种实施例中，所述多个离子通道316可包含约3个离子通道与约50个离子通道之间，例如约5个离子通道与约20个离子通道之间，甚至约7个离子通道与约15个离子阱之间。

冷却/转移导引件322可邻近于所述多个离子通道316定位。离子可从离子通道316中的一者喷出到冷却/转移导引件322中。从冷却/转移导引件322，离子可被引导到质量分析器324。在各种实施例中，离子可在质量分析器之前被引导到其它过程，例如分段单元(未图示)。

在各种实施例中，迁移率分离器系统300可在空间上分离离子以允许每次仅一个或几个类型的离子被引导到质量分析器，同时捕获可储存在阱中且随后注入到质量分析器中的多个群组的离子。从离子通道316的喷出可允许质量分析器执行离子包的质量分析，同时其它离子继续积聚且储存在离子阱316中。迁移率分离器提供的潜在增益可等于单独通道的数目。

图4是说明示范性离子通道阵列400的框图，例如图3中的离子通道316阵列。在各种实施例中，离子通道阵列400可包含四极棒对阵列402和曳力叶片对阵列404。例如离子通道406、408和410等每一离子通道可由4个四极杆(2对)界定。例如，离子通道406由四极杆412a、412b、414a和414b界定，离子通道408由四极杆414a、414b、416a和416b界定，且离子通道410由四极杆416a、416b、418a和418b界定。另外，邻近离子通道可在其之间共享四极杆对，例如离子通道406和408共享四极杆414a和414b，且离子通道408和410共享四极杆416a和416b。四极杆可在每一离子通道中产生四极场以将离子限制在通道内。

可将额外停止DC电压施加于在四极杆的组之前和之后的光学元件以在通道内部截留离子，所述通道在此情况下作为离子阱而操作。在需要时，可快速降低这些电压以从通道释放离子。

另外，为了确保仅从特定通道快速释放离子，每一离子通道可包含对应的一对曳力叶片。例如，离子通道406可具有包含曳力叶片420a和420b，离子通道408可具有包含曳力叶片422a和422b，且离子通道410可具有包含曳力叶片424a和424b。通过沿着一对曳力叶片安置DC梯度，可将离子从通道驱出，例如进入图3的冷却/转移导引件322。另外，由于每一离子通道具有唯一的一对曳力叶片，因此可以从一个离子通道驱动离子而无需从邻近离子通道驱动离子。

图5A到5C示出用于沿着例如图3中的迁移率单元302等迁移率单元的第二方向建立电场梯度的电极布置。图5A说明在迁移率分析器单元的壁上使用一组离散电极(502a到502h)。所述离散电极可具有从接近离子入口的V₀变为接近离子出口的V_N的增加的DC电势。另外，在各种实施例中，所述离散电极可经配置以建立非均匀电场梯度，以使得电场梯度系统地变化。此电场梯度可部分地限制离子且朝向中心线聚焦离子以补偿漫射加宽。

图5B说明使用电阻式层504以产生从接近离子入口的V₀到接近离子出口的V_N的连续电势分布。电阻式层504可用以建立大体上均匀的电场梯度。

图5C说明迁移率单元的壁上的一组离散电极(506a到506h)，其中所述离散电极经配置有交替的RF电势以朝向中心限制离子且从接近离子入口的V₀到接近离子出口的V_N而增加DC电势。

虽然结合各种实施例来描述本发明传授内容，但是并不打算将本发明传授内容限制于这类实施例。相反地，如所属领域的技术人员应了解，本传授内容涵盖各种替代方案、修改和等效物。

另外，在描述各种实施例中，说明书可能将方法和/或过程呈现为特定顺序的步骤。然而，在方法或过程不依赖于本文阐述的步骤的特定顺序的程度上，方法或过程不应限于所描述的步骤的特定顺序。如所属领域的技术人员将了解，步骤的其它顺序可以是可能的。因此，在说明书中阐述的步骤的特定次序不应解释为对权利要求书的限制。另外，针对方法和/或过程的权利要求书不应限于以书写的次序执行其步骤，并且本领域技术人员可以易于了解的是顺序可以变化并且仍保持在各种实施例的精神和范围内。

模拟结果

图6示出9通道DMA离子迁移率分离器的SIMION模拟的结果。表1中示出参数。模拟三个不同质量离子的分离，包含m1具有300Da的质量和1nm的碰撞横截面，m2具有600Da的质量和1.6nm的碰撞横截面，以及m3具有1000Da的质量和2.4nm的碰撞横截面。所述模拟示出离子被分离到不同的离子通道中，其中m1离子进入第一离子通道，m3离子进入最后离子通道，且m2离子在第四与第五离子通道之间分裂。

图7示出9通道DMA离子迁移率分离器的SIMION模拟的结果。模拟三个不同质量离子的分离，包含m1具有300Da的质量和1.6nm的碰撞横截面，m2具有350Da的质量和1.6nm的碰撞横截面，以及m3具有400Da的质量和1.6nm的碰撞横截面。所述模拟示出离子被分离到不同的离子通道中，其中m1离子进入第四离子通道，m2离子进入第五离子通道，且m3离子进入第六离子通道。

表1