在离子阱中分离离子的制作方法

文档序号:13426447
在离子阱中分离离子的制作方法

本申请要求2015年4月23日提交的第1506909.9号英国专利申请、2015年4月23日提交的第1506906.5号英国专利申请以及2015年4月23日提交的第1506908.1号英国专利申请的优先权和权益。这些申请案中的每一个的全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及质谱仪和/或离子迁移率谱仪以及质谱法和/或离子迁移率谱法的方法。本发明的实施例涉及用于根据物理化学性质对离子进行过滤的离子过滤器、用于改善离子迁移率测量的分辨率的方法和设备,以及用于改善例如飞行时间(ToF)质量分析器等不连续离子分析器的工作循环的方法和设备。



背景技术:

本发明的第一组实施例涉及离子过滤器。质谱法中存在需要低分辨率或不良质量质荷比过滤器的许多情形。举例来说,可以使用低通质量过滤器来限制进入飞行时间(ToF)质量分析器的质荷比的范围,以便移除所谓的“绕回”的效应。并且,在MSe“猎枪”实验中常常使用高通质量过滤器(有时称为低质量截止过滤器)来清除母代及子代数据,所述实验即周期性地将母代离子分段且在母代离子分析模式与子代离子分析模式之间交替的实验。然而,需要提供对离子进行过滤的改进的方法以及改进的离子过滤器。

本发明的第二组实施例涉及改善离子迁移率测量的分辨率。漂移时间离子迁移率分离器(IMS)的最大分辨率与漂移路径的长度的平方根和电场成比例。举例来说,在参数中需要四倍的增加以获得分辨率的两倍的增加。需要提供离子迁移率分离的改进的方法以及具有改进的分辨率的IMS装置。

本发明的第三组实施例涉及改善不连续离子分析器的工作循环。已知从离子阱质量选择性喷射离子进入飞行时间(ToF)质量分析器的推动器区中,以便将给定范围的质荷比时间聚焦于推动器内,且因此增加分析器的工作循环。还已知使用离子迁移率分离器来时间分离ToF质量分析器上游的离子,并且然后同步ToF分析器的推动器与来自离子迁移率分离器的离子的到达时间。然而,此方法一般仅适合与单个电荷态的离子一起使用,因为离子迁移率分离导致不同电荷态的离子的时间分离。还已知将离子从小的低分辨率TOF区释放到行波离子导向器中。沿着离子导向器的行波的速度受控制以使得所需的质量范围可以被时间分离且引入到TOF质量分析器的推动器区中,以便增加质量分析器的工作循环。然而,行波的速度要求可能导致在低质荷比下离子的显著分段。需要提供和改进的方法及设备以用于改善例如飞行时间(ToF)质量分析器等不连续离子分析器的工作循环。



技术实现要素:

从第一方面,本发明提供一种根据至少一个物理化学性质过滤离子的方法,其包括:

在离子阱中截留离子;以及随后

根据所述至少一个物理化学性质在所述离子阱内空间分离所述离子以使得离子变为根据已知的、所确定或估计的物理化学性质分布而分布于所述离子阱内,使得具有所述物理化学性质的不同值的离子截留于所述离子阱的不同区中;

为需要从所述离子阱喷射的第一离子选择所述物理化学性质的所需第一值或第一值范围;

从所述已知的、所确定或估计的物理化学性质分布确定所述第一离子位于的所述离子阱的第一区;以及随后

将截留于所述区中的第一离子驱动或脉冲出所述离子阱。

本发明使得能够选择在所述任何一个时间被驱动出所述离子阱的离子的物理化学性质值,从而过滤所述离子。本发明还缓解了空间电荷效应,因为离子根据物理化学性质分布于离子阱中。

WO 2005/106922公开了一种用于通过使用DC和AC电场对离子施加反作用力,并且接着改变所述力以使得离子按质荷比的次序喷射而质量选择性喷射离子的装置。然而,根据此技术,沿着装置的物理化学性质分布不是已知的、所确定或估计的。因此,此技术未基于已知的、所确定或估计的物理化学性质分布而确定具有物理化学性质的选定值或值范围的离子所位于的区,并且接着将截留于此区中的离子驱动或脉冲出离子阱。而是,在WO'922中不存在确定需要喷射的离子所位于的区的位置的步骤。这是因为离子被质量选择性扫描出装置,并且因此在任何给定时间喷射的离子始终位于邻近装置的出口处。这些差异产生是因为与本发明的实施例相比,WO'922中的装置不过滤离子以便仅选择性传送所关注离子。而是,在WO'922中,所有离子被扫描出装置。

US 2002/0070338公开了根据离子迁移率分离离子,停止离子迁移率分离,并且接着沿着装置的长度升高一系列电位阱以便锁定离子迁移率分离。随后通过在装置的出口端开始按顺序打开电位阱而循序地喷射离子。然而,根据此技术,离子在截留于离子阱中之后不空间分离。并且,沿着装置的物理化学性质分布也不是已知的、所确定或估计的。因此,此技术未基于已知的、所确定或估计的物理化学性质分布而确定具有物理化学性质的选定值或值范围的离子所位于的区,并且接着将截留于此区中的离子驱动或脉冲出离子阱。而是,在US'338中,离子始终从装置的出口处的截留区释放。

根据所述第一方面的方法,截留于所述不同截留区中的另一个中的离子可以在所述将所述第一离子驱动或脉冲出离子阱期间保持截留于那些区中。

举例来说,在离子阱具有纵向轴线且离子根据物理化学性质值沿着所述轴线分布的情况下,在第一离子被驱动或脉冲出离子阱的同时,以及任选地在其它离子被驱动或脉冲出离子阱之前,所述其它离子可以保持截留于其相应轴向位置。

电压供应器可以将电压施加到离子阱以便在所述将所述第一离子驱动或脉冲出离子阱期间致使所述离子保持截留于其相应截留区中。

所述方法可以包括:为需要从所述离子阱喷射的第二离子选择所述物理化学性质的所需值或值范围;从所述已知的、所确定或估计的物理化学性质分布确定所述第二离子位于的所述离子阱的第二不同区;以及随后将截留于所述第二区中的所述第二离子驱动或脉冲出所述离子阱。

可以重复喷射的方法用于将第三、第四或额外群组的离子驱动或脉冲出离子阱的相应第三、第四或额外区。

不同群组的离子可以在彼此不同的时间从离子阱喷射。

所述方法可以包括在任何一个时间将截留于所述不同区中的仅一个中的离子驱动或脉冲出离子阱。

因此,所述空间分离离子的步骤可以致使具有所述物理化学性质的所述第一值或第一值范围的离子截留于第一区中,且具有所述物理化学性质的第二值或第二值范围的离子截留于所述不同区中的第二个中;且所述驱动或脉冲离子的步骤可以在第一时间仅将具有所述物理化学性质的所述第一值或第一值范围的所述离子驱动或脉冲出离子阱。

所述方法可以包括在第二稍后时间仅将具有所述物理化学性质的所述第二值或第二值范围的所述离子驱动或脉冲出离子阱。

所述方法可进一步包括执行一个或多个进一步操作循环,其中每一循环包括:将截留的离子驱动或脉冲出离子阱的所述区中的一个,同时保持截留于离子阱的其它区中的其它离子;其中对于每一后续操作循环,将离子驱动或脉冲出离子阱的与先前操作循环不同的区。

对于每一后续操作循环,可以从与先前操作循环中离子被驱动出的区相比更远离离子阱的出口的截留区将离子驱动或脉冲出离子阱。

离子阱可以包括伸长的离子截留体积,且具有所述物理化学性质的所述不同值的离子可以沿着离子阱的纵向轴线截留于不同区中。

具有所述物理化学性质的所述不同值的离子在从离子阱的出口被驱动出离子阱之前可以在距所述出口的不同距离处截留于离子阱中。

离子阱可以具有纵向轴线,且离子被驱动或脉冲出的所述区不可为邻近于离子阱的纵向末端处的出口的区。

离子可以根据至少一个物理化学性质在离子阱内空间分离以使得离子根据其物理化学性质值沿着离子阱分散,而空间分离的截留离子不会被势垒分离。

空间分离离子的步骤因此不会包括在不同物理化学性质值的离子之间布置例如DC势垒等势垒。在此上下文中,此势垒既定意味着离散势垒或阱而不是电位梯度。

离子阱可以包括伸长的离子导向器,具有沿着其纵向轴线布置的多个电极。这允许一个或多个电压供应器将不同AC和/或DC电压施加到离子阱的不同轴向位置,例如以便径向限制离子和/或产生DC梯度和/或产生伪电位和/或产生本文所描述的行进电位。

离子阱可以包括多个穿孔电极,通过施加或AC和/或DC电压到电极而在其内截留离子。举例来说,离子阱可以包括堆叠环离子导向器或离子隧道离子导向器。较少优选地,离子阱可以包括一个或多个多极杆组。

离子阱可以包括除上述那些外的电极的几何形状。

分离离子的步骤可以离子以所述值在朝向离子阱的出口的方向上增加或减小的方式在离子阱内以物理化学性质的次序布置。

不同物理化学性质值的离子可以在离子阱内在≥x mm的长度上空间分离,其中x选自由以下各者组成的群组:1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9和10。

空间分离离子的步骤可以包括在第一方向上对离子阱内的离子施加第一力,所述力具有取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值的量值;以及在相反的方向上对这些离子施加第二力;任选地其中所述第二力的量值不取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值。

任选地,对于具有不同物理化学性质值的离子,所述第一和第二力在离子阱内的不同位置处平衡,以使得不同离子截留于所述不同区。

离子阱包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将AC或RF电位施加到所述电极以便产生在所述第一方向上推动离子的伪电位电场而产生所述第一力。

离子阱包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将一个或多个DC电位施加到所述一个或多个电极以便产生在所述第二方向上推动离子的DC电压或DC电压梯度而产生所述第二力;和/或可以提供气流通过离子阱以便产生所述第二力。

当所述空间分离离子的步骤包括根据多于一个物理化学性质分离离子时,离子被分离以使得具有所述多于一个物理化学性质的值的不同组合的离子截留于离子阱内的不同区中。

将截留的离子驱动或脉冲出离子阱的区的步骤可以包括沿着离子正被驱动或脉冲出的截留区改变电位;和/或使电位沿着离子阱的至少一部分行进以便将离子驱动出离子阱。

所述方法可以包括当将离子驱动或脉冲出第一区时沿着第一区改变电位分布,和/或当将离子驱动或脉冲出第二区时沿着第二不同区改变电位分布。

如上文所描述,所述方法可以包括一系列循环,其中离子在连续循环中被驱动出所述区中的不同区。在每一循环中,可以通过使电位沿着离子阱的至少一部分行进而将离子驱动出离子阱的区。

电位可以沿着离子阱的第一长度行进以便在第一时间将第一离子驱动或脉冲出离子阱的第一区,且电位可以随后沿着离子阱的第二长度行进以便在第二时间将第二离子驱动出离子阱的所述不同区中的第二个。

离子阱的第一和第二长度可以重叠。第一长度可以短于第二长度,且第二长度可以包含第一长度的至少部分。

第一长度可以从离子阱中的第一位置延伸到离子阱的出口,而第二长度从离子阱中的第二位置延伸到离子阱的出口,其中第二位置比第一位置更远离所述出口。

电位可以在后续时间沿着离子阱的第三以及另外长度行进,以便将离子驱动出离子阱的所述不同区中的第三以及另外区。优选地,电位从离子阱的上游位置朝向离子阱的出口重复行进,其中所述上游位置随着时间发展而变成逐渐地更上游。

任选地,沿着离子阱行进的电位是DC势垒或阱。

可以丢弃或中和从并非关注区的区驱动或脉冲的离子,而选定的所关注离子可以向前传送用于质量和/或离子迁移率分析。

所述方法包括计算或确定离子的物理化学性质值与其在离子阱内的位置之间的相关;为需要从离子阱喷射的离子选择所述物理化学性质的值或值范围;使用所述相关来选择所述离子阱的所述不同区中的截留具有所述物理化学性质值或值范围的离子的一个区;以及将离子驱动出所述选定的区。

具有所述物理化学性质的选定值或值范围的所关注离子可以从离子阱喷射且传送到离子分析器或离子存储装置。举例来说,离子分析器可为质量分析器或离子迁移率分析器。

不关注的具有所述物理化学性质的值或值范围的不希望的离子可以从离子阱喷射或释放和/或被丢弃或中和。

举例来说,离子阱可以作为高通过滤器操作,且截留于离子阱中的具有低于第一阈值的物理化学性质值的离子可以从离子阱喷射或释放且被丢弃或中和。

替代地,离子阱可以作为低通过滤器操作,且截留于离子阱中的具有高于第二阈值的物理化学性质值的离子可以从离子阱喷射或释放且被丢弃或中和。

替代地,离子阱可以作为带通过滤器操作,且截留于离子阱中的具有低于第一阈值且高于第二阈值的物理化学性质值的离子可以从离子阱喷射或释放且被丢弃或中和。

可以通过使DC电压沿着离子阱的截留这些不希望的离子的部分行进以便迫使这些离子退出离子阱而丢弃不希望的离子。较少优选地,可以从离子阱的存储这些不希望的离子的区移除离子截留电压,例如可以在这些区中移除径向约束电压。

所述方法可以包括将离子脉冲进入离子阱,并且接着执行分离离子的步骤。

离子阱可以是伸长的离子阱,且从离子阱的所述不同区中的至少一些喷射离子的步骤可以通过从所述不同区中的所述至少一些轴向喷射离子而执行;或离子阱可以是伸长的离子阱,且从离子阱的所述不同区中的至少一些喷射离子的步骤可以通过从所述不同区中的所述至少一些径向喷射离子而执行。

因此,离子阱可以具有纵向轴线,且离子可以被驱动或脉冲出离子阱的纵向末端,或可以被径向驱动或脉冲出离子阱。

不希望的离子可以径向喷射且所需离子可以轴向喷射。

替代地,所需离子可以径向喷射且不希望的离子可以轴向喷射。

离子可以从离子阱按物理化学性质值的次序或反向次序喷射到下游离子分析器;且离子分析器的操作可以随时间而改变。

举例来说,下游离子分析器可以是解析四极或其它多极,其中由所述四极或多极传送的质荷比随着时间而经过扫描。按物理化学性质值的次序或反向次序从离子阱喷射离子用以增加经扫描的装置的工作循环。

还预期从离子阱喷射的离子可以在碰撞池中分段。

所述至少一个物理化学性质可以是质荷比和/或离子迁移率。

本发明还提供一种质谱法或离子迁移率谱法的方法,其包括根据本文所描述的方法中的任一种过滤离子。所述方法可进一步包括对被驱动出离子阱的离子进行质量分析或离子迁移率分析。

本发明的第一方面还提供一种用于根据至少一个物理化学性质过滤离子的离子过滤器,其包括:

离子阱,其用于截留离子;

离子分离器,其用于根据至少一个物理化学性质在所述离子阱内空间分离所述离子;

离子驱动或脉冲装置,其用于将离子驱动或脉冲出所述离子阱;以及

控制器,其具有处理器和电子电路,所述处理器和电子电路被调适且被配置成:

控制所述离子阱以便在其中截留离子;

控制所述离子分离器以便根据所述至少一个物理化学性质在离子阱内空间分离离子以使得离子变为根据选定物理化学性质分布而分布于离子阱内,以使得具有所述物理化学性质的不同值的离子截留于离子阱的不同区中;

基于所述物理化学性质分布而确定具有所述物理化学性质的预先选择的第一值或第一值范围的离子所位于的所述离子阱的第一区;以及随后

将截留于所述区中的第一离子驱动或脉冲出所述离子阱。

离子过滤器可以被配置成执行本文所描述的方法中的任一种。确切地说,控制器可以控制电路和至少一个电压供应器以便将电压施加到过滤器以便执行本文所描述的方法中的任一种。

本发明还提供一种质谱仪或离子迁移率谱仪,其包括如本文中所描述的离子过滤器。所述谱仪可以包括用于检测被驱动或脉冲出离子阱的离子的检测器,和/或用于分析被驱动出离子阱的离子的质量分析器或离子迁移率分析器。

虽然物理化学性质分布已经在上文描述为已知的、所确定或估计的物理化学性质分布,但本文预期物理化学性质分布不需要一定为已知的、所确定或估计的。因此,为需要从离子阱喷射的第一离子选择所述物理化学性质的所需第一值(或第一值范围)的步骤以及从已知的、所确定或估计的物理化学性质分布确定所述第一离子位于的离子阱的第一区的步骤不一定需要执行。

因此,从第二方面本发明提供一种根据至少一个物理化学性质过滤离子的方法,其包括:

在离子阱中截留离子;

根据所述至少一个物理化学性质在所述离子阱内空间分离所述离子以使得具有所述物理化学性质的不同值的离子截留于所述离子阱的不同区中;以及随后

将截留于所述不同区中的一个中的离子驱动出所述离子阱,任选地其中在任何一个时间将截留于所述不同区中的仅一个中的离子驱动出所述离子阱。

此技术使得能够例如通过将离子驱动出所述不同区中的仅一个而在所述任何一个时间选择被驱动出离子阱的离子的物理化学性质值。此技术还减轻了空间电荷效应,因为离子是根据物理化学性质值在离子阱中分布。

第二方面的方法可以包括关于本发明的第一方面描述的特征中的任一个。

任选地,在执行所述驱动离子的步骤同时,其它离子保持截留于离子阱的其它区中。

离子可以通过被脉冲出而被驱动出离子阱。

空间分离离子的步骤可以致使具有所述物理化学性质的第一值范围的离子截留于所述不同区中的第一个中,且具有所述物理化学性质的第二值范围的离子截留于所述不同区中的第二个中;且驱动离子的步骤可以在第一时间仅将具有所述物理化学性质的第一值范围的所述离子驱动出离子阱。

所述方法可以包括在第二稍后时间仅将具有所述物理化学性质的第二值范围的所述离子驱动出离子阱。

所述方法可进一步包括执行一个或多个进一步操作循环,其中每一循环包括:将截留的离子驱动出离子阱的所述区中的一个,同时保持截留于离子阱的其它区中的其它离子;其中对于每一后续操作循环,离子被驱动出离子阱的与先前操作循环不同的区。

对于每一后续操作循环,离子可以从比先前操作循环中离子被驱动出的区更远离离子阱的出口的截留区被驱动出离子阱。

离子阱可以包括伸长的离子截留体积,且具有所述物理化学性质的所述不同值的离子可以沿着离子阱的纵向轴线截留于不同区中;和/或具有所述物理化学性质的所述不同值的离子可以在从离子阱的出口被驱动出离子阱之前在距所述出口的不同距离处截留于离子阱中。

离子阱可以包括伸长的离子导向器,具有沿着其纵向轴线布置的多个电极。这允许在离子阱的不同轴向位置施加不同AC和/或DC电压,例如以便径向限制离子和/或产生DC梯度和/或产生伪电位和/或产生本文所描述的行进电位。

离子阱可以包括多个穿孔电极,通过施加或AC和/或DC电压到电极而在其内截留离子。举例来说,离子阱可以包括堆叠环离子导向器或离子隧道离子导向器。较少优选地,离子阱可以包括一个或多个多极杆组。

离子阱可以包括除上述那些外的电极的几何形状。

分离离子的步骤可以致使离子以所述值在朝向离子阱的出口的方向上增加或减小的方式在离子阱内以物理化学性质的次序布置。

空间分离离子的步骤可以包括在第一方向上对离子阱内的离子施加第一力,所述力具有取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值的量值;以及在相反的方向上对这些离子施加第二力。任选地,所述第二力的量值不取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值。

对于具有不同物理化学性质值的离子,所述第一和第二力可以在离子阱内的不同位置平衡,以使得不同离子截留于所述不同区。

离子阱包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将AC或RF电位施加到所述电极以便产生在所述第一方向上推动离子的伪电位电场而产生所述第一力。

离子阱包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将一个或多个DC电位施加到所述一个或多个电极以便产生在所述第二方向上推动离子的DC电压或DC电压梯度而产生所述第二力;和/或可以提供气流通过离子阱以便产生所述第二力。

当所述空间分离离子的步骤包括根据多于一个物理化学性质分离离子时,离子被分离以使得具有所述多于一个物理化学性质的值的不同组合的离子截留于离子阱内的不同区中。

将截留的离子驱动出离子阱的区的步骤可以包括使电位沿着离子阱的至少一部分行进以便将离子驱动出离子阱。

如上文所描述,所述方法可以包括一系列循环,其中在连续循环中将离子驱动出所述区中的不同区。在每一循环中,可以通过使电位沿着离子阱的至少一部分行进而将离子驱动出离子阱的区。

所述电位可以沿着离子阱的第一长度行进以便在第一时间将第一离子驱动出离子阱的所述不同区中的第一个,且电位随后沿着离子阱的第二长度行进以便在第二时间将第二离子驱动出离子阱的所述不同区中的第二个。

离子阱的第一和第二长度可以重叠。举例来说,第一长度可以短于第二长度,且第二长度可以包含第一长度。

第一长度可以从离子阱中的第一位置延伸到离子阱的出口,而第二长度从离子阱中的第二位置延伸到离子阱的出口,其中第二位置比第一位置更远离所述出口。

电位可以在后续时间沿着离子阱的第三以及另外长度行进以便将离子驱动出离子阱的所述不同区中的第三以及另外区。任选地,电位从离子阱的上游位置朝向离子阱的出口重复行进,其中上游位置随着时间发展变成逐渐地更上游。

任选地,沿着离子阱行进的电位是DC势垒或阱。

所述方法可以包括计算或确定离子的物理化学性质值与其在离子阱内的位置之间的相关;为需要从离子阱喷射的离子选择所述物理化学性质的值或值范围;使用所述相关来选择所述离子阱的所述不同区中的截留具有所述物理化学性质值或值范围的离子的一个区;以及将离子驱动出所述选定的区。

具有所述物理化学性质的选定值或值范围的所关注离子可以从离子阱喷射且传送到离子分析器或离子存储装置。举例来说,离子分析器可为质量分析器或离子迁移率分析器。

不关注的具有所述物理化学性质的值或值范围的不希望的离子可以从离子阱喷射或释放和/或被丢弃或中和。

举例来说,离子阱可以作为高通过滤器操作,且截留于离子阱中的具有低于第一阈值的物理化学性质值的离子可以从离子阱喷射或释放且被丢弃或中和。

替代地,离子阱可以作为低通过滤器操作,且截留于离子阱中的具有高于第二阈值的物理化学性质值的离子可以从离子阱喷射或释放且被丢弃或中和。

替代地,离子阱可以作为带通过滤器操作,且截留于离子阱中的具有低于第一阈值且高于第二阈值的物理化学性质值的离子可以从离子阱喷射或释放且被丢弃或中和。

可以通过使DC电压沿着离子阱的截留这些不希望的离子的部分行进而丢弃不希望的离子,以便迫使这些离子退出离子阱。较少优选地,可以从离子阱的存储这些不希望的离子的区移除离子截留电压,例如可以在这些区中移除径向约束电压。

所述方法可以包括将离子脉冲进入离子阱,并且接着执行分离离子的步骤。

离子阱可以是伸长的离子阱,且从离子阱的所述不同区中的至少一些喷射离子的步骤可以通过从所述不同区中的所述至少一些轴向喷射离子而执行;或离子阱可以是伸长的离子阱,且从离子阱的所述不同区中的至少一些喷射离子的步骤可以通过从所述不同区中的所述至少一些径向喷射离子而执行。

不希望的离子可以径向喷射且所需离子可以轴向喷射。

替代地,所需离子可以径向喷射且不希望的离子可以轴向喷射。

从离子阱喷射的离子可以按物理化学性质值的次序或反向次序喷射到下游离子分析器;且离子分析器的操作可以随时间而改变。举例来说,下游离子分析器可以是解析四极或其它多极,其中由所述四极或多极传送的质荷比随着时间而经过扫描。从离子阱按物理化学性质值的次序或反向次序喷射离子用以增加经扫描的装置的工作循环。

还预期从离子阱喷射的离子可以在碰撞池中分段。

所述至少一个物理化学性质可以是质荷比和/或离子迁移率。

本发明还提供一种质谱法或离子迁移率谱法的方法,其包括根据本文所描述的方法中的任一种过滤离子。所述方法可进一步包括对被驱动出离子阱的离子进行质量分析或离子迁移率分析。

本发明的第二方面还提供一种用于根据至少一个物理化学性质过滤离子的离子过滤器,其包括:

离子阱;

离子分离器;

离子驱动装置;以及

控制器,其被配置成:控制所述离子阱以在其中截留离子;控制所述离子分离器以便根据所述至少一个物理化学性质在所述离子阱内空间分离所述离子以使得具有所述物理化学性质的不同值的离子截留于所述离子阱的不同区中;以及随后控制所述离子驱动装置以便在任何一个时间将截留于所述不同区中的仅一个中的离子驱动出所述离子阱。

离子过滤器可以被配置成执行本文所描述的方法中的任一种。举例来说,控制器可以包含被配置且适于执行本文所描述的方法的处理器、电子电路和至少一个电压供应器。

本发明还提供一种质谱仪或离子迁移率谱仪,其包括如本文中所描述的离子过滤器。所述谱仪可以包括用于分析被驱动出离子阱的离子的质量分析器或离子迁移率分析器。

从第三方面,本发明提供一种离子迁移率谱法和/或质谱法的方法,其包括:

在离子截留区中截留离子;

根据至少一个物理化学性质在所述离子截留区内空间分离所述离子;

将分离的离子脉冲出所述离子截留区且进入离子迁移率分离器,其中在所述空间分离步骤中已经彼此分离的离子在同一离子脉冲中被脉冲出所述离子截留区且进入离子迁移率分离器;以及

根据离子迁移率对被脉冲进入所述离子迁移率分离器的所述离子进行分离。

由于离子在离子截留区内分离,因此任何给定物理化学性质值的离子变为被限制于离子截留区内的相对小的区内。因此,当离子被脉冲进入离子迁移率分离器(IMS)时,任何给定物理化学性质值的离子的初始离子脉冲宽度是相对窄的,即使使用相对大的离子截留区也是如此。这使得大离子群体能够注入IMS装置而不会使装置的分辨率降级。

所述方法可以包括检测退出离子迁移率分离器的离子以便确定其离子迁移率。

将离子脉冲出离子截留区的步骤可以包括在单个脉冲中将所有离子脉冲出离子截留区。

空间分离离子的步骤可以致使具有所述物理化学性质的不同值或所述物理化学性质的不同值范围的离子截留于离子截留区内的不同位置;和/或具有所述物理化学性质的不同值或所述物理化学性质的不同值范围的离子可以在所述脉冲步骤期间从离子截留区内的不同位置被脉冲出离子截留区。

当所述空间分离离子的步骤包括根据多于一个物理化学性质分离离子时,离子被分离以使得具有所述多于一个物理化学性质的值的不同组合的离子截留于离子截留区内的不同位置。

离子截留区可以包括线性离子阱或离子截留区可以是伸长的;且在空间分离离子的步骤期间离子可以沿着离子截留区的纵向轴线空间分离。

所述方法可以包括在将在所述脉冲中被脉冲进入所述离子迁移率分离器的所有离子已经积聚之后空间分离所述离子;或在所述离子正在所述离子截留区中积聚的同时空间分离所述离子。

所述至少一个物理化学性质可以是质荷比和/或离子迁移率。

所述方法可以包括执行多个操作循环,其中每一循环包括以下步骤:(i)在离子截留区中接收且截留离子;(ii)在离子截留区内根据所述至少一个物理化学性质空间分离离子;以及(iii)将离子脉冲出离子截留区且进入离子迁移率分离器,其中在步骤(ii)中已经彼此分离的离子在同一离子脉冲中被脉冲出离子截留区且进入离子迁移率分离器。

空间分离离子的步骤可以包括在第一方向上对离子截留区内的离子施加第一力,所述力具有取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值的量值;以及在相反的方向上对这些离子施加第二力。任选地,所述第二力的量值不取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值。

对于具有不同物理化学性质值的离子,所述第一和第二力可以在离子截留区内的不同位置平衡,以使得不同离子截留于所述不同位置。

离子截留区可以包括多个电极,且所述方法可以包括通过将AC或RF电位施加到所述电极以便产生在所述第一方向上推动离子的伪电位电场而产生所述第一力。

离子截留区可以包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将一个或多个DC电位施加到所述一个或多个电极以便产生在所述第二方向上推动离子的DC电压或DC电压梯度而产生所述第二力。替代地或另外,可以提供气流通过离子截留区以便产生所述第二力。

任选地,具有不同物理化学性质值或不同物理化学性质值范围的离子在离子截留区中不通过例如DC势垒等势垒而彼此分离。在此上下文中,所述势垒打算意指离散势垒或阱而不是大体上连续的电位梯度。

离子截留区可以由包括堆叠环离子导向器、离子隧道或多极杆组电极的离子截留装置形成。

可以将电压施加于离子截留装置以使得离子在三个维度中截留于离子截留装置内。

所述方法可以包括使电位沿着离子迁移率分离器行进以便在所述脉冲步骤期间将离子驱动出离子截留区且进入离子迁移率分离器。任选地,电位可以恒定速度沿着离子截留区行进。

本发明的第三方面还提供一种离子迁移率谱仪和/或质谱仪,其包括:

离子阱,其用于截留离子;

空间分离器,其用于在所述离子阱内空间分离所述离子;

离子迁移率分离器,其用于根据离子的离子迁移率分离所述离子;

脉冲装置,其用于将离子脉冲出所述离子阱;以及

控制器,其被布置且调适成控制所述谱仪以:

操作所述空间分离器以便根据至少一个物理化学性质在所述离子阱内分离所述离子;

将所述分离的离子脉冲出所述离子阱且进入所述离子迁移率分离器,以使得已经彼此分离的所述离子在同一离子脉冲中被脉冲出所述离子阱且进入所述离子迁移率分离器;以及

在所述离子迁移率分离器中分离所述离子。

所述谱仪可以包括检测器,用于检测退出离子迁移率分离器的离子以便确定其离子迁移率。

离子阱可以是线性离子阱或伸长的离子阱;且控制器可以被布置且适于致使离子沿着离子阱的纵向轴线空间分离。

所述谱仪可以被布置且适于执行本文所描述的方法中的任一种。

实施例提供针对给定IMS几何形状的离子迁移率分辨率(Ω/ΔΩ)的改进。当前,IMS装置的最大分辨率与漂移路径的长度的平方根和电场成比例。因此,在任一参数中需要四倍的增加以获得分辨率的两倍的增加。

通过在注入IMS装置之前在截留装置中空间分离离子,有可能使分辨率增加超过5倍。另外,在离子注入IMS装置期间空间电荷效应被最小化。

从第四方面,本发明提供一种质谱法和/或离子迁移率谱法的方法,其包括:

在离子阱中截留离子;以及随后

根据至少一个物理化学性质在所述离子阱内空间分离所述离子以使得具有所述物理化学性质的不同值的离子截留于所述离子阱的不同区中;以及随后

在第一时间将首先截留的离子驱动或脉冲出所述离子阱的第一区且进入不连续离子分析器,同时保持截留于所述离子阱中的其它离子;

在所述不连续离子分析器的第一循环中分析所述第一离子;

在第二后续时间将第二截留的离子驱动或脉冲出所述离子阱的第二不同区且进入所述不连续离子分析器;以及

在所述不连续离子分析器的不同循环中分析所述第二离子。

将了解,不连续离子分析器是在一系列循环中而不是连续地分析离子的离子分析器。举例来说,飞行时间质量分析器是不连续离子分析器,其在离子提取区中接收离子且将离子周期性地脉冲进入飞行时间区到达用于质量分析的检测器。到检测器的每一脉冲是单独的分析循环。

常规布置可以在不连续离子分析器上游的离子阱中存储离子,并且接着在单个脉冲中将所有离子从离子阱脉冲进入离子分析器。使用此离子阱可以例如通过将连续离子束转换为脉冲离子源而改进仪器的工作循环。然而,如果离子阱中的离子具有相对宽范围的物理化学性质值,那么它们可能并非全都能够在同一循环中由不连续离子分析器分析,从而导致较低工作循环。举例来说,当将具有广范围的质荷比的离子群组脉冲进入ToF质量分析器时,不同质荷比的离子在时间上扩展以使得当施加提取脉冲时并非所有离子都存在于推动器区中。这导致较低工作循环。并且,在离子分析器的上游截留离子的常规方法导致不利的空间电荷效应。

本发明使得具有相对广范围的物理化学性质值(例如,质荷比)的离子群体能够存储于离子阱中且在不连续分析器中分析,同时维持高工作循环。确切地说,通过根据物理化学性质在离子阱内分离离子且在不同时间从不同区将离子驱动出离子阱,离子分析器在每一分析循环中接收具有相对小范围的物理化学性质值的离子。所述技术还具有相对低空间电荷效应,因为离子在离子阱内空间分离。

WO 2007/010272公开了与经扫描的质量过滤器同步的质量选择性离子阱。伪电位波曲度可以沿着离子阱的长度形成,且可以使用轴向场来抵抗这些波曲度驱动离子。由于不同质荷比的离子从伪电位波曲度经历不同力,因此离子可以通过扫掠施加于离子阱的RF电位而以质荷比的反向次序喷射。离子因此作为连续流被质量选择性扫描出离子阱。然而,在离子喷射前它们保持一起被截留且未根据物理化学性质在离子阱内空间分离,使得具有物理化学性质的不同值的离子截留于离子阱的不同区中。因此,WO'272中的空间电荷效应保持相对高。并且,仪器不能够从离子阱的不同区喷射离子的脉冲以便喷射具有不同物理化学性质范围的离子,因为在WO'272中不同离子一起截留于同一截留区中。

EP 2065917公开了一系列离子阱。不同质荷比的离子可以通过扫描截留电压而在不同时间被喷射通过每一离子阱的电极中的狭槽。然而,此仪器不在阱内空间分离离子以使得物理化学性质的不同值的离子截留于阱的不同区中。而是,将见到不同离子在RF截留场中振荡时将互混。并且,所述仪器不分析在不连续分析器的不同循环中从不同截留区喷射的离子。在EP'917的仪器中看来将不需要将离子脉冲进入不连续分析器,因为连续检测器可与提取电压组合使用以确定离子的质荷比。增强不连续分析器中的工作循环的上述概念未在EP'917中建议。

US 5206506公开了多个离子导引通道,其中布置以若干方式操纵离子的伪电位阱。此仪器可以降低邻近阱之间的势垒以便根据质荷比分离离子,但分离的离子随后未在分析器的不同循环中脉冲进入不连续离子分析器。此仪器也可以用来在离子导引通道的末端从伪电位阱质量选择性喷射离子,但此技术类似于EP 2065917中的离子阱,因为不同离子未截留于阱的不同区中且不要求使用不连续分析器。

根据本发明的实施例,所述将第二截留离子驱动或脉冲出离子阱的第二区的步骤可以执行,同时保持截留于离子阱中的其它离子。

离子可以根据至少一个物理化学性质在离子阱内空间分离以使得离子根据其物理化学性质值沿着离子阱分散,而空间分离的截留离子不会被势垒分离。空间分离离子的步骤因此不可包括在不同物理化学性质值的离子之间布置例如DC势垒等势垒。在此上下文中,此势垒打算意指离散势垒或阱而不是电位梯度。

在第一和/或第二截留离子被驱动或脉冲出离子阱的第一和/或第二区时,可以致使其它截留离子保持截留于其相应不同截留区,任选地直到所述其它截留离子被驱动或脉冲出其相应截留区进入不连续离子分析器。

因此,在第一截留离子被驱动或脉冲出离子阱的第一区时,可以致使第二截留离子保持在所述第二区中直到第二截留离子在第二时间被驱动或脉冲出第二区进入不连续离子分析器。

第一区可以比第二区更接近离子阱的出口。

虽然第一和第二截留离子已经描述为被截留且接着被驱动或脉冲出第一和第二截留区,但另外的离子群组也可以截留于另外的截留区中,并且接着被驱动或脉冲出那些另外的截留区进入离子分析器。因此,所述方法可以包括执行一个或多个另外的操作循环,其中每一循环包括:将截留的离子驱动或脉冲出离子阱的区且进入不连续离子分析器,同时保持截留于离子阱中的其它离子,且在所述不连续离子分析器的循环中分析被驱动或脉冲出离子阱的离子;其中对于每一后续操作循环,离子被驱动或脉冲出离子阱的与先前操作循环不同的区,且被驱动或脉冲出离子阱的离子在所述不连续离子分析器的不同循环中被分析。

对于每一后续操作循环,离子可以从与在先前操作循环中离子被驱动出的区相比更远离离子分析器(例如,更远离离子阱的出口)的截留区被驱动出离子阱。

任选地,在所述截留离子的步骤之后,离子不被接受进入离子阱直到所述将所述第一和第二离子驱动出离子阱的步骤已经执行之后。此外,离子不可被接受进入离子阱直到所述多个操作循环已经执行之后。

所述方法可以包括仅在将在离子分析器中分析的所有离子已经积聚之后空间分离离子。替代地,可以在离子正在离子阱中积聚时执行空间分离离子的步骤。

离子阱可以包括伸长的离子截留体积,且具有所述物理化学性质的所述不同值的离子可以沿着离子阱的纵向轴线截留于不同区中。替代地或另外,具有所述物理化学性质的所述不同值的离子可以在被驱动出离子阱之前在距离子分析器的入口不同距离处截留于离子阱中。

离子阱可以包括伸长的离子导向器,具有沿着其纵向轴线布置的多个电极。这允许在离子阱的不同轴向位置施加不同AC和/或DC电压,例如以便施加DC梯度和/或伪电位和/或本文所描述的行进电位。

离子阱可以包括多个穿孔电极,通过施加或AC和/或DC电压到电极而在其内截留离子。举例来说,离子阱可以包括堆叠环离子导向器或离子隧道离子导向器。较少优选地,离子阱可以包括一个或多个多极杆组。

离子阱可以包括除上述那些外的电极的几何形状。

所述至少一个物理化学性质可以是质荷比和/或离子迁移率。

所述空间分离离子的步骤可以包括在第一方向上对离子阱内的离子施加第一力,所述力具有取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值的量值;以及在相反的方向上对这些离子施加第二力。任选地,所述第二力的量值不取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值。

对于具有不同物理化学性质值的离子,所述第一和第二力可以在离子阱内的不同位置平衡,以使得不同离子截留于所述不同区。

所述离子阱可以包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将AC或RF电位施加到所述电极以便产生在所述第一方向上推动离子的伪电位电场而产生所述第一力。

离子阱可以包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将一个或多个DC电位施加到所述一个或多个电极以便产生在所述第二方向上推动离子的DC电压或DC电压梯度而产生所述第二力;和/或可以提供气流通过离子阱以便产生所述第二力。

当所述空间分离离子的步骤包括根据多于一个物理化学性质分离离子时,离子可以被分离以使得具有所述多于一个物理化学性质的值的不同组合的离子截留于离子截留区内的不同位置。

将截留的离子驱动或脉冲出离子阱的区且进入不连续离子分析器同时保持截留于离子阱中的其它离子的步骤中的每一个可以包括使电位沿着离子阱的至少一部分行进以便将离子驱动出离子阱。

电位可以沿着离子阱的第一长度行进以便将所述第一离子驱动出离子阱,且所述电位可以随后沿着离子阱的第二不同长度行进以便将所述第二离子驱动出离子阱。

离子阱的第一和第二长度可以重叠。第一长度可以短于第二长度,且第二长度可以包含第一长度的至少部分。

第一长度可以从离子阱中的第一位置延伸到离子阱的出口,而第二长度可以从离子阱中的第二位置延伸到离子阱的出口,其中第二位置比第一位置更远离所述出口。

电位可以沿着离子阱的第三和另外的长度行进以便在所述一个或多个另外的操作循环中将离子驱动出离子阱。任选地,在每一操作循环中,电位从离子导向器的上游位置朝向离子导向器的出口行进,且其中所述上游位置在后续操作循环中变成逐渐地更上游。

沿着离子导向器行进的电位可以是DC势垒或阱。

并非在每一操作循环中使用行进电位来将离子驱动出离子阱,而是离子上的反作用力中的一个或两个可以随时间改变以使得所得总体力在每一操作循环中致使离子退出离子导向器且进入不连续离子分析器。举例来说,在不同操作循环中可以改变DC梯度、气体流动速率或伪电位以喷射不同离子。

不连续离子分析器可以是飞行时间质量分析器、脉冲离子迁移率分析器或轨道阱(RTM)质量分析器。

离子分析器可以是正交加速度飞行时间质量分析器。然而,离子分析器可以是线性加速度飞行时间质量分析器。本发明也适用于其它类型的不连续离子分析器。

所述方法可以包括在分离离子的步骤之前将离子脉冲进入离子阱。

从任何给定截留区被驱动出离子阱的大体上所有离子可以在不连续离子分析器的单个循环中分析。

具有所述至少一个物理化学性质的不同值或不同值范围的离子可以在不同循环中在所述离子分析器中分析。

本发明的第四方面还提供一种质谱仪和/或离子迁移率谱仪,其包括:

离子阱;

离子分离器装置;

离子驱动装置;

不连续离子分析器;以及

控制器,其被布置且配置成:

在所述离子阱内截留离子;

控制所述离子分离器装置以便根据至少一个物理化学性质在所述离子阱内空间分离所述离子以使得具有所述物理化学性质的不同值的离子截留于所述离子阱的不同区中;以及随后

控制所述离子驱动装置以便在第一时间将第一截留的离子驱动或脉冲出所述离子阱的第一区且进入所述不连续离子分析器,同时保持截留于所述离子阱中的其它离子;

控制所述不连续离子分析器以便在分析的第一循环中分析所述第一离子;

控制所述离子驱动装置以便在第二后续时间将第二截留的离子驱动或脉冲出所述离子阱的第二不同区且进入所述不连续离子分析器;以及

控制所述不连续离子分析器以便在所述分析的第二循环中分析所述第二离子。

所述谱仪可以被布置且配置成执行本文所描述的方法中的任一种。

举例来说,离子驱动装置可以被布置且配置成使电位沿着离子阱的至少一部分行进以便将离子驱动或脉冲出离子阱;且控制器可以被配置成控制离子驱动装置以使得电位沿着离子阱的第一长度行进以便将所述第一离子驱动或脉冲出离子阱,且电位沿着离子阱的第二长度行进以便将所述第二离子驱动或脉冲出离子阱。

不连续离子分析器可以是飞行时间质量分析器或脉冲离子迁移率分析器。

实施例包括将离子脉冲进入离子阱,并且接着使用相反的DC和伪电位场的组合空间分离截留的离子。在分离之后,可以通过使DC势垒沿着选定区行进到离子阱的出口而从离子阱的选定区提取离子,以便将离子推动出离子阱。其它离子保持截留于离子阱中。行进的电位因此从给定空间范围提取离子,且离子可以在传递到ToF质量分析器的推动器区之前被调节。推动器区将这些离子脉冲进入ToF区且对其进行质量分析。行进电位随后将离子扫掠出离子阱的不同区且进入ToF质量分析器的推动器区。当这些离子在推动器区内时它们被脉冲进入ToF区且进行质量分析。重复将离子扫掠出离子阱的不同区且将其脉冲进入ToF区的过程。

一旦离子被脉冲进入离子阱,便需要某一时间周期来允许离子空间分离。还需要某一量的时间用于ToF质量分析自身。此时间可以例如用以例如通过在分析离子阱中将离子分段且分析离子而以不同分析器分析传入的离子。

从第五方面,本发明提供本文所描述的离子阱自身。因此,本发明提供一种用于根据物理化学性质空间分离离子的离子阱,其中所述离子阱包括:

多个电极;

至少一个AC或RF电压供应器;

至少一个DC电压供应器和/或用于泵送气体通过离子阱的泵;以及

控制器和电路,其被布置且配置成:

控制所述至少一个AC或RF电压供应器以便将一个或多个AC或RF电压施加到所述电极以便产生在第一方向上推动离子的伪电位电场;

控制所述至少一个DC电压供应器以便将一个或多个DC电压施加到所述电极以便产生在与所述第一方向相反的第二方向上推动离子的DC电场,和/或控制所述泵从而泵送气体通过所述离子阱以便在与所述第一方向相反的第二方向上推动离子;

控制所述DC电压供应器和/或泵和/或AC/RF电压供应器以便将离子脉冲或驱动出所述离子阱的一个或多个区。

离子阱可以包括本文所描述的特征中的任一个,例如上文关于其它方面所描述。

举例来说,离子阱可以包括伸长的离子截留体积;且在使用中,具有所述物理化学性质的不同值的离子可以沿着离子阱的纵向轴线截留于不同区中,和/或具有所述物理化学性质的不同值的离子可以在距离子阱的出口不同距离处截留于离子阱中。

离子阱可以具有纵向轴线,且离子被驱动或脉冲的所述一个或多个区可能不是邻近于离子阱的纵向末端处的出口的区。

离子可以根据物理化学性质在离子阱内空间分离以使得离子根据其物理化学性质值沿着离子阱分散,而空间分离的截留离子不会被势垒分离。

本发明还提供如本文中所描述操作离子阱以便分离且喷射离子的方法。因此,本发明的第五方面提供一种方法,其包括:

在离子阱中截留离子;

在第一方向上对所述离子阱内的所述离子施加第一力,所述力具有取决于所述离子的物理化学性质的值的量值;

在相反的方向上对这些离子施加第二力以使得所述离子由于所述第一和第二力而根据所述物理化学性质值分离;以及随后

将离子脉冲或驱动出所述离子阱的一个或多个区。

截留且分离离子的方法可以包括本文所描述的特征中的任一个,例如关于上述其它方面所描述。

举例来说,所述第二力的量值可以不取决于离子的所述至少一个物理化学性质的值。

所述离子阱可以包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将AC或RF电位施加到所述电极以便产生在所述第一方向上推动离子的伪电位电场而产生所述第一力。

离子阱可以包括一个或多个电极,且所述方法可以包括通过将一个或多个DC电位施加到所述一个或多个电极以便产生在所述第二方向上推动离子的DC电压或DC电压梯度而产生所述第二力;和/或可以提供气流通过离子阱以便产生所述第二力。

将截留的离子驱动或脉冲出离子阱的区的步骤可以包括沿着离子正被驱动或脉冲出的截留区改变电位;和/或使电位沿着离子阱的至少一部分行进以便将离子驱动出离子阱。

所述方法可以包括当将离子驱动或脉冲出离子阱的第一区时改变沿着所述第一区的电位分布,和/或当将离子驱动或脉冲出离子阱的第二不同区时改变沿着所述第二区的电位分布。

离子阱可以是伸长的离子阱,且从离子阱的所述不同区中的至少一些喷射离子的步骤可以通过从所述不同区中的所述至少一些轴向喷射离子而执行;或离子阱可以是伸长的离子阱,且从离子阱的所述不同区中的至少一些喷射离子的步骤可以通过从所述不同区中的所述至少一些径向喷射离子而执行。

所述至少一个物理化学性质可以是质荷比和/或离子迁移率。

在根据本发明的各种实施例的方法、谱仪或离子阱中,不同物理化学性质值的离子可以在离子阱内在≥x mm的长度上空间分离,其中x选自由以下各者组成的群组:1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、45和50。

具有所述物理化学性质的任何给定值的离子可以在离子阱内在≤y mm上分布,其中y选自由以下各者组成的群组:0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.2、14.4、1.6、1.8、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8和9。

以上x mm的范围中的任一个可以与以上y mm的范围中的任一个进行组合。这些距离都是沿着分离的轴线(即z方向)测得。需要在相对大的距离x mm上分离离子范围,但所述物理化学性质的任何给定值的离子在相对小的距离y mm上分布。

任选地,所述物理化学性质值可以是质荷比,所述离子可以被分离以使得所述离子在所述离子阱中在长度L上分散,且在长度L上截留于所述离子阱中的以道尔顿计的质荷比范围与以mm计的所述离子截留于其上的所述长度L的比率可以选自由以下各者组成的群组:(i)5-6;(ii)6-7;(iii)7-8;(iv)8-9;(v)9-10;(vi)10-11;(vii)11-12;(viii)12-13;(ix)13-14;(x)14-15;(xi)15-16;(xii)16-17;(xiii)17-18;(xiv)18-19;以及(xv)19-20。

根据所述物理化学性质的离子的分离可以在离子从离子阱的喷射期间保留。

关于本发明的各方面中的任一个描述的特征可以与本文所描述的方面中的任何其它方面的方法或设备组合使用。

本文所描述的谱仪可以包括:

(a)离子源,其选自由以下各者组成的群组:(i)电喷射电离(“ESI”)离子源;(ii)大气压光电离(“APPI”)离子源;(iii)大气压化学电离(“APCI”)离子源;(iv)基质辅助激光解吸电离(“MALDI”)离子源;(v)激光解吸电离(“LDI”)离子源;(vi)大气压电离(“API”)离子源;(vii)硅上解吸电离(“DIOS”)离子源;(viii)电子轰击(“EI”)离子源;(ix)化学电离(“CI”)离子源;(x)场电离(“FI”)离子源;(xi)场解吸(“FD”)离子源;(xii)电感耦合等离子体(“ICP”)离子源;(xiii)快原子轰击(“FAB”)离子源;(xiv)液体次级离子质谱分析(“LSIMS”)离子源;(xv)解吸电喷射电离(“DESI”)离子源;(xvi)镍-63放射性离子源;(xvii)大气压基质辅助激光解吸电离离子源;(xviii)热喷雾离子源;(xix)大气采样辉光放电电离(“ASGDI”)离子源;(xx)辉光放电(“GD”)离子源;(xxi)轰击器离子源;(xxii)实时直接分析(“DART”)离子源;(xxiii)激光喷雾电离(“LSI”)离子源;(xxiv)声波喷雾电离(“SSI”)离子源;(xxv)基质辅助进样电离(“MAII”)离子源;(xxvi)溶剂辅助进样电离(“SAII”)离子源;(xxvii)解吸电喷雾电离(“DESI”)离子源;以及(xxviii)激光消融电喷雾电离(“LAESI”)离子源;和/或

(b)一个或多个连续或脉冲离子源;和/或

(c)一个或多个离子导向器;和/或

(d)一个或多个离子迁移率分离装置和/或一个或多个场不对称离子迁移率谱仪装置;和/或

(e)一个或多个离子阱或一个或多个离子截留区;和/或

(f)一个或多个碰撞、分段或反应单元,其选自由以下各者组成的群组:(i)碰撞诱导解离(“CID”)分段装置;(ii)表面诱导解离(SID)分段装置;(iii)电子转移解离(ETD)分段装置;(iv)电子捕获解离(“ECD”)分段装置;(v)电子碰撞或轰击解离分段装置;(vi)光诱导解离(PID)分段装置;(vii)激光诱导解离分段装置;(viii)红外辐射诱导解离装置;(ix)紫外辐射诱导解离装置;(x)喷嘴-撇渣器界面分段装置;(xi)源内分段装置;(xii)源内碰撞诱导解离分段装置;(xiii)热或温度源分段装置;(xiv)电场诱导分段装置;(xv)磁场诱导分段装置;(xvi)酶消化或酶降解分段装置;(xvii)离子-离子反应分段装置;(xviii)离子-分子反应分段装置;(xix)离子-原子反应分段装置;(xx)离子-亚稳离子反应分段装置;(xxi)离子-亚稳分子反应分段装置;(xxii)离子-亚稳原子反应分段装置;(xxiii)用于使离子反应形成加合物或产物离子的离子-离子反应装置;(xxiv)用于使离子反应形成加合物或产物离子的离子-分子反应装置;(xxv)用于使离子反应形成加合物或产物离子的离子-原子反应装置;(xxvi)用于使离子反应形成加合物或产物离子的离子-亚稳离子;(xxvii)用于使离子反应形成加合物或产物离子的离子-亚稳分子反应装置;(xxviii)用于使离子反应形成加合物或产物离子的离子-亚稳原子反应装置;以及(xxix)电子电离解离(“EID”)分段装置;和/或

(g)质量分析器,其选自由以下各者组成的群:(i)四极质量分析器;(ii)2D或线性四极质量分析器;(iii)保罗或3D四极质量分析器;(iv)彭宁阱质量分析器;(v)离子阱质量分析器;(vi)磁性扇区质量分析器;(vii)离子回旋共振(“ICR”)质量分析器;(viii)傅里叶变换离子回旋共振(“FTICR”)质量分析器;(ix)静电质量分析器,其经布置以产生具有四角对数电位分布的静电场;(x)傅里叶变换静电质量分析器;(xi)傅里叶变换质量分析器;(xii)飞行时间质量分析器;(xiii)正交加速度飞行时间质量分析器;以及(xiv)线加速度飞行时间质量分析器;和/或

(h)一个或多个能量分析器或静电能量分析器;和/或

(i)一个或多个离子检测器;和/或

(j)一个或多个质量过滤器,其选自由以下各者组成的群组:(i)四极杆质量过滤器;(ii)2D或线性四级杆离子阱;(iii)保罗或3D四极杆离子阱;(iv)彭宁离子阱;(v)离子阱;(vi)扇形磁质量过滤器;(vii)飞行时间质量过滤器;以及(viii)维恩(Wien)过滤器;和/或

(k)用于脉冲离子的装置或离子门;和/或

(l)用于将基本上连续的离子束转换成脉冲离子束的装置。

所述谱仪可以包括静电离子阱或质量分析器,其采用感应检测和时域信号处理,所述处理将时域信号转换为质荷比域信号或谱。所述信号处理可包含(但不限于)傅立叶变换、概率分析、过滤器对角化、正向拟合或最小二乘拟合。

所述谱仪可以包括:

(i)C-阱和质量分析仪,其包括外机筒状电极和同轴内部轴状电极,其形成具有四角对数电位分布的静电场,其中在第一操作模式中将离子传输到C-阱,且接着将其注入到质量分析仪中,且其中在第二操作模式中,将离子传输到C-阱,且接着将其传输到碰撞池或电子转移分解装置,其中将至少一些离子分段成分段离子,且其中接着在注入到质量分析仪中之前将分段离子传输到C-阱;和/或

(ii)堆叠环离子导向器,包括多个电极,其各自具有在使用时传送离子的孔口,并且其中电极的间距沿着离子路径的长度增加,并且其中在离子导向器的上游部分的电极中的孔口具有第一直径,并且其中在离子导向器的下游部分中的电极中的孔口具有第二直径,第二直径小于第一直径,并且其中在使用时向连续电极施加相反相位的AC或RF电压。

所述谱仪可以包括被布置且适于将AC或RF电压供应到电极的装置。AC或RF电压优选地具有选自以下各者的群组的振幅:(i)<50V峰到峰;(ii)50-100V峰到峰;(iii)100-150V峰到峰;(iv)150-200V峰到峰;(v)200-250V峰到峰;(vi)250-300V峰到峰;(vii)300-350V峰到峰;(viii)350-400V峰到峰;(ix)400-450V峰到峰;(x)450-500V峰到峰;以及(xi)>500V峰到峰。

AC或RF电压优选地具有选自由以下各者组成的群组的频率:(i)<100kHz;(ii)100到200kHz;(iii)200到300kHz;(iv)300到400kHz;(v)400到500kHz;(vi)0.5到1.0MHz;(vii)1.0到1.5MHz;(viii)1.5到2.0MHz;(ix)2.0到2.5MHz;(x)2.5到3.0MHz;(xi)3.0到3.5MHz;(xii)3.5到4.0MHz;(xiii)4.0到4.5MHz;(xiv)4.5到5.0MHz;(xv)5.0到5.5MHz;(xvi)5.5到6.0MHz;(xvii)6.0到6.5MHz;(xviii)6.5到7.0MHz;(xix)7.0到7.5MHz;(xx)7.5到8.0MHz;(xxi)8.0到8.5MHz;(xxii)8.5到9.0MHz;(xxiii)9.0到9.5MHz;(xxiv)9.5到10.0MHz;以及(xxv)>10.0MHz。

所述谱仪可以在离子源上游包括色谱法或其它分离装置。色谱法分离装置可以包括液相色谱法或气相色谱法装置。所述分离装置可以包括:(i)毛细电泳法(“CE”)分离装置;(ii)毛细电色谱法(“CEC”)分离装置;(iii)大体上刚性基于陶瓷的多层微流体衬底(“陶瓷瓦片”)分离装置;或(iv)超临界流体色谱法分离装置。

离子导向器可以维持在选自由以下各者组成的群组的压力:(i)<0.0001mbar;(ii)0.0001到0.001mbar;(iii)0.001到0.01mbar;(iv)0.01到0.1mbar;(v)0.1到1mbar;(vi)1到10mbar;(vii)10到100mbar;(viii)100到1000mbar;以及(ix)>1000mbar。

分析物离子可以在电子转移解离(“ETD”)分段装置中经受电子转移解离分段。可以使分析物离子在离子导向器或分段装置内与ETD试剂离子相互作用。

附图说明

现将仅借助于实例且参照附图描述本发明的各种实施例,在所述附图中:

图1示出了本发明的优选实施例的不同质荷比的离子在离子过滤器内可以截留于的位置的曲线图;

图2示出了任何给定离子在离子过滤器装置中将截留于其上的空间宽度;

图3示出了截留于过滤器装置中的离子的随过滤器中的位置而变的质荷比;

图4示出了截留于过滤器装置中的离子的随过滤器中的位置而变的质荷比范围;

图5示出了本发明的实施例,其中离子从过滤器装置轴向喷射;

图6示出了本发明的实施例,其中离子从过滤器装置垂直喷射;

图7A示出了包括离子阱和IMS装置的现有技术离子迁移率谱仪的部分的示意图,且图7B示出了根据本发明的实施例的包括离子阱和IMS装置的离子迁移率谱仪的部分的示意图;

图8示出了沿着图7B的离子阱的DC电压电位分布的曲线图;

图9示出了沿着图7B的离子阱的RF电压电位分布的曲线图;

图10示出了对于不同质荷比的离子来说沿着离子阱的总电位最小的位置的曲线图;

图11示出了在图7B的离子阱中任何给定离子将截留于其上的空间宽度;

图12示出了任何给定质荷比的离子将从离子阱喷射的时间展宽;

图13示出了随质荷比而变的通过图7B的IMS装置的漂移时间的绘图;

图14示出了对于图7A和7B的仪器来说离子的分辨率R对照质荷比的两个绘图;

图15示出了ToF质谱仪的部分的示意图;

图16示出了随推动器序列中的脉冲数目而变的由ToF质量分析器分析的离子的质量;

图17示出了随推动器序列中的脉冲数目而变的离子被扫掠出的沿着离子阱的位置;

图18示出了随推动器序列中的脉冲数目而变的离子阱的提取离子的区的长度;以及

图19示出了根据本发明的实施例的离子阱的示意图。

具体实施方式

本发明的实施例提供一种离子阱,其根据例如质荷比的物理化学性质在离子阱内分离离子。

第一组实施例提供一种用于通过以下操作对离子进行质量过滤的方法和设备:在离子过滤装置的离子阱中截留离子,根据离子的质荷比在离子阱内空间分离所述离子,并且然后从离子阱的一个或多个区段选择性喷射离子以使得仅具有所需质荷比的离子被向前传送。

第二组实施例提供一种用于通过以下操作改善离子迁移率测量的分辨率的方法和设备:在离子阱中截留离子,根据离子的质荷比在离子阱内空间分离所述离子,并且然后在单个脉冲中将经分离离子脉冲到离子迁移率分离器(IMS)中。

第三组实施例提供一种用于通过以下操作改善不连续离子分析器中的离子分析的方法和设备:在离子阱中截留离子,根据离子的质荷比在离子阱内空间分离所述离子,并且然后在不同时间从离子阱的不同区将离子驱动或脉冲到不连续离子分析器中。

本文所述实施例根据质荷比在离子阱内分离离子。离子可以使用伪电位电场和DC电场的组合在离子阱内空间分离。举例来说,离子阱可以包括堆叠环离子导向器(或其它离子导向器),且控制器和相关电子电路可以控制电压供应以沿着离子阱的长度施加具有以下分布的轴向DC电压Vdc(z):

Vdc(z)=d1z+d2z2 (等式1)

其中z是距离子阱的末端的距离,且d1和d2是线性和二次项的系数。

类似地,控制器和相关电子电路可以控制电压供应以将RF电压施加到电极以使得沿着离子阱的RF电压函数Vx(z)如下:

Vx(z)=p1z+p2z2 (等式2)

其中p1和p2是线性和二次项的系数。

这导致轴向伪电位分布Vps(z,m),如下给定:

其中M是原子质量单位,m是给定离子的质荷比,且ω是所施加RF电压频率。

使

因此,沿着离子阱产生的伪电位如下给定:

用于给定质荷比m以及距离子阱的末端的距离z的总电位Vtot简单地是VDC和Vps的总和,且因此如下给定:

任何给定质荷比m的离子将位于距离子阱的末端的距离z,在Vtot对于所述质量是最小的距离处。分化等式6且求解最小值给出如下等式7:

此等式可用以计算任何给定离子的伪电位最小值位于的位置z,且因此计算所述离子将保持截留的位置。

举例来说,所述最小值的曲率C(m)可以从等式6中Vtot的相对于z的第二差分计算,得出:

只要C(m)的值大于零,则等式7给出给定质荷比的离子将截留的最小值的位置。

通过DC电位参数d1和d2以及RF电位参数p1和p2的优化,有可能在离子阱内获得合理的电压电平以及离子的良好空间分离。

如上文所描述,此离子阱可以用于在本文所描述的第一、第二和第三组实施例中根据物理化学性质(例如,质荷比)分离离子。

现将描述所述第一组实施例中的各种实施例,其中在离子过滤器中使用离子阱,其从离子阱的一个或多个区段选择性喷射离子以使得仅具有物理化学性质(例如,质荷比)的所需值的离子向前传送。

如上文所描述,通过DC电位参数d1和d2以及RF电位参数p1和p2的优化,有可能在离子阱内获得合理的电压电平以及离子的良好空间分离。在下文描述的实施例中,参数的优化假定0.2m的离子阱长度以及用于离子的阱中具有100到2000Da的质荷比范围的离子的分布。

图1示出了总电位Vtot最小的位置z随离子质荷比而变的曲线图,所述曲线图是针对质荷比m在100与2000Da之间的离子以及d1=-1254且d2=-2280的优化值,这带来最大Vdc=-150V;以及p1=-560.96和p2=-43519.8,这带来最大Vx=400V,ω=100kHz。

离子在离子阱中由缓冲或背景气体冷却且它们达到热能。最差情况假设将是离子的残余轴向能量ΔV近似为此值的十倍,比如ΔV=0.25eV。此假设随后允许确定任何给定离子将驻留在内的离子阱的沿着z方向的空间宽度Δz(m),即从中心电位位置+/-0.25V。

任何给定质荷比的离子截留在内的在z方向上沿着离子阱的空间宽度Δz(m)能够从上方等式8中给定的曲率C(m)确定,以使得:

图2示出了随离子的质荷比而变的此空间宽度Δz(m)。

图3示出了离子导向器中的离子的质荷比随形成离子阱的离子导向器中的电极数目而变,即有效地随沿着离子阱的距离z而变。可见截留于离子阱中的离子的质荷比沿着离子阱的长度增加。因此可见,通过从离子阱的长度的不同区喷射离子能够从离子阱喷射不同质荷比的离子。

图4示出了邻近于离子阱中的每一电极标称截留的质荷比的范围随离子阱中的电极数目而变,即有效地随沿着离子阱的距离z而变。这示出了随着距离子阱的末端的距离z增加而减小的质量范围,具有近似17Da的最大范围。

以上实例使用等式1和2中陈述的DC和RF电压分布以便产生所说明的沿着离子阱的质荷比分布。然而,可以使用DC和/或RF电压分布的不同选择来调整沿着离子阱的质荷比分布。并且,通过更改DC和RF电压施加离子阱的布置,离子可以在离子阱内分离以使得它们以增加或减小质荷比的次序布置。

图5示出了可以用作高通质荷比过滤器的实施例的示意图,所述过滤器模拟低质荷比截止装置。所述系统包括离子源1(例如,电喷射、REIMS、DESI等)、离子阱或离子积聚装置2(例如,SRIG阱)、包括用于根据质荷比分离离子的离子阱(例如,如上文所描述)的离子导向器过滤器3、离子中和/破坏装置4(例如,pDRE透镜),以及向前传送离子光学件或质量分析器5。装置5可以是质荷比分析器,例如飞行时间(ToF)质量分析器或轨道阱(RTM)等。替代地,装置5可以是气体填充的离子导向器,其将在其中接收的脉冲波束转换为伪连续离子束。

在使用中,来自离子源1的离子累积于离子阱2中,且随后脉冲到离子过滤器3中。离子过滤器3包括上述类型的用于分离离子的离子阱。反作用力施加于离子阱中的离子以便致使离子根据质荷比在过滤器3内分离,如上文所描述。允许离子在被脉冲进入过滤器3之后短时间周期(通常几毫秒到几十毫秒)冷却,空间分离且占据其平衡空间位置。具有不同质荷比的离子变为布置在过滤器3内的不同位置。举例来说,离子分布可以与图3中示出的相同。在此实施例中,离子在过滤器3内以质荷比的次序布置,其中较低质量离子朝向过滤器3的出口布置。在此实施例中所述仪器充当高通装置且因此需要丢弃低于阈值质荷比的离子。为了这样做,控制器和相关联电路控制电压供应以便将DC电压施加到过滤器3的离子阱,所述DC电压沿着过滤器3的其中存储不希望的离子的部分行进以便迫使这些离子退出过滤器3。

不希望的离子被扫掠出过滤器3且进入离子中和/破坏装置4,此时所述装置激活且中和或破坏不希望的离子。离子中和/破坏装置4可以被调适且被配置成以电子方式中和离子。举例来说,离子中和/破坏装置4可以包括控制器和相关联电子电路,其控制电压供应以将电压施加到电极,所述电压造成不希望的离子偏转到使所述离子电中和的表面上,例如使得它们无法由下游离子分析器分析。举例来说,离子中和/破坏装置4可以将离子偏转到使所述离子电中和的电极上。替代地,离子中和/破坏装置4可以使离子与相反极性的离子反应以便中和所述离子。随后将中和装置4去活,且通过使DC电压沿着过滤器3行进而将所需离子扫掠出过滤器3。由于离子中和/破坏装置4已经去活,因此所需离子通过其传送到装置5。

离子中和/破坏装置4可以替代地被简单地丢弃离子的装置替换。举例来说,可以使用包括控制器和相关联电子电路的装置,所述控制器和相关联电子电路控制电压供应以将电压施加到电极,所述电压致使不希望的离子从仪器喷射,例如使得所述离子无法由下游离子分析器分析。

作为以上述方式在过滤器3中分离且布置离子的替代方案,可以在过滤器3中分离离子以使得较高质荷比离子朝向过滤器3的出口布置。因此,DC电压可以沿着过滤器3的其中存储所需离子的部分行进以便迫使这些离子退出过滤器3。这些所需离子接着可以向前传送到装置5。过滤器3中的具有低于阈值的质量的离子可以例如通过以下方式丢弃:随后将所述离子传送到离子中和/破坏装置4或者以上述方式从仪器喷射所述离子。举例来说,控制器可以断开过滤器3中的截留电压以使得这些不希望的离子不再截留。

所述仪器可以替代地被配置为低通过滤器。举例来说,可以分离离子以便在离子过滤器内以质荷比的次序布置,其中较低质量离子朝向过滤器3的出口布置。然而,此实施例是低通过滤器,且因此仅需要低于阈值质荷比的离子。因此,DC电压可以沿着质量过滤器的其中存储所需离子的部分行进以便迫使这些离子退出过滤器3。这些所需离子接着可以向前传送到装置5。可以例如以上述方式中和或丢弃过滤器中具有高于阈值的质量的离子。

替代地,可以分离离子以便在离子过滤器内以质荷比的次序布置,其中较高质量离子朝向过滤器3的出口布置。在此实施例中,DC电压沿着质量过滤器3的其中存储不希望的离子的部分行进以便迫使这些离子退出过滤器3。例如以上述方式中和或丢弃这些不希望的离子。随后可以通过行进的DC电位将所需离子扫掠出过滤器3且向前传送到装置5。

替代地,所述装置可以作为带通过滤器操作。在此实施例中,以如上文所描述的相同方式在过滤器3中分离离子。需要中和或丢弃低于第一阈值质荷比的离子且中和或丢弃高于第二阈值的离子。如果离子是按质量的次序布置以使得低质荷比朝向过滤器3的出口布置,那么DC电压沿着过滤器3的其中存储具有低于第一阈值的质量的离子的部分行进以便迫使这些离子退出过滤器3。随后例如以上述方式中和或丢弃这些离子。DC电压随后沿着过滤器3的其中存储所需离子的部分行进,所需离子即具有在第一与第二阈值之间的质量的离子。这些所需离子被扫掠出过滤器3且向前传送到装置5。接着可以例如以上述方式中和或丢弃过滤器3中具有高于第二阈值的质量的离子。

替代地,离子可以在离子过滤器内以质荷比的次序布置,其中较高质量离子朝向过滤器3的出口布置。在此实施例中,DC电压沿着质量过滤器3的其中存储具有高于第二阈值的质量的离子的部分行进以便迫使这些离子退出过滤器3。例如以上述方式中和或丢弃这些不希望的离子。DC电压随后沿着过滤器3的其中存储所需离子的部分行进,所需离子即具有在第一与第二阈值之间的质量的离子。这些所需离子被扫掠出过滤器3且向前传送到装置5。接着可以例如以上述方式中和或丢弃过滤器3中具有低于第一阈值的质荷比的离子。

图6示出了与图5中示出的仪器相同的仪器的示意图,不同之处在于其中离子是从离子过滤器3垂直传递进入邻近装置6,而不是沿着仪器的纵向轴线进一步传送。因此,离子中和/破坏装置4可以省略及被装置6代替,所述装置具有控制器和相关联电路用于控制电压供应以将电压施加到离子阱以便从过滤器3垂直喷射离子。装置6可以是例如离子导向器(例如阶梯波(RTM)离子导向器),其与过滤器3结合以使得沿着过滤器3的纵向轴线行进的离子可以选择性径向喷射进入装置6以便沿着装置6的纵向轴线行进。

所述仪器可以在上文关于图5描述的任何模式中操作,除了当离子已经沿着过滤器3的长度分离时,所需离子可以从过滤器3垂直喷射进入离子导向器6。这与图5的布置形成对比,其中所需离子沿着过滤器的纵向轴线被扫掠出过滤器3。根据在图6中说明的仪器,装置6中所接收的离子可以向前传送到装置5。

替代地,并非将所需离子传递进入装置6,仅不希望的离子可以传递进入邻近装置6。所需离子接着可以沿着过滤器3的纵向轴线传递到离子分析器。

所述仪器可以在简单过滤器模式中操作,其中所述仪器可以在低通、高通或带通模式中操作。替代地,所述仪器可以在复合过滤器模式中操作。举例来说,所述仪器可以操作多通过滤器模式,其中首先在过滤器3中根据低通、高通或带通模式截留、分离和过滤离子;以及随后将由过滤器3传送的所需离子中的至少一些再引入到过滤器3中,且根据低通、高通或带通模式再次截留、分离和过滤。

预期所需离子可以按质荷比相依性方式传送到上游装置,所述上游装置的操作随着时间经过扫描。举例来说,经扫描的装置可以是解析四极或其它多极,其中由所述四极或多极传送的质荷比随着时间而经过扫描。此耦合用以增加经扫描的装置的工作循环。

替代地,经分离的离子可以在有源碰撞池中分段或反应,且例如可以进行SWATH类型实验。举例来说,具有选定质荷比范围的离子可以作为单独脉冲从过滤器3传送进入有源碰撞、分段或反应池,所述池中维持脉冲波形或分离。碰撞能量或者分段或反应速率可以在其中执行离子的实质分段或反应的高碰撞、分段或反应值与其中不执行离子的实质分段或反应的低碰撞、分段或反应值之间交替或交换。来自第一个模式的前驱体离子可以经过质量和/或离子迁移率分析,且来自第二个模式的片段或产物离子可以经过质量和/或离子迁移率分析。片段或产物离子可以例如基于它们经质量和/或离子迁移率分析的时间或基于其离子信号强度分布形状而指派给其相应前驱体离子。

现将描述所述第二组实施例中的各种实施例,其中离子阱用以分离离子,并且然后在单个脉冲中将经分离的离子喷射进入离子迁移率分离器(IMS)。

图7A示出了现有技术离子迁移率谱仪的部分的示意性布置。所述谱仪包括布置在IMS装置24上游的离子阱20。离子在脉冲进入IMS装置24中之前截留于离子阱20中。在注入IMS装置24中之前,离子大体上贯穿离子截留装置20的整个长度分布以便最大化离子存储容量。

六鹿(Rokushika)等人(六鹿·S、波多野(Hatano)·H、拜姆(Baim)·MA、希尔(Hill)·HH,《分析化学(Anal Chem)》1985(57)第1902-1907页)示出了IMS装置的分辨率取决于进入装置的离子注入脉冲的时间宽度以及在IMS装置内沿着漂移路径发生的扩散加宽。IMS装置的分辨率可以描述为以下等式:

其中t是沿着漂移路径的离子的漂移时间,W0是初始离子脉冲宽度,且Wd是扩散加宽的峰宽度。

扩散加宽的峰宽度Wd通过下式得出:

其中k是玻尔兹曼常数,T是温度,t是沿着漂移路径的离子的漂移时间,q是电子电荷,E是漂移区中的电场,且L是漂移区的长度。

在IMS装置24上游提供离子阱装置20的现有技术布置的有利之处在于其增加了在任何一个时间能够注入IMS装置24的离子群体。然而,在注入之前,任何给定质荷比的离子贯穿离子阱20分布,并且因此任何给定质量的离子的初始离子脉冲宽度W0是相对宽的,从而导致当离子脉冲进入IMS装置时离子迁移率测量的相对低分辨率。

本发明的第二组实施例通过用于任何给定类型离子的W0的量值的减少而提供测得的离子迁移率分辨率的改进。

图7B示出了根据本发明的实施例的离子迁移率谱仪的部分的示意性布置。所述仪器与图7A中的仪器相同,不同之处在于其被配置成根据离子的质荷比在离子阱20中空间分离离子。在所说明实例中,第一质量的离子被分离到离子阱20的一个末端,且另一质量的离子被分离朝向离子阱20的另一末端。虽然示出仅两组离子26、28,但不同质荷比的其它群组的离子可以分离且存储于布置在两个所说明的群组26、28之间的群组中。

在离子在离子阱20内分离时,任何给定质荷比的离子变为被限制在离子阱20内的相对较小区内。因此,当离子注入IMS装置24时,任何给定质荷比的离子的初始离子脉冲宽度W0是相对窄的,即使已使用相对大的离子阱20也是如此。这使得大离子群体能够注入IMS装置24而不会降低离子迁移率谱仪的分辨率。经分离的离子可以在进入IMS装置24的同一脉冲中一起注入IMS装置24。可以在注入期间至少在一定程度上以维持离子的分离的方式执行注入。

如上文所描述,可以使用组合伪电位电场和DC电场在离子阱24中空间分离离子。还如上所述,通过DC电位参数d1和d2以及RF电位参数p1和p2的优化,有可能在离子阱内获得合理的电压电平以及离子的良好空间分离。在下文的实施例中,参数的优化假定0.1m的离子阱长度以及用于离子的阱中具有100到2000Da的质荷比范围的离子的分布。

图8示出了使用d1=-1254、d2=-2280、最大值Vdc=-150V和ω=100kHz的值实现的沿着离子阱20的DC电压电位分布Vdc(z)。

图9示出了使用参数p1=-560.96和p2=-43519.8以及最大值Vx=400V实现的沿着离子阱20的RF电压电位分布Vx(z)。

图10示出了针对100与2000Da之间的质荷比m的离子且针对图8和9中示出的组合电压分布,总电位Vtot最小的位置z随离子质荷比而变的曲线图。

离子在离子阱20中由缓冲或背景气体冷却且它们达到热能。最差情况假设将是离子的残余轴向能量ΔV近似为此值的十倍,比如ΔV=0.25eV。此假设接着允许从以上等式9确定任何给定离子将驻留在内的离子阱的沿着z方向的空间宽度Δz(m),即从中心电位位置+/-0.25V。

图11示出了随离子的质荷比而变的此空间宽度Δz(m)。

一旦离子已经在离子阱20中分离,经分离的离子便注入IMS装置24。这可以通过使电压沿着离子阱20行进而执行。举例来说,控制器和相关联电路可以控制电压供应以便将一个或多个电压(例如,DC电压)施加到离子阱20,所述电压沿着离子阱20行进以便从离子阱20脉冲离子进入IMS装置24。例如通过设定或控制行进电压的速度可以控制退出离子阱20的离子的速度v。举例来说,速度v通常设定成300m/s的量级。因此,具有任何给定质荷比的离子的空间扩展Δz可以映射到离开离子阱20的这些离子的时间展宽Δt中,其中Δt=Δz/v。

图12示出了离子的时间展宽Δt随离子的质荷比而变的绘图。

以上等式11中的漂移时间t取决于离子的质荷比。漂移时间t(m)可以使用以下等式计算:

其中Ld是离子迁移率漂移管的长度,Ed是沿着漂移管的电场,p是压力,mb是缓冲气体的分子质量,且Ω(m)是碰撞横截面积。为简单起见,此处已经考虑仅单个电荷的离子。

可以通过基于离子和缓冲气体分子的分子半径的以下等式来估计碰撞横截面积Ω(m):

图13示出了漂移时间Dt随质荷比而变的绘图。此绘图是使用以上用于t(m)的等式且代入操作参数的合理值而获得,其为3kV/m的沿着漂移管的电场Ed、1m的离子迁移率漂移管的长度Ld、293K的温度T,以及3mbar氮气的压力p。

参数Δt等效于以上等式10中的初始离子脉冲宽度Wo。扩散加宽的峰宽度Wd可以从以上等式13使用估计漂移时间t(m)来计算。因此,可以从以上等式10确定分辨率R。

图14示出了分辨率R对照离子的质荷比的两个绘图。下部绘图对应于现有技术的绘图,所述技术并不在离子阱20中空间分离离子(即使用图7A中示出的仪器)且使用250μs的选通时间选通离子进入IMS装置24。换句话说,初始离子脉冲宽度Wo是250μs。上部绘图对应于在离子阱20中空间分离离子的本发明的实施例。图14指示本发明的实施例提供离子迁移率谱仪的分辨率超过现有技术谱仪的显著增加。分辨率增强随着离子迁移率漂移时间减小而增加。对于高达1000Da的质荷比,存在大于两倍的分辨率增强。实施例允许以高分辨率进行离子迁移率测量,即使使用大离子阱20在任何一个时间将大离子群体注入IMS装置24也是如此。

实施例在测得的漂移时间中引入了质荷比相依性移位,因为不同质荷比的离子在离子阱20中在距IMS装置24的入口的不同距离处分离且存储。然而,这可以容易地通过校准来解决。另外,预分离可以是离子迁移率相依性的且可以导致时间分离的增加。

IMS装置24可以包括具有跨越其布置的静态DC场的漂移长度,用于根据离子迁移率迫使离子在IMS装置24内分离。替代地,电势垒可以沿着IMS装置24的漂移长度行进以便根据IMS装置24中的离子迁移率迫使离子分离。

现将描述所述第三组实施例中的各种实施例,其中离子阱用以分离离子,并且然后在不同时间将经分离离子群组喷射进入不连续离子分析器。

图15示出了常规飞行时间(ToF)质谱仪的部分的示意图。所述设备包括长度Z的离子阱32、长度L的离子传递区34,以及具有长度ΔL的正交加速度飞行时间(oa-ToF)质量分析器的推动器区36。

在使用中,离子截留于离子阱32中且脉冲进入离子传递区34。传递区34中的离子光学件将离子导引到推动器区36。推动器区36脉冲正交加速度电场以使得离子从其飞行路径垂直加速且进入ToF质量分析器的飞行时间区。为了实现oa-ToF谱仪的最佳工作循环,当施加正交加速度场时从阱32释放的所有离子必须空间定位于推动器区36内。可以进行以下计算以确定将满足此条件的离子的质荷比。

质荷比m1的离子从离子阱32的出口(z=0处)行进到推动器区36的末端的飞行时间T1如下:

其中M是原子质量单位,q是电子电荷常数,Vz是离子在其通过传递区34中的离子传递光学元件的行程上经历的电位,且(L+ΔL)是从离子截留区32的出口到推动器区36的末端的距离。

较高质荷比m2的第二离子从离子截留区32的出口(z=0处)到推动器区36的入口行进距离L的飞行时间T2如下:

通过将飞行时间T1设定为等于飞行时间T2,能够确定在质荷比m1的离子已到达推动器区36的出口的同时已到达推动器区36的入口的离子的质荷比m2。这导致以下等式:

为了增加ToF质量分析器的工作循环,需要推动器存在受限制的质荷比范围,否则在施加正交加速度提取脉冲时所有离子将不定位于推动器区36内。随顺序推动数目i而变的质荷比mi、mi-1的所需范围如下:

图16示出了对于具有典型离子传递区34长度L和典型推动器区36长度ΔL的仪器随脉冲数目i而变的mi的值。在此实例中离子传递区长度L是0.13m,推动器区长度ΔL是0.033m,且第一脉冲中脉冲的质荷比范围是m1=100Da。

本发明的第三组实施例通过在不连续离子分析器上游的离子阱中根据物理化学性质(例如,质荷比)空间分离离子而提供优于这些常规不连续离子分析器的改进。

如上文所描述,根据本发明的实施例,可以使用组合伪电位电场和DC电场在离子阱中空间分离离子以便提供以上等式7中的关系,从其中能够确定用于任何给定离子的伪电位最小值位于的位置z,且因此确定所述离子将保持截留的位置。

在根据质荷比沿着离子阱分离离子时,离子可以从离子阱内的不同位置扫掠出离子阱以便将不同范围的质荷比喷射进入下游离子分析器。为了这么做,控制器和相关联电路可以控制电压供应以便将DC电压施加到离子阱,所述DC电压沿着离子阱行进以便喷射离子进入下游离子分析器。

从以上等式17将mi代入等式7,给出必须通过第i脉冲中的行进电压扫掠的沿着离子阱的距离。此距离zi通过以下等式得出:

如上文所描述,通过DC电位参数d1和d2以及RF电位参数p1和p2的优化,有可能在离子阱内获得合理的电压电平以及离子的良好空间分离。

图17示出了针对在i=1与i=7之间的推动i,行进电压朝向离子阱的出口(其中出口在z=0处)扫掠离子所来自的沿着离子阱的位置zi随推动数目i而变。在此模型中,离子截留装置的长度是0.2m且ω=100kHz。用于DC电压的优化值给出d1=-2425和d2=-2280,具有最大值-300V以及RF电压p1=-270和p2=43272且示出了近似400V的最大值。

如从图17可见,行进电压沿着离子阱必须行进的距离在后续推动数目中增加。这使得当施加不同正交加速度脉冲时能够在ToF质量分析器的推动器区36中接收来自离子阱内的不同深度的离子。由于具有不同质荷比范围的离子截留在离子阱中的不同深度(即不同的z值),因此在不同正交加速度脉冲中分析具有不同质荷比范围的离子。

图18示出了含有截留离子且从其提取离子的离子阱的长度Δz随ToF推动数目i而变。可见在离子阱的小长度(例如,6mm)上截留的离子针对在i=1的第一推动被扫掠进入推动器区。下一扫掠提取在离子阱的较大长度上截留的离子,以使得这些离子针对在i=2的第二推动被扫掠进入推动器区。将看见后续的扫掠提取在离子阱的逐渐增加的长度上截留的离子。图18示出了将覆盖1与近似2000Da之间的质量范围的数据,从而需要离子导向器的近似6mm的最小扫掠且因此以当前技术是完全可能的。

本发明的第三组实施例使得能够在离子阱32中截留具有相对大质荷比范围的离子,而不需要在施加正交加速度提取脉冲时以过填充推动器区36的方式从离子阱32喷射离子且进入推动器区36。通过在离子阱内空间分离离子,任何给定质荷比范围的离子变为被限制在离子阱的子区(可以是相对小的区)内。接着可以通过在不同时间从离子阱的不同区喷射离子而在不同时间将不同质荷比范围扫掠出离子阱且进入质量分析器。

图19示出了可以在本文所描述的各种实施例中使用的离子阱40的实施例。离子阱40可以是线性离子阱且包括多个穿孔电极42。AC或RF电压供应器44可以将AC或RF电压施加到电极42以便将离子径向限制在离子阱40内。AC或RF电压的相反相可以施加于轴向邻近的电极。不同的AC或RF电压(例如,不同量值)可以沿着离子阱40施加于不同电极42以便沿着离子阱40的轴向长度在第一方向上对离子产生第一力。DC电压供应器46可以将DC电压施加到电极42。不同的DC电压(例如,不同量值)可以沿着离子阱40施加于不同电极42以便沿着离子阱40的轴向长度在与第一方向相反的第二方向上对离子产生第二力。另外或替代地,可以提供泵48以产生通过离子阱40的气流,所述气流产生在第二方向上对离子的力。

提供包括离子分离器的控制器50。控制器和离子分离器含有处理器和电子电路,所述处理器和电子电路被配置成控制电压供应器44、46(和/或泵48)以便将电压施加到电极42(和/或泵送气体通过离子阱42),这造成对离子产生第一和第二力。这造成离子根据质荷比沿着离子阱40的轴向长度分离,如上文所描述。

控制器50还包括含有处理器和电子电路的离子驱动或脉冲电路,所述处理器和电子电路被配置成控制电压供应器44、46(和/或泵48)以便将电压施加到电极42(和/或控制气体供应)以使得在离子已经分离之后将离子驱动或脉冲出离子阱。

尽管已参考各种实施例描述本发明,但本领域的技术人员应了解,可以在不脱离所附权利要求书中所阐述的本发明的范围的情况下对形式和细节作出各种改变。

举例来说,虽然已将堆叠环离子导向器描述为在离子阱中使用,但也可以使用电极的其它几何形状。

虽然已经将行波描述为从阱提取离子所借助的方式,但也可以使用以受控方式从离子阱释放离子的替代方法。举例来说,轴向DC电位或伪电位梯度可以倾斜上升以便迫使离子退出离子阱,或者可以在不同时间沿着离子阱的不同长度更改以便喷射离子。

虽然已经将空间分离描述为通过使用由伪电位和相反DC电位产生的对离子的反作用力而实现,但也可以通过其它方法实现空间分离。举例来说,反作用力中的一个可以从气流而不是DC电位或伪电位梯度而施加。

虽然本文已经描述RF和DC电压的各种值,但可以根据所需操作模式和/或其中截留的离子而改变离子阱的这些参数和其它操作参数。

可以通过离子迁移率而不是质荷比或者通过质荷比与离子迁移率的组合来使离子在离子阱中分离。

各种实施例的离子阱可以是离散装置或者可以是例如在较大装置内的离子截留区。

再多了解一些
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