RF离子阱离子加载方法与流程

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本申请要求于2018年9月7日提交的名称为“rfiontrapionloadingmethod”的美国临时申请no.62/728,637的优先权，该美国临时申请通过引用整体并入本文。

本教导总体上涉及用于在质谱仪中将具有一定范围的m/z比的离子高效转移到离子阱(例如，线性离子阱(lit))中的方法和系统。

背景技术：

质谱法(ms)是具有定性应用和定量应用二者的用于测量分子的质荷比的分析技术。ms对于识别未知化合物、通过观察特定化合物的碎裂确定其结构、以及量化样本中的特定化合物的量可以是有用的。质谱仪检测作为离子的化学实体，使得在样本处理期间必须发生分析物到带电离子的转换。

在串联质谱法(ms/ms)中，可以在质谱法的第一阶段中对从离子源产生的离子进行质量选择(前驱物离子)，并且可以在第二阶段中对前驱物离子进行碎裂以产生产物离子。然后，可以检测并分析产物离子。

在一些情况下，可以将由上游的质量过滤器选择的前驱物离子引入rf离子阱中，该rf离子阱用作前驱物离子在其中经历碎裂的碰撞室。然后，碎裂的离子可以被下游的lit接收并例如经由质量选择性轴向喷射(msae)根据其m/z比被释放，以由下游的检测器进行检测。

然而，由于有效捕获电势低，常规的线性离子阱在低的所施加的(一个或多个)rf电压处对于大m/z离子可表现出差的捕获效率。增大所施加的(一个或多个)rf电压可以提高大m/z离子的捕获效率，但可能不利地影响低m/z离子的捕获，因为在较高的所施加的(一个或多个)rf电压处，低m/z离子的运动可以变得不稳定。因此，线性离子阱的质量范围通常被用单独的采样轮次进行解析并被拼回到一起，以能够处理具有宽范围的m/z比的离子。然而，质量范围的这种解析会使占空比和灵敏度降低。

因此，需要用于质谱法的改进的线性离子阱。

技术实现要素：

在一个方面中，公开了一种在质谱仪中处理离子的方法，该方法包括：将具有不同质荷(m/z)比的多种离子捕获在碰撞室中，按照m/z比的降序从碰撞室释放所述离子，以及在具有多个杆的质量分析仪中接收离子，该多个杆中的至少一个杆被施加rf(射频)电压，其中，随着所释放的离子被质量分析仪接收，rf电压从第一值变化到较低的第二值。

rf电压的从第一值到第二值的改变被配置为确保在离子按照m/z比的降序从上游的碰撞室被释放以被质量分析仪接收时，实现质量分析仪内的离子的高效捕获。尽管在一些实施例中，随着分析仪接收来自碰撞室的离子，施加到质量分析仪的rf电压的变化可以是线性的，但在其它实施例中，这种变化可以是非线性的。在一些实施例中，rf电压随时间变化的变化的特征可以在于通过平台分开的减小部分。在一些实施例中，随着具有在约50至约1000的范围内的m/z比的离子被分析仪接收，施加到质量分析仪的rf电压减小至少约80％。

然后，由质量分析仪接收的离子可以例如经由质量选择性轴向喷射(msae)而被释放，以由下游的检测器进行检测。例如，质量分析仪中包含的离子可以按照m/z比的升序(即，从低m/z至高m/z比)经由msae被释放。

在一些实施例中，碰撞室可以包括以四极配置布置的多个杆。可以向碰撞室的一个或多个杆施加一个或多个rf电压，以产生用于将离子径向约束在碰撞室内的电磁场。在一些实施例中，可以采用设置在碰撞室的入口和/或出口附近的一个或多个电极来向碰撞室施加轴向电场，以提供离子的轴向约束。

在一些实施例中，可以经由质量选择性轴向喷射(msae)实现离子从碰撞室的释放。举例来说，可以经由以下来实现msae：向碰撞室的至少一个杆施加ac激励电压以径向激励离子的子集，使得碰撞室的远端处的边缘场与受激离子之间的相互作用可以使离子从碰撞室喷射。在一些实施例中，激励电压的幅度可以从第一值倾斜变化至第二值，其中，第一值低于第二值。举例来说，激励电压的幅度可以从约0.2伏变化至约5伏。在一些实施例中，激励电压是施加到碰撞室的一对杆的双极电压。在一些实施例中，通过向设置在碰撞室和质量分析仪之间的透镜施加激励电压来执行msae。

在一些实施例中，通过将施加到碰撞室的四极杆组的杆的ac电压的幅度从第一值变化至第二值，来从碰撞室释放离子。

在一些实施例中，随着离子被质量分析仪接收，与减小施加到质量分析仪的rf电压相结合地，可以向质量分析仪施加气体压力脉冲。这样的压力脉冲可以有利地促进由质量分析仪接收的离子的冷却，并且增强在质量分析仪中的具有大范围的m/z比(例如，在约30至约4000的范围中)的离子的高效捕获。

在一些实施例中，定位在碰撞室的上游的离子源产生多种离子，并且采用设置在离子源与碰撞室之间的过滤器(例如，rf/dc过滤器)来选择那些离子的子集以用于引入碰撞室中。

在相关方面中，公开了一种质谱仪，该质谱仪包括用于产生具有不同质荷(m/z)比的多种离子的源、用于接收并捕获所述多种离子的至少子集的离子阱，其中，所述子集包括具有不同m/z比的离子。质量分析仪定位在离子阱的下游。质量分析仪可以包括：多个杆，该多个杆中的至少一个杆可以被施加rf电压；以及控制器，用于实现按照m/z比的降序从离子阱释放所捕获的离子，并随着所释放的离子被所述质量分析仪接收，变化施加到质量分析仪的至少一个杆的rf电压。

在一些实施例中，离子阱可以包括以四极配置布置的四个杆。在一些这样的实施例中，离子阱可以被配置作为碰撞室。

在以上实施例中的一些中，质谱仪还可以包括用于向质量分析仪的至少一个杆施加rf电压的一个rf电压源以及用于向离子阱的至少一个杆施加rf电压的第二rf电压源。另外，质谱仪可以包括激励电压源，该激励电压源在控制器的控制下操作，用于跨离子阱的两个杆施加激励电压以使离子从离子阱质量选择性轴向喷射(msae)。

另外，控制器可以控制向质量分析仪供应rf电压的rf电压源，以随着从离子阱释放的离子被质量分析仪接收，变化施加到用于质量分析仪的至少一个杆的rf电压的幅度，例如，减小rf电压。

可以通过结合以下简要描述的相关联附图参考以下详细描述，获得本教导的各个方面的进一步理解。

附图说明

图1是描绘了根据本教导的方法中的用于向质量分析仪加载具有一定范围的m/z比的离子的各种步骤的流程图，

图2以图形方式描绘了按照m/z的降序从碰撞室释放离子并同时减少施加到下游质量分析仪的杆的(一个或多个)rf电压的幅度，该下游质量分析仪被定位成接收从碰撞室释放的离子，

图3以图形方式描绘了以逐步的方式按照m/z比的降序从碰撞室释放离子并同时以类似的逐步的方式且与从碰撞室释放离子相呼应地减少施加到下游质量分析仪的杆的(一个或多个)rf电压的幅度，

图4a示意性描绘了根据本教导的实施例的质谱仪，

图4b示意性描绘了在图4a的质谱仪中用于向质谱仪的质量分析仪施加压力脉冲的气体源，

图5a描绘了向图4a的质谱仪的碰撞室的杆施加激励电压以用于从其释放离子的示例，

图5b描绘了向图4a的质谱仪的碰撞室和/或质量分析仪的杆施加激励电压以用于从其释放离子的示例，

图6以图形方式描绘了向碰撞室的两个相对的杆施加双极电压以按照m/z的降序从其释放离子以及向下游的质量分析仪的杆施加的rf电压，描绘了rf电压随着离子被质量分析仪接收而减小，以及

图7以图形方式描绘了以逐步的方式向碰撞室的两个相对的杆施加双极激励电压以按照m/z的降序以逐步的方式从其释放离子以及向下游的质量分析仪的杆施加的rf电压，其中，rf电压与从碰撞室释放离子相呼应地以逐步的方式减小。

具体实施方式

本教导总体上涉及用于高效地加载质量分析仪离子阱的方法和系统。如更详细地讨论的，在一些实施例中，质量分析仪离子阱可以从上游的碰撞室接收离子。随着离子被质量分析仪接收，施加到质量分析仪离子阱的杆(例如，四极杆组)的rf约束电压的幅度以例如线性或非线性方式减小。以这种方式，质量分析仪可以被有效地加载有具有宽范围的m/z比(例如，在约30至约4000的范围中的m/z比)的离子。如下面更详细讨论的，在一些实施例中，除了减小施加到质量分析仪的杆的rf电压的幅度之外，还可以向质量分析仪施加气体压力脉冲，以加速由其接收的离子的冷却。

参考图1的流程图，在用于在质谱仪中处理离子的本教导的一个实施例中，具有不同质荷(m/z)比的多种离子被捕获在碰撞室中。然后，所捕获的离子按照m/z比的降序从碰撞室被释放，并且所释放的离子被接收在包括以四极配置布置的多个杆的质量分析仪中，可以向该多个杆中的至少一个杆施加rf电压以促进将离子捕获在质量分析仪内。随着离子被质量分析仪接收，施加到质量分析仪的rf电压降低。在一些实施例中，可以使用质量选择性轴向喷射(msae)实现从碰撞室释放离子。

随后，可以例如经由msae释放在质量分析仪中收集的离子，然后，可以通过下游检测器检测所释放的离子。

施加到质量分析仪的rf电压可以随着从碰撞室释放的离子被质量分析仪接收而以各种不同的方式变化(减小)。举例来说，如图2中所示，施加到质量分析仪的rf电压可以随着离子从碰撞室释放并被质量分析仪接收而以线性方式变化(减小)。如图2中所示，在这样的实施例中，离开碰撞室的离子的m/z比随时间的变化而基本上线性地减小。与离子从碰撞室的这种释放相呼应地，施加到质量分析仪的rf约束电压的幅度也以基本上线性的方式减小，使得在给定时间施加到质量分析仪的rf电压适于约束在那时接收到的离子。换句话说，随着由碰撞室接收到的离子的m/z比改变，rf电压变化以便适于约束那些离子。尽管rf电压的幅度随着具有较低m/z比的离子被质量分析仪接收而减小，但较高m/z离子的碰撞冷却可以促进那些较高m/z离子保留在质量分析仪内。

可替代地，如图3中所示，施加到质量分析仪的rf电压可以以逐步的方式变化。在图3中描绘的实施例中，离子以逐步的方式从碰撞室释放。例如，在时间段t1期间，具有a1的m/z比的离子从碰撞室释放，以被下游的质量分析仪接收。在该时间段期间，施加到质量分析仪的杆的rf电压被配置为提供对这些离子的有效约束。随后，在下一个时间段t2中，从碰撞室释放的离子具有a2的m/z比。施加到质量分析仪的rf电压被减小，以提供对这些离子的有效径向约束。可以重复该处理，直到碰撞室中所包含的所有离子从碰撞室内释放并被质量分析仪接收。

在许多实施例中，施加到质量分析仪的rf电压随着分析仪接收从碰撞室释放的离子的变化可以使得能够将具有跨大范围的m/z比的离子(例如，具有在约50至约1000的范围中的m/z比的离子)有效捕获在质量分析仪中。

本教导可以在各种不同的质谱仪中实现。举例来说并参考图4a，根据实施例的质谱仪1300包括用于产生离子的离子源1302。离子源可以通过其中设置有孔口板(未示出)的幕帘腔室(curtainchamber)(未示出)与谱仪的下游部分分离，孔口板提供了孔口，由离子源产生的离子可以通过孔口进入下游部分。在该实施例中，rf离子引导件(q0)可以被用于使用气体动力学与射频场的组合来捕获和聚焦离子。离子引导件q0经由透镜iq1和brubaker透镜(例如，大致2.35长的仅rf的四极)将离子输送到可以位于真空腔室中的下游四极质量分析仪q1，该真空腔室可以被抽真空至可以保持比其中设置有rf离子引导件q0的腔室的压强低的压强。作为非限制示例，包含q1的真空腔室可以保持在小于约1×10^-4托(例如，约2×10^-5托)的压强处，尽管出于此目的或出于其它目的也可以使用其它压强。

如本领域的技术人员将理解的，四极杆组q1可以作为常规的传输rf/dc四极质量过滤器操作，该传输rf/dc四极质量过滤器可以操作以选择所关注的离子类型和/或所关注的一系列离子类型。举例来说，四极杆组q1可以被提供有适于在质量分辨模式下操作的rf/dc电压。如应该理解的，考虑到q1的物理性质和电学性质，可以选择所施加的rf和dc电压的参数，使得q1建立选定m/z比的透射窗口，使得这些离子可以在很大程度上不受干扰地横穿q1。然而，具有落在窗口之外的m/z比的离子没有在四极内获得稳定的轨迹，并可以被阻止横穿四极杆组q1。应该理解，这种操作模式仅仅是q1的一种可能的操作模式。举例来说，在一些实施例中，四极杆组q1以仅rf模式操作，因此充当从q0接收到的离子的离子引导件。

穿过四极杆组q1的离子可以穿过短粗件(stubby)st2(也是brubaker透镜)，进入碰撞室1304，在碰撞室1304中离子的至少一部分经历碎裂以产生离子碎片。在该实施例中，碰撞室包括四极杆组，但在其它实施例中也可以采用其它多极杆组。在控制器1312的控制下操作的rf电压源1310a将rf电压施加到碰撞室的杆，以将离子径向地约束在碰撞室内。另外，在该实施例中，iq2和iq3透镜设置在碰撞室的入口端口和出口端口附近。通过向iq2和iq3透镜施加比碰撞室的杆偏移高的dc电压，可以实现离子的轴向捕获。

在一些实施例中，碰撞室被保持在高压强处，例如，保持在约2毫托至约15毫托的范围中的压强处，以确保有效地冷却其中包含的离子。

继续参考图4a，分析仪离子阱1308设置在碰撞室1304的下游。在该实施例中，分析仪离子阱1308包括四极杆组，可以向该四极杆组施加rf电压以对其中的离子提供径向约束。在一些实施例中，可以采用定位在分析仪离子阱的输入端口和/或输出端口附近的一个或多个电极(未示出)来例如经由向电极施加dc电压在分析仪离子阱内产生轴向场，以用于轴向约束离子。

在控制器的控制下操作的另一个rf电压源1310b可以向分析仪离子阱的四极杆施加rf电压。控制器可以控制rf电压源1310b以随着离子从碰撞室释放并被分析仪离子阱接收而减小施加到分析仪离子阱的rf电压的幅度。在一些实施例中，施加到质量分析仪的杆的rf电压的幅度的变化可以例如在约20％至约90％的范围中。在所施加的rf电压的幅度减小以适应具有较低m/z比的离子的同时，由质量分析仪接收到的具有较高m/z比的离子经历碰撞冷却。尽管所施加的rf电压的幅度减小，但较高m/z离子(例如，具有在约300至约1000的范围中的m/z比的离子)的这种冷却也可以促进被捕获在质量分析仪中的那些离子的保留。

例如，图5a示意性描绘了碰撞室的四极杆以及以ω的频率施加到其以将离子径向约束在其中的rf电压。如该图中所示，施加到a杆的rf约束电压的相位与施加到b杆的rf约束电压的相位相反。在该实施例中，dc电压ro2也被施加到碰撞室的杆。

参考图5a以及图4a，也在控制器1312的控制下操作的ac激励源1311可以将处于θ的频率的ac电压施加到所有碰撞室杆，以创建在碰撞杆与四极间透镜(interquadlens)iq3之间的有效电势。

在该实施例中，碎片离子被施加到iq3透镜的dc电压轴向捕获在碰撞室的端部处。在可以从1ms至200ms变化的填充时间之后，升高施加到iq2的dc电压，以便防止附加的离子进入碰撞室。在一些实施例中，可以使用linac电极创建跨碰撞室的轴向场，以便将碰撞冷却的离子朝向碰撞室的出口区域移动。

随后，控制器1132将频率θ的ac电压从零电压增大至大到即使在不存在排斥性iq3电压的情况下也足以在将包含跨所关注的m/z窗口的离子的iq3透镜和碰撞室杆之间创建有效电势的值。在短时段(例如，不到约100μs)之后，iq3dc电压变为相对于ro2杆偏移的吸引性值。在不到约1ms的附加冷却时段之后，ac幅度斜降，从而使碰撞室内包含的离子的按照m/z降序的释放。从诸如碰撞室1304之类的离子阱释放离子的这种机制在本领域中被称为“zeno”脉冲。

在该实施例中，与从碰撞室释放离子同时地，控制器可以使rf源1310b减小施加到质量分析仪1308的杆的rf电压的幅度。如以上讨论的，这种减小可以按线性或非线性的方式实现。取决于m/z窗口，总释放时间可以从1至20ms变化。在一些实施例中，从开始将来自碰撞室的离子引入质量分析仪中起直到完成了基本上所有来自碰撞室的离子到质量分析仪的转移，施加到质量分析仪的杆的rf电压的幅度可以减小至少约20％，例如，在约20％至约95％的范围中。在一些实施例中，激励电压可以被施加到iq3透镜。

在另一个实施例中，通过跨碰撞室的四极杆组的两个杆施加双极激励电压差来释放碰撞室中包含的碎片离子。例如，图5b示意性描绘了碰撞室的四极杆以及以ω的频率施加到其以将离子径向约束在其中的rf电压。如该图中所示，施加到a杆的rf约束电压的相位与施加到b杆的rf约束电压的相位相反。在该实施例中，dc电压ro2也被施加到碰撞室的杆。

参考图5b以及图4a，也在控制器1312的控制下操作的ac激励源1311可以将频率为ω的激励电压施加到被定位成彼此径向相对的杆a。频率ω与离子的长期运动的频率匹配，以便引起碰撞室中的离子的激励，从而使离子离开碰撞室。更具体地，控制器可以使rf电压的幅度倾斜变化，从而使具有不同m/z比的离子与激励电压谐振以使其从碰撞室释放。在该实施例中，激励电压的幅度的倾斜变化被配置为使得碰撞室内包含的离子按照m/z降序释放。可替代地，可以将rf电压保持恒定并且可以增大激励的频率，使得离子被激励并按照m/z降序从阱释放。

在该实施例中，与从碰撞室释放离子同时地，控制器可以使rf源1310b减小施加到质量分析仪1308的杆的rf电压的幅度。如以上讨论的，这种减小可以按线性或非线性的方式实现。在一些实施例中，从开始将来自碰撞室的离子引入质量分析仪中起直到完成了基本上所有来自碰撞室的离子到质量分析仪的转移，施加到质量分析仪的杆的rf电压的幅度可以减小至少约20％，例如，在约20％至约95％的范围中。在一些实施例中，激励电压可以被施加到iq3透镜。在一些实施例中，激励电压的幅度可以随m/z倾斜变化。

通过进一步的图示，图6示意性描绘了在一些实施例中，由图线a描绘的施加到碰撞室的杆的ac电压的幅度从初始值ac1到最终值ac2在时间上单调地减小，以使来自q2碰撞室的离子按照如图线b中所示的m/z的降序释放。另外，与从碰撞室释放离子同时地，施加到质量分析仪q3的杆的rf约束电压的幅度减小，如图线c中示意性示出的，以使得能够将从碰撞室释放的离子高效捕获在质量分析仪内。

通过进一步的图示，图7示意性描绘了在一些实施例中，施加到碰撞室的杆的ac电压的幅度以逐步的方式变化，以使具有不同m/z比的离子在不同的时间区间中释放。例如，在时间区间t1期间，施加到碰撞室的ac电压使具有比m1大的m/z比的离子释放，而在时间区间t2期间，施加到碰撞室的ac电压使具有比m2大的m/z比的离子释放，随后，施加到碰撞室的ac电压使具有比m3大的m/z比的离子释放，其中，m1>m2>m3。如图7中所示，与从碰撞室逐步释放离子同时地，施加到质量分析仪的rf约束电压的幅度以逐步的方式减小，以便提供对从碰撞室接收的离子的有效捕获。

可选地，在一些实施例中，随着离子从碰撞室释放并被引入质量分析仪中，可以向质量分析仪施加气体压力脉冲。例如，如图4a中所示，在一些这样的实施例中，在控制器1312的控制下操作的气体源1316可以流体地耦接到质量分析仪。如图4b中示意性示出的，气体源1316包括气体储存器1316a和将气体储存器耦接到质量分析仪的阀1316b。控制器可以致动阀1316b以向质量分析仪施加气体的脉冲来增加质量分析仪内的内部压强，由此促进离子的冷却。质量分析仪的内部压强的这种增大可以促进离子的冷却，由此尽管为了捕获较低m/z离子而减小所施加的rf电压的幅度，仍有助于保留较高m/z离子。可以采用多种气体。一些合适的示例包括而不限于氮气和氩气。

在质量分析仪中收集离子之后，可以从质量分析仪释放离子，以由下游的离子检测器1314进行检测。举例来说，可以经由msae实现从质量分析仪释放离子。可以通过离子检测器检测离子，并且可以例如经由分析仪(未示出)采用由离子检测器响应于离子的检测而产生的信号来形成质谱。

本教导提供了许多优点。例如，它们使得能够高效捕获高m/z和低m/z离子二者。换句话说，它们使得能够高效捕获具有宽范围的m/z比(例如，在约50至约2000的范围中的m/z比)的离子。这进而可以增强质量分析的占空比。例如，本教导的实现方式可以导致质量分析的占空比至少提高2倍。

本领域的普通技术人员将理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下对以上实施例进行各种改变。