具有高吞吐量的多反射质谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于综合性的全质量MS-MS分析的质谱分析、多反射质谱仪、离子阱和串联质谱仪的领域。
【背景技术】
[0002]利用频繁脉动的MR-TOF
[0003]通过引用包含在此的US5017780公开一种具有折叠离子路径的多反射飞行时间质谱仪(MR-TOF) ο利用一组周期透镜改善离子约束。MR-TOR达到在100000范围内的分辨能力。当与正交加速器(OA)组合时，MR-TOF具有通常低于1%的低占用比。当与阱转换器组合时，离子包的空间电荷按每次冲击，每个离子包的离子数高于1E+3个离子地影响MR-TOF分辨率。考虑到MR-TOF中的Ims的飞行时间，这对应于通常每秒每个波峰低于1E+6的最大信号。
[0004]为了改善占用比和空间电荷吞吐量，通过引用包含在此的W02011107836公开一种开放阱静电分析器，其中离子包不再被约束在漂移方向上，以致任何质量种类由在离子反射的数目上对应于跨距的多个信号表示。该方法解决了 MR-TOF分析器中的OA占用比的问题，和空间电荷限制的问题。不过，在高于每秒1E+8个离子的离子通量下，谱解码失败。
[0005]通过引用包含在此的W02011135477公开一种编码频繁脉动(EFP)的方法，以用更加受控的方式解决相同的问题，和允许任意前期分离的极快分布图记录，时间分辨率下至10 μ S0谱解码步骤非常适合于在串联MS中记录碎片谱，因为谱密度低于0.1%。不过，当EFP MR-TOF被用作单个质谱仪时，归因于密集填充的化学背景，谱解码限制动态范围低于1Ε+4。
[0006]现代离子源能够把高达1Ε+10离子/秒(1.6ηΑ)输送到质谱仪中。如果考虑1Ε+5动态范围中的信号，那么在任何解码之前的谱密度接近30-50 % ο现有的EFP方法变得不适于在整个动态范围内，获得巨大的离子通量。
[0007]本公开通过(a)利用前期的时间方面的无损并且粗略的质量分离；质量分离离子流的气体衰减；喷射脉冲之间，周期远远小于MR-TOF中的最重离子的飞行时间的正交加速度器的频繁脉动；和利用具有扩展的动态范围和生命期的检测器处理高达1E+10离子/秒的离子通量，改进EFP-MR-T0F。无损的第一级联分离器可以是后面是大口径离子传送通道的阱阵列，或者后面是在低于10-20ev的低碰撞能量下工作的软衰减池，主要是表面诱解解离(SID)池的具有大开口粗TOF分离器的阱阵列脉动转换器。
[0008]综合件MS-MS (C-MS-MS)
[0009]为了可靠并且明确地识别被分析物，串联质谱仪如下工作:在第一质谱仪中选择母离子，并在诸如碰撞诱导解离(CID)池之类裂解池中被裂解；随后在第二质谱仪中记录碎片离子质谱。常规的串联仪器，比如四极杆-TOF(Q-TOF)滤过较窄的质量范围，同时拒绝所有其它质量范围。当分析复杂混合物时，多个m/z范围的顺序分离使采集减慢，影响灵敏度。为了提高MS-MS分析的速度和灵敏度，记载了所谓的“综合性”、“并行”或“全质量”串联配置:US6504148 和 TO01/15201 中的 Trap_T0F，TO2004008481 中的 TOF-TOFjP US7507953中的LT-T0F，所有这些专利通过引用包含在此。
[0010]不过，现有的综合性MS-MS都不能解决与过滤式串联配置相比，改进串联MS的任务，这挫败了并行MS-MS的目的。多个限制不允许使用来自离子源的高达1E+10离子/秒的整个离子流来工作。从而，第一 MS中的并行分析的增益被在MSl入口的离子损耗抵消，总的灵敏度和速度(主要受小组分的信号强度限制)不会超过常规的过滤式Q-TOF中的灵敏度和速度。
[0011]提供简要的评估，以支持陈述。在Q-TOF中，MSl的占用比为1%，以提供母质量选择的标准分辨率Rl = 100在R2?50000的分辨率下，TOF的占用比约为10-20%。MS-MS分析中的最新趋势表明这种水平的R2在MS-MS数据可靠性方面带来显著的优点，对于把TOF周期的下限设定为300 ys的MS-MS，不应考虑较低的R2。从而，供比较的全部指标是:在1E+10离子/秒的输入离子流下，DC = 0.1%, R = 5000。在如US7507953中说明的例证MS-MS中，记录单个母离子碎片的碎片质谱所需的时间至少为Ims (每个母质量碎片3个TOF质谱)。为了提供Rl = 100的母质量分离，扫描时间不小于100ms。考虑到单个线性呙子讲的空间电荷容量N = 3E+5呙子/循环，总的电荷吞吐量为3E+6呙子/秒。考虑到1E+10离子/秒的输入流，US7507953中的LT-TOF的总占用比等于0.03%，低于上面评估的Q-TOF串联配置。由于并行MS-MS的目的和任务未得到解决，因此US7507953的串联配置只是现有已知解决方案的组合:用于扩展空间电荷容量的LT，用于使离子流传送通过阱的RF通道，用于所有质量的并行记录的T0F，和并行操作的阱与TOF的串联；同时提供新的组件-用于收集经过线性阱的离子的RF通道。
[0012]本公开提出一种效率远远超过过滤串联配置之一，比如Q-TOF的综合性MS-MS分析任务的解决方案。相同的上面提出的串联配置(无损质量分离器和EFP MR-T0F)还包含在质谱级联之间的裂解池。在阱阵列的情况下，大口径衰减传输通道后面是RF会聚通道，比如离子漏斗，离子被引入CID池中，CID池例如由电阻式多极杆构成，以便实现快速离子迀移。在粗TOF分离器的情况下，和延迟脉动引出一起采用SID池。
[0013]提出的MS-EFP-MRT0F和MS-CID/SID-EFP-MRTOF串联配置存在(挫败所述目的的)相同问题，如果串联组件任意之一不能处理分离时的高于1E+10离子/秒和检测时的高于1E+9离子/秒的离子通量的话。显然，现有的阱质谱仪、粗TOF分离器、TOF检测器和数据系统都不能处理1E+9?1E+10离子/秒的离子通量。在本发明中，只有在引入多个新组件的情况下，新的仪器才变得实用。
[0014]并行质暈分离器:
[0015]分析的四极杆质量分析器(Q-MS)起通过一种m/z种类，同时除去所有其它种类的质量过滤器作用。为了提高占用比，离子阱质谱仪(ITMS)循环工作-所有m/z的离子被注入阱中，随后按质量被顺序释放。借助RF振幅的斜线变化，和在利用特定种类的长期运动的谐振激发，促进所述特定种类的喷射的辅助AC信号的支持下，实现与质量相关的离子喷射。ITMS的缺点是扫描速度低(每次扫描lOO-lOOOms)，空间电荷容量小-在3D阱中，小于3E+3，而在线性离子阱中，小于3E+5。考虑到每次扫描0.1-1秒，最大吞吐量受到限制，低于3E+6离子/秒。
[0016]Q-Trap质谱仪使用借助排斥阱边缘的质量选择性喷射来工作。为了越过边缘势皇喷射离子，在线性四极杆内，有选择地激发特定m/z离子的径向长期运动。归因于慢扫描(每次扫描0.3-1秒)，Q-Trap的吞吐量低于3E+6离子/秒。MSAE阱在lE_5Tor真空下工作，这使下游的离子收集和衰减变得复杂。
[0017]本公开提出一种新颖的质量分离器，它包括在1-1OOmTor氦气的升高气压下工作的射频阱的阵列(TA)，以致在约Ims的时间内，收集从大面积(例如，1X 1cm)发出的离子。在一个实施例中，各个阱是新式质量分析器，它包含带有利用四极DC场的径向离子喷射的四极射频(RF)讲。在实施例中，阵列最好被布置在圆柱体中心线上，以致向圆柱体内部喷射离子。另一方面，离子发射面可以是平面，或者部分是柱面或球面。
[0018]在另一个实施例中，TA包含具有谐振和径向离子喷射的线性离子阱的阵列。最好，所述阵列可被布置在圆柱体中心线上，喷射的离子在大口径圆柱形气体衰减池内被径向俘获和轴向驱动。另一方面，阵列被布置在平面内，喷射的离子由大口径离子漏斗或离子隧道收集。最好，阱阵列充满10-30mTor气压的氦气。
[0019]在一组实施例中，为了综合性的全质量MS-MS分析，在所述阱阵列和EFP-MR-TOF之间设置裂解池，比如CID池。
[0020]具有1cm长的约100个通道的阱阵列能够处理1E+8离子/循环。EFP方法允许10 μ s时间分辨率的输入离子流的快速时间剖析，这又允许把TA循环时间下降到10ms，这样使阱阵列吞吐量达到1E+10离子/秒。
[0021]电阻式离子导向装置
[0022]快速离子迀移可被有效地布置在具有叠加的轴向DC梯度的RF离子导向装置内。现有的电阻式离子导向装置存在实际限制，比如电阻薄膜的不稳定性或者块状铁氧体内的RF抑制。本发明提出一种改进的电阻式离子导向装置，它采用SiC或B4C材料的填充块状碳的电阻器，改善与DC绝缘导电迹线的RF耦接，同时利用借助次级RF线圈的中央抽头进行DC供电的标准RF电路。
[0023]TOF 检测器:
[0024]大多数现在的飞行时间检测器，比如双微通道板(MCP)和二次电子倍增管(SEM)具有测量I库仑输出电荷的生命期。考虑到1E+6检测器增益，在1E+10离子通量下，检测器工作时间不到1000秒。Daly检测器早为人们所知，其中离子撞击金属转换器，二次电子由静电场收集到后面是光电倍增管(PMT)的闪烁体上。密封的PMT的生命期可高达300C。不过，该检测器引入显著的时间扩展(数十纳秒)，并且由于二次负离子的形成，引入伪信号。
[0025]备选的混合TOF检测器包括顺序连接的微通道板(MCP)、闪烁体和PMT。不过，低于1C，MCP和闪烁体都失效。闪烁体因亚微米金属涂层的破坏而劣化。考虑到单级MCP的较低增益(1E+3)，在1E+10离子/秒的通量下，生命期延长到1E+6秒(I个月)。
[0026]为了克服现有技术的限制，本公开提出一种带有改进的闪烁体的同步Daly检测器。二次电子由磁场转向，然后被引导到闪烁体。闪烁体被金属网覆盖，以确保电荷消除。两个光电倍增管以不同的立体角，收集二次光子，从而改善检测器的动态范围。至少一个PMT-高增益PMT具有限制电子雪崩电流的常规电路。估计新的检测器的生命期在1E+10离子/秒的通量下高于1E+7秒(I年)，从而使上述串联配置实用。
[0027]数据系统:
[0028]常规的TOF MS采用积分ADC，其中在与TOF起动脉冲同步的多个波形内求信号的积分。数据流量与每个质谱的波形数成比例地被减小，以匹配进入PC的信号传输总线的速度。这种数据系统自然适合TOF MS要求，因为弱离子信号需要波形积分来检测次要种类(species)。
[0029]EFP-MRT0F要求保留串联循环期间的快速变化的波形的时间过程信息，和长波形(高达100ms)的记录。在积分时间内，长波形可被合计，与色谱分离的时间相比，所述积分时间仍然较短。在利用具有I秒波峰的气相色谱法(GC)的情况下，积分时间应该特别短，比方说0.1-0.3秒。从而，能够积分有限数目的波形(3-30)。为了减小经总线的数据流，最好零滤波信号。另一方面，零滤波信号可按所谓的数据资料记录模式被传送到PC中，其中非零数据串连同实验室时间戳一起被记录。信号最好在传输过程中由多核PC或者由多核处理器，比如视频卡分析和压缩。
[0030]结论:
[0031]预期提出的一组解决方案对于1E+10离子/秒的离子通量，提供MR-TOF的高R2=100000分辨率和高(?10% )占用比的MS和C-MS-MS，从而，与现有技术相比，显著改进各种质谱设备。
【发明内容】
[0032]提出的方法和设备目的是克服现有质谱仪和综合性串联MS的电荷吞吐量限制，同时有效利用高达1E+10离子/秒的离子通量，提供时间分辨率与色谱法时标0.1-1秒相当的质谱分析的高分辨率(R>100000)。提出了新的方法和设备，以及用于达到相同目的的多个改进组件。
[0033]在一个实施例中，提供一种高电荷吞吐量质谱分析方法，包括以下步骤:(a)在离子源中，生成在宽m/z范围中的离子；(b)在第一质量分离器内，利用介于10和100之间的分辨率，根据尚子m/z在时间上粗分尚子流；和(C)飞行时间质量分析器中的尚分辨率(R2>50000)质谱分析，所述质谱分析是按与所述飞行时间分离器中的离子飞行时间相比，小得多的周期触发的，以致使由在注入由于第一分离器中的时间分离m/z窗口较窄的离子时的各个起动产生的信号之间的质谱交叠降至最小，或者避免所述质谱交叠。
[0034]最好，所述方法还包括在质量分离级和质量分析级之间的离子裂解步骤，其中对于飞行时间内的任意一对触发脉冲之间的唯一时间间隔，所述飞行时间分析器的触发脉冲被时间编码。最好，所述粗质量分离步骤可包括多通道离子阱内或者前面是多通道阱脉冲转换器的大口径空间聚焦飞行时间分离器内的时间分离。最好，所述方法还可包括持续一部分的时间，旁路所述第一分离器，和接纳来自所述离子源的一部分离子流进入所述高分辨率质量分析器的步骤，以致分析最丰富的离子种类，而不使所述TOF分析器的空间电荷饱和，或者避免检测器的饱和。
[0035]在另一个实施例中，提供一种更详细的高电荷吞吐量质谱分析方法，包括以下步骤:(a)对于色谱分离的被分析物流，在离子源中，生成在宽离子m/z范围中的多个离子，并把所述离子流高达1E+10离子/秒地传送到中等气压下的射频离子导向装置；(b)在射频约束离子缓冲器的多个通道之间，分流所述离子流；(C)把所述流累积在所述离子缓冲器中，并定期