高占空比俘获离子迁移谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种俘获离子迁移率分析器和离子迁移率分析器的操作方法。所述俘获离子迁移率分析器包括用于沿轴径向地限定离子的射频场、具有轴向直流电场的区域和沿轴对抗所述区域中直流电场的气流，其中所述区域包括轴向直流电场增加的上升沿或轴向直流电场减小的下降沿，其中电场强度沿轴的斜率在边沿的主要部分上并不恒定。
【专利说明】
高占空比俘获离子迁移谱仪
技术领域
[0001]本发明涉及用于获取按其迀移率分离的离子的质谱的装置和方法。
【背景技术】
[0002]质谱仪只能确定离子质量m和离子电荷数z的比率。为方便起见，下文所用术语“离子的质量”或“离子质量”都是指离子的质量m除以元电荷的无量纲数z。“离子种类”应表示具有相同元素组成、相同电荷和相同三维结构的离子。离子种类通常包括同位素基团的所有离子，同位素基团由质量略有不同但迀移率几乎相同的离子组成。“异构体”是指具有相同元素组成但分子内的元素或元素基团的空间排列不同的分子。
[0003]尤其对于生物有机分子而言，关于不同种类的异构体的知识越来越重要:与初级结构有关的异构体(结构异构体)，尤其是与次级结构或三级结构有关的异构体(构象异构体)。所有异构体都具有不同的几何形状，但质量完全相同。因此，无法根据其质量区分异构体。从碎片离子质谱中可获得有关结构的一些信息;但是，有效而确定地识别、区分和选择此类异构体的方法是根据不同迀移率分离其离子。
[0004]可通过离子在电场影响下在气体中的漂移速度来测量离子的迀移率。漂移区填充有诸如静态的氦、氮或氩的惰性气体，通过(多数情况下均匀的)电场使得待研究物质的离子穿过静态气体，或利用气体吹动离子来对抗在空间上增加的电场(“电场势皇”)，在其中离子根据其迀移率沿上升电场达到平衡位置。在静态气体中和恒定电场强度E下，离子在气体中的漂移速度Vd与电场强度E成比例:Vd = KXE。比例因子K被称为离子种类的“离子迀移率系数”(或简称为“离子迀移率” )ο具体地，离子迀移率K是离子碰撞截面的函数，但会受到气体温度、气体压力、气体速度、气体类型和离子电荷的影响。
[0005]许多学术研究团队已经将使用长漂移管的离子迀移谱仪与质谱仪结合。对于迀移率漂移区，普遍应用几百帕斯卡的压力范围。为获得较高的迀移率分辨率，需要几米长的漂移区，并施加每米2000伏及更高的电场强度。通常通过门控装置以短离子脉冲的形式将离子引入漂移区，从而产生在空间上较小的离子云，利用电场使得离子云穿过漂移区。在漂移区的气体中，这些离子云会扩散。所有方向(径向和轴向)上的扩散行为都相同，因而限制了迀移率分辨率Rmcib = K/△ K = Vd/△ vd，其中△ K是在半高处迀移率K的离子信号的宽度，Δ Vd是速度上的相应差值。高于RMb = 60的迀移率值可认为是“高分辨率迀移率”。最好情况下，在长漂移管仪器中可获得高达R?b = 200的迀移率分辨率。
[0006]特别地，正交发射离子的高分辨率飞行时间质谱仪(OTOF-MS)已证明可成功将迀移谱仪和质谱仪结合在一起。对于此类结合，当前类型的高分辨率离子迀移谱仪的缺点是长达几米。这种解决方案并不利于市售仪器。即使仅提供中等分辨率的具有直漂移区的离子迀移谱仪也有大约一米长。为构造小型高分辨率迀移率分析器，必须寻找可缩短整体长度但不会降低迀移率分辨率的解决方案。
[0007]在文献US 7,838,826 BI (M.A.Park，2008年)中，介绍了一种离子迀移谱仪，其长度总计仅为5厘米。该装置在正交飞行时间质谱仪中布置经过修改的离子漏斗，在离子漏斗出口上的特殊离子通道中，移动的气体推动离子以对抗反作用电场势皇的方式移动。与其他建立小型离子迀移谱仪的试验不同，M.A.Park发明的小型装置已经能够实现高达Rmcib =250的离子迀移率分辨率。
[0008]在图1和图2中示意性示出了M.A.Park的装置及其工作原理。在图1底部介绍了所述装置的基本设计，该装置配备有入口漏斗(10)和出口漏斗(12)，每个漏斗均具有位于电极之间的开口，以便放出气体。在两个漏斗(10、12)之间，由薄电极形成封闭的管状四极通道(11)并沿z轴布置。通过绝缘材料来使电极彼此分离，该绝缘材料封闭电极之间的缝隙以形成圆管。在图1顶部，示出了漏斗(10)的电极(15、16)和四极通道(11)的电极(17、18)。它们被分割成扇形体，从而在内部产生四极射频电场。利用在指定时间管道内部四极射频(RF)场的等势线来表示管状通道(11)的电极。围绕着离子迀移谱仪的质谱仪的差动栗系统的尺寸设定为使得气体以层流方式流经管状通道(11)，进而产生近似的抛物线速度分布
(14)。进入第一漏斗(10)的离子由气体携带，在赝势的作用下碰撞聚集到管状通道(11)的轴上。它们在气体驱动下沿着管状通道(11)的轴向其出口移动，经过带孔隔膜(13)。大多数气体通过第二个漏斗(12)的各电极之间的缝隙排出。
[0009]在管状通道(11)内，直流(DC)电场势皇阻止离子并根据离子的迀移率在空间上分闻闻 J O
[0010]通常通过带孔隔膜操作离子漏斗，其开口逐渐减小至更小的直径，从而形成漏斗形状的内容积。将RF电压的两个相位交替施加于隔膜以建立赝势，从而保持离子远离漏斗壁。隔膜上的DC电势梯度驱动离子进入并通过漏斗的窄端。通过被分为四个部分的电极在此处建立第一(入口)离子漏斗(10)，从而可产生更复杂的RF场。
[0011]图2描述了本装置的工作原理。来自电喷雾离子源(未显示)的离子由气体(7)携带，通过毛细管(8)被引入真空系统的第一个腔室。施加于推斥板(9)的推斥DC电势驱动离子(6)进入迀移谱仪的入口漏斗(10)。入口漏斗(10)引导离子进入管状通道(11)，在其中由气流(14)驱动离子对抗DC电场势皇。在图2的底部，示出了 DC电场势皇分布的三个阶段。在z轴位置(20)和(23)之间，通过以二次方增加的电势而产生的轴向电场线性增加。在z轴的位置(23)和位置(24)之间，电场基本保持恒定，从而形成DC电场势皇的平台，其通过线性增加的电势而产生。在简单装置中，可通过单个电压来产生电场分布，所述单个电压施加于位置
(24)处的隔膜电极并由精密电阻沿管状通道(11)的隔膜电极划分。位于位置(20)和位置
(23)之间的电阻线性增加，(23)和(24)之间的各个电阻具有相等的电阻率。
[0012]操作从“离子积聚阶段”(A)开始。通过大约300伏的电压，生成最陡峭的电场分布，从而产生最高的DC电场势皇。用箭头(16)表示的气流驱动离子对抗DC电场势皇，并使离子在此停止，因为离子无法越过DC电场势皇。离子积聚在位置(20)和位置(23)之间的DC电场势皇的上升沿，其中低迀移率的离子(主要是碰撞截面较大的重离子)聚集在靠近上升沿上端的高电场中，反之，高迀移率的离子集中在靠近上升沿底部的低电场中，如同象征离子的圆点的大小所表示的那样。在第二阶段(B) “俘获阶段”中，通过在推斥板(9)上的吸合电压停止供应离子，离子最终到达DC电场势皇上升沿上的平衡位置。俘获阶段的时间非常短;离子在约一毫秒的时间内到达其平衡位置。在第三阶段(C) “扫描阶段”中，逐渐降低DC电场势皇的电源电压，迀移率增加的离子能够逃脱进入离子检测器，特别是作为离子检测器工作的质谱仪。
[0013]所测量的总离子电流曲线直接显示了从低离子迀移率到高离子迀移率的离子迀移谱。该装置被命名为“TIMS”，即“俘获离子迀移谱仪”。关于理论基础信息，请参见研究论文“Fundamentals of Trapped 1n Mobility Spectrometry”(K.Michelmann，J.A.Silveira，M.E.Ridgewa}^PM.A.Park，J.Am.Soc.MassSpect;rom.，2015年I月，第26卷，第I期，第14-24页)。
[0014]已改进本装置的扫描模式以实现线性迀移率范围或在迀移率范围内恒定的分辨率(M.A.Park等，US 8,766,176 B2)。将两个离子迀移谱仪串联使用，可构建迀移率过滤器(M.A.Park 等，US2012/0273673A1)。
[0015]观察发现，离子迀移率分辨率Rmcib主要取决于扫描速度(获取速度)。扫描速度越快，分辨率越低。如上文所述，可利用小型装置低速扫描来实现Rmcib = 250的离子迀移率。由于离子源中生成的离子在扫描阶段有所损失，因此在离子源中产生、在分析器中积聚并随后分析的离子的利用率由比率q = ta/(ta+ts)确定，其中ta是离子积聚时间，ts是未积聚离子的测量扫描时间。
[0016]对于某个分析任务，首先必须选择解决分析任务所需的迀移率分辨率，例如Rmcib=80。该迀移率分辨率决定扫描时间。使用最佳气体压力和气体速度，在大范围迀移率内实现该分辨率的扫描时间ts总计约为60毫秒。简单的计算显示，若要使离子源中离子的利用率达到80%，那么积聚时间ta必须在200毫秒的范围内。但是经验表明，使用普通的高增益电喷雾离子源，在积聚时间大于40毫秒时，离子在管状通道(11)中有所损失，导致占空比仅为40%。主要的损失是最为关注的高质量离子。
[0017]因此仍需要以质谱仪离子源中产生的离子的最高利用率(占空比)进行操作的装置和方法，从而减少对迀移率分辨率的限制，尤其是要用耦合到液相色谱的电喷雾离子源在自下而上的蛋白质组学领域中分析复杂样本时。
【发明内容】
[0018]本发明提供了一种离子迀移率分析器，其包括用于沿轴径向地限定离子的RF场、具有轴向DC电场的区域和沿轴对抗所述区域中DC电场的气流。所述区域包括轴向DC电场增加的上升沿或轴向DC电场减小的下降沿，电场强度沿轴的斜率在边沿的主要部分中不恒定。
[0019]优选的是，电场强度沿轴的斜率在边沿的30%以上不恒定，50%以上更优，75%以上最优。优选的是，所述RF场是四极的，并且所述气流可被径向地限定在沿区域的管道中。
[0020]优选的是，所述区域包括上升沿和具有实质上恒定的轴向DC电场的下游平台，从而形成DC电场势皇，离子被引入所述离子迀移率分析器后，气流驱动离子对抗所述DC电场势皇。上升沿在所述平台附近的斜率可以低于上升沿的其他部分的斜率。优选的是，斜率最好沿上升沿向平台单调降低。在上升沿，沿轴的电场强度可在电场势皇的上升沿与(Z-ZcOp成比例地增加，其中z是沿轴的坐标，z。是偏移量，指数P小于I。优选的是，指数P的值在0.3< P < 0.9的范围内。指数P的值最好为P = 2/3或P = 1/2。
[0021]所述区域还可包括下降沿和具有实质上恒定的轴向DC电场的下游平台，其中气流吹动离子对抗所述下降沿，从而阻碍离子通过所述下降沿。优选的是，斜率沿所述下降沿向平台单调增加。
[0022]所述离子迀移率分析器可包括电极，各电极在区域中沿轴排列并被提供DC电势，使得在上升沿或下降沿的电场强度呈现分段线性，其中电场强度的斜率在边沿的至少两个分段部分中有所不同。优选的是，根据有效的径向限定的电势来调整分段部分的斜率，径向限定的电势作用于各部分中俘获的离子种类的离子。有效的径向限定的电势取决于四极RF场的幅度和频率，取决于离子的质量、截面和电荷，特别取决于该部分中俘获的离子种类的空间电荷。在具有高空间电荷的俘获位置处降低斜率，以便减少由于离子种类的空间电荷造成的径向散焦。多个数模转换器(DAC)可生成施加于区域中沿轴排列的电极的多个DC电势，从而可自由调整沿着(上升或下降)边沿的电场斜率。
[0023]所述离子迀移率分析器包括调整所述区域中气体流速的方法和用于调整平台的电场强度的方法之一。
[0024]本发明还包括一种分析离子迀移率的方法，包括下列步骤:
[0025]-提供沿轴径向地限定离子的RF场；
[0026]-提供轴向DC电场，包括电场强度增加的上升沿或电场强度减小的下降沿，还包括具有实质上恒定的电场强度的下游平台；
[0027]-提供驱动离子对抗轴向DC电场的气流，从而在边沿上基本俘获至少两个离子种类的呙子；
[0028]-调节轴向DC电场在至少两个离子种类的俘获位置的斜率，使得在边沿上的离子种类的各个俘获位置的斜率有所不同；以及
[0029]-积聚和俘获迀移率分析器中的离子，并扫描所述平台的电场强度。
[0030]所述方法还包括步骤:确定作为迀移率的函数的离子密度或者甚至作为质量和迀移率的二维函数的离子密度，调整轴向DC电场沿边沿的斜率，使得由于在各自的俘获位置的离子种类的空间电荷排斥造成的径向离子损失最小化，并在额外的积聚和俘获步骤之后重新扫描平台的电场强度。优选的是，使用轴向DC电场下游的质量分析器检测离子，以便确定作为迀移率轴和质量轴二维分布的离子密度。可通过沿质量轴的积分，从二维分布确定作为迀移率的函数的离子密度。在积聚和俘获离子迀移率分析器中的离子期间，也可调节离子种类的俘获位置的斜率。
[0031]本发明还提供了一种包括质量分析器和离子迀移率分析器的系统，其中所述离子迀移率分析器包括用于沿轴径向限定离子的RF场、具有轴向DC电场的区域和沿轴对抗区域中的DC电场的气流。所述区域包括轴向DC电场增加的上升沿或轴向DC电场减小的下降沿。电场强度沿轴的斜率在边沿的主要部分中并不恒定。所述质量分析器可以是正交飞行时间质量分析器、四极过滤器、RF离子阱、静电离子阱和离子回旋共振质谱仪之一，并且位于所述离子迀移率分析器下游。所述系统还可包括位于离子迀移率分析器和质量分析器之间的破碎池。优选的系统包括上游迀移率分析器、四极质量过滤器、破碎池和下游高性能质量分析器(例如正交飞行时间质量分析器、静电离子阱和离子回旋共振质谱仪)。
[0032]本发明可优选地应用于自下而上的蛋白质组学领域中，其中液相色谱分离与具有电喷雾离子源的串联质谱仪结合，特别地与包括四极质量过滤器和下游高性能质量分析器的串联质谱仪结合。
【附图说明】
[0033]图1示意性地示出了根据US 7，838，826 BI (M.A.Park，2008年)中所述的目前技术的离子迀移谱仪。在图1的底部，显示了入口漏斗(10)(提供了孔之间用于排出部分气流的开放空间)、封闭的管状通道(11)和开放的出口漏斗(12)的原理性设置。通道代表了迀移谱仪的主要部分。管状通道(11)内的层流气体(14)到达抛物线速度分布，驱动离子通过管状通道(11)。管状通道(11)内的四极RF场保持离子基本处于装置的轴中，DC电场势皇(未显示)根据离子迀移率分离离子。在图1的上部分，显示了装置的两个隔膜电极，一个属于入口漏斗(10)，一个属于管状通道(11)，二者分别被分割成扇形体(15、16)和扇形体(17、18)。通过扇形体分割，RF电压可在装置内部产生四极RF场(19)。
[0034]图2显示了图1所示装置的工作原理。来自电喷雾离子源(未显示)的离子由气体
(7)携带，通过毛细管(8)被引入真空系统的第一个腔室。施加于推斥板(9)的推斥DC电势驱动离子(6)进入入口漏斗(10)。具有抛物线速度分布(14)的层流气体驱动离子对抗电场势皇通过管状通道(11)。在图2的底部，显示了电场分布E(Z)沿z轴的三个阶段，该电场通过施加在位置(20)和位置(24)之间并被沿着隔膜(未显示)的精密电阻分隔的DC电压产生。电场分布具有在位置(20)和位置(23)之间的上升沿处线性增加的DC电场，还有在(23)和(24)之间具有恒定DC电场的平台。气流用箭头(16)表示。在第一“积聚阶段”(A)中，离子积聚在DC电场的上升沿上，其中低迀移率的离子(主要是碰撞截面较大的重离子)聚集在靠近上升沿上端的高电场中，而高迀移率的离子集中在靠近上升沿底部的低电场中，如同图中以象征离子的圆点的大小表示的那样。在第二阶段(B) “俘获阶段”中，通过推斥板(9)上的吸合电压停止供应离子，离子最终在上升沿上达到其平衡位置。在第三阶段(C) “扫描阶段”中，逐渐降低DC电场势皇的电源电压，迀移率更高增加的离子能够逃脱进入离子检测器，特别是作为离子检测器运行的质谱仪。
[0035]图3显示了低迀移率(K?0.5cm2/VS)离子的迀移率分辨率R与扫描时间ts的相关性。扫描时间^包括从低迀移率(K?0.5cm2/VS)到高迀移率(K? l.0cmVVs)的全部扫描。在整个迀移率范围内，60毫秒的扫描时间可以实现约为80的迀移率分辨率;R ? 125的迀移率分辨率需要360毫秒的扫描时间。
[0036]图4示出了针对三个不同扫描时间ts = 60ms、140ms和360ms的占空比与可实现积聚时间的相关性，这三种情况可分别获得80、100和125的迀移率分辨率R。
[0037]图5显示了四种不同的电场空间分布；下方的三种分布象征性地表示本发明对不同截面的离子的密度的影响，如同不同直径的圆点所表示的那样。在上方部分(D)中，如上文所引用的文献中最初描述的那样，电场强度沿着装置的z轴线性增加，显示了沿上升沿相同的离子密度。下面，在部分(E)中，电场的上升沿显示了具有不同斜率的分段线性电场的三个部分，这三个部分分别位于z轴位置(20)和(21)、(21)和(22)以及(22)和(23)之间，最低的斜率靠近顶部。与最上方的(D)部分中的分布相比，在顶部附近，离子密度和空间电荷降低。在第三分布(F)中，电场与z2/3成比例地增加。如圆点所示，上升沿顶部附近的高质量离子将被与z2/3成比例的电场解压，而低质量离子在上升沿的底部被压缩。在斜坡顶部附近，空间电荷减少，高质量离子的损失也将大幅降低。在底部(G)中，通过缩短平台长度LP，可实现所述离子的进一步解压。
[0038]图6示出了另一个迀移谱仪，其通过气流(17)驱动离子对抗下降沿而进行操作。当离子从离子源进入装置(从左侧进入)时，离子聚集在电场分布的下降沿处并按其迀移率分离，如圆点的大小所表示的那样。改变电场分布(如箭头(19)所示)使得离子(从高迀移率的离子开始)在离子检测器的方向逃脱气流，从而产生迀移谱。如附图底部所示，曲线下降沿有助于降低空间电荷对低迀移率重离子的影响，从而避免这些离子在径向上消失。
【具体实施方式】
[0039]本发明涉及文献US 7,838,826 BI (M.A.Park，2008年)中所述的俘获离子迀移谱仪，并提供了用于增加离子源中产生的离子的利用率的设备和方法。在俘获离子迀移谱仪中，通常由气流驱动离子对抗DC电场势皇，并使离子在此停止，因为它们无法越过DC电场势皇。最初的仪器被构建为具有在势皇之前线性增加的电场，该电场对应于电势的二次方增加。在平衡状态下，具有高迀移率的离子(截面较小)集中在势皇底部附近，具有低迀移率的离子(截面较大)集中在顶点附近。
[0040]本发明基于以下认知:在长时间积聚时，高质量离子(低迀移率)会损失，因为相比于低质量离子(高迀移率)，高质量离子在赝势作用下在四极RF场内的聚集能力会弱很多。赝势的有效力与z2/m成比例，其中z是电荷数，m是离子质量。高质量离子的聚集能力更低，因此，其更易受空间电荷引起的库伦排斥的影响。多电荷离子的聚集能力更强，但也会受到库伦力的强烈推斥。
[0041]本发明的一个想法是，通过降低顶点附近的场梯度来减小此处低迀移率离子的密度，然后通过更陡峭的场梯度来接受DC电场势皇底部附近的更高密度的高迀移率离子。高迀移率离子更易被赝势聚集，受到空间电荷排斥的影响更少。可通过势皇之前的电场E(Z)的非恒定场梯度实现这一目标，例如，利用电场斜坡E?zp，其中指数P小于p = l.0，z是沿装置的轴的坐标。这会降低顶点附近的场梯度，降低高质量离子的密度，并且增加底部附近的电场梯度，增大低质量离子的密度。指数P的理想范围为0.3 <p <0.9;理想值为P = 2/3或P= 1/2。
[0042]此外，DC电场势皇的上升沿长度可增加到几厘米，优选的是超过3厘米，最好超过6厘米并且高达10厘米或更长，从而对沿电场斜坡的所有离子进行解压。
[0043]采用标准高性能电喷雾离子源对已知离子混合物进行的试验显示，可将积聚时间从大约40毫秒增加到超过200毫秒，而高质量离子的损失几乎同样少。通过这些措施，可将占空比从大约40%提尚到80%和更尚。
[0044]如上文所述，本发明部分基于文献US 7，838，82681(1^.?&4，2008年)中所描述的在图1中示意性示出的离子迀移谱仪。本发明提供了增加离子源的离子的利用率(“占空比”)的设备和方法的实施例。
[0045]最初的仪器被构建为具有在场势皇上升沿处线性增加的电场，如图2底部所示。在积聚阶段(A)，具有高迀移率的离子(截面较小)集中在DC电场势皇底部附近，具有低迀移率的离子(截面较大)集中在顶点附近。在仅有2毫秒的较短俘获阶段(B)中，会中止进一步供应离子，离子到达其沿z轴的平衡位置。如果离子具有均匀分布的迀移率，它们将在z轴呈现均匀分布，如图中的圆点所示。在扫描阶段(C)中，整体电场分布逐渐降低，迀移率更高的离子将离开按迀移率分离离子的谱仪去(例如，由质谱仪)进行检测。
[0046]所测量的离子电流曲线直接显示了从低离子迀移率到高离子迀移率的离子迀移谱。该装置被命名为“TMS”，即“俘获离子迀移谱仪”。如果将质谱仪用作离子检测器，那么总的离子电流代表迀移谱，但此外还可确定离子质量，从而沿质量轴和迀移率轴形成二维离子分布。
[0047]这种谱仪的迀移率分辨率主要取决于扫描从低迀移率(K? 0.5cm2/VS)到高迀移率(K ? 1.0cmVVs)的普通迀移率范围所需的扫描时间ts。图3中显示了该相关性。由于迀移率分辨率Rmcib略依赖于迀移率K本身，因此针对K ? 0.5cm2/VS的离子示出相关性。
[0048]在离子源中产生、在分析器中积聚并随后分析的离子的利用率由比率q= ta/(ta+ts)确定，其中ta是离子积聚时间，^是未积聚离子的测量扫描时间。由于俘获时间非常短，因此通常可以忽视。利用率也称为“占空比”。在图4中，针对三个不同扫描时间ts(对应于三个不同的迀移率分辨率R)显示了占空比与积聚时间的相关性。如果积聚期间未损失任何离子，并且分析器可以在没有离子损失或饱和效应的前提下测量所有离子，则积聚时间^越长，利用率q越高。
[0049]本发明基于以下认知:在长时间积聚时，将首先损失高质量离子(由于其截面大，通常具有低迀移率)，因为相比于具有低迀移率的低质量离子，高质量离子在赝势作用下在四极RF场内的径向聚集能力会弱很多。赝势的有效力与z2/m成比例，其中z是电荷数，m是离子质量。高质量离子在赝势作用下仅能弱聚集，因而对于空间电荷排斥更加敏感，这种排斥会驱动离子沿径向脱离装置。使用标准高性能电喷雾离子源时，积聚时间超过40毫秒后，就会开始大量损失高质量离子，对于复杂样本，这一积聚时间甚至更低。如果选择60毫秒的扫描时间^以使得最为关注的低迀移率离子的迀移率分辨率为Rmcib - 80，那么当施加的积聚时间超过40毫秒时，利用率q仅为40%。如果要实现更高的迀移率分辨率，例如Rmcib ? 110，则必须将扫描时间调整为大约120毫秒，并且利用率降低到25%。
[0050]本发明的一个想法是:降低顶点附近的低迀移率离子的密度，并且接受DC电场势皇底部附近的更高密度的高迀移率离子。通过DC电场势皇前的电场E(Z)的非恒定梯度(斜率)可实现这个目标。例如，本发明的一个实施例由图5的部分(E)中的分布示出，其显示了以三种不同梯度分段线性增加的电场。z轴位置(20)和(21)之间的电场梯度最陡峭，(21)和
(22)之间的梯度陡峭程度中等，(22)和(23)之间最平缓。靠近顶部的平缓梯度将解压具有低迀移率的离子，减少空间电荷排斥。当然，也可施加三个以上的梯度。
[0051]图5的(F)部分显示了本发明的另一个实施例。其中，电场按照函数E(z)?zp非线性增加，指数p = 2/3，z是沿z轴的位置。这种上升沿电场会降低顶点附近的场梯度，从而降低高质量离子的密度，并增加底部附近的场梯度，增大低质量离子的密度。数值P = 2/3仅是一个示例;实际上，指数P最好小于1.0。指数P的优选范围是0.3 SpS 0.9。如果离子混合物包含很多高质量离子，则P = 1/2可能更为有利;在极端情况下，即使P = 1/3也能达到最佳效果。对于其他离子混合物或特殊问题或用途，可能最好减少位于边沿的其他部分(例如边沿中部)的电场梯度。
[0052]为进行比较，图5的上部(D)显示了上升沿处线性增加的电场，其中可见的是，迀移率范围均匀分布的离子沿着上升沿均匀分布。但在实际中，离子迀移率很难均匀分布。
[0053]采用标准高性能电喷雾离子源和迀移率广泛分布的离子混合物对已知离子混合物进行的试验显示，使用与z2/3成比例增加的场E(Z)的斜坡，可将积聚时间从40毫秒增加到大约200毫秒，而不会大量损失高质量离子。对于60毫秒(R? 80)的扫描时间，可通过这些措施将占空比从大约40%增加到高达80%。
[0054]此外，DC电场势皇的上升沿可以尽可能地长，例如高达5厘米或更长，从而解压沿电场斜面的所有离子。图5的底部(G)示意性地示出了缩短的平台长度Lp以及与z2/3成比例的被拉长的上升沿的综合效果。通过短平台的额外解压效果，积聚时间可增加到大约300毫秒，而不会损失大量高质量离子。经验和理论表明，缩短平台不会大幅影响迀移率分辨率。
[0055]本发明的另一个想法是，使用可变(空间可调节)的电场分布，尤其是根据沿着迀移谱的迀移率轴的离子密度的一个或多个先前测量结果而改变分布。作为具有可变电场分布的实施例的示例，如图5的部分(E)所示，利用提供施加于位置(21)、(22)和(24)的V21、V22和V24三种电压的电压发生器，可改变分段线性增加。通过相对于电压V24调节电压V2JPV22,可产生多种电场分布。例如，如果先前的测量显示低迀移率离子的密度较高，则可将位置
(22)和(23)之间的电场梯度尽可能调节得平缓，以避免损失。当然，可在z轴上的更多位置使用更多可调节电压。
[0056]使用更为复杂的装置时，沿z轴的所有隔膜或大部分隔膜上的电压可通过一系列数模转换器(DAC)产生。然后所述装置可生成任何电场分布，其使得精确响应于迀移率范围中任何离子分布的操作能够进行。
[0057]TIMS-MS装置的各种实施例可用于不同分析任务。例如，分析任务可能要求迀移率分辨率R ? 120，这需要在K ? 0.5-1.0Cm2/VS的迀移率范围内的大约300毫秒的扫描时间。可利用根据图5的部分(G)的上升沿来完成这个任务。如果将积聚时间设定为300毫秒，则可使离子源提供的离子的利用率达到50%。但是，当电场梯度根据本发明在DC电场势皇顶部附近降低时，仅能够在没有大量损失高质量离子的情况下实现该占空比。
[0058]如果积聚时间和扫描时间都设定为300毫秒，则在3秒时间段内可执行约五次扫描。利用获取率为每秒10000样本的现代飞行时间质谱仪，在每300毫秒的扫描过程中可获取大约3000个质谱，因此每3秒钟可获取30000个质谱。如果将迀移率轴分为120个区段并且在每个区段中添加具有相同迀移率的离子的相应质谱，则在每个区段，每3秒钟可获取250个质谱。3秒钟的时间段是从与质谱仪结合的液相色谱仪(HPLC)中对离子采样的最佳时间，该液相色谱仪提供长度约为20秒到30秒的物质峰，该操作可针对根据离子迀移率而被有效分离的离子提供高质量质谱。
[0059 ]本发明提供了优选离子迀移谱仪，在其中通过径向作用的四极RF场使离子保持在管道的z轴附近，通过管道的气流吹动离子对抗DC电场势皇，其中沿装置z轴的电场强度E(z)在势皇的上升沿具有非恒定的场梯度(斜率)，靠近DC电场势皇顶部的场梯度低于上升沿其他部分中的场梯度。
[0060]在一个实施例中，沿装置z轴的电场强度E(Z)在场势皇的上升沿与Zp成比例地增加，指数P低于1.0。指数P的值可以在0.3<p<0.9的范围内；确切值为P = 2/3或P = 1/2。
[0061]在另一实施例中，电压生成器可提供多个电压以调节沿装置z轴的DC电场势皇上升沿处的电场强度E(Z)分布。控制单元可使用在先前的一个或多个扫描过程中作为迀移率的函数测得的离子密度数据，来控制沿装置z轴的电场强度E(Z)分布，以使积聚期间的离子损失最小化。在迀移率扫描阶段，可按照使电场强度梯度不超过离子积聚处的梯度的方式来更改电场分布。
[0062]在图6所示的俘获离子迀移谱仪的另一实施例中，与图5所示的实施例相比，气流反向，并驱动离子对抗下降沿的电场移动。当入口电场允许离子从离子源进入装置(从左侧进入)时，离子在电场分布的下降沿上被俘获，并按其迀移率在空间上分离，如圆点的大小所示的那样。更改电场分布(用箭头(19)表示)使得离子(从高迀移率的离子开始)能够受到逐步增加的电场驱动而对抗反作用气流(17)并向离子检测器方向移动，从而获得迀移谱。如图6底部所示，具有非恒定电场强度斜率的曲线下降沿有助于降低空间电荷对低迀移率的重离子的影响，从而避免离子在横向上消失。
[0063]此外，本发明还提出了离子迀移谱仪的操作方法，其中，通过径向作用的四极RF场使离子保持在管道的z轴附近，通过管道的气流对抗DC电场势皇吹动离子，其中，在一个或多个先前的扫描中测量作为迀移率函数的离子密度，并沿着装置的z轴调节电场强度E(Z)的分布，从而使积聚期间的离子损失最小化。
【主权项】
1.一种离子迀移率分析器，包括用于沿轴径向地限定离子的射频场、具有轴向直流电场的区域和沿轴对抗所述区域中的直流电场的气流，其中，所述区域包括轴向直流电场增加的上升沿，或轴向直流电场减小的下降沿，所述离子迀移率分析器特征在于电场强度沿轴的斜率在所述上升沿或下降沿的主要部分中不恒定。2.根据权利要求1所述的离子迀移率分析器，其中，所述区域包括上升沿和具有实质上恒定的轴向直流电场的下游平台，从而形成直流电场势皇，离子被引入所述离子迀移率分析器后，气流驱动离子对抗所述直流电场势皇。3.根据权利要求2所述的离子迀移率分析器，其中，所述上升沿在所述平台附近的斜率低于所述上升沿的其他部分的斜率。4.根据权利要求3所述的离子迀移率分析器，其中，所述斜率沿所述上升沿向所述平台单调减小。5.根据权利要求4所述的离子迀移率分析器，其中，沿轴的电场强度在所述电场势皇的上升沿与(Z-ZcOp成比例地增加，其中z是沿轴的坐标，z。是偏移量，指数P小于I。6.根据权利要求5所述的离子迀移率分析器，其中，指数P的值在0.3 < P < 0.9的范围内。7.根据权利要求6所述的离子迀移率分析器，其中，指数P的值为P= 2/3或P = 1/2。8.根据权利要求1所述的离子迀移率分析器，其中，所述区域包括下降沿和具有实质上恒定的轴向直流电场的下游平台，并且其中气流吹动离子对抗所述下降沿，从而阻碍离子通过所述下降沿。9.根据权利要求8所述的离子迀移率分析器，其中，所述斜率沿所述下降沿向所述平台单调增加。10.根据权利要求1所述的离子迀移率分析器，其中，所述离子迀移率分析器包括电极，各电极在所述区域中沿轴排列并被提供直流电势，从而使得在所述上升沿或下降沿上的电场强度呈现分段线性，其中所述电场强度的斜率在所述上升沿或下降沿的至少两个分段部分中不同。11.根据权利要求10所述的离子迀移率分析器，其中，根据有效的径向限定的电势来调整各个分段部分的斜率，所述径向限定的电势作用于各部分中俘获的离子种类的离子。12.根据权利要求11所述的离子迀移率分析器，其中有效的径向限定的电势取决于四极射频场的幅度和频率，取决于离子的质量和电荷，并取决于各部分中俘获的离子种类的空间电荷。13.根据权利要求1所述的离子迀移率分析器，其中，所述射频场是四极的。14.根据权利要求1所述的离子迀移率分析器，其中，所述气流被径向地限定在沿所述区域的管道中。15.根据权利要求2或8所述的离子迀移率分析器，其中，所述离子迀移率分析器包括用于调整所述区域中的气体流速的方法与用于调整所述平台的场强度的方法之一。16.—种分析离子迀移率的方法，包括下列步骤: 提供沿轴径向地限定离子的射频场； 提供轴向直流电场，所述轴向直流电场包括电场强度增加的上升沿或电场强度减小的下降沿以及具有实质上恒定的电场强度的下游平台； 提供驱动离子对抗所述轴向直流电场的气流，从而在所述上升沿或下降沿上实质上俘获至少两个离子种类的离子； 调节轴向直流电场在所述至少两个离子种类的俘获位置处的斜率，使得在所述上升沿或下降沿上的离子种类的各个俘获位置的斜率不同；以及 积聚和俘获所述迀移率分析器中的离子，并扫描所述平台处的电场强度。17.根据权利要求16所述的方法，还包括下列步骤: 确定作为迀移率的函数的离子密度或作为质量和迀移率的二维函数的离子密度； 调节轴向直流电场沿所述上升沿或下降沿的斜率，从而使得由于在各自的俘获位置处的离子种类的空间电荷排斥而造成的离子损失最小化;以及 在额外的积聚和俘获步骤之后，重新扫描所述平台的场强度。18.—种包括质量分析器和离子迀移率分析器的系统，其中，所述离子迀移率分析器包括用于沿轴径向地限定离子的射频场、具有轴向直流电场的区域和沿轴对抗所述区域中的直流电场的气流，所述区域包括轴向直流电场增加的上升沿，或轴向直流电场减小的下降沿，其中，电场强度沿轴的斜率在所述上升沿或所述下降沿的主要部分中不恒定。19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述质量分析器是正交飞行时间质量分析器、四极过滤器、射频离子阱、静电离子阱和离子回旋共振质谱仪之一，并且位于所述离子迀移率分析器的下游。20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述系统还包括位于所述离子迀移率分析器和所述质量分析器之间的破碎池。
【文档编号】G01N27/62GK105869980SQ201610076654
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】梅尔文·安德鲁·帕克, 奥利弗·拉瑟
【申请人】布鲁克道尔顿有限公司