关于质谱仪的改进的制作方法

专利名称：关于质谱仪的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及质谱仪，该质谱仪含反应单元并且其中既从未经反应的离子又从 反应产物离子釆集质谱。尽管并非排他地，然而本发明尤其适用于级联质谱仪，其 中从前体和碎片离子采集质谱。
背景技术：
质谱仪一般包括离子源，在那里使分析物离子化并提取以传给质量分析器。 离子光学器件通过质谱仪控制离子通过。在离子源和质量分析器之间的离子路径可 包括一个或多个离子阱/离子存储器，并还包括又一质量分析器。所述又一质量分 析器经常用于预扫描的快速获取(即用于离子初始识别的低分辨率质谱)。另一个 质量分析器往往具有更高的分辨率。在其最宽的范畴，本发明涉及一种选择地使用反应单元以改变想要分析的离 子数量的质谱仪。"反应"可以是例如滤质、引入其它离子、碎片离子、使离子反 应以形成新的分子种类或改变离子的能量或离子带电状态以改变离子数量的任何 动作，除了一些特殊例子外。当然，也可在反应单元中实现上述内容的结合。经常 希望从未经反应的离子和产物离子采集质谱。这允许获得不同的质谱以使产物离子 易于识别。在传统的级联质谱仪中，反应单元也位于离子源和高分辨率质量分析器之间 的离子路径上。结果，所有离子必须通过反应单元以到达高分辨率质谱仪。如果要 求来自前体离子的质谱，则必须禁用反应单元。质谱仪经常要连续地在获得前体和 产物离子的质谱之间切换，因此反应单元的操作也必须在反应和不反应之间连续地 切换。在最佳情形下，这引入时间延迟和离子损失；在最坏的情形下(例如与活性 气体反应)，这种切换在分析的时间尺度上是无法实现的。为了给本发明提供一种具体的背景，下面将对级联质谱仪进行简单说明。级联质谱仪包括在反应单元中的前体离子的断片。可以多种方式来影响断片，例如电 子捕获离解(ECD)、碰撞致离解(CID)、光子致离解(PID)、表面致离解(SID)、
电子转移离解(ETD)等。在级联质谱仪中，就该术语的狭义而言，仅存在一级断 裂以使质谱取自前体和第一代碎片离子。然而，可执行更多级断裂以使碎片离子自 身断裂。这被称为MS"度谱法，其中n指选择级以使级联质谱仪与MSS对应。典型的级联质谱仪揭示于HuntDF、 BukoAM、 Ballard JM、 Shabanowitz J和 Giordani AB的论文，Biomedical Mass Spectrometry 8 (9) (1981) 397—408 (前体和 断片均通过四极子选择)；H. R. Morris、 T. Paxton、 A. Dell、 J. Langhorne、 M. Berg、 R. S. Bordoli、 J. Hoyes禾卩R. H. Bateman， Rapid Comm. in Mass Spectrum, 10(1996)889-896的论文和多个专利，例如US6285027B1 (其中通过四极子选择前 体而使用渡越时间(TOF)分析器分析断片)。这些质谱仪的每一个具有设置在离 子源和质量分析器之间的离子路径上的断裂单元。因此，当要求从前体离子获得质 谱时必须禁用反应单元。在CID中，必须从断片单元中抽空碰撞气体，这是一个 费时的处理。US 2002/115,056、 US 2002/119,490和US 2002/168,682中提供更高的断片吞 吐量，其中平行地对所有前体执行离子断裂并为了速度牺牲种别性。US 6,586,727提出一种折衷方案，其中为了从碎片离子中采集质谱，运作反应 单元以产生最佳断片，为了从前体离子采集质谱，运作反应单元以使断片还原。为 得到感兴趣的碎片离子或由预定中性丧失分离的前体/断片峰对而搜索分别取自前 体和碎片离子的质谱。可为后级级联质谱仪选择所识别的对。为了可靠的识别，必 须用若干份/百万的精确度确定前体和断片质量峰值m/z。因此这些并行处理方法要 求使用诸如FTICR、单反射或多反射TOF、轨道阱等精确质量分析器，它们均以 基本脉冲方式工作。然而，以相当低的传输和占空周期由正交加速TOF分析器对 US 6,586,727中离开反应单元的连续离子束进行采样，由此该方法的灵敏度获得折 衷。另外，质谱仪的布局使其在断裂操作时无法获得前体质谱(这对于诸如ETD、 ECD、 IRMPD的相对慢的断裂方法而言是非常有利的)。通常，这类仪器的线性 几何形状使这类新颖方法的配置变得非常困难并且倾向于降低分析性能。WO97/48120描述一种级联质谱仪，它使用渡越时间(TOF)质量分析器。提 供不寻常地位于TOF分析仪一边的反应单元。由离子源产生前体离子，从旁路进 入TOF分析仪以由离子镜反射。当需要前体离子的质谱时，操作离子镜以将入射 的前体离子反射到TOF分析仪的检测元件上。当感兴趣的是碎片离子时，操作离 子镜反射离子以使其错过检测元件而退出TOF分析仪并进入使它们分裂的反应单 元。碎片离子从反应单元排放回到TOF分析仪，在那里操作离子镜以将碎片离子
入射到检测元件上。尽管这种几何形状在反应单元的设计和操作上提供更大的灵活 性，然而由于正交脉冲的低占空周期引起的高离子损失，其应用受到限制。除了已经说明的在分裂/非分裂模式之间切换的问题外，上述质谱仪还存在多 个问题。同一时间从所有碎片离子获得质谱。结果，碎片质谱变得非常密集并且这 限制了将要寻找的前体/断片对的数目。另外，这还不利地影响在搜索中处理的离 子密度的动态范围(即，也许不会注意到低密度前体峰)。发明内容本发明的目的是避免上述质谱仪的限制，这是通过O物理地分离通过质谱仪 的、要被分裂的离子和不被分裂的离子所遵循的离子路径，以及2)使用共同单元 将后面的分裂离子或未分裂离子脉冲注入至精确质量分析器实现的。相对这样的背景并根据第一方面，本发明实现在质谱仪中，该质谱仪包括离 子源、反应单元和质量分析器；质谱仪界定主离子路径和分支离子路径，其中主离 子路径在离子源和质量分析器之间延伸，并且主离子路径在含离子光学器件的节点 处与分支离子路径交汇，所述离子光学器件工作以选择性地引导离子从离子源沿主 离子路径或分支离子路径向下游移动，所述分支离子路径在该节点或含离子光学器 件的另一节点与质量分析器上游的主离子路径再次交汇，所述离子光学器件工作以 将从主离子路径和分支离子路径入射的离子引导向质量分析器，其中反应单元位于 分支离子路径的分离部分，并且其中紧接在质量分析器上游侧的离子光学器件工作 以沿主离子路径引导离子脉冲至质量分析器。将反应单元置于分支离子路径上，与通向分析仪的主离子路径相对，意味着 当通过前体离子采集质谱时可避开反应单元。结果，不必反复切换反应单元使其通 和断可随时切换反应单元，并且作为离子脉冲，仅在引导离子至反应单元或引导 至质量分析器之间切换在节点处的离子光学器件。总的的来说，切换离子光学器件 的速度比切换反应单元的通和断的速度更快(尤其是当存在反应气体或热阴极时)。 对于填充气体的单元，还节约了离子跃变时间(典型为几毫秒到几十毫秒)。对于相对缓慢的分裂方法(例如ETD、 ECD、 IRMPD)，有利的是将离子局 限于分支路径中，并同时使用主路径实现前体的质谱分析。应当理解"主"离子路径和"分支"离子路径仅为相对术语，并且没有特别 的重要性必须关联于术语"主"。如此，主离子路径事实上可以比分支离子路径更 短或包含更少的组件。 有利地，紧接在质量分析器上游侧的离子光学器件可工作以预备离子使其作为排至质量分析器的离子脉冲。总的来说，相同m/z的离子的脉冲持续时间最好应 当低于lms，并较佳地低于10微秒。最佳范围对应于比0.5微秒更短的离子脉冲 (这可用于大致在400和2000之间的m/z)。或者，尤其对于具有m/z展宽的离 子脉冲，发射脉冲的空间长度应小于lm，较佳地在50mm以下。最佳范围对应于 约5-10mm或更短的离子脉冲。该最佳范围尤其有利于如轨道阱分析仪和多反射 TOF分析仪的静电型质量分析器。反应单元可位于分支离子路径的末端。通过这种配置，反应单元可工作以从 分支离子路径接收离子，处理离子，并允许产物离子沿分支离子路径沿上游方向退 回，以在节点处与主离子路径再次交汇。 一旦再次到达节点，节点处的离子光学器 件可工作，以沿主离子路径引导离子向下游至质量分析器。或者，反应单元可位于沿在第二节点处与主离子路径再次交汇的分支离子路 径的中途。第二节点可具有离子光学器件，所述离子光学器件工作，以将从主离子 路径和分支离子路径入射的离子引导向质量分析器。通过这种配置，反应单元可工 作，以从分支离子路径接收离子，处理这些离子，以及以允许产物离子沿分支离子 路径的延伸段沿下游方向退回到另一节点。在所有情形下，紧接在质量分析器之前的节点可提供离子存储，以及后来把 所存储的离子以脉冲形式发送至质量分析器。从第二方面来看，本发明实现为具有纵轴的质谱仪，所述质谱仪包括离子 源，用来沿所述轴引导离子；反应单元，它具有位于所述轴上的入口孔；质量分析 器；以及可在第一模式和第二模式之间进行切换的离子光学器件，在第一模式中， 沿所述轴把来自离子源的离子引导至所述反应单元，并且把在反应单元中产生的产 物离子引导至质量分析器以供分析，在第二模式中，来自离子源的离子偏离所述轴， 并引导至质量分析器以供分析而不进入反应单元。较佳地，质量分析器位于连接离子源和质量分析器的主离子路径上，并且反 应单元位于与主离子路径在具有离子光学器件的节点处交汇的分支离子路径上，所述离子光学器件工作，以选择性地引导离子沿主离子路径或分支离子路径移动，其 中节点上游的分支离子路径和主离子路径的一部分沿纵轴延伸。从第三方面来看，本发明实现于具有纵轴的质谱仪，所述质谱仪包括离子 源，用来沿所述轴引导离子；反应单元；质量分析器，它具有位于所述轴上的入口 孔；以及可在第一模式和第二模式之间进行切换的离子光学器件，在第一模式中，
来自离子源的离子偏离所述轴并被引导至反应单元并且把反应单元中产生的产物 离子引导回到所述轴并引导至质量分析器的所述入口？L，在第二模式中，来自离子 源的离子沿所述轴引导至质量分析器以供分析而不进入反应单元。较佳地，质量分析器位于与纵轴对应的主离子路径上，而反应单元位于与主 路径在具有离子光学器件的节点上交汇的单独的分支离子路径上，所述离子光学器 件工作，以选择性地沿主离子路径或分支离子路径引导离子。作为选择，可把根据第二和第三方面的质谱仪配置成向质量分析器提供离子 作为离子脉冲。作为选择，质谱仪还包括位于节点和/或任何其它节点处的离子阱，由此允许 在继续沿主离子路径排出离子或遵循分支离子路径之前捕获离子。在当前的较佳实 施例中，离子阱是曲型线性阱。使离子轴向地排至反应单元，并正交地排至质量分 析器。较佳地，正交排放利用离子阱的曲率使离子聚焦的优点。作为选择，反应单元可以是下面任何一种用于碰撞致离解的充满气体的碰撞单元，设有引入其它离子的离子源的单元(例如用于ETD或电荷减少)，设有用于光子致离解的激光源的单元，设有用于表面致离解的表面的单元，设有用于电子捕获离解的电子源的单元，用作离子不稳定性或电荷过滤器的DC或电场不对称 的离子迁移质谱仪或上面的任何组合。质谱仪还包括根据第一和第二模式控制质谱仪操作的控制器。第一模式包括 使离子源产生离子，使离子光学器件引导离子至节点，使节点的离子光学器件引导 离子至反应单元，使反应单元处理离子以形成产物离子，使离子光学器件引导产物 离子至质量分析器，并使质量分析器从产物离子获得至少一个质谱。第二模式包括 使离子源产生离子，使离子光学器件引导离子至节点，使节点的离子光学器件引导 离子至质量分析器，并使质量分析器从产物离子获得至少一个质谱。重要的是要注意，两种模式能同时运行。例如，当在反应单元中处理第一组 离子时，第二组离子将没有任何阻碍地流向质量分析器以产生产物质谱。作为选择，质谱仪还包括用来过滤由反应单元产生的产物离子的过滤器。过 滤器可工作以基于质量或能量(或者在质谱仪求正弦得到的离子的质量和能量之间 存在密切联系的情形下有效地基于这两者)过滤离子。例如，可选择想要的离子质 量范围。对于位于分支离子路径末端的反应单元，可实现尤其便利的过滤器。可使用离子镜将产物离子沿分支离子路径反射回去。可设定离子镜上的电势为的是在要求 的上限能量或质量之下反射离子。可设定另一电势为由所反射的离子所面对。把该 电势设置成限定下限能量或质量，以仅使高于该阈值的离子继续流向质量分析器， 这些离子在那里受到检测。因此，仅允许具有在上限和下限之间的能量或质量的离 子回到质量分析器，而滤除了所有其它的离子。从第四方面来看，本发明实现为一种质谱仪的方法，包括将第一组离子从 离子源沿主离子路径导向质量分析器，并从第一组离子获得至少一个质谱；沿分支 离子路径将来自离子源的第二组离子引导至与主离子路径分离的反应单元；在反应 单元中形成产物离子；沿分支离子路径引导产物离子以与主离子路径再次汇合；沿 主离子路径引导产物离子至质量分析器；并从产物离子获得至少一个质谱。有利地，这允许反应单元在质谱仪工作过程中连续工作。以另一种方式来说, 提供一种运作质谱仪以从前体和产物离子采集质谱的方法，其中反应单元保持在工 作模式以处理进入反应单元的离子而形成产物离子，并且通过在至反应单元的分支 离子路径和避开反应单元的主离子路径之间切换离子路径而实现从前体离子获得 质谱向从产物离子获得质谱的改变。作为选择，上述方法适用于级联质谱仪，在那里形成的产物离子含分裂的前 体离子以形成碎片离子。可采用其它使离子"反应"的方法。本质上说，反应单元 以某些方式改变反应单元中的离子数量。离子本身可变(例如通过分裂或反应)， 可添加离子(例如校准物)，去除离子(例如根据质量或离子迁移率选择)或改变 离子的性质(例如它们的动能或内部能量等)。为了分析复杂的混合物，必须以两个步骤使用质谱仪。在实验的第一步，不 进行质量选择，并通过质量分析器测量所有前体离子和那些前体离子的断片。或者 通过m/z或m/z的差比较这两个质谱以识别是否任何所述产物离子与任何前体离子 一致。为了可靠地进行识别，应当以高于a)0.01%、 b)0.002%、 c)0.001%、 d)0.0005%、 e)0.0002。/。的精确度确定m/z或m/z的差，质量精确度越高，错误肯定的概率越低。在识别感兴趣的前体后，可切换质谱仪以使用过滤器仅将一个或多个感兴趣 的前体从一组离子中隔离出来，并仅将所隔离的离子沿分支离子路径引导至反应单 元。在把感兴趣的前体传输至质量分析器之后获得如此从所选择的感兴趣的前体中 获得的碎片离子的断片质谱并针对数据库进行搜索。本发明的方法还包括质量或能量过滤，如前面已经描述的那样。本发明还实现为用来使质谱仪根据上述任何方法工作的控制器。本发明还实 现为含计算机指令的计算机程序，当在上述控制器上执行该指令时，使质谱仪根据 任何一种前述方法工作，本发明还实现为载有这种计算机程序的计算机可读介质。


为了使本发明更易于理解，下面将参照附图对示例性实施例进行说明，在附图中图la—d是根据本发明实施例的质谱仪的选择性配置的示意图； 图2是根据本发明实施例的质谱仪的示意图；图3是设定在图2的质谱仪的中间离子存储器、反应单元和离子镜上的电势 的图解；图4是根据图2的一般配置的质谱仪的更详细的说明； 图5是根据本发明又一实施例的质谱仪的示意图；以及图6是设定在图5的质谱仪的中间离子存储器、反应单元、能量分析器和又 一离子存储器上的电势的图解。
具体实施方式
本发明提供一种具有设置在分离离子路径上的反应单元和质量分析器的质谱 仪。可以若干方式实现这种配置，图1以高度示意的形式示出可能配置中的四种。图la示出一种质谱仪10的配置，它包括离子源20，位于主离子路径40上的 质量分析器30和位于分支离子路径60上的反应单元50。在图la—ld中，以实线 40表示主离子路径，而以虚线60表示分支离子路径。质谱仪10具有与从离子源 20延伸至质量分析器30的主离子路径40 —致的纵轴12。主离子路径40具有从离 子源20延伸至由离子光学器件形成的节点70的第一腿40a。主离子路径40的第 二腿40b从节点70延续至质量分析器30。分支离子路径60从节点70延伸至反应 单元50。尽管所图示的分支离子路径60为与纵轴12成直角，但是也可选择其它 角度。离子光学器件70工作以选择性地沿下面三条路线中之一引导离子(i)从 主路径40的第一腿40a至第二腿40b; ( ii )从主离子路径40的第一腿40a至分 支离子路径60;以及(iii)从分支离子路径60至主离子路径40的第二腿40b。在工作时，质谱仪10用来从前体离子或产物离子采集质谱。当从前体离子釆 集质谱时，离子源20产生前体离子，把所述前体离子导向节点70，在那里离子光 学器件随后沿主路径40的第二腿40b直接将前体离子引导向采集质谱的质量分析 器30。当从产物离子采集质谱时，离子光学器件使由离子源20产生的前体离子在
节点70处折射，以沿分支离子路径60走向反应单元50。在反应单元50中通过前 体离子产生产物离子。产物离子沿分支离子路径60返回至节点70,在那里离子光 学器件使产物离子折射，以使其遵循主离子路径40的第二腿40b至质量分析器30， 在那里采集产物离子的质谱。在所有附图中，可将额外的质谱分析级安装在离子源 20和节点70之间，包括离子阱、四极子和渡越时间型质谱分析级。图lb示出广义上与图la相似的另一配置，除了己调换质量分析器30和反应 单元50。结果，主离子路径40的第一腿40a和分支离子路径60位于纵轴12上。 在从前体离子采集质谱的过程中，把由离子源20产生的前体离子引导至节点70， 在那里离子光学器件使离子折射，以使其继续沿主离子路径40的第二腿40b流向 质量分析器30。尽管图示为通过直角折射，但也可选择其它角度。在从产物离子 采集质谱的过程中，仅使前体离子通过节点70沿分支离子路径60连续进行至反应 单元50。在形成产物离子后，它们返回至节点70,在那里离子光学器件使它们折 射，以沿主离子路径40的第二腿40b行进至质量分析器30。较佳地，在图la和lb中，节点70处的离子光学器件工作，以将离子脉冲发 射至质量分析器30。图la和lb的质谱仪10均具有纵轴12，或者质量分析器30或者反应单元50 位于其上。另一种配置放弃纵轴12。例如，节点70处的离子光学器件可正交地使 离子向质量分析器40和反应单元50折射，以形成，例如，T形质谱仪结果。另外， 可通过小于直角的角度进行折射，以形成Y形质谱仪结果。在图la和图lb的例子中，产物离子必须沿前体离子进入反应单元50的相反 方向退出反应单元50。图lc和ld示出质谱仪10，其中产物离子沿与前体离子进 入反应单元50的方向相同的方向退出反应单元50的。图lc示出质谱仪10，它具有与其纵轴12对应的主离子路径40。其上设有反 应单元50的分支离子路径60在第一节点70a处与主离子路径40分开，并在第二 节点70b处与主离子路径40重新汇合。结果，主离子路径40包括三个部分(i ) 从离子源20延伸至第一节点70a并为所有经过质谱仪10的离子共用的第一腿40a;(ii )在第一和第二节点70a、 70b之间延伸并平行于分支离子路径60延伸的第二 腿40b;以及(iii)从第二节点70b向质量分析器30延伸的、共用于所有通过质 谱仪10的离子的第三腿40c。当从前体离子获得质谱时，把在离子源20中产生的离子沿主离子路径40的 第一腿40a引导至第一节点70a，在那里离子光学器件仅沿与主离子路径40的第
二腿40b的相同方向引导离子继续前进。前体离子値后到达第二节点70b，在那里 离子光学器件再次仅沿其路径经由主离子路径40的第三腿40c将离子引导至质量 分析器30。较佳地，第二节点70b处的离子光学器件工作，以将离子脉冲射向质 量分析器30。当从产物离子采集质谱时，由离子源20产生的前体离子到达第一节点70a， 在那里离子光学器件将离子沿分支离子路径60转移至反应单元50。这里，从前体 离子形成产物离子。在图la和lb的实施例中，或者必须在反应单元50中捕获离 子并返回排出，或者必须使它们反射。在图lc的实施例中，尽管如有必要则捕获 离子，然而可仅允许离子通过反应单元50漂移，在进行时完成反应。退出反应单 元50的产物离子到达第二节点70b，在那里离子光学器件转变它们的路径，以使 该路径与主离子路径再次汇合以继续进入质量分析器30。图ld的质谱仪10从广义上说是相同的，除了已调换了主离子路径40的第二 腿40b和分支离子路径60。结果，反应单元50位于质谱仪10的纵轴12上。当从 前体离子采集质谱时，离子源20产生的离子由第一节点70a处的离子光学器件偏 移以遵循在反应单元50周围延伸的主离子路径40的第二腿40b。前体离子随后移 回到主离子路径40以沿第三腿40c至质量分析器30。当从产物离子取质谱时，第 一节点70a处的离子光学器件仅引导前体离子沿纵轴12继续行进，由此沿分支离 子路径60至反应单元50，在那里前体离子反应以形成产物离子。产物离子继续沿 分支离子路径60至第二节点70b，在那里仅引导产物离子沿纵轴12至质量分析器 30。当然，其它配置可能等同于图lc和ld中的配置。例如，质量分析器30可不 定位在纵轴12上，但也可离轴定位以与反应单元50对齐。这意味着不管离子遵循 什么离子路径，它们仅在一个节点70被折射，或者在节点70a被折射然后沿直线 通过反应单元50和节点70b或以相反顺序行进。反应单元50和质量分析器30两 者均可偏离纵轴12。例如，它们可以相等的量偏离在纵轴12的任何一侧。如所能理解的那样，向质量分析器10提供分离的离子路径， 一条经过反应单 元50， 一条使反应单元50旁路。这样，反应单元50可在任何时间保持在工作状 态如果要求前体离子扫描，则离子单纯地避开反应单元50并由此保持完整。如 果要求产物离子扫描，则可快速切换离子光学器件70以将前体离子转移至反应单 元50。图la—ld的配置是高度示意性的，并且仅示出与本发明最相关的基础元件。
典型地，根据本发明的质谱仪的任何具体实施例包含其它部件以实现进一步的功能，例如离子阱、离子存储器和引导离子通过质谱仪io或甚至用于离子选择的另 外的离子光学器件。图2中示意地示出和图4中更详细地示出根据本发明的级联质 谱仪10的示例性实施例。级联质谱仪10用来从前体和碎片离子采集质谱。质谱仪10与图lb中的质谱仪对应，具有从离子源20向反应单元50延伸的 纵轴12。离子源20可以是任何传统形式。图4示出离子源20配有通过离子发生 器24离子化的分析物离子。通过离子光学器件80引导离开离子源20的离子沿质谱仪10的纵轴12进入 线性离子阱90。根据US 2003/0183759号或US 6,177,668的离子阱90中暂时积存 离子。在该实施例中，离子阱卯包含lm托氦以使离子与气体分子碰撞而丧失它 们的一些动能。或者在固定时延后(选择以在离子阱90中积聚足够的离子)或者 在离子阱90中已检测到足够离子之后，将离子从离子阱90中排出。为了实现后面 一种情况，可以为离子阱90配备质谱分析和检测能力，用来实现存储在离子阱90 中的离子的预扫描。从离子阱90中排出的离子由离子光学器件100引导至中间离子存储器70。中 间离子存储器70包括四极子曲型线性阱70以使纵轴12在延伸通过的同时弯曲。 中间离子存储器70的末端受到用来捕获和排出离子的各门电极72、 74的约束。把 冷却气体引入到中间离子存储器70以使通过气体辅助冷却而捕获离子。尽管优先 使用氮，然而氮、氩、氦或任何其它合适的气态物质均可用作冷却气体。典型地， 在中间离子存储体70中使用小于lm托的氮。使用由泵舱和箭头110指示的泵结 构，确保其它构件中基本没有气体并保持在所要求的高真空度下。在中间离子存储器70中积聚离子，或者来自离子阱90的单喷射或多喷射以 积聚更多的离子数量。可使用自动增益控制实现离子积聚，如业内公知的那样。中间离子存储器70对应于图lb的节点70。从离子源20至中间离子存储器 70的离子路径形成主离子路径40的第一腿40a。因此，积聚在中间离子存储器70 中的离子或者轴向地沿分支离子路径60排出或正交地沿主离子路径40的第二腿 40b排出。当用来提供脉冲离子束以正交排放至质量分析器30时，曲型中间离子 存储器70是较佳的。因此，可直接将离子以紧密离子束的形式(即非常快地)排 至质量分析器30而不需要进一步整形。为了从前体离子采集质谱，中间离子存储器70将离子正交地通过设置在中间 离子存储器70的电极78中的孔76排至高分辨率质量分析器30。在本实施例中， 釆用轨道阱型静电质量分析器30。中间离子存储器70的曲率确保从中排出的离子 通过离子光学器件120聚焦于质量分析器30的入口32。此外，被捕获在中间离子 存储器70中的离子受到置于门电极72、 74上的电势的作用以使离子集束于同样用 来聚焦的中间离子存储器70的中心。 一旦在质量分析器30中，即以通常方式从前 体离子采集质谱。当从产物离子采集质谱时，中间离子存储器70工作以将离子经由离子光学器 件130排至反应单元50。在该实施例中，质谱仪IO是级联质谱仪以使反应单元包 括用来通过CID分裂离子的充气的碰撞单元50。尽管碰撞单元50可工作在捕集模 式下，然而该实施例采用传输模式。碰撞单元50终止于具有大电势以反射离子的 离子镜52。由此前体离子进入碰撞单元50，在那里前体离子分裂。离子进入离子 镜52，在那里反射碎片离子并允许前体离子通过(就象下面更详细说明的那样)。 碎片离子随后沿相反方向横穿碰撞单元50，在那里碎片离子进一步分裂。碎片离子 退出碰撞单元50并由离子光学器件130引导以第二次进入中间离子存储器70，在 那里捕获碎片离子。当从中间离子存储器70将前体离子作为脉冲排出时，碎片离 子同样作为脉冲在中间离子存储器70返回。 一旦被捕获，碎片离子作为脉冲(即 非常快地)直接排至质量分析器30而无需进一步整形。随后由质量分析器30采集 质谱，正如已结合前体离子所描述的那样。另外，离子阱90或中间离子存储器70可用于初步质量选择。初步质量选择 使前体离子的大质量范围分割成若干较小的子范围(典型的为20-50%的质量范 围)，因此某些部分(例如磷酸盐组)的损失不导致剩余断片的质量(和能量)的 大量扩展。如果离子阱90用于初步质量选择，则中间离子存储器70可用来从离子 阱90在连续填充上积聚离子，每个填充对应于一较小的质量子范围。可以平行地 分裂和分析一个子范围中的所有前体离子。当分裂整个子范围时，为了减少断片质谱的复杂性，碰撞单元70通过能量选 择而用作粗略质量过滤器。这可起作用是由于碎片离子与它们的前体具有近乎相同 的速度，并因此碎片离子的能量与其质量成正比。由于降低了质谱的复杂度，这些 具有粗略质量选择的实施例尤为适用于来自多种前体的断片的平行分析。碰撞单元 50中的质量选择允许排出不想要的离子(例如未经反应的前体离子)和/或选择小 质量范围(例如将大质量范围的可能断片分割成若干小的子范围，允许来自每个子 范围的质谱的优化采集)。这可通过将合适的电势施加于质谱仪IO上而实现，它 的一个可行配
由离子镜52提供高能过滤器，其中施加电势R以提供上限阈值。如图3所示， 前体离子脉冲从中间离子存储器70被排出并由置于门电极74上的电势UD (典型 为100-300V)加速，如200所示那样。由于前体离子具有较低的质量，当前体离 子在碰撞单元50中分裂时失去能量。选择电势R以反射在所要求的阈值能量之下 的碎片离子，任何剩下的前体离子和不想要的高能(高质量)碎片离子如210所示 那样继续越过镜270以错过或积聚在分离的离子存储器(未示出)中。通过在中间离子存储器70前的适宜点设置一电势Uf而提供低能过滤器。在该 实施例中，将电势设置于门电极74上，即在前体离子的脉冲离开中间离子存储器 70后，电势U。降低至Uf。选择Uf以反射能量(和质量)低于要求阈值的碎片离 子以捕获在反应单元70中，如220所示那样。具有高于阈值的能量的离子能够如 230所示那样返回中间离子存储器70，在那里把这些离子引导至质量分析器30。结果，反应单元50作用如能量分析器以使离子仅当它们的能量(1/2mV2)落 在zeUf<l/2mV2<zeR的范围内时通过质量分析器30。可选择Uf和R以选定碎片 离子质量的理想范围。该质量选择减少了质谱中的候选峰值数量并因此提供增加的 动态范围和较少的错误识别。它还允许包含恰好根据中性丧失在质量上背离的前体 和断片的质谱的比较。图5示出本发明的级联质谱仪10的又一实施例的示意形式。质谱仪10具有 图lb的配置并且广义上与图2的质谱仪10的相同点在于它们共享一共用的主离子 路径40。因此，不再对这部分进行说明。转向分支离子路径IO，碰撞单元50在离子存储器70之后。碰撞单元50不终 止于离子镜52而是包含门电极(未示出)，该门电极包括允许离子继续沿纵轴12 流向能量分析器140的孔。工作在传输模式，轴向地从离子存储器70排出的前体 离子的脉冲在碰撞单元50中分裂，并且碎片离子继续沿分支离子路径60行进至能 量分析器140。能量分析器140工作以仅使所要求能量(和质量)范围内的碎片离 子从中退出并沿分支离子路径60继续行进。当所要求的能量分辨率很低时，可使 用几乎任何已知的能量分析器140，例如圆柱形、球形、平板等。所选择的碎片离 子被捕获在设置于能量分析器140下游侧的又一离子存储器150中。所述又一离子 存储器150可以是充满气体的以有助于捕获。图6示出设置于中间离子存储器70、碰撞单元50、能量分析器140和又一离子存储器150上的电势。通过电势Uo加速来自中间离子存储器70的离子。又一离子存储器150浮空于电压Uf， Uf通常小于UQ。较佳地通过空气冷却和RF电场实 现又一离子存储器150中的离子存储。因此，又一离子存储器150可包含仅针对 RF的多极子或一组仅针对RF的孔。在又一离子存储器150捕获离子后，碰撞单 元50和又一离子存储器150上的电势升高至UQ，并且也调节能量分析器140使之 传输这种能量的离子，以使碎片离子传回到离子存储器70并随后注入到高分辨率 质量分析器30。当碰撞单元50中的离子能量因为碰撞单元50上新设定的电势Uo而过低时， 在回程上不会发生进一步分裂。结果，在离子回来之前不需要从碰撞单元50抽空空气。本领域内技术人员能够清楚地认识到可对上述实施例作出多种变化而不脱离 本发明范围。例如，离子源20可从下面的非穷尽可能性列表中自由选择电子喷射源、大 气压光离子源或化学离子化源、大气压/减压/真空MALDI源、电子冲击(EI)源、 化学离子化(CI)源、二次离子源或质量分析或离子选择的任何前级(例如DC或 电场不对称的离子迁移质谱仪、行波质谱仪等)均为适宜的选择。也可根据将要执行的实验从多种传统类型中选择离子阱90。选项包括带共振 或质量可选的离子选择的存储RF多极子、3D四极子离子阱或带径向或轴向排放 的线性阱。尽管上述实施例说明了捕获状态下使用离子阱90，然而这些实施例也 可用于传输模式。例如，可将电势设置于离子阱90以仅引导离子从中流过。选项 包括传输狭长电极、磁性部分或Wien过滤器、四极子质量过滤器等。另外，可从离子阱或离子存储器中选择中间离子存储器70，例如3D四极子 离子阱、无RF切换的存储RF多极子、根据US 5,763,878或US 2002/0092980的 存储多极子或根据GB 0413852.5的具有RF切换的存储RF四极子。对于从上游到来的离子或从下游返回的离子，中间离子存储器70可工作在传 输模式或捕获模式下。对上游和下游到来的离子不需要使用相同类型的捕获。可结合来自离子阱90的多种离子填充物使用捕获模式。这包括多种类型离子 的填充物，如在我们的共同待审英国专利申请中所描述的那样。在传输模式下，当离子漂过中间离子存储器70时，仅把离子引导至正确的退出孔。对于从前体离子采集质谱的情形，仅轴向地引导离子或正交地折射离子至质量分析器30以使前驱离子避开反应单元50。因此，反应单元50可在质谱仪30运作的任何时候保持在工作状态下，因为这样做不会对前驱离子产生任何影响。工作传输模式的变化是为了在预定次数反射后切换至捕获模式之前允许离子阱90和反
应单元50之间的多次离子反射。每次反射包括在离子阱90、中间离子存储器70 或反应单元50中不同类型的处理。尽管上文中提到静电质量分析器30，轨道阱型质量分析器尤佳，然而也可采 用其它类型的质量分析器。例如，傅立叶变换离子回旋加速共振(FT-ICR)单元、 单反射或多反射渡越时间(TOP)质谱仪也是适用的。反应单元50可工作以在反应前捕获离子或使离子在以传输模式漂过时发生反 应。当图2和图4的质谱仪10以捕获模式工作时，可结合中间离子存储器70上的 电势在离子镜52上使用大电势以捕获碎片离子(尽管后一电势也被施加于反应单 元50的入口)。反应单元50可采用有效地工作在反应单元50中的离子数量上的多种形式中 的一种形式，从而以某种方式改变离子数量。离子本身可变(例如通过分裂或反应)， 可增加离子(例如校准物)、可去除离子(例如根据质量选择)或者可以改变离子 的性质(例如它们的动能或内部能量等)。因此，除上述用于碰撞致离解的充气碰 撞单元外，反应单元50还可以是多种可能结构中的任何一种以满足这些功能。例 如反应单元50可以是设有用来引入其它离子(包括相反极性的离子)的离子源 的单元；设有用于光子致离解的激光源的单元；设有表面致离解的表面的单元；设 有电子捕获离解的电子源的单元或用作离子不稳定性或电荷过滤器的DC或电场不对称的离子迁移质谱仪。当然，可用控制器实现操作上述质谱仪的方法。控制器可采用硬件或软件形 式。例如，控制器可采用合适编程的计算机形式，所述计算机内存储有可执行而使 质谱仪如上所述地工作的计算机程序。
权利要求
1.一种质谱仪，包括离子源、反应单元和质量分析器；所述质谱仪界定主离子路径和分支离子路径，其中所述主离子路径在所述离子源与所述质量分析器之间延伸，并且所述主离子路径在含离子光学器件的节点处与分支离子路径交汇，所述离子光学器件用于选择性地引导离子从所述离子源沿所述主离子路径或沿所述分支离子路径向下游移动，所述分支离子路径在所述节点处或在含另外的离子光学器件的另一节点处与所述质量分析器上游的主离子路径再次交汇，所述另外的离子光学器件用于将从所述主离子路径和所述分支离子路径两者入射的离子引导向所述质量分析器，其中反应单元位于所述分支离子路径上的单独部分并且其中紧接在所述质量分析器上游的离子光学器件用于将离子脉冲沿所述主离子路径引导至所述质量分析器。
2. 如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元用于从所述分支离子路径接收离子，处理所述离子并允许产物离子沿所述分支离子路径向上游方向 退回以在所述节点处与所述主离子路径再次交汇。
3. 如权利要求2所述的质谱仪，其特征在于，所述节点处的离子光学器件用 于引导从所述反应单元向上游回来的离子沿所述主离子路径向下游进行至所述质 量分析器。
4. 如权利要求1所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元用于从所述分支 离子路径接收离子，处理所述离子并允许产物离子沿所述分支离子路径的延伸段向 下游方向退出至另一节点。
5. —种具有纵轴的质谱仪，包括 离子源，用来沿所述轴引导离子；反应单元，所述反应单元具有位于所述轴上的入口孔； 质量分析器；以及可在第一模式和第二模式之间进行切换的离子光学器件，在所述第一模式中， 来自所述离子源的离子沿所述轴被引导至所述反应单元，并且在所述反应单元中产 生的产物离子被引导至所述质量分析器以供分析，并且在所述第二模式中，来自所 述离子源的离子被从所述轴偏转并被引导至所述质量分析器以供分析而不进入所 述反应单元。
6. 如权利要求5所述的质谱仪，其特征在于，所述质量分析器驻留于链接所述离子源和所述质量分析器的主离子路径上，并且所述反应单元驻留于在一具有离 子光学器件的节点处与所述主离子路径交汇的分支离子路径上，所述离子光学器件 用于选择性地引导离子沿所述主离子路径或所述分支离子路径移动，其中所述分支 离子路径和所述主离子路径在所述节点上游的一部分沿所述纵轴延伸。
7. —种具有纵轴的质谱仪，包括 离子源，用来沿所述轴引导离子； 反应单元；质量分析器，所述质量分析器具有位于所述轴上的入口孔；以及 可在第一模式与第二模式之间进行切换的离子光学器件，在所述第一模式中， 来自所述离子源的离子被从所述轴偏转并被引导至所述反应单元，并且所述反应单 元中产生的产物离子被引导回到所述轴并被引导至所述质量分析器的所述入口孔， 在所述第二模式中，来自所述离子源的离子沿所述轴被引导至所述质量分析器以供 分析而不进入所述反应单元。
8. 如权利要求7所述的质谱仪，其特征在于，所述质量分析器驻留于与所述 纵轴对应的主离子路径上，并且所述反应单元驻留于在一具有离子光学器件的节点 上与所述主离子路径交汇的单独分支离子路径上，所述离子光学器件用于选择性地 沿所述主离子路径或所述分支离子路径引导离子。
9. 如权利要求5到8中任何一项所述的质谱仪，其特征在于，所述质谱仪被进一步配置成以离子脉冲的形式向所述质量分析器提供所述离子。
10. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，所述质量分析器 是FTICR、渡越时间或静电质量分析器中之一。
11. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，所述质谱仪还包 括位于节点和/或任何另外节点处的离子阱。
12. 如权利要求11所述的质谱仪，其特征在于，所述离子阱包括在仅RF电 势下工作的电极以及配置成允许将气体引入所述离子阱的进口。
13. 如权利要求11或12所述的质谱仪，其特征在于，所述离子阱是曲型线 性阱。
14. 如权利要求13所述的质谱仪，其特征在于，所述离子阱用于轴向地和正 交地排出离子。
15. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元具有相关联的气体源。
16. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元用 作分裂单元。
17. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，还包括在所述节点上游的一离子阱。
18. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，还包括在所述节 点上游的一质量分析器。
19. 如从属于权利要求17时的权利要求18所述的质谱仪，其特征在于，所 述离子阱提供所述质量分析器。
20. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，还包括用来控制 所述质谱仪的操作的控制器。
21. 如权利要求20所述的质谱仪，其特征在于，所述控制器可根据第一和第二模式工作，其中所述第一模式包括使所述离子源生成离子，使离子光学器件引导离子至所述节点，使所述节点 的离子光学器件引导离子至所述反应单元，使所述反应单元处理所述离子以形成产 物离子，使离子光学器件引导所述产物离子至所述质量分析器，并使所述质量分析 器从所述产物离子获得至少一个质谱；并且所述第二模式包括使所述离子源生成离子，使离子光学器件引导离子至所述节点，使所述节点 处的离子光学器件引导离子至所述质量分析器，并使所述质量分析器从所述离子获 得至少一个质谱。
22. 如权利要求21所述的质谱仪，其特征在于，所述控制器被配置成并发地 执行所述第一和第二模式以在于所述反应单元中处理离子的同时使所述节点的离 子光学器件引导离子至所述质量分析器。
23. 如权利要求22所述的质谱仪，其特征在于，所述控制器被配置成(a) 使所述离子源生成离子；(b) 使所述离子光学器件引导离子至所述节点；(c) 使所述节点的离子光学器件引导所述离子的第一部分至所述质量分析 器；(d) 使所述质量分析器从所述离子的第一部分获得至少一个质谱；(e) 使所述节点的离子光学器件将所述离子的第二部分引导至所述反应单元；(f) 使所述反应单元处理所述离子的第二部分以形成产物离子；(g) 使所述离子光学器件引导所述产物离子至所述质量分析器；以及(h) 使所述质量分析器从所述产物离子获得至少一个质谱； 其中步骤(d)与步骤(f)并发地进行。
24. 如权利要求21至23中任何一项所述的质谱仪，其特征在于，在所述第 一工作模式下，所述控制器用于以使所述离子光学器件沿所述分支离子路径从上游 的反应单元排出所述产物离子并使所述节点的离子光学器件沿主离子路径向下游 引导所述产物离子至质量分析器。
25. 如权利要求21至23中任何一项所述的质谱仪，其特征在于，在第一工 作模式中，所述控制器用于使离子光学器件沿所述分支离子路径的延伸段将所述产物离子从所述反应单元继续向下游引导至所述另一节点，在那里所述另外的离子光 学器件沿所述主离子路径向下游引导所述产物离子至所述质量分析器。
26. 如权利要求21至25中任何一项所述的质谱仪，其特征在于，所述控制 器被配置成操作所述质量分析器以提供优于a)0.01%、 b)0.002%、 c)0.001%、 d)0.0005%、或e)0.0002。/。的m/z测量精确度。
27. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，还包括设置在所 述反应单元上游的一质量过滤器。
28. 如从属于权利要求21至26中任何一项时的权利要求27所述的质谱仪， 其特征在于，所述控制器用于使用所述质量过滤器选择要引导至所述反应单元的离 子。
29. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，还包括用于过滤 由所述反应单元产生的产物离子的过滤器。
30. 如权利要求29所述的质谱仪，其特征在于，所述过滤器根据质量一电荷 比来过滤离子。
31. 如权利要求29所述的质谱仪，其特征在于，所述过滤器包括根据能量过 滤离子的能量分析器。
32. 如权利要求31所述的质谱仪，其特征在于，所述过滤器用于选择具有落 在一预定范围内的能量的离子。
33. 如权利要求29至32中任何一项所述的质谱仪，其特征在于，所述过滤 器被设置在所述分支离子路径的延伸段上所述反应单元的下
34. 如前面任何一项权利要求所述的质谱仪，其特征在于，所述反应单元具有相关联的包含可在第一电压下工作的第一电极的离子镜，以使所述第一电极仅反 射能量低于第一预定阈值的离子。
35. 如权利要求34所述的质谱仪，其特征在于，还包括位于所述离子镜的第 一电极的上游的第二电极，其中所述第二电极工作在较低的第二电压下，以仅使具 有高于第二预定阈值的能量的离子通过。
36. —种质谱测定的方法，包括将第一组离子从离子源沿主离子路径导向至质量分析器，并从所述第一组离 子获得至少一个质谱；以及将来自所述离子源的第二组离子沿分支离子路径引导至与所述主离子路径分 离的反应单元，在所述反应单元中形成产物离子，沿所述分支离子路径引导所述产 物离子以与所述主离子路径再次汇合；沿所述主离子路径引导所述产物离子至所述 质量分析器；并从所述产物离子获得至少一个质谱；其中离子以离子脉冲形式到达所述质量分析器。
37. 如权利要求36所述的方法，其特征在于，包括使所述离子以具有少于1 毫秒、10微秒或0.5微秒持续时间中之一的脉冲的形式到达。
38. 如权利要求36或37所述的方法，其特征在于，包括使所述离子以具有 小于1米、50毫米、10毫米或5毫米的空间长度中之一的脉冲形式到达。
39. 如权利要求36到38中任何一项所述的方法，其特征在于，所述质谱仪 包括位于所述分支离子路径与所述主离子路径再次交汇的地点的离子光学器件，并 且所述方法还包括操作所述离子光学器件以将离子脉冲排出至所述质量分析器。
40. 如权利要求36到39中任何一项所述的方法，其特征在于，在所述反应 单元中从所述第二组离子形成产物是与从所述第一组离子获得至少一个质谱并发 地进行的。
41. 如权利要求40所述的质谱仪，其特征在于，包括引导一起来自所述离子 源的所述第一组和第二组离子并将所述离子分成所述第一组和第二组以将所述第 一组离子引导至所述质量分析器并将所述第二组离子引导至所述反应单元。
42. 如权利要求36至41中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括通过 m/z或通过m/z之差来比较所述第一组离子和产物离子的质谱以识别是否任何所述 产物离子对应于任何前体离子。
43. 如权利要求42所述的方法，其特征在于，包括使用数据库以帮助进行所述识别。
44. 如权利要求42或43所述的方法，其特征在于，m/z或m/z之差是用优于 a)0.01%、 b)0.002%、 c)0.001%、 d)0.0005%、或e)0.0002。/。的精确度来确定的。
45. 如权利要求42至44中任何一项所述的方法，其特征在于，所述反应单 元和分析碎片离子。
46. 如权利要求36至45中任何一项所述的方法，其特征在于，包括沿所述 分支离子路径向上游方向引导所述产物离子返回以与所述主离子路径再次交汇。
47. 如权利要求46所述的方法，其特征在于，包括引导从所述反应单元向上 游回来的所述产物离子沿所述主离子路径向下游行进至所述质量分析器。
48. 如权利要求36至45中任何一项所述的方法，其特征在于，包括引导所 述产物离子沿所述分支离子路径的延伸段向下游方向退出所述反应单元。
49. 如权利要求36至48中任何一项所述的方法，其特征在于，包括在所述 反应单元中分裂离子以形成所述产物离子。
50. 如权利要求36至49中任何一项所述的方法，其特征在于，包括在所述 反应单元中捕获所述离子。
51. 如权利要求36至50中任何一项所述的方法，其特征在于，包括过滤离 子以选择质量或能量落在预定范围之内的离子，将所选择的离子引导至所述反应单 元，分裂所选择的离子，并从所分裂的离子采集质谱。
52. 如权利要求51所述的方法，其特征在于，包括重复进行的选择离子和分 裂所选择离子的步骤，其中在所述碎片离子被引导至所述质量分析器以进行质谱采 集前，所述碎片离子在离子存储器中被连续积聚。
53. 如权利要求36至52中任何一项所述的方法，其特征在于，还包括根据 质量或能量过滤产物离子。
54. 如权利要求53所述的方法，其特征在于，包括过滤以选择质量或能量落 在一预定范围之内的产物离子。
55. 如权利要求53或54所述的方法，其特征在于，包括将一电势施加于所 述反应单元下游的一电极上以使所述电极仅反射低于上阈值能量的离子。
56. 如权利要求55所述的方法，其特征在于，还包括将第二电势施加于位于 所述第一电极上游的一电极上以使所述第二电极仅反射低于下阈值能量的离子，并 且其中所述质量分析器位于所述第二电极的上游。
57. —种用于使质谱仪根据权利要求36至56中任何一项所述的方法工作的控制器。
58. —种含计算机程序指令的计算机程序，当在权利要求57的控制器上执行 所述计算机程序时，所述计算机指令使所述质谱仪根据权利要求36至56中任何一 项所述的方法工作。
59. —种载有权利要求58的计算机程序的计算机可读介质。
全文摘要
本发明涉及一种含反应单元并且其中从未反应离子和从反应产物离子采集质谱的质谱仪。尽管未排除其它特例，本发明尤为适用于级联质谱仪，在那里从前体和碎片离子采集质谱。本发明提供一种配置，其中在将离子向前传输至质量分析器前先将其送至反应单元以进行分裂或其它处理。或者，可使离子沿旁路通过直接到质量分析器。
文档编号H01J49/00GK101213633SQ200680010131
公开日2008年7月2日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年3月29日
发明者A·A·马卡洛夫 申请人:萨默费尼根有限公司