专利名称：用于质谱法在四极离子阱中分离离子的制作方法
技术领域：
本申请涉及在四极离子阱中分离离子。
背景技术：
四极离子阱用于质谱仪，以存储具有某些预定范围质荷比(m/z-其中m为质量，而z为电子电荷的数目)的离子。在离子阱中，存储的离子可被操纵。例如，可使具有特定质荷比的离子分离或者使之成为碎片。根据它们的质荷比，离子还可以从离子阱到检测器有选择地被弹射或者否则被消除，以形成质谱。存储的离子还可以被提取、传送或者弹射到关联的串联质量分析器，例如傅里叶变换、RF四极分析器、飞行时间分析器或者副四极离子阱分析器。
所有离子阱在有多少离子可被有效地存储或者操纵方面具有限制。此外，获得特定离子结构信息还要求具有特定m/z(或者m/z的)的离子在离子阱中有选择地分离，而将所有其他离子从离子阱中排除。在MS/MS实验中，随后使分离的离子成为碎片，成为产物离子，将这些产物离子进行分析以获得特定离子的结构信息。这样，在离子阱仪器中，有多种原因需要有效的离子分离技术。
四极离子阱基本上使用四极场来捕捉离子。在纯粹的四极场中，通过被称为马丢方程的二阶微分方程的解来在数学上描述离子的运动。可以发展这些解用于一般的情况，即可运用到所有射频(RF)和直流(DC)四极器件上，该设备包括二维和三维四极离子阱。在第5,420,425号美国专利中描述了一个二维四极阱，而在第4,540,884号美国专利中描述了一个三维四极阱，两个专利都全部参考引入。
通常，马丢方程的解和相应离子运动的特征在于，通过折合参数au和qu，其中u代表对应于沿着场对称轴位移的x、y或者z空间方向。
au＝(KaeU)/(mro2ω2)qu＝(KqeV)/(mro2ω2)其中V＝施加射频(RF)正弦电压的幅值U＝施加直流(DC)电压的幅值e＝离子上的电荷m＝离子质量ro＝器件特性尺寸ω＝2πff＝RF电压的频率Ka＝对于au的器件-场几何相关的常数Kq＝对于qu的器件-场几何相关的常数RF电压产生用于限制离子在器件内运动的RF四极场。此运动的特征在于，特性频率(也称为主频率)和另外的高阶频率和这些特性频率取决于离子的质量和电荷。独立的特性频率也与每个维有关，其中四极场发生作用。这样，为三维四极离子阱确定单独的轴向(z维)和径向(x和y维)特性频率。在二维四极离子阱中，离子在x和y维具有单独的特性频率。对于特定的离子，特定的特性频率不仅取决于离子质量、在离子上的电荷，而且也取决于阱场的若干参数。
可利用辅助AC场，通过在一个或者更多它们特性频率处来共振该离子，激发离子运动。通过把相对小的振荡(AC)电位施加到适当的电极上，把辅助AC场叠加到主四极场。为了激发具有特定m/z的离子，辅助AC场包括一个分量，该分量在离子运动的特性频率或者在其附近振荡。如果具有一个以上m/z的离子要被激发，则辅助场可包含多个频率分量，这些频率分量与将要共振的每个m/z相应的特性频率一起振荡。
为了产生辅助AC场，通过波形发生器产生辅助波形，而与产生的波形有关的电压通过变压器施加到适当的电极上。辅助波形可包含许多与一些相对相位一起增加的频率分量。这些波形在这里称为共振弹射频率波形或者简单地称为弹射频率波形。这些弹射频率波形可用于从离子阱中共振地弹射大量不需要的离子。
当离子通过辅助场驱动时，该离子从该场中获得动能，该辅助场包括一个分量，它的振动频率与该粒子的特征频率接近。如果足够动能结合到离子上，则它的振荡幅度可越出离子阱的界限。离子将随后撞击在阱壁上，或者如果适当的孔存在，则该离子将从该离子阱弹射出。
由于不同的m/z离子具有不同的特性频率，则可通过激发离子阱而有选择地确定该不同m/z离子的振荡幅度。此振荡幅度有选择的操作可用于在任何时候从阱中除去不需要的离子。例如，当阱首次充填离子时，在离子积聚期间，可利用弹射频率波形来把窄范围的m/z比分离。在这种方式中，该阱可只填充所需要的离子，因此允许想要的m/z比用增强的信噪比来检测。同样，在用于实现MS/MS实验而填充阱之后，或者在MSn实验中的每个离解阶段后，特定m/z范围在离子阱内被分离。
利用宽带共振弹射频率波形来实现离子分离，该波形一般地通过把由正弦波(如在第5,324,939号美国专利中描述的那样)表示的离散频率分量求和来形成。也就是说，求和的正弦波具有离散的频率，与希望弹射离子m/z范围相对应，但是，排除与希望保留的离子m/z范围对应的频率分量。删除的频率在弹射频率波形上确定了频率凹口。因此，当使用弹射频率波形时，具有不希望有的m/z的离子能够基本上同时弹射或者被消除，而保持想要的m/z离子，因为它们的m/z比值对应于频率分量从弹射波形消失的位置。
为了基本上同时弹射或者否则消除所有不希望有的离子，该弹射频率波形需要包括接近地间隔离散频率分量。因此该弹射频率波形一般地由大量正弦波产生。通常，控制这种波形的产生是一个复杂的问题。如果正弦波的离散频率均匀地隔开，并且每个正弦波具有相同的相对幅度，则该普遍的问题可被简化。
为了进一步简化波形的产生，该离散的频率可相对宽泛地分离(间隔开，例如至少相隔1500Hz)，并且该系统可包括一个装置，以调制RF电压来产生离子，该离子将否则在频率分量之间落下，以取得共振(例如参见第5,457,315号美国专利)。
当希望把宽度大体上小于1amu(原子质量单位，为1.660538×10-27千克)的m/z范围分离时，宽带弹射频率波形可以需要很多这样的频率分量，这些频率分量间隔很接近以致于波形产生变得不切实际。此外，如果使用，这样的波形还要不得不被不切实际地应用较长时间。例如，对于760kHz RF频率，利用500Hz间隔在m/z1200以上，获得均匀的单位分解隔离是困难的。在替代的技术中，辅助场只包括单一频率分量，并且通过缓慢增加或者降低阱RF电压幅值来弹射不希望有的离子(参见Schwartz，J.C.；Jardine，I.Rapid Comm.Mass Spectrum.6 1992 313)。
发明内容
通过调节场以及使用弹射波形，将在预定狭窄m/z范围中的离子在离子阱中进行分离。这样，控制质荷比分离窗口，并具有改进的分辨率，同时没有增加频率分量数目。
通常，发明提供用于在离子阱中分离离子的方法和装置。将离子阱配置成以利用具有第一值的场的产生来促进离子保留在离子阱中。要分离的离子具有一定范围的质荷比，和初始特性频率的相应范围，其中该一定范围由质荷比的下限和质荷比的上限来确定。离子阱具有多个电极。
在发明的一个方面，发明涉及一种方法，该方法包括把弹射频率波形应用到至少一个电极上，该弹射频率波形具有至少第一频率边缘和第二频率边缘，并且该将要被分离的离子范围的至少初始相应频率包含在第一和第二频率边缘之间的频率范围内，这样最初，将第一和第二频率边缘之间具有特性频率的初始相应范围的所有离子均保持在该离子阱中。从第二值到第三值来调节场，选择该第二和第三值，这样，基本上所有在将要被分离的质荷比范围外的离子从该离子阱中被消除。
在发明的另一个方面，该特性频率包括第一维的频率分量和第二维的频率分量。离子阱包括电极，该电极包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极，而该方法包括跨越对准第一维的电极应用弹射频率波形的第一部分，该弹射波形的第一部分包括在第一维的至少第一频率边缘和第二频率边缘，而在要分离的质荷比范围第一维的至少初始相应范围的特性频率包含在第一边缘和第二边缘之间频率范围内；把弹射频率波形的第二部分穿过对准第二维的电极应用，而该弹射波形的第二部分在第二维具有第三频率边缘和第四频率边缘，以及在要分离离子范围的第二维中，至少初始相应频率包含在第三边缘和第四边缘之间的频率范围内。
在另一个方面，发明涉及的方法包括把包括至少两个频率的第一弹射频率波形应用到至少一个电极上，该第一弹射频率波形具有至少第一边缘，从第二到第三值调节场，这些值选择成最初具有在第一边缘和质量电荷范围最近极限之间的特性频率的至少所有离子从离子阱中除掉。
在另一个方面，该特性频率成分包括第一维的频率分量和第二维的频率分量。离子阱具有多个电极，该电极包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极。该方法把包括至少两个频率的第一弹射频率波形应用到对准第一维的至少一个电极上，该第一弹射频率波形具有至少第一边缘，从第二到第三值调节场，这些值选择成具有在第一边缘和质量电荷范围最近极限之间的特性频率的所有离子从离子阱中除掉。
在发明的另一个方面，该特性频率成分包括第一维的频率分量和第二维的频率分量。该离子阱包括电极，而该电极包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极。跨越对准第一维的电极应用弹射频率波形的第一部分，该弹射波形的第一部分包括至少两个频率，该第一弹射频率波形具有至少第一频率边缘；跨越对准第二维的电极应用弹射频率波形的第二部分，该第二弹射波形的第二部分包括至少两个频率，该第二弹射频率波形具有至少第二频率边缘。
特定的实施方式可包括一个或多个以下特征。该场可以是四极场。该场可通过调节RF电压被调节。该场可通过调节DC电压被调节。该场的第二值可选择成在质荷比上限以上的离子从离子阱中排出。该场的第三值可选择成在质荷比上限以下的离子从离子阱中排出。在一个分阶段过渡中，该场可从第二值到第三值被调节。该分阶段过渡可在小于大约1ms内进行。在至少一个渐变过渡中，该场可从第二值到第三值被调节。用于至少一个渐变过渡的时间对要分离的质荷比或者需要分离的分辨率具有一些依赖性。在应用场的第二值前，可应用先验值，从而要分离的质荷比的范围设置成它们特性频率初始相应范围在第一和第二频率边缘之间。使用从离散频率中选择的一系列有序的频率产生该弹射频率波形。该离散频率可基本上均匀间隔。该离散频率可以大约750Hz或者更少而彼此隔开。该离散频率可以大约500Hz或者更少而彼此隔开。该电极可包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极。该弹射波形可同时应用到对准第一维的电极和对准第二维的电极。该弹射波形可顺序地应用到对准第一维的电极和对准第二维的电极。该波形可包括至少两个波形部分。该波形部分可基本上同时地应用。该波形部分可顺序地应用。该波形部分可相继顺序地多次应用。该两个波形部分中的第一个可限定弹射频率波形的第一个边缘。两个波形部分中的第二个可限定弹射频率波形的第二个边缘。该弹射频率波形可包括在至少二维空间的频率分量。在第一维的频率分量可顺序地应用到对准第一维的电极，而在第二维的频率分量应用于对准第二维的电极。在第一维的频率分量可同时地应用到对准第一维的电极，而在第二维的频率分量应用于对准第二维的电极。该离子阱可以是RF四极离子阱。该RF四极离子阱可以是二维离子阱。该RF四极离子阱可以是三维离子阱。
在另一个方面，发明涉及一种可触知地包含在计算机可读取介质的计算机程序产品，其中该产品具有指令以根据上面的方法控制离子阱。
可实施发明以实现一个或多个以下优点。高分辨率分离定义为比1Th(汤普逊Thompson＝amu/单电子电荷数)更窄的分离m/z范围。例如，这意味着分离m/z范围0.5Th、0.3Th、0.1的者＜0.1Th的范围。尽管有时候，在特别操作条件下，分离甚至1Th或以上的m/z范围是不可能的。在这些情况中，高分辨率分离是指比用其他分离技术分离更窄的m/z范围。可实现高分辨率分离，同时保持对在分离期间形成的任何碎片离子进行弹射的能力，这样解决了在当前高分辨率分离方法中存在的问题。可使用均匀离散频率实现高分辨率分离，同时不引入靠近频率凹口边缘的特别的频率项(即没有离散频率的有规则和/或均匀间隔内的频率项)。可构建基本上为四极的离子阱，从而在离子阱的一维(例如在x)，离子频率随着增加的振荡幅值而上移，同时在其他维(例如在y)随着增加的振荡幅值而下移。通过对具有在x方向以及在y方向下面的弹射频率波形凹口上面的频率的离子进行激发，可获得陡峭的、对称的合成分离曲线窗口，这样还提高了全部分离试验的分离分辨率。
本发明的这些和其他特征和优点将从以下详细说明中更加明显，其中详细说明参照附图。
除非另外规定，在这里使用的所有技术和科学术语具有本发明所属技术领域普通技术人员通常理解的含义。在出现矛盾情况下，以包括定义的本说明书为准。除非另有说明，术语“包括”用于开放意义，也就是说，是指“被包括”主题是较大的聚集体或者组的一部分或元件，同时不排除该聚集体或者组的其他部分或者元件存在。公开的材料、方法和实例只是说明性的，并不想作为限定。技术人员将理解的是，与在这里描述的那些类似或等效物的方法和材料可用于实践发明。
图1为示出了典型的分离窗口和对应弹射频率波形凹口的示意图。
图2和3为示出了用于弹射波形的典型目标凹口边缘频率和从使该目标频率凹口四舍五入实际凹口边缘频率的示意图，以离散在宽带弹射频率波形中的频率分量。
图4a和4b为示出了典型分离窗口的示意图，该示意图从使用用于弹射波形的离散频率分量产生。
图5a和5b为从使用现有技术分离技术产生的，显示了不对称分离分布图的示意图。
图6a和6b为示出了二维(2D)线性四极离子阱和电路的示意图，用于把RF和AC电压应用到2D线性四极离子阱电极上。
图7为示出了三维(3D)四极离子阱和电路的示意图，用于把RF和AC电压应用到3D四极离子阱电极上。
图8为示出了根据现有技术方法的如何达到m/z范围分离的示意图。
图9为示出了根据发明一个方面的，使用分段的方法如何达到m/z范围分离的示意图。
图10a为示意流程图，而图10b为示出了根据发明一个方面的用于操作四极离子阱的示意图。
图11、12、15-17示出了根据本发明各个方面的分离离子的试验结果。
图13为示出了根据发明一个方面的如何达到m/z范围分离的示意图，其中使用了把弹射频率波形与慢速正反向扫描结合的倾斜扫描方法。
图14为示意流程图，示出了根据发明一个方面的用于操作四极离子阱的方法。
图18为示意图，而图19为示出了根据发明一个方面的用于操作四极离子阱的方法的示意流程图。
具体实施例方式
图1示出了在质荷比(m/z)(示意图a)范围内的典型的分离窗口100，比值范围由质荷比上限110和质荷比下限105来限定。图中还示出了在频谱(示意图b)中对应的弹射频率波形凹口115，由第一和第二边缘120、125分别限定的弹射频率波形凹口。该波形有助于使在将要被分离的质量范围之外的，至少一部分离子从离子阱中弹射出去。在该示例中，对于保持在三维四极离子阱中的离子，分离窗口100为从m/z 99.5Th到100.5Th的m/z比范围。频率凹口115根据分离窗口100来限定，并规定了频率间隙作为该间隙在弹射波形频谱中消失的频率范围。在示例中，频率凹口115是根据标称的分离q＝0.83(轴向尺寸)和ω＝2π1022.64kHz.的RF频率计算的。将施加到离子阱的RF幅值进行设定，这样将要被保持在该想要的m/z窗口100内的离子具有近似对应于消失频率分量的特性频率。不想要的离子具有在m/z分离窗口100外部的m/z值，和在理想弹射波形频率凹口115.外部的特性频率。因此，不希望有的离子将吸收来自辅助AC场的能量并从离子阱弹射出，该AC场根据具有频率凹口115的弹射频率波形来产生。可选择地，不希望有的离子将从辅助AC场吸收能量，并发展轨迹，这样通过例如在离子阱中撞击棒电极，使这些不希望有的离子被抵销或否则被消除。
图2示出了在包括离散频率的频谱中的频率凹口。该离散频率分配给用于构建弹射频率波形的有限数目的正弦波。例如，典型宽带频率波形由正弦曲线频率分量构成，这些频率分量具有在10kHz和500kHz之间间隔每500Hz(波形周期为2ms)的离散频率。因此在此实例中，使用总共有981个离散频率来产生弹射频率波形。如果频率间隔正确地选择，这样有足够数量的频率分量，以有效地弹射所有不希望有的离子，接着甚至具有在波形频率分量之间特性频率的那些离子也将被弹射。
离散频率的间隔限制了分离分辨率，该分离分辨率由可以被有效分离的最小m/z范围来确定。如果离散频率以500Hz增量隔开，则删除的频率限定为500Hz.整数倍的实际弹射波形频率凹口。因此，实际频率凹口产生用于分离宽度的量化值。将离散频率化成整数(round out)是合乎惯例的，这样实际的弹射频率波形凹口不比目标分离窗口窄。
图2示出了第一和第二典型的弹射波形频谱(示意图a和b)，分别具有目标频率凹口210和230和对应的被四舍五入(round)的频率凹口220和240。第一和第二频谱充分指明了离散频率分量，并可通过反向离散傅里叶逆变换计算等等，使用该第一和第二频谱来产生弹射频率波形。在两个频谱中，离散频率被每500Hz分开，并且对于每个离散频率，由对应实垂直线长度表示相对幅值。该离散频率的相关相位应该以例如在第5,324,939号美国专利中教导的一些方式来设定。
该目标频率凹口210和230对应于相应的希望要的分离窗口，该窗口与分离窗口100类似。该目标凹口210由边缘频率211和212来限定，并且该目标凹口230由边缘频率231和232来限定。当使用该离散频率以产生该弹射频率波形时，将该边缘频率211、212、231和232四舍五入至最近的500Hz(对于较低频率边缘向下四舍五入(round down)而对于较高频率边缘向上四舍五入(round up))。因此，四舍五入的频率凹口220和240分别比目标频率凹口210和230宽。在此实例中，目标频率凹口210和230分别对应于m/z 69±0.5Th和m/z 614±0.5Th的分离窗口。此四舍五入确保了最小凹口宽度对应于至少±0.5Th，在此实例中，该数量是期望的凹口宽度。因此，每个目标凹口210和230对应于分离窗口，分离窗口在相同的标称分离q，但是不同的标称m/z值处，具有同样宽度的1.0amu/单位电荷(Th)。由于较高m/z离子的特征频率，间隔这些频率更接近在一起，则该目标频率凹口210(m/z集中在69Th)比目标频率凹口230(m/z集中在614Th)具有更大的频率宽度。由于具有相同的效果，对于较高m/z的离子，舍入误差更显著。
图3比较目标和四舍五入频率凹口作为中心m/z的函数，用于一个诸如1Th，分离q为0.83的固定分离窗口宽度。每个频率凹口由对应的一对边缘频率表示。虚线表示目标频率凹口的边缘频率，并且实线表示相关量化的弹射波形频率，该频率把四舍五入的对应频率凹口限定到最近的500Hz的。通过在虚线和相应实线之间的差，清楚地示出了四舍五入的效果。
图4a和4b示出了分别显示四舍五入的分离宽度(在m/z中)420和440的第一和第二图表，以分离窗口中心m/z的函数来表示。四舍五入的分离宽度420和440对应于在实例中具有相同的1Th值的目标分离宽度410和430。该四舍五入的分离宽度420和440利用不同间隔的离散频率分量而产生，以形成弹射波形。
该四舍五入的分离宽度420对应于使用在每500Hz的离散频率(图4a)，并且该四舍五入分离宽度440对应于使用在每250Hz处的离散频率(图4b)。当频率间隔从500Hz减少到250Hz时，四舍五入的分离宽度的准确度增加。然而，减少的频率间隔需要正弦分量两倍那样多，用于计算弹射波形。由于波形是两倍长，则波形计算可以超过两倍长，并需要两倍存储器来存储数字化波形。
图6a-7示出了可用于分离离子的典型设备。在可选择实现方案中，不同的器件可用于实现发明的一个或多个方面。
图6a示出了线性或者二维(2D)四极离子阱600的典型四极电极结构。该四极结构包括两组相对电极，这些电极包括限定延长的内体积的棒，该延长的内体积具有沿着坐标系z方向的中心轴。X组相对电极包括沿着坐标系x轴布置的棒610和620，而Y组相对电极包括沿着y坐标系轴布置的棒605和615。将每根棒605、610、615、620切成主要或者中心部分630和前后部分635、640。
在一个实施方式中，每根棒(或者电极元件)具有双曲线外形，以大体上与二维四极场的同种电位匹配。将射频(RF)电压施加(经由RF发生器)到棒上，其中将一个相位施加到X组上，而将反相位施加到Y组上。这在x和y方向上建立了RF四极抑制场，并将使离子在这些方向上被捕获。也可使用其他形状的电极元件，以形成适用于许多目的的捕获场。
为了在轴向(在z方向)约束离子，在中心部分630的电极可接收不同于在前后部分635、640的DC电位。因此，除了四极场径向抑制产生在所有三维种的离子的抑制，在z方向形成了DC“势阱”。
离子沿着Z轴中心线被引入阱，并因此有效地传输到中心部分。该电极结构可在高度真空中操作，或者一些氦可被引入该结构内，以由于与氦撞击使激发的离子而丧失动能。这样，离子可更有效地捕获在该结构的中心部分内。由于撞击的冷却离子均获得类似(和小的)位置和速度，这些撞击还改善了性能。例如在离子弹射期间，当离子随后被操纵时，这基本上为离子提供了较小组的初始条件。
孔645限定在棒605、610、615、620中一个的至少一个中心部分630上。通过该孔645，当附加的AC双极电场在垂直于中心轴方向施加时，捕获的离子可根据它们的质荷比在此方向有选择地弹射。在此实例中，孔和施加的双极电场在X棒组上。
图6b示出了用于把RF和AC电压施加到2D离子阱600′的传统的设备。在该离子阱600′中，棒电极605、610、615、620没有分成段，因此简化设备描述。然而，如果该棒电极被分成段，则用于把RF和AC电压施加到电极605、610、615、620上的基本方案不变化。如果希望的话，施加该RF和AC电压的其他方法也是合适的而被使用，例如在第2003-0173524A1号美国专利公开文件中描述的那种。
图7示出了第二个典型的离子阱质谱仪，一种三维四极离子阱700，该离子阱包括近似双曲线外形的环形电极702，以及彼此相对也是双曲线外形的两个末端盖704和706。通过RF发生器708提供的RF电压一般地施加到环形电极702上，并且末端盖704和706相对于该RF电压处于地电位。这在所有三维空间x、y和z建立RF四极抑制场，尽管由于这是径向对称器件，通常根据径向(r)和轴向(z)的位移来讨论离子运动。注意该环形电极可切成四个部分，并且因此，可在这种器件中形成在x和y维的单独激发。穿过末端盖704和706，附加的双极激发AC场可经由AC发生器738通过变压器750施加。数字信号处理器或者计算机712驱动RF电压控制发生器714，而该发生器714为RF发生器708以及最终RF放大器710形成RF控制电压，而该RF放大器710把RF电压(可以是锯齿形)施加在环形电极上。这与施加在末端盖704、706之间的AC近似双极场结合，使离子有选择地集中从阱中心弹射出。
在离子阱600和700两者中，可实现发明的各个方面，其中差别在于在不同的维上施加相关的场。
以上已经详细地论述的是，可以使用多频共振弹射波形以分离特定m/z或者m/z范围的分离离子。此多频共振波形包含这样的频率分量，该频率分量与对应于离子m/z的运动的特性频率匹配或者几乎匹配，该离子从阱中弹射出来。这些弹射频率波形可通过对遍及具有特定间隔的离散频率范围的许多正弦波分量求和而产生。与要保持在阱中离子特性频率匹配的频率分量在典型波形中不考虑。不考虑的分量在弹射波形的频谱中限定了离散弹射频率波形凹口。根据发明的一个方面，使用离散频率凹口来表示其宽度和中点连续地改变的m/z分离窗口，正如以下参考图8至10更详细论述的那样。
图8示出了通过传统方法计算的典型弹射频率波形，该传统方法例如在第5,324,939号美国专利中描述的那种，该美国专利文献在这里全部参照引入。典型的弹射波形使用在附近的分量频率之间具有500Hz间距的离散频率分量。目标弹射波形频率凹口由分离需要的m/z范围和在其中进行分离的q值限定。m/z范围下限由m1确定，而m/z范围上限由m2确定。根据m1和m2值，对目标频率凹口，可计算相应的目标边缘频率f1和f2。应该注意的是，较高的m/z离子具有降低的频率，所以对于m1＜m2，f1＞f2。目标凹口边缘频率f1和f2然后分别被向外四舍五入到最近的500Hz频率f′1和f′2。四舍五入的凹口边缘频率f′1和f′2对应于在m′2和m′1之间的四舍五入m/z分离范围。
该四舍五入凹口边缘频率f′1和f′2包含在弹射波形中，但在他们之间的频率缺失。在传统技术中，四舍五入的结果为，由于f′1＞f1以及f′2＜f2，在希望的m/z范围外的小范围离子不会被弹射。此外，具有略微比m′2低和略微比m′1高的m/z值的离子将被弹射，是因为这些离子仍然足够靠近被场影响的波形频率凹口边缘。
根据发明的一个方面，可避免该“圆整误差”(rounding error)，并且可确定连续可变分离窗口。在一个实施方式中，在分离过程期间使用两个不同的四极场数值。如在使用的那样，如果RF和DC分量值任何之一或者两者已经变化，则四极场值被认为是不同的，并且因此通过调节施加的RF和DC电压中一个或者两者，可改变四极场值。在四舍五入凹口边缘频率f′2，第二四极场值设置m2的质荷比上限，并且在四舍五入凹口边缘频率f′1处，第三四极场值设置m1的质荷比下限。由于可以高精度控制四极场DC和RF幅值，可以依次将确定的m/z分离窗口极限m1和m2设定在四舍五入凹口边缘频率f′1和f′2具有高精度，以补偿在四舍五入和目标凹口边缘之间的频率差。此技术还允许一个人在m/z内确定连续的有效分离窗口宽度。
图9、10a和10b示出了此技术的实施方式。该技术可在包括例如2D或者3D离子阱的四极离子阱的系统中实现。在此实施方式中，在分离期间使用两个不同的RF电压数值910、920。在分离前，将RF电压值调节第一个值970，使用该值以在离子阱中捕获大量离子(步骤1010)。接着，将RF或者DC电压调节到第二个电压值910(步骤1020)，和施加弹射频率波形940(步骤1030)。在RF电压的第二值910，目标离子范围m/z上限m2对应于四舍五入弹射频率波形凹口的低频率边缘f′2(第一边缘)。在例如在2-8ms或更多的一个时间期间后，例如在小于大约1ms内，以分级方式调节RF电压到第三值920(步骤1040)。在RF电压的第三值920，期望的离子范围m1的m/z下限对应于四舍五入弹射频率波形凹口的高频率边缘f′1(第二边缘)。在一个时间期间后，例如在2ms或更多后，例如2-8ms，将该弹射频率波形940切断(步骤1050)。还可将该RF电压进行调节，以返回初始或者第一值970，或者进行设定以适合于随后步骤的值。该分离的离子可以接着根据需要进行利用(步骤1060)。该RF电压可经历仅仅一个单独的步骤，同时将该弹射频率波形打开。
在此实施方式中，系统调节RF电压，该RF电压比用于弹射频率波形中的波形频率分量显著地更精确。因此，可以将生成分离窗口的边缘的m/z设定具有高精度，并可获得连续可变分离m/z分辨率或者m/z分离窗口。此外，该弹射频率波形中的频率间隔仍然是一致的，这避免了与增加不均匀边缘频率分量、控制它们的幅值或者使用“边缘比例因素”有关的问题的出现。
可以设定m/z上限和m/z下限响应分光计操作者的输入。在一个实例中，该分光计接收来自所关心离子操作者的选择，并使用与该选择离子有关的预定m/z极限。可选择的是，该操作者可直接输入m/z极限。
代替同时使用低于f′2和超过f′1两者的所有频率分量，该弹射频率波形可分成两个部分，并且不同部分可利用施加不同的RF电压值而同步地应用。一部分波形是这样的波形，即该波形便于质量范围外的一些或者基本上所有离子被分离，以从离子阱中弹射出来。例如，当该RF电压具有第二值910时，可施加小于f′2的频率分量，而当RF电压具有第三值920时，还可施加大于f′1的频率分量。由于在共振弹射过程期间，能够形成任何共振(弹射)离子中的碎片离子，因此不是所希望的。这种碎片离子可落入m/z值内，对该值当前应用的弹射波形施加部分不具有对应弹射频率的分量。这些碎片离子可幸免于分离过程，并因此导致所关心离子的不完全分离。它们可在产物离子m/z频谱中作为“假象”峰值出现。因此更有效的是，如果在分离方法整个期间，所有的波形频率分量同时施加。可选择地，这种“假象”(碎片)离子可最终通过高m/z和低m/z离子弹射的多个逐次循环而清除掉。
这种在质谱上的“假象”峰值还可通过在阱中分离维应用弹射波形的两个部分来避免。因此，代替把弹射波形的高低频率分量应用到沿着单一方向布置的电极上，可以将该高频率分量应用到第一组电极上，将其安排成以便产生一个场，在第一维极化，并且可以将该低频率分量应用到第二组电极上，将其安排成以便产生一个场，在与第一维不同的一个第二维(一般垂直)极化。例如在如上所述2D线性阱中，第一组弹射波形频率可在x维穿过两个棒被施加，并且第二组弹射波形频率可在y方向穿过两个棒施加。如果该2D阱用于离子分离，由于没有探测到该弹射离子，则在该棒中不需要槽。如果同时施加高频率和低频率分量，但沿着不同的方向取向，可避免破碎的问题。可选择地，高低频率分量可沿着不同的方向依次地施加，并且通过重复地施加高低频率分量两者可避免破碎“假象”离子的问题。
进行一系列实验以利用如上参考图8、9和10a描述的所述技术来测量弹射频率波形凹口的有效宽度。
图11示出了这样的实验结果，这些结果确定与从化合物全氟三丁胺(perfluorotributylamine)中分离m/z 614.0Th离子有关分离窗口的实验宽度。该实验宽度对于不同的分离窗口目标宽度而获得。为了使实验分离窗口形象化，选择包括m/z 614Th的一系列先驱m/z’s。每个先驱m/z以相应分离宽度来分离，而在614Th离子的强度被测量和绘制。在分离过程中，调节RF电压值，以依次把质量m1和质量m2放置在四舍五入弹射频率波形凹口的相应边缘上。在没有调节RF电压情况下，该四舍五入分离窗口具有由水平线指示的宽度。在本质上，通过利用例如分别具有1、2和3离散频率成分缺失的频率弹射波形，可考虑要实现的分离窗口0.6、0.8和1.0的目标宽度。
图12示出了传统分离法与根据发明一个方面实现的分离技术的分离窗口宽度的比较情况。如较早描述的那种传统的分离法，包括利用弹射频率波形，由四舍五入到最近500Hz的频率分量产生，并且限定该波形离散分离宽度，该宽度与目标分离窗户不相配的。相反，实现本发明一个方面的技术产生实验的分离窗口，该窗口的宽度实质上与目标分离窗户的宽度匹配。
图11和12中所示的数据显示通过实施本发明，即使将弹射频率波形凹口量化，该分离窗口的宽度也可连续地改变。此外，网状m/z分离窗口的宽度比由弹射频率波形的“离散”频率间隔限定的分辨率更细小。该分离轮廓窗口的边缘还可以被更精确地控制。
在可选择实现方案中，上面参考图9和10a讨论的技术可包括不同或者附加的特征。例如，该系统可使用较大的波形凹口、不同的启动RF电压，增加反向扫描步骤或者用较慢的扫描技术替换RF幅值的迅速跳跃。在图10b中用插图示出以及在图13和14中概括了选择技术的典型实施方式。这些选择技术可提供较高的分辨率分离，或者使产生“假象”峰值的可能性最小化。
图13和14示出了选择实施方式，其中弹射频率波形1340这样建立，即与在参考图9讨论的用于相同目标分离窗口宽度的技术相比，具有一个稍微大些的弹射频率波形凹口宽度。与参考图10a讨论的方法类似，施加RF电压具有第一值，以在离子阱中捕获离子(步骤1410)。利用较宽弹射频率波形凹口宽度，以及在实际上运用弹射频率波形1340之前，将该RF电压1370设置成所关心的m/z范围处于该目标弹射频率波形凹口的中心(步骤1415)。这把期望的离子保持成远离该弹射频率波形凹口边缘而分离，并为方法的随后慢速扫描步骤留下空间。然后打开该弹射频率波形1340(步骤1420)，并且该RF电压缓慢地倾斜到第二值1310(步骤1430)。该RF电压倾斜一个时间T1，该时间T1比在弹射波形施加阶梯RF情况期间(图9)的时间t1长。例如，时间T1可比5ms长，例如10ms、15ms、20ms或者更长。该RF电压的第二值1310以相反方向(逆向)到达，这在f2把m2带到弹射频率波形凹口边缘。在时间T1期间，较高的m/z离子被达到共振状态，直到所关心的最高m/z，并从离子阱中弹射出来。RF电压然后被形成阶梯式或者被扫描回到(步骤1440)到第一值1370。从该第一值1370，该RF电压缓慢地倾斜到第三值1320(步骤1450)。该RF电压倾斜一个时间T2，其中该时间可比5ms长，例如10ms、15ms、20ms或者更长。在f′1，该第三值1320把m1放置在高频弹射频率波形凹口边缘。在时间T2期间，较低m/z离子(在所关心m/z以下)被扫描成共振，并被弹射或者从离子阱中排除。在分阶段或者扫描方式中，该RF电压返回到第二RF电压值1370(步骤1460)，然后该弹射频率波形1340的应用停止(步骤1470)。通过此技术分离的离子然后根据需要使用(步骤1480)。在可选择实施方式中，此方法的扫描步骤可被颠倒，这样RF电压首先被向前扫描，然后在产生相似结果的相反方向被扫描。
图15-17示出了通过选择适当的RF电压值以及通过降低扫描速率，获得高分辨率分离。图16a到16d示出了分离窗口的宽度可在相对较高m/z值下调节到低于1Th。与图11类似，通过将连续实验中的穿过弹射频率波形凹口的前身m/z阶梯化，并在后分离质谱中对所关心的离子密度进行绘制，可使实验分离窗口宽度直观化。在此情况中，m/z524.3为肽MRFA的电雾化离子，而它的密度被绘制成具有分别在m/z 525.3和526.3处的第二和第三同位素峰。该同位素峰可见到分离分辨率。在图16d中示出了最好的分离分辨率，其中要求的0.1m/z分离宽度在实验上显示为0.08Th。这是在最大高度一半显示的峰值宽度。为了计算该分离分辨率，将此宽度分成m/z，在该m/z处分离发生，m/z 524.3。这是大于6500的分离分辨率。
在正反向RF扫描分离步骤期间，利用24ms/(Th或者amu/单位电荷)的RF扫描速率使化合物蜂毒肽(Mellitin)的四倍带电离子的单个13C同位素(图16a)从所有其他同位素(图16b)中分离。在图17中显示进一步的利用，示出了526Th的相同标称m/z处所关心的两个离子。这两个同量离子仅能通过利用例如在这里描述那种的高分辨率分离技术来单独地分离。一旦分离，则可在单独提供没有交叉污染的结构信息的每个离子上进行MS/MS。
如上所述，上述技术还可以通过把弹射频率波形向上分解为两个部分，例如分别包括高低频率分量的那些部分。与RF电压步骤同步，或者同时在不同取向的电极上使用两个单独的偶极场，例如在2D四极离子阱中的X和Y电极，该系统可在两个不同的时间应用该两个部分。
在一个实施方式中，该系统通过两个独立的偶极场来分离离子，其中该偶极场在离子阱两个不同方向施加。此技术可通过利用频移的振荡幅度的优点来提高m/z分离窗口的边界。尽管该捕集势场基本上为四极的，但是在电极上的槽、孔、间隔和形状偏斜和电极结构可引入八极和其他比四极高的多极项。由于这些高级项，随着捕获离子的振幅的增加，它们的振荡频率也变化。
在一个实施方式中，所希望的是，在第一方向(例如沿着x轴)离子振荡幅值增长，以增加在第一方向离子振荡的频率，同时在第二方向(例如沿着y轴)离子振荡幅值增长，以降低在第二(例如y)方向的振荡频率。在此实施方式中，该弹射频率波形被次分成两个单独的波形，而两个单独的偶极场这样形成，即高频率在弹射频率波形凹口上面而低频率在下面。在分离期间，高频波形应用于x方向，而低频波形应用于y方向。
例如，在2D线性离子阱中，该棒从某位置向内位移，在该位置它们的轮廓与四极场的等电势轮廓相匹配，由y棒可产生比四极较高的项。这将对捕集场产生更高级的多极项，正向四极、八极、十二极和/或更高电势的混合，这样当在y方向上振幅增加时离子频率降低。或者，诸如在棒中的槽的孔的存在是已知的，以产生更高级多极场项。因此，该棒可完全不必进行位移，并且当振幅增加时，该频率将仍然转变到较低频率。尽管这可能对于离子分离有用，然而在质量分析期间，显示具有随着增加振荡幅值的负频移，以提供差的质谱质量。为了这个原因，包含被用来质量分析的槽的对置棒通常向外隔开一定程度或者该等压线改变。在这种情况中，此伸展有助于补偿棒槽的影响，并可使频移随着振幅负的更少或者一般地甚至正的更多。结果，如果相同的离子阱用于分离和质量分析两者，则可通过使y棒向内隔开同时带有槽的x棒向外隔开或者适当地变钝或者锐化棒的外形来提高它的性能。
可以设计RF四极离子阱，利用从传统位置的任何棒移动，结合附加适当尺寸和位置的槽和/或孔腔来设计，或者对电极表面形状加工，以形成所希望的场效应。
图5a大略地示出了如第5,420,425号美国专利中描述的弹射频率宽带波形500，例如跨越伸展的2D线性离子阱的x棒极进行应用。如上述讨论到的那样，一个频率的窄带从弹射波形频率中省略掉，并且DC、AC和RF水平进行选择这样对于所关心的m/z比率范围维持稳定性。此频率的窄带对作为弹射频率波形凹口是已知的。具有与激发场特征振荡频率的捕获离子共振地耦合，与此偶极场的频率分量匹配。离子阱具有伸展设计，因为当在X轴方向的振幅增加时，离子频率也将增加。因此，在弹射频率波形凹口510内并具有接近频率凹口510的高频侧520(低m/z侧)的特性频率的那些捕获离子，在振幅增加时，进一步从频率凹口510移出。由于它们“跑向”或者更好地耦合到弹射频率波形凹口510后沿520的高频侧，因此促进了离子的弹射。结果为，如果曲线是由离子构成的，在应用了(和终止了)辅助波形之后，立刻及时地保持该离子，则如图5a底部所示，生成的分离窗口低m/z侧具有陡坡570。
另一方面，具有接近低频侧530(高m/z侧)特性频率的捕获的离子可从弹射频率波形凹口510外侧或者在弹射频率波形凹口内侧但靠近边界开始，然而当它们的幅值增加时，将移动到频率凹口510内。由于移动，它们的弹射可被延迟乃至被阻止。离子基本上从弹射频率波形凹口510的前沿530“跑开”。结果为，如果曲线是由离子构成的，在应用了(和终止了)辅助波形之后，立刻及时地保持该离子，则生成的分离窗口高m/z侧具有逐渐斜坡580(参见图5a)，以及生成的分离窗口边缘看起来象被涂抹。这些频移效应相结合以形成不对称的形态540。
与图5b所示500相比，该弹射频率波形凹口510可形成较窄，以尝试通过从此弹射波形501中省略掉较窄的频率范围得到较高的分辨率分离(如511所指出的)。然而，该不对称外形确定的是，当该弹射频率波形凹口变窄时，该相对强度(离子保留)(把541与540相比)迅速地下降，使此实现较高分辨率的方法无效。
这些效应还受弹射频率波形应用的持续时间及其他参数影响，其中这些参数影响离子如何快速地从弹射频率波形接纳能量以及被弹射。这些参数包括波形电压的幅值、在离子阱中压力、分离q值以及更高级场成分的大小标志。
该更高级场成分可包括八极和十二极以及其他更高级的多极项。将正向八极场(为了此说明书的目的)定为具有位于与四极场的正极相同轴线上的正极。作为实例，考虑一个2D离子阱，其中四极场在x轴上具有正极。与此四极场共同形成(以相同外加电压产生)并叠加到此四极场上的正八极场还将在x轴上具有正极。此叠加正极在沿着x轴的增加位移上使场增强。在y轴上，该四极场具有负极。该八极场在y轴上具有正极。来自八极场的此正极在沿着y轴增加的位移上削弱了整个场。正十二极场在x轴上具有正极，而在y轴上具有负极。该正十二极场因此在沿着x和y轴两者增加的位移上增强了整个场。比八极和十二极更高级的场以类似方式操作。下面论述在这些场上对离子运动频率的影响。
在产生主要由正四极(正极在x轴上)和正八极场组成的RF四极离子阱中，在x维上的离子振荡频率将随着沿着x轴离子振幅的增加而增加。这是正向八极场在沿着x轴增加位移处使场增强的结果。在相同结构中，在y维上的离子振荡频率将随着离子振荡幅值沿着y轴增加而降低。这是正向八极场在沿着y轴较大位移上削弱整个场的结果。
同样地，在形成包括正四极(具有在x轴上的正极)和负八极场的RF四极离子阱中，离子x维的振荡频率将随着沿着x轴离子振幅增加而降低。在相同结构中，在y维的该离子振荡频率将随着沿着y轴的离子振荡幅值增加而增加。
设计成能产生四极和正十二极场的RF四极的离子阱，启动一个，以影响沿着x和y轴两者离子的运动，这样当离子振荡幅值沿着任一轴增加时，对应的振荡频率也增加。设计成能产生四极和负十二极场的RF四极离子阱，启动一个，以影响在x和y维两者上离子的运动，这样当离子振荡幅值沿着任一轴增加时，对应的振荡频率降低。
当产生具有更高级多极场的场时，必须注意所有的叠加多极场。例如，正十二极场可增强沿着y轴的场的较大位移，足以克服该正八极场的削弱。因此，由于它只具有正八极场而振荡不沿着y轴增加，在y维的离子频率可以不降低。
此讨论作为一个2D离子阱的例子提供，其中x轴具有正四极场极。即使该四极场没有以这样的方式定向，也会有相同的特性出现。该八极场将仍然在沿着某一轴增加的位移上来增强场，同时在沿着另一轴增加的位移上削弱场。该十二极场将在沿着任一轴增加的位移上增强场。在3D离子阱中更高级场以类似方式操作。大家可考虑更高级场，在沿着r和z轴(柱面坐标)或者甚至在三个(x、y和z)轴上增加的位移上增强和削弱场。
图18和19示出了对用于改进离子分离的这些方法的利用。离子首先在离子捕集步骤1910被捕获。捕获的离子由宽带弹射频率波形的低频率成分1800来激发，以弹射具有大于1810(步骤1920)的m/z比的第一范围离子，该捕获的离子具有比所关心的离子1810m/z比范围大的m/z比。弹射频率波形1800的这些低频成分以单独的波形(相对于该弹射频率波形的较高频率成分)应用到该离子阱的x方向电极。将x和y电极隔开并画出轮廓，这样，四极、八极十二极和更高级电势混合的合成电势使离子在它们的y振幅增加时负向频移。因此，具有接近分离窗口1810低频极限(m/z上限)离子频率的被捕获离子在它们的振幅增加时进一步从分离窗口移出。当离子“跑向”分离窗口1810前沿1830时，这促进了该离子弹射。结果为，在示出了在已经应用弹射频率波形后保持的离子相对密度的曲线图中，如图18a底部所示，合成的分离窗口的高m/z极限具有陡坡1880，产生锋利的合成分离窗口边缘。
同样地，通过宽带弹射频率波形的高频成分1805，将具有小于所关心离子m/z比范围1810的m/z比的被捕获离子激发，以将具有小于1820m/z比的第二范围的离子进行弹射(步骤1930)。弹射频率波形1805的这些高频成分以单独的波形(相对于该弹射频率波形的较低频成分)应用到该离子阱的y方向电极。已经将x和y电极已经隔开并画出轮廓，这样四极、八极十二极和更高级电势混合的合成电势在它们的x振荡幅值增加时产生正向离子频移。因此，具有接近分离窗口1810频率上限(m/z下限)的离子频率的捕获离子还在它们的振幅增加时进一步从分离窗口1810移出。当离子“跑向”分离窗口1810边缘1820时，这还促进了该离子的弹射。结果为，在显示应用了弹射频率波形后保持的离子相对密度的曲线图中，如图18a底部所示，合成的分离窗口的m/z下限还具有陡坡1870。利用此方法，那些仅仅在合成分离窗口外部开始的任何捕获离子不能转变到在合成分离窗口(如在现有技术图5)内的频率，消除了如描述的现有技术的不对称曲线形态540。利用这样一个最佳化的合成分离窗口曲线，如图18b所示那样，可减小该合成分离窗口1810的宽度，而不降低保持所关心离子的效率。这与现有技术541所示的不同，该现有技术表明，由于凹口边缘显著地缺少锋利而导致所关心离子缺失。
在此方法的一个实施方式中，两个波形同时地应用到x和y电极对上，以避免储存可通过总有一个分离波形产生的任何碎片离子。可选择的是，两个波形可顺序地应用。此方法的有效性取决于包括波形应用时间、波形电压的幅值，在每一方向非线性较高级场成分的特性，以及在分离窗口频率上的宽度等几个变量。较高级场可在许多方面获得，这些方面包括双曲线形状的电极简单的隔开、从理论上双曲线形状改变电极外形以及增加附加的电极以影响合成场。可考虑并认识到介绍的所有较高级场的效果。例如，在二维阱中，与正十二极场结合的正四极将使离子频率随着增加的振幅在x和y两者上增加。这样，八极和十二极项总和效果(以及其他的较高级多极场项)应该被考虑。可能是决定离子特性的所有多极场项的综合效果。
在不同维应用两个波形的这些讨论描述了在一个维弹射低m/z离子，而另一个维弹射高m/z离子。可选择的是，该两个波形可弹射低和高m/z离子两者。如果该两个波形同时应用，则所有不希望有的离子可获得动能并且在任一维被弹射。这可导致在二维空间离子运动的不希望的耦合效应。较好的是顺序地应用波形。为了利用通过依赖幅值的离子频率移动而提供的改进的分离分辨率，最好是在分离窗口没有形成陡坡的一侧使凹口较宽。第一波形可设定成例如在低m/z侧提供陡坡，同时第二波形在高m/z侧提供陡坡。附加的频率分量可在第一波形的高m/z侧省去，以阻止它在高m/z侧产生分离窗口的逐渐倾斜。第二波形将在高m/z侧产生陡坡。同样，附加的频率分量可在第二波形的低m/z侧省去，以阻止它在低m/z侧产生分离窗口的逐渐倾斜。在低m/z侧具有一些频率分量的优点是形成的碎片离子被弹射。只要这些频率不太接近于期望的m/z下限就是有益的。
尽管在这里对于2D线性离子阱进行更详细的描述，然而这些技术还可用于3D四极离子阱。在第4,540,884号美国专利中描述了传统的三维(3D)四极离子阱，该专利内容在这里全部引入。通过转移管端盖板电极可以实现3D离子阱，其中该离子阱具有主要的四极捕集场上添加的正主导八极场，而该管端盖板电极包括从某位置向外的孔，在该位置它们的外形与四极场的等电势线相匹配，并且使环电极缩小，同时不改变双曲线形状。当振幅在z方向增加时，离子频率也将增加。弹射波形的高频成分和弹射频率波形的低频成分可分别在z和r方向上被激发。这可通过把圆环圈形状的环形电极分成4段而实现。这然后明确地把r维断开成x和y方向，并使近似偶极的共振激发应用在任何一个方向或者独立地在两个方向。作为实例，弹射波形的低频成分和弹射频率波形的高频成分的组合可应用在所有x、y和z的组合上，即x和y、x和z、y和z上。当然，还允许应用3个不同的波形，以在例如所有三个方向x、y和z上形成不同的弹射波形偶极场，将这些场在每一维极化。一些结构和组合可能够产生两个合成的分离曲线窗口，而不是一个。
本发明的方法可在数字电子线路或者计算机硬件、固件、软件或者它们的组合中实施。本发明的方法可在机器可读存储装置或者传播信号中，作为计算机程序产品，即可触知地包含在信息载体内的计算机程序实施，用于通过例如可编程处理器、计算机或者多台计算机的数据处理器件的操作或者控制该操作来执行。计算机程序可以任何形式程序语言来写入，这些语言包括编译或者解释语言，同时它还可以任何形式调用，包括作为独立程序或者作为模块、部件、子程序或者其他适用于计算环境下的单元。在一个地点或者跨越多个地点分布并通过通信网络互连的一台计算机或者在多台计算机上，可调用计算机程序来执行。
本发明的方法步骤可通过一或多个可编程处理器来完成，其中这些可编程处理器执行计算机程序，以通过在输入数据上操作并产生输出而完成本发明的功能。方法步骤还可通过特殊目的逻辑电路来实现，而本发明的器件还作为该特殊用途逻辑电路来实施。该特殊目的逻辑电路例如为FPGA(字段可编程门阵列)ASIC(专用集成电路)。
适用于执行计算机程序的处理器例如包括一般和特殊用途微处理器两者以及任何种类数字计算机的任何一个处理器或者更多处理器。一般地，处理器将收到来自只读存储器或者随机存取存储器或者两者的指令和数据。计算机的必要元件为执行指令的处理器和用于储存指令和数据的一或多个储存装置。一般地，计算机可还包括或者可操作地被耦合以从一或多个用于储存数据的大储存装置接收数据或者把数据传送到该一或多个大储存装置或者两种功能都有，其中该一或多个大储存装置例如为磁盘、磁光盘或者光盘。适用于包含计算机程序指令和数据的信息载体包括所有形式的非易失性存储器、磁盘等，这些非易失性存储器例如包括半导体存储装置，例如EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(电子可擦除可编程只读存储器)和闪存器件；而磁盘例如为内部硬盘或者活动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可通过特殊目的逻辑电路或者包含该特殊目的逻辑电路来添加。
为用于与用户交互作用，本发明可在具有显示器、键盘和例如鼠标或者跟踪球的指示器件的计算机上实施，其中该显示器例如为用于把信息显示给用户的CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器，通过键盘和指示器件，用户可把输入提供到计算机。其他种类的装置可同样用于与用户交互作用；例如，提供用户的反馈可以是任何形式的传感反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或者触觉反馈；并且来自用户的输入可以包括声音、语言或者触觉输入的任何形式。
为了示例和描述的目的呈现了对本发明特定实施例的上面描述。这些描述不是穷举或者把本发明限制到公开的确切形式；根据上述教导，可以进行许多明显改型和/或变化。选择和描述这些实施例，以最好地说明发明的原理和它的实际应用，从而能够使本领域普通技术人员利用具有各种改型的发明和各种实施例，其中这些改型适于设想的具体应用。本发明意在通过以下权利要求和它们的相等物来限定发明的范围。
本领域的技术人员能把根据各种典型的实施例说明的特征结合起来，并可能的是，能形成本发明的此外的典型实施例。
将被理解的是，尽管已经结合详细说明描述了本发明，然而上述描述是用来示出而不是限制发明的范围，其中本发明范围由附加权利要求书的范围限定。其他方面、优点和改型在以下权利要求范围内。
权利要求
1.一种用于在离子阱中分离离子的方法，利用具有第一值场的产生来促进在该离子阱中离子的捕获，要被分离的离子具有一个质荷比的范围，由质荷比下限和质荷比上限来限定，和特性频率的初始相应范围，该离子阱包括至少两个电极，并且该方法包括将弹射频率波形应用到至少一个电极上，该弹射频率波形具有至少一个第一频率边缘和一个第二频率边缘，并且将至少要被分离的离子范围的初始相应频率包含在该第一和第二频率边缘之间的频率范围中；这样将具有第一和第二频率边缘之间特性频率的初始相应范围的最初全部离子均保持在该离子阱中；并且从第二值到第三值调节该场，将第二和第三值选择成，将该质荷比范围之外将要被分离的实质上所有离子从该离子阱中消除出去。
2.如权利要求1的方法，其中调节场包括调节RF电压。
3.如权利要求1的方法，其中调节场包括调节DC电压。
4.如权利要求1的方法，其中调节场包括实质上四极场。
5.如权利要求1的方法，其中第二值选择成将质荷比上限以上的离子从离子阱中消除掉。
6.如权利要求1的方法，其中第三值选择成将质荷比下限以下的离子从离子阱中消除掉。
7.如权利要求1的方法，其中第二值选择成将质荷比下限以下的离子从离子阱中消除掉。
8.如权利要求1的方法，其中第三值选择成将质荷比上限以上的离子从离子阱中消除掉。
9.如权利要求1的方法，其中将该场从第二值调节到第三值包括至少一个分阶段的过渡。
10.如权利要求9的方法，其中在小于大约1ms内，从第二值到第三值调节该场。
11.如权利要求1的方法，其中从第二值到第三值调节该场包括至少一个渐变的过渡。
12.如权利要求11的方法，其中用于至少一个渐变过渡电压的时间对要分离的质荷比或者需要分离的分辨率具有一些依赖性。
13.如权利要求1的方法，其中在应用第二值前，应用在前的值，这样将要分离的质荷比的范围设置成它们特性频率的初始相应范围在第一和第二频率边缘之间。
14.如权利要求1的方法，其中使用从离散频率中选择的一系列有序的频率产生该弹射频率波形。
15.如权利要求14的方法，其中该离散频率是实质上均匀间隔的。
16.如权利要求14的方法，其中在该系列中相邻频率以大约750Hz或者更少彼此隔开。
17.如权利要求14的方法，其中在该系列中相邻频率以大约500Hz或者更少彼此隔开。
18.如权利要求1的方法，其中至少一个电极对准第一维，并且至少一个电极对准第二维。
19.如权利要求18的方法，其中该弹射波形同时应用到对准第一维的电极和对准第二维的电极。
20.如权利要求18的方法，其中该弹射波形顺次首先应用到对准第一维的电极然后应用到对准第二维的电极。
21.如权利要求1的方法，其中该弹射波形包括至少两个波形部分。
22.如权利要求21的方法，其中该两个波形部分实质上同时应用。
23.如权利要求21的方法，其中该两个波形部分顺次应用。
24.如权利要求21的方法，其中该两个波形部分顺次一个接着一个多次应用。
25.如权利要求21的方法，其中该两个波形部分中的第一个限定该弹射频率波形的第一个边缘。
26.如权利要求25的方法，其中该两个波形部分中的第二个限定该弹射频率波形的第二个边缘。
27.如权利要求26的方法，其中把场调节到第二值，从该离子阱弹射实质上所有具有在第一频率边缘一侧的特性频率的离子。
28.如权利要求27的方法，其中把场调节到第三值，从该离子阱弹射实质上所有具有在第二频率边缘一侧的特性频率的离子。
29.如权利要求28的方法，其中具有在第一频率边缘一侧特性频率的所有离子和具有在第二频率边缘一侧特性频率的所有离子，包括在要分离质荷比范围以外的实质上所有离子。
30.如权利要求1的方法，其中该弹射波形包括在至少二维中的频率分量。
31.如权利要求30的方法，其中至少一个电极对准第一维，和至少一个电极对准第二维。
32.如权利要求31的方法，其中将该弹射频率波形实质上同时应用到对准第一维的电极和对准第二维的电极。
33.如权利要求31的方法，其中该弹射频率波形顺次应用到对准第一维的电极和对准第二维的电极。
34.如权利要求30的方法，其中该弹射频率波形包括至少两个波形部分。
35.如权利要求34的方法，其中该至少两个波形部分中的第一个包括在第一维的频率分量，和该至少两个波形部分中的第二个包括在第二维的频率分量。
36.如权利要求1的方法，其中该离子阱包括一个二维线性离子阱。
37.如权利要求1的方法，其中该离子阱包括一个三维离子阱。
38.一种用于在离子阱中分离离子的方法，利用具有第一值的场的产生来促进在该离子阱中离子的捕获，要被分离的离子具有一定范围的质荷比，由第一质荷比极限和第二质荷比极限来限定，和特性频率的初始相应范围，包括第一维的频率分量和第二维的频率分量，该离子阱包括电极，包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极，该方法包括穿过对准第一维的电极，应用弹射频率波形的第一部分，该弹射波形的第一部分包括在该第一维的至少第一频率边缘和第二频率边缘，以及在要分离质荷比范围的第一维中，至少将特性频率的初始相应范围包含在第一边缘和第二边缘之间频率范围内；穿过对准第二维的电极，应用弹射频率波形的第二部分，该弹射波形的第二部分在第二维具有第三频率边缘和第四频率边缘，以及在要分离离子范围的第二维中，至少将初始对应频率包含在第三边缘和第四边缘之间的频率范围内。
39.如权利要求38的方法，其中弹射频率波形的第一部分和弹射频率波形的第二部分实质上同时应用。
40.如权利要求38的方法，其中弹射波形的第一部分和弹射波形的第二部分顺次应用。
41.如权利要求38的方法，进一步包括从第二值到第三值调节场，将第二和第三值选择成，把要分离质荷比范围外实质上所有离子从该离子阱中消除掉。
42.如权利要求38的方法，其中使用从离散频率中选择的一系列有序的频率产生该弹射频率波形。
43.如权利要求42的方法，其中该离散频率实质上均匀间隔。
44.如权利要求43的方法，其中在该系列中相邻频率以大约750Hz或者更少彼此隔开。
45.如权利要求43的方法，其中在该系列中相邻频率以大约500Hz或者更少彼此隔开。
46.如权利要求38的方法，其中应用两个波形部分中之一，在第一方向上产生离子振幅的增加和这些离子第一振荡频率的移动。
47.如权利要求46的方法，其中应用两个波形部分中另一个，在第二方向上产生离子振幅增加和这些离子的第二振荡频率的移动。
48.如权利要求47的方法，其中该第一方向与第二方向相对。
49.如权利要求38的方法，其中该四极离子阱为实质上的四极非线性离子阱。
50.如权利要求49的方法，其中该非线性离子阱包括一个二维离子阱。
51.如权利要求49的方法，其中该非线性离子阱包括一个三维离子阱。
52.一种用于在离子阱中分离离子的方法，利用具有第一值场的产生来促进在该离子阱中离子的捕获，要被分离的离子具有一定范围的质荷比，由质荷比上限和质荷比下限来限定，该离子阱包括至少两个电极，并且该方法包括把包括至少两个频率的第一弹射频率波形应用到至少一个电极上，该第一弹射频率波形具有至少一个第一边缘，以及从第二到第三值调节该场，这些值选择成将最初具有在第一边缘和质量电荷范围最近极限之间特性频率的至少所有离子从离子阱中消除掉。
53.如权利要求52的方法，其中该最近的边缘相应于质荷比上限。
54.如权利要求53的方法，进一步包括跨越至少一个电极，应用包括至少两个频率的一个第二弹射频率波形，该第二弹射频率波形具有一个第二边缘，和从第四到第五值调节该场，这些值选择成将具有在第二弹射频率波形的第二边缘和质荷比下限之间特性频率的至少所有离子消除掉。
55.如权利要求52的方法，其中该最近的边缘相应于质荷比下限。
56.如权利要求55的方法，进一步包括跨越至少一个电极，应用包括至少两个频率的一个第二弹射频率波形，该第二弹射频率波形具有一个第二边缘，和从第四到第五值调节该场，这些值选择成将具有在第二弹射频率波形的第二边缘和质荷比上限之间特性频率的至少所有离子消除掉。
57.如权利要求52的方法，其中调节场包括调节RF电压。
58.如权利要求52的方法，其中调节场包括调节DC电压。
59.如权利要求52的方法，其中该场包括实质上四极的场。
60.一种用于在离子阱中分离离子的方法，利用具有第一值的场的产生来促进在该离子阱中离子的捕获，要被分离的离子具有一定范围的质荷比，由第一质荷比极限和第二质荷比极限来限定，和特性频率的初始相应范围，该特性频率分量包括第一维的频率分量和第二维的频率分量，该离子阱包括电极，该电极包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极，该方法包括把包括至少两个频率的第一弹射频率波形应用到对准该第一维的至少一个电极上，该第一弹射频率波形具有至少一个第一边缘，和从第二到第三值调节该场，这些值选择成将具有在第一边缘和质荷比最近极限之间特性频率的所有离子从该离子阱中消除掉。
61.如权利要求60的方法，其中该最近的边缘相应于质荷比上限。
62.如权利要求61的方法，还包括把包括至少两个频率的第二弹射频率波形应用到对准第二维的至少一个电极，该第二弹射频率波形具有第二边缘，和从第四到第五值调节该场，这些值选择成将具有在第二边缘和质荷比范围下限之间特性频率的至少所有离子从离子阱中消除掉。
63.如权利要求60的方法，其中该最近的边缘相应于质荷比的下限。
64.如权利要求63的方法，还包括把包括至少两个频率的第二弹射频率波形应用到对准第二维的至少一个电极，该第二弹射频率波形具有第二边缘，以及从第四到第五值调节该场，将这些值选择成，把具有在第二边缘和质荷比范围上限之间特性频率的至少所有离子从离子阱中消除掉。
65.如权利要求60的方法，其中调节四极场包括调节RF电压。
66.如权利要求60的方法，其中调节四极场包括调节DC电压。
67.如权利要求60的方法，其中调节场包括实质上四极的场。
68.一种用于在离子阱中分离离子的方法，利用具有第一值场的产生来促进在该离子阱中离子的捕获，要被分离的离子具有一定范围的质荷比，由第一质荷比极限和第二质荷比极限来限定，和特性频率的初始相应范围，该特性频率包括第一维的频率分量和第二维的频率分量，该离子阱包括电极，而该电极包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极，该方法包括跨越对准第一维的电极，应用弹射频率波形的第一部分，该弹射波形的第一部分包括至少两个频率，该第一弹射频率波形具有至少一个第一频率边缘；跨越对准第二维的电极，应用弹射频率波形的第二部分，该第二弹射波形的第二部分包括至少两个频率，该第二弹射频率波形具有至少一个第二频率边缘。
69.如权利要求68的方法，其中弹射频率波形的第一部分和弹射频率波形的第二部分实质上同时应用。
70.如权利要求68的方法，其中弹射波形的第一部分和弹射波形的第二部分顺次地应用。
71.如权利要求68的方法，还包括从第二值到第三值调节该场，将第一和第二值选择成，把在要分离质荷比范围外的实质上所有离子从该离子阱中消除掉。
72.如权利要求68的方法，其中使用从离散频率中选择的一系列有序的频率来产生该弹射频率波形。
73.如权利要求72的方法，其中该离散频率实质上均匀间隔。
74.如权利要求73的方法，其中在该系列中相邻频率以大约750Hz或者更少彼此隔开。
75.如权利要求73的方法，其中在该系列中相邻频率以大约500Hz或者更少彼此隔开。
76.如权利要求68的方法，其中应用两个波形部分中之一产生第一方向上离子振幅增加以及该离子第一振荡频率的移动。
77.如权利要求76的方法，其中应用两个波形部分中另一个产生第二方向上离子振幅增加以及该离子第二个振荡频率的移动。
78.如权利要求77的方法，其中该第一方向与第二方向相对。
79.如权利要求68的方法，其中该离子阱为实质上四极非线性离子阱。
80.如权利要求79的方法，其中该非线性离子阱包括二维离子阱。
81.如权利要求79的方法，其中该非线性离子阱包括三维离子阱。
82.一种用于在离子阱中分离离子的方法，利用具有第一值的场的产生，来促进在该离子阱中离子的捕获，要被分离的离子具有一定范围的质荷比，该质荷比范围确定由上下频率极限限定的目标频率范围，该离子阱包括至少两组电极，该方法包括跨越至少一组电极，应用弹射频率波形，该弹射频率波形限定包括目标频率范围的频率凹口；以及从第二RF值到第三RF值调节该场，将第二和第三RF值选择成，把具有在频率凹口内但在目标频率范围外特性频率的实质上所有离子从该离子阱中消除掉。
83.用于在离子阱中捕获和分离所关心离子的装置，包括具有多个电极的离子阱结构；发电机，提供电压，以应用到多个电极中至少一个上，来产生促进离子保留在离子阱的场，该保留的离子包括具有在特定质量电荷范围内的质荷比的所关心离子，该特定质量电荷范围在质荷比下限和质荷比上限之间延伸，该场具有至少部分地由该电压确定的第一值；辅助的电压源，用于把频率分离波形应用到多个电极中被选择那些电极上面，该频率分离波形具有由第一和第二边缘频率界定的频率凹口，当该场具有第一值时，所关心的离子的特性频率位于频率凹口内；其中从第二值到第三值调节该场，第三值选择成移动被保持离子的特性频率，从而将位于特定质荷比范围外的离子从该离子阱结构中消除掉，同时所关心的离子仍然保留在其中。
84.用于在离子阱中捕获和分离离子的装置，所关心的离子具有频率的初始相应范围，该特性频率具有第一维的频率分量和第二维的频率分量，而该装置包括具有多个电极的离子阱结构，该电极包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极；发电机，提供电压，以应用到多个电极中至少一上，来产生促进离子保留在离子阱中的场，该保留的离子包括具有在特定质量电荷范围内的质荷比的所关心离子，该特定的质量电荷范围在质荷比下限和质荷比上限之间延伸，该场具有至少部分地由电压确定的第一值；并且辅助的电压源，用于把频率分离波形应用到多个电极中被选择的那些电极上面，该频率分离波形具有包括第一部分，该第一部分包括在第一维的第一边缘和第二边缘，当该场具有第一值时，具有第一维频率分量的所关心的离子位于第一和第二边缘之间，和第二部分，该第二部分包括在第二维的第三和第四边缘，当该场具有第一值时，具有第二维频率分量的所关心的离子位于第三和第四边缘之间。
85.用于在离子阱中捕获和分离所关心的具有初始相应特性频率的离子的装置，包括具有多个电极的离子阱结构；发电机，提供电压，以应用到多个电极中至少一种上，来产生促进在离子阱中离子捕获的场，该保留的离子包括具有在特定质量电荷范围内的质荷比的所关心离子，该特定的质量电荷范围在质荷比下限和质荷比上限之间延伸，该场具有至少部分地由电压确定的第一值；辅助电压源，用于把频率分离波形应用到多个电极的被选择的那些电极上面，该频率分离波形具有第一边缘频率，其中从第二到第三值调节该场，该第二和第三值选择成，移动被保留离子的特性频率，将具有在第一边缘和质量电荷范围最近极限之间特性频率的离子从离子阱结构中消除掉。
86.用于在离子阱中捕获和分离具有初始相应特性频率的所关心离子的装置，特性频率具有第一维的频率分量和第二维的频率分量，并且该装置包括具有多个电极的离子阱结构，该电极包括沿着第一维对准的电极和沿着第二维对准的电极；发电机，提供电压，以应用到多个电极中至少一种上，来产生促进在离子阱中离子捕获的场，该保留的离子包括具有在特定质量电荷范围内的质荷比的所关心离子，该特定的质量电荷范围在质荷比下限和质荷比上限之间延伸，该场具有至少部分地由电压确定的第一值；辅助电压源，用于把频率分离波形应用到对准第一维被选择的电极上，该频率分离波形具有第一边缘频率；其中从第二到第三值调节该场，该第二和第三值选择成，移动被保留离子的特性频率，把具有在第一边缘和质量电荷范围最近极限之间的第一维特性频率分量的离子从离子阱结构中消除掉。
87.可触知地包含在计算机可读取介质中的计算机程序产品，包括指令，以控制离子阱来利用具有第一值场的产生来促进在该离子阱中离子捕获，要被分离的离子具有一定范围的质荷比，由质荷比下限和质荷比上限来限定，和特性频率的初始相应范围，该离子阱包括至少两个电极；把弹射频率波形应用到至少一个电极上，该弹射频率波形具有至少一个第一频率边缘和一个第二频率边缘，并且要被分离的离子范围的至少初始相应频率被包含在第一和第二频率边缘之间的频率范围内；这样将在第一和第二频率边缘之间的具有特性频率的初始相应范围最初全部离子保留在该离子阱内；和从第二值到第三值调节该场，把第二和第三值选择成，把质荷比范围外的要分离的实质上所有离子从该离子阱中消除掉。
全文摘要
通过调节场以及利用弹射频率波形，在离子阱中分离在预定狭窄质荷比范围中的离子。这样，质量－电荷比分离窗口被控制，并在没有增加频率分量数目情况下具有提高的分辨率。
文档编号B01D59/44GK101048845SQ200580034905
公开日2007年10月3日 申请日期2005年7月29日 优先权日2004年8月19日
发明者斯科特·T·夸姆比, 杰·C·施瓦兹, 约翰·E·p·西卡 申请人:塞莫费尼根股份有限公司