质谱仪和用于飞行时间质谱的方法与流程

本发明涉及飞行时间(tof)质谱的领域。本发明提供飞行时间质谱仪和飞行时间质谱的方法。

背景技术

飞行时间(tof)质谱涉及加速来自脉冲离子源的离子脉冲，通过飞行区域，在所述飞行区域中，其根据其速度隔离，所述速度取决于其的质荷比(m/z)，且到达记录其飞行时间的检测器。离子的飞行时间随后通常转化为其m/z值。因此，可测量离子的质谱。

通常，离子镜或其它聚焦装置用于将具有不同能量但相同m/z的离子引入到等时焦平面，由此最大化质量分辨率。在质谱仪内利用多反射来延长离子的飞行路径的各种布置是已知的。飞行路径延长对增加飞行时间(tof)质谱仪内离子的飞行时间隔离是合乎需要的。由此提高区分离子之间的较小质量差异(质量分辨力或分辨率)的能力。改善的分辨力以及通常伴随其的增加的质量准确性和灵敏度的优点是用于广泛范围应用的质谱仪的重要属性，具体来说关于生物科学中的应用，例如蛋白质组研究和代谢组研究。然而，在质谱仪的某些设计及具有飞行路径延长的情况下，维持足够高的离子透射率可能是个问题。

us2015/0028197a和us2015/0028198a公开具有延长的飞行路径的一种类型的多反射质谱仪，其中两个离子镜在方向x上彼此相对且两个镜通常在与方向x正交的漂移方向y上伸长。注入到质谱仪中的离子在镜之间在x方向上反复地来回反射，同时其在镜伸长的y方向上向下漂移。总体上，离子运动遵循z字形路径。所述镜随着增加的y而具有会聚作用，由此沿y轴产生伪电位梯度，其充当离子镜以使离子沿y的漂移速度反向且在y上将离子空间上聚焦到放置有检测器的焦点处，通常在离子注入的区域附近。

在tof质谱仪中，通常通过由脉冲高压区产生的脉冲提取电场从离子源中提取离子。这些系统的实例公开于us5,569,917和us7,897,916中，其展示从rf离子阱源提取离子的手段。在tof质谱中，涉及脉冲高电压使用maldi和/或正交加速从离子源提取脉冲离子也是常见的。

由这些方法引起的问题是已发现脉冲提取电压的上升时间引起对所提取的离子的动能的质量相关扰动，这是因为不同m/z的离子在源内空间上隔离，在场达到其最大强度之前穿过提取场的变化部分。因此，如果上升时间过长，那么相对较轻离子可以比相对较高的m/z离子低得多的能量离开离子源。期望最小化离子源内的离子转回时间且改善质量分辨率的高提取场使所述问题加剧。

这种问题通常受限于低质量离子(例如，m/z<200)且在并有离子镜的常规飞行时间仪器中不存在严重问题，这是因为其对>200ev的能量偏差正常耐受。然而，本发明人发现在某些复杂飞行时间分析器设计(例如展示于us2015/0028198a1中的那些，例如并有较长、高度折叠离子飞行路径的那些)中，离子到最终检测器的透射率可取决于具有窄离子能量范围(例如，低于200ev)的离子。

解决所述问题的一个策略是首先限制能量扰动的出现。这可例如通过减少离子源提取脉冲的上升时间来完成。然而，这变得超出某一点越来越困难。替代策略是减少提取脉冲幅度，但这将增加离子转回时间且通常降低仪器的分辨率。又一个选择是增加分析器中离子的飞行能量且就此而言多达20kv是已经常用的。然而，这减少整体飞行时间并且因此降低仪器分辨率。此外，极高的施加电压为仪器带来成本、体积和设计复杂性。

在wo2010/007373a中，公开了共点成像tof质谱仪，其中针对有限质量范围将电位梯度施加到与离子到达时间相关的空间聚焦透镜，以在有限质量范围内实现良好的图像聚焦。然而，未描述能量校正。

在us2013/0068944a中，描述与将离子脉冲例如从maldi源注入到离子阱质量分析器(例如rf阱、ft-icr阱或静电轨道阱)(例如orbitrap^tm质量分析器)中相关联的问题的方法。在此所述问题基本上涉及对可通过离子阱质量分析器从脉冲源接收且俘获于其中的离子的质量范围的限制且质量相关的能量扩展度相对较低，相较于通常与tof质谱仪的脉冲离子源相关联的能量扩展度，通常仅为5ev/kda。一系列圆柱形电极设置于轴上的脉冲离子源下游，离子沿着所述轴行进，施加时间相关电位以改变离子能量。对于某些类型的离子阱质量分析器，较重离子的能量通过时间相关电位降低以改善在离子阱中的俘获。在其它实施例中，例如对于注入到轨道阱中，稍后到达的较重离子的能量增加，以便增加在分析器中俘获的离子的质量范围。

本发明的目标是解决当注入到飞行时间质量分析器中时不同质量的离子的不平均能量，其可导致降低离子透射率和/或仪器分辨力，特别是对于低质量离子，因此限制仪器质量范围。

技术实现要素：

根据本发明的一方面，提供一种质谱仪，包括：

脉冲离子源，用于产生具有一定质量范围的离子脉冲；

飞行时间质量分析器，用于接收来自离子源的离子脉冲且对所述离子脉冲进行质量分析；和

能量控制电极组合件，位于脉冲离子源与飞行时间质量分析器之间，配置成接收来自脉冲离子源的离子脉冲且将时间相关电位施加到离子，由此在所述离子到达飞行时间质量分析器之前根据其m/z控制离子的能量。

根据本发明的另一个方面，提供一种飞行时间质谱的方法，包括：

从脉冲离子源产生离子脉冲；

在飞行时间质量分析器中接收离子脉冲且对所述离子脉冲进行质量分析；以及

使用位于脉冲离子源与飞行时间质量分析器之间的能量控制电极组合件来接收来自脉冲离子源的离子脉冲且将时间相关电位施加到离子，由此在所述离子到达飞行时间质量分析器之前根据其m/z控制离子的能量。

术语质量(mass/masses)通常是指质荷比(m/z)。本发明是基于施加与不同质量的离子的到达时间同步的变化电位以便校正离子的质量相关能量扰动。从离子源提取的离子通常具有一定质量范围(m/z)。时间相关电位优选地与能量改变的质量的离子的到达时间同步，通常是具有低质量范围的离子(例如，处于质量范围的低质量端的离子)。

本发明使得能够针对注入到飞行时间质量分析器中减少不同质量的离子的平均能量的差异，其可改善离子透射率和/或仪器分辨力(分辨率)，特别是对于低质量离子，尤其对于小于200的m/z。

能量控制电极组合件位于脉冲离子源下游。一般来说，由离子源产生的离子的每个脉冲根据离子的m/z在空间中隔离，即使得其按m/z的顺序到达电极组合件。通过这种方式，较轻离子在较重离子之前到达电极组合件。施加的电位提升(或降低)在电极组合件附近的离子的能量，但是能量提升(或降低)的应用是时间相关的，且由此可以质量相关方式调整离子能量。因此，所施加的电位的时序和幅度优选地与到达离子的飞行时间和/或能量偏差匹配(例如，使得所施加的电位的时序和幅度取决于与所有离子的整体平均能量的能量偏差)。因此，离子的飞行时间隔离的程度发生于脉冲离子源与子能量控制电极组合件下游离之间。

脉冲离子源可为所属领域中已知的源上适合的脉冲。其可包括例如rf离子阱、maldi离子源或正交加速器(oa)。在其中脉冲离子源包括rf离子阱的实施例中，rf离子阱可为3d离子阱(paul阱)或线性离子阱，其可为弯曲的线性离子阱或矩形离子阱。弯曲的线性离子阱在本文中也可称为c阱且矩形离子阱也可称为r阱。脉冲离子源可在真空下保持于真空腔室中。通常，脉冲离子源(例如，离子阱、maldi源或oa)中的压力不大于1×10^-2mbar。

飞行时间(tof)质量分析器通常包括飞行区域，其中离子进入脉冲离子源的下游。离子根据质荷比m/z在飞行区域中隔离。飞行区域含有离子的飞行路径。飞行路径可为线性的或折叠的(例如，归因于离子的一或多次反射，且在一些实施例中，在本质上可为z字形)或跑道类型(例如，椭圆形或8种形状的图形)。tof质量分析器进一步包括离子检测器，其用于在离子沿飞行路径行进之后检测所述离子。当离子到达检测器时，记录其的飞行时间。离子的飞行时间随后通常转化为其m/z值。因此，测量离子的质谱。

tof质量分析器通常位于与脉冲离子源和/或电极组合件不同的真空区域中。

在特定实施例中，本发明涉及高质量分辨率飞行时间质谱和/或多反射飞行时间质谱。本发明确切地说适用于具有至少以下的质量分辨力(在m/z200处测量)的飞行时间质谱仪(尤其多反射飞行时间质谱仪)：30,000、或40,000、或50,000、或70,000、或100,000。长飞行路径长度通常是优选的，如下文所描述。

在本文中，采用术语“分辨率”和“分辨力”。分辨率是两个峰δm/z的质荷比m/z的差异，所述两个峰在质谱中能够针对此差异隔离。因此，质量分析器的分辨力r是针对具有质荷比m/z的峰如以下比率定义：

对于这个定义，分辨力r假定两个峰应在峰的一半最大高度(50％标准)处隔离。随后，分辨率δm/z是峰的fwhm(半高全宽)。因此，质量分析器的分辨力r随后通过以下给定：

本发明确切地说适用于校正离子的能量以供注入到多反射tof(mr-tof)质量分析器中以改善透射率和质量分辨率。本发明具体地说对于具有有限的离子能量范围接受度的mr-tof质量分析器具有益处，使得可更好的控制离子能量相关的透射率和分辨率的损失。本发明具体地说对于其中注入到分析器中的离子的动能的范围(即扩展度)需要是100ev或更低(fwhm)(理想地0ev)的mr-tof质量分析器具有益处。

mr-tof质量分析器可包括延长的飞行路径，其中两个离子镜在方向x上彼此相对且两个镜通常在与方向x正交的漂移方向y上伸长。注入到质谱仪中的离子在镜之间在x方向上反复地来回反射，同时其在沿着镜伸长的y方向上向下漂移。总体上，离子运动遵循z字形路径。本发明确切地说适用于校正离子的能量以供注入到mr-tof质量分析器中，如us2015/0028197a和us2015/0028198a中所描述。这种类型的mr-tof质量分析器具有延长的飞行路径，其中两个离子镜在方向x上彼此相对且两个镜通常在与方向x正交的漂移方向y上伸长。注入到质谱仪中的离子在镜之间在x方向上反复地来回反射，同时其在镜伸长的y方向上向下漂移。总体上，离子运动遵循z字形路径。所述镜随着增加的y而具有会聚作用，由此沿y轴产生伪电位梯度，其充当离子镜以使离子沿y的漂移速度反向。随后在y上将离子空间上聚焦到放置检测器的焦点处，通常在离子注入的区域附近。

优选地，tof或mr-tof质谱仪对于离子(即，在脉冲离子源与检测器之间所测量的离子)具有至少10米或15米，更优选地至少20米并且最优选地至少30米的总飞行路径长度。10-30米、或15-20米、或20-30米的路径长度因此是优选的。

除多反射tof质谱仪以外，本发明可用于将离子引入到其它类型的tof质谱仪中，例如具有‘跑道’配置的那些tof质谱仪，其中离子可多次围绕‘跑道’飞行路径行进以延长其的总飞行时间。

应了解，其它离子光学组件可存在于源与检测器之间的离子路径中。举例来说，可紧接着在离子源(提取阱)之后在设置一或多个透镜以限制离子的扩展。

提供能量控制电极组合件以根据其的m/z控制离子的能量(即动能)。离子能量控制电极组合件位于用于接收来自脉冲离子源的离子脉冲的脉冲离子源下游和飞行时间质量分析器上游，即电极组合件位于脉冲离子源与飞行时间质量分析器之间。因此可在离子进入飞行时间质量分析器之前控制穿过离子能量控制电极组合件的离子的能量。

与质谱仪中的离子飞行路径的总长度相比，能量控制电极组合件通常邻近脉冲离子源附近。举例来说，在一些优选实施例中，飞行区域中的离子飞行路径的长度可以是1-30米且离子能量控制电极组合件可位于距脉冲离子源的提取电极下游小于10mm处。优选地，能量控制电极组合件位于距脉冲离子源下游一段距离处，所述一段距离是脉冲离子源与检测器之间的总离子飞行路径的长度的小于1％，或在一些实施例中，是脉冲离子源与检测器之间的总离子飞行路径的长度的小于0.5％，或小于0.2％或小于0.1％。能量控制电极组合件通常位于离子的第一次焦平面处。

电极组合件被配置成将动态(时间相关)电位施加到穿过其的离子。因此，离子在其通过电极组合件时经历时间相关电位梯度。在一些实施例中，将时间相关电压施加到电极组合件的一或多个电极以提供时间相关电位梯度。在某些实施例中，将第一电压施加到电极组合件的一或多个第一电极且将第二电压施加到电极组合件的一或多个第二电极。

对于正离子，施加到电极组合件的时间相关电压优选地是正电压。在这些实施例中，(或每个)时间相关电压更优选地随着增加时间(即，增加到达时间)从较少正电压增加到更多正电压。对于负离子，极性将优选地被反转，即在所述状况下施加到电极组合件的时间相关电压将优选地是负电压。在这些实施例中，(或每个)时间相关电压更优选地随着增加时间(即，增加到达时间)从较少负电压增加到更多负电压。

能量扩展度是质量相关的。通常低质量(例如，小于200m/z(或da)的质量)的离子具有比相对较高质量(例如，质量大于200m/z)的离子更低的能量。离子的初始质量相关能量扩展度(在校正之前)，例如在偏离较高质量离子的平均能量的较低质量离子中，可在0.1v/da到约2v/da的范围内，具体地说0.2v/da到1.5v/da。在某些优选实施例中，将较轻离子的能量提升到与较重离子的能量基本上相同的能量。在一些特定实施例中，提升具有小于200的m/z，或具有小于150的m/z或具有小于100的m/z的至少一些离子的能量。在一些特定实施例中，将较轻离子(例如具有小于200的m/z)的能量提升到与具有大于200的m/z的离子基本上相同的能量。在一些实施例中，提升例如具有小于200的m/z(或具有小于150的m/z，或具有小于100的m/z)的离子中的至少一些的能量至少10ev、或至少20ev、或至少30ev、或至少40ev或至少50ev。

控制能量控制电极组合件以便根据其在组合件处的到达时间(其取决于离子的m/z)将时间相关电位施加到离子，由此以根据其的m/z控制离子的能量。因此，时间相关电位不周期性地变化。确切地说时间相关电位根据来自离子源的离子脉冲中的离子中的至少一些的到达时间变化。

离子进入和从能量控制电极组合件离开通常形成离子束。在某些优选实施例中，能量控制电极组合件另外用于塑形离子束。在这些实施例中，对于塑形离子束，能量控制电极组合件优选地位于脉冲离子源附近(例如，如上文所描述距脉冲离子源一段距离处，所述一段距离是脉冲离子源与检测器之间的总离子飞行路径的长度的小于1％、或小于0.5％或小于0.2％或小于0.1％)。

能量控制电极组合件可包括至少一个电极，将时间相关电压施加到所述至少一个电极(在本文中是所谓的动态电极)。通常在控制器的控制下将电压从电力供应器施加到至少一个动态电极。

能量控制电极组合件可包括板(即平面)、在其中具有用于接收和透射离子的孔的电极或由其组成，即所述离子在其在离子源与质量分析器之间行进时通过所述孔。板或平面电极充当动态电极，即施加时间相关电压的动态电极。板或平面电极优选地在基本上与离子的行进方向正交的平面中定向，其包含板或平面电极在基本上与离子的行进方向正交的平面中定向的实施例。孔可具有适合形状和尺寸，以便准许透射大体上所有离子。孔在形状上可以为例如圆形或椭圆形或矩形(任选地方形)。优选地，孔呈槽的形式(即基本上矩形或信盒形状)。通过这种方式，孔接受离子束的椭圆形或信盒形状(横切于波束行进方向的横截面形状)。孔的高度通常大于波束的高度。孔或波束的高度通常是较小尺寸且孔或波束的宽度通常是较大尺寸，即宽度尺寸通常大于高度。优选地，板或平面电极中的孔(例如，槽)的高度和宽度大于板或平面电极的厚度(所述厚度是在离子行进的方向上的电极的尺寸，所述高度和宽度是在与离子行进的方向正交的平面中)。举例来说，在一个实施例中，能量控制电极组合件的板或平面电极可为1mm厚度且具有针对离子的4mm高度的槽孔，以及大于4mm的宽度。

代替包括具有孔或槽的单个板电极，能量控制电极组合件可构建为在其间具有间隙的两个板电极，其可以所描述的孔方式作用。然而，这通常被认为是较不优选的，这是因为更难维持间隙的准确性。

板电极具有优于例如管电极设计的若干优点。由于差动泵浦和透镜需求，空间通常在紧接着离子源的前方非常有限(其中优选地定位这种动态电极以最小化飞行时间像差)，薄电极有利于控制离子云大小且不会像例如管那样阻塞泵浦。

能量控制电极组合件，尤其其的动态电极，优选地位于等时平面处，最优选地为第一次焦平面(当波束从离子源行进时)。否则，具有相同m/z的离子将给予额外能量分散而非减少其的能量分散，由此导致在随后的飞行时间焦点中劣化。

至少一个低电位电极(相对于脉冲离子源和/或能量校正电极组合件的较低电位)优选地设置于动态电极的下游(离子路径中)但tof质量分析器的上游。至少一个低电位电极在某些优选实施例中是设置于动态电极的下游但tof质量分析器的上游的接地电极(即，正接地或接地电位处)。在一些实施例中，离子源(例如离子阱)可在若干kv(例如，3-5kv)的电位处浮动且离子由此电位移动到接地最终电位。在一优选实例中，离子的平均飞行能量由脉冲离子源相对于接地电极(即，低电位电极是接地电极)的电位(例如，4kv)来定义。然而，在另一实例中，离子的相同平均飞行能量可由接地离子源(除用于离子提取的推动/牵引电压以外)来定义，其中离子路径中下游的一或多个其它电压(包含低电位电极的电压)偏移到-4kv。离子优选地通过离子路径中的低电位(例如，接地)电极。因此，更一般来说，相对于离子源的高电位的低电位电极上的电位限定离子能量(除在离子撞击检测器之前可施加的离子的任何所谓的后加速以外，其中检测器是离子撞击检测器，例如多信道板)。与用于能量调整的动态电极相比，低电位或接地电极是静态电极(即，恒定地电位)。低电位或接地电极与动态电极之间的距离优选地大于动态电极与脉冲离子源之间的距离。通常，低电位或接地电极与动态电极之间的距离是动态电极与脉冲离子源之间的距离的至少1.5×、或至少2×、或至少3×(例如，4×)。

施加的时间相关电位(电位提升)通常是线性的，但是相对于时间不需要是线性的。实际上，其中电压梯度随时间的推移减少的所施加的非线性时间相关电压(例如，伪指数)对于匹配离子的初始质量相关能量扰动将为理想的。然而，实施线性或近似线性的电压斜升通常更简单，其可通过两个电压电平(其中的一个可为接地)之间的单个电子开关和用于控制电极上的电压的变化率的适当rc时间常数来实现。最优选的实际实施例包括单个能量控制电极(动态电极)，其中向其施加线性电压斜升，例如在两个高电压之间且在从脉冲离子源提取离子时开始，或在接地与高压之间，在这种情况下，优选的地在电压斜升开始与从离子源提取时之间采用适合延迟(即，斜升在从脉冲离子源提取离子之前开始，这是因为其从地面电位到达高压需要更长时间)。

因此，时间相关电压优选地包括电压斜升，所述电压斜升将电压从第一电压(离子提取时动态、能量控制电极上的电压)改变成第二电压。电压斜升(开始(第一)电压和终端电压之间的差)的范围(即，幅度)可在100-1000v，优选地200-800v，更优选地300-700v或400-700v之间(例如，具有500v的幅度的斜升或具有600v的幅度的斜升)。优选地，电压斜升的幅度应与所需要的能量校正的幅度类似(在一些实施例中，基本上与其相同)，例如数百ev(例如100-1000v等)。将本文中的电压斜升的范围或幅度定义为范围介于从脉冲源(第一电压)提取离子时(point/moment)的电压到终端电压(第二电压)。如果电压从接地开始，那么其可扫描通过较高整体范围(当从源提取离子之前进行测量时)，例如1200v或更多，然而斜升的开始在所述状况下先于从离子源提取离子。尽管如此，从脉冲源(第一电压)提取离子时(point/moment)的电压到终端电压的斜升的范围或幅度如所描述优选地是100-1000v、200-800v、300-700v或400-700v。举例来说，例如通过作为离子源和下游接地电极的4kv浮动离子阱产生的在一个实施例中具有4kv飞行能量的斜升的最优终端电压是+1240v，因此在从源提取离子的时刻处开始的电压扫描可为例如690-1240v。由于对于离子提取具有适合延迟，有可能在接地处开始，随后整体电压扫描(当从源提取离子之前进行测量时)可为0-1240v。在另一实施例中，当离子阱是接地且下游电极是-4kv时，与前述实施例相比，斜升的开始和结束时的两个电压将为4kv偏移，即分别-3310v和-2760v。

斜升期间的时间相关电压的变化率可为0.01到100v/ns(伏特/纳秒)，优选地0.1v/ns到10v/ns，更优选地0.5v/ns到5v/ns，或尤其1v/ns到5v/ns。斜升开始时的第一电压可为地面电位，或电压多达1000v。斜升结束时的第二电压可为大于500v、大于750v或更优选地大于1000v的电压。优选地，第一电压在0-1000v或10-1000v(尤其100-1000v)之间，且第二电压大于1000v(例如在1000-2000v或1000-1500v之间)。

在电压斜升达到第二值后，施加到能量控制电极的电压维持在第二值(例如，>500v，或优选地>1000v)处。校正电极优选地用于塑形所提取离子束的额外目的。

在一些实施例中，施加到脉冲离子源的脉冲提取电压可在整个质量范围内引起能量的明显纹波或振铃。有可能进一步振铃可由电子设计(例如剩余rf)的其它零件造成。通常，这种振铃将具有与提取脉冲(100s的ns)的上升时间类似的振荡时段且通常随着若干次振荡衰减。因此，在某些实施例中，这种振铃效应可通过将纹波或振荡电压施加到能量控制电极组合件(即，叠加于电压斜升上)来校正，其中通常仅需要施加少数振荡。

在某些有利实施例中，离子的能量控制不需要在一个阶段(即，在时间的一个阶段中和/或在一个能量控制电极组合件处)全部完成。相反地，在一些实施例中，可例如在不同时间处和/或在不同能量控制电极组合件上应用若干能量调整阶段。

通常提供电压控制器以用于控制从电力供应器施加到能量控制电极组合件的时间相关电压。控制器通常包括计算机。优选地操作计算机以执行包含用于执行根据本发明的质谱的方法的指示的程序。程序可实施于软件或固件中。

附图说明

图1示意性地展示飞行时间质量分析器的一实施例的平面视图。

图2示意性地展示飞行时间质量分析器的另一实施例的透视图。

图3示意性地展示矩形阱脉冲离子源以及包括根据本发明的能量控制电极组合件的离子光学布置。

图4展示相对于来自展示于图3中的离子源的参考离子咖啡碱(m/z＝195)的离子的模拟能量偏差。

图5展示使用展示于图3中的根据本发明的能量控制电极组合件的离子的能量校正。

图6展示在具有和不具有本发明的的离子能量校正的情况下的飞行时间质量分析器中的模拟的相对离子透射率。

图7展示在具有和不具有根据本发明的离子能量校正的情况下的飞行时间质量分析器的模拟的相对分辨力。

具体实施方式

现将借助于以下实施例且参见附图更详细地描述本发明。

图1和图2示意性地展示多反射飞行时间质谱仪的实施例。设计详细地描述于us2015/028197a(其的内容以全文引用的方式并入本文中)中。

由于设计类似，为简单起见，其将一起进行描述。多反射飞行时间(mr-tof)分析器围绕通常在中漂移方向y上伸长的两个相对的离子镜71和72构建。具有四极杆111-1和111-2的脉冲离子源73(例如提取阱)将离子喷射到第一镜72中，且所述离子随后在所述镜之间振荡。离子束在分别通过第一及第二偏转器114和115偏转之前在留下提取阱之后通过透镜(未示出)塑形。提取阱和额外偏转器114和115的角度允许在漂移方向y上控制离子的能量，使得离子在其振荡时沿着镜的长度导引，从而产生z字形轨道。镜本身相对于彼此倾斜，从而产生延迟离子的漂移速度(在y方向上)且使得其在漂移方向上向后反射并聚焦到检测器74、117上的电位梯度。相对的镜71、72的倾斜将通常具有在离子振荡沿着漂移维度行进时改变离子振荡的时段的负面副作用。这用位于高于和低于离子束的镜之间的空间中的补偿电极95、96、97校正，其更改框间镜空间的一部分的飞行电位，从而沿着相对的镜的长度变化。补偿电极的变化宽度和镜之间的距离变化的组合允许离子在检测器74、117上的反射和空间聚焦，以保持良好的时间聚焦。所述设计在提供高质量分辨率方面是有利的，因为具有长度可超过25m的长折叠离子路径(离子从离子源到检测器行进的距离)。

一般来说，需要动态地控制的mr-tof分析器的唯一部分是脉冲离子源，即这些实施例中的提取阱，这是因为其具有俘获离子且随后注入其到分析器中的动态电压。所有其它电压在正常仪器操作期间是静态的。

尽管，特定mr-tof设计展示于图1和图2中，应理解，本发明适用于飞行时间质量分析器的其它设计。

所展示的脉冲离子源是含有一些缓冲气体的rf线性离子阱，所述缓冲气体例如通常5×10^-4到1×10^-2mbar压力下的氩气。阱具有快速关掉rf且施加电压以提取俘获离子的能力。所谓的c阱(弯曲的线性离子阱)是脉冲离子源的适合提取阱的一个实例。

呈线性离子阱或3d离子阱形式的提取阱不是mr-tof唯一可能的离子源。原则上，可使用如标准商业tof仪器中发现的更传统正交加速器，或可使用maldi离子源。

所展示的mr-tof实施例的优选离子源是类似线性阱但构建具有平面板(所谓的矩形阱或r阱)。r阱和提取方法描述于us9548195(b2)(其的内容以全文引用的方式并入本文中)中。

参看图3，在此更详细地展示矩形阱脉冲离子源以及包括根据本发明的能量控制电极组合件的离子光学布置。

从具有2mm内切半径，具有4kv施加的dc电位的矩形离子阱2中提取离子。施加俘获rf电压(1kv峰-峰)，其在提取之前被淬灭且施加±750v(相对于4kv)以“推动”和“牵引”高于和低于阱的中心(在离子飞行方向上)的电极4和6，由此产生强烈场梯度且使离子加速离开“牵引电极”6中的0.6mm×8mm槽8，所述槽在阱长度方向上伸长。在这个实例中，提取电位具有100ns(纳秒)上升时间。

包括具备4mm高槽的1mm厚的金属板的能量控制电极10(其也可被称为能量校正电极)位于距2mm厚的牵引电极下游2mm处(板的厚度和槽的高度展示于页面的平面中)。垂直于页面的尺寸中的槽宽度大于其高度且基本上容纳离子束的全宽。替代地对于金属板，可将具有金属涂层的非金属板用作能量控制电极。板电极是平面且在基本上与如由箭头展示的离子的行进方向正交的平面中定向。

在使用时，对于能量校正，可将电压斜升施加到电极10，其以在提取的时刻处施加的+690v开始且在245纳秒后线性地斜升到+1240v。在这个245ns上升时段后，施加恒定+1240v。校正电极10用于塑形所提取离子束的额外目的，其中+1240v是最优值。从牵引电极中提取的离子通过两个电极之间的电压梯度加速，且随后在其进入位于距校正电极10下游另外8mm的接地电极12的1mm到2mm槽时进一步加速到其的全4kv飞行电位。接地电极能够使离子达到其4kv的飞行能量。在其之后，离子进入飞行时间质量分析器(任选地在偏以对齐离子束的一或多个阶段之后)。接地电极可为具有入口槽的薄板，优选地跟随有偏转器区域。入口槽优选地相对较小(例如，2mm高×12mm宽)，通常横截面积小于能量校正电极的孔，以减少气体泄漏到处于下游的飞行时间质量分析器中。偏转器区域优选地包含至少一个离子偏转器，以向离子到tof分析器中提供所需注入角度。

图4展示相对于来自离子阱源的参考离子咖啡碱(m/z＝195)的离子的模拟能量偏差，所述离子阱源在375v/mm提取场上具有2mm内切半径和100ns上升时间。本发明提供将电压梯度(相对于时间)施加到位于距离子源离子飞行路径下方的校正电极的解决方案。制作基于上述电极组合件和电压的模拟且在具有和不具有能量校正电极10上的所施加电压梯度的情况下测量不同质量处的离子能量(相对于m/z＝195)。如图5所展示，已证实施加到能量校正电极的具有245ns上升时间的550v电压斜升从m/z＝50-150的离子消除大部分能量扰动。并有以上描述离子源和离子光学布置的完整飞行时间质量分析器的另外的模拟展示质量相关透射率损失的大量减少(参见图6)以及分辨力的改善(参见图7)。对应地，还可延长仪器的质量范围。

应了解，可在上述实施例的众多变化形式中实施本发明。以上实例使用紧接着在脉冲离子阱之后(即，在所述脉冲离子阱前方)安置的单个能量控制电极，使得能量控制电极组合件也充当空间聚焦装置或透镜，但能量控制电极组合件可并入到离子路径更下方的某处，其中出于能量调整的目的存在包含离子光学布置的空间。更优选地，能量校正电极应位于等时平面处或等时平面附近，并且最优选地在第一次焦点或焦平面(其处于tof分析器之前)处，否则呈不同m/z的不同离子在空间上将不充分地隔离，给予具有相同m/z的离子额外的能量分散，转移且扭转随后的tof焦点。因此，在一优选实施例中，能量校正电极组合件位于tof分析器上游的等时焦平面(尤其第一等时焦平面)处或在其附近。组合件可甚至包含于飞行时间分析器自身内，尽管这与将其定位于tof分析器上游的第一次焦点或焦平面处或其附近相比是不利的。

能量控制电极组合件不必在一个阶段中提供或激活，即，可提供多个能量调整阶段。多个能量调整阶段可提供于不同时间处(例如，不同时间处操作的一个能量控制电极组合件)和/或不同位置处，即在不同能量控制电极组合件处。

施加的电位提升(即电压斜升)相对于时间不必是线性的。实际上，其中电压梯度随时间的推移减少的非线性电压提升将通常更好的匹配离子的初始质量相关能量扰动。然而，实施线性或近似线性的电压斜升通常是简单得多，其可通过使用两个电压电平(例如，可为接地中的一个)之间的单个电子开关和用于控制电极上的电压的变化率的具有适当rc时间常数的rc电路来实现。最优选实际实施例将具有单个校正电极，伴有线性电压斜升。电压斜升可在两个高电压之间且在从离子源提取离子的时间点处(例如，当施加提取脉冲时)开始，或在接地与高压之间，电压斜升的开始与提取点之间具有适合延迟(即，校正斜升在离子提取之前开始)。

本发明允许改善飞行时间仪器的透射率和分辨率，确切地说改善可具有更有限的离子能量范围接受度的先进飞行时间设计的透射率和分辨率，这是因为本发明可确保更好的控制透射率和分辨率的离子能量相关损失。本发明尤其适用于需要离子的平均能量的小于5％或小于3％(例如，对于离子的4kv飞行能量，200ev或更低，或100ev或更低)的离子能量的范围(扩展度)的飞行时间质谱仪。

作为展示于图1和图2中的多反射飞行时间(mr-tof)质量分析器的替代方案，本发明可包括另一种类型的飞行时间质量分析器。可使用线性tof质量分析器。可使用“跑道”类型的tof质量分析器(例如，具有椭圆形或八个离子束路径的图形)。然而，优选地使用mr-tof质量分析器。可使用的其它类型的mr-tof质量分析器可包含例如以下类型中的一个：

-包括两个平行相对的镜的布置的mr-tof质量分析器，如由nazarenko等人在专利su1725289中所描述。在这些实施例中，镜在漂移方向上伸长且离子遵循z字形飞行路径，从而在镜之间反射且同时在漂移方向上沿着镜的延长的长度相对缓慢地漂移。每个镜可由平行棒电极组成。

-包括平行相对的无网格离子镜的mr-tof质量分析器，例如如由wollnik在中在gb专利2080021中所描述。可布置线性布置中的两行镜或两个相对的镜环。一些镜可倾斜以影响波束注入。

-包括在漂移方向上伸长的带网格的平行板镜布置的mr-tof质量分析器，如由su在《国际质谱和离子过程杂志(internationaljournalofmassspectrometryandionprocesses)》,88(1989)21-28中所描述。相对的离子反射器可被布置成彼此平行，且离子在到达检测器之前在多次反射中遵循z字形飞行路径。

-包括位于两个平行伸长相对的镜之间的无场区内的周期性地隔开的透镜的mr-tof质量分析器，如由verentchikov在wo2005/001878和gb2403063中所描述。透镜的目的是在每次反射之后控制漂移方向上的波束发散，由此使得能够获得较长飞行路径。

-包括用于多反射伸长tof镜分析器的用于在漂移方向上波束聚焦的系统的mr-tof质量分析器，如由makarov等人在wo2009/081143中所描述。在这些实施例中，第一无网格伸长镜由在垂直方向上伸长的一组个别无网格镜相对，沿着平行于第一伸长镜的漂移方向而并排设置。所述个别镜在漂移方向上提供波束聚焦。

-包括用于在漂移方向上波束聚焦的包括伸长平行相对的镜的系统的mr-tof质量分析器，如由verentchikov和yavor在wo2010/008386中所描述。在这个布置中，通过沿着伸长镜结构以设定的间隔周期性地调节一个或两个镜内的电场将周期性透镜引入到一个或两个相对的镜中。

-包括相对伸长离子镜(包括镜单元格)的mr-tof质量分析器，如由ristroph等人在us2011/0168880中所描述，各自具有弯曲的截面以在漂移方向上提供聚焦且部分或完全补偿相对于漂移方向的二阶飞行时间像差。

-包括两个平行无网格镜且进一步包括垂直于相对的镜定向并位于距离子注射器的相对的镜远端处的第三镜的mr-tof质量分析器，如由sudakov在wo2008/047891中所描述。

如本文所使用(包含在权利要求书中)，除非上下文以其它方式指示，否则本文中的术语的单数形式应被解释为包含复数形式，且反之亦然。举例来说，除非上下文另外指示，否则在本文中(包含在权利要求书中)一个单数参考物，如“一(a)”或“一(an)”意指“一或多个”。

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应了解，可以对本发明的上述实施例作出变化，同时这些变化仍属于本发明的范围内。除非另外说明，否则本说明书中所披露的每一特征都可被用于相同、等效或类似目的的替代特征替换。因此，除非另外说明，否则所披露的每个特征仅是一系列通用等效或类似特征的一个实例。

本文中提供的任何和所有实例或示范性语言(“举例来说(forinstance)”、“例如(suchas)”、“例如(forexample)”以及类似语言)的使用意图仅更好地说明本发明，并且除非另外要求，否则并不指示本发明的范围上的限制。本说明书中的任何语言都不应理解为指示任何非请求保护的元件对于实践本发明是必需的。