用于从多极装置移除所俘获的离子的方法

用于从多极装置移除所俘获的离子的方法
【专利摘要】本发明揭示一种用于从多极离子传输装置清除离子的方法及设备，所述方法包含将DC或RF清除脉冲引入到所述多极装置的杆中的一或多者。所述DC脉冲经选择以便将充足动能供应到离子以克服由所述离子传输装置的RF电势产生的伪势俘获阱。对于RF脉冲，辅助RF信号使用对应于所喷射的离子的运动频率的频率。在所选择实施例中，所述多极装置可为四极，或所述设备可为串联质谱仪的部件。
【专利说明】用于从多极装置移除所停获的离子的方法
[0001] 相关申请案
[0002] 本申请案主张来自2013年12月31日申请的第61/922,288号美国临时申请案及 2014年2月4日申请的第61/935，731号美国临时申请案的优先权的权益，所述美国临时申请 案两者的内容都特此W全文引用方式并入。
技术领域
[0003] 本文中的教示设及清除质谱系统中的离子的方法。
【背景技术】
[0004] 在串联质谱系统中，多个质谱仪装置经串联连接W实现增强的分析能力。因此，离 子从一个装置到下一装置的转移是分析中的重要步骤，因为不合适的转移可导致不精确的 结果。
[0005] -般来说，某些串联质谱仪使用多个多极装置移动及操纵离子。举例来说，四极装 置由围绕中屯、纵轴在正方形的四个角处周向布置的四个杆组成，其中所述杆的内面与所述 中屯、轴的间隔为恒定距离r〇(场半径）。对于圆杆，杆R的直径与场半径ro的比率大约是 1.126。理想地，杆具有双曲横截面轮廓，但常为圆形的。四极可仅具有施加于其的RF电压或 具有施加于其的RF及DC电压，且穿过四极的离子轨迹由马修(Mathieu)参数a及q决定，其中 由a的值确定DC电势（解析DC)且由q的值确定RF振幅r四极质谱仪及其应用（Quadrupole Mass SpectrometiT and Its A卵Iications)"，彼得H.道森（Peter H.Dawson),美国物理 学会(American Institute of Physics) ,1995,所述内容W引用方式并入）。四极设置具有 两个极(A及B)。每一极由四个杆中的在中屯、轴的相反侧上直接面对彼此而定位的两个杆 (一对)组成。相对于A极将B极上的RF移位180°，且B极上的解析DC是A极上的解析DC的相反 极性。穿过四极的离子轨迹是非线性的，且其围绕稳定(穿过四极)或不稳定(被径向地喷射 或接触杆中的一者）的某一总轨迹振荡。通常结合离子阱（3D及2D)-起使用四极W用于质 量选择。使用四极、阱及飞行时间装置W用于质量分析。其它类型的多极包含(但不限于)六 极及八极。
[0006] 在图1中描绘串联质谱仪装置的典型简化设置的侧视图。此类装置由多个四极装 置(标记为Q0、Q1、Q2及Q3)组成。QO及Q2仅使用RF电压操作且被认为用作离子引导件，其中 马修稳定性参数a等于0且q为非零。QO区域通常操作于3到IOmTorr范围中的高压下，而Q2离 子引导件在串联质谱实验期间操作于3到IOmTorr下且可作为碰撞池操作。Ql及Q3使用RF及 DC电压两者操作，且被用作选择性地使仅具有特定m/z或特定m/z比率范围的离子穿过的质 量过滤器。另外，操作于仅RF模式中、用作离子转移装置的短四极(ST1及ST3)位于Ql及Q3质 量过滤器的前面，且可将所述短四极描述为预过滤器，因为其位于过滤四极的正前方。ST2 也为离子转移装置，其用于改进到可作为碰撞池操作的Q2四极中的发射。透镜(标记为IQl 及IQ3)位于预过滤器的正前方。IQ2是被定位在碰撞池 Q2之前的另一透镜。
[0007] 据发现，当在串联质谱仪中使用高离子束强度时，总离子电流(TIC)测量是不一致 且不稳定的。此类不一致性可导致不精确的定量测量，例如(举例来说）出于校准曲线目的 所产生的曲线图，其中信号对浓度的曲线图在较高计数率下变成非线性的。在图2中描绘此 的实例，其中针对化合物西他马哇(S i tamaquine)所产生的校准曲线表明在500ng/mL的浓 度下自线性偏差15%。
[0008] 通过内部测试，已发现，运些情况中所展现的非线性度与被俘获于系统中的预过 滤器区域中的离子相关。当遇到适当的条件时，离子可在预过滤器/质量过滤器边界（即， ST1/Q1或ST3/Q3边界)处朝向离子源的方向反射回。运些被反射的离子通过与最接近IQl及 IQ3透镜的处于高压下的背景气体的碰撞也损失轴向动能，且被俘获于预过滤器区域中。被 俘获于预过滤区域中的离子可引起离子穿过预过滤器的传输的变化。在高离子束强度下， 离子可快速地填充预过滤器区域，从而引起离子信号随时间而变化直到已建立平衡条件。
[0009] 从任何仅RF四极，且更特定来说，从本文所描述的预过滤器移除离子的一种方法 设及使用施加于四个杆的DC脉冲。作为实例，可通过在扫描或多反应监测(MRM)实验之前持 续Ims的周期对预过滤器上的DC偏移施W从其发射电势到接地电势的脉冲来清空STl的预 过滤器区域。在此情景中，STl电势为如此，使得引起离子朝向相邻IQl及Ql光学器件排出且 离开STl区域。如应了解，虽然使用接地电势，但只要其允许使离子朝向相邻装置清除，就可 使用任何适合相对电势。因此，预过滤器DC偏移被改变到相对于相邻离子光学器件的排斥 势，此导致所俘获的离子朝向相邻光学器件移动。当使用中等离子束强度时，此DC脉冲清空 预过滤器，但已发现，在使用非常明亮的电子束强度时，此DC脉冲不足W清空预过滤器。可 利用(例如)将杆上的RF振幅减少到离子可径向地逃脱的水平的其它技术，但需要单独RF发 生器W单独地按与剩余四极不同的RF振幅操作预过滤器。此可导致成本增加。另外，虽然可 将所有四极的振幅统一地降低从而避免使用单独RF发生器，但此引起工作循环的减少，此 是因为需要额外时间使QO四极再充满。

【发明内容】

[0010] 已发现，与各种质谱仪的操作模式中的操作一起发生的多极(包含预过滤器四极） 内的离子的俘获是在预过滤器四极-过滤器四极接口（例如，STl与Ql之间）处的离子反射的 结果。还已发现，此反射发生于具有较高径向振幅的离子上，例如，举例来说，当使用高强度 离子束时，其中空间电荷效应可导致扩展的离子云。
[0011] 可将离子从离子传输四极清除的常规方式是成本较高或是无效的，且因此需要一 种清除此类四极的新方法。
[0012] 已发现一种通过在四极内产生从四极清除离子的电势梯度来清除离子传输四极 的有效且快速方式。通过在多极设置中的杆中的一或多者上产生径向DC脉冲来实现此，此 迫使所有离子移动朝向或远离具有电势脉冲的杆。
[0013] 在各种实施例中，掲示一种从多极离子传输装置清除离子的方法，所述多极具有 数个杆，所述杆围绕纵轴且与所述纵轴等距地周向布置，所述杆中的每一者被连接到RF发 生器源及控制器W便产生用于将离子俘获在所述多极离子传输装置内的多极场，所述方法 包括:将DC脉冲施加于所述一系列杆中的一或多个杆(高达(但不包含)杆的总数目），所述 DC脉冲为如此，使得由离子由于所述DC脉冲所获得的动能克服由所述多极场产生的径向俘 获力。
[0014] 在各种实施例中，掲示一种用于在质谱仪中输送离子的多极装置，所述装置包括： 一系列杆，其围绕纵轴且与所述纵轴等距地周向布置;至少一个RF电势供应器，其被电连接 到所述一系列杆中的每一杆W用于产生能够俘获离子的多极场;至少一个DC电势供应器， 其被电连接到所述杆中的至少一者;一或多个控制器，其用于控制施加于所述杆的所述RF 及DC电势;其中所述一或多个控制器经配置W切换到两种模式中的一者，其中在第一模式 中，所述一系列杆中的每一杆上的所述DC电势相同，且在第二模式中，所述一系列杆中的至 少一个杆上的所述DC电势与施加于所述一系列杆中的剩余杆的所述DC电势不同。
[0015] 在各种实施例中，掲示一种用于在质谱仪中输送离子的四极装置，其包括：四个 杆，其围绕纵轴且与所述纵轴等距地周向布置;至少一个RF电势供应器，其被电连接到所述 四个杆中的每一者W用于产生能够俘获离子的四极场;至少一个DC电势供应器，其被电连 接到所述杆中的至少一者;一或多个控制器，其用于控制施加于所述四个杆的所述RF及DC 电势;其中所述一或多个控制器经配置W切换到两种模式中的一者，其中在第一模式中，所 述四个杆中的每一者上的所述DC电势相同，且在第二模式中，所述杆中的一者或两者上的 所述DC电势相同且被保持在与剩余杆上的所述DC电势不同的电势下。
[0016] 在各种实施例中，掲示一种清除四极预过滤器中的离子的方法，所述四极预过滤 器包括围绕第一纵轴且与所述第一纵轴等距地周向布置的第一对及第二对预过滤器杆，所 述方法包括:将所述第一对及第二对预过滤器杆连接到四极质量过滤器，所述四极质量过 滤器包括围绕第二纵轴且与所述第二纵轴等距地周向布置的第一对及第二对过滤杆，所述 第二纵轴与所述第一纵轴成直线且位于所述第一纵轴下游，其中所述第一对预过滤器杆借 助于位于其间的电容器被串联电连接到第一对过滤杆，且所述第二对预过滤器杆借助于位 于其间的电容器被串联电连接到第二对质量过滤杆;将所述第一对及第二对质量过滤杆连 接到RF电压源及DC电压源，所述RF电压源用于在所述四极预过滤器及所述四极过滤器两者 中产生RF场;将DC电压脉冲施加于所述第一对和/或第二对四极质量过滤器杆，其中所述DC 电压脉冲的施加引起在所述四极预过滤器中形成解析DC场，所述预过滤器中所得的RF场与 DC场的组合能够从所述四极预过滤器移除离子。
[0017] 在各种实施例中，掲示一种从第二四极清除离子的方法，所述第二四极串联第一 四极而定位且位于所述第一四极上游，所述方法包括:借助于位于其间的电容器将所述第 一四极中的第一对杆电连接到所述第二四极中的第一对杆;借助于位于其间的电容器将所 述第一四极中的第二对杆电连接到所述第二四极中的第二对杆;将RF及DC电压供应器提供 到所述第二四极，使得所述第二四极作为质量过滤器操作;对所述第二四极中的所述第一 对及/或第二对杆上的所述DC电压施W脉冲，其中所述脉冲引起在所述第一四极中形成解 析DC场。
[0018] 在各种实施例中，增加 DC脉冲的振幅W提供动能。
[0019] 在各种实施例中，DC脉冲被施加于杆中的仅一者。
[0020] 在各种实施例中，多极为四极。
[0021 ]在各种实施例中，DC脉冲被施加于所述一系列杆中的两个相邻杆。
[0022] 在各种实施例中，DC脉冲被施加于所述一系列杆中的两个非相邻杆。
[0023] 在各种实施例中，多极作为预过滤器操作且直接位于至少一个过滤四极的上游。
[0024] 在各种实施例中，多极是串联质谱仪的部件。
[0025] 在各种实施例中，DC脉冲引起离子朝向所述一系列杆中的具有施加 DC脉冲的一或 多个杆移动。
[0026] 在各种实施例中，所述质谱仪为串联质谱仪。
[0027] 在各种实施例中，多极作为预过滤器操作且直接位于至少一个过滤四极的上游。
[0028] 在各种实施例中，DC电势供应器被电连接到所述一系列杆中的仅一个杆W用于施 加 DC脉冲。
[0029] 在各种实施例中，在第二模式中，所供应的DC电势将足够动能赋予离子W克服能 够俘获离子的多极场。
[0030] 在各种实施例中，在第二模式中，所述一系列杆中的一个杆上的DC电势经选择W 便引起离子朝向所述一系列杆中的一个杆移动。
[0031 ]在各种实施例中，质谱仪为串联质谱仪。
[0032] 在各种实施例中，四极装置作为预过滤器操作且直接位于至少一个过滤四极的上 游。
[0033] 在各种实施例中，DC电势被电连接到四个杆中的仅一者W用于施加 DC脉冲。
[0034] 在各种实施例中，在第二模式中，所供应的DC电势将足够动能赋予离子W克服由 四极场所产生的俘获离子的俘获场。
[0035] 在各种实施例中，控制器经配置使得在第二模式中，杆中的一者上的DC电势与另 外S个杆上的DC电势不同且经选择W便引起离子朝向具有不同DC电势的一个杆移动。
[0036] 在各种实施例中，控制器经配置使得在第二模式中，两个相邻杆上的DC电势相同 且与另外两个杆上的DC电势不同。
[0037] 在各种实施例中，控制器经配置使得在第二模式中，两个非相邻杆上的DC电势相 同且与另外两个杆上的DC电势不同。
[0038] 术语有效电压意味着指代施加于杆的用于产生影响通过多极装置的离子轨迹的 电场的总电压。针对四极的情况，可通过使用马修稳定性等式确定此类轨迹。
[0039] 在实施例中，当DC电势供应器未被连接到特定杆时，所述杆的DC电势应被理解为 为OVdW此方式，当DC电势供应器仅被连接到一个杆时，剩余杆将被理解为具有相同的OV DC电势。
[0040] 在各种实施例中，掲示一种从四极离子传输装置清除离子的方法，所述四极离子 传输装置具有两组极，每一极具有两个杆，所述杆中的每一者被连接到RF发生器源及控制 器，所述源及控制器用于产生用于将离子俘获在所述离子传输装置内的四极场，所述方法 包括:在小于Ims的周期内W对应于所述离子的运动频率的频率产生辅助RF场。
[0041 ]在各种实施例中，通过将辅助RF电压信号施加于一组所述极来产生辅助RF场。
[0042] 在各种实施例中，辅助RF电压由单独RF发生器源产生且通过使用变压器(优选地， 所述变压器可为环形变压器)传输到一组所述极。
[0043] 在各种实施例中，四极离子传输装置还包括安置于所述两组极之间的间隔内的至 少一对辅助电极，且通过将辅助RF电压信号施加于所述至少一对辅助电极来产生所述辅助 RF场。
【附图说明】
[0044] 图I描绘典型的串联质谱仪的布局的侧视图。
[0045] 图2描绘化合物西他马哇的基于质谱仪的校准曲线。
[0046] 图3展示m/z 609的低强度TIC。
[0047] 图4展示在低强度TIC下对于m/z 609所产生的频谱。
[0048] 图5描绘在四杆信号失落脉冲之后的离子传输期间TIC随各种电压的变化。
[0049] 图6描绘在设及四杆信号失落脉冲的各种情景期间Q0/IQ1/ST1/Q1设置接口与沿 着接口的空间DC电势的简化图。
[0050] 图7及8描绘Q(VIQ1/ST1/Q1设置中的经反射离子轨迹。
[0051] 图9描绘根据本发明的实施例的四极的横截面布置及DC电压及示范性电势轮廓。
[0052] 图10描绘在单杆脉冲期间四极上的示范性DC电压。
[0053] 图11描绘沿着两个A极杆之间的轴及財及杆之间的轴的电势分布。
[0054] 图12描绘理论伪势阱深度随质量及驱动频率的变化。
[0055] 图13描绘在串联四极设置中无脉冲操作期间的离子轨迹的模拟。
[0056] 图14描绘在串联四极设置中实施单杆DC脉冲期间的离子轨迹的模拟。
[0057] 图15描绘用于实施单杆DC脉冲的示范性电路。
[0化引图16描绘在STl=-ISV的情况下m/z 609的TIC迹线，其中无 DC信号失落脉冲。
[0059] 图17描绘在STl=-ISV的情况下m/z 609的TIC迹线，其中在Ims内在一个杆上有-250V的DC信号失落脉冲。
[0060] 图18描绘在STl =-30V的情况下m/z 609的TIC迹线，其中无 DC信号失落脉冲。
[00W]图19描绘在ST1=-30V的情况下m/z 609的TIC迹线，其中在Ims内在一个杆上有-250V的DC信号失落脉冲。
[0062] 图20描绘用于实施多杆脉冲的示范性电路。
[0063] 图21描绘利用图20的电路的DC响应曲线。
[0064] 图22描绘产生用于清除离子的辅助RF脉冲的替代性实施例的电路图。
[0065] 图23描绘产生用于清除离子的辅助RF脉冲的替代性实施例的电路图。
【具体实施方式】
[0066] 虽然W下实施例特定描述四极的用途，但如应了解，本文中的教示可被应用到出 于操纵离子的目的使用连接到适合电力供应器装置的具有适合布置的杆的任何装置。举例 来说，可利用此类装置作为质谱分析中的预过滤器。
[0067] 在一些实施例中，可通过仅改变施加于单个杆的DC偏移电势同时维持剩余S个杆 上的正常DC电势来清空预过滤器四极。此有效地产生从一个杆到另外S个杆或从另外S个 杆到一个杆的梯度，其迫使任何所俘获的离子取决于施加于所述一个杆的电势偏移而被喷 射或在杆中的至少一者上中和。
[00側线性动态范围测试中的线性度偏差
[0069] 在图2中描绘西他马哇浓度对信号强度的曲线图。当绘制峰值区域对浓度时，在 500ng/mL处，在9.3x IO7CPS存在表示约+15%的差异的线性度偏差。
[0070] 用于粗短(S化化y)区域中的俘获的实验证据
[0071] 在0.5分钟内W100 (E)a/s的扫描速率收集频谱，同时越过从m/z 606到m/z 614的 8Da质量范围扫描。所述实验产生通常具有归因于离子源及注射累中的波动（W及其它因 素）的某一轻微不稳定性的TIC。在图3中展示在m/z 609下约2.2x IO7CPS的计数率时的典 型总离子电流(TIC)，而图4中展示数据的频谱。
[0072] 图5描绘随预过滤器四极DC偏移电势而变化的一系列总离子电流曲线图。如图6中 所描绘，相邻Q(VIQ1及Ql光学器件的DC偏移分别是-10/-10.5及-1IV。在运些情况中的每一 者中，清除脉冲被施加于四个预过滤器杆上的电势，此引起电势在1毫秒内上升到OVdDC电 势在所有其它时间被设定到图式中所指示的值。在较高DC电势下，在预过滤器区域中俘获 的问题呈现为TIC随时间的显著变化。当预过滤器上的DC电势被设定到-30V及-40V时，此变 得明显。当离子束穿过预过滤器区域时，离子可在预过滤器/质量过滤器边界处反射回。经 受与背景气体碰撞的离子将损失轴向动能且被俘获。所俘获的离子的数量密度将变化直到 密度达到由阱的深度(相对于IQl及质量过滤器DC电势的预过滤器DC电势差)所限制的最大 值。离子在预过滤器区域内的集中随密度而变，导致TIC的变化。一旦预过滤器区域中所俘 获的离子的密度达到最大值，那么TIC将变得稳定。如果所有四个杆上的脉冲充分地清除预 过滤器区域，那么预期TIC会保持稳定，无论施加于预过滤器的DC电势偏移为何。
[0073] 图6展示Q(VIQ1/ST1及Ql区域及将DC脉冲用于四极的四个杆上的所预期结果的示 意图。标记为A的DC电势适用于使用IeV的离子能量在Ql质量过滤器中的扫描。STl光学器件 经设定W在约-18V下传输W提供所关注离子的最大传输。在用W清除STl的DC脉冲期间， STl上的电势转到OV且被展示于B中。接着，离子可在短时间周期内使用热轴向动能或从其 被俘获W来的残留轴向动能移出预过滤器区域。离子可朝向IQl光学器件及质量过滤器移 动，借此清除预过滤器的所俘获离子。实施实验，在实验中，预过滤器DC电势一直被设定到-10.8V。此消除通过轴向DC场将离子俘获于预过滤器区域中的任何可能性。TIC为稳定的，与 离子束强度无关，运指示粗短区域中的离子密度在整个实验中是恒定的。
[0074] 然而，当预过滤器DC电势产生轴向阱时，离子被俘获于预过滤区域中，从而导致所 传输的离子束强度的变化。此影响在实验期间所监测到的样本的测量精确度。所记录的强 度将取决于在先前时间周期(其可为约数秒或更久）中进入预过滤器区域的离子的数目。预 期随着预过滤区域中所俘获的离子数目增加，偏差将更明显。
[00巧]俘获机制
[0076] 可使用下文将描述的模拟结果更容易地显现非所要的俘获机制。使用Simion货 8.07.47,建立模拟图1中大体上描述的系统的一部分的操作的模型。特定来说，所述模型由 最后25mm的QO离子引导件、差动累浦孔径、预过滤器STl及前40mm的质量分析器Ql组成。初 始离子动能被恒定地保持在5eV下，沿着四极轴朝向Ql移动。使用3-D高斯分布将离子分布 于轴上，具有0.1mm的标准偏差。QO中的压力被保持在7mTorr下，而预过滤器区域中的压力 沿着纵轴W二次方式被减少到0.OlmTorr,同时质量过滤器区域被保持在0.OlmTorr下。使 用2:80 A2的碰撞横截面，W氮气作为碰撞气体及Wm/z 609作为离子。在Ims之后离子轨迹 终止，其中图7中展示样本离子轨迹。在此实例中，离子已在IQl透镜与预过滤器/质量过滤 器边界之间来回反射数次。
[0077] 对于Q0、ST1及Ql分别选择0.47、0.47及0.706的马修9值。91具有马修3 = 0.2。90、 IQUSTl及Ql的偏移电势分别是0、-0.5、-8及-IV。如图7中所见，通常从左行进到右的离子 轨迹在ST1/Q1边界处反射，且在通过与氮气的碰撞损失轴向动能之后还在接近IQl处反射。 离子被俘获于预过滤器区域中。离子初始起始位置距四极轴的径向位移越大，反射及俘获 效果变得越明显。预期此效果由于高强度离子束中的离子的空间电荷排斥而在更大程度上 发生。
[0078] 在图8中，已从模拟移除气体。在此情况中，在预过滤器/质量过滤器边界处反射回 的离子轨迹终止于IQl透镜上，或在一些情况中，通过IQl透镜传递回且进入QO引导区域中。 此表明需要具有通过离子与背景气体碰撞的轴向动能损失，从而导致离子被俘获于预过滤 器区域中。
[0079] 离子的移除
[0080] 与本发明一致，可通过将DC清除脉冲施加于预过滤器杆中的一者从预过滤器区域 移除所俘获的离子。在图9中描绘此现象，其中产生梯度。在此实例中，将一个杆上的DC电势 偏移从-8V改变为-250V引起正离子朝向具有-250V的极移动。脉冲的量值必须足够高，离子 才能获得足够的径向动能W克服由施加于四极杆的RF场所产生的俘获离子的伪势。
[0081] 可近似的计算可从DC脉冲赋予离子的动能的量。假定离子起始于四极轴上，可通 过获得由施加到四个杆的DC产生的DC场的线性假定，计算那个点处的电势。
[0082] 图10展示在脉冲期间施加于杆的电势，其中A极杆中的一者上的电势从-8V提升 到-250V。图11中展示随A极杆与B极之间的距离而变化的对电势的贡献。在四极轴处，位于 Omm的距离处，来自A极的电势为-129V，而来自B极的电势为-8V。离子经历的电势将为运两 个值的平均值-68.5V。离子可获得的最大动能是其前往的杆与四极轴上的电势之间的电势 差。在此实例中，电势差为181.5V，此赋予单电荷离子181.5eV的动能。可通过W下等式在等 式中表示此。
[0083]
的
[0084] 其中A'及A"为A极杆上的偏移，其中脉冲被施加于A'，且其中B'及B"是B极杆上的 偏移。在此等式中，假定离子被吸引到A '杆。
[0085] 另外，也应包含来自归因于RF俘获场的微运动的贡献，W便精确地计算离子动能。 来自脉冲的最后最大动能也将取决于离子在空间中的起始位置。离被施加脉冲的杆越远， 那么可获得的最后最大动能越局。
[00化]可伸巧Pi下两个等式计算伪势阱深度1;
[0087] 掛
[008引 巧）
[0089] 其中q是马修参数，Vrf是所测量的极到接地的RF振幅，m是离子质量，ro是四极的场 半径，Q是角驱动频率，e是电荷，且A2 (1.001462)是R/ro = 1.126的圆杆的四极场内容。
[0090] 图12展示所计算的伪势随质量及驱动频率两者变化的曲线图。1.228MHz的驱动频 率用于低质量范围，而940k化的驱动频率用于高质量范围。对于两个质量范围，伪势阱深度 具有约ISOeV的最大值。
[0091] 为清空预过滤器区域，赋予离子的动能的量必须大于伪势阱深度。可将施加于杆 的脉冲的量值设定为等于伪势阱深度加固定偏移的值，或可将其设定为大于任何质量可能 需要的最大值的值。
[0092] 计算清除脉冲的振幅必须考虑高于及低于所关注质量（质量过滤器正传输的质 量）、可与所关注质量同时呈现的其它离子的q值。所有离子将具有与所关注质量相同的Vrf。 因此，在质量方面大于所关注质量的质量将具有低于所关注质量的q值，而较轻质量将具有 高于所关注质量的q值，其中最高稳定q值在0.908(低质量截止）。可使用低质量截止处的q 值运用W下等式计算最大伪势：
[0093]
(4)
[0094] 最大伪势为先前从等式（2)得出的伪势（其中使用q = 0.47计算伪势）的0.908/ 0.47 = 1.93倍。
[00%]此等式给出了如果离子起始于四极的轴上且朝向具有所施加的清除脉冲的杆(A' 杆)移动则离子可获得的动能。使用q = 0.47及最大质量的最大伪势是180V。具有最大RF振 幅但在q = 〇.908处的所俘获离子的移除将伪势提高到180V X 1.93 = 347V。此为来自等式 (2)的势差应必须等于的最大值，W确保DC賺冲将在每一情况中移除所俘获的离子。等式 (1)可经重新整理W使用代入A" = B' =B"及
求解A'，接着给出
[0096]
巧）
[0097] 在四极操作于其质量范围的最大值时，清空预过滤器区域所需的清除脉冲振幅最 大值就为 A ' -A" = (4/3) *347V = 463V。
[0098] 图13及14分别展示清除脉冲被激活及清除脉冲未被激活的情况下的离子轨迹(对 于m/z 609)的实例。为预过滤器选择的DC电势是图9中显示的电势。在图13中，显示100个离 子轨迹，其中每一轨迹终止于模拟边界处或在Ims之后终止。
[0099] 在图14中，在10化S的周期之后激活DC脉冲。图式表明一些离子正足够快地移动W 在清除脉冲被激活之前穿过预过滤器，在此情况中，所述离子穿过Ql且终止于模拟边界处。 当清除脉冲接通时进入预过滤器或已被俘获于预过滤器中的离子与预过滤器杆碰撞。模拟 还指示仅需要几个(两到五个)RF循环的持续时间W将离子清除出预过滤器区域。
[0100] 在含有高动态范围检测器的多四极装置上执行实验。硬件经修改W允许DC脉冲被 加到预过滤器(STl)光学器件的A'杆。在暂停时间的开始处持续Ims的时间施加清除脉冲。 对所有实验使用5ms的暂停时间且其用W允许在测量起始之前离子束沿着离子路径达到平 衡。图15中展示修改的示意图。清除脉冲及DC偏移电势的总和被施加于A'杆。通过接近A'杆 而连接的电感器施加此电势。
[0101] 用于运些实验的预过滤器DC偏移是-18及-30V"Q0/IQ1及Ql光学器件上的DC偏移 分别是-10、-10.5及-11￥。4'杆被施加脉冲到-250￥^用于移除预过滤器中俘获的离子。运 些电势仅用于正离子模式。
[0102] . Oul/min灌注Ing/ul的利血平(rese;rpine)溶液。WlOOODa/s扫描质量范围 606-614Da。通过调整上游四极离子引导件上的RF振幅将第一同位素的强度调整到约 lO^cpso
[0103] 图16展示随时间而变化的TIC迹线，其中预过滤器的所有四个杆都被保持在-18V 的电势下。未施加清除脉冲到A'杆。在m/z 30处、宽度SDa的较短扫描之后立即获得顶部画 面中所展示的TIC。低质量扫描的目的是清空预过滤器区域的任何所俘获的离子。在初始 0.2分钟内TIC是不稳定的。立刻重复实验给出中间所展示的TIC,且接着给出下面画面中所 展示的TIC。在随后扫描中，TIC并不十分不稳定，此归因于预过滤器仍充满所俘获的离子且 已实现平衡条件的事实。每一实验的开始处的轻微下降是明显的，此为Ql质量下落到在每 一实验的结束处对于此仪器设定到56加 a的停放质量(park mass)的结果。每一画面中所展 示的计数率表示m/z 609的峰值强度。使用从0.3到0.5分钟的数据确定其。
[0104] 图17展示对于相同实验所收集到的数据，但清除脉冲现被激活。在每一实验之前， 使用设定到m/z 30的Ql实施实验。在此数据中，TIC现在在每一实验的持续时间内为稳定 的。强度数据比图16的数据约小10%。
[0105] 图18及19展示相同类型的实验，但现在施加于预过滤器的DC偏移为-30V。先前已 发现，施加于预过滤器的DC偏移的量值越大，那么TIC中的不稳定性就越明显。图18的数据 未施加清除脉冲，而图19的数据施加了清除脉冲。图18的顶部画面展示在Ql质量被设定到 m/z 30的实验之后所获取的数据。TIC继续减小，且即使在底部画面中所展示的第二实验中 也未变得稳定。所观测到的离子计数继续随时间而减小。在图19中，清除脉冲的使用导致稳 定的TIC。在此特定情况中，当清除脉冲被施加时离子强度已增加，此与在DC偏移被设定到-18V时上文图16及17中所见的现象相反。
[0106] 虽然具体描述上文所描述的技术W结合预过滤四极一起使用，但也可使用所描述 的技术快速地清空其它四极，例如Q2碰撞池。举例来说，在不具有施加到碰撞池杆的RF且 7mTorr的压力及给定热能(0.025eV)的条件下，起始于碰撞池的轴上的离子需要数十微秒 到几百微秒的时间W终止于杆上。对于m/z 1250及m/z 2000行进相等于场半径(4.17mm)的 距离的行进时间的计算分别给出67及85iis的值。对于无碰撞情况计算运些值，且赋予离子 0.025eV的初始动能。如果需要更快速地清空碰撞池，那么施加清除脉冲将在巧iis内清除区 域，此明显快于仅使四极杆上的RF振幅下降。
[0107] 虽然已描述DC脉冲仅被施加于杆中的一者的特定实施例，但也可(例如)在四极装 置的操作中通过将DC脉冲施加于两个相邻杆或=个杆来实现离子的清除。相邻一词意味着 对于四极的情况，当在横截面形式上观察杆且杆被描绘为围绕中屯、轴周向布置(如（例如） 图10中所见)时，DC脉冲可被施加于右上杆及左上杆或右下杆。在含有特定数目个杆的多极 设置中，DC脉冲可被施加于多达比存在的杆数目少一的数目的杆。在使用中，在四极设置中 将DC脉冲施加于两个相邻杆会将所俘获的离子驱动到两个杆之间的间隔。此具有W下益 处:减少预过滤器杆上的离子污染，此是因为离子通过间隔从四极喷射，而非被沉积于单个 杆上。
[0108] 此外，对于四极的情况，可通过将DC脉冲施加于杆中的两者来清除离子，其中所述 两个杆是不相邻的（即，它们横跨中屯、纵轴而彼此直接对置）。W此方式，所施加 DC脉冲产生 根据由马修等式定义的不稳定区域清除离子的解析DC
[0109] 在另一实施例中，可能W(例如）图20中所阐述的方式在预过滤器中产生解析DC。 在此实施例中，预过滤杆(Al'、Al"、Bi"、Bi'）由杆对组成且通过电容器电连接到由质量过滤 器供应的RF(VrfA、VrfB)及DC(Ua、Ub)电压。W此方式，预过滤器不需要单独RF或DC电压供应 器。施加于质量过滤器的两对杆(42'、42"、82"、82'）的1?。电压也被传输到预过滤器的用于产 生适当RF场的杆。DC脉冲可(经由Ua或化)被施加于一对四极质量过滤器杆或(经由Ua及化） 被施加于两对四极质量过滤器杆，此将清除预过滤器，此是因为DC脉冲为间歇性的且在充 电阶段期间部分地传输通过电容器。然而，当质量过滤器正操作于施加恒定DC电压的其正 常解析模式中时，电容器防止DC电压传输到预过滤器或产生到预过滤器的DC电压，因此允 许预过滤器作为仅传输装置操作。在图21中描绘此类方法的效果，其中在包含50ys上升、10 ys持续时间及50iis下降的周期中将800V的DC脉冲施加于一对质量过滤杆。归因于47pF的电 容器及20M0hm电阻器的存在，此在一对预过滤器杆中产生近似520V的DC脉冲。如应了解，电 容器必须被如此选择W便施加于质量过滤器的DC脉冲将经由电容器被适当地传输到预过 滤器，使得在预过滤器内产生解析DC场。施加于质量过滤器杆及适当电容器的脉冲必须被 如此选择，W便所传输的所得DC脉冲足够长W引起从预过滤器移除离子。此通常需要大于 一个RF循环的长度。
[0110] 在另一实施例中，可使用利用辅助RF信号的替代性机构清空预过滤器区域。预过 滤器内所俘获的离子将具有由施加于预过滤器的驱动RF的频率及振幅所确定的运动频率。 通过W对应于离子的运动频率的选定频率对辅助RF信号施W脉冲，离子将被激发到将导致 其与预过滤器杆碰撞的更大径向振幅，从而引起离子被移除。
[0111] 在另一实施例中，可使用利用辅助RF信号的替代性机构清空预过滤器区域。预过 滤器内所俘获的离子将具有由施加于预过滤器的驱动RF的频率及振幅所确定的运动频率。 通过W对应于离子的运动频率的选定频率对辅助RF信号施W脉冲，离子将被激发到将导致 其与预过滤器杆碰撞的更大径向振幅，从而引起离子被移除。
[0112]可从马修q及与离子相关联的参数确定离子的本征频率(secular frequency)。在 预过滤器的情况中，未施加解析DC,导致a = 0。由下式定义马修q参数
[0113]
[0114] 其中m是所关注质量，ro是预过滤器的场半径，Q是驱动频率且Vrf是施加于预过滤 器、零到峰值、极到接地所测量的RF振幅。离子的运动本征频率由下式定义
[0115]
[0116] .4的情况，可由下式粗略估计0
[0117]
[0118] 对于较大q值，更严格定义利用如W引用方式并入的"对四极离子阱质谱仪的介绍 (An Introduction to Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry)''（R . E .马奇 (R.E .March)、质谱杂志（J.Mass Spechom)、32、351到369( 1997))的等式28中所描述的连 分数表达式。然而，应注意，等式28中的表达式"(0u+4r应被校正为"化u+4) 2"。
[0119] 通过将较短（小于1ms，且优选地约几微秒)辅助RF脉冲施加于预过滤器离子光学 器件的一个极上，离子可被移除。施加辅助RF脉冲的一种方法设及变压器的使用及W图22 中所描绘的方式施加 RF,其中两极信号被施加于A'及A"电极上。在替代性实施例中，辅助RF 脉冲无需被施加于主预过滤器电极。图23中描绘此类实施例，其中横跨插入于预过滤器的 主杆/电极之间的一对辅助电极施加双极信号。尚未展示用于施加 DC电势的DC偏移电路。还 应认识到，可施加其它形式的激发，例如四极激发。
[0120] 参看图22,描绘替代性实施例，其表明可用于产生到含于四极内的一对极中的单 个极的辅助RF脉冲的电路。第一 RF电压源101被连接到第一极102且与第一极102配对，第一 极102由位于四极布置中的一对电极/杆(103A、103B)(标记为A'及A")组成，第二极104由第 二对电极/杆（l〇5A、105B)(标记为B'及B")组成。使用第二RF电压源（106)连接由第二对电 极（105A、105B)组成的第二极104。通过常规手段校正运些电压源（101、106)中的每一者的 任何DC偏移。可利用第一及第二极（102、104)及相关联的电压源（101、106)产生四极场。经 由变压器107将第一极102额外地链接到辅助RF电压源108。在一个实施例中，变压器可为环 形变压器。通过引入根据所确定的由上文关于马修等式所描述的方法如此选择的适合频率 的较短辅助RF脉冲，可使具有特定频率的离子径向位移，其中四极引起所述具有特定频率 的离子被移除。
[0121] 参看图23,描绘类似于图22的替代性实施例，然而并非通过引入施加于四极的两 个极中的一者的辅助电压信号产生辅助RF场，两对额外的对置电极（209A/209BJ10A/ 210B)被插入于预过滤器的杆之间，且电极对中的至少一者(290A/209B)经由变压器连接到 辅助RF电压源208。变压器207提供一种使DC偏移通过中屯、分接头传播(infect)到辅助电极 中的方法。还可将DC偏移提供到尚未展示的辅助电极对210A/210B。如同图22的实施例，辅 助RF电压经选择W移除满足根据马修稳定性参数的特定频率的离子。如应了解，虽然在图 22的实施例中已描绘两对辅助电极，但仅一对对于辅助RF场的产生为必要的。此类一对实 施例也希望包含于本文教示中。
[0122] 在较短时间周期内施W频率fo的脉冲将导致W那个频率为中屯、的频率扩展。可使 用W下表达式发现频率的近似最小扩展（Aff)
[0123]
[0124] 其中N为发生于激发周期期间的时的循环数目（埃尔夫肯G.(Arfken，G.)的物理学 家的数学方法(Mathematical Methods for Physicists),学术出版社（Academic),纽约， 1968;第530页，其内容W引用方式并入）。扩展中的频率分量的振幅距主频率fo越远将减少 越多（弗伦奇,A.P. (Rrench,A.P.)的波与振动(Waves and Vibrations)，W.W.诺顿有限公 司（Norton&Company ,Inc.)，纽约，1971;第21巧Ij223页，其内容W引用方式并入）。为从预过 滤器移除不同类型的离子，必要的是，使来自不同主频率的频率扩展重叠 W便使用足够振 幅涵盖充足的频率范围。通过(使用(例如）图22中所描述的设备)将离子驱动到杆A'及A"来 移除离子，其中在与杆表面相撞时离子被中和。
[0125] 也可使用脉冲的持续时间计算所施加辅助脉冲的频率扩展。频率扩展仅为脉冲持 续时间的倒数，即
[0126]
[0127]表1展示当使用IMHz的驱动频率时几个离子的马修q值、0值及本征频率的一些实 例。已假定，在相同的Vrf水平下俘获离子，使得其马修q值成反比。使用0的连分数表达式计 算本征频率。
[012引表1 [0129]

[0130] 表2展示针对W表1中所计算的本征频率在10微秒内施加的辅助RF信号计算的频 率扩展。所有计算的频率扩展为100曲Z，其对应于使用最小频率扩展或根据上文所参考的 脉冲持续时间计算的扩展的定义中的任一者获得的所计算扩展。
[0131] 表2
[0133] 为涵盖预过滤器中所俘获的离子的范围，必要的是，使用若干间隔的主频率分量 激发W涵盖可被俘获于预过滤器中的从最低预期的本征频率(最高质量)到最高预期的本 征频率(最低质量）的频率范围。此类似于施加宽带激发，在宽带激发中使用被等距间隔开 的梳形频率产生复合波形。每一频率之间的分量的间隔可为不同的，W顾及移除所俘获的 离子所需的振幅将取决于质量的事实，其中较重质量需要比较轻质量更大的振幅。可通过 使用较短脉冲持续时间来增加频率扩展，但如果与每一主频率相关联的频率分量变得太弱 而不能移除所俘获的离子，那么此可能需要更高的脉冲振幅。
[0134] 应理解，出于说明及描述目的，已呈现众多实施例的前述描述。其并非为详尽的且 并不将所主张的本发明限制于所掲示的精确形式。鉴于上文描述，修改及变体为可能的，且 可从实践本发明获得所述修改及变体。权利要求书及其等效物界定本发明的范围。
[0135] 特定来说，虽然已描述清除脉冲产生将非所要离子驱动朝向杆中的一者的梯度的 实施例，但应了解，也可通过驱动离子远离杆中的一者来清除离子。W此方式，施加于杆中 的一者的清除脉冲的电势为如此，使得产生将离子移动远离施加有清除脉冲的杆且移向剩 余杆的梯度。然而，在此实施例中，需要将比在离子被吸引到施加有脉冲的一个杆的实施例 的情况下所必要的脉冲振幅高的脉冲振幅施加于一个杆，W便将充足动能赋予离子W克服 伪势俘获势垒。
[0136] 另外，虽然已描述其中串联质谱仪设及多个多极装置的存在的实施例，但应了解， 可在其它串联质谱仪配置(例如(举例来说)其中最后一个质谱仪为飞行时间装置）中使用 本文所描述的教示。
【主权项】
1. 一种从多极离子传输装置清除离子的方法，所述多极具有围绕纵轴且与所述纵轴等 距地周向布置的数个杆，所述杆中的每一者被连接到RF发生器源及控制器，以便产生用于 将所述离子俘获在所述多极离子传输装置内的多极场，所述方法包括:将DC脉冲施加于所 述一系列杆中的一或多个杆，所述一或多个杆高达但不包含杆的总数目，所述DC脉冲使得 由所述离子由于所述DC脉冲而获得的动能克服由所述多极场产生的径向俘获力。2. 根据权利要求1所述的方法，其中增加所述DC脉冲的振幅以提供所述动能。3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述DC脉冲被施加于所述杆中的仅一者。4. 根据权利要求1所述的方法，其中所述多极是四极。5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述DC脉冲被施加于所述一系列杆中的两个相邻 杆。6. 根据权利要求4所述的方法，其中所述DC脉冲被施加于所述一系列杆中的两个非相 邻杆。7. 根据权利要求1所述的方法，其中所述多极作为预过滤器操作且直接位于至少一个 过滤四极的上游。8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述多极是串联质谱仪的部件。9. 根据权利要求1所述的方法，其中所述DC脉冲引起离子朝向所述一系列杆中的具有 所述施加 DC脉冲的所述一或多个杆移动。10. -种用于在质谱仪中输送离子的多极装置，其包括： 一系列杆，其围绕纵轴且与所述纵轴等距地周向布置； 至少一个RF电势供应器，其被电连接到所述一系列杆中的每一杆以用于产生能够俘获 离子的多极场； 至少一个DC电势供应器，其被电连接到所述杆中的至少一者； 一或多个控制器，其用于控制施加于所述杆的所述RF及DC电势； 其中所述一或多个控制器经配置以切换到两种模式中的一者，其中在第一模式中，所 述一系列杆中的每一杆上的所述DC电势相同，且在第二模式中，所述一系列杆中的至少一 个杆上的所述DC电势与施加于所述一系列杆中的所述剩余杆的所述DC电势不同。11. 根据权利要求10所述的装置，其中所述质谱仪为串联质谱仪。12. 根据权利要求10所述的装置，其中所述多极作为预过滤器操作且直接位于至少一 个过滤四极的上游。13. 根据权利要求10所述的装置，其中所述DC电势供应器被电连接到所述一系列杆中 的仅一个杆以用于施加 DC脉冲。14. 根据权利要求10所述的装置，其中在所述第二模式中，所供应的所述DC电势将充足 动能赋予所述离子以克服能够俘获离子的所述多极场。15. 根据权利要求13所述的装置，其中在所述第二模式中，所述一系列杆中的所述一个 杆上的所述DC电势经选择以便引起所述离子朝向所述一系列杆中的所述一个杆移动。16. -种用于在质谱仪中输送离子的四极装置，其包括： 四个杆，其围绕纵轴且与所述纵轴等距地周向布置； 至少一个RF电势供应器，其被电连接到所述四个杆中的每一者以用于产生能够俘获离 子的四极场； 至少一个DC电势供应器，其被电连接到所述杆中的至少一者； 一或多个控制器，其用于控制施加于所述四个杆的所述RF及DC电势； 其中所述一或多个控制器经配置以切换到两种模式中的一者，其中在第一模式中，所 述四个杆中的每一者上的所述DC电势相同，且在第二模式中，所述杆中的一者或两者上的 所述DC电势相同且被保持在与剩余杆上的所述DC电势不同的电势下。17. 根据权利要求16所述的装置，其中所述质谱仪为串联质谱仪。18. 根据权利要求16所述的装置，其中所述四极装置作为预过滤器操作且直接位于至 少一个过滤四极的上游。19. 根据权利要求16所述的装置，其中所述DC电势被电连接到所述四个杆中的仅一者 以用于施加 DC脉冲。20. 根据权利要求16所述的装置，其中在所述第二模式中，所供应的所述DC电势将充足 动能赋予所述离子以克服由所述四极场产生的俘获离子的俘获场。21. 根据权利要求20所述的装置，其中所述控制器经配置使得在所述第二模式中，所述 杆中的一者上的所述DC电势与另外三个杆上的所述DC电势不同且经选择以便引起离子朝 向具有所述不同DC电势的所述一个杆移动。22. 根据权利要求16所述的装置，其中所述控制器经配置使得在所述第二模式中，两个 相邻杆上的所述DC电势相同且与另外两个杆上的DC电势不同。23. 根据权利要求16所述的装置，其中所述控制器经配置使得在所述第二模式中，两个 非相邻杆上的所述DC电势相同且与另外两个杆上的DC电势不同。24. -种清除四极预过滤器中的离子的方法，所述四极预过滤器包括围绕第一纵轴且 与所述第一纵轴等距地周向布置的第一对及第二对预过滤器杆，所述方法包括： 将所述第一对及第二对预过滤器杆连接到四极质量过滤器，所述四极质量过滤器包括 围绕第二纵轴且与所述第二纵轴等距地周向布置的第一对及第二对过滤杆，所述第二纵轴 与所述第一纵轴成直线且位于所述第一纵轴下游，其中所述第一对预过滤器杆借助于位于 其间的电容器被串联电连接到所述第一对过滤杆，且所述第二对预过滤器杆借助于位于其 间的电容器被串联电连接到所述第二对质量过滤杆， 将所述第一对及第二对质量过滤杆连接到RF电压源及DC电压源，所述RF电压源用于在 所述四极预过滤器及所述四极过滤器两者中产生RF场， 将DC电压脉冲施加于所述第一对及/或第二对四极质量过滤器杆，借此所述DC电压脉 冲的所述施加引起在所述四极预过滤器中形成解析DC场，在所述预过滤器中所得的RF场与 DC场的组合能够从所述四极预过滤器移除离子。25. -种从第二四极清除离子的方法，所述第二四极串联第一四极而定位且位于所述 第一四极上游，所述方法包括： 借助于位于其间的电容器将所述第一四极中的第一对杆电连接到所述第二四极中的 第一对杆， 借助于位于其间的电容器将所述第一四极中的第二对杆电连接到所述第二四极中的 第二对杆， 将RF及DC电压供应器提供到所述第二四极，使得所述第二四极作为质量过滤器操作， 对所述第二四极中的所述第一对及/或第二对杆上的DC电压施以脉冲， 其中所述脉冲引起在所述第一四极中形成解析DC场。26.-种从四极离子传输装置清除离子的方法，所述四极离子传输装置具有两组极，每 一极具有两个杆，所述杆中的每一者被连接到RF发生器源及控制器，所述源及控制器用于 产生用于将离子俘获在所述离子传输装置内的四极场，所述方法包括在小于lms的周期内 以对应于所述离子的运动频率的频率产生辅助RF场。
【文档编号】H01J49/26GK105849858SQ201480071283
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年11月28日
【发明人】布鲁斯·安德鲁·科林斯, 约翰·范德梅
【申请人】Dh科技发展私人贸易有限公司