本發(fā)明涉及質(zhì)譜分析的領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及將離子注射到靜電離子阱(electrostatic ion trap，EST)中。本發(fā)明提供涉及此類離子注射的方法和設備。

背景技術(shù)：

靜電離子阱(本文中簡單地被稱為靜電阱(electrostatic trap，EST))采用靜電場來捕獲離子。EST的實例包含Kingdon阱、Knight阱和商業(yè)Orbitrap(TM)質(zhì)量分析儀。EST的其它實例包含多種類型的反射器靜電離子阱，包含平坦幾何形狀的那些，或具有“賽道”配置的EST，其中離子是圍繞電路多次偏轉(zhuǎn)的。EST在質(zhì)譜分析中越來越地被用作高分辨率、精確質(zhì)量(high-resolution,accurate-mass，HRAM)分析儀，如基于Orbitrap質(zhì)量分析儀的儀器的顯著增多所證明的。檢測到捕獲在EST中的離子的振蕩并且例如通過傅立葉變換確定離子的振蕩頻率和/或質(zhì)荷比(m/z)。

與EST相關(guān)聯(lián)的特定挑戰(zhàn)是將離子有效地注射到EST中。Orbitrap質(zhì)量分析儀利用僅射頻直線或曲線線性阱(后者被稱為C阱)作為離子存儲裝置，離子從離子存儲裝置中注入到EST中，如US 6,872,938中所描述。線性阱經(jīng)操作以提供將離子脈沖式注射到EST中并且線性阱是使用如US 7,498,571中所描述的電路系統(tǒng)實施的。從線性阱中軸向或徑向射出離子是可能的，其中實際上徑向射出傾向于提供離子到EST中的更好的空間集中。在US 7,425,699中描述了具有脈沖式離子阱的所謂的襯里下游的離子注射的實施例，所述脈沖式離子阱用于能量提升但是并不充當離子導引件，因為實際上在內(nèi)部不具有任何場。此外，襯里并不產(chǎn)生離子的飛行時間集中或聚集。

在US 8,796,619中描述了一種用于軌道捕獲EST的離子注射系統(tǒng)，其中離子是經(jīng)由脈沖式離子提取透鏡從離子存儲裝置中釋放的。然而，在從離子存儲 裝置釋放離子與應用提取電壓脈沖之間不存在時間上的分離，并且在注射之后系統(tǒng)并不產(chǎn)生離子的時間壓縮。

已經(jīng)提出與EST一起使用的離子注射的其它方法，例如，從正交加速器的注射(US 6,888,130)，從3D離子阱的注射(US 8,901,491)，從氣體填充的線性阱通過來自射頻離子導引件的隨后的正交加速度的注射(WO 2011/086430)以及經(jīng)由位于Kingdon離子阱的壁中的鉆探孔中的Kingdon離子導引件的注射(US 8,907,271)。

另一所提出的方法是通過隨后的激勵提供到EST中的連續(xù)離子注射，如WO 2008/063497和WO 2012/092457中所描述。

所設想的其它方法可包含從離子阱中的質(zhì)量依賴性射出，如WO 2007/027764和US 7,582,864中所描述，其中具有軸向射出的不平衡的線性阱可與正交加速器組合。

應注意采用從氣體填充阱到EST的直接射出的所有方法在從阱中提取離子期間都往往會遭受大分子離子(例如，蛋白質(zhì))的片段。此外，需要在較小空間中提供有效的差動泵送從防止氣體殘留物到達EST。

因此所希望的是在將離子注射到EST中時避免這些缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種將離子注射到靜電阱中的方法，所述方法包括：

在離子源中產(chǎn)生離子；

將離子從離子源傳輸?shù)诫x子源下游的離子存儲裝置；

從離子存儲裝置將離子釋放到離子存儲裝置下游的離子導引件；以及

從離子導引件到靜電阱中加速離子。

在將離子釋放到離子導引件中之后，離子保持在離子導引件中一段時間直至離子被加速離開離子導引件進入到EST中，即，在離子從離子存儲裝置釋放到離子導引件中與來自離子導引件的離子的加速度之間存在延遲。離子從離子導引件加速到靜電阱中以用于質(zhì)量分析。優(yōu)選地，在離子從離子導引件離開時離子的平均速度基本上高于離子離開離子存儲裝置時離子的平均速度。在距離 離子導引件的出口處離子的平均離子速度優(yōu)選地至少1.5倍高于、或至少2倍高于、或至少5倍高于、或至少10倍高于離子離開離子存儲裝置時的平均離子速度。

一旦離子在靜電阱(electrostatic trap，EST)中，將了解質(zhì)譜分析的方法可通過對靜電阱中的離子進行質(zhì)量分析來執(zhí)行，例如，產(chǎn)生質(zhì)譜。所述方法因此包括：在離子源中產(chǎn)生離子；將離子從離子源傳輸?shù)诫x子源下游的離子存儲裝置；從離子存儲裝置將離子釋放到離子存儲裝置下游的離子導引件；從離子導引件到EST中加速離子；以及在EST中對離子進行質(zhì)量分析。

本發(fā)明還提供用于執(zhí)行所述方法的設備。

在另一方面，本發(fā)明提供一種用于將離子注射到靜電阱中的設備，所述設備包括：

離子源，其用于產(chǎn)生離子；

離子存儲裝置，其位于離子源的下游以用于接收已經(jīng)產(chǎn)生于離子源中的離子；以及

離子導引件，其位于離子存儲裝置的下游以用于接收已經(jīng)由離子存儲裝置釋放的離子并且用于將接收到的離子加速到離子導引件下游的靜電阱中；

其中為了對離子進行加速所述離子導引件配備有脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器經(jīng)配置以在離子導引件中提供電壓脈沖以用于從離子導引件的入口處的離子的平均速度增大離子導引件的出口處的離子的平均速度。離子存儲裝置優(yōu)選地經(jīng)配置以緩慢地將離子釋放到離子導引件中。優(yōu)選地在將離子釋放到離子導引件中與將電壓脈沖提供到離子導引件以用于加速離子使其離開離子導引件進入到EST中之間存在延遲。

在再一方面中，本發(fā)明提供一種用于將離子注射到靜電阱中的設備，所述設備包括：

離子源，其用于產(chǎn)生離子；

離子存儲裝置，其位于離子源的下游以用于接收已經(jīng)產(chǎn)生于離子源中的離子；

離子導引件，其位于離子存儲裝置的下游以用于接收已經(jīng)由離子存儲裝置釋放的離子并且用于將接收到的離子加速到離子導引件下游的靜電阱中；以及

脈沖發(fā)生器，其經(jīng)配置以在離子導引件中提供電壓脈沖以用于與離子導引件的入口處的離子的平均速度相比增大離子導引件的出口處的離子的平均速度；

其中將離子加速到靜電阱中發(fā)生在與從離子存儲裝置的離子的釋放相同的方向上，所述方向基本上與靜電阱中的質(zhì)量分離的方向z正交。

在又一方面，本發(fā)明提供一種用于將離子注射到靜電阱中的設備，所述設備包括：

離子源，其用于產(chǎn)生離子；

離子存儲裝置，其位于離子源的下游以用于接收已經(jīng)產(chǎn)生于離子源中的離子；以及

螺旋形軌道離子導引件，其位于離子存儲裝置的下游以用于接收已經(jīng)由離子存儲裝置釋放的離子并且用于將接收到的離子加速到離子導引件下游的靜電阱中；

其中將離子加速到靜電阱中發(fā)生在與從離子存儲裝置的離子的釋放的方向基本上正交的方向上，并且基本上平行于靜電阱中的質(zhì)量分離的方向z。同樣對于此方面，所述離子導引件優(yōu)選地配備有脈沖發(fā)生器，所述脈沖發(fā)生器經(jīng)配置以在離子導引件中提供電壓脈沖以用于從離子導引件的入口處的離子的平均速度增大離子導引件的出口處的離子的平均速度。離子存儲裝置優(yōu)選地經(jīng)配置以緩慢地將離子釋放到離子導引件中。優(yōu)選地在將離子釋放到螺旋形離子導引件中與將電壓脈沖提供到螺旋形離子導引件以用于加速離子使其離開離子導引件進入到EST中之間存在延遲。

在另一方面，本發(fā)明提供一種用于對離子進行質(zhì)量分析的質(zhì)譜儀，所述質(zhì)譜儀包括：用于注射離子的設備；以及用于接收通過離子導引件加速的離子且對離子進行質(zhì)量分析的靜電阱。

EST優(yōu)選地是軌道EST，例如，Orbitrap質(zhì)量分析儀。

本發(fā)明的多個優(yōu)選特征描述于所附權(quán)利要求書中。

現(xiàn)在將描述本發(fā)明的進一步的特征，包含用于實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

本發(fā)明避免在從氣體填充的離子阱到EST的離子提取期間大分子離子的片段和氣體殘留物的問題，同時提供用于EST中的高性能分析的必需注射條件 (例如，集中的、相干的離子包)。分子離子的減小片段歸因于從氣體填充的存儲裝置到真空的離子導引件中的更溫和的提取，在將離子從離子存儲裝置釋放到離子導引件中之后，離子導引件通過延遲的脈沖式加速度聚攏離子并且將離子集中到EST中。本發(fā)明可以使用與現(xiàn)有技術(shù)相比通常較慢的電子元件和較小的電壓脈沖實施。由于注射裝置與EST之間的幾何形狀并非與現(xiàn)有技術(shù)一樣緊密，所以簡化的差分泵送布置是可能的。

靜電阱可以是上文所述的任何EST，例如，軌道EST或反射器EST(包含具有平坦鏡面的那些)或賽道EST，但是具體是軌道靜電阱，例如，Kingdon阱、Orbitrap質(zhì)量分析儀或如本文所述的EST。軌道EST是其中離子在EST的縱軸的方向上振蕩(即，執(zhí)行來回運動)的EST，其同時經(jīng)歷軌道運動(通常是圍繞縱軸z軌道運行)優(yōu)選地圍繞EST的一個或多個內(nèi)部電極(如例如在Orbitrap質(zhì)量分析儀中)或同時經(jīng)歷EST的兩個或更多個內(nèi)部電極之間的間隙中的徑向運動(如例如在Cassinian阱中)。離子在縱軸z的方向上根據(jù)離子的m/z由于離子的縱向振蕩頻率(即，沿著z)取決于它們的m/z而分離。EST包括一個或多個檢測電極以檢測EST內(nèi)的離子振蕩。軌道EST可以包括單個內(nèi)部電極(例如，如在Orbitrap質(zhì)量分析儀中的主軸形狀的)或可以包括多個內(nèi)部電極(例如，如在US 7,994,473中所描述的)。EST可以是在US 7,994,473以及在C.Int.J.Mass Spectrom.第287卷、第114-118頁，2009中所描述的一個(被稱為Cassinian阱)。將通過軌道EST的實例說明本發(fā)明的其它特征，該實例具體是Orbitrap質(zhì)量分析儀，但是應理解本發(fā)明不限于此類實例。然而，本發(fā)明確實在將離子注射到軌道EST中具有特定適用性，該軌道EST例如，Orbitrap質(zhì)量分析儀、Kingdon阱或Cassinian阱。

如本領(lǐng)域中已知離子產(chǎn)生于離子源中。離子源的本質(zhì)不受特定限制并且適當?shù)乜梢允褂萌魏我阎膩碓从糜谫|(zhì)譜分析。離子源可以是連續(xù)式或脈沖式離子源。具體而言，離子源可以是大氣壓離子(atmospheric pressure，API)源。離子源可以例如是電噴射離子源或MALDI離子源。離子可以是產(chǎn)生于SIMS離子源中的次級離子。所產(chǎn)生的離子隨著它們被注射到EST中通常具有一系列m/z以用于質(zhì)量分析。

離子可以從離子源被直接地傳送到離子存儲裝置中，或者更優(yōu)選地，離子 可以從離子源下游經(jīng)由定位在離子存儲裝置上游(即，定位在離子源與離子存儲裝置之間的中間)的至少一個離子光學裝置傳送。上游離子光學裝置的不同配置的實例可以包含以下布置。在某些實施例中，產(chǎn)生于離子源中的離子可通過定位在離子源與離子存儲裝置之間的至少一個上游離子導引件傳送到離子存儲裝置。至少一個上游離子導引件可以包括至少一個多極離子導引件和/或至少一個堆疊環(huán)離子導引件(stacked ring ion guide，SRIG)。舉例來說，SRIG可從離子源中捕獲離子并且將離子傳送到一個或多個多極離子導引件，該導引件繼而可將離子傳送到離子存儲裝置。替代地，多極離子導引件(例如，四極、六極或八極)可從離子源捕獲離子并且將離子傳送到一個或多個其它多極離子導引件，該多極離子導引件繼而可將離子傳送到離子存儲裝置。

離子可根據(jù)一個或多個物理化學特性(例如，質(zhì)量、m/z、離子移動性等)在離子存儲裝置的上游經(jīng)受分離。離子可在進入離子存儲裝置之前經(jīng)受質(zhì)量分析的一個或多個階段?？梢圆捎秒S后的實施例使得離子從質(zhì)量分析或過濾的先前階段傳遞到離子存儲裝置。質(zhì)量過濾器可提供在離子存儲裝置的上游(即，定位在離子源與離子存儲裝置之間的中間)，使得離子在存儲在離子存儲裝置之前可以得到質(zhì)量過濾，即，限制在它們的m/z范圍中。以此方式，僅選定的所關(guān)注的離子可以進入并且存儲在離子存儲裝置中。質(zhì)量過濾器可以是四極質(zhì)量過濾器，或質(zhì)量解析離子阱，如本領(lǐng)域中已知的。另外或替代地，離子可經(jīng)受定位在離子存儲裝置上游的離子移動性分離器(ion mobility separator，IMS)的分離。IMS可定位在質(zhì)量過濾器所在處的上游或下游。碰撞室可定位在離子存儲裝置的上游以啟用MS²方法。

離子存儲裝置可以是任何適當?shù)碾x子存儲裝置。離子存儲裝置可以是線性或3D離子阱。離子阱可以是多極，尤其是四極離子阱，即，線性四極(2D)離子阱或3D四極離子阱。離子存儲裝置可以配置有在離子存儲裝置的軸向方向上間隔開的多個平行環(huán)電極，例如，通過射頻的應用。離子存儲裝置可以是離子阱，例如，如上文所述，僅射頻離子阱。在尤其優(yōu)選的實施例中，離子存儲裝置是射頻離子阱，尤其是射頻線性離子阱。

在一些實施例中，離子存儲裝置可以被配置成碰撞室以對進入離子存儲裝置的離子進行分段。離子分段可隨后被釋放到離子導引件中以用于隨后射出到 EST。

離子優(yōu)選地存儲在離子存儲裝置中直至它們需要被釋放到離子導引件中。離子在離子存儲裝置中的滯留時間通常介于500微秒到10毫秒的范圍中。離子存儲裝置優(yōu)選地包含氣體以輔助存儲離子。適當?shù)臍怏w可以是氮氣、氬氣或氦氣，其中如本領(lǐng)域中已知氣體的選擇取決于待存儲的離子的本質(zhì)。離子優(yōu)選地在離子存儲裝置中冷卻，即，以通過與氣體發(fā)生碰撞而減少它們的能量。離子優(yōu)選地存儲在離子存儲裝置中達到足以允許離子冷卻到所希望的程度的周期。優(yōu)選地，氣體填充離子存儲裝置中的壓力介于大約5x 10^-4毫巴到大約1x10^-2毫巴的范圍，更優(yōu)選地從大約1x 10^-3毫巴到大約1x 10^-2毫巴，并且并且最優(yōu)選地從1x 10^-3毫巴到5x 10^-3毫巴。

離子優(yōu)選地從離子存儲裝置緩慢地釋放到離子導引件，例如，在小于1V的能量下。離子優(yōu)選地在數(shù)百微秒后釋放。離子優(yōu)選地得到釋放使得清空離子存儲裝置中的所有離子的時間花費至少10微秒或至少20微秒或至少50微秒，但是優(yōu)選地花費小于1000微秒、或小于500微秒、或小于200微秒或小于100微秒。舉例來說，清空離子存儲裝置中的所有離子的時間可以在10到1000微秒的范圍中，或10到500微秒，或10到200微秒，或10到100微秒，或20到1000微秒，或20到500微秒，或20到200微秒，或20到100微秒，或50到1000微秒，或50到500微秒，或50到200微秒，或50到100微秒，或100到1000微秒，或100到500微秒，或100到200微秒。離子釋放的優(yōu)選時間范圍是10到100微秒。

優(yōu)選地將時間依賴性電壓應用于離子存儲裝置中以將離子釋放到離子導引件中。優(yōu)選地通過在離子存儲裝置內(nèi)應用軸向直流電場梯度使離子從離子存儲裝置中釋放，例如，在0.1-10V/m的范圍內(nèi)，即在離子存儲裝置的軸向方向上。軸向場梯度優(yōu)選地應用于如上文所述的周期以清空離子存儲裝置中的離子，即，將直流電壓應用為脈沖達適當?shù)闹芷凇］S向直流場通常經(jīng)由電極提供并且可以如本領(lǐng)域中已知的提供，例如，經(jīng)由一個或多個輔助電極(例如，在離子存儲裝置外部但是鄰近于離子存儲裝置)或通過用分段(RF)電極配置離子存儲裝置且將直流電壓應用到區(qū)段，例如，經(jīng)由電阻分壓器。

如所描述，離子從離子存儲裝置緩慢地釋放到離子導引件以用于將離子加 速到EST中。離子導引件優(yōu)選地定位在緊接著離子存儲裝置的下游以便最小化它們之間的距離。離子導引件優(yōu)選地是不含氣體的，這與優(yōu)選地氣體填充的離子存儲裝置相反。不含氣體意味著氣體的來源非有意地準入到離子導引件中。因此離子導引件中的壓力低于在之前的離子存儲裝置中的。離子導引件中的壓力優(yōu)選低于或等于10^-3毫巴，通常在10^-5-10^-3毫巴的范圍中。離子導引件優(yōu)選地是非捕獲離子導引件，即，優(yōu)選地在離子導引件中離子不受軸向限制但是僅受徑向限制，使得離子導引件在軸向方向上是單通離子導引件(即不含軸向方向上的離子的反射)。因此，離子導引件中的離子的駐留時間通常顯著小于之前離子存儲裝置中的離子的駐留時間。離子導引件中的離子的駐留時間通常介于10微秒到1000微秒的范圍中。

一般而言，離子導引件是用于在一個方向上傳輸離子同時在至少一個其它方向上限制它們的運動的離子光學裝置。離子導引件可以是射頻離子導引件或靜電離子導引件。離子導引件可以是線性多極離子導引件或堆疊環(huán)離子導引件，例如，優(yōu)選地是射頻多極或堆疊環(huán)離子導引件且更優(yōu)選地是線性射頻多極離子導引件。多極離子導引件可以是例如，四極、六極或八極離子導引件。在另一優(yōu)選實施例中離子導引件可以是螺旋形或螺旋狀軌道離子導引件(本文中是螺旋形離子導引件)，其中離子在螺旋形路徑上圍繞離子導引件軸隨著它們行進穿過導引件得到導引(以距離導引件軸的恒定或變化的距離)。因此，在螺旋形離子導引件中，離子通過軸向和旋轉(zhuǎn)運動兩者而移動。螺旋形離子導引件可以包括多匝靜電區(qū)段導引件，例如，由至少一對同軸電極形成。在螺旋形離子導引件的情況下，可能有必要在小于100微秒的時段中將離子從離子存儲裝置釋放到離子導引件中。優(yōu)選的是離子從離子導引件軸向加速。在EST中來自離子導引件的此類軸向加速度可以在與質(zhì)量分離的方向z正交或平行的方向上，或者可以介于正交和平行之間成角度地，如在下文中進一步描述的。

在時間延遲之后，一旦所需的離子(即，需要注射到EST中的離子)已經(jīng)開始從離子存儲裝置進入離子導引件，優(yōu)選地離子的脈沖式加速度將它們提取到EST。時間延遲通常介于10微秒到100倍的微秒(例如，最多1000，或最多900，或最多800，或最多700，或最多600，或最多500，或最多400，或最多300，或最多200，或最多100微秒)的范圍中。此時間延遲應該是足夠長的 以允許離子徹底地離開離子存儲裝置，但是仍然是足夠短的以避免由于從離子導引件達到出口而引起的離子損失。優(yōu)選地，對于所關(guān)注的最低m/z的離子，時間延遲應該不超過穿過離子導引件的飛行時間的90％。通常，此飛行時間與圖1的導引件相比對于圖2的導引件較短。在下端上，延遲受到從離子存儲裝置中提取離子的速度的限制，該速度通過提取電場的強度來調(diào)節(jié)。此強度(并且因此提取的速度)受到離子的隨著它們被拉動經(jīng)過離子存儲裝置內(nèi)的氣體的不希望的片段的限制。因此，離子以脈沖式方式(朝向EST)從離子導引件中提取出來或噴出。出于此目的，軸向直流電場梯度，優(yōu)選地在10³-10⁴V/m的范圍內(nèi)，優(yōu)選地應用于離子導引件內(nèi)使得離子的能量增大取決于它們在導引件內(nèi)的初始位置(即，當首先應用直流場時它們在導引件內(nèi)的位置)。以此方式，離子被加速離開離子導引件作為脈沖到達EST，并且對于任何給定m/z的離子，此類離子的包在離子導引件的出口處與在導引件的入口處相比基本上較短(在時間或空間上)。此外，在距離離子導引件的出口處離子的平均離子速度基本上高于離子導引件的入口處的平均離子速度。本文中是根據(jù)術(shù)語“速度”的通常意義使用它的，也就是說它意味著速度或絕對速度，除非指示運動方向。因此，術(shù)語“平均離子速度”意味著平均離子速度或絕對速度。優(yōu)選地，在距離離子導引件的出口處離子的平均離子速度至少是1.5倍高于、或至少2倍高于、或至少5倍高于、或至少10倍高于在離子導引件入口處的平均離子速度。重要的是，隨著包進入EST每個離子包的(即，每個m/z的)持續(xù)時間基本上短于在離子的包進入離子導引件時的持續(xù)時間。

優(yōu)選地，在應用軸向直流場梯度的同時，切斷該(或任何)射頻場。軸向直流場梯度優(yōu)選地應用為來自脈沖發(fā)生器的脈沖(即，通過應用直流電壓脈沖)。脈沖發(fā)生器可以包括本領(lǐng)域中已知的任何適當?shù)拿}沖電子元件，例如，MOSFET晶體管。軸向直流場梯度的上升時間優(yōu)選地在10-1000納秒的范圍內(nèi)。離子導引件中的直流場通常經(jīng)由電極提供，即，優(yōu)選地連接到脈沖發(fā)生器。軸向直流場梯度可以從脈沖發(fā)生器經(jīng)由一個或多個輔助電極(例如，外部的但是鄰近于離子導引件)提供或通過用分段(RF)電極配置離子導引件且將直流應用到區(qū)段，例如，經(jīng)由如本領(lǐng)域中已知的電阻分壓器。離子優(yōu)選地從離子導引件中以介于EST中的1％到30％的最終離子能量的范圍中的能量加速。較高能量是可 能的但是優(yōu)選地避免較高能量以最小化離子損失。舉例來說，如果EST中的離子的最終能量處于2到4kV的范圍(這是對于Orbitrap質(zhì)量分析儀典型的)，那么在達到EST中的最終能量之前，離子優(yōu)選地從離子導引件中以在最多大約1200V(或最多大約1000V)的范圍中的能量加速，例如，1V到1200V或1V到1000V，更通常地50到1200V或100到1000V，更優(yōu)選地200到1000V，最優(yōu)選地500到1000V。

優(yōu)選地，通過離子導引件加速的離子的能量擴展度顯著小于EST內(nèi)的離子的最終能量。更優(yōu)選地，離子的能量擴展度不超過10-30％，例如，不超過EST內(nèi)的離子的最終能量的10％或不超過20％或不超過30％。

離子導引件朝向EST加速離子并且在所希望的位置處集中離子，例如，在到EST的入口處或在EST內(nèi)。優(yōu)選地，離子的飛行時間的最小擴展的實際位置(即，焦點)被調(diào)節(jié)成駐留在EST內(nèi)部。額外的離子光學器件，例如，離子透鏡，可以在離子導引件的下游采用以調(diào)節(jié)離子的焦點的位置。

在離子導引件中，離子優(yōu)選地以基本上小于在EST中的離子檢測期間在z方向上的速度的初始速度在z方向上移動(即，在加速度之前)，直至離子接收朝向EST的脈沖式加速度。在一種類型的實施例中，在EST中離子導引件軸x(即，在其軸向方向上)基本上與質(zhì)量分離的方向z(本文中還被稱為EST的縱向方向或軸)正交對齊，并且這種類型的實例利用射頻線性離子導引件。在另一類型的實施例中，離子導引件軸基本上平行于質(zhì)量分離的方向(在EST中是z)對齊，并且此另一類型的實例利用螺旋形離子導引件。在兩種情況中，在加速度之前的z方向上的初始速度相對于最終總速度保持較小。

離子從離子存儲裝置的釋放優(yōu)選地在基本上與方向z正交的方向上。離子從離子導引件到EST的提取可以多種優(yōu)選方式實施。優(yōu)選地，應用從離子導引件的(脈沖式)加速度：

a)在與從離子存儲裝置釋放離子相同的方向上，其也基本上與z正交(例如，其中離子導引件是射頻線性離子導引件)；或者

b)基本上與離子從離子存儲裝置釋放的方向正交并且基本上平行于z。

在使用螺旋形離子導引件的實施例中，可能存在減小離子在EST的z方向上的速度的離子導引件內(nèi)的電位階躍，優(yōu)選地不影響它們的旋轉(zhuǎn)運動。優(yōu)選地， 螺旋的階躍(即，間距)在離子導引件內(nèi)減小以位于光束直徑的范圍的1-2倍中。螺旋形離子導引件優(yōu)選地布置成其軸在與質(zhì)量分離的方向(即，EST的z軸)相同的方向上(即，平行)并且優(yōu)選地與質(zhì)量分離的方向同軸。離子可以軸向方向上的固定半徑被加速離開螺旋形離子導引件(即，優(yōu)選地在EST的z方向上)。也就是說，離子可以相對于離子導引件軸的固定半徑加速離開螺旋形離子導引件，其優(yōu)選地也在方向或軸z上。離子優(yōu)選地通過應用直流脈沖以產(chǎn)生如上文所述的軸向場梯度加速離開螺旋形離子導引件。來自螺旋形離子導引件的離子的脈沖式加速度優(yōu)選地基本上與從離子存儲裝置提取的方向正交并且平行于z。直流脈沖優(yōu)選地朝向EST的中心加速離子，由此離子變得聚集到較短包中，即，每個m/z的離子聚集到一個較短包中。在所有所需的離子加速離開螺旋形離子導引件之后，可以在離子導引件中應用另一直流軸向場梯度(優(yōu)選地不同于第一直流軸向場梯度，更優(yōu)選地是與第一直流軸向場梯度相比更高的梯度)，在離子在EST中得到檢測的同時所述場梯度保持，即，在離子在EST中的檢測的持續(xù)時間期間。另一直流軸向場優(yōu)選地經(jīng)選擇使得EST內(nèi)的理想電場的擾動(即，在離子運動的空間中)得到最小化。以此方式，離子被迫使在EST內(nèi)沿著z繼續(xù)諧波振蕩(或至少來自諧波運動的偏差由此得到最小化使得在方向z上的EST內(nèi)的離子振蕩保持為盡可能接近諧波)。

一旦離子的群已經(jīng)離開離子存儲裝置(并且進入離子導引件)，則應用于離子導引件以使離子加速離開導引件的電壓脈沖使得離子變得在它們通過EST的一個或多個檢測電極附近時聚集(集中)到在EST的z方向上足夠窄的包中以便維持EST中的檢測期間的離子包的相干性(并且減少散相)。關(guān)于每個m/z，離子優(yōu)選地集中以形成離子包。直流軸向場脈沖可提供離子導引件中的線性電位分布或高階電位分布(例如，二次電位分布)。在線性電位分布的情況下，從離子導引件的中心到導引件的下游的任何所希望的點的最佳聚集通常發(fā)生的前提是從導引件的出口到該點(x＝x₀)的離子的飛行時間基本上等于從離子束中心(x_c)到x₀的離子的飛行時間。一般而言，導引件中的電位分布可以通過U＝C*(x-x₀)ⁿ給出，其中C是常數(shù)，x是沿著離子導引件軸的位置(x₀是導引件的出口)并且n是整數(shù)。線性電位分布的情況對應于n＝1。在n>1時引起x₀之后的相對較短飛行時間并且在n<1時引起x₀之后的相對較長的TOF。

通過在EST之前在離子束中提供較小彎曲可以避免或減小從離子存儲裝置到EST的氣體的殘留物，由此分離它與氣體束。

可以看出在注射到測量沿著方向z的離子分離(根據(jù)離子的m/z)的EST中之前，離子從存儲裝置釋放到離子導引件中，在該離子導引件中離子以較低速度在方向z上移動，隨后接收將它們作為方向z上的短離子包注射到靜電阱中的脈沖式加速度。

在通過來自離子導引件的加速度將離子注射到EST中之后，離子在EST中振蕩并且EST檢測沿著方向z的離子運動并且基于沿著方向z的離子運動測量質(zhì)荷比(m/z)。

附圖說明

圖1示意性地示出了采用射頻線性離子導引件以將離子注射到EST中的本發(fā)明的第一實施例。

圖2示意性地示出了采用用于將離子注射到EST中的螺旋形構(gòu)件的本發(fā)明的第二實施例。

圖3示意性地示出了在圖2中所示的箭頭A的方向上觀看的EST可見的圖2實施例中的離子導引件的截面視圖。

圖4示意性地示出了在導引件30和EST 60上延伸的沿著軸z的圖3實施例中的電位分布。

具體實施方式

為了確保本發(fā)明的更詳細的理解，現(xiàn)在將借助于實例且參考附圖描述多個實施例。

在第一類型的實施例中，優(yōu)選的是將離子存儲在氣體填充線性阱中并且隨后將離子作為慢速流釋放到優(yōu)選地與分散在EST中的離子的方向z正交的射頻或靜電離子導引件中(即，根據(jù)EST中的m/z離子沿著其間隔開的方向)。一旦離子群已經(jīng)離開阱，則將電脈沖應用于導引件，使得當離子接近EST的檢測電極通過時離子變得聚集到在方向z上足夠窄的包中。

參考圖1，示意性地示出了具有線性離子存儲/離子導引件幾何形狀的第一 優(yōu)選實施例。離子被從離子源或質(zhì)量分析10的先前階段引入到離子存儲裝置20中，該離子存儲裝置優(yōu)選地是僅射頻線性離子阱。此阱填充有例如在優(yōu)選地從1x10^-3到5x 10^-3毫巴的壓力下的氮氣或氬氣等氣體。一旦所需的離子群存儲在阱20中，則通常以數(shù)百微秒的時間標度通過阱20內(nèi)的軸向場梯度的使用緩慢地將離子釋放到僅射頻線性離子導引件30中。離子優(yōu)選地在小于1V的能量下從阱20釋放到線性導引件30中。

一旦所有所關(guān)注的m/z的離子已經(jīng)進入線性導引件30，即，在它們從離子存儲裝置中緩慢釋放之后的時間延遲之后，射頻場優(yōu)選地在導引件30中切斷并且脈沖發(fā)生器(未圖示)提供應用于導引件的軸向電場脈沖，以對離子進行脈沖使其離開導引件30進入到EST 60中，其中離子在能量上的增大取決于它們在導引件內(nèi)的初始位置。因此，在離子從離子導引件離開時離子的平均速度基本上高于離子進入離子導引件時離子速度的平均值。直流軸向電場梯度可通過外部輔助電極(即，在導引件外部)的使用而形成，例如，所述電極可與離子導引件軸成角度或在離子導引件軸的方向上分段，或者通過布置射頻線性導引件30以具有包括多個區(qū)段的多極電極。如本領(lǐng)域中已知的，來自脈沖發(fā)生器的電壓脈沖可經(jīng)由電容或電容/電阻分壓器被饋送到電極的所有區(qū)段。在示出的實施例中，分段輔助電極32提供軸向場梯度。

軸向電場梯度提供離子到軌道類型的EST 60(例如，Orbitrap質(zhì)量分析儀)的入口的集中。重要的是，對于形成相應的離子包的相同m/z的離子，在離子包進入EST時離子包的持續(xù)時間(即，特定m/z的每個包的持續(xù)時間)基本上短于當離子的包在從離子存儲裝置釋放之后進入離子導引件時的持續(xù)時間。離子在徑向方向上的空間發(fā)散由包括透鏡的離子光學器件40補償。離子注射最后通過離子偏轉(zhuǎn)器50的使用得到促進，使得離子在EST內(nèi)圍繞中央電極63開始它們的軌道飛行65同時在方向z上來回振蕩，方向z垂直于頁面的平面。離子沿著方向z根據(jù)它們的m/z分散，這是因為不同m/z的離子在方向z上具有不同振蕩頻率。

從圖1中可以看出在第一優(yōu)選實施例中，從離子阱20釋放的離子在與方向z正交的方向x上，并且從離子導引件30到EST 60的離子的脈沖式提取在與從離子阱20釋放的離子相同的方向x上，即，與z正交。

通過由離子光學器件40引入稍微彎曲的離子束可以避免從離子阱20到EST 60的直接視線氣體殘留物，由此從氣流中分離離子束。此外，離子導引件30和離子光學器件40可容納在易受差分泵送的區(qū)域中。

在用于加速離子的離子導引件30中的線性電位分布的情況下，從導引件的中心到下游任何所希望的點的最佳聚集發(fā)生的前提是來自導引件的出口的點(x＝x₀)的飛行時間(time-of-flight,TOF)基本上等于從離子束中心到x₀的TOF。一般而言，導引件30中的電位分布通過以下公式給出：U＝C*(x-x₀)ⁿ，其中C是常數(shù)，x是離子導引件中的軸向位置并且n是整數(shù)。線性電位的情況對應于n＝1。n>1的情況將引起x₀之后的相對較短的TOF，并且n<1將引起相對較長的TOF。

通過提供光學器件40中的加速度，TOF的最小擴展的實際位置(即，焦點)可以調(diào)節(jié)成駐留在EST 60內(nèi)部。一般而言，引入在導引件30內(nèi)的能量擴展度應該顯著小于EST內(nèi)的離子的最終能量，優(yōu)選地不超過最終能量的10％到30％。實際上，對于具有離子振蕩的軸向幅度的EST，在5到10mm的檢測期間，離子導引件30通常是0.05到0.2m長。

對于具有兩個檢測電極的標準Orbitrap質(zhì)量分析儀，針對離子的焦點的優(yōu)選位置接近EST的中心。如果離子由在座標z＝h處的注射所激發(fā)(通常是在檢測期間離子振蕩的幅度)，那么如US 7,714,283中所描述，存在通過以下公式近似給出的額外的有效路徑長度ΔL：

其中是旋轉(zhuǎn)的角速度并且ω是軸向振蕩的角速度。在使用多個檢測電極的情況下，如US 7,714,283的圖5到7中所示，例如引入在離子導引件30內(nèi)的能量擴展度應該足夠較小以允許將離子在進入到EST中的路上的TOF擴展度限制在基本上低于沿著這些電極中的每一個的長度的TOF以下(實際上，<5-20％)。此條件對于離子包的相干性是必需的并且其違反將引起靈敏度的損失并且，在一些情況下，引起分辨率的損失(由于它增大了信號的自然衰減對包的去定相的影響)。

圖2示出了離子注射的螺旋形運動類型的第二優(yōu)選實施例，其中離子導引件30在這種情況下是定位在EST 60外部的多轉(zhuǎn)式靜電區(qū)段。圖3示意性地示 出了圖2實施例中的離子導引件的在箭頭A的方向上觀看的截面視圖。一般而言，給予圖2和3中的相同或類似組件與圖1中相同的編號。參考圖2和3，導引件30包括通常圓柱形形式的一對同軸電極組80和90。如圖3中所示，電極組中的每一個對應地包含至少兩個電極81/82和91/92。每個電極組的所述至少兩個電極81/82和91/92是軸向間隔開的。在一些其它實施例中，可以使用一個以上同軸電極組的對。在一些其它實施例中，兩個以上電極可以用于每個電極組中。導引件30還包括入口單元70，離子穿過所述入口單元進入導引件30。入口單元70位于替代從外部圓形電極91中取出的區(qū)段處并且允許離子束經(jīng)由單元70中的入口孔71進入電極組的電極81和91之間的空間。單元70可以被布置成具有在其側(cè)面上的場維持元件，以便減小電極組之間的空間中的電位擾動。

離子以與圖1中相同的方式從離子阱20中釋放，然而在此實施例中由于裝置30中的高離子能量所以優(yōu)選的是以小于100微秒從阱20中完全射出離子。隨著離子以相對于軸z的較小角度進入電極組之間的空間，它們開始沿著螺旋形或螺旋狀軌道圍繞中央電極組80以隨著它們完成它們的第一次旋轉(zhuǎn)將它們從入口單元70的側(cè)面清除的階躍旋轉(zhuǎn)。隨著離子前進到從單元70移開，優(yōu)選地在電極81和91之間的間隙的大約1-2倍處，它們經(jīng)受形成于內(nèi)部電極組80的第一電極81和第二電極82之間的以及外部電極組90的第一電極91和第二電極92之間的電位階躍，使得它們在方向z上的速度變得減小而不影響離子的旋轉(zhuǎn)移動。這類似于參考US 5,886,346的圖3中描述的階躍。這允許離子束螺旋的階躍或間距顯著減小，優(yōu)選地減小到離子束直徑的1到2倍，并且允許沿著方向z在僅若干毫米內(nèi)存儲許多微秒的工作循環(huán)。這在圖3中通過離子軌道100圖示，其中圓點示出了飛行離開圖式的平面的離子并且叉號示出了飛行到圖式的平面中的離子。

靜電區(qū)段導引件30的出口耦接到EST 60，EST 60在這種情況下優(yōu)選地是如圖所示的Orbitrap質(zhì)量分析儀，其具有兩個外部檢測電極61、62和中心主軸形狀的電極63。在圖3中通過線110和111且在圖4中通過線120示出了隨著離子注射存在于EST中的典型代表性等電位。從圖2和3中可以看出在第二優(yōu)選實施例中從離子阱20的離子的釋放在與方向z正交的方向x上，并且從離 子導引件30到EST 60的離子的脈沖式提取在方向z上，即，與離子從離子阱20中釋放的方向正交。

如US 5,886,346中所描述的，離子從靜電區(qū)段導引件30中不在阱中心沿著收緊的半徑注射到EST 60中，但是實際上以固定半徑并且僅在軸向方向z上(質(zhì)量分離的方向)。這通過將電壓脈沖(例如，來自外部脈沖發(fā)生器的電容式耦合的電壓)應用到圖3中的每個電極組的第一電極81和91而實現(xiàn)，使得電位分布從121變化到122，如圖4中所示。隨著離子開始朝向EST的中心(以軸y的位置示出)移動，每個m/z變得聚集到較短包101中。在離子在它們的第一振蕩的末尾返回到第二電極82和92時，電極82和92上的電壓都發(fā)生改變使得電位分布同樣變?yōu)閳D4中的123(例如，同樣通過應用電壓脈沖，但是在這種情況下是直流耦合的電壓，因為在EST 60中的離子檢測的整個持續(xù)時間需要保持高切換(開啟))。由于離子的返回到導引件30的時間強烈地取決于m/z，所以延遲將電位切換到123可用于限定待在EST中捕獲的質(zhì)量范圍，例如，在最簡單的情況中，其中最大m/z對最小m/z大約是10(例如，最重的m/z接近阱中心，而最輕的m/z已經(jīng)在朝向?qū)б?0的方向上返回)。此質(zhì)量范圍可通過在第一電極81/91和第二電極82/92上利用同步時間依賴性電壓而顯著擴展，使得在注射期間若干百分比的電壓改變允許較輕m/z的離子(其首先到達那些第一和第二電極之間的間隙)與較重m/z的離子相比在z方向上接收較小的速度的增大。電極82和92上的最終電壓的選擇的方式為使得EST中的離子運動的區(qū)域中的理想場的擾動通過電位分布123而得到最小化。因此，離子被迫使在EST內(nèi)在方向z上繼續(xù)來回振蕩(同時圍繞中央電極63繞軌道運行)直至離子檢測已經(jīng)結(jié)束，其中聚集到包中增強了沿著z的軸向振蕩的相干性。以此方式，離子振蕩與諧波振蕩的偏差得到最小化，即，軸向方向z上的離子振蕩保持為盡可能接近諧波。

應了解，可以對本發(fā)明的上述實施例作出變化，但這些變化仍屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。除非另外說明，否則本說明書中所揭示的每個特征可以被用于相同、等效或類似目的的替代性特征替換。因此，除非另外說明，否則所揭示的每個特征僅為一系列通用等效或類似特征的一個實例。

本文中提供的任何和所有實例或示例性語言(“舉例來說”、“如”、“例如” 以及類似語言)的使用意圖僅更好地示出本發(fā)明，并且除非另外要求，否則并不指示本發(fā)明的范圍上的限制。本說明書中的任何語言都不應該被解釋為指示實踐本發(fā)明所必需的任何未主張要素。

如本文所使用(包含在權(quán)利要求書中)，除非上下文以其它方式指示，否則本文中的術(shù)語的單數(shù)形式將被解釋為包含復數(shù)形式，且反之亦然。舉例來說，除非上下文另外指示，否則在本文中(包含在權(quán)利要求書中)一個單數(shù)參考物，如“一個(a)”或“一個(an)”意指“一個或多個”。

遍及本說明書的描述及權(quán)利要求書，詞語“包括”、“包含”、“具有”及“含有”以及這些詞的變化(例如“包括(comprising)”及“包括(comprises)”等)意味著“包含但不限于”，且并不意圖(且并不)排除其它組件。

本說明書中描述的任何步驟可按任何次序執(zhí)行或同時執(zhí)行，除非另外規(guī)定或上下文另外要求。

本說明書中所揭示的全部特征可以任何組合形式組合，但此類特征及/或步驟中的至少一些會互斥的組合除外。具體而言，本發(fā)明的優(yōu)選的特征適用于本發(fā)明的所有方面且可以任何組合形式使用。同樣，可單獨地使用(不以組合形式)以非必需組合形式描述的特征。