[发明专利]准平面多反射飞行时间质谱仪

说明书

技术领域

本发明一般涉及质谱仪分析，更具体地，一种包括多反射飞行时间质谱仪(MR-TOF MS)的装置及使用方法。

背景技术

质谱仪是分析化学的公认工具，用于各种化合物和它们的混合物的识别及定量分析。这种分析的灵敏度和分辨率对于实际使用至关重要。已经公认飞行时间质谱仪(TOF MS)的分辨率随飞行路径而提高。已建议使多反射飞行时间质谱仪(MR-TOF MS)在保持适中的物理长度的同时增加飞行路径。在引入具有飞行时间聚焦性质的静电离子反射镜之后，MR-TOF MS的使用变为可能。美国专利No.4,072,862、苏联专利No.SU198034、和Sov.J.Tech.Phys.41(1971)1498，Mamyrin等人公开了一种离子反射镜的使用以提高与离子能量相关的飞行时间聚焦。离子反射镜的使用自动造成离子飞行路径的单次折叠(single folding)。

H.Wollnik认识到离子反射镜用于实现多反射MR-TOF MS的潜力。英国专利No.GB2080021提出通过在多个无栅反射镜之间折叠离子路径以减小仪器的总长度。每一个反射镜由同轴电极制成。两行这种反射镜在同一平面内排列，或者位于两个相对的平行的圆上(见图1)。引入带有空间离子聚焦的无栅离子反射镜减小了离子损耗并且无论反射次数多少都使离子束受限(详见美国专利No.5,017,780)。英国专利No.GB2080021中公开的无栅反射镜也提供了“离子飞行时间与离子能量无关”。公开了两种类型的MR-TOFMS：

(A)“折叠路径”方案，该方案相当于使N个连续的反射TOF MS组合，并且其中飞行路径沿一条折线形(jig-saw)轨迹折叠(图1A)；以及

(B)“同轴反射”方案，该方案在使用脉冲离子接纳和释放的两个轴向排列的离子反射镜之间采用多次离子反射。

H.Wollnik等人在Mass Spec.Rev.，1993，12，p.109中也描述了“同轴反射”方案，并且在Int.J.Mass Spectrom.Ion Proc.227(2003)217中发表的工作中实现了该方案。在一个中等尺寸(30厘米)TOF MS中，在50回合之后，达到了50,000的分辨率。无栅且空间聚焦的离子反射镜保存了感兴趣的离子(损耗低于2倍)，尽管质量范围随循环次数成比例地缩短。

也已经使用扇形场取代离子反射镜来设计MR-TOF质谱仪(Toyoda et al.，J.Mass Spectrometry，38(2003)，1125；Satoh et al.，J.Am.Soc.Mass Spectrom.，16(2005)，1969)。然而，这些质量分析仪不像基于离子反射镜的质量分析仪那样仅提供飞行时间的第一级能量聚焦。

Nazarenko等人(1989)的苏联专利No.SU1725289引入了一个使用二维无栅反射镜的折叠路径MR-TOF MS的改进方案。该MR-TOF MS包括由条构造的平行的两个同样的反射镜，并且关于反射镜之间的正中面对称还关于折叠离子路径的平面对称(见图2)。将反射镜几何形状和电势安排成使得空间上穿过折叠离子路径的平面而聚焦离子束，并且提供关于离子能量的第二级飞行时间聚焦。在所谓的位移方向上(图2中的Z轴)向着探测器缓慢地漂移时，离子在平面反射镜之间经历多次反射。通过改变离子入射角来调节循环次数和分辨率。该方案在延伸飞行路径的同时允许保留整个质量范围。

然而，Nazarenko的平面质谱仪在位移方向上不提供离子聚焦，因此实质上限制了反射循环的次数。此外，该原型中使用的离子反射镜没有关于穿过折叠离子路径的平面散布的空间离子提供飞行时间聚焦，使得发散的或宽的离子束的使用实际上会破坏飞行时间分辨率，并会使飞行路径的延伸变得毫无意义。

在2005年12月20日提出的、申请序列号为No.10/561,775、名为“MULTIREFLECTING TIME-OF-FLIGHT MASSSPECTROMETER AND METHOD OF USE(多反射飞行时间质谱仪和使用方法)”的申请中，多反射质谱仪的平面方案改进之处在于：

a)引入离子反射镜，该离子反射镜在垂直方向上提供空间聚焦，在与高阶的空间和能量偏差(aberration)保持同步的同时提供高阶空间和能量聚焦；

b)在无场区域中引入一组周期性透镜(periodic lense)，其中这样一个透镜系统沿主要的折线离子路径保有离子包；以及