[发明专利]用于质谱仪在高压时的改进性能的射频(RF)离子引导器

说明书

优先权要求

本申请要求专利合作条约(PCT)的条款4.10下来自名为T.Ristroph和G.Perlman的发明人于2012年9月25日提交的美国专利申请No.13/626,698的优先权。

背景技术

质谱法(MS)是一种用于样本的定量元素分析的分析方法。样本中的分子由分光计基于它们相应质量而电离并且分离。分离后的分析物离子然后受检测，并且样本的质谱得以产生。质谱提供关于质量的信息，并且在一些情况下提供关于构成样本的各种分析物颗粒的数量的信息。具体地，质谱法可以用于确定分析物内的分子的分子量和分子碎片(fragment)。此外，质谱法可以基于裂解方式(fragmentation pattern)来识别分析物内的成分。

供质谱法分析的分析物离子可以通过各种电离系统中的任何一种而产生。例如，大气压力矩阵辅助激光器解吸电离(AP-MALDI)、大气压力光电离(APPI)、电喷雾电离(ESI)、大气压力化学电离(APCI)和感应耦合等离子体(ICP)系统可以用于在质谱系统中产生离子。这些系统中的许多系统在大气压力(760Torr)或其附近生成离子。一旦生成，就必须将分析物离子引入或采样到质谱仪中。典型地，质谱仪的分析器部分保持在10^-4Torr到10^-8Torr的高真空等级。实际上，对离子进行采样包括：通过一个或多个中间真空腔室的方式，以窄禁闭离子射束的形式将分析物离子从离子源传送到高真空质谱仪腔室。中间真空腔室中的每一个保持在前面腔室与后面腔室的真空级别之间的真空级别。因此，离子射束传送分析物离子，并且以阶梯方式从与离子形成关联的压力级别过渡到质谱仪的压力级别。在多数应用中，期望将离子传送通过质谱仪系统的相应腔室中的每一个而没有显著的离子损耗。一般，离子引导器用于使得离子在MS系统中以所限定的方向运动。

在允许或促进离子轴向地传送的同时，离子引导器通常使用电磁场径向地禁闭离子。一类离子引导器通过施加依赖于时间的电压生成多极场，其一般处于射频(RF)谱中。这些所谓的RF多极离子引导器已经在MS系统的各部分之间和离子捕集的各组件之间传送离子方面发现各种应用。一般，离子引导器也在存在缓冲气体的情况下工作，以在轴向和径向方向上都减少离子的速度。离子速度在轴向和径向方向上的这种减少公知为由于离子与缓冲气体的中性分子的多次碰撞以及所得的动能传递所引起的“热化”或“冷却”离子种群。在改进离子传输通过MS系统的孔口以及减少飞行时间(TOF)仪器中的径向速度扩散方面，径向方向上压缩的热化的射束是有用的。RF多极离子引导器形成伪势阱，其将离子禁闭在离子引导器内部。

射束限制孔径用于限制离子射束的横向空间宽度和角度扩散(射束发散度)。因为在横向位置或角度航向中相对于射束轴偏离太多的离子轨道可能导致质量分析器中的色散，所以限制离子射束的空间宽度和角度扩散是有用的。质量分析器中的这种色散基于离子初始状况而非仅基于离子质量。例如，在“理想”TOF MS系统中，离子飞行时间仅取决于离子质量，这是因为这是待测量的量。实际上，飞行时间弱势地取决于每个离子的准确空间位置和角度航向。位置和角度偏离的扩散导致飞行时间的扩散，并且减少TOF MS系统的质量分辨率。因此，在很多质量分析器中，通过有时被称为限制器(slicer)的无场区域中的两个连贯孔径的集合来限制射束大小和角度扩散，其防止可接受范围之外的离子进入分析器。

虽然射束限制孔径在改进质量测量的精度方面是有用的，但在离子引导器中包括射束限制孔径的已知MS系统具有特定缺点。首先，射束限制孔径通过防止离子射束的显著部分进入质量分析器而降低了整个质谱仪灵敏度。其次，在包括射束限制孔径的金属表面上入射的离子可能随着时间而污染金属表面，并且使得附近的静电场变形。这种场变形可能改动离子射束方向，这可能使得质量分辨率和灵敏度降级，使得系统不稳定，并且一起阻挡射束。

为了使得与已知限制器关联的这些问题的影响最小化，期望调节离子射束，使得大部分离子射束将穿过孔径。在已知MS系统中，一系列静电透镜使得离子射束聚焦，以最佳耦合通过限制器的孔径。然而，在已知MS系统中，即使在最佳耦合的情况下，通过限制器的传输也受限于射束发射度(其定义为乘积射束空间大小和角度扩散)。这种基本限制是相空间密度守恒的直接后果。因此，尽可能多地减少射束发射度是令人期望的。定义为离子射束电流除以射束发射度的射束亮度通过减少射束发射度而如期望地增加。然而，已知离子引导器并未合适地禁闭低射束发射度。