[发明专利]从四极离子阱的离子喷射

说明书

发明领域

本发明涉及用于向飞行时间质量分析仪、离子阱质量分析仪或傅里叶变换质量分析仪提供脉冲离子包的离子喷射器的领域。具体来说，本发明涉及离子喷射器，这些离子喷射器包括四极离子阱。

发明背景

用射频(RF)电势操作的四极离子阱(也被称作保罗(Paul)阱)用于质谱分析以便积聚离子并且将脉冲离子包喷射到质量分析仪中。适合的质量分析仪包括飞行时间(TOF)、静电阱(EST)以及傅里叶变换质谱仪(FT-MS)。TOF质谱仪包括线性TOF、反射TOF以及多反射TOF。EST质谱仪包括轨道阱，如金登(Kingdon)阱，其一种类型由申请人以Orbitrap^TM销售并且利用镜像电流离子检测和傅里叶变换信号处理。FT-MS质谱仪包括Orbitrap质量分析仪和离子回旋共振质量分析仪。

在许多情况下，四极离子阱必须在一段短持续时间内喷射离子包，该包含有具有广泛范围的质荷比(m/z)的离子。脉冲持续时间应在m/z的整个范围上均匀地小。

在四极离子阱中，离子被RF场约束，这些RF场由施加到一个或多个阱电极上的RF电势诱发。在3D四极离子阱中，一个或多个RF电势施加到环形电极和两个端盖电极中的一者或多者上。典型地在线性四极离子阱中，四个大体上平行的杆电极施加有两个相反极性的RF波形，一个波形施加到每一对相对杆上。

用于喷射到质谱仪的四极离子阱通常用引入到阱体积中的气体操作，并且离子与气体分子之间的碰撞致使离子随每次碰撞而逐渐地损失能量并且由此冷却到大致气体温度，该气体温度可以是室温或在低温阱中更低，并且离子被称为热化。这用以减小速度在喷射的方向上的扩散，并且因此减小具有相同m/z的离子到达质谱仪并且在一些情况下其检测器的时间范围。此时间范围直接限制例如TOF质谱仪的质量分辨力并且因此应尽可能小。

一旦离子已经经历与气体的足够碰撞以充分冷却所希望的质量范围内的所有离子，离子从四极离子阱喷射。在3D四极离子阱中，离子通过端盖之一中的小孔口喷射。在线性离子阱中，离子或者从线性阱的一端大体上沿着其轴喷射(轴向喷射)，或者正交于阱轴通过杆电极之间的间隙之一喷射，或者通过杆电极之一中形成的槽缝喷射(正交喷射)。正交喷射是优选的，因为那么离子包在喷射的方向上更小。为了喷射离子，或者除了RF俘获电势之外跨过该阱施加喷射电势，或者关闭RF俘获电势并且施加喷射电势。

在一些情况下，当一个或多个RF俘获电势达到过零点时，关闭其。如在此关于施加的RF电势所用的，术语“过零点”是指(时变的)RF电势或者在从正电势过渡到负电势期间或者在从负电势过渡到正电势期间瞬时地在零电势下的时间。在两个RF电势施加到离子阱上时，那些电势典型地在彼此反相下。因此，当一个RF电势达到过零点时，另一个RF电势也如此，但一个RF电势是从正电势过渡到负电势并且另一个RF电势是从负电势过渡到正电势。

喷射的离子被引入到质量分析仪中，并且在分析仪内沿着分析仪飞行路径行进。具有不同m/z的离子沿分析仪飞行路径行进，或者在不同时间中穿越一段距离到检测器，或者在分析仪内经历不同频率的振荡运动。分析仪飞行路径可以是线性的，包括线性部分，或可以是弯曲的或包括弯曲部分。为了沿着分析仪飞行路径行进，离子必须沿着注入轨迹注入到分析仪中。如在此所用的，术语“分析仪注入轨迹”是指离子为了进入分析仪必须遵循以便它们随后沿着分析仪飞行路径行进的注入轨迹。技术人员应理解，分析仪注入轨迹和分析仪飞行路径是有限体积的空间，尽管它们可以表示为线，但离子在其内行进。

美国专利5,569,917描述了同时施加类似幅值的相反极性引出电势到3D四极离子阱的两个端盖上以便以准直束喷射离子。该束然后进行后加速以用于TOF质谱仪中。

美国专利6,380,666描述了同时施加不同幅值的相反极性引出电势到3D四极离子阱的两个端盖上，而不进行后加速。

美国专利6,483,244描述了一种3D四极离子阱和一种具有开关的电子安排，其中RF俘获电压快速变为零并且在与RF电势终止的几乎同时施加引出电压到端盖电极上。在此安排中，RF俘获电压可以通过操作开关而在RF周期的任何所选择的部分处终止。在终止RF俘获电势时，实际上存在于离子阱的环形电极上的RF俘获电势接近零，时间常数由阱的电极之间的电容和开关的内电阻确定。此时间常数足够小以防止离子从离子俘获区逸出。然而，在其最大跨度时突然停止RF电压的问题由于阱的电极的相当大的电容而仍保持未解决。