專利名稱：串行飛行時(shí)間質(zhì)譜儀及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)譜學(xué)領(lǐng)域，更具體地，與含有兩個(gè)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的設(shè)備中的一種高吞吐量、綜合的串行質(zhì)譜測(cè)量方法有關(guān)。
背景技術(shù)：
質(zhì)譜儀是這樣的裝置，其使得樣本蒸發(fā)和離子化，然后使用靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的電場(chǎng)來(lái)測(cè)量所形成的離子的質(zhì)荷比。串行質(zhì)譜儀被用于對(duì)復(fù)雜的混合物中的化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和識(shí)別。在每個(gè)應(yīng)用之中，MS-MS程序具有相同的操作順序·單個(gè)質(zhì)荷比(m/z)的母離子的質(zhì)量選擇；·這些離子的分裂；·這些碎片的質(zhì)譜分析。盡管存在著各種具有其自身利弊的串行MS-MS儀器，但是它們都具有一個(gè)共同特征——它們都每次使用一個(gè)母離子。其余的離子核素從原離子束中被去除和丟棄。
三重四極儀器是最常用的MS-MS儀器。持續(xù)的離子源，比如電噴霧(ESI)，將離子引入到被調(diào)諧的第一四極濾質(zhì)器，從而只有感興趣的離子穿過濾質(zhì)器。其余的原離子束成分被拒絕和丟棄。所選離子被傳送到所謂的“碰撞引致裂解”(CID)單元中，該單元填充有m托壓力的氣體和配備有射頻(RF)四極導(dǎo)向。注入的離子的動(dòng)能由濾質(zhì)器的靜電偏壓控制，并且被調(diào)節(jié)為經(jīng)由氣體碰撞來(lái)促使離子分裂。碎片離子在CID單元中碰撞受阻，然后被引入到第二四極中用于質(zhì)量分析。由于第二四極中的質(zhì)量掃描需要時(shí)間，并且造成c.a.1000因子的額外離子損失，所以三重四極儀器最多地用于檢測(cè)具有已知母離子和碎片離子質(zhì)量的已知核素。
四極飛行時(shí)間串行質(zhì)譜儀(QTOF)的引入極大增強(qiáng)了MS-MS儀器的吞吐量(參見Morris等人的Rapid Commun.Mass Spectrom，v.10，pp.889-896，1996)。三重四極被改型為，第二四極濾質(zhì)器被替代為正交TOF MS(oaTOFMS)。該替代可提供對(duì)所有碎片一次進(jìn)行并行分析的優(yōu)點(diǎn)，因此在第二MS中提供更高的靈敏度和更快的采集、以及提供第二MS增強(qiáng)的分辨率和質(zhì)量準(zhǔn)確性。然而，四極仍然被用于母離子選擇，伴隨著拒絕一種核素之外的所有離子核素。這種并行分析的理念尚未擴(kuò)展到母離子上。
另一常用的MS-MS裝置使用保羅(Paul)離子阱質(zhì)譜儀(ITMS)，在March，R.E.，Hughes R.J.的“四極存儲(chǔ)質(zhì)譜測(cè)量”(Willey-Interscience，NewYork 1989)中有所詳述。離子源中產(chǎn)生的離子被周期性注入到ITMS中，并且在射頻(RF)場(chǎng)的ITMS之內(nèi)被誘捕。例如通過應(yīng)用寬帶共振AC信號(hào)，來(lái)去除“不需要的”核素，從而只有感興趣的離子駐留于阱中。然后通過分離的AC場(chǎng)，來(lái)激勵(lì)所選的母離子，以與前體(precursor)的長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)共振。母離子在與緩沖氣體的能量碰撞中獲得動(dòng)能和碎片。利用共振噴射技術(shù)，對(duì)碎片進(jìn)行質(zhì)量分析。RF場(chǎng)的幅度被這樣傾斜，即離子按照它們的m/z值依次地離開阱。
還公知的是，將3-D保羅(Paul)阱與TOF分析器相連接，用于對(duì)碎片離子進(jìn)行更為準(zhǔn)確的質(zhì)量分析，參見Quin和D.Lubman，Rap.Commun.Mass.Spectrom.10，1079，1996和Shimadzu的WO099/39368。在D.Douglas的美國(guó)專利5,847,486中、在Sciex的美國(guó)專利6,111,250、在Analytica的美國(guó)專利6,020,586中、在U of New Hampshire的WO 01/15201中，線性離子阱(LIT)已被連接到TOF分析器。所有離子阱串行主要被導(dǎo)向于多級(jí)MS-MS分析上。通過丟棄其他離子成分來(lái)選擇母離子。
通過所用硬件的相似性，新近引入的串行飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF-TOF)是如下所述發(fā)明的最接近的原型。TOF-TOF的實(shí)例在Schlag等人的美國(guó)專利5,032,722、T.J.Komish等人的美國(guó)專利5,464,985、T.Bergmann的美國(guó)專利5,854,485、M.L.Vestal的美國(guó)專利#WO99/40610和C.Hop.的WO99/01889中有所描述。在所有TOF-TOF串行中，脈沖離子束在第一高能TOF中被時(shí)間分離，并且通過定時(shí)離子選擇器來(lái)過濾，從而只有感興趣的離子進(jìn)入CID單元中。該CID單元填充有低氣壓(通常在1毫托以下)的氣體，以引入與緩沖氣體的幾乎單一的高能碰撞，充分用于離子碎片，但是仍然保持離子包的短暫持續(xù)時(shí)間。在第二高能TOF中分析碎片離子的脈沖束。為了處理較大能量擴(kuò)展的碎片離子，第二TOF要么利用二次場(chǎng)電勢(shì)，要么利用附加的脈沖加速度。
在A.Verentchikov的WO 00/77823中，TOF-TOF串行的變形采用將母離子緩慢注入到帶有碎片碰撞阻尼的CID單元中，隨后注入到正交的TOF中。從所用組件來(lái)考慮，該儀器是本發(fā)明的最接近的原型。分裂單元中的碰撞阻尼改善了在第二TOF前面的離子束特性，并且允許對(duì)碎片離子質(zhì)量進(jìn)行高分辨率和準(zhǔn)確的測(cè)量。第一TOF在1kV能量和短暫時(shí)標(biāo)下工作。CID單元前面的時(shí)閘每次僅容許一個(gè)母離子質(zhì)量。
在所有描述的串行中，第一質(zhì)量分析器(四極、離子阱或TOF)每次選擇一個(gè)母體質(zhì)量和拒絕所有其他成分。在某些應(yīng)用中，比如在藥物新陳代謝研究中，可接受的是跟隨單一的感興趣的化合物。然而，在復(fù)雜的混合物情況下(比如凝膠體外的蛋白質(zhì)表征)，需要分析多個(gè)母離子。利用現(xiàn)有技術(shù)，對(duì)多個(gè)前體進(jìn)行依次的MS-MS分析是冗長(zhǎng)和遲鈍的。
新近引入的串行IMS-CID-TOF利用時(shí)間嵌套采集的原理，其可能在沒有離子損失的情況下來(lái)實(shí)施(D.Clemmer的WO 00/70335)。由于離子流動(dòng)光譜儀(IMS)中的分離是在毫秒時(shí)標(biāo)下發(fā)生的并且TOF質(zhì)譜儀是在微秒時(shí)標(biāo)下發(fā)生的，所以變得能夠?yàn)槊總€(gè)離子流動(dòng)碎片，采集碎片光譜。該技術(shù)的缺點(diǎn)是不良的IMS分離，其流動(dòng)分辨率在R＝50以下，這對(duì)應(yīng)于大約為10的質(zhì)量分辨率。由于IMS-TOF串行利用了具有時(shí)間嵌套采集的綜合串行質(zhì)譜測(cè)量的原理，所以它可選作為本發(fā)明的原型。
在沒有母離子損失的情況下進(jìn)行MS-MS分析的想法還被用于B.Reinhold和A.Verentchikov的WO 01/15201中。離子通過共振激勵(lì)被選擇，并且在離子阱之間移動(dòng)，而不拒絕其他離子成分。該過程是單調(diào)和耗時(shí)的，同時(shí)丟棄了來(lái)自離子源的離子。所謂的并行離子處理在Kirchner的WO92/14259中的多個(gè)離子阱中被使用，這里離子束在多個(gè)離子阱之間被分裂。通過降低靈敏度來(lái)節(jié)省時(shí)間。
仍然存在對(duì)于這樣一種儀器的需要，該儀器并行地提供對(duì)多個(gè)母離子的快速和靈敏的MS-MS分析，而不拒絕來(lái)自離子源的離子。這樣的儀器將進(jìn)一步改善MS-MS分析的吞吐量，這是復(fù)雜混合物的分析中所需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到，利用兩個(gè)飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀，能夠?qū)嵤┣短讜r(shí)間分離的原理，即慢速TOF1用于母離子分離，快速TOF2用于碎片質(zhì)量分析。因此，本發(fā)明的串行質(zhì)譜儀的一般方法利用了兩次飛行時(shí)間分離，其中對(duì)于相同的質(zhì)荷比，第一分離步驟中的飛行時(shí)間比第二分離步驟中的飛行時(shí)間長(zhǎng)得多，并且母離子的多樣性在來(lái)自離子源的每單個(gè)來(lái)自注入時(shí)被分離、分裂和質(zhì)量分析。
本發(fā)明的串行質(zhì)譜儀包括脈沖離子源；飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF1)，用于母離子的時(shí)間分離；分裂單元；第二飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF2)，用于碎片離子的質(zhì)量分析；以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。與原型的TOF-TOF系統(tǒng)相反，TOF1中的飛行時(shí)間實(shí)質(zhì)上大于經(jīng)過分裂單元的穿過時(shí)間和TOF2中的飛行時(shí)間。通過在低得多的動(dòng)能(一般約為1至100eV)下操作更長(zhǎng)時(shí)間的TOF1，同時(shí)在3至10keV能量下利用較短時(shí)間的TOF2，能夠?qū)崿F(xiàn)TOF1中延長(zhǎng)的分離(一般在毫秒范圍中)。對(duì)于對(duì)碎片進(jìn)行分裂和質(zhì)量分析而言，相鄰母離子核素到達(dá)之間的時(shí)間變得充分。因此，本發(fā)明允許對(duì)多個(gè)母離子實(shí)時(shí)地進(jìn)行快速的MS-MS分析，而不拒絕母離子。MS-MS采集周期持續(xù)數(shù)毫秒，并且能夠被多次地重復(fù)，以改善靈敏度和信號(hào)質(zhì)量。
為了避免離子損失，在大約100Hz的重復(fù)率下以脈沖模式操作離子源，其與MS-MS周期的毫秒時(shí)間兼容。矩陣輔助激光解吸/電離(MALDI)離子源是可用的脈沖離子源的一個(gè)實(shí)例。本發(fā)明還與廣泛多樣的連續(xù)離子源兼容，比如ESI、帶有氣體冷卻的MALDI、化學(xué)電離和氣體填充式光電離離子源。離子流在存儲(chǔ)射頻(RF)裝置之內(nèi)連續(xù)積累，并且周期性地脈沖噴射到TOF1中。所述存儲(chǔ)裝置可以是保羅(Paul)阱或存儲(chǔ)多極，優(yōu)選為四極。
根據(jù)作者的理解，新穎的時(shí)間嵌套TOF-TOF方法在不嚴(yán)重犧牲性能的情況下是無(wú)法在現(xiàn)有的TOF-TFO儀器上來(lái)實(shí)施的。本發(fā)明公開了五種新穎的TOF1分離器，它們?cè)诘碗x子能(1至100eV)下操作，以擴(kuò)展分離時(shí)間。
這些新穎的TOF1分析器中的兩種利用了約束射頻(RF)場(chǎng)與DC二次場(chǎng)的組合，其以相對(duì)大的能量擴(kuò)展度，提供了離子束的時(shí)間聚焦。這些分析器能夠在從1至10eV的極低的離子能下操作。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該新穎的TOF1分析器包括被DC鏡包圍的線性多極離子導(dǎo)向(優(yōu)選為四極)。DC鏡在兩端被打開和關(guān)閉，以提供來(lái)自一個(gè)TOF1端的離子注入；多次離子反射；以及隨后從另一端的離子釋放。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，新穎的TOF1分析器包括穿過TOF1軸而定向的外部?jī)尚蠨C電極和內(nèi)部?jī)尚械膬HRF的桿。該結(jié)構(gòu)形成了與沿著TOF軸的二次電勢(shì)分布相結(jié)合的二維RF隧道。離子相對(duì)于該軸以小角度被注入到TOF1之中，沿著該軸經(jīng)歷多次反射，穿過該軸緩慢移位，并且在數(shù)次反射之后離開TOF1。
另外三種新穎的分析器是在大約100eV的中等能量下工作的靜電裝置。其中之一的“旋束管”包括一對(duì)在其間作用有DC電壓的共軸圓柱形電極。離子相對(duì)于它們的軸以小角度被注入于所述電極之間。中等能量(100eV)離子在中央電極周圍轉(zhuǎn)向，同時(shí)沿著該軸緩慢漂移。在多次轉(zhuǎn)向之后，離子經(jīng)過切面邊界離開TOF1，該邊界由雙面印刷電路板形成，以避免DC場(chǎng)的干擾。其他兩種靜電分離器是平面和圓柱形多路分析器，它們利用了同時(shí)像透鏡一樣作用的多個(gè)篩(griddle)鏡。通過利用多路模式，來(lái)延伸有效飛行路徑，從而不管能量有多高(與RF輔助TOF1相比)，仍可實(shí)現(xiàn)10ms的時(shí)標(biāo)。
本發(fā)明與各種分裂方法相兼容，比如氣體碰撞、與表面碰撞和通過光的作用。分裂單元的設(shè)計(jì)可被調(diào)整為減少傳送時(shí)間和時(shí)間擴(kuò)展。CID單元被選擇為較短(大約1cm)、填充有相對(duì)高壓(0.1毫巴以上)的氣體、且補(bǔ)充有軸向DC場(chǎng)，以加速傳送和調(diào)制與TOF2同步的離子束。表面引致裂解(SID)單元使用脈沖透鏡，以便一起提供空間聚焦與時(shí)間聚焦(聚束)。與聚束透鏡和TOF2脈沖同步(盡管有時(shí)間偏移)，脈沖探測(cè)電勢(shì)將離子從SID單元中噴射出。
盡管第二飛行時(shí)間分析器的選擇不是關(guān)鍵的，但是具有正交離子注入的TOF(o-TOF)在多數(shù)串行實(shí)例中更為合適。為了改善正交注入的效率(所謂的占空因數(shù))，優(yōu)選地，同步于和略微超前于正交注入脈沖，從分裂單元中噴射離子。
TOF-TOF串行被期望用以在適度的分辨率下分離母離子，其主要受制于第二TOF MS的速度，例如10μs。300階次的估計(jì)TOF1分辨率(參見具體的描述)對(duì)于分離一組母離子同位素群來(lái)說(shuō)仍然是足夠的，并且比離子流動(dòng)光譜儀(本發(fā)明的原型)中的母離子分離分辨率高得多。更高的分離分辨率可在更長(zhǎng)的TOF1中實(shí)現(xiàn)，或者通過在CID單元前面的時(shí)閘對(duì)于離子的周期選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明允許數(shù)據(jù)采集的多種策略。在最簡(jiǎn)單和強(qiáng)健的方式下，MS-MS數(shù)據(jù)被連續(xù)采集，并且多個(gè)母離子的MS-MS光譜隨后被重構(gòu)。但是，在兩個(gè)階段中進(jìn)行MS-MS分析是更為明智的。在第一僅MS的階段中，母離子被連續(xù)允許進(jìn)入到TOF2之中，用于對(duì)母離子進(jìn)行質(zhì)量分析。關(guān)于母離子質(zhì)量的信息被用于第二MS-MS階段。時(shí)閘只在感興趣的多個(gè)母體到達(dá)時(shí)才打開，以改善母離子分離的分辨率和避免來(lái)自化學(xué)背景的信號(hào)。還獲取TOF2信號(hào)用于所選的時(shí)間窗口，以僅僅拒絕無(wú)意義的數(shù)據(jù)流。關(guān)于母離子的相似信息可利用位于TOF1之后任何地方的可選聯(lián)機(jī)檢測(cè)器來(lái)獲得。
除了高靈敏和快速的MS-MS分析之外，本發(fā)明提供多種僅MS的分析。為了及時(shí)擴(kuò)展峰值，TOF1可單獨(dú)用于僅MS的分析，避免了檢測(cè)器飽和，并且利用并不昂貴和緩慢的瞬態(tài)記錄器。在利用通路(pass)模式下的TOF1的同時(shí)，可在TOF2中獲得更佳質(zhì)量的母離子光譜。從多個(gè)源注入中均分的MS-MS數(shù)據(jù)中，可重構(gòu)所謂的“母體掃描”，即具有特定碎片集的母離子的光譜。最后存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)僅用于母體(parent)質(zhì)量。
由于在單個(gè)離子注入中為感興趣的所有前體離子獲得MS/MS光譜，所以本發(fā)明提供杰出的MS/MS分析速度，其估計(jì)為每秒10至30個(gè)全周期。MS-MS分析的速度與色譜分離的時(shí)標(biāo)相兼容，由此，當(dāng)沒有在離子阱和Q-TOF中當(dāng)前所用的任何預(yù)先限制(比如“基于數(shù)據(jù)的采集”)時(shí)，實(shí)時(shí)的LC-MS-MS分析是可能的。本發(fā)明的MS-MS串行的高采集速度和靈敏度還預(yù)先為利用嵌套LC-LC分析開放了機(jī)會(huì)。


本發(fā)明在所附權(quán)利要求中被具體地指明。參考與附圖相結(jié)合的如下描述，本發(fā)明的以上和其他優(yōu)點(diǎn)可得到更好地理解，在附圖中圖1是示出本發(fā)明的方法的方框圖；圖2是串行TOF-TOF質(zhì)譜儀的操作時(shí)序圖；圖3是新穎的串連TOF1的示意圖；圖4是新穎的W形TOF1的示意圖；圖5是真空脈沖MALDI離子源的示意圖；
圖6是具有碰撞阻尼的脈沖MALDI離子源的示意圖；圖7是具有脈沖存儲(chǔ)四極的連續(xù)離子源的示意圖；圖8是CID單元的示意圖；圖9是SID單元的示意圖；圖10是正交TOF2的示意圖；圖11是共軸TOF2的示意圖；圖12是具有串連TOF1和CID單元的TOF-TOF示意圖；圖13是具有W形TOF1和SID單元的TOF-TOF的示意圖；圖14是具有靜態(tài)共軸TOF1的TOF-TOF的示意圖；圖15是平面靜電多路TOF1的示意圖；以及圖16是圓柱形靜電多路TOF1的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的串行質(zhì)譜測(cè)量分析方法包括如下步驟1.在離子源中產(chǎn)生離子脈沖，該離子脈沖含有不同解析離子的混合物；2.在工作于低能下的第一飛行時(shí)間質(zhì)譜儀中實(shí)時(shí)地分離解析離子，由此在其質(zhì)量的序列下產(chǎn)生離子包的串；3.依次地分裂解析離子，而不混合所分離的離子包；4.以比第一分離步驟的時(shí)標(biāo)短得多的時(shí)標(biāo)，在第二飛行時(shí)間質(zhì)譜儀之內(nèi)，對(duì)碎片離子進(jìn)行快速質(zhì)量分析；5.在來(lái)自于離子源的單一離子脈沖下，對(duì)于多個(gè)解析離子質(zhì)荷比，獲取碎片質(zhì)譜；6.可選地，在多個(gè)源脈沖上將每個(gè)解析離子的碎片光譜相加；7.該方法的關(guān)鍵在于，對(duì)于相同的質(zhì)荷比，將第一TOF中的分離時(shí)間安排得比分裂時(shí)間和碎片質(zhì)譜分析時(shí)間長(zhǎng)得多。對(duì)于來(lái)自離子源的每單個(gè)離子注入的母離子的多樣性，時(shí)標(biāo)上的實(shí)質(zhì)差異被用來(lái)分離、分裂和質(zhì)量分析這些碎片。時(shí)標(biāo)中的實(shí)質(zhì)差異是通過在第一TOF中選擇更長(zhǎng)的飛行路徑和/或更低的離子能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
方框圖參考圖1，該方法通過主要的串行MS-MS組件的方框圖來(lái)示出。利用時(shí)間嵌套采集的通用TOF-TOF儀器(11)包括順序通信的脈沖離子源(12)；第一飛行時(shí)間質(zhì)譜儀TOF1(13)；分裂單元CID/SID(14)；第二飛行時(shí)間質(zhì)譜儀TOF2(15)；用于數(shù)據(jù)嵌套采集的數(shù)據(jù)系統(tǒng)(16)。該脈沖離子源由電壓源(17)以小的電勢(shì)差相較于TOF1光譜儀而偏壓，TOF1由電壓源(18)以一電勢(shì)差相較于CID單元而偏壓。可選的定時(shí)閘(19)可插入于TOF1(13)和CID單元(14)之間以增強(qiáng)TOF1分離。
操作簡(jiǎn)而言之，在操作上，脈沖離子源產(chǎn)生解析(母)離子的離子脈沖，并且在電壓源(17)的控制之下，在1至10eV之間的較小能量下，將離子注入到TOF1中。這是本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)之間的關(guān)鍵區(qū)別，因?yàn)門OF光譜儀通常在3至30keV之間的能量下工作。TOF1中的分離在數(shù)毫秒下發(fā)生。作為指導(dǎo)實(shí)例，讓我們考慮TOF1的有效長(zhǎng)度＝8m，離子能E＝3eV，離子質(zhì)量m＝1000a.u。在該實(shí)例中，離子速度是V＝800m/s，飛行時(shí)間是10ms。時(shí)間分離的母離子在增加的能量(由TOF1和CID單元之間的DC偏壓來(lái)控制)下被順序地從TOF1噴射到CID單元之中。與氣體分子的能量碰撞將母離子轉(zhuǎn)換成碎片。隨后的氣體碰撞造成碎片離子的碰撞阻尼。碎片快速地穿過該單元，并且被注入到TOF2光譜儀之中。TOF2在10和100μs之間的短得多時(shí)標(biāo)下分離碎片離子。TOF1和TOF2時(shí)標(biāo)的大幅度差異允許多個(gè)碎片光譜的數(shù)據(jù)采集，其對(duì)應(yīng)于源脈沖之間的不同母離子。專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(16)以時(shí)間嵌套的方式，采集多個(gè)碎片光譜，這里單獨(dú)的光譜并不混合在一起。每個(gè)母離子的碎片光譜在多個(gè)離子源脈沖上被整合。由此，離子源中產(chǎn)生的離子脈沖被用來(lái)為多個(gè)母體采集整套的MS-MS數(shù)據(jù)，而不是在所有階段都拒絕離子。
時(shí)序圖參見圖2，典型的時(shí)序圖說(shuō)明了本發(fā)明的方法、單獨(dú)裝置的同步和時(shí)間嵌套數(shù)據(jù)采集的原理。頂部的圖(21)表示采集周期，其中每10ms發(fā)生離子注入，即每秒100次。母離子在10ms時(shí)間之內(nèi)在TOF1中被分離，CID單元接收離子包的串，這些離子包按照母離子質(zhì)量來(lái)排列(圖(22))。母離子在單元中被部分地分裂，因?yàn)閱卧卸虝旱膫魉蜁r(shí)間，所以碎片與其母體幾乎同時(shí)地到達(dá)TOF2(圖(23))。每個(gè)新的離子族(即母體和子體)每10μs被正交地跳動(dòng)(pulse)到高能TOF2之中，為每個(gè)母體質(zhì)量產(chǎn)生TOF2光譜(圖(24))。每個(gè)TOF2光譜得到了TOF2脈沖相對(duì)于源脈沖的時(shí)間標(biāo)記，即TOF1時(shí)間標(biāo)記。具有相同TOF1時(shí)間標(biāo)記的光譜在多個(gè)離子源脈沖上被相加，如虛線所示，以相同TOF1時(shí)間標(biāo)記來(lái)連接兩個(gè)TOF2光譜。
強(qiáng)健模式在上述操作模式中，時(shí)間嵌套采集是以直截了當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行的。不考慮來(lái)自離子源的離子束成分，儀器操作參數(shù)保持相同，并且始終采集數(shù)據(jù)。所有這些信息，比如各種母體的母離子光譜和碎片光譜，在隨后的數(shù)據(jù)分析中被提取。
基于數(shù)據(jù)的采集-DDA在被稱為“基于數(shù)據(jù)的采集”的另一操作模式下，MS-MS分析在兩個(gè)步驟中發(fā)生。在第一步驟中，母體的質(zhì)譜在TOF2中被采集，同時(shí)，TOF1和CID單元連續(xù)地傳遞離子而無(wú)分裂。在第二步驟中，該儀器被操作為MS-MS，即TOF1分離母離子，分裂單元形成碎片，TOF2以時(shí)間嵌套數(shù)據(jù)的方式采集碎片質(zhì)譜。當(dāng)沒有母體進(jìn)入時(shí)，時(shí)間嵌套采集是通過利用關(guān)于母離子質(zhì)量的信息和避免在消隱時(shí)間下的數(shù)據(jù)采集來(lái)加強(qiáng)的?？蛇x的定時(shí)閘(19)可用來(lái)增強(qiáng)TOF1分離以及抑制化學(xué)噪聲。自然而然地期望，從TOF1中出來(lái)的離子包比在CID單元出口處的相同離子包要更短。該定時(shí)閘僅在與母離子的到達(dá)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)狹窄時(shí)間窗口處容許離子。這樣的選通抑制了來(lái)自化學(xué)背景的離子信號(hào)，并且改善了檢測(cè)極限。閘操作還可用于通過犧牲靈敏度來(lái)增強(qiáng)質(zhì)量相近的母離子對(duì)的分離。幾組MS-MS數(shù)據(jù)被采集，同時(shí)，該定時(shí)閘每次僅容許一對(duì)之中的一個(gè)母體質(zhì)量。
已經(jīng)描述了一般方法，為了清楚起見，具體的實(shí)施例將首先在單獨(dú)組件的層次上被討論，然后僅作為集成的TOF-TOF設(shè)備實(shí)例來(lái)說(shuō)明。盡管某些所用組件在本領(lǐng)域中是公知的，但是它們的結(jié)構(gòu)和參數(shù)被加以變化以適合本發(fā)明的目的。為了理解所選的折衷，讓我們先看看TOF-TOF方法和設(shè)備中的主要挑戰(zhàn)。
一般異議本發(fā)明的方法是高度違反直覺的，因?yàn)樗鼤?huì)因?yàn)槎喾N原因而被認(rèn)為是不可實(shí)現(xiàn)的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可能提出如下異議
1.由于該源中的離子能擴(kuò)展度可與TOF1中的離子能相比，所以TOF1分辨率將極低；2.由于弱的加速場(chǎng)中大的回轉(zhuǎn)時(shí)間(初始速度擴(kuò)展所造成的時(shí)間擴(kuò)展)，TOF1分辨率也將受到影響；3.由于TOF1的預(yù)期大的長(zhǎng)度，和由于TOF1中的慢速離子束的高度發(fā)散，經(jīng)過TOF1的離子損失被預(yù)期為破壞性的；4.由于真空階段的TOF1和氣體填充的CID單元應(yīng)當(dāng)被小的孔隙隔離開，離子損失被預(yù)期為甚至更高；5.同時(shí)，似乎不可能具有10至100μs的時(shí)標(biāo)下經(jīng)過CID單元的快速傳送。大多數(shù)現(xiàn)有CID單元具有200至10,000μs的時(shí)間擴(kuò)展；6.TOF技術(shù)中當(dāng)前使用的商用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都不能夠處理預(yù)期的數(shù)據(jù)流速。
上述異議通常集中于TOF1上，并且是從關(guān)于在高能下工作的現(xiàn)有TOF質(zhì)譜儀的知識(shí)中產(chǎn)生的。本發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到，TOF1的多個(gè)方案能夠以適中的分辨率進(jìn)行慢速分離。TOF1分辨率的改善是通過利用具有四極電勢(shì)分布的離子鏡來(lái)進(jìn)行的，該離子鏡公知地用以補(bǔ)償能量擴(kuò)展度。該現(xiàn)象與彈性振動(dòng)相似，其中周期不依賴于振動(dòng)幅度。二次場(chǎng)在TOF領(lǐng)域中被很好地探究。參見Int.J.中的Makarov等人的“質(zhì)譜和離子處理(Mass Spectrom and IonProcesses)”，v.146/147，1995，pp.165-182。遺憾的是，這樣的分析器還引入大的束發(fā)散。本發(fā)明人還意識(shí)到，低能TOF可通過在至少一個(gè)方向上引入離子束的射頻約束來(lái)改善。RF約束消除了離子束發(fā)散，還消除了表面帶電，這對(duì)于低能量設(shè)備是至關(guān)重要的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種新型TOF，其將RF約束與軸向DC二次電勢(shì)一起組合。
串連TOF參見圖3，新穎的低能量飛行時(shí)間分離器31的優(yōu)選實(shí)施例包括僅RF的多極(32)；兩個(gè)靜電鏡(33)；以及脈沖發(fā)生器(34)。靜電鏡由與一連串分流電阻器(35)互連的多個(gè)電極構(gòu)成。靜電鏡(33)的外部電極連接于脈沖發(fā)生器(34)，靜電鏡(33)的中間電極接地。末端場(chǎng)被孔隙(36)終止，且電勢(shì)被調(diào)整為脈沖發(fā)生器(34)上的全電勢(shì)的一部分。
在操作中，RF場(chǎng)提供了徑向約束，如圖3的箭頭(37)所示。徑向RF約束不影響沿軸的離子運(yùn)動(dòng)。軸向拋物線電場(chǎng)是由多極桿之間的場(chǎng)穿透所形成的。拋物線場(chǎng)提供了具有這樣的周期的離子軸向反射，其總的取決于離子能，與離子m/z的平方根成比例。靜電鏡末端上的脈沖電勢(shì)允許在離子注入到TOF1中、離子在TOF1中反射(39)、隨后離子在TOF1的另一端上釋放之間的切換。有效的飛行路徑LEFF比TOF1長(zhǎng)度L高N+1倍，其中N是全轉(zhuǎn)向(turn)的次數(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，RF約束和多次反射允許延長(zhǎng)的時(shí)間分離，而沒有離子損失，同時(shí)，二次電勢(shì)增強(qiáng)了TOF1分辨率，并允許以相對(duì)高的能量擴(kuò)展度來(lái)分離慢速離子束。
理想的二次方案由于自由飛行段出現(xiàn)在TOF1的路徑之中和之外而被改變。按照Makarov等人的上述公開物，即使在基本場(chǎng)自由飛行的情況下，這里是c.a.30％的LEFF，2000的質(zhì)量分辨率對(duì)于具有多至50％的相對(duì)能量擴(kuò)展度的離子脈沖來(lái)說(shuō)是可實(shí)現(xiàn)的。為了保持0.3LEFF以下的自由飛行路徑，該方案需要至少5次反射，其對(duì)應(yīng)于2次全回轉(zhuǎn)。這有助于將LEFF增加到7.3L，但是將母離子的質(zhì)量范圍減少到2個(gè)因子，即MMAX/MMIN＜2。
W-TOF參見圖4，新穎的低能飛行時(shí)間分離器(41)的另一優(yōu)選實(shí)施例包括RF通道(42)，被一組靜電電極(43)包圍；終止電極(44)；以及偏轉(zhuǎn)器(45)。RF通道由多個(gè)桿(46)形成，這些桿具有交替的RF相位，并沿著Y軸排列。靜電鏡(43)的電極也沿著Y軸排列，并且經(jīng)由一連串分流電阻器(47)來(lái)連接。
在操作中，具有交替RF電勢(shì)的桿(46)形成RF隧道，在Z方向上約束離子。電極(43，44)上的電勢(shì)是由電阻器鏈來(lái)分布的，以沿著X軸形成二次電勢(shì)，且最小值位于TOF的中央平面處。外部DC電極的場(chǎng)穿透到RF通道之中，提供較弱但是仍然是二次的電勢(shì)分布。不考慮邊緣場(chǎng)，在Y方向上沒有場(chǎng)。離子以小角度被注入到X軸，并且被偏轉(zhuǎn)板(45)加以偏轉(zhuǎn)，以利用平均能量使離子的偏轉(zhuǎn)角加倍。該偏轉(zhuǎn)減少了X能量擴(kuò)展所造成的Y空間擴(kuò)展。離子運(yùn)動(dòng)是由沿著Y方向的緩慢漂移和沿著X方向的多次反射組合的?？偟膩?lái)說(shuō)，離子軌道具有波浪形狀，其在RF隧道的邊界處結(jié)束。離子在TOF的出口處獲得一些空間擴(kuò)展，該空間擴(kuò)展可通過離子后加速和透鏡聚焦來(lái)部分地補(bǔ)償。
按照發(fā)明人的SIMION仿真，即使在50％能量擴(kuò)展度處，該50×30cm裝置仍然允許N＝4至5對(duì)的反射而不混合相鄰轉(zhuǎn)向的離子。該裝置的有效飛行路徑等于L*π*N，并且達(dá)到LEFF＝7.5cm。RF場(chǎng)并不將TOF1分辨率限制為上至R＝1000。顯然地，第二類型的TOF1，其可被稱為RF約束的W形TOF，提供了TOF1中更簡(jiǎn)單的操作和更長(zhǎng)的飛行路徑，由此改善了通常受到兩個(gè)TOF分析器之間飛行時(shí)間比的限制的TOF1中的分離。TOF1的復(fù)雜性可通過利用印刷電路板(PCB)裝配來(lái)降低。
答復(fù)異議在這兩種新穎的TOF質(zhì)量分離器中，每次反射的周期大體上獨(dú)立于離子能，并且與離子m/z的平方根成比例。離子通過RF場(chǎng)來(lái)約束，并且離子損失實(shí)際上被消除。引入新穎的低能TOF分析器使得本發(fā)明切實(shí)可行，解決了上述異議1.相對(duì)高的能量擴(kuò)展度通過離子鏡中電勢(shì)的二次分布來(lái)補(bǔ)償，該分布是通過DC電場(chǎng)穿透到多極導(dǎo)向或隧道中來(lái)建立的；2.由于TOF1在相對(duì)高的能量擴(kuò)展度下工作的能力，與常規(guī)TOF相比，它能夠在低得多的離子能下和在長(zhǎng)得多的時(shí)標(biāo)下工作。結(jié)果，該設(shè)備可忍受來(lái)自離子源的長(zhǎng)得多的離子脈沖，并且回轉(zhuǎn)時(shí)間不再是障礙；3.TOF1和TOF2的時(shí)標(biāo)的大幅度差異允許時(shí)間嵌套數(shù)據(jù)采集；4.離子損失可通過在射頻導(dǎo)向或隧道中引導(dǎo)離子實(shí)際上被避免；5.RF場(chǎng)的離子約束和CID單元前面的離子后加速允許將離子束完全傳送到CID單元中；6.CID單元中的時(shí)間擴(kuò)展是通過利用具有附加軸向DC場(chǎng)的短的高壓?jiǎn)卧獊?lái)減少的；以及7.具有既大又快的均分化(averaging)存儲(chǔ)器的瞬態(tài)記錄器近來(lái)被瑞士公司Acquiris(www.acquiris.com)引入。
在單獨(dú)組件的層次上繼續(xù)具體的描述脈沖離子源、分裂單元和TOF2，其專門為了本發(fā)明的方法和設(shè)備的目的而加以適配。將對(duì)于時(shí)間擴(kuò)展方面給予特別的關(guān)注。
真空MALDI源參見圖5，本發(fā)明的TOF-TOF方法和設(shè)備利用脈沖MALDI離子源(51)，其包括源外殼(52)、具有分析樣本(54)的樣本板(53)、脈沖激光(55)、低壓電源(54)和出口孔隙(56)。
在操作中，分析樣本在現(xiàn)有技術(shù)所公知的矩陣之內(nèi)來(lái)制備，并且被沉積在樣本板(53)上。脈沖激光(55)照射樣本，并產(chǎn)生解析離子的短暫脈沖。公知地，離子將以300至600m/s速度來(lái)噴射，該速度與用于1kD離子的在0.5和1.5eV之間的初始離子能相對(duì)應(yīng)。離子被數(shù)個(gè)伏特的電勢(shì)偏壓加速。可估計(jì)，1kD離子以數(shù)微秒的時(shí)間擴(kuò)展和少于1eV的能量擴(kuò)展，離開離子源。真空MALDI離子源的主要缺陷是離子時(shí)間不穩(wěn)定性，在常規(guī)的高能MALDI中有所詳述。本發(fā)明可應(yīng)用于更軟(softer)的MALDI離子源，其利用軟矩陣或紅外線激光。離子的時(shí)間穩(wěn)定性可通過碰撞冷卻來(lái)改善，如下所述。
填充氣體的脈沖MALDI參見圖6，本發(fā)明的TOF-TOF方法和設(shè)備利用了填充氣體的脈沖MALDI離子源(61)。源(61)包括真空MALDI源的特征，比如源外殼(62)、具有分析樣本(64)的樣本板(63)、脈沖激光(65)、低壓電源(66)和孔隙(67A)。源(61)還包括氣體入口(68)，將氣體饋送到外殼(62)之中；附加的泵級(jí)(69)，終止于出口孔隙(67B)，以減少TOF1泵上的氣體負(fù)載。
在操作中，經(jīng)由氣體入口(67)以緩沖氣體填充源外殼(62)。源外殼中的氣壓被維持在0.01至1托之間，以提供離子碰撞冷卻(參見www.asms.org中的Verentchikov等人的ASMS會(huì)議1999)。具有兩個(gè)1mm孔隙(67A、B)和兩個(gè)常規(guī)250l/s渦輪泵(一個(gè)泵動(dòng)式TOF1)的差動(dòng)泵系統(tǒng)在超過1E-6托的TOF1中維持真空。激光脈沖從樣本中產(chǎn)生快速(1至3ns)離子噴射。激光(65)是高能激光，用以提高離子產(chǎn)量。與緩沖氣體的碰撞放松了離子內(nèi)部能量。與氣體的碰撞還將離子動(dòng)能幾乎抑制為熱能——0.01至0.1eV，仍然保持離子束的脈沖性質(zhì)。在樣本板上的c.a.1V DC偏壓的輔助之下，通過經(jīng)過孔隙的氣流，對(duì)離子進(jìn)行采樣。然后，在孔隙(67A、B)之間的DC偏壓控制之下，離子被加速到動(dòng)能，并且離開離子源。內(nèi)部冷卻的離子是穩(wěn)定的，并且幸免于TOF1中的長(zhǎng)期分離，而沒有離子分解。總的來(lái)說(shuō)，MALDI源中的氣體阻尼有助于本發(fā)明的TOF-TOF方法，同時(shí)使得時(shí)間和能量擴(kuò)展度在界線10μs和1eV之內(nèi)，對(duì)于緩慢的TOF1分離是可行的。
連續(xù)離子源參見圖7，本發(fā)明的TOF-TOF方法和設(shè)備利用脈沖離子源(71)，其包括具有軟電離的連續(xù)離子源(72)，帶有出口孔隙(73)；填充氣體的RF誘捕裝置(74)，裝入附加的泵級(jí)(75)中。連續(xù)離子源選自于如下列表電噴射(ESI)、APCI、填充氣體的MALDI、PI或CI。該誘捕裝置選自于如下列表3-D保羅(Paul)阱、具有軸向噴射的線性的僅RF的多極、具有徑向噴射的彎曲RF多極。優(yōu)選地，具有軸向噴射的線性四極離子阱。四極(74)被DC電極(76)和孔隙(73，77)包圍。
在操作中，該四極填充有1至100毫托壓力下的緩沖氣體。差動(dòng)泵系統(tǒng)(75)減少了TOF1泵上的氣體負(fù)載。離子在離子源(72)中產(chǎn)生，并且持續(xù)填充僅RF的四極離子導(dǎo)向(74)。氣體碰撞抑制離子動(dòng)能，在四極軸上和在電極(76)和孔隙(77)所建立的DC阱(well)的底部上約束離子。周期性地，電極(76)和出口孔隙(77)上的電勢(shì)被調(diào)整為將軸向上的存儲(chǔ)離子噴射到TOF1中。可估計(jì)，離子脈沖具有小于1eV的能量擴(kuò)展度和小于10μs的時(shí)間擴(kuò)展。
在所有上面的實(shí)例中，脈沖離子源能夠產(chǎn)生具有小于1eV的能量擴(kuò)展度和小于10μs時(shí)間擴(kuò)展的離子脈沖。期望的300至500的TOF1質(zhì)量分辨率(足以分離同位素群)需要600至1000時(shí)間分辨率。由于10μs的初始時(shí)間擴(kuò)展，1kD離子的飛行時(shí)間需要至少為10ms，這在數(shù)個(gè)電子伏特離子能和5至10m的有效飛行路徑下是可實(shí)現(xiàn)的。上述的多轉(zhuǎn)向TOF1分析器提供了0.5tolm裝置之內(nèi)的10m有效路徑。下一邏輯問題是離子是否能夠在10μs之內(nèi)分裂，從而不會(huì)破壞基本的分離。
CID單元參見圖8，TOF-TOF方法利用了短暫、高氣壓CID單元(81)用于離子分裂。CID單元(81)包括真空外殼(82)；入口透鏡(83)、CID室(84)，連接于氣體入口(85)；具有可選DC電極(87)的RF聚焦裝置(86)，封閉于CID室中；以及出口離子透鏡(88)。CID單元還包括可選的定時(shí)離子選擇閘(89)。氣體入口將緩沖氣體饋送到CID室中。CID室(83)包括孔隙(83A、B)。真空外殼(82)包括孔隙(82A、B)和真空泵(82C)。RF聚焦裝置優(yōu)選為僅RF的四極。
常規(guī)的CID單元，一般長(zhǎng)為10至20cm，在c.a.10毫托氣壓下工作。為了提供快速離子傳送，本發(fā)明中所用的CID單元短得多，一般為5至10mm，并且在高得多的氣壓(300毫托以上)下工作。高壓區(qū)域在室84中聚集，并且被差動(dòng)泵的附加層包圍。孔隙84A、B，一般直徑為1.5mm，將流入真空外殼之中的總氣體限制為c.a.0.1Torr*L/s。泵速為300L/s的泵82C將真空外殼抽空至c.a.3E-4Torr?？紫?2A、B，一般直徑為1.5mm，進(jìn)一步減少流入TOF1和TOF2中的氣體，其在3E-7Torr以下的氣壓下工作。為了避免氣體放電，RF幅度被減少到300V以下，伴隨著頻率下降到1MHz以下。
在操作中，離子在該單元的前面被加速到足夠用于離子分裂的能量，一般為50eV/kDa。在透鏡83的聚焦下，離子包經(jīng)過孔隙82A和84A進(jìn)入該單元。在300毫托氣壓下，氣體密度等于n＝1E+22m-3，橫截面為σ＝100的1kD質(zhì)量的離子具有平均自由路徑λ＝1/nσ＝0.1mm。對(duì)于L＝1cm的一般四極長(zhǎng)度，離子經(jīng)歷c.a.100次碰撞。比離子/氣體質(zhì)量比高3倍的碰撞次數(shù)足以保證具有后續(xù)阻尼的分裂。第一能量碰撞將離子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成離子加熱，造成離子分裂。一旦離子釋放動(dòng)能，后續(xù)的氣體碰撞穩(wěn)定了碎片離子，進(jìn)而抑制它們的動(dòng)能，并且由于RF場(chǎng)聚焦，將離子約束在軸上。CID單元中的碰撞阻尼現(xiàn)象在Don Douglas的美國(guó)專利中有所詳述。
離子束在CID單元中的時(shí)間擴(kuò)展是本發(fā)明中所主要關(guān)注的。在調(diào)整TOF1的同時(shí)，假設(shè)高壓區(qū)域之前的行進(jìn)時(shí)間，并且該行進(jìn)時(shí)間僅造成時(shí)間延遲，而不是時(shí)間擴(kuò)展。即使在短的CID單元中，氣體碰撞可能造成很大的時(shí)間擴(kuò)展。為了減少該擴(kuò)展，通過孔隙84A、B的DC電勢(shì)所建立的靜電軸向場(chǎng)，來(lái)輔助離子穿過該單元。在內(nèi)接直徑D＝1cm和長(zhǎng)度L＝1cm的一般的四極處，邊緣場(chǎng)在被小于2的因子的抑制之下穿透到RF四極之中。20V的加速電勢(shì)經(jīng)過速度為c.a.500m/s下的氣體來(lái)提供離子阻力，將全通過時(shí)間限制于20μs以下，將時(shí)間擴(kuò)展限制于10μs以下?？刂仆ㄟ^時(shí)間，有助于在離子注入到TOF2中之前，使離子成束聚集(即，壓縮離子脈沖持續(xù)時(shí)間)。CID單元中的加速場(chǎng)在同步(具有時(shí)間偏移)于TOF2注入脈沖的同時(shí)被調(diào)制。
SID單元參見圖9，本發(fā)明的TOF-TOF方法和設(shè)備利用了分裂單元(91)，其具有用于離子分裂的表面引致裂解(SID)。SID單元(91)包括聚束(時(shí)間聚焦)、空間聚焦和轉(zhuǎn)向透鏡(92)；探測(cè)器(93)，涂布有碳氟化合物單層；脈沖發(fā)生器(94)，附著于探測(cè)器；DC加速列(95)，被接地屏蔽(96)包圍。DC加速列包括網(wǎng)格(97)，其連接于脈沖發(fā)生器(98)。
在操作中，時(shí)間分離的母離子的離子包被脈沖加速到c.a.50eV/kDa的特定能量，被透鏡(92)聚集成束。磁體部分(TOF串行)中先前所用的聚束是公知的用以將離子包持續(xù)時(shí)間壓縮至dT＜1μs以下。透鏡(92)將母離子包(99)聚焦和調(diào)整到探測(cè)器(93)的中央上。離子束以一定角度(比如45度)撞擊其表面。與碳氟化合物單層表面的中等能量撞擊是公知的用以引致縮氨酸和小分子離子的分裂。碎片離子以c.a.500至2000m/s的速度，跳離表面，在原離子包持續(xù)時(shí)間的dT＜1μs之內(nèi)，行進(jìn)不到2mm。在撞擊期間，小的延遲電勢(shì)被作用于網(wǎng)格97，防止碎片離子泄漏到TOF2分析器之中。在適當(dāng)?shù)难舆t之后，對(duì)應(yīng)于整個(gè)原離子包的撞擊，脈沖發(fā)生器94和98被觸發(fā)，并且電脈沖被作用于探測(cè)器93和網(wǎng)格97。碎片離子被脈沖加速到TOF2分析器之中。
與CID單元相比，SID單元具有如下優(yōu)點(diǎn)1.在低壓下工作，由此降低對(duì)泵系統(tǒng)的要求；2.在分裂步驟中去除時(shí)間擴(kuò)展；3.接受更寬的原離子束；4.SID的缺點(diǎn)是5中等質(zhì)量離子的分裂圖案較差的特征；6.碎片離子的較高能量擴(kuò)展，降低了TOF2分辨率；7.TOF2分析器中碎片離子的亞穩(wěn)態(tài)衰減。
CID單元更適用于串連TOF1，而SID單元更適用于W-TOF1。
參見圖10，本發(fā)明的TOF-TOF方法和設(shè)備利用了常規(guī)的正交TOF(101)，用于碎片離子的質(zhì)量分析，其優(yōu)選地與CID單元相結(jié)合。o-TOF(101)包括正交脈沖加速器(102)、離子鏡(103)、漂移自由飛行區(qū)域(104)、TOF檢測(cè)器(105)和串連檢測(cè)器(106)。兩個(gè)檢測(cè)器連接于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其包括快速均分化瞬態(tài)記錄器(107)。TOF分析器(101)被封閉于真空室(108)中，并且被泵(109)抽空。
o-TOF的操作在現(xiàn)有技術(shù)中有所描述。加速到c.a.10eV的連續(xù)或脈沖離子束進(jìn)入加速區(qū)域。周期脈沖將離子正交加速到c.a.3keV，并且將離子注入到TOF分析器之中。離子在離子鏡中得以反射，并且撞擊TOF檢測(cè)器105。初始離子束的一部分在串連檢測(cè)器106上被采集。為了適應(yīng)碎片離子的快速分析，o-TOF的參數(shù)被稍加改變。該分析器比較小(L＝10至20cm)，在較高的TOF能量(5至15kV)下工作，以適應(yīng)較高的重復(fù)率(c.a.100kHz)。小型分析器允許在略微低于1E-5Torr的氣壓下進(jìn)行操作。還通過利用高電流的輔助電子倍增器(SEM)或混合型MCP/PEM用于檢測(cè)器，以及通過利用快速均分化瞬態(tài)記錄器用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來(lái)改型常規(guī)的TOF分析器。小的長(zhǎng)度和短的飛行時(shí)間對(duì)TOF2分辨率施加了限制。為了改善TOF2的分辨率，可增加TOF2中的飛行時(shí)間，同時(shí)通過如下任一方式來(lái)限制容許離子的時(shí)間窗口1.IMS掃描之間插入10μs時(shí)閘，利用TOF2的較慢脈沖速率；2.在100KHz速率下使TOF2搏動(dòng)，將TOF2之內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移到數(shù)個(gè)檢測(cè)器上；3.在100kHz速率下使TOF2搏動(dòng)，在TOF2中利用位置靈敏檢測(cè)器。
當(dāng)沒有離子從TOF1中進(jìn)入時(shí)，TOF2可選地配備有串連檢測(cè)器，以避免在消隱時(shí)間中采集信號(hào)。
常規(guī)TOF2參見圖11，TOF-TOF方法還利用常規(guī)的反射TOF(111)用于碎片離子的質(zhì)量分析，其優(yōu)選地與SID單元相結(jié)合。TOF(111)包括內(nèi)置SID單元(91)、電漂移自由飛行區(qū)域(112)、具有檢測(cè)器屏蔽(113)的檢測(cè)器(114)、離子鏡(115)、真空外殼(116)、泵(117)和用于數(shù)據(jù)采集的瞬態(tài)記錄器(118)。
在操作中，碎片離子的脈沖在SID單元91中被加速，飛過場(chǎng)自由區(qū)域112，在離子鏡115中得以反射，并且撞擊檢測(cè)器114。離子軌道如線條119所示。來(lái)自檢測(cè)器的信號(hào)在瞬態(tài)記錄器118上被采集。再次為了快速數(shù)據(jù)采集的目的，該分析器較短(L＝10至20cm)，在高的加速電勢(shì)下工作，以適應(yīng)100KHz的高重復(fù)速率。
具有上述的單獨(dú)組件，變得更容易掌握集成的TOF-TOF方法和設(shè)備的概念和細(xì)節(jié)。在下面可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的TOF-TOF串行的具體實(shí)例，但是并不限制可行組合的多樣性。
具有串連TOF-CID-o-TOF的MS-MS參見圖12，TOF-TOF儀器(121)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括順序連接的脈沖源(71)(具有連續(xù)離子源(72)、存儲(chǔ)四極(74)和電極(76，77))、串連飛行時(shí)間質(zhì)譜儀TOF1(31)(具有被兩個(gè)脈沖離子鏡(33A、B)包圍的僅RF四極導(dǎo)向(32))、短的填充氣體的碰撞CID單元(81)(具有被孔隙(84A、B)包圍的RF四極(86))和第二正交飛行時(shí)間質(zhì)譜儀o-TOF2(101)(具有脈沖加速器(102)，配備有模擬數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(107))。各組件已經(jīng)在上文中有所描述，并且在圖3、7、8和10中示出，并且在進(jìn)一步的討論中保持它們的先前編號(hào)。
在操作中，連續(xù)離子源71將母離子饋入存儲(chǔ)四極74之中。通過DC電極76和出口孔隙77的脈沖電勢(shì)，離子每10至20ms從存儲(chǔ)四極中噴射出一次。含有各種母離子的噴射離子包不到10μs長(zhǎng)，并且具有不到1eV的能量擴(kuò)展度。噴射離子脈沖的平均能量通過選擇電極76、77的脈沖電勢(shì)而調(diào)整為c.a.2eV。通過降低第一鏡33A的電勢(shì)，容許離子進(jìn)入到TOF1分離器之中。離子被四極RF場(chǎng)徑向誘捕，但是沿著四極軸自由行進(jìn)。一旦所有質(zhì)量的母離子(限于比率Mmax/Mmin＝2)穿過第一鏡，第一鏡33A被打開。第二鏡33B在前一周期之內(nèi)已被打開。離子沿著TOF1軸，在具有二次電勢(shì)分布的兩個(gè)鏡之間，經(jīng)歷多次反射，優(yōu)選為5次反射。振動(dòng)周期總的獨(dú)立于離子能，并且與母離子質(zhì)量的平方根成比例。分析器的有效飛行路徑最多達(dá)到比TOF1物理長(zhǎng)度長(zhǎng)2π+1α＝7.3倍。在優(yōu)選的5次反射之后，通過降低第二鏡33B的電勢(shì)，從TOF1中釋放出離子。時(shí)間分離的離子包的串進(jìn)入CID單元。時(shí)間分離的一般時(shí)標(biāo)是10ms，其作為1kDa離子的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量，并且與母離子質(zhì)量相對(duì)應(yīng)的每個(gè)包的持續(xù)時(shí)間近似為10μs。對(duì)應(yīng)于500質(zhì)量分辨率，以c.a.1000時(shí)間分辨率來(lái)分離母離子。
在離開TOF1之后，每個(gè)離子包被加速到特定能量50eV/kDa，足以引致氣體碰撞中的分裂。離子通過透鏡系統(tǒng)來(lái)聚焦，并且經(jīng)由孔隙82A和84A，被注入到高壓CID單元之中。離子在該單元中分裂，并且碎片離子被RF場(chǎng)碰撞阻尼和約束。該單元通過兩個(gè)CID孔隙84A、B的脈沖電勢(shì)來(lái)有效地清空，其同步于TOF2脈沖，并且相對(duì)于TOF2脈沖有時(shí)間偏移。離子進(jìn)入正交加速區(qū)域102，在時(shí)間上相分離地注入到TOF2分析器之中，由此在TOF2中進(jìn)行質(zhì)量分析。同步注入到TOF2中，消除了時(shí)間差距，即在TOF2脈沖之間幾乎不損失碎片。同步的注入還改善了TOF的占空因數(shù)。大多數(shù)碎片離子在TOF2脈沖時(shí)間被包含于加速區(qū)域102之內(nèi)。
TOF2光譜為每次分離出的母離子質(zhì)量呈現(xiàn)碎片光譜。具有相同TOF1標(biāo)記的光譜(即與相同m/z的母離子相對(duì)應(yīng))在多次源注入上被相加。在1秒采集之內(nèi)，該數(shù)據(jù)將包含1000個(gè)碎片光譜，其在100次源注入上均分化。
在上述設(shè)備中，有三種幾乎相等(c.a.10μs)的時(shí)間擴(kuò)展源，惡化了TOF1分離的分辨率離子源中獲得的時(shí)間擴(kuò)展；CID單元中的時(shí)間擴(kuò)展；由于TOF2數(shù)字化(即離散時(shí)間下采集頻譜)。假定這三個(gè)源之間無(wú)相關(guān)性，整個(gè)時(shí)間擴(kuò)展被估計(jì)為17μs(比每個(gè)擴(kuò)展高3的平方根)。TOF1分離的結(jié)果分辨率變得等于300，其仍然被認(rèn)為是用于母離子分離的合理分辨率。為了比較，商用MALDI TOF-TOF中的TOF1分辨率是c.a.100，高靈敏模式下的Q-TOF中的四極分辨率是c.a.300。本發(fā)明的TOF1的分辨率可能通過下述方式之一來(lái)改善將TOF1的長(zhǎng)度增加到1m以上；優(yōu)化TOF1之內(nèi)的離子能；應(yīng)用具有多個(gè)狹窄質(zhì)量窗口的定時(shí)閘，這些定時(shí)閘被插入于掃描之間；更快地搏動(dòng)TOF2，將離子轉(zhuǎn)移到數(shù)個(gè)檢測(cè)器上；在TOF2中使用位置靈敏檢測(cè)器。
具有W-TOF-SID-共軸TOF的MS-MS參見圖13，本發(fā)明的TOF-TOF設(shè)備的另一優(yōu)選實(shí)施例包括填充氣體的脈沖MALDI離子源(61)；新穎的W形TOF1(41)；SID單元(91)；以及共軸TOF2(111)。源(61)包括填充氣體的室(62)；樣本板(63)；激光(65)；以及低壓偏壓電源(66)，連接于樣本板63。TOF1 41包括偏轉(zhuǎn)板(45)；具有終止板(44)的兩個(gè)靜態(tài)反射器(43)；以及二維RF隧道(42)。靜態(tài)反射器(43)圍繞RF通道42，以形成二次電勢(shì)分布。SID單元9包括聚束和聚焦透鏡(92)；和探測(cè)器(93)，涂布有碳氟化合物單層。TOF1 111包括輔助電子倍增器SEM(113)，連接于瞬態(tài)記錄器(114)。源61和SID單元91被放置為離線(off-line)，以允許TOF1 41之內(nèi)的多次離子反射。上述所選的元件組合主要被選用來(lái)示范說(shuō)明元件之間的交互(在先前的TOF-TOF實(shí)施例中未描述)。
在操作中，激光65脈沖以50至100Hz的重復(fù)速率，從樣本板63產(chǎn)生原離子的短暫脈沖。源室62填充有氣體，以放松離子內(nèi)部能量，并且防止離子分解。經(jīng)過電場(chǎng)的薄氣體層和氣流，對(duì)離子進(jìn)行采樣，從而使離子包保持在10μs以下，并且具有不到1eV的能量擴(kuò)展度。離子包被低壓偏壓電源66再次加速數(shù)個(gè)伏特電勢(shì)，并且相對(duì)于Y軸以較小的角度被注入到多反射TOF1 41之中。轉(zhuǎn)向板45使得該角度加倍，以減少與Y軸能量擴(kuò)展有關(guān)的X方向上的空間擴(kuò)展。TOF1之內(nèi)的離子運(yùn)動(dòng)具有三個(gè)獨(dú)立分量在Z方向上，約束RF場(chǎng)中的振動(dòng)；以幾乎獨(dú)立于離子能的周期，沿著Y軸多次反射；以及沿著正交X軸的緩慢漂移。在數(shù)次Y反射之后，離子離開TOF1，并且按照它們的m/z比來(lái)排列、在時(shí)間上被分離為離子包的串，進(jìn)入SID單元91的聚束透鏡92。小的離子能下的多次反射允許在10ms階次下的延長(zhǎng)的時(shí)間分離。由于TOF1中的二次DC場(chǎng)補(bǔ)償了離子能擴(kuò)展，所以TOF1中的分離并不增加離子包的所述10μs時(shí)間擴(kuò)展。因此，在離開TOF1之后，母離子以c.a.300至500的質(zhì)量分辨率被分離。
周期性地，比如每10μs一次，離子被脈沖透鏡92時(shí)間聚束成c.a.1μs的包和空間聚焦成c.a.1mm。脈沖聚焦的離子包撞擊涂布有碳氟化合物單層的SID探測(cè)器93的表面。與表面的撞擊引致離子分裂。從表面緩慢移動(dòng)的碎片在1μs時(shí)間之內(nèi)擴(kuò)展c.a.1mm。應(yīng)用于探測(cè)器93的延遲電脈沖加速了碎片離子，并且將它們注入到第二TOF2 111分析器之中。碎片離子的初始參數(shù)(即探測(cè)脈沖之前的參數(shù))良好得足夠用于以兩千的分辨率在TOF2中進(jìn)行質(zhì)量分析。以高的動(dòng)態(tài)范圍在SEM114上檢測(cè)信號(hào)。信號(hào)被傳遞到瞬態(tài)記錄器113，并且數(shù)據(jù)以時(shí)間嵌套的方式來(lái)采集。表示各種母離子的碎片光譜的TOF2瞬態(tài)并不被混合在一起。每個(gè)碎片質(zhì)譜獲得TOF1分離的時(shí)間標(biāo)記，其作為源脈沖和聚束透鏡脈沖之間的時(shí)間來(lái)測(cè)量。TOF1時(shí)間標(biāo)記攜帶有關(guān)于母離子m/z比率的信息。具有相同TOF1時(shí)間標(biāo)記的TOF2光譜在多個(gè)激光脈沖上被均分化，以改善信噪比。
發(fā)明人強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，本發(fā)明的綜合TOF-TOF方法可利用更簡(jiǎn)單的靜態(tài)TOF1來(lái)實(shí)現(xiàn)。在下文中可發(fā)現(xiàn)靜態(tài)分離器的數(shù)個(gè)實(shí)例。離子束保持為靜態(tài)場(chǎng)，需要在大約100eV的相對(duì)更高能量下操作。毫秒分離時(shí)間是通過延伸飛行路徑和利用專門設(shè)計(jì)的靜電場(chǎng)的聚焦性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
旋束管參見圖14，低能飛行時(shí)間分離器(121)的另一優(yōu)選實(shí)施例包括靜態(tài)透鏡(122)、偏轉(zhuǎn)器(123)和分析器，由入口單元(124)、兩個(gè)共軸電極(125)和(126)(其間作用有DC電壓)、以及出口單元(127)(跟隨有偏轉(zhuǎn)器(128)和透鏡(129))構(gòu)成。上述裝置被公知為旋束管，并且在如下文獻(xiàn)中有所描述Bakker I.M.B，The Spiratron-InAdv.In MassSpectrom.，London，1971，v.5，pp.278-280。通過利用該裝置作為串行TOF系統(tǒng)中的低能分離器，可引入新穎性。
在操作中，來(lái)自脈沖離子源(71)的離子束通過透鏡(122)被變換到寬得多的束(具有成比例較小的角度擴(kuò)展)中(“準(zhǔn)平行的束”)。該束被偏轉(zhuǎn)器(123)偏轉(zhuǎn)，以向電極(125)和(126)的軸提供受控傾斜角α。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，相同的效果例如可通過將電極(125)和(126)定位于固定角來(lái)實(shí)現(xiàn)。離子束經(jīng)由入口單元(124)中的孔隙，進(jìn)入電極(125)和(126)之間的靜電徑向場(chǎng)。入口單元(124)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例由3個(gè)雙面印刷電路板(PCB)構(gòu)成。這些板的外表面面向偏轉(zhuǎn)器(123)，并且在其上具有鍍金屬，以建立等電勢(shì)的表面。這些板的內(nèi)表面面向電極(125)和(126)之間的間隙，并且含有一組鍍金屬條帶。這些條帶連接于電阻電壓分壓器，該分壓器提供電壓分布，該電壓分布與電極(125)和(126)之間的理想對(duì)數(shù)電壓分布相匹配，由此最小化該場(chǎng)沿著離子軌道的擾動(dòng)。出口單元(127)可具有相似的構(gòu)造。
在離子穿過入口單元(124)之后，它們沿著纏繞在電極(125)周圍的螺旋軌道開始移動(dòng)，并且按照它們的質(zhì)荷比，在飛行時(shí)間上分離。為了最小化離子束大小，該螺旋需要是圓環(huán)形的。這可在電極(125)和(126)之間的電壓U對(duì)應(yīng)于平均離子能V1時(shí)實(shí)現(xiàn)U=2V1ln(r2r1)]]>其中r1和r2相應(yīng)地是電極(125)和(126)的半徑。在多次旋轉(zhuǎn)之后，離子在沿著軸具有漂移距離H后，經(jīng)過出口單元(127)退出場(chǎng)。出口單元(127)的構(gòu)造與注入單元(124)的構(gòu)造相似。旋轉(zhuǎn)的最大次數(shù)主要由離子束的全角擴(kuò)展Δα(Δα＜＜1)來(lái)限制，Δα依次由初始離子束kT的有效溫度來(lái)限制▿α≈PMkTV1]]>其中M是透鏡(122)的放大率，系數(shù)p取決于所需的置信水平(對(duì)于95％的離子，p≈4；對(duì)于99％的離子，p≈5；對(duì)于99.9％的離子，p≈6.6)。在本實(shí)例中，我們選擇M＝5和p＝5，這將Δα限制為1/45，即近似1度。然后，軌道的最大總長(zhǎng)度是L1≈H▿α·cos(α)≈H·MpV1kT]]>例如，對(duì)于長(zhǎng)度H＝0.5m，kT＝0.05eV，V1＝100V，M＝5，則總的飛行路徑是L1≈22m。我們將TOF1和TOF2之間時(shí)標(biāo)的比率定義為 該值限定了對(duì)于由TOF2的脈沖本性所造成的TOF1的最大質(zhì)量分辨能力的限制。對(duì)于上面的參數(shù)，TOF2的有效路徑長(zhǎng)度L2＝0.5m，平均加速電壓V2＝5000V，比率≈150，其對(duì)應(yīng)于TOF1分離的質(zhì)量分辨率R～75。由于分辨率還被離子束的相對(duì)能量擴(kuò)展度限制為c.a.R＝100，所以不值得利用更長(zhǎng)的裝置。盡管分辨率較差，與上述TOF1光譜儀相比，該旋束管裝置具有簡(jiǎn)單、更高工作能量的優(yōu)點(diǎn)，并且它無(wú)需TOF2之前的頻閃技術(shù)即可工作。分辨率75在分離原離子的復(fù)雜混合物中仍然是有用的。為了比較，PSDMALDI中的分離具有從50到100的分辨率，并且一般的三重四極實(shí)驗(yàn)中的分離一般在300左右。
螺旋的平均半徑r0可基于實(shí)際約束來(lái)選擇，主要基于板124A-124C上鍍金屬條帶的周期d。例如，對(duì)于r0＝80mm，螺旋的階距(step)是15mm。如果d＝3mm，則即使對(duì)于透鏡(122)之后的初始束大小3至4mm，束和板(124C)之間所產(chǎn)生的間隙仍然確保邊緣場(chǎng)的充分衰減(對(duì)于M＝5，這對(duì)應(yīng)于來(lái)自源(71)的在出口上的0.6至0.8mm的離子束直徑)。
新穎的靜態(tài)低能TOF可被連接于上述的任一分裂裝置和用于碎片分析的TOF2光譜儀中的任一個(gè)。參見圖14，TOF1 121被連接于CID單元81和正交TOF101。這種組合中的主要問題是將原束聚焦到CID單元的入口上。盡管離子束具有較高的100eV能量，并且束在出口變寬，但是束仍然是大概平行的，并且通過常規(guī)的透鏡，能夠被很好地聚焦到小的孔隙上。
多路TOF1參見圖15，本發(fā)明的第一(TOF1)飛行時(shí)間分離器(151)的另一優(yōu)選實(shí)施例(也稱為“靜電多路分離器”)包括自由分行通道(152)和兩個(gè)靜電鏡(153)(由聚焦電極(154)和反射體電極(155)組成)。自由飛行通道(152)具有入口和出口窗口(156)。所有電極沿著Y軸這樣延伸，即靜電場(chǎng)在離子路徑的區(qū)域中是二維的。脈沖離子束經(jīng)由空間聚焦透鏡(157)和一組轉(zhuǎn)向板(158)，被引入到多轉(zhuǎn)向靜電TOF151。離子的離子路徑如線條(159)所示。一般的軸電勢(shì)分布U(x)如圖160所示。
在操作中，離子脈沖被透鏡158聚焦成平行束，并且被板(159)轉(zhuǎn)向。該束以相對(duì)于X軸的較小角度，經(jīng)由入口窗口156，被引入到分離器151之中。離子沿著X軸經(jīng)歷多次反射，同時(shí)沿著Y軸緩慢漂移。在多次全轉(zhuǎn)向(每次全轉(zhuǎn)向由一對(duì)反射形成)之后，按照它們的m/z比、在時(shí)間上被分離，離子經(jīng)過出口窗口157離開分離器。全轉(zhuǎn)向的次數(shù)取決于注入角度，二者均可由轉(zhuǎn)向板上的電勢(shì)來(lái)調(diào)整。
靜電鏡被設(shè)計(jì)為與篩(griddle)TOF中的鏡相似，這是本領(lǐng)域中所公知的。作用于鏡電極的靜電電勢(shì)被調(diào)節(jié)為滿足空間聚焦和飛行時(shí)間聚焦的條件。圖160示出了軸電勢(shì)分布U(x)的類型，其滿足這些要求。為了提供沿著Z方向的空間聚焦，每個(gè)靜電鏡153形成具有焦點(diǎn)的透鏡，該透鏡位于靠近自由飛行區(qū)域的中央平面(如虛線所示)。離子束(線條159)在入口窗口156開始作為平行束。在右側(cè)鏡中的第一反射之后，光束被聚焦到中間平面的某點(diǎn)之中。注意，所有離子的聚焦在附圖上被表示為與軸交叉的單個(gè)離子軌道。在左手側(cè)鏡中的反射之后，該束被再次轉(zhuǎn)換成平行束。
按照本發(fā)明人利用SIMION程序所進(jìn)行的離子光學(xué)仿真，特定TOF1 151中的空間聚焦在至少第一階次中與飛行時(shí)間聚焦相兼容，即飛行時(shí)間對(duì)于初始能量和對(duì)于正交位移的第一導(dǎo)數(shù)是等于零的。如果僅初始空間擴(kuò)展在TOF1寬度的5％之下，并且角度擴(kuò)展在2度以下，則離子束保持受限。對(duì)于3％之下的能量擴(kuò)展度，TOF1的飛行時(shí)間分辨率超過10,000。在脈沖從線性存儲(chǔ)四極中噴射出之后，這樣的初始條件對(duì)于被加速到近似30電子伏特的離子束來(lái)說(shuō)是現(xiàn)實(shí)的。
與其他實(shí)施例相比，在相對(duì)較高能量(30至100eV)下的操作在TOF1中需要更長(zhǎng)的離子路徑(30至100m)，以在TOF1中實(shí)現(xiàn)毫秒時(shí)標(biāo)的分離。離子路徑可易于延伸，因?yàn)門OF1設(shè)計(jì)及其靜態(tài)操作的復(fù)雜性較低。具有近似20次全離子轉(zhuǎn)向的1m長(zhǎng)的儀器對(duì)應(yīng)于至少50m的有效飛行路徑。
圓柱形多路TOF1參見圖16，本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例呈現(xiàn)了一改型的靜電多路分離器，其通過將二維場(chǎng)折成圓柱形場(chǎng)來(lái)形成。在該實(shí)施例中，為了緊湊設(shè)計(jì)的目的，對(duì)于所謂的圓柱形多路分離器(161)，每個(gè)拉長(zhǎng)的電極被轉(zhuǎn)換成一對(duì)共軸圓柱體(內(nèi)部和外部的)。分離器161包括由圓柱體(162，163)形成的自由飛行通道；和兩個(gè)靜電鏡，由聚焦圓柱體(164)和反射體圓柱體(165)組成。自由飛行通道162的外部圓柱體162具有入口和出口窗口(166)，其配備有偏轉(zhuǎn)器(170)。脈沖離子束經(jīng)由空間聚焦透鏡(167)，經(jīng)由一組轉(zhuǎn)向板(168)，經(jīng)過入口窗口166和偏轉(zhuǎn)器170，被引入到分離器161之中。離子路徑如線條(169)所示。
在操作中，圓柱體分離器與上述的二維靜電多路分離器很相似。離子被強(qiáng)制在鏡之間進(jìn)行多次反射，同時(shí)被透鏡電極空間聚焦。為了在軌道的相同半徑附近保持離子，附加電勢(shì)被作用于外部和內(nèi)部圓柱體162和163之間。徑向偏轉(zhuǎn)電勢(shì)還可作用于電極164和165的外部和內(nèi)部圓柱體之間。
離子的入口和出口可以多種方式來(lái)構(gòu)成。圖16B示出了利用后續(xù)的水平偏轉(zhuǎn)經(jīng)過裂縫形窗口166B引入離子的實(shí)例，其沿著X軸對(duì)準(zhǔn)離子束。為了減少邊緣場(chǎng)，偏轉(zhuǎn)器170B被網(wǎng)格包圍。圖16C示出了在整個(gè)圓柱形分析器中經(jīng)過分割切面沿著X軸引入離子的實(shí)例。離子束在被板170C水平偏轉(zhuǎn)之后被注入到分析器之中。場(chǎng)變形通過利用雙面PCB來(lái)最小化，其在切面之內(nèi)是等電勢(shì)的，并且在朝向圓柱形分析器的一側(cè)上具有分布電勢(shì)。建議將上述的慢速靜電多例分離器與前述的脈沖離子源、分裂單元和快速第二TOF進(jìn)行各種組合，用于本發(fā)明的綜合串行TOF光譜儀中。
顯而易見，TOF1分離器的所示實(shí)例，其包括具有RF約束的分離器、旋束管和靜態(tài)多路分離器，并未窮舉TOF1的所有功能，其提供延長(zhǎng)的時(shí)間分離，同時(shí)保持離子束，這些實(shí)例僅證明本發(fā)明的綜合串行TOF質(zhì)譜儀的一般方法的可行性。
實(shí)現(xiàn)的效果本發(fā)明的上述綜合串行TOF光譜儀與現(xiàn)有的TOF-TOF質(zhì)譜儀相比，獲得了分析速度和靈敏度。其改進(jìn)是通過利用首次應(yīng)用于串行TOF的時(shí)間嵌套采集原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)自離子源的離子脈沖可被完全利用，并且多個(gè)母離子在單個(gè)源脈沖中被分析。與也利用了時(shí)間嵌套采集的最接近原型IMS-TOF相比，本發(fā)明還改善了MS-MS信息的速率。該改進(jìn)是通過在母離子分離步驟中獲得更高分辨率、由此對(duì)更復(fù)雜的混合物提供分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
LC-LC-MS-MS串行MS-MS分析的更高速度開放了將多級(jí)液相分離與實(shí)際時(shí)標(biāo)下的串行MS分析相聯(lián)系的機(jī)會(huì)。這樣的分離技術(shù)可包括親合分離、液相色譜(LC)和毛細(xì)電泳(CE)。數(shù)分鐘時(shí)標(biāo)下的高速LC和CE分離在LC-MS分析中變成例行程序。然而，LC-MS-MS分析通常由于MS-MS級(jí)的低速而有所減緩，而不再是引入本發(fā)明的綜合TOF-TOF方法和設(shè)備之后的情形。
已經(jīng)描述了組合有用元件的優(yōu)選實(shí)施例和一些實(shí)例，現(xiàn)在對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員變得明顯的是，可使用并入了這些概念的其他實(shí)施例。因此可認(rèn)為，這些實(shí)施例不應(yīng)當(dāng)限定于所公開的實(shí)施例，而應(yīng)當(dāng)僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍來(lái)限定。在權(quán)利要求書中，離子流動(dòng)正交TOF被認(rèn)為是最接近的原型。
權(quán)利要求
1.一種串行質(zhì)譜儀，包括順序連接的脈沖離子源、母離子分離器、分裂單元、第二飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF2)和為多個(gè)母離子采集碎片質(zhì)譜的時(shí)間嵌套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中，為了改善母離子分離的分辨率，所述母離子分離器是飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，以及其中，對(duì)于相同質(zhì)荷比的離子，所述TOF1中的飛行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于經(jīng)過所述分裂單元的通過時(shí)間和所述TOF2中的飛行時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF1中的飛行時(shí)間比所述TOF2中的飛行時(shí)間大至少10倍。
3.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF1中的平均離子能比所述TOF2中小至少100倍。
4.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，該脈沖離子源是具有從真空直至0.1毫巴的氣壓的MALDI離子源。
5.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，該脈沖離子源包括脈沖操作射頻(RF)存儲(chǔ)裝置和連續(xù)離子源，該連續(xù)離子源選自于由電噴射源、填充有10毫托和1個(gè)大氣壓之間氣壓下的氣體的MALDI離子源、電子碰撞離子源、具有化學(xué)電離的電子碰撞離子源或具有光學(xué)電離的離子碰撞離子源組成的列表，離子從任一所述離子源中被連續(xù)提供，以進(jìn)行積累，并且從所述存儲(chǔ)裝置中脈沖噴射而出。
6.如權(quán)利要求5所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述存儲(chǔ)裝置包括至少一個(gè)僅僅RF的線性多極，且補(bǔ)充有至少一個(gè)DC電極，用于建立非零軸向電場(chǎng)的。
7.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF1包括僅僅RF的線性多極，該線性多極被具有軸向二次電場(chǎng)的兩個(gè)脈沖鏡包圍。
8.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF1包括二維的僅僅RF的離子隧道，所述隧道被具有二次電場(chǎng)的二維DC鏡包圍。
9.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF1包括其間作用有DC電壓的至少一對(duì)共軸電極，以及其中，離子在所述電極之間相對(duì)于它們的軸成一角度被注入。
10.如權(quán)利要求9所述的串行質(zhì)譜儀，其中，經(jīng)過由雙面印刷電路板所形成的切面邊界，離子進(jìn)入和退出所述電極之間的間隙。
11.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF1是平面多路靜電TOF，其包括二維自由飛行通道和兩個(gè)由聚焦和反射電極組成的平面聚焦靜電鏡。
12.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF1是圓柱形多路靜電TOF，其包括至少一對(duì)具有徑向偏轉(zhuǎn)的共軸圓柱體和兩個(gè)由共軸圓柱體組成的聚焦靜電鏡。
13.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，包括所述TOF1和所述分裂單元之間的附加定時(shí)閘，其能夠僅僅在多個(gè)狹窄時(shí)間窗口之內(nèi)傳送離子。
14.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，注入到所述分裂單元之中的離子的能量通過所述TOF1和所述分裂單元之間的靜電偏移量來(lái)調(diào)整；該偏移量可在TOF1分離期間被調(diào)整，以提供對(duì)于母離子最為適宜的、大約50V/kD的基于質(zhì)量的離子能。
15.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述分裂單元是碰撞引致裂解(CID)單元，其填充有氣體和包括至少一個(gè)僅僅RF的多極，且補(bǔ)充有至少一個(gè)DC電極。
16.如權(quán)利要求13所述的串行質(zhì)譜儀，其中，通過利用長(zhǎng)度小于1cm的短單元、100毫托以上的高氣壓，減少離子包在所述CID單元之內(nèi)的時(shí)間擴(kuò)展。
17.如權(quán)利要求13所述的串行質(zhì)譜儀，其中，為了時(shí)間壓縮，碰撞單元利用軸向DC場(chǎng)的調(diào)制，將碎片離子存儲(chǔ)于該單元之內(nèi)，并且噴射與TOF2脈沖同步的脈沖束。
18.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述分裂單元包括脈沖時(shí)間和空間聚焦透鏡、以及涂布有氟烴單層的靶。
19.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，TOF2是具有正交時(shí)間注入的TOF MS(o-TOF MS)。
20.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，所述TOF2包括高電流檢測(cè)器和瞬態(tài)記錄器。
21.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，該TOF1中的時(shí)間分離分辨率通過任一下述方式來(lái)增強(qiáng)利用該TOF1中的多次反射，利用長(zhǎng)于1m的TOF1，利用具有多個(gè)狹窄時(shí)間窗口的所述定時(shí)閘，該TOF1的任一反射體沿著離子路徑形成二次電勢(shì)分布。
22.如權(quán)利要求1所述的串行質(zhì)譜儀，其中，附加串連檢測(cè)器被安裝在TOF1之后的任一處。
23.一種綜合的MS-MS分析方法，包括如下步驟
24.具有各種質(zhì)荷比(M/Z)的多個(gè)母離子從脈沖離子源中脈沖噴射；
25.時(shí)間分離在第一時(shí)間分離器之內(nèi)的母離子；
26.分裂時(shí)間分離的離子；
27.質(zhì)量分析第二飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF2)之內(nèi)的碎片離子；
28.無(wú)需混合不同母離子的碎片光譜，與每單個(gè)離子脈沖的多個(gè)母離子相對(duì)應(yīng)，對(duì)碎片質(zhì)譜進(jìn)行時(shí)間嵌套采集，
29.其中，為了改進(jìn)MS-MS分析的靈敏度和吞吐量，所述時(shí)間分離在飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(TOF1)之內(nèi)發(fā)生，以及其中，所述母離子分離的時(shí)間明顯超過所述分裂的時(shí)間和所述碎片質(zhì)量分析的時(shí)間。
30.所述綜合的MS-MS分析方法，其中，所述TOF1中的所述飛行時(shí)間比所述TOF2中至少大10倍。
31.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，該離子脈沖在具有從真空直至100毫托的氣壓的MALDI離子源中產(chǎn)生。
32.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，所述離子脈沖由來(lái)自存儲(chǔ)四極的脈沖噴射形成，同時(shí)離子從連續(xù)離子源被引入到該存儲(chǔ)四極中，該連續(xù)離子源選自于由電噴射源、填充有10毫托和1個(gè)大氣壓之間氣壓下的氣體的MALDI離子源、電子撞擊離子源、具有化學(xué)電離的電子碰撞離子源或具有光學(xué)電離的電子碰撞離子源。
33.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，母離子的所述時(shí)間分離在二次DC場(chǎng)中發(fā)生，以及其中，所述TOF1中的離子能比所述TOF2中至少小100倍。
34.如權(quán)利要求26所述的MS-MS分析方法，其中，母離子在二次DC場(chǎng)中的所述時(shí)間分離是借助于在與DC場(chǎng)正交的至少一維范圍中約束射頻場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
35.如權(quán)利要求27所述的MS-MS分析方法，其中，僅僅RF的場(chǎng)中的所述離子約束是沿著一個(gè)軸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，離子從該RF場(chǎng)區(qū)域的一端被注入，并且在脈沖二次DC場(chǎng)中的多次反射之后在另一端被釋放。
36.如權(quán)利要求27所述的MS-MS分析方法，其中，僅僅RF的場(chǎng)的母離子約束是沿著二維平面來(lái)實(shí)現(xiàn)的；相對(duì)于與DC場(chǎng)的梯度平行的TOF1軸，以小角度注入離子；離子在DC場(chǎng)中經(jīng)歷多次反射，同時(shí)在正交方向上向RF場(chǎng)的出口緩慢漂移。
37.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，母離子的所述時(shí)間分離在靜電場(chǎng)中發(fā)生，以及其中，該第一飛行時(shí)間分離器中的所述離子能比在所述第二飛行時(shí)間質(zhì)譜儀中至少小10倍，以及其中，所述第一飛行時(shí)間分離器中的所述有效飛行路徑比在所述第二飛行時(shí)間質(zhì)譜儀中大至少30倍。
38.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，母離子的所述時(shí)間分離在一對(duì)共軸電極所建立的靜電場(chǎng)中發(fā)生，以及其中，相對(duì)于電極軸，以一角度將離子注入到所述靜電場(chǎng)之中，以及其中，所述靜電場(chǎng)在邊界處的擾動(dòng)被雙面印刷電路板減少。
39.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，母離子的所述時(shí)間分離在平面自由飛行通道和平面聚焦篩離子鏡所形成的平面靜電場(chǎng)中發(fā)生；離子相對(duì)于TOF1軸以小角度來(lái)注入，并且在鏡之間經(jīng)歷多次反射。
40.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，母離子的所述時(shí)間分離在多對(duì)共軸圓柱體所形成的圓柱形靜電場(chǎng)中發(fā)生；在至少一對(duì)中施加徑向場(chǎng)；圓柱體之間的圓柱形場(chǎng)與權(quán)利要求32的場(chǎng)相似；離子相對(duì)于TOF1軸以小角度來(lái)注入，并且在鏡之間經(jīng)歷多次反射。
41.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，在將離子提交到所述分裂步驟之前，通過采樣多個(gè)狹窄時(shí)間窗口，增強(qiáng)TOF1中的時(shí)間分離分辨率。
42.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，所述分裂以如下處理中的一種處理實(shí)現(xiàn)在與氣體的能量碰撞中、在與表面的碰撞中、在光的作用下。
43.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，所述分析在兩個(gè)步驟中進(jìn)行步驟1，在利用通路模式下的TOF1的同時(shí)，在TOF2中采集母體質(zhì)譜；步驟2，對(duì)應(yīng)于有用母離子的到達(dá)，在碰撞單元前面，對(duì)狹窄時(shí)間窗口采樣，并且僅僅為這些時(shí)間窗口采集碎片光譜；基于來(lái)自步驟1測(cè)量的母體質(zhì)量，在飛行中選擇所述時(shí)間窗口。
44.如權(quán)利要求23所述的MS-MS分析方法，其中，從全部的MS/MS數(shù)據(jù)集中重構(gòu)“母體掃描”，即具有預(yù)定碎片離子集的母離子的光譜。
45.一種LC-MS-MS分析或LC-LC-MS-MS分析方法，其中，溶劑的流動(dòng)從LC中被連續(xù)引入到權(quán)利要求1的串行質(zhì)譜儀之中，并且利用權(quán)利要求21至37中所述的方法，采集MS-MS數(shù)據(jù)。
全文摘要
為了提供綜合(即快速和靈敏)的MS－MS分析，發(fā)明人采用使用兩個(gè)飛行時(shí)間(TOF)質(zhì)譜儀的時(shí)間嵌套分離。母離子在工作于低離子能(1至100eV)下的慢速和較長(zhǎng)TOF1中被分離，碎片離子在工作于高得多的keV能量下的快速和較短TOF2中被質(zhì)量分析。TOF1和TOF2之間的低能分裂單元被設(shè)計(jì)為主要通過縮短單元和利用較高的氣壓，來(lái)加速分裂和阻尼步驟。由于TOF1中的分離需要毫秒時(shí)間，TOF2中的質(zhì)量分析需要微秒時(shí)間，所以本發(fā)明提供了在每單個(gè)離子脈沖進(jìn)行多個(gè)前體離子的綜合MS－MS分析。利用引入新穎的TOF1分析器，TOF1中的慢速分離變得可能。TOF－TOF可利用靜態(tài)TOF1來(lái)實(shí)施，這里與旋束管、具有篩空間聚焦離子鏡的平面和圓柱形多路分離器相關(guān)地描述了靜態(tài)TOF1。利用新穎的混合TOF1分析器，其組合了射頻(RF)和二次DC場(chǎng)，可期望更佳性能。RF場(chǎng)在TOF1分析器之內(nèi)保持低能離子，同時(shí)二次DC場(chǎng)通過補(bǔ)償相對(duì)大的能量擴(kuò)展度來(lái)改善分辨率。
文檔編號(hào)H01J49/10GK1689134SQ03821954
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2003年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月16日
發(fā)明者阿納托利·N.·韋倫奇克沃 申請(qǐng)人:力可公司